JP2004361189A - Online catecholamine sensing device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オンラインカテコールアミンセンシングデバイスに関し、生体内から微量の試料を採取し、その試料内に含まれるカテコールアミン類を連続的に感度及び選択性良く測定するための、医学、生理学用、或いは医療用のオンラインカテコールアミンセンシングデバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、医学・医療や生体学分野では、カテコールアミン類の検出には、液体クロマトグラフィーと電気化学検出器を組み合わせたシステムが主に用いられてきた。この手法は、脳内や血液中のカテコールアミン類やその代謝物を分離し、検出することができるが連続測定を行うことはできない。
【0003】
例えば、液体クロマトグラフィーとくし形のアレイ電極(例えば、特許文献1参照)とを組み合わせたシステムで、pMオーダーのカテコールアミン類(ドーパミン)が検出可能であることが報告されている(例えば、非特許文献1参照)。この他に、キャピラリー電気泳動と電気化学検出器を組み合わせたシステムについても報告されている。
【0004】
以下に、この種のシステムの直接挿入型と連続送液型について説明する。
カテコールアミンを連続的に測定するためのセンサデバイスの研究も盛んに進められている(直接挿入型)。まず、生体内の微小組織の状態を知るために、カーボンファイバなどの微小な電極を直接挿入して測定を行う方法が用いられる。脳内のカテコールアミン類のほか、電極上に酵素を固定してグルコースやグルタミン酸などの選択的測定が行われている。
【0005】
例えば、Wightmanらが、細胞から放出されるカテコールアミン類の検出を行っている(例えば、非特許文献2参照)。このような測定法では、生体試料に含まれるアスコルビン酸などのアニオン性電気化学活性物質(夾雑物質)の影響を排除するために、ナフィオン膜や過酸化ポリピロールなどが電極上に修飾される。
【0006】
次に、連続送液型として、生体試料を採取して検出器へ連続的に送液し、測定を行うオンライン型センシングシステムが報告されている(例えば、非特許文献3参照)。システム内に夾雑物質除去用の反応器を設置することが容易で、選択性良く測定を行うことができる。また、検出用電極を大きくできるため、高感度化が可能である。しかしながら、試料を採取するため、応答速度や即時応答性は直接挿入型の微小電極センサには劣る。
【0007】
そこで近年では、微細加工技術を用いてシリコンやガラス基板上に、電極や流路を一体化させた微少量のオンラインセンサによって応答性を向上させた例が報告されている。このようなオンラインセンサでは、無効体積が小さいために、測定用試料が少量で済むため空間分解能が向上し、また、速い応答性が得られ、細胞から放出される神経伝達物質をリアルタイムにモニタすることができる(例えば、非特許文献4参照)。さらに、微少量のオンラインマイクロセンサに、夾雑物質をあらかじめ除去するための微少量反応器を設置し(例えば、特許文献2参照)、応答性を損なうことなく、選択性のみを向上させている(例えば、非特許文献5参照)。
【0008】
【特許文献1】
特開平9−292360号公報
【0009】
【特許文献2】
特開2000−97899号公報
【0010】
【非特許文献1】
M.Takahashi, M.Morita, O.Niwa and H.Tabei, Sensors and Actuators B, 13−14(1993)336−339
【0011】
【非特許文献2】
T.J.Schroeder, J.A.Jankowski, K.T.Kawagoe, R.M.Wightman, C.Lefrou and C.Amatore,Analytical Chemistry, 64,3077−3083,(1992)
【0012】
【非特許文献3】
A.Koshy, E.Zilkha, T.P.Obrenovitch, H.P.Bennetto, D.A.Richards, L.Symon: Anal.Lett., 26,831(1993)
【0013】
【非特許文献4】
O.Niwa,R,Kurita,T.Horiuchi,K.Torimitsu, Electroanalysis,11,356,(1999)
【0014】
【非特許文献5】
林、栗田、堀内、丹羽、化学センサー研究会予稿、17巻、pp97、2001年
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
カテコールアミン類は、生体内濃度が低く(脳内数+nM、血液中1nM以下)、カーボンファイバのように電極面積の小さいセンサでは、応答電流が非常に小さくなり、十分に検出できないという問題がある。
【0016】
このため、くし形のアレイ電極による応答の電気化学増幅法や、酵素を用いた酵素増幅法がある。しかしながら、酵素増幅法では、生体内濃度以上のグルコースなどが必要であり、これらの溶液を試料に注入しなければならず、測定が煩雑であるという問題がある。
【0017】
また、生体試料内には、アスコルビン酸だけでなく、DOPAC(3,4−dihydroxyphenylacetic acid)などの電気化学特性が似たカテコールアミン類の代謝物が存在し、それらの濃度は、カテコールアミン類のそれより高く、カテコールアミン類から得られる応答が、他の夾雑物質によって検出できないという問題点がある。
【0018】
また、アスコルビン酸や尿酸、カテコールアミン類の代謝物の影響を抑制するために、ナフィオン膜や過酸化ポリピロールを電極上に形成する手法が用いられるが、血液中では、アスコルビン酸や尿酸はカテコールアミン類に比べて濃度が高いために、液体クロマトグラフィーやキャピラリー電気泳動のような分離技術を組み合わせることにより、夾雑物質の影響を受けずに測定する方法が主に用いられる。しかしながら、連続的に試料を導入することができないため、刻一刻と変化する病態や細胞応答、脳内物質の濃度変化のモニタなどには適用できないという問題がある。
【0019】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低濃度のカテコールアミンの測定において、夾雑物質の受ける点を解決した連続測定可能なオンラインカテコールアミンセンシングデバイスを提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、流路内に形成された、生体液をサンプリングするサンプリングプローブと、該サンプリングプローブにより抽出された生体液中の易酸化物質を分解するための前反応器と、該前反応器と連通され、分子選択性を有する膜が付与された電気化学検出器とを備えたことを特徴とする。
【0021】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記前反応器と前記電気化学検出器とが、微小流路内でワンチップ上に集積されていることを特徴とする。
【0022】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記分子選択性を有する膜が、アニオン性分子の電極上への拡散を抑制する機能を有する膜であることを特徴とする。
【0023】
また、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記電気化学検出器が、くし形電極又は微小電極アレイであることを特徴とする。
【0024】
また、請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記前反応器内に、尿酸及びアスコルビン酸などの血中易酸化物質を除去するための酵素が固定あるいは電気分解するための電極が設置されていることを特徴とする。
【0025】
また、請求項6に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記サンプリングプローブとして、マイクロダイアリシスプローブあるいはガラスキャピラリーが接続されていることを特徴とする。
【0026】
また、請求項7に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記前反応器の内部に三次元構造体を有することを特徴とする。
【0027】
また、請求項8に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記電気化学検出器の直前に、pHを変更するための流路を設け、前記電気化学検出器の感度を変化させることを特徴とする。
【0028】
また、請求項9に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記前反応器と前記微小流路との間に合流流路を設け、該合流流路と前記微小流路との合流部に微小突起を設けたことを特徴とする。
【0029】
このように、本発明によるオンラインカテコールアミンセンシングデバイスは、タンパク質や血球などの高分子を除去するための透析膜付きサンプリングプローブを有し、アニオン性分子の電極上への拡散を抑制するための分子膜が修飾された微小アレイ型電極が設置され、その上流側には、高濃度かつ高電気化学活性種を分解するための前反応器が設置されていることを特徴とし、従来の技術では不可能であった、連続的かつ高感度かつ高選択的にカテコールアミン類を測定することが可能である。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0031】
[実施例1]
図1は、本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例1を説明するための構成図で、図中符号1はサンプリングプローブ(サンプリング用の透析膜付きプローブ;マイクロダイアリシスプロープ;MDプローブ)、2は前反応器、3は電気化学検出器(検出用電気化学フローセル)、4はくし形電極、5は参照電極(Ag/AgCl)、6は対向電極、7は送液用のシリンジ、8はシリンジポンプ、9はウリカーゼ、10はカタラーゼ、11はアスコルビン酸酸化酵素、12は容器を示している。
【0032】
本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムは、流路内に形成された、生体液をサンプリングするサンプリングプローブ1と、このサンプリングプローブ1により抽出された生体液中の易酸化物質を分解するための前反応器2と、この前反応器2と連通され、分子選択性を有する膜が付与された電気化学検出器3とを備えている。また、サンプリングプローブとして、マイクロダイアリシスプローブあるいはガラスキャピラリーが接続されている。
【0033】
電気化学検出器3には、カテコールアミン類を酸化還元サイクルによって応答を増幅することが可能であるくし形電極4(電極幅、電極間ギャップともに2μm)と、参照電極5と、対向電極6とが用いられている。また、サンプリングプローブ1には、送液用のシリンジ7とシリンジポンプ8とが接続されている。前反応器2内には、基板を2枚貼り合わせた薄層セル構造で、その流路内に、尿酸、アスコルビン酸を分解するため、ウリカーゼ9、カタラーゼ10およびアスコルビン酸酸化酵素11が設けられている。
【0034】
カタラーゼ10をウリカーゼ9の下流側に設けるのは、尿酸とウリカーゼ9との酵素反応により生成した過酸化水素を分解するためである。また、くし形電極4の上には、アニオン性分子がくし形電極上4への拡散を抑制するために、ピロールを電解重合し、さらに過剰酸化したポリピロール膜を形成し、分子選択性膜としている。過剰酸化によって負の電荷を持たせることにより、静電反発によってDOPAC等のカテコールアミン類の代謝物の影響を受けずに測定することが可能である。
【0035】
また、この手法は、くし形電極4上にのみ膜を形成できるため、電極間でのカテコールアミン類の拡散を阻害することなく、くし形電極4の感度を維持することができる。
【0036】
本発明のオンラインカテコールアミンセンシングをポテンシオスタット(BAS社)とシリンジポンプ(CMA社)に接続して測定を行った。くし形電極4への印加電位は、参照電極5に対して600、−50mVとした。ウシの血清を用いて濃度1nMのドーパミン、50μMのアスコルビン酸、400μMの尿酸、10nMのDOPACの混合溶液を調製して容器12に入れ、流速2μl/minで本システム内に導入した。比較として、MDプローブ、酵素前反応器、電極修飾膜をもたないシステムでも同様な実験を行った。MDプローブ、酵素前反応器、電極修飾膜をもたないシステムでは、応答電流が酸化側の電極で約750nA得られた。これは、尿酸、アスコルビン酸、DOPACが電極上で酸化されているためである。
【0037】
一方、本発明によるシステムを用いた場合では、0.02nAの応答電流が得られた。これは、同様のくし形電極を用いて、10nMのドーパミンのみをオンラインで測定を行った場合とほぼ同じ値であった。すなわち、これは、本発明によるシステムにおいては、夾雑物質による影響が排除されていることを示している。
【0038】
以上のように、送液システムと組み合わせ、MDプローブと酵素修飾前反応器と電気化学検出器とを一体化することにより、連続的に、感度や選択性良くカテコールアミン類を測定できる。
【0039】
[実施例2]
図2は、本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例2を説明するための構成図で、図中符号13は微小電極、14は絶縁膜、15は接続パッドを示している。
【0040】
この実施例2は、上述した実施例1の電気化学検出器のくし形電極に代えて、多数の微小電極13をアレイ状に並べた電極を用いたものである。電極の直径を2μmとし、電極の間隔は20μmとした。絶縁膜14にはフォトレジストを用いた。接続パッド15は、ポテンシオスタットと接続するためのものである。微小電極13を用いることにより、エッジ効果により応答電流密度が増加し、電極面積が小さくなることでバックグラウンド電流が減少するため、S/Nが向上し、高感度分析に適している。
【0041】
これをアレイ化することにより、より大きな電流値を得ることが可能となる。カテコールアミン類の代謝物に対する選択性を向上させるために、電極上をナフィオン膜で覆った。この場合、本電極に酸化あるいは還元電位を印加し測定を行うことができる。
【0042】
以上、MDプローブと酵素修飾前反応器と微小電極アレイとを組み合わせたセンシングシステムは、連続的に、感度や選択性良くカテコールアミン類を測定することができる。
【0043】
実施例1と同様な実験を行ったところ、本システムは、高感度かつ選択的にカテコールアミン類を測定できることが確認された。
【0044】
[実施例3]
図3は、本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例3を説明するための構成図で、図中符号16は流路、17は電極、18は微小突起状の三次元構造体、19はポテンシオスタットと接続するための接続パッド、20は流路を形成するためのレジスト膜を示している。
【0045】
この実施例3は、上述した実施例1の前反応器である酵素修飾前反応器に代えて、薄層セル内の流路に電極を形成した電気化学反応器を設置したものである。電極17上には、電解速度を速くするために電子移動メディエーター膜(オスミウムポリマー)を塗布した。尿酸、アスコルビン酸はともに電極上で容易に酸化されるため、本反応器内で除去することが可能である。この電気化学反応器は、微小突起状の三次元構造体18を有しており、この突起上に電極用の薄膜が形成されているために、試料溶液との接触面積が増加し、反応効率を向上させることが可能である。
【0046】
実施例1と同様な実験を行ったところ、本システムは、高感度かつ選択的にカテコールアミン類を測定できることが確認された。
【0047】
[実施例4]
図4は、本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例4を説明するための構成図で、MDプローブが接続されたチップ型オンラインカテコールアミンセンシングシステムを示している。図中符号21は前反応器、22は検出用電極(くし型電極)、23は参照電極、24は対向電極、25はMDプローブ、26は微小流路、27は排出用チューブ、28は測定用試料が入った容器、29はリン酸バッファ溶液が入ったシリンジ、30はシリンジポンプを示している。
【0048】
検出用電極22と参照電極23と対向電極24には、乾式法により作製されたカーボン薄膜を用いた。この基板は、もう一つの基板と貼り合わされ、微小量のセル容積を有している。前反応器21内には、上述した実施例1と同様にウリカーゼ、カタラーゼ、アスコルビン酸酸化酵素が固定されている。検出用電極22には、上述した実施例1で用いたものと同様のくし形電極が用いられ、この電極上には、アニオン性分子を排除するための膜が形成されている。
【0049】
参照電極23上には、銀ペーストを塗布した。くし形電極には、600mV vs.Ag、−50mV vs.Agの電位を印加した。MDプローブ25により連続的に採取された試料は、まず、プローブの透析膜によってタンパク質等の高分子が除去され、前反応器21内で、尿素とアスコルビン酸が除去される。検出用電極22上には、カテコールアミン類及びその代謝物のみが達するが、静電反発により、カテコールアミン類の代謝物は電極表面に到達できず、排出用チューブ27から排出される。
【0050】
本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムをポテンシオスタットとシリンジポンプと接続してドーパミンの検出を行った。血清中に濃度1nMのドーパミン、50μMのアスコルビン酸、400μMの尿酸、30nMのDOPACが存在するよう調製し、本システム内に導入した。一方、MDプローブと酵素とアニオン性分子膜とを用いないオンラインカテコールアミンセンシングシステムについても同様の実験を行った。上述した溶液を導入し測定したところ、何も修飾しないセンシングシステムでは、約700nAの電流が観測されたが、本発明によるオンラインカテコールアミンセンシングシステムでは、約20pAの電流が観測された。これは、DOPAC、尿酸、アスコルビン酸の影響がすべて排除され、ドーパミンのみが検出されたためである。
【0051】
また、前反応器と検出用電気化学セルを一体化することにより、無効体積を著しく低減させることができ、測定時間を短縮することができた。
【0052】
以上のように、MDプローブと前反応器と検出用電極とを組み合わせたチップ型カテコールアミンセンシングシステムは、ドーパミンのような生体試料中の極微量物質を代謝物等の影響を受けず、感度および選択性よく検出することができる。
【0053】
また、本システムをワンチップ上に集積し、前反応器と電気化学検出器の流路を薄層にすると、液体の流れがスムーズになり、前反応器及び電気化学検出器の感度が上がるという効果を奏する。
【0054】
[実施例5]
図5は、本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例5を説明するための構成図で、合流流路が付与されたオンラインカテコールアミンセンシングデバイスを示す図である。図中符号31は合流流路用チューブ、32は低 pH溶液が入ったシリンジ、33はシリンジポンプを示している。なお、図1に示した構成要素と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。
【0055】
この実施例5は、図1に示した実施例1のオンラインカテコールアミンセンシングデバイスに、合流流路用チューブ31と低 pH溶液が入ったシリンジ32とシリンジポンプ33とを付与したものである。合流流路は、前反応器2と電気化学検出器3との間に設置されている。これは、低 pH溶液を導入することにより、前反応器内2に固定された酵素を失活させないためである。
【0056】
上述した実施例1と同様に、ウシの血清を用いて濃度10nMのアドレナリン、50μMのアスコルビン酸、400μMの尿酸、30nMのDOPACの混合溶液を調製し、流速2μl/minで本システム内に導入した。また、合流流路から、0.1Nの硫酸溶液を0.1μl/minで導入した。硫酸溶液を導入しないシステムでも同様な実験を行った。
【0057】
はじめに、硫酸溶液を導入したシステムでは、応答電流は0.03nAであった。これは、アドレナリンのみを含んだ標準溶液を測定した場合の結果とほぼ同等であった。なお、このシステムでは検出限界が5nMであった。次に、合流流路から硫酸溶液を導入したところ、応答電流値が0.05nAにまで増加した。
【0058】
このように、硫酸溶液を導入し、試料内のアドレナリン濃度が減少したのにもかかわらず応答電流が増加したのは、試料の pHが3以下にまで減少したことによりアドレナリンの酸化還元効率が向上し、応答の増幅率が向上したためである。この酸化還元効率の向上により、検出限界は、3nMにまで向上した。
【0059】
以上のように、MDプローブと前反応器と検出用電極を組み合わせたチップ型カテコールアミンセンシングデバイスに、硫酸溶液などの低 pH溶液を導入することにより、アドレナリンのように生体内 pHの範囲で高感度測定が困難な物質でも、試料内の pHを変化させ、高感度に測定を行うことができる。
【0060】
[実施例6]
図6は、本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例6を説明するための構成図で、上述した実施例4で示したデバイスをチップ化したオンライン型カテコールアミンセンシングデバイスを示す図である。図中符号34は合流流路、35は低 pH溶液の入ったシリンジ、36はシリンジポンプ、37は微小突起を示している。なお、図4に示した構成要素と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【0061】
この実施例6は、上述した実施例4に合流流路34を加えたもので、この合流流路34には、低 pH溶液の入ったシリンジ35とシリンジポンプ36とが接続されている。試料溶液と低 pH溶液を合流部で混合した。試料溶液と低 pH溶液とを効率良く混合するために、微小突起37を、フォトレジストを用いて作製した。このデバイスを用いて、実施例4と同様な条件で実験を行ったところ、応答電流は0.55nAが得られ、実施例4で示したデバイスに比べて増加した。これは、合流部に微小突起構造が形成され、ミキシング効果によって試料溶液と低 pH溶液が効率よく混合されたためである。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、流路内に形成された、生体液をサンプリングするサンプリングプローブと、このサンプリングプローブにより抽出された生体液中の易酸化物質を分解するための前反応器と、この前反応器と連通され、分子選択性を有する膜が付与された電気化学検出器とを備えたので、連続測定が可能でかつ高感度・高選択測定が可能である。また、プローブを生体内で留置したまま反応器や検出器の交換が容易であるため、長期間の連続測定が可能である。また、応答するまでの時間が減少するために、リアルタイム測定を行うことができる。このことから、病態の変化などによく追随することができる。
【0063】
さらに、本システムをワンチップ上に集積し、前反応器と電気化学検出器の流路を薄層にすると、液体の流れがスムーズになり、前反応器内での反応効率及び電気化学検出器の感度が上がるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例1を説明するための構成図である。
【図2】本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例2を説明するための構成図である。
【図3】本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例3を説明するための構成図である。
【図4】本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例4を説明するための構成図である。
【図5】本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例5を説明するための構成図である。
【図6】本発明のオンラインカテコールアミンセンシングシステムの実施例6を説明するための構成図である。
【符号の説明】
1 サンプリングプローブ
2 前反応器
3 電気化学検出器
4 くし形電極
5 参照電極
6 対向電極
7 送液用のシリンジ
8 シリンジポンプ
9 ウリカーゼ
10 カタラーゼ
11 アスコルビン酸酸化酵素
12 容器
13 微小電極
14 絶縁膜
15 接続パッド
16 流路
17 電極
18 微小突起状の三次元構造体
19 接続パッド
20 レジスト膜
21 前反応器
22 検出用電極(くし型電極)
23 参照電極
24 対向電極
25 MDプローブ
26 微小流路
27 排出用チューブ
28 容器
29 シリンジ
30 シリンジポンプ
31 合流流路用チューブ
32 シリンジ
33 シリンジポンプ
34 合流流路
35 シリンジ
36 シリンジポンプ
37 微小突起[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an on-line catecholamine sensing device, which is used for medical, physiological, or medical purposes to collect a small amount of a sample from a living body and continuously measure catecholamines contained in the sample with high sensitivity and selectivity. Catecholamine sensing devices.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in the fields of medicine, medical treatment, and biology, a system combining liquid chromatography and an electrochemical detector has been mainly used for detecting catecholamines. This method can separate and detect catecholamines and their metabolites in the brain and blood, but cannot perform continuous measurement.
[0003]
For example, it has been reported that a system combining liquid chromatography and a comb-shaped array electrode (for example, see Patent Document 1) can detect catecholamines (dopamine) on the order of pM (for example, Non-Patent Documents). 1). In addition, a system combining capillary electrophoresis and an electrochemical detector has been reported.
[0004]
Hereinafter, a direct insertion type and a continuous liquid feeding type of this type of system will be described.
Research on a sensor device for continuously measuring catecholamine is also actively pursued (direct insertion type). First, in order to know the state of a minute tissue in a living body, a method of directly inserting a minute electrode such as a carbon fiber for measurement is used. In addition to catecholamines in the brain, an enzyme is immobilized on an electrode to selectively measure glucose, glutamic acid, and the like.
[0005]
For example, Whiteman et al. Detect catecholamines released from cells (for example, see Non-Patent Document 2). In such a measurement method, a Nafion membrane, a polypyrrole peroxide, or the like is modified on the electrode in order to eliminate the influence of an anionic electrochemically active substance (contaminant) such as ascorbic acid contained in a biological sample.
[0006]
Next, as a continuous liquid sending type, an online type sensing system that collects a biological sample, continuously sends the sample to a detector, and performs measurement has been reported (for example, see Non-Patent Document 3). It is easy to install a reactor for removing contaminants in the system, and measurement can be performed with high selectivity. Further, since the size of the detection electrode can be increased, high sensitivity can be achieved. However, since the sample is collected, the response speed and the immediate response are inferior to those of the direct insertion type microelectrode sensor.
[0007]
Therefore, in recent years, there has been reported an example in which the responsiveness is improved by using a very small amount of online sensors in which electrodes and flow paths are integrated on a silicon or glass substrate using a fine processing technique. Such an on-line sensor has a small dead volume, requires a small amount of a sample for measurement, improves spatial resolution, and provides a quick response, and monitors a neurotransmitter released from a cell in real time. (For example, see Non-Patent Document 4). Furthermore, a minute reactor for removing contaminants in advance is installed in a minute amount of online microsensor (for example, see Patent Document 2), and only selectivity is improved without impairing responsiveness ( For example, see Non-Patent Document 5).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-9-292360
[Patent Document 2]
JP 2000-97899 A
[Non-patent document 1]
M. Takahashi, M .; Morita, O.M. Niwa and H.S. Tabei, Sensors and Actors B, 13-14 (1993) 336-339.
[0011]
[Non-patent document 2]
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[0012]
[Non-Patent Document 3]
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[0013]
[Non-patent document 4]
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[0014]
[Non-Patent Document 5]
Hayashi, Kurita, Horiuchi, Niwa, Proceedings of the Society for Chemical Sensor Research, Vol. 17, pp97, 2001
[Problems to be solved by the invention]
Catecholamines have a problem in that the concentration in the living body is low (the number in the brain + nM, 1 nM or less in blood), and a sensor having a small electrode area such as carbon fiber has a very small response current and cannot be sufficiently detected.
[0016]
For this reason, there are an electrochemical amplification method of response using a comb-shaped array electrode and an enzyme amplification method using an enzyme. However, in the enzyme amplification method, glucose or the like having a concentration higher than the concentration in the living body is required, and these solutions have to be injected into the sample, which has a problem that the measurement is complicated.
[0017]
In addition, not only ascorbic acid but also metabolites of catecholamines having similar electrochemical properties such as DOPAC (3,4-dihydroxyphenylacetic acid) are present in the biological sample, and their concentration is higher than that of catecholamines. There is a problem that the response obtained from catecholamines is high and cannot be detected by other contaminants.
[0018]
Also, in order to suppress the effects of ascorbic acid, uric acid, and metabolites of catecholamines, a technique of forming a Nafion membrane or polypyrrole peroxide on an electrode is used.In blood, ascorbic acid and uric acid are converted to catecholamines. Since the concentration is relatively high, a method of measuring without being affected by contaminants by mainly combining separation techniques such as liquid chromatography and capillary electrophoresis is mainly used. However, since a sample cannot be introduced continuously, there is a problem that the method cannot be applied to monitoring of a disease state and a cell response that change every moment, a change in the concentration of a substance in the brain, and the like.
[0019]
The present invention has been made in view of such a problem, and it is an object of the present invention to provide an online catecholamine sensing device capable of continuous measurement in which measurement of low-concentration catecholamines can be performed in a manner that solves the problem of receiving contaminants. It is in.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a sampling probe for sampling a biological fluid, which is formed in a flow channel, and a biological fluid extracted by the sampling probe. A pre-reactor for decomposing the easily oxidizable substance, and an electrochemical detector which is connected to the pre-reactor and is provided with a membrane having molecular selectivity.
[0021]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the prereactor and the electrochemical detector are integrated on a single chip in a microchannel. I do.
[0022]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the membrane having molecular selectivity is a membrane having a function of suppressing diffusion of anionic molecules onto an electrode. And
[0023]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the electrochemical detector is a comb-shaped electrode or a microelectrode array.
[0024]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, an enzyme for removing blood oxidizable substances such as uric acid and ascorbic acid is fixed or electrolyzed in the prereactor. Characterized by being provided with an electrode.
[0025]
The invention according to
[0026]
According to a seventh aspect of the present invention, in the first aspect, a three-dimensional structure is provided inside the pre-reactor.
[0027]
According to an eighth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a flow path for changing pH is provided immediately before the electrochemical detector to change the sensitivity of the electrochemical detector. It is characterized by the following.
[0028]
According to a ninth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a merging channel is provided between the prereactor and the microchannel, and the merging channel and the microchannel are provided. And a minute projection is provided at the junction.
[0029]
Thus, the online catecholamine sensing device according to the present invention has a sampling probe with a dialysis membrane for removing macromolecules such as proteins and blood cells, and a molecular membrane for suppressing the diffusion of anionic molecules onto the electrode. Is characterized by a microarray-type electrode modified with a pre-reactor installed upstream of it to decompose highly concentrated and highly electrochemically active species, making it impossible with conventional technology. It is possible to measure catecholamines continuously, with high sensitivity and with high selectivity.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following examples.
[0031]
[Example 1]
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining Embodiment 1 of the online catecholamine sensing system of the present invention. In the drawing, reference numeral 1 denotes a sampling probe (a probe with a dialysis membrane for sampling; a microdialysis probe; an MD probe); Is a prereactor, 3 is an electrochemical detector (electrochemical flow cell for detection), 4 is a comb-shaped electrode, 5 is a reference electrode (Ag / AgCl), 6 is a counter electrode, 7 is a syringe for sending liquid, and 8 is a syringe. A pump, 9 indicates uricase, 10 indicates catalase, 11 indicates ascorbic acid oxidase, and 12 indicates a container.
[0032]
The on-line catecholamine sensing system of the present invention includes a sampling probe 1 formed in a flow channel for sampling a biological fluid, and a prereactor for decomposing an oxidizable substance in the biological fluid extracted by the sampling probe 1. And an electrochemical detector 3 which is connected to the
[0033]
The electrochemical detector 3 includes a comb-shaped electrode 4 capable of amplifying the response of catecholamines by a redox cycle (both the electrode width and the gap between the electrodes are 2 μm), a reference electrode 5 and a
[0034]
[0035]
Further, according to this method, since a film can be formed only on the comb-shaped electrode 4, the sensitivity of the comb-shaped electrode 4 can be maintained without inhibiting the diffusion of catecholamines between the electrodes.
[0036]
The online catecholamine sensing of the present invention was connected to a potentiostat (BAS) and a syringe pump (CMA) for measurement. The potential applied to the comb electrode 4 was set to 600 and −50 mV with respect to the reference electrode 5. A mixed solution of 1 nM dopamine, 50 μM ascorbic acid, 400 μM uric acid, and 10 nM DOPAC was prepared using bovine serum, placed in the
[0037]
On the other hand, when the system according to the present invention was used, a response current of 0.02 nA was obtained. This was almost the same value as when only 10 nM dopamine was measured online using a similar comb-shaped electrode. That is, this indicates that the system according to the present invention eliminates the influence of the contaminants.
[0038]
As described above, catecholamines can be continuously measured with high sensitivity and selectivity by combining the MD probe, the pre-enzyme-reactor, and the electrochemical detector in combination with the liquid sending system.
[0039]
[Example 2]
FIG. 2 is a configuration diagram for explaining
[0040]
In the second embodiment, an electrode in which a large number of
[0041]
By forming this into an array, a larger current value can be obtained. The electrode was covered with a Nafion membrane to improve the selectivity of catecholamines for metabolites. In this case, measurement can be performed by applying an oxidation or reduction potential to the present electrode.
[0042]
As described above, the sensing system in which the MD probe, the pre-enzymatic modification reactor, and the microelectrode array are combined can continuously measure catecholamines with high sensitivity and selectivity.
[0043]
An experiment similar to that of Example 1 was performed, and it was confirmed that the present system can measure catecholamines with high sensitivity and selectively.
[0044]
[Example 3]
FIG. 3 is a configuration diagram for explaining a third embodiment of the online catecholamine sensing system of the present invention. In the figure,
[0045]
In the third embodiment, an electrochemical reactor having electrodes formed in a flow path in a thin-layer cell is provided instead of the pre-enzyme modification reactor which is the pre-reactor of the first embodiment. An electron transfer mediator film (osmium polymer) was applied on the
[0046]
An experiment similar to that of Example 1 was performed, and it was confirmed that the present system can measure catecholamines with high sensitivity and selectively.
[0047]
[Example 4]
FIG. 4 is a configuration diagram for explaining Embodiment 4 of the online catecholamine sensing system of the present invention, and shows a chip type online catecholamine sensing system to which an MD probe is connected. In the figure,
[0048]
For the
[0049]
A silver paste was applied on the
[0050]
The on-line catecholamine sensing system of the present invention was connected to a potentiostat and a syringe pump to detect dopamine. Serum was prepared so that dopamine at a concentration of 1 nM, ascorbic acid at 50 μM, uric acid at 400 μM, and DOPAC at 30 nM were introduced into the system. On the other hand, the same experiment was performed on an online catecholamine sensing system without using an MD probe, an enzyme, and an anionic molecular membrane. When the above solution was introduced and measured, a current of about 700 nA was observed in the sensing system without any modification, whereas a current of about 20 pA was observed in the online catecholamine sensing system according to the present invention. This is because the effects of DOPAC, uric acid, and ascorbic acid were all eliminated, and only dopamine was detected.
[0051]
Further, by integrating the prereactor and the electrochemical cell for detection, the ineffective volume could be significantly reduced, and the measurement time could be shortened.
[0052]
As described above, the chip-type catecholamine sensing system combining the MD probe, the prereactor, and the detection electrode is capable of controlling the trace amount substance in a biological sample such as dopamine without being affected by metabolites and the like. It can be detected well.
[0053]
In addition, if this system is integrated on a single chip and the flow path between the prereactor and the electrochemical detector is made thin, the flow of liquid will be smooth and the sensitivity of the prereactor and the electrochemical detector will increase. It works.
[0054]
[Example 5]
FIG. 5 is a configuration diagram for explaining Embodiment 5 of the online catecholamine sensing system of the present invention, and is a diagram showing an online catecholamine sensing device provided with a merging channel. In the figure,
[0055]
In the fifth embodiment, the on-line catecholamine sensing device of the first embodiment shown in FIG. 1 is provided with a
[0056]
Similarly to Example 1 described above, a mixed solution of adrenaline at a concentration of 10 nM, ascorbic acid at 50 μM, uric acid at 400 μM, and DOPAC at 30 nM was prepared using bovine serum, and introduced into the system at a flow rate of 2 μl / min. . Further, a 0.1 N sulfuric acid solution was introduced at a rate of 0.1 μl / min from the merging channel. A similar experiment was performed in a system in which a sulfuric acid solution was not introduced.
[0057]
First, the response current was 0.03 nA in the system into which the sulfuric acid solution was introduced. This was almost equivalent to the result obtained when a standard solution containing only adrenaline was measured. In this system, the detection limit was 5 nM. Next, when a sulfuric acid solution was introduced from the merging channel, the response current value increased to 0.05 nA.
[0058]
Thus, the response current increased despite the introduction of the sulfuric acid solution, despite the decrease in the adrenaline concentration in the sample, because the pH of the sample was reduced to 3 or less, and the redox efficiency of adrenaline was improved. This is because the response amplification factor has been improved. With the improvement of the oxidation-reduction efficiency, the detection limit was improved to 3 nM.
[0059]
As described above, by introducing a low-pH solution, such as a sulfuric acid solution, to a chip-type catecholamine sensing device that combines an MD probe, a prereactor, and a detection electrode, high sensitivity can be achieved in the range of pH in vivo such as adrenaline. Even for substances that are difficult to measure, the pH in the sample can be changed and measurement can be performed with high sensitivity.
[0060]
[Example 6]
FIG. 6 is a configuration diagram for explaining
[0061]
In the sixth embodiment, a merging
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a sampling probe formed in a flow path for sampling a biological fluid, and a prereactor for decomposing oxidizable substances in the biological fluid extracted by the sampling probe And an electrochemical detector in communication with the prereactor and provided with a membrane having molecular selectivity, so that continuous measurement is possible and high sensitivity and high selective measurement are possible. Further, since the reactor and the detector can be easily replaced while the probe is left in the living body, continuous measurement can be performed for a long period of time. In addition, since the time until a response is reduced, real-time measurement can be performed. From this, it is possible to follow changes in the disease state and the like well.
[0063]
Furthermore, if this system is integrated on one chip and the flow path between the pre-reactor and the electrochemical detector is made thinner, the flow of liquid will be smoother, the reaction efficiency in the pre-reactor and the electrochemical detector This has the effect of increasing the sensitivity of the camera.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining Embodiment 1 of an online catecholamine sensing system of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram for explaining
FIG. 3 is a configuration diagram for explaining Embodiment 3 of the online catecholamine sensing system of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram for explaining Embodiment 4 of the online catecholamine sensing system of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram for explaining Embodiment 5 of the online catecholamine sensing system of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram for explaining Example 6 of the online catecholamine sensing system of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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