JP2006337244A - Method and apparatus for measuring sample by surface plasmon resonance method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外部より振動を印加する表面プラズモン共鳴装置により、リガンド分子とアナライト分子との相互作用を少なくとも2以上の試料を含むサンプルの測定方法ができる装置に関する。 The present invention relates to an apparatus capable of measuring a sample including at least two samples of interaction between a ligand molecule and an analyte molecule by a surface plasmon resonance apparatus that applies vibration from outside.
表面プラズモン共鳴(SPR)法は、センサーチップ(ガラス基板上に、金等の金属を蒸着したもの)の下面に接触している溶液等の媒質の屈折率が変化すると、該金属薄膜の上面にプリズムを通して種々の角度で入射する光の反射光のうち、強度の低下した反射光の角度が変化することを利用して、媒質の屈折率の変化を測定する方法である。例えば、金属薄膜表面にリガンドを結合させておき、リガンドがアナライトに結合すると、その金属薄膜近傍の誘電率が変化する。表面プラズモン共鳴現象を利用して、その変化を検出し、リガンドとアナライトの結合量を分析法が知られている。(例えば、非特許文献1参照)。また、リガンドが固定化されている金属薄膜の裏面に電界を印加することで金属薄膜に試料の分離及び移動制御する技術(例えば、特許文献1参照)や金属薄膜の屈折率の変化を利用して多量の試料を一度に計測する技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。しかし、これらの方法では、リガンドに結合したアナライトの量を表面プラズモンが励起して光量が減少する微小な角度変化量から解析している。また、リガンドが固定化された領域に外部振動を印加する印加手段に対する表面プラズモン共鳴角の周波数特性からリガンドと結合したアナライトを分析する方法が提案されている。
従来、表面プラズモン共鳴センサーによる多項目測定を行う場合では、測定項目に対応するセンシング分子、例えば抗体を、それぞれの項目ごとに独立させたセンサーに固定化する必要があった。同時多項目測定を行うために、二次元SPRセンサーが提案されているが、抗体の固定化法や測定感度の面で課題があった。本発明は、同一センサー上で同時多項目測定が可能な外部振動による表面プラズモン共鳴センサーを提供することである。 Conventionally, when performing multi-item measurement using a surface plasmon resonance sensor, it has been necessary to immobilize a sensing molecule corresponding to the measurement item, for example, an antibody, to a sensor that is independent for each item. A two-dimensional SPR sensor has been proposed to perform simultaneous multi-item measurement, but there were problems in terms of antibody immobilization and measurement sensitivity. An object of the present invention is to provide a surface plasmon resonance sensor by external vibration capable of simultaneous multi-item measurement on the same sensor.
上記の課題を解決するために、本発明の外部振動を用いる免疫測定装置は計測光を照射する手段と、前記計測光の反射光あるいは透過光を受光する手段と、固定したリガンド領域に外部振動を印加する手段と、リガンド分子の方向転換の周波数特性を計測する手段とを備えたもので、外部振動を印加しながら表面プラズモン共鳴を生じる角度変動の周波数特性を計測する。周波数特性はアナライトの分子量、結合量及びリガンドを固定化しているスペーサーの種類によって決まる。すなわち、低分子量と高分子量の測定では、アナライトの分子量が違うため、周波数特性が異なるため、同時測定が可能である。アナライトの分子量に差が少ない場合には、リガンドのスペーサーの質量差を用いることにより周波数特性を変化させることができ、同時多項目測定が可能な外部振動による表面プラズモン共鳴センサーを提供する。 In order to solve the above problems, an immunoassay device using external vibration according to the present invention includes means for irradiating measurement light, means for receiving reflected light or transmitted light of the measurement light, and external vibration in a fixed ligand region. And means for measuring the frequency characteristics of the direction change of the ligand molecules, and measuring the frequency characteristics of the angular fluctuations that cause surface plasmon resonance while applying external vibration. The frequency characteristics are determined by the molecular weight of the analyte, the amount of binding, and the type of spacer immobilizing the ligand. That is, in the measurement of the low molecular weight and the high molecular weight, since the molecular weight of the analyte is different and the frequency characteristics are different, simultaneous measurement is possible. When there is little difference in the molecular weight of the analyte, it is possible to change the frequency characteristics by using the mass difference of the ligand spacer, and to provide a surface plasmon resonance sensor by external vibration capable of simultaneous multi-item measurement.
本発明の分析法および装置では外部振動を与え、この外部振動に対しアナライトの分子量の差によって表面プラズモン共鳴角の周波数特性を得る。このように分子量の差によって周波数特性が異なるため同一センサー上で、アナライトの測定が可能である。また、同一分子量のアナライトの測定にはスペーサーの質量を変えることにより、多試料測定が可能である。 In the analysis method and apparatus of the present invention, external vibration is applied, and the frequency characteristic of the surface plasmon resonance angle is obtained by the difference in the molecular weight of the analyte with respect to the external vibration. As described above, the frequency characteristic varies depending on the difference in molecular weight, so that the analyte can be measured on the same sensor. In addition, for the measurement of an analyte having the same molecular weight, multiple samples can be measured by changing the mass of the spacer.
以下に、本発明の免疫測定装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the immunoassay apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施例における免疫測定装置の最適な形態を示す。図1において1は光源、2はプリズム、3は入射光、4は受光装置、5は反射光、6はSPR共鳴角、7は金属薄膜兼上部電極、8は下側電極、9は金属薄膜兼上側電極に固定されたリガンド分子、10は交流源、11及び12は特定周波数のみを通すアクティブフィルター、13は外部振動の位相(θ0)と、反射光に含まれる外部振動の信号成分の位相(θ1)を比較する検出器、14は検出器13により得られたアナログ信号をデジタル信号に変換するA/Dコンバーター、15は外部振動である。また、16はサンプル中のアナライトである。光源1は、プリズム2に全反射の条件で光を照射する位置に配置される。その照射される金属薄膜兼上側電極7の照射面の裏面にはリガンド9が固定されている。受光装置4はプリズム2で反射された反射光5を受光できる位置に配置される。下側電極8は、金属薄膜兼上側電極7に固定されたリガンド9に、外部振動を印加しうるように配置される。図1において、金属薄膜兼上側電極7を装置の上側、下側電極8を装置の下側に配置したが、その上下を逆転しても、または、装置の左右側に配置しても有効であることは言うまでもない。受光装置4を用いて、SPR共鳴角6を含むその反射光5の強度を検出する。さらに金属薄膜兼上側電極7及び下側電極8に交流源10を接続する。交流源10によりfの周波数を持った外部振動15が金属薄膜兼上側電極7に印加される。外部振動によりリガンド9が振動する。この振動により、リガンド9の誘電率を変化させ、共鳴角の変化を受光装置4で検出する。アクティブフィルター12で外部振動の信号成分以外が除去され、検出器13で外部振動の位相と反射光に含まれる外部振動の信号成分の位相が比較される。なお、光源1としては、He−Neレーザー、Arレーザー、色素レーザー等を用いることができ、例えば、AlGaAsダブルへテロ接合可視光半導体レーザー、(例えば、ROHM社製)、コリメートレンズ(例えば、松下日東社製)及び偏光ビームスプリッター(例えば、シグマ光機社製)から構成されてもよい。プリズムとしては、円錐形状、半球形状等を用いることができる。受光装置4は、CCD、Si、PIN、フォトダイオード(例えば、浜松フォトニックス社製)等にオペアンプ(例えば、ナショナルセミコンダクター社製)及び抵抗素子を用いて反射光5の強度を電圧に変換する装置であってもよい。
FIG. 1 shows an optimal form of an immunoassay apparatus according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a light source, 2 is a prism, 3 is incident light, 4 is a light receiving device, 5 is reflected light, 6 is an SPR resonance angle, 7 is a metal thin film and upper electrode, 8 is a lower electrode, and 9 is a metal thin film. Ligand molecules fixed to the upper electrode, 10 is an AC source, 11 and 12 are active filters that pass only a specific frequency, 13 is the phase of external vibration (θ0), and the phase of the signal component of external vibration included in the reflected light A detector for comparing (θ1), 14 is an A / D converter that converts an analog signal obtained by the
図2に定量方法を示す。図2(a)は図1に示す外部振動装置8と反射光に含まれるレセプターの振動12の信号成分の位相を比較することによって得られる。周波数特性の変極点(追従周波数限界)を検出することによって、測定精度の高い結果を得ることが可能となる。図2(b)は周波数特性の変極点を時間変化として計測した結果である。変極点の時間変化を計測することによって、リガンドに結合したアナライトの量を測定可能となる。結合アナライトが増えるに従って、変極点の時間変化はt1からt3へと時間が長くなる。時間変化と結合アナライトは比例するため定量が可能となる。
FIG. 2 shows the quantitative method. 2A is obtained by comparing the phase of the signal component of the
図3にセンサー膜の作成方法を示す。金属膜上に自己組織化膜(Self Assebled Monolayer,SAM)を構成する分子としてアルキルチオールがある。本実施では、11−Mercaptoundecanoic acid(アルドリッチ社製)をスペーサーとしてリガンドの固定化を行った。作成法は、チオール分子2.5mMエタノール溶液を調製し、ガラス基板上に金膜を形成した市販のSPR用センサーチップ(金膜厚50nm、サイズ9mm×9mmを有するガラス板)を各溶液中に室温下、24時間浸漬しSAMを形成させた。SAM膜を形成させた後、エタノール溶液にて洗浄し、SPR用センサーチップを得た。図3(b)にチオール分子の構成が異なるセンサー膜を示す。また、図2(a)を作成するためには、SH−(CH2)n−Rを用いることが可能である。nは、1ないし30の整数でRはカルボキシル基またはアミノ基である。図3(c)にSAMとして使用可能なチオール分子の基本構造を示す。次にリガンド分子の固定化法を示す。上記で作製したセンサーチップのSAMのチオール分子のカルボキシル基に、抗体を結合した。この操作は具体的に次のようにして行った。0.4M EDC(アルドリッチ社製)/0.1M NHS(アルドリッチ社製)、(EDC:N−エチル−N’−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミドヒドロクロリド、NHS:N−ヒドロキシサクシンイミド)によりカルボキシル基を活性化させた。EDC/NHSは、超純水(Mili Q水)に溶解させた。活性時間は7分間行った。活性化したカルボキシル基にタンパク質のアミノ基を利用して、カップリングさせた。牛血清アルブミン抗体(フナコシ社製)の濃度は100μg/mlで、10mM 酢酸バッファーpH4.5(和光純薬社製)に溶解させた。また、固定化時間は7分間とした。最後に未反応の活性化したカルボキシル基を1MエタノールアミンpH9.0(和光純薬社製)を用いて不活性化した。 FIG. 3 shows a method for creating a sensor film. Alkylthiol is a molecule that constitutes a self-assembled film (SAM) on a metal film. In this implementation, the ligand was immobilized using 11-Mercaptoundecanoic acid (manufactured by Aldrich) as a spacer. The preparation method is as follows. A commercially available SPR sensor chip (a glass plate having a gold film thickness of 50 nm and a size of 9 mm × 9 mm) prepared by preparing a 2.5 mM ethanol solution of thiol molecules and forming a gold film on a glass substrate in each solution. SAM was formed by immersion for 24 hours at room temperature. After forming the SAM film, it was washed with an ethanol solution to obtain an SPR sensor chip. FIG. 3B shows sensor films having different thiol molecule configurations. In addition, SH- (CH2) n-R can be used to create FIG. n is an integer of 1 to 30, and R is a carboxyl group or an amino group. FIG. 3C shows the basic structure of a thiol molecule that can be used as a SAM. Next, a method for immobilizing a ligand molecule is shown. The antibody was bound to the carboxyl group of the SAM thiol molecule of the sensor chip prepared above. This operation was specifically performed as follows. 0.4M EDC (manufactured by Aldrich) /0.1M NHS (manufactured by Aldrich), (EDC: N-ethyl-N ′-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride, NHS: N-hydroxysuccinimide) The carboxyl group was activated. EDC / NHS was dissolved in ultrapure water (Mili Q water). The activation time was 7 minutes. The activated carboxyl group was coupled using the amino group of the protein. The concentration of bovine serum albumin antibody (Funakoshi) was 100 μg / ml and dissolved in 10 mM acetate buffer pH 4.5 (Wako Pure Chemical Industries). The immobilization time was 7 minutes. Finally, the unreacted activated carboxyl group was inactivated using 1M ethanolamine pH 9.0 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).
図4に低分子(薬物等)と高分子(タンパク質等)の同時定量の概念図を示す。センサー部は、図3(a)の単一スペーサーのみからなるセンサーチップである。外部振動(f)、測定時間(t)との相関関係を、図4を用いて以下に説明する。低分子としてアスピリン(分子量180)(アルドリッチ社製)、高分子として牛血清アルブミン(66kDa)(アルドリッチ社製)をアナライトとする。図3(a)のセンサーチップには抗アスピリン抗体(フナコシ社製)及び抗牛血清アルブミン抗体(フナコシ社製)を前記方法にて固定化する。同一センサー上で同一スペーサーを用いてリガンド分子を固定化し、アナライトの分子量の異なる物質の相互作用は図4(b)となり、このときの周波数特性は図4(a)となる。牛血清アルブミンの周波数特性は、図4(a)中に示す追従周波数限界f2として得られる。これは、牛血清アルブミンのような高分子物質がリガンド分子に結合することによってリガンド分子の質量が増加し、外部振動に追従不可となることによる。一方、アスピリンの様な低分子化合物では、リガンド分子の質量増加が微量であるため、牛血清アルブミンに比べ高い周波数まで追従が可能となるため、周波数特性は、図4(a)中に示す追従周波数限界f1として得られる。従って、アナライトの分子量の差が大きい場合には低分子及び高分子の追従周波数限界を同一のセンサー上で得ることが可能である。 FIG. 4 shows a conceptual diagram of simultaneous determination of a low molecule (drug etc.) and a high molecule (protein etc.). The sensor unit is a sensor chip composed of only a single spacer in FIG. The correlation between the external vibration (f) and the measurement time (t) will be described below with reference to FIG. Aspirin (molecular weight 180) (manufactured by Aldrich) is used as the low molecule, and bovine serum albumin (66 kDa) (manufactured by Aldrich) is used as the analyte. An anti-aspirin antibody (manufactured by Funakoshi) and an anti-bovine serum albumin antibody (manufactured by Funakoshi) are immobilized on the sensor chip of FIG. The ligand molecules are immobilized on the same sensor using the same spacer, and the interaction of substances having different molecular weights of the analyte is shown in FIG. 4B, and the frequency characteristic at this time is shown in FIG. 4A. The frequency characteristic of bovine serum albumin is obtained as a follow-up frequency limit f2 shown in FIG. This is because the mass of the ligand molecule increases due to binding of a polymer substance such as bovine serum albumin to the ligand molecule, making it impossible to follow external vibration. On the other hand, in a low molecular weight compound such as aspirin, since the mass increase of the ligand molecule is small, it is possible to follow up to a higher frequency than that of bovine serum albumin. Therefore, the frequency characteristics are shown in FIG. Obtained as the frequency limit f1. Therefore, when the difference in the molecular weight of the analyte is large, it is possible to obtain the tracking frequency limit of the low molecule and the high molecule on the same sensor.
図5にスペーサーの長さが異なるセンサーチップによる追従周波数を測定したときの概念図を示す。図5(a)は、牛血清アルブミン(66kDa)、人血清アルブミン(68kDa)の同時定量時に得られる追従周波数特性図である。追従周波数限界f1は、牛血清アルブミンの周波数であり、追従周波数限界f2が人血清アルブミンである。図5(b)で示しているように、スペーサーの長さが異なるため、異なる周波数特性が得られる。図5(b)中に示す追従周波数限界f1は牛血清アルブミン抗体を固定化し、追従周波数限界f2には人血清アルブミン抗体を固定化した。スペーサーの長さは、振り子の原理を利用するとスペーサーが1/nとなると周波数はn1/2倍となり、スペーサーが短くなる程、周波数が高くなるので同一チップ上でスペーサーの長さが異なる事で、多様の周波数特性を得ることが可能であるため、同時定量が可能となる。 FIG. 5 shows a conceptual diagram when the tracking frequency is measured by sensor chips having different spacer lengths. FIG. 5A is a tracking frequency characteristic diagram obtained at the time of simultaneous determination of bovine serum albumin (66 kDa) and human serum albumin (68 kDa). The follow-up frequency limit f1 is the frequency of bovine serum albumin, and the follow-up frequency limit f2 is human serum albumin. As shown in FIG. 5B, since the spacers have different lengths, different frequency characteristics can be obtained. The follow-up frequency limit f1 shown in FIG. 5 (b) immobilized bovine serum albumin antibody, and the follow-up frequency limit f2 immobilized human serum albumin antibody. When the pendulum principle is used, the length of the spacer becomes n 1/2 times as long as the spacer becomes 1 / n, and the shorter the spacer, the higher the frequency. Since various frequency characteristics can be obtained, simultaneous quantification is possible.
図6にアナライトの分子量がほぼ同様で、スペーサー質量が異なる時の追従周波数を測定したときの概念図を示す。図3(b)で作成したセンサーにリガンド分子を固定化させ、外部振動を印加したときに得られる概念図である。オボアルブミン(45kDa)、牛血清アルブミン(66kDa)、人血清アルブミン(68kDa)を図6(b)の様に測定を行った場合、周波数特性は図6(a)として得られる。従って、スペーサー質量に変化が無いときは、追従周波数を測定することは困難である。これは、同程度のアナライトの分子量でスペーサーの質量が同種であるときでは、追従周波数特性に差が無いことに起因する。そこで、スペーサーの密度が異なるセンサーチップ図6(d)を用いることによって、リガンドの追従周波数を変化させることが可能となる。SAMに使用したL:SH−(dextran)−COOHにおいて、Lのデキストランの構成成分をグルコースとした場合、S:SH−(CH2)−COOHとの重量比は約10倍、L鎖の方が重くなる。この重量比はチオール鎖が長くなるにつれ大きくなり、デキストランの重合割合を変化させることにより、スペーサーの重量比を任意に変化させることが可能である。また、S鎖より多少重くしたい場合には、M鎖を用いることにより、重量に変化を持たせることが可能である。 FIG. 6 shows a conceptual diagram when the following frequency is measured when the molecular weight of the analyte is almost the same and the spacer mass is different. FIG. 4 is a conceptual diagram obtained when ligand molecules are immobilized on the sensor created in FIG. 3B and external vibration is applied. When ovalbumin (45 kDa), bovine serum albumin (66 kDa), and human serum albumin (68 kDa) are measured as shown in FIG. 6 (b), the frequency characteristics are obtained as shown in FIG. 6 (a). Therefore, it is difficult to measure the tracking frequency when there is no change in the spacer mass. This is because there is no difference in tracking frequency characteristics when the molecular weight of the analyte is the same and the mass of the spacer is the same. Therefore, it is possible to change the follow-up frequency of the ligand by using the sensor chip shown in FIG. 6D having different spacer densities. In L: SH- (dextran) -COOH used for SAM, when glucose is used as a constituent of L dextran, the weight ratio of S: SH- (CH2) -COOH is about 10 times, and the L chain is more Become heavier. This weight ratio becomes larger as the thiol chain becomes longer, and the weight ratio of the spacer can be arbitrarily changed by changing the polymerization ratio of dextran. If it is desired to make the chain slightly heavier than the S chain, the weight can be changed by using the M chain.
図7(a)に縦軸に振幅(A)を横軸に追従周波数限界(f)をとった図を示す。f3、f2、f1の振幅は、それぞれ、図6(d)のセンサーチップのスペーサーL、M、Sの追従周波数限界を示している。F3の周波数印加時には、Lが追従不可となるため、L分の振幅が減少し、この減少分は図7(a)のA1に相当し、このときの状態は図7(b−1)となる。続いてf2の周波数印加時にはMが追従不可となるため、M分の振幅が減少し、この減少分は図7(a)のA2に相当し、このときの状態は図7(b−2)となる。同様にf1の周波数印加時には、Sが追従不可となるため、S分の振幅が減少し、この減少分は図(a)のA3に相当し、このときの状態は図7(b−3)となる。また、このとき分子が受ける力Fは、次式の様に示される。F=1/2ρSV2、ここでρはスペーサーの密度、Sはスペーサーの断面積、Vはアナライトの速度を示している。従ってスペーサーの断面積が大きく、密度が高いほど力Fを受け外部振動に追従不可となるL鎖に結合したアナライトは、スペーサー質量が重く密度が高いため周波数特性は、M,S鎖に比べ低くなり、図6(c)中に示す追従周波数限界f3となる。一番軽いスペーサーS鎖は、密度が低いため最後まで外部振動の影響を受け、周波数特性はL,M鎖に比べ高くなる。M鎖はL,Sの中間値を示す。L,M,S鎖が追従不可となるにつれ、振幅の幅は減少し、それぞれの周波数特性が得られる。従って、スペーサーの質量を変化させることによって密度が異なり、多数の追従周波数限界を得ることができ、同一チップ上で同時多項目測定が可能となる。 FIG. 7A shows a graph in which the vertical axis represents the amplitude (A) and the horizontal axis represents the tracking frequency limit (f). The amplitudes of f3, f2, and f1 indicate the tracking frequency limits of the spacers L, M, and S of the sensor chip in FIG. When the frequency of F3 is applied, L cannot follow, so the amplitude of L decreases, and this decrease corresponds to A1 in FIG. 7A, and the state at this time is as shown in FIG. 7B-1. Become. Subsequently, since M cannot follow when the frequency f2 is applied, the amplitude of M decreases, and this decrease corresponds to A2 in FIG. 7A, and the state at this time is shown in FIG. 7B-2. It becomes. Similarly, when the frequency of f1 is applied, S cannot follow, so the amplitude of S decreases, and this decrease corresponds to A3 in FIG. 7A, and the state at this time is shown in FIG. It becomes. Further, the force F received by the molecule at this time is represented by the following equation. F = 1 / 2ρSV 2 , where ρ is the density of the spacer, S is the cross-sectional area of the spacer, and V is the velocity of the analyte. Therefore, the larger the density of the spacer, the higher the density, the analyte coupled to the L chain, which receives force F and cannot follow external vibration, is heavier and has a higher density. It becomes low and becomes the follow-up frequency limit f3 shown in FIG. Since the lightest spacer S chain has a low density, it is affected by external vibrations to the end, and the frequency characteristics are higher than those of the L and M chains. The M chain indicates an intermediate value between L and S. As the L, M, and S chains become unable to follow, the amplitude width decreases, and the respective frequency characteristics are obtained. Therefore, the density varies depending on the mass of the spacer, and a large number of tracking frequency limits can be obtained. Simultaneous multi-item measurement can be performed on the same chip.
以上のように、本発明の分析法および装置は、外部振動に対する表面プラズモン共鳴角の周波数特性を測定するのであり、測定物質によって異なる周波数特性を得る事によって、従来困難であった同一センサー上での多項目測定が可能となる。従って、本発明の分析方法および装置は、サンプル中の多項目を分析するのに有用であり、例えば、生物学、医学、薬学、農学等の分野に有用である。 As described above, the analysis method and apparatus of the present invention measures the frequency characteristics of the surface plasmon resonance angle with respect to external vibration. By obtaining different frequency characteristics depending on the measured substance, the analysis method and apparatus of the present invention can be used on the same sensor that has been difficult in the past. Multi-item measurement is possible. Therefore, the analysis method and apparatus of the present invention are useful for analyzing multiple items in a sample, and are useful in fields such as biology, medicine, pharmacy, and agriculture, for example.
1 光源
2 プリズム
3 入射光
4 受光装置
5 反射光
6 SPR共鳴角
7 金属薄膜兼上部電極
8 下部電極
9 リガンド分子
10 高周波源
11、12 アクティブフィルター
13 位相検出器
14 A/Dコンバーター
15 外部振動
16 アナライト分子
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