半導体集積回路によるバイオセンサと その医療・環境応用

名古屋大学大学院工学研究科

電子情報システム専攻 教授

中里 和郎

1

半世紀で１億倍の性能向上

1チップに搭載したトランジスタ数

従来： 情報通信

医療 環境

半導体集積回路 LSI の発展

http://japan.intel.com/contents/museum/processor.html

2

スマート・イオンセンサ

化学反応

制御

検出

輸送

化学反応の検出

化学反応の制御

特定の分子のセンシング

特定の分子の増幅

輸送

分子の搬送と選別

・ ノイズに強く微小信号を捉えることができる

・ 高速（1ms)・局所（1mm)計測

・ 同時並列計測が可能

化学反応分布の実時間観測

多種反応の同時計測

・ 化学反応の制御

温度・電界・磁界・溶液の流れ

・ 小型（1cm2)

特長

3

特異的反応

分子機能

電気信号 情報通信

調べたい分子

プローブ分子

分子認識 トランスデューサ

電気化学計測

＋

電気化学バイオセンサの原理

potentiometric

amperometric

impedimetric

電位もしくは電荷

酸化還元電流

インピーダンス

4

電位によるセンシングの基本原理

溶液

電極

センサ・トランジスタ

溶液と電極間で 電子のやりとりがある

電極と溶液の間で化学平衡

自然電位 酸化還元電位

溶液と電極間で 電子のやりとりが無い

溶液

電極

センサ・トランジスタ

絶縁膜

電荷分布から決まる電位

Poisson 方程式 Nernst の式

電子

5

構造変化による影響

電荷遮蔽 生体分子の電荷

溶液イオンによる遮蔽

溶液濃度 遮蔽距離

1 mM 10 nm

100 mM 1 nm

特にフロー系では 溶液中での分子の動き → 信号の不安定

電荷の変化を見てるのか 構造の変化を見てるのか 解らない

電荷を検出しようとすると 溶液濃度 小 → 高インピーダンス状態 → 信号が不安定

電極

hybridization

電極

絶縁膜 or SAM

初期電荷 → 大きな閾値ばらつき

浮遊ゲート

𝜆𝐷 =𝑘𝐵𝑇𝜀𝑒𝑙

2𝑧2𝑞2𝑐

溶液中の電荷検出の問題点 6

電位によるセンシングの基本原理

溶液

電極

センサ・トランジスタ

溶液と電極間で 電子のやりとりがある

電極と溶液の間で化学平衡

自然電位 酸化還元電位

溶液と電極間で 電子のやりとりが無い

溶液

電極

センサ・トランジスタ

絶縁膜

電荷分布から決まる電位

Poisson 方程式 Nernst の式

電子

7

安定

参照電極

酸化還元電位センサ

電極電位は 化学平衡電位に固定

𝑉𝐺 = 𝑉𝐺0 −

𝑘𝐵𝑇

𝑛𝑞ln

Red

Ox

Y. Ishige, M. Shimoda, and M. Kamahori, Biosens. Bioelectron. 24, 1096, 2009

フェロセン誘導体 ・安定な電子メディエータ ・電極の保護

Fe

S

Ox Red

Fe

S

Fe

S

ゲート

ソース ドレイン

金

シリコン基板

絶縁膜

フェロセン 誘導体

感応性: -59.2 mV/decade （室温）

VG : 電極電位

VG0 : 標準電極電位

q : 素電荷量

T : 絶対温度

n : 移動電子数

kB : ボルツマン定数

[Red] : 還元物濃度

[Ox] : 酸化物濃度

8

32 x 32 Redox Potential Sensor Array

酸化物質 : [Fe(CN)6]3-

還元物質 : [Fe(CN)6]4-

hexacyanoferrate mixture (total 10mM) of K3[Fe(CN)6] and K4[Fe(CN)6]

The sensor chip was dipped in 500μM 11-FUT (11-Ferrocenyl-1-Undecanethiol) in Ethanol for 24h

H. Anan, M. Kamahori, Y. Ishige, and K. Nakazato, Sensors and Actuators B: Chemical, 187, pp.254-261, 2013

7.5

mm

7.5 mm 58 mV/decade

without 11-FUT

with 11-FUT

10 -4

10 -3

10 -2

10 -1

10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

𝑉𝐺 = 𝑉𝐺0 −

𝑘𝐵𝑇

𝑞ln

Red

Ox

還元物質(Red) / 酸化物質(Ox)

ゲート電圧

[m

V]

フェロセン修飾金電極

9

30 mV/hour 0.5 mV/hour

0 0.5 1 -4

-2

0

2

4

時間 [hour] 0 0.5 1

-40

-30

-20

-10

0

-50

ゲート電位

[m

V]

時間 [hour]

ゲート電位

[m

V]

10mM PBS溶液中の無修飾電極

電位の安定性の比較

10mM PBS + 10mM hexacyanoferrate溶液中のフェロセン修飾電極

10

シリコン基板

配線層 絶縁膜

n+ n+

n-well

p+

p

p+

SU-8

ポリイミド

金電極

Fe

S

Fe

S

検出したい分子

プローブ分子 (酵素, 抗体, プライマー, ペプチド, ...)

PDMS

ビーズ

50

mm

50mm

自己組織化 単分子膜

Fe

S

溶液

試作センサアレイの顕微鏡写真

センサセル構造

標準 CMOS 集積回路

メムス プロセス

7.5

mm

11

Enzyme sensor with redox mediator

S

Fe Fe+

S

Fe

S

Fe

S

Fe

S Reaction

Dete

ction p

art

Ferrocene

(11-FUT)

Ox Red

測定対象物質 反応産物

S P

酵素 E

酵素反応系

金電極

hexacyanoferrate

利点 ○ 溶液の pH に依存しない ○ 感度大 ○ 安定 ○ 再利用可能 ○ 汎用

Fe(CN)63- Fe(CN)6

4-

還元物質 酸化物質

α

]][[Fe(CN)- ]][[Fe(CN)=

0-46

-46

sc

-

0

GG

-4

6

exp1

][Fe(CN)

EERT

F

Ctotal

cs : 基質濃度 Ctotal : 酸化還元物質総濃度 [[Fe(CN)6]4-]0 : 初期フェロシアン濃度 a : 反応効率

生体分子濃度の算出方法

12

0 600 1200 1800 2400 3000-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Time [s]

Chan

ge

in p

ote

nti

al [

mV

]

応用例

Cholesterol + NAD Cholestenon +NADH

Diaphorase

コレステロール測定

グルコース測定

グルコース + ATP ｸﾞﾙｺｰｽ6ﾘﾝ酸 + ADP

ｸﾞﾙｺｰｽ6ﾘﾝ酸 + NAD ｸﾞﾙｺﾉﾗｸﾄﾝ6ﾘﾝ酸 + NADH

HK

G6PDH

2[Fe(CN)6]3- + NADH 2[Fe(CN)6]4- + NAD

CDH

出力電圧

[m

V]

コレステロール濃度 [mg/dl]

サンプル量： 2.5mL

33±2.5 mg/dl

T.Ishige, M. Shimoda & M. Kamahori Biosensors Bioelectron. 24 (2009) 1096

Diaphorase 2[Fe(CN)6]3- + NADH 2[Fe(CN)6]4- + NAD

出力電圧

[m

V] グルコース濃度

時間 [秒]

H. Anan, T.Ishige, M. Kamahori, & K. Nakazato Sensors an Actuators B: Chemical (2013)

25 mg/dL

50 mg/dL

100 mg/dL

200 mg/dL

13

HK

Glucose

G-6-PDH

Diaphorase

FerricyanFerrocyanGlucose + ATP G6P + ADP

NADH + 2[Fe(CN)6]3- NAD + 2[Fe(CN)6]

4-

G6P + NAD GL6P + NADH

HK

G-6-PDH

Diaphorase

検出血糖値

(mg

/dL)

(5.7%)

(4.2%)

(5.0%)

0 60 120 180 240 300 360 0

60

120

180

240

300

360

糖尿病

予備軍 正常

低血糖 ( )の数値はばらつき

血液中の血糖値(mg/dL) 検査医学標準物質機構から購入した血清を使用

1 mM

0 5 10 150

2

4

6

8

投与グルコース濃度 [mM]

検出グルコース濃度

[mM

]

検出限界

(0.018mg/dL)

血糖センサ

・ H. Anan, M. Kamahori, Y. Ishige, and K. Nakazato, Sensors and Actuators B: Chemical 187, pp. 254-261, 2013

・ Komori, K. Niitsu, J. Tanaka, Y. Ishige, M. Kamahori, and K. Nakazato, in Proc. IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS 2014), pp. 464-467, Lausanne, 24 Oct. 2014

Fe

S

HK

G-6-PDH

Diaphorase

Glucose

[Fe(CN)6]3- [Fe(CN)6]4-

bead

Fe

S redox potential detection

AU

11-FUT

14

[Red]/[Ox] =10-3 ~ 103

10-3 10-2 10-1 100 101 10255

56

57

58

59

60

Buffer ion concentration (NaCl) [mM]

Sensib

ility

[mV

/dec

ade]

Det

ecte

d v

olt

age

[mV

]

2 4 6 8 10 12-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

pH

C

OH

H

C

H

OH

C

CH2OH

H

O

C

H

HO

C

OH

HC

OH

H

C

H

OH

C

CH2OH

H

O

C

H

HO

C

H

C

OH

H

C

H

OH

C

CH2OH

H

O

C

H

O

C

OH

HC

OH

H

C

H

OH

C

CH2OH

H

O

C

H

HO

C

OH

H

Glucose Galactose Maltose

det

ecte

d v

olt

age

[mV

]

time [sec]

0 25 50 100 200 [mg/dl]

0 500 1000 1500 2000 2500 -50

-40

-30

-20

-10

0

10

選択性 環境依存性

血糖センサ 15

Reference Electrode

(Ag/AgCl, 3M NaCl) Syringe

Joint

USB cable

t

E

Flow speed: 1 μl/s

PBS solution

Glucose solution

outlet inlet

capacity 10μL

MCU Glucose 0 to 360 mg/dL

9.9mM Potassium Ferricyanide

0.1mM Potassium Ferrocyanide

0.6 mM NAD, 2mM ATP, 10mM MgCl2

360 [mg/dl] 0 22.5 45 90 180

0 800 1600 2400 3200 180

200

220

240

260

280

300

320

340

時間 [sec]

ゲート電位

[V

]

洗浄液 長い時定数

グルコース・サンプル 短い時定数

glucose

酸化還元電位

化学平衡で決まる安定な電位

16

電流センサアレイ

補助電極による電極間干渉の削除

双スイッチ方式による高速測定

電流バッファ回路による電極電位変動低減

・J. Hasegawa, S. Uno, K. Nakazato, Jpn. J. Appl. Phys. 50,

04DL03, 2011

・T. Kuno, K. Niitsu, and K. Nakazato, Jpn. J. Appl. Phys. 53,

04EL01, 2014

17

C T T

G A A A

T

dNTP (dATP/dTTP/dCTP/dGTP)

target DNA

probe DNA

primer polymerasation

Pi+GAP+ NAD 1,3BPG + NADH Diaphorase

2[Fe(CN)6]3- + NADH 2[Fe(CN)6]4- + NAD

GAPDH

2Pi PPi + H2O PPase

0 200 400 600 800

-20

-10

0

Time [s]

Chan

ge

in p

ote

nti

al [

mV

]

dTTP (match)

dCTP (mismatch)

5.65 mV

遺伝子配列検出

酸化還元電位による非ホモポリマー領域

における高精度検出

Fe

S

Ox Red

Fe

S

Fe

S

Si

Au

H. Ishihara, K. Niitsu, and K. Nakazato, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 04DL05, 2015

酸化還元電流によるホモポリマー領域

における高精度検出

18

f , Hz

Re(

𝑌),

Im(𝑌

) (a

rb.s

cale

)

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06

Re(Y)

Im(Y)

NaCl 0.1mM

インピーダンス・センサアレイ

Q Q Q

i1 i2

Di

𝜙2

𝜙1

𝜙2

𝜙1 𝑉𝐿

𝑉𝐿

𝑉𝐻

𝑄𝐿

𝑄𝐻

𝑄𝐿

𝑄𝐻

𝑉𝐻

R

𝜙2

𝜙1 pulse shaping

IN

Fsb

𝑄

𝑄

𝑄

𝑄

(a) 電流ミキサ回路 (b) 電流D-S ADC

𝑄𝐿

𝑄𝐻

counter

S R C

counter

S R C

Fs 𝜙

S 𝑄𝐿𝐹

Fs S

𝜙 𝑄𝐻𝐹

19

電流・インピーダンスによる細菌・ウィルス検出

細菌・ウィルス 溶液

絶縁膜

電極

細菌・ウィルス捕獲膜

電極実効 面積の減少

キャパシタンス減少 抵抗増大

10mm 1mm 100nm 10nm 1nm

細胞 細菌 ｳｨﾙｽ DNA

現在の半導体技術で 1分子サイズの電極の形成が可能

ナノポア

電流減少 インピーダンス増大

20

細菌検査

絶縁膜

細菌

抗体

電極

局所インピーダンスセンサ回路

半導体チップ

フローセル流路

MOSFET

細菌B

フローセル流路

半導体チップ

ボンディングパッド

細菌A

細菌C 細菌D

細菌捕獲セル

21

細菌・細胞のカウンティング

・ S. Ota, K. Niitsu, H. Kondo, M. Hori, and K. Nakazato, in Proc. IEEE Biomedical Circuits and Systems

Conference (BioCAS 2014), pp. 460-463, Lausanne, 24 Oct. 2014

・ K. Niitsu, S. Ohta, K. Gamou, H. Kondo, M. Hori, and K. Nakazato, to be published in IEEE. Trans. BioCAS

22

イオンセンサに適した新しい高精度・低消費電力回路

新しい応用には新しい回路技術が必要

サブスレッショルド領域動作

強反転

～10mA

弱反転

～nA ４桁の消費電力低減

電圧モードから電流モードへ

３桁の雑音低減

振幅信号からタイムドメイン信号へ

低電圧動作

高ダイナミックレンジ >106 振幅

時間

情報

振幅信号

振幅

時間

情報

タイムドメイン信号

電圧

∆𝑉~1mV

電圧モード

+𝑖

∆𝑉~1V

電流モード

−𝑖

‘1’

‘0’ ‘1’

‘0’

23

イオンセンサに適した新しい高精度・低消費電力回路

サブスレッショルド領域動作

強反転

～10mA

弱反転

～nA

64x64 センサアレイ

BW

DD

SS

IS

shared bias circuit bias circuitsource-drain follower

potentiometric sensor unit cell

Au electrode

Nin

out

-5

5

0

4 3

2 1

-1

-2 -3

-4

10 -9

10 -8

10 -7

10 -6

10 -5

IDD [A] V

OU

T –

VIN

[m

V]

10nW

2mV

Vout = Vin

VGD(N) = const.

VGS(N) = const.

voltage follower

source drain follower

24

サブスレッショルド領域動作 ソース ドレイン フォロワ

B

W

ISS

-

3xISS

2ISS

電流パルスビット線電圧固定

電流パルス→電圧パルス変換

電圧パルス

CB

短パルス発生器

Time Attenuation Based TDC

(time to digital convertor)

イオンセンサに適した新しい高精度・低消費電力回路

電圧モードから電流モードへ

振幅信号からタイムドメイン信号へ

振幅

時間

情報

振幅信号

振幅

時間

情報

タイムドメイン信号

電圧モード

タイムドメイン

電流モード タイムドメイン

時間分解能 100ns 4ns

1ビットあたりの 消費エネルギー 10pJ 0.4pJ

電流モード・タイムドメイン信号を用いた バイオセンサアレイ

電圧

∆𝑉~1mV

電圧モード

+𝑖

∆𝑉~1V

電流モード

−𝑖

‘1’

‘0’ ‘1’

‘0’

CMATC (current mode analog

to time converter)

25

current mode analog-to-time converter

time attenuation based time-to-digital converter

𝑇 = exp 𝛼𝑆

𝑆

𝐷 = log 𝛽𝑇

標準CMOSプロセスと整合性があり一体化可能なメムスプロセス技術

標準CMOSプロセス

< 100nm

メムスプロセス

5mm

半導体産業の資産を最大限に活用

標準CMOSプロセスには無い イオンセンサに必要な構造を形成

大きなリソグラフィ・ギャップ

d d

Au

絶縁膜

Size 2.05×1.2μm

無電解メッキ法による微細金電極の形成

配線層

標準CMOSプロセスによる微細パターンの形成

自己整合プロセスによる金電極の形成

センサ集積回路とマイクロ流路・バルブとの一体化

自己整合プロセス

26

電位・電流・インピーダンスを統合した ASSPスマート・イオンセンサアレイ集積回路技術

半導体集積回路のコスト 標準CMOS集積回路 標準・汎用化 （ステッパー）

メムスプロセス カスタム化

(コンタクトホト)

加工レベル ホトマスク代 チップ単価

600nm 170 万円 380円/チップ

250nm 1,300万円 370円/チップ

130nm 9,000万円 640円/チップ

65nm 1億4,000万円 800円/チップ

注）ウエハ数枚の小規模製造、チップ面積 7.5mm×7.5mmの場合

測定項目 記号 測定方式 解説

ヘマトクリット値 Hct インピーダンス 血液中の血球容積

ヘモグロビン Hb 電流 赤血球中のヘムタンパク質

ヘモグロビンA1c HbA1c 電位 ヘモグロビンb鎖のN末端に

グルコースが結合した糖化タンパク質

グルコース GLU 電位 血液中の代表的な糖質

異種項目同時計測による総合的な分析

*ASSP (Application Specific Standard Product)

27

ASSP (Application Specific Standard Product)

600nm 2P3M 32x32アレイASSP

7.5

mm

reference Q

potentiometric

amperometric

impedimetric

voltage toCurrent

converter

fix-voltagecurrent copy

Sensor unit

currentmixer

CurrentADC

Array peripheral

rectify / lock-in

digitaloutput

photometric photocurrentcopy

28

18cm

重量 850g 5V 単一電源 消費電流 60mA(LCD消灯時） 150mA(LCD表示時)

PDMSマイクロフルイド

チップ消費電力 5V1mA

BioCMOShttp://biocmos.com

6.97mm

7.4

9m

m

29

L

30

signal

impedimetric: C4D flow cytometry

photometric: UV-VIS V

L = 10mm

V = 1V

L = 1cm

V = 1000V

オンチップ電気泳動 capacitively coupled contactless conductivity detector

チップ埋込 マイクロ・トレイ

・血糖値・メタボ診断 ・DNA 配列検出 ・mRNA リアルタイム増幅検出

・細胞 ・細菌 ・ウィルス

オンチップ温度制御

切手１枚の分析機器

cyclic voltammetry

誰でもどこでも瞬時に診断・ネットワークとの連携

在宅医療

Tailor-made Medicine 食の安全

Evidence-based Care

創薬

感染症の水際防止

小型可搬型 医療検査診断システム

スーパー売り場で偽装食品 （牛ひき肉に鶏肉が混載）・ 産地（松阪肉か飛騨肉か）を検査

入国審査での検査

デパート売り場で体質に あった化粧品を提供

開業医、在宅医療向け 血液検査・細菌検査

病院

感染経路

トレーサビリティ

雇客データベース

ネットワーク

応用 31

スマート

イオンセンサ

IT・通信

流通

医療・看護

生活

オフィス

創薬

食品

環境

金融

小型

低電力センサ

高密度

低消費電力

LSI

交通

認証

チップ バイオチップ

lab-on-a-chip

農業

ユビキタス情報社会

32