特開 2024-81541 ポアチップケースおよび微粒子測定システム

(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】P2024081541

(43)【公開日】2024-06-18

(54)【発明の名称】ポアチップケースおよび微粒子測定システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 15/13 20240101AFI20240611BHJP

【ＦＩ】

G01N15/12 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022195238

(22)【出願日】2022-12-06

(71)【出願人】

【識別番号】390005175

【氏名又は名称】株式会社アドバンテスト

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100109047

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 雄祐

(74)【代理人】

【識別番号】100109081

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 友由

(74)【代理人】

【識別番号】100133215

【弁理士】

【氏名又は名称】真家 大樹

(72)【発明者】

【氏名】今井 康晴

(72)【発明者】

【氏名】生沼 浩介

(72)【発明者】

【氏名】鷲津 信栄

(57)【要約】

【課題】空気溜りの発生を抑制したポアチップケースを提供する。
【解決手段】ポアチップケース７００は、ポアチップ１１０を収容する。本体７１０は、チップ収容空間７２０、第１空間７２２、第２空間７２４を含む。ポアチップ１１０は、チップ収容空間７２０に収容され、鉛直面に支持される。第１空間７２２および第２空間７２４は、水平方向に隣接し、ポアチップ１１０により区画される。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポアチップを収容するポアチップケースであって、
前記ポアチップを鉛直面に支持し、水平方向に隣接し、前記ポアチップにより区画される第１空間および第２空間を有する本体を備えることを特徴とするポアチップケース。

【請求項2】

前記ポアチップケース内が液体で満たされた状態において、前記液体の液面の高さは、前記ポアチップのポアの高さよりも１０ｍｍ以上高いことを特徴とする請求項１に記載のポアチップケース。

【請求項3】

前記本体は、
前記第１空間の前記ポアチップのポアの位置より低い位置から前記本体の上面に連通する第１流路と、
前記第１空間の前記ポアの位置より高い位置から、前記本体の上面に連通する第２流路と、
前記第２空間の前記ポアの位置より低い位置から、前記本体の上面に連通する第３流路と、
前記第２空間の前記ポアの位置より高い位置から、前記本体の上面に連通する第４流路と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のポアチップケース。

【請求項4】

前記本体の前記上面の高さは、前記ポアチップの前記ポアの高さよりも１０ｍｍ以上高いことを特徴とする請求項３に記載のポアチップケース。

【請求項5】

前記本体は、前記本体の上面において、前記第１流路および前記第２流路と、前記第３流路および前記第４流路と、を隔てる凸部をさらに備えることを特徴とする請求項３または４に記載のポアチップケース。

【請求項6】

前記第１流路の壁面に設けられた第１電極と、
前記第３流路の壁面に設けられた第２電極と、
をさらに備えることを特徴とする請求項３または４に記載のポアチップケース。

【請求項7】

前記本体の底面と接続される電極シートをさらに備え、
前記第１電極と前記第２電極は、前記電極シート上に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のポアチップケース。

【請求項8】

前記本体は、前記鉛直面を境界として第１部分と第２部分に分割可能であることを特徴とする請求項１または２に記載のポアチップケース。

【請求項9】

前記ポアチップおよびそれを収容する請求項１または２に記載のポアチップケースを含むポアデバイスと、
前記ポアデバイスが装着されるインタフェースソケットを有する計測装置と、
を備えることを特徴とする微粒子測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ポアデバイスを用いた計測に関する。

【背景技術】

【0002】

電気的検知帯法（コールター原理）と呼ばれる粒度分布測定法が知られている。この測定法では、粒子を含む電解液を、ナノポアと称される細孔を通過させる。粒子が細孔を通過するとき、細孔中の電解液は粒子の体積に相当する量だけ減少し、細孔の電気抵抗を増加させる。したがって細孔の電気抵抗を測定することで、粒子の体積（すなわち粒径）を測定することができる。

【0003】

図１は、電気的検知帯法を用いた微粒子測定システム１Ｒのブロック図である。微粒子測定システム１Ｒは、ポアデバイス１００、計測装置２００Ｒおよびデータ処理装置３００を備える。

【0004】

ポアデバイス１００の内部は、検出対象の粒子４を含む電解液２が満たされる。ポアデバイス１００の内部は、ポアチップ１０２によって２つの空間に隔てられており、２つの空間には電極１０６と電極１０８が設けられる。電極１０６と電極１０８の間に電位差を発生させると、電極間にイオン電流が流れ、また電気泳動によって粒子４が細孔１０４を経由して、一方の空間から他方の空間に移動する。

【0005】

計測装置２００Ｒは、電極対１０６，１０８の間に電位差を発生させるとともに、電極対の間の抵抗値Ｒｐと相関を有する情報を取得する。計測装置２００Ｒは、トランスインピーダンスアンプ２１０、電圧源２２０、デジタイザ２３０を含む。電圧源２２０は電極対１０６，１０８の間に電位差Ｖｂを発生させる。この電位差Ｖｂは、電気泳動の駆動源であるとともに、抵抗値Ｒｐを測定するためのバイアス信号となる。

【0006】

電極対１０６，１０８の間には、細孔１０４の抵抗に反比例する微小電流Ｉｓが流れる。
Ｉｓ＝Ｖｂ／Ｒｐ …（１）

【0007】

トランスインピーダンスアンプ２１０は、微小電流Ｉｓを電圧信号Ｖｓに変換する。変換ゲインをｒとするとき、以下の式が成り立つ。
Ｖｓ＝－ｒ×Ｉｓ …（２）
式（１）を式（２）に代入すると、式（３）が得られる。
Ｖｓ＝－Ｖｂ×ｒ／Ｒｐ …（３）
デジタイザ２３０は、電圧信号ＶｓをデジタルデータＤｓに変換する。このように計測装置２００Ｒにより、細孔１０４の抵抗値Ｒｐに反比例する電圧信号Ｖｓを得ることができる。

【0008】

図２は、計測装置２００Ｒにより測定される例示的な微小電流Ｉｓの波形図である。なお本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

【0009】

粒子が通過する短い期間、細孔１０４の抵抗値Ｒｐが増大する。したがって、粒子が通過するごとに電流Ｉｓはパルス状に減少する。個々のパルス電流の振幅は、粒径と相関を有する。データ処理装置３００は、デジタルデータＤｓを処理し、電解液２に含まれる粒子４の個数や粒径分布などを解析する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１７－０１６８８１号公報

【特許文献2】特開２０１４－２１９２３５号公報

【特許文献3】特開２０１８－０５４５９４号公報

【特許文献4】国際公開第２００２／０８４３０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

図３は、本発明者らが検討したポアデバイスの断面図である。ポアデバイス１００Ｒは、ポアチップ１１０およびポアチップケース８００Ｒを備える。ポアチップ１１０は、ポア１１２を有する。

【0012】

ポアチップケース８００Ｒはポアチップ１０２を水平面に支持する。ポアチップケース８００Ｒは、その内部に、ポアチップ１１０によって区画される第１空間８０２および第２空間８０４を有している。第１空間８０２は、流路８０６を介して外部と連通しており、第２空間８０４は、流路８０８を介して外部と連通している。

【0013】

測定に先立って、第１空間８０２には、流路８０６を介して溶液が注入され、第２空間８０４には、流路８０８を介して溶液が注入される。

【0014】

図３のように、ポアチップ１１０が水平に配置されたパッケージでは、ポア開口軸が垂直方向を向く。そのため、空間８０２，８０４に溶液を導入すると、ポア１１２が、液体によって上下から挟まれることになるため、ポア１１２に空気溜り８が形成されやすい。

【0015】

ポア１１２に空気溜り８が生じると、溶液がポア１１２に侵入できなくなるため、ポア１１２を介した電流が流れなくなってしまう。また粒子がポアを通過することができなくなる。また一旦発生した空気溜り８を除去することは容易ではない。超音波洗浄などを用いて空気溜りを除去する方法はあるが、確実性が高いとはいえず、また超音波振動によってポアが形成されるメンブレンが破損するおそれがある。

【0016】

空気溜りの発生を抑制する方法として、ポアチップにプラズマ処理などを施し、親水性を持たせる対策も考えられるが、処理に時間がかかる上、コストアップの要因となる。

【0017】

本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、空気溜りの発生を抑制したポアチップケースの提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本開示のある態様のポアチップケースは、ポアチップを収容するポアチップケースに関する。ポアチップケースの本体は、ポアチップを鉛直面に支持するように構成される。本体は、水平方向に隣接し、ポアチップによって区画される第１空間および第２空間を有する。

【0019】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0020】

本開示のある態様によれば、空気溜りの発生を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】電気的検知帯法を用いた微粒子測定システムのブロック図である。

【図2】計測装置により測定される例示的な微小電流Ｉｓの波形図である。

【図3】本発明者らが検討したポアデバイスの断面図である。

【図4】実施形態に係るポアチップケースの斜視図である。

【図5】ポアチップケースの断面図である。

【図6】ポアチップケースがポアチップを収容する様子を示す断面図である。

【図7】ポアチップケースのポアチップ周辺の断面図である。

【図8】水圧ｐと通過粒子数の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

【0023】

一実施形態に係るポアチップケースは、ポアチップを収容する。ポアチップケースは、ポアチップを鉛直面に支持する本体を備える。この本体は、その内部に、水平方向に隣接し、ポアチップにより区画される第１空間および第２空間を有する。

【0024】

この構成によると、第１空間と第２空間に溶液を充填すると、下から上に向かって液面が上昇していく。そのため、ポアに空気溜りが発生するのを抑制できる。

【0025】

一実施形態において、ポアチップケース内が液体で満たされた状態において、液体の液面の高さは、ポアの高さよりも１０ｍｍ以上高くてもよい。

【0026】

この構成によると、ポアにおける水圧を従来に比べて大きくすることができるため、粒子透過率を向上することができ、計測効率を改善できる。

【0027】

一実施形態において、本体は、第１空間のポアチップのポアの位置より低い位置から本体の上面に連通する第１流路と、第１空間のポアの位置より高い位置から、本体の上面に連通する第２流路と、第２空間のポアの位置より低い位置から、本体の上面に連通する第３流路と、第２空間のポアの位置より高い位置から、本体の上面に連通する第４流路と、を備えてもよい。

【0028】

一実施形態において、本体の上面の高さは、ポアチップのポアの高さよりも１０ｍｍ以上高くてもよい。

【0029】

一実施形態において、本体は、本体の上面に形成され、第１流路および第２流路と、第３流路および第４流路と、を隔てる凸部をさらに有してもよい。これにより、第１空間側の溶液と第２空間側の溶液が短絡するのを防止できる。

【0030】

一実施形態において、ポアケースは、第１流路の壁面に設けられた第１電極と、第３流路の壁面に設けられた第２電極と、をさらに備えてもよい。

【0031】

一実施形態において、ポアケースは、本体の底面と接続される電極シートをさらに備えてもよい。第１電極と第２電極は、電極シート上に形成されていてもよい。

【0032】

一実施形態において、本体は、鉛直面を境界として第１部分と第２部分に分割可能であってもよい。

【0033】

一実施形態において、ポアチップおよびそれを収容するポアチップケースを含むポアデバイスと、ポアデバイスが装着されるインタフェースソケットを有する計測装置と、を備えてもよい。

【0034】

（実施形態）
以下、好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0035】

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0036】

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0037】

また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

【0038】

図４は、実施形態に係るポアチップケース７００の斜視図である。ポアチップケース７００は、本体７１０および電極シート７６０を備える。本体７１０は、その内部のチップ収容空間７２０にポアチップを収容して支持する。

【0039】

図５は、ポアチップケース７００の断面図である。本体７１０は、水平方向に隣接する第１空間７２２、チップ収容空間７２０、第２空間７２４を備える。チップ収容空間７２０にポアチップが収容された状態において、第１空間７２２と第２空間７２４は、ポアチップによって区画される。

【0040】

本体７１０の内部には、第１空間７２２から本体７１０の上面Ｓ１に向かって連通する第１流路７４１および第２流路７４２が形成される。具体的には第１流路７４１は、第１空間７２２のポアチップのポアの位置７２１より低い位置から上面Ｓ１の第１開口４３１に向かって連通する。第２流路７４２は、第１空間７２２のポアの位置７２１より高い位置から、上面Ｓ１の第２開口７３２に向かって連通する。第１流路７４１、第３流路７４３はそれぞれＬ字型であり、水平方向に伸びる部分７４１ａ、７４３ａと、垂直方向に伸びる部分７４１ｂ、７４３ｂを有する。

【0041】

同様に、本体７１０の内部には、第２空間７２４から本体７１０の上面Ｓ１に向かって連通する第３流路７４３および第４流路７４４が形成される。具体的には第３流路７４３は、第２空間７２４のポアチップのポアの位置７２１より低い位置から上面Ｓ１の第３開口４３３に向かって連通する。第４流路７４４は、第２空間７２４のポアの位置７２１より高い位置から、上面Ｓ１の第４開口７３４に向かって連通する。第２流路７４２および第４流路７４４も、Ｌ字型である。

【0042】

本体７１０は、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２を備える。第１電極Ｅ１は、第１空間７２２または第１流路７４１に設けられる。また第２電極Ｅ２は、第２空間７２４また第２流路７４２に設けられる。第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、図１の電極１０６，１０８に対応する。

【0043】

図４に戻る。電極シート７６０は、本体７１０の底面に取り付けられる。電極シート７６０は、第１流路７４１の水平方向に伸びる一部分７４１ａおよび第３流路７４３の水平方向に伸びる一部分７４３ａの内壁を兼ねている。電極シート７６０は、第１流路７４１の内壁に相当する部分に形成された第１電極Ｅ１と、第３流路７４３の内壁に相当する部分に形成された第２電極Ｅ２と、を備える。

【0044】

電極シート７６０は、第１電極Ｅ１と電気的に接続されるコンタクト用電極Ｅｃ１と、第２電極Ｅ２と電気的に接続されるコンタクト用電極Ｅｃ２を備える。測定に際してはコンタクト用電極Ｅｃ１，Ｅｃ２に、電圧信号が印加される。

【0045】

本体７１０は、第１部分７１２と第２部分７１４に分割可能となっている。チップ収容空間７２０は、第１部分７１２側に形成される。

【0046】

本体７１０の上面Ｓ１であって、第１部分７１２と第２部分７１４の境界の部分には凸部７５０が形成され、凸部７５０によって第１流路７４１および第２流路７４２と、第３流路７４３および第４流路７４４との間が、隔てられている。凸部７５０により、第１空間７２２側の溶液と第２空間４２４側の溶液が短絡するのを防止できる。

【0047】

ポアチップケース内が液体で満たされた状態において、液体の液面の高さは、ポアの位置７２１よりも１０ｍｍ以上高いことが好ましい。液面の高さは、上面Ｓ１の高さと考えることができる。

【0048】

図６は、ポアチップケース７００がポアチップ１１０を収容する様子を示す断面図である。ポアチップ１１０は、ポア１１２を有する。ポアチップ１１０は、ポアチップケース７００のチップ収容空間７２０に垂直方向に立てて収容される。

【0049】

以上がポアチップケース７００の構成である。続いてその利点を説明する。

【0050】

図７は、ポアチップケース７００のポアチップ１１０周辺の断面図である。測定の準備段階において、第１開口７３１から電解液２が注入される。電解液２ａは、第１流路７４１を経由して第１空間７２２に侵入する。同様に、第３開口７３３から電解液２ｂが注入される。電解液２ｂは、第３流路７４３を経由して第２空間７２４に侵入する。第１空間７２２および第２空間７２４において電解液２ａ、２ｂの液面６は、下から上に向かって上昇する。ポアチップ１１０のポア１１２には空気７が存在するが、液面６の上昇とともに空気７を上側に逃がすことができる。これにより、空気溜りの発生を抑制できる。

【0051】

またポアチップケース７００はさらに以下の利点を有する。このポアチップケース７００では、ポア１１２と上面Ｓ１の高さの差が、１０ｍｍ以上となっている。このことは、ポア１１２における水圧が高まることを意味する。水圧ｐは、ポアから水面までの高さｈで決まり、以下の式で表すことができる。
ｐ＝ρ・ｇｈ
ρは水の密度、ｇは重力加速度である。

【0052】

微粒子検出システムで使用するような電解質は１ｍｏｌ未満の塩化物系溶液（たとえばＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＰＢＳなど）を使用することが多い。そのため、密度はほぼ水と変わらないとしても大きな影響はない。
ρ＝９９７ｋｇ／ｍ^３
ｇ＝９．８１ｍ／ｓ^２
としたときの水圧ｐは、９７８１×ｈ［ｋＰａ］となる。ｈ＝１０ｍｍ＝０．０１ｍとすれば、ｐ＝０．０９７８１ｋＰａとなる

【0053】

図８は、水圧ｐと通過粒子数の関係を示す図である。横軸は時間を、縦軸は通過粒子数を示す。水圧ｐを高めていくと、単位時間（１分）当たりの通過粒子数が増加することがわかる。ｈ＝１０ｍｍとして、ｐ≒０．１ｋＰａとすると、毎分６．６個以上の粒子を検出することが可能となる。十分な測定精度を実現するためには、総粒子数は２００個程度必要であるところ、本実施形態では、３０分で測定を完了できる。

【0054】

従来のポアチップでは、単位時間の通過粒子数はおおよそ３個／分であった。このことは、測定に１時間を要することを意味する。実施形態に係るポアチップケース７００を用いれば、測定時間をおおよそ半分に減らすことができる。

【0055】

以上、実施の形態について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

【0056】

実施形態では、電極シート７６０に電極Ｅ１，Ｅ２を形成することとしたが、電極Ｅ１、Ｅ２の位置や形状は限定されない。たとえば、電極Ｅ１は、第１空間７２２内に形成してもよいし、第２流路７４２内に形成してもよい。同様に、電極Ｅ２は、第２空間７２４内に形成してもよいし、第４流路７４４内に形成してもよい。

【0057】

また電極Ｅ１，Ｅ２は、棒状のプローブ電極であってもよい。この場合、電極Ｅ１は、第１開口７３１または第２開口７３２から差し込むようにしてもよいし、第１部分７１２の側面に設けられた別の開口から、プローブ電極の少なくとも一部が、第１流路７４１、第１空間７２２、第２流路７４２のいずれかに露出するように差し込むようにしてもよい。電極Ｅ２についても同様である。

【0058】

本明細書では微粒子計測装置について説明したが本発明の用途はそれに限定されず、ＤＮＡシーケンサをはじめとするポアデバイスを用いた微小電流計測を伴う計測器に広く用いることができる。

【0059】

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0060】

１ 微粒子測定システム
２ 電解液
４ 粒子
８ 空気溜り
１００ ポアデバイス
２００Ｒ 計測装置
２１０ トランスインピーダンスアンプ
２２０ 電圧源
２３０ デジタイザ
３００ データ処理装置
１００ ポアデバイス
１１０ ポアチップ
１１２ ポア
７００ ポアチップケース
７１０ 本体
７１２ 第１部分
７１４ 第２部分
７２０ チップ収容空間
７２２ 第１空間
７２４ 第２空間
Ｓ１ 上面
７３１ 第１開口
７３２ 第２開口
７３３ 第３開口
７３４ 第４開口
７４１ 第１流路
７４２ 第２流路
７４３ 第３流路
７４４ 第４流路
７５０ 凸部
７６０ 電極シート
Ｅ１ 第１電極
Ｅ２ 第２電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】