JP2009042104A

JP2009042104A - 物質固定装置、物質検出装置および物質固定方法

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Publication number: JP2009042104A
Application number: JP2007208150A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ikeda; 貴司池田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2009-02-26
Also published as: CN101363845A; US20090042317A1; US20110117675A1

Abstract

【課題】固定領域に対する測定対象物質の特異的結合の効率を上げる。
【解決手段】第一工程として、測定対象物質1001を、測定対象物質1001が特異的に結合可能な被固定物質1002が固定された固定領域1003へ引き寄せる。第二工程として、特異的結合していない測定対象物質1001のみを固定領域1003から引き離す。第三工程として、再び測定対象物質1001を固定領域1003へ引き寄せる。第二工程と第三工程を交互に繰り返し、測定対象物質1001を被固定物質1002に複数回接触させることで、測定対象物質1001を被固定物質1002とを特異的に結合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、検体中の物質を固相へ固定する物質固定装置および、その装置を有する物質検出装置に関する。さらに本発明は、検体中の物質を固相へ固定する物質固定方法に関する。

液体中に存在する物質を、所望の領域に固定する技術は、ゲノム解析や免疫検査において重要である。例えば、免疫検査において、基体上に固定され、かつ測定対象物質と特異的に結合する物質と、測定対象物質との結合は、平衡状態に達するまでに多くの時間を要し、検査時間の短縮を妨げる大きな要因であった。この問題を解決する方法として、測定対象物質に磁性粒子を結合させ、磁界を印加し、測定対象物質と特異的に結合する物質が固定されている基体上に、測定対象物質を効率良く引き寄せて短時間で反応させる方法が古くから用いられている（特許文献１参照）。測定対象物質を引き寄せるために用いる外力は磁界でなくても良く、例えば、電界や遠心力等、測定対象物質を所望の部位に引き寄せることができれば、どのようなものでも利用可能である。
米国特許第4847193号明細書

上記の様に測定対象物質を何らかの外力によって固定領域へ引き寄せる方法は、物質が固定される時間の短縮に大きく寄与する。しかし、測定対象物質は様々な方向を向いている為に、測定対象物質とそれに特異的に結合する物質が近づいても、測定対象物質の結合部位と、それに特異的に結合する物質の結合部位が接触せず、結合しない場合が多々ある。したがって、測定対象物質を固定領域へ引き寄せただけでは、特異的結合の効率は十分ではない。

本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑み、固定領域に対する測定対象物質の特異的結合の効率を上げる物質固定装置および物質固定方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、測定対象物質を特異的に結合可能とする被固定物質が固定された領域を有する物質固定装置において、前記測定対象物質を前記領域の面内方向とは垂直な方向に往復移動させ、かつ前記被固定物質に複数回接触させるための外力を印加して、前記測定対象物質を前記被固定物質に特異的に結合させる外力印加手段を備えたことを特徴とする。

また本発明は、測定対象物質を特異的に結合可能とする被固定物質が固定された領域を有する容器と、該測定対象物質を含んだ検体を用意する段階と、前記容器に前記検体を注入し、前記測定対象物質を前記領域の表面へ引き寄せる第一工程と、第一工程において前記測定対象物質を前記領域の表面へ引き寄せたときに、前記被固定物質に特異的に結合していない前記測定対象物質を、前記領域の表面から引き離す方向に移動させる第二工程と、前記測定対象物質を再び前記領域の表面側へ引き寄せて前記被固定物質に接触させることで、前記被固定物質と特異的に結合させる第三工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、固定領域に対する測定対象物質の特異的結合効率を向上させることが可能である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の物質固定方法における主要な工程を示す図である。本発明の物質固定方法における主要な工程は、以下の３つの工程からなる。第一工程として、測定対象物質1001が含まれている検体全体に渡って十分な大きさの外力を印加することで、測定対象物質1001を固定領域1003へ引き寄せる。その固定領域1003には、測定対象物質1001と特異的に結合可能な被固定物質1002が、あらかじめ固定されている。したがって、上記のように測定対象物質1001を引き寄せた際、一部の測定対象物質1001が、被固定物質1002に特異的に結合される。第二工程として、固定領域1003に引き寄せられた測定対象物質1001のうち、被固定物質1002に特異的に結合していない測定対象物質1001を固定領域1003から引き離す。このとき印加する外力は、被固定物質1002に特異的に結合された測定対象物質1001が、引き離されない大きさでなければならない。第三工程として、第一工程と同様の外力を印加して測定対象物質1001を再び固定領域1003へ引き寄せる。

上記第二工程と第三工程を交互に複数回実施することで、測定対象物質1001を固定領域1003の面内方向に垂直な方向（以下、面垂直方向と略す。）に往復移動させても良い。そのような往復移動により、測定対象物質1001を被固定物質1002へ複数回接触させ、特異的結合すなわち結合反応の効率を、より向上させることが可能である。

測定対象物質1001としては、固定領域1003上の被固定物質1002に特異的に結合されるものであれば、本発明が適用可能である。例えば、固定領域1003表面に、被固定物質1002として抗体を固定しておき、測定対象物質1001をその抗体に特異的に結合する抗原とすることができる。あるいは固定領域1003表面に、被固定物質1002としてDNAを固定しておき、測定対象物質1001として、そのDNAと特異的に結合する相補的なDNAとしても良い。

固定領域1003は検体が保持された容器の側面でも底面でも良く、一箇所でも複数箇所でも良い。例えば、容器内における平行な２つの側面に固定領域1003を設け、この間で測定対象物質1001を往復移動させることによって、両方の固定領域1003の表面上に固定した被固定物質1002へ、測定対象物質1001を結合させることが可能である。この場合、固定領域1003が一箇所である場合に比べて短時間での特異的結合が可能となる。

固定領域1003を、測定対象物質1001の検出に用いるセンサ表面とすることで、固定された測定対象物質1001を検出することが可能である。

また、検体中にきょう雑物が存在する場合には、物質固定に対する最後の第三工程が終了した後に、きょう雑物を固定領域1003から除去することによって、測定対象物質1001の検出や回収の質を高めることができる。

（測定対象物質を移動させる外力について）
本発明に用いられる外力には、例えば遠心力が利用可能である。つまり、検体が保持された容器を回転させることで、その中に存在する測定対象物質1001を固定領域1003に対して相対的に移動させることが可能である。回転軸と容器の相対位置を変えることで、遠心力がかかる方向を変えることが可能である。あるいは測定対象物質1001が電荷を帯びている場合には、静電気力によっても測定対象物質1001を移動させることが可能である。または測定対象物質が磁気を帯びているときには、測定対象物質を固定領域へ引き寄せるための第一の外力印加手段と、固定領域から引き離すための第二の外力印加手段の少なくとも一方が印加する外力を、静電気力にすることも可能である。もちろん、これらの力を複数種組み合わせて、測定対象物質1001を移動させても良い。

（固定領域の面内方向に移動させるための別の外力について）
固定領域1003面の面垂直方向への往復移動に加えて、固定領域1003の面に平行な方向へ、測定対象物質1001を固定領域1003表面で少しずつ移動させても良い。この移動によって、測定対象物質1001を固定領域1003上の被固定物質1002に対して、均一に特異的な結合をさせる事も可能である。そのような外力として、静電気力、磁力、遠心力などの外力を使用しても良い。また、測定対象物質1001を含む液体が、固定領域1003表面を移動するように、水圧をかけても良い。

（本発明の物質固定方法の例）
図２は、測定対象物質として正の電荷を帯びている抗原2001を、被固定物質として抗体2002を使用した場合の、本発明の物質固定方法の実施例を示す図である。抗体2002は、電極2004上の固定領域2003に固定されている。電極2004は電源2005に接続されており、極性を変えることができるようにしておく。そうすることにより、固定領域2003に、正または負の電荷を与えることが可能である。

第一工程の前の段階として、測定対象物質である抗原2001を含んだ検体を用意する。

第一工程として、固定領域2003を負に帯電させる。すると、検体中で分散して存在している抗原2001は、静電気力によって固定領域2003に引き寄せられる（図２（ａ）参照）。このとき、抗体2002と接触した抗原2001は、抗原-抗体反応により、抗体2002と特異的な結合をする。

第二工程として、抗原2001を固定領域2003に引き寄せた後に、固定領域2003を正に帯電させる。すると、抗原2001と固定領域2003の間に斥力が生じ、抗体2002と特異的結合していない抗原2001や、正に帯電しているきょう雑物は固定領域2003から離れていく（図２（ｂ）参照）。

第三工程として、再び固定領域2003を負に帯電させることによって、抗原2001は固定領域2003へ再び引き寄せられる。

上記の第二工程、第三工程を交互に複数回実施し、抗原2001を往復移動させることによって、抗原2001を抗体2002に複数回接触させることができる。この物質固定方法により、より多くの抗原2001を抗体2002に特異的結合させることが可能である。

（測定対象物質を移動に対する搬送担体の利用）
もし、測定対象物質を移動させるために使用する物理量が小さく、測定対象物質に印加できる外力の大きさが不十分である場合には、搬送担体として物理量が十分大きな何らかの物質を測定対象物質に結合し、複合体を形成しても良い。搬送担体は外力が印加でき、複合体を移動することができれば、どのようなものでも使用可能である。搬送担体の例としては、電荷を帯びている物質、磁性体、質量の大きな物質などが挙げられる。さらに測定対象物質を搬送担体に結合させるために、搬送担体の表面に測定対象物質と容易に結合する物質で覆っても良い。

上記の例として、搬送担体を、表面が抗体で覆われている磁気ビーズとする。そして、抗原-抗体反応により、測定対象物質である抗原を搬送担体に結合させる。その後に、固定領域に近づくに従って強度が増すような磁界分布を有する磁力を搬送担体に印加すると、抗原は固定領域へ引き寄せられる。次いで、印加磁界を、固定領域から離れる方向で強度が増すような磁界分布に変えると、抗原は固定領域から離れていく。このように磁界強度分布が異なる磁界を交互に印加することによって、抗原と搬送担体からなる複合体を往復移動させ、固定領域に固定された抗体に繰り返し接触させることで、抗原-抗体反応による特異的結合の確率を高めることが可能である。

（固定領域から引き離す際の外力の大きさの考察）
第二工程において、被固定物質と特異的に結合されている測定対象物質が解離しないように、特異的結合されていない測定対象物質を固定領域から引き離すには、測定対象物質を移動させるために要する外力が特異的結合の結合力よりも十分小さい必要が有る。この点について、測定対象物質として抗原、被固定物質として抗体、搬送担体として磁気ビーズ、を用いた場合を例にとって説明する。

今、容器に注入された検体液中で、本発明の物質固定方法を行うことを考える。容器の底部に固定領域が有る。磁気ビーズ、抗体、抗原からなる複合体の質量、体積をそれぞれｍおよびVとし、検体液の密度をρ_Bとすると、静置してある複合体にかかる重力F_Gと浮力F_Bはそれぞれ次式(1)、(2)のようになる。

ただし、ここでgは重力加速度である。複合体を固定領域から引き離す、つまり固定領域から上方へ引き上げるには、重力F_Gから浮力F_Bを差し引いた力よりも大きな力を印加する必要がある。例えば、複合体の質量を6.0×10^-15 [kg]、体積を12.6 [μｍ³]、検体液の密度を1002.8 [kg/m³]とすると、重力F_Gは約6×10^-14 [N]、浮力F_Bは約4×10^-14 [N]となる。よって、この複合体を引き上げるために必要な力は2×10^-14 [N]よりも大きな力であれば良い。

上記複合体を磁力で移動させる例について考える。磁界H中で、磁化の大きさがMである磁気ビーズに働く力F_Hは、下に示した式(3)で表される。

ここで、磁界が印加されていない場合に磁気ビーズが磁化されていると、検体液中において、複合体は、静磁結合により凝集してしまう。凝集した複合体は、固定領域に固定された抗体と特異的に結合しづらくなり、抗原-抗体反応による特異的結合の効率低下等の問題を引き起こすので好ましくない。そこで、本発明に用いられる磁気ビーズとしては、スーパーパラ磁性を示す材料で構成されるものが好ましい。つまり、抗原を移動させるために、複合体に磁界を印加したときのみ磁気ビーズは磁化され、磁界の印加を止めると非磁性体のように振舞う。スーパーパラ磁性における磁化Mは磁界Hの関数で表され、小さな磁界領域においては、磁化と磁界の関係はほぼ線形である。つまり、スーパーパラ磁性である磁気ビーズの磁化Mは、小さな磁界領域においては、M = χHで表される。磁界を大きくしていくと、スーパーパラ磁性を示す物質の磁化は、やがて飽和する。

磁界Hに対する磁界強度の分布は、磁界印加手段に依存する。図３は、本例において使用する磁界印加手段を示したものである。本例では、半径aのコイル3001を使用し、磁気ビーズ3002がこのコイル3001の中心線上で、距離ｚ離れた位置に存在しているとする。このコイル3001に電流を流し、磁界を発生させることで、磁気ビーズに外力を与える。コイル3001に電流Iを流すと、コイルの中心線上で発生する磁界Hは下式(4)で表される。

つまり、スーパーパラ磁性を示す磁気ビーズ3002に、上記コイル3001によって、小さな磁界Hを印加した場合、磁気ビーズ3002にかかる磁力F_Hは下式(5)で表される。

例えば、コイル3001の半径aが1 [mm]、コイル3001の中心から磁気ビーズ3002までの距離zが0.5 [mm]、電流Iを1.7 [A]以上とすると、約2×10^-14 [N]の磁力F_Hが磁気ビーズ3002に印加される。したがって、上記例において、磁気ビーズ3002を重量に反して引き上げることが可能である。

上記の例において、測定対象物質を固定領域から引き離す際に、測定対象物質の特異的結合が保持されるようにするためには、特異的結合の結合力が2×10^-14 [N]よりも十分大きな力であれば良い。例えば、ビオチンと抗ビオチン抗体との特異的結合の結合力は1.5×10^-13 [N]以上であり、上記の例によって、本発明を十分に利用可能である。

さらに、より小さな電流で上記の例を実施するために、コイル3001の巻き数を増やしても良い。コイル3001の巻き数を増すことで、小さな電流でも大きな磁界を発生させることができるため、磁気ビーズ3002を移動させることが可能である。このように、磁界印加手段にコイル3001を用いる場合、磁力の大きさは電流で容易に制御可能である。また、磁界Hを発生させる手段として永久磁石を用いて、磁気ビーズと永久磁石の距離を制御することにより、磁力を制御しても良い。

（検出方法の説明）
特異的に結合された測定対象物質を検出する方法には、光、静電気、磁界、放射線など様々な物理量が使用可能である。測定対象物質の物理量を直接検出できない場合には、測定対象物質に大きな物理量を有している検出可能な標識物質を結合させ、標識物質の物理量を検出することによって、間接的に測定対象物質を検出することが可能である。したがって、測定対象物質に搬送担体と標識物質の両方が結合されても良い。上述の例の様に、磁気ビーズを搬送担体として用いる場合には、その磁気ビーズを標識物質として検出に用いることも可能である。この場合、磁気ビーズから生じる浮遊磁界を磁気センサで検出する。磁気センサには、超伝導量子干渉素子（SQUID）、磁気抵抗効果素子、磁気インピーダンス素子、フラックスゲート、ホール素子、コイルなど様々なセンサが使用可能である。

光によって検出する方法も様々なものが使用可能である。測定対象物質やそれに結合させた標識物質に対して、外部から光を照射し、その透過光や反射光あるいはプラズモンの強度を測定することで、測定対象物質の検出を行うことが可能である。あるいは測定対象物質や標識物質が蛍光体を含む場合には、蛍光体から放射される光を測定することによっても測定対象物質の検出が可能である。あるいは測定対象物質や標識物質が発光基質を含む場合には、発光基質から放射される光を測定することによっても測定対象物質の検出が可能である。

また、測定対象物質や標識物質が放射性核種を含む場合には、放射線検出デバイスを利用して測定対象物質の検出が可能である。

また、測定対象物質あるいは標識物質が電荷を帯びていれば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を利用して検出する方法が挙げられる。電界効果トランジスタのゲート電極部分を固定領域とし、その表面上に、測定対象物質と特異的に結合する被固定物質を固定しておく。そして、本発明の物質固定方法により、電荷を帯びた測定対象物質、あるいは測定対象物質と標識物質との複合体を、被固定物質に結合させる。すると、電荷によって生じる電界により、電界効果トランジスタのソース-ドレイン間に流れる電流が変化する。その電流の変化を測定することによって、測定対象物質の検出が可能である。

（具体的な装置例）
次に、上述した物質固定方法および物質検出方法を実施するための装置について例示する。

「実施例１」
図4は本発明の物質固定装置を含む物質検出装置の実施例１を示す構成図である。

実施例１の物質固定装置は、円柱形状の容器4001と、容器4001下側に配置された電磁石とからなる。第一の外力印加手段であるこの電磁石は、断面が円形でその直径が容器4001底面の直径の５倍の大きさを持つ鉄心4004と、鉄心4004に巻かれたコイル4005と、コイル4005に可変な電流を流すことができる電源4006と、を備えている。また、容器4001の底面に測定対象物質の固定領域として、磁気センサである多数の磁気抵抗効果素子4002が設けられている。磁気抵抗効果素子4002は外部検出回路4003に接続されている。さらに容器4001底面の上部に、容器4001底面に平行な円形コイル4007が固定されている。この円形コイル4007は第二の外力印加手段であり、磁界を発生させる為に電源4008に接続されている。また、様々な大きさの磁界が印加できるように、容器4001下側に配置された電磁石と容器4001との距離を変えることができるようにしておく。

次に、上記のような物質固定装置を使用した物質固定方法について説明する。測定対象物質として、生体物質である前立腺特異抗原（PSA）4011を用い、磁気抵抗効果素子4002表面に、PSA 4011が特異的に結合可能な一次抗体4012を固定させておく。また、標識物質を兼ねる搬送担体として、PSA 4011と特異的に結合可能な物質である二次抗体4013で覆われた磁気ビーズ4014を使用する。

まず、本発明の第一工程を行う前に、二次抗体4013で覆われている磁気ビーズ4014と、PSA 4011とを、液中で結合させ複合体としておく（図５（ａ）参照）。この反応は、上記容器4001内で行っても良いし、異なる容器内で複合体とした後に、上記容器4001に注入しても良い。このようにして、最初の段階として、測定対象物質を含んだ検体を用意する。

次に、第一工程として、電磁石による磁界4015を印加し、液中に分散されている磁気ビーズ4014を容器底面に引き寄せる。磁気ビーズ4014が容器底面に引き寄せられると、PSA 4011との複合体になっている磁気ビーズ4014のうち、一次抗体4012と接触したものは、抗原-抗体反応により一次抗体4012と特異的に結合される（図５（ｂ）参照）。

第二工程として、磁気ビーズ4014が容器底面に引き寄せられたら、電磁石による磁界4015の印加を止める。次いで容器4001を電磁石の鉄心4004表面に対して傾けるとともに、鉄心4004の中心軸を軸として容器4001を自転および公転させることで、磁気ビーズ4014に対し容器底面の面内方向へ移動させる外力を印加する。このとき、円形コイル4007による磁界F_u 4016を印加することで、磁気ビーズ4014を磁気抵抗効果素子4002から引き離す様な外力を印加する。もちろん、このとき磁気ビーズ4014に与える磁力は、一次抗体4012との特異的な結合が切れない大きさとする（図５（ｃ）参照）。

第三工程として、第二工程の後に未結合の磁気ビーズが磁気抵抗効果素子4002から浮いたら、円形コイル4007による磁界F_u 4016の印加を止め、再び電磁石による磁界F_d 4017を印加する（図5（ｄ）参照）。この工程により、磁気ビーズを磁気抵抗効果素子4002表面に対してやや斜めに引き寄せる。ただし、このとき電磁石による磁界F_d 4017は、最初に磁気ビーズ4014を磁気抵抗効果素子4002に引き寄せるときに印加した電磁石による磁界4015よりも小さくする。

上記第二工程と第三工程を交互に複数回実施することによって、磁気ビーズ4014が磁気抵抗効果素子4002表面で、少しずつ磁気抵抗効果素子4002の面内方向へ移動しながら、一次抗体4012に複数回接触する。したがって、複合体中のPSA4011と一次抗体4012とは、より効率的に特異的結合を行い、より高い抗原-抗体反応効率を達成させることが可能である。

抗原-抗体反応によって特異的に結合を行わなかった複合体は、磁気抵抗効果素子4002から浮かした後に、バッファー溶液とともに容器4001から除去する。バッファー溶液を、きょう雑物が含まない清浄なもので数回置換することによって、特異的な結合を行わなかった複合体を除去できる。あるいは、一次抗体4012に特異的に結合していない複合体、もしくはPSA4011との複合体を形成していない不要な磁気ビーズ4014を磁力によって集め、これを容器から取り除くことによっても、不要な磁気ビーズ4014の除去は達成可能である。

さらに、本実施例の物質検出装置の構成について詳述する。ここでは、上記物質固定方法により、特異的に結合された複合体中の磁気ビーズ4014を、磁気抵抗効果素子を利用して検出する場合を説明する。図6は本実施例１で用いるスピントンネル磁気抵抗効果素子4002の構造を示す断面図である。容器4001底面にある磁気抵抗効果素子4002は1μｍ×2μｍの面積を有する磁気抵抗効果素子4002である。磁気抵抗効果素子4002の膜はTa / CuN / Ta / MnPt / CoFe / Ru / CoFeB / MgO / CoFeB / Ru / Au により構成されている。磁気抵抗効果素子4002は、概略、上層から順に、検出層4020、トンネル膜4021、磁化固定層4022からなる。一つの磁気抵抗効果素子4002に一つの選択トランジスタ4018が接続されており、複数の磁気抵抗効果素子4002が上部電極4019と共通に接続されている。また、磁気抵抗効果素子4002表面直上以外の上部電極はSiN絶縁膜4023で覆われている。一次抗体4012は、SiN絶縁膜4023で覆われていない磁気抵抗効果素子表面直上にのみ固定されている。したがって、複合体は磁気抵抗効果素子4002表面上にのみ固定されている。

次に、このような物質検出装置を利用した物質検出方法について説明する。本実施例1では、磁気ビーズ4014を検出することにより、特異的結合を行った複合体を間接的に検出する。ここで用いられる磁気ビーズ4014としては、直径200nmのスーパーパラ磁性を示すものを利用する。したがって、磁気ビーズ4014は、無磁場中において磁化を生じない。このような磁気ビーズ4014を、磁気抵抗効果素子4002により検出するには、磁気ビーズ4014を磁化させる必要がある。その一般的な方法として、バイアス磁界の印加が挙げられる。磁気抵抗効果素子4002の抵抗値の変化は、その磁気抵抗効果素子の膜面に垂直な磁界に対して鈍感であり、膜面内方向の磁界に対して敏感である。そこで、磁気抵抗効果素子4002の抵抗値を変化させないように、膜面に垂直なバイアス磁界4024を印加することで、磁気ビーズ4014を磁化する。ここで、バイアス磁界4024の大きさは、使用する磁気ビーズの磁化が飽和しない大きさであることが好ましい。そのような磁界の大きさは、500 [Oe]から2000[Oe]程度である。バイアス磁界により磁化された磁気ビーズ4014により、磁気抵抗効果素子4002の膜面内方向成分を有する浮遊磁界4025が生じる。この浮遊磁界4025により、磁気抵抗効果素子4002の抵抗値が変化する（図7参照）。磁気ビーズ4014を検出する際には、選択トランジスタ4018を順次ＯＮにして、各磁気抵抗効果素子の抵抗値を検出し、これらの検出値に基づき、間接的にPSA 4011が結合した数量を検出する。

「実施例２」
本実施例では、測定対象物質を固定領域の面内方向へ移動させる手段として、遠心力を利用する例について説明する。図8は本発明の物質固定装置を含む物質検出装置の実施例２を示す構成図である。本実施例２の物質固定装置は、容器8001と、容器8001下側に配置された円形コイル8009と、容器8001下側に配置された電磁石とからなる。容器8001の底面に、測定対象物質の固定領域として、実施例１と同様な磁気抵抗効果素子8002が設けられている。

この磁気抵抗効果素子8002は外部検出回路8003に接続されている。さらに容器8001底面の上部に、底面に平行な円形コイル8007が設置されている。この円形コイル8007は電源8008に接続されている。容器8001はその中心軸周りに容器8001を自転可能にする機構を備える。

容器8001下側に配置された電磁石は、上部の先端が尖った鉄心8004と、鉄心に巻かれたコイル8005とからなり、その中心線が容器8001の中心線と一致するように配置されている。さらに、この電磁石は容器8001から遠ざけることが可能な機構を備える。コイル8005および円形コイル8009は、それぞれ電源8006および8010に接続されている。

さらに、上記のような物質固定装置を使用した物質固定方法を詳述する。ここでは、実施例1と同様に、搬送担体および標識物質として二次抗体に覆われた磁気ビーズを、測定対象物質としてPSAを利用した場合を説明する。

まず、実施例１と同様に、二次抗体に覆われた磁気ビーズとPSAを結合させて、複合体を構成する。このようにして、はじめの段階として、上記複合体を含んだ検体を用意する。

第一工程として、電源8006によりコイル8005に電流を流し、電磁石に磁力を生じさせることによって、複合体を容器8001底部の中心辺りに集める。その後、電磁石を容器8001から遠ざけておく。

第二工程として、容器8001の上方に設けた円形コイル8007に電流を流し、磁気ビーズを磁気抵抗効果素子8002から引き離す。

第三工程として、容器8001の下方に設けた円形コイル8009に電流を流し、磁気ビーズを磁気抵抗効果素子8002へ再び引き寄せる。

上記、第二工程、第三工程を交互に繰り返すことで、複合体を磁気抵抗効果素子8002近傍で上下移動させる。さらに、この工程にともない、容器8001を自転させる。つまり、容器8001下部の磁気抵抗効果素子8002表面上に固定されていない複合体は、上下運動を行いながら、遠心力によって容器8001の中心から容器8001の側面の方向へ移動していく。

この過程で、PSAが結合して複合体となっている磁気ビーズは、容器8001側面に到達する前に、抗原-抗体反応によって特異的に結合される。特異的に結合されることなく容器8001側面に到達した磁気ビーズは、その後バッファー溶液を置換することによって取り除いても良い。より好ましくは、磁気抵抗効果素子8002が容器8001側面付近には無いような配置とすることで、容器8001側面に到達した磁気ビーズを、外部検出回路8003により検出されないようにする。

「実施例３」
図9は本発明の物質固定装置を含む物質検出装置の実施例3を示す構成図である。本実施例3の物質固定装置は、容器9001と、容器9001底部および上部にそれぞれ配置された下部電極9003および上部電極9004とを備える。上部電極9004に電源9005を接続し、下部電極9003を接地することで、両電極間に電場を形成することが可能である。また、上部電極9004と下部電極9003の極性を反転できるように構成されている。下部電極9003の表面上が固定領域9002になっており、固定領域9002には、測定対象物質が特異的に結合可能な被固定物質が固定されている。

また、測定対象物質を検出するため、本実施例３では、容器9001上方に、光を測光するための光電子倍増管9006が設置される。

さらに、上記のような物質固定装置を使用し、生体物質であるDNAを特異的に結合させるような物質固定方法を詳述する。ここでは、測定対象物質として測定対象DNA 9008を、被固定物質として測定対象DNA 9008と特異的に結合可能な物質である被固定DNA 9007を、使用した場合について説明する。

はじめの段階として、測定対象DNA9008を含んだ検体を用意する。

第一工程として、容器9001に上記の検体を入れ、電源9005の電圧をマイナスの電圧にすることで上部電極9004を負極とし、下部電極9003を正極とする。DNAは負の電荷を有するため、検体中のDNAは固定領域9002に向かって移動する。検体中に測定対象DNA 9008が存在する場合、この工程で被固定DNA 9007と接触した測定対象DNA 9008は特異的に結合される。

第二工程として、下部電極9003と上部電極9004の極性を反転させる。すると、被固定DNA 9007に特異的に結合されていない測定対象DNA 9008は固定領域9002上方へ移動する。ただし、このとき電極間に印加する電圧は、すでに特異的結合をした測定対象DNA 9008が解離しないように調整する。

第三工程として、特異的結合をしていない測定対象DNA 9008が、固定領域9002から僅かに浮き上がったら、再び電極の極性を反転させ、測定対象DNA 9008を再び固定領域9002に引き寄せる。

第二工程と第三工程を交互に複数回実施し、検体中のDNAを上下に往復移動させることによって、測定対象DNA 9008を、被固定DNA 9007に複数回接触させる。これらの工程により、測定対象DNA 9008が、被固定DNA 9007と特異的な結合を行う確率を高めることができる。

次に、上記物質固定方法により、特異的に結合された測定対象DNA 9008を検出する方法について、図１０を参照して説明する。測定対象DNA 9008を検出するために、標識物質としてルテニウム錯体（Ru錯体）9010と結合している標識DNA 9009を用いる。この標識DNA 9009は、測定対象DNA 9008と特異的に結合をするものを利用する。

上記物質固定方法により、測定対象DNA 9008を被固定DNA9007に結合させた後、ルテニウム錯体9010と結合している標識DNA 9009を容器9001内に注入する。その後、上記物質固定方法と同様な工程を行うことで、標識DNA 9009と測定対象DNA 9008を特異的に結合させる。最終的に特異的に結合しなかった標識DNA 9009は、洗浄によって除去する。その結果、検体中に測定対象DNA 9008が存在していた場合には、被固定DNA 9007と、測定対象DNA 9008と、標識DNA 9009と、ルテニウム錯体9010と、が結合した複合体が固定領域9002上に形成される（図１０参照）。

その後、ルテニウム錯体9010を電界酸化させることで、フォトンの生成を行うと、Ruから620nmの波長の光が350ns程度の間放出される。電気化学連続発光によりRuを繰り返し発光させ、その光を光電子倍増管9006で検出することによって、間接的に測定対象DNA 9008の検出を行うことができる。

以上説明した各実施例の物質固定方法によれば、特異的に結合する物質の結合反応効率を向上させることが可能である。したがって、このような実施例に基づく本発明は、免疫検査において反応効率の高い反応プロセスを提供することが可能である。

本発明の物質固定方法の主要な工程を説明する概念図。電荷を利用して抗原-抗体反応を促進させる方法を説明する概念図。（ａ）は抗原を固定領域へ引き寄せる工程を説明するための概念図である。（ｂ）は抗原を固定領域から引き離す工程を説明するための概念図である。コイルから生じる磁界を説明する為の概念図。本発明の一実施例である物質固定装置を説明する概念図。本発明の物質固定方法の一実施例を説明する概念図。（ａ）は測定対象物質と搬送担体との複合体を作成する工程を説明する概念図である。（ｂ）は複合体が固定領域に引き寄せられた様子を説明するための概念図である。（ｃ）は複合体を固定領域から引き離す工程を説明する概念図である。（ｄ）は複合体を再び固定領域に引き寄せる工程を説明する概念図である。本発明の一実施例で使用する磁気抵抗効果素子の断面を示す概念図。磁気ビーズに印加するバイアス磁界と磁気ビーズから生じる浮遊磁界の様子を説明する概念図。本発明の一実施例である物質固定装置を含む物質検出装置を説明する概念図。本発明の一実施例である物質固定装置を含む物質検出装置を説明する概念図。 DNAが結合してできた複合体の様子を説明する概念図。

符号の説明

1001 測定対象物質、 1002 被固定物質、 1003 固定領域、
2001 抗原、 2002 抗体、 2003 固定領域、
4001 容器、 4002 磁気抵抗効果素子、
4011 PSA、 4012 一次抗体、
4015 電磁石による磁界、 4016 円形コイルによる磁界、
4017 電磁石による磁界、
8001 容器、 8002 磁気抵抗効果素子、
9001 容器、 9002 固定領域、
9007 被固定DNA、 9008 測定対象DNA

Claims

測定対象物質を特異的に結合可能とする被固定物質が固定された領域を有する物質固定装置において、
前記測定対象物質を前記領域の面内方向とは垂直な方向に往復移動させ、かつ前記被固定物質に複数回接触させるための外力を印加する外力印加手段を備えたことを特徴とする物質固定装置。
前記外力印加手段により前記測定対象物質を前記領域の面内方向とは垂直な方向に往復移動させ、かつ前記被固定物質に複数回接触させたときに該被固定物質に特異的に結合されなかった前記測定対象物質を少なくとも除去する除去手段を有する請求項１に記載の物質固定装置。
前記外力印加手段として、前記測定対象物質を前記領域へ引き寄せるための外力を印加する第一の外力印加手段と、前記測定対象物質を前記領域から引き離すための外力を印加する第二の外力印加手段とを備え、前記第一の外力印加手段による外力印加と前記第二の外力印加手段による外力印加を交互に行うことで、前記測定対象物質を前記領域の面内方向とは垂直な方向に往復移動させ、かつ前記被固定物質に複数回接触させることを特徴とする請求項１または２に記載の物質固定装置。
前記測定対象物質が磁性体を含み、前記第一の外力印加手段と前記第二の外力印加手段の少なくとも一方が印加する外力が磁力であることを特徴とする請求項３に記載の物質固定装置。
前記測定対象物質が電荷を有し、前記第一の外力印加手段と前記第二の外力印加手段の少なくとも一方が印加する外力が静電気力であることを特徴とする請求項３に記載の物質固定装置。
前記測定対象物質を前記領域の面内方向に移動させるための外力を印加する外力印加手段をさらに備えた請求項１から５のいずれか１項に記載の物質固定装置。
前記測定対象物質を前記領域の面内方向に移動させるための外力が、液体の水圧であることを特徴とする請求項６に記載の物質固定装置。
前記測定対象物質を前記領域の面内方向に移動させるための外力が、磁力であることを特徴とする請求項６に記載の物質固定装置。
前記測定対象物質を前記領域の面内方向に移動させるための外力が、静電気力であることを特徴とする請求項６に記載の物質固定装置。
請求項１から９のいずれか１項に記載の物質固定装置と、前記被固定物質に特異的に結合した前記測定対象物質を検出する手段と、を有する物質検出装置。
前記測定対象物質が磁性体を含み、かつ前記測定対象物質を検出する手段が、該磁性体から生じる磁界を検出する手段であることを特徴とする請求項１０に記載の物質検出装置。
前記測定対象物質が蛍光体を含み、かつ前記測定対象物質を検出する手段が、該蛍光体から生じる蛍光を検出する手段であることを特徴とする請求項１０に記載の物質検出装置。
前記測定対象物質が放射性核種を含み、かつ前記測定対象物質を検出する手段が、該放射性核種から生じる放射線を検出する手段であることを特徴とする請求項１０に記載の物質検出装置。
前記測定対象物質がルテニウム錯体を含み、かつ前記測定対象物質を検出する手段が、該ルテニウム錯体から生じる光を検出する手段であることを特徴とする請求項１０に記載の物質検出装置。
前記測定対象物質が発光基質を含み、かつ前記測定対象物質を検出する手段が、該発光基質から生じる光を検出する手段であることを特徴とする請求項１０に記載の物質検出装置。
前記測定対象物質を生体物質に特異的に結合させることによって、間接的に該生体物質を検出することを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載の物質検出装置。
測定対象物質を特異的に結合可能とする被固定物質が固定された領域を有する容器と、該測定対象物質を含んだ検体を用意する段階と、
前記容器に前記検体を注入し、前記測定対象物質を前記領域の表面へ引き寄せる第一工程と、
第一工程において前記測定対象物質を前記領域の表面へ引き寄せたときに、前記被固定物質に特異的に結合していない前記測定対象物質を、前記領域の表面から引き離す方向に移動させる第二工程と、
前記測定対象物質を再び前記領域の表面へ引き寄せて前記被固定物質に接触させることで、前記被固定物質と特異的に結合させる第三工程と、
を有する物質固定方法。
前記第二工程と前記第三工程を交互に複数回実施して、前記測定対象物質を前記被固定物質に複数回接触させることを特徴とする請求項１７に記載の物質固定方法。
前記第二工程および前記第三工程の少なくとも一方の工程において、前記測定対象物質に前記領域の面内方向への移動を伴わせることを特徴とする請求項１７または１８に記載の物質固定方法。
第三工程の後、前記被固定物質に特異的に結合しなかった前記測定対象物質、および前記検体中のきょう雑物を前記領域から除去する工程を、さらに有することを特徴とする請求項１７から１９のいずれか１項に記載の物質固定方法。