JP3545524B2

JP3545524B2 - 生理活性物質を固定化した導電性磁気ビーズ

Info

Publication number: JP3545524B2
Application number: JP34294095A
Authority: JP
Inventors: 裕二宮原; 智晴梶山; 龍治田尾; 健二保田
Original assignee: Boehringer Mannheim GmbH
Current assignee: Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: JPH09184842A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体中の化学成分を分析する装置、特に医療用の高感度化学分析装置で使用される磁気ビーズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気化学発光を利用し、血清中の蛋白質を測定する装置がクリニカルケミストリー、第３７／９巻、１９９１年、第１５３４頁〜第１５３９頁（ＣｌｉｎｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，３７／９（１９９１），ｐｐ１５３４−１５３９）に記載されている。この装置では、磁気ビーズの表面で蛋白質を選択的に反応させ、発光試薬で標識した蛋白質を磁気ビーズの表面に導入し、金の作用電極（作用極）表面に捕捉して発光試薬を電気化学発光させている。
【０００３】
この装置で用いられている磁気ビーズは、ノルウェーのＤｙｎａｌ社から販売されているＤＹＮＡＢＥＡＤＳ（商品名）に代表されるように、電気絶縁材料であるポリスチレンに酸化鉄のような可磁化物質を分散させたものである。したがってポリスチレンが主成分であるので、上記磁気ビーズは全体として絶縁体である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、磁気ビーズ上に蛋白質を固定化し、発光試薬であるトリス（ビピリジル）ルテニウムを結合した抗体と反応させ、最終的に磁気ビーズ上にトリス（ビピリジル）ルテニウムを導入している。上記磁気ビーズは金の作用極上に磁石で捕捉され、作用極と対極の間に電流を流し、トリス（ビピリジル）ルテニウムと作用極を電気化学反応させる。トリス（ビピリジル）ルテニウムは作用極との間で電子の授受を行い、酸化又は還元される。この酸化、還元反応の過程でトリス（ビピリジル）ルテニウムが発光する。
【０００５】
上記従来の構成では磁気ビーズ表面の全面に結合したトリス（ビピリジル）ルテニウムのうち、作用極に接触するトリス（ビピリジル）ルテニウムのみが電気化学反応に関与して発光する。したがって、磁気ビーズ表面の一部のみしか発光しないため、トリス（ビピリジル）ルテニウムの利用効率が悪く、感度が低いという問題があった。
本発明は、磁気ビーズに固定化された、ほぼ全てのトリス（ビピリジル）ルテニウムを最大限に利用し、高感度に電気化学発光を放出する磁気ビーズを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、導電性を有する磁気粒子の表面に直接、又は電子がトンネル現象により透過できる程度に薄い絶縁膜を介して、生理活性物質を固定化し、生理活性物質にトリス（ビピリジル）ルテニウム又はその誘導体のような発光試薬を結合させることにより達成される。
【０００７】
生理活性物質の固定は、直接に、又はストレプトアビジン、ビオチン、グルタルアルデヒド、アルブミン、アミノ基を有するシランカップリング剤等の有機化合物、又はこれらの有機化合物を複数個組み合わせた複合体を介する結合によって行われる。
磁気粒子は鉄、コバルト、ニッケル、ガドリウム、テルビウム、ジスプロシウム、酸化鉄、二酸化クロム、チタニウム、ヴァナジウム、スカンジナビウム、ニオビウム、ジルコニウム、イットリウムの群から選択された１つの材料、又は前記群の中から選択された複数の材料を組み合わせた合金からなる。
【０００８】
生理活性物質は、抗体、酵素などの蛋白質、デオキシリボ核酸又は抗原、あるいはそれに発光試薬を結合させた複合体とすることができる。
試料中に含まれる、磁気ビーズに結合したトリス（ビピリジル）ルテニウム等の発光試薬は、磁石により作用極上に捕捉される。磁気ビーズは導電性を有し作用極から電子の授受が可能であるので、作用極と対極の間に電流を流すと、磁気ビーズ中に電流が流れ、磁気ビーズ表面に固定化されたすべての発光試薬は磁気ビーズとの間で電子の授受を行い、酸化又は還元され、その過程で発光する。したがって、磁気ビーズの表面全体から発光するため、従来技術に比べて発光強度が飛躍的に増大し、高感度測定を行うことが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
一般に金属を空気中に放置すると、その表面の金属原子に酸素が結び付き、表面酸化膜が形成される。この表面酸化膜は非常に薄く、これを完全に除去することは困難である。第１の金属の表面酸化膜と第２の金属を接触させ、第１及び第２の金属間に電圧を印加して上記酸化膜に電界を誘起させると、電子はトンネル効果により酸化膜を透過することができる。トンネル効果を起こすためには酸化膜の膜厚は１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下であることが必要であるが、上記酸化膜はこの要件を満たす。
【００１０】
本発明の第１の実施の形態として、この酸化膜を利用した磁気ビーズについて説明する。金属を材料とする微粒子は空気中では前述のようにその表面が酸化されている。この金属微粒子を水溶液中に浸し、表面酸化膜を水和化して表面に水和化物を形成させた。この水和化物と例えばガンマ−アミノプロピルトリエトキシシランのようなシランカップリング剤とを下式〔化１〕で表されるように反応させ、金属表面にアミノ基を導入した。
【００１１】
【化１】

【００１２】
ここで、Ｍは対象としている金属を表し、Ｍ−ＯＨはその水和化物を表す。またａ−ａ’で示した線は金属の表面であることを表し、Ｍ側が金属、ＯＨ側が水溶液である。
金属微粒子材料としては、強磁性又は常磁性を示し、かつ導電性を示す材料を使用することができ、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリウム、テルビウム、ジスプロシウム、酸化鉄、二酸化クロム、チタニウム、ヴァナジウム、スカンジナビウム、ニオビウム、ジルコニウム、イットリウム、又は上記材料を複数個組み合わせた合金を用いることができる。
【００１３】
この生成物をアルデヒド基などの官能基を有する化合物、例えば二官能性化合物であるグルタルアルデヒドと反応させ、下式〔化２〕に示すようにシッフ基により結合させて金属表面にアルデヒド基を導入した。
【００１４】
【化２】

【００１５】
〔化２〕に示したように、アミノ基はアルデヒド基と容易に反応して結合する。したがって、アミノ基を有する化合物を上記アルデヒド基末端とシッフ結合させ、金属表面に導入することができる。一般に蛋白質は複数個のアミノ酸が結合したものであり、少なくとも１個のアミノ基を有する。したがって、蛋白質のアミノ基を金属表面のアルデヒド基と下記〔化３〕に示すように反応させてシッフ基により結合させ、蛋白質を金属表面に導入した。
【００１６】
【化３】

【００１７】
ここで、アミノ基（ＮＨ_２−）が結合した楕円形のシンボルは蛋白質を表す。蛋白質とアルデヒド基を反応させるときにアルブミンを混入させると、蛋白質、アルブミン、及びグルタルアルデヒドが相互に架橋し、蛋白質を効率良く固定化することができる。
一方、ストレプトアビジン及びビオチンを用いても金属表面に生理活性物質を固定化することができる。ストレプトアビジンとビオチンは親和性が強く、容易に安定な複合体を形成する。まず、金属微粒子表面にストレプトアビジンを吸着させておく。蛋白質又はデオキシリボ核酸の一端にビオチンを結合させると、ストレプトアビジンとビオチンが複合体を形成して、金属微粒子表面に蛋白質又はデオキシリボ核酸を導入することができる。
【００１８】
なお、酵素等の蛋白質は金属表面に付着しやすい性質がある。この性質を利用して、生理活性物質を有機化合物を介さず金属微粒子の表面に物理的に直接固定することもできる。
以上のようにして表面に生理活性物質を固定化した金属微粒子の模式図を図１（ａ）に示す。金属微粒子１の表面に有機化合物のスぺーサー２を介して生理活性物質３が固定化されている。上記生理活性物質は、抗体、酵素、抗原、ホルモンリセプター、デオキシリボ核酸など特定の物質と特異的に複合体を形成するものである。例えば、金属微粒子表面に抗体が固定化されている場合、上記金属微粒子を抗原を含む溶液中に浸すと、図１（ｂ）に示すように金属表面で免疫反応が起こり、抗体−抗原の複合体が形成される。図中、４は抗原を表す。
【００１９】
金属表面に酵素、ホルモンリセプター、デオキシリボ核酸が固定化されている場合は、それぞれ基質、ホルモン、デオキシリボ核酸断片を含む溶液中で反応させることはもちろんである。
図１（ｂ）に示した、抗原４が固定化された金属微粒子１を、さらに発光試薬５でラベルした抗体３と反応させ、免疫反応を行わせると図１（ｃ）に示すように金属微粒子表面に発光試薬５を導入することができる。発光試薬にはトリス（ビピリジル）ルテニウム又はその誘導体を用いることができる。以上のように複数段階の反応を経て、最終的に発光試薬５を固定化した金属微粒子１を用いて生理活性物質の検出を行うことができる。
【００２０】
測定者は上に述べたすべての反応を最初から行う必要はなく、例えば、あらかじめ図１（ａ）に示した金属微粒子を作製して保管しておき、被測定物、例えば抗原４を測定するときに上記金属微粒子１を取り出して反応させればよい。
図２に、本発明の金属微粒子（磁気ビーズ）を用いた測定の概念を示す。本発明の金属微粒子１には、上述した方法で有機化合物を介して発光試薬が固定化されている。金属微粒子１は、溶液中で一様に懸濁、分散させる必要があるため、その直径は０．５μｍから１００μｍの範囲が望ましい。一方、金属微粒子の表面に固定化する有機化合物の大きさはせいぜい１０ｎｍ程度であるので、金属微粒子の直径に比べて著しく小さい。また、有機化合物のスぺーサーはフレキシブルであるため、図２に示したように任意の形状をとることができ、その先端に結合した発光試薬は金属微粒子表面に容易に接触することができる。
【００２１】
金属微粒子１は強磁性又は常磁性を示すので、金属電極６の裏側に永久磁石を配置して金属電極６の表面に捕捉した。金属電極６は溶液中に設置されており、上記溶液中には第２の金属電極が設けられている。金属電極６と第２の金属電極の間に適切な電圧を印加すると、２つの電極間に電流が流れる。金属微粒子１は強磁性又は常磁性を示し、かつ導電性を有するので、図２に示すように、金属電極６を流れてきた電子は、金属微粒子１の中を流れることができる。
【００２２】
金属微粒子１の表面には発光試薬が接触しているので、金属微粒子１の表面で発光試薬が電子と反応し、酸化又は還元される。発光を持続させるために、試料溶液中にトリプロピルアミンのような還元試薬を混合させておくと、上記発光試薬が酸化、還元される過程で約６２０ｎｍの波長の光を発光する。この発光は金属微粒子表面に吸着した発光試薬密度、すなわち金属微粒子表面に固定化した抗原濃度に依存するので、発光強度を測定することにより、抗原濃度を求めることができる。
【００２３】
本発明の第２の実施の形態を図３に示す。図１及び図２に示した第１の実施の形態の金属微粒子１の表面を絶縁材料の膜８で被覆し、上記絶縁膜の表面に、第１の実施の形態で示した方法と同様に有機化合物を介して発光試薬を固定化した。絶縁膜８の厚さは、電子がトンネル現象により透過できる程度に薄くする必要があり、１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下とする。
【００２４】
絶縁膜材料としては、第１の実施の形態に示した自然酸化膜の他に、ポリスチレンなどの高分子材料を用いることができる。ポリスチレンなどの高分子材料を適切な有機溶媒に溶解し、この溶液中に金属微粒子を浸し、引き上げたのち有機溶媒を蒸発させると高分子の薄膜が金属表面に均一に形成される。高分子材料の方が無機材料に比べて官能基の設計が容易なため、生理活性物質、発光試薬などの固定化が容易である。
【００２５】
図４に、本発明の磁気ビーズを用いて生理活性物質の濃度を測定する分析装置を示す。（ａ）図は斜視図、（ｂ）図は各部を分解した図、（ｃ）図は（ａ）図のｌ−ｌ’の線で切ったときの断面図を示す。
分析装置は、標準液、血清などが流れるフローセル部９と発光を検出する光検出器１０から構成されている。フローセル部９は、下部支持基板１１、スペーサー１２及び上部支持基板１３を液密に積層した構造である。標準液、血清などの液体試料は、上部支持基板１３に形成された一方のチューブ１４によりフローセル中に導入され、他方のチューブ１５により排出される。スペーサー１２には中央部が幅広く、周辺部が狭くなるように菱形状の溝１６が形成されている。周辺部の狭い部分がそれぞれチューブ１４及び１５の開口部に位置合わせされ、菱形状の溝１６が液体試料が流れる流路となる。
【００２６】
下部支持基板１１の表面には第１の金属電極１７が設けられており、この第１の金属電極１７の一部が液体試料と接触し、作用極として機能する。作用極１７を流れる電流信号は、リード線１８を介して外部測定回路に接続される。一方、上部支持基板１３には第２の金属電極１９が形成されており、この第２の金属電極１９の一部が液体試料と接触し、対極として機能する。対極１９の信号はリード線２０を介して外部測定回路に接続される。
【００２７】
抗体が固定化された本発明の導電性磁気ビーズを、他の場所に設置してある恒温槽中で、試料中の目的抗原続いてトリス（ビピリジル）ルテニウムなどの発光試薬を固定化した抗体と反応させ、導電性磁気ビーズ表面に発光試薬を導入する。上記混合溶液をチューブ１４によりフローセル中に導入し、永久磁石２１により第１の金属電極１７上に捕捉する。作用極１７と対極１９の間に所定の電圧を印加して電流を流すと、トリス（ビピリジル）ルテニウムと作用極が電気化学反応を起こし、トリス（ビピリジル）ルテニウムが発光する。上部支持基板１３にガラス、アクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネイトなどの透明材料を用いると、トリス（ビピリジル）ルテニウムから出射した光は上部支持基板１３を透過して光検出器１０に到達する。本発明の導電性磁気ビーズは、その表面全体から発光するので高感度測定に適している。
【００２８】
図５に、図４のフローセル部９を搭載した測定システムの例を示す。抗体が固定化された本発明の導電性磁気ビーズを他の場所に設置してある恒温槽中で、試料中の目的抗原続いてトリス（ビピリジル）ルテニウムなどの発光試薬を固定化した抗体と反応させ、導電性磁気ビーズ表面に発光試薬を導入する。上記混合溶液を試料２２とし、試料、試薬２３又は洗浄液２４をサンプリングプローブ２５及びポンプ２６により電気化学発光セル９に導入し、使用済み後は廃液ボトル２７に廃棄する。
【００２９】
電気化学発光セル９の下流には参照電極２８が設置されており、電気化学発光セル中の作用極及び対極とともにポテンシオスタット２９に信号線３０で接続され、３電極法のポーラログラム測定システムを構成する。試料がフローセル中の第１の金属電極を通過する際、永久磁石２１を下部支持基板１１の近傍に設置し、試料中の導電性磁気ビーズを第１の金属電極表面に捕捉する。この状態でトリプロピルアミンなどの還元試薬２３をフローセル中に導入し、第１及び第２の金属電極間に所定の電圧を印加すると、導電性磁気ビーズ表面に固定化されたトリス（ビピリジル）ルテニウムが約６２０ｎｍの光を発光する。
【００３０】
この発光を透明な上部支持基板１３を介して光検出器１０で検出する。光検出器からの信号は、信号線３１により増幅器又はホトンカウンター３２に接続され、ポテンシオスタット２９とともにコンピュータ３３に接続され、濃度計算などの演算処理が行なわれる。ポテンシオスタット２９による電流の印加、光検出器１０による信号のサンプリングは、相互に連携しあいながら一定の秩序にしたがってコンピュータ３３により制御される。この測定システムにより、複数の試料を連続して、迅速にかつ高感度に測定することができる。
【００３１】
本発明の効果を図９に示す。本発明の導電性磁気ビーズを用い、表面に甲状腺刺激ホルモン抗体を固定化し、甲状腺刺激ホルモン及び甲状腺刺激ホルモン抗体を介してトリス（ビピリジル）ルテニウムを導入した。図５の測定システムにおいて、光検出器に光電子増倍管、第１及び第２の金属電極に白金を用い、上記電極間に１．４Ｖの電圧を印加したときの光電子増倍管の出力の時間変化を示したものである。図中（ａ）は本発明の導電性磁気ビーズを用いたときの発光特性、（ｂ）は従来の絶縁性磁気ビーズを用いたときの発光特性である。本発明の導電性磁気ビーズを用いると、ビーズ全面から発光させることができるので、感度を飛躍的に増大させることができることが分かる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によると、磁気ビーズ表面に固定化されたすべての発光試薬は磁気ビーズとの間で電子の授受を行い、酸化又は還元され、その過程で発光する。したがって、磁気ビーズの表面全体から発光するため、従来技術に比べて発光強度が飛躍的に増大し、高感度測定を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導電性磁気ビーズの概略図。
【図２】金属微粒子を用いた測定の概念図。
【図３】絶縁膜を有する磁気ビーズの概略図。
【図４】測定セルの概略図。
【図５】測定システムの構成図。
【図６】磁気ビーズの発光特性を示す図。
【符号の説明】
１…金属微粒子、２…スぺーサー、３…生理活性物質、４…抗原、５…発光試薬、６…金属電極、８…絶縁膜、９…フローセル部、１０…光検出器、１１…下部支持基板、１２…スペーサー、１３…上部支持基板、１４…チューブ、１５…チューブ、１６…溝、１７…作用極、１８…リード線、１９…対極、２０…リード線、２１…磁石、２２…試料、２３…試薬、２４…洗浄液、２５…サンプリングプローブ、２６…ポンプ、２７…廃液ボトル、２８…参照電極、２９…ポテンシオスタット、３０…信号線、３１…信号線、３２…ホトンカウンタ、３３…コンピュータ

Claims

強磁性又は常磁性を示し、かつ導電性を有する粒体の表面に、薄い絶縁膜を設け、前記絶縁膜上に生理活性物質を直接に、又は有機化合物を介して結合させたことを特徴とする生理活性物質を固定化した導電性磁気ビーズ。
前記絶縁膜は酸化膜又は高分子膜であり、厚さが１００ｎｍ以下であってトンネル効果により電子が透過可能であることを特徴とする請求項１記載の生理活性物質を固定化した導電性磁気ビーズ。
前記粒体は鉄、コバルト、ニッケル、ガドリウム、テルビウム、ジスプロシウム、酸化鉄、二酸化クロム、チタニウム、ヴァナジウム、スカンジナビウム、ニオビウム、ジルコニウム、イットリウムの群から選択された１つの材料、又は前記群の中から選択された複数の材料を組み合わせた合金からなることを特徴とする請求項１又は２記載の生理活性物質を固定化した導電性磁気ビーズ。
前記生理活性物質は、抗体、酵素などの蛋白質、デオキシリボ核酸又は抗原であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の生理活性物質を固定化した導電性磁気ビーズ。
前記生理活性物質は、抗体、酵素などの蛋白質、デオキシリボ核酸又は抗原に、発光試薬を結合させた複合体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の生理活性物質を固定化した導電性磁気ビーズ。
前記発光試薬は、トリス（ビピリジル）ルテニウム又はその誘導体であることを特徴とする請求項５記載の生理活性物質を固定化した導電性磁気ビーズ。
前記有機化合物は、ストレプトアビジン、ビオチン、グルタルアルデヒド、アルブミン、アミノ基を有するシランカップリング剤、又はこれらの有機化合物を複数個組み合わせた複合体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の生理活性物質を固定化した導電性磁気ビーズ。
強磁性又は常磁性を示し、かつ導電性を有する粒体の表面に、薄い絶縁膜を設け、前記絶縁膜上に生理活性物質を直接に、又は有機化合物を介して結合させた構造を有し、金属電極と接触させて前記金属電極と前記粒体及び前記粒体と前記生理活性物質の発光試薬との間で電子が移動可能であり、発光試薬を酸化又は還元することができることを特徴とする生理活性物質を固定化した導電性磁気ビーズ。
請求項５〜８のいずれか１項に記載の生理活性物質を固定化した導電性磁気ビーズを作用極表面に捕捉し、前記作用極と対極との間に電圧を印加して、前記発光試薬の電気化学発光強度を測定することを特徴とする前記生理活性物質の濃度測定方法。