JP4919101B2 - 増感色素の光励起により生じる光電流を用いた被検物質の特異的検出に用いられるセンサセルおよび測定装置 - Google Patents
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本発明は、光電流を用いて、核酸、外因性内分泌攪乱物質、抗原等の特異的結合性を有する被検物質を特異的に検出する方法に用いられる、センサセルおよび測定装置に関する。
生体試料中のDNAを解析する遺伝子診断法が、各種病気の新たな予防および診断法として、有望視されている。このようなDNA解析を簡便かつ正確に行う技術として、以下のものが提案されている。
導電性基材と、その上に設けられた、前記増感色素が光励起に応じて放出する電子を受容可能な電子受容物質を含んでなる電子受容層とを備えてなる作用電極と、
前記作用電極と対向して設けられる対電極と、
前記作用電極および対電極と組み合わせられることにより流路を構成するセル基材と、 前記作用電極、前記対電極、および前記セル基材の少なくともいずれか一つに形成される、前記流路に連通する供給口と、
前記作用電極、前記対電極、および前記セル基材の少なくともいずれか一つの、前記供給口と異なる位置に形成される、前記流路に連通する排出口と
を備えてなり、前記電子受容層および前記対電極が前記流路に露出してなるものである。
上記センサセルと、
前記作用電極と前記対電極との間を流れる電流を測定する電流計と
前記流路内への液の供給および停止を制御する送液手段と
を備えたものである。
本発明によるセンサセルは、増感色素の光励起により生じる光電流を用いた被検物質の特異的検出に用いられるものである。図1および2に本発明のセンサセルの一例を示す。図1および2に示されるように、本発明のセンサセル1は、セル基材2と、作用電極3と、対電極4とを備えてなる。本発明においてセル基材とは、作用電極および対電極と組み合わせられることにより流路を構成する部材であれば限定されず、流路を構成するための溝または開口部を備えた部材であることができる。ここで、流路とは、電解液等の液を流し、かつ収容するための空間である。本発明に用いる作用電極は、導電性基材と、その上に設けられた電子受容層とを備えた電極であり、電子受容層側が流路に露出するように配置される。また、この作用電極は、光励起のための光を容易に電子受容層に照射できるように透光性を有しているのが好ましい。この作用電極は、そして、作用電極および対電極は互いに対向して、なおかつ、セル基材との組み合わせにより流路を形成するように設けられる。すなわち、図2に示されるように、流路2aは、セル基材2、作用電極3、および対電極4によって区画されてなる。上記構成によれば、作用電極の電子受容層および対電極が互いに対向された状態で流路内に露出するので、流路内が電解液で満たされることによりこの組立物は光電流測定用のセンサセルとして機能することができる。
本発明の好ましい態様によれば、センサセルはフローセルとするのが好ましい。フローセルの採用により、容積を小さくすればするほど液交換が容易になり、溶液間の不要な混合を低減することができる。本発明のより好ましい態様によれば、異なる溶液に交換する際にはエアセグメントを入れて異なる溶液間の混合を防止するのが好ましい。このエアセグメントの導入は、空気を採り入れる分岐管を送液手段に設ける等、バルブ機構を適宜工夫することにより行うことができる。
前述の通り、本発明のセンサセルは増感色素の光励起により生じる光電流を用いた被検物質の特異的検出に用いられるものである。この増感色素の光励起により生じる光電流を用いた被検物質の特異的検出方法について、以下に具体的に説明する。
本発明における被検物質としては、特異的な結合性を有する物質であれば限定されず、種々の物質であってよい。このような被検物質であれば、被検物質と直接または間接的に特異的に結合可能なプローブ物質を作用電極表面に担持させておくことにより、被検物質をプローブ物質に直接または間接的に特異的に結合させて検出することが可能となる。
本発明にあっては、被検物質の存在を光電流で検出するために、増感色素の共存下、プローブ物質に被検物質を直接または間接的に特異的に結合させて、該結合により増感色素を作用電極に固定させる。そのために、本発明にあっては、図12(a)および図13に示されるように被検物質21あるいは媒介物質31に予め増感色素22,32で標識しておくことができる。また、図12(b)に示されるように被検物質およびプローブ物質の結合体27(例えばハイブリダイゼーション後の二本鎖核酸)にインターカレーション可能な増感色素28を用いる場合には、試料液に増感色素を添加することにより、プローブ物質に増感色素を固定させることができる。
本発明に用いる作用電極は、上記プローブ物質を表面に備えた電極であり、プローブ物質を介して固定された増感色素が光励起に応じて放出する電子を受容可能な電極である。したがって、作用電極の構成および材料は、使用される増感色素との間で上記電子移動が生じるものであれば限定されず、種々の構成および材料であってよい。
本発明に用いる対電極は、電解液に接触させた場合に作用電極との間に電流が流れることができるものであれば特に限定されず、金属もしくは導電性の酸化物を蒸着したガラス、プラスチック、セラミックス等が使用可能である。また、対電極としての金属薄膜を5μm以下、好ましくは3nm〜3μmの範囲の膜厚になるように、蒸着やスパッタリングなどの方法により形成して作成することもできる。対電極に使用可能な材料の好ましい例としては、白金、金、パラジウム、ニッケル、カーボン、ポリチオフェン等の導電性ポリマー、酸化物、炭化物、窒化物等の導電性セラミックス等が挙げられ、より好ましくは、白金、カーボンであり、最も好ましくは白金である。これらの材料は電子受容層の形成方法と同様の方法により薄膜形成が可能である。
本発明のセンサセルを用いた測定方法にあっては、先ず、増感色素の共存下、試料液を作用電極に接触させて、プローブ物質に被検物質を直接または間接的に特異的に結合させ、この結合により増感色素を前記作用電極に固定させる。
まず、以下の配合を有する原料を自動乳鉢を用いて充分に混合した後、150℃で6時間乾燥させて混合物を得た。
α−テルピネオール 60重量%
2−(2−ブトキシエトキシ)エタノール 15重量%
エチルセルロース 25重量%
105−Rho−CCCAGTCACGACGTTの塩基配列を有するローダミン修飾DNAをバッファ(2X SSC、0.03% SDS)に溶解して、28.6μMおよび286μMの各濃度を有するローダミン修飾DNA溶液を作製した。
例1で使用したものと同様のシリコンシールを作用電極表面に載置し、各濃度のローダミン修飾DNA溶液を35μlずつ、開口部に注入した。溶液中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から覆い、湿らせた紙等で蒸気圧を調整したプラスチック容器に入れた。こうして、60℃で一晩(12時間)インキュベートさせて、ハイブリダイゼーションを行った。
まず、白金電極として、ガラス基板上に白金薄膜をスパッタリングにより形成したものを用意した。白金電極の白金膜上に、厚さ500μmのシリコンシートを載置した。このシリコンシートは作用電極と対電極との接触による短絡を防ぐためのスペーサーである。このとき、白金電極の白金で被膜された端部にリード線を接続して、電流を取り出し可能に構成した。作用電極もリード線を介して電流計と接続した。
電解液として、体積比が8:2のエチレンカーボネートとアセトニトリルの混合溶媒にヨウ素0.05Mとテトラプロピルアンモニウムヨーダイド0.5Mを溶解した混合液を用意した。この電解液を白金電極に5μL滴下した後、作用電極をその電子受容層が白金電極と対向するように、載置した。こうして、スペーサーおよび電解液を作用電極および対電極とで挟持されてなる、サンドイッチ型のセンサセルを得た。
また、比較のため、例1で作製された、NH2修飾DNAを担持させる前の、酸化チタンを含んでなる電子受容層のみが形成された作用電極を用いてセンサセルを構成して、例2と同様に測定を行った。図16に28.6μMローダミン修飾DNA溶液を用いた場合の検出電流の経時変化を、図17に286μMローダミン修飾DNA溶液を用いた場合の検出電流の経時変化を示す。これらの図に示されるように、紫外線カットフィルターで除去できなかった若干量の紫外線によって酸化チタン自身が励起され、光電流が観測されるものの、ローダミン修飾DNA溶液を用いた例2の場合と比べて、光電流は著しく低かった。
例1と同様にして、プローブ物質が担持された作用電極を得た。この電極表面に例1で使用したものと同様のシリコンシールを再度載置して、開口部にブロッキング剤として10μMのジエタノールアミン35μlを注入した。ブロッキング剤中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から覆い、湿らせた紙等で蒸気圧を調整したプラスチック容器に入れた。そして、60℃で30分間保持して、ブロッキング剤をインキュベートした。電極表面を再度流水で軽く洗浄した後、空気を吹き付けて残水を飛散させた。
105−Rho−CCCAGTCACGACGTTの塩基配列を有するローダミン修飾DNAと、競合物質として105−CCCAGTCACGACGTTTの塩基配列を有するPNAとをバッファ(2X SSC、0.03% SDS)に溶解して、28.6μMローダミン修飾および200μM PNA含有溶液と、286μMローダミン修飾および200μM PNA含有溶液とを作製した。
この試料溶液を用いたこと以外は、例2と同様にして、ローダミン修飾DNAのインキュベーションによるハイブリダイゼーション、および光電流測定を行った。その結果は図16および図17に示される通りであった。これらの図に示されるように、ハイブリダイゼーション時に競合すると考えられる塩基配列を有するPNAを共存させた場合、PNAが共存しない例2の場合と比べて、電流値が低下した。
(1) 色素標識プローブDNAの準備
色素標識されたプローブDNAとして、3’末端をCy5で標識された、以下の塩基配列を有する15塩基の核酸塩基(Cy5標識ssDNA、プロリゴ社製)を用意した。
色素標識プローブDNA(Cy5標識ssDNA):
5’NH2−AACGTCGTGACTGGG−Cy5−3’
まず、チタニア微粉末(昭和タイタニウム社製、F2、平均粒径60nm、アナターゼ:ルチル=4:6)1gと、以下の配合を有する有機ビヒクル1gとを自動乳鉢で混練しながら、徐々に溶媒(αテルピネオール:ブチルカルビトール=重量比60:40)1gを添加して、酸化チタンペーストを得た。これら一連の混合は合計5時間行われた。
α−テルピネオール 65重量%
ブチルカルビトール 15重量%
ポリビニルブチラール 20重量%
こうして得られた作用電極と、対電極としての白金電極とを用いて、図7および図8に示されるような測定用セルを以下のようにして組み立てた。
まず、白金電極として、厚さ1mmのガラス基板上に、密着性確保のためのクロム層を介して、白金薄膜をスパッタリングにより形成したものを用意した。作用電極と白金対電極と対向させ、その間に膜厚が500μmのシリコンシートを挿入した。シリコンシートは、両電極間に接触による短絡を防止し、電解液を充填するための空間を作り出すためのものであり、全スポットを包含するのに十分な大きさの開口部を有しており、この開口部が送液された電解液が溜まる流路を構成する。作用電極は電気的に接触しているスプリングプローブを介して、白金電極は端部に接続されたリード線を介して、それぞれポテンシオスタット(ビー・エー・エス株式会社 ALS Modl832A)に接続した。作用電極上には、図20に示されるような6つの開口スポットが形成された遮光性の押さえ部材を載置して、更にその上に光源移動用アリ式ステージ(駿河精機社製、B05-41M)を介して赤色レーザー光源(オーディオテクニカ製、SU-31:波長635nm)を取り付けた。こうして、スペーサーおよび電解液を作用電極および対電極とで挟持されてなる、サンドイッチ型の測定用セルを得た。
次いで、電解液として、体積比が4:6のアセトニトリルと炭酸エチレンの混合溶媒にヨウ素0.06Mとテトラプロピルアンモニウムヨーダイド0.6Mを溶解した混合液を用意した。この電解液が作用電極と白金電極との間に充填させた。
光源移動用アリ式ステージに固定した赤色レーザーからなる移動型光源を用いて作用電極表面の3cm上方から、各スポット毎に個別に光を照射して、作用電極と白金対電極の間に流れる電流を経時的に測定した。電流値の測定は180秒間行ったが、光の照射は電流の測定開始60秒後から60秒間のみ行った。観測した光電流は120秒後の光電流値から180秒後の光電流値を差し引くことで補正を行った。
(1) 色素標識プローブDNAの準備
色素標識されたプローブDNAとして、3’末端をCy5で標識された、以下の塩基配列を有する15塩基の核酸塩基(Cy5標識ssDNA、プロリゴ社製)を用意した。
色素標識プローブDNA(Cy5標識ssDNA):
5’NH2−AACGTCGTGACTGGG−Cy5−3’
フッ素をドープした酸化スズ(F−SnO2:FTO)コートガラス(エイアイ特殊硝子社製、U膜、シート抵抗:15オーム/□)を、アセトン、0.1容量% Tween20を含む超純水、さらには超純水中でそれぞれ15分間の超音波洗浄を施して、汚れおよび残存有機物の除去を行った。このガラスを5Mの水酸化ナトリウム水溶液中で15分間振盪させた。その後、水酸化ナトリウムを除去するため、超純水中での5分間の振盪を水を入れ替えて3回行った。このガラスを取り出して空気を吹き付けて残水を飛散させた後、無水メタノールに浸漬させて脱水した。
こうして得られた作用電極を図15に示されるフロー型測定セルに組み込み、フロー型測定セル上には光源自動移動用XYステージを取り付けた。なお、光源を移動させる代わりに、セルを移動させる構成であってもよいのは言うまでもない。XYステージは、測定対象とするスポットに任意に位置決めすることができるように、位置きめ制御機能を持つ制御解析装置と接続される。また、センサ出力電流を測定するための高感度な電流計も同時に制御解析装置と接続され、測定するスポットの位置決めと同期して、センサ出力データを取り込むことができるようにした。測定セルは、作用電極と白金対電極とを対向させ、その間に接触に膜厚が500μmのシリコンシートを挿入することにより作製した。すなわち、シリコンシートには全スポットが入る十分な大きさの開口部が形成されており、この開口部に送液された電解液が溜まり、作用電極上に固定化されたDNAと接触する構造となっている。電解液としては、アセトニトリル溶媒にテトラプロピルアンモニウムヨーダイド100mMを溶解した溶液を用いた。作用電極および対電極と高感度な電流計との電気的な接続はスプリングプローブを介して行った。
自動移動用XYステージに固定した移動型光源により、作用電極表面の上方から直径1mm未満の励起光を49スポット(間隔1mm)に照射して、各スポットについて作用電極と白金対電極の間に流れる電流を経時的に測定した。光源としては、出力20mW程度の赤色半導体を用いたが、さらにセンサ出力を大きくするために大きい出力または緑や青色等短波長のレーザーを用いてもよい。このとき、自動移動用XYステージにより、図22に矢印で示される順序に従ってスポットを順次走査し、同時にスポットでの電流出力を制御装置に接続された高感度電流計を介して制御装置に記憶させた。このように記憶された各スポットの電流出力から、必要に応じて出力の平均処理等をさらに行ってもよい。スポットの走査は、各スポットで停止させることなく連続的にデータを取り込み、このデータから各スポットのデータの算出を行ったが、各スポットで停止させながら間欠的にデータを取ってもよい。
Claims (24)
- 増感色素の光励起により生じる光電流を用いた被検物質の特異的検出に用いられるセンサセルであって、
導電性基材と、その上に設けられた、前記増感色素が光励起に応じて放出する電子を受容可能な電子受容物質を含んでなる電子受容層とを備えてなる作用電極と、
前記作用電極と対向して設けられる対電極と、
前記作用電極および対電極と組み合わせられることにより流路を構成するセル基材と、
前記作用電極、前記対電極、および前記セル基材の少なくともいずれか一つに形成される、前記流路に連通する供給口と、
前記作用電極、前記対電極、および前記セル基材の少なくともいずれか一つの、前記供給口と異なる位置に形成される、前記流路に連通する排出口と
前記電子受容層上に担持される、前記被検物質と直接または間接的に特異的に結合可能なプローブ物質と
前記作用電極、前記対電極、および/または前記セル基材を互いに密着させるように押さえる押さえ部材とを備えてなり、
前記導電性基材が透明であり、
前記電子受容層が透光性を有し、
前記電子受容層および前記対電極が前記流路に露出してなる、センサセル。 - 前記セル基材が、前記流路を構成するための溝を備えた部材である、請求項1に記載のセンサセル。
- 前記セル基材が、前記溝、前記供給口、および前記排出口とを備えた基板であり、該溝の底部に前記対電極が配置されるとともに、前記溝が前記作用電極で覆われてなる、請求項2に記載のセンサセル。
- 前記セル基材が、前記溝、前記供給口、および前記排出口を備えた、透光性を有する基板であり、該溝の底部に前記作用電極が配置されるとともに、前記溝が前記対電極で覆われてなる、請求項2に記載のセンサセル。
- 前記セル基材が、流路を構成するための開口部を備えたスペーサであり、該スペーサが前記作用電極と前記対電極との間に挟持されてなる、請求項1に記載のセンサセル。
- 前記対電極を裏面から支持する支持部材をさらに備えた、請求項5に記載のセンサセル。
- 前記支持基材および前記対電極が、前記供給口および前記排出口とを備えてなる、請求項6に記載のセンサセル。
- 前記押さえ部材が、センサセルの最上部に、前記作用電極、前記対電極、および/または前記セル基材を互いに密着させるように下方に押さえる押さえ部材である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のセンサセル。
- 前記押さえ部材が、ねじ、バネ、および磁石からなる群から選択される少なくとも一種の固定手段をさらに備えてなり、該固定手段を介して、前記押さえ部材、前記作用電極、前記対電極、前記セル基材、および/または前記支持部材とが互いに着脱可能に固定されている、請求項6〜7のいずれか一項に記載のセンサセル。
- 前記押さえ部材が、光励起のための光を通すための開口部または透光部をさらに備えてなる、請求項1〜9のいずれか一項に記載のセンサセル。
- 前記押さえ部材が前記開口部および透光部を除いて遮光性を有する、請求項10に記載のセンサセル。
- 前記押さえ部材の前記開口部または透光部の外側に光源をさらに備えた、請求項10〜11のいずれか一項に記載ののいずれか一項に記載のセンサセル。
- 前記押さえ部材が、前記作用電極に対応する位置に光励起のための光源をさらに備えた、請求項1〜10のいずれか一項に記載のセンサセル。
- 前記透光性を有する基板の外側に光源をさらに備えた、請求項4に記載のセンサセル。
- 前記光源が、該光源を前記作用電極に対して平行方向に移動させるための駆動手段をさらに備えた移動型光源である、請求項12〜14のいずれか一項に記載のセンサセル。
- 前記押さえ部材が、前記開口部または透光部を複数個有し、
前記光源が、該光源を前記作用電極に対して平行方向に移動させるための駆動手段をさらに備えた移動型光源であり、
前記移動型光源が、前記複数個の開口部または透光部を順次移動しながら個別に光照射可能なものである、請求項11に記載のセンサセル。 - 前記押さえ部材が、前記開口部または透光部を複数個有し、
前記センサセルが、前記作用電極が前記光源に対して相対移動するように、前記作用電極または前記セル基材を前記作用電極に対して平行方向に移動させるための駆動手段をさらに備えた、請求項11に記載のセンサセル。 - 前記押さえ部材が、前記開口部または透光部を複数個有し、
前記押さえ部材が、前記複数個の開口部または透光部の各々に対して、光照射が必要な時にのみ開放されるように制御される複数の遮光シャッターをさらに備えた、請求項11に記載のセンサセル。 - 前記押さえ部材が、前記開口部または透光部を複数個有し、
前記複数個の開口部または透光部の各々に対して複数個の前記光源が個別に設けられる、請求項11に記載のセンサセル。 - 前記作用電極と前記対電極との間隔が3〜3000μmである、請求項1〜19のいずれか一項に記載のセンサセル。
- 前記電子受容物質が、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ニオブ、チタン酸ストロンチウム、酸化インジウム、インジウム-スズ複合酸化物(ITO)、フッ素がドープされた酸化スズ(FTO)からなる群から選択される少なくとも一種である、請求項1〜20のいずれか一項に記載のセンサセル。
- 前記プローブ物質が、前記電子受容層上の、互いに分離された複数の領域毎に区分されて担持されてなる、請求項19〜21のいずれか一項に記載のセンサセル。
- 増感色素の光励起により生じる光電流を用いた被検物質の特異的検出が、
被検物質を含む試料液を用意し、
該被検物質と直接または間接的に特異的に結合可能なプローブ物質を前記作用電極の表面に固定させ、
増感色素の共存下、前記試料液を前記作用電極に接触させて、前記プローブ物質に前記被検物質を直接または間接的に特異的に結合させ、該結合により前記増感色素を前記作用電極に固定させ、
前記作用電極と前記対電極とを前記電解液に接触させ、そして、
前記作用電極に光を照射して前記増感色素を光励起させ、該光励起された増感色素から前記作用電極への電子移動に起因して前記作用電極と前記対電極との間に流れる光電流を検出すること
を含んでなる工程により行われる、請求項1〜22のいずれか一項に記載のセンサセル。 - 増感色素の光励起により生じる光電流を用いた被検物質の特異的検出に用いられる測定装置であって、
請求項1〜22のいずれか一項に記載されるセンサセルと、
前記作用電極と前記対電極との間を流れる電流を測定する電流計と
前記流路内への液の供給および停止を制御する送液手段と
を備えた、測定装置。
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