JP2004354142A - Biosensor device and measuring method using it - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生化学、医療及び食品分野における化学反応の追跡や状態分析等に使用されるバイオセンサー装置及びバイオセンサー装置による測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種のバイオセンサー装置は、内径10mm程度の円筒形状のセル内に測定対象となる蛋白等を、NaClやKCl等を含有するバッファー液(生化学用緩衝液)に混入して、500μl前後の試料とし、両面に電極を配置した水晶振動子や表面弾性波素子等の圧電素子上で2時間程度振動させながら反応させて測定をするようにしている。
前記のような多量の試料を使用できる場合には、試料の蒸発量が20〜30μl程度と試料全体に対して10%以下であるために、測定に大きな影響を与えるものではなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、試料が数μl程度の微量液滴の場合には、反応が終わらないうちに水分が蒸発してしまい測定上大きな問題となっていた。
【0004】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、微量の試料であっても長時間に亘って蒸発の影響を受けないバイオセンサー装置及びバイオセンサー装置による測定方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意検討の結果、試料周囲を加湿雰囲気下として、試料から水分が蒸発しないようにすることにより、上記課題を解決すること見出した。
即ち、本発明のバイオセンサー装置は、請求項1に記載の通り、電極間に挟持された結晶板から構成される振動子と、前記振動子上に試料を保持するためのセルとを備えるバイオセンサー装置であって、前記セルを加湿雰囲気下におくことを特徴とする。
また、本発明のバイオセンサー装置は、請求項1に記載のバイオセンサー装置において、前記セルは、所定の空間内に収容され、前記セルの近傍には、加湿用の液溜溝が設けられていることを特徴とする。
また、請求項3に記載のバイオセンサー装置は、請求項1又は2に記載のバイオセンサー装置において、前記所定の空間は、前記セル上方から前記セルを囲繞するカバーにより形成され、前記カバーには、加湿された気体を導入するための吸入口が設けられていることを特徴とする。
また、請求項4に記載のバイオセンサー装置は、請求項1乃至3のいずれかに記載のバイオセンサー装置において、前記バイオセンサー装置は、複数の前記セルをアレイプレート上に備えたものであって、前記アレイプレートは、複数の前記振動子を隣接配置するとともに1対の固定用板材間に挟持することにより形成されるものであることを特徴とする。
また、本発明のバイオセンサー装置による測定方法は、請求項5に記載の通り、電極間に挟持された結晶板から構成される振動子と、前記振動子上に試料を保持するためのセルとを備えるバイオセンサー装置による測定方法であって、前記試料の周囲の空間を、前記試料の蒸発を抑えるために加湿することを特徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】
次に、本実施の形態について図面を用いて説明する。
図1(a)は、本発明の一実施の形態であるバイオセンサー装置のアレイプレート1の断面図を示すものであり、同図(b)は同平面図を示すものである。図中2で示される振動子は、結晶板3と、その両面に設けられた電極4、5とから構成される。尚、前記電極4、5のうち、結晶板3の試料が滴下される側の電極4の表面には、反応膜6が配置されており、測定対象である特定成分と反応し、或いは、その特定成分を吸着する材料で構成されている。
前記振動子2は、2枚の固定用板材7、8間にシール材9を介して挟持固定される。そして、一方の固定用板材7は、穿孔されており、この孔10と、水晶振動子2とで試料を保持するためのセル12が構成される。そして、固定用板材7の孔10の周囲には、液溜溝13が形成される。また、他方の固定用板材8には、電極5を収納するための空間5sが形成されている。
【0007】
前記セル12を備えるアレイプレート1は、図2に示すように、所定の空間に収容されるようにカバー14により被覆される。カバー14には、加湿された気体を導入するための吸入口15と、カバー14内の気体を排出するための排出口16とが設けられている。
【0008】
アレイプレート1のセル12は、図3に示すように、ネットワークアナライザーやインピーダンスアナライザー等からなる分析装置20にそれぞれ接続される。分析装置20は、分析装置20を制御し、その測定結果を演算する制御装置21に接続される。
分析装置20は、所望周波数の交流信号をセル12に出力し、その周波数下でのセル12のコンダクタンスGを測定できるように構成されている。また、制御装置21は、分析装置20の動作を制御し、分析装置20がセル12に出力する信号の周波数を変化させるとともに、周波数と測定結果とを対応させ、演算結果とともに記憶するように構成されている。
そして、これらのセル12、分析装置20及び制御装置21により、本発明のバイオセンサー装置30が構成される。
【0009】
上記構成において、例えば、ピペット内において、蛋白等の測定対象物を、NaClやKCl等を含有する生化学用緩衝液(バッファー液)に混合することにより調製された試料11を、セル12上に滴下し、振動子2を振動させて反応させ、周波数変動、インピーダンス変化若しくは位相の変化又はこれらの組み合わせを測定することにより、測定対象物の生体分子間の相互作用を測定することができる。
この際、本実施の形態では、セル12の周囲に設けられた液溜溝13に水を注入し、測定期間におけるセル12の試料11から水分の蒸発を抑えるように構成されているので、長期間の反応において正確な測定を可能となる。尚、液溜溝13の深さや位置に関しては、セル12内の試料11からの水分の蒸発を抑えることができるものであれば特に限定されるものではないが、本実施の形態で説明したようにセル12の試料11の蒸発面よりも広い蒸発面となるように液溜溝13するようにすれば、液溜溝13からの蒸発量が増えるのでより好ましい。
また、本実施の形態においては、セル12の上方をカバー14で覆い、吸入口15から加湿された気体を導入するようにしているので、セル12の試料11からの水分の蒸発を更に有効に抑え、より正確な測定を可能とすることができるようになっている。また、上記排出口16を本実施の形態では、カバー14に設けるようにすることにより、加湿された気体の導入を効率的に行うことができるようになっている。
尚、上記実施の形態において説明したセル12を加湿雰囲気下におくことに関しては、セル12内の試料11の水分が蒸発して測定に影響を及ぼさない程度、且つ、セル12の雰囲気空間内の飽和水蒸気量未満とするものであれば特に湿度や温度等を特定するものではない。
【0010】
尚、上記構成において説明したセル1の容量については、本発明の目的からすると、好ましくは、5μl〜10μlとすることが好ましく、この容量については、固定用板材7の厚みを変えること等により調整することができる。
また、上記構成において、吸入口15から導入される気体は、例えば、超音波振動子の振動により水を霧状にして加湿された空気や、吸水フィルターに水を吸い上げ、そのフィルターに強制的に通過させることにより加湿された空気等を使用することができる。
また、振動子2としては、例えば、水晶振動子や表面弾性波素子等の圧電素子を使用することができ、シール材は、例えば、シリコン緩衝材(ジェルテック社製品名:α−ゲル)等を使用することができ、固定用板材5は、例えば、アクリル板等を使用することができる。
【0011】
尚、上記材料に関しては、材料の一例を記載したものに過ぎない。従って、上記以外の材料に関しても本装置又は測定方法の目的に沿うようなものであれば特に限定をするものではない。
【0012】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
まず、本発明の測定方法が、従来の測定方法に比べて、高い精度で測定できることを証明するために、測定対象となる液量を同量にして比較実験を行うこととした。
(実験例1)
実験方法は、5μlの純水を水晶振動子の中央に滴下し、水晶振動子の発振周波数の変化を測定した。尚、実験条件に関しては、実施例1では、セル周辺の気温を25℃、湿度90%以上となるように加湿を行うこととし、比較例1では、実施例1の条件に対して、加湿を行わなかったこと以外は同じ条件とした。
尚、水晶振動子は、周波数27MHzの水晶板(外径8.9mm)の両面の中央部に電極(外径2.5mm)を蒸着形成したものを使用した。
【0013】
上記測定の結果、図4に示すように、比較例1では30分で液が蒸発し、水晶振動子の中央の電極が乾くとともに水の粘性負荷がなくなり周波数が10kHz上昇し測定できなくなった。
これに対して、実施例1では、試料の蒸発が抑えられ、4時間経過しても液の残量が4μlと十分であった。
【0014】
次に、本発明による測定方法が、特に微量の液滴を測定する際に有効であることを証明するために、液量に差を設けて比較実験を行うこととした。
(実験例2)
実施例2の測定方法は、上記実施例1と同様とした。比較例2の測定方法については、容量が500μl程度のカップの底面に水晶振動子を設けてセルとした以外は、実施例2と同様とした。
実験方法については、実施例2では、5μlのアビジンを5μlのバッファー液とピペット内で攪拌してからセルの水晶振動子上に滴下し、経時的に周波数変動を測定した。また、比較例2では、500μlのバッファー液が注入されたセル内に5μlのアビジンを滴下して攪拌した後、同様に、経時的に周波数変動を測定した。
【0015】
上記測定の結果を図5に示す。
図5から、実施例2では、800秒後の周波数変化が390Hzであるのに対して、比較例2では、4Hz程度であった。
この結果から、実施例2は、感度において比較例2と比べて100倍高い感度を有していることが分かり、極めて短時間に微量の液滴を測定することができることが分かった。
【0016】
次に、上記実施例2及び比較例2と同様の測定方法により、2μlのブロックエースを測定対象物として測定した結果を、それぞれ実施例3及び比較例3として図6に示す。
図6から実施例3では、比較例3に比べて反応が100倍程度早く終わるため、短時間に微量の液滴の測定ができることが分かった。
【0017】
【発明の効果】
本発明によれば、微量の試料であっても長時間に亘って、反応を正確に測定することができる。
また、本発明によれば、複数のセルを1つのアレイプレート上の形成するのに、製造コストの高い大きな結晶板上に複数のセルを形成する場合に比べて、一般的に製造されている結晶板を複数使用すればよいので製造コストを抑えることができる。また、個別にセルを装置に設ける必要がないので、複数のセルを1度に交換することができ、作業性の優れたバイオセンサー装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態であるバイオセンサー装置のアレイプレートを説明するための(a)断面図(b)平面図
【図2】同装置の変形例を説明するための斜視図
【図3】同装置の構成を説明するための説明図
【図4】実験例1の測定結果を示すグラフ
【図5】実験例2の測定結果を示すグラフ
【図6】実験例2の測定対象物を変更した測定結果を示すグラフ
【符号の説明】
1 アレイプレート
2 振動子
3 結晶板
4 電極
5 電極
6 反応膜
7 固定用板材
8 固定用板材
9 シール材
10 孔
11 試料
12 セル
13 液溜溝
14 カバー
15 吸入口
16 排出口
20 分析装置
21 制御装置
30 バイオセンサー装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a biosensor device used for tracking a chemical reaction and analyzing conditions in the fields of biochemistry, medicine, and food, and a measurement method using the biosensor device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of biosensor device mixes a protein or the like to be measured in a cylindrical cell having an inner diameter of about 10 mm into a buffer solution (biochemical buffer solution) containing NaCl, KCl, etc. The samples before and after are reacted while being vibrated for about 2 hours on a piezoelectric element such as a quartz oscillator or a surface acoustic wave element having electrodes disposed on both sides, and the measurement is performed.
When a large amount of the sample can be used as described above, the amount of evaporation of the sample is about 20 to 30 μl, which is 10% or less of the whole sample, and thus does not significantly affect the measurement.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the sample is a very small droplet of about several μl, water evaporates before the reaction is completed, which has been a serious problem in measurement.
[0004]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a biosensor device and a measurement method using the biosensor device, which are not affected by evaporation for a long time even for a small amount of sample. .
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made intensive studies and found that the above-mentioned problems can be solved by setting the periphery of the sample in a humid atmosphere so as to prevent moisture from evaporating from the sample.
That is, as described in
Further, in the biosensor device of the present invention, in the biosensor device according to
The biosensor device according to
A biosensor device according to a fourth aspect is the biosensor device according to any one of the first to third aspects, wherein the biosensor device includes a plurality of the cells on an array plate. The array plate is formed by arranging a plurality of the transducers adjacent to each other and sandwiching the transducers between a pair of fixing plate members.
Further, the measuring method by the biosensor device of the present invention comprises, as described in
[0006]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, the present embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a cross-sectional view of an
The
[0007]
The
[0008]
As shown in FIG. 3, the
The
The
[0009]
In the above configuration, for example, a
At this time, in the present embodiment, water is injected into the
Further, in the present embodiment, since the upper part of the
The
[0010]
The capacity of the
Further, in the above configuration, the gas introduced from the
Further, as the
[0011]
The above materials are merely examples of the materials. Accordingly, materials other than those described above are not particularly limited as long as they meet the purpose of the present apparatus or the measuring method.
[0012]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described together with comparative examples.
First, in order to prove that the measurement method of the present invention can measure with higher accuracy than the conventional measurement method, a comparative experiment was performed with the same amount of liquid to be measured.
(Experimental example 1)
In the experimental method, 5 μl of pure water was dropped at the center of the crystal oscillator, and the change in the oscillation frequency of the crystal oscillator was measured. Regarding the experimental conditions, in Example 1, the humidification was performed so that the temperature around the cell was 25 ° C. and the humidity was 90% or more. In Comparative Example 1, humidification was performed under the conditions of Example 1. The conditions were the same except that they were not performed.
The quartz oscillator used was a quartz plate (outside diameter: 8.9 mm) having a frequency of 27 MHz, on which electrodes (outside diameter: 2.5 mm) were formed by vapor deposition at the center on both sides.
[0013]
As a result of the above measurement, as shown in FIG. 4, in Comparative Example 1, the liquid evaporated in 30 minutes, the electrode at the center of the crystal resonator dried, and the viscous load of water disappeared, so that the frequency increased by 10 kHz and measurement became impossible.
On the other hand, in Example 1, the evaporation of the sample was suppressed, and the remaining amount of the liquid was sufficient at 4 μl even after 4 hours.
[0014]
Next, in order to prove that the measurement method according to the present invention is particularly effective in measuring a very small amount of liquid droplets, a comparative experiment was performed with a difference in the liquid amount.
(Experimental example 2)
The measuring method of the second embodiment was the same as that of the first embodiment. The measurement method of Comparative Example 2 was the same as that of Example 2 except that a quartz oscillator was provided on the bottom surface of the cup having a capacity of about 500 μl to form a cell.
Regarding the experimental method, in Example 2, 5 μl of avidin was stirred with 5 μl of the buffer solution in a pipette and then dropped on the quartz oscillator of the cell, and the frequency variation was measured over time. In Comparative Example 2, 5 μl of avidin was dropped into the cell into which 500 μl of the buffer solution had been injected, and the mixture was stirred.
[0015]
The result of the above measurement is shown in FIG.
From FIG. 5, in Example 2, the frequency change after 800 seconds was 390 Hz, whereas in Comparative Example 2, it was about 4 Hz.
From this result, it was found that Example 2 had a
[0016]
Next, FIG. 6 shows the results of measuring 2 μl of Block Ace as a measurement target by the same measurement method as in Example 2 and Comparative Example 2 as Example 3 and Comparative Example 3, respectively.
From FIG. 6, it was found that in Example 3, the reaction was completed about 100 times earlier than in Comparative Example 3, so that a small amount of droplets could be measured in a short time.
[0017]
【The invention's effect】
According to the present invention, the reaction can be accurately measured over a long period of time even for a small amount of sample.
Further, according to the present invention, a plurality of cells are generally manufactured on one array plate, compared to a case where a plurality of cells are formed on a large crystal plate at a high manufacturing cost. Since a plurality of crystal plates may be used, manufacturing costs can be reduced. In addition, since it is not necessary to separately provide cells in the device, a plurality of cells can be replaced at a time, and a biosensor device with excellent workability can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating an array plate of a biosensor device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2B is a plan view. FIG. 2 is a perspective view illustrating a modification of the biosensor device. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the configuration of the apparatus. FIG. 4 is a graph showing measurement results of Experimental Example 1. FIG. 5 is a graph showing measurement results of Experimental Example 2. FIG. Graph showing the measurement result when the object is changed.
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003150586A JP2004354142A (en) | 2003-05-28 | 2003-05-28 | Biosensor device and measuring method using it |
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JP2003150586A Pending JP2004354142A (en) | 2003-05-28 | 2003-05-28 | Biosensor device and measuring method using it |
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