據(jù)量>
[0056]如圖1所示，在制造芯片的階段，在ISFET114的構(gòu)造上捕獲正電荷800、負(fù)電荷801，其量對(duì)每個(gè)ISFET114不同，這成為ISFET114內(nèi)的晶體管閾值偏移的原因。捕獲的場(chǎng)所主要是離子感應(yīng)膜100的表面、離子感應(yīng)膜100和保護(hù)膜101之間的界面、浮動(dòng)?xùn)艠O102、柵極氧化膜104。各ISFET114的晶體管閾值依存于被捕獲的電荷的種類和量而偏移。
[0057]圖3是示例從ISFET114得到的測(cè)定信號(hào)的波形的圖。圖3 (a)重疊地描繪了具備多個(gè)ISFET114的DNA定序器所取得的各ISFET114的信號(hào)波形。如圖3(a)所示，在從各ISFET114得到的信號(hào)波形之間能夠看到偏移。圖3(b)表示針對(duì)這些波形中的一個(gè)去除了偏移后的波形200、并且通過(guò)上述背景處理最終得到的信號(hào)波形201。
[0058]實(shí)際上為了從由ISFET輸出的波形中通過(guò)計(jì)算處理去除偏移和背景，最終得到波形信號(hào)201，需要如圖3 (a)所示那樣以足夠的分辨率記錄廣范圍的波形。因此，讀出波形的A/D變換器需要廣大的動(dòng)態(tài)范圍，并且輸出的數(shù)據(jù)量巨大。
[0059]例如，能夠根據(jù)能斯特的公式求出因氫離子濃度的變動(dòng)造成的理論上的電壓變動(dòng)，在25°C下大致是59mV/pH。在實(shí)際的ISFET中，比其低一些，是每pH數(shù)十mV左右。在以ImV的精度對(duì)其進(jìn)行測(cè)定的情況下，為了全部記錄在± 1V的范圍內(nèi)偏移的波形數(shù)據(jù)，需要14?15比特的A/D變換精度。因pH變化造成的波形變動(dòng)跨越數(shù)秒單位，因此如果以10Hz的采樣率進(jìn)行5秒測(cè)定，一個(gè)ISFET114在一次測(cè)定中輸出的數(shù)據(jù)量大致是Ik字節(jié)。如果重復(fù)100次測(cè)定，將阱數(shù)設(shè)為100萬(wàn)，則最終輸出的數(shù)據(jù)量是100G字節(jié)，如果保存多次的測(cè)定數(shù)據(jù)則成為巨大的數(shù)據(jù)量。與此相對(duì)，因延伸反應(yīng)而產(chǎn)生的信號(hào)即使在PHl?pH14之間變動(dòng)也為59mVX 14 = 826mV，最高IV。結(jié)果，在以ImV的精度進(jìn)行測(cè)定的情況下，A/D變換精度是10比特就足夠了，因此能夠降低數(shù)據(jù)量接近3成。
[0060]當(dāng)這樣考慮數(shù)據(jù)量時(shí)，希望對(duì)于ISFET的漂移/偏移、背景，能夠在數(shù)據(jù)處理之前在器件上預(yù)先降低、或只通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算處理進(jìn)行去除。
[0061]〈實(shí)施方式1>
[0062]以下，使用【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的實(shí)施方式。在此，表示了使用ISFET作為半導(dǎo)體傳感器，作為生物分子測(cè)量裝置以決定DNA的序列的DNA定序器為例子，但本發(fā)明的應(yīng)用目標(biāo)并不限于DNA定序器，能夠廣泛地應(yīng)用于電氣地測(cè)量生物分子的反應(yīng)生產(chǎn)物的系統(tǒng)。ISFET能夠通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇離子感應(yīng)膜來(lái)檢測(cè)各種離子，因此例如能夠?qū)⒈景l(fā)明應(yīng)用于對(duì)鈉離子、鉀離子進(jìn)行變化那樣的生物分子進(jìn)行測(cè)定的裝置。此外，在用于說(shuō)明實(shí)施方式的全部附圖中，原則上向相同的部件附加相同的符號(hào)，省略其重復(fù)的說(shuō)明。
[0063]再次參照?qǐng)D1。ISFET陣列304具有配置為二維狀的多個(gè)阱703，在各阱703的底部配置有ISFET114的離子感應(yīng)膜100。阱703是通過(guò)半導(dǎo)體工藝形成的I邊為數(shù)百nm?數(shù)μπι左右的大小的穴。在測(cè)定時(shí)，向各阱703中裝填附著了成為測(cè)定對(duì)象的生物分子115的珠702。在生物分子115是DNA的情況下，在使DNA115附著在珠702上時(shí)，如果通過(guò)乳濁液PCR等方法復(fù)制測(cè)定對(duì)象的DNA，增加珠702上的DNA數(shù)量，則產(chǎn)生的氫離子(將在后面在圖6中詳細(xì)說(shuō)明)的量會(huì)增加檢測(cè)變得容易。
[0064]ISFETl 14—般具備離子感應(yīng)膜100、保護(hù)膜101、浮動(dòng)?xùn)艠O102、柵電極103、柵極氧化膜104、漏極105、源極106、硅基板107、基板觸頭110。有時(shí)沒(méi)有浮動(dòng)?xùn)艠O102和柵極電極103，而將保護(hù)膜101和離子感應(yīng)膜100直接層疊在柵極氧化膜104上。還有時(shí)將ISFET114和在其正上方形成的一個(gè)阱703統(tǒng)稱為單元116。
[0065]在測(cè)定從生物分子115產(chǎn)生的離子時(shí)，使感應(yīng)膜100與試劑溶液108接觸，將參照電極109浸漬在試劑溶液108中。當(dāng)在該狀態(tài)下，向參照電極109施加電壓VREF時(shí)，經(jīng)由離子感應(yīng)膜100、保護(hù)膜101、柵極氧化膜104之間的電容性耦合在漏極105-源極106之間感應(yīng)出溝道，與ISFET114的特性對(duì)應(yīng)地得到漏極電流-參照電極電壓特性。
[0066]圖4是示例漏極電流-參照電極電壓特性的圖。如果在溶液108中存在離子，則在離子感應(yīng)膜100和試劑溶液108之間產(chǎn)生界面電位，向柵極電極103施加的實(shí)效電壓變化。界面電位的大小依存于離子的濃度，因此例如如果溶液108的離子濃度從Cl變化為C2，則可以看到ISFET114的晶體管閾值從Vl變化為V2。能夠根據(jù)該閾值的變化測(cè)定溶液108的離子濃度。
[0067]圖5是本實(shí)施方式I的生物分子測(cè)量裝置的功能框圖。作為測(cè)定對(duì)象的生物分子115附著在珠702上而被裝填到ISFET陣列304上。生物分子115進(jìn)行離子反應(yīng)所需要的試劑通過(guò)送液裝置303從試劑容器301送出，在ISFET陣列芯片1002上與生物分子115進(jìn)行反應(yīng)。ISFET陣列芯片1002檢測(cè)通過(guò)該反應(yīng)而成為生產(chǎn)物的離子的濃度變化。反應(yīng)后的廢液被廢液容器310回收。例如能夠使用多個(gè)普通的送液泵來(lái)實(shí)現(xiàn)送液裝置303。或者，也可以通過(guò)將氮、氬等惰性氣體經(jīng)由對(duì)每個(gè)試劑容器301準(zhǔn)備的閥一邊調(diào)整壓力一邊注入到試劑容器301中，通過(guò)氣體的壓力將試劑從試劑容器301中擠出來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0068]控制器312根據(jù)預(yù)先編程的實(shí)驗(yàn)順序和由數(shù)據(jù)處理裝置311取得的數(shù)據(jù)，執(zhí)行送液裝置303的送液泵的送液定時(shí)和送液量的調(diào)整、ISFET陣列芯片1002的動(dòng)作狀態(tài)的控制、數(shù)據(jù)處理裝置311的控制、設(shè)置在試劑流路302、313、314的任意一個(gè)或ISFET芯片1002上的參照電極的電壓控制等。并且，控制器312根據(jù)設(shè)置在ISFET陣列芯片1002上的溫度傳感器307的測(cè)定值，控制同樣設(shè)置在ISFET陣列芯片1002上的加熱器308和對(duì)試劑溶液進(jìn)行冷卻的冷卻裝置300。
[0069]數(shù)據(jù)處理裝置311取得表示從ISFET陣列芯片1002輸出的測(cè)定結(jié)果的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)處理裝置311可以由安裝了普通的A/D變換器的接口板和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。將在后面說(shuō)明選擇電路305和讀出電路309。
[0070]圖6是說(shuō)明DNA的構(gòu)造和延伸反應(yīng)的圖。圖6(a)是示意地表示單鏈DNA的圖。實(shí)際的單鏈DNA在由磷酸和脫氧核糖構(gòu)成的鏈上結(jié)合4種堿基，形成復(fù)雜的立體構(gòu)造，但在此為了簡(jiǎn)化，用直線404表示由磷酸和脫氧核糖構(gòu)成的鏈，用記號(hào)表示4種堿基、即用A (400)表示腺嘌呤，用T(401)表示胸腺嘧啶，用C(402)表示胞嘧啶，用G(403)表示鳥(niǎo)嘌呤。
[0071]圖6(b)是示意地表示DNA的延伸反應(yīng)的圖。表示由TAG構(gòu)成的引物406與ATCG的單鏈405結(jié)合的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，如果存在包含胞嘧啶的脫氧核糖核苷三磷酸(dNTP)的一種(dCTP)407、在圖中未表示的延伸酶即DNA聚合酶，則在dCTP與G末端結(jié)合的同時(shí)，如圖6(c)所示，二磷酸409和氫離子408脫離。
[0072]通過(guò)檢測(cè)氫離子408來(lái)決定DNA序列的方法如下。首先，使引物406與想要決定序列的未知的單鏈DNA405結(jié)合。在該狀態(tài)下，順序地注入dCTP、dTTP、dATP、dGTP的4種試劑，測(cè)定注入各個(gè)試劑時(shí)的氫離子濃度。例如如果在注入了 dATP時(shí)產(chǎn)生氫離子，則可知原來(lái)的單鏈DNA405中去除了引物406結(jié)合的部分后的頭部是A的互補(bǔ)堿基、即為T。通過(guò)重復(fù)地進(jìn)行上述試劑注入和氫離子濃度測(cè)定，能夠順序地決定DNA序列。
[0073]圖7是說(shuō)明本實(shí)施方式I的生物分子測(cè)量裝置決定DNA序列的處理的流程圖。以下，說(shuō)明圖7的各步驟。
[0074](圖7:步驟 S600 ?S601)
[0075]在向單元填充完珠702的階段，向裝置設(shè)置ISFET陣列芯片1002。用于反應(yīng)的試劑dNTP和清洗液預(yù)先使用冷卻裝置300，冷卻到比DNA聚合酶的最適溫度足夠低的溫度。當(dāng)開(kāi)始測(cè)定時(shí)，控制器312按照預(yù)先決定的順序選擇試劑dNTP(S600)，送液裝置303將試劑溶液108注入到ISFET陣列芯片1002上的單元中(S601)。在該階段中，dNTP的溫度低，DNA聚合酶幾乎不起作用，因此幾乎不引起延伸反應(yīng)。
[0076](圖7:步驟 S6O2 ?S604)
[0077]作為引起延伸反應(yīng)的觸發(fā)，控制器312使用芯片上的加熱器308對(duì)阱703和阱703內(nèi)的試劑溶液108進(jìn)行加熱，激活DNA聚合酶(S602)。ISFETl 14測(cè)定通過(guò)加熱器308的動(dòng)作引起的延伸信號(hào)(S603)。在結(jié)束測(cè)定延伸信號(hào)的階段，控制器312通過(guò)送液裝置303注入低溫的清洗液，沖洗未反應(yīng)的dNTP、作為反應(yīng)生成物的氫離子、二磷酸，同時(shí)通過(guò)冷卻裝置300對(duì)芯片進(jìn)行冷卻(S604)。
[0078](圖7:步驟 S6O5 ?S6O9)
[0079]控制器312在清洗結(jié)束后，選擇下一個(gè)dNTP (S605?S609)，返回到步驟S601重復(fù)同樣的處理。在重復(fù)的過(guò)程中由ISFET114測(cè)定到的延伸信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)處理裝置311所具備的A/D變換器變換為數(shù)字信號(hào)，作為測(cè)定數(shù)據(jù)積蓄在數(shù)據(jù)處理裝置311所具備的存儲(chǔ)裝置內(nèi)。數(shù)據(jù)處理裝置311依照作為重復(fù)的結(jié)果所得到的序列，能夠確定DNA的構(gòu)造。
[0080]使用圖8?圖10說(shuō)明通過(guò)在圖7中說(shuō)明的流程得到的ISFET114的輸出信號(hào)的時(shí)間變化。
[0081]圖8是示意地表示一個(gè)單元的側(cè)面圖，表示將DNA115固定在ISFET114上。在此，為了簡(jiǎn)化，用長(zhǎng)方形704匯總地表示ISFETl 14的從離子感應(yīng)膜100到柵極電極103的構(gòu)造。
[0082]在圖8的時(shí)刻Ttl,芯片上的單元充滿清洗液，處于冷卻狀態(tài)。當(dāng)在時(shí)刻T6tll作為試劑溶液108向單元注入了 dNTP溶液時(shí)，因dNTP溶液中包含的各種離子、清洗液和dNTP溶液之間的pH的不同，ISFET114的閾值變化。當(dāng)把單元內(nèi)的清洗液置換為dNTP溶液時(shí)，逐漸消除ISFET114的閾值變動(dòng)。當(dāng)在時(shí)刻