JP2011516850A - 化学物質検出方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、サンプル中の被分析物（１０）の検出方法であって、（ｉ）焦電または圧電素子および電極を有する、エネルギー変化を電気信号へ変換することが可能な変換器（３）と、その変換器上に固定化された第１の試薬（９）とを準備する工程（第１の試薬が、被分析物またはその被分析物の誘導体の存在下で第２の試薬（１１）と結合することが可能な結合部位を有する）、（ｉｉ）電磁放射線を吸収して無放射性崩壊によりエネルギーを発生することが可能な標識（１２）を有する、被分析物またはその誘導体の存在下で第１の試薬と結合することが可能な結合部位を有する第２の試薬を導入する工程（第１の試薬または第２の試薬のいずれかが、被分析物またはその誘導体と結合することが可能である）、（ｉｉｉ）その変換器にサンプルを曝露し、それによって被分析物またはその誘導体を第１の試薬または第２の試薬のいずれかと結合させる工程、（ｉｖ）被分析物またはその誘導体と同じ第１の試薬または第２の試薬と結合することが可能なマスキング試薬（１３）を導入し、それによって第１の試薬と第２の試薬との結合を妨げる工程、（ｖ）そのサンプルに電磁放射線を照射する工程、（ｖｉ）発生したエネルギーを電気信号へ変換する工程、および（ｖｉｉ）その電気信号を検出する工程を含み、工程（ｉｉ）〜工程（ｉｖ）がいかなる順序でも起こり得る方法に関する。

Description

発明の背景

技術分野
本発明は、化学物質の検出方法、特に、圧／焦電変換器を有する化学物質検出装置を使用するイムノアッセイに関する。

背景技術
イムノアッセイは、体液中の被分析物の存在、すなわち、より一般的には濃度を測定する試験である。イムノアッセイは、一般に抗原と抗体との特異的結合を伴う。この抗体はポリクローナル抗体であってもモノクローナル抗体であってもよく、モノクローナル抗体には製造の再現性や一つのエピトープと被分析物との結合の束縛などいくつかの利益がある。被分析物の濃度の定量化可能な指標を与えるために、反応を既知濃度の標準サンプルと比較する。抗体または抗原の濃度は様々な方法によって決定し得るが、最も一般的な方法の一つが、抗原または抗体のいずれかを標識し、その標識の存在を検出することである。

イムノアッセイは競合する場合も競合しない場合もある。競合イムノアッセイでは、未知サンプル中の抗原は、一般に固相上に固定化された、抗体と結合するために標識抗原（「リポーター」）と競合する。そこで、抗体部位と結合した標識抗原の量を測定し、通常は、固相と結合した標識抗原を分離し測定することによる。明らかにこの反応は未知サンプル中の抗原の濃度に反比例するであろう。類似のアッセイ原理では、溶液中の標識抗体が固相上に固定化された抗原やサンプル中に存在するものと競合し、同様に反比例する。免疫測定法とも呼ばれている非競合イムノアッセイでは、未知サンプル中の抗原は、過剰の固定化された抗体（「捕捉」抗体）と結合し、この結合抗原の量を測定する。競合法とは異なり、非競合法の結果は、抗原の濃度に正比例するであろう。「サンドイッチアッセイ」とも呼ばれているいわゆる「２−サイト」免疫測定法では、抗原を捕捉抗体部位に結合し、その後、捕捉抗体と結合した抗原と結合する標識抗体を導入する。その部位での標識抗体の量を測定する。

典型的なサンドイッチイムノアッセイでは、目的の抗原に対して特異的な抗体をポリスチレンシートのようなポリマー支持体に付ける。１滴の試験サンプル、例えば、細胞抽出物または血清もしくは尿のサンプル、をシート上に置き、抗体−抗原複合体の形成後洗浄する。その後、抗原の異なる部位に特異的な抗体を加え、支持体を再び洗浄する。この第２の抗体は、高感度で検出することができるように標識を有する（標識リポーター）。シートに結合した第２の抗体の量はサンプル中の抗原の量に比例する。このアッセイおよびこの種のアッセイの他の変形は周知である（例えば、" The Immunoassay Handbook, 2nd Ed." David Wild, Ed., Nature Publishing Group, 2001参照）。

この種のイムノアッセイは、主に、３以上のエピトープを扱うことができ、被分析物と抗体との相補性領域が比較的大きく、例えば、ペプチド中の少なくとも一つのアミノ酸によって、被分析物間に比較的大きな相違が生じるという理由から、高分子量の被分析物に特に有効である。小分子（「ハプテン」と呼ばれることもあり、「ハプテン」はタンパク質などの大きな担体と結合した時に免疫応答を引き起こし得る小分子である）のイムノアッセイでは、二つのエピトープが存在しないことで「サンドイッチ」の形成が妨げられる。これはさらなる技術を開発する動機づけを与えた。

一つの比較的新しいイムノアッセイ技術は、小分子検出の特異性および感度を向上するように設計された、いわゆる「選択的抗体免疫測定」法である（例えば、N. Kobayashi and J. Goto, in Advances in Clinical Chemistry, Vol. 36, Ed. H.E. Spiegel et al., Academic Press, 2001, １３９−１７０頁、特に１５５−１５８頁の第３．３節参照）。このイムノアッセイには、競合イムノアッセイで一般的に見られる反比例関係ではなく、被分析物の濃度と信号との間に直接的な関係を与えるという利点もある。

このプロトコールは、ハプテン占有抗体の後の選択的決定を可能にする多重ハプテン標識高分子による非占有抗体部位のマスキングに基づく。第１に、抗ハプテン抗体を固相支持体上に固定化する（に付ける）。次いで、この固相支持体を、未知被分析物（ハプテン）およびハプテンと多重コンジュゲートした高分子を含有するサンプルに曝露する。そこで、被分析物と高分子は、固相支持体上の抗ハプテン抗体の結合部位のために競合する。被分析物は高分子の前に導入でき、それらを同時に導入しその表面のために競合させることができ、高分子がその表面と可逆的に結合する場合には、高分子を被分析物の前に導入することもできる。その後、一次抗体と結合する標識した二次抗体を加える。二次抗体は、高分子と結合していない一次抗体と結合する。高分子と結合していない一次抗体の割合が被分析物の量に正比例するため、このアッセイによりサンプル中に存在する被分析物の量が決定する。

これは、現在実施されているように、感度および特異性が非常に高いことが分かっているが、複数のインキュベーション工程および洗浄工程が必要であり、最も重要なことには、存在する標識抗体の量を決定する前に過剰の非結合標識を除去することが必要である。このことがこのアッセイの複雑さを増大させ、この技術の適用性を実質的に制限している。

よって、本発明は、サンプル中の被分析物の検出方法であって、
（ｉ）焦電または圧電素子および電極を有する、エネルギー変化を電気信号へ変換することが可能な変換器と、その変換器上に固定化された第１の試薬とを準備する工程（第１の試薬が被分析物またはその被分析物の誘導体の存在下で第２の試薬と結合することが可能な結合部位を有する）、
（ｉｉ）電磁放射線を吸収して無放射性崩壊(non-radiative decay)によりエネルギーを発生することが可能な標識を有する、被分析物またはその誘導体の存在下で第１の試薬と結合することが可能な結合部位を有する第２の試薬を導入する工程（第１の試薬または第２の試薬のいずれかが、被分析物またはその誘導体と結合することが可能である）、
（ｉｉｉ）その変換器にサンプルを曝露し、それによって被分析物またはその誘導体を第１の試薬または第２の試薬のいずれかと結合させる工程、
（ｉｖ）被分析物またはその誘導体と同じ第１の試薬または第２の試薬と結合し、それによって第１の試薬と第２の試薬との結合を妨げることが可能なマスキング試薬を導入する工程、
（ｖ）そのサンプルに電磁放射線を照射する工程、
（ｖｉ）発生したエネルギーを電気信号へ変換する工程、および
（ｖｉｉ）その電気信号を検出する工程
を含み、工程（ｉｉ）〜工程（ｉｖ）がいかなる順序でも起こり得る方法を提供する。

よって、標識した第２の試薬（リポーター）は、被分析物の存在下で第１の（固定化された）試薬とのみ結合することができるが、マスキング試薬の存在下では結合することができず、被分析物またはその誘導体は第１の試薬または第２の試薬との結合のためにマスキング試薬と競合する。圧／焦電性フィルムを有する変換器を使用する結果として、分離および洗浄工程を用いずに、リアルタイムに第２の（標識した）試薬の結合を検出することができるという利益が得られる。

本発明はまた、（ｉ）サンプル中の被分析物の検出装置において、焦電または圧電素子および電極を有する、エネルギー変化を電気信号へ変換することが可能な変換器と、その変換器上に固定化された第１の試薬とを有し、第１の試薬が被分析物またはその被分析物の誘導体の存在下で第２の試薬と結合することが可能な結合部位を有する装置、（ｉｉ）電磁放射線を吸収して無放射性崩壊によりエネルギーを発生することが可能な標識を有する、被分析物またはその誘導体の存在下で第１の試薬と結合することが可能な結合部位を有する第２の試薬、および（ｉｉｉ）被分析物またはその誘導体と同じ第１の試薬または第２の試薬と結合し、それによって第１の試薬と第２の試薬との結合を妨げることが可能なマスキング試薬を含むキットも提供する。本発明はさらに、サンプル中の被分析物の検出装置であって、焦電または圧電素子および電極を有する、エネルギー変化を電気信号へ変換することが可能な変換器と、その変換器上に固定化された第１の試薬（第１の試薬は、被分析物またはその被分析物の誘導体と結合することが可能でありかつ被分析物またはその被分析物の誘導体の存在下で第２の試薬と結合することが可能な結合部位を有する）と、第１の試薬と解離可能に結合したマスキング試薬と、電磁放射線源と、その電気信号を検出するための検出器とを含む装置も提供する。本発明はまた、選択的抗体免疫測定法において結合事象を検出するための、焦電または圧電素子および電極を含む変換器の使用も提供する。

本発明は図面を参照して、理解されるであろう。
ＷＯ２００４／０９０５１２号公報による装置を示す図である。 本発明の方法の模式図を示す図である。 本発明による装置を示す図である。 本発明の方法を用いた、時間に対するカウントのグラフを示す図である。

発明の具体的説明

本発明の方法は、サンプル中の被分析物の検出を提供する。第１の工程として、この方法は、焦電または圧電素子および電極を有する、エネルギー変化を電気信号へ変換することが可能な変換器を準備することおよびその変換器にサンプルを曝露することを含む。そのような変換器は当技術分野で公知である（例えば、ＷＯ９０／１３０１７号公報およびＷＯ２００４／０９０５１２号公報参照）。これに関連して、図１は、本発明における使用に好適な化学的検出装置１の原理を示す。装置１は、電磁放射線で物質２を照射した時の物質２における発熱に依存する。装置１は、電極被覆４，５を施した焦電または圧電変換器３を含む。変換器３は、好ましくは、フィルム、例えば、分極したポリフッ化ビニリデンフィルムである。電極被覆４，５は、酸化インジウムスズから形成され、厚さが約３５ｎｍであることが好ましいが、１ｎｍの下限から（１ｎｍ未満では導電性が低すぎる）１００ｎｍの上限（１００ｎｍを超えると光透過率が低すぎる）でほとんど総ての厚さが可能である（９５％Ｔ未満にしてはならない）。物質２は、任意の好適な技術を用いて変換器３の上または近位に保持するが、ここでは、上側の電極被覆４上に付けた状態を示す。この試薬は、いかなる好適な形態にあってもよく、複数の試薬を被着してもよい。好ましくは、物質２は、上側の電極に吸着させる、例えば、共有結合させるかまたは分子間力、例えば、イオン結合、水素結合、もしくはファンデルワールス力により結合させる。この装置の重要な特徴は、電磁放射線（例えば、光、好ましくは可視光）源６により照射した時に、物質２が発熱することである。光源は、例えば、ＬＥＤであってよい。光源６は、適当な波長（例えば、補色）の光を物質２に照射する。理論に拘束されないが、物質２は、光を吸収して励起状態となり、この励起状態は、その後無放射性崩壊を受け、それによって、図１において曲線で示すエネルギーを発生すると考えられる。このエネルギーは、主として熱形態（すなわち、環境における熱運動）であるが、他の形態のエネルギー、例えば、衝撃波も発生する可能性がある。しかしながら、このエネルギーは、変換器によって検出され、電気信号へ変換される。本発明の装置は測定している特定の試薬に対して較正され、従って、無放射性崩壊によって発生するエネルギーの正確な形態を決定する必要はない。特に断りのない限り、「熱」という用語は、無放射性崩壊によって発生するエネルギーを意味するように本明細書において用いられる。光源６は、物質２を照射するように配置する。好ましくは、光源６は、変換器３および電極４，５に対して実質的に垂直に配置し、変換器３および電極４，５を通して物質２を照射する。光源は、変換器内の内部光源であってもよく、その場合、光源は導波系(guided wave system)である。導波管は、変換器自体であってよいし、導波管は、その変換器上に付けた追加の層であってもよい。照射の波長は用いる標識によって決まる。例えば、４０ｎｍ金標識の場合には好ましい波長は５２５ｎｍであり、炭素標識の場合には好ましい波長は６５０ｎｍである。

物質２より発生したエネルギーは、変換器３により検出され、電気信号へ変換される。電気信号は、検出器７により検出される。光源６および検出器７は、どちらも制御装置８の制御下にある。

一つの実施形態において、光源６は、「チョップトライト(chopped light)」と呼ばれる一連の光パルス（本明細書において用いる「光」という用語は、特定の波長が記載されていない限り、いかなる形の電磁放射線をも意味する）を生成する。原理として、単一閃光、すなわち、１回の電磁放射線パルスは、変換器３から信号を発生させるのに十分である。しかしながら、再現性のある信号を得るには、複数回の閃光を使用し、これは実際にはチョップトライトを必要とする。印加電磁放射線パルスの周波数は変更し得る。下限において、パルス間の時間遅延は、各パルスと電気信号の発生との間の時間遅延を決定するのに十分でなければならない。上限において、各パルス間の時間遅延は、データの記録に要する時間が不合理に延びる程大きくてはならない。好ましくは、前記パルスの周波数は、２〜５０Ｈｚ、より好ましくは５〜１５Ｈｚ、最も好ましくは１０Ｈｚである。これは、パルス間の時間遅延２０〜５００ミリ秒、６６〜２００ミリ秒、および１００ミリ秒にそれぞれ相当する。加えて、いわゆる「マーク−スペース」比、すなわち、オン信号とオフ信号との比は、好ましくは１であるが、他の比もある特定の状況において有利に用い得る。様々なチョッピング周波数または様々なマーク−スペース比のチョップトライトを発生させる電磁放射線源は当技術分野で公知である。検出器７は、光源６からの各光パルスと、変換器３からの、検出器７により検出される対応する電気信号との間の時間遅延（すなわち、「相関遅延」）を決定する。本出願者は、この時間遅延が距離ｄの関数であることを見出した。

各光パルスと対応する電気信号との間の時間遅延を決定するための、再現性のある結果をもたらすいかなる方法も用いてもよい。好ましくは、時間遅延は、各光パルスの開始から熱吸収に対応する電気信号の最大値が検出器７により検出される時点まで測定する。

上述のように、物質２は変換器表面から分離し得、信号も検出し得る。さらに、変換器３へエネルギーを伝達することが可能な介在媒質を通じて信号を検出できるだけでなく、様々な距離ｄも識別し得（これは、「デプスプロファイリング」と呼ばれている）、受信される信号の強度は、変換器３の表面からの特定の距離ｄにおける物質２の濃度に比例する。

図２は、本発明による選択的抗体免疫測定法における図１の装置１の取り込みを示す。変換器３を垂直配置により示すが、他の配向も可能であり、ある状況においてはそれも実に有利である。変換器３は、第１の試薬（図２では第１の抗体９（固定化した捕捉抗体）として示した）で被覆されている。サンプルは、被分析物１０と、標識１２（図１の物質２に対応する）と結合した第２の抗体１１も含んでいる。

第１の抗体９は、被分析物１０に対するものであり、サンプルの導入時に被分析物１０と選択的に結合する。しかしながら、マスキング試薬１３もサンプルに取り込まれる。この例では、マスキング試薬１３は、第１の抗体９と結合することが可能である。マスキング試薬１３は、一般に、第１の試薬９と結合することが可能な複数の部位１３ｂを有する高分子１３ａである。高分子の結合部位は、好ましくは、被分析物またはその誘導体と同じ化学構造を有する部分である。

高分子は、第２の試薬１１の結合に必要な立体障害を与え、多重コンジュゲートし得る任意の分子であり得る。例としては、多糖、合成ポリマー、例えば、ポリスチレン、またはラテックス、およびポリペプチド、例えば、ポリ（Ｌ−リジン）が挙げられる。高分子の分子量は、好ましくは被分析物の分子量の１０倍、より好ましくは被分析物の分子量の１００〜１０００倍であり、例えば、分子量５，０００〜５００，０００ダルトンを有する。用いることができるマスキング剤の一つの特定の種類は抗イディオタイプ抗体であり、そしてこれは表面上の捕捉剤の結合部位を特異的に認識する。

図２は、変換器３表面の複数の第１の抗体９と結合したマスキング試薬１３を示している。しかしながら、第１の抗体９のうちの二つのものを被分析物１０と結合した状態で示している。被分析物１０と結合した抗体９は、標識１２と結合している第２の抗体１１とさらに結合することが可能である。第２の試薬１１は、被分析物またはその誘導体１０の存在下では第１の試薬９と結合することが可能であるが、マスキング試薬１３の存在下ではマスキング試薬１３が、主に立体障害により結合部位を遮断するために第１の試薬９と結合することができない結合部位を有する。

重要なことには、本発明の方法は、分離および洗浄工程を用いずに、リアルタイムに第２の抗体１１と、第１の試薬９との結合の検出を可能にする。これは、当技術分野において重要な利点である。よって、好ましい実施形態において、アッセイは、変換器３にサンプルを曝露する工程とそのサンプルを照射する工程との間に変換器３からサンプルを取り出すこと無しに実施される。さらに、工程（ｉｉ）〜工程（ｉｖ）の間にさらなる介入（例えば、結合している第２の試薬と、結合していない第２の試薬とを分離すること）を必要としない。

表面に結合していない第２の試薬は、表面から離れて自由に拡散する。好ましくは、第２の試薬が拡散だけで表面から分離されるようにする。

図２は、マスキング試薬が第１の試薬と結合する実施形態を示すが、他の例も本発明の範囲内に含まれる。本発明の重要な特徴は、変換器がマスキング試薬の存在下でサンプルに曝露されるということと、そのマスキング剤が、第１の試薬と第２の試薬との結合を妨げるように第１の試薬または第２の試薬のいずれかと結合することが可能であるということである。マスキング試薬はまた、被分析物またはその誘導体と同じ第１の試薬または第２の試薬と結合しなければならない。よって、第１の試薬が被分析物またはその誘導体と結合することが可能であるならば、第１の試薬はマスキング試薬とも結合し、第２の試薬は被分析物またはその誘導体ともマスキング試薬とも結合しないであろう。必要な変更を加えて、同じことが第２の試薬にも当てはまる。マスキング試薬は、この結合を妨害し被分析物と競合することにより、第１の試薬と結合する第２の試薬の量をサンプル中に存在する被分析物の量に比例させることができる。

これに関連して、マスキング試薬は、変換器のサンプルへの曝露の前に第１の試薬または第２の試薬と解離可能に結合し得（第１の試薬または第２の試薬をマスキング試薬とともにプレインキュベートする）、またはマスキング試薬はサンプルと実質的に同時に導入できる。

マスキング試薬を、変換器のサンプルへの曝露の前に第１の試薬または第２の試薬と結合させる場合には、被分析物またはその誘導体を第１の試薬または第２の試薬と結合させるために、マスキング試薬を解離可能に結合しなければならない。解離可能な結合とは、マスキング試薬は第１の試薬または第２の試薬と結合することが可能であるが、被分析物またはその誘導体と前記第１の試薬または第２の試薬とが結合することによりマスキング試薬が置換されることを意味する。マスキング試薬をサンプルと実質的に同時に導入する場合には、マスキング試薬は第１の試薬または第２の試薬との結合のために被分析物またはその誘導体とまだ競合することができるため、結合は解離可能なものであり得るが、そうでなくてもよい。結合が解離可能なものである場合には、マスキング試薬が第１の試薬または第２の試薬と可逆的に結合する、すなわち、結合状態と非結合状態との間に平衡が存在することが好ましい。

図２では、第１の試薬および第２の試薬を第１の抗体および第２の抗体により例示しているが、本発明はそれに限定されない。従って、第１の試薬および第２の試薬は、好ましくは抗体であるが、他の試薬、例えば、核酸も用い得る。好ましい実施形態において、本発明は、サンプル中の被分析物（「ハプテン」と呼ばれることもあり、「ハプテン」はタンパク質などの大きな担体と結合した時に免疫応答を引き起こし得る小分子である）を検出するために選択的抗体免疫測定法を実施する方法であって、（ｉ）焦電または圧電素子および電極を有する、エネルギー変化を電気信号へ変換することが可能な変換器と、その変換器上に固定化された第１の抗体とを準備する工程（第１の抗体が被分析物またはその被分析物の誘導体の存在下で第２の抗体と結合することが可能である）、（ｉｉ）電磁放射線を吸収して無放射性崩壊によりエネルギーを発生することが可能な標識を有する、被分析物またはその誘導体の存在下で第１の抗体と結合することが可能である第２の抗体を導入する工程（第１の抗体または第２の抗体のいずれかが、被分析物またはその誘導体と結合することが可能である）、（ｉｉｉ）その変換器にサンプルを曝露しそれによって被分析物またはその誘導体を第１の抗体または第２の抗体のいずれかと結合させる工程、（ｉｖ）被分析物またはその誘導体と同じ第１の抗体または第２の抗体と結合し、それによって第１の抗体と第２の抗体との結合を妨げることが可能なマスキング試薬を導入する工程、（ｖ）そのサンプルに電磁放射線を照射する工程、（ｖｉ）発生したエネルギーを電気信号へ変換する工程、および（ｖｉｉ）その電気信号を検出する工程を含み、工程（ｉｉ）〜工程（ｉｖ）がいかなる順序でも起こり得る方法を提供する。好ましくは、結合は可逆的なものである。

図２では、変換器３の表面に有する第１の試薬９を示しており、好ましくは、変換器に吸着させる。この表面はまた、表面を安定させるためにさらなる被覆剤、例えば、SurModics Inc, Eden Prairie, MN, USAのStabilcoatにより被覆し得る。

図２を参照して論じたとおり、第２の試薬１１には標識１２を有する。標識１２は、放射線源により発生した電磁放射線を吸収して無放射性崩壊によりエネルギーを発生することが可能である。よって、変換器３の近位にある標識１２の存在を検出するために、サンプルに一連の電磁放射線パルスを照射する。変換器３は、発生したエネルギーを電気信号へ変換し、その電気信号は検出器７により検出される。

標識１２は、放射線源により発生した電磁放射線と相互作用して、無放射性崩壊によりエネルギーを発生することが可能な任意の材料であり得る。好ましくは、この標識は、限定されるものではないが、炭素粒子、着色ポリマー粒子（例えば、着色ラテックス）、色素分子、酵素、蛍光分子、金属（例えば、金）粒子、ヘモグロビン分子、磁性粒子、非導電性コア材料および少なくとも一つの金属シェル層を有するナノ粒子、赤血球、およびそれらの組合せから選択される。

磁性粒子の場合、電磁放射線は高周波である。上述した他の標識は総て光線を使用し、光線にはＩＲまたは紫外線放射が含まれ得る。好ましくは、標識は金粒子または炭素粒子である。炭素粒子は、対象となる総ての波長において本質的に均一に吸収し、ほとんどの金属粒子よりずっと密度が低くアッセイ中のそれらの沈降を最小限に抑えるという点において利点がある。金粒子は市販されており、公知の方法を用いて調製もし得る（例えば、G. Frens, Nature, 241, 20-22 (1973)参照）。ナノ粒子標識のさらに詳細な説明については米国特許第６，３４４，２７２号公報およびＷＯ２００７／１４１５８１号公報参照。

好ましくは、本発明は、粒径２０〜１，０００ｎｍ、より好ましくは１００〜５００ｎｍの粒子を使用する。粒径とは、最も広い部分における粒子の直径を意味する。

標識１２は、結合事象が起こると変換器の近位に存在する。すなわち、標識は、サンプルの照射によって標識より発生したエネルギーを変換器が検出できるほど変換器の表面に近い。しかしながら、標識と変換器の表面との実際の距離は、複数の変数、例えば、標識の大きさおよび性質、第１の抗体および第２の抗体および被分析物の大きさおよび性質、サンプル媒質の性質、ならびに電磁放射線の性質およびそれに対応する検出器の設定に依存するであろう。電磁放射線の性質に関しては、本発明の装置は、一連の電磁放射線パルスを生成するように構成された放射線源と、放射線源からの各電磁放射線パルスと電気信号の発生との間の時間遅延を決定するように構成された検出器を備え得、それによって、図１を参照して論じたように、変換器に対する標識の位置の正確な決定が可能になる。

未知サンプルは被分析物を含有すると予想されるが、当然、被分析物の存在または非存在を決定するために本発明のアッセイを用い得る。被分析物は、好ましくは小分子であり、それは本発明のアッセイがそのような分子に理想的に適している範囲においてであるが、本発明はそれに限定されない。本明細書において用いる「小分子」という用語は、当技術分野の用語であり、タンパク質および核酸などの高分子とその分子を区別するために用いられる。イムノアッセイの分野では小分子は「ハプテン」と呼ばれることが多く、「ハプテン」はタンパク質などの大きな担体分子と結合した時に免疫応答を引き起こし得る小分子であり、ホルモンおよび合成薬物などの分子が含まれる。この種の小分子は、一般に、分子量が２，０００以下、多くの場合には１，０００以下、さらには５００以下でもあろう。第１の試薬は、被分析物自体と結合するように構成し得るが、その被分析物は第１の試薬との結合の前に化学反応または初期複合体形成事象を受ける可能性がある。例えば、被分析物は、アッセイ条件のｐＨにおいてプロトン化／脱プロトン化を受ける可能性がある。よって、第１の試薬と結合する被分析物は、被分析物自体またはその被分析物の誘導体でありえ、そのどちらも本発明の範囲内に含まれる。

対象となる被分析物を含有するか否か不明であるサンプルは、一般的には流体サンプル、通常は、体液（従って液体）などの生体サンプル（例えば、血液、血漿、唾液、血清、または尿）であろう。このようなサンプルは、浮遊粒子を含む可能性があり、全血であってもよい。本発明の方法の利点は、浮遊粒子を含むサンプルにおいてアッセイの結果に不都合に影響を及ぼすことなくアッセイを実施し得るということである。このようなサンプルは、一般に、マイクロリットルのオーダー（例えば、１〜１００μＬ、好ましくは１〜１０μＬ）であろう。流体サンプルを維持するために、変換器は、好ましくは、サンプルチャンバー、より好ましくはウェル内に設置されている。好ましい実施形態において、変換器は、チャンバーと一体となっている、すなわち、変換器は、そのチャンバーを規定する壁の一つを形成する。サンプルは、表面張力により、例えば、毛細管チャネル内に簡単に保持され得る。

本発明はまた、本明細書に記載のアッセイを実施するための装置およびキットも提供する。このキットは、実質的には図１を参照して本明細書に記載した通りに、サンプル中の被分析物の検出装置を含んでなる。この装置は、焦電または圧電素子および電極を有する、エネルギー変化を電気信号へ変換することが可能な変換器と、その変換器上に固定化された第１の試薬（第１の試薬は、被分析物またはその被分析物の誘導体と結合することが可能な結合部位を有する）と、被分析物を含有するサンプルに加えられるか、またはサンプルを加える前に第１の試薬と解離可能に結合されたマスキング試薬と、電磁放射線源と、その電気信号を検出するための検出器とを有する。このキットは、被分析物またはその誘導体の存在下では第１の試薬と結合することが可能であるがマスキング試薬の存在下では第１の試薬と結合することができない結合部位を有する第２の試薬をさらに含んでなる。第２の試薬は、サンプルを導入した時に解離するように、使用前にチャンバーの内面の一つに乾燥させ得る。好ましい実施形態において、この装置は上記の特徴から本質的になる。「本質的に」とは、アッセイを実施するために他の特徴を必要としないということを意味する。

この装置は、変換器を有する手持ち式携帯読取装置や使い捨ての装置の形態をとり得る。サンプルを本質的に閉鎖的なシステムに導入し、第２の試薬と混合し、サンプルの照射と生じた電気信号の検出を実施する読取装置内に置く。

本発明はさらに、選択的抗体免疫測定法において結合事象を検出するための、焦電または圧電素子および電極を含む変換器の使用も提供する。選択的抗体免疫測定法は、第１の抗体が被分析物またはその被分析物の誘導体と結合しているがマスキング試薬とは結合していない時に第２の抗体を第１の抗体と結合させることを必要とするアッセイである。

実施例１
活性ピエゾ／パイロフィルムバイオセンサーの調製
次の実施例において検出装置として使用する、酸化インジウムスズで被覆した、分極した圧電性ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）バイモルフフィルムを低湿度環境においてポリスチレン溶液（トルエン中１％）により浸漬被覆して、酸化インジウムスズの上にポリスチレン層を施した。次いで、これをポリストレプトアビジン溶液（ＰＢＳ中２００μｇ／ｍＬ−１０ｍｍｏｌ／Ｌリン酸バッファー、ｐＨ７．５、２．７ｍｍｏｌ／Ｌ ＫＣｌ、１３７ｍｍｏｌ／Ｌ ＮａＣｌ、および０．０５％Ｔｗｅｅｎを含有する）中で、室温で一晩のインキュベーションにより被覆した。Tischerらによる米国特許第５，０６１，６４０号公報に記載されている通り、ポリストレプトアビジンを調製した。

「捕捉」表面を調製するために、ポリストレプトアビジン表面を、ビオチン化抗テストステロン（Ｍ１）とともにインキュベートして抗体被覆表面（Ｃ１）を与えた。ＰＢＳ中１０μｇ／ｍＬのビオチン化抗テストステロン(HyTest Ltd, Turku, Finland, カタログ番号２Ｔ２−ビオチン、またはAccurate Chemical Co, Westbury, New York, USA, カタログ番号ＢＨＳ１１３)を室温で一晩インキュベートした後、過剰のＰＢＳで洗浄し、Stabilcoat(SurModics Inc, Eden Prairie, MN, USA)で被覆し、その後４０℃で乾燥させた。

当業者に公知の方法により抗体をビオチン化した。例えば、ＰＢＳ中、５ｍｇ／ｍｌ抗体溶液を、凍結乾燥抗体を溶解することによるか、または希釈により調製する。この溶液が他のタンパク質またはＴｒｉｓもしくは他の干渉物を含む場合には、透析またはゲル濾過により精製する。次いで、無水ＤＭＳＯ中２０ｍｍｏｌ／ＬのＮＨＳ−ビオチン溶液を調製し、１５μＬのＮＨＳ−ビオチン溶液を抗体（１ｍＬ）に加える。室温で１時間インキュベートした後、アジ化ナトリウムを含有するＰＢＳ（０，０１％）で抗体を透析する。このビオチン化抗体は、−２０℃または＋４℃で保存するために０．１％アジ化ナトリウムおよび２０％のグリセロールで１ｍｇ／ｍＬまで希釈することができる。ビオチン化度は、ＩｇＧ当たり１〜３ビオチンの範囲内でなければならない。これはビオチンの定量によりまたは高ビオチン化率についてはアミンの分別定量により評価することができる。

実施例２
リポーターコンジュゲートの調製
本質的にはVan Doomらによる米国特許第５，６４１，６８９号公報に記載されている通りに、炭素標識リポーターコンジュゲートを調製した。抗体被覆リポーターコンジュゲート（Ｃ２）を調製するために、５ｍｍｏｌ／Ｌリン酸バッファー、ｐＨ６．２中、１ｍＬのSpecial Black-4 RCCの名目上１５０ｎｍの炭素粒子(Degussa, Essen, Germany)を２００μｇ／ｍＬポリストレプトアビジン溶液とともに室温で一晩振盪しながらインキュベートし、結果としてストレプトアビジン被覆表面を得た。得られた炭素コンジュゲートを（遠心分離、ペレット化および再懸濁により）洗浄した。次いで、このストレプトアビジン被覆炭素粒子懸濁液１ｍＬとともにＰＢＳ中１０μｇ／ｍＬのビオチン化二次モノクローナル抗体（Ｍ２）（抗テストステロン捕捉抗体（Ｍ１）源として用いる抗体種と反応する）を一晩振盪しながらインキュベートした。得られた炭素コンジュゲート（Ｃ２）をｐＨ８．５の０．０５ｍｏｌ／Ｌホウ酸バッファーを用いて（遠心分離、ペレット化および再懸濁により）３回洗浄し、このバッファー中、暗所４℃で保存した。明確にするために、抗テストステロン抗体（Ｍ１）がモノクローナルマウス抗体であった場合には、二次モノクローナル抗体（Ｍ２）は完全無傷マウス抗体（いわゆる「ヤギ抗マウス抗体」）と反応するように作製されたヤギ抗体であった。当然、任意の他の種対も、モノクローナルでもポリクローナルでも用いることができ、当業者には周知であろう。

実施例３
マスキング試薬の調製
抗原被覆マスキング試薬（ＭＲ１）を調製するために、５ｍｍｏｌ／Ｌリン酸バッファー、ｐＨ６．２中１ｍＬのストレプトアビジン被覆ポリスチレンラテックス粒子（名目上直径２３ｎｍ）、Bangs Laboratories P/N PS02N/8192(Bangs laboratories Inc, Fishers IN, USA)を３０ｎｍｏｌ／Ｌの７α−Ｃ６−ビオチン化テストステロン（Luppaら(Clin. Chem. 1997, 43, 2345)に記載の通りに調製したもの）とともに室温で一晩振盪しながらインキュベートした。得られたコンジュゲートを、上記のようにｐＨ８．５の０．０５ｍｏｌ／Ｌホウ酸バッファーで３回洗浄し、このバッファー中、暗所４℃で保存した。

実施例４
マスキングを施した抗体被覆フィルムの調製
マスキングを施したピエゾフィルム表面（Ｃ３）を調製するために、１枚の抗体被覆ピエゾフィルム（Ｃ１、上記）を、抗原被覆マスキング試薬（ＭＲ１上記）とともにＰＢＳ中で室温で一晩インキュベートした後、過剰のＰＢＳで洗浄し、Stabilcoat (SurModics Inc, Eden Prairie, MN, USA)で被覆し、その後４０℃で乾燥させた。

実施例５
アッセイ−抗体被覆ピエゾ／パイロフィルムセンサーおよびマスキング試薬
図３で示されるように、センサー１を作製して、このアッセイを実施した。センサー１は、１枚の抗体被覆ピエゾフィルム３（Ｃ３、上記）と、１枚の透明なポリカーボネート蓋材フィルム１４とから作製する。これらのフィルムは、１枚の粘着ポリエステルフィルムダイカットからなるスペーサー１５を用いおよそ５００μｍの距離をおいて配置して、大きさの異なる二つのチャンバー１６，１７を形成する、アッセイ反応用のおおよその寸法３０ｘ１０ｘ０．５ｍｍの一つのチャンバー１６および対照反応用の寸法１０ｘ１０ｘ０．５ｍｍの小さい方の第２のチャンバー１７。発生した電荷を検出するためにピエゾフィルムの上面および底面への電気接続を可能にするようになっている。

大きい方のチャンバー１６に（充填ホール１８を通じて）、０．１５０ｍｏｌ／Ｌ ＭｇＣｌ_２および０．０７５％Ｔｗｅｅｎ ２０溶液を含有し、ビオチン化抗体（Ｃ２、上記）（捕捉抗体（Ｍ１）と反応する）で被覆した１５０ｎｍコロイド状炭素粒子を含む０．１ｍｏｌ／Ｌ Ｔｒｉｓバッファー（終濃度０．００２５％固体）と、ＰＢＳ中のテストステロン標準品との混合物を充填して終濃度範囲０．１〜１００ｎｍｏｌ／Ｌとすることによりアッセイを実施する。同時に、対照チャンバー１７には、テストステロン標準品をＰＢＳに置き換えている、前記アッセイチャンバーのものと同じ反応混合物を充填する。入口および出口ホールを塞ぎ、ピエゾフィルム３がチャンバーの側面に対して垂直に向くようにチャンバーアセンブリーを試験計器に接続する。そこで、チョップトＬＥＤライト(chopped LED light)を用いて４つのＬＥＤ（波長６２５ｎｍ）で連続的にピエゾフィルムを照射し、そのうちの３つのＬＥＤはアッセイチャンバーの表面の異なる領域を照射し、一つのＬＥＤは対照チャンバーのピエゾフィルム表面を照射する。各ＬＥＤパルスについて、ロックイン増幅器およびアナログ・デジタル（ＡＤＣ）コンバーターを使用してピエゾフィルムを通した電圧を測定する。ＡＤＣ信号を経時的にプロットし、テストステロン濃度とＡＤＣ数／分との関係を図４に示す。

Claims (41)

1. サンプル中の被分析物の検出方法であって、
   （ｉ）焦電または圧電素子および電極を有する、エネルギー変化を電気信号へ変換することが可能な変換器と、その変換器上に固定化された第１の試薬とを準備する工程（第１の試薬が被分析物またはその被分析物の誘導体の存在下で第２の試薬と結合することが可能な結合部位を有する）、
   （ｉｉ）電磁放射線を吸収して無放射性崩壊によりエネルギーを発生することが可能な標識を有する、被分析物またはその誘導体の存在下で第１の試薬と結合することが可能な結合部位を有する第２の試薬を導入する工程（第１の試薬または第２の試薬のいずれかが、被分析物またはその誘導体と結合することが可能である）、
   （ｉｉｉ）その変換器にサンプルを曝露し、それによって被分析物またはその誘導体を第１の試薬または第２の試薬のいずれかと結合させる工程、
   （ｉｖ）被分析物またはその誘導体と同じ第１の試薬または第２の試薬と結合し、それによって第１の試薬と第２の試薬との結合を妨げることが可能なマスキング試薬を導入する工程、
   （ｖ）そのサンプルに電磁放射線を照射する工程、
   （ｖｉ）発生したエネルギーを電気信号へ変換する工程、および
   （ｖｉｉ）その電気信号を検出する工程
   を含み、工程（ｉｉ）〜工程（ｉｖ）がいかなる順序でも起こり得る、方法。
2. 前記第１の試薬および第２の試薬が抗体である、請求項１に記載の方法。
3. 前記マスキング試薬が、前記第１の試薬と結合することが可能な複数の部位を有する高分子である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記高分子の部位が、前記被分析物またはその誘導体と同じ化学構造を有する部分である、請求項３に記載の方法。
   
5. 前記変換器の前記サンプルへの曝露の前に前記マスキング試薬が前記第１の試薬または第２の試薬と解離可能に結合されているものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記マスキング試薬を前記サンプルと実質的に同時に導入する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記マスキング試薬が前記第１の試薬または第２の試薬と可逆的に結合するものである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記標識が、炭素粒子、着色ポリマー粒子、色素分子、酵素、蛍光分子、金属（例えば、金）粒子、ヘモグロビン分子、磁性粒子、非導電性コア材料および少なくとも一つの金属シェル層を有するナノ粒子、赤血球、およびそれらの組合せから選択されるものである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記第１の試薬が前記変換器に吸着されているものである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記第１の試薬が前記変換器と共有結合されているものである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記変換器がサンプルチャンバー内に設置されているものである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記チャンバーがウェルである、請求項１１に記載の方法。
13. 前記変換器が前記チャンバーと一体となっているものである、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記サンプルが浮遊粒子を含むものである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記サンプルが全血である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記放射線源が、一連の電磁放射線パルスを生成するように構成され、前記検出器が、前記放射線源からの各電磁放射線パルスと、前記電気信号の発生との間の時間遅延を決定するように構成されるものである、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記サンプルを前記変換器に曝露する工程と、前記サンプルを照射する工程との間に前記変換器から前記サンプルを取り出すこと無しに実施される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. （ｉ）サンプル中の被分析物の検出装置において、焦電または圧電素子および電極を有する、エネルギー変化を電気信号へ変換することが可能な変換器と、その変換器上に固定化された第１の試薬とを有し、第１の試薬が被分析物またはその被分析物の誘導体の存在下で第２の試薬と結合することが可能な結合部位を有する装置、（ｉｉ）電磁放射線を吸収して無放射性崩壊によりエネルギーを発生することが可能な標識を有する、被分析物またはその誘導体の存在下で第１の試薬と結合することが可能な結合部位を有する第２の試薬、および（ｉｉｉ）被分析物またはその誘導体と同じ第１の試薬または第２の試薬と結合し、それによって第１の試薬と第２の試薬との結合を妨げることが可能なマスキング試薬を含む、キット。
19. 前記第１の試薬および第２の試薬が抗体である、請求項１８に記載のキット。
20. 前記マスキング試薬が、前記第１の試薬と結合することが可能な複数の部位を有する高分子である、請求項１８または１９に記載のキット。
21. 前記高分子の部位が、前記被分析物またはその誘導体と同じ化学構造を有する部分である、請求項２０に記載のキット。
22. 前記変換器の前記サンプルへの曝露の前に前記マスキング試薬が前記第１の試薬または第２の試薬と解離可能に結合されているものである、請求項１８〜２１のいずれか一項に記載のキット。
23. 前記マスキング試薬が、前記第１の試薬または第２の試薬と可逆的に結合するものである、請求項１８〜２２のいずれか一項に記載のキット。
24. 前記標識が、炭素粒子、着色ポリマー粒子、色素分子、酵素、蛍光分子、金属（例えば、金）粒子、ヘモグロビン分子、磁性粒子、非導電性コア材料および少なくとも一つの金属シェル層を有するナノ粒子、赤血球、およびそれらの組合せから選択されるものである、請求項１８〜２３のいずれか一項に記載のキット。
25. 前記第１の試薬が前記変換器に吸着されているものである、請求項１８〜２４のいずれか一項に記載のキット。
26. 前記第１の試薬が前記変換器と共有結合されているものである、請求項１８〜２４のいずれか一項に記載のキット。
27. 前記装置がサンプルチャンバーをさらに含んでなり、前記変換器が前記サンプルチャンバー内に設置されているものである、請求項１８〜２６のいずれか一項に記載のキット。
28. 前記チャンバーがウェルである、請求項２７に記載のキット。
29. 前記変換器が前記チャンバーと一体となっているものである、請求項２７または２８に記載のキット。
30. 前記放射線源が、一連の電磁放射線パルスを生成するように構成され、前記検出器が、前記放射線源からの各電磁放射線パルスと、前記電気信号の発生との間の時間遅延を決定するように構成されるものである、請求項１８〜２９のいずれか一項に記載のキット。
31. サンプル中の被分析物の検出装置であって、焦電または圧電素子および電極を有する、エネルギー変化を電気信号へ変換することが可能な変換器と、その変換器上に固定化された第１の試薬（第１の試薬は、被分析物またはその被分析物の誘導体と結合することが可能であり、かつ被分析物またはその被分析物の誘導体の存在下で第２の試薬と結合することが可能な結合部位を有する）と、第１の試薬と解離可能に結合したマスキング試薬と、電磁放射線源と、その電気信号を検出するための検出器とを含む、装置。
32. 前記第１の試薬が抗体である、請求項３１に記載の装置。
33. 前記マスキング試薬が、前記第１の試薬と結合することが可能な複数の部位を有する高分子である、請求項３１または３２に記載の装置。
34. 前記高分子の部位が、前記被分析物またはその誘導体と同じ化学構造を有する部分である、請求項３３に記載の装置。
35. 前記第１の試薬が前記変換器に吸着されているものである、請求項３１〜３４のいずれか一項に記載の装置。
36. 前記第１の試薬が前記変換器と共有結合されているものである、請求項３１〜３４のいずれか一項に記載の装置。
37. サンプルチャンバーをさらに含んでなり、前記変換器が前記サンプルチャンバー内に設置されているものである、請求項３１〜３６のいずれか一項に記載の装置。
38. 前記チャンバーがウェルである、請求項３７に記載の装置。
39. 前記変換器が前記チャンバーと一体となっているものである、請求項３７または３８に記載の装置。
40. 前記放射線源が、一連の電磁放射線パルスを生成するように構成され、前記検出器が、前記放射線源からの各電磁放射線パルスと、前記電気信号の発生との間の時間遅延を決定するように構成される、請求項３１〜３９のいずれか一項に記載の装置。
41. 選択的抗体免疫測定法において結合事象を検出するための、焦電または圧電素子および電極を含む変換器の使用。

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