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JP4018672B2 - Nucleic acid detection apparatus and nucleic acid detection method - Google Patents

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JP4018672B2 JP2004199368A JP2004199368A JP4018672B2 JP 4018672 B2 JP4018672 B2 JP 4018672B2 JP 2004199368 A JP2004199368 A JP 2004199368A JP 2004199368 A JP2004199368 A JP 2004199368A JP 4018672 B2 JP4018672 B2 JP 4018672B2
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Description

本発明は、検体中に含まれる標的核酸分子を検出する核酸検出装置及び核酸検出方法に関する。   The present invention relates to a nucleic acid detection apparatus and a nucleic acid detection method for detecting a target nucleic acid molecule contained in a specimen.

従来から、FET(field-effect transistor)を用い検体中に標的核酸分子が含まれるか否かを検出する核酸分子検出のための核酸センサが存在している(例えば、非特許文献1参照)。同様に、二本鎖認識体の酸化に伴う酸化還元電流の大きさを測定することにより核酸分子の有無を検出する核酸センサも存在している。
坂田利弥 他、「遺伝子トランジスタによるDNAハイブリダイゼーションの検出」、第64回応用物理学会講演会予稿集、P.1179(2003)
Conventionally, there has been a nucleic acid sensor for detecting a nucleic acid molecule that detects whether or not a target nucleic acid molecule is contained in a sample using a field-effect transistor (FET) (see, for example, Non-Patent Document 1). Similarly, there are nucleic acid sensors that detect the presence or absence of a nucleic acid molecule by measuring the magnitude of a redox current associated with oxidation of a double-stranded recognizer.
Toshiya Sakata et al., “Detection of DNA hybridization using gene transistors”, Proc. 1179 (2003)

しかし、感度、集積性の向上のためにセンサ開口面積を縮小した場合に、センサ電極上での化学反応に起因する酸化還元電流は、面積に比例して小さくなるため、従来の技術では、測定器で電流を検出する限界点に到達してしまい、測定器で電流を検出できない可能性がある。   However, when the sensor opening area is reduced to improve sensitivity and integration, the redox current resulting from the chemical reaction on the sensor electrode decreases in proportion to the area. The limit point where the current is detected by the instrument may be reached, and the current may not be detected by the measuring instrument.

本発明は、従来の技術に鑑み、センサを微細化した場合にセンサ上で起こる化学的な変化を捉えるための信号を測定可能にして高精度に核酸を検出することができる核酸検出装置及び核酸検出方法を提供することを目的とする。   In view of the prior art, the present invention provides a nucleic acid detection device and a nucleic acid capable of measuring a signal for capturing a chemical change occurring on the sensor when the sensor is miniaturized and detecting the nucleic acid with high accuracy. An object is to provide a detection method.

本発明の核酸検出装置によれば、MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出装置において、前記MOSFETのゲート電極に接続された電極又は前記MOSFETのゲート電極に、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を固定化してあるセンサ電極と、前記センサ電極の電位を制御して該センサ電極上で、二本鎖認識体の化学反応を発生させるための対向電極を備える制御回路と、前記ゲート電極を接地点又は基準電圧源に短絡して前記化学反応を発生させるか否かを切り替えるスイッチと、前記化学反応前後で前記MOSFETの電気的特性を示す物理量を測定する測定手段と、前記化学反応前後で生じたMOSFETの電気的特性を示す物理量の差分が予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定する判定手段を具備することを特徴とする。 According to the nucleic acid detection device of the present invention, in a nucleic acid detection device that detects a target nucleic acid molecule having a specific sequence contained in a specimen based on the intensity of characteristic modulation of a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor). A sensor electrode in which a probe nucleic acid molecule capable of hybridizing with the target nucleic acid molecule is immobilized on an electrode connected to the gate electrode of the MOSFET or the gate electrode of the MOSFET, and the potential of the sensor electrode is controlled A control circuit having a counter electrode for generating a chemical reaction of a double-stranded recognizer on the sensor electrode, and whether the chemical reaction is generated by short-circuiting the gate electrode to a ground point or a reference voltage source. A switch for switching whether or not, a measuring means for measuring a physical quantity indicating the electrical characteristics of the MOSFET before and after the chemical reaction, It is characterized by comprising determination means for determining whether or not the difference in physical quantity indicating the electrical characteristics of the MOSFET generated before and after the chemical reaction is larger than a predetermined value.

本発明の核酸検出方法によれば、MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、前記MOSFETの電気的特性を示す第1の物理量を測定し、予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、前記MOSFETの電気的特性を示す第2の物理量を測定し、前記第1の物理量と前記第2の物理量の差分を計算し、前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする。   According to the nucleic acid detection method of the present invention, in the nucleic acid detection method for detecting a target nucleic acid molecule having a specific sequence contained in a specimen based on the intensity of characteristic modulation of a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor). The first physical quantity indicating the electrical characteristics of the MOSFET is measured, a sample containing the target nucleic acid molecule is introduced onto the sensor electrode on which the probe nucleic acid molecule is immobilized in advance, and the target nucleic acid molecule and the sensor electrode are A hybridization reaction is caused to the probe nucleic acid molecule, a reagent containing a double strand recognition body is introduced onto the sensor electrode, and a binding reaction between the double strand recognition body and the hybridized nucleic acid molecule is caused to occur. The potential of the electrode is controlled to cause a chemical reaction of the double-stranded recognizer, a second physical quantity indicating the electrical characteristics of the MOSFET is measured, and the first physical A difference between a quantity and the second physical quantity is calculated, and it is determined whether or not the magnitude of the difference is larger than a predetermined value.

また、本発明の核酸検出方法によれば、MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、前記MOSFETの電気的特性を示す第1の物理量を測定し、前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、前記MOSFETの電気的特性を示す第2の物理量を測定し、前記第1の物理量と前記第2の物理量の差分を計算し、前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする。   Moreover, according to the nucleic acid detection method of the present invention, nucleic acid detection for detecting a target nucleic acid molecule having a specific sequence contained in a specimen based on the intensity of characteristic modulation of a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) In the method, a sample containing a target nucleic acid molecule is introduced onto a sensor electrode on which a probe nucleic acid molecule is immobilized in advance, and a hybridization reaction is caused between the target nucleic acid molecule and the probe nucleic acid molecule on the sensor electrode, whereby the MOSFET Measuring a first physical quantity exhibiting the electrical characteristics of, introducing a reagent containing a double-stranded recognizer on the sensor electrode, causing a binding reaction between the double-stranded recognizer and a hybridized nucleic acid molecule, The potential of the sensor electrode is controlled to cause a chemical reaction of a double-stranded recognizer, a second physical quantity indicating the electrical characteristics of the MOSFET is measured, and the first The difference between the physical quantity of the second and the second physical quantity is calculated, and it is determined whether or not the magnitude of the difference is larger than a predetermined value.

さらに、本発明の核酸検出方法によれば、MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、前記MOSFETの電気的特性を示す第1の物理量を測定し、前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、前記MOSFETの電気的特性を示す第2の物理量を測定し、前記第1の物理量と前記第2の物理量の差分を計算し、前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする。   Furthermore, according to the nucleic acid detection method of the present invention, nucleic acid detection for detecting a target nucleic acid molecule having a specific sequence contained in a specimen based on the intensity of characteristic modulation of a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) In the method, a sample containing a target nucleic acid molecule is introduced onto a sensor electrode on which a probe nucleic acid molecule has been immobilized in advance, and a hybridization reaction is caused between the target nucleic acid molecule and the probe nucleic acid molecule on the sensor electrode, whereby the sensor Introducing a reagent containing a double-stranded recognizer onto the electrode, causing a binding reaction between the double-stranded recognizer and the hybridized nucleic acid molecule, and measuring a first physical quantity indicating the electrical characteristics of the MOSFET; Controlling the potential of the sensor electrode, causing a chemical reaction of a double-stranded recognizer, measuring a second physical quantity indicating the electrical characteristics of the MOSFET, The difference between the physical quantity of 1 and the second physical quantity is calculated, and it is determined whether or not the magnitude of the difference is larger than a predetermined value.

またさらに、本発明の核酸検出方法によれば、MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、前記MOSFETの電気的特性を示す第1の物理量を測定し、再び前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、前記MOSFETの電気的特性を示す第2の物理量を測定し、前記第1の物理量と前記第2の物理量の差分を計算し、前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする。   Still further, according to the nucleic acid detection method of the present invention, a nucleic acid for detecting a target nucleic acid molecule having a specific sequence contained in a specimen based on the intensity of characteristic modulation of a metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET). In the detection method, a sample containing a target nucleic acid molecule is introduced onto a sensor electrode on which a probe nucleic acid molecule is immobilized in advance, and a hybridization reaction is caused between the target nucleic acid molecule and the probe nucleic acid molecule on the sensor electrode. A reagent containing a double-stranded recognizer is introduced onto the sensor electrode, a binding reaction between the double-stranded recognizer and the hybridized nucleic acid molecule is caused, the potential of the sensor electrode is controlled, and the double-stranded recognizer A chemical reaction is caused, the first physical quantity indicating the electrical characteristics of the MOSFET is measured, the potential of the sensor electrode is controlled again, and the chemical reaction of the double-stranded recognizer is performed. Measure the second physical quantity indicating the electrical characteristics of the MOSFET, calculate the difference between the first physical quantity and the second physical quantity, and the magnitude of the difference is greater than a predetermined value It is characterized by determining whether it is large.

本発明の核酸検出装置及び核酸検出方法によれば、センサを微細化した場合にセンサ上で起こる化学的な変化を捉えるための信号を測定可能にして高精度に核酸を検出することができる。   According to the nucleic acid detection device and the nucleic acid detection method of the present invention, it is possible to measure a signal for capturing a chemical change occurring on the sensor when the sensor is miniaturized, and to detect the nucleic acid with high accuracy.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る核酸検出装置及び核酸検出方法について詳細に説明する。
本実施形態の核酸検出装置は、図1に示したように、核酸検出用FET10、核酸検出用FET10の特性を増幅するための増幅回路20、センサ電極WEの電位を制御するための制御回路30、核酸検出用FETのドレイン端子で生じる電圧降下を測定するための電圧計22からなる。核酸検出用FET10は、ゲート電極としてセンサ電極WE11を備えている。
増幅回路20は、信号増幅用電流源回路21、基板バイアス用電圧源23、Vssよりも高い価に設定された電源Vdd24、Vddよりも低い値に設定された電源Vss25を備えている。また、制御回路30は、センサ電極上での化学反応用スイッチ31、対向電極CE32、参照電極RE33、センサ電極上での化学反応用槽34、演算増幅器35、36、抵抗器37、掃引電圧発生器38を備えている。この制御回路30は、ポテンシオスタット(potentiostat)回路と称される電気化学の分野ではよく知られた回路である。
信号増幅用電流源回路21は、核酸検出用FET10の特性を読み出すための必要な基準電流Idsを発生する。電圧計22は、核酸検出用FET10のドレイン端子Dで生じる電圧降下を測定するためのものである。基板バイアス用電圧源23は、核酸検出用FET10の基板端子Bに印加する電圧源である。電源Vdd24は、核酸検出用FET10のドレイン端子Dに印加する電圧源であり、この電圧値は正に設定する。電源Vss25は、核酸検出用FET10のソース端子Sに印加する電源である。ソース端子Sに印加する電源Vss25の電圧値は電源Vdd24の電圧値よりも小さく、電源Vss25の電圧値を負に設定してもよい。A/D変換器(analog-to-digital converter)の機能を含む電圧計22あるいはこれと同等の機能を持つブロックによる増幅回路20の出力電圧値Vdsの測定は2回行われ、コンピュータ等で2回の測定の差分を求めて核酸分子が検出されたか否かの判定を行う。もちろん、この機能をチップ上で実現してもよい。また、基準電流Idsと基板バイアス用電圧源23が生成する電圧値を調整することにより、電圧計22で測定する出力電圧値Vdsの変化を大きくすることができる。この調整は後に図7を参照して説明する。
図1に示した増幅回路20は、よく知られたnMOS(n-channel metal-oxide semiconductor)インバータ回路である。図1に示した増幅回路20はあくまで一例であって、核酸検出用FET10の特性を増幅するための回路であれば増幅回路20の代わりにいかなる回路構成でも構わない。例えば、増幅回路20の代わりにフラッシュメモリの読み出し等に用いられている回路などを利用することも可能である。つまり、MOSFETの閾値電圧という物理量が反映される2次的な物理量で、かつ大きな値を有する信号として得ることができる回路であればよい。
Hereinafter, a nucleic acid detection device and a nucleic acid detection method according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the nucleic acid detection apparatus of the present embodiment includes a nucleic acid detection FET 10, an amplification circuit 20 for amplifying the characteristics of the nucleic acid detection FET 10, and a control circuit 30 for controlling the potential of the sensor electrode WE. And a voltmeter 22 for measuring a voltage drop generated at the drain terminal of the nucleic acid detection FET. The nucleic acid detection FET 10 includes a sensor electrode WE11 as a gate electrode.
The amplification circuit 20 includes a signal amplification current source circuit 21, a substrate bias voltage source 23, a power supply Vdd24 set to a higher value than Vss, and a power supply Vss25 set to a value lower than Vdd. The control circuit 30 also includes a chemical reaction switch 31 on the sensor electrode, a counter electrode CE32, a reference electrode RE33, a chemical reaction tank 34 on the sensor electrode, operational amplifiers 35 and 36, a resistor 37, and a sweep voltage generation. A container 38 is provided. This control circuit 30 is a well-known circuit in the field of electrochemistry called a potentiostat circuit.
The signal amplification current source circuit 21 generates a reference current Ids necessary for reading the characteristics of the nucleic acid detection FET 10. The voltmeter 22 is for measuring a voltage drop generated at the drain terminal D of the nucleic acid detection FET 10. The substrate bias voltage source 23 is a voltage source applied to the substrate terminal B of the nucleic acid detection FET 10. The power supply Vdd24 is a voltage source applied to the drain terminal D of the nucleic acid detection FET 10, and this voltage value is set to be positive. The power supply Vss25 is a power supply applied to the source terminal S of the nucleic acid detection FET 10. The voltage value of the power supply Vss25 applied to the source terminal S may be smaller than the voltage value of the power supply Vdd24, and the voltage value of the power supply Vss25 may be set negative. The measurement of the output voltage value Vds of the amplifier circuit 20 by the voltmeter 22 including the function of an A / D converter (analog-to-digital converter) or a block having the equivalent function is performed twice, and is performed by a computer or the like. A determination is made as to whether or not a nucleic acid molecule has been detected by obtaining the difference between the measurements. Of course, this function may be realized on a chip. Further, by adjusting the reference current Ids and the voltage value generated by the substrate bias voltage source 23, the change in the output voltage value Vds measured by the voltmeter 22 can be increased. This adjustment will be described later with reference to FIG.
The amplifier circuit 20 shown in FIG. 1 is a well-known n-channel metal-oxide semiconductor (nMOS) inverter circuit. The amplifier circuit 20 shown in FIG. 1 is merely an example, and any circuit configuration may be used instead of the amplifier circuit 20 as long as it is a circuit for amplifying the characteristics of the nucleic acid detection FET 10. For example, instead of the amplifier circuit 20, a circuit used for reading out a flash memory or the like can be used. That is, any circuit may be used as long as it is a secondary physical quantity reflecting the physical quantity of the threshold voltage of the MOSFET and can be obtained as a signal having a large value.

また、核酸検出用FET10及び増幅回路20は、複数個設定されていてもよい。さらに、核酸検出用FET10が複数個あり、これらがアレイ状に配置されていてもよい。   A plurality of nucleic acid detection FETs 10 and amplification circuits 20 may be set. Furthermore, there may be a plurality of the nucleic acid detection FETs 10, and these may be arranged in an array.

掃引電圧発生器38は、所定の電圧又は電圧パタンを発生する。演算増幅器36は、この電圧又は電圧パタンが示す電圧値を反転した反転電圧に変換して、この反転電圧を対向電極CE32に印加する。すると、制御回路の動作により、センサ電極WE11の参照電極RE33に対する電位は相対的に、掃引電圧発生器38が基準電位に対して発生した電位に設定される。
化学反応用スイッチ31は、化学反応を核酸検出用FET10に付属したセンサ電極WE11上で行わせるためのものである。センサ電極WE11の参照電極RE33に対する電位が、センサ電極WE11が基準電位に対して発生した電位に設定された以降に化学反応用スイッチ31をオンにすると、酸化還元電流が化学反応用スイッチ31に流れる。
参照電極RE33及び演算増幅器35、36、抵抗器37は、センサ電極WE11近傍の電位を掃引電圧発生器38の出力電圧に保つためのものである。対向電極CE32、センサ電極WEと掃印電圧発生器38の組み合わせでも化学反応を起こすことは可能だが、化学反応用スイッチ31に酸化還元電流を流すと、溶液中の電圧降下などの効果により、核酸センサ電極として用いられる作用極であるセンサ電極WE11の近傍の電位が所定の掃引電圧発生器38が発生した所定の電位からずれる。参照電極RE33は、センサ電極WE11近傍の電位を参照電極RE33により測定し、電圧フォロアのトポロジをなす演算増幅器35と抵抗器37及び演算増幅器36で構成される負帰還回路が、センサ電極WE11近傍の電位を掃引電圧発生器38の出力電圧に制御する。このように参照電極RE33を導入してセンサ電極WE11近傍の電位を制御すれば、参照電極RE33を導入しない場合に比べて、センサ電極WE11近傍の電位を正確な電位に設定することができる。
また、図1に示した制御回路30は、複数個設置されてもよい。例えば、複数個核酸検出用FET10があった場合に、制御回路30は、各核酸検出用FET10ごとに1個ずつ設置されてもよい。また、1つの制御回路30が、複数の核酸検出用FET10のそれぞれに含まれているセンサ電極WE11の電位を制御してもよい。
The sweep voltage generator 38 generates a predetermined voltage or voltage pattern. The operational amplifier 36 converts the voltage or the voltage value indicated by the voltage pattern into an inverted voltage, and applies the inverted voltage to the counter electrode CE32. Then, by the operation of the control circuit, the potential of the sensor electrode WE11 with respect to the reference electrode RE33 is relatively set to the potential generated by the sweep voltage generator 38 with respect to the reference potential.
The chemical reaction switch 31 is for causing a chemical reaction to occur on the sensor electrode WE11 attached to the nucleic acid detection FET 10. When the chemical reaction switch 31 is turned on after the potential of the sensor electrode WE11 with respect to the reference electrode RE33 is set to the potential generated by the sensor electrode WE11 with respect to the reference potential, an oxidation-reduction current flows through the chemical reaction switch 31. .
The reference electrode RE33, the operational amplifiers 35 and 36, and the resistor 37 are for maintaining the potential in the vicinity of the sensor electrode WE11 at the output voltage of the sweep voltage generator 38. It is possible to cause a chemical reaction even when the counter electrode CE32, the sensor electrode WE and the sweep voltage generator 38 are combined. However, when an oxidation-reduction current is passed through the chemical reaction switch 31, the nucleic acid is reduced due to the voltage drop in the solution. The potential in the vicinity of the sensor electrode WE11, which is a working electrode used as the sensor electrode, deviates from the predetermined potential generated by the predetermined sweep voltage generator 38. The reference electrode RE33 measures the potential in the vicinity of the sensor electrode WE11 with the reference electrode RE33, and a negative feedback circuit including an operational amplifier 35, a resistor 37, and an operational amplifier 36 that form a voltage follower topology is provided in the vicinity of the sensor electrode WE11. The potential is controlled to the output voltage of the sweep voltage generator 38. If the potential near the sensor electrode WE11 is controlled by introducing the reference electrode RE33 in this way, the potential near the sensor electrode WE11 can be set to an accurate potential as compared with the case where the reference electrode RE33 is not introduced.
Further, a plurality of control circuits 30 shown in FIG. 1 may be installed. For example, when there are a plurality of nucleic acid detection FETs 10, one control circuit 30 may be provided for each nucleic acid detection FET 10. Further, one control circuit 30 may control the potential of the sensor electrode WE11 included in each of the plurality of nucleic acid detection FETs 10.

次に、核酸検出用FET10及びセンサ電極WE11を図2を参照して説明する。図2は、核酸検出用FET10の断面構造を模式的に示した図である。
核酸検出用FET10は、ゲート電極、ゲート絶縁膜12、シリコン基板13からなり、通常のMOS(metal-oxide semiconductor)と同じ構造である。核酸検出用FET10は、シリコン基板13上にゲート絶縁膜12が形成され、このゲート絶縁膜12上にゲート電極が形成されている。本実施形態の核酸検出用FET10は、通常のMOSと異なり、ゲート電極は特に金薄膜を使用してある。このゲート電極は、センサ電極WE11として用いられる。すなわち、センサ電極WE11が、チオール基で修飾されたプローブ核酸分子14をセンサ電極WE11に結合させる。プローブ核酸分子14は、特定の核酸分子と反応する1本鎖核酸分子である。このプローブ核酸分子14によって1本鎖状態にした試料核酸分子から特定の配列を有する標的核酸分子のみを特異的に吸着することができる。
Next, the nucleic acid detection FET 10 and the sensor electrode WE11 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the nucleic acid detection FET 10.
The nucleic acid detection FET 10 includes a gate electrode, a gate insulating film 12, and a silicon substrate 13, and has the same structure as a normal metal-oxide semiconductor (MOS). In the nucleic acid detection FET 10, a gate insulating film 12 is formed on a silicon substrate 13, and a gate electrode is formed on the gate insulating film 12. Unlike the normal MOS, the nucleic acid detection FET 10 of the present embodiment uses a gold thin film as the gate electrode. This gate electrode is used as the sensor electrode WE11. That is, the sensor electrode WE11 binds the probe nucleic acid molecule 14 modified with a thiol group to the sensor electrode WE11. The probe nucleic acid molecule 14 is a single-stranded nucleic acid molecule that reacts with a specific nucleic acid molecule. Only the target nucleic acid molecule having a specific sequence can be specifically adsorbed from the sample nucleic acid molecule in a single-stranded state by the probe nucleic acid molecule 14.

次に、本実施形態の核酸検出装置の動作を図3を参照して説明する。
まず、予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ上に、標的核酸分子を含む試料核酸分子を化学反応用槽34に導入してセンサ電極WE11上でプローブ核酸分子と標的核酸分子がハイブリダイゼーション(hybridization、二本鎖形成)を行った後、二本鎖認識体を化学反応用槽34に導入する。続いて化学反応用スイッチ31を開放する(ステップS1)。二本鎖認識体に関しては後の図4を参照する以降で詳細に説明する。
掃引電圧発生器38が予め定められた所定値の電圧値Vaを発生し、核酸検出用FET10のドレイン端子Dで生ずる電圧降下を電圧計22で読み取る(ステップS2)。もちろん、ステップS2で電圧計22により測定された電圧降下を自動的に記憶装置(図示せず)にその値を記憶するように設定されていてもよい。
続いて、化学反応用スイッチ31を閉じる(ステップS3)。
掃引電圧発生器38が予め定められた所定値の電圧値Vbを発生し、センサ電極上での化学反応を行う(ステップS4)。電圧値Vbは、化学反応を行うために必要な電圧値に設定されている。
化学反応用スイッチ31を開放する(ステップS5)。
このセンサ電極WE11上での化学反応によるセンサ電極WE11上の化学的な特性変化を調べる。すなわち、掃引電圧発生器38が所定の電圧値Vaを再び印加して電圧計22で電圧降下を読み取る(ステップS6)。この電圧降下は、上述したように自動的に記憶装置にその値を記憶するように設定されていてもよい。
最後に、ステップS2で得たインバータ出力電圧VdsのデータとステップS6で得たインバータ出力電圧Vdsのデータの差分の大きさを計算する(ステップS7)。
Next, the operation of the nucleic acid detection device of this embodiment will be described with reference to FIG.
First, a sample nucleic acid molecule containing a target nucleic acid molecule is introduced into a chemical reaction tank 34 on a sensor on which the probe nucleic acid molecule is immobilized in advance, and the probe nucleic acid molecule and the target nucleic acid molecule are hybridized on the sensor electrode WE11. After the double strand formation), the double strand recognition body is introduced into the chemical reaction tank 34. Subsequently, the chemical reaction switch 31 is opened (step S1). The double-stranded recognizer will be described in detail later with reference to FIG.
The sweep voltage generator 38 generates a predetermined voltage value Va, and the voltage drop generated at the drain terminal D of the nucleic acid detection FET 10 is read by the voltmeter 22 (step S2). Of course, the voltage drop measured by the voltmeter 22 in step S2 may be set to automatically store the value in a storage device (not shown).
Subsequently, the chemical reaction switch 31 is closed (step S3).
The sweep voltage generator 38 generates a predetermined voltage value Vb, and performs a chemical reaction on the sensor electrode (step S4). The voltage value Vb is set to a voltage value necessary for performing a chemical reaction.
The chemical reaction switch 31 is opened (step S5).
A change in chemical characteristics on the sensor electrode WE11 due to a chemical reaction on the sensor electrode WE11 is examined. That is, the sweep voltage generator 38 applies the predetermined voltage value Va again and reads the voltage drop with the voltmeter 22 (step S6). This voltage drop may be set to automatically store the value in the storage device as described above.
Finally, the magnitude of the difference between the inverter output voltage Vds data obtained in step S2 and the inverter output voltage Vds data obtained in step S6 is calculated (step S7).

ステップS7で得られた差分の大きさが、予め校正の際に決定した基準値よりも大きいか否かを判定し、ステップS7で得られた差分の大きさが基準値よりも大きい場合は、核酸分子が検出されたと判定する。
本実施形態の核酸検出装置によれば、センサ電極WE11上で起こる物質の化学的な変化をMOSFETで間接的に観測することができる。また、本実施形態の核酸検出装置によれば、核酸検出用FET10を利用したセンサ電極WE11でセンサ電極WE11上での酸化還元電流を逃がすことのできる化学反応用スイッチ31と、センサ電極WE11上で化学反応を行わせるための酸化還元電流を供給する対向電極CE32及び参照電極RE33を備え、センサ電極WE11上における化学的な変化を能動的に起こすことができる。
さらに、本実施形態の核酸検出装置によれば、センサ電極WE11上での酸化還元電流に比較してセンサ電極WE11の大きさに依存性の低いMOSFETの閾値電圧の変動により変調を受けるソース・ドレイン間電流から核酸分子の存在を検知することが可能となり、センサの微細化をより進めることが可能となる。また、センサ上の物質のセンサ電極上での化学反応を行うことにより、標的核酸分子がプローブ核酸分子に結合した量をより確実に知ることできる。
It is determined whether or not the magnitude of the difference obtained in step S7 is larger than the reference value determined in advance during calibration, and when the magnitude of the difference obtained in step S7 is larger than the reference value, It is determined that a nucleic acid molecule has been detected.
According to the nucleic acid detection device of the present embodiment, the chemical change of the substance occurring on the sensor electrode WE11 can be indirectly observed with the MOSFET. In addition, according to the nucleic acid detection device of the present embodiment, the sensor electrode WE11 using the nucleic acid detection FET 10 can release the oxidation-reduction current on the sensor electrode WE11 and the chemical reaction switch 31 on the sensor electrode WE11. A counter electrode CE32 and a reference electrode RE33 that supply an oxidation-reduction current for causing a chemical reaction are provided, and a chemical change on the sensor electrode WE11 can be actively caused.
Furthermore, according to the nucleic acid detection device of the present embodiment, the source and drain that are modulated by fluctuations in the threshold voltage of the MOSFET that is less dependent on the size of the sensor electrode WE11 than the redox current on the sensor electrode WE11. The presence of nucleic acid molecules can be detected from the intercurrent, and the sensor can be further miniaturized. Moreover, the amount of the target nucleic acid molecule bound to the probe nucleic acid molecule can be known more reliably by performing a chemical reaction of the substance on the sensor on the sensor electrode.

次に、化学反応用槽34内の試料核酸分子とプローブ核酸分子14との間にハイブリダイゼーションが起こったか否かを図4を参照して説明する。
二本鎖認識体は核酸分子の二本鎖に特異的に吸着するため、ハイブリダイゼーションの有無により核酸検出用FET10の伝導特性に差が現れる。さらに、センサ電極WE11上での化学反応を行うことにより二本鎖認識体の性質が変化するため、酸化還元前後(すなわち、ステップS3より前とより後)の核酸検出用FET10の伝導特性にも差が現れる。図4によれば、ハイブリダイゼーションが有る場合の方が、ハイブリダイゼーションが無い場合よりもステップS7で得られるインバータ出力電圧Vdsの差分の大きさが大きくなる。したがって、ステップS7で得られるインバータ出力電圧Vdsの差分の大きさが、事前に校正により決定されたある基準値よりも大きいか否かでハイブリダイゼーションの有無を判定することができる。
また、二本鎖認識体の酸化還元前後で核酸検出用FET10の伝導特性が大きく変化するような二本鎖認識体を選ぶことにより、信号をより大きなレベルで観測することができる。
Next, whether or not hybridization has occurred between the sample nucleic acid molecule and the probe nucleic acid molecule 14 in the chemical reaction tank 34 will be described with reference to FIG.
Since the double strand recognizer specifically adsorbs to the double strand of the nucleic acid molecule, a difference appears in the conduction characteristics of the nucleic acid detection FET 10 depending on the presence or absence of hybridization. Furthermore, since the properties of the double-stranded recognizer change by performing a chemical reaction on the sensor electrode WE11, the conduction characteristics of the nucleic acid detection FET 10 before and after oxidation reduction (that is, before and after step S3) are also considered. A difference appears. According to FIG. 4, the magnitude of the difference in the inverter output voltage Vds obtained in step S7 is greater when there is hybridization than when there is no hybridization. Therefore, the presence or absence of hybridization can be determined based on whether or not the magnitude of the difference of the inverter output voltage Vds obtained in step S7 is larger than a certain reference value determined in advance by calibration.
In addition, a signal can be observed at a higher level by selecting a double-stranded recognizer that greatly changes the conduction characteristics of the nucleic acid detection FET 10 before and after oxidation / reduction of the double-stranded recognizer.

本実施形態において「二本鎖認識体」とは、二本鎖の核酸分子を認識し、特異的に結合する物質をさす。そのような物質としては、例えば、挿入剤、二本鎖核酸分子を認識する生体高分子を挙げることができる。
この挿入剤として本実施形態で使用するものは電気化学的に酸化又は還元反応を示す物質が好ましいが、特に限定されるものではなく、例えばエチジウム、エチジウムブロマイド、アクリジン、アミノアクリジン、アクリジンオレンジ、プロフラビン、エリブチシン、アクチノマイシンD、ドーノマイシン、マイトマイシンC等を用いることができる。また、その他の使用可能な挿入剤としては、特開昭62−282599号公報に記載されたものが挙げられる。
In the present embodiment, the “double-stranded recognizer” refers to a substance that recognizes and specifically binds to a double-stranded nucleic acid molecule. Examples of such substances include intercalating agents and biopolymers that recognize double-stranded nucleic acid molecules.
The intercalator used in this embodiment is preferably a substance that exhibits an oxidation or reduction reaction electrochemically, but is not particularly limited. For example, ethidium, ethidium bromide, acridine, aminoacridine, acridine orange, pro Flavin, elibutisin, actinomycin D, donomycin, mitomycin C and the like can be used. Other usable intercalating agents include those described in JP-A-62-2282599.

また、上述の挿入剤の他に、電気化学的に酸化又は還元反応を示す物質を中心金属として含有する金属錯体、すなわちメタロインターカレーターを用いることができる。例えば、亜鉛錯体、ルテニウム錯体、コバルト錯体、プラチナ錯体、を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   In addition to the intercalating agent described above, a metal complex containing a substance that exhibits an oxidation or reduction reaction electrochemically as a central metal, that is, a metallointercalator can be used. For example, a zinc complex, a ruthenium complex, a cobalt complex, and a platinum complex can be mentioned, but it is not limited to these.

ところで、上記の挿入剤とは別に、生体高分子の中には二本鎖核酸分子を認識して特異的に結合する物質が存在する。したがって、本実施形態において、このような生体高分子の中で電気化学的に活性な物質を用いることができる。また、これら生体高分子若しくは、この生体高分子を認識する物質に、電気化学的に活性な物質を標識して用いることもできる。このような生体高分子としては、抗DNA抗体、クロタンバク質、DNA結合タンパク質、触媒活性が失活したRNaseHのような酵素を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。また、上記生体高分子は、生体由来であっても、合成により得られるものであっても良い。   By the way, apart from the intercalating agent described above, there are substances in the biopolymer that specifically recognize and bind to double-stranded nucleic acid molecules. Therefore, in this embodiment, an electrochemically active substance can be used among such biopolymers. In addition, an electrochemically active substance can be labeled and used on these biopolymers or substances that recognize the biopolymers. Examples of such biopolymers include, but are not limited to, an anti-DNA antibody, a clot protein, a DNA-binding protein, and an enzyme such as RNase H whose catalytic activity has been deactivated. The biopolymer may be derived from a living body or obtained by synthesis.

(変形例)
図3を参照して核酸検出装置の動作を説明したが、どの時点の2点でのインバータ出力電圧Vdsを測定するかは様々な変形がある。以下、この変形例を説明する。
核酸検出装置は、核酸分子の検出を次の手順で操作を行う。
(ステップS11)予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ上に、標的核酸分子を含むサンプルを導入し、標的核酸分子がセンサ上のプローブ核酸分子とハイブリダイゼーション反応を起こす(ステップS1の前)。
(ステップS12)プローブ核酸分子以外の部分に非特異的に吸着している標的核酸分子を洗浄するため、核酸分子を含んでいない電解質溶液と置換する(場合によっては不要)。
(ステップS13)センサ上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体がハイブリダイゼーションした核酸分子へ結合反応を起こす。
(ステップS14)核酸分子以外の部分に非特異的に結合している二本鎖認識体、溶液中に残存している二本鎖認識体を洗浄するために、二本鎖認識体を含んでいない電解質溶液と置換する(場合によっては不要)。
(ステップS15)センサ電極WE11の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こす。
電圧計22が核酸分子検出のために、核酸検出用FET10に基準電流Idsを流した場合のインバータ出力電圧Vdsの測定を行う。この測定は、図3及び図4に示したように、例えば「二本鎖認識体酸化反応前」に、第1の出力電圧の測定を行い、その後「二本鎖認識体化学反応後」に第2の出力電圧の測定を行うといったように、2点で測定を行い、インバータ出力電圧Vdsの差分の大きさをもとにハイブリダイゼーションの有無を判定する。
(Modification)
Although the operation of the nucleic acid detection apparatus has been described with reference to FIG. 3, there are various variations in which the inverter output voltage Vds is measured at two points. Hereinafter, this modification will be described.
The nucleic acid detection device operates to detect nucleic acid molecules according to the following procedure.
(Step S11) A sample containing the target nucleic acid molecule is introduced onto the sensor on which the probe nucleic acid molecule is immobilized in advance, and the target nucleic acid molecule undergoes a hybridization reaction with the probe nucleic acid molecule on the sensor (before step S1).
(Step S12) In order to wash the target nucleic acid molecule adsorbed nonspecifically on the portion other than the probe nucleic acid molecule, the target nucleic acid molecule is replaced with an electrolyte solution not containing the nucleic acid molecule (in some cases, unnecessary).
(Step S13) A reagent containing a double-stranded recognizer is introduced onto the sensor, and a binding reaction occurs with the nucleic acid molecule to which the double-stranded recognizer has hybridized.
(Step S14) In order to wash the double-stranded recognizer that is non-specifically bound to a portion other than the nucleic acid molecule and the double-stranded recognizer remaining in the solution, the double-stranded recognizer is included. Replace with a non-electrolyte solution (not required in some cases).
(Step S15) The potential of the sensor electrode WE11 is controlled to cause a chemical reaction of the double-stranded recognizer.
The voltmeter 22 measures the inverter output voltage Vds when the reference current Ids is supplied to the nucleic acid detection FET 10 for nucleic acid molecule detection. As shown in FIG. 3 and FIG. 4, this measurement is performed, for example, by measuring the first output voltage “before the double-strand recognizer oxidation reaction” and then “after the double-strand recognizer chemical reaction”. Measurement is performed at two points, such as measurement of the second output voltage, and the presence / absence of hybridization is determined based on the difference between the inverter output voltages Vds.

この「電圧変化前」の測定は、上記手順のステップS11の前、ステップS11の後、ステップS12の後、ステップS13の後、ステップS14の後のうち、どの点で行っても構わない。理想的な2点の測定点は、用いる二本鎖認識体の特性により、最も電圧変化が大きく、バラツキが少なく、総合的に見て測定のしやすい2点である。第2の出力電圧の測定は、ステップS15の後に行う。   This "before voltage change" measurement may be performed at any point before step S11, after step S11, after step S12, after step S13, or after step S14. The ideal two measurement points are the two points that have the largest voltage change, little variation, and are easy to measure in a comprehensive manner, depending on the characteristics of the double-stranded recognizer used. The measurement of the second output voltage is performed after step S15.

次に、ハイブリダイゼーション前、ハイブリダイゼーション後、二本鎖認識体添加後、二本鎖認識体の化学反応後の各々において、核酸検出用FET10のドレイン端子Dで生ずるインバータ出力電圧Vdsを測定した結果を図5を参照して説明する。図5は、ハイブリダイゼーションが有るか否かの2つの場合についてのインバータ出力電圧Vdsの履歴を示している。図5の横軸は各ステップで時間変化を示し、右に行くほど時刻が後であり、縦軸は核酸検出用FET10のドレイン端子Dで生ずるインバータ出力電圧Vdsを示す。
図5に示す「ハイブリダイゼーション前」のインバータ出力電圧Vdsは、上記のステップS11の前に電圧計22で測定した値である。また、図5に示す「ハイブリダイゼーション後」のインバータ出力電圧Vdsは、上記のステップS12の後かつステップS13の前に電圧計22で測定した値である。さらに、図5に示す「二本鎖認識体添加後」のインバータ出力電圧Vdsは、上記のステップS14の後かつステップS15の前に電圧計22で測定した値である。
また、図5に示す「化学反応後」は、上記のステップS15の後に電圧計22で測定した値である。
Next, the result of measuring the inverter output voltage Vds generated at the drain terminal D of the nucleic acid detection FET 10 before hybridization, after hybridization, after addition of the double strand recognizer, and after chemical reaction of the double strand recognizer Will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the history of the inverter output voltage Vds in two cases of whether or not there is hybridization. The horizontal axis of FIG. 5 shows the time change at each step, the time is later as it goes to the right, and the vertical axis shows the inverter output voltage Vds generated at the drain terminal D of the nucleic acid detection FET 10.
The inverter output voltage Vds “before hybridization” shown in FIG. 5 is a value measured by the voltmeter 22 before the above step S11. The inverter output voltage Vds “after hybridization” shown in FIG. 5 is a value measured by the voltmeter 22 after step S12 and before step S13. Furthermore, the inverter output voltage Vds “after the addition of a double-stranded recognizer” shown in FIG. 5 is a value measured by the voltmeter 22 after step S14 and before step S15.
Further, “after chemical reaction” shown in FIG. 5 is a value measured by the voltmeter 22 after the above step S15.

図5に示した例では、化学反応後のインバータ出力電圧Vdsと、これ以外のハイブリダイゼーション前、ハイブリダイゼーション後、二本鎖認識体添加後のいずれか1つの場合でのインバータ出力電圧Vdsとの差分の大きさを計算し、この差分の大きさが所定値より大きいか否かを判定し、大きい場合は核酸分子が検出されたと判定する。   In the example shown in FIG. 5, the inverter output voltage Vds after the chemical reaction and the inverter output voltage Vds in any one of the cases before the hybridization, after the hybridization, and after the addition of the double strand recognizer. The magnitude of the difference is calculated, and it is determined whether or not the magnitude of the difference is greater than a predetermined value. If it is greater, it is determined that a nucleic acid molecule has been detected.

図3を参照して説明した例では、ステップS2が「二本鎖認識体添加後」に対応し、ステップS6が「化学反応後」に対応する。図5に示したようにインバータ出力電圧Vdsが変化する場合は、「ハイブリダイゼーション後」と「化学反応後」の2点間のインバータ出力電圧Vdsの差が最も大きくなるので、この2点で核酸検出用FET10のドレイン端子Dで生じるインバータ出力電圧Vdsを測定することが好ましい。   In the example described with reference to FIG. 3, step S <b> 2 corresponds to “after double strand recognizer addition”, and step S <b> 6 corresponds to “after chemical reaction”. As shown in FIG. 5, when the inverter output voltage Vds changes, the difference in the inverter output voltage Vds between the two points “after hybridization” and “after chemical reaction” becomes the largest. It is preferable to measure the inverter output voltage Vds generated at the drain terminal D of the detection FET 10.

また、図5に示したインバータ出力電圧Vdsを示すグラフのような例では、化学反応後でのハイブリダイゼーションの有無によるインバータ出力電圧Vdsの差が、二本鎖認識体添加後より以前でのハイブリダイゼーションの有無によるインバータ出力電圧Vdsの差に比較して数倍以上大きい。したがって、化学反応とその他との2点でインバータ出力電圧Vdsの差分の大きさを測定することは、化学反応後でのインバータ出力電圧Vdsを参照しないでインバータ出力電圧Vdsの差分の大きさを測定することに比較して感度が飛躍的に上がる。   Further, in the example such as the graph showing the inverter output voltage Vds shown in FIG. 5, the difference in the inverter output voltage Vds due to the presence or absence of hybridization after the chemical reaction is higher than before the addition of the double-stranded recognizer. It is several times larger than the difference in inverter output voltage Vds due to the presence or absence of hybridization. Therefore, measuring the magnitude of the difference in the inverter output voltage Vds at two points of the chemical reaction and others is measuring the magnitude of the difference in the inverter output voltage Vds without referring to the inverter output voltage Vds after the chemical reaction. Sensitivity is dramatically increased compared to doing.

また、2点での測定ではなく、常時インバータ出力電圧の変化をモニタリングしておき、出力電圧の変動速度をもとにハイブリダイゼーションの有無の判定を行うこともできる。すなわち、図5からわかるように、ハイブリダイゼーションが有る場合はインバータ出力電圧Vdsの変化が、ハイブリダイゼーションがない場合のインバータ出力電圧Vdsの変化に比較して大きいので、予め設定された電圧値よりも或る単位時間でのインバータ出力電圧Vdsが大きいか否かによってハイブリダイゼーションの有無を判定することができる。この予め設定する電圧値は、事前に校正によって定める。   Also, instead of measuring at two points, it is possible to always monitor the change in the inverter output voltage and determine the presence or absence of hybridization based on the fluctuation speed of the output voltage. That is, as can be seen from FIG. 5, the change in the inverter output voltage Vds when there is hybridization is larger than the change in the inverter output voltage Vds when there is no hybridization, so it is higher than the preset voltage value. The presence or absence of hybridization can be determined based on whether or not the inverter output voltage Vds in a certain unit time is large. This preset voltage value is determined in advance by calibration.

また、二本鎖認識体の性質によってはステップS15の後に最初の電圧降下の測定を行う場合もある。この場合の典型的な2例を図6(A)及び図6(B)を参照して説明する。図6(A)及び図6(B)の曲線上に示した矢印は時間の向きを示す。
二本鎖認識体は、掃引電圧発生器38が参照電極RE33に対するセンサ電極WE11の電位差を上昇させるとステップS15の後でも再びより大きな化学反応を起こす二本鎖認識体がある。例えば、図6(A)に示すような曲線を示す二本鎖認識体では、ステップS15に対応する最初の化学反応(α)の後により大きな化学反応(γ)がある。この場合はこのより大きな化学反応の前後でインバータ出力電圧Vdsを測定するのが好ましいので、このより大きな化学反応(γ)に注目し、上記の第1のインバータ出力電圧Vdsの測定が「注目している化学反応前」のβで行われ、上記の第2のインバータ出力電圧Vdsの測定が「注目している化学反応後」のδで行われる。この様により大きな化学反応の前後でインバータ出力電圧Vdsの測定を行えばより大きなインバータ出力電圧Vdsの差分の大きさを得ることができ、核酸分子検出の感度を上昇させることができる。
Depending on the nature of the double-stranded recognizer, the first voltage drop may be measured after step S15. Two typical examples in this case will be described with reference to FIGS. 6 (A) and 6 (B). The arrows shown on the curves in FIGS. 6A and 6B indicate the direction of time.
The double-stranded recognizer includes a double-stranded recognizer that causes a larger chemical reaction again even after step S15 when the sweep voltage generator 38 increases the potential difference of the sensor electrode WE11 with respect to the reference electrode RE33. For example, in a double-stranded recognizer showing a curve as shown in FIG. 6A, there is a larger chemical reaction (γ) after the first chemical reaction (α) corresponding to step S15. In this case, since it is preferable to measure the inverter output voltage Vds before and after this larger chemical reaction, paying attention to this larger chemical reaction (γ), the measurement of the first inverter output voltage Vds is “attention. The second inverter output voltage Vds is measured at δ “after the chemical reaction of interest”. Thus, if the inverter output voltage Vds is measured before and after a larger chemical reaction, a larger difference in the inverter output voltage Vds can be obtained, and the sensitivity of nucleic acid molecule detection can be increased.

他に、掃引電圧発生器38が参照電極RE33に対するセンサ電極WE11の電位を上昇させて化学反応が発生し、さらにこの電位を上昇させてこの化学反応を終了させ、さらにこの電位を下降させると再び化学反応が発生し、さらにこの電位を下降させると化学反応が終了するような二本鎖認識体もある。例えば、図6(B)に示すような曲線を示す二本鎖認識体では、ステップS15に対応する最初の化学反応(ε)の後に化学反応(η)がある。この場合も図6(A)の例での場合と同様に、化学反応(η)に注目し、上記の第1のインバータ出力電圧Vdsの測定が「注目している化学反応前」のζで行われ、上記の第2のインバータ出力電圧Vdsの測定が「注目している化学反応後」のθで行われてもよい。   In addition, the sweep voltage generator 38 raises the potential of the sensor electrode WE11 with respect to the reference electrode RE33 to generate a chemical reaction, further raises this potential to end this chemical reaction, and further lowers this potential again. There are also double-stranded recognizers in which a chemical reaction occurs and the chemical reaction ends when this potential is further lowered. For example, in a double-stranded recognizer showing a curve as shown in FIG. 6B, there is a chemical reaction (η) after the first chemical reaction (ε) corresponding to step S15. In this case as well, as in the example of FIG. 6A, paying attention to the chemical reaction (η), the measurement of the first inverter output voltage Vds is ζ “before the chemical reaction of interest”. The measurement of the second inverter output voltage Vds may be performed at θ after “the chemical reaction of interest”.

次に、センサ電極WE11の表面状態に依存する核酸検出用FET10の伝導特性によるインバータ出力電圧Vdsの変化を電圧計22が感度よく測定するための校正の手法を図7を参照して説明する。
電圧計22が核酸検出用FET10のドレイン端子Dで生じるインバータ出力電圧Vdsを測定しやすくするために、信号増幅用電流源回路21が発生する基準電流と、基板バイアス用電圧源23が発生する電圧を調整する。すなわち、図7に示したように、信号増幅用電流源回路21が発生する電流の大きさと基板バイアス用電圧源23が発生する電圧の大きさを、核酸検出用FET10が飽和領域で動作するように調整する。すると、電圧計22が測定するVdsの化学反応前後で変化の大きさを大きくすることができる。
Next, a calibration method for the voltmeter 22 to measure the change in the inverter output voltage Vds with the conduction characteristic of the nucleic acid detection FET 10 depending on the surface state of the sensor electrode WE11 with high sensitivity will be described with reference to FIG.
In order for the voltmeter 22 to easily measure the inverter output voltage Vds generated at the drain terminal D of the nucleic acid detection FET 10, the reference current generated by the signal amplification current source circuit 21 and the voltage generated by the substrate bias voltage source 23 Adjust. That is, as shown in FIG. 7, the magnitude of the current generated by the signal amplification current source circuit 21 and the magnitude of the voltage generated by the substrate bias voltage source 23 are set so that the nucleic acid detection FET 10 operates in the saturation region. Adjust to. Then, the magnitude | size of a change can be enlarged before and after the chemical reaction of Vds which the voltmeter 22 measures.

以上に示した実施形態によれば、化学反応前後それぞれにおいて核酸検出用FETのドレイン端子で生ずるインバータ出力電圧Vdsを測定し、これらのインバータ出力電圧Vdsの差分の大きさを求め、この差分の大きさが所定値よりも大きい場合に核酸分子が検出されたとすることにより、センサを微細化した場合にセンサ上で起こる化学的な変化を捉えるための信号を測定可能にして高精度に核酸を検出することができる。   According to the embodiment described above, the inverter output voltage Vds generated at the drain terminal of the nucleic acid detection FET before and after the chemical reaction is measured, the magnitude of the difference between these inverter output voltages Vds is obtained, and the magnitude of this difference is obtained. By detecting that a nucleic acid molecule is detected when the value is larger than a predetermined value, it is possible to measure a signal for capturing a chemical change that occurs on the sensor when the sensor is miniaturized and detect the nucleic acid with high accuracy. can do.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

本発明の実施形態に係る核酸検出装置のブロック図。1 is a block diagram of a nucleic acid detection device according to an embodiment of the present invention. 図1の核酸検出用FET10の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the FET 10 for nucleic acid detection of FIG. 図1の核酸検出装置の動作を示す流れ図。The flowchart which shows operation | movement of the nucleic acid detection apparatus of FIG. ハイブリダイゼーションの有無によるインバータ出力電圧Vdsの差分の大きさの違いを示す図。The figure which shows the difference in the magnitude | size of the difference of the inverter output voltage Vds by the presence or absence of hybridization. ハイブリダイゼーションの有無によるインバータ出力電圧Vdsの各ステップでの値を示す図。The figure which shows the value in each step of the inverter output voltage Vds by the presence or absence of hybridization. (A)は化学反応後に最初の電圧降下の測定を行う場合の第1の例を示す図であり、(B)は化学反応後に最初の電圧降下の測定を行う場合の第2の例を示す図。(A) is a figure which shows the 1st example in the case of measuring the first voltage drop after a chemical reaction, (B) shows the 2nd example in the case of measuring the first voltage drop after a chemical reaction. Figure. インバータ出力電圧Vdsを感度よく測定するための校正を説明するための図。The figure for demonstrating the calibration for measuring the inverter output voltage Vds with sufficient sensitivity.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・核酸検出用FET、11・・・センサ電極WE、12・・・ゲート絶縁膜、13・・・シリコン基板、14・・・プローブ核酸分子、20・・・増幅回路、21・・・信号増幅用電流源回路、22・・・電圧計、23・・・基板バイアス用電圧源、24・・・電源Vdd、25・・・電源Vss、30・・・制御回路、31・・・化学反応用スイッチ、32・・・対向電極CE、33・・・参照電極RE、34・・・化学反応用槽、35、36・・・演算増幅器、37・・・抵抗器、38・・・掃引電圧発生器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Nucleic acid detection FET, 11 ... Sensor electrode WE, 12 ... Gate insulating film, 13 ... Silicon substrate, 14 ... Probe nucleic acid molecule, 20 ... Amplification circuit, 21 ... Current source circuit for signal amplification, 22 ... Voltmeter, 23 ... Voltage source for substrate bias, 24 ... Power supply Vdd, 25 ... Power supply Vss, 30 ... Control circuit, 31 ... Chemical reaction switch 32... Counter electrode CE 33 Reference electrode RE 34 Chemical reaction tank 35 36 Operation amplifier 37 Resistor 38 Sweep voltage generator

Claims (8)

MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出装置において、
前記MOSFETのゲート電極に接続された電極又は前記MOSFETのゲート電極に、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を固定化してあるセンサ電極と、
前記センサ電極の電位を制御して該センサ電極上で、二本鎖認識体の化学反応を発生させるための対向電極を備える制御回路と、
前記ゲート電極を接地点又は基準電圧源に短絡して前記化学反応を発生させるか否かを切り替えるスイッチと、
前記化学反応前後で前記MOSFETの電気的特性を示す物理量を測定する測定手段と、
前記化学反応前後で生じたMOSFETの電気的特性を示す物理量の差分が予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定する判定手段を具備することを特徴とする核酸検出装置。
In a nucleic acid detection apparatus for detecting a target nucleic acid molecule having a specific sequence contained in a specimen based on the intensity of characteristic modulation of a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor),
A sensor electrode in which a probe nucleic acid molecule capable of hybridizing with the target nucleic acid molecule is immobilized on an electrode connected to the gate electrode of the MOSFET or the gate electrode of the MOSFET;
A control circuit comprising a counter electrode for controlling the potential of the sensor electrode to generate a chemical reaction of a double-stranded recognizer on the sensor electrode;
A switch for switching whether to cause the chemical reaction by short-circuiting the gate electrode to a ground point or a reference voltage source;
Measuring means for measuring a physical quantity indicating the electrical characteristics of the MOSFET before and after the chemical reaction;
A nucleic acid detection apparatus comprising: determination means for determining whether or not a difference between physical quantities indicating electrical characteristics of the MOSFET generated before and after the chemical reaction is greater than a predetermined value.
前記制御回路は、さらに、前記センサ電極近傍の電位を測定するための参照電極を具備し、
前記参照電極からの情報に基づき前記対向電極の電位を制御することを特徴とする請求項1に記載の核酸検出装置。
The control circuit further includes a reference electrode for measuring a potential in the vicinity of the sensor electrode,
The nucleic acid detection device according to claim 1, wherein the potential of the counter electrode is controlled based on information from the reference electrode.
前記センサ電極を複数個同一基板上に具備することを特徴とする請求項1又は請求項に記載の核酸検出装置。 The nucleic acid detector according to claim 1 or claim 2, characterized in that it comprises the sensor electrode into a plurality on the same substrate. 前記制御回路は、複数設置されることを特徴とする請求項1から請求項のいずれか1項に記載の核酸検出装置。 The nucleic acid detection device according to any one of claims 1 to 3 , wherein a plurality of the control circuits are installed. MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、
前記MOSFETの電気的特性を示す第1の物理量を測定し、
予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、
前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、
前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、
前記MOSFETの電気的特性を示す第2の物理量を測定し、
前記第1の物理量と前記第2の物理量の差分を計算し、
前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする核酸検出方法。
In a nucleic acid detection method for detecting a target nucleic acid molecule having a specific sequence contained in a specimen based on the intensity of characteristic modulation of a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor),
Measuring a first physical quantity indicative of the electrical characteristics of the MOSFET;
A sample containing a target nucleic acid molecule is introduced onto a sensor electrode on which a probe nucleic acid molecule is immobilized in advance, and a hybridization reaction is caused between the target nucleic acid molecule and the probe nucleic acid molecule on the sensor electrode,
Introducing a reagent containing a double-stranded recognizer on the sensor electrode, causing a binding reaction between the double-stranded recognizer and the hybridized nucleic acid molecule,
Controlling the potential of the sensor electrode to cause a chemical reaction of the double-stranded recognizer,
Measuring a second physical quantity indicative of the electrical characteristics of the MOSFET;
Calculating a difference between the first physical quantity and the second physical quantity;
A method for detecting a nucleic acid, comprising determining whether or not the magnitude of the difference is larger than a predetermined value.
MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、
予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、
前記MOSFETの電気的特性を示す第1の物理量を測定し、
前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、
前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、
前記MOSFETの電気的特性を示す第2の物理量を測定し、
前記第1の物理量と前記第2の物理量の差分を計算し、
前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする核酸検出方法。
In a nucleic acid detection method for detecting a target nucleic acid molecule having a specific sequence contained in a specimen based on the intensity of characteristic modulation of a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor),
A sample containing a target nucleic acid molecule is introduced onto a sensor electrode on which a probe nucleic acid molecule is immobilized in advance, and a hybridization reaction is caused between the target nucleic acid molecule and the probe nucleic acid molecule on the sensor electrode,
Measuring a first physical quantity indicative of the electrical characteristics of the MOSFET;
Introducing a reagent containing a double-stranded recognizer on the sensor electrode, causing a binding reaction between the double-stranded recognizer and the hybridized nucleic acid molecule,
Controlling the potential of the sensor electrode to cause a chemical reaction of the double-stranded recognizer,
Measuring a second physical quantity indicative of the electrical characteristics of the MOSFET;
Calculating a difference between the first physical quantity and the second physical quantity;
A method for detecting a nucleic acid, comprising determining whether or not the magnitude of the difference is larger than a predetermined value.
MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、
予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、
前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、
前記MOSFETの電気的特性を示す第1の物理量を測定し、
前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、
前記MOSFETの電気的特性を示す第2の物理量を測定し、
前記第1の物理量と前記第2の物理量の差分を計算し、
前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする核酸検出方法。
In a nucleic acid detection method for detecting a target nucleic acid molecule having a specific sequence contained in a specimen based on the intensity of characteristic modulation of a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor),
A sample containing a target nucleic acid molecule is introduced onto a sensor electrode on which a probe nucleic acid molecule is immobilized in advance, and a hybridization reaction is caused between the target nucleic acid molecule and the probe nucleic acid molecule on the sensor electrode,
Introducing a reagent containing a double-stranded recognizer on the sensor electrode, causing a binding reaction between the double-stranded recognizer and the hybridized nucleic acid molecule,
Measuring a first physical quantity indicative of the electrical characteristics of the MOSFET;
Controlling the potential of the sensor electrode to cause a chemical reaction of the double-stranded recognizer,
Measuring a second physical quantity indicative of the electrical characteristics of the MOSFET;
Calculating a difference between the first physical quantity and the second physical quantity;
A method for detecting a nucleic acid, comprising determining whether or not the magnitude of the difference is larger than a predetermined value.
MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出する核酸検出方法において、
予めプローブ核酸分子が固定化されたセンサ電極上に、標的核酸分子を含む検体を導入し、標的核酸分子と前記センサ電極上のプローブ核酸分子とにハイブリダイゼーション反応を起こさせ、
前記センサ電極上に二本鎖認識体を含む試薬を導入し、二本鎖認識体とハイブリダイゼーションした核酸分子との結合反応を起こさせ、
前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、
前記MOSFETの電気的特性を示す第1の物理量を測定し、
再び前記センサ電極の電位を制御し、二本鎖認識体の化学反応を起こさせ、
前記MOSFETの電気的特性を示す第2の物理量を測定し、
前記第1の物理量と前記第2の物理量の差分を計算し、
前記差分の大きさが予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定することを特徴とする核酸検出方法。
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Controlling the potential of the sensor electrode to cause a chemical reaction of the double-stranded recognizer,
Measuring a first physical quantity indicative of the electrical characteristics of the MOSFET;
Control the potential of the sensor electrode again to cause a chemical reaction of the double-stranded recognizer,
Measuring a second physical quantity indicative of the electrical characteristics of the MOSFET;
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