JP2011220768A - 分析装置および分析方法 - Google Patents
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Abstract
【解決方法】微細流路内に設けた検出部よりも、流れ方向の上流側にモル量を低減させる物質が固定化された前処理部を設ける。検出されるべき物質は前処理部の捕捉体により捕らえられ減少するため、検出部にて検出される物質の濃度を検出部での検量範囲内に収めることが可能となる。
【選択図】図1
Description
図1〜3に基づいて、本発明の実施の形態1について説明する。図1および図2は、本発明の実施の形態1に係るマイクロチャネル型分析装置の平面図であり、図3は、本発明の実施の形態1に係るマイクロチャネル型分析装置の一構成要素の平面図(左図)および側方からの断面図(右図)である。
本実施形態にかかるマイクロチャネル型分析装置(マイクロチャネルチップ)は、基板100、および基板100と重ね合わせる蓋101を備えており、基板100の表面には、凹面の微細溝(マイクロチャネル)1が形成されている。なお、本明細書中において、「微細」は、μmオーダーの径を有していることが意図され、具体的には、半導体の微細加工技術を用いて形成され得る程度のサイズが意図される。
基板100および蓋101として、例えば、絶縁性を有する基板を用いることができる。絶縁性を有する基板としては、例えば、表面に酸化膜などの絶縁性材料が形成されたシリコン基板、石英基板、酸化アルミニウム基板、ガラス基板又はプラスチック基板などが挙げられる。物質を光学的に検出する場合、光透過性の基板を第1の基板100または蓋101として用いることができる。光透過性の基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、および光透過性樹脂から作成された基板などが挙げられる。また、化学発光を利用して物質を検出する場合、自発蛍光が小さく且つ透明性のあるガラスまたはプラスチック材料(例えば、例えば、ポリイミド、ポリベンツイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイトなど)を、第1の基板100または蓋101として用いることもできる。なお、マイクロチャネル型分析装置に用いるに好ましい、基板100の厚みは0.1〜5mm程度である。なお、蓋101は、基板100と同一の厚みを有していても、基板100よりも薄くてもよい。
基板100の表面上に形成されるマイクロチャネル1の深さは0.1〜1000μm程度であることが好ましく、幅は0.1〜1000μm程度であることが好ましいが、これらに限定されない。また、マイクロチャネル1の長さは、基板100の大きさに従って適宜設計可能であり、50〜800μm程度であることが好ましい。
検出部4は、上述したように、マイクロチャネル1を流れる流体中の物質を検出する部位であり、図1に示すように、検出部4には、検出および分析の対象となる物質(以下、対象物質とも称する。)を捕捉する捕捉物質5が固定化されている。捕捉物質5は、対象物質とホスト−ゲストの関係がある物質(例えば、抗原、抗体、酵素、基質、リガンド、レセプター、DNA、糖、ペプチド、合成高分子(例えばモレキュラーインプリントポリマー)など)であればよく、特に、抗体または合成高分子は、活性が安定しているので好ましい。また、捕捉物質5を固定化する方法としては、物理的吸着法、化学結合法、共有結合法などの公知の方法が適宜採用され得る。
前処理部6は、上述したように、流体中の物質(検出部4にて検出されるべき物質)の濃度を低減させる部位であり、図1に示すように、注入部2と検出部4との間に設けられた前処理部6には、対象物質を捕捉する捕捉物質7が固定化されている。捕捉物質7は、捕捉物質5と同様に、対象物質とホスト−ゲストの関係がある物質(例えば、抗原、抗体、酵素、基質、リガンド、レセプター、DNA、糖、ペプチド、合成高分子(例えばモレキュラーインプリントポリマー)など)であればよく、特に、抗体または合成高分子は、活性が安定しているので好ましい。なお、捕捉物質7は、捕捉物質5と同じ物質であることが好ましい。同じ特性の捕捉物質を使用することによって、本実施形態に係る分析装置の生産性を向上させたり製造コストを低減させたりするだけでなく、開発効率を向上させることができる。捕捉物質7を固定化する方法もまた、物理的吸着法、化学結合法、共有結合法などの公知の方法が適宜採用され得る。
バルブ8は、マイクロチャネル1内の流体の流れ方向を規定する構造、マイクロチャネル1内の流体の流れを物理的に停止させる構造、マイクロチャネル1内の流体を切断する構造、マイクロチャネル1内の流体を分離する構造などを有し得、必要に応じて全ての機能を備えていてもよい。好ましいバルブ8の例としては、回転ねじ式バルブ、出し入れ自在の堰板、圧力による閉鎖、気体制御による液体の切断などが挙げられる。バルブを設けることで、前処理部6および検出部4での反応時間を延長することができる。
対象物質の濃度を、検出部において検出し得る濃度範囲内に収めるように、第2の捕捉物質の固定化量(モル量)を調整する必要がある。つまり、対象物質の濃度にあわせて、第1の捕捉物質の固定化量と第2の捕捉物質の固定化量とを調整する。第1の捕捉物質の固定化量および第2の捕捉物質の固定化量は、第1の捕捉物質および第2の捕捉物質の特性だけではなく、マイクロチャネル1の形状にも依存するため、分析装置の構成に応じて適宜調整を行う必要がある。固定化濃度による調整方法の一例を、以下に記載する。
(1)検出可能な濃度範囲の確認
前処理部6が設けられていない以外は本実施形態と同一の構成マイクロチャネルを有する分析装置Xにおいて、濃度が既知である対象物質(標準物質)を用いて検出可能な濃度範囲を調べる。
(2)前処理部6の条件検討
種々の濃度の第2の捕捉物質(100、10、1、0.1、0.01μg/mL)を調製し、本実施形態の分析装置のマイクロチャネル1の前処理部6に固定化する。次いで、標準物質を用いて、検出可能な濃度範囲を調べる。
(3)前処理部6の条件決定
所望の濃度範囲と近い条件を示す第2の捕捉物質の濃度を、操作(2)の結果に基づいて選択する。選択した濃度付近の濃度の第2の捕捉物質を用いて操作(2)を再度実行し、前処理部の固定化条件を決定する。
[分析に供されるサンプル中の対象物質のモル量(最大量〜最少量)]−[一定時間内に第2の捕捉物質が捕捉し得るモル量]=[検出部において第1の捕捉物質が検出し得る対象物質の濃度範囲]×[分析に供されるサンプル容量]
好ましくは、第1および第2の捕捉物質が対象物質を1:1にて捕捉する物質であり得る。その場合、第2の捕捉物質のモル量の範囲は、対象物質のモル量(最大量〜最少量)と第2の捕捉物質のモル量との差である。
本実施形態に係る分析装置を用いた分析方法の一例を、以下に示す。なお、マイクロチャネル1内にて流体を流す駆動手段は、注入部2に連結した押出ポンプを用いる方法、排出部3に連結した吸引ポンプを用いる方法、毛管力および/または吸水物質を用いる方法のいずれでもよい。
分析に供されるサンプル中の、検出対象でない物質(非対象物質)が、マイクロチャネル1、前処理部6および検出部4に非特異的に吸着することを防ぐために、非特異吸着防止剤を注入部2から導入して、マイクロチャネル1内を満たす。次いで、この非特異吸着防止剤を排出部3から排出する。洗浄溶液を注入部2から導入し、マイクロチャネル1内を通過させて排出部3から排出する。これにより、マイクロチャネル1内に残留する余分な非特異吸着防止剤を取り除く。好適な非特異的吸着防止剤としては、例えば、プロテインフリー(Thermo社)が挙げられる。
分析に供されるサンプルを注入部2からマイクロチャネル1内に導入する。分析に供されるサンプルは、マイクロチャネル1内を移動して前処理部6へ送達される。分析に供されるサンプルが前処理部6を通過する間に、分析に供されるサンプル中の対象物質が前処理部6の第2の捕捉物質と結合して、前処理部6にて捕捉される。これにより、前処理部6を通過した分析に供されるサンプル中の対象物質の濃度が低減する。この際、分析に供されるサンプル中の対象物質と、前処理部6の第2の捕捉物質との結合を十分進行させるために、バルブ8を閉じておくことが好ましい。
対象物質に結合し得る標識化合物を、注入部2からマイクロチャネル1内に導入して、検出部4へ送達する。標識化合物が検出部4を通過する間に、標識化合物は検出部4に捕捉されている対象物質と結合する。この操作によって、検出部4内に捕捉された対象物質が標識される。
検出手段を用いて標識化合物を検出することによって、検出部4での対象物質を検出することが可能となる。標識化合物としては、例えば、蛍光標識抗体または酵素標識抗体を用いることができるが、第1の捕捉物質と異なる抗体が好ましい。
上記(3)において蛍光標識抗体を用いた場合、検出部4の蛍光を直接観察することによって、対象物質を検出することができる。
上記(3)において酵素標識抗体を用いた場合、酵素標識抗体を対象物質に結合させた後に、この酵素に対する基質溶液を注入部2からマイクロチャネル1内に導入する。基質溶液が検出部4を通過する間に、対象物質に結合した酵素標識抗体と基質溶液とが反応する。この反応の結果によって得られるシグナルを公知の方法を用いて検出することによって対象物質を検出することができる。当業者は、このような方法を、使用する基質の種類に応じて、適宜選択することができる。
図4に基づいて、本発明の実施の形態2について説明する。図4(a)および(b)は、本発明の実施の形態2に係るマイクロチャネル型分析装置の平面図である。
図5〜6に基づいて、本発明の実施の形態5について説明する。図5および図6は、本発明の実施の形態3に係るマイクロチャネル型分析装置の平面図である。
実施例1において、図7に示すマイクロチャネル型分析装置(マイクロチャネルチップ)を以下のとおりに作製した。すなわち、PDMS(POLYDIMETHYLSILOXANE、東レダウコーニング社)の基板100上に、マイクロチャネル101およびこのマイクロチャネル101の両端にそれぞれ連結する注入部102および103を形成した。さらに、この基板100上に、マイクロチャネル101’、およびマイクロチャネル101’の一端に連結するサンプル注入部102’を形成した。マイクロチャネル101内に、検出部104を設けた。そして、マイクロチャネル101’の他端を注入部102と検出部104との間に連結させた。
ポリスチレン微粒子を充填しなかったこと(前処理部を形成しなかったこと)を除いて実施例1にて作成した分析装置と同様の分析装置を作成した。また、実施例1にて使用した標準アディポネクチン溶液の代わりに下記表1に示す様々な濃度の標準アディポネクチン溶液を用いたことを除いて、実施例1と同様の操作を行い、検量線を作製した。
実施例1および比較例1で得られた検量線のグラフを図8に示す。図8によれば、前処理部のある実施例1では、アディポネクチンの検量範囲が0.5〜20μg/mLであるのに対して、前処理部のない比較例1では、アディポネクチンの検量範囲が0.25〜1ng/mLである。よって、前処理部を設けることによって、アディポネクチンの検量範囲を高濃度側に設定することができた。
2 注入部
3 排出部
4 検出部
5 捕捉物質
6 前処理部
6’ 前処理部
6’’ 前処理部
7 捕捉物質
6a 柱状構造物
6b 微粒子6b
9 堰止め部
8 バルブ
21 マイクロチャネル
21’ マイクロチャネル
22 注入部
22’ サンプル注入部
23 排出部
24 検出部
25 捕捉物質
26 前処理部
27 捕捉物質
28 バルブ
28’ バルブ
31 マイクロチャネル
31’ マイクロチャネル
32 注入部
33 排出部
34 検出部
34’ 検出部
36 前処理部
36’ 前処理部
37 前処理部
37’ 前処理部
41 マイクロチャネル
41’ マイクロチャネル
42 注入部
43 排出部
43’ 排出部
44 検出部
44’ 検出部
46 前処理部
46’ 前処理部
47 捕捉物質
47’ 捕捉物質
100 基板
101 蓋
Claims (42)
- 注入すべき流体を受容する第1の注入部と流体を排出する第1の排出部とを両端に連結している第1の微小流路を備え、
第1の微小流路に、流体中の物質を検出する第1の検出部が設けられており、
第1の検出部に、検出すべき物質を捕捉する第1の捕捉物質が配置されている分析装置であって、
第1の注入部と第1の検出部との間に、流体中の物質の濃度を低減させる第1の前処理部が設けられており、
第1の前処理部に、低減すべき物質を捕捉する第2の捕捉物質が配置されている
ことを特徴とする分析装置。 - 注入すべき第1の流体を受容する第1の注入部と流体を排出する第1の排出部とを両端に連結している第1の微小流路を備え、
第1の微小流路に、第1の流体中の物質を検出する第1の検出部が設けられており、
第1の検出部に、検出すべき物質を捕捉する第1の捕捉物質が配置されている分析装置であって、
注入すべき第2の流体を受容する第2の注入部を一端に連結している第2の微小流路をさらに備え、
第2の微小流路の他端が、第1の注入孔と第1の検出部との間の接続部にて第1の微小流路と接続されており、
第2の微小流路内に、第1の流体中の物質の濃度を低減させる第1の前処理部が設けられており、
第1の前処理部に、低減すべき物質を捕捉する第2の捕捉物質が配置されている
ことを特徴とする分析装置。 - 注入すべき流体を受容する第1の注入部と流体を排出する第1の排出部とを両端に連結している第1の微小流路を備え、
第1の微小流路が、第1の注入部と第1の排出部との間にて分岐しかつ再度合流する第2の微小流路を有しており、
第1の微小流路に、流体中の第1の物質を検出する第1の検出部が設けられており、
第2の微小流路に、流体中の第2の物質を検出する第2の検出部が設けられており、
第1の検出部に、検出すべき物質を捕捉する第1の捕捉物質が配置されており、
第2の検出部に、検出すべき物質を捕捉する第3の捕捉物質が配置されている分析装置であって、
第1の微小流路の、第1の注入部と第1の検出部との間に、流体中の第1の物質の濃度を低減させる第1の前処理部が設けられており、
第1の前処理部に、低減すべき物質を捕捉する第2の捕捉物質が配置されている、
ことを特徴とする分析装置。 - 前記注入部と第2の検出部との間に、第2の物質の濃度を低減させる第2の前処理部が設けられており、
第2の前処理部に、低減すべき物質を捕捉する第4の捕捉物質が配置されている
ことを特徴とする請求項3に記載の分析装置。 - 注入すべき流体を受容する第1の注入部と流体を排出する第1の排出部とを両端に連結している第1の微小流路を備え、
第1の微小流路の分岐部にて分岐して、流体を排出する第2の排出部を一端に連結している第2の微小流路が形成されており、
分岐部と第1の排出部との間の第1の微小流路に、流体中の第1の物質を検出する第1の検出部が設けられており、
分岐部と第2の排出部との間の第2の微小流路に、流体中の第2の物質を検出する第2の検出部が設けられており、
第1の検出部に、検出すべき物質を捕捉する第1の捕捉物質が配置されており、
第2の検出部に、検出すべき物質を捕捉する第3の捕捉物質が配置されている分析装置であって
第1の注入部と第1の検出部との間に、流体中の第1の物質の濃度を低減させる第1の前処理部が設けられており、
第1の前処理部に、低減すべき物質を捕捉する第2の捕捉物質が配置されている
ことを特徴とする分析装置。 - 前記第1の注入部と第2の検出部との間に、第2の物質の濃度を低減させる第2の前処理部が設けられており、第2の前処理部には、低減すべき物質を捕捉する第4の捕捉物質が配置されていることを特徴とする請求項5に記載の分析装置。
- 各前処理部を通過した後の、検出すべき物質の濃度が、第1の捕捉物質が捕捉し得る範囲内であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の分析装置。
- 前記低減すべき物質の最大モル量が、分析に供されるサンプルに含まれる対象物質のモル量よりも少ないことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の分析装置。
- 第2の捕捉物質のモル量が、分析に供されるサンプルに含まれる対象物質のモル量と第1の捕捉物質のモル量との差であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の分析装置。
- 各微小流路の内部にバルブ構造が設けられていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の分析装置。
- 対応する検出部と前処理部の間に、前記バルブ構造が設けられていることを特徴とする請求項10に記載の分析装置。
- 前記前処理部が透過性の材料からなることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の分析装置。
- 前記前処理部にさらなる検出手段が設けられていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の分析装置。
- 対応する注入部と検出部の間に、対応する前処理部が複数設けられていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の分析装置。
- 各微小流路の少なくとも1つが、対応する注入部と検出部との間にて分岐しかつ再度合流する構成を有しており、形成されている複数の分岐の各々に、対応する前処理部が設けられていることを特徴とする請求項14に記載の分析装置。
- 各前処理部の少なくとも1つが三次元の構造体を備えていることを特徴とする請求項1〜15のいずれか一項に記載の分析装置。
- 前記構造体が、前記前処理部の壁面から伸びる柱状の構造体であることを特徴とする請求項16に記載の分析装置。
- 前記構造体が多孔質の構造体であることを特徴とする請求項16に記載の分析装置。
- 前記構造体が複数の粒子状の構造体であることを特徴とする請求項16に記載の分析装置。
- 第1の捕捉物質が前記検出すべき物質に対する抗体であることを特徴とする請求項1〜19のいずれか一項に記載の分析装置。
- 第2の捕捉物質が前記低減すべき物質に対する抗体であることを特徴とする請求項1〜20のいずれか一項に記載の分析装置。
- 第1の捕捉物質および第2の捕捉物質が同一物質であることを特徴とする請求項1〜21のいずれか一項に記載の分析装置。
- 前記検出部が透過性の材料からなることを特徴とする請求項1〜22のいずれか一項に記載の分析装置。
- 前記検出部に作用電極および参照電極からなる検出手段が設けられていることを特徴とする請求項1〜23のいずれか一項に記載の分析装置。
- 前記検出すべき物質が血液成分であることを特徴とする請求項1〜24のいずれか一項に記載の分析装置。
- 前記血液成分が、血漿タンパク、リポタンパク、分泌タンパク、ホルモン、補体または糖であることを特徴とする請求項25に記載の分析装置。
- 流体の移動を促進する駆動手段が、第1の注入部および第1の排出部の少なくとも一方に連結されていることを特徴とする請求項1に記載の分析装置。
- 流体の移動を促進する駆動手段が、第1および第2の注入部の両方に、または第1の排出部に連結されていることを特徴とする請求項2に記載の分析装置。
- 流体の移動を促進する駆動手段が、第1の注入部および第1の排出部の少なくとも一方に連結されていることを特徴とする請求項3または4に記載の分析装置。
- 流体の移動を促進する駆動手段が、第1の貫通孔に、または第2および第3の貫通孔の両方に連結されていることを特徴とする請求項5または6に記載の分析装置。
- 第1の微小流路が、表面上にマイクロチャネルが形成されている第1の基板と、該マイクロチャネルを覆う第2の基板とによって形成されており、
第1および第2の基板の少なくとも1つを貫く第1および第2の貫通孔が設けられており、第1および第2の貫通孔がそれぞれ第1の注入部および第1の排出部と連絡している
ことを特徴とする請求項1に記載の分析装置。 - 第1および第2の微小流路が、表面上にマイクロチャネルが形成されている第1の基板と、該マイクロチャネルを覆う第2の基板とによって形成されており、
第1および第2の基板の少なくとも1つを貫く第1、第2および第3の貫通孔が設けられており、第1、第2および第3の貫通孔がそれぞれ第1および第2の注入部および第1の排出部と連絡している
ことを特徴とする請求項2に記載の分析装置。 - 第1および第2の微小流路が、表面上にマイクロチャネルが形成されている第1の基板と、該マイクロチャネルを覆う第2の基板とによって形成されており、
第1および第2の基板の少なくとも1つを貫く第1および第2の貫通孔が設けられており、第1および第2の貫通孔がそれぞれ第1の注入部および第1の排出部と連絡している
ことを特徴とする請求項3または4に記載の分析装置。 - 第1および第2の微小流路は、表面上にマイクロチャネルが形成されている第1の基板と、該マイクロチャネルを覆う第2の基板とによって形成されており、
第1および第2の基板の少なくとも1つを貫く第1、第2および第3の貫通孔が設けられており、第1の貫通孔が第1の注入部と連絡し、第2および第3の貫通孔がそれぞれ第1および第2の排出部と連絡している
ことを特徴とする請求項5または6に記載の分析装置。 - 流体の移動を促進する駆動手段が、第1および第2の貫通孔の少なくとも一方に連結されていることを特徴とする請求項31に記載の分析装置。
- 流体の移動を促進する駆動手段が、第1および第2の貫通孔の両方に、または第3の貫通孔に連結されていることを特徴とする請求項32に記載の分析装置。
- 流体の移動を促進する駆動手段が、第1および第2の貫通孔の少なくとも一方に連結されていることを特徴とする請求項33に記載の分析装置。
- 流体の移動を促進する駆動手段が、第1の貫通孔に、または第2および第3の貫通孔の両方に連結されていることを特徴とする請求項34に記載の分析装置。
- 請求項1〜38のいずれか一項に記載の分析装置を用いて、サンプルを希釈することなくサンプル中の対象物質を定量的に測定することを特徴とする分析方法。
- 前記対象物質が血液成分である、請求項39に記載の分析方法。
- 各前処理部において対象物質が捕捉されているか否か測定する、請求項39または40に記載の分析方法。
- 前記前処理部において対象物質が捕捉されていない場合に分析エラーと判定する、請求項41に記載の分析方法。
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