(57)【要約】【課題】高精度に核酸を検出する。【解決手段】センサ電極１１が、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に接続された電極又はＭＯＳＦＥＴのゲート電極に、標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を固定化する。制御回路３０が、センサ電極の電位を制御してセンサ電極上で化学反応を発生させるための対向電極３２を備える。スイッチ３１が、ゲート電極を接地点又は基準電圧源に短絡して化学反応を発生させるか否かを切り替える。測定手段２２が、化学反応前後でＭＯＳＦＥＴの特性変調の強度を測定する。判定手段が、化学反応前後で生じたＦＥＴの電気的特性を示す物理量の差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定する。【選択図】図１
2006023112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出装置において、
前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に接続された電極又は前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を固定化してあるセンサ電極と、
前記センサ電極の電位を制御して該センサ電極上で化学反応を発生させるための対向電極を備える制御回路と、
前記ゲート電極を接地点又は基準電圧源に短絡して前記化学反応を発生させるか否かを切り替えるスイッチと、
前記化学反応前後で前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す物理量を測定する測定手段と、
前記化学反応前後で生じたＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す物理量の差分が予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定する判定手段を具備することを特徴とする核酸検出装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記センサ電極上に導入する二本鎖認識体の化学反応を発生させるために前記センサ電極の電位を制御することを特徴とする請求項１に記載の核酸検出装置。
【請求項３】
前記制御回路は、さらに、前記センサ電極近傍の電位を測定するための参照電極を具備し、
前記参照電極からの情報に基づき前記対向電極の電位を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の核酸検出装置。
【請求項４】
前記センサ電極を複数個同一基板上に具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核酸検出装置。
【請求項５】
前記制御回路は、複数設置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の核酸検出装置。
【請求項６】
ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、
前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第１の物理量を測定し、
予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、
前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、
前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、
前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第２の物理量を測定し、
前記第１の物理量と前記第２の物理量の差分を計算し、
前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする核酸検出方法。
【請求項７】
ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、
予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、
前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第１の物理量を測定し、
前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、
前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、
前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第２の物理量を測定し、
前記第１の物理量と前記第２の物理量の差分を計算し、
前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする核酸検出方法。
【請求項８】
ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、
予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、
前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、
前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第１の物理量を測定し、
前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、
前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第２の物理量を測定し、
前記第１の物理量と前記第２の物理量の差分を計算し、
前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする核酸検出方法。
【請求項９】
ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、
予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、
前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、
前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、
前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第１の物理量を測定し、
再び前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、
前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第２の物理量を測定し、
前記第１の物理量と前記第２の物理量の差分を計算し、
前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする核酸検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検体中に含まれる標的核酸分子を検出する核酸検出装置及び核酸検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＦＥＴ（field-effect transistor）を用い検体中に標的核酸分子が含まれるか否かを検出する核酸分子検出のための核酸センサが存在している（例えば、非特許文献１参照）。同様に、二本鎖認識体の酸化に伴う酸化還元電流の大きさを測定することにより核酸分子の有無を検出する核酸センサも存在している。
【非特許文献１】坂田利弥  他、「遺伝子トランジスタによるＤＮＡハイブリダイゼーションの検出」、第６４回応用物理学会講演会予稿集、Ｐ．１１７９（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、感度、集積性の向上のためにセンサ開口面積を縮小した場合に、センサ電極上での化学反応に起因する酸化還元電流は、面積に比例して小さくなるため、従来の技術では、測定器で電流を検出する限界点に到達してしまい、測定器で電流を検出できない可能性がある。
【０００４】
本発明は、従来の技術に鑑み、センサを微細化した場合にセンサ上で起こる化学的な変化を捉えるための信号を測定可能にして高精度に核酸を検出することができる核酸検出装置及び核酸検出方法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】
【０００５】
本発明の核酸検出装置によれば、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出装置において、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に接続された電極又は前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を固定化してあるセンサ電極と、前記センサ電極の電位を制御して該センサ電極上で化学反応を発生させるための対向電極を備える制御回路と、前記ゲート電極を接地点又は基準電圧源に短絡して前記化学反応を発生させるか否かを切り替えるスイッチと、前記化学反応前後で前記ＭＯＳＦＥＴの特性、特に電気的特性を示す物理量を測定する測定手段と、前記化学反応前後で生じたＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す物理量の差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定する判定手段を具備することを特徴とする。
【０００６】
本発明の核酸検出方法によれば、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第１の物理量を測定し、予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第２の物理量を測定し、前記第１の物理量と前記第２の物理量の差分を計算し、前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の核酸検出方法によれば、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第１の物理量を測定し、前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第２の物理量を測定し、前記第１の物理量と前記第２の物理量の差分を計算し、前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明の核酸検出方法によれば、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第１の物理量を測定し、前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第２の物理量を測定し、前記第１の物理量と前記第２の物理量の差分を計算し、前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする。
【０００９】
またさらに、本発明の核酸検出方法によれば、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第１の物理量を測定し、再び前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、前記ＭＯＳＦＥＴの電気的特性を示す第２の物理量を測定し、前記第１の物理量と前記第２の物理量の差分を計算し、前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の核酸検出装置及び核酸検出方法によれば、センサを微細化した場合にセンサ上で起こる化学的な変化を捉えるための信号を測定可能にして高精度に核酸を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る核酸検出装置及び核酸検出方法について詳細に説明する。  
本実施形態の核酸検出装置は、図１に示したように、核酸検出用ＦＥＴ１０、核酸検出用ＦＥＴ１０の特性を増幅するための増幅回路２０、センサ電極ＷＥの電位を制御するための制御回路３０、核酸検出用ＦＥＴのドレイン端子で生じる電圧降下を測定するための電圧計２２からなる。核酸検出用ＦＥＴ１０は、ゲート電極としてセンサ電極ＷＥ１１を備えている。  
増幅回路２０は、信号増幅用電流源回路２１、基板バイアス用電圧源２３、Ｖｓｓよりも高い価に設定された電源Ｖｄｄ２４、Ｖｄｄよりも低い値に設定された電源Ｖｓｓ２５を備えている。また、制御回路３０は、センサ電極上での化学反応用スイッチ３１、対向電極ＣＥ３２、参照電極ＲＥ３３、センサ電極上での化学反応用槽３４、演算増幅器３５、３６、抵抗器３７、掃引電圧発生器３８を備えている。この制御回路３０は、ポテンシオスタット（potentiostat）回路と称される電気化学の分野ではよく知られた回路である。  
信号増幅用電流源回路２１は、核酸検出用ＦＥＴ１０の特性を読み出すための必要な基準電流Ｉｄｓを発生する。電圧計２２は、核酸検出用ＦＥＴ１０のドレイン端子Ｄで生じる電圧降下を測定するためのものである。基板バイアス用電圧源２３は、核酸検出用ＦＥＴ１０の基板端子Ｂに印加する電圧源である。電源Ｖｄｄ２４は、核酸検出用ＦＥＴ１０のドレイン端子Ｄに印加する電圧源であり、この電圧値は正に設定する。電源Ｖｓｓ２５は、核酸検出用ＦＥＴ１０のソース端子Ｓに印加する電源である。ソース端子Ｓに印加する電源Ｖｓｓ２５の電圧値は電源Ｖｄｄ２４の電圧値よりも小さく、電源Ｖｓｓ２５の電圧値を負に設定してもよい。Ａ／Ｄ変換器（analog-to-digital converter）の機能を含む電圧計２２あるいはこれと同等の機能を持つブロックによる増幅回路２０の出力電圧値Ｖｄｓの測定は２回行われ、コンピュータ等で２回の測定の差分を求めて核酸分子が検出されたか否かの判定を行う。もちろん、この機能をチップ上で実現してもよい。また、基準電流Ｉｄｓと基板バイアス用電圧源２３が生成する電圧値を調整することにより、電圧計２２で測定する出力電圧値Ｖｄｓの変化を大きくすることができる。この調整は後に図７を参照して説明する。  
図１に示した増幅回路２０は、よく知られたｎＭＯＳ（n-channel metal-oxide semiconductor）インバータ回路である。図１に示した増幅回路２０はあくまで一例であって、核酸検出用ＦＥＴ１０の特性を増幅するための回路であれば増幅回路２０の代わりにいかなる回路構成でも構わない。例えば、増幅回路２０の代わりにフラッシュメモリの読み出し等に用いられている回路などを利用することも可能である。つまり、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧という物理量が反映される２次的な物理量で、かつ大きな値を有する信号として得ることができる回路であればよい。
【００１２】
また、核酸検出用ＦＥＴ１０及び増幅回路２０は、複数個設定されていてもよい。さらに、核酸検出用ＦＥＴ１０が複数個あり、これらがアレイ状に配置されていてもよい。
【００１３】
掃引電圧発生器３８は、所定の電圧又は電圧パタンを発生する。演算増幅器３６は、この電圧又は電圧パタンが示す電圧値を反転した反転電圧に変換して、この反転電圧を対向電極ＣＥ３２に印加する。すると、制御回路の動作により、センサ電極ＷＥ１１の参照電極ＲＥ３３に対する電位は相対的に、掃引電圧発生器３８が基準電位に対して発生した電位に設定される。  
化学反応用スイッチ３１は、化学反応を核酸検出用ＦＥＴ１０に付属したセンサ電極ＷＥ１１上で行わせるためのものである。センサ電極ＷＥ１１の参照電極ＲＥ３３に対する電位が、センサ電極ＷＥ１１が基準電位に対して発生した電位に設定された以降に化学反応用スイッチ３１をオンにすると、酸化還元電流が化学反応用スイッチ３１に流れる。  
参照電極ＲＥ３３及び演算増幅器３５、３６、抵抗器３７は、センサ電極ＷＥ１１近傍の電位を掃引電圧発生器３８の出力電圧に保つためのものである。対向電極ＣＥ３２、センサ電極ＷＥと掃印電圧発生器３８の組み合わせでも化学反応を起こすことは可能だが、化学反応用スイッチ３１に酸化還元電流を流すと、溶液中の電圧降下などの効果により、核酸センサ電極として用いられる作用極であるセンサ電極ＷＥ１１の近傍の電位が所定の掃引電圧発生器３８が発生した所定の電位からずれる。参照電極ＲＥ３３は、センサ電極ＷＥ１１近傍の電位を参照電極ＲＥ３３により測定し、電圧フォロアのトポロジをなす演算増幅器３５と抵抗器３７及び演算増幅器３６で構成される負帰還回路が、センサ電極ＷＥ１１近傍の電位を掃引電圧発生器３８の出力電圧に制御する。このように参照電極ＲＥ３３を導入してセンサ電極ＷＥ１１近傍の電位を制御すれば、参照電極ＲＥ３３を導入しない場合に比べて、センサ電極ＷＥ１１近傍の電位を正確な電位に設定することができる。  
また、図１に示した制御回路３０は、複数個設置されてもよい。例えば、複数個核酸検出用ＦＥＴ１０があった場合に、制御回路３０は、各核酸検出用ＦＥＴ１０ごとに１個ずつ設置されてもよい。また、１つの制御回路３０が、複数の核酸検出用ＦＥＴ１０のそれぞれに含まれているセンサ電極ＷＥ１１の電位を制御してもよい。
【００１４】
次に、核酸検出用ＦＥＴ１０及びセンサ電極ＷＥ１１を図２を参照して説明する。図２は、核酸検出用ＦＥＴ１０の断面構造を模式的に示した図である。  
核酸検出用ＦＥＴ１０は、ゲート電極、ゲート絶縁膜１２、シリコン基板１３からなり、通常のＭＯＳ（metal-oxide semiconductor）と同じ構造である。核酸検出用ＦＥＴ１０は、シリコン基板１３上にゲート絶縁膜１２が形成され、このゲート絶縁膜１２上にゲート電極が形成されている。本実施形態の核酸検出用ＦＥＴ１０は、通常のＭＯＳと異なり、ゲート電極は特に金薄膜を使用してある。このゲート電極は、センサ電極ＷＥ１１として用いられる。すなわち、センサ電極ＷＥ１１が、チオール基で修飾されたプローブ核酸分子１４をセンサ電極ＷＥ１１に結合させる。プローブ核酸分子１４は、特定の核酸分子と反応する１本鎖核酸分子である。このプローブ核酸分子１４によって１本鎖状態にした試料核酸分子から特定の配列を有する標的核酸分子のみを特異的に吸着することができる。
【００１５】
次に、本実施形態の核酸検出装置の動作を図３を参照して説明する。  
まず、予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ上に、標的核酸分子を含む試料核酸分子を化学反応用槽３４に導入してセンサ電極ＷＥ１１上でプローブ核酸分子と標的核酸分子がハイブリダイゼーション（hybridization、二本鎖形成）を行った後、二本鎖認識体を化学反応用槽３４に導入する。続いて化学反応用スイッチ３１を開放する（ステップＳ１）。二本鎖認識体に関しては後の図４を参照する以降で詳細に説明する。  
掃引電圧発生器３８が予め定められた所定値の電圧値Ｖａを発生し、核酸検出用ＦＥＴ１０のドレイン端子Ｄで生ずる電圧降下を電圧計２２で読み取る（ステップＳ２）。もちろん、ステップＳ２で電圧計２２により測定された電圧降下を自動的に記憶装置（図示せず）にその値を記憶するように設定されていてもよい。  
続いて、化学反応用スイッチ３１を閉じる（ステップＳ３）。  
掃引電圧発生器３８が予め定められた所定値の電圧値Ｖｂを発生し、センサ電極上での化学反応を行う（ステップＳ４）。電圧値Ｖｂは、化学反応を行うために必要な電圧値に設定されている。  
化学反応用スイッチ３１を開放する（ステップＳ５）。  
このセンサ電極ＷＥ１１上での化学反応によるセンサ電極ＷＥ１１上の化学的な特性変化を調べる。すなわち、掃引電圧発生器３８が所定の電圧値Ｖａを再び印加して電圧計２２で電圧降下を読み取る（ステップＳ６）。この電圧降下は、上述したように自動的に記憶装置にその値を記憶するように設定されていてもよい。  
最後に、ステップＳ２で得たインバータ出力電圧ＶｄｓのデータとステップＳ６で得たインバータ出力電圧Ｖｄｓのデータの差分の大きさを計算する（ステップＳ７）。
【００１６】
ステップＳ７で得られた差分の大きさが、予め校正の際に決定した基準値よりも大きいか否かを判定し、ステップＳ７で得られた差分の大きさが基準値よりも大きい場合は、核酸分子が検出されたと判定する。  
本実施形態の核酸検出装置によれば、センサ電極ＷＥ１１上で起こる物質の化学的な変化をＭＯＳＦＥＴで間接的に観測することができる。また、本実施形態の核酸検出装置によれば、核酸検出用ＦＥＴ１０を利用したセンサ電極ＷＥ１１でセンサ電極ＷＥ１１上での酸化還元電流を逃がすことのできる化学反応用スイッチ３１と、センサ電極ＷＥ１１上で化学反応を行わせるための酸化還元電流を供給する対向電極ＣＥ３２及び参照電極ＲＥ３３を備え、センサ電極ＷＥ１１上における化学的な変化を能動的に起こすことができる。  
さらに、本実施形態の核酸検出装置によれば、センサ電極ＷＥ１１上での酸化還元電流に比較してセンサ電極ＷＥ１１の大きさに依存性の低いＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変動により変調を受けるソース・ドレイン間電流から核酸分子の存在を検知することが可能となり、センサの微細化をより進めることが可能となる。また、センサ上の物質のセンサ電極上での化学反応を行うことにより、標的核酸分子がプローブ核酸分子に結合した量をより確実に知ることできる。
【００１７】
次に、化学反応用槽３４内の試料核酸分子とプローブ核酸分子１４との間にハイブリダイゼーションが起こったか否かを図４を参照して説明する。  
二本鎖認識体は核酸分子の二本鎖に特異的に吸着するため、ハイブリダイゼーションの有無により核酸検出用ＦＥＴ１０の伝導特性に差が現れる。さらに、センサ電極ＷＥ１１上での化学反応を行うことにより二本鎖認識体の性質が変化するため、酸化還元前後（すなわち、ステップＳ３より前とより後）の核酸検出用ＦＥＴ１０の伝導特性にも差が現れる。図４によれば、ハイブリダイゼーションが有る場合の方が、ハイブリダイゼーションが無い場合よりもステップＳ７で得られるインバータ出力電圧Ｖｄｓの差分の大きさが大きくなる。したがって、ステップＳ７で得られるインバータ出力電圧Ｖｄｓの差分の大きさが、事前に校正により決定されたある基準値よりも大きいか否かでハイブリダイゼーションの有無を判定することができる。  
また、二本鎖認識体の酸化還元前後で核酸検出用ＦＥＴ１０の伝導特性が大きく変化するような二本鎖認識体を選ぶことにより、信号をより大きなレベルで観測することができる。
【００１８】
本実施形態において「二本鎖認識体」とは、二本鎖の核酸分子を認識し、特異的に結合する物質をさす。そのような物質としては、例えば、挿入剤、二本鎖核酸分子を認識する生体高分子を挙げることができる。  
この挿入剤として本実施形態で使用するものは電気化学的に酸化又は還元反応を示す物質が好ましいが、特に限定されるものではなく、例えばエチジウム、エチジウムブロマイド、アクリジン、アミノアクリジン、アクリジンオレンジ、プロフラビン、エリブチシン、アクチノマイシンＤ、ドーノマイシン、マイトマイシンＣ等を用いることができる。また、その他の使用可能な挿入剤としては、特開昭６２−２８２５９９号公報に記載されたものが挙げられる。
【００１９】
また、上述の挿入剤の他に、電気化学的に酸化又は還元反応を示す物質を中心金属として含有する金属錯体、すなわちメタロインターカレーターを用いることができる。例えば、亜鉛錯体、ルテニウム錯体、コバルト錯体、プラチナ錯体、を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２０】
ところで、上記の挿入剤とは別に、生体高分子の中には二本鎖核酸分子を認識して特異的に結合する物質が存在する。したがって、本実施形態において、このような生体高分子の中で電気化学的に活性な物質を用いることができる。また、これら生体高分子若しくは、この生体高分子を認識する物質に、電気化学的に活性な物質を標識して用いることもできる。このような生体高分子としては、抗ＤＮＡ抗体、クロタンバク質、ＤＮＡ結合タンパク質、触媒活性が失活したＲＮａｓｅＨのような酵素を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。また、上記生体高分子は、生体由来であっても、合成により得られるものであっても良い。
【００２１】
（変形例）  
図３を参照して核酸検出装置の動作を説明したが、どの時点の２点でのインバータ出力電圧Ｖｄｓを測定するかは様々な変形がある。以下、この変形例を説明する。  
核酸検出装置は、核酸分子の検出を次の手順で操作を行う。  
（ステップＳ１１）予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ上に、標的核酸分子を含むサンプルを導入し、標的核酸分子がセンサ上のプローブ核酸分子とハイブリダイゼーション反応を起こす（ステップＳ１の前）。  
（ステップＳ１２）プローブ核酸分子以外の部分に非特異的に吸着している標的核酸分子を洗浄するため、核酸分子を含んでいない電解質溶液と置換する（場合によっては不要）。  
（ステップＳ１３）センサ上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体がハイブリダイゼーションした核酸分子へ結合反応を起こす。  
（ステップＳ１４）核酸分子以外の部分に非特異的に結合している二本鎖認識体、溶液中に残存している二本鎖認識体を洗浄するために、二本鎖認識体を含んでいない電解質溶液と置換する（場合によっては不要）。  
（ステップＳ１５）センサ電極ＷＥ１１の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こす。  
電圧計２２が核酸分子検出のために、核酸検出用ＦＥＴ１０に基準電流Ｉｄｓを流した場合のインバータ出力電圧Ｖｄｓの測定を行う。この測定は、図３及び図４に示したように、例えば「二本鎖認識体酸化反応前」に、第１の出力電圧の測定を行い、その後「二本鎖認識体化学反応後」に第２の出力電圧の測定を行うといったように、２点で測定を行い、インバータ出力電圧Ｖｄｓの差分の大きさをもとにハイブリダイゼーションの有無を判定する。
【００２２】
この「電圧変化前」の測定は、上記手順のステップＳ１１の前、ステップＳ１１の後、ステップＳ１２の後、ステップＳ１３の後、ステップＳ１４の後のうち、どの点で行っても構わない。理想的な２点の測定点は、用いる二本鎖認識体の特性により、最も電圧変化が大きく、バラツキが少なく、総合的に見て測定のしやすい２点である。第２の出力電圧の測定は、ステップＳ１５の後に行う。
【００２３】
次に、ハイブリダイゼーション前、ハイブリダイゼーション後、二本鎖認識体添加後、二本鎖認識体の化学反応後の各々において、核酸検出用ＦＥＴ１０のドレイン端子Ｄで生ずるインバータ出力電圧Ｖｄｓを測定した結果を図５を参照して説明する。図５は、ハイブリダイゼーションが有るか否かの２つの場合についてのインバータ出力電圧Ｖｄｓの履歴を示している。図５の横軸は各ステップで時間変化を示し、右に行くほど時刻が後であり、縦軸は核酸検出用ＦＥＴ１０のドレイン端子Ｄで生ずるインバータ出力電圧Ｖｄｓを示す。  
図５に示す「ハイブリダイゼーション前」のインバータ出力電圧Ｖｄｓは、上記のステップＳ１１の前に電圧計２２で測定した値である。また、図５に示す「ハイブリダイゼーション後」のインバータ出力電圧Ｖｄｓは、上記のステップＳ１２の後かつステップＳ１３の前に電圧計２２で測定した値である。さらに、図５に示す「二本鎖認識体添加後」のインバータ出力電圧Ｖｄｓは、上記のステップＳ１４の後かつステップＳ１５の前に電圧計２２で測定した値である。  
また、図５に示す「化学反応後」は、上記のステップＳ１５の後に電圧計２２で測定した値である。
【００２４】
図５に示した例では、化学反応後のインバータ出力電圧Ｖｄｓと、これ以外のハイブリダイゼーション前、ハイブリダイゼーション後、二本鎖認識体添加後のいずれか１つの場合でのインバータ出力電圧Ｖｄｓとの差分の大きさを計算し、この差分の大きさが所定値より大きいか否かを判定し、大きい場合は核酸分子が検出されたと判定する。
【００２５】
図３を参照して説明した例では、ステップＳ２が「二本鎖認識体添加後」に対応し、ステップＳ６が「化学反応後」に対応する。図５に示したようにインバータ出力電圧Ｖｄｓが変化する場合は、「ハイブリダイゼーション後」と「化学反応後」の２点間のインバータ出力電圧Ｖｄｓの差が最も大きくなるので、この２点で核酸検出用ＦＥＴ１０のドレイン端子Ｄで生じるインバータ出力電圧Ｖｄｓを測定することが好ましい。
【００２６】
また、図５に示したインバータ出力電圧Ｖｄｓを示すグラフのような例では、化学反応後でのハイブリダイゼーションの有無によるインバータ出力電圧Ｖｄｓの差が、二本鎖認識体添加後より以前でのハイブリダイゼーションの有無によるインバータ出力電圧Ｖｄｓの差に比較して数倍以上大きい。したがって、化学反応とその他との２点でインバータ出力電圧Ｖｄｓの差分の大きさを測定することは、化学反応後でのインバータ出力電圧Ｖｄｓを参照しないでインバータ出力電圧Ｖｄｓの差分の大きさを測定することに比較して感度が飛躍的に上がる。
【００２７】
また、２点での測定ではなく、常時インバータ出力電圧の変化をモニタリングしておき、出力電圧の変動速度をもとにハイブリダイゼーションの有無の判定を行うこともできる。すなわち、図５からわかるように、ハイブリダイゼーションが有る場合はインバータ出力電圧Ｖｄｓの変化が、ハイブリダイゼーションがない場合のインバータ出力電圧Ｖｄｓの変化に比較して大きいので、予め設定された電圧値よりも或る単位時間でのインバータ出力電圧Ｖｄｓが大きいか否かによってハイブリダイゼーションの有無を判定することができる。この予め設定する電圧値は、事前に校正によって定める。
【００２８】
また、二本鎖認識体の性質によってはステップＳ１５の後に最初の電圧降下の測定を行う場合もある。この場合の典型的な２例を図６（Ａ）及び図６（Ｂ）を参照して説明する。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）の曲線上に示した矢印は時間の向きを示す。  
二本鎖認識体は、掃引電圧発生器３８が参照電極ＲＥ３３に対するセンサ電極ＷＥ１１の電位差を上昇させるとステップＳ１５の後でも再びより大きな化学反応を起こす二本鎖認識体がある。例えば、図６（Ａ）に示すような曲線を示す二本鎖認識体では、ステップＳ１５に対応する最初の化学反応（α）の後により大きな化学反応（γ）がある。この場合はこのより大きな化学反応の前後でインバータ出力電圧Ｖｄｓを測定するのが好ましいので、このより大きな化学反応（γ）に注目し、上記の第１のインバータ出力電圧Ｖｄｓの測定が「注目している化学反応前」のβで行われ、上記の第２のインバータ出力電圧Ｖｄｓの測定が「注目している化学反応後」のδで行われる。この様により大きな化学反応の前後でインバータ出力電圧Ｖｄｓの測定を行えばより大きなインバータ出力電圧Ｖｄｓの差分の大きさを得ることができ、核酸分子検出の感度を上昇させることができる。
【００２９】
他に、掃引電圧発生器３８が参照電極ＲＥ３３に対するセンサ電極ＷＥ１１の電位を上昇させて化学反応が発生し、さらにこの電位を上昇させてこの化学反応を終了させ、さらにこの電位を下降させると再び化学反応が発生し、さらにこの電位を下降させると化学反応が終了するような二本鎖認識体もある。例えば、図６（Ｂ）に示すような曲線を示す二本鎖認識体では、ステップＳ１５に対応する最初の化学反応（ε）の後に化学反応（η）がある。この場合も図６（Ａ）の例での場合と同様に、化学反応（η）に注目し、上記の第１のインバータ出力電圧Ｖｄｓの測定が「注目している化学反応前」のζで行われ、上記の第２のインバータ出力電圧Ｖｄｓの測定が「注目している化学反応後」のθで行われてもよい。
【００３０】
次に、センサ電極ＷＥ１１の表面状態に依存する核酸検出用ＦＥＴ１０の伝導特性によるインバータ出力電圧Ｖｄｓの変化を電圧計２２が感度よく測定するための校正の手法を図７を参照して説明する。  
電圧計２２が核酸検出用ＦＥＴ１０のドレイン端子Ｄで生じるインバータ出力電圧Ｖｄｓを測定しやすくするために、信号増幅用電流源回路２１が発生する基準電流と、基板バイアス用電圧源２３が発生する電圧を調整する。すなわち、図７に示したように、信号増幅用電流源回路２１が発生する電流の大きさと基板バイアス用電圧源２３が発生する電圧の大きさを、核酸検出用ＦＥＴ１０が飽和領域で動作するように調整する。すると、電圧計２２が測定するＶｄｓの化学反応前後で変化の大きさを大きくすることができる。
【００３１】
以上に示した実施形態によれば、化学反応前後それぞれにおいて核酸検出用ＦＥＴのドレイン端子で生ずるインバータ出力電圧Ｖｄｓを測定し、これらのインバータ出力電圧Ｖｄｓの差分の大きさを求め、この差分の大きさが所定値よりも大きい場合に核酸分子が検出されたとすることにより、センサを微細化した場合にセンサ上で起こる化学的な変化を捉えるための信号を測定可能にして高精度に核酸を検出することができる。
【００３２】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係る核酸検出装置のブロック図。
【図２】図１の核酸検出用ＦＥＴ１０の断面構造を示す断面図。
【図３】図１の核酸検出装置の動作を示す流れ図。
【図４】ハイブリダイゼーションの有無によるインバータ出力電圧Ｖｄｓの差分の大きさの違いを示す図。
【図５】ハイブリダイゼーションの有無によるインバータ出力電圧Ｖｄｓの各ステップでの値を示す図。
【図６】（Ａ）は化学反応後に最初の電圧降下の測定を行う場合の第１の例を示す図であり、（Ｂ）は化学反応後に最初の電圧降下の測定を行う場合の第２の例を示す図。
【図７】インバータ出力電圧Ｖｄｓを感度よく測定するための校正を説明するための図。
【符号の説明】
【００３４】
１０・・・核酸検出用ＦＥＴ、１１・・・センサ電極ＷＥ、１２・・・ゲート絶縁膜、１３・・・シリコン基板、１４・・・プローブ核酸分子、２０・・・増幅回路、２１・・・信号増幅用電流源回路、２２・・・電圧計、２３・・・基板バイアス用電圧源、２４・・・電源Ｖｄｄ、２５・・・電源Ｖｓｓ、３０・・・制御回路、３１・・・化学反応用スイッチ、３２・・・対向電極ＣＥ、３３・・・参照電極ＲＥ、３４・・・化学反応用槽、３５、３６・・・演算増幅器、３７・・・抵抗器、３８・・・掃引電圧発生器
【図１】
2006023112.tif 000003
【図２】
2006023112.tif 000004
【図３】
2006023112.tif 000005
【図４】
2006023112.tif 000006
【図５】
2006023112.tif 000007
【図６】
2006023112.tif 000008
【図７】
2006023112.tif 000009