JP7199054B2 - サンプル中の元素の質量分析方法、該質量分析方法に用いる分析用デバイス、および、サンプル捕捉用キット - Google Patents

Description

本出願における開示は、サンプル中の元素の質量分析方法（以下、単に「分析方法」と記載することがある。）、該分析方法に用いる分析用デバイス、および、サンプル捕捉用キットに関する。より具体的には、個々のサンプル中に含まれる元素を、作業効率よく分析するための分析方法、および、該分析方法に用いる分析用デバイス、分析用デバイスのサンプル捕捉領域にサンプルを捕捉するためのサンプル捕捉用キットに関する。

近年、単一細胞に対する微量元素分析の関心が高まっている。２００４年には、単一生体細胞中に存在する微量元素の生命活動・機能発現に対する関与を調査するメタロミクスという学問領域が提唱された。単一細胞中の全元素分析が実現すると、被検体から採取した細胞に含まれる元素を、正常細胞に含まれる元素と比較することで、病気の発症等を細胞単位で診断することが可能となることから、高精度の元素分析手法が求められている。

細胞に含まれる元素の分析方法としては、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ，ＩＣＰ）をイオン化源として用いる誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，以下「ＩＣＰ－ＭＳ」と記載することがある。）が多元素の高感度分析が可能であることから、一般的に利用されている（非特許文献１参照）。

Ｓｈｉｎ－ｉｃｈｉ Ｍｉｙａｓｈｉｔａ ｅｔ ａｌ．， "Ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｅｌｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｅｌｌｓ ｂｙ ｔｉｍｅ－ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ"， Ｊ． Ａｎａｌ． Ａｔ． Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．， ２０１４， ２９， １５９８－１６０６， ＤＯＩ：１０．１０３９／ｃ４ｊａ０００４０ｄ

ＩＣＰ－ＭＳでサンプルを測定し、サンプル中に含まれる元素量を分析するためには、既知の濃度の元素をＩＣＰ－ＭＳで分析して検量線や計算式（以下、「検量線等」と記載することがある。）を作成し、サンプルの測定結果から検量線等を用いて、サンプル中の測定対象元素の含有量を分析する必要がある。ところで、ＩＣＰ－ＭＳを用いてサンプルの分析精度を向上するためには、サンプルの分析途中であっても、定期的に既知の濃度の元素を分析し、検量線等を修正または有効性の検証をする必要がある。

非特許文献１に記載されている分析方法は、細胞を分散した溶液をＩＣＰ－ＭＳに導入する方法である。そのため、検量線等を作成、修正、及び、検証する際にも、既知の濃度の元素を溶解した溶液をＩＣＰ－ＭＳに導入する必要がある。この検量線等を作成するためには、濃度が異なる検量用の元素を溶解した溶液（以下、「検量用元素溶液」と記載する。）を複数種類用意する必要がある。しかしながら、検量用元素溶液を複数種類準備し、サンプルの分析前、さらには分析の途中においてもサンプル溶液から検量用元素溶液に切り替え、ＩＣＰ－ＭＳに導入して精度管理を行うことは、作業効率を著しく低下させるという問題がある。また、検量用元素溶液が蒸発等により濃度が変わると作成した検量線等が不正確となることから、結果としてサンプルの分析精度が低下する。そのため、検量用元素溶液は厳格な保管及びスペースが必要であり、作業効率が悪くなるという問題もある。したがって、サンプルの分析作業効率がよい分析方法および当該分析方法に用いるデバイス等の開発が期待される。

本出願における開示は、上記問題点を解決するためになされたものであり、鋭意研究を行ったところ、（１）所定量の元素が含まれる検量用元素ドットが形成された分析用デバイスを形成し、（２）分析用デバイスまたはサンプル捕捉用デバイスにサンプルを捕捉し、捕捉したサンプルと予め分析用デバイスに形成した検量用元素ドットを測定することで、（３）従来のように、別途検量用の元素溶液を準備する必要が無く、捕捉したサンプルおよび検量用元素の両方を直接測定できることから、作業効率が向上すること、を新たに見出した。

すなわち、本出願における開示の目的は、サンプルの分析途中で検量用元素溶液に切り替える必要がない分析方法、該分析方法に用いるための分析用デバイス、分析用デバイスのサンプル捕捉領域にサンプルを捕捉するためのサンプル捕捉用キットを提供することである。

本出願における開示は、以下に示す、サンプル中の元素の分析方法、該分析方法に用いる分析用デバイス、および、サンプル捕捉用キットに関する。

（１）サンプル中の元素の質量分析方法であって、該質量分析方法は、
サンプルを分析用デバイスに捕捉するサンプル捕捉工程と、
分析用デバイスに予め設けられており、所定量の元素が含まれる検量用元素を測定する検量用元素測定工程と、
前記サンプル捕捉工程で捕捉したサンプル中に含まれる元素を測定するサンプル中元素測定工程と、
前記検量用元素測定工程の測定結果、および、前記サンプル中元素測定工程の測定結果から、前記サンプル中に含まれる元素の量を分析するサンプル中元素分析工程と、
を含む、質量分析方法。
（２）前記サンプル捕捉工程の後に、捕捉したサンプルを洗浄するサンプル洗浄工程を含む、
上記（１）に記載の質量分析方法。
（３）前記サンプル洗浄工程の後に、捕捉したサンプルを乾燥するサンプル乾燥工程を含む、
上記（２）に記載の質量分析方法。
（４）前記分析用デバイスは、
第１基板、
または、
前記第１基板及び該第１基板とは分離可能な第２基板、
を含み、
前記所定量の元素が含まれる検量用元素は、前記第１基板の第１面に形成され、
前記第１基板または前記第２基板の第１面には、分析対象サンプルを捕捉するサンプル捕捉領域が形成されている、
上記（１）～（３）の何れか一つに記載の質量分析方法。
（５）前記サンプル捕捉領域には、サンプルを捕捉するサンプル捕捉孔が形成されている、
上記（４）に記載の質量分析方法。
（６）サンプル中の元素の分析に用いる分析用デバイスであって、該分析用デバイスは、
第１基板と、
該第１基板の第１面に設けられ、サンプル中に含まれる元素の分析に用いるための所定量の元素が含まれる検量用元素ドットと、
を含む、分析用デバイス。
（７）前記第１基板の第１面には、分析対象サンプルを捕捉するサンプル捕捉領域が形成されている、
上記（６）に記載の分析用デバイス。
（８）前記第１基板とは分離可能な第２基板を更に含み、
前記第２基板の第１面には、分析対象サンプルを捕捉するサンプル捕捉領域が形成されている、
上記（６）に記載の分析用デバイス。
（９）前記サンプル捕捉領域には、サンプルを捕捉するためのサンプル捕捉孔が形成されている、
上記（７）または（８）に記載の分析用デバイス。
（１０）前記検量用元素ドットが、前記第１基板の第１面に設けられた検量用元素ドット孔に設けられている、
上記（６）～（９）の何れか一つに記載の分析用デバイス。
（１１）上記（７）～（１０）の何れか一つに記載の分析用デバイス、および、
サンプルが含まれるサンプル液を、前記分析用デバイスのサンプル捕捉領域に流すためのカバー部材を更に含み、
前記カバー部材は、
サンプル液を投入するためのサンプル投入流路と、
投入したサンプル液を回収するためのサンプル回収流路と、
投入したサンプル液が前記検量用元素ドットに流れ込むことを防止するための検量用元素ドット保護領域と、
前記サンプル投入流路と前記サンプル回収流路とに接続し、前記サンプル捕捉領域にサンプル液を供給・接触させるためのサンプル接触流路と、
を含む、
分析用デバイスのサンプル捕捉領域にサンプルを捕捉するためのサンプル捕捉用キット。

本出願で開示する分析用デバイスを用いたサンプル中の元素の分析方法は、サンプルの分析途中で検量用元素溶液に切り替える必要がない。したがって、サンプル中の元素の分析効率が向上する。

図１Ａおよび図１Ｂは、第１の実施形態に係るデバイス１ａの概略を説明するための図である。 図２Ａおよび図２Ｂは、第２の実施形態に係るデバイス１ｂの概略を説明するための図である。 図３Ａ乃至図３Ｄは、第３の実施形態に係るデバイス１ｃおよび変形例の概略を説明するための図である。 図４Ａ乃至図４Ｄは、第４の実施形態に係るデバイス１ｄおよび変形例の概略を説明するための図である。 図５Ａ乃至図５Ｃは、サンプル捕捉用キット１０の概略を説明するための図である。 図６は、ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳを用いた分析方法の概略を示す図である。 図７は、分析方法の実施形態のフローチャートである。 図８Ａは、実施例１で作製したデバイスの第１基板の第１面の設計イメージを表す図である。図８Ｂは図面代用写真で、実施例１で作製したデバイスのサンプル捕捉領域を拡大した写真である。 図９は図面代用写真で、実施例２で培養した細胞の写真である。 図１０Ａおよび図１０Ｂは、実施例２の検量用元素測定工程で測定した結果から作成したＦｅとＣｕの検量線である。 図１１は、実施例２のサンプル中元素測定工程で測定したＦｅの測定結果を表す。

以下、図面を参照しつつ、サンプル中の元素の分析に用いる分析用デバイス（以下、単に「デバイス」と記載することがある。）、および、サンプル中の元素の分析方法（以下、単に「分析方法」と記載することがある。）について、詳しく説明する。なお、本明細書において、同種の機能を有する部材には、同一または類似の符号が付されている。そして、同一または類似の符号の付された部材について、繰り返しとなる説明が省略される場合がある。

（デバイスの第１の実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂを参照して、第１の実施形態に係るデバイス１ａについて説明する。図１Ａはデバイス１aの上面図、図１Ｂは図１ＡのＸ－Ｘ’断面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、デバイス１ａは、第１基板２ａ、検量用元素ドット３を少なくとも含んでいる。なお、本明細書において「検量用元素ドット」とは、検量用として測定される元素の集合体を意味する。検量用元素ドット３は、第１基板２ａの第１面２１に形成され、後述する分析方法の際に、サンプル中に含まれる元素量の分析に用いられる。そのため、検量用元素ドット３には、予め設定した量（所定量）の元素が含まれている。図１Ｂに示す例では、例えば、同一種類の元素を３ａ～３ｄの順に元素量が異なるように第１基板２ａに設けている。

第１面２１に形成する検量用元素ドット３は、ＩＣＰ－ＭＳ、ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ、ＭＡＬＤＩ－ＭＳ等の分析方法で分析可能な元素に対応していれば特に制限はなく、１種類の元素であってもよいし、複数種類であってもよい。上記の分析方法で分析可能な元素としては、例えば、金属元素、半金属元素、非金属元素等が挙げられる。金属元素としては、例えば、鉄、銅、亜鉛、コバル卜、モリブデン、カルシウム、マグネシウム、マンガン、セレン、クロム、鉛、水銀、カドミウム等が挙げられる。半金属元素としては、例えば、セレン、ヒ素等が挙げられる。非金属元素としては、リン等が挙げられる。

第１基板２ａを作製する材料は、分析方法に応じて決めればよい。例えば、分析方法がＩＣＰ－ＭＳの場合は、後述する方法で第１基板２ａに形成した検量用元素ドット３に溶媒を滴下し、溶液化した元素をＩＣＰ－ＭＳに投入すればよいことから、材料はＩＣＰ－ＭＳで一般的に用いられている酸や酸化剤（硝酸、過酸化水素水等）に溶解しない材料であればよい。例えば、ガラス、Ｓｉ、ＳｉＯ_２等が挙げられる。また、分析方法が、ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳの場合は、検量用元素ドット３にレーザー光を照射し、そのエネルギーで検量用元素ドット３を蒸発・微粒子化するが、その際に、レーザー光により第１基板２ａの表面も蒸発する可能性がある。そのため、第１基板２ａを作製する材料は、サンプル中の分析対象元素と重複しない原料で形成されることが好ましい。例えば、サンプルとして細胞を用いた場合、細胞中にはほとんど含まれないＳｉ、ＳｉＯ_２、石英ガラス等を用いればよい。また、レーザーアブレーションを用いた分析方法として、ＭＡＬＤＩ－ＭＳを用いることもできる。その場合は、ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳと同様のＳｉ、ＳｉＯ_２、石英ガラスに加え、アルミニウムを用いることができる。

検量用元素ドット３は、取扱の利便性のため、乾燥した状態が好ましい。検量用元素ドット３は、例えば、第１基板２ａの第１面２１の検量用元素ドット３を載置する部分を親水化処理し、元素溶液を親水化処理した部分に滴下し、乾燥することで作製することができる。親水化処理は、第１面２１にマスクを被せ、プラズマ処理やＳｉＯ_２の堆積等の公知の親水化処理方法で実施すればよい。検量用元素ドット３を載置する部分が、当該部分を囲む部分より親水化度が高いことから、元素溶液を滴下すると液滴状となり、隣接する元素溶液と混合しない。そのため、予め設定した量の元素を、検量用元素ドット３として作製できる。

（デバイスの第２の実施形態）
図２Ａ及び図２Ｂを参照して、第２の実施形態に係るデバイス１ｂについて説明する。図２Ａはデバイス１ｂの上面図、図２Ｂは図２ＡのＹ－Ｙ’断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示す例では、デバイス１ｂの第１面２１に設けられた検量用元素ドット孔２２に、検量用元素ドット３が設けられている点で、第１の実施形態と異なる。第２の実施形態に係るデバイス１ｂは、検量用元素ドット孔２２に検量用元素ドット３が設けられていることから、（１）隣接する含有量が異なる検量用元素ドット３同士が接触する可能性が、第１の実施形態に係るデバイス１ａと比較してより少なくなる、（２）検量用元素ドット３は検量用元素ドット孔２２の中に配置されることから、取扱中に検量用元素ドット３が第１基板２ａから脱落する可能性が、第１の実施形態に係るデバイス１ａより小さくなる、という効果を奏する。

第２の実施形態に係るデバイス１ｂの検量用元素ドット孔２２は、公知の方法で作製することができる。例えば、凸部を有する鋳型を作製し、第１基板２１を作製する材料に転写すればよい。また、フォトリソグラフィを用い、エッチングにより第１面２１に検量用元素ドット孔２２を形成してもよい。フォトリソグラフィを用いて検量用元素ドット孔２２を形成する場合は、公知のネガ型またはポジ型のレジストを第１基板２ａの第１面２１に塗布し、検量用元素ドット孔２２を形成する箇所のレジストを除去できるようにフォトマスク・露光・現像を行い、ドライエッチング等により検量用元素ドット孔２２を形成すればよい。

検量用元素ドット３は、第１の実施形態と同様に作製すればよい。また、第２の実施形態に係るデバイス１ｂには検量用元素ドット孔２２が形成されていることから、例えば、元素が吸着した担体を検量用元素ドット孔２２内に配置してもよい。例えば、所定量の元素イオンを表面に吸着させたイオン交換樹脂を、検量用元素ドット孔２２内に配置する実施形態が挙げられる。

第１および第２の実施形態に係るデバイス１は、後述するサンプル捕捉領域を有していない。したがって、サンプルを分析する際には、別途準備したサンプル捕捉用デバイスに捕捉したサンプルと、第１および第２の実施形態に係るデバイス１とを接続し、一つの分析用デバイスに組み上げて分析すればよい。サンプル捕捉用デバイスは、後述するサンプル捕捉領域を有する基板を用いればよい。

（デバイスの第３の実施形態および変形例）
図３Ａ及び図３Ｂを参照して、第３の実施形態に係るデバイス１ｃについて説明する。図３Ａはデバイス１ｃの上面図、図３Ｂは図３ＡのＸ－Ｘ’断面図である。図３Ａ及び図３Ｂに示す例では、第１基板２ａの第１面２１に、分析対象サンプルを捕捉するサンプル捕捉領域２３が形成されている点で、第１の実施形態に係るデバイス１ａと異なり、その他の点はデバイス１ａと同じである。デバイス１ｃは、検量用元素を準備する手順が不要であり、直ちにデバイス１ｃを用いて捕捉したサンプルを分析できるという効果を奏する。

サンプル捕捉領域２３は、分析対象サンプルを捕捉できれば特に制限はない。例えば、第１の実施形態と同様、サンプル捕捉領域２３に親水性領域および疎水性領域を形成し、親水性領域にサンプルを含んだサンプル液を滴下すればよい。また、サンプルが生体分子の場合、当該生体分子と特異的に結合する抗体、或いは、脂質２重膜等をサンプル捕捉領域２３に設けておき、サンプル溶液中のサンプルを捕捉できるようにしてもよい。また、第１面２１を特に表面処理をすることなく、インクジェット技術を用いて、単一細胞等を第１面２１に配列してもよい。なお、基板として石英やガラスを用いた場合は、必要に応じて、第１面２１に生体分子を捕捉し易くするための官能基等を導入してもよい。

分析対象サンプルとしては、動物細胞、植物細胞、細菌、酵母、生体分子片の生物サンプル、或いは、ＰＭ２．５等の非生物サンプル等が挙げられる。

次に、図３Ｃ及び図３Ｄを参照して、第３の実施形態に係るデバイス１ｃの変形例について説明する。図３Ｃはデバイス１ｃの変形例の上面図、図３Ｄは図３ＣのＸ－Ｘ’断面図である。第３の実施形態に係るデバイス１ｃの変形例は、第１基板２ａとは分離可能な第２基板２ｂを更に含み、サンプル捕捉領域２３が、第２基板２ｂに形成されている点で、第３の実施形態に係るデバイス１ｃと異なり、その他の点はデバイス１ｃと同じである。第３の実施形態に係るデバイス１ｃの変形例は、分析対象サンプルをデバイス捕捉領域２３に捕捉する際に、検量用元素ドット３が形成された第１基板２ａと分離できる。したがって、後述するサンプル捕捉工程の際に、サンプル液が検量用元素ドット３を形成した領域に侵入する恐れがないという効果を奏する。

第２基板２ｂは、第１基板２ａと分離できれば特に制限はない。例えば、第２基板２ｂと第１基板２ａの一方に凸部、他方に凹部を形成することで、両者を係合可能とすればよい。また、第２基板２ｂと第１基板２ａの係合面を粘着性の材料で形成することで、係合可能としてもよい。

（デバイスの第４の実施形態および変形例）
図４Ａ及び図４Ｂを参照して、第４の実施形態に係るデバイス１ｄについて説明する。図４Ａはデバイス１ｄの上面図、図４Ｂは図４ＡのＹ－Ｙ’断面図である。図４Ａ及び図４Ｂに示す例では、第１基板２ａの第１面２１に、分析対象サンプルを捕捉するサンプル捕捉領域２３が形成され、更に、サンプル捕捉領域２３にサンプルを捕捉するためのサンプル捕捉孔２４が形成されている点で、第２の実施形態に係るデバイス１ｂと異なり、その他の点はデバイス１ｂと同じである。

サンプル捕捉領域２３に形成されるサンプル捕捉孔２４は、第２の実施形態に係るデバイス１ｂの検量用元素ドット孔２２と同様の手順で作製すればよい。サンプル捕捉孔２４の形状および大きさは、分析対象サンプルを捕捉できれば特に制限はなく、サンプルに応じて適宜調整すればよい。なお、従来技術に記載のとおり、近年は単一細胞に対する微量元素分析の関心が高まっている。したがって、単一細胞中に含まれる微量元素を分析する場合には、サンプル捕捉孔２４の大きさを、分析対象細胞と同じ又はやや大きくし、分析対象細胞を一個のみ捕捉できるようにしてもよい。第４の実施形態に係るデバイス１ｄを用いることで、複数の細胞中に含まれる元素の平均値ではなく、単一細胞中に含まれる元素を分析できる。また、第４の実施形態に係るデバイス１ｄは、第１基板２ａまたは第２基板２ｂ上のサンプル捕捉領域２３に捕捉した単一細胞を整列させることができる。そのため、後述する分析方法による分析の前に、ＣＣＤカメラ等の撮像装置で単一細胞を撮影し、画像解析により細胞の大きさを測定することで、単一細胞に含まれる元素を分析する際に、細胞の大きさに基づき測定結果を補正することもできる。

分析対象サンプルのサイズが小さい場合、サンプル捕捉孔２４も小さくなるが、サンプル捕捉孔２４が小さすぎると、サンプル溶液がサンプル捕捉孔２４に入りにくくなる。したがって、サンプル捕捉領域２３にサンプル捕捉孔２４を形成する場合は、サンプル捕捉領域２３を親水化処理してもよい。親水化処理は、プラズマ照射、原子層堆積法（ＡＬＤ）によるＳｉＯ_２の堆積等、公知の方法で行えばよい。

次に、図４Ｃ及び図４Ｄを参照して、第４の実施形態に係るデバイス１ｄの変形例について説明する。図４Ｃはデバイス１ｄの変形例の上面図、図４Ｄは図４ＣのＹ－Ｙ’断面図である。第４の実施形態に係るデバイス１ｄの変形例は、第３の実施形態と同様、第１基板２ａとは分離可能な第２基板２ｂを更に含み、サンプル捕捉領域２３およびサンプル捕捉孔２４が、第２基板２ｂに形成されている点で、第４の実施形態に係るデバイス１ｄと異なり、その他の点はデバイス１ｄと同じである。

第４の実施形態に係るデバイス１ｄおよび変形例は、第３の実施形態に係るデバイス１ｃおよび変形例の効果に加え、次の効果も奏する。サンプルが細胞の場合、一般的に細胞は培養液で培養されるが、培養液中には微量の元素が含まれる。したがって、単一細胞中の元素をより正確に分析するには、培養液につてもＩＣＰ－ＭＳ等で分析し誤差補正をする必要があり、分析作業が煩雑となる。一方、細胞を洗浄後、純水に懸濁して分析することも考えられるが、細胞の種類により時間は異なるものの、浸透圧の関係で細胞がバーストしてしまい、単一細胞中の元素の測定が困難になる場合がある。一方、第４の実施形態に係るデバイス１ｄおよびその変形例では、サンプル捕捉孔２４に細胞を捕捉できる。そのため、細胞をサンプル捕捉孔２４に捕捉後、培養液を純水で数回洗浄した後放置することで細胞がバーストしても、バーストした細胞の内容物は、サンプル捕捉孔２４内に残留する。したがって、培養液に含まれる元素の誤差補正をすることなく、単一細胞中に含まれる元素をより正確に分析できるという効果も奏する。

なお、第３の実施形態および第４の実施形態に係るデバイス１は、それぞれの特徴を組合わせてもよい。例えば、第３の実施形態に係るデバイス１ｃおよび変形例のサンプル捕捉領域２３に、第４の実施形態と同様のサンプル捕捉孔２４を形成してもよい。また、第４の実施形態に係るデバイス１ｄおよび変形例のサンプル捕捉領域２３を、第３の実施形態と同様に、サンプル捕捉孔２４を形成しなくしてもよい。

（サンプル捕捉用キットの実施形態）
図５Ａ乃至図５Ｃを参照して、サンプル捕捉用キットについて説明する。図５Ａはサンプル捕捉用キットの概略を示す図、図５Ｂは第２カバー部材を取り除いた状態のデバイス１ｄの上面図、図５Ｃはサンプル捕捉用キットの作用を説明するための図である。第５の実施形態に係るサンプル捕捉用キットは、サンプル捕捉領域２３が形成されている第３の実施形態に係るデバイス１ｃおよび第４の実施形態に係るデバイス１ｄにおいて、サンプルが含まれるサンプル液を、サンプル捕捉領域２３に流すためのカバー部材４、を更に含むことが特徴である。なお、図５Ａ乃至図５Ｃでは、デバイス１ｄを用いた例で説明する。

カバー部材４は、サンプル液を投入するためのサンプル投入流路４１、投入したサンプル液を回収するためのサンプル回収流路４２、検量用元素ドット３にサンプル液が流れ込むことを防止するための検量用元素ドット保護領域４３、サンプル投入流路４１とサンプル回収流路４２とに接続しサンプル捕捉領域２３にサンプル液を供給・接触させるためのサンプル接触流路４４、を含んでいる。カバー部材４は、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第１カバー部材４ａと第２カバー部材４ｂに分割して形成してもよいし、図５Ｃに示すように単一の部材で形成してもよい。

図５Ａ及び図５Ｂに示す例では、第１カバー部材４ａに、サンプル投入流路４１、サンプル回収流路４２、検量用元素ドット３にサンプル液が流れ込むことを防止するための保護領域４３、サンプル捕捉領域２３にサンプル液を供給・接触させるためのサンプル接触流路４４、が形成されている。サンプル接触流路４４は、サンプル投入流路４１およびサンプル回収流路４２と接続している。また、第２カバー部材４ｂには、サンプル投入流路４１にサンプル液を投入するためのサンプル投入孔４１１、サンプル回収流路４２からサンプル液を回収するためのサンプル回収孔４２１が、第２カバー部材４ｂを構成する基板を貫通するように形成されている。また、図５Ｃに示す例では、カバー部材４が単一の部材で形成されている。図５Ｃに示す例では、カバー部材４を形成する基板の上方に形成したサンプル投入孔４１１とサンプル接触流路４４との間の流路が、サンプル投入流路４１に相当する。同様に、サンプル接触流路４４とサンプル回収孔４２１を繋ぐ流路が、サンプル回収流路４２に相当する。

サンプル投入流路４１、サンプル回収流路４２、および、サンプル接触流路４４は、少なくとも１セットあればよいが、分析用デバイス１のサンプル捕捉領域２３において、異なる種類のサンプルＳを捕捉したい場合は、サンプル投入流路４１、サンプル回収流路４２、および、サンプル接触流路４４は、複数セット形成してもよい。例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示す例では、サンプル投入流路４１、サンプル回収流路４２、および、サンプル接触流路４４は、４セット形成されているが、２セット、３セット、５セット以上等、所期のセット数を形成すればよい。

検量用元素ドット保護領域４３は、カバー部材４を第１基板２ａに被せた際に、第１面２１と密着すればよい。図５Ｃに示す例では、カバー部材４の厚さを、検量用元素ドット保護領域４３を覆う部分を厚くし、サンプル捕捉領域２３を覆う部分を薄くしている。カバー部材４の厚さを変えることで、カバー部材４の検量用元素ドット保護領域４３は検量用元素ドット３を設けている領域に密着し、カバー部材４のサンプル捕捉領域２３を覆う部分は、第１面２１との間にサンプル接触流路４４を形成できる。したがって、図５Ｃに示すように、サンプル液をサンプル投入孔４１１に投入し、サンプル捕捉領域２３でサンプルを捕捉し、サンプル液をサンプル回収孔４２１から回収する際に（図５Ｃの矢印方向）、サンプル液が、検量用元素ドット３に流れ込むことを防止できる。なお、図５Ｃに示す例は、単なる例示に過ぎず、例えば、検量用元素ドット３が形成されている領域とサンプル捕捉領域２３の境界のみに、検量用元素ドット保護領域４３を設ける等、検量用元素ドット３が形成されている領域にサンプル液が流れ込まなければ、適宜設計変更してもよい。

カバー部材４を作製するための材料としては、切削または鋳型を転写できるものであれば特に制限はない。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）樹脂、ＡＳ（アクリロニトリルスチレン）樹脂、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）等の熱可塑性樹脂；フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド、シリコーンゴム等の熱硬化性樹脂が挙げられる。なお、図５Ａ乃至図５Ｃは、サンプル捕捉領域２３にサンプル捕捉孔２４を形成した例を示しているが、第３の実施形態に係るデバイス１ｃのように、サンプル捕捉領域２３にサンプル捕捉孔２４が形成されていなくてもよい。

なお、第３および第４の実施形態に係るデバイス１において、カバー部材４を用いない場合は、スポイト等を用いて、サンプル液をサンプル捕捉領域２３に滴下すればよい。

（分析方法の実施形態）
次に、図６および図７を参照して、分析方法の実施形態の概略について説明する。図６は、ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳを用いた分析方法の概略を示す図で、図７は分析方法の実施形態のフローチャートである。

図６に示すＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ５は、レーザーアブレーションユニット（ＬＡ）５ａとＩＣＰ－ＭＳユニット５ｂを含む。ＬＡ５ａは、後述するサンプル捕捉工程により捕捉したサンプルと検量用元素ドット３に、アブレーション用レーザーを照射する光源５１、デバイス１を撮像するためのカメラ５２、アブレーション用レーザーを照射することで蒸発・微粒子化したサンプル及び検量用元素ドットをＩＣＰ－ＭＳユニット５ｂに送るアルゴン等のガスボンベ５３を含んでいる。ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ５は、公知の装置を用いればよい。また、図示は省略するが、ＬＡを用いない場合は、デバイス１に溶媒を滴下し、サンプル捕捉領域２３に捕捉したサンプル溶液および検量用元素溶液をＩＣＰ－ＭＳに導入すればよい。

図７に示すように、分析方法の実施形態は、サンプル捕捉工程（ＳＴ１）と、検量用元素測定工程（ＳＴ２）と、サンプル中元素測定工程（ＳＴ３）と、サンプル中元素分析工程（ＳＴ４）と、を少なくとも含んでいる。

サンプル捕捉工程（ＳＴ１）では、サンプルをサンプル捕捉領域に捕捉する。第３乃至第５の実施形態に係るデバイス１を用いた場合は、デバイス１のサンプル捕捉領域２３にサンプルを捕捉すればよい。また、第１および第２の実施形態に係るデバイス１を用いる場合は、サンプル捕捉工程（ＳＴ１）では別途準備したサンプル捕捉用デバイスのサンプル捕捉領域にサンプルを捕捉し、後続の工程では、第１および第２の実施形態に係るデバイス１と組み合わせて分析すればよい。

検量用元素測定工程（ＳＴ２）では、デバイスに予め設けられている所定量の元素が含まれる検量用元素を測定する。測定結果に基づき、ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ５が示す分析結果の数値と実際の元素量との検量線等を作製する。

サンプル中元素測定工程（ＳＴ３）では、サンプル捕捉工程（ＳＴ１）で捕捉したサンプル中に含まれる元素を測定する。なお、ＳＴ３とＳＴ２の順番は逆であってもよい。

そして、サンプル中元素分析工程（ＳＴ４）では、検量用元素測定工程（ＳＴ２）の測定結果、および、サンプル中元素測定工程（ＳＴ３）の測定結果から、サンプル中に含まれる元素の量を分析する。なお、サンプル中元素分析工程（ＳＴ４）では、所定時間毎に検量用元素測定工程（ＳＴ２）を実施し、必要に応じて更新したＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ５が示す分析結果の数値と実際の元素量との検量線等を用いて、サンプル中に含まれる元素の量を分析してもよい。分析方法の実施形態では、捕捉したサンプルおよび検量用元素を同一の分析用デバイス上に配置して、分析を行うことができる。そのため、（１）検量線等の修正または有効性の検証のため分析用デバイスを入れ替える手間が省け、（２）同一雰囲気での連続測定が可能となるため測定精度が向上する、という効果が得られる。

また、分析方法の実施形態では、必要に応じて、サンプル捕捉工程（ＳＴ１）を実施後、捕捉したサンプルを洗浄するサンプル洗浄工程、サンプル洗浄工程の後に捕捉したサンプルを乾燥するサンプル乾燥工程、を含んでもよい。サンプル洗浄工程を実施すると、例えば、培養液等に含まれる元素の影響を少なくできる。また、ＩＣＰ－ＭＳユニットにおいて、火炎中でサンプルをイオン化する際に、サンプルに液体が含まれていると余分な熱エネルギーが必要であり、且つ、測定精度が落ちる。サンプル乾燥工程を設けると、エネルギー効率と分析精度が向上する。更に、検量用元素ドットも乾燥しておくと、分析用デバイスの取り扱いの利便性に加え、サンプル乾燥工程を経たサンプルと乾燥した検量用元素ドットの分析条件が近くなることから、分析精度が向上するという複合的な効果が得られる。

以下に実施例を掲げ、本出願で開示する実施形態を具体的に説明するが、この実施例は単に実施形態の説明のためのものである。本出願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。

〔デバイスの作製〕

＜実施例１＞
以下の手順により、実施例１のデバイス１を作製した。
（１）第１基板への検量用元素ドット孔およびサンプル捕捉孔の作製
第１基板として３インチｎ型シリコン（１００）ウエハ（Ａｄｖａｎｔｅｃｈ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）を用い、第１基板の表面に、ポジ型フォトレジスト（ＯＦＰＲ８６００；東京応化工業（株）製）を、５００ｒｐｍで５ｓｅｃ、３０００ｒｐｍで１２０ｓｅｃの条件でスピンコータによって回転塗布した。その後、ホットプレート上にて９０℃、１２ｍｉｎ加熱することで溶媒を蒸発させ、レジストを第１基板上に固定させた。

次に、サンプル捕捉孔を形成する部分が露光するように設計したフォトマスクを、加熱後の第１基板上に重ねた。露光機で６００ｍＪ／ｃｍ²のｉ線を照射後、第１基板を現像液に浸漬することで露光した部分のポジ型フォトレジストを剥離した。現像液から基板２を取り出し流水洗浄を行った後、ホットプレートにて９０℃、５ｍｉｎ加熱することで、ポジ型フォトレジストのパターニングを完了した。

次に、反応性イオンドライエッチングにより、第１基板の第１面に、検量用元素ドット孔およびサンプル捕捉孔を作製した。

次に、原子層堆積装置によりＳｉＯ_２を堆積することで、第１基板の第１面の親水化処理を行った。図８Ａは第１基板の第１面の設計イメージを表す図で、第１面を４つのブロックに分割し、１つのブロックに検量用元素ドット孔２２を形成し、他の３つのブロックをサンプル捕捉領域とし、サンプル捕捉孔２４を作製した。図８Ｂは、サンプル捕捉領域を拡大した写真である。検量用元素ドット孔およびサンプル捕捉孔の内径は約４０μｍ、深さは約２０μｍ、隣り合うサンプル捕捉孔の間隔は約５０μｍであった。

（２）検量用元素（Ｆｅ、Ｃｕ）ドットの作製
イオン交換樹脂として東ソー株式会社製、ＴＳＫｇｅｌ ＳＰ－３ＰＷを用いた。鉄元素（Ｆｅ）として、鉄標準液（Ｆｅ １０００）（関東化学社製、ＩＣＰ分析用元素標準液）を用い、銅元素として銅標準液（Ｃｕ １０００）（関東化学社製、ＩＣＰ分析用元素標準液）を用いた。Ｆｅの元素数が５×１０⁹、２０×１０⁹となるようにイオン交換樹脂に吸着させた。また、Ｃｕも同様に、元素数が５×１０⁹、２０×１０⁹となるようにイオン交換樹脂に吸着させた。Ｆｅ、Ｃｕが吸着したイオン交換樹脂を、（１）で作製した検量用元素ドット孔２２内に配置した。

（３）カバー部材の作製
カバー部材は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、第１カバー部材および第２カバー部材を組合わせることで作製した。第１カバー部材にはシリコンシート（信越ポリマー社製、シリコーンゴムシート）を用い、図８Ａのサンプル捕捉孔２４が形成されている３つのブロックにサンプル液を投入できるように、サンプル投入流路、サンプル接触流路、および、サンプル回収流路を形成した。また、検量用元素ドット孔２２を形成したブロックには、第１カバー部材が密着するように検量用元素ドット保護領域を形成した。サンプル投入流路、サンプル接触流路、サンプル回収流路、および、検量用元素ドット保護領域は、シリコンシートを通常ナイフによる切り出し加工により作製した。また、第２カバー部材にはアクリル板（アクリサンデー社製）を用いた。サンプル投入孔およびサンプル回収孔は、ドリルを用いて、アクリル板を貫通するように形成した。
（４）上記（１）で作製した第１基板に上記（３）で作製したカバー部材を密着させることで、実施例１のデバイスを作製した。

〔単一細胞中の元素の分析〕

＜実施例２＞
実施例１で作製したデバイスを用い、以下の手順で単一細胞中の元素の分析を行った。
（１）細胞培養
細胞には緑藻（ヘマトコッカス、Ｈａｅｍａｔｏｃｏｃｃｕｓ ｌａｃｕｓｔｒｉｓ ＮＩＥＳ－１４４）を用いた。細胞は、国立研究開発法人国立環境研究所から入手した。培地には、オートクレーブ滅菌したＣ培地（Ｉｃｈｉｍｕｒａ，Ｔ．， １９７１，“Ｓｅｘｕａｌ ｃｅｌｌ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｊｕｇａｔｉｏｎ－ｐａｐｉｌｌａ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｅｘｕａｌ ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｌｏｓｔｅｒｉｕｍ ｓｔｉｇｏｓｕｍ”， Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｖｅｎｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅａｗｅｅｄ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｏｋｙｏ Ｐｒｅｓｓ， Ｔｏｋｙｏ，ｐ．２０８－２１４．）を用いた。培養は、インキュベーター（ＦＬＩ－３００Ｎ、東京理科器械株式会社製）を用いて、温度（２５℃）、光強度２０－５０μｍｏｌ ｐｈｏｔｏｎｓ／ｍ²・ｓ、振とう速度１００ｒｐｍの条件下で１ヶ月培養した。図９に培養した細胞の写真を示す。図９から明らかなように、サイズにはややばらつきがあり、平均粒子径は約２５μｍであった。

（２）サンプル捕捉工程
実施例１で作製したデバイスのサンプル投入孔から、上記「（１）細胞培養」で培養した細胞培養液を投入することで、デバイスのサンプル捕捉孔２４に細胞を捕捉した。サンプル捕捉孔２４に細胞を捕捉した後は、超純水でリンスした。捕捉後のデバイスの第１面の画像を解析した結果、作製したサンプル捕捉孔２４の約９８％に細胞が捕捉されたことを確認した。

（３）検量用元素測定工程
測定には、ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳシステムを用いた。ＬＡは、ＥＳＩ社製のＹＡＧレーザーを搭載したＮＥＷ ＷＡＶＥ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ２１３ ＬＡ装置を用いた。また、ＩＣＰ－ＭＳは、アジレントテクノロジー社製の三連四重極型ＩＣＰ－ＭＳ（８９００）を用いた。ＬＡとＩＣＰ－ＭＳをオンラインで接続することで、ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳシステムを構築した。測定は、以下の条件で行った。
＜ＬＡ照射条件＞
（１）レーザーパワー：１５％
（２）周波数：４Ｈｚ
（３）照射径：５０μｍ
（４）照射時間：１ ｓｅｃ
＜ＬＡ－ＩＰＣ－ＭＳ測定条件＞
（５）ＩＣＰトーチへのガス流量
・ＬＡ装置キャリアガス流量：Ｈｅ ０．８Ｌ／ｍｉｎ
・ＩＰＣ－ＭＳのネブライザーガス流量：Ａｒ ０．６Ｌ／ｍｉｎ
（６）コリジョンセルガス流量：Ｈｅ ５ｍＬ／ｍｉｎ

図１０ＡはＦｅの測定結果に基づいて作成した検量線、図１０ＢはＣｕの測定結果に基づいて作成した検量線を表す。グラフの横軸は元素の数、縦軸はＬＡ－ＩＰＣ－ＭＳ装置の測定値である。

（４）サンプル中元素測定工程
上記（３）と同様の＜ＬＡ照射条件＞および＜ＬＡ－ＩＰＣ－ＭＳ測定条件＞により、デバイスに捕捉した細胞中に含まれるＦｅの分析を行った。図１１は、Ｆｅの測定結果を表す。図１１中の黒色三角は、捕捉した単一の細胞のシグナル、白抜き三角は細胞が捕捉されていないサンプル捕捉孔２４をＬＡした時の結果である。図１１に示すように、単一細胞をＬＡ照射した際に、Ｆｅがカウントされた。

（５）サンプル中元素分析工程
上記（３）で作製した検量線、上記（４）の測定結果を対比することで、ヘマトコッカスの単一細胞中に、Ｆｅが１００億から１５０億個存在していることを確認した。

なお、図１１のグラフに示すとおり、同種の単一細胞であっても、Ｆｅの含有量は異なっていた。これは、図９に示すように、個々の細胞の大きさが異なっていたためと考えられ、逆に、図１１に示す測定結果は、単一細胞中に含まれるＦｅの量を正確に測定したと考えられる。したがって、図９に示す細胞の画像を解析することで計算した細胞の大きさと、画像上の測定対象細胞と測定結果を関連付けて記憶装置等に記憶しておくことで、細胞のサイズに応じて測定結果を補正することもできる。

以上のとおり、分析方法の実施形態では、デバイスに検量用元素ドットを設けることで、従来のように、サンプルの分析途中で検量用元素溶液に切り替える必要がない。そのため、サンプル中の元素の分析効率が向上することを確認した。

本出願で開示するデバイスは、サンプル中に含まれる元素の分析の作業効率が向上する。したがって、医療機関、大学、企業、研究機関等における細胞の分析に有用である。

１、１ａ～１ｄ…分析用デバイス、２ａ…第１基板、２ｂ…第２基板、３、３ａ～３ｄ…検量用元素ドット、４…カバー部材、４ａ…第１カバー部材、４ｂ…第２カバー部材、５…ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ、５ａ…レーザーアブレーションユニット、５ｂ…ＩＣＰ－ＭＳユニット、１０…サンプル捕捉用キット、２１…第１面、２２…検量用元素ドット孔、２３…サンプル捕捉領域、２４…サンプル捕捉孔、４１…サンプル投入流路、４２…サンプル回収流路、４３…検量用元素ドット保護領域、４４…サンプル接触流路、５１…光源、５２…カメラ、５３…ガスボンベ、４１１…サンプル投入孔、４２１…サンプル回収孔、Ｓ…サンプル

Claims (11)

1. サンプル中の元素の質量分析方法であって、該質量分析方法は、
   サンプルを分析用デバイスに捕捉するサンプル捕捉工程と、
   分析用デバイスに予め設けられており、所定量の元素が含まれる検量用元素を測定する検量用元素測定工程と、
   前記サンプル捕捉工程で捕捉したサンプル中に含まれる元素を測定するサンプル中元素測定工程と、
   前記検量用元素測定工程の測定結果、および、前記サンプル中元素測定工程の測定結果から、前記サンプル中に含まれる元素の量を分析するサンプル中元素分析工程と、
   を含み、
   前記検量用元素は、
   分析用デバイスの第１基板の第１面であって且つサンプルを捕捉するサンプル捕捉領域とは異なる領域に設けられ、
   同一種類の元素であって且つ元素量が異なるドットを含む、
   質量分析方法。
2. 前記サンプル捕捉工程の後に、捕捉したサンプルを洗浄するサンプル洗浄工程を含む、
   請求項１に記載の質量分析方法。
3. 前記サンプル洗浄工程の後に、捕捉したサンプルを乾燥するサンプル乾燥工程を含む、
   請求項２に記載の質量分析方法。
4. 前記分析用デバイスは、
   第１基板、
   または、
   前記第１基板及び該第１基板とは分離可能な第２基板、
   を含み、
   前記所定量の元素が含まれる検量用元素は、前記第１基板の第１面に形成され、
   前記第１基板または前記第２基板の第１面には、分析対象サンプルを捕捉するサンプル捕捉領域が形成されている、
   請求項１～３の何れか一項に記載の質量分析方法。
5. 前記サンプル捕捉領域には、サンプルを捕捉するサンプル捕捉孔が形成されている、
   請求項４に記載の質量分析方法。
6. サンプル中の元素の分析に用いる分析用デバイスであって、該分析用デバイスは、
   第１基板と、
   該第１基板の第１面であって且つサンプルを捕捉するサンプル捕捉領域とは異なる領域に設けられ、サンプル中に含まれる元素の分析に用いるための所定量の元素が含まれる検量用元素ドットと、
   を含み、
   前記検量用元素ドットは、同一種類の元素であって且つ元素量が異なるドットを含む、分析用デバイス。
7. 前記第１基板の第１面には、分析対象サンプルを捕捉するサンプル捕捉領域が形成されている、
   請求項６に記載の分析用デバイス。
8. 前記第１基板とは分離可能な第２基板を更に含み、
   前記第２基板の第１面には、分析対象サンプルを捕捉するサンプル捕捉領域が形成されている、
   請求項６に記載の分析用デバイス。
9. 前記サンプル捕捉領域には、サンプルを捕捉するためのサンプル捕捉孔が形成されている、
   請求項７または８に記載の分析用デバイス。
10. 前記検量用元素ドットが、前記第１基板の第１面に設けられた検量用元素ドット孔に設けられている、
    請求項６～９の何れか一項に記載の分析用デバイス。
11. 請求項７～１０の何れか一項に記載の分析用デバイス、および、
    サンプルが含まれるサンプル液を、前記分析用デバイスのサンプル捕捉領域に流すためのカバー部材を更に含み、
    前記カバー部材は、
    サンプル液を投入するためのサンプル投入流路と、
    投入したサンプル液を回収するためのサンプル回収流路と、
    投入したサンプル液が前記検量用元素ドットに流れ込むことを防止するための検量用元素ドット保護領域と、
    前記サンプル投入流路と前記サンプル回収流路とに接続し、前記サンプル捕捉領域にサンプル液を供給・接触させるためのサンプル接触流路と、
    を含む、
    分析用デバイスのサンプル捕捉領域にサンプルを捕捉するためのサンプル捕捉用キット。

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