JP6487190B2 - 分子検出システム - Google Patents

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Description

本発明は、分子検出システムに関するものである。
従来、ＤＮＡ等の分子を検出するための手段として、ＤＮＡチップ及び表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）法が広く用いられている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
ＤＮＡチップを使用する方法では、チップ上に付加した検出用ＤＮＡと、試料のＤＮＡとの相補的な結合に基づく検出を行うことによって、多様な配列のＤＮＡを高いスループットで同定することができる。また、表面プラズモン共鳴法では、高感度で分子間の結合を検出することができる。
特開２０１２−０８０７９１号公報 特開２０１３−２１０３８７号公報
しかしながら、前記従来の検出方法では、各種の問題があった。まず、ＤＮＡチップを使用する方法では、蛍光体を標識物質としてＤＮＡに付加する必要があるとともに、蛍光画像検出装置が必要となる。さらに、データの信頼性が低いという問題もある。
また、表面プラズモン共鳴法では、大がかりな反射光学システムが必要となる。さらに、基板の表面にプラズモンが生じる１００〔ｎｍ〕程度の厚さ（深さ）の液中での反応しか観察することができないという問題もある。
本発明は、前記従来の問題点を解決して、一対の電極間を橋渡しするフィラメント状の生体分子（Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）又は高分子と試薬との反応を、無標識で、安定的に、連続的に、かつ、容易に検出することができる分子検出システムを提供することを目的とする。
そのために、本発明の分子検出システムにおいては、電極間に捕獲した分子の液体中の試薬との反応を検出する分子検出システムであって、一対の電極を備え、該電極の共振周波数及び振幅を計測可能な検出装置と、前記電極が通過可能な気液境界面が形成される開口部を側面に含む微小液体流路であって、該微小液体流路の入口部から出口部まで試薬の溶液を流すための微小液体流路を備える微小液体装置と、前記出口部に接続された圧力制御微小液体ポンプと、前記検出装置又は微小液体装置を移動可能に保持する可動保持台と、前記検出装置、圧力制御微小液体ポンプ及び可動保持台を制御する制御装置とを具備する。
本発明の他の分子検出システムにおいては、さらに、前記検出装置は、前記電極間の間隔を所定の周波数で変化させることができる。
本発明の更に他の分子検出システムにおいては、さらに、前記可動保持台が前記検出装置又は微小液体装置を移動させることによって、前記電極を、前記開口部に対して相対的に移動させ、前記気液境界面を通って、前記微小液体流路内の液体中に挿入すること及び該液体中から抜出することができる。
本発明の更に他の分子検出システムにおいては、さらに、前記制御装置は、事前に行われる位置決め操作によって、前記電極が前記液体中に位置する液中位置及び前記電極が前記液体外に位置する気中位置を決定して記憶する。
本発明の更に他の分子検出システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記電極の振幅の変化に基づいて、前記液中位置及び気中位置を決定する。
本発明の更に他の分子検出システムにおいては、さらに、前記圧力制御微小液体ポンプが前記微小液体流路内の液体を前記出口部から吸引排出することによって、他の液体が前記入口部から前記微小液体流路内に導入される。
本発明の更に他の分子検出システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記微小液体流路内の液体を順次他の液体に交換させる。
本発明の更に他の分子検出システムにおいては、さらに、前記制御装置は、分子を捕獲した電極を前記液体中に位置させた状態で、前記共振周波数及び振幅の計測を継続させ、計測結果を記憶する。
本発明の更に他の分子検出システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記計測結果に基づいて前記分子の剛性又は減衰特性を算出する。
本発明によれば、一対の電極間を橋渡しするフィラメント状の生体分子又は高分子と試薬との反応を、無標識で、安定的に、連続的に、かつ、容易に検出することができる。
本発明の実施の形態における微小液体装置及びナノピンセット装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置の腕部材の先端部を微小液体装置の流路内に進入させた状態を示す写真である。 本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置の腕部材の先端部を橋渡しするＤＮＡを示す写真である。 本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置の腕部材の先端部を橋渡しするＤＮＡの性質を決定する方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における微小液体装置及びナノピンセット装置の位置関係を制御するシステムを示す模式図である。 本発明の実施の形態における微小液体装置及びナノピンセット装置の位置関係の変化を示す模式図である。 本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置の腕部材の先端部を橋渡しした分子を示す図である。 本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置の腕部材の先端部を微小液体装置の微小液体流路内の液体に浸す方法を示す写真である。 本発明の実施の形態における液体を交換した場合の共振周波数のシフトを示す第１のグラフである。 比較例における液体を交換した場合の共振周波数及びＱ値のシフトを示すグラフである。 本発明の実施の形態における共振周波数のシフトを示すグラフである。 本発明の実施の形態における液体を交換した場合の共振周波数のシフトを示す第２のグラフである。 本発明の実施の形態におけるＤＮＡの束の剛性及び減衰特性の計測結果を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態における微小液体装置及びナノピンセット装置を示す斜視図、図２は本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置を示す斜視図、図３は本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置の腕部材の先端部を微小液体装置の流路内に進入させた状態を示す写真、図４は本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置の腕部材の先端部を橋渡しするＤＮＡを示す写真、図５は本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置の腕部材の先端部を橋渡しするＤＮＡの性質を決定する方法を説明する図である。なお、図５において、（ａ）はＤＮＡによって橋渡しされた腕部材の先端部の等価回路を示す図、（ｂ）は共振周波数のシフトを示すグラフである。
図において、３０は、本実施の形態における微小液体装置（Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）であり、１０は、本実施の形態における検出装置としてのナノピンセット装置（Ｎａｎｏ−Ｔｗｅｅｚｅｒｓ 又は Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏ−Ｔｗｅｅｚｅｒ：ＳＮＴ）である。
前記微小液体装置３０は、透明のガラス板であるカバースリップ（Ｃｏｖｅｒｓｌｉｐ）から成る基板３２と、該基板３２の表面に付着するＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙ−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−ｓｉｌｏｘａｎｅ）フィルム３１とを備え、該ＰＤＭＳフィルム３１には、上面から観て概略Ｕ字状となるように、微小液体流路（Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｃｈａｎｎｅｌ）３６が形成されている。そして、該微小液体流路３６の両端には、入口部（Ｉｎｌｅｔ）３６ａ及び出口部（Ｏｕｔｌｅｔ）３６ｂが形成され、また、中間の直線部分には開口部（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｏｐｅｎｉｎｇ）３６ｃが側面に形成されている。液体３７は、入口部３６ａから供給され、微小液体流路３６内を矢印で示される方向（Ｆｌｏｗ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に流れ、出口部３６ｂから排出される。
なお、前記ＰＤＭＳフィルム３１は、従来公知のフォトリソグラフィー技術を利用して作成することができる（例えば、特許文献３参照。）。また、前記ＰＤＭＳフィルム３１は、他の高分子やＰｙｒｅｘ（Ｒ）のようなガラスから成るものに置き換えてもよいし、加熱型押し、穴空け等の方法によって形成されたものであってもよい。
特開２００６−３１２２１１号公報
そして、前記微小液体流路３６の出口部３６ｂには、排出管３５及び該排出管３５の途中に接続された廃液タンク（Ｗａｓｔｅ Ｔａｎｋ）３４を介して、圧力制御微小液体ポンプ３３が接続されている。該圧力制御微小液体ポンプ３３によって微小液体流路３６内の液体３７を吸引して廃液タンク３４に排出することにより、入口部３６ａから別の種類の液体３７を微小液体流路３６内に導入することができる。つまり、微小液体流路３６内の液体３７を交換することができる。圧力は、前記圧力制御微小液体ポンプ３３が備えるフローセンサによって検出されるフローレートに応じて変化させることができる。
なお、本発明の発明者は、圧力制御微小液体ポンプ３３として、Ｅｌｖｅｆｌｏｗ社製のＡＦ１ Ｄｕａｌ Ｖａｃｕｕｍ ＆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、Ｖａｃｕｕｍ ＆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ及びフローセンサを使用した。該製品は、微小流体を取扱う装置に使用されるポンプであり、脈動のない安定した流れを得ることができる。圧力範囲は、−（マイナス）７００〔ｍｂａｒ〕〜１〔ｂａｒ〕である。
また、前記ナノピンセット装置１０は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術によってシリコン基板から制作された装置であり、非特許文献１及び２に示されるナノピンセット装置と類似の構造を有する。
M.Kumemura, D.Collard, S.Yoshizawa, D.Fourmy, N.Lafitte, S.Takeuchi, T.Fujii, L.Jalabert, and H.Fujita, "Direct bio-mechanical sensing of enzymatic reaction on DNA by silicon nanotweezers," Proc. IEEE MEMS‘10, pp. 915-918, 2010 N.Lafitte, M.Kumemura, L.Jalabert, D.Collard, and H.Fujita, "Real-time sensing of molecule binding on DNA with silicon nanotweezers," Proc. MicroTAS 2011, 389-391
前記ナノピンセット装置１０は、図２に示されるように、平面視における形状が略矩（く）形の平板状の本体部１１と、該本体部１１の一側辺から突出した互いに平行な一対の腕部材１５とを有する。該腕部材１５は、前記本体部１１に対して移動可能乃至変位可能に取り付けられた移動腕１５ａと、移動不能に取り付けられた固定腕１５ｂとから成る。なお、前記移動腕１５ａ及び固定腕１５ｂは、本体部１１の表面に平行な平面上に並ぶように配設され、前記移動腕１５ａは本体部１１の表面に平行な平面上を移動する。
そして、前記移動腕１５ａの先端には先鋭な形状を備える移動先端部１６ａが形成され、前記固定腕１５ｂの先端には先鋭な形状を備える固定先端部１６ｂが形成されている。前記移動先端部１６ａと固定先端部１６ｂとは互いに対向する。なお、前記移動先端部１６ａ及び固定先端部１６ｂを統合的に説明する場合には、先端部１６として説明する。該先端部１６は、電極として機能し、所定のＡＣ電圧が印加される。なお、先端部１６の表面の少なくとも一部は、金又はアルミニウムで被覆されていることが望ましい。
また、前記本体部１１は、前記移動腕１５ａを変位させるための櫛（くし）歯アクチュエータ（Ｃｏｍｂ−ｄｒｉｖｅ Ａｃｔｕａｔｏｒ）１７を有する。該櫛歯アクチュエータ１７は、図示されない導電性の櫛歯間に作用する静電力を利用するリニアアクチュエータであって、図２における両方向矢印で示されるように、移動腕１５ａをその長手方向と直交する方向に変位させ、固定腕１５ｂとの間隔を変化させることができる。これにより、一対の先端部１６間の間隔、すなわち、移動先端部１６ａと固定先端部１６ｂとの間隔を変化させることができる。
さらに、前記本体部１１は、前記移動腕１５ａの変位量を計測するための変位センサ（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ）１８を有する。該変位センサ１８は、静電容量の変化を検出する容量式センサであって、移動腕１５ａの変位量を計測することができる。これにより、一対の先端部１６間の間隔、すなわち、移動先端部１６ａと固定先端部１６ｂとの間隔、及び、該間隔の変化量を計測することができ、さらに、前記先端部１６の共振周波数及び振幅を計測することができる。
前記本体部１１の表面には、櫛歯アクチュエータ１７に駆動電圧を供給するためのアクチュエータ用端子２１と、変位センサ１８の静電容量の変化を検出するためのセンサ用端子２２と、一対の腕部材１５の先端部１６にＡＣ電圧を印加するための腕部材用端子２３とが形成されている。
そして、ナノピンセット装置１０は、微小液体装置３０とともに使用され、具体的には、図３に示されるように、腕部材１５の先端部１６が、開口部３６ｃに挿入され、該開口部３６ｃに形成される気液境界面（Ａｉｒ−Ｌｉｑｕｉｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を通過して、微小液体流路３６内に挿入される。なお、図３に示される白い点線は、微小液体流路３６内の液体３７と外気との境界である気液境界面を示している。該気液境界面は、毛管現象によって、メニスカス（Ｍｅｎｉｓｃｕｓ）になっている。
前記腕部材１５の先端部１６間には、該先端部１６をＤＮＡ等のフィラメント状の生体分子やポリ乳酸（Ｐｏｌｙｌａｃｔｉｄｅ：ＰＬＡ）等の高分子を含む溶液中に浸すことによって、あらかじめ、図４に示されるように、前記生体分子や高分子の分子又は分子の束から成る橋が形成される。なお、図４は、本発明の発明者が実際に行った実験の結果を示しており、λＤＮＡの分子の束が先端部１６間に捕獲され、λＤＮＡの橋が形成されていることが分かる。
このように分子を先端部１６間に捕獲した後、ナノピンセット装置１０の櫛歯アクチュエータ１７を作動させて移動先端部１６ａと固定先端部１６ｂとの間隔を所定の周波数で変化させ、先端部１６間を橋渡しする分子に振動を付与し、該分子の共振周波数を計測することによって、前記分子の性質決定をリアルタイムで行うことができる。
フィラメント状の生体分子（ＤＮＡ、ＲＮＡ、微小管、アクチン（Ａｃｔｉｎ）、フィブロネクチン（Ｆｉｂｒｏｎｅｃｔｉｎ）、中間径フィラメント（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｉｌａｍｅｎｔ）等）や高分子（ポリ乳酸等）の分子又は分子の束と、溶液中の試薬（相補的な単鎖ＤＮＡ、薬剤候補化合物、ナノ粒子、酵素等）とが反応すると、その機械的特性（剛性、粘性等）によって、共振特性が変化する。該共振特性を連続的に計測することで、分子の生化学反応過程を連続的に計測することができる。そのためには、長時間に亘（わた）る計測の安定性、及び、繰り返し計測の安定性が必要である。
図５（ｂ）には、本発明の発明者が実際にナノピンセット装置１０を使用して行った計測結果であって、ＤＮＡを捕獲した先端部１６の共振周波数及び振幅の計測結果が示されている。図５（ｂ）において、横軸は周波数〔Ｈｚ〕を示し、縦軸は振幅を計測したセンサの出力電圧〔ｍＶ〕を示している。なお、ＤＮＡを捕獲した先端部１６の振動系の等価回路は、図５（ａ）のように表すことができる。また、共振周波数は、位相ロックループ（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ）によって探知（Ｔｒａｃｋ）される。
図５（ｂ）に示されるように、ＤＮＡが異なると先端部１６の共振周波数が異なることが分かる。したがって、各種のＤＮＡ等のフィラメント状の生体分子やポリ乳酸等の高分子を捕獲した先端部１６の共振周波数をあらかじめ計測しておくことにより、先端部１６間に捕獲されたフィラメント状の生体分子又は高分子を特定することができる。
次に、前記ナノピンセット装置１０と微小液体装置３０との相対的な位置関係を制御するためのシステムについて説明する。ここでは、液体３７が生体分子や高分子を含む溶液であるものとして説明する。
図６は本発明の実施の形態における微小液体装置及びナノピンセット装置の位置関係を制御するシステムを示す模式図、図７は本発明の実施の形態における微小液体装置及びナノピンセット装置の位置関係の変化を示す模式図である。なお、図７において、（１ａ）〜（７ａ）は各位置関係における側面図、（１ｂ）〜（７ｂ）は各位置関係における平面図である。
図６に示されるように、ナノピンセット装置１０は、実験室の床等の基礎に固定された固定保持台４１の平坦（たん）な上面に、本体部１１の表面がほぼ水平となるように取り付けられる。したがって、腕部材１５はほぼ同様のレベルとなるように配設される。
また、微小液体装置３０は、基礎に前記固定保持台４１と対向するよう固定された可動保持台４２の上面に、基板３２がほぼ水平となるように取り付けられる。前記可動保持台４２は、Ｚ方向（鉛直方向）及びＸ方向（水平面内においてナノピンセット装置１０と微小液体装置３０とが接近離間する方向：図７（１ｂ）における上下方向）に微小液体装置３０を自動的に変位させることができる。なお、ナノピンセット装置１０を可動保持台４２に取り付け、微小液体装置３０を固定保持台４１に取り付けることも可能であるが、ここでは、ナノピンセット装置１０を固定保持台４１に取り付け、微小液体装置３０を可動保持台４２に取り付けた場合についてのみ説明する。
そして、前記可動保持台４２は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の制御装置４３によってその動作が制御され、これにより、微小液体装置３０のＺ方向及びＸ方向の位置が自動的に調整される。なお、微小液体装置３０のＹ方向（Ｚ方向及びＸ方向に対して垂直な方向：図７（１ｂ）における左右方向）の位置は、手動で調整可能である。前記制御装置４３には、Ｌａｂ ＶＩＥＷソフトウェアがインストールされる。共振周波数を探知するために、ロックインアンプ（Ｌｏｃｋ−ｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）４４を含む位相ロックループが、前記制御装置４３に接続され、腕部材１５の振動の振幅（ＦＲ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）が制御装置４３に入力される。
図６に示されるように、可動保持台４２が制御装置４３によって制御されることにより、微小液体装置３０における微小液体流路３６の開口部３６ｃの、ナノピンセット装置１０が備える腕部材１５の先端部１６に対する位置決めが行われる。
次に、前記先端部１６が液体３７中に位置する液中位置及び前記先端部１６が液体３７外に位置する気中位置を決定するために、事前に行われる位置決め操作について説明する。なお、Ｙ方向に関する位置決めは、手動により行われる。また、Ｘ方向及びＺ方向に関しては、図７（１ａ）に示される初期位置になるまでは、手動により行われる。
そして、微小液体装置３０は、初期位置から、ＰＤＭＳフィルム３１がナノピンセット装置１０の腕部材１５に接触する位置まで、図７（２ａ）において矢印（１）で示されるように、Ｚ方向に、各１〔μｍ〕のステップで一歩一歩下降させられる。なお、ＰＤＭＳフィルム３１が腕部材１５に接触したことは、前記位相ロックループにより探知される腕部材１５の振動の振幅が急激に変化することによって（例えば、振幅が最大値の５０〔％〕以下となることによって）、制御装置４３により検出される。
ＰＤＭＳフィルム３１が腕部材１５に接触したことが検出されると、微小液体装置３０は、図７（２ａ）において矢印（２）で示されるように、Ｚ方向に、５０〔μｍ〕だけ上昇させられる。これにより、微小液体流路３６の開口部３６ｃが、Ｚ方向に関して、腕部材１５の先端部１６の近傍に位置する。
続いて、微小液体装置３０は、図７（３ａ）及び（３ｂ）において矢印（３）で示されるように、Ｘ方向に、所定距離だけナノピンセット装置１０に近付くように移動させられる。前記所定距離は、微小液体装置３０のデザインにも依るが、本発明の発明者が使用した微小液体装置３０では、２００〔μｍ〕である。これにより、腕部材１５の先端部１６が微小液体流路３６の開口部３６ｃ内に位置するが、依然として微小液体流路３６外にある状態となる。つまり、図７（３ａ）及び（３ｂ）に示されるように、腕部材１５の先端部１６は、ＰＤＭＳフィルム３１と基板３２との間にあるが、液体３７内には挿入されていない。
続いて、Ｚ方向に関する正確な位置決めを行うために、微小液体装置３０は、図７（４ａ）において矢印（４）で示されるように、ＰＤＭＳフィルム３１がナノピンセット装置１０の腕部材１５に接触するまで、Ｚ方向に下降させられる。そして、ＰＤＭＳフィルム３１がナノピンセット装置１０の腕部材１５に接触すると、微小液体装置３０は、矢印（５）で示されるように、基板３２がナノピンセット装置１０の腕部材１５に接触するまで、Ｚ方向に上昇させられる。なお、基板３２が腕部材１５に接触したことは、前述のように、腕部材１５の振動の振幅が急激に変化することによって、検出される。これにより、微小液体流路３６の高さ寸法、及び、微小液体流路３６に対する腕部材１５のＺ方向に関する位置が判明する。そして、基板３２と腕部材１５との間が所望の距離となるまで、微小液体装置３０は、矢印（６）で示されるように、Ｚ方向に下降させられる。
最後に、微小液体装置３０は、図７（５ａ）及び（５ｂ）において矢印（７）で示されるように、気液境界面が腕部材１５の先端部１６に接触するまで、Ｘ方向に移動させられる。なお、気液境界面が腕部材１５の先端部１６に接触したことは、腕部材１５の振動の振幅が急激に変化することによって、検出される。気液境界面が腕部材１５の先端部１６に接触した場合、通常、図５（ｂ）の縦軸に示されるような出力電圧の数値が０．２〔ｍＶ〕以上増加する。これにより、気液境界面に対する腕部材１５のＸ方向に関する位置が判明する。
このように、事前に行われる位置決め操作によって検出された微小液体装置３０の各部とナノピンセット装置１０の各部とのＸ方向及びＺ方向に関する相対的な位置関係は、制御装置４３が備える記憶装置に記憶される。そして、図７（６ａ）及び（６ｂ）に示されるような液中位置と、図７（７ａ）及び（７ｂ）に示されるような気中位置とがセーブされる。前記液中位置は、先端部１６を、微小液体流路３６の開口部３６ｃに挿入して、気液境界面から所望の距離（深さ）だけ液体３７中に浸けた場合の位置である。なお、前記液中位置での気液境界面からの距離は、本発明の発明者が行った実験によると、望ましくは、５〜１０〔μｍ〕である。また、前記気中位置は、腕部材１５の先端部１６を、気液境界面から所望の距離だけ液体３７から抜き出して、外気中に留めた場合の位置である。なお、前記気中位置での気液境界面からの距離は、本発明の発明者が行った実験によると、望ましくは、５０〔μｍ〕である。
次に、本実施の形態における分子検出システムを使用して、本発明の発明者が行った実験の内容及び結果について説明する。まず、微小液体流路３６内の液体３７を交換する実験について説明する。
図８は本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置の腕部材の先端部を橋渡しした分子を示す図、図９は本発明の実施の形態におけるナノピンセット装置の腕部材の先端部を微小液体装置の微小液体流路内の液体に浸す方法を示す写真、図１０は本発明の実施の形態における液体を交換した場合の共振周波数のシフトを示す第１のグラフ、図１１は比較例における液体を交換した場合の共振周波数及びＱ値のシフトを示すグラフ、図１２は本発明の実施の形態における共振周波数のシフトを示すグラフ、図１３は本発明の実施の形態における液体を交換した場合の共振周波数のシフトを示す第２のグラフである。なお、図８において、（ａ）は腕部材の先端部を液滴に浸した写真、（ｂ）は腕部材の先端部を橋渡しする分子の束を示す模式図、（ｃ）は腕部材の先端部を橋渡しするＤＮＡを示す写真、（ｄ）は腕部材の先端部を橋渡しする微小管を示す写真であり、図１２において、（ａ）は長時間に亘って計測した共振周波数のシフトを示すグラフ、（ｂ）は腕部材の先端部が「液中」位置及び「気中」位置にある場合の共振周波数のシフトを示すグラフ、（ｃ）は液体を交換した場合の共振周波数のシフトを示すグラフであり、図１３において、（ａ）は長時間に亘る共振周波数のシフトを示すグラフ、（ｂ）は溶液の濃度を変えた場合の共振周波数のシフトを示すグラフある。
本実施の形態における分子検出システムは、図１に示されるようなナノピンセット装置１０、微小液体装置３０及び圧力制御微小液体ポンプ３３、並びに、図６に示されるような可動保持台４２及び制御装置４３を含んでいる。該制御装置４３は、可動保持台４２の動作だけでなく、ナノピンセット装置１０及び圧力制御微小液体ポンプ３３の動作も制御し、かつ、共振周波数、振幅等の計測結果を記憶することが望ましい。
図８（ａ）に示されるように、前記ナノピンセット装置１０が備える腕部材１５の先端部１６を生体分子や高分子のような分子を含む溶液に浸すことによって、分子を捕獲することができる。捕獲された分子は、図８（ｂ）に示されるように、束になって先端部１６間を橋渡しする。
そして、図８（ｃ）には、捕獲され、先端部１６間を橋渡しする分子がＤＮＡである場合が示されている。また、図８（ｄ）には、捕獲され、先端部１６間を橋渡しする分子が微小管（Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅ）である場合が示されている。なお、図８（ｃ）及び（ｄ）に示される横棒の長さは、１０〔μｍ〕である。
図９は、本発明の発明者が実際に制作したナノピンセット装置１０及び微小液体装置３０の位置関係を示す写真であって、ナノピンセット装置１０の腕部材１５の先端部１６を微小液体装置３０の微小液体流路３６の開口部３６ｃに挿入する状態を示している。
前述のように、本実施の形態における分子検出システムでは、あらかじめ、微小液体装置３０の各部とナノピンセット装置１０の各部とのＸ方向及びＺ方向に関する相対的な位置関係を計測して制御装置４３が備える記憶装置に記憶させておくことによって、腕部材１５の先端部１６を、微小液体流路３６の開口部３６ｃに自動的に挿入することができる。また、本実施の形態における分子検出システムでは、微小液体流路３６の出口部３６ｂに接続された圧力制御微小液体ポンプ３３を使用している。これにより、本実施の形態における分子検出システムでは、長時間に亘って安定的に分子を捕獲することができ、また、微小液体流路３６内の液体３７の交換を安定的に、かつ、迅速に行うことができるので、多数の種類の分子の性質決定を確実に行うことができる。
図１０には、本発明の発明者が実際に分子検出システムを使用して行った計測結果であって、腕部材１５の先端部１６間にλＤＮＡの束を捕獲した状態で、前記先端部１６を銀（Ａｇ＋）イオンを含む溶液に浸すことによって、λＤＮＡの束の周囲に銀イオンを付着させ、λＤＮＡの束の剛性を高めた場合の共振周波数の計測結果が示されている。図１０において、横軸は計測を開始してからの経過時間〔ｓｅｃ〕を示し、縦軸は共振周波数〔Ｈｚ〕を示している。
この計測では、３２０〔ｓｅｃ〕が経過する度に液体３７を交換しつつ、共振周波数の計測を継続している。液体３７は、図１０の上部に示されるように、最初の３２０〔ｓｅｃ〕は純水（Ｄｅｉｏｎｉｚｅｄ Ｗａｔｅｒ：ＤＩ Ｗａｔｅｒ）であり、次の３２０〔ｓｅｃ〕はモル濃度が１×１０-6Ｍの銀イオン溶液であり、その後、順次、モル濃度の高い銀イオン溶液に交換された。
図１０に示される計測結果から、溶液に含まれる銀イオンの濃度が上昇するにつれて、λＤＮＡの束の剛性が上昇して共振周波数〔Ｈｚ〕の値が上昇することが分かる。なお、計測結果に含まれる３２０〔ｓｅｃ〕毎の急降下は、液体３７の交換の際に微小液体流路３６内の圧力が低下したことに依るものである。
これに対し、腕部材１５の先端部１６を、微小液体流路３６の開口部３６ｃに、手動で挿入する場合には、挿入の度に、腕部材１５の先端部１６と、微小液体流路３６の開口部３６ｃ及び気液境界面との、Ｘ方向及びＺ方向に関する相対的な位置関係が異なるので、安定性に問題があり、分子の捕獲や性質決定を適切に行うことができない。さらに、一般的に使用されているシリンジポンプ（Ｓｙｒｉｎｇｅ Ｐｕｍｐ）を微小液体流路３６の入口部３６ａ及び／又は出口部３６ｂに接続して、微小液体流路３６内の液体３７の交換を行った場合には、微小液体流路３６内の液体３７の安定性に問題があるので、分子の捕獲や性質決定の各プロセスに時間を要し、入口部３６ａ、出口部３６ｂ、開口部３６ｃ等における液体３７の蒸発等も発生するので、分子の捕獲や性質決定を更に適切に行うことができない。
図１１には、比較例として、腕部材１５の先端部１６を、微小液体流路３６の開口部３６ｃに、手動で挿入するとともに、シリンジポンプを使用して微小液体流路３６内の液体３７の交換を行った場合の計測結果が示されている。図１１において、横軸は計測を開始してからの経過時間〔ｓｅｃ〕を示し、左側の縦軸は共振周波数〔Ｈｚ〕を示し、右側の縦軸はＱ値（Ｑ−Ｆａｃｔｏｒ）を示している。該Ｑ値は、振動の状態を表す無次元数であって、弾性波の伝搬におけるエネルギの減少に関する値である。この計測では、開始から３５０〔ｓｅｃ〕経過するまでは、液体３７として緩衝液（Ｂｕｆｆｅｒ）を使用し、次に、液体３７を微小管を含む溶液に交換し、開始から８５０〔ｓｅｃ〕経過した時点で、液体３７を緩衝液に交換した。なお、該緩衝液は、ＰＢＳ（リン酸緩衝生理食塩水）である。
図１１に示される計測結果から、不安定性のレベルが１〔Ｈｚ〕よりも大きいことが分かる。このように大きなレベルの不安定性は、分子レベルのバイオセンシング（Ｂｉｏ−ｓｅｎｓｉｎｇ）には、不適当である。
一方、図１２には、本実施の形態における分子検出システムによる計測結果が示されている。図１２（ａ）〜（ｃ）において、横軸は計測を開始してからの経過時間〔ｓｅｃ〕を示し、縦軸は共振周波数〔Ｈｚ〕のシフトを示している。
図１２（ａ）には、計測を開始してから５時間（１８０００〔ｓｅｃ〕）連続して計測した共振周波数のシフトが示されている。この計測結果から、本実施の形態における分子検出システムでは、長時間に亘って安定した計測結果を得られることがわかる。
また、図１２（ｂ）には、制御装置４３によって可動保持台４２を駆動し、腕部材１５の先端部１６の位置が、液中位置と気中位置とに交互に切り替わるように変化する複数動作（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｖｉｎｇ）を実行した場合の共振周波数のシフトが示されている。この計測結果から、腕部材１５の先端部１６の位置を液中位置と気中位置とに交互に複数回切り替えても、長時間に亘って、安定した計測結果を得られることがわかる。
さらに、図１２（ｃ）には、液体３７を、純水（ＤＩＷ）と緩衝液であるＰＢＳとに交互に切り替える溶液複数交換動作（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｅｘｃｈａｎｇｅ ｏｆ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を実行した場合の共振周波数のシフトが示されている。この計測結果から、所定の溶液中でも、不安定性のレベル、すなわち、計測の分解能が２０〔ｍＨｚ〕未満であることが分かる。この分解能の値は、分子の束の１〔ｍＮ／ｍ〕の剛性の分解能に対応する。なお、１〔ｍＮ／ｍ〕は、輪郭長（Ｃｏｎｔｏｕｒ Ｌｅｎｇｔｈ）が１０〔μｍ〕の二本鎖ＤＮＡ（ｄｓ ＤＮＡ）分子１０本の剛性に相当する。通常の分子の束は、１０００以上の分子を含んでいる。このように分解能の値が小さいので、分子の束の固有剛性値（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｂｕｎｄｌｅ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）の１〔％〕未満であって、図１１に示されるような共振周波数のシフトの最大値の１００〔ｐｐｍ〕の機械的相互作用（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を検出することができる。
また、図１３には、本発明の発明者が実際に分子検出システムを使用して行った計測結果であって、液体３７を各種の溶液に交換した場合の計測結果が示されている。
図１３（ａ）は、４時間に亘って計測を継続した場合の結果であって、先端部１６間にＤＮＡの束を捕獲した腕部材１５の共振周波数及び振幅の計測結果が示されている。図１３（ａ）において、横軸は計測を開始してからの経過時間〔ｓｅｃ〕を示し、左側の縦軸は計測した共振周波数〔Ｈｚ〕を示し、右側の縦軸は振幅を計測したセンサの出力電圧〔Ｖ〕を示している。
この計測では、３５種類以上の液体３７を交換しつつ、振幅を計測したセンサの出力電圧及び共振周波数の計測を継続している。液体３７は、純水（ＤＩＷ）、各種のモル濃度のＮｉ溶液、各種のモル濃度のＺｎ／ＨＮＯ3 溶液、及び、緩衝液である。なお、該緩衝液は、Ｔｒｉｓ（トリスヒドロキシメチルアミノメタン）である。この計測結果から、多種類の液体３７を交換しても、継続して安定的な計測結果を得られることがわかる。
図１３（ｂ）は、３種類のモル濃度のＺｎ／ＨＮＯ3 溶液にＤＮＡの束を捕獲した先端部１６を浸した腕部材１５の共振周波数の定量的な計測結果を示している。この計測結果から、ＤＮＡは、緩衝液中では弛緩し、Ｚｎ／ＨＮＯ3 溶液中では緊張していること、つまり、緩衝液中とＺｎ／ＨＮＯ3 溶液中とでは相互作用の力学（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）が異なることが分かる。
次に、ＤＮＡの束の剛性及び減衰特性を計測した結果について説明する。
図１４は本発明の実施の形態におけるＤＮＡの束の剛性及び減衰特性の計測結果を示すグラフである。なお、図において、（１ａ）及び（１ｂ）は溶液のｐＨ値を減少させた場合の共振周波数及び振幅、並びに、剛性及び減衰特性の変化を示す図、（２ａ）及び（２ｂ）は溶液のＡｇ濃度を増加させた場合の共振周波数及び振幅、並びに、剛性及び減衰特性の変化を示す図である。
まず、本発明の発明者は、本実施の形態における分子検出システムを使用し、腕部材１５の先端部１６間にＤＮＡの束を捕獲した状態で、前記先端部１６を浸した液体３７を、ｐＨ値の高い溶液から順次ｐＨ値の低い溶液となるように交換して、ＤＮＡの束の剛性及び減衰特性を計測した。
図１４（１ａ）には、先端部１６を浸した液体３７を、ｐＨ値の高い溶液から順次ｐＨ値の低い溶液となるように交換した場合の結果であって、先端部１６間にＤＮＡの束を捕獲した腕部材１５の共振周波数及び振幅の計測結果が示されている。図１４（１ａ）において、横軸は計測を開始してからの経過時間〔ｍｉｎ〕を示し、左側の縦軸は計測した共振周波数〔Ｈｚ〕を示し、右側の縦軸は振幅を計測したセンサの出力電圧〔Ｖ〕を示している。また、図中には、溶液のｐＨ値が示されている。この計測結果から、溶液のｐＨ値を減少させるにつれて、共振周波数が増加するとともに、振幅が減少することが分かる。
そして、図１４（１ｂ）には、図５（ａ）に示されるような先端部１６間にＤＮＡの束を捕獲した腕部材１５の振動系の等価回路に従って、図１４（１ａ）に示される結果に基づいて算出されたＤＮＡの束の剛性及び減衰特性が示されている。図１４（１ｂ）において、横軸は計測を開始してからの経過時間〔ｍｉｎ〕を示し、左側の縦軸は計測した剛性〔Ｎ／ｍ〕を示し、右側の縦軸は減衰特性〔Ｎ．ｓ／ｍ〕を示している。この計測結果から、溶液のｐＨ値を減少させるにつれて、ＤＮＡの束の剛性及び減衰特性は、ともに、増加することが分かる。
また、図１４（２ａ）には、先端部１６を浸した液体３７を、Ａｇ濃度の低い溶液から順次Ａｇ濃度の高い溶液となるように交換した場合の結果であって、先端部１６間にＤＮＡの束を捕獲した腕部材１５の共振周波数及び振幅の計測結果が示されている。図１４（２ａ）において、横軸は計測を開始してからの経過時間〔ｍｉｎ〕を示し、左側の縦軸は計測した共振周波数〔Ｈｚ〕を示し、右側の縦軸は振幅を計測したセンサの出力電圧〔Ｖ〕を示している。また、図中には、Ａｇのモル濃度の値が示されている。この計測結果から、Ａｇ濃度を増加させるにつれて、共振周波数が増加するが、振幅はほぼ一定であることが分かる。
そして、図１４（２ｂ）には、図５（ａ）に示されるような先端部１６間にＤＮＡの束を捕獲した腕部材１５の振動系の等価回路に従って、図１４（２ａ）に示される結果に基づいて算出されたＤＮＡの束の剛性及び減衰特性が示されている。図１４（２ｂ）において、横軸は計測を開始してからの経過時間〔ｍｉｎ〕を示し、左側の縦軸は計測した剛性〔Ｎ／ｍ〕を示し、右側の縦軸は減衰特性〔Ｎ．ｓ／ｍ〕を示している。この計測結果から、溶液のＡｇ濃度を増加させるにつれて、ＤＮＡの束の剛性は増加するが、減衰特性はほぼ一定であることが分かる。
このように、本実施の形態における分子検出システムは、腕部材１５の先端部１６間に捕獲した分子の液体３７中の試薬との反応を検出する。そして、分子検出システムは、一対の腕部材１５の先端部１６を備え、先端部１６の共振周波数及び振幅を計測可能なナノピンセット装置１０と、先端部１６が通過可能な気液境界面が形成される開口部３６ｃを側面に含む微小液体流路３６を備える微小液体装置３０と、微小液体流路３６の出口部３６ｂに接続された圧力制御微小液体ポンプ３３と、ナノピンセット装置１０又は微小液体装置３０を移動可能に保持する可動保持台４２と、ナノピンセット装置１０、圧力制御微小液体ポンプ３３及び可動保持台４２を制御する制御装置４３とを具備する。
これにより、ＤＮＡ、ＲＮＡ、微小管、アクチン、フィブロネクチン、中間径フィラメント等のフィラメント状の生体分子やポリ乳酸等の高分子のような分子又は分子の束と、液体３７中に含まれるの相補的な単鎖ＤＮＡ、薬剤候補化合物、金属、イオン、ナノ粒子、酵素等の試薬との間の生化学反応のような反応を、蛍光体等の標識物質を使用することなく、安定的に、連続的に、容易に検出することができ、かつ、高い再現性を得ることができる。検出は、分子又は分子の束の機械的性質又は電気的性質に基づいてリアルタイムで行われる。
また、ナノピンセット装置１０は、先端部１６間の間隔を所定の周波数で変化させることができる。したがって、先端部１６間を橋渡しするＤＮＡ等の分子又は分子の束に振動を付与し、分子又は分子の束の共振周波数を計測することにより、分子の性質決定を行うことができる。
さらに、可動保持台４２がナノピンセット装置１０又は微小液体装置３０を移動させることによって、先端部１６を、開口部３６ｃに対して相対的に移動させ、気液境界面を通って、微小液体流路３６内の液体３７中に挿入すること及び液体３７中から抜出することができる。したがって、制御装置４３によって可動保持台４２を制御することにより、自動操作で、安定的に、容易に、かつ、正確に先端部１６を液体３７中に挿入したり、液体３７中から抜出することができる。
さらに、制御装置４３は、事前に行われる位置決め操作によって、先端部１６が液体３７中に位置する液中位置及び先端部１６が液体３７外に位置する気中位置を決定して記憶する。これにより、自動操作で常に一定の液中位置及び気中位置に先端部１６を位置付けることができるので、共振周波数及び振幅の計測を長時間に亘って行っても、多数回繰り返して行っても、常に安定した再現性の高い計測結果を得ることができる。
さらに、制御装置４３は、先端部１６の振幅の変化に基づいて、液中位置及び気中位置を決定する。したがって、オペレータの視覚等の感覚に頼ることなく、自動操作で高い精度で液中位置及び気中位置を決定することができる。
さらに、圧力制御微小液体ポンプ３３が微小液体流路３６内の液体３７を出口部３６ｂから吸引排出することによって、他の液体３７が微小液体流路３６の入口部３６ａから微小液体流路３６内に導入される。これにより、液体３７の交換を短時間で、かつ、安定的に行うことができる。
さらに、制御装置４３は、微小液体流路３６内の液体３７を順次他の液体３７に交換させる。したがって、分子又は分子の束と多種類の試薬との間の反応を短時間で検出することができる。
さらに、制御装置４３は、分子を捕獲した先端部１６を液体３７中に位置させた状態で、共振周波数及び振幅の計測を継続させ、計測結果を記憶する。これにより、多種類の液体３７を交換しても、継続して安定的な計測結果を得られることがわかる。
さらに、制御装置４３は、計測結果に基づいて分子の剛性又は減衰特性を算出する。これにより、高い精度で分子の性質決定を行うことができる。
以上説明したように、本実施の形態における分子検出システムでは、一対の腕部材１５の先端部１６間に捕獲した分子又は分子の束の反応を、機械共振特性を通して電気的に計測するので、蛍光体等の標識物質が不要であり、反応の連続的な計測が可能であり、安定した高感度の計測が可能である。また、自動的に先端部１６を位置決めして液体３７中に挿入し、圧力制御微小液体ポンプ３３で液体３７を交換するので、計測の雑音が減少し、安定性及び再現性が極めて向上する。さらに、捕獲した分子又は分子の束と種々の物質との相互作用を計測することができる。
また、本実施の形態における分子検出システムは、自動的に先端部１６を液体３７中に挿入するので、動作の再現性及び安定性が高い。また、先端部１６が液体３７又はＰＤＭＳフィルム３１等の表面に接触したことを振動の振幅の変化に基づいて検出するので、先端部１６の位置を高い精度で制御することができ、また、先端部１６が液体３７中に挿入されたことを自動的に、かつ、正確に検出することができる。さらに、本実施の形態における分子検出システムにおいては、ナノピンセット装置１０、圧力制御微小液体ポンプ３３及び可動保持台４２の動作が制御装置４３によって統合的に制御されるので、先端部１６が捕獲した分子又は分子の束の反応を、高い再現性及び精度で安定的に計測することができる。さらに、ナノピンセット装置１０は、先端部１６を除くすべての部分が常に外気中にあるので、液体３７の減衰の影響を受けることなく、共振周波数及び振幅の計測を行うことができる。
本実施の形態における分子検出システムは、生物学的テスト（Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｔｅｓｔ）に適用することができ、血液サンプルのような複雑な溶液中の特定のＤＮＡシーケンスの分析に使用することができる。また、薬品分野に適用することができ、先端部１６に付着させた新規なＤＮＡ合成を利用した薬品のスクリーニングを高いスループットで行い、薬の候補物質を含む化学薬品又は毒質を含む環境物質に対応してＤＮＡの性質の特性を明らかにする。さらに、がん治療に適用することができ、化学療法及び放射線療法のための個人専用の遺伝子治療を進めることができる。
本発明により、特定配列を有するＤＮＡを高感度で検出することができるので、病原体の遺伝子検出や、個人レベルの簡便な遺伝子解析などが可能となる。また、ＤＮＡと反応する抗がん剤の検出や、放射線の照射によってＤＮＡ損傷の計測が可能となるので、がん治療法の発展を支援することができる。さらに、ＤＮＡと反応したり、変異を生じたりする環境汚染物質の検出や毒性評価に使用することができる。さらに、微小管と微小管結合タンパク質（Ｍｉｃｒｏｔｕｂｌｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｐｒｏｔｅｉｎ）との反応を調べることによって、神経性疾患の診断や治療薬の開発に役立てることができる。このような応用研究を進めることで、創薬や臨床応用への道が開け、インパクトが非常に大きい。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明は、分子検出システムに適用することができる。
１０ ナノピンセット装置
１６ 先端部
３０ 微小液体装置
３３ 圧力制御微小液体ポンプ
３６ 微小液体流路
３６ａ 入口部
３６ｂ 出口部
３６ｃ 開口部
３７ 液体
４２ 可動保持台
４３ 制御装置

Claims (9)

  1. 電極間に捕獲した分子の液体中の試薬との反応を検出する分子検出システムであって、
    （ａ）一対の電極を備え、該電極の共振周波数及び振幅を計測可能な検出装置と、
    （ｂ）前記電極が通過可能な気液境界面が形成される開口部を側面に含む微小液体流路であって、該微小液体流路の入口部から出口部まで試薬の溶液を流すための微小液体流路を備える微小液体装置と、
    （ｃ）前記出口部に接続された圧力制御微小液体ポンプと、
    （ｄ）前記検出装置又は微小液体装置を移動可能に保持する可動保持台と、
    （ｅ）前記検出装置、圧力制御微小液体ポンプ及び可動保持台を制御する制御装置とを具備することを特徴とする分子検出システム。
  2. 前記検出装置は、前記電極間の間隔を所定の周波数で変化させることができる請求項１に記載の分子検出システム。
  3. 前記可動保持台が前記検出装置又は微小液体装置を移動させることによって、前記電極を、前記開口部に対して相対的に移動させ、前記気液境界面を通って、前記微小液体流路内の液体中に挿入すること及び該液体中から抜出することができる請求項１又は２に記載の分子検出システム。
  4. 前記制御装置は、事前に行われる位置決め操作によって、前記電極が前記液体中に位置する液中位置及び前記電極が前記液体外に位置する気中位置を決定して記憶する請求項３に記載の分子検出システム。
  5. 前記制御装置は、前記電極の振幅の変化に基づいて、前記液中位置及び気中位置を決定する請求項４に記載の分子検出システム。
  6. 前記圧力制御微小液体ポンプが前記微小液体流路内の液体を前記出口部から吸引排出することによって、他の液体が前記入口部から前記微小液体流路内に導入される請求項１〜５のいずれか１項に記載の分子検出システム。
  7. 前記制御装置は、前記微小液体流路内の液体を順次他の液体に交換させる請求項６に記載の分子検出システム。
  8. 前記制御装置は、分子を捕獲した電極を前記液体中に位置させた状態で、前記共振周波数及び振幅の計測を継続させ、計測結果を記憶する請求項７に記載の分子検出システム。
  9. 前記制御装置は、前記計測結果に基づいて前記分子の剛性又は減衰特性を算出する請求項８に記載の分子検出システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7408147B2 (en) 2005-07-27 2008-08-05 Wisconsin Alumni Research Foundation Nanoelectromechanical and microelectromechanical sensors and analyzers
FR2894596B1 (fr) 2005-12-13 2012-08-10 Centre Nat Rech Scient Procede d'autocalibration de biopuces
WO2010144157A1 (en) * 2009-02-04 2010-12-16 Trustees Of Boston College Molecular imprinted nanosensors
JP2012080791A (ja) 2010-10-07 2012-04-26 Univ Of Tokyo 小児固形腫瘍または食道癌素因の評価方法及び評価キット、並びに、その薬剤及びその選択方法
AU2013293078B2 (en) * 2012-07-23 2017-09-07 Tasso, Inc. Methods, systems, and devices relating to open microfluidic channels
WO2014069551A1 (ja) * 2012-10-31 2014-05-08 日立化成株式会社 センサチップ及びそれを用いた測定装置，測定方法
GB201220124D0 (en) * 2012-11-08 2012-12-26 Provost Fellows Foundation Scholars And The Other Members Of Board Of A microfluid device
US9517464B2 (en) * 2012-12-05 2016-12-13 Ian K. Glasgow Dispensed liquid measurement device

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