(57)【要約】【課題】  低ランニングコスト・低価格システムでかつ高精度の測定が可能なＤＮＡチップ／ＤＮＡマイクロアレイシステムを提供する。【解決手段】電界効果トランジスタのゲート電極５に接続されたフローティング電極７の表面にＤＮＡプローブ８を固定化し、ターゲット遺伝子とフローティング電極の表面でハイブリダイゼーションを行わせ、その際に生ずる表面電荷密度の変化を電界効果を利用して検出する。【選択図】  図１
2005077210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜中に埋設されたゲート電極を有する絶縁ゲート電界効果トランジスタと、
前記絶縁膜の表面に形成され、生体分子プローブが固定化されたプローブ固定化電極と、
前記ゲート電極と前記プローブ固定化電極とを電気的に接続する接続配線とを備え、
前記プローブ固定化電極に生体分子プローブが固定化された領域は、前記ゲート電極の直上位置から離れた位置にあることを特徴とする生体分子検出素子。
【請求項２】
請求項１記載の生体分子検出素子において、前記プローブ固定化電極は前記ゲート電極の直上位置から前記絶縁膜の膜面に沿って前記生体分子プローブ固定化領域まで設けられ、前記接続配線は前記ゲート電極の直上位置で前記プローブ固定化電極と接続されていることを特徴とする生体分子検出素子。
【請求項３】
請求項１記載の生体分子検出素子において、前記プローブ固定化電極は前記ゲート電極の直上位置から離れた位置に設けられ、前記接続配線は前記絶縁膜中に膜面に沿って設けられていることを特徴とする生体分子検出素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の生体分子検出素子において、前記生体分子プローブは核酸、ポリヌクレオチド又は合成オリゴヌクレオチドであることを特徴とする生体分子検出素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の生体分子検出素子において、前記プローブ固定化電極は金、白金、パラジウム、チタン、クロム、アルミニウム、ポリシリコン、タンタル、モリブデン、又はこれらの材料を複数組み合わせた材料からなることを特徴とする生体分子検出素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の生体分子検出素子において、前記絶縁膜中に送受信用のアンテナが形成されていることを特徴とする生体分子検出素子。
【請求項７】
共通の絶縁膜中に埋設されたゲート電極をそれぞれ有する複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタと、
前記絶縁膜の表面に形成され、生体分子プローブが固定化された複数のプローブ固定化電極と、
前記複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタの各ゲート電極と前記複数のプローブ固定化電極とをそれぞれ電気的に接続する複数の接続配線とを備え、
前記プローブ固定化電極に生体分子プローブが固定化された領域は、前記ゲート電極の直上位置から離れた位置にあることを特徴とする生体分子検出素子。
【請求項８】
請求項７記載の生体分子検出素子において、前記共通の絶縁膜中に送受信用のアンテナが形成されていることを特徴とする生体分子検出素子。
【請求項９】
請求項６又は８記載の生体分子検出素子において、演算回路、記憶回路、受信回路、送信回路、電源回路を備えることを特徴とする生体分子検出素子。
【請求項１０】
請求項９記載の生体分子検出素子において、前記電源回路は、前記アンテナで受信した電磁波を電力に変換し、各部に供給することを特徴とする生体分子検出素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項記載の生体分子検出素子を用いた核酸解析方法であって、
前記プローブ固定化電極に前記生体分子プローブとして一本鎖核酸プローブを固定化するステップと、
少なくとも１種類の核酸を含む試料溶液を前記生体分子検出素子上に導入して、前記一本鎖核酸プローブとハイブリダイゼーションを行わせるステップと、
洗浄液を前記生体分子検出素子上に導入して、未反応の核酸を前記生体分子検出素子上から除去するステップと、
インターカレータ溶液を前記生体分子検出素子上に導入して、二本鎖となった核酸と反応させるステップと、
洗浄液を前記生体分子検出素子上に導入して、未反応のインターカレータを前記生体分子検出素子上から除去するステップと、
緩衝液を前記生体分子検出素子上に導入して、前記絶縁ゲート電界効果トランジスタの出力値を測定するステップと
を含むことを特徴とする核酸解析方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の生体分子検出素子を用いた生体分子解析方法であって、
反応容器に、前記プローブ固定化電極に前記生体分子プローブとしてそれぞれ異なる種類の一本鎖核酸プローブを固定化した複数の生体分子検出素子と緩衝液を入れ、各生体分子検出素子からの信号を外部受信機で受信するステップと、
少なくとも１種類の核酸を含む試料溶液を前記反応容器に導入して、前記一本鎖核酸プローブとハイブリダイゼーションを行わせるステップと、
インターカレータ溶液を前記反応容器に導入して、二本鎖となった核酸と反応させるステップと、
各生体分子検出素子からの信号を外部受信機で受信するステップと
を含むことを特徴とする核酸解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遺伝子診断、ＤＮＡ配列解析、あるいは遺伝子多型解析など、バイオテクノロジー、特に遺伝子検査分野の技術に関し、特に複数の異なる核酸を高精度に並列的に解析するのに適した生体分子検出素子、及びその素子を用いた核酸解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒトゲノムをはじめ各種生物のゲノム塩基配列の解読が急速に進展し、膨大な塩基配列情報が蓄積されつつある。今後は生体中における遺伝子の機能を明らかにすることにより、各種疾病の診断、医薬品の開発、農作物の品種改良など広範囲な分野で遺伝子関連技術の開発が飛躍的に進むものと思われる。これらの新規分野発展の基礎となるのが、塩基配列情報に加えて遺伝子の発現及び機能情報である。遺伝子の機能及び発現解析を大規模に行い、遺伝子検査へ発展させる技術として、ＤＮＡチップあるいはＤＮＡマイクロアレイがAffymetrix社、Nanogen社などで開発されている。しかし、現状のＤＮＡチップ／ＤＮＡマイクロアレイの多くは蛍光検出を基本原理としているので、レーザや複雑な光学系が必要となり、システムが大型化し高価である。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、酸化・還元標識と組み合わせた電流検出方式のＤＮＡチップがいくつか報告されている。Clinical Micro Sensors社では、分子ワイヤーと称する分子の一端を金属電極上に固定化して他端にＤＮＡプローブを結合させ、ターゲット遺伝子とのハイブリダイゼ−ションに基づく酸化・還元標識と金属電極の電子の授受を電流変化として検出し、ターゲット遺伝子を検出する方式を開発している（Nature Biotechnology, vol. 16, (1998) p27, p40)。
【０００４】
【非特許文献１】Nature Biotechnology, vol. 16, (1998) p27, p40
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現状のＤＮＡチップ／ＤＮＡマイクロアレイの多くは蛍光検出を基本原理としているので、レーザや複雑な光学系が必要となり、システムが大型化し高価である。また、現在開発されている全てのＤＮＡチップ／ＤＮＡマイクロアレイは、原則として１回のみの使用で廃棄される。洗浄して繰り返し使用できたとしても、せいぜい２回から３回の使用が限度である。このため多くの試料を用いた解析や、検体の数が多い遺伝子診断などの分野ではランニングコストが大きな問題となる。特に医療の分野では医療費抑制の観点からも、高額な検査が広く普及することは困難である。一方で、医療診断の分野、すなわち遺伝子診断の分野では高い精度、定量性が求められる。したがって、コスト低減と高精度化の両方を満足させる技術が求められる。
【０００６】
上述の電気化学検出法は、高価なレーザや複雑な光学系を必要としないため、蛍光検出法に比べて装置システムが小型化され、低価格化が可能と考えられる。しかしながら、この方法は、金属電極上での酸化・還元反応を検出の基本原理としているため、試料中に酸化物質あるいは還元物質（例えばアスコルビン酸）が存在すると、酸化又は還元に基づく電流が流れ、遺伝子検出の妨害となって検出精度が劣化する。また、電流計測に伴い、金属電極上で電極反応が進行する。電極反応は不可逆で非平衡反応であるため、電極の腐食、ガスの生成などが生じ、電流測定の安定性が損なわれ特に繰返し測定する場合に検出精度が劣化する。
【０００７】
本発明は、低ランニングコスト・低価格システムでかつ高精度の測定が可能なＤＮＡチップ／ＤＮＡマイクロアレイシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、電界効果トランジスタのゲートと電気的に接続された金属表面に核酸などの生体関連物質から成るプローブを固定化し、目的物質とその金属表面で複合体を形成させ、その際に生ずる表面電荷密度の変化を、電界効果を利用して検出する。表面電荷密度の変化を大きくするために、生体物質自身が持っている電荷に加えて、インターカレータの導入やイオンなどの荷電粒子と複合体を組み合わせることにより、大きな信号／雑音比で表面電位変化の検出が可能となる。
【０００９】
また、近年、ワイヤレス通信技術が進歩し、バーコードに相当するタグを集積化したワイヤレス通信チップが開発されている。このワイヤレス通信チップは、個々のチップを識別することができるため、流通管理用チップとしての使用が検討されている。このタグ付きワイヤレス通信チップをＤＮＡチップとして用いる場合、ワイヤレス通信で電力を供給するため、低消費電力である必要がある。電圧計測方式は、電流計測方式より電力の消費が小さいため、ワイヤレス通信方式ＤＮＡチップに適している。
【００１０】
本発明による生体分子検出素子は、絶縁膜中に埋設されたゲート電極を有する絶縁ゲート電界効果トランジスタと、絶縁膜の表面に形成され、生体分子プローブが固定化されたプローブ固定化電極と、ゲート電極とプローブ固定化電極とを電気的に接続する接続配線とを備え、プローブ固定化電極に生体分子プローブが固定化された領域は、ゲート電極の直上位置から離れた位置にある。
【００１１】
プローブ固定化電極はゲート電極の直上位置から絶縁膜の膜面に沿って生体分子プローブ固定化領域まで設けられ、接続配線はゲート電極の直上位置でプローブ固定化電極と接続されている構造とすることができる。あるいは、プローブ固定化電極はゲート電極の直上位置から離れた位置に設けられ、接続配線は絶縁膜中に膜面に沿って設けられている構造とすることもできる。
【００１２】
生体分子プローブは核酸、ポリヌクレオチド又は合成オリゴヌクレオチドとすることができる。生体分子プローブは、一端がプローブ固定化電極の表面に固定化され、試料中の生体関連物質と特異的に結合・反応する。生体分子プローブを一本鎖プローブとし、そのプローブと相補鎖との特異結合を、特異結合によって形成された二本鎖部分にインターカレータを入り込ませることによって検出感度を上げることもできる。プローブ固定化電極は金、白金、パラジウム、チタン、クロム、アルミニウム、ポリシリコン、タンタル、モリブデン、又はこれらの材料を複数組み合わせた材料で作ることができる。絶縁膜中に送受信用のアンテナを形成してもよい。
【００１３】
本発明の生体分子検出素子は、また、共通の絶縁膜中に埋設されたゲート電極をそれぞれ有する複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタと、絶縁膜の表面に形成され、生体分子プローブが固定化された複数のプローブ固定化電極と、複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタの各ゲート電極と複数のプローブ固定化電極とをそれぞれ電気的に接続する複数の接続配線とを備え、プローブ固定化電極に生体分子プローブが固定化された領域は、ゲート電極の直上位置から離れた位置にある。共通の絶縁膜中に送受信用のアンテナを形成してもよい。また、演算回路、記憶回路、受信回路、送信回路、電源回路を設けるのが好ましい。その場合、電源回路は、アンテナで受信した電磁波を電力に変換し、各部に供給する構成をとるのが好ましい。これらは、いずれも既存の技術で作製可能である。
【００１４】
本発明の生体分子検出素子を用いた核酸解析方法は、プローブ固定化電極に生体分子プローブとして一本鎖核酸プローブを固定化するステップと、少なくとも１種類の核酸を含む試料溶液を生体分子検出素子上に導入して、一本鎖核酸プローブとハイブリダイゼーションを行わせるステップと、洗浄液を素子上に導入して、未反応の核酸を素子上から除去するステップと、インターカレータ溶液を素子上に導入して、二本鎖となった核酸と反応させるステップと、洗浄液を素子上に導入して、未反応のインターカレータを素子上から除去するステップと、緩衝液を素子上に導入して、絶縁ゲート電界効果トランジスタの出力値を測定するステップとを含む。
【００１５】
本発明の生体分子検出素子を用いた核酸解析方法は、また、反応容器に、プローブ固定化電極に生体分子プローブとしてそれぞれ異なる種類の一本鎖核酸プローブを固定化した複数の生体分子検出素子と緩衝液を入れ、各素子からの信号を外部受信機で受信するステップと、少なくとも１種類の核酸を含む試料溶液を反応容器に導入して、一本鎖核酸プローブとハイブリダイゼーションを行わせるステップと、インターカレータ溶液を反応容器に導入して、二本鎖となった核酸と反応させるステップと、各生体分子検出素子からの信号を外部受信機で受信するステップとを含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の生体分子検出素子は、高価なレーザや複雑な光学検出系を必要としない。また、電流検出（アンペロメトリック）方式と異なり、平衡状態での表面電位を検出するので、基板の腐食やガスの発生、酸化／還元物質の妨害などによる信号値の不安定性は問題とならず、安定性に優れた高精度の生体物質検出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下では、生体分子の例としてＤＮＡを用いて説明する。
【００１８】
〔第１の実施例〕
図１は、本発明による生体分子検出素子（生体分子検出用トランジスタ）の構成例を示す断面模式図である。
【００１９】
シリコン基板１の表面にゲート絶縁膜２、ソース３、及びドレイン４を形成し、ソース、ドレイン間のゲート絶縁膜表面にゲート電極５を設けて絶縁ゲート電界効果トランジスタを製作する。ゲート電極５の表面にさらに絶縁膜を形成し、上記ゲート電極５が絶縁膜２の中に埋め込まれた構造とする。絶縁膜２にスルーホールを形成し、導電性材料で取り出し電極６を形成し、上記ゲート電極５と電気的接触を形成する。さらにゲート絶縁膜表面にフローティング電極７を形成し、上記取り出し電極６と電気的接触を形成する。フローティング電極７の表面にＤＮＡプローブ８を固定化する。こうして製作された遺伝子トランジスタは、参照電極９とともに試料溶液１０に浸漬して使用される。
【００２０】
ゲート絶縁膜は、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）などの材料を単独または組み合わせて用い、通常はトランジスタ動作を良好に保つため、酸化シリコン（ＳｉＯ2）の上に窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）あるいは酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）を積層した二層構造とする。ゲート電極５の材料としてはポリシリコンが望ましく、ポリシリコンゲートを通してイオン注入によるソース、ドレインを形成する、いわゆるセルフアラインプロセスとの整合性がよい。取り出し電極６は、配線として用いるため、低抵抗でエッチングなど加工性の良い材料が好ましく、その材料としてはポリシリコン、アルミニウム、モリブデンなどを用いることができる。フローティング電極７は、試料溶液に直接接触するので、化学的安定性が高く、安定な電位を示し、かつ生体材料を固定化するため生体材料との親和性の高い材料が望ましく、金、白金、銀、パラジウムなどの貴金属を用いることができる。リフトオフ法などフローティング電極のパターン形成方法を用いることにより、取り出し電極とフローティング電極を、例えば金のような同じ材料で形成することもできる。
【００２１】
本実施例の生体分子検出用トランジスタによると、ＤＮＡプローブ８を固定化する場所をトランジスタのソース、ドレイン間のチャネル上に限る必要がなくなり、図１に示すようにフローティング電極７または取り出し電極６を延長することにより、チップ上の任意の場所に形成することができる。これにより、例えば試料溶液と接触するＤＮＡプローブ形成領域と、電子回路が形成されるトランジスタ領域を分離してチップ上にレイアウトすることができ、信頼性の高い測定ができる。通常、生体分子検出用のチップは異なる生体分子を分離して固定化する必要があるため通常の半導体チップより大きく、スライドガラス程度の大きさ（２６ｍｍ×７６ｍｍ）のチップも開発されている。本発明の生体分子検出用トランジスタは低価格化を図るために５ｍｍ角程度と小さく設計するほうが好ましいが、スライドガラス程度の大きさのチップにも対応することができる。
【００２２】
ＤＮＡプローブ（生体分子プローブ）８は、オリゴヌクレオチドまたはｃＤＮＡの断片を用い、通常３００個以下の塩基から構成されている。オリゴヌクレオチドを用いる場合は、８０個以下の塩基長の核酸断片であることが望ましい。ＤＮＡプローブ８をフローティングゲート電極７の表面に固定化するために、ＤＮＡプローブの一端をアミノ基（ＮＨ2基）、チオール基（ＳＨ基）、ビオチンなどで化学修飾する。アミノ基で化学修飾したＤＮＡプローブを用いる場合は、ゲート電極の表面をアミノプロピルエトキシシラン、ポリリジンなどで化学修飾してゲート表面にアミノ基を導入し、グルタルアルデヒドやフェニレン  ジイソシアネート（ＰＤＣ）と反応させてアミノ基で化学修飾したＤＮＡプローブをゲート表面に固定化する。チオール基で化学修飾したＤＮＡプローブをゲート電極表面に固定化する場合は、ゲート電極に金を用い、チオール基と金との親和性を利用してＤＮＡプローブを固定化する。また、ビオチンで化学修飾したＤＮＡプローブを固定化する場合には、ゲート電極表面にストレプトアビジンを導入し、ビオチンとストレプトアビジンの親和性を利用して、ＤＮＡプローブをゲート表面に固定化する。実際の固定化に際しては、ＤＮＡプローブを含む溶液をフローティング電極表面にのみ滴下またはスポットし、ＤＮＡプローブを固定化する。
【００２３】
生体分子検出用トランジスタのゲート電極表面で起こる化学反応に基づく電位変化を安定に測定するために、電位測定の基準となる参照電極９を設置する。参照電極は通常、所定組成・濃度の内部溶液に銀／塩化銀電極又はかんこう電極を浸漬した電極が用いられる。生体分子検出用トランジスタの電気的特性を変化させて動作点を調整するために、参照電極９に所定の電圧を印加することができる。
【００２４】
試料中に測定すべきターゲット遺伝子を含む多数の遺伝子が存在し、生体分子検出用トランジスタのゲート上にターゲット遺伝子と相補的塩基配列を有するＤＮＡプローブが固定化されていると、適切な反応条件のもとでターゲット遺伝子とＤＮＡプローブがハイブリダイズして、ターゲット遺伝子とＤＮＡプローブが複合体を形成する。反応に用いるバッファ溶液のｐＨの適切な条件下では、ＤＮＡは負に帯電している。したがって、ハイブリダイズによる複合体形成によりＦＥＴのゲート近傍で電荷密度が変化し、ゲートの表面電位が変化する。この変化がＦＥＴのゲート電圧変化と同等の作用となり、チャネルの導電率を変化させる。したがって、ソース３及びドレイン４の間を流れるドレイン電流変化として複合体の形成、すなわちターゲット遺伝子の存在を検出することができる。
【００２５】
本実施例の生体分子検出用トランジスタを用いた遺伝子解析の手順は、例えば次のようになる。
【００２６】
まず反応容器に本発明の生体分子検出用トランジスタ、及び０．５ｍｌの緩衝液を入れ、トランジスタの信号を計測する。その後、以下の工程（ａ）〜（ｅ）に従って遺伝子解析を行う。
（ａ）少なくとも１種類のＤＮＡを含む試料溶液を上記反応容器に導入して、導電性電極上の１本鎖ＤＮＡプローブと所定の温度でハイブリダイゼーションを行わせる。
（ｂ）洗浄液を反応容器に導入して、未反応のＤＮＡを基板上から除去する。
（ｃ）インターカレータ溶液を反応容器に導入して、二本鎖となったＤＮＡと反応させる。
（ｄ）洗浄液を反応容器に導入して、未反応のインターカレータを基板上から除去する。
（ｅ）緩衝液を反応容器に導入して、絶縁ゲート電界効果トランジスタの出力値を測定する。
簡便・迅速な測定のためには（ｂ）（ｄ）の工程をスキップすることもできる。
【００２７】
〔第２の実施例〕
図２は、第１の実施例に示した生体分子検出用トランジスタを用いた遺伝子検査システムを示す模式図である。このシステムは、図１に示した生体分子検出用トランジスタ１１の他に参照トランジスタ１２を用い、２つのトランジスタによる差動測定を行う。
【００２８】
生体分子検出用トランジスタのゲート表面には試料中のターゲット遺伝子と相補的な塩基配列を有するＤＮＡプローブ８が固定化されている。一方、参照トランジスタのゲート表面にはターゲット遺伝子の相補的な塩基配列とは異なる塩基配列を有するＤＮＡプローブ１３が固定化されている。生体分子検出用トランジスタと参照トランジスタの表面電位を安定に測定するために、電位測定の基準となる参照電極９を設置する。生体分子検出用トランジスタと参照トランジスタは駆動回路１４によりそれぞれの表面電位を計測し、計測信号は差動測定回路１５を介して信号処理回路１６に入力される。
【００２９】
このような差動測定を行うことにより、トランジスタの電気的特性の違いによる、周囲の温度や光の変化による出力値の変化を補償することができ、また試料中の荷電粒子がゲート上に非特異的に吸着することによる出力値の変化を相殺して、ターゲット遺伝子とＤＮＡプローブのハイブリダイゼーションによる出力変化のみを精度良く検出することができる。
【００３０】
生体分子検出用トランジスタと参照トランジスタは電気的特性がそろっていることが望ましいので、同じ基板に集積化された一対のトランジスタを用いることが望ましい。複数の生体分子検出用トランジスタを集積化して複数遺伝子を同時計測する場合、参照トランジスタを共通に使用することができ、異なる生体分子検出用トランジスタと共通の参照トランジスタとの差動測定を行う。
【００３１】
〔第３の実施例〕
図３は、図１に示した生体分子検出用トランジスタを用いた測定システムの他の例を示す断面模式図である。この測定システムの場合、３個のＦＥＴが集積化されており、第１の生体分子検出用トランジスタ１７は第１のターゲット遺伝子を検出する生体分子検出用トランジスタ、第２のトランジスタ１８は第２の遺伝子を検出する生体分子検出用トランジスタ、第３のトランジスタ１９は参照トランジスタとして用いる。第１、第２の生体分子検出用トランジスタのゲート電極上にはそれぞれ第１、第２の遺伝子と相補的な塩基配列を有するＤＮＡプローブが固定化されている。参照ＦＥＴのゲート電極表面には第１及び第２の遺伝子と相補的塩基配列とは異なる塩基配列を有するＤＮＡプローブが固定化されている。
【００３２】
図３は、第１の遺伝子のみを含有する試料溶液を上記集積化トランジスタに導入し、ターゲット遺伝子とハイブリダイゼーションを行わせた後、インターカレータを作用させたときの状態を示している。第１の遺伝子は第１の生体分子検出用トランジスタ１７のＤＮＡプローブとのみハイブリダイズして二本鎖を形成する。インターカレータ２０は二本鎖のＤＮＡとのみ反応して結合し、一本鎖のＤＮＡには結合しない。インターカレータは電荷を有しているので、第１の生体分子検出用トランジスタ１７の表面電荷密度のみが変化してトランジスタの出力信号が変化し、第２の生体分子検出用トランジスタ１８及び参照トランジスタ１９の表面電荷密度は変化しないので出力信号が変化しない。したがって、第１の生体分子検出用トランジスタ１７と参照トランジスタ１９の差動測定、及び第２の生体分子検出用トランジスタ１８と参照トランジスタ１９の差動測定を行うことにより、前者の出力信号のみが変化して第１のターゲット遺伝子が検出される。インターカレータとしてはエチジウムブロマイド、ヘキスト33258（Hoechst 33258）、ピコグリーンなどを用いることができる。
【００３３】
次に、測定例について説明する。アルコールデヒドロギナーゼ関連遺伝子には一塩基多型（ＳＮＰｓ）が存在することが知られており、その一塩基多型部位をはさんで前後８塩基を有する１７塩基長の第一及び第二のＤＮＡプローブを合成した。その塩基配列を下に示す。
第１ＤＮＡプローブ：5'-CATACACTAAAGTGAAA-3'  （配列番号１）
第２ＤＮＡプローブ：5'-CATACACTGAAGTGAAA-3'  （配列番号２）
【００３４】
５’末端から９番目の部位がＳＮＰ部位であり、第１ＤＮＡプローブではその部位の塩基がＡ、第２プローブではＧとなっている。この第１及び第２のＤＮＡプローブをそれぞれ第１及び第２のトランジスタのゲートに接続されたフローティング電極上に固定化した。ＤＮＡプローブの固定化に当たっては、ＤＮＡプローブの５’末端をチオール基で修飾した。一方、本実施例のＦＥＴのゲートに接続されたフローティング電極には金のフローティング電極が用いられており、その表面に上記ＤＮＡプローブを固定化した。参照用トランジスタのゲートに接続されたフローティング電極には第１、第２のＤＮＡプローブと異なる配列を有するＤＮＡプローブとして、ここでは全てＡから構成される１７塩基長のＤＮＡプローブを合成し、固定化した。参照用トランジスタのゲートに接続されたフローティング電極上にはＤＮＡプローブを固定化しなくても良い。
【００３５】
試料は血液中の白血球からヒトゲノムを抽出し、上記ＳＮＰ部位を含む１００塩基長の領域を増幅した後、第１、第２の生体分子検出用トランジスタ、及び参照トランジスタに導入して、４５℃で８時間、ハイブリダイゼーションを行わせた。ハイブリダイゼーション後、緩衝液により洗浄して未反応の試料を除去し、インターカレータを導入した。測定に当たっては、まず第１、第２の生体分子検出用トランジスタ、及び参照トランジスタに緩衝液を導入し、それぞれのトランジスタの出力電圧、第１の生体分子検出用トランジスタと参照用トランジスタの差動出力、及び第２の生体分子検出用トランジスタと参照用トランジスタの差動出力を測定した。その後、試料を導入し、ハイブリダイゼーション、洗浄の後、インターカレータとしてヘキスト33258（Hoechst 33258）を導入し、それぞれのトランジスタの出力電圧、第１の生体分子検出用トランジスタと参照用トランジスタの差動出力、及び第２の生体分子検出用トランジスタと参照用トランジスタの差動出力を測定した。こうして、試料及びインターカレータ導入前後の出力電圧の変化を測定した。
【００３６】
測定結果は以下の通りであった。第１のＤＮＡプローブに対応する塩基配列を有する試料（Normal）では、試料溶液導入後及びインターカレータ導入後の第１の生体分子検出用トランジスタと参照用トランジスタの差動出力はそれぞれ１５．０ｍＶ及び−１２．０ｍＶであった。ＤＮＡは溶液中で負に帯電しているので、ｎチャネルＦＥＴの出力は正の方向にシフトする。一方、インターカレータは溶液中で正に帯電しているので、ＦＥＴの出力は負方向にシフトする。一方、第２の生体分子検出用トランジスタと参照用トランジスタの差動出力は試料溶液導入後及びインターカレータ導入後でそれぞれ１．５ｍＶ及び−０．５ｍＶであり、有意な差が得られた。インターカレータは二本鎖ＤＮＡとのみ反応し、ＤＮＡと電荷が逆であるため、フローティング電極上に非特異的に吸着した１本鎖ＤＮＡには応答せず、１本鎖ＤＮＡの非特異的吸着による信号とハイブリダイゼーションによる二本鎖ＤＮＡに基づく信号を明確に区別することができる。
【００３７】
第２のＤＮＡプローブに対応する塩基配列を有する試料（Mutant）では、試料溶液導入後及びインターカレータ導入後の第１の生体分子検出用トランジスタと参照用トランジスタの差動出力はそれぞれ２．３ｍＶ及び０．７ｍＶであった。一方、第２の生体分子検出用トランジスタと参照用トランジスタの差動出力はそれぞれ１１．０ｍＶ及び−８．０ｍＶであり、やはり有意な差が得られた。
【００３８】
第１と第２のＤＮＡプローブに対応する塩基配列を半分ずつ有する試料（ヘテロ）では試料溶液導入後及びインターカレータ導入後の第１の生体分子検出用トランジスタと参照用トランジスタの差動出力は６．５ｍＶ及び−４．８ｍＶ、第２の生体分子検出用トランジスタと参照用トランジスタの差動出力はそれぞれ５．５ｍＶ及び−４．５ｍＶであり、ほぼ１対１の比が得られた。
【００３９】
以上より、本発明によるＳＮＰ解析により、Normal/Normalのホモ、Mutant/Mutantのホモ、Normal/Mutantのヘテロの３種類の試料を識別することができた。インターカレータ使用の場合は、試料ＤＮＡに標識化合物を化学結合して標識する必要がない。
【００４０】
〔第４の実施例〕
図４及び図５は、本発明による生体分子検出用トランジスタの他の構成例を示す模式図である。この生体分子検出用トランジスタは、図３に示した生体分子検出用トランジスタのゲート絶縁膜２中に、送受信用のアンテナ２１を組み込んだものに相当する。アンテナ２１はゲート電極５の形成時に同時に形成することもできる。アンテナはオンチップに埋め込んだ送受信回路の素子２２に接続されている。また、本実施例では参照電極９の材料としてＴｉの上にＰｔを積層した構造の電極を用い、直接に基板上に形成されている。
【００４１】
本実施例では取り出し電極６を絶縁膜２の中に埋め込んで延長し、その端部にフローティング電極７を形成してある。図５に本実施例の平面図を示す。トランジスタのソース３、ドレイン４、ＤＮＡプローブ８及び１３、アンテナ２１をそれぞれ分離してチップ上にレイアウトすることができ、かつチップの表面に露出しているのはフローティング電極７、ＤＮＡプローブ８及び１３、及び絶縁膜２のみであり、トランジスタ部、アンテナ部は絶縁膜２で保護されている構造である。生体分子検出用トランジスタで測定した信号を上記アンテナにより外部の受信機に送信して信号処理することができる。上記アンテナは絶縁膜２に埋め込まれた構造であるため、直接に試料溶液と接触することがなく、溶液による腐食や蛋白質の吸着による特性の変化がなく、信頼性の高い測定に適している。
【００４２】
図６に、本実施例による生体分子検出用トランジスタとワイヤレス通信機能を担うチップを集積化した例を示す。１ｍｍ角のシリコン基板１に生体分子検出用トランジスタのソース３、ドレイン４を形成し、取り出し電極６によりフローティング電極７とゲートを接続する。フローティング電極上にＤＮＡプローブ８を固定化する。上記シリコン基板上にアンテナ２１、演算回路２３、記憶回路２４、受信回路２５、送信回路２６、電源回路２７を集積化した構成である。試料中に相補的な配列を有するターゲットＤＮＡが存在すると、フローティング電極７上でＤＮＡプローブとハイブリダイズし、二本鎖を形成する。この二本鎖の形成を電界効果トランジスタで検出する。記憶回路２４には個々のチップ基板を区別する識別情報、ＤＮＡプローブの配列情報、コードする蛋白質情報などが記憶されており、ハイブリダイズ反応の結果の情報とともに上記情報をアンテナ、送信回路により外部の受信装置に送信する。チップ外部から送られる電磁波をアンテナで受信し、受信回路、電源回路によりチップで使用可能な電力に変換して電界効果トランジスタ、送信回路、記憶回路などの各素子へ供給して動作させる。
【００４３】
本実施例ではハイブリダイズの結果とともに各チップを識別する情報を同時に取得できるので、図７に示すように複数のチップを同時に試料中で反応させることができる。まず反応容器２８に本発明の生体分子検出用トランジスタ２９、及び０．５ｍｌの緩衝液を入れトランジスタの信号を計測して外部受信機にその信号を送信する。その後、以下の工程（ａ）〜（ｆ）に従って遺伝子解析を行う。
（ａ）少なくとも１種類のＤＮＡを含む試料溶液を上記反応容器に導入して、導電性電極上の１本鎖ＤＮＡプローブと所定の温度でハイブリダイゼーションを行わせる。
（ｂ）洗浄液を反応容器に導入して、未反応のＤＮＡを基板上から除去する。
（ｃ）インターカレータ溶液を反応容器に導入して、二本鎖となったＤＮＡと反応させる。
（ｄ）洗浄液を反応容器に導入して、未反応のインターカレータを基板上から除去する。
（ｅ）緩衝液を反応容器に導入して、絶縁ゲート電界効果トランジスタの出力値を測定する。
（ｆ）出力値をアンテナで受信機に送信する。
【００４４】
上記２回の測定による生体分子検出用トランジスタの出力値の差が、ハイブリダイズによって形成された二本鎖ＤＮＡの信号である。生体分子検出用トランジスタの信号計測には外部の送受信装置３０との間で例えば１３．５６ＭＨｚの電磁波を用いて行う。記憶回路の情報を参照することにより、試料中に存在するＤＮＡの種類、型、配列などを解析することができる。また本チップはワイヤレス通信で情報の送受信や電力の供給を行っているので、チップと外部回路との配線が不要となり、直接にチップを試料中に入れて測定することができるため、簡便な測定系を構築することができる。なお、実験条件によっては、上記洗浄工程（ｂ）（ｄ）を省略し、試料溶液中に生体分子検出用トランジスタを浸漬した状態で全ての測定を完了することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の電界効果トランジスタとフローティングゲート電極を用いる生体分子検出用トランジスタを説明する図。
【図２】本発明の生体分子検出用トランジスタを用いた遺伝子検出回路を説明する図。
【図３】本発明の生体分子検出用トランジスタとインターカレータを組み合わせたシステムを説明する図。
【図４】本発明の生体分子検出用トランジスタとアンテナとの集積化を説明する図。
【図５】本発明の生体分子検出用トランジスタとアンテナとの平面配置を説明する図。
【図６】本発明の生体分子検出用トランジスタとワイヤレス通信チップとを集積化したシステムを説明する図。
【図７】本発明の生体分子検出用トランジスタを用いた遺伝子解析システムを説明する図。
【符号の説明】
【００４６】
１…シリコン基板、２…絶縁膜、３…ソース、４…ドレイン、５…ゲート電極、６…取り出し電極、７…フローティング電極、８…ＤＮＡプローブ、９…参照電極、１０…試料溶液、１１…生体分子検出用トランジスタ、１２…参照トランジスタ、１３…参照用ＤＮＡプローブ、１４…トランジスタ駆動回路、１５…差動増幅回路、１６…信号処理回路、１７…第一の生体分子検出用トランジスタ、１８…第二の生体分子検出用トランジスタ、１９…参照トランジスタ、２０…インターカレータ、２１…アンテナ、２２…送受信回路素子、２３…演算回路、２４…記憶回路、２５…受信回路、２６…送信回路、２７…電源回路、２８…反応容器、２９…生体分子検出用トランジスタチップ、３０…受信装置
【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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【配列表】
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