JP2012211782A - 生体物質分析装置および生体物質分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源と受光素子とを分析チップに対して同一面側に配置する方法に対して、さらに高い精度で検査対象物の物質量を定量することができるようにする。
【解決手段】生体物質を含む検体試料を分析する分析チップ１０に、分析チップと生体物質との反応によって分析チップに生成された検出物質を検出する検出光を光源４０から照射し、分析チップに対して光源と同じ側に配置された第１の光学検出器５１によって分析チップからの拡散反射光を検出し、分析チップに対して光源と反対側に配置された第２の光学検出器６１によって分析チップからの拡散透過光を検出し、第１の光学検出器によって検出された拡散反射光および第２の光学検出器によって検出された拡散透過光の両方を用いて生体物質中の検査対象物の測定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体物質分析装置および生体物質分析方法に関し、特に、点着された検体試料を展開するための展開層と、検体試料中の検査対象物と反応して発色する物質を生じる試薬を有する反応層とを備えた分析チップを使用する生体物質分析装置および生体物質分析方法に関する。

上記のような分析チップを使用して、生体物質の検体試料（全血、血漿、血清など）の分析を行う場合には、検体試料を分析チップの展開層上に点着すると、検体試料は、展開層中を展開し、反応層に達すると、検体試料中の検査対象物が反応層中の試薬と反応し発色する物質を生じる。光源からこの発色する物質に吸収される波長の光を含む検出光を反応層に照射すると、検出光は色素に吸収されるため、反応層からの拡散反射光が減少する。この減少量と検査対象物の物質量との相関を予め求めておき、この相関式（検量線）から検査対象物の物質量を定量することができる。

このような測定を行うについて、従来は光源と受光素子（フォトダイオード、ＣＣＤなど）は分析チップに対して同一面側に配置されていた（特許文献１参照）。

特開２００１−４５４０号公報

本発明の主な目的は、光源と受光素子とを分析チップに対して同一面側に配置する方法に対して、さらに高い精度で検査対象物の物質量を定量することができる生体物質分析装置および生体物質分析方法を提供することにある。

本発明によれば、
生体物質を含む検体試料を分析する分析チップを保持する分析チップ保持手段と、
前記分析チップと前記生体物質との反応によって前記分析チップに生成された検出物質を検出する検出光を前記分析チップに照射する光源と、
前記分析チップに対して前記光源と同じ側に配置され、前記分析チップからの拡散反射光を検出する第１の光学検出器と、
前記分析チップに対して前記光源と反対側に配置され、前記分析チップからの拡散透過光を検出する第２の光学検出器と、を備える生体物質分析装置が提供される。

好ましくは、前記第１の光学検出器によって検出された前記拡散反射光および前記第２の光学検出器によって検出された前記拡散透過光の両方を用いて前記生体物質中の検査対象物の測定を行う。

また、好ましくは、前記生体物質中の検査対象物の測定は、前記生体物質中の検査対象物の濃度を測定する。

また、好ましくは、前記分析チップは、前記生体物質を含む検体試料を展開するための展開層と、前記生体物質中の検査対象物と反応して発色する物質を生じる試薬を有する反応層とを備えている。

また、好ましくは、複数の前記第２の光学検出器を備える。

また、好ましくは、複数の前記第１の光学検出器と複数の前記第２の光学検出器とを備える。

また、本発明によれば、
生体物質を含む検体試料を分析する分析チップに、前記分析チップと、前記生体物質との反応によって前記分析チップに生成された検出物質を検出する検出光を光源から照射し、前記分析チップに対して前記光源と同じ側に配置された第１の光学検出器によって前記分析チップからの拡散反射光を検出し、前記分析チップに対して前記光源と反対側に配置された第２の光学検出器によって前記分析チップからの拡散透過光を検出する工程と、
前記第１の光学検出器によって検出された前記拡散反射光および前記第２の光学検出器によって検出された前記拡散透過光の両方を用いて前記生体物質中の検査対象物の測定を行う工程と、を備える生体物質分析方法が提供される。

好ましくは、前記生体物質中の検査対象物の測定は、前記生体物質中の検査対象物の濃度を測定する。

また、好ましくは、前記分析チップは、前記生体物質を含む検体試料を展開するための展開層と、前記生体物質中の検査対象物と反応して発色する物質を生じる試薬を有する反応層とを備えている。

また、好ましくは、複数の前記第２の光学検出器によって前記分析チップからの拡散透過光を検出する。

また、好ましくは、複数の前記第１の光学検出器によって前記分析チップからの拡散反射光を検出し、複数の前記第２の光学検出器によって前記分析チップからの拡散透過光を検出する。

本発明によれば、光源と受光素子とを分析チップに対して同一面側に配置する方法に対して、さらに高い精度で検査対象物の物質量を定量することができる生体物質分析装置および生体物質分析方法が提供される。

本発明の第１の実施の形態の生体物質分析装置および生体物質分析方法を説明するための概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態の生体物質分析装置および生体物質分析方法を説明するための概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態の生体物質分析装置および生体物質分析方法を説明するための概略構成図である。 本発明の第４の実施の形態の生体物質分析装置および生体物質分析方法を説明するための概略構成図である。 本発明の第５の実施の形態の生体物質分析装置および生体物質分析方法を説明するための概略構成図である。 分析チップの散乱分布を説明するための図である。 本発明の好ましい実施の形態の生体物質分析方法を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。

まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態の生体物質分析装置を説明する。本実施の形態の生体物質分析装置１００は、生体物質を分析するための分析チップ１０を保持する分析チップ保持部３０と、光源４０と、フォトダイオード５１、６１と、コンピュータ７０とを備えている。

分析チップ１０は、ＰＥＴ等からなる透明支持体１２上に設けられた反応層１４と、反応層上１４に設けられた反射層１６と、反射層１６上に設けられた展開層１８とを備えている。展開層１８では、生体物質を含む検体試料２０が点着されると、毛細管現象によって展開していく。反射層１６は、生体物質を含む検体試料２０の光学的な影響を遮断するために用いられているが、検体試料２０の種類や光源４０からの光の波長によっては省略することもできる。反応層１４は、検体試料２０中の検査対象物と反応して発色する物質を生じる試薬を備えている。

光源４０は、反応層１４で、試薬が検体試料２０中の検査対象物と反応して生じる発色する物質に吸収される波長の光を含む光を反応層１４に照射する。光源４２は、レーザー、ＬＥＤなどの光源でよく、特に制限はない。ただし、波長帯域が狭く、試薬が検体試料２０と反応して生じる発色する物質に吸収される波長の光に整合していることが好ましい。例えば、可視光域のブロードな光源をバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）で特定波長付近を切り出した光であってもよい。光源４０からの光は、透明支持体１２側から反応層１４に照射される。

光源４０から反応層１４に照射された光は、反応層１４によって吸収、透過、反射される。反応層１４による反射光のうち、拡散反射光をフォトダイオード５１によって検出する。また、反応層１４を透過した拡散透過光を、フォトダイオード６１によって検出する。

コンピュータ７０は、光源４０と、フォトダイオード５１、６１の制御と、後に説明する演算とを行う。

上記第１の実施の形態では、拡散反射光を検出するフォトダイオードは、１個のフォトダイオード５１のみであったが、第２の実施の形態では、図２に示すように、拡散反射光を検出するフォトダイオードは、複数、ここでは２個のフォトダイオード５１、５２を使用する。このフォトダイオード５２もコンピュータ７０で制御される。

上記第１の実施の形態では、拡散透過光を検出するフォトダイオードは、１個のフォトダイオード６１のみであったが、第３の実施の形態では、図３に示すように、拡散透過光を検出するフォトダイオードは、複数、ここでは２個のフォトダイオード６１、６２を使用する。このフォトダイオード６２もコンピュータ７０で制御される。

上記第１の実施の形態では、拡散反射光を検出するフォトダイオードは、１個のフォトダイオード５１のみであり、拡散透過光を検出するフォトダイオードは、１個のフォトダイオード６１のみであったが、第４の実施の形態では、図４に示すように、拡散反射光を検出するフォトダイオードを、複数、ここでは２個のフォトダイオード５１、５２を使用し、拡散透過光を検出するフォトダイオードを、複数、ここでは２個のフォトダイオード６１、６２を使用する。これらのフォトダイオード５２、６２もコンピュータ７０で制御される。

上記第１〜第４の実施の形態では、光源４０からの光は、分析チップ１０の真下から分析チップ１０に垂直に照射し、分析チップ１０に対して斜め方向から拡散反射光をフォトダイオード５１で検出したが、図５に示すように、光源４０からの光を分析チップ１０に対して斜め方向から照射し、分析チップ１０の真下に配置したフォトダイオード５１で検出してもよい。

上記各実施の形態のような分析チップ１０を使用するドライ式の生化学検査においては、検体試料２０は点着後展開層（メンブレン）１８内を毛細管現象によって広がって、反射層１６を通って反応層１４に達し、そこで、反応層１４中の試薬と反応して発色する物質を生じる。そして、光源４２からの光に対する反応層１４からの拡散散乱光の強度をフォトダイオード５１で検出し、またはフォトダイオード５１、５２で検出すると、検体試料２０中の生体物質の検査対象物の濃度が測定できる。さらに、光源４２からの光に対する反応層１４からの拡散透過光の強度をフォトダイオード６１で検出し、またはフォトダイオード６１、６２で検出し、検出された拡散散乱光だけでなく、検出された拡散透過光も使用すると、検体試料２０中の検査対象物の濃度がより高精度に測定できる。

次に、図６を参照して、光源４０からの光の分析チップ１０による散乱分布を説明する。図６は、富士フイルム株式会社製の生化学検査装置、富士ドライケムＦＤＣ４０００用の血中尿素窒素測定用スライド、ＢＵＮで、コントロール液ＱＰ−ＨをこのＦＤＣ４０００で測定した、反応前後のＢＵＮスライドの散乱光分布を示したものである。

円の外側の数字は角度を表し、照射光は１８０°の方向から０°の方向に進み、原点に下図のように置かれた分析チップ（スライド）１０に垂直に照射される。その散乱光の強さをそれぞれの角度方向の半径の長さとしている。半径の長さは散乱分布測定装置の感度に依存する光強度に相当し、任意単位（arbitrary unit）である。破線が反応前の散乱光分布、実線が反応後の散乱光分布である。

光源４０側のフォトダイオード５１を１３５°方向（分析チップ１０の法線に対して４５°の方向）と、光源４０の反対側のフォトダイオード６１を０°方向（分析チップ１０の法線に対して０°の方向）に配置している。

反応後のスライドは光検出物質（発色する物質、色素）が生成されるため、照射光が吸収されて、散乱光強度が減少する。この強度の減少量は光検出物質の生成量に相関し、光検出物質は生体物質内の検査対象物に相関するので、光強度の減少量から検査対象物の濃度を得ることが可能になる。

光源４０と同じ側１３５°方向のフォトダイオード５１が検出する信号量Ｓsame（吸光係数に比例する量）は、反応前―反応後＝６．２６×１０^−７ −１．８２×１０^−７＝４．４４×１０^−７、光源４０と反対側０°方向のフォトダイオード６１が検出する信号量Ｓopposite（吸光係数に比例する量）は、反応前―反応後＝１．８３×１０^−７−０．９６×１０^−７＝０．８７×１０^−７ と得られる。

次に、上述のようにして、フォトダイオード５１によって検出された信号量Ｓsameと、フォトダイオード６１によって検出された信号量Ｓoppositeとを用いて、検体試料２０中の生体物質の検査対象物の濃度の計算を行う方法を説明する。

拡散反射光は分析チップ（スライド）１０の照射表面付近の影響が大きく、相対的にスライドの奥からの散乱光が小さくなるために、図６のように信号Ｓsameは値が大きいが、光検出物質の分析チップ（スライド）１０内の空間分布の影響を受けやすい。一方、拡散透過光は分析チップ（スライド）１０を透過する散乱光なので、相対的に、分析チップ（スライド）１０の奥からの散乱光の寄与が大きくなる。図６のように信号Ｓoppositeは値が小さいが、光検出物質の分析チップ（スライド）１０内の空間分布の影響を受けにくい。両者のばらつきの影響を軽減するために、両信号を演算処理する。

まず、フォトダイオード５１によって検出された信号量Ｓsameと、フォトダイオード６１によって検出された信号量Ｓoppositeとの両方を使用する検量線Ｆを用いて濃度計算する方法を説明する。この場合、濃度Ｃは、
濃度Ｃ＝Ｆ(Ｓsame, Ｓopposite)
と表され、関数Ｆは数学で用いられる一般的な関数を使うことができる。多項式、シグモイド型関数、逆シグモイド型関数などが使用できる。

例えば、補正信号量をＳ’＝ａＳsame＋ｂＳopposite、あるいはＳ’＝ａＳsame×ｂＳoppositeとし、濃度Ｃを、
濃度Ｃ＝ｄ_１Ｓ’^２＋ｄ_２Ｓ’＋ｄ_３
という二次式の検量線Ｆを使用して求める。ただし、ａ，ｂ，ｄ_２，ｄ_２，ｄ_３は定数である。Ｓsame、Ｓoppositeから補正信号量Ｓ’を計算し、その補正信号量を二次式の検量線Ｆに代入して、濃度Ｃを求める。

一例として、ＳsameにＳoppositeの５倍を加えて補正信号量Ｓ’を得る場合を説明する。
補正信号量Ｓ’＝Ｓsame＋５Ｓopposite （ａ＝１、ｂ＝５）
濃度Ｃ＝ｄ_１Ｓ’^２＋ｄ_２Ｓ’＋ｄ_３
ただし、ｄ_２，ｄ_２，ｄ_３は検量線の係数である。ＳsameにＳoppositeの５倍を加えて補正信号量Ｓ’を得る。その補正信号量Ｓ’を二次式の検量線Ｆに代入して、濃度Ｃを求める。上述の数値を用いると、信号量Ｓsame＝４．４４×１０^−７、信号量Ｓopposite＝ ０．８７×１０^−７なので、Ｓ’＝４．４４×１０^−７＋４．３５×１０^−７＝８．７９×１０^−７と得られる。係数ａとｂは分析チップ（スライド）１０の項目によっても異なる。例えば、フォトダイオード５１、６１で測定される、拡散反射光と拡散透過光の光量の比率がある条件で５：１であるようなスライドの場合、ａ＝１、ｂ＝５とすれば、拡散反射光と拡散透過光を等価で扱うことができる。ある条件とは、測定濃度レンジの中央値での状態や、反応前の状態などを指す。

他の例として、ＳsameにＳoppositeの５倍を掛けて補正信号量Ｓ’を得る場合を説明する。
補正信号量Ｓ’＝Ｓsame×５Ｓopposite （ａ＝１、ｂ＝５）
濃度Ｃ＝ｄ_１Ｓ’^２＋ｄ_２Ｓ’＋ｄ_３
ただし、ｄ_２，ｄ_２，ｄ_３は検量線の係数である。ＳsameにＳoppositeの５倍を掛けて補正信号量Ｓ’を得る。その補正信号量を二次式の検量線Ｆに代入して、濃度Ｃを求める。上述の数値を用いると、信号量Ｓsame＝４．４４×１０^−７ 、信号量Ｓopposite＝０．８７×１０^−７なので、Ｓ’ ＝ ４．４４×１０^−７×４．３５×１０^−７＝１９．３×１０^−１４と得られる。

次に、フォトダイオード５１によって検出された信号量Ｓsameを使用する検量線Ｇと、フォトダイオード６１によって検出された信号量Ｓoppositeを使用する検量線Ｈを用いて濃度計算する方法を説明する。

この場合、フォトダイオード５１によって検出された信号量Ｓsameを使用して求まる濃度Ｃsameは、
濃度Ｃsame ＝ Ｇ(Ｓsame)
となり、
フォトダイオード６１によって検出された信号量Ｓoppositeを使用して求まる濃度Ｃoppositeは、
濃度Ｃopposite ＝ Ｈ(Ｓopposite)
となり、
求める濃度Ｃは、
濃度Ｃ= Ｊ(Ｇ(Ｓsame), Ｈ(Ｓopposite))
となる。
関数Ｇ，Ｈは数学で用いられる一般的な関数を使うことができる。多項式、シグモイド型関数、逆シグモイド型関数などが使える。関数Ｊは数学で用いられる一般的な関数を使うことができる。相加平均、相乗平均などが使える。

例えば、
濃度Ｃsame＝ｍ_１Ｓsame^２＋ｍ_２Ｓsame＋ｍ_３
濃度Ｃopposite＝ｍ_４Ｓopposite^２＋ｍ_５Ｓopposite＋ｍ_６
濃度Ｃ＝ｅＣsame＋ｆＣopposite あるいは Ｃ＝ｅＣsame×ｆＣopposite として濃度Ｃを求める。
ただし、ｍ_１、ｍ_２，ｍ_３，ｍ_４，ｍ_５，ｍ_６，ｅ，ｆは定数である。Ｓsame、Ｓoppositeそれぞれから二次式の検量線を用いて濃度Ｃsame、Ｃoppositeを計算し、それらの濃度値を用いて濃度Ｃを求める。

一例として、濃度Ｃsame、Ｃoppositeを次の二次式の検量線を用いて求め、
濃度Ｃsame＝ｍ_１Ｓsame^２＋ｍ_２Ｓsame＋ｍ_３
濃度Ｃopposite＝ｍ_４Ｓopposite^２＋ｍ_５Ｓopposite＋ｍ_６
（ただし、ｍ_１，ｍ_２，ｍ_３，ｍ_４，ｍ_５，ｍ_６は検量線の係数である）
その後、次のように、ＣsameとＣoppositeの相加平均処理を行う。
濃度Ｃ＝（Ｃsame＋Ｃopposite）／２ （ｅ＝ｆ＝１／２）

他の例として、濃度Ｃsame、Ｃoppositeを次の二次式の検量線を用いて求め、
濃度Ｃsame＝ｍ_１Ｓsame^２＋ｍ_２Ｓsame＋ｍ_３
濃度Ｃopposite＝ｍ_４Ｓopposite^２＋ｍ_５Ｓopposite＋ｍ_６
（ただし、ｍ_１，ｍ_２，ｍ_３，ｍ_４，ｍ_５，ｍ_６は検量線の係数である）
その後、次のように、ＣsameとＣoppositeの相乗平均処理を行う。
濃度Ｃ＝（Ｃsame・Ｃopposite）^１／２

上記のようにして求めた検量線を予めコンピュータ７０のメモリに記憶しておき、その検量線を使用して、フォトダイオード５１によって検出された信号量Ｓsameと、フォトダイオード６１によって検出された信号量Ｓoppositeとを用いて、検体試料２０中の生体物質の検査対象物の濃度の算出を行う。

図７は、本発明の好ましい実施の形態の生体物質分析方法を説明するためのフローチャートである。まず、光源４０から、分析チップ１０への検出光の照射を始める（ステップ１０１）。次に、検体試料２０を点着する（ステップ１０２）。その後、フォトダイオード５１によって検出された検出出力、およびフォトダイオード６１によって検出された検出出力を取り込む（ステップ１０３）。その後、両検出出力をメモリに格納し（ステップ１０４）、その後、予めメモリに記憶しておいた検量線と両検出出力を使用して検体試料２０中の生体物質の検査対象物の濃度演算を行う（ステップ１０５）。その後、分析チップ１０への検出光の照射を止める（ステップ１０６）。

以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１０ 分析チップ
１２ 透明支持体
１４ 反応層
１６ 反射層
１８ 展開層
２０ 検体試料
３０ 分析チップ保持部
４０ 光源
５１，５２，６１，６２ フォトダイオード
７０ コンピュータ
１００ 生体物質分析装置

Claims (11)

1. 生体物質を含む検体試料を分析する分析チップを保持する分析チップ保持手段と、
   前記分析チップと前記生体物質との反応によって前記分析チップに生成された検出物質を検出する検出光を前記分析チップに照射する光源と、
   前記分析チップに対して前記光源と同じ側に配置され、前記分析チップからの拡散反射光を検出する第１の光学検出器と、
   前記分析チップに対して前記光源と反対側に配置され、前記分析チップからの拡散透過光を検出する第２の光学検出器と、を備える生体物質分析装置。
2. 前記第１の光学検出器によって検出された前記拡散反射光および前記第２の光学検出器によって検出された前記拡散透過光の両方を用いて前記生体物質中の検査対象物の測定を行う請求項１記載の生体物質分析装置。
3. 前記生体物質中の検査対象物の測定は、前記生体物質中の検査対象物の濃度を測定する請求項２記載の生体物質分析装置。
4. 前記分析チップは、前記生体物質を含む検体試料を展開するための展開層と、前記生体物質中の検査対象物と反応して発色する物質を生じる試薬を有する反応層とを備えている請求項１〜３のいずれか１項記載の生体物質分析装置。
5. 複数の前記第２の光学検出器を備える請求項１〜４のいずれか１項記載の生体物質分析装置。
6. 複数の前記第１の光学検出器と複数の前記第２の光学検出器とを備える請求項１〜４のいずれか１項記載の生体物質分析装置。
7. 生体物質を含む検体試料を分析する分析チップに、前記分析チップと、前記生体物質との反応によって前記分析チップに生成された検出物質を検出する検出光を光源から照射し、前記分析チップに対して前記光源と同じ側に配置された第１の光学検出器によって前記分析チップからの拡散反射光を検出し、前記分析チップに対して前記光源と反対側に配置された第２の光学検出器によって前記分析チップからの拡散透過光を検出する工程と、
   前記第１の光学検出器によって検出された前記拡散反射光および前記第２の光学検出器によって検出された前記拡散透過光の両方を用いて前記生体物質中の検査対象物の測定を行う工程と、を備える生体物質分析方法。
8. 前記生体物質中の検査対象物の測定は、前記生体物質中の検査対象物の濃度を測定する請求項７記載の生体物質分析方法。
9. 前記分析チップは、前記生体物質を含む検体試料を展開するための展開層と、前記生体物質中の検査対象物と反応して発色する物質を生じる試薬を有する反応層とを備えている請求項７または８項記載の生体物質分析方法。
10. 複数の前記第２の光学検出器によって前記分析チップからの拡散透過光を検出する請求項７〜９のいずれか１項記載の生体物質分析方法。
11. 複数の前記第１の光学検出器によって前記分析チップからの拡散反射光を検出し、複数の前記第２の光学検出器によって前記分析チップからの拡散透過光を検出する請求項７〜９のいずれか１項記載の生体物質分析方法。