JP7150339B2 - インピーダンス測定システムおよびインピーダンス測定方法ならびに被検出物質の検出システム - Google Patents

Description

本開示は、インピーダンス測定システムおよびインピーダンス測定方法ならびに被検出物質の検出システムに関し、より特定的には、微小物体のインピーダンスを測定するためのインピーダンス測定システムおよびインピーダンス測定方法と、液体試料に含まれる可能性がある被検出物質を検出するための被検出物質の検出システムとに関する。

細胞、細菌、ウイルスまたはＤＮＡなど、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでのサイズを有する微小な物体（以下、「微小物体」とも称する）を検出するための手法が開発されている。たとえば細菌等の検出手法としては、培養法、ＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）法およびＥＬＩＺＡ法（Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay）法などの様々な手法が既に実用化されている。これらの手法を用いることで、細菌等を高精度に検出することが可能である。しかしながら、これらの手法による検出には、一般に長時間（たとえば１０数時間～数日程度）が必要となる。そのため、より迅速な検出手法が求められている。

一方、電極間のインピーダンスを測定することで細菌等を検出する手法が提案されている。たとえば非特許文献１には、陰極を用いた誘導泳動により細菌を陽極に誘導し、陽極に誘導された細菌のインピーダンスを測定する手法が開示されている。このように、非特許文献１に開示された手法では、電極（陽極）の周囲の細菌の密度を高める濃縮器として電極（陰極）が機能する（たとえば非特許文献１の要旨および図１参照）。

国際公開第２０１４／１９２９３７号 国際公開第２０１５／１７０７５８号

R. Hamada, H. Takayama, Y. Shonishi, L. Mao, M. Nakano, J Suehiro, "A rapid bacteria detection technique utilizing impedance measurement combined with positive and negative dielectrophoresis", Sensors and Actuators B, 181, 439-445, (2013). Y. Yamamoto, E. Shimizu, Y. Nishimura, T. Iida, S. Tokonami, "Development of a rapid bacterial counting method based on photothermal assembling", Optical Materials Express, Vol. 6, No. 4, 1280 (2016).

微小物体のインピーダンスを適切に測定するためには、電極近傍に一定量以上の微小物体が存在することが必要とされるが、非特許文献１に開示の手法では、電極（陽極）の周囲の比較的広範囲に細菌が誘導される。このため、電極近傍の細菌密度が十分に高くなりにくい。その結果、細菌のインピーダンスを測定可能になるまでの時間が長時間になり得る点において、非特許文献１に開示の手法には改善の余地がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、微小物体のインピーダンスを測定するためのインピーダンス測定システムまたはインピーダンス測定方法において、インピーダンスを迅速に測定可能な技術を提供することである。

また、本開示の他の目的は、液体試料に含まれる可能性がある被検出物質を検出する、被検出物質の検出システムにおいて、被検出物質を迅速に検出可能な技術を提供することである。

（１）本開示のある局面に従うインピーダンス測定システムは、保持部材と、光源と、インピーダンス測定装置とを備える。保持部材は、光を照射されると発熱する光発熱部材と、第１および第２の電極とを含み、複数の微小物体が分散した分散液を保持可能に構成される。光源は、光発熱部材に照射するための光を発する。インピーダンス測定装置は、光源からの光照射に起因する光発熱部材の発熱により分散液が加熱されることで生じた分散液中の対流によって第１の電極と第２の電極との間に複数の微小物体が集積し、第１の電極と第２の電極との間が複数の微小物体により架橋された状態において、第１の電極と第２の電極との間の複数の微小物体のインピーダンスを測定するように構成されている。

（２）好ましくは、インピーダンス測定システムは、光源を制御するように構成された制御装置をさらに備える。制御装置は、光発熱部材により分散液が加熱されることで分散液中に発生するマイクロバブルのサイズが第１の電極と第２の電極との間の距離よりも大きくなるように、光源を制御する。

（３）好ましくは、第１および第２の電極は、光発熱部材を挟むように互いに離間して配置される。

（４）好ましくは、光発熱部材は、第１および第２の電極のいずれか一方に含まれる。
（５）好ましくは、保持部材は、互いに対向するように配置された一対のくし型電極を含む。第１の電極は、上記一対のくし型電極のうちの一方のくし型電極である。第２の電極は、上記一対のくし型電極のうちの他方のくし型電極である。

（６）本開示の他の局面に従う被検出物質の検出システムは、液体試料に含まれる可能性がある被検出物質を検出する。検出システムは、保持部材と、インピーダンス測定装置と、光源と、検出装置とを備える。保持部材は、光を照射されると発熱する光発熱部材と、第１および第２の電極とを含み、液体試料を保持可能に構成される。インピーダンス測定装置は、第１の電極と第２の電極との間のインピーダンスを測定するように構成される。光源は、液体試料が被検出物質を特異的に付着可能なホスト分子を含む場合に、光発熱部材に光を照射し、光発熱部材の発熱により液体試料を加熱して液体試料中に対流を生じさせることで第１の電極と第２の電極との間に被検出物質を集積させて第１の電極と第２の電極との間を被検出物質によって架橋させることが可能に構成されている。

（７）本開示のさらに他の局面に従う被検出物質の検出システムは、液体試料に含まれる可能性がある被検出物質を検出する。検出システムは、液体試料を保持可能に構成された保持部材を備える。保持部材は、光を照射されると発熱する光発熱部材と、第１および第２の電極と、第１および第２の電極の間において保持部材上に修飾され、被検出物質を特異的に付着可能なホスト分子を含む。検出システムは、インピーダンス測定装置と、光源と、検出装置とをさらに備える。インピーダンス測定装置は、第１の電極と第２の電極との間のインピーダンスを測定するように構成される。光源は、光発熱部材に光を照射し、光発熱部材の発熱により液体試料を加熱して液体試料中に対流を生じさせることで第１の電極と第２の電極との間に被検出物質を集積させて第１の電極と第２の電極との間を被検出物質によって架橋させることが可能に構成される。検出装置は、インピーダンスを監視することによって被検出物質を検出するように構成されている。

（８）好ましくは、光源は、分散液中に発生するマイクロバブルのサイズが第１の電極と第２の電極との間の距離よりも大きくなるように分散液を加熱する。

（９）好ましくは、検出装置は、インピーダンスの変化量が所定の判定量を上回った場合に被検出物質が検出されたと判定する一方で、所定期間が経過するまでのインピーダンスの変化量が判定量を下回った場合には被検出物質が検出されなかったと判定する。

（１０）好ましくは、被検出物質は、ターゲットＤＮＡおよびターゲットＲＮＡのうちの少なくとも一方であるターゲット核酸である。ホスト分子は、ターゲット核酸との間でハイブリダイゼーションを起こすプローブ核酸である。

（１１）好ましくは、被検出物質は、抗原である。ホスト分子は、抗原との間で抗原抗体反応を起こす抗体である。

（１２）本開示のさらに他の局面に従うインピーダンス測定方法は、第１～第４のステップを含む。第１のステップは、光照射により発熱する光発熱部材と、第１および第２の電極とを含む保持部材に、複数の微小物体が分散した分散液を保持させるステップである。第２のステップは、保持させるステップ（第１のステップ）の後に光発熱部材に光を照射するステップである。第３のステップは、光発熱部材の発熱により分散液が加熱されることで生じた分散液中の対流を用いて、第１の電極と第２の電極との間に複数の微小物体を集積させることにより第１の電極と第２の電極との間を複数の微小物体によって架橋させるステップである。第４のステップは、架橋させるステップ（第３のステップ）の後に第１の電極と第２の電極との間の複数の微小物体のインピーダンスを測定するステップである。

（１３）架橋させるステップ（第４のステップ）は、分散液が加熱されることで分散液中に発生するマイクロバブルのサイズを第１の電極と第２の電極との間の距離よりも大きくするステップを含む。

本開示によれば、微小物体のインピーダンスを測定するためのインピーダンス測定システムまたはインピーダンス測定方法において、インピーダンスを迅速に測定することができる。

また、本開示によれば、液体試料に含まれる可能性がある被検出物質を検出する、被検出物質の検出システムにおいて、被検出物質を迅速に検出することができる。

実施の形態１に係る微小物体の電気的特性測定システムの構成を概略的に示す図である。 測定キットの構成を詳細に説明するための図である。 実施の形態１における微小物体の電気的特性の測定方法を示すフローチャートである。 微小物体の集積メカニズムを説明するための図である。 微小物体の集積作用を利用した電極間の電気的特性の測定メカニズムを説明するための図である。 微小物体の集積（架橋）に伴う電極間の電気抵抗の時間変化を説明するための図である。 実施の形態１の実施例における測定キットの構成を示す図である。 本実施例における電極の構成をより詳細に説明するための図である。 比較例における電極間の電気抵抗の時間変化の測定例を示す図である。 図９に示した３回の測定のうちの３回目の測定における電極近傍の画像である。 本実施例における電極間の電気抵抗の時間変化の測定例を示す図である。 本実施例における電気抵抗測定時における電極近傍の画像である。 電気抵抗の濃度依存性を説明するための図である。 分散液Ｄ３，Ｄ４におけるレーザスポット近傍の画像である。 比較例における電極上の集積物の同定結果を説明するための図である。 本実施例における電極上の集積物の同定結果を説明するための図である。 本実施例における金ナノ粒子の電気伝導率の算出手法を説明するための図である。 実施の形態２におけるターゲットＤＮＡの検出原理を説明するための概念図である。 検出キットの構成を詳細に説明するための図である。 ハイブリダイゼーションを利用した電極間の電気的特性の測定メカニズムを説明するための第１の図である。 ハイブリダイゼーションを利用した電極間の電気的特性の測定メカニズムを説明するための第２の図である。 実施の形態２における被検出物質（ターゲットＤＮＡ）の検出方法を示すフローチャートである。 相補鎖ＤＮＡまたはミスマッチＤＮＡを含む分散液における電極間の電気抵抗の時間変化を説明するための図である。 電極間の電気抵抗の時間変化の測定結果を平均化した図である。 実施の形態２の実施例における被検出物質（相補鎖ＤＮＡ）の検出方法を示すフローチャートである。 実施の形態２の実施例２における検出キットの構成を示す図である。 くし型電極においてマイクロバブルが発生する様子の観察結果を示す図である。 くし型電極間の集積物の測定例を示す図である。 レーザ光の照射停止後における、くし型電極近傍の画像である。 くし型電極における電気抵抗の測定例を示す図である。

以下、本開示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。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

本開示において、「微小物体」との用語は、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでのサイズを有する物体を意味する。微小物体の形状は特に限定されず、たとえば球形、楕円球形、ロッド形状、コイル形状等である。微小物体が楕円球形の場合、楕円球の短軸方向および長軸方向の長さの少なくとも一方がナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲内であればよい。微小物体がロッド形状の場合、ロッドの幅および長さの少なくとも一方がナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲内であればよい。微小物体がコイル形状の場合、コイルの幅および長さの少なくとも一方がナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲内であればよい。

微小物体の例としては、金属ナノ粒子、金属ナノ粒子集合体、金属ナノ粒子集積構造体、半導体ナノ粒子、有機ナノ粒子、樹脂ビーズ、ＰＭ（Particulate Matter）、ナノコイルなどが挙げられる。「金属ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する金属粒子である。「金属ナノ粒子集合体」とは、複数の金属ナノ粒子が凝集することによって形成された集合体である。「金属ナノ粒子集積構造体」とは、たとえば複数の金属ナノ粒子が相互作用部位を介してビーズの表面に固定され、互いに隙間を設けて、金属ナノ粒子の直径以下の間隔で配置された構造体である。「半導体ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する半導体粒子である。「有機ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する有機化合物からなる粒子である。「樹脂ビーズ」とは、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲のサイズを有する樹脂からなる粒子である。「ＰＭ」とは、マイクロメートルオーダーのサイズを有する粒子状物質である。ＰＭの例としては、ＰＭ２．５、ＳＰＭ（Suspended Particulate Matter）が挙げられる。「ナノコイル」とは、ナノメートルオーダーのサイズ（幅または長さ）を有するコイルである。

微小物体は、生体由来の物質（生体物質）であってもよい。より具体的には、微小物体は、細胞、微生物（細菌、真菌等）、生体高分子（タンパク質、核酸、脂質、多糖類等）、抗原（アレルゲン等）およびウイルスを含み得る。なお、本開示における「被検出物質」は、上記「微小物体」であってもよい。

本開示において、「ナノメートルオーダー」には、１ｎｍから１０００ｎｍ（＝１μｍ）までの範囲が含まれる。「マイクロメートルオーダー」には、１μｍから１０００μｍ（＝１ｍｍ）までの範囲が含まれる。したがって、「ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまで」との用語は、１ｎｍから１０００μｍまでの範囲を示すが、典型的には数十ｎｍ～数百μｍの範囲を示し、好ましくは１００ｎｍ～１００μｍの範囲を示し、より好ましくは１μｍ～数十μｍの範囲を示し得る。

本開示において、電極間のインピーダンスとは、電極間に電場が印可された場合の電圧と電流との比を意味する。そのため、インピーダンスは、電極間に直流（直流電圧または直流電流）が印加された場合の直流抵抗と、電極間に交流（交流電圧または交流電流）が印加された場合の交流インピーダンスとを含む。また、詳細は後述するが、電極間のインピーダンスの測定結果から、微小物体の電気的特性を算出したり、電極間における微小物体（被検出物質）の有無を判定したりすることが可能である。ここで微小物体の「電気的特性」とは、微小物体に印加された電場に対する微小物体の応答性を意味する。電気的特性の例としては、電気抵抗率（あるいは電気伝導率）、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、キャリア（電子、ホール）の濃度または移動度などが挙げられる。

本開示において、「マイクロバブル」とは、マイクロメートルオーダーのサイズを有する気泡である。

本開示において、「ハイブリダイゼーション」とは、少なくとも２種の一本鎖核酸の間での再会合反応を意味する。ハイブリダイゼーションには、２種の一本鎖核酸の全体間での再会合反応に限らず、ある一本鎖核酸の一部分と、他の一本鎖核酸の一部分との間での再会合反応を含み得る。以下に説明する実施の形態２では、塩基配列が相補的な関係にある一本鎖ＤＮＡの間で二重鎖が形成される。しかし、ハイブリダイゼーションはこれに限定されず、たとえば、１個の一本鎖ＤＮＡと１個のＲＮＡとの間、または２個のＲＮＡの間での二重鎖形成を含む。

本開示において、「架橋」とは、電極上または電極間に配置された複数の微小物体同士を結び付けたり複数の微小物体間に結合を形成させたりすることによって、当該電極間を電気的に接続することを意味する。微小物体間の結び付き、あるいは結合の種類は特に限定されず、化学結合（共有結合、イオン結合または金属結合）であってもよいし、分子間力による結合（水素結合、極性分子間に働く引力による結合またはファンデルワールス力による結合）であってもよい。

［実施の形態１］
実施の形態１では、電極間のインピーダンスを測定し、その測定結果に基づいて微小物体の電気的特性を算出する構成について説明する。以下では、ｘ方向およびｙ方向は、水平方向を表す。ｘ方向とｙ方向とは互いに直交する。ｚ方向は、鉛直方向を表す。重力の向きは、ｚ方向下方である。ｚ方向上方を「上方」と略し、ｚ方向下方を「下方」と略す場合がある。

＜電気的特性測定システムの構成＞
図１は、実施の形態１に係る微小物体の電気的特性測定システム（以下、「測定システム」とも略す）１の構成を概略的に示す図である。図１を参照して、測定システム１は、測定キット２と、ＸＹＺ軸ステージ１０と、調整機構２０と、サンプル供給部３０と、レーザ光源４０と、光学部品５０と、対物レンズ６０と、照明光源７０と、撮影機器８０と、マルチメータ９０と、制御装置１００とを備える。

測定キット２は、測定対象となる微小物体Ｍ（図４参照）が分散した分散液Ｄを保持する。分散液Ｄの分散媒は、十分に高い絶縁性（低い導電性）を有する液体であり、たとえば水である。測定キット２の詳細な構成については図２にて説明する。測定キット２は、ＸＹＺ軸ステージ１０上に載置される。

調整機構２０は、制御装置１００からの指令に応じて、ＸＹＺ軸ステージ１０と対物レンズ６０との相対的な位置関係を調整する。本実施の形態では、対物レンズ６０の位置が固定されている。そのため、ＸＹＺ軸ステージ１０のｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の位置調整により、ＸＹＺ軸ステージ１０と対物レンズ６０との相対的な位置関係が調整される。なお、調整機構２０としては、たとえば、顕微鏡に付属のサーボモータおよび焦準ハンドルなどの駆動機構（図示せず）を用いることができるが、調整機構２０の具体的な構成は特に限定されない。調整機構２０は、対物レンズ６０の位置を調整できるように構成されていてもよい。

サンプル供給部３０は、制御装置１００からの指令に応じて、測定キット２上に分散液Ｄ（サンプル）を供給する。サンプル供給部３０としては、たとえばディスペンサを用いることができる。

レーザ光源４０は、制御装置１００からの指令に応じて、たとえば近赤外（たとえば波長８００ｎｍ）のレーザ光Ｌ１を発する。ただし、レーザ光Ｌ１の波長は、後述する光発熱部材１１０（図２参照）の材料の吸収波長域に含まれる波長であれば、特に限定されない。レーザ光源４０の波長は、近赤外域に含まれる他の波長（たとえば１０６４ｎｍ）であってもよいし、近赤外域以外の波長域（たとえば可視光域）に含まれる波長であってもよい。なお、レーザ光源４０は、本開示に係る「光源」に相当する。

光学部品５０は、たとえば、ミラー、ダイクロイックミラーまたはプリズムを含んで構成される。測定システム１の光学系は、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１が光学部品５０により対物レンズ６０へと導かれるように調整される。

対物レンズ６０は、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１を集光する。対物レンズ６０により集光された光は測定キット２上の分散液Ｄに照射される。ここで「照射する」とは、レーザ光Ｌ１が分散液Ｄを通過する場合を含む。すなわち、対物レンズ６０により集光された光のビームウエストが分散液Ｄ内に位置する場合に限定されない。なお、光学部品５０および対物レンズ６０は、たとえば倒立型顕微鏡本体または正立型顕微鏡本体（いずれも図示せず）に組み込むことができる。

照明光源７０は、制御装置１００からの指令に応じて、測定キット２上の分散液Ｄを照らすための白色光Ｌ２を発する。一例として、ハロゲンランプを照明光源７０として採用することができる。対物レンズ６０は、分散液Ｄに照射された白色光Ｌ２を取り込むためにも用いられる。対物レンズ６０により取り込まれた白色光Ｌ２は、光学部品５０により撮影機器８０へと導かれる。

撮影機器８０は、制御装置１００からの指令に応じて、白色光Ｌ２が照射された分散液Ｄを撮影し、撮影された画像（動画または静止画）を制御装置１００に出力する。撮影機器８０には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサを含むビデオカメラが用いられる。

マルチメータ９０は、測定キット２に設けられた電極１１１と電極１１２との間（図２参照）の電気抵抗（インピーダンス）を測定するように構成された測定装置（インピーダンス測定装置）ある。より具体的には、マルチメータ９０は、制御装置１００からの指令に応じて、たとえば、電極１１１，１１２間に定電流を流しつつ電極１１１，１１２間の電圧を測定し、その測定結果を制御装置１００に出力する。

制御装置１００は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入出力ポートとを含んで構成されるマイクロコンピュータである。制御装置１００は、測定システム１に含まれる各機器（調整機構２０、サンプル供給部３０、レーザ光源４０、照明光源７０、撮影機器８０およびマルチメータ９０）を制御する。また、制御装置１００は、マルチメータ９０からの測定結果に所定の演算処理を施すことによって、分散液Ｄの電気的特性（後述の例では電気抵抗Ｒ）を算出する。さらに、制御装置１００は、撮影機器８０により撮影された画像に所定の画像処理を施すことが可能に構成されている。

なお、実施の形態１においては、マルチメータ９０により定電流制御を行ないつつ電極１１１，１１２間の電圧を測定する構成を例に説明する。しかし、マルチメータ９０に代えてガルバノスタットまたはポテンショスタット（いずれも図示せず）を本開示に係る「インピーダンス測定装置」として用いてもよい。ガルバノスタットを用いた場合には、電極１１１，１１２間を定電流が流れる場合の電極１１１，１１２間の電圧が測定される。ポテンショスタットを用いた場合には、電極１１１，１１２間に定電圧を印加した場合に電極１１１，１１２間を流れる電流が測定される。

また、測定システム１の光学系は、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１を測定キット２に照射することが可能であるととともに、測定キット２に照射された白色光Ｌ２を撮影機器８０に取り込むことが可能であれば、図１に示した構成に限定されない。たとえば、測定システム１の光学系は、光ファイバ等を含んで構成されてもよい。また、測定システム１において、調整機構２０、サンプル供給部３０、対物レンズ６０、照明光源７０および撮影機器８０は必須の構成要素ではない。

図２は、測定キット２の構成を詳細に説明するための図である。図２を参照して、測定キット２は、基板１１と、光発熱部材１１０と、電極１１１，１１２とを含む。なお、図２では、図面が煩雑になるのを防ぐため、分散液Ｄ中の微小物体Ｍの図示を省略している。

基板１１は、ＸＹＺ軸ステージ１０上に載置され、分散液Ｄを保持する。基板１１は、電気的絶縁性を有するとともに、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１および照明光源７０からの白色光Ｌ２に対して光学的に透明である。基板１１の材料としては、たとえばガラスまたは石英ガラスを用いることができる。

なお、基板１１は、本開示に係る「保持部材」の一例に相当する。図２では、本開示に係る「保持部材」として平面上の基板を用いた構成を例に示す。しかし、本開示に係る「保持部材」は、分散液Ｄを保持可能な形状であれば特に限定されず、立体形状を有する容器（たとえば直方体形状または円筒形状の容器）であってもよい。

電極１１１，１１２の各々は、基板１１上に形成されている。電極１１１（第１の電極）は陽極であり、電極１１２（第２の電極）は陰極である。各電極１１１，１１２は、膜厚がナノメートルオーダーの金属薄膜であり、たとえば白金薄膜である。基板１１と電極１１１との間には、基板１１と電極１１１との接着性（たとえば石英ガラスと白金薄膜との接着性）を高めるための接着層１２１が形成されている。同様に、基板１１と電極１１２との間には接着層１２２が形成されている。各接着層１２１，１２２は、たとえばチタン薄膜である。なお、電極１１１，１１２の基板１１上への接着性を確保することができれば、接着層１２１，１２２は必須ではない。

光発熱部材１１０は、たとえば、電極１１１と電極１１２との間において基板１１上に形成されている。言い換えると、電極１１１および電極１１２は、光発熱部材１１０を挟むように互いに離間して配置されている。光発熱部材１１０は、膜厚がナノメートルオーダーの金属薄膜であり、たとえば白金薄膜である。図２では、基板１１と光発熱部材１１０との間にも基板１１と光発熱部材１１０との接着性を高めるための接着層１２０（たとえばチタン薄膜）が形成されているが、接着層１２０は必須ではない。また、図２には、光発熱部材１１０が楕円状に形成された例が示されているが、光発熱部材１１０の形状は特に限定されず、たとえば真円状、正方形状、長方形状であってもよい。

光発熱部材１１０は、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１を吸収し、レーザ光Ｌ１の光エネルギーを熱エネルギーに変換する。より詳細に説明すると、金属薄膜を構成する金属ナノ粒子（たとえば白金ナノ粒子）の自由電子は表面プラズモンを形成し、レーザ光Ｌ１によって振動する。これにより分極が生じる。この分極のエネルギーは、自由電子と原子核との間のクーロン相互作用により格子振動のエネルギーに変換される。その結果、金属ナノ粒子は熱を発生させる。以下では、この効果を「光発熱効果」とも称する。

光発熱部材１１０の材料は、レーザ光Ｌ１の波長域（本実施の形態では８００ｎｍ）における光熱変換効率が高い材料であることが好ましい。光発熱部材１１０の材料は、白金に限定されるものではなく、光発熱効果を生じ得る白金以外の金属元素（たとえば金もしくは銀）または金属ナノ粒子集積構造体（たとえば金ナノ粒子もしくは銀ナノ粒子を用いた構造体）であってもよい。あるいは、光発熱部材１１０の材料は、レーザ光Ｌ１の波長域の光吸収率が高く、かつ導電性を有する金属以外の材料であってもよい。そのような材料としては、黒体に近い材料（たとえばカーボンナノチューブ黒体）が挙げられる。光発熱部材１１０の厚みは、レーザ光Ｌ１の出力（レーザ出力）ならびに光発熱部材１１０の材料の吸収波長域および光熱変換効率を考慮して、設計的または実験的に決定される。

＜測定フロー＞
図３は、実施の形態１における微小物体Ｍの電気的特性の測定方法を示すフローチャートである。図３ならびに後述する図２３および図２６に示すフローチャートは、所定条件成立時（たとえばユーザが図示しない測定開始ボタンを操作したとき）に実行される。これらのフローチャートに含まれる各ステップ（以下、Ｓと略す）は、基本的には制御装置１００によるソフトウェア処理によって実現されるが、その一部または全部が制御装置１００内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

図１～図３を参照して、Ｓ１０１において、微小物体Ｍが分散した分散液Ｄが準備される。準備された分散液Ｄは、サンプル供給部３０内に蓄えられる。

Ｓ１０２において、制御装置１００は、測定キット２をＸＹＺ軸ステージ１０上に設置する。この処理は、たとえば基板１１の送り機構（図示せず）により実現することができる。

Ｓ１０３において、制御装置１００は、測定キット２を照射するための白色光Ｌ２を発するように照明光源７０を制御するとともに、測定キット２の撮影を開始するように撮影機器８０を制御する。

Ｓ１０４において、制御装置１００は、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１が光発熱部材１１０に照射されるように、調整機構２０を制御することによってＸＹＺ軸ステージ１０の水平方向の位置を調整する。この水平方向の位置調整は、たとえば、撮影機器８０により撮影された画像から、パターン認識の画像処理技術を用いて光発熱部材１１０の外形パターンを抽出することによって実現することができる。

また、制御装置１００は、レーザ光Ｌ１のビームウエストが適切な高さとなるように、調整機構２０を制御することによってＸＹＺ軸ステージ１０の鉛直方向の位置を調整する。ビームウエストの鉛直方向の位置（高さ）は、レーザ光Ｌ１の波長および対物レンズ６０の仕様（倍率等）から既知である。よって、ＸＹＺ軸ステージ１０の鉛直方向の位置を調整することで、狙った高さにビームウエストを設定することができる。

Ｓ１０５において、制御装置１００は、適量の分散液Ｄが保持されるように、サンプル供給部３０を制御することによって分散液Ｄを測定キット２上に滴下させる。分散液Ｄの滴下量は、たとえば数μＬ～数百μＬ程度の微量であってもよいし、より多量であってもよい。

なお、Ｓ１０３～Ｓ１０５の処理の順序は、これに限定されない。たとえば、測定キット２への白色光Ｌ２の照射開始および測定キット２の撮影開始（Ｓ１０３の処理）に先立って、分散液Ｄを測定キット２上に滴下（Ｓ１０５の処理）してもよい。また、分散液Ｄの滴下後にＸＹＺ軸ステージ１０の鉛直方向の位置を調整（Ｓ１０４の処理）してもよい。

Ｓ１０６において、制御装置１００は、電極１１１，１１２間の電気抵抗Ｒを測定する。より詳細には、制御装置１００は、マルチメータ９０を制御することによって、測定キット２の電極１１１，１１２間に定電流を流しつつ電極１１１，１１２間の電圧を測定する。電極１１１，１１２間の電圧を、電極１１１，１１２間を流れる電流（定電流）により除算することで、電極１１１，１１２間の電気抵抗Ｒを算出することができる。

Ｓ１０７において、制御装置１００は、レーザ光Ｌ１の照射（以下、「光照射」とも記載する）を開始するようにレーザ光源４０を制御する。レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１は対物レンズ６０により集光され、集光された光が光発熱部材１１０に照射される。

Ｓ１０８において、制御装置１００は、たとえば光照射開始時刻から所定期間が経過した場合（たとえば数十秒～数分経過後）に、電極１１１，１１２間の電気抵抗測定を終了するようにマルチメータ９０を制御する。

なお、光照射開始前（Ｓ１０７の処理の開始前）に電極１１１，１１２間の電気抵抗測定を開始（Ｓ１０６の処理）することは必須ではなく、光照射開始後（たとえばＳ１０７の処理開始時刻から所定期間経過後）に電極１１１，１１２間の電気抵抗測定を開始してもよい。Ｓ１０６～Ｓ１０８の処理の詳細については後述する。

Ｓ１０９において、制御装置１００は、測定キット２へのレーザ光Ｌ１の照射を停止するようにレーザ光源４０を制御する。また、制御装置１００は、測定キット２への白色光Ｌ２の照射を停止するように照明光源７０を制御する。

Ｓ１１０において、制御装置１００は、Ｓ１０６～Ｓ１０８にて測定された電極１１１，１１２間の電気抵抗Ｒに基づいて、微小物体Ｍの電気的特性（たとえば図１７にて説明する微小物体Ｍの電気伝導度κ）を算出する。これにより、一連の処理が終了する。

なお、Ｓ１０３の処理は、分散液Ｄを観察（画像を撮影）するための処理であって、微小物体Ｍの電気的特性の測定に必須の処理ではない。したがって、Ｓ１０３の処理を含まないフローチャートを実行した場合でも微小物体Ｍの電気的特性を測定することができる。

また、電極１１１，１１２間に直流電圧（または直流電流）を印加することは必須ではない。電極１１１，１１２間に交流電圧（または交流電流）を印加し、電極１１１，１１２間の交流インピーダンス測定を行なってもよい。たとえば誘電泳動により分散液Ｄ中の細菌を電極付近に集積する誘導泳動インピーダンス測定法（ＤＥＰＩＭ：Dielectrophoretic Impedance Measurement）に代えて（詳細は非特許文献１参照）、以下に説明するメカニズムに従って微小物体を電極１１１，１１２近傍に集積し、それとともに電極１１１，１１２間のインピーダンス変化を測定することができる。

＜測定メカニズム＞
続いて、Ｓ１０６～Ｓ１０８の処理における微小物体Ｍの電気的特性の測定メカニズム（電気抵抗Ｒの測定メカニズム）について詳細に説明する。実施の形態１では、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１の照射により微小物体Ｍが集積される。

図４は、微小物体Ｍの集積メカニズムを説明するための図である。図４（Ａ）に示すように、レーザ光Ｌ１の照射を開始すると、レーザ光Ｌ１の照射位置（レーザスポット）において、光発熱部材１１０の光発熱効果により、レーザスポット近傍が局所的に加熱される。そうすると、レーザスポット近傍の分散液Ｄ（分散媒）が局所的に沸騰してレーザスポットにマイクロバブルＭＢが発生する（図４（Ｂ）参照）。マイクロバブルＭＢは、時間の経過とともに成長する。

レーザスポットに近いほど分散液Ｄの温度は高い。つまり、光照射により分散液Ｄ中に温度勾配が生じる。この温度勾配に起因して、分散液Ｄ中に規則的な対流（熱対流または浮力対流）Ｃが定常的に発生する（図４（Ｃ）参照）。対流Ｃの方向は、一旦マイクロバブルＭＢに向かい、その後、マイクロバブルＭＢから遠ざかる方向である。

このように対流が生じる理由は以下のように説明することができる。すなわち、マイクロバブルＭＢが生じた領域の上方に存在する分散液Ｄが、加熱により相対的に希薄となり浮力によって上昇する。それとともに、マイクロバブルＭＢの水平方向に存在する相対的に低温の液体がマイクロバブルＭＢに向けて流入する。

微小物体Ｍが対流Ｃに乗ってマイクロバブルＭＢに向けて運ばれることによって、微小物体Ｍがレーザスポット近傍に集積される（図４（Ｄ）参照）。その後、光照射を停止すると対流Ｃは弱まり、やがて止まる。

このように、光照射に伴う光発熱部材１１０の光発熱効果により対流Ｃを生じさせることによって、レーザスポット近傍に微小物体Ｍを集積することが可能になる。また、微小物体Ｍの集積に要する時間を大幅に短縮することができる。そこで、実施の形態１においては、光発熱部材１１０の光発熱効果による微小物体Ｍの集積作用を積極的に利用して、電極１１１，１１２間の電気抵抗Ｒ（微小物体Ｍの電気的特性）が測定される。

図５は、微小物体Ｍの集積作用を利用した電極１１１，１１２間の電気的特性の測定メカニズムを説明するための図である。図５（Ａ）を参照して、光照射を開始すると、図４（Ｂ）にて説明したように、マイクロバブルＭＢが光発熱部材１１０上に発生する。この時点では、電極１１１と光発熱部材１１０との間、および、電極１１２と光発熱部材１１０との間には、微小物体Ｍは、ほとんど集積されていない。このため、電極１１１と電極１１２との間に存在する分散媒（たとえば水）の電気抵抗Ｒがマルチメータ９０により測定される。

その後、図５（Ｂ）に示すように、対流Ｃに乗って運ばれてきた微小物体Ｍが、電極１１１と電極１１２との間に集積される。そして、電極１１１と電極１１２との間の微小物体Ｍの集積量が増加すると、ある時点で電極１１１と電極１１２との間が微小物体Ｍにより架橋される（図５（Ｃ）参照）。そうすると、マルチメータ９０により測定される電気抵抗Ｒの主成分が、分散媒の電気抵抗から、電極１１１と電極１１２との間に集積された微小物体Ｍの電気抵抗へと変化する。

なお、図５（Ｃ）には、電極１１１と電極１１２との間が微小物体Ｍにより直接的に架橋された例を示す。しかし、光発熱部材１１０が導電性材料（たとえば白金などの金属）により形成されている場合には、電極１１１と光発熱部材１１０との間が微小物体Ｍにより架橋されるとともに、電極１１２と光発熱部材１１０との間が微小物体Ｍにより架橋されてもよい。

図６は、微小物体Ｍの集積（架橋）に伴う電極１１１，１１２間の電気抵抗Ｒの時間変化を説明するための図である。図６ならびに後述する図９、図１１、図２３、図２４および図３０において、横軸は経過時間を示す。以下に示す測定結果では、電気抵抗Ｒの測定開始時刻を初期時刻（０で示す）とした。以下の例では電気抵抗Ｒの測定開始時刻よりも前に分散液Ｄが滴下されているが、電気抵抗Ｒの測定開始時刻を分散液Ｄの滴下時刻と一致させてもよい。縦軸は、電極１１１，１１２間の電気抵抗Ｒを示す。

初期時刻における電気抵抗Ｒは、Ｒ０（分散媒の種類に依存するが、たとえばメガオームオーダーの抵抗値）である（図５（Ａ）参照）。しかし、時刻ｔｃにおいて電極１１１と光発熱部材１１０との間が微小物体Ｍにより架橋されるとともに電極１１２と光発熱部材１１０との間が微小物体Ｍにより架橋されると、すなわち、電極１１１と電極１１２との間が微小物体Ｍにより架橋されると（図５（Ｃ）参照）、電気抵抗Ｒは、Ｒ０からＲｃへと変化する。たとえば非導電性の分散媒中に導電性の微小物体Ｍが分散している場合には、電気抵抗Ｒは、図６に示すように急激に低下する。この低下後の電気抵抗Ｒｃは、主に微小物体Ｍの電気抵抗Ｒを表している。

電極１１１，１１２間の距離は既知である。そのため、詳細は図１７にて説明するが、たとえば微小物体Ｍのサイズ（長さおよび高さ）が既知であれば、微小物体Ｍの電気的特性を算出することができる。具体的には、電気抵抗Ｒ（単位：Ω）から微小物体Ｍの電気抵抗率ρ（単位：Ω・ｍ）を算出することが可能である。さらに、電気抵抗Ｒまたは電気抵抗率ρから、コンダクタンスＧ（単位：Ω^-1＝Ｓ）および電気伝導率κ（単位：Ω^-1・ｍ^-1＝Ｓ・ｍ^-1）を算出することもできる。

以上のように、実施の形態１によれば、レーザ光Ｌ１を光発熱部材１１０に照射し、それによる光発熱部材１１０の光発熱効果により対流Ｃを生じさせる。対流Ｃを用いることで、レーザスポット近傍に微小物体Ｍを迅速に集積することが可能になる。そして、微小物体Ｍが集積されて電極１１１，１１２間が微小物体Ｍにより架橋されると、微小物体Ｍの電気的特性を測定することができる。

［実施の形態１の実施例］
以下、実施の形態１の１つの実施例として、金ナノ粒子を電極間に集積することで、金ナノ粒子の電気伝導率κを測定する構成について説明する。

＜測定キットの構成＞
図７は、実施の形態１の実施例における測定キット２Ａの構成を示す図である。図７には、上方から下方に向けて見た測定キット２Ａの構成が示されている。測定キット２Ａには、たとえばビー・エー・エス株式会社製の導電率測定用電極を用いることができる。

図７を参照して、測定キット２Ａは、石英ガラスからなる基板１１Ａと、基板１１Ａ上に形成された８本の電極１５１～１５８（図８参照）とを含む。測定キット２Ａには、８本の電極１５１～１５８に対応して、８本の接続ピン１３１～１３８と、８本の配線１４１～１４８とが形成されている。電気伝導率κの測定時には、接続ピン１３１～１３８のうちのいずれか２本にマルチメータ９０のクリップ（図１参照）が取り付けられる。配線１４１～１４８は、接続ピン１３１～１３８と電極１５１～１５８とを電気的に接続する。

図８は、本実施例における電極１５１～１５８の構成をより詳細に示す図である。図７および図８を参照して、８本の電極１５１～１５８の各々は、白金電極である。図示しないが、各電極は、チタン薄膜である接着層を介して基板１１Ａ上に接着されている。

８本の電極１５１～１５８のうちの隣接する２本の電極間の距離は、様々な値に設定されている。たとえば図８下部の拡大図に示すように、電極１５１と電極１５２との間の距離は、１００μｍである。電極１５２と電極１５５との間の距離は、１０μｍである。電極１５５と電極１５３との間の距離は、２０μｍである。電極１５３と電極１５６との間の距離は、３０μｍである。電極１５６と電極１５４との間の距離は、５０μｍである。電極１５４と電極１５７との間の距離は、１００μｍである。電極１５７と電極１５８との間の距離は、１００μｍである。

このように８本の電極１５１～１５８のうちのいずれか２本（必ずしも隣接する２本でなくてもよい）の電極を選択することによって、電極間距離を所望の値とすることができる。本実施例では、電極間距離が１０μｍとなる電極１５２と電極１５５とを選択した。なお、図７および図８では８本の電極が形成された構成を例に説明するが、電極の本数は、２以上であれば特に限定されない。

測定キット２Ａでは、実施の形態１における測定キット２（図２参照）と異なり、電極１５１～１５８間に光発熱部材１１０が設けられていない。これは、電極１５２，１５５が本開示に係る「光発熱部材」を兼ねているためである。言い換えると、光発熱部材は、電極１５２，１５５のいずれか一方（本実施例では電極１５２）に含まれている。そのため、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１は、電極１５２，１５５のいずれか一方（電極１５２）に照射される。

本実施例では、金ナノ粒子を分散質として含み、超純水を分散媒として含む分散液Ｄを用いた。金ナノ粒子の直径は、３０ｎｍであった。金ナノ粒子の濃度は、７．８×１０^-10Ｍであった。金ナノ粒子の分散液Ｄの滴下量は、５μＬであった。

本実施例における電気抵抗測定の特徴を明確にするため、まず、比較例における電気抵抗測定について説明する。比較例における電気抵抗測定では、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１の照射が行なわれない点において、本実施例における電気抵抗測定と異なる。それ以外の比較例に係る測定システムの構成は、本実施例に係る測定システム（図１、図７および図８参照）の対応する構成と同等である。

なお、比較例および本実施例における電気抵抗測定では、測定条件を統一するために以下のような手順で測定を行なった。すなわち、測定対象となる分散液Ｄの滴下に先立ち、２μＬのリン酸緩衝生理食塩水（以下、「ＰＢＳ」（Phosphate Buffered Saline）とも記載する）を測定キット２上に滴下した。ＰＢＳとは、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ、濃度：１．４×１０^-5Ｍ）と塩化カリウム（ＫＣｌ、濃度：２．７×１０^-3Ｍ）とリン酸水素二ナトリウム（Ｎａ₂ＨＰＯ₄、濃度：１．０×１０^-4Ｍ）との混合溶液である。そして、ＰＢＳの滴下時刻から１０分間が経過した後に、電極１５２，１５５間のＰＢＳの電気抵抗Ｒを測定した。電気抵抗Ｒが４．７ＭΩ±０．４ＭΩの範囲内にあることが確認された場合に、測定条件が統一されたと判定し、分散液Ｄを測定キット２上にさらに滴下した。

＜比較例＞
図９は、比較例における電極１５２，１５５間の電気抵抗Ｒの時間変化の測定例を示す図である。なお、図９および後述する図１１では、縦軸の電気抵抗Ｒが対数目盛りで示されている。

比較例では、電極１５２，１５５間の電気抵抗Ｒを３回測定した。図９（Ａ）～図９（Ｃ）に１回目～３回目の電気抵抗Ｒの測定結果をそれぞれ示す。図１０は、図９に示した３回の測定のうちの３回目の測定における電極１５２，１５５近傍の画像である。

図９（Ａ）～図９（Ｃ）に示すように、３回の測定のいずれにおいても電気抵抗Ｒの急激な低下が観測された。図９（Ｃ）において電気抵抗Ｒの急激な低下が初めて生じた時刻ｔ１における電極１５２，１５５近傍の様子を図１０（Ａ）の画像に示す。この画像から、電極１５２と電極１５５との間に何らかの物質（実際には図１５および図１６にて後述するように金ナノ粒子）による架橋が生じたことが観察された。

また、光照射中には、図１０（Ｂ）の画像に示すように、電極１５２と電極１５５との間に直方体形状の結晶が生成する様子が観察された。この結晶は、後述するエネルギー分散型Ｘ線分析（図１５および図１６参照）により、ＰＢＳ由来の塩化ナトリウムであることが同定された。その一方で、図１０（Ｂ）に対応する時刻ｔ２においては、電気抵抗Ｒの大きな変化は確認されなかった。このことから、電気抵抗Ｒの急激な低下は、結晶生成によるものではなく、金ナノ粒子の架橋によるものと考えられる。

また、時刻ｔ３対応するに図１０（Ｃ）の画像より、時間が経過すると電極１５２，１５５上の分散液Ｄが蒸発により消失し、少量の金ナノ粒子およびＰＢＳの結晶が電極１５２，１５５間に存在していることが分かる。

比較例における３回の測定の結果、分散液Ｄを滴下した時刻（０）から電気抵抗Ｒに大きな変化が生じた時刻（たとえば図９（Ｃ）における時刻ｔ１）までの平均時間は、４２分２６秒であった。以下、この時間（電気抵抗Ｒの急激な低下が生じるまでの平均時間）を「平均測定時間」とも称する。このように、比較例では、金ナノ粒子の電気抵抗Ｒの測定に長時間を要する。また、電気抵抗Ｒの変化が生じた時刻が３回の測定毎に異なり、ばらつきが相対的に大きい。

＜本実施例＞
図１１は、本実施例における電極１５２，１５５間の電気抵抗Ｒの時間変化の測定例を示す図である。図１１に示した例では、陽極である電極１５２にレーザ光Ｌ１を照射した。なお、各電極１５２，１５５は、エタノールと超純水とを用いて予め洗浄されている。事前の予備実験（図１２参照）の結果に基づき、レーザ出力は、１５ｍＷに設定した。また、マルチメータ９０による定電流を５００ｎＡに設定した。そして、電極１５２と電極１５５との間の電気抵抗Ｒを５回測定した。１回目～５回目の電気抵抗Ｒの測定結果を図１１（Ａ）～図１１（Ｅ）にそれぞれ示す。

図１１（Ａ）～図１１（Ｅ）を参照して、５回の測定の結果、平均測定時間は６９秒であった。つまり、比較例と本実施例とを比較すると、本実施例では、平均測定時間を約３０分の１に短縮することができた。このように、本実施例によれば、比較例と比べて、平均測定時間を大幅に短縮できることが分かる。

また、前述のように、比較例では、電気抵抗Ｒの急激な低下が生じるまでの時間のばらつきが大きい。これは、以下のように説明することができる。すなわち、測定開始時には、電極１５２と電極１５５との間は、金ナノ粒子が希薄な状態である。パーコレーション理論によれば、金ナノ粒子の密度が所定量以上になることで電極１５２，１５５間の電気抵抗Ｒが急激に低下する。しかし、比較例における電気抵抗測定では、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１の照射が行なわれないため、対流が生じない。そのため、金ナノ粒子同士が衝突する確率が低く、高密度化しにくい。よって、パーコレーションによる電気抵抗Ｒの低下に要するばらつきが大きくなる（パーコレーション理論の詳細については、M. T. Connor, S. Roy, T. A. Ezquerra, and F. J. Balta Calleja, Phys. Rev. B, 57, 2286 (1998).およびK.Ogura, R. C. Patil, H. Shiigi, T. Tonosaki, and M. Nakayama, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 38, 4343 (2000).を参照）。

これに対し、本実施例によれば、光発熱効果を用いて積極的に対流（いわば強制対流）を生じさせる。これにより、対流が生じていない場合と比べて、金ナノ粒子同士の衝突確率が高まるので、金ナノ粒子が高密度化しやすくなる。したがって、本実施例では、比較例と比べて、パーコレーションによる電気抵抗Ｒの低下に要するばらつきが小さくなるため、平均測定時間のばらつきを低減することができる。

＜レーザ出力依存性＞
図１２は、本実施例における電気抵抗測定時における電極１５２，１５５近傍の画像である。図１２（Ａ）～図１２（Ｃ）は、レーザ出力を１０ｍＷ、１５ｍＷおよび２０ｍＷに設定した場合の電極１５２，１５５近傍の画像をそれぞれ示す。レーザスポットの位置は各画像の中央である。なお、図１２および後述する図１４において、図中の数値は、分散液Ｄの滴下時刻から経過時間を示している。

レーザ出力を１５ｍＷに設定した場合、図１２（Ｂ）に示すように、電極１５２近傍におけるマイクロバブルＭＢの発生および対流Ｃの発生が確認された。このように、制御装置１００は、マイクロバブルＭＢのサイズ（直径）が電極１５２，１５５間の距離よりも大きくなるように、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１の出力を制御することが好ましい。この理由は以下のように説明される。

図４にて説明したように、光照射により発生する対流Ｃの方向は、一旦マイクロバブルＭＢに向かい、その後、マイクロバブルＭＢから遠ざかる方向である。つまり、対流Ｃの方向が反転するため、マイクロバブルＭＢと基板１１との間に対流Ｃの流速がゼロとなる「淀み領域」が生じる。この場合、マイクロバブルＭＢは、対流Ｃを堰き止めるマイクロメートルオーダーの「流体ストッパ」として機能し、それにより微小物体Ｍの多くは、淀み領域近傍に滞留して集積される。このような集積メカニズムによれば、マイクロバブルＭＢのサイズが電極１５２，１５５間の距離よりも大きくなると、それに伴って淀み領域が電極１５２から電極１５５まで延びることとなる。したがって、電極１５２，１５５間を架橋するように微小物体Ｍが集積され易くなる。

レーザ出力を１０ｍＷに設定した場合には、図１２（Ａ）に示すように、マイクロバブルＭＢも対流Ｃも発生しなかった。このため、図示しないが、レーザ出力を１５ｍＷに設定した場合と同程度の時間スケール（図１２に示した例では３００秒）では、電気抵抗Ｒの変化は生じなかった。

一方、レーザ出力を２０ｍＷに設定した場合には、レーザ出力を１５ｍＷに設定した場合と比べて、より大きなマイクロバブルＭＢの発生が確認されるとともに、より激しい対流Ｃの発生が確認された（図１２（Ｃ）参照）。しかしながら、５回の測定結果の平均測定時間は、８５秒であった。つまり、レーザ出力を２０ｍＷに設定した場合の平均測定時間は、レーザ出力を１５ｍＷに設定した場合の平均測定時間よりも長くなった。これは、レーザ出力を高めることで過度に激しい対流Ｃが発生したため、金ナノ粒子が電極１５２，１５５間に滞留しにくくなり、金ナノ粒子の集積量が減ったことによると考えられる。

さらに、レーザ出力を２０ｍＷに設定した場合、図示しないが、測定によってはマイクロバブルＭＢが電極１５２上を移動する様子が確認された。また、マイクロバブルＭＢに移動に伴い、電気抵抗Ｒの変動が測定された。これは、激しい対流ＣによってマイクロバブルＭＢが移動し、それにより、マイクロバブルＭＢ近傍に一旦集積されていた金ナノ粒子のうちの一部が離散してしまったためと考えられる。

このように、レーザ出力には、マイクロバブルＭＢおよび対流Ｃを発生させるのに必要な下限値と、金ナノ粒子の安定的な集積に必要な上限値とが存在する。そのため、レーザ出力は、事前の実験結果またはシミュレーション結果に基づいて、上限値と下限値との間の範囲内に設定することが望ましい。本実施例では、前述の実験結果に基づき、レーザ出力を１５ｍＷに設定した。

＜金ナノ粒子の濃度依存性＞
図１３は、金ナノ粒子の電気抵抗測定における金ナノ粒子の濃度依存性の測定結果を示す図である。本実施例では、金ナノ粒子の濃度が異なる４種類の分散液Ｄ１～Ｄ４を準備した。金ナノ粒子の濃度は、分散液Ｄ１～Ｄ４の順に低い。電極１５２，１５５間の電気抵抗Ｒを分散液Ｄ１，Ｄ２，Ｄ４については５回測定し、分散液Ｄ３については７回測定した。

各分散液Ｄ１～Ｄ４について、電気抵抗Ｒの変化が生じた比率（＝電気抵抗Ｒの変化が生じた回数／全測定回数）と、電気抵抗Ｒ（平均値）と、平均測定時間（分散液の滴下から電気抵抗Ｒの変化が生じるまでに要した平均時間）とを図１３（Ａ）に示す。また、図１３（Ｂ）の横軸は金ナノ粒子の濃度を示し、縦軸は電気抵抗Ｒを示す。

図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）を参照して、分散液Ｄ１においては、すべての測定において電気抵抗Ｒの変化が確認された。分散液Ｄ１～Ｄ３を比較すると、金ナノ粒子の濃度が低くなるに従って、電気抵抗Ｒの変化が生じる比率が低下するとともに平均測定時間が長くなった。その一方で、分散液Ｄ１～Ｄ３の間では、金ナノ粒子の濃度にかかわらず、電気抵抗Ｒは、ほぼ等しかった。また、各分散液Ｄ１～Ｄ３における電気抵抗Ｒのばらつきは、電気抵抗Ｒの標準偏差をエラーバーで示すように、十分に小さかった。

図１４は、分散液Ｄ３，Ｄ４におけるレーザスポット近傍の画像である。図１４（Ａ）は、分散液Ｄ３におけるレーザスポット近傍の画像を示し、図１４（Ｂ）は、分散液Ｄ４におけるレーザスポット近傍の画像を示す。「０秒」と示す画像は、光照射開始前の画像である。「１００秒」と示す画像は、分散液の滴下から１００秒経過後における光照射中の画像である。「３００秒」と示す画像は、分散液の滴下から３００秒経過後に光照射を停止した直後の画像である。

図１４（Ａ）に示すように、分散液Ｄ３においては、電極１５２，１５５間が金ナノ粒子により架橋される。一方、分散液Ｄ４では、図１４（Ｂ）に示すように、ある程度の金ナノ粒子が電極１５２の近傍に集積される様子は確認されるものの、電気抵抗Ｒの変化は生じなかった（図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）を参照）。この測定結果から、本実施例において測定可能な金ナノ粒子の下限濃度（測定限界濃度）は、分散液Ｄ３の濃度である１．６×１０^-10Ｍであることが分かった。

＜集積物の同定＞
続いて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）およびエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray spectrometry）装置を用いて電極１５２，１５５上の集積物を同定（元素分析）した結果について説明する。

図１５は、比較例における電極１５２，１５５上の集積物の同定結果を説明するための図である。図１６は、本実施例における電極１５２，１５５上の集積物の同定結果を説明するための図である。図１５（Ａ）は光学顕微鏡像を示し、図１５（Ｂ）はＳＥＭ像を示し、図１５（Ｃ）はＥＤＸ像を示す。図１６（Ａ）～図１６（Ｃ）についても同様である。

まず、図１５（Ａ）および図１６（Ａ）に示した光学顕微鏡像を比較すると、電極１５２，１５５の周囲の集積物の集積量および集積範囲に大きな差異が存在することが分かった。また、図１５（Ｂ）および図１６（Ｂ）のＳＥＭ像から、電極１５２，１５５上の集積物が粒子状物質の集積によるものであることが確認された。また、各粒子状物質の粒子径（直径）がほぼ均一であり、数十μｍ程度であることが分かった。さらに、図１５（Ｃ）および図１６（Ｃ）を参照して、ＥＤＸによる元素分析結果から、電極１５２，１５５の周囲に集積物が金であることが同定された。

＜電気伝導率の算出＞
最後に、電極間の電気抵抗Ｒの測定結果に基づいて、金ナノ粒子の電気伝導率κを算出した結果について説明する。本実施例では、以下のような条件の下に電気伝導率κを算出した。

図１７は、本実施例における金ナノ粒子２００の電気伝導率の算出手法を説明するための図である。図１７を参照して、電極１５２と電極１５５との間の距離ｄは、１０μｍである（図８参照）。また、金ナノ粒子２００の集積範囲の幅ｗを光学顕微鏡像から読み取り、７８．８μｍとした。さらに、電極１５２，１５５間に集積された金ナノ粒子２００が単層状に配列されていると仮定し、金ナノ粒子２００の集積物の高さｈを金ナノ粒子２００の粒子径である３０μｍとした。また、図１３に示した分散液Ｄ１における電気抵抗Ｒの測定結果から、Ｒ＝１．８９ｋΩとした。

電気導電率κを算出するための下記関係式（１）に上記の各数値を代入し、金ナノ粒子２００の電気伝導率κを求めた。その結果、本実施例における電気伝導率κは、２．２４×１０^-3［Ω^-1ｃｍ^-1］と算出された。

κ＝ｄ／（Ｗ×ｈ×Ｒ） ・・・（１）
粒子径２ｎｍの金ナノ粒子の電気伝導率の文献値は、２．６７×１０^-3［Ω^-1ｃｍ^-1］である。よって、粒子径が異なるため単純には比較できないものの、本実施例による測定値の文献値に対する相対誤差は、１６％である。このように、本実施例によれば、電気伝導率κを高精度に測定可能であることが確認できた。

以上のように、本実施例によれば、電極１５２へのレーザ光Ｌ１の照射による光発熱効果を用いて電極１５２近傍に金ナノ粒子を集積する。光発熱効果を用いることで、金ナノ粒子の集積に要する時間を大幅に短縮することができる。金ナノ粒子が電極１５２近傍に集積されることで、電極１５２と電極１５５との間が金ナノ粒子により架橋される。そうすると、測定システム１の測定対象が、電極１５２と電極１５５との間の分散媒の電気抵抗から、電極１５２と電極１５５との間を架橋した金ナノ粒子の電気抵抗へと遷移するこのようにして測定された電気抵抗Ｒから電気伝導率κを高精度に算出することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２においては、液体試料に含まれる可能性がある微小物体である被検出物質を検出するための検出システムについて説明する。実施の形態２に係る検出システムは、測定キット２に代えて検出キット２Ｂを備える点において、実施の形態１に係る測定システム１（図１および図２参照）と異なる。検出キット２Ｂの構成については図１９にて説明する。また、実施の形態２では、制御装置１００が本開示に係る「検出装置」に相当する。実施の形態２に係る検出システムの他の構成（全体構成）は、測定システム１の構成と基本的に同等であるため、説明は繰り返さない。

＜被検出物質の検出原理＞
実施の形態２において、被検出物質はＤＮＡである。このＤＮＡを「ターゲットＤＮＡ」とも称する。実施の形態２に係る検出システムでは、ターゲットＤＮＡの検出に金属ナノ粒子が用いられる。金属ナノ粒子は、たとえば金ナノ粒子である。金ナノ粒子の各々は、ターゲットＤＮＡを特異的に付着可能なＤＮＡにより修飾されている。ターゲットＤＮＡを特異的に付着可能なＤＮＡを以下、「プローブＤＮＡ」とも称する。プローブＤＮＡは、本開示に係る「ホスト分子」の一例に相当する。

なお、金属ナノ粒子は、金ナノ粒子に限定されず、たとえば銀ナノ粒子または銅ナノ粒子等であってもよい。また、ターゲットＤＮＡに代えてターゲットＲＮＡを用いてもよいし、プローブＤＮＡに代えてプローブＲＮＡを用いてもよい。ターゲットＤＮＡおよびターゲットＲＮＡを包括的に「ターゲット核酸」と呼び、プローブＤＮＡおよびプローブＲＮＡを包括的に「プローブ核酸」と呼ぶ。

図１８は、実施の形態２におけるターゲットＤＮＡの検出原理を説明するための概念図である。ターゲットＤＮＡおよびプローブＤＮＡの塩基配列の例を図１８（Ａ）に示す。図１８（Ａ）に示すように、実施の形態２において、ターゲットＤＮＡ２１０は、たとえば２４個のアデニン（Ａで表す）の塩基配列を有する一本鎖ＤＮＡである。このターゲットＤＮＡ２１０を検出するために、ターゲットＤＮＡ２１０を特異的に付着させる２種類のプローブＤＮＡ２１１，２１２が準備される。

プローブＤＮＡ２１１は、３’末端にたとえばチオール基（ＳＨで表す）を有する一本鎖ＤＮＡである。プローブＤＮＡ２１１は、チオール基と５’末端との間に、ターゲットＤＮＡの３’末端側の塩基配列と相補的な塩基配列を有する。この相補的な塩基配列は、１２個のチミン（Ｔで表す）である。

一方、プローブＤＮＡ２１２は、５’末端にたとえばチオール基を有する一本鎖ＤＮＡである。プローブＤＮＡ２１２は、３’末端とチオール基との間に、ターゲットＤＮＡの５’末端側の塩基配列と相補的な塩基配列を有する。この相補的な塩基配列は、１２個のチミンである。

図１８（Ｂ）に示すように、実施の形態２では、２種類の金ナノ粒子２０１，２０２が準備される。金ナノ粒子２０１は、プローブＤＮＡ２１１により修飾されている。金ナノ粒子２０２は、プローブＤＮＡ２１２により修飾されている。なお、金ナノ粒子２０１，２０２をプローブＤＮＡ２１１，２１２でそれぞれ修飾するための方法としては、公知の手法を用いることができる。

ターゲットＤＮＡ２１０を含む液体に金ナノ粒子２０１，２０２が導入されると、ターゲットＤＮＡ２１０とプローブＤＮＡ２１１との間、および、ターゲットＤＮＡ２１０とプローブＤＮＡ２１２との間でハイブリダイゼーションが起こる。これにより、金ナノ粒子２０１，２０２が液体中に分散している場合には、金ナノ粒子２０１，２０２が凝集する。

図１９は、検出キット２Ｂの構成を詳細に説明するための図である。図１９を参照して、検出キット２Ｂは、基板１１Ｂと、電極１１１Ｂ，１１２Ｂとを含む。

電極１１１Ｂは陽極であり、電極１１２Ｂは陰極である。各電極１１１Ｂ，１１２Ｂは、膜厚がナノメートルオーダーの金属薄膜（たとえば白金薄膜または金薄膜）である。電極１１１Ｂ，１１２Ｂのうちの一方は、実施の形態１の実施例で説明したように、本開示に係る「光発熱部材」を兼ねている。

ターゲットＤＮＡ２１０を含む可能性がある液体試料ＳＰは、電極１１１Ｂ，１１２Ｂを覆うように滴下される。なお、基板１１Ｂおよび接着層１２１Ｂ，１２２Ｂは、基本的に実施の形態１における測定キット２の対応する構成（図２参照）と同等であるため、説明は繰り返さない。本実施の形態では、以下に説明する２通りの構成（第１および第２の構成）のうちの少なくとも一方を採用することにより電気抵抗測定が実現される。

図２０は、ハイブリダイゼーションを利用した電極１１１，１１２間の電気的特性（たとえば電気抵抗Ｒ）の測定メカニズムを説明するための第１の図である。図２０（Ａ）を参照して、第１の構成では、金ナノ粒子２０１，２０２が液体試料ＳＰ中に分散している。金ナノ粒子２０１，２０２は微小であるが、図２０および後述する図２１では模式的に拡大して図示されている。

液体試料ＳＰに被検出物質であるターゲットＤＮＡ２１０が含まれていない場合には、電極１１１Ｂと電極１１２Ｂとの間に液体試料ＳＰの分散媒が存在する。分散媒は絶縁性の液体（たとえば水）であるため、電極１１１Ｂと電極１１２Ｂとは電気的に絶縁されている。

一方、液体試料ＳＰにターゲットＤＮＡ２１０が含まれている場合には、図２０（Ｂ）に示すように、ターゲットＤＮＡ２１０とプローブＤＮＡ２１１との間、および、ターゲットＤＮＡ２１０とプローブＤＮＡ２１２との間でハイブリダイゼーションが起こり、金ナノ粒子２０１，２０２が凝集する。その結果、電極１１１Ｂと電極１１２Ｂとの間が金ナノ粒子２０１，２０２の凝集体により架橋される。ハイブリダイゼーションが起こり、一本鎖ＤＮＡの相補的な塩基同士が結合することで導電性が高まる。その結果、金ナノ粒子２０１，２０２および二重鎖ＤＮＡ（ハイブリダイゼーション後のプローブＤＮＡ２１１，２１２およびターゲットＤＮＡ２１０）を介して電極１１１Ｂと電極１１２Ｂとの間の電気抵抗が低下する。

図２１は、ハイブリダイゼーションを利用した電極１１１，１１２間の電気的特性（たとえば電気抵抗Ｒ）の測定メカニズムを説明するための第２の図である。図２１（Ａ）を参照して、第２の構成では、金ナノ粒子２０１，２０２が電極１１１Ｂと電極１１２Ｂとの間の基板１１Ｂ上に予め固定されている。金ナノ粒子２０１と金ナノ粒子２０２との間隔は、金ナノ粒子２０１と金ナノ粒子２０２との間でＤＮＡのハイブリダイゼーションが起こり得る程度（たとえばターゲットＤＮＡ２１０の長さ以下）に密である。なお、金ナノ粒子２０１，２０２は、チオール基を用いた手法などの公知の手法によって基板１１Ｂ上に固定することができる。

液体試料ＳＰにターゲットＤＮＡ２１０が含まれていない場合、ある金ナノ粒子２０１と、その金ナノ粒子２０１に隣接する金ナノ粒子２０２との間は、分散媒により電気的に絶縁されている。したがって、電極１１１Ｂと電極１１２Ｂとは電気的に絶縁されている。

これに対し、液体試料ＳＰにターゲットＤＮＡ２１０が含まれている場合には、図２１（Ｂ）に示すように、金ナノ粒子２０１に修飾されたプローブＤＮＡ２１１とターゲットＤＮＡ２１０との間でハイブリダイゼーションが起こるとともに、金ナノ粒子２０２に修飾されたプローブＤＮＡ２１２とターゲットＤＮＡ２１０との間でハイブリダイゼーションが起こる。その結果、電極１１１Ｂと電極１１２Ｂとの間が架橋されて電気的に導通する。

液体試料ＳＰ中にターゲットＤＮＡ２１０が含まれている場合には、電極１１１Ｂと電極１１２Ｂとの間がハイブリダイゼーションにより導通すると、電気抵抗Ｒは、液体試料ＳＰの分散媒の電気抵抗値から、金ナノ粒子２０１，２０２と二重鎖ＤＮＡとの凝集体（図２０（Ｂ）参照）の電気抵抗値、または、電極１１１Ｂと電極１１２Ｂとの間の架橋構造（図２１（Ｂ）参照）の電気抵抗値へと低下する。このように、電極１１１Ｂと電極１１２Ｂとの間の電気抵抗Ｒを監視することで、ターゲットＤＮＡ２１０を検出することができる。

なお、図示しないが、図２０および図２１に示した２通りの構成を組み合わせることも可能である。また、金ナノ粒子２０１，２０２を基板１１Ｂ上に固定するのに代えて、金ナノ粒子２０１，２０２を固定するためのチオール基のみを基板１１Ｂ上に修飾し、金ナノ粒子２０１，２０２を液体試料ＳＰ中に分散させておいてもよい。

＜検出フロー＞
図２２は、実施の形態２における被検出物質（ターゲットＤＮＡ２１０）の検出方法を示すフローチャートである。図２２を参照して、Ｓ２０１～Ｓ２０５の処理は、実施の形態１におけるＳ１０１～Ｓ１０５の処理（図３参照）とそれぞれ同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。

Ｓ２０６において、制御装置１００は、電極１１１Ｂ，１１２Ｂ間の電気抵抗Ｒを測定する（測定を開始または継続する）ようにマルチメータ９０を制御する。また、Ｓ２０７において、制御装置１００は、光照射を開始（継続）するようにレーザ光源４０を制御する。

Ｓ２０８において、制御装置１００は、電極１１１，１１２間の電気抵抗Ｒが変化したか否かを判定する。より詳細には、電気抵抗Ｒの初期値（図２１ではＲ０）からの低下量が基準量よりも大きかったり、電気抵抗Ｒの低下速度（単位時間当たりの低下量）が基準速度よりも速くなったりした場合に、制御装置１００は、電気抵抗Ｒが変化したと判定する。

制御装置１００は、電極１１１Ｂ，１１２Ｂ間の電気抵抗Ｒが変化するまでは、処理をＳ２０６に戻して電気抵抗測定を継続する（Ｓ２０８においてＮＯかつＳ２１０においてＮＯ）。所定期間（たとえば数十秒～数分）が経過するまでに電気抵抗Ｒが変化した場合（Ｓ２０８においてＹＥＳ）、制御装置１００は、液体試料ＳＰ中にターゲットＤＮＡ２１０が検出されたと判定する（Ｓ２０９）。一方、電気抵抗Ｒが変化することなく所定期間が経過した場合（Ｓ２０８においてＮＯかつＳ２１０においてＹＥＳ）、制御装置１００は、液体試料ＳＰ中にはターゲットＤＮＡ２１０は検出されなかったと判定する（Ｓ２１１）。なお、電気抵抗Ｒの変化の有無の判定に経過時間（所定期間）を用いるのに代えて、電気抵抗Ｒの変化の有無の判定を所定回数行なってもよい。

その後、制御装置１００は、電気抵抗測定を終了するようにマルチメータ９０を制御する（Ｓ２１２）。また、制御装置１００は、レーザ光Ｌ１および白色光Ｌ２の照射を停止するようにレーザ光源４０および照明光源７０をそれぞれ制御する（Ｓ２１３）。これにより、一連の処理が終了する。

なお、電気抵抗Ｒを測定している間、レーザ光Ｌ１を継続的に照射することは必須ではない。たとえば、Ｓ２０７にてレーザ光Ｌ１を予め定められた時間だけ照射し、その後、レーザ光Ｌ１の照射を停止してから電気抵抗Ｒの変化の有無を判定してもよい（Ｓ２０８）。この場合、レーザ光Ｌ１の照射と、レーザ光Ｌ１の照射停止と、電気抵抗Ｒの測定（電気抵抗Ｒの変化の有無の判定）とがＳ２１０の所定期間が経過するまで繰り返し実行されることになる。

以上のように、実施の形態２によれば、液体試料ＳＰ中に含まれる可能性がある被検出物質であるターゲットＤＮＡ２１０を、電極１１１Ｂ，１１２Ｂ間の電気抵抗Ｒの変化を監視することで検出することができる。また、レーザ光源４０からのレーザ光Ｌ１を照射することにより、レーザ光Ｌ１の照射を行なわない場合と比べて、ターゲットＤＮＡ２１０の検出に要する期間（Ｓ２１０における所定期間）を短縮することができる。

［実施の形態２の実施例１］
以下、実施の形態２の１つの実施例として、図２０に示した第１の構成における電気抵抗Ｒの測定結果について説明する。この実施例における各プローブＤＮＡ２１１，２１２の塩基配列は、図１８にて説明した例と同様に、１２個のチミン（Ｔ）である。

検出対象（被検出物質）としては、図示しないが、異なる塩基配列を有する２種類の一本鎖ＤＮＡを準備した。一方の一本鎖ＤＮＡは、図１８にて説明したターゲットＤＮＡ２１０と同様に、２４個のアデニン（Ａ）からなる。アデニンとチミンとは相補的な関係にあるため、この一本鎖ＤＮＡを「相補鎖ＤＮＡ」と称する。他方の一本鎖ＤＮＡは、２４個のチミン（Ｔ）からなる。チミン同士はハイブリダイゼーションを起こさないミスマッチの関係にあるため、この一本鎖ＤＮＡを「ミスマッチＤＮＡ」と称する。分散液中の相補鎖ＤＮＡ、ミスマッチＤＮＡおよびプローブＤＮＡ２１２，２１２の濃度は、いずれも１μＭであった。各分散液の滴下量は、５μＬであった。

図２３は、相補鎖ＤＮＡまたはミスマッチＤＮＡを含む分散液における電極１１１Ｂ，１１２Ｂ間の電気抵抗Ｒの時間変化を説明するための図である。図２３（Ａ）は、相補鎖ＤＮＡを含む分散液での測定結果を示し、図２３（Ｂ）は、ミスマッチＤＮＡを含む分散液での測定結果を示す。図２３（Ａ）および図２３（Ｂ）の各々には、４回の測定結果が示されている。

図２３（Ａ）を参照して、相補鎖ＤＮＡを含む分散液において、数分（２分～６分程度）で電気抵抗Ｒの急激な低下が検出されることが分かる。これは、図２０にて説明したように、相補鎖ＤＮＡとプローブＤＮＡ２１１，２１２とのハイブリダイゼーションにより電極１１１Ｂ，１１２間が架橋されたことによるものと考えられる。また、図２３（Ａ）に示した結果より、電気抵抗Ｒの低下が生じるまでの時間のばらつきが、ある程度大きい（２～３分程度である）ことが分かる。

続いて図２３（Ｂ）を参照して、ミスマッチＤＮＡを含む分散液においても電気抵抗Ｒの急激な低下が生じることが分かる。ただし、相補鎖ＤＮＡを含む分散液での測定結果と比べて、電気抵抗Ｒが低下するまでの時間が長く、電気抵抗Ｒが低下するまでの時間のばらつきも大きい。ミスマッチＤＮＡを含む分散液においても電気抵抗Ｒが低下する理由としては、導電性を有する金ナノ粒子２０１，２０２が時間の経過とともに電極１１１Ｂ，１１２間に堆積したためと考えられる。なお、図２３に示す測定結果はＤＮＡ濃度（相補鎖ＤＮＡ濃度またはミスマッチＤＮＡ濃度）が１μＭの場合のものであるが、このような電気抵抗Ｒの低下はＤＮＡ濃度が５００ｎＭ（すなわち半分）の場合にも確認された。

このように、ミスマッチＤＮＡを含む分散液であっても電気抵抗Ｒの急激な低下が生じる。また、相補鎖ＤＮＡを含む分散液およびミスマッチＤＮＡを含む分散液のいずれにおいても、電気抵抗Ｒが低下するまでの時間のばらつきが比較的大きい。したがって、ＤＮＡの塩基配列の違いを検出するためには、以下に説明するように、電気抵抗Ｒの時間変化を複数回測定し、その測定結果を平均化することが望ましい。

図２４は、電極１１１Ｂ，１１２Ｂ間の電気抵抗Ｒの時間変化の測定結果を平均化した図である。図２４には、相補鎖ＤＮＡを含む分散液での電気抵抗測定を９回行なった場合の測定結果の平均値が示されている。ミスマッチＤＮＡを含む分散液についても同様である。

図２４を参照して、相補鎖ＤＮＡを含む分散液における電気抵抗Ｒの平均値（「相補鎖平均抵抗」と称する）の方が、ミスマッチＤＮＡを含む分散液における電気抵抗Ｒの平均値（「ミスマッチ平均抵抗」と称する）と比べて、下限に達するまでの時間が短いことが分かる。よって、相補鎖平均抵抗が下限に達する一方で、ミスマッチ平均抵抗は下限に達しない時間範囲において、電気抵抗Ｒを測定すればよい。より具体的には、図２４に示す例では、約２８０秒から約４５０秒までの時間範囲において相補鎖平均抵抗とミスマッチ平均抵抗との差が大きい。この時間範囲において、相補鎖平均抵抗は０．１５ＭΩでありミスマッチ平均抵抗は０．７５ＭΩである。したがって、約２８０秒から約４５０秒までの時間範囲における電気抵抗Ｒを複数回測定し、その測定結果の平均値と相補鎖平均抵抗（０．１５ＭΩ）およびミスマッチ平均抵抗（０．７５ＭΩ）とを比較することにより、ＤＮＡの塩基配列の違いを検出することができる。

図２５は、実施の形態２の実施例における被検出物質（相補鎖ＤＮＡ）の検出方法を示すフローチャートである。図２５を参照して、Ｓ３０１の測定準備との処理は、紙面の都合上、実施の形態２におけるＳ２０１～Ｓ２０５の処理（図２２参照）は包括的に記載したものである。

Ｓ３０２において、制御装置１００は、レーザ光Ｌ１の照射を開始するようにレーザ光源４０を制御する。そして、制御装置１００は、所定期間が経過するまでは光照射を継続させ（Ｓ３０３においてＮＯ）、所定期間が経過すると（Ｓ３０３においてＹＥＳ）、レーザ光Ｌ１の照射を停止するようにレーザ光源４０を制御する（Ｓ３０４）。ここで、所定期間とは、図２４に示した例における約２８０秒から約４５０秒までの時間範囲内の期間（たとえば３００秒）である。

Ｓ３０５において、制御装置１００は、電極１１１Ｂ，１１２Ｂ間の電気抵抗Ｒを測定するようにマルチメータ９０を制御する。

Ｓ３０６において、電気抵抗Ｒの測定回数が規定の測定回数（規定回数）に達したか否かを判定する。電気抵抗Ｒの測定回数が規定回数に達していない場合（Ｓ３０５においてＮＯ）、制御装置１００は、処理をＳ３０１に戻す。これにより、規定回数に達するまで電気抵抗Ｒの測定が繰り返される。たとえば、図１９に示した検出キット２Ｂをアレイ状に配列させておくことで、電気抵抗Ｒの順次測定を繰り返すことができる。

電気抵抗Ｒの測定回数が規定回数に達すると（Ｓ３０６においてＹＥＳ）、制御装置１００は、処理をＳ３０７に進め、規定回数分の電気抵抗Ｒの平均値を算出する。そして、制御装置１００は、電気抵抗Ｒの平均値が所定の基準値以下であるか否かを判定する。基準値は、図２４に示した例では、０．１５ＭΩと０．７５ＭΩとの間の抵抗値（たとえば０．３０ＭΩ）である。

電気抵抗Ｒの平均値が基準値以下である場合（Ｓ３０８においてＹＥＳ）、制御装置１００は、被検出物質である相補鎖ＤＮＡが検出されたと判定する（Ｓ３０９）。一方、電気抵抗Ｒの平均値が基準値よりも高い場合（Ｓ３０８においてＮＯ）には、制御装置１００は、被検出物質は検出されなかった（あるいは、図２４の例ではミスマッチＤＮＡが検出された）と判定する（Ｓ３１０）。これにより、一連の処理が終了する。

以上のように、本実施例によれば、相補鎖平均抵抗とミスマッチ平均抵抗との差が大きいとして予め定められた時間範囲内において、電極１１１Ｂ，１１２Ｂ間の電気抵抗Ｒが複数回測定される。そして、電気抵抗Ｒの測定結果の平均値が基準値以下であるか否かが判定される。これにより、被検出物質（相補鎖ＤＮＡ）と塩基配列が異なる一本鎖ＤＮＡ（ミスマッチＤＮＡ）が液体試料に含まれていた場合であっても、塩基配列の違いを判別し、被検出物質を正確に検出することができる。

［実施の形態２の実施例２］
続いて、実施の形態２の他の実施例として、くし型電極を含む検出キットが採用された構成について説明する。この実施例における検出対象（被検出物質）は、前述の実施例１と同様に、ターゲットＤＮＡ２１０（図８参照）である。なお、くし型電極を含む測定キットは、実施の形態１に係る電気的特性測定システムにおいても、たとえば図７に示す測定キット２Ａに代えて適用可能である。

＜検出キットの構成＞
図２６は、実施の形態２の実施例２における検出キット３の構成を示す図である。図２６（Ａ）は、検出キット３の模式図を示す。図２６（Ａ）を参照して、検出キット３においては、ケーブル３２の先端（一方端）に基板３１が設けられており、その基板３１上面にくし型電極３０１，３０２が形成されている。

図２６（Ｂ）にくし型電極の拡大図を示す。図２６（Ｂ）に示すように、くし型電極３０１，３０２は、互いに対向するように配置された一対の電極である。より詳細には、くし型電極３０１，３０２の各々は、ストライプ状に配列された複数の電極を含む。くし型電極３０１とくし型電極３０２とは、くし型電極３０１の複数の電極とくし型電極３０２の複数の電極とが互いに噛みあわせられるように配置されている。くし型電極３０１に含まれる複数の電極のうちのいずれか１つの電極（２以上であってもよい）が本開示に係る「第１の電極」に相当し、くし型電極３０２に含まれる複数の電極のうちのいずれか１つの電極（２以上であってもよい）が本開示に係る「第２の電極」に相当する。また、図２６に示す例では、くし型電極３０１，３０２のうちの少なくとも一方が本開示に係る「光発熱部材」を兼ねている。ただし、光発熱部材を別途設けてもよい。

基板３１は、電気的絶縁性を有するとともに光学的に透明な材料により形成され、たとえばスライドガラスなどのガラス基板である。

図示しないが、ケーブル３２の他方端（基板３１が設けられていない方の先端）は、制御装置１００（図１参照）に電気的に接続されている。他の構成は、測定システム１の構成と基本的に同等であるため、説明は繰り返さない。

＜くし型電極におけるＤＮＡ集積結果＞
この測定例では、以下に説明するように、まず、ターゲットＤＮＡ２１０（相補鎖ＤＮＡ）を含む分散液Ｄを検出キット３（くし型電極３０１，３０２）上に滴下し、ターゲットＤＮＡとプローブＤＮＡとの間でハイブリダイゼーションが起こることを確認した。

分散液Ｄにおける塩化ナトリウム濃度は０．２Ｍであり、リン酸濃度は１０ｍＭであった。分散液Ｄの滴下量は、１５μＬであった。レーザ光源４０からのレーザ光の波長は８００ｎｍであり、基板３１透過後のレーザ出力は１７ｍＷであった。光照射時間は１０分間とした。

図２７は、くし型電極３０１，３０２においてマイクロバブルＭＢが発生する様子の観察結果を示す図である。図２７では、図中左側にくし型電極３０１，３０２近傍の光学顕微鏡像を示し、右側にくし型電極３０１，３０２近傍（同じ箇所）の蛍光観察像を示す。

図２７を参照して、レーザ光Ｌ１の照射により、レーザスポット近傍にマイクロバブルＭＢが発生したことが確認された。また、そのマイクロバブルＭＢの直径が電極３０１と電極３０２との間の距離よりも大きいことが確認された。

本実施例では、ターゲットＤＮＡ２１０の塩基対間に蛍光色素が挿入されており、その蛍光色素の励起波長の光を検出キット３に照射すると、ターゲットＤＮＡ２１０が存在する箇所（すなわち、ターゲットＤＮＡとプローブＤＮＡとのハイブリダイゼーションが起こった箇所）から蛍光が発せられる。

図２８は、くし型電極３０１，３０２間の集積物の測定例を示す図である。図２８には、レーザ光Ｌ１の照射停止後に分散液Ｄを乾燥させた状態でのくし型電極３０１，３０２近傍の様子が示されている。図中上側にレーザ光Ｌ１を照射した箇所の光学顕微鏡像を示し、下側に光学顕微鏡像と同じ箇所の蛍光観察像を示す。なお、ここではハイブリダイゼーションにより架橋が生じていることを確認するため、ターゲットＤＮＡは蛍光標識したものを用いた（プローブＤＮＡは蛍光標識なし）。ターゲットＤＮＡは５’末端に緑色の発光を示す蛍光色素ＡＬＥＸＡ４８８を標識したものを用いた。

図２８に示すように、くし型電極３０１，３０２間の集積物から発せられた蛍光が蛍光観察像において観察された。このことから、蛍光標識された相補鎖のターゲットＤＮＡとプローブＤＮＡとの間でハイブリダイゼーションが起こって架橋されたことが確認されたと言える。

＜くし型電極における電気抵抗測定＞
最後に、ターゲットＤＮＡ２１０が相補鎖ＤＮＡである場合の電気抵抗Ｒの低下の仕方について、ミスマッチＤＮＡでの電気抵抗Ｒの低下の仕方と対比しながら説明する。

図２９は、レーザ光Ｌ１の照射停止後における、くし型電極３０１，３０２近傍の画像である。図中上側に相補鎖ＤＮＡが分散液Ｄに含まれる場合の光学顕微鏡像を示し、下側に相補鎖ＤＮＡに代えてミスマッチＤＮＡが分散液Ｄ中に含まれる場合の光学顕微鏡像を示す。図２９より、分散液Ｄ中のＤＮＡが相補鎖ＤＮＡであってもミスマッチＤＮＡであっても、くし型電極３０１，３０２近傍に集積物が形成されたことが分かる。

図３０は、くし型電極３０１，３０２における電気抵抗Ｒの測定例を示す図である。図３０（Ａ）の縦軸は、くし型電極３０１，３０２間の電気抵抗Ｒを線形目盛りで示す。図３０（Ｂ）の縦軸は、くし型電極３０１，３０２間の電気抵抗Ｒを対数目盛りで示す。

図３０（Ａ）を参照して、分散液Ｄ中にミスマッチＤＮＡが含まれる場合、電気抵抗Ｒの低下に光照射開始時から約２８０秒を要したのに対し、分散液Ｄ中に相補鎖ＤＮＡが含まれる場合には、光照射開始時から約１００秒後には電気抵抗Ｒが低下した。この傾向は、図２４に示した電気抵抗（相補鎖平均抵抗およびミスマッチ平均抵抗）の抵抗の傾向と一致している。このように、くし型電極３０１，３０２を採用する実施例２においても、電気抵抗Ｒの低下に要する時間から、分散液Ｄ中のＤＮＡが相補鎖ＤＮＡであるかミスマッチＤＮＡであるかを区別することが可能である（図２５のフローチャート参照）。

また、図３０（Ｂ）に示すように、ミスマッチＤＮＡと相補鎖ＤＮＡとでは、低下後の電気抵抗Ｒの大きさが数倍異なっていた。このことから、低下後の電気抵抗Ｒの大きさを所定の基準値と比較することにより、分散液Ｄ中のＤＮＡが相補鎖ＤＮＡであるかミスマッチＤＮＡであるかを区別することもできる。つまり、光照射開始時から十分に時間が経過した後の電気抵抗Ｒの大きさが基準値以上である場合にはミスマッチＤＮＡが含まれていると判定し、低下後の電気抵抗Ｒの大きさが基準値未満である場合には相補鎖ＤＮＡが含まれていると判定することができる。

一対のマイクロ電極（互いに平行に配置された一対の間隔がマイクロメートルオーダーの電極）として図７のような導電率測定用電極の一部を用いた例（図２４参照）では、相補鎖ＤＮＡをターゲットＤＮＡとして用いた場合でも光照射開始時から電気抵抗Ｒが低下するまでに約３００秒を要したのに対し、本実施例では、電気抵抗Ｒの低下が約１００秒で起こった。このように、くし型電極３０１，３０２を用いると、通常の電極を用いる場合と比べて、電気抵抗Ｒが低下するまでの時間が短くなるので、ターゲットＤＮＡ２１０の検出時間を短縮することが可能になる。その理由は以下の通りである。

まず、くし型電極では、上記一対のマイクロ電極と比べて、正極と負極との組合せの数が多いので、ハイブリダイゼーションによる架橋が起こり得る箇所の数も多い。これらの箇所のうちのいずれか１つでも架橋されれば電気抵抗Ｒが低下するため、電気抵抗Ｒの低下が起こり易い。

より具体的には、くし型電極３０１，３０２の対では、各々が有する複数の電極が交互に配列されている。そのため、くし型電極３０１，３０２のうちの一方が有する各電極の両側には、反対極（くし型電極３０１，３０２のうちの他方）が有する２本の電極が対向配置されている。したがって、交互配列された複数の電極のいずれかにレーザ光を照射すれば、レーザ光が照射された電極と、その電極の両側に対向配置された反対極の２本の電極のうちの少なくとも一方との間で架橋が生じ得る。その結果、くし型電極３０１，３０２との間の電気抵抗Ｒの低下が生じ得る。

さらに、一般に、くし型電極間の距離（より詳細には、一方のくし型電極に含まれる複数の電極のうちの一本の電極と、それに隣接する、他方のくし型電極に含まれる複数の電極のうちの一本の電極との間の距離）は、上記一対のマイクロ電極間の距離よりも狭い。たとえば、図８に示した測定キット２Ａの８本の電極１５１～１５８の場合、隣接する２本の電極間の距離が最小の１０μｍの部分を利用したのに対し、図２９および図３０に示した例では、くし型電極３０１，３０２間の距離は５μｍであった。電極間の距離が狭いと、電極間の架橋に必要なプローブＤＮＡを修飾した金ナノ粒子とターゲットＤＮＡの数が少なくてよく、ハイブリダイゼーションの発生数が少なくてよくなり、その結果として短時間で架橋が起こり易くなる。

それに加えて、図４にて微小物体Ｍの集積メカニズムを説明したように、微小物体Ｍの効率的な集積にはマイクロバブルＭＢのサイズが電極間の距離よりも大きくなるように成長することが望ましいが、電極間の距離が狭いほど、そのようなサイズにまでマイクロバブルＭＢが成長するのに要する時間が短くなる。以上の理由により、本実施例によれば、くし型電極３０１，３０２を用いることでターゲットＤＮＡ２１０の検出時間を短縮することができる。

なお、実施の形態１，２では、プローブＤＮＡ２１１，２１２とターゲットＤＮＡ２１０との間のハイブリダイゼーションを用いた例を説明したが、被検出物質の検出方法はこれに限定されない。たとえば、図示しないが、被検出物質が抗原である場合には、抗原との間で抗原抗体反応を起こす抗体をナノ粒子に修飾することで、被検出物質を検出することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 測定システム、２，２Ａ 測定キット、２Ｂ，３ 検出キット、１０ ＸＹＺ軸ステージ、１１，１１Ａ，１１Ｂ，３１ 基板、１１１，１１１Ｂ，１１２，１１２Ｂ，１５１～１５８ 電極、３０１，３０２ くし型電極、２０ 調整機構、３０ サンプル供給部、３２ ケーブル、４０ レーザ光源、５０ 光学部品、６０ 対物レンズ、７０ 照明光源、８０ 撮影機器、９０ マルチメータ、１００ 制御装置、１１０ 光発熱部材、１２０，１２１，１２１Ｂ，１２２，１２２Ｂ 接着層、１３１～１３８ 接続ピン、１４１～１４８ 配線、２００～２０２ 金ナノ粒子、２１０ ターゲットＤＮＡ、２１１，２１２ プローブＤＮＡ、Ｄ，Ｄ１～Ｄ４ 分散液、ＳＰ 液体試料、Ｍ 微小物体。

Claims (10)

1. 光を照射されると発熱する光発熱部材と、第１および第２の電極とを含み、複数の微小物体が分散した分散液を保持可能に構成された保持部材と、
   前記光発熱部材に照射するための光を発する光源と、
   前記光源からの光照射に起因する前記光発熱部材の発熱により前記分散液が加熱されることで生じた前記分散液中の対流によって前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記複数の微小物体が集積し、前記第１の電極と前記第２の電極との間が前記複数の微小物体により架橋された状態において、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記複数の微小物体のインピーダンスを測定するように構成されたインピーダンス測定装置と、
   前記光源を制御するように構成された制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記光発熱部材により前記分散液が加熱されることで前記分散液中に発生するマイクロバブルのサイズが前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離よりも大きくなるように、前記光源を制御する、インピーダンス測定システム。
2. 前記第１および第２の電極は、前記光発熱部材を挟むように互いに離間して配置される、請求項１に記載のインピーダンス測定システム。
3. 前記光発熱部材は、前記第１および第２の電極のいずれか一方に含まれる、請求項１に記載のインピーダンス測定システム。
4. 前記保持部材は、互いに対向するように配置された一対のくし型電極を含み、
   前記第１の電極は、前記一対のくし型電極のうちの一方のくし型電極であり、
   前記第２の電極は、前記一対のくし型電極のうちの他方のくし型電極である、請求項１～３のいずれか１項に記載のインピーダンス測定システム。
5. 液体試料に含まれる可能性がある被検出物質を検出する、被検出物質の検出システムであって、
   光を照射されると発熱する光発熱部材と、第１および第２の電極とを含み、前記液体試料を保持可能に構成された保持部材と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間のインピーダンスを測定するように構成されたインピーダンス測定装置と、
   前記液体試料が前記被検出物質を特異的に付着可能なホスト分子を含む場合に、前記光発熱部材に光を照射し、前記光発熱部材の発熱により前記液体試料を加熱して前記液体試料中に対流を生じさせることで前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記被検出物質を集積させて前記第１の電極と前記第２の電極との間を前記被検出物質によって架橋させることが可能に構成された光源と、
   前記インピーダンスを監視することによって前記被検出物質を検出するように構成された検出装置とをさらに備え、
   前記光源は、前記液体試料中に発生するマイクロバブルのサイズが前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離よりも大きくなるように前記液体試料を加熱する、被検出物質の検出システム。
6. 液体試料に含まれる可能性がある被検出物質を検出する、被検出物質の検出システムであって、
   前記液体試料を保持可能に構成された保持部材を備え、
   前記保持部材は、
   光を照射されると発熱する光発熱部材と、
   第１および第２の電極と、
   前記第１および第２の電極の間において前記保持部材上に修飾され、前記被検出物質を特異的に付着可能なホスト分子を含み、
   前記検出システムは、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間のインピーダンスを測定するように構成されたインピーダンス測定装置と、
   前記光発熱部材に光を照射し、前記光発熱部材の発熱により前記液体試料を加熱して前記液体試料中に対流を生じさせることで前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記被検出物質を集積させて前記第１の電極と前記第２の電極との間を前記被検出物質によって架橋させることが可能に構成された光源と、
   前記インピーダンスを監視することによって前記被検出物質を検出するように構成された検出装置とをさらに備え、
   前記光源は、前記液体試料中に発生するマイクロバブルのサイズが前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離よりも大きくなるように前記液体試料を加熱する、被検出物質の検出システム。
7. 前記検出装置は、前記インピーダンスの変化量が所定の判定量を上回った場合に前記被検出物質が検出されたと判定する一方で、所定期間が経過するまでの前記インピーダンスの変化量が前記判定量を下回った場合には前記被検出物質が検出されなかったと判定する、請求項５または６に記載の被検出物質の検出システム。
8. 前記被検出物質は、ターゲットＤＮＡおよびターゲットＲＮＡのうちの少なくとも一方であるターゲット核酸であり、
   前記ホスト分子は、前記ターゲット核酸との間でハイブリダイゼーションを起こすプローブ核酸である、請求項５～７のいずれか１項に記載の被検出物質の検出システム。
9. 前記被検出物質は、抗原であり、
   前記ホスト分子は、前記抗原との間で抗原抗体反応を起こす抗体である、請求項５～７のいずれか１項に記載の被検出物質の検出システム。
10. 光照射により発熱する光発熱部材と、第１および第２の電極とを含む保持部材に、複数の微小物体が分散した分散液を保持させるステップと、
    前記保持させるステップの後に前記光発熱部材に光を照射するステップと、
    前記光発熱部材の発熱により前記分散液が加熱されることで生じた前記分散液中の対流を用いて、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記複数の微小物体を集積させることにより前記第１の電極と前記第２の電極との間を前記複数の微小物体によって架橋させるステップと、
    前記架橋させるステップの後に前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記複数の微小物体のインピーダンスを測定するステップとを含み、
    前記架橋させるステップは、前記分散液が加熱されることで前記分散液中に発生するマイクロバブルのサイズを前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離よりも大きくするステップを含む、インピーダンス測定方法。

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