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专利名称：生物传感器以及被检测物质的检测方法
技术领域：
本发明涉及一种具备场效应晶体管元件的生物传感器及利用上述生物传感器的被检测物质的检测方法。
背景技术：
以前，提出了具备场效应晶体管元件的生物传感器(参照专利文献1 3)。一般地，在具备场效应晶体管元件的生物传感器中，通常在半导体基板的绝缘膜上形成有源电极/漏电极以及沟道，而且，在沟道或者半导体基板的绝缘膜等上配置有反应区。通常在反应区上固定被检测物质识别分子。在这样的生物传感器中，使被固定在反应区上的被检测物质识别分子识别被检测物质。生物传感器通过测量此时的源-漏电流，测量在反应区所提供的被检测物质的有无和浓度。专利文献1、日本特开2004-85392号公报2、日本特开2006-201178号公报3、日本特开2007-139762号公报

发明内容
如上所述，具备场效应晶体管的生物传感器，基于场效应晶体管的源-漏电流来测量被检测物质的有无和浓度。但是，随着其测量环境的变化，场效应晶体管的源-漏电流波动很大。作为波动原因的测量环境的例子，有其周围温度和亮度(光量)。如果源-漏电流随着测量环境的变化而发生波动，则无法进行精确的检测。本发明的目的在于提供一种生物传感器，其具备场效应晶体管，并且，能够与周围温度和亮度等测量环境无关地实现精确的检测。本发明的特征在于，在具备两个以上场效应晶体管元件的生物传感器，其中一个场效应晶体管元件作为检测被检测物质的元件使用，另一个场效应晶体管元件作为校正因测量环境的变化而产生的噪声(Noise)的元件使用。即，本发明的第一方面涉及以下所述的生物传感器。(1) 一种生物传感器，其具备两个以上场效应晶体管元件，该场效应晶体管元件包括硅基板；在上述硅基板面上形成的氧化硅膜；配置在上述氧化硅膜上的源电极、漏电极以及连接源电极与漏电极的沟道；以及可控制上述沟道的栅电极，其中，上述两个以上场效应晶体管元件中的一个配置有固定被检测物质识别分子的反应区，上述两个以上场效应晶体管元件中的另一个配置有不固定被检测物质识别分子的反应区。(2)根据(1)所述的生物传感器，上述两个以上场效应晶体管元件的硅基板是相
互独立的。(3)根据(1)所述的生物传感器，上述两个以上场效应晶体管元件的硅基板是共同的，栅电极是相互独立的。(4)根据(1)至(3)中任一个所述的生物传感器，对上述栅电极施加的电压为 +0. 5V -0. 5V。本发明第二方面涉及以下所述的检测方法。
(5) 一种利用上述(1)至(4)中任一个所述的生物传感器检测被检测物质的方法， 包括以下步骤向上述两个以上场效应晶体管元件的各反应区提供样品；测量上述两个以上场效应晶体管元件的源-漏电流；以及对上述一个场效应晶体管元件的源-漏电流的测量结果，以上述另一个场效应晶体管元件的源-漏电流的测量结果进行校正的工序。(6)根据(5)所述的检测方法，测量上述两个以上场效应晶体管元件的源-漏电流时的、对栅电极施加的电压为+0. 5V -0. 5V。根据本发明的具备场效应晶体管元件的生物传感器，能够与周围温度和亮度等测量环境的变化无关地进行高精度的检测。从而，可提高具备场效应晶体管元件的生物传感器的实用性。而且，根据本发明的生物传感器，无需在检测装置主体中设置用于防止噪声的机构以及存储消除噪声用的数据等，能够简化检测装置主体。


图1是具备单个场效应晶体管元件的生物传感器的立体图。图2是表示场效应晶体管元件的、相对于周围温度的源-漏电流变化率的曲线图。图3A是本发明的具有两个场效应晶体管元件的生物传感器的第一示例的立体图。图;3B是图3A所示的生物传感器的剖视图。图4A是本发明的具有两个场效应晶体管元件的生物传感器的第二示例的立体图。图4B是图4A所示的生物传感器的剖视图。图5是表示本发明的生物传感器中的晶体管元件A及晶体管元件B的源-漏电流所产生的噪声的曲线图。图6A是表示场效应晶体管元件A的源-漏电流的曲线图。图6B是表示场效应晶体管元件B的源-漏电流的曲线图。图6C是表示从图6A所示的场效应晶体管元件A的源-漏电流中减去图6B所示的场效应晶体管元件B的源-漏电流后的结果的曲线图。附图标记10'、10-1、10-2 生物传感器11、11A、11B 硅基板12a、12b:氧化硅膜13、13A、13B 栅电极14、14A、14B 漏电极15、15A、15B 源电极16、16A、16B 沟道17、17A、17B 电流计19A、19B:栅绝缘膜20A、20B 反应区21 被检测物质识别分子
30A.30B 场效应晶体管元件31A、31B 场效应晶体管元件100 安装基板
具体实施例方式本发明的生物传感器具备场效应晶体管元件。该场效应晶体管元件具有半导体基板；在上述半导体基板面上形成的绝缘膜；配置在上述绝缘膜上的源电极、漏电极以及连接源电极与漏电极的沟道；以及，可控制上述沟道的栅电极。半导体基板通常为硅基板， 绝缘膜为氧化硅膜，但并不限定于此。图1示出具备单个场效应晶体管的生物传感器的例子。如图1所示，以往的生物传感器10'中，在硅基板11的表面形成的氧化硅膜12b上，配置有漏电极14及源电极15 和沟道16。而且，以能够作用于沟道16的方式配置有栅电极13。在图1中，栅电极13配置在形成于硅基板11背面的氧化硅膜1 上。沟道16例如是多晶硅沟道，但并不特别限定。例如也可以是碳纳米管沟道。沟道可以是NPN型、PNP型、NiN型、PiP型。由于NPN型或者PNP型沟道的带隙变大，所以与NiN 型或者PiP型的沟道相比，漏电流容易变小。因此，易构成减少待机状态时的消耗电流的电路。另一方面，与NPN型或者PNP型的沟道相比，NiN型或者PiP型的沟道可用较少的制造工序制造。在如图1所示的具有单个场效应晶体管元件的生物传感器中，存在检测灵敏度大幅波动的问题。检测灵敏度波动的原因之一是场效应晶体管元件的特性根据检测环境、例如周围的温度和亮度而发生变化。图2是表示场效应晶体管的源-漏电流随着周围温度的变化而变化的程度的曲线图，图2的横轴表示栅电压，纵轴表示源-漏电流的变化率。将源-漏电压设定为6V，栅电压设定在-3V OV的范围。示出在各个栅电压将周围温度从20度变化至30度时的源-漏电流的变化率(曲线20-30)和将周围温度从30度变化至40度时的源-漏电流的变化率 (曲线 30-40)。如图2所示，可知周围温度虽然仅上升10度，但源-漏电流增大5 25%。特别是，当栅电压在OV附近时，相对于周围温度变化的源-漏电流的变化率变大。因此，即使利用具有单个场效应晶体管元件的生物传感器进行检测作业，测量环境下的轻微的温度变化也会使源-漏电流变化，无法进行精确的检测。对此，本发明的生物传感器具有两个以上场效应晶体管元件，将一个场效应晶体管元件作为检测用元件使用，而将另一个场效应晶体管元件作为校正用元件使用。本发明的生物传感器所包含的场效应晶体管，均具有半导体基板；在上述半导体基板面上形成的绝缘膜；配置在上述绝缘膜上的源电极、漏电极以及连接源电极与漏电极的沟道；以及可控制上述沟道的栅电极。构成场效应晶体管的各要素(除了反应区)，优选在任一场效应晶体管中都相同，具有相同构造。由此，各场效应晶体管的特性、特别是IV 特性等相同。两个以上场效应晶体管元件可以分别具有独立的硅基板(参照图3A)，也可以共用一个半导体基板(参照图4A)。后者的情况下，两个以上场效应晶体管元件分别具有独立的栅电极(参照图4A)。总之，能够独立控制各场效应晶体管元件。本发明的生物传感器所包含的场效应晶体管元件，分别具有反应区。反应区是指提供有可能含有被检测物质的样品(通常为溶液)的区域。反应区的配置位置没有特别限定，可以位于半导体基板的表面(参照图3B)，也可以位于将沟道和栅电极绝缘的栅绝缘膜上(参照图4B)。优选反应区配置在栅电极的附近。这是为了提高检测灵敏度。本发明的生物传感器所包含的一个场效应晶体管元件A，具有固定被检测物质识别分子的反应区。场效应晶体管元件A是用于检测被检测物质的元件。被检测物质识别分子的例子中，包含抗体、酶、凝集素等蛋白质、核酸、核苷酸糖或多糖、或者具有它们的构造的物质。通过将被检测物质识别分子固定在反应区上，能够特异地检测出特定的蛋白质或化学物质等。另一方面，本发明的生物传感器所包含的另一个场效应晶体管元件B，具有不固定被检测物质识别分子的反应区。场效应晶体管元件B是用于校正由场效应晶体管元件A检测到的检测数据的元件。图3A表示本发明的生物传感器的第一示例。图3A所示的生物传感器10_1具有安装基板100和安装在其上的两个场效应晶体管元件30A及场效应晶体管元件30B。场效应晶体管元件30A及场效应晶体管元件30B分别具有与图1所示的场效应晶体管元件相同的构成。图;3B表示图3A的生物传感器10_1的剖视图。如图所示，场效应晶体管元件 30A及场效应晶体管元件30B都安装在安装基板100上，并且，在形成于硅基板11 (11A或 11B)表面的氧化硅膜1 上具有反应区2(K20A或20B)。在反应区20A的周围配置有栅电极13A，在反应区20B的周围配置有栅电极13B。在反应区20A上固定有被检测物质识别分子21，在反应区20B上未固定有被检测物质识别分子。图4A表示本发明的生物传感器的第二示例。图4A所示的生物传感器10_2具有形成有氧化硅膜12b的硅基板11和配置在氧化硅膜12b上的两个场效应晶体管元件31 (元件31A及元件31B)。各场效应晶体管元件具有漏电极14(14A或14B)、源电极15(15A或 15B)、沟道16 (16A或16B)、栅绝缘膜19 (19A或19B)。而且，场效应晶体管元件31A及31B 具有配置在栅绝缘膜19上的所谓顶栅型的栅电极13(13A或13B)。图4B表示图4A的生物传感器10_2的剖视图。如图4B所示，场效应晶体管元件 31A的栅绝缘膜19A的沟道16A附近成为固定被检测物质识别分子21的反应区。另一方面，场效应晶体管元件31B的栅绝缘膜19B的沟道16B附近成为未固定有被检测物质识别分子21的反应区。利用本发明的生物传感器的检测流程利用本发明的生物传感器检测被检测物质时，首先，向场效应晶体管元件A的反应区(固定有被检测物质识别分子的反应区)提供有可能含有被检测物质的样品。向场效应晶体管元件B的反应区(未固定有被检测物质识别分子的反应区)也提供相同的样品。 由于在场效应晶体管元件A的反应区固定有被检测物质识别分子，所以样品中的被检测物质与被检测物质识别分子发生反应。另一方面，由于在场效应晶体管元件B的反应区未固定有被检测物质识别分子，所以不发生反应。随后，根据需要从反应区中除去样品中的溶剂寸。
在场效应晶体管元件A及场效应晶体管元件B的栅电极上施加相同的、规定的栅电压。例如，在场效应晶体管元件A及场效应晶体管元件B的栅电极上施加的电压为 +0. 5V -0. 5V。分别测量此时的场效应晶体管元件A及场效应晶体管元件B的源-漏电流。此时，场效应晶体管元件A的源-漏电流和场效应晶体管元件B的源-漏电流，都有可能随着测量环境的轻微变化、例如温度变化和亮度变化而产生噪声。在此，因为场效应晶体管元件A和场效应晶体管元件B具有相同的元件构造，所以在源-漏电流上产生相同的噪声。图5是表示在两个场效应晶体管(场效应晶体管A及场效应晶体管B)的源-漏电流上产生的噪声的曲线图。假设各场效应晶体管的沟道为PIP型的多晶硅沟道，设定沟道宽度为200 μ m，沟道长度为4 μ m。栅氧化膜的厚度设定为270 A。一边使测量环境的温度交替地变化为从室温上升3度和从室温下降3度，一边进行测量。图5的纵轴表示场效应晶体管的源-漏电流(μ A)，横轴表示时间(秒)。图5中的实线表示场效应晶体管元件A的源-漏电流，虚线表示场效应晶体管元件B的源-漏电流。将场效应晶体管元件A及场效应晶体管元件B的栅电压都设定为0V、源-漏电压都设定为6V。如图5所示，可知在各元件的源-漏电流都产生了不小的噪声。但是，可知场效应晶体管元件A及元件B的噪声是同步的，这表示随着周围环境的变化，在源-漏电流上在产生噪声。由此，可知若使用场效应晶体管元件B的源-漏电流对场效应晶体管元件A的源-漏电流进行校正，就能够获得消除了噪声的场效应晶体管元件A的源-漏电流。参照图6说明通过本发明的生物传感器获得消除了噪声的源-漏电流的情况。图 6Α 6C的纵轴表示场效应晶体管的源-漏电流(A)，横轴表示时间(秒)。图6Α表示场效应晶体管元件A的源-漏电流(IckA)，图6B表示场效应晶体管元件B的源-漏电流(IdsB)。测量条件设定为室温、栅电压=0V、源-漏电压=6V。在图6A 及图6B的任一个中，噪声幅度都约为100 150nA。该噪声有妨碍精确检测的可能性。图 6C是从场效应晶体管元件A的源-漏电流(图6A)中减去场效应晶体管元件B的源-漏电流(图6B)的结果(IdsA-IdsB)。如图6C所示，两者之差被收敛在20nA范围内。因此， 可知若使用场效应晶体管元件B的源-漏电流对场效应晶体管元件A的源-漏电流进行校正，就能够消除噪声。尚且，图6C中的箭头C所示的下滑是由场效应晶体管元件A和场效应晶体管元件B的上升响应时间之差引起的。通常的生物传感器装置需要具备用于抑制生物传感器的测量值中产生噪声或者消除所产生的噪声的机构。抑制产生噪声的机构是指例如恒定地维持测量温度或者进行遮光的机构。消除噪声的机构是指，存储随着测量环境而产生的噪声，并利用它来校正由生物传感器检测的实测值的机构。但是，根据本发明的生物传感器，由于生物传感器自身具备消除噪声功能，所以， 生物传感器装置无需具备抑制噪声产生的机构和消除噪声的机构。因此，能够提供简便且小型的生物传感器装置。工业实用性本发明的生物传感器在具备场效应晶体管的同时，消除了因测量环境产生的噪声，因此能够实现非常高的灵感度及精度的检测。
权利要求
1.一种生物传感器，具备两个以上场效应晶体管元件，上述场效应晶体管元件包括 硅基板；在上述硅基板面上形成的氧化硅膜；配置在上述氧化硅膜上的源电极、漏电极以及连接源电极与漏电极的沟道；以及，可控制上述沟道的栅电极；其中，上述两个以上场效应晶体管元件中的一个配置有固定被检测物质识别分子的反应区；上述两个以上场效应晶体管元件中的另一个配置有不固定被检测物质识别分子的反应区。
2.根据权利要求1所述的生物传感器，上述两个以上场效应晶体管元件的硅基板是相互独立的。
3.根据权利要求1所述的生物传感器，上述两个以上场效应晶体管元件的硅基板是共同的，栅电极是相互独立的。
4.根据权利要求1所述的生物传感器，对上述栅电极施加的电压为+0.5V -0. 5V。
5.一种检测方法，利用权利要求1所述的生物传感器检测被检测物质，其包括以下步骤向上述两个以上场效应晶体管元件的各反应区提供样品； 测量上述两个以上场效应晶体管元件的源-漏电流；以及对上述一个场效应晶体管元件的源-漏电流的测量结果，以上述另一个场效应晶体管元件的源-漏电流的测量结果进行校正。
6.根据权利要求5所述的检测方法，测量上述两个以上场效应晶体管元件的源-漏电流时的、对栅电极施加的电压为+0. 5V -0. 5V。
全文摘要
本发明涉及生物传感器，该生物传感器具备场效应晶体管，能够与周围温度和亮度等外部环境无关地进行精确的检测。而且，本发明涉及利用上述生物传感器的被检测物质的检测方法。本发明的生物传感器具备两个以上场效应晶体管元件，该场效应晶体管元件包括硅基板；在上述硅基板面上形成的氧化硅膜；配置在上述氧化硅膜上的源电极、漏电极以及连接源电极与漏电极的沟道；以及可控制上述沟道的栅电极。上述两个以上场效应晶体管元件中的一个是配置了固定被检测物质识别分子的反应区的场效应晶体管元件(A)，并且上述两个以上场效应晶体管元件中的另一个是配置了不固定被检测物质识别分子的反应区的场效应晶体管元件(B)。
文档编号G01N27/414GK102235996SQ20111008116
公开日2011年11月9日 申请日期2011年3月31日 优先权日2010年4月8日
发明者山林智明, 菊地洋明, 高桥理 申请人:三美电机株式会社