特表 2023-548977 病原体の検出のための、二次元材料をベースにした電界効果トランジスター、及び製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-21

(54)【発明の名称】病原体の検出のための、二次元材料をベースにした電界効果トランジスター、及び製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/00 20060101AFI20231114BHJP

   G01N 33/569 20060101ALI20231114BHJP

   G01N 27/414 20060101ALI20231114BHJP

【ＦＩ】

G01N27/00 J

G01N33/569 L

G01N27/414 301V

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023552154

(86)(22)【出願日】2021-11-09

(85)【翻訳文提出日】2023-07-10

(86)【国際出願番号】 US2021058581

(87)【国際公開番号】W WO2022103731

(87)【国際公開日】2022-05-19

(31)【優先権主張番号】63/111,892

(32)【優先日】2020-11-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/245,444

(32)【優先日】2021-09-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】597158986

【氏名又は名称】オーバーン・ユニバーシティ

【氏名又は名称原語表記】Ａｕｂｕｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

(71)【出願人】

【識別番号】523171722

【氏名又は名称】マーサー・ユニバーシティ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】マスード・マジューリ－サマニ

(72)【発明者】

【氏名】マイケル・シー・ハミルトン

(72)【発明者】

【氏名】マルセロ・クロダ

(72)【発明者】

【氏名】サハル・ハシム

(72)【発明者】

【氏名】パルヴィン・ファティ－ハフシェジャニ

【テーマコード（参考）】

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G060AA15

2G060AA19

2G060AD06

2G060DA14

2G060GA03

2G060JA07

2G060KA09

(57)【要約】

少なくとも１つの例示的な実施形態では、病原体の検出のための電界効果トランジスターバイオセンサーは、基板と、生体認識要素で官能化される二次元単層又は数層の金属カルコゲナイド（１０４）から形成されたチャネルとを含む。生体認識要素は、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質に対する抗体等の抗体であってもよい。バイオセンサーを製造するための方法は、非晶質二次元材料を、パルスレーザーアブレーションで基板上に堆積する工程と、非晶質二次元材料を結晶化して、基板に連結された二次元単層を生成する工程と、非晶質二次元材料を結晶化した後に、生体認識要素で二次元材料の表面を活性化する工程とを含む。二次元材料の組成は、調整され得る。基材は、フォトリソグラフィーによりパターニングされてもよい。その他の実施形態が記述され、請求項に記載される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料中の病原体を検出する電界効果トランジスターバイオセンサーであって、
基板と、
生体認識要素で官能化される二次元単層又は数層の金属カルコゲナイドを含む、前記基板に連結されたチャネルと
を含む、バイオセンサー。

【請求項2】

前記生体認識要素が抗体を含む、請求項１に記載のバイオセンサー。

【請求項3】

前記生体認識要素を前記二次元単層又は前記数層の金属カルコゲナイドに取着するプローブリンカーを更に含む、請求項１に記載のバイオセンサー。

【請求項4】

前記プローブリンカーが、前記金属カルコゲナイドの表面の空孔欠陥に結合する、請求項３に記載のバイオセンサー。

【請求項5】

イオン性溶液に連結されたゲート電極を更に含み、前記イオン性溶液が前記二次元単層又は前記数層の金属カルコゲナイドと接する、請求項１に記載のバイオセンサー。

【請求項6】

前記イオン性溶液が前記試料と混合される、請求項５に記載のバイオセンサー。

【請求項7】

前記二次元単層又は前記数層の金属カルコゲナイドが、遷移金属ジカルコゲナイドを含む、請求項１に記載のバイオセンサー。

【請求項8】

前記遷移金属ジカルコゲナイドがＭＸ_{１．５～２}の組成を有する、請求項７に記載のバイオセンサー。

【請求項9】

前記遷移金属ジカルコゲナイドが、二セレン化タングステンを含む、請求項７に記載のバイオセンサー。

【請求項10】

前記二次元単層又は前記数層の金属カルコゲナイドが、金属モノカルコゲナイドを含む、請求項１に記載のバイオセンサー。

【請求項11】

前記金属モノカルコゲナイドがＭＸ_{０．７５～１}の組成を有する、請求項１０に記載のバイオセンサー。

【請求項12】

ソース電極及びドレイン電極を更に含み、前記電極が前記チャネルに連結される、請求項１に記載のバイオセンサー。

【請求項13】

前記ソース電極及び前記ドレイン電極のそれぞれが、複数の櫛型フィンガーを含む、請求項１２に記載のバイオセンサー。

【請求項14】

試料中の病原体を検出する電界効果トランジスターバイオセンサーを製造するための方法であって、
非晶質二次元材料を、パルスレーザーアブレーションで基板上に堆積する工程と、
前記非晶質二次元材料を結晶化して、前記基板に連結された二次元単層又は数層を生成する工程と、
前記非晶質二次元材料を結晶化した後に、病原体検出のために生体認識要素で前記二次元材料の表面を活性化する工程と
を含む、方法。

【請求項15】

前記非晶質二次元材料を堆積する工程が、前記非晶質二次元材料を室温で堆積する工程を含み、
前記非晶質二次元材料を結晶化する工程が、前記非晶質二次元材料を加熱炉で結晶化する工程を含む、
請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記非晶質二次元材料を室温で堆積する工程が、前記非晶質二次元材料を１５０℃よりも低い動作温度で堆積する工程を含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記二次元材料が、組成上調整可能な遷移金属ジカルコゲナイドを含み、前記遷移金属ジカルコゲナイドがＭＸ_{１．５～２}の組成を有する、請求項１４に記載の方法。

【請求項18】

前記二次元材料が、調整可能な金属モノカルコゲナイドを含み、前記金属モノカルコゲナイドがＭＸ_{０．７５～１}の組成を有する、請求項１４に記載の方法。

【請求項19】

前記非晶質二次元材料を、パルスレーザーアブレーションで前記基板上に堆積する工程が、前記非晶質二次元材料の厚さを決定するためにレーザーパルスの数を制御する工程を含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項20】

前記基板をデバイスフィーチャーでフォトリソグラフィーパターニングして、パターニングされた基板を作成する工程を更に含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項21】

前記非晶質二次元材料を堆積する工程が、前記パターニングされた基板上で、前記基板をパターニングした後に前記非晶質二次元材料を堆積する工程を含む、請求項２０に記載の方法。

【請求項22】

前記基板をパターニングする工程が、前記非晶質二次元材料を結晶化した後に前記基板をパターニングする工程を含む、請求項２０に記載の方法。

【請求項23】

前記二次元単層又は数層上にソース電極及びドレイン電極を堆積する工程を更に含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項24】

前記基板にソース電極及びドレイン電極を付着させる工程を更に含み、前記非晶質二次元材料を堆積する工程は、前記非晶質二次元材料を前記ソース電極又は前記ドレイン電極上に堆積する工程を含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項25】

前記二次元材料の表面を前記生体認識要素で活性化する工程が、
前記二次元材料の表面に、１１－メルカプトウンデカン酸を含む化学リンカーを取着する工程と、
前記化学リンカーを前記表面に取着した後に前記化学リンカーを活性化する工程と、
前記化学リンカーを活性化した後に前記生体認識要素を取着する工程と
を含む、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）（３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ））の下、参照によりそのそれぞれの開示全体が本明細書に組み込まれている、２０２０年１１月１０日に出願された米国仮出願第６３／１１１，８９２号及び２０２１年９月１７日に出願された米国仮出願第６３／２４５，４４４号の優先権を主張するものである。

【背景技術】

【0002】

病原体によって引き起こされる新興感染症は、世界的な脅威である。例えば、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス２（ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２）により生じた新規なコロナウイルス疾患（ＣＯＶＩＤ－１９）は、ほとんどの大陸に急速に拡がり、２０２０年３月にパンデミックとして分類された。典型的には、利用可能なＣＯＶＩＤ－１９検出用の唯一特異的な診断試験は、リアルタイム逆転写ポリメラーゼ連鎖反応（ＲＴ－ＰＣＲ）である。いくつかのタイプのＲＴ－ＰＣＲ ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２キットが製造され承認されてきているが、しかしながらＲＴ－ＰＣＲ試験は非常に時間がかかる。

【0003】

電界効果トランジスター（ＦＥＴ）は、潜在的な選択的バイオセンサーとして研究されてきた。例えばグラフェンをベースにしたＦＥＴバイオセンサーは、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質を同定するのに使用されてきた。グラフェンは高い電子移動度を有するが、グラフェンのゼロに近いバンドギャップにより、グラフェンをベースにしたバイオセンサーでのオフ状態の電流漏洩が増大する可能性があり、擬似信号がもたらされる可能性がある。

【0004】

半導体二次元（２Ｄ）材料、例えば２Ｄ遷移金属ジカルコゲナイドも、潜在的なバイオセンシングの用途に関して研究されてきた。化学気相成長（ＣＶＤ）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）等の２Ｄ材料を製造するための典型的な技法は、フォトリソグラフィー技法と相容れることができない。例えばＣＶＤは、典型的には比較的高い温度で動作し、これはフォトリソグラフィーと相容れるものではない。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

一態様によれば、試料中の病原体を検出する電界効果トランジスターバイオセンサーは、基板及び基板に連結されたチャネルを含む。チャネルは、生体認識要素で官能化される二次元単層又は数層の金属カルコゲナイドを含む。一部の実施形態では、生体認識要素は抗体を含む。

【0006】

一部の実施形態では、バイオセンサーは、生体認識要素を二次元単層金属カルコゲナイドに取着するプローブリンカーを更に含む。一部の実施形態では、プローブリンカーは、金属カルコゲナイドの表面の空孔欠陥に結合する。

【0007】

一部の実施形態では、バイオセンサーは、イオン性溶液に連結されたゲート電極を更に含み、このイオン性溶液は、二次元単層金属カルコゲナイドと接する。一部の実施形態では、イオン性溶液は試料と混合される。

【0008】

一部の実施形態では、二次元単層又は数層の金属カルコゲナイドは、遷移金属ジカルコゲナイドを含む。一部の実施形態では、遷移金属ジカルコゲナイドは、ＭＸ_{１．５～２}の組成を有する。一部の実施形態では、遷移金属ジカルコゲナイドは、二セレン化タングステンを含む。

【0009】

一部の実施形態では、二次元単層又は数層の金属カルコゲナイドは、金属モノカルコゲナイドを含む。一部の実施形態では、金属モノカルコゲナイドは、ＭＸ_{０．７５～１}の組成を有する。

【0010】

一部の実施形態では、バイオセンサーは、ソース電極及びドレイン電極を更に含む。電極はチャネルに連結される。一部の実施形態では、ソース電極及びドレイン電極のそれぞれは、複数の櫛型フィンガーを含む。

【0011】

別の態様によれば、試料中の病原体を検出する電界効果トランジスターバイオセンサーを製造するための方法は、非晶質二次元材料をパルスレーザーアブレーションで基板上に堆積することと、非晶質二次元材料を結晶化して、基板に連結された二次元単層又は数層を生成することと、非晶質二次元材料を結晶化した後に、病原体検出のため生体認識要素で二次元材料の表面を活性化することとを含む。

【0012】

一部の実施形態では、非晶質二次元材料を堆積することは、非晶質二次元材料を室温で堆積することを含み、非晶質二次元材料を結晶化することは、非晶質二次元材料を加熱炉で結晶化することを含む。一部の実施形態では、非晶質二次元材料を室温で堆積することは、非晶質二次元材料を１５０℃よりも低い動作温度で堆積することを含む。

【0013】

一部の実施形態では、二次元材料は、組成上調整可能な遷移金属ジカルコゲナイドを含む。一部の実施形態では、遷移金属ジカルコゲナイドはＭＸ_{１．５～２}の組成を有する。

【0014】

一部の実施形態では、二次元材料は、調整可能な金属モノカルコゲナイドを含む。一部の実施形態では、金属モノカルコゲナイドは、ＭＸ_{０．７５～１}の組成を有する。

【0015】

一部の実施形態では、非晶質二次元材料をパルスレーザーアブレーションで基板上に堆積することは、非晶質二次元材料の厚さを決定するためレーザーパルスの数を制御することを含む。

【0016】

一部の実施形態では、方法は、基板をデバイスフィーチャー（ｄｅｖｉｃｅ ｆｅａｔｕｒｅ）でフォトリソグラフィーパターニングして、パターニングされた基板を作成することを更に含む。一部の実施形態では、非晶質二次元材料を堆積することは、パターニングされた基板上で、基板をパターニングした後に非晶質二次元材料を堆積することを含む。一部の実施形態では、基板をパターニングすることは、非晶質二次元材料を結晶化した後に基板をパターニングすることを含む。

【0017】

一部の実施形態では、方法は、二次元単層又は数層上にソース電極及びドレイン電極を堆積することを更に含む。一部の実施形態では、方法は、基板にソース電極及びドレイン電極を付着させることを更に含み、非晶質二次元材料を堆積することは、非晶質二次元材料をソース電極又はドレイン電極上に堆積することを含む。

【0018】

一部の実施形態では、二次元材料の表面を生体認識要素で活性化することは、二次元材料の表面に化学リンカーを取着することと、化学リンカーを表面に取着した後に化学リンカーを活性化することと、化学リンカーを活性化した後に生体認識要素を取着することとを含む。一部の実施形態では、化学リンカーは１１－メルカプトウンデカン酸を含む。

【0019】

本開示に記述される概念は、例として示されるものであり、添付される図において限定しようとするものではない。例示を単純化し明瞭にするために、図に示される要素は必ずしも縮尺を合わせて描かれていない。例えば、いくつかの要素の寸法は、明瞭化するためのその他の要素に対して誇張される可能性がある。更に、適切と見なされる場合には、対応する又は類似する要素を示すために図の中で参照標識が繰り返されている。詳細な記述は、特に、添付される図に言及する。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】二次元材料を使用するバイオセンサーデバイスの、単純化された平面図である。

【図2】図１のバイオセンサーデバイスの、単純化された正面図である。

【図3】図１～図２のバイオセンサーデバイスの二次元材料単層の、単純化された断面詳細図である。

【図4】図１～図３のバイオセンサーデバイスの官能化二次元材料単層の、単純化された断面詳細図である。

【図5】図１～図４のデバイスにより実現され得る試験結果を例示するプロットである。

【図6】図１～図４のデバイスの少なくとも１つの実施形態の詳細図である。

【図7】図１～図４のデバイスの少なくとも１つのその他の実施形態の詳細図である。

【図8】図１～図４及び図７のバイオセンサーデバイスを製造するための方法を例示する、単純化された概略図である。

【図9】図８の製造方法の１つの例示的な実施形態の、単純化された流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本開示の概念は、様々な修正及び代替形態を許容可能であるが、それらの特定の例示的な実施形態を、図面に例として示しており、本明細書ではそれらについて詳述する。しかしながら、開示される特定の形態に本開示の概念を限定するものではなく、それとは対照的に本開示の趣旨及び範囲内に含まれる全ての修正例、等価物、及び代替例を包含するものであることを理解すべきである。

【0022】

本明細書で「一実施形態」、「実施形態」、「例示的な実施形態」等と言及する場合、記述される実施形態は、特定の特色、構造、又は特徴を含み得るが全ての実施形態は必ずしも特定の特色、構造、又は特徴を含まなくてもよいことを示す。更に、そのような文言は必ずしも同じ実施形態を指さない。更に、特定の特色、構造、又は特徴が実施形態に関連して記述されるとき、明示的に記述されてもそうでなくても、その他の実施形態に関連したそのような特色、構造、又は特徴を有効にする当業者の知識の範囲内にあることが、考えられる。

【0023】

次に図１及び図２を参照すると、バイオセンサーデバイス１００の、１つの例示的な実施形態の単純化された概略図が示されている。バイオセンサー１００は、ＣＯＶＩＤ－１９の原因であるＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２コロナウイルス等の病原体に結合する生体認識要素を含む、電界効果トランジスター（ＦＥＴ）である。図２に示されるように、バイオセンサーデバイス１００は、表面に二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層があるバルクシリコン等の半導体として具現化され得る基板１０２を含む。官能化金属カルコゲナイド２Ｄ材料１０４は、基板１０２上に位置決めされる。２Ｄ材料１０４は、２Ｄ材料の単層又は結晶化材料の数層（即ち、２Ｄ材料の数層）として具現化され得る。したがって２Ｄ材料１０４は、単に数原子の厚さ（例えば、３原子、６原子、２原子、４原子、又は別の比較的小さい数の原子の厚さ）であってもよい。２Ｄ材料１０４は、例示的に遷移金属ジカルコゲナイドであり、より詳細にはセレン化タングステン（ＷＳｅ_２）の単層である。他の実施形態では、２Ｄ材料１０４は、異なる遷移金属ジカルコゲナイド（ＭＸ_２）、金属モノカルコゲナイド（ＭＸ）、又はその他の２Ｄ金属カルコゲナイドであってもよい。加えて、以下に更に記述されるように、２Ｄ材料１０４は、調整された化学組成を有していてもよい。２Ｄ材料１０４は、以下に更に記述される生体認識要素の付加によって官能化される。

【0024】

図１及び図２を再び参照すると、バイオセンサーデバイス１００は更に、２Ｄ材料１０４上に形成された１対の櫛型電極１０６、１０８を含む。電極１０６、１０８のそれぞれは、金、チタン、銅、アルミニウム、又は別の金属性材料として具現化され得る。例示的に、電極１０６は、コンタクトパッド１１０と、コンタクトパッド１１０から離れて延びるトレース１１２を含む。多数のフィンガー１１４がトレースから離れて電極１０８に向かって延びる。同様に電極１０８は、コンタクトパッド１１６と、コンタクトパッド１１６から離れて延びるトレース１１８を含む。多数のフィンガー１２０が、トレース１１８から離れて電極１０６に向かって延びる。上述のように、それぞれの電極１０６、１０８のフィンガー１１４、１２０は、櫛型になっており、バイオセンサーデバイス１００全体にわたって互いに交互になっている。例示的に、電極１０６、１０８のフィンガー１１４、１２０のそれぞれは、約３０μｍのチャネル幅で分離されていてもよい。以下に更に記述されるように、このチャネル幅は、２Ｄ材料１０４の１つ又は複数の結晶により架橋されて、ＦＥＴベースのバイオセンサーデバイス１００のチャネルを形成していてもよい。ソース電極１０６及びドレイン電極１０８の櫛型配置構成は、検出領域を増大し得る。当然ながら、他の実施形態では、ＦＥＴバイオセンサー用の電極１０６、１０８の任意の適切な幾何形状が使用され得る。

【0025】

図示されるように、イオン性ゲート溶液１２２が、電極１０６、１０８上に位置決めされ且つ２Ｄ材料１０４と接してもよい。イオン性ゲート溶液１２２は、脱イオン水に溶かした０．０１×リン酸緩衝生理食塩液（ＰＢＳ）等のイオン性溶液として具現化され得る。病原体を潜在的に含む試料は、曝露及び検出プロセスを行うためにイオン性ゲート溶液１２２に直接添加され得る。

【0026】

使用中、電極１０６、１０８のそれぞれは、ＦＥＴベースのバイオセンサーデバイス１００用のソース電極又はドレイン電極として作用し得る。例示的に、電極１０６はソース電極１０６と呼ばれ、電極１０８はドレイン電極１０８と呼ばれるが、しかしながらその他の実施形態では、電極１０６、１０８の役割は逆にしてもよい。電極１０６、１０８の間に位置決めされた２Ｄ材料１０４は、ＦＥＴベースのバイオセンサーデバイス１００のチャネルとして作用し得る。イオン性ゲート溶液１２２は、ゲートとして作用してもよい。特に、電圧が電極１０６、１０８に印加されてもよく、ゲート電極（図示せず）は、バイオセンサーデバイス１００を能動化するために電圧をイオン性ゲート溶液１２２に印加してもよい。センサーデバイス１００の電気輸送特性の変化（例えば、電極１０６、１０８の間を通過する電流）を使用して、ゲート溶液１２２中の病原体の存在を検出してもよい。特に、病原体粒子と２Ｄ材料１０４の官能化表面との相互作用は、２Ｄ材料１０４の電気輸送特性を修正でき、したがってＦＥＴベースのバイオセンサーデバイス１００のチャネルを通過した電流に変化がもたらされる。

【0027】

上述のように、２Ｄ材料１０４は、特定の病原体を検出するように官能化される。次に図３を参照すると、官能化前の結晶化２Ｄ材料単層１２４の断面図が示される。例示的な２Ｄ材料単層１２４は、遷移金属ジカルコゲナイド（ＴＭＤＣ）であり、より詳細には二セレン化タングステン（ＷＳｅ_２）の単層である。更に又は代わりに、単層１２４として図３～図４に示されているが、一部の実施形態では、２Ｄ材料１０４がＷＳｅ_２又はその他のＴＭＤＣの数層として具現化され得ることを理解すべきである。図３に示されるように、２Ｄ材料単層１２４は、基板１０２の表面に吸着される結晶化単層である。結晶化単層１２４は、例示的に、その外面に多数の空孔１２６を含む。各空孔１２６は、原子（例えば、セレン原子）が規則的な結晶構造から失われている結晶格子の場所を表す。これらの空孔１２６は、結晶化単層１２４によってｐ型半導体の性質を示すことが可能になる。結晶化単層１２４に存在する空孔１２６の数は、図８～図９に関連して以下に更に記述されるように、結晶化単層１２４を製造するのに使用される２Ｄ材料の組成を調整することによって制御され得る。

【0028】

次に図４を参照すると、官能化されてきた２Ｄ材料１０４の断面図が示される。結晶化２Ｄ材料単層１２４は、リンカー化学物質１２８を２Ｄ単層１２４の表面に取着することによって官能化される。例示的に、リンカー化学物質１２８は、１１－メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）である。図示されるように、リンカー１２８は、化学吸着プロセスを経て２Ｄ単層１２４の空孔１２６に取着され得る。特に、ＭＵＡ分子のＳＨ末端の硫黄イオンは、ＷＳｅ_２結晶のセレン空孔に結合し得る。リンカー１２８は、物理吸着を経て２Ｄ材料単層１２４の表面に取着されてもよく、その場合ＭＵＡ分子は、その他の分子及び２Ｄ材料単層１２４表面とのファンデルワールス相互作用によって引き付けられる。したがってＭＵＡリンカー１２８は、自己組織化単層を、結晶化材料単層１２４上に形成する。ＭＵＡリンカー１２８及び２Ｄ単層１２４は、基板１０２の上方約２．８ｎｍの平均高さを有していてもよく、これはＭＵＡリンカー１２８が、図４に示されるように垂直の向きに自己組織化されることを示している。次に、リンカー１２８の自由端が生体認識要素１３０に取着され、その例示的な実施形態は抗体１３０である。より詳細には、抗体１３０は、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質に対するモノクローナル抗体である。検出プロセス中、抗体１３０は、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質等の病原体粒子１３２又はウイルス粒子全体に結合してもよい。ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２抗体１３０として例示されるが、生体認識要素１３０は、任意のその他の抗体、リガンド、又はその他の生体認識要素として具現化され得ることを理解すべきである。

【0029】

使用中、バイオセンサーデバイス１００は、試料中のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質の存在を検出するのに使用されてもよい。次に図５を参照すると、プロット５００は、デバイス１００によって実現され得る試料結果を示す。デバイス１００は、例示的に、ドレイン電極１０８とソース電極１０６との間に１Ｖの電圧を印加することによって動作した。イオン性ゲート溶液１２２が存在する場、－０．５Ｖの電圧を、イオン性ゲート溶液１２２とソース電極１０６との間に印加した。ゲート溶液１２２からソース電極１０６に印加された正電圧は、デバイス１００をオフにし、したがって検出に使用されない。

【0030】

デバイス１００を特徴付けるため、純粋なイオン性液体の一連の液滴（それぞれ８μＬの０．０１×ＰＢＳ）をデバイス１００に滴下し、ソース電極１０６とドレイン電極１０８との間の電流を測定した。プロット５００の曲線５０２は、純粋なイオン性ゲート溶液１２２に関して測定された電流を示す。ピーク５０６、５０８、５１０は、純粋なイオン性ゲート溶液１２２の液滴の、デバイス１０２への添加に該当する。図示されるように、曲線５０２に関するピーク５０６、５０８、５１０のそれぞれは、比較的低く、元のゼロに向かって減衰する。

【0031】

検出は、濃度を上昇させてＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質を含むイオン性溶液の一連の液滴を滴下し（それぞれ８μＬ）、ソース電極１０６とドレイン電極１０８との間の電流を測定することによって、試験した。プロット５００の曲線５０４は、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質を含むイオン性溶液に関して測定された電流を示す。ピーク５０６、５０８、５１０は、それぞれ２５ｆｇ／μＬ、２００ｆｇ／μＬ、及び１．６６ｐｇ／μＬのＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質濃度を含む液滴の添加に該当する。図示されるように、曲線５０４に関するピーク５０６、５０８、５１０は、比較的高く、電流の明瞭な段階的増加を示す。更に、電流は、スパイクタンパク質のより高い濃度に関して増加し続けた（図示せず）。ＷＳｅ_２結晶のセレン空孔１２６上のＭＵＡ分子の化学吸着は、ｐ型半導体挙動を低減させることによって伝導率を低下させ得ると考えられる。次いで伝導率は、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２抗体及びスパイクタンパク質の添加後に増加し、これは電荷輸送プロセスに起因し得る。

【0032】

したがってプロット５００は、０．０１×ＰＢＳ中、２５ｆｇ／μＬよりも低い濃度での、バイオセンサーデバイス１００によるＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質の首尾良くなされた検出を示す。追加の試験は、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２に対するバイオセンサーデバイス１００の選択的応答を実証した。例えば、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）を含む試料に関する電流応答は、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質を含む試料に関する応答と比較して無視でき、これはＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２の選択的検出を示している。したがってバイオセンサーデバイス１００は、試料中のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質を検出することが可能であり、したがってｉｎ ｖｉｔｒｏでのＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２の迅速で感受性ある選択的検出を提供し得る。更に、バイオセンサーデバイス１００は、種々の病原体、サイトカイン、タンパク質、又はその他のバイオマーカーをターゲットとする種々の生体認識要素１１８（例えば、種々の抗体）で使用され得る。

【0033】

次に図６を参照すると、バイオセンサーデバイス６００の、１つの可能性ある実施形態の詳細図が示される。バイオセンサーデバイス６００は、バイオセンサーデバイス１００の例示的な実施形態であり、２Ｄ材料１０４が、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスを使用して基板１０２上で結晶として成長している。図示されるように、２Ｄ材料１０４は、三角形のＷＳｅ_２結晶を基板１０２の表面に形成する。結晶は、基板１０２上でランダムに分布され、各結晶は約２０～４０μｍの幅を有する。ソース電極１０６のフィンガー１１４及びドレイン電極１０８のフィンガー１２０の両方に接触する各２Ｄ材料１０４結晶は、バイオセンサーデバイス６００のチャネルとして作用し得る。したがって、２Ｄ材料１０４結晶の分布は個々のバイオセンサーデバイス６００間で様々になるので、各バイオセンサーデバイス６００のチャネル構成及び電極特性も様々である。したがって各バイオセンサーデバイス６００は、図５に関連して上記にて説明されたように、試料を分析する前に、イオン性ゲート溶液１２２として純粋なイオン化液体を使用して較正され得る。

【0034】

次に図７を参照すると、バイオセンサーデバイス７００の別の可能性ある実施形態の詳細図が示されている。バイオセンサーデバイス７００は、パルスレーザー堆積プロセスを使用して製造されたバイオセンサーデバイス１００の例示的な実施形態である。デバイス７００を製造するための方法の１つの可能性ある実施形態を、図８及び図９と関連して以下に記述する。例示的なバイオセンサーデバイス７００は、電極１０６、１０８の間で基板１０２全体を覆う２Ｄ材料１０４を含む。２Ｄ材料１０４は、例えば、基板１０２全体を覆う単一ＷＳｅ_２結晶であってもよい。上述のように、２Ｄ材料１０４は、ＷＳｅ_２結晶の単層又はＷＳｅ_２結晶の数層を含んでいてもよい。したがって図７に示される実施形態において、電極１０６、１０８のフィンガー１１４、１２０の間の２Ｄ材料１０４全体は、バイオセンサーデバイス７００のチャネルとして作用し得る。したがって、個々のバイオセンサーデバイス７００のそれぞれは類似の電子特性を有していてもよく、単一の所定の較正を、個々のバイオセンサーデバイス７００の全てに使用してもよい。更に、チャネルとして作用し得る２Ｄ材料１０４の更に大きい相対表面積に起因して、デバイス７００は、図６に示される該当するデバイス６００よりも感受性が高くなる可能性がある。

【0035】

次に図８を参照すると、図８００は、バイオセンサーデバイス１００を製造するように使用され得るパルスレーザーアブレーション（ＰＬＡ）／パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）プロセスを例示する。調製された基板１０２が、真空チャンバー８０２内に配置される。基板１０２は、真空チャンバー８０２に配置される前に、１つ又は複数のデバイスフィーチャー（例えば、ソース、ドレイン、チャネル等）がフォトリソグラフィーによってパターニングされていてもよい。二次元材料ターゲット８０４を、真空チャンバー８０２のターゲットカルーセル８０６上に配置する。二次元材料ターゲット８０４は、２Ｄ材料１０４を形成することになる元素、例えばタングステン及びセレン又はその他の金属及びカルコゲナイド原子を含む。ターゲット８０４の組成は調整可能である。例えば、遷移金属ジカルコゲナイドでは、ターゲット８０４の組成がＭＸ_１．５～ＭＸ_２の間で様々であってもよい。

【0036】

レーザー８０８は、真空チャンバー８０２の窓８１０を通してターゲット８０４を狙う。レーザー８０８は、例示的にエキシマレーザー（ＫｒＦ ２４８ｎｍ、２０ｎｓパルス幅、及びフルエンス２Ｊ／ｃｍ^２）である。使用中、レーザー８０８は、ターゲット８０４をアブレーションするいくつかのレーザーパルスを実行する。このアブレーションは、二次元材料の非晶質前駆体８１２を基板１０２上に堆積させる。非晶質前駆体８１２は、更に以下に記述される結晶化単層又は数層１０４に形成され得る、正確な量の化学量論的非晶質２Ｄ材料を含む。非晶質前駆体８１２の厚さは、レーザー８０８により実行されたパルスの数を制御することによって、制御され得る。ＰＬＤプロセスは、室温で又はその付近で行われてもよい（例えば、約１５０℃よりも低い温度で）。したがってＰＬＤプロセスは、パターニングされた基板１０２上で行われてもよく、そうでない場合にはフォトリソグラフィープロセスと適合可能である。

【0037】

したがって、図８に示され且つ図９に関連した以下に更に記述されるＰＬＤプロセスは、それらの化学組成、物理的寸法、及び成長部位の精密な制御による、２Ｄ層状化結晶及び混成構造の制御された成長のための固体状態の前駆体として、化学量論的非晶質材料の形成を可能にし得る。したがって本明細書に記述されるプロセスは、従来の気相成長とは対照的に、２Ｄ材料及び混成構造のより決定的な、改善された成長を提供し得る。更に、フォトリソグラフィープロセス等のデバイス製作技術との適合性に起因して、本明細書に記述される製造技法は、２Ｄ量子材料の、現行の及び関連ある将来の技術との一体化を可能にし得る。

【0038】

次に図９を参照すると、バイオセンサーデバイス１００を製作するのに使用され得る方法９００の１つの例示的な実施形態が、単純化された流れ図として示されている。方法９００は、一連のブロック９０２～９２４として例示され、そのいくつかは、一部の実施形態で任意選択で行われてもよい（したがって、破線で示されている）。方法９００の一部の実施形態は、追加の又は異なるプロセス及びサブプロセス、例えば様々な前処理及び後処理技法を含んでいてもよいことが、当業者に理解されよう。

【0039】

方法９００は、ウェハ基板１０２にフォトリソグラフィーで１つ又は複数のデバイスフィーチャーがパターニングされる、ブロック９０２で開始され得る。基板１０２は、二酸化ケイ素コーティングを持つシリコンウェハ、例えば４インチ－ウェハとして具現化されてもよい。ウェハ基板１０２には、ソース、ドレイン、チャネル、又はその他のデバイス幾何形状等のトランジスターフィーチャーを含むデバイスフィーチャーがパターニングされてもよい。一部の実施形態では、生体認識デバイス１００の多数の実例が同じウェハ基板１０２上にパターニングされ得る。パターニング後、ウェハ基板１０２は、デバイスフィーチャーを画定する、基板１０２の表面に位置決めされたフォトレジスト又はその他の化学物質を有していてもよい。パターニングした後に、基板１０２は、パターニングされた表面がターゲットカルーセル８０６に面した状態で、真空チャンバー８０２内に位置決めされる。

【0040】

ブロック９０４では、前駆体２Ｄ材料を含むターゲット８０４が、ターゲットカルーセル８０６に投入される。例えば、ＷＳｅ_２等の遷移金属ジカルコゲナイドの１インチターゲットが、ターゲットカルーセル上に配置されてもよい。位置決めされたら、基板１０２を例えばターゲット８０４の上方約１３センチメートルの場所に位置付けてもよい。一部の実施形態では、ブリロック９０６で、前駆体２Ｄ材料８０４の組成が調整され得る。特に、ターゲット８０４における特定の元素の比は、製作された２Ｄ材料１０４の所望の化学量論的組成を実現するために調節されてもよい。例えば、上記にて論じたように、リンカー化学物質１２８は、結晶化単層１２４の表面空孔１２６に結合されてもよい。したがって、ある特定の数の空孔１２６を持つ結晶化単層１２４を生成するために、カルコゲナイド原子の金属原子に対する比が低減されてもよい。ＷＳｅ_２等の遷移金属ジカルコゲナイドに関する実施例を継続すると、ターゲット８０４の組成は、遷移金属原子ごとに１．５～２．０の間のカルコゲン原子を含むように調整されてもよい（即ち、ＭＸ_１．５～ＭＸ_２の組成）。同様に、金属モノカルコゲナイドに関しては、ターゲット８０４の組成は、金属原子ごとに０．７５～１．０の間のカルコゲン原子を含むように調整されてもよい（即ち、ＭＸ_０．７５～ＭＸ_１の組成）。

【0041】

ブロック９０８では、真空チャンバー８０２は、ウェハ基板１０２及びターゲット８０４に真空を印加する。真空チャンバー８０２は、例えば約１０^－６Ｔｏｒｒまでポンプダウンしてもよい。

【0042】

ブロック９１０では、アブレーションレーザー８０８をターゲット８０４上にパルス照射する。レーザーパルスは、ターゲット８０４から２Ｄ前駆体材料８１２をアブレーションし、非晶質２Ｄ材料８１２をウェハ基板１０２の表面に堆積させる。一部の実施形態では、基板１０２上に堆積される非晶質２Ｄ材料の厚さは、レーザー８０８のパルスの数を制御することによって、制御され得る。

【0043】

ブロック９１４では、過剰な材料を除去するのにアセトンを使用して、基板１０２上でリフトオフプロセスが行われてもよい。リフトオフプロセスは、例えばフォトレジスト材料及び過剰な非晶質２Ｄ材料を除去し得る。リフトオフプロセスを行った後、パターニングされた非晶質２Ｄ材料は、基板１０２上に位置決めされたままになる。

【0044】

ブロック９１６では、非晶質２Ｄ材料前駆体８１２が、加熱炉で結晶化される。例えば非晶質２Ｄ材料前駆体８１２を含む基板１０２は、アルゴン緩衝ガス環境の制御された雰囲気中、３ゾーン石英管加熱炉でアニールされてもよい。結晶化温度は、生成されている特定の２Ｄ材料に依存し得る。例えば非晶質ＭｏＳ_２ナノシートは、４５０℃から７００℃までの温度で、より詳細には約５００℃の温度で結晶質構造に変換されてもよい。

【0045】

ブロック９１８では、１つ又は複数の電気コンタクトが、基板１０２及び／又は結晶化２Ｄ材料１０４上に、フォトリソグラフィープロセスを使用して堆積されてもよい。例えば、１つ又は複数の金の電気コンタクトが、クリーンルーム環境でポジフォトリソグラフィーを使用して堆積されてもよい。例示的に、ソース電極１０６及びドレイン電極１０８が、結晶化２Ｄ材料１０４上に堆積される。誘電体層、ゲートコンタクト、及びその他のフィーチャー等の追加のフィーチャーが、１つ又は複数のフォトリソグラフィープロセスを使用して堆積されてもよい。更に又は代わりに、単層又は数層１０４の堆積及び結晶化後に生じることが例示されるが、一部の実施形態では、１つ又は複数の電気コンタクト又はその他のフィーチャーは、２Ｄ材料１０４の堆積前に基板１０２上に堆積されてもよいことを、理解すべきである。

【0046】

ブロック９２０で、結晶化２Ｄ材料１０４は、生体認識要素で官能化される。例示的なプロセスでは、２Ｄ材料１０４は、リンカー化学物質１２８が２Ｄ材料１０４の表面に取着され、次いで生体認識要素１３０がリンカー化学物質１２８に取着される、２工程プロセスを使用して官能化される。ブロック９２２では、結晶化単層又は数層１０４の表面が、例示的に１１－メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）であるリンカー化学物質１２８で修飾される。上述のように、ＭＵＡ分子のＳＨ末端は、カルコゲン原子と強力に相互作用し、好ましくはＷＳｅ_２結晶１２４の表面の空孔部位１２６と強力に作用し、したがってその表面に取着する。ブロック９２４では、ＭＵＡ分子が活性化され、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２抗体が活性化ＭＵＡに取着される。特に、ＭＵＡ分子の上端カルボキシル基は、ＭＵＡアセンブリをｎ－ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）及び塩酸カルボジイミド（ＥＤＣ）溶液に室温で曝露することにより、ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステルを形成するよう活性化される。１００ｍＭ／４００ｍＭであるＮＨＳのＥＤＣに対する体積比、及び６時間の曝露時間が、使用されてもよい。活性化後、デバイスをＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２溶液中に浸漬する。ＭＵＡ分子の活性化エステルは、求核攻撃を受け易く、次いで抗体により提供されたアミノ基と反応することになり、アミド結合の形成に繋がる。２Ｄ材料１０４を官能化した後、バイオセンサーデバイス１００が完成する。方法９００は、ブロック９０２にループバックし、追加のバイオセンサーデバイス１００が製造されてもよい。

【0047】

ある特定の例示的な実施形態が、図及び先の記述で詳述されてきたが、そのような図示及び記述は、例示的なものであり且つ特徴を制限するものではないと見なされるものとし、単なる例示的な実施形態が図示され記述されており、且つ本開示の趣旨の範囲内に包含される全ての変更及び修正が保護されることが望まれると理解される。本明細書に記述される装置、システム、及び方法の様々な特色から生じる本開示の複数の利点がある。本開示の装置、システム、及び方法の代替の実施形態は、記述される特色の全てを含まなくてもよく、それでも依然としてそのような特色の利点の少なくともいくつかから利益を得ることに留意されたい。当業者は、本開示の特色の１つ又は複数を組み込んだ装置、システム、及び方法のそれら自体の実現例を容易に考えられる。

【符号の説明】

【0048】

１００ バイオセンサーデバイス
１０２ 基板
１０４ ２Ｄ材料
１０６ 電極
１０８ 電極
１１０ コンタクトパッド
１１２ トレース
１１４ フィンガー
１１６ コンタクトパッド
１１８ トレース
１２０ フィンガー
１２２ ゲート溶液
１２４ ２Ｄ材料単層
１２６ 空孔
１２８ リンカー化学物質
１３０ 抗体
１３２ 病原体粒子
５００ プロット
５０２ プロット５００の曲線
５０４ プロット５００の曲線
５０６ 曲線５０４に関するピーク
５０８ 曲線５０４に関するピーク
５１０ 曲線５０４に関するピーク
６００ バイオセンサーデバイス
７００ バイオセンサーデバイス
８０２ 真空チャンバー
８０４ 二次元材料ターゲット
８０６ ターゲットカルーセル
８０８ アブレーションレーザー
８１０ 真空チャンバー８０２の窓
８１２ 非晶質前駆体
９００ 方法

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】