JP6857353B2 - 生体分子センサー - Google Patents
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Description
本発明は、生体分子センサーに関する。
体内に微量に存在する物質である生体分子の検出は病気の診断に欠かせないものである。例えば、脳内物質であるドーパミンなどの生体分子の検出は脳の診断に欠かせない。しかしながら、濃度が極端に小さいこと、また類似の化学物質が脳内に存在することから、それらの中から、対象の生体分子を精確に選択して検出することは既存の装置では困難である。従って、高位置分解能、高検出感度、及び優れた化学種選択性を満たすドーパミンを検出する生体分子センサーの開発が望まれている。
分子検出を目論む半導体センサーにおいて、ターゲット分子に対する選択性を高めることについては多くの試みがなされてきた。従来、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート部分にターゲット分子を選択的に捕獲する分子を事前に吸着させることによって選択性を改善する技術が開発されている。例えば、特許文献１には、ｐＨ−電界効果トランジスタのゲート上にドーパミンと反応してｐＨを変えるフラビン含有のドーパミンモノアミンオキシダーゼを固定化した膜で被覆した測定ｐＨ−電界効果トランジスタと、被覆しない参照ｐＨ−電界効果トランジスタとを用意し、両者のｐＨ−電界効果トランジスタの差分を取る差動手段とを設けたドーパミン検出センサーが開示されている。
上述の特許文献１に記載のように、従来、ＦＥＴのゲート部分にターゲット分子を選択的に捕獲する分子を事前に吸着させる技術は、それらの分子の開発が容易ではなく、感度を高めることは難しい。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、生体分子内部の電子励起・振動励起で変化するＦＥＴにおける電流を検出し、生体分子を識別することができ、また、ターゲット分子を選択的に捕獲する分子を事前に吸着させる必要がなく、検出工程が簡略化され、高感度で多くの分子に適用可能などの特性を備える生体分子センサーを提供することを目的としている。
本発明者らは、ＦＥＴにおいて、層状化合物を用いることで、チャンネル層に吸着した生体分子への高い感度が得られ、また分子内部の電子励起・振動励起を用いることで化学選択性を高めていることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
［１］ 層状化合物からなるチャンネル層を有する電界効果トランジスタ構造と、ソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性を利用して、前記チャンネル層の表面に吸着した生体分子の種類を識別する生体分子種識別手段と、を備える生体分子センサー。
［２］ 前記チャンネル層に吸着した生体分子に光を照射する光照射手段を備える、［１］に記載の生体分子センサー。
［３］ 前記電界効果トランジスタ構造は、ゲート電極として機能する導電性基板を備える［１］又は［２］に記載の生体分子センサー。
［４］ 前記層状化合物が窒化ホウ素、窒化ケイ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、二硫化ニオブ及びセレン化タングステンからなる群から選択された一つである、［１］〜［３］のいずれかに記載の生体分子センサー。
［５］ 前記生体分子がセロトニン、ノルアドレナリン、アドレナリン、ヒスタミン、ドーパミン、カテコールアミン、ＤＮＡ、ＲＮＡ及びプロテインからなる群から選択された一つである、［１］〜［４］のいずれかに記載の生体分子センサー。
［２］ 前記チャンネル層に吸着した生体分子に光を照射する光照射手段を備える、［１］に記載の生体分子センサー。
［３］ 前記電界効果トランジスタ構造は、ゲート電極として機能する導電性基板を備える［１］又は［２］に記載の生体分子センサー。
［４］ 前記層状化合物が窒化ホウ素、窒化ケイ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、二硫化ニオブ及びセレン化タングステンからなる群から選択された一つである、［１］〜［３］のいずれかに記載の生体分子センサー。
［５］ 前記生体分子がセロトニン、ノルアドレナリン、アドレナリン、ヒスタミン、ドーパミン、カテコールアミン、ＤＮＡ、ＲＮＡ及びプロテインからなる群から選択された一つである、［１］〜［４］のいずれかに記載の生体分子センサー。
本発明の上記態様にかかる生体分子センサーは、層状化合物を用いることで、従来のＭＯＳ−ＦＥＴに比較して圧倒的な面積・体積比に起因する、チャンネル層に吸着した生体分子への高い感度を利用する。生体分子センサーは、電場によって励起される、分子内部の電子励起・振動励起を用いることで化学選択性をさらに高めている。これらのことより、高検出感度、高検出選択性で生体分子を検出することができる。また、その他の態様にかかる生体分子センサーは、光によって励起される、分子内部の電子励起・振動励起を用いることで化学選択性をさらに高めている。これらのことより、高検出感度、高検出選択性で生体分子を検出することができる。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本実施形態の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。
以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本実施形態はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本実施形態はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
「第１実施形態」
［生体分子センサー］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる生体分子センサー１００の断面模式図である。図１に示す生体分子センサー１００は、層状化合物からなるチャンネル層を有する電界効果トランジスタ構造１０と、ソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性を利用して、前記チャンネル層の表面に吸着した生体分子の種類を識別する生体分子種識別手段２０とを備える。
［生体分子センサー］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる生体分子センサー１００の断面模式図である。図１に示す生体分子センサー１００は、層状化合物からなるチャンネル層を有する電界効果トランジスタ構造１０と、ソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性を利用して、前記チャンネル層の表面に吸着した生体分子の種類を識別する生体分子種識別手段２０とを備える。
（電界効果トランジスタ構造）
電界効果トランジスタ構造１０は、図１に示すように、ゲート電極として機能する導電性基板１１と、該導電性基板１１上に配置するゲート絶縁膜１３と、該ゲート絶縁膜１３上に配置するチャンネル層１４と、該チャンネル層１４の両端にチャンネル層を挟むように配置するソース電極１５及びドレイン電極１６とからなる。
図１に示す電界効果トランジスタ構造１０では、ゲート電極として機能する導電性基板１１を用いているが、絶縁基板上にゲート電極を形成した構成としてもよい。
電界効果トランジスタ構造１０は、図１に示すように、ゲート電極として機能する導電性基板１１と、該導電性基板１１上に配置するゲート絶縁膜１３と、該ゲート絶縁膜１３上に配置するチャンネル層１４と、該チャンネル層１４の両端にチャンネル層を挟むように配置するソース電極１５及びドレイン電極１６とからなる。
図１に示す電界効果トランジスタ構造１０では、ゲート電極として機能する導電性基板１１を用いているが、絶縁基板上にゲート電極を形成した構成としてもよい。
電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＦＥＴ）とは、電圧入力によって発生させた電界により電流を制御するトランジスタのことである。電界効果トランジスタには、ソース電極とドレイン電極のほかにゲート電極と呼ばれる電極が設けられている。ゲート電極に電圧をかけると電界が生じ、ソース電極とドレイン電極の間を流れる電子（あるいは正孔）の流れを任意にせき止めて電流を制御することができる。
本発明における「電界効果トランジスタ構造」は、電界効果トランジスタと同じ基本構成要素すなわち、ソース電極、ドレイン電極、チャンネル層、ゲート絶縁膜及びゲート電極を有する構造を意味する。本発明の生体分子センサーは、「電界効果トランジスタ構造」を生体分子の種類を識別するために利用するものである。すなわち、本発明の生体分子センサーは、ソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性がチャンネル層に分子が吸着することによって変化することを利用して生体分子の種類を識別するものである。
例えば、ソース・ドレイン電流の微分コンダクタンスを測定することにより、チャンネル層に吸着した分子の分子振動の振動モードエネルギーを検出することができ、分子振動の振動モードエネルギーが既知の分子についてはこれによって分子種の特定が可能になる。
例えば、ソース・ドレイン電流の微分コンダクタンスを測定することにより、チャンネル層に吸着した分子の分子振動の振動モードエネルギーを検出することができ、分子振動の振動モードエネルギーが既知の分子についてはこれによって分子種の特定が可能になる。
＜基板＞
絶縁基板上にゲート電極を形成する場合、絶縁基板としては例えば、ガラス基板などを用いることができる。ゲート電極として機能する導電性基板を用いる場合については後述する。
絶縁基板上にゲート電極を形成する場合、絶縁基板としては例えば、ガラス基板などを用いることができる。ゲート電極として機能する導電性基板を用いる場合については後述する。
＜層状化合物＞
本実施形態にかかる層状化合物は、窒化ホウ素、窒化ケイ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、二硫化ニオブ及びセレン化タングステンからなる群から選択された一つであることが好ましい。二硫化モリブデンがより好ましい。
二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）は六方晶型の層状結晶構造を持ち、各層はモリブデンの層の両面を硫黄で挟んだ格好になっている。モリブデンと硫黄の結合が強固であるのに対し、層と層を繋ぐ硫黄同士の結合は弱いため、せん断力が加わると容易に層間がすべる。二次元方向に広がる層状の結晶構造を備えているため、結晶構造が３次元のシリコンよりも、膜状に加工しやすい。さらにバンドギャップを備えているために層状物質であるグラフェンよりも扱いやすい。二硫化モリブデンは１．８ｅＶ（電子ボルト）のバンドギャップを有し、半導体材料として利用できる。この値は、ＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）の１．４ｅＶとＧａＮ（窒化ガリウム）の３．４ｅＶとの中間に位置する。このためＭｏＳ２を使えば、電子的な機能と光学的な機能の両方を備えた生体分子センサーを実現できる。
チャンネル層を構成する層状化合物の層数は、後述する生体分子を識別することができれば、特に限定されない。例えば、二硫化モリブデンの場合、単層以上１０層以下であることが好ましく、単層以上５層以下であることがより好ましい。特に、検出感度の観点から、単層か２層であることが好ましい。
本実施形態にかかる層状化合物は、窒化ホウ素、窒化ケイ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、二硫化ニオブ及びセレン化タングステンからなる群から選択された一つであることが好ましい。二硫化モリブデンがより好ましい。
二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）は六方晶型の層状結晶構造を持ち、各層はモリブデンの層の両面を硫黄で挟んだ格好になっている。モリブデンと硫黄の結合が強固であるのに対し、層と層を繋ぐ硫黄同士の結合は弱いため、せん断力が加わると容易に層間がすべる。二次元方向に広がる層状の結晶構造を備えているため、結晶構造が３次元のシリコンよりも、膜状に加工しやすい。さらにバンドギャップを備えているために層状物質であるグラフェンよりも扱いやすい。二硫化モリブデンは１．８ｅＶ（電子ボルト）のバンドギャップを有し、半導体材料として利用できる。この値は、ＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）の１．４ｅＶとＧａＮ（窒化ガリウム）の３．４ｅＶとの中間に位置する。このためＭｏＳ２を使えば、電子的な機能と光学的な機能の両方を備えた生体分子センサーを実現できる。
チャンネル層を構成する層状化合物の層数は、後述する生体分子を識別することができれば、特に限定されない。例えば、二硫化モリブデンの場合、単層以上１０層以下であることが好ましく、単層以上５層以下であることがより好ましい。特に、検出感度の観点から、単層か２層であることが好ましい。
＜ゲート電極＞
本実施形態にかかる電界効果トランジスタ構造において、ゲート電極としては、支持体としての機能とゲート電極としての機能を有する導電性基板を用いることができる。導電性基板の上に、絶縁膜を介してチャンネル層１４を形成するので、少なくとも、チャンネル層１４を形成する側の表面が十分な平坦性を有する基板が好ましい。導電性基板としては、例えば、ｎ型あるいはｐ型シリコン基板、ポリシリコン基板、シリコン膜もしくは金属膜などの導電性膜が少なくとも一方の面に形成されているガラス基板、金属基板などが挙げられる。シリコン基板は、その表面が平坦であり、かつ、酸化膜からなる絶縁膜が容易に作成できる観点から、好ましい。
本実施形態にかかる電界効果トランジスタ構造において、ゲート電極としては、支持体としての機能とゲート電極としての機能を有する導電性基板を用いることができる。導電性基板の上に、絶縁膜を介してチャンネル層１４を形成するので、少なくとも、チャンネル層１４を形成する側の表面が十分な平坦性を有する基板が好ましい。導電性基板としては、例えば、ｎ型あるいはｐ型シリコン基板、ポリシリコン基板、シリコン膜もしくは金属膜などの導電性膜が少なくとも一方の面に形成されているガラス基板、金属基板などが挙げられる。シリコン基板は、その表面が平坦であり、かつ、酸化膜からなる絶縁膜が容易に作成できる観点から、好ましい。
＜ソース電極とドレイン電極＞
本実施形態にかかる電界効果トランジスタ構造において、ソース電極１５とドレイン電極１６は、チャンネル層１４の両端にチャンネル層１４を挟むように配置することが好ましい。ソース電極１５とドレイン電極１６の材料は、特に限定されなく、例えば、Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ、Ａｌ，Ｐｔなどの金属材料使用することができる。その中において、Ｎｉ／Ａｕが好ましい。
本実施形態にかかる電界効果トランジスタ構造において、ソース電極１５とドレイン電極１６は、チャンネル層１４の両端にチャンネル層１４を挟むように配置することが好ましい。ソース電極１５とドレイン電極１６の材料は、特に限定されなく、例えば、Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ、Ａｌ，Ｐｔなどの金属材料使用することができる。その中において、Ｎｉ／Ａｕが好ましい。
（生体分子種識別手段）
本実施態様にかかる生体分子種識別手段２０は、電界効果トランジスタ構造１０のソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性を利用して、チャンネル層の表面に吸着した生体分子の種類を識別する。
ソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性とは、チャンネル層の表面に生体分子を吸着した場合、ソース・ドレイン電圧の変化に応じてソース・ドレイン電流もその電流値、その電流値の増減幅などの変化をする意味である。
本実施態様にかかる生体分子種識別手段２０は、電界効果トランジスタ構造１０のソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性を利用して、チャンネル層の表面に吸着した生体分子の種類を識別する。
ソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性とは、チャンネル層の表面に生体分子を吸着した場合、ソース・ドレイン電圧の変化に応じてソース・ドレイン電流もその電流値、その電流値の増減幅などの変化をする意味である。
本実施態様にかかる生体分子種識別手段２０は、好ましく、ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンスｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄとソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄとの依存性を利用して、チャンネル層の表面に吸着した生体分子の種類を特定する。より具体的には、生体分子の種類に特徴的な振動モードエネルギーを、微分コンダクタンスｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄのソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄの依存性を示すグラフから検出することによって生体分子の種類を特定する。
例えば、本実施形態にかかる生体分子センサーにおいて、チャンネル層の表面に以下の化学式で表されるドーパミン分子が吸着された場合、ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンスｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄとソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄとの関係を図２に示す。測定の詳細は後述するが、図２において、グラフａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ、ゲート電圧−２．５Ｖ、−５．０Ｖ，−７．５Ｖ，−１０．０Ｖにおける微分コンダクタンスのソース・ドレイン電圧依存性を示すグラフである。いずれのゲート電圧においても、ソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄが１５ｍｅＶの付近において、ドーパミン分子の振動モードに対応するシャープなピークが観測された。
なお、１５ｍｅＶは、Ａｕ（１１０）上に吸着したドーパミン分子について、電子エネルギー損失分光法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＥＥＬＳ）によって得られた振動モードエネルギーの値である（Ｍ．Ｗｅｉｎｈｏｌｄ，Ｓ．Ｓｏｕｂａｔｃｈ，Ｒ．Ｔｅｍｉｒｏｖ，Ｍ．Ｒｏｈｌｆｉｎｇ，Ｂ．Ｊａｓｔｏｒｆｆ，Ｆ．Ｓ．Ｔａｕｔｚ，Ｃ．Ｄｏｏｓｅ，ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＡＮＤ ＢＯＮＤＩＮＧ ＯＦ ＴＨＥ ＭＵＬＴＩＦＵＮＣＴＩＯＮＡＬ ＡＭＩＮＯ ＡＣＩＤ Ｌ−ＤＯＰＡ ＯＮ ＡＵ（１１０），Ｊ Ｐｈｙｓ Ｃｈｅｍ Ｂ，１１０（２００６）２３７５６−２３７６９．）。この測定結果は、本発明に係る生体分子センサーによってチャンネル層の表面に吸着した生体分子の振動モードエネルギーを検出でき、生体分子の種類が特定できることを示すものである。
層状化合物としては、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）以外の化合物、例えば、窒化ホウ素、窒化ケイ素、二硫化タングステン（ＷＳ２）、二硫化ニオブ（ＮｂＳ２）、又はセレン化タングステン（ＷＳｅ２）を用いても、上記と同様な方法でドーパミンを検出でき、その種類を特定することができる。また、生体分子としては、ドーパミン以外の分子、例えば、セロトニン、ＤＮＡ、ＲＮＡ、プロテインなどを同様な方法で検出でき、それらの種類を特定することができる。それらの層状化合物と生体分子の組み合わせの具体例としては、例えば、ＭｏＳ２／ドーパミン、ＮｂＳ２／セロトニン、ＷＳ２／ＤＮＡ、ＷＳ２／ＲＮＡ、ＷＳｅ２／プロテイン、ＭｏＳ２／ドーパミンなどが挙げられる。
一方、比較のために、チャンネル層の表面にドーパミンが吸着されていない場合、同様の測定を行った。測定の詳細は後述するが、図３において、グラフａとｂは、それぞれ、ゲート電極の電圧−２．５Ｖ、−７．５Ｖにおける微分コンダクタンスのソース・ドレイン電圧依存性を示すグラフである。何れも、ソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄが１５ｍｅＶである付近において、ピークが観測されなかった。
すなわち、本実施態様にかかる生体分子種識別手段２０は、例えば、チャンネル層に吸着した神経伝達物質であるドーパミンを同定することができる。
すなわち、本実施態様にかかる生体分子種識別手段２０は、例えば、チャンネル層に吸着した神経伝達物質であるドーパミンを同定することができる。
（生体分子）
本実施形態にかかる生体分子センサーの測定対象である生体分子は、生命現象で重要な働きを有する低分子の有機化合物及び高分子の有機化合物を含む。例えば、セロトニン、ノルアドレナリン、アドレナリン、ヒスタミン、ドーパミン、カテコールアミンなどの神経伝達物質が挙げられ、又は、プロテイン、脂質、核酸（ＤＮＡ又はＲＮＡ）、ホルモン、糖、アミノ酸などが挙げられる。生体分子の識別精度などから、神経伝達物質が好ましく、ドーパミンがより好ましい。
本実施形態にかかる生体分子センサーの測定対象である生体分子は、生命現象で重要な働きを有する低分子の有機化合物及び高分子の有機化合物を含む。例えば、セロトニン、ノルアドレナリン、アドレナリン、ヒスタミン、ドーパミン、カテコールアミンなどの神経伝達物質が挙げられ、又は、プロテイン、脂質、核酸（ＤＮＡ又はＲＮＡ）、ホルモン、糖、アミノ酸などが挙げられる。生体分子の識別精度などから、神経伝達物質が好ましく、ドーパミンがより好ましい。
「第２実施形態」
第２実施形態にかかる生体分子センサー２００は、図４に示すように、上記第１実施形態と同じ構成を有し、さらに、生体分子吸着量計測手段２５を備える。
第２実施形態にかかる生体分子センサー２００は、図４に示すように、上記第１実施形態と同じ構成を有し、さらに、生体分子吸着量計測手段２５を備える。
（生体分子吸着量計測手段）
本実施態様にかかる生体分子吸着量計測手段２５は、電界効果トランジスタ構造１０のソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性を利用して、チャンネル層１４の表面に吸着した生体分子の量を測定する。
本実施態様にかかる生体分子吸着量計測手段２５は、好ましく、ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンスｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄとソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄとの依存性を利用して、チャンネル層の表面に吸着された生体分子の吸着量を測定する。
本実施態様にかかる生体分子吸着量計測手段２５は、電界効果トランジスタ構造１０のソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性を利用して、チャンネル層１４の表面に吸着した生体分子の量を測定する。
本実施態様にかかる生体分子吸着量計測手段２５は、好ましく、ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンスｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄとソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄとの依存性を利用して、チャンネル層の表面に吸着された生体分子の吸着量を測定する。
例えば、本実施形態にかかる生体分子センサーにおいて、チャンネル層の表面にドーパミンが吸着された場合、ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンスｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄとソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄとの関係を図５に示す。測定の詳細は後述するが、図５において、グラフａ、ｂ、ｃは、ゲート電極の電圧−７．５Ｖにおいて、それぞれ、吸着されたドーパミン層の厚み０ｎｍ（吸着層なし）、０．２５ｎｍ、０．５ｎｍのそれぞれにおける微分コンダクタンスのソース・ドレイン電圧依存性を示すグラフである。ドーパミン層の厚みが０．２５ｎｍ及び０．５ｎｍの場合のいずれにおいても、ソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄが１５ｍｅＶである付近においてドーパミン分子の振動モードに対応するシャープなピークが観察されたが、ピーク強度は０．５ｎｍの場合の方が強いことがわかる。従って、ピーク強度に基づいて、生体分子の吸着量（層厚）を算定することができる。
生体分子吸着量計測手段は、例えば、生体分子が１層のときのピークの面積や高さ等（すなわち、基準のピークの面積や高さ等）と、実際の生体分子の測定データのピークの面積や高さ等とを比較することにより、生体分子の吸着量（層厚）を算定することができる。
生体分子吸着量計測手段は、例えば、生体分子が１層のときのピークの面積や高さ等（すなわち、基準のピークの面積や高さ等）と、実際の生体分子の測定データのピークの面積や高さ等とを比較することにより、生体分子の吸着量（層厚）を算定することができる。
「第３実施形態」
図６は、第３実施形態にかかる生体分子センサー３００の断面模式図である。図３に示す生体分子センサー３００は、上記図１に生体分子センサー１００と同じ構成を有し、さらに、光照射手段３０を備える。
図６は、第３実施形態にかかる生体分子センサー３００の断面模式図である。図３に示す生体分子センサー３００は、上記図１に生体分子センサー１００と同じ構成を有し、さらに、光照射手段３０を備える。
（光照射手段）
光照射手段３０は、分析対象の生体分子の電子励起もしくは振動励起をすることができれば特に限定されない。例えば、可視光もしくは赤外線領域の特定波長を持つ発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、可視光もしく赤外線半導体レーザーなどのフォトニックデバイスが挙げられる。生体分子センサーの小型化が有利な観点から、電界効果トランジスタ構造１０がゲート電極として機能する導電性基板１１を備え、その導電性基板１１上に形成できる発光ダイオード素子（ＬＥＤ）などのフォトニックデバイスが好ましい。
光照射手段３０は、分析対象の生体分子の電子励起もしくは振動励起をすることができれば特に限定されない。例えば、可視光もしくは赤外線領域の特定波長を持つ発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、可視光もしく赤外線半導体レーザーなどのフォトニックデバイスが挙げられる。生体分子センサーの小型化が有利な観点から、電界効果トランジスタ構造１０がゲート電極として機能する導電性基板１１を備え、その導電性基板１１上に形成できる発光ダイオード素子（ＬＥＤ）などのフォトニックデバイスが好ましい。
図７は、第３実施形態の一実施態様にかかる生体分子センサー３００の測定原理を示す斜視図である。
光照射手段３０から特定波長の光を、チャンネル層に吸着している生体分子、例えば、ドーパミンに照射させ、生体分子を選択的に電子励起もしくは振動励起させる。その際に、第１実施形態の生体分子センサー１００と同様に、電界効果トランジスタ構造１０のソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性を利用して、チャンネル層の表面に吸着した生体分子の種類を識別する。あるいは、第２実施形態の生体分子センサー２００と同様に、チャンネル層の表面に吸着した生体分子の量を測定する。あるいは、複数の特定波長を含む光を照射することによって、生体分子の複数の電子エネルギー又は複数の振動エネルギーを励起し、複数の生体分子に特徴的な信号を検出することで、生体分子の種類の特定の精度を高めることができる。
そのように、電界効果トランジスタ構造と新たに光の照射を組み合わせることで、従来にない小型化・高感度・化学選択性を実現する生体分子センサーができる。
光照射手段３０から特定波長の光を、チャンネル層に吸着している生体分子、例えば、ドーパミンに照射させ、生体分子を選択的に電子励起もしくは振動励起させる。その際に、第１実施形態の生体分子センサー１００と同様に、電界効果トランジスタ構造１０のソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性を利用して、チャンネル層の表面に吸着した生体分子の種類を識別する。あるいは、第２実施形態の生体分子センサー２００と同様に、チャンネル層の表面に吸着した生体分子の量を測定する。あるいは、複数の特定波長を含む光を照射することによって、生体分子の複数の電子エネルギー又は複数の振動エネルギーを励起し、複数の生体分子に特徴的な信号を検出することで、生体分子の種類の特定の精度を高めることができる。
そのように、電界効果トランジスタ構造と新たに光の照射を組み合わせることで、従来にない小型化・高感度・化学選択性を実現する生体分子センサーができる。
（実施例１）
実施例１として、図８に示す電界効果トランジスタ構造を有する生体分子センサーを作製した（生体分子種識別手段は図示せず）。各層は、以下のようにした。
導電性基板１１： ｎ型シリコン基板
絶縁膜１３： ＳｉＯ２膜（膜厚２８５ｎｍ）
チャンネル層１４： ＭｏＳ２層（２層）
チャンネルサイズ： １μｍ×１μｍ
ソース電極１５： Ａｕ／Ｎｉ（膜厚５０ｎｍ／１０ｎｍ）
ドレイン電極１６： Ａｕ／Ｎｉ（膜厚５０ｎｍ／１０ｎｍ）
生体分子種識別手段２０：ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンス
ｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄのピーク位置を測定するデバイス
実施例１として、図８に示す電界効果トランジスタ構造を有する生体分子センサーを作製した（生体分子種識別手段は図示せず）。各層は、以下のようにした。
導電性基板１１： ｎ型シリコン基板
絶縁膜１３： ＳｉＯ２膜（膜厚２８５ｎｍ）
チャンネル層１４： ＭｏＳ２層（２層）
チャンネルサイズ： １μｍ×１μｍ
ソース電極１５： Ａｕ／Ｎｉ（膜厚５０ｎｍ／１０ｎｍ）
ドレイン電極１６： Ａｕ／Ｎｉ（膜厚５０ｎｍ／１０ｎｍ）
生体分子種識別手段２０：ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンス
ｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄのピーク位置を測定するデバイス
＜チャンネル層にドーパミンが吸着する前の微分コンダクタンス測定＞
測定条件は以下の通りである。
ゲート電圧： −２．５Ｖ、−７．５Ｖ
ソース・ドレイン電圧： 最小−１００ｍＶ、最大１００ｍＶ
図３にその測定結果を示す。図３において、グラフａとｂは、それぞれ、ゲート電圧−２．５Ｖ、−７．５Ｖについての測定結果である。何れも、ソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄが１５ｍｅＶである付近において、ピークが観測されなかった。
測定条件は以下の通りである。
ゲート電圧： −２．５Ｖ、−７．５Ｖ
ソース・ドレイン電圧： 最小−１００ｍＶ、最大１００ｍＶ
図３にその測定結果を示す。図３において、グラフａとｂは、それぞれ、ゲート電圧−２．５Ｖ、−７．５Ｖについての測定結果である。何れも、ソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄが１５ｍｅＶである付近において、ピークが観測されなかった。
＜チャンネル層にドーパミンが吸着した後の微分コンダクタンス測定＞
測定条件は以下の通りである。
ゲート電圧： −２．５Ｖ、−２．５Ｖ、−５．０Ｖ、−７．５Ｖ、
−１０．０Ｖ
ソース・ドレイン電圧： 最小−１００ｍＶ、最大１００ｍＶ
図２にその測定結果を示す。図２において、グラフａ、ｂ、ｃ、ｄは、それぞれ、ゲート電極の電圧−２．５Ｖ、−５．０Ｖ，−７．５Ｖ，−１０．０Ｖに対応する測定値である。何れも、ソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄが１５ｍｅＶである付近において、シャープなピークが観測された。
測定条件は以下の通りである。
ゲート電圧： −２．５Ｖ、−２．５Ｖ、−５．０Ｖ、−７．５Ｖ、
−１０．０Ｖ
ソース・ドレイン電圧： 最小−１００ｍＶ、最大１００ｍＶ
図２にその測定結果を示す。図２において、グラフａ、ｂ、ｃ、ｄは、それぞれ、ゲート電極の電圧−２．５Ｖ、−５．０Ｖ，−７．５Ｖ，−１０．０Ｖに対応する測定値である。何れも、ソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄが１５ｍｅＶである付近において、シャープなピークが観測された。
（実施例２）
実施例２として、さらに、生体分子吸着量検出手段を備える以外に、実施例１と同様に図４に示す生体センサー２００を作成した。
生体分子吸着量検出手段２５：ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンス
ｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄのピーク高さを測定するデバイス
実施例２として、さらに、生体分子吸着量検出手段を備える以外に、実施例１と同様に図４に示す生体センサー２００を作成した。
生体分子吸着量検出手段２５：ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンス
ｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄのピーク高さを測定するデバイス
測定条件は以下の通りである。
ドーパミンの膜厚： ０ｎｍ、０．２５ｎｍ、０．５ｎｍ
ゲート電圧： −７．５ Ｖ
ソース・ドレイン電圧： 最小−１００ｍＶ、最大１００ｍＶ
測定値： ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンス
ｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄのピーク高さ
図５において、グラフａ、ｂ、ｃは、ゲート電極の電圧７．５ｖにおいて、それぞれ、吸着したドーパミン層の厚み０ｎｍ（吸着層なし）、０．２５ｎｍ、０．５ｎｍに対応する測定値である。ソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄ が１５ｍｅＶである付近において、ドーパミン層の厚い場合、比較的に強い微分コンダクタンスｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄピークが観測された。
ドーパミンの膜厚： ０ｎｍ、０．２５ｎｍ、０．５ｎｍ
ゲート電圧： −７．５ Ｖ
ソース・ドレイン電圧： 最小−１００ｍＶ、最大１００ｍＶ
測定値： ソース・ドレイン電流ＩＤの微分コンダクタンス
ｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄのピーク高さ
図５において、グラフａ、ｂ、ｃは、ゲート電極の電圧７．５ｖにおいて、それぞれ、吸着したドーパミン層の厚み０ｎｍ（吸着層なし）、０．２５ｎｍ、０．５ｎｍに対応する測定値である。ソース・ドレイン電圧ＶＳ−Ｄ が１５ｍｅＶである付近において、ドーパミン層の厚い場合、比較的に強い微分コンダクタンスｄＩＤ／ｄＶＳ−Ｄピークが観測された。
１００、２００、３００ 生体分子センサー
１０ 生体分子種識別手段
１１ 導電性基板（ゲート、Ｓｉシリコン基板）
１３ 絶縁膜（ＳｉＯ２膜）
１４ チャンネル層（ＭｏＳ２層）
１５ ソース電極
１６ ドレイン電極
２０ 生体分子種識別手段
２５ 生体分子吸着量計測手段
３０ 光照射手段
１０ 生体分子種識別手段
１１ 導電性基板（ゲート、Ｓｉシリコン基板）
１３ 絶縁膜（ＳｉＯ２膜）
１４ チャンネル層（ＭｏＳ２層）
１５ ソース電極
１６ ドレイン電極
２０ 生体分子種識別手段
２５ 生体分子吸着量計測手段
３０ 光照射手段
Claims (5)
- 層状化合物からなるチャンネル層を有する電界効果トランジスタ構造と、
ソース・ドレイン電圧に対するソース・ドレイン電流の依存性を利用して、前記チャンネル層の表面に吸着した生体分子の種類を識別する生体分子種識別手段と、を備える生体分子センサー。 - 前記チャンネル層に吸着した生体分子に光を照射する光照射手段を備える、請求項１に記載の生体分子センサー。
- 前記電界効果トランジスタ構造は、ゲート電極として機能する導電性基板を備える請求項１又は２に記載の生体分子センサー。
- 前記層状化合物が窒化ホウ素、窒化ケイ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、二硫化ニオブ及びセレン化タングステンからなる群から選択された一つである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の生体分子センサー。
- 前記生体分子がセロトニン、ノルアドレナリン、アドレナリン、ヒスタミン、ドーパミン、カテコールアミン、ＤＮＡ、ＲＮＡ及びプロテインからなる群から選択された一つである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の生体分子センサー。
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