特開 2024-79421 センシングデバイス及び抵抗パルスセンシング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024079421

(43)【公開日】2024-06-11

(54)【発明の名称】センシングデバイス及び抵抗パルスセンシング方法

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/34 20060101AFI20240604BHJP

   C12Q 1/04 20060101ALI20240604BHJP

   G01N 15/13 20240101ALI20240604BHJP

【ＦＩ】

C12M1/34 A

C12Q1/04

G01N15/12 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022192361

(22)【出願日】2022-11-30

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000253503

【氏名又は名称】キリンホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所

(72)【発明者】

【氏名】横田 一道

(72)【発明者】

【氏名】片岡 正俊

(72)【発明者】

【氏名】梶本 和昭

(72)【発明者】

【氏名】橋本 宗明

(72)【発明者】

【氏名】竹尾 麻恵

(72)【発明者】

【氏名】黒川 雄司

【テーマコード（参考）】

4B029

4B063

【Ｆターム（参考）】

4B029AA07

4B029AA23

4B029BB02

4B029FA03

4B063QA18

4B063QQ06

4B063QR75

4B063QX04

(57)【要約】

【課題】精度よく、電解液溶液中の検体の評価を行うことができるセンシングデバイス及び抵抗パルスセンシング方法を提供する。
【解決手段】第１槽６は、入力電極２が設けられ、電解質溶液が満たされる。第２槽７は、出力電極３が設けられ、電解質溶液が満たされている。複数の検出チャンネルＣＨ１~ＣＨ４は、第１槽６及び第２槽７を連通する、互いに並列に設けられる。第１槽６及び第２槽７の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４側の第１領域９の電気抵抗率ρ１を、第１槽６及び第２槽７の第１領域９を除いた第２領域１０の電気抵抗率ρ１よりも大きくした。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力電極が設けられ、電解質溶液が満たされた第１槽と、
出力電極が設けられ、前記電解質溶液が満たされた第２槽と、
前記第１槽及び前記第２槽を連通する、互いに並列に設けられた３つ以上の検出チャンネルと、を備えたセンシングデバイスであって、
前記第１槽及び前記第２槽の前記検出チャンネル側の第１領域の電気抵抗率を、前記第１槽及び前記第２槽の前記第１領域を除いた第２領域の電気抵抗率よりも大きくした、
センシングデバイス。

【請求項2】

請求項１に記載のセンシングデバイスにおいて、
前記入力電極から複数の前記検出チャンネルにそれぞれ向かう電流が、前記第１領域と前記第２領域との境界で、互いに平行に近づく方向に屈折し、複数の前記検出チャンネルを通った電流が、前記第１領域と前記第２領域との境界で、前記出力電極に向けて集まる方向に屈折するように、前記第１領域の電気抵抗率を前記第２領域の電気抵抗率よりも大きくした、
センシングデバイス。

【請求項3】

請求項１に記載のセンシングデバイスにおいて、
前記第１領域内に立設された複数の第１ピラーと、
前記第２領域内に立設された複数の第２ピラーと、を備え、
前記第１ピラー間の幅を前記第２ピラー間の幅よりも狭くして、前記第１領域の電気抵抗率を前記第２領域の電気抵抗率よりも大きくする、
センシングデバイス。

【請求項4】

請求項１に記載のセンシングデバイスにおいて、
前記複数の検出チャンネルは、前記入力電極及び前記出力電極の第１並び方向と交差する第２並び方向に並んで設けられ、
前記入力電極及び前記出力電極は、複数の前記検出チャンネルの前記第２並び方向中心を挟んで配置され、
前記第１領域及び前記第２領域の境界は、前記第２並び方向の中央に近づくに従って複数の前記検出チャンネルから離れるように傾斜して設けられている、
センシングデバイス。

【請求項5】

入力電極が設けられ、電解質溶液が満たされた第１槽と、
出力電極が設けられ、前記電解質溶液が満たされた第２槽と、
前記第１槽及び前記第２槽を連通する、互いに並列に設けられた複数の検出チャンネルと、を備えたセンシングデバイスを用い、前記入力電極及び前記出力電極間に流れる電流を測定して前記電解質溶液内に含まれる検体について評価する抵抗パルスセンシング方法であって、
前記第１槽及び前記第２槽に立設する複数のピラー間の幅を調整することにより、前記第１槽及び前記第２槽の前記検出チャンネル側の第１領域の電気抵抗率を、前記第１槽及び前記第２槽の前記第１領域を除いた第２領域の電気抵抗率よりも大きくした、
抵抗パルスセンシング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センシングデバイス及び抵抗パルスセンシング方法に関する。

【背景技術】

【0002】

酒類・飲食業界では出荷判定の項目として微生物検査があり、製品に微生物の混入がないことを確認し、品質が保証されている。従来の微生物検査法として広く用いられている培養法では、検査結果が得られるまでに時間を要する。例えば大腸菌検査では、４８±３時間の培養時間、ＰＣＲ法などの迅速検査法でも１日程度かかる。このため、製造後出荷判定できるまでに待機時間が発生する。また、製造ラインからのサンプル採取、培養、サンプル調整などの作業負担が大きい。

【0003】

微生物検査法として、特許文献１、２などに開示されている抵抗パルスセンシング方法を用いることが考えられる。抵抗パルスセンシング方法とは、電解質溶液を満たした微細な貫通孔（検出チャンネル）を介して流れるイオン電流を計測し、電解質溶液中の微小検体の検出・評価が可能な手法である。微小検体が検出チャンネルを通過すると、イオン電流の流れを阻害するため、イオン電流がパルス状に変化する。このパルス状のイオン電流を計測することにより、非標識で１粒子ごとの微小検体を評価することができる。

【0004】

微小検体の検出チャンネルへの通過量を上げるには、複数の検出チャンネルを並列に設けることが有効である。しかしながら、検出チャンネルごとに電極からの距離や電極－検出チャンネル間の電気抵抗（アクセス抵抗）が異なる。このため、微小検体がどの検出チャンネルを通過するかによって検出結果（パルス高さ）が変わってしまうため、精度よく微小検体を評価することができない、という課題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－１２０２５７号公報

【特許文献2】国際公開第２０１８／１３１０６４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、精度よく、電解液溶液中の検体の評価を行うことができるセンシングデバイス及び抵抗パルスセンシング方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前述した目的を達成するために、本発明に係るセンシングデバイス及び抵抗パルスセンシング方法は、下記［１］～［５］を特徴としている。
［１］
入力電極が設けられ、電解質溶液が満たされた第１槽と、
出力電極が設けられ、前記電解質溶液が満たされた第２槽と、
前記第１槽及び前記第２槽を連通する、互いに並列に設けられた３つ以上の検出チャンネルと、を備えたセンシングデバイスであって、
前記第１槽及び前記第２槽の前記検出チャンネル側の第１領域の電気抵抗率を、前記第１槽及び前記第２槽の前記第１領域を除いた第２領域の電気抵抗率よりも大きくした、
センシングデバイスであること。
［２］
［１］に記載のセンシングデバイスにおいて、
前記入力電極から複数の前記検出チャンネルにそれぞれ向かう電流が、前記第１領域と前記第２領域との境界で、互いに平行に近づく方向に屈折し、複数の前記検出チャンネルを通った電流が、前記第１領域と前記第２領域との境界で、前記出力電極に向けて集まる方向に屈折するように、前記第１領域の電気抵抗率を前記第２領域の電気抵抗率よりも大きくした、
センシングデバイスであること。
［３］
［１］に記載のセンシングデバイスにおいて、
前記第１領域内に立設された複数の第１ピラーと、
前記第２領域内に立設された複数の第２ピラーと、を備え、
前記第１ピラー間の幅を前記第２ピラー間の幅よりも狭くして、前記第１領域の電気抵抗率を前記第２領域の電気抵抗率よりも大きくする、
センシングデバイスであること。
［４］
［１］に記載のセンシングデバイスにおいて、
前記複数の検出チャンネルは、前記入力電極及び前記出力電極の第１並び方向と交差する第２並び方向に並んで設けられ、
前記入力電極及び前記出力電極は、複数の前記検出チャンネルの前記第２並び方向中心を挟んで配置され、
前記第１領域及び前記第２領域の境界は、前記第２並び方向の中央に近づくに従って複数の前記検出チャンネルから離れるように傾斜して設けられている、
センシングデバイスであること。
［５］
入力電極が設けられ、電解質溶液が満たされた第１槽と、
出力電極が設けられ、前記電解質溶液が満たされた第２槽と、
前記第１槽及び前記第２槽を連通する、互いに並列に設けられた複数の検出チャンネルと、を備えたセンシングデバイスを用い、前記入力電極及び前記出力電極間に流れる電流を測定して前記電解質溶液内に含まれる検体について評価する抵抗パルスセンシング方法であって、
前記第１槽及び前記第２槽に立設する複数のピラー間の幅を調整することにより、前記第１槽及び前記第２槽の前記検出チャンネル側の第１領域の電気抵抗率を、前記第１槽及び前記第２槽の前記第１領域を除いた第２領域の電気抵抗率よりも大きくした、
抵抗パルスセンシング方法であること。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、精度よく、電解液溶液中の検体の評価を行うことができるセンシングデバイス及び抵抗パルスセンシング方法を提供することができる。

【0009】

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明のセンシングデバイスの一実施形態を示す斜視図である。

【図2】図２は、図１に示すセンシングデバイスにおいて、入力電極、検出チャンネル、出力電極を通るＡ－Ａ線概略断面図である。

【図3】図３は、図１の検出チャンネル付近の部分拡大図である。

【図4】図４は、図１に示すセンシングデバイスの上面図である。

【図5】図５は、図４に示す第１領域の部分拡大部である。

【図6】図６は、図４に示す第２領域の部分拡大図である。

【図7】図７は、異なる電気抵抗率の領域をイオン電流が進んだ場合の電流の流線について説明するための説明図である。

【図8】図８は、電気抵抗率が一様なセンシングデバイス（比較品）の断面図である。

【図9】図９は、図８に示す比較品のセンシングデバイスに流れるイオン電流の流線を示す図である。

【図10】図１０は、図４に示す本発明品のセンシングデバイスに流れるイオン電流の流線を示す図である。

【図11】図１１は、図４に示す本発明品、図８に示す比較品における検出チャンネル付近での左右方向の電界強度を示すグラフである。

【図12】図１２は、第１領域、第２領域の双方に第２ピラーのみが設けられたデバイスについて電位及び電流密度をシミュレーションした結果を示す図である。

【図13】図１３は、第１領域に第１ピラー、第２領域に第２ピラーが設けられたデバイスについて電位及び電流密度をシミュレーションした結果を示す図である。

【図14】図１４は、図８に示す比較品のセンシングデバイスの電位をシミュレーションした結果を示す図である。

【図15】図１５は、図４に示す本発明品のセンシングデバイスの電位をシミュレーションした結果を示す図である。

【図16】図１６は、図８に示す比較品のセンシングデバイスの阻害電流変化量についてシミュレーションした結果を示す図である。

【図17】図１７は、図４に示す本発明のセンシングデバイスの阻害電流変化量についてシミュレーションした結果を示す図である。

【図18】図１８は、図８に示す比較品を製作して、イオン電流を計測した結果を示すグラフである。

【図19】図１９は、図４に示す本発明品を製作して、イオン電流を計測した結果を示すグラフである。

【図20】図２０は、図８に示す比較品及び図４に示す本発明品を製作して、阻害電流変化量について測定した結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。本実施形態のセンシングデバイス１は、電解質溶液中の微小検体（検体）を評価するために用いられている。

【0012】

以下、説明の便宜上、図１などに示すように、「前（Ｆ）」、「後（Ｂ）」、「左（Ｌ）」、「右（Ｒ）」、「上（Ｕ）」及び「下（Ｄ）」を定義する。「前後方向」、「左方向」及び「上下方向」は、互いに直交している。なお、前後方向は、本発明の「第１並び方向」に対応し、左右方向は、本発明の「第２並び方向」に対応している。

【0013】

図１及び図２に示すように、本実施形態のセンシングデバイス１は、上下方向に扁平に設けられ、内部に電解質溶液２００が満たされた中空状に設けられている。センシングデバイス１は、入力電極２が設けられ、電解質溶液２００が満たされた第１槽６と、出力電極３が設けられ、電解質溶液２００が満たされた第２槽７と、第１槽６及び第２槽７を連通する、互いに並列に設けられた３つ以上の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４（本実施形態では４つ）と、を備えている。本実施形態では、４つの検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４を設けたセンシングデバイス１について説明するが、これに限ったものではない。検出チャンネルの数は、３以上であればよく、電流ノイズを上回るパルス高さが計測できる限り１０以上でも２０以上でもよい。ただし、パルス高さはチャンネル数に反比例すると近似できるため、ノイズ０．３ｎＡと想定すると、本実施形態では検出チャンネル数を１０以下とするのが望ましい。

【0014】

入力電極２及び出力電極３は、前後方向に並んで設けられ、上下方向に長尺な円柱状に設けられている。入力電極２は、下端が第１槽６内の電解質溶液２００内に浸され、上端が第１槽６から上方に突出している。出力電極３は、下端が第２槽７内の電解質溶液２００内に浸され、上端が第２槽７から上方に突出している。本実施形態では、入力電極２及び出力電極３の中心間の距離は１０．５ｍｍに設定されている。

【0015】

入力電極２及び出力電極３間には、直流電源４から出力される直流の定電圧が印加される。また、入力電極２及び出力電極３間には、電流計５が設けられ、電流計５により入力電極２及び出力電極３間に流れるイオン電流を計測することができる。

【0016】

図１に示すように、第１槽６及び第２槽７は、前後方向に並んで設けられ、互いの間に検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４が設けられている。第１槽６及び第２槽７は、同じ形状、同じ大きさに設けられている。また、第１槽６及び第２槽７は、入力電極２及び出力電極３を通る線を中心として左右対称な形状に設けられている。第１槽６は、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４に近づくに従って左右方向の幅が広くなる第１槽本体部６１と、第１槽本体部６１及び検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４間に設けられた複数の第１センシング部６２と、を有している。

【0017】

入力電極２は、第１槽本体部６１内に設けられている。複数の第１センシング部６２は、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４と同じ数設けられている。第１センシング部６２は、第１槽本体部６１から離れる、即ち検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４に近づくに従って左右方向の幅が狭くなるように設けられている。

【0018】

第２槽７は、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４に近づくに従って左右方向の幅が広くなる第２槽本体部７１と、第２槽本体部７１及び検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４間に設けられた複数の第２センシング部７２と、を有している。出力電極３は、第２槽本体部７１内に設けられている。複数の第２センシング部７２は、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４と同じ数設けられている。第２センシング部７２は、第２槽本体部７１から離れる、即ち検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４に近づくに従って左右方向の幅が狭くなるように設けられている。

【0019】

上述した検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４は、第１センシング部６２と、第２センシング部７２と、の間に設けられている。本実施形態では、図３に示すように、検出チャンネルＣＨ１は、前後方向に沿った流路長さＬｅを有し、前後方向の一端から他端に亘って一定の幅Ｗに設けられている。検出チャンネルＣＨ１の左右方向の幅Ｗは、第１センシング部６２及び第２センシング部７２の最も狭い左右方向の幅と同じに設けられている。検出チャンネルＣＨ２～ＣＨ４も検出チャンネルＣＨ１と同様である。本実施形態では、幅Ｗ＝９μｍ、流路長さＬｅ＝１０μｍに設定しているが、これに限ったものではない。検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４の流路長さＬｅ、幅Ｗは、微小検体が通過できるような大きさであればよい。本実施形態では、微小検体としては、直径６μｍ程度を想定しているため、幅Ｗ，流路長さＬｅは、６μｍ以上が最適となる。また、シグナル／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を許容値とするために、幅Ｗは、３０μｍ以下、流路長さＬｅは３３μ以下が最適となる。この３０μｍは、本実施形態で設定されたＷ＝９μｍの１／０．３倍、微小検体の直径６μｍの５倍に相当する。また、流路長さＬｅは、６μｍ以上、３３μｍ以下が最適となる。この３３μｍは、本実施形態で設定されたＬｅ＝１０μｍの１／０．３倍に相当する。

【0020】

図１に示すように、複数の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４は、左右方向に並べて設けられている。言い換えると、複数の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４は、入力電極２及び出力電極３を通る前後方向に沿った線に垂直に並べて設けられている。複数の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４は、左右方向に互いに等間隔に並べられるのが望ましい。また、入力電極２及び出力電極３は、複数の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４の左右方向中心（即ち一番左側の検出チャンネルＣＨ１と一番右側の検出チャンネルＣＨ４との中心）を挟んで前後方向両側に設けられている。

【0021】

また、本実施形態では、図４に示すように、第１領域９の電気抵抗率ρ１を第２領域１０の電気抵抗率ρ２よりも大きくしている。なお、図４においては、センシングチャンネル１内に立設された後述する第１ピラー１１、第２ピラー１２の位置を分かりやすくするために、センシングチャンネル１の上面を取り除いて、第１ピラー１１、第２ピラー１２が見えている状態を示している。第１領域９は、第１槽６及び第２槽７の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４側の領域、即ち図４中の点線よりも検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４側の領域である。第２領域１０は、第１槽６及び第２槽７の第１領域９を除いた領域即ち、図４中の点線よりも検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４から離れた側の領域である。

【0022】

本実施形態では、第１領域９の電気抵抗率ρ１は、第２領域１０の電気抵抗率ρ２の例えば３倍に設定されている。本実施形態では、第１領域９内に上下方向に立設する第１ピラー１１間の幅を、第２槽７内の上下方向に立設する第２ピラー１２間の幅よりも狭くすることにより、電気抵抗率ρ１を電気抵抗率ρ２よりも大きくしている。

【0023】

次に、第１ピラー１１及び第２ピラー１２について、図４～図６を参照して説明する。図４に示すように、第１ピラー１１は、第１槽６及び第２槽７の第１領域９内に上下方向に立設している。第２ピラー１２は、第１槽６及び第２槽７の第２領域１０内に上下方向に立設している。

【0024】

図５及び図６に示すように、第１ピラー１１及び第２ピラー１２は、対角線が前後方向、左右方向に平行になる断面ひし形に形成されている。図５に示すように、第１ピラー１１は、左右方向に等間隔Ｄｐに並べて配置されている。第１領域９には、左右方向に等間隔Ｄｐに並べられた複数の第１ピラー１１から構成された第１ピラー列Ｃ１及び第２ピラー列Ｃ２が設けられている。第１ピラー列Ｃ１及び第２ピラー列Ｃ２は、前後方向に交互に並べて配置されている。第１ピラー列Ｃ１同士は、前後方向に等間隔√３Ｄｐに並べて配置されている。第２ピラー列Ｃ２同士も、前後方向に等間隔√３Ｄｐに並べて配置されている。

【0025】

左右方向に隣り合う第１ピラー列Ｃ１を構成する第１ピラー１１の中心と、第２ピラー列Ｃ２を構成する第１ピラー１１の中心と、の左右方向の距離は、Ｄｐ／２となる。また、前後方向に隣り合う第１ピラー列Ｃ１を構成する第１ピラー１１の中心と、第２ピラー列Ｃ２を構成する第１ピラー１１の中心と、の前後方向の距離は、√３Ｄｐ／２となる。

【0026】

図６に示すように、第２ピラー１２は、第１ピラー１１と同様に、左右方向に等間隔Ｄｐに並べて配置されている。第２領域１０には、左右方向に等間隔Ｄｐに並べられた複数の第２ピラー１２から構成された第３ピラー列Ｃ３及び第４ピラー列Ｃ４が設けられている。第３ピラー列Ｃ３及び第４ピラー列Ｃ４は、前後方向に交互に並べて配置されている。第３ピラー列Ｃ３同士は、前後方向に等間隔√３Ｄｐに並べて配置されている。第４ピラー列Ｃ４同士も、前後方向に等間隔√３Ｄｐに並べて配置されている。

【0027】

左右方向に隣り合う第３ピラー列Ｃ３を構成する第２ピラー１２の中心と、第４ピラー列Ｃ４を構成する第２ピラー１２の中心と、左右方向の距離は、Ｄｐ／２となる。また、前後方向に隣り合う第３ピラー列Ｃ３を構成する第２ピラー１２の中心と、第４ピラー列Ｃ４を構成する第２ピラー１２の中心と、の前後方向の距離は、√３Ｄｐ／２となる。

【0028】

第１ピラー１１及び第２ピラー１２は、相似の関係にあり、断面積が異なる。本実施形態では、第１ピラー１１の断面積が、第２ピラー１２の断面積より大きく設けられている。これにより、第１ピラー１１間の幅（流路幅）を、第２ピラー１２間の幅よりも狭くすることができる。図５及び図６に示す例では、第１ピラー１１間の幅はＬｐ／√３となり、第２ピラー１２間の幅はＬｐとなる。このため、第１領域９の電気抵抗率ρ１を第２領域１０の電気抵抗率ρ２よりも大きくすることができる。第１ピラー１１及び第２ピラー１２と電気抵抗率ρ１、ρ２との関係は後述する。

【0029】

次に、上述したＤｐ、Ｌｐの設定について説明する。Ｄｐは、Ｌｐより大きい値に設定される。Ｌｐが小さいと流体の流れが小さくなり、スループットが落ちると考えられるため、Ｄｐは、２Ｌｐ以下が望ましいが、原理的には２Ｌｐより大きくても問題ない。本実施形態では、Ｄｐ／Ｌｐ＝１．５６に設定されている。また、Ｌｐ／√３は、微小検体が通過できるように微小検体の径以上に設定される。本実施形態では、微小検体の直径は６μｍであるため、Ｌｐ／√３は６μｍ以上に設定されている。Ｌｐは、流路高さＨに比べて大きく設定しすぎると、第２ピラー１２に撓みが生じて流路を塞いでしまう。そこで、Ｌｐの上限は、流路高さＨや第２ピラー１２の素材に応じて設定し、例えばＬｐ＜５０×流路高さＨに設定される。本実施形態では、Ｌｐ／Ｈ＝２６．７に設定されている。また、ＤｐとＬｐはＬｐ＜Ｄｐ＜２Ｌｐを満たす範囲で独立して設計することが可能である。（第２ピラー１２の幅）＋Ｌｐ＝Ｄｐとなるので、第２ピラー１２の幅、Ｌｐ、Ｄｐの何れか２つが決まると残りも一意的に決めることができる。

【0030】

第１領域９及び第２領域１０の境界は、図４に示すように、左右方向の中央に近づくに従って複数の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４から離れるように傾斜して設けられている。

【0031】

以上の構成によれば、入力電極２及び出力電極３間に定電圧を印加すると、入力電極２からのイオン電流は、複数の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４に分岐して流れる。複数の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４を通ったイオン電流は、出力電極３に向かって流れる。このとき、電解質溶液２００中の微小検体が検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４を通ると、電流計５によりパルス状のイオン電流が検出される。このパルス状のイオン電流のパルス高さに基づいて、微小検体を評価することができる。

【0032】

次に、異なる電気抵抗率ρ１、ρ２の領域をイオン電流が進んだ場合の電流密度について図７を参照して説明する。同図に示すように、電気抵抗率ρ２の領域から電気抵抗率ρ１の領域に電流が進むと、その境界で下記の式（１）を満たすように屈折する。
ρ２ｔａｎθ２＝ρ１・ｔａｎθ１ …（１）
θ２：入射角度
θ１：屈折角度

【0033】

本発明のセンシングデバイス１は、この屈折を利用して電流密度を制御して、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４を各々通る電流の流線Ｒ１～Ｒ４（図９及び図１０参照）のアクセス抵抗を等しくしている。このことについて検証するため、本発明者らは、全領域が電気抵抗率ρ２で一様な図８に示す比較品のセンシングデバイス１００に流れるイオン電流及び等電位線についてシミュレーションした。このシミュレーションとしては、定常状態の電流密度ｊについての連続の式∇・ｊ＝∇・［（１／ρ）Ｅ］＝０に基づいた有限要素法シミュレーションを採用した。ここでＥは電界である。結果を図９に示す。図８に示す比較品のセンシングデバイス１００は、図４に示す本発明品のセンシングデバイス１と異なり、第１槽６、第２槽７全体に亘って等間隔で配置された第２ピラー１２が設けられ、電気抵抗率がρ２で一様に設けられている。

【0034】

また、本発明者らは、第１領域９の電気抵抗率ρ１が第２領域１０の電気抵抗率ρ２の３倍に設定された図４に示す本発明品のセンシングデバイス１に流れるイオン電流及び等電位線についてシミュ―レーションした。結果を図１０に示す。本発明品のセンシングデバイス１、比較品のセンシングデバイス１００の形状は、図９及び図１０に示すように簡素化してシミュレーションを行っている。図９及び図１０中の点線は、等電位同士を結んだ等電位線を示し、実線は比較品のセンシングデバイス１００、本発明品のセンシングデバイス１を流れるイオン電流の流れを示す線（電流線）を示す。

【0035】

図９に示すように、比較品では、入力電極２、出力電極３と各検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４との距離が異なるため、第１センシング部６２、第２センシング部７２付近では左右方向の位置によって電位が異なる。このため、比較品では、図１１に点線で示すように、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４を通過するイオン電流の電界強度（∝電界密度）が異なる。詳しく説明すると、比較品では、電極２、３から近い検出チャンネルＣＨ２、ＣＨ３が、電極２、３から遠い検出チャンネルＣＨ１、ＣＨ４よりも電界強度が高くなり、電流が流れやすい。このため、電流の流線Ｒ２、Ｒ３のアクセス抵抗が、電流の流線Ｒ１、Ｒ４のアクセス抵抗よりも低くなる。

【0036】

一方、図１０に示すように、本発明品では、入力電極２から検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４に向かう電流が、斜線で示す第１領域９と第２領域１０との境界で互いの電流の流線Ｒ１～Ｒ４が平行に近づく方向に屈折するように、電気抵抗率ρ１、ρ２が設計されている。このため、斜線で示す第１領域９において電流の流線Ｒ１～Ｒ４は平行となる。また、本発明品では、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４から出力電極３に向かう電流が、斜線で示す第１領域９と第２領域１０との境界で出力電極３に向けて集まる方向に屈折するように、電気抵抗率ρ１、ρ２が設計されている。

【0037】

電流の流線Ｒ１～Ｒ４が平行になる第１領域９では左右方向の電位が等しくなっていると言える。このため、本発明品では、図１１に実線で示すように、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４を通過するイオン電流の電界強度（∝電界密度）が等しくなる。詳しく説明すると、本発明品では、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４の電界強度がほぼ等しく、電流の流れやすさがほぼ同じとなる。このため、電流の流線Ｒ１～Ｒ４のアクセス抵抗をほぼ等しくすることができる。

【0038】

次に、電気抵抗率ρ１、ρ２の設計の一例について説明する。今、図１０に示すように、第１槽本体部６１の左右方向側面と左右方向との成す角度θ３を６０°とし、第１領域９及び第２領域１０の境界の傾斜と左右方向との成す角度θ４を３０°とした場合について考える。電流の流線Ｒ１、Ｒ２は、最終的には第１槽本体部６１の左側面に対して平行に流れる。

【0039】

電流の流線Ｒ３、Ｒ４は、最終的には第１槽本体部６１の右側面に対して平行に流れる。このため、電流の流線Ｒ１～Ｒ４の第２領域１０から第１領域９への入射角度θ２は角度θ３＝６０°と等しくなる。そして、屈折角度θ１を角度θ４＝３０°にすると、電流の流線Ｒ１～Ｒ４を前後方向に沿って互いに平行に屈折することができる。入射角度θ２＝６０°、屈折角度θ１＝３０°とするには、式（１）によりρ１＝３・ρ２に設計すればよい。一般化すると、入射角度θ２＝角度θ３、屈折角度θ１＝角度θ４を満たせばよく、ρ２・ｔａｎθ３＝ρ１・ｔａｎθ４を満たすように設計すればよい。

【0040】

次に、第１ピラー１１及び第２ピラー１２による電気抵抗率ρ１、ρ２の制御について説明する。本発明者らは、第１領域９及び第２領域１０の双方に第２ピラー１２のみが設けられている比較品と、第１領域９に第１ピラー１１が設けられ、第２領域１０に第２ピラー１３が設けられている本発明品と、の第１領域９及び第２領域１０付近の電位について、有限要素法によるシミュレーションによって検証した。なお、このシミュレーションでは、第１領域９及び第２領域１０の境界は左右方向に平行に設け、第１領域９から第２領域１０へのイオン電流の入射角度θ２は６０°とした。また、第１ピラー１１を第２ピラー１２の１．７３（＝√３）倍とし、第１ピラー１１間の幅（流路幅）を、第２ピラー１２間の幅の０．５８（＝１／√３）倍とした。結果を図１２及び図１３に示す。

【0041】

図１２に示すように、比較品においては、点線で示す等電位線は、均一で、矢印で示す電流密度の向きは同じ向きである。一方、図１３に示すように、本発明品では点線で示す等電位線が、第１領域９と第２領域１０とでは異なり、矢印で示す電流密度の向きも第１領域９と第２領域１０とでは異なる。従って、第１ピラー１１間の流路幅（Ｌｐ／√３）、第２ピラー１２間の流路幅（Ｌｐ）による電流密度制御が可能であるといえる。

【0042】

次に、本発明者らは、実際の形状の図６に示す比較品のセンシングデバイス１００及び図４に示す発明品のセンシングデバイス１について、第１センシング部６２及び第２センシング部７２付近の電位について、有限要素法によるシミュレーションによって検証した。このシミュレーションでは、定常状態の電気密度ｊについての連続の式∇・ｊ＝∇・［（１／ρ）Ｅ］＝０に基づいた有限要素法シミュレーションを採用した。実施形態における電気抵抗ρについては、今回はＰＢＳイオン濃度をもとにデータブック（CRC Handbook of Chemistry and Physics）のイオン移動度を用いて計算した。結果を図１４及び図１５に示す。

【0043】

なお、このとき第２ピラー１２は、対角線が３００／２μｍと３００・√３／２μｍとのひし型とした。また、第１ピラー１１については、第２ピラー１２の面積の３倍の断面積とした。即ち、第１ピラー１１間の流路幅を第２ピラー１２間の流路幅の１／√３倍とした。また、入射角度θ２＝６０°、屈折角度θ１＝３０°とし、Ｄｐ＝２５００／６μｍとし、直流電源４により０．２５Ｖの直流電圧を入力電極２及び出力電極３に加えることとした。さらに、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４の流路幅Ｗ（図３参照）を９μｍ、流路長さＬｅ（図３参照）を１０μｍ、流路高さＨ（図１参照）を１０μｍとした。

【0044】

図１４に示すように、比較品では、検出チャンネルＣＨ１、ＣＨ４に対応する第１、第２センシング部６２、７２上の一点鎖線で示す等電位線は、検出チャンネルＣＨ２、ＣＨ３に対応する第１、第２センシング部６２、７２上の一点鎖線で示す等電位線よりも検出チャンネルから離れた側に位置する。即ち、電流の流線Ｒ１、Ｒ４と電流の流線Ｒ２、Ｒ３とではアクセス抵抗が異なることが分かる。

【0045】

一方、図１５に示すように、本発明品では、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４に対応する第１、第２センシング部６２、７２上の一点鎖線で示す等電位線は、同じ位置に設けられている。即ち、電流の流線Ｒ１～Ｒ４のアクセス抵抗を同じにできることが分かった。

【0046】

次に、本発明者らは、上述した実際の形状の比較品のセンシングデバイス１００及び本発明品のセンシングデバイス１について、微小検体の検出チャンネルＣＨ１、ＣＨ２の通過に伴う阻害電流変化量ΔＩについて、有限要素法によるシミュレーションによって検証した。結果を図１６及び図１７に示す。

【0047】

図１６に示すように、比較品では、微小検体が検出チャンネルＣＨ１を通過した場合の阻害電流変化量ΔＩが１．２２ｎＡとなり、直径６μｍの微小検体が検出チャンネルＣＨ２を通過した場合の阻害電流変化量ΔＩが１．０４ｎＡとなる。即ち、比較品では、検出チャンネルＣＨ１と、検出チャンネルＣＨ２と、では、阻害電流変化量ΔＩが１７％異なることが分かった。

【0048】

一方、図１７に示すように、本発明品では、微小検体が検出チャンネルＣＨ１を通過した場合の阻害電流変化量ΔＩが１．０２ｎＡとなり、微小検体が検出チャンネルＣＨ２を通過した場合の阻害電流変化量ΔＩが０．９９ｎＡとなる。即ち、本発明品では、検出チャンネルＣＨ１と、検出チャンネルＣＨ２と、の阻害電流変化量ΔＩの違いを３％以内に抑えることができることが分かった。これによって、微小検体が、どの検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４を通ってもイオン電流のパルス高さが変わることがなく、精度よく微小検体を評価することができることが分かった。

【0049】

次に、本発明者らは実際に図４に示す本発明品、図８に示す比較品を作成して、電流計５を用いてイオン電流を測定した。結果を図１８及び図１９に示す。なお、本発明品、比較品としては、通常のフォトリソグラフィー手法によってセンシングデバイスの鋳型をシリコンウエハ上に形成し、ポリジメチルシロキサン（polydimethylsiloxane,PDMS）樹脂によって作成したレプリカをスライドガラスに接着することによって作製している。

【0050】

また、作製したセンシングデバイス１、１００に微小検体として直径６μｍ±０．１０μｍのポリスチレン(polystyrene,PS)粒子を粒子濃度２×１０^５／ｍＬで分散された電解質溶液２００としてのリン酸緩衝生理食塩水(phosphate-buffered saline,PBS) １０μＬを満たした。また、入力電極２、出力電極３間には、０．２５Ｖの電圧を印加して、電流計５によりイオン電流を計測した。

【0051】

比較品、本発明品とも１つのＰＳ粒子の検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４通過が１パルスの電流シグナルとして検出され、それぞれについて１００パルスの検出実験を３回ずつ行った。図１８及び図１９は、１００パルス中の典型的な２パルスを示している。なお、検出頻度は比較品で０．２０Ｈｚ、本発明品で０．２３Ｈｚとした。図１８に示す比較品では、パルス高さＩｐにバラツキが生じたが、図１９に示す本発明品では、比較品に比べてパルス高さＩｐのバラツキを抑えることができた。３回の計測のパルス高さＩｐの平均値±標準偏差は比較品では１．２１±０．０３ｎＡ、本発明品では１．０８±０．０４ｎＡで、パルス高さＩｐの値はどちらも再現できた。

【0052】

また、比較品、本発明品のイオン電流のパルス高さＩｐを比較するために、計測したイオン電流の阻害電流変化量ΔＩの時系列変化から、直流成分を除いたもの（パルス以外の電流値一定の部分を差し引いたもの）をプロットした。プロットした結果を図２０に示す。図２０中、０（ｓ）～１０（ｓ）は、比較品の阻害電流変化量ΔＩを示し、１０（ｓ）～２０（ｓ）は、本発明品の阻害電流変化量ΔＩを示す。図２０からも本発明品の方が比較品よりもパルス高さＩｐのバラツキを抑えることができることが分かる。

【0053】

また、３００パルスのパルス高さＩｐについて頻度分布を図２０の右に示す。ガウス関数でフィティングした結果、比較品のパルス高さＩｐヒストグラムは標準偏差が０．２２ｎＡであるのに対して、本発明品のパルス高Ｉｐヒストグラムは、標準偏差０．０８ｎＡとなった。本発明品では、パルス高さＩｐのばらつきが１／３程度に低減できることが分かった。パルス高さＩｐは粒子体積に凡そ比例し、６μｍの球を仮定すると、従来品が０．４０μｍのばらつきであるのに対して、本発明品では０．１６μｍのばらつきとなる。

【0054】

パルス高さＩｐは微小検体を判定する指標の１つであり、そのばらつきを抑えられたことは、本発明品は、精度の高い粒子評価が可能であることを示している。評価に加えて粒子の検出においても、シグナルはリアルタイムで取得可能で、１００パルスの検出は、１０分以内で可能であった。粒子濃度が低い場合は検出までの時間が長くなるが、本手法では検出チャンネルの数や流速を増やすことで時間の短縮も期待できる。

【0055】

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。また、当業者であれば、上記の記載をもとに、本発明のセンシングデバイス１を適宜、設計、製造できる。

【0056】

上述した実施形態によれば、検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４は４つ設けられていたが、これに限ったものではない。検出チャンネルＣＨ１～ＣＨ４は複数設けられていればよく、５つ以上設けてもよいし、３つ設けてもよい。

【0057】

上述した実施形態によれば、第１ピラー１１、第２ピラー１２は断面ひし形に設けられていたが、これに限ったものではない。第１ピラー１１、第２ピラー１２の断面形状としては、丸形状であってもよいし、四角形状であってもよい。

【0058】

上述した実施形態によれば、第１領域９の電気抵抗率ρ１を第２領域１０の電気抵抗率ρ２の３倍に設けていたが、これに限ったものではない。第１領域９の電気抵抗率ρ１を第２領域１０の電気抵抗率ρ２より大きく設ければ、電流の流線Ｒ１～Ｒ４が平行に近づく方向に屈折することができ、電流の流線Ｒ１～Ｒ４のアクセス抵抗が近づいて、微小検体の評価を精度よく行うことができる。

【符号の説明】

【0059】

１ センシングデバイス
２ 入力電極
３ 出力電極
６ 第１槽
７ 第２槽
９ 第１領域
１０ 第２領域
１１ 第１ピラー
１２ 第２ピラー
ＣＨ１～ＣＨ４ 検出チャンネル

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】