(57)【要約】【解決手段】  コア構造と、拡張ゲート構造とを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えた分子間相互作用を検知するために用いられるセンサー（１）は、コア構造（５−１０）及び拡張ゲート構造（２）を含んでいる。このコア構造（５−１０）及び拡張ゲート構造（２）は、基板の実質的に分離された領域に配置され、拡張ゲート構造はプローブ分子を固定することができる露出金属センサー電極（１１）を含んでいる。センサーは、使用時に、金属センサー電極の露出表面で分子が相互作用することに反応して、ＦＥＴの電気特性が変化するよう作動する。センサーは、露出ゲート金属上の固定された適切なプローブ分子を有する場合には、ＤＮＡ結合のような生体分子相互作用を検知するのに、特に適している。
2007506085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア構造と、拡張ゲート構造とを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えた分子間相互作用を検知するために用いられるセンサーであって、
コア構造及び拡張ゲート構造は基板の実質的に分離された領域に配置され、
拡張ゲート構造はプローブ分子を固定することができる露出金属センサー電極を含んでおり、
使用時に、金属センサー電極の露出表面で分子が相互作用することに反応して、ＦＥＴの電気特性が変化するよう作動することを特徴とするセンサー。
【請求項２】
ＦＥＴは、金属絶縁体半導体（ＭＩＳ）タイプ構造を有することを特徴とする請求項１記載のセンサー。
【請求項３】
ＦＥＴコア構造上に配置された保護層を、さらに備えたことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のセンサー。
【請求項４】
保護層は、ポリアミド、ＢＣＢ、ＳｉＯ２及びＳｉ３Ｎ４を含む群から選ばれる少なくとも一つの材料から形成されていることを特徴とする請求項３記載のセンサー。
【請求項５】
センサー電極に電気的に接続する手段を、さらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサー。
【請求項６】
金属センサー電極は、実質的に金から形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサー。
【請求項７】
金属センサー電極は、実質的にクロムから形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサー。
【請求項８】
金属センサー電極は、実質的にプラチナから形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサー。
【請求項９】
参照電極をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１０】
一対のＦＥＴと参照電極との間に電圧差を印加する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項９記載のセンサー。
【請求項１１】
露出金属センサー電極上に固定された少なくとも一つのプローブ分子をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１２】
プローブ分子は、プロテイン、抗体及び抗原、ビタミン、ペプチド、砂糖並びにＤＮＡ、ＲＮＡ及びＰＮＡを含むオリゴヌクレオチドからなる群の中から選ばれることを特徴とする請求項１１記載のセンサー。
【請求項１３】
少なくとも一つのプローブ分子に接触する電解質をさらに備えたことを特徴とする請求項１１又は１２のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１４】
複数のセンサーを有し、
当該センサーは各々、請求項１乃至１３に記載されたセンサーからなることを特徴とするセンサー列。
【請求項１５】
スキャンと、列内の少なくとも二つのセンサーのセンサー電極に接触するセンサー回路とをさらに備えたことを特徴とする請求項１４記載のセンサー列。
【請求項１６】
列内の少なくとも一つのセンサーのセンサー電極に切替可能に接続する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１４又は１５のいずれかに記載のセンサー列。
【請求項１７】
標的分子を同定するために、請求項１乃至１３のいずれかに記載のセンサー、又は請求項１４乃至１６のいずれかに記載のセンサー列を用いることを特徴とする使用方法。
【請求項１８】
標的分子は、プローブ分子と生物接合することを特徴とする請求項１７記載のセンサー又はセンサー列の使用方法。
【請求項１９】
分子間相互作用を検知する方法であって、
拡張ゲート構造及びコア構造が基板の実質的に分離された領域に配置された、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の拡張ゲート構造の一部を形成するセンサー電極上に、少なくとも一つのプローブ分子を固定する工程と、
少なくとも一つのプローブ分子に接触する、少なくとも一つの標的分子を含む電解質を配置する工程と、
少なくとも一つのプローブ分子と標的分子との間の分子間相互作用に反応するＦＥＴの電気特性の変化を検知する工程と、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２０】
ＦＥＴの一部と、電解質に接触している参照電極との間に電位差を印加する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
センサー電極上のプローブ分子の間に、標的分子に対してほとんど不活性なスペーサー分子を配置する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１９又は２０記載の方法。
【請求項２２】
電気的に帯電した分子によって、標的分子をラベリングする工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
プローブ分子と標的分子との間の分子間相互作用を引き起こすために結合する帯電分子を供給する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
請求項１８乃至２３のいずれかの方法を用いて、ＤＮＡ結合を検出する工程をさらに備えたことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能金属ゲートを有する電界効果トランジスタを用いた分子間相互作用、特にＤＮＡ結合の検知に関する。
【背景技術】
【０００２】
分子間相互作用を検知することは、このような相互作用の化学又は生化学を解析することにとって重要であり、相互作用に係わる特定の種を同定することにも用いられる。金属に付着している分子の第一タイプの分子（プローブ分子）が他の分子（標的分子）にさらされることによって、相互作用の範囲が検知される。このタイプの相互作用の良い例は、Ａベースを有するＤＮＡ検知オリゴメータが、Ｔベースを有するＤＮＡ標的オリゴメータに接触する場合である。このような反応を検知する能力が、ゲノム分野では不可欠である。相互作用をモニタリングするのに一般的に採用されている方法の一つが、光検知である。ここで、既知のＤＮＡストランドが選択された場所に固定され、標的が蛍光プローブによってラベルされている。標的が相補プローブと結合した証拠は、プローブの位置で蛍光発光することからわかる。しかしながら、この方法は費用がかかり、持ち運びできる道具で実施することが難しい。
【０００３】
これらの欠点を克服することを目的とした他の方法としては、ラベルを用いず、電気的に検知する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いるものがある。ＤＮＡ結合は、この技術を用いることによって検知される。ある報告された装置においては、金属ゲートを有さず、電圧が電解質を介して加えられる構造が用いられている。この例において、プローブはシリコンや、二酸化ケイ素や窒化ケイ素のようなシリコンベースの絶縁体上に固定されている。ゲートに固定された化学又は生化学分子があることによって、電気化学的二層に渡る電圧降下に影響する界面双極子が変化する。このことによって、装置のゲートに加えられる電圧が調整され、ＦＥＴの特徴の変化が起こる。しかしながら、シリコンベースの絶縁体、又は金属酸化物や半導体酸化物のような他の一般的に用いられるゲート絶縁体材料に直接接触するよう電解質が配置されると、水素や他のイオンを吸収したり、イオンが水素化したり、イオンが表面で移動したりするといった問題が、ゲート誘電体の表面で発生する。使用される材料によっては、液体環境、すなわち電解質に存在する水素の濃度（ｐＨ）や他のイオンの濃度に応じて、これらの工程を用いても操作に適さない装置になることが、しばしばある。
【０００４】
シリコン基板に生体分子を固定するには、表面で複数の（生）化学工程や反応が行われることが必要となる。例えば、基板をシラン化し、その後、化学的に修飾された生体分子を固定する前に、中間分子を固定する。複数の工程を施すことにより、製造される表面はしばしば再生不可能となり、生体分子からなる単層を形成することをコントロールすることが難しくなる。さらに、シリコン、酸化ケイ素及び窒化ケイ素のような半導体及び絶縁体は、修飾や汚れをコントロールできないため、再生可能な検査を達成するのに問題を発生させる。
【０００５】
これに対して、チオール化されたＣＨ２鎖を介して金（Ａｕ）基板に自己重合した単層を形成することが化学的によく知られており、一つの生化学工程で達成することができる。所定の時間、金基板に接触する修飾された生体分子を含む溶液を塗布するだけで、チオール群を有する修飾された生体分子を、容易にＡｕ基板上に重合させることができる。単層を形成するのに必要な時間と、プローブ分子の濃度は、金基板と溶液との間に印加する電圧によってコントロールすることができる。この工程のため、生体分子の単層を再生可能に形成する。さらに、金（Ａｕ）やプラチナ（Ｐｔ）のような金属は、酸素に対し不活性であり、これらの表面は、化学エッチング、化学又はプラズマ洗浄、及び熱アニールを含む様々な技術によって、きれいにされ、再生することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を、上述した方法によってプローブを固定することができるＡｕ金属ゲートとともに用いることによって、ＤＮＡセンサーを得ることができる。装置は、ＴＦＴチャンネル領域の頂点に製造されるＡｕ層を有する、従来の多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ＰＴＦＴ）を有している。このように、この装置は、内部増幅部を有する電気検出器の利点と、金基板上に固定された分子に関する既知の化学/生化学とを併せ持つ。しかしながら、この装置の構造には多数の欠点があり、底部ゲートＴＦＴに用いることができない。おそらく、最も重大な設計欠陥は、電圧調整が行われる機能化された金属センサー領域が、増幅が行われる電界効果トランジスタに非常に近い領域にあることによる不利益である。このことによって、特に電解質に接触している場合に、装置を化学的及び電気的に分離することが困難になる。装置に保護層を設けることもできるが、この層は、さらされるＦＥＴゲートのＡｕ電極領域の一部又は全部を残さなければならない。この結果、電流や化学漏れが接触面で起こり、ＦＥＴ構造に浸透するため、装置が故障する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によると、コア構造と、拡張ゲート構造とを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えた分子間相互作用を検知するために用いられるセンサーであって、コア構造及び拡張ゲート構造は基板の実質的に分離された領域に配置され、拡張ゲート構造はプローブ分子を固定することができる露出金属センサー電極を含んでおり、センサーは、使用時に、金属センサー電極の露出表面で分子が相互作用することに反応して、ＦＥＴの電気特性が変化するよう作動することを特徴とするセンサーを提供することができる。
【０００８】
露出金属センサー電極を含むＦＥＴゲート構造を、ソースとドレインを含む残存コアＦＥＴ構造から空間的に分離することにより、コア構造をセンサー領域から本質的に分離することができる。
【０００９】
ＦＥＴは金属絶縁体半導体（ＭＩＳ）タイプ構造を有することが好ましい。ＭＩＳタイプＦＥＴは、他のタイプのＦＥＴに勝る既知の利点を有している。このような利点としては、ＤＣインピーダンスが高いこと、ゲート電圧幅が大きいこと、ソース−ドレイン破損電圧が高いこと、及びゲート漏れが少ないことを挙げることができる。
【００１０】
装置の拡張ゲート構造によって、ゲート構造から独立してコアＦＥＴ構造を保護することができ、残りのＦＥＴ構造からの独立性を下げることなく、センサー電極から電気的結合を分離することもできる。
【００１１】
センサーが、コアＦＥＴ構造上に配置された保護層をさらに有することが好ましい。保護層は、ポリアミドからなることが好ましいが、ＢＣＢやＳｉ３Ｎ４のような材料でも可能であり、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４のような異なる材料からなる複数層であってもよい。
【００１２】
センサーが、センサー電極に電気的に接続する手段を、さらに有していることが好ましい。
【００１３】
センサー電極が、実質的に金から形成されていることが好ましい。この代わりに、センサー電極が、実質的にクロムやプラチナから形成されていることも好ましい。
【００１４】
本発明において、金属層は下方に配置されたゲート材料を保護するために用いられ、このことによって、水環境でも用いることができるようになる。従来技術の装置とは対照的に、ゲート半導体又は絶縁体材料が、金属による水素化や他のイオン拡散工程から守られているので、誘電体特性を維持することができる。金のような金属は重要な大概の電解質に対して不活性であり、伝導特性は電解質のイオン濃度によって影響を受けない。このため、ＦＥＴ特性は明確であり、水性環境であっても安定しており、露出ゲート金属と接触する電解質のイオン強度やｐＨによって影響を受けない。
【００１５】
センサーは、参照電極をさらに備えていることが好ましい。一対のＦＥＴと参照電極との間に電圧差を加える手段をさらに備えていることが好ましい。特に、参照電極とセンサー電極との間に電位差を加えることによって、分子の固定や、相互作用時間に影響を与えることができる。
【００１６】
従来の装置では、Ａｕ電極に対して電気的な接続が分離されておらず、実際に、採用されている設計ではこれを実現することは難しかった。接続することによって、参照電極と、Ａｕセンサー電極との間に電位差を印加することができる。このような印加電圧が無いと、必要な化学／生化学工程の多くに、長い時間がかかってしまう。これには、プローブ分子を固定するなど、装置を準備したり、製造したりするのに必要な工程だけでなく、相補標的との結合のような、重要な分子間相互作用も含まれている。独立して電気的にコントロールするための機能がないので、大量生産や、ハイスループット・スクリーニングには不適切である。
【００１７】
化学及び生化学的相互作用の両範囲が、金属センサーに実質的に固定されたプローブ分子の特性に反応するセンサーによって検知される。
【００１８】
センサーは、露出金属センサー電極上に固定された少なくとも一つのプローブ分子をさらに備えていることが好ましい。
【００１９】
プローブ分子は、プロテイン、抗体及び抗原、ビタミン、ペプチド、砂糖並びにＤＮＡ、ＲＮＡ及びＰＮＡを含むオリゴヌクレオチドからなる群の中から選ばれることが好ましい。
【００２０】
センサーは、プローブ分子に接触する電解質をさらに備えていることが好ましい。電解質は、標的分子に対して適切なホストとして機能し、センサー電極と、参照電極との間の電気回路を完成させることもできる。
【００２１】
個々のセンサーだけでなく、複数のセンサーを有するセンサー列であってもよく、各センサーは、本発明の一態様によるセンサーからなっている。センサー列は、一次元（直線）列、又は二次元列となっている。列は、コントロールしたり、データを収集したりする付加回路を有しており、相互作用をモニタリングする付加機能を有している。
【００２２】
センサー列は、スキャンと、列内の少なくとも二つのセンサーのセンサー電極に接触するセンサー回路とをさらに備えていることが好ましい。
【００２３】
センサー列は、列内の少なくとも一つのセンサーのセンサー電極に切替可能に接続する手段をさらに備ていることが好ましい。
【００２４】
特定の相互作用を特徴づけることに加え、センサーは相互作用に関与する特定種を同定することにも用いられる。
【００２５】
標的分子を同定するために、センサー又はセンサー列が用いられることが好ましい。所定の相互作用タイプに対して、標的分子が、プローブ分子と生物接合することが好ましい。
【００２６】
本発明の別の態様によると、分子間相互作用を検知する方法であって、拡張ゲート構造及びコア構造が基板の実質的に分離された領域に配置されている、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の拡張ゲート構造の一部を形成する露出金属センサー電極上に、少なくとも一つのプローブ分子を固定する工程と、プローブ分子に接触する、少なくとも一つの標的分子を含む電解質を配置する工程と、金属センサー電極の露出表面で、プローブ分子と標的分子との間の分子間相互作用に反応するＦＥＴの電気特性の変化を検知する工程と、を備えている方法を供給することができる。
【００２７】
本願の方法によって、二つのタイプの分子間の相互作用を容易に検出し、モニタリングでき、好ましく進む特徴的な電気信号を生成する単純な方法を得ることができる。
【００２８】
本願の方法は、ＦＥＴ構造の一部と、電解質に接触している参照電極との間に電位差を印加する工程をさらに備えていることが好ましい。このような方法で電位差を印加することによって、固定する速度と、プローブ分子の結果濃度の両方をコントロールすることができる。さらに、分子間相互速度も増加するので、リアルタイム速度に近い速度でデータを収集することができる。
【００２９】
プローブ分子の濃度は、ときどき、センサー電極を相当程度に覆うほど十分ではない。このため、本願の方法は、センサー電極上のプローブ分子の間に、標的分子に対してほとんど不活性なスペーサー分子を配置する工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３０】
特にＦＥＴ電気特性の電荷が増加する場合には、検出方法は相互作用種を適切にラベリングすることによって改善される。
【００３１】
本願の方法は、電気的に帯電した分子によって、標的分子をラベルリングする工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３２】
本願の方法は、プローブ分子と標的分子との間の分子間相互作用を引き起こすために結合する帯電分子を供給する工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３３】
特定分子間相互作用を検出することができるので、本願の方法は、相互作用に係わる特定種を同定することにも用いることができる。本願の方法は、特に、ＤＮＡ結合を検出することによってＤＮＡを同定するために用いられることが好ましい。
【００３４】
結局、本発明によれば、多種多様な分子間相互作用をモニターすることに用いることができる万能な電気センサー及び検知方法を得ることができ、特定の標的種を同定することにも用いることができる。特に重要な応用法としては、結合工程を検出することによってＤＮＡを同定することである。ＦＥＴ装置を用いることによって内部増幅させ、この間、拡張ゲート構造によって、露出金属センサー領域からＦＥＴ構造のコア部を電気的及び化学的に同定することが容易になる。この設計により、コントロール電圧を印加するために、センサー電極への電気的接続を分離させることが容易になる。印加電圧によって、ゲートを機能化するプローブ固定工程をコントロールすることができ、その後の電解質に含まれる標的分子との相互作用をコントロールすることもできる。速度の増加は、このようにして達成することができる。単一センサー装置は、容易に一体化したセンサー列に拡張され、装置機能や、モニタリング能力をより向上させることができる。個々のセンサーの拡張ゲート構造によって、列内におけるセル間の独立性は、より確実になる。
【００３５】
本発明の実施の形態は、添付図面を参照として詳細に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の機能金属ゲートと電解質との間の接触面における電位分布が変化することによって発生する化学、生化学又は生物学的な相互作用を検知するためのものである。従来の双極トランジスタと異なって、ＦＥＴトランジスタは、ソース、ゲート及びドレインからなり、その作用は、ソースからドレインまでのゲートを通過する多くのキャリアの流れに応じて変化する。この流れは、ゲート下方の横電場によってコントロールされる。金属絶縁体半導体型のＦＥＴ（ＭＩＳＦＥＴ）は、他のタイプのＦＥＴと比較して、優れた作用を示すので好ましい。本発明による機能ゲートによって分子間相互作用を検知するのに適した、多種多様なＭＩＳＦＥＴがある。このようなものの一つは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）であり、単結晶又は単一粉末からなる活性層ＴＦＴ、多結晶シリコンＴＦＴ、アモルファスシリコンＴＦＴ及び有機ＴＦＴを含む、多種多様なＴＦＴがある。
【００３７】
本発明は、一般的なＦＥＴ構造と異なって、拡張構造を有するゲートを有するＦＥＴを用いる。このタイプのゲート構造を有するＦＥＴは、しばしば拡張ゲート電界効果トランジスタ（ＥＧＦＥＲＴ）と呼ばれている。図１は、拡張ゲート構造２を有する多結晶シリコンタイプＴＦＴ１の一例を示している。ＴＦＴは基板３上に形成され、ＳｉＯ２層４と、ポリＳｉ層５とを有しており、ポリＳｉ層５には、ソースとドレイン６が配置されている。タンタル（Ｔａ）ゲート８は、ポリＳｉ層５から、ＳｉＯ２層（ゲート誘電体）７によって分離されており、別のＳｉＯ２層（フィールド酸化層）９によって覆われている。ソースとドレイン６はアルミニウム（Ａｌ）接触部１０を有している。拡張ゲート構造２は、Ｔａゲート８上の一部に形成されるクロム（Ｃｒ）又は金（Ａｕ）センサー電極１１を含んでいる。Ｓｉ３Ｎ４保護層１２が前記構造の大部分を覆っているものの、センサー電極１１がＳｉ３Ｎ４層１２の一部の上に延在しており、外部電極はセンサー電極１１に電気的に接触することができる。
【００３８】
図１の多結晶シリコンＥＧＦＥＲＴを製造する典型的な方法は、
（１）ガラス基板上にＳｉ薄膜を分布する工程と、
（２）ポリＳｉ薄膜をレーザー結晶化する工程と、
（３）ポリＳｉチャネルをパターニングする工程と、
（４）ゲート酸化物を分布する工程と、
（５）ゲート金属（タンタル）を分布し、パターニングする工程と、
（６）ｎ＋又はｐ＋イオンをドープする工程と、
（７）フィールド酸化膜を分布する工程と、
（８）ソース及びドレイン上に接触孔を形成する工程と、
（９）ソースとドレインに接触するためのＡｌを分布する工程と、
（１０）ＳｉＯ２フィルムを分布する工程と、
（１１）Ｓｉ３Ｎ４フィルムを分布する工程と、
（１２）Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の二層に孔を開けるために、拡張ゲート上方に第二接触部を形成する工程と、
（１３）クロム／金を分布し、パターニングする工程と、を備えている。
【００３９】
図１に示したタイプのＥＧＦＥＲＴはセンサー領域、すなわち電圧が調整される金属センサー電極を、電界効果トランジスタ（増幅器）から空間的に分離することができるので有益である。このように、中心トランジスタ領域は、例えばポリアミドの保護フィルムを用いることによって、化学的及び電気的に分離することができるので、汚れ、電流の漏れ及び安定性の問題を回避することができる。さらに、ＥＧＦＥＲＴ構造によって、ナノ構造電極、膜、マイクロチャンバ及びマイクロ流体装置への接触部のような、より複雑なセンサー領域の構造を容易にすることができる。
【００４０】
図２は、図１のＥＧＦＥＲＴに基づいた本発明によるセンサー２０を示している。電解ドロップ２１を含むセンサーは、疎水性表面２２と親水性表面２３を組み合わせたセンサー電極１１に近くに限定され、電解質２１はセンサー電極１１と参照電極２４の両方に接触している。ここで、環状参照電極を通過する横断面だけが示されている。図示されているように、ＥＧＦＥＲＴ構造は、拡張ゲート構造のセンサー領域に電解質を留めることができるので、センサー領域と増幅領域を、電気的などにおいて、完全に分離することができる。
【００４１】
ＦＥＴは典型的には、加えられるゲートソース電圧（ＶＧＳ）によってドレイン電流（ＩＤ）を変化させることに特徴がある。ＭＩＳＦＥＴのゲート金属が電解質に接触し、電圧が、ＦＥＴのソースと、電解質に接触している参照電極との間に加えられると、ゲートと電解質との間の接触面に発生する表面双極子の大きさ（χ）を変化させることができる。これは、電気化学的な二重層に渡るポテンシャル（ψ０）を含む装置内の潜在的な違いを変化させることによって実現される。これらの変化の結果、ＦＥＴのＩＤ−ＶＧＳ特性は電圧軸に沿ってシフトする。このシフトは、異なるタイプの電解質を基準としてもよい。
【００４２】
本発明において、ここではプローブ分子とされている生物、有機、他のタイプの分子の一以上のタイプが化学的又は生化学的工程を介して金属ゲートに固定されている。典型的なプローブ分子の例としては、プロテイン、抗体及び抗原、ビタミン、ペプチド、砂糖並びにＤＮＡ、ＲＮＡ及びＰＮＡを含むオリゴヌクレオチドを挙げることができる。このため、ＦＥＴの調整された金属ゲートは、機能ゲートとして示されている。固定された化学種があることによって、固定された化学種の分配を変えたり、電解質分子の化学吸着や物理吸着のような機能ゲートと電解質との間の相互作用を変えたりすることを含め、様々な微視的現象によって、χを更に変化させることができる。ポテンシャルψ０に対応する影響は、ＦＥＴのＩＤ−ＶＧＳ特性を変化させ、調整されていないゲートのＦＥＴと比較して、電圧軸に沿ってシフトする、というように大まかに記載することができる。
【００４３】
プローブ分子が電解質内にある他の種と相互作用するとき、χ及びψ０は更に変化する。特に、これらの種は意図的に電界室内に含まれ、標的分子と名付けられている。標的分子がプローブ分子と生物結合する場合に、変化が特に際だつ。ＤＮＡプローブの与えられたストランドに機能するゲートが補填ストランドとともに標的にさらされると、結合がおこる。結合分子によるマイナス電荷総計は、単鎖のオリゴマーの二倍になるので、χ及びψ０は変化する。これに対して、機能ゲートが非相補ストランドにさらされる場合には、結合は起こらず、上述のパラメータは変化しない。このため、ＩＤ−ＶＧＳ特徴におけるシフトや他の変化は、ＤＮＡ結合を検知するのに用いることができる。この方法はプロテインやセルのような他の化学システムや生化学システムに拡張して用いてもよい。
【００４４】
プローブ分子及び標的分子との間の相互作用におけるχ及びψ０の変化を増幅、すなわち実際に誘導するために、標的分子は電気分子によって生化学的にラベルリングすることができる。他方、変化を促したり、誘導したりするために、生物接合したプローブ標的種に特に結合する帯電分子を、システムに加えることができる。
【００４５】
プローブ分子によって覆われておらず、電解質にさらされているゲート金属の領域がある場合には、この方法の効率が下がる可能性がある。このため、標的に不活性であり、これらの領域を保護するために、かなり低い電荷を運ぶ分子を用いることができる。このような分子は、通常、スペーサー分子と呼ばれている。電解質の特有のデバイ長さよりもプローブ分子間の距離が大きくなると、この方法の効率も下がる。プローブ分子の密度は、ゲート金属と参照電極との間に印加される電圧によってコントロールされ、デバイ長さは、溶液のイオン濃度を変化させることによってコントロールすることができる。
【００４６】
本発明によるＤＮＡ結合を検知するためのＥＧＦＥＲＴセンサーの化学／生化学準備工程の例は以下に示す通りである。電解質は、５０ｍＭの塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を含み、ｐＨ７．０の５０ｍＭのリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）を有している。アデニンの２０塩基対からなり、５’端部がＨＳ−（ＣＨ２）６−ＰＯ４−（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）６−ｓｓＤＮＡによって修飾された単鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）は、１ＭのＮａＣｌと、１ｍＭのエチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）とを含む１Ｍのカリウムリン酸緩衝溶液（ｐＨ７）の１Ｍ濃度を用いる金センサー電極に固定されている。これを行う際、分離していない接続部がセンサー電極に設けられているが、ソースとドレインは互いに連結しており、＋０．３Ｖの電圧がこれらと、修飾ＤＮＡを含む溶液に浸されたプラチナワイヤとの間に加えられている。約３時間以上経過すると固定され、その後、ＤＮＡ分子間に間隙を形成するために、純粋なＨ２Ｏと１０ｍＭのＥＤＴＡを含む１０ｍＭのＮａＣｌとによって基板が洗浄され、その後、１ＭのＮａＣｌと１ｍＭのＥＤＴＡを含む１Ｍのカリウムリン酸緩衝溶液（ｐＨ７）の１ｍＭ濃度内に、化学的なメルカプトヘキサノールＨＳ−（ＣＨ２）６−ＯＨが１時間以上入れられ、固定される。スペーサー分子を固定した後、基板は再びＨ２ＯとＮａＣｌ／ＥＤＴＡによって洗浄される。
【００４７】
図３Ａは、上述された方法で準備されたｎ−チャネルＰＴＦＴ  ＥＧＦＥＲＴのＤＮＡプローブの固定前と固定後の両方におけるＩＤ−ＶＧＳの測定結果を示している。図示されているように、約５Ｖのゲートソース電圧の閾値を超えて、ＶＧＳが増加すると、ドレイン電流（ＩＤ）は急速に増加する。５ｍＭと５０ｍＭの二つの異なる濃度を有するリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）溶液に対するデータが示されているが、二つの特定曲線は互いに重なり合っている。固定されたＤＮＡプローブの二つの異なる濃度の機能ゲートに対するデータも示されている。やはり、ＩＤ−ＶＧＳ曲線は互いに重なり合っているが、高いゲートソース電圧において、上昇特性は、ＰＢＳ溶液内にある非機能ゲートと比較して、明らかに移動している。
【００４８】
相補標的ＤＮＡがあると、結合プロセスによって、ＩＤ−ＶＧＳ特性においてより大きくシフトする。この実験例を示すために、１８塩基対からなる単鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）と、５’でＨＳ−（ＣＨ２）６−ＰＯ４−（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）６−ｓｓＤＮＡによって修飾された５'-ＡＣＣＡＴＴＴＣＡＧＣＣＴＧＴＧＣＴ列とが、メルカプトヘキサノールＨＳ−（ＣＨ２）６−ＯＨからなるスペーサー分子と、１：１のモル比で、５０ｐｍ×６μｍＴＦＴの金属ゲートに固定されている。１ＭのＮａＣｌ、５ｍＭのＭｇＣｌ２及び１ｍＭのエチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）を含むｐＨ７．０の１Ｍのカリウムリン酸緩衝液内で２μＭの総濃度が用いられる。固定した後、基板は１０ｍＭのＥＤＴＡを含む純粋なＨ２Ｏと１０ｍＭのＮａＣｌによって洗浄される。３'- ＴＧＧＴＡＡＡＧＴＣＧＧＡＣＡＣＧＡ列を有する相補ＤＮＡストランドが、１ＭのＮａＣｌを有する１ＭのｐＨ７．０のリン酸緩衝液内の１μＭの濃度で用いられている。相互作用させたのち、基板は再びＨ２Ｏによって洗浄される。
【００４９】
ＴＦＴのＩＤ−ＶＧＳ特性はパラメータ分析器を用いて測定され、電圧は、測定緩衝液に浸され、ＴＦＴを参照とするＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極を介してゲートに加えられる。測定中、ＶＧＳは負電圧から正電圧へと移動したり、戻ったりして、ＶＧＳは０．１Ｖで一定になる。固定し、結合する工程の間、ドレインとソースはともに電気的にアースされている。図３Ｂは固定される前、１８−ｍｅｒ  ｓｓＤＮＡが固定された後及び相補ストランドに結合した後のＴＦＴのＩ−Ｖ特性を示している。一晩かけてｓｓＤＮＡを固定すると、Ｉ−Ｖ曲線は４４５ｍＶシフトする。相補ストランドと結合した後、３３５ｍＶだけさらにシフトしている。ＤＮＡ溶液に対して、トランジスタのソースとドレインに０．３Ｖの電圧を１時間加えると、結合が起こる。この結果は、ＤＮＡ結合工程を検知することによるＴＦＴ特性における変化を、明らかに示している。
【００５０】
今までは、単一センサー装置だけを取り扱っている例だけを示したが、検出器をセンサー列に拡張することもできる。図４は、機能ゲートＥＧＦＥＲＴセンサー４１の一次元直線列（１，２，…，ｎ）に関するこの考えの具体例４０を示している。列内の各金センサー電極に接触しているスキャン及びセンサー回路４２も示されている。スキャン及びセンサー回路は、外部マイクロチップ上に配置することができるし、センサー列と一体にすることもできる。列を用いることによって、列を横断した分子間相互作用が空間的に分離していることや、各センサーが異なる時間で開閉する場合には一時的分離することも含め、センサー全体にさらなる機能性を付与することができる。列内で用いられること、すなわち個々のセンサー間の独立性を容易にすることによって、隣接セル間の相互作用を減らすことができ、このことにより、ＥＧＦＥＲＴ設計のさらなる利点は明白である。これは、従来技術の装置構造では達成することが困難である。
【００５１】
上述されたセンサー列概念は、もちろん、センサー二次元列に拡張することができる。この場合、個々にスイッチ可能な電気接続部に、列内の各センサー電極が設けられていることが好ましい。図５は、センサートランジスタにスイッチ可能に接続する適切な回路設計５０を示している。各センサーセルは、センサートランジスタＴ１からなっており、このゲートはスイッチトランジスタＴ７に接続している。ゲートの金属電極５１は、電位がＶＲＥＦの参照電極５６に、容量的に結合している。回路操作は、ｎチャネルＦＥＴを有する装置を想定した具体例によって、以下に示される。溶液内に存在する特定プローブを固定するＡｕ電極５１を選択するために、ＶＳＥＬＥＣＴは縦列５２に対して高くなり、ＶＰＲＥＳＥＮＴ／ＷＲＩＴＥは横列５３に対して正になる。ＶＳＥＬＥＣＴは全ての残りの縦列に対して低くなり、ＶＰＲＥＳＥＮＴ／ＷＲＩＴ−ＶＲＥＦは全ての残りの横列に対してゼロ又は負になる。この方法において、ＤＮＡプローブの固定を促進するのに必要な正電圧が選択的に印加される。結合段階において、選択的に促進電圧を印加する必要なく、このため、複数の電極を同時に選択することができる。
【００５２】
トランジスタＴ７は、“呼びかけ信号“、すなわちリードアウト段階におけるセンサー位置を選択することにも用いることができる。この場合、ＶＰＲＥＳＥＮＴ／ＷＲＩＴ＝ＶＲＥＦ＝ＶＲＥＡＤは全ての横列に対して低くなる。最初は、ＶＳＥＬＥＣＴは全ての縦列に対して高くなる。この状態で、リードアウト電子機器５４によって電流は検出されない。そして、ＶＲＥＡＤが横列５３に対して高くなり、各リードアウト回路によって測定される電流が、横列５３の各トランジスタに対するＶＧＳ＝ＶＯＮに相当するようになる。次に、ＶＳＥＬＥＣＴが全ての縦列に対して低くなり、測定電流が、表面双極子効果によって調整されるゲート電圧に相当するようになる。大きな高分離列においては、クロストークや、干渉を最小にすることが重要である。このため、再び、センサートランジスタにＥＧＦＥＲＴ設計を用い、センサー領域の電解質を限定することは、従来技術のセンサー設計と比べて、かなり有益である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】ＥＧＦＥＲＴの構造。
【図２】機能ゲートと参照電極を有するＥＧＦＥＲＴを通過する横断面図。
【図３Ａ】センサー電極にプローブを固定する前及び固定した後のＥＧＦＥＲＴの電流−電圧特性を示す図。
【図３Ｂ】ＤＮＡプローブを固定する前、固定した後及び相補ストランドと結合した後のＥＧＦＥＲＴの電流―電圧特性を示す図。
【図４】キャプチャー電子を有するセンサー電極の直線列を示した図。
【図５】センサー電極にスイッチ可能に接続し、二次元センサー列に用いるのに適する回路を示した図。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年6月8日(2006.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡張ゲート構造と、ドレイン及びソースを含むコア構造とを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えた分子間相互作用を検知するために用いられるセンサーであって、
コア構造及び拡張ゲート構造は基板の実質的に分離された領域に配置され、
拡張ゲート構造はプローブ分子を固定することができる露出金属センサー電極を含んでおり、
金属センサー電極の露出された表面で分子が相互作用することに反応して、ＦＥＴのゲートソース電圧（ＶＧＳ）に対するドレイン電流（ＩＤ）の電気特性が変化するよう作動することを特徴とするセンサー。
【請求項２】
ＦＥＴは、金属絶縁体半導体（ＭＩＳ）タイプ構造を有することを特徴とする請求項１記載のセンサー。
【請求項３】
ＦＥＴコア構造上に配置された保護層を、さらに備えたことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のセンサー。
【請求項４】
保護層は、ポリアミド、ＢＣＢ、ＳｉＯ２及びＳｉ３Ｎ４を含む群から選ばれる少なくとも一つの材料から形成されていることを特徴とする請求項３記載のセンサー。
【請求項５】
センサー電極に電気的に接続する手段を、さらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサー。
【請求項６】
金属センサー電極は、実質的に金から形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサー。
【請求項７】
金属センサー電極は、実質的にクロムから形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサー。
【請求項８】
金属センサー電極は、実質的にプラチナから形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサー。
【請求項９】
参照電極をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１０】
一対のＦＥＴと参照電極との間に電圧差を加える手段をさらに備えたことを特徴とする請求項９記載のセンサー。
【請求項１１】
露出金属センサー電極上に固定された少なくとも一つのプローブ分子をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１２】
プローブ分子は、プロテイン、抗体及び抗原、ビタミン、ペプチド、砂糖並びにＤＮＡ、ＲＮＡ及びＰＮＡを含むオリゴヌクレオチドからなる群の中から選ばれることを特徴とする請求項１１記載のセンサー。
【請求項１３】
少なくとも一つのプローブ分子に接触する電解質をさらに備えたことを特徴とする請求項１１又は１２のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１４】
複数のセンサーを有し、
当該センサーは各々、請求項１乃至１３に記載されたセンサーからなることを特徴とするセンサー列。
【請求項１５】
スキャンと、列内の少なくとも二つのセンサーのセンサー電極に接触するセンサー回路とをさらに備えたことを特徴とする請求項１４記載のセンサー列。
【請求項１６】
列内の少なくとも一つのセンサーのセンサー電極に切替可能に接続する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１４又は１５のいずれかに記載のセンサー列。
【請求項１７】
標的分子を同定するために、請求項１乃至１３のいずれかに記載のセンサー、又は請求項１４乃至１６のいずれかに記載のセンサー列を用いることを特徴とする使用方法。
【請求項１８】
標的分子は、プローブ分子と生物接合することを特徴とする請求項１７記載のセンサー又はセンサー列の使用方法。
【請求項１９】
分子間相互作用を検知する方法であって、
拡張ゲート構造と、ドレイン及びソースを含んでいるコア構造とが、基板の実質的に分離された領域に配置された、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の拡張ゲート構造の一部を形成するセンサー電極上に、少なくとも一つのプローブ分子を固定する工程と、
少なくとも一つのプローブ分子に接触する、少なくとも一つの標的分子を含む電解質を配置する工程と、
金属センサー電極の露出された表面で少なくとも一つのプローブ分子と標的分子との間の分子間相互作用に反応して、ＦＥＴのゲートソース電圧（ＶＧＳ）に対するドレイン電流（ＩＤ）の電気特性の変化を検知する工程と、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２０】
ＦＥＴの一部と、電解質に接触している参照電極との間に電位差を印加する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
センサー電極上のプローブ分子の間に、標的分子に対してほとんど不活性なスペーサー分子を配置する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１９又は２０記載の方法。
【請求項２２】
電気的に帯電した分子によって、標的分子をラベルリングする工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
プローブ分子と標的分子との間の分子間相互作用を引き起こすために結合する帯電分子を供給する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
請求項１８乃至２３のいずれかの方法を用いて、ＤＮＡ結合を検出する工程をさらに備えたことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2007506085.tif 000009
2007506085.tif 000010
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