JP2014219223A - センサーチップホルダー - Google Patents

Abstract

【課題】標準のウェルプレートを利用して、センサーチップの被覆や、その場計測を可能にするホルダーを提供すること。【解決手段】ウェルプレートのウェル、あるいはウェルとウェルの間の隙間に支持棒を差し込むことによってセンサーチップを垂直に支持することで、センサーチップの電極部分がウェル内の溶液に接触すること無く、センサー素子部分を溶液に浸すことが可能になる。また、電源や読み取り装置と電気的に接続されているコネクターをホルダーに固定し、そのコネクターにセンサーチップを取り付けることによって、標準のウェルプレートを使用して測定を行う事も可能になる。【選択図】図３

Description

本発明は、試料を注入可能なプレート等を利用し、センサーチップの特定部分を液体試料に浸すことを可能にするセンサーチップホルダーに関する。これによってセンサーチップの電極部分などに液体試料が接触しない状態を保ちながら、センサーチップ上のセンサー素子などの特定部分を受容体溶液や試料溶液などに浸すことにより、センサー素子を修飾したり、センサー素子部分への検出対象物質の吸着の様子を電気的に計測したりすることが可能になる。

検出対象物質と親和性のある受容体層などを用いて測定を行うタイプのセンサーは、一般的にアフィニティータイプのセンサーと呼ばれる。カンチレバーセンサーや膜型表面応力センサー（Membrane-type Surface stress Sensor；以下MSSと称する；非特許文献１、２）を含むナノメカニカルセンサーは、水晶振動子や表面プラズモン共鳴センサーなどと同様に、アフィニティータイプのセンサーの一種と考えることができる。

これらのセンサーでは、センサー素子の表面に受容体層を被覆する必要がある。しかしながら、通常センサーチップには、検出対象物質の吸着に起因する信号を読み取るための電極などが組み込まれている。そのため、受容体層を被覆する際には、こういった電極等が受容体溶液等に接触しないよう保護する必要がある。

一方、センサーチップを受容体層によって被覆する際には、センサー素子表面に自己組織化膜を被覆したり、検出対象物質に特異的な親和性を持つ官能基を固定化したりするなど、複数種類の溶液にセンサーチップを浸す行程が含まれることが多い。さらに、センサーチップを大量に生産する際には、多数のセンサーチップを同時に処理する必要がある。また、再現性や条件の最適化などといった基礎的な検討段階においても、複数枚のセンサーチップを同時に処理することが多くの場面で求められる。

このように、複数種類の溶液に、複数枚のセンサーチップを浸すといった行程においては、９６個の小さなウェルを備えたプレート（９６穴ウェルプレートなどと呼ばれる）に代表されるウェルプレートなどを用いることによって、作業の効率を高めることが可能になる。

本発明の課題は、電極などセンサーチップの特定部分が液体試料に接触しない状態を保ちながら、センサー素子部分のみを受容体溶液や試料溶液に浸すことで、センサー素子の受容体による被覆や、センサー素子による対象物質の検出などの測定を可能にするホルダーを提供することにある。

本発明の一側面によれば、横方向に延びる横方向部材と、前記横方向部材の下方向に延びる第１及び第２の支持棒とを設け、前記横方向部材への前記第１の支持棒の取り付け部分と前記第２の支持棒の取り付け部分との間に、液体に浸漬すべきセンサーチップを下向きに延びる方向に固定するセンサーチップホルダーが与えられる。
ここで、前記横方向部材にコネクターを取り付け、前記コネクターに前記センサーチップを接続してよい。
また、センサーチップホルダーに固定された前記センサーチップをセンサーチップホルダー外部に電気的に結合する導線を接続できるコネクターを設けてよい。
また、前記コネクターを前記横方向部材に設け、前記コネクターに前記センサーチップを接続してよい。
また、前記センサーチップを固定する手段を設けた基板を取り付けてよい。
また、前記センサーチップを固定する手段は前記センサーチップを接続するコネクターであってよい。
また、前記センサーチップをセンサーチップホルダー外部に電気的に結合する導線を接続できるコネクターを設けてよい。
また、前記支持棒と前記横方向部材の少なくとも一方は弾性体であってよい。
また、前記支持棒上の任意の位置に段付き部または突出部を設けてよい。

本発明により、ウェルプレートを使用して、効率よくセンサーチップを部分的に被覆すること、およびその場で測定することが可能になる。被覆から測定まで、センサーチップを、センサーの電気的接続をとるコネクターなどから取り外す必要がなくなるため、センサーチップのコネクターへの複数回挿入などによる電極部分の損傷を防ぐことが可能になる。

本発明の第１の実施例のセンサーチップホルダーを示す図。 本発明の第１の実施例のセンサーチップホルダーを図１とは反対側から見た状態を示す図。 コネクターが取り付けられた本発明の第１の実施例のセンサーチップホルダーを示す写真。 本発明の第１の実施例のセンサーチップホルダーの使用例の写真。 本発明の第１の実施例のセンサーチップホルダーを複数個、前後左右に並べて使用した別の使用例の写真。 本発明の第２の実施例のセンサーチップホルダーを示す図。 本発明の第２の実施例のセンサーチップホルダーを図６とは反対側から見た状態を示す図。 本発明の第２の実施例のセンサーチップホルダーをセンサーチップ取付け面側から撮影した写真。 本発明の第２の実施例のセンサーチップホルダーの使用例の写真。 図９の使用例において、９６穴ウェルプレートへのマウント部分を拡大撮影した写真。

本発明は、センサーチップの電極部分など、特定の部分が溶液などに接触しない状態のまま、ウェルプレートを利用して、センサー素子の被覆や測定を可能にするホルダーであり、ホルダーの材質やサイズについてはどのようなものでも良い。

本発明のセンサーチップホルダーは、横方向に延びる部材から下方向に２本の支持棒を伸ばす。更に、この横方向に延びる部材に２本の支持棒を取り付けている部分の間にセンサーチップを下向きに固定する取付け部を設ける。取付け部がセンサーチップを固定する構造としては、例えば横方向に延びる部材にセンサーチップの端子と係合するコネクター構造を設ける、切欠きやスリットを設けてそこへセンサーチップの端部を挟み込む、センサーチップの端部を横方向に延びる部材の所定位置に載せた上から別の板状等の部材をねじ止めすることなどでセンサーチップを押さえつける、などの周知の構造を採用することができる。

また、センサーチップからの信号等をセンサーチップホルダーから外部に引き出すためのフラットケーブルなどの信号線を引き出す構造にも、コネクターその他の周知の構造を採用することができる。なお、このように信号線の引き出しを行う場合には、信号線の端部に取り付けられるコネクターをセンサーチップホルダーに固定し、このコネクターにセンサーチップを直接結合してもよい。

なお、センサーチップホルダーを取り付ける相手の構造等によっては、３本以上の支持棒を設けることで、取り付けの安定性を向上させるなどの改良を図ることもできる。

これによってセンサーチップの電極部分などに液体試料が接触しない状態を保ちながら、センサー素子などの特定部分を受容体溶液や試料溶液などに浸すことにより、センサー素子を修飾したり、センサー素子部分への検出対象物質の吸着の様子を電気的に計測したりすることが可能になる。具体的には、ウェルプレート中でセンサーチップを浸漬しようとするウェルの近傍にある別のウェルや、ウェルとウェルの間の隙間等に支持棒を差し込んでセンサーチップを垂直に支持することで、センサーチップの電極部分がウェル内の溶液に接触すること無く、センサー素子部分を対象とするウェル中の溶液に浸すことが可能になる。ウェルプレートの構造やサイズはＡＮＳＩ規格などにより規定されているので、わずかの種類のセンサーチップホルダーを準備するだけで多くのウェルプレートに対して対応することができる。ここにおいて、支持棒と横方向の部材の一方または両方をプラスチック等の弾性体により構成し、ウェルプレート等に挿入する際に支持棒及び／または横方向部材が多少変形するようにセンサーチップホルダーの形状・サイズを決めておくことにより、弾性体の反発力によってセンサーチップホルダーの取り付けがより確実になる。また、例えば電源や読み取り装置と電気的に接続されているコネクターをホルダーに固定し、そのコネクターにセンサーチップを取り付けることによって、標準のウェルプレートを使用して測定を行うことも可能になる。

なお、ウェルプレートの、ウェルとウェルとの間の隙間に支持棒が挿入されるようにすれば、センサーチップを挿入しているウェルに隣接するウェルを汚すことがないという利点が得られる。

また、支持棒を上述した構造（近傍のウェル、隙間等の支持棒を差し込むことができる任意の構造）に沿って差し込んでいくと、センサーチップが固定されている横方向の部材がウェルの上端等に突き当たる。つまり、横方向の部材がこのようにストッパーとして機能することにより、特別の操作なしでセンサーチップをウェル中の所定の深さの位置に高い精度で挿入し、そこに停止させることができる。センサーを固定するための構造（たとえばコネクターを取り付けている部分）がウェルの上端部から少し浮いているため、ウェルから溶液が溢れた場合などでも、そのような構造が溶液に接触するのが防止される。また、支持棒の途中から上を太くすることで支持棒を段付き形状にしたり、あるいは支持棒の途中に横方向に突出部を設けることにより、支持棒の途中にストッパー構造を設けることもできる。これにより、横方向部材の高さを大きくしなくても、センサーチップホルダーやそれに取り付けられたセンサーチップにおいて溶液の接触・付着が望ましくない箇所とウェルの液面との距離を大きく取ることができるようになる。

なお、センサーチップホルダーには、必ずしもコネクターを使用して、センサーチップと外部との電気的な接続をとる必要は無く、センサーチップを固定するだけでもよい。例えば、センサーチップの被覆などの前処理を行う際、センサーチップからリアルタイムに何らかの信号を取り出して処理の進行状況のモニタリングを行う必要がない場合にはこの種のセンサーチップを固定するだけのセンサーチップホルダーを使用することができる。あるいは、測定を行う場合であっても、例えば測定信号をリアルタイムに得るのではなく、測定後にセンサーチップを取り外して測定中に当該センサーチップ上に起こった物理的あるいは化学的な変化を検出するという測定を行うのであれば、そこで使用するセンサーチップホルダーから外部に信号線を引き出す必要はない。更には、センサーチップ自体が無線その他のワイヤーを使用せずに外部へ信号を送る機能を持っていたり、あるいはセンサーチップホルダー上にセンサーチップと接続され、このような非接触的な通信を外部と行うインターフェースを設置することにより、センサーチップホルダーと外部の測定装置との間のケーブル接続を行わないようにすることも可能である。

以下では、図１に示す本発明のセンサーチップホルダーの第１の実施例を説明する。図１の中央は正面図、上中央は上面図、下中央は下面図、右中央は右側面図、左中央は左側面図である。また、右上隅及び左上隅はそれぞれセンサーチップホルダーを斜め上の二つの方向から見た斜視図、左下隅及び右下隅はそれぞれセンサーチップホルダーを斜め下の二つの方向から見た斜視図である。なお、ここでセンサーチップホルダーの正面とは、支持棒の先端側から見る方向（つまり、センサーチップホルダーの使用状態では下から見る方向）である。図２は図１とは反対側から同じセンサーチップホルダーを見た図面である。すなわち、図２の中央の図は図１で言えば背面図に相当する。

本実施例では、図１の図面の元になったＣＡＤデータを三次元プリンタ（Objet社製、Objet30pro）によって造形した。図３に示すように、本実施例のセンサーチップホルダーはそれ自体にはセンサーチップを挿入する箇所を持たず、０．５ｍｍピッチの標準コネクターをセンサーチップホルダーにねじ止めで固定し（図１の上面図及び下面図にはそれぞれ左右一対のねじ止め用の孔が設けられていることに注意）、そのコネクターにセンサーチップ（MSSを使用）を挿入した。すなわち、このセンサーチップホルダーでは、センサーチップをセンサーチップに直接固定する代わりに、センサーチップホルダーに取り付けられたコネクターにセンサーチップを挿入することにより、センサーチップの固定が実現される。このコネクターをフラットケーブルを介して図示しない直流電源（例えばNational Instruments社製NI 9269）およびアナログ／デジタル変換ボード（例えばNational Instruments社製NI 9214）に接続した。このような接続状態で、センサー素子の信号が測定可能となった。こうしてセンサーチップを取り付けたホルダーを、標準の９６穴ウェルプレートにマウントし、センサーチップの一部をウェルに満たした試料溶液に浸した状態で、センサーチップからの信号を測定している様子を撮影したものを図３に示す。なお、図４では、センサーチップホルダーへのコネクターの取り付けを斜め上方から見たものが示されている。

本発明のセンサーチップホルダーはウェルプレートに複数個同時にマウントすることももちろん可能である。図５には、９６穴ウェルプレートに対して、本実施例のセンサーチップホルダーを前後に３個並べてマウントするとともに、その左側に同じセンサーチップホルダーを２個前後に並べてマウントした状態を示す。もちろん前後にもっと多数並べてマウントすることも、また左右に３列以上並べてもよい。なお、図５においては、見やすいように左側の列の２個のセンサーチップホルダーについてはケーブルを接続しない状態のものを示している。また、図５においては、支持棒がウェルとウェルの間の隙間に挿入されている様子がはっきりと見える。特に、右側の列の３個のセンサーチップホルダーの左側の支持棒の挿入位置を参照されたい。

次に、図６に示す本発明のセンサーチップホルダーの第２の実施例を説明する。図６の中央は正面図、上中央は上面図、下中央は下面図、右中央は右側面図、左中央は左側面図である。また、右上隅及び左上隅はそれぞれセンサーチップホルダーを斜め上の二つの方向から見た斜視図、左下隅及び右下隅はそれぞれセンサーチップホルダーを斜め下の二つの方向から見た斜視図である。なお、ここで第２の実施例のセンサーチップホルダーの正面図とは、第１の実施例とは異なり、センサーチップホルダーを支持棒を上に向けた状態で置いたものを大きな投影面積を持つ面側から見た図である。図７は図６とは反対側から同じセンサーチップホルダーを見た図面である。すなわち、図７の中央の図は図１で言えば背面図に相当する。

第２の実施例のセンサーチップホルダーに、センサーチップ用コネクターおよび外部接続ケーブル用を取り付けたプリント基板をビスでねじ止めし、センサーチップをコネクターに挿入した状態で、センサーチップ側から撮影した写真を図８に示す。図８からわかるように、第２の実施例においては、センサーチップ取付け用コネクターと外部接続ケーブル用コネクター（図８ではＲＳ２３２Ｃの雄型コネクター）を取り付けたプリント基板を、センサーチップ用コネクターの両脇にある２本のビスでセンサーチップホルダーにねじ止めする。また、ＲＳ２３２Ｃコネクターはプリント基板に２本のビスでねじ止めする。ＲＳ２３２Ｃコネクターは、図９からわかるように９本の電極をプリント基板にハンダ付けしているため、この特定の構成では、物理的には必ずしも両脇の２本のビスでネジ留めする必要はない。ただし、本実施例ではこのＲＳ２３２Ｃコネクターのグラウンドを取るためにも、基板側の両脇の２本のビスによるねじ止めが行われている。このグラウンドはＲＳ２３２Ｃケーブル内のシールドにも繋がっている。なお、ここではＲＳ２３２Ｃコネクターを使用したが、必要とされる物理的サイズや電気的特性等が適合する限り、他の任意のタイプのコネクターを使用することも当然可能である。

これらのコネクターが取り付けられたプリント基板のセンサーチップホルダーへの取り付けに当たっては、センサーチップホルダーの背面図側の面（平坦な側）にプリント基板を取り付け、背面図側の面からプリント基板の２つのビス止め用孔及び背面図に描かれている２つのビス止め用孔にビスを挿入し、これを正面図に描かれている六角形のくぼみに入れたナットにそれぞれ係合させることで固定する。

このように構成された第２の実施例のセンサーチップホルダーを９６穴ウェルプレートにマウントした状態の写真を図９に、またそのマウント部分の拡大写真を図１０に示す。図９においては、センサーチップホルダーにＲＳ２３２Ｃの雌型コネクターを介して外部接続ケーブルが接続されている。この外部接続ケーブルは、第１の実施例について既に説明したように、例えば直流電源、アナログ／デジタル変換ボード等の任意の機器に接続することにより、所要の測定を行うことができる。図９ではセンサーチップホルダーを１個しか使用していないが、第１の実施例の場合と全く同様に、複数個前後及び／または左右に並べることで、複数のウェル内の溶液の測定や複数のセンサーチップへの所要の物質の塗布などを並列に行うことが可能であることは当然である。図１０の拡大写真を参照すれば、センサーチップがウェル内に挿入されていること、及び支持棒がウェルとウェルとの間の隙間に挿入されていることがわかる。

以上説明したように、本発明に拠れば、MSSなどのセンサーチップを、標準のウェルプレートなどを利用して受容体の被覆から測定まで行う事が可能であり、センサーの受容体による機能化から実際の測定まで、効率よく行う事が可能になる。特に標準のウェルプレートをよく利用する、生体材料を扱う産業分野においては、既存の装置を流用することが可能である。

G. Yoshikawa, T. Akiyama, S. Gautsch, P. Vettiger, and H. Rohrer, "Nanomechanical Membrane-type Surface Stress Sensor," Nano Letters 11, 1044-1048 (2011). G. Yoshikawa, T. Akiyama, F. Loizeau, K. Shiba, S. Gautsch, T. Nakayama, P. Vettiger, N. F. d. Rooij, and M. Aono, "Two dimensional array of piezoresistive nanomechanical membrane-type surface stress sensor (mss) with improved sensitivity," Sensors 12, 15873-15887 (2012).

Claims (9)

1. 横方向に延びる横方向部材と、
   前記横方向部材の下方向に延びる第１及び第２の支持棒と
   を設け、
   前記横方向部材への前記第１の支持棒の取り付け部分と前記第２の支持棒の取り付け部分との間に、液体に浸漬すべきセンサーチップを下向きに延びる方向に固定する
   センサーチップホルダー。
2. 前記横方向部材にコネクターを取り付け、前記コネクターに前記センサーチップを接続する、請求項１に記載のセンサーチップホルダー。
3. センサーチップホルダーに固定された前記センサーチップをセンサーチップホルダー外部に電気的に結合する導線を接続できるコネクターを設けた、請求項１に記載のセンサーチップホルダー。
4. 前記コネクターを前記横方向部材に設け、前記コネクターに前記センサーチップを接続する、請求項３に記載のセンサーチップホルダー。
5. 前記センサーチップを固定する手段を設けた基板を取り付けた、請求項１に記載のセンサーチップホルダー。
6. 前記センサーチップを固定する手段は前記センサーチップを接続するコネクターである、請求項５に記載のセンサーチップホルダー。
7. 前記センサーチップをセンサーチップホルダー外部に電気的に結合する導線を接続できるコネクターを設けた、請求項５または６に記載のセンサーチップホルダー。
8. 前記支持棒と前記横方向部材の少なくとも一方は弾性体である、請求項１から７の何れかに記載のセンサーチップホルダー。
9. 前記支持棒上の任意の位置に段付き部または突出部を設けた、請求項１から８の何れかに記載のセンサーチップホルダー。