(57)【要約】  【課題】  測定精度の優れたセンサ装置を提供する。  【解決手段】  台座部１０と、前記台座部１０上に配置されたフェリチン２１の自己集積単分子膜２０と、前記自己集積単分子膜２０を構成する複数の前記フェリチン２１のそれぞれに結合された反応部３０と、を備える。反応部３０をフェリチン２１の自己組織化特性を用いて二次元的に整列させることができるため、反応部３０の量を制御することができるので、安定した測定を実現することができる。【選択図】  図１
2014130040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
台座部と、
前記台座部上に配置されたフェリチンの自己集積単分子膜と、
前記自己集積単分子膜を構成する複数の前記フェリチンのそれぞれに結合された反応部と、
を備えるセンサ装置。
【請求項２】
前記台座部と前記自己集積単分子膜と前記反応部とが内部に位置する、標的を含む検体溶液が導入される流路と、
第１ＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極と
前記第１ＩＤＴ電極で発振され、前記台座部を伝搬する弾性表面波を受信する第２ＩＤＴ電極と、を含む請求項１記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記台座部はＡｕからなる導電層を含み、
前記反応部は、抗原抗体反応における抗原及び抗体のうち分子量の小さい方である、請求項２記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記反応部は、抗原である８−ヒドロキシデオキシグアノシン（８−ＯＨｄＧ）とする、請求項３記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記フェリチンと前記反応部とは原子スペーサーを介して結合されている、請求項４記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記原子スペーサーはトリエチレングリコール（ＴＥＧ）である、請求項５記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記流路に導入される検体溶液は、標的としての８−ＯＨｄＧと、予め定めた一定量の８−ＯＨｄＧ抗体とを含み、
前記反応部は、前記８−ＯＨｄＧ抗体のうち前記前記検体溶液中の８−ＯＨｄＧと結合しなかった残余分と結合することで前記残余分の重量に応じた質量変化を生じ、
前記第２ＩＤＴ電極は、前記反応部の質量変化に応じた位相変化が生じた弾性表面波を受信する、請求項４記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検体溶液中の標的の濃度を測定するセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば抗原抗体反応を用いて検体溶液中に存在する標的の濃度を測定する手法は、医療や生化学分野、アレルゲン等の測定分野における計測・分析手法として有用視されている。
【０００３】
しかし、ＥＬＩＳＡ（Ｅｎｚｙｍｅ−Ｌｉｎｋｅｄ ＩｍｍｕｎｏＳｏｒｂｅｎｔ Ａｓｓａｙ）等の従来の測定方法は、分析に長時間を要すると共に、操作が煩雑であり、かつ高度の専門知識を要するという問題点があった。
【０００４】
そこで、より簡易な測定方法が求められている。例えば、特許文献１には、弾性表面波の伝搬路上に設けた電極に抗原を固定化し、固定化した抗原とその抗体との結合に伴う質量変化を感知する手法が提案されている。
【０００５】
また、電極に抗原を固定化する際に、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ：Ｂｏｖｉｎｅ  Ｓｅｒｕｍ  Ａｌｂｕｍｉｎ）や、ビオチン（Ｂｉｏｔｉｎ）とストレプトアビジン（ＳＡ：Ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ）とを用いる手法が知られている（特許文献１，特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−９０２７０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３６９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、定量性の精度や再現性を高めるためには、センサ装置において、電極に抗原等の反応部を固定化する手法の更なる改良が望まれる。具体的には、センサ装置において固定化する反応部の量や位置を制御することが望まれている。
【０００８】
そこで、本発明は、位置や量を制御して反応部を固定化することで精度や再現性に優れたセンサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態のセンサ装置は、台座部と、前記台座部上に配置されたフェリチンの自己集積単分子膜と、前記自己集積単分子膜を構成する複数の前記フェリチンのそれぞれに結合された反応部と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡易な構成で高い測定精度と高い測定再現性を有するセンサ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の１つの実施形態に係るセンサ装置１００を示す斜視図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係るセンサ装置１００Ａを示す斜視図である。
【図３】図２に示すセンサ装置１００Ａの要部を示す部分平面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ図２に示すセンサ装置１００Ａの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のセンサ装置の実施形態について、図面を参照しつつ、説明する。
【００１３】
（実施形態）
本実施形態に係るセンサ装置１００は、台座部１０と、自己集積単分子膜２０と、反応部３０と、を有する。なお、図面中では、各構成要素の配置関係を明確にすることを意図し、実際の寸法と異なる比率で記載することがある。このようなセンサ装置１００は検体溶液中の標的を検出するためのものである。
【００１４】
台座部１０は、平坦部を有し、その上に固定される自己集積単分子膜２０及び反応部３０を保持するための強度を有する材料であれば特に限定されない。この例では、例えば単結晶基板，樹脂基板，セラミック基板等からなる支持部１１上に金（Ａｕ）から成る導電層１２が形成されたものを台座部１０としている。より具体的には、支持部１１はタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）単結晶、水晶などの圧電性を有する単結晶の基板からなる。支持部１１の平面形状及び各種寸法は適宜に設定されて良い。一例として、支持部１１の厚みは、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍである。支持部１１の上面には不図示の絶縁膜を設けてもよい。絶縁膜として、例えばＳｉＯ２膜を用いることができる。そして、その上面に導電層１２が形成されている。導電層１２の平面形状及び各種寸法は適宜に設定することができる。なお、この例では導電層１２を構成する材料をＡｕとしているが、Ｔｉ，ＴｉＯ２等を用いることもできる。
【００１５】
このような導電層１２の上面に多数のフェリチン２１を導電層１２のパターンに合わせて自己組織化させ、単層膜である自己集積単分子膜２０を構成する。フェリチン２１の自己組織化特性を用いることで、フェリチン２１を隙間なく、最密充填することができる。この例ではフェリチンの各列毎に互い違いに千鳥状に配列させている。このように構成することで導電層１２を被覆することができる。
【００１６】
フェリチン２１を導電層１２上のみに選択的に自己組織化させるためには、例えば、フェリチン２１の外表面に特定の材料と選択的に結合する機能性ペプチドを付加し、導電層１２と選択的に結合させたり、導電層１２の表面にカルボキシル基等を修飾し、アミノ酸からなるフェリチン２１を吸着させたり、導電層１２を正に帯電させ、負に帯電するフェリチン２１を吸着させたり、導電層１２のパターンのエッジを利用して選択的に吸着させたりすることができる。また、別体の基体に配列させたフェリチン２１からなる自己集積単分子膜２０を導電層１２上に転写させてもよい。このように適宜調整することにより、フェリチン２１を二次元的に整列させることができる。
【００１７】
このフェリチン２１の各々に反応部３０が結合している。反応部３０は、標的の存在に起因する状態変化を生じるものである。より具体的には、反応部３０は、センサ装置１００で測定すべき標的を吸着したり、標的との反応により構造変化させたり、標的との反応により生じる副生成物と反応したりするアプタマーや抗原抗体反応を生じる抗原または抗体を用いることができる。この例では、抗原である８−ＯＨｄＧが固定されている。８−ＯＨｄＧは８−ＯＨｄＧ抗体に比べて分子量が小さい。このような場合には８−ＯＨｄＧを反応部３０として固定化することが好ましい。抗原及び抗体のうち、分子量の大きい方を反応部３０と結合させる方が反応部３０に与える質量等の変化量が大きくなり、測定感度を増すことができるからである。
【００１８】
フェリチン２１と反応部３０としての８−ＯＨｄＧとを結合させるためには、フェリチ
ン２１のアミノ基と８−ＯＨｄＧのカルボキシル基とをアミド結合させればよい。この例では、フェリチン２１と８―ＯＨｄＧとの間に原子スペーサー３５が存在する。言い換えると、フェリチン２１と反応部３０である８−ＯＨｄＧとは原子スペーサー３５を介して結合されている。原子スペーサー３５は例えばポリエチレングリコール（ＰＥＧ）やオリゴエチレングリコール等を用いることができ、この例ではトリエチレングリコール（ＴＥＧ）を用いている。オリゴエチレングリコールにより、蛋白質や細胞等の生体分子の非特異吸着を抑制することができる。
【００１９】
このような反応部３０は、１つのフェリチン２１に対して１つ結合させてもよいし、複数接合させてもよい。そして、このような反応部３０は、自己集積単分子膜２０を形成するときに、予めフェリチン２１に修飾しておいてもよいし、フェリチン２１が自己組織化して自己集積単分子膜２０を構成した後に修飾させてもよい。
【００２０】
なお、図１において、構成を明瞭に表示するために、一部のフェリチン２１に修飾される原子スペーサー３５，反応部３０の表示を省略している。
【００２１】
上述のように、フェリチン２１が自己組織化して形成された自己集積単分子膜２０を介して反応部３０を固定化している場合には、反応部３０を単分子膜上に整列させることができる。さらに、固定化した反応部３０は全て上面に露出しており、標的に関連する反応に寄与することができるので、反応部３０を有効利用することができる。
【００２２】
上述の効果について更に詳述する。従来、反応部を台座部に固定化するためには、台座部への非特異吸着を抑制するために一般的に反応部と台座部との間にＳＡを配置したり、ＢＳＡを配置したりする。特に前者は、ビオチンとＳＡとが非常に強固に結合するという性質を利用して、８−ＯＨｄＧにビオチンを修飾し、台座部に固定したＳＡ結合と結合させる手法が一般的に用いられている。しかしながら、ＳＡが凝集してしまい、面内において平均的に反応部を固定化することが困難であった。また、凝集したＳＡが立体障害となり、固定化された反応部の一部を機能させることができないという問題があった。ＢＳＡを用いる場合にもＢＳＡは物理的に堆積するものであるため、平坦なＢＳＡ層を形成し難く、ＢＳＡ自体が立体障害となってしまったり、ＢＳＡが完全に固定化されていないため、その上に形成する反応部も安定して保持することが困難となったりするという問題点があった。
【００２３】
これに対して、本発明の実施形態に係るセンサ装置１００によれば、単分子層でかつ最密充填されているフェリチン２１のそれぞれに反応部３０が修飾されているため、修飾する反応部３０の量を制御することができるとともに、フェリチン２１が立体障害となることはないため、修飾した反応部３０を有効に機能させることができるものとなる。
【００２４】
また、センサ装置１００によれば、台座部１０に固定化する反応部３０の量を制御することができるので、測定結果のバラつきを抑制することができる。
【００２５】
さらに、直径２１ｎｍのフェリチン２１を用いているため、ＳＡＭ膜（単分子膜）を用いる場合に比べ、台座部１０のうねり等を吸収し反応部３０を固定化することができる。ＳＡＭ膜を用いる場合には、ＳＡＭ膜を形成する基板を反応溶液に浸漬し例えば２日等の長時間かけてＳＡＭ膜を形成することとなる。これに対して、フェリチン２１の自己集積機能を利用して自己集積単分子膜２０を形成する場合には非常に短時間で配列することができる。以上より、タクトタイムが短く生産性の高いものとすることができる。
【００２６】
上述のような構成により、測定すべき標的に関連する反応に応じて生じる反応部３０の状態変化を検出することができる。状態変換としては、例えば、標的を含む検体溶液の粘
度、電位、質量等を挙げられる。質量変化を測定する例としては、例えば、開示のセンサ装置１００は、ＳＰＲ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ、表面プラズモン共鳴）装置による測定に用いられる測定セル、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ、表面弾性波）センサ、ＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ、水晶発振子マイクロバランス法）水晶センサなどとして用いることができる。より好ましくは、ＳＡＷセンサとして用いる。ＳＡＷセンサとしてセンサ装置を実現することで、センサ装置を小型化することができる。
【００２７】
（変形例：ＳＡＷセンサ）
次に、図２〜４を用いて図１に示すセンサ装置１００の変形例であるセンサ装置１００Ａについて説明する。自己組織化単分子層２０および反応部３０についてはセンサ装置１００と同様であるため重複する記載を省略する。
【００２８】
図２はセンサ装置１００Ａの斜視図である。センサ装置１００Ａは、支持部１１上にカバー部材５０が配置されている。カバー部材５０には支持部１１の一主面上まで通じる孔５１と孔５２とが形成されている。孔５１は検体溶液を導入する流入口として機能する。孔５２は検体溶液の出口側に設けられる。孔５２は、孔５１から検体溶液が吸入されるための空気穴として機能するものである。なお、実際に検体溶液を排出する流出口として機能させてもよい。
【００２９】
カバー部材５０は、感光性の樹脂材料を使用して樹脂膜を形成し、この樹脂膜をフォトリソグラフィー法などによりパターニングすることによって形成することができる。孔５１，５２もパターニング時に形成することができる。また金型により成型してもよい。
【００３０】
図３は、カバー部材５０を取り除いた状態のセンサ装置１００Ａの上面図である。支持部１１上に形成されている保護膜の図示は省略している。図４は、（ａ）は図２のＩＶａ−ＩＶａ線における断面図，（ｂ）は図２のＩＶｂ−ＩＶｂ線における断面図である。図３に示すように、保護膜４３を介して支持部１１の主面上に導電層１２が形成されている。そしてこの導電層１２にむけて伝搬するＳＡＷを発生させる第１ＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極４１が、支持部１１の主面上に形成されている。同様に支持部１１の一主面上には、この導電層１２を通過したＳＡＷを受信する第２ＩＤＴ電極４２が形成されている。言い換えると、第１ＩＤＴ電極４１と第２ＩＤＴ電極４２とは導電層１２を挟むようにして配置されている。
【００３１】
そして、第１ＩＤＴ電極４１，第２ＩＤＴ電極４２を覆うように、支持部１１の上面は保護膜４３が形成されている。そして、カバー部材５０は、第１ＩＤＴ電極４１上に振動空間５３を設けて支持部１１の上面に接合されており、第１ＩＤＴ電極４１を振動空間５３内に密閉する。また、第２ＩＤＴ電極４２上に振動空間５３を設けて支持部１１の上面に接合されており、第２ＩＤＴ電極４２を振動空間５３内に密閉する。
【００３２】
そして、この支持部１１上にカバー部材５０が配置されている。カバー部材５０は、下面（支持部１１側の面）に溝部を有し、孔５１，５２はこの溝部に連通している。そして、この溝部が導電層１２の上面に位置するように配置している。このように配置することで、カバー部材５０と支持部１１との間で検体溶液が通る流路４５を形成する。すなわち、導電層１２は流路４５の内壁の一部を形成し、流路４５内に露出している。なお、振動空間５３は、流路４５と同様に、カバー部材５０の下面に溝を形成して構成してもよいし、別材料のキャップを用いて構成してもよい。
【００３３】
この例では、導電層１２と第１ＩＤＴ電極４１，第２ＩＤＴ電極４２との組み合わせを２組設けている。このような構成により、複数の検査項目に対応したり、一方をレファレ
ンスとして精度の高い測定を行なったりすることができる。
【００３４】
ＳＡＷを利用したセンサ装置１００Ａにおいて検体溶液の検出を行うには、まず、第１ＩＤＴ電極４１に、外部の測定器から所定の電圧を印加する。そうすると、第１ＩＤＴ電極４１の形成領域において支持部１１の表面が励振され、所定の周波数を有するＳＡＷが発生する。発生したＳＡＷはその１部が導電層１２に向かって伝搬し、導電部１２を通過した後、第２ＩＤＴ電極４２に到達する。ここで、導電部１２では、詳細については後述するように、検体溶液に標的とする物質が含まれている場合には、それに起因した変化が反応部３０に生じる。この結果、導電層１２の下を通過するＳＡＷの位相などの特性が変化する。このように特性が変化したＳＡＷが第２ＩＤＴ電極４２に到達すると、それに応じた電圧が第２ＩＤＴ電極４２に生じる。この電圧が外部に出力され、それを外部の測定器で読み取ることによって検体溶液の性質や成分を調べることができる。
【００３５】
検体溶液を導電層１２に誘導させるためにセンサ装置１００Ａでは毛細管現象を利用する。具体的には、カバー部材５０が支持部１１と接合されることによって、カバー部材５０の下面に形成された溝の部分が細長い管となるため、検体溶液の種類などを考慮して溝の幅あるいは径などを所定の値に設定することによって溝により形成される細長い管となった流路４５に毛細管現象を生じさせることができる。溝の幅は、例えば、０．５ｍｍ〜３ｍｍであり、深さは、例えば、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。検体溶液が流路４５内に入ってくると流路４５内に存在していた空気は孔５２から外部へ放出される。
【００３６】
このような毛細管現象を生じる管（流路４５）を形成しておくことによって、孔５１に検体溶液を接触させれば検体溶液が溝１５を流路４５としてカバー部材５０の内部に吸い込まれていく。よってセンサ装置１００Ａによれば、それ自体が検体溶液の吸引機構を備えているため、ピペットなどの器具を使用することなく検体溶液の吸引を行うことができる。
【００３７】
このような構成とすることで、ＳＡＷを用いたセンサ装置１００Ａを実現することができる。
【００３８】
（センサ装置１００Ａを用いた測定方法）
上述のようなセンサ装置１００Ａを用いて検体溶液中の標的を測定する方法について、皮膚や唾液に含まれる８−ＯＨｄＧを検出する例を用いて説明する。
【００３９】
まず検体溶液を準備する。例えば皮膚にテープを付着させ皮膚組織の一部を採取する。そして、皮膚組織を溶解させるとともに、予め定めた一定量の８−ＯＨｄＧ抗体を添加する。ここで８−ＯＨｄＧ抗体の量は、例えばセンサ装置１００Ａの反応部３０として導電層１２に固定化されている８−ＯＨｄＧの量と同等とすればよい。このようにして準備した検体溶液内においては、皮膚中に含まれる８−ＯＨｄＧと一定量添加した８−ＯＨｄＧ抗体の一部とが抗原抗体反応により結合し、その残余分の８−ＯＨｄＧ抗体が単体で存在しているものとなる。
【００４０】
このような検体溶液を孔５１から流路４５に導入する。流路４５内に位置する導電層１２に検体溶液が到達すると、検体溶液中の８−ＯＨｄＧ抗体の残余分が反応部３０と結合する。これにより、反応部３０に結合した８−ＯＨｄＧ抗体の量に応じた質量増加が、導電層１２の下面、すなわちＳＡＷが伝搬する支持部１１表面に加わる。そして、この質量変化に応じて第２ＩＤＴ電極４２に到達するＳＡＷに位相変化が生じる。この位相変化量から皮膚組織中に存在していた８−ＯＨｄＧ量を算出することができる。
【００４１】
このように８−ＯＨｄＧのように低分子量の物質であっても、より分子量の大きい８−
ＯＨｄＧ抗体を反応部３０で結合させて間接的に測定することによって、センサ装置１００Ａで測定可能となる。
【００４２】
また、センサ装置１００Ａは支持部１１近傍部のみの質量変化を測定するものであるため、検体溶液中の８−ＯＨｄＧ及び８−ＯＨｄＧ抗体を分離する必要がない。このため簡易な測定方法とすることができる。
【００４３】
（変形例：測定方法）
８−ＯＨｄＧの検出方法としてはＳＡＷを用いた方式に限定されず、例えば目視による測定を行なってもよい。
【００４４】
例えば、ＨＲＰ（ホースラディッシュペルオキシターゼ）で標識された８−ＯＨｄＧ抗体に発色基質であるＴＭＢ（テトラメチルベンジジン）が接触し、青色の色素となる反応を利用する。
【００４５】
具体的には、まず検体溶液を準備する。例えば皮膚にテープを付着させ皮膚組織の一部を採取する。そして、皮膚組織を溶解させるとともに、予め定めた一定量の８−ＯＨｄＧ抗体とＴＭＢを添加する。８−ＯＨｄＧ抗体はＨＲＰで標識されている。ここで８−ＯＨｄＧ抗体の量は、例えばセンサ装置１００の反応部３０として導電層１２に固定化されている８−ＯＨｄＧの量と同等とすればよい。このようにして準備した検体溶液内においては、皮膚中に含まれる８−ＯＨｄＧと一定量添加した８−ＯＨｄＧ抗体の一部とが抗原抗体反応により結合し、その残余分の８−ＯＨｄＧ抗体が単体で存在しているものとなる。
【００４６】
この検体溶液が反応部３０と接触すると青色に発色した残余分の８−ＯＨｄＧ抗体が結合し、反応量を目視で確認することができる。
【００４７】
（変形例：反応部）
上述の例では反応部３０として、抗原である８−ＯＨｄＧを用いた例について説明したが、この例に限定されるものではない。例えば、標的は抗原である場合、反応部３０として直接抗体を用いてもよい。例えば、反応部３０として核酸やペプチドからなるアプタマーを用いることができる。なお、核酸とは、例えば、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏ  Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ）やＲＮＡ（Ｒｉｂｏ  Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ）、ＰＮＡ（Ｐｅｐｔｉｄｅ  Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ）を指す。
【００４８】
また、標的自体と直接反応するものでなくてもよい。例えば、標的の存在下で生じる副生成物と反応または吸着するものであってもよいし、標的または副生成物の存在下で反応部３０が構造変化したり、反応部３０の一部を分解させて放出したりするものであってもよい。
【００４９】
（変形例：台座部）
上述の例では台座部１０として導電層１２を含むものとしているが、導電層１２は必須ではない。導電層１２に代えて、無機材料からなる下地層としてもよい。この場合には、下地層を構成する無機材料と選択的に結合する機能性ペプチドをフェリチン２１に付加させることでフェリチン２１を配列させてもよい。逆に、下地層にカルボキシル基等のアミノ酸と結合可能な反応基を修飾させ、フェリチン２１を配列させたり、別基板に配列させたフェリチン２１からなる層を下地層に接触させることで下地層に転写して自己集積単分子膜２０を配置させたりしてもよい。また、台座部１０のエッジに沿った吸着を促してもよい。なお、下地層としては樹脂材料等も利用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０・・・台座部
１１・・・支持体
１２・・・導電層
２０・・・自己集積単分子膜
２１・・・フェリチン
３０・・・反応部
４１・・・第１ＩＤＴ電極
４２・・・第２ＩＤＴ電極
【図１】
2014130040.tif 000003
【図２】
2014130040.tif 000004
【図３】
2014130040.tif 000005
【図４】
2014130040.tif 000006