JP2008512673A - 生体成分を検出するための方法およびシステム - Google Patents

生体成分を検出するための方法およびシステム Download PDF

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Abstract

温度および湿度が調節された大気下または気相雰囲気下で、タンパク質や遺伝子などの生体成分の有無および存在量を高精度で測定できる生体成分を測定するためのシステムおよび方法が開示されている。 本願発明の一実施態様によれば、その方法は、複数個のカンチレバーを備えたカンチレバーセンサーを用意し、当該複数個のカンチレバーについての基準共振周波数を測定し、生体成分が含まれた試料と当該複数個のカンチレバーとを反応させ、外部環境と隔離され、かつ温度および湿度が特定状態に調節された閉鎖系において、反応後のカンチレバーの共振周波数を測定し、および、当該反応の前後のカンチレバーの共振周波数の変動値を算出して試料に含まれている生体成分の定量分析を行う工程を含む。

Description

本願発明は、生体成分を測定するためのシステムおよび方法に関し、特に、温度および湿度が調節された大気下または気相雰囲気下で、タンパク質や遺伝子などの生体成分の有無および存在量を高精度で測定できる、生体成分を測定するためのシステムおよび方法に関する。
近年、身体的変化や化学的反応を検出するために、カンチレバーを利用したセンサー、すなわち、微小電子機械システム(ＭＥＭＳ)を介して製造されたセンサーを開発するための研究が活発に行われている。
現在研究が行われているカンチレバーを利用したセンサーは、大気中または液体中の熱吸収またはガス吸着に基づく質量変化を、レーザーのような光源を利用して測定する方式を採用している。 すなわち、センサーを利用したカンチレバーの大半は、カンチレバー表面の変化に起因する静的歪みを測定する光学系システムを利用している。
このような歪みを利用する検出方法を、生体成分の検出に応用した事例が、Nature Biotechnology 19, 856-860 (2001)およびScience 288, 316-318 (2000)に記載されており、そこでは、マイクロカンチレバーの表面で発生する生物学的反応を介してタンパク質および遺伝子を検出する方法が紹介されている。 このような静的歪みを利用した検出方法は、レーザーなどの光源で、カンチレバー表面を照射して位置認識ダイオードに集光させることで、タンパク質または遺伝子の存在を認識するものである。 しかしながら、カンチレバーの変位を測定するためのこの種のシステムを用いる場合、生物学的反応の検出は、主に液体中で行われている。 カンチレバーを用いた液体での光学系の測定方法では、液体での測定時に信号減衰、寄生偏向、および、狭小なダイナミックレンジなどが発生して、実験的誤差を招くに至っていた。
一方で、前述したカンチレバーの変位に対する光学系の測定方法の他に、共振周波数の変化を利用したマイクロカンチレバーセンサーに関する研究も進められている。 Thundat et al., Applied Physics Letters 80, 2219-2221 (2002)では、共振周波数を測定して、マイクロカンチレバー表面へのナトリウムイオン(Na+)の吸着作用を利用して、バネ定数の変化が測定できることが報告されており、また、スイス国のチューリッヒに所在するＩＢＭの研究所や、その他の研究グループは、共振周波数を測定することで、空気中の特定のガスの検出が可能であることを報告している。 例えば、米国特許第５,７１９,３２４号は、カンチレバーでの化学物質の反応を利用するカンチレバーセンサーに関する発明を開示しており、この発明は、ターゲット化学物質を分析するために、共振周波数の変化を利用することを特徴としている。 加えて、米国特許第６,２１２,９３９号および第６,２８９,７１７号では、シリコンカンチレバーでの吸着作用を利用した化学的センサーと、カンチレバーで検出したい物質の結合パートナーを結合させた後に、対象物質の検出を行う化学センサーが開示されている。
しかしながら、これら米国特許に記載の発明は、液相での反応および液体中でのカンチレバーの変位または共振周波数の変化を、光学的方法によって検出したり、あるいは外部共振による共振周波数の変化を利用して検出するものであって、液体での測定に認められる前述した問題点は未解決のままである。 また、従来技術では、検出の対象が気相中の化学物質に限定されていたり(米国特許第５,７１９,３２４号)、あるいは、外部の圧電物質を用いた共振作用および光学的作用を利用した検出に主眼が置かれている。 米国特許第６,２８９,７１７号では、微小機械抗体センサーにまで言及しているが、これは、カンチレバーを利用した電気的測定に関するものではなく、むしろ、液体中でのカンチレバーの変位を光学的方法で測定するものに他ならない。 また、Nature Biotechnology, 19 pp.856-860の変法によって、前立腺特異的抗原(ＰＳＡ；前立腺癌の指標タンパク質)を検出する方法も提案されている。 この方法も、標的分子の液相反応および光学的測定方法に関する研究に基づくものである。
これまでに述べてきたように、従来技術のカンチレバーセンサーは、液相または気相での吸着作用や生物学的反応を測定できることを特徴としている。 しかしながら、液体での電気的測定方法の場合、光学的測定よりも、液体の密度や粘度の変化に起因する共振周波数の変化による影響を受けて実験的誤差が大きくなりやすく、また、湿気の影響を受けると、感度の低下も余儀なくされる。 加えて、従来のカンチレバーセンサーを利用した抗原-抗体反応に関する測定は、専ら、常温またはそれ以下の温度(約２８℃)で行われていた。
本願発明は、上掲の問題点を解決するために発明されたものであって、温度および湿度が調節された大気下または気相雰囲気下で、タンパク質や遺伝子などの生体成分の有無および存在量を高精度で測定できる、生体成分を測定するためのシステムおよび方法の提供を目的としている。
本願発明の目的を達成するために、本願発明は、複数個のカンチレバーを備えたカンチレバーセンサーを用意し、当該複数個のカンチレバーについての基準共振周波数を測定し、生体成分を含む試料と当該複数個のカンチレバーとを反応させ、外部環境と隔離され、かつ温度および湿度が特定状態に調節された閉鎖系において、反応後のカンチレバーの共振周波数を測定し、および、当該反応の前後のカンチレバーの共振周波数の変動値を算出して試料に含まれている生体成分の定量分析を行う、工程を含む生体成分の測定方法を提供する。
好ましくは、当該試料との反応後であり、かつ反応後のカンチレバーの共振周波数を測定する前に、当該カンチレバーを超純水または緩衝液で洗浄し、そして、乾燥させる工程をさらに含む。
好ましくは、当該複数個のカンチレバーの少なくとも一つが、カンチレバーの上面および下面の少なくとも一方の面に分子認識層を備えている。
好ましくは、当該複数個のカンチレバーの少なくとも一つが、分子認識層を備えていない。
好ましくは、当該分子認識層が、単原子層を含む。
好ましくは、当該閉鎖系の温度が、１０〜６０℃である。
好ましくは、当該閉鎖系の温度が、３０〜４０℃である。
好ましくは、当該閉鎖系の相対湿度が、１０〜９０％である。
好ましくは、当該閉鎖系の相対湿度が、７０〜９０％である。
好ましくは、当該複数個のカンチレバーが、圧電膜で一体化されている。
好ましくは、当該複数個のカンチレバーが、圧抵抗膜で一体化されている。
本願発明のその他の実施態様によれば、複数のカンチレバーを備えたカンチレバーセンサーを用意し、当該複数個のカンチレバーについての基準変位値を光学的手段を利用して測定し、生体成分を含む試料と当該複数個のカンチレバーとを反応させ、外部環境と隔離され、かつ温度および湿度が特定状態に調節された閉鎖系において、反応後のカンチレバーの変位値を測定し、および、当該反応の前後のカンチレバーの変位値の変動幅を算出して試料に含まれている生体成分の定量分析を行う、工程を含む生体成分の測定方法が提供される。
本願発明のその他の実施態様によれば、所定の空間を区画して外部環境と隔離される閉鎖系、当該閉鎖系の内部に備えられた試料供給システム、すなわち、生体成分を含む試料を供給および排出するための試料供給システム、当該閉鎖系の内部に備えられた反応室、すなわち、当該試料供給システムに連結されて当該試料を収容することができる所定の空間を有し、そして、複数個のカンチレバーを備えているカンチレバーセンサーを装備している反応室、当該閉鎖系の温度を調節する温度調節手段、および、当該閉鎖系の湿度を調節する湿度調節手段、を含む生体成分の測定システムが提供される。
好ましくは、当該複数個のカンチレバーの少なくとも一つが、カンチレバーの上面および下面の少なくとも一方の面に分子認識層を具備する。
好ましくは、当該複数個のカンチレバーの少なくとも一つが、分子認識層を備えていない。
好ましくは、当該分子認識層が、単原子層を含む。
好ましくは、当該閉鎖系の温度は、１０〜６０℃、より好ましくは、３０〜４０℃の温度範囲で調節される。
好ましくは、当該閉鎖系の湿度は、１０〜９０％、より好ましくは、７０〜９０％の相対湿度範囲で調節される。
好ましくは、当該複数個のカンチレバーが、圧電膜で一体化されている。
好ましくは、当該複数個のカンチレバーに対する共振周波数を測定するための電源供給部および共振周波数測定手段をさらに含む。
好ましくは、当該複数個のカンチレバーに対する変位値を測定するための光学手段をさらに含む。
好ましくは、当該湿度調節手段が、湿度調節用液体を貯蔵するための所定の体積の貯蔵手段を含む。
好ましくは、当該湿度調節用液体が、超純水または緩衝液である。
好ましくは、当該試料供給システムが、試料の流入を受け入れるための試料流入口、当該反応室に連結された試料配管、すなわち、当該反応室に試料を供給するための試料配管、および、当該反応室の一方の側に備えられた試料排出口、すなわち、当該反応室内の試料を排出するための試料排出口を含む。
本願発明によれば、まず、測定する生体成分を含む試料との反応を行う以前に、カンチレバーについての基準共振周波数または基準変位値が測定される。 当該試料との反応を行った後に、温度と湿度が特定状態に調節された閉鎖系において、反応後の共振周波数または変位値を測定する。 そうすることで、反応前後の共振周波数の変動値に基づいて、試料に含まれる生体成分の定量分析が可能になる。 本願発明のシステムおよび方法は、従来の液体中での測定とは異なり、大気下または気相雰囲気下にて測定を行うことで、液体中での測定時に認められた問題点を解決することができ、高精度での定量分析および定性分析を可能とする。
本願発明の生体成分を測定するためのシステムおよび方法は、以下のような効果を奏する。 本願発明によれば、測定する生体成分を含む試料との反応を行う以前に、カンチレバーについての基準共振周波数または基準変位値が測定される。 当該試料との反応を行った後に、温度と湿度が特定状態に調節された閉鎖系において、反応後の共振周波数または変位値を測定する。 そうすることで、反応前後の共振周波数の変動値に基づいて、試料に含まれる生体成分の定量分析が可能になる。
特に、本願発明によれば、従来の液体中での測定とは異なり、大気下または気相雰囲気下にて測定を行うことで、液体中での測定時に認められた問題点、例えば、液体の粘度および密度などに起因する共振周波数の変化などの実験的誤差を解消することができる。
加えて、本願発明によれば、従来の光学系システムを利用した変位測定方法の問題点であった寄生偏向および狭小なダイナミックレンジなどに起因する実験的誤差および感度低下などの問題点を解決することができる。
以下に、図面を参照しながら、本願発明の好適な実施態様について説明する。 以下の本願発明の詳細な説明において、本願発明の実体が不明瞭にならない限りは、本明細書ですでに言及した公知の作用や実施態様の詳細な説明は省略してある。
図１は、本願発明の一実施態様に従った生体成分の測定システムの斜視図であり、図２は、図１中のＡ-Ａ'線の断面図である。
本願発明の生体成分を測定するためのシステムおよび方法での技術的思想の要旨は、温度および湿度が調節された空間内の大気下または気相雰囲気下で、生体成分を測定することにある。 図１および図２に示した生体成分の測定システムは、本願発明の生体成分を測定するための方法を実現するための一実施態様であって、様々な変更が可能である。
図１および図２を参照すれば、生体成分測定システム１００は、試料供給システムと反応室１０１とに大別される。 試料供給システムは、測定する生体成分を含む液状試料、例えば、血液などを反応室１０１へ供給するものであって、試料流入口１３１、試料配管１３２、および試料排出口１３３を含む。 また、試料配管１３２の一方の側には、試料の供給および遮断を調節するための試料調節バルブ１３４が備えられている。 試料排出口１３３は、反応室１０１の一方の側に備えられており、反応が完了した試料を排出する役割を果たす。 図示していないが、試料排出口１３３の一端には、試料排出を調節するための試料排出バルブが備えられている。 一方で、この試料供給システムは、洗浄液供給システムとしての役割も果たす。 換言すれば、後述するようにして、反応室へ供給された試料の反応が完了した後に、カンチレバーを洗浄するための洗浄液を、この試料供給システムの試料流入口、試料配管および試料排出口から供給および排出することができる。
反応室１０１は、試料を収容するための所定の反応空間を有しており、反応室１０１内には、カンチレバーセンサーが取り付けられている。 このカンチレバーセンサーは、支持層１１０と少なくとも一つのカンチレバー１２０とを含む。 このカンチレバー１２０は、最低限の構造を有するカンチレバーを含む。 すなわち、本願発明で利用されているカンチレバー１２０は、生体成分を捕捉する役割を果たす分子認識層を備えているすべてのカンチレバーを含む。 例えば、米国特許第５,７１９,３２４号に記載の圧電変換器を個別に具備しているカンチレバーや、本出願人による韓国特許出願番号２００３-９２６１８号に記載の圧電膜が一体化されたカンチレバーまたは圧抵抗膜が一体化されたカンチレバーなど、分子認識層を備えた、生体成分の検出手段としての最低限の構造のすべてのカンチレバーを含む。 分子認識層とは、カンチレバー１２０の上面および下面の少なくとも一方の面に形成されるものであって、図３に示したように金(Ａｕ)のような導電性物質から形成された検出膜１２６と、検出膜１２６上に形成された単原子層１２７とを含む。 分子認識層は、検出膜だけであったり、あるいは、単原子層だけであったりする場合もある。 単原子層は、自己組織化単分子膜(ＳＡＭ)とも称されており、試料に含まれる測定対象の生体成分を実質的に捕捉する役割を果たす。 また、複数のカンチレバーの少なくとも一つには、分子認識層が具備されていない。 少なくとも一つのカンチレバーに分子認識層を具備させない理由は、分子認識層に捕捉された生体成分が、測定対象の生体成分でない場合に生じる誤差を補正するためである。 その詳細は、後述する通りである。
図３に示したカンチレバーセンサーは、本出願人による韓国特許出願番号２００３-９２６１８号に記載の圧電膜が一体化されたカンチレバーであって、上部電極１２１、圧電膜１２２、下部電極１２３、緩衝膜１２４、支持膜１２５、検出膜１２６、および単原子層１２７が順次に積層された構造を有している。 以下の説明では、圧電膜１２２が一体化されたカンチレバーセンサーについて説明する。
試料供給システム１３１、１３２、１３３と反応室１０１の他に、本願発明の生体成分の測定システムは、試料供給システムと反応室とを外部環境から隔離させるための所定形状の蓋体１８０を具備している。 蓋体１８０によって、本願発明の生体成分の測定システム１００は、ある種の閉鎖系を形成する。 一方で、生体成分の測定システム１００は、湿度調節手段と温度調節手段１５０とを具備している。 湿度調節手段とは、蓋体１８０内部の閉鎖系の湿度を調節するための手段であって、また、蓋体内部の一方の側に貯蔵手段１４１を備えており、この貯蔵手段の内部に、湿度調節用液体、例えば、超純水(脱イオン水)やリン酸緩衝液(ＰＢＳ)などを貯蔵することができる。 貯蔵手段１４１に貯蔵される湿度調節用液体の量は、所望の湿度に応じて適宜調整することができる。 温度調節手段１５０は、蓋体によって形成された閉鎖系の温度を調節する。
一方で、反応室１０１内部に設けられるカンチレバーセンサーは、カンチレバー１２０に電源を供給する給電部１７０と、カンチレバー１２０から送られる共振周波数を測定するための共振周波数の測定手段１６０をさらに備えることができる。 また、カンチレバーセンサーの静的歪みの変位量を測定する場合は、図示してはいないが、変位量を測定するためのレーザーダイオードを含む光学系を、生体成分の測定システムに備えることもできる。
次に、図８を参照しながら、本願発明の生体成分の測定方法を詳細に説明する。 前述した通り、本願発明の生体成分の測定方法は、図１および図２に示した生体成分の測定システムを用いた実施態様に限定されるものではない。 換言すれば、図１および図２に示した生体成分の測定システムの他にも、種々の態様のものが利用可能である。
本願発明の生体成分の測定方法によれば、まず、カンチレバーセンサーが用意される(Ｓ６０１)。 このカンチレバーセンサーとは、生体成分を捕捉するための最低限の構造を有し、また、分子認識層を備えたカンチレバーセンサーであって、この分子認識層を具備したすべてのカンチレバーセンサーを指す。 前述した通り、分子認識層は、導電性材料から作られた検出膜と、この検出膜上に形成された単原子層とを含み、また、前述したように、検出膜または単原子層のいずれかだけを指す場合もある。 加えて、このカンチレバーセンサーは、支持層と複数のカンチレバーとを含む。 複数のカンチレバーの少なくとも一つが、分子認識層を備えていないこともある。 カンチレバーの形状は、用途に応じて多様に変更することができる。 図１および図３に示したカンチレバーは、直平行六面体である。 例えば、このカンチレバーは、長さと幅が１〜４００μｍであり、また、厚さは、０.１〜１０μｍである。 これら寸法は、任意に変更することができる。 また、このカンチレバーを、単結晶シリコン、窒化珪素膜(ＳｉＮx)、炭素結晶などから構成することも可能である。
カンチレバーセンサーが用意されれば、カンチレバーセンサーに電界を印加して、カンチレバーの基準共振周波数を測定する(Ｓ６０２)。 この時に、反応後の共振周波数と比較するために、基準共振周波数を測定する。
一方で、複数のカンチレバーの少なくとも一つは、分子認識層を備えていない状態で、基準共振周波数の測定に供される。 分子認識層を備えていないカンチレバーについての基準共振周波数を測定する理由は、次の通りである。 本願発明の生体成分の測定方法の特徴部分は、分子認識層を具備したカンチレバーについての基準共振周波数を測定し、次いで、反応後のカンチレバーについての共振周波数を再び測定し、そうすることで、反応前後の共振周波数の変動値から生体成分を認識することにある。 しかしながら、測定対象の試料は、通常、測定する生体成分以外の生体成分をも含んでいるため、反応後に、測定対象の生体成分以外の生体成分までもが分子認識層に捕捉されることがある。 この場合、生体成分の有無を高精度で検出できず、また、その検出量にも誤差が現れる。 このような不都合を解消するために、分子認識層を備えていないカンチレバーを準備する。 分子認識層を備えていないカンチレバーによって、非特異的な結合を解消することができ、また、測定環境に起因する誤差の発生余地も最小限にすることができる。
図１および図２に示した生体成分の測定システムを用いる場合、基準共振周波数の測定は、次のようにして行われる。 まず、給電部１７０からカンチレバーセンサーに電界が加えられ、次いで、カンチレバーセンサーに備えられている圧電膜１２２を介して電気信号が機械的振動に変換され、そして、その機械的振動が電気信号に再度変換され、そして最終的に、共振周波数測定手段１６０でカンチレバーの共振周波数が測定される。
一方で、前述したように、基準共振周波数を測定する方法として、反応前の基準値を設定する方法が提案されている。 しかしながら、基準共振周波数の他に、カンチレバーの静的歪みに対する変位量を基準値として測定する方法も応用することができる。 換言すれば、カンチレバーの反応前の変位量をレーザーダイオードなどを用い光学的に測定し、次いで、反応後のカンチレバーの変位量を測定して、カンチレバーに捕捉される生体成分の有無およびその存在量を決定することができる。 この時の反応前の変位量の測定プロセスを、基準変位量の測定プロセスとも称する(Ｓ６０２)。 また、基準共振周波数の測定と同様にして、複数のカンチレバーの少なくとも一つに分子認識層を設けずに基準変位量の測定を行うこともできる。 分子認識層を付けない理由は、基準周波数の測定に関して説明した理由と同じである。
基準共振周波数または基準変位量の測定が完了してから、反応プロセスが進行する(Ｓ６０３)。 この反応プロセスとは、測定する生体成分を含む試料、例えば、血液などとカンチレバーセンサーとの反応を意味する。 反応プロセスの一例を、本願発明の図１および図２に示した生体成分の測定システムに関して、以下のように説明する。
試料流入口１３１から導入した血液などの試料を、試料配管１３２を通じて、カンチレバーセンサーを備えた反応室１０１に導入する。 試料が反応室１０１に導入された状態で、約５〜１００分間、反応を行う。 この反応によって、カンチレバー１２０に備えた分子認識層、具体的には、単原子層１２７(図３)の表面に、測定される生体成分、例えば、前立腺癌の指標タンパク質である前立腺特異的抗原(ＰＳＡ)が捕捉される。 この反応プロセスにおいて、カンチレバーの分子認識層に抗原を固定化させる際に、非特異的結合の出現を防止するために、ウシ血清アルブミン(ＢＳＡ)のような基質を添加することもできる。 この反応が完了すれば、反応が完了した試料を、試料排出口から排出させる。
反応プロセスが完了した状態で、カンチレバーセンサーの洗浄および乾燥を行う(Ｓ６０４)。 この洗浄プロセスは、リン酸緩衝液(ＰＢＳ)のような緩衝液を用いて実施することができる。 図１および図２に示した生体成分の測定システムを利用する場合、反応室内のカンチレバーセンサーを洗浄するために、試料流入口からＰＢＳのような緩衝液を導入する。 洗浄が完了すると、乾燥プロセスに移行する。 この時に、乾燥プロセスとして、生体成分の測定システムを所定速度で回転させて乾燥させるスピンドライ方法を用いることができる。
洗浄および乾燥のプロセスが完了した状態で、本格的な生体成分の測定が行われる。 この生体成分の測定は、温度および湿度が特定状態に調節された閉鎖系において行われる(Ｓ６０５)(Ｓ６０６)。 閉鎖系とは、反応が完了したカンチレバーセンサーが、外部環境から隔離されていることを意味する。 閉鎖系の一例として、本願発明の図１に示した生体成分の測定システムがある。 以下に、図１に示した生体成分の測定システムを利用した生体成分の測定方法を説明する。
カンチレバーセンサーに捕捉された生体成分の有無およびその存在量を正確に決定するために、閉鎖系の温度および湿度を、ある特定の状態に固定する。 そのようにするために、温度および湿度は、調節可能でなくてはならない。 温度調節手段１５０および湿度調節手段が、それぞれ温度調節および湿度調節の役割を果たす。 温度調節手段は、加熱部分とその制御装置とを含む。 湿度調節手段は、図１に沿って説明したように、所定の貯蔵手段１４１を備えており、この貯蔵手段の内部に湿度調節用液体、例えば、超純水またはＰＢＳなどを貯蔵させて閉鎖系の湿度を適宜調節することができる。
至適な測定条件と生体成分の量を決定するために、本願発明に関係する実験では、様々な温度と湿度を使った。 具体的には、固定された湿度条件での温度変化による共振周波数の変動と、固定された温度条件での湿度変化による共振周波数の変動とについて検証を行った。 具体的な温度および湿度の条件は、１０〜６０℃、および１０〜９０％の相対湿度であった。
図４および図５は、相対湿度が６０％に固定された条件下での温度変化による共振周波数の変動を示すグラフである。 共振周波数の変動とは、前述した反応前の基準共振周波数と反応後のカンチレバーの共振周波数の差異である。 具体的に、図４では、単原子層を備えていない、すなわち、分子認識層を備えていないカンチレバーの共振周波数の変動を示すグラフであり、図５は、単原子層だけを備えたカンチレバー(Ａ)と、反応によって単原子層に生体成分が捕捉されたカンチレバー(Ｂ)に対する共振周波数の変動を示すグラフである。
図４に示すように、単原子層を備えていないカンチレバー、すなわち、検出膜として金(Ａｕ)の層だけを備えたカンチレバーの場合、温度の上昇に伴って、１〜１０Ｈｚ／℃の共振周波数の変動が認められている。 単原子層を備えていないにもかかわらず、このような共振周波数の変動が認められる理由は、多層膜からなるカンチレバーの熱膨脹および水分の吸着にある。
図５において、検出膜上に単原子層だけを備えたカンチレバーの共振周波数の変動(Ａ)は、図４のグラフと同様に、温度に対して微細な共振周波数の変動を示している。 これに対して、図５に示した単原子層に生体成分が捕捉されたカンチレバー(Ｂ)の場合、温度に対する共振周波数の変動が顕著である。 特に、３０〜４０℃の温度範囲で、共振周波数の変動が最大になっている。 共振周波数の変動が、特定の温度範囲で最大になるということは、この温度範囲において、カンチレバーに捕捉された生体成分の定量が効果的であることを指し示すものである。 換言すれば、カンチレバーに捕捉された生体成分を定量するにあたって、３０〜４０℃の温度範囲が、最適の測定条件であるといえる。 図５の曲線Ｂに示した結果は、カンチレバーの単原子層に捕捉された生体成分の活性および反応性に関するものである。 活性が大きな生体成分ほど、温度が上昇するにつれて、共振周波数の変動も大きくなる。
一方で、図５の曲線Ｂにおいて、４５℃またはそれ以上の温度で、共振周波数の変動の増大が観察される。 このような現象は、生体成分、例えば、前立腺癌の指標タンパク質(ＰＳＡ)の特性変化によるものであると推定される。 温度を加減して得られた結果に基づいて、生体成分の特性変化および構造変化を実現するために、この性質を利用することもできる。 換言すれば、可逆反応をもたらす履歴曲線の観察などを通じて、生体成分の特性分析が可能となるのである。
カンチレバー測定のための最適温度条件を、図５に記載のグラフから決定した上で、閉鎖系の最適湿度条件を決定する必要がある。 図６は、３０〜４０℃の温度範囲に属する３７℃に閉鎖系の温度を固定させた状態での相対湿度の変化に基づく共振周波数の変動を示すグラフである。 また、図６では、五つの試料に関する実験値、すなわち、前立腺癌の指標タンパク質を、それぞれ１００pg/ml、１ng/ml、１０ng/ml、１００ng/mlの濃度で含む四種類の試料に対する共振周波数の変動を示すグラフである。 参考までに、図６のネガティブグラフは、単原子層を備えていないカンチレバーに対する共振周波数の変動を示している。 図６に示すように、単原子層を備えていないカンチレバー(ネガティブ)は、湿度の変化に関係なく、ほぼ一定の共振周波数の変動を示している。 これに対して、試料に含まれている前立腺癌の指標タンパク質(ＰＳＡ)の濃度が大きいほど、共振周波数の変動は、線形的に減少する。 このような現象は、タンパク質間に作用する力、すなわち、静電気力または分子間力(静的作用力)などに起因している。 図６のグラフから最適の湿度条件は、７０％またはそれ以上であることがわかる。
一方で、図６に示した結果は、三つの重要な情報を提供している。 具体的には、生体成分の活性および特性に関する情報が提供される。 次に、湿度に関する生体成分の作用を分析することによって、バイオセンサーとしての定量分析データが提供される。 換言すれば、生体成分チップとしての応用が可能となる。 そして、大気下または気体中で利用可能な測定方法を提供することができ、これにより、液体中での測定で認められた信号の減衰や誤差を排除することが可能となる。
図５および図６から、３０〜４０℃の温度と７０％またはそれ以上の湿度が、最適の条件であることがわかる。 図７は、温度と相対湿度を、それぞれ３７℃および８０％に固定した状態での共振周波数の変動を示すグラフである。 参考までに、図７において使用した試料は、前立腺癌の指標タンパク質(ＰＳＡ)を含む。 図７に示したように、試料中の前立腺癌の指標タンパク質の濃度の増大に伴い、共振周波数の変動が増大している。
前述したプロセス、すなわち、カンチレバーを用意し、基準共振周波数を測定し、反応を実施し、反応後の共振周波数を測定し、反応前後の共振周波数の変動値を計算する、という一連のプロセスによって、試料に含まれる生体成分の定量分析が可能となる。 また、特定の温度または特定の相対湿度の条件下で、相対湿度の変化または温度の変化を観察して、生体成分の反応の程度、すなわち、作用を決定することで、生体成分の特性を容易に理解することができる。
図４〜図７に沿って、共振周波数に基づく説明を行ってきた。 しかしながら、前述したように、カンチレバーに対して反応前の静的歪みの基準変位値を光学系を利用して測定し、反応後の変位値を測定した後に、反応前後の変位置の変動に基づいて、試料に含まれる生体成分の定量分析が可能となったのである。 その際に、共振周波数の測定方法と同様にして、特定の温度および湿度条件に設定した閉鎖系において、変位測定が実施される。 最適の温度および湿度条件は、共振周波数の測定方法での条件、すなわち、３０〜４０℃の温度、および７０％またはそれ以上の湿度条件に相当する条件とする。
加えて、本願発明の実施態様を、前立腺癌の指標タンパク質(ＰＳＡ)を生体成分として説明してきたが、ＰＳＡの他にも、ＤＮＡや細胞などの様々な生体成分の検出も可能である。 さらに、本願発明の実施態様を、カンチレバーを利用した共振周波数の変動または変位値の変化に関して説明してきたが、カンチレバーの他に、従来技術で利用されている水晶振動子質量天秤(ＱＣＭ)をカンチレバーの代わりに利用して、前述したプロセス（Ｓ６０１〜Ｓ６０６)を実施することもできる。
本願発明の生体成分を測定するためのシステムおよび方法は、以下のような効果を奏する。 本願発明によれば、測定する生体成分を含む試料との反応を行う以前に、カンチレバーについての基準共振周波数または基準変位値が測定される。 反応後に、温度と湿度が特定状態に調節された閉鎖系において、反応後の共振周波数または変位値が測定される。 そうすることで、反応前後の共振周波数の変動または変化に基づいて、試料に含まれる生体成分の定量分析が可能となる。
本願発明の一実施態様による生体成分の測定システムの斜視図である。 図１のＡ-Ａ'線の断面図である。 図１に示されたカンチレバーセンサーの拡大斜視図である。 相対湿度が６０％に固定された条件下において、単原子層が具備されていないカンチレバーについて、所定温度下で行った反応前後の共振周波数の変動値を示すグラフである。 閉鎖系の相対湿度が６０％に固定された条件下で、単原子層だけを具備したカンチレバー(Ａ)および反応によって単原子層に生体成分が捕捉されたカンチレバー(Ｂ)について、所定温度下で出現した共振周波数の変動値を示すグラフである。 閉鎖系の温度が３７℃に固定された条件下で、相対湿度の変化によってカンチレバーの共振周波数の変動値を示すグラフである。 閉鎖系の温度および相対湿度をそれぞれ３７℃および８０％に固定させた状態下でのカンチレバーの共振周波数の変動値を示すグラフである。 本願発明の一実施態様に従った生体成分の測定方法を説明するための工程説明図である。
符号の説明
１０１……反応室
１１０……支持層
１２０……カンチレバー
１２１……上部電極
１２２……圧電膜
１２３……下部電極
１２４……緩衝膜
１２５……支持膜
１２６……検出膜
１２７……単原子層
１３１……試料流入口
１３２……試料配管
１３３……試料排出口
１３４……試料調節バルブ
１４１……貯蔵手段
１５０……温度調節手段
１６０……共振周波数測定手段
１７０……給電部

Claims (37)

  1. 以下の工程、すなわち；
    (ａ) 複数個のカンチレバーを備えたカンチレバーセンサーを用意し、
    (ｂ) 当該複数個のカンチレバーについての基準共振周波数を測定し、
    (ｃ) 生体成分が含まれた試料と当該複数個のカンチレバーとを反応させ、
    (ｄ) 外部環境と隔離され、かつ温度および湿度が特定状態に調節された閉鎖系において、反応後のカンチレバーの共振周波数を測定し、および
    (ｅ) 当該反応の前後のカンチレバーの共振周波数の変動値を算出して、試料に含まれている生体成分の定量分析を行う、工程を含む生体成分の測定方法。
  2. 前記試料との反応後であり、かつ反応後のカンチレバーの共振周波数を測定する前に、前記カンチレバーを超純水または緩衝液で洗浄し、そして、乾燥させる工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
  3. 前記複数個のカンチレバーの少なくとも一つが、カンチレバーの上面および下面の少なくとも一方の面に分子認識層を備えている請求項１に記載の方法。
  4. 前記複数個のカンチレバーの少なくとも一つが、分子認識層を備えていない請求項１に記載の方法。
  5. 前記分子認識層が、単原子層を含む請求項３または４に記載の方法。
  6. 前記閉鎖系の温度が、１０〜６０℃である請求項１に記載の方法。
  7. 前記閉鎖系の温度が、３０〜４０℃である請求項６に記載の方法。
  8. 前記閉鎖系の相対湿度が、１０〜９０％である請求項１に記載の方法。
  9. 前記閉鎖系の相対湿度が、７０〜９０％である請求項８に記載の方法。
  10. 前記複数個のカンチレバーが、圧電膜が一体化されたカンチレバーまたは圧抵抗膜が一体化されたカンチレバーを含む請求項１に記載の方法。
  11. 前記工程(ａ)乃至(ｅ)を少なくとも一度は繰り返すことで、特定の温度または特定の相対湿度での温度変化または相対湿度変化によって出現する生体成分の作用を決定する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
  12. 以下の工程、すなわち；
    (ａ) 複数のカンチレバーを備えたカンチレバーセンサーを用意し、
    (ｂ) 当該複数個のカンチレバーについての基準変位値を光学手段を利用して測定し、
    (ｃ) 生体成分が含まれた試料と当該複数個のカンチレバーとを反応させ、
    (ｄ) 外部環境と隔離され、かつ温度および湿度が特定状態に調節された閉鎖系において、反応後のカンチレバーの変位値を測定し、および
    (ｅ) 当該反応の前後のカンチレバーの変位値の変動幅を算出して、試料に含まれている生体成分の定量分析を行う、工程を含む生体成分の測定方法。
  13. 前記試料との反応後であり、かつ反応後のカンチレバーの共振周波数を測定する前に、前記カンチレバーを超純水または緩衝液で洗浄し、そして、乾燥させる工程をさらに含む請求項１２に記載の方法。
  14. 前記複数個のカンチレバーの少なくとも一つが、カンチレバーの上面および下面の少なくとも一方の面に分子認識層を備えている請求項１１に記載の方法。
  15. 前記複数個のカンチレバーの少なくとも一つが、分子認識層を備えていない請求項１２に記載の方法。
  16. 前記分子認識層が、単原子層を含む請求項１４または１５に記載の方法。
  17. 前記閉鎖系の温度が、１０〜６０℃である請求項１２に記載の方法。
  18. 前記閉鎖系の温度が、３０〜４０℃である請求項１７に記載の方法。
  19. 前記閉鎖系の相対湿度が、１０〜９０％である請求項１２に記載の方法。
  20. 前記閉鎖系の相対湿度が、７０〜９０％である請求項１９に記載の方法。
  21. 前記工程(ａ)乃至(ｅ)を少なくとも一度は繰り返すことで、特定の温度または特定の相対湿度での温度変化または相対湿度変化によって出現する生体成分の作用を決定する工程をさらに含む請求項１２に記載の方法。
  22. 前記カンチレバーセンサーに代えて、水晶振動子質量天秤(ＱＣＭ)を用いる請求項１または１２に記載の方法。
  23. 所定の空間を区画して外部環境と隔離される閉鎖系、
    当該閉鎖系の内部に備えられた試料供給システム、すなわち、生体成分が含まれている試料を供給および排出するための試料供給システム、
    当該閉鎖系の内部に備えられた反応室、すなわち、当該試料供給システムに連結されて当該試料を収容することができる所定の空間を有し、そして、複数個のカンチレバーを備えているカンチレバーセンサーを装備している反応室、
    当該閉鎖系の温度を調節する温度調節手段、および
    当該閉鎖系の湿度を調節する湿度調節手段、を含む生体成分の測定システム。
  24. 前記複数個のカンチレバーの少なくとも一つが、カンチレバーの上面および下面の少なくとも一方の面に分子認識層を備えている請求項２３に記載のシステム。
  25. 前記複数個のカンチレバーの少なくとも一つが、分子認識層を備えていない請求項２３に記載のシステム。
  26. 前記分子認識層が、単原子層を含む請求項２４または２５に記載のシステム。
  27. 前記閉鎖系の温度が、１０〜６０℃の温度範囲で調節される請求項２３に記載のシステム。
  28. 前記閉鎖系の温度が、３０〜４０℃の温度範囲で調節される請求項２７に記載のシステム。
  29. 前記閉鎖系の相対湿度が、１０〜９０％の範囲で調節される請求項２３に記載のシステム。
  30. 前記閉鎖系の相対湿度が、７０〜９０％の範囲で調節される請求項２３に記載のシステム。
  31. 前記複数個のカンチレバーが、圧電膜が一体化されたカンチレバーまたは圧抵抗膜が一体化されたカンチレバーを含む請求項２３に記載のシステム。
  32. 前記複数個のカンチレバーに対する共振周波数を測定するための電源供給部および共振周波数の測定手段をさらに含む請求項２３に記載のシステム。
  33. 前記複数個のカンチレバーに対する変位値を測定するための光学系手段をさらに含む請求項２３に記載のシステム。
  34. 前記湿度調節手段が、湿度調節用液体を貯蔵するための所定の体積の貯蔵手段を含む請求項２３に記載のシステム。
  35. 前記湿度調節用液体が、超純水または緩衝液である請求項３４に記載のシステム。
  36. 前記試料供給システムが、
    試料の流入を受け入れるための試料流入口、
    前記反応室に連結された試料配管、すなわち、前記反応室に試料を供給するための試料配管、および
    前記反応室の一方の側に備えられた試料排出口、すなわち、前記反応室内の試料を排出するための試料排出口、
    を含む請求項２３に記載のシステム。
  37. 前記カンチレバーセンサーに代えて、水晶振動子質量天秤(ＱＣＭ)を用いる請求項２３に記載のシステム。
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