JP7467378B2 - ケミカルセンサ、標的物質の検出方法及び検出装置 - Google Patents

ケミカルセンサ、標的物質の検出方法及び検出装置 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、ケミカルセンサ、標的物質の検出方法及び検出装置に関する。
生体情報の検知や空気中の有害物質の検知などの分野において、化学物質を検出できるデバイスが有用であると考えられている。特に低分子は類似の物質が多数存在するため特異的に感度よく検出することが困難である。このような状況において、化学物質を特異的かつ高感度に検出することができるケミカルセンサが求められている。
Hiroshi Ueda et al. Nature biotechnology 14, 1996, 1714-1718
本発明が解決しようとする課題は、標的物質を特異的且つ感度よく検出することができるケミカルセンサ、標的物質の検出方法及び検出装置を提供することである。
実施形態のケミカルセンサは、検体中の標的物質を検出する。ケミカルセンサは、感応膜と、感応膜上に固定された膜貫通受容体の第１の細胞外領域ペプチドと、感応膜上に配置された液相と、液相内に配置された膜貫通受容体の第２の細胞外領域ペプチドとを含む。
図１は、実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。 図２は、実施形態のケミカルセンサの使用時の様子を示す断面図である。 図３は、実施形態の膜貫通受容体とその細胞外領域の一例を示す図である。 図４は、実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。 図５は、実施形態のケミカルセンサの第１のＥＣＲペプチドを固定する方法の一例を示す図である。 図６は、実施形態の第１のＥＣＲペプチドの二量体の一例を示す図である。 図７は、実施形態の第１のＥＣＲペプチド又は第２のＥＣＲペプチドに使用される細胞外領域のアミノ酸配列の例を示す図である。 図８は、実施形態の第１のＥＣＲペプチド又は第２のＥＣＲペプチドに使用される細胞外領域のアミノ酸配列の例を示す図である。 図９は、実施形態の第１のＥＣＲペプチド又は第２のＥＣＲペプチドに使用される細胞外領域のアミノ酸配列の例を示す図である。 図１０は、実施形態の第１のＥＣＲペプチド又は第２のＥＣＲペプチドに使用される細胞外領域のアミノ酸配列の例を示す図である。 図１１は、（ａ）は実施形態の第１のＥＣＲペプチドに２種の細胞外領域を用いるケミカルセンサの一例を示す断面図であり、（ｂ）は第１のＥＣＲペプチド又は第２のＥＣＲペプチドの拡大図であり、（ｃ）は第１のＥＣＲペプチド又は第２のＥＣＲペプチドの組み合わせを示す表である。 図１２は、（ａ）は実施形態の第２のＥＣＲペプチドに２種の細胞外領域を用いるケミカルセンサの一例を示す断面図であり、（ｂ）は第１のＥＣＲペプチド又は第２のＥＣＲペプチドの拡大図であり、（ｃ）は第１のＥＣＲペプチド又は第２のＥＣＲペプチドの組み合わせを示す表である。 図１３は、（ａ）は実施形態の複数のセンサ素子を含むケミカルセンサの一例を示す平面図であり、（ｂ）はその断面図である。 図１４は、実施形態の検出方法の一例を示すフローチャートである。 図１５は、実施形態の検体取込装置の一例を示す図である。 図１６は、実施形態の検体取込装置の一例を示す図である。 図１７は、実施形態の多孔質膜を備える気相液相取り込み部の一例を示す断面図である。 図１８は、実施形態の多孔質膜を備える気相液相取り込み部の流路の一例を示す斜視図である。 図１９は、実施形態のカートリッジ基板装着方法の一例を示す図である。 図２０は、実施形態の検出装置の一例を示すブロック図である。 図２１は、実施例１の実験結果を示すグラフである。 図２２は、比較例３の実験結果を示すグラフである。 図２３は、実施例１、比較例１～３の実験結果を示すグラフである。
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
・ケミカルセンサ
実施形態のケミカルセンサは、標的物質を検出するためのセンサである。図１に示す通り、実施形態のケミカルセンサ１は、基板２と、基板２の表面に配置された感応膜３とを備える。感応膜３の基板２と反対側の面には、膜貫通受容体の第１の細胞外領域（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｒｅｇｉｏｎ：ＥＣＲ）ペプチド４が固定されている。感応膜３上には液相５が配置されており、液相５内に膜貫通受容体の第２のＥＣＲペプチド６が存在する。なお、本明細書において「固定」とは、感応膜３に直接的に固定されている場合だけでなく、他の物質を介して間接的に固定されている場合も含む。また、「固定」は例えば、化学結合等せずに感応膜３に吸着されている又は引き付けられている状態も含む。
第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６は同じ膜貫通受容体に由来し、標的物質１０はこの膜貫通受容体のリガンドである。ケミカルセンサ１では、図２に示す通り、液相５に標的物質１０を取り込み、液相５中に存在する第２のＥＣＲペプチド６が標的物質１０に結合し、更に感応膜３に固定された第１のＥＣＲペプチド４で標的物質１０を捕捉する。それにより標的物質１０が２つのＥＣＲペプチドで挟まれた、オープンサンドイッチの状態で感応膜３に結合する。
例えば、ケミカルセンサ１は感応膜３に標的物質１０が結合した際に起こる感応膜３の物性、例えば電気抵抗の変化を検出する機構を備える。例えば、ケミカルセンサ１は、図１に示すように感応膜３の一端に電気的に接続された第１電極７（ソース電極）と、他端に電気的に接続された第２電極８（ドレイン電極）と、２つの電極を被覆する絶縁体９とを更に備えた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の構成を有する。この場合、感応膜３がより高感度な検出が可能となるグラフェンからなるグラフェンＦＥＴの構成とすることが好ましい。例えば、ケミカルセンサ１は、図示しないがゲート電圧を印加するためのゲート電極及び電源を含む回路と、第１電極７と第２電極８とから得られるドレイン電流値を計測する電流計とを含む回路とを更に含み、第１電極７及び第２電極８はこれらの回路に各々接続され得る。この回路は例えば基板２内に配置され得る。
以下、第１のＥＣＲペプチド、第２のＥＣＲペプチドの具体例について説明する。
第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６の由来となる膜貫通受容体は、細胞外領域へのシグナル分子（リガンド）の結合の刺激を受けることで活性化され、例えば必要に応じて細胞内へシグナル伝達を行う膜貫通タンパク質である。膜貫通受容体は、複数の細胞外領域を有する。膜貫通受容体は、例えば嗅覚受容体等のＧタンパク共役型受容体である。例えば、動物で発現する膜貫通受容体を用いることができる。動物は、例えば、脊椎動物又は昆虫等であり、例えば、ヒト、ハエ、カ、マウス、ラット、ウサギ、ウシ又はイヌ等である。
第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６は、膜貫通受容体の互いに異なる細胞外領域の少なくとも一部のアミノ酸配列を含むポリペプチドである。
例えば、図３に示す７回膜貫通型受容体１１は、３つの細胞外ループ（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｌｏｏｐ：ＥＣＬ）、即ちＥＣＬ－１、ＥＣＬ－２及びＥＣＬ－３、並びに１つの細胞外Ｃ末端の４つの細胞外領域を有する。ＥＣＬを用いる場合は、膜貫通受容体における元の形状をできるだけ再現するためにアミノ酸配列を環状化して用いることが好ましい。細胞外末端（ここでは細胞外Ｃ末端）を用いる場合は、直鎖状のまま用いることが好ましい。細胞外Ｎ末端を有する膜貫通受容体を用いることも可能であり、その場合はその細胞外Ｎ末端を直鎖状のまま用いることが好ましい。
例えば、図１に示すように細胞外末端を第１のＥＣＲペプチド４に使用し、ＥＣＬの何れかを第２のＥＣＲペプチド６に使用してもよいし、図４の（ａ）に示すようにＥＣＬの何れかを第１のＥＣＲペプチド４に使用し、ＥＣＬの別の何れかを第２のＥＣＲペプチド６に使用してもよいし、図４の（ｂ）に示すようにＥＣＬの何れかを第１のＥＣＲペプチド４に使用し、細胞外末端を第２のＥＣＲペプチド６に使用してもよい。図示しないが、細胞外Ｎ末端及び細胞外Ｃ末端が存在する場合、一方を第１のＥＣＲペプチド４に使用し、他方を第２のＥＣＲペプチド６に使用してもよい。
第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６として使用する際、選択された細胞外領域のアミノ酸配列の全長を用いる必要はなく、リガンドとの結合能に悪影響を及ぼさない限りにおいて、一部のアミノ酸配列を用いてもよい。例えば、第１のＥＣＲペプチド４に用いられる細胞外領域のアミノ酸配列長は、例えば３ｍｅｒ以上５０ｍｅｒ未満であり、好ましくは５ｍｅｒ以上４０ｍｅｒ以下である。第２のＥＣＲペプチド６に用いられる細胞外領域のアミノ酸配列長は、例えば３ｍｅｒ以上５０ｍｅｒ未満であり、好ましくは５ｍｅｒ以上４０ｍｅｒ以下である。また、リガンドとの結合能に悪影響を及ぼさない限りにおいて、細胞外領域のアミノ酸配列のうち幾つかのアミノ酸を欠損、置換又は挿入する等、改変して使用することも可能である。例えば、詳しくは後述するが、感応膜３へ固定する際又は液相５で使用する際に適切なアミノ酸の挿入及び置換を行うことが好ましい。その他水溶性の調整、及び／又は、標識修飾、アフィニティの調整など様々な理由に従って改変は適切に行われる。
第１のＥＣＲペプチド４を感応膜３に固定する方法は限定されるものではないが、第１のＥＣＲペプチド４及び／又は感応膜３に修飾基を付加し、両者を化学合成することによって、膜貫通受容体の第１のＥＣＲペプチド４を感応膜３に固定することができる。感応膜３がグラフェンである場合は、グラフェンに吸着しやすいピレンなどの多感芳香族を介して固定することが好ましい。あるいは、グラフェンに吸着しやすいβシート構造を形成するペプチドを含む固定用ペプチドを介して固定することが好ましい。βシート構造を形成するペプチドは、限定されるものではないが例えばＧ（グリシン）とＡ（アラニン）とを複数回繰り返した配列（例えばＧＡＧＡＧＡ又はＡＧＡＧＡＧ）、又はＶ（バリン）、Ｙ（チロシン）及びＩ（イソロイシン）を含むペプチド等を用いることが好ましい。これらのペプチドの両端には共役二重結合を側鎖に持ったアミノ酸、すなわち、Ｒ（アルギニン）、Ｙ（チロシン）、Ｆ（フェニルアラニン）、Ｗ（トリプトファン）、などを配置することが好ましい。これらのアミノ酸の側鎖に含まれる共役二重結合がグラフェンにππ相互作用で吸いつけられるため、アンカーとして働き、より強くグラフェンに固定される。なかでもＲは親水性のため、ペプチドが水溶性になりやすく扱いやすい。固定用ペプチドは、更に第１のＥＣＲペプチド４とβシート構造を形成するペプチドとの間にＧＧＧを含むことが好ましい。それにより、第１のＥＣＲペプチド４が感応膜３に固定された際、より柔軟に動いて標的物質１０と結合しやすくすることができる。
固定用ペプチドの好ましい例は、次の配列番号１又は配列番号２のペプチドである：
ＧＧＧ－ＲＧＡＧＡＧＡＲ（配列番号１）
ＲＧＡＧＡＧＡＲ－ＧＧＧ（配列番号２）。
第１のＥＣＲペプチド４に細胞外末端を用いる場合は、例えば、固定用ペプチドのＮ末端（ＧＧＧ側）に細胞外末端のアミノ酸配列を連結した直鎖状配列を合成すればよい。
第１のＥＣＲペプチド４にＥＣＬの何れかを用いる場合は、ＥＣＬを含む環状のペプチドに固定用ペプチドを付加したものを合成すればよいが、それが困難である場合が多い。その場合は図５に示すように、Ｎ末端（ＧＧＧ側）にマレイミド（例えば３－マレイミドプロパノイル、Ｍａｌ）等の結合子を付加した固定用ペプチドをまず作製し、固定用ペプチドを先に感応膜３に結合させ（図５の（ａ））、そこに第１のＥＣＲペプチド４を添加することで結合子を介して固定用ペプチドに第１のＥＣＲペプチド４を結合させる（図５の（ｂ））。
マレイミドを用いる場合、第１のＥＣＲペプチド４に含まれるＣ（システイン）のチオール基がマレイミドと結合することで配列番号１又は配列番号２の配列に第１のＥＣＲペプチド４が固定される。第１のＥＣＲペプチド４として使用するアミノ配列を端にＣが配置されるように選択するか、使用するアミノ酸配列にＣが含まれない場合は、環状のつなぎ目にＣを挿入することが好ましい。その時、ＫＣＫ（Ｋはリシン）、ＧＣ又はＧＣＧ等を挿入してもよい。ＫＣＫの配列を挿入すると第１のＥＣＲペプチド４の水溶性が高まるため、固定用ペプチドへの反応を行う際の水溶液を調整しやすくなる。ＧＣ又はＧＣＧの配列を挿入した場合、Ｇは側鎖に水素しか持たないため、膜貫通受容体におけるＥＣＲペプチドのリガンド結合能力に対して、予期せぬ阻害効果などを引き起こすリスクが小さくなる。このとき、第１のＥＣＲペプチド４の配列の中程にＣが存在する場合、そこがマレイミドと結合すると標的物質１０と結合する領域が感応膜３側を向き、標的物質１０を捕捉する効率が減少する可能性がある。したがって、そのような場合は、Ｃを同じ硫黄原子を持ったＭ（メチオニン）、又は硫黄原子が酸素原子に置換したＳ（セリン）等に置換することが好ましい。
結合子はマレイミドに限定されるものではなく、ＮＨＳを用いてもよい。ＮＨＳを用いた場合、Ｋ（リシン）が結合する。そのため、同様に、第１のＥＣＲペプチド４の配列がＫを含まない場合はＫを環のつなぎ目に挿入することが好ましく、またＫが配列の中程に存在する場合には、同じ正電荷のＲ（アルギニン）等に置換しておくことが好ましい。
図５の（ａ）、（ｂ）に示す第１のＥＣＲペプチド４の感応膜３上への固定は、次のような手順で行われ得る。まず、感応膜３上の液体がある場合はそれを純水に置換した後、純水を固定用ペプチドを含む溶液（水溶液）に置換する。その後、１時間程放置すると固定用ペプチドの自己組織化膜が感応膜３上に形成される。次に、感応膜３上の液体を純水に置換して余剰の固定用ペプチドを除去した後、純水を第１のＥＣＲペプチド４を含む溶液（例えば、０．５％ＤＭＳＯ水溶液、５０μＭのＴＣＥＰを含む）で置換する。その後、一晩程放置することで、マレイミドと第１のＥＣＲペプチド４のＣに含まれるチオールが結合し、第１のＥＣＲペプチド４を感応膜３に固定することができる。
第２のＥＣＲペプチド６については、ＥＣＬの何れかを用いる場合、環状にする際必ずしもＣ又はＫ等を挿入する必要はない。しかしながら、環状のつなぎ目にＣが存在することが好ましい。この場合、図６に示すように２つの第２のＥＣＲペプチド６同士がＣでジスルフィド結合を形成し、二量体を成し得る。このような二量体では、標的物質１０が結合する領域が外側に露出された状態となるため、標的物質１０を捕捉しやすくなり、検出の感度が向上し得る。第２のＥＣＲペプチド６に使用するアミノ配列を端にＣが配置されるように選択するか、又はつなぎ目にＣを挿入することでこのような二量体を形成することができる。
また、第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６は、必要に応じて膜貫通領域に分類されるアミノ酸配列を含んでもよい。例えば膜貫通受容体の中には、リガンドが膜貫通領域まで潜り込んで結合するものもあり、その場合、膜貫通領域の特定の配列を除去又は改変を行うとリガンドが結合しなくなる場合もある。例えば、そのような領域は細胞外領域との境界付近に位置することが多い。このような膜貫通受容体を使用する場合は、その領域を含めた配列を第１のＥＣＲペプチド４及び／又は第２のＥＣＲペプチド６に使用することが好ましい。
図７～図９及び下記表１に、４種の膜貫通受容体について好ましい細胞外領域の配列の例を示す。ここで例示する膜貫通受容体は、蚊（Ｃｕｌｅｘ ｑｕｉｎｑｕｅｆａｓｃｉａｔｕｓ）に存在するスカトールに対する嗅覚受容体であるＣｑｕｉＯＲ１０、キイロショウジョウバエに存在するバレンセン及びリモネン等の匂い成分に対する嗅覚受容体であるＯＲ１９ａ、蚊（Ｃｕｌｅｘ ｑｕｉｎｑｕｅｆａｓｃｉａｔｕｓ）に存在するオクテノールのＲ体に対する嗅覚受容体であるＣｑＯｒ１１８、線虫（Ｃ．ｅｌｅｇａｎｓ）に存在するジアセチルに対する嗅覚受容体であるＯｄｒ１０である。図及び表中、下線は人工的に挿入したアミノ酸であり、太字は置換したアミノ酸である。
Figure 0007467378000001
付加する配列は、上記に限定されるものではなく、用途に応じて変更してもよい。また、上記表中の環状化と表記されたペプチドは全てＮ末端とＣ末端とをつないで環状とする。
上記ＯＲ１９ａのＥＣＬ－１は第１のＥＣＲペプチド４に用いることが好ましい。ＥＣＬ－２は第２のＥＣＲペプチド６に用いることが好ましい。
上記Ｏｄｒ１０のＥＣＬ－２の（ａ）は第２のＥＣＲペプチド６に用いることが好ましい。（ａ）のＮ末端の配列ＶＨＦＶは膜貫通領域に含まれる配列であるが、改変を行うとリガンドであるジアセチルに結合しなくなる配列であり、またＣ末端のＬＬＬＷもまた膜貫通領域に含まれる配列であるが除去するとジアセチルに結合しなくなることが知られているため、これらも含めた配列を使用することが好ましい。ＥＣＬ－３の（ａ）は４０ｍｅｒであり合成が困難であるため、（ｂ）を用いることがより好ましい。細胞外Ｃ末端の（ａ）は第２のＥＣＲペプチド６に用いることが好ましいが、中ほどにＣを含むため、（ｂ）のようにそれをＭに置換して末端にＣを付加するか、又は（ｃ）のようにＳに置換して末端にＣを付加することが好ましい。また細胞外Ｃ末端の中ほどのＣがＥＣＬ３の付け根にあるＣとジスルフィド結合を形成することができる。その場合、細胞外Ｃ末端のＣよりもＮ末端側は（ｆ）のようなループを形成していて、ＣよりもＣ末端側が（ｄ）や（ｅ）のような直鎖となっている。ここで、（ｄ）と（ｆ）を混合して用いた場合、（ｄ）のマレイミドが（ｆ）のＣと結合して、細胞外Ｃ末端の中ほどのＣがＥＣＬ３の付け根にあるＣとジスルフィド結合を形成した際と同等の構造とすることができる。
また、図１０の（ａ）に示すＯＲ１７－４０のＥＣＬ－２の下記アミノ酸配列は４４ｍｅｒの長さを有する。
ＡＬＴＨＴＶＡＭＳＴＬＮＦＣＧＰＮＶＩＮＨＦＹＣＤＬＰＱＬＦＱＬＳＣＳＳＴＱＬＮＥＬＬＬ（配列番号３４）
このアミノ酸配列を全て使用すると合成が困難な可能性があることから、分割して複数の環としてもよい。例えば、そのアミノ酸配列の中にＣを複数個含む場合、もともとＣ－Ｃ間が結合して環を形成している可能性が高い。そのため、そのような元々の形状にできる限り近づけるため、Ｃの位置を基準として分割して４０ｍｅｒ未満とすることが好ましい。
例えば、このＥＣＬ－２に含まれる３つのＣをＮ末端側から１ｓｔＣ、２ｎｄＣ、３ｒｄＣとすると、図１０の（ｂ）～（ｇ）に示すように、何れか２つのＣの間の配列を分割することができる。なお、図１０の例においては、Ｃ（ＧＣＧ）を挿入して結合させるようにしてあるため、配列途中のＣはＭに置換してある。例えば、図１０の（ｂ）に示すように１ｓｔＣと３ｒｄＣとの間の配列を分割することができる（配列番号３５，３６）。又は図１０の（ｃ）及び（ｄ）に示すように１ｓｔＣと２ｎｄＣとの間の配列（配列番号３７，３８）又は２ｎｄＣと３ｒｄＣと間の配列（配列番号３９，４０）をそれぞれ分割するパターンも可能である。或いは、ＥＣＬ－２のＣが、ＥＣＬ－１の付け根のＣと結合した場合を想定して、図１０の（ｅ）に示すように１ｓｔＣからＮ末端側の配列と１ｓｔＣからＣ末端側の配列とに分割してもよい（配列番号４１，４２）。また、１ｓｔＣからＮ末端側を有する環には１ｓｔＣのＣ末端側にＭＧＧＧを付加し、１ｓｔＣからＣ末端側を有する環には１ｓｔＣのＮ末端側にＭＧＧＧを付加してもよい。同様に、図１０の（ｆ）及び（ｇ）に示すように、それぞれ２ｎｄＣ又は３ｒｄＣをそれぞれ基準としてそのＮ末端側とＣ末端側の配列とに分割するパターンも可能である（（ｆ）：配列番号４３，４４、（ｇ）：配列番号４５，４６）。分割した両方の環を使用してもよいし、片方のみ使用してもよい。
更なる実施形態においては、図１１の（ａ）に示すように、第１のＥＣＲ４が複数種の細胞外領域由来の配列を含んでもよいし、又は図１２の（ａ）に示すように第２のＥＣＲペプチド６が複数種の細胞外領域由来の配列を含んでもよい。
例えば図１１の（ａ）に示すように第１のＥＣＲ４に２種の細胞外領域を用いる場合、２種の細胞外領域を感応膜３に固定する。各々に先に説明した固定用ペプチドを結合してそれぞれ感応膜に固定することも可能であるが、下記配列：
ＧＧＧ－ＲＧＡＧＡＧＡＲ－ＧＧＧ（配列番号４７）
の両端に細胞外領域を１種類ずつ連結してもよい。ＥＣＬを用いる場合は、上記と同様にマレイミド等の結合子を介して結合してもよい。細胞外末端を用いる場合は、配列番号４７と連結したアミノ酸配列を合成すればよい。例えば図３に示すような３つのＥＣＬと１つの細胞外Ｃ末端を含む膜貫通受容体を用いる場合は、図１１の（ｃ）に示すように、６通りの組み合わせが考えられる。
また、図１２の（ａ）に示すように、例えば第２のＥＣＲ６に２種の細胞外領域を用いることもできる。その場合、２種の細胞外領域を液相５内に添加する。各々個別に添加してもよいが、図１２の（ｂ）に示すように２種を連結して添加してもよい。その場合、必要に応じてマレイミド等の結合子及び／又はＧＧＧ等を介して結合させることができる。例えば図３に示すような３つのＥＣＬと１つの細胞外Ｃ末端を含む膜貫通受容体を用いる場合は、図１２の（ｃ）に示すように、６通りの組み合わせが考えられる。
どの細胞外領域を第１のＥＣＲ４又は第２のＥＣＲ６に用いるかは、例えば文献など過去の知見から決定してもよい。例えば、標的物質１０と結合することが知られている部分を用いることが好ましい。又は実験によって標的物質１０の検出感度が良好な組み合わせを検証することで決定してもよい。又は含まれるアミノ酸の種類や形状によって水溶性のものを第２のＥＣＲ６、疎水性のものを第１のＥＣＲ４とすることもまた好ましい。
以下、ケミカルセンサ１の他の構成について説明する。
（基板）
基板２は、例えば、矩形の板状である。基板２は、例えば、シリコン、ガラス、セラミックス又は高分子材料等である。基板２は、例えば、感応膜３側の表面に絶縁膜を備えてもよい。絶縁膜は、例えば、酸化シリコン、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、高分子材料等である。
（感応膜）
感応膜３は、該感応膜３に結合している物質の構造や電荷の状態などが変化した際にその物性、例えば電気抵抗が変化する物質からなる。感応膜３は、グラフェンであることが好ましいが、例えば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）若しくは二セレン化タングステン（ＷＳｅ２）等の他の二次元材料からなってもよい。或いは感応膜の代わりにカーボンナノチューブやＩＳＦＥＴ等を用いてもよい。
感応膜３がグラフェンである場合、炭素原子１個分の厚さを有する単層のグラフェン膜又は複数層のグラフェン膜であってもよい。感応膜３の大きさは、限定されるものではないが、例えば、幅約５～１００μｍ、長さ約５～１００μｍとすることができる。あるいは、例えば幅約１００～５００ｎｍ、長さ約２００ｎｍ程のナノリボン状とすることもできる。
また、感応膜３の表面は、夾雑物又は標的物質１０が直接感応膜３に結合しないようにブロッキングされていることが好ましい。例えば、金属酸化物（Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２等）、タンパク質、有機分子、脂質膜、ペプチド等のブロッキング試薬で感応膜３表面を被覆することでブロッキングすることができる。ブロッキング試薬は検体の種類等によって適切なものを用いればよいが、例えば、標的物質１０と同じ物質であってもよい。例えば、標的物質１０がリモネンである場合、リモネンで感応膜３に対するリモネンの非特異吸着をブロッキングすることも可能である。
ブロッキングは例えば次のように行うことができる。まず、感応膜３上に緩衝液、例えば１ｍＭのＨＥＰＥＳを滴下し、感応膜３の物性の変化のモニタリングを開始する。ＦＥＴの構成であれば、ゲート電圧とドレイン電圧とを印加してドレイン電流を測定開始する。次にブロッキング試薬を含む溶液で緩衝液を置換することでブロッキング試薬を感応膜３上に添加し、１分程放置する。ブロッキング試薬が感応膜３に付着すると感応膜３の物性が変化するため、ブロッキング試薬を含む溶液での置換を物性の変化がなくなるまで繰り返し行うことでブロッキングが完了する。
（液相）
液相５は、感応膜３上に配置される液体であり、例えば、水、生理水、イオン液体、緩衝液等である。ペプチドの結合能力を損なわない範囲で有機溶媒を含有していても構わない。液相５の厚さは、特に制約はないが、例えば数ｍｍ程度である。
（電極）
第１電極７及び第２電極８の材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属、或いは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ＩＧＺＯ、導電性高分子等の導電性物質である。
（絶縁体）
絶縁体９は、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリジメチルシロキサン、フッ素樹脂等の高分子物質、又は、酸化シリコン、窒化ケイ素、酸化アルミニウム等の無機絶縁膜などから形成され得る。
基板２、第１電極７、第２電極８及び絶縁体は、半導体プロセスによって製造することができる。
ケミカルセンサ１の感応膜３の物性の変化を検出する機構は、図１の構成に限られるものではなく、例えば、他の電荷検出素子、例えば表面プラズモン共鳴素子（ＳＰＲ）、表面弾性波（ＳＡＷ）素子、圧電薄膜共振（ＦＢＡＲ）素子、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）素子、又はＭＥＭＳカンチレーバー素子等を用いることも可能である。
更なる実施形態において、１つの感応膜３及びその物性の変化を検出する構成を１つの単位、即ち１つのセンサ素子とし、複数のセンサ素子を備えるケミカルセンサが提供される。複数のセンサ素子間で互いに異なる種類の膜貫通受容体に由来する第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６が用いられ、互に異なる種類の標的物質１０を検出することができる。
図１３に示すように、複数のセンサ素子を備えるケミカルセンサ１００は、膜貫通受容体Ａに由来する第１のＥＣＲペプチド４Ａ及び第２のＥＣＲペプチド６Ａを備えるセンサ素子２０Ａと、膜貫通受容体Ｂに由来する第１のＥＣＲペプチド４Ｂ及び第２のＥＣＲペプチド６Ｂを備えるセンサ素子２０Ｂと、膜貫通受容体Ｃに由来する第１のＥＣＲペプチド４Ｃ及び第２のＥＣＲペプチド６Ｃを備えるセンサ素子２０Ｃと、膜貫通受容体Ｄに由来する第１のＥＣＲペプチド４Ｄ及び第２のＥＣＲペプチド６Ｄを備えるセンサ素子２０Ｄとを備える。各センサ素子２０Ａ～２０Ｄは、感応膜３の物性の変化を個別に検出できるように構成されている。なお、各センサ素子のソース電極とドレイン電極は、それぞれ配線に繋がっていて、それらの配線は電極端子に繋がっている。電極端子には、例えばボンディングワイヤーが繋がっていて、ボンディングワイヤーは、電圧電流回路に繋がっている。
各センサ素子２０の液相５は隣り合うセンサ素子２０から隔離されている。液相５が隔離されることで、第２のＥＣＲペプチド６が他のセンサ素子２０と混合するのを防止する。あるいは、第二のＥＣＲペプチド６は複数のセンサ素子２０用のものを混合して使っても構わない。この場合には、液相５を隔離する必要はない。
１つのケミカルセンサ１００に搭載されるセンサ素子２０の数、種類、配置等は図３に示されるものに限定されるものではない。例えば、１つのケミカルセンサに１０個程度のセンサ素子２０を搭載し、半数程度のセンサ素子に第１のＥＣＲペプチド４を固定することによって、第１のＥＣＲペプチド４を固定したセンサ素子と、第１のＥＣＲペプチド４を固定しなかったセンサ素子との信号の差から、標的物質の有無を正確に判断することができる。あるいは特定の種類のセンサ素子２０を複数個備えてもよい。
このようなケミカルセンサ１００によれば１種類の検体から複数種類の標的物質１０を検出することができる。例えば、特定の匂いに含まれる複数の標的物質１０を検出対象とする使い方も可能である。
・標的物質検出方法
以下に実施形態のケミカルセンサ１を用いる標的物質１０検出方法について説明する。当該検出方法は、検体中の標的物質１０を検出する方法である。
検体は例えば気体であり、例えば、大気、呼気、又は生体や物体等の分析対象から発生する気体、或いは分析対象の周辺の空気等である。気体検体中の標的物質１０は、例えば、アルコール類、エステル類又はアルデヒド類等の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）であり、例えば、匂い物質又はフェロモン物質等であってもよい。標的物質１０は、例えば、疎水性の物質である。
検体は液体であってもよく、例えば血液、血清、血漿、血球、尿、便、汗、唾液、喀痰、リンパ液、髄液、涙液、母乳、羊水、精液、細胞抽出物又は組織抽出物或いはそれらの混合物等の生体由来の液体であってもよい。或いは、検体は、土壌、河川水、海水或いはそれらの混合物等の環境由来の検体であってもよい。又は食料品、化粧品又は工業用品等に由来する液体であってもよい。
実施形態の標的物質１０検出方法は、例えば図１４に示すように次の工程を含む。
当該標的物質１０検出方法は、例えば、以下の工程を含む：
検体をケミカルセンサの液相に取り込むこと（検体取り込み工程Ｓ１）、
感応膜の物性の変化を検出すること（検出工程Ｓ２）、及び
前記検出の結果から、検体中の標的物質１０の有無又は量を判定すること（判定工程Ｓ３）。
以下、上記各工程の手順ついて具体例を説明する。
（検体取り込み工程Ｓ１）
例えば検体が気体である場合は、検体をケミカルセンサ１の液相５に接触させることで液相５に取り込む。接触は、例えば、図１５に示すようにバブリングを用いる検体取込装置２００を用いて行うことができる。検体取込装置２００は、緩衝溶液を貯蔵する緩衝溶液供給タンク２０１と、気相液相取り込み部２０２とを備える。緩衝溶液供給タンク２０１と、気相液相取り込み部２０２とは、流路２０３で連結されており、緩衝溶液供給タンク２０１から新しい緩衝液が気相液相取り込み部２０２に供給される。流路２０３はポンプ２０４と弁２０５とを備え得る。気相液相取り込み部２０２は、容器と、当該容器内の緩衝液に検体（例えば匂い雰囲気）を送るための雰囲気捕集口２０６を備えた流路２０７、及び容器内の気体を排気する流路２０８を含む。容器内では、流路２０７から供給される検体雰囲気が緩衝液内でバブリングされ、緩衝液に内に標的物質１０が取り込まれる。この緩衝液は容器に取り付けられた流路２０９を介してケミカルセンサ１に送られる。流路２０９は例えば弁２１０とポンプ２１１とを備え得る。また、気相液相取り込み部２０２は、容器に取り付けられた排液流路２１２を備え、そこから余分な液体を排液する。排液流路２１２は弁２１３を備え得る。
あるいは図１６に示す検体取込装置２２０を用いることもあ可能である。検体取込装置２２０は、上記バブリングを行う気相液相取り込み部２０２に代えて、多孔質膜を備える気相液相取り込み部２２１を備える。気相液相取り込み部２２１は、図１７に示すように、流路チップ２２２と流路チップの蓋２２３とその間に挟まれた多孔質膜２２４とを備える。流路チップ２２２には、緩衝溶液供給タンク２０１からの流路２０３と連結する溶媒入口２２５と、ケミカルセンサに続く流路２０９と連結された溶液出口２２６と、溶媒入口２２５から溶液出口２２６までをつなぐ流路２２７とが形成されている。蓋２２３には、検体を取り込む流路２０７と連結する検体雰囲気入口２２８と、気体を排気する流路２０８と連結する気体排出口２２９と、流路２２７に合わせて対応する形状に掘られた深さ１～２ｍｍ程の溝２３０と、流路チップ２２２と接触する部分に取り付けられた弾性体２３１（例えばゴム）とを備える。多孔質膜２２４として、例えば、多孔質のポリマー材料、例えば、ＰＴＦＥ又はポリアミド等を用いることができる。
検体取込装置２２０では、溶媒入口２２５から流路２２７に緩衝液を流入させ、検体雰囲気入口２２８から検体雰囲気を取り込むことで、流路２２７で多孔質膜２２４を介して緩衝液中に標的物質１０が取り込まれる。この緩衝液は溶液出口２２６に取り付けられた流路２０９を介してケミカルセンサ１に送られる。
流路２２７は、検体雰囲気と緩衝液との接触時間を増やし、且つ非接触する比表面積を大きくするため、図１８に示すように、扁平で蛇行した流路とすることが好ましい。
なお、ケミカルセンサ１は消耗部品であってもよく、その場合、ケミカルセンサ１は、例えば上記検体取込装置等を備えるセンサ装置全体から着脱可能となっていた方が好ましい。例えば図１９に示すように、カートリッジ基板３００上に、ケミカルセンサ３０２が形成されたセンサチップ３０１を実装する。更に、液相５及び検体を取り込んだ液相５が流れる配管３０３（例えば、図１５，１６の流路２０９）にセンサ露出窓３０５が設けられている。センサ露出窓３０５は開口であり、そこにケミカルセンサ１が露出するようにセンサカートリッジを着脱できる。また、センサ露出窓３０５の下流の配管３０６は液体を排出する排液口（図示せず）と連結している。
検体が液体である場合は、検体を液相５上に滴下することにより液相５に取り込む。本方法において、ケミカルセンサ１は標的物質１０を結合する膜貫通受容体に由来する第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６を備える。そのため、図２で説明した通り標的物質１０は液相５中に存在する第２のＥＣＲペプチド６に結合し、更に感応膜３に固定されている第１のＥＣＲペプチド４に結合する。それによって標的物質１０が第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６に挟まれた状態で感応膜３に結合する。この結合によって感応膜３の物性が変化する。物性とは、例えば、感応膜３の電気抵抗等である。
一方、第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６は標的物質１０と特異的に結合するものであるため、標的でない物質（夾雑物）は感応膜３に結合しない。そのため、夾雑物が感応膜３の物性の変化に影響を与えることが防止される。
（検出工程Ｓ２）
次に、感応膜３の物性の変化を検出する。例えば、感応膜３の物性の変化を電気的信号の変化に変換する機構によって当該検出を行う。電気的信号は、例えば、電流値、電位値、電気容量値又はインピーダンス値等である。電気的信号の変化とは、例えば、電気的信号の増加、減少、消失、又は特定時間内での積算値の変化等である。図１に示すＦＥＴの構成を用いる場合、物性の変化はドレイン電流値の変化等として検出することができる。
（判定工程Ｓ３）
次に、検出の結果から検体中の標的物質１０の有無又は量を判定する。例えば、電気的信号の変化が生じた場合、或いは信号の変化量又は変化率が閾値よりも大きい場合等に検体に標的物質１０が存在すると判断することができる。閾値は、例えば、標的物質１０が含まれていることが知られている検体をケミカルセンサの分析に供して電気的信号の変化値を得ることなどによって得ることができる。また濃度既知の標的物質１０を用いて、標的物質１０の濃度に対する変化量又は変化率の検量線を作成し、それと照らし合わせることによって標的物質１０の量を判定してもよい。一方、変化が起きない場合或いは信号の変化量又は変化率が閾値よりも小さい場合に標的物質１０が存在しないと判断してもよい。
以上に説明した工程により、検体中の標的物質１０を特異的かつ高感度に検出することができる。
本方法によれば、膜貫通受容体の複数の細胞外領域を第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６として使用すること、及びＥＣＬを環状化して使用することにより、複数の細胞外領域によってリガンドを取り囲んで捕捉する膜貫通受容体の本来の立体構造が再現され、受容体が本来持っている強いアフィニティと選択性及び特異性とを実現することができる。
また、例えば標的物質１０が低分子であるために直接感応膜３に結合しても感応膜３の物性変化に与える影響がわずかである場合がある。本方法によれば、第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６と結合することにより、全体として感応膜３に結合する物体の分子量が増大するため、より感応膜３の物性の変化が大きくなり、より感度よく検出することができる。
更に、環状化したＥＣＬのつなぎ目に例えばシステインを挿入することにより、細胞外配列が外側を向いた形状で二量体化することで、標的物質１０に対する捕捉能が向上し、検出感度を更に向上させることが可能である。
複数種類のセンサ素子２０を備えるケミカルセンサ１００を用いる場合、上記検体取り込み工程Ｓ１～判定工程Ｓ３を同様に行えばよい。ただし、検出工程Ｓ２においては、感応膜３の物性の変化を各センサ素子２０から個別に検出する。また判定工程Ｓ３においては、個別に得られた検出結果から、センサ素子２０毎に、対応する標的物質１０の有無又は量を判定する。その後、標的物質１０が存在すると判定されたセンサ素子２０の種類（即ち、そこに固定された第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６の由来となる膜貫通受容体の種類）、個数及び／又は比から、検体に含まれる複数の標的物質１０の組成比を明らかにすることができる。
例えば、組成比からその標的物質１０集団の種類を特定してもよい。例えば、特定の匂いは複数種の標的物質１０が特定の組成比で含まれ得る。したがって、ある匂いを特定の組成比の標的物質１０集団として結び付けることで、上記方法によって匂いの有無又は量を判定してもよい。また、匂いと匂いを発する原因（例えば飲食物、麻薬又は疾患を有する対象等）とを予め結び付けておき、このような検出によって匂いを発する原因を特定することも可能である。標的物質１０集団の種類と結びつける対象は匂いに限定されるものではなく、例えば、検体の状態、又は検体を提供する生体の健康状態などであってもよい。
・標的物質検出装置
検出方法は、各工程を自動的に行う検出装置によって行われてもよい。図２０に示す通り、検出装置５００は、例えば、ケミカルセンサ１を含み感応膜３の物性の変化を電気的信号の変化に変換する検出部５１０と、ケミカルセンサ１の液相５に検体を取り込む検体導入部５２０と、検出部５１０から得られた電気的信号の情報を処理することで標的物質１０の有無又は量を判定する処理部５３０とを含む。
検体導入部５２０は、例えば気体の検体を想定する場合、外部から検体を取り込む検体取り込み口５２１（雰囲気捕集口２０６）と、液相タンク（緩衝溶液供給タンク）２０１と、気相液相取り込み部２０２，２２１と、その際に検体気体を排気する排気口５２３（必要であれば、排気を排気孔５２３に送る送風機５２２）を備える。これらは、図１５，１６に示す検体取込装置２００又は２２０であってもよい。液体の検体を想定する場合、図示しないが、例えば検体を収容する液密な容器と、容器から検体をケミカルセンサ１の液相５上に送る流路又はピペット等を備える。
検出部５１０は、例えばケミカルセンサ１と、ケミカルセンサ１に電圧を印加する電圧印加回路５１１と、感応膜３の物性の変化を電気的信号として測定するための電流計測回路５１２とを備える。更に、検出部は検出後の液相５又は余剰の液相５を排出する排液口５１４に液相を送るポンプ５１３を備えてもよい。
処理部５３０は、例えば記憶装置５３１と処理装置５３２とを備える。記憶装置５３１は、例えばメモリであり、電流計５１２からの計測値、計測値の閾値、検量線、計測値から標的物質１０の有無又は量の判定を行うために用いられる計算式及び判定結果、並びに判定を行うためのプログラム及び各部の操作を自動で行うためのプログラム等を記憶する。処理装置５３２は、例えばＣＰＵ等であり、プログラムに基づいて標的物質１０の有無又は量の判定を行い、また各部に命令を送る。
各部は例えばバス５４０により互いに電気的に接続されている。
検出装置５００は、パラメータを入力する入力部、及び判定結果を出力する表示部等を更に備えてもよい。
［例］
以下、実施形態のケミカルセンサを製造し、使用した例について説明する。
次の２種類のグラフェン膜を備えるグラフェンＦＥＴセンサ素子を製造した：
（１）第１のＥＣＲペプチド４を固定し、リモネンを吸着したグラフェン膜×２、及び
（２）第１のＥＣＲペプチド４を固定せず、リモネンを吸着したグラフェン膜×２。
リモネンの吸着は次のように行った。まずグラフェン膜上にＨＥＰＥＳ１ｍＭを滴下し、ゲート電圧３５０ｍＶでドレイン電流を測定開始した。次に、ドレイン電流を測定しながらリモネン１０μＭ溶液（ＨＥＰＥＳ１ｍＭ水溶液＋１％ＤＭＳＯ）に置換して１分放置した。これを置換時のドレイン電流変化がなくなるまで繰り返した。
（１）の第１のＥＣＲペプチド４の固定は次のように行った。グラフェン膜上の液体を純水に置換した後、［３－マレイミドプロパノイル］－ＧＧＧ－ＲＧＡＧＡＧＡＲの５００ｎＭ溶液（水溶液）に置換した。その後、１時間放置することでグラフェン膜上に［３－マレイミドプロパノイル］－ＧＧＧ－ＲＧＡＧＡＧＡＲの自己組織化膜を形成させた。次いでグラフェン膜上の液体を純水に置換した後、ＯＲ１９ａのＥＣＬ－１（配列番号８）を環状化したペプチドの５００ｎＭ溶液（０．５％ＤＭＳＯ水溶液、５０μＭのＴＣＥＰを含む）で置換した。１０分後、ゲート電圧印加とドレイン電流測定を終了した。このまま一晩放置して、マレイミドとチオールとを結合させた。
次に上記（１）の一方のグラフェンＦＥＴセンサ素子（実施例１）において次の処理を行った。余剰の第１のＥＣＲペプチド４を除去するために感応膜３上の液体をＨＥＰＥＳ１ｍＭに置換後、更に第２のＥＣＲペプチド６の１μＭ溶液（ＨＥＰＥＳ１ｍＭ、２％ＤＭＳＯ含む）に置換して液相を形成した。第２のＥＣＲペプチド６としてＯＲ１９ａのＥＣＬ－２（配列番号１１）を環状化したペプチドを用いた。ゲート電圧を０～７００ｍＶの間で走査しながらドレイン電流を測定して、電荷中性点を測定した。次に、ゲート電圧を電荷中性点電圧から２００ｍＶ低い値に設定して、ドレイン電流測定を開始した。
続いて、１０ｎＭ、１００ｎＭ、１μＭ、１０ｕＭの濃度でリモネンをそれぞれ含む第２のＥＣＲペプチド６の１μＭ溶液（ＨＥＰＥＳ１ｍＭ、２％ＤＭＳＯ含む）で液相を順次置換し、ドレイン電流値の変化を測定した。なお、各濃度のリモネンを含む溶液を添加する前に、リモネンを含まない溶液で一度液相を置換してリフレッシュした。
また、（２）のグラフェン膜の一方も第２のＥＣＲペプチド６を含む溶液を用いて同様にリモネンの検出を行った（比較例１）。
（１）のグラフェン膜の他方は第２のＥＣＲペプチド６を含まない溶液を含まないリモネン含有溶液を用いて同様にリモネンの検出を行った（比較例２）。また、（５）のグラフェン膜の一方も第２のＥＣＲペプチド６を含まない溶液を含まないリモネン含有溶液を用いて同様にリモネンの検出を行った（比較例３）。なお、比較例１～３においては、リモネン濃度１０ｎＭにおいても実験を行った。
実施例１の時間（ｓ）に対するドレイン電流値の変化を図２１に示す。リモネンを含む溶液を添加した際にドレイン電流値の変化（低下）が見られた。また、リモネンを含まない溶液を添加した際に電流値が元の値に戻ることが確認された。
一方、比較例３の時間（ｓ）に対するドレイン電流値の変化を図２２に示す。リモネンの有無に関わらず、ドレイン電流値は時間とともに低下していった。したがってリモネンを検出することができなかった。なお、リモネン１０ｎＭを添加した際にドレイン電流値が僅かに低下しているが、次の置換の前にベースラインに戻っているため、これはピペッティングのノイズと推定される。
また、各例のリモネンの濃度（Ｍ）に対する検出されたドレイン電流変化率（％）を図２３、表２に示す。
Figure 0007467378000002
実施例２ではいずれのリモネンの濃度でもドレイン電流値が最も高く、最も感度よくリモネンを検出できることが明らかとなった。特に１Ｅ－８（１０ｎＭ）、１Ｅ－７（１００ｎＭ）のリモネンが検出できたのは実施例１だけであった。なお、１Ｅ－６が１Ｅ－７に比べてドレイン電流変化率が大きくなっていない理由は、リモネンの濃度が第二のＥＣＲペプチド６と同濃度となってしまったため、第一のＥＣＲペプチドと第二のＥＣＲペプチドの双方にリモネンが結合してしまい、サンドイッチ状の結合を形成することが阻害されたためと推定される。比較例１は１Ｅ－６より高い濃度で、濃度に応じた電流値の変化が見られたが実施例１と比較すると感度が低い結果となった。比較例２及び比較例３ではいずれの濃度においても電流変化率が０％であった。
したがって、第１のＥＣＲペプチド４及び第２のＥＣＲペプチド６の両方を用いることで、非常に感度よく標的物質を検出できることが示唆された。
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。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
検体中の標的物質を検出するケミカルセンサであって、
感応膜と、
前記感応膜上に固定された膜貫通受容体の第１の細胞外領域ペプチドと、
前記感応膜上に配置された液相と、
前記液相内に含まれた前記膜貫通受容体の第２の細胞外領域ペプチドと
を含むケミカルセンサ。
［２］
前記感応膜の一方の端に接続する第１電極と、他方の端に接続する第２電極とを更に備え、前記感応膜はグラフェンからなる、［１］に記載のケミカルセンサ。
［３］
前記膜貫通受容体は複数の細胞外領域を含み、
前記第１の細胞外領域ペプチド及び前記第２の細胞外領域ペプチドは、前記膜貫通受容体の互いに異なる前記細胞外領域の少なくとも一部のアミノ酸配列をそれぞれ含む、［１］又は［２］に記載のケミカルセンサ。
［４］
前記細胞外領域は、細胞外ループ又は細胞外末端であり、
前記第１の細胞外領域ペプチド及び前記第２の細胞外領域ペプチドは、
環状化された前記細胞外ループの少なくとも一部のアミノ酸配列を含むか、
直鎖状の前記細胞外末端の少なくとも一部のアミノ酸配列を含む、［３］に記載のケミカルセンサ。
［５］
前記少なくとも一部のアミノ酸配列は、４０ｍｅｒ未満である、［３］又は［４］に記載のケミカルセンサ。
［６］
複数の前記感応膜を備え、前記液相は前記複数の感応膜ごとに隔離されており、前記第１の細胞外領域ペプチドと前記第２の細胞外領域ペプチドとは、複数の前記感応膜間で互いに異なる膜貫通受容体に由来する、［１］～［６］の何れか１つに記載のケミカルセンサ。
［７］
［１］～［６］の何れか１つに記載のケミカルセンサと、
前記感応膜の物性の変化を電気的信号の変化に変換する検出部と、
前記ケミカルセンサの前記液相に前記検体を取り込む検体導入部と、
前記検出部から得られた前記電気的信号の情報を処理することで前記検体中の標的物質の有無又は量を判定する処理部と
を備える、検出装置。
［８］
ケミカルセンサを用いて検体中の標的物質を検出する検出方法であって、
前記ケミカルセンサは、感応膜と、前記感応膜上に固定された膜貫通受容体の第１の細胞外領域ペプチドと、前記感応膜上に配置された液相と、前記液相内に配置された前記膜貫通受容体の第２の細胞外領域ペプチドとを含み、
当該検出方法は、
前記ケミカルセンサの前記液相に前記検体を取り込むこと、
前記感応膜の物性の変化を検出すること、及び
前記検出の結果から、前記検体中の前記標的物質の有無又は量を判定することを含む検出方法。
［９］
前記検体の取り込み後、前記標的物質は、前記第１の細胞外領域ペプチドと第２の細胞外領域ペプチドとに挟まれた状態で前記感応膜に結合する、［８］に記載の方法。
［１０］
［８］又は［９］に記載の検出方法に用いるための検出装置であって、
前記ケミカルセンサを備え、前記感応膜の物性の変化を電気的信号の変化に変換する検出部と、
前記ケミカルセンサの前記液相に前記検体を取り込む検体導入部と、
前記検出部から得られた前記電気的信号の情報を処理することで前記検体中の標的物質の有無又は量を判定する処理部と
を備える、検出装置。
［１１］
前記ケミカルセンサは、
前記感応膜と、
前記感応膜上に固定された膜貫通受容体の第１の細胞外領域ペプチドと、
前記感応膜上に配置された液相と、
前記液相内に含まれた前記膜貫通受容体の第２の細胞外領域ペプチドと
を備える、［１０］に記載の検出装置。
［１２］
前記ケミカルセンサは、前記感応膜の一方の端に接続する第１電極と、他方の端に接続する第２電極とを更に備え、前記感応膜はグラフェンからなる、［１１］に記載の検出装置。
［１３］
前記膜貫通受容体は複数の細胞外領域を含み、
前記第１の細胞外領域ペプチド及び前記第２の細胞外領域ペプチドは、前記膜貫通受容体の互いに異なる前記細胞外領域の少なくとも一部のアミノ酸配列をそれぞれ含む、［１１］又は［１２］に記載の検出装置。
［１４］
前記細胞外領域は、細胞外ループ又は細胞外末端であり、
前記第１の細胞外領域ペプチド及び前記第２の細胞外領域ペプチドは、
環状化された前記細胞外ループの少なくとも一部のアミノ酸配列を含むか、
直鎖状の前記細胞外末端の少なくとも一部のアミノ酸配列を含む、［１３］に記載の検出装置。
［１５］
前記少なくとも一部のアミノ酸配列は、４０ｍｅｒ未満である、［１３］又は［１４］に記載の検出装置。
［１６］
前記ケミカルセンサは複数の前記感応膜を備え、前記液相は前記複数の感応膜ごとに隔離されており、前記第１の細胞外領域ペプチドと前記第２の細胞外領域ペプチドとは、複数の前記感応膜間で互いに異なる膜貫通受容体に由来する、［１１］～［１５］の何れか１つに記載の検出装置。
１…ケミカルセンサ、２…基板、３…感応膜、
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ…第１のＥＣＲペプチド、
５…液相、
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ…第２のＥＣＲペプチド、
７…第１電極、８…第２電極、９…絶縁体、１０…標的物質、
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ…センサ素子、
１００…ケミカルセンサ、
５００…検出装置、５１０…検出部、５２０…検体導入部、
５３０…処理部、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ…膜貫通受容体。

Claims (14)

  1. 検体中の標的物質を検出するケミカルセンサであって、
    感応膜と、
    前記感応膜上に固定された膜貫通受容体の第１の細胞外領域ペプチドと、
    前記感応膜上に配置された液相と、
    前記液相内に含まれた前記膜貫通受容体の第２の細胞外領域ペプチドとを含み、
    かつ前記細胞外領域は、細胞外ループであり、
    前記第１の細胞外領域ペプチド及び前記第２の細胞外領域ペプチドは、環状化された前記細胞外ループの少なくとも一部のアミノ酸配列を含むケミカルセンサ。
  2. 前記感応膜の一方の端に接続する第１電極と、他方の端に接続する第２電極とを更に備え、前記感応膜はグラフェンからなる、請求項１に記載のケミカルセンサ。
  3. 前記膜貫通受容体は複数の細胞外領域を含み、
    前記第１の細胞外領域ペプチド及び前記第２の細胞外領域ペプチドは、前記膜貫通受容体の互いに異なる前記細胞外領域の少なくとも一部のアミノ酸配列をそれぞれ含む、請求項１又は２に記載のケミカルセンサ。
  4. 前記少なくとも一部のアミノ酸配列は、４０ｍｅｒ未満である、請求項３に記載のケミカルセンサ。
  5. 複数の前記感応膜を備え、前記液相は前記複数の感応膜ごとに隔離されており、前記第１の細胞外領域ペプチドと前記第２の細胞外領域ペプチドとは、複数の前記感応膜間で互いに異なる膜貫通受容体に由来する、請求項１～４の何れか１項に記載のケミカルセンサ。
  6. 請求項１～５の何れか１項に記載のケミカルセンサと、
    前記感応膜の物性の変化を電気的信号の変化に変換する検出部と、
    前記ケミカルセンサの前記液相に前記検体を取り込む検体導入部と、
    前記検出部から得られた前記電気的信号の情報を処理することで前記検体中の標的物質の有無又は量を判定する処理部と
    を備える、検出装置。
  7. ケミカルセンサを用いて検体中の標的物質を検出する検出方法であって、
    前記ケミカルセンサは、感応膜と、前記感応膜上に固定された膜貫通受容体の第１の細胞外領域ペプチドと、前記感応膜上に配置された液相と、前記液相内に配置された前記膜貫通受容体の第２の細胞外領域ペプチドとを含み、かつ前記細胞外領域は、細胞外ループであり、前記第１の細胞外領域ペプチド及び前記第２の細胞外領域ペプチドは、環状化された前記細胞外ループの少なくとも一部のアミノ酸配列を含み、
    当該検出方法は、
    前記ケミカルセンサの前記液相に前記検体を取り込むこと、
    前記感応膜の物性の変化を検出すること、及び
    前記検出の結果から、前記検体中の前記標的物質の有無又は量を判定することを含む検出方法。
  8. 前記検体の取り込み後、前記標的物質は、前記第１の細胞外領域ペプチドと第２の細胞外領域ペプチドとに挟まれた状態で前記感応膜に結合する、請求項７に記載の方法。
  9. 請求項７又は８に記載の検出方法に用いるための検出装置であって、
    前記ケミカルセンサを備え、前記感応膜の物性の変化を電気的信号の変化に変換する検出部と、
    前記ケミカルセンサの前記液相に前記検体を取り込む検体導入部と、
    前記検出部から得られた前記電気的信号の情報を処理することで前記検体中の標的物質の有無又は量を判定する処理部と
    を備える、検出装置。
  10. 前記ケミカルセンサは、
    前記感応膜と、
    前記感応膜上に固定された膜貫通受容体の第１の細胞外領域ペプチドと、
    前記感応膜上に配置された液相と、
    前記液相内に含まれた前記膜貫通受容体の第２の細胞外領域ペプチドと
    を備える、請求項９に記載の検出装置。
  11. 前記ケミカルセンサは、前記感応膜の一方の端に接続する第１電極と、他方の端に接続する第２電極とを更に備え、前記感応膜はグラフェンからなる、請求項１０に記載の検出装置。
  12. 前記膜貫通受容体は複数の細胞外領域を含み、
    前記第１の細胞外領域ペプチド及び前記第２の細胞外領域ペプチドは、前記膜貫通受容体の互いに異なる前記細胞外領域の少なくとも一部のアミノ酸配列をそれぞれ含む、請求項１０又は１１に記載の検出装置。
  13. 前記少なくとも一部のアミノ酸配列は、４０ｍｅｒ未満である、請求項１２に記載の検出装置。
  14. 前記ケミカルセンサは複数の前記感応膜を備え、前記液相は前記複数の感応膜ごとに隔離されており、前記第１の細胞外領域ペプチドと前記第２の細胞外領域ペプチドとは、複数の前記感応膜間で互いに異なる膜貫通受容体に由来する、請求項１０～１３の何れか１項に記載の検出装置。
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