特許 7513577 ケミカルセンサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】ケミカルセンサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/414 20060101AFI20240702BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

G01N27/414 301K

G01N27/416 336G

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021143222

(22)【出願日】2021-09-02

(65)【公開番号】P2023036265

(43)【公開日】2023-03-14

【審査請求日】2023-03-13

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）第２期／フィジカル空間デジタルデータ処理基盤／サブテーマＩＩ：超低消費電力ＩｏＴデバイス・革新的センサ技術／超高感度センサシステムの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】杉崎 吉昭

【審査官】小澤 理

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－０４３１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５２５８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００１１２１６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０４１６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２５３４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０４０７５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／４１４

Ｇ０１Ｎ ２７／４１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

０．５ｍＭ以上６ｍＭ以下の塩素イオンを含み、２価のカチオンを含まない緩衝液と、
前記緩衝液中に浸漬される表面を有し、グラフェンを含むＦＥＴ（Field Effect Transistor）素子であるセンサ素子と、
前記緩衝液中に浸漬され、前記緩衝液に電位を与え、表面に塩化銀を有する銀／塩化銀電極と、
前記センサ素子の前記表面に設けられた核酸アプタマーと、
を備えるケミカルセンサ装置。

【請求項2】

前記緩衝液は、リン酸緩衝液またはＨＥＰＥＳ（ヒドロキシエチルピペラジンエタンスルホン酸）緩衝液を含む請求項１に記載のケミカルセンサ装置。

【請求項3】

前記銀／塩化銀電極と、前記センサ素子の前記表面との距離が１ｍｍ以上である請求項１または２に記載のケミカルセンサ装置。

【請求項4】

前記センサ素子及び前記銀／塩化銀電極を搭載した基板と、
前記緩衝液が流れる内部に、前記センサ素子の前記表面及び前記銀／塩化銀電極を露出させる開口部を有する配管と、
をさらに備える請求項１～３のいずれか１つに記載のケミカルセンサ装置。

【請求項5】

前記基板は、前記開口部に対して着脱自在である請求項４に記載のケミカルセンサ装置。

【請求項6】

前記緩衝液が流れる配管をさらに備え、
前記配管は、前記センサ素子の前記表面を前記配管の内部に露出させる第１開口部と、前記銀／塩化銀電極を前記配管の内部に露出させる第２開口部とを有する請求項１～３のいずれか１つに記載のケミカルセンサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、ケミカルセンサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

グラフェンＦＥＴ（Field Effect Transistor）を用いて溶液中の検体を検出するケミカルセンサがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－４１６２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の実施形態は、緩衝液の電位を安定化させつつ、電気二重層の厚膜化が可能なケミカルセンサ装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の実施形態によれば、ケミカルセンサ装置は、０．５ｍＭ以上６ｍＭ以下の塩素イオンを含み、２価のカチオンを含まない緩衝液と、前記緩衝液中に浸漬される表面を有し、グラフェンを含むＦＥＴ（Field Effect Transistor）素子であるセンサ素子と、前記緩衝液中に浸漬され、前記緩衝液に電位を与え、表面に塩化銀を有する銀／塩化銀電極と、前記センサ素子の前記表面に設けられた核酸アプタマーと、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態のケミカルセンサ装置を用いたモジュールの一例を示す概略構成図である。

【図2】図１に示す分子取り込みユニットの一例を示す模式図である。

【図3】図１に示す分子取り込みユニットの他の例を示す模式図である。

【図4】図３に示す分子取り込みユニットの流路チップの模式図である。

【図5】実施形態のケミカルセンサ装置を用いたモジュールの他の例を示す概略構成図である。

【図6】実施形態のケミカルセンサ装置を用いたモジュールのさらに他の例を示す概略構成図である。

【図7】実施形態のセンサチップの一例を示す模式図である。

【図8】実施形態のセンサカートリッジの一例を示す模式図である。

【図9】実施形態のケミカルセンサ装置の一例を示す模式図である。

【図10】実施形態のケミカルセンサ装置の他の例を示す模式図である。

【図11】実験に用いたセンサチップの模式図である。

【図12】図１１のセンサチップを用いた実験結果を表すグラフである。

【図13】図１１のセンサチップを用いた実験結果を表すグラフである。

【図14】図１１のセンサチップを用いた実験結果を表すグラフである。

【図15】図１１のセンサチップを用いた実験結果を表すグラフである。

【図16】図１１のセンサチップを用いた実験結果を表すグラフである。

【図17】図１１のセンサチップを用いた実験結果を表すグラフである。

【図18】図１１のセンサチップを用いた実験結果を表すグラフである。

【図19】図１１のセンサチップを用いた実験結果を表すグラフである。

【図20】図１１のセンサチップを用いた実験結果を表すグラフである。

【図21】図１１のセンサチップを用いた実験結果を表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ構成には同じ符号を付している。

【0008】

図１は、実施形態のケミカルセンサ装置を用いたモジュールの一例を示す概略構成図である。

【0009】

分子取り込みユニット１０が、吸気配管５０と排気配管５２に接続されている。排気配管５２には、吸排気装置４３が接続されている。吸排気装置４３は、例えば、ポンプまたはファンである。吸排気装置４３の駆動により、吸気配管５０を介して、分子取り込みユニット１０に検体雰囲気が取り込まれる。図１に示すケミカルセンサ装置における検出対象は、検体雰囲気中に含まれる分子（標的分子）である。

【0010】

分子取り込みユニット１０は、緩衝液の供給源に接続されている。例えば、分子取り込みユニット１０は、配管５４を介して、緩衝液が貯留された緩衝液タンク４１に接続されている。緩衝液は、例えば、リン酸緩衝液、またはＨＥＰＥＳ（ヒドロキシエチルピペラジンエタンスルホン酸）緩衝液を含む。また、緩衝液は、０．５ｍＭ以上６ｍＭ以下の塩素イオンを含む。

【0011】

緩衝液タンク４１から緩衝液が分子取り込みユニット１０に供給される。分子取り込みユニット１０は、標的分子を含む可能性のある検体雰囲気を緩衝液に曝露する。

【0012】

分子取り込みユニット１０は、配管５７を介してセンサ素子３０に接続されている。配管５７には、必要に応じて、バルブ７２が接続されている。また、分子取り込みユニット１０は、必要に応じて、排液するための配管５３に接続され、配管５３にはバルブ７３が接続されている。

【0013】

センサ素子３０は、排液するための配管６５に接続され、配管６５にはバルブ６４が接続されている。

【0014】

図２は、分子取り込みユニット１０の一例を示す模式図である。

【0015】

分子取り込みユニット１０は、検体雰囲気を緩衝液にバブリングさせる混合タンク１１を有する。混合タンク１１は、配管５４を介して、緩衝液タンク４１と接続されている。配管５４には、ポンプ１２及びバルブ７１が接続されている。バルブ７１を開き、ポンプ１２を駆動させることで、緩衝液タンク４１に貯留された緩衝液１００が混合タンク１１内に供給される。

【0016】

吸気配管５０の一端部には、混合タンク１１の外に位置する雰囲気捕集口５０ａが形成されている。吸気配管５０の他端部は、混合タンク１１内の緩衝液１００中に位置する。排気配管５２の一端部は混合タンク１１内の緩衝液１００より上部の気相部に位置し、排気配管５２の他端部は排気口となっている。排気配管５２における混合タンク１１と排気口の途中に吸排気装置４３が繋がっている。吸排気装置４３を駆動させることにより、雰囲気捕集口５０ａから吸気配管５０内に取り込まれた検体雰囲気は、混合タンク１１内の緩衝液にバブリングされ、検体雰囲気中の標的分子は緩衝液に溶解する。

【0017】

混合タンク１１は、配管５７を介して、センサ素子３０に接続されている。配管５７に、バルブ７２及びポンプ１３が接続されている。バルブ７２を開き、ポンプ１３を駆動させることで、混合タンク１１内の緩衝液１００が、センサ素子３０に供給される。

【0018】

図３は、図１に示す分子取り込みユニット１０の他の例を示す模式図である。
図４は、図３に示す流路チップ１１１の模式図である。

【0019】

この分子取り込みユニットは、流路チップ１１１と、流路チップ１１１に重ね合わされる蓋１１２と、流路チップ１１１と蓋１１２との間に配置される多孔質膜１２１とを有する。

【0020】

また、図４に示すように、流路チップ１１１には、溝１１７の一端部に接続した液体流入路１１３と、溝１１７の他端部に接続した液体流出路１１４が形成されている。図３に示すように、液体流入路１１３は緩衝液１００が供給される配管５４に接続され、液体流出路１１４はセンサ素子３０と接続された配管５７と接続されている。

【0021】

なお、溝１１７の底面には必要に応じて凹凸を形成することができる。凹凸の形状としては、例えばカオティックミキサーと呼ばれる非対称なＶ字溝を形成することができる。このような凹凸を形成することで、層流になりやすいマイクロ流路内で攪拌が発生し、後述の多孔質膜１２１を介した標的分子の取り込み効率が向上する。

【0022】

多孔質膜１２１は、溝１１７を覆っている。多孔質膜１２１上に蓋１１２が配置されている。蓋１１２は、シール部材（例えばゴム部材）１２２を介して、多孔質膜１２１に密着している。蓋１１２における多孔質膜１２１に対向する面に、溝１１７と鏡面対称に同じパターンで溝１１８が形成されている。

【0023】

蓋１１２には、溝１１８の一端部に接続した吸気路１１５と、溝１１８の他端部に接続した排気路１１６が形成されている。吸気路１１５は検体雰囲気を取り込む吸気配管５０に接続され、排気路１１６は排気配管５２に接続されている。

【0024】

バルブ７１とバルブ７２をそれぞれ開き、ポンプ１２とポンプ１３を駆動させることで、緩衝液タンク４１に貯留された緩衝液１００が、液体流入路１１３から溝１１７に供給される。緩衝液１００は、多孔質膜１２１を透過しない。したがって、緩衝液１００は、多孔質膜１２１の上方の溝１１８には流入しない。なお、ポンプ１２とポンプ１３はいずれか一方だけであっても構わない。

【0025】

排気配管５２に接続された吸排気装置４３を駆動することにより、雰囲気捕集口５０ａから吸気配管５０内に取り込まれた検体雰囲気は、吸気路１１５から溝１１８に流入する。検体雰囲気中の標的分子は多孔質膜１２１を透過して、緩衝液が供給された溝１１７に入り込み、溝１１７を流動している緩衝液に溶解する。

【0026】

検体雰囲気に曝露された溝１１７内の緩衝液は、そのまま液体流出路１１４を流れて、センサ素子３０へと供給される。

【0027】

図５は、実施形態のケミカルセンサ装置を用いたモジュールの他の例を示す概略構成図である。

【0028】

図５に示す例では、ケミカルセンサ装置における検出対象は、液中に含まれる分子（標的分子）である。標的分子を含む可能性のある検体溶液が貯留された検体溶液タンク４２と、前述した緩衝液が貯留された緩衝液タンク４１とが、三方弁７４を介して、センサ素子３０と接続されている。検体溶液タンク４２は、配管５３を介して三方弁７４と接続されている。緩衝液タンク４１は、配管５１を介して三方弁７４と接続されている。センサ素子３０は、配管５５を介して三方弁７４と接続されている。この構成により、センサ素子３０の表面を、検体溶液と緩衝液のそれぞれの溶液に、あるいは検体溶液と緩衝液との混合液に浸漬することができる。

【0029】

また、図６に示すように、緩衝液タンク４１とセンサ素子３０との間に検体溶液注入部１５を接続した構成でもよい。検体溶液注入部１５に、緩衝液タンク４１から緩衝液が供給される。また、検体溶液注入部１５に注入装置１６が接続されている。検体溶液注入部１５に供給された緩衝液に、注入装置１６から検体溶液が注入される。検体溶液が混合された緩衝液は、検体溶液注入部１５からセンサ素子３０に供給される。

【0030】

センサ素子３０は、例えば、図７に示すセンサチップ３５の基板３３上に設けられる。センサ素子３０は、例えば、グラフェンを含むＦＥＴ（Field Effect Transistor）素子である。グラフェン膜が基板３３上に設けられる。

【0031】

また、基板３３上には、第１電極２３、第２電極２５、及び銀／塩化銀電極２０が設けられている。第１電極２３及び第２電極２５の一方は、ＦＥＴにおけるドレイン電極として機能し、他方はＦＥＴにおけるソース電極として機能する。銀／塩化銀電極２０は、ＦＥＴにおけるゲート電極として機能する。第１電極２３と第２電極２５との間をグラフェン膜を通じて電流（ドレイン電流）が流れることができる。

【0032】

第１電極２３及び第２電極２５のそれぞれの一端部は、グラフェン膜に接している。第１電極２３の他端部にはパッド２４が設けられている。第２電極２５の他端部にはパッド２６が設けられている。銀／塩化銀電極２０は、ゲート配線２１を介してパッド２２と接続されている。

【0033】

基板３３上には、基板３３上の前述した要素を覆う絶縁膜３１が設けられている。絶縁膜３１には、センサ素子３０の表面（グラフェン膜の表面）３０ａを露出させる開口部３１ａが形成されている。また、絶縁膜３１には、銀／塩化銀電極２０を露出させる開口部３１ｂが形成されている。パッド２４、パッド２６、及びパッド２２は、絶縁膜３１から露出している。パッド２４、パッド２６、及びパッド２２の露出部にそれぞれ金ワイヤＷが接合される。

【0034】

図７に示すセンサチップ３５は、例えば、図８（ａ）及び（ｂ）に示すセンサカートリッジ６０１に搭載される。センサカートリッジ６０１には、センサ素子３０の表面及び銀／塩化銀電極２０を露出させる開口部６０１ａが設けられている。また、センサカートリッジ６０１には、センサチップ３５の第１電極２３、第２電極２５、及び銀／塩化銀電極２０と電気的に接続された内部配線６０２と、内部配線６０２と電気的に接続された端子６０３が設けられている。

【0035】

図８（ｂ）に示すように、センサカートリッジ６０１の端子６０３は、ソケット基板７００のソケット部７０１に差し込まれる。

【0036】

図９（ａ）及び（ｂ）に、例えば、図１に示す配管５７及び配管６５にセンサ素子３０を設置する例を示す。

【0037】

配管５７及び配管６５には、開口部５０１が開けられており、開口部５０１の外周にはパッキン５１０が形成されている。センサ素子３０は、例えば、前述したセンサチップ３５の状態でセンサカートリッジ６０１に実装された形態となっている。

【0038】

図９（ｂ）に示すように、センサ素子３０の表面を開口部５０１の部分に対向させて設置するとパッキン５１０によって気密にされて、センサ素子３０の表面が配管５７、６５内に露出した状態となる。センサ素子３０を実装した基板３３やセンサカートリッジ６０１は、開口部５０１に対して着脱自在となっている。このような形態とすることにより、センサ素子３０を交換部品や消耗部品として、配管５７、６５における開口部５０１が形成されたセンサ搭載部に着脱することが可能となる。

【0039】

配管５７、６５内に露出したセンサ素子３０の表面（グラフェン膜の表面）３０ａは、配管５７、６５内の緩衝液１００に浸漬され、緩衝液中の標的分子をセンサ素子３０のドレイン電流の変化などにより検出することができる。

【0040】

センサ素子３０とともに基板３３上に混載された銀／塩化銀電極２０も、開口部５０１から配管５７、６５内に露出した状態となる。銀／塩化銀電極２０は配管５７、６５内の緩衝液１００に浸漬され、緩衝液１００に電位を与える。なお、銀／塩化銀電極２０は、センサ素子３０とともに基板３３上に混載することに限らない。

【0041】

例えば、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、センサ素子３０の表面を配管５７、６５内に露出させる開口部（第１開口部）５０１とは別の第２開口部５０２から銀／塩化銀電極２０を配管５７、６５内に露出させて緩衝液１００に浸漬させることもできる。または、銀／塩化銀電極２０を配管５７、６５の内部に直接作り込んでしまっても構わない。

【0042】

表面に塩化銀を有する銀／塩化銀電極２０は塩素イオンを含む緩衝液に浸漬され、酸化還元反応を起こすことによって、緩衝液に電位を与える。緩衝液の電位は、ネルンストの式に従って、銀／塩化銀電極２０の電位に対して一定の電位差に制御される。塩化銀（ＡｇＣｌ）との酸化還元反応（AgCl ＋ ｅ^－ → Ag ＋ Cl^－）により、緩衝液中の塩素イオン（Ｃｌ^－）が、緩衝液と銀／塩化銀電極２０表面との間を緩衝液の電位が安定するまで移動する。銀／塩化銀電極のネルンスト式は、以下の式で表される。

【0043】

【数1】

【0044】

Ｅは電極電位、Ｅ^０は標準電極電位、Ｒは気体定数、Ｔは温度、Ｆはファラデー定数、ａＡｇ^＋は銀イオンの活量、ａＣｌ^－は塩素イオンの活量である。ネルンスト式によれば銀電極と緩衝液間の電位差は、Cl^－の活量によって決定される。

【0045】

この原理を使用して、銀／塩化銀電極と緩衝液間を一定電位差に制御する基準電極がある。基準電極には、通常、銀／塩化銀電極と緩衝液との電位差を安定させるために、塩化カリウム飽和水溶液等の高塩濃度溶液が適用される。
ケミカルセンサには、銀／塩化銀電極の基準電極構成を用いた電位差制御を適用することができない。このような高塩濃度溶液では、センサ素子の表面に形成される電気二重層が薄く、デバイ遮蔽によって、センサ素子の表面付近でのイベント（例えば、センサ素子の表面に結合または吸着させたプローブ分子と標的分子との会合、標的分子と会合することによるプローブ分子の変形など）による電気特性の変化を検出しにくくなるためである。

【0046】

本実施形態によれば、後述する実験に基づき、ケミカルセンサの緩衝液の電位を安定化させつつ、電気二重層の厚膜化を可能にする、緩衝液中における塩素イオンの好ましい濃度範囲を見いだした。

【0047】

以下に、その実験結果について説明する。

【0048】

図１１は、実験に用いたセンサチップの模式図である。
基板３３上に、Ｃｈ１～Ｃｈ７の７チャネルの測定系を設けた。各チャネルＣｈ１～Ｃｈ７は、それぞれ、グラフェン膜を用いたセンサ素子３０と、グラフェン膜に電気的に接続された一対の電極８０１、８０２を含む。一対の電極８０１、８０２のうちの一方はドレイン電極であり、他方はソース電極である。各チャネルＣｈ１～Ｃｈ７のセンサ素子３０の表面は、ウェル８００に供給された緩衝液に浸漬される。また、チャネルＣｈ２の上方において、銀／塩化銀電極２０をウェル８００内の緩衝液に浸漬させた。図１１上の紙面奥行き方向において円柱形状の銀／塩化銀電極２０が延び、チャネルＣｈ２と向かい合っている。

【0049】

図１２～図１８は、グラフェン膜を通じて電極８０１、８０２間を流れるドレイン電流Ｉｄ（縦軸）の時間（横軸）による変化の測定結果を表すグラフである。ゲート電圧は、ドレイン電流の経時変化測定中常に印加した。図中のＩｄＶｇと記載しているタイミングで一旦経時変化測定を中断し、 ゲートスイープしてＩｄ ｖｓ Ｖｇ特性を取得した。また、長時間測定による乾燥等の影響を排除するため、ＩｄＶｇ測定の中間点で同組成の溶液に更新した。

【0050】

図１２は、１０ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に１ｍＭのＫＣｌ（塩化カリウム）を添加した緩衝液を用いた結果を表す。この測定では、銀／塩化銀電極２０の電位Ｖｇは５００ｍＶとした。

【0051】

図１３は、１０ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に０．１ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた結果を表す。この測定では、銀／塩化銀電極２０の電位Ｖｇは５００ｍＶとした。

【0052】

図１４は、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に１ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた結果を表す。この測定では、銀／塩化銀電極２０の電位Ｖｇは４６０ｍＶとした。

【0053】

図１５は、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に０．１ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた結果を表す。この測定では、銀／塩化銀電極２０の電位Ｖｇは５００ｍＶとした。

【0054】

図１６は、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に０．０１ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた結果を表す。この測定では、銀／塩化銀電極２０の電位Ｖｇは５００ｍＶとした。

【0055】

図１７は、１ｍＭのリン酸緩衝液に１ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた結果を表す。この測定では、銀／塩化銀電極２０の電位Ｖｇは３９０ｍＶとした。

【0056】

図１８は、１ｍＭのリン酸緩衝液に０．１ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた結果を表す。この測定では、銀／塩化銀電極２０の電位Ｖｇは５００ｍＶとした。

【0057】

上記図１２乃至１８における銀／塩化銀電極２０の電位Ｖｇは、予めドレイン電流のゲート電圧依存性を取得した際にゲート電圧依存性が大きくなっている条件に設定している。具体的にはドレイン電流がホール伝導からエレクトロン伝導に切り替わる電荷中性点に対して、２００ｍＶ低い電圧としている。ただし、溶液の電気分解を避けるためゲート電圧の最大設定値を７００ｍＶに制約しているため、電荷中性点が７００ｍＶを超えた場合には、７００－２００＝５００ｍＶにゲート電圧を設定した。なお、ホール伝導においては、ドレイン電流のゲート電圧依存性は負の関係、エレクトロン伝導では正の関係にあるため、ゲート電圧に対してドレイン電流はＶ字状の形となり、その谷底となったところが電荷中性点として読み取ることが出来る（不図示）。後述の実験においても特別の注釈のない限り同様の手順でゲート電圧を設定している。

【0058】

図１３、図１５、図１６、及び図１８に示すように、塩素イオン濃度が０．１ｍＭと０．０１ｍＭではＩｄが不安定となっている。これは、希薄な塩素イオン濃度中における銀／塩化銀電極の近くで発生するＣｌ^－の増減により緩衝液電位が変動してしまい、センサ素子にドリフト電流が発生したためと考えられる。

【0059】

図１２、図１４、及び図１７に示すように、塩素イオン濃度が１ｍＭでは、塩素イオン濃度が０．１ｍＭと０．０１ｍＭの場合に比べて、Ｉｄを安定化させることができた。したがって、緩衝液の電位を安定化させ、Ｉｄのドリフトを抑制するために、緩衝液は１ｍＭ以上の塩素イオンを含むことが好ましい。

【0060】

図１９は、銀／塩化銀電極とセンサ素子の表面との距離ｄを変えて、Ｉｄの時間変化を測定した結果を表すグラフである。図１１に示すセンサチップにおいて、距離ｄは、センサ素子３０の表面からの銀／塩化銀電極２０の下面の高さに対応する。この測定では、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に０．５ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた。銀／塩化銀電極２０の電位Ｖｇは４５０ｍＶとした。

【0061】

図１９の結果より、銀／塩化銀電極とセンサ素子との距離を制御することにより、０．５ｍＭの塩素イオンを含む緩衝液を用いても、Ｉｄのドリフトを抑制できることが確認された。Ｉｄを安定化させるために、銀／塩化銀電極とセンサ素子の表面との距離ｄは、１ｍｍ以上が好ましく、２ｍｍ以上がさらに好ましい。

【0062】

図７の構成において、銀／塩化銀電極２０とセンサ素子３０の表面３０ａとの距離ｄは、基板３３の表面に平行な面内における距離である。図１０（ｂ）の構成において、銀／塩化銀電極２０とセンサ素子３０の表面３０ａとの距離ｄは、配管の第１開口部５０１に露出するセンサ素子３０の表面と、配管の第２開口部５０２に露出する銀／塩化銀電極２０との間の距離である。

【0063】

図２０は、緩衝液中のイオン濃度（横軸）と、デバイ長（縦軸）との関係を示すグラフである。

【0064】

塩素イオンを含まない１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液を用いた場合、デバイ長は１６ｎｍであった。
１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に１ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた場合、デバイ長は８．３ｎｍであった。
１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に２ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた場合、デバイ長は６．３ｎｍであった。
１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に４ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた場合、デバイ長は４．６ｎｍであった。
塩素イオンを含まない１ｍＭのリン酸緩衝液を用いた場合、デバイ長は６．８ｎｍであった。
１ｍＭのリン酸緩衝液に１ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた場合、デバイ長は５．６ｎｍであった。
１ｍＭのリン酸緩衝液に２ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた場合、デバイ長は４．８ｎｍであった。
１ｍＭのリン酸緩衝液に４ｍＭのＫＣｌを添加した緩衝液を用いた場合、デバイ長は３．９ｎｍであった。
塩素イオンを含まない１０ｍＭのリン酸緩衝液を用いた場合、デバイ長は２．２ｎｍであった。

【0065】

例えば生体由来のプローブ分子をセンサ素子の表面に設ける場合、そのプローブ分子が核酸アプタマーであった場合には、そのサイズは４ｎｍほどである。したがって、デバイ長が４ｎｍ以上であれば、センサ素子の表面上におけるプローブ分子と標的分子との会合や、標的分子と会合することによるプローブ分子の変形などによるセンサ素子表面の電気特性の変化を検出することができる。

【0066】

図２０に示すイオン濃度の変化によるデバイ長の変化の傾向から、１ｍＭのリン酸緩衝液の場合には４ｍＭ以下、より好ましくは２ｍＭ以下の塩素イオンを含むとデバイ長を４ｎｍ以上にしやすく、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液の場合には６ｍＭ以下、より好ましくは４ｍＭ以下の塩素イオンを含むとデバイ長を４ｎｍ以上にしやすい。

【0067】

したがって、ここまでの実験結果より、０．５ｍＭ以上６ｍＭ以下の塩素イオンを含む緩衝液を用いることで、緩衝液の電位を安定化させつつ、電気二重層（デバイ長）の厚膜化が可能となる。

【0068】

図２１は、緩衝液中のＫＣｌ濃度（横軸）と、グラフェンＦＥＴの電荷中性点との関係を示すグラフである。

【0069】

７００ｍＶより高いゲート電圧を印加すると水の電気分解が発生するおそれがあり、それに伴う気泡の発生、誤検出、損傷などが懸念されるため、グラフェンの電気特性の計測はゲート電圧が７００ｍＶ以下で行うことが好ましい。ここで電荷中性点が７００ｍＶ以上になってしまうと、グラフェンの電気特性を電荷中性点以下のホール伝導領域でしか測定できなくなってしまうため、仮にドレイン電流の変化が検出されたとしても、それが標的の検出を示す電荷の注入であるのか、あるいは意図せぬ物理的な損傷による抵抗変動なのかの識別が出来なくなってしまう。図２１に示すＫＣｌの濃度の変化による電荷中性点の変化傾向より、ＫＣｌ濃度が０．５ｍＭ以上であれば電荷中性点を水の電気分解が起きない範囲（７００ｍＶ以下）で計測することが可能である。このことから、緩衝液中の塩素イオン濃度は、０．５ｍＭ以上が好ましい。

【0070】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0071】

２０…銀／塩化銀電極、３０…センサ素子、３３…基板、３５…センサチップ、６０１…センサカートリッジ

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】