專利名稱：試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用傳感器檢測試樣中的被檢測物質(zhì)的方法，特別涉及使用具有場效應晶體管(以下簡稱為FET)或者單電子晶體管(以下簡稱為SET)結(jié)構(gòu)的生物傳感器等傳感器來檢測試樣中的被檢測物質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
對于以往提出的生物傳感器，是在電極上形成具有能夠與特定分子選擇性反應的反應基團的薄膜，測定該薄膜吸附上述特定分子時的電位變化。具體方式為，在電極上形成具有葡糖氧化酶的薄膜，通過測定伴隨與葡糖的氧化反應的電流值的變化來檢測葡糖量。關(guān)于這種生物傳感器，可以舉出例如特開平10-260156號公報；相澤，* S力> 二笑二 λ 夂一〉3 >，945 頁(1989 年)；Alexander Star, Jean-Christophe P, Gabriel. Keith Bradley, and George Gruner，Vol. 3，No. 4，459-463 (2003)等。但是，以往的生物傳感器由于是如上所述直接檢測伴隨化學反應的電流值的方法，因此檢測靈敏度低，難以檢測出低濃度的葡糖，具有無法充分發(fā)揮生物傳感器的高選擇性特長的缺點。本發(fā)明的目的在于，解決這種以往技術(shù)中存在的缺點，提供能降低噪音、且具有比以往遠遠優(yōu)異靈敏度的試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方式為檢測試樣中的被檢測物質(zhì)的方法，其特征在于，為用至少具有襯底、和在形成于所述襯底上面的第1絕緣薄膜上具有隔著規(guī)定間隔而對向設(shè)置的源極和漏極的溝道的傳感器來檢測試樣中的被檢測物質(zhì)的方法，所述溝道由超微細纖維構(gòu)成，在所述襯底的與所述溝道相反側(cè)的面上形成有第2絕緣薄膜，在所述第2絕緣薄膜的外側(cè)設(shè)置后柵極，所述第2絕緣薄膜被與被檢測物質(zhì)相互作用的特定物質(zhì)修飾，在所述修飾部分和所述后柵極之間滴加所述試樣的溶液后，使所述試樣溶液的溶劑蒸發(fā)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第二方式為檢測試樣中的被檢測物質(zhì)的方法，其特征在于，為用至少具有襯底、和在形成于所述襯底上面的第1絕緣薄膜上具有隔著規(guī)定間隔而對向設(shè)置的源極和漏極的溝道的傳感器來檢測試樣中的被檢測物質(zhì)的方法，所述溝道由超微細纖維構(gòu)成，在所述襯底的與所述溝道相反側(cè)的面上形成有第2絕緣薄膜，在所述第2絕緣薄膜的外側(cè)設(shè)置后柵極，所述第2絕緣薄膜被與被檢測物質(zhì)相互作用的特定物質(zhì)修飾，在所述修飾部分和所述后柵極之間滴加所述試樣的溶液后，使所述試樣溶液的溶劑凍結(jié)。本發(fā)明的第三方式的特征為，在所述第一或第二方式中，所述超微細纖維為碳納米管。本發(fā)明的第四方式的特征為，在所述第三方式中，向所述碳納米管引入缺陷。本發(fā)明的第五方式的特征為，在所述第一至第四任一方式中，所述被檢測物質(zhì)及所述特定物質(zhì)是相互作用的生物高分子。本發(fā)明的第六方式的特征為，在所述第五方式中，所述被檢測物質(zhì)是抗原或抗體， 所述特定物質(zhì)是抗體或抗原。本發(fā)明為如上所述的構(gòu)成，可以提供能降低噪音、且具有比以往遠遠優(yōu)異靈敏度的試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法。


圖1是本發(fā)明的實施方式涉及的傳感器的斜視圖。圖2是該傳感器的概略構(gòu)成圖。圖3是表示使用該傳感器進行檢測的狀況的概略圖。圖4是表示本發(fā)明的實施方式涉及的傳感器的其他檢測狀況的概略圖。圖5是該傳感器的絕緣襯底和柵極之間的放大概略圖。圖6是表示在本發(fā)明的實施方式中生長并形成碳納米管的狀況的概略構(gòu)成圖。圖7是表示碳納米管單電子晶體管的室溫庫侖金剛石特性的圖。圖8是表示按照以往的方法生長并形成碳納米管的狀況的概略斜視圖。圖9是表示按照本發(fā)明的方法生長并形成碳納米管的狀況的概略斜視圖。圖10是表示按照本發(fā)明的方法的催化劑的排列例的概略斜視圖。圖11是該催化劑的放大斜視圖。圖12是沒有實施第二個方法的傳感器的俯視圖(a)和截面圖(b)。圖13是表示將溶液滴加在該傳感器后的狀態(tài)的傳感器的俯視圖(a)和截面圖 (b)。圖14是本發(fā)明的傳感器的俯視圖(a)和截面圖(b)。圖15是表示將溶液滴加在該傳感器后的狀態(tài)的傳感器的俯視圖(a)和截面圖 (b)。圖16是表示用本發(fā)明的傳感器修飾后柵極的狀態(tài)的截面圖。圖17是表示用本發(fā)明的傳感器直接分子修飾碳納米管的狀態(tài)的截面圖。圖18是表示用本發(fā)明的傳感器間接分子修飾碳納米管的狀態(tài)的截面圖。圖19是表示本發(fā)明的傳感器的另一結(jié)構(gòu)的概略構(gòu)成圖。圖20是表示本發(fā)明的傳感器的又一結(jié)構(gòu)的概略構(gòu)成圖。圖21是通過本發(fā)明的傳感器進行FITC檢測時的IV特性曲線圖。圖22是通過本發(fā)明的傳感器進行M離子檢測時的IV特性曲線圖。圖23是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖M是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖25是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖沈是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖27是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖觀是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖四是根據(jù)本發(fā)明的傳感器在溶膠凝膠法中的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖30是根據(jù)本發(fā)明的傳感器在溶膠凝膠法中的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖31是根據(jù)本發(fā)明的傳感器在溶膠凝膠法中的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖32是根據(jù)本發(fā)明的傳感器在溶膠凝膠法中的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖33是根據(jù)本發(fā)明的傳感器在溶膠凝膠法中的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖34是根據(jù)本發(fā)明的傳感器在溶膠凝膠法中的抗原抗體反應進行血細胞凝集素檢測時的IV特性曲線圖。圖35是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的抗原抗體反應進行鈣調(diào)蛋白檢測時的IV特性曲線圖。圖36是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的抗原抗體反應進行鈣調(diào)蛋白檢測時的IV特性曲線圖。
具體實施例方式接著，結(jié)合

本發(fā)明的實施方式。圖1是本發(fā)明的實施方式涉及的SET型生物傳感器的斜視圖，圖2是該SET型生物傳感器的概略構(gòu)成圖。在這些圖中，1是芯片狀的絕緣襯底；2是涂布到該絕緣襯底1上并且在表面具有如羥基、氨基、羧酸基等官能團的薄膜(在本實施方式中是由具有羥基的SiO2構(gòu)成的薄膜)；3和4是在薄膜2上隔著規(guī)定間隔形成的源極和漏極；在兩個電極3、4的對置部分形成有尖端部5、6(參照圖1)。在兩個電極3、4的尖端部5、6生長并形成有引入缺陷的碳納米管(以下簡稱為CNT) 7。在所述襯底1的與薄膜2相反側(cè)的面形成有柵極8。對于所述絕緣襯底1使用例如氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鈦等無機化合物或丙烯酸類樹脂、聚酰亞胺等有機化合物等。另外，對于電極3、4、8使用例如金、鉬、鈦等金屬。 電極3、4、8的電連接關(guān)系是如圖2所示的連接關(guān)系。本實施方式中作為納米管狀結(jié)構(gòu)體使用CNT，通過使用該納米管狀結(jié)構(gòu)體，可以形成非常微細的溝道，從而可以得到高靈敏度的傳感器。
另外，如圖2所示，在CNT7的下方形成有空隙G。這樣就構(gòu)成具有SET結(jié)構(gòu)的傳感器。SET和FET雖然基本構(gòu)成相同，但對于構(gòu)成電流通道的溝道來說，SET的溝道具有量子點結(jié)構(gòu)，而FET的溝道不具有量子點結(jié)構(gòu)，在這方面兩者存在差異。對于該晶體管(SET及FET)，針對柵極8和CNT7上的電荷(更嚴格地說是自旋電子狀態(tài))的變化，源極3、漏極4之間的電流值會敏感地變化?？偟膩碚fSET比FET靈敏度更高。另外，雖然CNT生長后很少能夠直接觀測到SET特性，但是通過將FET狀的CNT放置在CNT的生長溫度(900°C左右的高溫)，CNT會部分地破損，形成島，從而會顯示出SET的電流特性。另外，通過流通比工作電流(約數(shù)μΑ)大的電流(約數(shù)mA)也能夠得到同樣的結(jié)果。本發(fā)明中，在這些晶體管的柵極8和CNT7上附著分子時，CNT上的自旋電子狀態(tài)會間接或直接地變化，因此，從此時產(chǎn)生的源極3-漏極4之間的電流的變化，就可以檢測出附著的分子。另外，也可以從分子修飾柵極8和CNT7自身時的電流變化檢測修飾分子，或者檢測修飾分子與其他分子的反應。特別是當用抗體(或抗原)修飾柵極8和CNT7時，可以利用抗體-抗原反應檢測特定抗原(或抗體)，因此可以根據(jù)該方法超高靈敏度且快速地檢測出感染癥病毒、細菌等微生物。該方法通過感染癥的早期發(fā)現(xiàn)可以有效地利用于預防和微生物的研究，并且由于元件(傳感器)自身顯著變小，因此可以帶到現(xiàn)場，用于感染癥病毒的檢測及其研究。圖3是表示使用該傳感器進行檢測的狀況的概略圖。如該圖3所示，傳感器具有分子檢測部分18和信號轉(zhuǎn)換部分19，兩者為緊密連接的關(guān)系。圖中的12是由SiO2構(gòu)成的保護膜；13是能夠與需要檢測的物質(zhì)發(fā)生選擇性反應或者吸附(相互作用)的特定物質(zhì) (例如抗體)；14是能夠與該特定物質(zhì)13發(fā)生選擇性反應或者吸附(相互作用)的被檢測物質(zhì)(例如抗原)；15是含有該被檢測物質(zhì)14的試樣溶液。圖4和圖5是表示使用本發(fā)明的傳感器進行檢測的另一狀況的概略圖，圖5是該傳感器的絕緣襯底1和柵極8之間的放大概略圖。此時，含有該被檢測物質(zhì)14的試樣溶液 15存在于絕緣襯底1和柵極8之間，進行被檢測物質(zhì)14的檢測。在圖5中符號20是保持特定物質(zhì)(例如抗體)的取向的分子，21是存在于試樣溶液15中的被檢測物質(zhì)以外的物質(zhì)。圖5表示被檢測物質(zhì)(例如抗原)14被特定物質(zhì)(例如抗體)13選擇性地反應或者吸附的狀況。接著，說明CNT的基本導電特性的控制。(1)為了任意地設(shè)計構(gòu)成生物傳感器裝置的基本要素的CNT的生長位置、方向、根數(shù)、手征性、特性等，進行有關(guān)電場和磁場的施加、生長CNT時使用的催化劑的種類和形狀等的最佳化。圖6是表示制作催化劑圖案，邊施加電場邊控制CNT的位置和方向的方法的概略構(gòu)成圖。圖中的1是絕緣襯底；2是涂布到該絕緣襯底1上的由SiA構(gòu)成的薄膜；9a、9b是在SW2薄膜2上形成圖案的由鐵等構(gòu)成的催化劑層；7是施加電場而在催化劑層9a、9b之間形成的CNT，生長位置、方向、根數(shù)、手征性、特性等可以任意地控制。10是反應容器；11 是作為CNT的原料的甲烷氣體等烴氣體。生長的CNT的長度為數(shù)μπι左右(例如3 μ m左右)，直徑為數(shù)nm左右，成為超微細的纖維狀集合體。(2)把該控制了位置、方向、特性等的CNT用作為無侵襲的電極，制作四探針法形狀。所謂四探針法是如下方法對試樣在直線上設(shè)置四根針狀電極(例如電極A、B、C、 D)，在外側(cè)的兩個探針(例如電極A和電極D)之間流通一定電流，測定在內(nèi)側(cè)的兩個探針 (例如電極B和電極C)之間產(chǎn)生的電位差，求出電阻值，對求出的電阻值乘以試樣的厚度和修正系數(shù)RCF，從而計算出試樣的體積電阻值。(3)電極和溝道(CNT)搭接的部分，使用高電場的電子束或者STM (Scanning Tunneling Microscopy 掃描隧道顯微鏡法)/AFM(Atomic ForceMicroscopy 原子力顯微鏡)，通過局部施加電場進行焊接，使電極和溝道(CNT)成為一體。(4)接著，評價CNT的傳輸特性。作為評價的導電特性，存在有沖擊性導電特性、可否自旋注入、可否自旋傳輸?shù)取?5)本發(fā)明人等在預備實驗中已確認，通過對CNT引入缺陷，CNT的電特性會大幅度變化(在預備實驗中已確認，通過對CNT引入缺陷，能夠形成具有約5000K的高庫侖能量且在室溫下工作的SET)。從而，通過STM/AFM加工和由電子束對CNT任意地弓丨入缺陷，得到可控制導電特性的 CNT。作為該CNT的缺陷引入法的具體例，可以舉出例如用與生成CNT時大致相同的溫度(例如800°C左右)退火，然后自然冷卻的方法。所謂CNT的缺陷是指由于熱量原因碳原子的一部分飛出，從而CNT以碎片的狀態(tài)勉強連接這樣的CNT的形狀等發(fā)生了變化。但目前還不能確定實際上成為何種結(jié)構(gòu)。(6)研究該CNT內(nèi)的缺陷與CNT電特性的相關(guān)性。例如，通過掃描探針法(開爾文探針法、麥克斯韋探針法等)評價缺陷的密度、分布、大小(尺寸、能量壁壘等)，明確其與CNT電特性的相關(guān)性。這樣通過把握CNT內(nèi)的缺陷與電特性的相關(guān)性，就可以制造特性的重現(xiàn)性和均勻性優(yōu)良的SET。(7)通過上述(6)控制缺陷引入，可以控制碳納米管的電特性。本發(fā)明中，使用引入缺陷的CNT，可以制造在室溫下工作的SET。這里說明了使用引入缺陷的CNT的情況，但也可以使用不引入缺陷的CNT。為了避免以往SET中成為問題的游離電荷和移動電荷引起的錯誤動作，本發(fā)明中制作兩個鄰近的使用CNT的SET，在檢測單一電荷時，取兩個SET的輸出特性(室溫)的和 (AND)。由此僅有真電荷時兩個SET才會工作，從而可以避免游離電荷和移動電荷引起的錯誤動作。進而，為了使測定速度快速化，使用上述的方法，采用并非以往的直流方式、而是使用共振電路以交流工作的系統(tǒng)。由此，可以在室溫并且迅速、沒有錯誤動作地測定單一的電荷分布。圖7是表示使用CNT的SET的室溫庫侖金剛石特性的圖。從該室溫庫侖金剛石特性可以確認，本發(fā)明的使用CNT的SET可以在室溫工作。如圖1所示，在襯底1上形成使用CNT的SET的同時，如圖3所示，為了在溶液中運轉(zhuǎn)，用由Sih構(gòu)成的保護膜12涂布芯片，在該SiA保護膜12上固定抗體等特定物質(zhì)13。 在該例子中設(shè)置了保護膜12，但也有不設(shè)置保護膜12的情況。在溶解了 DNA等被檢測物質(zhì)14的試樣溶液15中設(shè)置本實施方式涉及的生物傳感器，使用共振電路以交流工作，測定特定物質(zhì)13和被檢測物質(zhì)14的單一電子相互作用，從而可以檢測被檢測物質(zhì)14(表面電荷分布特性的評價)。接著，詳細說明使用CNT的傳感器的信號轉(zhuǎn)換部分的制作。利用CNT的半導體性質(zhì)，制作FET、SET型的晶體管。制作方法包括采用普通光刻法進行的催化劑蒸鍍、采用熱 CVD法進行的CNT生長以及電極制作的工藝。但是，存在以下問題。首先，控制CNT生長并不容易。雖然提出過幾種CNT的生長法，但制作用單一的CNT連接信號轉(zhuǎn)換部分電極間的元件時，CNT架橋于催化劑間的成品率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是重要的。因此，確定催化劑(相互的位置、結(jié)構(gòu)、大小等)和熱CVD法的條件(溫度、氣體的種類、流量、電場或磁場的導入等)是重要的。進而，在催化劑上CNT生長后制作電極，但是會發(fā)生電極從襯底剝離或者電極內(nèi)產(chǎn)生龜裂等現(xiàn)象，并且還存在與CNT的接觸電位影響元件的特性和強度的可能性，為了得到穩(wěn)定的電流特性，需要研究電極材料。本發(fā)明的實施方式中，特別是對催化劑的諸要素使用了新的方法(后述的第一方法)。另外，用分子直接修飾CNT的情況等，含有電極和分子的溶劑有時會覆蓋電極，覆蓋電極表面的溶劑會對電極和探針器等測定裝置的連接產(chǎn)生影響，因此采用了防止該現(xiàn)象的方法(后述的第二方法)。進而，對于元件使用后柵極和側(cè)柵極的情況，試樣和含有試樣的蒸氣等有時也會影響柵極。這可以通過保護CNT來避免(后述的第三方法)。實際上存在這樣的實例，在使用后柵極和側(cè)柵極的諸反應的檢測結(jié)果中，被檢測物質(zhì)氣化，從而不僅附著柵極而且附著 CNT表面，因此認為電流值發(fā)生了變化。所謂上述第一方法，具體來講由于形成CNT生長核，因此使用電子射線光刻法在 SiO2膜上蒸鍍催化劑。本實施方式中，用300nm左右的SW2膜覆蓋厚度380 μ m的Si襯底的兩個表面。其是關(guān)于在該S^2膜上使用鐵、鎳、鈷、鉬、鎢等過渡金屬或者含有這些過渡金屬微粒的催化劑形成CNT的生長核的方法。圖8是用于說明以往方法的圖，圖中的1是在兩個表面形成有S^2膜的Si絕緣襯底；7是CNT ；9a、9b是催化劑；2h、22b是以后形成電極的位置。以往的方法為如該圖8所示，隔著規(guī)定間隔通過蒸鍍一個一個地形成催化劑9a、9b，當從一個催化劑9a生長的CNT7 到達成對的催化劑9時，通過CNT7可以連接催化劑9a、9b之間。圖9是用于說明本發(fā)明的實施方式(第一方法)的圖，如該圖9所示，在形成一
個電極的位置22a并列形成多個點狀的催化劑(9a-l，9a-2，......9a-n)，在形成另一個
電極的位置22b也與上述催化劑(9a-l，9a-2，......9a-n)對置地形成多個點狀的催化劑
(9b-l，9b-2，......9b-n)。這樣通過增加催化劑9的設(shè)置數(shù)、即CNT的生長核，使其緊密
地排列，可以顯著提高原本容易從催化劑9無序生長的CNT到達成對的催化劑9的可靠性。 通過該方法，可以比以往提高成品率10倍或以上。圖10是表示本實施方式涉及的催化劑9的配置例的圖。以相鄰的催化劑的間隔
Ll為2μπι而分別每6個緊密地排列，一方的催化劑(9a-l，9a-2，......9a-n)和另一方的
催化劑(9b-l，9b-2，......9b-n)的間隔L2為4μπι。這里，催化劑9的設(shè)置數(shù)、間隔Ll及
間隔L2也可以任意設(shè)定。圖11是催化劑9的放大斜視圖。如該圖9所示，催化劑9為如下三層結(jié)構(gòu)50nm厚度的由Si等構(gòu)成的支持層25、在其上面形成的IOnm厚度的由Mo、Ta、W等過渡金屬構(gòu)成的中間層沈、在其上面形成的3nm厚度的由i^、Ni、Co等過渡金屬構(gòu)成的頂層27。從而，催化劑9的總高度H為63nm，直徑D為2 μ m。該多層結(jié)構(gòu)的催化劑9通過蒸鍍、濺射、離子鍍等薄膜形成技術(shù)被形成圖案。將形成有催化劑9的絕緣襯底1如圖6所示設(shè)置在熱CVD裝置的反應容器10內(nèi)， 然后注入甲烷或乙烷等烴氣體11，在催化劑9上生長CNT7。本實施方式中，按照如下順序進行CNT7的生長。將形成有催化劑9的絕緣襯底1 經(jīng)15分鐘從室溫加熱到900°C。此時，將Ar以1，000sccm(l分鐘氣體流量)的流量通入容器10內(nèi)。在維持該溫度的條件下，分別以1，000sccm,500sccm的流量通入10分鐘的甲烷和氫氣，然后經(jīng)120分鐘把反應器10內(nèi)冷卻至室溫。此時再以l，000sCCm通入Ar氣體。這樣生成CNT后，蒸鍍電極(源極3、漏極4)。電極在蒸鍍Au或者蒸鍍Ti后用Au 覆蓋其表面。特別是后者具有從襯底的剝離和電極內(nèi)的龜裂少的優(yōu)點。覆蓋催化劑的電極的寬度為IOym左右。接著，說明上述第二方法。電極同時形成多個(50 400個左右)。當直接修飾 CNT時，有時會在CNT上滴加含有該修飾分子的溶液，此時根據(jù)溶液量有時會覆蓋整個電極。一旦電極的表面被溶液覆蓋，則在測定由CNT連接的電極間的電流時，在探針器等測定裝置的探針與電極間會形成覆膜，從而可能無法得到正確的電流值。圖12和圖13是用于說明未實施第二方法的傳感器的圖，圖12是表示滴加溶液之前的狀態(tài)的圖，圖13是表示滴加溶液之后的狀態(tài)的圖，兩個圖都是(a)為俯視圖、(b)為截面圖。以往的傳感器由于電極3、4的尺寸小，因此如圖13所示，滴加溶液而形成的覆膜觀覆蓋整個電極3、4的情況就多。流通在電極3、4間的電流值微小至1 μ A左右，因此如果測定裝置的探針與電極3、4之間存在覆膜觀，就無法正確測定電流。因此，本發(fā)明中如圖14和圖15所示，使電極3、4的長度L3(參照圖14(a))比圖 12所示的情況要長約1. 5 3倍左右。這樣通過增長電極3、4的長度L3，即使形成了修飾CNT7的分子的覆膜觀，在電極3、4的端部也會形成未被覆膜觀覆蓋的部分29(參照圖 15)。對于該未被覆膜觀覆蓋的部分四，使用光學顯微鏡接觸探針器等測定裝置的探針，可以正確地測定流通在電極3、4間的電流。本實施方式的情況，在圖14(a)中使電極3、4的尖端部的寬度Wl為10 μ m，使接觸探針的部分的寬度W2為150 μ m，使長度L3為500 μ m。如圖14(b)所示，CNT7在電極3、4 間呈稍微彎曲的狀態(tài)，在與襯底1側(cè)的最表面之間設(shè)置有空隙G，通過CNT7的松弛吸收與襯底1的熱膨脹系數(shù)之差。接著說明上述第三方法。CNT被認為具有相同尺寸鐵的2，000倍的強度，實際上， 即使在直接分子修飾CNT后洗滌也幾乎不會損傷CNT。但是，CNT容易與以水為代表的各種分子發(fā)生相互作用，改變其自旋電子狀態(tài)，會表現(xiàn)出電流值變化。其可以積極地用作為氣體傳感器的同時，將后柵極和側(cè)柵極等用作傳感器時會成為噪音源。因此，本發(fā)明中用絕緣性保護膜覆蓋CNT和電極的一部分，來減少噪音。形成絕緣膜時可以使用絕緣性粘接劑，也可以使用廣泛用于旋涂法的鈍化膜。特別是通過形成絕緣性保護膜，觀測不到對后柵極賦予水時看到的電流的增大。另外，通過形成該絕緣性保護膜，可以對整個元件進行超聲波洗滌，或者用現(xiàn)有強力的洗滌劑洗滌后柵極等。
可以在各種各樣的位置形成傳感器的柵極，因此可以根據(jù)傳感器的用途和制作的容易度采用各種結(jié)構(gòu)。接著，說明各結(jié)構(gòu)。(A)分子修飾了柵極的結(jié)構(gòu)如果形成于襯底的SiO2膜上附著分子，則流通于源極和漏極之間的電流值就會變化。例如，將熒光分子FITC(異硫氰酸鹽熒光素)賦予柵極，電流值會變化。另外，作為抗體-抗原反應的例子，用抗體(或抗原)對SiO2膜進行分子修飾，與對應的抗原(或抗體) 反應，來檢測電信號的變化。與CNT相比可以在大的范圍進行分子修飾，因此適合于以許多分子為對象的檢測。另外，由于不直接修飾CNT，因此可以避免使用后洗滌引起的CNT的破損。圖16是表示該結(jié)構(gòu)的圖。如該圖16所示，用特定物質(zhì)(如抗體)13對絕緣襯底 1的與CNT7相反側(cè)的SiA膜進行分子修飾，形成在該絕緣襯底ι和柵極8之間存在含有被檢測物質(zhì)(如抗原)的試樣溶液15的結(jié)構(gòu)。(B)直接分子修飾了 CNT的結(jié)構(gòu)圖17是表示直接分子修飾了 CNT7的結(jié)構(gòu)的圖。通過直接分子修飾CNT7，修飾分子引起的CNT7上的自旋電子狀態(tài)的變化，較分子修飾后柵極8的情況要大，具有高的靈敏度。(C)間接分子修飾了 CNT的結(jié)構(gòu)圖18是表示間接分子修飾了 CNT7的結(jié)構(gòu)的圖。由于間接分子修飾了 CNT7，因此如該圖18所示，用粘接劑等有機化合物構(gòu)成的絕緣薄膜30覆蓋CNT7。修飾分子和附著到表面的分子在薄膜30內(nèi)引起的自旋電子狀態(tài)的變化，會引起CNT7的自旋電子狀態(tài)的變化， 其結(jié)果是會產(chǎn)生電流的變化。具有分子修飾后柵極8的結(jié)構(gòu)和直接分子修飾CNT7的結(jié)構(gòu)的兩者的優(yōu)點，具有高靈敏度和穩(wěn)定性。(D)使用了溶膠凝膠的結(jié)構(gòu)對于上述(A) (C)的各情況，使用含有被檢測物質(zhì)的溶膠凝膠代替溶液15。與溶液的情況相同，可以檢測出電信號的變化。(E)使用了側(cè)柵極的結(jié)構(gòu)在襯底上的CNT附近制作島，將其作為柵極。對于該結(jié)構(gòu)由于不費工夫進行背面 (后柵極)分子修飾等，并且通過直接修飾CNT7，從而具有CNT7自身不會破損等優(yōu)點。其是適合于SET的結(jié)構(gòu)。上述㈧的分子修飾了柵極的結(jié)構(gòu)的情況，可以用絕緣性保護膜覆蓋CNT和電極的一部分，以實現(xiàn)電流特性的穩(wěn)定化。另外，上述(B)的直接分子修飾了 CNT的結(jié)構(gòu)以及 (C)的間接分子修飾了 CNT的結(jié)構(gòu)的情況，如參照圖15進行的說明，可以在電極3、4上形成未被覆膜覆蓋的部分四。圖19是用于說明另一個結(jié)構(gòu)的概略構(gòu)成圖。該結(jié)構(gòu)的情況，將襯底1自身用作溝道(后面溝道)，在該襯底1上中間隔著CNT7而設(shè)置電極3、4。在襯底1的背面形成作為溝道的凹部16，通過用含有檢測對象物質(zhì)的液體潤濕該凹部16，可以在襯底1的背面檢測。圖20是用于說明又一個結(jié)構(gòu)的概略構(gòu)成圖。在該結(jié)構(gòu)的情況，也將襯底1自身用作溝道(后面溝道)，但是在該襯底1的溝道上設(shè)置由CNT等構(gòu)成的探針17。該后柵極和探針17 —體化后可以用于例如掃描探針顯微鏡的探針等。
接著，說明本發(fā)明的具體例。作為預備實驗，在5102膜后柵極上滴加含有熒光分子 FITC的溶液，觀察電流特性的變化。在圖21表示將柵極電壓設(shè)定為-20V、將熒光分子FITC 的濃度設(shè)定為0. 64nM時的IV特性。該圖的縱軸表示流通于源極-漏極之間的電流值(A)， 橫軸表示源極-漏極之間的電壓值(V)。另外，圖中的虛線為附著熒光分子FITC之前的IV 特性曲線，實線為附著熒光分子FITC之后的IV特性曲線。從該圖可以清楚地知道，熒光分子FITC附著前后的IV特性發(fā)生了很大變化。具體例1接著說明利用離子反應檢測二次離子。用芘直接修飾CNT生物傳感器的CNTJf N-[5-(3，-馬來亞酰胺丙基氨基)-1-羧基戊基亞氨基二醋酸(N-[5-(3，-Maleimidopropy lamino) -1-carboxypentyl] imino diacetic acid 以下簡稱為 NTA)結(jié)合到后柵極上后，滴加含有Ni離子的溶液，根據(jù)各情況的IV特性，研究傳導特性。在圖22表示不對柵極施加電場時的IV特性。縱軸表示流通于源極-漏極之間的電流值(A)，橫軸表示源極-漏極之間的電壓值(V)。圖中的di是洗滌后柵極后的IV特性曲線，nta是結(jié)合NTA后的IV特性曲線，ni是滴加含有M離子的溶液后的IV特性曲線。從該圖可以清楚地知道，通過提高源極-漏極之間的電壓，雖然電流增加，但所有體系(di、nta、ni的體系)中，在dv = OV附近電流幾乎不增加，可以看到半導體性質(zhì)。與洗滌后的IV特性曲線相比，NTA結(jié)合到后柵極后的IV特性曲線顯示出電流顯著減少。針對于此，如果將M離子添加到體系中，電流就會增加。NTA不僅會與M離子，而且與其他二價正離子也會反應，因此，還可以檢測出其他二價正離子。具體例2接著說明利用抗原-抗體反應檢測H9血細胞凝集素(HA)。將HA的C末端切斷成各種水平(220、250、290,320),進行表達試驗。對細胞導入基因，使用單克隆抗體Ε2/3 和多克隆抗體，確認HA蛋白在細胞內(nèi)的表達。用免疫印跡法(western blot)確認在上清液分泌了 HA蛋白。HA1-290大量表達，從上清液用Ni2+柱精制。用ELISA、SDS-PAGE確認含有目標HA蛋白的部分，將其取下，用PBS透析而得到HA。進而針對短HA1-220也看到表達，但由于其不與單克隆抗體反應，因此沒有使用。對CNT生物傳感器的SiO2膜后柵極結(jié)合NTA后，將Ni離子添加到體系中，賦予原液稀釋率為10,至10_5的濃度的HA抗體，求出IV特性曲線。此時，后柵極沒有HA，因此 HA抗體并不會在后柵極上具有取向性地結(jié)合。接著，通過事先賦予的組氨酸尾(His tag)將HA固定在SiO2膜后柵極上的NTA 上，同樣地賦予HA抗體，求出IV特性曲線。將這些IV特性曲線圖示于圖23 觀。這里， 柵極電壓定為-20V。圖23是結(jié)合NTA后賦予含有M離子的溶液時的IV特性曲線圖；圖M是賦予原液的稀釋率為KTki的HA抗體時的IV特性曲線圖；圖25是賦予原液的稀釋率為10_8的HA 抗體時的IV特性曲線圖；圖沈是賦予原液的稀釋率為10_7的HA抗體時的IV特性曲線圖； 圖27是賦予原液的稀釋率為10_6的HA抗體時的IV特性曲線圖；圖觀是賦予原液的稀釋率為10_5的HA抗體時的IV特性曲線圖。在這些圖中，圖中的虛線為上述前者的SiO2膜后柵極上沒有HA的情況；實線為上述后者的通過事先賦予的組氨酸尾將HA固定在SW2膜后柵極上的NTA上的情況。
從這些圖中可以知道，將源極_漏極間的電壓從OV變化到IV時，幾乎看不到兩者 (實線和虛線)的源極-漏極間的電流值的差異，但是將電壓提高到IV以上時，固定了 HA 的體系(實線)中會顯示出電流值急劇增大的特性。由此可以知道，HA抗體與ELISA(酶聯(lián)免疫吸附法)等以往方法相比，在稀釋度高的區(qū)域也能夠檢測。具體例3這些利用抗原-抗體 反應的H9血細胞凝集素(HA)檢測，即使使用溶膠凝膠法也得到同樣的結(jié)果。將它們的IV特性示于圖29 34。在抗原_抗體反應的實驗前的整個體系中，在結(jié)合NTA后賦予含有M離子的溶液。柵極電壓定為-20V。圖29是未賦予HA抗原而賦予稀釋率為10_7的HA抗體時的IV特性曲線圖；圖30 是未賦予HA抗原而賦予稀釋率為10_6的HA抗體時的IV特性曲線圖；圖31是未賦予HA抗原而賦予稀釋率為10_5的HA抗體時的IV特性曲線圖；圖32是賦予HA抗原后賦予稀釋率為10_6的HA抗體時的IV特性曲線圖；圖33是賦予HA抗原后賦予稀釋率為10_5的HA抗體時的IV特性曲線圖；圖34是賦予HA抗原后賦予稀釋率為10_4的HA抗體時的IV特性曲線圖。在這些圖中，圖中的ni為結(jié)合NTA后賦予含有M離子的溶液時的IV特性曲線HA 為通過事先賦予的組氨酸尾將HA固定在SiO2膜后柵極上的NTA上的情況。從這些圖中可以知道，尤其是原液的稀釋率為10_5、10_4時，源極-漏極間的電流值表現(xiàn)出大的變化。另外，檢測靈敏度是ELISA左右。具體例4接著，說明利用抗原_抗體反應的鈣調(diào)蛋白(CaM)檢測。將含有大鼠鈣調(diào)蛋白基因cDNA的DNA片斷插入到表達載體pBAD/glll (Invitrogen公司制)的Sacl-Xbal部位， 構(gòu)建鈣調(diào)蛋白表達載體(pBAD/glll/calmodulin)。將該載體導入大腸桿菌LMG194株上，得到鈣調(diào)蛋白表達克隆。將該克隆植菌到2ml的LB/Ampicilin培養(yǎng)基上，培養(yǎng)一晚上。將該培養(yǎng)液接種到5ml的LB/Ampicilin培養(yǎng)基上，在37°C振動培養(yǎng)，使0D600成為0. 5后，加入L-arabinose使最終濃度成為0. 02%，進而在37°C振動培養(yǎng)4小時。然后離心收集細菌，用Native Binding Buffer (Invitrogen公司制)懸浮、超聲波粉碎，用 ProbondTMPurification System (Invitrogen 公司制)部分精制后，使用 HiLoad 26/60Sup erdex75pg (AmershamBioscience公司制)由SDS/聚丙烯酰胺電泳均勻地精制得到鈣調(diào)蛋白。在CNT生物傳感器的SiO2膜后柵極上結(jié)合NTA后，通過事先賦予的組氨酸尾(His tag)將HA固定在SiO2膜后柵極上的NTA上，賦予原液稀釋率為10_8至10_2的濃度的HA抗體，求出IV特性曲線。將結(jié)果示于圖35。這里，柵極電壓定為-20V。圖中的曲線(〃)是結(jié)合NTA后洗滌時的IV特性曲線圖；曲線(口)是通過事先賦予的組氨酸尾將CaM結(jié)合到NTA上時的IV特性曲線圖；曲線(〃)是賦予原液的稀釋率為10_8的CaM抗體時的IV特性曲線圖曲線(二)是賦予原液的稀釋率為10_7的CaM抗體時的IV特性曲線圖；曲線(* )是賦予原液的稀釋率為10_6的CaM抗體時的IV特性曲線圖；曲線( )是賦予原液的稀釋率為10_4的CaM抗體時的IV特性曲線圖；曲線(卜)是賦予原液的稀釋率為10_2的CaM抗體時的IV特性曲線圖。
從這些圖中可以知道，將源極-漏極間的電壓從OV變化到0. 5V時，電流值會隨著各濃度而變化。由此可以知道，CaM抗體與HA抗體同樣也能在原液稀釋度非常高的區(qū)域檢測。在下表中表示使用了 ELISA的CaM抗體和HA抗體的檢測結(jié)果。這里，其測定順序是，將一次抗體按照下述的稀釋率稀釋，靜置1小時，將二次抗體(抗小鼠HRPO標準抗體) 稀釋成5000倍，再靜置1小時，用TMB發(fā)色劑生成具有450nm吸收波長的基質(zhì)測定吸光度。表
(CaM抗體) (HA抗體)
PBS Neg. Con0.0340.030
2.5 XIO"22.0001.722
6.3XIO"32.4392.725
1.6X10—32.8993.378
3.9X10 一42.3003.132
0.98X10—40.6502.839
2.4XIO"50.1771.413 6.1 XIO"60.0510.2906. IX 10_6的稀釋度時顯示出用ELISA檢測是困難的。另一方面，上述具體例3、4 中溶膠凝膠法顯示出了 ELISA程度的靈敏度，其他都可以在10_8左右的稀釋度進行檢測。在Si襯底上生長CNT，在其兩個端部形成電極，將上述Si襯底的與生長CNT的面相反的背面用酸(硫酸)活化后，在180°C反應硅烷化試劑(3-巰基丙基三乙氧基硅烷)，固定NTA。接著，添加Ni離子，固定導入了組氨酸的抗原(CaM、HA)，與稀釋了的抗體反應后， 洗滌，在襯底背面施加負偏壓，測定IV特性。圖36是表示對如上所述固定的CaM反應稀釋了的CaM抗體后，在CNT電極間施加1. 5V電壓時的電流值變化的特性圖。從該圖可以知道，沒有固定抗原時，幾乎看不到電流值的變化，但固定時則隨著抗體濃度增加電流值也增加。另外，可以確認在抗體原液的約 10, 10_8的稀釋范圍能夠進行抗體的檢測。使用FLISA對同抗體的檢測界限進行探討的結(jié)果，可以確認將抗體原液稀釋至約 10_6的情況是檢測界限。另外，還確認檢測界限對于CaM和HA是不同的，與抗原、抗體有關(guān)。在所述各具體例中說明了柵極電壓為-20V的情況，但對于OV左右的柵極電壓，以及對于正數(shù)的柵極電壓，雖然電流值的變化小，但確認也可以檢測。將CNT生物傳感器適用于溶液時，有時會觀察到噪音而導致數(shù)據(jù)可靠性存在問題。因此，將試樣溶液(檢測液)滴加到傳感器上后，用吹風機、加熱器、熱電轉(zhuǎn)換元件(珀耳帖元件)等使溶劑(水分)蒸發(fā)，來顯著降低噪音。對于適用上述溶液的具體例，也適用該噪音處理法。另外，也可以通過熱電轉(zhuǎn)換元件(珀耳帖元件)或液氮等冷卻試樣溶液(檢測液)，來減少水等溶劑的影響。特別是可以通過凍結(jié)水進行絕緣化，來大幅度減少噪音。以往方法中有ELISA或免疫印跡法，但它們的界限是原液稀釋率10_5左右的靈敏度。相對于此，在進行HA抗體檢測后，本發(fā)明的傳感器的靈敏度是ELISA的IO3左右。另外，由于使用了電信號，因此沒有很多化學反應過程，由此可以極其縮短檢測所需時間。由IV曲線研究了電流特性的結(jié)果，可以由參數(shù)分析儀在數(shù)秒內(nèi)就可以得到IV曲線。以往知道的PCR等由于伴隨溫度變化，因此需要控制溫度，但本發(fā)明的傳感器由于可以在溫度一定的環(huán)境使用，因此不需要控制溫度，結(jié)構(gòu)簡化而可以實現(xiàn)小型化。能夠在溫度一定的環(huán)境使用的有例如RT-PCR法、ICAN法、LAMP法等，但都存在檢測時間長的問題。本發(fā)明的傳感器不僅可以進行單一種類的檢測，還可以對一個樣品同時進行多種傳感，可以同時檢測多種。另外，對于多樣品，也可以使用多個傳感器同時檢測。本發(fā)明的在溝道使用納米管狀結(jié)構(gòu)體的傳感器，具有強度而可以反復使用，但由于廉價，因此在檢測有危險的病毒等時，就可以扔掉。在上述實施方式中，說明了使用CNT的情況，但也可以使用非管狀的超細的纖維。在上述實施方式中，說明了形成DNA探針的一種生物傳感器，但也可以在襯底上同時設(shè)置如三個帶SiA膜的CNT生物傳感器，在各SiA膜上分別形成DNA探針和蛋白質(zhì)探針和糖脂質(zhì)探針，同時測定不同的生物高分子ONA、蛋白質(zhì)、糖脂質(zhì))。在上述實施方式中說明了評價DNA的表面電荷分布特性的情況，但本發(fā)明還適合于檢測糖鏈、RNA、氨基酸、糖、病毒等其他生物高分子。另外，也可以響應光，檢測視紫質(zhì)等蛋白質(zhì)釋放質(zhì)子過程中的電子狀態(tài)的變化，或者色素的結(jié)構(gòu)變化中的電子狀態(tài)的變化等。在上述實施方式中，表示了在SET的溝道部連接納米管狀結(jié)構(gòu)體的例子，但也可以在FET溝道部使用納米管狀結(jié)構(gòu)體。產(chǎn)業(yè)上的利用可能性當病毒等微生物侵入人體或其他生命體后，相應的抗體就開始進行相互作用。從而，對于具有抗體的病毒等，就可以從體液用本發(fā)明的傳感器檢測。例如，在所述具體例表示的HA是覆蓋流感病毒表面的叫做刺突蛋白的蛋白質(zhì)，因此可以用本發(fā)明的傳感器檢測， 可以高靈敏度且迅速檢測出流感、SARS、BSE等感染癥。本發(fā)明的傳感器檢測部小，使用電信號，因此可以將檢測電路芯片化，用作便攜式廉價檢測器。從而，可以在現(xiàn)場進行試驗，并且可以提供于所有醫(yī)療機構(gòu)。由此，有利于感染癥的早期發(fā)現(xiàn)等預防對策，并且還有利于Bioterro ( ^^ t r a )的對策。在基礎(chǔ)科學領(lǐng)域，也可以用本發(fā)明傳感器檢測分子水平的分子間相互作用的結(jié)合強度，或者根據(jù)電流特性分類病毒或蛋白質(zhì)。因此，通過探索或者設(shè)計類似于抗體的分子， 可以進行開發(fā)藥物的基礎(chǔ)實驗。另外，也可以隨時間性地檢測一個分子。進而，也可以用作為光譜性抗原抗體反應檢測裝置的基礎(chǔ)電路。通過直接用DNA修飾本發(fā)明傳感器的柵極或CNT，可以高靈敏度電檢測相對的 DNA。另外，通過根據(jù)DNA高靈敏度且迅速地測定感染癥病毒或細菌等微生物，進行鑒別。進而，也可以用本發(fā)明的傳感器檢測環(huán)境荷爾蒙、毒素、無機物。另外，由于能夠檢測樣品的蒸氣的影響，因此不僅適用于液體，還適用于氣體，也可以測定大氣或其他氣體中的有害物質(zhì)等特定物質(zhì)的濃度。
權(quán)利要求
1.一種試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法，其特征在于，為用至少具有襯底、和在形成于所述襯底上面的第1絕緣薄膜上具有隔著規(guī)定間隔而對向設(shè)置的源極和漏極的溝道的傳感器來檢測試樣中的被檢測物質(zhì)的方法，所述溝道由超微細纖維構(gòu)成，在所述襯底的與所述溝道相反側(cè)的面上形成有第2絕緣薄膜，在所述第2絕緣薄膜的外側(cè)設(shè)置后柵極，所述第2絕緣薄膜被與被檢測物質(zhì)相互作用的特定物質(zhì)修飾，在所述修飾部分和所述后柵極之間滴加所述試樣的溶液后，使所述試樣溶液的溶劑蒸發(fā)。
2.一種試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法，其特征在于，為用至少具有襯底、和在形成于所述襯底上面的第1絕緣薄膜上具有隔著規(guī)定間隔而對向設(shè)置的源極和漏極的溝道的傳感器來檢測試樣中的被檢測物質(zhì)的方法，所述溝道由超微細纖維構(gòu)成，在所述襯底的與所述溝道相反側(cè)的面上形成有第2絕緣薄膜，在所述第2絕緣薄膜的外側(cè)設(shè)置后柵極，所述第2絕緣薄膜被與被檢測物質(zhì)相互作用的特定物質(zhì)修飾，在所述修飾部分和所述后柵極之間滴加所述試樣的溶液后，使所述試樣溶液的溶劑凍結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法，其中，所述超微細纖維為碳納米管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法，其中，向所述碳納米管引入缺陷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4任一項所述的試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法，其中，所述被檢測物質(zhì)及所述特定物質(zhì)是相互作用的生物高分子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法，其中，所述被檢測物質(zhì)是抗原或抗體，所述特定物質(zhì)是抗體或抗原。
全文摘要
本發(fā)明涉及試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法。該檢測方法為用至少具有襯底、和在形成于所述襯底上面的第1絕緣薄膜上具有隔著規(guī)定間隔而對向設(shè)置的源極和漏極的溝道的傳感器來檢測試樣中的被檢測物質(zhì)的方法。本發(fā)明通過為所述構(gòu)成，可以提供能降低噪音、且具有比以往遠遠優(yōu)異靈敏度的試樣中的被檢測物質(zhì)的檢測方法。
文檔編號H01L51/30GK102183569SQ201110050619
公開日2011年9月14日 申請日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者喜田宏, 末岡和久, 松本和彥, 武田晴治, 武笠幸一, 澤村誠, 石井睦, 細井浩貴, 迫田義博, 阿古斯·史巴業(yè) 申請人:獨立行政法人科學技術(shù)振興機構(gòu)