JP3833955B2 - 光導波路型プロテインチップおよびプロテイン検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、検体溶液中のタンパク分子を検出するための光導波路型プロテインチップおよびプロテイン検出装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
酵素免疫法（ＥＬＩＳＡ法）では、透明なプラスチックで造られたマイクロプレートと呼ばれる容器の内壁に抗体を固定化して、検体溶液を注入しターゲットタンパク分子を抗体と反応させてタンパク分子の検出を行っている。この反応は、４℃で４時間程度費やされる。
【０００３】
タンパク分子を高感度で測定をするには、前記容器内壁の抗体と反応したターゲットタンパク分子に酵素で標識した二次抗体を反応させる。更に酵素で発色または蛍光を生じる色素を添加し吸光度もしくは蛍光強度を測定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のプロテインマイクロプレートは固定化された抗体とタンパク分子との反応時間が長いという問題があった。
【０００５】
本発明は、例えば血液のような検体溶液中のタンパク分子と抗体の反応時間の短縮化を図ることが可能でかつ、微量の検体溶液を用いても高感度でタンパク分子の検出が可能な光導波路型プロテインチップを提供しようとするものである。
【０００６】
本発明は、例えば血液のような複数の検体溶液中のタンパク分子を同時並列的に抗体と反応できると共に検出時間の短縮化と高感度化を図ることが可能なプロテイン検出装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光導波路型プロテインチップは、基板と、
前記基板表面に形成された第１光導波路層と、
前記第１光導波路層の両端部表面にそれぞれ形成されたグレーティングと、
前記グレーティングの間に位置する前記第１光導波路層上に形成され、この第１光導波路層より高屈折率で透明な導電材料からなり、前記第１光導波路層内を伝播する光のうち所定のモードの光のみが一方の端部から入射して全反射して伝播し、他方の端部から出射して再度前記第１光導波路層内に伝播する前記光と合成する第２光導波路層と、
前記第２光導波路層上に形成された抗体固定化膜と、
前記第１光導波路層を含む前記基板上に形成され、前記抗体固定化膜が位置する箇所に陥没したウエルを有する第１絶縁部材と、
前記第１絶縁部材上に一部が前記ウエルに近接するように形成され、前記第２光導波路層との間で電荷を発生させるための電極薄膜と
を具備したことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係るプロテイン検出装置は、基板と、前記基板表面に形成された複数の第１光導波路層と、前記各第１光導波路層の両端部表面にそれぞれ形成されたグレーティングと、前記グレーティングの間に位置する前記各第１光導波路層上にそれぞれ形成され、この第１光導波路層より高屈折率で透明な導電材料からなり、前記第１光導波路層内を伝播する光のうち所定のモードの光のみが一方の端部から入射して全反射して伝播し、他方の端部から出射して再度前記第１光導波路層内に伝播する前記光と合成する複数の第２光導波路層と、前記各第２光導波路層上にそれぞれ形成された複数の抗体固定化膜と、前記第１光導波路層を含む前記基板上に形成され、前記各抗体固定化膜が位置する箇所に陥没したウエルを有する第１絶縁部材と、前記第１絶縁部材上に一部が前記各ウエルにそれぞれ近接するように形成され、前記第２光導波路層との間で電荷を発生させるための複数の電極薄膜とを備えた光導波路型プロテインチップ；
前記プロテインチップの各第１光導波路層の一端にレーザ光を入射するためのレーザ素子；
前記プロテインチップの各第１光導波路層の他端から出射される光を受光する受光素子；および
前記プロテインチップとレーザ素子の間に配置されるポリゴンミラー；
を具備したことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光導波路型プロテインチップおよびプロテイン検出装置を図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は、この実施形態に用いられる光導波路型プロテインチップを示す平面図、図２は図１のII−II線に沿う断面図、図３は図１のIII−III線に沿う断面図である。
【００１１】
例えばガラスからなる基板１は、表面にこの基板１より高屈折率の複数、例えば４つの第１光導波路層２が互いに平行に形成されている。これらの第１光導波路２は、例えば３８０〜４００℃の硝酸カリウム溶融塩のようなイオン交換溶液に浸漬してカリウム、ナトリウム等の高屈折率元素をイオン交換することにより形成される。グレーティング３は、前記第１光導波路層２と同等もしくは高い屈折率を有し、前記各第１光導波路層２の両端部表面にそれぞれ形成されている。これらのグレーティング３は、例えばフォトレジスト、酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、ＧａＡｓにより作られる。
【００１２】
図２に示すように長さ方向の端部が傾斜した形状の複数、例えば４つの第２光導波路層４は、前記各第１光導波路層２より高い屈折率を有し、前記２つのグレーティング３の間に位置する前記各第１光導波路層２上にそれぞれ形成されている。これらの第２光導波路層４は、例えばＩＴＯまたは酸化錫などの透明な導電性材料から作られる。
【００１３】
複数、例えば４つの抗体固定化膜５は、前記第２光導波路４の平坦な表面にそれぞれ形成されている。これらの抗体固定化膜５は、例えばデキストリン、カルボキシル基を配したシランから作られる。
【００１４】
第１絶縁部材６は、前記各第１光導波路層２、各第２光導波路層４および各抗体固定化膜５を含む前記基板１上に形成され、前記各抗体固定化膜５が位置する箇所をそれぞれ陥没してウエル７を形成している。この第１絶縁部材６は、例えばフッ素を含むフォトレジストから作られる。具体的には、前記フォトレジストの溶液を前記各第１、第２の光導波路層２、４および前記各抗体固定化膜５を含む前記基板１上に塗布し、乾燥した後、露光、現像処理することにより図１に示す外形形状を有し、かつ前記各抗体固定化膜５が位置する箇所をそれぞれ陥没してウエル７を形成した第１絶縁部材６が作製される。
【００１５】
複数、例えば４つの電極薄膜８は、前記第１光導波路層２間に位置する前記第１絶縁部材６上に前記第１光導波路層２と平行して形成され、かつ中央付近に前記ウエル７の開口部近傍に延びる延出部９を有する。これらの電極薄膜８は、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ｔｉ等の金属から作られている。
【００１６】
例えばＡｕ，Ｐｔ，Ｔｉ等の金属からなる別の電極薄膜（参照電極）１０およびＡｇ／ＡｇＣｌ薄膜からなる標準電極１１は、前記基板１周辺に位置する前記第１絶縁部材６上に形成されている。すなわち、前記電極薄膜８、前記参照電極１０および前記標準電極１１により電気化学的な３極管構造を構成している。
【００１７】
例えば矩形板状の第２絶縁部材１２は、前記各ウエル７を含む前記第１絶縁部材６上に複数の前記第１光導波路２に対して直交する方向に形成されている。前記第２絶縁部材１２は、検体溶液を前記ウエル７に供給、排出するための供給孔１３、排出孔１４がそれぞれ各ウエル７毎に開口されている。
【００１８】
良熱伝導性被膜１５は、前記基板１裏面の光入射領域および光出射領域を除く部分に形成されている。この良熱伝導性被膜１５としては、例えば銅、アルミニウムのような金属被膜、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のようなセラミック被膜を挙げることができる。
【００１９】
次に、前述した光導波路型プロテインチップ１６を備えるプロテイン検出装置を図４を参照して説明する。
【００２０】
このプロテイン検出装置は、前記光導波路型プロテインチップ１６における複数の第１光導波路層２の一端が露出する一方の端面側（右端面側）に配置されたレーザ光を放出するためのレーザ素子（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）２１を備えている。このレーザ素子２１のレーザ光放出側には、コリメートレンズ２２、偏光板２３およびポリゴンミラー２４が順次配置されている。このポリゴンミラー２４に代えてガルバノミラーを用いてもよい。前記ポリゴンミラー２４のレーザ光放出側には、第１シリンダレンズ２５が前記プロテインチップ１６の右端面と平行になるように配置されている。第２シリンダレンズ２６は、前記プロテインチップ１６における複数の第１光導波路層２の他端が露出する他方の端面側（左端面側）に配置されている。第２シリンダレンズ２６のレーザ光放出側には、第２偏光板２７および受光素子２８が順次配置されている。
【００２１】
なお、前記プロテイン検出装置において前記光導波路型プロテインチップ１６は着脱可能でその配置位置には収納部（図示せず）が設けられている。
【００２２】
次に、前述した光導波路型プロテインチップおよびプロテイン検出装置の作用を説明する。
【００２３】
まず、オートサンプラーの針（図示せず）を光導波路型プロテインチップ１６の第２絶縁部材１２の各供給孔１３にそれぞれ挿入し、抗体をこれらオートサンプラーの針を通して４つのウエル７内に供給し、各ウエル７底部の抗体固定化膜５に固定化する。この場合、各抗体固定化膜５に固定化される抗体は同じでも、異なってもよい。
【００２４】
次いで、これらのオートサンプラーの針を取り去り、別のオートサンプラーの針（図示せず）を同様に前記第２絶縁部材１２の供給孔１３に挿入し、図５に示すように検体溶液である例えば血液２９をこれらオートサンプラーの針を通して前記各ウエル７内に供給することにより、ＥＬＩＳＡ法に従って各ウエル７内において血液中のタンパク分子を例えばカルボキシル基を配したシランコートのような抗体固定化膜５に固定化された抗体と反応させる。同時に、基準電極１１に例えば０．２〜０．３Ｖの電圧を印加することによって、複数、例えば４つの電極薄膜８と参照電極１０との間に電流が流れるため、前記各電極薄膜８の延出部９と導電性材料からなる第２光導電層４との間に電荷が発生する。このとき、前記血液中のタンパク分子はｐＨに応じて電荷を持っているため、そのタンパク分子は前記第２光導電層４に向けて、つまりこの第２光導電層４上に位置する抗体固定化膜５に向けて引き寄せられる。このため、各抗体固定化膜５に固定化される抗体と血液中のターゲットタンパク分子との反応が短時間でなされる。この反応において、前記基板１の裏面に良熱伝導性被膜１５を取り付けることによって、各ウエル７中の血液の温度を均一化することが可能になる。
【００２５】
反応後の光導波路型プロテインチップ１６を図４に示すプロテイン検出装置に組み込み、色素マーカの付いた二次抗体を図示しないオートサンプラーの針を通して前記各ウエル７内に供給して抗体固定化膜５で抗体と反応されたタンパク分子に対して色素マーカの付いたインターカレータを作用させて発色させる。
【００２６】
このような状態で、図４に示すようにレーザ素子２１から例えば波長６５０ｎｍのレーザ光をコリメートレンズ２２、偏光板２３を通して回転駆動するポリゴンミラー２４に放射させる。このとき、レーザ光はコリメートレンズ２２でコリメートされ、偏光板２３でＴＥ，ＴＭモードの光強度が同じになるように調節され、回転駆動するポリゴンミラー２４で反射されて前記プロテインチップ１３の４つの第１光導波路層２に向けて振り分けられる。振り分けられたレーザ光は、図５に示すように前記プロテインチップ１６の第１光導波路層２が位置する基板１裏面側に入射され、基板１を通してグレーティング３と第１光導波路層２の界面で屈折されてその第１光導波路層２を伝播される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光は、第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路層４との界面で２つのモード（ＴＭモード、ＴＥモード）に分割され、それら第１、第２の光導波路層２，４を伝播する。このとき、前記抗体固定化膜５で抗体とタンパク分子が反応され、発色されることに伴う変化（例えば吸光度変化）によってこの抗体固定化膜５直下の第２光導波路層４を伝播する光の強度が変化する。このように第１、第２の光導波路層２，４を伝播した光は、第２光導波路層４の反対側の端部においてそれら光導波路層２，４の界面で再び結合、干渉するため、前記第２光導波路層４を伝播する光の強度変化を増幅できる。その結果、前記抗体固定化膜５における抗体と血液中のタンパク分子との反応、色素マーキングによる発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化も第２シリンダレンズ２６および第２偏光板２７を通して受光素子２８で検出することが可能になる。また、このような検出操作は前記プロテインチップ１６の複数（４つ）の第１光導波路層２において同時、並列的になされ、タンパク分子が同定される。
【００２７】
以上、本発明の光導波路型プロテインチップによれば、各電極薄膜８の延出部９と導電性材料からなる第２光導電層４との間に電荷を発生させ、底部に抗体固定化膜５が位置する各ウエル７内の血液中のタンパク分子を前記第２光導電層４に向けて、つまりこの第２光導電層４上に位置する前記抗体固定化膜５に向けて引き寄せられことができるため、各抗体固定化膜５に固定化される抗体と血液中のターゲットタンパク分子との反応時間を著しく短縮化することができる。
【００２８】
また、前記基板１の裏面に良熱伝導性被膜１５を取り付けることによって、各ウエル７の検体溶液の温度を均一化することができ、より高精度の検出が可能になる。
【００２９】
一方、複数のチップユニットを有する図１〜図３に示すプ光導波路型ロテインチップ１６を図４に示すように組み込んだプロテイン検出装置によれば、プロテインチップ１６の各ウエル７内で検体溶液である血液中のタンパク分子を抗体と反応させ、発色反応後、各ウエル７の下方に位置する第１光導波路層２に光を入射させ、伝播途中で第２光導波路層４との界面で２つのモード（ＴＭモード、ＴＥモード）に分割、合流させ、第１光導波路層２から放出される光の透過光強度を測定することによって、前記各ウエル７内の血液中のタンパク分子を検出することができる。このため、血液を前記各ウエル７内に前記抗体固定化膜５表面より上方に位置する程度の少量供給するだけで、血液中のタンパク分子を検出することができる。その結果、従来のようにウエルの発色溶液の深さ方向に光を透過させる場合に比べて、検体溶液である血液、試薬の使用量を削減できる。しかも、前記ウエル７を有する第１絶縁部材６は例えばフッ素を含むフォトレジストをフォトリソグラフィ技術により形成でき、そのウエル寸法をミクロンオーダまで微細化すること可能である点からも、前記ウエル７に供給する血液量を著しく少なくできるため、血液の使用量を削減できる。
【００３０】
さらに、プロテインチップ１６を図４に示すように組み込んだプロテイン検出装置によれば複数の検体溶液のタンパク分子を高感度で同時並列的に同定化できると共に検出時間の短縮化を図ることができる。
【００３１】
なお、前述した実施形態ではウエル７下に抗体固定化膜５および第２光導波路層４が積層された第１光導波路層２を１チップユニットとし、このチップユニットを基板１に複数配列したが、１つのチップユニットのみを基板に配置してプロテインチップを構成してもよい。
【００３２】
前述した実施形態では、第２絶縁部材１２をその供給孔１３、排出孔１４が第１絶縁部材６の各ウエル７と連通するように設けたが、この第２絶縁部材を省略してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、例えば血液のような検体溶液中のタンパクと抗体の反応時間の短縮化を図ることが可能でかつ、微量の検体溶液を用いても高感度でタンパク分子の検出が可能な光導波路型プロテインチップを提供することができる。
【００３４】
また、本発明によれば例えば血液のような複数の検体溶液中のタンパク分子を同時並列的に抗体と反応できると共に検出時間の短縮化と高感度化を図ることが可能なプロテイン検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路型プロテインチップを示す平面図。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図。
【図３】図１のIII−III線に沿う断面図。
【図４】本発明のプロテイン検出装置を示す平面図。
【図５】本発明のプロテイン検出装置の作用を説明するための断面図。
【符号の説明】
１…基板、
２…第１光導波路層、
３…グレーティング、
４…第２光導波路層、
５…抗体固定化膜、
６…第１絶縁部材、
７…ウエル、
８…電極薄膜、
１２…第２絶縁部材、
１５…良熱伝導性被膜
１６…光導波路型プロテインチップ、
２１…レーザ素子、
２４…ポリゴンミラー、
２８…受光素子、
１９…検体溶液（血液）。

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板表面に形成された第１光導波路層と、
   前記第１光導波路層の両端部表面にそれぞれ形成されたグレーティングと、
   前記グレーティングの間に位置する前記第１光導波路層上に形成され、この第１光導波路層より高屈折率で透明な導電材料からなり、前記第１光導波路層内を伝播する光のうち所定のモードの光のみが一方の端部から入射して全反射して伝播し、他方の端部から出射して再度前記第１光導波路層内に伝播する前記光と合成する第２光導波路層と、
   前記第２光導波路層上に形成された抗体固定化膜と、
   前記第１光導波路層を含む前記基板上に形成され、前記抗体固定化膜が位置する箇所に陥没したウエルを有する第１絶縁部材と、
   前記第１絶縁部材上に一部が前記ウエルに近接するように形成され、前記第２光導波路層との間で電荷を発生させるための電極薄膜と
   を具備したことを特徴とする光導波路型プロテインチップ。
2. 前記第１光導波路層、前記グレーティング、前記第２光導波路層、前記抗体固定化膜、前記ウエルおよび前記電極薄膜を１チップユニットとし、このチップユニットを前記基板表面に前記第１光導波路層が互いに平行になるように形成したことを特徴とする請求項１記載の光導波路型プロテインチップ。
3. 前記第１絶縁部材は、フォトレジストからなり、このフォトレジストを前記基板に塗布、乾燥し、さらに露光、現像処理することにより所定の外形形状に加工されるとともに、前記ウエルが形成されることを特徴とする請求項１記載の光導波路型プロテインチップ。
4. 検体溶液を前記ウエルに供給、排出するための２つの孔が開口された第２絶縁部材は、さらに少なくとも前記ウエルを含む前記第１絶縁部材上に形成されることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路型プロテインチップ。
5. 良熱伝導性被膜は、前記基板裏面の所望部分にさらに形成されることを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載の光導波路型プロテインチップ。
6. 基板と、前記基板表面に形成された複数の第１光導波路層と、前記各第１光導波路層の両端部表面にそれぞれ形成されたグレーティングと、前記グレーティングの間に位置する前記各第１光導波路層上にそれぞれ形成され、この第１光導波路層より高屈折率で透明な導電材料からなり、前記第１光導波路層内を伝播する光のうち所定のモードの光のみが一方の端部から入射して全反射して伝播し、他方の端部から出射して再度前記第１光導波路層内に伝播する前記光と合成する複数の第２光導波路層と、前記各第２光導波路層上にそれぞれ形成された複数の抗体固定化膜と、前記第１光導波路層を含む前記基板上に形成され、前記各抗体固定化膜が位置する箇所に陥没したウエルを有する第１絶縁部材と、前記第１絶縁部材上に一部が前記各ウエルにそれぞれ近接するように形成され、前記第２光導波路層との間で電荷を発生させるための複数の電極薄膜とを備えた光導波路型プロテインチップ；
   前記プロテインチップの各第１光導波路層の一端にレーザ光を入射するためのレーザ素子；
   前記プロテインチップの各第１光導波路層の他端から出射される光を受光する受光素子；および
   前記プロテインチップとレーザ素子の間に配置されるポリゴンミラー；
   を具備したことを特徴とするプロテイン検出装置。

Images