JP2021110649A - 濃度検出プログラム及び濃度検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する濃度検出センサを用いて、（１）検出対象物質の濃度が高いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和を判定すること、及び、（２）検出対象物質の濃度が高いときでも、検出対象物質の濃度を検出することを目的とする。【解決手段】本開示は、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度と、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度と、の間の比率について、濃度検出段階において算出した値と、検量線算出段階において決定した閾値と、の間の大小関係に基づいて、検出対象物質の濃度の増加に伴うより早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和があるかどうかを判定する。【選択図】図１２

Description

本開示は、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する技術に関する。

弾性表面波センサを用いる濃度検出技術が、特許文献１等に開示されている。抗原ダイレクト法による抗原濃度検出方法を図１に示す。サンドイッチアッセイ法による抗原濃度検出方法を図２に示す。一般的な濃度検出方法を図３に示す。

図１では、検出対象物質は、抗原ＡＧであり、反応物質は、抗体ＡＢである。弾性表面波センサ１は、抗体ＡＢを固定した検出領域１１と、弾性表面波を送信／反射／受信する櫛形電極１２、１３と、を備える。基準物質は、検出領域１１に予め負荷されることなく、検出対象物質の抗原ＡＧが、検出領域１１に負荷される。抗原ＡＧは、抗体ＡＢと反応するため、検出領域１１での固着重量は、時間変化し、弾性表面波センサ１の出力信号（位相又は振幅）も、時間変化する。所定時刻までの出力信号の変化量は、抗原ＡＧの濃度に対して単調変化するため、これらの間の関係を示す検量線に基づいて、抗原ＡＧの濃度を検出することができる。

図２では、検出対象物質は、抗原ＡＧであり、反応物質は、サンドイッチアッセイ法の１次抗体ＡＢ１及び２次抗体ＡＢ２である。弾性表面波センサ１は、サンドイッチアッセイ法の１次抗体ＡＢ１を固定した検出領域１１と、弾性表面波を送信／反射／受信する櫛形電極１２、１３と、を備える。基準物質は、検出領域１１に予め負荷されることなく、検出対象物質の抗原ＡＧ及び反応物質のサンドイッチアッセイ法の２次抗体ＡＢ２が、検出領域１１に負荷される。抗原ＡＧは、サンドイッチアッセイ法の２次抗体ＡＢ２と反応したうえで、サンドイッチアッセイ法の１次抗体ＡＢ１と反応するため、検出領域１１での固着重量は、時間変化し、弾性表面波センサ１の出力信号（位相又は振幅）も、時間変化する。所定時刻までの出力信号の変化量は、抗原ＡＧの濃度に対して単調変化するため、これらの間の関係を示す検量線に基づいて、抗原ＡＧの濃度を検出することができる。

図３では、検出対象物質は、化学物質Ｍ１であり、反応物質は、化学物質Ｍ２である。弾性表面波センサ１は、何も固定しない検出領域１１と、弾性表面波を送信／反射／受信する櫛形電極１２、１３と、を備える。基準物質は、検出領域１１に予め負荷されることなく、検出対象物質の化学物質Ｍ１及び反応物質の化学物質Ｍ２が、検出領域１１に負荷される。化学物質Ｍ１及び化学物質Ｍ２は、化学物質Ｍ３に変化するため、検出領域１１での粘弾性は、時間変化し、弾性表面波センサ１の出力信号（位相又は振幅）も、時間変化する。所定時刻までの出力信号の変化量は、化学物質Ｍ１の濃度に対して単調変化するため、これらの間の関係を示す検量線に基づいて、化学物質Ｍ１の濃度を検出することができる。

特開２０１７−００９４９２号公報

従来技術の抗原濃度検出方法を図４から図６までに示す。図４では、具体例として、抗原ダイレクト法による抗原濃度検出方法を用いている。図５及び図６では、具体的として、サンドイッチアッセイ法による抗原濃度検出方法を用いている。

図４の上段では、負荷開始時刻から１０秒後までの出力信号の位相変化量を示す。図４の下段では、負荷開始時刻から４０秒後までの出力信号の位相変化量を示す。負荷開始時刻から１０秒後又は４０秒後までの出力信号の位相変化量は、図１の下段と同様に、抗原ＡＧの濃度が増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度と相関して増加するが、図１の下段と異なり、抗原ＡＧの濃度がさらに増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度と逆相関して減少する。よって、負荷開始時刻から１０秒後又は４０秒後までの出力信号の位相変化量に基づいて、抗原ＡＧの濃度を正確に検出することができない。以下に、その理由を説明する。

まず、基準物質が検出領域１１に予め負荷されることなく、抗原ＡＧが検出領域１１に負荷される場合を考える。負荷開始時刻近傍では、溶媒による検出領域１１での粘弾性の瞬時変化と、抗原ＡＧによる検出領域１１での固着重量の時間変化と、が生じる。ここで、溶媒のみを含む基準物質による検出領域１１での粘弾性の瞬時変化は、予め検出されていない。よって、負荷開始時刻近傍では、溶媒による検出領域１１での粘弾性の瞬時変化を除去したうえで、抗原ＡＧによる検出領域１１での固着重量の時間変化を抽出することができない。そして、出力信号のサンプリングレートが低いときには、抗原ＡＧによる検出領域１１での固着重量の時間変化を正確に抽出することができない。このことは、抗原ＡＧの濃度が高く検出領域１１での固着重量の時間変化が速いときには、抗原ＡＧの濃度が低く検出領域１１での固着重量の時間変化が遅いときより、顕著になる。

次に、基準物質が検出領域１１に予め負荷されたうえで、抗原ＡＧが検出領域１１に後に負荷される場合を考える。後の負荷開始時刻では、溶媒による検出領域１１での粘弾性の瞬時変化と、抗原ＡＧによる検出領域１１での固着重量の時間変化と、が生じる。ここで、溶媒のみを含む基準物質による検出領域１１での粘弾性の瞬時変化は、予め検出されている。よって、後の負荷開始時刻近傍では、溶媒による検出領域１１での粘弾性の瞬時変化を除去したうえで、抗原ＡＧによる検出領域１１での固着重量の時間変化を抽出することができる。しかし、出力信号のサンプリングレートが低いときには、抗原ＡＧによる検出領域１１での固着重量の時間変化を正確に抽出することができない。このことは、抗原ＡＧの濃度が高く検出領域１１での固着重量の時間変化が速いときには、抗原ＡＧの濃度が低く検出領域１１での固着重量の時間変化が遅いときより、顕著になる。

つまり、基準物質が検出領域１１に予め負荷されない場合でも、基準物質が検出領域１１に予め負荷される場合でも、抗原ＡＧの濃度が高いときには、抗原ＡＧの負荷開始時刻近傍では、抗原ＡＧによる検出領域１１での固着重量の時間変化を正確に抽出することができない。よって、図４に示したように、負荷開始時刻から所定時刻までの出力信号の位相変化量は、抗原ＡＧの濃度が増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度と相関して増加するが、抗原ＡＧの濃度がさらに増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度と逆相関して減少する。

ここで、基準物質が検出領域１１に予め負荷される場合では、基準物質を検出対象物質に置換する必要があるが、基準物質及び検出対象物質が微量であり難しく、又は、基準物質に検出対象物質を混和する必要があるが、検出対象物質を希薄にするため望ましくない。一方で、基準物質が検出領域１１に予め負荷されない場合では、基準物質を検出対象物質に置換する必要がなく、又は、基準物質に検出対象物質を混和する必要がなく、検出対象物質が検出領域１１に負荷されるのみでよい。そこで、基準物質が検出領域１１に予め負荷されない場合を採用する。

ここで、負荷開始時刻から所定時刻までの出力信号の位相変化量は、負荷開始時刻近傍での出力信号の測定精度に大きく依存する。一方で、所定時刻での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻近傍での出力信号の測定精度にあまり依存しない。そこで、所定時刻での出力信号の位相変化速度に基づいて、抗原ＡＧの濃度を検出することが考えられる。

具体的には、図４の上段に示したように、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度は、抗原ＡＧの濃度が高いときでも、完全に飽和していない。そこで、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度に基づいて、抗原ＡＧの濃度が高いときでも、飽和を防止して抗原ＡＧの濃度を検出することが考えられる。その一方で、図４の下段に示したように、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度は、抗原ＡＧの濃度が低いときでも、十分に有限値となる。そこで、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度に基づいて、抗原ＡＧの濃度が低いときでも、Ｓ／Ｎを改善して抗原ＡＧの濃度を検出することが考えられる。

なお、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻のごく近傍からより早い時刻までの出力信号の位相変化速度でもよく、より早い時刻のごく近傍の出力信号の位相変化速度でもよい。また、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻のごく近傍からより遅い時刻までの出力信号の位相変化速度でもよく、より遅い時刻からその後の長時間後の時刻までの出力信号の位相変化速度でもよい。そして、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度に基づく抗原ＡＧの高濃度検出と、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度に基づく抗原ＡＧの低濃度検出と、を抗原ＡＧの中間濃度で切り替えるにあたり、前者に基づく抗原ＡＧの中間濃度検出と、後者に基づく抗原ＡＧの中間濃度検出と、がほぼ一致することが望ましい。

図５の上段では、負荷開始時刻から１０秒後までの出力信号の位相変化量を示す。負荷開始時刻から１０秒後までの出力信号の位相変化量は、図２の下段と同様に、抗原ＡＧの濃度が増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度と相関して増加するが、図２の下段と異なり、抗原ＡＧの濃度がさらに増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度と逆相関して減少する。

そこで、所定時刻での出力信号の位相変化速度に基づいて、抗原ＡＧの濃度を検出する。ここで、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻のごく近傍から１．５秒後までの出力信号の位相変化速度である。そして、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻のごく近傍から４．０秒後までの出力信号の位相変化速度である。

図６の上段では、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度を示す。より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度は、抗原ＡＧの濃度が増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度と相関して増加するが、抗原ＡＧの濃度がさらに増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度と相関せず飽和／減少する。よって、抗原ＡＧの濃度が高いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度に基づいて、抗原ＡＧの濃度を正確に検出することができない。

図６の下段では、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度を示す。より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度は、抗原ＡＧの濃度が増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度と相関して増加するが、抗原ＡＧの濃度がさらに増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度とあまり相関せず飽和する。よって、抗原ＡＧの濃度が高いときでは、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度に基づいて、抗原ＡＧの濃度を正確に検出することができない。

以下に、その理由を説明する。第１の理由として、抗原ダイレクト法、サンドイッチアッセイ法又は一般的な濃度検出方法において、抗原ＡＧ又は化学物質Ｍ１の濃度が高いときには、負荷開始時刻近傍では、抗原ＡＧ又は化学物質Ｍ３による検出領域１１での固着重量又は粘弾性の時間変化を正確に抽出することができない。

ここで、さらに早い時刻での出力信号の位相変化速度は、抗原ＡＧの濃度が高いときでも、完全に飽和していないと考えられる。そこで、さらに早い時刻での出力信号の位相変化速度に基づいて、抗原ＡＧの濃度を検出することが考えられる。例えば、さらに早い時刻での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻のごく近傍から０．５秒後までの出力信号の位相変化速度である。しかし、さらに早い時刻での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻近傍での出力信号の測定精度に大きく依存すると考えられる。そこで、さらに早い時刻での出力信号の位相変化速度に基づいて、抗原ＡＧの濃度を検出することは採用しない。

第２の理由として、抗原ダイレクト法又はサンドイッチアッセイ法において、抗原ＡＧの濃度が高いときには、抗体ＡＢ又は１次抗体ＡＢ１のセンサ表面上重量が不足するため、抗原ＡＧによる検出領域１１での固着重量の時間変化が抑制されてしまう。

第３の理由として、サンドイッチアッセイ法において、抗原ＡＧの濃度が高いときには、２次抗体ＡＢ２の検体溶液内濃度が不足するため（フック現象）、抗原ＡＧ及び２次抗体ＡＢ２の結合体による検出領域１１での固着重量の時間変化が抑制されてしまう。

弾性表面波センサにおける解決課題は、他の濃度検出センサにおいても存在する。ここで、他の濃度検出センサとして、電極センサ、半導体センサ、受光センサ、感熱センサ、圧電センサ、サーミスタセンサ、カンチレバーセンサ、イオン感応性ＦＥＴセンサ及び水晶振動子センサ等がある。そして、出力信号として、物質変化、色変化、吸熱変化、発熱変化、質量変化、抵抗変化及び容量変化等を反映する電気信号等がある。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する濃度検出センサを用いて、（１）検出対象物質の濃度が高いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和を判定すること、及び、（２）検出対象物質の濃度が高いときでも、検出対象物質の濃度を検出することを目的とする。

前記課題を解決するために、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度と、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度と、の間の比率について、濃度検出段階において算出した値と、検量線算出段階において決定した閾値と、の間の大小関係に基づいて、検出対象物質の濃度の増加に伴うより早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和があるかどうかを判定する。

具体的には、本開示は、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する濃度検出センサにおいて、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度と、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度と、の間の比率を算出する変化速度比率算出ステップと、前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度と、前記より遅い時刻を含む前記より長い期間での出力信号の変化速度と、の間の比率について、前記変化速度比率算出ステップにおいて算出した値と、前記変化速度比率算出ステップに先立ち決定した閾値と、の間の大小関係に基づいて、前記検出対象物質の濃度の増加に伴う前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度の飽和があるかどうかを判定する変化速度飽和判定ステップと、を順にコンピュータに実行させるための濃度検出プログラムである。

この構成によれば、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する濃度検出センサを用いて、検出対象物質の濃度が高いときでは、検出対象物質の濃度の検出に先立ち、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和を判定することができる。

また、本開示は、前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度と、前記より遅い時刻を含む前記より長い期間での出力信号の変化速度と、の間の比率について、前記変化速度比率算出ステップに先立ち決定した閾値は、前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度が飽和し始める前記検出対象物質の濃度での値であることを特徴とする濃度検出プログラムである。

この構成によれば、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する濃度検出センサを用いて、検出対象物質の濃度が高いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和を高精度で判定することができる。

また、本開示は、前記検出対象物質の濃度の増加に伴う前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度の飽和がないと判定されたときには、前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度と前記検出対象物質の濃度との間の関係を示す検量線に基づいて、又は、前記より遅い時刻を含む前記より長い期間での出力信号の変化速度と前記検出対象物質の濃度との間の関係を示す検量線に基づいて、前記検出対象物質の濃度を検出する濃度検出ステップを、前記変化速度飽和判定ステップの後に備えることを特徴とする濃度検出プログラムである。

この構成によれば、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する濃度検出センサを用いて、検出対象物質の濃度が低いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の不飽和の判定を受け、検出対象物質の濃度を検出することができる。

また、本開示は、前記検出対象物質の濃度の増加に伴う前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度の飽和があると判定されたときには、前記より早い時刻を含む前記より短い期間及び前記より遅い時刻を含む前記より長い期間での出力信号の変化速度の間の比率と前記検出対象物質の濃度との間の関係を示す検量線に基づいて、前記検出対象物質の濃度を検出する濃度検出ステップを、前記変化速度飽和判定ステップの後に備えることを特徴とする濃度検出プログラムである。

この構成によれば、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する濃度検出センサを用いて、検出対象物質の濃度が高いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和の判定を受け、検出対象物質の濃度を検出することができる。

また、本開示は、前記変化速度飽和判定ステップでは、前記より遅い時刻を含む前記より長い期間での出力信号の変化速度が、前記変化速度比率算出ステップに先立ち決定した閾値より小さいときには、前記検出対象物質の濃度の増加に伴う前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度の飽和があるかどうかの判定を中止することを特徴とする濃度検出プログラムである。

この構成によれば、検出対象物質の濃度が極度に低いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度がノイズを含むときには、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度と、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度と、の間の比率はその影響を受けるところ、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和の誤判定を高精度で防止することができる。

また、本開示は、前記検出対象物質は、抗原であり、前記反応物質は、抗体であることを特徴とする濃度検出プログラムである。

この構成によれば、抗原ダイレクト法を用いて、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和を判定することができ、抗原濃度を検出することができる。

また、本開示は、前記検出対象物質は、抗原であり、前記反応物質は、サンドイッチアッセイ法の１次抗体及び２次抗体であることを特徴とする濃度検出プログラムである。

この構成によれば、サンドイッチアッセイ法を用いて、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和を判定することができ、抗原濃度を検出することができる。

また、本開示は、前記濃度検出センサは、弾性表面波センサであることを特徴とする濃度検出プログラムである。

この構成によれば、弾性表面波センサを用いて、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和を判定することができ、検出対象物質の濃度を検出することができる。

また、本開示は、以上に記載の濃度検出プログラムを格納する濃度検出装置と、前記濃度検出センサと、を備えることを特徴とする濃度検出システムである。

この構成によれば、以上に記載の効果を有するシステムを構築することができる。

このように、本開示は、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する濃度検出センサを用いて、（１）検出対象物質の濃度が高いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和を判定すること、及び、（２）検出対象物質の濃度が高いときでも、検出対象物質の濃度を検出することができる。

抗原ダイレクト法による抗原濃度検出方法を示す図である。 サンドイッチアッセイ法による抗原濃度検出方法を示す図である。 一般的な濃度検出方法を示す図である。 従来技術の抗原濃度検出方法を示す図である。 従来技術の抗原濃度検出方法を示す図である。 従来技術の抗原濃度検出方法を示す図である。 本開示の濃度検出システムを示す図である。 本開示の濃度検出原理を示す図である。 本開示の検量線算出手順を示す図である。 本開示の検量線算出方法を示す図である。 本開示の検量線算出方法を示す図である。 本開示の濃度検出手順を示す図である。 本開示の抗原濃度検出方法を示す図である。 本開示の抗原濃度検出方法を示す図である。 本開示の抗原濃度検出方法を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

（本開示の濃度検出システム）
本実施形態では、サンドイッチアッセイ法による抗原濃度検出方法を説明するが、抗原ダイレクト法による抗原濃度検出方法及び一般的な濃度検出方法も同様である。

本開示の濃度検出システムを図７に示す。濃度検出システムＳは、弾性表面波センサ１−１、１−２及び濃度検出装置２を備える。弾性表面波センサ１−１は、検出領域１１−１、櫛形電極１２−１及び櫛形電極１３−１を備える。弾性表面波センサ１−２は、検出領域１１−２、櫛形電極１２−２及び櫛形電極１３−２を備える。濃度検出装置２は、変化速度比率算出部２１、変化速度飽和判定部２２及び濃度検出部２３を備え、図９及び図１２に示したプログラムをインストールされる。

弾性表面波センサ１−１は、濃度検出に用いられる。弾性表面波センサ１−２は、参照信号出力に用いられる。検出領域１１−１、１１−２は、サンドイッチアッセイ法の１次抗体ＡＢ１を固定する。櫛形電極１２−１、１３−１、１２−２、１３−２は、弾性表面波を送信／反射／受信する。基準物質は、検出領域１１−１、１１−２に予め負荷されることなく、検出対象物質の抗原ＡＧ及び反応物質のサンドイッチアッセイ法の２次抗体ＡＢ２が、検出領域１１−１に負荷されるが、検出領域１１−２に負荷されない。以下に、濃度検出装置２について説明する。

本開示の濃度検出原理を図８に示す。弾性表面波センサ１−１の出力信号（位相又は振幅。ここでは位相。）の時間変化は、図５に示したものと同様である。

ここで、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻のごく近傍からより早い時刻までの出力信号の位相変化速度でもよく、より早い時刻のごく近傍の出力信号の位相変化速度でもよい。図８では、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻のごく近傍から１．５秒後までの出力信号の位相変化速度である。そして、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻のごく近傍からより遅い時刻までの出力信号の位相変化速度でもよく、より遅い時刻からその後の長時間後の時刻までの出力信号の位相変化速度でもよい。図８では、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度は、負荷開始時刻のごく近傍から４．０秒後までの出力信号の位相変化速度である。

図８では、様々な検出対象物質の濃度において、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度と、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度と、をプロットした。すると、検出対象物質の濃度がある濃度より低いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度は、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度の約１．５倍にほぼ等しくなった。一方で、検出対象物質の濃度がある濃度より高いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度は、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度の約１．５倍より速くなった。

これは、検出対象物質の濃度がある濃度より高いときでは、検出対象物質の濃度がある濃度より低いときと比べて、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度が速い割には、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度が遅いことを反映している。つまり、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度の飽和があるときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度の飽和がないときと比べて、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度が速い割には、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度が遅いことを反映している。

そこで、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度と、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度と、の間の比率について、濃度検出段階において算出した値と、検量線算出段階において決定した閾値と、の間の大小関係に基づいて、検出対象物質の濃度の増加に伴うより早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和があるかどうかを判定する。

（本開示の検量線算出方法）
本開示の検量線算出手順を図９に示す。本開示の検量線算出方法を図１０及び図１１に示す。変化速度比率算出部２１は、様々な濃度Ｃにおいて、出力信号の時間変化（図５の様々な濃度でのデータを参照。）を取得する（ステップＳ１）。

変化速度比率算出部２１は、様々な濃度Ｃにおいて、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ）を算出する（ステップＳ２）。濃度検出部２３は、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ）と濃度Ｃとの間の関係を示す検量線（図１０の上段を参照。図６の上段と同様。）を算出して記憶しておく（ステップＳ３）。

図１０の上段では、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度Ｈ（Ｃ）は、抗原ＡＧの濃度Ｃが増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度Ｃと相関して増加するが、抗原ＡＧの濃度Ｃがさらに増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度Ｃと相関せず飽和／減少する。

変化速度比率算出部２１は、様々な濃度Ｃにおいて、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度Ｍ（Ｃ）を算出する（ステップＳ４）。濃度検出部２３は、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度Ｍ（Ｃ）と濃度Ｃとの間の関係を示す検量線（図１０の下段を参照。図６の下段と同様。）を算出して記憶しておく（ステップＳ５）。

図１０の下段では、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度Ｍ（Ｃ）は、抗原ＡＧの濃度Ｃが増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度Ｃと相関して増加するが、抗原ＡＧの濃度Ｃがさらに増加するに伴って、抗原ＡＧの濃度Ｃとあまり相関せず飽和する。

変化速度比率算出部２１は、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ）が飽和し始める濃度Ｃ_ｔｈ（図１０の上段を参照。）を検出する（ステップＳ６）。濃度検出部２３は、様々な濃度Ｃにおいて、Ｄ（Ｃ）＝Ｈ（Ｃ）−Ｍ（Ｃ）＊Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）を算出する（ステップＳ７）。濃度検出部２３は、Ｄ（Ｃ）と濃度Ｃとの間の関係を示す検量線（図１１を参照。）を算出して記憶しておく（ステップＳ８）。

図１０の上段では、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度Ｈ（Ｃ）について、飽和し始める抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｔｈは、直線的に変化する抗原ＡＧの濃度Ｃが低い領域と、直線的に変化する抗原ＡＧの濃度Ｃが高い領域と、の間の境界に設定される。

図１１では、Ｄ（Ｃ）＝Ｈ（Ｃ）−Ｍ（Ｃ）＊Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）について、抗原ＡＧの濃度Ｃが上記の閾値の濃度Ｃ_ｔｈに等しいときには、Ｄ（Ｃ）＝０であり、抗原ＡＧの濃度Ｃが上記の閾値の濃度Ｃ_ｔｈより低いときには、Ｄ（Ｃ）＜０であり、抗原ＡＧの濃度Ｃが上記の閾値の濃度Ｃ_ｔｈより高いときには、Ｄ（Ｃ）＞０である。なお、Ｄ（Ｃ）＝Ｈ（Ｃ）−Ｍ（Ｃ）＊Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）は、飽和反応の時定数τを反映している。

つまり、Ｈ（Ｃ）／Ｍ（Ｃ）及びＨ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）について、抗原ＡＧの濃度Ｃが上記の閾値の濃度Ｃ_ｔｈに等しいときには、Ｈ（Ｃ）／Ｍ（Ｃ）＝Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）であり、抗原ＡＧの濃度Ｃが上記の閾値の濃度Ｃ_ｔｈより低いときには、Ｈ（Ｃ）／Ｍ（Ｃ）＜Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）であり、抗原ＡＧの濃度Ｃが上記の閾値の濃度Ｃ_ｔｈより高いときには、Ｈ（Ｃ）／Ｍ（Ｃ）＞Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）である。

よって、Ｄ（Ｃ）＝Ｈ（Ｃ）−Ｍ（Ｃ）＊Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）、Ｈ（Ｃ）／Ｍ（Ｃ）及びＨ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）について、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度Ｈ（Ｃ）の飽和がないときでは、Ｄ（Ｃ）≦０、Ｈ（Ｃ）／Ｍ（Ｃ）≦Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）であり、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度Ｈ（Ｃ）の飽和があるときでは、Ｄ（Ｃ）＞０、Ｈ（Ｃ）／Ｍ（Ｃ）＞Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）である。

上記の閾値の濃度Ｃ_ｔｈは、図１０の上段に示した方法でなくても、抗原ＡＧの濃度Ｃの正常領域と異常領域との間の境界に設定されてもよい。ただし、上記の閾値の濃度Ｃ_ｔｈは、抗原ＡＧの低過ぎる濃度Ｃに設定しないことが望ましい。より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度Ｈ（Ｃ）の飽和有無を誤判定してしまうからである。そして、上記の閾値の濃度Ｃ_ｔｈは、抗原ＡＧの高過ぎる濃度Ｃに設定しないことが望ましい。より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度Ｈ（Ｃ）の測定精度を高くしにくいからである。

（本開示の濃度検出方法）
本開示の濃度検出手順を図１２に示す。本開示の抗原濃度検出方法を図１３から図１５までに示す。変化速度比率算出部２１は、未知の濃度Ｃ_ｕｎにおいて、出力信号の時間変化（図５の特定の濃度でのデータを参照。）を取得する（ステップＳ１１）。

変化速度比率算出部２１は、未知の濃度Ｃ_ｕｎにおいて、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）を算出する（ステップＳ１２）。変化速度比率算出部２１は、未知の濃度Ｃ_ｕｎにおいて、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度Ｍ（Ｃ_ｕｎ）を算出する（ステップＳ１３）。変化速度比率算出部２１は、未知の濃度Ｃ_ｕｎにおいて、Ｄ（Ｃ_ｕｎ）＝Ｈ（Ｃ_ｕｎ）−Ｍ（Ｃ_ｕｎ）＊Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）を算出する（ステップＳ１５）。ステップＳ１４については、後述する。

変化速度飽和判定部２２は、Ｄ（Ｃ_ｕｎ）＝Ｈ（Ｃ_ｕｎ）−Ｍ（Ｃ_ｕｎ）＊Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）≦０であるときには、つまり、Ｈ（Ｃ_ｕｎ）／Ｍ（Ｃ_ｕｎ）≦Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）であるときには（ステップＳ１６においてＹＥＳ）、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）が低濃度において飽和していないと判定する（ステップＳ１７）。

そして、濃度検出部２３は、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ）と濃度Ｃとの間の関係を示す検量線（図１０の上段を参照。）に基づいて、未知の濃度Ｃ_ｕｎを検出する（ステップＳ１８）。或いは、濃度検出部２３は、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度Ｍ（Ｃ）と濃度Ｃとの間の関係を示す検量線（図１０の下段を参照。）に基づいて、未知の濃度Ｃ_ｕｎを検出する（ステップＳ１８）。

図１３の上段では、変化速度飽和判定部２２は、Ｄ（Ｃ_ｕｎ）＝Ｈ（Ｃ_ｕｎ）−Ｍ（Ｃ_ｕｎ）＊Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）＜０であるため、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）が低い抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｕｎにおいて飽和していないと判定する。図１３の下段では、濃度検出部２３は、比較的高い抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｕｎを検出するために、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度Ｈ（Ｃ）と抗原ＡＧの濃度Ｃとの間の関係を示す検量線上の点（Ｃ_ｕｎ、Ｈ（Ｃ_ｕｎ））に基づいて、未知の抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｕｎを検出する。

図１４の上段では、変化速度飽和判定部２２は、Ｄ（Ｃ_ｕｎ）＝Ｈ（Ｃ_ｕｎ）−Ｍ（Ｃ_ｕｎ）＊Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）＜０であるため、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）が低い抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｕｎにおいて飽和していないと判定する。図１４の下段では、濃度検出部２３は、比較的低い抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｕｎを検出するために、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の位相変化速度Ｍ（Ｃ）と抗原ＡＧの濃度Ｃとの間の関係を示す検量線上の点（Ｃ_ｕｎ、Ｍ（Ｃ_ｕｎ））に基づいて、未知の抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｕｎを検出する。

なお、図１３の下段及び図１４の下段では、濃度検出部２３は、Ｄ（Ｃ）と抗原ＡＧの濃度Ｃとの間の関係を示す検量線に基づいて、未知の抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｕｎを検出していない。Ｄ（Ｃ）と抗原ＡＧの濃度Ｃとの間の関係を示す検量線（図１１を参照。）は、低い抗原ＡＧの濃度Ｃの領域において、単調変化していないからである。

変化速度飽和判定部２２は、Ｄ（Ｃ_ｕｎ）＝Ｈ（Ｃ_ｕｎ）−Ｍ（Ｃ_ｕｎ）＊Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）＞０であるときには、つまり、Ｈ（Ｃ_ｕｎ）／Ｍ（Ｃ_ｕｎ）＞Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）であるときには（ステップＳ１６においてＮＯ）、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）が高濃度において飽和していると判定する（ステップＳ１９）。

そして、濃度検出部２３は、Ｄ（Ｃ）と濃度Ｃとの間の関係を示す検量線（図１１を参照。）に基づいて、未知の濃度Ｃ_ｕｎを検出する（ステップＳ２０）。

図１５の上段では、変化速度飽和判定部２２は、Ｄ（Ｃ_ｕｎ）＝Ｈ（Ｃ_ｕｎ）−Ｍ（Ｃ_ｕｎ）＊Ｈ（Ｃ_ｔｈ）／Ｍ（Ｃ_ｔｈ）＞０であるため、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の位相変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）が高い抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｕｎにおいて飽和していると判定する。図１５の下段では、濃度検出部２３は、Ｄ（Ｃ）と抗原ＡＧの濃度Ｃとの間の関係を示す検量線上の点（Ｃ_ｕｎ、Ｄ（Ｃ_ｕｎ））に基づいて、未知の抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｕｎを検出する。

なお、図１５の下段では、濃度検出部２３は、Ｈ（Ｃ）又はＭ（Ｃ）と抗原ＡＧの濃度Ｃとの間の関係を示す検量線に基づいて、未知の抗原ＡＧの濃度Ｃ_ｕｎを検出していない。Ｈ（Ｃ）又はＭ（Ｃ）と抗原ＡＧの濃度Ｃとの間の関係を示す検量線（図１０を参照。）は、高い抗原ＡＧの濃度Ｃの領域において、飽和又は減少しているからである。

このように、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する弾性表面波センサを用いて、検出対象物質の濃度が高いときでは、検出対象物質の濃度の検出に先立ち、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和を判定することができる。

そして、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する弾性表面波センサを用いて、検出対象物質の濃度が低いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の不飽和の判定を受け、検出対象物質の濃度を検出することができる。

或いは、反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する弾性表面波センサを用いて、検出対象物質の濃度が高いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度の飽和の判定を受け、検出対象物質の濃度を検出することができる。

ステップＳ１４について、説明する。未知の濃度Ｃ_ｕｎが極度に低いときでは、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）がノイズを含むときには、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）と、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度Ｍ（Ｃ_ｕｎ）と、の間の比率Ｈ（Ｃ_ｕｎ）／Ｍ（Ｃ_ｕｎ）はその影響を受けるところ、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）の飽和の誤判定を生ずることがあり得る。

そこで、変化速度飽和判定部２２は、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度Ｍ（Ｃ_ｕｎ）が、ステップＳ１５に先立ち決定した閾値Ｍ_ｔｈ（例えば、図１０の下段に示した０．５ｄｅｇ／ｓ）より小さいときには（ステップＳ１４においてＹＥＳ）、検出対象物質の濃度Ｃの増加に伴うより早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）の飽和があるかどうかの判定を中止する。つまり、変化速度飽和判定部２２は、ステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１９の飽和判定処理を中止する。ただし、濃度検出部２３は、ステップＳ１８の濃度検出処理を実行してもよい。

一方で、変化速度飽和判定部２２は、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度Ｍ（Ｃ_ｕｎ）が、ステップＳ１５に先立ち決定した閾値Ｍ_ｔｈ（例えば、図１０の下段に示した０．５ｄｅｇ／ｓ）以上であるときには（ステップＳ１４においてＮＯ）、検出対象物質の濃度Ｃの増加に伴うより早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）の飽和があるかどうかの判定を実行する。つまり、変化速度飽和判定部２２は、ステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１９の飽和判定処理を実行する。そして、濃度検出部２３は、ステップＳ１８、Ｓ２０の濃度検出処理を実行する。

よって、未知の濃度Ｃ_ｕｎが極度に低いときでも、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度Ｈ（Ｃ_ｕｎ）の飽和の誤判定を高精度で防止することができる。

弾性表面波センサにおける本開示は、他の濃度検出センサにおいても適用できる。ここで、他の濃度検出センサとして、電極センサ、半導体センサ、受光センサ、感熱センサ、圧電センサ、サーミスタセンサ、カンチレバーセンサ、イオン感応性ＦＥＴセンサ及び水晶振動子センサ等がある。そして、出力信号として、物質変化、色変化、吸熱変化、発熱変化、質量変化、抵抗変化及び容量変化等を反映する電気信号等がある。

このように、本開示の濃度検出プログラム及び濃度検出システムは、弾性表面波センサ等を用いて、抗原ダイレクト法による抗原濃度検出方法、サンドイッチアッセイ法による抗原濃度検出方法及び一般的な濃度検出方法等において、適用することができる。

ＡＧ：抗原
ＡＢ：抗体
ＡＢ１：１次抗体
ＡＢ２：２次抗体
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３：化学物質
Ｓ：濃度検出システム
１、１−１、１−２：弾性表面波センサ
２：濃度検出装置
１１、１１−１、１１−２：検出領域
１２、１２−１、１２−２：櫛形電極
１３、１３−１、１３−２：櫛形電極
２１：変化速度比率算出部
２２：変化速度飽和判定部
２３：濃度検出部

Claims (9)

1. 反応物質との飽和反応を示す検出対象物質の濃度を検出する濃度検出センサにおいて、より早い時刻を含むより短い期間での出力信号の変化速度と、より遅い時刻を含むより長い期間での出力信号の変化速度と、の間の比率を算出する変化速度比率算出ステップと、
   前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度と、前記より遅い時刻を含む前記より長い期間での出力信号の変化速度と、の間の比率について、前記変化速度比率算出ステップにおいて算出した値と、前記変化速度比率算出ステップに先立ち決定した閾値と、の間の大小関係に基づいて、前記検出対象物質の濃度の増加に伴う前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度の飽和があるかどうかを判定する変化速度飽和判定ステップと、
   を順にコンピュータに実行させるための濃度検出プログラム。
2. 前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度と、前記より遅い時刻を含む前記より長い期間での出力信号の変化速度と、の間の比率について、前記変化速度比率算出ステップに先立ち決定した閾値は、前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度が飽和し始める前記検出対象物質の濃度での値である
   ことを特徴とする、請求項１に記載の濃度検出プログラム。
3. 前記検出対象物質の濃度の増加に伴う前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度の飽和がないと判定されたときには、前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度と前記検出対象物質の濃度との間の関係を示す検量線に基づいて、又は、前記より遅い時刻を含む前記より長い期間での出力信号の変化速度と前記検出対象物質の濃度との間の関係を示す検量線に基づいて、前記検出対象物質の濃度を検出する濃度検出ステップを、前記変化速度飽和判定ステップの後に備える
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の濃度検出プログラム。
4. 前記検出対象物質の濃度の増加に伴う前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度の飽和があると判定されたときには、前記より早い時刻を含む前記より短い期間及び前記より遅い時刻を含む前記より長い期間での出力信号の変化速度の間の比率と前記検出対象物質の濃度との間の関係を示す検量線に基づいて、前記検出対象物質の濃度を検出する濃度検出ステップを、前記変化速度飽和判定ステップの後に備える
   ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の濃度検出プログラム。
5. 前記変化速度飽和判定ステップでは、前記より遅い時刻を含む前記より長い期間での出力信号の変化速度が、前記変化速度比率算出ステップに先立ち決定した閾値より小さいときには、前記検出対象物質の濃度の増加に伴う前記より早い時刻を含む前記より短い期間での出力信号の変化速度の飽和があるかどうかの判定を中止する
   ことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の濃度検出プログラム。
6. 前記検出対象物質は、抗原であり、前記反応物質は、抗体である
   ことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の濃度検出プログラム。
7. 前記検出対象物質は、抗原であり、前記反応物質は、サンドイッチアッセイ法の１次抗体及び２次抗体である
   ことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の濃度検出プログラム。
8. 前記濃度検出センサは、弾性表面波センサである
   ことを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の濃度検出プログラム。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の濃度検出プログラムを格納する濃度検出装置と、前記濃度検出センサと、を備えることを特徴とする濃度検出システム。

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