(57)【要約】【課題】液の乾燥によるプローブの機能低下を防ぎ、長期にわたるターゲットの検出能、検出精度の維持が可能なセンサ、試薬、プローブ分子の製造方法、センサの製造方法、ポリマー分子の製造方法を提供すること。【解決手段】センサは、イオン液体と、前記イオン液体中で特定の物質と選択的に会合するプローブ分子と、前記プローブ分子が前記特定の物質と会合したことを検出するセンサ素子と、を備えている。【選択図】図１
2019041626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン液体と、
前記イオン液体中で特定の物質と選択的に会合するプローブ分子と、
前記プローブ分子が前記特定の物質と会合したことを検出するセンサ素子と、
を備えたセンサ。
【請求項２】
前記プローブ分子は、抗体、アプタマー、ペプチドアプタマー、酵素、および分子インプリント高分子からなる群から選択された少なくとも１つを含む請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記センサ素子の表面を基準にして、前記イオン液体の液面高さは、前記プローブ分子の上端高さよりも高い請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
イオン液体と、
前記イオン液体中で特定の化学反応を促進する触媒分子と、
前記化学反応によって増減する化学物質と電荷との少なくともいずれかを検出するセンサ素子と、
を備えたセンサ。
【請求項５】
前記センサ素子は、電荷検出素子、表面プラズモン共鳴素子、SAW（Surface Acoustic Wave）素子、FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）素子、QCM（Quartz Crystal Microbalance）素子、または、MEMS（Micro Electro Mechanical System）カンチレバー素子である請求項１〜４のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項６】
前記電荷検出素子は、グラフェンまたはカーボンナノチューブを含む請求項５記載のセンサ。
【請求項７】
イオン液体と、
前記イオン液体中で特定の物質と選択的に会合する第１のプローブ分子と、
第１の蛍光色素と、
第２の蛍光色素とクエンチャーのいずれかと、
を備え、
記第１のプローブ分子が前記特定の物質と会合することにより、前記第１の蛍光色素と、第２の蛍光色素とクエンチャーのいずれかと、の距離が変わり、共鳴エネルギー移動による蛍光強度の変化が生じる試薬。
【請求項８】
前記第１の蛍光色素と、前記第２の蛍光色素とクエンチャーのいずれかと、が前記第１のプローブ分子に結合している請求項７記載の試薬。
【請求項９】
前記特定の物質において前記第１のプローブ分子が会合する箇所とは異なる箇所に前記イオン液体中で会合する第２のプローブ分子をさらに備え、
前記第１の蛍光色素が前記第１のプローブ分子に結合しており、
前記第２の蛍光色素と前記クエンチャーのいずれかが、前記第２のプローブ分子に結合しており、
前記第１のプローブ分子と前記第２のプローブ分子が前記特定の物質と会合することによって、前記第２の蛍光色素と前記クエンチャーのいずれかと、前記第１の蛍光色素とが近接する請求項７記載の試薬。
【請求項１０】
前記イオン液体中で前記第１のプローブ分子と会合する第２のプローブ分子をさらに備え、
前記第１の蛍光色素が、前記第１のプローブ分子と前記第２のプローブ分子のうちの一方に結合しており、
前記第２の蛍光色素と前記クエンチャーのいずれかが、前記第１のプローブ分子と前記第２のプローブ分子のうちの他方に結合しており、
前記第１のプローブ分子が前記特定の物質と会合することにより、前記第１のプローブ分子と前記第２のプローブ分子が解離し、前記第２の蛍光色素と前記クエンチャーのいずれかと、前記第１の蛍光色素との距離が離れる請求項７記載の試薬。
【請求項１１】
異なる塩基配列を持った複数の核酸を、特定の物質とともにイオン液体中で混合し、
前記特定の物質と会合した核酸を選択・分収した後、水溶液中で増幅させることによって、前記特定の物質とイオン液体中で会合するアプタマーを得るプローブ分子の製造方法。
【請求項１２】
前記した水溶液中で増幅させた後、再び前記特定の物質とともにイオン液体中で混合し、前記特定の物質と会合した核酸を選択・分収し、水溶液中で増幅させる工程を繰り返すことによって、前記特定の物質とイオン液体中で会合するアプタマーを得る請求項１１記載のプローブ分子の製造方法。
【請求項１３】
PCR（Polymerase Chain Reaction）法、またはLAMP（Loop-Mediated Isothermal Amplification）法で、前記核酸を増幅させる請求項１１または１２に記載のプローブ分子の製造方法。
【請求項１４】
前記特定の物質を固定したカラムを用いて、前記イオン液体中で当該特定の物質と会合した核酸を分収する請求項１１〜１３のいずれか１つに記載のプローブ分子の製造方法。
【請求項１５】
前記特定の物質と前記核酸との会合物をキャピラリ―電気泳動を用いて分収する請求項１１〜１３のいずれか１つに記載のプローブ分子の製造方法。
【請求項１６】
前記核酸がDNAである請求項１１〜１５のいずれか１つに記載のプローブ分子の製造方法。
【請求項１７】
前記核酸がRNAであって、前記核酸の増幅の前に逆転写と、前記増幅の後に転写と、を行う請求項１１〜１５のいずれか１つに記載のプローブ分子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１１〜請求項１７のいずれか１つに記載のプローブ分子の製造方法によって製造されたプローブ分子と、イオン液体と、センサ素子とを備えたセンサを製造する工程を有するセンサの製造方法。
【請求項１９】
異なる塩基配列を持った複数のmRNA（messenger RNA）からリボソームを用いて異なるアミノ酸配列を持ったポリペプチドを合成し、
前記mRNAと前記リボソームと前記ポリペプチドとが分離していない複合体をイオン液体中へ特定の物質とともに混合し、
前記特定の物質とポリペプチド部で会合した複合体を選択・分収した後、mRNAを取り出してDNAに逆転写し、PCR（Polymerase Chain Reaction）法、またはLAMP（Loop-Mediated Isothermal Amplification）法でDNAを増幅し、mRNAに転写した後、再びポリペプチドの合成、イオン液体中での前記特定の物質との混合、会合物の選択・分収、逆転写、増幅、転写の工程を繰り返した後、当該mRNAからリボソームを用いてポリペプチドを合成することによって、特定の物質と会合するペプチドアプタマーを得るプローブ分子の製造方法。
【請求項２０】
異なる塩基配列を持った複数の核酸と、異なるアミノ酸配列を持った複数のポリペプチドと、異なるパラトープを持った複数の抗体とからなる群から選択された少なくとも１種を含む複数のプローブ分子を基板上にアレイ状に固定し、
前記基板上に固定された前記複数のプローブ分子を特定の物質と共にイオン液体中に浸し、当該イオン液体中での前記複数のプローブ分子と前記特定の物質との会合能力を確認して特定のプローブ分子を選択するプローブ分子の製造方法。
【請求項２１】
特定の物質と、前記特定の物質に対してイオン液体中で会合する部位と第２の反応部位を持ったモノマー分子と、を前記イオン液体中で混合し、前記モノマー分子が前記特定の物質に会合した後、前記モノマー分子の前記第２の反応部位と結合する部位を持ち、重合してポリマーとなるポリマー前駆体分子を、前記特定の物質と前記モノマー分子との会合物上で重合させた後、前記特定の物質を除去することによって得られる特定の物質と会合するポリマー分子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、センサ、試薬、プローブ分子の製造方法、センサの製造方法、ポリマー分子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサー表面上に構築したプローブにより、ターゲット（標的物質）を検出する液相センシングデバイスにおいて、ターゲットが生体関連分子である場合は、プローブを水溶液中で保存することが望ましい。これは、液の乾燥によるプローブの破壊、劣化、機能の低下を防ぐためである。しかし、水溶液で満たされたデバイスでは、使用前の液の蒸発によって、薄い液相を維持することが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５７０７７９６号明細書
【特許文献２】米国特許第５４７５０９６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、液の乾燥によるプローブの機能低下を防ぎ、長期にわたるターゲットの検出能、検出精度の維持が可能なセンサ、試薬、プローブ分子の製造方法、センサの製造方法、ポリマー分子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態のセンサは、イオン液体と、前記イオン液体中で特定の物質と選択的に会合するプローブ分子と、前記プローブ分子が前記特定の物質と会合したことを検出するセンサ素子と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態のセンサの模式図。
【図２】（ａ）は、グラフェン膜を含むセンサ素子を用いたセンサの模式図であり、（ｂ）は、グランフェン膜とプローブ分子との結合を示す模式図。
【図３】薄膜のイオン液体を用いたセンサの模式図。
【図４】タンパク質と親和性のないイオン液体を使ったセンサの模式図。
【図５】ブロッキング剤を用いたセンサの模式図。
【図６】（ａ）はブロッキング剤を用いたセンサの模式図であり、（ｂ）は水溶液を用いたセンサのデバイ長を示す模式図。
【図７】イオン液体を用いたセンサのデバイ長を示す模式図。
【図８】アプタマー（核酸）のSELEX法による製造方法を示す模式図。
【図９】ペプチドアプタマーのツーハイブリッド法による製造方法を示す模式図。
【図１０】プローブ分子の製造方法を示す模式図。
【図１１】イオン液体中でアフィニティを示す分子インプリント高分子の製造方法を示す模式図。
【図１２】MBの原理を利用した試薬の模式図。
【図１３】FRET/BRETの原理を利用した試薬の模式図。
【図１４】FRET/BRETの原理を利用した試薬の模式図。
【図１５】イオン液体中で特定の化学反応を促進する触媒分子を備えたセンサの模式図。
【図１６】イオン液体中で特定の化学反応を促進する触媒分子を備えた特定物質除去試薬および当該試薬を搭載した特定物質除去デバイスの模式図。
【図１７】（ａ）は、イオン液体の構成イオンがプローブ分子として組み込まれたセンサの模式図であり、（ｂ）は、図１７（ａ）に用いられるイオン液体の一例の構造式。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
【０００８】
図１は、実施形態のセンサの模式図である。
【０００９】
実施形態によれば、プローブ分子３１がイオン液体６０中にあり、そのプローブ分子３１に特定の物質（標的物質）９０が会合することで、センサ素子２０で検出可能な物理量（電気、光等）が変化する。
【００１０】
センサ素子２０の表面に、プローブ分子３１がリンカー７１を介して結合している。リンカー７１は、プローブ分子３１とセンサ素子２０の表面との間の距離を調節する。リンカー７１の一方の先端にプローブ分子３１が結合している。
【００１１】
リンカー７１の他方の先端は化学修飾され、センサ素子２０の表面に化学結合または吸着している。例えば、リンカー７１の他方の先端をチオールで修飾し、そのチオールとセンサ素子２０の表面のＡｕ原子との結合によりプローブ分子３１をセンサ素子２０の表面に固定することができる。
【００１２】
センサ素子２０は、電荷検出素子、表面プラズモン共鳴素子、SAW（Surface Acoustic Wave）素子、FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）素子、QCM（Quartz Crystal Microbalance）素子、または、MEMS（Micro Electro Mechanical System）カンチレバー素子である。センサ素子２０の表面は、例えば、金（Ａｕ）、グラフェン、窒化シリコンなどで形成されている。
【００１３】
イオン液体６０は、センサ素子２０の表面およびプローブ分子３１を被覆し、プローブ分子３１を外部環境（液相または気相）から遮断している。
【００１４】
センサ素子２０の表面を基準にして、イオン液体６０の液面高さは、プローブ分子３１の上端高さよりも高い。プローブ分子３１は、イオン液体６０中にあり、イオン液体６０に接触している。
【００１５】
プローブ分子３１は、イオン液体６０中で特定の物質（標的物質）９０と選択的に（特異的に）会合する。そして、センサ素子２０は、プローブ分子３１が特定の物質（標的物質）９０と会合したことを、例えば、電気的あるいは光学的に検出する。
【００１６】
イオン液体６０は、カチオン（陽イオン）とアニオン（陰イオン）のみから構成される化合物であり、幅広い温度範囲で液体として存在する。特に、室温付近で液体状態であるものがRTIL（Room Temperature Ionic Liquid ）である。例えば、カチオンとして、イミダゾリウムカチオンを挙げることができる。例えば、アニオンとして、ＢＦ４−、ＰＦ６−を挙げることができる。
【００１７】
なお、イオン液体６０を構成するカチオン、アニオンの種類は必要に応じて選択することができる。また、イオン液体６０中に水や他の液体が含まれていても良い。
【００１８】
プローブ分子３１は、例えば、抗体、アプタマー、ペプチドアプタマー、酵素、および分子インプリント高分子からなる群から選択された少なくとも１つを含む。
【００１９】
センサ素子２０に電荷検出素子を用いる場合、例えばグラフェンまたはカーボンナノチューブを含む電荷検出素子を用いることができる。
【００２０】
図２（ａ）は、グラフェン膜２１を含むセンサ素子を用いたセンサの模式図である。
【００２１】
このセンサは、下地１０と、下地１０の上に設けられたグラフェン膜２１と、少なくとも２つの電極（第１電極５１と第２電極５２）とを有する。
【００２２】
センサは、例えば、FET（field effect transistor）構造を有する。または、センサでホイートストンブリッジ回路を形成してもよい。
【００２３】
下地１０は、基板１１と、基板１１上に設けられた下地膜１２とを有する。その下地膜１２上にグランフェン膜２１が設けられている。または、下地膜１２を設けずに、基板１１の表面にグラフェン膜２１を設けてもよい。また、基板１１には、図示せぬ回路やトランジスタが形成されていてもよい。
【００２４】
基板１１の材料として、例えば、シリコン、酸化シリコン、ガラス、高分子材料を用いることができる。下地膜１２は、例えばシリコン酸化膜やフッ素樹脂のような絶縁膜である。また、下地膜１２に、グラフェン膜２１を形成するための化学的触媒の機能をもたせることもできる。
【００２５】
下地膜１２上またはグラフェン膜２１上に、第１電極５１と第２電極５２が設けられている。第１電極５１および第２電極５２の材料は、例えば金属材料である。第１電極５１および第２電極５２の一方はドレイン電極として機能し、他方はソース電極として機能する。
【００２６】
第１電極５１と第２電極５２との間にグラフェン膜２１が設けられている。第１電極５１および第２電極５２は、グラフェン膜２１に電気的に接触している。グラフェン膜２１を通じて、第１電極５１と第２電極５２との間に電流が流れることができる。
【００２７】
グラフェン膜２１上に、側壁５５によって囲まれたウェル（または流路）５６が形成され、そのウェル５６内にイオン液体６０が溜められている。グラフェン膜２１の表面に結合したプローブ分子３１は、イオン液体６０中にある。
【００２８】
ここで、プローブ分子３１が標的物質を認識・捕獲すると、標的物質がグラフェン表面に近接するため、標的物質の持つ電荷によってグラフェンの電子状態が変わる。これを電気的に検出することにより、標的物質の存在や濃度を知ることができる。なお、図示していないが、第１電極５１と第２電極５２の表面は絶縁膜で被覆されていて、第１電極５１と第２電極５２の表面がイオン液体６０との間で直接導通が取れないようになっている。また、必要に応じてグラフェン膜２１の表面が絶縁体で被覆されていても構わない。絶縁体としては、例えばリン脂質膜などを用いることができる。
【００２９】
図２（ｂ）は、グランフェン膜２１とプローブ分子３１との結合を示す模式図である。
【００３０】
プローブ分子３１として、チオール修飾された１本鎖DNA（deoxyribonucleic acid ）が、リンカー７１を介して、アミノ修飾されたグラフェン膜２１に結合している。
【００３１】
実施形態のセンサはイオン液体６０を具備している。イオン液体６０は、電位窓が広いため、電気分解が起こる電圧が高く、センサ素子２０の電位を幅広く設定できる。
【００３２】
また、イオン液体６０の種類を選定することにより、粘度を変えることができる。例えば高粘度のイオン液体６０を用いれば、イオン液体６０を所望の位置に半固定することができる。
【００３３】
さらに、イオン液体６０は水溶液に比べて蒸気圧が低い。そのため、イオン液体６０を薄膜状に薄い液層として形成しても、乾燥せず、イオン液体６０がプローブ分子３１を被覆したウェット状態を維持できる。この際、イオン液体６０自体でウェット状態を維持することもできるし、イオン液体６０の吸湿性（気相中の湿度からの水分の捕獲）を利用して、水分を含んだイオン液体６０でプローブ分子３１を被覆することにより、ウェット状態を実現することもできる。
【００３４】
イオン液体６０の乾燥のしにくさ、または吸湿性を利用して、プローブ分子３１を常にウェット環境に保つことが可能であり、液相中でないとアフィニティ（標的物質に結合する能力）を示さないようなプローブ分子３１や、水分がないとアフィニティを示さないようなプローブ分子３１であっても用いることができる。
【００３５】
通常の水溶液の場合、例えば１ｍｍ以下のように薄くしてしまうと瞬時に乾燥してしまう。これに対して、イオン液体６０は、１ｍｍ以下さらには１μｍ以下の厚さであっても乾燥せず、薄膜の状態を維持することも可能である。
【００３６】
なお、図２（ａ）にはグラフェンFETを検出部に用いたセンサを例示したが、カーボンナノチューブFETであっても構わないし、ISFET(Ion sensitive FET)等の電荷検出素子、表面プラズモン共鳴素子、SAW（Surface Acoustic Wave）素子、FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）素子、QCM（Quartz Crystal Microbalance）素子、または、MEMS（Micro Electro Mechanical System）カンチレバー素子であっても構わない。
【００３７】
図３は、薄膜のイオン液体６０を用いたセンサの模式図である。
【００３８】
プローブ分子３１は薄膜のイオン液体６０によって被覆されている。特に粘度の高いイオン液体６０を使えば薄膜状態を維持できる。このような薄膜のイオン液体６０は気相中から効率的にガスを取り込み、VOC（Volatile Organic Compounds ）のような気相中のガスの高感度検出が可能となる。イオン液体６０表面で気相から溶け込んだVOCは、イオン液体６０が薄膜のため、瞬時にプローブ分子３１まで届き、高感度の検出ができる。イオン液体６０の薄膜中のVOCの濃度が高濃度となるため、VOCとプローブ分子３１との会合効率も高くできる。
【００３９】
また、一般にVOCは疎水性の分子が多く、水溶液には溶けにくく感度が上げにくいという課題があったが、疎水基部分の大きいイオン液体６０を使えば、さらに効率的にVOCを取り込むことができる。
【００４０】
このような薄膜イオン液体６０を使ったセンサは、空気中の極微量なガス（VOC、毒ガス、有害ガス、麻薬等の違法薬物のにおい、食品やヒトや動物のにおい、疾病を示唆する低分子化合物）をセンシングする検知器として、検疫、麻薬捜査、疾病診断、災害時の人命救助等に使用できる。
【００４１】
ちなみに、動物の嗅覚は高粘度の粘液で嗅覚受容体を被覆してウェット状態でにおい成分を検出しているが、粘液がすぐに乾燥してしまうため、常に水分を補充している。電子部品においては、常に水分を供給するということが困難なことが多いが、イオン液体６０を用いたセンサでは、水分の補充は不要である。
【００４２】
また、水溶液と混ざり合わないイオン液体６０を用いた場合、タンパク質と親和性のないイオン液体６０を使えば、酵素の侵入を防ぐことができる。
【００４３】
また、この場合、イオン液体６０を薄膜とすれば、検体水溶液中の標的物質が薄いイオン液体６０を通じてプローブ分子３１に会合することが容易となり、センシング感度を高くすることが可能となる。
【００４４】
図４は、タンパク質と親和性のないイオン液体６０を使ったセンサの模式図である。
【００４５】
このようなセンサによれば、生体液（血液、唾液、尿など）９１の検査に、アプタマーをプローブ分子３１として使うことが可能になる。
【００４６】
現状、アプタマーを生体液の検査に用いることは一般的になっていない。理由は、生体液中の核酸分解酵素（ヌクレアーゼ）によってアプタマーが分解されてしまう可能性があるため、検査結果の信憑性に疑問が残るためである。
【００４７】
これに対して、イオン液体６０でヌクレアーゼ（酵素）９２の侵入をブロッキングすれば、ヌクレアーゼ９２を含んだ生体液９１を用いた検査に対してもアプタマー（プローブ分子）３１を用いることができる。または、ヌクレアーゼがイオン液体中に入ったとしても、イオン液体中ではヌクレアーゼの酵素活性が機能しないようなイオン液体６０を使ってもよい。
【００４８】
特定の物質群に親和性を持たないイオン液体６０を用いることにより、標的とする物質以外の夾雑物に対するブロッキング剤としてイオン液体６０を機能させることが可能である。プローブ分子３１を失活させるような夾雑物や毒物の侵入を阻害することにより、センサの誤動作を防ぐことができる。
【００４９】
また、特定の物質群に親和性を持たないイオン液体６０を用いることにより、標的物質に対する特異性を高めることもできる。イオン液体６０と親和性のない物質の侵入をイオン液体６０で抑えつつ、プローブ分子３１で標的物質を選別することができる。この場合、イオン液体６０の親和性とプローブ分子３１の基質特異性で二重に標的物質が選別されるため、特異性が高まる。その結果、基質特異性が比較的小さいプローブ分子３１、例えば嗅覚レセプタ、レクチン、ペプチドオリゴマーなどを用いた場合でも基質特異性を高めることが可能となる。また、イオン液体６０とプローブ分子３１の組み合わせを変えることにより、基質特異性のバリエーションを広げることもできる。
【００５０】
特定の物質群に対してブロッキング機能をもつイオン液体６０の層を厚くすることによって、夾雑物がプローブ分子３１に近接することを防ぐこともできる。
【００５１】
通常、図５（ａ）に示すように、ブロッキング剤９３は、プローブ分子３１よりも厚く（高く）センサ素子２０の表面上に構築することが多い。このようなブロッキング剤９３は、標的物質とプローブ分子３１の会合も阻害し、感度を落としてしまうおそれがあった。標的物質と親和性があり、かつ夾雑物と親和性がないイオン液体６０を用いれば、感度は落とさないまま、夾雑物のプローブ分子３１への近接を抑止することができる。その結果、SN比を高めることができる。
【００５２】
さらに、図５（ｂ）に示すように、イオン液体６０中のセンサ素子２０の表面を、プローブ分子３１高さよりも薄いブロッキング剤（ブロッキング膜）９３で被覆することも可能である。このような薄膜のブロッキング剤９３を用いた場合には、イオン液体６０を使わなくても、図６（ａ）に示すように、感度を落とすことなく、水溶液６５中の夾雑物による非特異吸着を防止することができ、SN比を高めることができるが、イオン液体６０を使った場合には、イオン液体６０での夾雑物のブロックとブロッキング剤６３での夾雑物の非特異吸着の防止の二重の効果が得られるため、よりSN比を高めることができる。
【００５３】
イオン液体６０を選定することにより、電気二重層の厚さ、すなわちデバイ長を変えることができる。イオン液体６０の中には、例えば、PNAS June 11, 2013 vol.110 no.24 9679に記載されているように、水溶液よりもデバイ長が厚くなるものがある。
【００５４】
プローブ分子３１が標的物質を捕獲したことを電荷として検出するためには、デバイ長の内側（範囲内）に標的物質が近接することが必要である。これは、デバイ長Ｄの外側の電荷の変位は、図６（ｂ）に示すように、電気二重層によって遮蔽されてしまうため、センサ素子２０から見えなくなってしまうためである。
【００５５】
図７に示すようにイオン液体６０を用いると、水溶液６５を用いた図６（ｂ）の場合よりも、デバイ長Ｄを厚くすることができ、例えば、断片化していないIgG抗体や酵素のような巨大分子をプローブ分子３１に用いることが可能となる。
【００５６】
図８は、イオン液体６０中でアフィニティを示すプローブ分子３１として、アプタマー（核酸）のSELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment)法による製造方法を示す模式図である。
【００５７】
異なる塩基配列を持った複数の核酸を、特定の物質（ターゲット）とともにイオン液体６０中で混合し、イオン液体６０中での特定の物質と会合能力の高い核酸を選択・分収した後、その核酸を水溶液中でPCR（Polymerase Chain Reaction）法を用いて増幅させる。イオン液体６０中において特定の物質に対する結合強度の高い核酸だけを濃縮できる。このような過程を繰り返すことで、イオン液体６０中で特定の物質に最も強く結合する核酸アプタマーを見いだすことができる。
【００５８】
なお、上記例では、核酸の増幅をPCR法を用いて行っているが、その他の増幅方法、例えばLAMP（Loop-Mediated Isothermal Amplification）法を用いて行っても構わない。
【００５９】
また、図８ではカラムを用いてターゲットに結合した核酸を捕集しているが、ターゲットと結合した核酸と、結合していない核酸の電荷の違いを利用して、キャピラリ―電気泳動で分離するCE-SELEX（Capillary Electrophoresis Systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichment）法を用いることも可能である。この場合、イオン液体６０中の核酸をキャピラリ電気泳動で分離する。
【００６０】
図９は、イオン液体６０中でアフィニティを示すプローブ分子３１として、ペプチドアプタマーのツーハイブリッド法による製造方法を示す模式図である。
【００６１】
異なる塩基配列を持った複数のmRNA（messenger ribonucleic acid）からリボソームを用いて異なるアミノ酸配列を持ったポリペプチドを合成し、それらmRNAとリボソームとポリペプチドとが分離していない状態の複合体をイオン液体６０中へ特定の物質（ターゲット）とともに混合する。
【００６２】
そして、イオン液体６０中において特定の物質と会合能力の高いポリペプチドを持った複合体を選択・分収して得られたmRNAを逆転写PCR（Polymerase Chain Reaction）法で増幅し、当該mRNAからリボソームを用いてポリペプチドを合成する。
【００６３】
図１０は、イオン液体６０中でアフィニティを示すプローブ分子３１の製造方法を示す模式図である。
【００６４】
異なるアミノ酸配列を持った複数のポリペプチドからなる複数のプローブ分子３１を、基板５上にアレイ状に固定する。
【００６５】
そして、基板５上に固定された複数のプローブ分子３１を特定の物質と共にイオン液体６０中に浸し、当該イオン液体６０中での複数のプローブ分子３１と特定の物質との会合能力を確認して特定のプローブ分子を選択する。
【００６６】
基板５上にアレイ状に固定された複数のプローブ分子３１は、異なる塩基配列を持った複数の核酸や、異なるパラトープを持った複数の抗体のいずれかであっても良い。
【００６７】
図１１（ａ）〜（ｄ）は、イオン液体６０中でアフィニティを示す分子インプリント高分子の製造方法を示す模式図である。
【００６８】
図１１（ａ）に示すように、鋳型とする標的物質１５０と、モノマー分子１６１とをイオン液体６０中で混合する。モノマー分子１６１は、標的物質１５０の特徴的な部分に結合あるいは会合する部位１６１ａを持っていて、標的物質１５０と結合あるいは会合する（図１１（ｂ））。なお、ここでは便宜上モノマー分子を１６１、会合部位を１６１ａ、１６１ｂと共通の番号で説明しているが、モノマー分子も会合部位も複数の種類があっても構わない。
【００６９】
次に、鋳型標的物質１５０とモノマー分子１６１の会合体１７０を、図１１（ｃ）に示すように、ポリマー１８０で被覆し、重合させる。モノマー分子１６１は、ポリマー１８０と結合する部位１６１ｂにより、ポリマー１８０と結合して固定される。
【００７０】
その後、モノマー分子１６１は残したまま、鋳型標的物質１５０を抽出除去することにより、標的物質１５０がすっぽりと収まるような空隙１９０を持ったポリマー１８０が得られる（図１１（ｄ））。この空隙１９０の内側には、標的物質１５０の特徴的な部分と結合あるいは会合できるモノマー分子１６１が、まさにそこに対応する位置に存在するため、鋳型とした標的物質１５０と同じ物質に対し、極めて特異的に（選択的に）結合あるいは会合する。
【００７１】
なお、上記に記載した例においては、イオン液体中でアフィニティを示すプローブ分子を選別あるいは製造する方法を示したが、通常の水溶液中でアフィニティを示すプローブ分子をイオン液体中で用いることも可能である。
【００７２】
その際、水分が必要な場合には、イオン液体として吸湿性の高いものを用いることができる。
【００７３】
なお、前記イオン液体中でアフィニティを示すプローブ分子を選別あるいは製造する場合においても、吸湿性のあるイオン液体を用いて、吸湿したイオン液体中でアフィニティを示すプローブ分子を選別あるいは製造しても構わない。
【００７４】
次に、イオン液体６０を用いた実施形態の試薬について説明する。
【００７５】
試薬の一例として、Fluorescence resonance energy transfer (FRET), Bioluminescence resonance energy transfer (BRET), Molecular Beacon (MB)の原理を利用した蛍光試薬を挙げることができる。
【００７６】
図１２は、MBの原理を利用した試薬の模式図である。
【００７７】
この試薬は、イオン液体と、そのイオン液体中で特定の物質と選択的に会合するプローブ分子１０１と、第１の蛍光色素１２１と、第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２２と、を備えている。
【００７８】
プローブ分子１０１は、例えばstem-loop (hairpin loop)構造を取った核酸である。その核酸の鎖の一方の末端に第１の蛍光色素１２１が結合し、他方の末端に第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２２が結合している。
【００７９】
第１の蛍光色素１２１の発光波長は、第２の蛍光色素１２２の発光波長よりも短い。第２の蛍光色素１２２の発光波長が可視光域よりも長い場合には、第２の蛍光色素１２２の発光は見えないため、クエンチャーとなる。あるいは光ではなくて熱等の他のエネルギーを放散するダーククエンチャを用いても構わない。
【００８０】
第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２２が、第１の蛍光色素１２１に近接すると共鳴エネルギー移動が起こり、第１の蛍光色素１２１の蛍光強度が低下する。一方、第２の蛍光色素１２２が可視光域の発光特性を持っている場合、第１の蛍光色素１２１の励起光で第２の蛍光色素１２２が励起しない場合であっても、第１の蛍光色素１２１から第２の蛍光色素１２２に共鳴エネルギー移動が起こるため、第２の蛍光色素１２２が発光する。また、プローブ分子１０１が特定の物質と会合することによる構造変化によって、第１の蛍光色素１２１と、第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２２との距離が変化する。
【００８１】
イオン液体中に特定の物質としてターゲット遺伝子１４１が存在すると、核酸（プローブ分子）１０１はターゲット遺伝子１４１と結合し、ループ構造ではなくなり、鎖の両末端が離れる。
【００８２】
ここで、鎖の一方の末端に第１の蛍光色素１２１が結合していて、他方の末端にクエンチャー（消光基）１２２が結合している場合、ターゲット遺伝子１４１の結合により、第１の蛍光色素１２１とクエンチャー１２２の距離が大きくなり、共鳴エネルギー移動がなくなるため、第１の蛍光色素１２１の発光強度が向上する。
【００８３】
一方、鎖の両末端に第１の蛍光色素１２１と第２の蛍光色素１２２が結合している場合、ターゲット遺伝子１４１の結合により、第１の蛍光色素１２１と第２の蛍光色素１２２の距離が大きくなり、共鳴エネルギー移動がなくなるため、第１の蛍光色素１２１の発光強度が向上するとともに、第２の蛍光色素１２２からの発光が消光する。
【００８４】
図１３は、FRET/BRETの原理を利用した試薬の模式図である。
【００８５】
この試薬は、イオン液体と、そのイオン液体中で特定の物質（標的物質）１４２と選択的に会合する第１のプローブ分子（抗体等）１０２と、第１の蛍光色素１２３と、特定の物質１４２において第１のプローブ分子１０２が会合する箇所とは異なる箇所にイオン液体中で会合する第２のプローブ分子（抗体等）１０３と、第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２４と、を備えている。
【００８６】
第１の蛍光色素１２３の発光波長は、第２の蛍光色素１２４の発光波長よりも短い。第２の蛍光色素１２４の発光波長が可視光域よりも長い場合には、第２の蛍光色素１２４の発光は見えないため、クエンチャーとなる。あるいは光ではなくて熱等の他のエネルギーを放散するダーククエンチャを用いても構わない。
【００８７】
第１の蛍光色素１２３は第１のプローブ分子１０２に結合しており、第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２４は第２のプローブ分子１０３に結合している。第１のプローブ分子１０２と第２のプローブ分子１０３が特定の物質１４２と会合することによって、第１の蛍光色素１２３と、第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２４とが近接する。第１の蛍光色素１２３と、第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２４との近接による共鳴エネルギー移動によって、第１の蛍光色素１２３の蛍光強度が低下する。
【００８８】
第２のプローブ分子１０３にクエンチャー１２４が結合している場合、第１のプローブ分子１０２と第２のプローブ分子１０３が特定の物質１４２と会合することによって、第１の蛍光色素１２３とクエンチャー１２４とが近接し、第１の蛍光色素１２３の発光強度が弱くなる。クエンチャー１２４は、第１のプローブ分子１０２との距離に関わらず発光しないため、第１の蛍光色素１２３の発光強度によって、特定の物質１４２の存在や濃度を知ることができる。
【００８９】
第２のプローブ分子１０３に第２の蛍光色素１２４が結合している場合、第１のプローブ分子１０２と第２のプローブ分子１０３が特定の物質１４２と会合することによって、第１の蛍光色素１２３と第２の蛍光色素１２４とが近接し、第１の蛍光色素１２３の発光強度が弱くなるとともに、第２の蛍光色素１２４が発光する。この際、第２の蛍光色素１２４は、第１の蛍光色素１２３からの共鳴エネルギー移動によって励起されているため、第１の蛍光色素１２３を励起させる光が第２の蛍光色素１２４を励起させない場合であっても、第２の蛍光色素１２４は発光する。これにより特定の物質１４２の存在や濃度を知ることができる。
【００９０】
上記はFRETの事例であったが、第１の蛍光色素１２３の代わりに生物発光色素を用いることも可能である。この場合化学反応によって生物発光色素が励起・発光されるため、励起光を照射する必要がない。この場合においても、第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２４との間に共鳴エネルギー移動が起こる。この形態がBRETと呼ばれる。
【００９１】
図１４は、FRET/BRETの原理を利用した試薬の模式図である。
【００９２】
この試薬は、イオン液体と、そのイオン液体中で特定の物質（標的物質）１４３と選択的に会合する第１のプローブ分子（アプタマー）１０４と、第１の蛍光色素１２５と、イオン液体中で第１のプローブ分子１０４と会合する第２のプローブ分子（アプタマー）１０５と、第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２６と、を備えている。
【００９３】
第１の蛍光色素１２５の発光波長は、第２の蛍光色素１２６の発光波長よりも短い。第２の蛍光色素１２６の発光波長が可視光域よりも長い場合には、第２の蛍光色素１２６の発光は見えないため、クエンチャーとなる。あるいは光ではなくて熱等の他のエネルギーを放散するダーククエンチャを用いても構わない。
【００９４】
図１４に示す例では、第１の蛍光色素１２５が第１のプローブ分子（アプタマー）１０４の先端に結合しており、第２の蛍光色素１２６が第２のプローブ分子（アプタマー）１０５の先端に結合している。第１のプローブ分子１０４が特定の物質１４３と会合することにより、第１のプローブ分子１０４と第２のプローブ分子１０５が解離し、第１の蛍光色素１２５と第２の蛍光色素１２６との距離が離れ、第１の蛍光色素１２５の発光強度が強くなる。
【００９５】
第２のプローブ分子１０５にクエンチャー１２６が結合している場合、第１のプローブ分子１０４と第２のプローブ分子１０５が特定の物質１４３と会合することによって、第１の蛍光色素１２５とクエンチャー１２６の距離が離れるため、共鳴エネルギー移動によって発光強度が低下していた第１の蛍光色素１２５の発光強度が強くなる。クエンチャー１２６は、第１のプローブ分子１０４との距離に関わらず発光しないため、第１の蛍光色素１２５の発光強度によって、特定の物質１４３の存在や濃度を知ることができる。
【００９６】
第２のプローブ分子１０５に第２の蛍光色素１２６が結合している場合、第１のプローブ分子１０４と第２のプローブ分子１０５が特定の物質１４３と会合することによって、第１の蛍光色素１２５と第２の蛍光色素１２６との距離が離れるため、第１の蛍光色素１２５の発光強度が強くなるとともに、第２の蛍光色素１２６が消光する。これにより特定の物質１４３の存在や濃度を知ることができる。
【００９７】
上記はFRETの事例であったが、第１の蛍光色素１２５の代わりに生物発光色素を用いることも可能である。この場合化学反応によって生物発光色素が励起・発光されるため、励起光を照射する必要がない。この場合においても、第２の蛍光色素（またはクエンチャー）１２６との間に共鳴エネルギー移動が起こる。この形態がBRETと呼ばれる。
【００９８】
図１５（ａ）は、イオン液体６０中で特定の化学反応を促進する触媒分子を備えたセンサの模式図である。
【００９９】
触媒分子として、イオン液体６０中で活性を示す酵素３５がセンサ素子２０の表面上に配置されている。イオン液体６０は、センサ素子２０の表面および酵素３５を被覆し、酵素３５を外部環境（液相または気相）から遮断している。
【０１００】
イオン液体６０中での酵素反応により、基質９５は他の物質に変換される。センサ素子２０はその酵素反応によって増減するまたは生成される化学物質９７を電気的または光学的に検出する。あるいは、化学反応が酸化還元を伴うような場合には、化学反応に伴う電荷の増減を検出する。
【０１０１】
例えば、イオン液体６０は 1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムポリエチレングリコールヘキサデシルエーテルスルファトであり、酵素３５はリパーゼであり、基質９５は第二級アルコールである。
【０１０２】
なお、必要に応じて、図１５（ｂ）に示すように、補酵素９８を加えてもよい。この場合、補酵素の化学変化を電気的または光学的に検出することも可能である。あるいは酵素３５の代わりに触媒分子を用いてもよい。触媒分子としては、例えば金属や金属酸化物などを用いることができる。
【０１０３】
図１６は、イオン液体６０中で特定の化学反応を促進する酵素３５を備えた特定物質除去試薬および当該試薬を搭載した特定物質除去デバイスの模式図である。
【０１０４】
酵素３５としては、例えばホルムアルデヒド分解酵素FALDH（formaldehyde dehydrogenase）が用いられる。また、必要に応じて補酵素を用いる。FALDHの場合、ホルムアルデヒド分解反応を補助するための補酵素NAD＋（Nicotinamide Adenine Dinucleotide）が必要となるため、添加されている。これらの酵素や補酵素は、イオン液体６０中に取り囲まれており、ウェット環境を維持している。またイオン液体６０が吸湿性も持つ場合、外部環境の気相から水分を獲得し、水分を含む状態で保持されている。
【０１０５】
イオン液体６０中で、酵素３５は有害ガス（アルデヒド、アンモニア等）を無害な分子に分解する。例えばFALDHの場合、シックハウス症候群の原因となるホルムアルデヒドを酸化してギ酸に変換する。この際補酵素NAD＋が還元されてNADHになる。ギ酸の刺激臭が問題となる場合には、FDH（formate dehydrogenase）を添加する。FDHはギ酸を酸化して二酸化炭素に変換する。この際補酵素NAD＋が還元されてNADHになる。
【０１０６】
前記特定物質除去試薬をセンサ素子上に実装すれば、前記特定物質の存在や濃度を知ることができるし、また、前記化学反応の進行も知ることができる。なお、前記例では触媒材料として酵素を用いて説明したが、触媒活性を持つ化学物質であってもよく、例えば金属や金属酸化物のようなものを用いることも可能である。
【０１０７】
なお、プローブ分子として、イオン液体６０の構成イオンを用いることも可能である。
【０１０８】
図１７（ａ）は、イオン液体６０の構成イオンがプローブ分子３２として組み込まれたセンサの模式図である。  
図１７（ｂ）は、図１７（ａ）に用いられるイオン液体６０の一例の構造式である。
【０１０９】
イオン液体６０を構成するイオンがセンサ素子２０の表面に結合し、プローブ分子３２として機能する。使用するイオン液体によって標的物質を選択することができ、標的物質に合わせてプローブ分子が異なる多種類のデバイスを製造しなくてもよい。イオン液体６０の構成イオンを、センサ素子２０の表面に自己整合的に結合させることが可能である。
【０１１０】
以上説明した実施形態によれば、イオン液体を用いることにより、液の乾燥によるプローブ分子や触媒分子の機能低下を防ぎ、長期にわたる標的物質の検出能、検出精度の維持が可能となる。
【０１１１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１１２】
２０…センサ素子、２１…グラフェン膜、３１，３２，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５…プローブ分子、３５…触媒分子、６０…イオン液体、１２１，１２３，１２５…蛍光色素、１２２，１２４，１２６…蛍光色素またはクエンチャー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2019041626.tif 000011
【図１０】
2019041626.tif 000012
【図１１】
2019041626.tif 000013
【図１２】
2019041626.tif 000014
【図１３】
2019041626.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2019041626.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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