(57)【要約】【課題】メンテナンスフリー（チップを使い捨てたり交換できる）で、且つ試料の毒性の種類や量を簡単に測定できるセンサチップ前駆体、センサチップ及び毒物検出システムを提供すること。【解決手段】基板上に形成した脂質膜形成部に基準液及び脂質膜形成成分を充填して成り、加熱処理により脂質膜を形成するセンサチップ前駆体である。基板上に形成した脂質膜形成部に基準液及び脂質膜形成成分をこの順に充填後、乾燥又は冷却して成ることを特徴とするセンサチップ前駆体である。複数の脂質膜形成部に基準液を充填し、その上に脂質膜を形成して成るセンサチップである。センサチップを溶液中に配設し、基準液に接する電極と溶液に接する電極とを備える毒物検出システムである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも１個の凹状をなす脂質膜形成部と、この脂質膜形成部に充填される基準液及び脂質膜形成成分を有し、加熱処理により脂質膜を形成することを特徴とするセンサチップ前駆体。
【請求項２】
基板上に、少なくとも１個の凹状をなす脂質膜形成部を設け、この脂質膜形成部に基準液及び脂質膜形成成分をこの順に充填後、当該脂質膜形成成分を乾燥又は冷却して成ることを特徴とするセンサチップ前駆体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のセンサチップ前駆体を用いたセンサチップであって、
異なる被検出物に対応する複数の脂質膜形成部に基準液が充填され、その上に脂質膜が形成されて成ることを特徴とするセンサチップ。
【請求項４】
上記脂質膜が脂質二分子膜であることを特徴とする請求項３に記載のセンサチップ。
【請求項５】
上記基板のうち少なくとも脂質膜が形成される部分に、水との接触角が６０°以上である材料を用いたことを特徴とする請求項３又は４に記載のセンサチップ。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１つの項に記載のセンサチップを、被検出物を含む溶液中に配設して成る毒物検出システムであって、
上記センサチップが複数種の脂質から成る脂質膜を有し、上記基準液に接する電極と上記溶液に接する電極とを備えることを特徴とする毒物検出システム。
【請求項７】
上記電極が脂質膜を介する膜電位変化を検出し得る手段を備えることを特徴とする請求項６記載の毒物検出システム。
【請求項８】
複数のセンサチップを配設し、各センサチップが随時使い捨てできること及び／又は随時交換できることを特徴とする請求項６又は７に記載の毒物検出システム。
【請求項９】
測定手段、データ収納手段及び解析手段を備え、上記測定手段は脂質膜を介する膜電位、電気容量、イオン透過量、発光量及び発熱量・吸熱量から成る群より選ばれた少なくとも１種の値の変化を測定し、上記データ収納手段は溶液が被検出物を含有する場合の当該値の変化を収納し、上記解析手段は測定結果及び収納データを照合し被検出物を特定することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つの項に記載の毒物検出システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、センサチップ前駆体、センサチップ及び毒物検出システムに係り、更に詳細には、試料中に存在する毒物の測定に用いるセンサチップ前駆体、センサチップ及び毒物検出システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日我々を取り巻く環境には、生体に有害である物質（広義の毒物）が多数存在している。例えば、水道水中のトリハロメタンや大気中のダイオキシンなどが念頭に浮かぶが、その他にも例数こそ少ないが、シアンやカドミウムと言ったいわゆる毒物による水道原水や地下水の汚染も時たま新聞誌上を賑わしている。
【０００３】
こうした毒物は、例えば、浄水場での検査においては、水道原水を流し入れた水槽で魚を飼い、この魚の動きを画像解析して、異常行動を取った時に毒物の混入を検知するシステムを用いて検出されている。
また、硝化細菌を利用する毒物センサも知られている。これは、水道原水中に硝化細菌の餌であるアンモニアを一定量添加した後に、硝化細菌を電極表面に固定化した酸素センサと接触させ、硝化細菌の活性度を溶存酸素濃度の減少量から見積もり、活性度の低下により毒物混入を判定するものである（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】
ＩＳＡＪ  ＮｅｗｓＬｅｔｔｅｒ  Ｎｏ．９，１９９９「水道原水中の毒物検知用バイオセンサー」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらの方法では、ほぼリアルタイムで毒物を検出できる反面、餌を与えるなどのメンテナンスが必要であり、更に毒物の種類や量を決定することが困難であるという問題点があった。また、検出装置やシステムが大掛かりになり、一般大衆の使用が困難であるという問題点もあった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、メンテナンスフリー（チップを使い捨てたり交換できる）で、且つ試料の毒性の種類や量を簡単に測定できるセンサチップ前駆体、センサチップ及び毒物検出システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、基準液と被検出物との間隙に脂質膜を配設し、この脂質膜を介する膜電位等の変化を測定することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセンサチップ前駆体について詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
【０００９】
本発明のセンサチップ前駆体は、基板上に設けた脂質膜形成部に、基準液及び脂質膜形成成分を充填して成る。また、このセンサチップ前駆体をセンサチップとするときは、上記脂質膜形成成分を加熱処理し脂質膜を形成させる。
また、本発明の他のセンサチップ前駆体は、基板上に脂質膜形成部を設け、この脂質膜形成部に基準液及び脂質膜形成成分をこの順に充填後、乾燥又は冷却して成る。このセンサチップ前駆体をセンサチップとするには、当該前駆体を基準液に浸漬させればよい。
このような前駆体を作製することで、毒物測定時まで長期保存することができるとともに、対象とする被検出物の種類、濃度及び量などに応じて随時センサチップを容易に準備できるので有効である。
【００１０】
ここで、上記基板は、例えば、ガラス、シリコン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、シリコーンゴム、ポリプロピレン、ポリ四フッ化エチレン、絶縁体を被膜した金属（例えばポリテトラフルオロエチレン膜を有するニッケル板）などを素材として使用できる。
また、上記基板は脂質膜形成部を有する。即ち、基板上に開口を有する凹部（ウェル）が任意の数だけ設けられ、ここに充填された基準液表面とウェル内壁を介して脂質膜が形成される。
例えば、薄いシリコン基板をエッチング処理して多数の孔を開け、予め金電極を配設したガラスやシリコン基板と張り合わせることで脂質膜形成部を有する基板を形成できる。このようなシリコンテクノロジーを利用すると、センサチップの大量生産が容易になるので望ましい。
【００１１】
更に、上記基板は単一材料から形成しても良いが、脂質膜形成部に水との接触角が６０°以上である材料を用いるときは、脂質膜が形成され易くなるので好適である。かかる材料としては、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などが挙げられる。
なお、脂質膜形成部の大きさは、形成する脂質膜や基準液の種類などにより異なるが、開口径を０．１〜１００μｍ程度、深さを０．１〜１００μｍ程度とすることができる。また、脂質膜形成部は、基板の片面に限定されず、両面に形成しても良い。
【００１２】
更にまた、上記基準液としては、代表的には、食塩水、塩化カリウム水などを使用でき、これらに糖脂質などの毒物反応物質を含有することもできる。
更にまた、上記脂質膜形成成分は、基準液や脂質膜形成部の素材などにより適宜選択することができる。代表的には、モノオレイン、トリオレイン＋コレステロール、フォスファチジルコリン及びフォスファチジルエタノールアミンなどが挙げられる。
【００１３】
次に、本発明のセンサチップについて詳細に説明する。
かかるセンサチップは、上述のセンサチップ前駆体を用いて成り、複数の脂質膜形成部を有する。また、これら脂質膜形成部の各々は、基準液が充填され、その上に脂質膜が形成されて成る。脂質膜形成部毎に、基準液や脂質膜の構成材料を変更することができ、複数種の被検出物を１つのセンサチップで測定することことが可能となる。また、同種の構成材料から成る基準液を使用したり同種の脂質膜を複数設けることにより、特定の被検出物をより正確に測定できる。
また、上記センサチップが有する脂質膜は、脂質二分子膜であることが好適である。これより、生体に害を及ぼす種々の毒物を測定でき、またタンパク質や糖を配合することで擬似細胞膜としての毒物測定も可能となる。例えば、モノオレインなどの脂質二分子膜が採用できる。
【００１４】
次に、本発明の毒物検出システムについて詳細に説明する。
かかる毒物検出システムは、上述のセンサチップを、被検出物を含む溶液中に配設して成る。また、このセンサチップは、複数種の脂質から成る脂質膜を有し、更に上記基準液に接する電極と上記溶液に接する電極とを有する。
ここで、本システムで検出され得る「毒物」とは、生体に害を及ぼす物質を意味し、例えばトリハロメタン、ダイオキシン、シアン及びカドミウムなどの環境汚染物質が該当する。また、この「毒物」を突き詰めると、生体「細胞」に害を及ぼす物質と言い換えることもできる。従って、上記毒物は、「細胞膜」に何らかの影響を与える、即ち、細胞膜に接着・吸着されたり、細胞膜内に取り込まれたりすることなどが考えられる。
【００１５】
そこで、本発明の毒物検出システムでは、例えば、人工的に作製した擬似細胞膜（人工膜）を電極などの表面に装着することにより、擬似細胞膜への毒物の作用をリアルタイムで測定することが可能となる。即ち、毒物との反応により変化する脂質膜の物理情報（膜電位、電気容量、イオン透過量、発光量、発熱量・吸熱量など）を測定し、毒物反応前後の出力値の差から毒物の混入が判定できる。また、上記センサチップは複数配設することが好適である。このときは各センサチップの寿命等に応じて、随時使い捨てにしたり交換することができる。
【００１６】
また、本発明の毒物検出システムでは、毒物の種類や量を以下のようにして決定する。
一般に細胞膜は、リン脂質を主成分とする脂質二分子膜に蛋白質や糖などの分子が取り込まれたり、表面に接着したりして構成されている。
これより、脂質膜又はそれに代わる高分子膜をベースに、毒物と作用する各種の蛋白質や糖などの分子を配合することにより、擬似細胞膜を人工的に作製できる。なお、毒物の種類によっては脂質膜のみで応答を示す場合もある。また、用いる脂質や蛋白質・糖などの種類や量、更には擬似細胞膜の作製方法などを適宜選択することにより、センサチップを各種の毒物に対応させることができる。そして、予め個々のセンサチップの毒物応答（毒物の種類と量に応じて出力値がどのように変化するか）を求めておき、これらの応答パターンを基に、実際の測定結果（複数のセンサチップからの出力値）から毒物の種類と量が決定できる。
【００１７】
具体的には、センサチップなどを測定手段として設け、更にデータ収納手段及び解析手段を設けることができる。そして、上記データ収納手段には、溶液が毒物を含有する場合の、脂質膜を介する膜電位、電気容量、イオン透過量、発光量又は発熱量・吸熱量、及びこれらの任意の組み合わせに係る値の変化をデータベースとして収納させる。また、上記解析手段には、センサチップの各ウェル（電極）から得られたデータが、電話回線や無線ＬＡＮなどを通じて送信され、上記データベースと照合させることで、被検出物の種類や量が特定される。
なお、測定手段に、フィルタなどの試料前処理部や参照電極を備える使い捨てセンサチップを使用するときは、試料間の汚染の問題を克服することができる。図３に、使い捨てセンサチップの使用例を示す。
【００１８】
以上のように、本発明の毒物検出システムは、ほぼリアルタイムで応答が得られる他、構成物に生物や微生物を使用しないため、餌を与える等のメンテナンスは全く必要ない。また、定常状態からのズレを出力値として用いることにより、広範囲な環境条件でセンサチップを使用できる。更に、各センサチップからの出力値を無線で信号処理施設へ転送できるため、河川や海洋などでも自由に使用できる。更にまた、特に一般家庭などで使用するときは、安価で使い捨て可能且つ交換可能なセンサチップを用いるコンパクトな装置（システム）を提供できる。
なお、測定感度を考慮すると、センサチップが有する脂質膜としては、擬似細胞膜となり得る脂質二分子膜を採用するのがより好適である。一方、脂質二分子膜は、物理的振動や静電気などの外力に対して不安定であり、その寿命は精々数日間程度である。本発明では、脂質膜の寿命などに応じて、使用するセンサチップの数や大きさ、センサチップに設ける脂質膜の数を調整でき、更にセンサチップを使い捨て型として随時交換できるので、脂質膜の寿命により使用期間は限定されない。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２０】
（実施例１）
＜１＞  鋳型の作製方法
（１）４ｃｍ×４ｃｍに切ったシリコンウェハーを、純水中で２分間超音波洗浄した。次いで、アセトンで加熱しながら洗浄した。更に、ＨＦ：ＮＨ４Ｆ＝１：６の溶液に、３分間シリコンウェハーを浸した。その後、流水で洗浄して、シリコンウェハー上の水を飛ばした。
（２）シリコンウェハー上にフォトレジスト（ＳＵ−８、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ社製）を滴下し、スピンコーターを用いてＳＵ−８の薄膜（３０〜４０μｍ）を形成した。
（３）ホットプレートを使い、３０分間で９０℃まで加熱し、更に３０分間９０℃のままに加熱保持した。
（４）シリコンウェハーにフォトマスクを合わせ、露光した。
（５）再度、ホットプレートを使い、３０分間で９０℃まで上がるように加熱し、更に３０分間９０℃のままで加熱保持した。
（６）ＳＵ−８  ｄｅｖｅｌｏｐｅｒを使い、露光していない部分のＳＵ−８を剥離した。
【００２１】
＜２＞  ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）シートの作製方法
（１）ＰＤＭＳ溶液を、１５分間脱気した。
（２）鋳型の上に、ＰＤＭＳを１滴落とし、シートをのせた。これを両側からシリコンシート・金属板で挟み、クランプでしっかり固定した。
（３）（２）をオーブンに入れ、８０℃で１時間半、加熱した。
（４）冷えないうちに、クランプを外して金属板・シートを剥がし、固まったＰＤＭＳシートを鋳型から剥がして、エタノール中で保存した。
【００２２】
＜３＞  ＰＤＭＳシートの貼付
（１）スライドガラスを希塩酸で洗浄し、アセトンで洗浄した。
（２）エタノール中に保存してあるＰＤＭＳシートを取り出し、アセトンで洗浄した。
（３）（１）のスライドガラス上に、（２）のＰＤＭＳシートをのせて、乾燥させた。
（４）ＲＩＥ装置（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）で、酸素プラズマ処理を３０秒行い、脂質膜形成部を設けたセンサチップ基板を得た。
なお、鋳型の作製とＰＤＭＳシートの貼付作業は、すべてクリーンルーム内で行った。また、スライドガラスには、クロムと金を蒸着させてから、ＰＤＭＳシートを貼付し、電極を作製した。図１に脂質膜チップのイメージ図、図２にその拡大写真を示す。
【００２３】
＜４＞  脂質膜の形成
（１）まず、センサチップ基板の各ウェルに基準液として１０ｍＭ食塩水を充填した（食塩水中に基板を浸漬させた）。このとき、各ウェルの底に金（Ａｕ）電極を形成し、裏面からリード線を接続した。
（２）次いで、５％モノオレイン（ｎ−デカン溶液）を刷毛を用いて各ウェルの表面に重層し、室温で放置した。
（３）溶媒のデカンが蒸発するのを待って（１時間程度）、急激にセンサチップ基板全体を１０℃以下に冷却した。
以上の操作より、センサチップ基板の各ウェルの表面がモノオレイン薄膜で被覆されたセンサチップ前駆体を得た。なお、この状態で冷蔵保存することで、センサチップを安定して供給できる。
【００２４】
＜評価測定＞
図３に示すように、参照電極を備える試験槽を用意し、センサチップ前駆体をこの試験槽に設置した。その後、試験槽に試料液として１０ｍＭ食塩水を低温状態で注入し、センサチップ前駆体を浸漬させた。次いで、食塩水を３０℃以上に加熱した。これより、モノオレイン薄膜が溶解し、自然に二分子膜構造を形成してセンサチップとして機能するようになった。センサチップが備えるそれぞれ独立のリード線（絶縁体で被覆したもの）と参照電極とを外部に設置した電位差測定器に接続して、毒物検出システムを構成した。
上記システムを用いてウェル毎の膜電位応答を測定した結果、それぞれ１５ｍＶ程度の膜電位が観測された。次いで、試験槽にシスジクロロエチレンを１ｐｐｍとなるように添加して再度測定した。この結果、それぞれ約１０ｍＶの膜電位上昇が認められた。
【００２５】
なお、本発明の毒物検出システムにおいて、毒性物質の種類や濃度を詳細に解析するには、ウェル毎に異なった脂質膜を設け、それらの膜電位応答を比較することにより推測できる。また、同一の脂質膜を複数個のウェルに設けることにより、分析精度を向上させることが可能となる。更に、脂質膜が厚膜状態であっても、同様の測定方法により環境汚染物質を測定できる。また、試料液は基準液と同種の溶液であっても良いし、毒性物質の測定方法（定量分析又は定性分析）に応じて適宜電解質の濃度を変更しても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、基準液と被検出物との間隙に脂質膜を配設し、この脂質膜を介する膜電位等の変化を測定することとしたため、メンテナンスフリー（チップを使い捨てたり交換できる）で、且つ試料の毒性の種類や量を簡単に測定できるセンサチップ前駆体、センサチップ及び毒物検出システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】センサチップの一例を示す概略図である。
【図２】センサチップの他の例を示す拡大写真である。
【図３】使い捨てセンサチップを用いた毒物検出システムの一例を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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