JPH08278281A - 電界効果型化学物質検出装置およびそれを用いたｄｎａ配列決定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】選択性電界効果型化学物質検出素子の検出感度
を向上させ、処理速度の速いＤＮＡ配列決定装置を提供
する。 【構成】イオン選択性電界効果電極のチャネル幅を擬１
次元的にまで短くする。さらにチャネルとなる細線の長
手方向に伝導電子（正孔）の受けるポテンシャルが変調
するような構造をとる。このイオン検出素子を用いて端
から分解されたＤＮＡ構成要素の種類を順次検出するこ
とによってＤＮＡの配列を決定する。 【効果】Ｓ／Ｎ比は、移動度の高い細線の場合にはチャ
ネル幅の比の平方根に比例して向上し、細線中にポテン
シャルの変調がある場合はその平均的な周期とチャネル
幅の比に比例してさらに向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶液中もしくは気体中の
化学物質を高感度で検出できる電界効果型化学物質検出
装置およびそれを用いたＤＮＡ配列決定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、電界効果型化学物質検出素子はイ
オン選択性電界効果型電極を利用したものが知られてい
る。これはトランジスタ（ＦＥＴ）のゲート部に検出す
べきイオンと選択的に反応する感応膜を塗布した構造を
持っていることを特徴としている［文献１アイ・イー・
イー・イー トランザクションズ オン バイオメディ
カル エンジニアリング(IEEE Trans. Biomed)７０巻１
号(１９７０)，１３８８−１３９５参照］。またＤＮＡ
配列決定装置は、電気泳動と特定の塩基のところでＤＮ
Ａを切る酵素を利用したものが知られている［文献２：
プロシーディングオブ ザ ナショナルアカデミー オ
ブ サイエンシーズ オブ ザ ユー・エス・エイ(Pro
c. Natl. Acad. Sci.)７４巻１２号１９７７),５４６３
−５４６７参照］。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】電界効果型化学物質検
出素子の問題点は検出感度向上に技術的制限があること
である。この検出素子では、図１に示すように、感応膜
が塗布された絶縁膜１０５は小さいほど感度は良くなる
が、その大きさはリソグラフィーの技術による制限があ
る。このため検出感度にも制限が生じる。またＤＮＡ配
列決定装置については、一度に決定することのできる配
列の長さは数百塩基に制限され、しかも一つの装置の中
で並列に処理できるＤＮＡの数も数十に制限されている
という欠点を持ち、このことから処理に時間がかかりす
ぎるという問題がある。従来の技術での処理速度は、１
時間に数万塩基程度である。

【０００４】本発明の目的は検出感度のリソグラフィー
からの制限を緩和し、検出感度を向上するとともに、こ
れによって常温もしくはそれ以下の温度で１価のイオン
まで検出可能な電界効果型検出素子を提供することにあ
る。

【０００５】本発明の第二の目的は検出感度のリソグラ
フィーからの制限を緩和し、検出感度を向上するととも
に、これによって常温もしくはそれ以下の温度でイオン
化されていない１分子または１原子まで検出可能な電界
効果型検出素子を提供することにある。

【０００６】本発明の第三の目的はクーロンブロケード
効果を利用してさらに検出感度を向上させた電界効果型
化学物質検出素子を提供することにある。

【０００７】本発明の第四の目的は一度に並列に処理す
ることのできるＤＮＡ一本鎖の種類の数と塩基配列の数
に対する制限を取り除く方法および単位時間あたりに決
定できる塩基の数を多くする方法を安価で取り扱いやす
い大きさの装置に対して実現し、提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
表面に形成した細線状に電子もしくは正孔の流れるチャ
ネル層と、細線状の前記チャネル層の両端にそれぞれの
細線について独立に、もしくは何本かまとめて形成した
電極と、前記チャネル層の伝導性を変化させる手段とを
含んだ構成とすることにより検出感度の向上した電界効
果型化学物質検出装置が提供される。

【０００９】本発明によれば上記検出素子において細線
を流れる荷電粒子が受けるポテンシャルが周期的もしく
はランダムに変化しており、伝導に寄与する粒子にとっ
て古典的には存在し得ない領域によって細線があちこち
で分断されているように構成された細線を持つことによ
ってさらに検出感度を向上させた素子が提供される。

【００１０】本発明によれば、一本鎖のＤＮＡを図８の
８０３で示した管の中に電界を使って引き込む手段を設
ける。この時、溶媒中のＤＮＡ濃度は１０^−１１ Ｍ以
下の状態にしておく。そうすることによってＤＮＡを統
計的に１分子ずつの図８の８０３の奥の方（図の右の
方）へ誘導することが可能となり、そのための手段を設
ける。

【００１１】この１分子のＤＮＡを図８の８１２の領域
に誘導し、この領域に固定化されたエクソヌクレアーゼ
活性のあるＤＮＡ分解酵素で、このＤＮＡを３′or５′
末端から分解する。分解されたＤＮＡは順番に時間の遅
れを持ってさらに図の右の方に誘導されるため、ある程
度の空間的に隔たりを持った状態で領域８１３に送られ
る。ここに分解されたＤＮＡの塩基の種類を検出する手
段を設け、領域８１２に保持されたＤＮＡ塩基配列を決
定する。このことによって一度に決定することのできる
ＤＮＡの塩基数に対する制限がないＤＮＡ配列決定装置
を提供することができる。

【００１２】特定の種類のＤＮＡが管８０３に誘導され
る図８に示した一組のＤＮＡ配列決定装置（ユニット）
を幾つも並べるとことによって並列に処理することので
きる分子の数についての制限がなく、またこのユニット
自体の寸法が小さく、異なるユニットの設置はほぼ独立
であるため装置全体もあまり大型にならなく一定時間に
決定することのできる配列数が非常に多いＤＮＡ配列決
定装置を提供することができる。

【００１３】

【作用】図１に従来のイオン選択性電界効果型電極を用
いた検出素子の概略図を示す。イオン選択性電界効果型
電極を用いた検出素子では感応膜がイオンと接触すると
感応部表面電位が変化し、この変化をソース・ドレイン
の二つの電極間を流れる電流の変化として検出する。本
発明では図２（ａ）で示すように、チャネル層が細線で
構成されているため、イオン感応部でイオンは位置を変
えずに保持されたイオンの担体との間のキャパシタンス
は小さくなる。たとえばチャネルの幅が１／Ｎになった
とすると、キャパシタンスは約１／Ｎになる。この時同
時に細線の抵抗はＮ倍になっており、雑音が細線の抵抗
の作る白色雑音から来るとするとＳ／Ｎ比（信号／雑
音）はソース・ドレイン間の電流を信号とするとき√Ｎ
倍になり感度が向上する。

【００１４】さらに細線がその長手方向に周期的もしく
は非周期的に伝導電子の受けるポテンシャルが変調して
おり、伝導電子は細線中で島状に分布しており、この島
と島の間を電荷が熱的励起もしくはトンネリングによっ
て通過することによって電流が生じているような構造を
有する細線で素子が構成されることによって、この島の
大きさが従来の２次元のチャネル層を持つ素子の１／Ｍ
であったとするとイオンの担体との間のキャパシタンス
は１／ＮＭ倍となる。するとＳ／Ｎ比は上記と同様にＭ
×√Ｎ倍になる。このような構成例を図２（ｂ）に示
す。

【００１５】また２次元チャネルを細線に分割すること
によってもイオン濃度がある程度高く各細線それぞれが
同様に感応する場合は、細線の幅と細線間のスペースの
比の平方根だけ感度の向上が期待される。

【００１６】さらに細線中にある島に着目してその両端
のポテンシャルの高い部分をトンネル接合（３０１，３
０２）、島とイオン担体の間の絶縁膜をゲートキャパシ
タ（３０３）と見ることができ、細線の一部分を取り出
してみると図３（ａ）のような回路になっている。いま
イオン担体と島の間のキャパシタンスが十分小さくな
り、（１／Ｃ１＋１／Ｃ２＋１／Ｃｇ）ｅ＾２／２＞ｋ
Ｔ（ｋ：ボルツマン定数，Ｔ：絶対温度，ｅ：電荷素
量）が成立しているとすると、クーロンブロッケード効
果によりさらに感度が向上する。

【００１７】図３の３０６のように微小な電荷によるゲ
ート電極の電位の変化に対するソース・ドレインの変化
の比は利得ｇｍである。また量子力学によれば十分小さ
くなった島の中の電子の準位は離散的で小さなゲート電
圧の変化に対しては十分な利得はとれない（３０４）。
しかし十分小さな島では島間および島とイオン担体との
間のキャパシタンスが十分小さくなって、クーロンブロ
ッケード効果によりゲートの電位がある値から少しずれ
ただけで電流がｆ×ｅ（ｆ：伝導に寄与する電子が一つ
の島から隣の島に遷移するまでの平均の時間）だけ変化
する。これによってゲート電位がある特定の値に対して
は実効的に利得が大きくなったのと同じ効果が得られる
（３０５）。これによって同様にＳ／Ｎ比はｒ×Ｍ×√
Ｎ倍（ｒは古典的描像とクーロンブロッケード効果を入
れた場合との利得の比）になる。また検出すべき原子も
しくは分子と反応してイオンを生成する化学物質を含む
層をイオン感応膜の上に構成することによって特定の中
性粒子についてはイオンと同様の高い感度で検出するこ
とが可能である。

【００１８】高感度のイオン検出素子を利用してＤＮＡ
の１次構造の決定をすることができる。

【００１９】図８の８０３で示した管の中に一本鎖のＤ
ＮＡを取り込み、統計的にほぼ１分子ずつ右の方へ輸送
しなければならない。さらに酵素が固定されている領域
に一本のＤＮＡ分子を保持し、他のＤＮＡ分子はこの領
域に来ないようにしなければならない。これを実行する
ために二つ以上の電極を図９のような構造で配列するこ
とによって管８０３中の電位分布を変化させる。

【００２０】まず、図８について８１１の領域での電位
分布の変化のさせかたについて説明する。分子量１０＾
５のＤＮＡ分子の移動度は１０＾(−５)(cm＾２sec＾
(−１)V^(−１)) 以下である。それ故１秒間に管８０３
の入り口に入射する分子の数は溶液濃度を１０＾(−１
１）Ｍとして、電界がＥ＝１Ｖcm＾(−１)のとき６.０
×１０＾(−２)個以下である。ここで入り口を１μｍ×
１μｍとした。またこの設定では熱運動を無視してい
る。

【００２１】今、管８０３に入って来るＤＮＡ分子の数
をさらにコントロールするために、管８０３の入り口付
近に配置された二つ以上の電極で図９の領域８１１での
電位分布を、ＤＮＡ分子を導きたいときには、図１０の
（ａ），（ｂ）両図において、実線で示された分布に、
導きたくないときには、点線で示された分布にする。実
際にはＤＮＡ分子を導きたいときでも実線の電位分布と
点線の電位分布は交互に周期的に切り替える。１周期の
中で実線と点線の時間の割合について実線の方を少なく
することによって事実上いくらでも管８０３に入射する
分子の数を減らすことができる。

【００２２】われわれの目的は管８０３の中の領域８１
２に１分子のＤＮＡを保持することであるから、最初に
１分子のＤＮＡが領域８１２に入ったら他の分子はこの
812の領域には入ってこないようにブロックしなくては
ならない。なぜなら、この領域で分解された１分子のＤ
ＮＡについての配列を図８のこの領域より右の方で実行
し、ヌクレオチドに分解される時間の遅れを利用して配
列（一次構造）を決定するからである。

【００２３】実際には、あるＤＮＡ分子が領域１１２の
領域に入って３もしくは５末端のヌクレオチドが分解さ
れてさらに右の方へ輸送されていき、この分解されたヌ
クレオチドからの信号が来るとすぐに新たに領域８１２
に１分子たりとも一本鎖DNAが入ってこないようにブロ
ックする。うまく検出できるためには領域８１２への平
均１分子一本鎖ＤＮＡ到来時間間隔は領域８１２から領
域８１３の検出素子のある領域まで分解された塩基がド
リフトする時間よりもずっと大きくなければならない。
このような状況は上述の電極構成で実現することができ
る。

【００２４】さらに領域８１１の途中でＤＮＡ分子が壁
面に吸着されたとしても別に問題はない。領域８１３に
ある素子からの信号が来るまで領域８１２にＤＮＡ分子
を呼び込めばよい。しかし分子が領域８１２に入って信
号が出され初めてからその領域の壁面に分子が（一本鎖
も分解されたヌクレオチドも）吸着されてしまうことは
致命的に良くない。

【００２５】上記のＤＮＡのブロックは電極を利用して
次のように行う。図１０のグラフで下のグラフのような
電位分布とし、かつ入り口からさらに分子が入ってこな
いように点線の電位にする。図１０の下のグラフで示し
た電位分布では８１２の領域では１分子一本鎖ＤＮＡは
電場が弱くて、この領域に固定化された高分子にひっか
かってほとんど動くことができない。しかし高分子に結
びつけられた多数のＤＮＡ分解酵素によって分解された
ヌクレオチドは速やかにさらに奥にドリフトしていくこ
とができる。このＤＮＡ分解酵素はエクソ活性を持つよ
うにしておき、一本鎖のＤＮＡの３もしくは５末端から
分解していく。そうすると現在知られている分解酵素で
はドリフトを開始する時間について１秒程度の時間の遅
れが隣りあうベースの間に生じる。この時間の差は管８
０３をドリフトさせるときには空間的な隔たりとして現
れる。

【００２６】あとに示すように、一つ一つのヌクレオチ
ドは４種類のＤＮＡが固定化された領域を通過すること
によって管８０３をドリフトしてきたベースが４種類の
内どれであるのかを判定する。そして誤って判定する確
率を下げるために、この４種類で１セットのものを管８
０３に沿って幾つか並べる（現在の細線を作る技術では
ＳＥＴもしくはテレグラフノイズ信号を検出するために
はある程度細線は短くなければならない）。そして順番
に分解されたベースを順序よく検出するために４種の１
セットの領域を通過する時間は分解の時間差よりもずっ
と大きいものにしておく。これによって熱および量子的
な揺らぎによって一本鎖ＤＮＡのある連続する二つのペ
プチド結合が平均的な分解間隔よりも短い（長い）間隔
で分解したとしても正しく読めるようにする。

【００２７】次に一つのヌクレオチドの種類を検出する
仕組みを示す。図１１がその検出するための１セットで
あり、アデニン（Ａ）が固定化された領域と書いてある
ところに図１１のように一本鎖のＤＮＡを曲げて先端に
チミン（Ｔ）が相補的に結合するように固定化する。こ
うすることによって、スッタキングの効果により、より
安定にチミンが相補的に結合する。このＤＮＡが固定化
された領域の真下には３ｎｍ程度の薄膜のＳｉＯ₂ 層を
挟んで乱れた細線もしくはトンネルキャパシタが直列に
繋がっているとみなせる細線が配置されている。

【００２８】いまこの細線には微小な電流をいつも流し
ておく。そしてたとえばチミンが固定化されるとその持
っているリン酸イオンの電荷による電界のためにクーロ
ンブロッケードが起こり、電流が大きく下がる。基本的
にはこのことを塩基の種類の識別に利用する。今、溶液
中のイオン濃度を１ｍＭの程度にしておく。そうすると
リン酸イオンの電荷はあまり遮蔽されずに細線の電流に
影響を及ぼす。

【００２９】しかし溶液中の他のイオンからの信号や間
違って相補的でない塩基からの信号を取り除くことが必
要である。この問題を解決するためのいくつかの工夫を
以下で説明する。

【００３０】まず管１０３の長手方向、ＤＮＡが固定化
された面に近いところに塩基間のすべての水素結合の共
鳴エネルギを含むスペクトルを持つレーザ光が入射でき
るようにしておく。さらにこのレーザ光を周期パルス的
に入射させる。今分解された塩基は管の中の上下方向の
調整された弱い電場によってＤＮＡ固定面近傍を図４の
中の右の方にドリフトしている（図１２）。塩基が固定
化されたＤＮＡと水素結合をしたときにも周期的に入射
するパルスレーザによって完全に上記水素結合が切られ
る。

【００３１】レーザが入射していないとき電流信号が落
ちてかつレーザパルスが入射されているとき電流信号が
回復する信号のみを塩基からの信号として取り出し、レ
ーザの入射周期に無関係に変動する電流信号は無関係な
信号として取り出さない。すなわち、周期的に入射する
パルスレーザの入射時刻に動機した適当な量の正の電流
の時間微分が検出される時にＤＮＡからの信号がきたと
する。分解された塩基は適当な速度で図の右の方にドリ
フトさせて一つの塩基から数百から数千の信号が出るよ
うにする。このような方式でどのくらい誤って信号を出
力するかの確率を評価すると次のようになる。

【００３２】評価に用いた条件 ドリフト速度３.６×１０^-4cmsec^-1 Ｅ＝０.１Ｖ／cm 細線の幅＝０.１μｍ，細線の長さ＝１μｍ，管１０３
の幅＝１μｍ イオン濃度０.１ｍＭ 固定化したＤＮＡの近傍（数ｎｍ）に自由な分解された
塩基がいるときそれらが水素結合する確率＝１.６％ パルスレーザの周期＝１μsec このとき本発明が正しく塩基の種類を判定するならば、
例えば、アデニンがドリフトしてきた場合には図１５に
示したようにＴを固定化した領域からの信号の数は他の
三つの領域からの信号の数よりも多いはずである。ここ
で信号の数の分布がポアソン分布に従うとする。また、
ある一つの領域からの信号の数が他の領域からの信号の
数よりも２０個多い場合にその一つの領域の固定化され
たＤＮＡに相補的に結合する塩基が来たものとする。こ
のとき正しい回答をシステムが出力する確率は１セット
（４種類の素子）で検出部が構成されているときには図
１６に示した計算式から計算されるように１.０−１.３
×１０＾(−６)となる。それゆえこの検出部セットを５
セット用意して直列に接続すればシステムが間違った答
えを出す確率は大凡１０＾(−１１)のオーダになる。

【００３３】また管８０３の中を所望の速度で１分子Ｄ
ＮＡを輸送する方法としては次の方法が考えられる。こ
の場合も図９でＤＮＡ分子は左から右に輸送するとす
る。今図９の９０２で示した電極にかけられる電圧は周
期的に振動しており、位相が右に行くほど少しずつ遅ら
せてある。さらにＤＮＡ分子の取り込み口にもっとも近
い一番左の電極は他の電極の周期の（大きな）自然数倍
になっておりほとんどの時間の間はＤＮＡ分子が近寄ら
ないような電位を与えられているとする。このようにす
ることによって１分子のＤＮＡの輸送速度と分子の管８
０３への取り込み確率を独立にコントロールすることが
できる。

【００３４】

【実施例】

（実施例１)図４に素子の構造を示す。ｐ型Ｓｉ基板４
０２上にソースおよびドレイン電極４０１とその間にＳ
ｉＯ₂ （４０５）を形成する。このＳｉＯ₂ とＳｉ基板
の間にはＤ形ｎチャネル４０３ができるようにする。さ
らにその絶縁膜４０５上には細線を作るための電極４０
４を形成し、チャネル４０３直上の４０６の部分はＳｉ
Ｏ₂ 表面が露出しておりＨ＾（＋）選択性イオン感応膜
として働く。チャネル４０３を形成する細線の幅は０.
０５μｍ 、チャネル長は２μｍである。これを用いて
高感度のｐＨセンサを構成することができる。

【００３５】またＳｉＯ₂ 膜と電極４０４の間にＳｉＯ
₂ ，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｎａ₂Ｏ の３元素のＮＡＳガラス薄膜を
形成して、Ｎａ＾（＋），Ｋ＾（＋）選択性感応膜と
し、ｐＮａ，ｐＫセンサに利用することが可能である。
また、ＳｉＯ₂ 絶縁膜４０５をＳｉＯ₂ ，Ｓｉ₃Ｎ₄の２
重膜とし、４０５および４０４上に電荷透過性の有機薄
膜上にペニシリナーゼを固定化して高感度のペニシリン
検出器を得ることができる。レセプタに他の酵素を用い
ることによって様々な高感度酵素センサを実現すること
ができる。

【００３６】実際、チャネル幅が０.０５μｍ の細線か
ら構成されたｐＨセンサを作製したところ、チャネル幅
１μｍの従来のセンサに比べて４倍程度の感度の向上が
見られた。

【００３７】（実施例２）細線中の電子の受けるポテン
シャルが長手方向に変調されている構造の実施例を示
す。細線には０．０５μｍ幅 ，膜厚５ｎｍで、ノンド
ープのグレインサイズの小さい多結晶Ｓｉ細線を利用す
る（図７）。このＳｉグレインは直径の平均値が１０ｎ
ｍであり、５ｎｍ程度のばらつきがある。このばらつき
は量子化準位のばらつきをもたらし、そのばらつきは室
温における熱エネルギよりも大きい。それゆえ電流が流
れるチャネルは図７に示すようにほぼ１本である。それ
ゆえ、０.１μｍ の線幅の細線を形成することによって
実効的に１０ｎｍの線幅の１次元トンネル接合アレイを
形成したことになる。

【００３８】この細線は図５に示すように、ｐ型Ｓｉ基
板上５０１にＳｉＯ₂ 膜５０２を、高濃度ｎドープ多結
晶Ｓｉのソース・ドレイン電極５０１直下の領域で１μ
ｍ、チャネル直下の領域で５０ｎｍの膜厚で形成する
（図５ａ）。さらにＨ＾（＋）イオン選択性感応膜とし
て働くＳｉＯ₂ 膜を５０ｎｍデポする。その後、同図
（ｂ）のように５０６の領域にゲート電極を形成し、細
線チャネル５０４中のキャリア密度の制御に利用する。

【００３９】また図６のように細線を多重にしても、イ
オンを一つ一つカウントするのでなければほぼ同様の感
度の向上が得られる。

【００４０】実際にチャネル長１μｍの素子を作製した
ところチャネル幅１μｍの素子に比べて２２０倍程度の
感度の向上が見られた。クーロンブロッケードの効果を
用いてイオンのカウンティングを行うことができる可能
性が示された。実際には広い意味でのイオン選択性の精
度の悪さのためにカウントされる信号の大部分がＨ＾
（＋）イオン以外からの信号であり、カウンティングに
は課題を残した。

【００４１】また上記細線は、金コロイドを細線状に並
べることによって形成することもできる。

【００４２】（実施例３）一組の素子の断面図を図８に
示す。この素子の基本的な構成は前述の通りである。管
８０３は一辺１μｍの管とし、領域８１１から領域８１
２に通しての電極構成を図９に示す。検出部８１３は図
１１に示したとおりである。細線については実施例２と
同様多結晶Ｓｉを利用している。そしてこの細線の上に
固定化されたＤＮＡと結合したヌクレオチド上のリン酸
イオンによって、実効的なトンネル接合アレイによって
形成された細線を流れる電流に影響が与えられる。この
電流が一定時間の間に運ぶ電荷量の変化をみることによ
ってヌクレオチドの到来からくる電荷として検出するこ
とができる。ヌクレオチド以外からの誤り信号を押さえ
るために周期的に強度を変調し、かつ水素結合に共鳴す
る波長のレーザ光を８１３表面に照射してヌクレオチド
の解離時定数を周期的に変化させ、ロックイン検出を行
う。

【００４３】細線を流れる電流信号は、実際には基板上
に作り込まれた小さなコンデンサに一定時間（レーザパ
ルスの周期）で蓄えられる電荷量で検出する（図１
７）。

【００４４】次に製造方法についてであるが、大きく分
けてプロセスは三つに分けることができる。まず管８０
３より下の構造を形成する。これは普通のＳｉもしくは
化合物半導体のプロセスで行う。次にＳｉＯ₂ をデポし
て溝８０３を形成する。溝の中にはできる限り分子が吸
着しないような表面処理を行う。さらに光学顕微鏡で覗
きながら領域８１２の領域に高分子ゲルを固定する。例
えばゲルは、ポリアクリルアミドを用い、架橋剤はアク
リルアミド、変性剤はトりメチルエチレンジアミンを使
う。

【００４５】おおよそ０.１μｍ の径のゲルを溝のある
領域に置いて酵素をよく浸透させた後、余分なゲルを取
り除く。このときゲルが固定化される領域は数百ｎｍ程
度の長さの領域になり、余ったゲルが蓋をするときにじ
ゃまにならないように、ゲルをためる余分な溝を検出に
必要な溝の近くに適宜設ける。さらに、領域８１３に所
望のＤＮＡを固定化する。固定化に際して（図１３）は
光の照射された領域のみにＤＮＡを固定化する技術を用
いる。最後に別の基板で蓋をして圧着する。

【００４６】（実施例４）本実施例はヌクレオチド識別
装置で細線を並列に並べることによって検出感度を高め
た実施例である。実施例３で図１１に示されているヌク
レオチド検出部で、一つの種類のヌクレオチドが相補的
に結合するＤＮＡが固定化された領域の直下にある細線
を多数本にし、ヌクレオチドが輸送される配管の底面上
の細線の密度を向上させることによって正確に検出する
確率を向上させた。

【００４７】図１４に細線の配置を示す。この方式を採
用することによって細線幅０.０５μｍの細線を０.１μ
ｍ ピッチで６本並べたものを一組にし、これを三組、
管の底面に配置することによってヌクレオチドの検出効
率を４倍程度向上できた。

【００４８】

【発明の効果】イオン選択性電界効果型化学物質検出素
子の感度をチャネルに量子細線を用いることによって向
上することができる。

【００４９】またこの検出素子を用いて処理速度の速い
ＤＮＡ１次構造決定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のイオン選択性電界効果型化学物質検出素
子の説明図。

【図２】細線をチャネルに利用したイオン選択性電界効
果型化学物質検出素子の説明図。

【図３】ある条件下で成立する細線の一部に対する等価
回路図といろいろな条件での細線の示すゲート電圧に対
するソース・ドレイン電流の変化の説明図。

【図４】実施例１の説明図。

【図５】実施例２の説明図。

【図６】実施例２で細線を多重にした実施例の説明図。

【図７】多結晶Ｓｉ細線の説明図。

【図８】ＤＮＡ１次構造検出素子の説明図。

【図９】ＤＮＡ分子輸送のための電極の配置図。

【図１０】ＤＮＡ分子輸送のための電界の分布図。

【図１１】ヌクレオチドの種類の分別のための検出部の
説明図。

【図１２】ヌクレオチドの種類分別時の検出動作の説明
図。

【図１３】ＤＮＡ固定化の方法の説明図。

【図１４】実施例４の説明図。

【図１５】信号解析の時の特性図。

【図１６】ノイズの評価のための計算過程の説明図。

【図１７】検出回路のブロック図。

【符号の説明】

１０１…ソース（ドレイン）、１０２…Ｓｉ基板、１０
３…チャネル、１０４…ゲート電極、１０５…絶縁膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇佐川 利幸 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体表面に形成した細線状に電子もしく
   は正孔の流れるチャネル層と、細線状の前記チャネル層
   の両端にそれぞれの細線について独立に、もしくは何本
   かまとめて形成した電極と、前記チャネル層の伝導性を
   変化させる手段とを含むことを特徴とする電界効果型化
   学物質検出装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記導電性を変化させ
   る手段は、検出すべきイオンもしくは検出すべき化学物
   質によって２次的に発生したイオンあるいは電子を保持
   する層を持つことによって実現する電界効果型化学物質
   検出装置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記検出すべきイオン
   もしくは検出すべき化学物質によって２次的に発生した
   イオンあるいは電子を保持する層が、前記イオンあるい
   は電子と結合する絶縁性薄膜、あるいは絶縁性薄膜上に
   固定化された前記イオンと結合する化学物質で構成され
   る電界効果型化学物質検出装置。
4. 【請求項４】請求項１において、前記細線状のチャネル
   層に多結晶Ｓｉを利用した電界効果型化学物質検出装
   置。
5. 【請求項５】請求項１において、前記細線状のチャネル
   層に金属微粒子を一方向に並べたものを利用する電界効
   果型化学物質検出装置。
6. 【請求項６】一本鎖のＤＮＡもしくはそれを分解した構
   成要素を一定方向に導くための管状の構造と、前記一本
   鎖のＤＮＡを分解するための酵素を前記管状の構造の特
   定の領域に保持しておく機構と、前記管状の構造の内壁
   の一部に、半導体表面に形成した細線状に電子もしくは
   正孔の流れるチャネル層と、細線状の前記チャネル層の
   両端にそれぞれの細線について独立に、もしくは何本か
   まとめて形成した電極と、前記チャネル層の伝導性を変
   化させる手段とを含んで構成もされた電界効果型化学物
   質検出装置を用いたことを特徴とするＤＮＡ配列決定装
   置。
7. 【請求項７】請求項６において、前記一本鎖のＤＮＡも
   しくはそれを分解した構成要素を一定方向に導くための
   手段として、前記管状の構造の中に一本鎖のＤＮＡを中
   に取り込むための電極と、一本鎖のＤＮＡもしくはそれ
   を分解した構成要素を一定方向に移動させるための電極
   を持つＤＮＡ配列決定装置。