JP2005181330A - 生物反応と非生物反応を観察するための浸透反応検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】各種化学種の結合反応及び触媒反応等について、低い濃度で多数の対象となるサンプルを検査するための、直接的で、単純で、一般的な検査技術またはシステムの提供。
【解決手段】反応検出器内の浸透圧の変化を測定することによって、対象となる第１の材料と第２の材料との反応の有無を測定する方法および装置を提供する。反応検出器は、化学種の１０^−７Mまでの濃度での触媒反応または結合反応での浸透圧の変動によって生じる圧力の微小変化を測定することができる。
【選択図】図９

Description

本発明は、生物反応および非生物反応において反応性を観察することに関する。特に、マイクロアレイまたはマイクロタイタプレートのウェルのアレイ等のアレイ内の材料の反応性に組み合わせて応用できる。また、本発明について、このような反応性を参照しながら説明する。

研究者は、さまざまな分野で、ますます盛んにコンビナトリアルケミストリ技術（combinatorial chemistry techniques）を採用している。医薬品産業では、対象となる蛋白質、核酸、または他の巨大分子に結合する新しい分子候補の試験が、多種多数の用途の研究で盛んに行われている。また、新しい化合物を形成する触媒作用と、望ましくない化合物を分解する触媒作用と、生体経路を修正する作用と、薬剤の過剰投与や、生物兵器への暴露や、他の状態、特に、潜在的な抗原や毒物によって引き起こされる状態に対応した治療薬としての機能と、を備えた新しい抗体の開発は非常に盛んである。

これらの分子の結合反応と触媒反応両方の反応性を検査するため、研究者は、マイクロアレイやラボオンチップ（lab-on-a-chip）のような装置を含め、さまざまな技術を利用する。このような技術において、研究者は、蛍光タグに頼って対象分子の反応を検査する場合がある。効果的な方法であるとは言え、この方法では、検査に先立って候補となる化合物それぞれに蛍光タグを添付する必要がある。この添付作業は、厄介である上、多数の試料を検査する場合は膨大な時間を浪費することになる。ウェントワース（Ｐ．Ｗｅｎｔｗｏｒｔｈ）とジャンダ（Ｋ．Ｊａｎｄａ）が執筆した「Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ａｎｔｉｂｏｄｉｅｓ： Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ（触媒抗体：構造と作用）」（２００１年発行の「Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃｓ（細胞生化学と生物物理学）」第３５巻、６３〜８７頁に掲載）（非特許文献１）という論文は、コンビナトリアルケミストリ技術を利用して新しい抗体を開発する研究者が直面する多数の問題点を描き出すと共に、このような研究者が追試できる手順を例示する。

研究者が、高速反応についてのリアルタイムの高スループット観察に利用する１つの技法は、微小熱量測定に基づいた処理に依存する。この処理については、２００２年４月１日に出願された「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ａ Ｎａｎｏｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ（化学反応検出用のナノカロリメータとその測定方法）」という名称の米国特許出願第１０／１１４，６１１号明細書に記載されている。前記特許出願は、本願と共に譲渡されたもので、その内容全体を本願明細書の一部として援用する。このナノカロリメータは、通常、最大約数十秒程度の時間尺度の反応で十分な熱量が生成される試料には有効であるが、反応があまりに低速、または微弱で、検出可能な熱が生成されない場合には不適切である。この問題は、数分または数時間程度を必要とする反応において特に顕著である。

溶液の浸透圧は、束一性で、該溶液内の溶質分子の濃度によって決まる。希薄溶液については、浸透圧Πが次式に従う。
Π＝ｃＲＴ
上式において、ｃは溶液のモル濃度、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。基本的に、溶液の各モルは、ＲＴの熱エネルギを浸透圧に与える。

まず、両方の化学種が、初期状態において同一のモル濃度Ｎで反応セル内に存在する場合について考える。ここで、「第１の材料」と「第２の材料」の用語は、それぞれ、「材料１」と「材料２」の用語と交換可能に用いられ、特に明記した場合を除いて同じものを表すものとする。この初期の未反応状態において、両化学種の混合濃度は２Ｎであり、各化学種は、セル内の浸透圧に均等に寄与する。第１の材料が第２の材料と反応して、結合された複合分子を形成する場合は、単位体積当たりＮモルの第１の材料が、単位体積当たりＮモルの第２の材料と反応して、単位体積当たりＮモルの材料１−材料２複合体を生成する。したがって、これら２つの構成材料による浸透圧は、結合前のレベルの２分の１に低下する。

逆に言うと、問題の反応が、触媒反応的な性質を持つ場合、たとえば、触媒抗体が抗原を開裂させる抗原に対する触媒抗体の反応である場合は、単位体積当たりＮモルの材料１が単位体積当たりのＮモルの材料２と反応して、単位体積当たり２Ｎモルの材料２の断片と、単位体積当たりＮモルのオリジナルの材料１とを形成する。この場合、浸透圧は２分の１だけ増加する。また、浸透圧は、長期間、たとえば、最大数時間に渡って観察できるパラメータである。

したがって、浸透圧を利用して、両方の生物系の反応性を検査することが試みられている。ただし、これらの系は、一般に、浸透圧が約５，０００から１０，０００Ｎ／ｍ^２以上の高濃度の環境で検査される。更に、前述の系は、通常、一度に単一の反応についてのみ検査される。

低濃度の研究には、低い濃度を用いることでより選択的な反応を提供できるという利点がある。たとえば、次式の解離定数Ｋ_ｄを持つ結合反応の研究について考察する。

この反応では、ＡとＢが結合して結合体Ｃを形成すると共に、解離定数が角括弧で括られた濃度に換算されて記述される。この数式は、理想的な溶液の振る舞いを想定したものであるが、ここに記載する目的にとっては十分なものである。結合の検査では、多くの場合、Ｋ_ｄの大きさの指標を得ることが求められる。薬剤の選別と開発に関わる研究、蛋白質同士の相互作用のプロテオームワイドな（proteome-wide）調査等を含む多くの生化学研究において、対象となるＫ_ｄ値は、一般に、１〜１０μＭより小さいもので、１〜１０００ｎＭからの値、特に１００ｎＭより小さい値もまれではなく、むしろ特に興味を引く対象であることも多い。Ｋ_ｄを測定するためには、Ｋ_ｄの値からあまりかけ離れていない濃度で反応を研究する必要がある。この範囲の上限において、滴定は、Ｋ_ｄの１０倍から１００倍の濃度で実行してよいが、可能な場合にはＫ_ｄの値に近い濃度での滴定が好ましい。

ウェントワース（Ｐ．Ｗｅｎｔｗｏｒｔｈ）とジャンダ（Ｋ．Ｊａｎｄａ）著「Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ａｎｔｉｂｏｄｉｅｓ： Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ（触媒抗体：構造と作用）」（２００１年発行の「Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃｓ（細胞生化学と生物物理学）」第３５巻、６３〜８７頁に掲載）

このように、各種化学種の結合反応及び触媒反応等について、できる限り低い濃度で研究を行うことに利点がある。特に、１０^−６〜１０^−７Ｍの低い濃度で研究を行うことができることに利点がある。同様に、遅いターンオーバー速度を有する酵素反応を含む、低濃度での酵素反応の動的測定を行うことができることに利点がある。

しかしながら、各種化学種の結合反応及び触媒反応等について、対象となる低濃度レベルにおいて、多数の対象となるサンプルを検査するための、直接的で、単純で、一般的な検査技術またはシステムは存在しない。

提示する各種実施形態の一側面において、対象となる第１の材料と第２の材料との反応における反応性を観察する方法および装置を提供する。浸透反応検出器は、半透性膜と、圧力センサとを含み、キャリヤ流体と、対象となる第1の材料と、対象となる第２の材料とを含む反応混合物、および前記第1の材料と、前記第２の材料と、代理基準材料（surrogate reference material）と、キャリヤ流体とのうちのいずれか１つ、またはその組み合わせを含む標準液について、前記反応混合物と前記標準液のいずれか一方を前記浸透反応検出器に導入し、前記半透性膜が、流体と接触した状態で、前記反応混合物と前記標準液との間に配設されるように、前記浸透反応検出器を位置決めし、浸透反応検出器の位置決め後、前記浸透反応検出器において、前記第１の材料、第２の材料、代理基準材料、および前記第１の材料と前記第２の材料から形成される反応生成物質の１つ以上について、前記浸透反応検出器内で濃度が変化した結果、圧力に変化が生じる際に、前記圧力センサからの出力を観察する。

ここで用いられる用語の「第１の材料」と「第２の材料」、ならびに「材料１」と「材料２」は、幅広い意味で任意の２種類の化合物または分子を指すもので、それら２つの材料の潜在的反応性が研究者の研究対象となるものである。したがって、これらの用語は、特定の物質に限定されることなく、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、オリゴヌクレオチド、溶球またはマトリクス材料に結合した化合物、抗原、抗体、配位子または共に反応可能な他の化学種を任意に示すことができる。本明細書では、各所において、第１および第２の材料として抗体と抗原とを参照して説明する。このような化学種が経験する反応は、触媒抗体反応、抗体結合等を含む。

図１を参照して説明する。第一実施形態において、センサ１０は、複数の浸透反応セル１２を含み、該浸透反応セル１２は、それぞれ、半透性膜１８によって分離された、下部、すなわち第１の閉じたウェル１４と上部、すなわち第２のウェル１６とを含む。第１ウェル１４は、それぞれ、側壁２０と、開口部を画定する底面２２とを含む。可撓性隔膜２４は、底面２２に設けられた開口部に組み付けられるか、または配設される。側壁２０と、底面２２と、可撓性隔膜２４とが共同して内部チャンバを形成し、該内部チャンバには、流体投入口２６から流体が導入される。第２ウェル１６は、側壁２８と、第２ウェル１６の底面を構成する半透性膜１８とによって画定される。第２ウェル１６の上端が開口し、流体の導入を許容することが図示されている。反応セル１２は、図に示すように、該セル１２が浸透セルの大アレイの一部であるときには、左右に連続して構成される。

図１のセンサ１０は、その一部が変更されてもよく、変更された場合であっても例示する実施形態の概念の範囲内にあるものとする。

図２において、第１ウェル１４には、投入口２６から、キャリヤ流体と基準材料とを含む標準液３２が充填される。この基準材料は、対象の第２の材料との反応性レベルを求めたい材料、たとえば抗体、であってよい。また、基準材料は、所望の濃度の標準液内で、自分自身または他の溶液のいずれとも反応しない代理材料（surrogate material）であってもよい。標準液として求められるのは、その溶液が有する溶質分子の総数が変化しない溶液である。あるいは、別の選択肢として、標準液は、基準材料またはその中に溶解している他の溶質のいずれも含まずに、キャリヤ流体のみを含むものであってもよい。下記においては、基準材料が抗体であるとして説明するが、前述したように、他の任意の非反応材料も基準材料として適している。

平衡状態に達した後、第１ウェル１４内の圧力が、任意の周知の検出システム３１によって記録され、センサを較正する。選択した検出システムについては、この後の段落で詳述する。当業者であれば理解されるであろうが、キャリヤ流体の固有特性は、抗体の固有特性によって変化することがある。ただし、キャリヤ流体としては、検査が実行される条件（たとえば、温度等）下において抗体がそのキャリヤ流体内に少なくとも部分的に溶融できるものを選択する。

続いて、キャリヤ流体と共に抗体と抗原種とを含む反応混合物３４が、反応セル内の第２ウェル１６に導入される。反応混合物３４内のキャリヤ流体と基準液３２は、通例、同一であってよい。実施形態について一例を用いて説明するが、この例は説明の便宜上のものであり、本発明を実施するために同一の内容を要求するものとして提示したのではない。この例において、第２ウェル１６内の抗体と抗原の合計濃度は、第１ウェル１４内の抗体濃度と一致する（すなわち、等しい）。ただし、第１ウェル１４内の濃度と第２ウェル１６内の濃度は一致しなくてもよいことは理解されるであろう。

また、上述の例では、第１ウェル１４に標準液３２が充填され、第２ウェル１６に反応混合物３４が充填されるが、ウェルを逆に充填することも適宜行われてよく、その場合は、第１ウェル１４に反応混合物３４が充填され、第２ウェル１６に標準液３２が充填される。

ここに記載した実施形態は、好ましくは約５×１０^−５から１０^−７Mの範囲の反応物質濃度、より好ましくは約５×１０^−６から１０^−７Ｍより低い反応物質濃度の反応の検査に非常に適したもので、約０．１マイクロリットルから１００マイクロリットルの溶液量を想定している。このように、例示する実施形態において、ウェルは、横幅が約１ｍｍ、深さが約１００ミクロン、総容積が０．１マイクロリットルに構成できる。言うまでもなく、本実施形態は、このような範囲または幾何形状に限定されると解釈されるものではない。ここに記載した実施形態において、各ウェルの容積は、一般に、約０．０５マイクロリットルから約１００マイクロリットルである。

ただし、本実施形態の精神を維持するには、セルのサイズと流体の量は、検知される圧力に基づいて適切に選択されるものとする。すなわち、開示された構成要素および流体の量を、ウェル内の流体全体に温度均衡を提供する量として構成することで、対象容積の測定結果を不正確なものにする可能性のある好ましくない温度変化が防止される。

各反応セルは、任意の既知の方法、たとえば、マイクロピペット、または音波滴下射出システム（acoustic drop ejection system）を含む任意の他の流体送出システムを用いて充填されてよい。このようなシステムは、周知であり、本実施形態で例示する用途に応じて容易に適合できる。たとえば、第２ウェル１６が開口している場合、簡単に実行できるのは、市販のロボット式液体試料送出システムを利用して、これらのチャンバに試料を送る方法である。アレイの応用例では、すべての第１ウェル１４が同一の溶液を含む場合があるが、このような場合は、開示されている液体送出システムを用いて、すべてのチャンバに試料を送れる。

半透性膜１８は、キャリヤ流体を浸透させる一方で、抗体、抗原、およびその２つから形成されるすべての反応物に対しては不浸透性であるように選択される。ここで、第２ウェル１６内の抗体と抗原の合計濃度は、第１ウェル１４内の抗体の濃度に一致する場合について考察する。このように選択された濃度では、抗体と抗原が全く反応しないとき、第１ウェルと第２ウェルの浸透圧の差は無視できるものであるか、あるいはゼロである。その場合、上部、すなわち第２ウェルは大気圧であるので、圧力に対する流体の高さに応じた重力効果を考慮すると、下部、すなわち第１ウェルは、大気圧と同等の圧力になろうとする。適切な膜は、当業者には周知で、たとえば、フィッシャー・サイエンティフィック（Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）社製のもの等、各種の透析膜などがある。これらの膜は、たとえば、ここで説明する反応物の容量および種類に適している１００ダルトン（Dalton）から３００，０００ダルトンの範囲の分子量カットオフ（molecular weight cutoffs）を有する。

他の実施形態において、半透性膜は、第１と第２の両方の材料の全構成成分と、これらの材料から形成される生成物質とに対して不浸透性である必要はない。むしろ、本実施形態は、反応セル内に反応が生じたときに不浸透性構成要素のモル濃度が変化する限り、第１の材料と第２の材料の反応の存在とその程度の判定に利用できる。たとえば、触媒抗体が不浸透性分子と反応して、不浸透性分子を、すべてが浸透性である断片に分割する場合がある。この場合は、浸透性生成物質が存在する一方で、不浸透性の構成成分の数は２つ（すなわち、触媒抗体と不浸透性分子）から１つ（すなわち、触媒抗体）に変化する。この反応は浸透圧を変化させることになる。また、これは、浸透性反応物質を不浸透性の生成物質に変える反応でもある。一方、触媒抗体が、不浸透性反応物質を片方が浸透性で、もう片方が不浸透性の２つの個別の分子に開裂させた場合は、不浸透性物体のモル濃度が変化しないため、浸透圧は変動しない。

換言すると、抗体と抗原のあらゆる結合反応または触媒反応は、両方の化学種が不浸透性であるとき、第２ウェル内の溶質分子の総数を変化させ、ひいては、反応セル１２内で第１ウェルと第２ウェルの浸透圧の差を変化させる。たとえば、前述したような初期濃度において、抗原と抗体が結合反応を生じて、抗原−抗体複合体分子を形成したとすると、単位体積当たりＮモルの抗原化合物が単位体積当たりNモルの抗体と反応して、単位体積当たりNモルの抗原−抗体複合体を生成する。したがって、これら２つの構成成分による浸透圧は、以前のレベルの２分の１まで低下する。その結果、第１ウェル（濃度２Ｎの抗体を含むが抗原は含まない）の浸透圧が、第２ウェルの浸透圧より大きくなるが、これは、反応後に、第１ウェルの抗体の濃度が、第２ウェルの抗原−抗体複合体の濃度の２倍になるためである。

第２ウェル内の抗原と抗体に触媒反応が生じて、抗原を開裂させた場合は、逆の結果になる。この場合は、単位体積当たりＮモルの抗原分子が、単位体積当たりＮモルの抗体と反応して、単位体積当たり２Ｎモルの抗原断片と、単位体積当たりNモルのオリジナルの触媒抗体とを形成するので、第２ウェルの浸透圧が増加し、第１ウェルの浸透圧が第２ウェルの浸透圧より小さくなる。なお、上記の説明では、抗原と抗体両方のモル濃度が等しいことを想定している。ただし、このことは必ずしも必要ではなく、前述した実施形態は、抗体と抗原のモル濃度が等しくない系にも容易に拡張できる。その場合、１つ以上の標準セルの浸透圧を適切に較正または比較する必要が生じる場合もある。

前述したように、これらの浸透圧は、抗原と抗体の反応によって変化し、次式で定義される。
Π＝ｃＲＴ
上式において、Πは浸透圧、ｃは溶液のモル濃度、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。センサ１０内で前述したように反応が行われると、これらの圧力差の変化が顕在化して、可撓性隔膜２４の撓みとなって現れる。本実施形態が特に適しているのは、化学種が初期状態において約５×１０^-５から５×１０^-７Ｍの範囲の濃度で存在する反応における浸透圧の変化を測定する場合である。このような濃度において、通常、Πは、５℃から４０℃の範囲の一般的な測定温度において、約１．２から１３０Ｎ／ｍ^２の範囲にある。ただし、各実施形態は、これより高い濃度の溶液に対しても同様に適合する。

隔膜は、浸透圧の変化に対応した隔膜の撓みを検出できる好ましい固有ばね定数を持つ。例示する隔膜の撓みは、大きく変形する端部において固定および保持される円形の隔膜用の下記のローク（Ｒｏａｒｋ）計算式を用いて予測できる。

上式において、ｙは撓み、ｌは隔膜の半径、Ｐは圧力、Ｅはヤング率（後述するような標準的な電気活性ポリマ隔膜材料を対象とした場合は、一般に、０．３〜１０ＭＰａの範囲）、υはポアソン比、ｔは隔膜の厚さである。したがって、厚さ１２．５ミクロン、Ｅ＝１ＭＰａ、半径１ｍｍ、υ＝０．３の隔膜は、Ｐ＝２．５Ｐａで３９ミクロンの撓み、Ｐ＝１００Ｐａで１４０ミクロンの撓みを経験する。別の選択肢として、所望のより低い有効ばね定数（effective spring constant）が得られるエッチングパターンを用いて、より厚い隔膜を構成することもできる。

ヤング率の低い材料を用いることで、より厚い隔膜を利用できる。隔膜への利用に適した材料は、金属に加え、プラスチック類と、たとえば、アクリルエラストマ類やシリコンエラストマ類等のエラストマ類と、を含む。最も一般的な金属のＥは、約４５ＧＰａから２００ＧＰａの範囲である。このような材料を使用すると、隔膜の厚さは、たとえば、約２０ｎｍから３００ｎｍの範囲にできる。標準的なプラスチック類は、約１００ＭＰａから４．５ＧＰａの範囲のＥを有する。このような材料から成る隔膜は、該当の厚さが金属より厚くてもよい。隔膜として用いるのに適したエラストマ類のクラスの一例は、産業界で電気活性ポリマ（ＥＰＡ：Electroactive polymer）として利用されているものを含む。この電気活性ポリマは、ペルライン（Ｒ．Ｐｅｌｒｉｎｅ）、コーンブルー（Ｒ．Ｋｏｒｎｂｌｕｈ）、ペイ（Ｑ．Ｐｅｉ）、およびジョゼフ（Ｊ．Ｊｏｓｅｐｈ）によって記述されている（２０００年２月４日発行の「サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）」２８７巻、８３６〜８３９頁）。これらは、ＶＨＢ４９１０アクリル樹脂（ミネソタ州ミネアポリスの３Ｍ（３M Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）社製）、ＨＳ３シリコン（ミシガン州ミッドランドのダウコーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）社製）、およびＣＦ１９−２１８６シリコン（カリフォルニア州カーペンテリアのＮｕＳｉｌテクノロジー（ＮｕＳｉｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）社製）を含む。このような電気活性ポリマは、約０．３ＭＰａから１０ＭＰａの標準的なＥ値を有する。このような材料から成る隔膜は、一般に、約１から約５０μｍの厚さにできるが、この厚さに限定されるものではない。

反応物質が上述の濃度で存在する反応では、約０．１Ｎ／ｍから約２．５Ｎ／ｍの有効ばね定数を持つ隔膜を利用することで、少なくとも約５０μｍ^２の隔膜の撓み面積を想定した場合に、適切に測定できる線歪を実現する。簡単に測定できる隔膜の線歪の範囲は、たとえば、約０．０２５μｍから２００μｍである。このようなばね定数と１００μｍ^２の撓み面積に対応する線歪を表１に示す。

隔膜の撓みは、各反応セルのアレイに応用できるいくつかの技術を利用して測定される。一例の方法において、隔膜の撓みの変化は、静電容量の変化によって測定される。図３を参照すると、前述したような浸透反応セル１１２を１つ以上含むセンサ１１０が図示されている。各反応セルの可撓性隔膜１２４の撓みを測定するため、静電容量検出器１５０が、２本のリード線１５２で隔膜の両脇に接続されている。隔膜の撓みは、静電容量を変化させる。すなわち、２つのウェルの浸透圧の差によって生じる隔膜の面積の変化が、隔膜の静電容量に変化をもたらす。静電容量の周波数基準の測定を利用して、信号のノイズを低減できる。また、個別制御されるセンサと選別試料とを１つの回路に接続して、同相信号除去（common mode rejection）を行うことができる。隔膜がキャパシタとして機能できるようにするため、可撓性隔膜の両側は、好ましくは、当業者に周知の導電性材料で被覆する。

別の実施形態において、隔膜の撓みは、原子間力顕微鏡に用いられるものと同様の原理で機能する片持ち梁検出システム（cantilever detector system）を用いて測定される。図４を参照すると、前述したような反応セル２１２を１つ以上含むセンサ２１０が図示されている。アーム２１４と先端部２１６を含む片持ち梁は、先端部２１６が可撓性隔膜２１８と接触する位置に配置される。先端部２１６は、隔膜２１８に撓みが生じた場合はその撓みに追随して隔膜２１８と共に移動する。光源２２０から発せられた光の片持ち梁からの反射は、片持ち梁の動きに応じて変化し、検出器２２２に反映される。較正された検出器２２２を利用して、隔膜の撓みの大きさを測定して、浸透圧の変化を判定する。光源は、レーザ、ダイオード、または他の適切な発光素子でよい。また、検出器は、分割式のダイオード検出器、または、反射光の動作について必要な検出を実行する他の検出器でよい。片持ち梁の動きは、片持ち梁内の静電容量の変化と共に、撓みの関数としての片持ち梁の共振の変化を測定することで検出されてもよい。

更に別の実施形態において、隔膜の撓みは、隔膜からの直接の反射光を観測することで測定される。図５を参照して説明する。図には、前述したような反応セル３１２を１つ以上含むセンサ３１０が示されている。隔膜３１４の形状が変化すると、隔膜に衝突する光源３１８からの光３１６の反射角度が変わるので、この状態を検出器３２０で検出してもよい。この反射角度の変化は、隔膜３１４の撓みの大きさと相関する。光源と検出器は、図４に関する説明に記載したものでよい。もちろん、隔膜の撓みを測定する追加の手段を利用することもできる。

図６において、センサ４１０は、前述したような反応セル４１２を１つ以上含む。図示された実施形態では、固体の底面４１４が設けられる。また、一体型の圧力計４１６が、反応セル４１２の壁４１８の１つに設けられており、該圧力計４１６は、対応する第１ウェル４２０の浸透圧の変化を測定するために、第１ウェル４２０と流体接触した状態にある。

第１ウェルと第２ウェルは、前記実施形態において説明した状態に充填される。第２ウェル内の抗体と抗原化学種の反応に先立ち、第１ウェル４２０の溶液が、平衡高さに達するまで圧力計４１６に流入する。抗体と抗原のその後の反応によって第１ウェルの浸透圧が変化すると、圧力計内の溶液の高さが変わる。この高さの変化は、検出可能で、抗体と抗原の反応が生じていることを表す。

図６を参照した説明を続ける。圧力計内の溶液の高さ変化を測定する好ましい手順の１つとして、抵抗検出器４２２と、互いに間隔を空けて設けられ、圧力計４１６内部の液体に浸漬される２つの導体４２４とを含む電気探触子を利用する方法がある。導体間の抵抗は、液体の高さに応じて変化する。これらの抵抗の読取値に基づいて、圧力計内部の液体の高さの変化が記録される。測定される電気抵抗は、ＡＣとＤＣいずれのインピーダンスであってもよい。

図７において、溶液の高さは、光源５１２から圧力計５１４を介して輝く光５１０によって、臨界流体高さで、流体メニスカスの移動を検出することによって観察される。光５１０は、検出器５１６において、メニスカスの移動を観察できる形で検出される。

反応セルのアレイは、簡単かつ低価格で製造されるもので、可撓性のある検知隔膜をアレイ内に組み込む必要性はない。前述した２つの実施例では、検知要素は、むしろ、反応セルのアレイと分離されているので、セルと分離して複数のアレイで利用し、反応セルのアレイを使い捨て可能に構成することもできる。

次に、図８を参照して説明する。図８に、前述した実施形態のいずれか１つに係る独立した各反応セル６１４のアレイ６１２を示す。このようなアレイを利用することで、対象となる同一または異なる材料と探触子化合物を利用して、個別の反応セル内で多数の試料を検査できる。したがって、コンビナトリアルケミストリを採用する分野での利用に非常に有利な大量の同時平行調査を実行できるのみならず、異質の溶液と反応混合物の少なくとも一方をアレイ内の個別の反応セルに充填することによって異なる別個の調査も実行できる。

図９を参照して別の実施形態について説明する。図に、浸透反応検出器７１２を示す。浸透反応検出器７１２は、側壁７１４と上端部７１６を含む。半透性膜７１８は、側壁７１４の少なくとも一部を形成する。可撓性隔膜７２０は、浸透反応検出器７１２の底面に組み込まれるか、または、取り付けられる。もちろん、浸透反応検出器内の半透性膜７１８と可撓性隔膜７２０の正確な配置は重要ではないので、図９に示した場所に限定されると考える必要はない。側壁７１４は、浸透反応検出器７１２が円形に形成される場合は、連続した側壁でよく、浸透反応検出器が他の幾何形状である場合は、いくつかの側壁部位で構成されてよい。上端部７１６は、内部７２２に流体を提供するための封止可能な注入口を備え、永久的に固定される上部壁であってもよい。別の選択肢として、上端部７１６は、流体の導入後に取り付けられるキャップでもよい。半透性膜７１８は、浸透反応検出器７１２の内部７２２を外部環境７２４から分離する。外部環境７２４は、流体７２６の貯蔵槽であってよく、半透性膜７１８は、該貯蔵槽７２４内の流体７２６と浸透反応検出機内に含まれる流体７２８の間に配設される。特定の用途において、これらの流体は、溶液３２または反応混合物３４でよい。

図１０を参照して説明する。浸透圧検出器８１２は、図９と同様に、側壁８１４と、上端部８１６と、半透性膜８１８とを含む。ここで、圧力検知要素としての可撓性膜の代わりに、この実施形態では、互いに間隔を空けて配置され、抵抗検出器８２４と動作的に接続される２つの導体８２２の間に圧力検知ゲル８２０を採用する。

ゲル８２０は、収縮または膨張して、浸透圧の変化に対応する。ゲル８２０は、圧縮に依存する伝導率を備えるように設計されるため、電極８２２の抵抗を測定することで、膨張量または収縮量、ひいては浸透圧を観察できるように構成される。このようなゲルの例として、ポリマゲル材料を使用し、粒子相の濾過しきい（percolation threshold for the particulate phase）付近にカーボンブラック粒子と共に該ポリマゲル材料を装填する。濾過しきい近くの導電性粒子と共に装填されるエラストマ材料は、印加圧力に対する強い従属性を持つ導電性を呈する。ここで、この従属性は、圧縮によって粒子間接触の数が増加するため上昇する。カーボンブラック以外の導電性粒子が利用できる。ポリマゲルは、検査流体にまったく溶解しないか、あるいは僅かしか溶解しない材料で構成されることが好ましい。これは、検査流体内で大幅に、あるいは完全に膨らんだ状態にあるゲルが、異なる浸透圧においても完全に膨らんだ状態を維持して、本実施形態で必要な、浸透圧と共に形状が変化しない特性を保持するためである。

図１０に示すように、ゲル８２０が挿入されて、導体８２２が流体８２６から分離される。この構成によって、抵抗検出器８２４は、ゲル８２０のみに起因する変化を検出する。この点では、導体８２２は、非導電性リングまたはカラー（図示せず）によって、ある高さで導体の間に拡張されるゲルを用いるか、または、導体の底面を用いて流体８２６から分離されてもよい。

図１１を参照しながら別の実施形態について説明する。浸透反応検出器９１２は、図１０に示したような側壁９１４と、上面壁９１６とを含む。図１０を用いて説明した実施形態と同様に、本実施形態でも、互いに間隔を空けて配置され、抵抗検出器９２４と動作的に接続される２つの導体９２２の間に圧力検知ゲル９２０を採用する。この圧力検知ゲル９２０は、界面９４０において反応混合物に直接さらされる。本実施形態において、ゲル９２０は、半透性膜と圧力検知要素の両方の機能を果たす。ゲル材料としては、反応混合物のキャリヤ流体内で部分的に膨らむ材料が選択される。（図１０では、このように膨らむことは、抑制または排除されている。）図１１のゲルは、反応物質、たとえば、抗原と抗体がゲルに浸透できない程度に十分に架橋される。この例では、ゲル表面とゲル内部の浸透圧の差でゲルが圧縮する。なお、抗体と抗原はゲルに浸透できないため、本実施形態における浸透圧は、濃度２Ｎの溶液にそれぞれが濃度Ｎで存在する抗体−抗原反応混合物の浸透圧ではない。

図１２を参照しながら別の実施形態について説明する。浸透反応検出器１０１２は、図９および図１０と同様の側壁１０１４と半透性膜１０１８とを含む。本実施形態において、反応検出器は、流体高さ１０３０まで充填される。また、本実施形態では、圧力検知要素としての可撓性隔膜の代わりに、固体の底面１０２０を備え、互いに間隔を空けて配置された２つの導体１０２２を含む電気接触子を利用する。前記２つの導体１０２２は、反応検出器内で流体高さ１０３０の下の流体内に浸漬されると共に、抵抗検出器１０２４に接続される。ここでは、流体の高さ１０３０と共に変化する導体１０２２間の抵抗が観察される。抵抗の読取値に基づいて、セル内の流体高さの変化を観察できる。一実施形態において、２．５Ｐａから１００Ｐａの圧力に対応した流体の高さは、０．２５ｍｍから１０ｍｍで、十分測定可能な範囲にある。この設計には、適切に制御された物理特性を利用する（すなわち、毛管上昇を測定する）という利点がある。流体と壁面の相互作用に起因するスティクション（stiction）の問題を解決するため、内部壁面の表面特性を適宜選択および制御する必要があることは、言うまでもない。

前述の実施形態で説明した反応検出器を用いると、溶液または反応混合物が導入されたタイタプレート（titer plate）を利用して多数の試料を検査できる。したがって、図１３に示すように、反応混合物の溶液が導入された複数個またはアレイ状のウェル１１０２を含むウェルプレート（たとえば、タイタプレート）１１００が提供される。図９から図１１で説明したいずれかの実施形態に係る複数個またはアレイ状の浸透反応検出器１１０４で、適切な溶液または反応混合物を有する浸透反応検出器１１０４は、ここで、ウェル１１０２内に選択的に配置される。このとき、制御システム１１０６によって操作されるロボットアーム１１０８などの自動化手段によって配置されると好ましい。反応検出器は、ウェル内で、浸透圧が生じる位置に配置される。このようにして、多数の試料を同時に検査できる。複数の浸透反応検出器を同時に用いる利点は、必要な検査時間を削減できること、および異なる調査を同時に実行できる機能が得られることである。すなわち、浸透反応検出器に異なる流体を充填することによって、個々の浸透反応検出器は、それぞれ、アレイ内の他の浸透反応検出器とは異なる調査を実行できる。もちろん、別の設計として、ロボットアーム１１０８は、単一の浸透反応検出器１１０４を運んで、ウェルからウェルへと移動してもよい。

一実施形態に係る空の浸透反応セルのアレイを示す側面図である。 充填された状態で図１の浸透反応セルのアレイを示す側面図である。 第２の実施形態に係る浸透反応セルのアレイを示す側面図である。 第３の実施形態に係る浸透反応セルのアレイを示す側面図である。 第４の実施形態に係る浸透反応セルのアレイを示す側面図である。 第５の実施形態に係る浸透反応セルのアレイを示す側面図である。 第６の実施形態に係る浸透反応セルのアレイを示す側面図である。 浸透反応セルのアレイを示す平面図である。 浸透反応検出器の側面図である。 別の実施形態に係る浸透反応検出器の側面図である。 更に別の実施形態に係る浸透反応検出器の側面図である。 また別の実施形態に係る浸透反応検出器の側面図である。 ロボットシステムによって動かされる浸透反応検出器のアレイとタイタプレートを示す平面図及び斜視図である。

符号の説明

１０ センサ、１２ 浸透反応セル、１４ 第１ウェル、１６ 第２ウェル、１８ 半透性膜、２０，２８ 側壁、２２ 底面、２４ 可撓性隔膜、２６ 流体投入口、３１ 検知システム、３２ 標準液、３４ 反応混合物、１１０ センサ、１１２ 浸透反応セル、１２４ 可撓性隔膜、１５０ 静電容量検出器、１５２ リード線、２１０ センサ、２１２ 浸透反応セル、２１４ アーム、２１６ 先端部、２１８ 可撓性隔膜、２２０ 光源、２２２ 検出器、３１０ センサ、３１２ 反応セル、３１４ 隔膜、３１６ 光、３１８ 光源、３２０ 検出器、４１０ センサ、４１２ 反応セル、４１４ 底面、４１８ 壁、４２０ 第１ウェル、４２２ 抵抗検出器、４２４ 導体、５１０ 光、５１２ 光源、５１６ 検出器、６１２ アレイ、６１４ 反応セル、７１２ 浸透反応検出器、７１４ 側壁、７１６ 上端部、７１８ 半透性膜、７２０ 可撓性隔膜、７２２ 内部、７２４ 外部環境、７２６，７２８ 流体、８１２ 浸透圧検出器、８１４ 側壁、８１６ 上端部、８１８ 半透性膜、８２０ 圧力検知ゲル、８２２ 導体、８２４ 抵抗検出器、８２６ 流体、９１２ 浸透反応検出器、９１４ 側壁、９１６ 上面壁、９２０ ゲル、９２２ 導体、９２４ 抵抗検出器、９４０ 界面、１０１２ 浸透反応検出器、１０１４ 側面、１０１８ 半透性膜、１０２０ 底面、１０２２ 導体、１０２４ 抵抗検出器、１０３０ 高さ、１１００ ウェルプレート、１１０２ ウェル、１１０４ 浸透反応検出器、１１０６ 制御システム、１１０８ ロボットアーム。

Claims (8)

1. 対象となる第１と第２の材料との反応における反応性を観察する方法であって、
   （ａ）半透性膜と、圧力センサとを含む浸透反応検出器を設けるステップと、
   （ｂ）キャリヤ流体と、対象となる第１の材料と、対象となる第２の材料とを含む反応混合物、および前記第1の材料と、前記第２の材料と、代理基準材料と、キャリヤ流体のうちのいずれか１つ、またはその組み合わせを含む標準液について、前記反応混合物と前記標準液のいずれか一方を前記浸透反応検出器に導入するステップと、
   （ｃ）前記半透性膜が、流体と接触した状態で、前記反応混合物と前記標準液の間に配設されるように、前記浸透反応検出器を位置決めするステップと、
   （d）前記浸透反応検出器の位置決め後、前記浸透反応検出器において、前記第1の材料、第２の材料、代理基準材料、および前記第1の材料と第２の材料から形成される反応生成物質のうちの１つ以上について、前記反応混合物内の濃度が変化した結果として圧力に変化が生じる際に、前記圧力センサからの出力を観察するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載された方法であって、
   前記方法は、複数の浸透反応検出器を使用して実行され、前記複数の浸透反応検出器のうちの少なくとも２つは、少なくとも１つの異なる第1の材料または第２の材料を利用することを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、
   少なくとも２つの浸透反応検出器の観察は、実質的に同時に実行されることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   前記方法で観察する前記浸透器内の反応は、前記反応混合物内に存在する、対象となる前記第１の材料と前記第２の材料の初期濃度が約５×１０^-５Ｍから５×１０^-７Ｍの範囲にあることを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   前記圧力センサは、約０．１から２．５Ｎ／ｍの有効ばね定数を持つ隔膜であることを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、
   前記浸透圧の変化は、約１．２Ｎ／ｍ^２以上から測定されることを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、
   対象となる前記第１の材料と前記第２の材料の少なくとも一方は、抗体、抗原、核酸、蛋白質、配位子、オリゴヌクレオチド、またはポリペプチドであること特徴とする方法。
8. 浸透反応検出器内の不浸透性化学種の濃度変化の結果としての前記検出器内の圧力変化を測定することによって、対象となる第１の材料と対象となる第２の材料との反応における反応性を観察する浸透反応検出器であって、
   内部チャンバを画定する本体と、
   前記本体に組み込まれる半透性膜であって、対象となる前記第１の材料と、対象となる前記第２の材料と、前記第１の材料と前記第２の材料とから形成される反応生成物質と、に対して不浸透性である一方で、キャリヤ流体に対して浸透性である半透性膜と、
   前記検出器の浸透圧の変化を測定する圧力センサと、
   を含むことを特徴とする浸透反応検出器。

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