JP7034428B2 - 温度測定装置、リアクター、酵素活性度の評価装置およびその評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、酵素活性度の評価技術に関する。

液体試料中の特定成分を検出するためにバイオセンサが用いられる。バイオセンサの方式のひとつとして、カロリメトリック方式が提案されている。カロリメトリック方式のバイオセンサ（以下、カロリメトリックバイオセンサ、あるいは単にカロリメトリックセンサという）は、熱電対をなす一対の電極を備える。一方の反応電極には溶液中のターゲット物質と反応する酵素が塗布されており、酵素とターゲット物質が反応することにより発熱する。他方の基準電極は、温度が変動しないように反応電極と熱的にアイソレートされている。反応電極においてターゲット物質の濃度に応じた温度上昇が発生すると、温度上昇に応じた電位差が観測される。

酵素の能力は、ある時間に分解できる基質量で表され、これは活性度と称される。単位は一般的に、Ｕ（μｍｏｌ／ｍｉｎ）である。酵素の活性度は、時間とともに失われることが知られており、酵素を応用したアプリケーションでは、活性度の時間的な推移を把握することが重要である。

酵素の活性度の測定では、さまざまな薬品を測定対象の酵素に混入し、吸光度を測定するものが主流であり、そのためのキットが市販されている。

特開２０１２－１８３０３４号公報 特表２０１６－５２０５９１号公報

しかしながら、従来の方法は、高額なキットが必要である。加えて、取り扱いに化学的知識や薬品を取り扱うスキルが必要であった。これらの理由から、酵素の活性度の測定は、誰でも簡便に導入可能とは言いがたかった。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、酵素の活性度を簡易に測定可能な装置および方法の提供にある。

本発明のある態様は、温度測定装置に関する。温度測定装置は、その表面に検査対象の酵素が定着されるべき領域を有する薄膜と、酵素と反応する基質溶液が満たされる容器と、酵素が基質溶液と接した状態で、薄膜を裏面から撮像するサーモグラフィカメラと、を備える。

本発明の別の態様はリアクターに関する。リアクターは、検査対象の酵素と反応する基質溶液が満たされる容器と、容器に設けられた開口に着脱可能に装着される検査チップであって、その表面に酵素が定着されるべき領域を有する薄膜を有する検査チップと、を備える。リアクターは、酵素が基質溶液と接した状態で、薄膜を裏面から撮像可能に構成される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、酵素の活性度評価の際に、温度を簡易に測定できる。

実施の形態に係る評価装置を模式的に示す斜視図である。 図１の評価装置の動作を説明する図である。 図３（ａ）～（ｃ）は、一実施例に係る評価装置の一部の断面図、平面図、斜視図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、変形例に係る検査チップの断面図および斜視図である。

（概要）
本明細書には、本発明の一実施の形態として、酵素活性度の評価装置が開示される。評価装置は、その表面に検査対象の酵素が定着されるべき領域を有する薄膜と、酵素と反応する基質溶液が満たされる容器と、酵素が基質溶液と接した状態で、薄膜を裏面から撮像するサーモグラフィカメラと、を備える。

酵素が基質溶液と反応すると発熱が生じ、基質が定着している薄膜の温度が上昇する。このときの温度上昇幅は、酵素が劣化して活性度が低下するにしたがって小さくなる。そこでこの薄膜の温度を裏面からサーモグラフィで観察することで、非接触で温度上昇を測定し、測定した温度から酵素の活性度の劣化度合いを推定できる。

容器には開口が設けられてもよい。薄膜は、容器の開口に対して着脱可能な検査チップに設けられてもよい。

検査チップは、容器の開口と嵌合可能な基体と、薄膜を基体に設けられた開口の略中央に支持する支持構造と、を含んでもよい。
これにより検査チップの熱容量を小さくでき、また薄膜の熱を基体に逃げにくくすることができる。

支持構造は、梁構造を有してもよい。梁構造の幅は、薄膜の１辺より短いことが好ましい。

基体、支持構造、薄膜は同一材料で一体形成されてもよい。これにより製造コストを下げることができる。

同一材料はシリコンであってもよい。これによりシリコン半導体プロセスを用いて検査チップを製造できる。

薄膜は、半導体あるいは金属であってもよい。

（実施の形態）
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

図１は、実施の形態に係る評価装置１００を模式的に示す斜視図である。評価装置１００は、温度測定装置１０１および処理装置１３０を備える。温度測定装置１０１は、薄膜１０２、容器１１０およびサーモグラフィカメラ１２０を備える。薄膜１０２はその表面に、検査対象の酵素２が定着される反応領域を有する。酵素を固着する方法は特に限定されないが、たとえば水溶性感光性樹脂（たとえば東洋合成工業社製のBiosurfine）に酵素を混ぜ、薄膜１０２に塗布し、紫外線を照射して硬化させてもよい。あるいは薄膜１０２の表面に酵素接着層を形成し、接着層に酵素を吸着させてもよい。

容器１１０は、酵素２と反応する基質溶液４が満たされる。サーモグラフィカメラ１２０は、酵素２が基質溶液４と接した状態で、薄膜１０２を裏面から撮像し、薄膜１０２の温度変化を測定する。

サーモグラフィカメラ１２０の出力は、コンピュータ、タブレット端末やマイコン、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの処理装置１３０に入力される。処理装置１３０は、サーモグラフィカメラ１２０の出力から、温度の上昇幅を取得し、上昇幅に応じて、劣化の程度を示す指標を生成し、あるいは酵素２がまだ使用可能な状態であるか否かを判定する。

薄膜１０２の裏面は、サーモグラフィカメラ１２０との間の空間６に直接露出していることが望ましい。したがって容器１１０の底面には、少なくとも薄膜１０２の一部とオーバーラップする箇所に開口を設けるとよい。

なお、図１の天地（上下）は逆であってもよい。

以上が評価装置１００の基本構成である。続いてその測定原理を説明する。図２は、図１の評価装置１００の動作を説明する図である。図２には、薄膜１０２の温度の時間波形が示される。ｔ_０は、酵素２と基質溶液４との反応開始時刻である。また時刻ｔ_０より前は熱的に平衡にあり、そのときの酵素２（および薄膜１０２）の温度を基準温度Ｔ_０とする。酵素２と基質溶液４が反応すると酵素２の温度が上昇し、その熱が薄膜１０２に伝導し、薄膜１０２の温度が上昇する。このときの温度の上昇幅ΔＴは、酵素の活性度、すなわち劣化度に依存する。したがってサーモグラフィカメラ１２０によって、薄膜１０２の温度の上昇幅ΔＴを測定することにより、酵素の活性度を測定することができる。

サーモグラフィカメラ１２０は、酵素の表面温度を測定するのではなく、薄膜１０２の温度をその裏面から測定する。薄膜１０２の裏面はきわめて平坦であるから、凹凸を有する、あるいは曲面を有する酵素の表面を測定する場合に比べて、安定的でかつ正確な温度測定が可能となる。

本発明は、図１から把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や変形例を説明する。

図３（ａ）～（ｃ）は、一実施例に係る評価装置１００の一部の断面図、平面図、斜視図である。図３（ａ）には、酵素２と基質溶液４を反応させるリアクター２００の断面図が示される。図３（ａ）のリアクター２００は、図１の評価装置１００のうち、サーモグラフィカメラ１２０および処理装置１３０以外の部分に対応する。

リアクター２００は、検査チップ２１０および容器２２０を備える。容器２２０は、図１の容器１１０に相当するものであり、容器２２０には開口が設けられる。容器２２０の内部には、基質溶液４が満たされる。基質溶液４は、開口から注入されてもよいが、それとは別に、容器２２０は、基質溶液４を内部に供給するため流路２２２を備える。

検査チップ２１０は、たとえば数ミリ角の矩形であり、容器２２０の開口に対して着脱可能である。検査チップ２１０には、上述の薄膜１０２が設けられる。この実施例では、薄膜１０２の矩形は１ｍｍ角程度であり、その全体が、酵素が塗布される反応領域である。

図３（ｂ）には、検査チップ２１０の平面図が示され、図３（ｃ）には検査チップ２１０の斜視図が示される。検査チップ２１０は、薄膜１０２に加えて、基体２１２および支持構造２１４を備える。基体２１２は、容器１１０に設けられた開口と嵌合可能である。基体２１２の略中央には開口２１３が設けられる。支持構造２１４は、薄膜１０２を基体２１２の開口２１３の略中央に支持する。支持構造２１４も、薄膜１０２と同じようにメンブレン構造を有する。加えて支持構造２１４は梁構造を有している。梁構造の幅は、薄膜１０２の１辺の長さより狭い。梁の幅を小さくすることで、薄膜１０２を基体２１２から熱的にアイソレートできる。

図３（ｂ）に示すように、薄膜１０２は矩形形状を有する。薄膜１０２の矩形は、同じく矩形である開口２１３に対して４５度傾いており、支持構造２１４の梁は、開口２１３の対角線に沿って形成される。薄膜１０２の矩形を４５度傾けることで、４５度傾けない場合に比べて、支持構造の梁の長さを長くできる。また、支持構造の梁を対角線に沿って形成することにより、開口２１３の１辺と平行に形成した場合に比べて、支持構造の梁の長さを長くできる。梁の長さを長くすることにより、酵素２の熱量が薄膜１０２から基体２１２に伝導しにくくなる。これにより、薄膜１０２のみの温度を上昇させることができ、検出感度を高めることができる。

基体２１２、支持構造２１４、薄膜１０２は同一材料で一体に形成してもよい。たとえば材料はシリコンを用いることができる。シリコンを採用することで、半導体製造プロセスを用いて検査チップ２１０を製造することが可能となる。

基体２１２の厚みは、容器１１０の開口と嵌合させることが可能な程度の剛性が得られるように決めればよく、たとえば数百μｍである。

支持構造２１４と薄膜１０２の厚みは、基体２１２よりも薄くすることが好ましく、１００μｍ以下、依り好ましくは２０μｍ以下であり、３～５μｍ程度としてもよい。薄膜１０２を薄くするほど、薄膜１０２の熱容量が小さくなり、したがって酵素２の温度に対する感度を高めることができる。

なお、薄膜１０２の部分を除いて、検査チップ２１０の表面を封止してもよい。

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

＜変形例＞
図３の実施例では、支持構造２１４として梁構造を用いたがその限りでない。図４（ａ）、（ｂ）は、変形例に係る検査チップ２１０の断面図および斜視図である。図４（ａ）の変形例において、薄膜１０２は、シート状の支持構造２１４ａによって支持される。支持構造２１４ａの中央には開口２１５が設けられ、薄膜１０２はこの開口２１５に設けられる。

薄膜１０２の材料は特に限定されず、熱伝導率の高い半導体や金属を用いることができる。具体的にはシリコンのほか、金やアルミニウム、銅などの金属や、合金を用いることができる。

２ 酵素
４ 基質溶液
１００ 評価装置
１０１ 温度測定装置
１０２ 薄膜
１１０ 容器
１２０ サーモグラフィカメラ
１３０ 処理装置
２００ リアクター
２１０ 検査チップ
２１２ 基体
２１３ 開口
２１４ 支持構造
２２０ 容器
２２２ 流路

Claims (11)

1. 検査時に、その表面に検査対象の酵素が定着されるべき領域を有する薄膜と、
   前記酵素と反応する基質溶液が満たされる容器と、
   前記酵素が前記基質溶液と接した状態で、前記薄膜を裏面から撮像するサーモグラフィカメラと、
   を備え、前記サーモグラフィカメラの画像にもとづき、前記酵素の劣化を評価可能であることを特徴とする温度測定装置。
2. 前記容器には開口が設けられ、
   前記薄膜は、前記容器の前記開口に対して着脱可能な検査チップに設けられることを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
3. 前記検査チップは、
   前記容器の前記開口と嵌合可能な基体と、
   前記薄膜を前記基体に設けられた開口の略中央に支持する支持構造と、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の温度測定装置。
4. 前記支持構造は、梁構造を有することを特徴とする請求項３に記載の温度測定装置。
5. 前記梁構造の幅は、前記薄膜の幅より狭いことを特徴とする請求項４に記載の温度測定装置。
6. 前記基体、前記支持構造、前記薄膜は同一材料で一体形成されることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の温度測定装置。
7. 前記同一材料はシリコンであることを特徴とする請求項６に記載の温度測定装置。
8. 前記薄膜は、半導体あるいは金属であることを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の温度測定装置を備えることを特徴とする酵素活性度の評価装置。
10. 検査対象の酵素の劣化の評価に利用可能なリアクターであって、
    前記酵素と反応する基質溶液が満たされる容器と、
    前記容器に設けられた開口に着脱可能に装着される検査チップであって、検査時に、その表面に前記酵素が定着されるべき領域を有する薄膜を有する検査チップと、
    を備え、
    前記酵素が前記基質溶液と接した状態で、前記薄膜を裏面から撮像可能に構成されることを特徴とするリアクター。
11. 検査時に、薄膜の表面に検査対象の酵素を定着するステップと、
    前記酵素を前記酵素と反応する基質溶液と接触させるステップと、
    サーモグラフィカメラで前記薄膜を裏面から撮像するステップと、
    前記サーモグラフィカメラの画像にもとづき、前記酵素の劣化を評価するステップと、
    を備えることを特徴とする酵素活性度の評価方法。

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