(57)【要約】  高感度にバイオ物質の検出が可能な磁性微粒子を用いるバイオセンサを提供する。  磁性微粒子を用いるバイオセンサは、光源１０と磁界発生部２０と受光部３０と検出部４０とを具備する。光源１０は、標的バイオ物質が結合し得る磁性微粒子を含有する分散液１に、所定の波長の光を照射する。磁界発生部２０は、少なくとも２方向に変化する磁界を分散液に印加する。受光部３０は、分散液１からの透過光を受光する。検出部４０は、磁界発生部２０により印加される磁界の方向の変化に応じて変化する、受光部３０により受光される透過光量の変化量の大きさに基づき、標的バイオ物質の有無を検出する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性微粒子を用いるバイオセンサであって、該バイオセンサは、
標的バイオ物質が結合し得る磁性微粒子を含有する分散液に、所定の波長の光を照射する光源と、
少なくとも２方向に変化する磁界を分散液に印加可能な磁界発生部と、
分散液からの透過光を受光する受光部と、
前記磁界発生部により印加される磁界の方向の変化に応じて変化する、前記受光部により受光される透過光量の変化量の大きさに基づき、標的バイオ物質の有無を検出する検出部と、
を具備することを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のバイオセンサにおいて、前記磁界発生部は、回転磁界を印加可能であることを特徴とするバイオセンサ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のバイオセンサにおいて、前記磁界発生部の磁界の印加方向と光源の光照射方向は、同一平面内の方向であることを特徴とするバイオセンサ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のバイオセンサにおいて、前記検出部は、さらに、磁界発生部による磁界の印加を止めた後の透過光量の大きさに基づき、標的バイオ物質の有無を検出することを特徴とするバイオセンサ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れかに記載のバイオセンサにおいて、前記検出部は、さらに、既知の試料を用いて予め作成する検量線を用いて、標的バイオ物質の有無を検出することを特徴とするバイオセンサ。
【請求項６】
磁性微粒子を用いるバイオセンサであって、該バイオセンサは、
標的バイオ物質が結合し得る磁性微粒子を含有する分散液に、少なくとも２方向に変化する磁界を印加可能な磁界発生部と、
所定の波長の光を分散液に照射する光源と、
分散液からの反射光を受光する受光部と、
前記磁界発生部により印加される磁界の方向の変化に応じて変化する、前記受光部により受光される反射光量の変化量の大きさに基づき、標的バイオ物質の有無を検出する検出部と、
を具備することを特徴とするバイオセンサ。
【請求項７】
請求項６に記載のバイオセンサであって、さらに、前記光源からの光を分散液に導く光導波路を具備することを特徴とするバイオセンサ。
【請求項８】
請求項７に記載のバイオセンサにおいて、前記受光部は、光導波路の分散液側の先端に配置されることを特徴とするバイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁性微粒子を用いるバイオセンサに関し、特に、磁性微粒子を含有する分散液に磁界を印加するバイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、バイオセンサは、タンパク質間の相互作用の解析やがん治療、ＤＮＡ解析、病原菌等の検出、疾病の診断、環境関連物質の計測等、広範な分野で利用されている。バイオセンサは、被測定物質である抗原（バイオ物質）とこれに特異的に結合する試験試薬である抗体との結合を測定し、被測定物質の定性や定量を行うものである。【０００３】
抗原と抗体の結合を測定する手法としては、例えば蛍光物質を用いて色の濃淡により測定するＤＮＡチップがある。しかしながら、蛍光物質の光量等が安定しないため、高精度な測定には向いていなかった。【０００４】
また、表面プラズモン共鳴測定法（ＳＰＲ）や水晶振動子マイクロバランス測定法（ＱＣＭ）を用いて、質量変化の測定を用いたバイオセンサも存在する。しかしながら、質量が非常に微小なバイオ物質の測定を行うには十分な感度が得られず、また装置も複雑となりコストの問題等もあった。【０００５】
さらに、近来注目されているバイオセンサとしては、バイオ物質が固定された磁性微粒子をマーカとしてこの磁気を測定する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子やホール素子を用いる磁気センサを用いた手法等が知られている。【０００６】
このような磁性微粒子の磁気を測定する装置では、磁性微粒子の径が小さくなると磁気が非常に小さくなるため、十分な感度が得られない場合もある。【０００７】
また、磁性微粒子を含有する分散液に一方向から磁力を与え、磁性微粒子を強制凝集させた後に開放し、そのとき分散液に光を照射し散乱光を受光してその受光量により測定すべき抗原又は抗体を検出可能なものが特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２４０８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示されたものは、一方向から一旦磁力を与えた後に開放し、その後の濁度を単に透過光を測定して求めているに過ぎず、時間の経過と共に沈澱していくため濁度も変化してしまうものであった。したがって、正確に抗原又は抗体を測定できるものではなかった。【００１０】
本発明は、斯かる実情に鑑み、より高感度にバイオ物質の検出が可能な磁性微粒子を用いるバイオセンサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による磁性微粒子を用いるバイオセンサは、標的バイオ物質が結合し得る磁性微粒子を含有する分散液に、所定の波長の光を照射する光源と、少なくとも２方向に変化する磁界を分散液に印加可能な磁界発生部と、
分散液からの透過光を受光する受光部と、磁界発生部により印加される磁界の方向の変化に応じて変化する、受光部により受光される透過光量の変化量の大きさに基づき、標的バイオ物質の有無を検出する検出部と、を具備するものである。【００１２】
ここで、磁界発生部は、回転磁界を印加可能であっても良い。【００１３】
また、磁界発生部の磁界の印加方向と光源の光照射方向は、同一平面内の方向であれば良い。【００１４】
また、検出部は、さらに、磁界発生部による磁界の印加を止めた後の透過光量の大きさに基づき、標的バイオ物質の有無を検出しても良い。【００１５】
また、検出部は、さらに、既知の試料を用いて予め作成する検量線を用いて、標的バイオ物質の有無を検出しても良い。【００１６】
さらに、本発明による磁性微粒子を用いるバイオセンサは、標的バイオ物質が結合し得る磁性微粒子を含有する分散液に、少なくとも２方向に変化する磁界を印加可能な磁界発生部と、所定の波長の光を分散液に照射する光源と、分散液からの反射光を受光する受光部と、磁界発生部により印加される磁界の方向の変化に応じて変化する、受光部により受光される反射光量の変化量の大きさに基づき、標的バイオ物質の有無を検出する検出部と、を具備するものであっても良い。【００１７】
さらに、光源からの光を分散液に導く光導波路を具備するものであっても良い。【００１８】
また、受光部は、光導波路の分散液側の先端に配置されても良い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の磁性微粒子を用いるバイオセンサには、より高感度にバイオ物質の検出が可能であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の第１実施例のバイオセンサの構成を説明するための概略斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施例のバイオセンサの構成ブロック図である。
【図３】図３は、分散液に回転磁界を印加可能な磁界発生部を説明するための上面図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施例のバイオセンサの磁界発生部の他の配置を説明するための側面図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施例のバイオセンサの分散液内に含まれる磁性微粒子の変化を説明するための模式的な斜視図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施例のバイオセンサの標的バイオ物質の有無による透過光量の変化量の大きさの違いを説明するためのグラフである。
【図７】図７は、本発明の第１実施例のバイオセンサの他の条件における標的バイオ物質の有無による透過光量の変化量の大きさの違いを説明するためのグラフである。
【図８】図８は、本発明の第２実施例のバイオセンサの構成を説明するための概略斜視図である。
【図９】図９は、本発明の第２実施例のバイオセンサの別の構成を説明するための概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の第１実施例のバイオセンサの構成を説明するための概略斜視図である。また、図２は、本発明の第１実施例のバイオセンサの構成ブロック図である。図示の通り、本発明の第１実施例のバイオセンサは、光源１０と、磁界発生部２０と、受光部３０と、検出部４０とから主に構成されている。なお、必要によりコリメートレンズや集光レンズの光学系が適宜用いられる。
【００２２】
本発明のバイオセンサの測定対象である分散液１は、標的バイオ物質が結合し得る磁性微粒子を含有するものであり、光学的に透明な容器２に入れられる。なお、本明細書中でいう光学的に透明とは、バイオ物質の検出に用いる光学系の使用波長域において、光源１０からの光を良好に透過できることを意味し、必ずしもすべての波長域において透明性を有することを意味するものではない。標的バイオ物質は、抗原と称されるものであり、例えばオリゴ糖やペプチド等からなるものである。
【００２３】
分散液１に含まれる磁性微粒子は、バイオ物質が結合するように表面処理がされている。これは、磁性微粒子の表面上にバイオ物質と特異的に結合する物質、例えば抗体を設ければ良い。例えば、磁性微粒子の表面上に硫黄原子とチオール基からなるプローブを固定し、ビオチンが付された標的バイオ物質となるオリゴ糖がプローブに結合されるように構成される。なお、分散液１中に含められる磁性微粒子は、必ずしもすべての磁性微粒子に対してバイオ物質が結合するように表面処理されている必要はない。また、磁性微粒子は、特に限定はされないが、例えば単分子ＤＮＡに相当する程度の大きさである粒径１００ｎｍ以下のものが好ましい。この程度の大きさとすることで、磁性微粒子とバイオ物質との大きさの差異を小さくでき、これらの結合が容易となる。磁性微粒子は、強磁性であっても常磁性であっても良く、フェライトやアルニコ等、より具体的には、ＦｅＰｔ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，ＭｎＳｂ，ＭｎＡｓ等、種々の磁性材料からなるものが適用可能である。なお、磁性微粒子は、市販のものを用いることが可能であり、例えば１μｍの粒径の磁性微粒子であるインビトロジェン株式会社のＤｙｎａｂｅａｄｓ  ＭｙＯｎｅ  Ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ等が利用可能である。
【００２４】
このような磁性微粒子が複数含有する分散液１に対して、磁石やコイル等により磁界を印加すると、磁界の印加方向に沿って、複数の磁性微粒子が柱状に吸着し、複数の磁性微粒子チェーンが形成される。このような現象は、例えばジンリューらによる「磁性流体中の磁場誘起構造体」フィジカルレヴューレターズ、Ｖｏｌ．７４、Ｎｏ．１４、１９９５年４月３日（Ｊｉｎｇ  Ｌｉｕ  ｅｔ  ａｌ．，  "Ｆｉｅｌｄ−Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｉｎ  Ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄ  Ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ"  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ７４，  Ｎｕｍｂｅｒ  １４，  ３  Ａｐｒｉｌ  １９９５）等によっても説明されている。
【００２５】
次に、本発明の第１実施例のバイオセンサの各構成要素について説明する。光源１０は、分散液１に所定の波長の光を照射するものである。光源１０は、例えば赤外光を発光可能なものであれば良い。また、白色光源とフィルタ等と組み合わせても良い。
【００２６】
磁界発生部２０は、分散液１に、少なくとも２方向に変化する磁界を印加するものである。印加方向は、図示例のように、光源１０からの光の照射方向をθ＝０度とすると、例えば０度方向と９０度方向であれば良い。磁界発生部２０が例えば２つの電磁石により構成されている場合、各電磁石を順にＯＮ／ＯＦＦ制御することで、分散液１に対して０度と９０度に順に磁界を印加可能となる。
【００２７】
また、磁界発生部２０は、回転磁界を分散液１に印加可能なものであっても良い。図３は、分散液に回転磁界を印加可能な磁界発生部を説明するための上面図である。図示の通り、分散液１を中央に、電磁石２０１〜２０４をそれぞれ対向するように９０度毎に配置し、４方向から順に磁界を印加するように構成する。これにより分散液１には回転磁界が印加される。なお、回転磁界の回転速度は、磁性微粒子チェーンが分断されない程度の速度で適宜回転させれば良い。
【００２８】
また、磁界発生部２０は、磁界の印加方向と光源１０の光照射方向が、同一平面内の方向であることが好ましい。例えば、図１や図２等に示されるように、０度にする場合には磁界発生部２０の電磁石の中心部分の孔から分散液１に光を照射するようにすれば良い。また、図４の磁界発生部の他の配置を説明するための側面図に示されるように、磁界発生部２０の磁石の軸を光源１０の光軸に対して垂直に配置しても良い。このような磁界発生部２０の配置位置の調整により、側方に延びる磁束が、分散液１に対して光源１０の光軸と同一平面内に印加されるように構成可能である。磁界の印加方向と光源の光照射方向を同一辺面内とすることで、後述の透過光の変化量が大きくなる。
【００２９】
また、磁界発生部２０の磁界の強さについては、磁性微粒子の磁気モーメント等の磁気物性により異なるが、形成され得る磁性微粒子チェーンの大きさや、磁性微粒子が沈澱しない程度の磁界の強さを考慮して適宜設定されれば良い。例えば印加磁界は最大でも約７１．６ｋＡ／ｍ（約９００Ｏｅ）程度であれば良く、より小さい磁界でも磁性微粒子柱は形成され得る。
【００３０】
そして、受光部３０は、分散液１からの透過光を受光するものである。受光部３０の構成としては、フォトダイオード等から構成されれば良い。また、受光部３０は、分散液からの透過光のうち、光源１０からの光軸方向のみの光を受光するように構成しても良いし、分散液から放出される散乱光を受光するように構成しても良い。
【００３１】
検出部４０は、受光部３０により受光される透過光量の変化量の大きさを検知し、これに基づき標的バイオ物質の有無を検出するものである。以下、検出部４０にて検出される透過光量の変化量についてより詳細に説明する。
【００３２】
図５は、分散液１内に含まれる磁性微粒子の変化を説明するための模式的な斜視図であり、図５（ａ）は磁界を印加していない状態、図５（ｂ）は０度方向に磁界を印加した場合、図５（ｃ）は９０度方向に磁界を印加した場合をそれぞれ表わしている。なお、磁性微粒子の動きが分かるように、磁性微粒子の大きさは誇張して表わしている。
【００３３】
図５（ａ）に示される通り、分散液１に磁界を印加する前は、分散液１内の磁性微粒子は分散した状態である。そして、磁界を印加すると、図５（ｂ），図５（ｃ）に示される通り、磁界の印加方向に沿って、複数の磁性微粒子が柱状に吸着し、複数の磁性微粒子チェーンが形成される。このとき、磁性微粒子チェーンの長さは、分散液１中のバイオ物質の有無により異なる。分散液１中にバイオ物質が存在すると、磁性微粒子の抗体にバイオ物質が結合する。そして、磁性微粒子に結合したバイオ物質に対してさらに別の磁性微粒子が結合する場合が生じることから、バイオ物質が存在すると磁性微粒子チェーンの長さは長くなる。この長さの違いが、磁界の方向を変化させたときの光源１０から分散液１を通った透過光量の変化量の大きさに影響を及ぼしており、この変化量を測定することで、標的バイオ物質の有無が検出可能となった。
【００３４】
図６に、標的バイオ物質の有無による透過光量の変化量の大きさの違いを説明するためのグラフを示す。同図は、分散液に回転磁界を与えたときの受光部により受光される透過光量の変化を表わしている。横軸は時間である。なお、光源は６３０ｎｍの波長の光を照射可能なものを用い、磁性微粒子の粒径は１３０ｎｍのものを用いた。そして、標的バイオ物質としてはアビジンを用いた。図６は、以上の条件で分散液に磁界発生部から回転磁界を印加した場合の透過光量である。なお、回転磁界の強さは約９５５Ａ／ｍ（１２Ｏｅ）とし、回転周波数は０．１Ｈｚとした。また、受光部には、オーシャンオプティクス社製のＵＳＢ２０００を用いた。
【００３５】
このような条件で透過光量を測定すると、図示のように標的バイオ物質の有無で透過光量の変化量の大きさに変化があった。より具体的には、上述の条件では、標的バイオ物質が存在する場合のほうが、透過光量の変化量が小さくなった。したがって、検出部では、この透過光量の受光量の変化量（振幅）の大きさを検出することで、標的バイオ物質の有無を検出することが可能となる。
【００３６】
さらに、図示を見ると、磁界発生部からの磁界の印加を止めた後（約３２５秒以降）の透過光量の大きさの差が、磁界の印加前と比べて大きくなっていることが分かる。即ち、標的バイオ物質が存在する場合のほうが、透過光量の大きさ（レベル）が大きくなった。このことから、磁界の印加を止めた後も、標的バイオ物質の存在により磁性微粒子同士が結合していることがうかがえる。したがって、検出部では、この透過光量の大きさ（レベル）を検出することで、標的バイオ物質の有無を検出することも可能となる。
【００３７】
また、検出部による検出は、サンプル投入前後の検出結果の差により標的バイオ物質の有無を検出しても良いし、既知の試料を用いて予め検量線を作成しておき、この検量線を用いて未知のサンプルの標的バイオ物質の有無を検出することも可能である。
【００３８】
なお、透過光量の変化量（振幅）や大きさ（レベル）については、磁性微粒子の粒径と光源からの光の周波数や受光部の性能（グレーティング等）によって最適な条件が異なり、条件によって変化特性が変化する。図７に、別の条件における標的バイオ物質の有無による透過光量の変化量の大きさの違いを説明するためのグラフを示す。同図は、光源に７８５ｎｍの波長の光を照射可能なものを用い、磁性微粒子の粒径が２５０ｎｍのものを用いたときの透過光量の変化を表わしている。なお、受光部には同様にオーシャンオプティクス社製のＵＳＢ２０００を用いた。この条件では、透過光量の変化量については標的バイオ物質が存在する場合のほうが大きくなり、透過光量の大きさについては標的バイオ物質が存在する場合のほうが小さくなった。
【００３９】
このように、本発明の第１実施例のバイオセンサは、所定の条件の下で、分散液に磁界の方向を変化させて印加すると、磁界の方向の変化に応じて透過光量の変化量の大きさが変化するため、この変化量を用いて標的バイオ物質の存在を検出することが可能となる。形成される磁性微粒子チェーンの長さは、標的バイオ物質の濃度が濃くなるほど長くなるため、標的バイオ物質の有無だけでなく、その濃度についても検出することが可能となる。
【００４０】
また、本発明の第１実施例のバイオセンサにおいては、磁界の方向を変化させることで、磁性微粒子チェーンが振られることになるため、分散液を攪拌する効果も生ずる。これにより、単に一方向に磁界を印加させた場合よりも、磁性微粒子に標的バイオ物質を確実に結合させ易くすることも可能となる。
【００４１】
さらに、図６や図７に示されるように、本発明の第１実施例のバイオセンサによれば、標的バイオ物質の有無による透過光量の変化量の差は、回転磁界の印加直後から生じており、磁界印加中は時間が経過してもその変化量の傾向は変わらないことが分かる。これは、特に回転磁界を加えた場合には、電磁石の間に置かれた磁性微粒子チェーンは沈澱することなく磁界の印加方向に向いてとどまるため、時間が経過しても測定結果に沈澱の影響を受けないためである。従来技術でも説明した通り、例えば特許文献１の場合には、時間の経過と共に磁性微粒子が沈澱してくるため、濃度も変化してしまっていたが、本発明によれば、磁界印加中に測定するものであるため、このような問題も解消し得る。
【００４２】
また、磁界発生部は、上述のような回転磁界を印加するものに限定されるものではない。磁界発生部の磁界印加方向については、透過光量の変化量が測定できる程度に少なくとも２方向に変化させれば良い。なお、変化量が最も大きく測定できる状態が、０度と９０度の２方向である。上述のように、磁界の印加直後から透過光量の変化量の差が生じているため、本発明のバイオセンサでは、１方向に磁界を印加させたときの透過光量と他の１方向に磁界を印加させたときの透過光量の少なくとも２つ状態の透過光量が測定できれば足りる。したがって、非常に短時間で標的バイオ物質の有無を検出可能である。
【００４３】
次に、本発明の第２実施例のバイオセンサについて説明する。第１実施例のバイオセンサは、透過光量を用いて標的バイオ物質の有無を検出していたが、第２実施例のバイオセンサでは、分散液からの反射光を受光し、反射光量を用いて標的バイオ物質の有無を検出するものである。図８は、本発明の第２実施例のバイオセンサの構成を説明するための概略斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表わしているため、詳説は省略する。
【００４４】
図示の通り、第２実施例のバイオセンサは、光源１０から照射された光が分散液１に入射し、分散液からの反射光を受光する受光部３１を有している。そして、検出部４１は、受光部３１により受光される反射光量の変化量の大きさに基づき、標的バイオ物質の有無を検出している。反射光量についても、第１実施例で説明した透過光量と同様に、磁界発生部２０により印加される磁界の方向の変化に応じて変化する。変化特性としては、透過光量と逆の反応をする。したがって、反射光量を用いても、透過光量を用いた場合と同様に、標的バイオ物質の有無が検出可能である。
【００４５】
図示例では、光源１０からの光を光ファイバ等の光導波路５０を用いて分散液１に照射している。そして、反射光については光導波路５０を通って受光部３１に入射されるように構成される。これは、例えば、複数の光ファイバを束ねた状態で光導波路５０を構成し、そのうちの中央の１本を受光部３１に接続し、他の周辺の光ファイバを光源１０に接続するように構成すれば良い。このような構成の具体的な製品としては、オーシャンオプティクス社製のＲ４００−７−ＶＩＳ−ＮＩＲ等が挙げられる。これにより、光導波路５０の先端部表面における正反射や拡散反射を受光可能となる。また、図９に示されるように、受光部３１は、光導波路５０の分散液側の先端にＣＣＤ等の光電変換装置を直接配置するように構成されたものであっても良い。
【００４６】
このように、本発明のバイオセンサによれば、高感度に標的バイオ物質の有無が検出可能となる。即ち、従来技術のような磁性微粒子の磁気を測定して標的バイオ物質の有無を検出するものでは、磁性微粒子の径が小さくなり磁気が非常に小さい場合には磁気センサの感度が足りず検出できない場合があった。しかしながら、本発明のバイオセンサによれば、磁気を測定するものではなく、透過光又は反射光の変化量の大きさに基づいて標的バイオ物質の有無が検出可能であるため、従来のものと比べて高感度な測定が可能となる。
【００４７】
なお、本発明の磁性微粒子を用いるバイオセンサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、測定条件や測定結果等についても、あくまでも具体的な一例に過ぎず、これらに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４８】
１    分散液
２    容器
１０    光源
２０    磁界発生部
３０，３１    受光部
４０，４１    検出部
５０    光導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2011049044.tif 000013
2011049044.tif 000014
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