JPWO2012147249A1 - バイオセンサデバイス - Google Patents

Abstract

小型化およびポータブル化が可能で、液流出の問題がなく、正確かつ安定的に検出可能なバイオセンサデバイスを実現する。人工脂質膜を有するバイオセンサデバイス（３０）において、互いに反対側に位置する第１および第２の膜表面（１ａ、１ｂ）を有する人工脂質膜（１）と、第１電解液（２ａ）を人工脂質膜の第１の膜表面（１ａ）と接触した状態で封入する第１チャンバー（１１ａ）と、第２電解液（２ｂ）を人工脂質膜の第２の膜表面（１ｂ）と接触した状態で封入する第２チャンバー（１１ｂ）と、第１チャンバー（１１ａ）内で第１電解液（２ａ）と接触する第１電極（３ａ、３ａ’）と、第２チャンバー内（１１ｂ）で第２電解液（２ｂ）と接触する第２電極（３ｂ、３ｂ’）とを設け、第２チャンバー（１１ｂ）は、第２電解液（２ｂ）を封入する壁部（１０）において、少なくとも壁厚方向に亘って通気性を有するものとする。

Description

本発明は、バイオセンサデバイスに関し、より詳細には、人工脂質膜を有するバイオセンサデバイスに関する。

受容体の優れた分子認識機能を利用して、受容体を人工脂質膜に組み込んだバイオセンサが知られている（例えば特許文献１および２を参照のこと）。

従来のバイオセンサは、図１２（ａ）に示すように、概略的には、センサチップ３００を試料液３０２に浸漬して、センサチップ３００に形成した人工脂質膜３０１の膜電位を測定するバイオセンサシステム３５０として構成されている。より詳細には、センサチップ３００においては、図１２（ｂ）に示すように、複数のウェル３０８を有するシート３１０が基材３１１上に配設され、これらウェル３０８の各々に基準液３１３が充填され、基準液３１３の上に人工脂質膜３０１が形成されている。人工脂質膜３０１には、受容体として、例えば膜タンパク質３１２が組み込まれる。ウェル３０８の底部には、基準液３１３と接触するように電極３１４が形成され、電極３１４には、基材３１１の裏面側からリード線３０６が接続されている。そして、図１２（ａ）に示すように、被検出液として試料液３０２を試験槽３０３に満たし、この試料液３０２に、上記のようなセンサチップ３００を参照電極３０４と共に浸漬し、センサチップ３００のリード線３０６（絶縁体で被覆したもの）および参照電極３０４に接続された電位差測定器３０７を用いて、試料液３０２と基準液３１３との間の人工脂質膜３０１の膜電位として、電極３１４と参照電極３０４との間の電位差が測定される。かかるバイオセンサシステム３５０を用いれば、試料液３０２との接触による人工脂質膜３０１の膜電位の変化を調べることにより、試料液３０２に含まれる物質（分子）を検知し、その量を測定することができる。

特開２００５−３７２０７号公報 特開平４−２１５０５２号公報

従来のバイオセンサシステムは、図１２（ａ）を参照して上述したように、試験槽３０３に試料液３０２を満たし、これにセンサチップ３００および参照電極３０４を浸漬する構成としているため、比較的大きな装置とならざるを得ず、小型化およびポータブル化することは困難であった。そして、かかる構成では、試験槽３０３内に配置されるセンサチップ３００と参照電極３０４との距離が比較的遠くなること、センサチップ３００と参照電極３０４の設置位置がばらつき易いこと、試験槽３０３内の試料液３０２の液面レベルが変化し易い（例えば、溶媒蒸発等により低下し易い）ことなどから、膜電位を正確に安定して測定することができず、一般的に微小オーダーである膜電位の変化を検出するには十分ではなかった。更に、検出する度に、試料液３０２を試験槽３０３に満たす必要があるため、バイオセンサに係る装置を、センサチップ３００を試験槽３０３および参照電極３０４などと共同して用いるシステムの形態でしか提供できず、各構成要素が予め一体的に組み立てられたデバイスの形態では提供されていなかった。また、上記の構成をとるため、試験槽３０３の上面を開放しておく必要があることから、試験槽３０３に振動を与えたり、試験槽３０３を傾斜させたりすると、試料液３０２が試験槽３０３から流出し得るという問題もあった。

本発明は、従来のバイオセンサシステムの有する課題を解決すべくなされたものであり、小型化およびポータブル化が可能で、液流出の問題がなく、正確かつ安定的に検出可能なバイオセンサデバイスを実現することを目的とする。

本発明によれば、人工脂質膜を有するバイオセンサデバイスであって、
互いに反対側に位置する第１および第２の膜表面を有する人工脂質膜と、
第１電解液を人工脂質膜の第１の膜表面と接触した状態で封入する第１チャンバーと、
第２電解液を人工脂質膜の第２の膜表面と接触した状態で封入する第２チャンバーと、
第１チャンバー内で第１電解液と接触する第１電極と、
第２チャンバー内で第２電解液と接触する第２電極と
を含み、第２チャンバーは、第２電解液を封入する壁部において、少なくとも壁厚方向に亘って通気性を有する、バイオセンサデバイスが提供される。

本発明の上記バイオセンサデバイスを用いれば、被検出物質を第２電解液中に、第２チャンバーの通気性を有する壁部を通じて供給することができる。これにより、第１電解液および第２電解液の双方をデバイス内に（より詳細には、それぞれ第１チャンバーおよび第２チャンバー内に）予め封入しておくことが可能となる。このような本発明の装置構成は、従来のバイオセンサシステムのように、試験槽に試料液を満たし、これにセンサチップおよび参照電極を浸漬する構成とは根本的に異なるものである。本発明によれば、バイオセンサに係る装置をデバイスの形態で実現することができ、かかるバイオセンサデバイスは小型化およびポータブル化することが可能である。そして、本発明のバイオセンサデバイスによれば、第１電極および第２電極の双方をデバイス内に固定して設けて人工脂質膜の近傍に配置できること、および、第１電解液および第２電解液の双方をデバイス内に予め封入して液量の変化を防止できることから、人工脂質膜の膜電位を正確に安定して測定することができる。また、本発明のバイオセンサデバイスによれば、第１電解液および第２電解液の双方がデバイス内に予め封入されているので、液流出の問題もない。

本発明のバイオセンサデバイスでは、人工脂質膜の膜厚方向に対して垂直な方向において、第１チャンバー、第２チャンバーおよび人工脂質膜の各外形寸法が種々異なっていても、同じであってもよい。なお、本発明において、第１チャンバー、第２チャンバーおよび人工脂質膜の各部材に関し、人工脂質膜の膜厚方向に対して垂直な方向における外形寸法とは、各部材を人工脂質膜の膜厚方向から見た場合の各部材の投影寸法を言い、代表的には、各部材の投影領域の面積として理解される。

本発明のバイオセンサデバイスの１つの態様では、人工脂質膜の膜厚方向に対して垂直な方向において、第１チャンバーの外形寸法は、第２チャンバーの外形寸法より小さい。より詳細には、第１チャンバーの上記投影領域の面積が、第２チャンバーの上記投影領域の面積より小さく、好ましくは、第１チャンバーの上記投影領域が、第２チャンバーの上記投影領域内に含まれる。

本発明の上記態様によれば、バイオセンサデバイスの製造過程において、第１チャンバー内に供給された第１電解液の様子（第１電解液の供給状態）を、第２チャンバーを通じて容易に観察することができる。

本発明のバイオセンサデバイスのもう１つの態様では、人工脂質膜の膜厚方向に対して垂直な方向において、第１チャンバーの外形寸法は、第２チャンバーの外形寸法と（実質的に）同じである。より詳細には、第１チャンバーの上記投影領域の面積が、第２チャンバーの上記投影領域の面積と実質的に同じであり、好ましくは、第１チャンバーの上記投影領域と、第２チャンバーの上記投影領域とは、互いに輪郭が実質的に一致する。

本発明の上記態様によれば、第１チャンバーと第２チャンバーとの間で圧力をバランスさせることができて、人工脂質膜をより安定して保持することができる。

本発明のバイオセンサデバイスの更にもう１つの態様では、人工脂質膜の膜厚方向に対して垂直な方向において、第１チャンバーの外形寸法は、第２チャンバーの外形寸法より大きい。より詳細には、第１チャンバーの上記投影領域の面積が、第２チャンバーの上記投影領域の面積より大きく、好ましくは、第１チャンバーの上記投影領域内に、第２チャンバーの上記投影領域が含まれる。

本発明の上記態様によれば、第２電解液に含まれるイオンが、人工脂質膜を介して第１電解液へ移動する際に、第１電解液に含まれるイオン濃度の急速な変動を抑制することができる。その結果、第２電解液に十分な量のイオンが存在すれば、イオンは、第２電解液から第１電解液へ安定的に移動するので、電流検出特性を向上させることができる。

本発明のバイオセンサデバイスの好ましい態様では、人工脂質膜の膜厚方向に対して垂直な方向において、人工脂質膜の外形寸法は、第２チャンバーの外形寸法より小さい。より詳細には、人工脂質膜の上記投影領域の面積が、第２チャンバーの上記投影領域の面積より小さく、好ましくは、人工脂質膜の上記投影領域が、第２チャンバーの上記投影領域内に含まれる。

本発明の上記態様によれば、バイオセンサデバイスの製造過程において、人工脂質膜の様子（脂質液の供給状態）を、第２チャンバーを通じて容易に観察することができる。

本発明のバイオセンサデバイスの好ましい態様では、第１チャンバーと第２チャンバーとの間で人工脂質膜の端部を保持する保持部材を更に含み、保持部材の少なくとも表面が撥水性を有する。

本発明の上記態様によれば、少なくとも表面が撥水性の保持部材を用いることによって、人工脂質膜をより安定して保持することができる。

本発明の上記態様では、保持部材は１つまたは２つ以上の貫通孔を有し、貫通孔に接着剤が充填されていることがより好ましい。これにより、少なくとも表面が撥水性の保持部材を用いても、かかる保持部材を、第１チャンバーおよび第２チャンバーを規定するための部材（より詳細には、第１電解液および第２電解液をそれぞれ封入する壁部を提供するための部材）に十分に接着することができる。

本発明によれば、人工脂質膜を有するバイオセンサデバイスを、第１電解液および第２電解液ならびに第１電極および第２電極を適切に組み込んで構成しているので、小型化およびポータブル化が可能で、液流出の問題がなく、正確かつ安定的に検出可能なバイオセンサデバイスが提供される。

本発明の１つの実施形態におけるバイオセンサデバイスを示す概略断面図である。 図１の実施形態におけるバイオセンサデバイスの第２電極およびその周囲の部分拡大概略断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１の実施形態におけるバイオセンサデバイスの製造過程を示す概略断面図である。 本発明のもう１つの実施形態におけるバイオセンサデバイスを示す概略断面図である。 本発明の更にもう１つの実施形態におけるバイオセンサデバイスを示す概略断面図である。 本発明の更にもう１つの実施形態におけるバイオセンサデバイスを示す概略断面図である。 （ａ）は、図６の実施形態におけるバイオセンサデバイスの撥水性の保持部材（撥水性基材）およびその上下の基材の部分拡大概略断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’面に沿って見たときの、撥水性の保持部材（接着剤は図示せず）の上面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図７（ｂ）の撥水性の保持部材（接着剤は図示せず）の上面図に対応する図であって、撥水性の保持部材の改変例を示す図である。 本発明の実施例のバイオセンサデバイスの製造過程における基材（および熱硬化性接着シート）積層体を示す概略断面図である。 本発明の実施例のバイオセンサデバイスの製造過程における基材（および熱硬化性接着シート）積層体への液供給工程を示す図であって、（ａ）は、第１電解液の供給工程、（ｂ）は、脂質液の供給工程、（ｃ）は、第２電解液の供給工程、（ｄ）は、完成したバイオセンサデバイスを示す図である。 （ａ）は、本発明の実施例のバイオセンサデバイスの電流応答波形を示し、（ｂ）は比較例のデバイスの電流応答波形を示す。 従来のバイオセンサシステムを示す図であって、（ａ）は、バイオセンサシステムの全体概略斜視図を示し、（ｂ）は、センサチップの拡大概略断面図を示す。

本発明の様々な実施形態について、図面を参照して以下に詳述する。

本発明の１つの実施形態におけるバイオセンサデバイスは、図１に示すように、互いに反対側に位置する第１の膜表面１ａおよび第２の膜表面１ｂを有する人工脂質膜１と、第１電解液２ａを人工脂質膜１の第１の膜表面１ａと接触した状態で封入する第１チャンバー１１ａと、第２電解液２ｂを人工脂質膜１の第２の膜表面１ｂと接触した状態で封入する第２チャンバー１１ｂと、第１チャンバー１１ａ内で第１電解液２ａと接触する第１電極３ａ、３ａ’と、第２チャンバー１１ｂ内で第２電解液２ｂと接触する第２電極３ｂ、３ｂ’とを含んで構成される。

人工脂質膜１は、脂質を溶媒に分散または溶解させた脂質液を用いて形成できる。
脂質には、任意の適切な脂質を用いてよく、特に、分子中にリン酸や糖を含む複合脂質、具体的にはリン脂質、糖脂質、リポタンパク質、スルホ脂質などが好ましく、リン脂質が最も好ましい。リン脂質としては、グリセロリン脂質（例えば、ホスファチジルコリン（レシチン）、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ジフィタノイルホスファチジルコリン、ジパルミトイルホスファチジルコリンなど）およびスフィンゴリン脂質（例えばスフィンゴミエリンなど）が挙げられる。また、脂質は、単純脂質（例えば、グリセロルモノオレエート）または誘導脂質であってもよい。天然由来の脂質、例えばアゾレクチン（ダイズリン脂質）であっても、合成脂質であってもよい。合成脂質は高純度で化学的に安定なものが得やすいのでより好ましい。脂質の脂肪酸部分は、炭素数１０〜２０の飽和脂肪酸または不飽和脂肪酸であることが好ましい。このような脂質は、１種を単独で用いても、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
溶媒は、脂質に応じて適宜選択され得、一般的には有機溶媒、好ましくは飽和炭化水素が用いられる。例えばデカン、ヘキサデカン、ヘキサン、クロロホルムなどが挙げられる。このような溶媒は、１種を単独で用いても、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
溶媒に対する脂質の濃度は、溶媒１ｍＬに対して、脂質１〜５０ｍｇが好ましく、脂質４〜４０ｍｇがより好ましい。
人工脂質膜１は、脂質二分子膜であることが好ましい。人工脂質膜１の膜厚は、例えば約２〜１０ｎｍであり得る。人工脂質膜１には、被検出物質に応じて、膜タンパク質やイオンチャンネルなどの受容体（図示せず）が組み込まれ得る。

第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂは、同じ電解液であっても、異なる電解液であってもよい。電解液は、イオン性物質を極性溶媒に溶解させたものであればよく、人工脂質膜１の組成などに応じて適宜選択され得る。
イオン性物質には、例えば塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ_２ＰＯ_４）、リン酸一水素ナトリウム（Ｎａ_２ＨＰＯ_４）などを単独または組み合わせて用いることができる。
極性溶媒には、例えば水、グリセリン、糖、糖アルコール、エタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、ソルビトール、キシリトール、ジプロピレングリコール、ブチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンメチルグルコシド、マルチトール、マンニトール、グルコースなどを単独または組み合わせて用いることができる。
第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂは、浸透圧が２８０〜３３０ｍＯｓｍ／ｋｇ−Ｈ_２Ｏの範囲以内となることがより好ましいが、これに限定されるものではない。あるいは、第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂとして、電気生理実験で用いられる一般的な溶液を用いることが好ましい。また、有機化合物や高分子を添加することにより、第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂの粘度を調整することも好ましい。
第１電解液２および第２電解液３は、濃度、粘度および浸透圧のいずれか１つ以上において相違があってもよいし、同一であってもよい。

第１チャンバー１１ａおよび第２チャンバー１１ｂは、それぞれ第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂをそれらの内部に液密的に（但し、第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂが人工脂質膜１の第１の膜表面１ａおよび第２の膜表面１ｂと接触している部分を除く）封入し得る限り、任意の適切な構成を有し得る。

図示する態様では、基材４の上に、穴（またはウェル）が各々形成された基材５、６、７が積層され、人工脂質膜１が基材５の上面および基材６の下方内壁面に接触して（保持されて）形成されている。かかる態様では、第１チャンバー１１ａは、基材４の上面および基材５の内壁面によって規定される（または囲まれる）領域であり、第２チャンバー１１ｂは、基材６の上方内壁面、基材７の内壁面および蓋１０の下面によって規定される領域である。換言すれば、基材４、５は、第１チャンバー１１ａを規定するための部材であり、基材６、７および蓋１０は、第２チャンバー１１ｂを規定するための部材である。基材５、６は、人工脂質膜１の端部を保持するための保持部材でもある。

第２チャンバー１１ｂを規定するため部材の１つである蓋１０は、第２電解液２ｂを第２チャンバー１１ｂ内に封入する壁部として理解される。本実施形態においては、この蓋１０が、少なくとも壁厚方向に亘って（換言すれば、第２電解液２ｂと蓋１０の外部との間で）通気性を有する。蓋１０は、液密性を有し（液体、より詳細には第２電解液を透過せず）、かつ、少なくとも壁厚方向に亘って、一般的には全方向的に、通気性を有する（気体、例えば被検出物質の匂い分子を透過する）材料から構成される。例えば、蓋１０には、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シリコーン樹脂、テフロン（登録商標）、ポリオレフィン、ポリエチレンなどの材料からなるものを使用できる。

他方、基材４、５、６、７は、液密性を有する任意の適切な材料から構成され得る。例えば、基材４、５、６、７には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）、アクリル樹脂（例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ））、環状ポリオレフィン、ポリカルボナート（通称ポリカーボネート）などの有機系材料から構成される。しかしながら、これらに限定されず、例えばガラス、シリコン、酸化アルミニウム、酸化シリコン、窒化シリコンなどの無機系材料で構成されていてよい。これら基材４、５、６、７の間は、接着剤層（例えば熱硬化性フィルムなど、図示せず）により接着されていてよい。

基材５、６、７の高さ、これらに各々形成される穴の（膜厚方向から見た）形状および大きさは、所望する第１チャンバー１１ａおよび第２チャンバー１１ｂの寸法および配置などに応じて適宜決定してよい。

図示する態様では、人工脂質膜１の膜厚方向に対して垂直な方向において、第１チャンバー１１ａの外形寸法（基材５の穴面積）は、第２チャンバー１１ｂの外形寸法（基材７の穴面積）より小さくなっている。より詳細には、基材５の穴面積は、基材６の穴面積より小さく、基材６の穴面積は、基材７の穴面積より小さくなっている。また、人工脂質膜１の膜厚方向から見たとき、基材５の穴の投影領域は、基材６の穴の投影領域内に含まれ、基材６の穴の投影領域は、基材７の穴の投影領域内に含まれるようになっている。これにより、バイオセンサデバイスの製造過程において、第１チャンバー１１ａ内に供給された第１電解液２ａの様子（第１電解液２ａの供給状態）を、更に、人工脂質膜１の様子（脂質液の供給状態）を、第２チャンバー１１ｂを通じて容易に観察することができる。

人工脂質膜１の膜電位を測定するために、第１電極および第２電極が、それぞれ第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂに（少なくとも部分的に）接触するように、デバイス内に配設される。より詳細には、第１電極は、第１チャンバー１１ａ内で第１電解液２ａと接触して配設される。例えば、図示するように、２つの第１電極３ａ、３ａ’を互いに離間して、基材４の上面に形成し得る。第２電極は、第２チャンバー１１ｂ内で第２電解液２ｂと接触して配設される。例えば、図示するように、２つの第２電極３ｂ、３ｂ’を互いに離間して、基材６の上面に形成し得る。これにより、第２電極３ｂ、３ｂ’を、図２に第２電極３ｂおよびその周囲を拡大して示すように、人工脂質膜１の近傍に配設することができる。

基材７の上面には、端子９ａ、９ａ’、９ｂ、９ｂ’が形成され、それぞれ、層間接続ビア８ａ、８ａ’、８ｂ、８ｂ’を通じて、第１電極３ａ、３ａ’、第２電極３ｂ、３ｂ’に電気的に接続され得る。端子９ａおよび９ｂは電源（図中、記号「Ｖ」にて模式的に示す）への接続用端子であり、端子９ａ’および９ｂ’は電流計（図中、記号「Ａ」にて模式的に示す）への接続用端子である。

かかる本実施形態のバイオセンサデバイス３０は、例えば以下のようにして製造することができる。

まず、基材４、５、６、７を準備する。基材５、６、７には穴を形成する。穴の形状は特に限定されず、例えば円形、楕円形、矩形、多角形などであってよく、基材間で同じ（相似形）であっても、異なっていてもよい。本実施形態においては、これら穴の寸法（例えば円形の穴の場合、穴の直径で代表される）は、基材５、６、７の順に大きくなるように選択される。基材４の上面に第１電極３ａ、３ａ’を形成し、基材６の上面に第２電極３ｂ、３ｂ’を形成する。

基材５、６、７には、層間接続ビア８ａ、８ａ’、８ｂ、８ｂ’用のビアホールを形成する。そして、このビアホールに、導電性フィラー、例えばＡｇやＣｕなどの金属フィラーを含む導電性ペーストを充填して、層間接続ビア８ａ、８ａ’、８ｂ、８ｂ’を形成する。あるいは、層間接続ビア８ａ、８ａ’、８ｂ、８ｂ’は、ビアホールの内壁面をＡｕ、Ｃｕ、Ａｇなどでメッキ処理することにより形成してもよい。その後、層間接続ビア８ａ、８ａ’、８ｂ、８ｂ’の上（基材７の上面）に、端子９ａ、９ａ’、９ｂ、９ｂ’を形成する。なお、層間接続ビアおよび端子を形成するタイミングは、特に限定されず、より後の工程で形成してもよい。

これにより得られた基材４、５、６、７を位置合わせして積層し、互いに接着する。例えば、これら基材間に熱硬化性フィルム（図示せず）を介在させて積層し、得られた積層体を熱処理（例えば熱圧着）に付すことによって、基材間で熱硬化性フィルムを硬化させて接着してよい。また例えば、これら基材が有機系材料（有機系フィルム）から構成される場合には、これら基材を積層し、得られた積層体を熱処理に付すことによって、基材同士を熱融着させて接着してもよい。

以上により、図３（ａ）に示すように、基材４、５、６、７が積層および接着されて、階段状の空間が内側に形成される。この空間の下方部分、中央部分および上方部分（図中、点線にて分割して示す）は、第１チャンバー１１ａ、人工脂質膜１、第２チャンバー１１ｂに対応する。

次に、この階段状の空間に、第１電解液２ａ、脂質液、第２電解液２ｂを順次供給する。これら第１電解液２ａ、脂質液、第２電解液２ｂの供給は、第１チャンバー１１ａ、人工脂質膜１、第２チャンバー１１ｂが占めるべき容積に応じて定量的に行うことが好ましい。これら第１電解液２ａ、脂質液、第２電解液２ｂの定量的供給は、例えば、インクジェット方式、ディスペンス方式、転写方式などによって行い得る。

上記のようにして供給された脂質液は、図３（ｂ）に示すように、第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂの間で人工脂質膜１を形成し、第１の膜表面１ａが第１電解液２ａに接触し、第２の膜表面１ｂが第２電解液２ｂに接触する。人工脂質膜１は、階段状の空間の内壁面と接触し、人工脂質膜１の表面張力などにより、この内壁面で保持することができる。本実施形態では、人工脂質膜１は、基材５の上面および基材６の下方内壁面と接触するようにして形成されるので、人工脂質膜１をより安定的に保持することができる。

その後、第２電解液２ｂを覆うように蓋１０を被せ、蓋１０の周縁部を基材７の上面に接着する。接着は常温で行い、例えば、蓋１０の自己吸着性を利用したり、あるいは、常温硬化型の接着剤を用いたりして行い得る。

以上のようにして、図１に示す本実施形態のバイオセンサデバイス３０を製造することができる。

本実施形態のバイオセンサデバイス３０は、次のようにして使用することができる。

まず、被検出物質の不存在下にて、電源に接続した端子９ａ、９ｂより電極３ａ、３ｂに電圧を印加することにより、人工脂質膜１の第１の膜表面１ａと第２の膜表面１ｂとの間に電圧を印加し、この状態で、人工脂質膜１の膜厚方向に流れる電流を、電極３ａ’、３ｂ’間に流れる電流として、端子９ａ’、９ｂ’に接続した電流計にて測定する。人工脂質膜１が、第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂを互いに隔てるようにして適切に形成されていれば、被検出物質の不存在下では一般的に絶縁性を示すので、電流は実質的に流れない。

次に、第２電解液２ｂに所定量の被検出物質を溶解または分散させ、上記と同様にして人工脂質膜１の膜厚方向に流れる電流を測定する。このとき、被検出物質は通気性の蓋１０を通じて第２電解液中に供給してもよく、あるいは、被検出物質を予め分散または溶解させた第２電解液を用いてバイオセンサデバイス３０を作製してもよい。被検出物質の存在下では、人工脂質膜１に組み込まれた受容体に被検出物質が作用することにより、被検出物質の量に応じて電流が流れる。よって、第２電解液２ｂに溶解または分散させる被検出物質の量を種々異ならせ、複数の電流測定値を採取することにより、検量データを得ることができる。

以上のようして予め検量データを得たバイオセンサデバイス３０を用いて、試料ガスを、通気性の蓋１０を通じて第２電解液２ｂに供給する。そして、上記と同様にして人工脂質膜１の膜厚方向に流れる電流を測定する。測定された電流値から、試料ガス中の被検出物質の有無、および存在する場合にはその量を調べることができる。かかるバイオセンサデバイス３０は、使い捨て型で使用してもよいし、第２電解液２ｂを新たな電解液で置換してリサイクル使用してもよい。

本実施形態によれば、従来のバイオセンサシステムのように、試験槽に試料液を満たし、これにセンサチップおよび参照電極を浸漬する必要がないので、第１電解液および第２電解液ならびに第１電極および第２電極の全てを予めデバイスに組み込むことができ、小型化およびポータブル化に適したバイオセンサデバイス３０が実現される。かかるバイオセンサデバイス３０では、第１電極３ａ、３ａ’に加えて、第２電極３ｂ、３ｂ’も、人工脂質膜１の近傍に固定して配置され、かつ、第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂの各液量を第１チャンバー１１ａおよび第２チャンバー１１ｂの容積設計に基づいて厳密に制御できるので、人工脂質膜１の膜電位を正確に安定して測定することができる。また、かかるバイオセンサデバイス３０によれば、第１電解液および第２電解液の双方がデバイス内に予め封入されているので、液流出の問題もない。

なお、本実施形態においては、第１電極３ａ、３ａ’および第２電極３ｂ、３ｂ’をバイオセンサデバイス３０に設けて、第１電極３ａおよび第２電極３ｂを用いて、人工脂質膜１の第１の膜表面１ａと第２の膜表面１ｂとの間に電圧を印加し、第１電極３ａ’および第２電極３ｂ’を用いて、人工脂質膜１の膜厚方向に流れる電流を測定するものとした。かかる構成は、微小なイオン電流を高精度で測定するのに特に好ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されず、人工脂質膜１の膜電位を測定し得る限り、第１電極および第２電極の数は、第１電解液および第２電解液につき１つずつであってもよく、電流および電圧のいずれを測定してもよい。

以上、本発明の１つの実施形態におけるバイオセンサデバイスについて詳述したが、これは種々改変が可能であり、他の様々な実施形態におけるバイオセンサデバイスも提供される。以下、他の実施形態におけるバイオセンサデバイスについて、改変点を中心に説明するものとし、特に断りのない限り、上記実施形態と同様の説明が当て嵌まる。

本発明のもう１つの実施形態として、図４に示すように、バイオセンサデバイス３１では、人工脂質膜１の膜厚方向に対して垂直な方向において、人工脂質膜１の外形寸法（これは、基材６の穴面積と略同じと考えて差し支えない）は、第１チャンバー１１ａの外形寸法（基材５の穴面積）および第２チャンバー１１ｂの外形寸法（基材７の穴面積）より小さくなっている。より詳細には、基材６の穴面積は、基材５の穴面積より小さく、かつ、基材７の穴面積より小さくなっている。また、人工脂質膜１の膜厚方向から見たとき、基材６の穴の投影領域は、基材５の穴の投影領域内に含まれ、かつ、基材７の穴の投影領域内に含まれるようになっている。これにより、バイオセンサデバイスの製造過程において、人工脂質膜１の様子（脂質液の供給状態）を、第２チャンバー１１ｂを通じて容易に観察することができる。

更に、図４に示すバイオセンサデバイス３１では、人工脂質膜１の膜厚方向に対して垂直な方向において、第１チャンバー１１ａの外形寸法（基材５の穴面積）は、第２チャンバーの外形寸法（基材７の穴面積）と実質的に同じになっている。また、人工脂質膜１の膜厚方向から見たとき、基材５の穴の投影領域と、基材７の穴の投影領域とは、互いに輪郭が略一致するようになっている。これにより、第１チャンバー１１ａと第２チャンバー１１ｂとの間で圧力をバランスさせることができて、人工脂質膜１をより安定して保持することができる。

本発明の更にもう１つの実施形態として、図５に示すように、バイオセンサデバイス３２では、図４に示すバイオセンサデバイス３１における基材６に代えて、別々の基材１３および１４を用いている。基材１３は、第１チャンバー１１ａと第２チャンバー１１ｂとの間で人工脂質膜１の端部を保持する保持部材である。基材１４は、第２チャンバー１１ｂを規定するための部材である。基材１４の上面には、第２電極３ｂ、３ｂ’が形成される。より詳細には、基材１３の穴面積は、基材１４の穴面積より小さくなっている。かかる構成により、人工脂質膜１が、第２電極３ｂ、３ｂ’に対して接触しないことが確保される。なお、基材１３および１４は、基材６と同様の材料から構成され得る。

本発明の更にもう１つの実施形態として、図６に示すように、バイオセンサデバイス３３では、図５に示すバイオセンサデバイス３２における基材１３に代えて、少なくとも表面が撥水性を有する基材（本明細書において単に撥水性基材とも言う）１５を用いてよい。撥水性基材１５は、第１チャンバー１１ａと第２チャンバー１１ｂとの間で人工脂質膜１の端部を保持する保持部材である。これにより、人工脂質膜１を撥水性基材１５で安定して保持することができる。撥水性は、水に対する接触角が、例えば６０°以上（１８０°未満）、代表的には７０°〜１２０°であることが好ましい。かかる撥水性基材（撥水性の保持部材）は、少なくともその表面が、例えばフッ化炭素樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テフロン（登録商標）などの材料から構成され得る。

人工脂質膜１の保持部材として撥水性基材１５を用いる場合、撥水性基材１５を他の基材（図６に示す態様では基材５および１４）に接着することは、単にその接着面のみに接着剤を適用するだけでは困難であり得る。よって、図７（ａ）に示すように、撥水性基材１５に１つまたは２つ以上、好ましくは複数の貫通孔１６を設け、貫通孔１６に接着剤１７を充填することが好ましい。かかる構成によれば、貫通孔１６に充填された接着剤１７によって、撥水性基材１５を、第１チャンバー１１ａを規定する基材５および第２チャンバー１１ｂを規定する基材１４に十分に接着することができる。

撥水性基材１５に形成される貫通孔１６の（膜厚方向から見た）形状は、特に限定されず、図７（ｂ）に示す円形の貫通孔１６のみならず、例えば、図８（ａ）に示す正方形の貫通孔１８や、図８（ｂ）に示す長方形（またはスロット状）の貫通孔１９であってよい。貫通孔は、その他にも任意の形状を有し得、また、複数存在する場合には、２種以上の異なる形状の貫通孔が混在していてもよい。複数存在する場合、貫通孔の配置は特に限定されないが、好ましくは、接着面に対して均等に配置される。

本実施例では、図１〜３を参照して上述した実施形態におけるバイオセンサデバイス３０を製造した。本実施例について、以下、図９および１０を参照して説明するが、特に断りのない限り、図１〜３を参照して上述した実施形態と同様の説明が当て嵌まる。

まず、基材４、５、６、７を準備した。各基材には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から成るシートを用い、基材４の厚みｔ１＝１００μｍ、基材５の厚みｔ２＝１００μｍ、、基材６の厚みｔ３＝２０μｍ、基材７の厚みｔ４＝２０μｍとした（後述する図９を参照のこと）。これら基材５、６、７に、それぞれ円形の穴５ａ、６ａ、７ａを形成し、穴５ａの直径Ｄ１＝２００μｍ、穴６ａの直径Ｄ２＝４００μｍ、穴７ａの直径Ｄ３＝５００μｍとした。これら穴は、パンチングマシンを用いて形成した。

そして、基材４の上面に電極３ａ、３ａ’を形成し、基材６の上面に電極３ｂ、３ｂ’を形成した。電極３ａ、３ａ’、３ｂ、３ｂ’は以下の手順で形成した。はじめに基材４および基材６上に、電極下地として、厚み１２μｍのＣｕから成るパターンを形成した。次に、このパターンの外周面をＡｇによりメッキした。最後に、次亜塩素酸ナトリウム水溶液（５重量％）を用いて、Ａｇによりメッキした外周面を更にＡｇＣｌによって被覆した。

基材５、６、７には、層間接続ビア８ａ、８ａ’、８ｂ、８ｂ’用に、直径１５０μｍのビアホールを、パンチングマシンを用いて形成した。そして、このビアホールに、ＡｇでコートされたＣｕ粉を金属フィラーとして含む導電性ペーストを充填して、層間接続ビア８ａ、８ａ’、８ｂ、８ｂ’を形成し、これらの上に、端子９ａ、９ａ’、９ｂ、９ｂ’をＣｕにより形成した。

これにより得られた基材４、５、６、７を以下の手順により、位置合わせして積層し、互いに接着した。基材４、５、６、７を接着するために、厚さ２０μｍの熱硬化性接着シート２０を３枚用いた（図９を参照のこと）。これら熱硬化性接着シート２０には、予め、基材５、６、７の各穴および層間接続ビア８ａ、８ａ’、８ｂ、８ｂ’のビアホールに対応する位置に貫通孔を形成しておき、図９に示すように、基材４、５、６、７および３枚の硬化性接着シート２０を、基材４、５、６、７の間に熱硬化性接着シート２０が１枚ずつ、各穴およびビアホールに対して位置合わせして介在するようにして積層した。これにより得られた積層体を１５０℃で熱圧着（加熱および加圧）することによって、基材４、５、６、７を互いに接着した。このようにして接着した積層体（ひいては最終的に得られるバイオセンサデバイス）の外形サイズＬは、３０ｍｍとした。

次に、以上により得られた積層体に、図１０（ａ）に示すように、定量的に液滴供給が可能なインクジェット装置４１を用いて、第１電解液２ａを３．７ｎＬ供給した。第１電解液２ａの供給量は、第１チャンバー１１ａが占めるべき容積に対応する量とした。第１電解液２ａには、１００ｍｍｏｌ／Ｌの塩化カリウム（ＫＣｌ）水溶液およびグリセリンを体積比５０％：５０％で混合したものを用いた。

そして、同じくインクジェット装置４１を用いて、図１０（ｂ）に示すように、上記で供給した第１電解液２ａの上に、脂質液４２を２．５ｎＬ供給した。脂質液４２の供給量は、人工脂質膜１が占めるべき容積に対応する量とした。脂質液４２には、デカン１ｍＬにリン脂質（レシチン）１０ｍｇを溶解させた溶液を用いた。

更に、同じくインクジェット装置４１を用いて、図１０（ｃ）に示すように、上記で供給した脂質液４２の上に、第２電解液２ｂを８．０ｎＬ供給した。第２電解液２ｂの供給量は、第２チャンバー１１ｂが占めるべき容積に対応する量とした。第２電解液２ｂには、第１電解液２ａと同様に、１００ｍｍｏｌ／Ｌの塩化カリウム（ＫＣｌ）水溶液およびグリセリンを体積比５０％：５０％で混合したものを用いた。

その後、図１０（ｄ）に示すように、第２電解液２ｂを覆うように、蓋１０を被せ、蓋１０の周縁部を、自己吸着的に基材７へ接着させた。蓋１０には、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から成る、厚さ１００μｍのシートを用いた。

以上により、本実施例のバイオセンサデバイスを完成した。人工脂質膜１は、追加の工程を要することなく、脂質液４２から第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂの間で自然と形成され得る。

完成したバイオセンサデバイスの機能評価を以下の通り行なった。
図１０（ｄ）に示すように、電源（図中、記号「Ｖ」にて模式的に示す）に接続した端子より人工脂質膜に２０ｍＶのパルス電圧（パルス幅１０ｍ秒）を印加し、この状態で、人工脂質膜１の膜厚方向に流れる電流応答を、端子に接続した電流計（図中、記号「Ａ」にて模式的に示す）にて測定した。かかる電源および電流計として、パッチクランプアンプ（ＨＥＫＡ社製、型番 ＥＰＣ−１０）を用い、測定電流を経時的に記録した。

他方、比較例として、脂質液４２を供給しなかった（よって、第１電解液＝第２電解液により、デバイス内の空間全体を満たした）こと以外は、本実施例と同様にして、比較例のデバイスを作製し、このデバイスの機能評価を上記と同様にして行った。

図１１（ａ）は、本実施例のバイオセンサデバイスの電流応答波形であり、図１１（ｂ）は比較例のデバイスの電流応答波形である。図１１（ｂ）を参照して、比較例のデバイスは、パルス電圧印加中、電流が常に流れた状態の波形が観測された。これは、比較例のデバイスにおいては人工脂質膜が存在していないためであると理解される。これに対して、本実施例のバイオセンサデバイスは、図１１（ａ）を参照して、絶縁性を示す電流応答波形が観測された。これは、本実施例のバイオセンサデバイスにおいては、絶縁性の人工脂質膜１が第１電解液２ａおよび第２電解液２ｂを互いに隔てて適切に形成されていることを示している。

よって、本実施例のバイオセンサデバイスにおいて、人工脂質膜に、目的の被検出物質に応じて受容体を組み込むことにより、被検出物質を検知することが可能となる。

本発明のバイオセンサデバイスは、生体分子分析装置、大気汚染物質分析装置など、環境、食品、住宅、自動車、警備分野等において広範に利用可能である。また、本発明のバイオセンサデバイスは、生活習慣病診断装置、尿診断装置、呼気診断装置、ストレス計測器などの医療分野、ヘルスケア分野等において広範に利用可能である。

１ 人工脂質膜
１ａ 第１の膜表面
１ｂ 第２の膜表面
２ａ 第１電解液
２ｂ 第２電解液
３ａ、３ａ’ 第１電極
３ｂ、３ｂ’ 第２電極
４、５、６、７ 基材
５ａ、６ａ、７ａ 穴
８ａ、８ｂ、８ａ’、８ｂ’ 層間接続ビア
９ａ、９ｂ、９ａ’、９ｂ’ 端子
１０ 蓋
１１ａ 第１チャンバー
１１ｂ 第２チャンバー
１３、１４ 基材
１５ 撥水性基材（撥水性の保持部材）
１６、１８、１９ 貫通孔
１７ 接着剤
３０、３１、３２、３３ バイオセンサデバイス
４１ インクジェット装置
４２ 脂質液
３００ センサチップ
３０１ 人工脂質膜
３０２ 試料液
３０３ 試験槽
３０４ 参照電極
３０６ リード線
３０７ 電位差測定器
３０８ ウェル
３１０ シート
３１１ 基材
３１２ 膜タンパク質
３１３ 基準液
３１４ 電極
３５０ バイオセンサシステム

Claims (7)

1. 人工脂質膜を有するバイオセンサデバイスであって、
   互いに反対側に位置する第１および第２の膜表面を有する人工脂質膜と、
   第１電解液を人工脂質膜の第１の膜表面と接触した状態で封入する第１チャンバーと、
   第２電解液を人工脂質膜の第２の膜表面と接触した状態で封入する第２チャンバーと、
   第１チャンバー内で第１電解液と接触する第１電極と、
   第２チャンバー内で第２電解液と接触する第２電極と
   を含み、第２チャンバーは、第２電解液を封入する壁部において、少なくとも壁厚方向に亘って通気性を有する、バイオセンサデバイス。
2. 人工脂質膜の膜厚方向に対して垂直な方向において、第１チャンバーの外形寸法は、第２チャンバーの外形寸法より小さい、請求項１に記載のバイオセンサデバイス。
3. 人工脂質膜の膜厚方向に対して垂直な方向において、第１チャンバーの外形寸法は、第２チャンバーの外形寸法と同じである、請求項１に記載のバイオセンサデバイス。
4. 人工脂質膜の膜厚方向に対して垂直な方向において、第１チャンバーの外形寸法は、第２チャンバーの外形寸法より大きい、請求項１に記載のバイオセンサデバイス。
5. 人工脂質膜の膜厚方向に対して垂直な方向において、人工脂質膜の外形寸法は、第２チャンバーの外形寸法より小さい、請求項１〜４のいずれかに記載のバイオセンサデバイス。
6. 第１チャンバーと第２チャンバーとの間で人工脂質膜の端部を保持する保持部材を更に含み、保持部材の少なくとも表面が撥水性を有する、請求項１〜５のいずれかに記載のバイオセンサデバイス。
7. 保持部材は１つまたは２つ以上の貫通孔を有し、貫通孔に接着剤が充填されている、請求項６に記載のバイオセンサデバイス。

Images