KR20190072520A - 반도체 센서 및 그의 제조 방법, 그리고 복합 센서 - Google Patents

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Abstract

반도체 센서에 있어서 타깃 물질을 선택적이고 또한 고감도로 검출하기 위해서, 기판과, 제1 전극과, 제2 전극과, 제1 전극과 제2 전극 사이에 설치된 반도체층을 갖는 반도체 센서로서, 반도체층은 반도체 성분과, 면역 글로불린의 부분 구조체를 포함하고, 면역 글로불린의 부분 구조체가, 중쇄의 힌지 영역에 있어서, 연결기 L1을 통해서 반도체 성분에 결합 또는 부착되어 있다. 또한, 반도체 센서의 제조 방법으로서, 반도체층을 형성하는 공정이, 제1 전극과 제2 전극 사이에 반도체 성분을 도포하는 공정을 포함한다.

Description

반도체 센서 및 그의 제조 방법, 그리고 복합 센서
본 발명은, 타깃 인식 분자를 고정화한 반도체 센서 및 그의 제조 방법, 그리고 복합 센서에 관한 것이다.
근년, 생체 물질을 고감도로 검출하는 센서에 의해, 질병의 조기 발견이나 치료 효과의 확인으로 연결시키고자 하는 요구가 점점 강해지고 있다. 이 요구를 만족시키기 위해, 생체 물질을 검출하는 바이오센서의 개발이 활발히 행해져 왔다.
바이오센서의 개발에 있어서는, 타깃 물질을 선택적으로 검출하기 위해서, 일반적으로, 센서의 검출부에 타깃 물질과 선택적으로 상호 작용하는 생체 물질이 배치된다. 이러한 생체 물질로서는, 면역 글로불린(「항체」라고도 불린다)이나 효소와 같은 단백질, 핵산(「폴리뉴클레오티드」라고도 불린다), 앱타머 또는 당쇄 등이 사용된다. 타깃 물질과 선택적으로 상호 작용하는 여러 물질 중에서도, 면역 글로불린의 부분 구조체(예를 들어 Fab)는 소형이며, 타깃 물질을 포착하는 결합 부위를, 반도체 성분의 보다 가까이에 보다 고밀도로 배치할 수 있는 점에서 주목을 받고 있다(예를 들어, 비특허문헌 1 참조). 면역 글로불린, 또는 그의 부분 구조체의 바이오센서로의 응용 방법은, 다양한 것이 존재하며, 면역 글로불린을 이용한 유체 압력 센서, 광화학 반응 센서 및 전기 화학 반응 센서 등을 들 수 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
또한, 타깃 물질과 선택적으로 상호 작용하는 생체 물질을 사용한 센서 중에서도, 특히 주목을 받고 있는 센서로서, 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)형 센서가 있다(예를 들어, 특허문헌 2, 3 참조). FET형 센서는, 반도체 중을 흐르는 전류나 반도체에 인가되는 전압의 변화에 따라, 타깃 물질의 검출을 행하는 센서이다. 이 검출 방식에 있어서는, 형광체 등에 의한 타깃 물질의 표지화가 불필요하다. 또한, 전기적인 신호의 전환이 빨라서, 집적 회로와의 접속이 용이하다는 이점도 있다.
일본특허공표 평2-501860호 공보 일본특허공개 제2017-9612호 공보 국제공개 제2006/103872호
"Japanese Journal of Applied Physics", (일본), 2012년, 51권, p.06FD08-1-06FD08-4
그러나, 종래의 FET형 바이오센서에 있어서는, 검출 감도나 검출 선택성이 불충분하여, 실용화에 이르지 못하였다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 검출 감도나 검출 선택성이 우수한 반도체 센서 및 그의 제조 방법, 그리고 복합 센서를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하고, 상기 목적을 달성하기 위해서, 제1 발명군의 일 형태에 따른 반도체 센서는, 기판과, 제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되어 이루어지는 반도체층을 갖는 반도체 센서로서, 상기 반도체층이, 반도체 성분과, 면역 글로불린의 부분 구조체를 포함하고, 상기 면역 글로불린의 부분 구조체가, 중쇄의 힌지 영역에 있어서, 연결기 L1을 통해서 상기 반도체 성분에 결합 또는 부착되어 있다.
제2 발명군의 일 형태에 따른 반도체 센서는, 기판과, 제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 설치된 반도체층을 갖는 반도체 센서로서, 상기 반도체층은, 타깃 인식 분자가 결합 또는 부착된 반도체 성분을 갖고, 상기 타깃 인식 분자는, 적어도, 타깃 포착체 X 및 연결기 L2를 갖고, 상기 타깃 포착체 X는 분자량이 20000 이상 200000 이하인, 단백질 또는 핵산이고, 상기 연결기 L2 중, 상기 반도체 성분에 결합하고 있는 원자로부터, 또는 상기 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터, 상기 타깃 포착체 X에서 유래하는 원자와 결합하고 있는 원자까지의 원자수 N이 5 이상 30 이하이다.
본 발명의 반도체 센서 및 그의 제조 방법, 그리고 복합 센서에 의하면, 높은 검출 선택성과 높은 검출 감도를 나타내는 반도체 센서를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 반도체 센서 및 그의 제조 방법, 그리고 복합 센서에 의하면, 반도체 센서간의 성능 변동을 억제함과 함께, 반도체 센서의 장기 보존 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 평면도이다.
도 1b는 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 평면도이다.
도 4b는 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 평면도이다.
도 5b는 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 평면도이다.
도 6b는 본 발명의 실시 형태의 하나인 반도체 센서를 도시하는 모식 단면도이다.
도 7a는 면역 글로불린의 구조를 도시한 모식도이다.
도 7b는 면역 글로불린의 구조를 도시한 모식도이다.
도 7c는 면역 글로불린의 구조를 도시한 모식도이다.
도 8a는 면역 글로불린의 부분 구조체를 도시한 모식도이다.
도 8b는 면역 글로불린의 부분 구조체를 도시한 모식도이다.
도 9a는 반도체 성분 상에 타깃 인식 분자의 전구체가 부착된 상태의 일례를 도시한 모식도이다.
도 9b는 반도체 성분 상에 타깃 인식 분자가 부착된 상태의 일례를 도시한 모식도이다.
이하에 본 발명에 관한 반도체 센서 및 그의 제조 방법, 그리고 반도체 센서를 사용한 복합 센서의 적합한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정해서 해석되는 것이 아니고, 발명의 목적을 달성할 수 있고, 또한 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 잇어서, 목적이나 용도에 따라서 다양하게 변경해서 실시할 수 있다.
<반도체 센서>
본 발명의 제1 발명군에 관한 실시 형태에 따른 반도체 센서는, 기판과, 제1 전극과, 제2 전극과, 제1 전극과 제2 전극 사이에 설치된 반도체층을 갖는 반도체 센서로서, 반도체층은, 반도체 성분과 면역 글로불린의 부분 구조체를 포함한다. 면역 글로불린의 부분 구조체는, 중쇄의 힌지 영역에 있어서, 연결기 L1을 통해서 반도체 성분에 결합 또는 부착되어 있다.
본 발명의 제2 발명군에 관한 실시 형태에 따른 반도체 센서는, 기판과, 제1 전극과, 제2 전극과, 제1 전극과 제2 전극 사이에 설치된 반도체층을 갖는 반도체 센서로서, 반도체층은, 타깃 인식 분자가 결합 또는 부착된 반도체 성분을 갖는다. 타깃 인식 분자는, 적어도 타깃 포착체 X 및 연결기 L2를 갖고, 타깃 포착체 X는 분자량이 20000 이상 200000 이하인, 단백질 또는 핵산이고, 연결기 L2 중, 반도체 성분에 결합하고 있는 원자로부터, 또는 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터, 타깃 포착체 X에서 유래하는 원자와 결합하고 있는 원자까지의 원자수 N이 5 이상 30 이하이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서의 변형예로서는, 반도체 센서는 제3 전극을 더 갖는 것이 바람직하다. 즉, 기판과, 제1 전극과, 제2 전극과, 제3 전극과, 제1 전극과 제2 전극 사이에 설치된 반도체층을 갖는 반도체 센서이다. 제1 발명군에 관한 반도체 센서에 있어서는, 반도체층은 반도체 성분 및 면역 글로불린의 부분 구조체를 갖고, 면역 글로불린의 부분 구조체는, 중쇄의 힌지 영역에 있어서, 연결기 L1을 통해서 반도체 성분에 결합 또는 부착되어 있다. 또는, 제2 발명군에 관한 반도체 센서에 있어서는, 반도체층은, 타깃 인식 분자가 결합 또는 부착된 반도체 성분을 갖고, 타깃 인식 분자는, 적어도 타깃 포착체 X 및 연결기 L2를 갖고, 타깃 포착체 X는 분자량이 20000 이상 200000 이하인, 단백질 또는 핵산이고, 연결기 L2 중, 반도체 성분에 결합하고 있는 원자로부터, 또는 상술한 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터, 타깃 포착체 X에서 유래하는 원자와 결합하고 있는 원자까지의 원자수 N은 5 이상 30 이하이다.
어느 반도체 센서에 있어서도, 제3 전극을 통해서 반도체층에 전압을 인가함으로써, 반도체층의 전기적 특성을 변화시켜서, 검출 감도를 보다 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 1a, 도 2a 및 도 3은 각각, 본 발명의 제1, 제2 및 제3 실시 형태에 따른 반도체 센서를 도시하는 모식 평면도이다. 도 1b 및 도 2b는 각각, 도 1a의 AA'선 및 도 2a의 BB'선을 따른 모식 단면도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시하는 바와 같이, 제1 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서는, 기판(1) 상에 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)이 설치되고, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이에, 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)과 접속한 반도체층(4)이 배치되어 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시하는 바와 같이, 제2 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서는, 기판(1) 상에 제3 전극(5)과 절연층(6)이 설치되고, 절연층(6) 상에 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)이 설치되어 있다. 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이에는, 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)에 접속해서 반도체층(4)이 배치되어 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시하는 반도체 센서는, 제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 제3 전극(5)이 각각, 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극에 상당하고, 절연층(6)이 게이트 절연층에 상당하며, 전계 효과형 트랜지스터(FET)로서의 기능을 갖는다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제3 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서는, 기판(1) 상에 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)이 설치되어 있다. 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이에, 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)과 접속해서 반도체층(4)이 설치되고, 기판(1) 상에 있어서, 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)과 이격하여, 제3 전극(7)이 배치되어 있다.
그런데, 일반적인 FET에 있어서는, 게이트 전극에 인가하는 게이트 전압을 변화시킴으로써, 소스 전극과 드레인 전극 사이에 흐르는 전류를 제어할 수 있다. FET의 이동도는, 이하의 (a)식을 사용해서 산출할 수 있다.
μ=(δId/δVg)L·D/(W·εr·ε·Vsd) … (a)
또한, Id는 소스 전극-드레인 전극간의 전류, Vsd는 소스 전극-드레인 전극간의 전압, Vg는 게이트 전압, D는 절연층의 두께, L은 채널 길이, W는 채널폭, εr은 게이트 절연층의 비유전율, ε은 진공의 유전율(8.85×10-12F/m), δ는 해당 물리량의 변화량을 나타낸다. 또한, 온/오프비는 Id의 최댓값과 Id의 최솟값의 비, 즉 Id의 최댓값의 Id의 최솟값에 대한 비로부터 구할 수 있다.
FET형 센서의 원리를 이하에 설명한다. 즉, 검출 대상으로 하는 타깃 물질이 타깃 인식 분자에 의해 포착되면, 포착된 타깃 물질의 전하에 의해, FET의 반도체층(4)에 있어서의 전계가 변화한다. 그 변화를 파악함으로써, 타깃 물질을 검출할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 「타깃 물질」이란, 센서에 포함되는 타깃 인식 분자에 의해 포착되는 대상의 물질을 말한다.
도 1a 및 도 1b에 도시하는 제1 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서는, 타깃 물질 또는 그것을 포함하는 용액, 기체, 혹은 고체가, 반도체층(4)의 근방에 배치되었을 때, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 반도체층(4)에 흐르는 전류값 또는 전기 저항값이 변화한다. 그 변화를 측정함으로써, 타깃 물질의 검출을 행할 수 있다. 제1 실시 형태에 있어서는, 게이트 전극은 존재하지 않지만, 타깃 물질의 전하로부터 발해진 전계에 의한 반도체층(4)에 있어서의 전위의 변화를 δVg라 간주할 수 있기 때문에, 도 1a 및 도 1b에 도시하는 제1 실시 형태에 따른 반도체 센서도 FET형 센서로 분류된다.
또한, 도 2a 및 도 2b에 도시하는 제2 실시 형태에 따른 반도체 센서도, 타깃 물질 또는 그것을 포함하는 용액, 기체, 혹은 고체가, 반도체층(4)의 근방에 배치되었을 때, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 반도체층(4)에 흐르는 전류값이 변화한다. 그 변화를 측정함으로써, 타깃 물질의 검출을 행할 수 있다.
또한, 도 3에 도시하는 제3 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서는, 제3 전극(7)의 전위에 의해 반도체층(4)에 흐르는 전류값을 제어할 수 있다. 따라서, 제3 전극(7)의 전위(게이트 전압 Vg)를 변화시켰을 때의, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이로 흘러드는 전류값(소스 전극-드레인 전극간의 전류 Id)을 측정하면, 2차원의 그래프(Vg-Id 그래프)가 얻어진다.
Vg-Id 그래프로부터는, Vg-Id 그래프의 Vg 방향 시프트, Id 방향 시프트, 서브스레숄드 계수 등의 특성값을 판독할 수 있다. 이들 특성값 중 일부 또는 전부를 사용해서 타깃 물질의 검출을 행해도 되고, Id의 최솟값에 대한 최댓값의 비, 즉 온/오프비를 사용해서 타깃 물질의 검출을 행해도 된다. 또한, 저항값, 역치 전압 변화, 임피던스, 상호 컨덕턴스, 캐패시턴스 등, 반도체 소자에서 얻어지는 기지의 전기 특성을 사용해도 상관없다.
타깃 물질은, 단독으로 사용해도 되고, 다른 물질이나 용매와 혼합되어 있어도 된다. 측정 대상이 타깃 물질을 포함하는 용액인 경우, 타깃 인식 분자에 의해 포착된 타깃 물질의 전하에 의해, 전계의 변화가 용액을 통해서 반도체층(4)으로 전달된다. 타깃 물질의 전하 정보가 용액을 통해서 전달되는 원리에 대해서, 이하에 설명한다. 전하를 갖는 물질이 용액 중에 존재하면, 그 주변에 전기 이중층이 형성되고, 그 전기 이중층을 통해서 반도체층(4) 주변의 전계가 변화한다. 일반적으로, 전기 이중층의 두께는 수㎚ 정도이기 때문에, 타깃 인식 분자도 수㎚ 이하의 크기인 것이 바람직하다.
(기판)
기판에 사용되는 재료로서는, 특별히 제한은 없고, 예를 들어 실리콘 웨이퍼, 유리, 알루미나 소결체 등의 무기 재료, 지방족 폴리에스테르, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리카르보네이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리페닐렌술피드, 폴리파라크실렌, 폴리이미드, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐, 폴리불화비닐리덴, 폴리실록산, 폴리비닐페놀, 폴리아라미드 등의 유기 재료 또는 무기 재료 분말과 유기 재료의 혼합물 등을 들 수 있다. 이들 재료는 단독으로 사용해도 되고, 이들 중 복수의 재료를 적층 또는 혼합하여 사용해도 된다.
기판(1)의 표면은, 가공되어 있어도 된다. 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서를, 용액 중의 타깃 물질의 검출에 사용하는 경우, 기판(1)의 표면이 가공되어 있음으로써, 측정 시료 용액 중 예를 들어 단백질 등의 타깃 물질이나 다른 물질이 기판(1)에 부착되는 것을 억제할 수 있다. 타깃 물질이 검출부가 아니고 기판(1)에 부착되면, 용액 중의 타깃 물질의 농도가 저하되기 때문에, 올바른 측정값을 얻을 수 없다. 또한, 타깃 물질 이외의 물질이 검출부 부근의 기판(1) 상에 부착되면, 그 물질의 전하에 의해 측정값이 혼란스럽게 되어버려, 올바른 측정값을 얻을 수 없다.
가공 방법으로서는, 예를 들어, 올리고에틸렌글리콜쇄나 올리고(3,4-디히드록시페닐알라닌)와 같은 전하를 갖지 않는 친수성기나, 포스포릴콜린기와 같은 정전하와 부전하의 양쪽을 갖는 친수성기를, 기판(1) 표면에 부여하는 방법이 바람직하다.
(전극)
제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 제3 전극(5, 7)에 사용되는 재료로서는, 예를 들어 산화주석, 산화인듐, 산화주석인듐(ITO) 등의 도전성 금속 산화물; 백금, 금, 은, 구리, 철, 주석, 아연, 알루미늄, 인듐, 크롬, 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 칼슘, 마그네슘, 팔라듐, 몰리브덴 등의 금속이나 이들의 합금; 요오드화구리, 황화구리 등의 무기 도전성 물질; 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리에틸렌디옥시티오펜과 폴리스티렌술폰산과의 착체 등의 유기 도전성 물질; 카본 나노 튜브(CNT), 그래핀 등의 나노 카본 재료; 도전성 카본 블랙 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 제3 전극(5, 7)에 있어서는, 이들 재료를 단독으로 사용해도 되고, 이들 중 복수의 재료를 적층 또는 혼합하여 사용해도 된다.
반도체 센서에 있어서의 전극으로서 사용하는 경우, 접촉하는 수용액 등에 대한 안정성의 관점에서, 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)은, 금, 은, 백금, 팔라듐, 유기 도전성 물질 및 나노 카본 재료에서 선택되는 것이 바람직하다.
제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 제3 전극(5, 7)은 각각, 기판(1)에 직접 밀착하고 있어도 되고, 기판(1)과의 사이에 접착층을 개재하고 있어도 된다. 접착층이 절연층(6)의 역할을 겸하고 있는 경우에는, 금속성이나 반도체성의 물질을 기판(1)으로서 사용할 수도 있다.
제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 제3 전극(5, 7)의 폭, 두께, 간격 및 배치는, 임의로 설계 할 수 있다. 각 전극(2, 3, 5, 7)의 폭은, 1㎛ 이상 1㎜ 이하가 바람직하고, 각 전극(2, 3, 5, 7)의 두께는, 1㎚ 이상 1㎛ 이하가 바람직하다. 제1 전극(2)과 제2 전극(3)의 간격은, 1㎛ 이상 10㎜ 이하가 바람직하다. 각 전극(2, 3, 5, 7)의 평면 형상은 직사각형에 한정되는 것이 아니라, 곡선이 포함되어 있어도 되고, 빗형 등이 되어 있어도 된다. 또한, 각 전극(2, 3, 5, 7)의 폭, 두께는 동일하지 않아도 된다.
제3 전극(5, 7)과 반도체층(4)의 거리는, 100㎚ 이상 10㎝ 이하가 바람직하다. 제3 전극(5, 7)의 배치는 기판(1)의 바로 위에 한정되지 않고, 기판(1) 상에 배치된 별도의 부재의 상층이어도 된다. 예를 들어, 폭이 100㎛이고 두께가 500㎚인 제3 전극(5, 7)을 반도체층(4)으로부터 2㎜의 거리를 이격해서 배치하는 구성 등을 들 수 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 도 2a에 도시하는 바와 같이, 제3 전극(5)을, 제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 반도체층(4)과, 제3 전극(5)과의 사이에 절연층(6)이 존재하도록 배치하고 있어도 된다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 제3 전극(7)을, 제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 반도체층(4)과 동일 평면 상에 존재하도록 배치해도 된다. 도 3에 도시하는 반도체 센서에 있어서는, 제3 전극(7)은, 제2 전극(3)과 평행하게 배치되어 있지만, 수직 또는 그 이외의 임의의 각도에 배치되어도 된다. 또 다른 형태로서, 제3 전극(7)이, 제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 반도체층(4)이 존재하는 면으로부터 이격된 위치에 존재하고 있어도 된다.
측정 대상이 용액인 경우, 반도체층(4)이 접촉하고 있는 용액과 제3 전극(5, 7)이 접촉해도 된다. 이 경우, 제3 전극(5, 7)은 용액을 통해서 반도체층(4)에 전압을 인가하는 전극으로서 사용해도 되고, 제1 전극(2)과 용액 또는 제2 전극(3)과 용액 사이의 전위차를 규정하기 위한 참조 전극으로서 사용해도 된다.
또한, 제1 전극(2)과 제3 전극(5, 7) 사이, 제2 전극(3)과 제3 전극(5, 7) 사이 또는 반도체층(4)과 제3 전극(5, 7) 사이에는 기체층, 액체층, 고체층 중 어느 것 또는 이들의 조합이 존재하고 있어도 되고, 진공이어도 된다.
(절연층)
절연층(6)에 사용되는 재료로서는, 특별히 제한은 없고, 예를 들어 유리, 산화실리콘, 알루미나 등의 무기 재료, 폴리이미드, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리불화비닐리덴, 폴리실록산, 폴리비닐페놀 등의 유기 고분자 재료, 혹은 무기 재료 분말과 유기 고분자 재료의 혼합물 등을 들 수 있다.
절연층(6)의 막 두께는, 10㎚ 이상이 바람직하고, 50㎚ 이상이 보다 바람직하고, 100㎚ 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 5㎛ 이하가 바람직하고, 3㎛ 이하가 보다 바람직하고, 1㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 절연층(6)의 막 두께는, 원자간력 현미경(AFM)이나 엘립소메트리법 등에 의해 측정할 수 있다.
(덮개 부재)
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서는, 기판(1) 상에 기판(1)의 적어도 일부를 덮는 덮개 부재(8)가 설치되어 있어도 된다. 도 4a는 본 발명의 제3 실시 형태의 제1 변형예를 도시하는 모식 평면도이다. 도 4b는 도 4a의 CC'선을 따른 단면도이다. 도 4a 및 도 4b에 도시하는 바와 같이, 제3 실시 형태의 제1 변형예에 의한 반도체 센서는, 기판(1) 상에 덮개 부재(8)를 구비하는 것이 바람직하다. 덮개 부재(8)는 기판(1)과의 사이에 내부 공간(9)을 형성한다. 도 4a에 도시하는 바와 같이, 덮개 부재(8)에 있어서의 파선 i, j는, 덮개 부재(8)와 내부 공간(9)의 경계를 나타내고, 파선 i, j에 끼워진 부분의 기판(1)측에, 내부 공간(9)이 설치된다.
도 5a는 본 발명의 제3 실시 형태의 제2 변형예를 도시하는 모식 평면도이다. 도 5b는 도 5a의 DD'선을 따른 모식 단면도이다. 도 5a 및 도 5b에 도시하는 바와 같이, 제3 실시 형태에 따른 제2 변형예에 의한 반도체 센서는, 기판(1) 상에 반도체층(4)을 둘러싸는 내부 공간(9)을 형성하는 덮개 부재(8)가 설치되어 있다. 제2 변형예에 의한 반도체 센서에 있어서는, 반도체층(4)과 타깃 물질을 포함하는 액체를, 효율적으로 접촉시키는 것이 가능해진다.
도 6a는 본 발명의 제3 실시 형태의 제3 변형예를 도시하는 모식 평면도이다. 도 6b는 도 6a의 EE'선을 따른 모식 단면도이다. 도 6a 및 도 6b에 도시하는 바와 같이, 제3 변형예에 의한 반도체 센서에 있어서는, 기판(1) 상에 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)이 설치되고, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이에, 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)에 접속된 반도체층(4)이 배치되어 있다. 제3 변형예에 의한 반도체 센서에 있어서는, 기판(1) 상에 배치된 제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 반도체층(4)과, 덮개 부재(8)가 동일한 측에 배치되어 있다. 제3 전극(7)은 덮개 부재(8)에 있어서의 반도체층(4)과 대향하는 부분에 배치되어 있다. 덮개 부재(8) 상의 제3 전극(7)의 배치는, 반도체층(4)의 바로 위로 한정되지 않고, 비스듬하게 상측 등이어도 된다. 또한, 덮개 부재(8) 중 반도체층(4)에서 보면 상면의 부분으로는 한정되지 않고, 측면 상에 배치되어도 된다. 도 6a에 도시하는 덮개 부재(8) 중의 파선 p, q는, 덮개 부재(8)와 내부 공간(9)의 경계를 나타내고, 도 6a에 있어서 파선 p, q에 끼워진 부분의 기판(1)측에 내부 공간(9)이 설치된다. 제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 반도체층(4)과, 제3 전극(7) 사이의 내부 공간(9)에는, 기체층, 액체층 및 고체층 중 어느 것, 또는 이들을 조합한 층이 존재하고 있어도 되고, 진공이어도 된다.
덮개 부재(8)의 재료로서는, 예를 들어 실리콘 웨이퍼, 실리콘 고무, 유리 및 알루미나 소결체 등의 무기 재료, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌, 폴리페닐렌술피드 및 폴리파라크실렌 등의 유기 재료를 들 수 있다.
(반도체층)
반도체층(4)의 막 두께는, 특별히 제한은 없지만, 1㎚ 이상 100㎚ 이하가 바람직하다. 이 범위 내에 있는 것이며, 타깃 인식 분자와 타깃 물질과의 상호 작용에 의한 전기 특성의 변화를, 충분히 전기 신호로서 취출하는 것이 가능하게 된다. 반도체층(4)의 막 두께는, 보다 바람직하게는 1㎚ 이상 50㎚ 이하이고, 더욱 바람직하게는 1㎚ 이상 20㎚ 이하이다.
반도체층(4)의 막 두께는, 공지된 방법, 예를 들어 2차 이온 질량 분석법(SIMS)이나 AFM 등에 의해, 측정할 수 있다. 반도체층(4)의 두께가 균일하지 않은 경우, 예를 들어 반도체층(4)으로서 후술하는 나노 카본 재료와 같은 반도체 성분을 사용하여, 그 반도체 성분에 타깃 인식 분자가 부착된 상태에서 드문드문 존재하고 있는 경우에는, 그 타깃 인식 분자가 부착된 나노 카본 재료의 두께가 반도체층(4)의 두께라고 생각된다.
반도체층(4)의 형성 방법으로서는, 저항 가열 증착, 전자선 빔, 스퍼터링, CVD, 다른 기판으로부터의 전사 등, 건식의 방법을 사용하는 것도 가능하지만, 제조 비용이나 대면적에 대한 적합한 관점에서, 도포법 등의 습식법을 사용하는 것이 바람직하다. 도포법은 반도체 성분을 도포함으로써 반도체층(4)을 형성하는 공정을 포함한다. 도포법으로서는 구체적으로, 스핀 코트법, 블레이드 코트법, 슬릿 다이 코트법, 스크린 인쇄법, 바 코터법, 주형법, 인쇄 전사법, 침지 인상법 또는 잉크젯법 등을 들 수 있다. 이들 방법으로부터, 도막 두께의 제어나 배향 제어 등, 얻고자 하는 도막의 특성에 따라서 바람직한 방법을 선택할 수 있다. 또한, 형성한 도막에 대하여, 대기 하, 감압 하 또는 질소(N2)나 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스 분위기 하에서, 어닐링 처리를 행해도 된다.
(타깃 인식 분자)
본 발명에 있어서 사용되는 타깃 인식 분자는, 반도체층(4)에 있어서, 반도체 성분에 결합 또는 부착되어 있다. 본 명세서에 있어서, 타깃 인식 분자가 반도체 성분에 결합하고 있다고 할 때의 「결합」이란, 2개의 원자가 전자쌍을 공유하여, 에너지적으로 안정화함으로써 형성된 결합, 소위 「공유 결합」을 가리킨다. 또한, 타깃 인식 분자가 반도체 성분에 부착되어 있다고 할 때의 「부착」이란, 이종의 물질이 서로 접촉하여, 분자간 상호 작용에 의해 용이하게 이격되지 않게 되는 것을 가리킨다. 이러한 분자간 상호 작용으로서는, 소수성 상호 작용, π-π 전자 상호 작용, 양이온-π 상호 작용, 복수의 정전 상호 작용 또는 복수의 수소 결합 등을 들 수 있다.
(타깃 포착체 X)
타깃 인식 분자 중, 타깃 포착체 X는, 단백질 또는 핵산이고, 타깃 물질의 형태나 하전성기의 입체적 배치를 인식해서 포착한다. 타깃 물질을 인식하기 위해서, 타깃 포착체 X에는 어느 정도 이상의 크기가 필요하다. 이러한 관점에서, 타깃 포착체 X의 분자량은, 20000 이상이다. 또한, FET형 센서에 있어서는, 반도체층(4)과 타깃 인식 분자에 포착된 타깃 물질 사이의 거리가 커짐에 따라, 타깃 물질의 전하에 의한 전계의 변화가 감소한다. 그 때문에, 유효한 검출 감도를 얻는 관점에서, 타깃 포착체 X의 분자량은, 200000 이하이다.
단백질로서는, 면역 글로불린, 수용체, 효소, 구조 단백질, 수송 단백질, 저장 단백질 또는 모터 단백질 등을 들 수 있다. 단백질로서는, 타깃 인식 능력의 높이 및 범용성의 높이로부터, 면역 글로불린, 면역 글로불린의 부분 구조체 및 효소가 바람직하고, 면역 글로불린 및 면역 글로불린의 부분 구조체가 보다 바람직하고, 또한 검출 감도의 높이로부터, 면역 글로불린의 부분 구조체가 특히 바람직하다. 면역 글로불린의 부분 구조체로서는, 바람직하게는 면역 글로불린의 타깃 결합 부위를 포함하는 부분 구조를 취출한 것을 들 수 있다.
타깃 물질이 타깃 인식 분자와의 선택적인 상호 작용에 의해 검출되는 물질인 경우, 센서의 감응부에 당해 타깃 인식 분자를 수식하여, 타깃 물질을 검출하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 센서를 제조할 때, 반도체층(4)을 타깃 인식 분자가 용해한 용액에 노출시켜서, 센서의 감응부에 타깃 인식 분자를 고정화하는 경우가 있다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 기판(1)의 표면을 적절하게 가공해 두는 것이 바람직하다. 이에 의해, 당해 타깃 인식 분자가 감응부 이외에 부착되는 것을 억제할 수 있어, 타깃 인식 분자가 감응부에 선택적으로 고정된다. 이와 같이, 타깃 물질이 감응부 이외의 개소에 있어서 타깃 인식 분자에 포착되는 것이 억제되고, 감응부에 있어서 선택적으로 검출할 수 있어, 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
(연결기 L)
제1 발명군에 있어서, 면역 글로불린의 부분 구조체는, 연결기 L1을 통해서 반도체 성분에 결합 또는 부착되어 있다. 또한, 제2 발명군에 있어서, 타깃 인식 분자는, 상술한 타깃 포착체 X 및 연결기 L2를 갖는다. 타깃 인식 분자에 있어서의 연결기 L1 및/또는 L2란, 타깃 인식 분자와 반도체 성분의 결합부 또는 부착부와, 제1 발명군에 있어서의 면역 글로불린의 부분 구조체 또는 제2 발명군에 있어서의 타깃 포착체 X와의 사이를 연결하는 기이다. 연결기 L1 및/또는 L2의 길이는, 타깃 인식 분자가 가동성을 확보하면서, 반도체 성분 가까이로 연결하여 고정될 정도의 길이인 것이 바람직하다. 타깃 인식 분자의 가동성이 손상되어 버리면, 타깃 물질을 포착한다고 하는, 타깃 인식 분자 본래의 기능이 상실되어 버린다. 또한, 연결기가 너무 길면, 타깃 물질이 타깃 인식 분자에 포착되었을 때의, 타깃 물질과 반도체 성분과의 거리가 너무 길어진다. 그 결과, 타깃 물질의 전하에 의해 발생하는 전계가, 반도체 성분에 도달할 때까지의 사이에 감쇠해버려, 반도체층(4) 상에 타깃 물질이 포착됨으로써 야기되는 반도체 성분 중의 전류값 변화가 작아진다. 즉, 검출 감도가 저하되어 버린다.
구체적으로는, 연결기 L1 및/또는 L2 중, 반도체 성분에 결합하고 있는 원자로부터, 또는 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터, 타깃 포착체 X, 특히 면역 글로불린의 부분 구조체에서 유래하는 원자와 결합하고 있는 원자까지의 원자수 N이 5 이상 30 이하이다. 이 원자수 N은 8 이상이 보다 바람직하고, 9 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 16 이하가 보다 바람직하고, 13 이하가 더욱 바람직하다. 이 범위에 있어서, 타깃 포착체 X, 특히 면역 글로불린의 부분 구조체의 가동성이 충분히 향상되고, 또한 타깃 포착체 X가 반도체 성분의 보다 가까운데서 타깃 물질을 포착할 수 있다. 이들 작용에 의해, 감도가 향상된다.
이러한 효과는, 분자량 10000 이상의, 일반적으로 고분자량체라고 불리는 크기의 단백질 또는 핵산에 있어서 확인되고, 분자량 20000 이상의 타깃 포착체에 있어서 특히 현저하게 확인된다.
시료 용액 중에서의 연결기의 가동성을 향상시키기 위해서, 연결기 L1 및/또는 L2 중에, 물과의 친화성이 큰 결합이 포함되어 있는 것이 바람직하다. 그러한 결합으로서, 예를 들어 에테르 결합, 티오에테르 결합, 에스테르 결합, 아미드 결합, 티오에스테르 결합, 디티오에스테르 결합, 산 무수물 결합, 이미드 결합, 우레아 결합, 우레탄 결합 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 안정성이나 물과의 친화성의 관점에서, 연결기 L1 및/또는 L2가, 에테르 결합, 에스테르 결합, 아미드 결합, 이미드 결합, 우레아 결합 및 우레탄 결합으로 이루어지는 군에서 선택되는 구조 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하고, 에테르 결합, 아미드 결합 및 이미드 결합으로 이루어지는 군에서 선택되는 구조 중 적어도 하나를 포함하는 것이, 특히 바람직하다.
또한, 연결기의 과도한 절곡을 방지하기 위해서, 연결기 L1 및/또는 L2가 오원환 구조를 포함하는 것이 바람직하다. 그러한 오원환 구조의 예로서는 하기의 구조와 같은 것을 들 수 있다.
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또한, 타깃 인식 분자가 상술한 연결기를 포함함으로써, 센서를 장기간 보관했을 때의, 센서의 기능 저하를 억제할 수 있다. 단백질이나 핵산이라고 하는, 분자량이 큰 분자를, 짧은 연결기에 의해 고정화한 상태에서 장기간 방치하면, 열 에너지의 퇴피처가 없기 때문에, 단백질이나 핵산은 서서히 변성된다. 그 결과로서, 센서의 기능도 저하되어 버린다. 상술한 연결기이면, 단백질이나 핵산의 가동성이 유지되고 있기 때문에, 열 에너지가 연결기의 운동으로서 발산하여, 단백질이나 핵산의 변성 속도가 저하된다.
반도체 성분에 부착되는 기를 특정하는 방법으로서는, 등온 적정형 칼로리메트리법(ITC, Isothermal Titration Calorimetry)이 있다. 주목하는 기에 상당하는 화합물과 반도체 성분을 혼합했을 때의 엔탈피 변화와 엔트로피 변화를 측정함으로써, 주목하는 기에 상당하는 화합물과 반도체 성분이 단순히 혼합 상태에 있는지, 부착된 상태에 있는지를 판별할 수 있다. 본 명세서에 있어서, ITC에 의해 반도체 성분에 부착되는 것이 밝혀진 기를 「반도체 성분에 부착되어 있는 기」로 한다. 또한, 그 기에 결합하고 있고, 또한 단독으로는 반도체 성분에 부착되지 않는 기 중 「반도체 성분에 부착되어 있는 기」에 결합하고 있는 원자를, 「반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자」로 한다.
반도체 성분이 후술하는 나노 카본 재료인 경우, 반도체 성분에 부착되는 기로서는, 후술하는 방향족 복소환기 및 방향족 탄화수소기 등을 들 수 있다. 또한, 예를 들어 피레닐페닐기와 같이, 복수의 방향족 탄화수소기 또는 방향족 복소환기가 연결한 기도 들 수 있다.
제1 발명군에 있어서는, 상술한 연결기 L1은, 치환 혹은 비치환된, 방향족 탄화수소기 및/또는 방향족 복소환기를 갖고 있는 것이 바람직하다. 상술한 연결기 L1은, 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소기를 갖고, 치환기를 포함하지 않는 방향족 탄화수소기의 탄소 원자수는, 14 이상 22 이하인 것이 특히 바람직하다.
제1 발명군에 있어서는, 상술한 면역 글로불린의 부분 구조체의 힌지 영역이 황 원자를 포함하고, 이 황 원자가 상술한 연결기 L1과 결합을 형성하고 있는 것이 바람직하다. 이 황 원자를 통해서, 힌지 영역에 있어서의 결합은, 상술한 연결기 L1과 상술한 면역 글로불린의 부분 구조체의 힌지 영역이 티오에테르 결합을 형성하고 있는 것이 특히 바람직하다.
제1 발명군 또는 제2 발명군에 있어서, 타깃 포착체 X로서 면역 글로불린의 부분 구조체를 사용하는 경우, 제1 발명군에 있어서의 면역 글로불린의 부분 구조체 또는 제2 발명군에 있어서의 타깃 포착체 X와 연결기 L1 및/또는 L2 사이의 결합으로서는, 티오에스테르 결합, 디티오에스테르 결합, 술폰산에스테르 결합, 디술피드 결합 또는 티오에테르 결합 등이 있고, 결합 형성의 용이함 및 결합의 안정성 등으로부터, 디술피드 결합 또는 티오에테르 결합이 바람직하고, 티오에테르 결합이 특히 바람직하다. 즉, 연결기는 티오에테르 결합을 포함하는 것이 바람직하다.
제2 발명군에 있어서도 마찬가지로, 타깃 포착체 X가 면역 글로불린의 부분 구조체이며, 이 면역 글로불린의 부분 구조체가, 중쇄의 힌지 영역에 있어서 연결기 L2와 결합을 형성하고 있는 것이 바람직하다. 이 결합 양식에 의해, 타깃 분자와 결합하기 위한 결합 부위(13)가 타깃 물질과 접하기 쉽게 배향시킬 수 있다.
(타깃 인식 분자의 예)
여러 타깃 인식 분자 중에서도, 반도체 성분에 대한 결합 또는 부착을 용이하게 행할 수 있고, 또한 환의 공액계에 의해 반도체 특성이 보조된다고 하는 관점에서, 타깃 인식 분자는, 이하의 일반식 (1)에 의해 표시되는 화합물 또는 일반식 (2)에 의해 표시되는 구조를 반복 단위로서 갖는 고분자 화합물인 것이 바람직하다.
Figure pct00002
일반식 (1)에 있어서, Ar1은 치환 혹은 비치환된 방향족 복소환기, 또는 치환 혹은 비치환된 방향족 탄화수소기이다. L2는 상술한 연결기이며, Ar1에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자로부터, X에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수 N1이 5 이상 30 이하이다. X는 상술한 타깃 포착체이며, 분자량이 20000 이상 200000 이하인, 단백질 또는 핵산을 포함한다.
Figure pct00003
일반식 (2)에 있어서, Ar2는 치환 혹은 비치환된 방향족 복소환기, 또는 치환 혹은 비치환된 방향족 탄화수소기이다. L2는 상술한 연결기이며, Ar2에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자로부터, X에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수 N2가 5 이상 30 이하이다. X는 상술한 타깃 포착체이며, 분자량이 20000 이상 200000 이하인, 단백질 또는 핵산이다.
또한, 원자수 N은 반도체 성분에 결합하고 있는 원자로부터, 또는 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터, 타깃 포착체 X에서 유래하는 원자와 결합하고 있는 원자까지를, 최단 경로를 따라 세는 것으로 한다. 반도체 성분에 결합하고 있는 원자로부터, 또는 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터, 타깃 포착체 X에서 유래하는 원자와 결합하고 있는 원자까지의 원자수를 셀 때, 최단 경로 중에 환 구조가 존재하는 경우에는, 환 구조 부분의 원자수는 그 환 중의 최단 경로를 따라 세는 것으로 한다. 또한, 타깃 인식 분자가 반도체 성분에 결합 또는 부착되는 점을 복수 갖고 있는 경우에는, 그들 중, 타깃 포착체 X에 다다를 때까지의 최단 경로를 따라 세는 것으로 한다. 또한, 원자수 N1 및 N2는, 원자수 N에 상당하며, 그들의 세는 방법이나 바람직한 범위에 대해서도 원자수 N과 마찬가지이다. 원자수 N1 및/또는 N2는 8 이상 16 이하인 것이 특히 바람직하다.
예를 들어, 이하의 구조식에 의해 표시되는 타깃 인식 분자에 있어서, Ar1과 X 사이는, Ar1-C-C-C-N-C-C-C-C-X와 같이 연결되어 있다. 그 때문에, Ar1에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자(여기서는, Ar1의 인접한 탄소 원자)로부터, X에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자(여기서는, X의 인접한 탄소 원자)까지의 원자수는 8이다.
Figure pct00004
또한, 이하의 구조식과 같이, Ar1과 X 사이의 연결기에 환 구조가 포함되어 있는 경우에 대해서도, Ar1과 X 사이를 최단 경로를 따라 세면, Ar1에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자로부터, X에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 7이다.
Figure pct00005
또한, 이하의 구조식은, Ar1이 피렌인 타깃 인식 분자의 일례이다. 이 분자는, 복수의 피렌환으로 반도체 성분에 결합 또는 부착되는 것이라 생각된다. 이 경우, 상술한 바와 같이, X로부터 최단으로 다다를 수 있는 결합점 또는 부착점까지의 원자수를 센다. 즉, 이하의 구조식에 있어서는, Ar1에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자로부터, X에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 2이다.
Figure pct00006
연결기 L2는, 타깃 포착체 X를 반도체 성분에 연결하여 고정하는 역할을 담당하고 있다. 타깃 포착체 X는, 일반적으로, 수용성이 높기 때문에, 용액 중에 확산되어 버리지 않도록, 연결기 L2에 의한 연결하여 고정하는 것이 필요해진다.
일반식 (1)에 의해 표시되는 화합물, 또는 상술한 일반식 (2)에 의해 표시되는 구조를 반복 단위로서 갖는 고분자 화합물에 있어서, 타깃 포착체 X는, 연결기 L2를 통해서 Ar1 또는 Ar2에 고정화되어 있는 것이 바람직하다.
일반적으로, 타깃 인식 분자를 반도체층(4) 상의 절연층(6), 예를 들어 실리콘(Si) 반도체층 상의 이산화규소(SiO2)층에 고정화하는 방법도 알려져 있다. 그러나, 이 고정화 방법에서는, 타깃 인식 분자에 의해 발생한 전계가 절연층(6)에 의해 차단됨으로써, 검출 감도가 저하된다. 그 때문에, 타깃 포착체 X는 반도체 성분에 연결하여 고정되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 반도체 성분의 도전성을 저해하지 않도록, 타깃 인식 분자는 부착에 의해 반도체 성분에 연결하여 고정되어 있는 것이 바람직하다.
타깃 인식 분자 중 Ar1 및 Ar2는, 반도체 성분과 소수성 상호 작용하여, 반도체 성분에 부착될 수 있다. 반도체 성분이 나노 카본 재료인 경우, 소수성 상호 작용에 더해서 π-π 전자 상호 작용도 가해지기 때문에, 특히 강하게, 안정적으로 부착할 수 있다. 이 경우의 π-π 전자 상호 작용은, 방향족 복소환기 또는 방향족 탄화수소기의 π 전자 구름과, 나노 카본 재료의 π 전자 구름과의 겹침에 의한 상호 작용이라고 추측된다.
방향족 복소환기의 예로서는, 푸라닐기, 벤조푸라닐기, 디벤조푸라닐기, 티오페닐기, 벤조티오페닐기, 디벤조티오페닐기, 이소티아졸릴기, 티아디아졸릴기, 티아졸릴기, 피리디닐기, 퀴놀리닐기, 피리미디닐기, 피라지닐기, 트리아지닐기, 퀴녹살리닐기, 퀴나졸리닐기, 인돌릴기, 포르피리닐기 등을 들 수 있다. 반도체 성분과의 상호 작용이 특히 강하여, 안정적으로 부착된다는 관점에서, 티오페닐기, 이소티아졸릴기, 티아디아졸릴기 또는 티아졸릴기가 바람직하고, 티오페닐기 또는 티아디아졸릴기가 특히 바람직하다.
방향족 탄화수소기의 예로서는, 플루오레닐기, 페난트레닐기, 안트라세닐기, 피레닐기, 트리페닐기, 파라-터페닐기, 벤조[a]안트라세닐기, 플루오란테닐기, 디벤조[a,h]안트라세닐기, 디벤조[a,h]피레닐기, 3,4-벤조피레닐기, 크리세닐기, 나프타세닐기, 펜타세닐기, 나프토[2,3-a]피레닐기, 코란눌레닐기, 코로네닐기 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 취급하기 쉽다는 관점에서, 페난트레닐기, 안트라세닐기, 피레닐기, 트리페닐레닐기, 파라-터페닐기, 벤조[a]안트라세닐기, 플루오란테닐기, 디벤조[a,h]안트라세닐기, 3,4-벤조피레닐기, 크리세닐기, 나프타세닐기, 펜타세닐기 또는 코란눌레닐기가 바람직하다. 그들 중에서도, 반도체 성분과의 상호 작용이 특히 강하여, 안정적으로 부착된다는 관점에서, 피레닐기, 트리페닐레닐기 또는 플루오란테닐기에 기초하는 기가 보다 바람직하고, 피레닐기가 특히 바람직하다.
Ar1, Ar2 및 연결기 L2는, 치환기를 더 갖고 있어도 된다. 치환기를 갖는 경우의 치환기로서는, 알킬기, 시클로알킬기, 알케닐기, 시클로알케닐기, 알키닐기, 알콕시기, 알킬티오기, 아릴에테르기, 아릴티오에테르기, 할로겐 원자, 시아노기, 아미노기, 머캅토기, 카르보닐기, 카르복시기 및 옥시카르보닐기로 이루어지는 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 또한, Ar1, Ar2 및 연결기 L2는, 추가로 치환 또는 비치환된 방향족 복소환기 또는 방향족 탄화수소기를 가져도 되고, 치환 또는 비치환된 방향족 복소환기 및 방향족 탄화수소기의 양쪽을 가져도 된다. 방향족 복소환기 또는 방향족 탄화수소기가 치환기를 갖고 있는 경우의 치환기는, 상술한 치환기로 이루어지는 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
일반식 (2)에 의해 표시되는 구조를 반복 단위로서 갖는 고분자 화합물로서는, 수용액 중에서 반도체 성분과 소수성 상호 작용하여, 안정적으로 결합 또는 부착된 상태를 유지한다고 하는 관점에서, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리티아디아졸, 폴리벤조티아디아졸이 바람직하고, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리벤조티아디아졸이 특히 바람직하다.
화합물의 안정성, 상호 작용의 강도, 취급하기 쉽다는 등의 관점에서, 타깃 인식 분자가, 상술한 일반식 (1)에 의해 표시되는 화합물이며, Ar1이, 치환 혹은 비치환된 방향족 탄화수소기이며, 치환기를 포함하지 않는 방향족 탄화수소기의 탄소 원자수가 14 이상 22 이하인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, Ar1이 피레닐기인 것이 특히 바람직하다.
타깃 인식 분자의 바람직한 구조의 구체예로서는, 이하와 같은 것을 들 수 있다. 식 중, k는 1 이상 24 이하의 정수, m은 1 이상 9 이하의 정수이다.
Figure pct00007
(면역 글로불린)
면역 글로불린은 일반적으로 항체라고도 불린다. 본 발명에서 사용할 수 있는 면역 글로불린에는, 어느 타입, 클래스, 서브클래스도 포함된다. 그러한 면역 글로불린에는, 예를 들어 IgG, IgE, IgM, IgD, IgA, IgY, IgG1, IgG2, IgG3, IgG4, IgA1, IgA2 등이 포함된다. 이들 중에서도, 단량체로서 존재하고, 취급이 용이한, IgG, IgE, IgD가 바람직하고, 입수가 용이한 IgG가 특히 바람직하다.
IgG로서는, 어떤 동물 유래의 것을 사용해도 된다. 예를 들어, 악어, 집오리, 인간, 원숭이, 염소, 토끼, 양, 소, 말, 개, 고양이, 돼지, 래트, 마우스, 돌고래 등에서 유래하는 IgG를 들 수 있다. 이들 중에서도, 면역계의 고등함과 입수의 용이함 때문에, 염소, 토끼, 양, 마우스 유래의 IgG가 보다 바람직하다.
본 명세서에 있어서, 항체를 표기할 때, 유래 동물, 타깃 물질의 순서대로 표기한다. 구체적으로 예를 들어, 인간의 헤모글로빈과 선택적으로 상호 작용하는 염소 유래의 항체인 경우, 「염소 항 인간 헤모글로빈 항체」라고 표기한다.
본 발명에서 사용되는 IgG는, 유래 동물과 다른 동물의 IgG와 결합하는 것이어도 된다. 그러한 예로서, 염소 항 토끼 IgG 항체, 토끼 항 양 IgG 항체, 염소 항 마우스 IgG 항체, 마우스 항 염소 IgG 항체, 염소 항 인간 IgG 항체, 토끼 항 인간 IgG 항체, 양 항 인간 IgG 항체 또는 마우스 항 인간 IgG 항체 등을 들 수 있다.
면역 글로불린의 구조에 대해서, 단량체인 IgG를 사용해서 설명한다. IgA는 IgG의 2량체, IgM은 IgG의 5량체로 간주할 수 있다.
도 7a에 도시하는 바와 같이, 면역 글로불린(10)은, 2개의 중쇄(11)라고 불리는 폴리펩티드쇄와 2개의 경쇄(12)라고 불리는 폴리펩티드쇄가, 디술피드 결합에 의해 연결되어, 하나의 거대한 분자를 형성하고 있다.
도 7b에 도시하는 바와 같이, 면역 글로불린(10)에는, Fab 영역(15)이라고 불리는 영역과 Fc 영역(16)이라고 불리는 영역이 존재한다. Fab 영역(15)의 선단에는, 타깃 분자와 결합하기 위한 결합 부위(13)가 존재한다.
도 7b 및 도 7c에 도시하는 바와 같이, Fab 영역(15)과 Fc 영역(16)의 경계 영역에 있어서, 2개의 중쇄(11)끼리가 2개의 디술피드 결합에 의해 연결되어 있다. 이 영역을 힌지 영역(14)이라 칭한다. 힌지 영역(14)은, Fab 영역(15)과 Fc 영역(16) 사이에 존재하는 유연한 아미노산 서열이다. 본 명세서에 있어서, 중쇄(11)끼리를 분리해서 힌지 영역(14)이 아니게 된 경우도, 힌지 영역(14)을 형성하였던 영역을, 편의적으로 힌지 영역이라 칭한다.
면역 글로불린(10)에 단백질 분해 효소를 작용시키면, Fc 영역(16)이 분해되어, 힌지 영역(14)과 Fab 영역(15)을 포함하는 부분 구조체가 남는다. 이 부분 구조체는, F(ab')2라고 불린다. 이 분해 반응에는 일반적으로 펩신이 사용되지만, 반응 조건을 충분히 검토하면, 다른 단백질 분해 효소를 사용하는 것도 가능하다.
F(ab')2에 대해, 적절한 환원력을 갖는 환원제를 작용시키면, 중쇄(11)끼리를 연결하고 있던 디술피드 결합이 절단된다. 이에 의해, 도 8a에 도시하는 바와 같이, 1개의 경쇄(12)와 1개의 중쇄(11) 중 Fab 영역(15) 및 힌지 영역(14)에 포함되어 있던 부분을 포함하는 부분 구조체(17)가 생성된다. 부분 구조체(17)는, Fab'라고 불린다. 환원제로서는, 알킬티올 또는 2-머캅토에틸아민 등이 사용된다.
Fab'를, 머캅토기와 반응할 수 있는 관능기에 작용시키면, Fab'와 당해 관능기 사이에서 결합을 형성시킬 수 있다. 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서, Fab'는 연결기를 통해서 반도체 성분에 결합 또는 부착되어 있는데, 그 때문에 이 반응을 이용할 수 있다.
다른 예로서, 면역 글로불린(10)에 환원제를 작용시키면, 도 8b에 도시하는 바와 같이, 중쇄(11)끼리를 연결하고 있던 디술피드 결합이 절단된다. 이에 의해, 1개의 경쇄(12)와 1개의 중쇄(11)를 포함하고, 힌지 영역(14)에 머캅토기를 갖는 부분 구조체(18)가 생성되고, 이 부분 구조체(18)를, 본 명세서에 있어서, 「환원형 면역 글로불린 반량체」라고 칭한다. 환원형 면역 글로불린 반량체도, 머캅토기와 반응할 수 있는 관능기에 작용시킴으로써 당해 관능기와의 사이에서 결합을 형성시킬 수 있다.
또한, 여기에서는, 천연형 면역 글로불린(10)을 처리하고, 그 부분 구조체를 취득하는 방법에 대해서 설명했지만, 본 발명에 있어서의 면역 글로불린의 부분 구조체의 취득 방법은 이들에 한정되지 않는다. 실질적으로 동일한 것이 얻어지는 것이면, 다른 방법을 사용해도 된다. 다른 방법으로서는, 예를 들어, Fab'나 환원형 면역 글로불린 반량체를 코딩한 벡터를 대장균에 도입해서 취득하는 방법 등을 들 수 있다.
이상의 처리에 의해 면역 글로불린(10)을 소형화할 수 있다. 그 결과, 타깃 물질의 전하에 의해 발생하는 전계를 반도체층(4)에 효과적으로 전달할 수 있어, 검출 감도가 향상된다.
면역 글로불린(10)의 부분 구조체의 출발 물질로서는, 모노클로날 항체 및 폴리클로날 항체 중 어느 것이어도 된다. 센서간의 특성 변동 저감의 관점에서는, 모노클로날 항체가 바람직하다. 폴리클로날 항체를 출발 물질로 하는 경우에도, 정제 폴리펩티드를 결합한 어피니티 칼럼에 항체를 결합시키는 공정을 포함하는, 소위 흡수법에 의해, 특이 항체를 얻을 수 있다.
모노클로날 항체를 출발 물질로서 사용하는 경우, 그 항체로서, 키메라 항체(예를 들어, 마우스 모노클로날 항체의 가변 영역을 갖는 인간 항체), 인간화 항체(예를 들어, 마우스 모노클로날 항체의 상보성 결정 영역을 갖는 인간 항체)를 사용할 수도 있다. 또한, 공지된, 유전자 공학적 방법이나 단백질 공학적 방법을 이용하여, 면역 글로불린의 일부에 의도적으로 변이를 도입한 항체여도 된다.
사용하는 면역 글로불린의 부분 구조체의 분자량도, 센서의 성능에 영향을 준다. 부분 구조체의 분자량이 작을수록, 반도체층(4) 근방에서 타깃 물질을 포착할 수 있다는 이점이나, 반도체층(4)에 보다 많은 수의 부분 구조체를 도입할 수 있다는 이점이 있다. 한편, 원래의 면역 글로불린의 입체 구조를 가능한 한 온존한 쪽이, 타깃 물질에 대한 결합 능력이 유지된다. 이들 두가지 효과의 밸런스로부터, 타깃 포착체 X로서 사용하는, 면역 글로불린의 부분 구조체의 분자량은, 20000 이상이 바람직하고, 30000 이상이 보다 바람직하고, 35000 이상이 특히 바람직하다. 또한, 면역 글로불린의 부분 구조체의 분자량은, 120000 이하가 바람직하고, 100000 이하가 보다 바람직하고, 58000 이하가 특히 바람직하다.
본 발명에 있어서의 면역 글로불린의 부분 구조체의 분자량은, 시료를 매트릭스 지원 레이저 탈리 이온화법-비행시간형 질량 분석법(MALDI-TOFMS)에 의해 분석함으로써 결정되는 값이다.
(반도체 성분)
본 발명에서 사용할 수 있는 반도체 성분으로서는, 단체 반도체, 화합물 반도체, 유기 반도체, 나노 카본 재료 등이 있다.
단체 반도체로서는, 실리콘, 게르마늄 등의 IV족 원소가 사용된다. 실리콘을 사용하는 경우의 형태로서는, 아몰퍼스 실리콘, 폴리실리콘(다결정 실리콘), 단결정 실리콘 등을 들 수 있다. 실리콘 반도체를 사용하는 경우에는, 판상으로 사용해도 되고, 실리콘 나노 와이어의 형상으로 사용해도 된다. 실리콘 나노 와이어란, 직경이 1㎚ 이상 999㎚ 이하인 섬유상의 실리콘 반도체이다. 직경이 좁을수록, 환경을 민감하게 감지하기 때문에, 감도가 좋다. 그 때문에, 실리콘 나노 와이어를 사용하는 경우에는, 직경 1㎚ 이상 100㎚ 이하인 것이 바람직하다.
실리콘 나노 와이어의 제작 방법으로서는, 고상법, 액상법, 기상법, 화학 기상 성장법(CVD법), VLS(Vapor-Liquid-Solid)법, 기판의 에칭에 의한 방법 등을 들 수 있다.
화합물 반도체는, 또한 II-VI족 반도체, III-V족 반도체, IV족 화합물 반도체, I-III-VI족 반도체, II-IV-V족 반도체 등으로 분류할 수 있다. II-VI족 반도체로서는, ZnSe, CdS, ZnO 등을 들 수 있다. III-V족 반도체로서는, GaAs, InP, GaN 등을 들 수 있다. IV족 화합물 반도체로서는, SiC, SiGe 등을 들 수 있다. I-III-VI족 반도체로서는, CuInSe2, AgGaTe2 등을 들 수 있다. II-IV-V족 반도체로서는, ZnSiAs2, CdGeAs2 등을 들 수 있다.
유기 반도체로서는, 펜타센, 안트라센, 루브렌, 페릴렌, 코로넨, 프탈로시아닌 등의 다환 방향족 탄화수소나, 폴리티오펜, 폴리파라페닐렌비닐렌, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린 등의 중합체 등을 들 수 있다.
나노 카본 재료로서는, 풀러렌, CNT, 그래핀, 카본나노혼 등이 있고, 각각에 대해서 이하에 설명한다. 본 발명에 있어서는, 나노 카본 재료끼리를 조합해서 사용해도 된다. 예로서, CNT의 내측에 풀러렌이 내포된, 피포드를 들 수 있다.
풀러렌은, 탄소 원자끼리가 sp2 혼성 궤도간 상호 작용에 의해 결합하고 있는, 다면체 구조를 한 화합물이다. 다면체는, 오원환과 육원환으로 구성된다. 다면체를 구성하는 탄소수로서는, 60, 70, 74, 76, 78 등이 있다. 풀러렌은 1 분자로 사용해도 되고, 복수의 풀러렌 분자가 집합한 풀러렌 나노 위스커나, 풀러렌 나노 위스커가 중공 구조를 형성한 풀러렌 나노 파이버의 형태로 사용해도 된다.
그래핀은, 그래핀·시트라고도 불리며, 이상적으로는 모든 탄소 원자끼리가 sp2 혼성 궤도간 상호 작용에서 결합하여, 육각형 격자 구조를 취하고 있다. 그래핀이 다수 적층되면, 그래파이트가 된다. 그래핀은, 밴드 갭이 존재하지 않는 특수한 반도체이다. 그래핀은 매우 높은 전자 이동도를 나타내기 때문에, 반도체층(4) 중의 반도체 성분으로서 유망하다.
탄소의 층을 수원자층까지 겹친 것도 포함해서 그래핀이라고 불린다. 본 발명에서 사용되는 그래핀은, 탄소의 층이 10원자층 이하인 것이 바람직하고, 3 원자층 이하인 것이 보다 바람직하고, 단원자층인 것이 특히 바람직하다.
그래핀의 합성 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 기계 박리법, 화학 박리법, 탄화규소 가열법(이하, SiC 가열법) 또는 열화학 기상 성장법(이하, 열 CVD법) 등을 들 수 있다.
그래핀이 기판(1) 상에 존재하는 것은, 간이적으로 광학 현미경에 의해 확인할 수 있다. 광학 현미경에 의한 관찰은 간편한 방법이지만, 조심스럽게 관찰함으로써, 단층, 2층, 3층의 그래핀을 분별하는 것도 가능하다. 보다 상세한 분석에는 라만 분광법이 사용된다.
CNT로서는, 1매의 탄소막(그래핀·시트)이 원통상으로 감긴 단층 CNT, 2매의 그래핀·시트가 동심원상으로 감긴 2층 CNT, 복수의 그래핀·시트가 동심원상으로 감긴 다층 CNT 등을 들 수 있다. 본 발명에 있어서는, 이들의 어느 것을 사용해도 되지만, 높은 반도체 특성을 얻기 위해서는, 단층 CNT를 사용하는 것이 바람직하다. CNT는 아크방전법, 화학 기상 성장법(CVD법), 레이저·어블레이션법 등에 의해 얻을 수 있다.
CNT는, 반도체형 CNT를 80중량% 이상 포함하는 것이 보다 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 반도체형 CNT를 95중량% 이상 포함하는 것이다. 반도체형이 80중량% 이상의 CNT를 얻는 방법으로서는, 기지의 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 밀도 구배제의 공존 하에서 초원심하는 방법, 특정한 화합물을 선택적으로 반도체형 혹은 금속형 CNT의 표면에 부착시키고, 용해성의 차를 이용해서 분리하는 방법, 전기적 성질의 차를 이용하여 전기 영동 등에 의해 분리하는 방법 등을 들 수 있다. 본 발명에 있어서의 반도체형 CNT의 함유율은, 라만 스펙트럼에 있어서, 금속형 CNT의 피크 면적과 반도체형 CNT의 피크 면적의 비로부터 산출되는 값이다.
본 발명에 있어서, CNT의 길이는, 적용되는 센서에 있어서의, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 거리보다 짧은 것이 바람직하다. 구체적으로는, CNT의 평균 길이는, 채널 길이에 따라 다르지만, 바람직하게는 2㎛ 이하, 보다 바람직하게는 1㎛ 이하이다. CNT의 평균 길이란, 랜덤하게 선택한 20개의 CNT의 길이의 평균값을 말한다. CNT 평균 길이의 측정 방법으로서는, 원자간력 현미경, 주사형 전자 현미경, 투과형 전자 현미경 등에서 얻은 화상 중에서, 20개의 CNT를 랜덤하게 선택하여, 그들 길이의 평균값을 얻는 방법을 들 수 있다.
일반적으로 시판되고 있는 CNT는 길이에 분포가 있고, 전극간 거리보다 긴 CNT가 포함되는 경우가 있기 때문에, CNT를 전극간 거리보다 짧게 하는 공정을 추가하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 질산, 황산 등에 의한 산 처리, 초음파 처리 또는 동결 분쇄법 등에 의해 단섬유상으로 커트하는 방법이 유효하다. 또한 필터에 의한 분리를 병용하는 것은, 순도를 향상시키는 점에서 더욱 바람직하다.
또한, CNT의 직경은 특별히 한정되지 않지만, 1㎚ 이상 100㎚ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1㎚ 이상 50㎚ 이하이다.
본 발명에서는, CNT를 용매 중에 균일 분산시키고, 분산액을 필터에 의해 여과하는 공정을 마련하는 것이 바람직하다. 필터 구멍 직경보다 작은 CNT를 여과액으로부터 얻음으로써, 전극간 거리보다 짧은 CNT를 효율적으로 얻을 수 있다. 이 경우, 필터로서는 멤브레인 필터가 바람직하게 사용된다. 여과에 사용하는 필터의 구멍 직경은, 채널 길이보다 작으면 되고, 0.5㎛ 이상 10㎛ 이하가 바람직하다. 이외에 CNT의 길이를 짧게 하는 방법으로서, 산 처리, 동결 분쇄 처리 등을 들 수 있다.
카본 나노혼은, 그래핀을 원추형으로 둥글게 한 구조를 하고 있다. 카본 나노혼은, 실온 하에서, 아르곤 가스 분위기 중에서, 그래파이트에 이산화탄소 레이저를 조사함으로써 합성할 수 있다. 카본 나노혼의 직경은, 2㎚ 이상 5㎚ 이하 정도의 것이 바람직하다. 카본 나노혼은, 분리 공정을 실시하지 않는 경우에는 집합체를 형성하고 있다. 본 발명에서는, 집합체인채 사용해도 되고, 하나하나를 분리해서 사용해도 된다.
본 발명의 실시 형태에 따른 센서가 있어서, 반도체 성분으로서는, 이동도가 크고, 비표면적이 크다는 관점에서, 풀러렌, CNT, 그래핀 및 카본 나노혼으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하고, 또한 이들 중에서도, 생산 택트의 관점에서, CNT가 특히 바람직하다.
본 발명의 실시 형태에 따른 센서에 있어서, 반도체층(4) 중의 반도체 성분은, 그 표면이 반도체 특성을 나타내지 않는 매우 얇은 막으로 덮여 있어도 된다. 이것은, 반도체 성분이 직접 용액에 노출되면, 예기치 못한 전기 특성 변화를 초래하는 경우가 있기 때문이다. 반도체 성분을 덮고 있는 매우 얇은 막 위에 공액계 유기 화합물이 부착되어 있어도 된다. 단, 반도체 성분을 피복하고 있는 막의 두께는, 본 발명의 반도체 소자를 센서로서 사용했을 때, 그의 전기적인 검출을 저해하지 않을 정도의 막 두께인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 300㎚ 이하가 바람직하고, 200㎚ 이하가 보다 바람직하고, 100㎚ 이하가 특히 바람직하다.
(분산제)
반도체 성분으로서 나노 카본 재료 복합체를 사용한 경우, 나노 카본 재료 표면의 적어도 일부에 분산제를 부착시키는 것이 바람직하다. 이에 의해, 나노 카본 재료를 보유한 높은 전기적 특성을 손상시키지 않고, 나노 카본 재료를 용액 중에 균일하게 분산하는 것이 가능해진다. 또한, 나노 카본 재료가 균일하게 분산한 용액으로부터, 도포법에 의해, 균일하게 분산한 나노 카본 재료 막을 형성하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 높은 반도체 특성을 실현할 수 있다.
나노 카본 재료에 분산제를 부착시키는 방법은, (I) 용융한 분산제 중에 나노 카본 재료를 첨가해서 혼합하는 방법, (II) 분산제를 용매 중에 용해시켜서, 이 중에 나노 카본 재료를 첨가해서 혼합하는 방법, (III) 나노 카본 재료를 미리 초음파 등으로 예비 분산시켜 두고, 거기에 분산제를 첨가해 혼합하는 방법, (IV) 용매 중에 분산제와 나노 카본 재료를 넣고, 이 혼합계에 초음파를 조사해서 혼합하는 방법 등을 들 수 있다. 본 발명에서는, 어느 것의 방법을 사용해도 되고, 어느 것의 방법을 조합해도 된다.
분산제로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적으로는, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스류, 폴리에틸렌글리콜 등의 폴리알킬렌글리콜류, 폴리히드록시메틸메타크릴레이트 등의 아크릴 수지, 폴리-3-헥실티오펜 등의 공액계 중합체, 안트라센 유도체, 피렌 유도체 등의 다환 방향족 화합물, 도데실 황산 나트륨, 콜산나트륨 등의 장쇄 알킬 유기염 등을 들 수 있다. 나노 카본 재료와의 상호 작용의 관점에서, 알킬기, 방향족 탄화수소기 등의 소수기를 갖는 것이나 공액 구조를 갖는 것이 바람직하고, 공액계 중합체가 특히 바람직하다. 공액계 중합체이면, 나노 카본 재료가 보유하는 높은 전기적 특성을 손상시키는 일 없이 나노 카본 재료를 용액 중에 균일하게 분산시키는 효과나 높은 반도체 특성과 같은 효과가 보다 향상된다.
(공액계 중합체)
본 발명의 실시 형태에 따른 센서에 있어서, 반도체 성분의 적어도 일부에 공액계 중합체가 부착되어 있는 것이 바람직하다. 여기에서 말하는 「부착」이란, 타깃 인식 분자가 반도체층(4)에 부착되는 경우와 동일한 현상을 의미한다. 공액계 중합체란, 단량체 유닛 내에 있어서, 또는 단량체 유닛 내 및 인접하는 단량체 유닛간에 있어서, 원자간의 다중 결합의 공액계가 이어지고 있는 중합체이다. 공액계 중합체는, 반도체 성분이 직접, 시료 용액에 접촉함으로써 예기치 못한 전기 특성 변화가 일어나는 것을 방지함과 함께, 공액계에 의해 반도체 성분의 전자 전달을 보조하는 역할도 담당한다.
공액계 중합체로서는, 폴리티오펜계 중합체, 폴리피롤계 중합체, 폴리아닐린계 중합체, 폴리아세틸렌계 중합체, 폴리-p-페닐렌계 중합체, 폴리-p-페닐렌비닐렌계 중합체 등을 들 수 있지만, 특별히 한정되지 않는다. 상술한 중합체는 단일의 단량체 유닛이 배열된 것이 바람직하게 사용되지만, 다른 단량체 유닛을 블록 공중합한 것, 랜덤 공중합한 것, 그래프트 공중합한 것도 사용된다.
상술한 중합체 중에서도, 공액계의 전자 궤도가 크고, 반도체 성분과의 상호 작용이 커진다는 관점에서, 반복 단위 중에 황 원자를 포함하는 복소환이 존재하는 공액계 중합체가 바람직하다. 그 중에서도, 반도체 성분으로의 부착이 견고하고, 전자 전도 보조 효과가 높은, 티오펜계 중합체, 티아디아졸계 중합체, 벤조티아디아졸계 중합체가, 특히 바람직하다.
공액계 중합체의 바람직한 분자량은, 수평균 분자량으로 800 이상 100000 이하이다. 또한, 상술한 중합체는 반드시 고분자량일 필요는 없고, 직쇄상 공액계를 포함하는 올리고머여도 된다.
또한, 공액계 중합체가 측쇄를 함유하고, 그 측쇄의 적어도 일부에 히드록시기, 카르복시기, 아미노기, 머캅토기, 술포기, 포스폰산기, 그들의 유기염 또는 무기염, 포르밀기, 말레이미드기 및 숙신이미드기로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 관능기를 함유하는 것이 바람직하고, 아미드기, 에스테르기 및 이미드기로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 관능기를 함유하는 것이 특히 바람직하다. 이들의 관능기끼리가 결합해서 환을 형성하고 있어도 된다.
본 명세서에 있어서, 측쇄란, 공액계 중합체의 주쇄를 구성하는 원자로 치환해서 연결된, 적어도 하나의 탄소 원자를 포함하는 분자쇄를 가리킨다. 또한, 측쇄에 관능기를 포함한다는 것은, 측쇄의 말단에 상술한 관능기를 포함하는 것이나, 측쇄로부터 갈라져 나와서 상술한 관능기를 포함하는 것을 말한다. 그리고, 쇄란, 2개 이상의 원자가 직렬해서 연결된 것을 말한다. 이때, 상술한 관능기에 포함되는 원자의 하나를, 분자쇄를 구성하는 원자에 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어 주쇄에 CH2-COOH에 의해 표현되는 기가 연결되어 있는 경우, 이것은 카르복시기를 함유하는 측쇄이다.
이 측쇄는 알킬렌기를 분자쇄의 적어도 일부에 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 공액계 중합체의 측쇄가, 알킬렌기를 통해서 상술한 관능기를 함유하는 것이 바람직하다. 알킬렌기는, 주쇄인 공액계 중합체를 구성하는 원자에 직접 결합되어 있어도 되고, 에테르 결합, 에스테르 결합 등을 통해서 결합되어 있어도 된다.
알킬렌기란, 예를 들어 메틸렌기, 에틸렌기, n-프로필렌기, 이소프로필렌기, n-부틸렌기, sec-부틸렌기, tert-부틸렌기, 시클로프로필렌기, 시클로헥실렌기, 노르보르닐렌기 등의 2가의 포화 지방족 탄화수소기를 나타낸다. 알킬렌기는 치환기를 갖고 있어도 되고 갖고 있지 않아도 된다. 치환기를 갖고 있는 경우의 추가 치환기에는 특별히 제한은 없으며, 예를 들어 알킬기나, 메톡시기, 에톡시기 등의 알콕시기 등을 들 수 있다. 또한, 알킬렌기의 탄소수는, 특별히 한정되지 않지만, 입수의 용이성이나 비용의 관점에서, 1 이상 20 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 이상 8 이하이다.
상술한 구조를 갖는 공액계 중합체로서, 구체적으로는 하기와 같은 구조를 들 수 있다. 또한, 각 구조 중 n은 반복수를 나타내고, 2 이상 1000 이하의 범위다. 또한, 공액계 중합체는 각 구조가 단일 중합체에서도 되고, 공중합체여도 된이다. 또한, 각 구조와, 그 구조에서 측쇄를 갖지 않는 것과의 공중합체여도 된다.
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본 발명에서 사용되는 공액계 중합체는, 공지된 방법에 의해 합성할 수 있다. 단량체를 합성하기 위해서는, 예를 들어 티오펜과, 카르복시기를 말단에 갖는 알킬기를 도입한 티오펜 유도체를 커플링하는 방법을 들 수 있다. 그 구체예로서, 할로겐화한 티오펜 유도체와, 티오펜보론산 또는 티오펜보론산 에스테르를, 팔라듐 촉매 하에서 커플링하는 방법, 할로겐화한 티오펜 유도체와, 티오펜 그리냐르 시약을, 니켈 또는 팔라듐 촉매 하에서 커플링하는 방법 등을 들 수 있다. 이러한 단량체를 사용해서 중합 반응을 행함으로써, 측쇄로서 카르복시기를 말단에 갖는 알킬쇄를 도입한 폴리티오펜계 중합체가 얻어진다. 또한, 티오펜 이외의 공액계 유닛과 티오펜을 마찬가지 방법에 의해 커플링시킨 것을 단량체 유닛으로 할 수도 있다. 그렇게 해서 얻어진 단량체 유닛의 말단에 중합성 치환기를 도입하고, 팔라듐 촉매나 니켈 촉매 하에서 중합을 진행시킴으로써, 티오펜 이외의 공액계 유닛을 포함하는 공액계 중합체를 얻을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 공액계 중합체로부터는, 합성 과정에서 사용한 원료나 부생성물 등의 불순물을 제거하는 것이 바람직하다. 그 방법으로서, 예를 들어 실리카겔 칼럼 그래피법, 속슬렛 추출법, 여과법, 이온 교환법, 킬레이트법 등을 사용할 수 있다. 이들 방법을 2종 이상 조합해도 된다.
(보호제)
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서, 반도체 성분에, 타깃 물질 이외의 물질의 접근, 부착을 방해하기 위한 시약(「보호제」라고 한다)에 의한 처리를 실시해도 된다. 이에 의해, 타깃 물질을 보다 선택적으로 검출할 수 있게 된다. 보호제는, 반도체 성분에 물리적으로 부착시켜도 되고, 반도체 성분 중 어딘가에 결합을 통해서 도입해도 된다.
반도체 성분에 보호제를 부착시키는 방법으로서는, (I) 반도체 성분을 미리 초음파 등으로 예비 분산시켜 두고, 거기에 보호제를 첨가해서 혼합하는 방법, (II) 용매 중에 보호제와 반도체 성분을 넣고, 이 혼합계에 초음파를 조사해서 혼합하는 방법, (III) 용융한 보호제에, 기판(1) 상에 도포한 반도체 성분을 침지하는 방법, (IV) 보호제를 용매 중에 용해시켜서, 이 중에 기판(1) 상에 도포한 반도체 성분을 침지하는 방법 등을 들 수 있다. 본 발명에서는, 어느 것의 방법을 사용해도 되고, 어느 것의 방법을 조합해도 된다. 검출 감도의 관점에서, (III)이나 (IV)와 같은, 고액 반응을 이용해서 반도체 성분에 보호제를 부착시키는 방법이 바람직하다.
공액계 중합체와 보호제는, 동일한 화합물이나 다른 화합물이나 상관없지만, 검출 감도의 관점에서, 다른 화합물인 것이 바람직하다. 보호제의 예로서는, 소 혈청 알부민, 카제인, 스킴 밀크 등의 단백질, 아밀로스, 셀룰로오스, 덱스트란, 카르복시메틸셀룰로오스 등의 다당류, 폴리에틸렌글리콜 등의 폴리알킬렌글리콜류, 에탄올아민, 머캅토에탄올 등의 저분자 유기 화합물, 폴리비닐알코올, 폴리옥시에틸렌폴리옥시테트라메틸렌모노메타크릴레이트, 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸포스포릴콜린) 등의 합성 고분자 등을 들 수 있다.
공액계 중합체를 반도체 성분에 부착시키는 공정과, 반도체 성분을 보호제로 수식하는 공정의 순서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 공액계 중합체를 부착시킨 후에 보호제에 의한 수식을 행하는 순서가 바람직하다.
(타깃 물질)
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서의 타깃 물질로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 효소, 항원, 항체, 합텐, 펩티드, 올리고펩티드, 폴리펩티드(단백질), 호르몬, 핵산, 올리고뉴클레오티드, 당, 올리고당, 다당 등의 당류, 저분자 화합물, 무기 물질 및 이들의 복합체, 바이러스, 세균, 세포, 생체 조직 및 이들을 구성하는 물질 등을 들 수 있다. 이들은, 타깃 인식 분자와의 상호 작용에 의해, 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서의 반도체층의 전기 특성에 변화를 초래한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서에 의해, 저분자 화합물도 검출할 수 있다. 저분자 화합물로서는, 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예를 들어 생체로부터 발해지는, 암모니아나 메탄 등의 상온 상압으로 기체의 화합물이나, 요산 등의 고체 화합물을 들 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서는, 타깃 포착체 X로서 단백질 또는 핵산을 이용하고 있기 때문에, 생체 유래의 물질과의 상성이 좋다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서는, 생체 유래의 물질을 검출 대상으로 하는 반도체 센서인 것이 바람직하다. 또한, 여기에서는 바이러스도 생체 유래의 물질로서 처리한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서의, 타깃 포착체 X/타깃 물질의 조합으로서는, 예를 들어 T-PSA-㎃b(전립선 특이 항원용 모노클로날 항체)/PSA(전립선 특이 항원), anti-hCG-㎃b(항 인간 융모성 고나도트로핀 항체)/hCG(인간 융모성 고나도트로핀), 항AFP폴리클로날 항체(인간 조직 면역 염색용 항체)/α페토프로테인, anti-트로포닌 T(항 트로포닌 T 항체)/트로포닌 T, anti-CK-MB(항 크레아티닌 키나아제 MB 항체)/CK-MB(크레아티닌 키나아제　MB), anti-PIVKA-II(항 protein induced by vitamin K absence or antagonist(PIVKA)-II 항체)/PIVKA-II, anti-CA15-3(유방암 C 종양 마커) 항체/CA15-3, anti-CEA(항암 태아성 항원 항체)/CEA(암 태아성 항원), anti-CYFRA(항 사이토케라틴 19 프래그먼트 항체)/CYFRA(사이토케라틴 19 프래그먼트), anti-p53(항 p53 단백질 항체)/p53(p53 단백질), 항 헤모글로빈 항체/헤모글로빈, 항당화 헤모글로빈 항체/당화 헤모글로빈, 항 나트륨 이뇨 펩티드(BNP) 항체/BNP, 글루코오스데히드로게나제(GDH)/글루코오스, 글루코오스옥시다아제/글루코오스, 데옥시리보핵산(DNA)/리보핵산(RNA) 등을 들 수 있다. 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서는, 가스 센서, 이온 센서, 심근 마커 센서, 종양 마커 센서, 헤모글로빈 센서, 당화 헤모글로빈 센서 등의 각종 센서에 이용할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서에 있어서, 넓은 농도 범위에 걸쳐서 측정 오차를 발생하기 어려운 타깃 물질은, 헤모글로빈 및 당화 헤모글로빈이며, 이들을 검출 대상으로 한 반도체 센서로 하는 것이 특히 바람직하다. 즉, 타깃 포착체 X가, 헤모글로빈 또는 당화 헤모글로빈의 적어도 한쪽과 선택적으로 상호 작용하는 면역 글로불린의 부분 구조체인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서는, 헤모글로빈 및 당화 헤모글로빈의 검출에 적합하다는 점에서, 반도체 센서와, 글루코오스를 검출하는 센서를 포함해서 복합 센서를 구성해도 된다. 복합 센서에 있어서, 타깃 물질의 하나인 당화 헤모글로빈은, 헤모글로빈 A1c(이하, HbA1c라 약기)가 특히 바람직하다. 글루코오스와 HbA1c라고 하는, 당뇨병의 지표가 되는 복수의 물질의 생체액 중 농도를 측정하는 센서에 의해, 당뇨병의 병상 감시를 효과적으로 행할 수 있다.
(생체액)
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서는, 생체액 중의 물질을 검출하는 목적으로도 사용할 수 있다. 생체액이란, 생물이 어떤 형태로 생물의 체내에 갖고 있는 액체이다. 생체로부터 채취되는 모든 액체, 예를 들어 혈액, 조직액, 체강액, 소화액, 오줌, 타액, 땀, 눈물, 콧물, 정액, 림프액, 질액, 양수, 유즙, 골수액, 활액 및 세포 현탁액 등을 그대로 사용할 수 있다. 또한, 생체 시료 중에서 세포 성분 등을 미리 파쇄 또는 제거한 시료여도 된다. 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서에 제공하는 시료로서는, 생체액 중에서도, 혈액, 타액, 땀, 눈물, 오줌 등이 입수의 용이성에서 바람직하고, 그 중에서도 혈액이, 생체 정보를 수많이 포함하기 때문에 보다 바람직하다.
(반도체 센서의 제조 방법)
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 센서의 제조 방법으로서, 제1 실시 형태에 따른 반도체 센서의 제조 방법을 예로 해서 설명한다. 이 반도체 센서의 제조 방법은, 반도체 성분을 기판(1) 상에 도포 및 건조해서 반도체층을 형성하는 공정을 포함한다. 또한, 제조 방법은 하기에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 기판(1) 상에 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)을 형성한다. 형성 방법은, 예를 들어 금속 증착, 스핀 코팅법, 블레이드 코팅법, 슬릿 다이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바 코터법, 주형법, 인쇄 전사법, 침지 인상법 또는 잉크젯법 등의 공지된 방법을 들 수 있다. 각각의 전극(2, 3)을 패턴 형상으로 형성하기 위해서는, 마스크 등을 사용해서 직접 패턴을 형성해도 된다. 또한, 기판(1) 상에 레지스트를 도포하고, 노광 및 현상해서 레지스트막을 원하는 패턴으로 가공하고 나서, 에칭함으로써, 전극을 패터닝하는 것도 가능하다.
다음에 반도체층(4)을 형성한다. 그 방법은, 기판(1) 상에 반도체 성분을 도포하는 공정과, 타깃 인식 분자의 전구체를 이 반도체 성분에 결합 또는 부착시키는 공정과, 이 타깃 인식 분자의 전구체와 타깃 포착체 X 사이에서 결합을 형성시키는 공정을 포함하는 제조 방법이 바람직하다. 여기서, 「타깃 인식 분자의 전구체」란, 타깃 인식 분자 중, 타깃 포착체 X를 제외한 부분을 말한다. 타깃 인식 분자의 전구체와 타깃 포착체 X 사이에서 결합을 형성시키면, 본 발명에 사용되는 타깃 인식 분자가 된다.
반도체 성분에 타깃 인식 분자의 전구체를 결합 또는 부착시키는 방법으로서는, 진공 중에서 타깃 인식 분자의 전구체를 증착하는 방법, 타깃 인식 분자의 전구체가 용해한 용액에, 반도체 성분을 포함하는 층을 침지하는 방법, 반도체층에 타깃 포착체 X 이외의 부분을 포함하는 타깃 인식 분자의 전구체를 도포하는 방법 또는 반도체 성분을 포함하는 층에, 타깃 인식 분자의 전구체가 용해한 용액을 도포하는 방법 등을 들 수 있다.
타깃 인식 분자의 전구체와 타깃 포착체 X 사이에 결합을 형성시키는 방법으로서는, 진공 중에서 반도체 성분을 포함하는 층에 타깃 포착체 X를 충돌시켜서 반응시키는 방법, 반도체 성분을 포함하는 층을 타깃 포착체 X가 용해한 용액에 침지하는 방법, 반도체 성분을 포함하는 층에 타깃 포착체 X가 용해한 용액을 도포하는 방법 등을 들 수 있다.
이하, 타깃 인식 분자의 전구체를 반도체 성분에 부착시킨 후, 타깃 인식 분자의 전구체와 타깃 포착체 X 사이에서 결합을 형성시켜서, 타깃 인식 분자로 하는 반응에 대해서, 구체예를 사용해서 설명한다. 먼저, 2개의 전극 사이에, 반도체 성분으로서 CNT를 배치한 기판을 제작한다. 이어서, 피레닐기와 말레이미드기를 갖는, 타깃 인식 분자의 전구체를, 아세토니트릴 등의 유기 용매에 용해시킨다. 그 용액에, 상술한 바와 같이 제작해 둔 기판을 침지시킨다. 그러면, 도 9a에 도시한 바와 같이, CNT(19)와 피렌환의 π-π 전자 상호 작용에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체가 CNT(19) 상에 부착된다. 단, 도면 중 L'는, 반응 후 연결기 L이 되는 구조 중, 말레이미드기 부분을 제외한 구조이다.
이렇게 해서, CNT(19) 상에 타깃 인식 분자의 전구체를 고정화한 기판을, 이어서, 타깃 포착체 X로서 면역 글로불린의 부분 구조체(20)인, Fab'를 용해한 수용액에 침지시킨다. 그러면, Fab'의 힌지 영역의 황 원자(21)가 타깃 인식 분자의 전구체 말레이미드기와 반응해서 결합을 형성하고, 타깃 인식 분자가 얻어진다. 즉, 이 반응의 결과, 도 9b에 도시한 바와 같이, CNT(19) 상에 타깃 인식 분자가 고정화된 상태가 된다.
반도체 성분의 기판(1) 상으로의 배치와 타깃 인식 분자의 고정화란, 따로따로 행해도 되고, 일괄해서 행해도 된다. 일괄해서 행하기 위해서는, 예를 들어 미리 타깃 인식 분자가 결합 또는 부착되어 있는 반도체 성분을 사용해서 반도체층을 형성하는 방법을 들 수 있다.
다른 실시 형태에 따른 반도체 센서의 제조 방법에도, 상술한 방법을 준용할 수 있다. 예를 들어, 제2 실시 형태에 따른 반도체 센서의 제조 방법은, 제1 실시 형태에 따른 반도체 센서의 제조 방법에 대하여, 기판(1) 상에 먼저, 제3 전극(5)과 절연층(6)을 형성하는 공정이 가해진 것이다.
(실시예 및 비교예)
이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 구체적인 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명은, 후술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 사용한 화합물 중 약어로 나타낸 것을 이하에 나타낸다.
o-DCB: 오르토-디클로로벤젠
PBS: 인산 완충 생리 식염수
BSA: 소 혈청 알부민
EDTA: 에틸렌디아민 4아세트산
P3HT: 폴리-3-헥실티오펜
DMF: 디메틸포름아미드
HRG: 히스티딘 리치 클리코프로테인
NMP: N-메틸피롤리돈
EDC: 에틸(디메틸아미노프로필)카르보디이미드
NHS: N-히드록시숙신이미드
PBSE: 피렌부티르산숙신이미드에스테르.
실시예 1
(1) 반도체 성분 용액 A의 제조
CNT(CNI사 제조, 단층 CNT, 반도체형 CNT를 95중량% 함유)를 1.5㎎과, 황 원자가 포함되어 있지 않은 공액계 중합체인, 하기 구조의, 폴리[(m-페닐렌비닐렌)-co-(2,5-디옥톡시-p-페닐렌비닐렌)](시그마·알드리치사 제조, 이하 공액계 중합체 [A]라 칭한다) 1.5㎎를, 15mL의 클로로포름 중에 첨가하여, 빙냉하면서, 초음파 호모지나이저(도쿄 리카 기카이사제 VCX-500)를 사용하여, 출력 250W로 30분간 초음파 교반하여, CNT 복합체 분산액 A(용매에 대한 CNT 복합체 농도 0.06g/L)를 얻었다.
Figure pct00015
이어서, 반도체층을 형성하기 위한 반도체 성분 용액 A의 제작을 행하였다. 상술한 CNT 분산액 A를, 멤브레인 필터(구멍 직경 10㎛, 직경 25㎜, 밀리 포어사제 옴니포어 멤브레인)를 사용해서 여과를 행하여, 길이 10㎛ 이상의 CNT 복합체를 제거했다. 얻어진 여과액 5mL에, o-DCB 21mL를 첨가하여, 반도체 성분 용액 A(용매에 대한 CNT 복합체 농도 0.01g/L)로 했다.
(2) 마우스 항 인간 HbA1c Fab'의 제작
시트르산 1수화물(간또 가가꾸사제)과 10N 수산화나트륨 수용액(와코 쥰야꾸 고교사제)을 사용하여, 0.1M 시트르산 나트륨 완충액(pH3.5)을 제조했다. 그 완충액에, 1㎎/mL의 농도가 되도록 펩신(와코 쥰야꾸 고교사제)을 용해해서 펩신 용액으로 하였다. 별도로, 농도 7.7㎎/mL의 마우스 항 인간 HbA1c 항체(BBI Solutions사제) 40μL를, 0.1M 시트르산 나트륨 완충액(pH3.5) 269μL로 희석하고, 1㎎/mL로 했다. 얻어진 용액 300μL에 대하여, 펩신 용액 3μL를 첨가하고, 37℃에서 1시간 정치했다. 그 후, 1M 트리스히드록시메틸아미노메탄-염산 완충액(pH8.0) 100μL를 첨가하고, 중화함으로써 반응을 정지했다.
얻어진 용액 10μL와, 순수 5μL와, NuPAGE LDS Sample Buffer(상품명, 인비트로젠사제) 5μL를 혼합하고, 95℃에서 5분간 가열했다. 그 후, 분자량 마커인, 프레시죤 Plus 단백질 2색 스탠다드(상품명, 바이오·래드사제)와 함께, 폴리아크릴아미드 겔 전기 영동법(SDS-PAGE)을 실시했다. 그 때 사용한 전기 영동조는 이지 세퍼레이터(상품명, 와코 쥰야꾸 고교사제)이며, 전원 장치는 마이 파워 II500(상품명, 아토사제)이며, 겔은 슈퍼세프에이스, 5-20%(상품명, 와코 쥰야꾸 고교사제)이고, 영동 완충액은 단백질 영동 버퍼(상품명, 와코 쥰야꾸 고교사제)였다. 전원 장치를 사용해서 전기 영동조에 흘리는 전류는 20㎃의 일정 전압으로 하고, 70분간 전기 영동을 실시했다. 퀵 CBB 플러스(상품명, 와코 쥰야꾸 고교사제)에 의해 겔 및 항체 소화 생성물을 염색 후, 순수로 겔을 탈색하고, 나타난 항체 소화 생성물의 밴드와 분자량 마커를 비교함으로써, Fc 영역(16)이 절단되어 F(ab')2가 생성된 것이 확인되었다.
이어서, PD MiniTrap G-25칼럼을 사용하여, F(ab')2 용액 300μL의 완충액을, 5mM EDTA 함유 0.1M 인산 나트륨 완충액으로 치환했다. 그 후, Amicon Ultra 0.5, 10K(상품명, 머크 밀리포아사제)를 사용하여, F(ab')2 용액을 농축했다. 농축 후에 NanoDrop2000(상품명, Thermo Fisher Scientific사제)을 사용해서 농도를 측정한바, 2.0㎎/mL였다. 2-아미노에탄티올 염산염(와코 쥰야꾸 고교사제)을, 0.1M이 되도록 5mM EDTA 함유 0.1M 인산 나트륨 완충액에 용해하고, 제조한 용액 10μL를, 전술한 F(ab')2 용액 100μL에 첨가했다. 37℃에서 90분간 정치하고, 환원 반응을 진행시킴으로써, Fab'로 했다. 얻어진 용액을, 5mM EDTA 함유 0.1M 인산 나트륨 완충액을 용출액으로 하고, PD MiniTrap G-25칼럼에 통과시키고, 저분자 성분을 제거했다. 얻어진 용액의 농도를 NanoDrop2000에 의해 측정한바, 0.33㎎/mL였다. 또한, 제작한 Fab'의 분자량을 MALDI-TOF-MS(Bruker사 제조, autoflex speed)에 의해 측정한바, 48550이었다.
(3) 전극 및 반도체층의 형성
제3 실시 형태에 따른 반도체 센서의 용도에 제공하기 위한 반도체 소자를 제작했다. 유리로 만든 기판(1)(두께 0.7㎜) 상에 금을 막 두께 50㎚가 되도록 진공 증착했다. 그 위에 포토레지스트(상품명 「LC100-10cP」, 롬 앤드 하스사제)를 스핀 코트 도포(1000rpm×20초)하고, 100℃에서 10분 가열 건조했다.
제작한 포토레지스트막을, 패럴렐 라이트 마스크 얼라이너(캐논사 제조, PLA-501F)를 사용하여, 마스크를 통해서 패턴 노광했다. 그 후, 자동 현상 장치(다키자와 산교사 제조, AD-2000)를 사용하여, 2.38중량% 수산화테트라메틸암모늄 수용액인 ELM-D(상품명, 미쯔비시 가스 가가꾸사제)에 의해 70초간 샤워 현상하고, 이어서 물로 30초간 세정했다. 그 후, AURUM-302(상품명, 간또 가가꾸사제)에 의해 에칭 처리를 5분간 행한 후, 물로 30초간 세정했다. AZ 리무버 100(상품명, AZ일렉트로닉 머티리얼즈사제)에 5분간 침지해서 레지스트를 박리하고, 물로 30초간 세정했다. 그 후, 120℃에서 20분간 가열 건조함으로써, 금을 포함하는 제1 전극(2), 제2 전극(3) 및 제3 전극(7)을 형성했다.
제1 전극(2) 및 제2 전극(3)의 폭(채널폭)은 각각 300㎛로 하고, 제1 전극(2)과 제2 전극(3)의 간격(채널 길이)은 20㎛로 하였다. 제3 전극(7)은 제2 전극(3)과 평행하게 배치하고, 제3 전극(7)과 제2 전극(3)의 간격은 5㎜로 하였다.
제1 전극(2) 및 제2 전극(3)이 형성된 기판(1) 상에, 상술한 (1)에 기재된 방법에 의해 제작한 반도체 성분 용액 A를, 잉크젯 장치(클러스터 테크놀로지사제)를 사용해서 600pl 적하해서 반도체층(4)을 형성하고, 핫 플레이트 상에서 질소 기류 하에, 150℃에서 30분의 열처리를 행하여, 반도체 소자 A를 얻었다.
이어서, 상술한 반도체 소자 A의 제3 전극(7)의 전압(Vg)을 바꾸었을 때의, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전류(Id)-제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전압(Vsd) 특성을 측정했다. 측정에는 반도체 특성 평가 시스템 4200-SCS형(키슬리 인스트루먼츠사제)을 사용하여, 0.01M PBS(pH7.4, 시그마·알드리치사제) 100μL 하에서 측정했다(측정 시의 실온 25℃, 습도 45%). Vg을 0 내지 -1V로 변화시켰을 때의 드레인 전류 Id의 최솟값은 5×10-11A, 최댓값은 2×10-7A였다. Id의 최솟값에 대한 Id의 최댓값의 비인, 온/오프비를 구하면, 4×103이었다.
(4) 타깃 인식 분자의 전구체 [A]의 합성
1-아미노메틸피렌 염산염(후나코시사제) 38.32㎎과, N-(8-말레이미드카프릴옥시)숙신이미드(도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 51.09㎎을, DMF 143mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 46.48㎎을 첨가하여, 7시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 312mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 60.08㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 453이고, 이하의 타깃 인식 분자의 전구체 [A]인 것이 확인되었다.
Figure pct00016
(5) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자의 전구체 [A]의 부착과 Fab'의 고정화
이어서, (4)에서 합성한 타깃 인식 분자의 전구체 [A] 10㎎을 아세토니트릴(와코 쥰야꾸 고교사제) 10mL에 용해하고, 거기에 (3)에서 형성한 반도체층(4)을 4시간 침지하여, 타깃 인식 분자의 전구체 [A]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 그 후, 반도체층(4)을 아세토니트릴 및 0.01M PBS로 충분히 헹구었다.
이어서, (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab' 용액을, 0.10㎎/mL가 되도록 PBS로 희석하고, 희석된 Fab' 용액에 반도체층(4)을, 4℃에서 18시간 침지했다. 이에 의해, Fab'의 힌지 영역의 머캅토기와, 타깃 인식 분자의 전구체 [A]의 말레이미드기가 반응하고, Fab'가 반도체층(4)에 고정화된다. 이렇게 해서, 분자량 48550의 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 타깃 포착체 X로 하는 타깃 인식 분자가 부착된 CNT 복합체를 갖는 반도체층(4)이 얻어졌다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [A]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 13이 된다.
또한, 보호제에 의한 보호를 행하였다. 즉, BSA(와코 쥰야꾸 고교사제)를, 10㎎/mL가 되도록 0.01M PBS에 용해하고, 거기에, 반도체층(4)을, 4℃에서 3시간 침지했다. 그 후, 반도체층(4)을 0.01M PBS로 충분히 헹구었다. 이에 의해, Fab'간의 간극 부분의 반도체층(4)의 표면이 BSA에 의해 피복되어, 비선택적인 단백질의 부착으로부터 표면을 보호한 반도체 센서를 얻었다.
(6) 반도체 센서로서의 평가
제작한 반도체 센서의 반도체층(4)을 0.01M PBS 용액 100μL에 침지하고, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이로 흘러드는 전류값(Id)을 측정했다. 이때, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전압(Vsd)이 -0.2V, 제1 전극(2)과 제3 전극(7) 사이의 전압(Vg)이 -0.6V인 조건으로 하였다. 측정 개시 시의 전류 Id(초기 전류값)는 3.74㎂였다.
측정 개시로부터 3분 후에, 0.01M PBS 용액에 100μL/mL가 되도록 BSA를 용해한 용액 20μL를, 측정 개시 6분 후에, 0.01M PBS 용액에 100μL/mL가 되도록 아비딘(와코 쥰야꾸 고교사제)을 용해한 용액 20μL를, 측정 개시 9분 후에, 0.01M PBS 용액에 100μL/mL가 되도록 인간 HbA1c(BBI Solutions사제)를 용해한 용액 20μL를 각각, 반도체층(4)이 잠겨 있는 0.01M PBS 용액에 첨가했다. 이 경우, 인간 HbA1c를 포함하는 용액을 첨가했을 때만, 전류값이 0.63㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다.
반도체 센서로서의 성능을 정량적으로 평가하기 위한, 반도체 센서의 제작 조건 및 측정 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다. 표 1은 상술한 실시 형태의 구체예로서의 실시예를 나타내고, 표 2는 실시예와 비교하기 위한 비교예 및 참고예를 나타낸다. 여기서, 타깃 물질이 용해한 시료 용액을 첨가했을 때 전류값의 변화 비율이 큰 쪽이, 반도체 센서로서 성능이 좋다. 그래서, 시료 용액 첨가 전의 Id와 시료 용액 첨가 후의 Id를 판독해서 전류값 변화 비율[%]의 절댓값을 산출함으로써, 시그널 강도로 하였다. 즉, 시그널 강도[%]의 산출식은 이하와 같다.
시그널 강도[%]=100×|(타깃 물질 첨가 후 Id)-(타깃 물질 첨가 전 Id)|/(타깃 물질 첨가 전 Id)
시그널 강도는 16.8%였다.
Figure pct00017
Figure pct00018
실시예 2
(1) 반도체 성분 용액 B의 제조
CNT(CNI사 제조, 단층 CNT, 반도체형 CNT를 95중량% 함유)를 1.5㎎과, P3HT 1.5㎎을, 15mL의 클로로포름 중에 첨가하고, 빙냉하면서, 초음파 호모지나이저(도쿄 리카 기카이사 제조, VCX-500)를 사용하여, 출력 250W로 30분간 초음파 교반하고, CNT 복합체 분산액 B(용매에 대한 CNT 복합체 농도 0.1g/L)를 얻었다.
이어서, 반도체층(4)을 형성하기 위한 반도체 성분 용액 B의 제작을 행하였다. 상술한 CNT 분산액 B를, 멤브레인 필터(구멍 직경 10㎛, 직경 25㎜, 밀리 포어사제 옴니포어 멤브레인)를 사용해서 여과를 행하여, 길이 10㎛ 이상의 CNT 복합체를 제거했다. 얻어진 여과액 5mL에, o-DCB45mL를 첨가하여, 반도체 성분 용액 B(용매에 대한 CNT 복합체 농도 0.01g/L)로 하였다.
(2) 전극과 반도체층의 형성
반도체 성분 용액 A를 사용하는 대신에, (1)에서 제조한 반도체 성분 용액 B를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (3)과 마찬가지 방법에 의해, 제1 전극(2), 제2 전극(3), 제3 전극(7), 및 반도체층(4)을 형성하고, 반도체 소자 B를 얻었다. 실시예 1 (3)과 동일한 조건 하에서, 반도체 소자 B의 제3 전극(7)의 전압(Vg)을 바꾸었을 때의, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전류(Id)-제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전압(Vsd) 특성을 측정했다. Vg을 0 내지 -1V로 변화시켰을 때의 온/오프비는 6×103이었다.
(3) 타깃 인식 분자의 전구체 [B]의 합성
1-아미노피렌(도꾜 가세이 고교사제) 40.65㎎과, N-(4-말레이미드부티릴옥시)숙신이미드(도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 57.54㎎을, DMF 1110mL에 용해하고, 7시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 400mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 48.69㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 383이고, 이하의 타깃 인식 분자의 전구체 [B]인 것이 확인되었다.
Figure pct00019
(4) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자의 전구체 [B]의 부착과 Fab'의 고정화
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [B]를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [B]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [B]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 8이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(5) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.10㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.81㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 19.8%였다.
실시예 3
(1) 타깃 인식 분자의 전구체 [C]의 합성
1-아미노피렌(도꾜 가세이 고교사제) 54.83㎎과, N-숙신이미딜말레이미드아세테이트(도꾜 가세이 고교사제) 63.54㎎을, DMF 100mL에 용해하고, 7시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 500mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 21.33㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 355이고, 이하의 타깃 인식 분자의 전구체 [C]인 것이 확인되었다.
Figure pct00020
(2) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자의 전구체 [C]의 부착과 Fab'의 고정화
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [C]를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [C]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [C]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 6이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는 4.08㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.43㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 10.6%였다.
실시예 4
(1) 마우스 항 인간 HRG Fab'의 제작
실시예 1 (2)와 마찬가지 처리를, 마우스 항 인간 HRG 항체(USCN사제)에 대하여 실시함으로써, 마우스 항 인간 HRG Fab' 용액을 얻었다. 얻어진 용액의 농도를 NanoDrop2000에 의해 측정한바, 0.32㎎/mL였다.
얻어진 용액 10μL에 대하여, 실시예 1 (2)에서 F(ab')2에 대하여 실시한 것과 마찬가지 방법에 의해, 전기 영동을 실시했다. 또한, 퀵 CBB 플러스(상품명, 와코 쥰야꾸 고교사제)에 의해 겔 및 마우스 항 인간 HRG Fab'를 염색 후, 순수로 겔을 탈색하여, 나타난 마우스 항 인간 HRG Fab'의 밴드와 분자량 마커를 비교했다. 그 결과, 마우스 항 인간 HRG Fab'의 밴드는 분자량 마커의 37000 밴드와 50000의 밴드 사이의 영역에 존재했다. 또한, 전기 영동에 있어서의 스마일링 등의 문제도 없는 것이 확인되었다. 이러한 경우에는, 전기 영동에 있어서 추측된 분자량과 MALDI-TOF-MS의 측정에 의해 결정되는 분자량 사이에는 좋은 상관이 보이는 것이 알려져 있다. 따라서, 얻어진 마우스 항 인간 HRG Fab'의 분자량은 MALDI-TOF-MS를 사용해서 결정된 경우에도, 37000부터 50000까지의 사이 중 어느 것의 값이 얻어진다고 생각된다.
(2) 반도체 센서의 제작
실시예 2 (2)에서 제작한 반도체 소자 B에 대하여, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [A]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 이어서, 항 인간 HbA1c Fab'를 사용하는 대신에 항 인간 HRG Fab'를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, Fab'를 반도체층에 고정화했다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
인간 HbA1c 대신에 인간 HRG(PEPROTECH사제)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해, 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.12㎂이고, 인간 HRG 첨가 시에만 전류값이 0.79㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HRG를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 19.2%였다.
실시예 5
(1) 반도체 센서의 제작
제3 전극(7)을 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 1 (3)과 마찬가지 방법에 의해 전극을 형성했다. 또한, 반도체 성분 용액 A를 사용하는 대신에, 실시예 2 (1)에서 제조한 반도체 성분 용액 B를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (3)과 마찬가지 방법에 의해, 반도체층을 형성했다. 이어서, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [A]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시키고, 또한 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 마우스 항 인간 HbA1c Fab'를 반도체층에 고정화했다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(2) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 1.46㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.27㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 18.5%였다.
실시예 6
(1) 공액계 중합체 [B]의 합성
폴리[3-(5-카르복시펜틸)티오펜-2,5-디일](Rieke Metals Inc.제) 10㎎을, pH4.5로 조정한 10mM 아세트산 완충액(GE Healthcare사제) 10mL에 용해했다. 거기에, 75㎎/mL EDC(GE Healthcare사제) 수용액 1mL와, 11.5㎎/mL NHS(GE Healthcare사제) 수용액 1mL를 첨가하고, 실온 하에서 1시간 교반했다. 거기에, N-(2-아미노에틸)말레이미드염산염(도꾜 가세이 고교사제) 17.8㎎을 첨가하고, 또한 1시간 교반했다. 빙냉해서 석출한 고체를 기리야마 로토로 여과취출하고, 감압 건조시킴으로써, 공액계 중합체 [B] 0.54㎎을 얻었다.
Figure pct00021
(2) 반도체 성분 용액 C의 제조
CNT(CNI사 제조, 단층 CNT, 반도체형 CNT를 95중량% 함유)를 1.5㎎과, (1)에서 제작한 공액계 중합체 [B] 1.5㎎을, 15mL의 클로로포름 중에 첨가했다. 그의 혼합물을, 빙냉하면서, 초음파 호모지나이저(도쿄 리카 기카이사 제조, VCX-500)를 사용하여, 출력 250W로 30분간 초음파 교반하여, CNT 복합체 분산액 C(용매에 대한 CNT 복합체 농도 0.08g/L)를 얻었다.
이어서, 반도체층을 형성하기 위한 반도체 성분 용액의 제작을 행하였다. 상술한 CNT 분산액 C를, 멤브레인 필터(구멍 직경 10㎛, 직경 25㎜, 밀리 포어사 제조, 옴니포어 멤브레인)를 사용해서 여과를 행하여, 길이 10㎛ 이상의 CNT 복합체를 제거했다. 얻어진 여과액 5mL에, o-DCB 27mL를 첨가하여, 반도체 성분 용액 C(용매에 대한 CNT 복합체 농도 0.01g/L)로 했다.
(3) 전극과 반도체층의 형성
반도체 성분 용액 A를 사용하는 대신에, (1)에서 제조한 반도체 성분 용액 C를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (3)과 마찬가지 방법에 의해, 제1 전극(2), 제2 전극(3), 제3 전극(7) 및 반도체층(4)을 형성하고, 반도체 소자 C를 얻었다. 실시예 1 (3)과 동일한 조건 하에서, 반도체 소자 C의 제3 전극(7)의 전압(Vg)을 바꾸었을 때의, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전류(Id)-제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전압(Vsd) 특성을 측정했다. 제3 전극(7)의 게이트 전압 Vg을 0 내지 -1V로 변화시켰을 때의 온/오프비는 5×103이었다.
(4) Fab'의 고정화와 표면 보호 처리
실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab' 용액을, 0.10㎎/mL가 되도록 PBS로 희석하고, 거기에, 반도체 소자 C의 반도체층을, 4℃에서 18시간 침지했다. 이와 같이 함으로써, Fab'의 힌지 영역의 머캅토기와, 공액계 중합체 [B]의 말레이미드기가 반응하고, Fab'가 반도체층에 고정화된다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 티오펜환이 CNT에 부착되기 때문에, 연결기 L에 있어서, Ar2에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 12가 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법으로 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(5) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법으로 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 3.60㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.53㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 14.7%였다.
실시예 7
(1) 반도체 성분 용액 D의 제조
CNT(CNI사 제조, 단층 CNT, 반도체형 CNT를 95중량% 함유) 1.5㎎을 NMP 15mL중에 첨가하고, 빙냉하면서, 초음파 호모지나이저를 사용해서 출력 250W로 1시간 초음파 교반하여, 반도체 성분 용액 D로 했다.
(2) 전극과 반도체층의 형성
잉크젯 장치를 사용해서 반도체 성분 용액 A를 적하하는 대신에, 피펫맨을 사용해서 반도체 성분 용액 D를 2μL, 채널 부분에 적하한 것 이외에는, 실시예 1 (3)과 마찬가지 방법으로 전극과 반도체층을 형성하고, 반도체 소자 D를 얻었다. 실시예 1 (3)과 동일한 조건 하에서, 반도체 소자 D의 제3 전극(7)의 전압(Vg)을 바꾸었을 때의, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전류(Id)-제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전압(Vsd) 특성을 측정했다. Vg을 0 내지 -1V로 변화시켰을 때의 온/오프비는 1×103이었다.
(3) 반도체 센서의 제작
반도체 소자 D에 대하여, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법으로, 타깃 인식 분자의 전구체 [A]를 반도체 성분인 CNT에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법으로, 항 인간 HbA1c Fab'를 반도체층에 고정화했다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법으로 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(4) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법으로 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는 3.61㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.55㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 15.3%였다.
실시예 8
(1) 타깃 인식 분자의 전구체 [D]의 합성
1-아미노메틸피렌 염산염(후나코시사제) 50㎎과, N-(4-말레이미드부티릴옥시)숙신이미드(도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 57.57㎎을, DMF 93.4mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 55.46㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 408mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 53.31㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 397이고, 이하의 타깃 인식 분자의 전구체 [D]인 것이 확인되었다.
Figure pct00022
(2) 반도체 센서의 제작
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [D]를 사용한 것 이외에는, 실시예 2 (4)와 마찬가지 방법으로, 타깃 인식 분자의 전구체 [D]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법으로, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [D]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터, 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 9가 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법으로 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법으로 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.13㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.85㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 20.6%였다.
실시예 9
(1) 반도체 센서의 제작
타깃 인식 분자의 전구체 [B] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [A]를 사용한 것 이외에는, 실시예 2 (4)와 마찬가지 방법으로, 타깃 인식 분자의 전구체 [A]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법으로, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [A]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터, 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자와 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 13이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법으로 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(2) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.15㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.87㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 21.0%였다.
실시예 10
(1) 반도체 센서의 제작
실시예 6에서 제작한 반도체 소자 C에 대하여, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [A]를 반도체 성분인 CNT에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 마우스 항 인간 HbA1c Fab'를 반도체층에 고정화했다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(2) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.17㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.88㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 21.2%였다.
실시예 11
(1) 타깃 인식 분자의 전구체 [E]의 합성
1-아미노메틸피렌염산염(후나코시사제) 50㎎과, N-(11-말레이미드운데카노일옥시)숙신이미드(도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 78.56㎎을, DMF 93.4mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 48.33㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 250mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 76.14㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 495이고, 이하의 타깃 인식 분자의 전구체 [E]인 것이 확인되었다.
Figure pct00023
(2) 반도체 센서의 제작
타깃 인식 분자의 전구체 [B] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [E]를 사용한 것 이외에는, 실시예 2 (4)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [E]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [E]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 16이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.15㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.85㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 20.4%였다.
실시예 12
(1) 타깃 인식 분자의 전구체 [F]의 합성
2-(4-브로모페닐)에틸아민(도꾜 가세이 고교사제) 1.01g와, 무수 말레산(도꾜 가세이 고교사제) 497.6㎎을, 디에틸에테르 500mL에 용해시켜서, 24시간 교반했다. 석출한 고체를 기리야마 로토로 여과취출하고, 감압 건조한바, 867.8㎎였다. 얻어진 고체와, 아세트산나트륨(와코 쥰야꾸 고교사제) 283.4㎎을, 무수 아세트산(와코 쥰야꾸 고교사제) 350mL에 넣고, 80℃에서 1시간 교반했다. 반응액을 빙냉하여, 고체를 석출시킨 후, 기리야마 로토로 여과취출하고, 순수로 세정하여, 감압 건조를 행하였다. 헵탄을 사용해서 재결정을 행한바, 고체 392.7㎎이 얻어졌다. 얻어진 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 280과 282가 약 1:1이고, N-[2-(4-브로모페닐)에틸]말레이미드인 것이 확인되었다.
이어서, 100ml 3구 플라스크에, 얻어진 고체 350.8㎎과, 1-피렌보론산(도꾜 가세이 고교사제) 338.4㎎과, tert-부톡시나트륨 168.6㎎을 넣고, o-크실렌 15ml를 첨가하고, 용기 내를 질소로 치환했다. 이 혼합액에, 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) 14.6㎎을 첨가하여, 90℃의 오일 배스에서 3시간 가열 환류했다. 반응 종료 후, 빙냉하고, 석출한 고체를 기리야마 로토로 여과취출하고, 순수로 세정하여, 감압 건조를 행하였다. 헵탄을 사용해서 재결정을 행한바, 고체 309.6㎎이 얻어졌다. 얻어진 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 402이고, 타깃 인식 분자의 전구체 [F]인 것이 확인되었다.
Figure pct00024
(2) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자의 전구체 [F]의 부착과 Fab'의 고정화
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [F]를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [F]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에 있어서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층(4)에 고정화시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [F]의 벤젠환과 피렌환의 공액계는 연결되어 있기 때문에, 이 피레닐페닐기를, CNT에 부착되어 있는 Ar1로 간주할 수 있다. 그 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L 중, Ar1에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자로부터, 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수 N1은 5가 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.09㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.42㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 10.2%였다.
실시예 13
(1) 반도체 센서의 제작
표면에 산화막이 형성된 실리콘 웨이퍼(실리콘 테크놀로지사제) 표면을, UV-오존 발생 장치(센 토쿠슈 코겐사제)에 의해 30분간 처리했다. 그 후, 3-아미노프로필트리에톡시실란(와코 쥰야꾸 고교사제)을 에탄올로 10배로 희석한 것에, 실리콘 웨이퍼를 1시간 침지했다. 그 실리콘 웨이퍼를 에탄올로 세정한 후, 120℃에서 30분 가열했다.
이어서, 그 실리콘 웨이퍼를, 단층 산화 그래핀 수분산액(Graphene Laboratories Inc.제)에 1시간 침지한 후, 순수로 세정하고, 질소 블로우에 의해 건조하여, 산화 그래핀막을 얻었다. 얻어진 산화 그래핀 막을 환원하기 위해서, 실리콘 웨이퍼를 튜브로(고요 서모 시스템사제)에 넣고, 아르곤 97%, 수소 3%를 포함하는 혼합 가스 중에서, 1100℃에서 60분간 처리했다. 얻어진, 환원 그래핀이 표면에 형성된 실리콘 웨이퍼에 대하여, 실시예 1 (3)과 마찬가지 포토리소그래피법에 의해 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)을 형성하고, 반도체 소자(E)를 제작했다.
제작한 반도체 소자(E)의 전극간 부분을 100μL의 0.01M의 PBS 용액에 침지하고, 또한 그 PBS 용액에 Ag/AgCl 전극을 삽입하여, 제3 전극(7)으로 했다. 제작한 반도체 소자(E)의 제3 전극(7)의 전압(Vg)을 바꾸었을 때의, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전류(Id)-제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전압(Vsd) 특성을 측정했다. Vg을 0 내지 -1V로 변화시켰을 때의 온/오프비는 3.8×103이었다.
(2) 마우스 항 인간 HbA1c Fab'의 고정화
실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [A]를 반도체 성분인 그래핀에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, Fab'를 반도체층에 고정화했다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 6.29㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.71㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 11.3%였다.
실시예 14
(1) 타깃 인식 분자의 전구체 [G]의 합성
1-아미노메틸피렌염산염(후나코시사제) 26.78㎎과 Sulfo-AC5-SPDP(상품명, 도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 59.58㎎을, PBS(pH7.4) 100mL에 용해하고, 4시간 교반했다. 그 후, 반응 용기를 빙냉한 후, 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 순수로 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 43.30㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 556이고, 이하의 타깃 인식 분자의 전구체 [G]인 것이 확인되었다.
Figure pct00025
(2) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자의 전구체 [G]의 부착과 Fab'의 고정화
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [G]를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [G]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이와 같이 함으로써, Fab'의 힌지 영역의 머캅토기와, 타깃 인식 분자의 전구체 [G]의 피리딜디술피드기가 반응하여, 피리딘-2(1H)-티온이 탈리함과 동시에, Fab'가 반도체층에 고정화된다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [G]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L2 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 14가 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.13㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.83㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 20.2%였다.
실시예 15
(1) 타깃 인식 분자의 전구체 [H]의 합성
1-아미노메틸피렌염산염(후나코시사제) 26.78㎎과, 디티오비스(숙신이미딜옥타노에이트)(도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 54.47㎎을, DMF 100mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 39.50㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 500mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 51.55㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 661이고, 이하의 중간체 [A]인 것이 확인되었다.
Figure pct00026
이어서, 얻어진 고체 49.57㎎과, N-(2-아미노에틸)말레이미드염산염(도꾜 가세이 고교사제) 136.02㎎을 DMF70mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 27.66㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 350mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 38.43㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 686이고, 이하의 타깃 인식 분자의 전구체 [H]인 것이 확인되었다.
Figure pct00027
(2) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자의 전구체 [H]의 부착과 Fab'의 고정화
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [H]를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [H]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [H]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L2 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 26이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.10㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.45㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 10.9%였다.
실시예 16
(1) 타깃 인식 분자의 전구체 [I]의 합성
실시예 15(1)의 방법에 의해 얻어진 중간체 [A] 66.03㎎과, N-(6-아미노헥실)말레이미드염산염(Carbosynth Ltd.사제) 25.61㎎을 DMF 100mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 39.51㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 500mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 56.38㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 742이고, 이하의 타깃 인식 분자의 전구체 [I]인 것이 확인되었다.
Figure pct00028
(2) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자의 전구체 [I]의 부착과 Fab'의 고정화
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [I]를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [I]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [I]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L2 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 30이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는 4.09㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.43㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 10.4%였다.
실시예 17
(1) 타깃 인식 분자의 전구체 [J]의 합성
물과 tert-부틸알코올(도꾜 가세이 고교사제)을, 체적비 1:2의 비율로 혼합한 혼합 용매 500mL를 제조하고, 거기에 1-에티닐피렌(도꾜 가세이 고교사제) 113.20㎎, 11-아지드-3,6,9-트리옥사운데칸-1-아민(도꾜 가세이 고교사제) 109.13㎎, 황산구리(II) 5수화물(와코 쥰야꾸 고교제) 1.27㎎, L-아스코르브산나트륨(도꾜 가세이 고교사제) 9.92㎎을 첨가하여, 실온에서 18시간 교반했다. 그 후, 반응 용기를 1시간 빙냉하고, 백색 침전을 충분히 발생시킨 후, 기리야마 로토로 여과취출했다. 감압 건조하여, 백색 고체 190.98㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 445였다. 구리 촉매를 사용한 본 반응에 있어서는, 가능성이 있는 2종의 위치 이성체 중, 한쪽의 이성체가 선택적으로 생성한다. 따라서, 얻어진 고체는 이하의 중간체 [B]인 것이 확인되었다.
Figure pct00029
얻어진 중간체 [B] 111.10㎎과 무수 말레산(도꾜 가세이 고교사제) 24.52㎎을, 디에틸에테르 50mL에 용해시켜서, 24시간 교반했다. 석출한 고체를 기리야마 로토로 여과취출하고, 감압 건조한바, 118.52㎎이었다. 얻어진 고체와 아세트산나트륨(와코 쥰야꾸 고교사제) 15.16㎎을 무수 아세트산(와코 쥰야꾸 고교사제) 20mL에 넣고, 80℃에서 1시간 교반했다. 반응액을 빙냉하여, 고체를 석출시킨 후, 기리야마 로토로 여과취출하고, 순수 세정, 감압 건조를 행하였다. 헵탄을 사용해서 재결정을 행한바, 고체 48.78㎎이 얻어졌다. 얻어진 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 525이고, 이하의 타깃 인식 분자의 전구체 [J]인 것이 확인되었다.
Figure pct00030
(2) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자의 전구체 [J]의 부착과 Fab'의 고정화
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [J]를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [J]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [J]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L2 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 17이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.11㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.65㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 15.8%였다.
비교예 1
(1) 반도체 센서의 제작
실시예 2 (2)에서 제작한 반도체 소자 B의 반도체층을, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab' 용액을 0.10㎎//mL가 되도록 PBS로 희석한 용액에, 4℃에서 18시간 침지했다. 이와 같이 함으로써, 반도체 성분인 CNT 복합체에, 마우스 항 인간 HbA1c Fab'이, 연결기를 통하지 않고 물리적으로 흡착한다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(2) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.03㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.16㎂ 증가했다. 시그널 강도는 4.0%였다.
실시예 2, 3, 8, 9, 11 및 12의 시그널 강도와 비교하여, 비교예 1의 시그널 강도가 작은 이유는, (I) 타깃 포착체를 CNT 상에 물리적으로 흡착시켰을 때, CNT와의 상호 작용에 의해 타깃 포착체의 형태가 변형되어, 타깃 포착 능력을 잃어버린 것 및 (II) 타깃 포착 능력이 남아 있어도, 타깃 포착체의 가동성이 없기 때문에 타깃을 포착할 수 없는 타깃 포착체가 많은 것이 생각된다. 포착하는 타깃의 수가 감소하면, 그에 수반하여 시그널 강도도 저하된다.
비교예 1의 초기 전류값은, 실시예 2, 3, 8, 9, 11 및 12와 비교해서 큰 차는 인정되지 않았다. 이것은, 이들 실시예와 같은 반도체 성분인, P3HT가 부착된 CNT를 사용하고 있기 때문에, 도전성에는 큰 차가 발생하지 않기 때문이라고 생각된다.
비교예 2
(1) 반도체 센서의 제작
타깃 인식 분자의 전구체 [B] 대신에 PBSE(시그마·알드리치사제)를 사용한 것 이외에는, 실시예 2 (4)와 마찬가지 방법에 의해, 반도체 소자 B의 반도체 성분인 CNT 복합체에 PBSE를 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 고정화시켰다. 이 경우, 연결기 L에 있어서, Ar에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자로부터, X에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 4가 된다.
또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(2) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.06㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.17㎂ 증가했다. 시그널 강도는 4.3%였다.
시그널 강도는 비교예 1과 비교해서 커졌다. 이것은, 비교예 1에 있어서는, CNT에 물리적으로 흡착해서 변형됨으로써 타깃 포착 능력을 잃어 버렸던 타깃 포착체가, 비교예 2에 있어서는 PBSE를 통한 고정화를 함으로써, 타깃 포착 능력을 획득했기 때문이라고 생각된다. 그러나, 여전히 실시예 2, 3, 8, 9, 11 및 12와 비교하면 시그널 강도는 작다. 이것은, CNT에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터, 타깃 포착체에서 유래하는 원자와 결합하고 있는 원자까지의 원자수가 4에서는, 타깃 포착체가 타깃 포착 능력을 충분히 발휘하기 위해서는 불충분하기 때문이라고 생각된다.
비교예 3
(1) 반도체 센서의 제작
항 HbA1c Fab'를 사용하는 대신에, Fab'화 처리를 하지 않은, 마우스 항 인간 HbA1c 전체 항체를 사용한 것 이외에는, 비교예 2와 마찬가지 방법에 의해, 항체를 반도체층에 고정화했다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(2) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는 4.04㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.11㎂ 증가했다. 시그널 강도는 2.7%였다.
비교예 3의 시그널 강도는 비교예 2와 비교해서 작아졌다. 이것은, 타깃 포착체로서, Fab'화 처리에 의한 소형화를 하지 않고, 분자량이 큰 상태 그대로의 전체 항체를 사용했기 때문이라고 생각된다. 즉, 타깃 포착체가 타깃을 포착했을 때, CNT로부터 타깃 물질까지의 거리가, Fab'를 사용한 경우와 비교해서 멀어져서, CNT가 영향을 받는 전계가 약해졌기 때문이라고 생각된다.
비교예 4
(1) 반도체 센서의 제작
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 PBSE를 사용한 것 이외에는, 실시예 13과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서를 제작했다.
(2) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 5.32㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.22㎂ 증가했다. 시그널 강도는 4.1%였다.
실시예 13의 결과와 비교하여, 비교예 4의 측정 결과에 있어서, 시그널 강도가 작아졌다. 이 이유는, 비교예 1의 시그널 강도가 실시예 2, 3, 8, 9, 11 및 12와 비교해서 작았던 이유와 동일하다고 생각된다.
비교예 5
(1) 타깃 인식 분자의 전구체 [K]의 합성
디티오비스(숙신이미딜운데카노에이트)(도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 62.88㎎과 2-아미노에탄티올(도꾜 가세이 고교사제) 7.72㎎을, DMF 100mL에 용해하여, 4시간 교반했다. 그 후, 순수 500mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 순수로 세정했다. 감압 건조하여, 백색 고체 53.77㎎을 얻었다. 이어서, 얻어진 백색 고체 44.32㎎과 N-(1-피레닐)말레이미드(도꾜 가세이 고교사제) 22.30㎎을, DMF 75mL에 용해하고, 8시간 교반했다. 반응 용액의 용매를 증류 제거하고 농축한 후, 톨루엔을 전개 용매로 한 실리카겔 칼럼 크로마토그래피에 의해, 반응 생성물과, 미반응물 및 불순물을 분리했다. 반응 생성물을 포함하는 분획의 용매를 증류 제거하고, 진공 건조함으로써, 백색 고체 47.82㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 888 이고, 이하의 타깃 인식 분자의 전구체 [K]인 것이 확인되었다.
Figure pct00031
(2) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자의 전구체 [K]의 부착과 Fab'의 고정화
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [K]를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [K]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'는 그의 힌지 영역이 아니고, 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'가 갖는 복수의 아미노기와 랜덤하게 반응한다. 타깃 인식 분자의 전구체 [K]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 31이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는 4.05㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.17㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 4.2%였다.
비교예 6
(1) 1-피렌프로필아민의 합성
반응 용기 내의 분위기를 질소로 치환한 후, 디클로로메탄 70mL, DMF 100μL를 포함하는 혼합 용매에, 1-피렌부티르산(도꾜 가세이 고교사제) 2.20g을 용해시켰다. 이어서, 교반하면서 염화옥살릴(도꾜 가세이 고교사제) 750μL를 적하하고, 그대로 실온에서 40분간 교반했다. 그 후, 반응 용액의 용매를 증류 제거하고, 진공 건조했다. 얻어진 고체를 아세톤 10mL에 용해시켜서, 0℃에서 교반하고 있는 0.3g/mL 아지드화나트륨 수용액 2mL에 적하했다. 적하 종료 후, 반응 용액의 온도를 서서히 실온까지 상승시키고, 그대로 실온 중에서 1시간 교반했다. 그 후, 반응 용액을 순수 30mL에 쏟아 붓고, 발생한 침전을 기리야마 로토로 여과취출하여, 순수로 세정하고, 진공 건조했다. 얻어진 고체를 벤젠 10mL에 현탁하고, 교반하면서 80℃로 승온하고, 그대로 90분간 교반했다. 기체가 멈춘 것을 확인한 후, 반응 용액을 실온까지 냉각하고, 용매 증류 제거, 진공 건조를 행하였다. 이어서, 얻어진 오일상의 것을 테트라히드로푸란 10mL에 용해한 후, 60℃로 가열하고, 교반하면서, 기체가 발생하지 않게 될 때까지 농염산(와코 쥰야꾸 고교사제)을 적하했다. 또한 30분 교반한 후, 용액이 염기성이 될 때까지 10% 수산화나트륨 수용액(와코 쥰야꾸 고교사제)을 첨가했다. 분액 깔때기를 사용하여, 클로로포름으로 추출하고, 얻어진 클로로포름 용액을 무수 황산마그네슘(와코 쥰야꾸 고교사제)으로 건조 후, 용매 증류 제거, 진공 건조를 했다. 얻어진 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 260이고, 1-피렌프로필아민인 것이 확인되었다.
(2) 타깃 인식 분자 [L]의 합성
타깃 인식 분자 [L]에 있어서는, 비오틴이 타깃 포착체이다. 비오틴은 하기와 같은 구조의, 분자량 244.31의 화합물이다. 단백질인 아비딘은 비오틴의 구조를 인식해서 결합한다.
Figure pct00032
비교예 6 (1)의 방법에 의해 합성한 1-피렌 프로필아민 25.92㎎과, Biotin-OSu(상품명, 도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 34.14㎎을, DMF 100mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 39.50㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 500mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 40.57㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사 제조, JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 486이고, 이하의 타깃 인식 분자 [L]인 것이 확인되었다.
Figure pct00033
(3) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자 [L]의 고정화
이어서, (2)에서 합성한 타깃 인식 분자 [L] 10㎎을 아세토니트릴(와코 쥰야꾸 고교사제) 10mL에 용해하고, 거기에 실시예 2 (2)에서 형성한 반도체 소자 B의 반도체층을 4시간 침지하고, 타깃 인식 분자 [L]을 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 그 후, 반도체층을 아세토니트릴 및 0.01M PBS로 충분히 헹구었다.
이렇게 해서, 카르보닐기까지의 알킬기 부분을 갖는 분자량 227의 비오틴 구조를 타깃 포착체로 하는 타깃 인식 분자가 부착된 CNT 복합체를 갖는 반도체층이 얻어졌다. 이 경우, 타깃 인식 분자 [L]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 타깃 인식 분자 [L]의 연결기 L 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 비오틴에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 4가 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(4) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지인 측정 조건에서 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 즉, 제작한 반도체 센서의 반도체층을 0.01M PBS 용액 100μL에 침지하고, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이로 흘러드는 전류값(Id)을 측정했다. 이때, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이의 전압(Vsd)이 -0.2V, 제1 전극(2)과 제3 전극(7) 사이의 전압(Vg)이 -0.6V인 조건으로 하였다. 측정 개시 시의 전류 Id(초기 전류값)은, 4.01㎂였다.
측정 개시로부터 3분 후에, 0.01M PBS 용액에 100μL/mL가 되도록 BSA를 용해한 용액 20μL를, 측정 개시 6분 후에, 0.01M PBS 용액에 100μL/mL가 되도록 인간 HbA1c(BBI Solutions사제)를 용해한 용액 20μL를, 측정 개시 9분 후에, 0.01M PBS 용액에 100μL/mL가 되도록 아비딘(와코 쥰야꾸 고교사제)을 용해한 용액 20μL를, 각각, 반도체층이 잠겨 있는 0.01M PBS 용액에 첨가했다. 그러면, 아비딘을 포함하는 용액을 첨가했을 때만, 전류값이 0.14㎂ 감소했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 아비딘을 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 3.4%였다.
또한, 인간 HbA1c를 검출할 때는 전류값이 증가하는 데 반해, 아비딘을 검출할 때는 전류값이 감소하는 것은, 타깃 물질 각각의 등전점에 기인한다. 즉, 인간 HbA1c의 등전점은 산성측에 있기 때문에, 중성의 PBS 용액 중에서는 인간 HbA1c는 부로 대전하고 있는 데 반해, 아비딘의 등전점은 염기성측에 있기 때문에, 중성의 PBS 용액 중에서는 정으로 대전하고 있다. 그 때문에, 이들을 반도체 센서로 검출했을 때의 전류값의 증감은 반대가 된다.
비교예 7
(1) 타깃 인식 분자 [M]의 합성
1-피렌부틸아민(SANTA CRUZ BIOTECHNOLOGY, Inc.사제) 27.34㎎과, Biotin-OSu(상품명, 도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 34.14㎎을, DMF 100mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 39.52㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 500mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 42.04㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 500 이고, 이하의 타깃 인식 분자 [M]인 것이 확인되었다.
Figure pct00034
(2) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자 [M]의 고정화
타깃 인식 분자 [L] 대신에 타깃 인식 분자 [M]을 사용한 것 이외에는, 비교예 6 (3)과 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자 [M]을 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자 [M]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 타깃 인식 분자의 연결기 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 비오틴에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 5가 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
비교예 6 (4)와 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는 4.03㎂이고, 아비딘 첨가 시에만 전류값이 0.15㎂ 감소했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 아비딘을 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 3.6%였다.
비교예 8
(1) 타깃 인식 분자 [N]의 합성
1-피렌부틸아민(SANTA CRUZ BIOTECHNOLOGY, Inc.사제) 27.34㎎과, Biotin-SS-Sulfo-OSu(상품명, 도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 60.67㎎을, DMF 100mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 39.53㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 500mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 56.96㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 663이고, 이하의 타깃 인식 분자 [N]인 것이 확인되었다.
Figure pct00035
(2) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자 [N]의 고정화
타깃 인식 분자 [L] 대신에 타깃 인식 분자 [N]을 사용한 것 이외에는, 비교예 6 (3)과 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자 [N]을 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자 [N]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 타깃 인식 분자의 연결기 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 비오틴에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 13이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(3) 반도체 센서로서의 평가
비교예 6 (4)와 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는 4.02㎂이고, 아비딘 첨가 시에만 전류값이 0.14㎂ 감소했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 아비딘을 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 3.5%였다.
비교예 9
(1) 중간체 [C]의 합성
N-(1-피레닐)말레이미드(도꾜 가세이 고교사제) 29.73㎎과, 11-아미노-1-운데칸티올염산염(도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 26.38㎎을, DMF 100mL에 용해하고, 빙냉하면서 12시간 교반했다. 그 후, 반응 용액의 용매를 증류 제거하여 농축한 후, 톨루엔을 전개 용매로 한 실리카겔 칼럼 크로마토그래피에 의해, 반응 생성물과, 미반응물 및 불순물을 분리했다. 반응 생성물을 포함하는 분획의 용매를 증류 제거하고, 진공 건조함으로써, 백색 고체 33.79㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사 제조, JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 501이고, 이하의 중간체 [C]인 것이 확인되었다.
Figure pct00036
(2) 타깃 인식 분자 [O]의 합성
상술한 (1)에서 합성한 중간체 [C] 25.01㎎과, Biotin-(AC5)2-OSu(상품명, 도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 28.39㎎을, DMF 50mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 19.96㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 250mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 41.90㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 953이고, 이하의 타깃 인식 분자 [O]인 것이 확인되었다.
Figure pct00037
(3) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자 [O]의 고정화
타깃 인식 분자 [L] 대신에 타깃 인식 분자 [O]을 사용한 것 이외에는, 비교예 6 (3)과 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자 [O]을 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자 [O]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 타깃 인식 분자의 연결기 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 비오틴에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 30이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(4) 반도체 센서로서의 평가
비교예 6 (4)와 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.02㎂이고, 아비딘 첨가 시에만 전류값이 0.14㎂ 감소했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 아비딘을 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 3.5%였다.
비교예 10
(1) 중간체 [D]의 합성
N-(1-피레닐)말레이미드(도꾜 가세이 고교사제) 29.73㎎과, 11-아미노-1-도데칸티올(MOLBASE사제) 23.92㎎을, DMF 100mL에 용해하고, 빙냉하면서 12시간 교반했다. 그 후, 반응 용액의 용매를 증류 제거하고 농축한 후, 톨루엔을 전개 용매로 한 실리카겔 칼럼 크로마토그래피에 의해, 반응 생성물과, 미반응물 및 불순물을 분리했다. 반응 생성물을 포함하는 분획의 용매를 증류 제거하고, 진공 건조함으로써, 백색 고체 34.76㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 515이고, 이하의 중간체 [D]인 것이 확인되었다.
Figure pct00038
(2) 타깃 인식 분자 [P]의 합성
상술한 비교예 10(1)에서 합성한 중간체 [D] 25.71㎎과, Biotin-(AC5)2-OSu(상품명, 도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 28.39㎎을, DMF 50mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 19.95㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 250mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수로, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 42.52㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 967 이고, 이하의 타깃 인식 분자 [P]인 것이 확인되었다.
Figure pct00039
(3) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자 [P]의 고정화
타깃 인식 분자 [L] 대신에 타깃 인식 분자 [P]를 사용한 것 이외에는, 비교예 6 (3)과 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자 [P]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자 [P]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 타깃 인식 분자의 연결기 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 비오틴에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 31이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(4) 반도체 센서로서의 평가
비교예 6 (4)와 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는 4.03㎂이고, 아비딘 첨가 시에만 전류값이 0.15㎂ 감소했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 아비딘을 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 3.6%였다.
비교예 6 내지 10으로부터, 고정화하는 타깃 인식 분자가 비오틴과 같은 저분자인 경우에는, 본 발명과 같은 연결기의 원자수 N에 기인하는 감도 향상의 효과는 확인되지 않음을 알 수 있다.
참고예 1
(1) 반도체 성분에 대한 N-(1-피레닐)말레이미드의 부착과 Fab'의 고정화
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 N-(1-피레닐)말레이미드(도꾜 가세이 고교사제)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체인 N-(1-피레닐)말레이미드를, 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, N-(1-피레닐)말레이미드의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L2 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 4가 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(2) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는 4.08㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.31㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 7.6%였다.
참고예 2
(1) 중간체 [E]의 합성
1-아미노피렌(도꾜 가세이 고교사제) 21.73㎎과, 디티오비스(숙신이미딜운데카노에이트)(도진 가가꾸 켕큐쇼사제) 62.88㎎을, PBS(pH7.4) 100mL에 용해하고, 6시간 교반했다. 그 후, 반응 용기를 빙냉한 후, 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 순수로 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 598.87㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사제 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 731이고, 이하의 중간체 [E]인 것이 확인되었다.
Figure pct00040
(2) 타깃 인식 분자의 전구체 [Q]의 합성
참고예 2 (1)의 방법에 의해 합성한 중간체 [E] 36.52㎎과, N-(2-아미노에틸)말레이미드염산염(도꾜 가세이 고교사제) 8.83㎎을, DMF 50mL에 용해하고, 탄산수소나트륨 19.96㎎을 첨가하여, 6시간 교반했다. 그 후, 1M 염산 250mL를 적하하고, 발생한 백색 침전을 기리야마 로토로 여과취출하고, 포화 탄산수소나트륨 수용액 및 순수에 의해, 각각 세정을 행하였다. 감압 건조하여, 백색 고체 32.73㎎을 얻었다. 얻어진 백색 고체의 매스 스펙트럼(니혼덴시사 제조 JMS-Q1000TD)을 측정한바, M+1이 756이고, 이하의 타깃 인식 분자 [Q]인 것이 확인되었다.
Figure pct00041
(3) 반도체 성분에 대한 타깃 인식 분자의 전구체 [Q]의 부착과 Fab'의 고정화
타깃 인식 분자의 전구체 [A] 대신에 타깃 인식 분자의 전구체 [Q]를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 타깃 인식 분자의 전구체 [Q]를 반도체 성분인 CNT 복합체에 부착시켰다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해, 실시예 1 (2)에서 제작한 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'를 반도체층에 고정화시켰다. 이 경우, 타깃 인식 분자의 전구체 [Q]의 피렌환이 CNT에 부착되기 때문에, 최종 생성물인 타깃 인식 분자의 연결기 L2 중, 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터 타깃 포착체인 마우스 항 인간 HbA1c 항체의 Fab'에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수는 31이 된다. 또한, 실시예 1 (5)와 마찬가지 방법에 의해 BSA에 의한 표면 보호를 행하여, 반도체 센서를 얻었다.
(4) 반도체 센서로서의 평가
실시예 1 (6)과 마찬가지 방법에 의해 반도체 센서로서의 평가를 행하였다. 측정 개시 시의 전류 Id는, 4.08㎂이고, 인간 HbA1c 첨가 시에만 전류값이 0.30㎂ 증가했다. 이러한 점에서, 이 반도체 센서가 인간 HbA1c를 선택적으로 검출하고 있는 것이 확인되었다. 시그널 강도는 7.3%였다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 반도체 센서 및 그의 제조 방법, 그리고 복합 센서는, 높은 검출 선택성과 높은 검출 감도를 나타내는, 가스 센서, 이온 센서, 심근 마커 센서, 종양 마커 센서, 헤모글로빈 센서 또는 당화 헤모글로빈 센서 등의 각종 센서에 적합하다.
1 : 기판
2 : 제1 전극
3 : 제2 전극
4 : 반도체층
5, 7 : 제3 전극
6 : 절연층
8 : 덮개 부재
9 : 내부 공간
10 : 면역 글로불린
11 : 중쇄
12 : 경쇄
13 : 결합 부위
14 : 힌지 영역
15 : Fab 영역
16 : Fc 영역
17 : 부분 구조체(Fab')
18 : 부분 구조체(환원형 면역 글로불린 반량체)
19 : CNT
20 : 면역 글로불린의 부분 구조체
21 : 면역 글로불린의 부분 구조체의 힌지 영역의 황 원자

Claims (23)

  1. 기판과, 제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 설치된 반도체층을 갖는 반도체 센서로서,
    상기 반도체층이, 반도체 성분과, 면역 글로불린의 부분 구조체를 포함하고,
    상기 면역 글로불린의 부분 구조체가, 중쇄의 힌지 영역에 있어서, 연결기 L1을 통해서 상기 반도체 성분에 결합 또는 부착되어 있는
    반도체 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 면역 글로불린의 부분 구조체의 힌지 영역이 황 원자를 포함하고, 상기 황 원자가 상기 연결기 L1과 결합을 형성하고 있는 반도체 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연결기 L1과 상기 면역 글로불린의 부분 구조체의 힌지 영역이, 상기 황 원자를 통해서 티오에테르 결합을 형성하고 있는 반도체 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결기 L1이, 치환 혹은 비치환된, 방향족 탄화수소기 및/또는 방향족 복소환기를 갖고 있는 반도체 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결기 L1이, 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소기를 갖고, 치환기를 포함하지 않는 상기 방향족 탄화수소기의 탄소 원자수가 14 이상 22 이하인 반도체 센서.
  6. 기판과, 제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 설치된 반도체층을 갖는 반도체 센서로서,
    상기 반도체층은, 타깃 인식 분자가 결합 또는 부착된 반도체 성분을 갖고,
    상기 타깃 인식 분자는, 적어도 타깃 포착체 X 및 연결기 L2를 갖고,
    상기 타깃 포착체 X는 분자량이 20000 이상 200000 이하인, 단백질 또는 핵산이고,
    상기 연결기 L2 중, 상기 반도체 성분에 결합하고 있는 원자로부터, 또는 상기 반도체 성분에 부착되어 있는 기에 결합하고 있는 원자로부터, 상기 타깃 포착체 X에서 유래하는 원자와 결합하고 있는 원자까지의 원자수 N이 5 이상 30 이하인
    반도체 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 타깃 인식 분자가, 하기 일반식 (1)에 의해 표시되는 화합물, 또는 하기 일반식 (2)에 의해 표시되는 구조를 반복 단위로서 갖는 고분자 화합물인 반도체 센서.
    Figure pct00042

    (일반식 (1)에 있어서, Ar1은 치환 혹은 비치환된 방향족 복소환기, 또는 치환 혹은 비치환된 방향족 탄화수소기이다.
    L2는 상기 연결기 L2이고, Ar1에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자로부터, X에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수 N1이 5 이상 30 이하이다.
    X는 상기 타깃 포착체 X이며, 분자량이 20000 이상 200000 이하인, 단백질 또는 핵산이다.)
    Figure pct00043

    (일반식 (2)에 있어서, Ar2는 치환 혹은 비치환된 방향족 복소환기, 또는 치환 혹은 비치환된 방향족 탄화수소기이다.
    L2는 상기 연결기 L2이고, Ar2에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자로부터, X에서 유래하는 원자에 결합하고 있는 원자까지의 원자수 N2가 5 이상 30 이하인 연결기이다.
    X는 상기 타깃 포착체 X이며, 분자량이 20000 이상 200000 이하인, 단백질 또는 핵산이다.)
  8. 제7항에 있어서, 상기 타깃 인식 분자가, 상기 일반식 (1)에 의해 표시되는 화합물이며, 상기 일반식 (1)에 있어서, Ar1이 상기 치환 혹은 비치환된 방향족 탄화수소기이며, 치환기를 포함하지 않는 상기 방향족 탄화수소기의 탄소 원자수가 14 이상 22 이하인 반도체 센서.
  9. 제6항에 있어서, 상기 원자수 N이 8 이상 16 이하인 반도체 센서.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 원자수 N1 및/또는 N2가 8 이상 16 이하인 반도체 센서.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타깃 포착체 X가 면역 글로불린, 또는 면역 글로불린의 부분 구조체인 반도체 센서.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타깃 포착체 X가 면역 글로불린의 부분 구조체인 반도체 센서.
  13. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 면역 글로불린의 부분 구조체가, 중쇄의 힌지 영역에 있어서, 연결기 L2와 결합을 형성하고 있는 반도체 센서.
  14. 제1항 내지 제5항, 제12항, 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 면역 글로불린의 부분 구조체가, 헤모글로빈 또는 당화 헤모글로빈의 적어도 한쪽과 선택적으로 상호 작용하는 면역 글로불린의 부분 구조체인 반도체 센서.
  15. 제1항 내지 제5항, 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 면역 글로불린의 부분 구조체의 분자량이, 20000 이상 120000 이하인 반도체 센서.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결기 L1 및/또는 L2가, 에테르 결합, 아미드 결합 및 이미드 결합으로 이루어지는 군에서 선택되는 구조 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 센서.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결기 L1 및/또는 L2가 오원환 구조를 포함하는 반도체 센서.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 성분이, 풀러렌, 카본 나노 튜브, 그래핀 및 카본 나노혼으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 반도체 센서.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 성분의 적어도 일부에 공액계 중합체가 부착되어 있는 반도체 센서.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 제3 전극이 더 설치된 반도체 센서.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 생체 유래의 물질을 검출 대상으로 하는 반도체 센서.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 기재된 반도체 센서와 글루코오스를 검출하는 센서를 포함하는 복합 센서.
  23. 기판과, 제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 설치된 반도체층을 갖는 반도체 센서의 제조 방법으로서,
    상기 반도체층을 형성하는 공정이, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 반도체 성분을 도포하는 공정을 포함하는
    반도체 센서의 제조 방법.
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