JP6360294B2

JP6360294B2 - 溶液内蔵バイオセンサ

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Publication number: JP6360294B2
Application number: JP2013238544A
Authority: JP
Inventors: 拓也樋口; 樋口　　拓也; 利弥坂田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd; University of Tokyo NUC
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd; University of Tokyo NUC
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: JP2015099070A

Description

本発明は、溶液内蔵バイオセンサに関し、更に詳しくは、電界効果型トランジスタを用いたバイオセンサのウェルに予め溶液を入れ、蓋を密閉パッケージしてなる溶液内蔵バイオセンサに関する。

近年、疾患の診断、薬物代謝に関する個人差の検出、又は、食品若しくは環境モニタ等の目的で、ＤＮＡ、糖鎖、たんぱく質等の生体関連物質の検査をするための種々の方法が開発されている。特に、電気的な信号によって生体分子（ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）を検出するバイオセンサの研究が進んでいる。最近では、電気的な信号の転換が速く、集積回路とＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）の接続が容易であるという観点から、電界効果トランジスタ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、「ＦＥＴ」ともいう。）を使用して生物学的な反応を検出するバイオセンサについて、多くの研究がなされている。

従来、ＦＥＴを用いたバイオセンサは、ＭＯＳＦＥＴからゲート電極を除去し、絶縁膜の上にイオン感応膜を被着した構造を有しており、「ＩＳＦＥＴ（ＩｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＦＥＴ）」と呼ばれている。そして、イオン感応膜に酸化還元酵素、各種タンパク質、ＤＮＡ、抗原又は抗体等を配置することによって、各種バイオセンサとして機能するようになっている（例えば、特許文献１）。

具体的には、バイオセンサに用いられるＦＥＴは、シリコン基板の表面にソース電極、ドレイン電極及びゲート絶縁膜を形成し、ソース電極とドレイン電極との間のゲート絶縁物の表面に金属電極を有している。この金属電極の表面には、ＤＮＡプローブとアルカンチオールが配置されている。実際に測定を行う場合には、金属電極と、金属電極の表面上に配置されたＤＮＡプローブ及びアルカンチオールと、参照電極とが測定セル内の反応溶液中に配置されるようになっている。そして、参照電極を介して高周波電圧が印加されると、反応溶液中に含まれるターゲットＤＮＡとＤＮＡプローブとの結合の前後で変化する絶縁ゲート電界効果トランジスタの電気特性変化、すなわちソースとドレインとの間を流れる電流値の変化、を検出することにより、反応溶液中に含まれるターゲットＤＮＡの伸長の有無を検出することができるようになっている。

また、特許文献２には、生体情報の測定にＩＳＦＥＴを使用した技術が提案されている。この技術は、初期の出力電圧が安定するまでは被測定溶液としてグルコースを含まない酢酸緩衝液を流しておき、電圧が安定したらグルコースを含んだ酢酸緩衝溶液を流すことが記載されている。すなわち、安定した測定を行うために、初めに緩衝液（グルコースを含まない酢酸緩衝液）を入れてＩＳＦＥＴの感応層に溶液を浸す必要があることが記載されている。

また、一般的なｐＨメーターにおいても、ｐＨ測定時にはＫＣｌ溶液に３０分以上浸す旨の記載があり、浸す時間が長ければ長いほど精度の良い測定が可能になることが知られている。

特開２００７−１０８１６０号公報特公平３−７０６６号公報

しかしながら、特許文献２の技術や一般的なｐＨメーターでは、測定初めにその都度緩衝液（グルコースを含まない酢酸緩衝液）に浸す作業が発生し、時間的なロスが発生してしまうという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、測定初めに緩衝液に長時間浸す作業がなく、迅速且つ効率的に測定できる溶液内蔵バイオセンサを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に係る溶液内蔵バイオセンサは、検査部となる１又は２以上のウェルと、該ウェルに一定量収容された溶液と、該溶液が漏れないように前記ウェルを密閉すると共に該溶液を捨てるために剥がすことができるカバー材と、前記ウェル内に設けられたイオン感応部を一部露出させる信号取出し開口部と、前記イオン感応部の下に設けられた電界効果トランジスタ型バイオセンサとを有することを特徴とする。

本発明に係る溶液内蔵バイオセンサにおいて、前記ウェル内に電極開口部と参照電極とが設けられていてもよい。

本発明に係る溶液内蔵バイオセンサにおいて、参照電極用溶液が収容された１又は２以上の参照電極用溶液槽と、前記参照電極用溶液が漏れないように該参照電極用溶液槽を密閉するカバー材とをさらに有し、前記参照電極用溶液槽内には、参照電極を露出させた参照電極開口部と電極が露出した電極開口部とが設けられていてもよい。

本発明に係る溶液内蔵バイオセンサにおいて、前記カバー材が易引き剥がし手段を有し、前記カバー材を剥がすときに前記ウェルを密封している部分のみが剥がされるようにしてもよい。

本発明に係る溶液内蔵バイオセンサにおいて、前記電界効果型トランジスタが、ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ及びＣＭＯＳから選ばれるシリコンデバイスで構成されていてもよい。

本発明に係る溶液内蔵バイオセンサにおいて、前記電界効果型トランジスタが、アモルファスシリコン薄膜トランジスタ、ポリシリコン薄膜トランジスタ、有機薄膜トランジスタ及び酸化物薄膜トランジスタから選ばれるいずれかであることが好ましい。

本発明に係る溶液内蔵バイオセンサにおいて、酸化物薄膜トランジスタが、透明な酸化物半導体と透明基板とを有していてもよい。

本発明に係る溶液内蔵バイオセンサにおいて、前記信号取り出し開口部のみに前記イオン感応部が設けられ、該イオン感応部の電極を透明電極とし、ベース基材を透明基板としてもよい。

本発明に係る溶液内蔵バイオセンサによれば、電界効果型トランジスタを用いたバイオセンサのウェル（検査部）に予め溶液を入れておくことが可能な素子構造をバイオセンサに設けたので、測定初めに緩衝液等の溶液に長時間浸す作業がなく、迅速且つ効率的に測定することができる。

本発明に係る溶液内蔵バイオセンサの一例を示す模式的な断面図（Ａ）及び平面図（Ｂ）である。本発明に係る溶液内蔵バイオセンサの他の一例を示す模式的な断面図（Ａ）及び平面図（Ｂ）である。本発明に係る溶液内蔵バイオセンサの動作原理の説明図である。本発明に係る溶液内蔵バイオセンサのさらに他の一例を示す模式的な断面図（Ａ）及び平面図（Ｂ）である。ウェル内のイオン感応部に親水性領域と疎水性領域を設けた一例を示す模式的な断面図である。電界効果型トランジスタの一例を示す断面図である。電界効果型トランジスタの他の一例を示す断面図である。電界効果型トランジスタの他の一例を示す断面図である。

以下、本発明に係る溶液内蔵バイオセンサについて、図面を参照しながら説明する。

［全体構成］
本発明に係る溶液内蔵バイオセンサ１０は、図１〜図４に示すように、検査部となる１又は２以上のウェル２０と、ウェル２０に一定量収容された溶液２１と、溶液２１が漏れないようにウェ２０ルを密閉すると共に溶液２１を捨てるために剥がすことができるカバー材３０と、ウェル２０内に設けられたイオン感応部８を一部露出させる信号取出し開口部２５と、イオン感応部２５の下に設けられた電界効果トランジスタ型バイオセンサとを有する。

こうした基本構成からなる溶液内蔵バイオセンサ１０は、ウェル２０に溶液２１が収容されているので、溶液２１を含んだ溶液内蔵バイオセンサ１０として流通させることができる。その結果、使用時には既にイオン感応部８に水分を含ませた状態になっているので、事前に必要だった浸漬時間を省略することができる。したがって、検査時には、溶液２１を捨てて測定溶液２１’を入れ替えることにより、測定溶液２１’に含まれるイオンの変化を適切にイオン感応部８に伝えることでき、感度を向上させることができる。こうした溶液内蔵バイオセンサ１０を使用することにより、電気特性を測定するまでの時間を大幅に削減することができ、また、密閉するカバー材３０を備えるので、水分の漏れを心配する必要がない。

［構成要素］
以下、各構成要素について説明する。

ウェル２０は、測定溶液２１’を収容する容器状の小さい槽であり、検査部として作用する。このウェル２０には、予め溶液２１が封入され、溶液内蔵バイオセンサ１０が構成されている。そして、その溶液内蔵バイオセンサ１０の使用時、すなわち測定時には、その溶液２１を捨てて測定溶液２１’を入れ替え、図３に示すように、測定溶液２１’からの電気化学的な情報を測定するための容器である。このウェル２０は、所定量の容液２１が封入される大きさで形成されている。また、測定溶液２１’中の被測定成分がイオン感応部８で効果的に測定されるために、ウェル２０は、底部が狭くなる「椀型」又は「逆釣鐘型」になっていることが好ましい。

ウェル２０は、例えば図１等に示すように、比較的厚い樹脂からなる枠体３５をくり抜くような形態で設けられていることが好ましい。枠体３５を構成する樹脂は、後述するカバー材３０をヒートシールできる樹脂であることが便利である。そうした樹脂の一例としては、ポリエチレン、ポリプロプレン、ポリスチレン等が挙げられる。また、ウェル２０が溶液２１を収容できる容積は特に限定されないが、３μＬ以上、３０ｍＬ以下の程度を例示できる。

溶液２１は、溶液内蔵バイオセンサ１０のウェル２０に予め収容されている。この溶液２１としては、測定対象となる溶液（「測定溶液２１’」という。図３参照。）ではなく、例えば純水、ｐＨ標準液、ｐＨ緩衝液、ＫＣｌ溶液等が用いられる。こうした溶液２１は、溶液内蔵バイオセンサ２０の使用時に捨てられ、測定溶液２１’がウェル２０に投入されて測定される。なお、測定溶液２１’は、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質等の生体関連物質が含まれた溶液のことである。

カバー材３０は、図１及び図２等に示すように、溶液２１が漏れないようにウェル２０を密閉すると共に、予め収容されている溶液２１を捨てるために剥がすことができるものである。カバー材３０は、枠体３５にヒートシール可能なフィルム材料で構成されていることが好ましい。フィルム材料の一例としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等の合成樹脂を挙げることができる。また、カバー材３０は、例えば、樹脂フィルムと基材シートと樹脂フィルムとがその順で積層された積層体等を用いてもよい。こうした積層体では、基材シートとして、アルミニウム箔、銀箔等の金属箔、プラスチックフィルム、合成紙等を用いることができ、その基材シートを両面から挟む樹脂フィルムとして、ポリプロプレン、ポリエチレン等の合成樹脂フィルムを用いることができる。なお、図２（Ｂ）は、カバー材３０を外した場合の平面図である。

カバー材３０には、ウェル２０に収容された溶液２１を捨てるための易引き剥がし手段３１が設けられていることが好ましい。その易引き剥がし手段３１は、ウェル３０の上縁の開口と同じ大きさ又はその開口よりも広い大きさで設けられていることが好ましく、例えば、フィルム材料にハーフカット加工や切り取り線加工されたもの等を挙げることができる。こうした易引き剥がし手段３１は、カバー材３０を枠体３５から剥がすときに、ウェル２０を密封している部分のみを剥がすことができるので便利である。この易引き剥がし手段３１は、ウェル２０のみを開けることができるように設けられていることが好ましく、後述する参照電極用溶液５１（図４を参照。）が収容された参照電極用溶液槽５０を備えている場合には、その参照電極用溶液槽５０を覆うカバー材５２を引き剥がすための引き剥がし手段は設けないことが好ましい。こうすることで、誤って参照電極用溶液槽５０上のカバー材５２を剥ぎ取ることがなく、その結果、参照電極用溶液５１が蒸発するのを防止し、参照電極用溶液５１の濃度変化も抑制することができ、測定溶液の安定した測定を実現できる。

信号取出し開口部２５は、図１及び図２に示すように、ウェル２０内に設けられ、イオン感応部８を露出させている。その信号取出し開口部２５で露出したイオン感応部８は、溶液内蔵バイオセンサ１０が流通している間に溶液２１に長時間接触しているので、電圧を安定化させるための時間をあらためて確保する必要がない。そのため、溶液を入れ替えて直ぐに測定することができる。

検出電極２’は、イオン感応部８の下側に配置されている。この検出電極２’は、後述する電界効果トランジスタ型バイオセンサの一部を構成している。なお、この検出電極２’や基材等を透明材料で構成することにより、例えば倒立型顕微鏡でイオン感応部８上の細胞やたんぱく質等を直接観察することも可能になる。

参照電極４０は、図４に示すように、ウェル２０内に必要に応じて設けられる。参照電極４０を設けることによって、入れ替えた測定溶液２１’の電気化学的な測定を、標準電極電位基準で評価することが可能になるので、測定結果の標準化のためには極めて有利な結果を得ることができる。こうした参照電極４０は、図４（Ｂ）に示すように、ウェル２０の底部の参照電極用開口部２６で露出させて配置することが好ましい。図４の例では、参照電極４０がウェル２０内で露出するように予め設けられているので、例えば使用時にその都度参照電極４０を上方からウェル２０内に差し込むようなことをする必要がなくなり、効率的な測定を実現することができる。なお、図４（Ｂ）は、カバー材３０，５２を外した場合の平面図である。

参照電極４０は、導電性の配線材料であれば特に限定されないが、ウェル２０内で露出して溶液２１や測定溶液２１’に接触するので、それらの溶液の種類に応じ、その溶液に対する耐食性のよいものが選択される。一例としては、金、銀、白金、カーボン、パラジウム、ロジウム、銅、アルミニウム、チタン等から選ばれる。

参照電極用溶液槽５０は、図４に示すように、ウェル２０内の参照電極４０を引き込んで、測定溶液２１’の評価結果を標準電極電位基準で評価できるようにするために設けられている。この参照電極用溶液槽５０もウェル２０と同様、比較的厚い樹脂からなる枠体３５をくり抜くような形態で設けられていることが好ましく、通常、ウェル２０の形成時に併せて形成される。なお、参照電極用溶液槽５０内の底部の符号４６は、参照電極４０と基準電極６０との間をセパレートする部分であり、特に限定されるものではない。参照電極用溶液槽５０内には、参照電極４０を露出させる参照電極用開口部４２と、基準電極６０を露出させる基準電極用開口部４４とが設けられている。

基準電極６０は、参照電極用溶液槽５０内で露出する参照電極４０に対し、参照電極用溶液５１を介して配置されている。基準電極６０としては、銀−塩化銀電極、カロメル電極（水銀−塩化水銀電極）、パラジウム−水素電極等を挙げることができるが、通常は、銀−塩化銀電極が好ましく用いられる。この銀−塩化銀電極は、標準水素電極（ＳＨＥ、２５℃）に対して＋０．１９９Ｖの電極電位を持っている。こうした銀−塩化銀電極を基準にして、ウェル２０での測定溶液２１’の評価を行うことができる。

参照電極用溶液５１は、参照電極用溶液槽５０に収容されている。その種類は基準電極６０の種類によって異なるが、前記のような銀−塩化銀電極の場合は、３ＭＫＣｌ溶液又は３．３ＭＫＣｌ溶液等を用いることが好ましいが、これに限定されない。この参照電極用溶液５１は、参照電極用溶液槽５０に初めから最後まで密閉収容されていることが好ましく、そうすることで、参照電極用溶液５１の濃度変化が抑制され、測定溶液２１’の安定した測定を実現できる。したがって、上記したように、この参照電極用溶液槽５０の上には、カバー材５２が密封良く設けられている。なお、そのカバー材５２には、易引き剥がし手段等を設けないことが好ましい。

なお、参照電極４０や参照電極用溶液槽５０は、溶液内蔵バイオセンサ１０の必須の構成ではないが好ましく適用される。参照電極用溶液槽５０は、１のウェル２０に対して１設けられていてもよいし、１の参照電極用溶液槽５０に複数のウェル２０からの複数の参照電極４０が配線されていてもよい。複数の参照電極４０を１の参照電極用溶液槽５０に引き込んで測定する場合には、どのウェル２０内での評価であるかを切り替える手段、例えばそれぞれの出力端子が設けられる。こうした切り替える手段によって、参照電極用溶液槽５０を共有化してその数を減らすこともできる。

（参照電極を用いた原理）
図３は、ＩＳＦＥＴ型の溶液内蔵バイオセンサ１０を用いた場合の動作原理を示している。細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質等の生体関連物質を含む測定溶液２１’をウェル２０内に投入して測定する。図３に示すように、ソース電極５とドレイン電極６との間に０．１Ｖ以上１Ｖ以下程度の電圧Ｖ_ＤＳを印加しつつ、底部で露出する参照電極４０を介して可変電圧（参照電圧）Ｖ_Ｇを測定溶液２１’に印加すると、イオン感応部８に生ずる電位（以下、「膜電位」ともいう。）の変化に応じて、半導体膜４に形成されるチャネル領域が変化し、ドレイン電流Ｉ_Ｄの変化を検出することができる。この結果、参照電圧Ｖ_Ｇに基づくドレイン電流Ｉ_Ｄの変化、すなわちトランジスタとしての電流−電圧特性を、予め測定した生体関連物質における電流−電圧特性と比較することによって測定溶液２１’に含まれる生体関連物質の種別を特定することができる。

なお、ＩＳＦＥＴ型の溶液内蔵バイオセンサ１０全体の透明性が高まるように、各構成部材を透明材料で作製すれば、ウェル２０の上方から光を照射することにより、測定溶液２１’内の生体関連物質を基材１側から顕微鏡その他の光学観察機器によって観察することができる。特に、透過光を利用した倒立型顕微鏡を用いる場合には、対物レンズをイオン感応部８に配置された生体関連物質に接近させることができる。なお、必要に応じて明視野観察の他に位相差顕微鏡、微分干渉顕微鏡等を用いることも可能である。したがって、電気的特性の検出と、生体関連物質における高倍率の観察とを両立させることも可能である。

（イオン感応部の変形例）
図５は、ウェル２０内のイオン感応部８に親水性領域と疎水性領域を設けた一例を示す模式的な断面図である。イオン感応部８構成するイオン感応膜の上に親水性膜２８と疎水性膜２７とをパターン形成して、測定溶液２１’を評価してもよい。例えば、図５に示す例では、ウェル２０に投入された測定溶液２１’は、親水性膜２８にのみ濡れて載るので、測定溶液２１’を複数に分離して測定することができる。こうした方法では、測定溶液２１’内に含まれる生体関連物質が均一に分散等していない場合に、その分散の程度等を評価することができるようになる。

親水性膜２８は、親水性を発揮するための物質を塗布等して形成され、疎水性膜２７は、疎水性を発揮するための物質が塗布等して形成される。例えば、疎水性膜２７は、イオン感応膜８の表面に疎水性の物質の塗布等、又は、有機物等の親水性を有する物質の塗布した後に四フッ化メタンガスのプラズマを用いてプラズマ処理を行うことによって形成できる。また、例えば、親水性を有するシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）によってイオン感応膜８が形成されている場合には、親水性膜２８はそのシリコン酸化膜によって形成され、疎水性膜２７に相当する領域にレジスト等の有機物を介してプラズマ処理を行うことによって疎水性膜２７を形成できる。なお、この場合にも、それぞれの親水性膜２８には参照電極４０の信号取出し開口部２６を設けて参照電極４０を用いた測定を同時に行うことが好ましい。

（電界効果型トランジスタ構造）
次に、イオン感応部８の下に設けられる電界効果型トランジスタ構造について説明する。溶液内蔵バイオセンサ１０を構成する電界効果型トランジスタは、(i)ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ及びＣＭＯＳから選ばれるシリコンデバイスで構成されていてもよいし、(ii)アモルファスシリコン薄膜トランジスタ、ポリシリコン薄膜トランジスタ、有機薄膜トランジスタ及び酸化物薄膜トランジスタから選ばれるいずれかで構成されていてもよい。電界効果型トランジスタとして、シリコンデバイスが使用された場合は高精度な測定を実現することができ、薄膜トランジスタが使用された場合は溶液内蔵バイオセンサ１０を大面積で作製でき、製造コストの低減に寄与できる。なお、酸化物薄膜トランジスタが、透明な酸化物半導体と透明基板とを有することが好ましく、こうした透明材料で構成することにより、倒立型顕微鏡でイオン感応部上部の細胞やたんぱく質等を観察することができる。

電界効果型トランジスタの構成について以下に説明する。

基材１の種類や構造は特に限定されるものではなく、用途に応じてフレキシブルな材料や硬質な材料等が選択される。透明な基材は、上記のように、顕微鏡観察に利用可能であるので好ましいが、必ずしも透明である必要はない。具体的には、例えば、ガラス、石英、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート等を挙げることができる。通常は、ＩＴＯ付きガラス基板やＩＴＯ付きプラスチック基板等が好ましく用いられる。なお、金属膜や透明導電膜がゲート電極２として形成されたガラス基板やプラスチック基板等を用いてもよい。基材１の厚さは特に制限されないが、通常、１μｍ以上１ｍｍ以下の程度である。なお、基材１を透明にする場合の透明の定義は、基材１の下方からウェル２０内の測定溶液２１’を観察することができる程度に透明であればよい。例えば、(i)反射率で判断する場合には、波長３５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の可視光域において、各膜の屈折率が約２以下で屈折率差が約０．５以下であることが好ましく、(ii)透過率で判断する場合には、波長３５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の可視光域において、各膜の消光係数ｋが約０．１以下と低いことが好ましい。

ゲート電極２は、図１及び図２に示すように、ＴＦＴ素子部ではゲート電極２として設けられ、イオン感応部８側ではゲート電極２が延びた検出電極２’として設けられており、いずれも基材１上にパターン形成されている。ゲート電極２の形成材料としては、例えばＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ等の透明導電膜、金属導電膜等を好ましく挙げることができる。所望の導電性を有するものであれば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような導電性高分子等であってもよい。ゲート電極２の形成は、ゲート電極材料の種類や基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。ゲート電極２の形成時には、同時に、ゲート電極用配線、グラウンド配線及び電源配線等の回路配線群を、ゲート電極２と同一材料で形成してもよい。ゲート電極２の厚さ、及び、ゲート電極２の形成時に同時に形成する回路配線群（電極や配線）の厚さは、通常、０．０５μｍ以上０．２μｍ以下の程度である。

ゲート絶縁膜３は、図１及び図２に示すように、ＴＦＴ素子部ではゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３として設けられている。ゲート絶縁膜３は、絶縁性が高く、誘電率が比較的高く、ゲート絶縁膜として適しているものであれば各種の有機絶縁材料や無機絶縁材料を用いることができる。必要に応じて透明にしてもよい。ゲート絶縁膜３の形成は、ゲート絶縁膜材料の種類や基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。ゲート絶縁膜３の厚さは、通常、０．１μｍ以上０．３μｍ以下の程度である。

半導体膜４は、図１及び図２に示すように、ＴＦＴ素子部ではゲート絶縁膜３上であって、ゲート電極２の上方に所定のパターンで設けられている。半導体膜４は、透明であってもなくてもよく、ＴＦＴ素子部を構成するチャネル領域として使用できる程度の移動度を有するものであれば、その種類は特に限定されない。半導体膜４の形成は、半導体材料の種類や基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。半導体膜４の厚さは、成膜条件によって任意に設計されるために一概には言えないが、通常１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましく、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内であることがより好ましい。

半導体膜４は、例えばＩＧＺＯ系酸化物半導体膜のような透明半導体を用いてもよい。透明な半導体膜４である酸化物半導体膜を構成する酸化物としては、例えば、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ及びＦｅのうち少なくとも１種）を主たる構成元素とするアモルファス酸化物を挙げることができる。特に、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましく、この場合、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比が１：１：ｍ（ｍ＜６）であることが好ましい。また、Ｍｇをさらに含む場合には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ_1-xＭｇ_xの比が１：１：ｍ（ｍ＜６）で０＜ｘ≦１であることが好ましい。

ソース電極５及びドレイン電極６は、図１及び図２に示すように、ＴＦＴ素子部で、半導体膜４の両側にトップコンタクトするようにパターン形成されている。ソース電極材料及びドレイン電極材料は、透明であってもなくてもよいが、半導体膜４のソース電極接続部（図示しない）及びドレイン電極接続部（図示しない）とのオーミック接触が考慮されて選択される。ソース電極材料及びドレイン電極材料としては、通常、導電性の良い金属膜又は導電性酸化物膜等が用いられる。金属膜としては、チタン膜、アルミニウム膜、アルミニウム膜上にチタン膜を設けた積層膜等を挙げることができ、導電性酸化物膜としては、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ等の透明導電膜を挙げることができる。また、所望の導電性を有するものであれば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような導電性高分子等であってもよい。

ソース電極５及びドレイン電極６の形成は、電極材料の種類や基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。ソース電極５及びドレイン電極６の形成工程時には、同じ電極材料で、同時に、既に形成されている回路配線群への接続や新しい回路配線群の形成を行うことが好ましい。ソース電極５及びドレイン電極６の厚さは、通常、０．１μｍ以上０．３μｍ以下の程度である。

保護膜７は、図１及び図２に示すように、ＴＦＴ素子部で、半導体膜４、ソース電極５及びドレイン電極６を覆うように形成されている。保護膜７としては、厚さ５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の程度のＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）膜等の有機保護膜、又は厚さ１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の程度の酸化ケイ素や酸窒化ケイ素等からなるガスバリア性の無機保護膜等を好ましく挙げることができる。また、上記した半導体膜４の構成材料と同じ酸化物半導体材料で形成してもよい。保護膜７の形成は、保護膜材料の種類や基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。

イオン感応部８は、図１及び図２に示すように、絶縁性の保護膜７上にイオン感応膜としてパターン形成されている。イオン感応部８は、測定溶液２１’に含まれる生体関連物質、例えば細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質、酸化還元酵素、抗原又は抗体等に接触しても問題ない材料で形成される。イオン感応部８の形成材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の無機化合物材料、又は、金、金合金、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ等の導電性材料等を挙げることができる。これらの材料で形成したイオン感応部８は、イオン感応膜で構成されており、測定したいイオン種に応じて適宜選定される。

イオン感応部８は、イオン感応膜を単層で構成したものであっても積層で構成した物であってもよい。積層の場合は、例えば酸化ケイ素膜上に窒化ケイ素膜を設けてもよいし、さらにその上に酸化タンタル膜を設けてもよい。なお、イオン感応部８は絶縁性を有するので、例えばゲート電極２を覆う保護膜として利用してもよい。イオン感応部８の形成は、感応膜材料の種類や基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。イオン感応部８の厚さは、通常、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の程度である。例えば厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素膜を単層で形成したり、例えば厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素膜上に厚さ１００ｎｍの窒化ケイ素膜を形成したりしてもよいし、さらにその上に厚さ１００ｎｍの酸化タンタル膜を形成したりしてもよい。

こうした電界効果型トランジスタ構造は、図１及び図２に示すＴＦＴ構造であってもよいし、図３に示すＩＳＦＥＴ型構造であってもよい。また、図６〜図８に例示するような各種のＴＦＴ構造であってもよい。図６〜図８については、上記と同じ符号を付してその説明は省略するが、図１及び図２で説明した構成要素を全て含んでいるので、同じ機能を果たすことができる。

以上説明したように、本発明に係る溶液内蔵バイオセンサ１０によれば、電界効果型トランジスタを用いたバイオセンサのウェル２０（検査部）に予め溶液２１を入れておくことが可能な素子構造をバイオセンサに設けたので、測定初めに緩衝液等の溶液に長時間浸す作業がなく、迅速且つ効率的に測定することができる。こうした本発明に係る溶液内蔵バイオセンサ１０は、溶液２１を含んだ溶液内蔵バイオセンサとして流通させることができるので、使用時には既にイオン感応部８に水分を含ませた状態になっており、事前に必要だった浸漬時間を省略することができる。そのため、電気特性を測定するまでの時間を大幅に削減することができる。

１基材
２ゲート電極
２’ 検出電極
２” 連結配線
３ゲート絶縁膜
３’ 絶縁膜
４半導体膜
５ソース電極
６ドレイン電極
７保護膜
８イオン感応部（イオン感応膜）
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ溶液内蔵バイオセンサ
２０，２０Ａ，２０Ｂウェル
２１溶液
２１’ 測定用液
２２ウェル側壁
２５信号取出し開口部
２６参照電極用開口部
２７疎水性膜
２８親水性膜
３０カバー材
３２易引き剥がし手段
３５枠体
３７疎水性膜
３８親水性膜
４０参照電極
４２参照電極用開口部
４４基準電極用開口部
５０参照電極用溶液槽
５１参照電極用溶液
５２カバー材
６０基準電極

Claims

検査部となる１又は２以上のウェルと、
該ウェルに一定量収容された所定の溶液と、
該所定の溶液が漏れないように前記ウェルを密閉すると共に該溶液を捨てるために剥がすことができる易引き剥がし手段を備えた第１のカバー材と、
前記ウェル内に設けられたイオン感応部を一部露出させる信号取出し開口部と、
前記イオン感応部の下に設けられた電界効果トランジスタ型バイオセンサと、
前記溶液が収容されたウェルとは異なるウェル内に設けられた参照電極用開口部及び参照電極と、
前記参照電極用開口部及び参照電極が設けられたウェル内に参照電極用溶液を収容するための参照電極用溶液槽と、
前記参照電極用溶液が漏れないように前記参照電極用溶液槽が収容されたウェルを密閉する第２のカバー材と、
を有し、
前記易引き剥がし手段が、
前記第１のカバー材を剥がすときに、前記参照電極用溶液槽が収容されたウェルの密封には影響なく、前記所定の溶液が収容されたウェルを密封している部分のみを分離独立させて個別に引き剥がすことが可能な形状を有していることを特徴とする溶液内蔵バイオセンサ。
前記参照電極用溶液槽内には、参照電極を露出させた参照電極開口部と基準電極が露出した基準電極開口部とが設けられている、請求項１又は２に記載の溶液内蔵バイオセンサ。
前記電界効果トランジスタ型バイオセンサを構成する電界効果型トランジスタが、ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ及びＣＭＯＳから選ばれるシリコンデバイスで構成されている、請求項１又は２に記載の溶液内蔵バイオセンサ。
前記電界効果トランジスタ型バイオセンサを構成する電界効果型トランジスタが、アモルファスシリコン薄膜トランジスタ、ポリシリコン薄膜トランジスタ、有機薄膜トランジスタ及び酸化物薄膜トランジスタから選ばれるいずれかである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶液内蔵バイオセンサ。
前記酸化物薄膜トランジスタが、透明な酸化物半導体と透明基板とを有する、請求項４に記載の溶液内蔵バイオセンサ。
前記信号取り出し開口部のみに前記イオン感応部が設けられ、該イオン感応部の電極を透明電極とし、ベース基材を透明基板とした、請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶液内蔵バイオセンサ。