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JP7849335B2 - Evaluation method for sensor systems and sensor elements - Google Patents
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JP7849335B2 - Evaluation method for sensor systems and sensor elements - Google Patents

Evaluation method for sensor systems and sensor elements

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JP7849335B2 JP2023109580A JP2023109580A JP7849335B2 JP 7849335 B2 JP7849335 B2 JP 7849335B2 JP 2023109580 A JP2023109580 A JP 2023109580A JP 2023109580 A JP2023109580 A JP 2023109580A JP 7849335 B2 JP7849335 B2 JP 7849335B2
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Description

本発明の実施形態は、センサシステム及びセンサ素子の評価方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a sensor system and a method for evaluating sensor elements.

例えばグラフェンの表面をプローブ分子で機能化したセンサ素子が提案されているが、不良素子を検出する検査システムが確立されていない。 For example, sensor elements with graphene surfaces functionalized with probe molecules have been proposed, but a testing system for detecting defective elements has not yet been established.

特開2022-132804号公報Japanese Patent Publication No. 2022-132804

本発明の実施形態は、センサ素子の良否を評価することが可能なセンサシステム及びセンサ素子の評価方法の提供を目的とする。 The embodiments of this invention aim to provide a sensor system capable of evaluating the quality of a sensor element and a method for evaluating a sensor element.

本発明の実施形態によれば、センサシステムは、感応部と、前記感応部の表面に位置するプローブ分子と、前記感応部と電気的に接続された第1電極及び第2電極とを有するセンサ素子と、前記第1電極及び前記第2電極の間に電圧を印加し、前記センサ素子の電気特性から前記センサ素子の良否を評価する処理装置と、を備える。 According to an embodiment of the present invention, the sensor system comprises a sensing portion, a probe molecule located on the surface of the sensing portion, a sensor element having a first electrode and a second electrode electrically connected to the sensing portion, and a processing device that applies a voltage between the first electrode and the second electrode and evaluates the quality of the sensor element based on its electrical characteristics.

本発明の実施形態によれば、センサ素子の評価方法は、感応部の表面にプローブ分子が位置し、前記感応部と電気的に接続された第1電極及び第2電極の間に電圧を印加したセンサ素子の電気特性から、前記センサ素子の良否を評価する。 According to an embodiment of the present invention, the evaluation method for a sensor element involves a probe molecule positioned on the surface of a sensing portion, and the quality of the sensor element is evaluated based on its electrical characteristics when a voltage is applied between a first electrode and a second electrode electrically connected to the sensing portion.

実施形態のセンサシステムの概略構成図である。This is a schematic diagram of the sensor system according to the embodiment. 実施形態のセンサユニットの概略構成図である。This is a schematic diagram of the sensor unit according to the embodiment. (a)は良素子におけるId-Vg特性図であり、(b)、(c)、及び(d)は、それぞれ、図3(a)のb点、c点、及びd点におけるプローブ分子の状態を示す模式図である。(a) is the Id-Vg characteristic curve for a good element, and (b), (c), and (d) are schematic diagrams showing the state of the probe molecule at points b, c, and d in Figure 3(a), respectively. (a)は不良素子におけるId-Vg特性図であり、(b)、(c)、及び(d)は、それぞれ、図4(a)のb点、c点、及びd点におけるプローブ分子の状態を示す模式図である。(a) is the Id-Vg characteristic curve for a defective element, and (b), (c), and (d) are schematic diagrams showing the state of the probe molecule at points b, c, and d in Figure 4(a), respectively. サンプル1~5についてのΔIdの測定結果を示すグラフである。This graph shows the measurement results of ΔId for samples 1 to 5.

以下に、各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、同一または同様の要素には、同じ符号を付している。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
Drawings are schematic or conceptual, and the relationships between the thickness and width of each part, as well as the ratios of the sizes of different parts, are not necessarily identical to those of reality. Even when representing the same part, the dimensions and ratios may be depicted differently in different drawings.
Furthermore, identical or similar elements are assigned the same symbol.

図1に示すように、実施形態のセンサシステムは、センサユニット30と処理装置100とを備える。処理装置100は、例えば、CPUなどの演算装置、記憶装置、センサユニット30に印加する電圧を生成する電源装置、センサユニット30の電気特性を読み取る装置などを含む。処理装置100は、例えば、記憶装置に保存されたソフトウェアに従って、入力された信号を処理し、センサユニット30の動作を制御する。処理装置100は、センサ素子50の良否を判定する。 As shown in Figure 1, the sensor system of this embodiment comprises a sensor unit 30 and a processing unit 100. The processing unit 100 includes, for example, a arithmetic unit such as a CPU, a storage device, a power supply device that generates the voltage applied to the sensor unit 30, and a device for reading the electrical characteristics of the sensor unit 30. The processing unit 100 processes the input signal according to software stored in the storage device, for example, and controls the operation of the sensor unit 30. The processing unit 100 determines whether the sensor element 50 is good or bad.

図2に示すように、センサユニット30は、センサ素子50を有する。センサ素子50は、感応部20と、プローブ分子32と、第1電極41と、第2電極42とを有する。感応部20は、標的分子の近接に対して電気的な感応性を有する。例えば、感応部20はグラフェンを含み、センサ素子50はGFET(graphene field effect transistor)構造を有する。なお、感応部20として、グラフェン以外に、例えば、カーボンナノチューブなどを用いることもできる。 As shown in Figure 2, the sensor unit 30 has a sensor element 50. The sensor element 50 includes a sensing portion 20, a probe molecule 32, a first electrode 41, and a second electrode 42. The sensing portion 20 is electrically sensitive to the proximity of a target molecule. For example, the sensing portion 20 contains graphene, and the sensor element 50 has a GFET (graphene field effect transistor) structure. Note that, in addition to graphene, materials such as carbon nanotubes can also be used as the sensing portion 20.

感応部20、第1電極41、及び第2電極42は、基板10上に支持されている。基板10は、例えば、シリコン基板である。感応部20は、基板10上に下地膜を介して設けることができる。下地膜として、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。また、下地膜に、グラフェンを形成するための化学的触媒の機能をもたせることもできる。 The sensing element 20, the first electrode 41, and the second electrode 42 are supported on the substrate 10. The substrate 10 is, for example, a silicon substrate. The sensing element 20 can be provided on the substrate 10 via an underlayer. For example, a silicon oxide film can be used as the underlayer. Furthermore, the underlayer can also function as a chemical catalyst for graphene formation.

第1電極41はFETにおけるドレイン電極として機能し、第2電極42はFETにおけるソース電極として機能することができる。第1電極41及び第2電極41は、感応部20に電気的に接続している。電源44により、第1電極41と第2電極42との間に電圧を印加すると、感応部20を通じて第1電極41と第2電極42との間に電流(ドレイン電流)Idが流れる。センサシステムは、ドレイン電流Idを計測する計測装置45を備えることができる。 The first electrode 41 can function as the drain electrode in the FET, and the second electrode 42 can function as the source electrode in the FET. The first electrode 41 and the second electrode 42 are electrically connected to the sensing unit 20. When a voltage is applied between the first electrode 41 and the second electrode 42 by the power supply 44, a current (drain current) Id flows between the first electrode 41 and the second electrode 42 through the sensing unit 20. The sensor system may include a measuring device 45 for measuring the drain current Id.

プローブ分子32は、感応部20の表面に位置する。プローブ分子32が感応部20の表面に位置するとは、プローブ分子32が、感応部20の表面に、化学的、電荷による引力、π-π相互作用、カチオン-π相互作用、又は疎水性相互作用などによって結合、吸着、若しくは、近接し、感応部20の表面にプローブ分子32が拘束されていることを表す。プローブ分子32は、例えば、たんぱく質、ペプチド、抗体、DNAアプタマー、又はこれらの誘導体生体分子の少なくともいずれか1つを含む。プローブ分子32は、例えば、リンカー(または足場分子)33を介して、感応部20の表面に位置することができる。リンカー33として、例えば、ピレンを用いることができる。 The probe molecule 32 is located on the surface of the sensing portion 20. The location of the probe molecule 32 on the surface of the sensing portion 20 means that the probe molecule 32 is bound, adsorbed, or in close proximity to the surface of the sensing portion 20 by chemical, charge-induced attraction, π-π interaction, cation-π interaction, or hydrophobic interaction, thereby constraining the probe molecule 32 to the surface of the sensing portion 20. The probe molecule 32 includes, for example, at least one of the following: a protein, peptide, antibody, DNA aptamer, or a biomolecule derived from these. The probe molecule 32 can be located on the surface of the sensing portion 20 via, for example, a linker (or scaffold molecule) 33. For example, pyrene can be used as the linker 33.

後述するように、感応部20の表面に、検体雰囲気が取り込まれた溶液が供給される。または、感応部20の表面に検体雰囲気を気相として供給してもよい。プローブ分子32は、検体雰囲気に含まれ得る標的分子を特異的に認識可能、または標的分子と特異的に相互作用可能である。プローブ分子32が標的分子を認識又は捕獲すると、標的分子が感応部20の表面に近接するため、標的分子の持つ電荷、又は標的分子を捕獲することによるプローブ分子32の構造変化によって感応部20の電子状態が変わる。これを、上記ドレイン電流Idの変化として検出することにより、検体雰囲気中の標的分子の存在や濃度を知ることができる。 As described later, a solution containing the sample atmosphere is supplied to the surface of the sensing element 20. Alternatively, the sample atmosphere may be supplied to the surface of the sensing element 20 as a gas phase. The probe molecule 32 is capable of specifically recognizing or specifically interacting with target molecules that may be present in the sample atmosphere. When the probe molecule 32 recognizes or captures a target molecule, the target molecule approaches the surface of the sensing element 20. Therefore, the electronic state of the sensing element 20 changes due to the charge of the target molecule or the structural change of the probe molecule 32 caused by capturing the target molecule. By detecting this as a change in the drain current Id, the presence and concentration of the target molecule in the sample atmosphere can be determined.

処理装置100は、電源44を制御し第1電極41と第2電極42との間に電圧を印加する。また、処理装置100は、計測装置45によって得られるセンサ素子50の電気特性からセンサ素子50の良否を評価する。これにより、不良素子を除去することができ、検体雰囲気中の標的分子の存在や濃度の誤検知を抑制できる。 The processing unit 100 controls the power supply 44 and applies a voltage between the first electrode 41 and the second electrode 42. The processing unit 100 also evaluates the quality of the sensor element 50 based on its electrical characteristics obtained by the measuring device 45. This allows for the removal of defective elements and suppresses false detection of the presence or concentration of target molecules in the sample atmosphere.

以下、センサ素子50の電気特性及び良否の評価方法の具体例について説明する。 The following describes specific examples of methods for evaluating the electrical characteristics and quality of the sensor element 50.

実施形態のセンサシステムは、感応部20の表面に液31を供給する第1液供給機構と、感応部20の表面に供給された液31に電圧を印加するゲート電極43とをさらに備えることができる。第1液供給機構については、図1を参照して後述する。 The sensor system of this embodiment may further include a first liquid supply mechanism that supplies liquid 31 to the surface of the sensing element 20, and a gate electrode 43 that applies a voltage to the liquid 31 supplied to the surface of the sensing element 20. The first liquid supply mechanism will be described later with reference to Figure 1.

図2に示すように、感応部20の表面及びプローブ分子32は、液31中に浸漬される。これにより、プローブ分子32が生体由来の分子である場合に、プローブ分子32による標的分子の捕捉能力を向上させることができる。液31は、例えば、水溶液であり、さらに具体的には緩衝液である。 As shown in Figure 2, the surface of the sensing element 20 and the probe molecule 32 are immersed in the liquid 31. This improves the target molecule capture ability of the probe molecule 32, especially when the probe molecule 32 is of biological origin. The liquid 31 is, for example, an aqueous solution, and more specifically, a buffer solution.

第1電極41及び第2電極42は、例えば、絶縁膜(図示せず)で被覆され、第1電極41及び第2電極42は液31と直接接しないようになっている。 The first electrode 41 and the second electrode 42 are coated with, for example, an insulating film (not shown), so that the first electrode 41 and the second electrode 42 do not come into direct contact with the liquid 31.

前述したドレイン電流をId、ゲート電極43の電圧をVgとした場合に、センサ素子50の良否を評価する指標となる電気特性として、Id-Vg特性を用いることができる。 When the drain current is denoted as Id and the voltage of the gate electrode 43 as Vg, the Id-Vg characteristic can be used as an electrical characteristic to evaluate the quality of the sensor element 50.

Id-Vg特性の一例を、図3(a)及び図4(a)に示す。 An example of the Id-Vg characteristics is shown in Figures 3(a) and 4(a).

処理装置100は、例えば、Vgを負電圧から正電圧にスイープさせたときの第1のId-Vg特性I(実線)と、Vgを正電圧から負電圧にスイープさせたときの第2のId-Vg特性II(破線)との比較から、センサ素子50の良否を評価する。 The processing unit 100 evaluates the quality of the sensor element 50 by comparing, for example, the first Id-Vg characteristic I (solid line) when Vg is swept from a negative voltage to a positive voltage, with the second Id-Vg characteristic II (dashed line) when Vg is swept from a positive voltage to a negative voltage.

例えば、第2電極42を接地し、第1電極41に電源44から5mVの電圧を印加する。この状態で、ゲート電極43の電圧Vgを-500mVから+350mVまで10mVステップでスイープさせたときのIdを測定して第1のId-Vg特性Iが得られ、+350mVから-500mVまで10mVステップでスイープさせたときのIdを測定して第2のId-Vg特性IIが得られる。 For example, the second electrode 42 is grounded, and a voltage of 5 mV is applied to the first electrode 41 from the power supply 44. In this state, the voltage Vg of the gate electrode 43 is swept from -500 mV to +350 mV in 10 mV steps. Measuring Id during this sweep yields the first Id-Vg characteristic I, and measuring Id during the same sweep from +350 mV to -500 mV in 10 mV steps yields the second Id-Vg characteristic II.

図3(a)は良素子におけるId-Vg特性の一例であり、図4(a)は不良素子におけるId-Vg特性の一例である。不良素子においては、第1のId-Vg特性Iと第2のId-Vg特性IIとにおけるVgが同じ値のときのIdの差ΔIdが、良素子のΔIdよりも大きくなる傾向が確認された。 Figure 3(a) shows an example of the Id-Vg characteristics in a good element, and Figure 4(a) shows an example of the Id-Vg characteristics in a defective element. In the defective element, a tendency was observed where the difference in Id ΔId between the first Id-Vg characteristic I and the second Id-Vg characteristic II, when Vg is the same value, was larger than that of the good element.

したがって、処理装置100は、第1のId-Vg特性Iと第2のId-Vg特性IIとにおけるVgが同じ値のときのIdの差ΔIdから、センサ素子50の良否を評価することができる。処理装置100は、図示しないインターフェイスによってセンサ素子50の良否を出力することができる。処理装置100は、センサ素子50の良品と評価されたときに、当該センサ素子50用いたセンシング動作を実行する。処理装置100は、センサ素子50の不良品と評価されたときに、当該センサ素子50用いたセンシング動作を実行しない又はセンシング動作を停止する。 Therefore, the processing unit 100 can evaluate the quality of the sensor element 50 from the difference ΔId of Id when Vg is the same value in the first Id-Vg characteristic I and the second Id-Vg characteristic II. The processing unit 100 can output the quality of the sensor element 50 via an interface (not shown). When the processing unit 100 evaluates the sensor element 50 as good, it executes a sensing operation using that sensor element 50. When the processing unit 100 evaluates the sensor element 50 as defective, it either does not execute a sensing operation using that sensor element 50 or stops the sensing operation.

5つのサンプル1~5についてΔIdの測定を行った。その結果を、図5に示す。各サンプルにおいて、センサ素子は、感応部としてグラフェンを用いたGFET構造を有する。プローブ分子として、コカインアプタマー(コカイン分子を特異的に認識可能、またはコカイン分子と特異的に相互作用可能な核酸アプタマー)を用いた。グラフェンの表面及びプローブ分子を、リン酸緩衝生理食塩水に浸漬させた。 ΔId was measured for five samples (1-5). The results are shown in Figure 5. In each sample, the sensor element had a GFET structure using graphene as the sensing element. Cocaine aptamers (nucleic acid aptamers capable of specifically recognizing or specifically interacting with cocaine molecules) were used as probe molecules. The graphene surface and probe molecules were immersed in phosphate-buffered saline.

前述した条件で測定された第1のId-Vg特性Iと第2のId-Vg特性IIとにおけるVgが0mVのときのIdの差ΔIdを測定した。サンプル1のΔIdは0.0009μAであり、サンプル2のΔIdは0.0036μAであり、サンプル3のΔIdは0.068μAであり、サンプル4のΔIdは0.090μAであり、サンプル5のΔIdは0.15μAであった。 The difference in Id values (ΔId) when Vg is 0 mV was measured between the first Id-Vg characteristic I and the second Id-Vg characteristic II, which were measured under the conditions described above. The ΔId for sample 1 was 0.0009 μA, for sample 2 it was 0.0036 μA, for sample 3 it was 0.068 μA, for sample 4 it was 0.090 μA, and for sample 5 it was 0.15 μA.

上記ΔIdを測定した後、各サンプル1~5について、リン酸緩衝生理食塩水に安息香酸メチルを溶解させた。この安息香酸メチル溶液における安息香酸メチルのモル濃度は100μMである。サンプル1及びサンプル2は、安息香酸メチルを入れる前後でIdの大きな変化が見られ、安息香酸メチルに対して応答した。したがって、サンプル1及びサンプル2は、良素子とみなせる。サンプル3~5は、安息香酸メチルを入れる前後でIdの大きな変化は見られず、安息香酸メチルに対して未応答であった。したがって、サンプル3~5は、不良素子とみなせる。 After measuring ΔId as described above, methyl benzoate was dissolved in phosphate-buffered saline for each of the samples 1-5. The molar concentration of methyl benzoate in this solution was 100 μM. Samples 1 and 2 showed a significant change in Id before and after the addition of methyl benzoate, indicating a response to methyl benzoate. Therefore, samples 1 and 2 can be considered good devices. Samples 3-5 did not show a significant change in Id before and after the addition of methyl benzoate, indicating no response to methyl benzoate. Therefore, samples 3-5 can be considered defective devices.

上記図5の結果より、第1のId-Vg特性Iと第2のId-Vg特性IIとにおけるΔIdの大きさによって、センサ素子の良否を評価することができる。例えば、図5の例においては、良否判定の閾値として、ΔId=0.04μAを設定することができる。処理装置100は、記憶装置200に保存された閾値と、実測されたΔIdとを比較し、ΔIdが0.04μA以下または0.04μAより小さい場合には良素子と判定し、ΔIdが0.04μAより大きい場合には不良素子と判定することができる。好ましくは、良否判定の閾値として、ΔId=0.01μAを設定することができる。さらに精度を求める場合は、良否判定の閾値として、ΔId=0.006μAを設定することができる。 From the results in Figure 5 above, the quality of the sensor element can be evaluated based on the magnitude of ΔId in the first Id-Vg characteristic I and the second Id-Vg characteristic II. For example, in the example in Figure 5, ΔId = 0.04 μA can be set as the threshold for quality determination. The processing unit 100 compares the threshold stored in the storage unit 200 with the measured ΔId, and determines that the element is good if ΔId is 0.04 μA or less, or less than 0.04 μA, and determines that the element is defective if ΔId is greater than 0.04 μA. Preferably, ΔId = 0.01 μA can be set as the threshold for quality determination. If even greater accuracy is required, ΔId = 0.006 μA can be set as the threshold for quality determination.

不良素子についてのId-Vg特性を示す図4(a)を見ると、Vgが正のときの第1のId-Vg特性Iと第2のId-Vg特性IIとのΔIdよりも、Vgが0または負のときの第1のId-Vg特性Iと第2のId-Vg特性IIとのΔIdの方が大きい。そのため、処理装置100は、Vgが0または負のときのIdの差ΔIdから、センサ素子50の良否を評価することで、良否判定の精度を向上できる。 Figure 4(a), which shows the Id-Vg characteristics for a defective element, reveals that the ΔId between the first Id-Vg characteristic I and the second Id-Vg characteristic II when Vg is 0 or negative is greater than the ΔId between the first Id-Vg characteristic I and the second Id-Vg characteristic II when Vg is positive. Therefore, the processing unit 100 can improve the accuracy of its quality determination by evaluating the quality of the sensor element 50 based on the difference in Id ΔId when Vg is 0 or negative.

なお、Id-Vg特性の極小値は、電荷中性点(CNP:Charge Neutral Point)であり、伝導に寄与するキャリア(電子または正孔)が変わる点である。図4(a)によると、Vgが電荷中性点での値よりも低い値の領域において、第1のId-Vg特性Iと第2のId-Vg特性IIとの相違が大きくなる。そのため、Vgが電荷中性点での値よりも低い値の領域のΔIdから、センサ素子50の良否を評価することが好ましい。 Furthermore, the minimum value of the Id-Vg characteristic is the charge neutral point (CNP), which is the point where the carriers (electrons or holes) contributing to conduction change. As shown in Figure 4(a), the difference between the first Id-Vg characteristic I and the second Id-Vg characteristic II becomes large in the region where Vg is lower than the value at the charge neutral point. Therefore, it is preferable to evaluate the quality of the sensor element 50 from ΔId in the region where Vg is lower than the value at the charge neutral point.

また、処理装置100は、第1のId-Vg特性Iと第2のId-Vg特性IIとにおけるIdが同じ値のときのVgの差ΔVgから、センサ素子50の良否を評価してもよい。良否判定の閾値として、Id=1μAの時のΔVg=10mVを設定することができる。ΔVgが10mV以下または10mVより小さい場合には良素子と判定し、ΔVgが10mVより大きい場合には不良素子と判定することができる。さらに好ましくは、良否判定の閾値として、Id=1μAの時のΔVg=2mVを設定することができる。 Furthermore, the processing unit 100 may evaluate the quality of the sensor element 50 from the difference ΔVg between the first Id-Vg characteristic I and the second Id-Vg characteristic II when Id is the same value. A threshold value of ΔVg = 10mV when Id = 1μA can be set for quality determination. If ΔVg is 10mV or less, or less than 10mV, it can be determined to be a good element; if ΔVg is greater than 10mV, it can be determined to be a defective element. More preferably, a threshold value of ΔVg = 2mV when Id = 1μA can be set for quality determination.

実施形態のセンサシステムは、処理装置100によるセンサ素子50の良否の評価結果を記憶する記憶装置200(図1に示す)をさらに備えることができる。また、良否判定の閾値も記憶装置200に記憶しておくことができる。 The sensor system of this embodiment may further include a storage device 200 (shown in Figure 1) that stores the evaluation results of the sensor element 50 by the processing device 100. The threshold value for pass/fail judgment can also be stored in the storage device 200.

図3(b)は、図3(a)に示す第1のId-Vg特性Iのb点(Vg<0)におけるプローブ分子32の状態を示す模式図である。
図3(c)は、図3(a)に示す第1のId-Vg特性Iのc点(Vg=CNP近傍)におけるプローブ分子32の状態を示す模式図である。
図3(d)は、図3(a)に示す第2のId-Vg特性IIのd点(Vg<0)におけるプローブ分子32の状態を示す模式図である。
Figure 3(b) is a schematic diagram showing the state of the probe molecule 32 at point b (Vg < 0) of the first Id-Vg characteristic I shown in Figure 3(a).
Figure 3(c) is a schematic diagram showing the state of the probe molecule 32 at point c (Vg = near CNP) of the first Id-Vg characteristic I shown in Figure 3(a).
Figure 3(d) is a schematic diagram showing the state of the probe molecule 32 at point d (Vg < 0) of the second Id-Vg characteristic II shown in Figure 3(a).

図3(a)~図3(d)に示すように、良素子においては、Vgが変動してもプローブ分子32が感応部(グラフェン)20の表面に近接した状態が維持され、プローブ分子32に捕捉された標的分子に対して感応部20が感応しやすいと考えられる。 As shown in Figures 3(a) to 3(d), in a good element, even when Vg fluctuates, the probe molecule 32 maintains a close proximity to the surface of the sensing part (graphene) 20, making it easier for the sensing part 20 to sense the target molecule captured by the probe molecule 32.

図4(b)は、図4(a)に示す第1のId-Vg特性Iのb点(Vg<0)におけるプローブ分子32の状態を示す模式図である。
図4(c)は、図4(a)に示す第1のId-Vg特性Iのc点(Vg=CNP近傍)におけるプローブ分子32の状態を示す模式図である。
図4(d)は、図4(a)に示す第2のId-Vg特性IIのd点(Vg<0)におけるプローブ分子32の状態を示す模式図である。
Figure 4(b) is a schematic diagram showing the state of the probe molecule 32 at point b (Vg < 0) of the first Id-Vg characteristic I shown in Figure 4(a).
Figure 4(c) is a schematic diagram showing the state of the probe molecule 32 at point c (Vg = near CNP) of the first Id-Vg characteristic I shown in Figure 4(a).
Figure 4(d) is a schematic diagram showing the state of the probe molecule 32 at point d (Vg < 0) of the second Id-Vg characteristic II shown in Figure 4(a).

図4(a)~図4(d)に示すように、不良素子においては、感応部(グラフェン)20の表面に対するプローブ分子32の拘束力が弱く、Vgの変動に伴って、電荷(例えば、負電荷)を持つプローブ分子32が液31中において静電引力により感応部20の表面に対して近づいたり、離れたりしていると考えられる。プローブ分子32の標的分子のトラップサイトが感応部20の表面から離れていると、トラップサイトに標的分子を捕捉しても、感応部20が標的分子の電荷に感応しにくいと考えられる。 As shown in Figures 4(a) to 4(d), in the defective element, the restraining force of the probe molecules 32 on the surface of the sensing part (graphene) 20 is weak. It is thought that, with fluctuations in Vg, the charged (e.g., negatively charged) probe molecules 32 move closer to or away from the surface of the sensing part 20 in the liquid 31 due to electrostatic attraction. If the target molecule trapping site of the probe molecule 32 is far from the surface of the sensing part 20, even if the target molecule is trapped at the trapping site, the sensing part 20 is unlikely to be sensitive to the charge of the target molecule.

実施形態のセンサシステムは、図1に示すように、疎水性の標的分子を含む検体雰囲気を親水性の有機溶剤に曝露する標的分子取り込みユニット62と、標的分子を含む有機溶剤を水溶液と混合して検体液を作成する混合ユニット91と、検体液を感応部20の表面に供給する第2液供給機構とをさらに備えることができる。第2液供給機構は、例えば、混合ユニット91とセンサユニット30とを接続する配管95と、配管95に接続されたバルブ94とを有することができる。 The sensor system of this embodiment, as shown in Figure 1, may further include a target molecule incorporation unit 62 that exposes a sample atmosphere containing hydrophobic target molecules to a hydrophilic organic solvent, a mixing unit 91 that mixes the organic solvent containing the target molecules with an aqueous solution to create a sample solution, and a second liquid supply mechanism that supplies the sample solution to the surface of the sensing unit 20. The second liquid supply mechanism may, for example, include a pipe 95 connecting the mixing unit 91 and the sensor unit 30, and a valve 94 connected to the pipe 95.

標的分子取り込みユニット62は、配管61と配管64に接続されている。配管64には、吸排気装置63が接続されている。吸排気装置63は、例えば、ポンプまたはファンである。吸排気装置63の駆動により、配管61を介して、標的分子取り込みユニット62に検体雰囲気が取り込まれる。本実施形態において、センサ素子の検出対象は、検体雰囲気中に含まれる疎水性の標的分子である。 The target molecule acquisition unit 62 is connected to piping 61 and piping 64. A suction/exhaust device 63 is connected to piping 64. The suction/exhaust device 63 is, for example, a pump or fan. The suction/exhaust device 63 drives the sample atmosphere into the target molecule acquisition unit 62 via piping 61. In this embodiment, the sensor element detects hydrophobic target molecules contained in the sample atmosphere.

標的分子取り込みユニット62は、有機溶剤の供給源に接続されている。例えば、標的分子取り込みユニット62は、配管69、バルブ68、及び配管66を介して、有機溶剤が貯留された有機溶剤タンク65に接続されている。有機溶剤は、親水性の有機溶剤であり、例えば、エタノール、メタノールなどの低級アルコール、DMSO(Dimethyl Sulfoxide)、DMF(N,N-dimethylformamide)、アセトン、及びアセトニトリルからなる群より選択されるいずれかである。 The target molecule incorporation unit 62 is connected to a source of organic solvent. For example, the target molecule incorporation unit 62 is connected to an organic solvent tank 65 containing the organic solvent via piping 69, a valve 68, and piping 66. The organic solvent is a hydrophilic organic solvent, selected from the group consisting of, for example, lower alcohols such as ethanol and methanol, DMSO (Dimethyl Sulfoxide), DMF (N,N-dimethylformamide), acetone, and acetonitrile.

有機溶剤タンク65から有機溶剤が標的分子取り込みユニット62に供給される。標的分子取り込みユニット62は、疎水性の標的分子を含む可能性のある検体雰囲気を親水性の有機溶剤に曝露する。 The organic solvent is supplied from the organic solvent tank 65 to the target molecule incorporation unit 62. The target molecule incorporation unit 62 exposes the sample atmosphere, which may contain hydrophobic target molecules, to the hydrophilic organic solvent.

標的分子取り込みユニット62は、排液するための配管77に接続され、配管77にはバルブ76が接続されている。また、標的分子取り込みユニット62は、配管73、バルブ72、及び配管74を介して、計量ユニット78に接続されている。 The target molecule intake unit 62 is connected to a drainage pipe 77, to which a valve 76 is connected. The target molecule intake unit 62 is also connected to a metering unit 78 via pipes 73, valve 72, and 74.

有機溶剤タンク65は、配管66、バルブ68、配管71、バルブ72、及び配管74を介して、計量ユニット78に接続されている。 The organic solvent tank 65 is connected to the metering unit 78 via piping 66, valve 68, piping 71, valve 72, and piping 74.

計量ユニット78は、排液するための配管79に接続され、配管79にはバルブ81が接続されている。また、計量ユニット78は、配管83を介して混合ユニット91に接続され、配管83にはバルブ82が接続されている。 The measuring unit 78 is connected to a drainage pipe 79, to which a valve 81 is connected. The measuring unit 78 is also connected to a mixing unit 91 via a pipe 83, to which a valve 82 is connected.

混合ユニット91には、水溶液の供給源が接続されている。例えば、混合ユニット91は、計量ユニット87を介して、水溶液が貯留された水溶液タンク84に接続されている。水溶液タンク84と計量ユニット87とを接続する配管85にはバルブ86が接続されている。混合ユニット91と計量ユニット87とを接続する配管89にはバルブ88が接続されている。水溶液は、例えば、リン酸緩衝液、HEPES緩衝液、トリス塩酸緩衝液などである。 The mixing unit 91 is connected to a source of aqueous solution. For example, the mixing unit 91 is connected to an aqueous solution tank 84 containing the aqueous solution via a metering unit 87. A valve 86 is connected to the piping 85 connecting the aqueous solution tank 84 and the metering unit 87. A valve 88 is connected to the piping 89 connecting the mixing unit 91 and the metering unit 87. The aqueous solution can be, for example, a phosphate buffer, a HEPES buffer, or a Tris-HCl buffer.

混合ユニット91には、標的分子取り込みユニット62から標的分子を含み得る有機溶剤が供給され、さらに水溶液タンク84から水溶液が供給される。そして、混合ユニット91は、標的分子を含み得る有機溶剤を水溶液と混合して、検体液を作成する。 The mixing unit 91 is supplied with an organic solvent potentially containing the target molecule from the target molecule incorporation unit 62, and further supplied with an aqueous solution from the aqueous solution tank 84. The mixing unit 91 then mixes the organic solvent potentially containing the target molecule with the aqueous solution to create a sample solution.

混合ユニット91は、配管95を介してセンサユニット30に接続されている。配管95には、バルブ94が接続されている。混合ユニット91は、排液するための配管93に接続され、配管93にはバルブ92が接続されている。 The mixing unit 91 is connected to the sensor unit 30 via piping 95. A valve 94 is connected to piping 95. The mixing unit 91 is also connected to drainage piping 93, and a valve 92 is connected to piping 93.

センサユニット30における感応部20の表面は、検体液が供給される流路内に曝露されている。感応部20の表面及びプローブ分子32は検体液に曝露される。センサユニット30は、排液するための配管97に接続され、配管97にはバルブ96が接続されている。 The surface of the sensing element 20 in the sensor unit 30 is exposed to the flow path through which the sample liquid is supplied. The surface of the sensing element 20 and the probe molecules 32 are exposed to the sample liquid. The sensor unit 30 is connected to a drainage pipe 97, and a valve 96 is connected to the pipe 97.

例えば、標的分子取り込みユニット62は、検体雰囲気を有機溶剤にバブリングさせるタンクを有する。このタンクは、配管69、バルブ68、及び配管66を介して、有機溶剤タンク65と接続されている。配管66にはポンプ67が接続されている。バルブ68を配管69側に開き、ポンプ67を駆動させることで、有機溶剤タンク65に貯留された有機溶剤が標的分子取り込みユニット62のタンク内に供給される。 For example, the target molecule incorporation unit 62 has a tank that bubbles the sample atmosphere into an organic solvent. This tank is connected to the organic solvent tank 65 via piping 69, a valve 68, and piping 66. A pump 67 is connected to piping 66. By opening valve 68 towards piping 69 and driving the pump 67, the organic solvent stored in the organic solvent tank 65 is supplied into the tank of the target molecule incorporation unit 62.

配管61の一端部には雰囲気捕集口が形成されている。配管61の他端部は、標的分子取り込みユニット62のタンク内の有機溶剤中に位置する。配管64の一端部は、標的分子取り込みユニット62のタンク内の有機溶剤より上部の気相部に位置し、配管64の他端部は排気口となっている。標的分子取り込みユニット62のタンクと、配管64の排気口の途中に吸排気装置63が接続されている。吸排気装置63を駆動させることにより、雰囲気捕集口から配管61内に取り込まれた検体雰囲気は、標的分子取り込みユニット62のタンク内の有機溶剤にバブリングされ、検体雰囲気中の標的分子は有機溶剤に溶解する。 An atmosphere collection port is formed at one end of piping 61. The other end of piping 61 is located in the organic solvent in the tank of the target molecule intake unit 62. One end of piping 64 is located in the gas phase above the organic solvent in the tank of the target molecule intake unit 62, and the other end of piping 64 is an exhaust port. An intake and exhaust device 63 is connected between the tank of the target molecule intake unit 62 and the exhaust port of piping 64. By operating the intake and exhaust device 63, the sample atmosphere taken into piping 61 from the atmosphere collection port is bubbling into the organic solvent in the tank of the target molecule intake unit 62, and the target molecules in the sample atmosphere dissolve in the organic solvent.

標的分子取り込みユニット62のタンクは、配管73、バルブ72、及び配管74を介して、計量ユニット78に接続されている。バルブ72を配管73側に開き、配管74に接続されたポンプ75を駆動させることで、標的分子取り込みユニット62のタンク内の標的分子を含み得る有機溶剤が計量ユニット78に供給される。 The tank of the target molecule intake unit 62 is connected to the metering unit 78 via piping 73, valve 72, and piping 74. By opening valve 72 to piping 73 and driving the pump 75 connected to piping 74, the organic solvent containing the target molecule from the tank of the target molecule intake unit 62 is supplied to the metering unit 78.

実施形態のセンサシステムを用いた標的分子の検出方法は、以下に説明するステップを備えることができる。 The method for detecting target molecules using the sensor system of this embodiment may include the steps described below.

(第1ステップ)
吸排気装置63を駆動させ、配管61を通じて、検体雰囲気を標的分子取り込みユニット62に取り込む。また、バルブ68を配管66と配管69との間を連通させる状態に切り替え、ポンプ67を駆動し、有機溶剤タンク65から有機溶剤を標的分子取り込みユニット62に供給する。この標的分子取り込みユニット62において、検体雰囲気中の標的分子が有機溶剤に溶解する。
(Step 1)
The intake and exhaust device 63 is activated, and the sample atmosphere is introduced into the target molecule intake unit 62 through the piping 61. The valve 68 is then switched to a state that connects piping 66 and piping 69, and the pump 67 is activated to supply organic solvent from the organic solvent tank 65 to the target molecule intake unit 62. In this target molecule intake unit 62, the target molecules in the sample atmosphere dissolve in the organic solvent.

疎水性の標的分子は水溶液には難溶性であるが、有機溶剤には溶解し、有機溶剤中に分散する。したがって、疎水性の標的分子を空気中から液体に効率的に取り込むことができる。 Hydrophobic target molecules are poorly soluble in aqueous solutions, but they dissolve in organic solvents and disperse within them. Therefore, hydrophobic target molecules can be efficiently incorporated into liquids from the air.

(第2ステップ)
バルブ72を、配管73と配管74との間を連通させる状態に切り替え、ポンプ75を駆動し、標的分子取り込みユニット62から、標的分子が溶解した有機溶剤を計量ユニット78に供給する。また、バルブ86を開いて、水溶液タンク84から水溶液を計量ユニット87に供給する。
(Step 2)
The valve 72 is switched to a state that connects the pipes 73 and 74, and the pump 75 is driven to supply the organic solvent containing the target molecules from the target molecule intake unit 62 to the metering unit 78. In addition, the valve 86 is opened to supply the aqueous solution from the aqueous solution tank 84 to the metering unit 87.

水溶液は、例えば、標的分子と親和性がある標識分子を含んでもよい。標識分子は親水性であり、水溶液中に溶解している。水溶液は、例えば、リン酸緩衝液、HEPES緩衝液、トリス塩酸緩衝液などである。標識分子の分子数は、標的分子の分子数よりも多い。標識分子は、標的分子よりも分子量の大きな分子と、電荷を持つ分子と、分極を持った極性分子とのいずれかである。標識分子は、例えば、アルギニン、アルギニンメチルエステル、アルギニンアミド、核酸アプタマー、またはペプチドである。 The aqueous solution may contain, for example, a labeled molecule that has affinity for the target molecule. The labeled molecule is hydrophilic and dissolved in the aqueous solution. Examples of aqueous solutions include phosphate buffer, HEPES buffer, and Tris-HCl buffer. The number of labeled molecules is greater than the number of target molecules. The labeled molecule is either a molecule with a larger molecular weight than the target molecule, a charged molecule, or a polar molecule with polarization. Examples of labeled molecules include arginine, arginine methyl ester, arginine amide, nucleic acid aptamer, or peptide.

(第3ステップ)
バルブ82を開いて、計量ユニット78において計量された第1所定量の有機溶剤(標的分子を含み得る)を混合ユニット91に供給する。また、バルブ88を開いて、計量ユニット87において計量された第2所定量の水溶液を混合ユニット91に供給する。これにより、混合ユニット91において、標的分子を含み得る第1所定量の有機溶剤が、第2所定量の水溶液と混合された検体液が作成される。
(Step 3)
The valve 82 is opened to supply the first predetermined amount of organic solvent (which may contain the target molecule) measured in the metering unit 78 to the mixing unit 91. The valve 88 is also opened to supply the second predetermined amount of aqueous solution measured in the metering unit 87 to the mixing unit 91. As a result, in the mixing unit 91, a sample solution is prepared in which the first predetermined amount of organic solvent (which may contain the target molecule) is mixed with the second predetermined amount of aqueous solution.

親水性の有機溶剤は水溶液中で拡散し、有機溶剤と水溶液は混和する。そして、有機溶剤に標的分子が含まれる場合、標的分子は水溶液中に急激に放散し、検体液が得られる。標的分子は疎水性であるため、検体液中で不安定な状態で取り残される。標的分子は、疎水性であるが、水溶液に混合する際には親水性の有機溶剤中に分散している。この親水性の有機溶剤が水溶液に混合するので、有機溶剤を介さずに疎水性の標的分子を直接水溶液に取り込むよりも小さなエネルギーで、標的分子を水溶液中に効率よく分散させることができる。 Hydrophilic organic solvents diffuse in aqueous solutions, and the organic solvent and the aqueous solution become miscible. When the organic solvent contains target molecules, the target molecules rapidly disperse into the aqueous solution, yielding the sample solution. Because the target molecules are hydrophobic, they remain in an unstable state in the sample solution. However, when mixing the target molecules with an aqueous solution, they are dispersed within the hydrophilic organic solvent. Since this hydrophilic organic solvent mixes with the aqueous solution, it requires less energy to efficiently disperse the target molecules into the aqueous solution compared to directly incorporating the hydrophobic target molecules without the organic solvent.

また、前述したように水溶液には標識分子が分散している。したがって、検体液中にも標識分子が分散している。検体液は有機溶剤を水溶液で希釈した水溶液であり、検体液中の疎水性の標的分子は不安定な状態である。この不安定な標的分子は、近傍の標識分子と会合する。例えば、標的分子としてのリモネンと、標識分子としてのアルギニンアミドとがΠ-Π相互作用で結合し、会合体を形成する。 Furthermore, as mentioned above, the labeled molecules are dispersed in the aqueous solution. Therefore, the labeled molecules are also dispersed in the sample solution. The sample solution is an aqueous solution obtained by diluting an organic solvent with an aqueous solution, and the hydrophobic target molecules in the sample solution are in an unstable state. These unstable target molecules associate with nearby labeled molecules. For example, limonene, as the target molecule, and arginine amide, as the labeled molecule, bind via π-π interactions, forming an aggregate.

(第4ステップ)
検体液は、バルブ94を開くことで、混合ユニット91から配管95を通じてセンサユニット30に供給される。そして、センサユニット30において、検体液中の標的分子に応じた電気特性(例えば、前述したId-Vg特性)が測定される。
(Step 4)
The sample solution is supplied from the mixing unit 91 to the sensor unit 30 via the piping 95 by opening the valve 94. The sensor unit 30 then measures the electrical properties (for example, the Id-Vg properties described above) corresponding to the target molecules in the sample solution.

標的分子がプローブ分子32に捕捉され、感応部20の表面に近接すると、感応部20の表面の電子状態が変化し、Idが変動する。このIdの変動により、検体液中の標的分子の存在や濃度の検出が可能になる。 When the target molecule is captured by the probe molecule 32 and approaches the surface of the sensing element 20, the electronic state of the surface of the sensing element 20 changes, causing a fluctuation in Id. This fluctuation in Id makes it possible to detect the presence and concentration of the target molecule in the sample solution.

なお、標的分子が無電荷で分子量が小さい場合(例えば分子量が300以下の場合)、標的分子の近接による感応部20の表面の電子状態の変化を検出することが難しい場合がある。本実施形態によれば、前述したように、標的分子は標識分子に会合しているため、標的分子がプローブ分子32に捕捉されると、標識分子も感応部20の表面に近接する。ここで、標識分子がアルギニンアミドのように強い電荷を持つ場合、あるいは核酸やペプチドのような大きな分子量(例えば500以上)を持つ場合には、この標識分子の近接(例えば標識分子がもつ電荷の近接や大きな標識分子が近接したことによる溶液界面のイオンの分布の変化)による感応部20の電子状態の変化を検出することができる。これにより、標的分子だけの近接では検出が困難な場合であっても、標識分子の近接を検出することによって、検体液中の標的分子の存在や濃度を検出することが可能となる。 Furthermore, if the target molecule is uncharged and has a small molecular weight (for example, a molecular weight of 300 or less), it may be difficult to detect changes in the electronic state of the surface of the sensing part 20 due to the proximity of the target molecule. According to this embodiment, as described above, since the target molecule associates with the label molecule, when the target molecule is captured by the probe molecule 32, the label molecule also approaches the surface of the sensing part 20. Here, if the label molecule has a strong charge, such as arginine amide, or a large molecular weight (for example, 500 or more), such as nucleic acids or peptides, it is possible to detect changes in the electronic state of the sensing part 20 due to the proximity of this label molecule (for example, the proximity of the charge of the label molecule or changes in the ion distribution at the solution interface due to the proximity of a large label molecule). This makes it possible to detect the presence and concentration of the target molecule in the sample solution by detecting the proximity of the label molecule, even when detection is difficult with only the proximity of the target molecule.

(第5ステップ)
バルブ76を開いて、標的分子取り込みユニット62内の検体雰囲気が曝露された有機溶剤の残りを、配管77を通じて標的分子取り込みユニット62から排出する。また、バルブ92を開いて、混合ユニット91内の検体液の残りを、配管93を通じて混合ユニット91から排出する。
(Step 5)
Valve 76 is opened to discharge the remaining organic solvent that the sample atmosphere in the target molecule intake unit 62 has been exposed to through pipe 77. Valve 92 is also opened to discharge the remaining sample solution in the mixing unit 91 through pipe 93.

(第6ステップ)
バルブ68及びバルブ72を、それぞれ配管69及び配管73側に開き、さらにバルブ81を開いて、有機溶剤タンク65から有機溶剤を標的分子取り込みユニット62及び計量ユニット78を経由して配管79へと排液する。標的分子取り込みユニット62及び計量ユニット78は、検体雰囲気が曝露されない有機溶剤タンク65内の有機溶剤によって洗浄される。標的分子取り込みユニット62及び計量ユニット78から、標的分子が排出される。
(Step 6)
Valves 68 and 72 are opened to the sides of pipes 69 and 73, respectively, and valve 81 is also opened to drain the organic solvent from the organic solvent tank 65 into pipe 79 via the target molecule intake unit 62 and the metering unit 78. The target molecule intake unit 62 and the metering unit 78 are washed with the organic solvent in the organic solvent tank 65, which is not exposed to the sample atmosphere. Target molecules are discharged from the target molecule intake unit 62 and the metering unit 78.

(第7ステップ)
バルブ68及びバルブ72を配管71側に開いて、有機溶剤タンク65から有機溶剤を配管71を通じて計量ユニット78に供給する。有機溶剤タンク65から有機溶剤を標的分子取り込みユニット62を経由せずに計量ユニット78に供給する。また、バルブ86を開いて、水溶液タンク84から、水溶液を配管85を通じて計量ユニット87に供給する。
(Step 7)
Valves 68 and 72 are opened to the side of piping 71 to supply the organic solvent from the organic solvent tank 65 to the metering unit 78 through piping 71. The organic solvent is supplied from the organic solvent tank 65 to the metering unit 78 without passing through the target molecule intake unit 62. In addition, valve 86 is opened to supply the aqueous solution from the aqueous solution tank 84 to the metering unit 87 through piping 85.

(第8ステップ)
バルブ82を開いて、計量ユニット78において計量された上記と同じ第1所定量の有機溶剤(これは標的分子を含まない)を、混合ユニット91に供給する。また、バルブ88を開いて、計量ユニット87において計量された上記と同じ第2所定量の水溶液を混合ユニット91に供給する。これにより、混合ユニット91において、標的分子を含まない第1所定量の有機溶剤が、第2所定量の水溶液と混合されたコントロール溶液が作成される。混合ユニット91から配管95を通じてセンサユニット30に供給される溶液が液31となる。標的分子を取り込んだ有機溶剤水溶液を検体液と称する。
(Step 8)
Valve 82 is opened to supply the same first predetermined amount of organic solvent (which does not contain the target molecule) measured in the metering unit 78 to the mixing unit 91. Valve 88 is also opened to supply the same second predetermined amount of aqueous solution (which does not contain the target molecule) measured in the metering unit 87 to the mixing unit 91. As a result, a control solution is created in the mixing unit 91 in which the first predetermined amount of organic solvent (which does not contain the target molecule) is mixed with the second predetermined amount of aqueous solution. The solution supplied from the mixing unit 91 to the sensor unit 30 through the piping 95 becomes liquid 31. The aqueous solution of organic solvent that has incorporated the target molecule is called the sample solution.

(第9ステップ)
コントロール溶液は、バルブ94を開くことで、混合ユニット91から配管95を通じてセンサユニット30に供給される。標的分子を含まないコントロール溶液に曝露されたセンサ素子50における計測信号(電気特性)と、検体液に曝露されたセンサ素子50における計測信号(電気特性)とを比較することで、検体液中に標的分子が含まれる場合には、外乱ノイズを補正した高精度の標的分子の検出を行うことができる。
(Step 9)
The control solution is supplied from the mixing unit 91 to the sensor unit 30 via the piping 95 by opening the valve 94. By comparing the measurement signal (electrical characteristics) of the sensor element 50 exposed to the control solution that does not contain the target molecule with the measurement signal (electrical characteristics) of the sensor element 50 exposed to the sample solution, if the target molecule is present in the sample solution, high-precision detection of the target molecule with corrected disturbance noise can be performed.

本実施形態によれば、疎水性の標的分子が有機溶剤に濃縮して取り込まれ、その標的分子を取り込んだ有機溶剤水溶液(検体液)を感応部20の表面に曝露するので、疎水性の標的分子を直接水溶液に取り込む場合よりも、標的分子の検出感度を高くすることができる。 According to this embodiment, hydrophobic target molecules are concentrated and incorporated into the organic solvent, and the aqueous solution of the organic solvent (sample solution) containing these target molecules is exposed to the surface of the sensing unit 20. Therefore, the detection sensitivity of the target molecules can be increased compared to the case where hydrophobic target molecules are directly incorporated into the aqueous solution.

生体由来の分子(例えば、ペプチド、DNAアプタマーなど)は水溶液中で機能する。そのため、生体由来の分子をプローブ分子32として用いた場合に有機溶剤を感応部20の表面に曝露すると、生体由来のプローブ分子32の構造が変わってしまう、あるいは破壊されてしまい、プローブ分子32による標的分子の捕捉能力が低下する。 Biomolecules (e.g., peptides, DNA aptamers, etc.) function in aqueous solutions. Therefore, when a biomolecule is used as a probe molecule 32, exposure of the surface of the sensing element 20 to an organic solvent alters or destroys the structure of the biomolecule probe molecule 32, reducing its ability to capture target molecules.

また、グラフェンは疎水性のため、有機溶剤との親和性が高く、有機溶剤を感応部20としてのグラフェンの表面に曝露するとダメージを受ける可能性がある。このダメージにより、グラフェンと下地膜との接着面や、第1及び第2電極41、42と、これを覆う保護絶縁膜との界面に有機溶剤が浸入して、グラフェンや保護絶縁膜の剥離を誘発する懸念がある。 Furthermore, because graphene is hydrophobic, it has a high affinity for organic solvents, and exposure of the graphene surface as the sensitive part 20 to organic solvents may cause damage. This damage raises concerns that organic solvents may penetrate the adhesion surface between the graphene and the underlying film, and the interface between the first and second electrodes 41 and 42 and the protective insulating film covering them, potentially inducing delamination of the graphene and the protective insulating film.

本実施形態では、有機溶剤を水溶液で希釈した水溶液である検体液が、感応部20の表面に曝露されるため、上記問題が起こらない。 In this embodiment, the sample solution, which is an aqueous solution obtained by diluting an organic solvent with an aqueous solution, is exposed to the surface of the sensing part 20, thus preventing the above-mentioned problem.

センサ素子50の良否を評価する際に感応部20の表面に供給される液31としては、上記コントロール溶液を用いることができる。または、水溶液タンク84内の水溶液のみを感応部20の表面に供給される液31として用いてもよい。感応部20の表面に液31を供給する上記第1液供給機構は、少なくとも、水溶液タンク84と、水溶液タンク84とセンサユニット30との間を接続する配管85、89、95とを含むことができる。 When evaluating the quality of the sensor element 50, the control solution described above can be used as the liquid 31 supplied to the surface of the sensing unit 20. Alternatively, only the aqueous solution in the aqueous solution tank 84 may be used as the liquid 31 supplied to the surface of the sensing unit 20. The first liquid supply mechanism that supplies the liquid 31 to the surface of the sensing unit 20 may include at least the aqueous solution tank 84 and the piping 85, 89, and 95 connecting the aqueous solution tank 84 and the sensor unit 30.

実施形態のセンサ素子の評価方法において、溶媒中にプローブ分子32を含む溶液を、感応部20の表面に供給し、溶媒を揮発させた後、感応部20の表面に液31を供給することができる。例えば、プローブ分子32を含む溶液を感応部20の表面に供給した後、感応部20の表面を常温で所定時間以上乾燥させることで溶媒を揮発させる。これにより、前述した図3(b)~(d)に示すようにプローブ分子32が感応部20の表面に近接して拘束されやすくなり、センサ素子を良素子にしやすくできる。溶媒として、例えば、緩衝液を用いることができる。 In the sensor element evaluation method of the embodiment, a solution containing probe molecules 32 in a solvent can be supplied to the surface of the sensing part 20, the solvent can be evaporated, and then liquid 31 can be supplied to the surface of the sensing part 20. For example, after supplying the solution containing probe molecules 32 to the surface of the sensing part 20, the solvent is evaporated by drying the surface of the sensing part 20 at room temperature for a predetermined time or longer. This makes it easier for the probe molecules 32 to be confined in close proximity to the surface of the sensing part 20, as shown in Figures 3(b) to (d) above, making it easier to produce a high-quality sensor element. For example, a buffer solution can be used as the solvent.

また、実施形態のセンサ素子の評価方法において、センサ素子50が良と評価された場合、感応部20の表面に標的分子を供給して電気特性を測定することができる。この電気特性の測定において感応部20が標的分子に感応することが確認できれば、そのセンサ素子が良素子であると確定することができる。 Furthermore, in the sensor element evaluation method of this embodiment, if the sensor element 50 is evaluated as good, target molecules can be supplied to the surface of the sensing part 20 and its electrical characteristics can be measured. If it can be confirmed that the sensing part 20 responds to the target molecules during this electrical characteristic measurement, then the sensor element can be confirmed as a good element.

実施形態は、以下のセンサシステム及びセンサ素子の評価方法を含むことができる。 The embodiments may include the following sensor systems and methods for evaluating sensor elements.

[構成1]
感応部と、前記感応部の表面に位置するプローブ分子と、前記感応部と電気的に接続された第1電極及び第2電極とを有するセンサ素子と、
前記第1電極及び前記第2電極の間に電圧を印加し、前記センサ素子の電気特性から前記センサ素子の良否を評価する処理装置と、
を備えるセンサシステム。
[構成2]
前記感応部は、グラフェンを含む構成1に記載のセンサシステム。
[構成3]
前記感応部の前記表面に液を供給する第1液供給機構と、
前記感応部の前記表面に供給された前記液に電圧を印加するゲート電極と、
をさらに備え、
前記感応部を通じて前記第1電極と前記第2電極との間を流れる電流をId、前記ゲート電極の電圧をVgとした場合に、前記電気特性はId-Vg特性である構成1または2に記載のセンサシステム。
[構成4]
前記処理装置は、前記Vgを負電圧から正電圧にスイープさせたときの第1のId-Vg特性と、前記Vgを正電圧から負電圧にスイープさせたときの第2のId-Vg特性との比較から、前記センサ素子の良否を評価する構成3に記載のセンサシステム。
[構成5]
前記処理装置は、前記第1のId-Vg特性と前記第2のId-Vg特性とにおける前記Vgが同じ値のときの前記Idの差から、前記センサ素子の良否を評価する構成4に記載のセンサシステム。
[構成6]
前記処理装置は、前記Vgが0または負のときの前記Idの差から、前記センサ素子の良否を評価する構成5に記載のセンサシステム。
[構成7]
前記処理装置は、前記第1のId-Vg特性と前記第2のId-Vg特性とにおける前記Idが同じ値のときの前記Vgの差から、前記センサ素子の良否を評価する構成4に記載のセンサシステム。
[構成8]
疎水性の標的分子を含む検体雰囲気を親水性の有機溶剤に曝露する標的分子取り込みユニットと、
前記標的分子を含む前記有機溶剤を水溶液と混合して、検体液を作成する混合ユニットと、
前記検体液を前記感応部の前記表面に供給する第2液供給機構と、
をさらに備える構成1~7のいずれか1つに記載のセンサシステム。
[構成9]
前記処理装置による前記センサ素子の良否の評価結果を記憶する記憶装置をさらに備える構成1~8のいずれか1つに記載のセンサシステム。
[構成10]
前記プローブ分子は、たんぱく質、ペプチド、抗体、DNAアプタマー、又はこれらの誘導体生体分子の少なくともいずれか1つを含む構成1~9のいずれか1つに記載のセンサシステム。
[構成11]
感応部の表面にプローブ分子が位置し、前記感応部と電気的に接続された第1電極及び第2電極の間に電圧を印加したセンサ素子の電気特性から、前記センサ素子の良否を評価するセンサ素子の評価方法。
[構成12]
前記感応部の前記表面に液を供給し、
前記感応部の前記表面に供給された前記液にゲート電極から電圧を印加し、
前記感応部を通じて前記第1電極と前記第2電極との間を流れる電流をId、前記ゲート電極の電圧をVgとした場合に、前記電気特性としてId-Vg特性を測定する構成11に記載のセンサ素子の評価方法。
[構成13]
前記Vgを負電圧から正電圧にスイープさせたときの第1のId-Vg特性と、前記Vgを正電圧から負電圧にスイープさせたときの第2のId-Vg特性との比較から、前記センサ素子の良否を評価する構成12に記載のセンサ素子の評価方法。
[構成14]
前記第1のId-Vg特性と前記第2のId-Vg特性とにおける前記Vgが同じ値のときの前記Idの差から、前記センサ素子の良否を評価する構成13に記載のセンサ素子の評価方法。
[構成15]
前記処理装置は、前記Vgが0または負のときの前記Idの差から、前記センサ素子の良否を評価する構成14に記載のセンサ素子の評価方法。
[構成16]
前記第1のId-Vg特性と前記第2のId-Vg特性とにおける前記Idが同じ値のときの前記Vgの差から、前記センサ素子の良否を評価する構成13に記載のセンサ素子の評価方法。
[構成17]
溶媒中に前記プローブ分子を含む溶液を、前記感応部の前記表面に供給し、
前記溶媒を揮発させた後、前記感応部の前記表面に前記液を供給する構成12~16のいずれか1つに記載のセンサ素子の評価方法。
[構成18]
前記センサ素子が良と評価された場合、前記感応部の前記表面に標的分子を供給して前記電気特性を測定する構成11~17のいずれか1つに記載のセンサ素子の評価方法。
[Structure 1]
A sensor element having a sensing portion, a probe molecule located on the surface of the sensing portion, and a first electrode and a second electrode electrically connected to the sensing portion,
A processing device that applies a voltage between the first electrode and the second electrode and evaluates the quality of the sensor element based on its electrical characteristics,
A sensor system equipped with the following features.
[Structure 2]
The sensing element is a sensor system according to configuration 1, including graphene.
[Structure 3]
A first liquid supply mechanism that supplies liquid to the surface of the sensing part,
A gate electrode that applies a voltage to the liquid supplied to the surface of the sensing part,
Furthermore,
The sensor system according to configuration 1 or 2, wherein when the current flowing between the first electrode and the second electrode through the sensing portion is Id and the voltage of the gate electrode is Vg, the electrical characteristics are Id-Vg characteristics.
[Structure 4]
The sensor system according to configuration 3, wherein the processing device evaluates the quality of the sensor element by comparing a first Id-Vg characteristic obtained when Vg is swept from a negative voltage to a positive voltage with a second Id-Vg characteristic obtained when Vg is swept from a positive voltage to a negative voltage.
[Structure 5]
The sensor system according to configuration 4, wherein the processing device evaluates the quality of the sensor element based on the difference in Id when Vg is the same value in the first Id-Vg characteristic and the second Id-Vg characteristic.
[Composition 6]
The sensor system according to configuration 5, wherein the processing device evaluates the quality of the sensor element based on the difference in Id when Vg is 0 or negative.
[Structure 7]
The sensor system according to configuration 4, wherein the processing device evaluates the quality of the sensor element based on the difference in Vg when Id is the same value in the first Id-Vg characteristic and the second Id-Vg characteristic.
[Structure 8]
A target molecule incorporation unit that exposes a sample atmosphere containing hydrophobic target molecules to a hydrophilic organic solvent,
A mixing unit that mixes the organic solvent containing the target molecule with an aqueous solution to prepare a sample solution,
A second liquid supply mechanism that supplies the sample solution to the surface of the sensing part,
A sensor system according to any one of configurations 1 to 7, further comprising the above.
[Structure 9]
The sensor system according to any one of configurations 1 to 8, further comprising a storage device for storing the evaluation results of the quality of the sensor element by the processing device.
[Composition 10]
The sensor system according to any one of configurations 1 to 9, wherein the probe molecule comprises at least one of a protein, peptide, antibody, DNA aptamer, or a biomolecule derived thereof.
[Structure 11]
A method for evaluating a sensor element, in which a probe molecule is positioned on the surface of a sensing part, and a voltage is applied between a first electrode and a second electrode electrically connected to the sensing part, and the quality of the sensor element is evaluated based on the electrical characteristics of the sensor element.
[Structure 12]
A liquid is supplied to the surface of the sensing part.
A voltage is applied from the gate electrode to the liquid supplied to the surface of the sensing part.
A method for evaluating a sensor element according to configuration 11, wherein the current flowing between the first electrode and the second electrode through the sensing portion is Id, and the voltage of the gate electrode is Vg, and the Id-Vg characteristic is measured as the electrical characteristic.
[Composition 13]
A method for evaluating a sensor element according to configuration 12, which evaluates the quality of the sensor element by comparing a first Id-Vg characteristic obtained when Vg is swept from a negative voltage to a positive voltage with a second Id-Vg characteristic obtained when Vg is swept from a positive voltage to a negative voltage.
[Structure 14]
A method for evaluating a sensor element according to configuration 13, wherein the quality of the sensor element is evaluated based on the difference in Id when Vg is the same value in the first Id-Vg characteristic and the second Id-Vg characteristic.
[Composition 15]
The processing apparatus evaluates the quality of the sensor element according to configuration 14, based on the difference in Id when Vg is 0 or negative.
[Composition 16]
A method for evaluating a sensor element according to configuration 13, wherein the quality of the sensor element is evaluated based on the difference in Vg when Id is the same value in the first Id-Vg characteristic and the second Id-Vg characteristic.
[Composition 17]
A solution containing the probe molecule in a solvent is supplied to the surface of the sensing part.
A method for evaluating a sensor element according to any one of configurations 12 to 16, wherein the solvent is evaporated and the liquid is supplied to the surface of the sensing part.
[Composition 18]
A method for evaluating a sensor element according to any one of configurations 11 to 17, wherein if the sensor element is evaluated as good, a target molecule is supplied to the surface of the sensing part and the electrical characteristics are measured.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples only and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications are possible without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are included within the scope and spirit of the invention, as well as within the scope of the invention and its equivalents as described in the claims.

10…基板、20…感応部、30…センサユニット、31…液、32…プローブ分子、41…第1電極、42…第2電極、43…ゲート電極、50…センサ素子、100…処理装置、200…記憶装置 10…Substrate, 20…Sensing element, 30…Sensor unit, 31…Liquid, 32…Probe molecule, 41…First electrode, 42…Second electrode, 43…Gate electrode, 50…Sensor element, 100…Processing device, 200…Memory device

Claims (14)

感応部と、前記感応部の表面に位置するプローブ分子と、前記感応部と電気的に接続された第1電極及び第2電極とを有するセンサ素子と、
前記第1電極及び前記第2電極の間に電圧を印加し、前記センサ素子の電気特性から前記センサ素子の良否を評価する処理装置と、
前記感応部の前記表面に液を供給する第1液供給機構と、
前記感応部の前記表面に供給された前記液に電圧を印加するゲート電極と、
を備え
前記感応部を通じて前記第1電極と前記第2電極との間を流れる電流をId、前記ゲート電極の電圧をVgとした場合に、前記電気特性はId-Vg特性であり、
前記処理装置は、前記Vgを負電圧から正電圧にスイープさせたときの第1のId-Vg特性と、前記Vgを正電圧から負電圧にスイープさせたときの第2のId-Vg特性との比較から、前記センサ素子の良否を評価するセンサシステム。
A sensor element having a sensing portion, a probe molecule located on the surface of the sensing portion, and a first electrode and a second electrode electrically connected to the sensing portion,
A processing device that applies a voltage between the first electrode and the second electrode and evaluates the quality of the sensor element based on its electrical characteristics,
A first liquid supply mechanism that supplies liquid to the surface of the sensing part,
A gate electrode that applies a voltage to the liquid supplied to the surface of the sensing part,
Equipped with ,
When the current flowing between the first electrode and the second electrode through the sensing portion is Id and the voltage of the gate electrode is Vg, the electrical characteristics are Id-Vg characteristics.
The processing device is a sensor system that evaluates the quality of the sensor element by comparing a first Id-Vg characteristic obtained when Vg is swept from a negative voltage to a positive voltage with a second Id-Vg characteristic obtained when Vg is swept from a positive voltage to a negative voltage .
前記感応部は、グラフェンを含む請求項1に記載のセンサシステム。 The sensor system according to claim 1, wherein the sensing element includes graphene. 前記処理装置は、前記第1のId-Vg特性と前記第2のId-Vg特性とにおける前記Vgが同じ値のときの前記Idの差から、前記センサ素子の良否を評価する請求項1または2に記載のセンサシステム。 The sensor system according to claim 1 or 2, wherein the processing device evaluates the quality of the sensor element based on the difference in Id when Vg is the same value in the first Id-Vg characteristic and the second Id-Vg characteristic. 前記処理装置は、前記Vgが0または負のときの前記Idの差から、前記センサ素子の良否を評価する請求項に記載のセンサシステム。 The sensor system according to claim 3 , wherein the processing device evaluates the quality of the sensor element from the difference in Id when Vg is 0 or negative. 前記処理装置は、前記第1のId-Vg特性と前記第2のId-Vg特性とにおける前記Idが同じ値のときの前記Vgの差から、前記センサ素子の良否を評価する請求項1または2に記載のセンサシステム。 The sensor system according to claim 1 or 2, wherein the processing device evaluates the quality of the sensor element from the difference in Vg when Id is the same value in the first Id-Vg characteristic and the second Id-Vg characteristic. 疎水性の標的分子を含む検体雰囲気を親水性の有機溶剤に曝露する標的分子取り込みユニットと、
前記標的分子を含む前記有機溶剤を水溶液と混合して、検体液を作成する混合ユニットと、
前記検体液を前記感応部の前記表面に供給する第2液供給機構と、
をさらに備える請求項1または2に記載のセンサシステム。
A target molecule incorporation unit that exposes a sample atmosphere containing hydrophobic target molecules to a hydrophilic organic solvent,
A mixing unit that mixes the organic solvent containing the target molecule with an aqueous solution to prepare a sample solution,
A second liquid supply mechanism that supplies the sample solution to the surface of the sensing part,
The sensor system according to claim 1 or 2, further comprising:
前記処理装置による前記センサ素子の良否の評価結果を記憶する記憶装置をさらに備える請求項1または2に記載のセンサシステム。 The sensor system according to claim 1 or 2 , further comprising a storage device for storing the evaluation results of the quality of the sensor element by the processing device. 前記プローブ分子は、たんぱく質、ペプチド、抗体、DNAアプタマー、又はこれらの誘導体生体分子の少なくともいずれか1つを含む請求項1または2に記載のセンサシステム。 The sensor system according to claim 1 or 2 , wherein the probe molecule comprises at least one of a protein, peptide, antibody, DNA aptamer, or a biomolecule derived thereof. 感応部の表面にプローブ分子が位置し、前記感応部と電気的に接続された第1電極及び第2電極の間に電圧を印加したセンサ素子の電気特性から、前記センサ素子の良否を評価するセンサ素子の評価方法であって、
前記感応部の前記表面に液を供給し、
前記感応部の前記表面に供給された前記液にゲート電極から電圧を印加し、
前記感応部を通じて前記第1電極と前記第2電極との間を流れる電流をId、前記ゲート電極の電圧をVgとした場合に、前記電気特性としてId-Vg特性を測定し、
前記Vgを負電圧から正電圧にスイープさせたときの第1のId-Vg特性と、前記Vgを正電圧から負電圧にスイープさせたときの第2のId-Vg特性との比較から、前記センサ素子の良否を評価するセンサ素子の評価方法
A method for evaluating a sensor element, wherein a probe molecule is positioned on the surface of the sensing part, and a voltage is applied between a first electrode and a second electrode electrically connected to the sensing part, and the quality of the sensor element is evaluated based on the electrical characteristics of the sensor element ,
A liquid is supplied to the surface of the sensing part.
A voltage is applied from the gate electrode to the liquid supplied to the surface of the sensing part.
When the current flowing between the first electrode and the second electrode through the sensing part is Id and the voltage of the gate electrode is Vg, the Id-Vg characteristic is measured as the electrical characteristic.
A method for evaluating a sensor element, which involves comparing a first Id-Vg characteristic obtained when Vg is swept from a negative voltage to a positive voltage with a second Id-Vg characteristic obtained when Vg is swept from a positive voltage to a negative voltage, to evaluate the quality of the sensor element .
前記第1のId-Vg特性と前記第2のId-Vg特性とにおける前記Vgが同じ値のときの前記Idの差から、前記センサ素子の良否を評価する請求項に記載のセンサ素子の評価方法。 The method for evaluating a sensor element according to claim 9 , wherein the quality of the sensor element is evaluated based on the difference in Id when Vg is the same value in the first Id-Vg characteristic and the second Id-Vg characteristic. 記Vgが0または負のときの前記Idの差から、前記センサ素子の良否を評価する請求項10に記載のセンサ素子の評価方法。 The method for evaluating a sensor element according to claim 10, wherein the quality of the sensor element is evaluated based on the difference in Id when Vg is 0 or negative. 前記第1のId-Vg特性と前記第2のId-Vg特性とにおける前記Idが同じ値のときの前記Vgの差から、前記センサ素子の良否を評価する請求項に記載のセンサ素子の評価方法。 The method for evaluating a sensor element according to claim 9 , wherein the quality of the sensor element is evaluated based on the difference in Vg when Id is the same value in the first Id-Vg characteristic and the second Id-Vg characteristic. 溶媒中に前記プローブ分子を含む溶液を、前記感応部の前記表面に供給し、
前記溶媒を揮発させた後、前記感応部の前記表面に前記液を供給する請求項9から12のいずれか1つに記載のセンサ素子の評価方法。
A solution containing the probe molecule in a solvent is supplied to the surface of the sensing part.
A method for evaluating a sensor element according to any one of claims 9 to 12 , wherein the liquid is supplied to the surface of the sensing part after the solvent has evaporated.
前記センサ素子が良と評価された場合、前記感応部の前記表面に標的分子を供給して前記電気特性を測定する請求項9から12のいずれか1つに記載のセンサ素子の評価方法。 If the sensor element is evaluated as good, a method for evaluating a sensor element according to any one of claims 9 to 12, wherein a target molecule is supplied to the surface of the sensing part and the electrical characteristics are measured.
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