同一電界効果トランジスタを利用して生分子を検出する方法
【課題】同一電界効果トランジスタを利用して生分子を検出する方法を提供する。
【解決手段】電界効果トランジスタを利用した生分子検出方法において、電界効果トランジスタは、半導体基板、基板と異なる電導型にドーピングされたソース領域及びドレイン領域、ソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャネル領域、チャネル領域上に配置され、生分子を検出する検出表面を有する絶縁層、絶縁層の検出表面から離隔されて配置された基準電極を備えることを特徴とし、生分子を含有する第１試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供し、前記電界効果トランジスタの第１電気信号の変化を測定するステップと、第２試料を同一の前記電界効果トランジスタの検出表面に提供し、前記電界効果トランジスタの第２電気信号の変化を測定するステップと、前記第１電気信号と前記第２電気信号とを比較するステップと、を含む生分子の検出方法である。
【解決手段】電界効果トランジスタを利用した生分子検出方法において、電界効果トランジスタは、半導体基板、基板と異なる電導型にドーピングされたソース領域及びドレイン領域、ソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャネル領域、チャネル領域上に配置され、生分子を検出する検出表面を有する絶縁層、絶縁層の検出表面から離隔されて配置された基準電極を備えることを特徴とし、生分子を含有する第１試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供し、前記電界効果トランジスタの第１電気信号の変化を測定するステップと、第２試料を同一の前記電界効果トランジスタの検出表面に提供し、前記電界効果トランジスタの第２電気信号の変化を測定するステップと、前記第１電気信号と前記第２電気信号とを比較するステップと、を含む生分子の検出方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタを利用してターゲット生分子の存在または濃度を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的な信号で生分子を検出するセンサーのうち、トランジスタを備える構造を有するトランジスタ基盤のバイオセンサーがある。これは、半導体工程を利用して製作されるものであって、電気的な信号の転換が速いという長所があって、これまでこれについての多くの研究が進められてきた。
【０００３】
電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、‘ＦＥＴ’ともいう）を使用して、生物学的な反応を測定する基本特許として特許文献１がある。特許文献１は、抗原−抗体反応を、表面電荷密度の変化による半導体反転層の変化を電流で測定するバイオセンサーに関するものであり、当該抗原−抗体反応として用いられる生分子は蛋白質に関するものである。特許文献２は、バイオ単量体をゲートの表面に吸着させて相補的な単量体との混成化の程度をＦＥＴで測定することに関する。
【０００４】
特許文献３は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を使用して結合された生分子による吸光現象で混成化の度合いを測定する方法を開示している。特許文献４及び５では、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用し、回路を接続させて信号対ノイズ比を向上させる内容を開示している。
【０００５】
このようなＦＥＴをバイオセンサーとして使用する場合には、従来の方式に比べてコスト及び時間が少なくかかり、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）／ＭＥＭＳ工程との接続が容易であるという点で大きい長所を有している。
【０００６】
図１Ａは、従来のＦＥＴの構造を概略的に示す図面である。図１Ａを参照すれば、ｎ型またはｐ型にドーピングされた基板１１上の両側部に、基板１１と異なる電導性にドーピングされたソース１２ａ及びドレイン１２ｂが形成されており、基板１１上にソース１２ａ及びドレイン１２ｂと接触するゲート１３が形成されている。一般的に、前記ゲート１３は、酸化層１４、ポリシリコン層１５及びゲート電極層１６を備え、基準電極１７に対向するゲート電極層１６の表面１６ａには、プローブ生分子が付着される。プローブ生分子は、所定のターゲット生分子と水素結合によって結合し、これを電気的な方法で測定してプローブ生分子とターゲット生分子との結合程度を測定する。
【０００７】
図１Ｂは、ゲート電極１６の表面１６ａにプローブ生分子１８を固定させ、前記プローブ生分子１８にターゲット生分子が結合する過程を概略的に示す図面である。図１Ｂを参照すれば、前記ゲート電極１６の表面にプローブ生分子１８の固定の度合い、及び前記固定されたプローブ生分子１８にターゲット生分子の結合の程度によってチャンネルを通じて流れる電流の強度がそれぞれ変わり、したがって、それによってターゲット生分子を検出しうる。
【０００８】
一般的に、前記ＦＥＴを利用した従来の生分子の検出方法は、正確性及び敏感度を向上させるために二つ以上のＦＥＴを使用する。前記ＦＥＴのうち一部を標的生分子と反応しないレファレンスＦＥＴとして、及び残りのセンサーを前記標的生分子と反応するセンシングＦＥＴとして使用する。前記レファレンスＦＥＴ及びセンシングＦＥＴでのノイズ信号が同一であるという仮定下に、前記センシングＦＥＴで測定された電気的信号から前記レファレンスＦＥＴで測定された電気的信号を差し引くことによって、前記標的生分子のみの電気的信号を検出する。
【０００９】
例えば、特許文献６では、二つのそれぞれ異なるセンサーを使用して測定したデータを比較して、代表因子を推論する方法が開示されている。
【００１０】
しかし、前記従来の方法において、レファレンスＦＥＴ及びセンシングＦＥＴでのノイズ信号が同一であるという仮定を信頼できないという問題点がある。すなわち、現在のＦＥＴの製作技術レベルで、たとえ同じ規格のＦＥＴを同じ工程で製作するとしても、前記ＦＥＴは、同じ試料に対して非常に大きい偏差の反応レベルを表すという問題点がある。それにより、レファレンスＦＥＴの信号がセンシングＦＥＴの信号より、かえって大きくなる場合も発生しうる。
【特許文献１】米国特許第４，２３８，７５７号明細書
【特許文献２】米国特許第４，７７７，０１９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，８４６，７０８号明細書
【特許文献４】米国特許第５，４６６，３４８号明細書
【特許文献５】米国特許第６，２０３，９８１号明細書
【特許文献６】ＷＯ第０３／０６２８１１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記従来の技術の問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、生分子の存在または濃度を容易かつ正確に検出しうる生分子の検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的を達成するために、本発明は、電界効果トランジスタを利用してターゲット生分子を検出する方法において、前記電界効果トランジスタは、半導体材料で構成された基板、前記基板内に相互に離隔されて形成され、前記基板と異なる電導型にドーピングされたソース領域及びドレイン領域、前記ソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャンネル領域、前記チャンネル領域上に配置されるものであって、ターゲット生分子を検出する検出表面を有する絶縁層、ならびに前記絶縁層と離隔されて対向する基準電極を備えることを特徴とし、第１ターゲット生分子を含有する第１試料を前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生ずる前記電界効果トランジスタの第１電気的信号の変化を測定するステップと、第２試料を同一の前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生ずる前記電界効果トランジスタの第２電気的信号の変化を測定するステップと、前記第１電気的信号と前記第２電気的信号とを比較するステップと、を含むことを特徴とする同一電界効果トランジスタを利用して生分子を検出する方法を提供する。
【００１３】
本発明の一具体例において、前記第２試料を提供する前に、生分子を含有しない溶液で前記電界効果トランジスタの検出表面を洗浄するステップをさらに含みうる。
【００１４】
本発明の一具体例において、前記電界効果トランジスタの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧からなる群から選択される少なくとも一つでありうる。
【００１５】
本発明の一具体例において、前記生分子は、核酸または蛋白質でありうる。
【００１６】
本発明の一具体例において、前記核酸は、ＰＣＲ産物またはその精製物でありうる。
【００１７】
本発明の一具体例において、前記第１試料は、テンプレート及びプライマー存在下にＰＣＲを行った産物を含有し、前記第２試料は、プライマー存在下にＰＣＲを行った産物を含有できる。
【００１８】
本発明の一具体例において、前記第１電気的信号と前記第２電気的信号とを比較するステップは、前記第１電気的信号及び前記第２電気的信号の大きさの比率を計算することでありうる。
【００１９】
本発明の一具体例において、前記半導体材料は、シリコンであり、前記電気的絶縁材料は、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは金属酸化物でありうる。
【００２０】
本発明の一具体例において、前記基板は、ｎ型にドーピングされており、前記ソース領域及びドレイン領域は、それぞれｐ型にドーピングされている。
【００２１】
本発明の一具体例において、前記基板は、ｐ型にドーピングされており、前記ソース領域及びドレイン領域は、それぞれｎ型にドーピングされている。
【００２２】
また、本発明は、電界効果トランジスタを利用してターゲット生分子を検出する方法において、前記電界効果トランジスタは、半導体材料で構成された基板、前記基板内に相互に離隔されて形成され、前記基板と異なる電導型にドーピングされたソース領域及びドレイン領域、前記ソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャンネル領域、前記チャンネル領域上に配置されるものであって、ターゲット分子を検出する検出表面を有する絶縁層、ならびに前記絶縁層上に離隔されて配置された基準電極を備えることを特徴とし、既知の異なる濃度を有する複数の生分子をそれぞれ含有する複数の試料を前記電界効果トランジスタの検出表面及び基準電極にそれぞれ提供することにより生ずる前記電界効果トランジスタの複数の電気的信号変化をそれぞれ測定するステップと、未知の濃度を有するターゲット生分子を含有する試料を前記同じ電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生ずる前記電界効果トランジスタの電気的信号変化を測定するステップと、前記ターゲット生分子の電気的信号変化を前記複数の電気的信号変化と比較して、前記ターゲット生分子の濃度を推定するステップと、を含むことを特徴とする同一電界効果トランジスタを利用して生分子を検出する方法を提供する。
【００２３】
本発明の一具体例において、前記複数の試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生じる前記電界効果トランジスタの複数の電気的信号の変化をそれぞれ測定するステップ（Ｉ）中、当該複数の試料の各試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供する毎に、生分子を含有していない溶液で（ゲートとして作用する）前記電界効果トランジスタの検出表面に提供して洗浄するステップをさらに含みうる。
【００２４】
本発明の一具体例において、前記電界効果トランジスタの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧からなる群からで選択される少なくとも一つでありうる。
【００２５】
本発明の一具体例において、前記生分子は、核酸または蛋白質でありうる。
【００２６】
本発明の一具体例において、前記核酸は、ＰＣＲ産物またはその精製物でありうる。
【００２７】
前記半導体材料は、シリコンであり、前記絶縁層は、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは金属酸化物を含むものでありうる。
【００２８】
本発明の一具体例において、前記基板は、ｎ型にドーピングされており、前記ソース領域及びドレイン領域は、それぞれｐ型にドーピングされている。
【００２９】
本発明の一具体例において、前記基板は、ｐ型にドーピングされており、前記ソース領域及びドレイン領域は、それぞれｎ型にドーピングされている。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の生分子の検出方法によれば、レファレンスＦＥＴとセンシングＦＥＴとを使用する従来の技術において、前記ＦＥＴの間の敏感度及び性能が異なって、生分子検出に対する誤差が発生する可能性が大きいという問題点を解決しうる。すなわち、本発明による生分子の検出方法によれば、生分子を正確かつ容易に検出しうる。また、生分子が固定されたＦＥＴを使用しないため、ＦＥＴの製作時に工程が簡単であり、追加工程時に生じるＦＥＴ間の特性差を大きく減らせる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、添付された図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
【００３２】
本発明は、ＦＥＴを利用して生分子の固定なしにターゲット生分子の存在または濃度を検出する方法に関するものである。
【００３３】
図２は、本発明による生分子の検出方法に使われるＦＥＴの構造を概略的に示す図面である。
【００３４】
図２を参照すれば、本発明による生分子の検出方法に使われるＦＥＴは、半導体材料で構成された基板２１、前記基板２１内に相互離隔されて形成され、前記基板２１と異なる電導型にドーピングされたソース領域２２ａ及びドレイン領域２２ｂ、前記ソース領域２２ａとドレイン領域２２ｂとの間に配置されたチャンネル領域、前記チャンネル領域上に配置されるものであって、ターゲット生分子を検出する検出表面２３ａ（以下検出表面とも称する）を有する絶縁層２３、及び前記絶縁層２３上に離隔されて配置された基準電極２４を備える。
【００３５】
なお、本明細書において「ターゲット生分子を検出する検出表面を有する絶縁層」は、生分子が絶縁層の表面に、直接または間接的に結合、固定されることをいう。
【００３６】
本発明において、前記ＦＥＴは、従来のバイオセンサーまたはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）素子に使用されてきたいかなるＦＥＴも使われ、ｎ−ＭＯＳ及びｐ−ＭＯＳの２つとも可能である。例えば、前記基板２１がｎ型にドーピングされた場合、前記ソース２２ａ及びドレイン２２ｂは、それぞれｐ型にドーピングされてもよく、逆に、前記基板２１がｐ型にドーピングされた場合、前記ソース２２ａ及びドレイン２２ｂは、それぞれｎ型にドーピングされてもよい。
【００３７】
前記ＦＥＴにおいて、ソース２２ａは、キャリア、例えば、自由電子または正孔を供給し、ドレイン２２ｂは、前記ソース２２ａから供給されたキャリアが到達する部位であり、ゲートとして作用する検出表面２３ａは、前記ソース２２ａとドレイン２２ｂとの間のキャリアの流れを制御する役割を行う。
【００３８】
前記基板２１を構成する半導体材料は、シリコンであることが好ましく、前記絶縁層２３を構成する電気的絶縁材料は、生分子が固定されていない任意の材料であり、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは金属酸化物などが前記絶縁層２３に含まれることが好ましい。また、前記絶縁層２３に生分子が固定されていない他の材料で構成される付加層が形成されている。
【００３９】
なお、本明細書において「結合」、「固定」という用語は、生分子が絶縁層に水素結合により吸着されている場合だけではなく、ファンデルワールス力などの物理的吸着も含む、さらにイオン結合などの化学結合による化学的吸着も含む概念である。
【００４０】
望ましくは、前記ＦＥＴは、マイクロチャンネル内に形成されている。この場合、前記基板２１は、前記マイクロチャンネルの内面を構成でき、前記ゲート電極２４は、前記マイクロチャンネル内部または内面に配置されうる。
【００４１】
本発明による生分子の検出方法の一具体例は、同一ＦＥＴを利用して試料間の電気的信号を比較することによって、ターゲット生分子の存在を検出することを特徴とすることが好ましい。
【００４２】
本発明の方法を利用して生分子の存在を検出するために、まず、第１ターゲット生分子を含有する第１試料を、前記ＦＥＴの検出表面に提供し、それにより前記ＦＥＴの検出表面にターゲット分子が結合または固定されることにより生じる前記ＦＥＴの第１電気的信号の変化を測定する。
【００４３】
本発明において、前記生分子は、核酸または蛋白質でありうる。
【００４４】
前記核酸は、多様な核酸、類似核酸、またはその混成体を意味し、例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ（Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）、ＬＮＡ（Ｌｏｃｋｅｄ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）及びその混成体で構成された群から選択されうる。また、前記核酸は、オリゴヌクレオチドまたはＰＣＲ産物であるが、ＰＣＲ産物またはその精製物であることが望ましい。
【００４５】
前記蛋白質は、例えば、酵素、基質、抗原、抗体、リガンド、アプタマー及び受容体からなる群から選択されうる。
【００４６】
前記ＦＥＴの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧からなる群から選択されることが好ましい。
【００４７】
次いで、前記第１試料をＦＥＴのターゲット生分子を検出する検出表面に提供した後に、生分子を含有していない溶液を前記ＦＥＴの検出表面及び基準電極に提供して洗浄することが好ましい。前記溶液は、電解質溶液であることが望ましい。
【００４８】
次いで、第２試料を前記ＦＥＴと同一の検出表面および基準電極との間に提供し、前記ＦＥＴの第２電気的信号の変化を測定する。
【００４９】
望ましくは、前記第１試料は、テンプレート及びプライマーの存在下にＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）を行った産物を含有し、前記第２試料は、テンプレートがないという点を除いては、同じＰＣＲを行った産物を含有しうる。または、前記第２試料は、前記第１試料と異なる濃度のＰＣＲ産物を含有することもある。すなわち、本明細書において「プライマー存在下にＰＣＲを行った産物」とは、テンプレートがないプライマー単独をいう。
【００５０】
次いで、前記第１電気的信号と前記第２電気的信号とを比較する。前記比較方法は、ターゲット生分子の種類、特性及び濃度によって多様に行われうる。例えば、前記電気的信号の比較ステップは、下記式１のように、第１電気的信号及び前記第２電気的信号の比率を計算することによって行われることが好ましい。
【００５１】
【数１】
【００５２】
本発明による生分子の検出方法の他の具体例は、同一ＦＥＴを利用して試料間の電気的信号を比較することによって、標的生分子の濃度を検出することを特徴とする。
【００５３】
本濃度検出方法に使われうるＦＥＴは、前述した通りである。
【００５４】
本発明の方法を利用して生分子の濃度を検出するために、まず、既知の異なる濃度を有する複数の生分子をそれぞれ含有する複数の試料を、前記ＦＥＴの絶縁層及び基準電極の間に提供し、前記複数の試料の各々の前記ＦＥＴの複数の電気的信号変化をそれぞれ測定する（ステップＩ）。
【００５５】
本発明において、前記生分子は、核酸または蛋白質でありうる。さらに詳細な内容は、前述した部分を参照できる。
【００５６】
前記ＦＥＴの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧のからなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。
【００５７】
次いで、未知の濃度を有するターゲット生分子を含有する試料を、前記ＦＥＴと同一の検出表面に提供し、前記ＦＥＴの電気的信号変化を測定する（ステップＩＩ）。
【００５８】
また、上記ステップＩにおいて、複数の試料をＦＥＴの絶縁層及び基準電極の間に提供した後、必要に応じて当該複数の試料をＦＥＴの絶縁層及び基準電極に結合または固定されている生分子を洗浄するために、複数の試料の各々を提供した後、他の試料をＦＥＴの絶縁層及び基準電極の間に提供する前に生分子を含有していない溶液で、前記ＦＥＴのゲート電極に提供して洗浄することが好ましい。
【００５９】
次いで、前記ターゲット生分子の電気的信号変化を前記複数の電気的信号変化と比較して、前記ターゲット生分子の濃度を推定する。
【００６０】
本発明による生分子の検出方法の最も望ましい具体例は、前記ＰＣＲ産物を検出することである。もし、試料内に標的生分子が存在したならば、ＰＣＲが行われており、逆に試料内に標的生分子が存在していないならば、ＰＣＲが行われなかったため、ＰＣＲ産物を検出することによって、前記試料内に標的生分子が存在するか否かということと、その濃度とを検出しうる。
【００６１】
本発明の生分子の検出方法によれば、レファレンスＦＥＴとセンシングＦＥＴとを使用する従来の技術において、前記ＦＥＴ間の敏感度及び性能が異なって生分子検出に対する誤差が発生する可能性が大きいという問題点を解決しうる。すなわち、本発明による生分子の検出方法によれば、生分子を正確かつ容易に検出しうる。また、生分子が固定されたＦＥＴを使用しないため、ＦＥＴの製作時に工程が簡単であり、追加工程時に生じるＦＥＴ間の特性の差を大きく減らせる。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例を通じて、本発明をさらに詳細に説明する。これらの実施例は、単に、本発明を例示するためのものであるので、本発明の範囲がこれらの実施例によって制限されると解釈されるものではない。
【００６３】
実施例１
本発明によるＦＥＴ基盤のバイオセンサーの製造
本発明で使用したＦＥＴ素子は、Ｘ−ＦＡＢ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｏｕｎｄｒｉｅｓ（ドイツ）の設備を利用して製作し、前記メーカのＸＣ１０−１．０ｕｍ ＣＭＯＳ工程を使用した。ソースとドレインとの間のチャンネル上に酸化シリコンを形成した後、これをパターニングして検出表面２３ａを有する絶縁層２３を形成し、その上に検出表面２３ａに離隔された基準電極を形成して、図２のような形態のＦＥＴを製造した。
【００６４】
次いで、露出された検出表面２３ａ及び基準電極２４を含むＦＥＴの表面を注意深く洗浄した。洗浄は、純粋アセトン及び水で行い、洗い出した後に乾燥した。前記基板の洗浄過程は、半導体製造工程で利用されるウェットステーションを利用した。洗浄が終わった後に、スピンドライを利用して乾燥した。
【００６５】
実施例２
本発明によるＦＥＴ基盤のバイオセンサーを利用したＰＣＲ産物の検出
実施例１で製造した４×１２ ＦＥＴ基盤のバイオセンサーアレイを利用して、ＰＣＲ産物の存在を検出できるか否かを確認した。
【００６６】
このために、前記ＦＥＴ基盤のバイオセンサーにＰＣＲ産物、洗浄用バッファ及びＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を交互に注入した。
【００６７】
図３は、本発明によるＦＥＴの検出表面と基準電極との間にＰＣＲ産物、洗浄用バッファ及びＮＴＣを交互に注入する順序を概略的に示す図面である。図３を参照すれば、一つ以上のＦＥＴ基盤のバイオセンサー３１に順次にカリブラント溶液３２、洗浄溶液３３ａ、ＰＣＲ産物３４ａ、洗浄溶液３３ｂ、ＮＴＣ ３５ａ、洗浄溶液３３ｃ、ＰＣＲ産物３４ｂ、洗浄溶液３３ｄ、ＮＴＣ ３５ｂ及び洗浄溶液３３ｅを順次に提供した。
【００６８】
本実施例で使われたカリブラント溶液として０．１ｍＭ ＮａＯＡｃを利用した。前記カリブラント溶液は、ＦＥＴの条件を何れも同一に再設定するために使われる。
【００６９】
また、本実施例で使われた洗浄溶液は、０．０１ｍＭのリン酸バッファ（ｐＨ６．０４）を利用した。
【００７０】
また、本実施例で使われたＰＣＲ産物は、スタフィロコックス アウレウス（Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ａｕｒｅｕｓ）バクテリアのテンプレートを利用して、ＰＣＲ増幅過程を経、使われたフォワード及びリバースプライマーの塩基配列は、それぞれ５’−（ＴＡＧ ＣＡＴ ＡＴＣ ＡＧＡ ＡＧＧ ＣＡＣ ＡＣＣＣ）−３’及び５’−（ＡＴＣ ＣＡＣ ＴＣＡ ＡＧＡ ＧＡＧ ＡＣＡ ＡＣＡ ＴＴ）−３’であった。増幅が完了したＰＣＲ産物は、２４０ｂｐの大きさを有し、前記ＰＣＲ産物を含有するリン酸バッファのｐＨは、６．４７であり、ＰＣＲ産物の濃度は、５ｎｇ／μｌであった。
【００７１】
また、本実施例で使われたＮＴＣ溶液は、ＰＣＲ過程中にテンプレートを除去してＰＣＲ産物の生産を阻害して、ＰＣＲ産物を除外した他の物質の阻害効果を確認するためである。全てのＰＣＲ過程は、前記実施例１と同一であり、単に、テンプレートのみ添加していないままＰＣＲが進められた。ＰＣＲ過程後にＰＣＲ増幅が起きなかったため、ＰＣＲ産物の濃度は明らかではない。これは、試料内に標的ＤＮＡが存在せず、ＰＣＲが行われていない場合を仮定するためのものである。
【００７２】
図３と同じ順序でＦＥＴの検出表面と基準電極との間にＰＣＲ産物、洗浄用バッファ及びＮＴＣを交互に注入した場合、４８個のＦＥＴのうち同一ＦＥＴ基盤のバイオセンサーから得たＰＣＲ産物の電流変化値及びＮＴＣ電流変化値を、式２に代入して得た値の平均及び標準偏差を表１に表した。
【００７３】
【数２】
【００７４】
ＰＣＲ産物を含有する溶液と洗浄溶液とのｐＨ差が前記電流変化に影響を及ぼしたか否か確認した結果、前述したように、前記二つの溶液のｐＨ差は０．４３であり、それによる電流変化は、無視できるレベルであった。
【００７５】
表１に示したように、前記方法によれば、ＰＣＲ産物及びＮＴＣを効果的に区別して検出でき、特に、標準偏差が小さくて前記検出結果は有意であるということが分かる。
【００７６】
比較例１
ＦＥＴ基盤のバイオセンサーを利用したＰＣＲ産物の検出
実施例１と同じ過程を行い、但し、４８個のＦＥＴのうち任意の二つのセンサーからそれぞれ得たＰＣＲ産物の電流変化値及びＮＴＣ電流変化値を式２に代入して得た値の平均及び標準偏差を表１に表した。
【００７７】
表１に表したように、前記方法によれば、標準偏差が過度に大きくてＰＣＲ産物及びＮＴＣを有意的に区別して検出できないということが分かる。
【００７８】
【表１】
【００７９】
実施例３
本発明によるＦＥＴ基盤のバイオセンサーを利用したＰＣＲ産物の濃度検出
実施例１で製造した同一ＦＥＴ基盤のバイオセンサーを利用して、ＰＣＲ産物の濃度を検出できるか否かを確認した。
【００８０】
このために、前記ＦＥＴ基盤のバイオセンサーに異なる濃度の複数のＰＣＲ産物及び洗浄用バッファを交互に注入した。
【００８１】
図４Ａは、本発明によるＦＥＴの検出表面に異なる濃度の複数のＰＣＲ産物及び洗浄用バッファを交互に注入する順序を概略的に示す図面である。図４Ａを参照すれば、一つ以上のＦＥＴ基盤のバイオセンサー４１に順次に１０ｎｇ／μｌのＰＣＲ産物４２、洗浄溶液４３ａ、５ｎｇ／μｌのＰＣＲ産物４４、洗浄溶液４３ｂ、１ｎｇ／μｌのＰＣＲ産物４５、洗浄溶液４３ｃ、０．５ｎｇ／μｌのＰＣＲ産物４６、洗浄溶液４３ｄ、０．２５ｎｇ／μｌのＰＣＲ産物４７及び洗浄溶液４３ｅを順次に提供した。
【００８２】
本実施例で使われた洗浄溶液及びＰＣＲ産物は、実施例１で使用したものと同じである。
【００８３】
図４Ｂは、図４Ａと同じ順序でＦＥＴの検出表面に異なる濃度の複数のＰＣＲ産物及び洗浄用バッファを交互に注入する場合の電圧変化を測定したグラフである。
【００８４】
図４Ｂを参照すれば、ＰＣＲ産物の濃度及び表面電位の変化量は、相互一定した比例関係がある。したがって、濃度の不明なＰＣＲ産物を前記同じＦＥＴに注入して、表面電位の変化量を得、その値を図４Ｂの値と比較することによって、前記ＰＣＲ産物の濃度が分かった。
【００８５】
以上、本発明についてその望ましい実施例を中心に説明した。当業者は、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態で具現されうるということが分かるであろう。したがって、開示された実施例は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されねばならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に現れており、それと同等な範囲内にある全ての差異点は、本発明に含まれていると解釈されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、生分子の検出関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１Ａ】従来のＦＥＴの構造を概略的に示す図面である。
【図１Ｂ】図１ＡのＦＥＴのゲート電極の表面にプローブ生分子を固定させ、前記プローブ生分子にターゲット生分子が結合する過程を概略的に示す図面である。
【図２】本発明による生分子の検出方法に使われるＦＥＴの構造を概略的に示す図面である。
【図３】本発明によるＦＥＴの検出表面にＰＣＲ産物、洗浄用バッファ及びＮＴＣを交互に注入する順序を概略的に示す図面である。
【図４Ａ】本発明によるＦＥＴの検出表面に異なる濃度の複数のＰＣＲ産物及び洗浄用バッファを交互に注入する順序を概略的に示す図面である。
【図４Ｂ】図４Ａと同じ順序でＦＥＴの検出表面に異なる濃度の複数のＰＣＲ産物及び洗浄用バッファを交互に注入する場合の電圧変化を測定したグラフである。
【符号の説明】
【００８８】
２１ 基板
２２ａ ソース領域
２２ｂ ドレイン領域
２３ 絶縁層
２４ ゲート電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタを利用してターゲット生分子の存在または濃度を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的な信号で生分子を検出するセンサーのうち、トランジスタを備える構造を有するトランジスタ基盤のバイオセンサーがある。これは、半導体工程を利用して製作されるものであって、電気的な信号の転換が速いという長所があって、これまでこれについての多くの研究が進められてきた。
【０００３】
電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、‘ＦＥＴ’ともいう）を使用して、生物学的な反応を測定する基本特許として特許文献１がある。特許文献１は、抗原−抗体反応を、表面電荷密度の変化による半導体反転層の変化を電流で測定するバイオセンサーに関するものであり、当該抗原−抗体反応として用いられる生分子は蛋白質に関するものである。特許文献２は、バイオ単量体をゲートの表面に吸着させて相補的な単量体との混成化の程度をＦＥＴで測定することに関する。
【０００４】
特許文献３は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を使用して結合された生分子による吸光現象で混成化の度合いを測定する方法を開示している。特許文献４及び５では、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用し、回路を接続させて信号対ノイズ比を向上させる内容を開示している。
【０００５】
このようなＦＥＴをバイオセンサーとして使用する場合には、従来の方式に比べてコスト及び時間が少なくかかり、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）／ＭＥＭＳ工程との接続が容易であるという点で大きい長所を有している。
【０００６】
図１Ａは、従来のＦＥＴの構造を概略的に示す図面である。図１Ａを参照すれば、ｎ型またはｐ型にドーピングされた基板１１上の両側部に、基板１１と異なる電導性にドーピングされたソース１２ａ及びドレイン１２ｂが形成されており、基板１１上にソース１２ａ及びドレイン１２ｂと接触するゲート１３が形成されている。一般的に、前記ゲート１３は、酸化層１４、ポリシリコン層１５及びゲート電極層１６を備え、基準電極１７に対向するゲート電極層１６の表面１６ａには、プローブ生分子が付着される。プローブ生分子は、所定のターゲット生分子と水素結合によって結合し、これを電気的な方法で測定してプローブ生分子とターゲット生分子との結合程度を測定する。
【０００７】
図１Ｂは、ゲート電極１６の表面１６ａにプローブ生分子１８を固定させ、前記プローブ生分子１８にターゲット生分子が結合する過程を概略的に示す図面である。図１Ｂを参照すれば、前記ゲート電極１６の表面にプローブ生分子１８の固定の度合い、及び前記固定されたプローブ生分子１８にターゲット生分子の結合の程度によってチャンネルを通じて流れる電流の強度がそれぞれ変わり、したがって、それによってターゲット生分子を検出しうる。
【０００８】
一般的に、前記ＦＥＴを利用した従来の生分子の検出方法は、正確性及び敏感度を向上させるために二つ以上のＦＥＴを使用する。前記ＦＥＴのうち一部を標的生分子と反応しないレファレンスＦＥＴとして、及び残りのセンサーを前記標的生分子と反応するセンシングＦＥＴとして使用する。前記レファレンスＦＥＴ及びセンシングＦＥＴでのノイズ信号が同一であるという仮定下に、前記センシングＦＥＴで測定された電気的信号から前記レファレンスＦＥＴで測定された電気的信号を差し引くことによって、前記標的生分子のみの電気的信号を検出する。
【０００９】
例えば、特許文献６では、二つのそれぞれ異なるセンサーを使用して測定したデータを比較して、代表因子を推論する方法が開示されている。
【００１０】
しかし、前記従来の方法において、レファレンスＦＥＴ及びセンシングＦＥＴでのノイズ信号が同一であるという仮定を信頼できないという問題点がある。すなわち、現在のＦＥＴの製作技術レベルで、たとえ同じ規格のＦＥＴを同じ工程で製作するとしても、前記ＦＥＴは、同じ試料に対して非常に大きい偏差の反応レベルを表すという問題点がある。それにより、レファレンスＦＥＴの信号がセンシングＦＥＴの信号より、かえって大きくなる場合も発生しうる。
【特許文献１】米国特許第４，２３８，７５７号明細書
【特許文献２】米国特許第４，７７７，０１９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，８４６，７０８号明細書
【特許文献４】米国特許第５，４６６，３４８号明細書
【特許文献５】米国特許第６，２０３，９８１号明細書
【特許文献６】ＷＯ第０３／０６２８１１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記従来の技術の問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、生分子の存在または濃度を容易かつ正確に検出しうる生分子の検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的を達成するために、本発明は、電界効果トランジスタを利用してターゲット生分子を検出する方法において、前記電界効果トランジスタは、半導体材料で構成された基板、前記基板内に相互に離隔されて形成され、前記基板と異なる電導型にドーピングされたソース領域及びドレイン領域、前記ソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャンネル領域、前記チャンネル領域上に配置されるものであって、ターゲット生分子を検出する検出表面を有する絶縁層、ならびに前記絶縁層と離隔されて対向する基準電極を備えることを特徴とし、第１ターゲット生分子を含有する第１試料を前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生ずる前記電界効果トランジスタの第１電気的信号の変化を測定するステップと、第２試料を同一の前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生ずる前記電界効果トランジスタの第２電気的信号の変化を測定するステップと、前記第１電気的信号と前記第２電気的信号とを比較するステップと、を含むことを特徴とする同一電界効果トランジスタを利用して生分子を検出する方法を提供する。
【００１３】
本発明の一具体例において、前記第２試料を提供する前に、生分子を含有しない溶液で前記電界効果トランジスタの検出表面を洗浄するステップをさらに含みうる。
【００１４】
本発明の一具体例において、前記電界効果トランジスタの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧からなる群から選択される少なくとも一つでありうる。
【００１５】
本発明の一具体例において、前記生分子は、核酸または蛋白質でありうる。
【００１６】
本発明の一具体例において、前記核酸は、ＰＣＲ産物またはその精製物でありうる。
【００１７】
本発明の一具体例において、前記第１試料は、テンプレート及びプライマー存在下にＰＣＲを行った産物を含有し、前記第２試料は、プライマー存在下にＰＣＲを行った産物を含有できる。
【００１８】
本発明の一具体例において、前記第１電気的信号と前記第２電気的信号とを比較するステップは、前記第１電気的信号及び前記第２電気的信号の大きさの比率を計算することでありうる。
【００１９】
本発明の一具体例において、前記半導体材料は、シリコンであり、前記電気的絶縁材料は、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは金属酸化物でありうる。
【００２０】
本発明の一具体例において、前記基板は、ｎ型にドーピングされており、前記ソース領域及びドレイン領域は、それぞれｐ型にドーピングされている。
【００２１】
本発明の一具体例において、前記基板は、ｐ型にドーピングされており、前記ソース領域及びドレイン領域は、それぞれｎ型にドーピングされている。
【００２２】
また、本発明は、電界効果トランジスタを利用してターゲット生分子を検出する方法において、前記電界効果トランジスタは、半導体材料で構成された基板、前記基板内に相互に離隔されて形成され、前記基板と異なる電導型にドーピングされたソース領域及びドレイン領域、前記ソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャンネル領域、前記チャンネル領域上に配置されるものであって、ターゲット分子を検出する検出表面を有する絶縁層、ならびに前記絶縁層上に離隔されて配置された基準電極を備えることを特徴とし、既知の異なる濃度を有する複数の生分子をそれぞれ含有する複数の試料を前記電界効果トランジスタの検出表面及び基準電極にそれぞれ提供することにより生ずる前記電界効果トランジスタの複数の電気的信号変化をそれぞれ測定するステップと、未知の濃度を有するターゲット生分子を含有する試料を前記同じ電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生ずる前記電界効果トランジスタの電気的信号変化を測定するステップと、前記ターゲット生分子の電気的信号変化を前記複数の電気的信号変化と比較して、前記ターゲット生分子の濃度を推定するステップと、を含むことを特徴とする同一電界効果トランジスタを利用して生分子を検出する方法を提供する。
【００２３】
本発明の一具体例において、前記複数の試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生じる前記電界効果トランジスタの複数の電気的信号の変化をそれぞれ測定するステップ（Ｉ）中、当該複数の試料の各試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供する毎に、生分子を含有していない溶液で（ゲートとして作用する）前記電界効果トランジスタの検出表面に提供して洗浄するステップをさらに含みうる。
【００２４】
本発明の一具体例において、前記電界効果トランジスタの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧からなる群からで選択される少なくとも一つでありうる。
【００２５】
本発明の一具体例において、前記生分子は、核酸または蛋白質でありうる。
【００２６】
本発明の一具体例において、前記核酸は、ＰＣＲ産物またはその精製物でありうる。
【００２７】
前記半導体材料は、シリコンであり、前記絶縁層は、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは金属酸化物を含むものでありうる。
【００２８】
本発明の一具体例において、前記基板は、ｎ型にドーピングされており、前記ソース領域及びドレイン領域は、それぞれｐ型にドーピングされている。
【００２９】
本発明の一具体例において、前記基板は、ｐ型にドーピングされており、前記ソース領域及びドレイン領域は、それぞれｎ型にドーピングされている。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の生分子の検出方法によれば、レファレンスＦＥＴとセンシングＦＥＴとを使用する従来の技術において、前記ＦＥＴの間の敏感度及び性能が異なって、生分子検出に対する誤差が発生する可能性が大きいという問題点を解決しうる。すなわち、本発明による生分子の検出方法によれば、生分子を正確かつ容易に検出しうる。また、生分子が固定されたＦＥＴを使用しないため、ＦＥＴの製作時に工程が簡単であり、追加工程時に生じるＦＥＴ間の特性差を大きく減らせる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、添付された図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
【００３２】
本発明は、ＦＥＴを利用して生分子の固定なしにターゲット生分子の存在または濃度を検出する方法に関するものである。
【００３３】
図２は、本発明による生分子の検出方法に使われるＦＥＴの構造を概略的に示す図面である。
【００３４】
図２を参照すれば、本発明による生分子の検出方法に使われるＦＥＴは、半導体材料で構成された基板２１、前記基板２１内に相互離隔されて形成され、前記基板２１と異なる電導型にドーピングされたソース領域２２ａ及びドレイン領域２２ｂ、前記ソース領域２２ａとドレイン領域２２ｂとの間に配置されたチャンネル領域、前記チャンネル領域上に配置されるものであって、ターゲット生分子を検出する検出表面２３ａ（以下検出表面とも称する）を有する絶縁層２３、及び前記絶縁層２３上に離隔されて配置された基準電極２４を備える。
【００３５】
なお、本明細書において「ターゲット生分子を検出する検出表面を有する絶縁層」は、生分子が絶縁層の表面に、直接または間接的に結合、固定されることをいう。
【００３６】
本発明において、前記ＦＥＴは、従来のバイオセンサーまたはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）素子に使用されてきたいかなるＦＥＴも使われ、ｎ−ＭＯＳ及びｐ−ＭＯＳの２つとも可能である。例えば、前記基板２１がｎ型にドーピングされた場合、前記ソース２２ａ及びドレイン２２ｂは、それぞれｐ型にドーピングされてもよく、逆に、前記基板２１がｐ型にドーピングされた場合、前記ソース２２ａ及びドレイン２２ｂは、それぞれｎ型にドーピングされてもよい。
【００３７】
前記ＦＥＴにおいて、ソース２２ａは、キャリア、例えば、自由電子または正孔を供給し、ドレイン２２ｂは、前記ソース２２ａから供給されたキャリアが到達する部位であり、ゲートとして作用する検出表面２３ａは、前記ソース２２ａとドレイン２２ｂとの間のキャリアの流れを制御する役割を行う。
【００３８】
前記基板２１を構成する半導体材料は、シリコンであることが好ましく、前記絶縁層２３を構成する電気的絶縁材料は、生分子が固定されていない任意の材料であり、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは金属酸化物などが前記絶縁層２３に含まれることが好ましい。また、前記絶縁層２３に生分子が固定されていない他の材料で構成される付加層が形成されている。
【００３９】
なお、本明細書において「結合」、「固定」という用語は、生分子が絶縁層に水素結合により吸着されている場合だけではなく、ファンデルワールス力などの物理的吸着も含む、さらにイオン結合などの化学結合による化学的吸着も含む概念である。
【００４０】
望ましくは、前記ＦＥＴは、マイクロチャンネル内に形成されている。この場合、前記基板２１は、前記マイクロチャンネルの内面を構成でき、前記ゲート電極２４は、前記マイクロチャンネル内部または内面に配置されうる。
【００４１】
本発明による生分子の検出方法の一具体例は、同一ＦＥＴを利用して試料間の電気的信号を比較することによって、ターゲット生分子の存在を検出することを特徴とすることが好ましい。
【００４２】
本発明の方法を利用して生分子の存在を検出するために、まず、第１ターゲット生分子を含有する第１試料を、前記ＦＥＴの検出表面に提供し、それにより前記ＦＥＴの検出表面にターゲット分子が結合または固定されることにより生じる前記ＦＥＴの第１電気的信号の変化を測定する。
【００４３】
本発明において、前記生分子は、核酸または蛋白質でありうる。
【００４４】
前記核酸は、多様な核酸、類似核酸、またはその混成体を意味し、例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ（Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）、ＬＮＡ（Ｌｏｃｋｅｄ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）及びその混成体で構成された群から選択されうる。また、前記核酸は、オリゴヌクレオチドまたはＰＣＲ産物であるが、ＰＣＲ産物またはその精製物であることが望ましい。
【００４５】
前記蛋白質は、例えば、酵素、基質、抗原、抗体、リガンド、アプタマー及び受容体からなる群から選択されうる。
【００４６】
前記ＦＥＴの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧からなる群から選択されることが好ましい。
【００４７】
次いで、前記第１試料をＦＥＴのターゲット生分子を検出する検出表面に提供した後に、生分子を含有していない溶液を前記ＦＥＴの検出表面及び基準電極に提供して洗浄することが好ましい。前記溶液は、電解質溶液であることが望ましい。
【００４８】
次いで、第２試料を前記ＦＥＴと同一の検出表面および基準電極との間に提供し、前記ＦＥＴの第２電気的信号の変化を測定する。
【００４９】
望ましくは、前記第１試料は、テンプレート及びプライマーの存在下にＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）を行った産物を含有し、前記第２試料は、テンプレートがないという点を除いては、同じＰＣＲを行った産物を含有しうる。または、前記第２試料は、前記第１試料と異なる濃度のＰＣＲ産物を含有することもある。すなわち、本明細書において「プライマー存在下にＰＣＲを行った産物」とは、テンプレートがないプライマー単独をいう。
【００５０】
次いで、前記第１電気的信号と前記第２電気的信号とを比較する。前記比較方法は、ターゲット生分子の種類、特性及び濃度によって多様に行われうる。例えば、前記電気的信号の比較ステップは、下記式１のように、第１電気的信号及び前記第２電気的信号の比率を計算することによって行われることが好ましい。
【００５１】
【数１】
【００５２】
本発明による生分子の検出方法の他の具体例は、同一ＦＥＴを利用して試料間の電気的信号を比較することによって、標的生分子の濃度を検出することを特徴とする。
【００５３】
本濃度検出方法に使われうるＦＥＴは、前述した通りである。
【００５４】
本発明の方法を利用して生分子の濃度を検出するために、まず、既知の異なる濃度を有する複数の生分子をそれぞれ含有する複数の試料を、前記ＦＥＴの絶縁層及び基準電極の間に提供し、前記複数の試料の各々の前記ＦＥＴの複数の電気的信号変化をそれぞれ測定する（ステップＩ）。
【００５５】
本発明において、前記生分子は、核酸または蛋白質でありうる。さらに詳細な内容は、前述した部分を参照できる。
【００５６】
前記ＦＥＴの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧のからなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。
【００５７】
次いで、未知の濃度を有するターゲット生分子を含有する試料を、前記ＦＥＴと同一の検出表面に提供し、前記ＦＥＴの電気的信号変化を測定する（ステップＩＩ）。
【００５８】
また、上記ステップＩにおいて、複数の試料をＦＥＴの絶縁層及び基準電極の間に提供した後、必要に応じて当該複数の試料をＦＥＴの絶縁層及び基準電極に結合または固定されている生分子を洗浄するために、複数の試料の各々を提供した後、他の試料をＦＥＴの絶縁層及び基準電極の間に提供する前に生分子を含有していない溶液で、前記ＦＥＴのゲート電極に提供して洗浄することが好ましい。
【００５９】
次いで、前記ターゲット生分子の電気的信号変化を前記複数の電気的信号変化と比較して、前記ターゲット生分子の濃度を推定する。
【００６０】
本発明による生分子の検出方法の最も望ましい具体例は、前記ＰＣＲ産物を検出することである。もし、試料内に標的生分子が存在したならば、ＰＣＲが行われており、逆に試料内に標的生分子が存在していないならば、ＰＣＲが行われなかったため、ＰＣＲ産物を検出することによって、前記試料内に標的生分子が存在するか否かということと、その濃度とを検出しうる。
【００６１】
本発明の生分子の検出方法によれば、レファレンスＦＥＴとセンシングＦＥＴとを使用する従来の技術において、前記ＦＥＴ間の敏感度及び性能が異なって生分子検出に対する誤差が発生する可能性が大きいという問題点を解決しうる。すなわち、本発明による生分子の検出方法によれば、生分子を正確かつ容易に検出しうる。また、生分子が固定されたＦＥＴを使用しないため、ＦＥＴの製作時に工程が簡単であり、追加工程時に生じるＦＥＴ間の特性の差を大きく減らせる。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例を通じて、本発明をさらに詳細に説明する。これらの実施例は、単に、本発明を例示するためのものであるので、本発明の範囲がこれらの実施例によって制限されると解釈されるものではない。
【００６３】
実施例１
本発明によるＦＥＴ基盤のバイオセンサーの製造
本発明で使用したＦＥＴ素子は、Ｘ−ＦＡＢ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｏｕｎｄｒｉｅｓ（ドイツ）の設備を利用して製作し、前記メーカのＸＣ１０−１．０ｕｍ ＣＭＯＳ工程を使用した。ソースとドレインとの間のチャンネル上に酸化シリコンを形成した後、これをパターニングして検出表面２３ａを有する絶縁層２３を形成し、その上に検出表面２３ａに離隔された基準電極を形成して、図２のような形態のＦＥＴを製造した。
【００６４】
次いで、露出された検出表面２３ａ及び基準電極２４を含むＦＥＴの表面を注意深く洗浄した。洗浄は、純粋アセトン及び水で行い、洗い出した後に乾燥した。前記基板の洗浄過程は、半導体製造工程で利用されるウェットステーションを利用した。洗浄が終わった後に、スピンドライを利用して乾燥した。
【００６５】
実施例２
本発明によるＦＥＴ基盤のバイオセンサーを利用したＰＣＲ産物の検出
実施例１で製造した４×１２ ＦＥＴ基盤のバイオセンサーアレイを利用して、ＰＣＲ産物の存在を検出できるか否かを確認した。
【００６６】
このために、前記ＦＥＴ基盤のバイオセンサーにＰＣＲ産物、洗浄用バッファ及びＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を交互に注入した。
【００６７】
図３は、本発明によるＦＥＴの検出表面と基準電極との間にＰＣＲ産物、洗浄用バッファ及びＮＴＣを交互に注入する順序を概略的に示す図面である。図３を参照すれば、一つ以上のＦＥＴ基盤のバイオセンサー３１に順次にカリブラント溶液３２、洗浄溶液３３ａ、ＰＣＲ産物３４ａ、洗浄溶液３３ｂ、ＮＴＣ ３５ａ、洗浄溶液３３ｃ、ＰＣＲ産物３４ｂ、洗浄溶液３３ｄ、ＮＴＣ ３５ｂ及び洗浄溶液３３ｅを順次に提供した。
【００６８】
本実施例で使われたカリブラント溶液として０．１ｍＭ ＮａＯＡｃを利用した。前記カリブラント溶液は、ＦＥＴの条件を何れも同一に再設定するために使われる。
【００６９】
また、本実施例で使われた洗浄溶液は、０．０１ｍＭのリン酸バッファ（ｐＨ６．０４）を利用した。
【００７０】
また、本実施例で使われたＰＣＲ産物は、スタフィロコックス アウレウス（Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ａｕｒｅｕｓ）バクテリアのテンプレートを利用して、ＰＣＲ増幅過程を経、使われたフォワード及びリバースプライマーの塩基配列は、それぞれ５’−（ＴＡＧ ＣＡＴ ＡＴＣ ＡＧＡ ＡＧＧ ＣＡＣ ＡＣＣＣ）−３’及び５’−（ＡＴＣ ＣＡＣ ＴＣＡ ＡＧＡ ＧＡＧ ＡＣＡ ＡＣＡ ＴＴ）−３’であった。増幅が完了したＰＣＲ産物は、２４０ｂｐの大きさを有し、前記ＰＣＲ産物を含有するリン酸バッファのｐＨは、６．４７であり、ＰＣＲ産物の濃度は、５ｎｇ／μｌであった。
【００７１】
また、本実施例で使われたＮＴＣ溶液は、ＰＣＲ過程中にテンプレートを除去してＰＣＲ産物の生産を阻害して、ＰＣＲ産物を除外した他の物質の阻害効果を確認するためである。全てのＰＣＲ過程は、前記実施例１と同一であり、単に、テンプレートのみ添加していないままＰＣＲが進められた。ＰＣＲ過程後にＰＣＲ増幅が起きなかったため、ＰＣＲ産物の濃度は明らかではない。これは、試料内に標的ＤＮＡが存在せず、ＰＣＲが行われていない場合を仮定するためのものである。
【００７２】
図３と同じ順序でＦＥＴの検出表面と基準電極との間にＰＣＲ産物、洗浄用バッファ及びＮＴＣを交互に注入した場合、４８個のＦＥＴのうち同一ＦＥＴ基盤のバイオセンサーから得たＰＣＲ産物の電流変化値及びＮＴＣ電流変化値を、式２に代入して得た値の平均及び標準偏差を表１に表した。
【００７３】
【数２】
【００７４】
ＰＣＲ産物を含有する溶液と洗浄溶液とのｐＨ差が前記電流変化に影響を及ぼしたか否か確認した結果、前述したように、前記二つの溶液のｐＨ差は０．４３であり、それによる電流変化は、無視できるレベルであった。
【００７５】
表１に示したように、前記方法によれば、ＰＣＲ産物及びＮＴＣを効果的に区別して検出でき、特に、標準偏差が小さくて前記検出結果は有意であるということが分かる。
【００７６】
比較例１
ＦＥＴ基盤のバイオセンサーを利用したＰＣＲ産物の検出
実施例１と同じ過程を行い、但し、４８個のＦＥＴのうち任意の二つのセンサーからそれぞれ得たＰＣＲ産物の電流変化値及びＮＴＣ電流変化値を式２に代入して得た値の平均及び標準偏差を表１に表した。
【００７７】
表１に表したように、前記方法によれば、標準偏差が過度に大きくてＰＣＲ産物及びＮＴＣを有意的に区別して検出できないということが分かる。
【００７８】
【表１】
【００７９】
実施例３
本発明によるＦＥＴ基盤のバイオセンサーを利用したＰＣＲ産物の濃度検出
実施例１で製造した同一ＦＥＴ基盤のバイオセンサーを利用して、ＰＣＲ産物の濃度を検出できるか否かを確認した。
【００８０】
このために、前記ＦＥＴ基盤のバイオセンサーに異なる濃度の複数のＰＣＲ産物及び洗浄用バッファを交互に注入した。
【００８１】
図４Ａは、本発明によるＦＥＴの検出表面に異なる濃度の複数のＰＣＲ産物及び洗浄用バッファを交互に注入する順序を概略的に示す図面である。図４Ａを参照すれば、一つ以上のＦＥＴ基盤のバイオセンサー４１に順次に１０ｎｇ／μｌのＰＣＲ産物４２、洗浄溶液４３ａ、５ｎｇ／μｌのＰＣＲ産物４４、洗浄溶液４３ｂ、１ｎｇ／μｌのＰＣＲ産物４５、洗浄溶液４３ｃ、０．５ｎｇ／μｌのＰＣＲ産物４６、洗浄溶液４３ｄ、０．２５ｎｇ／μｌのＰＣＲ産物４７及び洗浄溶液４３ｅを順次に提供した。
【００８２】
本実施例で使われた洗浄溶液及びＰＣＲ産物は、実施例１で使用したものと同じである。
【００８３】
図４Ｂは、図４Ａと同じ順序でＦＥＴの検出表面に異なる濃度の複数のＰＣＲ産物及び洗浄用バッファを交互に注入する場合の電圧変化を測定したグラフである。
【００８４】
図４Ｂを参照すれば、ＰＣＲ産物の濃度及び表面電位の変化量は、相互一定した比例関係がある。したがって、濃度の不明なＰＣＲ産物を前記同じＦＥＴに注入して、表面電位の変化量を得、その値を図４Ｂの値と比較することによって、前記ＰＣＲ産物の濃度が分かった。
【００８５】
以上、本発明についてその望ましい実施例を中心に説明した。当業者は、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態で具現されうるということが分かるであろう。したがって、開示された実施例は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されねばならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に現れており、それと同等な範囲内にある全ての差異点は、本発明に含まれていると解釈されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、生分子の検出関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１Ａ】従来のＦＥＴの構造を概略的に示す図面である。
【図１Ｂ】図１ＡのＦＥＴのゲート電極の表面にプローブ生分子を固定させ、前記プローブ生分子にターゲット生分子が結合する過程を概略的に示す図面である。
【図２】本発明による生分子の検出方法に使われるＦＥＴの構造を概略的に示す図面である。
【図３】本発明によるＦＥＴの検出表面にＰＣＲ産物、洗浄用バッファ及びＮＴＣを交互に注入する順序を概略的に示す図面である。
【図４Ａ】本発明によるＦＥＴの検出表面に異なる濃度の複数のＰＣＲ産物及び洗浄用バッファを交互に注入する順序を概略的に示す図面である。
【図４Ｂ】図４Ａと同じ順序でＦＥＴの検出表面に異なる濃度の複数のＰＣＲ産物及び洗浄用バッファを交互に注入する場合の電圧変化を測定したグラフである。
【符号の説明】
【００８８】
２１ 基板
２２ａ ソース領域
２２ｂ ドレイン領域
２３ 絶縁層
２４ ゲート電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果トランジスタを利用してターゲット生分子を検出する方法において、
前記電界効果トランジスタは、半導体材料で構成された基板、前記基板内に相互に離隔されて形成され、前記基板と異なる電導型にドーピングされたソース領域及びドレイン領域、前記ソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャンネル領域、前記チャンネル領域上に配置されるものであって、ターゲット生分子を検出する検出表面を有する絶縁層、ならびに前記絶縁層上に離隔されて配置された基準電極を備えることを特徴とし、
第１ターゲット生分子を含有する第１試料を前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することによる生じる前記電界効果トランジスタの第１電気的信号の変化を測定するステップと、
第２試料を同一の前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することによる生じる前記電界効果トランジスタの第２電気的信号の変化を測定するステップと、
前記第１電気的信号と前記第２電気的信号とを比較するステップと、を含むことを特徴とする同一電界効果トランジスタを利用して生分子を検出する方法。
【請求項２】
前記第２試料を提供する前に、生分子を含有しない溶液で、前記電界効果トランジスタの検出表面を洗浄するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項３】
前記電界効果トランジスタの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧からなる群から選択される少なくとも一つであることを特徴とする請求項１または２に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項４】
前記ターゲット生分子は、核酸または蛋白質であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項５】
前記核酸は、ＰＣＲ産物またはその精製物であることを特徴とする請求項４に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項６】
前記第１試料は、テンプレート及びプライマー存在下にＰＣＲを行った産物を含有し、前記第２試料は、プライマー存在下にＰＣＲを行った産物を含有することを特徴とする請求項１に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項７】
前記第１電気的信号と前記第２電気的信号とを比較するステップは、前記第１電気的信号及び前記第２電気的信号の大きさの比率を計算することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項８】
前記半導体材料は、シリコンであり、前記絶縁層は、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは金属酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項９】
電界効果トランジスタを利用してターゲット生分子を検出する方法において、
前記電界効果トランジスタは、半導体材料で構成された基板、前記基板内に相互離隔されて形成され、前記基板と異なる電導型にドーピングされたソース領域及びドレイン領域、前記ソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャンネル領域、前記チャンネル領域上に配置されるものであって、ターゲット生分子を検出する検出表面を有する絶縁層、ならびに前記絶縁層に離隔配置された基準電極を備えることを特徴とし、
既知の相異なる濃度を有する複数の生分子をそれぞれ含有する複数の試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生じる前記電界効果トランジスタの複数の電気的信号の変化をそれぞれ測定するステップ（Ｉ）と、
未知の濃度を有するターゲット生分子を含有する試料を、同一の前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生じる前記電界効果トランジスタの電気的信号の変化を測定するステップ（ＩＩ）と、
前記ステップ（ＩＩ）の電気的信号の変化と、前記ステップ（Ｉ）の複数の電気的信号の変化とを比較して前記ターゲット生分子の濃度を推定するステップと、を含むことを特徴とする同一電界効果トランジスタを利用して生分子を検出する方法。
【請求項１０】
前記複数の試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生じる前記電界効果トランジスタの複数の電気的信号の変化をそれぞれ測定するステップ（Ｉ）中、当該複数の試料の各試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供する毎に、生分子を含有しない溶液で前記電界効果トランジスタの検出表面を洗浄するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項１１】
前記電界効果トランジスタの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧からなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項９または１０に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項１２】
前記生分子は、核酸または蛋白質であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項１３】
前記核酸は、ＰＣＲ産物またはその精製物であることを特徴とする請求項１２に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項１４】
前記半導体材料は、シリコンであり、前記絶縁層は、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは金属酸化物を含むことを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項１】
電界効果トランジスタを利用してターゲット生分子を検出する方法において、
前記電界効果トランジスタは、半導体材料で構成された基板、前記基板内に相互に離隔されて形成され、前記基板と異なる電導型にドーピングされたソース領域及びドレイン領域、前記ソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャンネル領域、前記チャンネル領域上に配置されるものであって、ターゲット生分子を検出する検出表面を有する絶縁層、ならびに前記絶縁層上に離隔されて配置された基準電極を備えることを特徴とし、
第１ターゲット生分子を含有する第１試料を前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することによる生じる前記電界効果トランジスタの第１電気的信号の変化を測定するステップと、
第２試料を同一の前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することによる生じる前記電界効果トランジスタの第２電気的信号の変化を測定するステップと、
前記第１電気的信号と前記第２電気的信号とを比較するステップと、を含むことを特徴とする同一電界効果トランジスタを利用して生分子を検出する方法。
【請求項２】
前記第２試料を提供する前に、生分子を含有しない溶液で、前記電界効果トランジスタの検出表面を洗浄するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項３】
前記電界効果トランジスタの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧からなる群から選択される少なくとも一つであることを特徴とする請求項１または２に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項４】
前記ターゲット生分子は、核酸または蛋白質であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項５】
前記核酸は、ＰＣＲ産物またはその精製物であることを特徴とする請求項４に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項６】
前記第１試料は、テンプレート及びプライマー存在下にＰＣＲを行った産物を含有し、前記第２試料は、プライマー存在下にＰＣＲを行った産物を含有することを特徴とする請求項１に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項７】
前記第１電気的信号と前記第２電気的信号とを比較するステップは、前記第１電気的信号及び前記第２電気的信号の大きさの比率を計算することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項８】
前記半導体材料は、シリコンであり、前記絶縁層は、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは金属酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項９】
電界効果トランジスタを利用してターゲット生分子を検出する方法において、
前記電界効果トランジスタは、半導体材料で構成された基板、前記基板内に相互離隔されて形成され、前記基板と異なる電導型にドーピングされたソース領域及びドレイン領域、前記ソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャンネル領域、前記チャンネル領域上に配置されるものであって、ターゲット生分子を検出する検出表面を有する絶縁層、ならびに前記絶縁層に離隔配置された基準電極を備えることを特徴とし、
既知の相異なる濃度を有する複数の生分子をそれぞれ含有する複数の試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生じる前記電界効果トランジスタの複数の電気的信号の変化をそれぞれ測定するステップ（Ｉ）と、
未知の濃度を有するターゲット生分子を含有する試料を、同一の前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生じる前記電界効果トランジスタの電気的信号の変化を測定するステップ（ＩＩ）と、
前記ステップ（ＩＩ）の電気的信号の変化と、前記ステップ（Ｉ）の複数の電気的信号の変化とを比較して前記ターゲット生分子の濃度を推定するステップと、を含むことを特徴とする同一電界効果トランジスタを利用して生分子を検出する方法。
【請求項１０】
前記複数の試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供することにより生じる前記電界効果トランジスタの複数の電気的信号の変化をそれぞれ測定するステップ（Ｉ）中、当該複数の試料の各試料を、前記電界効果トランジスタの検出表面に提供する毎に、生分子を含有しない溶液で前記電界効果トランジスタの検出表面を洗浄するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項１１】
前記電界効果トランジスタの電気的信号は、ドレイン電流、ゲート・ソース電圧、及びソース・ドレイン電圧からなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項９または１０に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項１２】
前記生分子は、核酸または蛋白質であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項１３】
前記核酸は、ＰＣＲ産物またはその精製物であることを特徴とする請求項１２に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【請求項１４】
前記半導体材料は、シリコンであり、前記絶縁層は、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは金属酸化物を含むことを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の同一電界効果トランジスタを利用して生分子の検出方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【公開番号】特開２００７−３０４０８９（Ｐ２００７−３０４０８９Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９７４９８（Ｐ２００７−９７４９８）
【出願日】平成１９年４月３日（２００７．４．３）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月３日（２００７．４．３）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
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