[发明专利]生物分子测量装置

说明书

在生物分子测量装置中设置探测因生物分子样品与试剂的反应而产生的离子的半导体传感器。半导体传感器具有：配置于半导体基板且对离子进行探测的多个单元；和多个读出线。多个单元各自包含：具有浮动栅极且对离子进行探测的ISFET；对ISFET的输出进行放大的第1MOSFET(M2)；和将第1MOSFET的输出有选择地传送到对应的读出线(R1)的第2MOSFET(M3)。多个单元各自具备在ISFET中产生热电子且使电荷注入到ISFET的浮动栅极的第3MOSFET(M1)。在此，第2MOSFET和第3MOSFET分别被控制。

技术领域

本发明涉及生物分子测量装置，特别涉及利用半导体技术的生物分子测量装置。

背景技术

近年来，利用半导体技术的生物分子测量装置受到关注。在专利文献1中，记载了通过以半导体技术制造的pH传感器阵列(半导体传感器)低成本、高速地决定脱氧核糖核酸(DNA)的碱基排列的DNA测序仪。半导体传感器能以电信号的强弱将设为对象的生物分子样品与试剂的反应量化。由此，不需要现有技术那样的高价荧光试剂，在成本方面有利。另外，由于能通过半导体的微细加工技术将数百万到数亿的传感器集成于1个半导体基板，并行地进行测定，因此还易于提升测定的吞吐量。

在生物分子测量装置的领域特别经常使用的半导体传感器之一是离子敏场效应晶体管(Ion Sensitive Field Effect Transistor：以下称作ISFET)。所谓ISFET是测定在离子敏感膜上诱发的界面电位的器件。

在专利文献1中，通过使用ISFET，来测定由于试剂所引起的DNA的延伸反应而发生的氢离子浓度的变化。虽然构成DNA的碱基有4种，但通过使用仅在其特定的碱基发生反应而产生氢离子的试剂，就能根据氢离子浓度变化来确定碱基的种类。在此，所谓4种碱基是腺嘌呤(adenine)、胸腺嘧啶(thymine)、胞核嘧啶(cytosine)、鸟嘌呤(guanine)。

氢离子浓度的变化所引起的理论上的电压变化在理论上能根据被称作能斯特方程(Nernst′s equation)的算式求得。例如在25℃下，电压变化大约为59mV/pH。该变化(变动)给ISFET的栅极电压带来变化，ISFET的输出电流发生变化。实际上，相对于氢离子浓度的变动的电压变动低于理论值，每pH成为数10mV左右。对于因上述DNA的延伸反应而发生的氢离子浓度的变化来说，虽然还依赖于使反应发生的DNA链的数量和使反应发生的空间的大小、试剂，但在pH的变化下为0.1mV左右。为此，ISFET的输出信号的变化极小。

为了解决该问题，对ISFET的高灵敏度化进行了研讨。作为其示例，有记载于专利文献2的技术。在专利文献2中，众多ISFET配置成阵列状，在其图75F中，将检测氢离子的浓度变化的单位单元表示为75F1。该单位单元75F1具备高灵敏度化的功能。在图75F中，被表示为ISFET的部分是ISFET的电路表现，ISFET由离子敏感膜(部分)75F6和在栅极与其连接的MOSFET(晶体管)75F2构成。在图75F中，75F3是给出偏置电流的MOSFET，75F4是用于与输出信号线75F7(Column Bus)连接的MOSFET。另外，在图75F中，Row Select是选择单位单元75F1的信号线。

在该专利文献2中，ISFET的高灵敏度化由MOSFET75F5完成。即，MOSFET75F2的输出被输入到MOSFET75F5的栅极。由于氢离子浓度的变化，由MOSFET75F2和离子敏感膜75F6构成的部位的ISFET的栅极电压发生变化。由于该变化，ISFET的输出电流发生变化。该变化在MOSFET75F5被暂时放大。即，氢离子浓度的变化所引起的ISFET输出电流的小的变化被放大。在放大后，经由MOSFET75F4输出到输出信号线75F7。由此，来谋求ISFET的高灵敏度化。