(57)【要約】【課題】低感度であっても蛍光を検知することができ、ＤＮＡ読取装置を小型化することができるようにすること。【解決手段】光学的ＤＮＡセンサ１は、固体撮像デバイス２と、固体撮像デバイス２の表面に固定された複数種のスポット６０とを備える。固体撮像デバイス２は、透明基板１７上に複数のＤＧ−Ｔｒ２０がマトリクス状に配列されてなる。複数のＤＧ−Ｔｒ２０は、保護絶縁層３１及び導電体層３２によって被覆されている。スポット６０は既知のヌクレオチド配列を有したプローブＤＮＡ断片が多数集まった群集であり、一つのスポット６０に含まれる多数のプローブＤＮＡ断片は互いに同じヌクレオチド配列を有する。プローブＤＮＡ断片のヌクレオチド配列は、スポット６０ごとに異なっている。スポット６０はＤＧ−Ｔｒ２０に対応して固定されている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像デバイスと、
既知の塩基配列を有し、前記固体撮像デバイスの表面に配列されて固定された複数種のプローブＤＮＡ断片と、を備えることを特徴とする光学的ＤＮＡセンサ。
【請求項２】
前記固体撮像デバイスが、基板上に配列された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子をまとめて被覆した透明層と、を備え、
前記プローブＤＮＡ断片が、前記光電変換素子にそれぞれ対応して、前記透明層上に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学的ＤＮＡセンサ。
【請求項３】
前記固体撮像デバイスが、基板上に配列された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子をまとめて被覆した透明層と、を備え、
前記プローブＤＮＡ断片が、前記複数の光電変換素子のうち隣り合うＡ個（Ａは２以上の整数である。）の光電変換素子からなる組にそれぞれ対応して、前記透明層上に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学的ＤＮＡセンサ。
【請求項４】
前記光電変換素子が、光の被照射によりキャリアを生成する半導体膜を有した電界効果トランジスタ型の素子であることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学的ＤＮＡセンサ。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の光学的ＤＮＡセンサを着脱自在とするとともに、前記固体撮像デバイスを駆動する駆動手段を備えることを特徴とするＤＮＡ読取装置。
【請求項６】
前記プローブＤＮＡ断片に光を照射する光照射手段を具備することを特徴とする請求項５に記載のＤＮＡ読取装置。
【請求項７】
前記光照射手段が、前記固体撮像デバイスの複数種のプローブＤＮＡ断片が固定された表面と反対の面側に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のＤＮＡ読取装置。
【請求項８】
プローブＤＮＡ断片に結合することができるサンプルＤＮＡに付着される蛍光物質は、前記光照射手段による光によって励起して蛍光を発し、前記光照射手段による光は、前記蛍光物質で発した蛍光と比べて前記固体撮像デバイスを励起させない波長域の光であることを特徴とする請求項６又は７に記載のＤＮＡ読取装置。
【請求項９】
請求項２から４の何れか一項に記載の光学的ＤＮＡセンサを用いてサンプルＤＮＡ断片を同定するＤＮＡの同定方法であって、
蛍光物質又は光共鳴散乱物質で標識したサンプルＤＮＡ断片を前記透明層上に塗布することによって、前記複数種のプローブＤＮＡ断片のうち、前記サンプルＤＮＡ断片と相補性を有するＤＮＡ断片と結合させる工程と、
前記複数種のプローブＤＮＡ断片に励起光を照射する照射工程と、
励起光の被照射により前記複数種のプローブＤＮＡ断片から発した光の強度をそれぞれの前記光電変換素子で検知する検知工程と、
を含むことを特徴とするＤＮＡの同定方法。
【請求項１０】
請求項１から４の何れか一項に記載の光学的ＤＮＡセンサを製造する製造方法であって、
前記固体撮像デバイスの表面に導電体層を成膜し、
前記導電体層に電圧を印加した状態で前記プローブＤＮＡ断片を前記固体撮像デバイスの表面に固定することを特徴とする光学的ＤＮＡセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＮＡ断片間の相補的相互作用を利用して、ＤＮＡの構造を特定するために用いられる光学的ＤＮＡセンサ及びその製造方法に関するとともに、前記ＤＮＡセンサを用いたＤＮＡ読取装置及びＤＮＡの同定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医療分野、農業分野等の幅広い分野で生物の遺伝子情報が利用されるようになってきているが、遺伝子の利用に際しては、ＤＮＡの構造解明が不可欠である。ここで、ＤＮＡは螺旋状によじれあった二本のポリヌクレオチド鎖を有し、それぞれのポリヌクレオチド鎖は４種の塩基（アデニン：Ａ、グアニン：Ｇ、シトシン：Ｃ、チミン：Ｔ）が一次元的に並んだヌクレオチド配列を有し、アデニンとチミン、グアニンとシトシンという相補性に基づいて一方のポリヌクレオチド鎖の塩基が他方のポリヌクレオチド鎖の塩基に結合している。
【０００３】
ＤＮＡの構造解明とは、ヌクレオチド配列を特定することであり、ＤＮＡのヌクレオチド配列を特定するためにＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置が開発されている。ＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置を用いて次のようにしてサンプルＤＮＡのヌクレオチド配列を特定する。
【０００４】
まず、既知のヌクレオチド配列を有した複数種類のプローブＤＮＡ断片をスライドガラス等の固体担体に整列固定させたＤＮＡマイクロアレイを準備する。次に、サンプルＤＮＡを一本鎖のＤＮＡ断片に変性して、変性したサンプルＤＮＡ断片に蛍光物質等を結合させる。
【０００５】
次に、サンプルＤＮＡ断片をＤＮＡマイクロアレイ上に添加すると、サンプルＤＮＡ断片は、ハイブリダイゼーションによってＤＮＡマイクロアレイ上に固定される。つまり、サンプルＤＮＡ断片の塩基は、複数種類のプローブＤＮＡ断片のうち相補性を有するＤＮＡ断片の塩基と水素結合して、二本鎖が生じる。一方、サンプルＤＮＡ断片は、相補性を有しないプローブＤＮＡ断片とは結合しない。サンプルＤＮＡ断片に蛍光物質でマーキングを施しているため、サンプルＤＮＡと結合したプローブＤＮＡ断片が蛍光を発することになる。例えば、ＴＣＧＧＧＡＡというヌクレオチド配列を有するサンプルＤＮＡ断片は、ＡＧＣＣＣＴＴというヌクレオチド配列を有するプローブＤＮＡ断片のみ結合し、そのプローブＤＮＡ断片が蛍光を発する。
【０００６】
次いで、ＤＮＡマイクロアレイを読取装置にセッティングして、読取装置にて解析する。読取装置は、ＤＮＡマイクロアレイ上の蛍光強度分布を計測するものである。
【０００７】
読取装置は、大きくわけて二種類あり、面状光方式と共焦点レーザ方式（例えば、特許文献１参照。）がある。
面状光方式の読取装置は、励起光をＤＮＡマイクロアレイに面照射し、ＤＮＡマイクロアレイをレンズでＣＣＤイメージセンサに結像し、ＤＮＡマイクロアレイで発した蛍光をＣＣＤイメージセンサで受光し、ＤＮＡマイクロアレイの面内の蛍光強度分布をＣＣＤイメージセンサで計測するようになっている。
【０００８】
共焦点レーザ方式の読取装置は、レーザーダイオードから発した光をコリメーターレンズで収束し、レーザ光線をＤＮＡマイクロアレイに対して二次元走査し、レーザ光線の二次元走査と共に顕微鏡及びフォトマルも走査させ、レーザ光線により発した蛍光を顕微鏡を介してフォトマルで受光し、蛍光強度をフォトマルで計測し、二次元走査によってＤＮＡマイクロアレイの面内の蛍光強度分布を計測するようになっている。
【０００９】
何れの方式でも、ＤＮＡマイクロアレイ上の蛍光強度分布は二次元の画像として出力される。出力された画像内で蛍光強度が大きい部分には、サンプルＤＮＡ断片のヌクレオチド配列と相補的なヌクレオチド配列を有したプローブＤＮＡ断片が含まれていることを表している。従って、二次元画像中のどの部分の蛍光強度が大きいかによってサンプルＤＮＡ断片のヌクレオチド配列を確定することができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２３９００号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、共焦点レーザ方式の読取装置は、顕微鏡と、レーザ光線及び顕微鏡をＤＮＡマイクロアレイに対して走査する機構とを必要とし、そのため装置全体が大きいという問題がある。面状光方式の読取装置は、ＤＮＡマイクロアレイをＣＣＤイメージセンサに結像するレンズを必要とし、同様に装置が大型である。
また、何れの方式でも従来の読取装置は、ＤＮＡマイクロアレイ上のプローブＤＮＡ断片間でも蛍光強度を検知するため、画像にはＤＮＡマイクロアレイ上であってプローブＤＮＡ断片が配置されていない無駄な部分の強度データが含まれてしまう。
また、サンプルＤＮＡ断片と結合したプローブＤＮＡ断片から発した蛍光の強度は必ずしも大きくない上、ＣＣＤイメージセンサやフォトマルがＤＮＡマイクロアレイから離れているため、ＣＣＤイメージセンサやフォトマルの感度を高くしなければならない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、低感度であっても蛍光を検知することができ、読取装置を小型化することができるようにすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、例えば図１〜図４に示すように、
固体撮像デバイス（例えば、固体撮像デバイス２）と、
既知の塩基配列を有し、前記固体撮像デバイスの表面に配列されて固定された複数種のプローブＤＮＡ断片（例えば、スポット６０，６０，…）と、を備えることを特徴とする光学的ＤＮＡセンサである。
【００１４】
請求項１に記載の発明では、固体撮像デバイスの表面に複数種のプローブＤＮＡ断片が配列されて固定されているため、レンズや顕微鏡が無くとも固体撮像デバイスで鮮明な像を撮像することができ、更に走査機構が無くても二次元的な像を撮像することができる。従って、本発明の光学的ＤＮＡセンサをＤＮＡ読取装置に用いれば、ＤＮＡ読取装置にレンズ、顕微鏡、走査機構を設けなくても済み、ＤＮＡ読取装置を従来に比較して小型化することができる。
また、固体撮像デバイスの表面にプローブＤＮＡ断片が固定されているため、プローブＤＮＡ断片から発した光が殆ど減衰せずに固体撮像デバイスの表面に入射する。従って、固体撮像デバイスの感度が高くなくても済む。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、例えば図１〜図４に示すように、請求項１に記載の光学的ＤＮＡセンサにおいて、
前記固体撮像デバイスが、基板（例えば、透明基板１７）上に配列された複数の光電変換素子（例えば、ＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…）と、前記複数の光電変換素子をまとめて被覆した透明層（例えば、保護絶縁層３１及び導電体層３２）と、を備え、
前記プローブＤＮＡ断片が、前記光電変換素子にそれぞれ対応して、前記透明層上に固定されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、プローブＤＮＡ断片が光電変換素子にそれぞれ対応して透明層に固定されているから、プローブＤＮＡ断片間では光強度を検知することがない。従って、固体撮像デバイスで撮像された像はノイズの無い像であり、プローブＤＮＡ断片が配置されていない部分の光強度データが含まれていない。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、例えば図９〜図１０に示すように、請求項１に記載の光学的ＤＮＡセンサにおいて、
前記固体撮像デバイスが、基板（例えば、透明基板１７）上に配列された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子をまとめて被覆した透明層（例えば、ＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…）と、を備え、
前記プローブＤＮＡ断片が、前記複数の光電変換素子のうち隣り合うＡ個（Ａは２以上の整数である。）の光電変換素子からなる組にそれぞれ対応して、前記透明層上に固定されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、プローブＤＮＡ断片が、Ａ個の光電変換素子からなる組にそれぞれ対応して透明層に固定されているから、プローブＤＮＡ断片間では光強度を検知することがない。従って、固体撮像デバイスで撮像された像はノイズの無い像であり、プローブＤＮＡ断片が配置されていない部分の光強度データが含まれていない。
また、プローブＤＮＡ断片から発する光が弱く、光電変換素子の感度が低くても、一種のプローブＤＮＡ断片に対してＡ個の光電変換素子が対応して、一種のプローブＤＮＡ断片から発した光をＡ個の光電変換素子で受光するから、その光の強度を確実に検知することができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、例えば図４に示すように、請求項２又は３に記載の光学的ＤＮＡセンサにおいて、前記光電変換素子が、光の被照射によりキャリアを生成する半導体膜（例えば、半導体膜２３）を有した電界効果トランジスタ型の素子であることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明では、光電変換素子が電界効果トランジスタであるため、固体撮像デバイスの各画素に別のトランジスタ等の素子を設けずとも、光電変換素子だけで画素における電気信号のスイッチング等を行える。従って、固体撮像デバイスの構造をシンプルにすることができ、光電変換素子を高密度に配列することができ、プローブＤＮＡ断片も高密度に配列することができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、例えば図５に示すように、請求項１から４の何れか一項に記載の光学的ＤＮＡセンサを着脱自在とするとともに、前記固体撮像デバイスを駆動する駆動手段（駆動回路１０、トップゲートドライバ１１、ボトムゲートドライバ１２、ドレインドライバ１３及び駆動回路１０）を備えることを特徴とするＤＮＡ読取装置である。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、例えば図６に示すように、請求項５に記載のＤＮＡ読取装置において、前記プローブＤＮＡ断片に光を照射する光照射手段（例えば、光照射手段７１）を具備することを特徴とする。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のＤＮＡ読取装置において、前記光照射手段が、前記固体撮像デバイスの複数種のプローブＤＮＡ断片が固定された表面と反対の面側に配置されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載のＤＮＡ読取装置において、プローブＤＮＡ断片に結合することができるサンプルＤＮＡに付着される蛍光物質は、前記光照射手段による光によって励起して蛍光を発し、前記光照射手段による光は、前記蛍光物質で発した蛍光と比べて前記固体撮像デバイスを励起させない波長域の光であることを特徴とする。
【００２５】
請求項５〜８に記載の発明では、駆動手段で固体撮像デバイスを駆動すると、固体撮像デバイスで像を取得することができるが、固体撮像デバイスの表面に複数種のプローブＤＮＡ断片が配列されているから、プローブＤＮＡ断片が配列されている部分を固体撮像デバイスに結像するためのレンズや顕微鏡をＤＮＡ読取装置に設ける必要がない。
【００２６】
請求項９に記載の発明は、請求項２から４の何れか一項に記載の光学的ＤＮＡセンサを用いてサンプルＤＮＡ断片を同定するＤＮＡの同定方法であって、
蛍光物質又は光共鳴散乱物質で標識したサンプルＤＮＡ断片を前記透明層上に塗布することによって、前記複数種のプローブＤＮＡ断片のうち、前記サンプルＤＮＡ断片と相補性を有するＤＮＡ断片と結合させる工程と、
前記複数種のプローブＤＮＡ断片に励起光を照射する照射工程と、
励起光の被照射により前記複数種のプローブＤＮＡ断片から発した光の強度をそれぞれの前記光電変換素子で検知する検知工程と、
を含むことを特徴とする。
【００２７】
請求項９に記載の発明では、固体撮像デバイスの表面にプローブＤＮＡが固定されているため、プローブＤＮＡ断片から発した光が殆ど減衰せずに光電変換素子に入射する。従って、光電変換素子の感度が高くなくても、相補性を有したＤＮＡ断片から発した光の強度と、相補性を有しないＤＮＡ断片から発した光の強度との差を認識することができる。
【００２８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１から４の何れか一項に記載の光学的ＤＮＡセンサを製造する製造方法であって、
前記固体撮像デバイスの表面に導電体層を成膜し、
前記導電体層に電圧を印加した状態で前記プローブＤＮＡ断片を前記固体撮像デバイスの表面に固定することを特徴とする。
【００２９】
請求項１０に記載の発明では、固体撮像デバイスの表面に成膜された導電体層に電圧を印加すると、静電気によってプローブＤＮＡ断片が固体撮像デバイスの表面に引き寄せられて、プローブＤＮＡ断片を固体撮像デバイスの表面に固定しやすくなる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。
【００３１】
〔第一の実施の形態〕
図１は、本発明が適用された光学的ＤＮＡセンサを示した斜視図であり、図２は、この光学的ＤＮＡセンサの平面図であり、図３は、図２のI−I破断線で破断して矢印方向に見て示した断面図である。
【００３２】
光学的ＤＮＡセンサ１は、固体撮像デバイス２と、固体撮像デバイス２の表面に配列されて固定されたスポット６０，６０，…と、を備え、固体撮像デバイス２の各画素に一つのスポット６０が対応している。
【００３３】
まず、固体撮像デバイス２について説明する。固体撮像デバイス２は、略平板状の透明基板１７と、透明基板１７の一方の面上にｎ行ｍ列（ｎ、ｍともに正の整数である。）のマトリクス状に配列された複数のダブルゲート型電界効果トランジスタ（以下、ＤＧ−Ｔｒという。）２０，２０，…と、ＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…をまとめて被覆する保護絶縁層３１と、保護絶縁層３１上に成膜された導電体層３２と、を備える。保護絶縁層３１及び導電体層３２が透明層である。
【００３４】
透明基板１７は、光に対して透過性（以下、単に透光性という。）を有するとともに絶縁性を有し、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート等といったプラスチック基板である。この透明基板１７が、固体撮像デバイス２の裏面を成している。なお、透光性を有した透明基板１７の代わりに、遮光性を有した基板であっても良い。
【００３５】
ＤＧ−Ｔｒ２０について説明する。図４（ａ）は一つのＤＧ−Ｔｒ２０を示した平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のII−II破断線で破断して矢印方向に見て示した断面図である。
それぞれのＤＧ−Ｔｒ２０は、画素となる光電変換素子である。それぞれのＤＧ−Ｔｒ２０は、透明基板１７上に形成されたボトムゲート電極２１と、ボトムゲート電極２１上に形成されたボトムゲート絶縁膜２２と、ボトムゲート電極２１との間にボトムゲート絶縁膜２２を挟むとともにボトムゲート電極２１に対向した半導体膜２３と、半導体膜２３の中央部上に形成されたチャネル保護膜２４と、半導体膜２３の両端部上に互いに離間して形成された不純物半導体膜２５，２６と、不純物半導体膜２５上に形成されたソース電極２７と、不純物半導体膜２６上に形成されたドレイン電極２８と、ソース電極２７及びドレイン電極２８上に形成されたトップゲート絶縁膜２９と、トップゲート絶縁膜２９及びチャネル保護膜２４を半導体膜２３との間に挟むとともに半導体膜２３に対向したトップゲート電極３０と、を具備する。
【００３６】
透明基板１７上には、ボトムゲート電極２１がＤＧ−Ｔｒ２０ごとに形成されている。また、透明基板１７上には横方向に延在するｎ本のボトムゲートライン４１，４１，…が形成されており、横方向に配列された同一行の各ＤＧ−Ｔｒ２０のボトムゲート電極２１は共通のボトムゲートライン４１と一体となって形成されている。ボトムゲート電極２１及びボトムゲートライン４１は、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
【００３７】
ボトムゲート電極２１及びボトムゲートライン４１上には、全てのＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…に共通したボトムゲート絶縁膜２２が形成されている。ボトムゲート絶縁膜２２は、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる。
【００３８】
ボトムゲート絶縁膜２２上には、半導体膜２３がＤＧ−Ｔｒ２０ごとに形成されている。半導体膜２３は、平面視して略矩形状を呈しており、紫外線（波長域が４００ｎｍ未満）を受光しても十分に励起されず、より長波長の可視光（４００ｎｍ以上）を受光すると十分励起して光量に応じた量の電子−正孔対を生成するアモルファスシリコン又はポリシリコンで形成された層である。半導体膜２３上には、チャネル保護膜２４が形成されている。チャネル保護膜２４は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜２３の界面を保護する機能を有し、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。半導体膜２３に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜２４と半導体膜２３との界面付近を中心に発生するようになっている。この場合、半導体膜２３側にはキャリアとして正孔が発生し、チャネル保護膜２４側には電子が発生する。
【００３９】
半導体膜２３の一端部上には、不純物半導体膜２５が一部チャネル保護膜２４に重なるようにして形成されており、半導体膜２３の他端部上には、不純物半導体膜２６が一部チャネル保護膜２４に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜２５，２６は、ＤＧ−Ｔｒ２０ごとにパターニングされている。不純物半導体膜２５，２６は、ｎ型の不純物イオンを含むアモルファスシリコン（ｎ+シリコン）からなる。
【００４０】
不純物半導体膜２５上には、ＤＧ−Ｔｒ２０ごとにパターニングされたソース電極２７が形成されている。不純物半導体膜２６上には、ＤＧ−Ｔｒ２０ごとにパターニングされたドレイン電極２８が形成されている。また、縦方向に延在するｍ本のソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…がボトムゲート絶縁膜２２上に形成されており、縦方向に配列された同一列の各ＤＧ−Ｔｒ２０のソース電極２７は共通のソースライン４２と一体に形成されており、縦方向に配列された同一列の各ＤＧ−Ｔｒ２０のドレイン電極２８は共通のドレインライン４３と一体に形成されている。ソース電極２７、ドレイン電極２８、ソースライン４２及びドレインライン４３は、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
【００４１】
全てのＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…のチャネル保護膜２４、ソース電極２７及びドレイン電極２８並びにソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…上には、全てのＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…に共通したトップゲート絶縁膜２９が形成されている。トップゲート絶縁膜２９は、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
【００４２】
トップゲート絶縁膜２９上には、ＤＧ−Ｔｒ２０ごとにパターニングされたトップゲート電極３０が形成されている。また、トップゲート絶縁膜２９上には横方向に延在するｎ本のトップゲートライン４４が形成されており、横方向に配列された同一行の各ＤＧ−Ｔｒ２０のトップゲート電極３０は共通のトップゲートライン４４と一体に形成されている。トップゲート電極３０及びトップゲートライン４４は、導電性及び透光性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。以上のように構成されたＤＧ−Ｔｒ２０は、半導体膜２３を受光部とした光電変換素子である。
【００４３】
全てのＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…のトップゲート電極３０及びトップゲートライン４４，４４，…上には、共通の保護絶縁層３１がトップゲート電極３０及びトップゲートライン４４に被覆するように形成されている。保護絶縁層３１は、絶縁性及び透光性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
【００４４】
保護絶縁層３１上には、導電体層３２が一面に形成されている。導電体層３２は、導電性及び透光性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物で形成されている。
【００４５】
導電体層３２上には、オーバーコート層３３が一面に形成されている。このオーバーコート層３３は、透光性を有し、導電体層３２を保護したり、スポット６０，６０，…を固体撮像デバイス２の表面に固定したりするものである。
【００４６】
次に、スポット６０について説明する。図１〜図３に示すように、複数種のスポット６０，６０，…が互いに離間して、ｎ行ｍ列のマトリクス状となってオーバーコート層３３上に配列されている。一つのスポット６０は一本鎖プローブＤＮＡ断片６１が多数集まった群集であり、一つのスポット６０に含まれる多数の一本鎖プローブＤＮＡ断片６１は互いに同じヌクレオチド配列を有する。また、一本鎖プローブＤＮＡ断片６１のヌクレオチド配列は、スポット６０ごとに異なる配列となっている。何れのスポット６０のヌクレオチド配列も、塩基配列が既知のものである。
【００４７】
以上のようなスポット６０，６０，…がそれぞれＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…に対応して配列されている。つまり、図２及び図４に主に示すように固体撮像デバイス２を平面視した場合、一つのＤＧ−Ｔｒ２０に一つのスポット６０が重なっており、特にＤＧ−Ｔｒ２０の半導体膜２３が一つのスポット６０に重なっている。
【００４８】
スポット６０，６０，…を固体撮像デバイス２の表面に固定する方法としては、予め調製したプローブＤＮＡ断片６１を、ポリ陽イオン（ポリ−Ｌ−リシン、ポリエチレンイミン等）で表面処理した固体撮像デバイス２の表面に分注装置を用いて点着して、ＤＮＡの荷電を利用して固体撮像デバイス２の表面に静電結合させる方法が適用される。
その他の固定方法として、アミノ基、アルデヒド基、エポキシ基等を有するシランカップリング剤を用いる方法も利用されている。この場合には、アミノ基、アルデヒド基等は、共有結合により固体撮像デバイス２の表面に導入されるため、ポリ陽イオンによる場合と比較して安定に固体撮像デバイス２の表面に存在する。
その他の固定方法として、反応活性基を導入したオリゴヌクレオチドを合成し、表面処理した固体撮像デバイス２の表面に該オリゴヌクレオチドを点着し、共有結合させる方法もある。
【００４９】
次に、以上のように構成された光学的ＤＮＡセンサ１を用いたＤＮＡ読取装置について、図５及び図６を用いて説明する。
【００５０】
図５及び図６に示すように、ＤＮＡ読取装置７０は、表示装置３と、全体の制御を司る演算処理装置４と、光学的ＤＮＡセンサ１の表面に近接場による蛍光体励起光を面状に照射するための光照射手段７１と、光学的ＤＮＡセンサ１を駆動して画像を取得するための駆動手段（トップゲートドライバ１１，ボトムゲートドライバ１２、ドレインドライバ１３及び駆動回路１０から構成される。）と、を備える。
【００５１】
光照射手段７１は、例えば、半導体膜２３を十分に励起する波長域を含まず且つ後述する蛍光物質を十分励起する波長域の蛍光体励起光（主に紫外線）を発する光源と、光源から発した蛍光体励起光を全反射することによって全反射面から外部に向けて近接場による蛍光体励起光を発するプリズム又は帯状の光ファイバ束と、を備える。光学的ＤＮＡセンサ１はＤＮＡ読取装置７０に対して着脱自在となっており、ＤＮＡ読取装置７０に装着された光学的ＤＮＡセンサ１の固体撮像デバイス２の表面が蛍光体励起光の出射面７１ａ（全反射面）に近接して対向するようになっている。光学的ＤＮＡセンサ１が光照射手段７１の出射面７１ａに対向した場合、出射面から面放射した近接場による蛍光体励起光が固体撮像デバイス２の表面に均等に照射されるようになっている。上記光学的ＤＮＡセンサ１の固体撮像デバイス２は、出射面７１から出射した蛍光体励起光に対して感度を示さないとともに励起せず、蛍光体励起光の被照射により蛍光物質から発した蛍光（主に可視光）に対して感度を示すとともに励起する。
【００５２】
また、光学的ＤＮＡセンサ１がＤＮＡ読取装置７０に装着された場合、光学的ＤＮＡセンサ１のトップゲートライン４４，４４，…がトップゲートドライバ１１の端子にそれぞれ接続されるようになっている。同様に、光学的ＤＮＡセンサ１のボトムゲートライン４１，４１，…がボトムゲートドライバ１２の端子に接続されるようになっており、光学的ＤＮＡセンサ１のドレインライン４３，４３，…がドレインドライバ１３の端子にそれぞれ接続されるようになっている。また、光学的ＤＮＡセンサ１がＤＮＡ読取装置７０に装着された場合、光学的ＤＮＡセンサ１のソースライン４２，４２，…が一定電圧源に接続され、この例では接地されるようになっている。
【００５３】
トップゲートドライバ１１は、シフトレジスタである。つまり、トップゲートドライバ１１は、駆動回路１０から制御信号Ｔｃｎｔを入力することによって、１行目のトップゲートライン４４からｎ行目のトップゲートライン４４の順に（ｎ行目に達したら必要に応じて１行目に戻る。）リセットパルス（図８に図示）を出力するようになっている。リセットパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルである。一方、トップゲートドライバ１１は、リセットパルスを出力しない時にローレベルの−２０〔Ｖ〕の電位をそれぞれのトップゲートライン４４に印加するようになっている。
【００５４】
ボトムゲートドライバ１２は、シフトレジスタである。つまり、一行目のボトムゲートライン４１からｎ行目のボトムゲートライン４１の順に（ｎ行目に達したら必要に応じて１行目に戻る。）リードパルス（図８に図示）を出力するようになっている。リードパルスのレベルは＋１０〔Ｖ〕のハイレベルであり、リードパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。
【００５５】
トップゲートドライバ１１がｉ行目（ｉは１〜ｎの何れかの整数。）のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力した後にキャリア蓄積期間を経てボトムゲートドライバ１２がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力するように、トップゲートドライバ１１及びボトムゲートドライバ１２は出力信号をシフトするようになっている。つまり、各行では、リードパルスが出力されるタイミングは、リセットパルスが出力されるタイミングより遅れている。また、ｉ行目（ｉは、１〜ｎの何れかである。）のトップゲートライン４４へのリセットパルスの入力が開始してから、ｉ行目のボトムゲートライン４１へのリードパルスの入力が終了するまでの期間は、ｉ行目の選択期間である。リセットパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルであり、リセットパルスが出力されていない時のレベルは−２０〔Ｖ〕のローレベルである。
【００５６】
ドレインドライバ１３は、それぞれの行の選択期間において、リセットパルスが出力されてからリードパルスが出力されるまでの間に、全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルス（図８に図示）を出力するようになっている。プリチャージパルスのレベルは＋１０〔Ｖ〕のハイレベルであり、プリチャージパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。また、ドレインドライバ１３は、プリチャージパルスの出力後にドレインライン４３，４３，…の電圧を増幅して、駆動回路１０に出力するようになっている。
【００５７】
駆動回路１０は、演算処理装置４に駆動されることによって、ボトムゲートドライバ１２、トップゲートドライバ１１、ドレインドライバ１３それぞれに制御信号Ｂｃｎｔ、Ｔｃｎｔ、Ｄｃｎｔを出力することでボトムゲートドライバ１２、トップゲートドライバ１１、ドレインドライバ１３に適宜パルスを出力させるようになっている。更に、駆動回路１０は、リードパルスが出力されてから所定時間経過後のドレインライン４３，４３，…の電圧を検出することによって、又はリードパルスが出力されてからドレインライン４３，４３，…の電圧が所定閾値電圧に至るまでの時間を検出することによって、画像を取得し、その画像を演算処理装置４に出力するようになっている。演算処理装置４は、駆動回路１０から入力した画像を表示装置３に表示させるようになっている。
【００５８】
以上のように、固体撮像デバイス２の表面にスポット６０，６０，…が配列されているため、ＤＮＡ読取装置７０にはレンズ・顕微鏡といった光学系を設けずとも、固体撮像デバイス２で鮮明な像を撮像することができる。従って、ＤＮＡ読取装置７０を小型化することができる。
【００５９】
次に、光学的ＤＮＡセンサ１の製造方法について説明する。
まず、一枚の透明基板に複数の固体撮像デバイス２を同時に製造する。一つの固体撮像デバイス２の製造方法は以下のようになる。
即ち、スパッタ、蒸着といったＰＶＤ法又はＣＶＤ法により導電体層を透明基板１７上に成膜した後、フォトリソグラフィー法といったマスク工程を行い、エッチング法等により導電体層を形状加工する形状加工工程を行うことによって、それぞれのＤＧ−Ｔｒ２０のボトムゲート電極２１並びにボトムゲートライン４１，４１，…をパターニングする。
【００６０】
次いで、透明基板１７のほぼ全面にわたって窒化シリコン又は酸化シリコンからなるボトムゲート絶縁膜２２を成膜し、更にボトムゲート絶縁膜２２上の全面にわたって半導体膜２３となる半導体層を成膜し、半導体層上の全面にわたってチャネル保護膜２４となる窒化シリコン又は酸化シリコンからなる絶縁層を成膜する。次いで、絶縁層にマスクをし、絶縁層を形状加工することによって、ＤＧ−Ｔｒ２０ごとにチャネル保護膜２４をパターニングし、その後にｎ型不純物を含有したアモルファスシリコン層を形成する。そして、このアモルファスシリコン層にマスクをし、アモルファスシリコン層を形状加工することによって、不純物半導体膜２５，２６をＤＧ−Ｔｒ２０ごとにパターニングするとともに下方の半導体膜２３をＤＧ−Ｔｒ２０ごとにパターニングする。
【００６１】
次いで、導電体層を全面に成膜し、導電体層にマスクをして、導電体層を形状加工することによって、ドレイン電極２８及びソース電極２７をＤＧ−Ｔｒ２０ごとにパターニングするとともにドレインライン４３，４３，…及びソースライン４２，４２，…をパターニングする。
【００６２】
次いで、ドレイン電極２８及びソース電極２７等が形成されたボトムゲート絶縁膜２２の全面にトップゲート絶縁膜２９を成膜する。次いで、トップゲート絶縁膜２９上の全面にＩＴＯといった透明な導電体層を成膜し、透明な導電体層にマスクをし、透明な導電体層を形状加工することによって、ＤＧ−Ｔｒ２０ごとにトップゲート電極３０をパターニングするとともにトップゲートライン４４，４４，…をトップゲート電極３０と一体形成する。
【００６３】
次いで、トップゲート電極３０及びトップゲートライン４４が形成されたボトムゲート絶縁膜２２上の全面に、保護絶縁層３１を成膜する。次いで、保護絶縁層３１上の全面に導電体層３２を成膜する。
【００６４】
以上の各工程をそれぞれの固体撮像デバイス２について同時に行うことによって、図７に示すように一枚の透明基板１７に複数の固体撮像デバイス２，２，…を同時に製造する。以下では、一枚の透明基板１７に複数の固体撮像デバイス２，２，…が製造されたものをマザー基板３５という。
【００６５】
次いで、マザー基板３５の表面（導電体層３２）であってマザー基板３５の四隅のうちの少なくとも一つに印を付す。図７では、三つの角に刻印３５ａを付している。そして、マザー基板３５の表面に化学処理を施して、例えばポリ陽イオン（ポリ−Ｌ−リシン、ポリエチレンイミン等）又はシランカップリング剤からなるオーバーコート層３３をマザー基板３５の表面に成膜する。
【００６６】
一方、既知のヌクレオチド配列を有したＤＮＡ断片６１を複数種生成し（各種のＤＮＡ断片６１のヌクレオチド配列は互いに異なっている。）、各種のＤＮＡ断片６１を溶媒で分散又は溶解して、複数種の試料溶液を調製する。調製した複数種の試料溶液を分注装置の複数のピペットにそれぞれセッティングする。また、マザー基板３５を分注装置の載置台にセッティングする。この分注装置では、複数のピペットが載置台上で水平面内に移動し、更に、下降することによって試料溶液を点着するようになっている。
【００６７】
次いで、マザー基板３５の表層に成膜された導電体層３２に正電圧を印加した状態で、分注装置によって複数種の試料溶液をピペットからマザー基板３５に点着する。この際、各種の試料溶液を各固体撮像デバイス２に振り分け、一つの固体撮像デバイス２につき互いに異なる複数種の試料溶液を点着する。このとき、一つのＤＧ−Ｔｒ２０に対して一種類の試料溶液を平面視して重ねるようにして点着する。アデニン、グアニン、シトシン、チミンの４種の塩基で構成されるヌクレオチド鎖は、塩基と結合している糖がリン酸ジエステル結合しているので全体として負極性なため、導電体層３２に印加された正電圧により、プローブＤＮＡ断片６１が吸引されるから、プローブＤＮＡ断片６１がオーバーコート層３３に静電結合して固定しやすくなる。なお、分注装置でマザー基板３５の刻印３５ａを読み取ることによって点着位置を調整し、位置精度良く各ＤＧ−Ｔｒ２０上に試料溶液を点着するようになっている。
【００６８】
次いで、マザー基板３５を固体撮像デバイス２ごとに切断することによって、複数の光学的ＤＮＡセンサ１が完成する。
【００６９】
光学的ＤＮＡセンサ１及びＤＮＡ読取装置７０を用いたＤＮＡの同定方法について説明する。
まず、検体からＤＮＡを採取して、採取したＤＮＡを一本鎖ＤＮＡ断片に変性し、ＤＮＡ断片に蛍光物質又は光共鳴散乱物質を結合させ、ＤＮＡ断片を蛍光物質又は光共鳴散乱物質で標識する。蛍光物質としては、例えばＣｙＤｙｅのＣｙ２（アマシャム社製）がある。得られたＤＮＡ断片は、溶液中に含まれている。以下では、このＤＮＡ断片をサンプルＤＮＡ断片という。蛍光物質又は光共鳴散乱物質は、ＤＮＡ読取装置７０の光照射手段７１から出射される蛍光体励起光の波長で励起されるものを選択する。蛍光物質又は光共鳴散乱物質は蛍光体励起光を吸収することによって励起されることによって可視光を発するが、蛍光体励起光光の波長域は半導体膜２３を励起する可視光の波長域とできるだけ異なるのが望ましく、可視光の波長域は光学的ＤＮＡセンサ１の半導体膜２３にキャリアを十分に発生させる波長域が望ましい。
【００７０】
次いで、サンプルＤＮＡ断片を含有した溶液を光学的ＤＮＡセンサ１の表面に塗布する。サンプルＤＮＡ断片は、ハイブリダイゼーションによってスポット６０，６０，…のうち相補性を有するプローブＤＮＡ断片６１と結合し、相補性を有しないプローブ断片とは結合しない。光学的ＤＮＡセンサ１に塗布されたサンプルＤＮＡ断片のうちハイブリダイゼーションしなかったものは洗い流す。
【００７１】
次いで、光学的ＤＮＡセンサ１をＤＮＡ読取装置７０にセッティングすると、トップゲートライン４４，４４，…がトップゲートドライバ１１の端子にそれぞれ接続され、ボトムゲートライン４１，４１，…がボトムゲートドライバ１２の端子に接続され、ドレインライン４３，４３，…がドレインドライバ１３の端子にそれぞれ接続される。
【００７２】
次いで、光照射手段７１が点灯し、光学的ＤＮＡセンサ１の表面に蛍光体励起光が面状に照射することによってＤＮＡ読取装置７０の読み取りが開始される。これによって、スポット６０，６０，…のプローブＤＮＡ断片６１及びプローブＤＮＡ断片６１と結合したサンプルＤＮＡ断片の組では、サンプルＤＮＡ断片に付着した蛍光物質から蛍光（主に可視光）を発し、サンプルＤＮＡ断片と結合しなかったプローブＤＮＡ断片６１は蛍光を発しない。そのため、サンプルＤＮＡ断片と結合したプローブＤＮＡ断片６１を含むスポット６０に対応したＤＧ−Ｔｒ２０には高強度の蛍光が入射し、サンプルＤＮＡ断片と結合していないプローブＤＮＡ断片６１からなるスポット６０に対応したＤＧ−Ｔｒ２０には殆ど蛍光が入射しない。固体撮像デバイス２の表面にスポット６０，６０、…のプローブＤＮＡ断片６１が固定されているため、サンプルＤＮＡ断片と結合したスポット６０から発した蛍光はあまり減衰せずに、そのスポット６０に対応したＤＧ−Ｔｒ２０に入射して電子−正孔対を発生させる。従って、ＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…の感度が低くても、十分に強度を検知することができる。
なお、サンプルＤＮＡ断片に光共鳴散乱物質を結合した場合、スポット６０，６０，…のうちサンプルＤＮＡ断片と結合したものは共鳴により高い強度の光を発し、サンプルＤＮＡ断片と結合しなかったものは低い強度の光を発する。
【００７３】
そして、ＤＮＡ読取装置７０は、光学的ＤＮＡセンサ１を駆動することによって、光学的ＤＮＡセンサ１がそれぞれのＤＧ−Ｔｒ２０で蛍光強度又は蛍光の光量を検知し、光学的ＤＮＡセンサ１上の光強度分布を二次元の画像データとして取得する。互いに隣接するＤＧ−Ｔｒ２０，２０間距離は最低でも１０μｍ以上あり、ＤＧ−Ｔｒ２０の半導体層２３からＤＮＡ断片の一対までの距離は６０００ｎｍ程度あり、またプローブＤＮＡ断片６１及びサンプルＤＮＡ断片の一対にはそれぞれ塩基が１０００個配列していてもＤＮＡ断片の一対の螺旋の直線距離は３４０ｎｍ程度であるので、プローブＤＮＡ断片６１及びサンプルＤＮＡ断片の一対が固体撮像デバイス２の表面に立っていても寝ていても、ＤＮＡ断片の一対に最も近接するＤＧ−Ｔｒ２０に隣接するＤＧ−Ｔｒ２０にまで当該ＤＮＡ断片の一対からの蛍光が電子−正孔対を十分生成するほど入射されることはない。換言すればＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…は互いに十分離間しているので、ＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…にそれぞれ対応してスポット６０，６０，…を配置させても、１０００ｎｍ以下のＤＮＡ断片の長さであれば、ＤＮＡ断片の一対が隣のＤＧ−Ｔｒ２０を十分励起する程度の蛍光を発することなく、また各ＤＧ−Ｔｒ２０に各スポット６０を対応させることでＤＧ−Ｔｒ２０の数だけのの塩基配列の種類を一度に同定することが可能となる。
【００７４】
ＤＮＡ読取装置７０の画像取得動作は以下のようになる。
即ち、駆動回路１０がトップゲートドライバ１１に制御信号Ｔｃｎｔを出力し、トップゲートドライバ１１が１行目のトップゲートライン４４からｎ行目のトップゲートライン４４へと順次リセットパルスを出力する。また、駆動回路１０がボトムゲートドライバ１２に制御信号Ｂｃｎｔを出力し、ボトムゲートドライバ１２が１行目のボトムゲートライン４１からｎ行目のボトムゲートライン４１へと順次リードパルスを出力する。また、駆動回路１０が制御信号Ｄｃｎｔをドレインドライバ１３に出力し、ドレインドライバ１３が各行でリセットパルスが出力されているリセット期間と各行でリードパルスが出力されている期間との間に、プリチャージパルスを全てのドレインライン４３，４３，…に出力する。
【００７５】
ｉ行目の各ＤＧ−Ｔｒ２０の動作について詳細に説明する。図８に示すように、トップゲートドライバ１１がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力すると、ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになる。ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになっている間（この期間をリセット期間という。）、ｉ行目の各ＤＧ−Ｔｒ２０では、半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積されたキャリア（ここでは、正孔である。）が、トップゲート電極３０の電圧により反発して吐出される。
【００７６】
次いで、トップゲートドライバ１１がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力することを終了する。ＤＧ−Ｔｒ２０の半導体膜２３には、最も近接するスポット６０のプローブＤＮＡ断片６１及びサンプルＤＮＡ断片の一対に含まれる蛍光物質からの蛍光が入射されており、ｉ行目のトップゲートライン４４のリセットパルスが終了してから、ｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスが出力されるまでの間（この期間をキャリア蓄積期間という。）、半導体膜２３内で、この蛍光の光量に従った量の電子−正孔対が生成され、そのうちの正孔がトップゲート電極３０の電界により半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積される。
【００７７】
次いで、キャリア蓄積期間中に、ドレインドライバ１３が全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルスを出力する。プリチャージパルスが出力されている間（プリチャージ期間という。）では、ｉ行目の各ＤＧ−Ｔｒ２０においては、トップゲート電極３０に印加されている電位が−２０〔Ｖ〕であり、ボトムゲート電極２１に印加されている電位が±０〔Ｖ〕であるため、たとえ半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積された正孔の電荷だけではゲート−ソース間電位が低いので半導体膜２３にはチャネルが形成されず、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流は流れない。プリチャージ期間において、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流が流れないため、ドレインライン４３，４３，…に出力されたプリチャージパルスによってｉ行目の各ＤＧ−Ｔｒ２０のドレイン電極２８に電荷がチャージされる。
【００７８】
次いで、ドレインドライバ１３がプリチャージパルスの出力を終了するとともに、ボトムゲートドライバ１２がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力する。ボトムゲートドライバ１２がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力している間（この期間を、リード期間という。）では、ｉ行目の各ＤＧ−Ｔｒ２０のボトムゲート電極２１に＋１０〔Ｖ〕の電位が印加されているため、ｉ行目の各ＤＧ−Ｔｒ２０がオン状態になる。
【００７９】
リード期間においては、キャリア蓄積期間において蓄積されたキャリアがトップゲート電極３０とボトムゲート電極２１との間の電圧を緩和するように働くため、ボトムゲート電極２１とトップゲート電極３０との間の電圧により半導体膜２３にチャネルが形成されて、ドレイン電極２８からソース電極２７に電流が流れるようになる。従って、リード期間では、ドレインライン４３，４３，…の電圧は、ドレイン−ソース間電流によって時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。
【００８０】
ここで、キャリア蓄積期間において半導体膜２３に入射した蛍光の光量が多くなるにつれて、蓄積されるキャリアも多くなり、蓄積されるキャリアが多くなるにつれて、リード期間においてドレイン電極２８からソース電極２７に流れる電流のレベルも大きくなる。従って、リード期間におけるドレインライン４３，４３，…の電圧の変化傾向は、キャリア蓄積期間で半導体膜２３に入射した光量に深く関連する。そして、駆動回路１０が、ｉ行目のリード期間から次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ期間までの間に、ドレインドライバ１３を介して、リード期間が開始してから所定の時間経過後のドレインライン４３，４３，…の電圧を検出する。これにより、光の強度に換算される。なお、駆動回路１０が、ｉ行目のリード期間から次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ期間までの間に、ドレインドライバ１３を介して、所定の閾値電圧に至るまでの時間を検出しても良い。この場合でも、光の強度に換算される。また、図８では、トップゲートドライバ１１の（ｉ＋１）行目のリセットパルスの立ち上がり時期は、ボトムゲートドライバ１２のｉ行目のリードパルスが立ち下がってからであるが、これに限らず、トップゲートドライバ１１の（ｉ＋１）行目のリセットパルスの立ち上がり時期は、トップゲートドライバ１１のｉ行目のリセットパルスの立ち下がり直後からボトムゲートドライバ１２のｉ行目のリードパルスの立ち下がりまでの間であってもよい。ただし、（ｉ＋１）行目のＤＧ−Ｔｒ２０のためにドレインライン４３，４３，…に出力されたプリチャージパルスの出力は、ボトムゲートドライバ１２のｉ行目のリードパルスの立ち下がり以降になるように設定されている。
【００８１】
上述した一連の画像読み取り動作を１サイクルとして、全ての行の各ＤＧ−Ｔｒ２０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、光学的ＤＮＡセンサ１上の光の強度分布が画像として取得される。そして、光強度分布を表した画像は、駆動回路１０から演算処理装置４へ出力される。演算処理装置４は、光強度分布を表した画像を表示装置３に表示させる。表示された画像中のどの部分の光強度が大きいかによってサンプルＤＮＡ断片のヌクレオチド配列を特定する。
【００８２】
なお、キャリア蓄積期間の長さを調節すれば、光学的ＤＮＡセンサ１のＤＧ−Ｔｒ２０の感度を調節することができる。例えば、キャリア蓄積期間を長くすれば、ハイブリダイゼーションしたスポット６０から発した光の強度が弱い場合でも、生成される電子−正孔対の時間が長くなるのでそれに応じて蓄積される正孔の量も増えるため、ハイブリダイゼーションしたスポット６０の光を検知することができる。
【００８３】
〔第二の実施の形態〕
図９は、第二実施形態における光学的ＤＮＡセンサ１００を示した平面図であり、図１０は、図９のIII−III破断線で破断して矢印方向に見て示した断面図である。
第一実施形態の光学的ＤＮＡセンサ１では、一つのスポット６０に対して一つのＤＧ−Ｔｒ２０が対応しているのに対して、第二実施形態の光学的ＤＮＡセンサ１００では、一つのスポット６０に対して四つのＤＧ−Ｔｒ２０に対応して固体撮像デバイス２の表面に固定されている。つまり、第二実施形態の光学的ＤＮＡセンサ１００では、縦横に隣り合った四つのＤＧ−Ｔｒ２０が一つの組を成し、一つの組に対して一つのスポット６０が対応しており、平面視して一つのスポット６０に四つのＤＧ−Ｔｒ２０が重なっている。また、隣り合うスポット６０は、互いに離れている。
光学的ＤＮＡセンサ１００のその他の構成要素は、第一実施形態の光学的ＤＮＡセンサ１と同様であり、光学的ＤＮＡセンサ１００の詳細な説明を省略する。また、この光学的ＤＮＡセンサ１００も光学的ＤＮＡセンサ１と同様にＤＮＡ読取装置７０に用いることができ、ＤＮＡの同定の方法も一つのスポット６０から発した光を対応した四つのＤＧ−Ｔｒ２０で受光することを除いては第一実施形態の場合と同様である。更に、光学的ＤＮＡセンサ１００の製造方法も、四つのＤＧ−Ｔｒ２０に対して一つのスポット６０を固定することを除いては第一実施形態の場合と同様である。
【００８４】
なお、四つのＤＧ−Ｔｒ２０に限らず、縦又は横に隣り合う二つのＤＧ−Ｔｒ２０に対して一つのスポット６０が対応していても良いし、縦又は横に隣り合う三つのＤＧ−Ｔｒ２０に対して一つのスポット６０が対応していても良いし、その他五つ以上のＤＧ−Ｔｒ２０に対して一つのスポットが対応していても良い。但し、面内のどのスポット６０も、対応するＤＧ−Ｔｒ２０の数は同じである。何れの場合でも、一つのスポット６０に対応するＤＧ−Ｔｒ２０の数をＡとし（Ａは２以上の整数である。）、スポット６０の数をＢとしたら、（Ａ×Ｂ）で表される数が固体撮像デバイス２に含まれたＤＧ−Ｔｒ２０の必要な最小限数である。スポット６０同士が近接しすぎてわずかな揺れで接触してしまうことで異なるプローブＤＮＡ断片６１が混入してしまわないように、隣接するスポット６０間に、上面にスポット６０が位置していないＤＧ−Ｔｒ２０を存在させ、光学的ＤＮＡセンサ１００に（Ａ×Ｂ）を越える数ＤＧ−Ｔｒ２０を設けてもよい。
【００８５】
本実施の形態では、第一実施形態の場合と同様に、固体撮像デバイス２の表面にスポット６０，６０，…が配列されて固定されているため、ＤＮＡ読取装置７０にレンズや顕微鏡等の光学系を設けなくても済み、ＤＮＡ読取装置７０の小型化を図ることができる。
また、サンプルＤＮＡ断片に結合したスポット６０から発する光が弱いと、一つのＤＧ−Ｔｒ２０では光強度を十分に検知できない恐れもあるが、一つのスポット６０に対して２個以上のＤＧ−Ｔｒ２０が対応して、一つのスポット６０から発した光を２個以上のＤＧ−Ｔｒ２０で受光するから、光強度を確実に検知することができる。ここで一つのスポット６０に対応する複数のＤＧ−Ｔｒ２０全てにより算出された光情報データを加算して塩基配列同定の基準としてもよく、一つのスポット６０に対応する複数のＤＧ−Ｔｒ２０の中で最大の光量を検知した一つのＤＧ−Ｔｒ２０の光情報データのみを塩基塩基配列同定の基準としてもよい。また、ソース−ドレイン間等に欠陥のあるＤＧ−Ｔｒ２０が存在し、実際には蛍光を発っしていないにもかかわらず、ドレイン電流が流れてしまい、リード期間のドレインライン４３の電圧が下がってしまい、蛍光を発したとみなしてしまう場合があるので、一つのスポット６０に対応する複数のＤＧ−Ｔｒ２０の中で最大の光量を検知した一つのＤＧ−Ｔｒ２０の光情報データを外して残りのＤＧ−Ｔｒ２０の光情報データから同定してもよい。同様にトップゲート−ドレイン間等に欠陥のあるＤＧ−Ｔｒ２０が存在し、実際には蛍光を発っしているにもかかわらず、ドレイン電流が流れないためにリード期間のドレインライン４３の電圧が下がらず、蛍光を発していないとみなしてしまう場合があるので、一つのスポット６０に対応する複数のＤＧ−Ｔｒ２０の中で最小の光量を検知した一つのＤＧ−Ｔｒ２０の光情報データを外して残りのＤＧ−Ｔｒ２０の光情報データから同定してもよい。また上記のことを考慮して、一つのスポット６０に対応する複数のＤＧ−Ｔｒ２０の中で、最大の光量を検知した一つのＤＧ−Ｔｒ２０の光情報データ及び最小の光量を検知した一つのＤＧ−Ｔｒ２０の光情報データを外して残りのＤＧ−Ｔｒ２０の光情報データから同定してもよい。このように複数のＤＧ−Ｔｒ２０で補償することで一種類の塩基配列を同定させることから、仮にその中でＤＧ−Ｔｒ２０に欠陥のあるものが存在しても、残りの正常に動作できるＤＧ−Ｔｒ２０から光情報データを採用することができるので精確に読み取ることができる。
【００８６】
本発明は、上記各実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
例えば、スポット６０，６０，…がオーバーコート層３３に直接固定されているが、導電体層３２上にオーバーコート層３３を成膜しないで導電体層３２にスポット６０，６０，…を直接固定しても良いし、更には保護絶縁層３１上に導電体層３２及びオーバーコート層３３を成膜しないで保護絶縁層３１にスポット６０，６０，…を固定しても良いし、保護絶縁層３１上に導電体層３２ではなくオーバーコート層３３を成膜してオーバーコート層３３にスポット６０，６０，…を固定しても良い。
【００８７】
また上記各実施形態では、導電体層３２に正電圧を印加をしたが、固体撮像デバイス２の製造時からＤＮＡ読み取り時に至るまでに発生する静電気からＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…やＤＧ−Ｔｒ２０に接続されているトップゲートドライバ１１，ボトムゲートドライバ１２、ドレインドライバ１３及び駆動回路１０を保護するように静電気よりも絶対値が小さい電圧、例えば０（Ｖ）に設定することで静電気放電用電極として機能するようにしてもよい。
【００８８】
また、上記各実施形態では、ＤＮＡ読取装置７０の光照射手段７１が近接場による面発光した紫外線を励起光として照射しているが、この励起光を所定方向から入射されたエヴァネッセント光としてもよい。この場合、紫外線は半導体膜２３まで到達することなく逓減してしまうので半導体膜２３は紫外線により励起するものでも良い。
また、光源からの蛍光体励起光が出射面７１ａで全反射しなくても良く、出射面７１ａから光学的ＤＮＡセンサ１の表面に直接入射しても良い。この場合、出射面７１ａから光学的ＤＮＡセンサ１の表面が近接していなくても良い。
【００８９】
また、上記各実施形態では、ＤＮＡ読取装置７０の光照射手段７１が光学的ＤＮＡセンサ１の表面に向けて励起光を照射しているが、光学的ＤＮＡセンサ１の裏面側から裏面に向けて励起光を照射しても良い。この場合、ボトムゲート電極２１が遮光性を有しているため、励起光が半導体膜２３に直接入射することはない。
【００９０】
また、上記各実施形態では、光電変換素子としてＤＧ−Ｔｒ２０，２０，…を用いた固体撮像デバイス２を例にして説明したが、光電変換素子としてフォトダイオードを用いた固体撮像デバイスに本発明を適用しても良い。フォトダイオードを用いた固体撮像デバイスとしては、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサがある。
【００９１】
ＣＣＤイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲には、フォトダイオードで光電変換された電気信号を転送するための垂直ＣＣＤ、水平ＣＣＤが形成されている。また、上記固体撮像デバイス２と同様に、保護絶縁層が複数のフォトダイオードを被覆するように一面に成膜されており、保護絶縁層上に導電体層が一面に成膜されている。そして、オーバーコート膜を介して導電体層上に複数種のスポットが配列されているが、平面視して一つのフォトダイオードに一つのスポットが重なっているか、又は、隣り合った幾つかのフォトダイオードが一つの組を成すとともに平面視して一つのスポットに一つの組となった幾つかのフォトダイオードが重なっている。
【００９２】
ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲にはフォトダイオードで光電変換された電気信号を増幅するための画素回路が設けられている。また、上記固体撮像デバイス２と同様に、保護絶縁層が複数のフォトダイオードを被覆するように一面に成膜されており、保護絶縁層上に導電体層が一面に成膜されている。そして、オーバーコート膜を介して導電体層上に複数種のスポットが配列されているが、平面視して一つのフォトダイオードに一つのスポットが重なっているか、又は、隣り合った幾つかのフォトダイオードが一つの組を成すとともに平面視して一つのスポットに一つの組となった幾つかのフォトダイオードが重なっている。
【００９３】
上記固体撮像デバイス２は、一つの画素につき一つのＤＧ−Ｔｒ２０だけから構成されているため、一つの画素につきフォトダイオードとその周辺回路からなるＣＣＤイメージセンサ及びＣＭＯＳイメージセンサに比較すると、構造が簡略化されている。従って、上記固体撮像デバイス２はＣＣＤイメージセンサ及びＣＭＯＳイメージセンサと比較して画素を高密度に配列することができ、スポット６０，６０，…も高密度に配列することができる。
【００９４】
上記各実施形態では、マザー基板３５を固体撮像デバイス２ごとに切断していたが、ＤＮＡ読取装置７０に複数の固体撮像デバイス２に対応したトップゲートドライバ１１，ボトムゲートドライバ１２、ドレインドライバ１３及び駆動回路１０を設けることにより複数の固体撮像デバイス２から一括してＤＮＡ読取りを行うようにしてもよい。
【００９５】
また上記各実施形態では、サンプルＤＮＡ断片を含有した溶液を塗布した光学的ＤＮＡセンサ１をＤＮＡ読取装置７０にセッティング後にすると、トップゲートライン４４，４４，…がトップゲートドライバ１１の端子にそれぞれ接続させ、ボトムゲートライン４１，４１，…がボトムゲートドライバ１２の端子に接続させ、ドレインライン４３，４３，…がドレインドライバ１３の端子にそれぞれ接続させていたが、サンプルＤＮＡ断片を含有した溶液を光学的ＤＮＡセンサ１に塗布する前に予めトップゲートライン４４，４４，…がトップゲートドライバ１１の端子にそれぞれ接続させ、ボトムゲートライン４１，４１，…がボトムゲートドライバ１２の端子に接続させ、ドレインライン４３，４３，…がドレインドライバ１３の端子にそれぞれ接続させていてもよい。
【００９６】
また、上記各実施形態では、ＤＧ−Ｔｒ２０は紫外線に十分に励起せず、可視光に十分に励起するように設定されているが、短波長可視光に十分励起せず、長波長可視光に十分励起するように設定してもよい。これに合わせて、蛍光物質も短波長可視光を吸収して長波長可視光を発するものを選択することができる。
【００９７】
また、上記各実施形態で形成されるスポット６０，６０，…は、インクジェット方式により細かい液滴として固体撮像デバイス２の表面の所定の位置に形成されてもよい。
【００９８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、レンズや顕微鏡が無くとも固体撮像デバイスで鮮明な像を撮像することができ、更に走査機構が無くても二次元的な像を撮像することができるため、本発明の光学的ＤＮＡセンサをＤＮＡ読取装置に用いれば、ＤＮＡ読取装置にレンズ、顕微鏡、走査機構を設けなくても済み、ＤＮＡ読取装置を従来に比較して小型化することができる。また、プローブＤＮＡ断片から発した光が殆ど減衰せずに固体撮像デバイスの表面に入射するから、固体撮像デバイスの感度が高くなくても済む。
請求項２及び３に記載の発明によれば、プローブＤＮＡ断片間でも光強度を検知することがないため、固体撮像デバイスで撮像された像はノイズの無い像であり、プローブＤＮＡ断片が配置されていない部分の光強度データが含まれていない。
請求項４に記載の発明によれば、光電変換素子だけで画素における電気信号のスイッチング等を行えるので、光電変換素子を高密度に配列することができ、プローブＤＮＡ断片も高密度に配列することができる。
請求項５に記載の発明によれば、プローブＤＮＡ断片が配列されている部分を固体撮像デバイスに結像するためのレンズや顕微鏡をＤＮＡ読取装置に設ける必要がないから、ＤＮＡ読取装置を小型化することができる。
請求項６〜８に記載の発明は、請求項５に記載の発明と同様の効果を奏する。請求項９に記載の発明によれば、プローブＤＮＡ断片から発した光が殆ど減衰せずに光電変換素子に入射するから、光電変換素子の感度が高くなくとも、相補性を有したＤＮＡ断片から発した光の強度と相補性を有しないＤＮＡ断片から発した光の強度との差を認識することができる。そのため、サンプルＤＮＡ断片の同定が容易になる。
請求項１０に記載の発明によれば、静電気によってプローブＤＮＡ断片が固体撮像デバイスの表面に引き寄せられて、プローブＤＮＡ断片を固体撮像デバイスの表面に固定しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された光学的ＤＮＡセンサを示した斜視図である。
【図２】上記光学的ＤＮＡセンサを示した平面図である。
【図３】図２のI−I破断線で破断して示した断面図である。
【図４】図４（ａ）は上記光学的ＤＮＡセンサに備わる固体撮像デバイスの一つの画素を示した平面図であり、図４（ｂ）はII−II破断線で破断して示した断面図である。
【図５】上記光学的ＤＮＡセンサを用いたＤＮＡ読取装置の回路構成を示した図面である。
【図６】上記ＤＮＡ読取装置に上記光学的ＤＮＡセンサをセッティングした場合の形態を示した図面である。
【図７】複数の固体撮像デバイスからなるマザー基板を示した斜視図である。
【図８】上記固体撮像デバイスのドライバによって出力される電気信号のレベルの推移を示したタイミングチャートである。
【図９】上記光学的ＤＮＡセンサとは別の光学的ＤＮＡセンサを示した平面図である。
【図１０】図９のIII−III破断線で破断して示した断面図である。
【符号の説明】
１      光学的ＤＮＡセンサ
２      固体撮像デバイス
１０      駆動回路（駆動手段）
１１      トップゲートドライバ（駆動手段）
１２      ボトムゲートドライバ（駆動手段）
１３      ドレインドライバ（駆動手段）
２０      ダブルゲート型電界効果トランジスタ（光電変換素子）
２３      半導体膜
３１      保護絶縁層（透明層）
３２      導電体層（透明層）
６０      スポット（プローブＤＮＡ断片）
７０      ＤＮＡ読取装置
７１      光照射手段
【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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