特開 2022-154984 生体物質検出センサ及び生体物質検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022154984

(43)【公開日】2022-10-13

(54)【発明の名称】生体物質検出センサ及び生体物質検出方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/786 20060101AFI20221005BHJP

   G01N 27/00 20060101ALI20221005BHJP

   G01N 27/414 20060101ALI20221005BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 625

H01L29/78 618B

H01L29/78 617T

G01N27/00 J

G01N27/414 301V

G01N27/414 301K

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021058278

(22)【出願日】2021-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304024430

【氏名又は名称】国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(72)【発明者】

【氏名】土井 利浩

(72)【発明者】

【氏名】高村 禅

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 大亮

【テーマコード（参考）】

2G060

5F110

【Ｆターム（参考）】

2G060AA05

2G060AA15

2G060AD06

2G060DA11

2G060DA12

2G060DA31

2G060FA02

2G060FA07

2G060FA10

2G060GA02

2G060JA07

2G060KA09

5F110AA30

5F110BB09

5F110CC05

5F110CC10

5F110DD01

5F110DD02

5F110DD04

5F110DD05

5F110DD13

5F110EE02

5F110EE03

5F110EE04

5F110EE06

5F110EE07

5F110EE30

5F110EE44

5F110FF01

5F110FF05

5F110GG01

5F110GG02

5F110GG24

5F110GG42

5F110HK02

5F110HK03

5F110HK04

5F110HK06

5F110HK33

5F110NN62

(57)【要約】

【課題】検出目的の生体物質に対する選択性に優れ、かつ高感度で検出限界が低い生体物質検出センサ及び生体物質検出方法を提供する。
【解決手段】第１電極と、第２電極と、第３電極と、前記第１電極と前記第２電極とを接続する無機半導体膜と、前記無機半導体膜に積層されている有機固体電解質膜と、を有し、前記無機半導体膜及び前記有機固体電解質膜のうちいずれか一方又はその双方の少なくとも一部が外部に露出している露出部を有し、前記第３電極は、少なくとも一部が前記露出部に接続している、生体物質検出センサ。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極と、第２電極と、第３電極と、前記第１電極と前記第２電極とを接続する無機半導体膜と、前記無機半導体膜に積層されている有機固体電解質膜と、を有し、
前記無機半導体膜及び前記有機固体電解質膜のうちいずれか一方又はその双方の少なくとも一部が外部に露出している露出部を有し、
前記第３電極は、少なくとも一部が前記露出部に接続している、生体物質検出センサ。

【請求項2】

前記第１電極、前記第２電極、及び前記第３電極が前記有機固体電解質膜の上に配置されている、請求項１に記載の生体物質検出センサ。

【請求項3】

前記有機固体電解質膜がプロトン導電性である、請求項１または２に記載の生体物質検出センサ。

【請求項4】

前記有機固体電解質膜が、側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーもしくは有機金属錯体である、請求項１～３のいずれか１項に記載の生体物質検出センサ。

【請求項5】

前記有機固体電解質膜は、イオン伝導率が１×１０^－８Ｓ／ｃｍ以上であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の生体物質検出センサ。

【請求項6】

前記無機半導体膜が、酸化インジウム、酸化亜鉛、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ酸化物、Ｚｎ－Ｓｎ酸化物、アモルファスシリコン、低温ポリシリコンおよびグラフィンからなる群より選ばれる少なくとも一種の無機物を含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の生体物質検出センサ。

【請求項7】

前記無機半導体膜及び前記有機固体電解質膜のうちいずれか一方又はその双方の前記露出部は、生体物質を直接的又は間接的に捕捉する捕捉場を有する、請求項１～６のいずれか１項に記載の生体物質検出センサ。

【請求項8】

前記捕捉場は、前記生体物質を捕捉するためのプローブ分子が固定されている、請求項７に記載の生体物質検出センサ。

【請求項9】

さらに、前記露出部の周囲に、生体物質を含む液体を保持可能な保持部を備える、請求項１～８のいずれか１項に記載の生体物質検出センサ。

【請求項10】

さらに、前記有機固体電解質膜の少なくとも一部に接触している導電性材料膜を備え、前記導電性材料膜は前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極に対して電気的に独立している、請求項１～９のいずれか１項に記載の生体物質検出センサ。

【請求項11】

請求項１～１０のいずれか１項に記載の生体物質検出センサを用いた生体物質検出方法であって、
前記露出部に生体物質を含む液体を供給する工程と、
前記第３電極と前記第１電極との間に電圧を印加すると共に、前記第１電極－前記第２電極間の電流を測定し、前記第３電極－前記第１電極間の電圧と、前記第１電極－前記第２電極間の電流とに基づいて前記生体物質を検出する工程と、を含む、生体物質検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、生体物質検出センサ及び生体物質検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ｍＲＮＡ／ＤＮＡなどの生体物質を検出する方法として、ＰＣＲ法（polymerase chain reaction）や次世代シーケンシング（next generation sequencing）が知られている。ＰＣＲ法は、ＤＮＡ配列上の特定の領域（目的領域）を、耐熱性ＤＮＡポリメラーゼを用いて増幅させる方法であり、ＤＮＡ１分子から検出可能であるため、ＤＮＡの特定配列を高感度で検出することが可能となっている。また、次世代シーケンシングは、ＤＮＡを断片化してライブラリーを調製し、ライブラリーのＤＮＡ断片を並列にシーケンスする方法であり、ＤＮＡの全ての配列を１分子から網羅的に解読することが可能となっている。これらの生体物質の検出方法は、検出時間が掛かる。

【0003】

ＤＮＡなどの生体物質を短時間で検出する方法として、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）構造のセンサを用いることが検討されている。例えば、ホモオリゴマーＤＮＡ鎖を３－アミノプロピルエトシキシランを用いて固定し、一定のドレイン電流下におけるゲート電位の変位によって、上記オリゴマー鎖とのハイブリダイゼーションを直接的に検出する方法が報告されている（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ，１９９７，１０１，２９８０－２９８５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

生体物質検出センサにおいて、試料は検出目的の生体物質以外の生体物質が共存した混合物（液体）である。このため、生体物質検出センサでは、検出目的の生体物質に対する選択性に優れ、かつ高感度で検出限界が低いことが望ましい。しかしながら、非特許文献１に記載の薄膜トランジスタ構造のセンサは、検出限界が１μｇ／ｍＬ程度であり、さらなる感度の向上が望まれる。

【0006】

本発明の目的は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、検出目的の生体物質に対する選択性に優れ、かつ高感度で検出限界が低い生体物質検出センサ及び生体物質検出方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、第１電極と、第２電極と、第３電極と、この第１電極と第２電極とを接続する無機半導体膜と、この無機半導体膜に積層されている有機固体電解質膜とを有し、上記の無機半導体膜及び有機固体電解質膜のうちいずれか一方又はその双方の少なくとも一部は外部に露出し、その露出した部分に第３電極が接続している構成のセンサは、従来の薄膜トランジスタ構造のセンサと比較して、検出目的の物質に対する選択性に優れ、かつ高感度で検出限界が低いことを見出し、本発明を完成させた。

【0008】

すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

【0009】

［１］第１電極と、第２電極と、第３電極と、前記第１電極と前記第２電極とを接続する無機半導体膜と、前記無機半導体膜に積層されている有機固体電解質膜と、を有し、
前記無機半導体膜及び前記有機固体電解質膜のうちいずれか一方又はその双方の少なくとも一部が外部に露出している露出部を有し、
前記第３電極は、少なくとも一部が前記露出部に接続している、生体物質検出センサ。

【0010】

［２］前記第１電極、前記第２電極、及び前記第３電極が前記有機固体電解質膜の上に配置されている、上記［１］に記載の生体物質検出センサ。

【0011】

［３］前記有機固体電解質膜がプロトン導電性である、上記［１］または［２］に記載の生体物質検出センサ。

【0012】

［４］前記有機固体電解質膜が、側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーもしくは有機金属錯体である、上記［１］～［３］のいずれかに記載の生体物質検出センサ。

【0013】

［５］前記有機固体電解質膜は、イオン伝導率が１×１０^－８Ｓ／ｃｍ以上であることを特徴とする、上記［１］～［４］のいずれかに記載の生体物質検出センサ。

【0014】

［６］前記無機半導体膜が、酸化インジウム、酸化亜鉛、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ酸化物、Ｚｎ－Ｓｎ酸化物、アモルファスシリコン、低温ポリシリコンおよびグラフィンからなる群より選ばれる少なくとも一種の無機物を含む、上記［１］～［５］のいずれかに記載の生体物質検出センサ。

【0015】

［７］前記無機半導体膜及び前記有機固体電解質膜のうちいずれか一方又はその双方の前記露出部は、生体物質を直接的又は間接的に捕捉する捕捉場を有する、上記［１］～［６］のいずれかに記載の生体物質検出センサ。

【0016】

［８］前記捕捉場は、前記生体物質を捕捉するためのプローブ分子が固定されている、請求項７に記載の生体物質検出センサ。

【0017】

［９］さらに、前記露出部の周囲に、生体物質を含む液体を保持可能な保持部を備える、上記［１］～［８］のいずれかに記載の生体物質検出センサ。

【0018】

［１０］さらに、前記有機固体電解質膜の少なくとも一部に接触している導電性材料膜を備え、前記導電性材料膜は前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極に対して電気的に独立している、上記［１］～［９］のいずれかに記載の生体物質検出センサ。

【0019】

［１１］上記［１］～［１０］のいずれかに記載の生体物質検出センサを用いた生体物質検出方法であって、
前記露出部に生体物質を含む液体を供給する工程と、
前記第３電極と前記第１電極との間に電圧を印加すると共に、前記第１電極－前記第２電極間の電流を測定し、前記第３電極－前記第１電極間の電圧と、前記第１電極－前記第２電極間の電流とに基づいて前記生体物質を検出する工程と、を含む、生体物質検出方法。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、検出目的の物質に対する選択性に優れ、かつ高感度で検出限界が低い生体物質検出センサ及び生体物質検出方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本発明の第１実施形態に係る生体物質検出センサの構成の一例を示す平面図である。

【図2】図２は、図１のII－II’線断面図である。

【図3】図３は、図１に示す生体物質検出センサを用いた生体物質検出方法を説明する模式図であって、（ａ）は、生体物質検出センサを図１のII－II’線に沿って見た拡大断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の拡大図である。

【図4】図４は、図１に示す生体物質検出センサを用いた生体物質検出方法を説明する模式図であって、生体物質検出センサを図１のIV－IV’線に沿って見た拡大図である。

【図5】図５は、本発明の第１実施形態に係る生体物質検出センサの第１変形例の構成の一例を示す平面図である。

【図6】図６は、図５のVI－VI'線断面図である。

【図7】図７は、本発明の第１実施形態に係る生体物質検出センサの第２変形例の構成の一例を示す平面図である。

【図8】図８は、図７のVIII－VIII’線断面である。

【図9】図９は、本発明の第１実施形態に係る生体物質検出センサの第３変形例の構成の一例を示す断面図である。

【図10】図１０は、本発明の第１実施形態に係る生体物質検出センサの第４変形例の構成の一例を示す断面図である。

【図11】図１１は、図１０のXI－XI’線断面である。

【図12】図１２は、本発明の第２実施形態に係る生体物質検出センサの構成の一例を示す平面図である。

【図13】図１３は、図１２のXIII－XIII’線断面図である。

【図14】図１４は第２実施形態に係る生体物質検出センサを用いた生体物質検出方法を説明する模式図であって、（ａ）は、生体物質検出センサを図１２のXIII－XIII’線に沿って見た拡大図であり、（ｂ）は、（ａ）の拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の一実施形態である生体物質検出センサ及び生体物質検出方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本実施形態の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。

【0023】

［生体物質検出センサの構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る生体物質検出センサの構成の一例を示す平面図であり、図２は、図１のII－II’線断面図である。
図１及び図２に示すように、生体物質検出センサ１０ａは、基板１１と、導電性材料膜１２と、有機固体電解質膜１３と、第１電極１５と、第２電極１６と、第３電極１７と、無機半導体膜１４とを有する。導電性材料膜１２は、基板１１の一方の面（図２では、上面）に積層されている。有機固体電解質膜１３は、導電性材料膜１２の基板１１とは反対側の面に積層されている。第１電極１５、第２電極１６及び第３電極１７は、有機固体電解質膜１３の上に配置されている。無機半導体膜１４は、第１電極１５と第２電極１６との間に配置されていて、第１電極１５と第２電極１６とを接続する。また、第１電極１５と第２電極１６の間にある無機半導体膜１４は、有機固体電解質膜１３の上に積層されている。第３電極１７は、第１電極１５及び第２電極１６と電気的に接続しない位置に配置されている。第１電極１５と第２電極１６と無機半導体膜１４は、センサ片１９を構成する。図１の生体物質検出センサ１０ａでは、センサ片１９は３つ配置されている。３つのセンサ片１９は、それぞれ第３電極１７との距離が同じとなるように配置されている。第１電極１５は第１リード線１５ａを介して第１端子１５ｂに接続している。第２電極１６は第２リード線１６ａを介して第２端子１６ｂに接続している。第３電極１７は第３リード線１７ａを介して第３端子１７ｂに接続している。第１端子１５ｂ、第２端子１６ｂ、第３端子１７ｂは、同一の端部に配置されている。

【0024】

有機固体電解質膜１３、第１電極１５、第２電極１６、第１リード線１５ａ、第２リード線１６ａ、第３リード線１７ａは、表面が絶縁被膜１８で被覆されている。無機半導体膜１４、無機半導体膜１４の周囲の有機固体電解質膜１３の一部、第３電極１７は、絶縁被膜で被覆されておらず、外部に露出して、露出部２０を形成している。露出部２０を形成している無機半導体膜１４、無機半導体膜１４の周囲の有機固体電解質膜１３は、検出対象の生体物質を直接的又は間接的に捕捉する捕捉場２１を有することが好ましい。捕捉場２１は、検出対象の生体物質を捕捉するためのプローブ分子１が固定されていることが好ましい。露出部２０は、壁部２２で囲まれている。壁部２２は、露出部２０の上部に生体物質を含む液体を保持可能な保持部を形成する。

【0025】

基板１１は、例えば、絶縁性基板及び半導体基板を用いることができる。絶縁性基板の例としては、高耐熱ガラス、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ）基板、ＳｉＯ_２／Ｓｉ基板（Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２膜を形成したもの）、Ｓｉ基板の表面にＳｉＯ_２層及びＴｉ層を介してＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ）層を形成した多層基板を挙げることができる。半導体基板の例としては、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、Ｇｅ基板を挙げることができる。基板１１の厚みは、特に限定されないが、例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下である。

【0026】

導電性材料膜１２は、導電性材料を含む導電性材料膜である。導電性材料膜１２は、導電性材料のみから形成されていてもよい。導電性材料としては、例えば、金属材料及び金属酸化物を用いることができる。金属材料の例としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、及びこれらの金属の合金を挙げることができる。金属酸化物の例としては、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）を挙げることができる。導電性材料膜１２は、単層体であってもよいし、複数の導電性材料膜を積層させた複層体であってもよい。導電性材料膜１２の厚みは、特に限定されないが、例えば５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

【0027】

導電性材料膜１２は、有機固体電解質膜１３の少なくとも一部に接触していることが好ましい。また、導電性材料膜１２は、有機固体電解質膜１３以外とは電気的に絶縁されていてもよい。導電性材料膜１２は第１電極１５、第２電極１６及び第３電極１７に対して電気的に独立していてもよい。導電性材料膜１２は、例えば、有機固体電解質膜１３の内部に配置されていてもよい。

【0028】

有機固体電解質膜１３は、有機固体電解質を含む。有機固体電解質膜１３は、有機固体電解質のみから形成されていることが好ましい。有機固体電解質は、例えば、プロトン導電性であることが好ましい。有機固体電解質膜１３は、イオン伝導率が１×１０^－８Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。有機固体電解質としては、例えば、側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーもしくは有機金属錯体を用いてもよい。

【0029】

側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーの主鎖は、例えば、炭化水素構造またはパーフルオロカーボン構造であってもよい。プロトン伝導性基は、例えば、スルホン酸基であってもよい。側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーとしては、パーフルオロカーボンスルホン酸であるナフィオン（登録商標）を用いることができる。

【0030】

有機金属錯体は、例えば、配位高分子であってもよい。配位高分子は、下記の式（１）で表されるオキサラト架橋配位高分子であってもよい。
Ｍ_２（ｏｘ）_３・・・・（１）
上記の（１）において、Ｍは、２価又は３価の金属イオンを表す。Ｍが３価の金属イオンである場合、オキサラト架橋配位高分子は中性である。Ｍが２価の金属イオンを含む場合は、オキサラト架橋配位高分子はアニオン性となり、オキサラト架橋配位高分子にカウンターイオンが取り込まれていてもよい。
上記の（１）において、ｏｘは、シュウ酸イオン（Ｃ_２Ｏ_４ ^２－）を表す。

【0031】

有機固体電解質膜１３の厚みは、特に限定されないが、例えば５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。有機固体電解質膜１３の厚みが３００ｎｍを超えると、無機半導体膜１４の界面特性に影響を及ぼすおそれがある。一方、その厚みが５０ｎｍ未満であると、リーク電流が発生するおそれがある。

【0032】

無機半導体膜１４は、無機半導体を含む。無機半導体膜１４は、無機半導体のみから形成されていることが好ましい。無機半導体は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（ＩＧＺＯ）、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ酸化物（ＩＴＺＯ）、Ｚｎ－Ｓｎ酸化物（Ｚｎ－Ｓｎ－Ｏ）、アモルファスシリコン（α－Ｓｉ）、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）およびグラフィンからなる群より選ばれる少なくとも一種の無機物を含むことが好ましい。これらの無機半導体は、一種を単独で用いてもよいし、二種を組み合わせて用いてもよい。無機半導体膜１４が上記の無機半導体で形成されることで、有機固体電解質膜１３の上記の有機固体電解質との組み合わせによって、生体物質検出センサ１０ａの感度が大幅に向上して検出限界が大幅に低くなり、また、水分等の存在下での検出の安定性を高くすることが可能となる。

【0033】

無機半導体膜１４を構成する無機半導体は、アモルファス相あるいはナノ結晶相であることが好ましい。無機半導体膜１４を構成する無機半導体をアモルファス相あるいはナノ結晶相とすることによって、無機半導体膜１４はアモルファス相である有機固体電解質膜１３との良好な界面状態が得られる。その結果、良好な電気特性を備えた生体物質検出センサ１０ａが形成され得る。

【0034】

無機半導体膜１４は、例えば上記無機半導体で形成された単層で構成されることができる。無機半導体膜１４の厚みは、特に限定されないが、確度高く有機固体電解質膜１３等を覆う観点、及び無機半導体膜１４の導電性の変調を容易にする観点から、例えば５ｎｍ以上８０ｎｍ以下であるのが好ましい。

【0035】

無機半導体膜１４の幅は、より大きい方がノイズの観点で有利であるが、例えば１００μｍ以上であり、一例としては１０００μｍである。無機半導体膜１４の長さ（第１電極１５と第２電極１６の間の距離）は、例えば５０μｍ以上２００μｍ以下である。

【0036】

また、本実施形態では、無機半導体膜１４は、第１電極１５及び第２電極１６のいずれよりも薄い膜厚を有しているが、これに限らず、第１電極１５及び第２電極１６を同じ膜厚を有してもよいし、あるいはそれらよりも厚い膜厚を有してもよい。

【0037】

第１電極１５、第２電極１６及び第３電極１７の電極材料としては、金属材料及び金属酸化物を用いることができる。金属材料の例としては、白金（Ｐｔ）などの高融点金属、及びその合金を挙げることができる。金属酸化物の例としては、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）を挙げることができる。第１電極１５、第２電極１６及び第３電極１７はそれぞれ、単層体であってもよいし、複数の電極層を積層させた複層体であってもよい。第１電極１５、第２電極１６及び第３電極１７の厚みは、特に限定されないが、例えば、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

【0038】

絶縁被膜１８の材料は、有機物であってもよいし、無機物であってもよい。有機物の例としては、ポリイミド、エポキシ樹脂などを挙げることができる。無機物の例としては、アルミナ、シリカなどを挙げることができる。絶縁被膜１８の厚みは、特に限定されないが、例えば、５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である。

【0039】

壁部２２の材料は、有機物であってもよいし、無機物であってもよい。有機物の例としては、ポリイミド、エポキシ樹脂などを挙げることができる。無機物の例としては、アルミナ、シリカなどを挙げることができる。絶縁被膜１８の高さは、特に限定されないが、例えば、０．１０ｍｍ以上５ｍｍ以下である。

【0040】

［生体物質検出センサの製造方法］
生体物質検出センサ１０ａは、例えば、次のようにして製造することができる。
（１）導電性材料膜１２の形成
先ず基板１１（例えば、ＳｉＯ_２／Ｓｉ基板）上に、導電性材料膜１２を形成する。導電性材料膜１２の形成方法としては、スパッタリング法を用いることができる。

【0041】

（２）有機固体電解質膜１３の形成
次に、導電性材料膜１２の上に有機固体電解質膜１３を形成する。有機固体電解質膜１３は、例えば、導電性材料膜１２の上に有機固体電解質膜用前駆体液を塗布し、得られた塗布膜を加熱することによって形成することができる。有機固体電解質膜用前駆体液としては、有機固体電解質膜１３を構成する有機固体電解質の材料が溶解もしくは分散されている液体を用いることができる有機固体電解質膜用前駆体液の塗布方法としては、例えば、スピンコーティング法、インクジェット印刷法、ナノインプリント法などを用いることができる。塗布膜の加熱温度は、有機固体電解質膜用前駆体液の溶媒が揮発して、有機固体電解質膜１３が生成する温度であれば特に制限はない。このため、有機固体電解質膜用前駆体液の溶媒として低沸点の溶媒を用いることによって、比較的低温度の加熱によって有機固体電解質膜１３を形成することができるので、材料の選択の幅が広くなる。

【0042】

（３）電極パターンの形成
次に、有機固体電解質膜１３の上に、電極パターン（第１電極１５、第１リード線１５ａ、第１端子１５ｂ、第２電極１６、第２リード線１６ａ、第２端子１６ｂ、第３電極１７、第３リード線１７ａ、第３端子１７ｂ）を形成する。電極パターンは、例えば、有機固体電解質膜１３の上に、フォトリソグラフィー法によってパターニングされたレジスト膜を形成し、次いで、レジスト膜を含む有機固体電解質膜１３の上に電極膜を形成した後、レジスト膜を除去する方法によって形成することができる。電極膜の形成方法としては、例えば、スパッタリング法を用いることができる。

【0043】

（４）無機半導体膜１４の形成
次に、第１電極１５と第２電極１６の間に無機半導体膜１４を形成する。無機半導体膜１４は、例えば、有機固体電解質膜１３の上に、フォトリソグラフィー法によってパターニングされたレジスト膜を形成し、次いで、レジスト膜を含む有機固体電解質膜１３の上に無機半導体膜を形成した後、レジスト膜を除去する方法によって形成することができる。無機半導体膜は、例えば、無機半導体膜用前駆体液を塗布し、得られた塗布膜を加熱することによって形成することができる。無機半導体膜用前駆体液としては、無機半導体膜１４を構成する無機半導体の材料が溶解もしくは分散されている液体を用いることができる。無機半導体がＩｎ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＩＧＺＯ、ＩＴＺＯ、Ｚｎ－Ｓｎ－Ｏなどの酸化物である場合、無機半導体の材料として、加熱によってこれらの酸化物を生成する化合物を用いてもよい。無機半導体膜用前駆体液の塗布方法としては、スピンコーティング法、インクジェット印刷法、ナノインプリント法などを用いることができる。塗布膜の加熱温度は、無機半導体膜用前駆体液の溶媒が揮発して、無機半導体膜１４が生成する温度であれば特に制限はない。

【0044】

（５）絶縁被膜１８の形成
次に、有機固体電解質膜１３と第１電極１５、第１リード線１５ａ、第２電極１６、第２リード線１６ａ、第３リード線１７ａの上に絶縁被膜１８を形成する。絶縁被膜１８は、例えば、有機固体電解質膜１３の上に、フォトリソグラフィー法によってパターニングされたレジスト膜を形成し、次いで、レジスト膜を含む有機固体電解質膜１３の上に絶縁被膜を形成した後、レジスト膜を除去する方法によって形成することができる。絶縁被膜は、例えば、絶縁被膜用前駆体液を塗布し、得られた塗布膜を加熱することによって形成することができる。絶縁被膜用前駆体液としては、絶縁被膜１８を構成する材料が溶解もしくは分散されている液体を用いることができる。絶縁被膜１８を構成する材料として、加熱によって絶縁被膜１８を生成する化合物を用いてもよい。絶縁被膜用前駆体液の塗布方法としては、スピンコーティング法、インクジェット印刷法、ナノインプリント法などを用いることができる。塗布膜の加熱温度は、絶縁被膜用前駆体液の溶媒が揮発して、絶縁被膜１８が生成する温度であれば特に制限はない。

【0045】

（６）壁部２２の形成
次に、壁部２２を、露出部２０を囲うように形成する。壁部２２は、あらかじめ筒状に形成された壁部材を、絶縁被膜１８に接合することによって形成することができる。

【0046】

［生体物質検出方法］
生体物質検出センサ１０を用いた生体物質検出方法について説明する。
図３は、図１に示す生体物質検出センサを用いた生体物質検出方法を説明する模式図であって、（ａ）は、生体物質検出センサを図１のII－II’線に沿って見た拡大断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の拡大図である。また、図４は、図１に示す生体物質検出センサを用いた生体物質検出方法を説明する模式図であって、生体物質検出センサを図１のIV－IV’線に沿って見た拡大図である。

【0047】

図３及び図４に示すように、壁部２２の内側に、検出対象の生体物質２を含む液体Ｌｑを注液する。これにより、生体物質検出センサ１０の露出部２０（無機半導体膜１４、無機半導体膜１４の周囲の有機固体電解質膜１３の一部、第３電極１７）と生体物質２を含む液体Ｌｑとが接触する。生体物質２は、例えば、ＤＮＡやｍＲＮＡなどの核酸である。生体物質２を含む液体Ｌｑは、例えば、緩衝液と、核酸を含む血清との混合液である。

【0048】

生体物質２は、無機半導体膜１４及び有機固体電解質膜１３の一部に固定されているプローブ分子１と特異的に捕捉される。これによって、検出目的の生体物質を高い選択性で検出することができる。

【0049】

その後、プローブ分子１に捕捉されなかった生体物質（検出対象でない生体物質）、あるいは非特異的に捕捉されている生体物質等を洗浄液で洗浄するのが好ましい。洗浄後、生体物質検出センサ１０ａの露出部に、緩衝液などの測定液を供給する。これにより、無機半導体膜１４と第３電極１７とが測定液を介して電気的に接続可能となる。

【0050】

次いで、第１電極１５と第２電極１６との間に電圧Ｖ_ＤＳを印加し、次いで、第１電極１５と第３電極１７との間に電圧Ｖ_ＴＧを印加する。無機半導体膜１４及び有機固体電解質膜１３のプローブ分子１に検出目的の生体物質２が捕捉された状態で、無機半導体膜１４に電圧Ｖ_ＤＳが印加されることによって、第１電極１５と第２電極１６との間を流れる電流Ｉ_ＤＳが変化する。この電流Ｉ_ＤＳの変化に応じてＶ_ＴＧ－Ｉ_ＤＳ特性の変化が検出される。これにより、プローブ分子１に捕捉された生体物質２の量を定量することができる。

【0051】

本実施形態の生体物質検出センサ１０ａでは、図４に示すように、無機半導体膜１４の表面に固定されたプローブ分子１に捕捉された生体物質２の電荷が作る電界（矢印Ｄ１）とともに、有機固体電解質膜１３の内部をイオンが動くことで、有機固体電解質膜１３の表面に捕捉されたプローブ分子１に捕捉された生体物質２の電荷が作る電界（矢印Ｄ２）が無機半導体膜１４に伝わり、電気特性の変化に寄与できる（アンテナ効果）。これにより、より多くの生体物質２の電荷が作る電界が無機半導体膜１４に集積することで、感度と安定性が向上する。

【0052】

また、本実施形態の生体物質検出センサ１０ａでは有機固体電解質膜１３に接触する形で、電子伝導性を持つ導電性材料膜１２を有することにより、より早く、より遠く、より多くの捕捉された生体物質２の電荷が作る電界を無機半導体膜１４に伝える効果がある。なお、本実施形態の生体物質検出センサ１０ａでは、導電性材料膜１２に電圧を印加していないが、導電性材料膜１２に電圧Ｖ_ＢＧを印加してもよい。

【0053】

以上のような構成とされた本実施形態の生体物質検出センサ１０ａによれば、有機固体電解質膜１３は有機固体電解質を含み、無機半導体膜１４は無機半導体を含むので、増幅を必要とせず、感度が大幅に向上して検出限界が大幅に低くなり、また、水分等の存在下での検出の安定性が高く、更には低コストで迅速且つ簡便に生体物質の検出を行うことが可能となる。特に、高感度で検出限界が高いことから、従来よりも短時間で、生体物質を１分子単位で検出することが可能となり、感染症、新規癌マーカー、個の遺伝子、エクソソーム、白血球中のｍＲＮＡ、cell-freeＲＮＡ／ＤＮＡ等の解析を行う際、短時間で高精度な検出を実現することができる。また、医療分野において、患者の診察中に当該患者に関する生体物質を検出することが可能となり、その検出結果に基づいて迅速且つ適切な診断、治療を施すことが可能となる。さらに、上記の製造方法によれば、工業性や量産性に優れた生体物質検出センサ１０を提供することができる。

【0054】

また、本実施形態の生体物質検出センサ１０ａにおいて、有機固体電解質膜１３に含まれる有機固体電解質がプロトン導電性である場合は、生体物質検出センサ１０ａの感度がより向上する。特に、有機固体電解質が、側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーもしくは有機金属錯体である場合は、有機固体電解質膜１３のプロトン伝導性が高くなるので、生体物質検出センサ１０ａの感度が向上する。さらに、有機固体電解質膜１３のイオン伝導率が１×１０^－８Ｓ／ｃｍ以上である場合は、生体物質検出センサ１０ａの感度が向上する。

【0055】

また、本実施形態の生体物質検出センサ１０ａにおいて、無機半導体膜１４に含まれる無機半導体が、酸化インジウム、酸化亜鉛、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ酸化物、Ｚｎ－Ｓｎ酸化物、アモルファスシリコン、低温ポリシリコンおよびグラフィンからなる群より選ばれる少なくとも一種の無機物を含む場合は、生体物質検出センサ１０ａの感度がより高くなる。

【0056】

また、本実施形態の生体物質検出方法によれば、生体物質検出センサ１０ａの露出部２０と標的ＤＮＡなどの生体物質を含む液体Ｌｑとを接触させ、第３電極１７と第１電極１５との間に電圧Ｖ_ＴＧを印加すると共に、第１電極１５と第２電極１６との間の電流Ｉ_ＤＳを測定し、第３電極１７と第１電極１５との間の電圧Ｖ_ＴＧと、第１電極１５と第２電極１６との間の電流Ｉ_ＤＳとに基づいて前記生体物質を検出するので、従来と同様の簡単な操作、従来と同等のコストで、短時間、高感度で生体物質の検出を行うことが可能となる。

【0057】

また、本実施形態の生体物質検出センサ１０ａを複数配置したマルチ構造あるいはアレイ構造を有する生体物質検出装置を提供することができる。さらに、本実施形態の生体物質検出センサ１０ａと、公知のカーボンセンサなどの他の電気化学センサの双方を備える生体物質検出装置を提供することができる。これにより、短時間で高精度な検出を実現することができ、また、ｍＲＮＡ／ＤＮＡなどの生体物質とバイオマーカーなどの他の生体物質の双方を同時期あるいは同時に検出することができ、１回の検出作業で得られた複数の生体物質の検出結果を用いて、様々な観点からの分析が可能となる。

【0058】

以上、本発明の第１実施形態について詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【0059】

例えば、本実施形態の生体物質検出センサ１０ａにおいては、第１電極１５及び第２電極１６は、有機固体電解質膜１３の上に形成されているが、第１電極１５及び第２電極１６の配置はこれに限定されるものではない。また、本実施形態の生体物質検出センサ１０ａにおいては、導電性材料膜１２は、基板１１と有機固体電解質膜１３との間に配置されているが、導電性材料膜１２の配置はこれに限定されるものではない。以下、第１実施形態の生体物質検出センサ１０の変形例を、図５～図１１に示す。

【0060】

図５は、生体物質検出センサの第１変形例の構成の一例を示す平面図であり、図６は、図５のVI－VI’線断面図である。
図５及び図６に示す生体物質検出センサ１０ｂは、基板１１の上に有機固体電解質膜１３が配置されている。有機固体電解質膜１３の上に、無機半導体膜１４が配置され、第１電極１５及び第２電極１６は、無機半導体膜１４の上に形成されている。第１電極１５及び第２電極１６は、その端部が有機固体電解質膜１３の端部よりも内側となるサイズとされている。

【0061】

図７は生体物質検出センサの第２変形例の構成の一例を示す平面図であり、図８は、図７のVIII－VIII’線断面である。
図７及び図８に示す生体物質検出センサ１０ｃにおいては、基板１１の上に、第１電極１５及び第２電極１６が配置されている。第１電極１５及び第２電極１６は、有機固体電解質膜１３で覆われている。無機半導体膜１４は、有機固体電解質膜１３の上に形成されている。無機半導体膜１４は、有機固体電解質膜１３に設けられた貫通孔を介して第１電極１５及び第２電極１６と接続している。また、第１リード線１５ａは、貫通孔１５ｃを介して第１端子１５ｂと接続し、第２リード線１６ａは、貫通孔１６ｃを介して第２端子１６ｂと接続し、第３リード線１７ａは、貫通孔１７ｃを介して第３端子１７ｂと接続している。

【0062】

図９は、第４変形例の構成の一例を示す断面図である。
図９に示す生体物質検出センサ１０ｄにおいては、基板１１の上に有機固体電解質膜１３が配置されている。第１電極１５及び第２電極１６は、有機固体電解質膜１３の上に配置されている。図１１に示す生体物質検出センサ１０ｄは、導電性材料膜１２を備えないこと以外は、図１及び図２に示す生体物質検出センサ１０ａと同じである。

【0063】

図１０は生体物質検出センサの第６変形例の構成の一例を示す平面図であり、図１１は、図１０のXI－XI’線断面である。
図１０及び図１１に示す生体物質検出センサ１０ｅにおいては、基板１１の上に第１電極１５及び第２電極１６が配置され、無機半導体膜１４は、第１電極１５及び第２電極１６の上に形成されている。無機半導体膜１４、第１電極１５及び第２電極１６は、有機固体電解質膜１３で覆われている。有機固体電解質膜１３には、第１電極１５及び第２電極１６を外部電源と接続するための貫通孔が設けられている。

【0064】

第１実施形態の生体物質検出センサ１０ａにおいては、第３電極１７は有機固体電解質膜１３の上に形成されているが、第３電極１７の位置はこれに限定されるものではない。第３電極１７は、第１電極１５、第２電極１６及び有機固体電解質膜１３と電気的に接続していれば、有機固体電解質膜１３の上以外の位置に配置されていてもよい。

【0065】

図１２は、本発明の第２実施形態に係る生体物質検出センサの構成の一例を示す平面図である。図１３は、図１２のXIII－XIII’線断面図である。

【0066】

図１２及び図１３に示す生体物質検出センサ３０は、基板１１と、導電性材料膜１２と、有機固体電解質膜１３と、第１電極１５と、第２電極１６と、無機半導体膜１４とを有する。生体物質検出センサ３０は、第３電極１７を有しない点と、センサ片１９が１つとされている点以外は、第１実施形態の生体物質検出センサ１０ａと同じ構成とされている。

【0067】

図１４は、生体物質検出センサ３０を用いた生体物質検出方法を説明する模式図であって、（ａ）は、生体物質検出センサを図１２のXIII－XIII’線に沿って見た拡大断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の拡大図である。
生体物質検出センサ３０を用いた生体物質検出時において、第３電極１７は検出対象の生体物質２を含む液体Ｌｑに挿入される。これにより、第３電極１７と露出部２０の無機半導体膜１４とが接続する。第１電極１５と第２電極１６とは第１電圧供給部３１に接続され、第１電極１５と第３電極１７とは第２電圧供給部３２に接続されている。プローブ分子１に捕捉された生体物質２の検出方法は、第１実施形態の生体物質検出センサを用いた場合と同様に実施することができる。すなわち、第１電圧供給部３１を用いて、第１電極１５と第２電極１６との間に電圧Ｖ_ＤＳを印加し、第２電圧供給部３２を用いて、第１電極１５と第３電極１７との間に電圧Ｖ_ＴＧを印加する。これにより、第１電極１５と第２電極１６との間を流れる電流Ｉ_ＤＳが変化する。そして、Ｖ_ＴＧ－Ｉ_ＤＳ特性の変化を検出することにより、プローブ分子１に捕捉された生体物質２の量を定量することができる。

【符号の説明】

【0068】

１ プローブ分子
２ 生体物質
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、３０ 生体物質検出センサ
１１ 基板
１２ 導電性材料膜
１３ 有機固体電解質膜
１４ 無機半導体膜
１５ 第１電極
１６ 第２電極
１７ 第３電極
１８ 絶縁被膜
１９ センサ片
２０ 露出部
２１ 捕捉場
２２ 壁部
３１ 第１電圧供給部
３２ 第２電圧供給部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】