JP7276774B2 - Aptamer-immobilized semiconductor sensing device and method for detecting uncharged molecules - Google Patents

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Description

本発明は、アプタマー固定化半導体センシングデバイス及び非荷電分子の検出方法に関する。 The present invention relates to an aptamer-immobilized semiconductor sensing device and a method for detecting uncharged molecules.

電界効果トランジスタ(FET)は、生体分子の検出に非常に有望なツールである。FETを用いると、生体分子の吸着に伴うゲート表面の電荷密度変化を電気信号として直接検出するため、ラベルフリー検出が可能であり、低コストで迅速な生体分子の検出が可能である。それゆえ、FETを用いた生体分子の検出に関する研究が広く行われている。 Field effect transistors (FETs) are very promising tools for the detection of biomolecules. When the FET is used, the change in charge density on the gate surface accompanying the adsorption of biomolecules is directly detected as an electrical signal, so label-free detection is possible, and biomolecules can be rapidly detected at low cost. Therefore, research on detection of biomolecules using FETs has been extensively conducted.

FETバイオセンサは,操作が簡便で小型、安価であるため、医療、食品、環境等の様々な分野での応用が期待されている。FETバイオセンサは、電荷検出範囲であるデバイ長内において、受容体に捕捉された生体分子の電荷に起因するゲート電極上の表面電位の変化を測定するデバイスである。そのため、電荷を持たない非荷電分子の検出は困難であった。 Since FET biosensors are easy to operate, small, and inexpensive, they are expected to be applied in various fields such as medicine, food, and environment. A FET biosensor is a device that measures changes in surface potential on a gate electrode due to the charge of a biomolecule trapped in a receptor within the Debye length, which is the charge detection range. Therefore, it has been difficult to detect uncharged molecules that have no charge.

そこで、プローブ分子として、測定対象である分子(以下、ターゲット分子ともいう。)の捕捉に伴い構造が変化する核酸分子(アプタマー)を利用して、センサ界面近傍の電荷量を変化させることが有効であった(非特許文献1)。これは、アプタマーがターゲット分子の捕捉に伴い構造変化することを利用して、ターゲット分子の結合により生じるデバイ長内の電荷量の変化を測定し、間接的にターゲット分子を検出する方法である。これにより、非荷電分子を検出することが可能となる。しかし、ターゲット分子の滴下時に隣接するアプタマーが互いに立体障害を起こすことで、十分な電荷量の変化が起こらず、感度が低下することがあった。 Therefore, it is effective to use a nucleic acid molecule (aptamer) as a probe molecule that changes its structure as it captures a molecule to be measured (hereinafter also referred to as a target molecule) to change the amount of charge in the vicinity of the sensor interface. was (Non-Patent Document 1). This is a method of indirectly detecting the target molecule by measuring the change in the amount of charge within the Debye length caused by the binding of the target molecule, utilizing the structural change of the aptamer as it captures the target molecule. This makes it possible to detect uncharged molecules. However, when the target molecule is dropped, the adjacent aptamers may cause steric hindrance with each other, resulting in insufficient change in the amount of charge, resulting in a decrease in sensitivity.

N. Nakatsuka et al., Science, 362, pp. 319-324 (2018)N. Nakatsuka et al., Science, 362, pp. 319-324 (2018)

本発明は、前記事情に鑑みなされたもので、FETを用いて簡便かつ高感度に非荷電分子を検出することを可能にする半導体センシングデバイス及び非荷電分子の検出方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a semiconductor sensing device and a method for detecting uncharged molecules that make it possible to detect uncharged molecules simply and with high sensitivity using an FET. do.

本発明者らは、前記目的を達成するため鋭意研究を行った結果、アプタマーをプローブ分子とするFETバイオセンサにおいて、高次構造を形成した状態のアプタマーを固定化し、その後、前記高次構造を解消して得られるデバイスを用いることで、該ターゲット分子を高感度に検出することが可能となることを見出し、本発明をなすに至った。 As a result of intensive research to achieve the above object, the present inventors immobilized the aptamer in a state of forming a higher-order structure in an FET biosensor using an aptamer as a probe molecule, and then fixed the higher-order structure. The present inventors have found that the target molecule can be detected with high sensitivity by using a device obtained by solving the problem, and have completed the present invention.

したがって、本発明は、下記アプタマー固定化半導体センシングデバイス及び非荷電分子の検出方法を提供する。
1.プローブ分子としてアプタマーが固定化された検出部を有する電界効果トランジスタを備えるアプタマー固定化半導体センシングデバイスであって、
前記アプタマーが、高次構造を形成した状態で検出部に固定化され、その後、前記高次構造を解消したものであるアプタマー固定化半導体センシングデバイス。
2.前記アプタマーが、DNAアプタマーである1のアプタマー固定化半導体センシングデバイス。
3.前記高次構造が、G-カルテット構造である1又は2のアプタマー固定化半導体センシングデバイス。
4.前記検出部が、半導体上に反応ゲート絶縁部としてシリコン酸化物又は無機酸化物を含む第1の絶縁層が形成され、前記第1の絶縁層の上に、反応性官能基を有する有機単分子膜からなる第1の有機単分子膜が形成され、該第1の有機単分子膜に、プローブ分子として高次構造を形成した状態のアプタマーを前記反応性官能基を介して直接又は架橋分子を用いて結合させ、その後、前記高次構造を解消してなる、アプタマー/有機単分子膜/絶縁層/半導体構造を備えるものである、1~3のいずれかのアプタマー固定化半導体センシングデバイス。
5.前記半導体上に、更に、参照ゲート絶縁部としてシリコン酸化物又は無機酸化物を含む第2の絶縁層が形成され、該第2の絶縁層の上に、前記アプタマー及び非荷電分子のいずれとも反応しない有機分子で構成された第2の有機単分子膜を形成してなる、有機単分子膜/絶縁層/半導体構造を参照部として備える4のアプタマー固定化半導体センシングデバイス。
6.1~5のいずれかのアプタマー固定化半導体センシングデバイス上に固定化されたアプタマーと非荷電分子とを相互作用させる工程と、
該相互作用によるゲート電極上の表面電位変化を検出する工程と
を含む非荷電分子の検出方法。
7.前記非荷電分子が、ステロイド骨格を有する化合物である6の非荷電分子の検出方法。
Accordingly, the present invention provides the following aptamer-immobilized semiconductor sensing device and uncharged molecule detection method.
1. An aptamer-immobilized semiconductor sensing device comprising a field-effect transistor having a detection portion on which an aptamer is immobilized as a probe molecule,
An aptamer-immobilized semiconductor sensing device, wherein the aptamer is immobilized on a detecting portion while forming a higher-order structure, and then the higher-order structure is dissolved.
2. 1. The aptamer-immobilized semiconductor sensing device of 1, wherein the aptamer is a DNA aptamer.
3. 1 or 2, wherein the higher-order structure is a G-quartet structure.
4. The detection part comprises a first insulating layer containing silicon oxide or inorganic oxide as a reaction gate insulating part formed on a semiconductor, and an organic single molecule having a reactive functional group on the first insulating layer. A first organic monomolecular film composed of a film is formed, and an aptamer in a state of forming a higher-order structure as a probe molecule is directly applied to the first organic monomolecular film via the reactive functional group or a cross-linking molecule. 4. The aptamer-immobilized semiconductor sensing device according to any one of 1 to 3, which comprises an aptamer/organic monomolecular film/insulating layer/semiconductor structure formed by binding using a stoichiometer and then eliminating the higher-order structure.
5. Further formed on the semiconductor is a second insulating layer comprising a silicon oxide or an inorganic oxide as a reference gate insulator, on which the second insulating layer reacts with both the aptamer and uncharged molecules. 4. An aptamer-immobilized semiconductor sensing device comprising an organic monomolecular film/insulating layer/semiconductor structure as a reference portion, which is formed by forming a second organic monomolecular film composed of organic molecules that do not bind to each other.
6. A step of interacting the aptamer immobilized on the aptamer-immobilized semiconductor sensing device of any one of 1 to 5 with an uncharged molecule;
and detecting a surface potential change on the gate electrode due to said interaction.
7. 6. The method for detecting an uncharged molecule according to 6, wherein the uncharged molecule is a compound having a steroid skeleton.

本発明のデバイスを用いることで、より高感度に非荷電分子を検出することが可能となる。 By using the device of the present invention, it becomes possible to detect uncharged molecules with higher sensitivity.

本発明の半導体センシングデバイスを示す断面図であり、(A)は電界効果トランジスタ、(B)は電界効果トランジスタのゲート電極の絶縁層上に有機単分子膜を形成した状態、(C)は有機単分子膜にプローブ分子が固定化された状態を示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing which shows the semiconductor sensing device of this invention, (A) is a field effect transistor, (B) is the state which formed the organic monomolecular film on the insulating layer of the gate electrode of a field effect transistor, (C) is an organic This shows a state in which probe molecules are immobilized on a monomolecular film. オンチップデバイスのユニット構成例を示し、(A)は部分平面図、(B)はその拡大断面図である。An example of the unit configuration of an on-chip device is shown, (A) is a partial plan view, and (B) is an enlarged cross-sectional view thereof. 本発明の半導体センシングデバイスを用いた非荷電分子検出の概念図である。1 is a conceptual diagram of uncharged molecule detection using the semiconductor sensing device of the present invention. FIG. 参考例で測定したスキャナー型画像解析装置による蛍光観察画像である。It is the fluorescence observation image by the scanner type image-analysis apparatus measured by the reference example. 実施例2で測定した電流-電圧曲線である。2 is a current-voltage curve measured in Example 2. FIG. 比較例2-1で測定した電流-電圧曲線である。It is a current-voltage curve measured in Comparative Example 2-1. 比較例2-2で測定した電流-電圧曲線である。It is a current-voltage curve measured in Comparative Example 2-2. 実施例3及び比較例3で測定したゲート電圧シフト値を示すグラフである。10 is a graph showing gate voltage shift values measured in Example 3 and Comparative Example 3; 実施例5-1~5-3及び比較例4で測定したゲート電圧シフト値を示すグラフである。10 is a graph showing gate voltage shift values measured in Examples 5-1 to 5-3 and Comparative Example 4; 実施例7-1、7-2及び比較例6で測定したゲート電圧シフト値を示すグラフである。10 is a graph showing gate voltage shift values measured in Examples 7-1 and 7-2 and Comparative Example 6. FIG.

[アプタマー固定化半導体センシングデバイス]
本発明のアプタマー固定化半導体センシングデバイスは、プローブ分子としてアプタマーが固定化された検出部を有するFETを備えるものであって、前記アプタマーが、高次構造を形成した状態で検出部に結合され、その後、前記高次構造を解消して得られるものである。
[Aptamer-immobilized semiconductor sensing device]
The aptamer-immobilized semiconductor sensing device of the present invention comprises an FET having a detection part on which an aptamer is immobilized as a probe molecule, wherein the aptamer is bound to the detection part in a state of forming a higher-order structure, After that, it is obtained by eliminating the higher-order structure.

本発明のデバイスに適用できるFETは、特に限定されず、従来公知の構成のもの、例えば、イオン感応型(Ion sensitive)FET、拡張ゲート型(extended gate)FET、等を使用することができる。また、FETに用いられる半導体も、特に限定されず、シリコンのほか、酸化亜鉛、酸化インジウム等の酸化物半導体、二硫化モリブデン、グラフェン、2次元材料であるMXene等を使用することができる。 FETs that can be applied to the device of the present invention are not particularly limited, and conventionally known structures such as ion sensitive FETs and extended gate FETs can be used. Semiconductors used in FETs are not particularly limited, and oxide semiconductors such as zinc oxide and indium oxide, molybdenum disulfide, graphene, and two-dimensional material MXene can be used in addition to silicon.

本発明において、前記アプタマー固定化半導体センシングデバイスに固定化するアプタマーは、検出する対象にあわせて適宜選択すればよい。すなわち、目的とする非荷電分子と結合するアプタマーを選択すればよい。 In the present invention, the aptamer to be immobilized on the aptamer-immobilized semiconductor sensing device may be appropriately selected according to the target to be detected. That is, an aptamer that binds to the target uncharged molecule may be selected.

本発明で用いるアプタマーとしては、核酸アプタマーが好ましい。核酸アプタマーは、ヌクレオチド残基を含む分子であり、ヌクレオチド残基のみからなる分子でもよく、ヌクレオチド残基を含む分子でもよい。前記ヌクレオチドとしては、リボヌクレオチド、デオキシリボヌクレオチド及びこれらの誘導体が挙げられる。前記アプタマーとしては、デオキシリボヌクレオチド及び/又はその誘導体を含むもの(DNAアプタマー)でもよく、リボヌクレオチド及び/又はその誘導体を含むもの(RNAアプタマー)でもよく、これらの両方を含むもの(DNA/RNAアプタマー)でもよい。前記アプタマーとしては、DNAアプタマーが好ましい。また、前記アプタマーは、一本鎖アプタマーでも二本鎖アプタマーでもよい。 Nucleic acid aptamers are preferred as the aptamers used in the present invention. A nucleic acid aptamer is a molecule containing nucleotide residues, and may be a molecule consisting only of nucleotide residues or a molecule containing nucleotide residues. The nucleotides include ribonucleotides, deoxyribonucleotides and derivatives thereof. The aptamer may be one containing deoxyribonucleotides and/or derivatives thereof (DNA aptamers), one containing ribonucleotides and/or derivatives thereof (RNA aptamers), or one containing both of these (DNA/RNA aptamers). ) can be used. A DNA aptamer is preferable as the aptamer. Moreover, the aptamer may be a single-stranded aptamer or a double-stranded aptamer.

前記ヌクレオチドは、塩基として、天然塩基及び非天然塩基(人工塩基)のいずれを含んでもよい。前記天然塩基としては、アデニン、シトシン、グアニン、チミン、ウラシル及びこれらの修飾塩基が挙げられる。前記修飾としては、例えば、メチル化、フルオロ化、アミノ化、チオ化等が挙げられる。前記非天然塩基としては、例えば、2'-フルオロピリミジン、2'-O-メチルピリミジン等が挙げられ、具体的には、2'-フルオロウラシル、2'-アミノウラシル、2'-O-メチルウラシル、2'-チオウラシル等が挙げられる。 The nucleotides may contain both natural bases and non-natural bases (artificial bases) as bases. The natural bases include adenine, cytosine, guanine, thymine, uracil and modified bases thereof. Examples of the modification include methylation, fluorination, amination, thiolation and the like. Examples of the non-natural base include 2'-fluoropyrimidine, 2'-O-methylpyrimidine, etc. Specifically, 2'-fluorouracil, 2'-aminouracil, 2'-O-methyluracil , 2′-thiouracil and the like.

前記ヌクレオチドは、修飾されたヌクレオチドでもよい。前記修飾ヌクレオチドとしては、2'-メチル化ウラシルヌクレオチド、2'-メチル化シトシンヌクレオチド、2'-フルオロ化ウラシルヌクレオチド、2'-フルオロ化-シトシンヌクレオチド、2'-アミノ化-ウラシルヌクレオチド、2'-アミノ化-シトシンヌクレオチド、2'-チオ化-ウラシルヌクレオチド、2'-チオ化-シトシンヌクレオチド等が挙げられる。前記アプタマーは、PNA(ペプチド核酸)、LNA(Locked Nucleic Acid)等の非ヌクレオチドを含んでもよい。 Said nucleotides may be modified nucleotides. Examples of the modified nucleotides include 2'-methylated uracil nucleotide, 2'-methylated cytosine nucleotide, 2'-fluorinated uracil nucleotide, 2'-fluorinated-cytosine nucleotide, 2'-aminated-uracil nucleotide, 2'. -aminated-cytosine nucleotide, 2'-thiolated-uracil nucleotide, 2'-thiolated-cytosine nucleotide and the like. The aptamer may contain non-nucleotides such as PNA (peptide nucleic acid) and LNA (Locked Nucleic Acid).

前記アプタマーの塩基数は、特に限定されないが、通常25~200程度であり、好ましくは35~120程度であり、より好ましくは40~80程度である。 The number of bases of the aptamer is not particularly limited, but is usually about 25-200, preferably about 35-120, more preferably about 40-80.

前記アプタマーは、高次構造を形成した状態で検出部に固定化される。ここで、高次構造とは、二次構造、三次構造及び四次構造を意味する。前記高次構造としては、G-カルテット構造、ヘアピンループ構造、ステムループ構造、シュードノット構造、バルジループ構造、i-モチーフ構造等が挙げられる。前記アプタマーとしては、前述したいずれかの高次構造を形成し得るものであって、かつ目的とするターゲット分子と相互作用し得るものを使用する。 The aptamer is immobilized on the detection part while forming a higher-order structure. Here, higher-order structure means secondary structure, tertiary structure and quaternary structure. Examples of the higher-order structure include G-quartet structure, hairpin loop structure, stem loop structure, pseudoknot structure, bulge loop structure, i-motif structure and the like. As the aptamer, an aptamer that can form any of the higher-order structures described above and that can interact with the desired target molecule is used.

高次構造は、目的とする高次構造に応じた既知の方法によって形成させることができる。例えば、前記アプタマーが高次構造としてG-カルテット構造を形成し得るものである場合は、カリウムイオンを含む溶液にアプタマーを添加することで、G-カルテット構造を形成させることができる。前記G-カルテット構造とは、4つのグアニン(G)塩基によって形成される平面構造である。本発明においては、高次構造としてG-カルテット構造を形成したアプタマーを固定化することが好ましい。 A higher-order structure can be formed by a known method according to the desired higher-order structure. For example, if the aptamer can form a G-quartet structure as a higher-order structure, the G-quartet structure can be formed by adding the aptamer to a solution containing potassium ions. The G-quartet structure is a planar structure formed by four guanine (G) bases. In the present invention, it is preferable to immobilize an aptamer having a G-quartet structure as its higher-order structure.

このとき、溶液中のカリウムイオン濃度は、30~500mMが好ましく、50~300mMがより好ましく、80~200mMが更に好ましい。前記溶液としては、例えば、生理食塩水、リン酸緩衝生理食塩水、トリス緩衝生理食塩水、MES緩衝生理食塩水、MOPS緩衝生理食塩水、PIPES緩衝生理食塩水、HEPES緩衝生理食塩水等のナトリウムイオンをカリウムイオンに置き換えたものが好適に使用できる。なお、前記溶液のpHは、5~10が好ましく、6~8がより好ましい。 At this time, the potassium ion concentration in the solution is preferably 30 to 500 mM, more preferably 50 to 300 mM, even more preferably 80 to 200 mM. Examples of the solution include sodium in saline, phosphate-buffered saline, Tris-buffered saline, MES-buffered saline, MOPS-buffered saline, PIPES-buffered saline, HEPES-buffered saline, and the like. Potassium ions substituted for potassium ions can be preferably used. The pH of the solution is preferably 5-10, more preferably 6-8.

また、前記溶液に、Ca2+、Mg2+等のイオン、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、グリコールエーテルジアミン四酢酸(EGTA)等のキレート剤、Tween(登録商標)20、Triton(登録商標)X-100、Nonidet(登録商標)P-40等の界面活性剤等を加えてもよい。前記イオンを加える場合、その濃度は、0.1~10mMが好ましく、0.5~5mMがより好ましい。前記キレート剤を加える場合、その濃度は、0.1~10mMが好ましく、0.5~5mMがより好ましい。界面活性剤を加える場合、その濃度は、0.001~10体積%が好ましく、0.05~5体積%がより好ましい。 In addition, ions such as Ca 2+ and Mg 2+ , chelating agents such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and glycol etherdiaminetetraacetic acid (EGTA), Tween (registered trademark) 20 and Triton (registered trademark) X are added to the solution. Surfactants such as -100, Nonidet® P-40, and the like may be added. When the ions are added, the concentration is preferably 0.1 to 10 mM, more preferably 0.5 to 5 mM. When the chelating agent is added, its concentration is preferably 0.1-10 mM, more preferably 0.5-5 mM. When a surfactant is added, its concentration is preferably 0.001-10% by volume, more preferably 0.05-5% by volume.

アプタマーの前記溶液への添加量は、前記溶液中の濃度が0.01~10μMとなる量が好ましく、0.01~0.1μMがより好ましい。 The amount of aptamer added to the solution is preferably such that the concentration in the solution is 0.01 to 10 μM, more preferably 0.01 to 0.1 μM.

アプタマーの固定化方法としては、従来公知の方法が適用でき、例えば、検出部に反応性官能基を有する有機単分子膜を介して固定化する方法、検出部として金電極を使用し、そこへチオール基を介して固定化する方法、検出部にグラフェンシートを形成し、そこへ1-ピレンブタン酸スクシンイミジルエステル等のピレン誘導体を介して固定化する方法等が挙げられる。これらの方法は、使用するFETによって適宜選択すればよい。 As a method for immobilizing the aptamer, conventionally known methods can be applied. Examples thereof include a method of immobilization via a thiol group, a method of forming a graphene sheet in the detection portion and immobilizing it thereon via a pyrene derivative such as 1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester. These methods may be appropriately selected depending on the FET used.

有機単分子膜を介してアプタマーを固定化する場合、前記アプタマーは、直接又は架橋分子を介して前記有機単分子膜に固定化される。このとき、架橋分子としてはグルタルアルデヒド等が挙げられる。この場合、前記有機単分子膜をグルタルアルデヒドで修飾する方法は、特に限定されないが、例えば0.01~25質量%のグルタルアルデヒドを含むリン酸緩衝生理食塩水(PBS)中で、10~50℃で1分~24時間反応させればよい。 When immobilizing an aptamer via an organic monolayer, the aptamer is immobilized on the organic monolayer directly or via a cross-linking molecule. At this time, glutaraldehyde or the like can be used as the cross-linking molecule. In this case, the method for modifying the organic monomolecular film with glutaraldehyde is not particularly limited. ℃ for 1 minute to 24 hours.

次に、アプタマー中の反応性官能基をグルタルアルデヒドと反応させることでアプタマーを固定化する。具体的には、前記アプタマーを含む溶液中で、好ましくは10~50℃で1分~24時間、より好ましくは10~35℃で1分~60分間反応させればよい。前記アプタマーの濃度は、0.01~10μMが好ましく、0.01~0.1μMがより好ましい。 Next, the aptamer is immobilized by reacting the reactive functional groups in the aptamer with glutaraldehyde. Specifically, the reaction may be carried out in a solution containing the aptamer, preferably at 10 to 50°C for 1 minute to 24 hours, more preferably at 10 to 35°C for 1 minute to 60 minutes. The concentration of the aptamer is preferably 0.01-10 μM, more preferably 0.01-0.1 μM.

最後に、前記アプタマーの高次構造を解消させる。高次構造を解消方法としては、アプタマーの固定化に使用した溶液に比べてカリウムイオン濃度が低い溶液やカリウムイオンを含まない溶液に浸漬する方法が挙げられる。このような溶液としては、生理食塩水、リン酸緩衝生理食塩水、トリス緩衝生理食塩水、MES緩衝生理食塩水、MOPS緩衝生理食塩水、PIPES緩衝生理食塩水、HEPES緩衝生理食塩水等が好ましい。 Finally, the conformation of the aptamer is resolved. As a method for eliminating the higher-order structure, there is a method of immersing the aptamer in a solution having a lower potassium ion concentration than the solution used for immobilizing the aptamer or in a solution containing no potassium ions. Preferred examples of such a solution include physiological saline, phosphate-buffered saline, Tris-buffered saline, MES-buffered saline, MOPS-buffered saline, PIPES-buffered saline, HEPES-buffered saline, and the like. .

本発明において、前記FETの検出部は、半導体上に反応ゲート絶縁部としてシリコン酸化物又は無機酸化物を含む第1の絶縁層が形成され、前記第1の絶縁層の上に、反応性官能基を有する有機単分子膜からなる第1の有機単分子膜が形成され、該第1の有機単分子膜に、プローブ分子として高次構造を形成した状態のアプタマーを前記反応性官能基を介して直接又は架橋分子を用いて結合させ、その後、前記高次構造を解消してなる、アプタマー/有機単分子膜/絶縁層/半導体構造を備えるものが好ましい。 In the present invention, the detection part of the FET is formed by forming a first insulating layer containing silicon oxide or inorganic oxide as a reaction gate insulating part on a semiconductor, and forming a reactive function on the first insulating layer. A first organic monomolecular film made of an organic monomolecular film having a group is formed, and an aptamer in a state of forming a higher-order structure is applied to the first organic monomolecular film as a probe molecule via the reactive functional group. It is preferable to have an aptamer/organic monomolecular film/insulating layer/semiconductor structure formed by bonding directly or using a cross-linking molecule, and then eliminating the higher-order structure.

前記検出部のうち、絶縁層/半導体構造部分は、半導体上に反応ゲート絶縁部としてシリコン酸化物又は無機酸化物を含む絶縁層が形成されたFETを利用することができ、その構成は、従来公知のものを利用することができる。前記絶縁層は、シリコン酸化物であることが好ましい。FETは、n型でもp型でもよい。このFETとしては、例えば、図1(A)に示されるものが挙げられる。なお、図1中、1はシリコン基板、2はシリコン酸化物又は無機酸化物(ガラス、アルミナ等)を含む絶縁層、4はゲート電極、5はソース電極、6はドレイン電極、7はドープ領域を示す。 In the detection part, the insulating layer/semiconductor structure part can use an FET in which an insulating layer containing silicon oxide or inorganic oxide is formed as a reaction gate insulating part on a semiconductor. A known one can be used. Preferably, the insulating layer is silicon oxide. FETs may be n-type or p-type. This FET includes, for example, the one shown in FIG. In FIG. 1, 1 is a silicon substrate, 2 is an insulating layer containing silicon oxide or inorganic oxide (glass, alumina, etc.), 4 is a gate electrode, 5 is a source electrode, 6 is a drain electrode, and 7 is a doped region. indicates

そして、図1(B)に示されるように、絶縁層2上に第1の有機単分子膜3が形成される。ここで、本発明においては、基本原理として、絶縁層表面上のプローブ分子とターゲット分子の結合反応に伴う表面電位変化を電気信号として検出する構成とする。なお、前記絶縁層の厚さは、30~300nm、特に50~150nmが好ましい。 Then, as shown in FIG. 1B, a first organic monomolecular film 3 is formed on the insulating layer 2 . Here, in the present invention, as a basic principle, a configuration is adopted in which a change in surface potential accompanying a binding reaction between probe molecules and target molecules on the surface of the insulating layer is detected as an electric signal. The thickness of the insulating layer is preferably 30-300 nm, more preferably 50-150 nm.

前記第1の有機単分子膜は、反応性官能基を有する有機単分子膜からなる。前記反応性官能基を有する有機単分子膜は、下記式(1)で表されるアルコキシシランの単分子膜であることが好ましい。

Figure 0007276774000001
The first organic monomolecular film is composed of an organic monomolecular film having a reactive functional group. The organic monomolecular film having the reactive functional group is preferably an alkoxysilane monomolecular film represented by the following formula (1).
Figure 0007276774000001

式(1)中、Rは、アミノ基、アミノオキシ基、カルボキシ基又はチオール基である。 In formula (1), R is an amino group, an aminooxy group, a carboxy group, or a thiol group.

式(1)中、R1は、炭素数3~22の直鎖状アルカンジイル基である。前記直鎖状アルカンジイル基は、炭素数が3~18であるものが好ましく、炭素数が3~8であるものがより好ましい。炭素鎖が短い方が、有機単分子膜の有する疎水性が弱くなり、ターゲット分子の疎水性相互作用に起因する非特異的吸着を抑制することができるため好ましい。 In formula (1), R 1 is a linear alkanediyl group having 3 to 22 carbon atoms. The linear alkanediyl group preferably has 3 to 18 carbon atoms, more preferably 3 to 8 carbon atoms. The shorter the carbon chain, the weaker the hydrophobicity possessed by the organic monomolecular film, and the less nonspecific adsorption caused by the hydrophobic interaction of the target molecule.

1で表される直鎖状アルカンジイル基の具体例としては、プロパン-1,3-ジイル基、ブタン-1,4-ジイル基、ペンタン-1,5-ジイル基、ヘキサン-1,6-ジイル基、ヘプタン-1,7-ジイル基、オクタン-1,8-ジイル基、ノナン-1,9-ジイル基、デカン-1,10-ジイル基、ウンデカン-1,11-ジイル基、ドデカン-1,12-ジイル基、トリデカン-1,13-ジイル基、テトラデカン-1,14-ジイル基、ペンタデカン-1,15-ジイル基、ヘキサデカン-1,16-ジイル基、ヘプタデカン-1,17-ジイル基、オクタデカン-1,18-ジイル基、ノナデカン-1,19-ジイル基、エイコサン-1,20-ジイル基、ヘンエイコサン-1,21-ジイル基、ドコサン-1,22-ジイル基が挙げられる。これらのうち、炭素数3~18のものが好ましく、炭素数3~8のものがより好ましい。 Specific examples of linear alkanediyl groups represented by R 1 include propane-1,3-diyl, butane-1,4-diyl, pentane-1,5-diyl, hexane-1,6 -diyl group, heptane-1,7-diyl group, octane-1,8-diyl group, nonane-1,9-diyl group, decane-1,10-diyl group, undecane-1,11-diyl group, dodecane -1,12-diyl group, tridecane-1,13-diyl group, tetradecane-1,14-diyl group, pentadecane-1,15-diyl group, hexadecane-1,16-diyl group, heptadecane-1,17- diyl group, octadecane-1,18-diyl group, nonadecane-1,19-diyl group, eicosane-1,20-diyl group, heneicosane-1,21-diyl group, and docosane-1,22-diyl group. . Among these, those having 3 to 18 carbon atoms are preferred, and those having 3 to 8 carbon atoms are more preferred.

式(1)中、R2~R4は、それぞれ独立に、炭素数1~5の直鎖状若しくは分岐状のアルキル基又は炭素数2~5の直鎖状若しくは分岐状のアルコキシアルキル基である。前記アルキル基としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基等が挙げられる。これらのうち、メチル基又はエチル基が好ましい。また、前記アルコキシアルキル基としては、メトキシメチル基、エトキシメチル基、2-メトキシエチル基、2-エトキシエチル基等が挙げられる。これらのうち、炭素数2~3のアルコキシアルキル基が好ましい。R2~R4としては、特にメチル基、エチル基、2-メトキシエチル基等が好ましい。 In formula (1), R 2 to R 4 are each independently a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a linear or branched alkoxyalkyl group having 2 to 5 carbon atoms. be. Examples of the alkyl group include methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group and tert-butyl group. Among these, a methyl group or an ethyl group is preferred. Examples of the alkoxyalkyl group include methoxymethyl group, ethoxymethyl group, 2-methoxyethyl group and 2-ethoxyethyl group. Among these, an alkoxyalkyl group having 2 to 3 carbon atoms is preferred. Methyl group, ethyl group, 2-methoxyethyl group and the like are particularly preferable as R 2 to R 4 .

前記Rがアミノ基、カルボキシ基又はチオール基であるアルコキシシランとしては、市販品を使用し得る。また、前記Rがアミノオキシ基であるアルコキシシランは、下記スキームにしたがって合成できる。

Figure 0007276774000002
(式中、R1~R4は、前記と同じ。R5は、R1から炭素数が2減少した直鎖状アルカンジイル基である。) A commercially available product can be used as the alkoxysilane in which R is an amino group, a carboxyl group, or a thiol group. Moreover, the alkoxysilane in which the R is an aminooxy group can be synthesized according to the following scheme.
Figure 0007276774000002
(In the formula, R 1 to R 4 are the same as above. R 5 is a linear alkanediyl group with 2 carbon atoms less than R 1 .)

前記Rがアミノオキシ基であるアルコキシシランは、トリアルコキシヒドロシランとO-アルケニルヒドロキシアミンとを白金系触媒で処理することによって調製することができる。例えば、窒素雰囲気下、トリアルコキシヒドロシランとO-アルケニルヒドロキシアミンとの混合物に、ヘキサクロロ白金(IV)酸等の白金系触媒を加え、10~200℃で1~1,200時間、より好ましくは60~120℃で12~48時間反応させることにより調製できる。成膜操作には、過剰のトリアルコキシヒドロシランを例えば蒸留等の操作により除去したものを使用することが好ましい。 Alkoxysilanes in which R is an aminooxy group can be prepared by treating a trialkoxyhydrosilane and an O-alkenylhydroxyamine with a platinum-based catalyst. For example, in a nitrogen atmosphere, a mixture of trialkoxyhydrosilane and O-alkenylhydroxyamine is added with a platinum-based catalyst such as hexachloroplatinic (IV) acid, and the mixture is heated at 10 to 200° C. for 1 to 1,200 hours, more preferably 60 hours. It can be prepared by reacting at ~120°C for 12-48 hours. For the film-forming operation, it is preferable to use a product from which excess trialkoxyhydrosilane has been removed by an operation such as distillation.

第1の有機単分子膜は、前記アルコキシシランを気相化学反応又は液相反応によって絶縁層上に形成し、その最適化、例えば、有機分子の自己集積化機能によって単分子が最密パッキングされた膜が形成される。気相化学反応によって単分子膜を成膜する場合は、例えば、容器に基板及びアルコキシシランを封入し、ドライルーム中で好ましくは80~200℃で1~24時間、より好ましくは100~130℃で2~5時間反応させることで成膜できる。液相反応によって単分子膜を成膜する場合は、例えば、アルコキシシランを含む有機溶媒中に基板を浸漬し、好ましくは20~80℃で1分間~24時間、より好ましくは55~65℃で5~20分間静置することで成膜できる。 The first organic monomolecular film is formed by vapor-phase chemical reaction or liquid-phase reaction of the alkoxysilane on the insulating layer, and the optimization thereof, for example, the self-assembly function of the organic molecules, allows close-packing of the monomolecules. A thin film is formed. When forming a monomolecular film by a vapor phase chemical reaction, for example, the substrate and alkoxysilane are enclosed in a container, and the temperature is preferably 80 to 200° C. for 1 to 24 hours, more preferably 100 to 130° C. in a dry room. A film can be formed by reacting for 2 to 5 hours at . When forming a monomolecular film by a liquid phase reaction, for example, the substrate is immersed in an organic solvent containing alkoxysilane, preferably at 20 to 80°C for 1 minute to 24 hours, more preferably at 55 to 65°C. A film can be formed by standing still for 5 to 20 minutes.

前記有機溶媒としては、トルエン、メタノール、エタノール等が挙げられ、特にトルエン、メタノール等が好ましい。 Examples of the organic solvent include toluene, methanol, ethanol and the like, with toluene and methanol being particularly preferred.

前記FETの半導体上には、更に、参照ゲート絶縁部としてシリコン酸化物又は無機酸化物を含む第2の絶縁層を形成することができる。この第2の絶縁層の上には、第2の有機単分子膜として、プローブ分子であるアプタマー及びターゲット分子である非荷電分子のいずれとも反応しない有機分子で構成された単分子膜を形成し、この単分子膜/絶縁層/半導体構造を参照部とすることができる。なお、反応ゲート絶縁部と参照ゲート絶縁部とを、電位変化測定において互いに影響を与えない程度に離間させれば、反応ゲート絶縁部の第1の絶縁層と参照ゲート絶縁部の第2の絶縁層とを同一層内に設けることもできる。 A second insulating layer comprising silicon oxide or inorganic oxide can be further formed on the semiconductor of the FET as a reference gate insulator. On the second insulating layer, a monomolecular film composed of organic molecules that do not react with either the aptamer that is the probe molecule or the uncharged molecule that is the target molecule is formed as the second organic monomolecular film. , this monolayer/insulating layer/semiconductor structure can be used as a reference. If the reaction gate insulating portion and the reference gate insulating portion are separated from each other to such an extent that they do not affect each other in potential change measurement, the first insulating layer of the reaction gate insulating portion and the second insulating layer of the reference gate insulating portion layers can also be provided in the same layer.

図2は、有機単分子膜/絶縁層/半導体構造を検出部9及び参照部8に適用したオンチップデバイスのユニット構成例を示す。なお、図2中、1はシリコン基板、2は絶縁層、10はテンプレート部である。このデバイスのユニット構成は図示した構成に限定されず、検出部と参照部とは必ずしも1対1の関係で配置する必要はなく、必要に応じて検出部及び参照部の数及び組合せを適宜変更して配置することができる。また、検出部及び参照部は各々数~数十μmのサイズで形成可能である。 FIG. 2 shows a unit configuration example of an on-chip device in which an organic monomolecular film/insulating layer/semiconductor structure is applied to the detection section 9 and the reference section 8. As shown in FIG. In FIG. 2, 1 is a silicon substrate, 2 is an insulating layer, and 10 is a template portion. The unit configuration of this device is not limited to the illustrated configuration, and the detection unit and the reference unit do not necessarily need to be arranged in a one-to-one relationship. can be placed as Also, the detection section and the reference section can each be formed with a size of several to several tens of μm.

前記第2の有機単分子膜としては、フッ素化されていてもよい炭素数8~22の直鎖状アルキル基を有するアルコキシシランの単分子膜が好ましい。なお、有機単分子膜としてアルコキシシランの単分子膜を用いる場合、前記第2の絶縁層はシリコン酸化物で形成されたものが好ましい。 The second organic monomolecular film is preferably an alkoxysilane monomolecular film having a linear alkyl group having 8 to 22 carbon atoms which may be fluorinated. When an alkoxysilane monomolecular film is used as the organic monomolecular film, the second insulating layer is preferably made of silicon oxide.

第2の有機単分子膜は、絶縁層上に均一な膜を形成させるため、自己集積化膜であることが好ましい。具体的には、下記式(2)で表されるトリアルコキシシランの単分子膜であることが好ましい。

Figure 0007276774000003
The second organic monomolecular film is preferably a self-assembled film in order to form a uniform film on the insulating layer. Specifically, it is preferably a monomolecular film of trialkoxysilane represented by the following formula (2).
Figure 0007276774000003

式(2)中、R6は、炭素数8~22、好ましくは炭素数10~18の直鎖状アルキル基であり、水素原子の一部又は全部がフッ素原子で置換されていてもよい。前記直鎖状アルキル基は、炭素数が10~18であるものが好ましい。前記直鎖状アルキル基として具体的には、n-オクチル基、n-ノニル基、n-デシル基、n-ウンデシル基、n-ドデシル基、n-トリデシル基、n-テトラデシル基、n-ペンタデシル基、n-ヘキサデシル基、n-ヘプタデシル基、n-オクタデシル基、n-ノナデシル基、n-エイコシル基、n-ヘンエイコシル基、n-ドコシル基等が挙げられる。 In formula (2), R 6 is a linear alkyl group having 8 to 22 carbon atoms, preferably 10 to 18 carbon atoms, and some or all of the hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms. The linear alkyl group preferably has 10 to 18 carbon atoms. Specific examples of the linear alkyl group include n-octyl group, n-nonyl group, n-decyl group, n-undecyl group, n-dodecyl group, n-tridecyl group, n-tetradecyl group and n-pentadecyl. group, n-hexadecyl group, n-heptadecyl group, n-octadecyl group, n-nonadecyl group, n-eicosyl group, n-heneicosyl group, n-docosyl group and the like.

式(2)中、R7~R9は、それぞれ独立に、炭素数1~5の直鎖状若しくは分岐状のアルキル基又は炭素数2~5の直鎖状若しくは分岐状のアルコキシアルキル基である。前記アルキル基としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基等が挙げられる。これらのうち、メチル基又はエチル基が好ましい。また、前記アルコキシアルキル基としては、メトキシメチル基、エトキシメチル基、2-メトキシエチル基、2-エトキシエチル基等が挙げられる。これらのうち、炭素数2~3のアルコキシアルキル基が好ましい。 In formula (2), R 7 to R 9 are each independently a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a linear or branched alkoxyalkyl group having 2 to 5 carbon atoms. be. Examples of the alkyl group include methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group and tert-butyl group. Among these, a methyl group or an ethyl group is preferred. Examples of the alkoxyalkyl group include methoxymethyl group, ethoxymethyl group, 2-methoxyethyl group and 2-ethoxyethyl group. Among these, an alkoxyalkyl group having 2 to 3 carbon atoms is preferred.

式(2)で表されるトリアルコキシシランとして具体的には、CH3(CH2)7Si(OCH3)3、CH3(CH2)7Si(OC2H5)3、CH3(CH2)8Si(OCH3)3、CH3(CH2)8Si(OC2H5)3、CH3(CH2)9Si(OCH3)3、CH3(CH2)9Si(OC2H5)3、CH3(CH2)10Si(OCH3)3、CH3(CH2)10Si(OC2H5)3、CH3(CH2)11Si(OCH3)3、CH3(CH2)11Si(OC2H5)3、CH3(CH2)12Si(OCH3)3、CH3(CH2)12Si(OC2H5)3、CH3(CH2)13Si(OCH3)3、CH3(CH2)13Si(OC2H5)3、CH3(CH2)14Si(OCH3)3、CH3(CH2)14Si(OC2H5)3、CH3(CH2)15Si(OCH3)3、CH3(CH2)15Si(OC2H5)3、CH3(CH2)16Si(OCH3)3、CH3(CH2)16Si(OC2H5)3、CH3(CH2)17Si(OCH3)3、CH3(CH2)17Si(OC2H5)3、CH3(CH2)18Si(OCH3)3、CH3(CH2)18Si(OC2H5)3、CH3(CH2)19Si(OCH3)3、CH3(CH2)19Si(OC2H5)3、CH3(CH2)20Si(OCH3)3、CH3(CH2)20Si(OC2H5)3、CH3(CH2)21Si(OCH3)3、CH3(CH2)21Si(OC2H5)3、CF3(CF2)5(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)5(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)6(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)6(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)7(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)7(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)8(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)8(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)9(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)9(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)10(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)10(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)11(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)11(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)12(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)12(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)13(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)13(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)14(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)14(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)15(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)15(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)16(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)16(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)17(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)17(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)18(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)18(CH2)2Si(OC2H5)3、CF3(CF2)19(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)19(CH2)2Si(OC2H5)3等が挙げられる。 Specific examples of trialkoxysilanes represented by formula (2) include CH3 ( CH2 ) 7Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 7Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 8Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 8Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 (CH2) 9Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 9Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 10Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 10Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 11Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 11Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 12Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 12Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 13Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 13Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 14Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 14Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 15Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 15Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 16Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 16Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 17Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 17Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 18Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 18Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 19Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 19Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 20Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 20Si ( OC2H5 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 21Si ( OCH3 ) 3 , CH3 ( CH2 ) 21Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 5 (CH2) 2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 5 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 6 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 6 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 7 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 7 ( CH2 )2Si( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 8 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 8 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 (CF2) 9 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 (CF 2 ) 9 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 (CF2) 10 ( CH2 ) 2Si( OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 10 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 11(CH2)2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 11 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 12 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 )2Si(OCH3) 3 , CF3 ( CF2 ) 12 ( CH2 )2Si( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 13 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 13 ( CH2 ) 2Si (OC2H5)3, CF3(CF2)14 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 (CF 2 ) 14 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 15 ( CH2 )2Si( OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 15 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 16 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 16 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 17 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 )2Si(OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 17 ( CH2 )2Si( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 18 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 18 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 , CF3 ( CF2 ) 19 ( CH2 ) 2Si ( OCH3 ) 3 , CF3 (CF 2 ) 19 ( CH2 ) 2Si ( OC2H5 ) 3 and the like.

なお、第1及び第2の有機単分子膜は、パターニングにより所望の位置に形成することができる。特に、オンチップでの集積化デバイスを形成するためには、有機単分子膜のパターニングが有効である。例えば、検出部の絶縁層表面には、プローブ分子固定化のために反応性官能基を有する有機分子で構成された第1の単分子膜を、一方で、参照部、更には非ゲート部(テンプレート部)においては、ターゲット分子の非特異的な吸着を避けるために、プローブ分子及びターゲット分子のいずれとも反応しない有機分子で構成された第2の有機単分子膜を、パターニングにより位置選択的に形成する。 The first and second organic monomolecular films can be formed at desired positions by patterning. In particular, patterning of organic monomolecular films is effective for forming on-chip integrated devices. For example, on the surface of the insulating layer of the detection section, a first monomolecular film composed of organic molecules having a reactive functional group for immobilizing probe molecules is formed on the surface of the reference section, and further the non-gate section ( In the template part), in order to avoid non-specific adsorption of the target molecule, a second organic monomolecular film composed of organic molecules that do not react with either the probe molecule or the target molecule is position-selectively patterned. Form.

参照部としては、第2の有機単分子膜として第1の有機単分子膜と同様の単分子膜に、ターゲット分子と相互作用しない化合物を固定化したものを利用することも可能である。すなわち、ターゲット分子と相互作用しない化合物/有機単分子膜/絶縁層/半導体構造を参照部とすることもできる。この場合、参照部は、前述した検出部における有機単分子膜形成方法及び後述する化合物固定化方法と同じ方法にしたがって形成することができる。 As the reference portion, it is also possible to use a second organic monomolecular film in which a compound that does not interact with the target molecule is immobilized on the same monomolecular film as the first organic monomolecular film. That is, a compound/organic monomolecular film/insulating layer/semiconductor structure that does not interact with the target molecule can be used as the reference portion. In this case, the reference portion can be formed according to the same method as the method for forming the organic monomolecular film in the detection portion described above and the method for immobilizing the compound described later.

前記半導体センシングデバイスには、前記検出部の第1の有機単分子膜にプローブ分子であるアプタマーが固定化される。例えば、図1(C)に示されるように、第1の有機単分子膜3にアプタマー11が結合される。 In the semiconductor sensing device, an aptamer, which is a probe molecule, is immobilized on the first organic monomolecular film of the detection section. For example, as shown in FIG. 1(C), an aptamer 11 is bound to the first organic monomolecular film 3 .

[非荷電分子の検出方法]
本発明の非荷電分子の検出方法は、前記アプタマー固定化半導体センシングデバイス上に固定化されたアプタマーと非荷電分子とを相互作用させる工程と、該相互作用によるゲート電極上の表面電位変化を検出する工程とを含む。
[Method for detecting uncharged molecules]
The method for detecting an uncharged molecule of the present invention comprises a step of allowing the aptamer immobilized on the aptamer-immobilized semiconductor sensing device to interact with the uncharged molecule, and detecting a change in surface potential on the gate electrode due to the interaction. and the step of

図3に、本発明のアプタマー固定化半導体センシングデバイスを用いたアプタマー-非荷電分子相互作用に基づく非荷電分子の検出方法の概念図を示す。この検出方法では、有機単分子膜上に直接固定化されたアプタマーに対し、非荷電分子を相互作用させ、この相互作用により生じる絶縁層の表面電位変化を電気信号として検出する。なお、図3中、12は非荷電分子である。また、他の構成は、図1と同一の参照符号を付して、その説明を省略する。 FIG. 3 shows a conceptual diagram of a method for detecting uncharged molecules based on aptamer-uncharged molecule interaction using the aptamer-immobilized semiconductor sensing device of the present invention. In this detection method, the aptamer directly immobilized on the organic monomolecular film is allowed to interact with an uncharged molecule, and the surface potential change of the insulating layer caused by this interaction is detected as an electrical signal. In addition, in FIG. 3, 12 is an uncharged molecule. Further, other configurations are denoted by the same reference numerals as in FIG. 1, and descriptions thereof are omitted.

アプタマーはリン酸基を有しているため、デバイス上に固定化されたアプタマーと非荷電分子とが相互作用した場合、ターゲット分子の捕捉に伴いアプタマーの構造が変化することでデバイ長内の電荷量が変化し、ゲート電極上の表面電位がシフトする。この場合、電流一定下においては電位シフトを、電圧一定下においては電流のシフトをシグナルとして検出することができる。なお、n型のFETを用いた場合もp型のFETを用いた場合も、閾値電圧のシフトは同様の挙動を示す。 Since the aptamer has a phosphate group, when the aptamer immobilized on the device interacts with an uncharged molecule, the structure of the aptamer changes as the target molecule is captured, resulting in a charge within the Debye length. The amount changes and the surface potential on the gate electrode shifts. In this case, potential shift can be detected under constant current, and current shift can be detected under constant voltage. It should be noted that the shift of the threshold voltage shows the same behavior when using an n-type FET and when using a p-type FET.

デバイス上に固定化されたアプタマーと非荷電分子とを相互作用させるには、該非荷電分子を含む溶液を、必要に応じて希釈して、ゲート電極上に載せればよい。このとき、前記溶液としては、非荷電分子の検出に用いられている一般的な溶液を用いることができるが、特に生理的条件を満たすものが好ましい。例えば、生理食塩水、リン酸緩衝生理食塩水、トリス緩衝生理食塩水、MES緩衝生理食塩水、MOPS緩衝生理食塩水、PIPES緩衝生理食塩水、HEPES緩衝生理食塩水等が好ましく使用できる。なお、前記溶液のpHは、5~10が好ましく、6~8がより好ましい。 In order to allow the aptamer immobilized on the device to interact with the uncharged molecule, a solution containing the uncharged molecule may be diluted as necessary and placed on the gate electrode. At this time, as the solution, a general solution used for detection of uncharged molecules can be used, but a solution that satisfies physiological conditions is particularly preferable. For example, physiological saline, phosphate-buffered physiological saline, Tris-buffered physiological saline, MES-buffered physiological saline, MOPS-buffered physiological saline, PIPES-buffered physiological saline, HEPES-buffered physiological saline and the like can be preferably used. The pH of the solution is preferably 5-10, more preferably 6-8.

また、前記溶液に、Ca2+、Mg2+等のイオン、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、グリコールエーテルジアミン四酢酸(EGTA)等のキレート剤、Tween(登録商標)20、Triton(登録商標)X-100、Nonidet(登録商標)P-40等の界面活性剤等を加えてもよい。前記イオンを加える場合、その濃度は、0.1~10mMが好ましく、0.5~5mMがより好ましい。前記キレート剤を加える場合、その濃度は、0.1~10mMが好ましく、0.5~5mMがより好ましい。界面活性剤を加える場合、その濃度は、0.001~10体積%が好ましく、0.05~5体積%がより好ましい。 In addition, ions such as Ca 2+ and Mg 2+ , chelating agents such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and glycol etherdiaminetetraacetic acid (EGTA), Tween (registered trademark) 20 and Triton (registered trademark) X are added to the solution. Surfactants such as -100, Nonidet® P-40, and the like may be added. When the ions are added, the concentration is preferably 0.1 to 10 mM, more preferably 0.5 to 5 mM. When the chelating agent is added, its concentration is preferably 0.1-10 mM, more preferably 0.5-5 mM. When a surfactant is added, its concentration is preferably 0.001-10% by volume, more preferably 0.05-5% by volume.

デバイス上に固定化されたアプタマーと非荷電分子とを相互作用させるときの温度は、0~40℃が好ましく、10~30℃がより好ましく、室温(20~25℃)が更に好ましい。反応時間は、30秒間~2時間が好ましく、1分~1時間がより好ましく、5~30分間が更に好ましい。 The temperature at which the aptamer immobilized on the device and the uncharged molecule interact is preferably 0 to 40°C, more preferably 10 to 30°C, and even more preferably room temperature (20 to 25°C). The reaction time is preferably 30 seconds to 2 hours, more preferably 1 minute to 1 hour, even more preferably 5 to 30 minutes.

本発明において検出の対象となる非荷電分子は、アプタマーと相互作用する性質を有するものであれば特に限定されない。例えば、ステロイド骨格を有する化合物、ペプチド、アミノ酸誘導体、芳香族化合物、糖等が挙げられる。 The uncharged molecule to be detected in the present invention is not particularly limited as long as it has the property of interacting with the aptamer. Examples thereof include compounds having a steroid skeleton, peptides, amino acid derivatives, aromatic compounds, sugars and the like.

前記ステロイド骨格を有する化合物としては、コルチゾール、コレステロール、プロゲステロン、11-デオネシコルチコステロン、コルチコステロン、アルドステロン、コルチゾン、デヒドロエピアンドロステロン、デヒドロエピアンドロステロンサルフェート、ジヒドロテストステロン、アンドロステロン、エピアンドロステロン、テストステロン、17β-エストラジオール、エストロン、エストリオール等が挙げられる。 Examples of compounds having a steroid skeleton include cortisol, cholesterol, progesterone, 11-deonesicorticosterone, corticosterone, aldosterone, cortisone, dehydroepiandrosterone, dehydroepiandrosterone sulfate, dihydrotestosterone, androsterone, epiandro Examples include sterone, testosterone, 17β-estradiol, estrone, and estriol.

前記ペプチドとしては、カルシトニン、甲状腺刺激ホルモン放出ホルモン、バソプレッシン、副腎皮質刺激ホルモン、性腺刺激ホルモン放出ホルモン、成長ホルモン、オキシトシン、グルカゴン、セクレチン等が挙げられる。 Examples of the peptide include calcitonin, thyrotropin-releasing hormone, vasopressin, adrenocorticotrophic hormone, gonadotropin-releasing hormone, growth hormone, oxytocin, glucagon, secretin, and the like.

前記アミノ酸誘導体としては、メラトニン、甲状腺ホルモン、カテコールアミン等が挙げられる。 Examples of the amino acid derivative include melatonin, thyroid hormone, catecholamine, and the like.

前記芳香族化合物としては、トルエン、エチルベンゼン、クメン、ベンジルアルコール、アニソール、ベンズアルデヒド、アセトフェノン、ニトロベンゼン、チオフェノール、ベンゾニトリル、スチレン、キシレン、ビフェニル、ベンゾフェノン、トリフェニルメタン、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、フェナントレン、クリセン、トリフェニレン、テトラフェン、ピレン、ピセン、ペンタフェン、ペリレン、ヘリセン、コロネン等が挙げられる。 The aromatic compounds include toluene, ethylbenzene, cumene, benzyl alcohol, anisole, benzaldehyde, acetophenone, nitrobenzene, thiophenol, benzonitrile, styrene, xylene, biphenyl, benzophenone, triphenylmethane, naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene, phenanthrene, chrysene, triphenylene, tetraphene, pyrene, picene, pentaphene, perylene, helicene, coronene and the like.

前記糖としては、グルコース、アロース、タロース、グロース、アルトロース、マンノース、ガラクトース、イドース、セドヘプツロース、コリオース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース、リボース、リキソース、キシロース、アラビノース、アピオース、リブロース、キシルロース、エリトロース、トレオース、エリトルロース、グリセルアルデヒド等の単糖、これらの単糖からなるオリゴ糖又は多糖が挙げられる。 The sugars include glucose, allose, talose, gulose, altrose, mannose, galactose, idose, sedoheptulose, colyose, psicose, fructose, sorbose, tagatose, ribose, lyxose, xylose, arabinose, apiose, ribulose, xylulose, erythrose, Monosaccharides such as threose, erythrulose and glyceraldehyde, and oligosaccharides and polysaccharides composed of these monosaccharides are included.

検出可能な非荷電分子の濃度はその種類によって異なるが、通常10nM~10mM程度であり、100nM~1mM程度が好ましい。 The concentration of the detectable uncharged molecule varies depending on its type, but is usually about 10 nM to 10 mM, preferably about 100 nM to 1 mM.

本発明のデバイスは、高次構造を形成したアプタマーを固定化した後、前記高次構造を解消して得られるものである。これによって、非荷電分子を高感度に検出することが可能となる。また、生理的条件下における非荷電分子の検出が可能となる。その理由は明らかではないが、高次構造を形成していないアプタマーを固定化すると、隣接アプタマー間の立体障害が構造変化を阻害することで、界面電荷の変化量が少なくなり、感度を低下させるが、高次構造を形成した状態のアプタマーを固定化することで、適度な密度で固定化され、対象分子の測定時の構造変化に対する隣接アプタマー間同士の立体障害が緩和され、その結果、センサ応答が増加するものと考えられる。 The device of the present invention is obtained by immobilizing an aptamer having a higher-order structure and then removing the higher-order structure. This allows highly sensitive detection of uncharged molecules. It also allows the detection of uncharged molecules under physiological conditions. Although the reason for this is not clear, when aptamers that do not form higher-order structures are immobilized, steric hindrance between adjacent aptamers inhibits structural changes, which reduces the amount of change in interfacial charge and reduces sensitivity. However, by immobilizing the aptamer in a state of forming a higher-order structure, it is immobilized at an appropriate density, and the steric hindrance between adjacent aptamers against structural changes during measurement of the target molecule is alleviated. An increase in response is expected.

以下、参考例、実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例に限定されない。なお、実施例で使用したアプタマーは、NECソリューションイノベータ(株)より提供されたものである。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to reference examples, examples, and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples. Aptamers used in Examples were provided by NEC Solution Innovators.

[1]半導体センシングデバイスの構築-1
[実施例1]アプタマー固定化半導体センシングデバイス1の構築
(1)有機単分子膜の形成
凸版印刷(株)製の10μm長、1,000μm幅のn型FETからアセトンを用いて超音波処理することでフォトレジストを除去した。ゲート表面にヒドロキシ基を導入して活性部位を作製するため、プラズマリアクターPR301(ヤマト科学(株)製)を用いて、200WのO2プラズマに1分間暴露した。
アミノプロピルトリエトキシシラン(APS、Sigma-Aldrich社製)を1質量%含むトルエン中にデバイスを浸漬し、アルゴン雰囲気下、60℃で7分間静置することで、ゲート上へ単分子膜を成膜した。単分子膜を形成したFETをメタノール/トルエン混合溶媒(質量比1:1)を用いて超音波洗浄し、エタノールでリンスし、ゲート表面にAPSの単分子膜が形成されたFETを作製した。
[1] Construction of semiconductor sensing device -1
[Example 1] Construction of aptamer-immobilized semiconductor sensing device 1 (1) Formation of organic monomolecular film An n-type FET with a length of 10 µm and a width of 1,000 µm manufactured by Toppan Printing Co., Ltd. is subjected to ultrasonic treatment using acetone. This removed the photoresist. A plasma reactor PR301 (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) was used to expose the gate surface to 200 W O 2 plasma for 1 minute in order to introduce a hydroxyl group to the gate surface and create an active site.
The device was immersed in toluene containing 1% by mass of aminopropyltriethoxysilane (APS, manufactured by Sigma-Aldrich) and allowed to stand at 60° C. for 7 minutes in an argon atmosphere to form a monomolecular film on the gate. filmed. The FET with the monomolecular film formed thereon was ultrasonically cleaned using a mixed solvent of methanol/toluene (mass ratio 1:1) and rinsed with ethanol to fabricate an FET with the APS monomolecular film formed on the gate surface.

(2)アプタマーの固定
前記単分子膜のアミノ基とアプタマーとを架橋するための架橋分子として、グルタルアルデヒドを反応させた。反応は、2.5質量%のグルタルアルデヒドを含むリン酸緩衝生理食塩水(137mM NaCl、2.7mM KCl、8.1mM Na2HPO4・12H2O、1.5mM KH2PO4、pH7.4、以下1×PBSともいう。)10μLを前記単分子膜が形成されたデバイスの検出部に滴下し、室温で30分間静置することにより行った。
(2) Fixation of aptamer Glutaraldehyde was reacted as a cross-linking molecule for cross-linking the amino group of the monomolecular film and the aptamer. The reaction was carried out in phosphate-buffered saline (137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 8.1 mM Na2HPO4.12H2O, 1.5 mM KH2PO4 , pH 7.0 ) containing 2.5% by mass of glutaraldehyde. 4, hereinafter also referred to as 1×PBS.) 10 μL was dropped onto the detection part of the device on which the monomolecular film was formed, and left to stand at room temperature for 30 minutes.

次に、1×PBSのナトリウムイオンを全てカリウムイオンに置き換えた緩衝液(140mM KCl、8.1mM K2HPO4、1.5mM KH2PO4、pH7.4、以下、1×PBSKともいう。)に、アプタマーが100nMになるように添加した。 Next, a buffer solution (140 mM KCl, 8.1 mM K 2 HPO 4 , 1.5 mM KH 2 PO 4 , pH 7.4, hereinafter also referred to as 1×PBSK in which all sodium ions in 1×PBS are replaced with potassium ions). ), the aptamer was added to 100 nM.

グルタルアルデヒドによって架橋を行ったゲート電極部を、前記アプタマーを含む1×PBSKに1時間浸漬し、前記アプタマーを有機単分子膜上に固定化した。アプタマーを固定化したデバイスを、0.05質量%Triton X-100を含む1×PBSで1回及び1×PBSで3回洗浄し、超音波洗浄を行い、更に0.04×PBSKで3回洗浄し、乾燥させた。乾燥後、10mM Trisを含む1×PBS20μLをアプタマーを固定化した有機単分子膜上に滴下し、室温で60分間静置することで、アプタマー固定化デバイス1を構築した。 The gate electrode section crosslinked with glutaraldehyde was immersed in 1×PBSK containing the aptamer for 1 hour to immobilize the aptamer on the organic monolayer. The aptamer-immobilized device was washed once with 1×PBS containing 0.05% by mass Triton X-100 and three times with 1×PBS, ultrasonically washed, and three times with 0.04×PBSK. Washed and dried. After drying, 20 μL of 1×PBS containing 10 mM Tris was dropped onto the aptamer-immobilized organic monolayer and allowed to stand at room temperature for 60 minutes to construct an aptamer-immobilized device 1 .

[比較例1]アプタマー固定化半導体センシングデバイス2の構築
100nMのアプタマーを含む1×PBSKのかわりに、100nMのアプタマーを含む1×PBSを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、アプタマー固定化デバイス2を構築した。
[Comparative Example 1] Construction of aptamer-immobilized semiconductor sensing device 2 In the same manner as in Example 1, except that 1xPBS containing 100nM aptamer was used instead of 1xPBSK containing 100nM aptamer. An immobilization device 2 was constructed.

[参考例]
比較例1と同様の方法で作製したアプタマー固定化SiO2基板を、グアニン四重鎖構造に結合する蛍光試薬であるN-メチルメソポルフィリンIX(以下、NMMという。)を200nM含む、1×PBS又は1×PBSKに1時間浸漬させた。その後、スキャナー型画像解析装置(GEヘルスケア・ジャパン(株)製、Typhoon 9410)を用いてNMM結合量に依存した各基板の蛍光強度を観測した。
結果を図4に示す。PBSKに浸漬した方が蛍光強度が大きいことから、カリウムイオンによってアプタマーがグアニン四重鎖構造を形成したことが示唆された。すなわち、実施例1において、アプタマーは、グアニン四重鎖構造を形成した状態で固定化されたことが示唆された。
[Reference example]
An aptamer-immobilized SiO 2 substrate prepared in the same manner as in Comparative Example 1 was treated with 1×PBS containing 200 nM of N-methylmesoporphyrin IX (hereinafter referred to as NMM), which is a fluorescent reagent that binds to the guanine quadruplex structure. Alternatively, it was immersed in 1×PBSK for 1 hour. Then, using a scanner-type image analyzer (Typhoon 9410, manufactured by GE Healthcare Japan), the fluorescence intensity of each substrate depending on the amount of NMM binding was observed.
The results are shown in FIG. The higher fluorescence intensity after immersion in PBSK suggested that the aptamer formed a guanine quadruplex structure with potassium ions. That is, in Example 1, it was suggested that the aptamer was immobilized while forming a guanine quadruplex structure.

[2]非荷電分子の検出-1
[実施例2]
デバイス1を洗浄後、ホルダーに設置し、デバイスの検出部を0.04×PBSK0.5mLに3分間浸漬した。浸漬後、室温で、アプタマー固定化デバイスの電流-電圧曲線を、Ag/AgCl参照電極を用い、デジタルソースメータ(ケースレー社製、2612)で測定した。測定条件は、ゲート電圧(Vg)を-3.0~0.5V、ドレイン電圧(Vd)を0.1Vとした。続けて1mMコルチゾールを含む1×PBS20μLをアプタマー固定化デバイスのゲート表面上に添加し、30分間静置した後、1×PBS1mL及び0.04×PBSK1mLを用いて3回リンスを行った。その後、ゲート表面上に0.04×PBSKを0.5mL添加して3分間静置した後、コルチゾール吸着デバイスの電流-電圧曲線を測定し、コルチゾール添加前後でのゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図5に示す。
[2] Detection of uncharged molecules-1
[Example 2]
After washing the device 1, it was placed on a holder, and the detection part of the device was immersed in 0.04×PBSK 0.5 mL for 3 minutes. After immersion, the current-voltage curve of the aptamer-immobilized device was measured at room temperature with a digital source meter (Keithley, 2612) using an Ag/AgCl reference electrode. The measurement conditions were a gate voltage (V g ) of -3.0 to 0.5V and a drain voltage (V d ) of 0.1V. Subsequently, 20 μL of 1×PBS containing 1 mM cortisol was added onto the gate surface of the aptamer-immobilized device, allowed to stand for 30 minutes, and then rinsed three times with 1 mL of 1×PBS and 1 mL of 0.04×PBSK. After that, 0.5 mL of 0.04×PBSK was added to the gate surface and allowed to stand for 3 minutes, and then the current-voltage curve of the cortisol adsorption device was measured to evaluate the gate voltage shift ΔV g before and after adding cortisol. . The results are shown in FIG.

[比較例2-1]
デバイス1のかわりにデバイス2を用いた以外は、実施例2と同様の方法でコルチゾール吸着デバイスの電流-電圧曲線を測定し、コルチゾール添加前後でのゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図6に示す。
[Comparative Example 2-1]
The current-voltage curve of the cortisol adsorption device was measured in the same manner as in Example 2, except that Device 2 was used instead of Device 1, and the gate voltage shift ΔV g before and after the addition of cortisol was evaluated. The results are shown in FIG.

[比較例2-2]
1mMコルチゾールを含む1×PBSのかわりに20μM α-アミラーゼを含む1×PBSを用いた以外は、実施例2と同様の方法でコルチゾール吸着デバイスの電流-電圧曲線を測定し、コルチゾール添加前後でのゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図7に示す。
[Comparative Example 2-2]
The current-voltage curve of the cortisol adsorption device was measured in the same manner as in Example 2, except that 1×PBS containing 20 μM α-amylase was used instead of 1×PBS containing 1 mM cortisol. Gate voltage shift ΔV g was evaluated. The results are shown in FIG.

図5~7中、点線はコルチゾール添加前のデバイス特性を表し、実線はコルチゾール添加後のデバイス特性を表す。アプタマー固定化デバイス1にコルチゾールを添加した場合、電流-電圧曲線が正方向に大きくシフトした。 5 to 7, dotted lines represent device characteristics before cortisol addition, and solid lines represent device characteristics after cortisol addition. When cortisol was added to the aptamer-immobilized device 1, the current-voltage curve shifted significantly in the positive direction.

[3]非荷電分子の検出-2
[実施例3、比較例3]
デバイス1及び2を用いて、1nM、10nM、100nM、1μM、10μM、100μM及び1mMのコルチゾールを含む1×PBS添加前後のゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図8に示す。
[3] Detection of uncharged molecules-2
[Example 3, Comparative Example 3]
Devices 1 and 2 were used to evaluate the gate voltage shift ΔV g before and after addition of 1×PBS containing 1 nM, 10 nM, 100 nM, 1 μM, 10 μM, 100 μM and 1 mM cortisol. The results are shown in FIG.

図5~8に示した結果より、高濃度カリウムイオン含有溶液中でアプタマーを固定化したデバイスを用いた方が、検出感度の点で有利であることが示された。 The results shown in FIGS. 5 to 8 indicate that using a device in which aptamers are immobilized in a solution containing high concentrations of potassium ions is advantageous in terms of detection sensitivity.

[4]半導体センシングデバイスの構築-2
[実施例4-1]アプタマー固定化半導体センシングデバイス3の構築
1×PBSKにアプタマーが100nMになるように添加したことにかえて、1×PBSと1×PBSKとを等量混合した溶液にアプタマーが100nMになるように添加したこと以外は、実施例1と同様の方法で、アプタマー固定化デバイス3を構築した。
[4] Construction of semiconductor sensing device -2
[Example 4-1] Construction of aptamer-immobilized semiconductor sensing device 3 Instead of adding the aptamer to 1 × PBSK so that the aptamer became 100 nM, the aptamer was added to a solution in which equal amounts of 1 × PBS and 1 × PBSK were mixed. An aptamer-immobilized device 3 was constructed in the same manner as in Example 1, except that the was added so as to be 100 nM.

[実施例4-2]アプタマー固定化半導体センシングデバイス4の構築
1×PBSKにアプタマーが100nMになるように添加したことにかえて、1×PBSと1×PBSKとを1:9の割合で混合した溶液にアプタマーが100nMになるように添加したこと以外は、実施例1と同様の方法で、アプタマー固定化デバイス4を構築した。
[Example 4-2] Construction of aptamer-immobilized semiconductor sensing device 4 Instead of adding 100 nM of aptamer to 1 x PBSK, 1 x PBS and 1 x PBSK were mixed at a ratio of 1:9. An aptamer-immobilized device 4 was constructed in the same manner as in Example 1, except that 100 nM of aptamer was added to the resulting solution.

[5]非荷電分子の検出-3
[実施例5-1]
デバイス1を用いて、実施例2と同様の方法でコルチゾール添加前後でのゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図9に示す。
[5] Detection of uncharged molecules-3
[Example 5-1]
Using Device 1, the gate voltage shift ΔV g before and after adding cortisol was evaluated in the same manner as in Example 2. The results are shown in FIG.

[実施例5-2]
デバイス1のかわりにデバイス3を用いた以外は、実施例2と同様の方法でコルチゾール添加前後でのゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図9に示す。
[Example 5-2]
The gate voltage shift ΔV g before and after adding cortisol was evaluated in the same manner as in Example 2, except that Device 3 was used instead of Device 1. The results are shown in FIG.

[実施例5-3]
デバイス1のかわりにデバイス4を用いた以外は、実施例2と同様の方法でコルチゾール添加前後でのゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図9に示す。
[Example 5-3]
The gate voltage shift ΔV g before and after adding cortisol was evaluated in the same manner as in Example 2, except that Device 4 was used instead of Device 1. The results are shown in FIG.

[比較例4]
デバイス1のかわりにデバイス2を用いた以外は、実施例2と同様の方法でコルチゾール添加前後でのゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図9に示す。
[Comparative Example 4]
The gate voltage shift ΔV g before and after the addition of cortisol was evaluated in the same manner as in Example 2, except that Device 2 was used instead of Device 1. The results are shown in FIG.

[6]半導体センシングデバイスの構築-3
[実施例6]アプタマー固定化半導体センシングデバイス5の構築
1×PBSKにアプタマーが100nMになるように添加したことにかえて、0.1×PBSKにアプタマーが100nMになるように添加したこと以外は、実施例1と同様の方法で、アプタマー固定化デバイス5を構築した。
[6] Construction of semiconductor sensing device -3
[Example 6] Construction of aptamer-immobilized semiconductor sensing device 5 Instead of adding 100 nM of aptamer to 1 x PBSK, 0.1 x PBSK was added to 100 nM of aptamer. , an aptamer-immobilized device 5 was constructed in the same manner as in Example 1.

[比較例5]アプタマー固定化半導体センシングデバイス6の構築
1×PBSKにアプタマーが100nMになるように添加したことにかえて、10×PBSKにアプタマーが100nMになるように添加したこと以外は、実施例1と同様の方法で、アプタマー固定化デバイス6を構築した。
[Comparative Example 5] Construction of aptamer-immobilized semiconductor sensing device 6 An aptamer-immobilized device 6 was constructed in the same manner as in Example 1.

[7]非荷電分子の検出-4
[実施例7-1]
デバイス1を用いて、実施例2と同様の方法でコルチゾール添加前後でのゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図10に示す。
[7] Detection of uncharged molecules-4
[Example 7-1]
Using Device 1, the gate voltage shift ΔV g before and after adding cortisol was evaluated in the same manner as in Example 2. The results are shown in FIG.

[実施例7-2]
デバイス1のかわりにデバイス5を用いた以外は、実施例2と同様の方法でコルチゾール添加前後のゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図10に示す。
[Example 7-2]
The gate voltage shift ΔV g before and after cortisol addition was evaluated in the same manner as in Example 2, except that Device 5 was used instead of Device 1. The results are shown in FIG.

[比較例6]
デバイス1のかわりにデバイス6を用いた以外は、実施例2と同様の方法でコルチゾール添加前後のゲート電圧シフトΔVgを評価した。結果を図10に示す。
[Comparative Example 6]
The gate voltage shift ΔV g before and after adding cortisol was evaluated in the same manner as in Example 2, except that Device 6 was used instead of Device 1. The results are shown in FIG.

1 シリコン基板
2 絶縁層
3 第1の有機単分子膜
4 ゲート電極
5 ソース電極
6 ドレイン電極
7 ドープ領域
8 参照部
9 検出部
10 テンプレート部
11 アプタマー(プローブ分子)
12 非荷電分子
1 silicon substrate 2 insulating layer 3 first organic monomolecular film 4 gate electrode 5 source electrode 6 drain electrode 7 doped region 8 reference portion 9 detection portion 10 template portion 11 aptamer (probe molecule)
12 uncharged molecules

Claims (7)

プローブ分子として核酸アプタマーが固定化された検出部を有する電界効果トランジスタを備えるアプタマー固定化半導体センシングデバイスの製造方法であって、
前記核酸アプタマーG-カルテット構造を形成した状態で検出部に固定化、その後、前記G-カルテット構造を解消るアプタマー固定化半導体センシングデバイスの製造方法
A method for producing an aptamer-immobilized semiconductor sensing device comprising a field-effect transistor having a detection portion on which a nucleic acid aptamer is immobilized as a probe molecule,
A method for producing an aptamer-immobilized semiconductor sensing device, wherein the nucleic acid aptamer is immobilized in a state of forming a G-quartet structure on a detection part, and then the G-quartet structure is eliminated .
前記核酸アプタマーが、DNAアプタマーである請求項1記載のアプタマー固定化半導体センシングデバイスの製造方法2. The method for producing an aptamer-immobilized semiconductor sensing device according to claim 1, wherein the nucleic acid aptamer is a DNA aptamer. 前記核酸アプタマーを、カリウムイオンを含む溶液に添加することでG-カルテット構造を形成させる請求項2記載のアプタマー固定化半導体センシングデバイスの製造方法。3. The method for producing an aptamer-immobilized semiconductor sensing device according to claim 2, wherein the nucleic acid aptamer is added to a solution containing potassium ions to form a G-quartet structure. 前記検出部が、半導体上に反応ゲート絶縁部としてシリコン酸化物又は無機酸化物を含む第1の絶縁層が形成され、前記第1の絶縁層の上に、反応性官能基を有する有機単分子膜からなる第1の有機単分子膜が形成され、該第1の有機単分子膜に、プローブ分子としてG-カルテット構造を形成した状態の核酸アプタマーを前記反応性官能基を介して直接又は架橋分子を用いて結合させ、その後、前記G-カルテット構造を解消してなる、アプタマー/有機単分子膜/絶縁層/半導体構造を備えるものである、請求項1~3のいずれか1項記載のアプタマー固定化半導体センシングデバイスの製造方法The detection part comprises a first insulating layer containing silicon oxide or inorganic oxide as a reaction gate insulating part formed on a semiconductor, and an organic single molecule having a reactive functional group on the first insulating layer. A first organic monomolecular film composed of a film is formed, and a nucleic acid aptamer in a state of forming a G-quartet structure as a probe molecule is directly or crosslinked to the first organic monomolecular film via the reactive functional group. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, comprising an aptamer/organic monolayer/insulating layer/semiconductor structure formed by bonding using molecules and then eliminating the G-quartet structure. A method for producing an aptamer-immobilized semiconductor sensing device. 前記半導体上に、更に、参照ゲート絶縁部としてシリコン酸化物又は無機酸化物を含む第2の絶縁層が形成され、該第2の絶縁層の上に、前記アプタマー及び非荷電分子のいずれとも反応しない有機分子で構成された第2の有機単分子膜を形成してなる、有機単分子膜/絶縁層/半導体構造を参照部として備える請求項4記載のアプタマー固定化半導体センシングデバイスの製造方法Further formed on the semiconductor is a second insulating layer comprising silicon oxide or inorganic oxide as a reference gate insulator, on which the second insulating layer reacts with both the aptamer and uncharged molecules. 5. The method for producing an aptamer-immobilized semiconductor sensing device according to claim 4, wherein the organic monomolecular film/insulating layer/semiconductor structure formed by forming a second organic monomolecular film composed of organic molecules that do not bind to each other is provided as a reference part. 請求項1~5のいずれか1項記載のアプタマー固定化半導体センシングデバイスの製造方法によって得られたアプタマー固定化半導体センシングデバイス上に固定化されたアプタマーと非荷電分子とを相互作用させる工程と、
該相互作用によるゲート電極上の表面電位変化を検出する工程と
を含む非荷電分子の検出方法。
a step of interacting the aptamer immobilized on the aptamer-immobilized semiconductor sensing device obtained by the method for producing an aptamer-immobilized semiconductor sensing device according to any one of claims 1 to 5 with an uncharged molecule;
and detecting a surface potential change on the gate electrode due to said interaction.
前記非荷電分子が、ステロイド骨格を有する化合物である請求項6記載の非荷電分子の検出方法。 7. The method of detecting an uncharged molecule according to claim 6, wherein the uncharged molecule is a compound having a steroid skeleton.
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