JP2020153783A - センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】性能の向上を図れるセンサを提供する。【解決手段】所定の数のベシクルと、前記所定の数のベシクルと接続するチャネル膜１２、および、前記所定の数のベシクルを前記チャネル膜と接続するために設けられたトレンチ１６を含む第１の検出部とを具備するセンサである。また、第１の検出部は検出対象物の検出の有無に対応する信号を出力するセンサである。また、所定の数のベシクルと接続するチャネル膜、および、前記所定の数のベシクルを前記チャネル膜と接続するために設けられたトレンチを含む第２の検出部を更に具備するセンサである。また、第２の検出部は検出対象物の検出の有無に対応する信号を出力するセンサである。【選択図】図４
Description
本発明の実施形態はセンサに関する。
生体や人工物に関連する物質が有する分子識別機能を利用したセンサは性能の向上が求められている。
本発明の目的は、性能の向上を図れるセンサを提供することにある。
実施形態のセンサは、所定の数のベシクルと、前記所定の数のベシクルと接続するチャネル膜、および、前記所定の数のベシクルを前記チャネル膜と接続するために設けられたトレンチを含む第１の検出部とを含む。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図面は、模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は、必ずしも現実のものと同一であるとは限らない。図面において、同一符号（添字が異なるものを含む）は同一または相当部分を付してあり、重複した説明は必要に応じて行う。また、図面において、簡略化のために、同一または相当部分があっても符号を付さない場合もある。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るガスを検出するセンサ１を模式的に示すブロック図である。ガスは、例えば、アルコールやアセトアルデヒド等の匂い分子である。ガスは匂いのない分子でもよい。
センサ１は、検出部２および判定部３を含む。図１では検出部２の数は複数であるが、一つでも構わない。各検出部２はガスを検出するとともに、上記ガスの検出の有無に対応する検出信号Ｓを出力する。検出部２がガスを検出した場合、検出部２はある一定値（しきい値）以上のレベルを有する検出信号Ｓを出力する。検出部２がガスを検出しない場合、検出部２はしきい値よりも小さいレベルを有する検出信号Ｓを出力する。
図１は、第１の実施形態に係るガスを検出するセンサ１を模式的に示すブロック図である。ガスは、例えば、アルコールやアセトアルデヒド等の匂い分子である。ガスは匂いのない分子でもよい。
センサ１は、検出部２および判定部３を含む。図１では検出部２の数は複数であるが、一つでも構わない。各検出部２はガスを検出するとともに、上記ガスの検出の有無に対応する検出信号Ｓを出力する。検出部２がガスを検出した場合、検出部２はある一定値（しきい値）以上のレベルを有する検出信号Ｓを出力する。検出部２がガスを検出しない場合、検出部２はしきい値よりも小さいレベルを有する検出信号Ｓを出力する。
なお、図１には簡略のため四つの検出部のみが示されている。実際の検出部の数は、例えば、１００万程度である。複数の検出部（検出セル）は、例えば、マトリクス状に２次元的に配置される。本実施形態では、各検出部は同じ種類（分子構造）のガスを検出するものとする。
複数の検出信号Ｓは判定部３に入力される。判定部３は、信号Ｓに基づいて、検出された検出対象のガスの個数を判定する。例えば、判定部３は、単位時間あたりに入力される検出信号の各々について、しきい値以上のレベルを有する否かを判断し、そして、しきい値以上のレベルを有する検出信号の総数を単位時間あたりの検出されたガスの個数であると判断する。
ガスを検出したときの検出信号と、ガスを検出しないときの検出信号との識別は、例えば、抵抗測定手段（例えば、ホイートストンブリッジ）を用いて容易に行うことができる。そのため、複数の検出のレベルの各々について、しきい値以上か否かの判断は容易かつ正確を行うことができる。したがって、本実施形態によれば、検出された検出対象のガスの個数を容易に定量的に取得することができるという、性能の向上を図れるセンサ１を提供できる。
なお、上述したように図１では検出部２の数は一つでもよいが、本実施形態のように複数の検出部を用いるとガスの数を容易に定量的に取得することができる。
次に、本実施形態のセンサ１の具体的な構造について説明する。
図２は、本実施形態のセンサ１を示す平面図である。図３は図２の矢視III-III断面図であり、図４は図２の検出部２の矢視IV-IV断面図である。
次に、本実施形態のセンサ１の具体的な構造について説明する。
図２は、本実施形態のセンサ１を示す平面図である。図３は図２の矢視III-III断面図であり、図４は図２の検出部２の矢視IV-IV断面図である。
センサ１は、図３および図４に示すように、基板１０と、基板１０上に設けられた絶縁膜１１と、絶縁膜１１上に設けられた検出部２とを含む。
基板１０は半導体基板を含む。半導体基板は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板である。なお、半導体基板の代わりに、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）、シリコン窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４）、または、高分子材料を含む基板を用いても構わない。絶縁膜１１は、例えば、シリコン酸化膜である。
基板１０は半導体基板を含む。半導体基板は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板である。なお、半導体基板の代わりに、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）、シリコン窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４）、または、高分子材料を含む基板を用いても構わない。絶縁膜１１は、例えば、シリコン酸化膜である。
検出部２は検出素子５を含む。検出素子５は、絶縁膜１１、グラフェン膜（チャネル膜）１２、ドレイン電極１３、ソース電極１４および保護膜１５を含む。
絶縁膜１１上には、グラフェン膜（チャネル膜）１２、ドレイン電極１３、ソース電極１４および保護膜１５が設けられている。絶縁膜１１は、例えば、シリコン酸化膜である。
絶縁膜１１上には、グラフェン膜（チャネル膜）１２、ドレイン電極１３、ソース電極１４および保護膜１５が設けられている。絶縁膜１１は、例えば、シリコン酸化膜である。
グラフェン膜１２の一端はドレイン電極１３に接続し、グラフェン膜１２の他端はソース電極１４に接続し、グラフェン膜１２は、ドレイン電極１３とソース電極１４とを接続する。グラフェン膜１２は、単層または多層のグラフェンシートを含む。グラフェン膜１２の代わりに、シリコン膜やカーボンナノチューブを用いることも可能である。また、絶縁膜１１とグラフェン膜１２との間にグラフェンの触媒を含む膜（触媒膜）が設けられていても構わない。触媒膜はグラフェン膜１２の形成を容易にする。
ドレイン電極１３またはソース電極１４は図１の判定部３に接続される。保護膜１５は、グラフェン膜１２、ドレイン電極１３およびソース電極１４の上に設けられている。保護膜１５は、グラフェン膜１２の上面の一部がライン状に露出するトレンチ（溝）１６を有する。トレンチ１６の寸法は、保護膜１５の露出表面に所定の数のベシクルを化学結合によって吸着できるように設定される。グラフェン膜１２の上面の一部は、他の形状、例えば、ドット状（矩形状）に露出しても構わない。保護膜１５は、例えば、シリコン窒化膜等の絶縁膜である。保護膜１５はドレイン電極１３およびソース電極１４を測定液から保護する。
保護膜１５上には、トレンチ１６が露出するように、複数の検出素子５を取り囲む壁構造１７が設けられている。壁構造１７の材料は絶縁物（例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物または高分子材料）である。保護膜１５及び壁構造１７はトレンチ１６内に測定液を溜めるウェルを形成する。壁構造１７はウェルの側壁を規定し、保護膜１５はウェルの底面を規定する。ウェルの代わりに流路を含む流路構造を用いても構わない。
基板１０は半導体基板を含む。半導体基板は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板である。なお、半導体基板の代わりに、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）、シリコン窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４）、または、高分子材料を含む基板を用いても構わない。絶縁膜１１は基板１０上に設けられている。
検出素子５は、絶縁膜１１、グラフェン膜（チャネル膜）１２、ドレイン電極１３、ソース電極１４および保護膜１５を含む、出力が電流（ドレイン電流）であるＦＥＴ（field-effect transistor）型素子である。なお、ＦＥＴ型素子の代わりに、抵抗素子または容量素子も使用可能である。容量素子は、例えば、ＭＥＭＳ（micro electro-mechanical systems）を含む。
ウェル（または流路）内にはガスを含む測定液（不図示）が供給され、複数の検出素子５のトレンチ１６内に測定液が供給される。測定液は、ガスが付着するとイオン濃度等の電気的特性が変化するベシクルを含む。
図５は、ベシクル３０の一例を模式的に示す図である。
図５は、ベシクル３０の一例を模式的に示す図である。
ベシクル３０は、脂質二重膜により形成され、内部に液体を含む小胞体である。より詳細には、ベシクル３０は、リン脂質二重膜からなる球殻状の脂質構造２１と、脂質構造２１に埋め込まれ、ガスに吸着する嗅覚受容体（第１のイオンチャネル型受容体）２２と、脂質構造２１に埋め込まれた嗅覚受容体コレセプタ（ｏｒｃｏ）２３と、脂質構造２１内に含まれた液体２４とを含む。嗅覚受容体２２およびｏｒｃｏ２３は、タンパク質を含むとともに、脂質構造２１内において動くことができる。
ガスが嗅覚受容体２２に吸着すると、嗅覚受容体２２およびｏｒｃｏ２３は、脂質構造２１内に複数のイオンを通過させる第１のイオンチャネル（不図示）を形成するように移動する。
複数のイオンが第１のイオンチャネルを介して脂質構造２１内に流入すると、グラフェン膜１２上のイオン密度は高くなり、ドレイン電流（検出電流）のレベルは高くなる。判定部（不図示）は、各検出素子から入力される上記ドレイン電流（検出電流）のレベルの大きさに基づいて、ガスの数を定量的に取得することができる。
複数のイオンが第１のイオンチャネルを介して脂質構造２１内に流入すると、グラフェン膜１２上のイオン密度は高くなり、ドレイン電流（検出電流）のレベルは高くなる。判定部（不図示）は、各検出素子から入力される上記ドレイン電流（検出電流）のレベルの大きさに基づいて、ガスの数を定量的に取得することができる。
ベシクル３０の体積（サイズ）が小さいほど、ベシクル３０内のイオン密度の変化に伴う、ベシクル３０の表面における電界の変化の度合いは大きくなる。そのため、ベシクル３０の体積（サイズ）が小さいほど、ドレイン電流の変化をより高感度で検出することができる。ベシクルの体積（サイズ）を直径で規定する場合、上記直径の値は、例えば、５０ｎｍ以上１μｍ以下である。
図３および図４に示したトレンチ１６は、一つのベシクルの大きさに対応する寸法を有する。すなわち、トレンチ１６内のグラフェン膜１２上には一つのベシクルは入ることはできるが、二つ以上のベシクルは入ることはできない。
図６（ａ）および図６（ｂ）は、トレンチ１６内のグラフェン膜１２上にベシクル３０を吸着する方法を説明するための図である。この方法では、非特異的に吸着するタンパク質を含む嗅覚受容体およびｏｒｃｏを用いる。すなわち、非特異的に吸着するベシクルを用いる。
図６（ａ）および図６（ｂ）は、トレンチ１６内のグラフェン膜１２上にベシクル３０を吸着する方法を説明するための図である。この方法では、非特異的に吸着するタンパク質を含む嗅覚受容体およびｏｒｃｏを用いる。すなわち、非特異的に吸着するベシクルを用いる。
図６（ａ）に示すように、ベシクルの濃度が高い液体６をトレンチ１６に向けて滴下する。上述したように、トレンチ１６は一つのベシクル３０の大きさに対応する寸法を有するので、図６（ｂ）に示すように、トレンチ１６内のグラフェン膜１２上には一つのベシクル３０が化学結合によって吸着する。
本実施形態では、非特異的に吸着するベシクル３０を用いているので、トレンチ１６内の保護膜１５上だけではなく、トレンチ１６外の保護膜１５上にベシクル３０が存在することもある。しかし、このような保護膜１５上のベシクル３０は、ドレイン電流、つまり、ガスの検出精度にはほとんど影響を与えない。
なお、ノベシクルを含む測定液の代わりに、トレンチ内のグラフェン膜上に一つのベシクルが吸着している状態で、ウェル内にノベシクルを含まない測定溶液を供給しても構わない。すなわち、トレンチ内のグラフェン膜上にベシクル３０を予め吸着したセンサを用いても構わない。
以下の実施形態では、説明を簡略化するために、トレンチ内のグラフェン膜上にベシクルが吸着されていないセンサと、トレンチ内のグラフェン膜上にベシクルが予め吸着されたセンサとは特に区別しないで説明する。前者のセンサの場合、ノベシクルを含む測定液を用いる。後者のセンサの場合、ノベシクルを含まない測定液を用いる。
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、展開している脂質構造２１ａを含むベシクル３０ａを用いることにある。すなわち、第１の実施形態では図５に示すように脂質構造２１は球殻状を有し、脂質構造２１は液体２４を含んでいるが、本実施形態では図７に示すように脂質構造２１は球殻状の一部が切り取られた形状を有し、脂質構造２１は液体２４を含んでいない。
図７は、第２の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、展開している脂質構造２１ａを含むベシクル３０ａを用いることにある。すなわち、第１の実施形態では図５に示すように脂質構造２１は球殻状を有し、脂質構造２１は液体２４を含んでいるが、本実施形態では図７に示すように脂質構造２１は球殻状の一部が切り取られた形状を有し、脂質構造２１は液体２４を含んでいない。
ベシクル３０ａは、例えば、脂質構造が展開する条件で、ベシクルの濃度が高い測定液をトレンチ１６に向けて滴下することで得られる。
本実施形態の場合、イオンチャネルから流入したイオンはグラフェン膜１２に直接的に触れるので、イオン密度（ドレイン電流）の変化を高感度で検出することが可能となる。
本実施形態の場合、イオンチャネルから流入したイオンはグラフェン膜１２に直接的に触れるので、イオン密度（ドレイン電流）の変化を高感度で検出することが可能となる。
（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、グラフェン膜１２（第１の構造）とベシクル３０ａ（第２の構造）との間の液体（不図示）中には、第１の物質４１および第２の物質４２が含まれていることにある。第２の物質４２はグラフェン膜１２に結合している。
図８は、第３の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、グラフェン膜１２（第１の構造）とベシクル３０ａ（第２の構造）との間の液体（不図示）中には、第１の物質４１および第２の物質４２が含まれていることにある。第２の物質４２はグラフェン膜１２に結合している。
第１の物質４１は、第１のイオンチャネルを通過した所定のイオン、つまり、検出対象物であるイオン（第１のイオン）に選択的に結合する。第１のイオンは、例えば、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）である。第１のイオンがカルシウムイオンの場合、第１の物質４１は、例えば、カルモジュリンを含む。
第２の物質４２は、第１のイオンと第１の物質４１とが結合した物質に選択的に結合する。第１の物質４１がカルモジュリンの場合、第２の物質４２は、例えば、カルモジュリン依存タンパク質キナーゼを含む。
ここで、第１のイオン以外のイオン（検出対象物のガスに対応しないイオン）が第１のイオンチャネルを通過する可能性がある。しかし、本実施形態の場合、上述した性質を有する第１の物質４１および第２の物質４２を用いることにより、第１のイオン以外のイオンが第１のイオンチャネルを通過した場合でも、第１のイオンに起因するドレイン電流（検出電流）の増加を効率的に検出できる。言い換えれば、第１のイオン以外のイオンに起因するドレイン電流（ノイズ）の増加を効果的に抑制できる。したがって、本実施形態によれば、ガスの検出精度を高めることができる。
ここで、第１のイオン以外のイオン（検出対象物のガスに対応しないイオン）が第１のイオンチャネルを通過する可能性がある。しかし、本実施形態の場合、上述した性質を有する第１の物質４１および第２の物質４２を用いることにより、第１のイオン以外のイオンが第１のイオンチャネルを通過した場合でも、第１のイオンに起因するドレイン電流（検出電流）の増加を効率的に検出できる。言い換えれば、第１のイオン以外のイオンに起因するドレイン電流（ノイズ）の増加を効果的に抑制できる。したがって、本実施形態によれば、ガスの検出精度を高めることができる。
なお、図８では、第２の物質４２はグラフェン膜１２に結合しているが、第２の物質４２は上記液体中に浮遊していても構わない。また、第１の物質４１および第２の物質４２は嗅覚受容体２２に結合していても構わないし、または、第１の物質４１および第２の物質４２はｏｒｃｏ２３に結合していても構わない。さらに、第１の物質４１が嗅覚受容体２２に結合し、第２の物質４２がｏｒｃｏ２３に結合していても構わない。逆に、第１の物質４１がｏｒｃｏ２３に結合し、第２の物質４２が嗅覚受容体２２に結合していても構わない。
（第４の実施形態）
図９（ａ）および図９（ｂ）は、第４の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態では、第１のイオンチャネルおよび第２のイオンチャネルを形成するベシクル３０ｂを用いた場合について説明する。ベシクル３０ｂは展開している。
図９（ａ）および図９（ｂ）は、第４の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態では、第１のイオンチャネルおよび第２のイオンチャネルを形成するベシクル３０ｂを用いた場合について説明する。ベシクル３０ｂは展開している。
第１のイオンチャネルを通過するイオン（第１のイオン）は、第２のイオンチャネルを通過するイオン（第２のイオン）とは種類が異なる。例えば、第１のイオンおよび第２のイオンは、それぞれ、カルシウムイオンおよびカリウムイオン（Ｋ＋）である。
ベシクル３０ｂは、脂質構造２１ａ、嗅覚受容体２２、嗅覚受容体（第２のイオンチャネル型受容体）２２ａ、ｏｒｃｏ２３およびｏｒｃｏ２３ａを含んでいる。ガスが嗅覚受容体２２に吸着すると、第１のイオンを通過させる第１のイオンチャネルを形成するように、嗅覚受容体２２およびｏｒｃｏ２３は移動する。また、ガスが嗅覚受容体２２ａに吸着すると、第１のイオンとは種類が異なる第２のイオンを通過させる第２のイオンチャネルを形成するように、嗅覚受容体２２ａおよびｏｒｃｏ２３ａは移動する。
ベシクル３０ｂは、脂質構造２１ａ、嗅覚受容体２２、嗅覚受容体（第２のイオンチャネル型受容体）２２ａ、ｏｒｃｏ２３およびｏｒｃｏ２３ａを含んでいる。ガスが嗅覚受容体２２に吸着すると、第１のイオンを通過させる第１のイオンチャネルを形成するように、嗅覚受容体２２およびｏｒｃｏ２３は移動する。また、ガスが嗅覚受容体２２ａに吸着すると、第１のイオンとは種類が異なる第２のイオンを通過させる第２のイオンチャネルを形成するように、嗅覚受容体２２ａおよびｏｒｃｏ２３ａは移動する。
本実施形態の各検出部は、図９（ａ）に示す検出素子５、および、図９（ｂ）に示す検出素子５を含んでいる。図９（ａ）に示す検出素子５のグラフェン膜１２と展開したベシクル３０ｂとの間の液体中には、第１の物質４１および第２の物質４２が含まれている。図９（ｂ）に示す検出素子５のグラフェン膜１２と展開したベシクル３０ｂとの間の液体中には、第３の物質４３および第４の物質４４が含まれている。第３の物質４３は、第２のイオンチャネルを通過した第２のイオンに選択的に結合する。第４の物質４４は、第２のイオンと第３の物質４３とが結合した物質に選択的に結合する。
上述した性質を有する第１の物質４１〜第４の物質４４を用いることにより、図９（ａ）の検出素子５は第１のイオンを選択的に検出し、図９（ｂ）の検出素子５は第２のイオンを選択的に検出する。
したがって、第１および第２のイオンチャネルを形成するベシクル３０ｂを用いても、第１のイオンに起因するドレイン電流および第２のイオンに起因するドレイン電流をそれぞれ高感度で検出することが可能となる。なお、三つ以上の複数のイオンチャネルを形成するベシクルを用いる場合も、同様の手法を用いることにより、ドレイン電流を高感度で検出することが可能となる。
したがって、第１および第２のイオンチャネルを形成するベシクル３０ｂを用いても、第１のイオンに起因するドレイン電流および第２のイオンに起因するドレイン電流をそれぞれ高感度で検出することが可能となる。なお、三つ以上の複数のイオンチャネルを形成するベシクルを用いる場合も、同様の手法を用いることにより、ドレイン電流を高感度で検出することが可能となる。
（第５の実施形態）
図１０（ａ）〜図８（ｃ）は、第５の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態では、図１０（ａ）に示すように、ベシクル３０にはプローブマーカー２５が設けられている。プローブマーカー２５は、例えば、要素２１〜２４を形成する物質（例えば、タンパク質、糖鎖、脂質）を含む。プローブマーカー３１は、上記物質とは異なる物質を含む分子で分子修飾されていても構わない。
図１０（ａ）〜図８（ｃ）は、第５の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態では、図１０（ａ）に示すように、ベシクル３０にはプローブマーカー２５が設けられている。プローブマーカー２５は、例えば、要素２１〜２４を形成する物質（例えば、タンパク質、糖鎖、脂質）を含む。プローブマーカー３１は、上記物質とは異なる物質を含む分子で分子修飾されていても構わない。
また、図１０（ｂ）に示すように、トレンチ１６内のグラフェン膜１２にはプローブ２６が設けられている。プローブ２６はプローブマーカー２５に特異的に結合する。プローブ２６の材料は、例えば、特定のタンパク質に結合するＤＮＡなどのアダプタ、糖鎖や抗体などのタンパク質、アミノ酸または化合物を含む。
プローブマーカー３１が設けられたベシクル３０を液体をトレンチ１６に向けて滴下すると、図８（ｃ）に示すように、プローブ２６はプローブマーカー２５に特異的に結合する。その結果、トレンチ１６内のグラフェン膜１２は、プローブ２６およびプローブマーカー２５を介して、一つのベシクル３０に結合する。トレンチ１６外にはベシクル３０は結合しない。
（第６の実施形態）
図１１は、第６の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態では、球殻状の脂質構造２１内に純水２４ａを含むベシクル３０ｃを用いる。また、緩衝液を含む測定液４０を用いる。すなわち、本実施形態では、測定液４０が供給されたときに、ベシクル３０ｃの内側とベシクル３０ｃの外側との間のイオン濃度の差を一定以上にする。上記緩衝液は、例えば、ＤＰＢＳ（Dulbecco's phosphate-buffered saline）を含む。
図１１は、第６の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態では、球殻状の脂質構造２１内に純水２４ａを含むベシクル３０ｃを用いる。また、緩衝液を含む測定液４０を用いる。すなわち、本実施形態では、測定液４０が供給されたときに、ベシクル３０ｃの内側とベシクル３０ｃの外側との間のイオン濃度の差を一定以上にする。上記緩衝液は、例えば、ＤＰＢＳ（Dulbecco's phosphate-buffered saline）を含む。
イオン濃度の差を一定以上にすることで、イオンチャネルの開閉に伴うベシクル３０ｃ内のイオン濃度の変化を大きくでき、ドレイン電流（検出電流）の変化を高感度で検出することが可能となる。
（第７の実施形態）
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、第７の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
（第７の実施形態）
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、第７の実施形態に係るセンサを説明するための図である。
本実施形態では、各検出部は、図１２（ａ）に示す検出素子５、および、図１２（ｂ）に示す検出素子５’を含む。検出素子５’のグラフェン膜１２には、嗅覚受容体およびｏｒｃｏを含まない展開したベシクル３０ｄを吸着する。ベシクル３０ｄは、オンチャネルを形成しないので、ベシクル３０ｄ内のイオン数は略一定となる。
その結果、検出素子５’のグラフェン膜１２上のイオン密度は略一定となり、検出素子５’のドレイン電流のレベルは略一定となる。検出素子５’のドレイン電流を参照信号として利用すれば、検出電流のＳ／Ｎ比を高めることができる。例えば、検出素子５’のドレイン電流と素子構造５ｃのドレイン電流との差を検出電流として用いれば、検出電流のＳ／Ｎ比を高めることができる。
なお、ベシクル３０ｄの代わりに、検出対象物のイオンを選択的に通過し続ける化合物、例えば、イオノフォア等の低分子化合物を埋め込んだベシクルを用いても、検出信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。
なお、第１〜第７の実施形態では、トレンチ内のグラフェン膜上に一つのベシクルを吸着するために化学的な相互作用を用いているが、電気的な相互作用（例えば、静電的相互作用）を用いて構わない。
なお、第１〜第７の実施形態では、トレンチ内のグラフェン膜上に一つのベシクルを吸着するために化学的な相互作用を用いているが、電気的な相互作用（例えば、静電的相互作用）を用いて構わない。
また、第１〜第７の実施形態では、イオンチャネルの開閉が可能なベシクル（小胞体）を用いたが、その代わりにイオンチャネルの開閉が可能な細胞を用いても構わない。また、上記ベシクル（小胞体）の一部または上記細胞の一部を用いても構わない。
また、第１〜第７の実施形態では、イオンチャネルの開閉に伴うグラフェン膜上のイオン濃度の変化（電気的特性の変化）に基づいて匂いを検出しているが、ベシクルの大きさや形状の変化（構造変化）や、ベシクルに結合している部材の構造変化に基づいて匂いを検出しても構わない。
また、第１〜第７の実施形態では、イオンチャネルの開閉に伴うグラフェン膜上のイオン濃度の変化（電気的特性の変化）に基づいて匂いを検出しているが、ベシクルの大きさや形状の変化（構造変化）や、ベシクルに結合している部材の構造変化に基づいて匂いを検出しても構わない。
また、第１〜第７の実施形態はセンサに関するものであるが、上記実施形態は他のセンサ（例えば、味覚センサ）に適用可能である。
上述した実施形態の上位概念、中位概念および下位概念の一部または全て、および、上述していないその他の実施形態は、例えば、以下の付記１−１９、および、付記１−１９
の任意の組合せ（明らかに矛盾する組合せは除く）で表現できる。
［付記１］
所定の数のベシクルと、
前記所定の数のベシクルと接続するチャネル膜、および、前記所定の数のベシクルを前記チャネル膜と接続するために設けられたトレンチを含む第１の検出部と
を具備するセンサ。
［付記２］
前記第１の検出部は検出対象物の検出の有無に対応する信号を出力する付記１に記載のセンサ。
［付記３］
所定の数のベシクルと接続するチャネル膜、および、前記所定の数のベシクルを前記チャネル膜と接続するために設けられたトレンチを含む第２の検出部を更に具備する付記２に記載のセンサ。
［付記４］
前記第２の検出部は検出対象物の検出の有無に対応する信号を出力する付記３に記載のセンサ。
［付記５］
前記信号に基づいて前記検出対象物の数を判定する判断部を更に具備する付記４に記載のセンサ。
［付記６］
前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々は、前記信号に対応する電流が流れる第１の構造および前記検出対象物が付着すると電気的状態が変化する第２の構造を含み、
前記第１の構造は、ドレイン電極、前記ドレイン電極から離間して配置されたソース電極、前記ドレイン電極と前記ソース電極とを接続し、グラフェンまたは半導体を含むチャネル膜、ならびに、前記ドレイン電極および前記ソース電極を覆うとともに、前記チャネル膜の上面上に設けられ、前記トレンチを有する第１の絶縁膜を含み、前記第２の構造は、前記トレンチ内の前記チャネル膜上に設けられるセンサ。
［付記７］
前記第２の構造は、
脂質体と、
前記脂質体に設けられた第１のイオンチャネル型受容体を含む付記６に記載のセンサ。
［付記８］
前記第１のイオンチャネル型受容体に前記検出対象物が付着すると、前記第２の構造は第１のイオンを通過させるイオンチャンネルを形成する付記７に記載のセンサ。
［付記９］
前記トレンチは、前記第２の構造の大きさに対応する寸法を有する付記８に記載のセンサ。
［付記１０］
前記第２の構造は開いた環状の立体構造を有する付記９に記載のセンサ。
［付記１１］
前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々は、
前記第１の構造と前記第２の構造との間に設けられ、前記第１のイオンに選択的に結合する第１の物質と、
前記第１の構造と前記第２の構造との間に設けられ、前記第１のイオンと前記第１の物質とが結合した物質に選択的に結合する第２の物質とをさらに含む付記１０に記載のセンサ。
［付記１２］
前記脂質体に設けられた第２のイオンチャネル型受容体をさらに含む付記１１に記載のセンサ。
［付記１３］
前記第２のイオンチャネル型受容体に前記検出対象物が付着すると、前記第２の構造は前記第１のイオンとは種類が異なる第２のイオンを通過させるイオンチャンネルを形成する付記１２に記載のセンサ。
［付記１４］
前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々は、前記第１の構造を二つ含み、
前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々において、
前記二つの第１の構造の一方と前記第２の構造との間には、前記第１のイオンに選択的に結合する第１の物質と、前記第１のイオンと前記第１の物質とが結合した物質に選択的に結合する第２の物質とが設けられ、
前記二つの第１の構造の他方と前記第２の構造との間には、前記第２のイオンに選択的に結合する第３の物質と、前記第２のイオンと前記第３の物質とが結合した物質に選択的に結合する第４の物質とが設けられている付記１３に記載のセンサ。
［付記１５］
前記トレンチ内の前記チャネル膜に設けられ、前記検出対象物が付着すると電気的状態が変化する第２の構造に結合するプローブをさらに含む付記２ないし１４のいずれかに記載のセンサ。
［付記１６］
前記第２の構造に設けられ、前記プローブに結合するマーカを含む付記１５に記載のセンサ。
［付記１７］
参照信号を出力する第３の検出部をさらに具備する付記１ないし１６のいずれかに記載のセンサ。
［付記１８］
前記検出対象物はガスを含む付記２、４、５、６、８、１３および１５のいずれかに記載のセンサ。
［付記１９］
前記ガスは匂い分子を含む請求１８に記載のセンサ。
［付記２０］
前記所定の数のベシシルは、一つのベシクルである付記１ないし１９のいずれかに記載のセンサ。
上述した実施形態の上位概念、中位概念および下位概念の一部または全て、および、上述していないその他の実施形態は、例えば、以下の付記１−１９、および、付記１−１９
の任意の組合せ（明らかに矛盾する組合せは除く）で表現できる。
［付記１］
所定の数のベシクルと、
前記所定の数のベシクルと接続するチャネル膜、および、前記所定の数のベシクルを前記チャネル膜と接続するために設けられたトレンチを含む第１の検出部と
を具備するセンサ。
［付記２］
前記第１の検出部は検出対象物の検出の有無に対応する信号を出力する付記１に記載のセンサ。
［付記３］
所定の数のベシクルと接続するチャネル膜、および、前記所定の数のベシクルを前記チャネル膜と接続するために設けられたトレンチを含む第２の検出部を更に具備する付記２に記載のセンサ。
［付記４］
前記第２の検出部は検出対象物の検出の有無に対応する信号を出力する付記３に記載のセンサ。
［付記５］
前記信号に基づいて前記検出対象物の数を判定する判断部を更に具備する付記４に記載のセンサ。
［付記６］
前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々は、前記信号に対応する電流が流れる第１の構造および前記検出対象物が付着すると電気的状態が変化する第２の構造を含み、
前記第１の構造は、ドレイン電極、前記ドレイン電極から離間して配置されたソース電極、前記ドレイン電極と前記ソース電極とを接続し、グラフェンまたは半導体を含むチャネル膜、ならびに、前記ドレイン電極および前記ソース電極を覆うとともに、前記チャネル膜の上面上に設けられ、前記トレンチを有する第１の絶縁膜を含み、前記第２の構造は、前記トレンチ内の前記チャネル膜上に設けられるセンサ。
［付記７］
前記第２の構造は、
脂質体と、
前記脂質体に設けられた第１のイオンチャネル型受容体を含む付記６に記載のセンサ。
［付記８］
前記第１のイオンチャネル型受容体に前記検出対象物が付着すると、前記第２の構造は第１のイオンを通過させるイオンチャンネルを形成する付記７に記載のセンサ。
［付記９］
前記トレンチは、前記第２の構造の大きさに対応する寸法を有する付記８に記載のセンサ。
［付記１０］
前記第２の構造は開いた環状の立体構造を有する付記９に記載のセンサ。
［付記１１］
前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々は、
前記第１の構造と前記第２の構造との間に設けられ、前記第１のイオンに選択的に結合する第１の物質と、
前記第１の構造と前記第２の構造との間に設けられ、前記第１のイオンと前記第１の物質とが結合した物質に選択的に結合する第２の物質とをさらに含む付記１０に記載のセンサ。
［付記１２］
前記脂質体に設けられた第２のイオンチャネル型受容体をさらに含む付記１１に記載のセンサ。
［付記１３］
前記第２のイオンチャネル型受容体に前記検出対象物が付着すると、前記第２の構造は前記第１のイオンとは種類が異なる第２のイオンを通過させるイオンチャンネルを形成する付記１２に記載のセンサ。
［付記１４］
前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々は、前記第１の構造を二つ含み、
前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々において、
前記二つの第１の構造の一方と前記第２の構造との間には、前記第１のイオンに選択的に結合する第１の物質と、前記第１のイオンと前記第１の物質とが結合した物質に選択的に結合する第２の物質とが設けられ、
前記二つの第１の構造の他方と前記第２の構造との間には、前記第２のイオンに選択的に結合する第３の物質と、前記第２のイオンと前記第３の物質とが結合した物質に選択的に結合する第４の物質とが設けられている付記１３に記載のセンサ。
［付記１５］
前記トレンチ内の前記チャネル膜に設けられ、前記検出対象物が付着すると電気的状態が変化する第２の構造に結合するプローブをさらに含む付記２ないし１４のいずれかに記載のセンサ。
［付記１６］
前記第２の構造に設けられ、前記プローブに結合するマーカを含む付記１５に記載のセンサ。
［付記１７］
参照信号を出力する第３の検出部をさらに具備する付記１ないし１６のいずれかに記載のセンサ。
［付記１８］
前記検出対象物はガスを含む付記２、４、５、６、８、１３および１５のいずれかに記載のセンサ。
［付記１９］
前記ガスは匂い分子を含む請求１８に記載のセンサ。
［付記２０］
前記所定の数のベシシルは、一つのベシクルである付記１ないし１９のいずれかに記載のセンサ。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Ｓ１１，Ｓ１２…検出信号、１…センサ、２…検出部、５，５’…検出素子（第１の構造）、６…液体、１０…基板、１１…絶縁膜、１２…グラフェン膜（チャネル膜）、１３…ドレイン電極、１４…ソース電極、１５…保護膜（第１の絶縁膜）、１６…トレンチ、１７…壁構造、２１，２１ａ…膜質構造、２２…嗅覚受容体（第１のイオンチャネル型受容体）、２２ａ…嗅覚受容体（第２のイオンチャネル型受容体）、２３，２３ａ…ｏｒｃｏ、２４…液体、２４ａ…純水、２５…プローブマーカー、２６…プローブ、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ…ベシクル（第２の構造）、４０…測定液、４１…第１の物質、４２…第２の物質、４３…第３の物質、４４…第４の物質。
Claims (20)
- 所定の数のベシクルと、
前記所定の数のベシクルと接続するチャネル膜、および、前記所定の数のベシクルを前記チャネル膜と接続するために設けられたトレンチを含む第１の検出部と
を具備するセンサ。 - 前記第１の検出部は検出対象物の検出の有無に対応する信号を出力する請求項１に記載のセンサ。
- 所定の数のベシクルと接続するチャネル膜、および、前記所定の数のベシクルを前記チャネル膜と接続するために設けられたトレンチを含む第２の検出部を更に具備する請求項２に記載のセンサ。
- 前記第２の検出部は検出対象物の検出の有無に対応する信号を出力する請求項３に記載のセンサ。
- 前記信号に基づいて前記検出対象物の数を判定する判断部を更に具備する請求項４に記載のセンサ。
- 前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々は、前記信号に対応する電流が流れる第１の構造および前記検出対象物が付着すると電気的状態が変化する第２の構造を含み、
前記第１の構造は、ドレイン電極、前記ドレイン電極から離間して配置されたソース電極、前記ドレイン電極と前記ソース電極とを接続し、グラフェンまたは半導体を含むチャネル膜、ならびに、前記ドレイン電極および前記ソース電極を覆うとともに、前記チャネル膜の上面上に設けられ、前記トレンチを有する第１の絶縁膜を含み、前記第２の構造は、前記トレンチ内の前記チャネル膜上に設けられる請求項４にセンサ。 - 前記第２の構造は、
脂質体と、
前記脂質体に設けられた第１のイオンチャネル型受容体を含む請求項６に記載のセンサ。 - 前記第１のイオンチャネル型受容体に前記検出対象物が付着すると、前記第２の構造は第１のイオンを通過させるイオンチャンネルを形成する請求項７に記載のセンサ。
- 前記トレンチは、前記第２の構造の大きさに対応する寸法を有する請求項８に記載のセンサ。
- 前記第２の構造は開いた環状の立体構造を有する請求項９に記載のセンサ。
- 前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々は、
前記第１の構造と前記第２の構造との間に設けられ、前記第１のイオンに選択的に結合する第１の物質と、
前記第１の構造と前記第２の構造との間に設けられ、前記第１のイオンと前記第１の物質とが結合した物質に選択的に結合する第２の物質とをさらに含む請求項１０に記載のセンサ。 - 前記脂質体に設けられた第２のイオンチャネル型受容体をさらに含む請求項１１に記載のセンサ。
- 前記第２のイオンチャネル型受容体に前記検出対象物が付着すると、前記第２の構造は前記第１のイオンとは種類が異なる第２のイオンを通過させるイオンチャンネルを形成する請求項１２に記載のセンサ。
- 前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々は、前記第１の構造を二つ含み、
前記第１の検出部および前記第２の検出部の各々において、
前記二つの第１の構造の一方と前記第２の構造との間には、前記第１のイオンに選択的に結合する第１の物質と、前記第１のイオンと前記第１の物質とが結合した物質に選択的に結合する第２の物質とが設けられ、
前記二つの第１の構造の他方と前記第２の構造との間には、前記第２のイオンに選択的に結合する第３の物質と、前記第２のイオンと前記第３の物質とが結合した物質に選択的に結合する第４の物質とが設けられている請求項１３に記載のセンサ。 - 前記トレンチ内の前記チャネル膜に設けられ、前記検出対象物が付着すると電気的状態が変化する第２の構造に結合するプローブをさらに含む請求項３ないし５のいずれかに記載のセンサ。
- 前記第２の構造に設けられ、前記プローブに結合するマーカを含む請求項１５に記載のセンサ。
- 参照信号を出力する第３の検出部をさらに具備する請求項１ないし１６のいずれかに記載のセンサ。
- 前記検出対象物はガスを含む請求項２、４、５、６、８、１３および１５のいずれかに記載のセンサ。
- 前記ガスは匂い分子を含む請求１８に記載のセンサ。
- 前記所定の数のベシシルは、一つのベシクルである請求項１ないし１９のいずれかに記載のセンサ。
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