JP4811380B2 - バイオセンサを用いた測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、生物学的なサンプルの分析を行うバイオセンサを用いた測定方法に関し、特に、光学的な信号検出を行って分析対象物の濃度測定を行う測定方法に関する。
従来のバイオセンサを用いた測定方法について説明する。図４（ａ）は、従来の定量測定装置の概略構成図であり、図４（ｂ）はバイオセンサの構成図である。
図４（ａ）に示す定量測定装置は、半導体レーザ１、コリメートレンズ２、開口部３、ビームスプリッタ４、参照光５、第１のフォトダイオード６、シリンドリカルレンズ７、第２のフォトダイオード１０、および計測部１７を備えている。
コリメートレンズ２は、半導体レーザ１の出射光を平行ビームに変換する。開口部３は、ビームを絞る。ビームスプリッタ４は、ビームを偏光する。第１のフォトダイオード６は、ビームスプリッタ４で反射されたビームを参照光５として受光する。シリンドリカルレンズ７は、ビームスプリッタ４で透過されたビームを集光し、バイオセンサ８の所定位置に導く。第２のフォトダイオード１０は、バイオセンサ８からの散乱光９を受光する。計測部１７は、フォトダイオード６，１０の出力をそれぞれＬｏｇ変換するＬｏｇ変換部１８，１９と、該Ｌｏｇ変換部１８，１９で求めたＬｏｇ変換値を減算することにより、吸光度信号２１を求める減算部２０とを備えている。
図４（ｂ）に示すバイオセンサ８は、一定量の液体試料１１が添加される供給部１２、液体試料を展開する展開部１３、および液体試料中の分析対象物の濃度に応じて呈色する反応部１４からなり、この呈色している反応部１４の吸光度信号を読みとり、分析対象物の濃度を求める。
次に、動作について説明する。
半導体レーザ１から出射された光は、コリメートレンズ２を通過することによって平行ビームに変換される。この平行ビームは、開口部３を通過してビームスプリッタ４に入射される。ビームスプリッタ４で反射された一部の光ビームは、参照光５として第１のフォトダイオード６で受光される。一方、ビームスプリッタ４を透過した残りの光ビームは、シリンドリカルレンズ７によってバイオセンサ８上の呈色している反応部１３に照射され、バイオセンサ８上からの散乱光９を第２のフォトダイオード１０で受光する。そして、参照光５を受光した第１のフォトダイオード６の出力、および散乱光９を受光した第２のフォトダイオード１０の出力をそれぞれＬｏｇ変換し、第１のフォトダイオード６のＬｏｇ変換値から第２のフォトダイオード１０のＬｏｇ変換値を減算することにより、吸光度信号２１を得る。この吸光度信号２１から液体試料中の分析対象物の濃度を求める。
ところで、添加した液体試料が不十分な量である場合や、目詰まりなどの発生により展開不良である場合、液体試料中の分析対象物の濃度を正確に測定することができない。
ここで、図５（ａ）に、バイオセンサ８の供給部１２に十分に液体試料１１を添加した場合の展開の様子を示している。添加した液体試料１１は、展開部１３、反応部１４を経て下流側終端部の測定部１５に到達する。一方、図５（ｂ）に、バイオセンサ８の供給部１２に添加した液体試料１１が不足している場合で、下流側終端部の測定部１５に到達していない。測定部１５に液体試料１１が到達しているかどうかは、バイオセンサ８の測定部１５にビーム１６を照射し、得られる吸光度信号から判断することができる。これにより、液体試料の添加量不足や展開不良を検知することができる。
特開２００３−４７４３号公報
しかしながら前記従来の構成では、バイオセンサへの液体試料の添加量不足を検知するのに、液体試料がバイオセンサ上を下流側の終端部に到達するまでの待ち時間が必要となり、再度測定を行うまでに非常に長い時間が必要となる。例えば、イムノクロマトなどのバイオセンサにおいては下流側の終端部まで展開するのに約１０分程度必要になるため、医療現場などにおいては、迅速でスムーズな診断が行えない課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、信頼性が高くかつ測定精度の高いバイオセンサを用いた測定方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１にかかる測定方法は、一定量の液体試料が添加される供給部と、前記液体試料を輸送する展開部と、前記液体試料が反応する反応部とを備えたバイオセンサを用いて液体試料中に含まれる分析対象物の濃度を測定する測定方法において、前記液体試料が前記展開部を展開する展開速度を検出し、あらかじめ測定された液体試料の添加量と展開速度の関係から、前記供給部に前記液体試料が添加された量を特定することを特徴とする。
これにより、添加された液体試料が十分であるかどうかを迅速に知ることができ、測定精度を高めることができる。
また、本発明の請求項２にかかる測定方法は、請求項１に記載の測定方法において、前記検出手段に撮像素子を用いて、前記展開速度を検出したことを特徴とする。
これにより、検出装置を複雑にすることなく、添加された液体試料が十分であるかどうかを迅速に知ることができ、測定精度を高めることができる。
また、本発明の請求項３にかかる測定方法は、一定量の液体試料が添加される供給部と、前記液体試料を輸送する展開部と、前記液体試料が反応する反応部とを備えたバイオセンサを用いて液体試料中に含まれる分析対象物の濃度を測定する測定方法において、前記液体試料が前記展開部を展開する展開速度と展開する展開位置情報を検出するとともに、前記展開速度と前記展開位置情報に基づいて、前記展開部の下流側終端部に到達する到達時間を推測し、あらかじめ測定された液体試料の添加量と到達時間の関係から、前記到達時間に基づいて、前記供給部に前記液体試料が添加された量を特定することを特徴とする。
これにより、添加された液体試料が十分であるかどうかを迅速に知ることができ、測定精度を高めることができる。
また、本発明の請求項４にかかる測定方法は、請求項３に記載の測定方法において、前記位置情報は前記展開部の下流側終端部、もしくは前記展開部の近傍に設けられた目印を位置基準としたことを特徴とする。
これにより、添加された液体試料が十分であるかどうかを迅速に知ることができ、測定精度を高めることができる。
また、本発明の請求項５にかかる測定方法は、請求項３に記載の測定方法において、前記到達時間は前記展開部の近傍に設けられた目印から前記展開部の下流側終端部に到達する時間としたことを特徴とする。
これにより、添加された液体試料が十分であるかどうかを迅速に知ることができ、測定精度を高めることができる。
また、本発明の請求項６にかかる測定方法は、請求項３に記載の測定方法において、前記到達時間は前記展開位置情報と前記展開速度情報から前記供給部に前記液体試料が添加された添加時間を推測し、前記添加時間から前記展開部の下流側終端部に到達する時間としたことを特徴とする。
これにより、添加された液体試料が十分であるかどうかを迅速に知ることができ、測定精度を高めることができる。
また、本発明の請求項７にかかる測定方法は、請求項３に記載の測定方法において、前記検出手段に撮像素子を用いて、前記展開速度を検出したことを特徴とする。
これにより、検出装置を複雑にすることなく、添加された液体試料が十分であるかどうかを迅速に知ることができ、測定精度を高めることができる。
また、本発明の請求項８にかかる測定方法は、請求項３に記載の測定方法において、前記到達時間後に反応部の測定を行うことを特徴とする。
これにより、添加された液体試料が十分であるかどうかを迅速に知ることができ、また反応部を精度良く測定できるためさらに測定精度を高めることができる。
また、本発明の請求項９にかかる測定方法は、請求項８に記載の測定方法において、前記反応部の測定時に、前記液体試料の展開が前記展開部の下流側終端部への到達を確認することを特徴とする。
これにより、添加された液体試料が十分であるかどうかを迅速に知ることができ、測定精度を高めることができ、さらに信頼性が高く測定ができる。
本発明のバイオセンサを用いた測定方法によれば、一定量の液体試料が添加される供給部と、前記液体試料を輸送する展開部と、前記液体試料が反応する反応部とを備えたバイオセンサを用いて液体試料中に含まれる分析対象物の濃度を測定する測定方法において、前記液体試料が前記展開部を展開する展開速度を検出し、あらかじめ測定された液体試料の添加量と展開速度の関係から、前記供給部に前記液体試料が添加された量を特定するので、迅速に添加された液体試料が十分であるかどうかを判断することができ、測定精度を高めることができる。
以下に、本発明のバイオセンサ及びそれを用いた測定方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１による、バイオセンサを用いた測定方法について説明する。
以下、本発明の実施の形態１による、バイオセンサを用いた測定方法について説明する。
図１は、本実施の形態１による定量測定装置とバイオセンサの概略構成図である。図１において、図４と同一構成要素については同一符号を付す。
図１に示す定量測定装置は、発光素子２２、絞り２３、集光レンズ２４、撮像素子２５及び計測部２６を備えている。
発光素子２２にはランプや発光ダイオードなどを使用し、バイオセンサ８を照明する。絞り２３はバイオセンサ８からの散乱光の絞りを行う。集光レンズ２４は撮像素子２５に散乱光を集光させる。撮像素子２５ではその光を電気信号に変換させる。
計測部２６は、撮像素子２５からの電気信号を信号変換部２７でデジタル信号に変換し、画像処理部２８で撮像素子２５の各画素についてのノイズ成分を除去及び測定領域を抽出する画像処理を行う。画像処理を行った後に、吸光度算出部２９で呈色部１４の吸光度を算出し、濃度換算部３０であらかじめ入力されている濃度換算式から分析対象物の濃度を計算し、出力部３１で分析対象物の濃度を表示する。
バイオセンサ８は、一定量の液体試料が供給される供給部１２、液体試料を展開する展開部１３、および液体試料中の分析対象物の濃度に応じて呈色する反応部１４を備えている。
次に、本実施の形態１による測定方法について詳細に説明する。
発光素子２２から光を照射し、バイオセンサ８の照明を行う。なお、発光素子２２には波長は６１０ｎｍの発光ダイオードを使用する。この波長の条件は、標識試薬の金コロイドと試料の血液（赤血球）との吸光度差が十分得られものである。なお発光素子２２にランプを使用して光学フィルタで波長を制限しても同様の効果が得られる。バイオセンサ８から散乱された光は絞り２３によって絞られ、集光レンズ２４によって撮像素子２５に集光される。撮像素子２５からの電気信号を信号変換部２７でデジタル信号に変換し、画像処理部２８で撮像素子２５の各画素についてノイズ成分を除去する画像処理を行う。画像処理を行った後に、吸光度算出部２９で反応部１４の吸光度を算出し、濃度換算部３０であらかじめ入力されている濃度換算式から分析対象物の濃度を計算し、出力部３１で分析対象物の濃度を表示する。
液体試料を供給部１２に供給すると展開部１３に液体試料が展開され、分析物の濃度に応じて反応部１４が呈色し、反応部１４の吸光度を読みとるが、この時、この展開部を展開する液体試料の展開速度を読みとることにより供給部１２に供給された液体試料の量を測定することが可能となる。図２に液体試料の添加量と展開速度の関係を示す。必要な添加量が５μＬのバイオセンサ８において展開部１３は液体試料が５μＬ展開するように面積が２ｍｍ×２０ｍｍの面積で設計され、フローレイトが２２０（Sec／４ｃｍ）のニトロセルロースメンブレンを使用している。撮像素子２５は１５０万画素で６倍の倍率の光学構成になっているので、１画素あたりバイオセンサ８上の面積は１５μｍ×１５μｍの分解能になっている。したがって、展開速度は画素から画素への液体試料展開の移動時間によって瞬時にまた、容易に展開速度計測が可能となり、添加量の変化により展開速度が最大０．１３ｍｍ／ｓから低下する。従って、展開速度を測定することにより添加液体試料の量が０．１μＬ単位で検出することができるため、瞬時に添加液体量の不足を判断することができる。
なお、従来例と同様な半導体レーザとフォトダイオードを使用した装置構成においても、光学部あるいはバイオセンサを移動させる機構を設けることにより同様の効果も得られるが、装置構成が複雑となる。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２による、バイオセンサを用いた測定方法について説明する。
以下、本発明の実施の形態２による、バイオセンサを用いた測定方法について説明する。
図３は、本実施の形態２によるバイオセンサにおける、添加液体試料の展開の様子を示す図である。図３において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
図３において、バイオセンサ８の供給部１２に液体試料１１が添加され、展開層１３上を液体試料１１が展開速度Ｖ１で展開して終端部３３に到達する。
ここで図３（ａ）においては、展開層１３にはあらかじめ色素でマーク３２が施されており、マーク３２を位置基準としてマーク３２から終端部３３に到達する到達時間が計算される。マーク３２から終端部３３までの距離をＸ１、マーク３２から展開の到達位置までの距離をＡ１、展開速度をＶ１とすると到達時間Ｔ１は以下に示す式となる。
Ｔ１＝（Ｘ１−Ａ１）／Ｖ１＋Ａ１／Ｖ１
あらかじめ、添加液体試料の量に対する到達時間は測定しておき、その測定値と展開速度Ｖ１より計算される到達時間Ｔ１とを比較することにより、添加液体試料の量が０．１μＬ単位で検出することができるため、瞬時に添加液体量の不足を判断することができる。
あらかじめ、添加液体試料の量に対する到達時間は測定しておき、その測定値と展開速度Ｖ１より計算される到達時間Ｔ１とを比較することにより、添加液体試料の量が０．１μＬ単位で検出することができるため、瞬時に添加液体量の不足を判断することができる。
また、反応部１４の測定は、液体試料が終端部３３に到着後が反応状態や液体試料の乾燥が安定した状態のため、最も精度良く測定ができる。したがって、終端部３３への到達時間が容易に判断できるため、反応部１４の測定時間が特定できるため精度の良い測定が可能となる。この反応部１４の測定と同時に、液体試料の到達位置を確認することにより、展開速度及び展開位置の検出以降の展開層１３での目詰まりなどの展開不良を確認することができ、さらに測定の信頼性が増す。
ここで図３（ｂ）においては、終端部３３を位置基準とし、添加時から終端部３３に到達する到達時間が計算される。添加位置から終端部３３までの距離をＸ２、終端部３３から展開の到達位置までの距離をＢ２、展開速度をＶ１とすると到達時間Ｔ２は以下に示す式となる。
Ｔ２＝（Ｘ２−Ｂ２）／Ｖ１＋Ｂ２／Ｖ１
あらかじめ、添加液体試料の量に対する到達時間は測定しておき、その測定値と展開速度Ｖ１より計算される到達時間Ｔ２とを比較することにより、添加液体試料の量が０．１μＬ単位で検出することができるため、瞬時に添加液体量の不足を判断することができ、また終端部３３を位置基準とするため展開層１３にはあらかじめ色素でマーク３２が必要とならないのでシンプルなバイオセンサ８の構成となる。
あらかじめ、添加液体試料の量に対する到達時間は測定しておき、その測定値と展開速度Ｖ１より計算される到達時間Ｔ２とを比較することにより、添加液体試料の量が０．１μＬ単位で検出することができるため、瞬時に添加液体量の不足を判断することができ、また終端部３３を位置基準とするため展開層１３にはあらかじめ色素でマーク３２が必要とならないのでシンプルなバイオセンサ８の構成となる。
また、反応部１４の測定は、液体試料が終端部３３に到着後が反応状態や液体試料の乾燥が安定した状態のため、最も精度良く測定ができる。したがって、終端部３３への到達時間が容易に判断できるため、反応部１４の測定時間が特定できるため精度の良い測定が可能となる。この反応部１４の測定と同時に、液体試料の到達位置を確認することにより、展開速度及び展開位置の検出以降の展開層１３での目詰まりなどの展開不良を確認することができ、さらに測定の信頼性が増す。
本発明にかかる測定方法は、迅速で信頼性が高く、かつ測定精度の高い、生物学的なサンプルの分析を行うバイオセンサを用いた測定方法として利用可能である。
１ 半導体レーザ
２ コリメートレンズ
３ 開口部
４ ビームスプリッタ
５ 参照光
６ 第１のフォトダイオード
７ シリンドリカルレンズ
８ バイオセンサ
９ 散乱光
１０ 第２のフォトダイオード
１１ 液体試料
１２ 供給部
１３ 展開部
１４ 反応部
１５ 測定部
１６ ビーム
１７ 計測部
１８ Ｌｏｇ変換部
１９ Ｌｏｇ変換部
２０ 減算部
２１ 吸光度信号
２２ 発光素子
２３ 絞り
２４ 集光レンズ
２５ 撮像素子
２６ 計測部
２７ 信号変換部
２８ 画像処理部
２９ 吸光度算出部
３０ 濃度判定部
３１ 出力
３２ マーク
３３ 終端部
２ コリメートレンズ
３ 開口部
４ ビームスプリッタ
５ 参照光
６ 第１のフォトダイオード
７ シリンドリカルレンズ
８ バイオセンサ
９ 散乱光
１０ 第２のフォトダイオード
１１ 液体試料
１２ 供給部
１３ 展開部
１４ 反応部
１５ 測定部
１６ ビーム
１７ 計測部
１８ Ｌｏｇ変換部
１９ Ｌｏｇ変換部
２０ 減算部
２１ 吸光度信号
２２ 発光素子
２３ 絞り
２４ 集光レンズ
２５ 撮像素子
２６ 計測部
２７ 信号変換部
２８ 画像処理部
２９ 吸光度算出部
３０ 濃度判定部
３１ 出力
３２ マーク
３３ 終端部
Claims (9)
- 一定量の液体試料が添加される供給部と、前記液体試料を輸送する展開部と、前記液体試料が反応する反応部とを備えたバイオセンサを用いて液体試料中に含まれる分析対象物の濃度を測定する測定方法において、前記液体試料が前記展開部を展開する展開速度を検出し、あらかじめ測定された液体試料の添加量と展開速度の関係から、前記供給部に前記液体試料が添加された量を特定することを特徴とする測定方法。
- 前記検出手段に撮像素子を用いて、前記展開速度を検出したことを特徴とする請求項１記載の測定方法。
- 一定量の液体試料が添加される供給部と、前記液体試料を輸送する展開部と、前記液体試料が反応する反応部とを備えたバイオセンサを用いて液体試料中に含まれる分析対象物の濃度を測定する測定方法において、前記液体試料が前記展開部を展開する展開速度と展開する展開位置情報を検出するとともに、前記展開速度と前記展開位置情報に基づいて、前記展開部の下流側終端部に到達する到達時間を推測し、あらかじめ測定された液体試料の添加量と到達時間の関係から、前記供給部に前記液体試料が添加された量を特定することを特徴とする測定方法。
- 前記位置情報は前記展開部の下流側終端部、もしくは前記展開部の近傍に設けられた目印を位置基準としたことを特徴とする請求項３記載の測定方法。
- 前記到達時間は前記展開部の近傍に設けられた目印から前記展開部の下流側終端部に到達する時間としたことを特徴とする請求項３記載の測定方法。
- 前記到達時間は前記展開位置情報と前記展開速度情報から前記供給部に前記液体試料が添加された添加時間を推測し、前記添加時間から前記展開部の下流側終端部に到達する時間としたことを特徴とする請求項３記載の測定方法。
- 前記検出手段に撮像素子を用いて、前記展開速度を検出したことを特徴とする請求項３記載の測定方法。
- 前記到達時間後に前記反応部の測定を行うことを特徴とする請求項３記載の測定方法。
- 前記反応部の測定時に、前記液体試料の展開が前記展開部の下流側終端部への到達を確認することを特徴とする請求項８記載の測定方法。
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