JP7082020B2 - ポアチップケースおよび微粒子測定システム - Google Patents

Description

本発明は、ポアデバイスを用いた計測に関する。

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、粒子より細孔の厚みの方が大きい場合には通過する粒子の体積を測定することができ、粒子より細孔の厚みの方が十分に小さい場合、通過している粒子の断面積（すなわち粒径）を測定することができる。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

特開２０１７－０１６８８１号公報 特開２０１４－２１９２３５号公報 特開２０１８－０５４５９４号公報 国際公開第２００２／０８４３０６号公報

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には、電極対１０６，１０８に相当する２本の電極Ｅ１，Ｅ２が設けられる。電極Ｅ１，Ｅ２は、電極棒や電極板であり、一方の電極Ｅ１は、ポアチップ１０２の上側の空間に挿入され、他方の電極Ｅ２は、ポアチップ１０２の下側の空間に挿入される。

電極Ｅ１，Ｅ２は、ポアデバイス１００Ｒの上面から鉛直上方向に突起している。計測装置は、ポアデバイス１００Ｒとのインタフェースとして、クリップ型のプローブ２０１を有する。微粒子測定システム１のオペレータは、クリップ型プローブ２０１によって電極Ｅ１，Ｅ２を挟み込み、ポアデバイス１００Ｒとトランスインピーダンスアンプ２１０との電気的なコンタクトをとる。

クリップ型のプローブには、接続相手の電極の形状の制約が少ないという利点があるが、機械的な振動に弱く、接触不良が発生しやすい。またプローブ２０１の位置が、取り付けの度に変わる可能性があるため、測定の再現性に劣る。

本発明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、コンタクトの確実性を改善したポアチップケースの提供にある。

本発明のある態様は、ポアチップを収容するポアチップケースに関する。ポアチップケースは、ポアチップにより区画される第１空間および第２空間を有するボディと、鉛直方向に伸び、一端が第１空間において液体に浸漬可能な状態でボディに嵌め込まれた第１電極と、を備える。ボディには、側面から第１電極の一部まで水平方向に連通する第１挿入口が設けられる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明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。

本発明のある態様によれば、コンタクトの確実性を改善できる。

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。 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。 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（ａ）、（ｂ）は、実施例１に係るポアチップケースを異なる方向から見た断面図である。 ポアチップケースおよびレセプタクルを示す斜視図である。 レセプタクルにポアチップケースを装着した状態を示す図である。 図７（ａ）は、実施例２に係るチップカバーの断面図であり、図７（ｂ）は分解斜視図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係るポアチップケースを異なる方向から見た断面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに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。

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。

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。

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。

本明細書における断面図は、各部材の位置をＸ－Ｙ平面上で移動して示す場合がある。

（実施例１）
図４（ａ）、（ｂ）は、実施例１に係るポアチップケース８００を異なる方向から見た断面図である。ポアチップケース８００は、ポアチップ１０２を収容する。

ｘ、ｙ軸は、使用における水平方向であり、ｚ軸は、使用における鉛直方向である。ボディ８１０は、ポアチップ１０２により区画される第１空間８１２および第２空間８１４を有する。使用において第１空間８１２には、微粒子（被測定検体）と電解質溶液が充填される。また第２空間８１４には、電解質溶液が充填される。

第１電極８３０は、鉛直方向（ｚ方向）に伸び、一端が第１空間８１２において液体に浸漬可能な状態でボディ８１０に嵌め込まれる。第２電極８３２は、鉛直方向に伸び、一端が第２空間８１４において液体に浸漬可能な状態でボディ８１０に嵌め込まれる。第１電極８３０および第２電極８３２は、電極棒を用いることができるがその限りでなく、板状の電極を用いてもよい。

ボディ８１０は、ポアチップ１０２を交換するために、第１部分８１０Ａと第２部分８１０Ｂに分離可能である。第１部分８１０Ａを蓋、第２部分８２０Ｂを容器と称してもよい。

ボディ８１０、より具体的には第１部分８１０Ａには、第１挿入口８１６および第２挿入口８１８が設けられる。第１挿入口８１６は、ボディ８１０の側面Ｓ１から第１電極８３０の一部まで水平方向（ｘ方向）に連通する。同様に第２挿入口８１８は、ボディ８１０の側面Ｓ１から第２電極８３２の一部まで水平方向（ｘ方向）に連通する。

第１挿入口８１６および第２挿入口８１８は、ボディ８１０の同一の側面Ｓ１に設けるとよい。

以上がポアチップケース８００の構成である。続いて、ポアチップケース８００と対を成す計測装置２００本体側のインタフェース（レセプタクル）について説明する。

図５は、ポアチップケース８００およびレセプタクル９００を示す斜視図である。レセプタクル９００は、ポアチップケース８００と嵌合可能である。

レセプタクル９００は、ポアチップケース８００の一側面Ｓ１と対向する面Ｓ２を有する。この面Ｓ２からは、第１プローブ９０２および第２プローブ９０４が水平方向に突起している。第１プローブ９０２の位置は、第１挿入口８１６に対応する位置に設けられ、同様に第２プローブ９０４の位置は、第２挿入口８１８に対応する位置に設けられる。

第１プローブ９０２、第２プローブ９０４は、バネ内蔵のコンタクトプローブを用いることができ、それらの先端部は、圧力に応じて移動可能となっている。

ベース９０６の表面およびポアチップケース８００の底面に、位置決め用のガイド９０８を設けてもよい。

図６は、レセプタクル９００にポアチップケース８００を装着した状態を示す。ベース９０６には、ロック機構９１０が設けられ、ポアチップケース８００が動かないように固定される。

ポアチップケース８００およびレセプタクル９００からなるインタフェースによれば、第１プローブ９０２の先端は、第１電極８３０の所定の一部分と接触し、第２プローブ９０４の先端は、第２電極８３２の所定の一部分と接触することが保証される。したがって測定の再現性を高めることができる。また、クリップ型のプローブを用いた場合に比べて機械的な振動に強く、接触不良も生じにくい。

また第１電極８３０、第２電極８３２はボディ８１０に嵌め込まれているため、第１プローブ９０２、第２プローブ９０４を接触させたときに、変形しにくい。したがって電極が劣化し難い構造であるといえ、ポアチップケース８００の寿命の長期化に寄与する。

（実施例２）
実施例２では、ポアチップ１０２は、チップカバー１２０に覆われた状態でポアチップケース８００Ａに収容される。図７（ａ）は、実施例２に係るチップカバー１２０の断面図であり、図７（ｂ）は分解斜視図である。チップカバー１２０は、上側チップカバー１２２と下側チップカバー１２４を含み、それらでポアチップ１０２を挟み込む構造となっている。上側チップカバー１２２には、ポアチップ１０２の細孔１０４とオーバーラップする位置に設けられた開口１２６が設けられる。この開口１２６は、上述の第１空間８１２に相当するものである。

下側チップカバー１２４には、細孔１０４とオーバーラップする位置に設けられた凹部１２８が設けられる。凹部１２８は、上述の第２空間８１４に相当する。この凹部１２８は流路１３０を経由して、注入口１３２と接続される。上側チップカバー１２２の注入口１３２とオーバーラップする箇所には、切り欠き１３４あるいは開口が設けられる。

測定に際しては、開口１２６（第１空間８１２）に電解質溶液および被測定検体が注入され、注入口１３２から凹部１２８（第２空間８１４）に電解質溶液が注入される。

図８（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係るポアチップケース８００Ａを異なる方向から見た断面図である。ポアチップケース８００Ａは、図７のチップカバー１２０を収容する。第１電極８３０の先端は、開口１２６において液体に浸漬しており、第２電極８３２の先端は、切り欠き１３４あるは注入口１３２において、液体に浸漬する。

第１電極８３０および第２電極８３２は、ボディ８１０の第１部分８１０Ａの上面から交換可能に挿入される。第１部分８１０Ａの側面には、ネジ穴が設けられる。このネジ穴にネジ８４０（８４２）を締め付けることにより、第１電極８３０（第２電極８３２）が固定される。この構造により、第１電極８３０（第２電極８３２）を任意の高さ（深さ）で固定することができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。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。

実施の形態では、第１電極８３０、第２電極８３２の両方が、側方から第１挿入口８１６、第２挿入口８１８に挿入されるプローブ９０２、９０４とコンタクトする場合を説明したがその限りでない。それらの一方については、別の方式でコンタクトを取るように構成してもよい。たとえばポアチップ１０２あるいは上側チップカバー１２２、下側チップカバー１２４に、一方の電極を形成するようにして、この電極にプローブを接触するようにしてもよい。

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。

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。

１ 微粒子測定システム
２ 電解液
４ 粒子
１００ ポアデバイス
２００ 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
１０２ ポアチップ
１０４ 細孔
１２０ チップカバー
１２２ 上側チップカバー
１２４ 下側チップカバー
８００ ポアチップケース
８１０ ボディ
８１０Ａ 第１部分
８１０Ｂ 第２部分
８１２ 第１空間
８１４ 第２空間
８１６ 第１挿入口
８１８ 第２挿入口
８３０ 第１電極
８３２ 第２電極
９００ レセプタクル
９０２ 第１プローブ
９０４ 第２プローブ
９０６ ベース
９０８ ガイド
９１０ ロック機構
１２８ 凹部
１３２ 注入口
１２６ 開口

Claims (6)

1. ポアチップを収容するポアチップケースであって、
   前記ポアチップにより区画される第１空間および第２空間を有するボディと、
   鉛直方向に伸び、一端が前記第１空間において液体に浸漬可能な状態で前記ボディに嵌め込まれた第１電極と、
   鉛直方向に伸び、一端が前記第２空間において液体に浸漬可能な状態で前記ボディに嵌め込まれた第２電極と、
   を備え、
   前記ボディには、一側面から前記第１電極の一部まで水平方向に連通する第１挿入口と、一側面から前記第２電極の一部まで水平方向に連通する第２挿入口と、が設けられ、
   前記第１電極および前記第２電極は、前記ボディの上面から挿入可能であることを特徴とするポアチップケース。
2. 前記第１挿入口および前記第２挿入口は、前記ボディの同一の側面に設けられ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。
3. 前記第１電極および前記第２電極は、電極棒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。
4. 前記第１電極および前記第２電極それぞれは、前記ボディの側面から挿入されるネジにより固定され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。
5. 前記ポアチップは、ポアカバーに覆われた状態で、前記ポアチップケースに収容されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のポアチップケース。
6. 前記ポアチップおよびそれを収容する請求項１から５のいずれか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。

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