JP4131726B2 - 水素による化学発光の発生 - Google Patents
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Description
本発明は、発生期水素による化学発光種の提供を含む化学発光の発生方法に関する。具体的には本発明は、発光性金属錯体を標識基として用いてサンプル中の検体を検出する方法およびその方法に適切な装置に関する。
発光性金属錯体は、先行技術にて公知である。EP-A-0 178 450は、免疫学的に活性な物質に結合するルテニウム錯体を開示する。該ルテニウム錯体は、少なくとも2個の窒素含有へテロ環を有する3個の同一もしくは異なる、或いは二環式もしくは多環式の配位子を含み、これら配位子のうち少なくとも1個は水溶性を付与するSO3Hまたは-COOH等の少なくとも1個の基で置換されており、またこれらの配位子のうち少なくとも1個は-COOH等の少なくとも1個の反応性基で直接置換されているかまたはスペーサー基を介して置換されており、これらの配位子は窒素原子を介してルテニウムに結合している。
また電気化学発光検出法のための標識試薬として発光性金属錯体を使用することも公知である(例えば、EP-A-0 580 979, WO 87/06706, US 5,238,108 またはUS 5,310,687を参照のこと)。このような電気化学発光検出法は、金属錯体の中心原子、例えばルテニウムを、適切な測定装置内にて電子移動により励起したMLCT三重項状態へ変換することに基づいている。この励起状態から、禁制三重項-一重項遷移を介して基底状態に緩和され、光子が放出され得る。例えば、WO/90 05296, Leland and Powell, J. Electrochem. Soc. 137 (1990), 3127-3131; Blackburn et al., Clin. Chem. 37 (1991), 1534-1539を参照のこと。
化学発光の発生に対する文献に記載された反応機構は、トリプロピルアミン等のメディエーターをラジカルカチオンに酸化することを含む。このラジカルカチオンは、プロトンを失ってTPAラジカルとなる。次にTPAラジカルは、別の電子遷移により酸化金属錯体(例えばRu3+錯体)を光子放出可能なRu2+-MLCT三重項状態に変換する分子となる。
しかし、記載された機構は、いくつかの実験結果を説明することができない。したがって、この理論の流れは40-50％しか判明していない。さらに、電気化学発光の発生は、TPAおよび金属錯体の酸化剤としての電極の作用に基づいて、問題となるべきではない電極材料に非常に依存している。さらに、TPAラジカルが上記機構により形成される場合、溶液中で形成されるはずのTPA二量体もこれまで検出されてはいない。
そこで、金属錯体を用いる化学発光の発生に関してさらに検討した結果、意外にも、例えばリチウム/ブタノール/ H2SO4により発生させた発生期水素の存在下において、ルテニウム錯体が高い収率で化学発光を励起することが分かった。
これらの新たな知見に基いて、発生期水素を用いて酸化金属錯体を還元して化学発光可能な励起状態にすることを含んでなる、発光発生剤として金属錯体を用いて化学発光させる新たな方法を提供することが可能となる。この方法は特に、サンプル中の検体を検出するために用いることができ、従来法と比較して化学発光収率が改善され、および/または干渉に対する感受性が低減する。
したがって、本発明の第一の態様は、金属錯体の酸化、発生期水素による金属錯体の還元により化学発光可能な形態の金属錯体を形成させることを含んでなる、発光発生剤として発光性金属錯体を用いて化学発光させる方法である。
具体的には、本発明は、
(i)金属錯体を酸化する工程、および、
(ii)発生期水素により金属錯体を還元して、化学発光可能な形態の金属錯体を形成させる工程、
(iii)化学発光により検体を検出する工程、
により金属錯体を発光させる、標識基として発光性金属錯体を用いてサンプル中の検体を検出する方法に関する。
(i)金属錯体を酸化する工程、および、
(ii)発生期水素により金属錯体を還元して、化学発光可能な形態の金属錯体を形成させる工程、
(iii)化学発光により検体を検出する工程、
により金属錯体を発光させる、標識基として発光性金属錯体を用いてサンプル中の検体を検出する方法に関する。
本発明の他の態様は、
(i)金属錯体を酸化する手段、および、
(ii)発生期水素を発生させる手段、
を含む、発光発生剤として発光性金属錯体を用いて化学発光させる装置である。
(i)金属錯体を酸化する手段、および、
(ii)発生期水素を発生させる手段、
を含む、発光発生剤として発光性金属錯体を用いて化学発光させる装置である。
具体的には、
(i)金属錯体を酸化する手段、
(ii)発生期水素を発生する手段、および、
(iii)発光を検出する手段、
を含んでなる当該装置は、標識基として発光性金属錯体を用いてサンプル中の検体を検出するために用いることを意図している。
(i)金属錯体を酸化する手段、
(ii)発生期水素を発生する手段、および、
(iii)発光を検出する手段、
を含んでなる当該装置は、標識基として発光性金属錯体を用いてサンプル中の検体を検出するために用いることを意図している。
本発明の方法は、特に好ましくは、診断の分野における応用、即ちサンプル中で検体を検出することに用いる。例えば、本発明の方法は、例えば体液、組織サンプル等、または環境サンプル等のサンプル中での物理、化学、または生物化学パラメータを検出するために用いることができる。
検体の検出は、標識基として発光性金属錯体を有する検出試薬とサンプルを接触させることを含む。サンプルは、好ましくは、生物学的サンプルであり、液状で存在している。サンプルは、ヒト、動物または植物組織、体液、原核細胞または真核細胞培養物などから誘導され得る。
検出試薬は、生物学的物質、例えばビオチン、核酸、例えばオリゴヌクレオチド、DNA もしくは RNA、核酸類似体、例えばペプチド核酸など、抗体もしくは抗体断片、ペプチドもしくはポリペプチド抗原、即ち免疫反応性のポリペプチドもしくはハプテン、即ち分子量が150〜2000の有機分子と好適に結合する、標識基としての発光性金属錯体および、適宜、当業者に公知のその他の試薬を含む。
本発明の検出法の手法には、好ましくは、検出試薬をサンプル中に存在する検体と直接または間接的に反応させるためにサンプルを検出試薬とインキュベートさせることが含まれる。サンプル中の検体の存在または量は、標識基から発生する化学発光シグナルを基に定性および/または定量的に測定される。
本検出法は、均一アッセイ(すなわち化学発光を液相中で測定する)として行なうことができる。しかしながら、化学発光標識を固相上、例えば、磁気マイクロビーズなどの粒状固相上、例えば、ストレプトアビジン-被覆マイクロビーズまたはコロイド粒子上に固定する不均一試験を行なうことが好ましい。不均一試験を行なう場合、本発明の方法は、標識を固相上に固定し、その他のサンプル成分と分離させる、いわゆる捕獲および洗浄工程を含むことができる。
本発明の方法の好ましい特色は、一般式(I):
[M(L1L2L3)]n-Ym- (I)
[式中、
Mは希土類または遷移金属カチオンから選択される二価または三価の金属カチオンであり、
L1, L2および L3は同一または異なり、少なくとも2個の窒素含有へテロ環を含む配位子であって、
ここでL1, L2および L3は、窒素原子を介して金属カチオンに結合しており、
Yは、これら配位子のうちの1個に結合した結合基であり(これら配位子により錯体が、(a)生物学的物質に結合するかまたは(b)生物学的物質に結合し得る)、
mは1〜10、好ましくは1〜4、特に好ましくは1の整数であり、
nは1〜6、好ましくは1〜3、特に好ましくは1の整数である]
の構造を含む化学発光性金属錯体を用いることである。
[M(L1L2L3)]n-Ym- (I)
[式中、
Mは希土類または遷移金属カチオンから選択される二価または三価の金属カチオンであり、
L1, L2および L3は同一または異なり、少なくとも2個の窒素含有へテロ環を含む配位子であって、
ここでL1, L2および L3は、窒素原子を介して金属カチオンに結合しており、
Yは、これら配位子のうちの1個に結合した結合基であり(これら配位子により錯体が、(a)生物学的物質に結合するかまたは(b)生物学的物質に結合し得る)、
mは1〜10、好ましくは1〜4、特に好ましくは1の整数であり、
nは1〜6、好ましくは1〜3、特に好ましくは1の整数である]
の構造を含む化学発光性金属錯体を用いることである。
この錯体中の金属カチオンは、好ましくは、ルテニウム、オスミウム、レニウム、イリジウム、ロジウム、白金、インジウム、パラジウム、モリブデン、テクネチウム、銅、クロム、タングステン、イットリウムまたはルテチウムである。ルテニウム、イリジウム、レニウム、クロムおよびオスミウムが特に好ましい。ルテニウムが最も好ましい。錯体には、適宜、さらに、対イオン、例えば電荷中和のためのアニオンが含まれ得る。
配位子L1 , L2 およびL3 は、窒素含有ヘテロ環を少なくとも2つ含有する配位子が好ましい。ビピリジル、ビピラジル、テルピリジルおよびフェナントロリルなどの芳香族ヘテロ環が好ましい。配位子は、特に好ましくは、ビピリジン環系およびフェナントロリン環系から選ばれる。
特に好ましくは、例えば配位子のL1, L2 およびL3の結合基または別の置換基に共有結合している親水性基および／または電荷担体が、本発明の金属錯体中に存在する。このような親水性基または帯電した金属錯体は、例えばWO 96/03409およびWO 06/03410で公知である。本発明の理解において、「電荷担体」という用語は、pH値が6〜8の範囲で、主にイオン形態で存在している基を意味する。錯体は、好ましくは最大10個、特に好ましくは2〜8個のかかる電荷担体を含有する。
錯体には、特に好ましくは、少なくとも1個の負の電荷担体が含まれる。好適な負の電荷担体の例は、ホスフェート基、ホスホネート基、スルホネート基、およびカルボキシレート基であり、スルホネート基およびカルボキシレート基が最も好ましい。
また親水性基を含有する錯体も、本発明の方法に適している。好適な親水性基の例は、Ｃ2-Ｃ3-アルキレンオキシ単位、Ｃ2-Ｃ3-アルキレンチオ単位およびポリヒドロキシ単位である。
かかる金属錯体は、例えば、金属塩、例えば金属ハロゲン化物を反応させ、その後、適宜ハロゲン化物イオンをヘキサフルオロホスフェート、トリフルオロアセテートまたはテトラフルオロボレート基と交換することによる公知の方法にしたがって調製することができる。かかる方法は公知である。金属錯体は通常、少なくとも1個の金属錯体が生物学的物質と結合している当該生物学的物質との結合体の形態で本発明の方法に用いられる。好適な生物学的物質の例は、細胞、ウイルス、亜細胞粒子、タンパク質、リポ蛋白、糖蛋白、ペプチド、ポリペプチド、核酸、オリゴ糖、多糖類、リポ多糖類、細胞代謝物、ハプテン、ホルモン、薬理学的物質、アルカロイド類、ステロイド類、ビタミン類、アミノ酸および糖類である。
金属錯体は、生物学的物質の官能基と共有結合できる金属錯体上の反応性または活性化可能な官能基、例えばカルボン酸ハロゲン化物、カルボン酸無水物または活性エステル、例えばN-ヒドロキシスクシンイミドエステルまたはマレイミドなどにより生物学的物質と結合することが好ましい。官能基がカルボン酸無水物、カルボン酸ハロゲン化物または活性エステルである場合には、例えば、生物学的物質の遊離アミノ基と結合することができる。官能基がマレイミド残渣である場合には、生物学的物質の遊離SH基と結合することができる。生物学的物質の官能基も類似の方法で活性化することができ、その後これらの官能基は例えば金属錯体の遊離カルボン酸、アミノ基またはチオール基と反応することができる。
本発明の方法は、(i)金属錯体を酸化する工程、(ii)金属錯体を還元する工程を有する。金属錯体の中心元素の酸化は、電気化学的または化学的に起こり得る。電気化学的な酸化の場合、それぞれの金属イオンに対して十分なアノード電位を電極に印加する。Ru2+/Ru3+の遷移において、この電位は、Ag/AgCl基準電極と比較して、好ましくは少なくとも+1.2 V、特に好ましくは+1.2 V〜+1.4 Vである。或いは、金属錯体の中心原子を、化学的に酸化することもできる。好適な化学酸化剤の例は、PbO2、過マンガン酸塩、Cer4+化合物および/またはペルオキソ二硫酸塩である。
化学的酸化をする場合、その後の還元は、空間的および/または時間的に隔てられていることが好ましく、例えば、酸化を第1の反応チャンバーで行い、還元を第2の反応チャンバーで行なうように、2つの別個の反応チャンバー内でそれぞれ行なうことができる。還元する前に、例えば除去により、および/または、固相に結合させた標識基を用いる不均一試験の場合には、固相を洗浄することにより過剰の酸化剤を取り除くことが好ましい。或いは、過剰の酸化剤を、第3の物質により分解することもできる。
金属錯体の電気化学的酸化を行なう場合、発生期水素を還元工程中に発生させるおよび/または導入する単一のチャンバー内で本発明の方法を行なうことができる。
本発明の方法における還元工程には、化学発光の光子を放出することができる状態に酸化金属錯体を変換するために、発生期水素の発生が含まれる。還元効率を最大限にするためには、発生期水素を金属錯体の直接近傍に、具体的には、50nm以下の距離で形成させることが好ましい。発生期水素は、電気化学的に、化学的に、および/または超音波にて発生させることができる。発生期水素の電気化学的発生は、Ag/AgCl基準電極と比較して、-1.0V以下の電圧を印加することにより行なうことが好ましい。発生期水素は, Li/ブタノール/H2SO4、Zn-Cu/エタノールまたはZn/HClなどの公知の試薬を用いて化学的に発生させることができる。超音波による発生期水素の発生は、水素ラジカルを有機化合物、具体的にはアルキル化合物から引き離すまたは追い出すことにより行なうことが好ましい。この場合に、超音波のエネルギーは、0.1 - 10 MHzの範囲、特に好ましくは約1 MHzである (Suslick & Price, Annu. Rev. Mater. Sci 29 (1999), 295; Mizik & Ries, Ann. NY Acad. Sci 899 (2000), 335)。
本発明の方法の特に好ましい実施形態は、最初に金属錯体の化学的酸化、次いで、発生期水素を高濃度で提供する例えば電気化学セル内にて、発生期水素を電気化学的に発生させることを含む。好適な電気化学セルの例は、EP-A-0 658 760に記載されている。また、この実施形態においても、酸化および発生期水素の発生が2個の異なる反応チャンバー内で起こることが好都合となる。
本発明を更に以下の実施例にて説明する。
実施例 発生期水素による化学発光
ルテニウム(ビピリジル)3錯体(Ru2+カチオン含有)をRu3+錯体に酸化した。このためにLi/ブタノール/H2SO4を含む均一系を用いた。濃硫酸をPbO2(粉末)入りの容器に添加し、ブタノールで覆った。Ru2+錯体を1mmolの濃度にブタノールを用いて溶解した。Ru2+錯体をH2SO4とブタノールの界面で酸化した。Ru2+錯体をRu3＋に酸化させた後、リチウムを加えた。この工程において、発生期水素がH2SO4とブタノールの界面で形成される。この界面にて顕著なルテニウム化学発光が観察された。
ルテニウム(ビピリジル)3錯体(Ru2+カチオン含有)をRu3+錯体に酸化した。このためにLi/ブタノール/H2SO4を含む均一系を用いた。濃硫酸をPbO2(粉末)入りの容器に添加し、ブタノールで覆った。Ru2+錯体を1mmolの濃度にブタノールを用いて溶解した。Ru2+錯体をH2SO4とブタノールの界面で酸化した。Ru2+錯体をRu3＋に酸化させた後、リチウムを加えた。この工程において、発生期水素がH2SO4とブタノールの界面で形成される。この界面にて顕著なルテニウム化学発光が観察された。
Ru2+を電気化学的にRu3+に酸化し、次いで、発生期水素をLi/ブタノール/H2SO4により発生させると、同様にRu化学発光が観察された。
Claims (8)
- 標識基として発光性金属錯体を用いてサンプル中の検体を検出する方法であって、金属錯体の化学発光が、以下の工程：
(i)金属錯体を酸化する工程、および
(ii)発生期水素により金属錯体を還元して、化学発光可能な形態の金属錯体を形成する工程、
(iii)化学発光により検体を測定する工程、
により起こることを特徴とする、該方法。 - 発生期水素を金属錯体の直接近傍で発生させることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 発生期水素を電気化学的に発生させることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- 発生期水素を化学的に発生させる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 発生期水素を、超音波で発生させることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 標識基として発光性金属錯体を用いてサンプル中の検体を検出する装置であって、以下の手段:
(i)金属錯体を酸化する手段、
(ii)酸化された金属錯体を還元するために発生期水素を発生させる手段、および、
(iii)金属錯体の還元により発生した化学発光を検出する手段、
を含む、該装置。 - 発光性金属錯体の提供、金属錯体の酸化、発生期水素による金属錯体の還元により、化学発光することが可能な形態の金属錯体を形成させることを含む、化学発光の発生法。
- 発光性金属錯体を用いて化学発光を発生させるために、
(i)金属錯体を酸化する手段、および
(ii)酸化された金属錯体を還元するために発生期水素を発生する手段
を含む装置の使用。
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