特許 6490399 センサー装置、生体分子視覚化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6490399

(24)【登録日】2019年3月8日

(45)【発行日】2019年3月27日

(54)【発明の名称】センサー装置、生体分子視覚化装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/64 20060101AFI20190318BHJP

   G01N 33/483 20060101ALI20190318BHJP

   G01N 33/53 20060101ALI20190318BHJP

   G01N 21/80 20060101ALI20190318BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/64 Z

   G01N33/483 C

   G01N33/53 M

   G01N21/80

【請求項の数】11

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-228009(P2014-228009)

(22)【出願日】2014年11月10日

(65)【公開番号】特開2016-90505(P2016-90505A)

(43)【公開日】2016年5月23日

【審査請求日】2017年11月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】特許業務法人 志賀国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100089037

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 隆

(74)【代理人】

【識別番号】100094400

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 三義

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(72)【発明者】

【氏名】馬場 俊彦

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 敬介

(72)【発明者】

【氏名】岸 洋次

(72)【発明者】

【氏名】酒本 真衣

【審査官】 伊藤 裕美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−００８８９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−００１９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０８６７５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０３６１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０７１０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３３２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０１１７２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１５−５３０８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０１８１７０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１８３４５２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／６２ − Ｇ０１Ｎ ２１／８３

Ｇ０１Ｎ ３３／４８ − Ｇ０１Ｎ ３３／９８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

センシング領域上のセンシング対象をセンシングするセンサー装置であって、
第１波長帯域の光の照射により第２波長帯域の光を発光する発光層を有し、前記発光層に前記センシング領域が設けられる基板と、
前記発光層から生じる第２波長帯域の光を受光して、前記センシング領域における電荷密度に応じた強度で前記センシング領域の像を視覚化する視覚化部と、
を備える前記センサー装置において、
前記発光層は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体であることを特徴とするセンサー装置。

【請求項2】

前記発光層は、ＺｒＯ_２膜またはＨｆＯ_２膜またはそれらの複合膜で覆われていることを特徴とする
請求項１記載のセンサー装置。

【請求項3】

前記第１波長帯域の光および前記第２波長帯域の光は、赤外光であることを特徴とする
請求項１または２に記載のセンサー装置。

【請求項4】

前記基板は、前記第１波長帯域の光および前記第２波長帯域の光に対する透過性を有することを特徴とする
請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサー装置。

【請求項5】

前記センシング対象は、所定のｐＨを有する溶液であることを特徴とする
請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサー装置。

【請求項6】

前記センシング対象は、生体分子であることを特徴とする
請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサー装置。

【請求項7】

前記生体分子は、ＤＮＡまたは細胞であることを特徴とする
請求項６記載のセンサー装置。

【請求項8】

前記視覚化部は、前記センシング領域の像を撮像する撮像部と、撮像された前記像を表示する表示部とを備えることを特徴とする
請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサー装置。

【請求項9】

先端に前記発光層を有する前記基板を有し、該基板との接続によって内部を閉塞空間にするように設けられ、前記内部に前記第１波長帯域の光を照射するための光ファイバーと、前記視覚化部とを配置した管状部材を有し、請求項１から８のいずれか一項に記載のセンサー装置を構成することを特徴とする生体分子視覚化装置。

【請求項10】

先端に前記発光層を有する前記基板を有し、該基板との接続によって内部を閉塞空間にするように設けられ、前記内部に前記第１波長帯域の光を導光するとともに、前記センシング領域の像を伝送するイメージファイバを収容する管状部材と、前記イメージファイバにより伝送された前記像を視覚化する前記視覚化部とを有し、請求項１から８のいずれか一項に記載のセンサー装置を構成することを特徴とする生体分子視覚化装置。

【請求項11】

前記基板は、第１波長帯域の光および第２波長帯域の光を透過する、
請求項９または１０記載の生体分子視覚化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサー装置、生体分子視覚化装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

現在、例えば、ＤＮＡチップを用いた分析では、基板上に様々な型の単鎖ＤＮＡを配置し、分析対象の単鎖ＤＮＡに蛍光標識分子を修飾する。そして、この分析では、型が一致するＤＮＡとの間で二本鎖が形成された反応によって蛍光標識が作動する。また、例えば、ＥＬＩＳＡ法を用いて検体中のタンパク質の含有量を分析する場合は、分析対象のタンパク質と抗原抗体反応を起こす抗体タンパク質を修飾したチップを用意し、そこに分析対象のタンパク質を導入する。そこに酵素を修飾した二次抗体を導入すると、抗原抗体反応が生じたタンパク質のみに二次抗体が吸着するため、さらに基質を加えたときの発色からタンパク質を定量する。

【0003】

上記の技術では、蛍光標識や酵素標識を用いているため、手間と労力を要しコストアップの一因となっている。そこで、表面に化学物質が付着すると照射した光の波長や角度が変わることを利用して、標識物質を用いることなく化学物質を検知する表面プラズモン共鳴センサが開発されている。また、特許文献１には、電界効果トランジスタ型センサを用い、標識物質を用いることなく電気的に化学物質をセンシングする技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−０５０４２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述したような従来技術には、以下のような問題が存在する。
表面プラズモン共鳴センサは、高価なスペクトル分析器が必要であるためコストアップとなってしまう。一方、特許文献１に記載されたセンサは、センシング部が基板上にマトリクス状に配置され、各センシング部に配線等が設けられるため空間分解能を高くするには限界がある。また、センシング部および配線を形成するためにはフォトリソ法等を用いる必要があり、コストアップは避けられない。そのため、センシング後に使い捨て使用することも困難で、センシング部を洗浄するような再生処理が必要になるという問題もある。これらの問題は、センシング対象がＤＮＡに限られず、他の化学物質（生体分子）をセンシングする際にも同様に発生する。

【0006】

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、コストアップを抑えつつ高い空間分解能のセンシングが可能なセンサー装置、生体分子視覚化装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様に従えば、センシング領域上のセンシング対象をセンシングするセンサー装置であって、第１波長帯域の光の照射により第２波長帯域の光を発光する発光層を有し、前記発光層に前記センシング領域が設けられる基板と、前記発光層から生じる第２波長帯域の光を受光して、前記センシング領域における電荷密度に応じた強度で前記センシング領域の像を視覚化する視覚化部と、を備える前記センサー装置において、前記発光層は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体であることを特徴とするセンサー装置が提供される。

【0012】

本発明の第２の態様に従えば、第１の態様において、前記発光層は、ＺｒＯ_２膜またはＨｆＯ_２膜またはそれらの複合膜で覆われているセンサー装置が提供される。

【0013】

本発明の第３の態様に従えば、第１または第６の態様において、前記第１波長帯域の光および前記第２波長帯域の光は、赤外光であるセンサー装置が提供される。

【0014】

本発明の第４の態様に従えば、第１から第３のいずれかの態様において、前記基板は、前記第１波長帯域の光および前記第２波長帯域の光に対する透過性を有するセンサー装置が提供される。

【0017】

本発明の第５の態様に従えば、第１から第４のいずれかの態様において、前記センシング対象は、所定のｐＨを有する溶液であるセンサー装置が提供される。

【0018】

本発明の第６の態様に従えば、第１から第５のいずれかの態様において、センシング対象は、生体分子であるセンサー装置が提供される。

【0019】

本発明の第７の態様に従えば、第１から第６のいずれかの態様において、前記生体分子は、ＤＮＡまたは細胞であるセンサー装置が提供される。

【0020】

本発明の第８の態様に従えば、第１から第７のいずれかの態様において、前記視覚化部は、前記センシング領域の像を撮像する撮像部と、撮像された前記像を表示する表示部とを備えるセンサー装置が提供される。

【0021】

本発明の第９の態様に従えば、先端に前記発光層を有する前記基板を有し、該基板との接続によって内部を閉塞空間にするように設けられ、前記内部に前記第１波長帯域の光を照射するための光ファイバーと、前記視覚化部とを配置した管状部材を有し、第１から第８のいずれかの態様のセンサー装置を構成することを特徴とする生体分子視覚化装置が提供される。

【0022】

本発明の第１０の態様に従えば、先端に前記発光層を有する前記基板を有し、該基板との接続によって内部を閉塞空間にするように設けられ、前記内部に前記第１波長帯域の光を導光するとともに、前記センシング領域の像を伝送するイメージファイバを収容する管状部材と、前記イメージファイバにより伝送された前記像を視覚化する前記視覚化部とを有し、請求項１から８のいずれかの態様のセンサー装置を構成することを特徴とする生体分子視覚化装置が提供される。

【0023】

本発明の第１１の態様に従えば、第９または１０の態様において、前記基板は、第１波長帯域の光および第２波長帯域の光を透過する生体分子視覚化装置が提供される。

【発明の効果】

【0025】

本発明では、コストアップを抑えつつ空間分解能が向上したセンシングが可能なセンサー装置および生体分子視覚化装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の実施の形態を示す図であって、センサー装置Ｓの概略的な外観斜視図である。

【図2】極性と蛍光強度との関係を示す図である。

【図3】溶液ＬのｐＨと、蛍光２４の発光強度との関係を示す図である。

【図4】ｐＨと、蛍光２４を受光した像との関係を示す図である。

【図5】第２実施形態に係るセンシングを行うセンサー装置Ｓの概略的な外観斜視図である。

【図6】ＤＮＡをセンシングする手順を示す図である。

【図7】蛍光強度の時間変化を示す図である。

【図8】従来のＤＮＡをセンシングする手順を示す図である。

【図9】第３実施形態に係るセンシングを行うセンサー装置Ｓの概略的な外観斜視図である。

【図10】第４実施形態に係るセンシングを行うセンサー装置Ｓの概略的な外観斜視図である。

【図11】第５実施形態に係るセンシングを行うセンサー装置Ｓの概略的な外観斜視図である。

【図12】管状の体内部位５５の内部に第６実施形態に係る生体分子視覚化装置６０が挿入された断面斜視図である。

【図13】生体分子視覚化装置６０の長さ方向の断面図である。

【図14】別形態の生体分子視覚化装置６０Ａの長さ方向の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明のセンサー装置および生体分子視覚化装置の実施の形態を、図１ないし図１４を参照して説明する。

【0028】

［第１実施形態］
まず、センサー装置の構成について説明する。図１は、センサー装置Ｓの概略的な外観斜視図である。
図１に示すセンサー装置Ｓは、照射部１０、基板２０、および視覚化部５０を備えている。照射部１０は、励起光１１として、例えば、波長９８０ｎｍ（第１波長帯域）の赤外光のレーザ光を出射する。

【0029】

基板２０は、照射部１０および撮像部３０と対向する側の面がセンシング領域ＳＡである。基板２０は、ベース基板２１、発光層２２、保護層２３が順次積層された構成を有している。ベース基板２１および発光層２２としては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成されている。ベース基板２１は、例えば、ＩｎＰ基板が用いられる。

【0030】

発光層２２は、例えば、ＧａＩｎＡｓＰで形成されている。発光層２２は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さが好ましい。発光層２２の厚さが１０００ｎｍを超えると発光全体にとって表面の効果が利きづらくなり、発光層２２の厚さが１００ｎｍより薄くなると表面の効果が利きすぎて、全般的に発光が非常に弱くなることから、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さが好ましい。本実施形態の発光層２２は、一例として、４００ｎｍの厚さに形成されている。発光層２２は、励起光１１が照射されるたときに、一例として、ピーク波長１．５５μｍ（第２波長帯域）程度の赤外光の蛍光２４を発光（発振）する。

【0031】

保護層２３は、センシング領域ＳＡ上の化学物質に対して発光層２２を保護するものである。保護層２３は、一例として、酸化膜で形成されている。本実施形態の保護層２３は、ＺｒＯ_２で形成されている。保護層２３は、一例として、３ｎｍの厚さに形成されている。

【0032】

視覚化部５０は、発光層２２から生じる蛍光２４を受光して、センシング領域ＳＡの像を視覚化する。視覚化部５０は、撮像部３０および表示部４０を備えている。撮像部３０は、ＧａＩｎＡｓの２次元アレイから成るイメージセンサを有する赤外光カメラを備えている。表示部４０は、撮像部３０によって撮像されたセンシング領域ＳＡの像を表示する。表示部４０は、一例として、液晶ディスプレイを備えている。

【0033】

上記のセンサー装置Ｓにおいては、照射部１０から赤外光の励起光１１が照射されて発光層２２から生じる蛍光２４は、センシング領域ＳＡに化学物質が存在する場合、波長が変わることなく、発光層２２の電荷密度（センシング領域ＳＡの表面電荷密度）に応じた強度で発光することを本願の発明者は見出した。これは、センシング領域ＳＡ上に化学物質が存在すると、化学物質が有する電荷によってセンシング領域ＳＡにおける電荷密度が変化することによって生じると考えられる。

【0034】

図２に、センシング領域ＳＡを正または負に帯電させたときの発光強度を示す。図２の横軸における実験回１、３、５、７、９、１１は、センシング領域ＳＡを負に帯電させたときの発光強度を示し、実験回２、４、６、８、１０は、センシング領域ＳＡを正に帯電させたときの蛍光２４の発光強度を示す。化学物質として水中で異なる極性の高電荷密度を有する二種類の高分子電解質を用い、この化学物質をセンシング領域ＳＡに交互に吸着させて表面を強制的に正負に帯電させ、そのときの発光強度の変化をセンシングした。

【0035】

具体的には，最初に0.05％ 3-アミノプロピルトリエトキシシランによりセンシング領域ＳＡの表面をアミノ基化し、その後、負に帯電するポリアクリル酸 (PAA)［実験回１、３、５、７、９、１１］、または正に帯電するポリエチレンイミン (PEI) ［実験回２、４、６、８、１０］を1wt％含む溶液にそれぞれ２０分浸漬し、その溶液中で蛍光２４の強度をセンシングした後、３０秒間純水リンスすること繰り返した。図２に示されるように、蛍光２４の発光強度は、センシング領域ＳＡの帯電の極性に応じて増減することが確認された。具体的には、蛍光２４の発光強度は、センシング領域ＳＡが正に帯電したときには大きくなり、センシング領域ＳＡが負に帯電したときには小さくなることが確認された。

【0036】

次に、センサー装置Ｓを用いて、溶液のｐＨをセンシングする方法について説明する。
まず、センシング領域ＳＡを、一例としてＯ_２プラズマにより親水化した基板２０を溶液（化学物質）Ｌ（図１参照）の流路に設置した。溶液Ｌは、濃度10 mM のＫＣｌ溶液にＫＯＨまたはＨＣｌを加え、ｐＨを１１〜２の範囲で調整したものを用い、ｐＨが大きい溶液からｐＨが小さくなる順序で流路に導入する。

【0037】

このとき、センシング領域ＳＡは、発光層２２が保護層２３で被覆されているため、発光層２２と溶液Ｌとが接触して発光層２２に酸化やエッチング等が生じることを抑制できる。

【0038】

図３は、溶液ＬのｐＨと、蛍光２４の発光強度との関係を示す図である。図３に示すように、溶液ＬのｐＨが大きくなると、蛍光２４の発光強度が小さくなることが確認された。また、溶液ＬのｐＨの変化と蛍光２４の発光強度の変化との関係は可逆的であることも確認された。図４は、溶液ＬのｐＨが、２〜６、９、１０のときに撮像部３０で撮像された像の一例を示す図である。図４に示されるように、センシング領域ＳＡ上の溶液Ｌについては、ｐＨが小さいほど蛍光２４の発光強度が大きくなり、ｐＨが大きいほど蛍光２４の発光強度が小さくなった像が得られた。

【0039】

この結果は、溶液ＬのｐＨが低いときにセンシング領域ＳＡの表面のＺｒＯ_２が正に帯電して電荷密度が変化し、アンドープでn⁻型となるＧａＩｎＡｓＰの界面付近に多数キャリアである電子の蓄積が起こり、これが界面付近での光励起によるキャリアの発生と界面再結合を抑制するためｐＨが高いときと比べて発光強度が強くなると定性的に説明できる。

【0040】

そして、例えば、センシング領域ＳＡ上にｐＨの異なる二つの溶液Ｌ１、Ｌ２が存在している場合（ｐＨは、Ｌ１＞Ｌ２）には、撮像部３０はセンシング領域ＳＡのうち、溶液Ｌ１が存在する領域から低い発光強度の蛍光２４を受光し、溶液Ｌ２が存在する領域から高い発光強度の蛍光２４を受光する。その結果、図１に示されるように、表示部４０においては、溶液Ｌ１が存在する領域に対応する表示領域Ｄ１がセンシング領域ＳＡ上の電荷密度に応じて暗く表示され、溶液Ｌ２が存在する領域に対応する表示領域Ｄ２がセンシング領域ＳＡ上の電荷密度に応じて明るく表示されるため、ｐＨの違いが視覚化されｐＨが異なる境界を容易に視認することが可能となる。

【0041】

以上説明したように、本実施形態では、発光層２２を有するセンシング領域ＳＡに励起光１１を照射し、センシング領域ＳＡからの蛍光２４を受光してセンシング領域ＳＡにおける電荷密度に応じた強度で視覚化しているため、高価なスペクトル分析器やフォトリソ法等を用いることなく、センシング領域ＳＡ上の溶液Ｌ等の化学物質に関する情報を容易に得ることができる。また、本実施形態では、センシング領域ＳＡにおける空間分解能を高めるには、撮像部３０および表示部４０の空間分解能を高めることで対応可能なので、基板２０に分解能に応じた密度でＦＥＴ等のセンシング部や配線を形成する場合と比較して、コストアップを抑えつつ、大幅な空間分解能の向上を実現することができる。

【0042】

特に、本実施形態では、発光層２２が半導体層であるため、基板２０を安価に製造することができ、さらなるコスト抑制に貢献することができる。また、本実施形態では、基板２０が安価であることから使い捨てと使用することで、再利用時の洗浄工程や検査工程を省くことが可能となり、センシング効率の向上を図ることもできる。

【0043】

また、本実施形態では、発光層２２をＺｒＯ_２からなる酸化膜の保護層２３で被覆しているため、塩や中性ではないｐＨを有する溶液Ｌによって発光層２２に酸化やエッチング等が生じることを抑制することがき、安定したセンシングを維持すること可能である。また、本実施形態における保護層２３を除去して再度保護層２３の被膜を形成して再利用することも可能である。

【0044】

そして、本実施形態で示したセンサー装置Ｓにおいて、基板２０を溶液Ｌの流路に設置することにより、コストアップを抑えつつ空間分解能が向上したｐＨセンシングが可能なｐＨセンサーを構築することができる。

【0045】

［第２実施形態］
次に、上記センサー装置Ｓを用いたセンシングの第２実施形態として、生体分子のスクリーニングについて図５乃至図７を参照して説明する。
この図において、図１乃至図４に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

【0046】

図５に示すセンサー装置Ｓは、基板２０上のセンシング領域ＳＡに、種類が異なるプローブＤＮＡや抗体タンパク質等の生体分子ＢＭがアレイ状にマッピングして修飾されている。本実施形態では、生体分子ＢＭとしてプローブＤＮＡをセンシング領域ＳＡに修飾している。

【0047】

具体的には、基板２０上のセンシング領域ＳＡに対して、Ｏ_２プラズマ処理とＡＰＴＥＳ（アミノプロピルトリエトキシシラン）処理の後、100mM のＫＣｌを含むｐＨ１０．４の溶液中で25 kDa，1wt%のＰＡＡ，同様のＫＣｌを含むｐＨ３．２の溶液中で10kDa，1wt%のＰＥＩを吸着させ、高密度なアミノ基をもつ表面を形成した。そこに1mM のＫＣｌ溶液に分散させたリン酸基を末端にもつランダムな配列の12 mer 一本鎖ＤＮＡ(5’-TGCACAGACTAG-3’) 2μＭを、図６（ａ）に示すように、プローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）として吸着させ、純水でリンスした。

【0048】

そして、センシング領域ＳＡに、上記のプローブＤＮＡと相補的なターゲットＤＮＡ(5’-CTAGTCTGTGCA-3’；（生体分子ＴＤ（図６（ｂ）参照））) 10μＭを同様のＫＣｌ溶液と共に導入して二本鎖のＤＮＡ（生体分子ＷＤ（図６（ｃ）参照））形成した後に、センシング領域ＳＡに励起光１１を照射し、センシング領域ＳＡからの蛍光２４を撮像部３０で受光し、センシング領域ＳＡの像を撮像した。

【0049】

図７は、上述したプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）の修飾からターゲットＤＮＡを導入した後までの蛍光２４の強度の変化を示す図である。
ＤＮＡ等の生体分子ＢＭは、一般的に負に帯電している。そのため、一本鎖のプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）が時間Ｔ１で修飾されると、センシング領域ＳＡの電荷密度が変化して蛍光２４の強度が弱くなる。その後、時間Ｔ２でのリンス時には、純水が導入されることで電荷密度が変化して蛍光２４の強度が強くなる。そして、時間Ｔ３でターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）が導入され、二本鎖のＤＮＡ（生体分子ＷＤ）が形成されると、さらに強く負に帯電して蛍光２４の強度が弱くなる。

【0050】

そのため、一本鎖のプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）が修飾された位置は、センシング領域ＳＡの電荷密度が変化してセンシング領域ＳＡにおける他の領域よりも発光された蛍光２４の強度が弱くなる。また、一本鎖のプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）がターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）とハイブリダイゼーションされて二本鎖のＤＮＡ（生体分子ＷＤ）が形成されると、二本鎖のＤＮＡ（生体分子ＷＤ）が形成された位置は、センシング領域ＳＡの電荷密度がさらに変化して一本鎖のプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）が修飾された位置よりも発光された蛍光２４の強度がさらに弱くなる。

【0051】

そして、撮像部３０が撮像したセンシング領域ＳＡの像は、一本鎖のプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）が修飾された位置は、図５における表示部４０に表示されるように、センシング領域ＳＡにおける他の領域よりも蛍光２４の強度が弱くなることから暗く表示される。また、撮像部３０が撮像したセンシング領域ＳＡの像は、ハイブリダイゼーションされた二本鎖のＤＮＡ（生体分子ＷＤ）の位置からの蛍光２４の強度が、一本鎖のプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）が修飾された位置からの蛍光２４の強度より弱くなることから、表示部４０においては二本鎖のＤＮＡ（生体分子ＷＤ）に対応する位置（図５の表示部４０における左から２番目で下から２番目の位置）が一本鎖のプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）が修飾された位置よりも暗く表示される。

【0052】

従来技術では、図８（ａ）に示すように、基板２０上に修飾した一本鎖のプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）に対して、図８（ｂ）に示すように、標識物質ＭＫを修飾したターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）とハイブリダイゼーションさせて、図８（ｃ）に示すように、二本鎖のＤＮＡ（生体分子ＷＤ）が形成されると、標識物質ＭＫからの蛍光を通して二本鎖のＤＮＡ（生体分子ＷＤ）を検知していた。本実施形態では、上記第１実施形態と同様の作用・効果が得られることに加えて、上述したように、励起光１１をセンシング領域ＳＡに照射し、センシング領域ＳＡからの蛍光２４の強度によってハイブリダイゼーションをセンシングすることが可能である。そのため、本実施形態では、標識物質を修飾させたり、スペクトル分析を行うための装置・工程が不要になり、センシング効率の向上や装置の簡素化および低価格化を実現できる。

【0053】

また、本実施形態では、励起光１１および蛍光２４が低エネルギーの赤外光であるため、励起光１１および蛍光２４が高エネルギーの紫外光であった場合に懸念される、生体分子に悪影響が及ぶことを抑制できる。このように、本実施形態では、コストアップを抑えつつ空間分解能が大幅に向上したハイブリダイゼーションセンシングが可能な生体分子センサーを構築することができる。

【0054】

［第３実施形態］
次に、上記センサー装置Ｓを用いたセンシングの第３実施形態として、生体分子の定量について図９を参照して説明する。
この図において、図５乃至図８に示す第２実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

【0055】

図９に示すセンサー装置Ｓは、センシング領域ＳＡに特定の一つの種類のプローブＤＮＡや抗体タンパク質等の生体分子を修飾した二枚の基板２０Ａ、２０Ｂを備えている。基板２０Ａ、２０Ｂの各センシング領域ＳＡには、一つの種類のプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）が修飾されている。すなわち、本実施形態では、互いに同一の種類のプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）が修飾された二枚の基板２０Ａ、２０Ｂが用いられる。

【0056】

上記構成のセンサー装置Ｓでは、ターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）を含む試料液ＬＡを導入部２６Ａから基板２０Ａのセンシング領域ＳＡに導入し、ターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）を含む試料液ＬＢを導入部２６Ｂから基板２０Ｂのセンシング領域ＳＡに導入する。本実施形態では、試料液ＬＡが、少ない量のターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）を含み、試料液ＬＢが、多い量のターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）を含むものとする。

【0057】

少ない量のターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）を含む試料液ＬＡが導入された基板２０Ａのセンシング領域ＳＡでは、ターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）とハイブリダイゼーションされて形成される二本鎖のＤＮＡの量が少なくなり、多い量のターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）を含む試料液ＬＢが導入された基板２０Ｂのセンシング領域ＳＡでは、ターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）とハイブリダイゼーションされて形成される二本鎖のＤＮＡの量が多くなる。そのため、基板２０Ｂのセンシング領域ＳＡでは、基板２０Ａのセンシング領域ＳＡよりも電荷密度が大きくなり、発光される蛍光２４の強度が基板２０Ａのセンシング領域ＳＡから発光される蛍光２４の強度よりも弱くなる。

【0058】

その結果、表示部４０においては、基板２０Ｂに対応する表示領域Ｄ１２がセンシング領域ＳＡ上の電荷密度に応じて暗く表示され、基板２０Ａに対応する表示領域Ｄ１１がセンシング領域ＳＡ上の電荷密度に応じて明るく表示されるため、ターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）の量の相対的な差が視覚化され、ターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）の量を容易に視認することが可能となる。

【0059】

なお、一般に液中ではタンパク質は異なる帯電をしているため、上述した第２実施形態および第３実施形態で説明したプローブＤＮＡ（生体分子ＢＭ）を抗体タンパク質に置き換え、ターゲットＤＮＡ（生体分子ＴＤ）を抗原タンパク質に置き換えることにより、酵素標識等の高コストの標識物質を用いることなくタンパク質の特定や定量化を実現することも可能である。

【0060】

［第４実施形態］
次に、上記センサー装置Ｓを用いたセンシングの第４実施形態として、細胞種別のセンシングについて図１０を参照して説明する。
この図において、図５乃至図８に示す第２実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

【0061】

図１０に示すセンサー装置Ｓは、細胞をセンシング対象としている。
細胞のうち、例えば、がん細胞ＣＣは、正常細胞ＣＮと比較してｐＨが低いため、センシング領域ＳＡのうち、がん細胞ＣＣが存在する領域は、正常細胞ＣＮが存在する領域と比較して電荷密度が小さくなる。そのため、基板２０上のセンシング領域ＳＡに置かれた細胞に対する励起光１１の照射により、センシング領域ＳＡから発光される蛍光２４の強度は、がん細胞ＣＣが存在する領域では大きくなり、正常細胞ＣＮが存在する領域では小さくなる。

【0062】

その結果、表示部４０においては、がん細胞ＣＣが存在する領域Ｄ２１では明るく表示され正常細胞ＣＮが存在する領域Ｄ２２では暗く表示されるため、がん細胞ＣＣの存在が明確に視覚化されて視認が容易になる。例えば、手術で切除した部位を基板２０のセンシング領域ＳＡに載せ、発光される蛍光２４の強度をセンシングすることにより、がん細胞ＣＣと正常細胞ＣＮとが異なる明るさで表示されるため、細胞種別を容易に実施することが可能になる。

【0063】

［第５実施形態］
次に、上記センサー装置Ｓを用いたセンシングの第５実施形態として、細胞内部のセンシングについて図１１を参照して説明する。
この図において、図５乃至図８に示す第２実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

【0064】

細胞Ｃは、内部に種々の小器官が活動しタンパク質を分泌している。そのため、細胞Ｃは、ｐＨあるいは表面電荷に分布が生じている。そこで、図１１に示すように、基板２０上のセンシング領域ＳＡに置かれた細胞Ｃに対して励起光１１を照射することにより、細胞ＣのｐＨあるいは表面電荷の分布に応じた強度で蛍光２４が発せられる。その結果、表示部４０においては、細胞Ｃ内部の種々の小器官等がｐＨあるいは表面電荷の分布に応じて視覚化されて視認が容易になる。また、撮像部３０による撮像を連続的に行うことにより、表示部４０に動画として表示させることができる。そのため、細胞Ｃの挙動を連続的に観察することも可能である。

【0065】

［第６実施形態］
次に、上記センサー装置Ｓを用いたセンシングの第６実施形態として、生体細胞をセンシングする、所謂、「in vivo」センシングに適用する場合について、図１２乃至図１４を参照して説明する。
これらの図において、図５乃至図８に示す第２実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

【0066】

図１２は、例えば開腹手術、内視鏡手術、または内視鏡検査時に管状の体内部位５５の内部に生体分子視覚化装置６０が挿入された断面斜視図である。
生体分子視覚化装置６０は、ヘッド部６１および管状部材６２を備えている。

【0067】

図１３は、生体分子視覚化装置６０の長さ方向の断面図である。なお、図１３においては、基板２０の図示を簡略化しベース基板２１、発光層２２および保護層２３の個別の図示を省略している。
管状部材６２の先端には、管状部材６２の内部空間を閉塞するように基板２０が設けられている。基板２０のセンシング領域ＳＡは、外側に配置されている。従って、ヘッド部６１の先端面にセンシング領域ＳＡが配置される。基板２０を構成するベース基板２１は、励起光１１および蛍光２４を透過する。発光層２２では励起光１１の多くが吸収され、蛍光２４は様々な方向に発せられる。

【0068】

管状部材６２の内部空間には、基板２０を介して内部からセンシング領域ＳＡに照射する励起光１１の光源としての光ファイバーＦと、視覚化部の一部を構成する撮像部３０と、センシング領域ＳＡからの像を撮像部３０に結像させる光学素子３１とが配置されている。撮像部３０は、管状部材６２の外部に設けられた表示部４０と接続されている。

【0069】

上記構成の生体分子視覚化装置６０においては、図１２に示すように、まず体内部位５５の内壁５５ａにセンシング領域ＳＡであるヘッド部６１の先端面を接触させる。次に、光ファイバーＦから励起光１１を発光させ、基板２０を介してセンシング領域ＳＡを照射する。センシング領域ＳＡは、接触する内壁５５ａの細胞の電荷分布に応じて電荷密度が変化する。そのため、励起光１１の照射によりセンシング領域ＳＡから発光され基板２０を透過して撮像部３０に入射する蛍光２４は、内壁５５ａの細胞の電荷分布に応じた強度となる。その結果、表示部４０においては、細胞の電荷分布に応じた明るさで内壁５５ａの一部が表示される。このように、本実施形態では、開腹手術、内視鏡手術、または内視鏡検査を実施している最中に、細胞をセンシングすることができ、例えば、第４実施形態で説明したがん細胞ＣＣおよび正常細胞ＣＮのような細胞種別（細胞境界認識）を直ちに、且つ迅速に行うことが可能となる。

【0070】

なお、上記第６実施形態で示した生体分子視覚化装置６０は、管状部材６２の内部空間に撮像部３０および光ファイバーＦが設けられる構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、図１４に示すように、光ファイバーＦを多数束ねたイメージファイバＩＦを管状部材６２の内部空間に設け、イメージファイバＩＦを介して励起光１１を導光するとともに、センシング領域ＳＡの像をイメージファイバＩＦを介して伝送する生体分子視覚化装置６０Ａであってもよい。
この構成では、管状部材６２の内部空間に撮像部３０を設ける必要がなくなり、装置の小型化を実現することができる。

【0071】

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

【0072】

例えば、上記実施形態では、視覚化部５０として、撮像部３０および表示部４０を備える構成を例示したが、この構成に限定されるものではなく、例えば、視覚化部が顕微鏡を備え、電荷密度に応じた強度でセンシング領域ＳＡにおける像を視覚化し、接眼レンズを介してセンシング領域ＳＡの像を観察する構成であってもよい。

【0073】

また、上記実施形態では、発光層２２がＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される構成としたが、励起光１１の照射によって発光するものであれば、ＩＩＩ−Ｖ族以外の半導体や、半導体以外の材料を用いてもよい。

【0074】

また、上記実施形態では、保護膜２３としてＺｒＯ_２を例示したが、実験ではＺｒＯ_２と物性が非常に近いＨｆＯ_２を用いた場合でもＺｒＯ_２を用いた場合と同様の結果が得られることが確認できている。そのため、保護層２３としては、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２のいずれを用いてもよい。

【0075】

また、上記実施形態では、センシング対象として溶液Ｌや、ＤＮＡ、細胞、タンパク質等の生体分子を例示したが、帯電する環境物質、帯電を変化させるｐＨ依存の物質等の化学物質を広くセンシング可能であり、バイオセンサのみならず化学センサ、環境センサ、食品センサ、病原体センサ、健康診断用センサ、遺伝子検査用センサとして広く用いることができる。

【符号の説明】

【0076】

１０…照射部、 １１…励起光（第１波長帯域の光）、 ２０…基板、 ２２…発光層、 ２３…保護層、 ２４…蛍光（第２波長帯域の光）、 ３０…撮像部、 ４０…表示部、５０…視覚化部、 ６０、６０Ａ…生体分子視覚化装置、 ＢＭ…生体分子、 Ｆ…光ファイバー（光源）、 Ｌ…溶液（化学物質）、 Ｓ…センサー装置、 ＳＡ…センシング領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】