(57)【要約】【課題】高感度で定量計測が可能な簡便・安価な遺伝子計測システムを実現する。【解決手段】遺伝子増幅を無線センサチップよって計測するシステムにおいて増幅産物を効率よくセンサ電極に捕捉するため、通信用のアンテナコイルの出力とセンサ電極をコンデンサ１９，２０によって結合する。【選択図】図１
2010127757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ電極を備えるセンサと、信号処理回路と、制御回路と、無線通信回路と、アンテナコイルとを有し、
前記センサ電極はコンデンサを介して前記アンテナコイルに接続されていることを特徴とする無線センサチップ。
【請求項２】
センサ電極を備えるセンサと、信号処理回路と、制御回路と、無線通信回路と、アンテナコイルとを有し、
前記センサ電極は、間に絶縁膜を挟んで前記アンテナコイルの少なくとも一部と平面パターン上で重なっていることを特徴とする無線センサチップ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の無線センサチップにおいて、前記アンテナコイル端に発生した交流電圧が前記センサ電極に印加されることを特徴とする無線センサチップ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の無線センサチップにおいて、前記アンテナコイル端に発生した交流電圧を分周して得られた第２の周波数を有する交流電圧が前記センサ電極に印加されることを特徴とする無線センサチップ。
【請求項５】
請求項１又は２記載の無線センサチップにおいて、前記センサの出力から当該センサ電極に印加される交流電圧の周波数を遮断するフィルタ機能を有することを特徴とする無線センサチップ。
【請求項６】
請求項１又は２記載の無線センサチップにおいて、前記センサはＩＳＦＥＴであることを特徴とする無線センサチップ。
【請求項７】
請求項１記載の無線センサチップにおいて、前記センサ電極を備えるセンサに代えてフォトダイオードを備え、前記フォトダイオードはコンデンサを介して前記アンテナコイルに接続されていることを特徴とする無線センサチップ。
【請求項８】
請求項２記載の無線センサチップにおいて、前記センサ電極を備えるセンサに代えてフォトダイオードを備え、前記フォトダイオードは、間に絶縁膜を挟んで前記アンテナコイルの少なくとも一部と平面パターン上で重なっていることを特徴とする無線センサチップ。
【請求項９】
センサ電極を備えるセンサと、信号処理回路と、制御回路と、無線通信回路と、アンテナコイルとを有する無線センサチップと、
リーダコイルを備え前記無線センサチップと通信するリーダとを有する測定システムにおいて、
前記無線センサチップの前記センサ電極はコンデンサを介して前記アンテナコイルに接続されていることを特徴とする測定システム。
【請求項１０】
センサ電極を備えるセンサと、信号処理回路と、制御回路と、無線通信回路と、アンテナコイルとを有する無線センサチップと、
リーダコイルを備え前記無線センサチップと通信するリーダとを有する測定システムにおいて、
前記センサチップの前記センサ電極は、間に絶縁膜を挟んで前記アンテナコイルの少なくとも一部と平面パターン上で重なっていることを特徴とする測定システム。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の測定システムにおいて、温度センサを搭載する無線センサチップを含み、前記温度センサを搭載する無線センサチップによって検出された温度が所定の温度になるように前記リーダから送信される交流電磁波のオンオフあるいは交流電磁波の振幅を調整することを特徴とする測定システム。
【請求項１２】
請求項９又は１０記載の測定システムにおいて、前記センサ電極を備えるセンサはＩＳＦＥＴであり、前記センサ電極に捕捉したターゲットによる当該センサ電極の電位変動を計測することを特徴とする測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感染症対策の検査や食品検査などにおいて、安価・簡便かつ高感度・迅速な計測を可能とする無線センサチップ及びそれを用いた測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ウィルス遺伝子検査や食品検査に利用される遺伝検査手段としては、ＰＣＲ法と組み合わせたＤＮＡマイクロアレイ、ＰＣＲ法と組み合わせた電気泳動法、real time PCR法、ＬＡＭＰ法などがある。ウィルス感染症対策についてみると、ウィルス遺伝子検査はウィルス抗原タンパクを検出する方法に比べて感度が高い、抗体開発の期間が不要などの利点がある。このため感染症治療や流行拡大の防止のために正確、迅速に病原の遺伝子を検出する遺伝子検査の重要性は増している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１０１２５３号公報
【特許文献２】特開２００６−３０１３２号公報
【特許文献３】特開２００６−１２５９０２号公報
【特許文献４】特開２００７−１４１１３１号公報
【特許文献５】特開２００７−１１４９２５号公報
【特許文献６】特開２００５−２０７７９７号公報
【特許文献７】特開２００７−３３３６９５号公報
【特許文献８】特開２００３−３２９６８１号公報
【非特許文献１】Science, issue 5375, pp. 363-365, 1998
【非特許文献２】ISSCC Dig. Tech. papers, pp. 562-563, 2005.
【非特許文献３】J. Mavor, M.A. Jack and P.B.Denyer “Introduction to MOS LSI DESIGN” ADDISON -WESLEY,1983.
【非特許文献４】M.R. Haskard and I.C. May “Analog VLSI Design nMOS and CMOS” PRENTICE HALL, 1988
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
遺伝子計測システムにおける課題として、（１）計測システムが小型かつ低コストであること、（２）計測感度が高いこと、（３）定量的な計測が可能であること、（４）検査に要する時間が短いこと、（５）同一反応槽内で多数の項目を同時に測定できること、（６）試料が少量で済み、試薬のコストが安いこと、の６点をあげることができる。
【０００５】
従来から広く利用されているＤＮＡマイクロアレイや電気泳動の場合はあらかじめＰＣＲ法によって遺伝子を増幅しなければならないが、試料に温度サイクルをかけるためのサーマルサイクラーが必要になる。ＤＮＡマイクロアレイにおける信号検出にはスキャナと呼ばれる蛍光計測装置が用いられる。ここでは励起光源としてのレーザー、共焦点光学系、光電子増倍管、さらに高精度のｘｙ移動ステージが必要である。したがって小型化、低コスト化が難しく、低コストで簡便な検出手段が必要とされていた。また、マイクロアレイは複数項目の同時計測という点において有力な手法であるが、一般に基板に固定されたプローブに対する標的ＤＮＡのハイブリダイゼーション反応の速度は遅く、１０時間程度を要することもあり、高スループット化が難しかった。電気泳動法ではＤＮＡシーケンサなどの高価で大型の検出装置が必要であった。そこで簡便で高速な検査方法の実現が求められていた。
【０００６】
real time PCR法は、遺伝子増幅の過程でリアルタイムに増幅産物の濃度を計測することができる。温度サイクルの発生と、蛍光検出核酸、タンパク質などの生体物質以外を対象とした、温度、圧力、イオン濃度などの物理及び化学的な計測においては、センサ信号を取り出すためのリード線が必要であり、特に多数の項目について測定を行う場合にリード線の敷設、結線及び信号処理についてコストと作業スペースが必要であった。そこで、リード線が不要で複数の測定項目についても簡便に対応できるような測定システムの開発が待たれていた。また、前記の生体あるいは化学物質をターゲットとしたセンサを備えた計測装置と物理・化学量を計測するセンサを同一の反応槽に同時に投入し、同時に計測できるような技術も必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の解決のために、本発明では、センサとＲＦ通信機能と識別番号（ＩＤ）を微小チップ上集積した無線センサチップを用いる。本発明の測定システムは、遺伝子増幅産物等を検出する無線センサチップ上のセンサ電極に交流電圧を印加して増幅産物等のセンサ電極上への捕捉を促進する。また、遺伝子増幅のための溶液加熱に温度センサ内蔵の無線センサチップを利用する。電荷センサ内蔵の無線センサチップを反応槽に投入し、無線センサチップに捕捉された増幅産物密度によって変化する表面電位を計測することによって増幅産物を計測する。
【０００８】
本発明による無線センサチップは、センサ電極を備えるセンサと、信号処理回路と、制御回路と、無線通信回路と、アンテナコイルとを有し、センサ電極はコンデンサを介して前記アンテナコイルに接続されている。また、本発明による無線センサチップは、センサ電極を備えるセンサと、信号処理回路と、制御回路と、無線通信回路と、アンテナコイルとを有し、センサ電極は、間に絶縁膜を挟んで前記アンテナコイルの少なくとも一部と平面パターン上で重なっている。
【０００９】
センサ電極には、無線センサチップのアンテナコイル端に発生した交流電圧が印加される。センサの出力からはセンサ電極に印加された交流電圧の周波数が遮断され、センサ出力はアンテナコイルから印加される交流電圧の影響を受けない。
【００１０】
本発明の測定システムは、上記無線センサチップと、リーダコイルを備えて無線センサチップと通信するリーダとを有する。また、本発明の測定システムは、温度センサを搭載する無線センサチップを含み、温度センサを搭載する無線センサチップによって検出された温度が所定の温度になるようにリーダから送信される交流電磁波のオンオフあるいは交流電磁波の振幅を調整するように構成することもできる。センサ電極を備えるセンサは、典型的にはＩＳＦＥＴであり、センサ電極に捕捉したターゲットにＤＮＡ等によるセンサ電極の電位変動を計測することでターゲットの検出を行う。
【発明の効果】
【００１１】
遺伝子の増幅産物等を無線センサチップで計測することによる効果は５つある。第１は外部計測装置の小型・低コスト化に有利であること、第２は計測データの数値化が用意であること、第３は時間変化計測が容易であり、遺伝子増幅産物等に対応するセンサ出力の変化点から対象物の定量が可能になること、第４は無線センサチップの制御プロトコルに含まれる輻輳制御機能により測定項目の増減や膜部材の形状変化について無線センサチップの配置換えだけで対応できる設計の柔軟性が得られること、第５は計測結果が無線センサチップの識別番号（ＵＩＤ）と一体となってリーダを通して制御装置に読み取られるため、ネットワークを利用した計測データの利用・管理において利便性が高く、とり違いや改ざんを防止する上でも有効であること、である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
無線センサチップは、遺伝子増幅産物等を検出するセンサ、センシング情報の処理・リーダとの通信制御・識別番号の格納と照合・電源の発生と制御の各機能を有する回路ブロック、リーダとの通信を行うアンテナ、の各機能ブロックを備えている。無線センサチップは、遺伝子の増幅反応が実行される反応槽に投入される。反応槽内で遺伝子の増幅が進むと、無線センサチップは増幅産物濃度を計測してディジタル電気信号に変換し、リーダに送信する。リーダからは、複数の計測装置の中から特定の計測装置を制御するための各種コマンドが交流の電場あるいは磁場を伝達手段として送信される。無線センサチップの駆動に必要な電力は、前記交流の電場あるいは磁場を整流、平滑化することによって発生される。そのため、無線センサチップはバッテリーレス、ワイヤレスで駆動することができる。反応槽には複数の無線センサチップを投入してもよい。この場合、各チップには固有の識別番号が書き込まれており、リーダから送信された識別番号との照合によって複数の無線センサチップを識別する。この無線センサチップを、遺伝子増幅を行う反応層に投入して増幅産物をリアルタイムで検出することにより、安価・簡便で高感度の遺伝子検査システムを実現することができる。
【００１３】
ところで、センサ電極に交流電圧を印加することで効率よく増幅産物等を捕捉できることが知られている。そこで本発明では、無線センサチップのセンサ電極に無線通信に利用している電磁場から得られる交流電圧を印加することにより、効率的に増幅産物を捕捉する。
【００１４】
本発明が想定する応用は、遺伝子を対象とした計測装置である。センサと無線機能を具備する無線センサチップ（特開２００４−１０１２５３号公報）を遺伝子増幅が行われる反応容器に入れて増幅産物を計測し、計測結果を無線で外部のリーダを介して制御装置に送信する。
【００１５】
本発明による無線センサチップ１０の構成例を図１に示す。センサ１４には増幅産物を検出する信号検出用センサ電極１７とブランク信号を検出する参照用のセンサ電極１８が接続され、信号検出用センサ電極の表面にはたとえばpoly-L-lysineをコーティングして遺伝子を吸着させる。遺伝子の吸着の密度によってセンサ電極表面の電位が変化し、増幅産物の遺伝子の濃度に対応する信号が得られる。リーダ７０からのコマンド信号は無線通信回路１１を経て制御回路１２に送られ、ここでセンサ初期化、センサ信号の増幅・ディジタル信号への変換のための信号に変換され、対応する回路状態への遷移が逐次実行される。信号処理回路１３で信号とブランク信号の差分が増幅、符号化され、無線通信回路１１において変調されてアンテナコイル１５からリーダコイル７１を経てリーダ７０に送信され、制御装置８０で読み取られ、データ処理されて表示・記録される。参照電極（ｑＲＥ）２７は、溶液に対して無線センサチップの電位を決めるための電極である。無線通信には種々の周波数の電磁波を搬送波として用いることが可能であるが、本実施例ではＩＣカードなどで広く使用されている１３．５６ＭＨｚの交流磁場を搬送波に用いた場合について説明する。
【００１６】
本実施例の無線センサチップ１０において特徴的なのは、遺伝子計測のためのセンサ電極１７，１８がコンデンサ（カップリングコンデンサ）１９，２０を介してアンテナコイル端子に接続されていることである。特開２００６−３０１３２号公報には、遺伝子を吸着させようとする電極に交流電圧を印加することにより吸着の速度を増加できることが示されている。一般に交流電圧を生成するには発信器が必要となるが、本実施例の無線センサチップにおいては、アンテナコイル端子から交流電圧を得ることが可能である。
【００１７】
図２は、リーダ７０と、無線センサチップ１０のアンテナコイル１５と無線通信回路１１の一部を示す図である。アンテナコイル１５は、センサチップの小型化とウェハ上での一括形成の観点から、チップ上に直接形成することが望ましいが、センサチップとは別に形成してから組み立て・接続してもよい。搬送波は、図２（ｂ）に示すように１３．５６ＭＨｚの交流磁場である。これによりアンテナコイル１５と共振コンデンサ１６からなる共振回路の両端ＬＡ，ＬＢの間に、図２（ｂ）に示すような誘導起電力を発生する。全波整流回路２３により誘導起電力は全波清流され、チップ内部の電源電圧ＶＤＤの平滑容量２６によって平滑化されて、ＶＤＤ端子には無線センサチップで利用する直流電圧ＶＤＤが生成される。
【００１８】
図３は、端子ＬＡの交流電圧をセンサ電極１７，１８に伝達する手段を示している。コンデンサ１９，２０を介して、ＬＡの交流電圧をセンサ電極１７，１８に伝達する。特開２００６−３０１３２号公報によれば、交流電圧の振幅は２００ｍＶであることが示されている。ＬＡの交流電圧は０（ＶＳＳ）Ｖを起点にして振れている。センサ電極の電圧振幅ｖ２は、ＬＡの振幅をｖ１、カップリングコンデンサ容量をＣ２、センサ電極の容量をＣ４とすれば、
ｖ２＝ｖ１＊Ｃ２／（Ｃ２＋Ｃ４）
で表せる。ｖ１＝４Ｖ、Ｃ４＝２０ｐＦとすれば、Ｃ２＝１ｐＦとすればセンサ電極における振幅２００ｍＶを得ることができる。
【００１９】
ここで、センサ電極１７と１８に印加する交流電圧の位相は一致させることが望ましい。図３に示すように、センサ電極１７，１８はそれぞれ信号検出用のＩＳＦＥＴ３０、ブランク信号検出用のＲＥＦＥＴ３１のゲートに接続され、ＩＳＦＥＴ、ＲＥＦＥＴの出力はそれぞれ専用の増幅器３７，３８によってインピーダンス変換された後、差動増幅器３９によって差動増幅される。ここで各センサ電極に印加された交流電圧が同相であれば、この差動増幅によってキャンセルすることができる。参照電極（ｑＲＥ）２７は、参照電極電位を設定するための可変電圧源に接続されている。
【００２０】
特開２００６−３０１３２号公報には、交流電圧周波数として１ｋＨｚ以上が有効であり、１ＭＨｚまでの重畳高周波の効果についてデータが示されている。溶液中におけるＤＮＡ鎖の併進あるいは回転の時定数は高々１００ｐｓであり１００ＧＨｚの振動に対応する。したがってＤＮＡ鎖の併進・回転が追従できる高周波の周波数範囲は１００ＧＨｚ以下であると考えられる。重畳高周波の周波数は、このＤＮＡ鎖の併進・回転が追従できる範囲内にあればよい。無線センサチップにおけるパッシブ通信に使われる代表的な周波数として１３．５６ＭＨｚがあるが、この周波数を重畳高周波として用いることができる。ここで１３．５６ＭＨｚをそのまま使用しても良いし、分周して低い周波数を使ってもよい。分周器としてはカウンタを用いることができ、たとえばJ. Mavor, M.A. jack and P.B.Denyer “Introduction to MOS LSI DESIGN” ADDISON -WESLEY,1983 p110-118にあるような回路構成によって実現できる。
【００２１】
別の実施例を図４により説明する。図４（ａ）はセンサチップの平面図、図４（ｂ）、（ｃ）は、そのＸＹ断面図である。実施例１では、センサ電極１７，１８に交流電圧を伝達するためにカップリングコンデンサ１９，２０が必要になるが、以下の方法により新たな部品や特別な工程を必要とすることなく、カップリングコンデンサを形成できる。図４（ａ）の平面図に示すように、無線センサチップ１０にはアンテナコイル１５が形成されている。一般にセンサ電極１７，１８は、特開２００４−１０１２５３号公報にあるようにアンテナコイル１５の中心の開口部に設けられていた。その場合、センサ電極とアンテナコイルは平面的に見て重なりがなく、センサ電極とアンテナコイルを結合するのに十分な容量を形成することができない。
【００２２】
本実施例では、図４（ａ）に示すように、センサ電極１７，１８とアンテナコイル１５に重なりを持たせることによってカップリング容量１９，２０を形成した。電極１７，１８は、平面的にみてアンテナコイル１５と重なりがあればよい。電極１７はサンプル検出用、電極１８はブランク用の電極である。電極１７にはＡｕ２４がコートされ、チオール基で修飾されたプローブが結合される。一方、電極１８はサンプルによる電位変動を小さくするように、サンプルに特異的なプローブを固定しない、あるいは電極表面の保護膜を厚くする、等の構造とする。図４（ｂ）は電極１７，１８とアンテナコイル１５の結合を示す断面図である。
【００２３】
図４（ｃ）は、電極１７とアンテナコイル１５を結合する容量を形成する他の方法を示す図である。この場合、電極１７とアンテナコイル１５に平面的な重なりを持たせる代わりに、電極１７が接続されるシリコン基板上の不純物拡散層６１とアンテナコイル１５に平面的な重なりを持たせることによって、アンテナコイル１５と電極１７を結合する容量を形成する。この方法によれば無線センサ表面のサンプル検出用の電極１７の面積を小さくすることができる。
【００２４】
遺伝子増幅法としては、ＰＣＲ法あるいはＬＡＭＰ法などを採用することができる。広く利用されているサーマルサイクラーによって温度サイクルをかけて遺伝子を増幅することができるが、本発明を拡張することにより、さらに装置の小型化が可能である。特開２００６−１２５９０２号公報、特開２００７−１４１１３１号公報、特開２００７−１１４９２５号公報に示されているように、反応層内の溶液の温度管理を温度センサ内蔵の無線センサチップで行うことが可能である。
【００２５】
本発明の一実施例を、図５の断面模式図により説明する。本実施例は、増幅産物をＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive Field Effect Transistor）を用いて検出する場合について説明する。特開２００４−１０１２５３号公報に示されているように、信号を検出するＩＳＦＥＴとブランクを検出するＲＥＦＥＴを組み合わせて、両者の出力を図３（ａ）に示すような作動増幅器３９によって処理することにより、夾雑物の非特異的な吸着によるノイズの影響を低減することができる。
【００２６】
また、本チップは水溶液に接する状態で使用されるため、溶液によってチップの動作が阻害されない対策、すなわち無線センサチップ内に形成されたＩＳＦＥＴ３０、ＲＥＦＥＴ３１、ｐＭＯＳ／ｎＭＯＳの動作が溶液との接触によって影響されないような対策が必要となる。センサチップにおいて溶液と接するのは、測定対象を検出するＩＳＦＥＴ３０のゲート４３に接続されたＡｕ膜２４、参照電極３２に接続された参照電極用金属膜５５である。Ａｕ膜２４上にはＤＮＡを捕捉するための遺伝子固定膜４５、たとえばpoly L lysineなどがコーティングされ、ターゲットＤＮＡの捕獲を検出する。参照電極は、溶液に対してセンサチップの基準電位を定める。
【００２７】
センサチップが正しく機能するには、上記のように意図的に溶液と接触するように設計された部分以外の領域、たとえばｐあるいはｎ型ＭＯＳ３３やＩＳＦＥＴ３０やＲＥＦＥＴ３１のゲート以外の領域は溶液と電気的に分離されていなければならない。センサチップの表面及び裏面の絶縁は、表面については一般に用いられる有機パッシベーション膜６０、裏面についてはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板５０を用いることによって達成できるが、センサチップ側面の絶縁が問題となる。表面・裏面の絶縁は、ダイシング前のウェハレベルのプロセスによって対策することができる。しかし、チップ側面の絶縁についてはウェハレベルのプロセスによる対応で困難であった。ダイシング後にセンサチップ側面への絶縁膜を堆積すれば溶液との分離は可能であるが、センサチップ毎の堆積が必要でウェハレベルのプロセスによる一括処理が難しくコストの上昇が避けられない。
【００２８】
そこで特開２００５−２０７７９７号公報の構造を利用することによってウェハレベルのプロセスが採用でき、安価にチップ側面の絶縁が達成できる。具体的には図５に示すように、電位固定された不純物拡散層３４と電気的にフローティングにされた不純物拡散層３５を組み合わせることにより、ダイシングした状態のチップ端面における溶液と半導体層接触の影響を回避することができる。不純物拡散層３５の導伝型はｎ，ｐいずれでもよいが、ここでは例としてｐ型とする。不純物拡散層３５はセンサチップの最外周に配置され、チップ外周に途切れることなく配置される。不純物拡散層３５は特定の電位に固定せずフローティングとする。不純物拡散層３５の内側には不純物拡散層３４を配置する。不純物拡散層３４の導伝型は不純物拡散層３５がｐ型の場合はｎ型とし、センサチップを構成するＩＳＦＥＴ３０、ＲＥＦＥＴ３１、参照電極３２、ｐ及びｎＭＯＳ３３などセンサチップを構成するデバイスをすべて取り囲むように配置される。ｎ型不純物拡散層３４はセンサチップ内の最も高い電位ＶＤＤに接続する。不純物拡散層３４，３５によって構成されるダイオードは、カソードがＶＤＤ、アノードがフローティングの状態になる。不純物拡散層３５は、センサチップ端面において溶液と接するが不純物拡散層３４と３５によって構成されるダイオードのバイアスが順方向になったり、逆方向耐圧以上になったりしない限り、溶液との電気的分離を維持できる。順方向バイアスにするには溶液の電位を増加して不純物拡散層３５の電位を不純物拡散層３４に対して高くする必要があるが、不純物拡散層３５はＶＤＤに固定されており、ＶＤＤを１．０Ｖ以上とすれば、一般の使用においてダイオードによる電気的分離が損なわれることはない。
【００２９】
本発明の一実施例を図６、図７の断面模式図により説明する。ＰＣＲ法やＬＡＭＰ法などＤＮＡ増幅法による増幅産物の溶液中濃度の増大に伴って、センサチップ表面に吸着されるＤＮＡの数を変化させることができる。図６（ａ）はＤＮＡが吸着される前のセンサチップのＩＳＦＥＴ３０及びＲＥＦＥＴ３１を示す。ここでそれぞれの電極１７及び１８には、図１や図４に示す方法によって交流電圧が印加される。図６及び図７では、交流電圧印加の方法は記号化して容量１９，２０とコイル１５によって示している。
【００３０】
ＩＳＦＥＴに接続されるセンサ電極１７の上に遺伝子固定膜４５たとえばpoly-L-Lysineを堆積する。これによって図６（ｂ）に示すように、ＤＮＡが吸着されるとその電荷（マイナス）により４３をゲートとするＩＳＦＥＴ３０のチャネル伝導度が変動して、ドレイン電流はＤＮＡ吸着前のＩｄ11からＩｄ12に変化し、これによってターゲットＤＮＡを検出できる。交流電圧の重畳は、このＤＮＡ吸着の反応を促進する上で有効である。ＲＥＦＥＴ３１に接続されるセンサ電極１８上は厚いチップ保護膜（１−２０μｍ）４４が形成されており、ＩＳＦＥＴ３０に比較して吸着されたＤＮＡの電荷の影響が小さく、電流変化（Ｉｄ21からＩｄ22）は小さい。図３に示した差動増幅器３９によってＩＳＦＥＴとＲＥＦＥＴの差をとることにより、吸着されたＤＮＡを検出することができる。
【００３１】
ドレイン電流Ｉｄ11、Ｉｄ12、Ｉｄ21、Ｉｄ22には交流電圧が重畳されている。センサチップに表面に吸着したＤＮＡ量を反映するのは、吸着前後のＩＳＦＥＴのドレイン電流の差（Ｉｄ11−Ｉｄ12）の直流成分である。精度の高い計測のためには、ここから重畳された交流電圧成分は除去されている必要がある。図３に示したとおり、ＩＳＦＥＴ３０とＲＥＦＥＴ３１の出力を差動増幅しているので、同相である各ＦＥＴ出力の交流電圧成分は除去される。さらに増幅前あるいは増幅後にローパスフィルタを挿入して残留する交流成分を除去することで、より精度の高い計測が可能になる。フィルタには、たとえば、M.R. Haskard and I.C. May “Analog VLSI Design nMOS and CMOS” PRENTICE HALL, 1988 pp98-106にあるような回路構成を用いることができる。
【００３２】
図７（ａ）は、ターゲットＤＮＡ４７に特異的に結合するプローブ４６をセンサチップ表面に固定した無線センサチップの例を示す。ＩＳＦＥＴ３０のゲート４３の上にはＡｕ層２４を堆積してプローブ固定膜４８としてavidineをコーティングし、biotin修飾したプローブ４６を固定する。ＲＥＦＥＴ３１に接続されるセンサ電極１８の上には、ＩＳＦＥＴと同様にＡｕ層２４を堆積してavidineをコーティングしてプローブは固定しない。図７（ｂ）のように、増幅されたＤＮＡをＩＳＦＥＴ上のプローブで捕獲し、洗浄した後、ＩＳＦＥＴとＲＥＦＴの出力の差分をとることによって増幅産物を検出する。
【００３３】
本発明の他の実施例を、図８−１０により説明する。
図８に、増幅法としてＬＡＭＰ法を用いたときの測定手順を示す。図８（ａ）に示すように、test及びblank用チューブを用意する。図６に示した電荷センサ（ＩＳＦＥＴ）をセンサとする無線センサチップ１０の表面にpoly-L-Lysineを塗布する。これを上記の２個のチューブに１個ずつ投入する。各チューブにはＬＡＭＰ法のプライマセット、鎖置換型ＤＮＡ合成酵素、基質を含む溶液を入れる。次に、図８（ｂ）に示すように、test用チューブにのみ試料ＤＮＡを入れる。次に、図８（ｃ）に示すように、２つのチューブを恒温槽７２にセットして５０−６０℃でインキュベートする。２個のチューブはリーダコイル７１の通信フィールド内にセットし、センサチップの信号を、リーダ７０を介してリアルタイムでＰＣ８０に読み込む。
【００３４】
測定結果の一例を図９に示す。testチューブにおいてＩＳＦＥＴのゲート電位がＲＥＦＥＴのゲート電位に比較して低下、すなわち負の電荷をもつＤＮＡがセンサチップ表面に吸着されたことがわかる。一方、試料ＤＮＡを加えないblankチューブではＩＳＦＥＴのゲート電位の低下はなく、センサチップ表面のＤＮＡ密度に変化がないことを示している。本発明による簡便な遺伝子計測システムにより、ＤＮＡの増幅産物による出力の変動が明瞭に観察でき、ＤＮＡ増幅モニタリングに利用できることがわかった。
【００３５】
また、複数のターゲットを計測する場合には、図１０に示すように、異なるチューブに異なるターゲットに対応するプライマを導入し、それぞれのチューブに無線センサチップを投下することにより、複数のターゲットを同時に計測することができる。複数のセンサチップをひとつのリーダで読む手段は、特開２００７−３３３６９５号公報の図９に示されている。固有の識別番号（ＵＩＤ：Unique Identifier）を使って、ひとつのリーダ７０によって各センサチップの信号を読み取ることができる。
【００３６】
ここまで電荷センサ内蔵の無線センサによる実施例を説明してきたが、フォトダイオード内蔵の無線センサによっても遺伝子の計測が可能である。ターゲットＤＮＡにハイブリダイズさせたプライマの伸長に伴う生物発光を使った例を示す（Science, issue 5375, pp. 363-365, 1998）。生物発光信号は、図１１に示すようなフォトセンサ部５３と増幅器部５４によって検出・処理される。フォトセンサについては特開２００３−３２９６８１号公報、増幅器部分についてはISSCC Dig. Tech. papers, pp. 562-563, 2005で述べられているものを用いた。
【００３７】
無線センサチップでプライマ伸長による生物発光を測ることによってターゲットＤＮＡの増幅モニタを実施する例を、図１２及び図１３に示す。センサチップにはシリコンへのｎ型不純物が拡散されたカソード６２，６６、ｐ型不純物が拡散されたアノード６３からなる１組のフォトダイオードが形成されている。２個のフォトダイオードは、素子分離用酸化膜６５によって分離されている。カソード６２を含むフォトダイオード（ＰＤsig）５１は後述する生物発光を検出するもので、その上部には光を透過するチップ保護膜４４、プライマを固定化する層４５が成膜されている。カソード６６を含むフォトダイオード（ＰＤref）５２は参照用のフォトダイオードであって、主に暗電流を計測することを目的とし、その上部には遮光膜６４が形成されている。図１１にあるように２個のフォトダイオードＰＤsigとＰＤrefの出力を増幅器部５４で差動増幅することによって、暗電流変動の効果を減少させることができる。
【００３８】
ここでもフォトダイオード上へのＤＮＡの捕獲を促進するために交流電圧の重畳が有効である。そこで図１１及び図１２、図１３に示す結合用の容量１９，２０によって、アンテナコイル１５に誘起された交流電圧をフォトダイオードに印加している。プライマ６７は検出対象のＤＮＡ４７と相補的な配列をもつように設計する。図１２は、これをセンサチップ表面に固定してターゲットＤＮＡを捕捉する例を示している。図１２（ｂ）に示すように、固定されたプライマ６７にターゲットＤＮＡ４７がハイブリダイズすると、図１２（ｃ）に示すように、プライマ端から相補鎖伸長６８が起き、ピロリン酸（ＰＰｉ）が放出される。反応式を以下に示す。
【００３９】
【化１】
2010127757.tif 000003
【００４０】
ＤＮＡポリメラーゼ（polymerase）存在下での反応基質ｄＮＴＰ（デオキシヌクレオチド３リン酸）のＤＮＡ相補鎖合成によって、副産物としてピロリン酸（ＰＰｉ；inorganic pyrophosphate）ができる。これをＡＰＳ（adenosine5 - phosphosulfate）とATP sulfurylaseの存在下で反応させるとＡＴＰが生成される。発光基質７３であるルシフェリンはＡＴＰとルシフェラーゼ存在下で反応生成物７４を生成する際に光を発し、これを測定することで相補鎖伸長を検出することができる。
【００４１】
【化２】
2010127757.tif 000004
【００４２】
発光反応ではＰＰｉが生成するので、発光はＡＰＳを消費して持続する。具体的には緩衝液（10 mM Tris-acetate buffer, pH7.75）中にルシフェリン（０．１μｇ／μｌ）とルシフェラーゼ１．０μｇ／μｌが溶解された基質溶液として、ｄＮＴＰを添加する。ここにターゲットとなるＤＮＡが増幅産物として存在すれば、上記の反応によって生物発光が無線センサチップのＰＤsigによって検出され、検出信号は増幅・ディジタル化された上で外部のリーダに送信される。
【００４３】
図１３は、プライマをセンサチップに固定せず、サンプルＤＮＡを無線センサチップ基板上に捕獲する一例を示している。無線センサチップ基板には、例えばpoly-L-Lysineをコートすることで、図１３（ａ）に示すように、増幅産物ＤＮＡをセンサチップ上に捕獲できる。次に、図１３（ｂ）に示すように、検出対象のＤＮＡと相補的な配列をもつプライマをターゲットＤＮＡにハイブリダイズさせ、図１３（ｃ）に示すように、図１２の場合と同様にしてプライマ伸長反応を実行してそれに伴う生物発光を計測する。すなわち、発光基質７３であるルシフェリンがＡＴＰとルシフェラーゼ存在下で反応生成物７４を生成する際の発光を測定する。図１２、図１３は、いずれも溶液中の状態を示しており、計測は図１０と同様のセットアップによって実行することができる。溶液中からの無線通信機能については上記の緩衝液（10mM Tris-acetate buffer）を用い、１３．５６ＭＨｚの周波数によって認証番号の読み取りに問題がないことを確認している。センサチップの表面はＳｉＯ2膜あるいはＳｉ3Ｎ4膜等から成る保護膜４４で覆われており、チップの側面については図５で説明した絶縁対策が施されており、センサチップ内のセンサ・増幅器・通信回路などは溶液中においても正常に動作することができる。また、緩衝液にいれた場合の通信距離は、大気中の場合の７０−８０％であった。
【００４４】
装置の構成例を図１４に示す。遺伝子増幅の反応槽７８の中にＩＳＦＥＴを搭載した無線センサチップ１０あるいはフォトセンサ内蔵の無線センサチップ７５（図では生物発光を計測する場合を想定してフォトセンサ内蔵の無線センサチップ７５を示した）と温度センサ内蔵の無線センサチップ７６を投入する。特開２００７−１１４９２５号公報にあるように、無線センサは搬送波を介して電力の供給を受け、これにより発熱する。搬送波の強度調整やオン／オフによって無線センサの発熱を制御することが可能である。これにより特別な加熱機構を必要としない遺伝子増幅が可能である。無線センサチップには加熱する作用はあるが冷却の機構はもたない。そこで、特に一定温度で増幅ができる恒温増幅法の場合に、無線センサチップによる温度制御は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明による無線センサチップの構成例を示す図。
【図２】リーダと、無線センサチップのアンテナコイルと無線通信回路の一部を示す図。
【図３】端子ＬＡの交流電圧をセンサ電極に伝達する手段の説明図。
【図４】本発明による無線センサチップの構成例を示す図。
【図５】本発明による無線センサチップの断面模式図。
【図６】本発明による無線センサチップの断面模式図。
【図７】本発明による無線センサチップの断面模式図。
【図８】増幅法としてＬＡＭＰ法を用いたときの測定手順を示す図。
【図９】計測結果の一例を示す図。
【図１０】複数のターゲットを計測する場合の模式図。
【図１１】フォトダイオード内蔵の無線センサチップの説明図。
【図１２】フォトダイオード内蔵の無線センサチップを用いた計測法の説明図。
【図１３】フォトダイオード内蔵の無線センサチップを用いた計測法の説明図。
【図１４】温度センサ内蔵の無線センサチップによる温度制御方法の説明図。
【符号の説明】
【００４６】
１０：無線センサチップ、１１：無線通信回路、１２：制御回路、１３：信号処理回路、１４：センサ、１５：アンテナコイル、１６：共振コンデンサ、１７：センサ電極、１８：センサ電極（ブランク）、１９：コンデンサ、２０：コンデンサ、２３：全波整流回路、２４：Ａｕ電極、２６：平滑容量、２７：参照電極（ｑＲＥ）、３０：ＩＳＦＥＴ、３１：ＲＥＦＥＴ、３２：参照電極、３６：可変電圧源、３７：ＩＳＦＥＴ増幅器、３８：ＲＥＦＥＴ増幅器、３９：差動増幅器、４０：ＩＳＦＥＴのドレイン、４１：ＩＳＦＥＴのソース、４３：ＩＳＦＥＴのゲート、４４：チップ保護膜、４５：遺伝子固定膜、４６：プローブ、４７：ターゲットＤＮＡ、４８：プローブ固定膜、５０：ＳＯＩ基板、５１：フォトダイオード（ＰＤsig）、５２：フォトダイオード（ＰＤref）、５３：フォトセンサ部、５４：増幅器部、５５：参照電極用金属膜、５６：ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ：Buried oxide layer）、５７：層間絶縁膜、６０：有機パッシベーション膜、６１：不純物拡散層、６２：カソード、６３：アノード、６４：遮光層、６５：素子分用酸化膜、６６：カソード、６７：プライマ、６８：相補鎖伸長、７０：リーダ、７１：リーダコイル、７２：恒温槽、７３：発光基質、７４：発光後の反応生成物、７５：フォトセンサを内蔵した無線センサチップ、７６：温度センサを内蔵した無線センサチップ、７７：遮光ボックス、７８：反応槽、８０：制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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