(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に絶縁された基板表面に第１電極および第２電極が相対峙して配置され、電極上および／または電極間に、導電性微粒子の膜が形成され、導電性微粒子の膜上にプローブが修飾されてなることを特徴とする電気抵抗型検出センサ。
【請求項２】
基板表面が凹部を有し、凹部に第１電極および第２電極が相対峙して配置され、導電性微粒子の膜が各凹部の内部表面に形成されてなる請求項１に記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項３】
凹部が複数存在する請求項２に記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項４】
第１電極が基板の表面に形成され、第２電極が凹部の内部に形成されてなる請求項２又は３のいずれか１項に記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項５】
複数の第１電極及び第２電極の何れか一方が、互いに電気的に接続される請求項３又は４のいずれか１項に記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項６】
複数の凹部が、複数の行及び列からなるマトリックス状に並び、各行の第１電極及び各列の第２電極が、それぞれ互いに電気的に接続される請求項３又は４に記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項７】
凹部が、すり鉢形状である請求項２〜６のいずれか１項に記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項８】
導電性微粒子の膜が、結合剤を含む請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項９】
結合剤が、１,１０−デカンジチオールである請求項８に記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項１０】
導電性粒子が、金ナノ粒子である請求項１〜９のいずれか１つに記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項１１】
プローブが、ＤＮＡまたは抗体である請求項１〜１０のいずれか1つに記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項１２】
ＤＮＡまたは抗体が、ＳＨ基又はＮＨ2基で活性化されている請求項１１に記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項１３】
ＤＮＡまたは抗体の少なくとも一端が、ＳＨ基又はＮＨ2基で活性化されている請求項１１又は１２に記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項１４】
ＤＮＡまたは抗体の両端が、ＳＨ基又はＮＨ2基で活性化されている請求項１１〜１３のいずれか１つに記載の電気抵抗型検出センサ。
【請求項１５】
電気的に絶縁された基板表面に形成された導電性微粒子の膜をプローブで修飾し、
該修飾した膜に検体を含む測定試料を散布し、
得られた導電性微粒子の膜の２点間の電気抵抗値を測定することにより、
プローブと反応する標的物質の有無を検出する電気抵抗型検出方法。
【請求項１６】
予め検体とプローブとを含む測定試料を調製し、
電気的に絶縁された基板表面に形成された導電性微粒子の膜に該試料を散布し、
得られた導電性微粒子の膜の２点間の電気抵抗値を測定することにより、
プローブと反応する標的物質の有無を検出する電気抵抗型検出方法。
【請求項１７】
プローブが、ＤＮＡまたは抗体である請求項１５または１６に記載の電気抵抗型検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、ＤＮＡやＲＮＡのような核酸、または抗原や抗体のようなタンパク質などの標的物質を検出、確認するための電気抵抗型検出センサおよび検出方法に関する。
【背景技術】  近年、特開２００３−２８７５３８号公報（特許文献１）や、特開２００３−２５００８８号公報（特許文献２）などでは、各種のＤＮＡチップを開示している。しかし、従来のＤＮＡチップでは、例えば、まず一本鎖ＤＮＡのサンプルを蛍光物質でラベルする。そして表面に標的となるＤＮＡを結合させたチップにサンプルを散布し、サンプル中の標的となるＤＮＡとチップ表面に結合させたＤＮＡとをハイブリダイズさせる。そしてサンプルをラベルした蛍光物質を発光させ、その発光を顕微鏡やレーザー蛍光スキャナーを使って読み取ることで、標的となるＤＮＡの存在を検出している。しかし、この技術では、ＤＮＡが基板に非特異的に吸着することを無視できず、さらに、オリゴヌクレオチドプローブを基板に固定させる方法も十分に確立されていない。さらに、基板に固定させるプローブの量を制御する方法も十分には確立されていない。その上、サンプル中のＤＮＡの存在を検出するためには、適切な蛍光ラベル化剤やインターカレーターなどが必要であり、さらにレーザー蛍光スキャナーのような装置も必要である。そのため検出には、コストが掛かり、操作が煩雑であった。
そこで特開２００３−５１４２２４号公報（特許文献３）では、標的となるＤＮＡの有無の検出を、チップ表面で起こる表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）に起因した光の屈折率の変化を利用した検出方法を開示している。
さらに、特開２００２−５３３６９８号公報（特許文献４）では、基板上に、標的となるＤＮＡに相補的なＤＮＡが結合した領域を有するＤＮＡチップについて開示している。該公報では、まずサンプル中のＤＮＡを導電性粒子で修飾し、そして、得られたサンプルを上記の領域に散布し、該領域に結合しているＤＮＡと、サンプル中に存在するそのＤＮＡと相補的なＤＮＡとをハイブリダイズさせる。その結果、ハイブリダイズしたＤＮＡでは、ＤＮＡを修飾した導電性粒子を通して領域内に電流が流れ、そのことを利用して、標的となるＤＮＡの存在の有無を検出している。
つまり上記方法では、導電性粒子（６２）に相補的結合パートナー（６）を固定する一方で、基板上の２つの電極間に特異的結合パートナー（５）を固定させる必要がある。そして（６）の導電性粒子への固定化はＳＨ化されたオリゴヌクレオチドにより達成される。一方、基板への（５）の固定はＡＰＴＥＳを用いたシラン被覆法などを用い、これをリンカーとしてオリゴヌクレオチドを固定化している。
このような検出方法では、２つの電極間における導電率を向上させるために、電子移動メディエータ（酸化還元、導電性物質）を添加する必要がある。つまり、目的物質（またはプローブ）を導電性粒子に固定し、基板にあらかじめ固定化させたプローブ（または目的物質）により電極間に析出させ、メディエータなどの添加によりその導電率を増幅させて検知しなければならない。
そのため上記のような検出方法では、検出を行う度に、サンプルを導電性粒子で修飾しなければならず、検出には手間とコストがかかる。
【発明の開示】
そこで本発明は、上記のような問題点、つまりＤＮＡやＲＮＡのような核酸、または抗原や抗体のようなタンパク質などの標的物質を、従来よりも簡易で安価に、かつ精度よく、電気的に検出、確認することができ、さらには安価で容易に繰り返し使用することができる電気抵抗型検出センサおよび電気抵抗型検出方法を提供する。
かくして、本発明の第１の観点によれば、
電気的に絶縁された基板表面に一組の電極が相対峙して配置され、電極上および／または電極間に、プローブで修飾された導電性微粒子の膜が形成されてなることを特徴とする電気抵抗型検出センサを提供する。
さらに、本発明の第２の観点によれば、
電気的に絶縁された基板表面に凹部を有し、凹部に一組の電極が相対峙して配置され、電極上および／または電極間に、プローブで修飾された導電性微粒子の膜が形成されてなることを特徴とする電気抵抗型検出センサを提供する。
さらに、本発明の第３の観点によれば、
表面に形成された複数の微細な凹部を有する基板と、各凹部の内部表面に形成された導電性微粒子の膜と、導電性微粒子の膜に電気的に接続するように形成された第１及び第２電極とを備え、
導電性微粒子の膜が、プローブで修飾されてなることを特徴とする電気抵抗型検出センサを提供する。
さらに、本発明の第４の観点によれば、
表面に形成された複数の微細な凹部を有する基板と、各凹部の内部表面に形成された導電性微粒子の膜と、導電性微粒子の膜に電気的に接続するように形成された第１及び第２電極とを備え、
第１電極が、基板の表面に形成され、第２電極が、凹部の内部に形成され、
導電性微粒子の膜が、プローブで修飾されてなることを特徴とする電気抵抗型検出センサを提供する。
さらに、本発明の第５の観点によれば、
電気的に絶縁された基板表面に形成された導電性微粒子の膜をプローブで修飾し、該修飾した膜に検体を含む測定試料を散布し、
得られた導電性微粒子の膜の２点間の電気抵抗値を測定することにより、
プローブと反応する標的物質の有無を検出する電気抵抗型検出方法を提供する。
さらに本発明の第６の観点によれば、
予め検体とプローブとを含む測定試料を調製し、
電気的に絶縁された基板表面に形成された導電性微粒子の膜に該試料を散布し、得られた導電性微粒子の膜の２点間の電気抵抗値を測定することにより、
プローブと反応する標的物質の有無を検出する電気抵抗型検出方法を提供する。
【図面の簡単な説明】  図１は、プローブとして一本鎖ＤＮＡを用いた場合の、本発明の電気抵抗型検出センサの選択性を示した図である。矢印は、標的物質を滴下したときを示している。
図２は、本発明を例証するため、ＤＮＡ（プローブ）で修飾された金ナノ粒子の膜に存在するＤＮＡを、ＤＮＡ分解酵素で分解する前後の膜の電気抵抗値の変化を示した図である。矢印は、１の位置で標的物質、矢印２の位置でＤＮＡ分解酵素を滴下したときを示している。
図３は、プローブとして両末端をチオール化した一本鎖ＤＮＡを用いた場合の本発明の電気抵抗型検出センサの電気抵抗値の変化を示した図である。矢印は、標的物質を滴下したときを示している。
図４は、プローブとして両末端をチオール化した一本鎖ＤＮＡを用い、導電性微粒子の膜が結合剤を含まない場合の本発明の電気抵抗型検出センサの電気抵抗値の変化を示した図である。矢印は、標的物質を滴下したときを示している。
図５は、プローブとして両末端をチオール化した一本鎖ＤＮＡと測定試料とを予め調製し、それを、結合剤を含む導電性微粒子のみからなる膜に散布した場合の、本発明の電気抵抗型検出センサの電気抵抗値の変化を示した図である。
図６は、本発明を例証するため、プローブとしてラビットアンチマウスＩｇＧの抗体を用い、標的物質としてマウスＩｇＧの抗原を用いた場合の金ナノ粒子の膜の抵抗値の変化を示した図である。矢印の位置で標的物質を滴下した。
図７は、（ａ）は、本発明の実施例６に係る電気抵抗型検出センサの構成を示すブロック図である。（ｂ）は、電気抵抗型検出センサの凹部の状態を示す要部側面断面図である。
図８は、本発明の実施例６に係る検出センサの構成を示すブロック図である。
図９は、本発明の実施例６に係るロックインアンプ回路の構成を示すブロック図である。
図１０の（ａ）は、本発明の実施例７に係る検出センサの構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、検出センサの凹部の状態を示す要部側面断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本願発明の第一の実施の形態の電気抵抗型検出センサでは、基板表面に１組の電極が配置されている。
本発明の「基板」としては、電気的に絶縁性を有するものを好適に用いることができる。その材料としては、具体的には、ガラス、プラスチック、水晶またはシリコンなどが挙げられる。
本発明の「電極」に用いる材料としては、通常のセンサの電極に用いられている材料で十分であり、具体的にはＡｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属、又はこれらの合金以外に、ポリピロール、ポリアニリンおよびポリアセンなどのポリマーなどが挙げられる。また、電極の形状は特には限定されず、例えば櫛型の形状からなる櫛型電極などが挙げられる。さらに、電極は絶縁材料で被覆しされていてもよい。
そして、その電極上および／または電極間には、導電性微粒子の膜が形成されている。
本発明の「導電性微粒子の膜」とは、導電性微粒子と電極とが直接接するように形成されているもの以外に、導電性微粒子と電極が電気的に導通することができる程度に近接しているナノギャップの状態のものも含まれる。ある観点によれば、導電性微粒子の膜は導電性微粒子の層として表現できる。
なお、後述する導電性微粒子の膜が結合剤を含む場合には、導電性微粒子と電極とは、結合剤を介して電気的に導通できればよい。
また本発明の「導電性微粒子」とは、導電性を有し、かつ、後述するプローブと直接および／または間接的に結合することができる物質を含む。具体的にはカーボン、フラーレン、プラチナ、アルミ、金、銀などの材料からなる粒子が挙げられる。中でも好ましくは、金および銀などの金属からなる粒子であり、さらに好ましくは金からなる粒子である。
さらに、導電性微粒子の大きさは、粒子やプローブの材料に応じて適宜選択すればよい。中でも導電性微粒子の平均粒径は、ナノサイズが好ましく、さらには５０〜１００ｎｍが特に好ましい。
また、導電性微粒子の膜は、公知の方法を用いて形成することができる。例えば、導電子微粒子として金ナノ粒子を用いた場合、金ナノ粒子を適切な溶媒に懸濁させた金コロイド溶液を、基板上に接触させることで金ナノ粒子の膜を形成することができる。その際、使用する溶媒としては、水またはメタノールやエタノールなどのアルコール類などが挙げられる。
また、導電性微粒子の膜が、結合剤を含むことも好ましい。
「結合剤」は、導電性微粒子やプローブの種類に応じて適宜選択すればよい。具体的には、導電性微粒子の材料として金や銀などの金属を用いた場合、１，１０−デカンジチオールなどのＳＨ基を有するジチオール類や、１，１０−ジアミノデカンなどのＮＨ２基を有するジアミン類などが結合剤として挙げられる。中でもジチオール類が好ましく、さらには１，１０−デカンジチオールが特に好ましい。
結合剤を含む導電性微粒子の膜は、公知の方法を用いて形成することができる。例えば導電性微粒子として金ナノ粒子を用い、結合剤として上記のジチオール類やジアミン類を用いた場合、結合剤と金ナノ粒子とを適切な溶媒に懸濁させ、該懸濁液を基板に接触させることで、結合剤を含む導電性微粒子の膜を形成することができる。その際、使用する溶媒は、上記と同様に、水またはメタノールやエタノールなどのアルコール類が挙げられる。
さらに、本実施の形態の結合剤を含む／含まない導電性微粒子の膜は、プローブで修飾されている。
本発明の導電性微粒子の膜を「プローブで修飾する」とは、プローブの少なくとも一部が、導電性微粒子の膜に直接接するようにするだけでなく、プローブと導電性微粒子の膜とが電気的に導通することができる程度に近接しているナノギャップの状態にする場合も含まれる。
なお、後述するようなプローブを特定の基などで修飾した場合、プローブは、その基を介して導電性微粒子の膜に修飾されていてもよい。
また、本発明の「プローブ」には、該プローブと標的物質が反応することで、導電性微粒子の膜の間での電気抵抗値を変化させることができるものが含まれる。具体的には、ＤＮＡやＲＮＡのような核酸、または抗原や抗体のようなタンパク質などがプローブとして挙げられる。また、使用するプローブは天然のものであっても、人工のものであってもよい。さらに、プローブは、必ずしも１００％同一のものである必要はなく、検出に支障をきたさない程度であれば、それ以外のものを含んでいてもよい。
また、プローブとして一本鎖ＤＮＡを用いる場合、まず公知の方法を用いて二本鎖ＤＮＡを採取し、その二本鎖ＤＮＡを蒸留水などに懸濁させ、懸濁液を１００℃で１０分程度加熱した後に氷上に移行して急冷させることで一本鎖ＤＮＡを得ることができる。
さらに、本発明の「反応」は、化学的な反応ばかりでなく、物理的相互作用も含む。反応の例としては、プローブとして一本鎖ＤＮＡを用い、その一本鎖ＤＮＡと相補的なＤＮＡを標的物質とした場合に起こる、それらＤＮＡ間でのハイブリダイズや、プローブとして抗体を用い、標的物質として抗原を用いた場合に起こる、それらの結合などが挙げられる。
また、ＤＮＡをプローブとして用いた場合、プローブとして用いるＤＮＡの長さは、少なくとも２〜３０００ｂｐ、好ましくは４〜１００ｂｐ、さらに好ましくは１０〜１２ｂｐである。
また、抗体を標的物質とする場合、プローブとしては、目的とする抗原または抗体と反応できる抗体または抗原が挙げられる。さらに、プローブを特定の基などで活性化させることも好ましい。
特に、導電性微粒子として金ナノ粒子を用い、プローブとしてＤＮＡまたは抗体を用いた場合、プローブは、ＳＨ基やＮＨ２基などの特定の基で活性化させることが好ましい。
その際、活性化させる部位としては、反応に関与する部位（例えば、標的物質がＤＮＡの場合には、標的とする配列を含む部位、抗原を標的物質とした場合には、抗体と結合する部位）以外が好ましい。中でも活性化させる部分は、プローブの末端が好ましく、さらにはプローブの両端が特に好ましい。
また、標的物質の検出に支障をきたさない程度であれば、活性化させる部位に、反応に関与する部位の一部が含まれていてもよい。
プローブを活性化させる方法は、用いるプローブおよび導電性微粒子の種類に応じて、公知の方法から適宜選択すればよい。例えば、プローブとしてＤＮＡを用いた場合、ＳＨ基を有する１，１０−デカンジチオールなどのチオール類や、ＮＨ２基を有する１，１０−ジアミノデカンなどのジアミン類でプローブを処理することで、プローブを活性化させることができる。
また、プローブとして抗体を用い、導電性微粒子として金ナノ粒子を用いた場合、例えば金ナノ粒子表面と結合するＳＨ基を有し、かつ、末端にカルボキシル基を有するメルカプトプロピオン酸などと、Ｎ−ヒドロキシこはく酸イミド、１−エチル−３−［３−ジメチルアミノプロピル］カルボジイミドハイドロクロライドなどを用いて処理することで、抗体と結合しうる活性化された部位を形成する。そして、ＮＨ２基を有するプローブを、ペプチド結合を介して金ナノ粒子や電極などに固定化させることができる。
さらに、第二の実施の形態で示す電気抵抗型検出センサは、上記第一の実施の形態の基板表面に凹部を形成し、プローブで修飾された導電性微粒子の膜を、その凹部の内表面に形成させたものである。それ以外については、第一の実施の形態で述べた電気抵抗型検出センサと同一なものを適用することができる。
本発明の「凹部」としては、具体的には、プローブと検体とを、凹部内で反応させることができ、かつ、導電性微粒子の膜を、その凹部内に形成させることができうる大きさと形状を備えているものが挙げられる。
そのため凹部の形状は、丸や多角形の筒状であってもよく、すり鉢状の形状であってもよい。中でも、すり鉢状の形状であることが好ましい。換言すれば、凹部は、その底部が開口部より小さな面積を有するのが望ましい。
さらに１つの基板表面に存在する凹部の数は、センサの用途に応じて適宜選択することができる。例えば、基板の大きさを１ｃｍ２〜３ｃｍ２とした場合、凹部の数は、１００〜３，０００個、好ましくは５００個以上、１，０００個以上、１，５００個以上、２，０００個以下、２，５００個以下である。
さらに、電極は、各凹部内の導電性微粒子の膜と接し、電極同士が直接接しないように設けることが好ましい。
また、電極を形成する部位は、基板表面に限定されるのではなく、凹部の内部、肩部または底部であってもよい。
凹部を形成する方法は、基板の材料や、凹部の大きさや形状に従って、公知の手法から選択することができる。例えば、ガラス基板やプラスチック基板を用いた場合、所定の形状のパターンを有するマスクを基板表面に形成し、化学的エッチング剤を用いるか、レーザー光を用いるかして基板表面に所定の凹部を形成することができる。
なお、凹部の部分を有するシートを、ラミネートなどによって基板に装着させることで基板表面に凹部を形成してもよい。
電極を形成する方法は、公知の方法を用いて形成することができる。例えば、所定のパターンを有するマスクを基板表面に形成し、その上から金属膜を蒸着させることで電極を形成することができる。
また、上記凹部の形成と電極の形成とはどちらを先に行ってもよい。
また、本発明の金ナノ粒子の膜には、先に述べた結合剤が含まれていてもよい。
さらに第三の実施の形態として、
表面に形成された複数の微細な凹部を有する基板と、各凹部の内部表面に形成された導電性微粒子の膜と、導電性微粒子の膜に電気的に接続するように形成された第１及び第２電極とを備え、
導電性微粒子の膜が、プローブで修飾されてなることを特徴とする電気抵抗型検出センサも挙げられる。
本実施の形態の基板の表面には、複数の微細な凹部が形成されている。
また本実施の形態の電気抵抗型検出センサの第１及び第２電極は、１又は複数のマルチプレクサ、好ましくはアナログマルチプレクサを介して接続することができる。マルチプレクサは、ここではデマルチプレクサとして機能する。マルチプレクサには、外部からのアドレス信号に基づいて、対象とするセンサを切り替える機能を有する素子が含まれ、例えば、入力端子、出力端子、アドレス信号を入力するアドレス入力端子を有するものを用いることができる。アドレス入力端子には、アドレス信号を出力するマイクロコンピュータなどの制御部が接続されていることが好ましい。
１又は複数のマルチプレクサを介して接続される第１電極と第２電極は、電極間電圧、電流又は抵抗などの電気的特性を測定する電圧測定器、電流測定器又は抵抗測定器などの電気的特性測定器をさらに介して接続されることが好ましい。
また、第１電極と第２電極は、電気的特性測定器の代わりにロックインアンプ回路を介して接続されてもよい。また、電気的特性測定器は、ロックインアンプ回路の出力端子に接続されてもよい。この場合、周期的電圧変化の同期成分をロックインアンプで検出することで測定環境において発生する雑音特性を除去または減少させることができ、電気信号（電圧）の高感度化が可能になる。
電気的特性測定器は、測定した電気的特性の大きさに応じた電流、電圧などを出力する出力端子を備えていることが好ましく、また、この出力端子に制御部が接続されていることが好ましい。電気的特性測定器の代わりにロックインアンプ回路が用いられる場合、制御部は、ロックインアンプ回路の出力端子に接続されていることが好ましい。制御部は、メモリなどの記憶部を有し、電気的特性測定器の出力を記憶する構成とすることが好ましい。
制御部は、さらにモニタ又はプリンタなどの出力機器に接続されていることが好ましく、記憶部に記憶した電気的特性を出力機器に出力する構成とすることが好ましい。
上記以外は、前述の第一および二の実施の形態で述べたものを用いることができる。
さらに、第四の実施の形態として、
表面に形成された複数の微細な凹部を有する基板と、各凹部の内部表面に形成された導電性微粒子の膜と、導電性微粒子の膜に電気的に接続するように形成された第１及び第２電極とを備え、
導電性微粒子の膜が、プローブで修飾され、少なくとも一方の電極及び／又は他の導電性微粒子に接続されてなる電気抵抗型検出センサを用いることにより、各凹部にそれぞれ別のプローブを結合させ、簡便に短い時間で、検体中の標的物質を電気的に検出、確認することができる。
本実施の形態の基板の表面には、複数の微細な凹部が形成されている。
各凹部に対応する第１または第２電極は、互いに電気的に接続されてもよい。この場合、第三の実施の形態と同様の構成により、各凹部に導入された検体についての測定を行うことができる。
「第１電極が、基板表面に形成され」には、基板表面に形成された第１電極が、絶縁材料等で被覆されている場合も含む。すなわち、第１電極を形成する部位は、基板表面に限定されるのではなく、凹部の内部、肩部であってもよい。
第２電極は、裏面に露出してもよい。また、第２電極が裏面に露出する場合、第２電極は、その全部又は一部が、さらに絶縁材料等で被覆されていてもよい。
第２電極は、基板裏面に互いに交差しない、好ましくは平行に延びる複数の溝を形成し、白金などの導電体で溝を埋めるようにして形成することができる。また、第１の基板に貫通孔を形成し、互いに交差しない、好ましくは、平行に延びる複数の電極を有する第２の基板を、第１の基板の裏面に貼り付けることによって第２電極を形成してもよい。
さらに、複数の凹部は、複数の行及び列からなるマトリックス状に並び、各行の第１電極及び各列の第２電極が、それぞれ互いに電気的に接続されることが好ましい。
マトリックスの行及び列は、直角に交わるのが好ましいが、所望の角度で交わっていてもよい。また、行及び列は、直線状であっても曲線状であってもよい。
第１電極の各列及び第２電極の各行を、それぞれマルチプレクサに接続することができ、マルチプレクサに与えるアドレス信号を順次変化させることにより、マトリックス状に並んだそれぞれの凹部について、センサの出力を測定することができる。
マルチプレクサ、制御部、電気的特性測定器、ロックインアンプ回路、出力機器などについては、先で述べたものを適用することができる。
このような構成にすることにより、省スペースで、簡易に、多くの測定を行うことができるという利点を有している。
そして、以下に上記の第一〜四の実施の形態で示した電気抵抗型検出センサを用いた標的物質の検出方法を記載する。
本発明では、まず測定試料を、プローブで修飾された導電性微粒子の膜に散布する。
本願発明の「導電性微粒子の膜に散布する」は、測定試料を導電性微粒子の膜に接触させることを意味する。具体的には、例えば測定試料を導電性微粒子の膜に滴下させて行うことができる。
また本発明の「測定試料」は、標的物質の有無を検出する検体を、測定に支障をきたさないように調節したものである。具体的には、例えば、検体の濃度を、検出に適切な濃度になるように、適切な溶媒で希釈したものや、得られた二本鎖ＤＮＡを、検出に適切な形態である一本鎖ＤＮＡに処理したものなどが挙げられる。
測定試料の量は、少なくとも基板上の凹部内の導電性微粒子の膜に接触させることができれば特には限定されるものではない。
さらに、プローブと測定試料を反応させる条件は、用いるプローブや測定試料に応じて適宜選択することができる。
そして、公知の方法を用いて、得られた導電性微粒子の膜の間の電気抵抗値を測定し、測定試料を散布する前後での膜の電気抵抗値を測定することで、標的物質の有無を検出、確認することができる。
つまり、通常、電極間の電流は、導電性微粒子の膜を通して流れるが、測定試料中に標的物質が存在し、標的物質とプローブとが反応した場合には、電流はプローブを介して流れる。その結果、電極間での電気抵抗値に違いが生じる。そして、そのことを利用して標的物質の有無を電気的に検出、確認することができる。
さらに、第五の実施の形態として、上記第一〜四の実施の形態で示した電気抵抗型検出センサに限らず、
電気的に絶縁された基板表面に形成された導電性微粒子の膜をプローブで修飾し、該修飾した膜に検体を含む測定試料を散布し、
得られた導電性微粒子の膜の２点間の電気抵抗値を測定することにより、
プローブと反応する標的物質の有無を検出、確認することができる。
さらに、第六の実施の形態の検出方法として、
予め検体とプローブとを含む測定試料を調製し、
電気的に絶縁された基板表面に形成された導電性微粒子の膜に該試料を散布し、
得られた導電性微粒子の膜上の２点間の電気抵抗値を測定することにより、
プローブと反応する標的物質の有無な検出、確認することができる。
本検出方法は、予め検体とプローブを含む測定試料を調製したものを、基板にあるプローブで修飾されていない導電性微粒子の膜に散布して膜間の電気抵抗値の測定する点で、上記の検出方法とは異なる。
すなわち、上記検出方法は、導電性微粒子の膜をプローブで修飾する工程を要しない。
上記の「測定試料を調製する」には、プローブと測定試料を、標的物質とプローブとが反応しうる条件下にさらすことを含む。
具体的には、例えばプローブとして１２ｂｐ程度の一本鎖ＤＮＡを用いた場合、プローブと検出する測定試料とを室温で３０分間放置することで測定試料を調製することができる。
それ以外については、上記で述べたものを適用することができる。
【実施例１】  実施例１は、本発明の電気抵抗型検出センサの選択性について調べたものである。
本実施例では、６ｍｌの１％テトラクロロ金（ＩＩＩ）酸四水和物（和光純薬）水溶液と、１０ｍｌの３％クエン酸（片山化学）水溶液を含む２００ｍｌの水溶液を、８０℃で２０分間攪拌し、金コロイド溶液を調製した。そして、ガラス基板（１ｃｍ×１ｃｍ）上に電極間ギャップが５μｍになるように白金蒸着された「くし型電極白金」（ビー・エー・エス社製）を、１，１０−デカンジチオール／エタノール溶液に浸漬させ、次いで金ナノ粒子を含む金コロイド溶液に浸漬させることで、電極上および電極間に金ナノ粒子の膜を形成した。そして、得られた膜に、プローブとなる５’末端をＳＨ基で活性化した１００μＭのＤＮＡ（ＳＥＱ１：５’−ＴＣＴＣＡＡＣＴＣＧＴＡ−３’）の水溶液を５μｌ滴下し、３０分間放置して、電極上および電極間に存在する金ナノ粒子の膜をプローブで修飾した。
次に得られた膜に、ＴＥ緩衝液（１０ｍＭ  Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、１ｍＭ  ＥＤＴＡ、１Ｍ  ＮａＣｌ）を１μｌ滴下して金ナノ粒子の膜を湿らせ、膜の電気抵抗値が安定するまで放置した。そして、測定試料として、ＳＥＱ２〜５の配列を有するＤＮＡを１００μＭ含むＴＥ緩衝液を調製し、該調製した液５μｌを、上記で得られた膜に滴下した。
図１は、プローブとして１２ｂｐからなるＳＥＱ１の配列を有するＤＮＡを用い、測定試料としてＳＥＱ２の配列を有するＤＮＡ（２：１ｂｐが相補的な一本鎖ＤＮＡ）、ＳＥＱ３の配列を有するＤＮＡ（３：８ｂｐが相補的な一本鎖ＤＮＡ）、ＳＥＱ４の配列を有するＤＮＡ（４：１１ｂｐが相補的な一本鎖ＤＮＡ）、ＳＥＱ５の配列を有するＤＮＡ（５：１２ｂｐの全てが相補的な一本鎖ＤＮＡ）を用い、各々の測定試料を用いた場合での検出前後の膜の抵抗値の変化を示したものである。その結果、測定試料をＤＮＡで修飾した金ナノ粒子の膜に滴下すると、膜の電気抵抗は減少し、その後１分程度で、膜の抵抗値は安定した。その際、測定試料としてＳＥＱ５のＤＮＡを用いた場合（５）に、検出前後での電気抵抗値の変化が最も大きかった（５．１６×１０−２Ωｃｍ）。一方、それ以外のＤＮＡを測定試料として用いた場合には、膜の電気抵抗値の変化は、２．４０×１０−２Ωｃｍ（４）、１．４４×１０−２Ωｃｍ（３）、１．３９×１０−２Ωｃｍ（２）程度であった。つまり、検出前後での膜の電気抵抗値の変化は、（４）と（２）では１．０１×１０−２Ωｃｍ／ｂａｓｅであるのに対し、（４）と（５）の間では２．７６×１０−２Ωｃｍ／ｂａｓｅであり、（４）と（５）の間で、最も顕著な変化がみられた。このことは、本発明の電気抵抗型検出センサを用いると、標的となるＤＮＡとの違いが１ｂｐのものでも効率よく検出できることを示しており、本発明の電気抵抗型検出センサが優れた選択性を有していることを示している。
次に、上記のようにして、金ナノ粒子の膜を、プローブとしてＳＥＱ１の配列を有するＤＮＡで修飾した後、得られた金ナノ粒子の膜に、１μｌのＴＥ緩衝液を滴下して金ナノ粒子の膜をまんべんなく湿らせた。そして、金ナノ粒子の膜の電気抵抗値が安定するまで放置した。そして、安定してから約１００秒後、ＳＥＱ５の配列を有するＤＮＡを含むＴＥ緩衝液５μｌを金ナノ粒子の膜に滴下し、金ナノ粒子の膜の電気抵抗値が安定するまで、再度放置した。そして、その膜にＤＮＡ分解酵素ＤＮａｓｅＩ（和光純薬、１０ｍｇ／ｍｌ）を１０μｌ滴下して室温で約１時間放置し、金ナノ粒子の膜に結合したＤＮＡを分解して、膜をプローブで修飾する前の状態に戻した。図２は、ＤＮＡ（プローブ）で修飾された金ナノ粒子の膜に存在するＤＮＡを、ＤＮＡ分解酵素で分解する前後での膜の電気抵抗値を示したものである。その結果、金ナノ粒子の膜を修飾したＤＮＡを分解した後の金ナノ粒子の膜の電気抵抗値は、ＤＮＡで修飾する前の金ナノ粒子の膜の電気抵抗値（６２４．３６Ω）とほぼ同じになった。このことは、本発明の電気抵抗型検出センサが繰り返し使用できることを示している。
【実施例２】  測定試料としてＳＥＱ５の配列を有するＤＮＡを用い、プローブとして両末端（３’および５’）をチオール化したＳＥＱ１の配列を有するＤＮＡ（日清紡製）を用いた以外は、実施例１と同様な方法で膜の電気抵抗値を測定した。
図３に示すように、検出前後での膜の電気抵抗の変化は、プローブのＤＮＡの一方（５’）末端のみをチオール化した場合（実施例１（５））と比べて、２．９倍に増大していた（実施例１：０．３０Ω、実施例２：０．８７Ω）。このことは、プローブの修飾部位の数が増加すると、検出感度が増大することを示している。
【実施例３】  金ナノ粒子を含む金コロイド溶液１．５ｍｌと、両末端（３’および５’）をチオール化したＳＥＱ１の配列を有するＤＮＡを５０μＭ含む水溶液５μｌとを混合し、３０分間静置して金ナノ粒子をプローブＤＮＡ（ＳＥＱ１）で修飾した。そして、この溶液を遠心分離（６０００ｒｐｍ、１０分）した後、１．５ｍｌの水で溶液を再分散させた。そして、この操作を２回繰り返し、最後に、０．５ｍｌの水で溶液を再分散させた。そして、得られた溶液３０μｌをくし型電極白金（ビー・エー・エス社製）に滴下して電極上および電極間に結合剤を含まない金ナノ粒子の膜を作製した以外は、実施例２と同様な方法で電気抵抗値を測定した。
その結果、図４に示すように、検出前後での膜の電気抵抗値の変化は、０．５７Ωであった。このことは、本発明の電気抵抗型検出センサでは、導電性微粒子の膜に、結合剤を含まなくとも標的物質を検出することができることを示している。
【実施例４】  実施例１で使用したのと同様なガラス基板とくし型電極白金を用い、プローブとして、５’末端をチオール化したＳＥＱ１の配列を有するＤＮＡ１００μＭを含むＴＥ緩衝液５μｌと、測定試料として、ＳＥＱ５の配列を有するＤＮＡ１００μＭを含むＴＥ緩衝液５μＬとをマイクロチューブ（ＴｒｅｆｆＬａｂ、Ｔｒｅｆｆ  ＡＧ社製、スイス）内で予め混合して調製する。そして、電極を１，１０−デカンジチオール／エタノール溶液に浸漬させ、次いで金コロイド溶液に浸漬させることで、電極上および電極間に金ナノ粒子の膜を形成した。そして、その金ナノ粒子の膜に１μｌのＴＥ緩衝液で湿らせ、上記の調製した液を金ナノ粒子の膜に滴下し、滴下前後での膜の電気抵抗値を測定し、その結果を図５に示した。
その結果、実施例１に記載のプローブとして５’末端のみをチオール化したＤＮＡを用いた場合（０．３０Ω）と比べて、検出前後での膜の電気抵抗値は２．７倍に増大していた（０．８１Ω）。このことは、本発明の第六の実施の形態に記載の検出方法が有用であることを示している。
【実施例５】  次に、プローブとして抗体を用いた場合を以下に説明する。
実施例１で使用したのと同様なガラス基板とくし櫛型電極（ビー・エー・エス社製）を用い、それらを１，１０−デカンジチオール／エタノール溶液に浸漬させ、次いで金コロイド溶液に浸漬させることで、電極上および電極間に金ナノ粒子の膜を形成した。そして、金ナノ粒子の膜を形成した電極を、１０ｍＭのメルカプトプロピオン酸（東京化成）／エタノール溶液に３０分間浸漬させ、金ナノ粒子の膜をメルカプトプロピオン酸で修飾した。そして、得られた膜を超純水ですすぎ、エタノール中で５分間超音波洗浄した。次に、超純水で金ナノ粒子の膜をすすぎ、そして乾燥させた。次に、金ナノ粒子の膜を、１００ｍｇ／μｌのＮ−ヒドロキシこはく酸イミド（和光純薬）水溶液２０μｌに接触させ、さらに１００ｍｇ／μｌの１−エチル−３−［３−ジメチルアミノプロピル］カルボジイミドハイドロクロライド（ＷＳＣ）（同仁化学）水溶液２０μｌに接触させた後、室温で静置した。
その後、得られた金ナノ粒子の膜を超純水ですすぎ、さらに０．１Ｍのトリス−塩酸塩緩衝液（ｐＨ８）で洗浄し、そして金ナノ粒子の膜上に１０μｌの０．１Ｍのトリス−塩酸塩緩衝液を滴下させて１００秒間室温で静置した。得られた膜に、０．１Ｍのトリス−塩酸塩緩衝液で１００倍に希釈したラビットアンチマウスＩｇＧ（和光純薬）の抗体溶液を、１０μｌ滴下して室温で３０分間放置した。
その後、得られた膜をトリス−塩酸塩緩衝液ですすぎ、その上に０．１Ｍのトリス−塩酸塩緩衝液を１０μｌ滴下し、さらに２０μｌのエタノールアミン（和光純薬）水溶液を滴下して室温で１時間静置し、抗体が固定化されなかった活性化部位をマスクした。
そして、抗体で修飾した金ナノ粒子の膜を超純水で洗浄し、さらにトリス−塩酸塩緩衝液で洗浄し、そして金ナノ粒子の膜を１０μｌのトリス−塩酸塩緩衝液にさらした。
そのまま１００秒間放置した後、得られた膜上に、１００μｇのマウスＩｇＧ（ＵｐｓｔａｔｅＢｉｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社）／トリス−塩酸塩緩衝液１μＬの抗原溶液を１０μｌ滴下した。滴下後，すぐに膜の電気抵抗値を観測し、その結果を図６に示した。
図６の結果は、本発明の電気抵抗型検出センサは、抗原の検出にも適用できることを示している。
【実施例６】  図７は、本発明の実施例６に係る電気抵抗型検出センサ５１を示す。本発明の実施例２に係る電気抵抗型検出センサ５１は、基板５４表面に形成された複数の凹部５３を備えており、各凹部５３の内部表面には、金ナノ粒子の膜５７が形成されている。また、第１及び第２電極５５、５６が、各凹部５３の金ナノ粒子の膜５７に電気的に接続するように形成されている。電気抵抗型検出センサ５１は、以下の方法によって製造される。
電極の形成及び洗浄
まず、基板に互いに平行に延びる複数本の白金電極を形成する。白金電極は、白金電極を形成する場所以外の場所をマスクした状態で、白金を蒸着する等により形成することができる。次に、図７に（ａ）に示すように、白金電極を二分するように、各電極の中央部に１つずつ凹部を形成する。白金電極が凹部により分断され、第１及び第２電極が形成される。凹部の形成後、以下の方法により、白金電極の洗浄を行う。
まず、上記白金電極を、０．１ＭのＨ２ＳＯ４中で、参照極としてＡｇ／ＡｇＣｌを用い、対極として白金コイル（ニラコ社製）を用いて、掃引速度２００ｍＶ／ｓ、−０．２５〜＋１．３Ｖの範囲で掃引を５０回繰り返して洗浄する。電気化学的な洗浄は、ポテンショスタット（セイコーＥＧ＆Ｇ社製２６３Ａ−１）を用いて行う。
金ナノ粒子の膜の形成
次に、金ナノ粒子の膜の形成方法について説明する。
まず、６ｍｌの１％テトラクロロ金（ＩＩＩ）酸四水和物（和光純薬）水溶液と、１０ｍｌの３％クエン酸（片山化学）水溶液を含む２００ｍｌの水溶液を、８０℃で２０分間攪拌し、金コロイド溶液を調製する。
次に、凹部に５ｍＭの１，１０−デカンジチオールを含むエタノール溶液を注入し、エタノールが蒸発した後、エタノールで軽くすすぐ。次に、凹部に金コロイド溶液を注入することにより、凹部表面に金ナノ粒子膜が形成される。
このようにして金ナノ粒子の膜を形成することにより、第１及び第２電極５５、５６が、各凹部５３の金ナノ粒子の膜５７に電気的に接続される。
ＤＮＡプローブでの修飾
まず、プローブとして、５’末端がチオール化されたＤＮＡ（日清紡製）を用いた。
次に、凹部を１００μＭの上記ＤＮＡを含む１μｌ（凹部体積１ｍｍ３）のＴＥ緩衝液（１０ｍＭ  Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、１ｍＭ  ＥＤＴＡ、１Ｍ  ＮａＣｌ）で満たし、３０分間放置する。これにより、金ナノ粒子がプローブＤＮＡで修飾される。
次に、余分なチオール化したＤＮＡを除去するため、ＴＥ緩衝液を用いて金ナノ粒子の表面を洗浄し、さらに界面抵抗の影響を取り除くため、１μｌのＴＥ緩衝液にて金ナノ粒子表面を湿らせる。
周辺装置
次に、電気抵抗型検出センサ５１に接続される周辺装置等について説明する。
図７に示すように、各凹部５３に対応する第１電極５５は、マルチプレクサ６０の入力端子６１に電気的に接続される。また、マルチプレクサ６０の出力端子６２と各凹部５３に対応する第２電極５６とが、電気抵抗測定器６３を介して、電気的に接続される。電気抵抗測定器６３は、その出力端子６４から測定した電気抵抗に対応した電圧を出力する。また、マイクロコンピュータ６５が、マルチプレクサ６０のアドレス入力端子６６及び電気抵抗測定器６３の出力端子６４に接続される。マルチプレクサ６０は、ここでは、デマルチプレクサとして機能するため、各凹部５３からの複数の出力は入力端子６１に入力され、単一の出力端子６２から出力される。
マイクロコンピュータ６５は、順次出力アドレスを変化させ、各凹部５３に対する電気抵抗測定器６３の出力を記憶する。マイクロコンピュータ６５は、プリンタ又はモニタなどの出力機器６７に接続されており、記憶したデータを出力機器６７に出力する構成となっている。このような構成をとることにより、一度に多くの標的ＤＮＡを簡易に検出することができる。
標的ＤＮＡの検出
次に、本発明の電気抵抗型検出センサ５１及びその周辺装置を用いた標的ＤＮＡの検出方法について説明する。
まず、電気抵抗型検出センサの凹部５３に、１００μＭの測定試料を含む５０μｌのＴＥ緩衝液を、先に調製した金ナノ粒子表面にまんべんなく滴下し、３分間放置する。そして、デジタルマルチメーター（ＨＥＷＬＥＴＴ  ＰＡＣＫＡＲＤ社製  ３４４０１Ａ型）６３を用いて、２２±１℃で電極の両端の電気抵抗を測定する。
【実施例７】  図８は、実施例７に係る電気抵抗型検出センサの構成を示すブロック図である。実施例７に係る電気抵抗型検出センサでは、マルチプレクサ６０の出力端子６２と各凹部５３に対応する第２電極５６とが、ロックインアンプ回路６８を介して、電気的に接続される。ロックインアンプ回路６８の出力端子６９が、マイクロコンピュータ６５に接続される。その他の構成や金ナノ粒子の形成方法などは、実施例６と同様である。
図９は、実施例７に係るロックインアンプ回路６８の構成を示すブロック図である。Ａは加算器、Ｂは図３の点線で示す電気抵抗型検出センサ、Ｃは電流電圧変換器、Ｄはロックインアンプ、Ｅはバイアス電圧、Ｆは同期信号である。信号Ｆに同期する出力成分をロックインアンプで選択的に検出することで測定環境において発生する雑音を除去または減少させることが出来る。
【実施例８】  図１０に本発明の実施例７に係る基板上に上記の電気抵抗型検出センサを複数個備えた電気抵抗型検出センサ７１を示す。電気抵抗型検出センサ７１は、複数の行Ｘ及び列Ｙからなるマトリックス状に並んだ複数の凹部７３を備える。
さらに、各凹部７３の内部表面には、金ナノ粒子の膜７７が形成されている。また、第１及び第２電極７５、７６が、各凹部７３の金ナノ粒子の膜７７に電気的に接続するように形成されている。また、電極７５は凹部７３の基板７４表面にリングあるいはそれに類似する形に作製されてもよい。
第１電極７５は、基板７４表面に形成され、第２電極７６は、凹部７３の内部に形成されると共に基板７４の裏面に露出している。また、各行Ｘの第１電極７５及び各列Ｙの第２電極７６は、それぞれ互いに電気的に接続されている。
電極及び金ナノ粒子の膜の形成
次に、このような電極７５、７６及びこれらに電気的に接続する金ナノ粒子の膜７７の形成方法について説明する。
まず、基板裏面に互いに平行に延びる複数の溝を形成し、溝を埋めるようにして白金で第２電極７６を形成する。
次に、図１０（ａ）で示すような形状で第１電極７５を形成する。
次に、基板７４表面からに第２電極７６に対向するように、マトリックス状に並んだ複数の凹部７３を形成する。凹部７３は、第２電極７６が基板７４表面側に露出する深さに形成する。
最後に、実施例６で用いたのと同様の方法により、凹部７３の内部表面に金ナノ粒子の膜７７を形成し、電極及び金ナノ粒子の膜の形成を完了する。
ＤＮＡプローブでの修飾
次に、実施例６で用いたのと同様の方法により、金ナノ粒子の膜７７をＤＮＡプローブで修飾する。
周辺装置
次に、電気抵抗型検出センサ７１に接続される周辺装置等について説明する。
図１０に示すように、第１電極７５の各列Ｙ及び第２電極７６の各行Ｘは、それぞれマルチプレクサ８０、８１の入力端子８２、８３に接続される。各マルチプレクサ８０、８１の出力端子８４、８５は、電気抵抗測定器８６を介して、互いに電気的に接続される。電気抵抗測定器は図９に示すようなロックインアンプ回路６８を使用してもよい。電気抵抗測定器８６は、その出力端子８７から測定した電気抵抗に対応した電圧を出力する。また、マイクロコンピュータ８８が、各マルチプレクサ８０、８１のアドレス入力端子８９、９０及び電気抵抗測定器８６の出力端子８７に接続されている。
さらにマイクロコンピュータ８８は、各マルチプレクサ８０、８１に対する出力アドレスを順次変化させて出力し、二次元アレイ状に並んだ凹部７３を走査し、各凹部７３に対する電気抵抗測定器８６の出力を記憶する。マイクロコンピュータ８８は、プリンタ又はモニタなどの出力機器９１に接続されており、記憶したデータを出力機器９１に出力する構造となっている。
このような構成とすることにより、一度にさらに多くの標的ＤＮＡを検知することができる。また、第１電極を基板表面に配置し、第２電極を基板裏面に配置するという構造をとることで、高密度にセンサを配置することができ、装置の省スペース化を図ることもできる。
標的ＤＮＡの検出
実施例９の電気抵抗型検出センサ７１及びその周辺装置を用いて、実施例６で用いたのと同様の方法により、標的ＤＮＡの検出を行うことができる。
産業上の利用の可能性
本発明の上記の電気抵抗型検出センサを用いることで、蛍光物質などの特殊な試薬や、複雑な装置を用いることなく、従来よりも、容易で、迅速に、そして安価で、かつコンパクトに精度よく標的物質の有無を電気的に検出、確認することができる。
さらに本発明の電気抵抗型検出センサは、従来よりも容易で、迅速に、そして安価で繰り返して使用することができる。
さらに基板に凹部を形成し、凹部内にプローブで修飾した導電性微粒子の膜を形成し、測定試料とプローブとを凹部内で反応させることで、反応に要するスペースを少なくすることができる。
さらに、同一基板に複数の凹部を形成させることで、一度に多種の測定試料および／または標的物質を電気的に検出、確認することができる。
さらに、導電性微粒子として金ナノ粒子を用い、プローブとしてＳＨ基またはＮＨ２基で活性化させたＤＮＡまたは抗体を用いることで、より精度よく標的物質を検出、確認することができる。
また、プローブの一端を活性化することで、より精度よく標的物質を検出、確認することができる。
また、プローブの両端を活性化することで、より精度よく標的物質を検出、確認することができる。
また、凹部の形状をすり鉢状にすることで、検出をより効率的に行うことができる。
また、本発明の上記の電気抵抗型検出方法を用いることで、蛍光物質などの特殊な試薬や、複雑な装置を用いることなく、従来よりも、容易で、迅速に、そして安価で、かつコンパクトに精度よく標的物質を電気的に検出、確認することができる。
また、本発明の電気抵抗型検出方法を用いることで、従来よりも、容易で、迅速に、そして安価で繰り返して標的物質を検出、確認することができる。
【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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【配列表】
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