JP4847815B2 - 複合センサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、ＱＣＭセンサに用いられる溝部を有するマイクロ流路部に直接接触する圧電基板上に配置する電極と、マイクロ流路部に加わる圧力変化を検知する圧電基板とで構成される複合センサ素子に関するものである。

まず始めにＱＣＭセンサについて簡単に説明する。近年、ヒトの遺伝子構造がほぼ解明され、テーラメイド医療、癌特異細胞の解明、予防医療などへの応用のため、多くの遺伝子機能究明に関する研究がなされている。ヒトの遺伝形態を司るとされる核酸は、ヌクレオチドをつなげて出来た紐状の分子で、そのヌクレオチドは糖を中心にしてリン酸（ＰＯ_４）と、4種類の塩基がそれぞれ結合した分子である。糖の形態には、デオキシリボースとリボースの２種類があり、この違いにより「ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）」と、「ＲＮＡ（リボ核酸）」に分けられる。

塩基の種類は、ＡＴＵＣＧの５つの種類であり、ＤＮＡはＡＴＣＧの４塩基組合せ、ＲＮＡは、ＡＵＣＧの４塩基組合せであり、２者間における塩基の違いは、ＴとＵが置換された構造となっている。ここに、Ａ（アデニン）、Ｔ（チミン）、Ｃ（シトシン）、Ｇ（グアニン）、Ｕ（ウラシル）である。4種類の塩基は、それぞれ一定の法則をもって結合し２重螺旋を形成するが、相互的に結合するのは、Ａ-Ｔ（Ｕ）、Ｇ-Ｃ であり、けっしてＡ-Ｇ、Ａ-Ｃ、Ｔ（Ｕ）-Ｃ、Ｔ（Ｕ）-Ｇとの結合はない。

従来のＤＮＡチップによる核酸の配列検出原理は、この結合の基本的約束のもとに、ガラス基板、或いは、シリコーン基板上に塩基配列の判明している1本鎖のＤＮＡ断片を複数種配列し、これに蛍光処理された検体1本鎖ＤＮＡを溶液中で接触させた後、結合部位にレーザ光を照射して結合の状態を蛍光量の様子として比較測定（定性的測定）することで認知するものである。

すなわち、従来のＤＮＡチップを用いた検出方式では、レーザを照射して蛍光の様子を比較測定する蛍光検出方式である。この方式では、検体となるＤＮＡに予め蛍光色素で標識をつけ、ＤＮＡチップ上のＤＮＡ断片に結合した検体ＤＮＡの有無を、レーザ光照射による蛍光色素の発光により検出する方法で、判定までには多くの時間を必要とし、医療現場など緊急判断には問題である。（非特許文献１参照）。

これに対して本願出願人は、リアルタイム計測を目的として既に出願している特許文献１に示す様な水晶基板を用いたＤＮＡチップを提案している。
このＤＮＡチップは水晶基板に形成された各々分離した複数の例えば凸部、凹部ら成る島部（セル）と、その上に構成された電極膜に構築された特有の塩基配列を持つＤＮＡ群から構成され、このＤＮＡチップを溶液中で交流電圧を印加して励振させ、その励振周波数を確認しながら、検体から検出されたＤＮＡを含む溶液を注入するとＤＮＡ相互間の結合の状態により、電極上の質量が微小変化するため、励振周波数が変化する。また、この結合の様子は周波数を繰り返し計測することでリアルタイムに観測することが可能となる。

このとき、各セルの励振電極はそれぞれ独立した引き出し電極により外部接続端子に接続されており、各セルが独立して励振できるような配線構造をとっている。以上のように、圧電式微小質量計測センサは、例えば水晶振動子表面に電極を形成し、この膜表面上で物質を脱着することにより質量変化を周波数変化として捉える手法であり、この関係をサブレーの式から算出するものである。

また、微少質量検出チップを含めたＱＣＭセンサーシステムではセンサー部の前段にマイクロ流路を設け、検体はこの流路に例えばマイクロポンプなどにより圧送され、流路内を流れることで温度の均一化、流量の制御、検出センサーの選択がされ所定のＤＮＡなどの検出センサー部に送り込まれる仕組みが取られている。マイクロ流路と呼ばれるものは、※図７に示すように一般的には石英硝子などに微細な溝を彫り込み、それを平らな石英硝子でフタをすることで微小な流路が構成されることが多い。
原田 学，佐藤 高遠，米田 英克、「ＤＮＡチップの現状と展望」、応用物理、第６９巻、第１２号（２０００） 特開２００３−２８７５３８号公報 なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述する従来法では、ＤＮＡへの蛍光処理作業、大掛かりなレーザ光装置が必要で測定には多くの時間と費用が掛かることから、治療現場などで早急に判断を必要とする場合や、更には、蛍光状態を相互比較する定性測定であり、定量的な測定が出来ないという問題があった。

例えば、マトリックス状のセルで構成したマイクロ流路部を兼用した集積型反応解析では、一面に配置する検出電極の面積が小さかったりなどで、マイクロ流路部を通過する際の検体液の検知が難しいという課題がある。

またその一方では、例えばマイクロ流路内を血液を搬送する場合には、輸血中に管が外れたり、その逆に管がつまるなど、マイクロ流路を通過する液体に異常が発生した場合には、その異常検知は別途検出手段を講じる必要があり、センサシステムを統合することができないと言う現状にもある。

上述する課題を解決するために本発明は、溝部によりマイクロ流路部を構成した圧電基板と、少なくとも前記圧電基板下面に特性（状態）検査用の検出電極を形成した圧電基板を搭載し、更に前記マイクロ流路部を構成した圧電基板の上面に圧力検出用の圧電基板を搭載した複合センサ素子であり、前記複合センサ素子を被う容器に収納されていることを特徴とする複合センサ素子である。

要するに本発明は、従来の技術に記載する集積型反応解析における検出電極の面積が小さかったことによる検体液の検知の難しいさを解消するためと、マイクロ流路内を搬送する液体の流通性の状態は換言すれば、マイクロ流路内の圧力変動に起因することから、マイクロ流路内の圧力変化量を検知することにより、安定した流れを確保することを実現したものである。その結果従来に挙げる課題を解決することができる。

以上説明したように本発明によれば、マイクロ流路を中心とした複合的な検出を実現する複合センサ素子により、マイクロ流路における検体液の検知を可能にし、更には、マイクロ流路内に加わる圧力を検知することで、マイクロ流路を介して供給する流体、気体の圧力変化をも感知する複合センサとして機能させることで、検知素子を部品点数を削減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は本発明を構成する複合センサ素子の概念図である。構成する圧電基板は水晶材料をはじめとし、セラミック、ランガサイト、四ほう酸リチウムなど圧電効果を有する材料であれば適応できる。図１に示すように、溝部１によりマイクロ流路部を構成する圧電基板２を挟む形態で、少なくとも圧電基板下面に特性検査用の検出電極（特に図示せず）を形成した圧電基板３を搭載し、更にマイクロ流路部を構成した圧電基板２の上面に圧力検出用の圧電基板４を搭載した構造を有する複合センサ素子５である。

図２は図１を詳細に描画したものであるが、例えば水晶材料を用いて溝部１を有するマイクロ流路部の構成としては、図２（ｂ）に描画するように圧電基板に溝部１を形成し、この溝部１に沿って検体液を流すもので検体液の種類については、生体液（血液、髄液等）、抗体液など医療に関係する検体をはじめ、粘性を持つオイルなどを流路部に流すものである。このように図２（ｂ）には溝内検体液の流通を促すよう伝搬波を発生させる励振電極が形成されている。

一方、図２（ａ）は図２（ｂ）に示すマイクロ流路部を構成した圧電基板２の下面に配置する特性検査用の検出電極を両主面に形成した圧電基板３である。圧電基板としては例えば水晶材料であれば、ＡＴカットの振動モードで予め発振させた状態から周波数特性の変化により特性を検出するものである。

上述するように溝部１を流通する検体液の種類については、生体液（血液、髄液等）、抗体液など医療に関係する検体をはじめ、粘性を持つオイルなどを流すことで、事前に各種状態の平均的な周波数の数値を確認しておき、平均値（周波数）との絶対変化量（差）がすなわち、この流路部を流す検体液が通過するときに異常値か否かを、圧電基板上に形成する検出電極により周波数の変化量として検知するものである。

検出電極の形状としては圧電基板の表裏主面に一般振動子と同様に形成するものである。代表的には上述するＡＴカットの水晶材料が最も周波数変化量を顕著に示すものであるが、ＡＴカットにこだわるものでは無い。なお、図２（ａ）に示す圧電基板はマイクロ流路部を構成する圧電基板２上面に配置しても構わない。

さて、図２（ｃ）については、前述するマイクロ流路部を構成した圧電基板２上に圧力検出用の圧電基板４を配置したものである。ここで用いる圧電基板としても、水晶材料を例に取るとＸカットが最も適したものである。Ｘカットの水晶材料は圧電基板の厚み方向、すなわち圧電基板４の両主面に形成する電極方向に加わる圧力や歪み成分から周波数の変化量に置き換えて、圧電基板４に加わる圧力値を知ることができ、この圧電基板４に加わるマイクロ流路部からの圧力を検知することで、マイクロ流路部を流れる検体液の異常を検知することができる。

一例として、例えばマイクロ流路内を血液を搬送する場合に、輸血中に管が外れたり、その逆に管がつまるなど、マイクロ流路を通過する液体に異常が発生したときに、その異常を圧力変化として検知するものである。そのためには、通常時の圧力分布を統計的にまとめておき、この統計数値とは異なる周波数の変化量から換算した圧力値を検知したときに、マイクロ流路部を流れる検体液の異常を知ることができる。

上述を図２（ｄ）の側面図で描画すると、検体液が紙面右から左に流通したときに、圧電基板３では検体液の粘度や比重の異常を圧電基板３に形成する検出電極により周波数の変化として認識するもので、圧電基板４では検体液の流通時の停滞異常を圧力として検出するものである。なお、上述の測定系については、特に記載しないが、図２（ｄ）の圧電基板３と圧電基板４に形成する電極から測定器に信号が出力される。

なお、上述する複合センサ素子５は上記で説明する図２（ａ）〜（ｃ）の構成を基本として、上記複合センサ５全体を被うような容器６に収納することもできる。なお、容器６には流路部１に検体液を供給するために図示していないが一部分に孔がある。

本発明の概念を示す斜視図である。 本発明の各部圧電基板を説明する斜視図である。

符号の説明

１ 溝部（流路部）
２ 圧電基板（マイクロ流路部のある）
３ 圧電基板（特性（状態）検査用の検出電極を形成した）
４ 圧電基板（圧力検出用）
５ 複合センサ素子
６ 容器

Claims (2)

1. 溝部によりマイクロ流路部を構成した圧電基板と、少なくとも前記圧電基板下面に特性検査用の検出電極を形成した圧電基板を搭載し、更に前記マイクロ流路部を構成した圧電基板の上面に圧力検出用の圧電基板を搭載したことを特徴とする複合センサ素子。
2. 請求項１記載の複合センサ素子を被うような容器に収納されている複合センサ素子。
   

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