(57)【要約】【課題】簡便で確実な生体高分子の評価のためのデバイス、その製造方法、簡便で確実な生体高分子評価方法、このデバイスを使用する疾病診断装置、この評価方法を利用する疾病診断方法を提供する。【解決手段】本発明に係る生体高分子評価デバイスは、支持体と、生体高分子と特異的に結合する性質をもつ結合部と、生体高分子が結合部に結合したことを検出するための感応部と、当該感応部に振動を誘起させるための励起部と、当該感応部の振動を信号として取り出すための検出部とを有し、当該結合部が当該感応部の表面に結合しており、当該励起部が、当該感応部の下の支持体上に設けられている。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、
生体高分子と特異的に結合する性質をもつ結合部と、
生体高分子が結合部に結合したことを検出するための感応部と、
当該感応部に振動を誘起させるための励起部と、
当該感応部の振動を信号として取り出すための検出部と
を有し、
当該結合部が当該感応部の表面に結合しており、
当該励起部が、当該感応部の下の支持体上に設けられている
生体高分子評価デバイス。
【請求項２】
当該感応部が、支持体上に立設された構造または支持体上に横設された構造を有する、請求項１に記載の生体高分子評価デバイス。
【請求項３】
前記感応部がカーボンナノチューブを含んで構成されており、前記結合部が当該カーボンナノチューブの表面に結合している、請求項１または２に記載の生体高分子評価デバイス。
【請求項４】
前記検出部が、
感応部の基部に接続されている支持体上の第１の電極と、
前記感応部に近接して形成された第２の電極と、
感応部と第２の電極との間の相関関係における変化を検出するために両電極間に設置された検出回路と
からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【請求項５】
前記結合部が、
評価対象生体高分子に対して結合し得る抗体または、
この抗体を蛋白質分解酵素で限定分解して得られる産物または、
評価対象生体高分子に対して親和性を有する有機化合物あるいは生体高分子
を含んで構成された、請求項１〜４のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体高分子を評価するためのデバイスに関し、より詳しく言えば、標識付加処理する必要なく、生体高分子を評価可能なデバイスに関する。なお、本発明においては、特に断らない限り、「生体高分子を評価する」ことには、特定または非特定の生体高分子の存在を検出すること、特定の生体高分子を識別することおよび、生体高分子のポピュレーション（存在量）を定量することとのいずれかまたはそのすべてを意味する。
【０００２】
【従来の技術】
１９９０年代に入って進められてきたヒトゲノム計画は、各国が分担してヒトの遺伝暗号をすべて解読しようとする試みであり、２０００年夏にドラフト版が完成したことが公表された。今後、機能ゲノム科学や構造ゲノム科学の進展によって、解読されたヒトゲノム配列情報の各々の箇所がどのような機能に係わっているかが明らかにされていくものと予想される。
【０００３】
このヒトゲノム計画は、ライフサイエンスに係わりを持つ科学技術並びに産業に対して、大きなパラダイムの変化をもたらした。たとえば糖尿病は、血糖値が高くなるという病状に基づいて分類が行われ、発症の原因としては患者の体内でインシュリン産成能がどの程度あるかに基づいてＩ型、ＩＩ型のような分類が行われてきた。
【０００４】
一方、ヒトゲノム計画によれば、血糖とインシュリンとの検出、合成、分解などの調節に係わっている酵素やレセプターなどの蛋白質のアミノ酸配列構造、ならびにそのような蛋白質の存在量の制御に係わっている遺伝子のＤＮＡ配列の情報がすべて我々に提示される。
【０００５】
このような情報を使うと、血糖値の調節が正常に行われないという現象としての糖尿病は、検出、合成、分解などの一連の処理に係わるそれぞれの蛋白質のどれが不調なのかによって、サブタイプに分類でき、それによって適切な診断と治療とを行うことが可能になるはずである。
【０００６】
特に、ヒトゲノム配列に基づいて特定の蛋白質に対するゲノム創薬薬剤の開発が製薬業界では今後のビジネスチャンスとして精力的に進められており、一連の機能的に関わり合いのある蛋白質の状態を把握してゲノム創薬薬剤を投与し、症状の緩和や治癒を行う時代がくるものと予想される。
【０００７】
しかしながら、このような一連の機能的に関わり合いのある蛋白質の存在量を簡便に測定できる技術は、プロテオーム解析技術としてなお発展途上にある。
【０００８】
現在確立された方法として、二次元電気泳動と質量分析機との組み合わせで測定が行われているが、これには比較的大がかりな装置が必要となり、臨床の現場、たとえば病院の検査室やベッドサイドで患者の症状を把握するためには、より簡便なあらたな技術の開発が必要とされている。
【０００９】
いわゆるＤＮＡチップは、測定対象である試料中のＤＮＡをあらかじめＰＣＲ反応（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ  ｃｈａｉｎ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）によって増幅（増量）する際に蛍光色素団を導入し、チップにアレイ状に配した相補ＤＮＡ鎖と結合した試料中のＤＮＡ量を蛍光強度によって定量しようとするものである。
【００１０】
これに対し、蛋白質はＤＮＡの場合のＰＣＲ反応に相当する増幅を行うことができない。また、試料中に多種類の蛋白質が混合された状態で存在する場合に、蛍光標識を一様に導入することは個々の蛋白質と色素との反応性が異なるために用いることができないという問題があった（たとえば特許文献１，２参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２５３２４０号公報（段落番号０００２〜０００５）
【００１２】
【特許文献２】
特開２００２−３６５２８８号公報（段落番号０００２，０００３）
【００１３】
【非特許文献１】
「ケミカルフィジックスレターズ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，第３２４巻，ｐ．２１３−２１６
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、簡便な生体高分子の評価のためのデバイスを提供することにある。本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、支持体と、生体高分子と特異的に結合する性質をもつ結合部と、生体高分子が結合部に結合したことを検出するための感応部と、当該感応部に振動を誘起させるための励起部と、当該感応部の振動を信号として取り出すための検出部とを有し、当該結合部が当該感応部の表面に結合しており、
当該励起部が、当該感応部の下の支持体上に設けられている生体高分子評価デバイスが提供される。本発明態様により、簡便な生体高分子の評価のためのデバイスが提供される。
【００１６】
感応部が、支持体上に立設された構造または支持体上に横設された構造を有すること、感応部が可撓性を有すること、感応部が導電性を有すること、感応部がカーボンナノチューブを含んで構成されており、結合部がカーボンナノチューブの表面に結合していること、結合部が、カーボンナノチューブの側面の化学構造欠陥部の表面または先端の表面に結合されていること、カーボンナノチューブが酸素プラズマ処理されたものであること、励起部が圧電振動素子であること、励起部の振動方向が、支持体の面方向と一致する成分を含むこと、励起部の振動方向が、前記支持体の面方向と一致する以外の成分を含むこと、検出部が、感応部の基部に接続されている支持体上の第１の電極と、前記感応部に近接して形成された第２の電極と、感応部と第２の電極との間の相関関係における変化を検出するために両電極間に設置された検出回路とからなること、その相関関係における変化が、感応部と第２の電極との間の距離の変化または感応部と第２の電極との接触の有無またはその両方であること、結合部が、評価対象生体高分子に対して結合し得る抗体または、この抗体を蛋白質分解酵素で限定分解して得られる産物または、評価対象生体高分子に対して親和性を有する有機化合物あるいは生体高分子を含んで構成されたものであること、その抗体が、評価対象生体高分子のＩｇＧ抗体であること、抗体を蛋白質分解酵素で限定分解して得られる産物が、評価対象生体高分子のＩｇＧ抗体のＦａｂフラグメントまたはその断片であること、カーボンナノチューブがシングルウオール構造を有すること、カーボンナノチューブが、ほぼ直線状の長軸を有すること、カーボンナノチューブが、直流電場下で化学蒸着法により作製されたものであること、結合部と感応部と励起部との組み合わせを１以上有してなること、その１以上の組み合わせにおいて、複数の結合部が、複数の互いに異なる生体高分子と特異的に結合するようになっていること、検出部が検出した検出結果および、評価対象生体高分子と結合部との解離定数に基づき、試料中の生体高分子の含有量を算出するデータ処理部を有することが好ましい形態である。
【００１７】
本発明の他の一態様によれば、支持体上に励起部を設け、当該励起部上に、当該励起部に電圧を印加するための第３の電極を設け、当該第３の電極上に、絶縁層を設け、当該絶縁層上に検出部の一部である第１の電極を設け、当該第１の電極上に触媒層を設け、当該触媒層上にカーボンナノチューブの一端を結合して成長させて、生体高分子が結合部に結合したことを検出するための感応部となし、当該カーボンナノチューブを酸素プラズマ処理したのち、当該カーボンナノチューブの側面の化学構造欠陥部の表面または先端の表面に生体高分子と特異的に結合する性質をもつ結合部を結合させる処理を含む生体高分子評価デバイスの製造方法が提供される。この方法により、上記生体高分子評価デバイスを好適に製造することができる。
【００１８】
上記生体高分子評価デバイスについての好ましい形態を本製造方法にも適用できることはいうまでもない。なお、触媒層の表面積により、結合部と感応部との組み合わせの数を調節することが好ましい。
【００１９】
本発明のさらに他の態様によれば、上記の生体高分子評価デバイスを使用する生体高分子評価方法であって、感応部の下にある支持体部分に振動を与えて、当該感応部を振動させ、当該感応部とその近傍にある電極との間の相関関係における変化を検出することにより、結合部と結合した生体高分子を評価する生体高分子評価方法や、感応部の表面に設けられた、生体高分子と特異的に結合する性質をもつ結合部に生体高分子が結合したことを検出するための生体高分子評価方法であって、当該感応部の下にある支持体部分に振動を与えて、当該感応部を振動させ、当該感応部と当該感応部とその近傍にある電極との間の相関関係における変化を検出することにより、当該結合部と結合した生体高分子を評価する生体高分子評価方法が提供される。後者の場合、感応部がカーボンナノチューブを含んで構成されていることが好ましい。本発明態様により、生体高分子の評価を簡便、確実に実行することができる。
【００２０】
相関関係の変化が、前記感応部とその近傍にある電極との間の距離の変化または前記感応部とその近傍にある電極との接触の有無またはその両方であること、電極が、一つで複数の感応部との間の相関関係における変化を検出すること、感応部を振動させるに際し、所定時間振動させた後、前記生体高分子を評価すること、所定の条件による所定時間の振動が、前記結合部との結合が相対的に弱い物質の脱離を行うための処理であること、結合部との結合が相対的に弱い物質が生体高分子以外の物質であること、結合部との結合が相対的に弱い物質が微小気泡であること、検出部が検出した検出結果および、評価対象生体高分子と結合部との解離定数に基づき、試料中の生体高分子の含有量を算出すること、病気の診断に使用されること、その病気が、複数の蛋白質が関与する生体反応において、少なくとも一種の蛋白質が所要量より減少または増加したことにより発症する病気であることが好ましい。
【００２１】
本発明に係るさらに他の一態様によれば、上記の生体高分子評価デバイスを備えてなる、疾病診断装置が提供される。本発明態様により、生体高分子が関与する疾病の評価を簡便、確実に実行することができる。
【００２２】
複数の蛋白質が関与する生体反応において、少なくとも一種の蛋白質が所要量より減少または増加したことにより発症する病気の有無を診断するものであることが好ましい。
【００２３】
本発明に係るさらに他の一態様によれば、上記の生体高分子評価方法を含めて疾病を診断する、疾病診断方法が提供される。本発明態様により、生体高分子が関与する疾病の評価を簡便、確実に実行することができる。
【００２４】
複数の蛋白質が関与する生体反応において、少なくとも一種の蛋白質が所要量より減少または増加したことにより発症する病気の有無を診断することが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。なお、以下の図において、同一の要素については同一の符号を付す場合がある。これらの図において、本発明に係る要素は、必ずしも同一の縮尺によるものではなく、本発明の理解を助けるため、大幅にデフォルメしてある場合がある。
【００２６】
本発明によって実現される生体高分子評価デバイスは、蛋白質の分析を目的とする場合は、いわゆるプロテインチップに該当する。たとえば糖尿病において肝細胞がインシュリンの受容状態に応じて細胞内グリコーゲン代謝を切り換える場合などに、インシュリン受容体からグリコーゲン分解酵素に至る一連の蛋白質相互作用ネットワークの一部が低下または昂進していることを捉えようとするものである。
【００２７】
本発明を利用することによって、リン酸化や糖鎖付加などのいわゆる翻訳後修飾も含めて、蛋白質のポピュレーションを捉えることが可能になる。また、本発明により、従来のように症状として現れた現象を大括りにして糖尿病と捉えるのではなく、たとえば、相互作用ネットワークに係わるある特定の蛋白質の機能低下が糖代謝の不全を起こしていることを把握できるようになり、機能不全の原因に対応した、適切な診断と治療ならびに治療結果の検証が可能になる。
【００２８】
もちろん同様の手法は、糖尿病に限らず、高血圧症、高脂血症、癌（細胞増殖制御不全）その他の多因子性疾患全般に対しても適用が可能である。
【００２９】
本発明は、評価対象生体高分子に結合し得る抗体、その誘導体等をたとえばアレイ状に配置し、評価対象生体高分子が結合することによって生じるシグナルとアレイの位置との対応関係等に基づいて、試料中における複数の生体高分子の有無、存在した場合におけるその種類および／または量（ポピュレーション）を捉えるものである。
【００３０】
本発明に係る生体高分子評価デバイスは、支持体と、生体高分子と特異的に結合する性質をもつ結合部と、生体高分子が結合部に結合したことを検出するための感応部と、感応部に振動を誘起させるための励起部と、感応部の振動を信号として取り出すための検出部とを有し、結合部が感応部の表面に結合しており、励起部が、感応部の下の支持体上に設けられている。なお、本発明において、生体高分子には、たとえば、核酸、脂質、糖、蛋白質を含めることができる。
【００３１】
支持体は、有機物、無機物等どのような材質からなっていてもよい。ガラス、シリコン、金属等を例示できる。
【００３２】
本発明に係る結合部は、生体高分子と特異的に結合する性質をもつ限りどのようなものでもよく、構造、寸法、材質等任意に選択できる。たとえば、評価対象生体高分子に対して結合し得る抗体またはこの抗体を蛋白質分解酵素で限定分解して得られる産物または評価対象生体高分子に対して親和性を有する有機化合物あるいは生体高分子を挙げることができる。
【００３３】
生体高分子に対して結合し得る抗体としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができるが、たとえば、評価対象生体高分子のＩｇＧ抗体、ＩｇＡ抗体、ＩｇＭ抗体、ＩｇＤ抗体、ＩｇＥ抗体を挙げることができる。なお、抗体は、モノクローナル抗体であってもよいし、ポリクローナル抗体であってもよいが、モノクローナル抗体であるのが好ましく、また、適宜公知の方法によって得ることができる。
【００３４】
抗体を蛋白質分解酵素で限定分解して得られる産物のより具体的な例としては、評価対象生体高分子のＩｇＧ抗体のＦａｂフラグメントまたはその断片を挙げることができる。なお、この産物は、適宜公知の方法、たとえば、抗体を酵素処理等する方法、抗体を産成するリンパ球細胞の遺伝子組換えによる方法などによって得ることができる。
【００３５】
生体高分子に対して親和性を有する有機化合物あるいは生体高分子のより具体的な例としては、核酸、蛋白質、脂質、糖、酵素の基質となる物質、アロステリック制御物質、受容体蛋白質に対するアゴニスト、アンタゴニストまたは、それらの誘導体、生体内で評価対象生体高分子と相互作用をする蛋白質、生体内で、評価対象生体高分子と複合体を形成する蛋白質などが挙げられる。なお、これらの物質は、適宜合成して得てもよいし、単離精製して得てもよい。
【００３６】
結合部は、単独で使用してもよいし、二種以上を併用してもよい。一度に複数の生体高分子を評価する場合には、異なるものを二種以上併用するのが好ましい。
【００３７】
結合部は感応部の表面に結合している。この結合は物理的結合、化学的結合等どのようなものでもよいが、化学結合としては、共有結合、配位結合、水素結合ファンデアワールス結合等を挙げることができる。このためには、結合部が、上記抗体、産物、有機化合物等を感応部と結合させるための化学結合部分を有していることが好ましい。このような化学結合部分としては、カルボキシ基（−ＣＯＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ２）、チオール基（−ＳＨ）、水酸基（−ＯＨ）、カルボニル基、アジド基およびそれらの誘導体を挙げることができる。感応部がカーボンナノチューブを含んで構成されている場合には、結合部は、カーボンナノチューブの表面に結合している。
【００３８】
生体高分子が結合部に結合したことを検出するための感応部は、支持体上に立設された構造（立ち上がった構造）または支持体上に横設された構造（横たわった構造）を有することが好ましい。感応部が振動し易いからである。
【００３９】
感応部がカーボンナノチューブを含んで構成されている場合には、この支持体上に立設された構造または支持体上に横設された構造は、カーボンナノチューブによって実現できる。ただし、このような構造は、その他のどのような手段によって実現してもよい。ポリヌクレチドを使用することも可能である。
【００４０】
なお、上記に言う立設された構造や横設された構造は、必ずしも直線状である必要はなく、一部にゆがみを有していたり、弓状になっていたり、ねじれていたり、螺旋状になっていたりしていてもよい。
【００４１】
励起部の振動により、感応部の振動が誘起される。この誘起振動を効率よく生ぜしめるためには、感応部が可撓性を有することが好ましい。可撓性を有する部分は感応部の一部であってもよい。感応部がカーボンナノチューブを含んで構成されていれば、このような可撓性を実現し易いため、好ましい。
【００４２】
本発明に係る励起部は、周波数のある電流、音波、磁気、光および機械的刺激を与えることのできる装置や部品中から任意に選択することができる。電流を利用する場合としては、クーロン力により、感応部が電極に引きつけられる現象を利用し、交流電流により感応部に振動を与えることが考えられる。音波としては超音波が好ましい。磁気の場合は、たとえば、永久磁石の回転を利用することができる。機械的刺激としては、圧電振動素子、シェーカー、振とう装置等が考えられる。
【００４３】
励起部を、感応部の下の支持体上に設けると、感応部に振動を与えることが容易になる。特に、圧電振動素子を使用すると、感応部の下の支持体上に、コンパクトに設けることが容易になるため、好ましい。なお、圧電振動素子と超音波発振装置のように複数の励起部を組み合わせて使用してもよい。その場合には、感応部の下の支持体上以外の場所にも設けることができる。
【００４４】
本発明は、励起部の振動によって生じる感応部の振動が、生体高分子が結合部に特異的に結合しているかいないかにより変化することに着目し、この変化を検出することにより、測定試料中における生体高分子を評価するものである。
【００４５】
励起部の振動の仕方により、感応部は種々の方向に振動し得る。励起部の振動が、支持体の面方向と一致している場合には、感応部の振幅方向が支持体の面方向と一致することになる。このような振動は、波形が簡単であり、後述する検出部での検出が容易になるため、好ましい。
【００４６】
なお、励起部の振動方向は、支持体の面方向と一致する複数の成分を有していてもよい。このような条件では、支持体に垂直な方向から感応部を見た場合、感応部が円運動または楕円運動をしているようになることもあり得る。
【００４７】
また、励起部の振動方向は、支持体の面方向と一致する以外の成分を有していてもよい。従って、一つの感応部に対して圧電振動素子等が複数存在していてもよい。
【００４８】
特定または非特定の生体高分子の存在の有無は、本発明に係る生体高分子評価デバイスに試料を接触させる前後の検出振動の変化の有無で検出することができる。特定の生体高分子の識別や生体高分子の定量は、たとえば、あらかじめ既知の生体高分子における振動特性（振動数、波形、振幅等）または電気的特性（抵抗値、インピーダンス等）を測定しておき、それらと比較することにより可能となる。
【００４９】
感応部の振動を信号として取り出すための検出部は、感応部の振動を検出できるものであればどのようなものでもよい。
【００５０】
また、たとえば、上記のカーボンナノチューブを使用した場合のように、感応部が、半導体レベルの導電性を含めて少しでも導電性を有する場合には、検出部を、感応部の基部に接続されている支持体上の第１の電極と、感応部に近接して形成された第２の電極と、感応部の振動を感応部と第２の電極との間の相関関係における変化として検出するために両電極間に設置された検出回路とから構成することが好ましい。ここで、感応部と第２の電極との間の相関関係における変化としては、どのようなものでもよいが、感応部と第２の電極との間の距離の変化または感応部と第２の電極との接触の有無またはその両方を挙げることができる。
【００５１】
この場合の検出回路も、感応部と第２の電極との間の相関関係における変化を検出できる限りどのようなものでもよい。感応部と第２の電極との間の距離の変化や感応部と第２の電極との接触の有無の場合は、たとえば第２の電極と第１の電極との間に電圧を印加した際における、第１の電極と第２の電極との間を流れる電流変化を検出する回路を例示することができる。電圧は交流電圧でも直流電圧でもよい。なお、感応部は、そのすべてが導電性等を有する必要はなく、一部であってもよい。
【００５２】
また、検出部には、検出した検出結果および、評価対象生体高分子と結合部との解離定数に基づき、試料中の生体高分子の含有量を算出するデータ処理部を付設することが好ましい。通常生体高分子は結合部との結合に際し、結合と解離との間に所定の解離定数を有する。そこで、この解離定数を加味した補正を行うと定量精度を向上できるからである。なお、解離定数はあらかじめ実験等で求めることができる。このデータ処理部としては特に制限はなく、本願発明の目的に適う限り、どのようなものでも使用できる。パーソナルコンピュータを利用するのが簡便で好ましい。
【００５３】
本発明に係るカーボンナノチューブは、上述したように直線状でもその他の形状のものでもよいが、振動の制御のしやすさからは直線状のものが好ましい。チューブの直径は０．４〜１０ｎｍが好ましい。１〜１．２ｎｍ程度のものが一般的である。チューブの長さは５ｎｍ〜数百μｍのものが好ましい。
【００５４】
このようなカーボンナノチューブは、たとえば、直流電場下で化学蒸着法（ＣＶＤ）により作製することができる。また、陽極処理されたアルミナよりなるほぼ直線状の空洞部を有する構造体を用いて、直流電場下で化学蒸着法により作製することができる。このようにして作製されたカーボンナノチューブは、シングルウオール構造を有し、ほぼ直線状の長軸を有するようにすることができる。
【００５５】
感応部がカーボンナノチューブを含んで構成されている場合、結合部は、カーボンナノチューブの側面の化学構造欠陥部の表面または先端の表面にあるダングリングボンドと結合させるのが実用的に好ましい。特にカーボンナノチューブの側面の化学構造欠陥部の表面や先端の表面を、酸素プラズマ処理しておくと、結合部との結合が容易になり、好ましい。なお、カーボンナノチューブの側面の化学構造欠陥部数は複数存在する（たとえば、非特許文献１参照。）。従って、一つの感応部が複数の結合部を有する場合もあり得る。一つの感応部にいくつの結合部を設けるかは、酸素プラズマ処理等の条件や感応部と結合させる際の結合部を形成する材料の量等の条件により制御することが可能である。
【００５６】
具体的には、たとえば、酸素プラズマ雰囲気下でカーボンナノチューブを処理した後、上記結合部を形成する材料（たとえば上記抗体）の水溶液をカーボンナノチューブに向けて噴霧することにより、断熱膨張によりその水溶液を凍結させて、結合部を形成する材料の乾燥体を生成し、この乾燥体をカーボンナノチューブに供給し、乾燥体をカーボンナノチューブの先端等に結合させることができる。なお、このような水溶液としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができるが、たとえば、炭酸アンモニウムｐＨ緩衝液（ｐＨ７）などが好適に挙げられる。
【００５７】
カーボンナノチューブは、炭素六原子による芳香環が連続したチューブ構造を有するが、その側面の化学構造欠陥部や先端部分に炭素の五員環等を含んでいる。カーボンナノチューブを酸素プラズマ雰囲気下で処理したり、アルゴンプラズマ等を利用したミリングプロセスで処理すると、この部分が開裂する等してダングリングボンドが生成する。そこに、結合部を形成する材料を噴霧し、反応させると、結合部を形成する材料がダングリングボンドに効率良く化学結合する。この手法によれば、カーボンナノチューブの側面の化学構造欠陥部や先端の表面に所望の材料を容易にかつ簡便に、しかも効率よく化学結合させることができる。
【００５８】
本発明に係る生体高分子評価デバイスは、結合部と感応部と励起部との組み合わせが一つの場合に限られず、組み合わせを複数有してなる場合も含まれる。この場合、上記複数の組み合わせに対して、一つの検出部で対応するようにすることも可能である。たとえば、結合部と感応部と励起部との複数の組み合わせについて、同種の生体高分子と特異的に結合した結合部が属する、結合部と感応部と励起部との複数の組み合わせを纏めて一つの支持体上に設け、これに対し一つの検出部で対応するようにする場合である。なお、一つの触媒層上に、複数のカーボンナノチューブを設ける場合のように、結合部と感応部との複数の組み合わせが一つの励起部に対応する場合もある。一つの触媒層の表面積により、結合部と感応部との組み合わせの数を調節することが可能である。
【００５９】
また、複数の検出部で対応するようにすることも可能である。たとえば複数の上記組み合わせにおいて、複数の結合部が、複数の互いに異なる生体高分子と特異的に結合するようになっているときに、同種の生体高分子と特異的に結合した結合部が属する、結合部と感応部と励起部との組み合わせを纏めてそれぞれ一つの支持体上に設け、それらに対して別々の検出部で対応するようにする場合である。
【００６０】
本発明に係る生体高分子評価デバイスは、支持体上に励起部を設け、励起部上に、励起部に電圧を印加するための第３の電極を設け、第３の電極上に、絶縁層を設け、絶縁層上に上記検出部の一部である第１の電極を設け、第１の電極上に触媒層を設け、触媒層上にカーボンナノチューブの一端を結合して成長させて感応部となし、カーボンナノチューブを酸素プラズマ処理したのち、カーボンナノチューブの側面の化学構造欠陥部の表面または先端の表面に生体高分子と特異的に結合する性質をもつ結合部とを結合させる処理を含む方法で作製することが可能である。本方法における、励起部、圧電振動素子、検出部、結合部、感応部、振動のモード等に関する特徴は、上記生体高分子評価デバイスに関する特徴と同様である。なお、上記第３の電極と励起部に接続された他の電極（第４の電極）とで励起部に電圧を印加する。
【００６１】
本デバイスの態様から、一般的に、感応部の表面に設けられた、生体高分子と特異的に結合する性質をもつ結合部に生体高分子が結合したことを検出するための生体高分子評価方法であって、感応部の下にある支持体部分に振動を与えて、当該感応部を振動させ、感応部の振動を、感応部とその近傍にある電極との間の相関関係における変化として検出することにより、当該結合部と結合した生体高分子を評価する生体高分子評価方法が有用であることが理解される。特に感応部がカーボンナノチューブを含んで構成されていることが好ましい。
【００６２】
この相関関係の変化として、感応部とその近傍にある電極との間の距離の変化または感応部とその近傍にある電極との接触の有無を使用することが実際的である。なお、本発明において「感応部の近傍にある」かどうかは振動が適切に検出されるかどうかで判断することができる。
【００６３】
この生体高分子評価方法には、本発明に係る生体高分子評価デバイスを好適に適用できることは言うまでもない。その際、上記電極が、一つで複数の感応部との間の相関関係における変化を検出するようになっていると、一つの支持体上に複数の結合部と感応部と励起部との組み合わせを設け、これら複数の組み合わせの全体的な振動変化を検出することが可能となる。
【００６４】
感応部を振動させるに際し、所定時間振動させた後、前記生体高分子を評価することが好ましい。この所定の条件による所定時間の振動が、結合部との結合が相対的に弱い物質の脱離を行うための処理であることが好ましい。具体的には、生体高分子以外の物質や微小気泡を例示することができる。これらは生体高分子の評価の際に共存しやすく、評価精度の低下原因となり得る一方、結合部との結合が相対的に弱く、振動モード等の適当な振動条件を選択することにより脱離させることが比較的容易であるからである。
【００６５】
なお、検出部が検出した検出結果および、評価対象生体高分子と結合部との解離定数に基づき、試料中の生体高分子の含有量を算出するデータ処理部が利用可能である場合は、これを用いて精度を向上させることもできる。
【００６６】
このような生体高分子の評価に使用される試料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。たとえば、血液、血清、リンパ液、唾液等の生体液、消化物、尿等の排泄液、反応液、精製液、廃液、あるいはこれらの希釈液、などが挙げられる。
【００６７】
ここで、本発明に係る生体高分子評価デバイスの構造および使用方法を図１〜１５を使用して説明する。
【００６８】
図１は、本発明に係る生体高分子評価デバイスの模式的断面図である。図１中、支持体１上には、励起部３に電圧を印加するための第４の電極２を介して、たとえば圧電振動素子である励起部３が設けられ、その上には、第４の電極２と組み合わされて励起部３に電圧を印加するための第３の電極４が設けられ、その上には絶縁体層５を介して検出部６の一部をなす第１の電極７が設けられている。支持体１が導電体である場合には、支持体１と第４の電極２との間に絶縁体層を設ける必要がある。
【００６９】
第１の電極７の上には、触媒層９が設けられ、その上にたとえばカーボンなのチューブのような感応部１０が結合している。図１では、感応部１０の先端の表面に結合部１１が設けられている。
【００７０】
第３の電極４と第４の電極２との間に、電源１５から所定の電圧を励起部３に印加し、たとえば、図１中の矢印Ｙのように、支持体１の面方向と一致する方向に励起部３を振動させることにより、感応部１０を、たとえば図１中の矢印Ｘのように振動させることができる。
【００７１】
第１の電極７の上には、触媒層９が設けられ、その上にたとえばカーボンなのチューブのような感応部１０が結合している。図１では、感応部１０の先端の表面に結合部１１が設けられている。
【００７２】
第１の電極７と組み合わされて検出部６を構成する、第２の電極１２は結合部１１の近傍に設けられている。電源１３により、第１の電極７と第２の電極１２との間に適宜電圧を印加することにより、たとえば、第２の電極１２と結合部１１との間に流れる微少電流を検出することができる。この微少電流は、感応部１０の振動に応じて、感応部１０と第２の電極１２との間の距離の変化や感応部１０と第２の電極１２との接触の有無により変化を生じる。なお、第１の電極７と第２の電極１２と電源１３とたとえば電流検出系１４とが、検出部６を構成する。図１には検出部に付設するデータ処理部１７とその校正用データストレージ１８も示されている。
【００７３】
結合部１１は感応部１０の先端表面にのみ形成されるわけではなく、図２，４のように、側部表面に形成される場合もある。なお、以下、図２〜１５は説明のための要部以外は図示を省略してある。
【００７４】
また、図１，２は、感応部が立設された状態を示すが、図３，４に示すように、感応部が横設された状態を示す場合もある。
【００７５】
なお、結合部と感応部との組み合わせは、図１〜４のようにひとつの触媒層上に一組あるとは限らない。触媒層の面積に応じて図５，６に示すように複数の組み合わせが存在する場合がある。
【００７６】
このようなデバイスは、たとえば図７のようにアレイ状に複数並べ、これら複数のデバイスを一つのデバイスとして扱うことができ、このようなデバイスも、本発明に係る生体高分子評価デバイスの範疇に属する。図７は、アレイ状に複数並べられたデバイスの集合の模式的平面図であり、個々のデバイス７１の電極（図示されていない）から周囲の電極７２へ配線７３が施された様子を示している。なお、簡略化のため、配線は、個々のデバイスについて一本のみ示してある。また図７中、下半分の図は省略してある。
【００７７】
このようなデバイスを使用して、生体高分子を評価するには、図８〜１１に示すように、生体高分子１６を含む試料液体をデバイス上に導入し、図１２〜１５に示すように、結合部１１と生体高分子１６とを特異的に結合させる。このようにすると、感応部１０の振動は生体高分子１６により影響を受ける。この変化により、特定または非特定の生体高分子の存在の検出、特定の生体高分子の識別、生体高分子の定量を実現することができる。
【００７８】
本発明に係る生体高分子評価方法は病気の診断方法の一部として使用できる。この病気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、特に、病気が、複数の蛋白質が関与する生体反応において、少なくとも一種の蛋白質が所要量より減少または増加したことにより発症する病気である場合に好適に利用できる。たとえば、糖尿病、高血圧症、高脂血症、ガン、その他の多因性疾患などが好適に挙げられる。
【００７９】
本発明の疾病診断装置は、上記生体高分子評価デバイスを備えてなり、更に必要に応じて適宜選択したその他の機番等を備えてなる。
【００８０】
本発明の疾病診断装置においては、疾病の原因、マーカー等となる生体高分子を単独で評価可能になるように設計してもよく、２種以上を評価可能になるように設計してもよい。
【００８１】
本発明の疾病診断装置は、複数の蛋白質が関与する生体反応において、少なくとも一種の蛋白質が所要量より減少または増加したことにより発症する病気の有無を診断する場合に好適に使用することができる。たとえば、糖尿病、高血圧症、高脂血症、ガン、その他の多因性疾患などの診断に特に好適に使用することができる。
【００８２】
本発明に係る生体高分子評価デバイスや疾病診断装置によると、たとえば、糖尿病の診断も従来よりも詳細に行うことができる。糖尿病は、肝細胞がインシュリンの受容状態に応じて細胞内グリコーゲン代謝を切り換える場合等において、インシュリン受容体からグリコーゲン分解酵素に至る一連の蛋白質の相互作用ネットワークにおける一部ないし全部が低下または昂進した結果として発症するものであるが、本発明に係る生体高分子評価デバイスや疾病診断装置を使用することにより、上記一連の蛋白質について、リン酸化や糖鎖付加等の翻訳後修飾も含めて、その存在やポピュレーションを把握することが可能となり、糖尿病の原因となっている蛋白質を把握することができるようになる。その結果、糖尿病を、従来のように発現症状のみに基づいて大括りに診断するのではなく、機能不全または機能異常の原因蛋白質を確実に評価し、より適切な治療を行うことが可能となるような詳細な診断を行うことができるようになる。
【００８３】
【実施例】
次に本発明の実施例を詳述する。
【００８４】
［実施例１］
（１）生体高分子評価デバイスの作製
図１に従って、シリコン基板１の凹部に、下記ＺｒＯ３系セラミック振動子層の振動用の、本発明に係る第４の電極２を形成し、その上に、メタンを炭素源とする熱ＣＶＤ装置あるいはプラズマＣＶＤ装置を使用し、基板温度５００℃以上の条件で、ピエゾ（圧電・焦電）特性をもつＺｒＯ３系セラミック振動子層を形成した。このＺｒＯ３系セラミック振動子層が本発明に係る励起部３である。
【００８５】
その上に励起部の振動用の第３の電極４を設け、更にその上に（図示されていない絶縁層を介して）検出部用の第１の電極７を設けた。
【００８６】
ついで、その上にカーボンナノチューブの成長を促す触媒層９を形成した。触媒層には、鉄、ニッケル、またはコバルトを使用した。
【００８７】
このようにしてＺｒＯ３系セラミック振動子上に形成した触媒上にカーボンナノチューブを成長させた。なお、触媒はここでは上記３者を用いたが、これに限定する必要はなく、カーボンナノチューブの成長に適したものを自由に選択できる。
【００８８】
同様に、振動子も、上記の例に限定されることなく、触媒との密着性が良好な組み合わせであれば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３系やＰｂＴｉＯ３系等、あらゆる振動子を使用することが可能である。
【００８９】
つぎに、酸素プラズマでカーボンナノチューブをアッシング処理し、先端部の５員環を開環させてダングリングボンドを生ぜしめた。
【００９０】
次に、１０ｍＭ（ミリモル／リットル）の炭酸アンモニウムｐＨ緩衝液（ｐＨ７）に溶解した抗ＣＥＡ抗体Ｆａｂフラグメントを霧状にしてダングリングボンドを有するカーボンナノチューブが配置された真空系内に導入し、断熱膨張により水が氷結し、ついで昇華して形成された抗ＣＥＡ抗体Ｆａｂフラグメントのフリーズドライ粉体をカーボンナノチューブに反応させて、ナノチューブ先端に固定した。
【００９１】
この抗ＣＥＡ抗体Ｆａｂフラグメントが本発明に係る結合部１１に、カーボンナノチューブが本発明に係る感応部１０に該当する。
【００９２】
（２）測定系
図１のように、カーボンナノチューブの先端付近に、検出部用の第２の電極１２を設け、第２の電極１２と第１の電極７との間に電気回路を構成し、これを、本発明に係る検出部６として、１Ｖの直流電圧を印加して、両電極間に流れる電流をモニタした。
【００９３】
系全体は水平方向に振動するよう作製した励起部上に固定し、１Ｋ〜１０ＭＨｚ、１μｍ〜数１０μｍ振幅となるように励起部の駆動を調節した。カーボンナノチューブが励起部の振動に共振して振動を起こし、３０秒間継続した。そのときの状態を電極間の導通のパターンとして記録した。結果を図１６に示す。
【００９４】
（３）測定
（２）で構築した測定系の測定容器内に測定したい試料溶液を導入し、電極間の電流の断続パターンの変化を計測した。
【００９５】
試料溶液中に評価対象であるＣＥＡ蛋白質が存在すると、ＦａｂフラグメントがＣＥＡ蛋白質と結合することによってカーボンナノチューブ先端部の質量が増加し、共振周波数が１／２〜１／１００に低下することが判明した。
【００９６】
試料中に存在するＣＥＡ蛋白質の量と抗ＣＥＡ抗体との間の解離定数に従って、試料中のＣＥＡ蛋白質の量を知ることができる。
【００９７】
なお、目的の蛋白質以外の蛋白質変性物等のさらなる付着や、泡の付着によって、測定質量の誤差が発生することが判明した。
【００９８】
振動を付加した初期の１〜２０秒間程度は、これらの誤差を反映した質量が検知された。すなわち、その間は、実際よりも大きな質量が検知された。しかしながら、感応部に与える振動の条件を適宜選択し、１〜２０秒間程度経過すると、その後これらが脱離して、より誤差の少ない値が測定できることが判明した。
【００９９】
すなわち、感応部に与える振動の条件を選択することにより、結合部との結合が相対的に弱い物質の脱離を行うことが可能であり、このことを利用して、生体高分子以外の物質や微小気泡の影響を除外できることが判明した。
【０１００】
なお、生体高分子の評価感度は、結合する生体高分子の分子量に依存して変化するとともに、生体高分子が蛋白質の場合は、蛋白質とモノクローナルＩｇＧ抗体との結合定数によっても変化する。このことを利用すれば、結合定数の異なる複数のモノクローナル抗体を結合部として有する、アレイ状の生体高分子評価デバイスを使用することで、広い測定範囲をカバーすることが可能になる。
【０１０１】
なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した発明が導き出せる。
【０１０２】
（付記１）  支持体と、
生体高分子と特異的に結合する性質をもつ結合部と、
生体高分子が結合部に結合したことを検出するための感応部と、
当該感応部に振動を誘起させるための励起部と、
当該感応部の振動を信号として取り出すための検出部と
を有し、
当該結合部が当該感応部の表面に結合しており、
当該励起部が、当該感応部の下の支持体上に設けられている
生体高分子評価デバイス。
【０１０３】
（付記２）  当該感応部が、支持体上に立設された構造または支持体上に横設された構造を有する、付記１に記載の生体高分子評価デバイス。
【０１０４】
（付記３）  感応部が可撓性を有する、付記１または２に記載の生体高分子評価デバイス。
【０１０５】
（付記４）  前記感応部が導電性を有する、付記１〜３のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１０６】
（付記５）  前記感応部がカーボンナノチューブを含んで構成されており、前記結合部が当該カーボンナノチューブの表面に結合している、付記１〜４のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１０７】
（付記６）  前記結合部が、カーボンナノチューブの側面の化学構造欠陥部の表面または先端の表面に結合されている、付記５に記載の生体高分子評価デバイス。
【０１０８】
（付記７）  前記カーボンナノチューブが酸素プラズマ処理されたものである、付記５または６に記載の生体高分子評価デバイス。
【０１０９】
（付記８）  前記励起部が圧電振動素子である、付記１〜７のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１１０】
（付記９）  前記励起部の振動方向が、前記支持体の面方向と一致する成分を含む、付記１〜８のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１１１】
（付記１０）  前記励起部の振動方向が、前記支持体の面方向と一致する以外の成分を含む、付記１〜９のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１１２】
（付記１１）  前記検出部が、
感応部の基部に接続されている支持体上の第１の電極と、
前記感応部に近接して形成された第２の電極と、
感応部と第２の電極との間の相関関係における変化を検出するために両電極間に設置された検出回路と
からなる、付記１〜１０のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１１３】
（付記１２）  前記相関関係における変化が、感応部と第２の電極との間の距離の変化または感応部と第２の電極との接触の有無またはその両方である、付記１１に記載の生体高分子評価デバイス。
【０１１４】
（付記１３）  前記結合部が、
評価対象生体高分子に対して結合し得る抗体または、
この抗体を蛋白質分解酵素で限定分解して得られる産物または、
評価対象生体高分子に対して親和性を有する有機化合物あるいは生体高分子
を含んで構成された、付記１〜１２のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１１５】
（付記１４）  前記抗体が、評価対象生体高分子のＩｇＧ抗体である、付記１３に記載の生体高分子評価デバイス。
【０１１６】
（付記１５）  前記抗体を蛋白質分解酵素で限定分解して得られる産物が、評価対象生体高分子のＩｇＧ抗体のＦａｂフラグメントまたはその断片である、付記１３に記載の生体高分子評価デバイス。
【０１１７】
（付記１６）  前記カーボンナノチューブがシングルウオール構造を有する、付記５〜１５のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１１８】
（付記１７）  前記カーボンナノチューブが、ほぼ直線状の長軸を有する、付記５〜１６のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１１９】
（付記１８）  前記カーボンナノチューブが、直流電場下で化学蒸着法により作製されたものである、付記５〜１７のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１２０】
（付記１９）  前記結合部と感応部と励起部との組み合わせを１以上有してなる、付記１〜１８のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１２１】
（付記２０）  前記１以上の組み合わせにおいて、複数の結合部が、複数の互いに異なる生体高分子と特異的に結合するようになっている、付記１９に記載の生体高分子評価デバイス。
【０１２２】
（付記２１）  前記検出部が検出した検出結果および、評価対象生体高分子と結合部との解離定数に基づき、試料中の生体高分子の含有量を算出するデータ処理部を有する、付記１〜２０のいずれかに記載の生体高分子評価デバイス。
【０１２３】
（付記２２）  支持体上に励起部を設け、
当該励起部上に、当該励起部に電圧を印加するための第３の電極を設け、
当該第３の電極上に、絶縁層を設け、
当該絶縁層上に検出部の一部である第１の電極を設け、
当該第１の電極上に触媒層を設け、
当該触媒層上にカーボンナノチューブの一端を結合して成長させて、生体高分子が結合部に結合したことを検出するための感応部となし、
当該カーボンナノチューブを酸素プラズマ処理したのち、当該カーボンナノチューブの側面の化学構造欠陥部の表面または先端の表面に生体高分子と特異的に結合する性質をもつ結合部を結合させる
処理を含む生体高分子評価デバイスの製造方法。
【０１２４】
【発明の効果】
本発明により、簡便な生体高分子の評価のためのデバイスや簡便な生体高分子評価方法を提供できる。このデバイスや方法は疾病診断に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る生体高分子評価デバイスの模式的断面図である。
【図２】本発明に係る生体高分子評価デバイスの他の模式的断面図である。
【図３】本発明に係る生体高分子評価デバイスの他の模式的断面図である。
【図４】本発明に係る生体高分子評価デバイスの他の模式的断面図である。
【図５】本発明に係る生体高分子評価デバイスの他の模式的断面図である。
【図６】本発明に係る生体高分子評価デバイスの他の模式的断面図である。
【図７】本発明に係る生体高分子評価デバイスをアレイ状に複数並べた様子を示す模式的平面図である。
【図８】本発明に係る生体高分子評価デバイスに生体高分子を含む試料液体を導入した様子を示す模式的断面図である。
【図９】本発明に係る生体高分子評価デバイスに生体高分子を含む試料液体を導入した様子を示す他の模式的断面図である。
【図１０】本発明に係る生体高分子評価デバイスに生体高分子を含む試料液体を導入した様子を示す他の模式的断面図である。
【図１１】本発明に係る生体高分子評価デバイスに生体高分子を含む試料液体を導入した様子を示す他の模式的断面図である。
【図１２】本発明に係る生体高分子評価デバイスの結合部に生体高分子が結合した様子を示す模式的断面図である。
【図１３】本発明に係る生体高分子評価デバイスの結合部に生体高分子が結合した様子を示す他の模式的断面図である。
【図１４】本発明に係る生体高分子評価デバイスの結合部に生体高分子が結合した様子を示す他の模式的断面図である。
【図１５】本発明に係る生体高分子評価デバイスの結合部に生体高分子が結合した様子を示す他の模式的断面図である。
【図１６】検出部電極間の電流の導通のパターンを示す図である。
【符号の説明】
１    支持体
２    第４の電極
３    励起部
４  第３の電極
５    絶縁体層
６    検出部
７    第１の電極
９    触媒層
１０  感応部
１１  結合部
１２  第２の電極
１３  電源
１４  電流検出系
１５  電源
１６  生体高分子
１７  データ処理部
１８  データストレージ
７１  デバイス
７２  周囲の電極
７３  配線
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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