JPWO2014097558A1 - センサチップ - Google Patents

Abstract

センサチップは、被検知物質を捕捉するためのプローブを含有するプローブ溶液と共に用いられるように構成されている。そのセンサチップは、基板と、基板の上面上に設けられたプローブ固定化部と、基板の上面上でプローブ固定化部の周りに設けられた液滴広がり防止部とを備える。プローブ固定化部は、プローブ溶液の液滴が滴下されることでプローブを固定化するように構成されている。液滴広がり防止部は、プローブ固定化部から液滴が広がることを防止するように構成されている。プローブ固定化部は内部に空隙を有する多孔質体からなる。このセンサチップは高い検出感度を有する。

Description

本発明は、例えば核酸、タンパク質、糖鎖、脂質、などの生体試料の検出や分析に用いられるセンサチップに関する。

従来のセンサチップのアプリケーションの一例である核酸分子やタンパク質を同時多項目で検出するデバイスとして、マイクロアレイチップが利用されている。マイクロアレイチップは例えば、ＤＮＡ分子を検出するためのＤＮＡマイクロアレイである。ＤＮＡマイクロアレイは、スライドガラスやシリコン基板の平面上に、プローブとなる核酸を固定化している。そして、核酸分子などの被検知物質を含んだ試料と反応させ、ハイブリダイゼーション反応させることによって、プローブの核酸の塩基配列に特異的なＤＮＡやＲＮＡを検出することができる。このプローブをスライドガラス平面上にアレイ状に固定化させることで、多種類のＤＮＡやＲＮＡを同時に検出することができ、ＤＮＡの分析を効率良く行うことができる。ＤＮＡマイクロアレイは、研究分野だけでなく臨床診断分野においても広く用いられている。

また、プローブを固定化する平面としてニトロセルロース、ナイロン、ポリビニリデンジフルオライドなどの樹脂を用いたプロテインアレイも利用されている。これは、プローブとして抗体やリコンビナントタンパク質などを固定化している。そして、ウイルス抗原やホルモンなどのタンパク質やペプチドなどの被検知物質と反応させることによって多種類の被検知物質を同時に検出することができる。プロテインアレイの場合、樹脂表面が疎水性であることがプローブの固定化に好適で、プローブを簡単に効率良く固定することができるため、プロテオミクス研究に用いられている（例えば、特許文献１参照）。

プローブの固定化量および密度は被検知物質の検出感度に影響する。このため、検出精度が求められる分析にはこれらを厳密に制御する方法が必要になる。プローブをアレイ状に固定化する方法として、プローブとプローブ固定化物質を混合したようなプローブ溶液をセンサチップ表面にスポッティングする方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。

また、センサチップ表面を活性化かつ疎水化させ、プローブをスポッティングすることによって複数種類のプローブをアレイ状に固定化したセンサチップが開示されている（例えば特許文献３参照）。

しかし、スポッティングによるプローブ固定化におけるセンサチップの製造方法では、スポットの径は試料の表面張力によって影響を受ける場合がある。すなわち、プローブ溶液のプローブの濃度や溶液の組成が異なる場合、溶液の表面張力が変化するため接触面の大きさも変化する。その結果、マイクロアレイなどのように複数種類のプローブをアレイ状に固定化する場合、スポット径が不均一になる。従って、種類や濃度の異なるプローブ溶液のスポット径を均一にすることが求められる。また、スポッティング時の湿度や温度によってスポットの大きさが影響を受けるので、再現性高くスポット径を均一にすることが求められる。

特表２００５−５０４３０９号公報 特許第４５３２８５４号公報 特許第４２０９４９４号公報

センサチップは、被検知物質を捕捉するためのプローブを含有するプローブ溶液と共に用いられるように構成されている。そのセンサチップは、基板と、基板の上面上に設けられたプローブ固定化部と、基板の上面上でプローブ固定化部の周りに設けられた液滴広がり防止部とを備える。プローブ固定化部は、プローブ溶液の液滴が滴下されることでプローブを固定化するように構成されている。液滴広がり防止部は、プローブ固定化部から液滴が広がることを防止するように構成されている。プローブ固定化部は内部に空隙を有する多孔質体からなる。

このセンサチップは高い検出感度を有する。

図１は本発明の実施の形態１におけるセンサチップの断面図である。 図２は実施の形態１におけるセンサチップのプローブの固定化方法を示す断面図である。 図３は実施の形態１におけるプローブが固定化されたセンサチップの断面図である。 図４は実施の形態１におけるセンサチップのプローブの他の固定化方法を示す断面図である。 図５は実施の形態１におけるプローブが固定化されたセンサチップの断面図である。 図６Ａは実施の形態１におけるセンサチップの製造方法及びプローブの固定化方法を示す断面図である。 図６Ｂは実施の形態１におけるセンサチップの製造方法及びプローブの固定化方法を示す断面図である。 図６Ｃは実施の形態１におけるセンサチップの製造方法及びプローブの固定化方法を示す断面図である。 図６Ｄは実施の形態１におけるセンサチップの製造方法及びプローブの固定化方法を示す断面図である。 図６Ｅは実施の形態１におけるセンサチップの製造方法及びプローブの固定化方法を示す断面図である。 図７は実施の形態１における他のセンサチップの断面図である。 図８Ａは本発明の実施の形態２におけるセンサチップの断面図である。 図８Ｂは実施の形態２における他のセンサチップの断面図である。 図８Ｃは実施の形態２におけるさらに他のセンサチップの断面図である。 図９は本発明の実施の形態３におけるセンサチップの断面図である。 図１０は実施の形態３におけるセンサチップのプローブの固定化方法を示す断面図である。 図１１は実施の形態３における他のセンサチップの上面斜視図である。 図１２は実施の形態３におけるセンサチップの検体反応を示す拡大図である。 図１３は実施の形態３におけるセンサチップの検出方法を示す断面図である。 図１４Ａは実施の形態３におけるセンサチップの製造方法を示す断面図である。 図１４Ｂは実施の形態３におけるセンサチップの製造方法を示す断面図である。 図１４Ｃは実施の形態３におけるセンサチップの製造方法を示す断面図である。 図１５は実施の形態３におけるさらに他のセンサチップの断面図である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるセンサチップ１の断面図である。センサチップ１は、基板２と、基板２の上面２Ａ上に設けられたプローブ固定化部３と、基板２の上面２Ａ上に設けられた液滴広がり防止部４とを備える。

プローブ固定化部３は、被検知物質を捕捉するためのプローブを固定化するように構成されている。被検知物質とは、プローブと特異的に反応する物質のことであり、例えば、核酸、タンパク質、糖鎖、脂質、などの生体試料である。

液滴広がり防止部４はプローブ固定化部３の周辺に設けられており、プローブ固定化部３にスポットされる液滴の広がりを防止する。

基板２としては、例えば、ガラス、シリコン、石英、セラミック、二酸化ケイ素、金属などの無機材料あるいは、ＣＯＣ、ＣＯＰ、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＳＡＮ、ＰＳなどの樹脂あるいは有機材料を用いることができる。例えば上面２Ａを含む表面の平坦性として表面は５μｍ以内の凸凹を有する石英平板が基板２として好ましい。

プローブ固定化部３は基板２の上面２Ａそのものであってもよい。また、プローブ固定化部３は基板２の上面２Ａに導入された化学官能基であってもよい。

例えば、上面２Ａにシラノール基を有する基板２では、上面２Ａにシランカップリング剤により表面修飾を行うことでシラノール基を上面２Ａに導入することができる。

また、例えば、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシランを２％酢酸水溶液中で攪拌し、加水分解反応を３０分から１時間行う。その後、その溶液を基板２の上面２Ａ上に滴下し、室温下で３０分以上反応させることによって、基板２の上面２Ａ上にエポキシ基を導入することができる。プローブとして抗体などのタンパク質を用いる場合、導入されたエポキシ基はプローブと脱水縮合によって共有結合されるため、プローブをプローブ固定化部３上に固定化することができる。

なお、所望のシランカップリング剤を使用することによって様々な化学官能基を基板２の上面２Ａに導入することができる。化学官能基としては、例えばイソシアネート基、カルボキシル基、メタクリロキシ基、アミノ基、アクリル基、ビニル基、アルデヒド基、マレイミド基などを導入することができる。このため、プローブの種類に応じて最適の表面処理を選択することができる。

液滴広がり防止部４は、例えば、基板２の上面２Ａと平行の方向に配置されている。基板２の上面２Ａと平行に配置されることによって、プローブ固定化部３を上面２Ａと平行な方向に構成することができ、同一平面内をスキャンすることで、複数のプローブを同時に検出しやすくなる。

液滴広がり防止部４には、例えば、撥水コーティングなどの疎水性の高い表面処理剤を用いて疎水性をもたらす表面処理を施してもよい。疎水性の高い表面処理剤として例えばｎ−オクタデシルトリクロロシランを用いて直鎖状炭化水素を基板２の上面２Ａに導入することで撥水性を付与することができる。なお、撥水性を付与するための表面処理剤としてはこれに限定されるものでない。例えば、フッ素化合物などの疎水性表面処理剤を同様に用いることができる。疎水性の高い表面処理としては、例えば水の接触角が８０度より大きくなるような表面処理が望ましく、より好ましくは接触角が１５０度より大きくなるような表面処理剤が用いられる。接触角が１５０度より大きくなる超撥水表面においては、プローブ５と被検知物質との反応時に生じる非特異的吸着によるノイズも抑えられるので、センサチップ１の検出感度を高くすることができる。

液滴広がり防止部４が１種類以上の表面処理からなっていてもよい。このような構成によって、平坦性を維持したまま液滴広がり防止部４を構成することができ、凹凸による検出感度への影響をなくすことができる。

図２は実施の形態１におけるセンサチップ１のプローブ５の固定化方法を示す断面図である。図３はプローブ５が固定化されたセンサチップの断面図である。

図２に示すように、センサチップ１にプローブ５を含んだプローブ溶液６をプローブ固定化部３の上面３Ａ上に滴下する。プローブ５としては、例えば抗体や受容体などの、特定物質と選択的に結合するタンパク質や相補配列とハイブリダイズする核酸又は核酸様物質が用いられる。プローブ５はこれら生体高分子に限定されるものではなく、所望の被検知物質に特異的に結合する分子をプローブ５として利用することができる。例えばコンビナトリアルケミストリーで得た低分子化合物をプローブ５として用いることでリガンドを探索することができる。

また、プローブ溶液６としては、例えば、非イオン性界面活性剤であるポリオキシエチレンソルビタンモノラウラートを含有した緩衝液にプローブ５を懸濁させた溶液が用いられ、例えば、１μｇ／ｍＬ〜１ｍｇ／ｍＬのモノクローナル抗体を懸濁させた界面活性剤入りリン酸緩衝液が用いられる。

なお、プローブ溶液６としてはこれら界面活性剤に限定されるものではなく、プローブ５の安定化のために加えられるトレハロースなどの多糖類やＮａＮ３などの防腐剤が用いられる。あるいは、プローブ固定化部３との結合を促進するＮ−ヒドロキシスクシンイミドエステル（ＮＨＳ）、１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド（ＷＳＣ）などの活性物質も用いてプローブ５とプローブ固定化部３との結合を促進させることができる。

例えばインクジェットなどのマイクロディスペンサーを用いて一定量のプローブ溶液６を基板２の上面２Ａ上に吐出することができる。プローブ固定化部３は、直径１０〜１０００μｍの円形状を有することが望ましく、より望ましくは直径１０〜２００μｍの円形状を有する。この場合、プローブ固定化部３に吐出されるプローブ溶液６の量は１ｐＬ〜１００ｎＬである。

プローブ固定化部３を直径１０μｍ以上のスポットとすることで、汎用的なレーザースキャナの解像度で精度良く検出することができる。また、プローブ固定化部３を直径２００μｍ以下にすることによって、汎用的に用いられるＳｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ（ＳＢＳ）フォーマットの９ｍｍ間隔に配置された同一反応区画の中に２００〜３００個のプローブ固定化部３を配置することができ、それらのプローブ固定化部３に固定されたプローブに対して同時多項目検査を容易に行うことができるようになる。

上記構成において、プローブ溶液６が液滴広がり防止部４によってはじかれることによって、プローブ溶液６が接触する平面がプローブ固定化部３に限定される。その結果、図３に示すようにプローブ５がプローブ固定化部３上にのみ固定化され、液滴広がり防止部４の上面４Ａには固定化されない。

図４は実施の形態１におけるセンサチップ１のプローブ溶液が多い場合のプローブの固定化方法を示す断面図である。図５は実施の形態１におけるプローブ溶液が多い場合のプローブが固定化されたセンサチップの断面図である。プローブ５の固定化される量を増加させるために、スポットするプローブ溶液６の量を増量する場合がある。この場合であっても、液滴広がり防止部４によってプローブ溶液６がプローブ固定化部３上に制限されるので、図５に示すようにプローブ５がプローブ固定化部３上にのみ固定化され、液滴広がり防止部４の上面４Ａには固定化されない。

プローブ溶液６の吐出量はプローブ溶液６の粘性の影響を受けるので、再現性良く吐出量を制御するために、プローブ溶液６でのプローブ５の濃度が一定になるように調整する。液滴広がり防止部４が無い場合には、プローブ５の固定化される量を増加させるためにプローブ溶液６の吐出量を増加させると、プローブ溶液６の吐出量に応じて基板２上のスポットの接触面積が大きくなり、プローブ５が固定化される面積も大きくなる。

プローブ溶液６が液滴の拡がりやすい表面張力の小さな溶液である場合にはスポット径を小さくすることが難しい。スポット径を規定する実施の形態１における方法は、均一性が求められる診断などの分析用途に対しては有効である。

また、複数のスポット径が不均一となる場合、固定化されたプローブ５の密度も不均一となり、プローブ５と被検知物質との反応などで得られるシグナル強度も不均一となるので、検査の再現性が悪くなる。図５に示すように、予め規定したプローブ固定化部３上にのみプローブ５が固定化されることによって、シグナル強度の再現性を高めることができる。

液滴広がり防止部４はフォトリソグラフィ法で形成することができる。図６Ａから図６Ｅは実施の形態１におけるセンサチップ１の製造方法を示し、特にプローブ５の固定化方法を示す断面図である。

基板２を準備する。ここで基板２としてはスライドガラスを用いる。光架橋性ポリマー１００の水溶液を基板２の上面２Ａ上にコーティングする。例えば、光架橋性ポリマー１００の水溶液としてＢＩＯＳＵＲＦＩＮＥ−ＡＷＰ（東洋合成工業製）を１．２％水溶液になるように純水で希釈して作成する。スピンコータを用いてその水溶液を基板２の上面２Ａ上にコーティングする。回転数１０００ｒｐｍにて３０秒その水溶液をスピンコートすることによって、図６Ａに示すように、膜厚約０．８μｍの光架橋性ポリマー１００を基板２の上面２Ａ上に形成することができる。

次に、図６Ｂに示すように、光架橋性ポリマー１００の上面にマスク１０１を接触させ、紫外線（ＵＶ）を照射して光架橋性ポリマー１００の光架橋を行う。例えば、直径２００μｍで４００μｍのピッチ間隔を有したマスク１０１を接触させ、マスク１０１の上方から１００ｍＪのＵＶを照射し光架橋性ポリマー１００の光架橋を行う。

ＵＶを照射した後の基板２を純水中に１分間静置し、ＵＶで硬化されていないポリマー１００を水で洗って除去し、ドライエアーを吹き付けて基板２を乾燥させる。その結果、図６Ｃに示すように、ＵＶ硬化によって耐水性を有する硬化樹脂膜よりなる液滴広がり防止部４が形成される。そして、液滴広がり防止部４の間の洗浄によって光架橋性ポリマーが除去された空隙がプローブ固定化部３として機能する。

次に、図６Ｄに示すように、プローブ固定化部３を有する基板２の上面２Ａ上にプローブ溶液６を滴下しプローブ５を固定化させる。例えば、２．５μｇ／ｍｌになるように希釈したストレプトアビジンＣｙ３を滴下し、５分間室温にて静置する。その後、基板２を純水中に１分間静置して洗浄し、ドライエアーを吹き付けて基板２を乾燥させることにより、図６Ｅに示すようにプローブ固定化部３にプローブ５を固定化させる。

その結果、プローブ固定化部３の直径は均一な２００μｍとなった。さらに、レーザースキャナにてセンサチップ１の平均蛍光強度を算出したところ、液滴広がり防止部４上での平均蛍光強度は３０９であり、プローブ５が固定化されたプローブ固定化部３上での平均蛍光強度は１１１３であった。

上記のように、プローブ溶液６の広がりを規定する液滴広がり防止部４をフォトリソグラフィによって形成することで、均一な径を有するプローブ固定化部３を作製することができる。

上述のように、センサチップ１は、被検知物質を捕捉するためのプローブ５を含有するプローブ溶液６と共に用いられるように構成されている。センサチップ１は、基板２と、基板の上面２Ａ上に設けられたプローブ固定化部３と、基板２の上面２Ａ上でプローブ固定化部３の周りに設けられた液滴広がり防止部４とを備える。プローブ固定化部３は、プローブ溶液６の液滴が滴下されることでプローブ５を固定化するように構成されている。液滴広がり防止部４は、プローブ固定化部３から液滴が広がることを防止するように構成されている。

図７は実施の形態１における他のセンサチップ２１の断面図である。図７において、図１に示すセンサチップ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。図７に示すセンサチップ２１は、液滴広がり防止部４の代わりに、基板２の上面２Ａに設けられた液滴広がり防止部２４を備える。液滴広がり防止部２４は基板２の上面２Ａから突出して配置されている。

液滴広がり防止部２４は基板２と同じ材質で構成することができる。例えば基板２を樹脂素材で構成する場合は、金型成型や射出成型あるいは切削成型などで液滴広がり防止部２４を有する基板２を形成することができる。基板２の上面２Ａから突出する液滴広がり防止部２４の高さを１〜１００μｍとすることで、プローブ固定化部３の外形や面積を規定することができる。

また、突出した液滴広がり防止部２４を無機素材で構成する場合は、基板２の化学エッチングや切削成型の際に作製することができる。

また、突出した液滴広がり防止部２４の高さとしては１０μｍ〜１ｍｍが好ましい。突出した液滴広がり防止部２４の高さを１０μｍ以上とすることによって、汎用的に用いられる微小液滴吐出装置で吐出されるサブｎＬの液滴を直径２００μｍの円形状のプローブ固定化部３に捕捉させることができる。また、突出した液滴広がり防止部２４の高さを１ｍｍ以下とすることで、汎用的な蛍光スキャナーのスキャンを妨害することなく容易にプローブ固定化部３と液滴広がり防止部２４をスキャンさせることができる。

液滴広がり防止部２４は基板２の上面２Ａに直接接合した繊維状の構造物で形成することもできる。例えば基板２の上面２Ａ上に繊維状の構造物を直接作製する方法として、化学蒸着法や気相蒸着法を用いることができる。なお、繊維状の構造物の表面にさらに疎水性を付与する表面処理剤で表面処理を施してもよい。

上記構成において、プローブ溶液６がプローブ固定化部３上にのみ捕捉されることとなり、プローブ溶液６の量が変化してもプローブ５が固定化される面積を均一にすることができ、センサチップ２１により抗原抗体反応などで得られるシグナル強度を均一化することができる。

（実施の形態２）
図８Ａは本発明の実施の形態２におけるセンサチップ３１の断面図である。図８Ａにおいて、図１に示す実施の形態１におけるセンサチップ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。実施の形態２におけるセンサチップ３１は、図１に示す実施の形態１におけるセンサチップ１のプローブ固定化部３の代わりに、多孔質体からなるプローブ固定化部３３を備える。

多孔質体の材料として、例えば、活性炭や珪藻土、多孔質シリカなどの材料を１ｎｍ〜１００μｍの膜厚に焼成した素材や、ニトロセルロースなどのような多孔質成膜した素材、あるいは、シリコンなどの基材を化学エッチングなどの方法で多孔質に改質した素材などを用いることができる。

液滴広がり防止部４の形状や高さは限定されない。液滴広がり防止部４は、基板２の上面２Ａの所定の深さに配置されていてもよく、例えば図７に示す実施の形態１におけるセンサチップ２１の突出した液滴広がり防止部２４であってもよい。液滴広がり防止部４は多孔質体で構成してもよい。多孔質体の材料として、例えば、活性炭や珪藻土、多孔質シリカなどの材料を１ｎｍ〜１００μｍの膜厚に焼成した素材や、ニトロセルロースなどのような多孔質成膜した素材、あるいは、シリコンなどの基材を化学エッチングなどの方法で多孔質に改質した素材などを用いることができる。

液滴広がり防止部４の表面は表面処理されていることが望ましい。例えば、液滴広がり防止部４に撥水性の表面処理を施しておくことによってプローブ固定化部３３にのみプローブ溶液６を捕捉させることができる。これにより、プローブ固定化部３３が多孔質体であっても、プローブ５を固定化する領域を容易に均一にすることができる。

液滴広がり防止部４が空隙を有する多孔質体で形成されている場合は、多孔質体の内部まで、撥水性の処理を施すことが好ましい。これにより、プローブ溶液６の液滴の広がりをさらに抑制することができる。

以上述べたように、センサチップ３１は、被検知物質を捕捉するためのプローブ５を含有するプローブ溶液６と共に用いられるように構成されている。センサチップ３１は、基板２と、基板２の上面２Ａ上に設けられたプローブ固定化部３３と、基板２の上面２Ａ上でプローブ固定化部３３の周りに設けられた液滴広がり防止部４とを備える。プローブ固定化部３３は、プローブ溶液６の液滴が滴下されることでプローブ５を固定化するように構成されている。液滴広がり防止部４は、プローブ固定化部３３から液滴が広がることを防止するように構成されている。プローブ固定化部３３は内部に空隙を有する多孔質体からなる。

図８Ｂは実施の形態２における他のセンサチップ３１Ａの断面図である。図８Ｂにおいて、図８Ａに示すセンサチップ３１と同じ部分には同じ参照番号を付す。センサチップ３１Ａは、基板２の上面２Ａ上に設けられた多孔質体５１を備える。プローブ固定化部３３と液滴広がり防止部３４は１つの多孔質体５１よりなる。液滴広がり防止部３４は疎水性を有し、プローブ固定化部３３は親水性を有する。液滴広がり防止部３４はプローブ固定化部３３よりも高い疎水性を有する。多孔質体５１に疎水化処理を施すことで液滴広がり防止部３４を形成することができる。もしくは、多孔質体５１に親水化処理を施すことでプローブ固定化部３３を形成することができる。

図８Ｃは実施の形態２におけるさらに他のセンサチップ３１Ｂの断面図である。図８Ｃにおいて、図８Ｂに示すセンサチップ３１Ａと同じ部分には同じ参照番号を付す。センサチップ３１Ｂは、センサチップ３１Ａの多孔質体５１の上面５１Ａに設けられた多孔質体１５１と、多孔質体１５１の上面１５１Ａに設けられた多孔質体２５１とをさらに備える。多孔質体１５１には、多孔質体５１のプローブ固定化部３３と液滴広がり防止部３４とそれぞれ同じ特性を有するプローブ固定化部１３３と液滴広がり防止部１３４が設けられている。多孔質体２５１には、多孔質体５１のプローブ固定化部３３と液滴広がり防止部３４とそれぞれ同じ特性を有するプローブ固定化部２３３と液滴広がり防止部２３４が設けられている。すなわち、プローブ固定化部３３、１３３、２３３は、プローブ溶液の液滴が滴下されることでプローブを固定化するように構成されている。液滴広がり防止部３４、１３４、２３４は、プローブ固定化部３３、１３３、２３３の周りに設けられて、プローブ固定化部３３、１３３、２３３から液滴が広がることを防止するように構成されている。液滴広がり防止部３４、１３４、２３４は疎水性を有し、プローブ固定化部３３、１３３、２３３は親水性を有する。液滴広がり防止部３４、１３４、２３４はプローブ固定化部３３、１３３、２３３よりも高い疎水性を有する。プローブ固定化部１３３は液滴広がり防止部３４の上面３４Ａ上に位置する。液滴広がり防止部１３４はプローブ固定化部３３の上面３３Ａ上に位置する。プローブ固定化部２３３は液滴広がり防止部１３４の上面１３４Ａ上に位置する。液滴広がり防止部２３４はプローブ固定化部１３３の上面１３３Ａ上に位置する。多孔質体５１、１５１、２５１は積層されて１つの多孔質体５５１を構成する。多孔質体５１、１５１、２５１は、それぞれ同じ材料で構成されていても、異なる材料で構成されていてもよい。なお、多孔質体５５１は、実際に積層された構造ではなく、多孔質体５５１の内部を、仮想的に多孔質体５１、１５１、２５１からなる積層構造とみなしてもよい。このように、基板２の上面２Ａ上に設けられた空隙を有する多孔質体５５１の厚み方向に、親水性を有するプローブ固定化部３３、１３３、２３３と撥水性を有する液滴広がり防止部３４、１３４、２３４を選択的に配置することにより、プローブ固定化部３３、１３３、２３３を空間的に設けることができる。

プローブ固定化部３３、１３３、２３３を空間的に設けることにより、被検知物質を捕捉する領域をセンサチップ３１Ｂの厚み方向すなわち基板２の上面２Ａと直角の方向に形成することが出来るので、センサチップ３１Ｂを大きくすることなく、検出領域を増加させることができる。センサチップ３１Ｂの１枚あたりの検出領域を増加させることにより、一度に複数の異なる被検知物質を検出できる。

多孔質体５５１の厚み方向に検出領域が設けられている場合は、例えば、共焦点顕微鏡を使うことで、それぞれの検出領域で被検知物質を検出することができる。

プローブ固定化部３３（１３３，２３３）を多孔質材料とすることによって、プローブ５を固定化するための比表面積を増加させることができ、より多くのプローブ５を固定化することができる。このため、プローブ５で捕捉できる被検知物質が多くなり、センサチップ３１（３１Ａ、３１Ｂ）を高感度化できる。

また、多孔質体５１、５５１の厚みを１００μｍとすることで、汎用的な蛍光スキャナーの焦点距離内にシグナルを限定することができ、センサチップ３１Ａ、３１Ｂの検出効率を上げることができる。

（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３におけるセンサチップ４１の断面図である。図９において、図１に示す実施の形態１におけるセンサチップ１と同じ部分には同じ参照符号を付す。センサチップ４１は、基板２の上面２Ａ上に設けられた繊維シート７を備える。繊維シート７は複数の空隙９０７を内部に有する多孔質体である。繊維シート７には、実施の形態１におけるプローブ固定化部３と液滴広がり防止部４とそれぞれ同様の機能を有するプローブ固定化部４３と液滴広がり防止部４４とが設けられている。繊維シート７は互いに絡み合う複数の繊維８よりなり、複数の繊維８の間には空隙９０７が形成されている。

繊維シート７の複数の繊維８はアモルファス二酸化ケイ素（以下、単に二酸化ケイ素と呼ぶ）からなり、互いに絡み合うことで接続されて、基板２の上面２Ａと平行に広がるシート形状を構成している。

繊維シート７は基板２の上面２Ａと熱硬化樹脂や紫外線（ＵＶ）硬化樹脂などの接着剤を用いて間接的に結合させることができるが、プラズマ活性化処理などを行い直接接合することもできる。

基板２が、例えばシリコン、石英、セラミックなどのケイ素を含む材料よりなる場合、繊維８を加熱することによって繊維８の一部を熱溶融させて基板２の上面２Ａ上に熱溶融させることができる。これにより、接着剤を用いることなく基板２上に繊維８を簡便に結合させることができ、コストを低減させることもできる。熱溶融によるこの方法ではまた、接着剤などの揮発性の高い有機成分を使用しないので、二酸化ケイ素よりなる繊維８に対する汚染を少なくすることができる。

例えばシリコンや石英よりなる基板２にあらかじめホスホラスシリカガラス（ＰＳＧ）膜やボロホスホシリカガラス（ＢＳＧ）膜などを接着層として付けておき、１０００℃に加熱することによって、二酸化ケイ素よりなる繊維８を溶融することなく、基板２の上面２Ａに結合させることができる。このように二酸化ケイ素よりも融点の低い膜を基板２の上面２Ａに設けておくことによって、繊維８の熱溶融による構造変化を抑止し、繊維シート７の広い表面積と高い空隙率を維持したまま繊維シート７（繊維８）を基板２の上面２Ａに結合させることができる。

基板２の上面２Ａにあらかじめ塗布しておく接着層として、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を用いることによって、二酸化ケイ素よりなる繊維８を熱溶融させなくても押止することによって基板２に強固かつ簡便に結合させることができ、コストを低減させることができる。

二酸化ケイ素よりなる複数の繊維８のそれぞれの少なくとも一箇所で互いに結合させて繊維シート７を形成することもできる。例えば、繊維シート７に約１１００℃以上の熱を加えると、繊維８は熱溶融を起こす。互いに隣り合い接触している繊維８が熱溶融を起こすと、冷却される過程で接触している箇所が結合し、複数の繊維８が互いに結合した繊維シート７を形成する。これによって互いの二酸化ケイ素繊維８が分離しないので繊維シート７が取扱いやすくなる。

繊維シート７の厚みは１０〜１００μｍが好ましい。１０μｍ以上の厚みを有することにより、繊維シート７のプローブ固定化部４３の基板２の上面２Ａに対する投影面積当たりの表面積を高めることができる。なお、光学的な検出を容易にするために繊維シート７の厚みは大きすぎない方が好ましい。広い表面積を有効に光学検出に使うために繊維シート７の膜厚を１００μｍ以下とすることが望ましい。

繊維８の太さを０．０１μｍ以上とすることによって、プローブ固定化部４３に固定化されるプローブ５の密度を容易に上げることができる。例えば、プローブ５としてＩｇＧ抗体を用いた場合、ＩｇＧ抗体の大きさが直径約１０ｎｍであることから、繊維８の太さを１０ｎｍ以上にすることによって、プローブ５自身の立体障害を回避することができ、１本の繊維８に結合できるプローブ５の数を増やすことができる。

図９に示すように、繊維シート７を構成する複数の繊維８は親水性繊維８ａと疎水性繊維８ｂとを含む。疎水性繊維８ｂが基板２の上面２Ａ上に配置されており、親水性繊維８ａは疎水性繊維８ｂの上面に配置されている。すなわち、親水性繊維８ａは疎水性繊維８ｂを介して基板２の上面２Ａの上方に配置されている。プローブ固定化部４３は親水性繊維８ａによって構成されている。親水性繊維８ａとしては例えば、二酸化ケイ素よりなる繊維８の表面に親水性を付与する表面処理剤で表面処理された繊維が望ましい。例えばシランカップリング剤で繊維８の表面にカルボキシル基やエポキシ基などを導入することで、親水性繊維８ａが得られる。また、二酸化ケイ素よりなる繊維８の表面に疎水性を付与する表面処理剤で表面処理を施すことで疎水性繊維８ｂが得られる。例えばシランカップリング剤を用いて繊維８の表面にメタクリロキシ基やアクリル基、あるいはフルオロ基などを導入することで疎水性繊維８ｂが得られる。

図１０は実施の形態３におけるセンサチップ４１のプローブ５固定化方法を示す断面図である。プローブ５を含有するプローブ溶液６をプローブ固定化部４３にスポッティングすると、プローブ溶液６が液滴広がり防止部４４の疎水性繊維８ｂにはじかれることによって、プローブ溶液６が分散する領域が親水性繊維８ａで構成されたプローブ固定化部４３に限定されるので、プローブ５はプローブ固定化部４３にのみ固定化され、液滴広がり防止部４４には固定化されない。したがって、センサチップ４１はプローブ５が固定化される領域の面積を規定することができるので、精度良くプローブ固定化部４３の空間形状を制御することができる。

図１１は実施の形態３における他のセンサチップ４１Ａの上面斜視図である。センサチップ４１Ａは、基板２の上面２Ａ上に設けられた複数の繊維シート７を備える。図１１に示すように、複数の繊維シート７はそれぞれ円形状を有し、基板２の上面２Ａと平行に配置されている。繊維シート７のそれぞれには複数のプローブ固定化部４３が設けられている。このように空間的容量を制御されたプローブ固定化部４３を基板２から一定距離を設けて、基板２の上面２Ａと平行な方向に複数のプローブ固定化部４３を配置することができる。

実施の形態３におけるセンサチップ４１、４１Ａにおいて、目的となる被検知物質をプローブ５と効率よく接触させて反応させることで、センサチップ４１Ａの検出感度を高くすることができる。また、プローブ５に捕捉された被検知物質を高密度に濃縮することで、センサチップ４１Ａに接続される検出器での被検知物質の検出効率を上げることができ、感度を高くすることができる。

基板２の表面付近では検体の液流動性が低下する場合がある。上記構成においてプローブ固定化部４３を基板２から一定の距離だけ離れて配置することによって、基板２の表面付近の検体の液流動性低下の影響を受けることなく、液流動性の高いプローブ固定化部４３でのみ、プローブ５と被検知物質との接触反応を起こすことができ、反応効率を高めることができ、センサチップ４１、４１Ａの感度を向上させることができる。

また、被検知物質を基板２の上面２Ａと直角の繊維シート７の深さ方向に分散させることなくプローブ５で捕捉することによって、被検知物質を濃縮することができ、センサチップ４１、４１Ａの感度を高くすることができる。

センサチップ４１Ａでは、複数のプローブ固定化部４３が同一平面内（基板２の上面２Ａ上）に配置されているので、それぞれのプローブ固定化部４３にそれぞれ異なる種類のプローブ５を固定化させることによって複数種類の被検知物質を同時に検出することができる。

以下、実施の形態３におけるセンサチップ４１、４１Ａの使用方法について説明する。

図１２は、センサチップ４１、４１Ａでの検体反応を示す拡大図である。プローブ固定化部４３での親水性繊維８ａの表面にプローブ５が固定化されている。プローブ５に被検知物質９が結合する。そして、プローブ５に結合した被検知物質９を標識１０が捉えることによって、被検知物質９が存在した場合に、親水性繊維８ａが標識１０によってラベルされる。

上記構成において、複数の親水性繊維８ａ間に形成された空隙内に被検知物質９及び標識１０を含んだ水溶液を反応させることによって、被検知物質９を介して標識１０が親水性繊維８ａに捕捉される。捕捉されていない標識１０を洗い流すことによって、被検知物質９の量に依存した標識１０が親水性繊維８ａに捕捉されて残る。そして、親水性繊維８ａに捕捉されて残された標識１０を定量することによって被検知物質９の量を検出することができる。標識１０としては例えば、Ｃｙ３やＣｙ５などの蛍光分子が好適で、蛍光分子それぞれを励起する励起波長に一致した光を照射することによって蛍光分子が発する蛍光を検出して標識１０を定量することができる。

図１３は実施の形態３におけるセンサチップ４１、４１Ａの検出反応を示す断面図である。図１３ではセンサチップ４１、４１Ａの検出反応を示す一様態として上述の蛍光検出方法を示しているが、検出反応としてこの方法に限定されるものではない。

例えば、上述の方法によって、標識１０として蛍光分子を繊維シート７のプローブ固定化部４３である親水性繊維８ａに捕捉させる。

次に標識１０に特異的な励起波長を有する励起光源１１で、励起光を照射し、標識１０の蛍光分子からの蛍光を蛍光検知部１２で検出する。例えば蛍光分子としてＣｙ３を用いた場合は励起光源１１が発生する５３２ｎｍの波長を有するレーザーを用いることができ、放出される５５０ｎｍの波長の蛍光を蛍光検知部１２で検出することができる。蛍光検知部１２としては例えばＣＣＤや光電子倍増管などが用いられ、所望の蛍光の波長だけ透過する蛍光フィルターを用いることで高感度にその蛍光を検出することができる。

また、蛍光分子としては例えばＣｙ３やＣｙ５などが用いられ、異なる蛍光波長を有する複数の蛍光分子を親水性繊維８ａに捕捉させることもできる。

上記構成において、センサチップ４１の繊維シート７上に捕捉された標識１０である蛍光分子を蛍光検知部１２で得られた出力を元に定量することができ、被検知物質９を定量することができる。

以下、実施の形態３におけるセンサチップ４１の製造方法について説明する。図１４Ａから図１４Ｃは、実施の形態３におけるセンサチップ４１の製造方法を示す断面図である。

図１４Ａに示すように、上面２Ａに繊維シート７が結合した基板２を準備する。繊維シート７の繊維８の表面に全体的に疎水性を付与する表面処理を施すことによって、疎水性繊維８ｂからなる繊維シート７を作製する。

次に、図１４Ｂに示すように、マスク１０２を用いてＵＶエキシマレーザーなどの光照射装置を用いて光を疎水性繊維８ｂ上に照射する。

マスク１０２としては、例えば、クロム遮光されたガラス板などが用いられる。また、遮光形状を変更することによってＵＶを照射するＵＶ照射領域をコントロールすることができ、また、複数のＵＶ照射領域に同時に照射することができる。

ＵＶ照射レーザーのＵＶが疎水性繊維８ｂに照射されることによって、疎水性繊維８ｂに導入されていた疎水性分子が酸化によって除去され、疎水性繊維８ｂは疎水性を失い親水性繊維８ａに変質する。このとき、照射される光のエネルギーを調節することによって、繊維シート７の疎水性を失わせる領域の深さを調節することができる。

上記方法によって、図１４Ｃに示すように、所定の深さまで疎水性を失わせた領域を作製することによって、プローブ固定化部４３を空間的に規定することができる。上記の深さは任意に設定することができる。

なお、疎水性を失わせた領域に対して、再度シランカップリング剤などで表面処理を行うことによって、例えば、エポキシ基や、カルボキシル基などのようなプローブ５と共有結合しうる親水性の化学官能基を導入して親水性繊維８ａよりなるプローブ固定化部４３を作製することもできる。

図１５は実施の形態３におけるさらに他のセンサチップ４１Ｂの断面図である。図１５において図９に示すセンサチップ４１と同じ部分には同じ参照番号を付す。センサチップ４１Ｂは、図９に示すセンサチップ４１の繊維シート７の代わりに、基板２の上面２Ａ上に設けられて空隙９０７を有する繊維シート５０７を備える。繊維シート５０７は内部に複数の空隙９０７を有する多孔質体である。繊維シート５０７の厚み方向すなわち基板２の上面２Ａと直角の方向に、親水性を有する部分であるプローブ固定化部４３、１４３と撥水性を有する部分である液滴広がり防止部４４、１４４を選択的に配置することにより、プローブ固定化部４３、１４３を空間的に設けることができる。プローブ固定化部４３は互いに結合する複数の親水性繊維８ａよりなり、プローブ固定化部１４３は互いに結合する複数の親水性繊維１０８ａよりなる。液滴広がり防止部４４は互いに結合する複数の疎水性繊維８ｂよりなり、液滴広がり防止部１４４は互いに結合する複数の疎水性繊維１０８ｂよりなる。繊維シート５０７は、基板２の上面２Ａ上に設けられた繊維シート７と、繊維シート７の上面７Ａ上に設けられた繊維シート１０７とで構成されていてもよい。繊維シート１０７は複数の空隙９０７を有する多孔質体である。図１４Ａから図１４Ｃに示すプローブ固定化部４３と液滴広がり防止部４４とを有する繊維シート７と同様に、プローブ固定化部１４３と液滴広がり防止部１４４とを有する繊維シート１０７を作製することができる。繊維シート７、１０７を積層することにより、プローブ固定化部４３、１４３を空間的に設けることができる。

プローブ固定化部４３、１４３を空間的に設けることにより、被検知物質を捕捉する複数のプローブ固定化部４３、１４３をセンサチップ４１Ｂの厚み方向に形成することが出来るので、センサチップ４１Ｂを大きくすることなく、被検知物質を検出する検出領域を増加させることができる。１つのセンサチップ４１Ｂあたりの検出領域を増加させることにより、一度に複数の異なる被検知物質を検出できる。

繊維シート７の厚み方向に複数の検出領域が形成される場合は、例えば、共焦点顕微鏡を使うことでそれぞれの検出領域で被検知物質を検出することができる。

上述のように、図１５に示すセンサチップ４１Ｂは、基板２と、基板２の上面２Ａ上に設けられたプローブ固定化部４３と、基板２の上面２Ａ上でプローブ固定化部４３の周りに設けられた液滴広がり防止部４４と、液滴広がり防止部４４の上面４４Ａ上に設けられたプローブ固定化部１４３と、プローブ固定化部１４３の周りに設けられた液滴広がり防止部１４４とを備える。プローブ固定化部４３、１４３は、プローブ溶液６の液滴が滴下されることでプローブ５を固定化するように構成されている。液滴広がり防止部４４、１４４は、プローブ固定化部４３、１４３からその液滴が広がることを防止するように構成されている。プローブ固定化部１４３と液滴広がり防止部１４４は、液滴広がり防止部４４の上面とプローブ固定化部４３の上面にそれぞれ設けられている。プローブ固定化部１４３からその液滴が広がることを防止するように構成されている。プローブ固定化部４３は内部に空隙を有する多孔質体からなる。その多孔質体は繊維８ａ、８ｂからなる繊維シート７である。プローブ固定化部１４３は内部に空隙を有する多孔質体からなる。その多孔質体は繊維１０８ａ、１０８ｂからなる繊維シート１０７である。

実施の形態１〜３において、「上面」「上方」等の方向を示す用語は、基板やプローブ固定化部等のセンサチップの構成部分の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。

本発明にかかるセンサチップは、例えばプロテオミクス研究や病気の診断などのバイオアッセイに用いるデバイスとして利用できる。

１，２１，３１，４１，４１Ａ，４１Ｂ センサチップ
２ 基板
３ プローブ固定化部（第１のプローブ固定化部、第２のプローブ固定化部）
４ 液滴広がり防止部（第１の液滴広がり防止部、第２の液滴広がり防止部）
５ プローブ
６ プローブ溶液
７，１０７，５０７ 繊維シート（第１の繊維シート、第２の繊維シート）
８ 複数の繊維
８ａ 複数の繊維（第１の複数の繊維）
８ｂ 複数の繊維（第２の複数の繊維）
９ 被検知物質
３３ プローブ固定化部（第１のプローブ固定化部）
３４ 液滴広がり防止部（第１の液滴広がり防止部）
４３ プローブ固定化部（第１のプローブ固定化部）
４４ 液滴広がり防止部（第１の液滴広がり防止部）
１０８ａ，１０８ｂ 繊維
１３３ プローブ固定化部（第２のプローブ固定化部）
１３４ 液滴広がり防止部（第２の液滴広がり防止部）
１４３ プローブ固定化部（第２のプローブ固定化部）
１４４ 液滴広がり防止部（第２の液滴広がり防止部）
９０７ 空隙

Claims (14)

1. 被検知物質を捕捉するためのプローブを含有するプローブ溶液と共に用いられるように構成されたセンサチップであって、
   基板と、
   前記基板の上面上に設けられて、前記プローブ溶液の液滴が滴下されることで前記プローブを固定化するように構成された第１のプローブ固定化部と、
   前記基板の前記上面上で前記第１のプローブ固定化部の周りに設けられて、前記第１のプローブ固定化部から前記液滴が広がることを防止するように構成された第１の液滴広がり防止部と、
   を備え、
   前記第１のプローブ固定化部は内部に空隙を有する第１の多孔質体からなる、センサチップ。
2. 前記第１の多孔質体は、前記空隙を形成する複数の第１の繊維からなる第１の繊維シートである、請求項１に記載のセンサチップ。
3. 前記第１の複数の繊維はアモルファス二酸化ケイ素よりなる、請求項２に記載のセンサチップ。
4. 前記第１の繊維シートは円形状を有する、請求項２に記載のセンサチップ。
5. 前記第１の液滴広がり防止部の上面上に設けられて、前記プローブ溶液の液滴が滴下されることで前記プローブを固定化するように構成された第２のプローブ固定化部と、
   前記第２のプローブ固定化部の周りに設けられて、前記第２のプローブ固定化部から前記液滴が広がることを防止するように構成された第２の液滴広がり防止部と、
   をさらに備え、
   前記第２のプローブ固定化部は内部に空隙を有する第２の多孔質体からなる、請求項１に記載のセンサチップ。
6. 前記第１の多孔質体は、前記空隙を形成する複数の第１の繊維からなる第１の繊維シートであり、
   前記第２の多孔質体は、前記空隙を形成する複数の第２の繊維からなる第２の繊維シートである、請求項５に記載のセンサチップ。
7. 前記第１の繊維シートは前記基板の前記上面上に直接あるいは間接的に結合されている、請求項６に記載のセンサチップ。
8. 前記第２の複数の繊維と前記第１の複数の繊維とはアモルファス二酸化ケイ素よりなる、請求項６に記載のセンサチップ。
9. 前記第２の液滴広がり防止部は前記第１のプローブ固定化部の上面に設けられている、請求項５に記載のセンサチップ。
10. 前記基板の前記上面上に設けられて、前記プローブ溶液の液滴が滴下されることで前記プローブを固定化するように第２のプローブ固定化部と、
    前記基板の前記上面上で前記第２のプローブ固定化部の周りに設けられて、前記第２のプローブ固定化部から前記液滴が広がることを防止するように構成された第２の液滴広がり防止部と、
    をさらに備えた、請求項１に記載のセンサチップ。
11. 前記第１のプローブ固定化部と前記第１の液滴広がり防止部とを含みかつ円形状を有する第１の繊維シートと、
    前記第１のプローブ固定化部と前記第１の液滴広がり防止部とを含みかつ円形状を有する第２の繊維シートと、
    をさらに備えた、請求項１０に記載のセンサチップ。
12. 前記第１の液滴広がり防止部には１種類以上の表面処理が施されている、請求項１に記載のセンサチップ。
13. 前記基板はガラス、シリコン、石英、セラミック、樹脂、金属の少なくともいずれか一つからなる、請求項１に記載のセンサチップ。
14. 前記第１の液滴広がり防止部は前記第１のプローブ固定化部よりも高い疎水性を有する、請求項１に記載のセンサチップ。

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