JP2017096727A - Cartridge for detecting protein or pathogens and automatic detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、タンパク質又は病原体の検出用カートリッジおよび自動検出装置に関する。より詳細には、本発明は、タンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極を備えた、タンパク質又は病原体の検出用カートリッジおよび自動検出装置に関する。 The present invention relates to a protein or pathogen detection cartridge and an automatic detection apparatus. More specifically, the present invention relates to a protein or pathogen detection cartridge and an automatic detection device, each of which includes a conductive diamond electrode on which a protein or pathogen recognition element is immobilized.
従来より、目的の病原体、病原性細菌、ウイルスやそれらのタンパク質を高感度で検出することが望まれてきた。例えばインフルエンザウイルス(IFV)は世界的流行の可能性があり、迅速かつ正確なインフルエンザウイルスの検出が求められている。現在用いられているIFVの検出方法には、IFV認識デバイスとして抗体を用いたイムノクロマトグラフィー、糖鎖を用いた糖鎖アレイによる検出、遺伝子を用いたRT-PCR法、赤血球を用いた赤血球凝集アッセイなどがある。しかしこれらは時間やコストがかかる上に、専門的な知識や技術を要する。また、初めに検体を採取して検査用試料を作成する必要があるため、検体採取から検出までを自動的に行う手法は実現されていない。 Conventionally, it has been desired to detect target pathogens, pathogenic bacteria, viruses and their proteins with high sensitivity. For example, influenza virus (IFV) may be a pandemic, and rapid and accurate detection of influenza virus is required. Currently used IFV detection methods include immunochromatography using antibodies as IFV recognition devices, detection by sugar chain arrays using sugar chains, RT-PCR using genes, and hemagglutination assays using red blood cells. and so on. However, these are time consuming and costly and require specialized knowledge and skills. In addition, since it is necessary to first collect a sample and prepare a test sample, a method for automatically performing from sample collection to detection has not been realized.
Grabowskaらはハイブリダイゼーションを用いたIFV検出法を報告している(非特許文献1)。この方法は金チオール結合を介してAu電極の表面に、2つの異なるオリゴヌクレオチドプローブを固定したセンサーを用いるものであり、これによりヘマグルチニン(HA)とノイラミニダーゼ(NA)双方のオリゴヌクレオチドターゲットを同時に検出することが可能である。またKamikawaらは、電気活性があるポリアニリンで覆い、表面にH5N1型HAモノクローナル抗体を修飾した磁性ナノ粒子を用いたIFV検出を報告している(非特許文献2)。この方法では、H5N1ウイルスと相互作用したナノ粒子を強力な磁力(MPC)で血清中から回収し、電気化学測定によりウイルス結合量が定量されている。 Grabowska et al. Reported an IFV detection method using hybridization (Non-patent Document 1). This method uses a sensor in which two different oligonucleotide probes are immobilized on the surface of the Au electrode via gold thiol bonds, thereby simultaneously detecting both hemagglutinin (HA) and neuraminidase (NA) oligonucleotide targets. Is possible. Kamikawa et al. Reported IFV detection using magnetic nanoparticles covered with electroactive polyaniline and modified with H5N1-type HA monoclonal antibody on the surface (Non-patent Document 2). In this method, nanoparticles interacting with H5N1 virus are collected from serum with a strong magnetic force (MPC), and the amount of virus binding is quantified by electrochemical measurement.
Sakuraiらは、蛍光免疫クロマトグラフィーを用いた季節性インフルエンザの迅速かつ高感度な型分類を報告している(非特許文献3)。臨床で使われているIFVの検出手法であるイムノクロマト法は検出感度が1000pfuであり、感染初期の検出が困難である。同文献においてSakuraiらは、ウイルスの補足抗体と増感剤を標識した検出用抗体の両方を用いてウイルスをサンドイッチ型に捕捉し、さらにデンシトメトリー分析装置や蛍光イムノクロマト測定装置を用いた検出を行うことにより従来の100倍の感度の向上を達成したことを報告している。しかしながら、ハイブリダイゼーション用の相補的オリゴヌクレオチドや基板に固定化する抗体は、作製に膨大な手間とコストを要し、保存安定性の問題がある。
Sakurai et al. Reported a rapid and highly sensitive type classification of seasonal influenza using fluorescent immunochromatography (Non-patent Document 3). The immunochromatography method, which is a method for detecting IFV used in clinical practice, has a detection sensitivity of 1000 pfu and is difficult to detect at the early stage of infection. In the same document, Sakurai et al. Captured viruses in a sandwich type using both a virus supplement antibody and a detection antibody labeled with a sensitizer, and further performed detection using a densitometric analyzer and a fluorescence immunochromatography analyzer. It is reported that the improvement of the
Hassenらは、電気化学インピーダンス分光法を用いたインフルエンザAウイルスの定量
を報告している(非特許文献4)。この文献では金電極表面に抗体−糖鎖除去アビジン−チオール構造物を固定したデバイスを用いて、インフルエンザAウイルスが検出されている。
Hassen et al. Have reported quantification of influenza A virus using electrochemical impedance spectroscopy (Non-Patent Document 4). In this document, influenza A virus is detected using a device in which an antibody-sugar chain-removed avidin-thiol structure is immobilized on the gold electrode surface.
一方でホウ素ドープダイヤモンド電極は、ガラス性炭素や白金電極などの他の従来型の電極材料と比較して特性が優れており、近年、注目を集めている。熱伝導性が高いことや硬度が極めて高いというダイヤモンドの周知の特性の他に、ホウ素ドープダイヤモンド電極は、広い電位窓、小さいバックグランド電流、及び吸着耐性が高く、化学的に不活性であるといった魅力的な特性を有する。また、ホウ素ドープダイヤモンド電極は物理的、化学的に安定で耐久性に優れる。 On the other hand, boron-doped diamond electrodes have excellent characteristics as compared with other conventional electrode materials such as glassy carbon and platinum electrodes, and have attracted attention in recent years. In addition to the well-known properties of diamond, which have high thermal conductivity and extremely high hardness, boron-doped diamond electrodes have a wide potential window, small background current, high adsorption resistance, and are chemically inert. Has attractive properties. Boron-doped diamond electrodes are physically and chemically stable and have excellent durability.
ダイヤモンド電極を備えたセンサーとしては、カテコール又はカテコール誘導体の正確な定量を行うことが可能なダイヤモンド電極及び当該ダイヤモンド電極を備えるセンサーが報告されている(特許文献1)。この文献では4-ペンテン酸修飾されたダイヤモンド電極を用いてシュウ酸が電気化学的に検出されている。 As a sensor provided with a diamond electrode, a diamond electrode capable of accurately quantifying catechol or a catechol derivative and a sensor provided with the diamond electrode have been reported (Patent Document 1). In this document, oxalic acid is electrochemically detected using a 4-pentenoic acid-modified diamond electrode.
従来のIFV検出装置は、検体にハイブリダイゼーション用試薬を添加したり、金ナノ粒子を加えてから波長測定を行う必要があった。ウイルスや各種病原性細菌、病原体について、抗体や高価な装置を使用せず、高感度にて早期検出が可能な装置が望まれている。 The conventional IFV detection apparatus needs to perform wavelength measurement after adding a hybridization reagent to a sample or adding gold nanoparticles. For viruses, various pathogenic bacteria, and pathogens, a device capable of early detection with high sensitivity without using antibodies or expensive devices is desired.
本発明は従来の問題点を解決する、迅速かつ高感度でタンパク質又は病原体を検出する装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a device for detecting a protein or a pathogen with high speed and high sensitivity, which solves the conventional problems.
本発明は、上記の問題を解決するために、タンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極を備えた、タンパク質又は病原体の検出用カートリッジおよび自動検出装置を提供する。このカートリッジを備えた装置を用いて電気化学的測定を行うことにより、検体に特殊な試薬や金ナノ粒子を添加することなく、迅速かつ高感度でインフルエンザウイルスを検出することができる。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a protein or pathogen detection cartridge and an automatic detection apparatus provided with a conductive diamond electrode on which a protein or pathogen recognition element is immobilized. By performing electrochemical measurement using an apparatus equipped with this cartridge, influenza virus can be detected quickly and with high sensitivity without adding a special reagent or gold nanoparticles to the specimen.
すなわち本発明は、以下を包含する。
[1] 1又は複数の作用電極、対電極、参照電極、並びに、支持電解質溶液を保持し得る容器を備えた、タンパク質又は病原体を検出するためのカートリッジであって、
該1又は複数の作用電極は、それぞれ、同一または異なる種類の、タンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極を有し、
作用電極、対電極、及び参照電極は外部との電気的導通が可能であるように構成されており、
作用電極、対電極、及び参照電極の液絡部は、容器内に支持電解質溶液が存在する場合に当該支持電解質溶液に接触可能であるように該容器に配置されており、
容器は外気の導入口、外気導出側の通気口及び導出口を備え、
導入口及び外気導出側の通気口は、該導入口より導入された外気が該容器に保持された支持電解質溶液中を通過して外気導出側の通気口へと導出されるよう構成されており、外気導出側の通気口を通過した外気はさらにカートリッジの導出口へと導出されるよう構成されており、
外気が支持電解質溶液中を通過する際に1又は複数の作用電極に接触可能であるように容器及び作用電極が構成されており、ここで外気が1又は複数の作用電極に接触しているときには対電極、及び参照電極の液絡部が支持電解質溶液に常に接触しているよう対電極及び参照電極が構成されており、
支持電解質溶液及び参照電極の内部電解質溶液を容器に注入することができるよう構成されており、
外気を作用電極に接触させるとき及び作用電極による電気化学的測定を行うときには、作用電極の素子が固定化されている表面が下向きであるよう構成されており、
外気導入口及び外気導出口及び外気導出側の通気口は、支持電解質溶液の最高液面位置よりも高い位置に配置されている、
該タンパク質又は病原体を検出するためのカートリッジ。
[2] 外気の導入口側の通気口が、外気を気泡にする気泡発生フィルターを備えている、1に記載のカートリッジ。
[3] カートリッジが複数の作用電極を備えている場合、外気導入口側の作用電極が導出口側の他の作用電極と比較して低い位置に配置され、該導出口側の他の作用電極が該外気導入口側の作用電極と比較して高い位置に配置されている、1または2に記載のカートリッジ。
[4] 1又は複数の作用電極、対電極、参照電極、並びに、支持電解質溶液を保持し得る容器を備え、さらに液面を上昇及び下降させることのできる液面上下動機構を備えた、タンパク質又は病原体を検出するためのカートリッジであって、
該1又は複数の作用電極は、それぞれ、同一または異なる種類の、タンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極を有し、
作用電極、対電極、及び参照電極は外部との電気的導通が可能であるように構成されており、
容器は外気の導入口、外気導出側の通気口及び導出口を備え、さらに液面上下動機構用の空気導入口を備え、
作用電極、対電極、及び参照電極の液絡部は、容器内の支持電解質溶液液面が上昇した場合に当該支持電解質溶液に接触可能であるように該容器に配置されており、
導入口は、該導入口より導入された外気を1又は複数の作用電極の表面に吹き付けることができるよう構成されており、
外気導出側の通気口は、1又は複数の作用電極に吹き付けられた外気が通過できるよう配置されており、外気導出側の通気口を通過した外気はさらにカートリッジの導出口へと導出されるよう構成されており、
タンパク質又は病原体を素子に吸着させるときは、支持電解質溶液の液面を下降させ、1又は複数の作用電極は支持電解質溶液と接触していない、
支持電解質溶液の液面を下降させているときは、対電極及び参照電極の液絡部は、支持電解質溶液に接触していてもよく、
素子に吸着したタンパク質又は病原体を検出するときは、支持電解質溶液の液面を上昇させ、1又は複数の作用電極、対電極及び参照電極の液絡部は支持電解質溶液に接触しているよう構成されており、
支持電解質溶液及び参照電極の内部電解質溶液を容器に注入することができるよう構成されており、
外気を作用電極に接触させるとき及び作用電極による電気化学的測定を行うときは、作用電極の素子が固定化されている表面が下向きであるよう構成されており、
外気導入口及び外気導出口及び外気導出側の通気口は、支持電解質溶液の最高液面位置よりも高い位置に配置されている、
該タンパク質又は病原体を検出するためのカートリッジ。
[5] カートリッジが複数の作用電極を備えている場合、外気導入口側の作用電極が導出口側の他の作用電極と比較して高い位置に配置され、該導出口側の他の作用電極が該外気導入口側の作用電極と比較して低い位置に配置されている、4に記載のカートリッジ。
[6] 液面上下動機構用の空気導入口が支持電解質溶液の最高液面位置よりも高い位置にある、4または5に記載のカートリッジ。
[7] 支持電解質溶液を対電極挿入口から注入し、対電極を取り付けることによって容器を密閉構造とすることができるよう構成されている、1〜6のいずれかに記載のカートリッジ。
[8] 参照電極用の内部電解質溶液を参照電極の金属電極挿入口から注入し、当該金属電極を取り付けることによって容器を密閉構造とすることができるよう構成されている、1〜7のいずれかに記載のカートリッジ。
[9] 記憶再生可能な素子をさらに備えた、1〜8のいずれかに記載のカートリッジ。
[10] 記憶再生可能な素子は、基板を介して、カートリッジ外部から記録再生可能になっている、9に記載のカートリッジ。
[11] 外気導入口の直後に導入フィルターを有する、1〜10のいずれかに記載のカートリッジ。
That is, the present invention includes the following.
[1] A cartridge for detecting a protein or pathogen comprising one or more working electrodes, a counter electrode, a reference electrode, and a container capable of holding a supporting electrolyte solution,
The one or more working electrodes each have a conductive diamond electrode on the surface of which the same or different types of elements that recognize proteins or pathogens are immobilized;
The working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are configured to allow electrical continuity with the outside.
The working electrode, the counter electrode, and the liquid junction of the reference electrode are arranged in the container so as to be able to contact the supporting electrolyte solution when the supporting electrolyte solution is present in the container,
The container includes an outside air inlet, an outside air outlet side vent and an outlet port,
The introduction port and the ventilation port on the outside air outlet side are configured such that the outside air introduced from the introduction port passes through the supporting electrolyte solution held in the container and is led out to the ventilation port on the outside air outlet side. The outside air that has passed through the vent on the outside air outlet side is further led out to the outlet of the cartridge,
The container and the working electrode are configured so that the outside air can come into contact with the one or more working electrodes when passing through the supporting electrolyte solution, and when the outside air is in contact with the one or more working electrodes. The counter electrode and the reference electrode are configured so that the liquid junction of the counter electrode and the reference electrode is always in contact with the supporting electrolyte solution,
The supporting electrolyte solution and the internal electrolyte solution of the reference electrode are configured to be injected into the container,
When the outside air is brought into contact with the working electrode and when electrochemical measurement is performed with the working electrode, the surface on which the working electrode element is fixed is configured to face downward.
The outside air inlet, the outside air outlet, and the outside air outlet are arranged at a position higher than the highest liquid surface position of the supporting electrolyte solution.
A cartridge for detecting the protein or pathogen.
[2] The cartridge according to 1, wherein the vent on the inlet side of the outside air includes a bubble generation filter that makes the outside air a bubble.
[3] When the cartridge includes a plurality of working electrodes, the working electrode on the outside air inlet side is disposed at a lower position than the other working electrodes on the outlet port side, and the other working electrodes on the outlet port side are arranged. The cartridge according to 1 or 2, wherein is disposed at a higher position than the working electrode on the outside air inlet side.
[4] A protein comprising one or more working electrodes, a counter electrode, a reference electrode, and a container capable of holding a supporting electrolyte solution, and further comprising a liquid level up-and-down moving mechanism capable of raising and lowering the liquid level Or a cartridge for detecting pathogens,
The one or more working electrodes each have a conductive diamond electrode on the surface of which the same or different types of elements that recognize proteins or pathogens are immobilized;
The working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are configured to allow electrical continuity with the outside.
The container has an outside air introduction port, an outside air outlet side ventilation port and an outlet port, and further has an air introduction port for a liquid level vertical movement mechanism,
The working electrode, the counter electrode, and the liquid junction of the reference electrode are arranged in the container so as to be able to contact the supporting electrolyte solution when the supporting electrolyte solution liquid level in the container rises,
The introduction port is configured to be able to blow the outside air introduced from the introduction port onto the surface of one or a plurality of working electrodes,
The outside air outlet side vent is arranged so that the outside air blown to one or a plurality of working electrodes can pass through, and the outside air that has passed through the outside air outlet side vent is further led out to the outlet of the cartridge. Configured,
When adsorbing protein or pathogen to the device, the level of the supporting electrolyte solution is lowered, and one or more working electrodes are not in contact with the supporting electrolyte solution.
When the level of the supporting electrolyte solution is lowered, the liquid junction of the counter electrode and the reference electrode may be in contact with the supporting electrolyte solution,
When detecting proteins or pathogens adsorbed on the element, the liquid level of the supporting electrolyte solution is raised, and the liquid junction of one or more working electrodes, counter electrodes and reference electrodes are in contact with the supporting electrolyte solution Has been
The supporting electrolyte solution and the internal electrolyte solution of the reference electrode are configured to be injected into the container,
When the outside air is brought into contact with the working electrode and when the electrochemical measurement is performed by the working electrode, the surface on which the working electrode element is fixed is configured to face downward.
The outside air inlet, the outside air outlet, and the outside air outlet are arranged at a position higher than the highest liquid surface position of the supporting electrolyte solution.
A cartridge for detecting the protein or pathogen.
[5] When the cartridge includes a plurality of working electrodes, the working electrode on the outside air inlet side is arranged at a higher position than the other working electrodes on the outlet port side, and the other working electrodes on the outlet port side are arranged. The cartridge according to 4, wherein is disposed at a position lower than the working electrode on the outside air inlet side.
[6] The cartridge according to 4 or 5, wherein the air inlet for the liquid surface vertical movement mechanism is located at a position higher than the highest liquid surface position of the supporting electrolyte solution.
[7] The cartridge according to any one of 1 to 6, wherein the cartridge is configured to have a sealed structure by injecting the supporting electrolyte solution from the counter electrode insertion port and attaching the counter electrode.
[8] Any one of 1 to 7 configured to inject the internal electrolyte solution for the reference electrode from the metal electrode insertion port of the reference electrode and attach the metal electrode so that the container can have a sealed structure. Cartridge.
[9] The cartridge according to any one of 1 to 8, further comprising an element capable of storing and reproducing.
[10] The cartridge according to 9, wherein the element capable of storing and reproducing can be recorded and reproduced from the outside of the cartridge via a substrate.
[11] The cartridge according to any one of 1 to 10, which has an introduction filter immediately after the outside air introduction port.
[12] 1又は複数の、1〜11のいずれか1項に記載のカートリッジを備えた、タンパク質又は病原体を検出するための装置であって、
外部と電気的導通が可能であるように構成されているカートリッジ外面の作用電極、対電極、及び参照電極が該検出装置と電気的に接続されており、
カートリッジが記憶再生可能な素子を備えている場合には、当該記憶再生可能な素子が該検出装置と電気的に接続されており、
サイクリックボルタンメトリー測定及び/又は電気化学インピーダンス測定を行うことができる電気化学測定回路を備えており、
測定結果を表示する表示回路、又は、測定結果を出力若しくは送信する出力端末を備えており、
電源回路を備えており、
外気を検出装置内に吸入するための外気吸気口を備えており、該外気吸気口はカートリッジの外気導入口に接続されており、
外気を検出装置から排出するための外気排気口を備えており、該外気排気口はカートリッジの外気導出口に接続されており、
外気吸気口に接続された外気吸入ポンプを備えており、
制御回路を備えている、
該タンパク質又は病原体を検出するための装置。
[13] カートリッジが液面上下動機構を備えた4〜11のいずれかに記載のものであり、検出装置が液面上下動機構用のポンプを備え、該ポンプが検出装置の制御回路に接続されている、12に記載の装置。
[14] 装置が複数のカートリッジを備えている場合において、当該複数のカートリッジの外気導入口及び外気導出口が、装置と、直列または並列に接続されている、12又は13に記載の装置。
[15] 無線又は有線通信回路を備えている、12〜14のいずれか1項に記載の装置。
[16] カートリッジが記憶再生可能な素子を備えている場合に、当該素子に対してデータの記録再生を行うデータ記録再生回路を備えている、12〜15のいずれかに記載の装置。
[17] 装置の外気吸気口とカートリッジの外気導入口との間に外気フィルターを備えている、12〜16のいずれかに記載の装置。
[18] 外気タンク及び循環ポンプを備え、外気排気口と外気タンクとの間に、外気排気口に接続された排気パイプを閉じることのできる外気タンク排気バルブを備えた、12〜17のいずれかに記載の装置。
[12] An apparatus for detecting a protein or pathogen, comprising one or more cartridges according to any one of 1 to 11,
A working electrode, a counter electrode, and a reference electrode on the outer surface of the cartridge configured to be electrically conductive with the outside are electrically connected to the detection device;
When the cartridge includes an element capable of storing and reproducing, the element capable of storing and reproducing is electrically connected to the detection device,
An electrochemical measurement circuit capable of performing cyclic voltammetry measurement and / or electrochemical impedance measurement;
It has a display circuit that displays the measurement result, or an output terminal that outputs or transmits the measurement result.
It has a power circuit,
An outside air inlet for sucking outside air into the detection device, and the outside air inlet is connected to the outside air inlet of the cartridge;
An outside air outlet for discharging outside air from the detection device, the outside air outlet being connected to the outside air outlet of the cartridge;
It has an outside air suction pump connected to the outside air inlet,
Equipped with a control circuit,
An apparatus for detecting the protein or pathogen.
[13] The cartridge according to any one of 4 to 11, wherein the cartridge includes a liquid level vertical movement mechanism, the detection device includes a pump for the liquid level vertical movement mechanism, and the pump is connected to a control circuit of the detection device The apparatus according to 12, wherein:
[14] The device according to 12 or 13, wherein when the device includes a plurality of cartridges, the outside air inlet and the outside air outlet of the plurality of cartridges are connected to the device in series or in parallel.
[15] The device according to any one of 12 to 14, comprising a wireless or wired communication circuit.
[16] The apparatus according to any one of 12 to 15, further comprising a data recording / reproducing circuit for recording / reproducing data with respect to the element when the cartridge includes an element capable of storing / reproducing.
[17] The device according to any one of 12 to 16, further comprising an outside air filter between the outside air inlet of the device and the outside air inlet of the cartridge.
[18] Any of 12-17, comprising an outside air tank and a circulation pump, and comprising an outside air tank exhaust valve capable of closing an exhaust pipe connected to the outside air exhaust port between the outside air exhaust port and the outside air tank The device described in 1.
[19] 1〜11のいずれかに記載のカートリッジ、又は12〜18のいずれかに記載の装置を用いた、タンパク質又は病原体を検出する方法。
[20] カートリッジが記憶再生可能な素子を備えている場合に、それぞれの素子から、1又は複数の作用電極が測定対象とするタンパク質又は病原体の情報、1又は複数の作用電極の初期特性、及び、既に測定に使用されたカートリッジについては、測定に使用した時間、検出した数値の情報を読み出す工程、
外気吸入ポンプを作動させ、吸入された外気をカートリッジ内に送り込む工程、
吸入された外気を1又は複数の作用電極の素子が固定化されている表面に吹き付けるか、支持電解質溶液中の気泡として1又は複数の作用電極と接触させる吸着工程、
吸着工程後の外気をカートリッジの外気導出側の通気口を通過させ外気導出口及び装置の外気排気口から排出させる排気行程、
外気吸入ポンプを停止させ、1又は複数のカートリッジの、1又は複数の作用電極を順次切り替えながら、サイクリックボルタンメトリー測定又は電気化学インピーダンス測定を行う電気化学的測定工程、
カートリッジが記憶再生可能な素子を備えている場合に測定結果をそれぞれのカートリッジの該素子に記録する工程、及び、装置が無線又は有線通信回路を備えている場合には記録情報を外部に通信する工程、
を含む、19に記載の検出方法。
[21] 外気タンク、循環ポンプ、及び外気タンク排気バルブを備えた18に記載の検出装置を用い、以下の工程、
カートリッジが記憶再生可能な素子を備えている場合に、それぞれの素子から、1又は複数の作用電極が測定対象とするタンパク質又は病原体の情報、1又は複数の作用電極の初期特性、及び、既に測定に使用されたカートリッジについては、測定に使用した時間、検出した数値の情報を読み出す工程、
外気タンク排気バルブを開き、外気吸入ポンプを作動させ、外気タンクに未測定の外気を導入する工程、
外気タンク排気バルブを閉じ、外気吸入ポンプを停止する工程、
循環ポンプを作動させ、外気タンク内の外気をカートリッジ内に送り込む工程、
吸入された外気を1又は複数の作用電極の素子が固定化されている表面に吹き付けるか、支持電解質中の気泡として1又は複数の作用電極と接触させる吸着工程、
吸着工程後の外気をカートリッジの外気導出側の通気口を通過させ外気導出口から外気タンクへ排気する工程、
循環ポンプを停止させ、1又は複数のカートリッジの、1又は複数の作用電極を順次切り替えながら、サイクリックボルタンメトリー測定又は電気化学インピーダンス測定を行う電気化学的測定工程、
カートリッジが記憶再生可能な素子を備えている場合に測定結果をそれぞれのカートリッジの該素子に記録する工程、並びに、
装置が無線又は有線通信回路を備えている場合には記録情報を外部に通信する工程、
を含む、タンパク質又は病原体を検出する方法。
[19] A method for detecting a protein or a pathogen using the cartridge according to any one of 1 to 11 or the apparatus according to any one of 12 to 18.
[20] When the cartridge includes an element capable of storing and reproducing, from each element, information on a protein or pathogen to be measured by one or more working electrodes, initial characteristics of one or more working electrodes, and For cartridges that have already been used for measurement, the time used for measurement, the process of reading the detected numerical information,
A step of operating an outside air suction pump and feeding the sucked outside air into the cartridge;
An adsorption process in which inhaled outside air is blown onto a surface on which one or more working electrode elements are fixed, or in contact with one or more working electrodes as bubbles in a supporting electrolyte solution;
An exhaust stroke in which the outside air after the adsorption process passes through the outside air outlet side of the cartridge and is discharged from the outside air outlet and the outside air outlet of the device;
An electrochemical measurement process in which the external air suction pump is stopped and cyclic voltammetry measurement or electrochemical impedance measurement is performed while sequentially switching one or more working electrodes of one or more cartridges;
A step of recording a measurement result in each element of each cartridge when the cartridge has an element capable of storing and reproducing; and a recording information is communicated to the outside when the apparatus has a wireless or wired communication circuit Process,
20. The detection method according to 19, comprising.
[21] Using the detection device according to 18, which includes an outside air tank, a circulation pump, and an outside air tank exhaust valve,
When the cartridge has an element capable of storing and reproducing, from each element, information on the protein or pathogen to be measured by one or more working electrodes, initial characteristics of one or more working electrodes, and already measured For the cartridge used in the process, the time used for measurement, the process of reading the information of the detected numerical value,
Opening the outside air tank exhaust valve and operating the outside air suction pump to introduce unmeasured outside air into the outside air tank;
Closing the outside air tank exhaust valve and stopping the outside air suction pump;
A process of operating the circulation pump and sending the outside air in the outside air tank into the cartridge;
An adsorption process in which inhaled outside air is blown against a surface on which one or more working electrode elements are fixed, or in contact with one or more working electrodes as bubbles in the supporting electrolyte;
Passing the outside air after the adsorption step through the outside air outlet side of the cartridge and exhausting it from the outside air outlet port to the outside air tank;
An electrochemical measurement step in which the cyclic pump is stopped and cyclic voltammetry measurement or electrochemical impedance measurement is performed while sequentially switching one or more working electrodes of one or more cartridges;
A step of recording a measurement result in the element of each cartridge when the cartridge has an element capable of storing and reproducing; and
A step of communicating recorded information to the outside if the device has a wireless or wired communication circuit;
A method for detecting a protein or pathogen, comprising:
本発明のカートリッジを備えた装置を用いてタンパク質又は病原体を迅速、高感度かつ自動的に検出することができる。ダイヤモンド電極は他の電気化学的な検出法と比べて、表面が不活性であるため、タンパク質などの非特異的な吸着が抑制でき、ノイズが少なく電位窓が広いため、高感度な検出ができる。また本発明は、抗体のような高価な分子を用いることなく、高感度にて、タンパク質又は病原体を検出することができるのみならず、検体にハイブリダイゼーション用試薬や金ナノ粒子を添加する必要がなく、迅速かつ高感度な検出が可能となる。また、検査用試料作成を手動で行う必要がなくなり、検査担当者への二次感染が防止できる。 Proteins or pathogens can be detected rapidly, sensitively and automatically using an apparatus equipped with the cartridge of the present invention. Compared to other electrochemical detection methods, the diamond electrode has an inactive surface, which can suppress nonspecific adsorption of proteins, etc., and has low noise and a wide potential window, enabling highly sensitive detection. . Further, the present invention can detect proteins or pathogens with high sensitivity without using expensive molecules such as antibodies, and it is necessary to add hybridization reagents and gold nanoparticles to the specimen. And rapid and highly sensitive detection is possible. In addition, it is not necessary to manually prepare the test sample, and secondary infection to the person in charge of the test can be prevented.
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明のタンパク質又は病原体の検出用カートリッジ
本発明のタンパク質又は病原体の検出用カートリッジ(以下、単に本発明のカートリッジということがある)は、タンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極(以下、単に導電性ダイヤモンド電極ということがある)を備えてなる。ここで、素子がタンパク質又は病原体を「認識」する、とは、素子がタンパク質又は病原体と相互作用、結合、会合することをいう。素子がタンパク質又は病原体を認識すると、電位を印加した場合、電気化学反応により電流が流れる。この電流を測定することにより、認識されたタンパク質又は病原体を検出することができる。ここでいう「検出」とは、定性的検出及び定量的検出を包含する。
The protein or pathogen detection cartridge of the present invention The protein or pathogen detection cartridge of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as the cartridge of the present invention) is a conductive material in which an element that recognizes the protein or pathogen is immobilized on the surface. A conductive diamond electrode (hereinafter sometimes simply referred to as a conductive diamond electrode). Here, “recognizing” a protein or pathogen means that the element interacts, binds, or associates with the protein or pathogen. When the element recognizes a protein or pathogen, when an electric potential is applied, an electric current flows due to an electrochemical reaction. By measuring this current, a recognized protein or pathogen can be detected. As used herein, “detection” includes qualitative detection and quantitative detection.
本発明のカートリッジとして、図6にカートリッジ100を例示する。本発明のカートリッジ100は、1又は複数の作用電極101、対電極102、参照電極103、並びに、支持電解質溶液104を保持し得る容器105を備えてなる。このカートリッジは、タンパク質又は病原体を検出するためのものである。本発明のカートリッジが有する一又は複数の作用電極の数は特に限定されず、1つ、2つ、3つ、4つ、6つ、8つ、10、12、14、16等とすることができる。
FIG. 6 illustrates a
該1又は複数の作用電極101は、それぞれ、同一または異なる種類の、タンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極110を有する。
Each of the one or more working
作用電極101、対電極102、及び参照電極103は外部との電気的導通が可能であるように構成されている。
The working
作用電極101、対電極102、及び参照電極の液絡部123は、容器105内に支持電解質溶液104溶液が存在する場合に当該支持電解質溶液に接触可能であるように該容器105に配置されている。
The working
容器105は外気の導入口111及び外気導出側の通気口150を備え、外気の導入口111及び外気導出側の通気口150は、該導入口111より導入された外気が該容器に保持された支持電解質溶液中を通過して外気導出側の通気口150へと導出されるよう構成されており、外気導出側の通気口150を通過した外気はさらにカートリッジの導出口155へと導出されるよう構成されている。
The
カートリッジは、外気が支持電解質溶液104中を通過する際に1又は複数の作用電極101に接触可能であるように容器105及び作用電極101が構成されており、ここで外気が1又は複数の作用電極に接触しているときには対電極102、及び参照電極の液絡部123が支持電解質溶液104に常に接触しているよう対電極102及び参照電極全体が構成されている。参照電極全体とは、参照電極の金属電極(以下、単に参照電極という)103、参照電極の金属電極挿入口107、参照電極の液絡部123、内部電解質溶液を保持するための部材125、及び存在する場合には内部電解質溶液124、を含めたもの全体をいう。
In the cartridge, the
カートリッジは、支持電解質溶液104及び参照電極103の内部電解質溶液124を容器105に注入することができるよう構成されている。内部電解質溶液124は内部電解質溶液を保持するための部材125により保持される。外気を作用電極101に接触させるとき及び作用電極101による電気化学的測定を行うときには、作用電極の素子が固定化されている表面301は下向きであるよう構成されている。すなわち検出部300は作用電極の素子が固定化されている表面301が下向きとなるようカートリッジに取り付けられる。
The cartridge is configured such that the supporting
外気導入口111及び外気導出口155及び外気導出側の通気口150(具体的にはそれらの下端)は、支持電解質溶液104の最高液面位置よりも高い位置に配置されている。逆にいうと、本発明のカートリッジに関し、支持電解質溶液104の最高液面位置は外気導入口111及び外気導出口155及び外気導出側の通気口150(具体的にはそれらの下端)よりも低い位置に設定される。
The
ある実施形態において外気の導入口側の通気口113は、外気を気泡にする気泡発生フィルター120を備えていてもよい。外気の導入口側の通気口113は円形や四角形などどのような形状であってもよい。ある実施形態において外気の導入口側の通気口113は、直径が1〜10mm、例えば3〜4mmの円形とすることができる。ある実施形態において、外気の導入口側の通気口113は、支持電解質溶液104が外気の導入口111側へと流入しないよう流入防止機構を備えている。気泡発生フィルター120が流入防止機構を兼ねてもよい。流入防止機構は、液体が流入するのを防止する弁であってもよい。
In an embodiment, the
本発明のカートリッジの寸法は特に限定されないが、例えば外気の導入口側の通気口113を直径3〜4mmの円形とする場合、容器中の気泡が通過する幅、及び検出部300の横幅もこれに合わせて3〜5mm、例えば3〜4mm程度とすることができる。また本発明のカートリッジは、ある実施形態において、縦方向の長さを約3〜30cm、横方向の長さを約4〜40cm、奥行き約1.5〜15cmとすることができる。
The dimensions of the cartridge of the present invention are not particularly limited. For example, when the
ある実施形態においてカートリッジ100が複数の作用電極101を備えている場合、外気導入口側の作用電極140が外気導出口側の他の作用電極145と比較して低い位置に配置され、該導出口側の他の作用電極145が該外気導入口側の作用電極140と比較して高い位置に配置されている。ここでいう低い位置、高い位置とは、次のとおりである。外気の導入口111より導入された外気が支持電解質溶液104中を通過して外気導出側の通気口150へと導出される際、外気が支持電解質溶液104中を上昇する方向からみて、下側が低い位置、上側が高い位置である。また、外気の導入口111より導入された外気が支持電解質溶液104中を通過して外気導出側の通気口150へと導出される際、1又は複数の作用電極と順次接触するために、外気の導入口側の通気口113は、該1又は複数の作用電極よりも低い位置に配置されかつ支持電解質溶液液面より低い位置に配置され、外気導出側の通気口150は、該1又は複数の作用電極より高い位置に配置されかつ支持電解質溶液液面より高い位置に配置されている。
When the
本発明のカートリッジは、液面上下動機構を備えたカートリッジを含む。ある実施形態において、液面上下動機構201を備えたカートリッジとして、図8及び図9に例示するカートリッジ200が挙げられる。
The cartridge of the present invention includes a cartridge provided with a liquid level vertical movement mechanism. In an embodiment, a
液面上下動機構201は、例えば膨張収縮可能な材料で構成されたバルーンとすることができる。内部に空気を充填することによりバルーンを膨張させ、液面230を上昇させることができる。また内部の空気を吸引することによりバルーンを収縮させ、液面230を下降させることができる。
The liquid level up-and-down moving
この実施形態において、容器105は外気の導入口111、外気導出側の通気口150及び導出口155を備え、さらに液面上下動機構用の空気導入口202を備えている。外気導出側の通気口150は、1又は複数の作用電極101に吹き付けられた外気が通過できるよう配置されており、外気導出側の通気口150を通過した外気はさらにカートリッジの導出口155へと導出されるよう構成されている。
In this embodiment, the
作用電極101、対電極102、及び参照電極の液絡部123は、容器105内の支持電解質溶液104の液面230が上昇した場合に当該支持電解質溶液に接触可能であるように該容器に配置されている。図9にその例を示す。
The working
外気中に含まれるタンパク質又は病原体を素子に吸着させるときは、支持電解質溶液104の液面230を下降させ、1又は複数の作用電極101を支持電解質溶液と接触しないようにする。図8にその例を示す。支持電解質溶液104の液面230を下降させているときは、対電極102及び参照電極の液絡部123は、支持電解質溶液104に接触していてもよい。素子に吸着したタンパク質又は病原体を検出するときは、支持電解質溶液104の液面230を上昇させ、1又は複数の作用電極101、対電極102及び参照電極の液絡部123は支持電解質溶液104に接触しているよう構成されている。
When adsorbing proteins or pathogens contained in the outside air to the device, the
カートリッジ200においてカートリッジが複数の作用電極101を備えている場合、ある実施形態では、外気導入口側の作用電極240は導出口側の他の作用電極245と比較して高い位置に配置され、該導出口側の他の作用電極が該外気導入口側の作用電極と比較して低い位置に配置されていてもよい。図8及び図9にはこのような実施形態を例示した。またある実施形態では、外気導入口側の作用電極240は導出口側の他の作用電極245と比較して同じ高さに配置されていてもよい。またある実施形態では、外気導入口側の作用電極240は導出口側の他の作用電極245と比較して低い位置に配置され、該導出口側の他の作用電極は該外気導入口側の作用電極と比較して高い位置に配置されていてもよい。ここでいう低い位置とは液面上下動機構201により液面230が下降している側の位置であり、高い位置とは液面上下動機構201により液面230が上昇している側の位置である。
When the cartridge includes a plurality of working
ある実施形態において、カートリッジ200に関し、液面上下動機構用の空気導入口202は支持電解質溶液104の最高液面位置よりも高い位置に配置することができる。逆にいうと、支持電解質溶液104の最高液面位置は、液面上下動機構用の空気導入口202よりも低い位置に設定され得る。ある実施形態において支持電解質溶液104の最高液面位置は外気の導入口111、外気導出口155及び外気導出側の通気口150(具体的にはそれらの下端)よりも低い位置とする。逆にいうと、外気の導入口111、外気導出口155及び外気導出側の通気口150(具体的にはそれらの下端)は支持電解質溶液104の最高液面位置よりも高い位置に配置される。
In an embodiment, with respect to the
ある実施形態において本発明のカートリッジは、支持電解質溶液104および参照電極の内部電解質溶液124を注入することが可能な構造である。ある実施形態において本発明のカートリッジは、支持電解質溶液104を対電極挿入口106から注入し、対電極102を取り付けることによって容器105を密閉構造とすることができるよう構成されていてもよい。ある実施形態において本発明のカートリッジは、参照電極用の内部電解質溶液124を参照電極の金属電極挿入口107から注入し、当該金属電極を取り付けることによって容器を密閉構造とすることができるよう構成されていてもよい。
In one embodiment, the cartridge of the present invention is configured to allow injection of the supporting
ある実施形態において本発明のカートリッジは、記憶再生可能な素子401をさらに備えている。該記憶再生可能な素子401は、基板402を介して、カートリッジ外部から記録再生可能とすることができる。基板402は、配線403を有しうる。記憶再生可能な素子401は、メモリチップを有する集積回路、半導体メモリ、フラッシュメモリ、ユニバーサルシリアルバス(以下、USB)メモリ、SDメモリーカード等であり得る。記憶再生可能な素子401には、1又は複数の作用電極101が測定対象とするタンパク質又は病原体の情報、1又は複数の作用電極101の初期特性、及び、既に測定に使用されたカートリッジについては、測定に使用した時間、検出した数値等の情報を格納することができる。基板402はプリント基板、例えばフレキシブルプリント基板であり得る。配線403は記憶再生可能な素子401の種類や規格に応じて適宜、適合化することができる。例えばUSBメモリであれば配線は4本(GND、D+、D-、VBUS)とすることができる。
In one embodiment, the cartridge of the present invention further includes an
ある実施形態において、本発明のカートリッジは、外気の導入口111の直後に、防塵等のための導入フィルター112を備えていてもよい。導入フィルター112はウイルス粒子が通過できるものであれば特に制限されない。
In an embodiment, the cartridge of the present invention may include an
本発明のカートリッジは、検出部300を有する。これを図10、11に例示した。検出部300には、作用電極101のうちの、導電性ダイヤモンド電極110部分が備えられている。検出部は一又は複数の導電性ダイヤモンド電極110を有しうる。便宜上、作用電極の素子が固定化されている表面301を、検出部300の下側とする。すなわち検出部300の下側に作用電極の素子が固定化されている表面301があり、これがタンパク質又は病原体を含む外気又は電解質と接触する側である(図11(a))。
The cartridge of the present invention has a
本発明のカートリッジの作用電極101、対電極102、及び参照電極103は、外部と電気的導通が可能であるように構成されている。
The working
本発明の自動検出装置
本発明は、タンパク質又は病原体を検出するための自動検出装置(以下、単に本発明の装置ということがある)を提供する。本発明の装置は、1又は複数の本発明のカートリッジを備えている。カートリッジとしては例えばカートリッジ100又はカートリッジ200が挙げられる。本発明の自動検出装置としては、例えば本発明のカートリッジ100を備えた自動検出装置500、本発明のカートリッジ100及び外気タンク610を備えた自動検出装置600、並びに液面上下動機構201を有するカートリッジ200、外気タンク610、及び液面上下動機構用のポンプ701を備えた自動検出装置700が挙げられる。
Automatic Detection Device of the Present Invention The present invention provides an automatic detection device (hereinafter sometimes simply referred to as the device of the present invention) for detecting proteins or pathogens. The apparatus of the present invention includes one or more cartridges of the present invention. Examples of the cartridge include the
本発明の装置において、外部と電気的導通が可能であるように構成されているカートリッジ外面の作用電極101、対電極102、及び参照電極103は該検出装置と電気的に接続されている。
In the apparatus of the present invention, the working
本発明のカートリッジが記憶再生可能な素子401を備えている場合には、当該記憶再生可能な素子401が該装置と電気的に接続されていてもよい。
In the case where the cartridge of the present invention includes the
また本発明の装置は、サイクリックボルタンメトリー測定及び/又は電気化学インピーダンス測定を行うことができる電気化学測定回路501を備えている。電気化学測定回路501は、ポテンショスタット、交流発信機、ロックインアンプ、その他付属回路を備えていてもよい。
The apparatus of the present invention includes an
また本発明の装置は、測定結果を表示するデータ表示回路520、又は、測定結果を出力若しくは送信する出力端末を備えていてもよい。データ表示回路520は、操作回路を兼ねていてもよい。
The apparatus of the present invention may include a
また本発明の装置は、電源回路550を備えている。電源回路550への入力電力は電池またはAC電源等であり得る。
In addition, the device of the present invention includes a
本発明の装置は外気を検出装置内に吸入するための外気吸気口505を備えており、該外気吸気口505はカートリッジの外気導入口111に接続されている。また本発明の装置は外気を装置から排出するための外気排気口507を備えており、該外気排気口507はカートリッジの外気導出口155に接続されている。
The apparatus of the present invention includes an
また本発明の装置は外気吸気口505に接続された外気吸入ポンプ506を備えている。
The apparatus of the present invention further includes an outside
本発明の装置は制御回路510を備えている。制御回路510は測定等の全ての動作をコントロールすることができる。制御回路510はCPUを有することができる。制御回路510は、測定結果をそれぞれのカートリッジ内の記録再生可能な素子401に記録し、無線又は有線の通信回路530によって外部へと測定結果を通信する機能を有しうる。制御回路510は、検出されたウイルスの数が一定数を超えると警報を発する機能を有することができる。制御回路510は、測定結果に異常が見られた場合、表示回路520にその旨を表示し、外部にアラームを出す機能を有することができる。制御回路510は「設定された測定回数が終了した」、「カートリッジの検出容量を超えてしまった」、等が発生した場合には測定を中止し、測定結果をそれぞれのカートリッジ内の記録再生可能な素子401に記録し、無線又は有線の通信回路530によって外部へその旨伝え、表示回路520に表示し、動作を停止させる機能を有することができる。また本発明の装置は、無線又は有線による通信回路530を備えていてもよい。
The apparatus of the present invention includes a
本発明の装置は、複数の作用電極101と電気化学インピーダンス測定回路501との間の接続を切り替える、切り替えスイッチ560を有してもよい。これにより、複数の作用電極101を順次切り替えながら、電気化学インピーダンス測定回路501によるサイクリックボルタンメトリー測定、電気化学インピーダンス測定等を行うことができる。
The apparatus of the present invention may include a
本発明の装置において、カートリッジが液面上下動機構を備えたものである場合、例えば200の場合、本発明の装置は、液面上下動機構用のポンプ701を備えていてもよい。またこのとき、該ポンプ701は検出装置の制御回路510に接続されていてもよい。液面上下動機構用のポンプ701は、吸気口702及び排気口703を有しうる。その例を図18に示す。吸気口702及び排気口703は、本発明の装置の内部にあってもよく、また、外部へと接続されていてもよい。
In the apparatus of the present invention, when the cartridge is provided with a liquid level vertical movement mechanism, for example, in the case of 200, the apparatus of the present invention may include a
本発明の装置が複数のカートリッジを備えている場合、当該複数のカートリッジの外気導入口及び外気導出口は、該装置と、直列または並列に接続されていてもよい。直列とは、本発明の装置が有するn個のカートリッジのうち、第1のカートリッジの外気導出口を、第2のカートリッジの外気導入口に接続し、第2のカートリッジの外気導出口を第3のカートリッジの外気導入口に接続し、以下同様に第nのカートリッジの外気導入口に接続することをいう。並列とは本発明の装置が有する複数のカートリッジについて、各々のカートリッジが有する外気導入口及び外気導出口を互いに連結することなく、装置の外気吸気口及び外気排気口にそれぞれ接続することをいう。 When the apparatus of the present invention includes a plurality of cartridges, the outside air inlet and the outside air outlet of the plurality of cartridges may be connected to the apparatus in series or in parallel. In series, among the n cartridges of the apparatus of the present invention, the outside air outlet of the first cartridge is connected to the outside air inlet of the second cartridge, and the outside air outlet of the second cartridge is the third. Is connected to the outside air inlet of the cartridge No. 1, and similarly connected to the outside air inlet of the nth cartridge. “Parallel” refers to connecting a plurality of cartridges included in the apparatus of the present invention to the outside air inlet and the outside air outlet of the apparatus without connecting the outside air introduction port and the outside air outlet port of each cartridge to each other.
本発明のカートリッジが記憶再生可能な素子401を備えている場合、本発明の装置は、当該素子に対してデータの記録再生を行うデータ記録再生回路540を備えていてもよい。データ記録再生回路540は、本発明のカートリッジの配線403と接続されていてもよい。
When the cartridge of the present invention includes the
装置の外気吸気口505とカートリッジの外気導入口111との間には外気フィルター508を取り付けてもよい。外気フィルター508はウイルス粒子が通過できるものであれば特に制限されないが、例えば綿ごみ、砂粒や塵などを除去できるものが好ましい。
An
ある実施形態において、本発明の装置はさらに、外気タンク610及び循環ポンプ620を備え、外気排気口507と外気タンク610との間に、外気排気口507に接続された排気パイプ509を閉じることのできる外気タンク排気バルブ630を備えている。このような装置を図17及び図18に例示する。
In an embodiment, the apparatus of the present invention further includes an
[タンパク質又は病原体を検出する方法]
本発明は、本発明のカートリッジ、又は本発明の装置を用いた、タンパク質又は病原体を検出する方法を提供する。
[Method for detecting protein or pathogen]
The present invention provides a method for detecting a protein or pathogen using the cartridge of the present invention or the apparatus of the present invention.
ある実施形態において、本発明のタンパク質又は病原体検出方法は、以下の工程を含む。
カートリッジが記憶再生可能な素子401を備えている場合に、それぞれの素子から、1又は複数の作用電極101が測定対象とするタンパク質又は病原体の情報、1又は複数の作用電極101の初期特性、及び、既に測定に使用されたカートリッジについては、測定に使用した時間、検出した数値の情報を読み出す工程、
外気吸入ポンプ506を作動させ、吸入された外気をカートリッジ内に送り込む工程、
吸入された外気を1又は複数の作用電極の素子が固定化されている表面301に吹き付けるか、支持電解質溶液104中の気泡121として1又は複数の作用電極と接触させる吸着工程、
吸着工程後の外気をカートリッジの外気導出側の通気口150を通過させ外気導出口155及び装置の外気排気口507から排出させる排気行程、
外気吸入ポンプ506を停止させ、1又は複数のカートリッジの、1又は複数の作用電極を順次切り替えながら、サイクリックボルタンメトリー測定又は電気化学インピーダンス測定を行う電気化学的測定工程、並びに
カートリッジが記憶再生可能な素子401を備えている場合に測定結果をそれぞれのカートリッジの該素子401に記録する工程、及び、装置が無線又は有線通信回路530を備えている場合には記録情報を外部に通信する工程。
In an embodiment, the protein or pathogen detection method of the present invention includes the following steps.
When the cartridge includes the
A step of operating the outside
An adsorption step in which inhaled outside air is blown against the
An exhaust stroke in which the outside air after the adsorption process passes through the
Electrochemical measurement process for performing cyclic voltammetry measurement or electrochemical impedance measurement while sequentially switching one or more working electrodes of one or more cartridges by stopping the outside
上記の方法において、吸入された外気を1又は複数の作用電極の素子が固定化されている表面301に吹き付けるか、支持電解質溶液104中の気泡121として1又は複数の作用電極と接触させる吸着工程は、例えば5分、10分、15分、30分など適当な時間とすることができる。
In the above method, an adsorption step in which inhaled outside air is blown against the
別の実施形態において、本発明の装置が外気タンク610、循環ポンプ620、及び外気タンク排気バルブ630を備えている場合には、本発明のタンパク質又は病原体検出方法は、以下の工程を含む。
カートリッジが記憶再生可能な素子401を備えている場合に、それぞれの素子401から、1又は複数の作用電極101が測定対象とするタンパク質又は病原体の情報、1又は複数の作用電極101の初期特性、及び、既に測定に使用されたカートリッジについては、測定に使用した時間、検出した数値の情報を読み出す工程、
外気タンク排気バルブ630を開き、外気吸入ポンプ506を作動させ、外気タンク610に未測定の外気を導入する工程、
外気タンク排気バルブ630を閉じ、外気吸入ポンプ506を停止する工程、
循環ポンプ620を作動させ、外気タンク内の外気をカートリッジ内に送り込む工程、
吸入された外気を1又は複数の作用電極の素子が固定化されている表面301に吹き付けるか、支持電解質溶液104中の気泡121として1又は複数の作用電極101と接触させる吸着工程、
吸着工程後の外気をカートリッジの外気導出側の通気口150を通過させ外気導出口155から外気タンク610へ排気する工程、
循環ポンプ620を停止させ、1又は複数のカートリッジの、1又は複数の作用電極を順次切り替えながら、サイクリックボルタンメトリー測定又は電気化学インピーダンス測定を行う電気化学的測定工程、
カートリッジが記憶再生可能な素子401を備えている場合に測定結果をそれぞれのカートリッジの該素子に記録する工程、並びに、
装置が無線又は有線通信回路530を備えている場合には記録情報を外部に通信する工程。
In another embodiment, when the apparatus of the present invention includes an
When the cartridge includes the
Opening the outside air
Closing the outside air
A step of operating the
An adsorption step in which inhaled outside air is blown against the
A step of allowing the outside air after the adsorption step to pass through the
An electrochemical measurement step in which the
A step of recording a measurement result in each element of each cartridge when the cartridge includes an
When the apparatus includes a wireless or
上記の方法において、循環ポンプ620を作動させ、外気タンク内の外気をカートリッジ内に送り込む工程は、例えば5分、10分、15分、30分など適当な時間とすることができる。
In the above method, the step of operating the
上記は単なる例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されない。例えば図18に示す装置700のバリエーションとして、外気タンク610、循環ポンプ620、排気バルブ630を有しない装置も想定される。
The above is merely an example, and the present invention is not limited to these embodiments. For example, as a variation of the
本発明のカートリッジが有する作用電極は、基板、該基板上のダイヤモンド層、及び該ダイヤモンド層上の修飾層を有する。基板上のダイヤモンド層は微量の不純物がドープされた導電性ダイヤモンドである。すなわち作用電極には導電性ダイヤモンド電極を用いる。この導電性ダイヤモンド電極には微量の不純物をドープすることが好ましい。不純物をドープすることにより、電極として望ましい性質が得られる。不純物としては、ホウ素(B)、硫黄(S)、窒素(N)、酸素(O)、ケイ素(Si)等が挙げられる。例えば炭素源を含む原料ガスに、ホウ素を得るためにはジボラン、トリメトキシボラン、酸化ホウ素を、硫黄を得るためには酸化硫黄、硫化水素を、酸素を得るためには酸素若しくは二酸化炭素を、窒素を得るためにはアンモニア若しくは窒素を、ケイ素を得るためにはシラン等を加えることができる。特に高濃度でホウ素をドープした導電性ダイヤモンド電極は広い電位窓と、他の電極材料と比較してバックグランド電流が小さいといった有利な性質を有することから好ましい。そこで以下にホウ素ドープダイヤモンド電極について例示的に記載する。他の不純物をドープした導電性ダイヤモンド電極を用いてもよい。本明細書では、特に断らない限り、電位と電圧は同義に用い相互に置き換え可能とする。また本明細書では導電性ダイヤモンド電極を単にダイヤモンド電極と記載することがあり、ホウ素ドープダイヤモンド電極をBDD電極と記載することがある。 The working electrode of the cartridge of the present invention has a substrate, a diamond layer on the substrate, and a modification layer on the diamond layer. The diamond layer on the substrate is a conductive diamond doped with a small amount of impurities. That is, a conductive diamond electrode is used as the working electrode. This conductive diamond electrode is preferably doped with a small amount of impurities. By doping with impurities, desirable properties as an electrode can be obtained. Examples of impurities include boron (B), sulfur (S), nitrogen (N), oxygen (O), and silicon (Si). For example, diborane, trimethoxyborane and boron oxide are used to obtain boron in a source gas containing a carbon source, sulfur oxide and hydrogen sulfide are obtained to obtain sulfur, oxygen or carbon dioxide is obtained to obtain oxygen, Ammonia or nitrogen can be added to obtain nitrogen, and silane or the like can be added to obtain silicon. In particular, a conductive diamond electrode doped with boron at a high concentration is preferable because it has advantageous properties such as a wide potential window and a small background current compared to other electrode materials. Therefore, the boron-doped diamond electrode will be described below as an example. A conductive diamond electrode doped with other impurities may be used. In this specification, unless otherwise specified, a potential and a voltage are used synonymously and are interchangeable. In this specification, the conductive diamond electrode may be simply referred to as a diamond electrode, and the boron-doped diamond electrode may be referred to as a BDD electrode.
作用電極の電極部は、基板表面に0.01〜8%w/wホウ素原料混入ダイヤモンドを蒸着したダイヤモンド層を有する。基板の大きさは特に限定されないが、mL単位若しくはμL単位の試料溶液を測定できる面積を有するものが好ましい。基板は例えば直径1〜10cm、厚み0.1mm〜5mmのものとすることができる。基板はSi基板、SiO2等のガラス基板や石英基板、Al2O3等のセラミックス基板、タングステン、モリブデン等の金属でありうる。基板の表面の全部又は一部をダイヤモンド層とすることができる。 The electrode portion of the working electrode has a diamond layer in which 0.01 to 8% w / w boron raw material mixed diamond is deposited on the substrate surface. The size of the substrate is not particularly limited, but a substrate having an area capable of measuring a sample solution in mL or μL is preferable. For example, the substrate may have a diameter of 1 to 10 cm and a thickness of 0.1 mm to 5 mm. The substrate Si substrate, a glass substrate or a quartz substrate such as SiO 2, ceramic substrate such as Al 2 O 3, tungsten, may be a metal such as molybdenum. All or part of the surface of the substrate can be a diamond layer.
導電性ダイヤモンド電極の電極部の大きさは、測定対象により適宜設計できる。例えば電極部は例えば0.1cm2〜10cm2、0.2cm2〜5cm2、又は0.5cm2〜4cm2の面積を有する表面とすることができる。ダイヤモンド層の全部又は一部を電気化学的測定に用いることができる。当業者であれば、測定対象に応じて電極部の面積や形状を適宜決定することができる。 The size of the electrode part of the conductive diamond electrode can be appropriately designed depending on the measurement target. For example the electrode portions may be, for example, 0.1cm 2 ~10cm 2, 0.2cm 2 ~5cm 2, or surface having an area of 0.5cm 2 ~4cm 2. All or part of the diamond layer can be used for electrochemical measurements. A person skilled in the art can appropriately determine the area and shape of the electrode portion according to the measurement target.
作用電極の電極部は、Si基板表面が高ホウ素原料混入(原料仕込みとして0.01〜8%w/wホウ素原料)ダイヤモンドで蒸着されたダイヤモンド層を有する。好ましいホウ素原料混入率は0.05〜5%w/wであり、特に好ましくは0.3%w/w程度である。基板上にダイヤモンド層を形成した後、その上に修飾層を設けることができる。 The electrode portion of the working electrode has a diamond layer in which the surface of the Si substrate is vapor-deposited with high boron raw material mixed (0.01 to 8% w / w boron raw material as raw material preparation) diamond. A preferable boron raw material mixing rate is 0.05 to 5% w / w, particularly preferably about 0.3% w / w. After the diamond layer is formed on the substrate, a modification layer can be provided thereon.
基板へのホウ素原料混入ダイヤモンドの蒸着処理は、700〜900℃で2〜12時間行えばよい。導電性ダイヤモンド薄膜は通常のマイクロ波プラズマ化学気相成長法(MPCVD)で作製される。すなわち、シリコン単結晶(100)等の基板を成膜装置内にセットし、高純度水素ガスを担体ガスとした成膜用ガスを流す。成膜用ガスには、炭素、ホウ素が含まれている。炭素、ホウ素を含む高純度水素ガスを流している成膜装置内にマイクロ波を与えてプラズマ放電を起こさせると、成膜用ガス中の炭素源から炭素ラジカルが生成し、Si単結晶上にsp3構造を保ったまま、かつホウ素を混入しながら堆積してダイヤモンドの薄膜が形成される。 The deposition process of diamond mixed with boron material on the substrate may be performed at 700 to 900 ° C. for 2 to 12 hours. The conductive diamond thin film is produced by a usual microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD) method. That is, a substrate such as a silicon single crystal (100) is set in a film forming apparatus, and a film forming gas using a high purity hydrogen gas as a carrier gas is allowed to flow. The deposition gas contains carbon and boron. When plasma is generated by applying microwaves to a film deposition system that flows high-purity hydrogen gas containing carbon and boron, carbon radicals are generated from the carbon source in the film-forming gas, and are formed on the Si single crystal. While maintaining the sp 3 structure and depositing while mixing boron, a diamond thin film is formed.
ダイヤモンド薄膜の膜厚は成膜時間の調整により制御することができる。ダイヤモンド薄膜の厚さは、例えば100nm〜1mm、1μm〜0.1mm、1μm〜100μm、2μm〜20μm等とすることができる。 The film thickness of the diamond thin film can be controlled by adjusting the film formation time. The thickness of the diamond thin film can be, for example, 100 nm to 1 mm, 1 μm to 0.1 mm, 1 μm to 100 μm, 2 μm to 20 μm, and the like.
基板表面へのホウ素ドープダイヤモンドの蒸着処理の条件は基板材料に応じて決定すればよい。一例としてプラズマ出力は500〜7000W、例えば3kW〜5kWとすることができ、好ましくは5kWとしうる。プラズマ出力がこの範囲であれば、合成が効率よく進行し、副生成物の少ない、品質の高い導電性ダイヤモンド薄膜が形成される。 The conditions for the vapor deposition treatment of boron-doped diamond on the substrate surface may be determined according to the substrate material. As an example, the plasma output can be 500 to 7000 W, for example, 3 kW to 5 kW, preferably 5 kW. When the plasma output is within this range, the synthesis proceeds efficiently, and a high-quality conductive diamond thin film with few by-products is formed.
上記の電極は、特開2006−98281号公報、特開2011−152324号公報又は特開2015−172401号公報等に開示されており、これらの公報の記載に従って作製することができる。 The above electrodes are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-98281, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-152324, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-172401, and the like, and can be manufactured according to the descriptions in these documents.
導電性ダイヤモンド電極は、熱伝導率が高く、硬度が高く、化学的に不活性であり、電位窓が広く、電気容量が低く、バックグラウンド電流が低く、電気化学的安定性に優れている。 The conductive diamond electrode has high thermal conductivity, high hardness, chemically inert, a wide potential window, low electric capacity, low background current, and excellent electrochemical stability.
本発明のカートリッジは三極電極を備えている。参照電極側の抵抗は高く設定されており、作用電極と参照電極との間では電流は流れない。対電極は特に限定されないが、例えば銀線や白金線を使用しうる。参照電極は特に限定されないが、安定性や再現性等の観点から銀−塩化銀電極(Ag/AgCl)が好ましい。本明細書では特に断らない限り、測定された電圧は、銀−塩化銀電極を基準にして測定されたものとする(+0.199V vs 標準水素電極(SHE))。 The cartridge of the present invention includes a triode electrode. The resistance on the reference electrode side is set high, and no current flows between the working electrode and the reference electrode. Although a counter electrode is not specifically limited, For example, a silver wire and a platinum wire can be used. The reference electrode is not particularly limited, but a silver-silver chloride electrode (Ag / AgCl) is preferable from the viewpoint of stability and reproducibility. Unless otherwise specified herein, the measured voltage is measured with respect to a silver-silver chloride electrode (+0.199 V vs. standard hydrogen electrode (SHE)).
参照電極として使用される銀−塩化銀電極は、塩化物イオン(Cl-)を含む水溶液中にAgClコーティングされた銀線(Ag/AgCl)を浸した構成を有する。参照電極としてAg/AgCl参照電極を用いる場合、当該Ag/AgCl参照電極は作用電極(導電性ダイヤモンド電極)より表面積が大きければ、特に限定されない。例えば図6を参照すると、参照電極103は、内部電解質溶液124に浸されており、内部電解質溶液124と、容器105中の支持電解質溶液104との間には参照電極の液絡部123が配置されている。参照電極の液絡部123は、内部がポーラス状のバイコールガラスやセラミック、または塩橋により内部電解質溶液124と支持電解質溶液104の電気的導通が図られている。塩橋はガラス管でも濾紙でもよく、寒天によりゲル化されていてもよい。塩橋は通常、不活性な電解質、例えば塩化ナトリウムが充填される。
A silver-silver chloride electrode used as a reference electrode has a structure in which an AgCl-coated silver wire (Ag / AgCl) is immersed in an aqueous solution containing chloride ions (Cl − ). When an Ag / AgCl reference electrode is used as the reference electrode, the Ag / AgCl reference electrode is not particularly limited as long as it has a larger surface area than the working electrode (conductive diamond electrode). For example, referring to FIG. 6, the
本発明のカートリッジが有する作用電極、対電極、参照電極は、電気化学測定時に支持電解質溶液と同時に接触可能に配置されていれば、その形状は特に限定されない。 The working electrode, counter electrode, and reference electrode of the cartridge of the present invention are not particularly limited as long as the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are arranged so that they can be contacted simultaneously with the supporting electrolyte solution during electrochemical measurement.
本発明の導電性ダイヤモンド電極は、その表面上にタンパク質又は病原体を認識する素子が固定化されている。ある実施形態において固定化とは、共有結合により素子が導電性ダイヤモンド電極表面に連結されていることをいう。素子が固定化されている層を修飾層とよぶことがある。修飾層を目的のタンパク質又は病原体と接触させると、該素子がタンパク質又は病原体を認識する。このとき、電位が印加されていると電流が流れ、これを測定することにより試料中のタンパク質又は病原体を検出することができる。 In the conductive diamond electrode of the present invention, an element for recognizing a protein or a pathogen is immobilized on the surface thereof. In some embodiments, immobilization means that the element is connected to the surface of the conductive diamond electrode by a covalent bond. The layer on which the element is fixed may be referred to as a modification layer. When the modified layer is brought into contact with the target protein or pathogen, the element recognizes the protein or pathogen. At this time, when a potential is applied, a current flows, and the protein or pathogen in the sample can be detected by measuring the current.
本発明のカートリッジ又は装置により検出される病原体としては、導電性ダイヤモンド電極表面の素子により認識され電流が流れるものであれば、どのようなものでもよい。病原体としては、ウイルスや病原性細菌が挙げられる。病原性細菌としてはマイコプラズマ菌、ボツリヌス菌、百日咳菌、破傷風菌、ジフテリア菌、コレラ菌、赤痢菌、炭疽菌、病原性大腸菌、ブドウ球菌、サルモネラ菌、ウェルシュ菌及びセレウス菌が挙げられるがこれに限らない。 Any pathogen can be detected by the cartridge or apparatus of the present invention as long as it is recognized by the element on the surface of the conductive diamond electrode and a current flows. Examples of pathogens include viruses and pathogenic bacteria. Pathogenic bacteria include, but are not limited to, Mycoplasma, Clostridium botulinum, Bordetella pertussis, Tetanus, Diphtheria, Vibrio cholerae, Shigella, Bacillus anthracis, pathogenic Escherichia coli, Staphylococcus, Salmonella, Clostridium perfringens, and Bacillus cereus. Absent.
本発明のカートリッジ又は装置により検出されるウイルスとしては、導電性ダイヤモンド電極表面の素子により認識され電流が流れるものであれば、どのようなものでもよい。検出されるウイルスとしては、DNAウイルス、RNAウイルス、2本鎖DNAウイルス、1本鎖DNAウイルス、2本鎖RNAウイルス、1本鎖RNA(+)鎖ウイルス、1本鎖RNA(−)鎖ウイルス、1本鎖RNA逆転写ウイルス、2本鎖DNA逆転写ウイルス、例えばインフルエンザウイルス、ノロウイルス、ロタウイルス、風疹ウイルス、麻疹ウイルス、RSウイルス、ヘルペスウイルス、肝炎ウイルス、アデノウイルス、口蹄疫ウイルス、狂犬病ウイルス、及びヒト免疫不全ウイルスが挙げられる。インフルエンザウイルスとしては、A型、B型、C型、トリインフルエンザウイルス及びそれらの各種亜型が挙げられる。 As the virus detected by the cartridge or apparatus of the present invention, any virus may be used as long as it is recognized by an element on the surface of the conductive diamond electrode and a current flows. Detected viruses include DNA viruses, RNA viruses, double-stranded DNA viruses, single-stranded DNA viruses, double-stranded RNA viruses, single-stranded RNA (+) strand viruses, and single-stranded RNA (-) strand viruses. Single-stranded RNA reverse transcription virus, double-stranded DNA reverse transcription virus, such as influenza virus, norovirus, rotavirus, rubella virus, measles virus, RS virus, herpes virus, hepatitis virus, adenovirus, foot-and-mouth disease virus, rabies virus, And human immunodeficiency virus. Influenza viruses include A, B, C, avian influenza viruses and various subtypes thereof.
本発明のカートリッジ又は装置により検出されるタンパク質としては、導電性ダイヤモンド電極表面の素子により認識され電流が流れるものであれば、どのようなものでもよい。ある実施形態において、検出されるタンパク質は、トリプトファン残基を有するものである。ある実施形態において、検出されるタンパク質は、上記の病原体、病原性細菌、又はウイルスに由来するタンパク質である。好ましくはウイルス由来タンパク質は、ウイルス表面タンパク質とすることができる。例えば検出対象がインフルエンザウイルスであれば、素子により認識されるのはインフルエンザウイルス由来のヘマグルチニン(HA)又はノイラミニダーゼ(NA)タンパク質等でありうる。検出するタンパク質としては、さらにインフルエンザウイルスのM1タンパク質、及びM2タンパク質が挙げられる。検出対象がマイコプラズマ菌である場合には、素子により認識されるのはマイコプラズマ細菌由来のP1タンパク質、膜抗原タンパク質又はリボソームタンパク質L7/L12であり得る。ある実施形態において、検出されるタンパク質は、毒素タンパク質である。毒素タンパク質としては、外毒素、ボツリヌス毒素、百日咳毒素、破傷風菌毒素(テタノスパスミン)、ジフテリア毒素、ウェルシュ菌のα毒素、コレラ菌毒素、ベロ毒素、炭疽菌毒素(PA、EF、又はLF)、並びに、大腸菌、ブドウ球菌、サルモネラ菌、及びセレウス菌等に由来するエンテロトキシンが挙げられるがこれに限らない。 The protein detected by the cartridge or apparatus of the present invention may be any protein as long as it is recognized by an element on the surface of the conductive diamond electrode and a current flows. In certain embodiments, the protein to be detected is one having a tryptophan residue. In certain embodiments, the protein to be detected is a protein derived from the pathogen, pathogenic bacterium, or virus described above. Preferably, the virus-derived protein can be a virus surface protein. For example, if the detection target is an influenza virus, the element may recognize hemagglutinin (HA) or neuraminidase (NA) protein derived from the influenza virus. Examples of the protein to be detected further include M1 protein and M2 protein of influenza virus. When the detection target is Mycoplasma bacterium, the element can be recognized by Mycoplasma bacterium-derived P1 protein, membrane antigen protein, or ribosomal protein L7 / L12. In certain embodiments, the protein to be detected is a toxin protein. Toxin proteins include exotoxin, botulinum toxin, pertussis toxin, tetanus toxin (tetanospasmin), diphtheria toxin, alpha toxin of C. perfringens, cholera toxin, verotoxin, anthrax toxin (PA, EF, or LF), and Enterotoxins derived from Escherichia coli, Staphylococcus, Salmonella, Bacillus cereus, and the like, but are not limited thereto.
本発明のタンパク質又は病原体を認識する素子は、目的のタンパク質又は病原体と相互作用したときに、導電性ダイヤモンド電極に電流が流れるものであれば、どのようなものでもよい。 The element for recognizing the protein or pathogen of the present invention may be any element as long as a current flows through the conductive diamond electrode when interacting with the target protein or pathogen.
本発明の作用電極の素子に使用される、タンパク質又は病原体を認識する素子を以下に模式的に表す。素子は、一方の端が導電性ダイヤモンド電極表面に固定化されており、他方の端にタンパク質又は病原体を認識する分子を有する。また、素子は場合によりリンカー分子を有してもよい。 A device for recognizing a protein or pathogen used for the working electrode device of the present invention is schematically shown below. The element has one end immobilized on the surface of a conductive diamond electrode and the other end has a molecule that recognizes a protein or pathogen. Further, the element may optionally have a linker molecule.
Electrode−(L)−R
[式中、Electrodeは導電性ダイヤモンド電極、Lは任意に存在してもよいリンカー、Rはタンパク質又は病原体を認識する分子を表す。]
Electrode- (L) -R
[In the formula, Electrode is a conductive diamond electrode, L is an optional linker, and R is a molecule that recognizes a protein or pathogen. ]
ある実施形態において、タンパク質又は病原体を認識する素子は、目的のタンパク質又は病原体と特異的に相互作用するペプチドを有する。上記の式で説明すると、タンパク質又は病原体を認識する分子Rはペプチドを有し得る。該ペプチドは例えば長さ4アミノ酸以上、5アミノ酸以上、6アミノ酸以上、7アミノ酸以上、8アミノ酸以上、9アミノ酸以上、10アミノ酸以上又は15アミノ酸以上のものを用いることができる。該ペプチドは例えば長さ100アミノ酸以下又は50アミノ酸以下のものを用いることができる。素子は、該ペプチドを1以上有しうる。例えばインフルエンザウイルスのHAタンパク質に結合するペプチドs2(1-5)はデンドリマー化することによってHA結合性が大幅に上昇し、4分岐型ではs2(1-5)単体の場合に比べて約750倍のHA結合活性が得られる。このようなデンドリマー化されたタンパク質結合ペプチドを本発明の素子に用いることができる。 In certain embodiments, the element that recognizes a protein or pathogen has a peptide that specifically interacts with the protein or pathogen of interest. Explaining in the above formula, the molecule R that recognizes a protein or pathogen may have a peptide. For example, a peptide having a length of 4 amino acids or more, 5 amino acids or more, 6 amino acids or more, 7 amino acids or more, 8 amino acids or more, 9 amino acids or more, 10 amino acids or more, or 15 amino acids or more can be used. For example, the peptide having a length of 100 amino acids or less or 50 amino acids or less can be used. The device can have one or more of the peptides. For example, the peptide s2 (1-5) that binds to the HA protein of influenza virus greatly increases HA binding by dendrimerization, and the 4-branched type is about 750 times that of s2 (1-5) alone. HA binding activity is obtained. Such a dendrimerized protein-binding peptide can be used in the device of the present invention.
ある実施形態においてタンパク質又は病原体を認識する素子は、上記の病原体、病原性細菌又はウイルス由来のタンパク質を認識するペプチドを有する。このようなペプチドのアミノ酸配列は公知文献やGenBank等の公知のデータベースから取得することができる。当該ペプチドは任意に修飾されていてもよく、上記のようにデンドリマー化されていてもよい。 In one embodiment, the element that recognizes a protein or pathogen has a peptide that recognizes a protein derived from the above-mentioned pathogen, pathogenic bacterium, or virus. The amino acid sequence of such a peptide can be obtained from publicly known literatures or publicly known databases such as GenBank. The peptide may be optionally modified and may be dendrimerized as described above.
ある実施形態においてタンパク質又は病原体を認識する素子は、インフルエンザウイルスを認識するペプチドを有する。インフルエンザウイルスを認識するペプチドとしては、公知のあらゆるものを用いることができ、例えば国際公開第2007/105565号パンフレット、国際公開第2010/024108号パンフレット、特開2010−209052号公報(参照によりこれらの内容を本明細書に組み入れる)に記載されているものが挙げられるがこれに限らない。インフルエンザウイルスを認識するペプチドとして以下のものを例示する。 In some embodiments, the element that recognizes a protein or pathogen has a peptide that recognizes an influenza virus. As the peptide for recognizing influenza virus, any known peptide can be used. For example, International Publication No. 2007/105565 pamphlet, International Publication No. 2010/024108 pamphlet, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-209052 (these are referred to by reference). The contents of which are incorporated into the present specification), but are not limited thereto. Examples of peptides that recognize influenza virus include the following.
ペプチドs2(1-5) (ARLPR)(配列番号1)
ペプチドs2 (ARLPRTMVHPKPAQP)(配列番号2)
GLAMAPSVGHVRQHG(配列番号3)
GLAMAPSVGHVRQHG (ただしここでのセリン残基はO-グリコシド結合を介してN-アセチルガラクトサミンにより修飾されているものである)(配列番号4)
これらを一部に有するペプチドも想定される。ペプチドは適宜修飾されていてもよい。これらは例示に過ぎず、ウイルスや病原体、病原菌を認識する他のペプチドも本発明に用いることができる。
Peptide s2 (1-5) (ARLPR) (SEQ ID NO: 1)
Peptide s2 (ARLPRTMVHPKPAQP) (SEQ ID NO: 2)
GLAMAPSVGHVRQHG (SEQ ID NO: 3)
GLAMAPSVGHVRQHG (wherein the serine residue is modified with N-acetylgalactosamine through an O-glycoside bond) (SEQ ID NO: 4)
Peptides having these in part are also envisaged. The peptide may be appropriately modified. These are merely examples, and other peptides that recognize viruses, pathogens, and pathogens can also be used in the present invention.
タンパク質又は病原体を認識するペプチドは適当な化学的手法により本発明の導電性ダイヤモンド電極に固定化される。ある実施形態において、該ペプチドは、リンカー分子を介してダイヤモンド電極に固定化されてもよい。既知のタンパク質認識ペプチド以外にも、同等の機能を有する均等物も想定され、本発明に用いることができる。ペプチドは化学合成したものであり得る。 A peptide that recognizes a protein or pathogen is immobilized on the conductive diamond electrode of the present invention by an appropriate chemical method. In certain embodiments, the peptide may be immobilized on the diamond electrode via a linker molecule. In addition to known protein recognition peptides, equivalents having equivalent functions are envisaged and can be used in the present invention. The peptide can be chemically synthesized.
タンパク質又は病原体を認識する素子は、任意の適当な方法を用いて、導電性ダイヤモンド電極表面に固定化してよい。ある実施形態においては、目的の分子を、電解グラフトにより電極表面に連結することができる。ある実施形態においては固定化に光誘起ラジカル反応を用いてもよい。 The element that recognizes a protein or pathogen may be immobilized on the surface of the conductive diamond electrode using any appropriate method. In some embodiments, the molecule of interest can be linked to the electrode surface by electrolytic grafting. In some embodiments, a photoinduced radical reaction may be used for immobilization.
所望により、素子の固定化にリンカー分子を用いることもできる。以下に、リンカー部分を形成するための分子を例示する。 If desired, a linker molecule can be used for immobilizing the device. The following are examples of molecules for forming the linker moiety.
A−L1−B(−P)
[式中、Aは導電性ダイヤモンド電極と反応することのできる官能基、L1はリンカー部分、Bはタンパク質又は病原体を認識する分子と反応することのできる官能基、Pは任意に存在してもよい保護基を表す。]
A-L 1 -B (-P)
[Wherein A is a functional group capable of reacting with a conductive diamond electrode, L 1 is a linker moiety, B is a functional group capable of reacting with a molecule that recognizes a protein or pathogen, and P is optionally present. Represents a good protecting group. ]
この場合、まず電解グラフト等の適当な反応により上記分子を電極表面に連結する。つまり官能基Aを反応させ、電極とL1とを連結させる。官能基Bが保護基Pにより保護されているものである場合には、その後脱保護反応を行い官能基Bを提示させることができる。その後、任意の適当な連結反応を用いてタンパク質又は病原体を認識する分子Rをリンカー部分に連結することができる。 In this case, the molecule is first linked to the electrode surface by an appropriate reaction such as electrolytic grafting. That is, the functional group A is reacted to connect the electrode and L1. When the functional group B is protected by the protecting group P, the functional group B can be presented by performing a deprotection reaction thereafter. The molecule R that recognizes the protein or pathogen can then be linked to the linker moiety using any suitable ligation reaction.
以下にタンパク質又は病原体を認識する分子Rを例示する。 Examples of molecules R that recognize proteins or pathogens are given below.
C−R1
[式中、R1はタンパク質又は病原体を認識する部分、Cは官能基Bと反応することのできる官能基を表す。]
C-R 1
[Wherein R 1 represents a moiety that recognizes a protein or a pathogen, and C represents a functional group capable of reacting with the functional group B. ]
リンカー部分とタンパク質又は病原体を認識する分子Rとの連結反応(官能基Bと官能基Cとの連結反応)はヒュスゲン環化付加反応、グレーサー反応、そのがしらカップリング、鈴木・宮浦カップリング反応等を用いることができ、共有結合を形成するものが好ましいがこれに限らない。 The linking reaction between the linker moiety and the molecule R that recognizes the protein or pathogen (linking reaction between the functional group B and the functional group C) is the Husgen cycloaddition reaction, the Gracer reaction, its coupling, Suzuki / Miyaura coupling reaction Etc., and those that form a covalent bond are preferred, but not limited thereto.
導電性ダイヤモンド電極と反応することのできる官能基Aは、ジアゾ基、アミノ基、カルボキシ基、カルボニル基、アルデヒド基、水酸基、ニトロ基等でありうる。またリンカー部分L1は、芳香環、炭素環、複素環、例えばフェニル基、ナフチル基、ポリエーテル基、ポリエチレングリコール基、炭化水素基等を有しうる。これらは場合によりアルキル基、アリール基、ハロゲン基、水酸基等の適当な置換基によりさらに置換されていてもよい。また官能基B及び官能基Cは、アルキニル基、ボラニル基、ボリル基、ハロゲン化アリール基、アジド基等でありうる。また、連結反応にヒュスゲン環化付加反応を用いる場合には、官能基Bはアルキニル基を有し、官能基Cはアジド基を有しうる。官能基Bは場合により保護基Pにより保護されていてもよい。保護基としては、トリイソプロピルシリル基、トリメチルシリル基、ブチルジフェニルシリル基、ジメチルクミルシリル基等の三置換シリル基、ベンジル基、低級アルコキシカルボニル基、ハロゲノ低級アルコキシカルボニル基、ベンジルオキシカルボニル基、アセチル基、ベンゾイル基等のアシル基、トリフェニルメチル基、テトラヒドロピラニル基等が挙げられるがこれに限らない。 The functional group A that can react with the conductive diamond electrode can be a diazo group, an amino group, a carboxy group, a carbonyl group, an aldehyde group, a hydroxyl group, a nitro group, and the like. The linker portion L 1 may have an aromatic ring, a carbocycle, a heterocyclic ring, such as a phenyl group, a naphthyl group, a polyether group, a polyethylene glycol group, or a hydrocarbon group. These may optionally be further substituted with an appropriate substituent such as an alkyl group, an aryl group, a halogen group, or a hydroxyl group. Further, the functional group B and the functional group C may be an alkynyl group, a boranyl group, a boryl group, a halogenated aryl group, an azide group, or the like. Further, when the Husgen cycloaddition reaction is used for the ligation reaction, the functional group B may have an alkynyl group and the functional group C may have an azide group. The functional group B may optionally be protected by a protecting group P. Protecting groups include trisubstituted silyl groups such as triisopropylsilyl group, trimethylsilyl group, butyldiphenylsilyl group, dimethylcumylsilyl group, benzyl group, lower alkoxycarbonyl group, halogeno lower alkoxycarbonyl group, benzyloxycarbonyl group, acetyl group Groups, acyl groups such as benzoyl groups, triphenylmethyl groups, tetrahydropyranyl groups, and the like, but are not limited thereto.
ある実施形態において、Aはジアゾ基、L1はフェニレン基、Bはアルキニル基、Pはトリイソプロピルシリル基であり得る。Aを反応させてこれを電極表面に固定化し脱保護することでアルキニル基Bを提示することができる。ある実施形態においてタンパク質又は病原体を認識する分子Rは、R1としてのペプチド基及び官能基Cとしてのアジド基を有しうる。Rのアジド基(官能基C)と該電極表面に提示されているアルキニル基(官能基B)とを反応させると1,2,3-トリアゾール環が形成され、タンパク質又は病原体を認識する分子Rが電極表面に固定化される。
In some embodiments, A can be a diazo group,
電気化学的測定方法について
本発明のカートリッジ又は装置を用いて、目的のタンパク質又は病原体を検出することができる。本発明のカートリッジが有する作用電極を試料である空気(外気)又は電解質溶液と接触させたとき、作用電極表面の素子がタンパク質又は病原体を認識する。このとき、作用電極に電位を印加すると、電流が観測できる。これをサイクリックボルタンメトリー又は電気化学インピーダンス測定法により測定することができる。
Electrochemical measurement method The target protein or pathogen can be detected using the cartridge or apparatus of the present invention. When the working electrode of the cartridge of the present invention is brought into contact with the sample air (outside air) or an electrolyte solution, the element on the surface of the working electrode recognizes a protein or pathogen. At this time, when a potential is applied to the working electrode, current can be observed. This can be measured by cyclic voltammetry or electrochemical impedance measurement.
サイクリックボルタンメトリー
サイクリックボルタンメトリーは電位を変動(掃引)させる手法を用いて行う。具体的には電極電位を初期電位(Ei)から掃引速度(v)で反転電位(Eλ)まで掃引した後逆転し、Eiまで戻したときに得られる電流を観測する。初期電位Eiを電極反応の起こらない電位に、また反転電位Eλを電極反応が拡散律速となるような電位に設定することで、電流電位グラフ(サイクリックボルタモグラム)を得ることができる。初期電位、掃引速度、反転電位等は適宜設定することができる。
Cyclic voltammetry Cyclic voltammetry is performed using a technique that varies (sweeps) the potential. Specifically, the current obtained when the electrode potential is swept from the initial potential (E i ) to the reversal potential (E λ ) at the sweep speed (v) and then reversed and then returned to Ei is observed. A current-potential graph (cyclic voltammogram) can be obtained by setting the initial potential E i to a potential at which no electrode reaction occurs and the inversion potential E λ to a potential at which the electrode reaction is diffusion-controlled. The initial potential, sweep speed, inversion potential, and the like can be set as appropriate.
この場合、既知の濃度又は量のタンパク質又は病原体サンプルについて、ピーク電流値を決定しておき、濃度又は量とピークの電流密度との関係をプロットした検量線を作成しておき、測定試料についてのピーク電流値から、当該試料中に含まれるタンパク質又は病原体の濃度又は量を算出することができる。 In this case, for a protein or pathogen sample with a known concentration or amount, a peak current value is determined, a calibration curve in which the relationship between the concentration or amount and the peak current density is plotted is prepared, From the peak current value, the concentration or amount of the protein or pathogen contained in the sample can be calculated.
電気化学インピーダンス測定
電気化学インピーダンス測定にはポテンシオスタットに交流発信機を接続したものを使用する。ポテンシオスタットを使用して電極に直流の一定電位を印加し、交流発信機を使用して±5〜10mVの交流電位を重ねあわせて印加する。また、発信機からポテンシオスタットへ入力した交流と同じ位相の交流波をロックインアンプにも入力する。これにより流れる電流は直流電流と交流電流が合わさったものとなり、ロックインアンプは電流の交流成分と発信機からの交流を比較してインピーダンスと両者の位相差が出力される。発信機からの交流周波数を少しずつ変化させ、それぞれの周波数で得られるインピーダンスと位相差を元に複素数平面プロットなどを行う。
Electrochemical impedance measurement For electrochemical impedance measurement, a potentiostat with an AC transmitter connected is used. A constant DC potential is applied to the electrode using a potentiostat, and an AC potential of ± 5 to 10 mV is superimposed and applied using an AC transmitter. Also, an AC wave having the same phase as the AC input from the transmitter to the potentiostat is input to the lock-in amplifier. As a result, the flowing current is a combination of the direct current and the alternating current, and the lock-in amplifier compares the alternating current component of the current with the alternating current from the transmitter, and outputs the impedance and the phase difference between the two. The AC frequency from the transmitter is changed little by little, and complex plane plots are performed based on the impedance and phase difference obtained at each frequency.
この場合、既知の濃度又は量のタンパク質又は病原体サンプルについて、ナイキストプロットにより電極のインピーダンス(電荷移動抵抗Rct)を決定して、濃度又は量とRctとの関係をプロットした検量線を作成しておき、測定試料についてのRct値から、当該試料中に含まれるタンパク質又は病原体の濃度又は量を算出することができる。 In this case, for a protein or pathogen sample at a known concentration or amount, the electrode impedance (charge transfer resistance Rct) is determined by a Nyquist plot, and a calibration curve in which the relationship between the concentration or amount and Rct is plotted is prepared. From the Rct value of the measurement sample, the concentration or amount of the protein or pathogen contained in the sample can be calculated.
クロノアンペロメトリー
本発明の装置を用いた電気化学測定は、クロノアンペロメトリーにより行うこともできる。クロノアンペロメトリーでは、作用電極の電位をステップさせ、その際の電流の時間の変化を測定する。クロノアンペロメトリー測定は、0.1〜3.0V、0.5〜2.5V等の一定のステップ電位を印加して行うことができる。
Chronoamperometry The electrochemical measurement using the apparatus of the present invention can also be performed by chronoamperometry. In chronoamperometry, the potential of the working electrode is stepped, and the change in current over time is measured. Chronoamperometry measurement can be performed by applying a constant step potential such as 0.1 to 3.0 V, 0.5 to 2.5 V, or the like.
この場合、既知の濃度又は量のタンパク質又は病原体サンプルについて一定印加電圧でクロノアンペロメトリー測定を行う。電圧印加後の一定時間における電流値を記録し、前記タンパク質又は病原体サンプルの濃度又は量と電流値との関係をプロットすることにより検量線を作成する。次に測定試料について当該電圧印加後の当該一定時間における電流値を測定し、これを前記検量線と対比することにより、被検試料溶液中のタンパク質又は病原体サンプルの濃度又は量を算出する。 In this case, chronoamperometry measurements are performed at a constant applied voltage on a protein or pathogen sample of known concentration or amount. A calibration curve is created by recording the current value at a fixed time after voltage application and plotting the relationship between the concentration or amount of the protein or pathogen sample and the current value. Next, the current value at the predetermined time after the voltage application is measured for the measurement sample, and this is compared with the calibration curve, thereby calculating the concentration or amount of the protein or pathogen sample in the test sample solution.
本発明の方法の測定対象である被検試料は特に限定されないが、例示すればウイルス又は病原体を含む可能性のある大気が挙げられる。例えばインフルエンザウイルスが存在する可能性のある病院等の臨床施設、学校、駅、空港、あらゆる公共施設等の大気が挙げられる。外気は圧縮してもよく、そのまま測定に供してもよい。 The test sample to be measured by the method of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include air that may contain viruses or pathogens. For example, the atmosphere of a clinical facility such as a hospital where an influenza virus may exist, a school, a station, an airport, or any public facility may be mentioned. The outside air may be compressed or used for measurement as it is.
本発明では測定のための溶媒は主として水系を用いる。測定を行う溶液には通常、支持電解質が含まれる。支持電解質はイオン性物質であり、特に限定されないが、リン酸緩衝生理食塩水(PBS)、硝酸カリウム、硫酸ナトリウムなどが挙げられる。好ましくは支持電解質はPBSである。 In the present invention, an aqueous solvent is mainly used as a solvent for measurement. The solution to be measured usually contains a supporting electrolyte. The supporting electrolyte is an ionic substance and is not particularly limited, and examples thereof include phosphate buffered saline (PBS), potassium nitrate, and sodium sulfate. Preferably the supporting electrolyte is PBS.
本明細書において、タンパク質が「検出」されるとは、目的のタンパク質以外のタンパク質又はウイルス若しくは細菌の混在する試料中で目的のタンパク質を特異的に測定できることをいう。また病原体が「検出」されるとは、目的の病原体以外のタンパク質又はウイルス若しくは細菌の混在する試料について目的の病原体を特異的に測定できることをいう。 In the present specification, “detection” of a protein means that the target protein can be specifically measured in a sample containing a protein other than the target protein or a virus or bacteria. Further, “detection” of a pathogen means that the target pathogen can be specifically measured with respect to a sample containing a protein other than the target pathogen or a virus or bacteria.
本明細書ではウイルス量を、プラーク形成ユニット数(pfu)により表す。ある実施形態において、インフルエンザウイルスの量を記載する場合のpfuは、インフルエンザウイルスA/PR/8/34(H1N1)株を用いたときのものとする。pfuの計測法は単層培養したイヌ腎臓由来上皮細胞MDCK細胞にインフルエンザウイルスを加えた際に形成されるプラークを計測して見積もることができる。なお、これは便宜上の指標であって、当業者であれば、異なるインフルエンザウイルス株を用いたときの対応するpfuを適宜決定することができる。またpfu単位を適宜にng単位に換算してもよい。ある実施形態において、本発明の装置は、インフルエンザウイルスを高感度に検出することができ、例えば20pfu以上、又は40pfu以上、1000pfu以下のインフルエンザウイルスを検出することができる。 In the present specification, the viral load is expressed by the number of plaque forming units (pfu). In an embodiment, the pfu when describing the amount of influenza virus is that when using the influenza virus A / PR / 8/34 (H1N1) strain. The pfu measurement method can be estimated by measuring plaques formed when influenza virus is added to canine kidney-derived epithelial cells MDCK cells cultured in a monolayer. This is an index for convenience, and those skilled in the art can appropriately determine the corresponding pfu when using different influenza virus strains. Further, the pfu unit may be appropriately converted to the ng unit. In an embodiment, the device of the present invention can detect influenza virus with high sensitivity, for example, 20 pfu or more, or 40 pfu or more and 1000 pfu or less influenza virus.
ある実施形態において、本発明のカートリッジの作用電極は、タンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極を有する。 In one embodiment, the working electrode of the cartridge of the present invention comprises a conductive diamond electrode having an element that recognizes a protein or pathogen immobilized on the surface.
ある実施形態において、このタンパク質又は病原体を認識する素子は、ウイルス又は病原菌を認識する素子である。認識されるウイルスや病原菌の種類については上述したとおりであり、特にインフルエンザウイルスが挙げられる。 In certain embodiments, the element that recognizes the protein or pathogen is an element that recognizes a virus or pathogen. The types of recognized viruses and pathogenic bacteria are as described above, and particularly include influenza viruses.
ある実施形態において、このタンパク質又は病原体を認識する素子は、病原体タンパク質を認識するペプチドを有する。認識される病原体タンパク質は上述したとおりであり、特にインフルエンザウイルスのHAタンパク質が挙げられる。病原体タンパク質を認識するペプチドの例も上述したとおりである。 In certain embodiments, the protein or pathogen recognizing element comprises a peptide that recognizes the pathogen protein. Recognized pathogen proteins are as described above, and particularly include HA proteins of influenza viruses. Examples of peptides that recognize pathogen proteins are also as described above.
ある実施形態においてこのタンパク質又は病原体を認識する素子は、タンパク質又は病原体を認識する分子及びリンカー部分を有し、該タンパク質又は病原体を認識する分子が該リンカー部分を介してダイヤモンド電極の表面に固定化されている。タンパク質又は病原体を認識する分子、リンカー部分、及び固定化方法は上述したとおりである。 In one embodiment, the protein or pathogen recognizing element has a protein or pathogen recognizing molecule and a linker moiety, and the protein or pathogen recognizing molecule is immobilized on the surface of the diamond electrode via the linker moiety. Has been. Molecules that recognize proteins or pathogens, linker moieties, and immobilization methods are as described above.
本発明の導電性ダイヤモンド電極の製造例及び使用例
以下の手順は、例示のみを意図したものであり、何ら本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。特に断らない限り、試薬は、市販されているか、又は当技術分野で慣用の手法、公知文献の手順に従って入手又は調製する。
Production Examples and Use Examples of Conductive Diamond Electrodes of the Present Invention The following procedures are intended to be examples only and are not intended to limit the technical scope of the present invention. Unless otherwise specified, the reagents are commercially available, or are obtained or prepared according to methods commonly used in the art and known literature procedures.
略語について
本明細書において、以下の略語を用いることがある。
IFV:インフルエンザウイルス
HA:ヘマグルチニン
EIS:電気化学インピーダンス分光法
CV:サイクリックボルタンメトリー
DMF:N,N-ジメチルホルムアミド
DCM:ジクロロメタン
PyBOP:ベンゾトリアゾール-1-イルオキシ-トリピロリジノホスホニウムヘキサフルオロリン酸
DIEA:ジイソプロピルエチルアミン
PIP:ピペリジン
TFA:トリフルオロ酢酸
TIS:トリイロプロピルシラン
TIPS-Eth-Ar-N2 +BF4 -:4-((トリイソプロピルシリル)エチニル)ベンゼンジアゾニウムテトラフルオロホウ酸
α-CHCA:α-シアノ-4-ヒドロキシ桂皮酸
THF:テトラヒドロフラン
TBAF:テトラ-n-ブチルアンモニウムフロリド
Fmoc:9-フルオレニルメチルオキシカルボニル基
AFM:原子間力顕微鏡
Abbreviations In this specification, the following abbreviations may be used.
IFV: Influenza virus
HA: Hemagglutinin
EIS: Electrochemical impedance spectroscopy
CV: Cyclic voltammetry
DMF: N, N-dimethylformamide
DCM: Dichloromethane
PyBOP: Benzotriazol-1-yloxy-tripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate
DIEA: Diisopropylethylamine
PIP: Piperidine
TFA: trifluoroacetic acid
TIS: Triilopropylsilane
TIPS-Eth-Ar-N 2 + BF 4 − : 4-((Triisopropylsilyl) ethynyl) benzenediazonium tetrafluoroborate α-CHCA: α-cyano-4-hydroxycinnamic acid
THF: tetrahydrofuran
TBAF: Tetra-n-butylammonium fluoride
Fmoc: 9-fluorenylmethyloxycarbonyl group
AFM: Atomic force microscope
材料及び化合物
特に断らない限り、化合物、化学薬品は市販されているものをさらに精製することなく使用した。当業者であれば、本発明の精神から逸脱することなく、記載する手順を改変することができる。
Materials and compounds Unless otherwise specified, commercially available compounds and chemicals were used without further purification. Those skilled in the art can modify the described procedures without departing from the spirit of the invention.
1. ペプチド及びリンカーの合成
末端にアジドリジンLys(N3)を導入した2分岐型ペプチドデンドリマー(ARLPR)2-K-KN3をFmoc固相法を用いて合成した。ペプチドARLPRはヘマグルチニン結合ペプチドである(特開2006−68020号公報)。固相法によるペプチド合成では、ペプチド樹脂(アミノ酸が固定化された固相支持体)に脱保護試薬を加え、N-α保護基を除く。そこに活性化したアミノ酸を反応させて、ペプチドの鎖長を次々に伸ばす。ペプチドのカルボキシ基末端はアミド化し、不要な電荷をなくした。また、LysをペプチドのC末端側に導入することで分岐構造を作り出した。図19にアジド基導入s2(1-5)ペプチドデンドリマーの固相合成のスキームを示す。
1. Synthesis of Peptide and Linker Two-branched peptide dendrimer (ARLPR) 2-K-KN3 into which azidolysine Lys (N 3 ) was introduced at the end was synthesized using the Fmoc solid phase method. Peptide ARLPR is a hemagglutinin-binding peptide (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-68020). In peptide synthesis by the solid phase method, a deprotection reagent is added to the peptide resin (solid phase support on which an amino acid is immobilized), and the N-α protecting group is removed. The activated amino acid is reacted therewith, and the chain length of the peptide is successively increased. The carboxy terminus of the peptide was amidated to eliminate unwanted charges. In addition, a branched structure was created by introducing Lys into the C-terminal side of the peptide. FIG. 19 shows a scheme for solid-phase synthesis of an azide group-introduced s2 (1-5) peptide dendrimer.
(A) 手付合成による樹脂へのLys(N3)の導入
反応カラム(PD-10,アマシャム)にFmoc-NH-SAL樹脂(渡辺化学、0.59mmol/g)169mg(0.1mmol)を投入した。これにDMF 2mLを加え、軽く振とうした後、アスピレーターでカラム下部からDMFを取り除いた。この操作を3回繰り返し樹脂を膨潤させた。反応カラムに20%(v/v)PIP/DMFを2mL加え、1分後、アスピレーターで溶媒を取り除いた。同様に20%PIP/DMFを2mL注ぎ、15分間振とうし、溶媒を取り除いた。DMF 2mLを注いでアスピレーターで除く操作を4回繰り返して樹脂を洗浄した。これにより脱保護を行った。
(A) Introduction of Lys (N 3 ) into resin by manual synthesis Fmoc-NH-SAL resin (Watanabe Chemical, 0.59 mmol / g) 169 mg (0.1 mmol) was charged into a reaction column (PD-10, Amersham). To this was added 2 mL of DMF, and after gently shaking, DMF was removed from the bottom of the column with an aspirator. This operation was repeated three times to swell the resin. 2 mL of 20% (v / v) PIP / DMF was added to the reaction column, and after 1 minute, the solvent was removed with an aspirator. Similarly, 2 mL of 20% PIP / DMF was poured and shaken for 15 minutes to remove the solvent. The operation of pouring 2 mL of DMF and removing with an aspirator was repeated 4 times to wash the resin. Thereby, deprotection was performed.
反応カラムにFmoc-Lys(N3)-OH(EUROGENTEC GROUP ANA SPEC、53100-F025)117mg(0.3mmol)、PyBOP 156mg(0.3mmol)、DMF 2mL、DIEA 0.11mL(0.6mmol)を加え、1時間振とうした。これによりカップリング反応を行った。
Fmoc-Lys (N 3 ) -OH (EUROGENTEC GROUP ANA SPEC, 53100-F025) 117 mg (0.3 mmol), PyBOP 156 mg (0.3 mmol),
1時間後、アスピレーターで反応溶液を除き、DMF 2mLを反応カラムに注いで軽く振とうした後アスピレーターで除く操作を4回繰り返した(洗浄)。さらに、DCM 2mLを加えアスピレーターで取り除く操作を4回繰り返した。反応カラムをデシケーターに入れ、真空ポンプで1時間乾燥させた。サンプルが十分乾燥したら4℃で保存した。 After 1 hour, the reaction solution was removed with an aspirator, and 2 mL of DMF was poured onto the reaction column, shaken lightly, and then removed with the aspirator four times (washing). Furthermore, the operation of adding 2 mL of DCM and removing it with an aspirator was repeated 4 times. The reaction column was placed in a desiccator and dried with a vacuum pump for 1 hour. When the sample was sufficiently dry it was stored at 4 ° C.
(B) アミノ酸導入率の定量
(A)で導入したFmoc-Lys(N3)-NH-SAL樹脂20mgをサンプル管に正確に秤量し、20%(v/v)PIP/DMFを2mL加え、室温で20分間反応させた。この上清をDMFで50倍希釈し、301nmの吸光度を測定した。ブランクの測定にはDMFを使い、Fmoc基の301nmにおけるモル吸光係数ε=7800より、以下の式からアミノ酸の導入率を計算した。
(B) Quantification of amino acid introduction rate
20 mg of Fmoc-Lys (N 3 ) -NH-SAL resin introduced in (A) was accurately weighed into a sample tube, 2 mL of 20% (v / v) PIP / DMF was added, and the mixture was reacted at room temperature for 20 minutes. The supernatant was diluted 50 times with DMF, and the absorbance at 301 nm was measured. DMF was used for the measurement of the blank, and the amino acid introduction rate was calculated from the following formula from the molar extinction coefficient ε = 7800 of the Fmoc group at 301 nm.
アミノ酸導入率(mol/g)
= (A301、1/50 - A301、DMF)× 50/7800 × (2×10-3) × (1000/20)
= (0.644 - 0) × 0.641 × 10-3
= 0.413 mmol/g
Amino acid introduction rate (mol / g)
= (A 301 , 1/50-A 301 , DMF) x 50/7800 x (2 x 10 -3 ) x (1000/20)
= (0.644-0) × 0.641 × 10 -3
= 0.413 mmol / g
上記の(A)で作製したFmoc-Lys(N3)-NH-SAL樹脂のアミノ酸導入率を定量した結果、0.413mmol/gの導入率となった。 As a result of quantifying the amino acid introduction rate of the Fmoc-Lys (N 3 ) -NH-SAL resin prepared in (A) above, the introduction rate was 0.413 mmol / g.
(C) ペプチドの伸長
PD-10 empty columns(17-0435-01、Amersham Biosciences)にFmoc-Lys(N3)-NH-SAL樹脂242mg(0.05mmol)を投入し、以下の(C-1)〜(C-4)の操作によってペプチドの伸長反応を行った(ペプチドが0.1mmolになる樹脂量を使った)。
(C) Peptide elongation
PD-10 empty columns (17-0435-01, Amersham Biosciences) was charged with 242 mg (0.05 mmol) of Fmoc-Lys (N 3 ) -NH-SAL resin, and the following (C-1) to (C-4) The elongation reaction of the peptide was carried out by the above procedure (the amount of resin used to make the peptide 0.1 mmol was used).
(C-1) Fmoc基の脱保護
第一アミノ酸が導入された樹脂を121mg(0.05mmol)反応カラムに量り取った。反応カラムにDMF 2mLを加え、軽く振とうした後、アスピレーターでカラム下部からDMFを取り除いた。反応カラムにDMF 2mLを注いでアスピレーターで除く操作を4回繰り返した。反応カラムに20%(v/v)PIP/DMFを2mL注ぎ、1分後、アスピレーターで取り除いた。次に20%(v/v)PIP/DMFを2mL注ぎ、15分間振とうし、取り除いた。その後、DMF 2mLを注いでアスピレーターで除く操作を5回繰り返して樹脂を洗浄した。
(C-1) Deprotection of Fmoc Group The resin with the first amino acid introduced was weighed onto a 121 mg (0.05 mmol) reaction column. After adding 2 mL of DMF to the reaction column and shaking lightly, DMF was removed from the lower part of the column with an aspirator. The operation of pouring 2 mL of DMF into the reaction column and removing it with an aspirator was repeated 4 times. 2 mL of 20% (v / v) PIP / DMF was poured into the reaction column, and after 1 minute, it was removed with an aspirator. Next, 2 mL of 20% (v / v) PIP / DMF was poured, shaken for 15 minutes, and removed. Thereafter, the operation of pouring 2 mL of DMF and removing it with an aspirator was repeated 5 times to wash the resin.
(C-2) カップリング
反応カラムにFmoc-AA-OH(各0.3mmol)、PyBOP 157mg(0.3mmol)、DMF 2mL、DIEA 0.11mL(0.6mmol)を加え、40分間振とうした。アミノ酸はC末端側からリシン(Lys)→アルギニン(Arg)→プロリン(Pro)→ロイシン(Leu)→アルギニン(Arg)→アラニン(Ala)の順に導入した。40分後、アスピレーターで反応溶液を除き、反応カラムにDMF 2mLを注いで軽く振とうした後アスピレーターで除く操作を4回繰り返した。使用したアミノ酸を表1に示す。
(C-2) Coupling Fmoc-AA-OH (each 0.3 mmol), PyBOP 157 mg (0.3 mmol),
(C-3) カイザー試験
カイザー試験のための試薬(コード番号2590077、国産化学)を用いてカップリング反応を終えているかの判断を行った。樹脂をスパチュラで1mg程度取り、ミクロチューブに入れて試薬(1)ニンヒドリン/エタノール、(2)フェノール/エタノール、(3)KCN/ピリジンを各10μLずつ加えて蓋をし、ドライヤーで1分程加熱した。樹脂や溶液の色が青くなると未反応のアミノ基が残っていることになるため、同じアミノ酸でもう一度カップリング反応を行った。無色や黄色になった場合は反応終了と判断し、すべてのアミノ酸がカップリングするまで、上記の(C-1)〜(C-3)の操作を繰り返した。
(C-3) Kaiser Test A reagent for the Kaiser test (code number 2590077, domestic chemistry) was used to determine whether the coupling reaction had been completed. Take about 1 mg of resin with a spatula, put in a microtube, add 10 μL each of reagents (1) ninhydrin / ethanol, (2) phenol / ethanol, and (3) KCN / pyridine, cover, and heat for about 1 minute with a dryer. did. Since the unreacted amino group remains when the color of the resin or solution becomes blue, the coupling reaction was performed once again with the same amino acid. When it became colorless or yellow, it was judged that the reaction was completed, and the above operations (C-1) to (C-3) were repeated until all amino acids were coupled.
(C-4) 脱保護
すべての伸長反応後、PD-10カラムに20%PIP/DMFを2mL注ぎ、スパチュラで軽く撹拌した後アスピレーターで20%PIP/DMFを取り除き、20%PIP/DMFを2mL注いで15分間振とうした後に取り除くことでFmoc基の脱保護を行った。そしてDMF 2mLを注いでアスピレーターで除く操作を5回、t-ブチルメチルエーテルを注いでアスピレーターで除く操作を2回繰り返した後にアルミホイルとパラフィルムでPD-10カラムを覆い、3時間真空乾燥させた。
(C-4) Deprotection After all extension reactions, pour 2 mL of 20% PIP / DMF onto the PD-10 column, stir gently with a spatula, remove 20% PIP / DMF with an aspirator, and 2 mL of 20% PIP / DMF. The Fmoc group was deprotected by removing it after pouring and shaking for 15 minutes. After adding 2 mL of DMF and removing with an
(D) 切り出し(樹脂からのクリーベイジ及び脱保護)
合成した樹脂からペプチドを切り出すためにカクテル溶液を表2の組成で調製し、切り出しを行った。アジド基がチオールの還元作用によって分解されやすいため、チオールを含まない組成のカクテル溶液を用いた(P. E. Schneggenburgerら, J. Pept. Sci., 16, 10-14 (2010)参照)。
(D) Cutting out (Cleavage and deprotection from resin)
In order to cut out the peptide from the synthesized resin, a cocktail solution was prepared with the composition shown in Table 2 and cut out. Since the azide group is easily decomposed by the reducing action of thiol, a cocktail solution having a thiol-free composition was used (see PE Schneggenburger et al., J. Pept. Sci., 16, 10-14 (2010)).
上記のカクテル溶液1mLをペプチドの入った反応容器に入れ、アジド基の熱、光による分解を防ぐために氷上、遮光の条件で2時間放置した(通常は遮光せずに室温で8時間放置する)。2時間後、反応容器の蓋を外し、容器の上部口から加圧して反応容器の中身を15mL遠沈管に落とし、TFA 200μLで2回共洗いした。冷ジエチルエーテル(過酸化物フリー)を2mL加え、沈殿ができることを確認した後10mLまでメスアップし、ボルテックスで撹拌した。続いて3500rpm、1分遠心後、上清を取り除いて再び冷ジエチルエーテルで10mLまでメスアップした。この操作を繰り返し、計5回行った。遠沈管に残ったペプチドのペレットにN2ガスを吹きつけて冷ジエチルエーテルを揮発させた(粗ペプチド)。 1 mL of the above cocktail solution was placed in a reaction vessel containing the peptide and left on ice for 2 hours under light-shielded conditions to prevent decomposition of the azide group by heat and light (usually left at room temperature for 8 hours without light) . After 2 hours, the reaction container was uncovered, pressurized from the upper mouth of the container, the contents of the reaction container were dropped into a 15 mL centrifuge tube, and washed twice with 200 μL of TFA. 2 mL of cold diethyl ether (peroxide free) was added, and after confirming that precipitation was possible, the volume was increased to 10 mL, and the mixture was vortexed. Subsequently, after centrifugation at 3500 rpm for 1 minute, the supernatant was removed, and the volume was again increased to 10 mL with cold diethyl ether. This operation was repeated a total of 5 times. By blowing N 2 gas remaining peptide pellets centrifuge tube was volatilized cold diethyl ether (crude peptide).
(E) 高速液体クロマトグラフィー(HPLC)
15mL遠沈管に残っている粗ペプチド粉末にAN(アセトニトリル)300μLとMilliQ 100μLを加え、完全に溶解させた(75%アセトニトリル400μL)。シリンジと0.45μmフィルター(Millex-LH、4mm、code SLLH H04 NL、Millipore)を接続して不溶物を除去し、1.5mLチューブに回収した。再度、遠沈管に75%アセトニトリル400μLを加えて共洗いし、別の1.5mLチューブに回収した。
(E) High performance liquid chromatography (HPLC)
To the crude peptide powder remaining in the 15 mL centrifuge tube, 300 μL of AN (acetonitrile) and 100 μL of MilliQ were added and completely dissolved (400 μL of 75% acetonitrile). A syringe and a 0.45 μm filter (Millex-LH, 4 mm, code SLLH H04 NL, Millipore) were connected to remove insoluble matters, and collected in a 1.5 mL tube. Again, 400 μL of 75% acetonitrile was added to the centrifuge tube and washed again, and collected in another 1.5 mL tube.
HPLCにはODS-3カラム((i)φ4.6×250mm、(ii)φ20×250mm、GLサイエンス)を用い、流速は(i)では1mL/分、(ii)では10mL/分とした。ペプチド溶液(共洗い溶液)を20μLインジェクトし、(i)のカラムを用いて決定した溶出条件を以下に示した。この際、30秒毎にフラクションを回収しマトリックス支援レーザー脱離イオン化法飛行時間型質量分析(MALDI-TOF MS)を用いて分析を行った。 An ODS-3 column ((i) φ4.6 × 250 mm, (ii) φ20 × 250 mm, GL Science) was used for HPLC, and the flow rate was 1 mL / min for (i) and 10 mL / min for (ii). 20 μL of peptide solution (co-wash solution) was injected, and elution conditions determined using the column (i) are shown below. At this time, fractions were collected every 30 seconds and analyzed using matrix-assisted laser desorption / ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS).
溶媒:A…0.1%TFA/H2O B…0.1%TFA/AN
勾配:B conc. 20% (10分) + B conc. 20→60% (20分) + B conc. 100% (10分)
波長:220 nm
Solvent: A… 0.1% TFA / H 2 OB… 0.1% TFA / AN
Gradient: B conc. 20% (10 minutes) + B conc. 20 → 60% (20 minutes) + B conc. 100% (10 minutes)
Wavelength: 220 nm
決定した溶出条件で、(ii)のカラムを用いてペプチド溶液をHPLCにかけ、ピークを含むフラクションを15秒毎に回収し、MALDI-TOF MSを用いて目的のペプチドを含むものを分取し、凍結乾燥させて生成物を単離した。 Under the determined elution conditions, the peptide solution was subjected to HPLC using the column (ii), and the fraction containing the peak was collected every 15 seconds, and the fraction containing the target peptide was collected using MALDI-TOF MS, The product was isolated by lyophilization.
(F) MALDI-TOF MS
MALDI-TOF MSは、Ultraflex(商標)(Bruker Daltonics)を用いて測定した。レーザー光源としてN2レーザー(337nm)を用いた。マトリックスにはα-シアノ-4-ヒドロキシ桂皮酸(α-CHCA、Sigma)を用いた。α-CHCAは10mg/mLの割合で0.1%TFA/AN(3:2、v/v)に懸濁させ超音波照射した後、遠心分離しこの上清を用いた。キャリブレーションにはペプチドキャリブレーション標準(コード番号206195、Bruker)をプロトコールに従って希釈したものを用いた。
(F) MALDI-TOF MS
MALDI-TOF MS was measured using Ultraflex ™ (Bruker Daltonics). An N 2 laser (337 nm) was used as the laser light source. As a matrix, α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (α-CHCA, Sigma) was used. α-CHCA was suspended in 0.1% TFA / AN (3: 2, v / v) at a rate of 10 mg / mL, irradiated with ultrasonic waves, centrifuged, and this supernatant was used. For the calibration, a peptide calibration standard (code number 206195, Bruker) diluted according to the protocol was used.
α-CHCA溶液4μLとHPLC後のフラクション溶液各2μLを2mLチューブに入れてピペッティングし、MALDIプレート上に2μL置いて風乾させた。キャリブレーションサンプルも同様に行った。Ultraflex(商標)では、リフレクトロンモードを使用しポジティブイオンモードで測定した。 4 μL of α-CHCA solution and 2 μL of each fraction solution after HPLC were put into a 2 mL tube and pipetted, and 2 μL on a MALDI plate and air-dried. Calibration samples were also performed in the same manner. For Ultraflex ™, measurements were made in positive ion mode using reflectron mode.
合成した2分岐型ペプチドデンドリマー(Lot. 140607)はHPLC及びMALDI-TOF MSにて確認した。HPLCの分析結果は20〜25分の間にシャープなシングルピークが検出され、目的物が98%以上の高い純度であることが確認できた。また、MALDI-TOF MSでの分析結果では計算値との誤差が0.1%以下であり、目的物であることが確認できた(Exact Mass:1486.94、計算[M+H]+1487.95、測定[M+H]+1487.95;計算[M+Na]+1509.84、測定[M+Na]+1509.98)。このペプチドの収量は7.7mg、収率は10.8%、純度は>98%であった。以上の結果より、目的のアジド基導入ペプチドデンドリマーが得られたと判断した。 The synthesized bifurcated peptide dendrimer (Lot. 140607) was confirmed by HPLC and MALDI-TOF MS. As a result of HPLC analysis, a sharp single peak was detected in 20 to 25 minutes, and it was confirmed that the target product had a high purity of 98% or more. In addition, the analysis results with MALDI-TOF MS showed an error of 0.1% or less, confirming that it was the target product (Exact Mass: 1486.94, calculation [M + H] + 1487.95, measurement [M + H] + 1487.95; calculation [M + Na] + 1509.84, measurement [M + Na] + 1509.98). The yield of this peptide was 7.7 mg, the yield was 10.8%, and the purity was> 98%. From the above results, it was judged that the target azide group-introduced peptide dendrimer was obtained.
リンカー分子TIPS-Eth-Ar-N2 +BF4 -の合成
ダイヤモンド電極へのアルキニル基の提示に用いるリンカー分子TIPS-Eth-Ar-N2 +BF4 -(4-((トリイソプロピルシリル)エチニル)ベンゼンジアゾニウムテトラフルオロホウ酸)を合成する。まずそのがしらカップリングにより末端アルキンとハロゲン化アリールとをクロスカップリングさせてアルキニル化アリール(芳香族アセチレン)を得る(S. Anderson, Chem. Eur. J. 7, 4706-4714 (2001)参照)。触媒にはパラジウム、銅、塩基を用いた。さらに電解グラフトを行うためにアミノ基をジアゾニウム化した。
Linker molecules TIPS-Eth-Ar-N 2 + BF 4 - synthetic diamond linker molecule TIPS-Eth-Ar-N 2 + BF used in the presentation of the alkynyl group to the electrode 4 of the - (4 - ((triisopropylsilyl) ethynyl ) Benzenediazonium tetrafluoroboric acid). First, the terminal alkyne and aryl halide are cross-coupled by the coupling, thereby obtaining an alkynylated aryl (aromatic acetylene) (see S. Anderson, Chem. Eur. J. 7, 4706-4714 (2001)). ). Palladium, copper and base were used as the catalyst. Furthermore, the amino group was diazoniumized for electrolytic grafting.
実験方法
(A)そのがしらカップリングによるTIPS-Eth-Ar-NH2の合成
三口フラスコ内の水分をヒートガンで蒸発させ、真空引きした後にアルゴン(Ar)で満たした。4-ヨードアニリン1.0g(4.57mmol)、トリエチルアミン10mL(71.7mmol、d=0.726g/cm3)を加えた。真空引きとAr充填をそれぞれ3回繰り返して脱気を行った後、Arを循環させながらヨウ化銅8.9mg(0.05mmol)、酢酸パラジウム20.3mg(0.09mmol)、トリフェニルホスフィン50.6mg(0.19mmol)の順にそれぞれ量り取って三口フラスコに加えた。さらにトリイソプロピルシリルアセチレン1.2mL(5.35mmol、d=0.813g/cm3)を加え、Arを充填して一晩撹拌しながら室温で反応させた。使用した試薬を表3に示す。
The water in the three-necked flask was evaporated with a heat gun, vacuumed and then filled with argon (Ar). 4-Iodoaniline 1.0 g (4.57 mmol) and
セライトろ過
桐山ロートにろ紙を置き、セライトをロートに敷き詰め、ポンプで吸引しながらヘキサンをなじませた。フラスコ内の反応液をろ過し、ヘキサンで洗いこんだ。壁面について取れない反応固体は超音波処理にかけてヘキサンに溶解又は懸濁させ、ろ過した。ろ液の入ったナスフラスコをエバポレーターにかけ、ろ液を濃縮した(約2mL)。
Celite filtration A filter paper was placed on the Kiriyama funnel, and Celite was spread on the funnel. The reaction solution in the flask was filtered and washed with hexane. The reaction solid that could not be removed from the wall surface was subjected to ultrasonic treatment, dissolved or suspended in hexane, and filtered. The eggplant flask containing the filtrate was put on an evaporator, and the filtrate was concentrated (about 2 mL).
シリカゲルカラムクロマトグラフィー
展開溶媒はヘキサン:酢酸エチル=10:1を用いた。シリカ(Silica gel 60、Merck)75ccを展開溶媒に分散させ、カラムに充填した。濃縮したろ液を海砂の上に静かに均一に加え、コックを開けて試験管で回収した。
Silica gel column chromatography As a developing solvent, hexane: ethyl acetate = 10: 1 was used. Silica (Silica gel 60, Merck) 75 cc was dispersed in a developing solvent and packed in a column. The concentrated filtrate was gently and uniformly added on the sea sand, and the cock was opened and collected in a test tube.
薄層クロマトグラフィー(TLC)
試験管に回収した画分のTLCを行った。展開溶媒にはジクロロメタン:ヘキサン=1:1を使用した。TLC板(TLCシリカゲル60 F254、(105714、Merck Millipore))に原料であるヨードアニリン(Rf=0.29)をジクロロメタンに溶かした溶液、シリカゲルカラムクロマトグラフィーを行う前の溶液をそれぞれスポットし、展開後UV照射して確認した。次に試験管の溶液を順にTLC板にスポットして展開し、反応物(Rf=0.39)が確認できた範囲の試験管試料をナスフラスコに集めてエバポレーターで濃縮した(約2mL)。濃縮した反応液(TIPS-Eth-Ar-NH2)の入ったナスフラスコをポンプで減圧し1時間真空乾燥させた。収量を測定した後、1H-NMR測定を行った。
Thin layer chromatography (TLC)
TLC of the fraction collected in the test tube was performed. Dichloromethane: hexane = 1: 1 was used as a developing solvent. TLC plate (TLC silica gel 60 F 254 , (105714, Merck Millipore)) was spotted with a solution of iodoaniline (R f = 0.29) as a raw material in dichloromethane and a solution before silica gel column chromatography. Confirmed by post-UV irradiation. Next, the solution in the test tube was spotted on the TLC plate and developed in order, and the test tube sample in a range where the reaction product (R f = 0.39) could be confirmed was collected in an eggplant flask and concentrated by an evaporator (about 2 mL). The eggplant flask containing the concentrated reaction solution (TIPS-Eth-Ar-NH 2 ) was depressurized with a pump and vacuum dried for 1 hour. After measuring the yield, 1H-NMR measurement was performed.
(B)ジアゾニウム化によるTIPS-Eth-Ar-N2 +BF4 -の合成
TIPS-Eth-Ar-NH2のジアゾニウム化によるTIPS-Eth-Ar-NH2 +BF4 -の合成スキーム
あらかじめNaNO2 0.4g(6.0mmol)を2mLのH2Oに溶かし、4℃で冷蔵しておいた。(A)で得られたTIPS-Eth-Ar-NH2(1.1g、4.0mmol)が入ったナスフラスコをメタノール(MeOH)と液体窒素の入った浴槽に入れ、フラスコ内の温度が−5℃に下がるまで冷やした。ここにH2O 4mLを加え、分散するまでスターラーでよく混ぜた後、HBF4 3.36mL(16mmol、d=1.4g/cm3)
を加えた。あらかじめ冷やしておいたNaNO2水溶液2mLを、フラスコ内の温度を−5〜−10
℃に保ったまま数滴ずつ加えた。−5℃で20分撹拌した後、室温に戻して20分撹拌した。
使用した試薬を表4に示す。
TIPS-Eth-Ar-NH by diazotization of 2 TIPS-Eth-Ar-NH 2 + BF 4 - Scheme of Synthesis advance NaNO 2 0.4 g of (6.0 mmol) was dissolved in H 2 O in 2 mL, refrigerated at 4 ° C. I left it. The eggplant flask containing TIPS-Eth-Ar-NH 2 (1.1 g, 4.0 mmol) obtained in (A) was placed in a bath containing methanol (MeOH) and liquid nitrogen, and the temperature in the flask was −5 ° C. It cooled until it fell down. Add 4 mL of H 2 O here and mix well with a stirrer until dispersed, then 3.36 mL of HBF 4 (16 mmol, d = 1.4 g / cm 3 )
Was added. 2 mL of NaNO 2 aqueous solution that has been cooled in advance is set to −5 to −10.
Several drops were added while maintaining the temperature. After stirring at −5 ° C. for 20 minutes, the mixture was returned to room temperature and stirred for 20 minutes.
The reagents used are shown in Table 4.
吸引ろ過
NaBF4 4mg(36.4nmol)を80mLのH2Oに溶かし、5%NaBF4水溶液を調製した。洗浄溶液として用いる5%NaBF4水溶液、MeOH、ジエチルエーテル、H2Oはあらかじめ4℃で冷やしておいた。桐山ロートにろ紙を置き、吸引しながらH2Oでろ紙をなじませた。反応液をすべてろ過し、H2Oで洗浄した。5%NaBF4溶液、次いでMeOH、ジエチルエーテルの順に洗浄を行い、残りの反応物は超音波処理で回収した。ろ紙上の粉末を減圧したデシケーター内で1時間乾燥させた後、収量を測定した。
Suction filtration
生成物の収量と収率、1H-NMRによる解析結果を下記に示す。
(A) TIPS-Eth-Ar-NH2
収量:1.01g(4.0mmol、Lot. 140801)
収率:87%
1H-NMR(400MHz、CDCl3、TMS):δ(ppm)=7.28(2H、d)、6.58 (2H、d)、3.78(2H、s)、1.11(2H、s)
The yield and yield of the product, and the results of analysis by 1 H-NMR are shown below.
(A) TIPS-Eth-Ar-NH 2
Yield: 1.01 g (4.0 mmol, Lot. 140801)
Yield: 87%
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 , TMS): δ (ppm) = 7.28 (2H, d), 6.58 (2H, d), 3.78 (2H, s), 1.11 (2H, s)
(B) TIPS-Eth-Ar-N2 +BF4 −
収量:0.11g(0.32mmol、Lot. 140826)
収率:8%
1H-NMR(400MHz、CDCl3、TMS):δ(ppm)=8.58(2H、d)、7.79(2H、d)、1.11(2H、s)
(B) TIPS-Eth-Ar-N 2 + BF 4 −
Yield: 0.11 g (0.32 mmol, Lot. 140826)
Yield: 8%
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 , TMS): δ (ppm) = 8.58 (2H, d), 7.79 (2H, d), 1.11 (2H, s)
以上の1H-NMR解析から、TIPS-Eth-Ar-NH2に関し、各ピークのプロトン比が一致したことから、目的の化合物を合成することができた。またTIPS-Eth-Ar-N2 +BF4 -に関し、アミノ基由来の3.77ppmのピークが消失しており、他の各ピークのプロトン比が一致していたことから、同様に目的化合物の合成を確認できた。 From the above 1 H-NMR analysis, regarding TIPS-Eth-Ar—NH 2 , the proton ratios of the respective peaks matched, and thus the target compound could be synthesized. The TIPS-Eth-Ar-N 2 + BF 4 - relates, synthetic and peaks of 3.77ppm derived amino group disappears, since the proton ratio of each of the other peaks were consistent likewise desired compound Was confirmed.
2. ホウ素ドープダイヤモンド(BDD)電極の作製
簡単に説明すると、マイクロ波プラズマを用いた化学蒸着によりSi基板へダイヤモンド膜を合成した。炭素源としてメタンを使用し、ホウ素源としてトリメチルボランを使用した。ドープするトリメチルボランの原料に占める濃度は0.3%w/wであった。表面形態は走査型電子顕微鏡を用いて特徴付けした。薄膜の品質はラマン分光法により確認した。このようにして作製したBDD電極を用いた。以下に、具体的に説明する。
2. Preparation of boron-doped diamond (BDD) electrode Briefly, a diamond film was synthesized on a Si substrate by chemical vapor deposition using microwave plasma. Methane was used as the carbon source and trimethylborane was used as the boron source. The concentration of trimethylborane to be doped in the raw material was 0.3% w / w. The surface morphology was characterized using a scanning electron microscope. The quality of the thin film was confirmed by Raman spectroscopy. The BDD electrode produced in this way was used. This will be specifically described below.
気相合成法による導電性ダイヤモンド薄膜の作製
(A) Si基板の前処理
ダイヤモンド粉末が入ったシャーレにSi基板(直径5cm、厚み1mm)の鏡面が下向きになるように配置し、20分間Si基板を手で回転させて基板表面に傷をつけた。その後、Si基板を2-プロパノールの入ったビーカーに浸し、20分間超音波照射し洗浄した。最後にN2ガスで溶媒を揮発させ乾燥させた。
Preparation of conductive diamond thin film by vapor phase synthesis method (A) Pretreatment of Si substrate Si substrate (diameter 5cm, thickness 1mm) is placed in a petri dish containing diamond powder so that the mirror surface is facing down, and Si substrate is used for 20 minutes. The substrate surface was scratched by rotating it manually. Thereafter, the Si substrate was dipped in a beaker containing 2-propanol and cleaned by ultrasonic irradiation for 20 minutes. Finally, the solvent was volatilized with N 2 gas and dried.
(B) Si基板上へのダイヤモンド膜の合成
マイクロ波プラズマを用いた化学的蒸着(CVD法、化学気相合成法)によるSi基板へのダイヤモンド膜の合成は、Plasma Deposition System(AX6500、セキテクノトロン株式会社)を用いて行った。原料気体にはメタン、トリメチルボラン、水素、酸素の4種類を用いた。ホウ素の仕込み濃度が0.3%w/wとなるように設定し、5時間反応させた。合成条件を表7に示す。
(B) Synthesis of diamond film on Si substrate Diamond film synthesis on Si substrate by chemical vapor deposition (CVD method, chemical vapor deposition method) using microwave plasma is performed by Plasma Deposition System (AX6500, Sekitechno). TRON Co., Ltd.). Four types of gases were used: methane, trimethylborane, hydrogen, and oxygen. The boron concentration was set to 0.3% w / w and reacted for 5 hours. Table 7 shows the synthesis conditions.
ラマン分光法
532nm用共焦点ラマン光学顕微鏡(ST-BX51、セキテクノトロン株式会社)を用いて、成膜後の基板表面の化学結合状態を分析した。キャリブレーションにはナフタレンを用い、レーザー光を5秒間、5回照射させた。膜が均一に形成されていることを確認するため、ダイヤモンド電極上の任意の9箇所について分析を行った。
Raman spectroscopy
Using a confocal Raman optical microscope for 532 nm (ST-BX51, Seki Technotron Co., Ltd.), the chemical bonding state of the substrate surface after film formation was analyzed. Naphthalene was used for calibration, and laser light was irradiated 5 times for 5 seconds. In order to confirm that the film was formed uniformly, analysis was performed at any nine locations on the diamond electrode.
その結果、520cm-1付近ではホウ素‐ホウ素結合のピークが見られた。また1333cm-1付近ではsp3構造の炭素のラマンピークが観測された。一方、1560cm-1付近ではsp2構造の炭素のラマンピークが見られなかった。このことから純度の高いダイヤモンド膜が均一に合成されていると判断した。 As a result, a boron-boron bond peak was observed in the vicinity of 520 cm −1 . In the vicinity of 1333 cm- 1 , a Raman peak of carbon with sp 3 structure was observed. On the other hand, no Raman peak of carbon with sp 2 structure was observed in the vicinity of 1560 cm −1 . From this, it was judged that a high-purity diamond film was uniformly synthesized.
SEM観察
走査型電子顕微鏡FE-SEM(JSM-7600F、日本電子株式会社)を用いて、ダイヤモンド膜の表面及び断面形状を測定した。超純水、エタノール、アセトンでそれぞれ5分ずつ超音波洗浄したダイヤモンド電極(Lot. 140530)を0.5cm四方に切断し、シリコングリース(信越化学工業)で試料台に固定した。加速電圧は表面観察では5.0kV、断面観察では2.0kVに設定して観察した。SEM観察により、多結晶BDDの合成を確認できた。
SEM Observation The surface and cross-sectional shape of the diamond film were measured using a scanning electron microscope FE-SEM (JSM-7600F, JEOL Ltd.). A diamond electrode (Lot. 140530) ultrasonically cleaned with ultrapure water, ethanol, and acetone for 5 minutes each was cut into 0.5 cm squares and fixed to a sample stage with silicon grease (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.). The acceleration voltage was set to 5.0 kV for surface observation and 2.0 kV for cross-sectional observation. SEM observation confirmed the synthesis of polycrystalline BDD.
3. ホウ素ドープダイヤモンド(BDD)の修飾
以下に、電解グラフトによるアルキニル基の提示のスキームを示す。
3. Modification of boron-doped diamond (BDD) A scheme for presenting alkynyl groups by electrolytic grafting is shown below.
(A) 電極、溶液の準備
セル、Oリング、Pt線、ダイヤモンド電極をH2O、次いでエタノール(EtOH)、次いでアセトンの順に5分ずつ超音波処理した。まずメスフラスコにTBA・PF6を3.87g(0.01mol)量りとり、アセトニトリル(AN)を加えて100mMテトラブチルアンモニウムヘキサフルオロリン酸(TBAPF6)溶液を作製した。まずHA-ペプチドを相互作用させ、次いでCV測定を行った。CV測定には三電極法(作用電極:ダイヤモンド電極、対電極:Pt、参照電極:Ag/AgCl)を用いた。
(A) Preparation of electrode and solution The cell, O-ring, Pt wire, and diamond electrode were sonicated in the order of H 2 O, then ethanol (EtOH), and then acetone for 5 minutes each. First, 3.87 g (0.01 mol) of TBA · PF 6 was weighed into a volumetric flask, and acetonitrile (AN) was added to prepare a 100 mM tetrabutylammonium hexafluorophosphate (TBAPF 6 ) solution. First, HA-peptide was allowed to interact, and then CV measurement was performed. The three-electrode method (working electrode: diamond electrode, counter electrode: Pt, reference electrode: Ag / AgCl) was used for CV measurement.
(B) リンカー分子とダイヤモンド電極の反応(電解グラフト)
メスフラスコにTIPS-Eth-Ar-N2 +BF4 -を18.6mg(0.05mol)量りとり、電解液TBAPF6/AN 5mL(100mM)に溶かして10mM TIPS-Eth-Ar-N2 +BF4 -溶液を作製した。この全量をセルに入れた。制御PCでは表8のように設定して、-0.7〜+0.6Vで5回サイクリックボルタンメトリー(電解グラフト)を行った。
(B) Reaction between linker molecule and diamond electrode (electrolytic grafting)
Volumetric flask TIPS-Eth-Ar-N 2 + BF 4 - to 18.6 mg (0.05 mol) weighed and, 10mM TIPS-Eth-Ar-
(C) トリイソプロピルシリル(TIPS)基の脱保護
測定終了後、まずセルにTHF 9.5mLを入れ、その後にTBAFのTHF溶液(1mol/L)0.5mLを入れ、20分静置してTIPS基を脱保護した(Y. R. Lerouxら, J. Am. Chem. Soc., 132, 14039-14041 (2010)参照)。
(C) Deprotection of triisopropylsilyl (TIPS) group After completion of measurement, first put 9.5 mL of THF in the cell, and then add 0.5 mL of THF solution of TBAF (1 mol / L), and let stand for 20 minutes. Was deprotected (see YR Leroux et al., J. Am. Chem. Soc., 132, 14039-14041 (2010)).
アジド基導入ペプチドの固定化
ペプチド濃度0.1nMの反応溶液を調製した。アルキニル基提示ダイヤモンド電極をMilliQ、EtOH、アセトンでそれぞれ5分ずつ超音波処理した。表9の組成でペプチド濃度が0.1mMとなるように反応溶液を調製し(ペプチド仕込み量100倍)、さらにそれをMeOH: H2O=1:1で0.1nMに希釈した反応溶液を調製した(ペプチド仕込み量0.01倍)。
Immobilization of azide group-introduced peptide A reaction solution having a peptide concentration of 0.1 nM was prepared. The alkynyl group-presenting diamond electrode was sonicated with MilliQ, EtOH, and acetone for 5 minutes each. A reaction solution was prepared so that the peptide concentration was 0.1 mM with the composition shown in Table 9 (
それぞれの反応溶液にダイヤモンド電極を浸し、室温で24時間振とうしながら反応させた。24時間後に反応溶液を取り除き、MilliQ、EtOH、アセトンでそれぞれ数秒ずつ超音波処理した。N2ガスを吹き付けて電極を乾燥させ、シリカゲルの入った密閉容器に入れて4℃で保存した。 A diamond electrode was immersed in each reaction solution and allowed to react while shaking at room temperature for 24 hours. After 24 hours, the reaction solution was removed and sonicated with MilliQ, EtOH, and acetone for several seconds each. The electrode was dried by blowing N 2 gas, and stored in a sealed container containing silica gel at 4 ° C.
反応後の電極は1mM K3[Fe(CN)6]/Na2SO4水溶液を調製して、各電極でサイクリックボルタンメトリー(CV)測定を3サイクルずつ行って表面状態を確認した。さらにHAやIFVの溶媒であるPBSでもCV測定を3サイクルずつ行い、バックグラウンドの変化を確認した。加えてこれらの電極で接触角を観察し、表面の濡れ特性を調べた。 As the electrode after the reaction, a 1 mM K 3 [Fe (CN) 6 ] / Na 2 SO 4 aqueous solution was prepared, and cyclic voltammetry (CV) measurement was performed on each electrode for 3 cycles to confirm the surface state. In addition, CV measurement was performed for 3 cycles of PBS, which is a solvent for HA and IFV, and changes in the background were confirmed. In addition, the contact angle was observed with these electrodes, and the wetting characteristics of the surface were examined.
4. ホウ素ドープダイヤモンド(BDD)電極を用いたヘマグルチニンタンパク質(HA)及びインフルエンザウイルス(IFV)の検出
サイクリックボルタンメトリー(CV)測定法
未修飾及びペプチド修飾BDD電極を用いたHAタンパク質の測定
まずHA-ペプチドを相互作用させ、次いでCV測定を行った。三電極法(作用電極:ダイヤモンド電極、対電極:Pt、参照電極:Ag/AgCl)を用いた。H1HAとの相互作用は15分行い、測定はPBS溶液中で行った。
4). Detection of hemagglutinin protein (HA) and influenza virus (IFV) using boron-doped diamond (BDD) electrode Cyclic voltammetry (CV) measurement method Measurement of HA protein using unmodified and peptide-modified BDD electrodes First, the HA-peptide The interaction was followed by CV measurements. A three-electrode method (working electrode: diamond electrode, counter electrode: Pt, reference electrode: Ag / AgCl) was used. The interaction with H1HA was performed for 15 minutes, and the measurement was performed in a PBS solution.
まずペプチド固定化電極(ペプチド仕込み量×0.01)でセルを組み、PBSでバックグラウンドを3サイクル測定した。その後、セル内に500nM HA/PBSを約60μL加えて電極部分が浸るように調節し、30分間相互作用させた。30分後、HA溶液を取り除いてPBSで3回洗い流し、PBSをセルに満たしてサイクリックボルタンメトリー測定を3サイクル行った。これら操作を電極上の場所を変えてもう一度行い、合計2箇所で相互作用を観測した。測定条件は下記表のものを用いた。 First, a cell was assembled with a peptide-immobilized electrode (peptide charge × 0.01), and the background was measured with PBS for 3 cycles. Thereafter, about 60 μL of 500 nM HA / PBS was added to the cell so that the electrode portion was immersed, and the cells were allowed to interact for 30 minutes. After 30 minutes, the HA solution was removed and washed with PBS three times. The cells were filled with PBS, and cyclic voltammetry measurement was performed for 3 cycles. These operations were performed again at different locations on the electrode, and the interaction was observed at a total of two locations. The measurement conditions shown in the table below were used.
上記と同様にしてPBSで希釈した50〜500nMのHA溶液をそれぞれ30分ずつ相互作用させた。薄い濃度から順に相互作用させ、濃度を変える前にPBSで電極を洗浄しながら3サイクルずつCV測定を行った。測定条件は表10のとおりであった。 In the same manner as described above, 50 to 500 nM HA solution diluted with PBS was allowed to interact for 30 minutes each. CV measurement was performed in 3 cycles each while washing the electrode with PBS before changing the concentration. Measurement conditions were as shown in Table 10.
結果を図20に示す。図20左はペプチド修飾されていないダイヤモンド電極を用いた場合の、溶液中のHA測定である。500nMのHA溶液では電流密度増大が観察された。図20右はペプチド修飾されたダイヤモンド電極を用いた場合である。1サイクル目で未修飾ダイヤモンド電極よりも顕著な電流密度増大が観察され、HAを検出することができた。2サイクル目以降では電流密度がPBSのみの場合とさほど変わらず、1サイクル目でHAタンパク質のほとんどを検出できていることが分かる。 The results are shown in FIG. The left side of FIG. 20 shows the measurement of HA in the solution when using a diamond electrode without peptide modification. An increase in current density was observed in the 500 nM HA solution. The right side of FIG. 20 shows a case where a peptide-modified diamond electrode is used. In the first cycle, a significant increase in current density was observed compared to the unmodified diamond electrode, and HA could be detected. From the second cycle onward, it can be seen that the current density is not much different from that of PBS alone, and most of the HA protein can be detected in the first cycle.
未修飾及びペプチド修飾BDD電極を用いたIFVの測定
ペプチド固定化電極(ペプチド仕込み量×0.01)でセルを組み、3箇所でPBSによるバックグラウンドを3サイクル測定した。その後、200pfu/mLのウイルス溶液を1mL(200pfu)加えて電極部分が浸るように調節し、15分間相互作用させた。15分後、ウイルス溶液を取り除いてPBSで3回洗い流し、PBSをセルに満たして3箇所でサイクリックボルタンメトリー測定をそれぞれ3サイクルずつ行った。
Measurement of IFV using unmodified and peptide-modified BDD electrodes Cells were assembled with peptide-immobilized electrodes (peptide charge x 0.01), and the background with PBS was measured for 3 cycles at 3 locations. Thereafter, 1 mL (200 pfu) of a 200 pfu / mL virus solution was added to adjust the electrode part so that it was immersed and allowed to interact for 15 minutes. After 15 minutes, the virus solution was removed and the cells were washed with PBS three times. The cells were filled with PBS, and cyclic voltammetry measurement was performed at three positions for 3 cycles each.
結果を図21に示す。図21左はペプチド修飾されていないダイヤモンド電極を用いた場合の、溶液中のIFV測定である。200pfuのIFV溶液では電流密度増大が観察された。図21右はペプチド修飾されたダイヤモンド電極を用いた結果であり、未修飾ダイヤモンド電極よりも顕著な電流密度増大が観察され、IFVを検出することができた。このようにIFVを高感度に検出することができた。 The results are shown in FIG. FIG. 21 left is a measurement of IFV in solution when using a diamond electrode not modified with peptide. An increase in current density was observed in the 200 pfu IFV solution. The right side of FIG. 21 shows the result of using a peptide-modified diamond electrode. A marked increase in current density was observed compared to an unmodified diamond electrode, and IFV could be detected. In this way, IFV could be detected with high sensitivity.
電気化学インピーダンス(EIS)測定法
ペプチド修飾BDD電極を用いたEIS測定によるHA及びIFV検出
インピーダンス測定の条件はS. K. Aryaら, Sens. Actuators, B, 194, 127-133 (2014)に基づいて行った。
Electrochemical impedance (EIS) measurement method HA and IFV detection by EIS measurement using peptide-modified BDD electrodes The conditions for impedance measurement were based on SK Arya et al., Sens. Actuators, B, 194, 127-133 (2014). .
まず酸化還元物質の溶液を調製した。K3[Fe(CN)6] 0.164g(0.5mmol)、K4[Fe(CN)6] 0.211g(0.5mmol)をそれぞれメスフラスコに別々に量り取り、PBS 50mLに溶かして10mM K3[Fe(CN)6]/PBS及び10mM K4[Fe(CN)6]/PBSを調製した。これらを1:1(v/v)で混合し5mM [Fe(CN)6]3-/4-/PBSとした。 First, a redox substance solution was prepared. K 3 [Fe (CN) 6 ] 0.164 g (0.5 mmol) and K 4 [Fe (CN) 6 ] 0.211 g (0.5 mmol) were weighed separately in a volumetric flask, dissolved in 50 mL of PBS, and 10 mM K 3 [ Fe (CN) 6 ] / PBS and 10 mM K 4 [Fe (CN) 6 ] / PBS were prepared. These were mixed at 1: 1 (v / v) to give 5 mM [Fe (CN) 6 ] 3- / 4- / PBS.
次に制御PCを表11のように設定した。初期電位(E Start)には作用電極・対電極・参照電極をそれぞれ取り付けた時にすでに発生している電位(自然電位)を用いるため、制御PCに表示される値を確認しながら随時入力した。サンプリング数(Frequency)、周波数領域(Frequency Scan)、振幅(Amplitude)などはS. K. Aryaら, Sens. Actuators, B, 194, 127-133 (2014)より決定した。 Next, the control PC was set as shown in Table 11. As the initial potential (E Start), the potential (natural potential) already generated when the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are respectively attached is used, so that the value displayed on the control PC was input as needed. The number of sampling (Frequency), frequency domain (Frequency Scan), amplitude (Amplitude), etc. were determined from S. K. Arya et al., Sens. Actuators, B, 194, 127-133 (2014).
CV測定と同様に三電極法(作用電極:導電性ダイヤモンド電極、対電極:Pt、参照電極:Ag/AgCl)を用い、各濃度のHA溶液を相互作用させた。まずペプチド固定化電極(ペプチド仕込み量×100)でセルを組み5mM [Fe(CN)6]3-/4-/PBSを加え、バックグラウンドを3サイクル測定した。その後PBSでセル内に、PBS(-)で希釈したHA溶液を約60μL加えて電極部分が浸るように調節し、15分間相互作用させた。15分後、溶液を取り除いてPBSで3回洗い流し、5mM [Fe(CN)6]3-/4-/PBSをセルに満たして3サイクル測定した。この操作をHA溶液(5〜500nM、それぞれ1〜100μg/mL)、IFV溶液(1〜140pfu)、ウシ血清アルブミン(BSA)溶液(5〜500nM)でそれぞれ行った。 Similarly to the CV measurement, a three-electrode method (working electrode: conductive diamond electrode, counter electrode: Pt, reference electrode: Ag / AgCl) was used, and HA solutions of various concentrations were allowed to interact. First, a cell was assembled with a peptide-immobilized electrode (peptide charge × 100), 5 mM [Fe (CN) 6 ] 3− / 4- / PBS was added, and the background was measured for 3 cycles. Thereafter, about 60 μL of an HA solution diluted with PBS (−) was added to the cell with PBS to adjust so that the electrode portion was immersed, and allowed to interact for 15 minutes. After 15 minutes, the solution was removed and washed with PBS three times, and 5 mM [Fe (CN) 6 ] 3− / 4− / PBS was filled in the cell and measured for 3 cycles. This operation was performed with HA solution (5-500 nM, 1-100 μg / mL, respectively), IFV solution (1-140 pfu), and bovine serum albumin (BSA) solution (5-500 nM).
導電性ダイヤモンド電極を用いたHAのEIS測定結果を図22及び図23に示す。HAを特異的に検出できた。図23では、無関係のタンパク質BSA(対照)については濃度と応答との間に相関性が見られなかったのに対し、HAについての応答は濃度に良好に比例した。これらの結果からHAを高感度かつ特異的に検出できた。 The HA EIS measurement results using a conductive diamond electrode are shown in FIGS. HA could be detected specifically. In FIG. 23, there was no correlation between concentration and response for the irrelevant protein BSA (control), whereas the response for HA was well proportional to the concentration. From these results, HA could be detected with high sensitivity and specificity.
導電性ダイヤモンド電極を用いたIFVのEIS測定結果を図24に示す。40pfu以下でRctが線形に増加し、IFVを濃度依存的に検出できた。また0〜40pfuという少ないウイルス量の領域でも高感度に検出できた。 FIG. 24 shows the EIS measurement result of IFV using a conductive diamond electrode. R ct increases linearly with 40pfu or less, could be detected IFV concentration-dependent manner. In addition, it was possible to detect with high sensitivity even in the low viral load region of 0-40pfu.
以上より、タンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極を用いて20pfuのインフルエンザウイルスを検出することができた。アルブミンのような生体に存在するタンパク質の非特異的な結合は見られず、従来法で必須となっている増感剤標識抗体を用いることなく、高感度な検出が可能であった。 From the above, it was possible to detect 20 pfu of influenza virus using a conductive diamond electrode having an element for recognizing protein or pathogen immobilized on the surface. Non-specific binding of proteins existing in the living body such as albumin was not observed, and high-sensitivity detection was possible without using a sensitizer-labeled antibody that was essential in the conventional method.
本発明のカートリッジは、このようなタンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極を備えている。また本発明の装置は、該カートリッジを備えており、電気化学的測定によりタンパク質又は病原体を検出することができる。 The cartridge of the present invention includes a conductive diamond electrode having an element for recognizing such a protein or pathogen immobilized on the surface. The apparatus of the present invention includes the cartridge, and can detect a protein or a pathogen by electrochemical measurement.
100 カートリッジ
101 作用電極
102 対電極
103 参照電極
104 支持電解質溶液
105 容器
106 対電極挿入口
107 参照電極の金属電極挿入口
110 導電性ダイヤモンド電極
111 外気導入口
112 導入フィルター
113 外気導入側の通気口
120 気泡発生フィルター
121 気泡
123 参照電極の液絡部
124 内部電解質溶液
125 内部電解質溶液を保持するための部材
130 液面
140 外気導入口側の作用電極
145 外気導出口側の作用電極
150 外気導出側の通気口
155 外気導出口
200 液面上下動機構を備えたカートリッジ
201 液面上下動機構
202 液面上下動機構用の空気導入口
230 液面
240 外気導入口側の作用電極
245 外気導出口側の作用電極
300 検出部
301 作用電極の素子が固定化されている表面
401 記憶再生可能な素子
402 基板
403 配線
500 本発明のカートリッジ100を備えた装置
501 電気化学測定回路
505 外気吸気口
506 外気吸入ポンプ
507 外気排気口
508 外気フィルター
509 排気パイプ
510 制御回路
520 データ表示回路
530 通信回路
540 データ記録再生回路
550 電源回路
560 切り替えスイッチ
600 カートリッジ100及び外気タンクを備えた装置
610 外気タンク
620 循環ポンプ
630 外気タンク排気バルブ
700 カートリッジ200、外気タンク、及び液面上下動機構を備えた装置
701 液面上下動機構用のポンプ
702 701のポンプのための吸気口
703 701のポンプのための排気口
100
Claims (21)
該1又は複数の作用電極は、それぞれ、同一または異なる種類の、タンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極を有し、
作用電極、対電極、及び参照電極は外部との電気的導通が可能であるように構成されており、
作用電極、対電極、及び参照電極の液絡部は、容器内に支持電解質溶液が存在する場合に当該支持電解質溶液に接触可能であるように該容器に配置されており、
容器は外気の導入口、外気導出側の通気口及び導出口を備え、
導入口及び外気導出側の通気口は、該導入口より導入された外気が該容器に保持された支持電解質溶液中を通過して外気導出側の通気口へと導出されるよう構成されており、外気導出側の通気口を通過した外気はさらにカートリッジの導出口へと導出されるよう構成されており、
外気が支持電解質溶液中を通過する際に1又は複数の作用電極に接触可能であるように容器及び作用電極が構成されており、ここで外気が1又は複数の作用電極に接触しているときには対電極、及び参照電極の液絡部が支持電解質溶液に常に接触しているよう対電極及び参照電極が構成されており、
支持電解質溶液及び参照電極の内部電解質溶液を容器に注入することができるよう構成されており、
外気を作用電極に接触させるとき及び作用電極による電気化学的測定を行うときには、作用電極の素子が固定化されている表面が下向きであるよう構成されており、
外気導入口及び外気導出口及び外気導出側の通気口は、支持電解質溶液の最高液面位置よりも高い位置に配置されている、
該タンパク質又は病原体を検出するためのカートリッジ。 A cartridge for detecting proteins or pathogens, comprising one or more working electrodes, a counter electrode, a reference electrode, and a container capable of holding a supporting electrolyte solution,
The one or more working electrodes each have a conductive diamond electrode on the surface of which the same or different types of elements that recognize proteins or pathogens are immobilized;
The working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are configured to allow electrical continuity with the outside.
The working electrode, the counter electrode, and the liquid junction of the reference electrode are arranged in the container so as to be able to contact the supporting electrolyte solution when the supporting electrolyte solution is present in the container,
The container includes an outside air inlet, an outside air outlet side vent and an outlet port,
The introduction port and the ventilation port on the outside air outlet side are configured such that the outside air introduced from the introduction port passes through the supporting electrolyte solution held in the container and is led out to the ventilation port on the outside air outlet side. The outside air that has passed through the vent on the outside air outlet side is further led out to the outlet of the cartridge,
The container and the working electrode are configured so that the outside air can come into contact with the one or more working electrodes when passing through the supporting electrolyte solution, and when the outside air is in contact with the one or more working electrodes. The counter electrode and the reference electrode are configured so that the liquid junction of the counter electrode and the reference electrode is always in contact with the supporting electrolyte solution,
The supporting electrolyte solution and the internal electrolyte solution of the reference electrode are configured to be injected into the container,
When the outside air is brought into contact with the working electrode and when electrochemical measurement is performed with the working electrode, the surface on which the working electrode element is fixed is configured to face downward.
The outside air inlet, the outside air outlet, and the outside air outlet are arranged at a position higher than the highest liquid surface position of the supporting electrolyte solution.
A cartridge for detecting the protein or pathogen.
該1又は複数の作用電極は、それぞれ、同一または異なる種類の、タンパク質又は病原体を認識する素子が表面に固定化された導電性ダイヤモンド電極を有し、
作用電極、対電極、及び参照電極は外部との電気的導通が可能であるように構成されており、
容器は外気の導入口、外気導出側の通気口及び導出口を備え、さらに液面上下動機構用の空気導入口を備え、
作用電極、対電極、及び参照電極の液絡部は、容器内の支持電解質溶液液面が上昇した場合に当該支持電解質溶液に接触可能であるように該容器に配置されており、
導入口は、該導入口より導入された外気を1又は複数の作用電極の表面に吹き付けることができるよう構成されており、
外気導出側の通気口は、1又は複数の作用電極に吹き付けられた外気が通過できるよう配置されており、外気導出側の通気口を通過した外気はさらにカートリッジの導出口へと導出されるよう構成されており、
タンパク質又は病原体を素子に吸着させるときは、支持電解質溶液の液面を下降させ、1又は複数の作用電極は支持電解質溶液と接触していない、
支持電解質溶液の液面を下降させているときは、対電極及び参照電極の液絡部は、支持電解質溶液に接触していてもよく、
素子に吸着したタンパク質又は病原体を検出するときは、支持電解質溶液の液面を上昇させ、1又は複数の作用電極、対電極及び参照電極の液絡部は支持電解質溶液に接触しているよう構成されており、
支持電解質溶液及び参照電極の内部電解質溶液を容器に注入することができるよう構成されており、
外気を作用電極に接触させるとき及び作用電極による電気化学的測定を行うときは、作用電極の素子が固定化されている表面が下向きであるよう構成されており、
外気導入口及び外気導出口及び外気導出側の通気口は、支持電解質溶液の最高液面位置よりも高い位置に配置されている、
該タンパク質又は病原体を検出するためのカートリッジ。 A protein or pathogen comprising a container capable of holding one or a plurality of working electrodes, a counter electrode, a reference electrode, and a supporting electrolyte solution, and further having a liquid level up and down mechanism capable of raising and lowering the liquid level A cartridge for detecting,
The one or more working electrodes each have a conductive diamond electrode on the surface of which the same or different types of elements that recognize proteins or pathogens are immobilized;
The working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are configured to allow electrical continuity with the outside.
The container has an outside air introduction port, an outside air outlet side ventilation port and an outlet port, and further has an air introduction port for a liquid level vertical movement mechanism,
The working electrode, the counter electrode, and the liquid junction of the reference electrode are arranged in the container so as to be able to contact the supporting electrolyte solution when the supporting electrolyte solution liquid level in the container rises,
The introduction port is configured to be able to blow the outside air introduced from the introduction port onto the surface of one or a plurality of working electrodes,
The outside air outlet side vent is arranged so that the outside air blown to one or a plurality of working electrodes can pass through, and the outside air that has passed through the outside air outlet side vent is further led out to the outlet of the cartridge. Configured,
When adsorbing protein or pathogen to the device, the level of the supporting electrolyte solution is lowered, and one or more working electrodes are not in contact with the supporting electrolyte solution.
When the level of the supporting electrolyte solution is lowered, the liquid junction of the counter electrode and the reference electrode may be in contact with the supporting electrolyte solution,
When detecting proteins or pathogens adsorbed on the element, the liquid level of the supporting electrolyte solution is raised, and the liquid junction of one or more working electrodes, counter electrodes and reference electrodes are in contact with the supporting electrolyte solution Has been
The supporting electrolyte solution and the internal electrolyte solution of the reference electrode are configured to be injected into the container,
When the outside air is brought into contact with the working electrode and when the electrochemical measurement is performed by the working electrode, the surface on which the working electrode element is fixed is configured to face downward.
The outside air inlet, the outside air outlet, and the outside air outlet are arranged at a position higher than the highest liquid surface position of the supporting electrolyte solution.
A cartridge for detecting the protein or pathogen.
外部と電気的導通が可能であるように構成されているカートリッジ外面の作用電極、対電極、及び参照電極が該検出装置と電気的に接続されており、
カートリッジが記憶再生可能な素子を備えている場合には、当該記憶再生可能な素子が該検出装置と電気的に接続されており、
サイクリックボルタンメトリー測定及び/又は電気化学インピーダンス測定を行うことができる電気化学測定回路を備えており、
測定結果を表示する表示回路、又は、測定結果を出力若しくは送信する出力端末を備えており、
電源回路を備えており、
外気を検出装置内に吸入するための外気吸気口を備えており、該外気吸気口はカートリッジの外気導入口に接続されており、
外気を検出装置から排出するための外気排気口を備えており、該外気排気口はカートリッジの外気導出口に接続されており、
外気吸気口に接続された外気吸入ポンプを備えており、
制御回路を備えている、
該タンパク質又は病原体を検出するための装置。 A device for detecting proteins or pathogens comprising one or more cartridges according to any one of claims 1 to 11, comprising
A working electrode, a counter electrode, and a reference electrode on the outer surface of the cartridge configured to be electrically conductive with the outside are electrically connected to the detection device;
When the cartridge includes an element capable of storing and reproducing, the element capable of storing and reproducing is electrically connected to the detection device,
An electrochemical measurement circuit capable of performing cyclic voltammetry measurement and / or electrochemical impedance measurement;
It has a display circuit that displays the measurement result, or an output terminal that outputs or transmits the measurement result.
It has a power circuit,
An outside air inlet for sucking outside air into the detection device, and the outside air inlet is connected to the outside air inlet of the cartridge;
An outside air outlet for discharging outside air from the detection device, the outside air outlet being connected to the outside air outlet of the cartridge;
It has an outside air suction pump connected to the outside air inlet,
Equipped with a control circuit,
An apparatus for detecting the protein or pathogen.
外気吸入ポンプを作動させ、吸入された外気をカートリッジ内に送り込む工程、
吸入された外気を1又は複数の作用電極の素子が固定化されている表面に吹き付けるか、支持電解質溶液中の気泡として1又は複数の作用電極と接触させる吸着工程、
吸着工程後の外気をカートリッジの外気導出側の通気口を通過させ外気導出口及び装置の外気排気口から排出させる排気行程、
外気吸入ポンプを停止させ、1又は複数のカートリッジの、1又は複数の作用電極を順次切り替えながら、サイクリックボルタンメトリー測定又は電気化学インピーダンス測定を行う電気化学的測定工程、
カートリッジが記憶再生可能な素子を備えている場合に測定結果をそれぞれのカートリッジの該素子に記録する工程、及び、装置が無線又は有線通信回路を備えている場合には記録情報を外部に通信する工程、
を含む、請求項19に記載の検出方法。 When the cartridge has an element capable of storing and reproducing, from each element, information on the protein or pathogen to be measured by one or more working electrodes, initial characteristics of one or more working electrodes, and already measured For the cartridge used in the process, the time used for measurement, the process of reading the information of the detected numerical value,
A step of operating an outside air suction pump and feeding the sucked outside air into the cartridge;
An adsorption process in which inhaled outside air is blown onto a surface on which one or more working electrode elements are fixed, or in contact with one or more working electrodes as bubbles in a supporting electrolyte solution;
An exhaust stroke in which the outside air after the adsorption process passes through the outside air outlet side of the cartridge and is discharged from the outside air outlet and the outside air outlet of the device;
An electrochemical measurement process in which the external air suction pump is stopped and cyclic voltammetry measurement or electrochemical impedance measurement is performed while sequentially switching one or more working electrodes of one or more cartridges;
A step of recording a measurement result in each element of each cartridge when the cartridge has an element capable of storing and reproducing; and a recording information is communicated to the outside when the apparatus has a wireless or wired communication circuit Process,
The detection method according to claim 19, comprising:
カートリッジが記憶再生可能な素子を備えている場合に、それぞれの素子から、1又は複数の作用電極が測定対象とするタンパク質又は病原体の情報、1又は複数の作用電極の初期特性、及び、既に測定に使用されたカートリッジについては、測定に使用した時間、検出した数値の情報を読み出す工程、
外気タンク排気バルブを開き、外気吸入ポンプを作動させ、外気タンクに未測定の外気を導入する工程、
外気タンク排気バルブを閉じ、外気吸入ポンプを停止する工程、
循環ポンプを作動させ、外気タンク内の外気をカートリッジ内に送り込む工程、
吸入された外気を1又は複数の作用電極の素子が固定化されている表面に吹き付けるか、支持電解質中の気泡として1又は複数の作用電極と接触させる吸着工程、
吸着工程後の外気をカートリッジの外気導出側の通気口を通過させ外気導出口から外気タンクへ排気する工程、
循環ポンプを停止させ、1又は複数のカートリッジの、1又は複数の作用電極を順次切り替えながら、サイクリックボルタンメトリー測定又は電気化学インピーダンス測定を行う電気化学的測定工程、
カートリッジが記憶再生可能な素子を備えている場合に測定結果をそれぞれのカートリッジの該素子に記録する工程、並びに、
装置が無線又は有線通信回路を備えている場合には記録情報を外部に通信する工程、
を含む、タンパク質又は病原体を検出する方法。 Using the detection device according to claim 18, comprising an outside air tank, a circulation pump, and an outside air tank exhaust valve, the following steps:
When the cartridge has an element capable of storing and reproducing, from each element, information on the protein or pathogen to be measured by one or more working electrodes, initial characteristics of one or more working electrodes, and already measured For the cartridge used in the process, the time used for measurement, the process of reading the information of the detected numerical value,
Opening the outside air tank exhaust valve and operating the outside air suction pump to introduce unmeasured outside air into the outside air tank;
Closing the outside air tank exhaust valve and stopping the outside air suction pump;
A process of operating the circulation pump and sending the outside air in the outside air tank into the cartridge;
An adsorption process in which inhaled outside air is blown against a surface on which one or more working electrode elements are fixed, or in contact with one or more working electrodes as bubbles in the supporting electrolyte;
Passing the outside air after the adsorption step through the outside air outlet side of the cartridge and exhausting it from the outside air outlet port to the outside air tank;
An electrochemical measurement step in which the cyclic pump is stopped and cyclic voltammetry measurement or electrochemical impedance measurement is performed while sequentially switching one or more working electrodes of one or more cartridges;
A step of recording a measurement result in the element of each cartridge when the cartridge has an element capable of storing and reproducing; and
A step of communicating recorded information to the outside if the device has a wireless or wired communication circuit;
A method for detecting a protein or pathogen, comprising:
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