JP2016008823A - 採取部及びバイオセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】非侵襲的に人体から採取した試料に基づき解析することができる採取部及びバイオセンサを提供する。【解決手段】試料液を受容する、第１受容部１６及び第２受容部１８と、前記第１受容部１６及び前記第２受容部１８の間に配置された分離部２０とを有し、前記第１受容部１６が、検出対象物質と結合する識別物質を含むと共に、前記試料液中の検出対象物質を非検出対象物質と分離し、前記第２受容部１８が、基端側に設けられた塩橋部２５を介して、参照電極２１に接続されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、採取部及びバイオセンサに関するものである。

近年、バイオセンサとしては、生きている細胞を非侵襲で解析に利用できる技術が開示されている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、負電荷の物理的特性の変化を検出する検出表面が、シアル酸試料（細胞そのもの又は細胞由来の糖鎖）と結合するフェニルボロン酸基で被覆された構造を有するバイオセンサが開示されている。

特開２０１０−１０７４９６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたバイオセンサでは、細胞等に対する侵襲がないものの、細胞を採取する際の人体に対し侵襲がないとはいえない。すなわち、より人体への負担を軽減することができるバイオセンサ、例えば、涙、汗、唾液などに基づき検出対象物を検出することができるバイオセンサが望まれる。因みに涙などには、検出対象物質としてのグルコースのほかに、アルブミン等のタンパク質が含まれており、当該タンパク質がノイズとなって測定感度を低下させてしまう、という懸念がある。

そこで本発明は、非侵襲的に人体から採取した試料に基づき解析することができる採取部及びバイオセンサを提供することを目的とする。

本発明に係る採取部は、試料液を受容する、第１受容部及び第２受容部と、前記第１受容部及び前記第２受容部の間に配置された分離部とを有し、前記第１受容部が、検出対象物質と結合する識別物質を含むと共に、前記試料液中の検出対象物質を非検出対象物質と分離し、前記第２受容部が、基端側に設けられた塩橋部を介して、参照電極に接続されることを特徴とする。

本発明に係るバイオセンサは、前記採取部と、前記第１受容部の基端側とゲート電極が接続された電界効果トランジスタとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、非検出対象物質が第１受容部に含まれる識別物質と結合するのを抑制することにより、測定感度を向上することができるので、非侵襲的に人体から採取した試料液に基づき検出対象物質の濃度をより確実に測定することができる。

また、第１受容部と、第２受容部とが分離部によって分離され、先端から浸透してきた試料液が基端側で混ざらないように形成したことにより、塩橋部を介して涙液と参照電極とを電気的に接続することができるので、小型化することができる。

本実施形態に係るバイオセンサの構成を模式的に示す縦断面図である。 本実施形態に係るバイオセンサの電気的特性を測定した結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（全体構成）
図１に示すバイオセンサ１０は、採取部１２と、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）１４とを備える。バイオセンサ１０は、採取部１２において試料液中に含まれる検出対象物質としてのグルコースを識別し、識別された情報をＦＥＴ１４において電気的な信号に変換することにより、試料液中のグルコース量を検出する。ここで試料液とは、非侵襲的に採取した試料液、すなわち血液以外の生体液として、汗、涙、唾液を挙げることができる。これら試料液には、グルコースのほか、非検出対象物質としてのアルブミン等のタンパク質が含まれている。

採取部１２は、第１受容部１６と、第２受容部１８と、第１受容部１６及び第２受容部１８の間に設けられた分離部２０とを有する。第１受容部１６と第２受容部１８は、先端から基端へ試料液を移動させ得るように形成されており、先端から基端へ移動する試料液が混ざらないように分離部２０によって分離されている。

第１受容部１６は、先端から基端へ試料液を移動させながら、試料液中のグルコースをタンパク質から分離する。本実施形態の場合、第１受容部１６は、矩形状に切断されたろ紙で形成されている。

第１受容部１６は、基端側において、ＦＥＴ１４に電気的に接続されている。第１受容部１６は、識別物質２２を含む。識別物質２２は、試料液に含まれるグルコースと結合する機能を有する。識別物質２２は、フェニルボロン酸を用いることができるほか、例えば、その誘導体（例えば、ビニル基を有するフェニルボロン酸等）、グルコース結合タンパク質（ＧＢＰ）及びその誘導体等を用いることができる。例えばフェニルボロン酸は、グルコースと結合すると負電荷を生じる。

本実施形態の場合、識別物質２２は担体（図示しない）に担持されている。担体は、導電性粒子、非導電性粒子を用いることができる。導電性粒子は、金属粒子、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｃｕ等の粒子や、非金属粒子、例えば酸化インジウムスズ(ＩＴＯ：Indium Tin Oxide)、導電性ポリマー等の粒子を用いることができる。また、非導電性粒子は、例えばＳｉＯ_２等の粒子を用いることができる。例えば、識別物質２２としてのフェニルボロン酸にチオール基（−ＳＨ）やジスルフィド基（−Ｓ−Ｓ−）を導入し、チオールやジスルフィドの誘導体とすることにより、Ａｕ粒子の表面にフェニルボロン酸を担持することができる。

第１受容部１６は、弾性部２４が形成されていてもよい。本図の場合、弾性部２４は、第２受容部１８と面している表面と反対の表面に形成されている。また弾性部２４は、第１受容部１６の基端側には形成されていない。弾性部２４は、生体適合性を有する材料、例えばハイドロゲルで形成することができる。ハイドロゲルは、親水性高分子鎖間が架橋されて多量の水を保持し、吸水性に優れるゲル状材料であり、例えば、アガロース、シリコーン、ポリヒドロキシエチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ−ＨＥＭＡ、ポリメタクリル酸２−ヒドロキシエチルとも称する。）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等が挙げられる。Ｐｏｌｙ−ＨＥＭＡは、ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）のホモポリマーであってもよく、他のモノマー（例えば、２，３−ジヒドロキシプロピルメタクリレート、グリセロールメタクリレート（ＧＭＡ）等）とのコポリマーであってもよい。なお、Ｐｏｌｙ−ＨＥＭＡは、コポリマーとした方がより含水率が高くなる傾向にある。また、ＰＶＰとしては、Ｎ−ビニル−２−ピロリドン（ＮＶＰ）のホモポリマーであってもよく、ＮＶＰを主成分として、ＨＥＭＡ、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）等と架橋剤を加えて重合したコポリマーであってもよい。

第２受容部１８は、特に限定されないが、例えば紙を用いることができる。紙は、植物繊維その他の繊維を膠着させて製造される。植物繊維は、セルロース、ヘミセルロースから構成される。セルロースは、多数有する水酸基同士が水素結合により結合する性質を有しており、これにより紙を構成する植物繊維同士がくっつき合う。また、その他の繊維としては、鉱物、金属、合成樹脂等を繊維状にしたもの等が挙げられる。

第２受容部１８は、基端側において、塩橋部２５を介して参照電極２１に接続されている。塩橋部２５は、例えば、塩化カリウム水溶液を寒天等によって固めることにより形成される。第２受容部１８を移動してきた試料液と参照電極２１は、塩橋部２５によって、直接接触せずに、電気的に接続される。

第２受容部１８は、第１受容部１６と同様に、弾性部２４が形成されていてもよい。本図の場合、弾性部２４は、第１受容部１６と面している表面と反対の表面に形成されている。弾性部２４は、塩橋部２５が設けられている第２受容部１８の基端側には形成されていない。

ＦＥＴ１４は、半導体基板２８の表面に形成されたソース（図示せず）に電気的に接続されたソース電極部３０及びドレイン（図示せず）に電気的に接続されたドレイン電極部３２と、半導体基板２８、ソース電極部３０及びドレイン電極部３２上に形成されたゲート絶縁膜（図示しない）とを備える。ＦＥＴ１４は、n-MOS、p-MOSのいずれも使用することができる。ゲート絶縁膜上には、ゲート電極３４が形成されている。ゲート電極３４は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等で形成することができる。ソース電極部３０とドレイン電極部３２は、図示しないが電源及び計測器に電気的に接続される。

半導体基板２８は、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｓ、ＩＴＯ、ＩＧＺＯ、ＩＺＯ等で形成してもよいし、有機半導体、炭素半導体（例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン半導体、ダイヤモンド半導体等）等を用いてもよい。ゲート絶縁膜は、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４（ＳｉＮ_ｘ）、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物又は窒化物で形成することができる。

本実施形態の場合、バイオセンサ１０は、採取部１２及びＦＥＴ１４を保持する本体３６を備える。本体３６は、ポリエチレンテレフタラート（PET:polyethylene terephthalate）、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE:polytetrafluoroethylene)等の合成樹脂で形成された立方体の部材であり、第１受容部設置部３８、第２受容部設置部４０、ＦＥＴ設置部４２、分離部２０、プローブ挿入穴４４、参照電極挿入穴４６を有する。

本体３６は、長手方向の一端から他端へ延びる穴が、厚さ方向の一面の上下に２個形成されている。下側の穴が第１受容部設置部３８であり、上側の穴が第２受容部設置部４０である。第１受容部設置部３８と第２受容部設置部４０の間には、分離部２０が形成されている。

第１受容部設置部３８の他端側には、ＦＥＴ設置部４２が形成されている。ＦＥＴ設置部４２には、本体３６の長手方向の他端側表面に繋がるプローブ挿入穴４４が形成されている。プローブ挿入穴４４は、本図の紙面に対し、垂直方向に２個、並んで設けられている。

第２受容部設置部４０の他端側には、塩橋設置部４５が形成されている。塩橋設置部４５には、本体３６の長手方向の他端側表面に繋がる参照電極挿入穴４６が形成されている。

ＦＥＴ設置部４２には、ソース電極部３０とドレイン電極部３２をプローブ挿入穴４４にそれぞれ合わせた状態で、ＦＥＴ１４が設置されている。ＦＥＴ１４は、ゲート電極３４が第１受容部設置部３８との接続部分に配置される。第１受容部１６は、弾性部２４を下側にした状態で第１受容部設置部３８に設置される。また第１受容部１６は、先端が本体３６の一端から突出しており、基端側の表面がＦＥＴ１４のゲート電極３４に接触している。プローブ挿入穴４４には、それぞれプローブ電極４７が挿入される。プローブ電極４７は、先端がそれぞれソース電極部３０とドレイン電極部３２に接触しており、それぞれソース及びドレインと電気的に接続される。

塩橋設置部４５には、塩橋部２５が充填されている。第２受容部１８は、弾性部２４を上側にした状態で第２受容部設置部４０に設置される。また第２受容部１８は、先端が本体３６の一端から突出しており、基端側の表面が塩橋部２５に接触している。参照電極挿入穴４６には、参照電極２１が挿入される。参照電極２１は、先端が塩橋部２５に差し込まれており、塩橋部２５と電気的に接続される。参照電極２１は、ＦＥＴ１４における基準電位となる。

（作用及び効果）
上記のように構成されたバイオセンサ１０において、まず、採取部１２で試料液を採取する。例えば、採取部１２の先端を直接下瞼の内側に接触させることにより、試料液としての涙液を採取する。本実施形態の場合、第１受容部１６及び第２受容部１８は、先端側に弾性部２４が設けられていることにより、眼球やその周囲の皮膚を傷つけずに、涙液を採取することができる。

採取された涙液は、第１受容部１６及び第２受容部１８を先端から基端へ向かって浸透していく。本実施形態の場合、第１受容部１６は、ろ紙で形成されていることにより、涙液中のグルコースがタンパク質より速く浸透する。第１受容部１６においてグルコースは識別物質２２と結合する。これにより識別物質２２は負電荷を生じる。一方、第２受容部１８では、涙液が、基端側へ浸透し塩橋部２５に到達することにより、涙液が塩橋部２５を介して参照電極２１と電気的に接続される。

前記負電荷は、第１受容部１６の基端側のゲート電極３４表面に帯電する。これにより、ゲート電極３４上の電荷密度が変化する。この電荷密度の変化を、涙液の参照電極２１の電位を基準にして、ソースからドレインへ流れるドレイン電流の変化として計測することができる。実際には、ゲート電極３４上の電荷密度の変化を、ゲート電圧の変化として計測する。

本実施形態の場合、第１受容部１６は、ろ紙で形成されていることにより、涙液中のグルコースが、タンパク質より速く浸透し、第１受容部１６の基端側へタンパク質より速く到達する。これによりバイオセンサ１０は、タンパク質が第１受容部１６に含まれる識別物質２２と結合したり、ゲート電極３４表面に付着したりすることを抑制できるので、ゲート電極３４に不要な負電荷が帯電することを抑制することができる。したがってバイオセンサ１０は、より測定感度を向上することができるので、非侵襲的に人体から採取した試料液に基づきグルコース量をより確実に測定することができる。

またバイオセンサ１０は、第１受容部１６と、第２受容部１８とが、基端側において分離部２０によって分離され、先端から浸透してきた試料液が基端側で混ざらないように形成されており、さらに第２受容部１８の基端側に塩橋部２５が設けられている。これによりバイオセンサ１０は、塩橋部２５を介して涙液と電気的に接続された参照電極２１を基準として、第１受容部１６の他端側に接続されたゲート電極３４上の電荷密度の変化を計測することができる。

実際に上記実施形態に係るバイオセンサ１０を作製し、採取部１２を下瞼の内側に接触させたときのＦＥＴ１４の出力電圧を測定した。

第１受容部１６として紙（ＡＤＶＡＮＴＥＣ製、製品名：定性濾紙Ｎｏ．１３１）を用いた。識別物質２２としてフェニルボロン酸、担体として金粒子（粒径：１５ｎｍ）を用い、フェニルボロン酸を担持した金粒子を含む溶液（濃度：１ｎＭ）に紙を浸漬して第１受容部１６を作製した。

第２受容部１８として紙（ＡＤＶＡＮＴＥＣ製、製品名：定性濾紙Ｎｏ．１３１）を用いた。塩橋部２５は、塩化カリウム（濃度：３．３Ｍ）を含むアガロースゲル（Agarose gel）を用いた。参照電極２１にはＰｔ電極を用いた。

分離部２０は、ＰＴＦＥで形成した厚さ３００μｍの板状部材を用いた。ＦＥＴ１４のゲート電極３４にはＡｕ電極を用いた。

このように作製したバイオセンサ１０の採取部１２をヒトの眼球に１０秒間接触させ、ゲート電極３４上の電荷密度の変化を、ドレイン−ソース間電圧の変化として計測した。その結果を図２に示す。本図は、縦軸が出力電圧（Ｖ）、横軸が時間（秒）を示す。本図より、採取部１２を眼に接触させるとほぼ同時に、出力電圧が変化したことが確認できた。このことから、バイオセンサ１０は、第１受容部１６において採取部１２で採取された涙液中のグルコースが識別物質２２と結合し、これにより生じたゲート電極３４上の電荷密度の変化を計測できることが確認できた。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

例えば、上記実施形態の場合、第１受容部１６は、ろ紙で形成した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、流路を有する合成樹脂や有機ポリマーの不織布等の構造体で形成してもよい。

上記実施形態の場合、識別物質２２は担体に担持されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、識別物質２２と、阻害物質とを含む自己組織化単分子膜（Self-Assembled Monolayers：ＳＡＭｓ）で形成してもよい。阻害物質は、非検出対象物質であるアルブミン等のタンパク質が、フェニルボロン酸と結合したり、ゲート電極３４に到達したりすることを抑制する。ＳＡＭｓとは、通常、固体と液体の界面又は固体と気体の界面で、有機分子同士が自発的に集合して、自発的に単分子膜を形作っていく有機薄膜をいう。この場合、阻害物質は、高分子化合物で形成される。高分子化合物は、分子鎖が識別物質２２より長いオリゴエチレングリコールを用いることができるほか、例えばポリエチレングリコールなども用いることができる。

また第１受容部１６は、識別物質２２と阻害物質と結合した共重合体を用いてもよい。この場合、阻害物質は、親水性ポリマーで形成することができる。親水性ポリマーとは親水性の官能基（水酸基、カルボキシル基）を有するポリマーであり、ハイドロゲル、紙、高吸水性ポリマー（ＳＡＰ：Superabsorbent Polymer）等である。

ハイドロゲルは、親水性高分子鎖間が架橋されて多量の水を保持し、吸水性に優れるゲル状材料であり、例えば、ポリヒドロキシエチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ−ＨＥＭＡ、ポリメタクリル酸２−ヒドロキシエチルとも称する。）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等が挙げられる。Ｐｏｌｙ−ＨＥＭＡは、ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）のホモポリマーであってもよく、他のモノマー（例えば、２，３−ジヒドロキシプロピルメタクリレート、グリセロールメタクリレート（ＧＭＡ）等）とのコポリマーであってもよい。なお、Ｐｏｌｙ−ＨＥＭＡは、コポリマーとした方がより含水率が高くなる傾向にある。また、ＰＶＰとしては、Ｎ−ビニル−２−ピロリドン（ＮＶＰ）のホモポリマーであってもよく、ＮＶＰを主成分として、ＨＥＭＡ、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）等と架橋剤を加えて重合したコポリマーであってもよい。

紙は、植物繊維その他の繊維を膠着させて製造される。植物繊維は、セルロース、ヘミセルロースから構成される。セルロースは、多数有する水酸基同士が水素結合により結合する性質を有しており、これにより紙を構成する植物繊維同士がくっつき合う。また、その他の繊維としては、鉱物、金属、合成樹脂等を繊維状にしたもの等が挙げられるが、識別物質２２をより強固に固定するという観点から、植物繊維（セルロース）で形成された紙が好ましい。

ＳＡＰは、自重の数百倍から数千倍までの水を吸収及び保持することができる高分子である。ＳＡＰとしては、アクリル酸の重合体を用いることができる。アクリル酸の重合体は、カルボキシル基を多数有するため、親水性が高く、さらに細目構造に架橋させ、ナトリウム塩の形とすると高い吸水性を持つゲルとなる。

その他の親水性ポリマーとしては、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ−Ｎａ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）などのセルロース誘導体；アルギン酸、ヒアルロン酸、アガロース、デンプン、デキストラン、プルラン等の多糖類及びその誘導体；カルボキシビニルポリマー、ポリエチレンオキサイド、ポリ（メタ）アクリルアミド、ポリ（メタ）アクリル酸等のホモポリマー、当該ホモポリマーと多糖類等との共重合体、及び当該ホモポリマーを構成するモノマーと他のモノマーとの共重合体；コラーゲン、ゼラチン等のタンパク質及びその誘導体；ヘパリン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、デルマタン硫酸、デキストラン硫酸、ケラタン硫酸、ヘパラン硫酸等のグリコサミノグリカン、キチン、キトサン等の多糖類やムコ多糖類を挙げることができる。

さらには、１−ビニル−２−ピロリジノン、プロぺノン酸２−メチルエステル、モノメタクリロイルオキシエチルフタレート、アンモニウムスルファトエチルメタクリレート、Ｎ−ビニルピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、２−（メタクリロイルオキシエチル）−２−（トリメチルアンモニオエチル）ホスフェート等の親水性ポリマーを用いてもよい。

上記例示した親水性ポリマーは、単独で用いてもよく、２種類以上を併用してもよい。

重合開始剤としては、公知のラジカル重合促進剤を適時選択して用いることができる。好ましくは水溶性または水分散性を有し、系全体に均一に含まれるものが好ましく用いられる。具体的には、重合開始剤として、水溶性の過酸化物、例えばペルオキソ二硫酸カリウムやペルオキソ二硫酸アンモニウム、水溶性のアゾ化合物、例えばＶＡ−０４４、Ｖ−５０、Ｖ−５０１（いずれも和光純薬工業株式会社製）の他、Ｆｅ^２＋と過酸化水素との混合物等を用いることができる。

架橋剤としては、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、エチレングリコールジメタクリレート、メタクリル酸ビニル等を用いることができる。

また、上記実施形態の場合、分離部２０は、本体３６に一体に形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、本体３６と独立して分離可能に形成してもよい。

上記実施形態の場合、本体３６は、採取部１２とＦＥＴ１４とを保持する一体構成である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、採取部１２を保持する第１本体３６と、ＦＥＴ１４を保持する第２本体３６とで構成してもよい。これによりバイオセンサは、採取部のみを交換することができる。

上記実施形態の場合、検出対象物質がグルコースである場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、本発明は、検出対象物質としてナトリウムイオンやカリウムイオンに適用してもよい。この場合、識別物質は、クラウンエーテルを用いることができる。

上記実施形態の場合、参照電極２１が塩橋部２５に差し込まれている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、塩橋部２５上に直接薄膜を成膜して参照電極を形成してもよい。

上記実施形態の場合、第２受容部１８は紙で形成した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ハイドロゲルで形成してもよい。この場合、第２受容部１８は、弾性部２４をさらに設ける必要はない。

１０ バイオセンサ
１２ 採取部
１６ 第１受容部
１８ 第２受容部
２０ 分離部
２１ 参照電極
２２ 識別物質
２４ 弾性部
２５ 塩橋部

Claims (7)

1. 試料液を受容する、第１受容部及び第２受容部と、
   前記第１受容部及び前記第２受容部の間に配置された分離部と
   を有し、
   前記第１受容部が、検出対象物質と結合する識別物質を含むと共に、前記試料液中の検出対象物質を非検出対象物質と分離し、
   前記第２受容部が、基端側に設けられた塩橋部を介して、参照電極に接続される
   ことを特徴とする採取部。
2. 前記第１受容部及び前記第２受容部は、毛細管現象により前記試料液が先端から基端へ浸透することを特徴とする請求項１記載の採取部。
3. 前記第１受容部及び前記第２受容部は、先端側に弾性部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の採取部。
4. 前記識別物質が、担体に担持されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の採取部。
5. 前記担体が、前記第１受容部の基端側に固定されていることを特徴とする請求項４記載の採取部。
6. 前記識別物質が、フェニルボロン酸であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の採取部。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の採取部と、
   前記第１受容部の基端側とゲート電極が接続された電界効果トランジスタと
   を備えたことを特徴とするバイオセンサ。

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