JP5002616B2 - 液体試料中の分析対象の測定方法及び分析装置 - Google Patents

Description

本発明は液体試料、特に身体の液体試料中の分析対象の測定方法、及び分析装置とコンピュータ・プログラム製品に関する。

このような方法及び装置は、液体試料中の１つ又は複数の分析対象を分析的に検出するのに役立つ。補完又は代替手段として、液体試料中の分析対象の測定は、分析対象そのものの基本的な検出の他に、液体試料中における分析対象固有の特性を測ることを含んでよい。分析対象液体試料は、普通、幾つかの分析対象検出ゾーンを持つ検査システム又は検査素子上に設定される。検出ゾーンは、測定エリア又は検査エリアとも称される。例えば、設定された液体試料は、幾つかの測定エリア又は検出ゾーンが配置される直線に沿って移動する。液体試料の分析対象の一部が測定エリアに捕捉されるように、分析対象固有の捕捉構造体が、円形、矩形、又は直線形状を採り得る測定エリアに配置される。

１つ又は複数の分析対象は、普通、直接又は抗体を介して標識され、結果として、次に続く検査システムの光学的評価のために下処理される。検査システム又は検査素子の準備は、任意で、緩衝液、希釈液又は洗浄液による清浄又は洗浄を含んでいても良い。最後に、検査システム（即ち、例えば乾式化学検査素子）は、特に、測定エリアにおける１つ又は複数の特定の分析対象の存在を測定するために、光サンプリングによって評価される。

光学走査とも称される光サンプリングにおいて、走査された検査エリアで生じた測定光は、検査エリアを出た後、検出装置によって検出される。測定光は、適切な単色光源又は多色光源によって、光源側で発生された検査光を測定対象の光学活性体が充填された測定エリアに放射することによって発生させることができる。測定エリアにおいて検査光の光は、その時、光学活性体と相互作用して、検査光の光学特性の相応する変化が生じ、測定光として測定エリアを発する。検査光の放射中、吸収、透過、反射、又は蛍光発光も、測定光の光学特性として分析してよい。さらに測定光は、測定エリアの光学活性体のルミネッセンスに基づいてもよい。

検査素子/検査システムの光サンプリング中に、例えば検査素子と測定光を検出する検出装置とは、又は検査素子と光源とは、測定エリアを次から次に光学的に分析するために、位置を相対的に移動させてもよい。

測定エリアは、吸収、蛍光発光、透過、又は反射などの光学的測定方法を用いて、光学的に分析され、特定ゾーンにおける分析対象の結合が分析される。ここで、いわゆる検査光が測定エリアに照射されると、検査光は測定エリアにおいて分析対象固有の捕捉構造体に結合している光標識と相互作用し、その結果、測定光が生じ、その測定光は、光検出装置を用いて検出される。例えば光ダイオードや光ダイオードの配列は、ここでの光検出装置の役割を果たすことができる。測定光に対して測定された信号は、例えば、液体試料中の分析対象の濃度又は他の特性を測定するために使用される。

検出される測定光は、普通、結合効率に依存する。測定エリア又は検出ゾーンを通り流動する分析対象の複合体は、その結合効率で、そこの捕捉構造体に結合する。一方で、結合効率は、概して測定エリアに使用される基材（膜）の種類、個々の液体試料、分析対象固有の捕捉構造体、又は温度などのような様々な特性に依存する。従って、結合効率は、異なる測定状況又は分析状況によって非常に異なる。これは、結合効率の変化が、通常、分析結果に直接影響を与えることを意味する。

本発明の目的は、液体試料中の分析対象を測定する方法、及び分析対象に対する分析能力が向上した分析装置を提案することである。

本目的は、本発明に従って、液体試料、特に身体の液体試料中の分析対象の測定方法、及び分析装置によって解決される。さらに、コンピュータ・プログラム製品が、以下に述べる評価装置における液体試料中の分析対象の測定用途向けに作成される。本発明の有利な実施形態も説明される。

本発明は、分析装置を用いて、液体試料、特に身体の液体試料中の分析対象を測定する方法の概念を含む。本方法においては、検査システムに設定された分析対象を含む液体試料が流動可能な幾つかの測定エリアが連続して配置された前記検査システムの第１の測定信号s_i(i=0,1,…)と第２の測定信号s_j(j=1,2,…;j＞i)が、前記分析装置を構成する評価装置によって受け取られ、前記第１の測定信号s_iは、液体試料が前記検査システムに設定された後に、第１の測定エリアで捕捉された分析対象部分を表し、前記第２の測定信号s_jは、検査システム上において前記第１の測定エリアの下流に配置されている第２の測定エリアで捕捉された分析対象部分を表し、前記液体試料における分析対象の濃度と相関がある濃度指標(concentration measure)Ｎは、次の測定信号の連係式：

に従って、前記評価装置によって決定され、前記濃度指標Ｎは、選択的なさらなる処理の後、前記評価装置によって出力される。

本発明のさらなる態様によると、液体試料、特に身体の液体試料中の分析対象を測定する分析装置は、検査システムに設定された後の分析対象を含む液体試料が流動可能な幾つかの測定エリアが連続的に配置された前記検査システムの第１の測定信号s_i(i=0,1,…)と第２の測定信号s_j(j=1,2,…;j＞i)を受け取るように構成された評価装置で創られ、前記第１の測定信号s_iは、前記検査システムに液体試料が設定された後に、第１の測定エリアで捕捉された分析対象部分を表し、前記第２の測定信号s_jは、前記検査システム上において前記第１の測定エリアの下流に配置されている第２の測定エリアで捕捉された分析対象部分を表し、そして、前記評価装置は、さらに、前記液体試料における分析対象の濃度と相関がある濃度指標Ｎが、次の測定信号の連係式：

に従って、決定され出力されるように構成されている。

現状技術を越える本特許によって達成される本質的な利点は、評価装置による濃度指標の決定が、検査システムの測定エリアにおける液体試料の分析対象の結合効率には依存しないということである。提案の信号処理が、いわば、結合効率の影響を取り除いている。このように、液体試料中の分析対象に対する濃度指標の決定は、しばしば状況によって変化する分析条件に対する依存が極めて少ない。

ここで理解される意味において、濃度指標Ｎは、濃度が増加すると濃度指標も増加するというように濃度と相関している。濃度の減少のとき濃度指標の減少についても同様である。相関は線形性又は非線形性でもよい。ここでは、濃度と濃度指標の関数関係は、数学的に正確な形で知られる必要はなく、むしろ実際の濃度は、実験的に測定された計量曲線又は検量線を使って決定してもよい。

分析対象測定のための提案技術は、検査システムに基づく分析を評価するために、検査システムの任意の測定エリアに対する測定信号が使用できる点において、さらに優れている。測定信号そのものは、様々な実施形態において、そのようなものとして知られているものと同様の適切な検出装置を用いて既知の方法で検出してよい。ここで、評価装置を検出装置とともに分析装置に一体化するという可能性がある。検出装置とは別々に評価装置を作成してもよいが、評価装置は、検出装置から直接又は電気信号の中間記憶装置を介して、電子的形態で測定信号を受け取る。

好ましい一の実施形態においては、測定信号が、濃度指標の決定のために、検査システムで使用され、そのシステムでは、測定エリアが、検査システム上の液体試料の流動方向に対して横方向に延びている。測定信号は、様々な形状の測定エリア、例えば、矩形、円形、又は直線の形状の測定エリアに対して評価してよい。

本提案技術を、血液サンプル又は尿サンプルなどの身体の液体試料中の少なくとも１つの分析対象を測定することに当って使用することは、特に適切である。

液体試料中の分析対象の濃度に比例する濃度指標を、評価装置を用いてさらに選択的に処理して、分析対象の実際の濃度を絶対的又は相対的な大きさとして決定することができる。これに関連して、例えば濃度指標のさらなる処理は、検量又は計量フレームワーク（framework）の中で前もって検出した比較信号を使用して行うことができる。濃度指標が測定エリア又は検出ゾーンの分析対象の結合効率とは独立であるので、任意選択的に決定された実際の濃度は結合効率から独立となる。

本発明の好ましいさらなる一の展開では、第１の光測定信号が前記第１の測定信号として受け取られ、第２の光測定信号が前記第２の測定信号として受け取られる。第１及び第２の光測定信号は、以下の信号タイプ：蛍光信号、透過信号、吸収信号及び反射信号のグループから選択された１つの信号タイプに応じて形成することもできる。

本発明の有利な一の実施形態では、前記第１及び第２の測定エリアは、検査システム上の隣接するエリアであり、従って、ｊ＝i+1であり、濃度指標Ｎは、測定信号の以下の簡略化された連係式：

に従って、前記評価装置によって決定される。

液体試料の分析対象を測定する分析装置の前記有利な実施形態に関連して、方法について前述した実施形態に関する説明がそれぞれ当てはまる。さらに、分析装置に、前記第１及び第２の測定信号を検出し、前記評価装置に出力するように構成された検出装置を設けることもできる。本発明の好ましいさらなる一の展開では、前記検出装置は、以下の信号タイプ：蛍光信号、透過信号、吸収信号及び反射信号のグループから選択された1つの信号タイプの前記第１及び第２の光測定信号を適切な方法で検出するように構成された光検出装置である。

本発明の有利な一の実施形態においては、前記検査システムは、分析装置に組み込まれ、その検査システムは、望ましくは、交換可能に又は多重使用に構成されてよい。検査システムが分析装置に組み込まれているかそれとは分離して構成されているかどうかに関係なく、前記検査システムは、互いに分離して形成された測定エリアを備える検出システムであってもよく、又は、連続して配置された部分的な測定エリアが測定信号の検出に利用できるという測定技術で利用できるような密集測定エリアを備える検出システムであってもよい。ここで提案している濃度指標決定の技術は、２つのタイプの検査システムに対して使用できる。

本発明のさらなる一の展開では、前記第１及び第２の測定信号を使用して決定した濃度指標をさらなる分析の結果と共に使用することである。そのような分析には、例えば、平均値の作成という意味で、さらなる測定エリアに対する少なくとも１つの測定信号が含められる。このようにして、検査システムの３つ以上の測定エリアに対して、測定信号が使用される。

図面を参照し、例示的実施形態を使用して、以下に本発明が詳細に説明される。

図１は、検査システム１の概略図を示し、幾つかの測定エリア又は検出ゾーンM0,...,M6が広がり方向２に沿うように形成され、かつ、その方向を横切るように広がっている。検出対象の１つ又は複数の分析対象を含む液体試料、特に身体の液体試料を検査システム１上にセットすることができる。前記１つ又は複数の分析対象は、いわゆる標識が付けられる。それから、分析対象が結合する分析対象固有の捕捉構造体が測定エリアM0,...,M6に形成される。捕捉された分析対象複合体のマーキング又は標識は、次に、測定エリアM0,...,M6に対する測定技術で、好ましくは、吸収光、蛍光、透過光、又は反射光の形態の光学的評価方法を用いて評価してよい。このために、検査光が測定エリアM0,...,M6に放射され、対応する測定光が検出装置（図示せず）を用いて光学的に検出される。

図１における測定エリアM0,...,M6の濃淡の違いは分析対象が測定エリアM0,...,M6に捕捉されている範囲の違いを示している。捕捉は、測定エリアM0において最大であり、対照的に、最後に表示されている測定エリアM6の液体試料には、ほんの僅かな量の分析対象しか存在せず、そのため、その測定エリアでは、ほんの僅かな分析対象分子又は分析対象の構造体しか捕捉されていない。

s_i(i=0,1,...,6)を測定エリアM0,...,M6に関して検出される測定信号、即ち、特に、分析対象構造体の測定エリアにおける捕捉の程度又は範囲を示す光測定信号とする。このために、一の実施形態においては、標識を付した分析対象の構造体が捕捉された数と測定信号の強度との間の比例関係が始まり得る測定エリアに対する測定信号を使用することが好ましい。この比例関係は、例えば検査システム１の試料設定領域の後の第１の測定エリアにおいては特に当てはまらない可能性が有り得る。なぜなら、捕捉された標識の付いた分析対象の構造体が多数のために、測定値の歪曲が発生し得るからである。高密度の標識は、非線形の光学的挙動を引き起こす可能性がある。

さらに、検出装置のダイナミック・レンジにある測定信号が、意図的に使用されることが好ましい。即ち、そのレンジでは、測定技術に従う検出器の応答関数は線形に振舞う。

さらに、ηを(iに独立で)、標識の付いた分析対象が１つの測定エリア上を移動する際に、その測定エリアで捕捉される確率（結合効率）とする、即ち、以下が成り立つ：
n_i =η・m_i i=0,1,2,…, (1)
m_iは、第iの測定エリア上を移動する標識体の数である。

好ましくは光検出装置として構成された検出システムは、測定エリアの測定中、測定信号s_iを提供し、その測定信号は、その特定の測定エリアに捕捉された標識体の数、即ち、標識を付けられ、捕捉された分析対象要素の数に比例する。以下が成り立つ：
s_i = Ｃ・n_i i=0,1,2,…, (2)
ここで、Ｃは比例係数である。

このようにして、測定エリアに関して検出された測定信号s_iは、次に、例えば、ハードとソフトの両方又はいずれか一方の技術に従って構成されたマイクロプロセッサユニットである評価装置（図示ぜず）を用いて、以下の信号の連係式：

に従って処理される。

検出量Ｎ_iはｍ₀、即ち、第１の測定エリアM0に到達する標識付きの構造体の数に比例し、最早,結合効率ηには依存しない。

これは、詳細には次のように説明される。以下が成り立つ：
m_i = (m₀ )・(１−η）ⁱ i=0,1,2,…, (4)
これにより、n_i = m_i+1 − m_i = m₀・(1 −η)ⁱ⁺¹ − m₀・(1 −η)ⁱ となり、
n_i = m₀・η・(１−η）ⁱ (5)
式(5)を式(3)に代入すると、次が得られる：

これは、次に簡略化できる：
N_i = Ｃ・m₀ i=0,1,2,…, (7)
式(3)による測定信号の連係式は、検査システム１の隣接する測定エリアの評価を示している。

測定信号評価はどれでも等しい効果をもたらすこと、即ち、結合効率ηの独立性は、今や、検査システム１の非隣接の測定エリアに対しても示すことができる。ここで、一般性を制約することなく、比例係数をＣ＝１と置く：
ケース１：

ケース２：

ケース３：

ケース４：

ケース５：

ケース１は、比較のために、再度、隣接する測定エリアを示しており、従って、j = i+1である。

測定信号の次の連係式は、今や上記の説明から一般化された形式となる：

は、検査システム１の任意の測定エリアに対する測定信号の連係式を示し、結合効率ηとは独立に濃度指標Ｎ_ijの決定を可能とする。

Ｎ_i 又はＮ_ijを分析対象濃度の指標として使用する利点を、以下の検討材料を使用してさらに調べることができる。結合効率ηの変化の効果を誤差伝播則に従ってよく見ると、測定信号の他の連係式との比較観察結果が得られる：

図３は、誤差伝播のグラフであり、i=0の場合に対する、様々な誤差伝播を視覚化している。

さらに、検出ゾーンの測定による測定信号はすべて、特定の検出ゾーンから後方（流れ/広がりの方向から見て）に対して遠くにあるほど小さくなる、という事実から以下が出てくる。分析対象の濃度が非常に高い場合には、測定エリアに捕捉される標識体の数n₀が大きく、測定エリアにおける検出システムが制限されるように、例えば検出器の飽和が起こるように、好ましい光学的に実行される検出を調整しても良い。この場合、Ｎ_iは、測定信号が大きく下がって検出器の最適な作動範囲、従って好都合に線形の動作範囲に収まった時の２つの検出ゾーン又は測定エリアの測定信号により決定される。逆に、非常に低い濃度は、最後尾の２つの測定エリアの測定信号より決定される。

それらに対応する動的な展開が図２に視覚化されている。測定エリアの順序番号の増加に伴い、式(5)に従う（測定信号のそれぞれの）捕捉された標識体の数の降下が、ηの異なる値に対して示されている。図２のプロットから、η＝０．８の結合効率では、測定エリア５個で、検出力を大きさ２．５のオーダで増加させることができると推測することができる。

上記説明、請求範囲、及び図面において開示されている本発明の記載されている特徴は、様々な実施形態における本発明の実現のために、組み合わせにおいてと共に個別的にも重要であり得る。

検査システム上の液体試料の広がる方向に対して横方向に延びている幾つかの測定エリアを有する検査システムの概略図を示す。 直線形状の幾つかの連続して配置された測定エリア又は検出ゾーンの場合の信号低下の図を示す。 誤差伝播の図を示す。

Claims (11)

1. 分析装置を用いて、液体試料中の分析対象を測定する方法であって：
   分析対象を含む液体試料を検査システムに設定後、前記液体試料が流動可能な測定エリアが連続的に配置された前記検査システムの第１の測定信号s_i(i=0,1,…)と第２の測定信号s_j(j=1,2,…;j＞i)が前記分析装置を構成する評価装置によって受け取られ、
   前記第１の測定信号s_iは、前記検査システムに液体試料が設定された後に、第１の測定エリアに捕捉された分析対象部分を表し、前記第２の測定信号s_jは、検査システム上前記第１の測定エリアの下流に配置されている第２の測定エリアに捕捉された分析対象部分を表し、
   前記液体試料中の分析対象の濃度と相関がある濃度指標Ｎは、次の測定信号の連係式：
   

   

   に従って、前記評価装置によって決定され、
   前記濃度指標Ｎは、選択的なさらなる処理の後、前記評価装置によって出力される、
   前記方法。
2. 第１の光測定信号が、前記第１の測定信号として受け取られ、第２の光測定信号が、前記第２の測定信号として受け取られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１及び第２の測定エリアは、前記検査システム上の隣接するエリアであり、従ってj = i +1であって、前記濃度指標Ｎは、次の簡略化された測定信号の連係式：
   

   

   に従って、前記評価装置によって決定されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 液体試料中の分析対象を測定する分析装置であって、
   検査システムに設定された後の分析対象を含む液体試料が流動可能な幾つかの測定エリアが連続的に配置された前記検査システムの第１の測定信号s_i(i=0,1,…)と第２の測定信号s_j(j=1,2,…;j＞i)を受け取るように構成された評価装置を備え、
   前記第１の測定信号s_iは、前記検査システムに前記液体試料が設定された後に、第１の測定エリアに捕捉された分析対象部分を表し、前記第２の測定信号s_jは、検査システム上の前記第１の測定エリアの下流に配置されている第２の測定エリアに捕捉された分析対象部分を表し、
   前記評価装置は、さらに、前記液体試料の分析対象の濃度と相関がある濃度指標Ｎを、次の測定信号の連係式：
   

   

   に従って、決定し出力するように構成されている、前記分析装置。
5. さらに前記評価装置は、第１の光測定信号を前記第１の測定信号として、第２の光測定信号を前記第２の測定信号として受け取るように構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の分析装置。
6. さらに前記評価装置は、前記第１及び第２の測定エリアが前記検査システム上の隣接するエリアであり、従って、j = i + 1のときに、前記濃度指標Ｎを次の簡略化された測定信号の連係式：
   

   

   に従って、決定するように構成されていることを特徴とする、請求項４又は５に記載の分析装置。
7. 前記第１及び第２の測定信号を検出し、それらを前記評価装置に出力するように構成されている検出装置によって特徴づけられる、請求項５に記載の分析装置。
8. 前記検出装置は、光検出装置であって、その光検出装置は、次の信号タイプのグループ：蛍光信号、透過信号、吸収信号及び反射信号から選択された１つの信号タイプの前記第１及び第２の光測定信号を適切に検出するように構成されていることを特徴とする、請求項７に記載の分析装置。
9. 統合された検査システムによって特徴づけられる、請求項４から８の少なくとも１項に記載の分析装置。
10. 前記第１及び第２の測定信号を検出し、それらを前記評価装置に出力するように構成されている検出装置によって特徴づけられる、請求項４又は６に記載の分析装置。
11. 評価装置において液体試料に含まれる分析対象を測定するコンピュータ・プログラムであって、
    検査システムに設定された後の分析対象を含む液体試料が流動可能な幾つかの測定エリアが連続的に配置された前記検査システムの第１の測定信号s_i(i=0,1,…)と第２の測定信号s_j(j=1,2,…;j＞i)を受け取る、電子的格納手段に記憶されている手段であって、
    前記第１の測定信号s_iは、前記検査システムに前記液体試料が設定された後に、第１の測定エリアに捕捉された分析対象部分を表し、前記第２の測定信号s_jは、前記検査システム上前記第１の測定エリアの下流に配置されている第２の測定エリアに捕捉された分析対象部分を表している、前記手段と、
    前記液体試料の分析対象の濃度と相関がある濃度指標Ｎを、次の測定信号の連係式：
    

    

    に従って決定する、電子的格納手段に記憶されている手段と、
    選択的なさらなる処理の後、前記濃度指標Ｎを出力する、電子的格納手段に記憶されている手段と、
    を含む、コンピュータ・プログラム。

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