JP2012078183A - センサシステム - Google Patents
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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
【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)
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014002142A (ja) * | 2012-06-06 | 2014-01-09 | National Taiwan Univ | 関心ある標的の検出のためのセンサー |
JP2020016460A (ja) * | 2018-07-23 | 2020-01-30 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | アッセイプログラム及びアッセイ装置 |
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2010
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