2018 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of graphene bio FET with renewable 1 million digit dynamic range
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17H03402
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
中村 篤志 静岡大学, 工学部, 准教授 (50402243)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
下村 勝 静岡大学, 創造科学技術大学院, 教授 (20292279)
松原 亮介 静岡大学, 工学部, 助教 (60611530)
久保野 敦史 静岡大学, 工学部, 教授 (70234507)
武田 正典 静岡大学, 工学部, 准教授 (80470061)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | グラフェン / バイオセンサー / 二次元層状材料 / ナノ構造 / 表界面工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、大面積の直接成長したグラフェン表面を、有機半導体膜で化学修飾化を施した電界効果型増幅器のセンシング層を形成し、再生可能で高感度・100万桁の検出ダイナミックレンジを有するバイオFETを開発することである。2インチ相当面積の基板を用い、残留金属不純物の無い直接成長されたグラフェン層の二次元ハニカム原子配置上を、蒸着重合法で、生体物質と特異結合する官能基を有する有機半導体薄膜を配向制御堆積して、生体分子認識機能を有する分子プローブ固定されたFETを作製する。分子吸着機能を用いて、特異的に捕獲した蛋白質の観察や局所的相互作用を評価する。応用として、複数蛋白質の存在下での微量の目的蛋白質の高感度検出や、表界面における立体障害等の構造を視覚化し、本素子のバイオ応用への有効性を実証する。
H30年度は、アルコールCVD法を用いた直接成長グラフェン薄膜をイオン感応ゲートチャネル層ならびに検出信号増幅層として溶液ゲート電界効果トランジスタを作製し、プロトン濃度検出特性の評価としてpH感度特性を測定した。pH7電解溶液中においてドレイン電圧を2Vに固定した時の伝達特性からは約0.54Vに電荷中性点(CNP)を持つアンバイポーラー特性を示し、正孔移動度並びに電子移動度はそれぞれ327cm2/Vs, 124cm2/Vsであった。電解溶液のpHを4から12に変化させた時のCNP電圧のシフトから傾きを求め、20.48mV/pHのプロトン検出感度を持つことが明らかとなった。これらの結果から、直接成長グラフェン薄膜によるバイオセンサ応用がさらに期待出来る。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、フラフェンの電界効果トランジスタ特性を利用したバイオセンサ応用の検討を行った。グラフェンはCVD合成の技術進展が目覚ましく、グラファイト結晶の機械的剥離フレークのサイズ制限を克服出来る大面積合成が実現されている。しかしながら、触媒金属の残留、基板への転写プロセス並びに洗浄の煩雑性、転写時に導入されるグラフェン膜のシワや破れの導入等の課題がある。そこで本研究では、グラフェンの合成に触媒を用いないで基板にグラフェンを直接合成することを検討し、得られたグラフェン膜による電気化学的評価としてpHセンサー動作することを実証した。
ここまでの研究で解ったことは、検出感度に及ぼす影響にグラフェン薄膜の欠陥密度と負の相関があり、必ずしも高品質グラフェン結晶が高感度検出特性を示さないことである。さらに、検出時間の安定性（ドリフト）、繰り返し検出特性（ヒステリシス）もセンサ性能の指標になることから、グラフェン表界面におけるイオン種の相互依存性を追求することとした。比較実験のために、グラフェンに類似表面を持つ二次元層状材料である二硫化モリブデン薄膜、比表面積を拡大した酸化亜鉛ナノワイヤー等のチャネル材料の成長ならびにデバイス作製と電気化学的評価を追加して検討した。その結果、バンドギャップを持たないグラフェンと比較して、ワイドバンドギャップの二硫化モリブデン薄膜の場合は、プロトン検出感度はグラフェンを凌駕し、ヒステリシス幅、ドリフト量共に従来報告されている他の材料を用いたバイオセンサーと比較して良好な特性を示すことが解った。この項目は次年度に新たに研究項目に加えることとし、さらに追求する。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成31年度はbio-FET測定系の構築と生体分子検出性能評価を行う。 実際の蛋白質分子の検出評価(濃度、非標識検出)を行い、本素子のバイオ性能の有効性を実証する。I. bio-FET測定系の構築(中村、武田) 本研究で作製したbio-FETの性能評価を行うための測定系の構築をする。検査溶液の供給のためのマイクロフローリアクタを作製する。リアクタは溶液供給口と排出口の間にFETゲート領域があり、その上部に参照電極の挿入口を有する。出力信号を半導体パラメータ・アナライザで検出する。II. 生体分子検出性能評価(中村、下村、久保野、松原) 本bio-FETの性能評価のためにアミノ酸を単数種、複数種混合検出と、ペプチド数依存性に関して、非標識検出特性、検出感度、検出濃度の線形性を上記構築したシステムで計測する。
(a)アミノ酸(ペプチド結合数=0)検出(中村、久保野、松原) 既知の代表的なアミノ酸を検出試薬として用いる。リアルタイム検出にはゲート電位の電荷中性点からアミノ酸群の等電点変化がわかり、非標識検出を実現する。
(b)蛋白質(ペプチド結合数=50以上)検出(中村、下村) ドレイン電流変化から見積もった電荷量からペプチド数を推定する。また蛋白質がセンサ表面に吸着脱離する過程をモニタし、Langmuir吸着恒等式からセンサ表面を形成している分子プローブの立体障害性と密度に対するタンパク質の高次構造に関する知見を得る。
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