JPWO2006025180A1 - Ｄｎａセンサー - Google Patents
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Abstract
ハイブリダイゼーションの検出感度を向上させ、未知のＤＮＡの同定を行うことができるＤＮＡセンサーを提供する。
液体電解質からなるゲート８と、少なくとも水素終端表面およびアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面２をｐチャネル５とを有するｐチャネル電界効果トランジスタと、前記ダイヤモンド表面２にリンカーによって直接固定される塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ１１と、前記ダイヤモンド表面２に滴下される未知の１本鎖ＤＮＡからなるターゲットＤＮＡとをセットし、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡ１１と相補的な関係にある場合に、前記１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ１１及びターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより生成される２本鎖ＤＮＡのリン酸基の負の電荷が２倍となり、正孔が誘起され、前記ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧の正方向へシフトすることを利用し、その閾値電圧の正方向へのシフトを検出することにより前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡ１１と相補的な関係にあるか否かを同定する。
液体電解質からなるゲート８と、少なくとも水素終端表面およびアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面２をｐチャネル５とを有するｐチャネル電界効果トランジスタと、前記ダイヤモンド表面２にリンカーによって直接固定される塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ１１と、前記ダイヤモンド表面２に滴下される未知の１本鎖ＤＮＡからなるターゲットＤＮＡとをセットし、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡ１１と相補的な関係にある場合に、前記１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ１１及びターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより生成される２本鎖ＤＮＡのリン酸基の負の電荷が２倍となり、正孔が誘起され、前記ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧の正方向へシフトすることを利用し、その閾値電圧の正方向へのシフトを検出することにより前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡ１１と相補的な関係にあるか否かを同定する。
Description
本発明は、バイオセンサーに係り、特に、ｐチャネル電界効果トランジスタを有するＤＮＡ（デオキシリボ核酸）センサー（ＤＮＡチップ）に関するものである。
従来、このような分野の技術としては、以下のようなものがある。
（１）蛍光検出方式
この蛍光検出方式とは、塩基配列がわかった１本鎖ＤＮＡ（プローブＤＮＡ）をガラス基板、シリコン、ダイヤモンド等に固定し、未知の１本鎖ＤＮＡ（ターゲットＤＮＡ）とのハイブリダイゼーション（互いに相補的な１本鎖ＤＮＡ同士が結合して２本鎖ＤＮＡになる現象）を、ターゲットＤＮＡに固定した蛍光物質で検出するものである。しかしながらこの方式では、蛍光の有無によりハイブリダイゼーションを検出するため、装置が大規模になるという問題があった。また、観測手段が蛍光顕微鏡であるため高密度化には限界がある。
この蛍光検出方式とは、塩基配列がわかった１本鎖ＤＮＡ（プローブＤＮＡ）をガラス基板、シリコン、ダイヤモンド等に固定し、未知の１本鎖ＤＮＡ（ターゲットＤＮＡ）とのハイブリダイゼーション（互いに相補的な１本鎖ＤＮＡ同士が結合して２本鎖ＤＮＡになる現象）を、ターゲットＤＮＡに固定した蛍光物質で検出するものである。しかしながらこの方式では、蛍光の有無によりハイブリダイゼーションを検出するため、装置が大規模になるという問題があった。また、観測手段が蛍光顕微鏡であるため高密度化には限界がある。
（２）電荷検出方式
この電荷検出方式とは、シリコンのＩＳＦＥＴ（イオン感応性電界効果トランジスタ）を基本とする。しかしながら、ＤＮＡのハイブリダイゼーションによる電荷の倍増を検知するには、シリコンＩＳＦＥＴは感度が低い。
この電荷検出方式とは、シリコンのＩＳＦＥＴ（イオン感応性電界効果トランジスタ）を基本とする。しかしながら、ＤＮＡのハイブリダイゼーションによる電荷の倍増を検知するには、シリコンＩＳＦＥＴは感度が低い。
（３）本願発明者が提案した、オゾン処理による高い閾値電圧を有する特性の良好なｐチャネル電界効果トランジスタ
このトランジスタは、液体電解質をゲートとして使用し、オゾン処理により水素終端表面を酸化し、水素終端と酸素終端が混在したダイヤモンド表面をチャネルとしてなるｐチャネル電界効果トランジスタである〔下記特許文献１参照〕。
特開２００４−１０９０２０号公報
このトランジスタは、液体電解質をゲートとして使用し、オゾン処理により水素終端表面を酸化し、水素終端と酸素終端が混在したダイヤモンド表面をチャネルとしてなるｐチャネル電界効果トランジスタである〔下記特許文献１参照〕。
本発明は、上記した（２）の電荷検出方式（電荷検出型ＤＮＡチップ）を更に発展させたものであり、液体電解質からなるゲートと、水素終端表面、酸素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタのダイヤモンド表面に、ＤＮＡを直接固定することにより、ハイブリダイゼーションの検出感度を向上させ、未知のＤＮＡの同定を行うことができるＤＮＡセンサーを提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ＤＮＡセンサーにおいて、液体電解質からなるゲートと、少なくとも水素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタと、前記ダイヤモンド表面のアミノ終端にリンカーによって直接固定される塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡと、前記ダイヤモンド表面に滴下される未知の１本鎖ＤＮＡからなるターゲットＤＮＡとをセットし、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にある場合に、前記１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ及びターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより生成される２本鎖ＤＮＡのリン酸基の負の電荷が２倍となり、正孔が誘起され、前記ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧が正方向へシフトすることを利用し、この閾値電圧の正方向へのシフトを検出することにより、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にあるか否かを同定することを特徴とする。
〔１〕ＤＮＡセンサーにおいて、液体電解質からなるゲートと、少なくとも水素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタと、前記ダイヤモンド表面のアミノ終端にリンカーによって直接固定される塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡと、前記ダイヤモンド表面に滴下される未知の１本鎖ＤＮＡからなるターゲットＤＮＡとをセットし、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にある場合に、前記１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ及びターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより生成される２本鎖ＤＮＡのリン酸基の負の電荷が２倍となり、正孔が誘起され、前記ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧が正方向へシフトすることを利用し、この閾値電圧の正方向へのシフトを検出することにより、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にあるか否かを同定することを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記ダイヤモンド表面に酸素終端表面を含むことを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記リンカーが２乃至３価のカルボン酸であることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記リンカーが２乃至３価のアルデヒドであることを特徴とする。
〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記プローブＤＮＡの密度が１０10ｃｍ-2以上、前記ターゲットＤＮＡの濃度が１０-12Ｍから１０-6Ｍであることを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の正方向へのシフト差を一定ドレイン電流条件下でのゲート電圧変化として検出することを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の正方向へのシフト差を一定ゲート電圧条件下でのドレイン電流変化として検出することを特徴とする。
〔８〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の正方向へのシフト差を一定ドレイン電圧条件下でのドレイン電流変化として検出することを特徴とする。
〔９〕上記〔１〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記ハイブリダイゼーションにおける前記液体電解質からなるバッファ溶液温度を最適な温度である５９℃にすることを特徴とする。
〔１０〕上記〔２〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記ハイブリダイゼーションにおける前記液体電解質からなるバッファ溶液温度を最適な温度である５９℃にすることを特徴とする。
〔１１〕上記〔１〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記バッファ溶液のＮａＣｌ濃度が０．３Ｍ−０．０１Ｍ、デバイ距離が０．５６ｎｍ−３．０４ｎｍであることを特徴とする。
〔１２〕上記〔２〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記バッファ溶液のＮａＣｌ濃度が０．３Ｍ−０．０１Ｍ、デバイ距離が０．５６ｎｍ−３．０４ｎｍであることを特徴とする。
〔１３〕上記〔９〕又は〔１０〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記バッファ溶液温度を５９℃から４０℃、さらに２５℃に下げて、１塩基及び３塩基ミスマッチ・ターゲットＤＮＡの分離検出を可能にすることを特徴とする。
ＤＮＡセンサーにおいて、液体電解質（バッファ溶液）からなるゲートと、少なくとも水素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタ（ＳＧＦＥＴ：電解質ゲートダイヤモンド電界効果トランジスタ）と、前記ダイヤモンド表面のアミノ終端にリンカーによって直接固定される塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡと、前記ダイヤモンド表面に未知の１本鎖ＤＮＡからなるターゲットＤＮＡとをセットし、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にある場合、前記１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡとターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより生成される２本鎖ＤＮＡのリン酸基の電荷（負）が２倍となり、正孔が誘起され、ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧が正方向へシフトすることを利用し、その閾値電圧の正方向へのシフトを検出することにより、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にあるか否かを同定することを特徴とする。よって、迅速、かつ的確なＤＮＡの同定が可能である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
ＤＮＡはリン酸基に由来する負電荷を持っているが、ハイブリダイゼーションを行うことによりその負電荷は約２倍になる。本発明は、その負電荷の顕著な変化を、ＳＧＦＥＴのダイヤモンドチャネル表面にＤＮＡを固定することにより、チャネル表面に励起される正孔の数が増加する度合を検出して、ＤＮＡの同定を可能にする。
以下、本発明のＤＮＡセンサーについて説明する。
図１は本発明にかかるＳＧＦＥＴの断面図、図２は本発明の実施例を示す１本鎖ＤＮＡによる負電荷の発生状態を示すチャネル部の模式図、図３は本発明の実施例を示す２本鎖ＤＮＡによる負電荷の発生状態を示すチャネル部の模式図、図４はＳＧＦＥＴ特性の変化（その１）を示す図、図５はそのＳＧＦＥＴ特性の変化（その２）を示す図である。
（１）図１に示すように、アンドープ多結晶ダイヤモンド層１の、水素終端、酸素終端およびアミノ終端が混在するダイヤモンド表面２にソース電極３とドレイン電極４によって挟まれるようにダイヤモンド表面２からなるｐチャネル５を形成し、ソース電極３及びドレイン電極４上にはそれぞれポリイミド樹脂からなる絶縁膜６，７を形成する。このｐチャネル５上には液体電解質からなるゲート８を形成する。９はゲートとしての液体電解質８に配置される参照電極である。なお、基板としては、多結晶ダイヤモンド層に限定されるものではなく、単結晶ダイヤモンド層を用いてもよい。
このように、液体電解質からなるゲート８と、水素終端、酸素終端およびアミノ終端が混在するダイヤモンド表面２からなるｐチャネル５とを有するｐチャネル電界効果トランジスタを用意する。ここで、ｐＨセンシングという観点からすると、ｐＨはプロトン濃度（Ｈ＋濃度）を測定することになり、アミノ終端ではＮＨ２（アミノ基）ではｐＨ９以下で水素終端でのプロトンと結合し、ＮＨ３となり、酸素終端ではＯ−はｐＨ４．５以下でプロトンと結合し、ＯＨとなる。このように、ｐＨ変化でのプロトン吸着による電荷の変化により、広い範囲のプロトン濃度（Ｈ＋濃度）の測定が可能となるとともに、電界効果トランジスタの高いｐＨ感性を得ることができる。
（２）次に、図２に示すように、上記したダイヤモンド表面２のｐチャネル５上のアミノ終端に、塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ１１を、リンカー〔例えば、２乃至３価のカルボン酸（コハク酸、フタル酸）や２乃至３価のアルデヒド（グルタルアルデヒド）〕を介して架橋作用により共有結合的に直接固定する。このとき、プローブＤＮＡ１１は、１０10ｃｍ-2以上の高密度で固定する。
なお、実施例においてアミノ終端という場合は、ダイヤモンド表面２に直接アミノ基がついている場合のみでなく、ダイヤモンド表面上についた分子の端にアミノ基がついている場合も含まれている。その意味で、アミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面と言い換えることができる。
また、上記したリンカーとしては、例えば、酸又は酸の化合物を用いるが、２乃至３価のカルボン酸（ＣＯＯＨ基がある）や２乃至３価のアルデヒド（ＣＯＨ基）が好適である。
（３）次いで、プローブＤＮＡ１１を固定したｐチャネル５に塩基配列が未知のターゲットＤＮＡ（濃度１０-12Ｍ〜１０-6Ｍ）を滴下する。ここで、プローブＤＮＡ１１と滴下したターゲットＤＮＡが相補的な関係にある場合には、ハイブリダイゼーションにより、プローブＤＮＡ１１は図３に示すように、２本鎖ＤＮＡ１２となる。このとき、リン酸基の数が２倍となるためその負の電荷も２倍となり、これにより正孔が誘起され、ＳＧＦＥＴの閾値電圧が正方向にシフトする。
そこで、このＳＧＦＥＴの閾値電圧の差を、図４に示す一定ドレイン電流（ドレイン・ソース間電流）ＩDS条件（図４の横軸を基準とする）下でのゲート電圧（ゲート・ソース間電圧）ＶGS変化（正方向へのシフト）、あるいは一定ゲート電圧ＶGS条件（図４の縦軸を基準とする）下でのドレイン電流ＩDS変化（負方向へのシフト）、または図５に示す一定ドレイン電圧（ドレイン・ソース間電圧）ＶDS条件（図５の縦軸を基準とする）下でのドレイン電流ＩDS変化（負方向へのシフト）として検出することができる。
図４はそのＳＧＦＥＴ特性図（その１）である（ここでは、ＶDS（Ｖ）〔ドレイン電圧〕を−０．１Ｖに設定している）。この図において、曲線ａは、この１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ１１のみがダイヤモンド表面２に固定されている場合のＳＧＦＥＴのＶGS（Ｖ）〔ゲート電圧〕とＩDS（μＡ）〔ドレイン電流〕との特性を示しており、曲線ｂはハイブリダイゼーションが起こって２本鎖ＤＮＡ１２になった場合のＳＧＦＥＴのＶGS（Ｖ）〔ゲート電圧〕とＩDS（μＡ）〔ドレイン電流〕との特性を示している。ターゲットＤＮＡ（２１塩基対）濃度が０．１ｎＭ、バルク溶液のｐＨ＝７の場合である。
図５はそのＳＧＦＥＴ特性図（その２）である（ここでは、ＶGS（Ｖ）〔ゲート電圧〕を−０．７Ｖに設定している）。この図において、曲線ｃは、１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ１１がダイヤモンド表面２に固定されている場合のＳＧＦＥＴのＶDS（Ｖ）〔ドレイン電圧〕とＩDS（μＡ）〔ドレイン電流〕との特性を示しており、曲線ｄはハイブリダイゼーションが生じて２本鎖ＤＮＡ１２になった場合のＳＧＦＥＴのＶDS（Ｖ）〔ドレイン電圧〕とＩDS（μＡ）〔ドレイン電流〕との特性を示している。ターゲットＤＮＡ（２１塩基対）濃度が０．１ｎＭ、バルク溶液のｐＨ＝７の場合である。
これらの図より明らかなように、一定ドレイン電流ＩDSに対してのゲート電圧ＶGSの変化を見ると、曲線ａと比べて曲線ｂが正方向へシフトしている。また、同様に、一定ゲート電圧ＶGSに対してのドレイン電流ＩDSの変化を見ると、曲線ａと比べて曲線ｂが負方向へシフトしている。
このようにして、ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧の正方向へのシフトの有無を検出することにより、ハイブリダイゼーションの有無、すなわち、未知のターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にあるか否かが同定できる。
なお、前記未知のターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡ１１と相補的な関係にない場合には、ハイブリダイゼーションがほとんど生じないため、ＳＧＦＥＴの閾値電圧の正方向のシフトがないか、シフトがあっても相補的な場合に比べ少ない。
図６は本発明の実施例を示すＤＮＡハイブリダイゼーションによるＳＧＦＥＴのゲート電圧の時間変化を示す図である。ここで、ＳＧＦＥＴのＶDS（Ｖ）〔ドレイン電圧〕は−０．４Ｖ、ＩDS（μＡ）〔ドレイン電流〕は−１０μＡである。
この図により、ダイヤモンド表面のゲート電圧が、プローブＤＮＡに相補的なターゲットＤＮＡを滴下した時に正方向へシフトしていることが確認できる。これはＤＮＡのハイブリダイゼーションにより負電荷を持つリン酸基の数が２倍となり、チャネルに誘起される正孔密度が上昇したことが原因と考えられる。非相補的なターゲットＤＮＡではこのような閾値電圧の変化は観察されない。この方法は、従来のＤＮＡチップでは困難だったリアルタイムにおけるハイブリダイゼーションのラベルフリー検出であり、ダイヤモンドの生体適合性とあいまって広範な臨床応用が実現可能なセンサーとして期待される。
図７は本発明の実施例を示すターゲットＤＮＡの量を変化させた場合の閾値電圧（ゲート電圧）の特性図である。
図７は、プローブＤＮＡと相補的な関係にある１本鎖ＤＮＡをターゲットＤＮＡとして、滴下した時点（６０秒）から一定ドレイン電流を維持した場合のゲート電圧の時間変化を示しており、ハイブリダイゼーションによって生じるゲート電圧の正方向のシフト量をΔＧ（Ｖ）としている。滴下したターゲットＤＮＡの量が１μＭ、１００ｎＭ、１０ｎＭの場合、それぞれ正方向に３８ｍＶ、２５ｍＶ、４ｍＶシフトしている。
以下、具体的な実施例について説明する。
液体電解質（バッファ溶液）をゲートとして使用し、水素終端、酸素終端およびアミノ終端が混在する多結晶または単結晶ダイヤモンド表面をチャネルとしたｐチャネル電界効果トランジスタ（ＳＧＦＥＴ）を用意し、塩基配列が既知のプローブＤＮＡを１０10ｃｍ-2以上の密度でグルタルアルデヒド（２価のアルデヒド）を介して、ダイヤモンド表面に架橋結合により直接固定した。このプローブＤＮＡに対して相補的なターゲットＤＮＡおよび非相補的ターゲットＤＮＡを１０-12Ｍから１０-6Ｍの濃度でプローブＤＮＡが固定された上記のＳＧＦＥＴ上に滴下した。ドレイン電流一定の条件で、ゲート電圧のハイブリダイゼーションによる実時間測定の結果、相補的なターゲットＤＮＡにおいて、ターゲットＤＮＡ濃度１０ｎＭでゲート電圧４ｍＶ、１００ｎＭで２５ｍＶ、１μＭで３８ｍＶ、それぞれ正方向へのシフトを観測できた。非相補的ターゲットＤＮＡではこれらのシフトは全く検出されなかった。
上記したように、本発明のＤＮＡセンサーは、ＤＮＡのリアルタイム検出に好適であり、ダイヤモンドチャネル表面の持つ生体適合性を利用して臨床応用が実現可能なデバイスとして期待される。
次に、バッファ（ＮａＣｌ）溶液濃度の最適化について実験を行った。
図８は、本発明の実施例を示すバッファ溶液濃度の最適化を図るための実験によるデバイ距離（デバイの遮蔽距離）を示す図である。横軸はダイヤモンド表面からの距離、縦軸はダイヤモンド表面電位を示している。
図８は、本発明の実施例を示すバッファ溶液濃度の最適化を図るための実験によるデバイ距離（デバイの遮蔽距離）を示す図である。横軸はダイヤモンド表面からの距離、縦軸はダイヤモンド表面電位を示している。
ハイブリダイゼーション効率とリン酸（ＤＮＡ）の負電荷検出効率は二律背反（トレードオフ）の関係にある。つまり、ハイブリダイゼーション効率は、バッファ（ＮａＣｌ）溶液の濃度が濃い程負電荷同士の反発を遮蔽でき、効率が大となる。これに対して、リン酸（ＤＮＡ）の負電荷検出効率は、バッファ濃度が薄く、デバイ距離が長い程大であり、負電荷検出効率は大となる。
図８において、２１はダイヤモンド表面、２２はＤＮＡ（〜２０塩基：〜６ｎｍ）、バッファ溶液なＮａＣｌ溶液であり、デバイ距離κ−１〔ｎｍ〕は、
κ−１＝０．３０４／（√（ＮａＣｌ）
ここで、バッファ溶液中のイオン種はＮａＣｌであり、ＮａＣｌ濃度によるＤＮＡ検出可能距離を表１に示す。
κ−１＝０．３０４／（√（ＮａＣｌ）
ここで、バッファ溶液中のイオン種はＮａＣｌであり、ＮａＣｌ濃度によるＤＮＡ検出可能距離を表１に示す。
（１）バッファ溶液が２０ｓｓｃの場合、ＮａＣｌ濃度が３Ｍ、デバイ距離は０．１８ｎｍ、（２）バッファ溶液が２ｓｓｃ〔上記（１）のバッファ溶液の１／１０〕の場合、ＮａＣｌ濃度が０．３Ｍ、デバイ距離は０．５６ｎｍ、（３）バッファ溶液が１ｓｓｃ〔上記（１）のバッファ溶液の１／２０〕の場合、ＮａＣｌ濃度が０．１５Ｍ、デバイ距離は０．７８ｎｍ、（４）１０ｍＭの燐酸バッファ溶液（ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｂｕｆｆｅｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ；ＰＢＳ）の場合、ＮａＣｌ濃度が０．０１Ｍ、デバイ距離は３．０４ｎｍとなる。
このことから明らかなように、上記（２）のバッファ溶液が２ｓｓｃの場合、ＮａＣｌ濃度が０．３Ｍ、デバイ距離は０．５６ｎｍであり、ＤＮＡハイブリダイゼーションの最適化が図られているが、デバイ距離が短い。上記（３）のバッファ溶液の場合は、デバイ距離が少し長くなり、ハイブリダイゼーション効率は依然高いのでリアルタイム測定に適している。上記（４）のバッファ溶液の場合は静特性（ＦＥＴ特性）測定の場合に使用している。
なお、ここでは、リンカーを短くし、グルタルアルデヒド（ＧＡ）を使用した。短いリンカーは、デバイ長内にＤＮＡのリン酸基を多く収めるのに有利である。また、ハイブリダイゼーションはバッファ溶液温度に敏感であり、５９℃が最適温度である。しかし、ここではバッファ溶液温度を４０℃に設定し、ハイブリダイゼーションの効率を下げることで、１塩基及び３塩基ミスマッチ・ターゲットＤＮＡを分離検出した。さらに、バッファ溶液温度を２５℃まで低下させることで、３塩基ミスマッチと１塩基ミスマッチは図９に示すように分離される。
なお、図９において、ＩDS（ドレイン−ソース間電流）は−１０μＡ、ＶDS（ドレイン−ソース間電圧）は−０．１Ｖ、ターゲット固定時間は１時間であり、横軸は温度〔℃〕、縦軸はゲートとソース間のΔＶ（シフト電位）〔ｍＶ〕を示している。
なお、図９において、ＩDS（ドレイン−ソース間電流）は−１０μＡ、ＶDS（ドレイン−ソース間電圧）は−０．１Ｖ、ターゲット固定時間は１時間であり、横軸は温度〔℃〕、縦軸はゲートとソース間のΔＶ（シフト電位）〔ｍＶ〕を示している。
以上から、本発明と従来技術との性能比較をすると、バッファ溶液の設定温度をハイブリダイゼーションに最適な５９℃から４０℃、さらに２５℃に下げ、ハイブリダイゼーション効率を下げることで、１塩基及び３塩基ミスマッチ・ターゲットＤＮＡの誤った（不完全な）ハイブリダイゼーションを抑制し、１塩基及び３塩基ミスマッチの分離検出に成功した。従来のＳｉＩＳＦＥＴ系ではここまで高感度での測定例はない。
また、本発明は、大量生産による素子の低価格化により、大量消費型センサーとして、医療分野にとどまらず食品検査、環境計測等としての用途も広がると期待される。したがって、経済的、社会的影響力の極めて高いものである。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）ＤＮＡセンサーにおいて、ハイブリダイゼーションの検出感度を向上させ、未知のＤＮＡの同定を行うことができる。
（２）迅速、かつ的確なＤＮＡのリアルタイム検出が可能である。
より詳細には、本発明は、ダイヤモンドにおいて可能となりつつある高感度ＤＮＡ固定化技術およびＳＧＦＥＴの微細化により、従来型の半導体バイオセンサーや蛍光標識による光検出型バイオセンサーよりも高感度検出が期待されるものである。このＤＮＡセンサーを用いることで、測定試料の微量化が可能なことから、臨床検査室における日常検査ならびに緊急検査に使用することができる。さらに他の機能も含めた集積化ナノデバイスシステムに適した電荷・電位検出型デバイスを実現可能である。
本発明のＤＮＡセンサーは、ＤＮＡのリアルタイム検出に好適であり、ダイヤモンドチャネル表面の持つ生体適合性を利用して臨床応用が実現可能なデバイスとして利用可能である。
また、大量生産による素子の低価格化により、大量消費型センサーとして、医療分野にとどまらず食品検査、環境計測等としての用途も広がると期待される。したがって、経済的、社会的影響力の極めて高いものである。
さらに、将来的には炭素の生体適合性から、体内埋め込みセンサーとしての応用も可能である。
【発明の名称】ＤＮＡセンサーおよびそれを用いた測定方法
【０００１】
【技術分野】
［０００１］ 本発明は、バイオセンサーに係り、特に、ｐチャネル電界効果トランジスタを有するＤＮＡ（デオキシリボ核酸）センサー（ＤＮＡチップ）およびそれを用いた測定方法に関するものである。
【背景技術】
［０００２］ 従来、このような分野の技術としては、以下のようなものがある。
［０００３］（１）蛍光検出方式
この蛍光検出方式とは、塩基配列がわかった１本鎖ＤＮＡ（プローブＤＮＡ）をガラス基板、シリコン、ダイヤモンド等に固定し、未知の１本鎖ＤＮＡ（ターゲットＤＮＡ）とのハイブリダイゼーション（互いに相補的な１本鎖ＤＮＡ同士が結合して２本鎖ＤＮＡになる現象）を、ターゲットＤＮＡに固定した蛍光物質で検出するものである。しかしながらこの方式では、蛍光の有無によりハイブリダイゼーションを検出するため、装置が大規模になるという問題があった。また、観測手段が蛍光顕微鏡であるため高密度化には限界がある。
［０００４］（２）電荷検出方式
この電荷検出方式とは、シリコンのＩＳＦＥＲＴ（イオン感応性電界効果トランジスタ）を基本とする。しかしながら、ＤＮＡのハイブリダイゼーションによる電荷の倍増を検知するには、シリコンＩＳＦＥＴは感度が低い。
［０００５］（３）本願発明者が提案した、オゾン処理による高い閾値電圧を有する特性の良好なｐチャネル電界効果トランジスタ
このトランジスタは、液体電解質をゲートとして使用し、オゾン処理により水素終端表面を酸化し、水素終端と酸素終端が混在したダイヤモンド表面をチャネルとしてなるｐチャネル電界効果トランジスタである〔下記特許文献１参照〕。
【特許文献１】特開２００４−１０９０２０号公報
【発明の開示】
［０００６］ 本発明は、上記した（２）の電荷検出方式（電荷検出型ＤＮＡチップ）を更に発展さ
【技術分野】
［０００１］ 本発明は、バイオセンサーに係り、特に、ｐチャネル電界効果トランジスタを有するＤＮＡ（デオキシリボ核酸）センサー（ＤＮＡチップ）およびそれを用いた測定方法に関するものである。
【背景技術】
［０００２］ 従来、このような分野の技術としては、以下のようなものがある。
［０００３］（１）蛍光検出方式
この蛍光検出方式とは、塩基配列がわかった１本鎖ＤＮＡ（プローブＤＮＡ）をガラス基板、シリコン、ダイヤモンド等に固定し、未知の１本鎖ＤＮＡ（ターゲットＤＮＡ）とのハイブリダイゼーション（互いに相補的な１本鎖ＤＮＡ同士が結合して２本鎖ＤＮＡになる現象）を、ターゲットＤＮＡに固定した蛍光物質で検出するものである。しかしながらこの方式では、蛍光の有無によりハイブリダイゼーションを検出するため、装置が大規模になるという問題があった。また、観測手段が蛍光顕微鏡であるため高密度化には限界がある。
［０００４］（２）電荷検出方式
この電荷検出方式とは、シリコンのＩＳＦＥＲＴ（イオン感応性電界効果トランジスタ）を基本とする。しかしながら、ＤＮＡのハイブリダイゼーションによる電荷の倍増を検知するには、シリコンＩＳＦＥＴは感度が低い。
［０００５］（３）本願発明者が提案した、オゾン処理による高い閾値電圧を有する特性の良好なｐチャネル電界効果トランジスタ
このトランジスタは、液体電解質をゲートとして使用し、オゾン処理により水素終端表面を酸化し、水素終端と酸素終端が混在したダイヤモンド表面をチャネルとしてなるｐチャネル電界効果トランジスタである〔下記特許文献１参照〕。
【特許文献１】特開２００４−１０９０２０号公報
【発明の開示】
［０００６］ 本発明は、上記した（２）の電荷検出方式（電荷検出型ＤＮＡチップ）を更に発展さ
【０００２】
せたものであり、液体電解質からなるゲートと、水素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタのダイヤモンド表面に、ＤＮＡを直接固定することにより、ハイブリダイゼーションの検出感度を向上させ、未知のＤＮＡの同定を行うことができるＤＮＡセンサーおよびそれを用いた測定方法を提供することを目的とする。
［０００７］ 本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ＤＮＡセンサーにおいて、液体電解質からなるゲートと、少なくとも水素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタと、前記ダイヤモンド表面のアミノ終端にリンカーによって直接固定される塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡと、前記ダイヤモンド表面に滴下される未知の１本鎖ＤＮＡからなるターゲットＤＮＡとをセットし、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にある場合に、前記１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ及びターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより生成される２本鎖ＤＮＡに起因して、前記ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧の正方向へのシフトを検出することにより、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にあるか否かを同定することを特徴とする。
［０００８］ 〔２〕上記〔１〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記ダイヤモンド表面に酸素終端表面を含むことを特徴とする。
［０００９］ 〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記リンカーが２乃至３価のカルボン酸であることを特徴とする。
［００１０］ 〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記リンカーが２乃至３価のアルデヒドであることを特徴とする。
［００１１］ 〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記プローブＤＮＡの密度が１０１０ｃｍ−２以上、前ターゲットＤＮＡの濃度が１０−１２Ｍから１０−６Ｍであることを特徴とする。
［００１２］ 〔６〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の
せたものであり、液体電解質からなるゲートと、水素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタのダイヤモンド表面に、ＤＮＡを直接固定することにより、ハイブリダイゼーションの検出感度を向上させ、未知のＤＮＡの同定を行うことができるＤＮＡセンサーおよびそれを用いた測定方法を提供することを目的とする。
［０００７］ 本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ＤＮＡセンサーにおいて、液体電解質からなるゲートと、少なくとも水素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタと、前記ダイヤモンド表面のアミノ終端にリンカーによって直接固定される塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡと、前記ダイヤモンド表面に滴下される未知の１本鎖ＤＮＡからなるターゲットＤＮＡとをセットし、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にある場合に、前記１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ及びターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより生成される２本鎖ＤＮＡに起因して、前記ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧の正方向へのシフトを検出することにより、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にあるか否かを同定することを特徴とする。
［０００８］ 〔２〕上記〔１〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記ダイヤモンド表面に酸素終端表面を含むことを特徴とする。
［０００９］ 〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記リンカーが２乃至３価のカルボン酸であることを特徴とする。
［００１０］ 〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記リンカーが２乃至３価のアルデヒドであることを特徴とする。
［００１１］ 〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記プローブＤＮＡの密度が１０１０ｃｍ−２以上、前ターゲットＤＮＡの濃度が１０−１２Ｍから１０−６Ｍであることを特徴とする。
［００１２］ 〔６〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の
【０００３】
正方向へのシフト差を一定ドレイン条件下でのゲート電圧変化として検出することを特徴とする。
［００１３］ 〔７〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の正方向へのシフト差を一定ゲート電圧条件下でのドレイン電流変化として検出することを特徴とする。
［００１４］ 〔８〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の正方向へのシフト差を一定ドレイン電圧条件下でのドレイン電流変化として検出することを特徴とする。
［００１５］ 〔９〕ＤＮＡセンサーを用いた測定方法において、液体電解質からなるゲートと、少なくとも水素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタと、前記ダイヤモンド表面のアミノ終端にリンカーによって直接固定される塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡと、前記ダイヤモンド表面に滴下される未知の１本鎖ＤＮＡからなるターゲットＤＮＡとをセットし、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にある場合に、前記１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ及びターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより生成される２本鎖ＤＮＡに起因して、前記ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧の正方向へのシフトを検出することにより、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にあるか否かを同定することを特徴とする。
［００１６］
［００１７］
［００１８］
［００１９］
【図面の簡単な説明】
［００２０］［図１］本発明にかかるＳＧＦＥＴの断面図である。
［図２］本発明の実施例を示す１本鎖ＤＮＡによる負電荷の発生状態を示すチャネル部の模式図である。
［図３］本発明の実施例を示す２本鎖ＤＮＡによる負電荷の発生状態を示すチャネル部の模式図である。
［図４］本発明の実施例を示すＳＧＦＥＴ特性の変化（その１）を示す図である。
正方向へのシフト差を一定ドレイン条件下でのゲート電圧変化として検出することを特徴とする。
［００１３］ 〔７〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の正方向へのシフト差を一定ゲート電圧条件下でのドレイン電流変化として検出することを特徴とする。
［００１４］ 〔８〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の正方向へのシフト差を一定ドレイン電圧条件下でのドレイン電流変化として検出することを特徴とする。
［００１５］ 〔９〕ＤＮＡセンサーを用いた測定方法において、液体電解質からなるゲートと、少なくとも水素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混在するダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタと、前記ダイヤモンド表面のアミノ終端にリンカーによって直接固定される塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡと、前記ダイヤモンド表面に滴下される未知の１本鎖ＤＮＡからなるターゲットＤＮＡとをセットし、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にある場合に、前記１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ及びターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより生成される２本鎖ＤＮＡに起因して、前記ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧の正方向へのシフトを検出することにより、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にあるか否かを同定することを特徴とする。
［００１６］
［００１７］
［００１８］
［００１９］
【図面の簡単な説明】
［００２０］［図１］本発明にかかるＳＧＦＥＴの断面図である。
［図２］本発明の実施例を示す１本鎖ＤＮＡによる負電荷の発生状態を示すチャネル部の模式図である。
［図３］本発明の実施例を示す２本鎖ＤＮＡによる負電荷の発生状態を示すチャネル部の模式図である。
［図４］本発明の実施例を示すＳＧＦＥＴ特性の変化（その１）を示す図である。
【０００５】
［００２４］ 以下、本発明のＤＮＡセンサーについて説明する。
［００２５］ 図１は本発明にかかるＳＧＦＥＴの断面図、図２は本発明の実施例を示す１本鎖ＤＮＡによる負電荷の発生状態を示すチャネル部の模式図、図３は本発明の実施例を示す２本鎖ＤＮＡによる負電荷の発生状態を示すチャネル部の模式図、図４はＳＧＦＥＴ特性の変化（その１）を示す図、図５はそのＳＧＦＥＴ特性の変化（その２）を示す図である。
［００２６］ （１）図１に示すように、アンドープ多結晶ダイヤモンド層１の、水素終端およびアミノ終端が混在するダイヤモンド表面２にソース電極３とドレイン電極４によって挟まれるようにダイヤモンド表面２からなるｐチャネル５を形成し、ソース電極３及びドレイン電極４上にはそれぞれポリイミド樹脂からなる絶縁膜６，７を形成する。このｐチャネル５上には液体電解質からなるゲート８を形成する。９はゲートとしての液体電解質８に配置される参照電極である。なお、基板としては、多結晶ダイヤモンド層に限定されるものではなく、単結晶ダイヤモンド層を用いてもよい。
［００２７］ このように、液体電解質からなるゲート８と、水素終端およびアミノ終端が混在するダイヤモンド表面２からなるｐチャネル５とを有するｐチャネル電界効果トランジスタを用意する。
［００２８］ （２）次に、図２に示すように、上記したダイヤモンド表面２のｐチャネル５上のアミノ終端に、塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ１１を、リンカー〔例えば、２乃至３価のカルボン酸（コハク酸、フタル酸）や２乃至３価のアルデヒド（グルタルアルデヒド）〕を介して架橋作用により共有結合的に直接固定する。このとき、プローブＤＮＡ１１は、１０１０ｃｍ−２以上の高密度で固定する。
［００２９］ なお、実施例においてアミノ終端という場合は、ダイヤモンド表面２に直接アミノ基がついている場合のみでなく、ダイヤモンド表面上についた分子の端にアミノ基がつ
［００２４］ 以下、本発明のＤＮＡセンサーについて説明する。
［００２５］ 図１は本発明にかかるＳＧＦＥＴの断面図、図２は本発明の実施例を示す１本鎖ＤＮＡによる負電荷の発生状態を示すチャネル部の模式図、図３は本発明の実施例を示す２本鎖ＤＮＡによる負電荷の発生状態を示すチャネル部の模式図、図４はＳＧＦＥＴ特性の変化（その１）を示す図、図５はそのＳＧＦＥＴ特性の変化（その２）を示す図である。
［００２６］ （１）図１に示すように、アンドープ多結晶ダイヤモンド層１の、水素終端およびアミノ終端が混在するダイヤモンド表面２にソース電極３とドレイン電極４によって挟まれるようにダイヤモンド表面２からなるｐチャネル５を形成し、ソース電極３及びドレイン電極４上にはそれぞれポリイミド樹脂からなる絶縁膜６，７を形成する。このｐチャネル５上には液体電解質からなるゲート８を形成する。９はゲートとしての液体電解質８に配置される参照電極である。なお、基板としては、多結晶ダイヤモンド層に限定されるものではなく、単結晶ダイヤモンド層を用いてもよい。
［００２７］ このように、液体電解質からなるゲート８と、水素終端およびアミノ終端が混在するダイヤモンド表面２からなるｐチャネル５とを有するｐチャネル電界効果トランジスタを用意する。
［００２８］ （２）次に、図２に示すように、上記したダイヤモンド表面２のｐチャネル５上のアミノ終端に、塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ１１を、リンカー〔例えば、２乃至３価のカルボン酸（コハク酸、フタル酸）や２乃至３価のアルデヒド（グルタルアルデヒド）〕を介して架橋作用により共有結合的に直接固定する。このとき、プローブＤＮＡ１１は、１０１０ｃｍ−２以上の高密度で固定する。
［００２９］ なお、実施例においてアミノ終端という場合は、ダイヤモンド表面２に直接アミノ基がついている場合のみでなく、ダイヤモンド表面上についた分子の端にアミノ基がつ
【０００８】
を示しており、ハイブリダイゼーションによって生じるゲート電圧の正方向のシフト量をΔＧ（Ｖ）としている。滴下したターゲットＤＮＡの量が１μＭ、１００ｎＭ、１０ｎＭの場合、それぞれ正方向に３８ｍＶ、２５ｍＶ、４ｍＶシフトしている。
［００４２］ 以下、具体的な実施例について説明する。
［００４３］ 液体電解質（バッファ溶液）をゲートとして使用し、水素終端およびアミノ終端が混在する多結晶または単結晶ダイヤモンド表面をチャネルとしたｐチャネル電界効果トランジスタ（ＳＧＦＥＴ）を用意し、塩基配列が既知のプローブＤＮＡを１０１０ｃｍ−２以上の密度でグルタルアルデヒド（２価のアルデヒド）を介して、ダイヤモンド表面に架橋結合により直接固定した。このプローブＤＮＡに対して相補的なターゲットＤＮＡおよび非相補的ターゲットＤＮＡを１０−１２Ｍから１０−６Ｍ濃度でプローブＤＮＡが固定された上記のＳＧＦＥＴ上に滴下した。ドレイン電流一定の条件で、ゲート電圧のハイブリダイゼーションによる実時間測定の結果、相補的なターゲットＤＮＡにおいて、ターゲットＤＮＡ濃度１０ｎＭでゲート電圧４ｍＶ、１００ｎＭで２５ｍＶ、１μＭで３８ｍＶ、それぞれ正方向へのシフトを観測できた。非相補的ターゲットＤＮＡではこれらのシフトは全く検出されなかった。
［００４４］ 上記したように、本発明のＤＮＡセンサーは、ＤＮＡのリアルタイム検出に好適であり、ダイヤモンドチャネル表面の持つ生体適合性を利用して臨床応用が実現可能なデバイスとして期待される。
［００４５］ 次に、バッファ（ＮａＣｌ）溶液濃度の最適化について実験を行った。
図８は、本発明の実施例を示すバッファ溶液濃度の最適化を図るための実験によるデバイ距離（デバイの遮蔽距離）を示す図である。横軸はダイヤモンド表面からの距離、縦軸はダイヤモンド表面電位を示している。
［００４６］ ハイブリダイゼーション効率とリン酸（ＤＮＡ）の負電荷検出効率は二律背反（トレードオフ）の関係にある。つまり、ハイブリダイゼーション効率は、バッファ（ＮａＣｌ）溶液の濃度が濃い程負電荷同士の反発を遮蔽でき、効率が大となる。これに対して、リン酸（ＤＮＡ）の負電荷検出効率は、バッファ濃度が薄く、デバイ距離が長い程大であり、負電荷検出効率は大となる。
［００４７］ 図８において、２１はダイヤモンド表面、２２はＤＮＡ（〜２０塩基：〜６ｎｍ）、バッファ
を示しており、ハイブリダイゼーションによって生じるゲート電圧の正方向のシフト量をΔＧ（Ｖ）としている。滴下したターゲットＤＮＡの量が１μＭ、１００ｎＭ、１０ｎＭの場合、それぞれ正方向に３８ｍＶ、２５ｍＶ、４ｍＶシフトしている。
［００４２］ 以下、具体的な実施例について説明する。
［００４３］ 液体電解質（バッファ溶液）をゲートとして使用し、水素終端およびアミノ終端が混在する多結晶または単結晶ダイヤモンド表面をチャネルとしたｐチャネル電界効果トランジスタ（ＳＧＦＥＴ）を用意し、塩基配列が既知のプローブＤＮＡを１０１０ｃｍ−２以上の密度でグルタルアルデヒド（２価のアルデヒド）を介して、ダイヤモンド表面に架橋結合により直接固定した。このプローブＤＮＡに対して相補的なターゲットＤＮＡおよび非相補的ターゲットＤＮＡを１０−１２Ｍから１０−６Ｍ濃度でプローブＤＮＡが固定された上記のＳＧＦＥＴ上に滴下した。ドレイン電流一定の条件で、ゲート電圧のハイブリダイゼーションによる実時間測定の結果、相補的なターゲットＤＮＡにおいて、ターゲットＤＮＡ濃度１０ｎＭでゲート電圧４ｍＶ、１００ｎＭで２５ｍＶ、１μＭで３８ｍＶ、それぞれ正方向へのシフトを観測できた。非相補的ターゲットＤＮＡではこれらのシフトは全く検出されなかった。
［００４４］ 上記したように、本発明のＤＮＡセンサーは、ＤＮＡのリアルタイム検出に好適であり、ダイヤモンドチャネル表面の持つ生体適合性を利用して臨床応用が実現可能なデバイスとして期待される。
［００４５］ 次に、バッファ（ＮａＣｌ）溶液濃度の最適化について実験を行った。
図８は、本発明の実施例を示すバッファ溶液濃度の最適化を図るための実験によるデバイ距離（デバイの遮蔽距離）を示す図である。横軸はダイヤモンド表面からの距離、縦軸はダイヤモンド表面電位を示している。
［００４６］ ハイブリダイゼーション効率とリン酸（ＤＮＡ）の負電荷検出効率は二律背反（トレードオフ）の関係にある。つまり、ハイブリダイゼーション効率は、バッファ（ＮａＣｌ）溶液の濃度が濃い程負電荷同士の反発を遮蔽でき、効率が大となる。これに対して、リン酸（ＤＮＡ）の負電荷検出効率は、バッファ濃度が薄く、デバイ距離が長い程大であり、負電荷検出効率は大となる。
［００４７］ 図８において、２１はダイヤモンド表面、２２はＤＮＡ（〜２０塩基：〜６ｎｍ）、バッファ
【００１０】
なお、図９において、ＩＤＳ（ドレイン−ソース間電流）は−１０μＡ、ＶＤＳ（ドレイン−ソース間電圧）は−０．１Ｖ、ターゲット固定時間は１時間であり、横軸は温度〔℃〕、縦軸はゲートとソース間のΔＶ（シフト電位）〔ｍＶ〕を示している。
［００５１］ 以上から、本発明と従来技術との性能比較をすると、バッファ溶液の設定温度をハイブリダイゼーションに最適な５９℃から４０℃、さらに２５℃に下げ、ハイブリダイゼーション効率を下げることで、１塩基及び３塩基ミスマッチ・ターゲットＤＮＡの誤った（不完全な）ハイブリダイゼーションを抑制し、１塩基及び３塩基ミスマッチの分離検出に成功した。従来のＳｉＩＳＦＥＴ系ではここまで高感度での測定例はない。
［００６２］ また、本発明は、大量生産による素子の低価格化により、大量消費型センサーとして、医療分野にとどまらず食品検査、環境計測等としての用途も広がると期待される。したがって、経済的、社会的影響力の極めて高いものである。
［００５３］ なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
［００５４］ 本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
［００５６］ （１）ＤＮＡセンサーにおいて、ハイブリダイゼーションの検出感度を向上させ、未知のＤＮＡの同定を行うことができる。
［００５６］ （２）迅速、かつ的確なＤＮＡのリアルタイム検出が可能である。
［００５７］ より詳細には、本発明は、ダイヤモンドにおいて可能となりつつある高感度ＤＮＡ固定化技術およびＳＧＦＥＴの微細化により、従来型の半導体バイオセンサーや蛍光標識による光検出型バイオセンサーよりも高感度検出が期待されるものである。このＤＮＡセンサーを用いることで、測定試料の微量化が可能なことから、臨床検査室における日常検査ならびに緊急検査に使用することができる。さらに他の機能も含めた集積化ナノデバイスシステムに適した電荷・電位検出型デバイスを実現可能である。
以上ではダイヤモンド表面は、水素終端、アミノ終端が混在する表面としてきたが、酸素終端表面がＤＮＡセンサーとしての機能を損なわない限りの占有率で同表面に混在しても構わない。
【産業上の利用可能性】
［００５８］ 本発明のＤＮＡセンサーは、ＤＮＡのリアルタイム検出に好適であり、ダイヤモンドチャネル表面の持つ生体適合性を利用して臨床応用が実現可能なデバイスとして利用可能である。
［００５９］ また、大量生産による素子の低価格化により、大量消費型センサーとして、医療分
なお、図９において、ＩＤＳ（ドレイン−ソース間電流）は−１０μＡ、ＶＤＳ（ドレイン−ソース間電圧）は−０．１Ｖ、ターゲット固定時間は１時間であり、横軸は温度〔℃〕、縦軸はゲートとソース間のΔＶ（シフト電位）〔ｍＶ〕を示している。
［００５１］ 以上から、本発明と従来技術との性能比較をすると、バッファ溶液の設定温度をハイブリダイゼーションに最適な５９℃から４０℃、さらに２５℃に下げ、ハイブリダイゼーション効率を下げることで、１塩基及び３塩基ミスマッチ・ターゲットＤＮＡの誤った（不完全な）ハイブリダイゼーションを抑制し、１塩基及び３塩基ミスマッチの分離検出に成功した。従来のＳｉＩＳＦＥＴ系ではここまで高感度での測定例はない。
［００６２］ また、本発明は、大量生産による素子の低価格化により、大量消費型センサーとして、医療分野にとどまらず食品検査、環境計測等としての用途も広がると期待される。したがって、経済的、社会的影響力の極めて高いものである。
［００５３］ なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
［００５４］ 本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
［００５６］ （１）ＤＮＡセンサーにおいて、ハイブリダイゼーションの検出感度を向上させ、未知のＤＮＡの同定を行うことができる。
［００５６］ （２）迅速、かつ的確なＤＮＡのリアルタイム検出が可能である。
［００５７］ より詳細には、本発明は、ダイヤモンドにおいて可能となりつつある高感度ＤＮＡ固定化技術およびＳＧＦＥＴの微細化により、従来型の半導体バイオセンサーや蛍光標識による光検出型バイオセンサーよりも高感度検出が期待されるものである。このＤＮＡセンサーを用いることで、測定試料の微量化が可能なことから、臨床検査室における日常検査ならびに緊急検査に使用することができる。さらに他の機能も含めた集積化ナノデバイスシステムに適した電荷・電位検出型デバイスを実現可能である。
以上ではダイヤモンド表面は、水素終端、アミノ終端が混在する表面としてきたが、酸素終端表面がＤＮＡセンサーとしての機能を損なわない限りの占有率で同表面に混在しても構わない。
【産業上の利用可能性】
［００５８］ 本発明のＤＮＡセンサーは、ＤＮＡのリアルタイム検出に好適であり、ダイヤモンドチャネル表面の持つ生体適合性を利用して臨床応用が実現可能なデバイスとして利用可能である。
［００５９］ また、大量生産による素子の低価格化により、大量消費型センサーとして、医療分
Claims (13)
- （ａ）液体電解質からなるゲートと、少なくとも水素終端表面およびアミノ終端としてのアミノ基またはアミノ基のある分子で終端された表面が混合されたダイヤモンド表面をチャネルとするｐチャネル電界効果トランジスタと、
（ｂ）前記ダイヤモンド表面のアミノ終端にリンカーによって直接固定される塩基配列が既知の１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡと、
（ｃ）前記ダイヤモンド表面に滴下される未知の１本鎖ＤＮＡからなるターゲットＤＮＡとをセットし、
（ｄ）前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にある場合に、前記１本鎖ＤＮＡからなるプローブＤＮＡ及びターゲットＤＮＡのハイブリダイゼーションにより生成される２本鎖ＤＮＡのリン酸基の負の電荷が２倍となり、正孔が誘起され、前記ｐチャネル電界効果トランジスタの閾値電圧が正方向へシフトすることを利用し、該閾値電圧の正方向へシフトを検出することにより、前記ターゲットＤＮＡが前記プローブＤＮＡと相補的な関係にあるか否かを同定することを特徴とするＤＮＡセンサー。 - 請求項１記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記ダイヤモンド表面に酸素終端表面を含むことを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項１又は２記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記リンカーが２乃至３価のカルボン酸であることを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項１又は２記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記リンカーが２乃至３価のアルデヒドであることを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項１、２、３又は４記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記プローブＤＮＡの密度が１０10ｃｍ-2以上、前記ターゲットＤＮＡの濃度が１０-12Ｍから１０-6Ｍであることを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項１、２、３又は４記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の正方向へのシフト差を一定ドレイン電流条件下でのゲート電圧変化として検出することを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項１、２、３又は４記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の正方向へのシフト差を一定ゲート電圧条件下でのドレイン電流変化として検出することを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項１、２、３又は４記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記閾値電圧の正方向へのシフト差を一定ドレイン電圧条件下でのドレイン電流変化として検出することを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項１記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記ハイブリダイゼーションにおける前記液体電解質からなるバッファ溶液温度を最適な温度である５９℃にすることを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項２記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記ハイブリダイゼーションにおける前記液体電解質からなるバッファ溶液温度を最適な温度である５９℃にすることを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項１記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記バッファ溶液のＮａＣｌ濃度が０．３Ｍ−０．０１Ｍ、デバイ距離が０．５６ｎｍ−３．０４ｎｍであることを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項２記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記バッファ溶液のＮａＣｌ濃度が０．３Ｍ−０．０１Ｍ、デバイ距離が０．５６ｎｍ−３．０４ｎｍであることを特徴とするＤＮＡセンサー。
- 請求項９又は１０記載のＤＮＡセンサーにおいて、前記バッファ溶液温度を５９℃から４０℃、さらに２５℃に下げて、１塩基及び３塩基ミスマッチ・ターゲットＤＮＡの分離検出を可能にすることを特徴とするＤＮＡセンサー。
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