ナノ制御したダイヤモンド表面の生体分子吸着によるFET型バイオセンサーの開発

• 研究課題/領域番号: 02J84202
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 電子デバイス・機器工学
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 梅沢 仁 (2003-2004) 早稲田大学, 先端科学・健康医療融合研究機構, 客員研究助手; 梅澤 仁 (2002) 早稲田大学, 理工学部, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 3,600千円 (直接経費: 3,600千円); 2004年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円); 2003年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円); 2002年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
• キーワード: ダイヤモンド / バイオセンサー / 高周波トランジスタ / ナノスケールチャネル / DNA / ナノスケール表面改質 / 電解質溶液ゲートFET / 表面修飾 / 超分散性ナノダイヤモンド / 生体分子固定 / 水素終端 / アミノ基終端 / 表面終端元素置換 / 表面化学修飾 / アミノ終端 / 電位・電化検出型バイオセンサー / 生体適合性 / ポテンシャルウィンドウ / フッ素終端

研究概要

本研究プロジェクトにおいて、昨年度までに(1)ダイヤモンド表面の終端元素改質、(2)電解質ゲートトランジスタの開発および動作モデルの構築、(3)改質したダイヤモンド表面への生体分子の固定と、傾向顕微鏡による評価。などの成果が得られている。これらの成果をふまえて、以下の研究を行った。
1)電解質ゲートトランジスタ表面の官能基のプロトン化、脱プロトン化によるトランジスタ動作変化、安定性上限について実験およびイオン拡散モデルによる定量的な評価を行った。
2)DNAやタンパク質がダイヤモンド表面に吸着した際のポテンシャル変化と、電解質ゲートトランジスタのチャネル領域へDNAやタンパク質を固定した際に得られる出力電流・閾値電圧の変化をポワッソン方程式および電流連続の式を用いた二次元デバイスシミュレータを用いて検証した。
3)電解質ゲートダイヤモンドトランジスタのゲート絶縁領域へ一本鎖DNAを固定し、相補的、非相補的DNAによる処理を行い、相補的DNA処理による負電荷増加で引き起こされる闘値電圧シフトを評価する。
4)上記電解質ゲートトランジスタ、およびサイドゲートトランジスタを微細化し、溶液中での動作が可能であるかを検討した。
5)同一基板上に複数のチャネル修飾を有する電解質ゲートトランジスタを形成し、これらの特性(感応性)変化を評価した。
6)単一生体分子検出に必要な0.1μm以下のゲート長を有する電解質ゲートトランジスタを試作・評価した。
7)タンパク質センサへの発展を試みるために、(1)ダイヤモンド表面へのタンパク質・脂質膜の固定、(2)チャネル上へ固定したタンパク質・および脂質膜に固定による伝導性の変化を調査した。

研究成果

• [雑誌論文] 70 nm Channel Diamond MISFET and Suppression of Short Channel Effect (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa et al.
  • 雑誌名: IEEE Elect.Device Lett. (in press)
• [雑誌論文] Superconductivity in diamond thin films well above liquid helium temperature (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Takano, H.Umezawa et al.
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 85 ページ: 2851-2851
• [雑誌論文] Surface modified Diamond Field-Effect Transistors for Enzyme Immobilized Biosensor (2004)
  • 著者名/発表者名: K.S.Song, H.Umezawa et al.
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 43
• [雑誌論文] ダイヤモンドにおけるキャリア輸送特性とFETへの応用 (2004)
  • 著者名/発表者名: 川原田洋, 梅沢仁
  • 雑誌名: 応用物理 73 ページ: 339-339
• [雑誌論文] Memory effect of diamond in-plane-gated field-effect transistors (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Sumikawa, H.Umezawa et al.
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 85 ページ: 130-130
• [雑誌論文] Over 20 GHz Cut-Off Frequency Deep Sub-micron Gate Diamond MISFET (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Matsudaira, H.Umezawa et al.
  • 雑誌名: IEEE Elct.Dev.Lett. 25 ページ: 480-480
• [文献書誌] Kanazawa H, Song KS, Sakai T, Nakamura Y, Umezawa H, Tachiki M, Kawarada H: "Effect of iodide ions on the hydrogen-terminated and partially oxygen-terminated diamond surface"Diam.Relat.Mater.. 12(3-7). 618-622 (2003)
• [文献書誌] Kaibara Y, Sugata K, Tachiki M, Umezawa H, Kawarada H: "Control wettability of the hydrogen-terminated diamond surface and the oxidized diamond surface using an atomic force microscope"Diam.Relat.Mater.. 12(3-7). 560-564 (2003)
• [文献書誌] Banno T, Tachiki M, Nakazawa K, Sumikawa Y, Umezawa H, Kawarada H: "Fabrication of diamond in-plane-gated field effect transistors using oxygen plasma etching"Diam.Relat.Mater.. 12(3-7). 408-412 (2003)
• [文献書誌] Umezawa H, Miyamoto S, Matsudaira H, Ishizaka H, Song KS, Tachiki M, Kawarada H: "RF performance of diamond surface-channel field-effect transistor"IEICE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS. E86-C. 1949-1954 (2003)
• [文献書誌] 梅沢 仁, 石坂 博明, 宮本 真吾, 宋 光燮, 立木 実, 川原田 洋: "水素終端表面伝導層を用いた高周波ダイヤモンドFET"電子情報通信学会和文論文誌. J86-C(4). 419-425 (2003)
• [文献書誌] Song KS, Sakai T, kanazawa H, Araki Y, Umezawa H, Tachiki M, Kawarada H: "Cl-sensitive biosensor used electrolyte-solution-gate diamond FETs"BIOSENSORS & BIOELECTRONICS. 19(2). 137-140 (2003)
• [文献書誌] H.Umezawa, H.Kawarada et al.: "RF performance of high transconductance and high-channel-mobility surface-channel polycrystalline diamond metal-insulator-semiconductor field-effect transistors"Jpn. J. Appl. Phys.. 41(4B). 2611-2614 (2002)