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JP6926041B2 - ケミカルセンサ及び標的物質検出方法 - Google Patents

ケミカルセンサ及び標的物質検出方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、ケミカルセンサ及び標的物質検出方法に関する。
人間は視覚、聴覚、触覚、味覚及び嗅覚の五感を持っている。視覚はカメラ、聴覚はマイク、触覚は圧力センサ等、五感のうち物理的なセンシングで代用可能な感覚については、それに相当する人工的なデバイスが開発されている。近年、味覚についても人工脂質膜を用いた膜電位センサ等が実用化された。対して、嗅覚センサは、センサ感度とポータブル性との両面から後れを取っている。
例えば、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動物の嗅覚で感知できる物質（以下、「匂い物質」と称する）の検出が有用であると考えられている。
例えば、匂い物質のケミカルセンサとして、金属酸化物や導電性高分子を感応膜として用いるものが報告されている。このようなケミカルセンサにおいては、複数の匂い物質の感応膜への非特異的な吸着によって感応膜の物性が変化し、その変化のパターンを特定の匂いとして学習させることで、匂い物質の存在を検知することを試みている。しかしながら、この方法では匂い物質を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、気体試料中の匂い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。
本発明は、気体試料中の標的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及び標的物質検出方法を提供することを目的とする。
実施形態に従うケミカルセンサは、気体試料中の標的物質を検出するためのセンサである。ケミカルセンサは、基板上に設けられた感応膜と、感応膜に固定された嗅覚受容体断片とを含む。
図１は、実施形態のケミカルセンサを示す図である。 図２は、実施形態のケミカルセンサを示す図である。 図３は、実施形態のケミカルセンサを示す図である。 図４は、実施形態の標的物質検出方法を示すフローチャートである。 図５は、実施形態のケミカルセンサの使用時の様子を示す模式図である。 図６は、実施形態のケミカルセンサの使用時の様子を示す模式図である。 図７は、実施形態のケミカルセンサを示す図である。 図８は、実施形態の標的物質検出方法を示すフローチャートである。 図９は、実施形態のケミカルセンサの使用時の様子を示す模式図である。
以下に、図面を参照しながら種々の実施形態について説明する。各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比等は実際と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
第１の実施形態のケミカルセンサは、基板上に設けられた感応膜と、感応膜の一方の面に固定された嗅覚受容体断片とを含む。第２の実施形態において、感応膜の表面に、嗅覚受容体断片の代わりに標的物質輸送キャリアが固定されたケミカルセンサが提供される。また更なる実施形態によれば、ケミカルセンサを含むキット及びケミカルセンサを用いた標的物質検出方法が提供される。
以下、ケミカルセンサ、ケミカルセンサキット、標的物質検出方法について説明する。
（第１の実施形態）
・ケミカルセンサ
図１は、第１の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。
ケミカルセンサ１は、基板２と、基板２の表面２ａ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３ａには、嗅覚受容体断片４が固定されている。また、面３ａは、ブロッキング剤５で被覆されている。嗅覚受容体断片４は、感応膜３上に設けられた液相６で被覆されている。
以下、各構成について詳細に説明する。
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の大きさは、限定されるものではないが、例えば、１００ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ（幅×長さ×厚さ）等とすることができる。
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、例えば、高分子、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、シリサイド等の導体、或いはグラフェン、カーボンナノチューブ、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）等の二次元材料といった材料等からなる。感応膜３は、例えば、１重若しくは多重の膜、或いはナノワイヤの形状を有する。基板２及び感応膜３は、例えば、その物性の変化を電気的信号に変換する検出器の一部として構成される（図示せず）。
嗅覚受容体断片４は、嗅覚受容体の断片である。嗅覚受容体は、動物の嗅覚器の嗅細胞（嗅覚受容神経）に発現するＧタンパク質結合受容体の一種である。嗅覚受容体は膜貫通タンパク質であり、細胞外に存在するリガンド結合部位に匂い物質が結合すると、細胞内に存在するＧタンパク質を活性化する働きを持つ。
嗅覚受容体断片４は、嗅覚受容体に含まれる標的物質と特異的に結合する部位の配列を含む断片である。例えば、そのような配列は、嗅覚受容体の細胞外に位置するリガンド結合部位を含む。嗅覚受容体断片４は、例えば、嗅覚受容体のデータベースからそのリガンド結合部位のアミノ酸配列を得て、そのアミノ酸配列を有するオリゴペプチドを合成することによって製造できる。しかしながら、嗅覚受容体断片４は標的物質と特異的に結合するものであればよく、例えば、リガンド結合部位の配列を部分的に改変したものであってもよいし、新たな配列を付加したものであってもよい。嗅覚受容体断片４は、例えば、５〜２０アミノ酸の断片であることが好ましい。例えば、嗅覚受容体断片４はリンカー又は足場を更に含んでもよく、その場合、嗅覚受容体断片４は１０〜３０アミノ酸の長さを有し得る。
例えば、嗅覚受容体として、動物で発現するもの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る。例えば、ヒト、ハエ、カ、マウス、ラット、ウサギ、ウシ又はイヌ等の嗅覚受容体を用いることができる。
例えば、標的物質がムスク系香料である場合、嗅覚受容体断片４として、ヒトの嗅覚受容体（ムスコン受容体）ＯＲ５ＡＮ１のリガンド結合部位の配列ＭＬＳＮＬＬＱＥＱＱＴＩＴＦＶＧＣＩＩ（配列番号１）を使用することができる。或いは、配列ＣＧＳＮＶＩＲＨＦＦＣ（配列番号２）を使用することができる。
嗅覚受容体断片４が感応膜３に固定されているとは、嗅覚受容体断片４が感応膜３に結合していることをいう。例えば、嗅覚受容体断片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、嗅覚受容体断片４を感応膜３に固定することができる。例えば、嗅覚受容体断片４は感応膜３上に等間隔に配置されることが好ましく、例えば、１０ｎｍ２あたり１個〜３個配置される。
ブロッキング剤５は、例えば、表面３ａ上を被覆するように配置される。ブロッキング剤５として、例えば、金属酸化物（Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２等）、タンパク質、有機分子、脂質膜、ペプチド等を用いることができる。このようなブロッキング剤５を備えることにより、気体試料中に含まれる標的でない物質（夾雑物）が感応膜３の表面に結合することを防止することができる。しかしながらブロッキング剤５は必要に応じて用いればよく、夾雑物が少ない条件での検出を想定する場合はブロッキング剤５を使用しなくともよい。
液相６は、感応膜３上に配置され、嗅覚受容体断片４を被覆する液体からなる。液相６は、例えば、水、生理水、イオン液体、又はＰＢバッファ、ＰＢＳバッファ、ＤＭＳＯ若しくはアルコール等の有機溶媒、或いはこれらの何れかの混合物等である。液相６は、嗅覚受容体断片４の乾燥による変性又は損傷を防ぐことができる。また、標的物質を気体試料から嗅覚受容体断片４へと運ぶ媒体として働く。例えば、液相６の厚さは、０μｍより厚く、５０μｍ以下とすることが好ましい。液相６の厚さが５０μｍ以下であることによって標的物質１２が短時間で嗅覚受容体断片４に辿り着くことができ、より効率よく検出できる。
例えば、ケミカルセンサは、グラフェン電界効果型トランジスタ（以下、「グラフェンＦＥＴ」とも称する）の構成を有していてもよい。そのようなケミカルセンサの一例を図２に示す。
この例におけるケミカルセンサ１は、絶縁性の表面２ａを有する基板２と、表面２ａに配置されたグラフェンの感応膜３とを備える。感応膜３の基板２と反対側の面３ａには、嗅覚受容体断片４が固定されている。また、面３ａは、ブロッキング剤５で被覆されている。嗅覚受容体断片４は、液相６で被覆されている。また、感応膜３の一方の端にはソース電極７が接続されており、他方の端にはドレイン電極８が接続されている。ソース電極７及びドレイン電極８には、直流電源２０が接続されている。また、絶縁材料からなる壁部９が基板２及び感応膜３の表面から立設されている。壁部９は、ケミカルセンサ１を平面視した時、感応膜３の周縁を囲み、かつソース電極７及びドレイン電極８の外周面を覆っている。壁部９によって、感応膜３を底部とするウェル１０が形成されている。例えば、ソース電極７及びドレイン電極８は、直流電源２０からソース・ドレイン電圧（Ｖｓｄ）を印加すると、ソース電極７から感応膜３を介してドレイン電極８にソース・ドレイン電流（Ｉｓｄ）が流れるように構成される。この時、グラフェンの感応膜３はソース電極７及びドレイン電極８に対してチャネルとして機能する。各部材をつなぐ回路が基板２内に形成されてもよい。
基板２は、例えば、感応膜３側の表面２ａ側に絶縁膜を備える。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、又は有機分子の自己組織化膜等である。基板２は、面２ａ側に設けられた絶縁膜と、ゲート電極として機能する導体の層とを備えてもよい。この場合、絶縁体の厚さは、絶縁性を損なわない範囲で出来る限り薄い方がよく、例えば数ｎｍ程度とすることが好ましい。このような薄膜は、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法によって形成することが可能である。
感応膜３は、この例においては、炭素原子１個分の厚さを有する単層のグラフェンの膜である。グラフェン膜は、複数層で設けられてもよい。感応膜３の大きさは、限定されるものではないが、例えば、０．１〜５００μｍ×０．１〜５００μｍ（幅×長さ）とすることができる。実用的には１０〜１００μｍ×１０〜１００μｍであれば製造が容易である。
ソース電極７及びドレイン電極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。
壁部９の絶縁材料として、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、あるいは有機分子の自己組織化膜等を用いることができる。ウェル１０は、液密に構成される。
ケミカルセンサ１は、更に液相６に接続するゲート電極（図示せず）を備える構成としてもよい。その場合、基板２に設けられる絶縁膜の厚さは数ｎｍ以上であってもよい。
以上に説明したグラフェンＦＥＴの構成を有するケミカルセンサ１によれば、感応膜３であるグラフェン（チャネル）の電気抵抗の変化をソース・ドレイン電流値の変化として検出することができる。このようなケミカルセンサ１は、半導体プロセスによって製造することができる。
ケミカルセンサは、グラフェンＦＥＴに限られるものではなく、例えば、他の電荷検出素子、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の構成とすることもできる。
以下、基板２、感応膜３、１種類の嗅覚受容体断片４、液相６を含む一つの単位を「センサ素子」と称する。更なる実施形態において、１つケミカルセンサに複数種類のセンサ素子を搭載させることもできる。複数種類のセンサ素子はそれぞれ、互いに異なる種類の嗅覚受容体断片４を備え、異なる種類の標的物質を検出することができる。
複数種類のセンサ素子を備えるケミカルセンサについて図３を用いて説明する。
この例におけるケミカルセンサ１は、嗅覚受容体断片４Ａが固定された感応膜３Ａを備えるセンサ素子Ａと、嗅覚受容体断片４Ｂが固定された感応膜３Ｂを備えるセンサ素子Ｂと、嗅覚受容体断片４Ｃが固定された感応膜３Ｃを備えるセンサ素子Ｃと、嗅覚受容体断片４Ｄが固定された感応膜３Ｄを備えるセンサ素子Ｄとを備える。感応膜３Ａ〜３Ｄはそれぞれ、そ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。
１つのケミカルセンサ１に搭載されるセンサ素子の数、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搭載されるセンサ素子の数は１個以上１０００個以下であることが好ましい。種類は１種以上１０種以下であることが好ましい。また、各種類のケミカルセンサ素子をそれぞれ複数個備えてもよい。
・標的物質検出方法
以下に第１の実施形態のケミカルセンサを用いる標的物質検出方法を説明する。当該検出方法は、気体試料中の標的物質を検出する方法である。
気体試料は、例えば、標的物質が含まれ得る気体である。気体試料は、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他の気体、或いは分析対象の周辺の空気等である。
標的物質は、当該検出方法で分析される標的である。標的物質は、例えば、気体中に含まれる動物の嗅覚受容体のリガンドとなり得る物質である。標的物質は、例えば、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る。標的物質は、例えば、アルコール類、エステル類又はアルデヒド類等であるがこれらに限定されるものではない。標的物質は、例えば、疎水性の物質である。
図４は、第１の実施形態の標的物質検出方法の一例の概略フローを示す図である。
当該標的物質検出方法は、例えば、以下の工程を含む。（Ｓ１）気体試料を第１の実施形態のセンサの液相に接触させること、（Ｓ２）感応膜の物性の変化を検出すること、及び（Ｓ３）前記検出の結果から、気体試料中の標的物質の有無又は量を決定すること。
以下、上記各工程を行うことによって匂い物質を検出できる原理について説明する。
工程（Ｓ１）において気体試料１１をケミカルセンサ１の液相６に接触させる。この時のケミカルセンサ１の様子を図５に示す。気体試料１１の液相６への接触によって気体試料１１に含まれる標的物質１２が、液相６の界面から液相６内に入り込み（図５の（ａ）、（ｂ））、嗅覚受容体断片４に結合する（図５の（ｃ））。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、嗅覚受容体断片４は標的物質１２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１３）は嗅覚受容体断片４に結合しない（図５の（ｄ））。そのため、夾雑物１３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。
工程（Ｓ２）において、感応膜３の物性の変化を電気的信号の変化として検出する。例えば、感応膜３と接続された、その物性の変化を電気的信号の変化に変換する部材によって当該検出を行うことができる。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。上述したグラフェンＦＥＴを用いる場合、物性の変化は、ソース・ドレイン間電流値の変化として検出できる。
工程（Ｓ３）において、検出の結果から気体試料中の標的物質の有無又は量を決定する。例えば、電気的信号の変化が生じた場合に気体試料１１に標的物質１２が存在すると判断し、変化が起きない場合に標的物質１２が存在しないと判断してもよい。また、電気的信号が予め設定された閾値よりも大きく変化した場合に標的物質１２が存在すると判断し、変化が閾値よりも小さい場合に標的物質１２が存在しないと判断してもよい。そのような閾値は、例えば、標的物質が含まれていることが知られている気体試料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。或いは、変化量によって標的物質の量を決定してもよい。その場合、濃度既知の標的物質を用いて、標的物質の濃度に対する変化量の検量線を作成し、それと照らし合わせることによって標的物質の量を決定してもよい。
以上に説明した工程により、気体試料中の標的物質を特異的かつ高感度に検出することができる。
標的物質検出方法は、各工程を自動的に行う装置によって行われてもよい。そのような装置は、例えば、ケミカルセンサ１と、液相６を形成するための液体又は試薬等をケミカルセンサ１の感応膜３上に送液する送液部と、ケミカルセンサ１の液相６に気体試料１１を接触させるための試料導入部と、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と、検出部から得られた電気的信号の情報を格納し、処理するデータ処理部と、これらの各部の操作を制御する制御部とを含む。上記工程（Ｓ１）〜（Ｓ３）の操作は、装置の操作者の入力により実行されてもよいし、制御部に含まれるプログラムによって実行されてもよい。
従来の匂い物質を検出する方法は、複数の匂い物質を感応膜に非特異的に吸着させ、得られた物性の変化のデータのパターンを特定の匂いと結び付けることで匂いの特定を試みていた。この方法では、匂い物質の組成の定常状態を規定した上で定常状態と同じ又は異なる匂い物質が存在することを検知するに留まり、例えば、環境の変化がある中で対象の匂いを検出する場合や定常状態から多数の匂い物質が増減した際には、検出された匂い物質の種類を同定することは困難であった。
一方で、実施形態のケミカルセンサ及び標的物質検出方法によれば、標的物質に特異的に結合する嗅覚受容体断片を用いるため、気体中に含まれる物質の組成が異なる条件においても、標的でない物質（夾雑物）が検出に影響を与えることを防ぐことが可能である。そのため、非常に高精度かつ高感度に標的物質を検出することができる。
また従来、受容体などのタンパク質を用いる標的物質検出法においては、時間が経つとタンパク質の立体構造が変化するなどして活性が失われ、検出感度が低下する問題があった。また膜貫通タンパク質は生体膜の存在しない条件では立体構造を保てず、活性を失いやすいという問題があった。対して、実施形態のケミカルセンサにおいては、例えば５〜２０アミノ酸の嗅覚受容体断片を用いる。その結果、その立体構造の変化に起因する活性の低下が防止され、標的物質を捕捉する分子を、その受容体としての活性を保ったまま安定して感応膜上に存在させることが可能となった。そのため、長時間に亘り安定した検出を行うことが可能である。
また実施形態のケミカルセンサは液相６を備えるため、嗅覚受容体断片４が乾燥による変性などから保護される。そのため、安定した検出を行うことができる。
ケミカルセンサが複数種類のケミカルセンサ素子を備える場合の標的物質検出方法について図３の例を用いて説明する。
このような標的物質検出方法においては、図３のケミカルセンサ１を用いて上記工程（Ｓ１）〜（Ｓ２）を同様に行う。工程（Ｓ２）においては電気的信号が各センサ素子Ａ〜Ｄから個別に得られる。工程（Ｓ３）において電気的信号の変化が生じたセンサ素子の種類（そこに固定された嗅覚受容体断片の種類）及び個数から、複数の標的物質を含む標的物質混合物の種類を特定してもよい。例えば、センサ素子Ａ及びＢで電気的信号の変化が生じた場合、気体試料中に標的物質混合物Ｉが存在し、センサ素子Ａ、Ｃ及びＤで電気的信号の変化が生じた場合、気体試料中に標的物質混合物ＩＩが存在すると判断すること等ができる。或いは、各センサ素子をそれぞれ複数個備えるケミカルセンサにおいて、信号が得られたセンサ素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの数の比によって、特定の標的物質混合物の有無を決定してもよい。即ち、当該比によって気体試料中に含まれる標的物質混合物の種類を特定することができる。
標的物質混合物とは、複数の標的物質が特定の組み合わせで混合された混合物であり、例えば、標的物質混合物を１つの特定の「匂い」と結び付け、上記方法によって「匂い」の有無又は量を決定してもよい。また、「匂い」と「匂い」を発する原因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。
更なる実施形態において、標的物質検出方法は、標的物質１２を気体試料１１から液相６を介して嗅覚受容体断片４に運ぶ標的物質輸送キャリアを用いる。この方法においては、工程（Ｓ２）の前に、標的物質輸送キャリアを前記液相６に添加することを更に含む。
標的物質輸送キャリアは、外側に親水部を有し、内側にポケット状の疎水部を有する物質である。疎水部は外側に向けて開口しているので、標的物質輸送キャリアは疎水性の標的物質をその内部に取り込むことができる。標的物質輸送キャリアを用いたときの標的物質の挙動について図６を用いて説明する。
図６に示すように、気体試料１１中の標的物質１２は、液相６の界面で標的物質輸送キャリア１４の疎水部に結合し（図６の（ａ））、液相６中に取り込まれる（図６の（ｂ））。そして、嗅覚受容体断片４付近まで輸送されると、標的物質１２は標的物質輸送キャリア１４から放出され、嗅覚受容体断片４に結合する（図６の（ｃ））。標的物質輸送キャリア１４を用いることによって、例えば疎水性の標的物質１２がより効率的に液相６に取り込まれ、嗅覚受容体断片４へと輸送されるため、より迅速かつ高感度に標的物質１２を検出することができる。
標的物質輸送キャリア１４は、例えば、動物の嗅覚器で発現する匂い物質結合タンパク質（Ｏｄｏｒａｎｔ−ｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ：ＯＢＰ）である。ＯＢＰは、嗅覚器の粘膜中で匂い物質を疎水性の内部に取り込み、嗅覚受容体まで輸送しているという報告がある。例えば、ＯＢＰとして、ＯＢＰ２ａ（ヒト）、ＯＢＰ１（ブタ）又はＯＢＰ５７（ハエ）、ＯＢＰ３（アブラムシ）を用いることができる。用いられるＯＢＰの種類は標的物質１２の種類に従って選択される。例えば、標的物質１２を選択的又は特異的に取り込むものであってもよい。
或いは、標的物質輸送キャリア１４は、シクロデキストリン等の包接化合物であってもよい。例えばシクロデキストリンは、外側に親水部を有し、内側に空孔状の疎水部を有する化合物である。シクロデキストリンは水溶液中で疎水性の化合物を包接し、時間とともに徐々に化合物を放出する働きがあることが知られている。このような包接化合物は、対応するＯＢＰが発見されていない標的物質１２を検出する際にも用いることができる。
液相６内における標的物質輸送キャリア１４の濃度は、例えば１ｎＭ〜１ｍＭであることが好ましい。
加えて、標的物質輸送キャリア１４は、中性条件下で標的物質と結合しやすく、酸性条件下で標的物質を放出しやすい。したがって、嗅覚受容体断片４付近を酸性条件とすることによって標的物質輸送キャリア１４が標的物質１２を放出しやすくなり、より感度よく標的物質１２を検出することができる。
そのために、例えば、嗅覚受容体断片４は等電点の低いアミノ酸を含むペプチドとすることが好ましい。例えば、グルタミン酸、アスパラギン酸をより多く含み、リシン、アルギニン、ヒスチジンをより少なく含むペプチドとすることが好ましい。また、ブロッキング剤５は酸性の物質とすることが好ましい。例えば酸性のブロッキング剤５として、等電点の低いアミノ酸を使用したペプチド、シアル酸末端の糖鎖、酸性リン脂質、例えば、コリン修飾していないリン脂質、ＣＯＯＨ基やＳＯ３Ｈ基が修飾された物質、アルブミン又は酸性基を有する化合物等を用いることができる。若しくは、プリベレックスＡ等のブロッキング剤を酸性基で修飾したものを用いてもよい。或いは、基板２を正に帯電させることで、嗅覚受容体断片４の周辺の陽イオンを減少させ、陰イオンを増加させてもよい。
更なる実施形態において、標的物質検出方法は、リフレッシュ工程を含んでもよい。このような方法においては、工程（Ｓ３）の後に、標的物質を分解する酵素を液相６に添加し、液相を除去し、感応膜上に液相を設けることを更に含む。
液相６に酵素を添加すると、嗅覚受容体断片４に結合した標的物質１２及び液相６に含まれる標的物質１２が酵素により分解される。次いで、感応膜３上に新しい液相６を送液し、分解産物及び酵素を含む古い液相６を押し出して排出する。その結果、ケミカルセンサを次の分析に用いることが可能となる。
標的物質を分解する酵素は、例えば、動物の嗅覚器において発現される匂い物質を分解する酵素である。酵素は、例えば、アルデヒドオキシダーゼ、グルタチオン−Ｓ−トランスフェラーゼ又はシトクロムＰ４５０等を用いることができる。
酵素は、液相中に１ｎＭ〜１ｍＭの濃度で含ませることが好ましい。また、酵素を加えた後、標的物質を十分に分解するために、例えば、５分〜３０分放置することが好ましい。
従来、受容体とリガンドとの反応を用いる分析においては両者が強く結合したまま離れにくいことから、次の分析に使うことができずセンサを廃棄する場合が多くあった。しかしながら、このような標的物質を分解する酵素を用いたリフレッシュ工程を行うことによって、ケミカルセンサを複数の分析に繰り返し使用することができる。そのため、分析の度にセンサを分解したり、廃棄したりする必要がなく、経済的である。
（第２の実施形態）
・ケミカルセンサ
図７は、第２の実施形態のケミカルセンサの一例を示す図である。
ケミカルセンサ１は、表面２ａを有する基板２と、表面２ａ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３ａには、標的物質輸送キャリア１４が固定されている。また、面３ａは、ブロッキング剤５で被覆されている。標的物質輸送キャリア１４は面３ａ上に設けられた液相６で被覆されている。
この例におけるケミカルセンサ１は、第１の実施形態のケミカルセンサの嗅覚受容体断片４の代わりに標的物質輸送キャリア１４が感応膜３に固定されている。それ以外の構成は、第１のケミカルセンサと同じとすることができる。
感応膜３に固定する標的物質輸送キャリア１４として、標的物質１２を特異的に取り込む、上記の何れかの標的物質輸送キャリア１４を使用することができる。標的物質輸送キャリア１４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標的物質輸送キャリア１４を感応膜３に固定することができる。
第２の実施形態のケミカルセンサ１も、第１の実施形態で説明したものと同様にグラフェンＦＥＴ、他の電荷検出素子、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の構成を有することができる。
・標的物質検出方法
以下に第２の実施形態のケミカルセンサを用いる標的物質検出方法について説明する。図８は、第２の実施形態の標的物質検出方法の一例の概略フローを示す図である。
標的物質検出方法は、例えば、以下の工程を含む。（Ｓ１１）気体試料を第２の実施形態のケミカルセンサの液相に接触させること、（Ｓ１２）感応膜の物性の変化を検出すること、及び（Ｓ１３）前記検出の結果から、気体試料中の標的物質の有無又は量を決定すること。
当該検出方法において用いられる気体試料１１は、第１の実施形態で説明したものと同じものを使用することができる。工程（Ｓ１１）において気体試料１１をケミカルセンサ１の液相６に接触させた時のケミカルセンサ１の様子を図９に示す。気体試料１１の液相６への接触によって標的物質１２が液相６に入り込み（図９の（ａ）、（ｂ））、標的物質輸送キャリア１４の疎水部に結合する（図９の（ｃ））。標的物質１２と標的物質輸送キャリア１４との結合（図９の（ｃ））によって、感応膜３の物性が変化し、それを電気的信号として検出することができる。一方、夾雑物１３は、標的物質輸送キャリア１４に結合しない（図９の（ｄ））。
工程（Ｓ１２）及び（Ｓ１３）は、前記工程（Ｓ２）及び工程（Ｓ３）と同じ方法で行うことができる。
標的物質輸送キャリア１４は気体試料から標的物質１２を取り込む際に標的物質１２との結合能が高い。また、第２の実施形態の標的物質検出方法では標的物質輸送キャリアと嗅覚受容体断片の両方を用いるよりも機構が単純である。そのため、第２の実施形態に従う方法によれば標的物質１２と標的物質輸送キャリア１４との反応効率が高くなり、検出時間が短時間化されるという効果が期待される。
標的物質輸送キャリア１４は、中性から塩基性条件下で標的物質１２と結合しやすい。したがって標的物質輸送キャリア１４付近を中性から塩基性とすることによって、より感度よく標的物質１２を検出することができる。そのために、例えば中性から塩基性の標的物質輸送キャリア１４を用いることが好ましい。そのような標的物質輸送キャリア１４は、例えば、アミノ基及び／又はトリメチルアンモニオ基修飾したシクロデキストリンであってもよい。或いは、ブロッキング剤５として塩基性の物質を用いることが好ましい。塩基性のブロッキング剤５として、等電点の高いアミノ酸（例えば、ヒスチジン、プロリン、トレオニン、イソロイシン等）をより多く含むペプチド、塩基性の脂質膜、例えば、脂質二重膜又は他の塩基性基を有する化合物を用いることができる。
ここで、ブロッキング剤５としてリン脂質二重膜を用いる場合、標的物質の検出により二重膜上層のリン脂質の塩基性基が消費された後、フリッパーゼを供給することによって塩基性基が消費されたリン脂質を下層に移動させ、上層を再び塩基性の状態にすることが可能である。
当該検出方法は、第１の実施形態において説明した酵素を用いるリフレッシュ工程を更に含んでもよい。リフレッシュ工程においては、液相６を酸性条件とすることが好ましい。それによって標的物質輸送キャリア１４が標的物質１２を放出しやすくなり、リフレッシュ効果が高まる。或いは、酵素を用いることなく、液相６を酸性条件下にすることによりリフレッシュ工程を行ってもよい。
・ケミカルセンサキット
第１又は第２の実施形態によれば、ケミカルセンサキットも提供される。ケミカルセンサキットは、例えば、以下の組み合わせを含む。
（１）第１の実施形態のケミカルセンサ及び標的物質輸送キャリア
（２）第１の実施形態のケミカルセンサ及び酵素
（３）第１の実施形態のケミカルセンサ、標的物質輸送キャリア及び酵素
（４）第２の実施形態のケミカルセンサ及び酵素。
標的物質輸送キャリア又は酵素は、例えば、溶媒に含ませ、容器に収容された状態でキットに含まれる。溶媒は、例えば、水溶液、アルコール、有機溶媒又はイオン液体を用いることができる。容器は、例えば、ポリ容器を用いることができる。
キットは、これらの構成の他に、洗浄剤、液相を構成する液体、ｐＨを調節するための酸溶液及び／又はアルカリ溶液等の他の構成を含んでもよい。
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。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
気体試料中の標的物質を検出するためのケミカルセンサであって、
感応膜と、
前記感応膜に固定された嗅覚受容体断片と
を含むケミカルセンサ。
［２］
前記感応膜はグラフェンであり、前記感応膜の一方の端に接続するソース電極と、他方の端に接続するドレイン電極とを更に備える
［１］に記載のケミカルセンサ。
［３］
前記感応膜上に設けられ、前記嗅覚受容体断片を被覆する液相を更に備える［１］又は［２］に記載のケミカルセンサ。
［４］
前記液相の厚さが、０μｍより厚く、５０μｍ以下である［３］に記載のケミカルセンサ。
［５］
前記液相中に、外側に親水部を有し、内側に疎水部を有するポケット状の標的物質輸送キャリアを更に含む［３］又は［４］に記載のケミカルセンサ。
［６］
前記標的物質輸送キャリアは、匂い物質結合タンパク質又は包接化合物である［５］に記載のケミカルセンサ。
［７］
前記感応膜の前記嗅覚受容体断片が固定されている面にブロッキング剤を更に備える［１］〜［６］の何れか１つに記載のケミカルセンサ。
［８］
前記ブロッキング剤が酸性の物質である［７］に記載のケミカルセンサ。
［９］
気体試料中の標的物質を検出するためのケミカルセンサであって、
前記標的物質と結合する嗅覚受容体断片と、
前記標的物質と前記嗅覚受容体断片の結合による物性の変化を検出する検出器と、
を含むケミカルセンサ。
［１０］
気体試料中の標的物質を検出するためのケミカルセンサであって、
感応膜と、
前記感応膜に固定された、外側に親水部を有し、内側に疎水部を有するポケット状の標的物質輸送キャリアと
を含むケミカルセンサ。
［１１］
前記感応膜はグラフェンであり、前記感応膜の一方の端に接続するソース電極と、他方の端に接続するドレイン電極とを更に備える［１０］に記載のケミカルセンサ。
［１２］
前記感応膜上に設けられ、前記嗅覚受容体断片を被覆する液相を更に備える［１０］又は［１１］に記載のケミカルセンサ。
［１３］
前記液相の厚さが、０μｍより厚く、５０μｍ以下である［１２］に記載のケミカルセンサ。
［１４］
前記感応膜の前記標的物質輸送キャリアが固定されている面にブロッキング剤を備える［１０］〜［１３］の何れか１つに記載のケミカルセンサ。
［１５］
前記ブロッキング剤が塩基性の物質である［１４］に記載のケミカルセンサ。
［１６］
前記標的物質輸送キャリアは、匂い物質結合タンパク質又は包接化合物である［１０］〜［１５］の何れか１つに記載のケミカルセンサ。
［１７］
気体試料中の標的物質を検出するためのケミカルセンサであって、
外側に親水部を有し、内側に疎水部を有するポケット状の標的物質輸送キャリアと、
前記標的物質と前記標的物質輸送キャリアの結合による物性の変化を検出する検出器と、
を含むケミカルセンサ。
［１８］
前記標的物質は匂い物質である［１］〜［１７］の何れか１つに記載のケミカルセンサ。
［１９］
感応膜と、前記感応膜に固定された嗅覚受容体断片と、前記感応膜上に設けられ前記嗅覚受容体断片を被覆する液相とを含むケミカルセンサを用いて気体試料中の標的物質を検出するための方法であって、
（Ｓ１）前記気体試料を前記液相に接触させること、
（Ｓ２）前記感応膜の物性の変化を検出すること、及び
（Ｓ３）前記検出の結果から、前記気体試料中の前記標的物質の有無又は量を決定すること
を含む標的物質検出方法。
［２０］
前記工程（Ｓ３）の前に、標的物質輸送キャリアを前記液相に添加することを更に含む［１９］に記載の方法。
［２１］
前記工程（Ｓ３）の後に、前記標的物質を分解する酵素を前記液相に添加し、前記液相を除去し、前記感応膜上に液相を設けることを更に含む［１９］又は［２０］に記載の方法。
［２２］
感応膜と、前記感応膜に固定された、外側に親水部を有し、内側に疎水部を有するポケット状の標的物質輸送キャリアと、前記感応膜上に設けられ前記標的物質輸送キャリアを被覆する液相とを含むケミカルセンサを用いて気体試料中の標的物質を検出するための方法であって、
（Ｓ１１）前記気体試料を前記液相に接触させること、
（Ｓ１２）前記感応膜の物性の変化を検出すること、及び
（Ｓ１３）前記検出の結果から、前記気体試料中の前記標的物質の有無又は量を決定すること
を含む標的物質検出方法。
［２３］
前記工程（Ｓ１３）の後に、前記標的物質を分解する酵素を前記液相に添加し、前記液相を除去し、前記感応膜上に液相を設けることを更に含む［２２］に記載の方法。
１…ケミカルセンサ
２…基板
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ…感応膜
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ…嗅覚受容体断片
５…ブロッキング剤
６…液相
１１…気体試料
１２…標的物質
１４…標的物質輸送キャリア

Claims (23)

  1. 気体試料中の標的物質を検出するためのケミカルセンサであって、
    感応膜と、
    前記感応膜に固定された嗅覚受容体断片と
    前記感応膜上に設けられ、前記嗅覚受容体断片を被覆する液相と
    を含み、
    前記液相中に、外側に親水部を有し、内側に疎水部を有するポケット状又は空孔状の標的物質輸送キャリアを含むケミカルセンサ。
  2. 前記感応膜はグラフェンであり、前記感応膜の一方の端に接続するソース電極と、他方の端に接続するドレイン電極とを更に備える請求項１に記載のケミカルセンサ。
  3. 前記液相の厚さが、０μｍより厚く、５０μｍ以下である請求項１又は２に記載のケミカルセンサ。
  4. 前記標的物質輸送キャリアは、匂い物質結合タンパク質又は包接化合物である請求項１〜３のうち何れか１項に記載のケミカルセンサ。
  5. 前記感応膜の前記嗅覚受容体断片が固定されている面にブロッキング剤を更に備える請求項１〜４の何れか１項に記載のケミカルセンサ。
  6. 前記ブロッキング剤が酸性の物質である請求項５に記載のケミカルセンサ。
  7. 気体試料中の標的物質を検出するためのケミカルセンサであって、
    前記標的物質と結合する嗅覚受容体断片と、
    前記嗅覚受容体断片を被覆する液相と、
    前記標的物質と前記嗅覚受容体断片の結合による物性の変化を検出する検出器と、
    を含み、
    前記液相中に、外側に親水部を有し、内側に疎水部を有するポケット状又は空孔状の標的物質輸送キャリアと、酸性の物質であるブロッキング剤とを含むケミカルセンサ。
  8. 気体試料中の標的物質を検出するためのケミカルセンサであって、
    外側に親水部を有し、内側に疎水部を有し、前記標的物質と結合可能なポケット状又は空孔状の物質と、
    前記標的物質と、前記標的物質と結合可能なポケット状又は空孔状の物質との結合による物性の変化を検出する検出器と、
    を含むケミカルセンサ。
  9. 気体試料中の標的物質を検出するためのケミカルセンサであって、
    感応膜と、
    前記感応膜に固定された、外側に親水部を有し、内側に疎水部を有するポケット状又は空孔状の物質と
    を含むケミカルセンサ。
  10. 前記ポケット状又は空孔状の物質は、前記内側に前記標的物質を取り込み可能である請求項９に記載のケミカルセンサ。
  11. 前記ポケット状又は空孔状の物質は、前記標的物質と結合可能である請求項１０に記載のケミカルセンサ。
  12. 前記感応膜はグラフェンであり、前記感応膜の一方の端に接続するソース電極と、他方の端に接続するドレイン電極とを更に備える請求項９〜１１のうち何れか１項に記載のケミカルセンサ。
  13. 前記外側に親水部を有し、内側に疎水部を有するポケット状又は空孔状の物質を被覆する液相を更に備える請求項９〜１２のうち何れか１項に記載のケミカルセンサ。
  14. 前記液相の厚さが、０μｍより厚く、５０μｍ以下である請求項１３に記載のケミカルセンサ。
  15. 前記感応膜の前記ポケット状又は空孔状の物質が固定されている面にブロッキング剤を備える請求項９〜１４の何れか１項に記載のケミカルセンサ。
  16. 前記ブロッキング剤が塩基性の物質である請求項１５に記載のケミカルセンサ。
  17. 前記ポケット状又は空孔状の物質は、匂い物質結合タンパク質又は包接化合物である請求項８〜１６の何れか１項に記載のケミカルセンサ。
  18. 気体試料中の標的物質を検出するためのケミカルセンサであって、
    外側に親水部を有し、内側に疎水部を有するポケット状又は空孔状の物質と、
    前記標的物質と前記ポケット状又は空孔状の物質の結合による物性の変化を検出する検出器と、
    を含むケミカルセンサ。
  19. 前記標的物質は匂い物質である請求項１〜１８の何れか１項に記載のケミカルセンサ。
  20. 感応膜と、前記感応膜に固定された嗅覚受容体断片と、前記感応膜上に設けられ、前記嗅覚受容体断片を被覆する液相とを含むケミカルセンサを用いて気体試料中の標的物質を検出するための方法であって、
    （Ｓ１）前記気体試料を前記液相に接触させること、
    （Ｓ２）前記感応膜の物性の変化を検出すること、及び
    （Ｓ３）前記検出の結果から、前記気体試料中の前記標的物質の有無又は量を決定すること
    を含み、
    前記工程（Ｓ２）の前に、標的物質輸送キャリアを前記液相に添加することを含む標的物質検出方法。
  21. 前記工程（Ｓ３）の後に、前記標的物質を分解する酵素を前記液相に添加し、前記液相を除去し、前記感応膜上に液相を設けることを更に含む請求項２０に記載の方法。
  22. 感応膜と、前記感応膜に固定された、外側に親水部を有し、内側に疎水部を有するポケット状又は空孔状の物質と、前記感応膜上に設けられた前記ポケット状又は空孔状の物質を被覆する液相とを含むケミカルセンサを用いて気体試料中の標的物質を検出するための方法であって、
    （Ｓ１１）前記気体試料を前記液相に接触させること、
    （Ｓ１２）前記感応膜の物性の変化を検出すること、及び
    （Ｓ１３）前記検出の結果から、前記気体試料中の前記標的物質の有無又は量を決定すること
    を含む標的物質検出方法。
  23. 前記工程（Ｓ１３）の後に、前記標的物質を分解する酵素を前記液相に添加し、前記液相を除去し、前記感応膜上に液相を設けることを更に含む請求項２２に記載の方法。
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