(57)【要約】【課題】バイオセンサ測定装置において、トランジスタの個体差による測定結果のばらつきを解消し、測定精度を高める。【解決手段】バイオセンサ部、測定部、及び制御部から成り、バイオセンサ部は、基材と、ドレイン電極およびソース電極と、基材上に配置された半導体膜と、半導体膜上に配置された絶縁膜と、絶縁膜上に配置され、被測定物が配置される感応膜と、被測定物と接触し、可変の参照電圧が印加される参照電極と、隔壁とを備え、測定部は、ドレイン電極と接続され、一定の電流を出力する電流源と、ソース電極と接続された基準電位部と、ドレイン電極と電流源との接続部を出力端子として出力電圧を測定する電圧計と、参照電極へと参照電圧を印加する参照電圧源とを備え、制御部は、測定部による測定を制御する測定設定部と、電圧計により測定した出力電圧を記憶する記憶部とを備えるバイオセンサ測定装置。【選択図】図１
2013092479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオセンサ部、測定部、及び制御部から成るバイオセンサ測定装置であって、
前記バイオセンサ部は、
基材と、
前記基材上に離隔して配置されたドレイン電極およびソース電極と、
前記ドレイン電極及び前記ソース電極にオーミック接触して前記基材上に配置された半導体膜と、
前記半導体膜上に配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に配置され、被測定物が配置される感応膜と、
前記被測定物と接触し、可変の参照電圧が印加される参照電極と、
前記感応膜における前記被測定物が配置される周囲に配置された隔壁と
を備え、
前記測定部は、
前記ドレイン電極と接続され、一定の電流を出力する電流源と、
前記ソース電極と接続された基準電位部と、
前記ドレイン電極と前記電流源との接続部を出力端子として出力電圧を測定する電圧計と、
前記参照電極へと前記参照電圧を印加する参照電圧源と
を備え、
前記制御部は、
前記測定部による測定を制御する測定設定部と、
前記電圧計により測定した前記出力電圧を記憶する記憶部と
を備えることを特徴とするバイオセンサ測定装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記参照電圧の変化に応じた前記出力電圧の変化から傾きを算出する計算部を備えることを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ測定装置。
【請求項３】
前記バイオセンサ部は、前記ドレイン電極及び前記ソース電極と絶縁されたゲート電極を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオセンサ測定装置。
【請求項４】
バイオセンサ部、測定部、及び制御部から成るバイオセンサ測定装置であって、
前記バイオセンサ部は、
基材と、
前記基材上に配置されて可変のゲート電圧が印加されるゲート電極と、
前記ゲート電極と絶縁され、離隔して配置されたドレイン電極およびソース電極と、
前記ドレイン電極及び前記ソース電極にオーミック接触して配置された半導体膜と、
前記半導体膜上に配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に配置され、被測定物が配置される感応膜と、
前記感応膜における前記被測定物が配置される周囲に配置された隔壁と
を備え、
前記測定部は、
前記ドレイン電極と接続され、一定の電流を出力する電流源と、
前記ソース電極と接続された基準電位部と、
前記ドレイン電極と前記電流源との接続部を出力端子として出力電圧を測定する電圧計と、
前記ゲート電極へと前記ゲート電圧を印加するゲート電圧源と
を備え、
前記制御部は、
前記測定部による測定を制御する測定設定部と、
前記電圧計により測定した前記出力電圧を記憶する記憶部と
を備えることを特徴とするバイオセンサ測定装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記ゲート電圧の変化に応じた前記出力電圧の変化から傾きを算出する計算部を備えることを特徴とする請求項４に記載のバイオセンサ測定装置。
【請求項６】
前記バイオセンサ部は、前記ゲート電極と接続可能なゲート電極用補助電極を備え、参照電極と前記ゲート電極用補助電極とを切り替え可能なメカニカルスイッチを備えることを特徴とする請求項４または５に記載のバイオセンサ測定装置。
【請求項７】
前記基材、前記ドレイン電極、前記ソース電極、前記半導体膜、前記絶縁膜及び前記感応膜の少なくとも１つ以上が透明であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のバイオセンサ測定装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記電圧計により測定した前記出力電圧に基づくデータを表示する表示部を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のバイオセンサ測定装置。
【請求項９】
前記計算部は、算出した傾きに基づいて信号増幅作用に優れた参照電圧を決定することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のバイオセンサ測定装置。
【請求項１０】
前記計算部は、
予め測定した前記被測定物搭載時の参照電圧−出力電圧特性と、予め測定した前記被測定物未搭載時のゲート電圧−出力電圧特性との特性差を被測定物電圧値として格納し、
前記算出した傾きに基づき決定された電圧値を前記被測定物電圧値を用いて補整して信号増幅作用に優れた参照電圧を決定する
ことを特徴とする請求項９に記載のバイオセンサ測定装置。
【請求項１１】
前記表示部は、前記計算部により決定された前記参照電圧を表示し、前記バイオセンサ部を前記参照電圧により動作させる設定とするかの確認を利用者に求めることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のバイオセンサ測定装置。
【請求項１２】
バイオセンサ部、測定部、及び制御部から成るバイオセンサ測定装置による測定方法であって、
前記バイオセンサ部のドレイン電極への入力電流を所定の電流値に設定し、
前記バイオセンサ部の参照電極へと可変の参照電圧を印加して出力電圧を測定し、
前記測定された前記出力電圧及びそれに対応する前記参照電圧を関連付けて記憶し、
記憶された前記出力電圧及び前記参照電圧から傾きを計算し、
算出された傾きに基づき固定値として印加する前記参照電圧の電圧値を特定し、
特定された電圧値に基づき前記参照電圧を前記参照電極へと印加する
ことを特徴とするバイオセンサ測定装置による測定方法。
【請求項１３】
バイオセンサ部、測定部、及び制御部から成るバイオセンサ測定装置による測定方法であって、
前記バイオセンサ部のドレイン電極への入力電流を所定の電流値に設定し、
前記バイオセンサ部のゲート電極へと可変のゲート電圧を印加して出力電圧を測定し、
前記測定された前記出力電圧及びそれに対応する前記ゲート電圧を関連付けて記憶し、
記憶された前記出力電圧、前記ゲート電圧及び被測定物の出力電圧特性から傾きを計算し、
算出された傾きに基づき固定値として参照電極へ印加する参照電圧の電圧値を特定し、
特定された電圧値に基づき前記参照電圧を前記参照電極へと印加する
ことを特徴とするバイオセンサ測定装置による測定方法。
【請求項１４】
予め測定した前記被測定物搭載時の参照電圧−出力電圧特性と、予め測定した前記被測定物未搭載時のゲート電圧−出力電圧特性との特性差を被測定物電圧値として格納し、
前記算出した傾きから特定された前記電圧値を前記被測定物電圧値を用いて補整して参照電極へ印加する参照電圧の電圧値を決定する
ことを特徴とする請求項１３に記載のバイオセンサ測定装置による測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバイオセンサ測定装置に関し、特に、電界効果トランジスタを利用したバイオセンサ測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
血液や細胞等の生体試料やその中の特定成分について迅速かつ簡便に濃度等を測定する方法として、電気化学的検出手段によるバイオセンサが実用化されている。その一つとして、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、ＦＥＴという）を用いたバイオセンサが知られ、特にＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ＦＥＴ）と呼ばれている。ＩＳＦＥＴを用いたＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ  ａｃｉｄ）やタンパク質等の生体成分、細胞などの検出系への応用が盛んに研究されている。
【０００３】
しかしながら、ＩＳＦＥＴを用いたバイオセンサは、トランジスタごとの個体差が大きい。そのため、トランジスタの個体差により、測定結果にばらつきが生じてしまうという問題があった。そこで、個々のバイオセンサごとの個体差に合った最適な参照電圧を設定し、トランジスタの個体差による測定結果のばらつきを解消するとともに、個々のトランジスタの性能を最大限活かすことができる測定装置が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４２９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明においては、バイオセンサ測定装置において、トランジスタの個体差による測定結果のばらつきを解消し、測定精度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置は、バイオセンサ部、測定部、及び制御部から成るバイオセンサ測定装置であって、前記バイオセンサ部は、基材と、前記基材上に離隔して配置されたドレイン電極およびソース電極と、前記ドレイン電極及び前記ソース電極にオーミック接触して前記基材上に配置された半導体膜と、前記半導体膜上に配置された絶縁膜と、前記絶縁膜上に配置され、被測定物が配置される感応膜と、前記被測定物と接触し、可変の参照電圧が印加される参照電極と、前記感応膜における前記被測定物が配置される周囲に配置された隔壁とを備え、前記測定部は、前記ドレイン電極と接続され、一定の電流を出力する電流源と、前記ソース電極と接続された基準電位部と、前記ドレイン電極と前記電流源との接続部を出力端子として出力電圧を測定する電圧計と、前記参照電極へと前記参照電圧を印加する参照電圧源とを備え、前記制御部は、前記測定部による測定を制御する測定設定部と、前記電圧計により測定した前記出力電圧を記憶する記憶部とを備えることを特徴とする。
【０００７】
前記制御部は、前記参照電圧の変化に応じた前記出力電圧の変化から傾きを算出する計算部を備えてもよい。
【０００８】
前記バイオセンサ部は、前記ドレイン電極及び前記ソース電極と絶縁されたゲート電極を備えてもよい。
【０００９】
また、本発明の他の実施形態に係るバイオセンサ測定装置は、バイオセンサ部、測定部、及び制御部から成るバイオセンサ測定装置であって、前記バイオセンサ部は、基材と、前記基材上に配置されて可変のゲート電圧が印加されるゲート電極と、前記ゲート電極と絶縁され、離隔して配置されたドレイン電極およびソース電極と、前記ドレイン電極及び前記ソース電極にオーミック接触して配置された半導体膜と、前記半導体膜上に配置された絶縁膜と、前記絶縁膜上に配置され、被測定物が配置される感応膜と、前記感応膜における前記被測定物が配置される周囲に配置された隔壁とを備え、前記測定部は、前記ドレイン電極と接続され、一定の電流を出力する電流源と、前記ソース電極と接続された基準電位部と、前記ドレイン電極と前記電流源との接続部を出力端子として出力電圧を測定する電圧計と、前記ゲート電極へと前記ゲート電圧を印加するゲート電圧源とを備え、前記制御部は、前記測定部による測定を制御する測定設定部と、前記電圧計により測定した前記出力電圧を記憶する記憶部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
前記制御部は、前記ゲート電圧の変化に応じた前記出力電圧の変化から傾きを算出する計算部を備えてもよい。
【００１１】
前記バイオセンサ部は、前記ゲート電極と接続可能なゲート電極用補助電極を有し、参照電極と前記ゲート電極用補助電極とを切り替え可能なメカニカルスイッチを備えてもよい。
【００１２】
前記基材、前記ドレイン電極、前記ソース電極、前記半導体膜、前記絶縁膜及び前記感応膜の少なくとも１つ以上が透明であってもよい。
【００１３】
前記制御部は、前記電圧計により測定した前記出力電圧に基づくデータを表示する表示部を備えてもよい。
【００１４】
前記計算部は、算出した傾きに基づいて信号増幅作用に優れた参照電圧を決定してもよい。
【００１５】
前記計算部は、予め測定した前記被測定物搭載時の参照電圧−出力電圧特性と、予め測定した前記被測定物未搭載時のゲート電圧−出力電圧特性との特性差を被測定物電圧値として格納し、前記算出した傾きに基づき決定された電圧値を前記被測定物電圧値を用いて補整して信号増幅作用に優れた参照電圧を決定してもよい。
【００１６】
前記表示部は、前記計算部により決定された前記参照電圧を表示し、前記バイオセンサ部を前記参照電圧により動作させる設定とするかの確認を利用者に求めてもよい。
【００１７】
本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置による測定方法は、バイオセンサ部、測定部、及び制御部から成るバイオセンサ測定装置による測定方法であって、前記バイオセンサ部のドレイン電極への入力電流を所定の電流値に設定し、前記バイオセンサ部の参照電極へと可変の参照電圧を印加して出力電圧を測定し、前記測定された前記出力電圧及びそれに対応する前記参照電圧を関連付けて記憶し、記憶された前記出力電圧及び前記参照電圧から傾きを計算し、算出された傾きに基づき固定値として印加する前記参照電圧の電圧値を特定し、特定された電圧値に基づき前記参照電圧を前記参照電極へと印加することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の他の実施形態に係るバイオセンサ測定装置による測定方法は、バイオセンサ部、測定部、及び制御部から成るバイオセンサ測定装置による測定方法であって、前記バイオセンサ部のドレイン電極への入力電流を所定の電流値に設定し、前記バイオセンサ部のゲート電極へと可変のゲート電圧を印加して出力電圧を測定し、前記測定された前記出力電圧及びそれに対応する前記ゲート電圧を関連付けて記憶し、記憶された前記出力電圧、前記ゲート電圧及び被測定物の出力電圧特性から傾きを計算し、算出された傾きに基づき固定値として参照電極へ印加する参照電圧の電圧値を特定し、特定された電圧値に基づき前記参照電圧を前記参照電極へと印加することを特徴とする。
【００１９】
予め測定した前記被測定物搭載時の参照電圧−出力電圧特性と、予め測定した前記被測定物未搭載時のゲート電圧−出力電圧特性との特性差を被測定物電圧値として格納し、前記算出した傾きから特定された前記電圧値を前記被測定物電圧値を用いて補整して参照電極へ印加する参照電圧の電圧値を決定してもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、個々のバイオセンサごとの個体差に合った最適な参照電圧を設定し、トランジスタの個体差による測定結果のばらつきを解消することができるバイオセンサ測定装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置の構成を説明する図であり、（ａ）はバイオセンサ部の断面図と、バイオセンサ部、測定部及び制御部との接続構成を示す図であり、（ｂ）はバイオセンサ部の上面図であり、（ｃ）はバイオセンサ部の等価回路図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置の構成を説明する図であり、（ａ）はトップゲート型のバイオセンサ部の断面図と、バイオセンサ部、測定部及び制御部との接続構成を示す図であり、（ｂ）はバイオセンサ部の上面図であり、（ｃ）はバイオセンサ部の等価回路図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係るバイオセンサ測定装置の構成を説明する図であり、（ａ）はボトムゲート型のバイオセンサ部の断面図と、バイオセンサ部、測定部及び制御部との接続構成を示す図であり、（ｂ）はバイオセンサ部の上面図であり、（ｃ）はバイオセンサ部の等価回路図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るバイオセンサ測定装置の構成を説明する図であり、（ａ）はボトムゲート型のバイオセンサ部の断面図と、バイオセンサ部、測定部及び制御部との接続構成を示す図であり、（ｂ）はバイオセンサ部の上面図であり、（ｃ）はバイオセンサ部の等価回路図である。
【図５】バイオセンサ部のＶＧ−ＶＤ特性のグラフの一例を示す図である。
【図６】図２のグラフにおいて、傾きが一定である部分Ｂを示す図である。
【図７】バイオセンサ部のＶＧ−ＶＤ特性のグラフの一例を示す図であり、異なる時間間隔により求めた傾きを求め、同じ図にプロットした図である。
【図８】被測定物の出力電圧特性による、出力電圧の変化を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置による測定方法の概要を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置による測定方法の概要を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明に係るバイオセンサ測定装置及びその測定方法について説明する。但し、本発明のバイオセンサは多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２３】
（バイオセンサ測定装置）
図１は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置の構成を説明する図であり、（ａ）はバイオセンサ部の断面図と、バイオセンサ部、測定部及び制御部との接続構成を示す図であり、（ｂ）はバイオセンサ部の上面図であり、（ｃ）はバイオセンサ部の等価回路図である。ただし、（ｂ）では、感応膜１５０、及び絶縁膜１５５は省略している。
【００２４】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置は、バイオセンサ部１００と、測定部２００と、制御部３００とを有する。バイオセンサ部１００は、基材１１０と、ドレイン電極１２０と、ソース電極１３０と、半導体膜１４０と、感応膜１５０と、絶縁膜１５５、参照電極１６０と、隔壁１７０と、被測定部１８０とを有する。測定部２００は、電流源２１０と、基準電位部２２０と、電圧計２３０と、参照電圧源２４０とを有する。制御部３００は、測定を制御し設定する測定設定部３１０と、電圧計２３０により測定された電圧を記憶する記憶部３２０とを有する。
【００２５】
まず、バイオセンサ部１００の構成の詳細について説明する。
【００２６】
基材１１０は絶縁性の材料である。例えば、ガラスなどの無機材料や、ＰＥＮ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）またはＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）などのプラスチック（ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ナイロン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、メチルペンテン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂）に代表される有機材料であってもよい。基材１１０は、透明であることが好ましい。この透明とは、顕微鏡などの観察機器を用いて基材１１０から第２の絶縁膜１５１上に配置された被測定物１９１を観察することができる程度に透明であればよく、半透明のものは含まれない。
【００２７】
また、基材１１０の形状は特に限定されることはなく、平板、平膜、フィルム、多孔質膜などの平坦な形状、シリンダ、スタンプ、マルチウェルプレート、マイクロ流路などの立体的な形状であってもよい。フィルムを使用する場合には、その厚さは特に限定されることはないが、例えば、１μｍ以上１ｍｍ以下であってもよい。
【００２８】
基材１１０がフレキシブルな材料である場合には、基材１１０を曲げることが可能となり、測定時のＦＥＴセンサの設置などの自由度が増加する。また、ロール  ｔｏ  ロールでのバイオセンサの形成が可能となり、低コストでのバイオセンサの製造が可能となる。
【００２９】
なお、基材１１０上に他の絶縁膜が配置され形成されていてもよい。この場合には、ＦＥＴセンサはその基材１１０上の他の絶縁膜上に形成される。また、この場合には、他の絶縁膜の材料は透明であることが好ましい。
【００３０】
ドレイン電極１２０及びソース電極１３０は、基材１１０上に配置される。
【００３１】
ドレイン電極１２０及びソース電極１３０には、導電性材料を用いる。例えば、チタン、アルミ、銅、金等を用いることができるが、特に透明な導電性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、ガリウムを添加した酸化亜鉛（ＧＺＯ）等を用いることができる。ドレイン電極１２０及びソース電極１３０の厚さは、２０ｎｍ〜２００ｎｍが好ましい。
【００３２】
半導体膜１４０は、基材１１０上に配置されている。また、半導体膜１４０は、ドレイン電極１２０とソース電極１３０との間に、配置されている。そして、半導体膜１４０は、ドレイン電極１２０とソース電極１３０とにオーミック接触している。
【００３３】
半導体膜１４０の材料としては、絶縁膜１５５を積層可能な材料であればよく、例えばアモルファス酸化物を用いることができる。そのようなアモルファス酸化物の主成分は、ＩｎＭＺｎＯと表すことができ、ここで、Ｍは、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｆｅ（鉄）のうち少なくとも１種である。この中でも、アモルファス酸化物としては、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のものを用いるのが好ましい。ＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物は、室温から１５０°Ｃ程度の低温で成膜が可能であることから、基材１１０が耐熱性に乏しいプラスチックやガラスにより構成されている場合でも使用することができる。また、ＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物には、必要に応じて、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎなどが加えられていてもよい。
【００３４】
また、半導体膜１４０の別の材料としては、酸化物亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする酸化物半導体から用いられていてもよい。ＺｎＯを主成分とする場合には、真性の酸化物亜鉛の他に、必要に応じて、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、窒素（Ｎ）及び炭素（Ｃ）等のｐ型ドーパント及びホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のｎ型ドーパントがドーピングされた酸化亜鉛及びマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などがドーピングされた酸化亜鉛を加えたものであってもよい。さらに、半導体膜１４０は、錫を添加した酸化インジウム（インジウム錫オキサイド：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛オキサイド（ＩＺＯ）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの酸化物半導体から形成されていてもよい。
【００３５】
半導体膜１４０は、透明であることが好ましい。この透明とは、基材１１０と同様に、顕微鏡などの観察機器を用いて基材１１０から感応膜１５０に配置された被測定物１８０が観察することができる程度に透明であればよく、半透明のものは含まれない。
【００３６】
絶縁膜１５５は、ドレイン電極１２０、ソース電極１３０および半導体膜１４０の上に積層して配置される。
【００３７】
絶縁膜１５５は、絶縁性材料が用いられるが、特に、透明な絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素等を用いることができる。また、プラスチック基板のような透明な有機樹脂からなる基板、ポリプロピレン、ポリエステル、ビニル、ポリフッ化ビニル、塩化ビニル、ポリエステル、ポリアミドのような透明なフィルム等を用いてもよい。絶縁膜１５５の厚さは、５０ｎｍ〜１μｍの範囲で適宜選択することができる。なお、この透明とは、基材１１０と同様に、顕微鏡などの観察機器を用いて基材１１０から感応膜１５０に配置された被測定物１８０が観察することができる程度に透明であればよく、半透明のものは含まれない。
【００３８】
感応膜１５０は、絶縁膜１５５と接触し、半導体膜１４０の上方に配置される。また、感応膜１５０は、絶縁膜１５５を介して、間接的に半導体膜１４０と接触して配置される。例えば、感応膜１５０は、絶縁膜１５５を覆って配置されてもよい。感応膜１５０は、被測定物１８０に添加された試料に含まれる被検査物、例えば、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質等を配置可能なものである。感応膜１５０は、透明な絶縁材料を用い、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素、酸化タンタル、酸化アルミニウム等を用いることができる。
【００３９】
また、図２に示すように、バイオセンサ部１００は、ゲート電極１４５を有してもよい。なお、図２の（ｂ）では、ゲート電極１４５、感応膜１５０、及び絶縁膜１５５は省略しており、（ｃ）ではゲート電極１４５に係る回路は省略している。
【００４０】
ゲート電極１４５には、導電性材料を用いる。例えば、チタン、アルミ、銅、金等を用いることができるが、特に透明な導電性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、ガリウムを添加した酸化亜鉛（ＧＺＯ）等を用いることができる。ゲート電極１４５、ドレイン電極１２０及びソース電極１３０の厚さは、２０ｎｍ〜２００ｎｍが好ましい。
【００４１】
また、ゲート電極１４５は、バイオセンサによる被測定物の特性測定時には、フローティング電極として用いることができる。
【００４２】
ゲート電極１４５、ドレイン電極１２０及びソース電極１３０の電極材料が透明であると、より確実にサンプルを顕微鏡で観察することが可能となるため、被測定物１８０の配置箇所に応じて、これらの電極の電極材料の１つ以上が透明であることが好ましい。この透明とは、基材１１０と同様に、顕微鏡などの観察機器を用いて基材１１０から感応膜１５０に配置された被測定物１８０が観察することができる程度に透明であればよく、半透明のものは含まれない。
【００４３】
隔壁１７０は、被測定物１８０を配置するためのもので、例えば、ガラス、プラスチック等を用いることができる。なお、図１（ｂ）においては、隔壁１７０を上方から見た場合に、四角くなっているが、これに限られず、例えば円形などでもよい。
【００４４】
本発明の一実施形態に係るバイオセンサ部１００は、ドレイン電極１２０及びソース電極１３０と絶縁された参照電極１６０を被測定物１８０に接触させることで被測定物１８０から出力される電気信号の測定を行う。参照電極１６０は、被測定物１８０に挿入してもよいし、パターンとして形成してもよい。
【００４５】
次に、測定部２００の構成の詳細について説明する。
【００４６】
電流源２１０は、ドレイン電極１２０と電気的に接続される、ドレイン電流ＩＤが一定な定電流源である。
【００４７】
基準電位部２２０は、ソース電極１３０と電気的に接続される、回路のグランド（ＧＮＤ）である。
【００４８】
電圧計２３０は、電流源２１０とドレイン電極１２０との接続部１２５と電気的に接続され、接続部１２５を出力端子として、出力電圧ＶＤを測定する。
【００４９】
従来、バイオセンサ部のトランジスタ特性を評価する場合には、ＶＧ−ＩＤ特性、すなわち参照電圧ＶＧに対するドレイン電流ＩＤを測定し、その関係により、トランジスタ特性を測定していた。
【００５０】
一方、本発明においては、ＶＧ−ＶＤ特性、すなわちドレイン電流ＩＤを固定の値とし、参照電圧ＶＧと出力電圧ＶＤを測定し、その関係により、トランジスタ特性を評価する。出力電圧ＶＤを測定することにより、ドレイン電流ＩＤを測定する場合と比べ、バイオセンサ部の電位変化を、増幅度を大きくし感度良く測定することができ、よりバイオセンサ部のトランジスタ特性の把握に優れる。
【００５１】
参照電圧源２４０は、参照電極１６０と電気的に接続され、参照電極１６０へと参照電圧ＶＧを印加する電圧源である。
【００５２】
以上のように、測定部２００は、電流源２１０より固定のドレイン電流ＩＤをドレイン電極１２０へと出力し、参照電圧源２４０より参照電極１６０へと印加する参照電圧ＶＧを変化させた場合における、接続部１２５における出力電圧ＶＤの変化を、電圧計２３０により測定する。
【００５３】
次に、制御部３００の構成の詳細について説明する。
【００５４】
制御部３００は、例えば測定部２００を制御するソフトウェアを備えたパーソナルコンピュータであり、測定部２００を制御するとともに、測定部２００における測定結果を記憶する。
【００５５】
制御部３００の測定設定部３１０は、測定部２００における基本の測定シーケンスを設定し、制御する。すなわち、電流源２１０を制御して、ドレイン電流ＩＤの値を設定したり、参照電圧源２４０を制御して、出力電圧ＶＤの値を設定したりすることができる。
【００５６】
また、測定設定部３１０は、電圧計２３０における電圧測定のタイミングを設定し、制御してもよい。これにより、電圧計２３０により、例えば１秒間隔で電圧を測定するなど、経時的に出力電圧ＶＤを測定することができ、その結果、被検査物である細胞やタンパク質等の経時的な応答性を電気的に検知することが可能となる。
【００５７】
また、記憶部３２０は、電圧計２３０により測定された出力電圧ＶＤを参照電圧ＶＧと対応付けて測定結果として記憶する。記憶部３２０は記憶媒体であり、例えばハードディスク、ＳＳＤ、フラッシュメモリなどである。
【００５８】
制御部３００は、さらに表示部３３０を有してもよい。表示部３３０は、測定部２００による測定結果を表示するディスプレイ装置である。表示する測定結果としては、例えば、電圧計により測定した出力電圧ＶＤだけでなく、参照電圧ＶＧと出力電圧ＶＤとの対応関係を示すグラフ、バイオセンサ部の増幅度、感度、また後述する動作点電圧などである。
【００５９】
次に、本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置における、ＶＧ−ＶＤ特性の測定方法について説明する。
【００６０】
まず、隔壁１７０で囲まれた空間へと、生体物質等の被検査物を添加しない状態の被測定物１８０を注入する。被測定物１８０は、例えば培養液などの薬液である。
【００６１】
被測定物１８０へ、参照電極１６０を接触させた状態で、一定の電流ＩＤを電流源２１０において出力し、参照電極１６０において、参照電圧ＶＧを一定範囲で変化させた場合の、出力電圧ＶＤを、電圧計２３０において測定する。
【００６２】
制御部３００の記憶部３２０は、参照電圧ＶＧと出力電圧ＶＤとを関連付けて記憶する。このとき、記憶部３２０は、時間経過も合わせて記憶してもよい。
【００６３】
測定部２００がＶＧ−ＶＤ特性を継続的に、参照電圧ＶＧの電圧値の一定間隔ごとに測定するよう、制御部３００の測定設定部３１０において設定してもよい。例えば、出力電圧ＶＤを測定する間隔は０．１Ｖ、０．３Ｖなどでよい。参照電圧ＶＧの電圧値の変化に応じた出力電圧ＶＤの変化を傾きとして測定するためには、ある程度小さな電圧値の差を見ることが好ましく、参照電圧ＶＧの電圧値の変化は、０．３Ｖ以下の電圧間隔であることが好ましい。
【００６４】
制御部３００において、計算部（図示せず）を設け、一定の電圧間隔で測定したＶＧ−ＶＤ特性についての傾きを計算してもよい。計算部は、例えば種々の演算を行うＣＰＵの演算装置である。
【００６５】
ある参照電圧ＶＧ１における出力電圧ＶＤ１と、ある参照電圧ＶＧ２における出力電圧ＶＤ２との間の傾きは、次の数式（１）により求められる。
【数１】
2013092479.tif 000003
【００６６】
例えば、あるバイオセンサにおいて、参照電圧ＶＧ１が０．５Ｖのときの出力電圧ＶＤ１が０．３０１、参照電圧ＶＧ２が０．５３Ｖのときの出力電圧ＶＤ２が０．２８２の場合に、傾きは０．６３となる。
【００６７】
バイオセンサの参照電圧は、ある入力電圧に対して、大きな出力電圧を得られる領域に設定することが好ましいところ、傾きを計算することにより、バイオセンサの動作点を決定する指標を得ることができる。より大きな出力電圧を得られる傾きが大きな地点とは、バイオセンサ部のトランジスタにおいて、入力された信号を増幅して出力している地点を意味し、小さな信号であっても、大きな信号として扱うことができることを意味する。
【００６８】
すなわち、傾きと出力電圧、入力電圧との関係は、出力電圧＝入力電圧×傾きで求められる。例えば、出力電圧ＶＤが１０Ｖで、入力する電圧が１Ｖである場合、傾きは１０となるし、出力電圧ＶＤが２Ｖで、入力する電圧が１Ｖである場合、傾きは２となる。このように、傾きが大きいほど、同じ入力電圧であっても出力電圧が大きくなることが分かる。
【００６９】
なお、傾きを求める際の電圧の間隔は、ある程度短い方が好ましく、例えば参照電圧の変化が０．３Ｖ以下であることが好ましい。
【００７０】
また、動作点を決定するための測定の際には、ドレイン電流ＩＤの電流値は、通常、１ｎＡ〜１ｍＡに設定される。もっとも、電流値が１ｍＡ程度の大きさの場合には、トランジスタの電流バイアスストレスの影響により、ＶＧ−ＶＤ特性についての測定結果が時間の経過とともに異なってしまうことがある。そのため、ドレイン電流ＩＤの電流値は、電流バイアスストレスの影響が小さい１ｎＡ〜１μＡに設定してＶＧ−ＶＤ特性を測定するのが好ましく、測定装置の精度を考慮すると、１０ｎＡ〜１μＡがより好ましい。
【００７１】
本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置では、被検査物の特性の測定の際に、傾きが０．５以上である領域における参照電圧を設定することが好ましい。本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置は、トランジスタを用いた被検査物に対して非侵襲で測定可能なバイオセンサ部を用いるため、信号増幅することができ、傾きが０．５以上であれば、被測定物１８０の電位を的確に測定できる。傾きが０．５未満である場合には、被測定物１８０の電位が、入力する電圧の５０％を下回り、トランジスタを用いた信号増幅によるメリットに乏しい。なお、より好ましくは、傾きが１以上、さらに好ましくは、傾きが１０前後であると、トランジスタによる信号増幅作用を十分に活かすことができる。
【００７２】
図５はドレイン電流ＩＤが１００ｎＡの場合におけるバイオセンサ部のＶＧ−ＶＤ特性のグラフの一例を示す図である。図５において、横軸が参照電圧ＶＧ、縦軸が出力電圧ＶＤ及び傾きであり、参照電圧ＶＧと出力電圧ＶＤとの関係を示すグラフ及び参照電圧ＶＧと傾きとの関係を示すグラフが記載されている。傾きは、参照電圧ＶＧと出力電圧ＶＤとの３秒間隔での変化から求めた。
【００７３】
図５において特性が示されるバイオセンサにおいては、傾きが０．５以上であるのは、参照電圧ＶＧが範囲Ａに含まれる値の場合である。従って、参照電圧ＶＧの値を、傾きが０．５以上の範囲Ａから選択すると、図５に係るバイオセンサは、優れた信号増幅作用を発揮することができる。
【００７４】
また、傾きが０．５以上の領域から、さらに傾きのある程度一定の部分、すなわち傾きが線形に近い部分の中心点に対応する参照電圧ＶＧを選択することが好ましい。この場合、傾きがある程度一定の部分においては、多少参照電圧ＶＧの値が上下しても、同様の信号増幅作用を発揮できるためである。
【００７５】
図６は、図５のグラフにおいて、傾きが一定である部分Ｂを示す図である。図６を参照すると、参照電圧ＶＧと傾きとの関係を示すグラフにおいて、傾きが０．５以上の範囲のうち、部分Ｂで傾きの値について上下への一定の振幅が多く見られる。この箇所においては、上下へ振幅している範囲内において傾きが一定となっているといえるから、参照電圧ＶＧをこの部分Ｂに対応する範囲の値の中心値を選択することにより、図５及び図６に係るバイオセンサは、優れた信号増幅作用を安定して発揮することができる。
【００７６】
また、傾きを求める場合の参照電圧ＶＧの電圧値の間隔を複数設定し、傾きについて異なる間隔における出力電圧ＶＤの変化を求め、それぞれのデータをプロットし、傾きについての傾向が重なる箇所を参照電圧ＶＧとして設定してもよい。これにより、ある時間における傾きについての傾向をより正確に把握することができ、優れた信号増幅作用を安定して発揮することができる参照電圧ＶＧを設定することができる。例えば、図７において特性が示されるバイオセンサにおいては、参照電圧ＶＧについて、０．１Ｖ、０．２Ｖ、０．３Ｖの電圧値の間隔で傾きを求めたグラフを、同じ図にプロットしている。このうち、傾きについての傾向が重なる箇所Ｃに対応する範囲の値に、参照電圧ＶＧを設定することにより、図７に係るバイオセンサは、優れた信号作用を安定して発揮することができる。
【００７７】
こうした過程を経て、本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置は、制御部３００の測定設定部３１０により、自動でバイオセンサ部に応じた最適な参照電圧ＶＧを参照電圧源２４０より出力することができる。なお、バイオセンサ部に応じた好ましい参照電圧ＶＧが算出された後に、表示部３３０において、測定装置の利用者に対して、算出された参照電圧ＶＧを示し、当該参照電圧ＶＧによりバイオセンサ部を動作させて良いかの確認を求めてもよい。また好ましい参照電圧ＶＧが複数存在する場合には、いずれの参照電圧ＶＧを選択するかの確認を求めてもよい。これにより、より利用者のニーズに応じて参照電圧ＶＧを設定することが可能となる。
【００７８】
以上の本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置により、バイオセンサの個体差に応じて、被検査物の測定に適した参照電圧を設定することができ、バイオセンサの個体差により測定結果に差が生じることを防止することができるバイオセンサ測定装置が提供される。
【００７９】
次に、本発明の他の実施形態に係るバイオセンサ測定装置の構成を説明する。
【００８０】
図３は、本発明の他の実施形態に係るバイオセンサ測定装置の構成を説明する図であり、（ａ）はボトムゲート型のバイオセンサ部の断面図と、バイオセンサ部、測定部及び制御部との接続構成を示す図であり、（ｂ）はバイオセンサ部の上面図であり、（ｃ）はバイオセンサ部の等価回路図である。ただし、（ｂ）では、感応膜１５０、及び絶縁膜１５５は省略しており、（ｃ）ではゲート電極１４５に係る一部の回路は省略している。
【００８１】
図２を参照して前述した本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置は、トップゲート型の構成であったが、図３に係る実施形態に係るバイオセンサ測定装置は、ボトムゲート型の構成であり、ゲート電極１４５が、基材１１０上に配置され、ゲート電極１４５は、ゲート絶縁膜１９０により、ドレイン電極１２０及びソース電極１３０と電気的に絶縁される。ゲート絶縁膜１９０は、基材１１０及びゲート電極１４５上に配置され基材１１０及びゲート電極１４５を覆う。ゲート絶縁膜１９０の材料は、前述した絶縁膜１５５と同様の材料であってもよい。
【００８２】
半導体膜１４０は、ゲート電極１４５の上方に配置される。ゲート電極１４５は、ドレイン電極１２０とソース電極１３０との間から引き出され、ゲート電極１４５が延伸された箇所の上方に隔壁１７０を設けて、被測定物１８０を配置してもよい。これにより、自由に被測定物の配置箇所を設定することができる。
【００８３】
ゲート電極１４５には、測定部２００のゲート電圧源２５０から、ゲート電圧ＶＧが印加される。
【００８４】
なお、図４に示すように、ゲート電極用補助電極端子１４５ａを用意し、ゲート電極用補助電極端子１４５ａとゲート電極１４５とを電気的に接触させて、ゲート電圧ＶＧを印加してもよい。この場合、ゲート電圧源２５０とゲート電極用補助電極端子１４５ａとの間にメカニカルスイッチ２５５を設けて、動作点を決定する際には、スイッチをオンして測定を行い、動作点決定後、被検査物の特性を測定する際には、スイッチをオフして、被検査物の特性の測定に影響が出ないようにすることができる。
【００８５】
また、測定部において、参照電圧源２４０とゲート電圧源２５０とを切り替え可能な切替スイッチ（図示せず）を有してもよい。
【００８６】
動作点を決定するためのバイオセンサ部のＶＧ−ＶＤ特性の測定時に、参照電極１６０の代わりにゲート電極１４５を用いることにより、被測定物１８０が生体物質等の被検査物を添加されている場合においても、被検査物の影響を受けない状態で出力電圧ＶＤを測定することができる。従って、被検査物がセットされた状態であっても、動作点を決定することができ、各バイオセンサに適した状態において被検査物の特性を測定することができる。
【００８７】
このとき、被検査物を含まない被測定物１８０の出力電圧特性を予め測定しておくことが好ましい。すなわち、培養液等の被測定物１８０が持っている電荷（イオン）によって、被測定物１８０の電位が変化し、ＶＧ−ＶＤ特性は影響を受けるため、図８に示すように、同じ電圧ＶＧを印加したとしても、異なる出力電圧ＶＤとなる。そのため、ゲート電極１４５を用いた被測定物１８０の影響を受けない状態でのＶＧ−ＶＤ特性の測定データについては、あらかじめ測定した被測定物１８０の出力電圧特性を考慮した上で、動作点を決定する必要がある。このとき、被測定物１８０の特性により、電圧値は変化するものの、トランジスタの傾きにおける傾き方には影響を与えることは基本的にないため、被測定物１８０ごとの出力電圧特性に基いて、出力電圧ＶＤの測定値をシフトさせる補整を行い、最適な動作点を決定することができる。例えば、被測定物１８０搭載時の参照電圧−出力電圧特性と、被測定物未搭載時のゲート電圧−出力電圧特性との特性差、すなわちシフト量を被測定物電圧値として、記憶部３２０に格納しておく。そして、動作点電圧として印加する参照電圧ＶＧとしては、傾きに基づき計算部３４０により算出された電圧から、シフト量に基づいてマイナスあるいはプラスされた電圧値が印加される。
【００８８】
（バイオセンサ測定装置による測定方法）
次に、本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置による測定方法を説明する。なお、測定方法に用いるバイオセンサ測定装置の各構成の詳細は、上述したとおりである。
【００８９】
図９は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置による測定方法の概要を示すフローチャートであり、以下、図９を参照しつつ測定方法の流れを説明する。図９における測定方法は、例えば図１や図２に係るバイオセンサ測定装置を用いた場合の測定方法である。
【００９０】
まず、電流源２１０において入力するドレイン電流ＩＤを設定する（Ｓ１００）。ドレイン電流ＩＤは固定値であり、例えば１００ｎＡ以上５００ｎＡ以下の電流値に設定される。
【００９１】
次に、参照電圧源２４０により参照電極１６０へと印加する参照電圧ＶＧを設定し、電圧計２３０において、出力電圧ＶＤの測定を開始する（Ｓ１１０）。
【００９２】
測定した出力電圧ＶＤを、参照電圧ＶＧと関連付けて記憶部３２０において記憶する（Ｓ１２０）。
【００９３】
参照電圧ＶＧを所定の電圧値の範囲内で変化させ、出力電圧ＶＤの測定を繰り返す（Ｓ１３０）。所定の電圧値の範囲は、通常被測定物の測定のために参照電圧として印加する範囲の電圧値である。
【００９４】
記憶部３２０に記憶された、出力電圧ＶＤの測定データ及びそれに対応付けられた参照電圧ＶＧに基づき、傾きを計算する（Ｓ１４０）。
【００９５】
算出された傾きに基づき、信号増幅作用に優れた参照電圧ＶＧ、すなわち動作点であって、被検査物の測定時に固定値として印加する参照電圧の電圧値を特定する（Ｓ１５０）
【００９６】
特定された参照電圧、すなわち特定された動作点に基づき、参照電圧源２４０により参照電極１６０へと印加する参照電圧を固定値として設定する（Ｓ１６０）。なお、ステップＳ１６０の前に、動作点として特定された参照電圧の電圧値を表示部３３０へと表示し、設定する参照電圧の確認を測定者へ求めてもよい。
【００９７】
その後、設定に基づき参照電圧を印加し、出力電圧ＶＤの測定を開始する。
【００９８】
以上の本発明の一実施形態に係るバイオセンサ測定装置による測定方法により、バイオセンサの個体差に応じて、被検査物の測定に適した参照電圧を設定することができ、バイオセンサの個体差により測定結果に差が生じることを防止することができるバイオセンサ測定方法が提供される。
【００９９】
次に、図１０を参照して、本発明の他の実施形態に係るバイオセンサ測定装置による測定方法の流れを説明する。なお、図１０における測定方法は、例えば図３や図４に係るバイオセンサ測定装置を用いた場合の測定方法である。
【０１００】
まず、電流源２１０において入力するドレイン電流ＩＤを設定する（Ｓ２００）。ドレイン電流ＩＤは固定値であり、例えば１００ｎＡ以上５００ｎＡ以下の電流値に設定される。
【０１０１】
次に、ゲート電圧源２５０によりゲート電極１４５へと印加するゲート電圧ＶＧを設定し、電圧計２３０において、出力電圧ＶＤの測定を開始する（Ｓ２１０）。
【０１０２】
測定した出力電圧ＶＤを、ゲート電圧ＶＧと関連付けて記憶部３２０において記憶する（Ｓ２２０）。
【０１０３】
ゲート電圧ＶＧを所定の電圧値の範囲内で変化させ、出力電圧ＶＤの測定を繰り返す（Ｓ２３０）。所定の電圧値の範囲は、通常被測定物の測定のために参照電圧として印加する範囲の電圧値である。
【０１０４】
記憶部３２０に記憶された、出力電圧ＶＤの測定データ及びそれに対応付けられたゲート電圧ＶＧに基づき、傾きを計算する。このとき、予め測定しておいた被測定物１８０の出力電圧特性により、補整を行う（Ｓ２４０）。
【０１０５】
算出された傾きに基づき、信号増幅作用に優れた参照電圧ＶＧ、すなわち動作点であって、被検査物の測定時に固定値として印加する参照電圧の電圧値を特定する（Ｓ２５０）
【０１０６】
特定された参照電圧、すなわち特定された動作点に基づき、参照電圧源２４０により参照電極１６０へと印加する参照電圧を固定値として設定する（Ｓ２６０）。なお、ステップＳ１６０の前に、動作点として特定された参照電圧の電圧値を表示部３３０へと表示し、設定する参照電圧の確認を測定者へ求めてもよい。
【０１０７】
その後、設定に基づき参照電圧を印加し、出力電圧ＶＤの測定を開始する。
【０１０８】
以上の本発明の他の実施形態に係るバイオセンサ測定装置による測定方法により、バイオセンサの個体差に応じて、被検査物の測定に適した参照電圧を設定することができ、バイオセンサの個体差により測定結果に差が生じることを防止することができるとともに、被検査物がセットされた状態であっても、動作点を決定することができ、各バイオセンサに適した状態において被検査物の特性を測定することができるバイオセンサ測定方法が提供される。
【符号の説明】
【０１０９】
１１０  基材
１２０  ドレイン電極
１３０  ソース電極
１４０  半導体膜
１４５  ゲート電極
１５０  感応膜
１５５  絶縁膜
１６０  参照電極
１７０  隔壁
１８０  被測定物
１９０  ゲート絶縁膜
２１０  電流源
２２０  基準電位部
２３０  電圧計
２４０  参照電圧源
２５０  ゲート電圧源
３１０  測定設定部
３２０  記憶部
３３０  表示部
【図１】
2013092479.tif 000004
【図２】
2013092479.tif 000005
【図３】
2013092479.tif 000006
【図４】
2013092479.tif 000007
【図７】
2013092479.tif 000008
【図５】
2013092479.tif 000009
【図６】
2013092479.tif 000010
【図８】
2013092479.tif 000011
【図９】
2013092479.tif 000012
【図１０】
2013092479.tif 000013