JP3881415B2

JP3881415B2 - 免疫分析装置

Info

Publication number: JP3881415B2
Application number: JP05587497A
Authority: JP
Inventors: 裕之富田; 裕二宮原; 智晴梶山
Original assignee: Roche Diagnostics GmbH
Current assignee: Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: JPH10253633A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光励起を生じる金属錯イオンを標識物質に用いて測定対象物質を定量する装置に係り、特に金属錯イオンで標識した測定対象物質濃度を測定する免疫分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
免疫分析(immunoassay）の分野では、測定対象分析物の存在及び濃度を同定するための技術として、吸光光度法，蛍光法，化学発光法及び電気化学発光法が用いられてきた。蛍光法は発熱以外の機構による光放射を取扱い、電気化学発光法は化学発光法に電気化学を融合した方法である。原理的には吸光光度法，蛍光法，（電気）化学発光法の順に高感度と言われている。辻章夫，菅野剛史編著の化学発光イムノアッセイ、ライフ・サイエンス（１９９２）参照。
【０００３】
化学発光法では、ルミノール，イソルミノール等に過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）を作用させて生じる発光を計測する方法が古くから採用されている。化学発光法は高感度かつダイナミックレンジが長いなどの利点を有しているが、発光の減衰が急速であり、精度が悪く、試薬が不安定であり、バックグランドが高いなどの欠点があった。この欠点は試薬の高純度化、装置の改良による精度の向上などで解消されつつあるが、原理的には解決されていない。この主要因はルミノール，イソルミノール等の従来利用されてきた標識物質が一端励起してから発光して基底状態に戻るまでの寿命が平均数１０ナノ秒と短い点である。
【０００４】
電気化学発光法では、電極反応を用いることで発光の同期をとることができ、精度の向上を図れる。この電気化学発光法を結合分析法（binding assay methodology)に適用することで低濃度のホルモン，薬物、その他の生物学的に有用な物質の定量が行われている。例えば結合分析法では、未知量の決定すべき対象分析物と、電気化学発光用標識分子を結合させた既知量の作用物質を含むサンプル混合物が形成される。この混合物は、標識分子を対象分析物に結合させるためにインキュベート（incubate）される。インキュベートの後、この混合サンプル混合物は結合成分(Ｂ成分；binding component）と非結合成分(Ｆ成分；free component)とに分離される。この結合成分は標識化された作用物質が分析物に結合したものであり、非結合成分は分析物に結合していない標識化された作用物質である。
【０００５】
近年、ルテニウム二価イオンを錯体中心に持つ、ルテニウム（II）トリスビピリジル錯体Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺を標識物質に用いた電気化学発光法が開発されている。Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺は、電気化学発光法で現在唯一実用化されている標識分子である。電気化学的方法で、Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺を励起させ、Ｒｕ(ｂｐｙ)₃ ^2+*を得る。このＲｕ(ｂｐｙ)₃ ^2+*は、早い系間交差を経てリン光を発する (Ｒｕ(ｂｐｙ)₃ ^2+*→Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²＋ｈν）。この発光量を光電子増倍管等で計測している。
【０００６】
また光化学の分野でも、上記電気化学発光法で用いられるようになった、
Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺を光励起物質に用いた研究が多く行われている。ケミストリー・レビュー９３（１９９３）光化学特集参照。Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺は、（１）励起効率及び発光効率が高く、かつ（２）励起状態の平均寿命が０.６マイクロ秒と長いという利点がある（インオーガニック・アンド・オーガノメタリック・フォトケミストリ１６８，１（１９７８）参照）。
【０００７】
この０.６マイクロ秒は、溶液中の化学反応のタイムスケール（数ナノセカンド以上）と比較して十分に長いため、溶液中に含まれる他の化学物質と反応させることができる。そこでＲｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺をＲｕ(ｂｐｙ)₃ ^2+*に光励起して、Ｒｕ(ｂｐｙ)₃ ^2+*を液相または固相中でメチルビオロゲン（methylviologen，ＭＶ²⁺）と反応させる（Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ^2+*＋ＭＶ²⁺→Ｒｕ(ｂｐｙ)₃ ³⁺＋ＭＶ⁺)ことで、光エネルギーを化学エネルギー（電子伝達）に変換させる研究がなされている（ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー１０２，5119(１９８０)，ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリ９４，８７４（1990），ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリ９６，２８７９（１９９２)参照)。
【０００８】
更に上記反応の結果生じたＲｕ（ｂｐｙ)₃ ³⁺にＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）を還元剤として作用させてＲｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺に戻すと、光照射を続けることでＲｕ(ｂｐｙ)₃ ^2+*＋ＭＶ²⁺の反応を繰り返し行うことができる（フォトインデュースト・エレクトロン・トランスファー・パートＡ・コンセプシャル・ベーシス，アムステルダムエルセビア（Elsevier）社発行（１９８８）の４０９ページ参照）。
【０００９】
また、磁性ビーズを用いて、標識物質と測定対象物質との結合部分と非結合部分とを分離する方法が、免疫分析法として広く用いられている。この磁性ビーズ法により低濃度の標識物質と測定対象物質との結合部分を効率良く、非結合部分から分離することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
蛍光法で測定可能な試料濃度Ｃ₁(mol／dm³）は、検出可能な蛍光強度をＦ、蛍光量子収率をφ、入射光の強さをＩ₀ 、モル吸光度をε、セル長さをｌ、四方に放出される蛍光の総量に対して実際に検出器の受光部に入る割合をＫとすると、化１で表すことができる。
【００１１】
【化１】
Ｃ₁＝Ｆ／（φ・Ｉ₀・ε・ｌ・Ｋ）（１）
一般的なＣ₁ は、光電子増倍管の検出光量を１００フォトン／秒としてＦに代入し、φ＝０.５，Ｉ₀＝１ｍＷ（＝２×１０¹⁵フォトン／秒），ε＝１０³ ，ｌ＝１cm，Ｋ＝０.０１とするとＣ₁＝１０^-14mol／dm³となる。化１よりＩ₀やＫを増大させることで検出感度を向上することができる。
【００１２】
一方、化学発光法で測定可能な試料濃度Ｃ₂(mol／dm³）は、検出可能な化学発光強度をＥ、蛍光量子収率をφ、分子１個から１個のフォトンを生じると仮定してＮ₀ をアボガドロ数とし、化学発光の総量に対して検出器の受光部に入る割合をＫとして化２で表すことができる。
【００１３】
【化２】
Ｃ₂＝Ｅ／（φ・Ｎ₀・Ｋ）（２）
一般的なＣ₂ は、光電子増倍管の検出光量を１００フォトン／秒としてＥに代入し、φ＝０.０１，Ｋ＝０.０１とするとＣ₂＝１０^-18mol／dm³となる。化２より化学発光法の利点は溶液中に化学発光を誘導する物質を多数加えておくことで、アボガドロ数を化２中のＮ₀ として使用できる点にあることが分かる。しかし、蛍光法と比較して一般にφの値が小さい。
【００１４】
電気化学発光法も基本的には上記化２と同一の式で定義できる。但し、電気化学発光法では発光の同期をとることで精度の向上を図れる。しかし従来の電気化学発光法による測定では、電極を有するという原理上の制約、並びに電極表面の電位分布を均一に保つという要請により、平板構造の電極が多用されている。そのため発光量を測定する際の立体角を大きくするために最適な円筒形状、あるいは球形状の測定セル形状を得ることが難しかった。
【００１５】
またＲｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺及びトリプロピルアミン等のアミン誘導還元剤を利用した電気化学発光法では、トリプロピルアミン濃度を過剰にしておくことで、バックグランド発光を一定に保つようにしているが、このトリプロピルアミンそのものが発光してしまう。このトリプロピルアミンは、電気化学発光法では、発光を生じるための引き金となる物質であり不可欠であるが、バックグランド発光の元となっていた。そして電場を印加するために溶液サンプルでの熱の発生や、電極表面での化学反応による構造材の劣化により、測定セルの寿命を長くすることが困難であった。
【００１６】
本発明では、蛍光法，化学発光法及び電気化学発光と同等或いはそれ以上の測定感度を有する測定法を開発し、かつ電気化学発光法の持つ上記３つの課題を解決することで、（１）測定感度の向上、および（２）測定セルの寿命の延長を行う。また、装置構成を簡単にすることで、装置の小型化を可能とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本測定方法で測定可能な試料濃度Ｃ₃(mol／dm³）は、吸光光度法等で検出可能なＦｅ²⁺濃度をＧ、蛍光量子収率をφ、入射光の強さをＩ₀ 、入射光の照射時間をτ、モル吸光度をε、セル長さをｌ、Ｆｅ³⁺の中で実際にＲｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺と反応するモル数をＮ（＝ａＮ₀ ，但しαは係数、Ｎ₀ はアボガドロ数）、光励起したＲｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺が光放出をしないでＦｅ³⁺と反応する確率をβとすると化３で表すことができる。
【００１８】
【化３】
Ｃ₃＝Ｇ／（φ・Ｉ₀ ・τ・ε・ｌ・Ｎ・β）（３）
吸光光度法を用いた場合のＧは、１ｎmol／ｌ（１０^-9mol／ｌ）程度である。本手法では、（１）入射光の強さＩ₀ や照射時間τを大きくでき、（２）溶液中のＦｅ³⁺の濃度を大きくすることでＮやβを大きくできるので原理的にＣ₃ を小さくすることができる。
【００１９】
前記のＲｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺は自然光領域（４５２ｎｍ）に光吸収極大をもち、光励起によってＲｕ（ｂｐｙ)₃ ^2+*となる。このＲｕ（ｂｐｙ)₃ ^2+*は化学的に酸化及び還元の両方とも受けやすい。特に、Ｆｅ³⁺とＲｕ(ｂｐｙ)₃ ^2+*は以下に示すように拡散律速（反応速度＝２.７×１０⁹Ｍ^-1ｓ^-1）で反応し、Ｆｅ²⁺となる。以下に反応の化学式を化４ないし化８に示す。
【００２０】
【化４】
Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺＋ｈν→Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ^2+* （４）
【００２１】
【化５】
Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ^2+*＋Ｆｅ³⁺→Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ³⁺＋Ｆｅ²⁺ （５）
（ｋ＝２.７×１０⁹Ｍ^-1ｓ^-1）
【００２２】
【化６】
Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ³⁺＋Ｆｅ²⁺→Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺＋Ｆｅ³⁺ （６）
（ｋ〜５×１０⁶Ｍ^-1ｓ^-1）（化５と比較してほとんど生じない）
【００２３】
【化７】
Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ^2+*＋Ｆｅ²⁺→Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ⁺＋Ｆｅ³⁺ （７）
（ｋ₂／ｋ₄〜１０⁵）（化５と比較してほとんど生じない）
【００２４】
【化８】
Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ³⁺＋Ｒｅｄ→Ｒｅｄ⁺＋Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺ （８）
上記の反応化８のＲｅｄはトリエタノールアミン，トリフェニルアミン，ジメチルアニリン，テトラメチルフェニレンジアミン，ジメトキシベンゼン，トリメトキシベンゼン，ジメトキシナフタレン等の還元剤物質を指す。なお上記の反応化５と化６の反応速度定数は、ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー９８，６５３６（１９７６）を参照することができる。また化７の反応についてはインオーガニック・アンド・オーガノメタリック・フォトケミストリ１６８，１（１９７８）を参照することができる。上記の一連の反応化４，化５，化８を繰り返すことにより、ほぼ不可逆的にＦｅ³⁺がＦｅ²⁺へと変化していく。この変化量は、Ｆｅ²⁺濃度を１、１０フェナントロリン法，ビピリジル法，ニトロソＲ塩法等の吸光光度法で求めることにより定量することができる。またキレート滴定法，ポーラログラフィー等を用いて求めることも可能である（日本化学会編，第４版実験化学講座１５「分析」，丸善（１９９１）参照）。
【００２５】
一方、前記のＦｅ³⁺とＲｕ(ｂｐｙ)₃ ^2+*の反応は、溶液の酸素含有量に大きく影響される。これは化９によりＲｕ(ｂｐｙ)₃ ^2+*が酸化されてしまうためである。
【００２６】
【化９】

この反応速度定数については、Ｃ−Ｔ．リン（Ｌｉｎ）他のジャーナル・オブ・ザ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー９８，６５３６（１９７６）を参照。しかし、Ｆｅ³⁺濃度を予め過剰とすることで酸素の影響を十分小さくすることが可能である。
【００２７】
なおペルオキソ二硫化イオン(Ｓ₂Ｏ₈ ^2-)による酸化反応に対してRu(bpy)₃ ²⁺を光触媒として用いた場合、前記反応化４にしたＲｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺の光励起反応により生じたＲｕ（ｂｐｙ)₃ ^2+*が、以下の化１０のようにＳ₂Ｏ₈ ^2- に作用する。
【００２８】
【化１０】
Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ^2+*＋Ｓ₂Ｏ₈ ^2-→ＳＯ₂ ^-＋ＳＯ₄ ^2- （１０）
この反応の反応速度は吸収光強度および照射光強度に比例して早くなることが知られている（ジャーナル・オブ・ザ・ケミカル・ソサエティー・ダルトン・トランザクション３５５(１９８５)参照）。従って、本測定装置に用いるＦｅ³⁺との反応化５も照射光強度に比例すると期待される。
【００２９】
本発明では前記課題を解決するために、Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺等の光励起する金属錯体を標識物質として測定対象物質と結合させ、その結合成分と非結合成分を磁性ビーズ法により分離した後、光照射により測定対象物質を含むサンプル液中に添加されたＦｅ³⁺をＦｅ²⁺へと変化させる。その結果不可逆的に生じたＦｅ²⁺を吸光光度法により定量することでサンプル液中の測定対象物質の定量を行う。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１に本測定で用いる化学反応サイクル図を示す。Ｒｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺が光励起によりＲｕ(ｂｐｙ)₃ ^2+*となった後、拡散律速の反応速度でＦｅ³⁺と不可逆的に反応しＲｕ(ｂｐｙ)₃ ³⁺となる。このＲｕ(ｂｐｙ)₃ ³⁺を還元剤物質で還元することによりＲｕ（ｂｐｙ)₃ ²⁺に戻すことで、上記光励起反応を繰り返し行う。この化学反応サイクルを反復することによりＦｅ²⁺濃度が増大するが、このＦｅ²⁺濃度を吸光光度法により定量する。
【００３１】
図２に本測定装置の基本構造図を示す。図２の１は吸光光度分析用光源、２はレンズ、３はフィルタ、４はシャッタである。この１から４により、測定セル８に光照射する。図２の５と６は磁気ビーズ捕捉用電磁石であり、磁気ビーズ法により、Ｂ／Ｆ分離を行う。また７は光励起用光源であり、金属錯イオンにより標識したサンプル液が入る測定セル８内で、図１に示したＦｅ³⁺→Ｆｅ²⁺の反応を進行させる。１，１０フェナントロリン法であれば５１０ナノメートルの波長を光源１とする。また図２の９はモノクロメータ、１０は光電子増倍管、１１はコントローラ・Ａ／Ｄコンバータ、１２はパーソナルコンピュータであり、これらは分析のための測定回路を構成する。
【００３２】
図３に連続測定する場合の測定手順例を示す。測定対象物質は本図の垂直手前方向から測定セル８内に注入され、本図の垂直奥方向から測定セル８外へ排出される。図３（ａ）では磁気ビーズ捕捉用電磁石と光励起用光源１５がスイッチオンになっており、測定セル８内では、Ｆｅ³⁺→Ｆｅ²⁺の反応が進行する。この光照射時間を長くすることで、Ｆｅ²⁺が蓄積され、測定感度が向上する。磁気ビーズ１３は壁面に沿って分布するため、光励起用光源１５が磁気ビーズ１３を一様に照射することができる。
【００３３】
図３（ａ）では、吸光分析を行わないので吸光分析用光源１４はスイッチオフされ、かつモノクロメータ９，光電子増倍管１０に至るまでのシャッター１６も閉じている。
【００３４】
図３（ｂ）では、同図（ａ）により生じたＦｅ²⁺イオンを吸光光度法により計測する様子を示している。生じたＦｅ²⁺イオンは磁性ビーズ１３と結合している標識分子近傍に多く存在するので、磁性ビーズ捕捉用電磁石１８のスイッチを切り、測定セル８を９０度回転することにより、吸光光度法用光源１７の光路上にＦｅ²⁺が分布するようにし、吸光光度法用試薬を加えて、撹拌等の操作を行った後、吸光光度法用光源１４のスイッチを入れ、Ｆｅ²⁺の分光を９から１０の検出回路により信号として出力させる。
【００３５】
図４に連続測定する場合の本測定装置の立体構造図を示す。本図の手前に吸光光度法用の測定回路を配置する（本図では省略）。測定セル８の上方向より、金属錯イオンにより標識したサンプル液２１が注入され、下方向より排出される。なおＤＮＡ等の生体高分子ではＦｅ²⁺，Ｆｅ³⁺イオンによる損傷が生じる可能性があるので、Ｆｅ³⁺イオンのサンプル液への添加は光照射直前に行う等の配慮を行うことが望ましい。
【００３６】
本発明の実施の形態の一つは、低濃度のホルモン，薬物、その他の生物学的に有用な物質を正確にかつ再現性良く測定することである。
【００３７】
更に、光吸収により励起した金属錯イオン等の標識物質が基底状態に戻る際の発光を速やかに酸化消光することにより、電気エネルギーを化学エネルギーに変換し、溶液中に予め含まれていた金属イオン等を変化させ、その金属イオン濃度変化を吸光光度法、或いはキレート滴定法，ポーラログラフィー等により測定することで金属錯イオンで標識した測定対象物質濃度を測定する方法は、その対象を問わず本発明に含まれる。この標識物が本発明に従ういずれかの実施例中で使用された場合には、他の分子、例えば、分析対象物及びその類似物、上に述べた結合相手と結合することのできる反応性成分、にリンクされることも本発明の範囲に含まれる。
【００３８】
本発明の実施例としては光励起用光源が可視光であることは有利な特長となるが、これが赤外光や紫外光，Ｘ線，マイクロ波等の可視光以外の電磁波であっても本発明に含まれる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の効果は、図１に示した反応サイクルを複数回反復させることにより、微量の標識物質を高感度かつ再現性良く定量することが可能となる点である。本発明では酵素・免疫分析に取り入れられている磁気ビーズ法によるＢ／Ｆ分離と、分光光度法とを組み合わせることで、生体試料中のホルモン，腫瘍マーカー，血中薬物，血中酵素，サイトカイン等の微量生体物質を再現性良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定で用いる化学反応サイクルの説明図。
【図２】本発明の一実施例の測定装置の基本構造を示すブロック図。
【図３】本発明の一実施例の連続測定方式の場合の測定手順の説明図。
【図４】本発明の一実施例の連続測定の場合の測定装置の要部斜視図。
【符号の説明】
１…吸光光度分析用光源、２…レンズ、３…シャッター、４…フィルタ、５…磁性ビーズ捕捉用電磁石（縦方向から図示）、６…磁性ビーズ捕捉用電磁石（横方向から図示）、７…光励起用光源、８…測定セル、９…モノクロメータ、１０…光電子増倍管、１１…コントローラ・Ａ／Ｄコンバータ、１２…パーソナルコンピュータ、１３…磁性ビーズ、１４…吸光光度分析用光源、１５…光励起用光源及び、磁性ビーズ捕捉用電磁石、１６…シャッター、２０…Ｆｅ²⁺の呈色光、２１…測定対象サンプル液。

Claims

少なくとも１個の光源，光励起する金属錯体，前記金属錯体を酸化する酸化剤、及び前記金属錯体を還元する還元剤を備え、金属錯体，金属錯体を酸化する酸化剤及び金属錯体を還元する還元剤の混合体に上記光源から光を照射し、光励起した金属錯体と酸化剤との、酸化還元反応を定量する手段を設け、
前記光励起する金属錯体として、トリス２，２′−ビピリジル−ルテニウム（ II ）錯体（Ｒｕ（ｂｐｙ） ₃ ²⁺ ）またはＲｕ，Ｏｓ，Ｅｕの錯体を用い、前記金属錯体を酸化する酸化剤にはＦｅ ³⁺ の金属イオンを、前記金属錯体を還元する還元剤として、トリエタノールアミン、トリフェニルアミン、ジメチルアニリン、テトラメチルフェニレンジアミン、ジメトキシベンゼン、トリメトキシベンゼン、ジメトキシナフタレンの還元剤を用いる免疫分析装置。
請求項１の光励起する金属錯体に抗原認識能力を有する分子を結合し、請求項１の酸化剤の濃度変化を測定することにより、抗原物質の濃度測定を行う免疫分析装置。
免疫分析におけるサンドイッチ法と磁気ビーズ法等の固相法を用いて、抗原物質の濃度測定を行う請求項２の免疫分析装置。