JP2006184250A - Biosensor, method for measuring object, cartridge for biosensor, and nonwoven fabric - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はバイオセンサ、対象物測定方法、バイオセンサ用カートリッジ及び不織布に関し、特に簡便、迅速に測定可能なバイオセンサ、対象物測定方法、バイオセンサ用カートリッジ及び不織布に関する。 The present invention relates to a biosensor, an object measurement method, a biosensor cartridge, and a nonwoven fabric, and more particularly, to a biosensor, an object measurement method, a biosensor cartridge, and a nonwoven fabric that can be measured easily and quickly.
近年、臨床診断・検出や遺伝子の解析においては、抗原、抗体、DNA(Deoxyribonucleic Acid)、RNA(Ribonucleic Acid)等を検出するために、抗原とそれに対する抗体との結合等の特定の分子同士の特異的な結合を利用した免疫学的手法が用いられている。
これらの分析の手法の1つである固相結合分析には、磁性体粒子を用いる方法がある。磁性体粒子を用いた固相分析の模式図を図13に示す。
In recent years, in clinical diagnosis / detection and gene analysis, in order to detect antigens, antibodies, DNA (Deoxyribonucleic Acid), RNA (Ribonucleic Acid), etc., specific molecules such as the binding of an antigen to an antibody against it can be detected. An immunological technique using specific binding is used.
One of these analysis methods, solid phase binding analysis, includes a method using magnetic particles. FIG. 13 shows a schematic diagram of solid phase analysis using magnetic particles.
図13に示されるように、この分析は、固相91と、第2の分子受容体95と、磁性体粒子Mgと、第1の分子受容体93としての2次抗体と、を用いて行われ、測定対象物94の分析を行う。
固相91は、試料溶液と接する固相面を有し、該固相面に第2の分子受容体95を固定する。固相91には、ポリスチレンビーズ、反応槽壁、基板等が用いられる。
第2の分子受容体95は、試料溶液中に存在する抗原、抗体、DNA、RNA等の測定対象物94を選択的に固相91に保持する物質である。第2の分子受容体95としては、測定対象物94に特異的に結合する分子が用いられ、抗原、抗体、DNA、RNA等が用いられる。
As shown in FIG. 13, this analysis is performed using a
The
The second
磁性体粒子Mgは、磁性を帯びた粒子であり標識物質として用いられる。すなわち、この磁性体粒子Mgの形成する磁場を検知することにより磁性体粒子Mgの量を特定し、試料溶液中の測定対象物94の有無あるいは濃度を認識する。磁性体粒子Mgのほかに標識として、放射性物質、蛍光体、化学発光体、酵素など検知可能な信号を発するものが用いられている。これら標識を用いた検査法としては、抗原−抗体反応を利用した酵素免疫測定法(EIA法)や、イムノアッセイの標識化合物として化学発光性化合物で標識する狭義の化学発光法(CLIA)や化学発光性化合物を検出系に用いて酵素活性を高感度に検出する化学発光酵素法(CLEIA)等の化学発光法(CL法)等が公知である。
The magnetic particles Mg are magnetic particles and are used as a labeling substance. That is, by detecting the magnetic field formed by the magnetic particles Mg, the amount of the magnetic particles Mg is specified, and the presence or concentration or the concentration of the
第1の分子受容体93は、測定対象物94に特異的に結合するものであり、あらかじめ磁性体粒子Mgに固定される。
図13に示す分析では、まず、あらかじめ第2の分子受容体95を固定した固相91に、測定対象物94を含む試料溶液を投入する。これにより、測定対象物94が、第2の分子受容体95を介して固相91に結合する。試料溶液中に含まれる他の物質は、固相91に結合することなく、試料溶液中を浮遊する。次に、第1の分子受容体93を固定した磁性体粒子Mgを試料溶液中に投入する。このとき、第1の分子受容体93が測定対象物94に特異的に結合することで、磁性体粒子Mgが第2の分子受容体95を介して固相91に結合する。次に、この磁性体粒子Mgの磁気を検知し、固相91に結合した磁性体粒子Mgの量を特定する。これにより、固相91に結合した測定対象物94の濃度あるいは、位置を特定することができる。この磁性体粒子により形成される磁気を、アレイ状に配置した磁気抵抗素子により検出する方法が特許文献1により開示されている。
The first
In the analysis shown in FIG. 13, first, a sample solution containing the
また、ホール素子をアレイ状に配置し、磁性体粒子を検知する方法が、特許文献2及び特許文献3により開示されている。
これらの分析手法では磁性体粒子の検出するセンサに関する技術については開示されているが、実際に測定対象物を分析するシステム全体に関する技術は開示されていない。
さらに迅速かつ簡便な分析を行う為には、工程数が少なくかつ手間のかからない手法が望まれる。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、抗原、抗体、DNA、RNA等の測定対象物を迅速かつ簡便に分析可能なバイオセンサ、対象物測定方法、バイオセンサ用カートリッジ及び不織布を提供することにある。
In these analysis techniques, techniques relating to sensors that detect magnetic particles are disclosed, but techniques relating to the entire system that actually analyzes the measurement object are not disclosed.
Furthermore, in order to perform quick and simple analysis, a technique that requires a small number of steps and does not require labor is desired.
The present invention has been made in view of the above-described problems. A biosensor, a target measurement method, a biosensor cartridge, and a non-woven fabric capable of quickly and easily analyzing a measurement target such as an antigen, an antibody, DNA, or RNA. It is to provide.
上記課題を解決するために、本発明の請求項1によるバイオセンサは、磁性体粒子の量を測定することで測定対象物を分析するバイオセンサにおいて、前記反応槽内に配置され、前記測定対象物と特異的に結合する第1の分子受容体を表面に有する磁性体粒子と、前記測定対象物を含む溶液を保持するための反応槽と、前記反応槽に設置され、前記磁性体粒子の量を測定するセンサチップと、を備え、前記センサチップは、検知した磁場の強さに応じた出力値を出力する複数の磁場検知素子が2次元に配置されてなる磁気センサと、前記磁場検知素子の各々を選択する選択回路と、前記磁気センサの出力信号を増幅する増幅回路と、前記測定対象物と特異的に結合する前記磁気センサの表面に形成された第2の分子受容体と、を備えることを特徴とする。
このように、センサチップとともに予め第1の分子受容体を備えた磁性体粒子を反応槽内に配置させておくことにより、測定時には、測定対象物を含む溶液を反応槽に滴下するだけで、磁性体粒子を試薬として別途準備しておく等の手間を要することなく磁性体粒子を迅速かつ簡便に測定することができる。
In order to solve the above-described problem, a biosensor according to
In this way, by arranging magnetic particles provided with the first molecular receptor in advance in the reaction tank together with the sensor chip, at the time of measurement, just dropping the solution containing the measurement object into the reaction tank, Magnetic particles can be measured quickly and easily without the need for preparing magnetic particles separately as a reagent.
本発明の請求項2によるバイオセンサは、請求項1において、前記センサチップと対向する位置に、磁場発生装置を備えたことを特徴とする。
測定対象物を含む溶液を滴下し、所定の時間が経過した時、磁性体粒子の一部が測定対象物を介してセンサチップ表面上に特異的に結合し、残りの磁性体粒子は結合せずに溶液中に浮遊するか、センサチップ表面に沈降している。従って、センサチップと対向する位置に磁場発生装置を備え、磁場を発生させることで、特異的に結合していない磁性体粒子をセンサチップ表面から遠ざけることができる。さらに、この状態を保持したまま、すなわち特異的に結合していない磁性体粒子をセンサチップ表面から遠ざけ、かつセンサチップに磁場を印加した状態で、センサチップ表面に特異的に結合した磁性体粒子をセンサチップにより検出することができる。
The biosensor according to
When a solution containing the measurement object is dropped and a predetermined time has elapsed, some of the magnetic particles are specifically bound to the surface of the sensor chip via the measurement object, and the remaining magnetic particles are not bonded. Without floating in the solution or settling on the surface of the sensor chip. Therefore, by providing a magnetic field generator at a position facing the sensor chip and generating a magnetic field, magnetic particles that are not specifically bonded can be moved away from the sensor chip surface. Further, while maintaining this state, that is, magnetic particles that are not specifically bound to the sensor chip surface are kept away from the sensor chip surface and a magnetic field is applied to the sensor chip. Can be detected by the sensor chip.
本発明の請求項3によるバイオセンサは、請求項1又は2において、前記磁性体粒子の周囲を、乾燥した糖類及び緩衝剤で覆うことを特徴とする。
磁性体粒子を乾燥した糖類及び緩衝剤で覆った状態で配置することにより、第1の分子受容体を安定して保存することが可能となり、さらに測定時に測定対象物を含む溶液に曝された時、磁性体粒子が溶け出しやすくなる。また、反応槽内への磁性体粒子の配置も容易である。
The biosensor according to claim 3 of the present invention is characterized in that, in
By placing the magnetic particles covered with dry saccharides and a buffer, it becomes possible to stably store the first molecular receptor, and it was exposed to a solution containing the measurement object at the time of measurement. At this time, the magnetic particles are easily dissolved. In addition, it is easy to dispose the magnetic particles in the reaction vessel.
本発明の請求項4によるバイオセンサは、請求項1〜3のいずれか1項において、前記磁性体粒子を、不織布に分散固定した状態で前記反応槽内に配置したことを特徴とする。
磁性体粒子を不織布に含浸させ乾燥させることにより、乾燥した磁性体粒子の取扱が容易になり、より分散した状態で不織布に固定されることから測定対象物を含む溶液に曝された時、磁性体粒子がより溶け出しやすくなる。
A biosensor according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to third aspects, the magnetic particles are arranged in the reaction tank in a state of being dispersed and fixed to a nonwoven fabric.
By impregnating and drying the magnetic particles in the nonwoven fabric, handling of the dried magnetic particles is facilitated and fixed to the nonwoven fabric in a more dispersed state, so that it is magnetic when exposed to a solution containing the measurement object. Body particles are easier to melt.
本発明の請求項5によるバイオセンサは、請求項4において、前記不織布を前記磁気センサと対向する位置に配置したことを特徴とする。
磁性体粒子を含浸させた不織布を磁気センサと対向する位置に配置することにより、測定対象物を含む溶液を滴下した時に、不織布から溶け出す磁性体粒子が直ちに磁気センサ表面に到達し、反応時間を短縮することができる。また、測定対象物を含む溶液は不織布を通過することになり、センサチップ表面への磁性体粒子の結合を阻害する、溶液に含まれる夾雑物を除去することができる。
The biosensor according to
By disposing the nonwoven fabric impregnated with magnetic particles at a position facing the magnetic sensor, when the solution containing the measurement object is dropped, the magnetic particles that dissolve from the nonwoven fabric immediately reach the surface of the magnetic sensor, and the reaction time Can be shortened. Moreover, the solution containing the measurement object passes through the non-woven fabric, and impurities contained in the solution that inhibit the binding of the magnetic particles to the surface of the sensor chip can be removed.
本発明の請求項6によるバイオセンサは、請求項1〜5のいずれか1項において、前記反応槽を振動させる振動発生装置を備えたことを特徴とする。
振動発生装置を備えることにより反応槽中の溶液を撹拌でき、測定対象物と第1及び第2の分子受容体の反応を促進することができる。また乾燥させた磁性体粒子の溶解を促進することができる。
本発明の請求項7によるバイオセンサは、請求項1〜6のいずれか1項において、前記センサチップへ電源を供給するための電極、前記選択回路へ信号を送るための電極、及び前記増幅回路からの出力信号を取り出すための電極を、前記反応槽の底面又は側面に形成したことを特徴とする。
電極が筐体の裏面、すなわち反応槽の底面又は側面に配置することにより筐体を小型化することができる。
A biosensor according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to fifth aspects, a vibration generator for vibrating the reaction vessel is provided.
By providing the vibration generator, the solution in the reaction vessel can be stirred, and the reaction between the measurement object and the first and second molecular receptors can be promoted. Moreover, dissolution of the dried magnetic particles can be promoted.
A biosensor according to a seventh aspect of the present invention is the biosensor according to any one of the first to sixth aspects, wherein an electrode for supplying power to the sensor chip, an electrode for sending a signal to the selection circuit, and the amplification circuit The electrode for taking out the output signal from is formed on the bottom or side of the reaction vessel.
By arranging the electrodes on the back surface of the housing, that is, the bottom surface or the side surface of the reaction vessel, the housing can be reduced in size.
本発明の請求項8によるバイオセンサは、請求項7において、前記反応槽の底面に形成された電極は、スマートカード用コネクタと接続可能なことを特徴とする。
スマートカード用コネクタを用いることにより反応槽裏側の電極とコネクタ間の接続の信頼性を向上することができる。
本発明の請求項9によるは、請求項1〜8のいずれか1項において、前記センサチップは、前記測定対象物の情報を予め記憶したメモリ素子を備えることを特徴とする。
測定対象物の情報を予め記憶させることにより、測定対象物毎に異なる測定条件を操作者が設定すること無しに自動的に設定することができる。
The biosensor according to claim 8 of the present invention is characterized in that, in
By using the smart card connector, the reliability of the connection between the electrode on the back side of the reaction tank and the connector can be improved.
According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the first to eighth aspects, the sensor chip includes a memory element that stores in advance information on the measurement object.
By storing the information of the measurement object in advance, it is possible to automatically set different measurement conditions for each measurement object without the operator setting.
本発明の請求項10によるバイオセンサは、請求項1〜9のいずれか1項において、前記反応槽に、複数の前記磁気センサを備えることを特徴とする。
磁気センサを複数備えることにより、複数種の測定対象物を同時に分析することができる。この時、同一のセンサ基板に複数の磁気センサを配置しても良いし、センサ基板を複数配置しても良い。
本発明の請求項11によるバイオセンサは、請求項10において、前記複数の磁気センサの表面に、それぞれ異なる前記第2の分子受容体を形成したことを特徴とする。
A biosensor according to a tenth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to ninth aspects, the reaction tank includes a plurality of the magnetic sensors.
By providing a plurality of magnetic sensors, a plurality of types of measurement objects can be analyzed simultaneously. At this time, a plurality of magnetic sensors may be arranged on the same sensor substrate, or a plurality of sensor substrates may be arranged.
A biosensor according to an eleventh aspect of the present invention is characterized in that, in the tenth aspect, different second molecular receptors are formed on the surfaces of the plurality of magnetic sensors.
本発明の請求項12によるは、請求項1〜11のいずれか1項において、前記磁場検知素子は半導体ホール素子であり、前記センサチップを構成するセンサ基板はシリコン基板であることを特徴とする。
シリコンを基板として用いることにより、微小かつ性能の均一な複数の半導体ホール素子と電子回路を容易かつ低コストに同一基板上に作製することができる。
According to a twelfth aspect of the present invention, in any one of the first to eleventh aspects, the magnetic field detecting element is a semiconductor Hall element, and the sensor substrate constituting the sensor chip is a silicon substrate. .
By using silicon as a substrate, a plurality of semiconductor Hall elements and electronic circuits having uniform and uniform performance can be manufactured on the same substrate easily and at low cost.
本発明の請求項13によるバイオセンサは、請求項1〜12のいずれか1項において、前記センサチップを構成するセンサ基板の表面に、異なる材料からなる2以上の絶縁膜を形成し、その絶縁膜のうちの少なくとも1つの絶縁膜は、前記センサ基板に設けた前記磁気センサと積層方向で対向する位置にある部分が除去されていることを特徴とする。
ここで、磁気センサの表面とは、少なくとも磁気センサに配置された各磁場検知素子の表面を含む領域をいう。
磁気センサの表面のみ絶縁膜の一部を除去することにより、磁気センサの感磁面と表面の距離を短くすることができ、磁性体粒子に対する感度を向上させることができる。さらに、除去する絶縁膜と残す絶縁膜を異なる材料とすることにより、除去工程での材料による除去速度の違いを利用して、除去する膜厚を正確に制御することができる。
A biosensor according to a thirteenth aspect of the present invention is the biosensor according to any one of the first to twelfth aspects, wherein two or more insulating films made of different materials are formed on a surface of a sensor substrate constituting the sensor chip, and the insulation is performed. At least one insulating film of the film is characterized in that a portion at a position facing the magnetic sensor provided on the sensor substrate in the stacking direction is removed.
Here, the surface of the magnetic sensor refers to a region including at least the surface of each magnetic field detection element arranged in the magnetic sensor.
By removing a part of the insulating film only on the surface of the magnetic sensor, the distance between the magnetic sensitive surface and the surface of the magnetic sensor can be shortened, and the sensitivity to magnetic particles can be improved. Further, by using different materials for the insulating film to be removed and the insulating film to be left, it is possible to accurately control the thickness of the film to be removed by using the difference in the removal speed depending on the material in the removing process.
本発明の請求項14によるバイオセンサは、請求項13において、前記2以上の絶縁膜として、酸化珪素膜と、前記酸化珪素膜の上に形成される窒化珪素膜と、を備え、前記磁気センサと積層方向で対向する位置にある前記窒化珪素膜部分が除去されていることを特徴とする。
一般に、窒化膜のドライエッチング条件では、酸化珪素膜よりも窒化珪素膜の方がエッチング速度が速い。従って、この速度差により、窒化珪素膜を完全に除去しつつ、酸化珪素膜を金属配線が露出しない程度に残すことが可能である。
A biosensor according to a fourteenth aspect of the present invention is the magnetic sensor according to the thirteenth aspect, comprising a silicon oxide film and a silicon nitride film formed on the silicon oxide film as the two or more insulating films. The silicon nitride film portion at a position facing the substrate in the stacking direction is removed.
In general, under the dry etching conditions for a nitride film, a silicon nitride film has a higher etching rate than a silicon oxide film. Therefore, this speed difference makes it possible to leave the silicon oxide film to the extent that the metal wiring is not exposed while completely removing the silicon nitride film.
本発明の請求項15によるバイオセンサは、請求項1〜14のいずれか1項において、前記センサチップを構成するセンサ基板の表面に、除去速度の速い第1の絶縁膜が所定層を挟んでより除去速度の遅い第2の絶縁膜に所定層を介して積層し、前記第1の絶縁膜及び前記所定層は、前記センサ基板に設けた前記磁気センサと積層方向で対向する位置にある部分が除去されていることを特徴とする。
ここで、所定層は、第1の絶縁膜と第2の絶縁膜の間に形成される任意の層であり、例えば金属配線層である。
このように、除去速度の異なる絶縁膜が連続的に積層してる場合には、この除去速度の差により、第1の絶縁膜を完全に除去しつつ、第2の絶縁膜を金属配線が露出しない程度に残すことが可能である
A biosensor according to a fifteenth aspect of the present invention is the biosensor according to any one of the first to fourteenth aspects, wherein the first insulating film having a high removal rate sandwiches a predetermined layer on the surface of the sensor substrate constituting the sensor chip. The first insulating film and the predetermined layer are stacked on a second insulating film having a slower removal rate through a predetermined layer, and the first insulating film and the predetermined layer are located at positions facing the magnetic sensor provided on the sensor substrate in the stacking direction. Is removed.
Here, the predetermined layer is an arbitrary layer formed between the first insulating film and the second insulating film, for example, a metal wiring layer.
As described above, when the insulating films having different removal rates are continuously laminated, due to the difference in the removal rates, the metal wiring is exposed to the second insulating film while completely removing the first insulating film. It is possible to leave
本発明の請求項16によるバイオセンサは、請求項1〜15のいずれか1項において、前記センサチップを構成するセンサ基板の表面に、複数の金属配線層を形成し、その金属配線層のうち積層方向最上層に形成された金属配線層は、前記センサ基板に設置した前記磁気センサと積層方向で対向する位置にある部分が除去されていることを特徴とする。
磁気センサ表面に対向する部分には最上層の金属配線を配置しないことで、最上層の金属配線上の絶縁膜が単層のとき、磁気センサ領域のこの絶縁膜を除去しても、金属配線の露出を防止することができる。
A biosensor according to a sixteenth aspect of the present invention is the biosensor according to any one of the first to fifteenth aspects, wherein a plurality of metal wiring layers are formed on a surface of a sensor substrate that constitutes the sensor chip, and among the metal wiring layers, The metal wiring layer formed in the uppermost layer in the stacking direction is characterized in that a portion at a position facing the magnetic sensor installed on the sensor substrate in the stacking direction is removed.
By not arranging the uppermost metal wiring on the part facing the surface of the magnetic sensor, when the insulating film on the uppermost metal wiring is a single layer, even if this insulating film in the magnetic sensor area is removed, the metal wiring Can be prevented.
本発明の請求項17によるバイオセンサは、請求項1〜16のいずれか1項において、前記センサチップは、外部と電気的に接続するための電極が所定の領域に設けられ、この領域と前記磁気センサを隔てるワイヤーが表面に設置されたことを特徴とする。
電極領域と磁気センサ領域を隔てるワイヤを表面に設置することで、電極領域を樹脂により封止する時、樹脂が磁気センサ領域に流れるのを防止することができる。
A biosensor according to a seventeenth aspect of the present invention is the biosensor according to any one of the first to sixteenth aspects, wherein the sensor chip is provided with electrodes for electrical connection to the outside in a predetermined region. A wire separating the magnetic sensor is provided on the surface.
By installing a wire separating the electrode region and the magnetic sensor region on the surface, it is possible to prevent the resin from flowing into the magnetic sensor region when the electrode region is sealed with resin.
本発明の請求項18による対象物測定方法は、請求項2〜17のいずれか1項に記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、前記磁性体粒子を、前記センサチップ上に導入された測定対象物を含む溶液中に溶解させるステップと、前記測定対象物を介して前記磁性体粒子を前記磁気センサ表面に結合させるステップと、結合せず溶液中に浮遊する前記磁性体粒子、及び測定対象物を介さずに前記磁気センサ表面に結合した前記磁性体粒子を、前記磁場発生装置により前記磁気センサ表面から遠ざけた後、前記測定対象物を介して磁気センサ表面に結合した磁性体粒子の量を特定するステップと、前記磁性体粒子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含み、これらのステップを連続的に予め設定したプログラムに基づいて自動的に行うようにしたことを特徴とする。
An object measuring method according to claim 18 of the present invention is a measuring object measuring method using the biosensor according to any one of
本発明の請求項19によるバイオセンサ用カートリッジは、請求項1〜17のいずれか1項に記載のバイオセンサに用いるカートリッジであって、前記磁性体粒子及び前記センサチップを備える反応槽を、装置本体に挿抜可能な筐体に形成したものであることを特徴とする。
本発明の請求項20による不織布は、請求項1〜17のいずれか1項に記載のバイオセンサに用いる不織布であって、前記第1の分子受容体を表面に有する磁性体粒子を分散固定したことを特徴とする。
A biosensor cartridge according to a nineteenth aspect of the present invention is a cartridge used for the biosensor according to any one of the first to seventeenth aspects, wherein the reaction vessel including the magnetic particles and the sensor chip is provided as an apparatus. It is formed in a housing that can be inserted into and removed from the main body.
A non-woven fabric according to claim 20 of the present invention is a non-woven fabric used in the biosensor according to any one of
本発明によれば、簡便かつ迅速に測定を行うことができる。 According to the present invention, measurement can be performed easily and quickly.
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1に本実施形態に係るバイオセンサの概略構成を示す。なお、本発明に係るバイオセンサは、従来技術の項で説明したように、第1の分子受容体、測定対象物、及び第2の磁性体分子を介して、固相であるセンサチップに結合した磁性体粒子の量を測定することで、測定対象物の分析を行うものである。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic configuration of the biosensor according to the present embodiment. The biosensor according to the present invention binds to a sensor chip that is a solid phase via the first molecular receptor, the measurement object, and the second magnetic molecule as described in the section of the prior art. The measurement object is analyzed by measuring the amount of the magnetic particles.
同図に示すように、本実施形態のバイオセンサは、分析器本体6と、分析器本体6に抜き差し可能に構成されたカートリッジ5と、を備える。
カートリッジ5は、後に詳細に記述するが、反応槽としての機能を果たす筺体であり、内部にはセンサチップ1と、磁性体粒子Mgと、が配置されている。上部は、開口部を有する蓋45によって覆われており、この開口部の上方から測定対象物の溶液を滴下することで、カートリッジ5に設けられたセンサチップ1に測定対象物を含む溶液を導入可能になっている。センサチップ1は、分析器本体6からの信号により制御されるとともに、分析器本体6に測定結果を送る。
As shown in the figure, the biosensor of this embodiment includes an
As will be described in detail later, the
分析器本体6は、磁場発生装置としてのコイル61及び磁性体コア62と、分析結果を表示する表示装置63と、磁場発生装置、表示装置63及びセンサチップ1を制御する制御装置64と、カートリッジ5裏面の電極と接続するコネクタ65と、を備える。
磁性体コア62は、センサチップ1の対向位置に配置され、周囲に巻かれたコイル61に通電することにより、センサチップ上に存在する磁性体粒子Mgを上向きに引きつける磁場を形成する。
The analyzer
The
表示装置63は、制御装置64により制御され、測定の経過や測定結果を操作者に表示する。
制御装置64は、コイル61に電流を流しセンサチップ1に印加される磁場を制御すると共に、センサチップ1の制御とセンサチップ1からの信号を処理するためのものである。また、表示装置63を制御し、分析結果を表示させる。本実施形態では、磁場発生装置、表示装置63及びセンサチップ1をそれぞれ制御する各種制御回路と、演算処理装置と、RAM及びROM等の記憶装置と、を備えて構成され、プログラム化された測定手順に基づいて、各種制御回路に指令を送出することで、測定を自動的に実行するようになっている。
The
The
コネクタ65は、カートリッジ5の電極と分析器本体6とを、制御装置64とカートリッジ5の間で双方向に信号を授受し、電力をカートリッジ5に供給可能に接続するものである。このような接続をするものであれば特にインターフェースは限定されず、USB用コネクタやスマートカード用コネクタ等を用いることができる。スマートカード用コネクタは、保証される挿抜回数が多いため、カートリッジ5を抜き差しする分析器本体6に用いるコネクタとして好適である。
The
また、図示していないが、カートリッジ5を振動させることで、カートリッジ5に導入した試料溶液を攪拌する為の振動発生装置を備えてもよい。振動発生装置としては、例えば振動モーター、超音波振動子等を用いる。
さらに、図示していないが、測定前にはコイル61及び磁性体コア62を退避させ、測定時にはセンサチップ1の対向位置に移動させるアクチュエータを設けてもよい。これにより、センサチップ1への試料溶液の滴下が容易になる。
Further, although not shown, a vibration generator for agitating the sample solution introduced into the
Further, although not shown, an actuator may be provided that retracts the
(カートリッジの基本構成について)
次に、図2を用いて本実施形態のカートリッジ5の構成について説明する。図2(a)はカートリッジ5の断面図、図2(b)はカートリッジ5の平面図、図2(c)はカートリッジ5の底面を示す図である。
カートリッジ5の蓋45には、センサチップ1の磁場検知領域であるホール素子アレイ9領域(後述する)に対向する位置に開口部が設けられるとともに、この開口部周囲の裏面には取付具(図示せず)が設けられている。そして、開口部を塞ぐように磁性体粒子Mgを含浸させた不織布46が装着されている。測定対象物を分析するときは試料溶液を不織布46の領域に滴下する。これにより、不織布46中の磁性体粒子は試料溶液に溶け出してセンサチップ1表面に分散する。なお、磁性体粒子Mgを含浸させた不織布46の詳細は後述する。
(Basic cartridge configuration)
Next, the configuration of the
The
センサチップ1表面には、固定層を介して、測定対象物と特異的に結合する第2の分子受容体が固定されている。この固定層は、第2の分子受容体をセンサチップ表面に固定する為の層であり、例えば第2の分子受容体が抗体の場合には、シランカップリング剤により形成することが望ましい。シランカップリング剤を用いることで、固定層表面を疎水性とし、疎水結合により抗体をセンサチップ1表面に固定することができる。固定層の形成は、センサチップ1製造時、チップに分割する前のウエハー状態でスピンコーターにより塗布してもよいし、センサチップ1をカートリッジ5に設置し、後述するようにその電極を樹脂44で封止した後にディスペンサにより塗布してもよい。
A second molecular receptor that specifically binds to the measurement object is fixed on the surface of the
第2の分子受容体の固定は、センサチップ1を樹脂44で封止後、第2の分子受容体を含む溶液を、固定層が形成された状態のセンサチップ1上に塗布することにより行う。第2の分子受容体は、センサチップ1上のホール素子アレイ9領域のみに固定してもよいし、センサチップ1の表面が露出している領域全面に固定してもよい。
また、センサチップ1表面には、電極(センサチップ1への電源の供給する電極、センサチップ1から信号を取り出すための電極、及び、センサチップ1に信号を送るための電極)が設けられており、金属配線43によってカートリッジ5の内底面に設けられた電極に接続されている。さらに、その電極はカートリッジ5の底面の電極42(図2(c)参照)に接続される。これら金属配線43及びセンサチップ1上の電極とカートリッジ5内部の電極は樹脂44により封止され、凹部に試料溶液を導入しても漏電しないようにされている。樹脂44の封止については、後述する。
The second molecular receptor is fixed by sealing the
Further, electrodes (electrodes for supplying power to the
カートリッジ5底面の電極42は、分析器本体6のコネクタ65の電極と接続することで、分析器本体6からセンサチップ1への電源の供給を受けるとともに、センサチップ1と分析器本体6との間で信号の授受を行う。このように、電極42をカートリッジ5の底面に配置することで、反応槽としての空間を避けて上面に設置する場合に比べて、カートリッジ5を小型化できる。
The
次に、図3に不織布を用いない場合のカートリッジの(a)断面図、(b)平面図、(c)底面図を示す。
センサチップ1の表面には、磁性体粒子Mgが塊の状態で配置される。磁性体粒子Mgは、第2の分子受容体を固定後に、糖類及び緩衝液に浸漬したものをセンサチップ1上に滴下し、凍結乾燥させたものである。測定対象物を分析するときは試料溶液を蓋45の開口部に滴下することで、磁性体粒子Mgの塊は溶け出し、磁性体粒子Mgはセンサチップ1上に分散する。
(複数の種類の測定対象物を測定するカートリッジ)
Next, FIG. 3 shows (a) a cross-sectional view, (b) a plan view, and (c) a bottom view of the cartridge when no nonwoven fabric is used.
On the surface of the
(Cartridge for measuring multiple types of measurement objects)
次に、図4を用いて、カートリッジ5の他の構成例を説明する。
図4(a)に示すカートリッジ5は、内底面に2つのセンサチップ1が配置されており、センサチップそれぞれにホール素子アレイ9が1つ配置されている。センサチップ1上の電極、カートリッジ5内の電極、及びこれらを接続する配線は樹脂44により封止する。2つのセンサチップ1には、それぞれ異なる種類の第2の分子受容体が固定されており、これにより2種類の測定対象物が同時に測定可能になっている。2種類以上の測定対象物を測定する場合は、それに合わせて2つ以上のセンサチップ1を設置する。
Next, another configuration example of the
In the
また、図4(b)に示すカートリッジ5は、1つのセンサチップ1の両端にそれぞれホール素子アレイ9が配置されている。センサチップ1上の中央部の電極、カートリッジ5内の電極、及びこれらを接続する配線は樹脂44により封止する。2種類の分子受容体は両端のホール素子アレイ9,9にそれぞれ固定する。2種類以上の測定対象物を測定する場合は、それに合わせて2つ以上のホール素子アレイ9を1つのセンサチップ1上に配置する。
また、図2又は図3に示すような複数のカートリッジ5を1つの筺体に形成し、複数の種類の測定対象物を測定しても良い。この場合、複数の種類の測定対象物を含む試料溶液をそれぞれの反応槽に分注する必要がある。
Further, in the
Further, a plurality of
(磁性体粒子について)
次に、不織布に含浸させた状態で、又は、センサチップ1表面に凍結乾燥させた状態で配置される磁性体粒子Mgについて説明する。
この磁性体粒子Mgは、表面に第1の分子受容体を備えたものである。磁性体粒子Mg自体は、磁性材料そのものを粒子状にしたものでも、ポリスチレン等のポリマーに磁性材料を含浸させたものでもよい。
この磁性体粒子Mgを不織布46に固定する場合には、磁性体粒子Mgを糖類及び緩衝液に浸漬させた溶液を不織布46に含浸させ、凍結乾燥させる。不織布46の材質は特に限定するものではなく、セルロース、ポリエステル、ガラス等がある。
(About magnetic particles)
Next, the magnetic particles Mg arranged in a state impregnated in a nonwoven fabric or freeze-dried on the surface of the
The magnetic particles Mg have a first molecular receptor on the surface. The magnetic particles Mg themselves may be those obtained by making the magnetic material itself into particles, or those obtained by impregnating a polymer such as polystyrene with the magnetic material.
When fixing the magnetic particles Mg to the
図3のように不織布を用いない場合は、分子受容体を固定した磁性体粒子は、糖類及び緩衝液に浸漬したものをセンサチップ1上に滴下する。
なお、上述のように、複数の種類の測定対象物を測定する場合は、夫々の測定対象物用のセンサチップ1あるいはホール素子アレイ9領域に、その測定対象物に対応した第1の分子受容体を固定した磁性体粒子を滴下する。この場合に、複数の種類の第1の分子受容体を1つの磁性体粒子に固定してもよいし、第1の分子受容体の種類毎に別の磁性体粒子に固定してもよい。
When a non-woven fabric is not used as shown in FIG. 3, the magnetic particles fixed with molecular receptors are dripped onto the
As described above, when a plurality of types of measurement objects are measured, the first molecule acceptor corresponding to the measurement object is provided in the
(樹脂の封止について)
図5は、本実施形態のカートリッジ5内の金属配線43の樹脂による封止について説明する為の図であり、カートリッジ5の内底面の一部を示す。図5ではセンサチップ1の両側にホール素子アレイ9を配置した場合を例について説明する。
まず、センサチップ1上の電極とカートリッジ5の内底面に設けられた電極間を金属配線43で接続する。次に、この配線43が設けられた領域を挟んで両側にそれぞれワイヤ48を設ける。このワイヤ48は、配線が設けられた領域全体をカバーするように、カートリッジ5の内底面からセンサチップ1を跨ぎ反対側の内底面に至るまでセンサチップ1表面に接触するように設ける。金属配線43とワイヤ48は、金やアルミニウム等、同じワイヤ材料でよい。次に、樹脂44を塗布し電極及び金属配線43を封止する。樹脂44は塗布する時、センサチップ1の表面を流れるが、ワイヤ48で堰き止められる。
このように、ワイヤ48を設けることにより樹脂44の広がりを防ぐことができ、ホール素子アレイ9上に、樹脂44が流れるのを防ぐことが出来る。樹脂44は金属配線43の絶縁が保てれば材料を限定する必要は無く、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等を用いる。
(Resin sealing)
FIG. 5 is a view for explaining sealing of the
First, the
Thus, by providing the
(センサチップの構成について)
次に、センサチップ1の構成について説明する。図6は本実施形態に係るセンサチップ1の一部を示す概略図、図7は、センサチップ1のブロック図である。
センサチップ1は、磁場検知素子であるホール素子2を複数アレイ状に配置してなるホール素子アレイ9と、測定対象物の情報を予め記憶させておくメモリー回路82と、任意のホール素子2及びメモリー回路82を構成するメモリ素子を選択する選択回路71と、ホール素子2からの信号を増幅する増幅回路81と、を備える。
ホール素子2は、詳細は後述するが、外部から感磁面(後述する)に対して垂直な磁束が加わると、磁束密度に比例した電圧を出力する。
(About sensor chip configuration)
Next, the configuration of the
The
As will be described in detail later, the
選択回路71は、制御装置64からの特定のホール素子2を選択するためのアドレス信号に基づいて、後述するようにして、指定されたホール素子を選択する。そして、選択されたホール素子の出力電圧を増幅回路81に出力する。また、制御装置64からのアドレス信号に基づいて、メモリ素子も選択可能となっている。
増幅回路81は、ホール素子2の検知信号を増幅し、制御装置64に出力する。例えば、差動増幅回路を備えて構成される。
The
The
メモリー回路82は、測定対象物の情報を不揮発に保持し、制御装置64からの求めに応じて内部に保持する情報を出力する。この測定対象物の情報は、本実施形態では測定対象物のIDである。
このようなセンサチップ1は、周知の技術であるCMOS(complementary mental−oxide semiconductor device)製造プロセスによりシリコン基板11上に形成される。センサチップ1表面の凹部13の下には、ホール素子が形成されており、個々のホール素子の入力及び出力はゲート電極30及び金属配線37を介して行われる。最表面はプラズマCVD(chemical vapor deposition)による窒化珪素膜或いは酸化珪素膜で覆われる。
The
Such a
(ホール素子について)
次に、上述のようにして形成される本実施形態のホール素子2について、図8を用いて説明する。図8(a)はホール素子2の上面図、図8(b)は一点鎖線aでの断面図、図8(c)は一点鎖線bでの断面である。
このホール素子2は、ゲート電極30、ソース電極31、ドレイン電極32、出力電極33,34、及び、絶縁層35を含んで構成され、Pウエル領域36に形成される。出力電極33,34を除くとn型MOSFETと同じ構成であり、図中では各々の電極への金属配線は省略してある。出力電極33,34は、センサチップ1表面に略垂直に形成される磁束と、ソース−ドレイン極間を流れる電流と、に垂直に電流が流れるように形成される。
(About Hall element)
Next, the
The
次に、このホール素子2の動作について説明する。ゲート電極30、ソース電極31、ドレイン電極32にバイアスを印加し、MOSFETと同様な動作状態に設定する。この時の動作状態は線形領域にあることが望ましい。この状態で外部から加わる磁束が存在しない場合、2つの出力電極33,34は同電位である。一方、外部からホール素子面に対して垂直な磁束が加わると、磁束密度に比例した電圧が出力電極33と34との間に差動電圧として現れ、後述するようにこの差動電圧は増幅回路81に入力される。
Next, the operation of the
なお、図8では金属配線層の図示を省略したが、図8(c)と同じ断面について金属配線層37及び絶縁膜12を示すと図9のようになっている。すなわち、図9のセンサチップ1では、2層の金属配線層37a,37bが形成されており、このうち1層目の金属配線層37b上に形成された絶縁膜としての酸化珪素膜12bが、他の領域と比べ、ゲート電極30に積層方向で対向する部分で薄くなっている。これは、次のようにして形成することができる。まず、1層目の金属配線層37b、酸化珪素膜12b及び2層目の金属配線層37aを順に形成した後、ゲート電極30に積層方向で対向する部分の金属配線層37aを除去する。次に、2層目の金属配線層37aの絶縁膜として窒化珪素膜12aを形成する。これにより、ゲート電極30に対向する部分には、異なる種類の絶縁膜12、すなわち酸化珪素膜12bと窒化珪素膜12aとが連続して積層された状態となる。そして、この窒化珪素膜12aの形成後、この窒化珪素膜12aのうちゲート電極30に積層方向で対向する部分を、センサチップ1と外部との電気的接続をする為のボンディングパッドの形成部分等とともに、ドライエッチングにより除去する。このとき、ボンディングパッドの形成部分では窒化珪素膜12aが除去されて金属配線層37aが露出するが、ゲート電極30に対向する部分では酸化珪素膜12bが若干除去される。絶縁膜の形成条件等を調整し、窒化珪素膜12aのエッチング速度の方が速い条件に設定しておくことで、酸化珪素膜をエッチングしすぎて下層の金属配線層が露出するのを確実に防止することができる。
Although the illustration of the metal wiring layer is omitted in FIG. 8, FIG. 9 shows the
このように、ホール素子の感磁面(ゲート電極30とPウエル領域36との界面)とセンサチップ1の表面との距離を短くすることで、ホール素子の感度が優れたものとなる。
なお、本実施形態では、1層目も2層目もゲート電極30に対向する部分に金属配線層37a,37bを設けていないが、1層目の金属配線層37bを設けてもよい。だが、最上層の金属配線層(本実施形態では2層目の金属配線層37a)を設けると、ホール素子の感磁面とセンサチップ1の表面との距離が長くなり、感度が劣化するので好ましくない。
Thus, by reducing the distance between the magnetosensitive surface of the Hall element (the interface between the
In this embodiment, the first and second
なお、図示しないが、ホール素子アレイ領域(各ホール素子の領域と、ホール素子間の領域と、を合わせた領域)の配線は、最上層の金属配線層を設けない方が望ましい。これにより、ホール素子アレイ領域全体の窒化珪素膜12aを除去することができる。ホール素子アレイ領域内に最上層の金属配線があると各々のホール素子上の窒化珪素膜のみを除去しなければならず、より精度の高いエッチングを行わなければならない。
Although not shown in the figure, it is desirable that the uppermost metal wiring layer is not provided for the wiring in the Hall element array region (a region in which the Hall element regions and the regions between the Hall elements are combined). Thereby, the
(ホール素子のアレイ状の配置、選択回路による各ホール素子の選択方法について)
次に、図10を用いてアレイ状に配置した各々のホール素子を選択回路により選択して出力を取り出す方法について説明する。
各々のホール素子(E(0,0),E(0,1),・・・)のソース電極、ドレイン電極、及び一対の出力電極はスイッチ(R0,R1,・・・)を介してVL、VH、OUT1、OUT2へ接続されており、列方向Yの同一の列に共通に接続されている。また行方向Xの同一の行のゲート電極も共通で、各列毎に共通のゲート電極線C0、C1、・・・へと接続されている。VL、VHはホール素子側へバイアスを供給する配線であり、OUT1、OUT2はホール素子からの出力を増幅回路81へ送る配線である。
(Hall element array arrangement, selection method of each Hall element by selection circuit)
Next, a method of selecting each Hall element arranged in an array by using a selection circuit and taking out an output will be described with reference to FIG.
A source electrode, a drain electrode, and a pair of output electrodes of each Hall element (E (0,0), E (0,1),...) Are connected to V via a switch (R0, R1,...). L , V H , OUT1, and OUT2 are connected to the same column in the column direction Y in common. The gate electrodes in the same row in the row direction X are also common, and are connected to common gate electrode lines C0, C1,. V L and V H are wirings for supplying a bias to the Hall element side, and
ホール素子E(0,0)を選択する場合について説明する。スイッチR0のみをオンし、スイッチR1、R2、・・・はオフする。またゲート電極線C0のみホール素子が動作状態になる電圧に設定し、ゲート電極線C1、C2、・・・はホール素子が動作しない電圧、すなわちソース電極、ドレイン電極にバイアスを印加してもソース−ドレイン間に電流が流れない状態に設定する。 A case where the Hall element E (0, 0) is selected will be described. Only the switch R0 is turned on, and the switches R1, R2,. Further, only the gate electrode line C0 is set to a voltage at which the Hall element is activated, and the gate electrode lines C1, C2,... -Set so that no current flows between the drains.
この時、ホール素子E(0,0)及び同一の列にあるホール素子のソース電極、ドレイン電極にVL、VHが印加されるが、電流はホール素子E(0,0)しか流れない。ホール素子E(0,0)の出力電極には磁束密度に応じた電圧が現れる。行方向に並んだホール素子の出力電極は、動作状態になっていないため、OUT1,OUT2へはホール素子E(0,0)の出力電圧がそのまま出力される。この構成ではアレイの数が増えたとしても、アレイ内の配線数は同じで端部にスイッチが付け足されるだけなので、センサチップの面積はほぼアレイの数に比例し、容易にホール素子数の多いセンサチップを構成することができる。 At this time, V L and V H are applied to the Hall element E (0, 0) and the source electrode and drain electrode of the Hall element in the same column, but only the Hall element E (0, 0) flows. . A voltage corresponding to the magnetic flux density appears at the output electrode of the Hall element E (0, 0). Since the output electrodes of the Hall elements arranged in the row direction are not in an operating state, the output voltage of the Hall element E (0, 0) is output as it is to OUT1 and OUT2. In this configuration, even if the number of arrays increases, the number of wires in the array is the same and only switches are added to the ends, so the area of the sensor chip is almost proportional to the number of arrays and easily has a large number of Hall elements A sensor chip can be configured.
(測定プログラムについて)
次に、本実施形態に係るプログラムに従ったバイオセンサの動作について説明する。
まず、制御装置64においてコネクタ65にカートリッジ5が挿入されたことを検出する。この時、カートリッジ5内には測定対象物を含む試料溶液が操作者によって導入された状態である。
次に、分析器本体6にカートリッジ5を挿入されたことを検出すると、センサチップの動作確認を実施する。このとき、正常に動作しない場合は、エラーメッセージを表示装置63に出力する。この場合、操作者は再度測定対象物を含む試料を別のカートリッジ5の開口部に滴下し、分析器本体6に挿入する。
(About measurement program)
Next, the operation of the biosensor according to the program according to the present embodiment will be described.
First, the
Next, when it is detected that the
正常に動作する場合には、次のステップに移行して、センサチップ1に内蔵したメモリー回路から測定対象物のID情報を取得し、次のステップに移行する。
次に、取得したID情報に基づき、予め分析器本体6の記憶装置に保持される検査条件を抽出し、検査条件を設定する。次のステップ以降はこの検査条件に従った測定を行う。ここで、検査条件としては、例えば反応時間、後述する磁気洗浄における磁場強度、洗浄時間、測定値と測定対象物の検量線が挙げられる。このように、カートリッジ5に搭載する情報はID情報のみとすることにより、カートリッジを安価に構成することができる。なお、測定対象物のID情報は操作者が測定前に分析器本体6に入力してもよい。
In the case of normal operation, the process proceeds to the next step, the ID information of the measurement object is acquired from the memory circuit built in the
Next, based on the acquired ID information, the inspection conditions held in the storage device of the
次に、前記設定された検査条件に基づき、所定の反応時間待機する。この時、凍結乾燥状態で保持されていた磁性体粒子は溶け出して、センサチップ上に分散、沈降するとともに、その一部は測定対象物を介してセンサチップ表面に結合する。反応時間の経過後、次のステップに移行する。
次に、磁場発生装置に指令を送出することにより、センサチップ上に存在する、測定対象物を介して結合していない磁性体粒子を上方に引上げるには不十分な弱い磁場を印加し、このときのセンサチップ1からの出力信号を取得することでセンサチップ1表面における磁性体粒子の分散状態を測定する。
Next, a predetermined reaction time is waited based on the set inspection conditions. At this time, the magnetic particles held in the freeze-dried state are melted and dispersed and settled on the sensor chip, and a part of the particles is bonded to the surface of the sensor chip via the measurement object. After the reaction time has passed, the process proceeds to the next step.
Next, by sending a command to the magnetic field generator, a weak magnetic field that is insufficient to pull up the magnetic particles that are present on the sensor chip and are not bonded via the measurement object is applied, The dispersion state of the magnetic particles on the surface of the
次に、測定対象物を介して結合していない磁性体粒子を引上げる所定の磁場を所定の時間印加する。このとき、測定対象物を介して結合している磁性体粒子はそのままセンサチップ表面にとどまり、結合していない磁性体粒子や、測定対象物を介さずにセンサチップ表面に弱く結合している磁性体粒子は上方に引上げられる。
次に、引上げられた磁性体粒子を落下させないように、引き続き測定用の所定の磁場を印加し、この時の各ホール素子出力を得ることで測定を行い、結果を制御装置64内部の記憶装置に保存する。測定終了後、信号処理し、分析結果を表示装置63に出力し、終了する。
Next, a predetermined magnetic field for pulling up the magnetic particles that are not bonded via the measurement object is applied for a predetermined time. At this time, the magnetic particles bonded through the measurement object remain on the sensor chip surface as they are, and the magnetic particles that are not bonded to the sensor chip surface without passing through the measurement object. Body particles are pulled upwards.
Next, measurement is performed by applying a predetermined magnetic field for measurement so as not to drop the pulled magnetic particles and obtaining each Hall element output at this time, and the result is stored in a storage device inside the
本発明を実施例に基づいて説明する。
[実施例1]
(センサチップ)
センサチップ1は0.6μmCMOSプロセスにより作製した。感磁面の大きさが約5μm角のホール素子2を約15μmピッチで16×16個のアレイとして配置し、ホール素子2の選択回路71とホール素子2からの信号を増幅する増幅回路81を配置した。金属配線(Al配線)の層数は2層とし、ホール素子アレイ9の領域は上層のAl配線は用いずに、下層のAl配線のみとした。さらに上層のAl配線上の絶縁膜は窒化珪素膜とし、この窒化珪素膜はホール素子アレイ9の領域は除去した。
The present invention will be described based on examples.
[Example 1]
(Sensor chip)
The
(抗体の準備)
ヘモフィルス インフルエンザ(Haemophilus influenzae)由来のリボゾーム蛋白質L7/L12に対する2種類のモノクローナル抗体を、WO00/06603に記述されている方法に従い準備した。このうち一方をセンサチップ1に固定する抗体(以下、1次抗体)、他方を磁性体粒子に固定する抗体(以下、2次抗体)とした。
(Preparation of antibody)
Two monoclonal antibodies against ribosomal protein L7 / L12 derived from Haemophilus influenzae were prepared according to the method described in WO00 / 06603. Of these, one was fixed to the sensor chip 1 (hereinafter referred to as primary antibody) and the other was fixed to the magnetic particles (hereinafter referred to as secondary antibody).
(センサチップ1表面への1次抗体の固定)
センサチップ1表面に疎水性コート剤としてaminoalkyl functional T−structure polydimethylsiloxane(United Chemical Technologies社製)をコートし、その上に、0.1M MES(2−(N−morpholino)ethanesulfonic acid,pH6.0)にて10μg/mlの濃度に調製した1次抗体を室温、湿潤条件下で静置した。5時間後、表面をPBS−T(Phosphate Buffered Saline,pH7.4, with 0.05% Tween20(Tweenは登録商標、polyoxyethylenesorbitan monolaurate))にてリンスした後、保存溶液1(5% sucrose, 0.1% Alkali−treated casein (Clinica Chimica Acta,1982,123,193−198),0.1% polyvinylalcohol,0.1M MOSPO (3−(N−morpholino)−2−hydroxypropanesulfonic acid),pH7.0)で覆い、室温5分静置後、吸水紙で表面の水分を取り除いて乾燥させた。
(Immobilization of primary antibody to the surface of sensor chip 1)
The surface of the
(磁性体粒子への2次抗体の固定)
ProteinGを用いた抗体精製キット(MabTrap Kit, Amersham Biosciences社製)により精製した2次抗体を、PBS(Phosphate Buffered Saline,pH7.4)にて9.3mg/mlに調製した。この2次抗体溶液108μlに対し、20mM Biotin−PEG−NHS試薬水溶液(Nektar Therapeutics, MW3400)を3.3μl加え、室温にて2時間反応させた。反応後、分画分子量3万の遠心式限外濾過膜フィルターユニット(Ultrafree−CL, Millipore Corporation社製)で濃縮し、PBSによる希釈、濃縮を3回繰り返すことで洗浄した。得られたBiotin−PEG標識2次抗体のBiotin標識率をEZ−Link Sulfo−NHS−Biotinylation Kit(PIERCE)中のbiotin定量試薬により定量したところ、抗体1分子あたりのbiotin標識数は2.8分子であった。
(Immobilization of secondary antibody to magnetic particles)
A secondary antibody purified by an antibody purification kit using Protein G (MabTrap Kit, manufactured by Amersham Biosciences) was prepared to 9.3 mg / ml with PBS (Phosphate Buffered Saline, pH 7.4). To 108 μl of this secondary antibody solution, 3.3 μl of 20 mM Biotin-PEG-NHS reagent aqueous solution (Nektar Therapeutics, MW 3400) was added and reacted at room temperature for 2 hours. After the reaction, the mixture was concentrated with a centrifugal ultrafiltration membrane filter unit (Ultrafree-CL, manufactured by Millipore Corporation) having a molecular weight cut off of 30,000, and washed by repeating dilution and concentration three times with PBS. When the biotin labeling rate of the obtained Biotin-PEG labeled secondary antibody was quantified with a biotin quantitative reagent in EZ-Link Sulfo-NHS-Biotinylation Kit (PIERCE), the number of biotin labels per molecule of the antibody was 2.8 molecules. Met.
次に、Dynabeads MyOne Streptavidin(Dynabeadsは登録商標、Dynal Biotech社製)をPBSにて1%(w/v)にした溶液100μlに対し、3mg/mlのBiotin−PEG標識2次抗体溶液を33μl添加し、さらにPBS367μlで最終液量500μlにしたのち、室温で1時間攪拌しながら反応を行った。反応後、磁石(Dynal Magnetic Particle Concentrators)を用いて磁性体粒子固定化した2次抗体のみ回収し、上澄みを除去した。回収した磁性体粒子固定化した2次抗体にPBSを1ml添加し、同様な操作で洗浄、回収を行い、最終的に、保存溶液2(10% sucrose,0.25% Alkali−treated casein(Clinica Chimica Acta,1982,123,193−198),0.5% polyvinylalcohol,50mM MES (2−(N−morpholino)ethanesulfonic acid),pH6.0)にて2%(w/v)濃度にした。 Next, 33 μl of 3 mg / ml Biotin-PEG-labeled secondary antibody solution was added to 100 μl of Dynabeads MyOne Streptavidin (Dynabeads is a registered trademark, manufactured by Dynal Biotech) to 1% (w / v) with PBS. Furthermore, after making the final volume 500 μl with 367 μl of PBS, the reaction was carried out with stirring for 1 hour at room temperature. After the reaction, only the secondary antibody immobilized with magnetic particles was collected using a magnet (Dynamic Magnetic Particle Concentrators), and the supernatant was removed. 1 ml of PBS is added to the recovered secondary antibody immobilized with magnetic particles, and washing and recovery are performed in the same manner, and finally, storage solution 2 (10% sucrose, 0.25% Alkaline-treated casein (Clinica) Chimica Acta, 1982, 123, 193-198), 0.5% polyvinyl alcohol, 50 mM MES (2- (N-morpholino) ethanolsulfonic acid), pH 6.0 to 2% (w / v) concentration.
(磁性体粒子固定化2次抗体の不織布への含浸)
2%(w/v)濃度に調製した磁性体粒子固定化2次抗体を、3%トレハロースを含む10mM MES(2−(N−morpholino)ethanesulfonic acid,pH6.0)にて0.5%(w/v)濃度にし、1.5μlをカートリッジ蓋部の開口部に装着した不織布(BEMCOT、旭化成株式会社製)に含浸させた後、凍結乾燥した。凍結乾燥は、不織布をポリプロピレン製容器に入れ、容器ごとヘキサン−ドライアイスにて冷却し溶液を凍結させた後、凍結乾燥機(FD−1000型、東京理化器械株式会社製)にて16時間乾燥させた。
(Impregnation of non-woven fabric with secondary particles fixed with magnetic particles)
A magnetic particle-immobilized secondary antibody prepared at a concentration of 2% (w / v) is 0.5% in 10 mM MES (2- (N-morpholino) etheresulphonic acid, pH 6.0) containing 3% trehalose. The concentration was adjusted to w / v), and 1.5 μl was impregnated into a non-woven fabric (BEMCOT, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) attached to the opening of the cartridge lid, and then freeze-dried. For freeze-drying, the nonwoven fabric is put into a polypropylene container, the whole container is cooled with hexane-dry ice to freeze the solution, and then dried for 16 hours with a freeze-dryer (FD-1000, manufactured by Tokyo Rika Kikai Co., Ltd.). I let you.
(カートリッジの作製について)
センサチップ1はPCB基板に固定し、センサチップ1上の電極とPCB基板上面の電極とをAlワイヤーで接続した。電極及びAlワイヤーはエポキシ樹脂により封止した。これをABS樹脂により形成した筐体にはめ込み、前述の1次抗体の固定をセンサチップ1表面に対して行った後、図2の様に磁性体粒子Mgを含浸させた不織布46をセンサチップ1に対向する位置に設置した。
(About production of cartridge)
The
(測定サンプルの調製について)
ヘモフィルス インフルエンザ(Haemophilus influenzae)ATCC10211をチョコレート寒天培地(ポアメディア、栄研化学株式会社製)を用いて37℃にて24時間培養した。培養後、生理的食塩水にて回収し4℃に保管すると共に、回収溶液の一部を希釈し、同様の培養により生菌数をカウントした。生理的食塩水にて適当な生菌数に希釈した各サンプル10μlに対し、抽出液(1% Triton X−100 (Tritonは登録商標、t−octylphenoxypolyethoxyethanol), 20mM dithiothreitol, 0.1M MES (2−(N−morpholino)ethanesulfonic acid), pH6.0)を90μl加えた後、希釈液(30% Fetal Calf Serum, 6% Alkali−treated casein (Clinica Chimica Acta,1982,123,193−198), 0.2M MOPSO(3−(N−morpholino)−2−hydroxypropanesulfonic acid),pH7.5)にて2倍希釈したものを測定サンプルとした。測定サンプルごとの生菌数表示は、最終的な希釈後の数値を表すこととする。
(About preparation of measurement sample)
Haemophilus influenzae ATCC10211 was cultured at 37 ° C. for 24 hours using chocolate agar medium (Poremedia, manufactured by Eiken Chemical Co., Ltd.). After culturing, the cells were collected with physiological saline and stored at 4 ° C., a part of the collected solution was diluted, and the number of viable bacteria was counted by the same culturing. To 10 μl of each sample diluted to an appropriate viable cell count with physiological saline, an extract (1% Triton X-100 (Triton is a registered trademark, t-octylphenoxypolyethylethanol), 20 mM dithiothreitol, 0.1 M MES (2- (N-morpholino) ethansulfonic acid), pH 6.0) was added, and then diluted solution (30% Fetal Calf Serum, 6% Alkaline-treated casein (Clinica Chimica Acta, 1982, 123, 1983)). Diluted 2-fold with 2M MOPSO (3- (N-morpholino) -2-hydroxysulfonic acid), pH 7.5) Things were a measurement sample. The viable count display for each measurement sample represents the final value after dilution.
(測定及び測定結果について)
1次抗体を固定して乾燥させたカートリッジ本体に、凍結乾燥により乾燥させた不織布を装着したカートリッジ蓋部をセットし、測定用カートリッジを完成させた。完成したカートリッジに対し、上記各生菌数に希釈した測定サンプルを滴下し、分析器本体に挿入し測定を行った。測定シーケンスを図11に示す。挿入後の2分間静置することで、不織布からの磁性体粒子の溶出、測定対象物と1次抗体および2次抗体との反応を行わせた(ステップS2)。静置後、未結合磁性体粒子を5秒間12mT、周波数625HzのAC磁場(交流磁場)により引上げた(ステップS3)。その後12mT、周波数625HzのAC磁場、すなわち弱磁場中で16×16個のホール素子のAC信号を測定した(ステップS4)。次に、12mT、周波数625HzのAC磁場に50mTのDC磁場(直流磁場)、すなわち磁性体粒子の磁化が飽和するような強磁場を印加し、AC信号を測定した(ステップS5)。ステップS6の信号処理としては、AC磁場中での16×16個のAC信号(交流磁場成分の微小変化に対する各ホール素子の出力の交流成分の変化量の比)の偏差値(平均偏差)とAC+DC磁場中での16×16個のAC信号の偏差値の差分を算出し、ステップS7において結果を出力した。2分間の静置(ステップS2)後、測定結果が出力されるまでの時間は約1分であった。測定結果を図12に示す。陰性対象、すなわち生菌を含まないサンプルは偏差値の差分はほぼゼロに近い値を示した。生菌の濃度が増えるに従い偏差の差分が増加していた。この結果より、サンプルの滴下から測定結果の出力まで3分間で行うことができ、しかも1.7×105CFU/mlと微量な生菌の定量が可能であることが確認された。
(About measurement and measurement results)
A cartridge lid with a non-woven fabric dried by freeze-drying was set on the cartridge body on which the primary antibody was fixed and dried to complete the measurement cartridge. A measurement sample diluted to the above viable count was dropped onto the completed cartridge and inserted into the analyzer body for measurement. A measurement sequence is shown in FIG. By allowing to stand for 2 minutes after insertion, the magnetic particles were eluted from the nonwoven fabric, and the reaction between the measurement object, the primary antibody, and the secondary antibody was performed (step S2). After standing, unbound magnetic particles were pulled up by an AC magnetic field (alternating magnetic field) of 12 mT for 5 seconds and a frequency of 625 Hz (step S3). Thereafter, AC signals of 16 × 16 Hall elements were measured in an AC magnetic field of 12 mT and a frequency of 625 Hz, that is, a weak magnetic field (step S4). Next, a DC magnetic field (DC magnetic field) of 50 mT, that is, a strong magnetic field that saturates the magnetization of the magnetic particles was applied to an AC magnetic field of 12 mT and a frequency of 625 Hz, and the AC signal was measured (step S5). As the signal processing in step S6, the deviation value (average deviation) of 16 × 16 AC signals in the AC magnetic field (ratio of the change amount of the AC component of the output of each Hall element to the minute change of the AC magnetic field component) and The difference between the deviation values of 16 × 16 AC signals in the AC + DC magnetic field was calculated, and the result was output in step S7. After standing for 2 minutes (step S2), the time until the measurement result was output was about 1 minute. The measurement results are shown in FIG. The negative object, that is, the sample that does not contain viable bacteria, showed a difference in deviation that was nearly zero. The difference in deviation increased as the concentration of viable bacteria increased. From this result, it was confirmed that it was possible to carry out in 3 minutes from dropping of the sample to output of the measurement result, and it was possible to quantify a very small amount of viable bacteria of 1.7 × 10 5 CFU / ml.
1 センサチップ
2 ホール素子
9 ホール素子アレイ
11 シリコン基板
12 絶縁膜
12a 窒化珪素膜
12b 酸化珪素膜
13 凹部
30 ゲート電極
31 ソース電極
32 ドレイン電極
33,34 出力電極
35 絶縁層
36 ウエル領域
37 金属配線層
37a,37b 金属配線層
38 金属プラグ
42 電極
43 金属配線
44 樹脂
45 蓋
46 不織布
48 ワイヤ
5 カートリッジ
6 分析器本体
61 コイル
62 磁性体コア
63 表示装置
64 制御装置
65 コネクタ
91 固相
93 第1の分子受容体
94 測定対象物
DESCRIPTION OF
Claims (20)
前記反応槽内に配置され、前記測定対象物と特異的に結合する第1の分子受容体を表面に有する磁性体粒子と、
前記測定対象物を含む溶液を保持するための反応槽と、
前記反応槽に設置され、前記磁性体粒子の量を測定するセンサチップと、
を備え、
前記センサチップは、検知した磁場の強さに応じた出力値を出力する複数の磁場検知素子が2次元に配置されてなる磁気センサと、前記磁場検知素子の各々を選択する選択回路と、前記磁気センサの出力信号を増幅する増幅回路と、前記測定対象物と特異的に結合する前記磁気センサの表面に形成された第2の分子受容体と、を備えることを特徴とするバイオセンサ。 In a biosensor that analyzes a measurement object by measuring the amount of magnetic particles,
Magnetic particles disposed on the reaction vessel and having a first molecular receptor on the surface thereof that specifically binds to the measurement object;
A reaction vessel for holding a solution containing the measurement object;
A sensor chip installed in the reaction vessel and measuring the amount of the magnetic particles;
With
The sensor chip includes a magnetic sensor in which a plurality of magnetic field detection elements that output an output value corresponding to the detected magnetic field strength are two-dimensionally arranged, a selection circuit that selects each of the magnetic field detection elements, A biosensor comprising: an amplification circuit that amplifies an output signal of the magnetic sensor; and a second molecular receptor formed on a surface of the magnetic sensor that specifically binds to the measurement object.
前記磁性体粒子を、前記センサチップ上に導入された測定対象物を含む溶液中に溶解させるステップと、
前記測定対象物を介して前記磁性体粒子を前記磁気センサ表面に結合させるステップと、
結合せず溶液中に浮遊する前記磁性体粒子、及び測定対象物を介さずに前記磁気センサ表面に結合した前記磁性体粒子を、前記磁場発生装置により前記磁気センサ表面から遠ざけた後、前記測定対象物を介して磁気センサ表面に結合した磁性体粒子の量を特定するステップと、
前記磁性体粒子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含み、
これらのステップを連続的に予め設定したプログラムに基づいて自動的に行うようにしたことを特徴とする対象物測定方法。 A measurement method of an object to be measured using the biosensor according to any one of claims 2 to 17,
Dissolving the magnetic particles in a solution containing the measurement object introduced onto the sensor chip;
Binding the magnetic particles to the magnetic sensor surface via the measurement object;
The magnetic particles floating in the solution without being bound and the magnetic particles bound to the surface of the magnetic sensor without passing through the measurement object are moved away from the surface of the magnetic sensor by the magnetic field generator, and then measured. Identifying the amount of magnetic particles bound to the surface of the magnetic sensor through the object;
Identifying the amount of the measurement object based on the amount of the magnetic particles,
An object measuring method characterized in that these steps are automatically performed continuously based on a preset program.
前記磁性体粒子及び前記センサチップを備える反応槽を、装置本体に挿抜可能な筐体に形成したものであることを特徴とするバイオセンサ用カートリッジ。 A cartridge used for the biosensor according to any one of claims 1 to 17,
A biosensor cartridge, wherein a reaction vessel including the magnetic particles and the sensor chip is formed in a housing that can be inserted into and removed from an apparatus main body.
前記第1の分子受容体を表面に有する磁性体粒子を分散固定したことを特徴とする不織布。 A nonwoven fabric used for the biosensor according to any one of claims 1 to 17,
A non-woven fabric, wherein magnetic particles having the first molecular receptor on the surface are dispersed and fixed.
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