JP2691267B2 - 検体測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、検体中の物質を定性的
又は定量的に検出する検体測定装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】特定の抗体或いは抗原と特異的に結合す
る抗原や抗体等の所謂免疫学的活性物質を検体中から検
出する方法としては、ラテックス粒子、ガラス粒子、セ
ラミック粒子、カオリン、カーボンブラック、赤血球等
の動物血液成分等のコロイド粒子等の担体粒子に免疫学
的活性物質を感作させ、その担体粒子を液体媒体中で検
体と反応させて、反応液中の担体粒子の凝集状態を検者
が肉眼で観察、確認することにより感作させた物質と特
異的に結合する物質を定性的に検出する方法がよく知ら
れている。また定量的検出としては、反応液を透明な検
査容器に注入し白色光等を照射して、その透過光、散乱
光等の強度の変化から免疫学的活性物質を定量的に検出
する方法が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例においては、凝集条件を一定にかつ再現性を保つ
ことが難しく、更には凝集状態を肉眼で判断する場合に
は定量性に乏しい検出しかできず、検出結果の精度、信
頼性を欠いている。また、凝集促進のために反応液を機
械的に振動させているので、装置の機構が複雑となり大
型化する。更に、透過光、散乱光等の強度の変化から定
量的に検出を行う方法は、定量精度が向上するものの、
反応後に２以上の時点で凝集状態を測定する必要がある
ため、検査時間が長くなるという課題を有している。

【０００４】本発明の目的は、簡素な構造で、短時間で
検体中の物質の高精度な定性的又は定量的検出が可能な
検体測定装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係る検体測定装置は、特定物質と特異的に
結合する物質を担持させた担体粒子と検体との反応液中
における該担体粒子の凝集の程度により、検体中の前記
特定物質の測定を行う装置であって、前記反応液を載せ
る櫛形電極を有する基板と、該櫛形電極に時間と共に変
動する電圧を印加する手段と、前記櫛形電極により特長
付けられた前記反応液の空間スペクトル分布を検出する
ことによって前記特定物質の測定を行う手段とを備えた
ことを特徴とする。

【０００６】

【作用】上述の構成を有する検体測定装置は、基板に反
応液を載せた状態で、櫛形電極に交流電圧を印加して反
応液の凝集を進行させ、反応液が載った櫛形電極の空間
スペクトルを検出して、その変化から検体中の物質の存
在を定性的又は定量的に検出する。

【０００７】

【実施例】本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明
する。

【０００８】図１は第１の実施例の構成図を示し、１は
サンプルプレートであり、不透明の不溶性微粒子にモノ
クローナル抗体等の免疫学的活性物質を担持させた担体
粒子と、検出すべき目的物質を液体媒体中で反応させた
反応液を載置するために設けられている。水平に設けら
れたこのサンプルプレート１に対向して、光軸上に半導
体レーザー光源２、コリメータレンズ３が配置され、サ
ンプルプレート１の透過光束を受光するために、サンプ
ルプレート１の背後の光軸上には、レンズ４、一次元Ｃ
ＣＤ等の光電素子５が配置されている。なお、サンプル
プレート１の位置はレンズ４の前側焦点面に一致し、光
電素子５はその後側焦点面に一致するように調整されて
いる。

【０００９】図２はサンプルプレート１の斜視図を示
し、サンプルプレート１はガラス等の透明部材の基板１
ａ上に、フォトリソグラフ工程によって不透明の櫛形電
極１ｂ、１ｃを交叉指型としたパターンがマスク転写さ
れ、エッチング、クロム蒸着により櫛形電極１ｂ、１ｃ
は対称的に作成されていて、これらの電極１ｂ、１ｃ間
はサンプルプレート１上で電気的にアイソレートされて
いる。各櫛形電極１ｂ、１ｃの電極間幅は例えば１００
μｍであり、電極そのものの幅は２０μｍで、合成され
た電極間隔は４０μｍ、合成された電極が作る格子ピッ
チｐは６０μｍとして、電極１ｂ、１ｃが配置されてい
て、その電極領域の大きさは照明レーザービームの径１
０ｍｍφよりも大きく、１辺が１２ｍｍ程度の正方形と
されている。そして、櫛形電極１ｂ、１ｃの並列方向に
光電素子５の長手方向が向けて配置されれている。

【００１０】一方、制御のためにコントローラ６が設け
られていて、このコントローラ６の出力はレーザードラ
イバ７を介して半導体レーザー光源２に接続され、また
コントローラ６の出力は交流発振器８を介すと共に、直
接的にも増幅器９に接続されており、増幅器９で電圧増
幅し周期的に変動する交流電圧を櫛形電極１ｂ、１ｃに
印加するように、増幅器９の出力はサンプルプレート１
の各櫛形電極１ｂ、１ｃに接続されている。更に、コン
トローラ６の出力はＣＣＤドライバ１０を介して光電素
子５に接続され、光電素子５の出力は波形処理回路１
１、Ａ／Ｄ変換器１２を介してコントローラ６に接続さ
れている。一方、コントローラ６の出力はディスプレイ
１３、キーボード１４、プリンタ１５、ディスクメモリ
１６、コントローラ６内部のＲＯＭ、ＲＡＭとは別に設
けられたＲＯＭ１７、ＲＡＭ１８にも接続されている。

【００１１】この実施例においては、担体粒子として
１．０μｍφのラテックス粒子を使用してその表面に免
疫学的活性物質を感作させ、水を主体とする液体媒体中
に分散させた試薬と検体とを混合した反応液を使用す
る。このラテックス粒子はカチオン、アニオン何れかの
イオン性を粒子表面に持つものが用いられる。この反応
液をサンプルプレート１の基板１ａ上に注入した状態
で、キーボード１４からの操作によって一定時間の凝集
促進及び測定が開始される。櫛型電極１ｂ、１ｃに交流
電圧が印加されると、反応液中のイオン性物質、例えば
イオン性を表面に持ったラテックス粒子や、その他の液
中のイオン等のイオン性物質は、電極１ｂ、１ｃ間に印
加される交流電圧に応じて振動し、その結果として凝集
が促進される。しかも、交流電圧及びその印加時間を一
定にしておけば、反応液の凝集条件をほぼ一定に揃える
ことができる。なお、印加する電圧は時間と共に変動す
る電圧であればよく、例えば交流電圧の代りにパルス電
圧を印加するようにしてもよい。

【００１２】半導体レーザー光源２からの光束はコリメ
ータレンズ３によって平行光とされた後にサンプルプレ
ート１に照射され、その透過光束はレンズ４によって光
電素子５上に結像される。サンプルプレート１には不透
明の櫛形電極１ｂ、１ｃによって略周期構造が形成され
ており、レンズ４の前側焦点面にサンプルプレート１が
配置され、後側焦点面に光電素子５がそれぞれ配置され
ているので、光電素子５上の像によってサンプルプレー
ト１の空間スペクトルを得ることができる。

【００１３】図３はサンプルプレート１の櫛形電極１
ｂ、１ｃと凝集粒子群の状態及び光電素子５上から得ら
れる空間スペクトルの説明図である。図３(a)は反応液
が注入されていない状態の櫛形電極１ｂ、１ｃを示し、
この場合には櫛形電極１ｂ、１ｃによって略周期構造が
形成されているだけであって、図３(e) に示すように光
電素子５上の空間スペクトルはその格子ピッチｄに対応
した基本周波数成分foのみとなる。実際には、櫛形電極
１ｂ、１ｃは矩形状の振幅格子となるので、周波数foの
高調波成分も微弱ながら含み、また格子のデューティ、
即ち電極幅と電極間隔とが等しくないために、その高調
波成分が変調された空間スペクトルとなるが、これらの
影響は軽微であるのでここでの説明では無視する。

【００１４】このサンプルプレート１上の試薬に検体を
注入すると、検体注入直後には凝集が進行していないの
で、図３(a) 、(e) に示す状態と見做すことができる。
ただし、実際にはサンプルプレート１上には１．０μｍ
φ程度の担体粒子が分散していて、これによってレーザ
ービームが散乱されるから、空間スペクトルにはブロー
ドで低いレベルのホワイトノイズが重畳されているが、
図３(e) では省略している。

【００１５】次に、櫛形電極１ｂ、１ｃ間に、コントロ
ーラ６の指令により発振器によって増幅器９を介してゼ
ロクロスの正弦波の交流電界を発生させると、担体粒子
は正に帯電しているので反応液Ｌが振動されて凝集が進
行する。図３(b) は一定時間反応液Ｌを振動して凝集を
進行させた後に櫛形電極１ｂに負電圧、櫛形電極１ｃに
正電圧を印加して、凝集粒子群Ｇを櫛形電極１ｂに引き
寄せた状態を示している。この状態では、不透明な凝集
粒子群Ｇは櫛形電極１ｂに一様に引き寄せられるので、
その空間スペクトルは実質的に櫛形電極１ｂの電極幅が
大きくなった場合と同様となり、図３(f) に示すように
櫛形電極１ｂの電極ピッチ２ｄに対応する周波数成分Fo
／２が現れる。

【００１６】次に、図３(b) の状態から印加電圧を徐々
に下げて零にすると、図３(c) に示すように周波数成分
foの他に、凝集粒子群Ｇは櫛形電極１ｂ、１ｃの中間位
置に移動して、実質的に格子ピッチｄ／２の格子が生成
されたと見做すことができ、その際の空間スペクトルは
図３(g) に示すようになって、格子ピッチｄ／２に対応
する周波数成分２・foが現れる。

【００１７】櫛形電極１ｂに正電圧、櫛形電極１ｃに負
電圧をそれぞれ印加した場合には、図３(d) に示すよう
に凝集粒子群Ｇは櫛形電極１ｃに引き寄せられる。この
場合には、図３(b) の状態とは回折光の位相は異なるが
空間スペクトルは同様になるので、図３(h) に示すよう
に周波数成分fo／２が現れる。

【００１８】このように、櫛形電極１ｂ、１ｃに交流電
圧を印加することによって電気的に担体粒子を振動させ
て凝集を進行させることができ、その櫛形電極１ｂ、１
ｃに印加する電圧によって、凝集粒子群Ｇの位置を制御
してその空間スペクトルを得ることができる。免疫学的
活性物質の性質及び量によって、生成される凝集粒子群
Ｇの大きさ、量が異なってくるので、空間スペクトルの
特に周波数成分fo、fo／２、２・foのレベルに注目すれ
ば、所望の免疫学的活性物質の存在の定性的又は定量的
検出を行うことができる。実際の検出においては、予め
用意した参照データとの比較によって行うが、最も単純
に計算する場合には基準となる図３(e)に示す空間スペ
クトルからの変化分用いてデータ比較すればよく、図３
(b) 〜(d) に示す状態で測定した空間スペクトルから、
図３(e) の空間スペクトルを減算すれば、凝集粒子群Ｇ
の空間スペクトルへの寄与が得られる。

【００１９】なお、サンプルプレート１の櫛形電極１
ｂ、１ｃは、図２のＡ−Ｂ方向に略周期構造となってい
るので、光電素子５上での空間スペクトルは光軸５上で
の空間スペクトルは光軸に関してＡＢ方向で略線対称と
なる。従って、光電素子５は一次元で光軸を含む略片側
のスペクトル分布のみを検出するだけで十分であり、素
子数を少なくすることによって、高速の読み出しが可能
となる。また、素子数が少ないと露光時間を長くできる
のでＳ／Ｎ比も向上し、更に１素子当りの大きさ、即ち
スペクトル分布の空間サンプリング周波数を小さくして
分解能も向上でき、構成価格も安価になる。

【００２０】この実施例においては、櫛形電極１ｂ、１
ｃは不透明のクロムパターンとしているが、金、アルミ
ニウム等の金属で代用することができ、光学的にコント
ラストの高い振幅型格子となる。また、櫛形電極１ｂ、
１ｃをＩＴＯ等の透明材質で形成することが可能であ
り、この場合には空間スペクトル中の櫛形電極１ｂ、１
ｃの寄与による成分を除去できる。即ち、図３(b) 、
(c) 、(d) に示す状態の空間スペクトルは、それぞれ第
４図(a)、(b) 、(c) に示すようになるので、凝集粒子
群Ｇの周波数成分のみを検出して、Ｓ／Ｎ比、検出精度
を向上することができる。

【００２１】実際には、サンプルプレート１のガラス基
板１ａの屈折率は約１．５、ＩＴＯの屈折率は約１．９
であるので、反応液がない状態ではサンプルプレート１
は両者の屈折率差と櫛形電極１ｂ、１ｃの厚みの積に比
例した位相差を含む位相型格子となり、また反応液を注
入するとその反応液とＩＴＯの屈折率に差がある場合に
は、その両者の屈折率差と櫛形電極１ｂ、１ｃの厚みの
積に比例した位相差を含む位相型格子となる。位相の変
調の程度にも依存するが、フーリエ変換レンズのＮＡが
大きい場合には、位相格子のスペクトル強度は小さく問
題とはならない。ただし、本実施例の効果を十分引き出
すには、透明の櫛形電極１ｂ、１ｃの屈折率に対応した
反応液の媒体を選択することが望ましい。

【００２２】次に、装置全体の制御方法について説明す
る。図１において、キーボード１４の操作によって測定
開始信号がコントローラ６に入力されると、キーボード
１４、ディスクメモリ１６、ＲＯＭ１７、ＲＡＭ１８の
何れかより、検出対象の検体、使用した担体粒子の情報
として担体粒子の粒子径、帯電状態、屈折率、吸収率等
の光学的性質、濃度、最適交流周波数、電圧振幅、印加
時間等のテーブル、及びサンプルプレート１の情報とし
て電極１ｂ、１ｃ間の構造、基板材質、抵抗、静電容
量、共振周波数等のデータがコントローラ６に入力さ
れ、ここでこれらの情報から最適な測定条件が決定され
る。そして、この測定条件に従った交流電圧の周波数、
振幅は印加時間等に基づいて、コントローラ６が発振器
８、増幅器９を制御してその交流電圧を櫛形電極１ｂ、
１ｃ間に印加し、一方ではレーザードライバ７を制御し
て最適なレーザー光量を、更にはＣＣＤドライバ１０を
制御して光電素子５の露光時間を調節することになる。

【００２３】光電素子５上に投影された格子像の空間ス
ペクトルの分布は、ＣＣＤドライバ１０によって制御さ
れる光電素子５によって時系列電気信号に変換され、波
形処理回路１１で補正等が行われた後に、Ａ／Ｄ変換器
１２を経てコントローラ６に取り込まれて、そこで定性
的、定量的な検出が行われ、その結果はディスプレイ１
３、プリンタ１５、ディスクメモリ１６、ＲＡＭ１８等
に出力される。なお、通信機能を用いて外部とデータの
受送信をしてもよい。

【００２４】波形処理回路１１では、光電素子５からの
出力に対してサンプルホールド、フィルタリング、必要
に応じて光電素子５の感度補正、暗出力補正、光学系の
シェーディング補正を行っている。コントローラ６でＡ
／Ｄ変換器１２からの出力データを検査して、必要に応
じて半導体レーザー光源２のレーザー光量、光電素子５
の露光時間を変更して再測定を行うようにしておくとよ
く、コントローラ６と増幅器９との間に別のＤ／Ａ変換
器を接続してもよい。

【００２５】なお測定方法としては、一定時間、一定条
件でサンプルプレート１によって振動した後の測定の他
に、振動、凝集時間間隔を細分割して、その都度測定を
繰り返すことによって、時間変化、疑似過渡応答を測定
してもよく、凝集過程に特長のある免疫学的活性物質の
検出に対応することが可能であり、これについては後述
する。

【００２６】さて、図５は上述の実施例を変形した第２
の実施例の要部構成図を示し、図１と同一の符号は同一
の部材を示している。この実施例においては、第１の実
施例で使用した光電素子５の代りに、４個の分割ＰＩＮ
フォトダイオードから成るセンサセル１９ａ〜１９ｄを
同一のパッケージに入れた分割センサ１９がレンズ４の
後側焦点位置に配置されており、分割センサ１９の出力
は増幅器２０に接続され、増幅器２０の出力はＡ／Ｄ変
換器２１に接続され、Ａ／Ｄ変換器２１の出力はコント
ローラ６に接続されている。また、コントローラ６の出
力はＤ／Ａ変換器２２を介して増幅器９に接続されてお
り、他の回路構成は第１の実施例と同様であって図示を
省略している。

【００２７】センサ１９ａは零次回折光束を検出する位
置に配置され、各センサセル１９ｂ、１９ｃ、１９ｄは
前述した周波数成分２・fo、fo、fo／２を検出する位置
にそれぞれ配置されていて、各周波数成分の光強度のみ
を効率良く検出するようにされている。分割センサ１９
から出力された光強度に比例する電流は、増幅器２０で
電流／電圧変換、電圧振幅、フィルタリング等が行われ
た後に、Ａ／Ｄ変換器２１を介してコントローラ６に出
力しデータ処理を行う。

【００２８】この実施例においては、電極ピッチが異な
るサンプルプレート１の場合や、凝集状態が非常に異な
って空間スペクトル分布が変化してしまう場合には対応
できないが、必要な周波数成分の信号のみを効率良く検
出するので、装置の構成、信号処理が簡単になる。な
お、必要に応じて分割センサ１９の前方にアパーチャ、
ピンホール等を設けて、検出スペクトル範囲の選択性を
向上させることも可能である。

【００２９】さて以上の実施例は、櫛形電極に一定時
間、一定状態の交流電圧を印加して凝集条件を一定に保
ち、その後の平衡状態又は準平衡状態における凝集状態
の検出を直流電圧を印加した静的状態で光学的検出を行
うものである。これに対して、凝集の過渡応答の変化を
把えて動的な検体測定を行う第３の実施例を以下に説明
する。なお、図面はこれまでのものを利用する。

【００３０】図１において、凝集を促進させるためコン
トローラ６の指令により交流発振器８の正弦波出力を、
増幅器９を介してサンプルプレート１の櫛形電極に印加
する。電圧印加直後の凝集反応が未だ始まらない状態で
は、サンプルプレート１の状態は図３(a) に示すよう
に、また光電素子５により得られる空間スペクトルは図
３(e) に示すようになる。凝集反応が進み始めると、正
弦波電圧の各位相π／２、π、３π／２、πにそれぞれ
対応して、図３(b) 、(c) 、(d) 、(b) の状態が現れ
る。ここで、凝集粒子群Ｇの光学的濃度は時間経過と共
に増大するため、正弦波の各位相における図３(f) 、
(g) 、(h) 、(f) の空間スペクトルのピーク値が上昇し
てゆく。

【００３１】この変化を把えるために、本実施例では交
流発振器８の正弦波の各位相に同期して光電素子５の出
力を取り込む。或いは正弦波に同期して、取り込むべき
位相で光源２をパルス発光させる込んだデータを評価す
ることによって、凝集反応の過渡応答を測定することが
できる。

【００３２】具体的には、例えば正弦波の位相３π／２
に対応した空間スペクトルの様子を示す図３(g) の周波
数２f₀のピークを、時間的にトレースすることにより得
られる過渡応答曲線の傾きや変曲点の評価、或いは単純
に閾値評価を行うことにより、検体測定の時間短縮、過
渡応答特性による検体測定の確度の向上を図ることが可
能となる。また、正弦波の複数の位相状態でのスペクト
ルの過渡応答を評価し、総合的な判断により検体測定の
信頼性を向上させることも可能である。なお、同定した
スペクトルの過渡応答を評価するのであれば、図５に示
す検体測定装置の構成でも可能である。

【００３３】以上は櫛形電極に印加する正弦波の交流電
圧の周波数や振幅等が一定である場合の説明であるが、
本発明はこの条件に限定されるものではない。即ち、過
渡応答特性を評価するため、その応答特性に応じて印加
する正弦波電圧の周波数、位相、振幅を変化或いは変調
し、凝集条件を実時間で制御するようにすれば非常に好
ましい。例えば、凝集反応の進み方が遅いと判断された
場合には、印加電圧の振幅及び／又は周波数を増大させ
ることにより凝集反応を促進させることができる。逆
に、凝集反応が早過ぎて過渡応答性の測定が難しいと判
断された場合は、印加電圧の振幅及び／又は周波数を減
少させればよい。

【００３４】また、複数の検体を分離したい場合には、
過渡応答特性の違いを評価することが有効である。その
際に、検体によって凝集粒子群Ｇの印加電圧に対する時
間周波数応答が異なる場合には、交流発振器８の出力を
繰り返しスウィープ波形としたり、或いは複数の周波数
を重畳した交流波形とすることにより、更に検体測定の
確度を向上させることができる。

【００３５】勿論検体粒子群Ｇの櫛形電極間の移動は印
加電圧は径に対しての応答遅延があり得るが、それは測
定の同期を補正することにより所望の空間スペクトルが
発生する状態で評価可能である。逆に、その遅延を過渡
応答特性の１つとして評価パラメータに加えることによ
り検体測定確度を向上させることも可能である。

【００３６】このように、本実施例は基板１ａに載せた
反応液を櫛形電極１ｂ、１ｃに印加した交流電圧によっ
て振動して凝集を促進させることができ、その印加電圧
及び印加時間を一定に揃えておくことにより、凝集条件
を一定に保つことができる。また、凝集促進終了後の反
応液が載った櫛形電極による空間スペクトルを検出し
て、その変化から検体中の免疫学的活性物質の存在を定
性的又は定量的に検出しているので、簡素な構造であっ
て、機械的な振動なしに電気的制御によって任意に凝集
を促進することができ、検査時間も短縮される。更に、
櫛形電極１ｂ、１ｃに印加する交流電圧を制御すること
によって、凝集粒子群の位置を任意に設定した状態で光
学的に空間スペクトルを得ることができるので、検出精
度も向上するという利点がある。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る検体測
定装置は、簡素な構造で、短時間に検体中の物質の高精
度な定性的又は定量的検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の構成図である。

【図２】サンプルプレートの斜視図である。

【図３】サンプルプレート上の凝集粒子群及び空間スペ
クトルの説明図である。

【図４】サンプルプレート上の凝集粒子群及び空間スペ
クトルの説明図である。

【図５】第２の実施例の構成図である。

【符号の説明】

１ サンプルプレート １ａ 基板 １ｂ、１ｃ 櫛型電極 ２ 半導体レーザー光源 ７ レーザードライバ ８ 発振器 ９ 増幅器 １０ ＣＣＤドライバ １１ 波形処理回路 １９ 分割センサ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 特定物質と特異的に結合する物質を担持
   させた担体粒子と検体との反応液中における該担体粒子
   の凝集の程度により、検体中の前記特定物質の測定を行
   う装置であって、前記反応液を載せる櫛形電極を有する
   基板と、該櫛形電極に時間と共に変動する電圧を印加す
   る手段と、前記櫛形電極により特長付けられた前記反応
   液の空間スペクトル分布を検出することによって前記特
   定物質の測定を行う手段とを備えたことを特徴とする検
   体測定装置。
2. 【請求項２】 前記特定物質と特異的に結合する物質は
   免疫学的活生物質とした請求項１に記載の検体測定装
   置。