JP2008082988A - Detection method using multistage amplification - Google Patents
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Abstract
【課題】電界効果トランジスタの電気特性を利用したセンサの検出感度を向上させること。
【解決手段】電界効果トランジスタに固定された第一次結合分子と、試料に含まれる検出対象物とを反応させるステップ;前記検出対象物と特異的に反応する第二次結合分子を反応させるステップ;前記第二次結合分子を反応させた後に、電界効果トランジスタの電気シグナルを測定するステップを含む、検出対象物を検出する方法。前記第二次結合分子は、電気シグナルを増幅させる物質で標識されていることが好ましい。
【選択図】図23An object of the present invention is to improve the detection sensitivity of a sensor using the electrical characteristics of a field effect transistor.
A step of reacting a primary binding molecule immobilized on a field effect transistor with a detection target contained in a sample; a step of reacting a secondary binding molecule specifically reacting with the detection target. A method for detecting an object to be detected, comprising the step of measuring an electric signal of a field effect transistor after reacting the secondary binding molecule. The secondary binding molecule is preferably labeled with a substance that amplifies an electrical signal.
[Selection] Figure 23
Description
本発明は、多段階増幅を利用した検出方法に関する。より具体的には、検出部である電界効果トランジスタの電気信号を多段階増幅させて試料中の検出対象物を検出する方法に関する。 The present invention relates to a detection method using multistage amplification. More specifically, the present invention relates to a method for detecting a detection target in a sample by amplifying an electric signal of a field effect transistor as a detection unit in multiple stages.
広義の抗原−抗体反応を利用して検出対象物を検出する方法を「免疫学的検出方法」や「イムノアッセイ」などと称する。「免疫学的検出方法」の一つとして、酵素免疫測定法(ELISA)がある。 A method of detecting a detection target using a broadly defined antigen-antibody reaction is referred to as “immunological detection method”, “immunoassay”, or the like. One “immunological detection method” is an enzyme immunoassay (ELISA).
酵素免疫測定法の一つであるサンドイッチ法は、一般的に、マイクロタイターウエルなどの固相に結合させた抗体(キャプチャー抗体)と、検出対象物とを反応させて結合させ;前記抗体と結合した検出対象物と、酵素で標識された検出抗体とを反応させ;前記検出抗体を標識する酵素の活性を測定することで検出対象物を検出する方法である。一般的にサンドイッチ法は、キャプチャー抗体だけを用いる競合法と比較して、検出感度が高く、特異性も高い。 The sandwich method, which is one of enzyme immunoassays, generally involves reacting and binding an antibody (capture antibody) bound to a solid phase such as a microtiter well and the detection target; The detection target is reacted with a detection antibody labeled with an enzyme; the detection target is detected by measuring the activity of an enzyme that labels the detection antibody. In general, the sandwich method has higher detection sensitivity and higher specificity than a competitive method using only a capture antibody.
一方、電界効果トランジスタ(以下「FET」とも称する)は、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極の3端子を有し、ソース電極およびドレイン電極に接続されるチャネルに流れる電流がゲート電極に印加される電圧により生じた電界によって制御される半導体素子である。チャネルが超微細繊維体、たとえばカーボンナノチューブ(以下「CNT」とも称する)で構成されたカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ(以下「CNT−FET」とも称する)なども知られている。 On the other hand, a field effect transistor (hereinafter also referred to as “FET”) has three terminals of a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode, and a current flowing through a channel connected to the source electrode and the drain electrode is applied to the gate electrode. It is a semiconductor element controlled by an electric field generated by a voltage. There is also known a carbon nanotube field effect transistor (hereinafter also referred to as “CNT-FET”) in which a channel is formed of an ultrafine fiber body, for example, a carbon nanotube (hereinafter also referred to as “CNT”).
CNT−FETの一例が、図1Aおよび図1Bに示される(例えば、非特許文献1参照)。
図1Aに示されるCNT−FETにおいては、基板2の第一の面に形成された絶縁膜1上に、ソース電極3およびドレイン電極4、ならびにこれらの電極を接続するチャネルが配置され、第二の面上にシリコン基板2と電気的に接続されているゲート電極5が配置されている。このようなFETは、ゲート電極の配置に基づいて、バックゲート型電界効果トランジスタ(以下「バックゲート型FET」とも称する)と称されることがある。
図1Bに示されるFETにおいては、基板2の第一の面に形成された絶縁膜1上に、ソース電極3、ドレイン電極4およびゲート電極5が配置されている。このようなFETは、ゲート電極の配置に基づいて、サイドゲート型電界効果トランジスタ(以下「サイドゲート型FET」とも称する)と称されることがある。
An example of a CNT-FET is shown in FIGS. 1A and 1B (see, for example, Non-Patent Document 1).
In the CNT-FET shown in FIG. 1A, a
In the FET shown in FIG. 1B, a
また、CNT−FETの電気特性を利用したセンサの開発が進められている(例えば、特許文献1を参照)。これらのセンサは、チャネルとなるCNTの電気特性がCNTに固定された分子認識部位の状態変化に依存して変化することを利用しており、例えば、その分子認識部位と被検出物質の反応を、反応により誘起されるCNTの電気特性の変化を介してCNT−FETのソース電極とドレイン電極との間の電流(以下「ソース−ドレイン電流」という)または電圧(以下「ソース−ドレイン電圧」という)の変化として検出する。
本発明者は、FETの電気特性を利用したセンサの感度を向上させることを検討した。その結果、ELISAにおけるサンドイッチ法のように、FETに固定された分子認識部位(例えばキャプチャー抗体)に検出対象物を反応させた後に、さらに検出対象物と特異的に反応する結合分子を反応させることにより、FETの電気特性の変化が増幅されることを見出した。この知見から本発明はなされた。 The present inventor has studied to improve the sensitivity of the sensor using the electrical characteristics of the FET. As a result, like the sandwich method in ELISA, after reacting the detection target to the molecular recognition site (eg, capture antibody) immobilized on the FET, further reacting the binding molecule that reacts specifically with the detection target. As a result, it was found that the change in the electrical characteristics of the FET is amplified. The present invention has been made based on this finding.
さらにFETを特定の構造とすることにより、検出感度を上げること、およびセンサとしての構造自由度を上げることを検討した。従来のFETでは、ソース−ドレイン電流を制御するため、チャネルの電気特性を制御するゲート電極をチャネルの近傍に配置する必要があった。 Furthermore, we investigated increasing the detection sensitivity and increasing the degree of structural freedom as a sensor by making the FET a specific structure. In the conventional FET, in order to control the source-drain current, it is necessary to dispose a gate electrode for controlling the electrical characteristics of the channel in the vicinity of the channel.
つまり、従来のバックゲート型FETにおいては、基板をバックゲート電極として作用させることで、ゲート電極を基板上に形成した絶縁膜のみを隔ててチャネルに近接させていた。そのため、ゲート電極を基板と電気的に接触させる必要があると考えられてきた。すなわち、ゲート電極を、電気伝導性を有する基板に電気的に直接接触させて配置させて、できるだけゲート電極の電位変化によるチャネル近傍の電界変化、すなわちソース−ドレイン電流またはソース−ドレイン電圧への作用を高めることが必要であると考えられていた。 That is, in the conventional back gate type FET, the substrate is made to act as a back gate electrode, so that the gate electrode is brought close to the channel through only the insulating film formed on the substrate. Therefore, it has been considered that the gate electrode needs to be in electrical contact with the substrate. That is, the gate electrode is placed in direct electrical contact with the electrically conductive substrate, and the electric field change in the vicinity of the channel due to the potential change of the gate electrode as much as possible, that is, the effect on the source-drain current or the source-drain voltage. Was thought to be necessary.
また、従来のサイドゲート型FETにおいては、ゲート電極によりソース−ドレイン電流を制御するため、ゲート電極をチャネルに近づけて配置させることが必要であると考えられていた。すなわち、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが配置された基板面と同一の面に配置されたゲート電極を、ナノメートルレベルにまでチャネルに接近させて、できるだけソース−ドレイン電流またはソース−ドレイン電圧への作用を高めることが必要であると考えられていた。 Further, in the conventional side gate type FET, since the source-drain current is controlled by the gate electrode, it is considered necessary to arrange the gate electrode close to the channel. That is, the gate electrode disposed on the same surface as the substrate surface on which the source electrode, the drain electrode, and the channel are disposed is brought close to the channel to the nanometer level, and as much as possible to the source-drain current or the source-drain voltage. It was thought necessary to enhance the action.
本発明者は、支持基板に形成された絶縁膜上に、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが形成されたFETにおいて、「支持基板において自由電子の移動による分極が生じるようにゲート電極を配置する」という、新しい原理(ソース−ドレイン電流の制御原理)に基づくFETを開発することを検討した。 In the FET in which the source electrode, the drain electrode, and the channel are formed on the insulating film formed on the support substrate, the present inventor “disposes the gate electrode so that polarization is caused by the movement of free electrons in the support substrate”. We studied the development of FETs based on the new principle (source-drain current control principle).
そして本発明者は、FETの性能の向上、およびFETのバイオセンサへの適用を検討するなかで、FETのゲート電極は、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが配置された基板の裏面に配置された場合に、その基板裏面に絶縁膜が形成されていても、ソース−ドレイン電流を制御することができることを見出した。
さらに本発明者は、FETのゲート電極は、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが配置された基板表面と同一の表面に配置された場合に、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルからある程度離されて配置されても、ソース−ドレイン電流を制御することができることを見出した。
さらに本発明者は、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが配置された基板とは分離されるが、電気的に接続されている別個の基板に配置されたゲート電極が、ソース−ドレイン電流を制御することができることを見出した。
And while this inventor examined the improvement of the performance of FET, and the application to the biosensor of FET, the gate electrode of FET was arrange | positioned at the back surface of the board | substrate with which the source electrode, the drain electrode, and the channel were arrange | positioned. In some cases, it was found that the source-drain current can be controlled even if an insulating film is formed on the back surface of the substrate.
Furthermore, the present inventor has shown that when the gate electrode of the FET is disposed on the same surface as the substrate surface on which the source electrode, the drain electrode and the channel are disposed, the FET is disposed at a certain distance from the source electrode, the drain electrode and the channel. However, it has been found that the source-drain current can be controlled.
Furthermore, the inventor is separated from the substrate on which the source electrode, the drain electrode and the channel are arranged, but the gate electrode arranged on a separate substrate which is electrically connected controls the source-drain current. I found that I can do it.
そして、これらの新しい制御原理に基づくFETに固定されたキャプチャー用の結合分子と検出対象物とを反応させ、さらに検出対象物と特異的に反応する結合分子を反応させることで、FETの電気的特性の変化を増幅させるという、新しい原理の検出法を完成させた。 Then, the capture binding molecule fixed to the FET based on these new control principles is reacted with the detection target, and the binding molecule that reacts specifically with the detection target is further reacted to react the FET electrical We have completed a new principle detection method that amplifies changes in characteristics.
すなわち本発明は、以下に示す検出方法に関する。
[1]電界効果トランジスタに固定された第一次結合分子と、試料に含まれる検出対象物とを反応させるステップ;前記検出対象物と特異的に反応する第二次結合分子を、前記検出対象物と反応させるステップ;および前記第二次結合分子を反応させた後に、電界効果トランジスタの電気シグナルを測定するステップを含む、検出対象物を検出する方法。
[2]電界効果トランジスタに固定された第一次結合分子と、試料に含まれる検出対象物とを反応させるステップ;前記検出対象物と特異的に反応する第二次結合分子を、前記検出対象物と反応させるステップ;第二次結合分子と特異的に結合する第三次結合分子を、前記第二次結合分子と反応させ、さらに必要に応じて、より高次の結合分子を反応させるステップ;ならびに前記結合分子のうち最高次結合分子を反応させた後に、電界効果トランジスタの電気シグナルを測定するステップを含む、検出対象物を検出する方法。
[3]前記第一次結合分子と前記検出対象物とを反応させる前に、前記電界効果トランジスタにおける前記第一次結合分子の固定面をブロッキングするステップをさらに含む、[1]または[2]に記載の方法。
[4]前記第二次から最高次の結合分子のいずれかは、電界効果トランジスタの電気的シグナルを増幅させる物質で標識されている、[1]〜[3]のいずれかに記載の方法。
[5]前記電界効果トランジスタの電気的シグナルを増幅させる物質が、電気伝導体、電気絶縁体または半導体物質である、[4]に記載の方法。
[6]前記電界効果トランジスタの電気的シグナルを増幅させる物質が、電気伝導体、半導体物質である、[4]に記載の方法。
[7]前記電界効果トランジスタの電気シグナルは、ソース-ドレイン電流とゲート電圧の関係を示すI−Vg特性、またはソース-ドレイン電流とソース-ドレイン電圧の関係を示すI−V特性である、[1]〜[6]のいずれかに記載の方法。
That is, the present invention relates to the following detection method.
[1] A step of reacting a primary binding molecule fixed to a field-effect transistor and a detection target contained in a sample; a secondary binding molecule that specifically reacts with the detection target; A method of detecting an object to be detected, comprising: reacting with a substance; and measuring an electric signal of a field effect transistor after reacting the secondary binding molecule.
[2] A step of reacting a primary binding molecule immobilized on a field effect transistor and a detection target contained in a sample; a secondary binding molecule that specifically reacts with the detection target; A step of reacting a secondary binding molecule with a secondary binding molecule, and a step of reacting a higher order binding molecule as required. And a method of detecting an object to be detected, comprising the step of measuring an electric signal of a field effect transistor after reacting the highest-order binding molecule among the binding molecules.
[3] The method further includes the step of blocking the fixed surface of the primary binding molecule in the field effect transistor before reacting the primary binding molecule and the detection target. [1] or [2] The method described in 1.
[4] The method according to any one of [1] to [3], wherein any one of the second to highest binding molecules is labeled with a substance that amplifies an electric signal of a field effect transistor.
[5] The method according to [4], wherein the substance that amplifies the electric signal of the field effect transistor is an electric conductor, an electric insulator, or a semiconductor substance.
[6] The method according to [4], wherein the substance that amplifies the electric signal of the field effect transistor is an electric conductor or a semiconductor substance.
[7] The electric signal of the field effect transistor has an I-Vg characteristic indicating a relationship between a source-drain current and a gate voltage, or an IV characteristic indicating a relationship between the source-drain current and the source-drain voltage. The method according to any one of 1] to [6].
さらに本発明は、以下に示される特定の構造の電界効果トランジスタを用いる検出方法に関する。
[8]前記電界効果トランジスタは、基板、前記基板上に配置されたソース電極とドレイン電極、前記ソース電極とドレイン電極とを電気的に接続する超微細繊維体を含むチャネル、および前記チャネルを流れる電流を制御するゲート電極を含み、
前記第一次結合分子は、前記基板、超微細繊維体またはゲート電極に固定されている、[1]〜[7]のいずれかに記載の方法。
[9]前記電界効果トランジスタは、基板、前記基板上に配置されたソース電極とドレイン電極、前記ソース電極とドレイン電極とを電気的に接続する超微細繊維体を含むチャネル、および前記チャネルを流れる電流を制御するゲート電極を含み、
前記基板は、半導体または金属からなる支持基板、前記支持基板の第一の面に形成された第一の絶縁膜、および前記支持基板の第二の面に形成された第二の絶縁膜を有し;前記ソース電極、ドレイン電極およびチャネルは、前記第一の絶縁膜上に配置され;前記ゲート電極は、前記第二の絶縁膜上に配置されており、かつ
前記第一次結合分子は、前記第二の絶縁膜またはゲート電極に固定されている、[1]〜[7]のいずれかに記載の方法。
[10]前記電界効果トランジスタは、基板、前記基板上に配置されたソース電極とドレイン電極、前記ソース電極とドレイン電極とを電気的に接続する超微細繊維体を含むチャネル、および前記チャネルを流れる電流を制御するゲート電極を含み、
前記基板は、半導体または金属からなる支持基板、前記支持基板の第一の面に形成された第一の絶縁膜を有し;前記ソース電極、ドレイン電極、チャネルおよびゲート電極は、前記第一の絶縁膜上に配置され、前記ゲート電極と前記超微細繊維体との間隔が10μm以上であり、かつ
前記第一次結合分子は、前記第一の絶縁膜またはゲート電極に固定されている、[1]〜[7]のいずれかに記載の方法。
[11]前記電界効果トランジスタは、基板、前記基板上に配置されたソース電極とドレイン電極、前記ソース電極とドレイン電極とを電気的に接続する超微細繊維体を含むチャネル、および前記チャネルを流れる電流を制御するゲート電極、ならびに前記基板に電気的に接続されている第二の基板を含み、
前記基板は、半導体または金属からなる支持基板、前記支持基板の第一の面に形成された第一の絶縁膜を有し、前記ソース電極、ドレイン電極およびチャネルは、前記第一の絶縁膜上に配置され、前記ゲート電極は、前記第二の基板の第一の面上に配置されており、かつ
前記第一次結合分子は、前記第二の基板の第一の面またはゲート電極に固定されている、[1]〜[7]のいずれかに記載の方法。
[12]前記超微細繊維体はカーボンナノチューブである、[1]〜[11]のいずれかに記載の方法。
Furthermore, the present invention relates to a detection method using a field effect transistor having a specific structure shown below.
[8] The field-effect transistor flows through the substrate, a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate, a channel including an ultrafine fiber body that electrically connects the source electrode and the drain electrode, and the channel Including a gate electrode for controlling the current;
The method according to any one of [1] to [7], wherein the primary binding molecule is fixed to the substrate, the ultrafine fiber body, or the gate electrode.
[9] The field effect transistor flows through the substrate, a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate, a channel including an ultrafine fiber body that electrically connects the source electrode and the drain electrode, and the channel. Including a gate electrode for controlling the current;
The substrate has a support substrate made of a semiconductor or metal, a first insulating film formed on the first surface of the support substrate, and a second insulating film formed on the second surface of the support substrate. The source electrode, the drain electrode and the channel are disposed on the first insulating film; the gate electrode is disposed on the second insulating film; and the primary binding molecule is: The method according to any one of [1] to [7], wherein the method is fixed to the second insulating film or the gate electrode.
[10] The field-effect transistor flows through the substrate, a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate, a channel including an ultrafine fiber body that electrically connects the source electrode and the drain electrode, and the channel. Including a gate electrode for controlling the current;
The substrate includes a support substrate made of a semiconductor or metal, and a first insulating film formed on a first surface of the support substrate; the source electrode, the drain electrode, the channel, and the gate electrode are Disposed on an insulating film, and a distance between the gate electrode and the ultrafine fiber body is 10 μm or more, and the primary binding molecules are fixed to the first insulating film or the gate electrode, The method according to any one of 1] to [7].
[11] The field-effect transistor flows through the substrate, a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate, a channel including an ultrafine fiber body that electrically connects the source electrode and the drain electrode, and the channel A gate electrode for controlling current, and a second substrate electrically connected to the substrate;
The substrate includes a support substrate made of a semiconductor or metal, a first insulating film formed on a first surface of the support substrate, and the source electrode, the drain electrode, and the channel are on the first insulating film. The gate electrode is disposed on the first surface of the second substrate, and the primary binding molecule is fixed to the first surface of the second substrate or the gate electrode. The method according to any one of [1] to [7].
[12] The method according to any one of [1] to [11], wherein the ultrafine fiber body is a carbon nanotube.
本発明の検出方法により、電界効果トランジスタの電気特性を利用したセンサの感度がさらに向上される。さらにダイナミックレンジの拡大や特異性の向上が期待される。 The detection method of the present invention further improves the sensitivity of the sensor using the electrical characteristics of the field effect transistor. Furthermore, expansion of dynamic range and improvement of specificity are expected.
本発明の検出方法は、1)電界効果トランジスタに固定された第一次結合分子と、試料に含まれる検出対象物とを反応させるステップ、2)検出対象物と特異的に反応する第二次結合分子を、検出対象物と反応させるステップ、3)第二次結合分子を反応させた後に、電界効果トランジスタの電気シグナルを測定するステップを含む。さらに1)のステップの前に電界効果トランジスタにおける第一次結合分子の結合面をブロッキングするステップを含んでも良い。 The detection method of the present invention includes 1) a step of reacting a primary binding molecule fixed to a field effect transistor and a detection target contained in a sample, and 2) a secondary reaction specifically reacting with the detection target. Reacting the binding molecule with the object to be detected, and 3) measuring the electric signal of the field effect transistor after reacting the secondary binding molecule. Furthermore, a step of blocking the bonding surface of the primary binding molecule in the field effect transistor may be included before the step 1).
1.電界効果トランジスタについて
第一次結合分子が固定される電界効果トランジスタは、一般的に、基板;前記基板上に配置されたソース電極とドレイン電極;前記ソース電極とドレイン電極とを電気的に接続するチャネル;前記チャネルを流れる電流を制御するゲート電極を含む。電界効果トランジスタの例は、前述の特許文献1や非特許文献1にも記載されている。さらに、以下において好ましい態様の電界効果トランジスタについて部材ごとに説明する。
1. Field Effect Transistor A field effect transistor to which a primary binding molecule is fixed is generally a substrate; a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate; and electrically connecting the source electrode and the drain electrode. A channel; including a gate electrode for controlling a current flowing through the channel. Examples of the field effect transistor are also described in
1−1.基板について
電界効果トランジスタの基板上にはソース電極およびドレイン電極ならびにチャネルが配置されている。基板の構造および材質は、ゲート電極(後述)に電圧を印可することにより、基板に自由電子の移動による分極(後述)が生じることが好ましい。通常は、基板は、半導体または金属からなる支持基板;および支持基板と、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルとを電気的に絶縁する絶縁膜を有する。図2に基板の例が示される。図2Aは支持基板400、および第一の絶縁膜402を含む基板である。図2Bは支持基板400、第一の絶縁膜402および第二の絶縁膜404を含む基板である。
1-1. Substrate A source electrode, a drain electrode, and a channel are arranged on the substrate of the field effect transistor. Regarding the structure and material of the substrate, it is preferable that polarization (described later) is caused by movement of free electrons in the substrate by applying a voltage to a gate electrode (described later). Usually, the substrate has a support substrate made of a semiconductor or metal; and an insulating film that electrically insulates the support substrate from the source electrode, the drain electrode, and the channel. FIG. 2 shows an example of the substrate. FIG. 2A shows a substrate including a
支持基板は、半導体または金属であることが好ましい。半導体は、特に限定されないが、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの14族元素、砒化ガリウム、リン化インジウムなどのIII−V化合物、テルル化亜鉛などのII−VI化合物などである。金属は、特に限定されないが、例えば、アルミニウムやニッケルなどである。支持基板の厚さは、特に限定されないが、0.1〜1.0mmであることが好ましく、0.3〜0.5mmが特に好ましい。 The support substrate is preferably a semiconductor or a metal. The semiconductor is not particularly limited, and examples thereof include group 14 elements such as silicon and germanium, III-V compounds such as gallium arsenide and indium phosphide, and II-VI compounds such as zinc telluride. The metal is not particularly limited, and examples thereof include aluminum and nickel. Although the thickness of a support substrate is not specifically limited, It is preferable that it is 0.1-1.0 mm, and 0.3-0.5 mm is especially preferable.
支持基板の第一の面(ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが配置された面)に形成された第一の絶縁膜の材質は、特に限定されないが、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウムや酸化チタンなどの無機化合物、およびアクリル樹脂やポリイミドなどの有機化合物が挙げられる。第一の絶縁膜の表面には、水酸基、アミノ基またはカルボキシル基などの官能基が導入されていてもよい。
第一の絶縁膜の厚さは、特に限定されないが、10〜1000nmが好ましく、20〜500nmが特に好ましい。第一の絶縁膜が薄すぎると、トンネル電流が流れてしまう可能性がある。一方、第一の絶縁膜が厚すぎると、ゲート電極を用いてソース−ドレイン電流を制御することが困難になる可能性がある。
The material of the first insulating film formed on the first surface of the support substrate (the surface on which the source electrode, the drain electrode, and the channel are disposed) is not particularly limited, but silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, and titanium oxide And inorganic compounds such as acrylic resins and polyimides. A functional group such as a hydroxyl group, an amino group, or a carboxyl group may be introduced on the surface of the first insulating film.
Although the thickness of a 1st insulating film is not specifically limited, 10-1000 nm is preferable and 20-500 nm is especially preferable. If the first insulating film is too thin, a tunnel current may flow. On the other hand, if the first insulating film is too thick, it may be difficult to control the source-drain current using the gate electrode.
支持基板の第二の面(第一の面の裏面)に、第二の絶縁膜が形成されていてもよい。第二の絶縁膜の材質は、第一の絶縁膜の材質の例と同様である。第二の絶縁膜の厚さも、第一の絶縁膜と同様に10nm以上が好ましく、20nm以上が特に好ましいが、特に限定されるわけではない。一方、バックゲート型FET(後述)または分離ゲート型FET(後述)である場合、第二の絶縁膜の厚さは、特に限定されないが、第一の絶縁膜と同様に、1000nm以下が好ましく、500nm以下が特に好ましい。 A second insulating film may be formed on the second surface (back surface of the first surface) of the support substrate. The material of the second insulating film is the same as the material of the first insulating film. Similarly to the first insulating film, the thickness of the second insulating film is preferably 10 nm or more, and particularly preferably 20 nm or more, but is not particularly limited. On the other hand, in the case of a back gate type FET (described later) or an isolation gate type FET (described later), the thickness of the second insulating film is not particularly limited, but is preferably 1000 nm or less, like the first insulating film, 500 nm or less is particularly preferable.
支持基板の絶縁膜に被覆される面(第一の面または第二の面)は、平滑であることが好ましい。すなわち、支持基板と絶縁膜との界面は平滑であることが好ましい。支持基板の表面が平滑であると、その表面を被覆する絶縁膜の信頼性が高まるためである。支持基板の絶縁膜に被覆される面は、特に限定されないが、研磨されている方が好ましい。支持基板の表面の平滑度は、表面粗さ測定機などにより確認することができる。 The surface (first surface or second surface) covered with the insulating film of the support substrate is preferably smooth. That is, the interface between the support substrate and the insulating film is preferably smooth. This is because if the surface of the support substrate is smooth, the reliability of the insulating film covering the surface is increased. The surface of the supporting substrate that is covered with the insulating film is not particularly limited, but is preferably polished. The smoothness of the surface of the support substrate can be confirmed by a surface roughness measuring machine or the like.
1−2.チャネルについて
前記チャネルは半導体性であればよく、特に限定されないが、好ましくは半導体性を示す超微細繊維体を含むことが好ましい。超微細繊維体とは、電気伝導性を示す、直径が数nmの繊維体である。超微細繊維体の例には、CNT、DNA、導電性高分子、シリコン繊維、シリコンウイスカー、グラフェンなどが含まれる。この中ではCNTが好ましい。
1-2. Channels The channel is not particularly limited as long as it is semiconducting, but preferably contains an ultrafine fiber body exhibiting semiconducting properties. The ultrafine fiber body is a fiber body having a diameter of several nanometers showing electrical conductivity. Examples of the ultrafine fiber body include CNT, DNA, conductive polymer, silicon fiber, silicon whisker, graphene and the like. Of these, CNT is preferred.
チャネルに含まれる超微細繊維体の数は1本でも複数本でもよい。超微細繊維体の数はAFMによって確認されうる。また、超微細繊維体と基板との間には空隙があってもよい。 The number of ultrafine fiber bodies contained in the channel may be one or more. The number of ultrafine fiber bodies can be confirmed by AFM. There may also be a gap between the ultrafine fiber body and the substrate.
超微細繊維体がカーボンナノチューブである場合は、単層CNTまたは多層CNTのいずれでもよいが、単層CNTが好ましい。また、CNTには欠陥が導入されていてもよい。「欠陥」とは、CNTを構成する炭素五員環または六員環が開環している状態を意味する。欠陥が導入されたCNTは、かろうじて繋がっているような構造をしていると推測されるが、実際の構造は明らかでない。CNTに欠陥を導入する方法は、特に限定されないが、例えば、CNTを焼鈍しすればよい。 When the ultrafine fiber body is a carbon nanotube, it may be either single-walled CNT or multi-walled CNT, but single-walled CNT is preferable. Moreover, the defect may be introduce | transduced into CNT. “Defect” means a state in which the carbon five-membered ring or six-membered ring constituting the CNT is opened. It is assumed that the CNTs into which defects are introduced have a structure that is barely connected, but the actual structure is not clear. The method for introducing defects into the CNT is not particularly limited, but for example, the CNT may be annealed.
超微細繊維体は、損傷を防ぐために絶縁性保護膜によって保護されていてもよい。絶縁性保護膜で超微細繊維体を被覆することにより、FET全体を超音波洗浄したり、強酸や強塩基を用いて洗浄したりすることが可能となる。さらに、絶縁性保護膜を設けることによって超微細繊維体の損傷が防止されるので、FETの寿命を著しく延ばすことができる。 The ultrafine fiber body may be protected by an insulating protective film in order to prevent damage. By covering the ultrafine fiber body with an insulating protective film, the entire FET can be ultrasonically cleaned or cleaned using a strong acid or a strong base. Furthermore, since the damage to the ultrafine fiber body is prevented by providing the insulating protective film, the life of the FET can be significantly extended.
絶縁性保護膜は、例えば、絶縁性接着剤により形成される膜やパッシベーション膜などである。絶縁性保護膜が酸化シリコン膜の場合、絶縁性保護膜に第一次結合分子を容易に固定することができる。 The insulating protective film is, for example, a film formed by an insulating adhesive or a passivation film. When the insulating protective film is a silicon oxide film, the primary binding molecules can be easily fixed to the insulating protective film.
1−3.ソース電極およびドレイン電極について
ソース電極およびドレイン電極は、基板の第一の絶縁膜上に配置される。ソース電極およびドレイン電極の材質は、例えば、金、白金やチタンなどの金属である。ソース電極およびドレイン電極は、二種以上の金属で多層構造にされていてもよい。例えば、チタンの層に金の層を重ねてもよい。ソース電極およびドレイン電極は、これらの金属を第一の絶縁膜上に蒸着することにより形成される。金属を蒸着するときは、リソグラフィを用いてパターンを転写しておくことが好ましい。
1-3. About Source Electrode and Drain Electrode The source electrode and the drain electrode are disposed on the first insulating film of the substrate. The material of the source electrode and the drain electrode is, for example, a metal such as gold, platinum, or titanium. The source electrode and the drain electrode may have a multilayer structure made of two or more kinds of metals. For example, a gold layer may be superimposed on a titanium layer. The source electrode and the drain electrode are formed by evaporating these metals on the first insulating film. When depositing metal, it is preferable to transfer the pattern using lithography.
ソース電極とドレイン電極との間隔は、特に限定されないが、通常は2〜10μm程度である。この間隔は、超微細繊維体による電極間の接続を容易にするために、さらに縮めてもよい。 Although the space | interval of a source electrode and a drain electrode is not specifically limited, Usually, it is about 2-10 micrometers. This interval may be further reduced in order to facilitate the connection between the electrodes by the ultrafine fiber body.
1−4.ゲート電極について
FETに含まれるゲート電極は、電圧を印加されることで、ソース電極およびドレイン電極が配置されている基板に、自由電子の移動による分極を生じさせることが好ましい。「自由電子の移動による分極」とは、自由電子が基板内を移動することにより、プラスの電荷に偏った領域およびマイナスの電荷に偏った領域がそれぞれ、基板内に形成されることをいう。半導体または金属からなる支持基板と絶縁膜とからなる基板の場合、自由電子の移動による分極は、電気伝導性を有する支持基板において生じる。基板が分極しているか否かは、基板両面の電位差の測定などによって確認されうる。
1-4. About the gate electrode It is preferable that the gate electrode included in the FET causes a polarization due to the movement of free electrons to the substrate on which the source electrode and the drain electrode are arranged by applying a voltage. “Polarization due to movement of free electrons” means that a region biased toward positive charges and a region biased toward negative charges are formed in the substrate as free electrons move in the substrate. In the case of a substrate made of a semiconductor or metal and a substrate made of an insulating film, polarization due to the movement of free electrons occurs in the support substrate having electrical conductivity. Whether or not the substrate is polarized can be confirmed by measuring a potential difference between both surfaces of the substrate.
ゲート電極の大きさは、特に限定されず、超微細繊維体素子(ソース電極、ドレイン電極およびチャネルとなる超微細繊維体からなる)の大きさに応じて決定すればよい。ゲート電極の大きさが超微細繊維体素子に対して小さすぎると、ゲート電極がソース−ドレイン電流を制御することが困難になる場合がある。例えば、ソース電極とドレイン電極との間の距離が2〜10μmである場合、ゲート電極の大きさは、およそ0.1mm×0.1mm以上であればよい。 The size of the gate electrode is not particularly limited, and may be determined according to the size of the ultrafine fiber element (made of the ultrafine fiber body serving as the source electrode, the drain electrode, and the channel). If the size of the gate electrode is too small for the ultrafine fiber element, it may be difficult for the gate electrode to control the source-drain current. For example, when the distance between the source electrode and the drain electrode is 2 to 10 μm, the size of the gate electrode may be about 0.1 mm × 0.1 mm or more.
基板を分極させるように配置されたゲート電極は、(A)バックゲート電極、(B)サイドゲート電極、および(C)分離ゲート電極の態様に分類される。 The gate electrode arranged to polarize the substrate is classified into (A) a back gate electrode, (B) a side gate electrode, and (C) an isolation gate electrode.
(A)バックゲート電極について
バックゲート電極は、基板の第二の絶縁膜上に配置されている。ソース電極、ドレイン電極およびチャネルに対して基板の裏面に配置されているので、バックゲート電極と称される。バックゲート電極は、第二の絶縁膜に直接接触して配置されていてもよく、第二の絶縁膜から物理的に離されて配置されていてもよい。
(A) About Back Gate Electrode The back gate electrode is disposed on the second insulating film of the substrate. Since it is disposed on the back surface of the substrate with respect to the source electrode, the drain electrode, and the channel, it is referred to as a back gate electrode. The back gate electrode may be disposed in direct contact with the second insulating film, or may be disposed physically separated from the second insulating film.
バックゲート電極は、第二の絶縁膜の一部にだけ配置されていても、第二の絶縁膜の全面に配置されていてもよい。基板の第二の面の全面にゲート電極が設けられていれば、第一次結合分子を第二の絶縁膜の全面に固定することができる。 The back gate electrode may be disposed only on a part of the second insulating film or may be disposed on the entire surface of the second insulating film. If the gate electrode is provided on the entire second surface of the substrate, the primary binding molecules can be fixed on the entire surface of the second insulating film.
従来のバックゲート型FETでは、バックゲート電極によりソース−ドレイン電流を制御するために、バックゲート電極を支持基板(半導体または金属からなる)に直接接触させて配置することによって、相互作用を得ていた。
一方、本発明者は、バックゲート電極と支持基板とを直接接触させる必要は必ずしもないことを見出した。つまり、バックゲート電極と支持基板との間に絶縁膜を設けても、ソース−ドレイン電流を制御することができることがわかった。ゲート電極に電圧が印加されると支持基板(半導体または金属からなる)において、支持基板内の自由電子の存在に起因する分極が起こり、その分極によってソース−ドレイン電流が制御されるからであると考えられる。自由電子の移動による分極には、容量結合による要因も含まれるが、他の要因も排除しない。
In the conventional back gate type FET, in order to control the source-drain current by the back gate electrode, the back gate electrode is arranged in direct contact with a supporting substrate (made of a semiconductor or metal) to obtain an interaction. It was.
On the other hand, the present inventor has found that it is not always necessary to directly contact the back gate electrode and the support substrate. That is, it was found that the source-drain current can be controlled even when an insulating film is provided between the back gate electrode and the support substrate. This is because when a voltage is applied to the gate electrode, polarization occurs due to the presence of free electrons in the support substrate (made of a semiconductor or metal), and the source-drain current is controlled by the polarization. Conceivable. Polarization due to the movement of free electrons includes factors due to capacitive coupling, but other factors are not excluded.
バックゲート電極を有するFETの例が、図3に示される。 An example of an FET having a back gate electrode is shown in FIG.
(B)サイドゲート電極について
サイドゲート電極は、基板の第一の絶縁膜上に配置されている。ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが配置された面と同一の面に配置されているので、サイドゲート電極と称される。サイドゲート電極は、第一の絶縁膜に直接接触して配置されていてもよく、第一の絶縁膜から物理的に離されて配置されていてもよい。
(B) Side gate electrode The side gate electrode is disposed on the first insulating film of the substrate. Since the source electrode, the drain electrode, and the channel are disposed on the same surface, the side electrode is referred to as a side gate electrode. The side gate electrode may be disposed in direct contact with the first insulating film, or may be disposed physically separated from the first insulating film.
基板の同一面上に配置されたサイドゲート電極と超微細繊維体との間隔は特に制限されないが、本発明のFETでは10μm以上、さらに100μm以上、さらに1mm以上とすることができる。上限も特に制限されないが、数cm以下である。「ゲート電極と超微細繊維体との間隔」とは、互いの最短間隔を意味する。 The distance between the side gate electrode disposed on the same surface of the substrate and the ultrafine fiber body is not particularly limited. However, in the FET of the present invention, it can be 10 μm or more, further 100 μm or more, and further 1 mm or more. The upper limit is not particularly limited, but is several cm or less. The “interval between the gate electrode and the ultrafine fiber body” means the shortest distance between each other.
従来のサイドゲート型FETは、ゲート電極によりソース−ドレイン電流を制御するために、サイドゲート電極とソース電極、ドレイン電極およびチャネルとの間で直接の相互作用を得る必要があると考えられていた。したがって、従来のサイドゲート型FETでは、サイドゲート電極とチャネルとの間隔を、できるだけ短くしていた(長くとも1μm程度)。 Conventional side-gate FETs are thought to require direct interaction between the side gate electrode and the source, drain, and channel in order to control the source-drain current with the gate electrode. . Therefore, in the conventional side gate type FET, the distance between the side gate electrode and the channel is made as short as possible (at most about 1 μm).
一方、本発明者は、サイドゲート電極を、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルに接近させる必要が必ずしもないことを見出した。サイドゲート電極ならびにソース電極、ドレイン電極およびチャネルが同一の絶縁膜上に設けられている場合に、サイドゲート電極に電圧が印加されると、その絶縁膜の下の支持基板(半導体または金属からなる)において、支持基板内の自由電子の存在に起因する分極が起こり、その分極によってソース−ドレイン電流が制御されるからであると考えられる。分極には、容量結合による要因も含まれるが、他の要因も排除しない。 On the other hand, the present inventor has found that the side gate electrode does not necessarily need to be close to the source electrode, the drain electrode, and the channel. When a side gate electrode and a source electrode, a drain electrode, and a channel are provided on the same insulating film, when a voltage is applied to the side gate electrode, a supporting substrate (made of a semiconductor or a metal is formed under the insulating film. ), Polarization due to the presence of free electrons in the support substrate occurs, and the source-drain current is controlled by the polarization. Polarization includes factors due to capacitive coupling, but does not exclude other factors.
サイドゲート型FETにおいて、サイドゲート電極には第一次結合分子が固定され、さらに試料溶液を滴下されることがある。ここで説明するサイドゲート型FETでは、サイドゲート電極と、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルとの間隔を広げることができるので、チャネルに含まれる超微細繊維体の試料溶液による汚染が防止されうる。 In the side gate type FET, the primary binding molecule is fixed to the side gate electrode, and the sample solution may be dropped. In the side gate type FET described here, the distance between the side gate electrode, the source electrode, the drain electrode, and the channel can be increased, so that the contamination of the ultrafine fiber contained in the channel with the sample solution can be prevented.
サイドゲート電極を有するFETの例が、図4に示される。 An example of an FET having a side gate electrode is shown in FIG.
(C)分離ゲート電極について
分離ゲート電極は、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが配置された基板とは分離されているが、電気的に接続されている第二の基板上に配置されている。第二の基板は、半導体または金属からなる支持基板と、支持基板の少なくとも一方の面に形成された絶縁膜とを有する基板、または絶縁体からなる基板でありうるが、好ましくは前者の基板である。
(C) Separation gate electrode The separation gate electrode is separated from the substrate on which the source electrode, the drain electrode and the channel are arranged, but is arranged on a second substrate which is electrically connected. The second substrate may be a substrate having a support substrate made of a semiconductor or metal and an insulating film formed on at least one surface of the support substrate, or a substrate made of an insulator, preferably the former substrate. is there.
分離ゲート電極が配置されている第二の基板は、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが配置されている基板とは分離されている。ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが配置されている基板とゲート電極が配置されている第二の基板との間隔は、特に限定されず、3mm以上、さらには10mm以上、さらには15mm以上とすることができ、それ以上にすることもできる。 The second substrate on which the separation gate electrode is disposed is separated from the substrate on which the source electrode, the drain electrode, and the channel are disposed. The distance between the substrate on which the source electrode, the drain electrode and the channel are disposed and the second substrate on which the gate electrode is disposed is not particularly limited, and is 3 mm or more, further 10 mm or more, and further 15 mm or more. Can be done, and more.
前記の通り、分離ゲート電極が配置されている第二の基板は、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルが配置されている基板と電気的に接続されている。電気的に接続されているとは、例えば、(a)基板および第二の基板が、同一の導電性基板に載置されている、または(b)基板および第二の基板が、それぞれ異なる導電性基板に載置され、かつそれぞれの導電性基板が導電性部材により接続されていることを意味する。(a)の態様の例が図5に示され、(b)の態様の例が図6に示される。 As described above, the second substrate on which the separation gate electrode is disposed is electrically connected to the substrate on which the source electrode, the drain electrode, and the channel are disposed. For example, (a) the substrate and the second substrate are placed on the same conductive substrate, or (b) the substrate and the second substrate are different from each other. This means that each conductive substrate is placed on a conductive substrate and connected by a conductive member. An example of the embodiment (a) is shown in FIG. 5, and an example of the embodiment (b) is shown in FIG.
導電性基板は、特に限定されないが、金薄膜を蒸着されたガラス基板や真鍮などの材料からなる基板などである。導電性部材は、特に限定されないが、例えば銅線などの導電性ワイヤなどである。 The conductive substrate is not particularly limited, and may be a glass substrate on which a gold thin film is deposited or a substrate made of a material such as brass. The conductive member is not particularly limited, and is, for example, a conductive wire such as a copper wire.
分離ゲート型FETでは、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルを配置された基板を、ゲート電極が配置された第二の基板から分離することができるため、構造上の自由度が高い。したがって、分離ゲート型FETを利用する検出装置は、実用性の高い装置となりうる。 In the isolation gate type FET, since the substrate on which the source electrode, the drain electrode, and the channel are arranged can be separated from the second substrate on which the gate electrode is arranged, the degree of freedom in structure is high. Therefore, a detection device using a separation gate type FET can be a highly practical device.
2.第一次結合分子について
2−1.第一次結合分子の種類について
第一次結合分子は、検出しようとする対象物に特異的に反応する分子であればよい。第一次結合分子の例には、抗原もしくは該抗原に特異的に結合する抗体やアプタマー;糖類もしくは該糖類に結合するレクチン;またはDNAもしくは該DNAに相補的なDNA等が挙げられ、それぞれ一方のものが使用できる。第一次結合分子はFETに固定され、さらに検出対象物と反応して結合する。検出対象物は、例えば溶液中に溶解または分散されて提供されることが好ましい。
2. Regarding primary binding molecule 2-1. Types of primary binding molecules The primary binding molecules may be any molecules that specifically react with the target to be detected. Examples of primary binding molecules include antigens or antibodies or aptamers that specifically bind to the antigen; saccharides or lectins that bind to the saccharides; or DNA or DNA complementary to the DNA, etc. Can be used. The primary binding molecule is immobilized on the FET and further reacts with and binds to the detection target. It is preferable that the detection object is provided by being dissolved or dispersed in, for example, a solution.
本発明の検出方法における検出対象物は、本発明の検出方法を可能とするものであれば特に制限はなく、例えば抗原抗体反応を用いて検出される成分、酵素反応を用いて検出される成分、その他の特異的反応により検出される成分等が挙げられるが、抗原抗体反応を用いて検出される成分が好ましい。 The detection target in the detection method of the present invention is not particularly limited as long as it enables the detection method of the present invention. For example, a component detected using an antigen-antibody reaction or a component detected using an enzyme reaction In addition, examples include components detected by other specific reactions, and components detected using an antigen-antibody reaction are preferable.
抗原抗体反応により検出される成分としては例えば、IgG、IgM、IgA、IgE、アポ蛋白AI、アポ蛋白AII、アポ蛋白B、アポ蛋白E、リウマチファクター、D−ダイマー、酸化LDL、糖化LDL、グリコアルブミン、T3、T4、薬剤(抗テンカン剤等)、C−反応性蛋白(CRP)、サイトカイン類、α−フェトプロテイン(AFP)、DUPAN−2、癌胎児性抗原(CEA)、CA19−9、CA−125、PIVKA−II(Protein induced by vitamin K absence-II)、副甲状腺ホルモン(PTH)、ヒト絨毛性ゴナドトロピン(hCG)、甲状腺刺激ホルモン(TSH)、インスリン、C−ペプタイド、エストロゲン、抗GAD抗体、ペプシノーゲン、インフルエンザA型抗原、インフルエンザB型抗原、コロナウイルス抗原、HBV抗原、抗HBV抗体、HCV抗原、抗HCV抗体、HTLV−I抗原、抗HTLV−I抗体、HIV抗体、結核抗体、マイコプラズマ抗体、グリコアルブミン、ヘモグロビンA1c、アディポネクチン、シスタチンC、心房性ナトリウム利尿ペプチド(ANP)、脳性ナトリウム利尿ペプチド(BNP)、トロポニンT、トロポニンI、クレアチニンキナーゼ−MB(CK−MB)、ミオグロビン、H−FABP(ヒト心臓由来脂肪酸結合蛋白)、DON、NIV、T2等のカビ毒類、ビスフェノールA、ノニルフェノール、フタル酸ジブチル、ポリ塩素化ビフェニル(PCB)類、ダイオキシン類、p,p’−ジクロロジフェニルトリクロロエタン、トリブチルスズ等の内分泌撹乱物質類、大腸菌等の菌類、卵、乳、小麦、そば、落花生等の食物アレルギー物質やコナヒョウダニやトヤヒョウダニ等のダニ類等のアレルギー物質、抗アレルギー物質抗体等が挙げられる。 Examples of components detected by antigen-antibody reaction include IgG, IgM, IgA, IgE, apoprotein AI, apoprotein AII, apoprotein B, apoprotein E, rheumatoid factor, D-dimer, oxidized LDL, glycated LDL, glyco Albumin, T3, T4, drugs (such as anti-tencan drugs), C-reactive protein (CRP), cytokines, α-fetoprotein (AFP), DUPAN-2, carcinoembryonic antigen (CEA), CA19-9, CA -125, PIVKA-II (Protein induced by vitamin K absence-II), parathyroid hormone (PTH), human chorionic gonadotropin (hCG), thyroid stimulating hormone (TSH), insulin, C-peptide, estrogen, anti-GAD antibody , Pepsinogen, influenza A antigen, influenza B antigen, anti-coronavirus , HBV antigen, anti-HBV antibody, HCV antigen, anti-HCV antibody, HTLV-I antigen, anti-HTLV-I antibody, HIV antibody, tuberculosis antibody, mycoplasma antibody, glycoalbumin, hemoglobin A1c, adiponectin, cystatin C, atrial natriuretic Peptides (ANP), brain natriuretic peptide (BNP), troponin T, troponin I, creatinine kinase-MB (CK-MB), myoglobin, H-FABP (human heart-derived fatty acid binding protein), DON, NIV, T2, etc. Mold toxins, bisphenol A, nonylphenol, dibutyl phthalate, polychlorinated biphenyls (PCBs), dioxins, p, p'-dichlorodiphenyltrichloroethane, endocrine disruptors such as tributyltin, fungi such as E. coli, eggs, milk , Wheat, buckwheat, Food allergens and Konahyoudani and allergens mites such as Toyahyoudani flower production, etc., an antiallergic agent antibodies, and the like.
酵素反応を用いて検出される生体成分としては例えば、グルコース、1,5−アンヒドログルシトール、ヘモグロビンA1c、グリコアルブミン、フコース、尿素、尿酸、アンモニア、クレアチニン、総コレステロール、遊離コレステロール、高密度リポタンパク中のコレステロール(HDL−C)、低密度リポタンパク中のコレステロール(LDL−C)、超低密度リポタンパク中のコレステロール(VLDL−C)、レムナント様リポタンパク中のコレステロール(RLP−C)、トリグリセライド、リン脂質、総蛋白、アルブミン、グロブリン、ビリルビン、胆汁酸、シアル酸、乳酸、ピルビン酸、遊離脂肪酸、セルロプラスミン、アラニンアミノトランスフェラーゼ(ALT)、アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ(AST)、クレアチンホスホキナーゼ(CPK)、ホスホキナーゼ(PK)、アミラーゼ、リパーゼ、コリンエステラーゼ、γ−グルタミルトランスペプチダーゼ、ロイシンアミノペプチダーゼ、L−乳酸デヒドロゲナーゼ(LDH)、アルドラーゼ、アルカリフォスファターゼ、酸フォスファターゼ、N−アセチルグルコサミニダーゼ、グアナーゼ、モノアミンオキシダーゼ等が挙げられる。 Examples of biological components detected using an enzymatic reaction include glucose, 1,5-anhydroglucitol, hemoglobin A1c, glycoalbumin, fucose, urea, uric acid, ammonia, creatinine, total cholesterol, free cholesterol, high density Cholesterol in lipoprotein (HDL-C), cholesterol in low density lipoprotein (LDL-C), cholesterol in very low density lipoprotein (VLDL-C), cholesterol in remnant-like lipoprotein (RLP-C) , Triglyceride, phospholipid, total protein, albumin, globulin, bilirubin, bile acid, sialic acid, lactic acid, pyruvic acid, free fatty acid, ceruloplasmin, alanine aminotransferase (ALT), aspartate aminotransferase (AST), Creatine phosphokinase (CPK), phosphokinase (PK), amylase, lipase, cholinesterase, γ-glutamyl transpeptidase, leucine aminopeptidase, L-lactate dehydrogenase (LDH), aldolase, alkaline phosphatase, acid phosphatase, N-acetylglucosaminidase, Examples include guanase and monoamine oxidase.
その他の特異的結合により検出される成分としては、核酸、レクチン等を用いる方法が挙げられ、例えばras等のガン遺伝子、p53等のガン抑制遺伝子等をコードするDNAまたはRNA、ペプチド核酸、アプタマー、糖蛋白質等が挙げられる。 Examples of other components detected by specific binding include methods using nucleic acids, lectins and the like. For example, DNA or RNA encoding cancer genes such as ras, cancer suppressor genes such as p53, peptide nucleic acids, aptamers, Examples include glycoproteins.
前記検出対象物が含有される試料としては、例えば全血、血漿、血清、髄液、唾液、羊水、尿、汗、膵液、涙、便等の生体試料の他、食品や土壌由来のものも挙げられる。これらの試料は、加工することによって本発明の方法に供することもできる。該加工方法としては、水性媒体や有機溶媒による希釈や抽出、濃縮等が挙げられる。 Examples of the sample containing the detection target include biological samples such as whole blood, plasma, serum, spinal fluid, saliva, amniotic fluid, urine, sweat, pancreatic juice, tears, stool, and food and soil-derived samples. Can be mentioned. These samples can also be subjected to the method of the present invention by processing. Examples of the processing method include dilution, extraction and concentration with an aqueous medium or an organic solvent.
2−2.第一次結合分子が固定される電界効果トランジスタの部位について
第一次結合分子はFETに固定されていればよい。その固定部位は特に制限されないが、基板、ゲート電極、チャネルに含まれる超微細繊維体(超微細繊維体を保護する膜を含む)などが含まれる。以下において、第一次結合分子をFETに固定した例を、図面を参照して説明する。
2-2. About the site | part of the field effect transistor to which a primary bond molecule is fixed The primary bond molecule should just be fixed to FET. The fixing site is not particularly limited, and includes a substrate, a gate electrode, and an ultrafine fiber body (including a film that protects the ultrafine fiber body) included in a channel. Hereinafter, an example in which the primary binding molecule is fixed to the FET will be described with reference to the drawings.
図7〜11には、バックゲート型FETに第一次結合分子を固定した例が示される。 7 to 11 show examples in which the primary binding molecule is fixed to the back gate type FET.
図7および8には、チャネルに第一次結合分子を固定した例が示される。図7では第一次結合分子がチャネルに直接固定されている。一方、図8では第一次結合分子が絶縁性保護膜を介してチャネルに固定されているので、試料溶液がチャネルと接触することがなく、ノイズが低減される。 7 and 8 show an example in which a primary binding molecule is immobilized on a channel. In FIG. 7, the primary binding molecule is directly immobilized on the channel. On the other hand, in FIG. 8, since the primary binding molecules are fixed to the channel via the insulating protective film, the sample solution does not come into contact with the channel, and noise is reduced.
図9には、基板の第二の絶縁膜に第一次結合分子を固定した例が示される。第二の絶縁膜は、超微細繊維体を損傷させることなく洗浄することができるので、再利用することもできる。また、第二の絶縁膜全体に第一次結合分子を固定してもよく、そのため比較的多くの第一次結合分子を固定することができる。 FIG. 9 shows an example in which primary binding molecules are fixed to the second insulating film of the substrate. Since the second insulating film can be cleaned without damaging the ultrafine fiber body, it can be reused. In addition, primary binding molecules may be fixed to the entire second insulating film, and therefore a relatively large number of primary binding molecules can be fixed.
図9Aでは第一次結合分子を第二の絶縁膜の全面に固定しており、バックゲート電極が第二の絶縁膜に固定されていない場合に有用である。一方、図9BおよびCでは第一次結合分子が第二の絶縁膜の一部に固定されており、バックゲート電極が第二の絶縁膜に固定されている場合に有用である。図9Dでは、第二の絶縁膜に、複数のバックゲート電極が配置され、かつ複数種の第一次結合分子が第二の絶縁膜に固定されている。 In FIG. 9A, the primary binding molecules are fixed to the entire surface of the second insulating film, which is useful when the back gate electrode is not fixed to the second insulating film. On the other hand, FIGS. 9B and 9C are useful when the primary binding molecules are fixed to a part of the second insulating film and the back gate electrode is fixed to the second insulating film. In FIG. 9D, a plurality of back gate electrodes are arranged on the second insulating film, and a plurality of types of primary binding molecules are fixed to the second insulating film.
図10には、基板の第二の面上に凹部を形成し、この凹部の底に位置する第二の絶縁膜に第一次結合分子を固定した例が示される。凹部の側壁の材質は、特に限定されないが、例えば、酸化シリコンである。この例では、凹部の容積を調整することにより、一定量の試料溶液を提供することができる。また、添加された試料溶液が散逸されにくく、第一次結合分子が固定された部位に安定して保持されうる。
図10Aおよび図10Bは、バックゲート電極を凹部の蓋として機能させる例を示す図である。図10Cは、バックゲート電極を凹部の側壁上に配置させた例を示す図である。図10Dは、バックゲート電極を凹部の側壁側面に配置させた例を示す図である。図10Eは、バックゲート電極を凹部外の第二の絶縁膜上に配置させた例を示す図である。
FIG. 10 shows an example in which a concave portion is formed on the second surface of the substrate, and the primary binding molecules are fixed to the second insulating film located at the bottom of the concave portion. Although the material of the side wall of a recessed part is not specifically limited, For example, it is a silicon oxide. In this example, a certain amount of sample solution can be provided by adjusting the volume of the recess. In addition, the added sample solution is not easily dissipated and can be stably held at the site where the primary binding molecules are fixed.
10A and 10B are diagrams illustrating an example in which the back gate electrode functions as a lid of a recess. FIG. 10C is a diagram showing an example in which the back gate electrode is arranged on the side wall of the recess. FIG. 10D is a diagram illustrating an example in which the back gate electrode is disposed on the side wall of the recess. FIG. 10E is a diagram showing an example in which the back gate electrode is arranged on the second insulating film outside the recess.
図11には、第一次結合分子をゲート電極に固定した例が示される。この例では、超微細繊維体を損傷させることなく基板の第二の面を洗浄することができるので、再利用することが容易である。
図11Aは、バックゲート電極が一つ配置されている場合に、第一次結合分子をバックゲート電極に固定した例を示す図である。図11Bは、バックゲート電極が複数配置されている場合に、複数種の第一次結合分子をそれぞれ異なるバックゲート電極に固定した例を示す図である。
FIG. 11 shows an example in which the primary binding molecule is fixed to the gate electrode. In this example, since the second surface of the substrate can be cleaned without damaging the ultrafine fiber body, it can be easily reused.
FIG. 11A is a diagram showing an example in which primary binding molecules are fixed to a back gate electrode when one back gate electrode is arranged. FIG. 11B is a diagram illustrating an example in which a plurality of types of primary binding molecules are fixed to different back gate electrodes when a plurality of back gate electrodes are arranged.
図12〜16には、サイドゲート型FETに第一次結合分子を固定した例が示される。 12 to 16 show examples in which primary binding molecules are fixed to side-gate FETs.
図12には、第一次結合分子を超微細繊維体に固定した例が示される。この例では、第一次結合分子がチャネルである超微細繊維体に直接固定されている。図13には、第一次結合分子を、超微細繊維体を保護する絶縁性保護膜に固定した例が示される。この例では、試料溶液が超微細繊維体および電極と直接接触することなく、第一次生体高分子を超微細繊維体に対して物理的に近くに配置でき、かつ保護膜によりノイズが低減されるので、高感度センサを提供しうる。
図13Aには、第一次結合分子を、超微細繊維体素子を保護する絶縁性保護膜に固定した例が示される。図13Bには、第一次結合分子を、超微細繊維体素子およびゲート電極を保護する絶縁性保護膜に固定した例を示す図である。
FIG. 12 shows an example in which the primary binding molecule is fixed to the ultrafine fiber body. In this example, the primary binding molecule is directly fixed to the ultrafine fiber body which is a channel. FIG. 13 shows an example in which the primary binding molecules are fixed to an insulating protective film that protects the ultrafine fiber body. In this example, the primary biopolymer can be placed physically close to the ultrafine fiber body without the sample solution being in direct contact with the ultrafine fiber body and the electrode, and noise is reduced by the protective film. Therefore, a highly sensitive sensor can be provided.
FIG. 13A shows an example in which the primary binding molecule is fixed to an insulating protective film that protects the ultrafine fiber element. FIG. 13B is a diagram showing an example in which the primary binding molecules are fixed to an insulating protective film that protects the ultrafine fiber element and the gate electrode.
図14には、サイドゲート電極が第一の絶縁膜と接触するように配置されている場合に、第一次結合分子を第一の絶縁膜に固定した例が示される。試料溶液は、サイドゲート電極に接触しても(図14A)しなくても(図14B)よい。 FIG. 14 shows an example in which the primary binding molecules are fixed to the first insulating film when the side gate electrode is arranged so as to be in contact with the first insulating film. The sample solution may or may not contact the side gate electrode (FIG. 14A) (FIG. 14B).
図15には、基板の第二の面上に凹部を形成し、この凹部の底に位置する第二の絶縁膜に第一次結合分子を固定した例が示される。凹部の側壁の材質は、特に限定されないが、例えば、酸化シリコンである。この例では、第一次結合分子が固定されている部位(すなわち凹部内)に試料溶液を的確に位置させることができる。
図16には第一次結合分子をゲート電極に固定した例が示される。
FIG. 15 shows an example in which a recess is formed on the second surface of the substrate and the primary binding molecules are fixed to the second insulating film located at the bottom of the recess. Although the material of the side wall of a recessed part is not specifically limited, For example, it is a silicon oxide. In this example, the sample solution can be accurately positioned at a site where the primary binding molecule is fixed (that is, in the recess).
FIG. 16 shows an example in which the primary binding molecule is fixed to the gate electrode.
図17〜22には、分離ゲート型FETに第一次結合分子を固定した例が示される。 17 to 22 show examples in which the primary binding molecule is fixed to the separation gate type FET.
図17は、分離ゲート電極が絶縁膜と接触せずに配置されている場合に、第一次結合分子を絶縁膜に固定した例を示す図である。
図18は、分離ゲート電極が絶縁膜と接触するように配置されている場合に、第一次結合分子を絶縁膜に固定した例を示す図である。試料溶液は、分離ゲート電極に接触していても(図18A)しなくても(図18B)よい。図18Cは、分離ゲート電極が複数配置されている場合に、複数種の第一次結合分子をそれぞれ絶縁膜に固定した例を示す図である。
FIG. 17 is a diagram illustrating an example in which the primary binding molecules are fixed to the insulating film when the separation gate electrode is arranged without being in contact with the insulating film.
FIG. 18 is a diagram showing an example in which the primary binding molecules are fixed to the insulating film when the separation gate electrode is arranged so as to be in contact with the insulating film. The sample solution may or may not be in contact with the separation gate electrode (FIG. 18A) (FIG. 18B). FIG. 18C is a diagram illustrating an example in which a plurality of types of primary binding molecules are respectively fixed to an insulating film when a plurality of separation gate electrodes are arranged.
図19は、第一次結合分子をゲート電極に固定した例を示す図である。図19Aは、分離ゲート電極が一つ配置されている場合に、第一次結合分子を分離ゲート電極に固定した例を示す図である。図19Bは、分離ゲート電極が複数配置されている場合に、複数種の第一次結合分子をそれぞれ異なる分離ゲート電極に固定した例を示す図である。 FIG. 19 is a diagram showing an example in which the primary binding molecule is fixed to the gate electrode. FIG. 19A is a diagram showing an example in which primary binding molecules are fixed to a separation gate electrode when one separation gate electrode is arranged. FIG. 19B is a diagram showing an example in which a plurality of types of primary binding molecules are fixed to different separation gate electrodes when a plurality of separation gate electrodes are arranged.
図20は、ゲート素子部(ゲート電極と第二の基板を含む)が複数ある場合に、複数種の第一次結合分子をそれぞれ異なる分離ゲート電極に固定した例を示す図である。
図21は、超微細繊維体素子部およびゲート素子部が、導電性基板を挟むように配置され、かつゲート素子部上に分離ゲート電極が複数配置されている場合に、複数種の第一次結合分子をそれぞれ絶縁膜に固定した例を示す図である。この例では、ゲート素子部を超微細繊維体素子部から取り外すことを容易に行うことができる。したがって、一の超微細繊維体素子部に対して、複数のゲート素子部を付け替えることが可能である。
図22は、超微細繊維体素子部およびゲート素子部が、導電性部材によって電気的に接続され、かつゲート素子部上に分離ゲート電極が複数配置されている場合に、複数種の第一次結合分子をそれぞれ絶縁膜に固定した例を示す図である。
FIG. 20 is a diagram illustrating an example in which when there are a plurality of gate element portions (including a gate electrode and a second substrate), a plurality of types of primary binding molecules are fixed to different separation gate electrodes.
FIG. 21 shows a case where a plurality of types of primary fiber elements and gate elements are arranged so that a conductive substrate is sandwiched between them and a plurality of separation gate electrodes are arranged on the gate elements. It is a figure which shows the example which each fixed the binding molecule to the insulating film. In this example, the gate element portion can be easily detached from the ultrafine fiber element portion. Therefore, it is possible to replace a plurality of gate element portions with respect to one ultrafine fiber element portion.
FIG. 22 shows a case in which a plurality of types of primary fibers are obtained when the ultrafine fiber element portion and the gate element portion are electrically connected by a conductive member and a plurality of separation gate electrodes are arranged on the gate element portion. It is a figure which shows the example which each fixed the binding molecule to the insulating film.
前述のように、一つのFETに複数種の第一次結合分子を固定することも可能であるが、検出対象物をインフルエンザウイルスとする場合には、複数種の第一次結合分子を、A型ウイルスに対する抗体およびB型ウイルスに対する抗体の組み合わせとすることができる。 As described above, it is possible to fix a plurality of types of primary binding molecules to one FET. However, when the detection target is an influenza virus, a plurality of types of primary binding molecules are converted to A A combination of an antibody against type B virus and an antibody against type B virus.
2−3.第一次結合分子のFETへの固定方法について
第一次結合分子をFETに固定する方法は特に制限されず、例えば二価性架橋試薬を介して固定する方法がある。二価性架橋試薬とは、二の官能基を有し、一の官能基はFETとの結合に、別の一の官能基が第一次結合分子との結合に用いられる。二価性架橋試薬は、たとえば二つの官能基、およびそれを結ぶ親水性ポリマー鎖(ポリエチレングリコール鎖など)または疎水鎖(アルキル鎖など)などを有する。二つの官能基の例には、アミノ基と反応する官能基と、チオール基と反応する官能基の組み合わせ等が含まれる。
2-3. Method for immobilizing primary binding molecule to FET The method for immobilizing the primary binding molecule to FET is not particularly limited, and for example, there is a method of immobilizing via a bivalent crosslinking reagent. The bivalent crosslinking reagent has two functional groups, one functional group is used for bonding to the FET, and another functional group is used for bonding to the primary binding molecule. The bivalent crosslinking reagent has, for example, two functional groups and a hydrophilic polymer chain (such as polyethylene glycol chain) or a hydrophobic chain (such as alkyl chain) that connects the functional groups. Examples of the two functional groups include a combination of a functional group that reacts with an amino group and a functional group that reacts with a thiol group.
たとえば、二価性架橋試薬を介して第一次結合分子を絶縁膜に固定する場合は以下の手順で行えばよい。
第一次結合分子と二価性架橋試薬とを反応させた後、透析などにより未反応の二価性架橋試薬を除去して、第一次結合分子−二価性架橋試薬複合体を得て;シラン化カップリング剤で処理した基板の絶縁膜と、前記第一次結合分子−二価性架橋試薬複合体を反応させて固定する。または、シラン化カップリング剤で処理した基板絶縁膜と二価性架橋試薬とを反応させ、さらに第一次結合分子を反応させて固定する。
For example, when the primary binding molecule is fixed to the insulating film via a bivalent crosslinking reagent, the following procedure may be used.
After reacting the primary binding molecule and the bivalent crosslinking reagent, the unreacted bivalent crosslinking reagent is removed by dialysis or the like to obtain a primary binding molecule-bivalent crosslinking reagent complex. An insulating film of the substrate treated with the silanized coupling agent and the primary binding molecule-bivalent crosslinking reagent complex are reacted and fixed. Alternatively, the substrate insulating film treated with the silanized coupling agent is reacted with the divalent crosslinking reagent, and the primary binding molecules are further reacted to be fixed.
第一次結合分子の固定方法は、二価性架橋試薬を介する方法に限定される訳ではなく、たとえば、ヒスタグ融合分子をNTA−Ni錯体などを介して固定する方法も用いられうる。 The method for immobilizing the primary binding molecule is not limited to a method using a bivalent crosslinking reagent, and for example, a method of immobilizing a histag fusion molecule via an NTA-Ni complex or the like can also be used.
3.第二次結合分子、およびより高次の結合分子について
3−1.第二次結合分子について
本発明の検出方法は、第一次結合分子と検出対象物を反応させた後に、さらに第二次結合分子を反応させることを特徴とする。第二次結合分子は、検出対象物と特異的に反応する分子であればよく、その種類は第一次結合分子と同様に、抗原もしくは抗原に特異的に結合する抗体やアプタマー;糖類もしくは該糖類に結合するレクチン;またはDNAもしくは該DNAに相補的なDNA等が挙げられ、それぞれ一方のものが使用できる。また、第二次結合分子は第一次結合分子と異なる種類の分子であることが好ましいが、同じ種類の場合もある。図23には、第二次結合分子が反応した状態の模式図が示される。
3. Regarding secondary binding molecules and higher order binding molecules 3-1. Regarding the secondary binding molecule The detection method of the present invention is characterized in that after the primary binding molecule and the detection target are reacted, the secondary binding molecule is further reacted. The secondary binding molecule may be any molecule that specifically reacts with the detection target, and the type thereof is the same as the primary binding molecule, such as an antigen or an antibody or aptamer that specifically binds to the antigen; Examples include lectins that bind to saccharides; or DNA or DNA complementary to the DNA, and one of them can be used. The secondary binding molecule is preferably a different type of molecule from the primary binding molecule, but may be the same type. FIG. 23 shows a schematic diagram of the state in which the secondary binding molecules have reacted.
本発明の検出方法において、溶液中に溶解または分散されている第二次結合分子を、第一次結合分子と結合した検出対象物に提供することが好ましい。溶液の溶媒は特に制限されないが、水またはPBS(Phosphate buffered saline)などの緩衝液であればよい。 In the detection method of the present invention, it is preferable to provide the secondary binding molecule dissolved or dispersed in the solution to the detection target bound to the primary binding molecule. The solvent of the solution is not particularly limited, and may be water or a buffer solution such as PBS (Phosphate buffered saline).
第二次結合分子を反応させることによって、単に検出対象物だけが第一次結合分子と反応した状態よりも電荷の変化が大きくなり、FETの電気シグナルを増幅することができる。 By reacting the secondary binding molecule, the change in charge becomes larger than the state in which only the detection target object reacts with the primary binding molecule, and the electric signal of the FET can be amplified.
3−2.第三次以上の結合分子について
本発明の検出方法は、第二次結合分子を反応させた後、さらに第三次以上の結合分子を反応させるステップを含みうる。第三次結合分子は第二次結合分子と、第四次結合分子は第三次結合分子と、第(X+1)次結合分子は第X次結合分子と特異的に反応することが好ましい。
3-2. Third-order or higher binding molecule The detection method of the present invention may further comprise a step of reacting a second-order binding molecule and then a third-order or higher binding molecule. It is preferable that the tertiary binding molecule specifically reacts with the secondary binding molecule, the fourth binding molecule with the tertiary binding molecule, and the (X + 1) th binding molecule with the Xth binding molecule.
3−3.結合分子の標識化について
前述の通り、本発明の検出方法は第二次結合分子、および必要に応じて第三次以上の結合分子が用いられるが、これらのいずれかが標識されていてもよいが、最も高次の結合分子が標識されていることが好ましい。図24には、標識された第二次結合分子を反応させた状態の模式図が示される。
3-3. As described above, the detection method of the present invention uses a secondary binding molecule and, if necessary, a tertiary or higher binding molecule, any of which may be labeled. However, it is preferable that the highest order binding molecule is labeled. FIG. 24 shows a schematic diagram of a state in which a labeled secondary binding molecule is reacted.
標識物質は、当該物質で標識された結合分子が反応することにより、FETの電気シグナルを増幅させる物質であることが好ましい。FETの電気シグナルを増幅させる物質の例には、金属などの電気伝導体物質、カーボンナノチューブなどの半導体物質、または絶縁体物質などが含まれ、好ましくは電気伝導体物質、半導体物質が挙げられる。 The labeling substance is preferably a substance that amplifies the electric signal of the FET when a binding molecule labeled with the substance reacts. Examples of the substance that amplifies the electric signal of the FET include an electric conductor substance such as a metal, a semiconductor substance such as a carbon nanotube, or an insulator substance, preferably an electric conductor substance and a semiconductor substance.
4.電気シグナルの測定について
本発明の検出方法は、第二次結合分子、または必要に応じて第三次結合分子を反応させた後、FETの電気シグナルを測定するステップを含む。電気シグナルの例には、ソース−ドレイン電圧を一定にしたときの「ソース−ドレイン電流とゲート電圧の関係(「I−Vg特性」ともいう)」、またはゲート電圧を一定にしたときの「ソース−ドレイン電流とソース−ドレイン電圧の関係(「I−V特性」ともいう)」が含まれる。
4). Regarding measurement of electric signal The detection method of the present invention includes a step of measuring an electric signal of an FET after reacting a secondary binding molecule or, if necessary, a tertiary binding molecule. Examples of electrical signals include “the relationship between source-drain current and gate voltage (also referred to as“ I-Vg characteristics ”)” when the source-drain voltage is constant, or “source” when the gate voltage is constant. -The relationship between the drain current and the source-drain voltage (also referred to as “IV characteristics”) ”.
FETの電気シグナルは、通常の半導体パラメータアナライザを用いて測定することができる。ダイナミックレンジにおける電気的特性の変化を観察すればよい。変化量と検出対象物の濃度との関係を予め調べて検量線を取得しておけば、観察結果から検出対象物の濃度を測定することもできる。 The electrical signal of the FET can be measured using a normal semiconductor parameter analyzer. What is necessary is just to observe the change of the electrical property in a dynamic range. If the calibration curve is obtained by examining the relationship between the change amount and the concentration of the detection object in advance, the concentration of the detection object can also be measured from the observation result.
5.電界効果トランジスタにおける第一次結合分子の結合面のブロッキングについて
本発明の検出方法は、電界効果トランジスタにおける第一次結合分子の結合面をブロッキングするステップを含みうる。ブロッキングは、第一次結合分子と、検出対象物を反応させる前に行うことが好ましい。ブロッキングはブロッキング剤を用いて行うことができ、ブロッキング剤の例には、牛血清アルブミン(BSA)、カゼイン等の蛋白質、ポリエチレングリコール等の合成高分子等が挙げられる。ブロッキングにより、試料中の検出対象物以外の物質の電界効果トランジスタにおける第一次結合分子の結合面への結合が、抑制されうる。
5. About blocking of the binding surface of the primary binding molecule in the field effect transistor The detection method of the present invention may include a step of blocking the binding surface of the primary binding molecule in the field effect transistor. The blocking is preferably performed before the primary binding molecule reacts with the detection target. Blocking can be performed using a blocking agent. Examples of the blocking agent include proteins such as bovine serum albumin (BSA) and casein, and synthetic polymers such as polyethylene glycol. By blocking, binding of a substance other than the detection target in the sample to the binding surface of the primary binding molecule in the field effect transistor can be suppressed.
6.洗浄操作について
本発明の検出方法は、電気シグナルを測定するステップの前に反応物を洗浄操作するステップを含んでいてもよい。電気シグナルを測定するステップの前とは、例えば、第一次結合分子と検出対象物との反応後、検出対象物と第二次結合分子との反応後、または、さらに高次の結合分子を反応させた後を意味する。洗浄操作は洗浄液を用いて行えばよく、洗浄液は、水、PBSまたはGood Bufferのような緩衝液が好ましく、適宜、界面活性剤、合成高分子、防腐剤等が添加される。当該洗浄により検出精度が向上されうる。
6). About washing | cleaning operation The detection method of this invention may include the step which wash | cleans a reaction material before the step which measures an electrical signal. Before the step of measuring the electric signal, for example, after the reaction between the primary binding molecule and the detection target, after the reaction between the detection target and the secondary binding molecule, or a higher-order binding molecule. It means after reacting. The washing operation may be performed using a washing solution, and the washing solution is preferably water, a buffer solution such as PBS or Good Buffer, and a surfactant, a synthetic polymer, a preservative, and the like are appropriately added. The detection accuracy can be improved by the washing.
(1)センサの作製
図9Aに示される電界効果トランジスタを準備した。基板は、シリコンからなる厚さ550μmの支持基板;および酸化シリコンからなる厚さ300nmの、第一および第二の絶縁膜からなる。基板の面積は1cm2(1cm×1cm)である。チャネルは超微細繊維体である単層カーボンナノチューブであり、通常は数本の単層カーボンナノチューブで接続され、それはAFMで確認される。ゲート電極は第二の絶縁膜の前面に接触させる。ソース電極とドレイン電極との間隔は5μmである。
(1) Fabrication of sensor The field effect transistor shown in FIG. 9A was prepared. The substrate is composed of a support substrate made of silicon and having a thickness of 550 μm; and a first and second insulating films made of silicon oxide and having a thickness of 300 nm. The area of the substrate is 1 cm 2 (1 cm × 1 cm). The channel is a single-walled carbon nanotube which is an ultrafine fiber body and is usually connected by several single-walled carbon nanotubes, which is confirmed by AFM. The gate electrode is brought into contact with the front surface of the second insulating film. The distance between the source electrode and the drain electrode is 5 μm.
100mmol/Lのリン酸緩衝液(pH7.5)中に、終濃度1mg/mLとなるように市販の抗インフルエンザウイルスA型核蛋白質抗体(Fitzgerald社製)を添加し、さらに終濃度4.15mmol/Lとなるようにsulfo-EMCS(同仁化学研究所社製)を添加した。得られた溶液を混合して、25℃で30分間反応させた。
反応後、限外ろ過法により、抗体溶液のバッファーを5mmol/L EDTA(関東化学社製)を含有する100mmol/Lのリン酸緩衝液(pH6.0)に置換した。
A commercially available anti-influenza virus type A nucleoprotein antibody (Fitzgerald) was added to 100 mmol / L phosphate buffer (pH 7.5) to a final concentration of 1 mg / mL, and the final concentration was 4.15 mmol. Sulfo-EMCS (manufactured by Dojindo Laboratories) was added so as to be / L. The obtained solution was mixed and reacted at 25 ° C. for 30 minutes.
After the reaction, the buffer of the antibody solution was replaced with a 100 mmol / L phosphate buffer (pH 6.0) containing 5 mmol / L EDTA (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) by ultrafiltration.
基板の第二の絶縁膜(シリコン酸化膜:1cm2)に、2mol/LのNaOH(50μL)を添加して、45℃で2分間処理した。その後、シランカップリング剤であるサイラエースS810(チッソ社製)3μLを添加して、45℃で15分間、続いて200℃で30分間処理した。その後、1mmol/Lのテトラヒドロほう酸ナトリウム水溶液(和光純薬工業社製)50μLを添加して15分間処理した。 To the second insulating film (silicon oxide film: 1 cm 2 ) of the substrate, 2 mol / L NaOH (50 μL) was added and treated at 45 ° C. for 2 minutes. Thereafter, 3 μL of Sila Ace S810 (manufactured by Chisso Corporation), which is a silane coupling agent, was added and treated at 45 ° C. for 15 minutes and then at 200 ° C. for 30 minutes. Thereafter, 50 μL of 1 mmol / L sodium tetrahydroborate aqueous solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added and treated for 15 minutes.
処理された基板の第二の絶縁膜に、先述の抗体溶液を20μL滴下し、4℃で4〜16時間反応させた。反応後の抗体溶液を除去し、1%BSA(シグマ社製)を添加したPBS(pH7.4)100μLを滴下し、25℃で10分間反応させ、目的のセンサを作製した。 20 μL of the above antibody solution was dropped on the second insulating film of the treated substrate, and reacted at 4 ° C. for 4 to 16 hours. The antibody solution after the reaction was removed, and 100 μL of PBS (pH 7.4) to which 1% BSA (manufactured by Sigma) was added was dropped and reacted at 25 ° C. for 10 minutes to produce the desired sensor.
(2)インフルエンザ抗原の調製
抗原となるインフルエンザA型ウイルスとして、市販の精製ウイルス(Fitzgerald社製)を、希釈液(0.5%Nonidet-P40(非イオン性界面活性剤、フルカ社製)、0.5%BSA、0.1%NaN3を含むPBS pH7.4)でウイルス濃度が10μg/mLになるように希釈して調製した。10μg/mLのウイルス溶液は、およそ107pfu/mLであった。
(2) Preparation of influenza antigen As an influenza A virus serving as an antigen, commercially available purified virus (Fitzgerald) was diluted with 0.5% Nonidet-P40 (nonionic surfactant, manufactured by Fluka), PBS pH 7.4) containing 0.5% BSA and 0.1% NaN 3 was diluted to a virus concentration of 10 μg / mL. The 10 μg / mL virus solution was approximately 10 7 pfu / mL.
(3)第二次結合分子(二次抗体)の調製
二次抗体となる抗インフルエンザA型ウイルスA型核蛋白質抗体は市販の抗体(Fitzgerald社製)を用いた。0.5%BSA、0.1%NaN3を含むPBS(pH7.4)で0.1μg/10μL,1μg/10μL,10μg/10μLの4濃度の二次抗体溶液を調製した。
(3) Preparation of secondary binding molecule (secondary antibody) A commercially available antibody (manufactured by Fitzgerald) was used as the anti-influenza A virus type A nucleoprotein antibody serving as the secondary antibody. Secondary antibody solutions with four concentrations of 0.1 μg / 10 μL, 1 μg / 10 μL, and 10 μg / 10 μL were prepared with PBS (pH 7.4) containing 0.5% BSA and 0.1% NaN 3 .
(4)検出
作製したセンサを用いて、以下の手順でインフルエンザA型抗原の検出を行った。
以下の各手順に示されたように、各溶液(10μL)を基板面に添加した後、25℃で10分間反応させた。その後、PBS(pH7.4)50μLで3回洗浄を行い。N2ガスで溶液を除去した。半導体パラメータアナライザー(装置)で、ゲート電圧−20V〜20VにおけるI-Vg特性(ソース−ドレイン電流とゲート電圧の関係)を計測して、I-Vg曲線を得た。
(4) Detection The influenza A antigen was detected by the following procedure using the produced sensor.
As shown in the following procedures, each solution (10 μL) was added to the substrate surface, and then reacted at 25 ° C. for 10 minutes. Then, it was washed 3 times with 50 μL of PBS (pH 7.4). The solution was removed with N 2 gas. An I-Vg characteristic (relationship between source-drain current and gate voltage) at a gate voltage of −20 V to 20 V was measured with a semiconductor parameter analyzer (apparatus) to obtain an I-Vg curve.
手順1:作製したセンサの電界効果トランジスタの基板の抗体結合面に、10μLの0.5%Nonidet-P40、0.5%BSAを含むPBSを添加した。それにより抗体結合面をブロッキングした。
手順2:10μLのウイルス溶液(107pfu/mL)を添加した。それにより、第一次結合分子である一次抗体と、抗原であるウイルスとを反応させて結合させた。
手順3:10μLの二次抗体溶液(0.1μg/10μL)を添加した。
手順4:10μLの二次抗体溶液(1μg/10μL)を添加した。
手順5:10μLの二次抗体溶液(10μg/10μL)を添加した。
Procedure 1: PBS containing 10 μL of 0.5% Nonidet-P40 and 0.5% BSA was added to the antibody binding surface of the substrate of the field effect transistor of the fabricated sensor. Thereby, the antibody binding surface was blocked.
Procedure 2: 10 μL of virus solution (10 7 pfu / mL) was added. Thereby, the primary antibody as the primary binding molecule and the virus as the antigen were reacted and bound.
Procedure 3: 10 μL of secondary antibody solution (0.1 μg / 10 μL) was added.
Procedure 4: 10 μL of secondary antibody solution (1 μg / 10 μL) was added.
Procedure 5: 10 μL of secondary antibody solution (10 μg / 10 μL) was added.
各手順後に得たI-Vg曲線が図25および図26に示される。縦軸はソース−ドレイン電流Iを示し、横軸はゲート電圧Vgを示す。図26は、図25に示された縦軸を拡大したグラフである。 The I-Vg curves obtained after each procedure are shown in FIGS. The vertical axis represents the source-drain current I, and the horizontal axis represents the gate voltage Vg. FIG. 26 is a graph in which the vertical axis shown in FIG. 25 is enlarged.
さらに図27には、各手順後におけるI-Vg曲線の、ゲート電圧−12Vのときのソース−ドレイン電流が示される。示されたように、ウイルス(抗原)を反応させた場合(手順2)には、ソース−ドレイン電流はあまり変化しないが、二次抗体を反応させる(手順3〜5)とソース−ドレイン電流が大きく変化していることがわかる。また二次抗体の濃度を上げると、その変化量が大きくなることがわかる。 Furthermore, FIG. 27 shows the source-drain current when the gate voltage is −12 V in the I-Vg curve after each procedure. As shown, when the virus (antigen) was reacted (procedure 2), the source-drain current did not change much, but when the secondary antibody was reacted (procedures 3-5), the source-drain current was It turns out that it has changed greatly. It can also be seen that the amount of change increases as the concentration of the secondary antibody is increased.
一方、図28には、各手順後におけるI-Vg曲線の、ソース−ドレイン電流−2.5×10−8Aにおけるゲート電圧が示される。示されたように、ウイルス(抗原)を反応させた場合(手順2)のゲート電圧の変化量に対して、二次抗体を反応させると(手順3〜5)、さらに変化することがわかる。また二次抗体の濃度を上げると、その変化量が大きくなることがわかる。
On the other hand, FIG. 28 shows the gate voltage at the source-drain current −2.5 × 10 −8 A of the I-Vg curve after each procedure. As shown, when the secondary antibody is reacted (
以上の結果から、電界効果トランジスタに固定した第一次結合分子に、検出対象物を反応させただけの場合よりも、さらに検出対象物と特異的に反応する第二次結合分子を反応させた場合の方が、電界効果トランジスタの電気シグナルの変化が大きくなる(増幅される)ことが示唆された。したがって、第二次結合分子を適切な物質で標識すれば、さらに大きな増幅効果が得られると考えられる。 From the above results, the secondary binding molecule that reacts specifically with the detection target was further reacted with the primary binding molecule fixed to the field effect transistor, compared with the case where the detection target was merely reacted. In the case, it was suggested that the electric signal change of the field effect transistor becomes larger (amplified). Therefore, it is considered that a larger amplification effect can be obtained if the secondary binding molecule is labeled with an appropriate substance.
本発明の検出方法を用いることにより、FETバイオセンサのシグナルが増幅されるので、高感度な検出が可能となる。また、第二次結合分子および必要に応じてより高次の結合分子を用いるので、特異性の向上が期待される。さらにダイナミックレンジの拡大が期待される。本発明の検出方法で、試料中の検出対象物の検出による各種臨床診断が可能となりうる。 Since the signal of the FET biosensor is amplified by using the detection method of the present invention, highly sensitive detection is possible. Moreover, since a secondary binding molecule and a higher-order binding molecule are used if necessary, an improvement in specificity is expected. Further expansion of the dynamic range is expected. The detection method of the present invention can enable various clinical diagnoses by detecting a detection target in a sample.
Claims (12)
前記検出対象物と特異的に反応する第二次結合分子を、前記検出対象物と反応させるステップ、および
前記第二次結合分子を反応させた後に、電界効果トランジスタの電気シグナルを測定するステップを含む、検出対象物を検出する方法。 Reacting a primary binding molecule immobilized on a field effect transistor with a detection target contained in a sample;
Reacting a secondary binding molecule specifically reacting with the detection target with the detection target, and measuring an electric signal of a field effect transistor after reacting the secondary binding molecule. A method for detecting an object to be detected.
前記検出対象物と特異的に反応する第二次結合分子を、前記検出対象物と反応させるステップ、
第二次結合分子と特異的に結合する第三次結合分子を、前記第二次結合分子と反応させ、さらに必要に応じて、より高次の結合分子を反応させるステップ、および
前記結合分子のうち最高次結合分子を反応させた後に、電界効果トランジスタの電気シグナルを測定するステップを含む、検出対象物を検出する方法。 Reacting a primary binding molecule immobilized on a field effect transistor with a detection target contained in a sample;
Reacting a secondary binding molecule that specifically reacts with the detection object with the detection object;
Reacting a tertiary binding molecule that specifically binds to a secondary binding molecule with the secondary binding molecule, and, if necessary, reacting a higher order binding molecule; and A method for detecting an object to be detected, comprising a step of measuring an electric signal of a field effect transistor after reacting a highest-order binding molecule.
前記第一次結合分子は、前記基板、超微細繊維体またはゲート電極に固定されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。 The field effect transistor controls a substrate, a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate, a channel including an ultrafine fiber body that electrically connects the source electrode and the drain electrode, and a current flowing through the channel Including a gate electrode,
The method according to claim 1, wherein the primary binding molecule is fixed to the substrate, the ultrafine fiber body, or the gate electrode.
前記基板は、半導体または金属からなる支持基板、前記支持基板の第一の面に形成された第一の絶縁膜、および前記支持基板の第二の面に形成された第二の絶縁膜を有し、
前記ソース電極、ドレイン電極およびチャネルは、前記第一の絶縁膜上に配置され、
前記ゲート電極は、前記第二の絶縁膜上に配置されており、かつ
前記第一次結合分子は、前記第二の絶縁膜またはゲート電極に固定されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。 The field effect transistor controls a substrate, a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate, a channel including an ultrafine fiber body that electrically connects the source electrode and the drain electrode, and a current flowing through the channel Including a gate electrode,
The substrate has a support substrate made of a semiconductor or metal, a first insulating film formed on the first surface of the support substrate, and a second insulating film formed on the second surface of the support substrate. And
The source electrode, the drain electrode and the channel are disposed on the first insulating film;
The gate electrode is disposed on the second insulating film, and the primary binding molecules are fixed to the second insulating film or the gate electrode. The method according to one item.
前記基板は、半導体または金属からなる支持基板、前記支持基板の第一の面に形成された第一の絶縁膜を有し、
前記ソース電極、ドレイン電極、チャネルおよびゲート電極は、前記第一の絶縁膜上に配置され、前記ゲート電極と前記超微細繊維体との間隔が10μm以上であり、かつ
前記第一次結合分子は、前記第一の絶縁膜またはゲート電極に固定されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。 The field effect transistor controls a substrate, a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate, a channel including an ultrafine fiber body that electrically connects the source electrode and the drain electrode, and a current flowing through the channel Including a gate electrode,
The substrate has a support substrate made of a semiconductor or metal, a first insulating film formed on the first surface of the support substrate,
The source electrode, the drain electrode, the channel, and the gate electrode are disposed on the first insulating film, an interval between the gate electrode and the ultrafine fiber body is 10 μm or more, and the primary binding molecule is The method according to claim 1, wherein the method is fixed to the first insulating film or the gate electrode.
前記基板は、半導体または金属からなる支持基板、前記支持基板の第一の面に形成された第一の絶縁膜を有し、
前記ソース電極、ドレイン電極およびチャネルは、前記第一の絶縁膜上に配置され、
前記ゲート電極は、前記第二の基板の第一の面上に配置されており、かつ
前記第一次結合分子は、前記第二の基板の第一の面またはゲート電極に固定されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。 The field effect transistor controls a substrate, a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate, a channel including an ultrafine fiber body that electrically connects the source electrode and the drain electrode, and a current flowing through the channel And a second substrate electrically connected to the substrate,
The substrate has a support substrate made of a semiconductor or metal, a first insulating film formed on the first surface of the support substrate,
The source electrode, the drain electrode and the channel are disposed on the first insulating film;
The gate electrode is disposed on a first surface of the second substrate, and the primary binding molecule is fixed to the first surface or gate electrode of the second substrate; The method according to any one of claims 1 to 7.
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