JP7465231B2 - ケミカルセンサモジュール及び疎水性の標的分子の検出方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、ケミカルセンサモジュール及び疎水性の標的分子の検出方法に関する。
気相から水溶液中に取り込まれた標的分子を水溶液中で検出するケミカルセンサにおいて、気相中に存在する標的分子は疎水性であることが多く、検出感度が低下する懸念がある。
本発明の実施形態は、気相から取り込まれた疎水性の標的分子を水溶液中で高感度に検出することができるケミカルセンサモジュール及び疎水性の標的分子の検出方法を提供することを目的とする。
本発明の実施形態によれば、ケミカルセンサモジュールは、疎水性の標的分子を含む検体雰囲気を親水性の第１の有機溶剤に曝露する標的分子取り込みユニットと、前記標的分子を含む前記第１の有機溶剤を水溶液と混合して、検体液を作成する混合ユニットと、前記検体液に曝露される表面と、前記表面上に位置し、前記標的分子と同じ分子構造を持つプローブ分子と、を有するセンサ素子と、を備え、前記プローブ分子は、第２の有機溶剤を含む。
以下、適宜図面を参照しながら実施形態の説明を行っていく。説明の便宜のため、各図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、相対的な位置関係などで示す場合がある。また、同一または同様の要素には、同じ符号を付している。
図１は、実施形態のケミカルセンサモジュールの概略構成図である。
実施形態のケミカルセンサモジュールは、標的分子取り込みユニット１０と、混合ユニット２０と、センサ素子３０とを少なくとも備える。
標的分子取り込みユニット１０は、配管５１と配管５２に接続されている。配管５２には、吸排気装置４３が接続されている。吸排気装置４３は、例えば、ポンプまたはファンである。吸排気装置４３の駆動により、配管５１を介して、標的分子取り込みユニット１０に検体雰囲気が取り込まれる。本実施形態のケミカルセンサモジュールにおける検出対象は、検体雰囲気中に含まれる疎水性の標的分子である。
標的分子取り込みユニット１０は、有機溶剤の供給源に接続されている。例えば、標的分子取り込みユニット１０は、配管５４、配管５５、及びバルブ７１を介して、有機溶剤が貯留された有機溶剤タンク４１に接続されている。有機溶剤は、親水性の有機溶剤であり、例えば、エタノール、メタノールなどの低級アルコール、ＤＭＳＯ（Dimethyl Sulfoxide）、ＤＭＦ（N,N-dimethylformamide）、アセトン、及びアセトニトリルからなる群より選択されるいずれかである。
有機溶剤タンク４１から有機溶剤が標的分子取り込みユニット１０に供給される。標的分子取り込みユニット１０は、疎水性の標的分子を含む可能性のある検体雰囲気を親水性の有機溶剤に曝露する。
標的分子取り込みユニット１０は、排液するための配管５３に接続され、配管５３にはバルブ７３が接続されている。また、標的分子取り込みユニット１０は、配管５６、バルブ７２、及び配管５７を介して、計量ユニット４４に接続されている。
有機溶剤タンク４１は、配管５４、バルブ７１、配管５８、バルブ７２、及び配管５７を介して、計量ユニット４４に接続されている。
計量ユニット４４は、排液するための配管５９に接続され、配管５９にはバルブ７４が接続されている。また、計量ユニット４４は、配管６１を介して混合ユニット２０に接続され、配管６１にはバルブ７５が接続されている。
また、混合ユニット２０には、水溶液の供給源が接続されている。例えば、混合ユニット２０は、計量ユニット４５を介して、水溶液が貯留された水溶液タンク４２に接続されている。水溶液タンク４２と計量ユニット４５とを接続する配管６２にはバルブ７６が接続されている。混合ユニット２０と計量ユニット４５とを接続する配管６３にはバルブ７８が接続されている。水溶液は、例えば、リン酸緩衝液、ＨＥＰＥＳ緩衝液、トリス塩酸緩衝液などである。
混合ユニット２０には、標的分子取り込みユニット１０から標的分子を含む有機溶剤が供給され、さらに水溶液タンク４２から水溶液が供給される。そして、混合ユニット２０は、標的分子を含む有機溶剤を水溶液と混合して、検体液を作成する。
混合ユニット２０は、配管６４を介してセンサ素子３０に接続されている。配管６４には、バルブ７７が接続されている。また、混合ユニット２０は、排液するための配管６６に接続され、配管６６にはバルブ７９が接続されている。
センサ素子３０は、排液するための配管６５に接続され、配管６５にはバルブ８１が接続されている。
図３は、標的分子取り込みユニット１０の一例を示す模式図である。
標的分子取り込みユニット１０は、検体雰囲気を有機溶剤にバブリングさせるタンク１１を有する。タンク１１は、配管５４、バルブ７１、及び配管５５を介して、有機溶剤タンク４１と接続されている。配管５４にはポンプ１２が接続されている。バルブ７１を配管５５側に開き、ポンプ１２を駆動させることで、有機溶剤タンク４１に貯留された有機溶剤１００がタンク１１内に供給される。
配管５１の一端部には、タンク１１の外に位置する雰囲気捕集口５１ａが形成されている。配管５１の他端部は、タンク１１内の有機溶剤１００中に位置する。さらに配管５２の一端部はタンク１１内の有機溶剤１００より上部の気相部に位置し、配管５２の他端部は排気口となっていて、タンク１１と排気口の途中に吸排気装置４３が繋がっている。吸排気装置４３を駆動させることにより、雰囲気捕集口５１ａから配管５１内に取り込まれた検体雰囲気は、タンク１１内の有機溶剤にバブリングされ、検体雰囲気中の標的分子は有機溶剤に溶解する。
タンク１１は、配管５６、バルブ７２、及び配管５７を介して、前述した計量ユニット４４に接続されている。バルブ７２を配管５６側に開き、ポンプ１３を駆動させることで、タンク１１内の標的分子を含む有機溶剤が、計量ユニット４４に供給される。
図４は、他の例の標的分子取り込みユニット１１０の模式図である。
図５は、図４に示す標的分子取り込みユニット１１０の流路チップ１１１の模式斜視図である。
図５は、図４に示す標的分子取り込みユニット１１０の流路チップ１１１の模式斜視図である。
この標的分子取り込みユニット１１０は、流路チップ１１１と、流路チップ１１１に重ね合わされる蓋１１２と、流路チップ１１１と蓋１１２との間に配置される多孔質膜１２１とを有する。
図５に示すように、流路チップ１１１の上面には、溝１１７が形成されている。また、流路チップ１１１には、溝１１７の一端部に接続した液体流入路１１３と、溝１１７の他端部に接続した液体流出路１１４が形成されている。図４に示すように、液体流入路１１３は有機溶剤が供給される配管５５に接続され、液体流出路１１４は計量ユニット４４と接続された配管５６と接続されている。
なお、溝１１７の底面には必要に応じて凹凸を形成することができる。凹凸の形状としては、例えばカオティックミキサーと呼ばれる非対称なＶ字溝を形成することが出来る。このような凹凸を形成することで、層流になりやすいマイクロ流路内で攪拌が発生し、後述の多孔質膜１２１を介した標的分子の取り込み効率が向上する。
多孔質膜１２１は、溝１１７を覆っている。多孔質膜１２１上に蓋１１２が配置されている。蓋１１２は、シール部材（例えばゴム部材）を介して、多孔質膜１２１に密着している。蓋１１２における多孔質膜１２１に対向する面に、溝１１７と同じパターンで溝１１８が形成されている。
蓋１１２には、溝１１８の一端部に接続した吸気路１１５と、溝１１８の他端部に接続した排気路１１６が形成されている。吸気路１１５は検体雰囲気を取り込む配管５１に接続され、排気路１１６は排気用の配管５２に接続されている。配管５２には吸排気装置４３が設けられている。
バルブ７１とバルブ７２をそれぞれ配管５５と配管５６側に開き、ポンプ１２とポンプ１３を駆動させることで、有機溶剤タンク４１に貯留された有機溶剤１００が、液体流入路１１３から溝１１７に供給される。有機溶剤１００は、多孔質膜１２１を透過しない。したがって、有機溶剤１００は、多孔質膜１２１の上方の溝１１８には流入しない。なお、本実施形態においては、ポンプ１２とポンプ１３はいずれか一方だけであっても構わない。
吸排気装置４３を駆動することにより、雰囲気捕集口５１ａから配管５１内に取り込まれた検体雰囲気は、吸気路１１５から溝１１８に流入する。さらに、検体雰囲気中の標的分子は多孔質膜１２１を透過して、有機溶媒が供給された溝１１７に入り込み、溝１１７を流動している有機溶剤に溶解する。
溝１１７内の標的分子を含む有機溶剤は、そのまま液体流出路１１４を流れて、計量ユニット４４へと供給される。
次に、図６を参照して、センサ素子３０の一例について説明する。
センサ素子３０は、例えば、グラフェン膜３１を含む電荷検出素子である。センサ素子３０の表面（例えばグラフェン膜３１の表面）は、上記混合ユニット２０において標的分子を含む有機溶剤を水溶液と混合して得られる検体液３００に曝露される。
センサ素子３０は、例えば、ＦＥＴ（field effect transistor）構造を有する。
センサ素子３０は、基板３３と、基板３３上に設けられた下地膜３４とを有する。下地膜３４上にグラフェン膜３１が設けられている。または、下地膜３４を設けずに、基板３３の表面にグラフェン膜３１を設けてもよい。また、基板３３には、図示せぬ回路やトランジスタが形成されていてもよい。
基板３３の材料として、例えば、シリコン、酸化シリコン、ガラス、高分子材料を用いることができる。下地膜３４は、例えばシリコン酸化膜のような絶縁膜である。また、下地膜３４に、グラフェン膜３１を形成するための化学的触媒の機能をもたせることもできる。
また、センサ素子３０は、少なくとも２つの電極（第１電極３５と第２電極３６）とを有する。第１電極３５及び第２電極３６の一方はドレイン電極として機能し、他方はソース電極として機能する。
第１電極３５及び第２電極３６は、保護絶縁膜３７によって被覆されている。保護絶縁膜３７は例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、高分子などである。
センサ素子３０の下地膜３４上には、さらにゲート配線Ｇが形成され、その一部が保護絶縁膜３７に被覆されずに露出している。ゲート配線Ｇの保護絶縁膜３７から露出した箇所は、金、白金、銀、銀・塩化銀積層膜などからなる。
なお、ゲート配線Ｇは、センサ素子３０の近傍で検体液３００に接触していればよいため、必ずしもセンサ素子３０上に形成しなくてもよい。例えば、センサ素子３０とは別の素子上に形成して、センサ素子３０同様に配管の窓から配管内に露出させて検体液３００に接触させてもよいし、配管内部に直接作り込んでしまっても構わない。
第１電極３５と第２電極３６との間にグラフェン膜３１が設けられている。第１電極３５及び第２電極３６はグラフェン膜３１に電気的に接触している。グラフェン膜３１を通じて、第１電極３５と第２電極３６との間に電流が流れることができる。
センサ素子３０は、その表面上で標的分子と選択的に会合するプローブ分子３２をさらに有する。プローブ分子３２は、グラフェン膜３１の表面に結合あるいは吸着している。
グラフェン膜３１を含むセンサ素子面は、検体液３００が供給される流路内に曝露されている。グラフェン膜３１の表面、及びプローブ分子３２は検体液３００に曝露される。
配管６４及び配管６５には、図１７（ａ）に示すように、センサ素子搭載部において窓５００が開けられており、窓５００の外周にはパッキン５１０が形成されている。センサ素子３０はカートリッジ基板６０１に実装された形態となっており、図１７（ｂ）に示すように、センサ素子面を窓５００の部分に対向させて設置するとパッキン５１０によって気密されて、センサ素子面が配管６４、６５内に露出された状態となる。このような形態とすることにより、センサ素子３０を交換部品や消耗部品として着脱することが可能となる。
センサ素子３０は、プローブ分子３２が標的分子と会合したことを電気的に検出する。プローブ分子３２が標的分子を認識・捕獲すると、標的分子がグラフェン膜３１の表面に近接するため、例えば標的分子の持つ電荷や分極、電子吸引・供与性などによってグラフェン膜３１の電子状態が変わる。これを電気的に検出することにより、標的分子の存在や濃度を知ることができる。
なお、グラフェン膜３１の電子状態を電気的に検出する際に、ゲート電極を介して、検体液に所望のゲート電位を印加することによって、グラフェンの電気特性が高感度となる状態に調整することができる。
あるいはゲート電位を走査しながら、グラフェンのソースドレイン間電流を計測することにより、グラフェン内を流れるキャリアが正孔と電子との間で切り替わる電荷中性点を測定することができ、グラフェンに対する電荷の注入状態を知ることができる。
なお、必要に応じてグラフェン膜３１の表面が絶縁体で被覆されていても構わない。この絶縁体としては、例えばペプチドβシートやリン脂質膜などを用いることができる。
次に、図１、図７～図１０を参照して、実施形態のケミカルセンサモジュールにおける標的分子の検出メカニズムについて説明する。
図１のケミカルセンサモジュールを用いた標的分子の検出方法では、以下に説明する第１～第９ステップが順に行われる。
（第１ステップ）
吸排気装置４３を駆動させ、配管５１を通じて、検体雰囲気を標的分子取り込みユニット１０に取り込む。また、バルブ７１を、配管５４と配管５５との間を連通させる状態に切り替え、有機溶剤タンク４１から有機溶剤を標的分子取り込みユニット１０に供給する。この標的分子取り込みユニット１０において、検体雰囲気中の標的分子が有機溶剤に溶解する。
吸排気装置４３を駆動させ、配管５１を通じて、検体雰囲気を標的分子取り込みユニット１０に取り込む。また、バルブ７１を、配管５４と配管５５との間を連通させる状態に切り替え、有機溶剤タンク４１から有機溶剤を標的分子取り込みユニット１０に供給する。この標的分子取り込みユニット１０において、検体雰囲気中の標的分子が有機溶剤に溶解する。
図７に、有機溶剤１００に溶解した標的分子９１を模式的に示す。疎水性の標的分子９１は水溶液には難溶性であるが、有機溶剤１００には溶解し、有機溶剤１００中に分散している。したがって、疎水性の標的分子９１を空気中から液体に効率的に取り込むことができる。例えば、標的分子９１はリモネンであり、有機溶剤１００はエタノールやＤＭＳＯである。
（第２ステップ）
バルブ７２を、配管５６と配管５７との間を連通させる状態に切り替え、標的分子取り込みユニット１０から、標的分子が溶解した有機溶剤を計量ユニット４４に供給する。また、バルブ７６を開いて、水溶液タンク４２から水溶液を計量ユニット４５に供給する。
バルブ７２を、配管５６と配管５７との間を連通させる状態に切り替え、標的分子取り込みユニット１０から、標的分子が溶解した有機溶剤を計量ユニット４４に供給する。また、バルブ７６を開いて、水溶液タンク４２から水溶液を計量ユニット４５に供給する。
図７に示すように、水溶液２００は、標的分子９１と親和性がある標識分子９２を含む。標識分子９２は親水性であり、水溶液２００中に溶解して分散している。水溶液２００は、例えば、リン酸緩衝液、ＨＥＰＥＳ緩衝液、トリス塩酸緩衝液などである。標識分子９２の分子数は、標的分子９１の分子数よりも多い。標識分子９２は、標的分子９１よりも分子量の大きな分子と、電荷を持つ分子と、分極を持った極性分子とのいずれかである。標識分子９２は、例えば、アルギニン、アルギニンメチルエステル、アルギニンアミド、核酸アプタマー、またはペプチドである。
（第３ステップ）
バルブ７５を開いて、計量ユニット４４において計量された第１所定量の有機溶剤（標的分子を含む）を混合ユニット２０に供給する。また、バルブ７８を開いて、計量ユニット４５において計量された第２所定量の水溶液を混合ユニット２０に供給する。これにより、混合ユニット２０において、標的分子を含む第１所定量の有機溶剤が、第２所定量の水溶液と混合された検体液が作成される。
バルブ７５を開いて、計量ユニット４４において計量された第１所定量の有機溶剤（標的分子を含む）を混合ユニット２０に供給する。また、バルブ７８を開いて、計量ユニット４５において計量された第２所定量の水溶液を混合ユニット２０に供給する。これにより、混合ユニット２０において、標的分子を含む第１所定量の有機溶剤が、第２所定量の水溶液と混合された検体液が作成される。
図８（ａ）に示すように、親水性の有機溶剤１００は水溶液２００中で拡散し、有機溶剤１００と水溶液２００は混和する。そして、図８（ｂ）に示すように、標的分子９１が水溶液２００中に急激に放散し、検体液３００が得られる。標的分子９１は疎水性であるため、検体液３００中で不安定な状態で取り残される。標的分子９１は、疎水性であるが、水溶液２００に混合する際には親水性の有機溶剤１００中に分散している。この親水性の有機溶剤１００が水溶液２００に混合するので、有機溶剤１００を介さずに疎水性の標的分子９１を直接水溶液２００に取り込むよりも小さなエネルギーで、標的分子９１を水溶液２００中に効率よく分散させることができる。
水溶液２００には標識分子９２が分散している。したがって、図９（ａ）に示すように、検体液３００中にも標識分子９２が分散している。検体液３００は有機溶剤１００を水溶液２００で希釈した水溶液であり、検体液３００中の疎水性の標的分子９１は不安定な状態である。この不安定な標的分子９１は、図９（ｂ）に示すように、近傍の標識分子９２と会合する。例えば、標的分子９１としてリモネンと、標識分子９２としてアルギニンアミドとがΠ－Π相互作用で結合し、会合体を形成する。
（第４ステップ）
検体液は、バルブ７７を開くことで、混合ユニット２０から配管６４を通じてセンサ素子３０に供給される。そして、センサ素子３０において、検体液中の標的分子に応じた信号（例えば電気信号）が計測される。
検体液は、バルブ７７を開くことで、混合ユニット２０から配管６４を通じてセンサ素子３０に供給される。そして、センサ素子３０において、検体液中の標的分子に応じた信号（例えば電気信号）が計測される。
図１０（ａ）に示すように、標的分子９１がセンサ素子３０のプローブ分子３２に捕捉され、グラフェン膜３１の表面に近接する。標的分子９１のグラフェン膜３１への近接（例えば標的分子９１がもつ電荷の近接）によるグラフェン膜３１の電子状態の変化を検出することで、検体液３００中の標的分子９１の存在や濃度を検出することができる。
なお、標的分子９１が無電荷で分子量が小さい場合（例えば分子量が３００以下の場合）、グラフェン膜３１への近接によるグラフェン膜３１の電子状態の変化を検出することが難しい場合がある。本実施形態によれば、標的分子９１は標識分子９２に会合しているため、標的分子９１がプローブ分子３２に捕捉されると、図１０（ｂ）に示すように、標識分子９２もグラフェン膜３１に近接する。ここで、標識分子９２がアルギニンアミドのように強い電荷を持つ場合、あるいは核酸やペプチドのような大きな分子量（例えば５００以上）を持つ場合には、センサ素子３０は、この標識分子９２の近接（例えば標識分子９２がもつ電荷の近接や大きな標識分子９２が近接したことによる溶液界面のイオンの分布の変化）によるグラフェン膜３１の電子状態の変化を検出することで、標的分子９１だけの近接では検出が困難な場合であっても、標識分子９２の近接を検出することによって、検体液３００中の標的分子９１の存在や濃度を検出することができる。
検出対象は検体雰囲気中に存在していた標的分子９１であり、プローブ分子３２は標的分子９１を捕捉可能なものが選択される。標識分子９２は、プローブ分子３２による標的分子９１の捕捉を妨げないように、標的分子９１がプローブ分子３２と結合する部位を覆わないように標的分子９１と会合するものが選択される。
（第５ステップ）
バルブ７３を開いて、標的分子取り込みユニット１０内の検体雰囲気が曝露された有機溶剤の残りを、配管５３を通じて標的分子取り込みユニット１０から排出する。また、バルブ７９を開いて、混合ユニット２０内の検体液の残りを、配管６６を通じて混合ユニット２０から排出する。
バルブ７３を開いて、標的分子取り込みユニット１０内の検体雰囲気が曝露された有機溶剤の残りを、配管５３を通じて標的分子取り込みユニット１０から排出する。また、バルブ７９を開いて、混合ユニット２０内の検体液の残りを、配管６６を通じて混合ユニット２０から排出する。
（第６ステップ）
バルブ７１及びバルブ７２を、それぞれ配管５５及び配管５６側に開き、さらにバルブ７４を開いて、有機溶剤タンク４１から有機溶剤を標的分子取り込みユニット１０及び計量ユニット４４を経由して配管５９へと排液する。標的分子取り込みユニット１０及び計量ユニット４４は、検体雰囲気が曝露されない有機溶剤タンク４１内の有機溶剤によって洗浄される。標的分子取り込みユニット１０及び計量ユニット４４から、標的分子が排出される。
バルブ７１及びバルブ７２を、それぞれ配管５５及び配管５６側に開き、さらにバルブ７４を開いて、有機溶剤タンク４１から有機溶剤を標的分子取り込みユニット１０及び計量ユニット４４を経由して配管５９へと排液する。標的分子取り込みユニット１０及び計量ユニット４４は、検体雰囲気が曝露されない有機溶剤タンク４１内の有機溶剤によって洗浄される。標的分子取り込みユニット１０及び計量ユニット４４から、標的分子が排出される。
（第７ステップ）
バルブ７１及びバルブ７２を配管５８側に開いて、有機溶剤タンク４１から有機溶剤を配管５８を通じて計量ユニット４４に供給する。有機溶剤タンク４１から有機溶剤を標的分子取り込みユニット１０を経由せずに計量ユニット４４に供給する。また、バルブ７６を開いて、水溶液タンク４２から、水溶液を配管６２を通じて計量ユニット４５に供給する。
バルブ７１及びバルブ７２を配管５８側に開いて、有機溶剤タンク４１から有機溶剤を配管５８を通じて計量ユニット４４に供給する。有機溶剤タンク４１から有機溶剤を標的分子取り込みユニット１０を経由せずに計量ユニット４４に供給する。また、バルブ７６を開いて、水溶液タンク４２から、水溶液を配管６２を通じて計量ユニット４５に供給する。
（第８ステップ）
バルブ７５を開いて、計量ユニット４４において計量された上記と同じ第１所定量の有機溶剤（これは標的分子を含まない）を、混合ユニット２０に供給する。また、バルブ７８を開いて、計量ユニット４５において計量された上記と同じ第２所定量の水溶液を混合ユニット２０に供給する。これにより、混合ユニット２０において、標的分子を含まない第１所定量の有機溶剤が、第２所定量の水溶液と混合されたコントロール溶液が作成される。
バルブ７５を開いて、計量ユニット４４において計量された上記と同じ第１所定量の有機溶剤（これは標的分子を含まない）を、混合ユニット２０に供給する。また、バルブ７８を開いて、計量ユニット４５において計量された上記と同じ第２所定量の水溶液を混合ユニット２０に供給する。これにより、混合ユニット２０において、標的分子を含まない第１所定量の有機溶剤が、第２所定量の水溶液と混合されたコントロール溶液が作成される。
（第９ステップ）
コントロール溶液は、バルブ７７を開くことで、混合ユニット２０から配管６４を通じてセンサ素子３０に供給される。標的分子を含まないコントロール溶液に曝露されたセンサ素子３０による計測信号と、検体液に曝露されたセンサ素子３０による計測信号とを比較することで、検体液中に標的分子が含まれる場合には、外乱ノイズを補正した高精度の標的分子の検出を行うことができる。
コントロール溶液は、バルブ７７を開くことで、混合ユニット２０から配管６４を通じてセンサ素子３０に供給される。標的分子を含まないコントロール溶液に曝露されたセンサ素子３０による計測信号と、検体液に曝露されたセンサ素子３０による計測信号とを比較することで、検体液中に標的分子が含まれる場合には、外乱ノイズを補正した高精度の標的分子の検出を行うことができる。
図１１（ａ）～図１２（ｂ）は、比較例における標的分子の検出メカニズムを示す模式図である。
この比較例においては、図１１（ａ）に示すように、疎水性の標的分子９１は、有機溶剤を介さずに水溶液２００に取り込まれる。例えば、標的分子９１を含む検体雰囲気が気泡４００として水溶液２００中に取り込まれる。疎水性の標的分子９１は、気泡４００の表面に偏析しやすい。水溶液２００中に分散されていた標識分子９２は、気泡４００内の標的分子９１を液中に引き込むほどの標的分子９１に対する結合力はない。また、疎水性の標的分子９１が液中に取り込まれた場合には、標的分子９１は凝集しやすい。
図１１（ｂ）に示すように、気泡４００が破裂すると、気泡４００の表面に偏析していた標的分子９１は、水溶液２００の液面に移動する。気泡４００が、水溶液２００を貯留している容器の壁面に触れた場合には壁面に移動する。また、液中に取り込まれた標的分子９１は、分散状態よりも熱力学的に安定な凝集状態を維持する。
図１２（ａ）は、標的分子９１を取り込んだ水溶液２００がセンサ素子３０の表面に曝露された状態を表す。そして、図１２（ｂ）に示すように、僅かに液中に取り込まれていた標的分子９１がプローブ分子３２に捕捉される。しかしながら、標的分子９１がリモネンのように無電荷で分子量が小さな場合、グラフェン膜３１への近接によるグラフェン膜３１の電子状態の変化を検出することが難しい。
本実施形態によれば、疎水性の標的分子が有機溶剤に濃縮して取り込まれ、その標的分子を取り込んだ有機溶剤水溶液（検体液）をセンサ素子の表面に曝露するので、疎水性の標的分子を直接水溶液に取り込む場合よりも、標的分子の検出感度を高くすることができる。
さらに、標的分子と親和性がある標識分子を水溶液中に溶解させておくと、標的分子を含む有機溶剤が水溶液で希釈された際に、標的分子が標識分子と結合して標識付けされるため、標的分子の検出信号が増幅される。
疎水性の標的分子の場合、プローブ分子と結合する力として疎水性相互作用が大きな要因となっている。疎水性相互作用は、疎水基同士が接近しようとする力であり、疎水基と親和性が高い有機溶剤中では弱くなる。そのため、標的分子を取り込んだ有機溶剤を水溶液で希釈せずにセンサ素子の表面に曝露した場合には、プローブ分子による標的分子の捕捉能力が低下する。
また、生体由来の分子（例えば、ペプチド、ＤＮＡアプタマーなど）は水溶液中で機能する。そのため、生体由来の分子をプローブ分子として用いた場合に有機溶剤をセンサ素子の表面に曝露すると、生体由来のプローブ分子の構造が変わってしまう、あるいは破壊されてしまい、プローブ分子による標的分子の捕捉能力が低下する。
また、グラフェンは疎水性のため、有機溶剤との親和性が高く、有機溶剤をセンサ素子の表面に曝露するとダメージを受ける可能性がある。このダメージにより、グラフェン膜と下地絶縁膜との接着面や、ソースドレイン電極と、これを覆う保護絶縁膜との界面に有機溶剤が浸入して、グラフェン膜や保護絶縁膜の剥離を誘発する懸念がある。
本実施形態では、有機溶剤を水溶液で希釈した水溶液である検体液が、センサ素子の表面に曝露されるため、上記問題が起こらない。
図１に示すケミカルセンサモジュールの構成において、気相（空気中）から有機溶剤中への標的分子の取り込みは、コントロール溶液の計測を行っている間に行っても構わない。前述した第１ステップの後、第７～第９ステップを行う。そして、第９ステップの後、第２～第６ステップを行う。
すなわち、標的分子取り込みユニット１０において検体雰囲気を有機溶剤に曝露した後、有機溶剤タンク４１から標的分子取り込みユニット１０を経由しないで有機溶剤を混合ユニット２０に供給するとともに、水溶液を混合ユニット２０に供給する。そして、混合ユニット２０で作成されたコントロール溶液をセンサ素子３０に供給して、コントロール溶液の計測を行う。この後、標的分子取り込みユニット１０から有機溶剤を混合ユニット２０に供給するとともに、水溶液を混合ユニット２０に供給する。そして、混合ユニット２０で作成された検体液をセンサ素子３０に供給して、検体液の計測を行う。
図２は、実施形態のケミカルセンサモジュールの他の例を示す概略構成図である。
図２のケミカルセンサモジュールは、以下の点で、図１のケミカルセンサモジュールと異なる。
図２のケミカルセンサモジュールは、以下の点で、図１のケミカルセンサモジュールと異なる。
有機溶剤タンク４１は配管５４を介して標的分子取り込みユニット１０と接続され、配管５４にはバルブ８２が接続されている。標的分子取り込みユニット１０は、配管５７を介して計量ユニット４４と接続され、配管５７にはバルブ８３が接続されている。標的分子取り込みユニット１０を経由しないで、有機溶剤タンク４１から計量ユニット４４に直接有機溶剤を供給する系統は設けられていない。
混合ユニット２０は、配管６８、バルブ８５、及び配管６４を介して、センサ素子３０に接続されている。
コントロール溶液の供給源として、コントロール溶液タンク４６が設けられている。コントロール溶液タンク４６は、配管６９、バルブ８５、及び配管６４を介して、センサ素子３０に接続されている。
バルブ８５は、三方弁であり、混合ユニット２０とセンサ素子３０との間を連通させ、コントロール溶液タンク４６とセンサ素子３０との間を遮断する第１状態と、混合ユニット２０とセンサ素子３０との間を遮断し、コントロール溶液タンク４６とセンサ素子３０との間を連通させる第２状態とに切り替え可能である。
図２のケミカルセンサモジュールを用いた標的分子の検出方法では、以下に説明する第１～第４ステップが順に行われる。
（第１ステップ）
吸排気装置４３を駆動させ、配管５１を通じて、検体雰囲気を標的分子取り込みユニット１０に取り込む。また、バルブ８２を開いて、有機溶剤タンク４１から有機溶剤を標的分子取り込みユニット１０に供給する。これにより、標的分子取り込みユニット１０において、検体雰囲気中の標的分子が有機溶剤に溶解する。
吸排気装置４３を駆動させ、配管５１を通じて、検体雰囲気を標的分子取り込みユニット１０に取り込む。また、バルブ８２を開いて、有機溶剤タンク４１から有機溶剤を標的分子取り込みユニット１０に供給する。これにより、標的分子取り込みユニット１０において、検体雰囲気中の標的分子が有機溶剤に溶解する。
バルブ７４を開いて、計量ユニット４４内の有機溶剤の残りを、配管５９を通じて計量ユニット４４から排出する。バルブ８４を開いて、混合ユニット２０内の検体液の残りを、配管６７を通じて混合ユニット２０から排出する。
バルブ８５を上記第２状態に切り替え、コントロール溶液タンク４６からコントロール溶液をセンサ素子３０に供給し、コントロール溶液の計測を行う。
（第２ステップ）
ステップ２においても、センサ素子３０によるコントロール溶液の計測が続けられる。さらに、ステップ２においては、バルブ８３を開いて、標的分子取り込みユニット１０から、検体雰囲気が曝露された有機溶剤を、配管５７を通じて計量ユニット４４に供給する。また、バルブ７６を開いて、水溶液タンク４２から水溶液を計量ユニット４５に供給する。
ステップ２においても、センサ素子３０によるコントロール溶液の計測が続けられる。さらに、ステップ２においては、バルブ８３を開いて、標的分子取り込みユニット１０から、検体雰囲気が曝露された有機溶剤を、配管５７を通じて計量ユニット４４に供給する。また、バルブ７６を開いて、水溶液タンク４２から水溶液を計量ユニット４５に供給する。
（第３ステップ）
ステップ３においても、センサ素子３０によるコントロール溶液の計測が続けられる。さらに、ステップ３においては、バルブ７５を開いて、計量ユニット４４において計量された第１所定量の有機溶剤を混合ユニット２０に供給する。また、バルブ７８を開いて、計量ユニット４５において計量された第２所定量の水溶液を混合ユニット２０に供給する。これにより、混合ユニット２０において、第１所定量の有機溶剤が、第２所定量の水溶液と混合された検体液が作成される。
ステップ３においても、センサ素子３０によるコントロール溶液の計測が続けられる。さらに、ステップ３においては、バルブ７５を開いて、計量ユニット４４において計量された第１所定量の有機溶剤を混合ユニット２０に供給する。また、バルブ７８を開いて、計量ユニット４５において計量された第２所定量の水溶液を混合ユニット２０に供給する。これにより、混合ユニット２０において、第１所定量の有機溶剤が、第２所定量の水溶液と混合された検体液が作成される。
（第４ステップ）
バルブ８５を上記第１状態に切り替え、センサ素子３０へのコントロール溶液の供給を停止するとともに、混合ユニット２０から検体液をセンサ素子３０に供給する。そして、センサ素子３０において、検体液中の標的分子に応じた信号が計測される。
バルブ８５を上記第１状態に切り替え、センサ素子３０へのコントロール溶液の供給を停止するとともに、混合ユニット２０から検体液をセンサ素子３０に供給する。そして、センサ素子３０において、検体液中の標的分子に応じた信号が計測される。
図２の構成によれば、センサ素子３０によるコントロール溶液の計測中に、混合ユニット２０において検体液の作成を行える。そして、バルブ８５の切り替えにより、迅速に検体液の計測に切り替えることができる。
次に、図１３（ａ）～図１４（ｂ）を参照して、実施形態のケミカルセンサモジュールを用いた標的分子の検出メカニズムの他の例について説明する。
前述した標的分子取り込みユニット１０において、検体雰囲気中の標的分子を有機溶剤に溶解させ、分子レベルで分散させる。例えば、標的分子はリモネンであり、有機溶剤はＤＭＳＯである。
混合ユニット２０において、標的分子を含む有機溶剤と、水溶液とを混合し、検体液を作成する。例えば、水溶液は、ＨＥＰＥＳ（4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid））緩衝液である。
図１３（ａ）に示すように、親水性の有機溶剤１００は水溶液２００中で拡散し、有機溶剤１００と水溶液２００は混和する。そして、図１３（ｂ）に示すように、有機溶剤分子１００ａと結合した標的分子９１が水溶液２００中に遊離し、検体液３００が作成される。
検体液はセンサ素子３０に供給される。そして、センサ素子３０において、検体液中の標的分子９１に応じた信号（例えば電気信号）が計測される。
疎水性の標的分子９１は水溶液中で単独で遊離した状態では不安定であるため、図１４（ａ）に示すように、標的分子９１が有機溶剤分子１００ａと結合したままの状態を保っている。標的分子９１がセンサ素子３０のプローブ分子３２に捕捉されると、図１４（ｂ）に示すように、標的分子９１に結合した有機溶剤分子１００ａがグラフェン膜３１に近接する。例えば、有機溶剤分子１００ａがＤＭＳＯである場合、グラフェン膜３１に近接したＤＭＳＯが持つ電子供与性の孤立電子対からグラフェン膜３１に電子が注入される。このときのグラフェン膜３１の電子状態の変化を検出することで、検体液３００中の標的分子９１の存在や濃度を検出することができる。この場合には、有機溶剤分子１００ａ自体が、標的分子９１と親和性がある標識分子として機能する。標的分子９１がリモネンのように無電荷で無極性の小分子であっても、電荷や極性を持つ、あるいは標的分子９１よりも大きな標識分子（有機溶剤分子１００ａ）を検出することで、検体液３００中の標的分子９１の存在や濃度を検出することができる。
次に、本発明の実施形態によるリモネン（標的分子）の検出実験について説明する。
リモネンが溶解したエタノール溶液をＨＥＰＥＳ緩衝液に混合し、センサ素子のグラフェン膜上に滴下した。疎水性のリモネンは、図１５（ａ）に示すように、エタノール分子２００ａとともにグラフェン膜３１に非特異吸着し、プローブ分子３２となる。すなわち、センサ素子における検体液に曝露されるグラフェン膜３１の表面上に、標的分子９１と同じ分子構造を持ったプローブ分子３２が設けられる。
次に、エタノール溶液とＨＥＰＥＳ緩衝液との上記混合液を、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に２％の濃度のＤＭＳＯを含む水溶液に置換した。すなわち、プローブ分子３２であるリモネンが有機溶剤と共存しない状態でセンサ素子の表面上に固定または吸着された後、センサ素子の表面が水溶液で被覆された状態が保たれている。
次に、標的分子９１としてのリモネンを有機溶剤としてのＤＭＳＯに溶解させた後、この有機溶剤溶液を上記水溶液に混合し、検体液３００を作成した。ＤＭＳＯの濃度は２％になるように調整した。検体液３００中で標的分子（リモネン）９１は、有機溶剤分子（ＤＭＳＯ分子）１００ａと結合している。
上記標的分子９１を含むＤＭＳＯ水溶液を、前記標的分子９１を含まないＤＭＳＯ水溶液と置換すると、図１５（ｂ）に示すように、プローブ分子３２のリモネンは、標的分子９１のリモネンと交換反応する。あるいは、リモネン同志の親和性によって、プローブ分子３２のリモネンに、標的分子９１のリモネンが吸着する。センサ素子は、プローブ分子（リモネン）３２と交換してグラフェン膜３１に吸着した標的分子（リモネン）９１に結合した有機溶剤分子（ＤＭＳＯ分子）１００ａの近接を検出する。あるいは、プローブ分子（リモネン）３２に吸着した標的分子（リモネン）９１に結合した有機溶剤分子（ＤＭＳＯ分子）１００ａの近接を検出する。
標的分子９１が溶解した有機溶剤が混合される水溶液はＤＭＳＯ溶液であり、このＤＭＳＯ溶液中ではもともと一定量（吸着平衡量）のＤＭＳＯがグラフェン膜３１の表面に吸着している。さらに、標的分子９１と結合した有機溶剤分子（ＤＭＳＯ分子）１００ａが標的分子９１のグラフェン膜３１への吸着によってグラフェン膜３１の表面に近接するため、グラフェン膜３１の表面におけるＤＭＳＯの量が増加する。ＤＭＳＯは電子供与性の孤立電子対を持つため、グラフェン膜３１に電子が注入される。グラフェン膜３１を流れるドレイン電流がホール伝導による場合には、電子の注入により伝導キャリア（ホール）が減少するため、ドレイン電流が低下する。
図１６（ａ）は、実施形態によるリモネンの検出実験結果を表すグラフである。図１６（ｂ）は、コントロール実験によるリモネンの検出結果を表すグラフである。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）ともに、横軸は時間を表し、縦軸はドレイン電流（正確には初期のドレイン電流値に対する経時変化後のドレイン電流値の比率）を表す。
実施形態によるリモネンの検出実験では、前述のようにリモネンを予めＤＭＳＯに溶解した後に、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に混合した水溶液（この際、ＤＭＳＯ濃度が２％になるように調整している）を、時刻ｔにおいて、リモネンを含まずＤＭＳＯを２％含む１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液から置換した。
コントロール実験では、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に２％の濃度のＤＭＳＯを含む水溶液に後からＤＭＳＯを混合した水溶液を、時刻ｔにおいて、リモネンを含まずＤＭＳＯを２％含む１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液から置換した。
図１６（ａ）に示す実施形態による実験結果と、図１６（ｂ）に示すコントロール実験の結果とを比較すると、実施形態による実験の方が、時刻ｔ以降のドレイン電流の変化（低下）量が大きく、高感度にリモネンの検出が行えている。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０,１１０…標的分子取り込みユニット、２０…混合ユニット、３０…センサ素子、３１…グラフェン膜、３２…プローブ分子、９１…標的分子、９２…標識分子、１００…有機溶剤、１００ａ…有機溶剤分子、２００…水溶液、３００…検体液
Claims (10)
- 疎水性の標的分子を含む検体雰囲気を親水性の第１の有機溶剤に曝露する標的分子取り込みユニットと、
前記標的分子を含む前記第１の有機溶剤を水溶液と混合して、検体液を作成する混合ユニットと、
前記検体液に曝露される表面と、前記表面上に位置し、前記標的分子と同じ分子構造を持つプローブ分子と、を有するセンサ素子と、
を備え、
前記プローブ分子は、第２の有機溶剤を含む、ケミカルセンサモジュール。 - 前記水溶液と前記第１の有機溶剤のいずれかは、前記標的分子と親和性がある標識分子を含み、
前記センサ素子は、前記標識分子の近接を検出する請求項１に記載のケミカルセンサモジュール。 - 前記標識分子が、前記標的分子よりも分子量の大きな分子と、電荷を持つ分子と、分極を持った極性分子とのいずれかである請求項２に記載のケミカルセンサモジュール。
- 前記第１の有機溶剤は、低級アルコール、ＤＭＳＯ（Dimethyl Sulfoxide）、ＤＭＦ（N,N-dimethylformamide）、アセトン、及びアセトニトリルからなる群より選択されるいずれかである請求項１～３のいずれか１つに記載のケミカルセンサモジュール。
- 前記水溶液は、リン酸緩衝液またはＨＥＰＥＳ（4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid））緩衝液である請求項１～４のいずれか１つに記載のケミカルセンサモジュール。
- 前記センサ素子は、グラフェンを含む電荷検出素子である請求項１～５のいずれか１つに記載のケミカルセンサモジュール。
- 前記第２の有機溶剤は、エタノールである請求項１～６のいずれか１つに記載のケミカルセンサモジュール。
- 疎水性の標的分子が溶解した第２の有機溶剤を水溶液と混合し、センサ素子の表面に滴下して、前記第２の有機溶剤を含み、前記標的分子と同じ分子構造を持つプローブ分子を、前記センサ素子の前記表面に位置させ、
前記標的分子を含む検体雰囲気を親水性の第１の有機溶剤に曝露して、前記標的分子を前記第１の有機溶剤に溶解させ、
前記標的分子を含む前記第１の有機溶剤を水溶液と混合して、検体液を作成し、
前記検体液を前記センサ素子の前記表面に曝露する、
疎水性の標的分子の検出方法。 - 前記水溶液と前記第１の有機溶剤とのいずれかは、前記標的分子と親和性がある標識分子を含む請求項８に記載の疎水性の標的分子の検出方法。
- 前記第２の有機溶剤は、エタノールである請求項８または９に記載の疎水性の標的分子の検出方法。
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