(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】
(24)【登録日】2023-10-06
(45)【発行日】2023-10-17
(54)【発明の名称】センサ及び検出方法、試薬及びキット
(51)【国際特許分類】
C12M 1/34 20060101AFI20231010BHJP
C12Q 1/46 20060101ALI20231010BHJP
G01N 33/00 20060101ALI20231010BHJP
【ＦＩ】
C12M1/34 E
C12Q1/46
G01N33/00 C
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020154717
(22)【出願日】2020-09-15
(65)【公開番号】P2022048731
(43)【公開日】2022-03-28
【審査請求日】2022-09-12
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）第２期／フィジカル空間デジタルデータ処理基盤／サブテーマＩＩ：超低消費電力ＩｏＴデバイス・革新的センサ技術／超高感度センサシステムの研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(74)【代理人】
【識別番号】110001737
【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】斎藤 達朗
(72)【発明者】
【氏名】杉崎 吉昭
【審査官】中山 基志
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－１１０５３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０４５３１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００６／００７３４９０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０９－１０７９９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－２０８８８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－３２２６１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－３０９２４５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ１２Ｍ１／００－３／１０
Ｃ１２Ｑ１／００－３／００
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
試料中の標的物質を検出するセンサであって、アセチルコリンエステラーゼ水溶液と気体試料とを接触させて、気体試料中の標的物質を前記アセチルコリンエステラーゼ水溶液に溶け込ませる標的物質取り込み部と、
アセチルコリン水溶液を収容する供給部と、
前記標的物質取り込み部から送出された溶液及び前記供給部から供給されたアセチルコリン水溶液が混合される反応部と、
前記反応部から送出された溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する検出部と
を備えるセンサ。
【請求項2】
前記標的物質はリモネンである請求項１に記載のセンサ。
【請求項3】
前記アセチルコリンエステラーゼはデンキウナギ由来である請求項１に記載のセンサ。
【請求項4】
前記反応部を加温するヒータをさらに備える請求項１に記載のセンサ。
【請求項5】
前記検出部がｐＨ検出素子を備える請求項１に記載のセンサ。
【請求項6】
前記ｐＨ検出素子は、高移動度測定用センシング素子である請求項５に記載のセンサ。
【請求項7】
前記高移動度測定用センシング素子は、グラフェンＦＥＴである請求項６に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、センサ及び検出方法、試薬及びキットに関する。
【背景技術】
【0002】
標的物質を検出するセンサ及び検出方法として、標的物質を高感度に検出することが求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】実用新案登録第３１６０１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、より高感度に標的物質を検出することができるセンサ及び検出方法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】
【0005】
実施形態に従うセンサは、アセチルコリン水溶液と気体試料とを接触させて、気体試料中の標的物質を前記アセチルコリン水溶液に溶け込ませる標的物質取り込み部と、アセチルコリンエステラーゼを収容し、前記標的物質取り込み部から送出された溶液を前記アセチルコリンエステラーゼに接触させる反応部と、前記反応部から送出された溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する検出部とを備える。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
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箇所があるが、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。
【0008】
本明細書において、「気体試料」とは、気体の標的物質からなる試料、もしくは、気体、液体、エアロゾル、又はＰＭ２．０に代表される粒子状の物質の状態である標的物質が、気体に混合された試料のことを指す。
【0009】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に従うセンサは、気体試料中の標的物質を検出するためのセンサである。図１に示すようにセンサ１は、標的物質取り込み部３と、標的物質取り込み部３から延びる導管４に接続される反応部５と、反応部５から延びる導管６に接続される検出部７とを備える。詳しくは後述するが、標的物質取り込み部３において気体試料中の標的物質はアセチルコリン水溶液に取り込まれ、当該水溶液は標的物質取り込み部３から各導管４，６を通して反応部５、検出部７にこの順序で送出される。
第１の実施形態に従うセンサは、気体試料中の標的物質を検出するためのセンサである。図１に示すようにセンサ１は、標的物質取り込み部３と、標的物質取り込み部３から延びる導管４に接続される反応部５と、反応部５から延びる導管６に接続される検出部７とを備える。詳しくは後述するが、標的物質取り込み部３において気体試料中の標的物質はアセチルコリン水溶液に取り込まれ、当該水溶液は標的物質取り込み部３から各導管４，６を通して反応部５、検出部７にこの順序で送出される。
【0010】
標的物質取り込み部３は、アセチルコリン水溶液１５を収容した容器９を備える。容器９には、気体試料の導管１０が接続されている。導管１０には、ポンプ１１が介装されている。ポンプ１１を駆動することにより、標的物質を含み得る矢印に示す気体試料１３は導管１０を通して容器９に送出される。容器９に送出された気体試料１３は、容器９内のアセチルコリン水溶液１５と接触する。このとき、気体試料１３に標的物質が含有される場合、標的物質は、アセチルコリン水溶液１５に取り込まれる。
【0011】
気体試料１３とアセチルコリン水溶液１５との接触は、例えば、図１に示すようにアセチルコリン水溶液１５内に気体試料１３を吹き込む、バブリングで行うことができる。また、例えばアセチルコリン水溶液１５の液面に気体試料１３を吹き付ける等、他の方法で行ってもよい。
【0012】
気体試料１３と接触したアセチルコリン水溶液１５は、標的物質取り込み部３から導管４を通して反応部５に送出される。反応部５は、導管４が接続される反応容器１７を備える。反応容器１７は、液体が収容可能な容器であり、例えばアセチルコリンエステラーゼ１８が固定化されて収容されている。反応容器１７の外周面には、その溶液を加温するためのヒータ２２が設けられている。反応容器１７において、標的物質取り込み部３から送出されたアセチルコリン水溶液１５とアセチルコリンエステラーゼとが接触される。アセチルコリン水溶液１５に標的物質が含有される場合には、反応容器１７内にアセチルコリン、アセチルコリンエステラーゼ及び標的物質が共存する。反応容器１７を通過した溶液１９は、反応容器１７から導管６を通して検出部７に送出される。
【0013】
以下、反応容器１７における、アセチルコリン、アセチルコリンエステラーゼ及び標的物質の化学反応について詳細に説明する。
【0014】
まず、アセチルコリンエステラーゼ及びアセチルコリンが標的物質を存在せずに共存している場合には、以下の化学式（１）で表せられるアセチルコリン分解反応が進行する。
【0015】
【化1】
【0016】
上記式（１）から、一定量のアセチルコリンを供給し続ける場合、アセチルコリン分解生成物（すなわち、コリン及び酢酸）がアセチルコリンの供給量に見合った量、生成されることが分かる（図２（ａ）参照）。
【0017】
上記式（１）の反応は、アセチルコリンが基質、アセチルコリンエステラーゼが酵素として作用する化学反応である。一般的に、酵素を用いた化学反応は、酵素ごとに特定の化学物質によって阻害され、反応速度が減少又は反応が停止することが知られている。該化学物質は、以下、「阻害物質」とする。ここで、図２（ａ）に示したアセチルコリンエステラーゼとアセチルコリンの混合系において、時刻ｔから阻害物質が含有し始めた場合には、時刻ｔ以降のアセチルコリン分解生成物の累積量が変化する、つまりグラフの傾きが減少する（図２（ｂ）参照）。従って、該混合系においてアセチルコリンの分解速度をモニタリングすることで、該混合系に阻害物質が存在しているか否かを検知することが可能である。
【0018】
アセチルコリンエステラーゼは、顆粒状固定法又は液状固定法等により反応容器１７に固定化することができる。アセチルコリンエステラーゼは、任意のものを使用することができる。例えば、デンキウナギ由来のアセチルコリンエステラーゼを使用することもできる。また、アセチルコリンエステラーゼは、アポ酵素であってもよく、ホロ酵素であってもよい。アセチルコリンエステラーゼがアポ酵素である場合、対応する補因子がアセチルコリン水溶液１５に含有されており、該補因子は、アセチルコリンエステラーゼを収容している反応容器１７へと供給される。
【0019】
また、上記式（１）に示した酵素反応において、ヒータ２２で反応容器１７を加温し、反応容器１７内のアセチルコリンエステラーゼを３７℃近傍でより活性化することが好ましい。
【0020】
なお、反応部５の反応容器１７にアセチルコリンエステラーゼを予め固定したが、アセチルコリンエステラーゼ水溶液を別の供給系に収容し、当該アセチルコリンエステラーゼ水溶液を反応容器１７に供給してもよい。
【0021】
本実施形態に係るセンサの検出対象である標的物質は、アセチルコリンエステラーゼのアセチルコリン分解反応に対する阻害物質である。この阻害物質は、例えばリモネンが挙げられる。図３に示すように、アセチルコリンとアセチルコリンエステラーゼの混合系にリモネンを添加することによって、該混合系のｐＨ変化速度が低下することが確認された。後述するが、該混合系のｐＨ変化速度の低下は、アセチルコリン分解速度が減少したこと、ひいては、リモネンが、酵素であるアセチルコリンエステラーゼに対する阻害物質であることを示している。リモネン以外の、アセチルコリンエステラーゼのアセチルコリン分解反応に対する阻害物質は、例えばアンブレイン、ピネンなどのテルペノイド、ルテオリン等のフラボノイド、ガランタミン等のアルカロイド、Ｃｙｎａｔｒｏｓｉｄｅ Ａ等の配糖体等が挙げられる。
【0022】
以下、第１の実施形態に係るセンサの検出部の構造について図４を参照して詳細に説明する。
【0023】
検出部７は、センシング素子２０と、電極槽３７とを備える。センシング素子２０は、グラフェン電界効果型トランジスタ（グラフェンＦＥＴ）で構成されている。すなわち、グラフェンＦＥＴは基板２１と、基板２１の表面に配置された絶縁膜２３と、絶縁膜２３上に配置されたグラフェン２５と、グラフェン２５上に配置された感応膜２７と、感応膜２７の一端に接続されたソース電極２９と、感応膜２７の他端に接続されたドレイン電極３１と、ソース電極２９及びドレイン電極３１を含む基板２１を被覆する保護膜３３とを備える。保護膜３３には、感応膜２７の主面２７ｃの上方に矩形体形状の空間Ｓが設けられ、当該主面２７ｃが空間Ｓに露出されている。ソース電極２９側の空間Ｓは、反応部５側の導管６と接続されている。ドレイン電極３１側の空間Ｓは、導管３５に接続され、当該導管３５の途中に電極槽３７が形成されている。電極槽３７内には、ゲート電極３９が配置されている。なお、反応容器１７を通過した溶液１９は、矢印に示すように導管６を通して空間Ｓに送出され、感応膜２７の主面２７ｃと接触した後、導管３５を通して電極槽３７を経由し、その中のゲート電極３９と接触して外部に排出される。
【0024】
基板２１は、例えば、矩形の板状である。基板２１の材料は、例えば、シリコン、ガラス（ＳｉＯ等）、セラミックス（ＳｉＮ等）又は高分子材料等である。基板２１は、導電体層の上に絶縁体層を設けた積層構造を有してもよい。基板２１の大きさは限定されるものではないが、例えば、基板２１の厚さは１ｍｍ程度とすることができる。長さ及び幅については、センサ１の用途に応じて所望の大きさを有するように選択すればよい。
【0025】
感応膜２７は、ｐＨ検出素子であり、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、或いはＡｌ２Ｏ３又はＴａ２Ｏ３等の金属酸化膜からなるイオン感応膜である。ただし、感応膜２７は、ｐＨ検出素子に限らず、アセチルコリン又はその分解生成物との結合又は近接等による物性の変化を検出する他の素子が採用されてもよい。他の素子を構成する材料として、例えば、グラフェン、ダイヤモンド又はカーボンナノチューブ等の炭素材料、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）、二硫化チタン（ＴｉＳ２）又はリン（Ｐ）等の層状化合物等、或いは、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）等の電気化学的に水の酸化還元領域で安定な材料を用いることができる。感応膜２７は、例えば、少なくとも一重の原子層であればよいが、多重であってもよい。又は、感応膜２７はナノワイヤ又はナノチューブの形状を有してもよい。
【0026】
感応膜２７の寸法は、用途に応じて所望の長さを選択できるが、ソース電極２９側にある一端からドレイン電極３１側にある他端までの長さを、例えば１０ｎｍ～１ｍｍとすることが好ましい。ここで、ソース電極２９側からドレイン電極３１側へと向かう方向を第１方向とし、第１方向と直交し、検出部７を断面視する方向を第２方向とすると、感応膜２７は、その上方にある矩形体形状の空間Ｓの第２方向の長さよりも、主面２７ｃの第２方向の長さが長くなるように形成されるか、又は、空間Ｓの第２方向の長さと主面２７ｃの第２方向の長さとが同等であることが好ましい。このような構成にすることで、第２方向における溶液に接触する感応膜・チャネル部の積層部の割合を増加することができ、検出感度を向上させることができる。
【0027】
上記の感応膜２７の寸法の効果は、下記に示すように、センサＡ及びセンサＢを製造し、両者の検出感度を比較することで確認した。
【0028】
センサＡは、基板と、第２方向の長さが３０μｍであるグラフェンからなる矩形の感応膜と、感応膜の一端に接続されたソース電極と、感応膜の他端に接続されたドレイン電極と、各電極を被覆し感応膜上に矩形体形状の空間を有する絶縁膜を備えるセンサであり、該空間の第２方向の長さは、３４μｍであった。
【0029】
センサＢは、基板と、第２方向の長さが３０μｍであるグラフェンからなる矩形の感応膜と、感応膜の一端に接続されたソース電極と、感応膜の他端に接続されたドレイン電極と、各電極を被覆する感応膜上に矩形体形状の空間を有する絶縁膜を備えるセンサであり、該空間の第２方向の長さは、１０μｍであった。
【0030】
センサＡと、センサＢを用いてゲート電極及びドレイン電極間に流れる電流値を計測した。試料として塩素イオン濃度の異なる溶液を各センサ上に収容し、試料置換前後での電流値の変化量を算出した。
【0031】
その結果、センサＡの電流値は約１０％変化した。一方で、センサＢでは電流値は約４％変化し、センサＡを用いればセンサＢの約２倍の変化量が得られることが確認された。従って、感応膜の上方にある矩形体形状の空間の第２方向の長さよりも、感応膜の主面の第２方向の長さが長くなるように形成するか、又は、該空間の第２方向の長さと感応膜の主面の第２方向の長さとが同等とするように形成することで、センサとしての検出感度を向上できることが確認された。
【0032】
ソース電極２９、ドレイン電極３１及びゲート電極３９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。
【0033】
絶縁膜２３及び保護膜３３は、例えば、絶縁材料から形成されている。絶縁材料は、例えば、酸化膜、窒化膜等のセラミックス、ポリイミド等の絶縁性ポリマー等である。
【0034】
センシング素子２０を構成するグラフェンＦＥＴは、半導体プロセスにより製造することが可能である。例えば、次のように製造することができる。
【0035】
まず、基板２１上に、放電を防ぐための絶縁膜２３を形成する。基板２１自体が絶縁性である場合は省略してもよい。
【0036】
次に、グラフェン２５を絶縁膜２３上に形成する。グラフェンの形成方法は、例えばグラファイトからの転写又はＣＶＤ法を用いることができる。転写等を用いる場合、プリント技術等でパターンを形成したグラフェンを張り合わせてもよい。その後、グラフェンをパターニングする。このパターニング工程において、グラフェンを形成するための下地をあらかじめ形成し、その後、例えばＣＶＤ法等でグラフェン２５を選択的に形成してもよい。
【0037】
さらに、グラフェン２５の形成後、グラフェン２５の両端にソース電極２９及びドレイン電極３１を形成する。その後、グラフェン２５の上に感応膜２７を形成し、さらに基板２１表面にソース電極２９及びドレイン電極３１を覆うように保護膜３３を形成する。保護膜３３はリソグラフィを用いて空間Ｓ等を加工する。また、犠牲層等を用いるリフトオフにより空間Ｓ等を形成してもよい。
【0038】
検出部７は、センシング素子２０の他に、例えば、ソース電極２９及びドレイン電極３１間、並びにゲート電極３９に電圧を印加する電源と、ソース電極２９及びドレイン電極３１間を流れる電流値を計測する電流計とを含む回路を更に備える（いずれも図示せず）。これらは、例えば基板２１中に設けられ得る。また、検出部７はソース電極２９及びドレイン電極３１と接続するパッド電極を備えてもよい。さらに、１つの基板２１上に、センシング素子を１つ配置してもよいし、複数配置してもよい。
【0039】
以下、前述したグラフェンＦＥＴで構成された検出部の動作について詳細に説明する。
【0040】
第１の実施形態において、感応膜２７はｐＨ感応膜であり、反応容器１７を通過した溶液１９のｐＨ値に応じて感応膜２７の表面電位が変化する。また、ゲート電極３９によっても感応膜の２７の表面電位を可変することができる。感応膜２７の表面電位は、当該感応膜２７と接触するグラフェン２５の電位も変化する。電源からグラフェン２５の端部に配置されたソース電極２９とドレイン電極３１との間に定電圧を印加すると、グラフェン２５に与えられる電位によって当該グラフェン２５に流れる電流値が感応膜２７の電位により変化する。この電流値の変化に基づいて後述する気体試料中の標的物質の有無を検出する。
【0041】
本実施形態において、センサ１の流量は単位時間当たり一定量となるように設定されるため、反応部５へのアセチルコリンの単位時間当たりの供給量は一定量である。このようなセンサ１において、標的物質が試料中に含まれない場合、反応部５におけるアセチルコリン分解生成物の生成量は単位時間当たり一定であるため、反応部５から送出された溶液１９のｐＨ値も一定の値を示す。その結果、ｐＨ感応膜である感応膜２７の表面電位は一定の値を示し、感応膜２７と接触するグラフェン２５を流れる電流値も一定の値となる。
【0042】
一方、標的物質が気体試料中に含まれる場合、標的物質によってアセチルコリン分解反応が阻害され、アセチルコリン分解生成物である酢酸の生成量が減少し、溶液１９のｐＨ値を上昇させる。溶液１９のｐＨ値の変化は、感応膜２７の表面電位を変化させ、それに伴って感応膜２７と接触するグラフェン２５の電位を変化させる。グラフェン２５の電位の変化は、ソース電極２９とドレイン電極３１との間の電流値の変化として電流計によって測定される。
【0043】
なお、センサ１の検出部７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、イオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）、ＣＣＤ、他のｐＨ検出素子、ガラス電極等で構成してもよい。しかしながら、グラフェンＦＥＴは移動度が高く、高移動度測定が可能なセンシング素子であるから、ｐＨ値の変化による感応膜２７の表面電位変化が小さい場合でも大きな電流値変化として検出することができ、より高感度なセンサを提供することができる。
【0044】
以上説明した第１の実施形態によれば、検出部７でアセチルコリンとアセチルコリンエステラーゼとの酵素反応におけるアセチルコリン分解生成物の変化をモニタリングすることによって、気体試料中の標的物質の有無及び変化量の大小による標的物質の量を高精度で検出することが可能である。特に、標的物質がそのままでは感応膜２７に物性の変化を起こすことが困難である物質、例えば、疎水性の高い物質や極性の無い又は少ない物質である場合でも、第１の実施形態に係るセンサによれば、標的物質の酵素反応阻害効果を検出することによって、そのような物質でも高感度で検出することができる。
【0045】
従来、標的物質を検出するセンサとして、アセチルチオコリンとアセチルコリンエステラーゼとの酵素反応に対する阻害物質である標的物質を検知するセンサが知られている。このようなセンサは、基質であるアセチルチオコリンを、酵素であるアセチルコリンエステラーゼにより分解させてチオコリンを生成した後、チオコリンをＤＴＮＢ（５、５’－ジチオビス（２－ニトロ安息香酸））と反応させて発色させることで、吸光度測定等により光学的に検出していた。
【0046】
しかしながら、第１の実施形態のようにアセチルコリンとアセチルコリンエステラーゼとの酵素反応で生じるコリン及び酢酸に発色反応のためのＤＴＮＢを適用したとしても、発色が起こらない。従って、従来のセンサではアセチルコリンとアセチルコリンエステラーゼとの酵素反応において、阻害物質すなわち標的物質の存在を検出することが困難であった。また、従来では、チオコリンの酵素選択性が十分でなく、ブチリルコリンエステラーゼ等のアセチルコリンエステラーゼ以外の酵素でも分解されることがあった。アセチルコリンエステラーゼ以外の、チオコリンを分解し得る酵素が夾雑物として試料等に混入した場合、標的物質によってアセチルコリンエステラーゼの酵素反応が阻害されていたとしてもチオコリンが分解されるので、標的物質による反応阻害効果を確認できずに標的物質が検知されない虞があった。
【0047】
第１の実施形態では、標的物質の阻害効果を検出するための酵素反応の基質としてアセチルコリンを使用する。アセチルコリンは酵素選択性が高く、アセチルコリンエステラーゼ以外の分解酵素（例えば、ブチリルコリンエステラーゼ）の影響を低減することができる。その結果、チオコリンを使用する従来の検出方法よりも高精度に標的物質を検出することができる。
【0048】
また、アセチルコリンエステラーゼ水溶液を別の供給系に収容し当該アセチルコリンエステラーゼ水溶液を反応容器１７に供給するセンサ１の構成と比較すると、アセチルコリンエステラーゼが反応部５に固定化されたセンサ１の構成は、アセチルコリンエステラーゼの流出が無いために、センサ１の使用におけるアセチルコリンエステラーゼの使用量を低減することができる。さらに、別の供給系を設けないことでセンサ１の部品点数をより少なくすることができる。すなわち、アセチルコリンエステラーゼを反応部５に固定化する構成のセンサ１は、より簡易な測定を実施できる点、並びに、製造時及び使用時のコストを低減できる点で好ましい。
【0049】
他方、アセチルコリンエステラーゼ水溶液を別の供給系に収容し当該アセチルコリンエステラーゼ水溶液を反応容器１７に供給するセンサ１の構成は、アセチルコリンエステラーゼが反応部５に固定化されたセンサ１の構成と比較すると、センサ１を再使用する場合の取り扱いがより容易である点で好ましい。これは、標的物質の阻害効果によりアセチルコリンエステラーゼが不活性化される場合であっても、未反応のアセチルコリンエステラーゼが反応部５に供給されることにより、アセチルコリンエステラーゼを再度活性化する操作、又は固定化されたアセチルコリンエステラーゼを交換する操作を省略することができるためである。
【0050】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るセンサについて図５を参照して説明する。
第２の実施形態に係るセンサについて図５を参照して説明する。
【0051】
センサ１は、標的物質取り込み部３と、標的物質取り込み部３から延びる導管４に接続される反応部５と、導管４７を通して反応部５に接続される液体供給部４１と、反応部５から延びる導管６に接続される検出部７とを備える。
【0052】
標的物質取り込み部３は、アセチルコリンエステラーゼ水溶液５１を収容した容器９を備える。容器９には、気体試料の導管１０が接続されている。導管１０には、ポンプ１１が介装されている。ポンプ１１を駆動することにより、標的物質を含み得る矢印に示す気体試料１３は導管１０を通して容器９に送出される。容器９に送出された気体試料１３は、容器９内のアセチルコリンエステラーゼ水溶液５１と接触する。このとき、気体試料１３に標的物質が含有される場合、標的物質は、アセチルコリンエステラーゼ水溶液５１に取り込まれる。
【0053】
気体試料１３と接触したアセチルコリンエステラーゼ水溶液５１は、標的物質取り込み部３から導管４を通して反応部５に送出される。反応部５は、導管４が接続される反応容器１７を備える。反応容器１７は、液体が収容可能な容器である。
【0054】
液体供給部４１は、アセチルコリン水溶液４３が収容された液体貯蔵部４５を備える。液体貯蔵部４５は、導管４７を通して反応容器１７と接続されている。導管４７には、ポンプ４９が介装され、ポンプ４９の駆動より液体貯蔵部４５内のアセチルコリン水溶液４３が導管４７を通して反応容器１７に供給される。反応容器１７において、標的物質取り込み部３から送出されたアセチルコリンエステラーゼ水溶液５１と液体貯蔵部４５から送出されたアセチルコリン水溶液４３とが接触される。アセチルコリンエステラーゼ水溶液５１に標的物質が含有される場合には、反応容器１７内にアセチルコリン、アセチルコリンエステラーゼ及び標的物質が共存する。反応容器１７を通過した溶液１９は、反応容器１７から導管６を通して検出部７に送出される。
【0055】
検出部７は、前述した第１の実施形態と同様な構造を有する。
【0056】
このような構成の第２の実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同様、検出部７でアセチルコリンとアセチルコリンエステラーゼとの酵素反応におけるアセチルコリン分解生成物の変化をモニタリングすることによって、気体試料中の標的物質の有無及び変化量の大小による標的物質の量を高精度で検出することが可能である。特に、標的物質がそのままでは感応膜２７に物性の変化を起こすことが困難である物質、例えば、疎水性の高い物質や極性の無い又は少ない物質である場合でも、第２の実施形態に係るセンサによれば、標的物質の酵素反応阻害効果を検出することによって、そのような物質でも高感度で検出することができる。
【0057】
第２の実施形態において、アセチルコリンエステラーゼ水溶液は標的物質と接触した状態で反応部に供給されるので、反応部においてアセチルコリンエステラーゼと標的物質とが接触する第１の実施形態のセンサと比較すると、第２の実施形態のセンサは、アセチルコリンエステラーゼと標的物質とが接触する時間をより長く確保することができる。アセチルコリンエステラーゼと標的物質とが接触する時間がより長くなると、アセチルコリンエステラーゼに対する標的物質の阻害効果がより顕著となるため、第２の実施形態のセンサはより感度良く標的物質を検出できる点で好ましい。
【0058】
(第３の実施形態)
第３の実施形態に係る検出方法について、図６を参照して詳細に説明する。
第３の実施形態に係る検出方法について、図６を参照して詳細に説明する。
【0059】
第３の実施形態に係る検出方法は、以下の工程を含む。
（Ｓ１）アセチルコリン水溶液と気体試料とを接触させる工程と、
（Ｓ２）前記気体試料を接触させた前記アセチルコリン水溶液とアセチルコリンエステラーゼとを混合、接触させる工程と、
（Ｓ３）前記混合、接触後の水溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する工程と
を含む。
（Ｓ１）アセチルコリン水溶液と気体試料とを接触させる工程と、
（Ｓ２）前記気体試料を接触させた前記アセチルコリン水溶液とアセチルコリンエステラーゼとを混合、接触させる工程と、
（Ｓ３）前記混合、接触後の水溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する工程と
を含む。
【0060】
気体試料は、例えば、前記標的物質が含まれることが予想される気体である。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が、これらに限定されるものではない。
【0061】
標的物質は、アセチルコリンエステラーゼのアセチルコリン分解反応に対する阻害物質であり、気体中に含まれる物質である。標的物質としては、生体由来の物質、生体由来でない物質、有機化合物、無機化合物又は低分子化合物等であり、例えば匂い物質、フェロモン、脂肪酸、炭化水素、硫黄酸化物又は人工香料等の化合物等であってもよい。例えばリモネン、アンブレイン、ピネンなどのテルペノイド、ルテオリン等のフラボノイド、ガランタミン等のアルカロイド、Ｃｙｎａｔｒｏｓｉｄｅ Ａ等の配糖体等である。
【0062】
工程Ｓ１において、アセチルコリン水溶液と気体試料との接触により、気体試料中に標的物質が含まれる場合、当該標的物質はアセチルコリン水溶液に溶け込む。
【0063】
工程Ｓ２において、気体試料を接触させたアセチルコリン水溶液とアセチルコリンエステラーゼとを混合、接触させる。アセチルコリン水溶液とアセチルコリンエステラーゼが接触すると、アセチルコリンの分解反応が進行する。この混合系に標的物質が含まれる場合、アセチルコリンの分解速度は抑制される。アセチルコリンエステラーゼは、アセチルコリンに対して特異的又は選択的に反応させる触媒として作用するため、気体試料が夾雑物を含む場合であってもアセチルコリンを特異的に処理することが可能である。その結果、処理後の生成物の種類を特定することが可能である。
【0064】
工程Ｓ３において、混合、接触後の水溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する。アセチルコリン分解生成物は、第１の実施形態の式（１）で説明したようにアセチルコリンが基質、アセチルコリンエステラーゼが酵素として作用する化学反応により生成される。気体試料中に標的物質を含まない場合、アセチルコリン分解生成物の生成量はアセチルコリン及びアセチルコリンエステラーゼの量に相関する。他方、気体試料中に標的物質を含む場合、標的物質が酵素であるアセチルコリンエステラーゼに対して阻害物質として働くため、アセチルコリン分解生成物の生成量が減少する。すなわち、気体試料中に標的物質が含むときのアセチルコリン分解生成物の生成量は、標的物質が含まないときのアセチルコリン分解生成物の生成量に比べて減少する。
【0065】
このようなアセチルコリンとアセチルコリンエステラーゼに対する標的物質の阻害効果から標的物質を含まない気体試料を基準試料とし、当該試料を前記工程Ｓ１の気体試料として用い、前記工程Ｓ１～Ｓ３に従ってアセチルコリン分解生成物の生成量を測定し、その後、標的物質の存在が未知の気体試料を前記工程Ｓ１～Ｓ３に従ってアセチルコリン分解生成物の生成量を測定する。そして、標的物質の存在が未知の気体試料でのアセチルコリン分解生成物の生成量が基準試料の生成量に比べて変化している場合、未知の気体試料は標的物質を含むと判定する。ここで、基準試料と標的物質の存在が未知の気体試料との間でのアセチルコリン分解生成物の生成量の変化は、例えばｐＨ値の変化、さらにｐＨ値に基づくＦＥＴを用いた電流値の変化として測定することができる。
【0066】
従って、第３の実施形態によれば、アセチルコリンとアセチルコリンエステラーゼとの酵素反応におけるアセチルコリン分解生成物の変化をモニタリングすることによって、気体試料中の標的物質の有無及び変化量の大小による標的物質の量を高精度で検出することが可能である。
【0067】
（第４の実施形態）
第４実施形態に係る検出方法について、図７を参照して詳細に説明する。
第４実施形態に係る検出方法について、図７を参照して詳細に説明する。
【0068】
第４の実施形態に係る検出方法は、以下の工程を含む。
（Ｓ１′）アセチルコリンエステラーゼ水溶液と気体試料とを接触させる工程と、
（Ｓ２′）前記気体試料を接触させた前記アセチルコリンエステラーゼ水溶液とアセチルコリン水溶液とを混合、接触させる工程と、
（Ｓ３′）前記混合、接触後の水溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する工程と
を含む。
（Ｓ１′）アセチルコリンエステラーゼ水溶液と気体試料とを接触させる工程と、
（Ｓ２′）前記気体試料を接触させた前記アセチルコリンエステラーゼ水溶液とアセチルコリン水溶液とを混合、接触させる工程と、
（Ｓ３′）前記混合、接触後の水溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する工程と
を含む。
【0069】
工程Ｓ１′において、アセチルコリンエステラーゼ水溶液と気体試料との接触により、気体試料中に標的物質が含まれる場合、当該標的物質はアセチルコリンエステラーゼ水溶液に溶け込む。
【0070】
工程Ｓ２′において、気体試料を接触させたアセチルコリンエステラーゼ水溶液とアセチルコリン水溶液とを混合、接触させる。アセチルコリンエステラーゼ水溶液とアセチルコリン水溶液が接触すると、アセチルコリンの分解反応が進行する。この混合系に標的物質が含まれる場合、アセチルコリンの分解速度は抑制される。アセチルコリンエステラーゼは、アセチルコリンに対して特異的又は選択的に反応させる触媒として作用するため、気体試料が夾雑物を含む場合であってもアセチルコリンを特異的に処理することが可能である。その結果、処理後の生成物の種類を特定することが可能である。
【0071】
工程Ｓ３′において、混合、接触後の水溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する。アセチルコリン分解生成物は、第１の実施形態の式（１）で説明したようにアセチルコリンが基質、アセチルコリンエステラーゼが酵素として作用する化学反応により生成される。気体試料中に標的物質を含まない場合、アセチルコリン分解生成物の生成量はアセチルコリン及びアセチルコリンエステラーゼの量に相関する。他方、気体試料中に標的物質を含む場合、標的物質が酵素であるアセチルコリンエステラーゼに対して阻害物質として働くため、アセチルコリン分解生成物の生成量が減少する。すなわち、気体試料中に標的物質が含むときのアセチルコリン分解生成物の生成量は、標的物質が含まないときのアセチルコリン分解生成物の生成量に比べて減少する。
【0072】
このようなアセチルコリンとアセチルコリンエステラーゼに対する標的物質の阻害効果から標的物質を含まない気体試料を基準試料とし、当該試料を前記工程Ｓ１の気体試料として用い、前記工程Ｓ１′～Ｓ３′に従ってアセチルコリン分解生成物の生成量を測定し、その後、標的物質の存在が未知の気体試料を前記工程Ｓ１′～Ｓ３′に従ってアセチルコリン分解生成物の生成量を測定する。そして、標的物質の存在が未知の気体試料でのアセチルコリン分解生成物の生成量が基準試料の生成量に比べて変化している場合、未知の気体試料は標的物質を含むと判定する。
【0073】
ここで、基準試料と標的物質の存在が未知の気体試料との間でのアセチルコリン分解生成物の生成量の変化は、例えばｐＨ値の変化、さらにｐＨ値に基づくＦＥＴを用いた電流値の変化として測定することができる。
【0074】
従って、第４の実施形態によれば、第３の実施形態で説明したのと同様、アセチルコリンとアセチルコリンエステラーゼとの酵素反応におけるアセチルコリン分解生成物の変化をモニタリングすることによって、気体試料中の標的物質の有無及び変化量の大小による標的物質の量を高精度で検出することが可能である。
【0075】
（第５の実施形態）
第５の実施形態によれば、図８に示すように、センサ１を含む標的物質検出装置１００が提供される。標的物質検出装置１００は、例えば、電流計１０１を備えるセンサ１と、電流計１０１で測定したアセチルコリン分解生成物の生成量の変化の測定データ１０２、前記データから試料中の標的物質の有無又は量を算出する演算式１０３、標的物質の有無又は量１０４のデータ及びプログラムＰ等を格納する記憶部１０５と、測定データ１０２及び演算式１０３から試料中の標的物質の有無又は量を算出する処理部１０６と、表示部１０７とを含む。
第５の実施形態によれば、図８に示すように、センサ１を含む標的物質検出装置１００が提供される。標的物質検出装置１００は、例えば、電流計１０１を備えるセンサ１と、電流計１０１で測定したアセチルコリン分解生成物の生成量の変化の測定データ１０２、前記データから試料中の標的物質の有無又は量を算出する演算式１０３、標的物質の有無又は量１０４のデータ及びプログラムＰ等を格納する記憶部１０５と、測定データ１０２及び演算式１０３から試料中の標的物質の有無又は量を算出する処理部１０６と、表示部１０７とを含む。
【0076】
標的物質検出装置１００によれば、例えば、センサ１のソース電極２９及びドレイン電極３１間に電圧を印加し、電流計１０１で、標的物質を含まない気体試料を基準試料としてセンサ１に導入した場合のソース電極２９及びドレイン電極３１間に流れる電流値を測定しておく。基準試料の電流値の測定データ１０２は、記憶部１０５に格納される。次に、標的物質を含み得る気体試料をセンサ１に導入した場合のソース電極２９及びドレイン電極３１間に流れる電流値を測定する。標的物質を含み得る気体試料の電流値の測定データ１０２は、同様に、記憶部１０５に格納される。次に処理部１０６は、基準試料と標的物質を含み得る気体試料の測定データ１０２及び演算式１０３を記憶部１０５から取り出し、試料中の標的物質の有無又は量１０４を算出し、それを記憶部１０５に格納する。処理部１０６は、標的物質の有無又は量１０４を表示部１０７に表示するように指示を出す。
【0077】
標的物質検出装置１００の記憶部１０５、処理部１０６及び表示部１０７はコンピュータであってもよい。本装置の各操作は、検出方法の実行者の入力により実行されてもよいし、記憶部に格納されたプログラムＰによって実行されてもよい。
【0078】
（第６の実施形態）
第６実施形態によれば、試料中の標的物質を検出する方法において、標的物質の酵素反応に対する阻害効果を検出するための試薬が提供される。
第６実施形態によれば、試料中の標的物質を検出する方法において、標的物質の酵素反応に対する阻害効果を検出するための試薬が提供される。
【0079】
試薬は、アセチルコリンを含有する試薬２００と、アセチルコリンエステラーゼを含有する試薬２０１とで構成される。すなわち、試薬２００及び試薬２０１は別々に保存される。試薬２００及び試薬２０１は、必要に応じてアセチルコリンエステラーゼの補因子を更に含む。
【0080】
試薬２００又は試薬２０１は、アセチルコリン又はアセチルコリンエステラーゼがそれぞれ適切な溶媒に含められることで、液体試薬の形態で提供され得る。溶媒は、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。液体試薬におけるアセチルコリンの濃度は限定されるものではないが、用いるアセチルコリンエステラーゼのミカエリス・メンテン定数（最大速度の半分の速度を与える基質濃度）以上であることが好ましく、例えば、数ｍＭである。
【0081】
また、試薬２００は、粉末状のアセチルコリンを含有する粉末試薬の形態で、試薬２０１は、粉末状のアセチルコリンエステラーゼを含有する粉末試薬の形態で提供されてもよい。その場合、使用前に上記の何れかの溶媒等に溶解することにより、液体試薬として使用され得る。
【0082】
試薬は、アセチルコリンエステラーゼの触媒活性を阻害せず、センサによる検出に影響を与えない限り、他の成分を含んでもよい。他の成分は、例えば、ｐＨ調整剤、保存剤及び安定剤等で有り得る。試薬は、適切な容器に収容されて提供され得る。
【0083】
試薬は、例えば、第２の実施形態のセンサに対して、試薬２００及び２０１がアセチルコリン水溶液又はアセチルコリンエステラーゼ水溶液としてそれぞれ容器９又は液体貯蔵部４５に収容されるように提供される。
【0084】
（第７の実施形態）
更なる実施形態によれば、第１及び第２実施形態に係るセンサと、第６の実施形態に係る試薬とを含むキットが提供される。
更なる実施形態によれば、第１及び第２実施形態に係るセンサと、第６の実施形態に係る試薬とを含むキットが提供される。
【0085】
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］
試料中の標的物質を検出するセンサであって、
アセチルコリン水溶液と気体試料とを接触させて、気体試料中の標的物質を前記アセチルコリン水溶液に溶け込ませる標的物質取り込み部と、
アセチルコリンエステラーゼを収容し、前記標的物質取り込み部から送出された溶液を前記アセチルコリンエステラーゼに接触させる反応部と、
前記反応部から送出された溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する検出部と
を備えるセンサ。
［２］
試料中の標的物質を検出するセンサであって、
アセチルコリンエステラーゼ水溶液と気体試料とを接触させて、気体試料中の標的物質を前記アセチルコリンエステラーゼ水溶液に溶け込ませる標的物質取り込み部と、
アセチルコリン水溶液を収容する供給部と、
前記標的物質取り込み部から送出された溶液及び前記供給部から供給されたアセチルコリン水溶液が混合される反応部と、
前記反応部から送出された溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する検出部と
を備えるセンサ。
［３］
前記標的物質はリモネンである［１］又は［２］に記載のセンサ。
［４］
前記アセチルコリンエステラーゼはデンキウナギ由来である［１］又は［２］に記載のセンサ。
［５］
前記反応部を加温するヒータをさらに備える［１］又は［２］に記載のセンサ。
［６］
前記検出部がｐＨ検出素子を備える［１］又は［２］に記載のセンサ。
［７］
前記ｐＨ検出素子は、高移動度測定用センシング素子である［６］に記載のセンサ。
［８］
前記高移動度測定用センシング素子は、グラフェンＦＥＴである［７］に記載のセンサ。
［９］
気体試料中の標的物質を検出する方法であって、
アセチルコリン水溶液と気体試料とを接触させる工程と、
前記気体試料を接触させた前記アセチルコリン水溶液とアセチルコリンエステラーゼとを混合、接触させる工程と、
前記混合、接触後の水溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する工程と
を含む検出方法。
［１０］
気体試料中の標的物質を検出する方法であって、
アセチルコリンエステラーゼ水溶液と気体試料とを接触させる工程と、
前記気体試料を接触させた前記アセチルコリンエステラーゼ水溶液とアセチルコリン水溶液とを混合、接触させる工程と、
前記混合、接触後の水溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する工程と
を含む検出方法。
［１１］
前記アセチルコリン分解生成物の生成量の変化に基づいて前記気体試料中の標的物質の有無及び量を検出する工程を更に含む［９］又は［１０］に記載の検出方法。
［１２］
前記標的物質はリモネンである［９］又は［１０］に記載の検出方法。
［１３］
［９］又は［１０］に記載の方法に用いるための試薬であって、
アセチルコリンを含有する試薬と、アセチルコリンエステラーゼを含有する試薬とを有する試薬。
［１４］
［１］に記載のセンサ及び［１３］に記載の試薬を含むキット。
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］
試料中の標的物質を検出するセンサであって、
アセチルコリン水溶液と気体試料とを接触させて、気体試料中の標的物質を前記アセチルコリン水溶液に溶け込ませる標的物質取り込み部と、
アセチルコリンエステラーゼを収容し、前記標的物質取り込み部から送出された溶液を前記アセチルコリンエステラーゼに接触させる反応部と、
前記反応部から送出された溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する検出部と
を備えるセンサ。
［２］
試料中の標的物質を検出するセンサであって、
アセチルコリンエステラーゼ水溶液と気体試料とを接触させて、気体試料中の標的物質を前記アセチルコリンエステラーゼ水溶液に溶け込ませる標的物質取り込み部と、
アセチルコリン水溶液を収容する供給部と、
前記標的物質取り込み部から送出された溶液及び前記供給部から供給されたアセチルコリン水溶液が混合される反応部と、
前記反応部から送出された溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する検出部と
を備えるセンサ。
［３］
前記標的物質はリモネンである［１］又は［２］に記載のセンサ。
［４］
前記アセチルコリンエステラーゼはデンキウナギ由来である［１］又は［２］に記載のセンサ。
［５］
前記反応部を加温するヒータをさらに備える［１］又は［２］に記載のセンサ。
［６］
前記検出部がｐＨ検出素子を備える［１］又は［２］に記載のセンサ。
［７］
前記ｐＨ検出素子は、高移動度測定用センシング素子である［６］に記載のセンサ。
［８］
前記高移動度測定用センシング素子は、グラフェンＦＥＴである［７］に記載のセンサ。
［９］
気体試料中の標的物質を検出する方法であって、
アセチルコリン水溶液と気体試料とを接触させる工程と、
前記気体試料を接触させた前記アセチルコリン水溶液とアセチルコリンエステラーゼとを混合、接触させる工程と、
前記混合、接触後の水溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する工程と
を含む検出方法。
［１０］
気体試料中の標的物質を検出する方法であって、
アセチルコリンエステラーゼ水溶液と気体試料とを接触させる工程と、
前記気体試料を接触させた前記アセチルコリンエステラーゼ水溶液とアセチルコリン水溶液とを混合、接触させる工程と、
前記混合、接触後の水溶液中のアセチルコリン分解生成物の生成量の変化を測定する工程と
を含む検出方法。
［１１］
前記アセチルコリン分解生成物の生成量の変化に基づいて前記気体試料中の標的物質の有無及び量を検出する工程を更に含む［９］又は［１０］に記載の検出方法。
［１２］
前記標的物質はリモネンである［９］又は［１０］に記載の検出方法。
［１３］
［９］又は［１０］に記載の方法に用いるための試薬であって、
アセチルコリンを含有する試薬と、アセチルコリンエステラーゼを含有する試薬とを有する試薬。
［１４］
［１］に記載のセンサ及び［１３］に記載の試薬を含むキット。
【符号の説明】
【0086】
１・・・センサ
３・・・標的物質取り込み部
５・・・反応部
７・・・検出部
４、６・・・導管
１３・・・気体試料
１５・・・アセチルコリン水溶液
１７・・・反応容器
１８・・・アセチルコリンエステラーゼ
２０・・・センシング素子
２２・・・ヒータ
３７・・・電極槽
４１・・・液体供給部
３・・・標的物質取り込み部
５・・・反応部
７・・・検出部
４、６・・・導管
１３・・・気体試料
１５・・・アセチルコリン水溶液
１７・・・反応容器
１８・・・アセチルコリンエステラーゼ
２０・・・センシング素子
２２・・・ヒータ
３７・・・電極槽
４１・・・液体供給部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】