(57)【要約】【課題】従来よりも遙かに優れた感度を有し、高選択性のバイオセンサーを提供する。【解決手段】電界効果型トランジスタあるいは単一電子型トランジスタのチャネル部にカーボンナノチューブを接続したことを特徴とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果型トランジスタあるいは単一電子型トランジスタのチャネル部にカーボンナノチューブを接続したことを特徴とするバイオセンサー。
【請求項２】
請求項１記載のバイオセンサーにおいて、前記カーボンナノチューブの内部に欠陥が導入されていることを特徴とするバイオセンサー。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のバイオセンサーにおいて、前記チャネル部上に保護膜が設けられ、その保護膜の上に検出しようとするターゲット生体高分子と選択的に反応あるいは吸着する生体高分子プローブが形成されていることを特徴とするバイオセンサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオセンサーに係り、特に電界効果型トランジスタあるいは単一電子型トランジスタ構造を有するバイオセンサーに関するものである。。
【０００２】
【従来の技術】
従来提案されたバイオセンサーは、特定の分子と選択的に反応する反応基をもった薄膜を電極上に形成し、その薄膜が前記特定分子を吸着した際のポテンシャルの変化を測定するようになっている。具体的にはグルコース酸化酵素を有する薄膜を電極上に形成し、グルコースとの酸化反応に伴う電流値の変化を測定することにより、グルコース量を検出する方式である。この種のバイオセンサーに関しては、例えば下記の特許文献１や非特許文献１、２などを挙げることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２６０１５６号公報
【０００４】
【非特許文献１】
相沢、ケミカルコミニュケーション．９４５ページ（１９８９年）
【０００５】
【非特許文献２】
Ａｌｅｘａｎｄｅｒ  Ｓｔａｒ，  Ｊｅａｎ−Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅ  Ｐ，  Ｇａｂｒｉｅｌ．Ｋｅｉｔｈ  Ｂｒａｄｌｅｙ，            ａｎｄ  Ｇｅｏｒｇｅ  Ｇｒｕｎｅｒ，  Ｖｏｌ．３，  Ｎｏ．４，  ４５９−４６３  （２００３）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来のバイオセンサーは前述のように化学反応に伴う電流値を直接的に検出する方法であるため、感度が低く、低濃度のグルコースを検出することが困難であるなど、バイオセンサーの高選択性という特長を充分に発揮できないという欠点を有していた。
【０００７】
本発明の目的は、このような従来技術における欠点を解消して、従来よりも遙かに優れた感度を有し、高選択性のバイオセンサーを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、電界効果型トランジスタあるいは単一電子型トランジスタのチャネル部にカーボンナノチューブを接続したことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記カーボンナノチューブの内部に欠陥が導入されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の第３の手段は前記第１の手段または第２の手段において、前記チャネル部上に例えばＳｉＯ２  などの保護膜が設けられ、その保護膜の上に検出しようとする例えばＤＮＡなどのターゲット生体高分子と選択的に反応あるいは吸着する例えばＤＮＡプローブなどの生体高分子プローブが形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は前述のように、カーボンナノチューブをチャネル部に接続した電界効果型あるいは単一電子型トランジスタ構造を採用することにより、高感度で、高選択性のバイオセンサーを得ることができる。
【００１２】
次に本発明の実施形態を図とともに説明する。図１は本発明の実施形態に係る単一電子型バイオセンサーの斜視図、図２はその単一電子型バイオセンサーを用いてＤＮＡを検出する様子を示す概略図である。
【００１３】
これらの図において１はチップ状のシリコン基板、２はそのシリコン基板１の上にコーティングされたＳｉＯ２  からなる薄膜、３と４は薄膜１の上に所定の間隔をおいて形成されたソース電極ならびにドレイン電極で、両電極３，４の対向部分に尖端部５，６が形成されている。両電極３，４の尖端部５，６の間に欠陥を導入したカーボンナノチューブ７が成長形成されている。前記基板１の薄膜１と反対側の面にチャネル電極８が形成されている。このようにして単一電子型トランジスタ構造を有するバイオセンサーが構成される。
【００１４】
次にカーボンナノチューブの基本電導特性の制御について説明する。
（１）バイオセンサーデバイスの基本要素となるカーボンナノチューブの成長位置、方向、本数、カイラリティー、特性などを任意に設計するために、電界や磁界の印加、カーボンナノチューブを成長する際に用いられる触媒の種類や形状などの最適化を行なう。
【００１５】
図３は、触媒をパターンニングして、電界を印加しながらカーボンナノチューブの位置・方向を制御する手法を示す概略構成図である。図中の１はシリコン基板、２はそのシリコン基板１の上にコーティングされたＳｉＯ２  からなる薄膜、９ａ，９ｂはＳｉＯ２  薄膜２の上にパターンニングされたニッケルなどからなる触媒層、７は電界が印加されて触媒層９ａ，９ｂ間に形成されたカーボンナノチューブで、成長位置、方向、本数、カイラリティー、特性などが任意に制御されている。１０は反応容器、１１はカーボンナノチューブの原料のメタンガスである。成長したカーボンナノチューブの長さは数μｍ程度（例えば３μｍ程度）、直径は数ｎｍ程度である。
【００１６】
（２）この位置、方向、特性などを制御したカーボンナノチューブを無侵襲な電極として用いて４探針法の形状を作成する。
【００１７】
４探針法とは、試料に４本の針状の電極（例えば電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を直線上に設置し、外側の２探針（例えば電極Ａと電極Ｄ）間に一定電流を流し、内側の２探針（例えば電極Ｂと電極Ｃ）間に生じる電位差を測定して抵抗値を求める。求めた抵抗値に試料の厚さおよび補正係数ＲＣＦを掛けて試料の体積抵抗値を算出する方法である。
【００１８】
（３）電極とチャンネル（カーボンナノチューブ）がラップする部分は、高電界の電子ビーム、あるいはＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ：走査型トンネル顕微鏡法）／ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ：原子間力顕微鏡）を使用して局所印加電界によりウェルダリングを行ない、電極とチャンネル（カーボンナノチューブ）を一体化する。
【００１９】
（４）次にカーボンナノチューブのトランスポート特性を評価する。評価する電気伝導特性としては、バリスティクな電導特性、スピン注入が可能か、スピントランスポートが可能かなどがある。
【００２０】
（５）カーボンナノチューブに欠陥を導入することにより、カーボンナノチューブの電気的な特性が大幅に変化することが、本発明者らの予備実験で既に確認されている（カーボンナノチューブに欠陥を導入することにより、〜５０００Ｋの高いクーロンエネルギーを有し、室温で動作する単一電子型トランジスタが形成できることが、予備実験で確認されている）。
【００２１】
従って、ＳＴＭ／ＡＦＭ加工や電子ビームによりカーボンナノチューブに欠陥を任意に導入することにより、電導特性が制御可能なカーボンナノチューブが得られる。
【００２２】
このカーボンナノチューブの欠陥導入法の具体例としては、例えばカーボンナノチューブを生成するときとほぼ同じ温度（例えば８００℃程度）で焼鈍して、その後自然冷却する方法がある。そしてカーボンナノチューブの欠陥とは、熱によって炭素原子の一部が飛び出し、カーボンナノチューブが切れ切れになった状態でかろうじて繋がっているような、カーボンナノチューブの形状等が変わったことを指しているが、実際にはどのような構造になっているのか、現在のところ明確ではない。
【００２３】
（６）このカーボンナノチューブ内の欠陥と、カーボンナノチューブの電気的な特性の相関を調べる。例えば走査プローブ法（ケルビンプローブ法、マックスウェルプローブ法など）により、欠陥の密度、分布、大きさ（サイズ、エネルギーバリアなど）を評価して、これとカーボンナノチューブの電気的な特性の相関を明らかにする。このようにカーボンナノチューブ内の欠陥と電気的特性との相関を把握することにより、特性の再現性、均一性の良い単一電子型トランジスタを製造することができる。
【００２４】
（７）前記（６）により欠陥導入の制御による、カーボンナノチューブの電気的特性の制御が可能となる。
【００２５】
本発明では欠陥を導入したカーボンナノチューブを用いて、室温で作動する単一電子型トランジスタを作製することができる。
【００２６】
従来の単一電子型トランジスタにおいて問題であった浮遊電荷や移動電荷による誤動作を回避するために、本発明では２つのカーボンナノチューブ単一電子型トランジスタを近接して作製し、単一の電荷を検知する際、両方のカーボンナノチューブ単一電子型トランジスタの出力特性（室温）のアンド（ＡＮＤ）をとる。これにより真の電荷があるときのみに両方のカーボンナノチューブ単一電子型トランジスタが動作し、これにより浮遊電荷や移動電荷による誤動作が回避できる。
【００２７】
さらに測定速度を高速にするため、前述の手法を用いて、従来の直流方式ではなく、共振回路を用いて交流で動作させるシステムを採用した。以上のことにより、室温でしかも高速で、誤動作なく、単一の電荷分布を測定することができる。
【００２８】
図４は、カーボンナノチューブ単一電子型トランジスタによる室温クーロンダイアモンド特性を示す図である。この室温クーロンダイアモンド特性から、本発明のカーボンナノチューブ単一電子型トランジスタが室温で動作可能であることが立証できる。
【００２９】
図１に示すようにカーボンナノチューブ単一電子型トランジスタを基板１上に形成するとともに、図２に示すように溶液中で稼動させるためにチップをＳｉＯ２  からなる保護膜１２でコーティングし、このＳｉＯ２  保護膜１２上にＤＮＡプローブ１３を固定化する。この例では保護膜１２を設けたが、保護膜１２を設けないでよい場合もある。
【００３０】
ＤＮＡなどのターゲット生体高分子１４を溶解した溶液１５の中に本実施形態に係るバイオセンサーを設置して、共振回路を用いて交流で動作させて、ターゲット生体高分子１４とＤＮＡプローブ１３との単一電子相互作用を測定することにより、ターゲット生体高分子１４の検出（表面電荷分布特性の評価）を行なうことができる。
【００３１】
図５は、本発明の他の実施形態を説明するための概略構成図である。本実施形態の場合、基板１自体をチャネルとして使用し（バックチャネル）、その基板１上にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）７を間にして電極３，４が設けられている。基板１の背面にチャネルとなる凹部１６が形成され、その凹部１６を検出対象物質を含む液体で濡らすことにより、基板１の背面で検出できるようになっている。
【００３２】
図６は、本発明のさらに他の実施形態を説明するための概略構成図である。本実施形態も基板１自体をチャネルとして使用（バックチャネル）しているが、その基板１のチャネルにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）などからなる探針１７が設けられている。このバックチャネルと探針１７を一体化したものは、例えば走査型プローブ顕微鏡の探針などに使用することができる。
【００３３】
前記実施形態ではＤＮＡプローブを形成した１種類のバイオセンサーについて説明したが、基板上にＳｉＯ２  膜付きのカーボンナノチューブ単一電子型トランジスタを例えば３つ併設し、各ＳｉＯ２  膜上にＤＮＡプローブと蛋白質プローブと糖脂質プローブを個別に形成して、異なる生体高分子（ＤＮＡ、蛋白質、糖脂質）を同時に測定することも可能である。
【００３４】
前記実施形態ではＤＮＡにおける表面電荷分布特性の評価を行なう場合について説明したが、本発明はその他に糖鎖、ＲＮＡ、アミノ酸、糖、ウィルスなど他の生体高分子の検出にも適応可能である。また、光に応答してロドプシンなどの蛋白質が陽子を放出する過程における電子状態の変化、あるいは色素の構造変化における電子状態の変化なども検出可能である。
【００３５】
前記実施形態では単一電子型トランジスタのチャネル部にカーボンナノチューブを接続した例を示したが、電界効果型トランジスタのチャネル部にカーボンナノチューブを接続することも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は前述のように、電界効果型トランジスタあるいは単一電子型トランジスタのチャネル部にカーボンナノチューブを接続することにより、従来よりも遙かに優れた感度を有し、高選択性のバイオセンサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る単一電子型バイオセンサーの斜視図である。
【図２】その単一電子型バイオセンサーを用いてＤＮＡを検出する様子を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態においてカーボンナノチューブの位置・方向を制御する手法を示す概略構成図である。
【図４】カーボンナノチューブ単一電子型トランジスタによる室温クーロンダイアモンド特性を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る単一電子型バイオセンサーの概略構成図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態に係る単一電子型バイオセンサーの概略構成図である。
【符号の説明】
１  基板
２  薄膜
３  ソース電極
４  ドレイン電極
５，６  尖端部
７  カーボンナノチューブ
８  チャネル電極
９ａ，９ｂ  触媒層
１０  反応容器
１１  メタンガス
１２  ＳｉＯ２  保護膜
１３  ＤＮＡプローブ
１４  ターゲット生体高分子
１５  溶液
１６  凹部
１７  探針。
【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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