JP2012078183A - センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】抗体標識微粒子と検体を同一機構内で均一に撹拌した後、チップ上へ送液、検出するシステムを提供する。
【解決手段】装置本体と、この本体に形成された検体液収納室と、前記本体に形成され、前記検体液収納室と第１流路を通して接続されると共に前記検体中の被測定対象物質と特異的に反応する第２物質が固定化された抗体標識微粒子が収納された混合室と、前記本体に下端が前記混合室と連通するように挿着された吸引・吐出動作が可能な微小ポンプと、前記本体に前記混合室より上方に位置して形成され、一端が前記混合室と前記第１流路より大きい断面積を持つ第２流路を通して接続され、他端に外部への開口部を有する混合液流通空間と、を備え、前記光導波路センサは、前記混合液流通空間に位置し、被測定対象物質と特異的に反応する第１物質が表面に固定化されたセンシング部を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、センサシステムに関し、特に血液や血清等の検体液中の酵素活性を定量するセンサシステムに係わる。

血液などの生物体液中の成分は医療診断に関して有用な情報を提供するものである。その分析方法は、溶液中で測定対象物質の反応に必要な試薬類と血液や血清等の検体液とを混合し、吸光度等の変化を計測することで定量する方法（湿式法）が一般的である。これに対し、操作の簡便性に優れる方法、すなわちシート上やセル内等の反応部に予め必要試薬類が乾燥状態で配置し、検体液を導入するだけで検出可能な方法（乾式法）が近年盛んに開発されている。

抗体を標識した微粒子と光導波路型センサを用いて、より少量の被測定検体量で、より短時間において、被測定検体の測定対象物質を定量測定することが可能な測定システム、及び物質の測定方法および物質測定用キットが提案されている。（例えば、特許文献１参照）

特開２００９−１３３８４２号公報

しかしながら、上述したような従来の抗体標識微粒子と光導波路センサを組み合わせた測定システムでは、センサ上に抗体標識微粒子を配した状態に検体を導入し、自然撹拌により抗体標識微粒子と検体を混合させ、混合と同時に検出させる形をとっていた。しかし、自然撹拌による抗体標識微粒子と検体の混合では、混合が不十分となり、感度ばらつきが懸念されている。

そこで、本発明は上記の事情に基づきなされたもので、その目的とするところは、抗体標識微粒子と検体を同一機構内で均一に撹拌した後、チップ上へ送液、検出するシステム、を提供しようとするものである。

実施形態に係るセンサシステムは、検体液混合装置と、この混合装置に取り付けられた平面型光導波路センサとを具備し、前記検体混合装置は、装置本体と、この本体に形成された検体液収納室と、前記本体に形成され、前記検体液収納室と第１流路を通して接続されると共に前記検体中の被測定対象物質と特異的に反応する第２物質が固定化された抗体標識微粒子が収納された混合室と、前記本体に下端が前記混合室と連通するように挿着された吸引・吐出動作が可能な微小ポンプと、前記本体に前記混合室より上方に位置して形成され、一端が前記混合室と前記第１流路より大きい断面積を持つ第２流路を通して接続され、他端に外部への開口部を有する混合液流通空間と、を備え、前記光導波路センサは、前記混合液流通空間に位置し、被測定対象物質と特異的に反応する第１物質が表面に固定化されたセンシング部を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態に係るセンサシステムを示す平面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。 図１のセンサシステムに組み込まれる平面型光導波路センサを示す断面図。

以下に、実施例１に係わるセンサシステムを図面を参照して説明する。

図１に実施例１に係るセンサシステムを示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図、図３は図１に組み込まれる平面型光導波路センサを示す概略断面図である。

センサシステムは、検体液混合装置１と、この検体液混合装置１に取り付けられた平面型光導波路センサ２１とを具備する。

検体液混合装置１は、例えば黒色アクリル樹脂から作られる装置本体である矩形状のブロック２を備えている。矩形状のブロック２は矩形状の下部ブロック片２ａと矩形状の上部ブロック片２ｂをそれらの間に薄膜スペーサ３を介して固定した構造を有する。例えば円柱状の混合室４は、ブロック２の中央の内部に形成されている。すなわち、混合室４はスペーサ３を貫通して下部ブロック片２ａを円柱状に穿設して加工することにより形成されている。混合室４内には、検体液中に含まれる測定対象物質と特異的に反応する第２物質が固定化された抗体標識微粒子５が、乾燥状態であらかじめ配置されている。抗体標識微粒子５は、例えばポリスチレン製のラテックスビーズ（商品名）のような樹脂ビーズもしくは金コロイドのような金属コロイド、または酸化チタン粒子のような無機酸化物粒子を用いることができる。微粒子は、アルブミンのようなタンパク質、アガロースのような多糖類、シリカ粒子、カーボン粒子のような非金属粒子も用いることができる。特にラテックスビーズ、金属コロイドが好ましい。ラテックスビーズの中で、後述する光導波路を伝播させる光が赤色レーザの場合、青色ラテックスビーズが好ましい。また、抗体標識微粒子５は５０ｎｍ〜１０μｍの径を有することが好ましい。第２物質は、例えば被測定検体の測定対象物質が抗原の場合、抗体を用いることができる。なお、混合室４上方のブロック２（上部ブロック片２ａ）には後述する微小ポンプの吸引・吐出の繰り返しによって混合室４内の混合液が揺動したときに混合液流通空間に混合液の一部が流出するのを防ぐバッファ空間６が形成されている。

円柱状穴の検体液収納室７は、例えば左側のブロック２部分に形成されている。すなわち、検体液収納室７は水平方向に延びる第１流路８を通して混合室４と流体接続されている。第１流路８は混合室４と検体液収納室７の間に位置するスペーサ３を部分的かつ線状に切欠することにより形成される。検体液中に含まれる測定対象物質は、例えば血液、血清、血漿、生体試料、食品等の中に含まれるタンパク質、ペプチド、遺伝子等が挙げられる。具体的には、インスリン、ガゼイン、β−ラクトグロブリン、オボアルブミン、カルシトニン、Ｃ−ペプチド、レプチン、β−２−ミクログロブリン、レチノール結合タンパク、α−１−ミクログロブリン、α−フェトプロテイン、癌胎児性抗原、トロポニン−Ｉ、クルカゴン様ペプチド、インスリン様ペプチド、腫瘍増殖因子、繊維芽細胞増殖因子、血小板成長因子、上皮増殖因子、コルチゾール、トリヨードサイロニン、サイロキシン等のハプテンホルモン、ジゴキシン、テオフィリン等の薬物、細菌、ウイルス等の感染性物質、肝炎抗体、ＩｇＥの他、そばの主要タンパク質複合体、落花生のＡｒａｈ２を含む可溶性タンパク質等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

例えば、上部に拡口部を有する円柱状の貫通穴９は、ブロック２の中央部に下端がバッファ空間６に連通し、上端がブロック２上面に開口するように穿設されている。中央逆台錐形状をなす吸引・吐出動作が可能な微小ポンプ１０は、貫通穴９内にその貫通穴９内周面と密着して挿入されている。

前記平面型光導波路センサ２１と同形状の第１矩形穴１１は、ブロック２の右側部分に形成されている。第１矩形穴１１は、その右端がブロック２の右側面から僅かな距離を空けて形成されている。第１矩形穴１１より小さい面積をもつ第２矩形穴１２は、第１矩形穴１１の底面に第１矩形穴１１と略相似的に形成されている。第２矩形穴１２の形成により第１矩形穴１１の底面は平面型光導波路センサが載置される矩形枠状面１３になる。第２矩形穴１２は、後述する第２流路１４および第３流路１５の形成により混合液流通空間として機能する。第２矩形穴１２の底面は混合室４の上面のブロック２に位置されることが好ましい。なお、第１、第２矩形穴１１，１２はブロック２の上部ブロック片２ｂを穿設する加工を施すことにより形成される。

第２流路１４は、ブロック２に第２矩形穴１２底面の左端部分から混合室４上面の右端に向けて下方に傾斜するように形成されている。第２矩形穴１２は第２流路１４を通して混合室４に流体接続される。第２流路１４は、その最も小さい断面部分が第１流路８の断面より例えば２倍以上の面積を有する。第１流路８と第２流路１４の関係は、例えば第１流路８の断面が１ｍｍ（幅）×０．１ｍｍ（高さ）とした場合、第２流路１４の断面が２ｍｍ（幅）×１ｍｍ（高さ）とすることによって、第１流路８と第２流路１４の間で充分なコンダクタンス差を生じさせることが可能になる。このため、微小ポンプ１０の吸引・吐出による混合室４内の液の混合・攪拌時にその液が検体液収納室７に逆流するのを防止することが可能となる。

第３流路１５は、ブロック２に第２矩形穴１２底面の右端部分からブロック２の右側面に向けて下方に傾斜するように形成されている。すなわち、第３流路１５はその他端がブロック２の右側面に開口されて開口部１６を形成している。第３流路１５は混合液が混合室４から混合液流通空間へ移送される際の圧抜きの役目を果たす他、必要に応じて第２矩形穴１２を流通した混合液を排出する役目をなす。逆止弁１７は、ブロック２の右側面に第３流路１５の開口部１６を開閉するように取り付けられている。逆止弁１７は、内部から外部へ圧力が加わる時に第３流路１５の開口部１６を開き、逆に内部へ吸引圧力が加わる時に第３流路１５の開口部１６を閉じるように機能する。ただし、検体液収納室７に導入される検体液が、毛細管現象および混合室４に予め乾燥状態で配置されている微粒子５等による吸収効果によって混合室４内に速やかに移動するのに充分程度その粘性が低い場合においては、逆支弁１７は後述するように必ずしも必要ではない。

平面型光導波路センサ２１は第２矩形穴１２周囲の矩形枠状面１３に、そのセンシング膜が第２矩形穴１２の方向に向くように載置されている。平面型光導波路センサ２１は遮光性を有する両面テープ（図示せず）でブロック２に密着され、混合液流通空間として機能する第２矩形穴１２から液漏れがないように密封している。

平面型光導波路センサ２１は、図３に示すようにガラス基板２２を備える。ガラス基板２２の主面の両端部付近には、光学要素である一対のグレーティングである入射側グレーティング２３ａと出射側グレーティング２３ｂが形成されている。これらのグレーティング２３ａ，２３ｂは、ガラス基板２２より高い屈折率を有する例えば酸化チタンから作られている。また、ガラス基板２２の主面には、膜厚３〜３００μｍの光導波路層２４が形成されている。この光導波路層２４は、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂または無アルカリガラスから形成することができる。詳細には、ここで用いる材料とは、ガラス基板２２より高屈折率であり所定の光の透過性を有する材料であって、特に、ポリスチレンを主たる構造とするエポキシ樹脂等であることが好ましい。この光導波路センサは、グレーティング２３ａ，２３ｂ間に位置する光導波路層２４上に、被測定検体の測定対象物質と特異的に反応する第１物質が固定化されているセンシング部２５が形成されている。第１物質の固定化は、例えばシランカップリング剤等により疎水化処理した表面上に前記物質の疎水性相互作用により固定化する。第１物質は、例えば被測定検体の測定対象物質が抗原の場合、抗体を用いることができる。

ガラス基板２２の裏面側には、レーザ光を図示しない偏光フィルタを通して入射する光源２６（例えばレーザダイオード）と、光導波路層２４を伝播してガラス基板２２から放出された光を受け取る受光素子２７（例えばフォトダイオード）がそれぞれ配置されている。

次に、図１〜図３に示すセンサシステムの動作を説明する。

（ａ）検体液収納室７内に検体液を収容する。

（ｂ）微小ポンプ１０を駆動してその下端から貫通穴９およびこれと連通するバッファ空間６および混合室４内へ検体液を吸引する。このとき、混合室４、第２流路１４、第２矩形穴１２である混合液流通空間、および第３流路１５を通して連通する開口部１６が逆支弁１７で遮断される。このため、混合室４、第２流路１４、混合液流通空間１２、および第３流路１５の内部が負圧になり、検体液収納室７内の検体液の一部が第１流路８を通して混合室４内に導入される。

もしくは、検体液の粘性が充分に低いがゆえに、毛細管現象および混合室４に予め乾燥状態で配置されている微粒子５等による吸収効果によって混合室４内に速やかに移動する場合においては、微小ポンプ１０による吸引動作は必ずしも必要とは限らず、その場合逆支弁１７は必要ではない。

（ｃ）微小ポンプ１０による吸引・吐出動作を繰り返し、検体液収納室７内の検体液をその吸引・吐出動作サイクル毎に一定量を混合室４に導入していく。このような検体液の混合室４への導入により、混合室４内に予め納入された乾燥した抗体標識微粒子５と検体液とが混合、攪拌される。なお、第２流路１４は、その最も小さい断面部分が第１流路８の断面より例えば２倍以上の面積を有する。このため、第１流路８と第２流路１４の間で充分なコンダクタンス差を生じさせることが可能になる。その結果、微小ポンプ１０による吐出時に混合室４の液が検体液収納室７に逆流するのを防止することが可能になる。

（ｄ）混合、攪拌した後、微小ポンプ１０の吐出動作を行う。このとき、微小ポンプ１０による吐出力を高めることによって、混合液が混合室４から第２流路１４を通して混合液流通空間１２へ移送される。

（ｅ）混合液が混合液流通空間１２に移送された後、濃度測定を行う。濃度測定は、光源２６からのレーザ光を入射側グレーティング２３ａを介して光導波路層２４に入射させ、その光導波路層２４を伝播させた後、出射側グレーティング２３ｂから出射されるレーザ光を受光素子２７で受光して、そのレーザ光強度の変化を検出することで行われる。

ここで、移送された混合液に、センシング部２５に固定化された第１物質および抗体標識微粒子に固定化された第２物質と特異的に反応する抗原が存在しないと、第２物質は第１物質と結合することなく混合液中に分散する。この状態でレーザ光を光導波路層２４で伝播させて表面付近にエバネッセント光を発生させる。このとき、センシング部２５上に混合液中の抗体標識微粒子５が分散しているため、抗体標識微粒子５がエバネッセント光領域に殆ど存在しない。そのため、抗体標識微粒子５がエバネッセント光の吸収や散乱に殆ど関与せず、エバネッセント光の強度の減衰が殆ど起きない。その結果、出射側グレーティング２３ｂから出射されるレーザ光を受光素子２７で受光した際、そのレーザ光強度が殆ど変化しない。

一方、混合液流通空間１２へ移送された混合液に、センシング部２５に固定化された第１物質および抗体標識微粒子５に固定化された第２物質と特異的に反応する抗原が存在すると、抗原はセンシング部２５の第１物質と抗原抗体反応を生じて結合し、さらに抗体標識微粒子５の第２物質と抗原抗体反応を生じて結合する。つまり、第１物質と第２物質の間で抗原を介して抗原抗体反応を生じるため、抗体標識微粒子５がセンシング部２５表面に対して固定化される。この状態でレーザ光を光導波路層２４で伝播させて表面付近にエバネッセント光を発生させる。このとき、センシング部２５に対して抗体標識微粒子５が固定化されているため、抗体標識微粒子５がエバネッセント光領域に存在することになる。すなわち、抗体標識微粒子５がエバネッセント光の吸収や散乱に関与するため、エバネッセント光の強度の減衰が起きる。その結果、出射側グレーティング２３ｂから出射されるレーザ光を受光素子２７で受光した際、そのレーザ光強度が固定化された抗体標識微粒子５の影響によって時間の経過に伴って低下する。

受光素子２７で受光したレーザ光強度の低下率は、センシング部２５に対して固定化される抗体標識微粒子５の量、つまり抗原抗体反応に関与する検体中の抗原濃度に比例する。したがって、抗原濃度が既知の被測定検体溶液において時間の経過に伴うレーザ光強度の低下曲線を作成し、この曲線の所定の時間でのレーザ光強度の低下率を求め、抗原濃度とレーザ光強度の低下率との関係を示す検量線を予め作成する。前記方法で測定した時間とレーザ光強度の低下曲線から所定の時間でのレーザ光強度の低下率を求め、このレーザ光強度の低下率を前記検量線と照合させることにより、検体中の抗原濃度を測定することができる。

（ｆ）濃度測定終了後、必要に応じて微小ポンプ１０の吐出動作を行う。微小ポンプ１０の吐出動作によって、混合液は第３流路１５を経由して開口部１６から外部へ排出される。

このような実施形態によれば、微小ポンプ１０の吸引・吐出による検体液収納室７内の検体液の混合室４への導入によって、混合室４内で検体液と抗体標識微粒子５の混合・攪拌がなされ、それらの混合を迅速に進行させることができる。

また、自然撹拌による抗体標識微粒子と検体の混合では、混合が不十分となり、感度ばらつきが懸念されているところ、本実施形態によれば、混合を十分に進行させることができ、感度ばらつきを低減することができる。

さらに、平面型光導波路センサ２１の使用により、検体液中の微量の測定対象物を高感度に検出することができる。

以上、本発明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。

１…検体液混合装置、２…ブロック、４…混合室、５…抗体標識微粒子、７…検体液収納室、８…第１流路、１０…微小ポンプ、１２…第２矩形穴（反応液流通空間）、１４…第２流路、１５…第３流路、１７…逆止弁、２１…平面型光導波路センサ、２４…光導波路層、２５…センシング部

Claims (4)

1. 検体液混合装置と、この混合装置に取り付けられた平面型光導波路センサとを具備し、
   前記検体混合装置は、装置本体と、この本体に形成された検体液収納室と、前記本体に形成され、前記検体液収納室と第１流路を通して接続されると共に前記検体中の被測定対象物質と特異的に反応する第２物質が固定化された抗体標識微粒子が収納された混合室と、前記本体に下端が前記混合室と連通するように挿着された吸引・吐出動作が可能な微小ポンプと、前記本体に前記混合室より上方に位置して形成され、一端が前記混合室と前記第１流路より大きい断面積を持つ第２流路を通して接続され、他端に外部への開口部を有する混合液流通空間と、を備え、
   前記光導波路センサは、前記混合液流通空間に位置し、被測定対象物質と特異的に反応する第１物質が表面に固定化されたセンシング部を備えることを特徴とするセンサシステム。
2. 前記検体混合装置は、前記本体に取り付けられ、前記開口部を開閉するための逆支弁をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のセンサシステム。
3. 前記抗体標識微粒子は、乾燥状態で前記混合室に配置されることを特徴とする請求項１または２記載のセンサシステム。
4. 前記測定対象物質は抗原で、前記測定対象物質と特異的に反応する第１物質および第２物質がそれぞれ抗体であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のセンサシステム。

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