JP6990396B2 - 電界効果トランジスタを備えるバイオセンサ - Google Patents
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Description
<1>電界効果トランジスタを検出素子として備えるバイオセンサであって、
前記電界効果トランジスタのゲート電極の表面が、ポリマー層により表面修飾されており、前記ポリマー層は、検出対象とする物質の存在が電位変化として検出される検出領域と、当該検出対象とする物質以外の夾雑物を特異的に捕捉するための捕捉部を有するフィルター領域よりなり、
前記捕捉部は、前記ゲート電極の表面からデバイ長を超える位置に存在する、該バイオセンサ;
<2>前記ポリマー層が、10~100nmの厚さを有する、上記<1>に記載のバイオセンサ;
<3>前記ポリマー層が、当該層を構成するポリマー鎖の末端のアリール基においてゲート電極の表面と共有結合により固定化されている、上記<1>又は<2>に記載のバイオセンサ;
<4>前記電界効果トランジスタが、伸長ゲート型電界効果トランジスタである、上記<1>~<3>のいずれか1に記載のバイオセンサ;
<5>前記ゲート電極が、金ゲート電極である、上記<1>~<4>のいずれか1に記載のバイオセンサ;
<6>前記フィルター領域が、ポリメタクリル酸エステル骨格を有するポリマーよりなる、上記<1>~<5>のいずれか1に記載のバイオセンサ;及び
<7>前記捕捉部が、フェニルボロン酸である、上記<1>~<6>のいずれか1に記載のバイオセンサ
を提供するものである。
<8>バイオセンサに用いるための、電界効果トランジスタのゲート電極の表面修飾方法であって、(a)ジアゾニウム化合物塩を含む溶液を前記ゲート電極に接触させ、前記ゲート電極の表面に第1層を形成する工程、(b)原子移動ラジカル重合により前記第1層の末端からポリマー鎖を伸長し、第1層の上に第2層を形成する工程、及び(c)第2層を形成する前記ポリマー鎖に、検出対象とする物質以外の夾雑物を特異的に捕捉するための捕捉部を導入する工程、を含む該方法;
<9>前記工程(a)において、ジアゾニウム化合物塩に加えて、末端にチオール基を有する化合物を含む溶液を用いて第1層を形成し、その後、紫外線照射により当該チオール基を有する化合物とゲート電極の表面に形成された共有結合のみを分解させる工程を含む、上記<9>に記載の方法;
<10>前記工程(b)における原子移動ラジカル重合が光活性化触媒の存在下で行われる、上記<9>に記載の方法;
<11>前記電界効果トランジスタが、伸長ゲート型電界効果トランジスタである、上記<8>~<10>のいずれか1に記載の方法;
<12>前記ゲート電極が、金ゲート電極である、上記<8>~<11>のいずれか1に記載の方法;
<13>前記ジアゾニウム化合物塩が、アリールジアゾニウム塩である、上記<8>~<12>のいずれか1に記載の方法;
<14>前記ポリマー鎖が、ポリメタクリル酸エステル骨格を有する、上記<8>~<13>のいずれか1に記載の方法;及び
<15>前記捕捉部がフェニルボロン酸である、上記<8>~<14>のいずれか1に記載の方法
を提供するものである。
本発明のバイオセンサの好ましい実施態様における全体構成を図1に示す。バイオセンサ10は、検出対象物質の存在を識別するセンシング部11と、検出部としての電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)12とを備える。バイオセンサ10は、センシング部11において試料中に含まれる検出対象物質を識別し、識別された情報をFET12において電気的な信号に変換することにより、試料中の検出対象物質の存在及び濃度を検出する。ここで試料とは、非侵襲的に採取した試料、すなわち血液以外の生体液として、汗、涙、唾液を挙げることができる。
本発明のバイオセンサは、ゲート電極(伸長ゲート電極)21の表面がポリマー層により表面修飾されていることを特徴とする。当該ポリマー層を設けることによって、本来目的とする検出対象物質によるシグナルに対するノイズシグナルを生じさせる非検出対象物質、すなわち夾雑物を選択的に捕捉又は排除する機能を有する。これにより検出対象物質のみをゲート電極21の界面付近に透過させ、目的とする検出対象物質由来のシグナルのみを検出することができる。
一態様において、本発明は、バイオセンサに用いるための、電界効果トランジスタのゲート電極の表面修飾方法にも関する。具体的には、本発明の方法は、以下の工程(a)~(c)を含むことを特徴とする。
(a)ジアゾニウム化合物塩を含む溶液を前記ゲート電極に接触させ、前記ゲート電極の表面に第1層を形成する工程、
(b)原子移動ラジカル重合により前記第1層の末端からポリマー鎖を伸長し、第1層の上に第2層を形成する工程、及び
(c)第2層を形成する前記ポリマー鎖に、検出対象とする物質以外の夾雑物を特異的に捕捉するための捕捉部を導入する工程。
Atom Transfer Radical Polymerization)を用いて第1層の末端からポリマー鎖を伸長し、第1層の上に第2層を形成する。原子移動ラジカル重合では、ポリマー分布や鎖長の制御が可能であるという利点がある。
2-(4-アミノフェニル)エタノール(APE)、2-ブロモイソブチリルブロミド(BiBB)、4-ニトロベンゼンジアゾニウムテトラフルオロボレート(NBD)、1,1-ジフェニル-2-ピクリルヒドラジル(DPPH)、およびエチル2-ブロモイソブレート(EBiB)を東京化成工業からの市販品を用いた。テトラフルオロホウ酸(HBF 4)、亜硝酸ナトリウム(NaNO2)、トリエチルアミン(TEA)、メタクリル酸(MAA)、2-ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)、N、N'-メチレンビスアクリルアミド(MBAAm)、トリス(2-フェニルピリジナト)イリジウム(III)(fac-Ir(ppy)3)、4-(4,6-ジメトキシ-1,3,5-トリアジン-2-イル)-4-メチルモルホリニウムクロライド(DMT-MM)、m-アミノフェニルボロン酸(APBA)、ドーパミン塩酸塩、3-(3,4-ジヒドロキシフェニル)-L-アラニン(L-DOPA)、システイン、N、N-ジメチルホルムアミド(DMF)、1M 塩酸、ジクロロメタン、固体NaCl、Na2 HPO4、NaH2 PO4、蒸留水、エタノール、およびメタノールは和光純薬工業からの市販品を用いた。
以下の手順により、FETの伸長ゲート電極(Au電極)の表面を修飾して、ポリマー層を形成した。なお、出発物質として、OH基末端を用いるジアゾニウム塩を用いる方法、及びニトロ基末端を有するジアゾニウム塩を用いる方法の2通りを行った。
(a)金電極におけるOH末端を有するアリールジアゾニウムのグラフト化
100mLの0.5M HClを300mLビーカー中で氷冷水中で撹拌した。28mg(0.2mmol)の2-(4-アミノフェニル)エタノール(APE)を添加し、5分間撹拌した。 次に、水中200mM NaNO2 2mLを1mL加え、15分間攪拌した。 洗浄したAu電極を溶液に浸漬し、50mV / sで0.4Vから-0.3Vまでの電位サイクルを行った。5サイクル後、基質をメタノールおよび水で十分に洗浄した。
次いで、フェニル基の末端水酸基の臭化アルキルへのエステル化反応を、以下の手順で行った13。OH-Au電極をキャップ付きビーカー内のジクロロメタン50mLに浸漬し、氷冷水中で攪拌した。 712μL(5mmol)のトリエチルアミン(TEA)を添加した。次に、臭化2-ブロモイソブチリル(BiBB)628μL(5mmol)を混合物に滴下した。 混合物を4℃以下で2時間撹拌し、室温で撹拌した。 24時間。 得られたAu電極(Br-Au)をメタノールと水で十分に洗浄した。
臭化アルキルを導入した表面に対して、光媒介性の原子移動ラジカル重合(ATRP)を用いた表面開始重合を以下の手順によって行った。メタクリル酸(MAA)3mL(35mmol)および2-ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)1.9mL(15mmol)をメタノール45mLに溶解した。 混合物を窒素ガスのバブリングにより30分間脱酸素化した。 次に、Br-Au基板を、キャップ付きビーカー内の溶液に撹拌機を用いて浸漬した。 次に、0.69mgのfac-Ir(ppy)3を混合物に添加した。 紫外光を混合物に24時間照射した。重合反応後、基質をメタノールに1時間浸漬し、次いで水で十分に洗浄した。
メタクリル酸とm-アミノフェニルボロン酸(APBA)のアミド化は、水溶性触媒としてDMT-MMを用いて行った。 16.1mg(0.1mmol)のAPBAおよび28.2mg(0.1mmol)のDMT-MMを10mLのメタノールに溶解した。ポリマー被覆Au電極を溶液に浸漬し、12時間撹拌した。
(a)ニトロ基末端を有するアリールジアゾニウムのグラフト化
4-ニトロベンゼンジアゾニウムテトラフルオロボラート(NBD)2.4mg(0.01mmol)およびnBu4PF6 98.8mg(0.25mmol)をアセトニトリル10mL(それぞれ1mMおよび25mM)に溶解した。8.1mg(0.02mmol)のDPPHを単層修飾のために添加した。 洗浄したAu電極を混合物に浸漬し、50mV / sで0.3Vから-0.7Vの電位サイクルを行った。合計5サイクル後、サンプルをメタノール中で2分間超音波処理し、次いで蒸留水で十分に洗浄した。
ニトロベンゼンを、以下の手順によりアニリンに還元した。NB-Au基質を1/9 v%エタノール/水に浸漬した。電位サイクルは、50mV / sで0.2Vから1.2Vまで行った。 10サイクル後、変性Au電極をメタノールと水で洗浄した
上記1-1(b)と同様の手順で臭化アルキルを導入した。
上記1-1(c)及び(d)と同様の手順で電極表面上でのポリマー重合及びフェニルボロン酸の導入を行った。
FETリアルタイムモニタリングシステムに接合型FET(K246-Y9A、東芝)を接続し、ゲートをAu電極に接続した。測定前に、市販の瞬間接着剤を使用して、1mLのリングを感知面の周囲に封入した。表面電位は、デバイス内のVSを自動的に変化させながら一定のIDS =700μAを印加して測定し、Voutとして抽出した。ここで、Voutの値は、VTまたは表面電位の尺度である。pH測定のために、以下の手順で調製した100mMリン酸緩衝液(5.6,6.0,6.4,6.8および7.2)を用いてpHを調整した。まず、蒸留水中の200mM Na2HPO4およびNaH2PO4を調製した。次に、各溶液を20mLの蒸留水に表1に記載の比率で添加した。 pH /イオンメーター(F-53、堀場製作所)を用いて溶液のpHを測定した。全てのサンプルはpH7.2で開始した。表面電位の安定化後、pHを7.2から5.6まで変化させ、次いで溶液を2回交換することによってpHを7.2に戻した。
まず、ポリマー層による表面修飾を有しないFETバイオセンサについて、低分子の生体化合物の検出能を評価した。伸長ゲート電極としてAuを用いた。結果を以下の表2に示す。表中、「感度」とは、センサによる検出限界である。「強度」とは、表面電位の最大変化である。「方向」は、信号シフトの方向である。「電荷」は、pH7.4での生体分子が有する電荷である。
次に、上記1-1により調整した伸長ゲート電極表面にポリマー層を有するFETバイオセンサを用いて、L-システインの選択的検出を行った。夾雑物として、ドーパミン及びL-DOPAを用いた。得られた結果を図4A~Dに示す。いずれの結果もフェニルボロン酸(PBA)を導入したものに加えて、比較例としてPBA無しの修飾電極を用いたものについて測定を行った。
11 センシング部
12 FET(検出部)
21 ゲート電極(伸長ゲート電極)
22 ポリマー層
23 容器
24 参照電極
31 半導体基板
32 金属電極
33 ゲート絶縁膜
34 ソース電極
35 ドレイン電極
36 金属線
37 電源
38 電位計
Claims (13)
- 電界効果トランジスタを検出素子として備えるバイオセンサであって、
前記電界効果トランジスタのゲート電極の表面が、ポリマー層により表面修飾されており、
前記ポリマー層は、検出対象とする物質の存在が電位変化として検出される検出領域を構成する第1層と、当該検出対象とする物質以外の夾雑物を特異的に捕捉するための捕捉部を有するフィルター領域を構成する第2層よりなり、
前記第2層は、前記第1層の上部末端からポリマー鎖が伸長することにより、前記第1層の上に形成されており、
前記ポリマー層が、前記第1層の下部末端のアリール基においてゲート電極の表面と共有結合により固定化されており、
前記ポリマー層が、10~100nmの厚さを有し、
前記捕捉部は、前記ゲート電極の表面からデバイ長を超える位置に存在する、
該バイオセンサ。 - 前記電界効果トランジスタが、伸長ゲート型電界効果トランジスタである、請求項1に記載のバイオセンサ。
- 前記ゲート電極が、金ゲート電極である、請求項1又は2に記載のバイオセンサ。
- 前記フィルター領域が、ポリメタクリル酸エステル骨格を有するポリマーよりなる、請求項1~3のいずれか1に記載のバイオセンサ。
- 前記捕捉部が、フェニルボロン酸である、請求項1~4のいずれか1に記載のバイオセンサ。
- バイオセンサに用いるための、電界効果トランジスタのゲート電極の表面修飾方法であって、
(a)ジアゾニウム化合物塩を含む溶液を前記ゲート電極に接触させ、前記ゲート電極の表面に、該表面と共有結合により固定化された第1層を形成する工程、
(b)原子移動ラジカル重合により前記第1層の末端からポリマー鎖を伸長し、第1層の上に第2層を形成する工程、及び
(c)第2層を形成する前記ポリマー鎖に、検出対象とする物質以外の夾雑物を特異的に捕捉するための捕捉部を導入する工程、
を含み、
前記第1層と前記第2層よりなるポリマー層が、10~100nmの厚さを有する、
該方法。 - 前記工程(a)において、ジアゾニウム化合物塩に加えて、末端にチオール基を有する化合物を含む溶液を用いて第1層を形成し、その後、紫外線照射により当該チオール基を有する化合物とゲート電極の表面に形成された共有結合のみを分解させる工程を含む、請求項6に記載の方法。
- 前記工程(b)における原子移動ラジカル重合が光活性化触媒の存在下で行われる、請求項7に記載の方法。
- 前記電界効果トランジスタが、伸長ゲート型電界効果トランジスタである、請求項6~8のいずれか1に記載の方法。
- 前記ゲート電極が、金ゲート電極である、請求項6~9のいずれか1に記載の方法。
- 前記ジアゾニウム化合物塩が、アリールジアゾニウム塩である、請求項6~10のいずれか1に記載の方法。
- 前記ポリマー鎖が、ポリメタクリル酸エステル骨格を有する、請求項6~11のいずれか1に記載の方法。
- 前記捕捉部がフェニルボロン酸である、請求項6~12のいずれか1に記載の方法。
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