JPH02503596A - 電場妨害分子鎖の付着的配列 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電場妨害分子鎖の付着的配列 発明の背景 参考資料として次の２つの米国特許出願がある。ダブリュディ　スタンプロによ る第０４４．７６１号「電場妨害用３次元結合サイト配列」と、エイ　エル　ニ ューマンによる第０４４．７６７号「生化学的活性層の焼結ベレット」で、両者 は本願と同日付で出頭され本願出願人と同一人に譲渡されている。

本発明は電場を妨害する手段に関するものである。より詳細には、分子鎖の配列 によって絶縁される電極に関する。

組成分析においては、例えば混合物中の特定のガスや液体中の分析質［ａｎａｌ ｙｔｅ３の濃度を決定するために電気容量センサが用いられている。こうしＩ； センサは濃度に従って変化する電気容量を測定するものである。

例えば１９８５年１１月１９日出願のニューマン米国特許出願第７９９゜７６１ 号（「二ニーマン特許出願」）には液体中の分析質の濃度を決定するコンデンサ が含まれている。電気容量センサの電極間のスペース中に生化学特異的結合反応 が起こるが、この反応は一表面上に不動化された結合剤の分子と液体中の分析質 との間で起こる。こうした反応の結果、低い誘電定数の分子量的に大きい生化学 分子による、高い誘電定数の分子量的に小さな液体分子の追出交替が起こる。こ の分子の追出交替はコンデンサの誘電特性Ｉこ変化をもたらす。

レイモンドその他による米国特許第４．５７１．５４３号は、液体中の特定の非 水系物質ないし組成物の濃度を検知し測定するコンデンサについて論じている。

このコンデンサはシラン被覆上に特定のポリマーを被覆することで層を形成して いる。このポリマーが液体中の組成物を透過させる膜となり、液体中の組成物は 膜を透過し、膜中の溶液の誘電定数を変化させる。

ポルギシによる米国特許第４，４５３，１２６号は呼気中の麻酔ガス濃度をモニ ターするコンデンサについて記載している。このコンデンチは脂質あるいはエラ ストマーの誘電体を有しており、これにより麻酔ガスを吸収しセンサの電気特性 を変化させている。

ストナーその他によるザジャーナルオプフィジ力ルケミストリイ第７４巻、第５ 号、１９７０年の「電気容量技術を用いた金属上への血液蛋白吸着法」には固体 金属電極上への蛋白質の吸着を測定するための微分電気容量法が記載されている 。

アーウィンその他の米国特許第４．０７２．５７６号は、酵素活性の測定や免疫 反応の研究についての電気容量法について記載している。ある吸着したポリペプ チド基質が酵素活性の測定に使用され、また抗原抗体反応の測定において抗原は 電極表面に吸着する。

発明の要約 本発明は、基底層と、該基底層上に設けられる電場発生手段と、該電場を妨害す る手段とを有する装置ならびに該装置の製造方法に関する。電場妨害手段は、例 えば、抗原または抗体と、生化学的に活性な層から伸び出る分子鎖とをから成る 生化学的活性層を有する。１つの変形例として、分子鎖は別の抗体や蛋白分子か ら成る。また別の変形例として、分子鎖はアルキル分子あるいはアミド分子から 成る。

１具体例としての電場発生手段は、例えば電気容量親和性センサの電極である。

本例の場合、生化学的活性層はセンサの電極間の誘電物質の一部を成し、そこに 分子鎖が結合する。このようにして誘電物質の厚みが大きく増加すると、生化学 的活性層の電気容量は大きく減少する。かかる生化学的活性層は例えば非常に高 感度の電気容量親和性センサを提供する。

図面の簡単な説明 第１図は本発明ｌこ係る誘電物質を有する電気容量親和性センサの電極を示す。

第２図は本発明に係る分子の鎖配列のｙＬ接結合を概略示す。

第３図は第２図の分子鎖の別の変形例を示す。

第４図は分子鎖の配列の競合結合を示す。

第５図と第６図は競合結合配列の分子鎖の例を示す。

詳細な説明 容量親和性センサは、分析質の濃度を測定するもので、例えばセンサの２を極間 の電場に分析質分子が入ったり出たりするとき生ずる電気容量の変化を検知する ことによって行う。移動中の分析質分子は低い誘電定数を持ち、この分子は高い 誘電定数を持つ溶媒分子を２電極間の生化学的活性層から追い出す。

分析質分子による溶媒分子の置換により２を極間の電気容量は減少する。２を極 間の電気容量は、かかるセンサで測定される分析質の濃度に反比例する。

電気容量親和性センサには他の電気容量も存在し、それには電極を覆う何らかの 不動態化層の電気容量とか、電極周りの溶媒の電気容量とかがある。センサのこ れら電気容量は次のように加算される。

ここでＣＴはセンサの総電気容量、Ｃ１は生化学的活性層、不動態化層、および 溶媒の各々の電気容量である。理想的な平行板コンデンサにおいては、個々の電 気容量は誘電定数と平行板間の距離の比に比例する。即ち、 ここでＣ；は誘電定数を、ｄｌは平行板間の距離を表す。こうした場合、板の寅 際の幾何学的形態を考慮する必要はない。

電気容量親和性センサの不動態化層は厚さ約２０００オングストロームで、水や イオンに対し不透過性のピンホール・フリー障壁となる。溶媒層は厚さ数ミクロ ンとなり得る。しかしニューマン特許出願に記載されたセンサにおいては、生化 学的活性層中の絶縁体表面上に約１００オングストローム抗体が伸び出ている。

このように生化学的活性層は不動態化層や溶媒層に比べて厚みが薄い。

式（２）により、こうした薄い生化学的活性層の電気容量は他の不動態化層や溶 媒層の電気容量より大きい。式（１）より、総電気容量ＣＴ中で支配的な電気容 量は、最も低い電気容量を持つ層の電気容量である。したがってセンサの感度を 最大にするためには、生化学的活性層のような調整された親和性センサの層の電 気容量を最小にすることが望ましい。生化学的活性層の電気容量を最小にするこ とは、この層の電気容量をセンサ中の他の電気容量の各範囲内に納めるものであ る。

式（２）より、生化学的活性層の電気容量は、該層の誘電定数を下げるかまたは 該層の厚みを増すことにより減少する。さらにこの電気容量は生化学的活性層に 結合するいかなる分子によっても影響を受けること、また分子量が大きく低誘電 性の分析質分子が高誘電性の溶媒を相当量置換するということを発明者は認めｔ ；。そこでセンサの電極間の生化学的活性層に大きな分子鎖を結合することによ り、電気容量親和性センサの誘電物質の厚さを増すという手段を開発した。大分 子鎖が結合し、多量の溶媒を置換し、こうして全ての分子鎖が電場に入ったとき と、出たときに測定される電気容量間の差を増大させる。

第１図は、この発明に従い絶縁された電極１２と１４を備えた電気容量親和性セ ンサ１０の概要を示す。センサｌＯは相反する極性をもつ２本の電極１２と１４ を支持する１つの基底層１６を有する。基底層１６はアルミナのような絶縁物質 の基質からできている。

この発明の好ましい具体例では不動態化層２０が基底層１６と電極１２．１４を 被覆している。不動態化層２０は溶媒２８中の水やイオンから電極１２．１４を 保護している。

不動態化層２０から伸び出た分子が受容体２２を形成する。

受容体２２は生化学的に活性な層を形成する。この層の受容体２２各々はいずれ も特定の分析質２４の分子に対して潜在的な結合サイトとなる。また分析質２４ の分子は以下ｌこ述べるように置換され得る。

例えば、受容体２２は抗体からなり、分析質２４はバクテリアからなることがで きる。他の変形例としては、受容体２２は抗原で、分析質２４は抗体でもよい。

ここＪこは示していないが、受容体２２は不動態化層２０で覆われた垂直面から も水平に伸び出ている。

大さな分子２６は分析質２に結合する。大分子２６は例えば蛋白からできている 。分析質２４と大分子２６は大さな分子鎖を形成し、電極１２、】４間の電場３ ０内に付着配列となって受容体２２に結合する。この大分子鎖は低い誘電定数を 持っており、高誘電定数の溶媒２８を大量に電場３０から追い出す。

これらの大分子鎖は電気容量親和性センサ中の誘電物質の厚さｄ、を大きく増加 させ、またセンサの誘電特性を大きく変化させる配列となって結合する。式（１ ）より、電極１２．１４間の電気容量は大きく減少する。

第１図は電極１２．１４に近接する分子鎖を示す。分子鎖が電極の電場を実質的 に妨害するものであるときは、分子鎖は電極１２．１４に近接しているのである 。

第２図及びＭ３又は直接結合を使用する電気容量親和性センサにとって理想的な 本発明の具体例を示す。直接結合を使用する電気容量親和性センサは二ニーマン 特許出願中に記載されている。

第２図は大分子鎖３２の１配列の詳細を図式的に示すもので、センサ表面３４は 、第１図に示しｔ二基底層１６と不動態化層２０を有している。ウィルス断片３ ６は、生化学的活性層中のセンサ表面３４かも伸び出ている。このウィルス断片 ３６は第１図の受容体分子２２の１例である。ヒト抗ウイルス抗体３８は溶媒２ ８中にある分析質の１例であって、ウィルス断片３６に対して該断片に結合する ことにつき生物特異的である。溶媒２８には、ヒト以外の動物から得ｔ；抗ヒト 抗体４０と、結合蛋白分子４２が加えられる。この蛋白分子４２は次数１００万 上の［ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｒｄｅｒ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｍ１ｌｌｉｏｎ］の分子量を もつ。

抗ヒト抗体４０は、ヒト抗ウイルス抗体３８に対する抗体である。抗ヒト抗体４ ０の多くはヒト抗ウイルス抗体３８各々と結合する。抗体３８と４０及び蛋白分 子４２は大分子鎖を形成し、これがセンサ表面３４上のウィルス断片３６と結合 する。

他の変形例では、ウィルス断片３６はヒト抗ウイルス抗体３８に対して生物特異 的なハプテンから構成されてもよい。

本発明例では、例えばチログロブリンのような蛋白分子４２が抗ヒト抗体４０と 、その両者が溶媒２８に加えられる前に、結合している。チログロブリンは、ｐ Ｈ６，４のリン酸緩衝生理食塩水中で、コハク酸のようなリンカ−グループを介 して抗ヒト抗体４０と結合する。ＥＤＣとして知られている１−エチル−３−（ ３）−ジメチルアミノプロピル（カルボジイミド）は、溶媒中で反応を触媒する 。この反応を通してコハク酸中０２つのカルボキシル酸グループが抗体４０とチ ログロブリン中のアミングループと結合する。これが抗体４０とチログロブリン 間のアミド連結を形成する。リン酸緩衝生理食塩水を透析することにより、チロ グロブリンと結合抗体４０が得られる。

下記化学式はこの経過を示している。

ｔ；だしＡｂは抗体４０を表す。

こうした大分子鎖の多くが第１図中のＩｔ極１２まｊ；は１４に近接する配列を 形成する。こうした大分子鎖の配列は、その１電極の電場に対する電気的絶縁体 を形成する。しかし、より好ましい変形例では、例えば大分子鎖の配列はその分 子鎖の分析質分子を介して、第１図の親和性センサｌＯの２ｔｉ１２と１４間の 誘電物質の１部きしての受容体と結合する。

分子鎖３２は非常に大きく、かつ、低い誘電定数を持っているから、高誘電定数 の溶媒２８を大量に置換する。このようなセンサの誘電特性は溶媒２８中の例え ば抗ウイルス抗体３８のような分析質分子の濃度に従って大きく変化する。

第３図に、第２図に示したものとはまた別の変形例を示す。

抗体４４はセンサ表面３４に直接結合している。このような抗体４４は生化学的 活性層を形成し、溶液２８中の例えばバクテリアといったような分析質４６に対 して生物特異的である。分析質４６は分析質４６が抗体４４と結合するまで溶液 ２８中に拡散している。別の抗体４８と結合蛋白分子５０は溶液２８中を拡散し 分析質４６の頂上部と結合する。蛋白分子５０は第２抗体４８と、これら両者が 溶液２８に加えられる前に共有結合している。これらの抗体４４と４８は各々こ のバクテリアの個々のエピトープを通じて分析質４６と結合するが、４４と４８ は同じものであっても違うものであってもよい。

抗体４８、分析質４６と蛋白分子５０は、大分子鎖３２を形成し、これがセンサ 表面３４上の抗体４４と結合する。第１図の電極１２または１４の電場を妨害す る配列中に、例えばこうした大分子鎖が付着されるのである。

第４図は競合結合を用いた電気容量親和性センサに対して理想的なもうひとつの 具体例を示す。競合結合を用いた電気容量親和性センサはニューマン特許出願に 記載されている。

ハプテン５２は受容体分子２２の一例であるが、センサ表面３４に直接結合して いる。こうしたハプテン５２は生化学的活性層を形成する。抗体５４はハプテン ５２に対して生物特異的であって、これに結合する。本発明によれば、多くの脂 肪族炭化水素やアルキル分子５６が各抗体５４から伸びている。

大分子鎖５８は抗体５４と、該抗体から伸びるアルキル分子とを有している。こ の大分子鎖５８はハプテン５２の生化学的活性層のハプテン５２と結合する。こ うした大分子鎖５８は、例えば第１図のｔ極１２．１４に近接する電気容量親和 性センサ中の誘電物質の１部としての配列中に結合する。高誘電定数の溶媒２８ は低誘電定数の各分子鎖５８を被覆する。

７リー（結合していないζいう意味）分析質６０が溶媒２８中に導入される。分 析質６０はセンサ表面３４に向って拡散する。抗体５４はハプテン５２に対して のみならず、分析質６０に対しても生物特異的である。したがってハプテン５２ と分析質６０は大分子鎖５８の抗体５４と結合しようとして互いに競争する。そ の結果、大分子鎖５８はセンサ表面３４から離れて溶媒２８中を拡散し、７り一 分析質６０と結合する。７％ブテン５２から離れて溶媒２８中を拡散する分子鎖 ５８の量は、溶媒２８中の７り一分析質６０の濃度に比例する。

高誘電定数をもつ溶媒２８のうち多量のものが、センサ表面３４から拡散してい った低誘電定数の分子鎖５８に置換する。

このようにして、例えば第１図の２を極間の電気容量は大きく増大する。

第５図は第４図の具体例に用いる大アミド分子鎖を示す。第５図はＥＤＣによっ て触媒されるアミンのアシル化によって抗体６４かも伸びる脂肪族炭化水素６２ を示す。脂肪族炭化水素６２０例としてデシルアミドが抗体６４から伸びている 。このアミドは、抗体６４のアミングループ分子、例えばペプチドの末端部から カルボキシル基を通じて伸びている。ペプチドのかわりにアミドは例えば抗体６ ４中のりシン分子の側鎖（ｃ　Ｈｚ）。

ＮＨと結合することもできる。

脂肪族炭化水素６２は抗体６４と結合し、大分子鎖を形成する。この反応は以下 の手順による。まず、抗体６４がｐＨ６，４のリン酸緩衝生理食塩水の溶液中に 置かれる。次にＥＤＣとデカン酸を該溶液に加える。デカン酸はＡＩｄｒｉｃｈ 、　Ｎｏ、　１５．３７６１から購入することができる。抗体、生理食塩水、Ｅ ＤＣ及び酸はどんな順番で加えてもおそらくかまわない。反応後、リン酸緩衝生 理食塩水を透析し、未反応物や副産物や反応試薬を該溶液中から除くと、この反 応で生成した抗体が得られる。

次の化学式はこの反応を示すものである。

ＥＤＣ Ａｂ−ＮＨ，＋　　Ｃ）Ｉｓ（ＣＨｘ）ａｃＯＯＨ−−−−−−＞　　Ａｂ−Ｎ Ｈ−Ｃｏ（ＣＨｙ）ａｃＨｓただしＡｂ−ＮＨ，は抗体６４から伸びたペプチド の末端部のようなアミン基の一部と結合した抗体６４を表す。

第６図には第４図の具体例に用いる大アルキル分子鎖を示す。

具体的に第６図は還元的アルキル化を通じて抗体６４から伸びたアルキルグルー グ、ヘキシル基分子６６を示している。例として第６図の２−ヘキサノンのよう なケトンは、抗体６４のアミノ基末端部（ペプチドのような）に結合する。ペプ チドのかわりにケトンは抗体のりシン分子の側鎖に結合することができる。また ケトンのかわりにアルデヒドが、抗体中のりシン分子やペプチドに結合できる。

アルキル基分子６６は抗体６４と結合し、以下の手順に従って大分子鎖を形成す る。まず、０．１％のエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）を含む０℃のリン酸 緩衝生理食塩水の溶液中に抗体を置き、そこに固体のシアノポロバイドライドナ ）・リウムを試薬として２７０える。次に、２−ヘキサノンを該溶液中にゆっく りと加え、ゆるやかに撹はんする。２−ヘキサノンはＡｌｄｒｉｃｈ。

Ｎｏ、　１０．３００−４から購入できる。該溶液の反応後、未反応物、副産物 、そして試薬を該溶液からリン酸緩衝生理食塩水の透析によって除き、生成した 抗体が得られる。次の化学式がこの反応を示している。

ＮａＣＮＢＨａ Ａｂ−ＮＨ，＋　　ＣＨ３Ｃ０（ＣＬ）ｓＣＨｓ　　−−−−−＞Ａｂ−Ｎ＋（ −ＣＨ（ＣＨｓＸ（ＣＪ）ｓｃｌ（ｓ）Ａｂ−ＮＦ（２は抗体から伸びるペプチ ドの末端部のようなアミノ基の一部をもつ抗体６４を表す。

本発明の好ましい変形例によれば、分子鎖が配列となって生化学的活性層に付着 し、この配列が電気容量親和性センサの誘電物質の厚みを増し、センサの誘電特 性に非常に大きく影響する。この配列が例えば溶液中の分析質に対するセンサの 感度を増進するのである。

ム 国際調査報告

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. １．基底と、該基底上の電場発生手段と、生化学的活性層および該生化学的活性 層から伸びる分子鎖を有する電場妨害手段と、を有する装置。
2. ２．生化学的活性層は前記基底に結合する受容体分子を有し、前記分子鎖は該受 容体分子に対して生物特異的な抗体を有している請求の範囲１に記載の装置。
3. ３．前記分子鎖は前記抗体に結合する蛋白分子を有している請求の範囲２に記載 の装置。
4. ４．前記分子鎖は前記第１の抗体に対して抗体となる第２抗体を有する請求の範 囲２に記載の装置。
5. ５．前記分子鎖は前記第２抗体に結合する蛋白分子を有する請求の範囲４に記載 の装置。
6. ６．前記生化学的活性層は前記基底に待合する第１抗体を有し、前記分子鎖は第 ２抗体を有する請求の範囲１に記載の装置。
7. ７．前記分子鎖は第１抗体および第２抗体に対して生物特異的な抗原も有してい る請求の範囲６に記載の装置。
8. ８．前記分子鎖は第２抗体に結合する蛋白分子を有する請求の範囲７に記載の装 置。
9. ９．第１および第２抗体は異なる抗体である請求の範囲８に記載の装置。
10. １０．前記分子鎖は抗体に結合するアルキル基分子を有する請求の範囲２に記載 の装置。
11. １１．前記分子鎖は抗体に結合するアミド基分子を有する請求の範囲２に記載の 装置。
12. １２．電気容量親和性センサと、間に電場を発生する２電極を有する電気発生手 段と、該２電極間に設けられた誘電物質を有する生化学的活性層と、を有する請 求の範囲１に記載の装置。
13. １３．前記誘電物質は受容体分子を有し、前記分子鎖は該受容体分子に対して生 物特異的である抗体に結合する蛋白質を有する請求の範囲１２に記載の装置。
14. １４．前記誘電物質は受容体分子を有し、前記分子鎖は該受容体分子に対して生 物特異的な第１抗体と、該第１抗体に対して抗体となる第２抗体と、該第２抗体 に結合する蛋白質とを有する請求の範囲１２に記載の装置。
15. １５．前記誘電物質は第１抗体を有し、前記分子鎖は第１抗体に対して生物特異 的な抗原と、該抗原に対して生物特異的な第２抗体と、該第２抗体に結合する蛋 白質とを有する請求の範囲１２に記載の装置。
16. １６．前記誘電物質は受容体分子を有し、前記分子鎖は該受容体分子に対して生 物特異的である抗体に結合するアルキル基分子を有する請求の範囲１２に記載の 装置。
17. １７．前記誘電物質は受容体分子を有し、前記分子鎖は該受容体分子に対して生 物特異的である抗体に結合するアミド基分子を有する請求の範囲１２に記載の装 置。
18. １８．基底上に電場を発生させる手段を設け、該電場発生手段に近接する該基底 上に生化学的活性層を張設し、該生化学的活性層に分子鎖を結合させる、工程を 含む方法。
19. １９．前記生化学的活性層を電気容量親和性センサの２電極間の誘電物質として 張設することを含む請求の範囲１８に記載の方法。
20. ２０．前記分子鎖を第１抗体と蛋白質とで形成することを含む請求の範囲１９に 記載の方法。
21. ２１．前記分子鎖を第１抗体に対して抗体となる第２抗体で形成することを含む 請求の範囲１９に記載の方法。
22. ２２．抗体を生化学的活性層として張設し、前記分子鎖を第２抗体と第１および 第２抗体に対して生物特異的な抗原とで形成することを含む請求の範囲１９に記 載の方法。
23. ２３．前記分子鎖を抗体とアルキル基分子とで形成することを含む請求の範囲１ ９に記載の方法。
24. ２４．前記分子鎖をアシル化アミンで形成することを含む請求の範囲２３に記載 の方法。
25. ２５．前記分子鎖を抗体と脂肪族炭化水素で形成することを含む請求の範囲１９ に記載の方法。
26. ２６．前記分子鎖を還元的アルキル化を介して形成することを含む請求の範囲２ ５に記載の方法。