(57)【要約】本発明は、センサセル（１０）をマトリクス状に配列したセンサセルマトリクスと、同マトリクスの行方向に並ぶ一群のセンサセルに所定の電圧信号を供給する行ドライバ（１３）と、同マトリクスの列方向に並ぶ一群のセンサセルに所定の電圧信号を供給する列ドライバ（１２）とを備えたバイオセンサを提供する。センサセル（１０）は、ターゲットＤＮＡと選択的に反応するプローブＤＮＡを電極表面に固定した一対の対向電極からなる容量素子Ｃｓと、ゲート端子が容量素子Ｃｓと接続することによって、ＤＮＡハイブリダイゼーションによって変化する容量素子Ｃｓの容量変化量に対応してドレイン端子から出力される電流値を変化させるトランジスタＴｒ２と、列ドライバ（１２）から供給される電圧信号をトランジスタＴｒ１の電流入力端子に供給するスイッチング素子Ｔｒ１とを備える。
2003087798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の生体分子と選択的に反応する生体認識分子を受容体とし、当該受容体を電極表面に固定した一対の対向電極からなる容量素子と、
前記受容体と生体分子との反応によって変化する前記容量素子の容量変化量を電気信号として出力するトランスジューサとを備えるセンサセル。
【請求項２】
前記一対の対向電極は、櫛歯状に成形された櫛歯電極である、請求項１に記載のセンサセル。
【請求項３】
前記一対の対向電極は、内径の異なる円弧状の電極部を複数有し、対向する電極部相互間で円弧状の容量キャパシタを形成する電極である、請求項１に記載のセンサセル。
【請求項４】
前記一対の対向電極間には各々の電極間を仕切るための絶縁膜が形成されている、請求項１に記載のセンサセル。
【請求項５】
前記電極表面には、金属微粒子が堆積している、請求項１に記載のセンサセル。
【請求項６】
前記金属微粒子の材質は、金、銀、白金、銅からなる群から選ばれる、請求項５に記載のセンサセル。
【請求項７】
前記一対の対向電極の材質は、金、銀、白金、銅、アルミニウムからなる群から選ばれる、請求項１に記載のセンサセル。
【請求項８】
前記一対の対向電極は、反応ウェル内に形成されている、請求項１に記載のセンサセル。
【請求項９】
前記トランスジューサは、前記容量素子の容量変化に対応して相互コンダクタンスを変化させる電界効果トランジスタである、請求項１に記載のセンサセル。
【請求項１０】
前記生体認識分子は、プローブＤＮＡである、請求項１に記載のセンサセル。
【請求項１１】
生体反応を電気信号として出力するセンサセルをマトリクス状に配列したセンサセルマトリクスと、
前記センサセルマトリクスの行方向に並ぶ一群のセンサセルに接続する行選択線に所定の電圧信号を供給する行ドライバと、
前記センサセルマトリクスの列方向に並ぶ一群のセンサセルに接続する列選択線に所定の電圧信号を供給する列ドライバとを備える、
前記センサセルは、特定の生体分子と選択的に反応する生体認識分子を受容体とし、当該受容体を電極表面に固定した一対の対向電極からなる容量素子と、
電流制御端子が前記容量素子と接続することによって、前記受容体と生体分子との反応によって変化する前記容量素子の容量変化量に対応して電流出力端子から出力される電流値を変化させるトランジスタと、
前記列ドライバから供給される電圧信号を前記トランジスタの電流入力端子に供給するスイッチング素子とを備え、
前記スイッチング素子は前記行選択線を介して行ドライバから供給される電圧信号により開状態となり、前記列選択線を介して列ドライバから供給される電圧信号を前記トランジスタの電流入力端子に入力する、バイオセンサ。
【請求項１２】
前記一対の対向電極は、櫛歯状に成形された櫛歯電極である、請求項１１に記載のバイオセンサ。
【請求項１３】
前記一対の対向電極は、内径の異なる円弧状の電極部を複数有し、対向する電極部相互間で円弧状の容量キャパシタを形成する電極である、請求項１１に記載のバイオセンサ。
【請求項１４】
前記一対の対向電極間には各々の電極間を仕切るための絶縁膜が形成されている、請求項１１に記載のバイオセンサ。
【請求項１５】
前記電極表面には、金属微粒子が堆積している、請求項１１に記載のバイオセンサ。
【請求項１６】
前記金属微粒子の材質は、金、銀、白金、銅からなる群から選ばれる、請求項１５に記載のバイオセンサ。
【請求項１７】
前記一対の対向電極の材質は、金、銀、白金、銅、アルミニウムからなる群から選ばれる、請求項１１に記載のバイオセンサ。
【請求項１８】
前記一対の対向電極は、反応ウェル内に形成されている、請求項１１に記載のバイオセンサ。
【請求項１９】
前記トランジスタを電界効果トランジスタとし、前記電流制御端子をゲート端子とし、前記電流入力端子をソース端子と、前記電流出力端子をドレイン端子とする、請求項１１に記載のバイオセンサ。
【請求項２０】
前記生体認識分子は、プローブＤＮＡである、請求項１１に記載のバイオセンサ。
【請求項２１】
生体反応に起因して容量値が変化する容量素子の製造方法であって、
絶縁性の基板上に一対の対向電極を成膜する工程と、
所定の分散剤に含まれる金属微粒子を前記対向電極の表面上に塗布する工程と、
前記対向電極の表面上に塗布された分散剤を乾燥させ、前記金属微粒子を前記対向電極の表面上に固定させる工程とを含む、容量素子の製造方法。
【請求項２２】
前記金属微粒子の材質は、金、銀、白金、銅からなる群から選ばれる、請求項２１に記載の容量素子の製造方法。
【請求項２３】
前記一対の対向電極を区切る絶縁膜を成膜した後、前記金属微粒子を塗布する工程を含む、請求項２１に記載の容量素子の製造方法。
【請求項２４】
前記絶縁膜の材質はポリイミドである、請求項２３に記載の容量素子の製造方法。
【請求項２５】
前記対向電極の表面を親液性とし、前記絶縁膜の表面を撥液性とする表面処理工程を含む、請求項２３のうち何れか１項に記載の容量素子の製造方法。
【請求項２６】
前記表面処理工程は、酸素にフッ素又はフッ素化合物を含んだガスを使用し、減圧雰囲気下における減圧プラズマ処理、若しくは大気圧雰囲気下における大気圧プラズマ処理である、請求項２５に記載の容量素子の製造方法。
【請求項２７】
特定の生体分子と選択的に反応する生体認識分子を受容体として前記金属微粒子の表面に固定する工程を含む、請求項２１に記載の容量素子の製造方法。
【請求項２８】
前記生体認識分子は、プローブＤＮＡである、請求項２７に記載の容量素子の製造方法。
【請求項２９】
特定の生体分子と選択的に反応する生体認識分子を受容体とし、当該受容体を電極表面に固定した一対の対向電極が設けられている反応ウェル内に前記特定の生体分子を含むサンプル溶液を、液滴吐出ヘッドを用いて前記反応ウェル内に吐出する吐出ステップと、
前記一対の対向電極によって構成される容量素子の容量変化量を電気信号に変換することにより、前記反応を検出する検出ステップとを含む、生体反応検出方法。
【請求項３０】
前記検出ステップは、前記一対の対向電極のうち何れか一方の電極に電流制御端子が接続するトランジスタの電流出力端子から出力される電流値の変化量を基に前記反応を検出する、請求項２９に記載の生体反応検出方法。
【請求項３１】
前記一対の対向電極は、櫛歯状に成形された櫛歯電極である、請求項２９に記載の生体反応検出方法。
【請求項３２】
前記一対の対向電極は、内径の異なる円弧状の電極部を複数有し、対向する電極部相互間で円弧状の容量キャパシタを形成する電極である、請求項２９に記載の生体反応検出方法。
【請求項３３】
前記一対の対向電極間には各々の電極間を仕切るための絶縁膜が形成されている、請求項２９に記載の生体反応検出方法。
【請求項３４】
前記電極表面には、金属微粒子が堆積している、請求項２９に記載の生体反応検出方法。
【請求項３５】
前記金属微粒子の材質は、金、銀、白金、銅からなる群から選ばれる、請求項３４に記載の生体反応検出方法。
【請求項３６】
前記生体認識分子は、プローブＤＮＡである、請求項２９に記載の生体反応検出方法。
【請求項３７】
プローブＤＮＡが電極表面に固定された一対の櫛歯状の対向電極からなる容量素子が形成された反応ウェル内に液滴吐出ヘッドを用いてターゲットＤＮＡを含むサンプル溶液を吐出するステップと、
前記反応ウェル内におけるＤＮＡハイブリダイゼーションに起因して変動する前記容量素子の容量変化量を、前記櫛歯状の対向電極とゲート端子が接続する電界効果トランジスタのドレイン端子から出力される出力電流の変化量から検出するステップと、
複数の反応ウェルから出力される前記出力電流の値をコンピュータ装置でデータ解析することにより遺伝子解析を行うステップとを含む、遺伝子解析方法。
【請求項３８】
前記反応ウェルはマトリクス状に配列されたセンサセル内に形成されており、隣接するセンサセル内に固定されるプローブＤＮＡの塩基配列はわずかに異なるように調製されている、請求項３７に記載の遺伝子解析方法。
【請求項３９】
前記一対の対向電極間には絶縁膜が形成されている、請求項３７に記載の遺伝子解析方法。
【請求項４０】
前記一対の対向電極の表面には金属微粒子が堆積している、請求項３７に記載の遺伝子解析方法。
【請求項４１】
前記金属微粒子の材質は、金、銀、白金、銅からなる群から選ばれる、請求項４０に記載の遺伝子解析方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は遺伝子解析、生体情報解析等に用いられるバイオセンサに関する。
背景技術
近年、ゲノムプロジェクトの進展により、各生物の遺伝子構造が次々に明らかになってきており、この成果を生命現象の解析に結び付けるためにもＤＮＡの塩基配列の解読、及び遺伝子情報の機能解析が課題となっている。細胞内における全ての遺伝子の発現量を一度にモニタリングするためのシステムとして、ＤＮＡマイクロアレイが利用されている。同アレイでは、細胞や組織から抽出したｍＲＮＡやｔｏｔａｌＲＮＡから逆転写反応を行い、プローブＤＮＡを調製し、スライドガラスなどの基板上に高密度にスタンプした後、蛍光色素で標識されたターゲットＤＮＡのうちプローブＤＮＡと相補的な塩基配列を有するターゲットＤＮＡをハイブリダイズさせ、蛍光パターンを観察することにより、遺伝子発現量を評価している。
しかし、上記のＤＮＡマイクロアレイでは蛍光反応などを光学的手段で検出しているため、装置が大掛かりになる上に、ハイブリダイゼーションをリアルタイムで検出することが困難となる。同様に、サンガー法を利用した自動シークエンシング法では、蛍光色素で標識されたＤＮＡ断片をゲル電気泳動で分離し、レーザ光を照射することによって、標識断片の色素を励起し、蛍光検出器によってシグナルを検出しているため、装置が大掛かりになる上にモニタリングをリアルタイムに行うことができない。
そこで、本発明は大量の遺伝子情報を簡易な構成でリアルタイムに解析できる技術を提案することを課題とする。
発明の開示
上記の課題を解決するため、本発明のセンサセルは、特定の生体分子と選択的に反応する生体認識分子を受容体とし、当該受容体を電極表面に固定した一対の対向電極からなる容量素子と、前記受容体と生体分子との反応によって変化する前記容量素子の容量変化量を電気信号として出力するトランスジューサとを備える。かかる構成により、生体反応を電気信号として検出できるため、センサセルからの検出信号をコンピュータ内で数値化してデータ処理することが可能となり、大量の遺伝子解析に好適である。
好ましくは、前記一対の対向電極は、櫛歯状に成形された櫛歯電極とするか、若しくは、内径の異なる円弧状の電極部を複数有し、対向する電極部相互間で円弧状の容量キャパシタを形成する電極とする。かかる構成により、キャパシタ容量を大きくすることができ、センサ感度を向上させることができる。
好ましくは、前記一対の対向電極間に各々の電極間を仕切るための絶縁膜を形成する。かかる構成により、容量素子の電極間の距離を短くすることができ、キャパシタ容量を大きくすることで、センサ感度を向上させることができる。
好ましくは、前記電極表面に金属微粒子を堆積する。かかる構成により、電極間距離を短くすることができ、キャパシタ容量を大きくすることで、センサ感度を向上させることができる。
好ましくは、前記金属微粒子の材質は、金、銀、白金、銅からなる群から選ばれる材質とする。これらの材質を利用することで、プローブＤＮＡの固定が容易となる。
好ましくは、前記一対の対向電極は、反応ウェル内に形成する。かかる構成により、センサセル毎に設けられた微小容積の反応ウェル内での生体反応を検出することができ、サンプル容積を極小にすることができ、経済的である。
好ましくは、前記トランスジューサは、前記容量素子の容量変化に対応して相互コンダクタンスを変化させる電界効果トランジスタとする。電界効果トランジスタを用いることで、容量素子の容量変化をドレイン電流の変化量として検出することが可能となる。
好ましくは、前記生体認識分子は、プローブＤＮＡである。これにより、ＤＮＡハイブリダイゼーションをリアルタイムに検出可能なＤＮＡマイクロセンサアレイを実現することができる。
本発明のバイオセンサは、生体反応を電気信号として出力するセンサセルをマトリクス状に配列したセンサセルマトリクスと、前記センサセルマトリクスの行方向に並ぶ一群のセンサセルに接続する行選択線に所定の電圧信号を供給する行ドライバと、前記センサセルマトリクスの列方向に並ぶ一群のセンサセルに接続する列選択線に所定の電圧信号を供給する列ドライバとを備える。ここで、前記センサセルは、特定の生体分子と選択的に反応する生体認識分子を受容体とし、該受容体を電極表面に固定した一対の対向電極からなる容量素子と、電流制御端子が前記容量素子と接続することによって、前記受容体と生体分子の反応によって変化する前記容量素子の容量変化量に対応して電流出力端子から出力される電流値を変化させるトランジスタと、前記列ドライバから供給される電圧信号を前記トランジスタの電流入力端子に供給するスイッチング素子とを備える。かかる構成において、前記スイッチング素子は前記行選択線を介して行ドライバから供給される電圧信号により開状態となり、前記列選択線を介して列ドライバから供給される電圧信号を前記トランジスタの電流入力端子に入力する。かかる構成により、生体反応を電気信号として検出できるため、センサセルからの検出信号をコンピュータ装置で数値化してデータ処理することが可能となり、大量の遺伝子解析に好適である。
好ましくは、前記一対の対向電極は、櫛歯状に成形された櫛歯電極であるか、若しくは内径の異なる円弧状の電極部を複数有し、対向する電極部相互間で円弧状の容量キャパシタを形成する電極とする。かかる構成により、キャパシタ容量を大きくすることができ、センサ感度を向上させることができる。
本発明の容量素子の製造方法は、生体反応に起因して容量値が変化する容量素子の製造方法であって、絶縁性の基板上に一対の対向電極を成膜する工程と、所定の分散剤に含まれる金属微粒子を前記対向電極の表面上に塗布する工程と、前記対向電極の表面上に塗布された分散剤を乾燥させ、前記金属微粒子を前記対向電極の表面上に固定させる工程とを含む。電極表面上に金属微粒子を塗布することで、キャパシタ面積を増大させることができ、センサ感度を向上させることができる。
好ましくは、前記金属微粒子の材質は、金、銀、白金、銅からなる群から選ばれる材質とする。これらの材質を選択することで、プローブＤＮＡの固定が容易となる。
好ましくは、前記一対の対向電極を区切る絶縁膜を成膜した後、前記金属微粒子を塗布する工程を含む。かかる絶縁膜を成膜することで、金属微粒子を塗布する際に、電極間を電気的に導通する事態を効果的に防ぐことができるとともに、電極間距離を狭めることで、キャパシタ容量を大きくすることができ、センサ感度を高めることができる。
好ましくは、前記絶縁膜の材質をポリイミドとする。ポリイミドにすることによって、表面処理が容易となる。
好ましくは、前記対向電極の表面を親液性とし、前記絶縁膜の表面を撥液性とする表面処理工程を含む。かかる表面処理工程により、分散剤に含まれる金属微粒子が絶縁膜上に堆積することによる電極間の導通を効果的に防ぐことができる。
好ましくは、前記表面処理工程は、酸素にフッ素又はフッ素化合物を含んだガスを使用し、減圧雰囲気下における減圧プラズマ処理、若しくは大気圧雰囲気下における大気圧プラズマ処理とする。かかる表面処理工程により、絶縁膜を撥液性とし、電極表面を親液性とすることができる。
好ましくは、特定の生体分子と選択的に反応する生体認識分子、例えば、プロープＤＮＡを受容体として前記金属微粒子の表面に固定する工程を含む。これにより、ＤＮＡマイクロアレイを実現することができる。
本発明の生体反応検出方法は、特定の生体分子と選択的に反応する生体認識分子を受容体とし、当該受容体を電極表面に固定した一対の対向電極が設けられている反応ウェル内に前記特定の生体分子を含むサンプル溶液を、液滴吐出ヘッドを用いて前記反応ウェル内に吐出する吐出ステップと、前記一対の対向電極によって構成される容量素子の容量変化量を電気信号に変換することにより、前記反応を検出する検出ステップとを含む。反応ウェル内へのサンプル溶液の充填を液滴吐出ヘッドで行うため、微小スポットへの正確な液滴吐出制御が可能となる。
好ましくは、前記検出ステップは、前記一対の対向電極のうち何れか一方の電極に電流制御端子が接続するトランジスタの電流出力端子から出力される電流値の変化量を基に前記反応を検出する。センサセルからの検出信号をコンピュータ装置で数値化してデータ処理することが可能となり、大量の遺伝子解析に好適である。
本発明の遺伝子解析方法は、プローブＤＮＡが電極表面に固定された一対の櫛歯状の対向電極からなる容量素子が形成された反応ウェル内に液滴吐出ヘッドを用いてターゲットＤＮＡを含むサンプル溶液を吐出するステップと、前記反応ウェル内におけるＤＮＡハイブリダイゼーションに起因して変動する前記容量素子の容量変化量を、前記櫛歯状の対向電極とゲート端子が接続する電界効果トランジスタのドレイン端子から出力される出力電流の変化量から検出するステップと、複数の反応ウェルから出力される出力電流の値をコンピュータ装置でデータ解析することにより、遺伝子解析を行うステップとを含む。かかる方法により、遺伝子解析を簡易かつ経済的に行うことができる。
好ましくは、前記反応ウェルはマトリクス状に配列されたセンサセル内に形成されており、隣接するセンサセル内に固定されるプローブＤＮＡの塩基配列はわずかに異なるように調製する。ＤＮＡハイブリダイゼーションは塩基配列が完全に一致していなくても起こり得るため、隣接するセンサセル間におけるプローブＤＮＡの塩基配列をわずかに異なるように調製すれば、センサセルの出力電流の分布からターゲットＤＮＡの塩基配列を推定することができる。
発明を実施するための最良の形態
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな形態で実施することができる。
発明の実施の形態１．
図１はバイオセンサの主要回路構成図である。同センサは、基板１１上においてＮ行Ｍ列のマトリクス状に配列され、センサセルマトリクスを構成するセンサセル１０と、当該センサセルマトリクスの列方向に並ぶ一群のセンサセル１０に所定の電圧を供給するための列選択線Ｘ１，Ｘ２，．．．，を駆動する列ドライバ１２と、センサセルマトリクスの行方向に並ぶ一群のセンサセル１０を選択し、センサセル１０におけるセンシング機能をスイッチング制御するための行選択線Ｙ１，Ｙ２，．．．，を駆動する行ドライバ１３とを備えて構成されている。センサセル１０は、反応ウェル内におけるプローブＤＮＡとターゲットＤＮＡとのハイブリダイゼーションを電気信号として検出するためのセンサであり、ＤＮＡハイブリダイゼーションを容量変化を基に検出するキャパシタＣｓと、センサセル１０のセンシング機能をスイッチング制御するためのスイッチングトランジスタＴｒ１と、反応ウェル内におけるプローブＤＮＡとターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションを電気信号に変換するトランスジューサ（信号変換素子）としてのトランジスタＴｒ２とを備えて構成されている。スイッチングトランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２は電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。
キャパシタＣｓは基板１１上において凹状に形成された反応ウェル内に形成されており、一対の対向電極から構成されている。当該電極の各々にはプローブＤＮＡが高密度に固定されており、ターゲットＤＮＡを含むサンプル溶液を反応ウェル内に充填することにより、プローブＤＮＡと相補的な塩基配列を有するターゲットＤＮＡがハイブリダイゼーションするため、特定の塩基配列に対して高い特異性をもったセンサが実現できる。個々のセンサセル１０に如何なる塩基配列のプローブＤＮＡが固定されているかは予め既知であるから、ハイブリダイズするターゲットＤＮＡの並びからターゲットＤＮＡの塩基配列を決定することができる。
ここで、センサセル１０の動作原理の概略について説明する。同図に示すセンサセル１０をアクティブにし、センシング結果を電気信号として出力するには、行選択線Ｙ１をＨレベルに設定し、スイッチングトランジスタＴｒ１をオフ状態（閉状態）からオン状態（開状態）に遷移させる一方で、列選択線Ｘ１，Ｘ２を各々Ｈレベルに設定する。スイッチングトランジスタＴｒ１はオン状態となっているため、トランジスタＴｒ２のソース端子にはスイッチングトランジスタＴｒ１を介して列選択線Ｘ２からの電源電圧が供給され、トランジスタＴｒ２がピンチオフ領域で動作できる状態になっている。トランジスタＴｒ２はピンチオフ領域で動作することによって、列選択線Ｘ２から供給される電源電圧の変動や温度変化に対して非常に安定したドレイン電流を出力するため、定電流源と電気的に等価になる。当該定電流源から出力される電流値はトランジスタＴｒ２のゲート電圧によって一意に定まる。
一方、反応ウェルでＤＮＡ断片のハイブリダイズが生じると、相補結合により二本鎖ＤＮＡとなるため、キャパシタＣｓの誘電率及び電極間距離が変化する。キャパシタＣｓの容量値は誘電率に比例し、電極間距離に反比例するため、上記ハイブリダイズに起因してキャパシタＣｓの容量値は変動する。列選択線Ｘ１を介してトランジスタＴｒ２のゲート端子に印加される電源電圧は、キャパシタＣｓの容量値によって定まるため、キャパシタＣｓの容量値が変動すると、トランジスタＴｒ２の相互コンダクタンスも変動する。ハイブリダイゼーションの前後におけるセンサセル１０からの出力電流の値を読み取ることによって、反応ウェルでのＤＮＡハイブリダイゼーションをリアルタイムにモニタリングすることができる。
このように、マトリクス状に配列された個々のセンサセル１０にわずかに異なる塩基配列を有するプローブＤＮＡを高密度にスポットし、個々のセンサセル１０からの出力信号をコンピュータ装置に取り込み、当該コンピュータ装置において前記出力信号を数値化してデータ解析することにより、遺伝子解析をリアルタイムに行うことができる。ターゲットＤＮＡの塩基配列は、出力電流の変化量が一番大きいセンサセル１０に固定されているプローブＤＮＡとの相同性（遺伝的な類似性）が一番高いと予測できる。本実施形態の遺伝子解析技術は、遺伝子疾患の検査や、法医学的な鑑定などに応用できる。また、センサセル１０は容量型センサとして機能するため、反応ウェルでのＤＮＡハイブリダイゼーションを敏感に検出することができ、シグナル検出の即時性に優れている。尚、上記の構成において、列選択線は電圧供給線、行選択線は走査線、列ドライバはＸドライバ、行ドライバはＹドライバと称することもできる。また、本実施形態のバイオセンサはバイオチップ、ＤＮＡチップ、或いはＤＮＡマイクロアレイと称することもできる。
図３はキャパシタＣｓの外観斜視図である。キャパシタＣｓは基板１１上に成膜された一対の櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０から構成されている。櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０は相互に噛合するように櫛歯状に成形され、微小間隔をおいて対向配置されている。櫛歯電極２０は略一定の間隔をおいて略平行に配置された櫛歯部２０ａ〜２０ｄを備える一方で、櫛歯部３０は各々の櫛歯部２０ａ〜２０ｄを挟むように略一定の間隔をおいて略平行に配置された櫛歯部３０ａ〜３０ｄを備える。かかる構成にすることによって、キャパシタ面積をできるだけ大きくとることができるため、容量変化に伴う出力電流の変化量を増大さることができ、センシング感度の向上を図ることができる。これら櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０の電極材料として、金、銀、白金、銅、アルミニウムなどを用いることができ、これらの電極材料の成膜法としては、スパッタ法、めっき法、ＣＶＤ法などから成膜材料に適した方法を選択することができる。例えば、スパッタ法を用いる場合には、基板１１上にレジストを塗布し、ベーキングした後、櫛歯電極のパターンに対応するメタルマスクを介して露光／現像し、レジスト上の全面にスパッタ成膜した後、レジストを剥離すればよい。何れの電極材料を用いるかは、プローブＤＮＡの固定手段などを勘案して決定すればよい。例えば、金−硫黄配位結合を介してプローブＤＮＡを櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０上に固定する場合には、金、銀、白金、銅が好ましい。また、基板１１として、ガラス基板、プラスチック基板、シリコン基板などを用いることができる。
尚、同図に示すキャパシタＣｓは反応ウェルの底部のみを図示するものであり、その周囲には酸化シリコン膜などの絶縁膜で囲まれており、ターゲットＤＮＡを含むサンプル溶液を所定の容積だけ充填できるように構成されている。また、反応ウェルは数μｍ程度の大きさであるため、ターゲットＤＮＡを含むサンプル溶液の充填は液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）を利用するのが好ましい。液滴吐出ヘッドによれば、微小スポットへの正確な液滴吐出制御を実現することができる。また、この種の容量型センサにおいては、センサ周辺に電気的ノイズの発生源がある場合には、浮遊容量による電気的ノイズの影響が大きくなるため、浮遊容量ができるだけ小さくなるような構造とするのが好ましい。
図４は図３に示すキャパシタＣｓの断面図であり、櫛歯部２０ａ，櫛歯部３０ａ，櫛歯部２０ｂの部分のみを図示している。櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０は櫛歯状にパターニングされた金薄膜から構成されており、その表面にはプローブＤＮＡ６０がその末端に導入されたチオール基との金−硫黄配位結合を介して結合している。オリゴヌクレオチドにチオール基を導入する手法は、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １８０５−１８０８（１９９４）又はＮｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄｓ  Ｒｅｓ．，１３，４４８４（１９８５）にて詳細に開示さている。プローブＤＮＡ６０となるＤＮＡ鎖としては、ターゲットＤＮＡと相補的な塩基配列を有するもの、例えば、生体試料から抽出したＤＮＡ鎖を制限酵素で切断し、電気泳動による分解などで精製した一本鎖ＤＮＡ若しくは生化学的に合成したオリゴヌクレオチド、ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）産物、ｃＤＮＡなどを用いることができる。一方、ターゲットＤＮＡとしては、生物材料から抽出したＤＮＡ鎖を遺伝子分解酵素若しくは超音波処理で分解したもの、又は特定のＤＮＡ鎖からＰＣＲによって増幅させた一本鎖ＤＮＡ等を用いることができる。
同図に示すように、櫛歯部２０ａと櫛歯部３０ａとの間には微小キャパシタＣｓ１が形成されており、櫛歯部３０ａと櫛歯部２０ｂとの間には微小キャパシタＣｓ２が形成されている。図示されていない他の櫛歯部同士の間にも微小キャパシタが形成されており、プローブＤＮＡ６０とターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより、これら個々の微小キャパシタの容量が変化し、その変化分の総和がキャパシタＣｓの容量変化となって現れる。キャパシタＣｓの容量変化はセンサセル１０の出力電流の変化として検出される。
尚、上記の説明においては、バイオセンサの受容体としてプローブＤＮＡを用いることにより遺伝子解析を行う場合を例示したが、本発明はこれに限られず、例えば、抗原を受容体とすることで抗原抗体反応を検出したり、酵素を受容体とすることで酵素基質反応を検出することもできる。つまり、バイオセンサの用途に応じて分子認識作用のある生体分子を受容体として適宜選択することにより、各種の生化学物質のセンシングを行うことができる。このようなバイオセンサは医療現場や個人で用いられるポイントオブケアデバイスや、ヘルスケアデバイスに応用することができる。
本実施形態によれば、櫛歯電極を用いることでキャパシタ面積を大きく確保することができ、センサの感度を高めることができる。また、比較的大容量のキャパシタＣｓを微小面積に形成することができるため、センサセルの集積度を高めることができ、大量の遺伝子情報を一度に解析することが可能となる。また、プローブＤＮＡとターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションを電気信号に変換して検出することができるため、反応のリアルタイムモニタリングに好適である。また、従来のように蛍光色素で標識されたターゲットＤＮＡの蛍光反応を観察する必要がなく、装置構成を簡略化することができる。さらに、各センサセルからの検出信号をコンピュータ装置で数値化してデータ処理できるため、大量の遺伝子解析に好適である。また、反応ウェルは一辺が数μｍ程度の大きさであるため、センサアレイの高集積化を実現できるとともに、遺伝子解析等に使用するサンプル溶液の容積を小さくすることができ、反応収率を上げることができる。また、液滴吐出ヘッドでサンプル溶液を充填できるため、正確な液滴吐出制御が可能となる。
発明の実施の形態２．
以下、各図を参照して本実施の形態について説明する。
図５はキャパシタＣｓの第２実施形態の平面図である。本実施形態においては、微小間隔をおいて対向する櫛歯電極２０と櫛歯電極３０との間に絶縁膜４０を設けることにより、対向する電極間の距離をできるだけ狭める工夫がなされている。このように、電極間距離を狭めることによって、キャパシタ容量を大きくすることができ、センサの感度を高めることができる。絶縁膜４０は櫛歯電極２０と櫛歯電極３０とが導通（ショート）しないように両者を電気的に分離するものであり、分離壁、隔壁、隔離部材、仕切り部材、或いは区画部材と称することもできる。絶縁膜４０として、例えば、ポリイミドなどの有機絶縁材料が好適である。後述するように、ポリイミドによれば表面処理を施すことにより、キャパシタＣｓの製造工程において外部から供給される液滴に対する親和性（親液性）をコントロールし易いメリットがある。
図６は図５に示すキャパシタＣｓの断面図であり、櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０の表面上に金属微粒子５０が堆積している様子が図示されている。この金属微粒子５０は櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０の表面積（キャパシタ面積）を増大させることによって、キャパシタ容量をできるだけ多く確保し、センサ感度を高めることができる。金属微粒子５０として金微粒子を用いる場合には、金−硫黄配位結合を介してプローブＤＮＡ６０を金属微粒子５０の表面上に結合させることができる。金属微粒子５０に適用し得る他の材質としては、例えば、銀、白金、銅などが好適である。
図７はキャパシタＣｓの製造工程断面図である。同図（Ａ）に示すように、基板１１上に櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０を櫛歯状のパターンに成膜する。これら電極の成膜法として、例えば、スパッタ法、めっき法、ＣＶＤ法などを用いることができる。次いで、同図（Ｂ）に示すように、櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０の隙間を埋めるように絶縁膜４０を成膜する。絶縁膜４０の成膜はリソグラフィ法、印刷法、インクジェット法などの任意の手法を用いて成膜することができる。例えば、リソグラフィ法を使用する場合には、スピンコート、スプレーコート、ロールコート、ダイコート、ディップコートなどの方法で絶縁性有機材料を塗布し、その上にレジストを塗布する。そして、櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０のパターン形状に合わせてマスクを施し、レジストを露光／現像し、絶縁膜４０の形状に合わせたレジストを残す。最後にエッチングしてマスク以外の部分の有機絶縁材料を除去する。印刷法を使用する場合には、凹版、平板、凸版などの任意の方法で櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０の隙間を埋めるように有機絶縁材料を直接塗布すればよい。インクジェット法を用いる場合には、櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０の隙間を埋めるように有機絶縁材料を塗布し、適度な温度条件下で乾燥させればよい。
次いで、同図（Ｃ）に示すように、金属微粒子５０を適当な分散剤５１に分散させ、液滴吐出ヘッド７０を用いて金属微粒子５０を櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０上に塗布する。分散剤５１としては、液滴の吐出が安定的に行われる溶媒であれば特に限定されるものではなく、金属微粒子５０と分散剤５１が混合した状態で液滴吐出可能となる物性値となるものであればよい。例えば、キシレン、トルエン、ドデシルベンゼン、ミネラルスピリット、トリデカン、α−テルピネオールなどの高融点有機溶媒を用い、粘度１ｃＰｓ〜２０ｃＰｓ、表面張力３０ｍＮ／ｍ〜５０ｍＮ／ｍとなる範囲に調製すればよい。液滴吐出ヘッド７０からの液滴吐出を安定的に行わせるには、材料の乾燥が遅いほうが望ましく、高融点材料を選択するのが好ましい。
金属微粒子５０の吐出工程において、櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０上に堆積する金属微粒子５０は幾層にも積層してもかまわないが、個々のセンサセル毎のばらつきがないように適度に分散することが望ましい。液滴吐出ヘッド７０としては、熱エネルギーを利用して気泡を発生させ、液滴を吐出するサーマルジェット方式／バブルジェット（登録商標）方式や、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して液滴を吐出するピエゾジェット方式の何れも適用可能である。次いで、同図（Ｄ）に示すように、適当な温度条件の下で分散剤５１を乾燥させ、金属微粒子５０を櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０の表面上に吸着させる。最後に、プローブＤＮＡ６０を金属微粒子５０上に結合させることによて、キャパシタＣｓが完成する。
尚、同図（Ｃ）に示す金属微粒子５０の吐出工程において、液滴吐出ヘッド７０から吐出された金属微粒子５０が絶縁膜４０上に塗布されることによって、金属微粒子５０が絶縁膜４０上に堆積し、櫛歯電極２０と櫛歯電極３０を導通させるとキャパシタとしての機能を果たさなくなるため、櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０の表面を親液性にするとともに、絶縁膜４０の表面を撥液性にするように表面処理することが望ましい。表面処理としては、例えば、酸素にフッ素又はフッ素化合物を含んだガスを使用し、減圧雰囲気下若しくは大気圧雰囲気下でプラズマ照射をする減圧プラズマ処理若しくは大気圧プラズマ処理を行う。すると、櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０のように無機材料の表面にはプラズマ放電により未反応基が発生し、酸素により未反応基が酸化されてカルボニル基や水酸基などの極性基が発生する。極性基は水などの極性分子を含んだ液体に対して親和性を示し、非極性分子を含んだ液体に対して非親和性を示す。
一方、有機絶縁材料からなる絶縁膜４０の表面においても上記の反応と平行してフッ素系化合物分子が有機材料表面に入り込む現象が発生し、表面が非極性化される。このため、水などの極性分子を含んだ液体に対して非親和性を示し、非極性分子を含んだ液体に対して親和性を示す。酸素にフッ素又はフッ素化合物を含んだガスとしては、ＣＦ４、ＣＦ６、ＣＨＦ３などのハロゲンガスが好適である。分散剤５１に対する親液性の程度として、櫛歯電極２０及び櫛歯電極３０の表面では接触角２０度未満が望ましく、絶縁膜４０の表面では接触角５０度以上が望ましい。
本実施形態によれば、キャパシタＣｓを構成する一対の櫛歯電極間に絶縁膜４０を設け、電極間距離をできるだけ短く設定しているため、キャパシタＣｓの容量を大きくとることができ、センサの感度を高めることができる。さらに、キャパシタ面積を増大させるための金属微粒子を櫛歯電極表面上に堆積しているため、キャパシタ面積を増大させることができ、センサの感度を高めることができる。また、絶縁膜４０を設けることによって、液滴吐出ヘッド７０から吐出される金属微粒子５０が櫛歯電極表面上から溢れた場合であっても、電極間の導通を防ぐことができる。さらに、液滴吐出ヘッド７０から吐出された液滴（特に、金属微粒子を含む分散剤）に対する櫛歯電極表面と絶縁膜表面との親和性を大気圧プラズマ処理等の表面処理でコントロールできるため、金属微粒子５０が絶縁膜４０上に堆積することによる櫛歯電極間の導通を防ぐことができる。
発明の実施の形態３．
以下、各図を参照して本実施の形態について説明する。
図８はキャパシタＣｓの第３実施形態の平面図である。本実施形態においては、円弧状に形成された一対の対向電極（電極８０，９０）によって、キャパシタＣｓを構成している。電極８０は各々の内径が異なるように略同心円状に形成された電極部８０ａ，８０ｂ，８０ｃを備える一方、電極９０は各々の内径が異なるように略同心円状に形成された電極部９０ａ，９０ｂ，９０ｃを備える。これらの電極部はプラス電極とマイナス電極とが交互に配置されており、電極部８０ａの内周面と電極部９０ａの外周面との間、電極部９０ａの内周面と電極部８０ｂの外周面との間、．．．、電極部８０ｃの内周面と電極部９０ｃの外周面との間でそれぞれ微小キャパシタを構成している。これらの微小キャパシタの総和がキャパシタＣｓの容量となる。図９は同キャパシタの断面図である。上述した各電極部８０ａ，９０ａ，８０ｂ，．．．，９０ｃは基板１１上に円弧状にパターン形成された絶縁膜１４を被覆するように成膜された金属薄膜であり、金、銀、白金、銅などが好適である。これらの電極部８０ａ，９０ａ，８０ｂ，．．．，９０ｃは凸状に形成されているため、キャパシタ面積を大きくすることができ、センサ感度の向上に資することができる。これらの電極部８０ａ，９０ａ，８０ｂ，．．．，９０ｃの表面には金−硫黄配位結合などにより、プローブＤＮＡ６０が固定されている。
尚、本実施形態において、各電極部８０ａ，９０ａ，８０ｂ，．．．，９０ｃの間に絶縁膜を設けることにより、電極間距離を狭め、キャパシタ容量をできるだけ大きく確保することで、センサ感度を高めるように構成してもよい。また、これらの電極部表面上に金属微粒子を堆積することで、キャパシタ面積をできるだけ大きく確保し、センサ感度を高めるように構成してもよい。金属微粒子の塗布は分散剤に混合された金属微粒子を、液滴吐出ヘッドから吐出することにより行うのが望ましい。
発明の実施の形態４．
以下、各図を参照して本実施の形態について説明する。
図２はバイオセンサの他の実施形態における主要回路構成図である。同センサは、基板１１上においてＮ行Ｍ列のマトリクス状に配列され、センサセルマトリクスを構成するセンサセル１０と、当該センサセルマトリクスの列方向に並ぶ一群のセンサセル１０に所定の電圧を供給するための列選択線Ｘ１，Ｘ２，．．．，を駆動する列ドライバ１２と、センサセルマトリクスの行方向に並ぶ一群のセンサセル１０を選択し、センサセル１０におけるセンシング機能をスイッチング制御するための行選択線Ｙ１，Ｙ２，．．．，を駆動する行ドライバ１３とを備えて構成されている。センサセル１０は、一対の電極から構成され、反応ウェル内のＤＮＡハイブリダイゼーションを検出するキャパシタＣｓと、センサセル１０のセンシング機能をスイッチング制御するためのスイッチングトランジスタＴｒ３及びＴｒ４と、ＤＮＡハイブリダイゼーションを電気信号に変換するトランスジューサとしてのトランジスタＴｒ５とを備えて構成されている。キャパシタＣｓの構成は上述した実施形態１〜実施形態３の何れの構成であってもよい。
ここで、センサセル１０の動作原理の概略について説明する。同図に示すセンサセル１０をアクティブにし、センシング結果を電気信号として出力するには、行選択線Ｙ１，Ｙ２を各々Ｈレベルに設定し、スイッチングトランジスタＴｒ３及びＴｒ４をオフ状態からオン状態に遷移させる一方で、列選択線Ｘ１，Ｘ２を各々Ｈレベルに設定する。スイッチングトランジスタＴｒ４はオン状態となっているため、トランジスタＴｒ５のソース端子にはスイッチングトランジスタＴｒ４を介して列選択線Ｘ２からの電源電圧が供給され、トランジスタＴｒ５がピンチオフ領域で動作できる状態になっている。トランジスタＴｒ５はピンチオフ領域で動作することによって、列選択線Ｘ２から供給される電源電圧の変動や温度変化に対して非常に安定したドレイン電流を出力するため、定電流源と電気的に等価になる。当該定電流源から出力される電流値はトランジスタＴｒ５のゲート電圧によって一意に定まる。
一方、スイッチングトランジスタＴｒ３はオン状態となっているため、列選択線Ｘ１から供給される電源電圧はキャパシタＣｓを介してトランジスタＴｒ５のゲート端子に伝達される。トランジスタＴｒ５のゲート端子に印加される電圧はキャパシタＣｓの容量値によって定まるため、キャパシタＣｓの容量変化はトランジスタＴｒ５のドレイン電流の変化として検出することができる。本実施形態によれば、各センサセルからの検出信号をコンピュータ装置で数値化してデータ処理できるため、大量の遺伝子解析に好適である。
本発明によれば、生体反応を電気信号として検出できるため、リアルタイムモニタリングが可能となる上に、各センサセルからの検出信号をコンピュータ装置で数値化してデータ処理することが可能となり、大量の遺伝子解析に好適である。また、従来のように蛍光色素で標識されたターゲットＤＮＡの蛍光反応を観察する必要がなく、装置構成を簡略化することができる。また、櫛歯電極を用いることでキャパシタ面積を大きく確保することができ、センサの感度を高めることができる。また、一対の対向電極の表面上に金属微粒子を堆積することで、キャパシタ面積を増大させることができ、センサ感度を高めることができる。
また、一対の対向電極間に絶縁膜を設けることによって、液滴吐出ヘッドから吐出される金属微粒子が電極表面上から溢れた場合であっても、電極間の導通を防ぐことができる。さらに、液滴吐出ヘッドから吐出された液滴に対する電極表面と絶縁膜表面との親和性を大気圧プラズマ処理等の表面処理でコントロールできるため、金属微粒子が絶縁膜上に堆積することによる電極間の導通を防ぐことができる。
また、反応ウェルは一辺が数μｍ程度の大きさであるため、センサアレイの高集積化を実現できるとともに、遺伝子解析等に使用するサンプル溶液の容積を小さくすることができ、経済的である。また、液滴吐出ヘッドで反応ウェルへサンプル溶液を充填できるため、正確な液滴吐出制御が可能となる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、大量の遺伝子情報を簡易な構成でリアルタイムに解析できるセンサセル、バイオセンサ、容量素子およびそれらの製造方法、ならびに生体反応検出方法、遺伝子解析方法が実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施形態１に係わるバイオセンサの主要回路構成図である。
図２は、実施形態４に係わるバイオセンサの主要回路構成図である。
図３は、実施形態１に係わる一対の対向電極の平面図である。
図４は、図３に示す対向電極の断面図である。
図５は、実施形態２に係わる一対の対向電極の平面図である。
図６は、図５に示す対向電極の断面図である。
図７は、実施形態２に係わる一対の対向電極の製造工程断面図である。
図８は、実施形態３に係わる一対の対向電極の平面図である。
図９は、図８に示す対向電極の断面図である。
【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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【国際調査報告】
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