(57)【要約】  厚みの薄いチャネルを有するFET構成では，同一アレイ内の異なるFETでトランジスタ特性が異なり，このために同一のゲート電圧を印加した場合にDNA検出の感度が不十分となり得る。そこで、同一基板上に配置された複数のナノポアFETに対して，所定のチャネル電流値となる最適なゲート電圧をナノポアFET毎に印加しながら，DNAがナノポアを通過する際のチャネル電流変化を検出し，DNAを構成する4種塩基を識別する。
2014132343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果トランジスタ（FET）アレイ基板であって、
絶縁膜上に形成されたソース、ドレイン、チャネル、ゲートと、前記絶縁膜に形成された、検出対象物が入ることが可能な貫通穴もしくは非貫通穴とを備え、前記ゲートにより前記チャネルに電界効果を及ぼすため、異なるゲート電圧が印加可能なFETが少なくとも２つ以上配置され、
前記貫通穴もしくは非貫通穴は、前記チャネルの側面の近傍に配置されており、前記ソースから前記ドレインに流れる電流の変化で、前記貫通穴もしくは非貫通穴中の前記検出対象物の有無、或いは変化を検出する、
ことを特徴とするFETアレイ基板。
【請求項２】
請求項１に記載のFETアレイ基板であって、
前記ゲートは、コントロールゲート電圧が印加されるコントロールゲートを含み、
前記貫通穴もしくは非貫通穴は、前記コントロールゲートの前記チャネル側の側面と、前記チャネルの前記コントロールゲート側の側面の間に配置されている、
ことを特徴とするFETアレイ基板。
【請求項３】
請求項１に記載のFETアレイ基板であって、
前記ゲートは、ゲート電圧が印加されるバックゲートを含み、
前記バックゲートは、前記チャネルの前記貫通穴もしくは非貫通穴が配置された側とは逆の側に設置される、
ことを特徴とするFETアレイ基板。
【請求項４】
請求項２に記載のFETアレイ基板であって、
前記ゲートは、前記チャネルを挟んで、前記コントロールゲートとは逆側に設置されたバックゲートを更に含む、
ことを特徴とするFETアレイ基板。
【請求項５】
請求項２に記載のFETアレイ基板であって、
前記チャネルに流れるバックグランド電流値が、複数の前記FET間でほぼ同じになるように前記コントロールゲートに異なる電圧を印加する、
ことを特徴とするFETアレイ基板。
【請求項６】
請求項５に記載のFETアレイ基板であって、
前記検出対象物は、デオキシリボ核酸(deoxyribonucleic acid: DNA)である、ことを特徴とするFETアレイ基板。
【請求項７】
分析システムであって、
絶縁膜上に形成されたソース、ドレイン、チャネル、ゲートと、前記絶縁膜に形成された、検出対象物が入ることが可能な貫通穴もしくは非貫通穴とを備え、前記ゲートにより前記チャネルに電界効果を及ぼすため、異なるゲート電圧が印加可能なFETが少なくとも２つ以上配置され、
前記貫通穴もしくは非貫通穴は、前記チャネルの側面の近傍に配置されており、前記ソースから前記ドレインに流れる電流の変化で、前記貫通穴もしくは非貫通穴中の前記検出対象物の有無、或いは変化を検出するFETアレイ基板と、
前記FETアレイ基板によって隔てられた２つの溶液槽と、
前記溶液槽に浸漬された２つの電極と、
前記電極に電圧を印加する第一の電源と、
前記ソースと前記ドレイン間に電圧を印加する第二の電源と、
前記チャネル間に流れる電流を測定する電流計を備える、
ことを特徴とする分析システム。
【請求項８】
請求項７に記載の分析システムであって，
前記チャネルに流れるバックグランド電流値が、複数の前記FET間でほぼ同じになるようにコントロールゲートに異なる電圧を印加する、
ことを特徴とする分析システム。
【請求項９】
請求項８に記載の分析システムであって、
前記ゲートは、コントロールゲート電圧が印加されるコントロールゲートを含み、前記貫通穴もしくは非貫通穴は、前記コントロールゲートの前記チャネル側の側面と、前記チャネルの前記コントロールゲート側の側面の間に配置されている、
ことを特徴とする分析システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の分析システムであって、
前記検出対象物は、デオキシリボ核酸(deoxyribonucleic acid: DNA)である、ことを特徴とする分析システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の分析システムであって、
記憶部を有する制御部を更に備え、
前記制御部は、
前記コントロールゲート電圧を所定の範囲で変化させてチャネル電流を測定し、
所定のチャネル電流値となるコントロールゲート電圧を前記トランジスタ毎に決定して前記記憶部に記憶する、
ことを特徴とする分析システム。
【請求項１２】
分析方法であって、
絶縁膜に形成されたソース、ドレイン、チャネル、ゲート、検出対象物が入ることが可能な貫通穴もしくは非貫通穴を備え、前記ゲートにより前記チャネルに電界効果を及ぼすため、異なるゲート電圧が印加可能なFETが少なくとも２つ以上配置され、前記貫通穴もしくは非貫通穴は、前記チャネルの側面の近傍に配置されており、前記ソースから前記ドレインに流れる電流の変化で、前記貫通穴もしくは非貫通穴中の前記検出対象物の有無、或いは変化を検出するFETアレイ基板を溶液槽に浸漬し、前記ソースと前記ドレイン間に電圧を印加し、前記チャネル間に流れる電流を測定する、
ことを特徴とする分析方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の分析方法であって，
前記チャネルに流れるバックグランド電流値が、複数の前記FET間でほぼ同じになるようにコントロールゲートに異なる電圧を印加する、
ことを特徴とする分析方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の分析方法であって，
前記コントロールゲート電圧を所定の範囲で変化させてチャネル電流を測定し、
所定のチャネル電流値となるコントロールゲート電圧を前記トランジスタ毎に決定して印加する、
ことを特徴とする分析方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の分析方法であって，
前記検出対象物は、デオキシリボ核酸(deoxyribonucleic acid: DNA)である、ことを特徴とする分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核酸分析などのための半導体センサに係り、特にFETアレイ基板を用いた分析技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
試薬を用いずにデオキシリボ核酸(deoxyribonucleic acid: DNA)配列を決定する方法として、DNAと同程度の大きさであるナノメートルサイズの孔（ナノポア）と、その付近に電極を備えたナノポアデバイスを用いる計測方法が注目されている。非特許文献1と特許文献１は半導体基板上に作成された電界効果トランジスタ（Field effect transistor： FET）構造とナノポアを用いて，DNAがナノポアを通過する際のチャネル間の電流変化を測定する構成と方法を開示している。FET構造には，ソース電極とドレイン電極と両電極をつなぐチャネル（直径20nm以上のシリコンナノワイヤ）がある（非特許文献１のFigure１とFigure３を参照）。さらに，チャネル上に基板を貫通するナノポアがある。基板上下は電界溶液で満たされており，上槽と下槽の溶液分子はナノポアを通してのみ両槽を移動できる。両槽に電極を浸して電圧を印加すると，ナノポアを通過したイオン物質によるイオン電流が流れる。【０００３】
加えて，ソース−ドレイン間に電圧を印加するとチャネルにも電流が流れる（以下，「チャネル電流」と呼ぶ）。液に浸された電極はチャネル電流を流すためのゲート電極の機能も担っている。ナノポアにDNAが通過するとイオン電流が封鎖されて値が減少する（封鎖電流）ので，DNAの通過を知ることができる。同時にナノポア周辺の電位がヌクレチドの実行電荷量に相関して変化するので，チャネル電流の変化も計測される。特許文献１では上記チャネル電流変化によるDNA配列決定の可能性が言及されている。特許文献１のFigure５には，ナノポアFETのアレイ構成が描かれている。【０００４】
一方、特許文献2のFig.5aからFig.5eにおいては、ゲート電極，さらにソース、ドレイン間を繋ぐチャネルにナノポアを設ける構造が記載されている。DNAがナノポアを通過する際，ヌクレオチドの実行電荷量の違いによって引き起こされるナノポア周辺のチャネル電位の変動を、チャネル電流の変化として検出することで、ナノポアを通過するDNAの4種塩基を識別する方法が記載されている。デバイスで区切られた上槽の電解質に印加される電圧もしくは、Fig.5cの70で指定されている電極に印加される電圧がゲート電圧となる。ゲート電圧を印加し、ゲート下に反転層を形成することでチャネルを形成する。そしてそのチャネルを通じてソース-ドレイン間に電流が流れる。反転層の厚みは非常に薄く、電流パスの厚みとしては1塩基の大きさに近い値である。Fig.5dにおいては、コントロールゲートをチャネルおよびゲートの脇に設け、コントロールゲートに適切な電圧を印加することで電流パスがよりチャネル内のポア近傍に集まるという記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】US2010/0327847 A1
【特許文献２】US2011/0133255 A1
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Pin Xie et al., vol 7, 119-125, Nature Nanotechnology (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の通り、特許文献１ではそのFigure 5に、ナノポアFETのアレイ構成が描かれているが、図示の構成では，ゲート電極として，溶液に浸された電極を共有しているため，ナノポアFET毎に異なるゲート電圧を印加することはできない。そのため、ナノポアFETアレイを構成するナノポアFET各々の制御を行うことができず、ナノポアFETアレイのDNA検出感度を十分に得ることができない。【０００８】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、検出感度を十分に得ることができるFETアレイ基板、分析システム、及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明においては、電界効果トランジスタ（FET）アレイ基板であって、絶縁膜上に形成されたソース、ドレイン、チャネル、ゲートと、絶縁膜に形成された、検出対象物が入ることが可能な貫通穴もしくは非貫通穴とを備え、ゲートによりチャネルに電界効果を及ぼすため、異なるゲート電圧が印加可能なFETが少なくとも２つ以上配置され、貫通穴もしくは非貫通穴は、チャネルの側面の近傍に配置されており、ソースからドレインに流れる電流の変化で、貫通穴もしくは非貫通穴中の検出対象物の有無、或いは変化を検出する構成のFETアレイ基板を提供する。【００１０】
また、上記の課題を解決するため、本発明においては、分析システムであって、絶縁膜上に形成されたソース、ドレイン、チャネル、ゲートと、絶縁膜に形成された、検出対象物が入ることが可能な貫通穴もしくは非貫通穴とを備え、ゲートによりチャネルに電界効果を及ぼすため、異なるゲート電圧が印加可能なFETが少なくとも２つ以上配置され、貫通穴もしくは非貫通穴は、チャネルの側面の近傍に配置されており、ソースからドレインに流れる電流の変化で、貫通穴もしくは非貫通穴中の検出対象物の有無、或いは変化を検出するFETアレイ基板と、FETアレイ基板によって隔てられた２つの溶液槽と、溶液槽に浸漬された２つの電極と、電極に電圧を印加する第一の電源と、ソースとドレイン間に電圧を印加する第二の電源と、チャネル間に流れる電流を測定する電流計を備える構成の分析システムを提供する。【００１１】
更に、上記の課題を解決するため、本発明においては、分析方法であって、絶縁膜に形成されたソース、ドレイン、チャネル、ゲート、検出対象物が入ることが可能な貫通穴もしくは非貫通穴を備え、ゲートによりチャネルに電界効果を及ぼすため、異なるゲート電圧が印加可能なFETが少なくとも２つ以上配置され、貫通穴もしくは非貫通穴は、チャネルの側面の近傍に配置されており、ソースからドレインに流れる電流の変化で、貫通穴もしくは非貫通穴中の検出対象物の有無、或いは変化を検出するFETアレイ基板を溶液槽に浸漬し、ソースとドレイン間に電圧を印加し、チャネル間に流れる電流を測定する分析方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明により、良好な感度で対象物を検出できるナノポアFETの割合を増やせる。これにより，検出対象物測定の並列処理能力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】第１の実施例に係る、ナノポアFETの一構成例を示す斜視図である。
【図１Ｂ】第１の実施例に係る、ナノポアFETの一構成例のナノポア近傍の拡大斜視図である。
【図１Ｃ】第１の実施例に係る、ナノポアFETの特性を説明するための図である。
【図２】第１の実施例に係る、FETアレイ基板を用いたDNA塩基配列測定システムの一構成を示す図である。
【図３】第１の実施例に係る、FETアレイ基板の電気的構成を説明するための図である。
【図４Ａ】第１の実施例に係る、ナノポアFET毎に異なるゲート電圧を印加してDNAを測定するためのフローチャートの一例を示す図である。
【図４Ｂ】第１の実施例に係る、ナノポアＦＥＴ特性を補正してＤＮＡ測定するためのVc値テーブルの一例を示す図である。
【図５Ａ】第１の実施例に係る、ナノポアＦＥＴ毎のＩＶ特性の補正前グラフを示す図である。
【図５Ｂ】第１の実施例に係る、ナノポアＦＥＴ毎のＩＶ特性の補正後グラフを示す図である。
【図６】第２の実施例に係る、FETアレイ基板の構成の一例を示す図である。
【図７】第３の実施例に係る、FETアレイ基板の構成の一例を示す図である。
【図８Ａ】第４の実施例に係る、ナノポアFETの構成例の斜視図である。
【図８Ｂ】第４の実施例に係る、ナノポアFETの構成例の断面図である。
【図９】第４の実施例の非貫通ナノポアFET毎に異なるゲート電圧を印加してDNAを測定するためのフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を説明するが、それに先立ち、本発明の基本構成について説明する。すなわち、DNA塩基配列を決定するなど、検出対象物の検出分析に用いるFETアレイ基板を構成するナノポアFETの基本構成の斜視図を図1Aに示した。
【００１５】
図1Aにおいて、100は絶縁膜、101はチャネル、102はコントロールゲート、103はソース、104はドレイン、105はバックゲート、106はナノポア、他にもコントロールゲート102、ソース103、ドレイン104、バックゲート105へのコンタクトとなる4本の配線があるが，図では省略されている。そして、ナノポア106が、コントロールゲート102のチャネル側の側面と、チャネルのコントロールゲート102側の側面の間にある。なお、図1Aの絶縁膜100は、通常の半導体製造に用いられるSiO2膜やSiN膜で構成される。これらの絶縁膜は、例えばSiなどの基板上に形成されるか、あるいはSiN膜, SiO2膜等を堆積して形成した絶縁膜基板であっても良い。
【００１６】
図1Bに基本構成のナノポア近傍の拡大斜視図を示した。DNA200はナノポアを通過する。なお、図中のDNA200の各ブロックの連なりは、塩基の連なりをあらわしている。例えば、チャネル101はノンドープのシリコンもしくはP型のシリコンもしくは低濃度のN型シリコンとし、コントロールゲート102,バックゲート105などのゲートはN型またはP型のシリコン（Si）、ソース103,ドレイン104はN型のシリコン（Si）とする。
【００１７】
この基本構成において、ソース103-ドレイン104間に、ソース電圧＜ドレイン電圧となるように電圧をかけた状態で、コントロールゲート電圧を制御することで、本デバイスはトランジスタ動作をする。いわゆるサイドゲート型のトランジスタである。トランジスタがON状態のとき、コントロールゲート側、即ちナノポア側のチャネル側部に反転層が誘起されるため、電流はコントロールゲート側のチャネル側部を流れる。反転層の厚みはコントロールゲート電圧にもよるが、きわめて薄く、2-3 nm程度以下である。チャネルのY方向の厚みは4nm程度以下である。
【００１８】
チャネル電流は、ナノポア106を通過するDNAの4種塩基のヌクレオチド、即ち、デオキシリボヌクレオチド三リン酸（dNTP）の実効電荷量や実効電界の違いが引き起こす電界の変化によって変化し、その変化を検出することで4種塩基の識別と配列の解読を行う。
【００１９】
しかしながら、本発明者は、上記のように厚みが4nm程度以下の薄いチャネルを有するFET構成では，同一アレイ内の異なるFETでトランジスタ特性が大きく異なることを発見した。上記の差異のために同一のゲート電圧を印加した場合に感度が不十分となるナノポアFETが存在する。
【００２０】
図1CはY方向チャネル厚2nmのFETのIV特性である。横軸はコントロールゲート102の電圧，縦軸はチャネル電流値である。バックゲートには0Vを，ドレインには1Vをソースには0Vを印加した。図１Cに示すように、FET#1とFET#2は同一のウエハ上に作成された同じ構成および同じ寸法のFETであるが，FET#1ではコンロールゲート約6Vで，FET#2ではコントロールゲート約0Vでチャネル電流値の立ち上がりが見られた。DNAがナノポアを通過する際のチャネル電流変化を，良好な信号・雑音比で検出するには，チャネルにnAレベルの流れていることが好ましい。しかしながら，上記の例の場合，たとえば，コンロールゲートに一律4V印加すると，FET#2ではnAレベル流れるが，FET#1では１nA以下となるため，良好な信号・雑音比でDNAを検出できない。
【００２１】
そこで、本発明においては、上記の基本構成である基板の絶縁膜中に、ソース、ドレイン、チャネル、ゲートを設け、ソース、ドレイン、チャネル、ゲートが形成される絶縁膜に対して、その片面側からもう片面側へ貫通穴もしくは非貫通穴を設け、ゲートによりチャネルに電界効果を及ぼす電界効果トランジスタが２つ以上配置し、貫通穴もしくは非貫通穴に検出対象物を入ることができる構成とする。そして、貫通穴もしくは非貫通穴は、好適にはコントロールゲートのうちチャネル側の側面と、チャネルのうちコントロールゲート側の側面近傍の間に配置されており、ソースからドレインに流れる電流の変化で、貫通穴もしくは非貫通穴中の検出対象物の有無、および検出対象物の変化を検出する構成とし，更に、複数のトランジスタに対し、異なるコントロールゲート電圧を印加可能な構成とする。
【００２２】
この構成により、良好な感度でDNAを検出できるナノポアFETの割合を増やせる。これにより，DNA配列測定の並列処理能力が向上する。
【００２３】
以下、図面に従い本発明の種々の実施の形態について順次説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。実施例に記載するデバイス構造および材料は、本発明の思想を具現化するための一具体例であり、材料および寸法などを厳密に特定するものではない。
【実施例１】
【００２４】
図2は第１の実施例に係る、ナノポアFETアレイ化基板（以下、FETアレイ基板と称する）を用いたDNA塩基配列測定システムの一構成を示す図である。【００２５】
＜フローセルの構成＞
フローセル230はFETアレイ基板201が組み込まれた隔壁202で２つの槽、即ち、溶液槽c203と溶液槽t204が設けられている。FETアレイ基板201上には２つ以上のナノポアFET110がアレイ化されている。好適には、このナノポアFETは1000×1000=100万個個程度をアレイ化する。個々のナノポアFET110の構成は図１Aを用いて説明した通りである。ナノポアFET110のコントロールゲート102、ソース103、ドレイン104、バックゲート105、ナノポア106等の図示を省略した電極構造は、溶液槽ｔ204側の溶液に接している。溶液槽c203には注入路205を通ってポンプ206によってDNAサンプル溶液容器207またはバッファー容器208内の溶液が注入される。これらの容器207、208にはバルブ209，210が取り付けてあり，注入する溶液をバルブ209、210の開閉によって選択できる。【００２６】
溶液槽c203の溶液は排出路211を通って，廃液容器212に貯められる。廃液容器212にもバルブ213を取り付けて，逆流を防ぐ。同様に，溶液槽t204にはバッファー容器214からポンプ215で注入路216を通してバッファー溶液が注入される。余分な廃液は排出路217を通して，廃液容器218に排出される。図では省略されているが，ポンプ206、215とバルブ209、210、213はすべて制御部240につながれて，それらの動作は自動制御されている。フローセル230は，アクリルの隔壁202の上下に，流路を設けたポリジメチルシロキサン（PDMS）を張り合わせることで作られる。流路が溶液槽c203と溶液槽t204となる。【００２７】
＜電極とナノポアFETの構成＞
溶液槽c203には電極220が，溶液槽t204には電極219が浸漬されている。溶液槽t204はバッファー溶液で満たされている。溶液槽c203では本実施例の解読対象であるDNAがバッファー溶液中を浮遊している。バッファー溶液にはイオン物質が含まれているので，両槽間に電圧をかけることで，イオン電流が電極220と電極219の間に発生する。電極220と電極219の間には、両電極間に電圧を印加するための第一の電源221とイオン電流値を測定するための電流計222が設置される。また、この電流計222は、アナログディジタル(AD)コンバータを含んでいる。【００２８】
図2に示す通り、第一の電源221と電流計222は、それぞれ制御部240に接続されており，制御部240が印加電圧を制御したり，取得された電流値を保存したりする。制御部240は通常の中央処理部(CPU)、記憶部であるメモリ、キーボードやディスプレイなどの入出力部、通信インタフェースを備えているコンピュータで構成できることは言うまでもない。電流計222はイオン電流とDNAのナノポア通過時の封鎖電流を測定することができる。電極219には電極220よりも高い電圧を印加する。これにより，溶液槽t204の電位が溶液槽c203より高くなる。溶液槽c203を浮遊するDNAは負電荷を帯びているため，ナノポア106を通過して，溶液槽t204に移動する。DNAを溶液槽c203ではなく，溶液槽t204に注入しても良い。その場合は，電極220に電極219よりも高い電圧を印加すればよい。溶液槽c203のイオン濃度は，溶液槽t204のイオン濃度よりも高いことが好ましい。非特許文献１に記載されているように，チャネル電流値の変化を大きくする（すなわち検出感度を高める）ことができる。溶液槽c203と溶液槽t204のバッファー溶液のイオン濃度は上記以外でもかまわない。【００２９】
図3は本実施例のFETアレイ基板201の電気系の構造を示す回路図である。図では３つのナノポアFET110a, FET110b, FET110cを並べたが，２つ以上であればいくつでもかまわない。好適には先に説明したように多数のナノポアFETが並べられる。図ではナノポアFETを1次元に配列したが，2次元に配列しても構わない。ナノポアFET110aを例に構成を説明する。ソースは第二の電源301aに，コントロールゲートは電源302aに，バックゲートは電源303aにそれぞれ接続されている。これら電極には独立に異なる電圧が印加される。ソースとドレイン間に流れるチャネル電流は電流計304aに内蔵されたアンプとアナログ−デジタル変換器（ADコンバータ）でデジタル信号に変換され、制御部240のメモリに送られる。すべての電源301a、302a、303a、301b、302b、303b、301c、302c、303cと電流計304a、304b、304cはコネクタ310を介して制御部240に接続しており、各電源の電圧は制御部240で自動制御される。【００３０】
＜ナノポアFET特性補正方法＞
図4A、図4Bは本実施例におけるDNA塩基配列測定システムにおける、ナノポアFET毎に異なるゲート電圧を印加してDNAを精度よく測定するためのフローチャートの一例などを示す図である。良好な信号・雑音比でDNAを測定するには，数nAのチャネル電流を確保する必要がある。図4Aのフローチャートはこれを実現するための補正方法の一例を示すものである。【００３１】
図4Aにおいて、まず解読対象DNAを溶かすバッファー溶液をフローセルに注入する（401）。次に，すべてのナノポアFETのIV特性、即ち、バックゲート電圧一定値Vbで，コンロールゲートを変化させたときのチャネル電流値Ic変化を測定する（402）。【００３２】
図5Aに示すように、測定されたIV特性はナノポアFET毎に異なるので，Ith=1nAとなるコントロールゲート電圧Vcは，ナノポアFET毎に異なる。これをステップ402で取得して制御部240内のメモリ241に保存する（403）。図4Bに制御部240の記憶部であるメモリに保存されたコントロールゲート電圧Vcの値の一例を示した。同図に見るように、各ナノポアFETに対応するアドレスに、それぞれのVc値が記憶される。【００３３】
さて、解読対象DNA溶液を溶液槽t203に注入し（404），ナノポアFET毎に固有のコントロールゲート電圧Vc(i)（iはナノポアFETのアドレス）を印加して，チャネル電流を測定する（405）。ここで，Ithを1nAとしたが，1から10nAの任意の数値が好ましく，11-100nA，0.1-1nAでもかまわない。図5Aの例では，Vtrans=0，Vcis=1V, Vb=3, Vs=1V, Vd=0でVc1=-5.5からVc2=4Vまで変化させたが，ナノポアFETの仕様に合わせて，任意の電圧を選ぶことができる。図4Aのフローチャートに従い，FET#00000001ではVc(00000001)=1.5V, FET#00000002ではVc(00000002)=2.5, FET#00000003ではVc(00000003)=0.9Vを印加してDNA通過時のチャネル電流を測定した。【００３４】
上記の例では，バックゲート電圧に全ナノポアFET同一の値を用いて，コントロールゲート電圧に固有の値を設定した。この例とは反対に，バックゲート電圧にナノポアFET毎に固有の値を設定し，コントロールゲート電圧に同一の値を設定しても構わない。【００３５】
図5Bは補正後の、即ちナノポアFET毎に最適なバックゲート電圧を印加したときのIV特性である。バックゲートとして，FET#00000001では3V, FET#00000002では5V, FET#00000003では1.8Vを印加することで，３つのナノポアFETのIV特性曲線が重なるように補正できる。この場合，全ナノポアFETに共通のコントロールゲートVc=-1.5Vを印加して，DNA通過時のチャネル電流測定を行う。加えて，図4Aの操作403では，コントロールゲート電圧の代わりに，ナノポアFET毎固有のバックゲート電圧をアドレスとともに保存する。【００３６】
なお、Ithは特定の値ではなく，範囲をもった数値としても構わない。たとえば，Ithを1-10nAの範囲として，上記範囲でIV特性曲線の微分値dV/dIが最大となる電流値をIcとする。この場合，微分値が大きいほど，塩基間でのチャネル電流変化の差異が顕著になる効果がある。【００３７】
上記例では，ナノポアFET特性の補正をDNA測定前に行っているが，測定中に行っても構わない。この場合には、測定中に変化したIV特性も補正することができる。
【実施例２】
【００３８】
続いて、第２の実施例に係るFETアレイ基板の実施例を説明する。図6は実施例２におけるFETアレイ基板251の構成の一例を示すである。本実施例におけるナノポアFET250a、250b、250cの電極は，チャネルのナノポア106が配置された側とは逆側に設置されたバックゲート105a,105b,105c、ソース103a,103b,103c、ドレイン104a,104b,104cのみから成ることを特徴とする。その他のチャネル101やナノポア106等の構成は、実施例１のFETアレイ基板201のナノポアFET110a、110b、110cと同様である。本実施例の構成においては、コントロールゲートを設けないことで，実施例１に比較し、構成を簡単にする効果がある。【００３９】
なお、コントロールゲートが無いために，実施例１よりも同じバックゲート電圧で流れるチャネル電流値が低くなる可能性がある。この場合は，電極220に実施例１よりも高い電圧を印加してチャネル電流値を向上させてもよい。図４のチャートでは，コントロールゲートをバックゲートとして実施すれば良い。メモリにはナノポアFET毎のアドレスと固有のバックゲート電圧Vbが保存される。
【実施例３】
【００４０】
次に、第３の実施例に係るFETアレイ基板の実施例を説明する。図7は第３の実施例に係るFETアレイ基板の構成の一例を示す図である。実施例３におけるFETアレイ基板256の構成において、ナノポアFET255a, 255b, 255cの電極は，コントロールゲート102a,102b,102c、ソース103a,103b,103c、ドレイン104a,104b,104cから成ることを特徴とする。その他の構成は実施例１と同様である。本実施例では，実施例２同様に，電極220に実施例１よりも高い電圧を印加してチャネル電流値を向上させても良い。図4Aのチャートに従いDNA測定を行う。本実施例においては、バックゲートを設けないことで，実施例１と比較して、構成を簡単にする効果がある。加えて，チャネル内の電流経路をナノポアに近づけることができるので，高感度の効果がある。
【実施例４】
【００４１】
更に、第４の実施例に係るFETアレイ基板の実施例を説明する。図8A、図8Bは、実施例４におけるナノポアFET258の一構成例を示す図である。先の実施例１等においてナノポアFET上のナノポアは貫通ナノポアを前提として説明を行った。本実施例のナノポアFET258にあっては、非貫通ナノポアを用いる。図8Aは、本実施例のナノポアFET258を斜めから見た構成図，図8Bは、図8AのナノポアFET258のAA’断面図である。本実施例の構成においては、図8Bに示すように、ナノポアが非貫通ナノポア801であることを特徴とする。【００４２】
本実施例のDNA塩基配列測定システムは、図２とほぼ同等であるが，溶液槽c204，電極220，電極219は本実施例では不要であり、溶液槽t203のみ必要となる。さらにデオキシリボヌクレオチド三リン酸（dATP, dTTP, dCTP, dGTP）をそれぞれ含む4種類の容器が加えられ，バッファー容器208やDNAサンプル溶液容器２０７と同様に，図２で説明したようなバルブの開閉とポンプ駆動によって，溶液槽t203に上記4種のデオキシリボヌクレオチド三リン酸（dNTP）が逐次送液される。【００４３】
非貫通ナノポア801の底面には解読対象であるDNA200が複数固定された粒子802が固定されている。DNAはすべて同一の配列を有している。このよう粒子802はイマルジョンPCR(Polymerase Chain Reaction)による増幅工程で作成される。他の増幅工程でも構わない。DNA配列を決定するために，粒子上で塩基伸長反応を行い，その際に放出されるイオンによって引き起こされるチャネル電流変化によって伸長有無を検出する。すなわち、本実施例のDNA塩基配列測定システムにおいてもDNA配列を決定できる。なお、上記伸長方法および類似の配列決定方法は，Jonathan M Rothberg et al.（ Nature 2011, doi:10.1038/nature10242）に記載されている。【００４４】
図9は、本実施例の非貫通ナノポアFET毎に異なるゲート電圧を印加してDNAを測定するためのフローチャートの一例を示している。この操作はDNA測定前に行われる。
図9のフローチャートにおいて、まず,バッファー溶液をフローセル230に注入する（901）。そして、すべてのナノポアFETに対して、電バックゲートにVb，ソースにVs，ドレインにVd印加。コントロールゲート電圧を一律Vc1からVc2まで変化させながらチャネル電流Ic測定する（902）。【００４５】
続いて、DNA固定粒子802をフローセル230に注入し(903)、すべてのナノポアFETに対して、電極220にVtrans，電極219にVcis，バックゲートにVb，ソースにVs，ドレインにVd印加。コントロールゲート電圧を一律Vc1からVc2まで変化させながらチャネル電流Ic測定する(904)。【００４６】
そして、ステップ902と904で取得したIV特性を比較し曲線が大きく変化したナノポアFETに関して，DNA配列測定可能と判断する(905)。このステップ905でDNA配列測定可能と判断したナノポアFETに関してのみ，Iｖ特性曲線からIth=Icとなるコントロールゲート電圧Vc(i)を各ナノポアFETについて取得し，ナノポアFETアドレスとVcを制御部240のメモリに保存する（ここで、iはナノポアFETのアドレスを示す）(906)。【００４７】
更に、ステップ905でDNA配列測定可能と判断したナノポアFETに対して、ソースにVs，ドレインにVd，バックゲートにVbを印加し、各ナノポアFETに固有のコントロールゲート電圧Vc(i)を印加して，チャネル電流Ic(t)を制御部240のメモリに保存(tは時間）しながら，伸長反応を行う(907)。【００４８】
本実施例においては、以上説明した操作を行うことで，FET特性の補正を行うだけでなく，ビーズが入っていないまたはDNAが固定されていない非貫通ナノポア801を事前に知ることができる。このような非貫通ナノポアからはDNAの配列情報を取得しなくてもよいので，無駄なデータ量を減らすことができる。【００４９】
また、上記例では，粒子802を用いて，複数同一DNA断片からの放出イオンを検出した。多分子からのシグナルを得るので，信号-雑音比を高める効果がある。粒子を用いずに，単一DNAを非貫通ナノポア801の底面に固定して，伸長反応によってDNA配列を決定してもよい。上記非貫通ナノポア801の径は固定する対象物の大きさに合わせて調整される。なお、本実施例の処理フローは，貫通ナノポアを非貫通ナノポアとして，実施例１〜３いずれのFETアレイ基板201でも実施可能である。溶液槽c204が不要となるため，装置構成を簡略にする効果がある。【００５０】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。【００５１】
更に、上述した各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を実現するプログラムを作成することによりソフトウェアで実現する場合を主に説明したが、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５２】
100    絶縁膜
101    チャネル
102    コントロールゲート
103    ソース
104    ドレイン
105    バックゲート
106    ナノポア
200    DNA
110,110a, 110b, 110c, 250a, 250b, 250c, 256a, 256b, 256c, 258  ナノポアFET
201,251,256    FETアレイ基板
202    隔壁
203    溶液槽c
204    溶液槽t
205,216    注入路
206,215    ポンプ
207    DNAサンプル溶液容器
208    バッファー容器
209,210,213    バルブ
211,217    排出路
212,218    廃液容器
219,220    電極
221,302a, 302b, 302c,303a, 303b, 303c    電源
222,304a, 304b, 304c    電流計
230    フローセル
240    制御部
241    メモリ
310    コネクタ
801    非貫通ナノポア
802    粒子
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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