JP7491522B2 - Molecular detection methods - Google Patents
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Description
本発明は、分子の検出方法に関し、より詳細には、暗視野下における分子の検出方法である。 The present invention relates to a method for detecting molecules, and more specifically, to a method for detecting molecules under dark field conditions.
試料中の分子を検出するための手法が種々開発されており、ナノ粒子を用いたセンサーが数多く提案されている。例えば非特許文献1では、NaCl存在下で一本鎖DNA修飾金ナノ粒子に、完全相補鎖のDNAを添加したときのみ、金ナノ粒子の凝集が発生し溶液色が赤から青へと変化することを利用した遺伝子センサーが提案されている。また非特許文献2では、暗視野顕微鏡下でナノ粒子を観察すると明るい輝点として観測可能なことを利用したアミロイドフィブリル検出系が示されている。この検出系では、アミロイドモノマーと結合した金ナノ粒子(モノマーで存在する)、およびアミロイドフィブリルと結合した金ナノ粒子(凝集体として存在する)を暗視野顕微鏡観察によりイメージングする。得られた観測画像にあるスポットのピクセル値平均を輝度として算出し、ヒストグラムを作成し、ナノ粒子凝集を評価することで、アミロイドフィブリルを高感度で検出している。
Various methods for detecting molecules in a sample have been developed, and many sensors using nanoparticles have been proposed. For example, Non-Patent
これらの検出方法はいずれも金ナノ粒子モノマーと凝集体との光学的特性の違いを利用した検出系である。モノマーおよび凝集体を利用する検出系では、凝集を発生させるために、ナノ粒子よりも高濃度の検出対象が必要となる場合がある。例えば、2種のモノクローナル抗体を用いて、抗体修飾金ナノ粒子によるサンドイッチ型のイムノアッセイ系を構築する場合、検出対象濃度がナノ粒子濃度よりも低い領域では、凝集は発生せずダイマーが優先して形成されることは容易に推測できる。そのため、より高感度な検出系構築のためには、モノマーとダイマーとを判別する必要がある。モノマーとダイマーとを判別する方法として、非特許文献3に記載の方法が挙げられる。非特許文献3では、2つの金ナノ粒子をDNAで連結し、当該DNAにより金ナノ粒子間の距離を制御し、その2粒子間の距離に応じて、暗視野観察下での輝点の色が変化することを示している。 All of these detection methods are detection systems that utilize the difference in optical properties between gold nanoparticle monomers and aggregates. In detection systems that use monomers and aggregates, a detection target that is more concentrated than the nanoparticles may be required to cause aggregation. For example, when constructing a sandwich-type immunoassay system using antibody-modified gold nanoparticles with two types of monoclonal antibodies, it is easy to predict that in a region where the detection target concentration is lower than the nanoparticle concentration, aggregation will not occur and dimers will be preferentially formed. Therefore, in order to construct a more sensitive detection system, it is necessary to distinguish between monomers and dimers. As a method for distinguishing between monomers and dimers, the method described in Non-Patent Document 3 can be mentioned. In Non-Patent Document 3, two gold nanoparticles are linked with DNA, the distance between the gold nanoparticles is controlled by the DNA, and the color of the bright spot under dark field observation changes depending on the distance between the two particles.
しかしながら、非特許文献3に記載の方法で大きな輝点色変化が生じるのは、極めて近接位に2つの金ナノ粒子が配置し、粒子間の表面プラズモン共鳴が発生した場合のみである。例えば、非特許文献4に記載のように、10nm程度の粒子間距離が存在する場合には輝点色の変化を確認することはできない。そのため、2粒子間の距離が離れているダイマーにおいては、非特許文献3に示されているような輝点色の変化は生じないものと推察される。したがって、かさ高い分子の検出系においては、非特許文献3の技術を利用できない。一方で、特定の分子を検出するバイオアッセイでは、分子を認識するための化合物として、抗体(1分子で10~15nm)など、高分子の分子認識タンパク質が多用されている。そのため、分子認識タンパク質自体がかさ高い分子となっているため、これを非特許文献3の技術と組み合わせて分子の検出系を構築することは困難である。
However, the method described in Non-Patent Document 3 produces a large change in the color of the bright spot only when two gold nanoparticles are placed very close to each other and surface plasmon resonance occurs between the particles. For example, as described in Non-Patent
そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、かさ高い分子の検出にも適用可能な、ナノ粒子を用いた分子の検出方法を提供することにある。 Therefore, the present invention was made in consideration of the above problems, and its purpose is to provide a method for detecting molecules using nanoparticles that can also be applied to the detection of bulky molecules.
本発明に係る分子の検出方法は、上記課題を解決するために、第1の分子認識化合物を修飾した第1のナノ粒子、第2の分子認識化合物を修飾した第2のナノ粒子、および対象試料を混合すること、ならびに混合した試料を暗視野観察することを含み、上記第1のナノ粒子、上記第2のナノ粒子、および上記第1のナノ粒子と上記第2のナノ粒子とのダイマーは、暗視野観察下での輝点色が互いに異なるものであり、輝点色の違いに基づき当該ダイマーを判別することを含むものである。 In order to solve the above problems, the molecular detection method according to the present invention includes mixing a first nanoparticle modified with a first molecular recognition compound, a second nanoparticle modified with a second molecular recognition compound, and a target sample, and performing dark-field observation of the mixed sample, in which the first nanoparticle, the second nanoparticle, and a dimer of the first nanoparticle and the second nanoparticle have different bright spot colors under dark-field observation, and the method includes distinguishing the dimers based on the difference in bright spot color.
また、本発明に係る分子の検出方法の一態様においては、上記第1のナノ粒子が銀ナノ粒子である。 In one embodiment of the molecule detection method according to the present invention, the first nanoparticles are silver nanoparticles.
また、本発明に係る分子の検出方法の一態様においては、上記第2のナノ粒子が金ナノアーチンである。 In one embodiment of the molecule detection method according to the present invention, the second nanoparticles are gold nanourchins.
また、本発明に係る分子の検出方法の一態様においては、上記第1の分子認識化合物および上記第2の分子認識化合物の少なくとも一方がタンパク質である。 In one embodiment of the molecule detection method according to the present invention, at least one of the first molecular recognition compound and the second molecular recognition compound is a protein.
また、本発明に係る分子の検出方法の一態様においては、上記第1の分子認識化合物および上記第2の分子認識化合物の少なくとも一方が抗体である。 In one embodiment of the molecule detection method according to the present invention, at least one of the first molecular recognition compound and the second molecular recognition compound is an antibody.
本発明に係る分子の検出方法の別の態様は、第1の分子認識化合物を修飾した第1のナノ粒子、第2の分子認識化合物を修飾した第2のナノ粒子、および対象試料を混合すること、ならびに混合した試料を暗視野観察することを含み、上記第1のナノ粒子、上記第2のナノ粒子、および上記第1のナノ粒子と上記第2のナノ粒子との凝集体は、暗視野観察下での輝点色が互いに異なるものであり、上記輝点色の違いに基づき上記凝集体を判別することを含むものである。 Another aspect of the molecular detection method according to the present invention includes mixing a first nanoparticle modified with a first molecular recognition compound, a second nanoparticle modified with a second molecular recognition compound, and a target sample, and observing the mixed sample under dark field observation, in which the first nanoparticle, the second nanoparticle, and an aggregate of the first nanoparticle and the second nanoparticle have different bright spot colors under dark field observation, and the method includes distinguishing the aggregate based on the difference in the bright spot colors.
本発明に係るナノ粒子のダイマーの検出方法は、第1のナノ粒子と第2のナノ粒子とのダイマーを形成させることを含み、上記第1のナノ粒子および上記第2のナノ粒子は、暗視野観察下での輝点色が互いに異なり、上記第1のナノ粒子の輝点色および上記第2のナノ粒子の輝点色と異なる輝点色を検出することで上記第1のナノ粒子と上記第2のナノ粒子との上記ダイマーを検出することを含むものである。 The method for detecting a nanoparticle dimer according to the present invention includes forming a dimer between a first nanoparticle and a second nanoparticle, the first nanoparticle and the second nanoparticle having different bright spot colors under dark-field observation, and detecting the dimer between the first nanoparticle and the second nanoparticle by detecting a bright spot color different from the bright spot color of the first nanoparticle and the bright spot color of the second nanoparticle.
本発明の分子の検出方法によれば、ナノ粒子間の表面プラズモン共鳴による輝点色変化が生じないようなナノ粒子ダイマーであっても、ナノ粒子モノマーと区別することができ、ナノ粒子を用いて容易に分子の検出が可能となる。 The molecular detection method of the present invention makes it possible to distinguish even nanoparticle dimers, which do not cause a change in bright spot color due to surface plasmon resonance between nanoparticles, from nanoparticle monomers, and to easily detect molecules using nanoparticles.
本発明に係る分子の検出方法は、分子認識化合物を修飾した、輝点色が互いに異なる複数のナノ粒子と、対象試料とを混合し、混合した試料を暗視野観察することを含むものである。まず、本発明に係る検出方法の一実施形態におけるスキームについて、図1を参照して説明する。 The molecular detection method according to the present invention involves mixing a plurality of nanoparticles modified with molecular recognition compounds and having different bright spot colors with a target sample, and subjecting the mixed sample to dark-field observation. First, the scheme of one embodiment of the detection method according to the present invention will be described with reference to FIG. 1.
図1は、一実施形態に係る本検出方法のスキームを示す図である。図1に示すように、本検出方法では、分子認識化合物で修飾した少なくとも2種類のナノ粒子であるナノ粒子A(第1のナノ粒子)とナノ粒子B(第2のナノ粒子)とを使用する。ナノ粒子Aおよびナノ粒子Bを対象試料と混合した際に、対象試料中に検出対象となる分子(検出対象)が存在すると、ナノ粒子Aにおける分子認識化合物が検出対象と会合するとともに、ナノ粒子Bにおける分子認識化合物が検出対象と会合する。これにより、検出対象を介した、ナノ粒子Aとナノ粒子Bとのダイマー(異種ナノ粒子ダイマー)が形成される。この混合試料を用いて暗視野顕微鏡観察を行うと、ナノ粒子Aの輝点と、ナノ粒子Bの輝点と、異種ナノ粒子ダイマーの輝点とが観察される。その際、観察像を画像データとして取得し、当該画像データを用いて、各輝点の輝点色に基づき、各輝点の帰属を行うこと、すなわち輝点の帰属を判別することで、異種ナノ粒子ダイマーの形成を確認することができ、検出対象の検出が可能となる。さらには、これに基づき、検出対象となる分子の濃度等を測定することも可能となる。なお、図1では、一つの例として機械学習による分類を示しているが、判別方法はこれに限定されない。 Figure 1 is a diagram showing a scheme of the present detection method according to one embodiment. As shown in Figure 1, in this detection method, at least two types of nanoparticles modified with a molecular recognition compound, nanoparticle A (first nanoparticle) and nanoparticle B (second nanoparticle), are used. When nanoparticle A and nanoparticle B are mixed with a target sample, if a molecule to be detected (detection target) is present in the target sample, the molecular recognition compound in nanoparticle A associates with the detection target, and the molecular recognition compound in nanoparticle B associates with the detection target. As a result, a dimer (heterogeneous nanoparticle dimer) of nanoparticle A and nanoparticle B is formed via the detection target. When this mixed sample is observed with a dark-field microscope, bright spots of nanoparticle A, nanoparticle B, and heterogeneous nanoparticle dimers are observed. At that time, the observed image is acquired as image data, and the image data is used to assign each bright spot based on the bright spot color of each bright spot, that is, to determine the assignment of the bright spot, so that the formation of heterogeneous nanoparticle dimers can be confirmed and the detection target can be detected. Furthermore, based on this, it is also possible to measure the concentration of the molecule to be detected. Note that Figure 1 shows classification by machine learning as an example, but the discrimination method is not limited to this.
以下、本実施形態における分子の検出方法の詳細について説明する。 The molecular detection method in this embodiment is described in detail below.
〔ナノ粒子〕
本実施形態で用いるナノ粒子は、暗視野観察下で輝点として観察可能な粒子である。暗視野観察下で輝点として観察可能であれば、本実施形態に適用されるナノ粒子は特に制限されず、例えば、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金ナノロッド、金ナノアーチン、金ナノ粒子凝集体および量子ドットなどが例示できる。
[Nanoparticles]
The nanoparticles used in this embodiment are particles that can be observed as bright spots under dark field observation. As long as they can be observed as bright spots under dark field observation, the nanoparticles applied to this embodiment are not particularly limited, and examples thereof include gold nanoparticles, silver nanoparticles, gold nanorods, gold nanourchins, gold nanoparticle aggregates, and quantum dots.
本実施形態におけるナノ粒子Aとナノ粒子Bとは互いに相違するナノ粒子である。用いるナノ粒子の組み合わせには特に制限はなく、暗視野観察時における輝点色が解析により判別可能な程度に異なる色となる組み合わせであればよい。例えば、一方を、銀ナノ粒子とし、他方を金ナノアーチンとする組み合わせが挙げられる。本明細書において、輝点色とは、後述する暗視野観察下で観察される試料からの散乱光および反射光等に由来する輝点の色である。 In this embodiment, nanoparticles A and nanoparticles B are different nanoparticles. There are no particular limitations on the combination of nanoparticles used, as long as the combination produces bright spot colors that are different enough to be distinguishable by analysis during dark-field observation. For example, one combination may be silver nanoparticles and the other gold nanourchins. In this specification, the bright spot color refers to the color of the bright spot that originates from scattered light and reflected light from a sample observed under dark-field observation, as described below.
また、ナノ粒子の粒子径も特に制限されないが、10nm~1μmの粒子径であることが好ましく、20nm~100nmの粒子径であることがさらに好ましい。なお、本明細書において粒子径とは、球状の粒子においては直径であり、ナノロッドなどの棒状の粒子の場合には長軸方向の長さである。 The particle diameter of the nanoparticles is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 1 μm, and more preferably 20 nm to 100 nm. In this specification, particle diameter refers to the diameter of spherical particles, and to the length along the long axis of rod-shaped particles such as nanorods.
ナノ粒子の材質は、ナノ粒子が暗視野下で特徴的な輝点として観測可能となるものであれば、特に制限されない。しかしながら、輝度の大きさの観点で、可視から近赤外の波長帯にプラズモン共鳴特性を有する金属が好ましい。 There are no particular limitations on the material of the nanoparticles, so long as the nanoparticles can be observed as characteristic bright spots in a dark field. However, from the standpoint of brightness, metals that have plasmon resonance characteristics in the visible to near-infrared wavelength range are preferred.
なお、本実施形態の検出方法においては、少なくとも2種類のナノ粒子(ナノ粒子Aおよびナノ粒子B)が用いられればよく、その種類の数に制限はなく、3種類以上のナノ粒子を用いてもよい。3種類以上のナノ粒子を用いる場合の例については後述する。 In the detection method of this embodiment, at least two types of nanoparticles (nanoparticles A and nanoparticles B) need to be used, and there is no limit to the number of types, and three or more types of nanoparticles may be used. An example of using three or more types of nanoparticles will be described later.
〔分子認識化合物〕
本実施形態における分子認識化合物は、検出対象と会合しうるものであればよく特に限定されない。例えば、分子認識化合物の会合部位としては、ホスト分子として用いられる小分子(シクロデキストリン、クラウンエーテル、およびボロン酸など)、検出対象と親和性を有するタンパク質(レクチン、および抗体など)、検出対象と親和性を有する核酸(アプタマーなど)、アビジンまたはビオチンなどを用いればよい。
[Molecular Recognition Compounds]
The molecular recognition compound in this embodiment is not particularly limited as long as it can associate with the detection target. For example, the association site of the molecular recognition compound may be a small molecule (cyclodextrin, crown ether, boronic acid, etc.) used as a host molecule, a protein (lectin, antibody, etc.) having affinity with the detection target, a nucleic acid (aptamer, etc.) having affinity with the detection target, avidin, biotin, etc.
ナノ粒子Aに結合している分子認識化合物(第1の分子認識化合物)およびナノ粒子Bに結合している分子認識化合物(第2の分子認識化合物)が共に検出対象と会合した状態をとることができる限り、ナノ粒子Aにおける分子認識化合物とナノ粒子Bにおける分子認識化合物とは同一のものであってもよく、異なっていてもよい。 As long as the molecular recognition compound bound to nanoparticle A (first molecular recognition compound) and the molecular recognition compound bound to nanoparticle B (second molecular recognition compound) can both be in a state of association with the detection target, the molecular recognition compound in nanoparticle A and the molecular recognition compound in nanoparticle B may be the same or different.
ナノ粒子Aに結合している分子認識化合物およびナノ粒子Bに結合している分子認識化合物が共に検出対象と会合した状態をとることにより、ナノ粒子Aとナノ粒子Bとのダイマーが形成されることになる。 When the molecular recognition compound bound to nanoparticle A and the molecular recognition compound bound to nanoparticle B are both associated with the detection target, a dimer of nanoparticle A and nanoparticle B is formed.
ナノ粒子を分子認識化合物で修飾する方法は、公知の手法を用いることができ、会合部位がその機能を果たす限り、特に制限はない。 The method for modifying nanoparticles with molecular recognition compounds can be any known method, and there are no particular limitations as long as the association sites perform their intended function.
〔対象試料〕
本実施形態における対象試料とは、検出対象となる分子が存在するか否か、ひいてはその濃度を調べることを目的とした液体試料を意図している。
[Target sample]
The target sample in this embodiment refers to a liquid sample intended to examine whether or not a molecule to be detected is present, and further, its concentration.
また、検出対象は、該検出対象と会合し得るような分子認識化合物が存在し得る限り制限はないが、例示として、核酸、タンパク質、糖およびエクソソーム等の生体分子、薬剤、ならびにウイルスなどが挙げられる。検出対象のサイズは、暗視野下でダイマーの輝点が1つの輝点として観察可能な大きさであればよく特に限定されない。例えば、エクソソームのように特に大きな検出対象を介したナノ粒子ダイマーについては、その輝点が1つの輝点として観察されないことが予想される。しかしながらこのような場合でも、対物レンズの倍率を変更する等により観察像の解像度を調整することで、ダイマーを1つの輝点として観察することができる。 The detection target is not limited as long as there is a molecular recognition compound that can associate with the detection target. Examples include nucleic acids, proteins, sugars, and biomolecules such as exosomes, drugs, and viruses. The size of the detection target is not particularly limited as long as the bright spot of the dimer can be observed as a single bright spot under a dark field. For example, it is expected that the bright spots of a nanoparticle dimer mediated by a particularly large detection target such as an exosome will not be observed as a single bright spot. However, even in such a case, the dimer can be observed as a single bright spot by adjusting the resolution of the observation image by changing the magnification of the objective lens, etc.
さらに、詳しくは後述するが、検出対象は1種類に限らず、3種類以上のナノ粒子を組み合わせて用いることにより、複数種の検出対象を同時に検出することも可能である。 Furthermore, as will be described in more detail later, the detection target is not limited to one type, but by using a combination of three or more types of nanoparticles, it is possible to simultaneously detect multiple types of detection targets.
〔暗視野観察〕
本実施形態における暗視野観察は、試料に斜めから光を当て、試料からの散乱光および反射光等のみを観察する、従来公知の暗視野観察手法であればよい。照明法も透過型、および落射型のどちらでもよく、利用者が適宜選択すればよい。
[Dark-field observation]
The dark-field observation in this embodiment may be a conventionally known dark-field observation method in which light is applied to a sample from an oblique angle and only scattered light and reflected light from the sample are observed. The illumination method may be either a transmissive type or an epi-illumination type, and the user may select an appropriate method.
暗視野観察下で生じる輝点を画像解析するために、観察画像をカラー画像として取得する。観察画像を取得するための撮像装置は、カラー画像として撮像可能な限り特に制限はない。なお、試料中のナノ粒子を固定化せずに観察を行う場合には、シャッタースピードの速い撮像装置を用いることが好ましい。 To perform image analysis of bright spots that occur under dark-field observation, the observed image is acquired as a color image. There are no particular limitations on the imaging device used to acquire the observed image, as long as it is capable of capturing a color image. Note that, when observing nanoparticles in a sample without immobilizing them, it is preferable to use an imaging device with a fast shutter speed.
ナノ粒子の暗視野観察のために、ナノ粒子を含む液状試料を基板上に展開する。基板は、例えば、スライドガラスおよびガラスシャーレなどを例示できる。基板の材質は、液状試料が展開できる限り特に制限はなく、ソーダガラス、石英ガラス、アクリル樹脂およびポリカーボネート等の材料を例示できる。 For dark-field observation of nanoparticles, a liquid sample containing nanoparticles is spread on a substrate. Examples of the substrate include a glass slide and a glass petri dish. There are no particular limitations on the material of the substrate as long as the liquid sample can be spread on it, and examples of materials include soda glass, quartz glass, acrylic resin, and polycarbonate.
本実施形態における暗視野観察では、ナノ粒子を基板上に固定化してもよい。ナノ粒子を基板上に固定化することにより、取得される観察画像の鮮明さを向上させることができる。ナノ粒子を基板上に固定化する方法としては、ナノ粒子と基板表面との相互作用を利用した手法が挙げられるがこれに限定されない。例えば、ナノ粒子として金ナノ粒子を用いる場合、基板表面をアミノ基で修飾することにより、負に帯電した金ナノ粒子との静電的な相互作用により、金ナノ粒子を基板上に固定化することができる。あるいは、ナノ粒子を含む試料中の塩濃度を上昇させ、基板としてスライドガラスを用いることにより、ナノ粒子を基板上に固定化することができる。 In the dark-field observation in this embodiment, the nanoparticles may be immobilized on a substrate. By immobilizing the nanoparticles on the substrate, the clarity of the observed image obtained can be improved. Methods for immobilizing the nanoparticles on the substrate include, but are not limited to, a method that utilizes the interaction between the nanoparticles and the substrate surface. For example, when gold nanoparticles are used as the nanoparticles, the gold nanoparticles can be immobilized on the substrate by electrostatic interaction with the negatively charged gold nanoparticles by modifying the substrate surface with amino groups. Alternatively, the nanoparticles can be immobilized on the substrate by increasing the salt concentration in a sample containing the nanoparticles and using a slide glass as the substrate.
〔異種ナノ粒子ダイマー〕
本実施形態における異種ナノ粒子ダイマーは、上述の通り、ナノ粒子Aと、ナノ粒子Aとは異なる種類のナノ粒子Bとのダイマーである。すなわち、異種ナノ粒子ダイマーは、暗視野観察下での輝点色が互いに異なるナノ粒子どうしのダイマーである。
[Heterogeneous nanoparticle dimer]
As described above, the heterogeneous nanoparticle dimer in this embodiment is a dimer of nanoparticle A and nanoparticle B of a type different from nanoparticle A. In other words, the heterogeneous nanoparticle dimer is a dimer between nanoparticles that have different bright spot colors under dark-field observation.
暗視野下で1つのナノ粒子(ナノ粒子のモノマー)を観察した場合、表面プラズモン共鳴により、そのナノ粒子のサイズよりも大きな輝点として観察される。また、上述の非特許文献3に示されるように、ナノ粒子がダイマーを形成し、ナノ粒子間の距離が非常に小さい場合には、粒子間の表面プラズモン共鳴により輝点色の変化が生じ得る。しかしながら、検出対象との会合によってダイマーを形成しているナノ粒子どうしの距離が、粒子間の表面プラズモン共鳴による輝点色変化が生じない程度に離れている場合には、従来知られた技術ではダイマーの検出はできない。 When a single nanoparticle (nanoparticle monomer) is observed under a dark field, it is observed as a bright spot larger than the size of the nanoparticle due to surface plasmon resonance. In addition, as shown in the above-mentioned non-patent document 3, when nanoparticles form dimers and the distance between the nanoparticles is very small, a change in the color of the bright spot can occur due to surface plasmon resonance between the particles. However, when the distance between the nanoparticles that form a dimer by association with the detection target is large enough that a change in the color of the bright spot does not occur due to surface plasmon resonance between the particles, the dimer cannot be detected by conventionally known techniques.
本実施形態に係る検出方法では、ダイマーを形成している各ナノ粒子のモノマーの輝点色の混合色の輝点としてダイマーを観察しており、これにより検出対象との会合により生じたダイマーの検出が可能となっている。 In the detection method according to this embodiment, the dimer is observed as a bright spot of a mixed color of the bright spot colors of the monomers of each nanoparticle that forms the dimer, which makes it possible to detect the dimer that is formed by association with the detection target.
異種ナノ粒子ダイマーの形成は、ナノ粒子A、ナノ粒子Bおよび対象試料を、各分子認識化合物と検出対象とが会合可能な条件下で混合することで可能である。またナノ粒子Aにおける分子認識化合物とナノ粒子Bにおける分子認識化合物とは、検出対象に対してどちらを先に会合させてもよく、また同時に会合させてもよい。 Heterogeneous nanoparticle dimers can be formed by mixing nanoparticle A, nanoparticle B, and a target sample under conditions that allow each molecular recognition compound to associate with the target of detection. In addition, the molecular recognition compound in nanoparticle A and the molecular recognition compound in nanoparticle B may be associated with the target of detection first, or they may be associated with each other simultaneously.
形成される異種ナノ粒子ダイマーは1種類に限定されない。例えば、輝点色が互いに異なるナノ粒子A、ナノ粒子Bおよびナノ粒子Cの存在下、検出対象1によりナノ粒子Aとナノ粒子Bとの異種ナノ粒子ダイマーが形成され、検出対象2によりナノ粒子Aとナノ粒子Cとの異種ナノ粒子ダイマーが形成されるように、各ナノ粒子における分子認識化合物を選定し、各ナノ粒子を修飾することができる。異種ナノ粒子ダイマーを構成するナノ粒子の組み合わせが異種ナノ粒子ダイマー間で相違するため、異種ナノ粒子ダイマーにおける輝点色も互いに相違することとなる。これにより、輝点色の違いに基づき、複数種の異種ナノ粒子ダイマーを区別可能に同時に検出することが可能となる。
The number of different nanoparticle dimers formed is not limited to one type. For example, in the presence of nanoparticles A, B, and C, which have different bright spot colors, a molecular recognition compound can be selected for each nanoparticle to modify each nanoparticle so that a heterogeneous nanoparticle dimer of nanoparticles A and B is formed by
〔輝点の解析〕
暗視野観察画像を用いた輝点の解析手法について説明するが、検出対象の検出方法は輝点色の変化を利用するものであればよくこれに限定されない。
[Analysis of bright spots]
Although a method for analyzing bright spots using dark-field observation images will be described, the method for detecting the detection target is not limited to this as long as it utilizes changes in the color of the bright spots.
(輝点の色分解)
本実施形態における1つの検出方法では、暗視野観察により得られたカラーの観察画像を複数の色成分に色分解して、各色成分の情報を含む輝点の色情報を取得し、当該色情報に基づき解析を行うことも可能である。以下では、暗視野観察により得られたカラーの観察画像をRGBに色分解し、各輝点のRGB値に基づき解析を行う場合を例に説明する。
(Color separation of bright spots)
In one detection method in this embodiment, it is also possible to separate a color observation image obtained by dark-field observation into a plurality of color components, obtain color information of bright spots including information of each color component, and perform analysis based on the color information. In the following, an example will be described in which a color observation image obtained by dark-field observation is separated into RGB, and analysis is performed based on the RGB values of each bright spot.
まず暗視野観察で得られたカラーの観察画像を8-bitグレースケールに画像変換する。グレースケール画像において輝点を識別し、輝点として識別された領域を対象領域(ROI)と決定する。輝点の識別は、例えば、後述の実施例で示す画像解析ソフト(ImageJ)を用いる場合には、閾値30-255、サイズ30-10000、および真円度0.3-1.0という条件を満たすものを画像処理の段階で輝点として識別すればよい。次いで、対象となるカラーの観察画像をR成分、G成分およびB成分それぞれの成分画像に分割し、各色成分画像について全てのROIで強度測定を行う。ROIにおける各色成分の強度(R値、G値およびB値)を、輝点の色情報とする。 First, the color observation image obtained by dark-field observation is converted to an 8-bit grayscale image. Bright spots are identified in the grayscale image, and the area identified as a bright spot is determined as the target region (ROI). For example, when using the image analysis software (ImageJ) shown in the example described later, bright spots can be identified as bright spots at the image processing stage if they satisfy the conditions of a threshold of 30-255, a size of 30-10,000, and a circularity of 0.3-1.0. Next, the target color observation image is divided into component images of the R component, the G component, and the B component, and the intensity of each color component image is measured at all ROIs. The intensity of each color component in the ROI (R value, G value, and B value) is used as the color information of the bright spot.
(輝点の判別)
色情報に基づき輝点を判別するための一態様として、得られた輝点の色情報を、RGB値の3変量データとして3次元プロットする。3次元プロットすることにより、帰属が異なることによる輝点の相違を、視覚的に認識できるようになる。なお、本明細書において帰属とは、輝点がナノ粒子、異種ナノ粒子ダイマーおよび不純物の何れに由来するものであるかを示すものである。さらに、ナノ粒子の輝点である場合には、複数あるナノ粒子のうちのどのナノ粒子に由来するものであるかまで特定するものである。同様に、複数の異種ナノ粒子ダイマーが存在し得る場合には、そのうちのどの異種ナノ粒子ダイマーに由来するものであるかまで特定するものである。
(Distinguishing bright spots)
As one aspect for distinguishing bright spots based on color information, the obtained color information of the bright spots is plotted three-dimensionally as three-variable data of RGB values. By plotting three-dimensionally, the difference between bright spots due to different attributions can be visually recognized. In this specification, attribution indicates whether the bright spot is derived from a nanoparticle, a heterogeneous nanoparticle dimer, or an impurity. Furthermore, in the case of a nanoparticle bright spot, it is specified which nanoparticle among multiple nanoparticles it is derived from. Similarly, in the case where multiple heterogeneous nanoparticle dimers may exist, it is specified which heterogeneous nanoparticle dimer it is derived from.
3次元プロットを行うことでナノ粒子を視覚的に判別することが可能となるが、より正確な判別を行うためには、あるいはより簡便に判別を行うためには、予め取得した判別情報に基づいて判別することが好ましい。ここで、判別情報とは、帰属が明らかな輝点の色情報を収集し、収集された色情報を用いることにより導きだされた基準、モデル、アルゴリズムおよびプログラム等であり、観察により得られた輝点の色情報に当該判別情報を適用し、当該輝点の帰属が何であるかを結論づけるものである。 Although it is possible to visually distinguish nanoparticles by performing a three-dimensional plot, for more accurate or easier discrimination, it is preferable to distinguish based on discrimination information acquired in advance. Here, discrimination information refers to standards, models, algorithms, programs, etc. derived by collecting color information of bright spots whose attribution is clear and using the collected color information, and applying the discrimination information to the color information of bright spots obtained by observation to conclude what the attribution of the bright spots is.
(機械学習的手法)
同じ種類のナノ粒子であっても、各ナノ粒子の輝点のRGB値にはバラツキがある。また、異なる種類のナノ粒子または不純物であっても、目的とするナノ粒子と輝点の色が近い場合がある。そのため、精度よく判別を行うには、人の視覚による判別では限界がある。そのため、帰属の判別にあたっては、上述の判別情報として、RGB値を入力データとして、帰属の判定結果を出力するソフトウェア(コンピュータプログラム)を用いることが好ましい。特に、機械学習結果に基づいて帰属を自動で判別するソフトウェア(分類モデル)を上述の判別情報として用いることが、判定精度の観点から望ましい。判別に利用可能なソフトウェア(アルゴリズム)は、特に限定されないが、例えば、教師あり学習済みのニューラルネットワーク、あるいは教師あり学習済みのサポートベクターマシン等を利用することもできる。
(Machine learning methods)
Even if the nanoparticles are of the same type, the RGB values of the bright spots of each nanoparticle may vary. In addition, even if the nanoparticles or impurities are of different types, the colors of the target nanoparticles and the bright spots may be close. Therefore, there is a limit to accurate discrimination by human visual discrimination. Therefore, in discriminating the attribution, it is preferable to use software (computer program) that uses RGB values as input data and outputs the attribution judgment result as the above-mentioned discrimination information. In particular, it is desirable from the viewpoint of judgment accuracy to use software (classification model) that automatically discriminates the attribution based on the machine learning result as the above-mentioned discrimination information. The software (algorithm) that can be used for discrimination is not particularly limited, but for example, a supervised neural network or a supervised support vector machine can be used.
例えば、RGB値である入力データから、銀ナノ粒子モノマー、金ナノアーチン、銀ナノ粒子-金ナノアーチンダイマーおよび不純物の何れであるかの判別結果を上記ソフトウェアに出力させることができる。この場合、予め、銀ナノ粒子モノマーを用いて銀ナノ粒子モノマーの色情報を取得し、金ナノアーチンを用いて金ナノアーチンの色情報を取得し、不純物(例えば、生体試料および土壌サンプル等)を用いて不純物の色情報を取得しておく。また、銀ナノ粒子-金ナノアーチンダイマーの色情報は、銀ナノ粒子と金ナノアーチンの輝点画像をコンピューター上で合成して得たものを用いる。そして、このようにして得られた帰属が既知の色情報を学習データとして用いて上記ソフトウェアの機械学習を行い、同じく帰属が既知の色情報をテストデータとして用いて機械学習の精度を確認する、という処理を繰り返し行う。これにより、当該ソフトウェアによる所望の判定精度での判定が可能な状態となる。 For example, the software can be made to output a discrimination result indicating whether the input data is a silver nanoparticle monomer, a gold nanourchin, a silver nanoparticle-gold nanourchin dimer, or an impurity, based on the input data being RGB values. In this case, color information of the silver nanoparticle monomer is obtained in advance using the silver nanoparticle monomer, color information of the gold nanourchin is obtained using the gold nanourchin, and color information of the impurity is obtained using the impurity (e.g., a biological sample, a soil sample, etc.). In addition, color information of the silver nanoparticle-gold nanourchin dimer is obtained by synthesizing the bright spot images of the silver nanoparticles and the gold nanourchin on a computer. Then, the color information of which the attribution is known obtained in this way is used as learning data to perform machine learning of the software, and the color information of which the attribution is known is similarly used as test data to confirm the accuracy of the machine learning. This process makes it possible for the software to make a judgment with the desired accuracy.
このようなソフトウェアの一つの例としては、統計分析フリーソフトのR(R DEVELOPMENT CORE TEAM (2005). R: A LANGUAGE
AND environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing,Vienna,Austria.ISBN 3-900051-07-0, URL http://www.R-project.org.)が挙げられる。
One example of such software is the free statistical analysis software R (R DEVELOPMENT CORE TEAM (2005). R: A LANGUAGE
AND environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0, URL http://www.R-project.org.
機械学習を用いた判別手法を採用することにより、ナノ粒子の帰属をより精度良く判別することができ、これにより検出結果の信頼度がより向上する。 By adopting a discrimination method using machine learning, the attribution of nanoparticles can be determined with greater accuracy, thereby improving the reliability of detection results.
以上から、本実施形態における具体的手法においては、分子の検出方法は、混合した試料を暗視野観察下で観察し、カラーの観察画像を得る工程、当該観察画像を色分解して、各色成分の情報を含む輝点の色情報を取得する工程、および当該色情報から、当該観察画像中の輝点がナノ粒子Aの輝点である、ナノ粒子Bの輝点であるか、異種ナノ粒子ダイマーの輝点であるか否かを判別する工程を含むものである。 In view of the above, in the specific method of this embodiment, the molecular detection method includes a step of observing the mixed sample under dark-field observation to obtain a color observation image, a step of color-separating the observation image to obtain color information of the bright spots including information of each color component, and a step of determining, from the color information, whether the bright spots in the observation image are bright spots of nanoparticle A, nanoparticle B, or heterogeneous nanoparticle dimers.
また、当該判別する工程では、予め取得した判別情報に基づき、当該観察画像中の輝点の帰属を判別することを含み得る。 The discrimination process may also include discriminating the attribution of bright points in the observed image based on discrimination information acquired in advance.
また、当該判別情報は、当該色情報と当該輝点の帰属との相関関係を機械学習した、輝点の分類モデルであり得る。 The discrimination information may also be a classification model of bright spots that has been machine-learned to determine the correlation between the color information and the attribution of the bright spots.
さらに、本実施形態によれば、対象試料中の分子を検出することができるが、ナノ粒子のダイマーの検出方法とも捉えることができる。すなわち、本発明の一実施形態は、ナノ粒子のダイマーの検出方法であって、ナノ粒子Aとナノ粒子Bとのダイマーを形成させることを含み、ナノ粒子Aおよびナノ粒子Bは、暗視野観察下での輝点色が互いに異なり、ナノ粒子Aの輝点色およびナノ粒子Bの輝点色と異なる輝点色を検出することで異種ナノ粒子ダイマーを検出する方法でもあり得る。 Furthermore, according to this embodiment, molecules in a target sample can be detected, but it can also be considered as a method for detecting nanoparticle dimers. That is, one embodiment of the present invention is a method for detecting nanoparticle dimers, which includes forming a dimer of nanoparticle A and nanoparticle B, where nanoparticle A and nanoparticle B have different bright spot colors under dark-field observation, and the method can also detect heterogeneous nanoparticle dimers by detecting a bright spot color different from the bright spot color of nanoparticle A and the bright spot color of nanoparticle B.
さらには、暗視野下での輝点色の異なる2つのナノ粒子によるダイマーを形成し、モノマーの状態と異なる輝点を観察する方法でもあり得る。 Furthermore, it may be possible to form a dimer from two nanoparticles with different bright spot colors under dark field conditions and observe the bright spot that differs from the monomer state.
また、本実施形態の技術は、輝点色の異なる2つのナノ粒子がダイマーを形成する場合に限らず、輝点色の異なる2つのナノ粒子の何れをも含む凝集体が形成される場合にも適用可能である。すなわち、輝点色の異なる2つのナノ粒子の何れをも含む凝集体が形成されることにより、モノマーの状態と異なる輝点が観察されることになり、凝集体とモノマーとを判別することができ、これにより分子の検出が可能となる。したがって、本実施形態は、異なる2つナノ粒子を含む凝集体と、モノマーとを観察し、これらを判別する方法でもあり得る。 The technology of this embodiment is not limited to cases where two nanoparticles with different bright spot colors form a dimer, but can also be applied to cases where an aggregate containing both of the two nanoparticles with different bright spot colors is formed. In other words, by forming an aggregate containing both of the two nanoparticles with different bright spot colors, a bright spot different from the state of the monomer is observed, making it possible to distinguish between the aggregate and the monomer, thereby enabling detection of the molecule. Therefore, this embodiment can also be a method for observing and distinguishing between an aggregate containing two different nanoparticles and a monomer.
以下に実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書中に記載された文献の全てが参考として援用される。 The following examples are presented to further explain the embodiments of the present invention. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and various modifications are possible in detail. Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. The technical scope of the present invention also includes embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed. In addition, all of the documents described in this specification are incorporated by reference.
以下の実施例1~9では、第1のナノ粒子として銀ナノ粒子(AgNP)を用い、第2のナノ粒子として金ナノアーチン(AuNU)を用い、第1のナノ粒子に修飾する分子認識化合物としてプロテインAを用い、第2のナノ粒子に修飾する分子認識化合物としてBSAを用いた場合の例を具体的に示す。また、実施例10~15では、第1のナノ粒子として銀ナノ粒子(AgNP)を用い、第2のナノ粒子として金ナノアーチン(AuNU)を用い、第1のナノ粒子に修飾する分子認識化合物としてBSAを用い、第2のナノ粒子に修飾する分子認識化合物としてプロテインAを用いた場合の例を具体的に示す。しかしながら、本発明はこれらに限定されない。 In the following Examples 1 to 9, examples are specifically shown in which silver nanoparticles (AgNP) are used as the first nanoparticles, gold nanourchins (AuNU) are used as the second nanoparticles, protein A is used as the molecular recognition compound modified on the first nanoparticles, and BSA is used as the molecular recognition compound modified on the second nanoparticles. In addition, in Examples 10 to 15, examples are specifically shown in which silver nanoparticles (AgNP) are used as the first nanoparticles, gold nanourchins (AuNU) are used as the second nanoparticles, BSA is used as the molecular recognition compound modified on the first nanoparticles, and protein A is used as the molecular recognition compound modified on the second nanoparticles. However, the present invention is not limited to these.
〔実施例1.アミノ基導入スライドガラスの作製〕
スライドガラス(松浪ガラス社製、S1111)を超純水および70%エタノールで洗浄し、乾燥させた。次に1%APTES((3-Aminopropyl)triethoxysilane、超純水希釈)をスライドガラスに塗布し、室温で30分静置した後、超純水で洗浄した。これを乾燥させアミノ基導入スライドガラスを得た。
Example 1. Preparation of slide glass with amino groups introduced therein
A slide glass (S1111, Matsunami Glass Co., Ltd.) was washed with ultrapure water and 70% ethanol and dried. Next, 1% APTES ((3-aminopropyl)triethoxysilane, diluted with ultrapure water) was applied to the slide glass, and after leaving it at room temperature for 30 minutes, it was washed with ultrapure water. This was dried to obtain an amino group-introduced slide glass.
〔実施例2.プロテインA修飾銀ナノ粒子の作製〕
銀ナノ粒子(60nm、BBI solution社製)50μLとプロテインA(10μg/mL,和光純薬)50μLとを0.1×PBS中で混合し、その後室温で15分静置した。PEG(0.02%)900μLを混合し、遠心分離(6000rpm、10分)した。上澄み液を除去し、沈殿したナノ粒子を回収した。PEG(0.02%)1mLを加えてナノ粒子を分散させた後、同様に遠心分離を行った。回収した沈殿を0.1×PBS(50μL)に分散させ、これをプロテインA修飾銀ナノ粒子(AgNP-ProA)とした。
Example 2. Preparation of Protein A-modified silver nanoparticles
50 μL of silver nanoparticles (60 nm, BBI solution) and 50 μL of protein A (10 μg/mL, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed in 0.1×PBS, and then left to stand at room temperature for 15 minutes. 900 μL of PEG (0.02%) was mixed and centrifuged (6000 rpm, 10 minutes). The supernatant was removed and the precipitated nanoparticles were collected. 1 mL of PEG (0.02%) was added to disperse the nanoparticles, and then centrifuged in the same manner. The collected precipitate was dispersed in 0.1×PBS (50 μL), and this was used as protein A-modified silver nanoparticles (AgNP-ProA).
〔実施例3.BSA修飾金ナノアーチンの作製〕
金ナノアーチン(80nm、16pM、Cytodiagnostics社製)50μLとBSA(FractionV、50μg/mL、和光純薬)50μLとを0.1×PBS中で混合し、その後室温で15分静置した。PEG(0.02%)900μLを混合し、遠心分離(6000rpm、10分)した。上澄み液を除去し、沈殿したナノ粒子を回収した。回収した沈殿を0.1×PBS(50μL)に分散させ、これをBSA修飾金ナノアーチン(AuNU-BSA)とした。
Example 3: Preparation of BSA-modified gold nanoarchin
50 μL of gold nanourchin (80 nm, 16 pM, Cytodiagnostics) and 50 μL of BSA (Fraction V, 50 μg/mL, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed in 0.1×PBS and then left to stand at room temperature for 15 minutes. 900 μL of PEG (0.02%) was mixed and centrifuged (6000 rpm, 10 minutes). The supernatant was removed and the precipitated nanoparticles were collected. The collected precipitate was dispersed in 0.1×PBS (50 μL) and used as BSA-modified gold nanourchin (AuNU-BSA).
〔実施例4.ナノ粒子の修飾評価〕
AgNP-ProAおよびAuNU-BSAが作製されたことの確認を、動的光散乱(DLS)法による粒径測定により行った。結果を図2に示す。銀ナノ粒子(AgNP)の平均粒径は修飾前後で63.9nmから79.3nmに増大した。また金ナノアーチン(AuNU)の平均粒径は修飾前後で89.0nmから100.0nmに増大した。この結果からプロテインAおよびBSAがそれぞれのナノ粒子表面に修飾されたことを確認した。
Example 4. Evaluation of nanoparticle modification
The production of AgNP-ProA and AuNU-BSA was confirmed by particle size measurement using dynamic light scattering (DLS). The results are shown in Figure 2. The average particle size of silver nanoparticles (AgNP) increased from 63.9 nm to 79.3 nm before and after modification. The average particle size of gold nanourchins (AuNU) increased from 89.0 nm to 100.0 nm before and after modification. From these results, it was confirmed that protein A and BSA were modified on the surfaces of the respective nanoparticles.
〔実施例5.ナノ粒子の暗視野観察〕
実施例2で作製したAgNP-ProA、および実施例3で作製したAuNU-BSAを暗視野下で観察した。また、AgNP-ProA、AuNU-BSAおよび2μg/mLの抗BSA抗体を混合し、抗BSA抗体を介したAgNP-ProAとAuNU-BSAとのダイマーを形成させて、これを暗視野下で観察した。観察用プレパラートの作製は、試料3.5μLを実施例1で作製したアミノ基導入スライドガラスに滴下し、その上からカバーガラスを被せ、カバーガラスの四辺にトップコートを塗ることによって密閉することで行った。作製したプレパラートを暗視野下で油浸観察した。観察装置には顕微鏡(BX53、OLYMPUS社製)、CCDカメラ(カラー、DP73、OLYMPUS社製)、および対物レンズ(UplanFLN60×、OLYMPUS社製)を用い、観察条件は露光時間10sec、ISO100、および4800×3600ピクセルシフトで撮影した。
Example 5. Dark-field observation of nanoparticles
AgNP-ProA prepared in Example 2 and AuNU-BSA prepared in Example 3 were observed under a dark field. AgNP-ProA, AuNU-BSA and 2 μg/mL of anti-BSA antibody were mixed to form a dimer of AgNP-ProA and AuNU-BSA via the anti-BSA antibody, which was observed under a dark field. The preparation for observation was performed by dropping 3.5 μL of the sample onto the amino group-introduced slide glass prepared in Example 1, covering it with a cover glass, and sealing it by applying a top coat to the four sides of the cover glass. The prepared preparation was observed by oil immersion under a dark field. The observation device used was a microscope (BX53, Olympus), a CCD camera (color, DP73, Olympus), and an objective lens (UplanFLN60x, Olympus). The observation conditions were exposure time 10 sec,
結果、AgNP-ProAと、AuNU-BSAとで互いに異なる色の輝点が観察された。また、混合試料において、AgNP-ProAおよびAuNU-BSAのいずれとも異なる色(ピンク~紫色)の輝点が観察された。AgNP-ProA、AuNU-BSAおよびAgNP-ProAとAuNU-BSAとのダイマーにおける暗視野観察下での代表的な輝点の色成分(RGB成分)の棒グラフを図3に示す。 As a result, bright spots of different colors were observed for AgNP-ProA and AuNU-BSA. Furthermore, bright spots of different colors (pink to purple) were observed in the mixed sample from both AgNP-ProA and AuNU-BSA. Figure 3 shows a bar graph of the color components (RGB components) of representative bright spots observed under dark field observation in AgNP-ProA, AuNU-BSA, and a dimer of AgNP-ProA and AuNU-BSA.
〔実施例6.銀ナノ粒子-金ナノアーチンダイマーの像の予測〕
実施例2および実施例3で作製した修飾ナノ粒子をそれぞれ暗視野観察し、観察されたそれぞれ10個の輝点を30×30pixelで抽出した。次いで、AgNP-ProAの輝点と、AuNU-BSAの輝点とを重ね合わせたcalculated dimer像を得た。詳細には、AgNP-ProAの10個の輝点と、AuNU-BSAの10個の輝点との全ての組み合わせ(10×10)について重ね合わせを行い、計100個のcalculated dimer像を得た。calculated dimer像は、AgNP-ProAとAuNU-BSAとでダイマーを形成した際に観察されると推測される像を意図したものである。抽出した各修飾ナノ粒子における10個の輝点と、calculated dimer像を以下に示す方法で処理して、RGB値の3次元プロットにより可視化した。
(1)画像処理
画像解析ソフトImageJ(Biophotonics International, vol11,issue7,pp.36-42,2004)を用いて、以下の方法で画像処理を行った。
Example 6. Prediction of the image of silver nanoparticle-gold nanourtin dimer
The modified nanoparticles prepared in Example 2 and Example 3 were each subjected to dark field observation, and 10 observed bright spots were extracted at 30 x 30 pixels. Next, a calculated dimer image was obtained by superimposing the bright spots of AgNP-ProA and the bright spots of AuNU-BSA. In detail, all combinations (10 x 10) of 10 bright spots of AgNP-ProA and 10 bright spots of AuNU-BSA were superimposed to obtain a total of 100 calculated dimer images. The calculated dimer image is intended to be an image that is presumed to be observed when a dimer is formed between AgNP-ProA and AuNU-BSA. The extracted 10 bright spots in each modified nanoparticle and the calculated dimer image were processed by the method shown below and visualized by a three-dimensional plot of RGB values.
(1) Image Processing Image processing was carried out using image analysis software ImageJ (Biophotonics International, vol. 11, issue 7, pp. 36-42, 2004) in the following manner.
(1-1)グレースケール変換、輝点解析およびROI保存
対象画像をグレースケールに変換し、輝点解析および輝点の領域情報(ROI)の取得を行った。輝点解析のパラメーターは閾値30-255、サイズ30-10000、真円度0.3-1.0で行った。
(1-1) Grayscale conversion, bright spot analysis, and ROI storage The target image was converted to grayscale, and bright spot analysis and acquisition of bright spot area information (ROI) were performed. The parameters for bright spot analysis were threshold 30-255, size 30-10000, and circularity 0.3-1.0.
(1-2)RGBへの分割、および各画像におけるROIでの輝点解析
RGBで構成されている対象の画像を、R成分の画像、G成分の画像およびB成分の画像の3つの画像に分割した。各画像について上記(1-1)で取得したROIで輝点解析を行い、R、GおよびBの各画像におけるROIの強度を取得した。取得した各ROIの強度を、各輝点のR、GおよびBそれぞれの強度とした。これを、以降の解析データとして用いた。
(1-2) Division into RGB and analysis of bright spots in the ROI in each image The target image composed of RGB was divided into three images, an image of the R component, an image of the G component, and an image of the B component. Bright spot analysis was performed on each image using the ROI obtained in (1-1) above, and the intensity of the ROI in each of the R, G, and B images was obtained. The intensity of each obtained ROI was taken as the intensity of each R, G, and B of each bright spot. This was used as the analysis data for the following.
(2)Rを用いたデータ処理
上記(1-2)で得た解析データの処理は、統計分析フリーソフトのR(R DEVELOPMENT CORE TEAM (2005). R: A LANGUAGE AND environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing,Vienna,Austria.ISBN 3-900051-07-0, URL http://www.R-project.org.)を用いて行った。
(2) Data processing using R The analysis data obtained in (1-2) above was processed using the free statistical analysis software R (R DEVELOPMENT CORE TEAM (2005). R: A LANGUAGE AND environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0, URL http://www.R-project.org.).
具体的には、解析データをテキストファイルとして出力し、各輝点とそのRGB値とを対応させた表を作成した。各輝点のRGB値を3次元プロットすることで、輝点のRGB値の分布を可視化した。可視化したRGB値の3次元プロットを異なる角度から観察した結果が図4の(a)~(c)に対応する。 Specifically, the analysis data was output as a text file, and a table was created in which each bright spot corresponded to its RGB value. The distribution of the RGB values of the bright spots was visualized by plotting the RGB values of each bright spot in three dimensions. The results of observing the visualized three-dimensional plot of RGB values from different angles correspond to Figure 4 (a) to (c).
結果、銀ナノ粒子のクラスター、金ナノアーチンのクラスター、およびcalculated dimerのクラスターの3つのクラスターに分かれることが確認された。また、ダイマーとして観察される輝点のRGB値の3次元プロットは図4の(a)~(c)に示す位置であることが推測された。 As a result, it was confirmed that the clusters were divided into three clusters: a cluster of silver nanoparticles, a cluster of gold nanoartin, and a cluster of calculated dimers. In addition, it was estimated that the three-dimensional plot of the RGB values of the bright spots observed as dimers was located at the positions shown in Figure 4 (a) to (c).
〔実施例7.AgNP-AuNUの異種ダイマーサンプルの3次元プロット〕
実施例5で観察した各暗視野像を実施例6に示した方法で処理し、実施例6のcalculated dimer像も含めてRGB3次元プロットした結果を図5に示す。図5の(a)~(c)に示されるように、銀ナノ粒子および金ナノアーチン由来のプロットとは明らかに異なるプロットが混合試料中に確認され、そのプロットはcalculated dimer像のプロットと十分近い位置であった。以上の結果から混合試料中に銀ナノ粒子と金ナノアーチンとのダイマーが存在することが示唆された。また、図5の(a)~(c)に示すように、色分解によって、銀ナノ粒子と、金ナノアーチンと、銀ナノ粒子-金ナノアーチンダイマーとを判別可能であることが確認された。なお、図5に示すプロット中、銀ナノ粒子のクラスターには、混合試料中にモノマーとして存在する修飾銀ナノ粒子の輝点も含まれている。同様に、図5に示すプロット中、金ナノアーチンのクラスターには、混合試料中にモノマーとして存在する修飾金ナノアーチンの輝点も含まれている。
Example 7. Three-dimensional plot of AgNP-AuNU heterodimer sample
Each dark field image observed in Example 5 was processed by the method shown in Example 6, and the results of RGB three-dimensional plotting including the calculated dimer image of Example 6 are shown in FIG. 5. As shown in (a) to (c) of FIG. 5, plots that are clearly different from the plots derived from silver nanoparticles and gold nanourchins were confirmed in the mixed sample, and the plots were located sufficiently close to the plots of the calculated dimer image. The above results suggest that dimers of silver nanoparticles and gold nanourchins are present in the mixed sample. In addition, as shown in (a) to (c) of FIG. 5, it was confirmed that silver nanoparticles, gold nanourchins, and silver nanoparticle-gold nanourchin dimers can be distinguished by color separation. In addition, in the plots shown in FIG. 5, the clusters of silver nanoparticles also contain bright spots of modified silver nanoparticles present as monomers in the mixed sample. Similarly, in the plots shown in FIG. 5, the clusters of gold nanourchins also contain bright spots of modified gold nanourchins present as monomers in the mixed sample.
〔実施例8.機械学習の構築〕
観察対象の輝点がどのナノ粒子(異種ナノ粒子ダイマーを含む)または不純物に対応するか決定するための基準を設けることにより、帰属の判別が容易となる。しかしながら、図5の3次元プロットに示されるような、各輝点のプロットが線形分離できない分布である場合には、人の手で基準を規定することが困難である。そこで、機械学習を利用した輝点の帰属の判別方法を採用した。
[Example 8. Construction of machine learning]
By providing criteria for determining which nanoparticles (including heterogeneous nanoparticle dimers) or impurities the bright spots to be observed correspond to, it becomes easier to distinguish the attribution. However, when the plots of each bright spot are a distribution that cannot be linearly separated, as shown in the three-dimensional plot of Figure 5, it is difficult to manually define the criteria. Therefore, a method for distinguishing the attribution of bright spots using machine learning was adopted.
実施例2および3で得られた、銀ナノ粒子および金ナノアーチンの輝点のRGB値情報を、その帰属と合わせて学習データとした。また、ナノ粒子を含まない0.1×PBSの暗視視野像を撮影し、得られた情報を不純物の学習データとして用いた。銀ナノ粒子と金ナノアーチンとの異種ダイマーに関しては、ImageJを用いて、抗BSA抗体修飾AuNUの20個の各輝点像(30×30pix)とAgNP-proAの20個の各輝点像(30×30pix)とを、全ての組み合わせ(20×20)について画像合成することで400個の合成画像を取得した。この合成処理を、輝点画像を横方向に5または10pixずらした場合についても行うことでさらに800個の合成画像を取得し、最終的に合計1200個の画像合成を取得した。これを異種ダイマーの輝点画像として扱い、そのRGB値情報を、その帰属と合わせて学習データとした。 The RGB value information of the bright spots of silver nanoparticles and gold nanourchins obtained in Examples 2 and 3, together with their attribution, was used as learning data. In addition, a night vision image of 0.1x PBS containing no nanoparticles was taken, and the obtained information was used as learning data for impurities. For the heterodimer of silver nanoparticles and gold nanourchins, 400 composite images were obtained by combining 20 bright spot images (30x30pix) of anti-BSA antibody-modified AuNU and 20 bright spot images (30x30pix) of AgNP-proA for all combinations (20x20) using ImageJ. This composition process was also performed when the bright spot images were shifted horizontally by 5 or 10pix, obtaining an additional 800 composite images, and finally obtaining a total of 1200 composite images. These were treated as bright spot images of heterodimers, and their RGB value information, together with their attribution, was used as learning data.
この学習データを用いた機械学習による、輝点の帰属を判定するための分類モデルの作製は統計分析フリーソフトのRを用いて行った。 A classification model for determining the attribution of bright spots was created using machine learning with this training data, using the free statistical analysis software R.
〔実施例9.検出対象濃度依存性〕
抗BSA抗体を検出対象とし、その濃度を0、0.5、1または2μg/mLと変化させた場合の試料に、AgNP-ProAおよびAuNU-BSAを混合し、混合試料について暗視野観察を行い、AgNP-ProAと、AuNU-BSAと、異種ダイマーとの合計量に対する異種ダイマーの量の割合を算出した。異種ダイマーの割合を算出するための各輝点の帰属の判別は、実施例8の機械学習済の統計分析フリーソフトのRにより行った。結果を図6に示す。図6から検出対象の濃度に応じて異種ダイマーの割合が増加することが確認できた。すなわち、暗視野下での輝点色の異なるナノ粒子を用いて、モノマーの状態とダイマーの状態での輝点色の変化を利用した、対象分子の検出系を構築できた。
Example 9. Dependence of detection target concentration
AgNP-ProA and AuNU-BSA were mixed with samples in which the concentration of anti-BSA antibody was changed to 0, 0.5, 1 or 2 μg/mL as the detection target, and the mixed samples were subjected to dark field observation, and the ratio of the amount of heterodimer to the total amount of AgNP-ProA, AuNU-BSA, and heterodimer was calculated. The attribution of each bright spot for calculating the ratio of heterodimer was determined by R, a free statistical analysis software with machine learning in Example 8. The results are shown in FIG. 6. It was confirmed from FIG. 6 that the ratio of heterodimer increased depending on the concentration of the detection target. In other words, a detection system for target molecules was constructed using nanoparticles with different bright spot colors under a dark field, utilizing the change in bright spot color in the monomer state and the dimer state.
〔実施例10.BSA修飾銀ナノ粒子の作製〕
銀ナノ粒子(60nm、28pM、BBI solution社製)50μLとBSA(FractionV、50μg/mL、和光純薬)50μLとを0.1×PBS50μL中で混合し、その後37℃で30分静置した。PEG(0.02%)500μLを混合し、遠心分離(8000rpm、10分)した。上澄み液を除去し、沈殿したナノ粒子を回収した。回収した沈殿を0.1×PBS(50μL)に分散させ、これをBSA修飾銀ナノ粒子(AgNP-BSA)とした。
Example 10: Preparation of BSA-modified silver nanoparticles
50 μL of silver nanoparticles (60 nm, 28 pM, manufactured by BBI solution) and 50 μL of BSA (Fraction V, 50 μg/mL, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed in 50 μL of 0.1×PBS, and then the mixture was left to stand at 37° C. for 30 minutes. 500 μL of PEG (0.02%) was mixed and centrifuged (8000 rpm, 10 minutes). The supernatant was removed, and the precipitated nanoparticles were collected. The collected precipitate was dispersed in 0.1×PBS (50 μL), and this was used as BSA-modified silver nanoparticles (AgNP-BSA).
〔実施例11.プロテインA修飾金ナノアーチンの作製〕
金ナノアーチン(80nm、39pM、Cytodiagnostics社製)50μLとプロテインA(10μg/mL,和光純薬)50μLとを0.1×PBS50μL中で混合し、その後37℃で30分静置した。PEG(0.02%)を含むBSA溶液500μLを混合し、遠心分離(8000rpm、10分)した。上澄み液を除去し、沈殿したナノ粒子を回収した。回収した沈殿を0.1×PBS(50μL)に分散させ、これをプロテインA修飾金ナノアーチン(AuNU-ProA)とした。
Example 11. Preparation of Protein A-modified gold nanoarchin
50 μL of gold nanourchin (80 nm, 39 pM, Cytodiagnostics) and 50 μL of protein A (10 μg/mL, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed in 50 μL of 0.1×PBS, and then left to stand at 37° C. for 30 minutes. 500 μL of BSA solution containing PEG (0.02%) was mixed and centrifuged (8000 rpm, 10 minutes). The supernatant was removed, and the precipitated nanoparticles were collected. The collected precipitate was dispersed in 0.1×PBS (50 μL), and this was used as protein A-modified gold nanourchin (AuNU-ProA).
〔実施例12.ナノ粒子の修飾評価〕
AgNP-BSAおよびAuNU-ProAが作製されたことの確認を、動的光散乱(DLS)法による粒径測定により行った。結果を図7に示す。銀ナノ粒子(AgNP)の平均粒径は修飾前後で65.2nmから83.5nmに増大した。また金ナノアーチン(AuNU)の平均粒径は修飾前後で90.0nmから103.8nmに増大した。この結果からBSAおよびプロテインAがそれぞれのナノ粒子表面に修飾されたことを確認した。
Example 12. Evaluation of nanoparticle modification
The production of AgNP-BSA and AuNU-ProA was confirmed by particle size measurement using dynamic light scattering (DLS). The results are shown in Figure 7. The average particle size of silver nanoparticles (AgNP) increased from 65.2 nm to 83.5 nm before and after modification. The average particle size of gold nanourchins (AuNU) increased from 90.0 nm to 103.8 nm before and after modification. From these results, it was confirmed that BSA and protein A were modified on the surface of each nanoparticle.
〔実施例13.ナノ粒子の暗視野観察〕
実施例10で作製したAgNP-BSA、および実施例11で作製したAuNU-ProAを暗視野下で観察した。また、AgNP-BSA、AuNU-ProAおよび2μg/mLの抗BSA抗体を混合し、抗BSA抗体を介したAgNP-BSAとAuNU-ProAとのダイマーを形成させて、これを暗視野下で観察した。ダイマーサンプルの調製は、まずAgNP-BSAと2μg/mLの抗BSA抗体を混合し、37℃で30分静置した後にAuNU-ProAを添加し、60分反応させることで行った。観察用プレパラートの作製は、試料3.5μLを実施例1で作製したアミノ基導入スライドガラスに滴下し、その上からカバーガラスを被せ、カバーガラスの四辺にトップコートを塗ることによって密閉することで行った。作製したプレパラートを暗視野下で油浸観察した。観察装置には顕微鏡(BX53、OLYMPUS社製)、CCDカメラ(カラー、DP73、OLYMPUS社製)、および対物レンズ(UplanFLN60×、OLYMPUS社製)を用い、観察条件は露光時間10sec、ISO100、および4800×3600ピクセルシフトで撮影した。
Example 13. Dark-field observation of nanoparticles
AgNP-BSA prepared in Example 10 and AuNU-ProA prepared in Example 11 were observed under a dark field. AgNP-BSA, AuNU-ProA and 2 μg/mL of anti-BSA antibody were mixed to form a dimer of AgNP-BSA and AuNU-ProA via the anti-BSA antibody, which was observed under a dark field. The dimer sample was prepared by first mixing AgNP-BSA and 2 μg/mL of anti-BSA antibody, leaving it at 37° C. for 30 minutes, adding AuNU-ProA, and reacting for 60 minutes. The preparation of the observation preparation was performed by dropping 3.5 μL of the sample onto the amino group-introduced slide glass prepared in Example 1, covering it with a cover glass, and sealing it by applying a top coat to the four sides of the cover glass. The prepared preparation was observed by oil immersion under a dark field. The observation device used was a microscope (BX53, Olympus), a CCD camera (color, DP73, Olympus), and an objective lens (UplanFLN60x, Olympus). The observation conditions were exposure time 10 sec,
結果、AgNP-BSAと、AuNU-ProAとで互いに異なる色の輝点が観察された。また、混合試料において、AgNP-BSAおよびAuNU-ProAのいずれとも異なる色(ピンク~紫色)の輝点が観察された。 As a result, bright spots of different colors were observed for AgNP-BSA and AuNU-ProA. Furthermore, in the mixed sample, bright spots of a different color (pink to purple) were observed for both AgNP-BSA and AuNU-ProA.
〔実施例14.AgNP-AuNUの異種ダイマーサンプルの3次元プロット〕
実施例13で観察した各暗視野像を実施例6に示した方法で処理し、実施例6のcalculated dimer像も含めてRGB3次元プロットした結果を図8に示す。図8の(a)~(c)に示されるように、銀ナノ粒子および金ナノアーチン由来のプロットとは明らかに異なるプロットが混合試料中に確認され、そのプロットはcalculated dimer像のプロットと十分近い位置であった。以上の結果から混合試料中に銀ナノ粒子と金ナノアーチンとのダイマーが存在することが示唆された。また、図8の(a)~(c)に示すように、色分解によって、銀ナノ粒子と、金ナノアーチンと、銀ナノ粒子-金ナノアーチンダイマーとを判別可能であることが確認された。なお、図8に示すプロット中、銀ナノ粒子のクラスターには、混合試料中にモノマーとして存在する修飾銀ナノ粒子の輝点も含まれている。同様に、図8に示すプロット中、金ナノアーチンのクラスターには、混合試料中にモノマーとして存在する修飾金ナノアーチンの輝点も含まれている。
Example 14. Three-dimensional plot of AgNP-AuNU heterodimer sample
Each dark field image observed in Example 13 was processed by the method shown in Example 6, and the results of RGB three-dimensional plotting including the calculated dimer image of Example 6 are shown in FIG. 8. As shown in (a) to (c) of FIG. 8, plots that are clearly different from the plots derived from silver nanoparticles and gold nanourchins were confirmed in the mixed sample, and the plots were located sufficiently close to the plots of the calculated dimer image. The above results suggest that dimers of silver nanoparticles and gold nanourchins are present in the mixed sample. In addition, as shown in (a) to (c) of FIG. 8, it was confirmed that silver nanoparticles, gold nanourchins, and silver nanoparticle-gold nanourchin dimers can be distinguished by color separation. In addition, in the plots shown in FIG. 8, the clusters of silver nanoparticles also contain bright spots of modified silver nanoparticles present as monomers in the mixed sample. Similarly, in the plots shown in FIG. 8, the clusters of gold nanourchins also contain bright spots of modified gold nanourchins present as monomers in the mixed sample.
〔実施例15.検出対象濃度依存性〕
抗BSA抗体を検出対象とし、その濃度を0、0.5、1または2μg/mLと変化させた場合の試料に、AgNP-BSAおよびAuNU-ProAを混合し、混合試料について暗視野観察を行い、AgNP-BSAとAuNU-ProA、異種ダイマーの全体数を全量としたときの異種ダイマーの割合を算出した。異種ダイマーの割合を算出するための各輝点の帰属の判別は、実施例8の機械学習済の統計分析フリーソフトのRにより行った。結果を図9に示す。図9から検出対象の濃度に応じて異種ダイマーの割合が増加することが確認できた。すなわち、銀ナノ粒子および金ナノアーチンそれぞれを修飾する分子認識化合物を変更した本実施例においても、暗視野下での輝点色の異なるナノ粒子を用いて、モノマーの状態とダイマーの状態での輝点色の変化を利用した対象分子の検出系を構築できた。
Example 15. Dependence of detection target concentration
AgNP-BSA and AuNU-ProA were mixed with samples in which the concentration of anti-BSA antibody was changed to 0, 0.5, 1 or 2 μg/mL as the detection target, and the mixed samples were subjected to dark field observation, and the ratio of heterodimers was calculated when the total number of AgNP-BSA, AuNU-ProA, and heterodimers was taken as the total amount. The attribution of each bright spot to calculate the ratio of heterodimers was determined by R, a free statistical analysis software with machine learning in Example 8. The results are shown in FIG. 9. It was confirmed from FIG. 9 that the ratio of heterodimers increased depending on the concentration of the detection target. That is, even in this example in which the molecular recognition compound modifying each of the silver nanoparticles and the gold nanourchins was changed, a detection system for the target molecule was constructed using nanoparticles with different bright spot colors under a dark field, utilizing the change in bright spot color in the monomer state and the dimer state.
本発明は、暗視野下で検出対象を検出する分野に利用することができる。 The present invention can be used in fields where detection objects are detected under dark field conditions.
Claims (5)
混合した試料を暗視野観察することを含み、
上記第1のナノ粒子、上記第2のナノ粒子、および上記第1のナノ粒子と上記第2のナノ粒子とのダイマーは、暗視野観察下での輝点色が互いに異なるものであり、
上記第1のナノ粒子が銀ナノ粒子であり、上記第2のナノ粒子が金ナノアーチン、金ナノ粒子、または金ナノロッドであり、
上記輝点色の違いに基づき上記ダイマーを判別することを含むことを特徴とする分子の検出方法。 mixing a first nanoparticle modified with a first molecular recognition compound, a second nanoparticle modified with a second molecular recognition compound, and a target sample; and observing the mixed sample under dark field observation;
the first nanoparticle, the second nanoparticle, and a dimer of the first nanoparticle and the second nanoparticle have bright spot colors different from each other under dark-field observation;
The first nanoparticles are silver nanoparticles, and the second nanoparticles are gold nanourchins, gold nanoparticles, or gold nanorods;
A method for detecting a molecule, comprising discriminating the dimer based on the difference in color of the bright spot.
混合した試料を暗視野観察することを含み、
上記第1のナノ粒子、上記第2のナノ粒子、および上記第1のナノ粒子と上記第2のナノ粒子との凝集体は、暗視野観察下での輝点色が互いに異なるものであり、
上記第1のナノ粒子が銀ナノ粒子であり、上記第2のナノ粒子が金ナノアーチン、金ナノ粒子、または金ナノロッドであり、
上記輝点色の違いに基づき上記凝集体を判別することを含むことを特徴とする分子の検出方法。 mixing a first nanoparticle modified with a first molecular recognition compound, a second nanoparticle modified with a second molecular recognition compound, and a target sample; and observing the mixed sample under dark field observation;
the first nanoparticles, the second nanoparticles, and the aggregate of the first nanoparticles and the second nanoparticles have different bright spot colors under dark-field observation;
The first nanoparticles are silver nanoparticles, and the second nanoparticles are gold nanourchins, gold nanoparticles, or gold nanorods;
A molecular detection method comprising: discriminating the aggregate based on the difference in color of the bright spot.
第1のナノ粒子と第2のナノ粒子とのダイマーを形成させることを含み、
上記第1のナノ粒子および上記第2のナノ粒子は、暗視野観察下での輝点色が互いに異なり、
上記第1のナノ粒子が銀ナノ粒子であり、上記第2のナノ粒子が金ナノアーチン、金ナノ粒子、または金ナノロッドであり、
上記第1のナノ粒子の輝点色および上記第2のナノ粒子の輝点色と異なる輝点色を検出することで上記第1のナノ粒子と上記第2のナノ粒子との上記ダイマーを検出する、ナノ粒子のダイマーの検出方法。 1. A method for detecting a dimer of a nanoparticle, comprising:
forming a dimer between a first nanoparticle and a second nanoparticle;
the first nanoparticles and the second nanoparticles have different bright spot colors under dark-field observation;
The first nanoparticles are silver nanoparticles, and the second nanoparticles are gold nanourchins, gold nanoparticles, or gold nanorods;
A method for detecting a nanoparticle dimer, which detects the dimer of the first nanoparticle and the second nanoparticle by detecting a bright spot color different from the bright spot color of the first nanoparticle and the bright spot color of the second nanoparticle.
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吉村健,異なる2種のナノ粒子の架橋による混合色輝点の形成を利用したトロンビン検出,日本分析化学会年会講演要旨集,2019年08月28日,Vol.68th,Page.160 |
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