JP7225656B2 - Target substance detection device and target substance detection method - Google Patents

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Description

本発明は、磁性微粒子を用いて、液体中に存在する目的物質を光学的に検出可能な目的物質検出装置及び目的物質検出方法に関する。 The present invention relates to a target substance detection device and a target substance detection method capable of optically detecting a target substance existing in a liquid using magnetic fine particles.

近年、溶液中に存在する微小物質、特にDNA、RNA、タンパク質、ウイルス、細菌等の生体関連物質を検出・定量する方法が開発されている。このような方法としては、例えば、磁性微粒子を利用する方法が知られている。 In recent years, methods have been developed for detecting and quantifying minute substances present in a solution, particularly bio-related substances such as DNA, RNA, proteins, viruses, and bacteria. As such a method, for example, a method using magnetic fine particles is known.

目的物質と結合する磁性粒子を利用する方法について、全反射によって生じる近接場光を利用し、検出チップ下側に配された磁石に基づく、磁場の印加により前記目的物質と前記磁性粒子との結合体を前記検出チップ表面の局所領域に引き寄せ、この局所領域に前記励起光を照射し蛍光による励起光を観察することで、前記目的物質の検出を行う方法が提案されている(特許文献1参照)。この提案によれば、磁場の印加によって前記検出チップ表面に対する前記目的物質の吸着又は近接が促され、短時間での測定が可能となる。 With regard to the method using magnetic particles that bind to the target substance, the target substance and the magnetic particles are bound by applying a magnetic field based on a magnet placed under the detection chip, using near-field light generated by total reflection. A method has been proposed in which the target substance is detected by drawing the body to a local region on the surface of the detection chip, irradiating the local region with the excitation light, and observing the excitation light from fluorescence (see Patent Document 1). ). According to this proposal, the application of a magnetic field promotes the adsorption or proximity of the target substance to the surface of the detection chip, enabling measurement in a short period of time.

さらには、検出チップ下側に配された磁石に基づく、磁場の印加により磁性微粒子との結合体を前記検出チップ表面の局所領域に引き寄せ、さらに前記磁石とは別の磁石に磁場印加によって移動する、この局所領域に光を照射し蛍光もしくは散乱による光を観察することで、前記目的物質の検出を行う方法が提案されている(特許文献2参照)。この方法は、洗浄工程なく目的物質の検出が可能な方法であり、簡易で短時間に検出が可能な技術である。 Furthermore, by applying a magnetic field based on a magnet arranged under the detection chip, the combined body with the magnetic fine particles is attracted to a local region on the surface of the detection chip, and further moved by applying a magnetic field to a magnet different from the magnet. A method has been proposed in which the target substance is detected by irradiating this local region with light and observing the light due to fluorescence or scattering (see Patent Document 2). This method is a method that enables the detection of the target substance without a washing step, and is a technique that enables simple detection in a short period of time.

しかしながら、いずれの方法においても、磁場によってチップ表面に磁性微粒子及びその結合体が強く接触するため、磁力がなくなっても化学的もしくは物理的な結合によって様々な物質がチップ表面に吸着する恐れがあった。このため、測定ごとにチップを取り替える必要があり、コストがかさんでしまう。不純物の多い試料の場合、多量の試料を測定するような場合、常時モニタリング測定を行なうような場合にチップ表面に吸着した物質が測定の邪魔をしてしまい、精度のよい測定ができないなどの課題があった。 However, in any method, since the magnetic fine particles and their combined bodies are brought into strong contact with the chip surface by the magnetic field, there is a risk that various substances will be adsorbed to the chip surface by chemical or physical bonding even if the magnetic force is removed. rice field. Therefore, it is necessary to replace the chip for each measurement, which increases the cost. In the case of samples with many impurities, when measuring a large amount of samples, or when performing constant monitoring measurements, substances adsorbed on the chip surface interfere with the measurement, making accurate measurement impossible. was there.

特許第5301894号公報Japanese Patent No. 5301894 国際公開第2017/187744号WO2017/187744

本発明は、従来技術における前記諸問題、即ち測定毎に検出チップを取り替える必要があり、さらに多量の測定を行う検出チップ表面に吸着した物質に測定の邪魔をされる、といった問題を解決し、磁性微粒子を用いた目的物質の検出に用いることができ、繰り返し利用やモニタリング用途に利用可能な目的物質検出装置及び該目的物質検出装置を用いた目的物質検出方法を提供することを課題とする。 The present invention solves the above-mentioned problems in the prior art, that is, the need to replace the detection chip for each measurement, and the problem that the measurement is hindered by substances adsorbed on the surface of the detection chip that performs a large amount of measurement, An object of the present invention is to provide a target substance detection device that can be used to detect a target substance using magnetic fine particles and that can be used repeatedly and for monitoring purposes, and a target substance detection method using the target substance detection device.

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。
即ち、本発明に係る第1の発明は、
検出チップ、磁場印加部、光照明機構、光検出装置及び解析装置を備える目的物質検出装置において、前記検出チップは、一部に光を透過する基材を有しており、目的物質と磁性微粒子と光マーカーを含む結合体を保持することができ、前記磁場印加部は、磁場の強さを周期的に変化させ、前記結合体を連続的に周期運動させることができる電磁石を、少なくとも3つ以上前記検出チップを取り囲む位置に配置しており、前記光照明機構は、前記検出チップの外部から内部に指向性をもって伝播する光で前記検出チップを照射することができ、前記光検出装置は、前記光照明機構から照射された光の進行方向から外れた位置に配置され、前記光照明機構から照射された光による前記光マーカーの移動する輝点を検出することができ、前記解析装置は、前記輝点の移動を解析することができる目的物質検出装置である。
Means for solving the above problems are as follows.
That is, the first invention according to the present invention is
In a target substance detection device comprising a detection chip, a magnetic field application unit, an optical illumination mechanism, a photodetector, and an analysis device, the detection chip partially has a base material that transmits light, and the target substance and the magnetic fine particles are separated from each other. and an optical marker , wherein the magnetic field applying unit comprises at least three electromagnets capable of periodically changing the strength of the magnetic field to continuously cyclically move the conjugate. The light illumination mechanism is arranged at a position surrounding the detection chip as described above, and the light illumination mechanism can irradiate the detection chip with light that propagates from the outside to the inside of the detection chip with directivity, and the photodetection device The analysis device is arranged at a position deviated from the traveling direction of the light emitted from the optical illumination mechanism, and is capable of detecting a moving bright spot of the optical marker caused by the light emitted from the optical illumination mechanism, A target substance detection device capable of analyzing the movement of the bright spot .

本発明に係る第2の発明は、
前記磁性微粒子の平均粒子径が20nm以上200nm以下であり、かつ、前記光マーカーの平均粒子径が300nm以上500μm以下であり、前記光検出装置は、前記光照明機構から照射された光による光マーカーの散乱光を検出することを特徴とする目的物質検出装置である。
A second invention according to the present invention is
The average particle diameter of the magnetic fine particles is 20 nm or more and 200 nm or less, and the average particle diameter of the optical marker is 300 nm or more and 500 μm or less, and the photodetector is an optical marker using light emitted from the optical illumination mechanism. It is a target substance detection device characterized by detecting scattered light of.

本発明に係る第3の発明は、
前記光マーカーが蛍光物質からなり、前記光検出装置は、前記光照明機構から照射された光を励起光として前記光マーカーが発光する蛍光を検出することを特徴とする目的物質検出装置である。
A third invention according to the present invention is
The target substance detection device is characterized in that the optical marker is made of a fluorescent substance, and the photodetector detects fluorescence emitted by the optical marker using the light emitted from the optical illumination mechanism as excitation light. .

本発明に係る第4の発明は、
前記光照明機構が、レーザ光源からなることを特徴とする目的物質検出装置である。
A fourth invention according to the present invention is
The target substance detection device is characterized in that the light illumination mechanism comprises a laser light source.

本発明に係る第5の発明は、
前記照明機構の照明光の中心波長が、400nm以上800nm以下であることを特徴とする目的物質検出装置である。
A fifth invention according to the present invention is
The target substance detection device is characterized in that the central wavelength of the illumination light of the illumination mechanism is 400 nm or more and 800 nm or less.

本発明に係る第の発明は、
前記磁場印加部による磁場変化の周期が、0.1Hz以上1000Hz以下であることを特徴とする目的物質検出装置である。
A sixth invention according to the present invention is
The target substance detection device is characterized in that the period of magnetic field change by the magnetic field applying unit is 0.1 Hz or more and 1000 Hz or less.

本発明に係る第の発明は、磁性微粒子と光マーカーとを目的物質を含む試料と反応させて結合体を作製する工程と、指向性のある照明光によって前記試料を内包する検出チップを照明しつつ、磁場印加部の磁場の強さを周期的に変化させ、周期運動を行う結合体から生じた散乱光の移動を検出する工程と、前記検出した散乱光の情報から輝点を検出する処理工程と、前記輝点の検出結果から目的物質の有無もしくは量を判断する工程と、を有することを特徴とする目的物質検出方法である。 A seventh invention according to the present invention provides a step of reacting magnetic fine particles and an optical marker with a sample containing a target substance to prepare a conjugate , and a detection chip containing the sample by directional illumination light. A step of periodically changing the strength of the magnetic field of the magnetic field applying unit while illuminating to detect the movement of the scattered light generated from the conjugate that periodically moves; and a step of determining the presence or amount of the target substance from the result of detection of the bright spots.

本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決したうえで磁性粒子を用いた目的物質の検出に用いることができる。即ち測定毎にチップを取り替える必要がなく連続して測定が可能で、かつチップ表面に吸着した物質に測定の邪魔をされることがない。これにより、繰り返し使用や大量の試料、もしくはモニタリング用途に利用可能な目的物質検出装置及び該目的物質検出装置を用いた目的物質検出方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to use magnetic particles to detect a target substance after solving the above-mentioned problems in the prior art. That is, there is no need to replace the chip for each measurement, continuous measurement is possible, and the measurement is not hindered by substances adsorbed on the chip surface. As a result, it is possible to provide a target substance detection device that can be used repeatedly, for a large amount of samples, or for monitoring purposes, and a target substance detection method using the target substance detection device.

本発明に係る目的物質検出装置の実施形態の一例を示す概略構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The schematic block diagram which shows an example of embodiment of the target substance detection apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る目的物質検出装置の実施形態の一例を示す概略構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The schematic block diagram which shows an example of embodiment of the target substance detection apparatus which concerns on this invention. 図2の装置を側面視により示す概略構成図。FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing the device of FIG. 2 as viewed from the side; 本発明の装置を用いて目的物質を検出する方法を示す工程フロー図。FIG. 2 is a process flow diagram showing a method for detecting a target substance using the device of the present invention. 磁場を印加した際の磁性微粒子の挙動を示す概念図。FIG. 4 is a conceptual diagram showing the behavior of magnetic fine particles when a magnetic field is applied. 磁場を印加した際の磁性微粒子の挙動を示す概念図。FIG. 4 is a conceptual diagram showing the behavior of magnetic fine particles when a magnetic field is applied. 磁場の変化を電流と時間の関係で示す波形図。Waveform diagram showing the change in the magnetic field in relation to the current and time. 図7の波形に従い磁場を変化させた場合の磁性微粒子の移動方向を示す概念図。FIG. 8 is a conceptual diagram showing the moving direction of the magnetic fine particles when the magnetic field is changed according to the waveform of FIG. 7; 電流の位相をずらして磁場を変化させた場合の波形図。Waveform diagram when changing the magnetic field by shifting the phase of the current. 図9の波形に従い磁場を変化させた場合の磁性微粒子の移動方向を示す概念図。FIG. 10 is a conceptual diagram showing the moving direction of the magnetic fine particles when the magnetic field is changed according to the waveform of FIG. 9; 微粒子の粒子径と散乱光強度の関係を示すグラフ図。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the particle size of fine particles and the intensity of scattered light. 目的物質を光マーカーと磁性微粒子で挟み結合体とした状態を示す概念図。FIG. 2 is a conceptual diagram showing a state in which a target substance is sandwiched between an optical marker and magnetic fine particles to form a conjugate. 散乱光の輝点の移動とマーカーの関係を示す概念図。FIG. 4 is a conceptual diagram showing the relationship between movement of a bright spot of scattered light and a marker; 本発明に係る目的物質検出装置の実施形態の他の一例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows another example of embodiment of the target substance detection apparatus which concerns on this invention. 図14の装置を側面視により示す概略構成図。FIG. 15 is a schematic configuration diagram showing the device of FIG. 14 as viewed from the side;

以下、図面を参照しながら本発明に係る目的物質検出装置の実施形態について詳しく説明する。なお、本発明は以下に挙げる実施形態に限定されるものではなく、同様な技術的特徴を有する限りにおいて本発明に属するものとする。 An embodiment of a target substance detection device according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In addition, the present invention is not limited to the embodiments described below, and as long as they have the same technical features, they belong to the present invention.

(目的物質検出装置)
本発明の目的物質検出装置は、目的物質の被検査対象である試料を内包する検出チップと、光照射部と、検出チップを囲むように配置された少なくとも3つ以上の磁場印加部とを有し、更に、光検出装置を備える。
検出チップ内には、目的物質試料を入れるための光透過性セルを備える。
(target substance detection device)
The target substance detection device of the present invention includes a detection chip containing a sample that is an object to be inspected for the target substance, a light irradiation unit, and at least three or more magnetic field application units arranged so as to surround the detection chip. and further comprising a photodetector.
A light-transmissive cell for containing a target substance sample is provided in the detection chip.

図1及び図2は、本発明に係る目的物質検出装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
図1は目的物質検出装置を上面視した図であって、目的物質の被検査対象である試料を含む検出チップ230の周囲に、それぞれコイルと鉄心からなる3つの電磁石M1、M2、M3が設けられてそれぞれ磁場印加部となっている。これらの磁場印加部はいずれも電源201に電気的に接続され、電源201は制御・解析装置202に接続されている。電源201から磁場印加部に電流を流すことで、検出チップに磁場を印加することができる。また、制御・解析装置によってこの電流を制御して変化させることもできる。
1 and 2 are schematic configuration diagrams showing an example of an embodiment of a target substance detection device according to the present invention.
FIG. 1 is a top view of the target substance detection apparatus, and three electromagnets M1, M2, and M3 each consisting of a coil and an iron core are provided around a detection chip 230 containing a sample to be inspected for the target substance. and each serves as a magnetic field applying section. All of these magnetic field application units are electrically connected to a power source 201 , and the power source 201 is connected to a control/analysis device 202 . A magnetic field can be applied to the detection chip by applying a current from the power source 201 to the magnetic field application unit. The current can also be controlled and varied by a control and analysis device.

なお図1において磁場印加部は3個図示されているが、本発明ではこれ以上の磁場印加部を付加してもよく、例えば図2のように4個の電磁石A、B、C、Dを検出チップ130の周囲四方に設置してもよい。 Although three magnetic field applying units are shown in FIG. 1, more magnetic field applying units may be added in the present invention. For example, as shown in FIG. They may be installed in four directions around the detection chip 130 .

図3も、本発明に係る目的物質検出装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
図3は、図2で示した装置構成を側面から見た図である。
検出チップ130の下方には光検出装置125が設けられ、さらに光照射機構として指向性を有する光を照射できる光源120が設置されている。また光検出装置125は、光源120からの照明光の光軸から外れた位置に配置している。
FIG. 3 is also a schematic configuration diagram showing an example of an embodiment of the target substance detection device according to the present invention.
FIG. 3 is a side view of the device configuration shown in FIG.
A photodetector 125 is provided below the detection chip 130, and a light source 120 capable of emitting light having directivity is provided as a light irradiation mechanism. Also, the photodetector 125 is arranged at a position off the optical axis of the illumination light from the light source 120 .

また、図14及び図15は、本発明に係る目的物質検出装置の実施形態の他の一例を示
す概略構成図である。
図14は目的物質検出装置を上面視した図であり、それぞれコイルと鉄心からなる4つの電磁石が光透過性チューブ630の周囲四方に配置されている。光源620からの照明光が目的物質試料を含む光透過性チューブ630に対して図の矢印の方向に入射して透過し、そこからの散乱光を光検出装置625により検出する。
図15は図14の目的物質検出装置を側面視した図であり、光透過性チューブ630は、細長いチューブ形状であって、このチューブ内を目的物質を含む試料が流れるようになっている。詳細は後述の実施例にて説明する。
14 and 15 are schematic configuration diagrams showing another example of the embodiment of the target substance detection device according to the present invention.
FIG. 14 is a plan view of the target substance detection device, in which four electromagnets, each consisting of a coil and an iron core, are arranged around the light transmissive tube 630 in four directions. Illumination light from a light source 620 is incident on a light-transmitting tube 630 containing a target substance sample in the direction of the arrow in the drawing and is transmitted therethrough.
FIG. 15 is a side view of the target substance detection device of FIG. 14. The light-transmitting tube 630 has a long and narrow tube shape, and the sample containing the target substance flows through the tube. The details will be described in Examples below.

以上で説明した本発明に係る目的物質検出装置において、光照射部は指向性をもつ光源120、620を有し、前記検出チップ130、230、630内の試料に対して光源から光を照射する。磁性微粒子は、磁場印加部から発生した磁場の強さに従った力で磁場印加部に引き寄せられる。 In the target substance detection device according to the present invention described above, the light irradiation unit has directional light sources 120 and 620, and the samples in the detection chips 130, 230 and 630 are irradiated with light from the light sources. . The magnetic fine particles are attracted to the magnetic field applying section by a force according to the strength of the magnetic field generated from the magnetic field applying section.

ここで、磁場印加部が一つの場合、検出セルの外部に位置する磁場印加部に引き寄せられるため、検出チップ内の光透過性セルの内側の表面に磁性微粒子および磁性微粒子の結合体が集まる。そのため磁場をOFFにしても、検出セル表面に吸着する物質が多数存在するため、光透過性セルの繰り返し利用やモニタリングなどの連続測定に使用できない、もしくは、高感度の測定、高濃度の試料、不純物の多い試料などの測定が困難であるなどの課題が生じる。 Here, in the case where there is only one magnetic field applying section, magnetic fine particles and magnetic fine particle combinations gather on the inner surface of the light-transmitting cell in the detection chip because they are attracted to the magnetic field applying section located outside the detection cell. Therefore, even if the magnetic field is turned off, there are many substances adsorbed on the surface of the detection cell. Problems such as difficulty in measuring samples with many impurities arise.

そこで本発明では、検出チップを図1や図2、図14に示すように検出チップを囲うように3つ以上の磁場印加部を配置し、同時もしくは順次に磁場を印加することによって、検出チップ内部の表面に磁性微粒子および磁性微粒子の結合体を吸着させることなく、磁性微粒子および磁性微粒子の結合体を集めることが可能になる。 Therefore, in the present invention, as shown in FIGS. 1, 2, and 14, three or more magnetic field applying units are arranged so as to surround the detection chip, and the magnetic field is applied simultaneously or sequentially, whereby the detection chip It is possible to collect the magnetic microparticles and the conjugate of the magnetic microparticles without causing the magnetic microparticles and the conjugate of the magnetic microparticles to be adsorbed to the inner surface.

なお、磁場印加部が2つの場合、2つの磁場印加部の位置と直行する方向の磁場のコントロールができず、2つの磁場印加部の位置と直行する方向に位置する検出セルの表面への吸着をコントロールできなくなるため、磁場印加部は3つ以上あることが望ましい。 Note that when there are two magnetic field applying units, the magnetic field in the direction perpendicular to the positions of the two magnetic field applying units cannot be controlled, and the magnetic field is attracted to the surface of the detection cell located in the direction perpendicular to the positions of the two magnetic field applying units. cannot be controlled, it is desirable that there are three or more magnetic field applying units.

試料中の磁性微粒子は一般に流体中で用いられる。磁性微粒子のサイズが小さくなると、外部磁場による磁気力は小さくなり、流体抵抗、磁気トルク、静電気力、摩擦力、ブラウン運動などの影響を受けやすくなる。その移動スピードは、磁性微粒子のサイズ、磁場の大きさなどに左右されるが、磁場を受けてもすぐにチップ内部の表面に到着せず徐々に移動する。 Magnetic microparticles in the sample are generally used in fluids. As the size of the magnetic fine particles becomes smaller, the magnetic force due to the external magnetic field becomes smaller, and they become more susceptible to fluid resistance, magnetic torque, electrostatic force, frictional force, Brownian motion, and the like. The movement speed depends on the size of the magnetic microparticles, the strength of the magnetic field, etc., but even if they receive the magnetic field, they do not immediately reach the surface inside the chip and move gradually.

図5及び図6は磁性微粒子もしくは磁性微粒子の結合体が、磁場から受ける磁力によって移動する方向を示す図である。
例えば、図2の磁場印加部である4つの電磁石のうち、電磁石Cと電磁石Dのコイルに電流を流し磁場を発生させると、磁性微粒子もしくは磁性微粒子の結合体は図5に示すように左下方向に移動する。また、図2の電磁石Aと電磁石Bのコイルに電流を流し磁場を発生させると、磁性微粒子もしくは磁性微粒子の結合体は図6に示すように右上方向に移動する。即ち、磁性微粒子もしくは磁性微粒子の結合体は、磁場の強さが大きい方向に向かって移動する。
5 and 6 are diagrams showing directions in which magnetic fine particles or a combination of magnetic fine particles move due to a magnetic force received from a magnetic field.
For example, when a current is passed through the coils of the electromagnets C and D of the four electromagnets that are the magnetic field application units in FIG. move to When a magnetic field is generated by passing current through the coils of the electromagnet A and the electromagnet B in FIG. 2, the magnetic fine particles or the combination of magnetic fine particles moves upward and to the right as shown in FIG. In other words, the magnetic fine particles or the combined body of magnetic fine particles move in the direction in which the strength of the magnetic field increases.

このように各々の電磁石で発生する磁場の強さをコントロールすることで、磁性微粒子、もしくは磁性微粒子の結合体の移動を制御することが可能になる。 By controlling the intensity of the magnetic field generated by each electromagnet in this way, it is possible to control the movement of the magnetic fine particles or the combined body of the magnetic fine particles.

例えば、図8に示すように右上方向、左下方向を交互に電場が発生するように電磁石A、Bと電磁石C、Dのコイルに交互に電流を流すと、磁性微粒子もしくは磁性微粒子の結合体401は図8に示すように直線的に移動する。
この場合、磁性微粒子にかかる磁場の強度が低下するタイミングがあると磁場による捕捉能力が低下してしまうため、磁場は常に磁性微粒子を引き寄せるように、磁場の変化は矩形波的に変化させることが望ましい。
図7は時間経過(横軸)に対して電流値(縦軸)の変化を示す図である。この図では、電磁石AとB、電磁石CとDの電流をそれぞれ矩形波に近い形で変化させ、その位相をずらすことで、それぞれの電流値は交互に0と1になっている。これにより、図8で示すような挙動となる。
For example, as shown in FIG. 8, if electric currents are alternately applied to coils of electromagnets A and B and electromagnets C and D so that an electric field is generated alternately in the upper right direction and the lower left direction, magnetic fine particles or a combination of magnetic fine particles 401 moves linearly as shown in FIG.
In this case, if there is a timing when the strength of the magnetic field applied to the magnetic fine particles decreases, the capturing ability of the magnetic field decreases. desirable.
FIG. 7 is a diagram showing changes in current value (vertical axis) with respect to time (horizontal axis). In this figure, the current values of the electromagnets A and B and the electromagnets C and D are changed to 0 and 1 alternately by changing the currents in a shape close to a square wave and shifting the phases. As a result, the behavior shown in FIG. 8 is obtained.

さらに、例えば図9に示すように電流の位相をずらしながら正弦波状に磁場を変化させると、磁性微粒子もしくは磁性微粒子の結合体411は図10に示すように円を描くように移動する。
図9は、図7で示した時間と電流の関係を正弦波状に変化させたものであり、図2の電磁石A~Dにおいてそれぞれ位相を4分の1波長づつずらして電流を変化させている。即ちこれにより、電流の最大値は電磁石AからB、BからC、CからD、DからAへと変化し、これに伴い磁性微粒子の移動方向も変化するので図10のようになる。
本発明では、上記例の他に、電流波形をのこぎり波や三角波など、いろいろ変化させてもよい。
Furthermore, when the magnetic field is sinusoidally changed while shifting the phase of the current as shown in FIG. 9, the magnetic microparticles or the combined magnetic microparticles 411 move in a circle as shown in FIG.
FIG. 9 shows the relationship between time and current shown in FIG. 7 changed sinusoidally, and the currents are changed by shifting the phases of the electromagnets A to D shown in FIG. 2 by a quarter wavelength. . That is, as a result, the maximum value of the current changes from electromagnet A to B, from B to C, from C to D, and from D to A, and the moving direction of the magnetic fine particles also changes accordingly, as shown in FIG.
In the present invention, in addition to the above example, the current waveform may be varied such as a sawtooth wave or a triangular wave.

微粒子による光の散乱の度合いは、粒子径と光の波長などで変化する。
図11に示すグラフは、横軸を光の波長(nm)、縦軸を散乱光の強度として、粒子径(nm)毎の散乱度合いを示したものである。
図11のグラフによれば、粒子径が300nm以上であれば、散乱光による粒子の検出が可能であり、500nm以上あれば検出が容易になる。逆に粒子径を200nm以下にすれば、散乱光による検出が難しくなり、100nm以下であれば散乱光強度がほぼゼロになってしまうため検出はさらに困難になる。
なお上記粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定される平均粒子径とする。
The degree of scattering of light by fine particles varies depending on the particle diameter, the wavelength of light, and the like.
The graph shown in FIG. 11 shows the degree of scattering for each particle diameter (nm), with the horizontal axis representing the wavelength of light (nm) and the vertical axis representing the intensity of scattered light.
According to the graph of FIG. 11, if the particle diameter is 300 nm or more, the particles can be detected by scattered light, and if the particle diameter is 500 nm or more, the detection becomes easy. Conversely, if the particle diameter is 200 nm or less, detection by scattered light becomes difficult, and if the particle diameter is 100 nm or less, the scattered light intensity becomes almost zero, making detection even more difficult.
The above particle size is an average particle size measured by a laser diffraction/scattering method.

また、試料が液体中の場合、磁場による磁性微粒子もしくは磁性微粒子の結合体の移動の速度が磁場の変化に追随できるように、図7や図9に示したような磁場印加部による磁場の変化の中心周波数は0.1Hz以上、1000Hz以下であることが望ましい。 Further, when the sample is in a liquid, the change in the magnetic field by the magnetic field applying unit as shown in FIGS. is preferably 0.1 Hz or more and 1000 Hz or less.

(光マーカーによる散乱光の検出)
図12に、本発明の目的物質検出装置における目的物質と磁性微粒子、及び光マーカーの関係を模式図で示す。
特定の物質を目的物質として検出する場合、磁性微粒子の表面改質や抗体の修飾などにより特異的に特定の物質に吸着するようにし、同様に光マーカーにも特定の物質に吸着するように表面改質や抗体の修飾を行なう。これらの磁性微粒子及び光マーカーを、検出したい特定の物質(目的物質)と一緒に混合すると、図12に示すように、検出したい目的物質502を中央にして磁性微粒子501と光マーカー503がサンドイッチしたような形の結合体ができる。
(Detection of scattered light by optical marker)
FIG. 12 schematically shows the relationship between the target substance, the magnetic fine particles, and the optical marker in the target substance detection device of the present invention.
When a specific substance is to be detected as a target substance, the surface of the magnetic fine particles can be modified so that it specifically adsorbs to the specific substance by modifying the surface of the magnetic fine particles or by modifying the antibody. Modify and modify antibodies. When these magnetic microparticles and optical markers are mixed together with a specific substance (target substance) to be detected, magnetic microparticles 501 and optical markers 503 are sandwiched with a target substance 502 to be detected in the center, as shown in FIG. A combination of the following form is created.

このとき、磁性微粒子501の粒子径を200nm以下、光マーカー503の粒子径を300nm以上とした場合、図11によれば磁性微粒子は散乱光が検出できず、光マーカーによる散乱光は検出可能となる。そして図13に示すように、目的物質と結合した結合体及び光マーカーによる散乱光による輝点のみが磁場の変化にしたがって移動することになる。この場合、光マーカーのみでは輝点は移動せず、磁性粒子のみでは輝点は検出できない。
この磁場の変化にしたがって変化する輝点をカメラ等の光検出装置に検出することで、特定物質の有無、及び量を検知することが可能になる。
At this time, when the particle diameter of the magnetic microparticles 501 is 200 nm or less and the particle diameter of the optical markers 503 is 300 nm or more, according to FIG. Become. Then, as shown in FIG. 13, only the luminescent spot due to the scattered light from the conjugate bound to the target substance and the optical marker moves according to the change in the magnetic field. In this case, the optical marker alone does not move the bright spot, and the magnetic particle alone cannot detect the bright spot.
By detecting the bright spots that change according to the change of the magnetic field with a photodetector such as a camera, it is possible to detect the presence and amount of the specific substance.

光マーカーによる散乱光は、蛍光などを利用した方式に比べて光の利用効率が高く、輝度の高い輝点となるため、簡易な装置でも高感度の測定が可能なる利点がある。
さらに、試料内に、不純物などの目的物質に結合した結合体以外の光散乱を起こす物質が入っていたとしても、これらの不要な散乱成分は磁性微粒子と結合していないため、磁場変化に従った輝点の移動はしない。つまり、輝点として磁場変化に従って移動する物質は目的物質を含んでいることになるため、輝点の移動を目印にすることで目的物質に結合した結合体のみを検出することが可能になる。
Scattered light from the optical marker has a higher light utilization efficiency than a method using fluorescence, etc., and becomes a bright spot with high brightness, so there is an advantage that high-sensitivity measurement is possible even with a simple device.
Furthermore, even if the sample contains substances that cause light scattering, such as impurities, other than the binding substances bound to the target substance, these unwanted scattering components are not bound to the magnetic fine particles, so they follow changes in the magnetic field. Do not move the bright spot. In other words, the substance that moves as a bright spot in accordance with the change in the magnetic field contains the target substance. Therefore, by using the movement of the bright spot as a mark, it is possible to detect only the conjugate bound to the target substance.

すなわち本発明によれば、不純物などの不要物を洗浄工程などで取り除く必要がなく、測定工程が簡略化するとともに、モニタリングなどの連続測定も可能になる。 That is, according to the present invention, there is no need to remove unnecessary substances such as impurities in a cleaning process, which simplifies the measurement process and enables continuous measurement such as monitoring.

図16に、以上で述べた目的物質検出方法を下記工程(S1~S5)を含むフローチャートとして示した。
(S1)抗体を修飾された磁性微粒子と、抗体を修飾された光マーカーとを、目的物質を含む試料と混合し反応させて、これらの結合体を生成する工程。
(S2)3つ以上の磁場印加部によって磁性微粒子と目的物質と光マーカーによる結合体を捕捉する工程。
(S3)指向性のある照明光によって検出チップを照明し、いずれかもしくは全ての磁場印加部の磁場の強さを変化させながら、検出チップ内の結合体によって生じた散乱光を光検出装置によって検出する工程。
(S4)前記検出した散乱光の情報から前記磁場の変化に従って移動する輝点を検出する処理工程。
(S5)輝点の検出結果から、目的物質の有無もしくは量を判断する工程。
FIG. 16 shows the target substance detection method described above as a flow chart including the following steps (S1 to S5).
(S1) A step of mixing antibody-modified magnetic microparticles and antibody-modified optical markers with a sample containing a target substance and reacting them to produce a conjugate thereof.
(S2) A step of capturing a combination of the magnetic fine particles, the target substance, and the optical marker by three or more magnetic field applying units.
(S3) Illuminating the detection chip with directional illumination light, and while changing the strength of the magnetic field of any or all of the magnetic field applying units, the scattered light generated by the conjugate in the detection chip is detected by the photodetector. The step of detecting.
(S4) A processing step of detecting a bright spot that moves according to the change in the magnetic field from the information on the detected scattered light.
(S5) A step of judging the presence or absence or amount of the target substance from the detection result of the bright spots.

発明者による実験の結果では、磁性微粒子のサイズが小さすぎると、磁場による引きの効果が小さくなり、磁場による捕集ができなくなるため、磁性微粒子の粒子径は20nm以上であることが望ましく、また、光マーカーのサイズが大きすぎると、結合した磁性微粒子によって移動させることが困難になるため、光マーカーの粒子径は500μm以下であることが望ましいことがわかった。 According to the results of experiments conducted by the inventors, if the size of the magnetic fine particles is too small, the effect of the magnetic field's attraction is reduced, making it impossible to collect the particles by the magnetic field. It has been found that the particle size of the optical marker is desirably 500 μm or less, because if the size of the optical marker is too large, it becomes difficult to move by the bound magnetic microparticles.

(光源)
散乱光のみを検出するため、散乱光以外の光を捕捉しない様、照明光は指向性の高い光源を用い、さらに光検出装置は照明光の光軸から外れた位置に配置するのが望ましい。
光源としてレーザ光を用いると、より指向性の高い照明光を得ることが出来る。さらに、照明光を検出セルの中央部に集光するように、光源と検出セルの間にレンズを配置してもよい。こうすることによって、セル中央部に強い光を集めることができるため、相対的にセル表面などでの光の散乱を減らすことができ、より感度の高い検出が可能になる。
本例では、レーザ光を用いた例を示したが、指向性の高い光を生じさせるものであれば、LEDやハロゲンランプなど他の光源をもちいてもよい。
(light source)
Since only scattered light is detected, it is desirable to use a highly directional light source for the illumination light and to dispose the photodetector at a position off the optical axis of the illumination light so as not to capture light other than the scattered light.
If laser light is used as the light source, illumination light with higher directivity can be obtained. Furthermore, a lens may be placed between the light source and the detection cell so as to focus the illumination light on the central portion of the detection cell. By doing so, it is possible to collect strong light in the central part of the cell, so that the scattering of light on the surface of the cell can be relatively reduced, and detection with higher sensitivity becomes possible.
In this example, an example using laser light is shown, but other light sources such as LEDs and halogen lamps may be used as long as they generate light with high directivity.

また、磁性微粒子では散乱しづらく、光マーカーでは強く散乱させ、またセルなどの吸収が少ないなどの理由から、光源の中心波長は400nmから800nmであることが望ましい。
本例では光マーカーによる散乱光を検出したが、光マーカーに蛍光物質を含ませることで光マーカーによって発光した蛍光を検出してもよい。その場合は、磁性微粒子及び光マーカーのサイズの制限は不要となり、磁性微粒子のサイズを大きく出来るため、磁場による捕集能力を高めることができる。
In addition, the center wavelength of the light source is preferably 400 nm to 800 nm because magnetic fine particles are difficult to scatter, optical markers scatter strongly, and absorption by cells is small.
Although scattered light from the optical marker is detected in this example, fluorescence emitted by the optical marker may be detected by including a fluorescent substance in the optical marker. In that case, there is no need to limit the sizes of the magnetic microparticles and the optical marker, and the size of the magnetic microparticles can be increased, so that the collection ability by the magnetic field can be enhanced.

さらには、光検出装置などによって輝点の位置を測定し、その結果を電磁石の出力にフ
ィードバックさせることで、磁性微粒子および磁性微粒子との結合体の位置を制御すれば、より精度良く磁性微粒子の結合体の捕捉が可能になる。
Furthermore, by measuring the position of the bright spot with a photodetector or the like and feeding back the result to the output of the electromagnet, it is possible to control the positions of the magnetic fine particles and the conjugates with the magnetic fine particles more accurately. Capturing of conjugates is enabled.

次に、具体的な実施例をもとに本特許の説明をする。 Next, the present patent will be explained based on specific examples.

(実施例1)
検出に用いた磁性微粒子は、50nmの粒子径のOcean Nanotech社 Carboxyl Mag Beads50nmを用い、光マーカーとして、500nmの粒子径のポリスチレンビーズ(Nanocs,Inc.社PS500-CA-1 Polystyrene particles, carboxyl function)を用いた。
また、実験用の検出物質として、前立腺がんマーカーであるPSAとして選択した。
(Example 1)
Carboxyl Mag Beads 50 nm from Ocean Nanotech with a particle size of 50 nm were used as the magnetic fine particles used for detection, and polystyrene beads with a particle size of 500 nm (Nanocs, Inc. PS500-CA-1 Polystyrene particles, carboxyl function) were used as optical markers. was used.
In addition, PSA, a prostate cancer marker, was selected as a detection substance for experiments.

PSA用の抗体である1H12を前記磁性微粒子に修飾(試薬A)し、同様にPSA用の抗体である5A6を光マーカーであるポリスチレンビーズに修飾(試薬B)させたものを作成した。
PSA抗原が入った試料に対して、試薬Aと試薬Bを添加し、15分間攪拌、反応させることで磁性ビーズと抗原と光マーカーとの結合体を作成した。
The magnetic fine particles were prepared by modifying the PSA antibody 1H12 (reagent A) and similarly modifying the PSA antibody 5A6 (reagent B) on polystyrene beads as a light marker.
Reagent A and reagent B were added to the sample containing the PSA antigen, and the mixture was stirred and reacted for 15 minutes to prepare a conjugate of the magnetic beads, the antigen, and the optical marker.

本実施例では、目的物質としてがんマーカーを使ったが、それに限らずウイルス、細菌、遺伝子、化学物質など、特異的に磁性微粒子及び光マーカーと結合できる物質であればその限りでない。 In this example, a cancer marker was used as the target substance, but it is not limited to that, but it is not limited to that, as long as it is a substance that can specifically bind to the magnetic microparticles and the optical marker, such as viruses, bacteria, genes, and chemical substances.

さらに、前記結合体を入った試料を、ガラスセルに分注し(ジーエルサイエンス社6210-61004)、波長532nmで20mWのレーザ光で照明した。
また、光検出装置として、サンコー株式会社のDino-Lite Premier2を倍率250倍として、前記レーザ光が直接入射しない位置に配置した。この光検出装置も、光の拡散を検出できるものであれば、CCDやCMOSなど、一般のカメラに使用されている検出素子であればよく、蛍光を観察するのであれば、冷却タイプのCCDなど、高感度な検出装置を用いることが望ましい。
Furthermore, the sample containing the conjugate was dispensed into a glass cell (GL Sciences 6210-61004) and illuminated with a laser beam of 20 mW at a wavelength of 532 nm.
As a photodetector, Dino-Lite Premier 2 manufactured by Sanko Co., Ltd. was set at a magnification of 250 and placed at a position where the laser beam was not directly incident. As long as this photodetector is capable of detecting the diffusion of light, it may be a detector element used in a general camera such as a CCD or CMOS. , it is desirable to use a highly sensitive detection device.

磁場印加部は、SS400の鉄芯に500巻きのコイルを備えたものを4つ用意し、前記ガラスセルに対して、四方から対向する電磁石間のギャップを30mmとして取り囲むように配置した。各電磁石は、各々が最大電流24Aで流せるよう電源と接続した。電源は、矩形、のこぎり波、三角波、正弦波など、様々な形状、周波数で出力できるような機能を持つものを使った。 Four magnetic field application units each having a 500-turn coil on an SS400 iron core were prepared and arranged to surround the glass cell with a gap of 30 mm between the electromagnets facing each other from all sides. Each electromagnet was connected to a power source so that each could pass a maximum current of 24A. For the power supply, we used a function that can output various shapes and frequencies, such as rectangular, sawtooth, triangular, and sine waves.

以上の実験系を用いて、磁性微粒子の結合体の観察を行なった。2Hzの周波数で電磁石の電場を変化させたところ、磁場の変化にしたがって移動する輝点を複数観察することができた。また、試料内のPSAの濃度にしたがって移動する輝点の量も変化することも確認された。さらに、セル内の試料を3回交換して使用しても問題なく測定が可能なことを確認した。 Using the experimental system described above, observations of magnetic fine particle conjugates were carried out. When the electric field of the electromagnet was changed at a frequency of 2 Hz, it was possible to observe a plurality of bright spots that moved according to the change in the magnetic field. It was also confirmed that the amount of moving bright spots varied according to the concentration of PSA in the sample. Furthermore, it was confirmed that even if the sample in the cell is changed three times and used, the measurement can be performed without problems.

(実施例2)
次の実施例では、ガラスセルに代わって、図14及び図15に示すようにアクリル製の光透過性チューブ630を設置し、このチューブ内にPSAと試薬A及び試薬Bを混合した水溶液試料を流した。
(Example 2)
In the next embodiment, instead of the glass cell, an acrylic light-transmissive tube 630 was installed as shown in FIGS. flushed.

そして、磁場印加部に、図9に示すような正弦波状に磁場を印加したところ、チューブの中央部に、捕捉された光マーカーの散乱光による輝点を観察することが出来た。さらに磁場印加部による磁場を変化させることで、輝点の移動を確認した。さらに、全ての磁場
印加部に流す電流をOFFすると、一旦光マーカーの散乱光による輝点が観察されなくなり、再度、図9に示すような順次位相をずらした磁場を印加したところ、新たに捕捉した光マーカーの散乱光による輝点を観察することが出来た。
Then, when a sinusoidal magnetic field as shown in FIG. 9 was applied to the magnetic field applying portion, a bright spot due to the scattered light of the captured optical marker could be observed in the central portion of the tube. Further, by changing the magnetic field applied by the magnetic field application unit, the movement of the bright spots was confirmed. Furthermore, when the current flowing through all the magnetic field applying parts is turned off, the bright spots due to the scattered light of the optical marker are once no longer observed. A bright spot due to the scattered light of the optical marker was observed.

本実施例ではチューブ内を流れる多量の試料の中から微量な目的物質を集め判定することができるため、チューブ内に流れる目的物質のモニタリングや、多量の試料内の含まれる微量な目的物質の検出が可能であることを示している。 In this embodiment, a small amount of target substance can be collected from a large amount of sample flowing in the tube and can be judged. is possible.

また、本実施例では液中の目的物質の検出の例を示したが、チューブ内を流れる気体内に含まれる目的物質の検出を行なってもよい。気体中の場合、磁場による磁性微粒子もしくは磁性微粒子の結合体の移動のスピードは液体中より速いため、磁場印加部による磁場の変化の中心周波数は10Hz以上、1MHz以下であることが望ましい。 Moreover, although the example of detection of the target substance in the liquid was shown in this embodiment, the target substance contained in the gas flowing through the tube may be detected. In gas, the speed of movement of the magnetic fine particles or magnetic fine particle conjugates due to the magnetic field is faster than in liquid, so the center frequency of the change in the magnetic field by the magnetic field applying section is desirably 10 Hz or more and 1 MHz or less.

なお目的物質として、本実施例ではがんマーカーであるPSAを使った例を示したが、他の利用例として、血液や尿や唾液、汗、便などの代謝物に微量に存在するガン細胞及びがん細胞による代謝物の検出、飲料水や食品など口にするものに含まれてしまう恐れのある感染症の原因ウイルスや細菌、毒物、カビの検出、食堂や食品工場における食中毒原因の排除を目的とした食品の洗浄廃液内の食中毒原因物質の検出、食品取扱い者の手洗いなどの排水、トイレなどの排水内の食中毒原因物質の検出、空港、港、駅など、人の移動の起点となる場所での、感染症原因物質の測定などが挙げられる。 In this example, an example using PSA, which is a cancer marker, was used as the target substance. And detection of metabolites by cancer cells, detection of infectious disease-causing viruses, bacteria, poisonous substances, and molds that may be contained in drinking water and food, and elimination of food poisoning causes in cafeterias and food factories Detection of food poisoning substances in food washing wastewater for the purpose of detection of food poisoning substances in wastewater such as washing hands of food handlers, detection of food poisoning substances in wastewater such as toilets, airports, ports, stations, etc. measurement of infectious disease-causing substances at different locations.

101,201,601・・・電源
102,202,602・・・制御・解析装置
105,107,109,111,205,207,209,605,607,609,611・・・コイル
106,108,110,112,206,208,210,606,608,610,612・・・鉄心
120,620・・・光源
125,625・・・光検出装置
130,230・・・検出チップ
301,401,411・・・磁性微粒子もしくは磁性微粒子の結合体
501・・・磁性微粒子
502・・・目的物質
503・・・光マーカー
630・・・光透過性チューブ
101, 201, 601... power source 102, 202, 602... control/analysis device 105, 107, 109, 111, 205, 207, 209, 605, 607, 609, 611... coil 106, 108, 110, 112, 206, 208, 210, 606, 608, 610, 612... Iron core 120, 620... Light source 125, 625... Photodetector 130, 230... Detection chip 301, 401, 411 . . . Magnetic fine particles or magnetic fine particle conjugates 501 .. Magnetic fine particles 502 .. Target substance 503 .

Claims (6)

検出チップ、磁場印加部、光照明機構、光検出装置及び解析装置を備える目的物質検出装置において、
前記検出チップは、一部に光を透過する基材を有しており、目的物質と磁性微粒子と光マーカーを含む結合体を保持することができ、
前記磁場印加部は、磁場の強さを周期的に変化させ、前記結合体を連続的に周期運動させることができる電磁石を、少なくとも3つ以上前記検出チップを取り囲む位置に配置しており、
前記光照明機構は、前記検出チップの外部から内部に指向性をもって伝播する光で前記検出チップを照射することができ、
前記光検出装置は、前記光照明機構から照射された光の進行方向から外れた位置に配置され、前記光照明機構から照射された光による前記光マーカーの移動する輝点を検出することができ、
前記解析装置は、前記輝点の移動を解析することができる
目的物質検出装置。
In a target substance detection device comprising a detection chip, a magnetic field application unit, an optical illumination mechanism, a photodetector, and an analysis device,
The detection chip has a base material that partially transmits light, and can hold a conjugate containing a target substance, magnetic fine particles, and an optical marker,
The magnetic field applying unit has at least three electromagnets that can periodically change the strength of the magnetic field to cause the combined body to continuously move periodically, and are arranged at positions surrounding the detection chip,
The light illumination mechanism can illuminate the detection chip with light that propagates from the outside to the inside of the detection chip with directivity,
The photodetector is arranged at a position away from the traveling direction of the light emitted from the optical illumination mechanism, and is capable of detecting the moving bright spot of the optical marker caused by the light emitted from the optical illumination mechanism. ,
The analysis device is a target substance detection device capable of analyzing movement of the bright spot.
前記磁性微粒子の平均粒子径が20nm以上200nm以下であり、かつ、前記光マーカーの平均粒子径が300nm以上500μm以下であり、
前記光検出装置は、前記光照明機構から照射された光による光マーカーの散乱光を検出することを特徴とする、請求項1記載の目的物質検出装置。
The average particle diameter of the magnetic fine particles is 20 nm or more and 200 nm or less, and the average particle diameter of the optical marker is 300 nm or more and 500 μm or less,
2. The target substance detection apparatus according to claim 1, wherein said photodetector detects scattered light from the optical marker due to light emitted from said optical illumination mechanism.
前記光マーカーが蛍光物質からなり、
前記光検出装置は、前記光照明機構から照射された光を励起光として前記光マーカーが発光する蛍光を検出することを特徴とする前記請求項1記載の目的物質検出装置。
the optical marker is made of a fluorescent material,
2. The target substance detection apparatus according to claim 1, wherein said photodetector detects fluorescence emitted by said optical marker using light emitted from said optical illumination mechanism as excitation light.
前記光照明機構は、レーザ光源を備えることを特徴とする、前記請求項1~3のいずれかに記載の目的物質検出装置。 The target substance detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein the light illumination mechanism comprises a laser light source. 前記照明機構の照明光の中心波長が、400nm以上800nm以下であることを特徴とする前記請求項1~4のいずれかに記載の目的物質検出装置。 5. The target substance detection device according to any one of claims 1 to 4, wherein the central wavelength of the illumination light of said illumination mechanism is 400 nm or more and 800 nm or less. 前記磁場印加部による磁場変化の周期が、0.1Hz以上1000Hz以下であることを特徴とする請求項1記載の目的物質検出装置。 2. The target substance detection device according to claim 1, wherein the period of magnetic field change by said magnetic field applying unit is 0.1 Hz or more and 1000 Hz or less.
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