電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサ
【課題】電界効果トランジスタを備えたバイオセンサでありながら、周囲温度や明るさなどの外部環境に係わらず精確な検出が実現できるバイオセンサを提供すること。
【解決手段】シリコン基板と、前記シリコン基板面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、を含む電界効果トランジスタ素子を２以上具備するバイオセンサであって、前記２以上の電界効果トランジスタ素子の一つは、被検出物質認識分子が固定される反応場が配置された電界効果トランジスタ素子Ａであり、かつ前記２以上の電界効果トランジスタ素子の他の一つは、被検出物質認識分子が固定されない反応場が配置された電界効果トランジスタ素子Ｂである、バイオセンサ。
【解決手段】シリコン基板と、前記シリコン基板面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、を含む電界効果トランジスタ素子を２以上具備するバイオセンサであって、前記２以上の電界効果トランジスタ素子の一つは、被検出物質認識分子が固定される反応場が配置された電界効果トランジスタ素子Ａであり、かつ前記２以上の電界効果トランジスタ素子の他の一つは、被検出物質認識分子が固定されない反応場が配置された電界効果トランジスタ素子Ｂである、バイオセンサ。
【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素子を具備するバイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界効果トランジスタ素子を備えたバイオセンサが提案されている（特許文献１〜３を参照）。一般に、電界効果トランジスタ素子を備えるバイオセンサでは、半導体基板の絶縁膜上に、ソース電極／ドレイン電極およびチャネルが形成されており、さらにチャネルや、半導体基板の絶縁膜などに反応場が配置されていることが多い。反応場には、被検出物質認識分子が固定されることが多い。
【０００３】
反応場に固定された被検出物質認識分子に被検出物質を認識させ、そのときのソース−ドレイン電流を測定することで、反応場に提供された被検出物質の有無や濃度を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８５３９２号公報
【特許文献２】特開２００６−２０１１７８号公報
【特許文献３】特開２００７−１３９７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の通り、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサは、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流に基づいて、被検出物質の有無や濃度を測定する。ところが、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流は、その測定環境の変化によって、ばらつきが大きい。ばらつきの原因となる測定環境の例には、その周囲温度や明るさ（光の量）がある。測定環境の変化によってソース−ドレイン電流がばらついてしまうと、精確な検出が行えなくなる。
【０００６】
そこで本発明は、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサでありながら、周囲温度や明るさなどの測定環境に係わらずに、精確な検出が実現できるバイオセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、２つ以上の電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサにおいて、１つの電界効果トランジスタ素子を被検出物質検出用の素子として用い、もう一つの電界効果トランジスタ素子を、測定環境の変化によるノイズ発生を補正するための素子として用いることを特徴とする。すなわち本発明の第一は、以下に示すバイオセンサに関する。
【０００８】
［１］ シリコン基板と、前記シリコン基板面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、を含む電界効果トランジスタ素子を２以上具備するバイオセンサであって、
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の一つは、被検出物質認識分子が固定される反応場が配置され、かつ
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の他の一つは、被検出物質認識分子が固定されない反応場が配置される、バイオセンサ。
【０００９】
［２］ 前記２以上の電界効果トランジスタ素子のシリコン基板は互いに別個である、［１］に記載のバイオセンサ。
［３］ 前記２以上の電界効果トランジスタ素子のシリコン基板は共通であり、ゲート電極は互いに別個である、［１］に記載のバイオセンサ。
［４］ 前記ゲート電極の電圧は＋０．５Ｖ〜−０．５Ｖである、［１］〜［３］のいずれかに記載のバイオセンサ。
【００１０】
本発明の第二は、以下に示す検出方法に関する。
［５］ 前記［１］〜［４］のいずれかに記載のバイオセンサを用いて被検出物質を検出する方法であって、
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の各反応場にサンプルを提供する工程と；前記２以上の電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電流を測定する工程と；前記電界効果トランジスタ素子の一つのソース−ドレイン電流の測定結果を、前記電界効果トランジスタ素子の他の一つのソース−ドレイン電流の測定結果で補正する工程とを含む、検出方法。
［６］ 前記２以上の電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電流を測定するときの、ゲート電極の電圧は＋０．５Ｖ〜−０．５Ｖである、［５］に記載の方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサによれば、周囲温度や明るさなどの測定環境の変化に係わらず、高精度な検出が可能となる。よって、電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサの実用性を高めることができる。
【００１２】
また、本発明のバイオセンサによれば、検出装置本体に、ノイズを防止するためのメカニズムや、ノイズキャンセル用のデータなどを格納する必要がなく、検出装置本体を簡便にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】単一の電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサである。
【図２Ａ】２つの電界効果トランジスタ素子を具備する、本発明のバイオセンサの第一の例である。
【図２Ｂ】図２Ａに示されるバイオセンサの断面図である。
【図３Ａ】２つの電界効果トランジスタ素子を具備する、本発明のバイオセンサの第二の例である。
【図３Ｂ】図３Ａに示されるバイオセンサの断面図である。
【図４】電界効果トランジスタ素子の、周囲温度に対するソース−ドレイン電流の変化率を示すグラフである。
【図５】本発明のバイオセンサにおけるトランジスタ素子Ａおよびトランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流のノイズ発生を示すグラフである。
【図６】本発明のバイオセンサにより、ノイズがキャンセルされたソース−ドレイン電流が得られることを説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のバイオセンサは、電界効果トランジスタ素子を具備する。電界効果トランジスタ素子は、半導体基板と、前記半導体基板面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に配置された配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極とを有する。半導体基板は、通常はシリコン基板であり、絶縁膜は酸化シリコン膜であるが、必ずしも限定されない。
【００１５】
図１には、単一の電界効果トランジスタを具備するバイオセンサの例が示される。図１に示されるように、従来のバイオセンサ１０’では、シリコン基板１１の表面に形成された酸化シリコン膜１２ｂに、ドレイン電極１４及びソース電極１５と、チャネル１６が配置されている。さらに、ゲート電極１３が、チャネル１６に作用することができるように配置されている。図１では、ゲート電極１３は、シリコン基板１１の裏面に形成された酸化シリコン膜１２ａに配置されている。
【００１６】
チャネル１６は、例えばポリシリコンチャネルであるが、特に限定されるわけではない。例えばカーボンナノチューブチャネルであってもよい。チャネルは、ＮＰＮ型であっても、ＰＮＰ型であっても、ＮｉＰ型であっても、ＰｉＰ型であってもよい。ＮＰＮ型またはＰＮＰ型のチャネルは、バンドギャップが大きくなるので、ＮｉＰ型またはＰｉＰ型のチャネルと比較して、リーク電流が小さくなりやすい。このため、待機状態の消費電流を低減する回路を構成しやすい。一方、ＮｉＰ型またはＰｉＰ型のチャネルは、ＮＰＮ型またはＰＮＰ型のチャネルと比較して、少ない製造工程で作製されうる。
【００１７】
図１に示されるような、単一の電界効果トランジスタ素子を有するバイオセンサでは、検出感度が大きくばらつくことがあった。検出感度のばらつきの原因の一つは、測定環境、例えば周囲の温度や明るさにより、電界効果トランジスタ素子の特性が変化するためである。
【００１８】
図４には、周囲温度の変化に応じて、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流が変化する程度を示すグラフである。図４の横軸はゲート電圧を示し、縦軸はソース−ドレイン電流の変化率を示す。ソース−ドレイン電圧を６Ｖに設定し、ゲート電圧を−３Ｖ〜０Ｖの範囲で設定した。各ゲート電圧において、周囲温度を２０℃から３０℃へ変化させた場合のソース−ドレイン電流の変化率（◆）と、３０℃から４０℃へ変化させた場合のソース−ドレイン電流の変化率（■）とを示す。
【００１９】
図４に示されるように、周囲温度が１０℃上昇するだけで、ソース−ドレイン電流が５〜２５％も増大することがわかる。特に、ゲート電圧が０Ｖ付近であると、周囲温度の変化に対するソース−ドレイン電流の変化率が大きくなる。したがって、単一の電界効果トランジスタ素子を有するバイオセンサで検出作業を行っても、測定環境下におけるわずかな温度変化でソース−ドレイン電流が変化して、精確な検出が行えないことがある。
【００２０】
これに対して、本発明のバイオセンサは、２つ以上の電界効果トランジスタ素子を有し、１つの電界効果トランジスタ素子を検出用素子として用い、もう１つの電界効果トランジスタ素子を補正用素子として用いる。
【００２１】
本発明のバイオセンサに含まれる電界効果トランジスタはいずれも、半導体基板と、前記半導体基板面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極とを有する。電界効果トランジスタを構成する各要素（反応場を除く）は、いずれの電界効果トランジスタでも同一とすることが好ましく、同一構造とする。それにより、各電界効果トランジスタの特性、特にＩＶ特性などが同一となるようにする。
【００２２】
２つ以上の電界効果トランジスタ素子は、それぞれ別個のシリコン基板を有していてもよく（図２Ａ参照）、１つの半導体基板を共有していてもよいが、その場合には別個のゲート電極を有する（図３Ａ参照）。いずれにしても、各電界効果トランジスタを独立に制御できるようにする。
【００２３】
本発明のバイオセンサに含まれる電界効果トランジスタ素子は、それぞれ反応場を有する。反応場とは、被検出物質を含みうるサンプル（通常は溶液である）を提供する領域である。反応場の配置位置は特に制限されず、半導体基板の表面にあってもよく（図２Ｂ参照）、チャネルとゲート電極を絶縁するゲート絶縁膜にあってもよい（図３Ｂ参照）。反応場は、ゲート電極の近傍に配置されていることが好ましい。検出感度を高めるためである。
【００２４】
本発明のバイオセンサに含まれる１つの電界効果トランジスタ素子Ａは、被検出物質認識分子が固定される反応場を有する。電界効果トランジスタ素子Ａは、被検出物質を検出するための素子である。被検出物質認識分子の例には、抗体や酵素、レクチンなどのタンパク質、核酸、オリゴ糖または多糖、あるいはそれらの構造を有する物質が含まれる。被検出物質認識分子を反応場に固定化することで、特定のタンパク質や化学物質などを特異的に検出することができる。
【００２５】
一方、本発明のバイオセンサに含まれるもう１つの電界効果トランジスタ素子Ｂは、被検出物質認識分子が固定されない反応場を有する。電界効果トランジスタ素子Ｂは、電界効果トランジスタ素子Ａによる検出データを補正するための素子である。
【００２６】
図２Ａには、本発明のバイオセンサの第一の例が示される。図２Ａに示されるバイオセンサ１０−１は、実装基板１００と、それに実装された２つの電界効果トランジスタ素子３０Ａおよび素子３０Ｂとを有する。電界効果トランジスタ素子３０Ａおよび素子３０Ｂは、それぞれ、図１に示される電界効果トランジスタ素子と同一の構成を有している。
【００２７】
図２Ｂには、図２Ａのバイオセンサ１０−１の断面図が示される。図２Ｂに示されるように、電界効果トランジスタ素子３０Ａおよび素子３０Ｂとも、実装基板１００に実装されており；シリコン基板１１（１１Ａまたは１１Ｂ）の表面に形成された酸化シリコン膜１２ａに、反応場２０（２０Ａまたは２０Ｂ）を有する。反応場２０Ａの周囲にはゲート電極１３Ａが配置され、反応場２０Ｂの周囲にはゲート電極１３Ｂが配置される。反応場２０Ａには、被検出物質認識分子２１が固定化されており；反応場２０Ｂには、被検出物質認識分子が固定されていない。
【００２８】
図３Ａには、本発明のバイオセンサの第二の例が示される。図３Ａに示されるバイオセンサ１０−２は、酸化シリコン膜１２ｂが形成されたシリコン基板１１と、酸化シリコン膜１２ｂ上に配置された２つの電界効果トランジスタ素子３１（素子３１Ａおよび素子３１Ｂ）を有する。各電界効果トランジスタ素子は、ドレイン電極１４（１４Ａまたは１４Ｂ）と、ソース電極１５（１５Ａまたは１５Ｂ）と、チャネル１６（１６Ａまたは１６Ｂ）と、ゲート絶縁膜１９（１９Ａまたは１９Ｂ）とを有する。さらに、電界効果トランジスタ素子３１Ａおよび３１Ｂは、ゲート絶縁膜１９上に配置された、いわゆるトップゲート型のゲート電極１３（１３Ａと１３Ｂ）を有する。
【００２９】
図３Ｂには、図３Ａのバイオセンサ１０−２の断面図が示される。図３Ｂに示されるように、電界効果トランジスタ素子３１Ａのゲート絶縁膜１９Ａのチャネル１６Ａ付近は、被検出物質認識分子２１が固定化された反応場となる。一方、電界効果トランジスタ素子３１Ｂのゲート絶縁膜１９Ｂのチャネル１６Ｂ付近は、被検出物質認識分子２１が固定化されていない反応場となる。
【００３０】
本発明のバイオセンサを用いた検出フロー
本発明のバイオセンサを用いて、被検出物質を検出するには、まず、電界効果トランジスタ素子Ａの反応場（被検出物質認識分子が固定されている反応場）に、被検出物質を含みうるサンプルを提供する。電界効果トランジスタ素子Ｂの反応場（被検出物質認識分子が固定されていない反応場）にも、同一のサンプルを提供する。電界効果トランジスタ素子Ａの反応場には、被検出物質認識分子が固定されているので、サンプル中の被検出物質と被検出物質認識分子とを反応させる。一方、電界効果トランジスタ素子Ｂの反応場には、被検出物質認識分子が固定されていないので、反応は起こらない。その後、必要に応じて反応場から、サンプル中の溶媒などを除去する。
【００３１】
電界効果トランジスタ素子Ａおよび電界効果トランジスタ素子Ｂのゲート電極に、同一の所定のゲート電圧を印加する。そのときの、電界効果トランジスタ素子Ａおよび電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流をそれぞれ測定する。このとき、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流も、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流も、わずかな測定環境の変化、たとえば温度変化や明るさの変化によって、ノイズが発生することがある。ここで、電界効果トランジスタ素子Ａと素子Ｂとは、同一の素子構造を有しているので、ソース−ドレイン電流に同様のノイズを発生させる。
【００３２】
図５は、２つの電界効果トランジスタ（電界効果トランジスタＡおよび電界効果トランジスタＢ）のソース−ドレイン電流に発生するノイズを示すグラフである。各電界効果トランジスタのチャネルをＰＩＰ型のポリシリコンチャネルとして、チャネル幅を２００μｍとし、チャネル長さを４μｍとした。ゲート酸化膜の厚みは２７０Åとした。測定環境の温度を室温から３℃上下に変化させながら測定を行った。
【００３３】
図５の縦軸は、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流（μＡ）を示し；横軸は、時間（秒）を示す。図５における実線は、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流であり；破線は、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流である。電界効果トランジスタ素子Ａおよび素子Ｂとも、ゲート電圧を０Ｖに設定し、ソース−ドレイン電圧を６Ｖに設定した。図５に示されるように、各素子のソース−ドレイン電流とも、かなりのノイズが発生していることがわかる。ただし、電界効果トランジスタ素子Ａと素子Ｂのノイズは、同期していることがわかる。このことは、周囲環境の変化に応じて、ソース−ドレイン電流にノイズが発生していることを示唆する。
【００３４】
したがって、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流を、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流にて補正すれば、ノイズがキャンセルされた電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流が得られることがわかる。
【００３５】
図６を参照して、本発明のバイオセンサにより、ノイズがキャンセルされたソース−ドレイン電流が得られることを説明する。図６Ａ〜Ｃの縦軸は、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流（Ａ）を示し、横軸は時間（秒）を示す。
【００３６】
図６Ａは、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流（ＩｄｓＡ）を示し；図６Ｂは、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流ＩｄｓＢを示す。測定条件は、室温、ゲート電圧＝０Ｖ，ソース−ドレイン電圧＝６Ｖとした。図６Ａおよび図６Ｂのいずれにおいても、ノイズ幅が約１００〜１５０ｎＡであった。このノイズが精確な検出を妨げる可能性がある。図６Ｃは、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流（図６Ａ）から、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流（図６Ｂ）を差し引いた結果（ＩｄｓＡ−ＩｄｓＢ）である。図６Ｃに示されるように、両者の差異は２０ｎＡの範囲に収まっている。したがって、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流を、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流で補正すれば、ノイズがキャンセルされることがわかる。
【００３７】
通常のバイオセンサ装置には、バイオセンサによる測定値のノイズの発生を抑制したり、発生したノイズをキャンセルしたりするための機構を具備する必要がある。ノイズの発生を抑制する機構とは、例えば測定温度を一定に維持したり、遮光する機構である。ノイズをキャンセルする機構とは、測定環境に応じて発生するであろうノイズを記憶しておき、それを用いてバイオセンサによる実測値を補正する機構である。
【００３８】
ところが本発明のバイオセンサによれば、バイオセンサ自体にノイズキャンセル機能が具備されているので、バイオセンサ装置にノイズの発生を抑制する機構や、ノイズをキャンセルする機構を備える必要がない。よって、簡便かつ小型のバイオセンサ装置が提供されうる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のバイオセンサは、電界効果トランジスタを具備しながら、測定環境によるノイズがキャンセルされているので、きわめて高感度かつ高精度な検出が実現されうる。
【符号の説明】
【００４０】
１０’，１０−１，１０−２ バイオセンサ
１１，１１Ａ，１１Ｂ シリコン基板
１２ａ，１２ｂ 酸化シリコン膜
１３，１３Ａ，１３Ｂ ゲート電極
１４，１４Ａ，１４Ｂ ドレイン電極
１５，１５Ａ，１５Ｂ ソース電極
１６，１６Ａ，１６Ｂ チャネル
１７，１７Ａ，１７Ｂ 電流計
１９Ａ，１９Ｂ ゲート絶縁膜
２０Ａ，２０Ｂ 反応場
２１ 被検出物質認識分子
３０Ａ，３０Ｂ 電界効果トランジスタ素子
３１Ａ，３１Ｂ 電界効果トランジスタ素子
１００ 実装基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界効果トランジスタ素子を備えたバイオセンサが提案されている（特許文献１〜３を参照）。一般に、電界効果トランジスタ素子を備えるバイオセンサでは、半導体基板の絶縁膜上に、ソース電極／ドレイン電極およびチャネルが形成されており、さらにチャネルや、半導体基板の絶縁膜などに反応場が配置されていることが多い。反応場には、被検出物質認識分子が固定されることが多い。
【０００３】
反応場に固定された被検出物質認識分子に被検出物質を認識させ、そのときのソース−ドレイン電流を測定することで、反応場に提供された被検出物質の有無や濃度を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８５３９２号公報
【特許文献２】特開２００６−２０１１７８号公報
【特許文献３】特開２００７−１３９７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の通り、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサは、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流に基づいて、被検出物質の有無や濃度を測定する。ところが、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流は、その測定環境の変化によって、ばらつきが大きい。ばらつきの原因となる測定環境の例には、その周囲温度や明るさ（光の量）がある。測定環境の変化によってソース−ドレイン電流がばらついてしまうと、精確な検出が行えなくなる。
【０００６】
そこで本発明は、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサでありながら、周囲温度や明るさなどの測定環境に係わらずに、精確な検出が実現できるバイオセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、２つ以上の電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサにおいて、１つの電界効果トランジスタ素子を被検出物質検出用の素子として用い、もう一つの電界効果トランジスタ素子を、測定環境の変化によるノイズ発生を補正するための素子として用いることを特徴とする。すなわち本発明の第一は、以下に示すバイオセンサに関する。
【０００８】
［１］ シリコン基板と、前記シリコン基板面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、を含む電界効果トランジスタ素子を２以上具備するバイオセンサであって、
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の一つは、被検出物質認識分子が固定される反応場が配置され、かつ
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の他の一つは、被検出物質認識分子が固定されない反応場が配置される、バイオセンサ。
【０００９】
［２］ 前記２以上の電界効果トランジスタ素子のシリコン基板は互いに別個である、［１］に記載のバイオセンサ。
［３］ 前記２以上の電界効果トランジスタ素子のシリコン基板は共通であり、ゲート電極は互いに別個である、［１］に記載のバイオセンサ。
［４］ 前記ゲート電極の電圧は＋０．５Ｖ〜−０．５Ｖである、［１］〜［３］のいずれかに記載のバイオセンサ。
【００１０】
本発明の第二は、以下に示す検出方法に関する。
［５］ 前記［１］〜［４］のいずれかに記載のバイオセンサを用いて被検出物質を検出する方法であって、
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の各反応場にサンプルを提供する工程と；前記２以上の電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電流を測定する工程と；前記電界効果トランジスタ素子の一つのソース−ドレイン電流の測定結果を、前記電界効果トランジスタ素子の他の一つのソース−ドレイン電流の測定結果で補正する工程とを含む、検出方法。
［６］ 前記２以上の電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電流を測定するときの、ゲート電極の電圧は＋０．５Ｖ〜−０．５Ｖである、［５］に記載の方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサによれば、周囲温度や明るさなどの測定環境の変化に係わらず、高精度な検出が可能となる。よって、電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサの実用性を高めることができる。
【００１２】
また、本発明のバイオセンサによれば、検出装置本体に、ノイズを防止するためのメカニズムや、ノイズキャンセル用のデータなどを格納する必要がなく、検出装置本体を簡便にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】単一の電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサである。
【図２Ａ】２つの電界効果トランジスタ素子を具備する、本発明のバイオセンサの第一の例である。
【図２Ｂ】図２Ａに示されるバイオセンサの断面図である。
【図３Ａ】２つの電界効果トランジスタ素子を具備する、本発明のバイオセンサの第二の例である。
【図３Ｂ】図３Ａに示されるバイオセンサの断面図である。
【図４】電界効果トランジスタ素子の、周囲温度に対するソース−ドレイン電流の変化率を示すグラフである。
【図５】本発明のバイオセンサにおけるトランジスタ素子Ａおよびトランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流のノイズ発生を示すグラフである。
【図６】本発明のバイオセンサにより、ノイズがキャンセルされたソース−ドレイン電流が得られることを説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のバイオセンサは、電界効果トランジスタ素子を具備する。電界効果トランジスタ素子は、半導体基板と、前記半導体基板面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に配置された配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極とを有する。半導体基板は、通常はシリコン基板であり、絶縁膜は酸化シリコン膜であるが、必ずしも限定されない。
【００１５】
図１には、単一の電界効果トランジスタを具備するバイオセンサの例が示される。図１に示されるように、従来のバイオセンサ１０’では、シリコン基板１１の表面に形成された酸化シリコン膜１２ｂに、ドレイン電極１４及びソース電極１５と、チャネル１６が配置されている。さらに、ゲート電極１３が、チャネル１６に作用することができるように配置されている。図１では、ゲート電極１３は、シリコン基板１１の裏面に形成された酸化シリコン膜１２ａに配置されている。
【００１６】
チャネル１６は、例えばポリシリコンチャネルであるが、特に限定されるわけではない。例えばカーボンナノチューブチャネルであってもよい。チャネルは、ＮＰＮ型であっても、ＰＮＰ型であっても、ＮｉＰ型であっても、ＰｉＰ型であってもよい。ＮＰＮ型またはＰＮＰ型のチャネルは、バンドギャップが大きくなるので、ＮｉＰ型またはＰｉＰ型のチャネルと比較して、リーク電流が小さくなりやすい。このため、待機状態の消費電流を低減する回路を構成しやすい。一方、ＮｉＰ型またはＰｉＰ型のチャネルは、ＮＰＮ型またはＰＮＰ型のチャネルと比較して、少ない製造工程で作製されうる。
【００１７】
図１に示されるような、単一の電界効果トランジスタ素子を有するバイオセンサでは、検出感度が大きくばらつくことがあった。検出感度のばらつきの原因の一つは、測定環境、例えば周囲の温度や明るさにより、電界効果トランジスタ素子の特性が変化するためである。
【００１８】
図４には、周囲温度の変化に応じて、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流が変化する程度を示すグラフである。図４の横軸はゲート電圧を示し、縦軸はソース−ドレイン電流の変化率を示す。ソース−ドレイン電圧を６Ｖに設定し、ゲート電圧を−３Ｖ〜０Ｖの範囲で設定した。各ゲート電圧において、周囲温度を２０℃から３０℃へ変化させた場合のソース−ドレイン電流の変化率（◆）と、３０℃から４０℃へ変化させた場合のソース−ドレイン電流の変化率（■）とを示す。
【００１９】
図４に示されるように、周囲温度が１０℃上昇するだけで、ソース−ドレイン電流が５〜２５％も増大することがわかる。特に、ゲート電圧が０Ｖ付近であると、周囲温度の変化に対するソース−ドレイン電流の変化率が大きくなる。したがって、単一の電界効果トランジスタ素子を有するバイオセンサで検出作業を行っても、測定環境下におけるわずかな温度変化でソース−ドレイン電流が変化して、精確な検出が行えないことがある。
【００２０】
これに対して、本発明のバイオセンサは、２つ以上の電界効果トランジスタ素子を有し、１つの電界効果トランジスタ素子を検出用素子として用い、もう１つの電界効果トランジスタ素子を補正用素子として用いる。
【００２１】
本発明のバイオセンサに含まれる電界効果トランジスタはいずれも、半導体基板と、前記半導体基板面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極とを有する。電界効果トランジスタを構成する各要素（反応場を除く）は、いずれの電界効果トランジスタでも同一とすることが好ましく、同一構造とする。それにより、各電界効果トランジスタの特性、特にＩＶ特性などが同一となるようにする。
【００２２】
２つ以上の電界効果トランジスタ素子は、それぞれ別個のシリコン基板を有していてもよく（図２Ａ参照）、１つの半導体基板を共有していてもよいが、その場合には別個のゲート電極を有する（図３Ａ参照）。いずれにしても、各電界効果トランジスタを独立に制御できるようにする。
【００２３】
本発明のバイオセンサに含まれる電界効果トランジスタ素子は、それぞれ反応場を有する。反応場とは、被検出物質を含みうるサンプル（通常は溶液である）を提供する領域である。反応場の配置位置は特に制限されず、半導体基板の表面にあってもよく（図２Ｂ参照）、チャネルとゲート電極を絶縁するゲート絶縁膜にあってもよい（図３Ｂ参照）。反応場は、ゲート電極の近傍に配置されていることが好ましい。検出感度を高めるためである。
【００２４】
本発明のバイオセンサに含まれる１つの電界効果トランジスタ素子Ａは、被検出物質認識分子が固定される反応場を有する。電界効果トランジスタ素子Ａは、被検出物質を検出するための素子である。被検出物質認識分子の例には、抗体や酵素、レクチンなどのタンパク質、核酸、オリゴ糖または多糖、あるいはそれらの構造を有する物質が含まれる。被検出物質認識分子を反応場に固定化することで、特定のタンパク質や化学物質などを特異的に検出することができる。
【００２５】
一方、本発明のバイオセンサに含まれるもう１つの電界効果トランジスタ素子Ｂは、被検出物質認識分子が固定されない反応場を有する。電界効果トランジスタ素子Ｂは、電界効果トランジスタ素子Ａによる検出データを補正するための素子である。
【００２６】
図２Ａには、本発明のバイオセンサの第一の例が示される。図２Ａに示されるバイオセンサ１０−１は、実装基板１００と、それに実装された２つの電界効果トランジスタ素子３０Ａおよび素子３０Ｂとを有する。電界効果トランジスタ素子３０Ａおよび素子３０Ｂは、それぞれ、図１に示される電界効果トランジスタ素子と同一の構成を有している。
【００２７】
図２Ｂには、図２Ａのバイオセンサ１０−１の断面図が示される。図２Ｂに示されるように、電界効果トランジスタ素子３０Ａおよび素子３０Ｂとも、実装基板１００に実装されており；シリコン基板１１（１１Ａまたは１１Ｂ）の表面に形成された酸化シリコン膜１２ａに、反応場２０（２０Ａまたは２０Ｂ）を有する。反応場２０Ａの周囲にはゲート電極１３Ａが配置され、反応場２０Ｂの周囲にはゲート電極１３Ｂが配置される。反応場２０Ａには、被検出物質認識分子２１が固定化されており；反応場２０Ｂには、被検出物質認識分子が固定されていない。
【００２８】
図３Ａには、本発明のバイオセンサの第二の例が示される。図３Ａに示されるバイオセンサ１０−２は、酸化シリコン膜１２ｂが形成されたシリコン基板１１と、酸化シリコン膜１２ｂ上に配置された２つの電界効果トランジスタ素子３１（素子３１Ａおよび素子３１Ｂ）を有する。各電界効果トランジスタ素子は、ドレイン電極１４（１４Ａまたは１４Ｂ）と、ソース電極１５（１５Ａまたは１５Ｂ）と、チャネル１６（１６Ａまたは１６Ｂ）と、ゲート絶縁膜１９（１９Ａまたは１９Ｂ）とを有する。さらに、電界効果トランジスタ素子３１Ａおよび３１Ｂは、ゲート絶縁膜１９上に配置された、いわゆるトップゲート型のゲート電極１３（１３Ａと１３Ｂ）を有する。
【００２９】
図３Ｂには、図３Ａのバイオセンサ１０−２の断面図が示される。図３Ｂに示されるように、電界効果トランジスタ素子３１Ａのゲート絶縁膜１９Ａのチャネル１６Ａ付近は、被検出物質認識分子２１が固定化された反応場となる。一方、電界効果トランジスタ素子３１Ｂのゲート絶縁膜１９Ｂのチャネル１６Ｂ付近は、被検出物質認識分子２１が固定化されていない反応場となる。
【００３０】
本発明のバイオセンサを用いた検出フロー
本発明のバイオセンサを用いて、被検出物質を検出するには、まず、電界効果トランジスタ素子Ａの反応場（被検出物質認識分子が固定されている反応場）に、被検出物質を含みうるサンプルを提供する。電界効果トランジスタ素子Ｂの反応場（被検出物質認識分子が固定されていない反応場）にも、同一のサンプルを提供する。電界効果トランジスタ素子Ａの反応場には、被検出物質認識分子が固定されているので、サンプル中の被検出物質と被検出物質認識分子とを反応させる。一方、電界効果トランジスタ素子Ｂの反応場には、被検出物質認識分子が固定されていないので、反応は起こらない。その後、必要に応じて反応場から、サンプル中の溶媒などを除去する。
【００３１】
電界効果トランジスタ素子Ａおよび電界効果トランジスタ素子Ｂのゲート電極に、同一の所定のゲート電圧を印加する。そのときの、電界効果トランジスタ素子Ａおよび電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流をそれぞれ測定する。このとき、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流も、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流も、わずかな測定環境の変化、たとえば温度変化や明るさの変化によって、ノイズが発生することがある。ここで、電界効果トランジスタ素子Ａと素子Ｂとは、同一の素子構造を有しているので、ソース−ドレイン電流に同様のノイズを発生させる。
【００３２】
図５は、２つの電界効果トランジスタ（電界効果トランジスタＡおよび電界効果トランジスタＢ）のソース−ドレイン電流に発生するノイズを示すグラフである。各電界効果トランジスタのチャネルをＰＩＰ型のポリシリコンチャネルとして、チャネル幅を２００μｍとし、チャネル長さを４μｍとした。ゲート酸化膜の厚みは２７０Åとした。測定環境の温度を室温から３℃上下に変化させながら測定を行った。
【００３３】
図５の縦軸は、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流（μＡ）を示し；横軸は、時間（秒）を示す。図５における実線は、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流であり；破線は、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流である。電界効果トランジスタ素子Ａおよび素子Ｂとも、ゲート電圧を０Ｖに設定し、ソース−ドレイン電圧を６Ｖに設定した。図５に示されるように、各素子のソース−ドレイン電流とも、かなりのノイズが発生していることがわかる。ただし、電界効果トランジスタ素子Ａと素子Ｂのノイズは、同期していることがわかる。このことは、周囲環境の変化に応じて、ソース−ドレイン電流にノイズが発生していることを示唆する。
【００３４】
したがって、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流を、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流にて補正すれば、ノイズがキャンセルされた電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流が得られることがわかる。
【００３５】
図６を参照して、本発明のバイオセンサにより、ノイズがキャンセルされたソース−ドレイン電流が得られることを説明する。図６Ａ〜Ｃの縦軸は、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流（Ａ）を示し、横軸は時間（秒）を示す。
【００３６】
図６Ａは、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流（ＩｄｓＡ）を示し；図６Ｂは、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流ＩｄｓＢを示す。測定条件は、室温、ゲート電圧＝０Ｖ，ソース−ドレイン電圧＝６Ｖとした。図６Ａおよび図６Ｂのいずれにおいても、ノイズ幅が約１００〜１５０ｎＡであった。このノイズが精確な検出を妨げる可能性がある。図６Ｃは、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流（図６Ａ）から、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流（図６Ｂ）を差し引いた結果（ＩｄｓＡ−ＩｄｓＢ）である。図６Ｃに示されるように、両者の差異は２０ｎＡの範囲に収まっている。したがって、電界効果トランジスタ素子Ａのソース−ドレイン電流を、電界効果トランジスタ素子Ｂのソース−ドレイン電流で補正すれば、ノイズがキャンセルされることがわかる。
【００３７】
通常のバイオセンサ装置には、バイオセンサによる測定値のノイズの発生を抑制したり、発生したノイズをキャンセルしたりするための機構を具備する必要がある。ノイズの発生を抑制する機構とは、例えば測定温度を一定に維持したり、遮光する機構である。ノイズをキャンセルする機構とは、測定環境に応じて発生するであろうノイズを記憶しておき、それを用いてバイオセンサによる実測値を補正する機構である。
【００３８】
ところが本発明のバイオセンサによれば、バイオセンサ自体にノイズキャンセル機能が具備されているので、バイオセンサ装置にノイズの発生を抑制する機構や、ノイズをキャンセルする機構を備える必要がない。よって、簡便かつ小型のバイオセンサ装置が提供されうる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のバイオセンサは、電界効果トランジスタを具備しながら、測定環境によるノイズがキャンセルされているので、きわめて高感度かつ高精度な検出が実現されうる。
【符号の説明】
【００４０】
１０’，１０−１，１０−２ バイオセンサ
１１，１１Ａ，１１Ｂ シリコン基板
１２ａ，１２ｂ 酸化シリコン膜
１３，１３Ａ，１３Ｂ ゲート電極
１４，１４Ａ，１４Ｂ ドレイン電極
１５，１５Ａ，１５Ｂ ソース電極
１６，１６Ａ，１６Ｂ チャネル
１７，１７Ａ，１７Ｂ 電流計
１９Ａ，１９Ｂ ゲート絶縁膜
２０Ａ，２０Ｂ 反応場
２１ 被検出物質認識分子
３０Ａ，３０Ｂ 電界効果トランジスタ素子
３１Ａ，３１Ｂ 電界効果トランジスタ素子
１００ 実装基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、前記シリコン基板面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、を含む電界効果トランジスタ素子を２以上具備するバイオセンサであって、
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の一つは、被検出物質認識分子が固定される反応場が配置され、かつ
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の他の一つは、被検出物質認識分子が固定されない反応場が配置される、バイオセンサ。
【請求項２】
前記２以上の電界効果トランジスタ素子のシリコン基板は互いに別個である、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記２以上の電界効果トランジスタ素子のシリコン基板は共通であり、ゲート電極は互いに別個である、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記ゲート電極の電圧は、＋０．５Ｖ〜−０．５Ｖである、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項５】
請求項１に記載のバイオセンサを用いて被検出物質を検出する方法であって、
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の各反応場にサンプルを提供する工程と、
前記２以上の電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電流を測定する工程と、
前記電界効果トランジスタ素子の一つのソース−ドレイン電流の測定結果を、前記電界効果トランジスタ素子の他の一つのソース−ドレイン電流の測定結果で補正する工程と、
を含む、検出方法。
【請求項６】
前記２以上の電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電流を測定するときの、ゲート電極の電圧は＋０．５Ｖ〜−０．５Ｖである、請求項５に記載の方法。
【請求項１】
シリコン基板と、前記シリコン基板面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、を含む電界効果トランジスタ素子を２以上具備するバイオセンサであって、
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の一つは、被検出物質認識分子が固定される反応場が配置され、かつ
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の他の一つは、被検出物質認識分子が固定されない反応場が配置される、バイオセンサ。
【請求項２】
前記２以上の電界効果トランジスタ素子のシリコン基板は互いに別個である、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記２以上の電界効果トランジスタ素子のシリコン基板は共通であり、ゲート電極は互いに別個である、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記ゲート電極の電圧は、＋０．５Ｖ〜−０．５Ｖである、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項５】
請求項１に記載のバイオセンサを用いて被検出物質を検出する方法であって、
前記２以上の電界効果トランジスタ素子の各反応場にサンプルを提供する工程と、
前記２以上の電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電流を測定する工程と、
前記電界効果トランジスタ素子の一つのソース−ドレイン電流の測定結果を、前記電界効果トランジスタ素子の他の一つのソース−ドレイン電流の測定結果で補正する工程と、
を含む、検出方法。
【請求項６】
前記２以上の電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電流を測定するときの、ゲート電極の電圧は＋０．５Ｖ〜−０．５Ｖである、請求項５に記載の方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２２０８０３（Ｐ２０１１−２２０８０３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８９４７９（Ｐ２０１０−８９４７９）
【出願日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
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