(57)【要約】      （修正有）【課題】抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマーと親水性ナノ粒子を使用してトランジスタのチャネル領域を形成することによって、抗原−抗体間の反応性と親水性を増加させて、センサーの特性を改善させたトランジスタ構造のバイオセンサーを提供する。【解決手段】バイオセンサー１００は、基板１０１上に形成されたゲート電極１０２と、ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜１０３と、ゲート絶縁膜上に形成されたソース電極及びドレイン電極１０４と、ソース電極及びドレイン電極の間に形成されたチャネル領域と、を備え、チャネル領域は、抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマー及び親水性ナノ粒子を使用して形成されたアクティブ層１０５を含む。アクティブ層は、直接印刷技術を利用して大面積工程が可能であり、プラスチックのような多様な基板の上に素子の製作が容易である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及びドレイン電極の間に形成されたチャネル領域と、を備え、
前記チャネル領域は、抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマー及び親水性ナノ粒子を使用して形成されたアクティブ層を含むトランジスタ構造のバイオセンサー。
【請求項２】
前記抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマーは、半導体特性を示す伝導性主鎖と、ターゲット物質と特異的に結合するアプタマー又はラベルに置換された側鎖とを有することを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ構造のバイオセンサー。
【請求項３】
前記アクティブポリマーの伝導性主鎖として、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）又はポリ（３，３’−ジドデシル−クオーターチオフェン）（ＰＱＴ−１２）が使用され、前記側鎖は、ビオチンであることを特徴とする請求項２に記載のトランジスタ構造のバイオセンサー。
【請求項４】
前記親水性ナノ粒子は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化シリコーン（ＳｉＯ2）又は酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）のナノ粒子に、陽イオン性界面活性剤と親水性ポリマーが組み合わせられたことを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ構造のバイオセンサー。
【請求項５】
前記アクティブ層は、アクティブポリマーが親水性ナノ粒子の間を満たしながら取り囲む構造を有することを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサー。
【請求項６】
前記アクティブ層は、アクティブポリマー層の上に親水性ナノ粒子層が形成されている構造を有することを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサー。
【請求項７】
基板上にゲート電極を形成する段階と、
前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する段階と、
前記ゲート絶縁膜上にソース電極及びドレイン電極を形成する段階と、
前記ソース電極及びドレイン電極の間に形成されたチャネル領域に、直接印刷技術を利用して抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマーと親水性ナノ粒子を使用してアクティブ層を形成する段階と、を備えるトランジスタ構造のバイオセンサーの製造方法。
【請求項８】
前記チャネル領域にアクティブ層を形成する段階は、
（１）親水性ナノ粒子を含むインクをチャネル領域上にコーティングし、熱処理する段階と、
（２）熱処理段階の後に、アクティブポリマーを含むインクをコーティングし、熱処理する段階と、を備えることを特徴とする請求項７に記載のトランジスタ構造のバイオセンサーの製造方法。
【請求項９】
前記チャネル領域にアクティブ層を形成する段階は、
（１）アクティブポリマーを含むインクをチャネル領域上にコーティングし、熱処理する段階と、
（２）熱処理段階の後に、親水性ナノ粒子を含むインクをコーティングし、熱処理する段階と、を備えることを特徴とする請求項７に記載のトランジスタ構造のバイオセンサーの製造方法。
【請求項１０】
前記チャネル領域にアクティブ層を形成する段階は、
親水性ナノ粒子とアクティブポリマーを共に含むインクをコーティングし、熱処理することを特徴とする請求項７に記載のトランジスタ構造のバイオセンサーの製造方法。
【請求項１１】
前記アクティブポリマーインクは、伝導性主鎖と、アプタマー又はラベルに置換された側鎖とを有するアクティブポリマーを溶媒中に分散させた溶液であることを特徴とする請求項８又は９に記載のトランジスタ構造のバイオセンサーの製造方法。
【請求項１２】
前記親水性ナノ粒子を含むインクは、ナノ粒子、陽イオン性界面活性剤及び親水性ポリマーを溶媒中に分散させた溶液である請求項８又は９に記載のトランジスタ構造のバイオセンサーの製造方法。
【請求項１３】
前記親水性ナノ粒子と前記アクティブポリマーを共に含むインクは、ナノ粒子、陽イオン性界面活性剤及び親水性ポリマーが組み合わせられた親水性ナノ粒子とアクティブポリマーを溶媒中に分散させた溶液であることを特徴とする請求項１０に記載のトランジスタ構造のバイオセンサーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタ構造のバイオセンサー及びその製造方法に関する。より詳細には、トランジスタのチャネル領域に抗原−抗体反応を感知することができるアクティブポリマーと親水性ナノ粒子を使用して直接印刷技術を用いてアクティブ層を形成することによって、センサーの性能、特に感知性と選択性を改善させたバイオセンサー及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、有機物半導体は、熱やプラズマを利用した真空蒸着方法又はインクジェットプリントのような液相プロセスによって製造されている。このような電子素材は、科学の発展程度に伴って、航空宇宙、生命工学、環境エネルギー、材料産業、医薬医療、電子コンピュータ、保安安全などほぼすべての分野において実際に応用されており、それらのうち１つがトランジスタ素子である。
【０００３】
前記有機物トランジスタは、ソース、ドレイン及びゲート電極からなり、且つチャネル領域が有機物半導体で適用された構造で製作されたものである。
【０００４】
前記トランジスタのチャネル領域を構成する有機物半導体は、新素材で、半導体あるいは金属特性を示すと共に、電気伝導度が非常に高い長所がある。また、軽いながらも製造過程が既存のＳｉ半導体素子より簡便なので、安価で且つ大面積の電子素子を製造するのに非常に有利であるという長所がある。
【０００５】
これより、有機物半導体を利用した新しい応用素子の研究が続いて進行されており、医学及びバイオ分野においても様々な形態の研究が進行されている。
【０００６】
現在までバイオセンサーの研究は、抗原−抗体反応を利用した診断用センサーが大部分を占めている。抗原−抗体反応は、その特異性が非常に優れていて、正確な診断用ツールとして非常に価値が高い長所を有するのに対し、抗体が安定性が悪いタンパク質からなるという短所をも有する。
【０００７】
したがって、抗体と類似するか、又は、さらに優秀な基質特異性を有すると共に、タンパク質である抗体とは異なって、優れた安定性を有しており、低コストで生産が可能な高感度バイオセンサーの開発が要求されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマーと親水性ナノ粒子を使用してトランジスタのチャネル領域を形成することによって、抗原−抗体間の反応性と親水性を増加させて、センサーの特性を改善させたトランジスタ構造のバイオセンサーを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、トランジスタ構造のバイオセンサーを製造するに際して、トランジスタのチャネル領域にインクジェットプリント法のような直接印刷技術を用いてアクティブポリマー物質と親水性ナノ粒子を使用してアクティブ層を形成するバイオセンサーの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るトランジスタ構造のバイオセンサーは、基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極の間に形成されたチャネル領域と、を備え、前記チャネル領域は、抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマー及び親水性ナノ粒子を使用して形成されたアクティブ層を含む。
【００１１】
本発明によるバイオセンサーにおいて、前記抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマーは、半導体特性を示す伝導性主鎖と、ターゲット物質と特異的に結合するアプタマー又はラベルに置換された側鎖とを有し、より好ましくは、前記アクティブポリマーの伝導性主鎖として、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）又はポリ（３，３’−ジドデシル−クオーターチオフェン）（ＰＱＴ−１２）が使用され、前記側鎖は、ビオチンである。
【００１２】
本発明によるバイオセンサーにおいて、前記親水性ナノ粒子は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化シリコーン（ＳｉＯ2）又は酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）のナノ粒子に、陽イオン性界面活性剤と親水性ポリマーが組み合わせられたことが好ましい。
【００１３】
本発明によるバイオセンサーにおいて、前記アクティブ層は、アクティブポリマーが親水性ナノ粒子の間を満たしながら取り囲む構造を有するか、又は、前記アクティブ層は、アクティブポリマー層の上に親水性ナノ粒子層が形成されている構造を有する。
【００１４】
また、本発明の他の態様に係るトランジスタ構造のバイオセンサーの製造方法は、基板上にゲート電極を形成する段階と、前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する段階と、前記ゲート絶縁膜上にソース電極及びドレイン電極を形成する段階と、前記ソース電極及びドレイン電極の間に形成されたチャネル領域に、直接印刷技術を利用して抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマーと親水性ナノ粒子を使用してアクティブ層を形成する段階と、を備える。
【００１５】
本発明によるトランジスタ構造のバイオセンサーの製造方法において、前記チャネル領域にアクティブ層を形成する段階は、（１）親水性ナノ粒子を含むインクをチャネル領域上にコーティングし、熱処理する段階と、（２）熱処理段階の後に、アクティブポリマーを含むインクをコーティングし、熱処理する段階と、を備える第１工程；（１）アクティブポリマーを含むインクをチャネル領域上にコーティングし、熱処理する段階と、（２）熱処理段階の後に、親水性ナノ粒子を含むインクをコーティングし、熱処理する段階と、を備える第２工程；または、親水性ナノ粒子とアクティブポリマーを共に含むインクをコーティングし、熱処理する第３工程；により行われる。
【００１６】
本発明によるトランジスタ構造のバイオセンサーの製造方法において、前記アクティブポリマーインクは、伝導性主鎖と、アプタマー又はラベルに置換された側鎖とを有するアクティブポリマーを溶媒中に分散させた溶液であり、前記親水性ナノ粒子を含むインクは、ナノ粒子、陽イオン性界面活性剤及び親水性ポリマーを溶媒中に分散させた溶液である。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明は、直接印刷技術を利用して抗原−抗体反応に敏感なアクティブポリマーと親水性ナノ粒子を使ってトランジスタ構造のバイオセンサーを製作することによって、次のような効果を奏する。
【００１８】
第一に、抗原−抗体間の反応性と親水性を増加させて、センサーの特性、特に感度と選択性を改善させることができる。
第二に、既存のＳｉのような無機物を基盤とするバイオセンサーと比較して、無機物の表面の上に固定能を有する固定化技術（immobilization）が要求されない。
第三に、直接印刷技術を利用して大面積工程が可能であり、プラスチックのような多様な基板の上に素子の製作が容易であるという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例に係るバイオセンサーの概略的な断面を示す断面図である。
【図２ａ】本発明の一実施例に係るバイオセンサーの製作及び検出過程を示す模式図である。
【図２ｂ】本発明の一実施例に係るバイオセンサーの製作及び検出過程を示す模式図である。
【図２ｃ】本発明の一実施例に係るバイオセンサーの製作及び検出過程を示す模式図である。
【図３ａ】本発明の他の実施例に係るバイオセンサーの製作及び検出過程を示す模式図である。
【図３ｂ】本発明の他の実施例に係るバイオセンサーの製作及び検出過程を示す模式図である。
【図３ｃ】本発明の他の実施例に係るバイオセンサーの製作及び検出過程を示す模式図である。
【図４ａ】本発明のさらに他の実施例に係るバイオセンサーの製作及び検出過程を示す模式図である。
【図４ｂ】本発明のさらに他の実施例に係るバイオセンサーの製作及び検出過程を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。
図１の本発明の一実施例に係るバイオセンサーを示す断面図である。
【００２１】
図１を参照すれば、本発明によるバイオセンサー１００は、基板１０１上に形成されたゲート電極１０２と、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜１０３と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたソース電極及びドレイン電極１０４と、前記ソース電極及びドレイン電極の間に形成されたチャネル領域とを備えるトランジスタ構造を有し、前記チャネル領域が、抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマー及び親水性ナノ粒子を利用したアクティブ層１０５で構成されている。
【００２２】
前記基板１０１として、この分野において一般的なものなどが使用されることができ、プラスチックをも含まれることができる。
【００２３】
前記基板１０１上に形成されるゲート電極１０２、ゲート絶縁膜１０３及びソース電極及びドレイン電極１０４として、有機薄膜トランジスタ分野において一般的なものなどを使用して通常の方法で形成されることができ、パターニングされることができる。前記ソースとドレイン電極は、平衡又は互いにかみ合った形状で製作されることができる。
【００２４】
前記ソース電極及びドレイン電極１０４の間に形成されたチャネル領域には、半導体特性を示す伝導性主鎖と、検出しようとするターゲット物質と特異的に結合することができるアプタマー又はラベルで置換された側鎖とを有するアクティブポリマーと、ポリマーの親水性と反応性を増加させることができる親水性ナノ粒子を使用してアクティブ層１０５を形成する。
【００２５】
ここで、半導体特性を示す伝導性主鎖として、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）又はポリ（３，３’−ジドデシル−クオーターチオフェン）（ＰＱＴ−１２）が含まれるが、これらに限定されず、側鎖に置換されたアプタマー又はラベルは、ターゲット物質によって異なることができ、例えば、ビオチンのようなものが例示されることができる。
【００２６】
また、親水性ナノ粒子のために、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、酸化シリコーン（ＳｉＯ2）又は酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）のようなナノ粒子を含むが、これらに限定されない。前記ナノ粒子に親水性を付加するために、テトラメチルアンモニウムメチクロライドのような陽イオン性界面活性剤とブタジエン及びスチレンのような親水性ポリマーが組み合わされて使用されることができる。
【００２７】
上記のような構造のバイオセンサーは、例えば、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、有機／無機化合物のようなターゲット物質と特異的に結合することができるアプタマー又はラベルで置換された側鎖部分と、半導体特性を示す伝導性主鎖部分とを有するアクティブポリマーを利用して、これらがターゲット物質に露出されたときに現われるトランジスタのチャネル領域の電気的な変化によって当該ターゲット物質の有無を容易に検出／確認する。
【００２８】
また、この原理を利用すれば、ゲートに電圧を印加しない場合に、ソース電極及びドレイン電極に電圧を印加し、ソース−ドレイン間の電流を測定する抵抗形態でバイオセンサーが使用されることができる。
【００２９】
以下、本発明によるバイオセンサーの製作過程を好ましい実施例を参照して詳しく説明する。
図２ａ乃至図２ｃは、本発明の一実施例に係るバイオセンサーの製作過程及び検出過程を示す模式図である。
【００３０】
図２ａを参照すれば、基板１０１上に順次に積層されたゲート電極１０２、ゲート絶縁膜１０３及びソース電極及びドレイン電極１０４を備えるトランジスタ構造において、ソース電極及びドレイン電極間のチャネル領域に直接印刷技術を用いて親水性ナノ粒子が含まれたインク２０１をチャネル領域にコーティングし、次いで、溶媒を蒸発させるために、所望の温度と時間で熱処理し、最終的に親水性ナノ粒子層１０５ａを形成する。
【００３１】
次に、図２ｂに示されたように、親水性ナノ粒子層１０５ａ上にアクティブポリマー物質が含まれたインク２０２でコーティングし、次いで、溶媒を除去するために、所望の温度及び時間で熱処理することによって、最終的に抗原−抗体反応を感知するアクティブポリマー層１０５ｂを形成し、トランジスタ構造のバイオセンサー１００を製造する。
【００３２】
次に、図２ｃに示されたように、バイオセンサー１００の親水性ナノ粒子層１０５ａをアクティブポリマー層１０５ｂが取り囲むアクティブ層１０５に特定分子が含まれた溶液３００をスプレーし、チャネル領域の電気的な変化によって当該特定分子の検出及び確認を行う。
【００３３】
直接印刷技術として代表的なものは、インクジェットプリント法が挙げられる。インクジェットプリント法は、目標とする位置にインクを非接触方式で吹き付けるので、多様な材質の基板にパターンを印刷することができる。したがって、インクジェットプリント法が適用される基板は、インクの液滴が乾燥され、３次元構造を形成するように表面処理が施さなければならない。一般的に、インクの接触角を高めるために、疎水性処理を施す。アクティブポリマーが含まれたインク２０２も疎水性特性を有するから、抗原−抗体を結合させるために特定物質が入っている溶液３００をアクティブポリマー層にスプレーするとき、親水性と反応性が悪くなって、バイオセンサーの性能が劣化する。このような不都合を除去するために、アクティブポリマー層１０５ｂをコーティングする前に、親水性ナノ粒子が含まれたインク２０１を利用してインクジェットプリント法で親水性ナノ粒子層１０５ａをまずコーティングすることが最も好ましい。しかし、アクティブポリマーをまずコーティングし、次いで、親水性ナノ粒子をコーティングしたり、２つの物質を混合して一緒にコーティングしても同様の効果を得ることができる。
【００３４】
親水性ナノ粒子層１０５ａを形成するためのナノ粒子が含まれた親水性インク２０１は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化シリコーン（ＳｉＯ2）、酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）のようなナノ粒子、テトラメチルアンモニウムメチルクロライド（ＴＭＡＣ；tetramethyl ammonium chloride）のような陽イオン性界面活性剤、ブタジエン及びスチレンのような親水性ポリマーなどで構成され、溶媒として、メタノール、イソプロパノール、クロロホルム、ＴＨＦ（Tetrahydrofuran）などが使用されることができる。
【００３５】
前記ナノ粒子、陽イオン性界面活性剤及び親水性ポリマーは、最終的にインクジェットプリント法に適当な粘度である１０〜３０ｃｐｓを有するように溶媒と混合することが好ましい。このような組成の親水性ナノ粒子層は、バイオセンサーがターゲット物質が入っている溶液３００を良好に吸収し、優れた親水特性と反応結果を得ることができるように誘導する役目をする。
【００３６】
アクティブポリマーが含まれたインク２０２は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）又はポリ（３，３’−ジドデシル−クオーターチオフェン）（ＰＱＴ−１２）の伝導性主鎖と、アプタマー又はラベルで置換された側鎖とを有するアクティブポリマーをメタノール、イソプロパノール、クロロホルム、ＴＨＦなどのような溶媒中に分散させて、インクジェットプリンティング法に適当な粘度である１０〜３０ｃｐｓを有するようにする。
【００３７】
また、親水性ナノ粒子とアクティブポリマーが含まれたインク２０３は、親水性ナノ粒子とアクティブポリマーをメタノール、イソプロパノール、クロロホルム、ＴＨＦなどのような溶媒中に分散させて、インクジェットプリント法に適当な粘度である１０〜３０ｃｐｓを有するようにする。
【００３８】
前記親水性ナノ粒子層１０５ａ及びアクティブポリマー層１０５ｂを形成するとき、溶媒を除去するための熱処理温度は、使用される溶媒の種類によって異なるが、好ましくは、１００℃乃至２００℃範囲の温度で１０分乃至１時間処理する。
【００３９】
図３ａ乃至図３ｃは、本発明のさらに他の実施例に係るバイオセンサーの製作過程及び検出過程を示す模式図である。
【００４０】
図３ａを参照すれば、基板１０１上に順次に積層されたゲート電極１０２、ゲート絶縁膜１０３及びソース電極及びドレイン電極１０４を備えるトランジスタ構造において、ソース電極及びドレイン電極間のチャネル領域に直接印刷技術を用いてアクティブポリマーが含まれたインク２０２をチャネル領域にコーティングし、次いで、溶媒を蒸発させるために所望の温度と時間で熱処理し、最終的にアクティブポリマー層１０５ｂを形成する。
【００４１】
次に、図３ｂに示されたように、アクティブポリマー層１０５ｂ上に親水性ナノ粒子が含まれたインク２０１にコーティングし、次いで、溶媒を除去するために、所望の温度及び時間で熱処理することによって、最終的に親水性ナノ粒子層１０５ａを形成し、トランジスタ構造のバイオセンサー１００を製造する。
【００４２】
次に、図３ｃに示されたように、バイオセンサー１００のアクティブポリマー層１０５ｂ上に親水性ナノ粒子層１０５ａが形成されたアクティブ層１０５に特定分子が含まれた溶液３００をスプレーし、チャネル領域の電気的な変化によって当該特定分子の検出及び確認を行う。
【００４３】
図４ａ及び図４ｂは、本発明のさらに他の実施例に係るバイオセンサーの製作及び検出過程を示す模式図である。
【００４４】
図４ａを参照すれば、基板１０１上に順次に積層されたゲート電極１０２、ゲート絶縁膜１０３及びソース電極及びドレイン電極１０４を備えるトランジスタ構造において、ソース電極及びドレイン電極間のチャネル領域に直接印刷技術を用いてアクティブポリマー物質と親水性ナノ粒子が含まれたインク２０３をチャネル領域にコーティングし、次いで、溶媒を蒸発させるために所望の温度と時間で熱処理することによって、最終的にアクティブ層１０５を形成する。
【００４５】
次に、図４ｂに示されたように、バイオセンサー１００のアクティブ層１０５に特定分子が含まれた溶液３００をスプレーし、チャネル領域の電気的な変化により当該特定分子を検出及び確認を行う。
【符号の説明】
【００４６】
１００  バイオセンサー
１０１  基板
１０２  ゲート電極
１０３  ゲート絶縁膜
１０４  ソース電極及びドレイン電極
１０５  アクティブ層
１０５ａ  親水性ナノ粒子層
１０５ｂ  アクティブポリマー層
２０１  親水性ナノ粒子を含むインク
２０２  アクティブポリマー物質を含むインク
２０３  親水性ナノ粒子とアクティブポリマー物質を含むインク
３００  ターゲット物質を含む溶液
【図１】
2010133927.tif 000003
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
2010133927.tif 000009
【図４ａ】
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【図４ｂ】
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