(57)【要約】【課題】安価であり、かつ高感度な測定対象物質の検出装置を提供する。【解決手段】物質検出装置は検体1002を保持する容器1001を有する。容器1001の形状は略円筒形であり、容器1001上部には、容器1001の中心軸と一致させて円柱形状の凹部が設けられている。円柱形状の凹部の側面には、測定対象物質と特異的に結合可能な被結合物質が固相化されている。つまり凹部の側面は結合領域1003である。容器1001底部は検出領域1009であり、容器1001下方には検出手段として検出デバイス1004が設けられている。検出領域1009は、結合領域1003よりも狭くする。容器1001周囲には、結合領域1003に特異的に結合された測定対象物質と標識物質との複合体を、結合領域1003から解離させるための解離手段1007が設置されている。また、検出領域1009に標識物質を集めるための収集手段1008が備えられている。【選択図】  図１
2009128234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体中に含まれる測定対象物質と標識物質との複合体を形成し、前記標識物質を検出することによって間接的に前記検体中の前記測定対象物質を検出する物質検出装置において、
前記複合体が前記測定対象物質によって特異的に結合される結合領域と、
前記複合体または前記標識物質を、前記結合領域から解離させるための解離手段と、
前記標識物質を検出する検出領域とを有し、
前記検出領域が前記結合領域よりも狭いことを特徴とする物質検出装置。
【請求項２】
前記解離手段が磁力を使って前記複合体または前記標識物質を解離させることを特徴とする請求項１に記載の物質検出装置。
【請求項３】
前記解離手段が静電気力を使って前記複合体または前記標識物質を解離させることを特徴とする請求項１に記載の物質検出装置。
【請求項４】
前記結合領域と前記検出領域とが異なる領域にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の物質検出装置。
【請求項５】
前記検出領域に前記複合体および前記標識物質を集めるための収集手段をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の物質検出装置。
【請求項６】
検体中に含まれる測定対象物質と標識物質との複合体を形成する複合体形成工程と、
前記複合体が前記測定対象物質によって特異的に結合される結合領域に、前記複合体を特異的に結合させる結合工程と、
前記結合領域から、非特異的に結合した前記標識物質を除去する洗浄工程と、
特異的に結合された前記複合体または前記複合体が有する前記標識物質を、前記結合領域から解離させる解離工程と、
前記結合領域から解離させた前記複合体または前記標識物質を、検出領域へ集める収集工程と、
前記検出領域にある前記標識物質を検出する検出工程とを有する物質検出方法。
【請求項７】
前記洗浄工程において、前記標識物質を前記検体中から除去することを特徴とする請求項６に記載の物質検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検体中に含まれる測定対象物質を検出する物質検出装置に関する。さらに本発明は、検体中の測定対象物質を検出する物質検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、予防医療が注目されていることから高感度な免疫検査の必要性が高まっている。免疫検査としては、種々の方法が提案されている。その方法の一つとして、以下のような方法が挙げられる。まず免疫検査において、測定の対象である測定対象物質と特異的に結合する被結合物質を、支持体上で固相化させておく。そして、測定対象物質を被結合物質に特異的に結合させた後、測定対象物質を検出する（特許文献１参照）。ここで、測定対象物質は、例えば抗原のような物質である。このとき被結合物質としては、抗原と特異的に結合する抗体が利用される。
【０００３】
上記のような物質検出方法において、測定対象物質と標識物質とを反応させて、複合体を形成する方法も提案されている。この場合、複合体を、測定対象物質によって特異的に被結合物質に結合させる。そして、複合体中の標識物質を検出することによって、間接的に測定対象物質を検出する。このとき、標識物質として検出が容易な物質を利用することによって、測定対象物質が少量であっても、検出が可能となる。したがって、このような方法は、感度の高い免疫検査方法として期待される。
【０００４】
しかし標識物質は、必ずしも測定対象物質によって被結合物質に特異的に結合されるとは限らない。例えば、測定対象物質との複合体を形成していない標識物質（以下、不要な標識物質という。）が、支持体や被結合物質に非特異的に結合される場合がある。このような不要な標識物質が存在する場合、測定対象物質を正しく検出することが出来なくなってしまう。特に検体中に含まれる測定対象物質が少ない場合、不要な標識物質による影響が大きくなり、測定対象物質の検出の感度は大幅に低下してしまう。
【０００５】
この問題を解決する物質検出方法が、特許文献２および特許文献３に記載されている。これらの物質検出方法は以下の通りである。まず、検体中の測定対象物質を標識物質と反応させて、複合体を形成する。そして結合工程として、複合体を結合領域（被結合物質が固相化されている領域。）に特異的に結合させる。次に、洗浄工程によって、検体中の不要な標識物質を除去する。そして、複合体を結合領域から解離させて、再び別の結合領域に結合させる。その後、さらに洗浄工程を行う。このように、結合工程と洗浄工程とを複数回繰り返すことによって、結合領域に非特異的に結合した不要な標識物質を検体中から除去する。その後、結合領域に特異的に結合している複合体中の標識物質を検出する。この方法によると、結合工程を繰り返すことによって、非特異的結合される不要な標識物質の量を減らすことが出来る。そして、測定対象物質の検出の感度を上げることが出来る。
【特許文献１】米国特許第5981297号明細書
【特許文献２】特許2606722号公報
【特許文献３】特許2657672号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２または３に記載された方法では、測定対象物質と被結合物質との特異的結合の効率が高くなくてはならない。なぜなら、特異的結合の効率が低い場合、結合工程を繰り返すたびに、結合領域に特異的に結合する複合体の量が少なくなっていくからである。このように複合体の量が少なくなると、検出の感度が低下してしまう。特異的結合の効率を高くするためには、結合領域を広くしなくてはならない。特異的に結合される測定対象物質の数は、被結合物質の数に依存するためである。さらに、結合領域に固相化させる被結合物質の密度を高くすることにも限界があるためである。
【０００７】
結合領域に結合されている複合体中の標識物質を検出するためには、検出手段としての検出デバイスを、結合領域全体にわたって設置する必要がある。したがって、上記のように結合領域を広くした場合、検出デバイスは広い領域にわたって設置される。このように構成された物質検出装置は高価なものとなる。特に、検出デバイスが半導体プロセスを用いて製造される場合、結合領域の広さは、物質検出装置の価格に大きく影響を与える。
【０００８】
本発明の目的は上記背景技術の課題に鑑み、従前より安価であり、かつ測定対象物質の検出感度の高い物質検出装置および物質検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため本発明は、検体中に含まれる測定対象物質と標識物質との複合体を形成し、前記標識物質を検出することによって間接的に前記検体中の前記測定対象物質を検出する物質検出装置において、前記複合体が前記測定対象物質によって特異的に結合される結合領域と、前記複合体または前記標識物質を、前記結合領域から解離させるための解離手段と、前記標識物質を検出する検出領域とを有し、前記検出領域が前記結合領域よりも狭いことを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、検体中に含まれる測定対象物質と標識物質との複合体を形成する複合体形成工程と、前記複合体が前記測定対象物質によって特異的に結合される結合領域に、前記複合体を特異的に結合させる結合工程と、前記結合領域から、非特異的に結合した前記標識物質を除去する洗浄工程と、特異的に結合された前記複合体または前記複合体が有する前記標識物質を、前記結合領域から解離させる解離工程と、前記結合領域から解離させた前記複合体または前記標識物質を、検出領域へ集める収集工程と、前記検出領域にある前記標識物質を検出する検出工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、安価で、高感度な測定対象物質の検出を実施することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の物質検出装置の一実施形態の概念図を説明する図である。本例の物質検出装置は、測定対象物質を含んだ検体1002を保持する容器1001を有する。容器1001の形状は略円筒形であり、容器1001上部には、容器1001の中心軸と一致させて円柱形状の凹部が設けられている。つまり容器1001上面の形状は、リング形状となっている。円柱形状の凹部は、容器1001上面から下方に向かって伸びている。また、容器1001の底部は、深くなるほど幅（筒径）が狭くなっている。そして、容器1001の底面の面積は、円柱形状の凹部の側面積よりも小さくする。
【００１４】
容器1001内部における円柱形状の凹部の側面には、測定対象物質と特異的に結合可能な被結合物質が固相化されている。つまり凹部の側面は、結合領域1003となっている。
【００１５】
また容器1001の底部は検出領域1009であり、容器1001の下方には検出手段として検出デバイス1004が設けられている。検出領域1009は、結合領域1003よりも狭くなっている。その結果、検出デバイス1004を小さくすることが出来る。このように、検出デバイス1004を小さくすることで、安価な物質検出装置とすることが出来る。
【００１６】
検出デバイス1004は検出信号処理デバイス1005と接続されている。検出信号処理デバイス1005は、検出デバイス1004から送られてきた検出信号を処理する。そうすることによって、測定対象物質の有無や量を測定する。
【００１７】
容器1001周囲には、解離手段1007が設置されている。解離手段1007とは、結合領域1003に特異的に結合された測定対象物質と標識物質との複合体を、結合領域1003から解離させるための手段である。また容器1001下方には、測定対象物質と標識物質との複合体、または標識物質を検出領域1009に集めるための収集手段1008が設置されている。さらに容器1001上方には、不要な標識物質を除去するための除去手段1006が設置されている。不要な標識物質とは、測定対象物質との複合体を形成しなかった標識物質のことをいう。また、不要な標識物質には、測定対象物質以外の物質と結合した標識物質が含まれる。測定対象物質の検出の際、標識物質を検出することによって、間接的に測定対象物質の検出を実施する。したがって、上記のような不要な標識物質が存在する場合、測定対象物質を正しく検出することができない。除去手段1006は、このような不要な標識物質を除去する手段である。
【００１８】
除去手段1006、解離手段1007、収集手段1008としては、測定対象物質および標識物質および複合体を移動させるような外力印加手段を用いることが出来る。標識物質が磁性物質の場合、外力印加手段としては、磁界を発生させるコイルを利用することができる。また、標識物質が電荷を帯びた物質の場合、外力印加手段としては、電界を発生させる電極を利用することができる。除去手段1006、解離手段1007、収集手段1008として用いられる外力印加手段は、同一のものであっても異なるものであっても構わない。
【００１９】
容器1001は上記の実施形態で説明した形状、構成である必要はない。例えば、容器1001の形状を直方体として、その側面に結合領域1003を設け、底面に検出領域1009を設けても良い。容器1001の形状は、検出領域1009を結合領域1003より狭くすることが出来れば、どのような形状でも構わない。もちろん、結合領域1003は容器側面に構成される必要はない。
【００２０】
検出デバイス1004は、検出領域1009に集められた標識物質（複合体中の標識物質を含む。）を検出することが出来れば、どこに設置されても構わない。除去手段1006は、不要な標識物質を除去することができれば、どこに設置されても構わない。また解離手段1007は、結合領域1003に特異的に結合した複合体を解離させることができれば、どこに設置されても構わない。さらに収集手段1008は、標識物質または複合体を検出領域1009に集めることが出来ればどこに設置されていても構わない。検出デバイス1004、除去手段1006、解離手段1007、収集手段1008などの配置は、容器1001の形状および、測定対象物質や標識物質の物性などによって好適に変更されることが望ましい。
【００２１】
測定対象物質としては、結合領域1003に特異的に結合し、かつ標識物質と結合可能であれば、どのようなものでも良い。そのような物質として、DNAや抗原などが挙げられる。測定対象物質がDNAである場合、結合領域1003上で固相化される被結合物質としては、測定対象物質と相補的なDNAが用いられる。また測定対象物質が抗原である場合、被結合物質としては、その抗原に特異的に結合される抗体が用いられる。また標識物質は、測定対象物質と特異的に結合する被結合物質を有することが望ましい。そうすることで、測定対象物質と標識物質は、特異的に結合される。そのため、複合体を容易に形成することができる。
【００２２】
標識物質としては、測定対象物質を直接検出するよりも大きな検出信号が得られる物質を利用することが望ましい。そのような物質として、蛍光を生じる物質、放射性核種、磁性物質、ルテニウム錯体のような電気化学発光を生じる物質、あるいは電荷を帯びた物質などが用いられる。これらのうち、磁性物質や電荷を帯びた物質は、磁力や静電気力によって容易に移動させることが出来るため、より好ましく利用される。
【００２３】
検出デバイス1004としては、標識物質を検出することができれば、どのようなものでも使用可能である。標識物質が磁気を帯びている場合、検出デバイス1004としては、磁気抵抗効果膜、ホール素子、コイル、磁気インピーダンス素子、フラックスゲート素子などの磁気センサが用いられる。また、標識物質が電荷を帯びた物質である場合、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が用いられる。ＦＥＴは、ゲート電極表面の電荷が変化することによって、ソース-ドレイン間に流れる電流の大きさが変化する。したがって、ゲート電極表面に電荷を帯びた標識物質を集めることによって、標識物質を検出することが可能である。このように、標識物質を検出することによって、間接的に測定対象物質を検出する。
【００２４】
検出デバイス1004は検出領域1009から離れた場所に設けられても構わない。例えば、標識物質が光や放射線などを放射する物質である場合、検出デバイス1004を検出領域1009から離れた場所に設けることができる。標識物質が光を放射する場合、検出デバイス1004としては光学的検出デバイスが用いられる。そして検出領域1009に存在する標識物質の光学的特性を測定する。また標識物質が放射性核種である場合、放射線を検出する検出デバイスが用いられる。そして、標識物質から放射される放射線を測定することで、標識物質を検出することが出来る。
【００２５】
結合領域1003を除く容器1001の内壁は、測定対象物質や標識物体が吸着しないように構成されることが好ましい。そうすることによって、不要な標識物質を効果的に除去することができる。また、測定対象物質や標識物質や複合体が、結合領域1003以外の領域に吸着することを防ぐことが出来る。このことにより、測定対象物質の検出の感度を高くすることができる。
【００２６】
被結合物質としてチオール基を有する抗体を利用する場合、結合領域1003に金膜を構成することで、抗体はチオール基を介して金膜表面に固相化される。このとき、測定対象物質は抗原であり、標識物質は抗原と結合するような抗体を有する。したがって、結合領域1003を除く容器1001の内壁は、窒化シリコンや酸化シリコン等で覆うことが望ましい。窒化シリコンや酸化シリコンはチオール基、抗原、抗体が吸着しにくい材質である。
【００２７】
また標識物質が帯電している場合、結合領域1003以外の容器1001の内壁を、標識物質が有する電荷と同じ極性に帯電させてもよい。そうすることで、標識物質が結合領域1003以外の場所へ吸着することを避けることが出来る。あるいは、ブロッキング材料で容器1001を覆うことによって、標識物質が結合領域1003以外の場所へ吸着することを避けることが可能である。
【００２８】
以下、本発明における物質検出方法について説明する。物質検出方法は、複合体形成工程と、結合工程と、洗浄工程と、解離工程と、収集工程と、検出工程とからなる。
【００２９】
複合体形成工程では、標識物質と検体1002中の測定対象物質とを結合させて複合体を形成する。これは、検体1002中に標識物質を注入することによって実施される。複合体形成工程は、予め容器1001内で実施しても良いし、上記容器1001とは異なる容器内で実施してもよい。複合体形成工程を異なる容器で実施した場合、複合体を形成した後、容器1001に複合体を含む検体1002を注入する。また、複合体形成工程は、結合工程後または結合工程中に実施しても構わない。
【００３０】
結合工程では、測定対象物質を結合領域1003に特異的に結合させる。ここで、測定対象物質とは、標識物質との複合体を形成している測定対象物質を含む。この場合、複合体は測定対象物質によって結合領域1003に特異的に結合する。
【００３１】
複合体形成工程と結合工程とを実施した後、検体1002中には測定対象物質との複合体を形成していない標識物質や、特異的結合の結合力（以下、特異的結合力と略す。）とは異なる力で結合領域1003に非特異的に結合している標識物質などが存在する。洗浄工程では、除去手段1006によって、このような不要な標識物質の除去を行う。
【００３２】
除去手段1006としては、例えばバッファー溶液を利用して検体1002を置換する手段がある。そうすることで、検体1002中の不要な標識物質を除去することが出来る。このとき、バッファー溶液の流れとともに、特異的結合力より弱い力で非特異的に結合している不要な標識物質を排出することが可能である。
【００３３】
また不要な標識物質が電荷や磁気を帯びている場合、除去手段1006として、静電気力や磁力などの外力印加手段を用いることが出来る。そして、不要な標識物質に外力を作用させることで、不要な標識ビーズの除去を実施する。不要な標識物質に外力が作用しにくい場合、標識物質に外力が十分に作用する粒子を結合させても良い。そのような粒子として、例えば磁性物質や電荷を帯びた物質が挙げられる。
【００３４】
標識物質が磁性体である場合、除去手段1006によって磁力を発生させ、不要な標識物質を容器1001上部に集めることが可能である。そのようにして集めた不要な標識物質は、スポイトなどにより検体1002中から除去することができる。あるいは、バッファー溶液などを容器1001に流し、浮遊している不要な標識物質や結合領域1003から外れた不要な標識物質を洗い流すことも可能である。
【００３５】
不要な標識物質は、検出工程の際に検出信号に影響を与えないように、検出領域1009から除去する。このとき不要な標識物質は、検体1002中から除去されることが好ましい。そうすることで、標識物質を検出する際、不要な標識物質からのノイズ信号を低減することができる。すなわち、測定対象物質の検出の感度を高めることができる。ただし、検体1002中から除去することが困難である場合、検出工程の際に影響を与えない領域に保持しておいても構わない。
【００３６】
除去工程後、解離工程を実施する。解離工程では、測定対象物質によって結合領域1003に特異的に結合されている複合体を結合領域1003から解離させる。このとき、測定対象物質と標識物質との特異的結合を解離させることで、解離工程を実施しても構わない。つまり複合体中の標識物質を結合領域1003から解離させても良い。
【００３７】
複合体または標識物質を解離させるための解離手段1007は、標識物質に外力を印加する外力印加手段によって実施される。印加する外力の大きさは、特異的結合力とほぼ同等な大きさであることが好ましい。特異的結合力にばらつきが有る場合、外力の大きさは特異的結合力の中で最も大きな力とほぼ同等な大きさとする。そのようにすることで、結合領域1003に特異的に結合した複合体および標識物質を解離させることができる。
【００３８】
上記のように外力の大きさを制御することで、特異的結合力よりも大きい力で非特異的に結合している不要な標識物質は、結合領域1003に結合された状態となる。したがって、結合領域1003と検出領域1009とを、異なる領域とすることが望ましい。そうすることで、特異的結合力よりも大きい力で結合領域1003に非特異的に結合している不要な標識物質は、検出工程の際にノイズ信号として影響を与えない。
【００３９】
このように、特異的結合力と異なる力で結合領域1003に非特異的に結合した標識物質は、除去工程と解離工程によって、除去することが可能である。したがって標識物質の検出の感度を上げることが可能である。
【００４０】
収集工程では、解離工程によって解離させた複合体および標識物質を、収集手段1008によって検出領域1009へ集める。収集手段1008は、解離した複合体および標識物質を検出領域1009へ集めることが出来ればどのようなものでも構わない。
【００４１】
検出工程では、検出領域1009に集められた標識物質（複合体中の標識物質を含む。）を検出デバイス1004によって検出する。そして標識物質の有無や量を検出することによって、間接的に測定対象物質の有無や量を検出する。標識物質を検出する検出デバイス1004としては、上述のように様々なものを使用することができる。
【００４２】
（標識物質が磁性物質の一例）
以下、標識物質として磁気ビーズを用いる場合の一例について説明する。複合体形成工程において、磁気ビーズが磁化されていると、検体1002中において磁気ビーズは、静磁結合により凝集してしまう。そのため、複合体形成の形成効率が低下してしまう。そこで磁気ビーズとしては、スーパーパラ磁性を示す物質であることが好ましい。スーパーパラ磁性とは、磁界が印加されたときに磁化され、磁界が印加されていないときには非磁性体のように振舞う性質である。つまり複合体形成工程の際に、静磁結合により磁気ビーズが凝集することを避けることが出来る。また磁気ビーズを移動させる場合には、磁気ビーズに磁界を印加して、磁気ビーズを磁化させれば良い。さらに検出工程において、磁気ビーズを検出する場合に、磁気ビーズを磁化させても良い。そうすることにより、容易に磁気ビーズを検出することが出来る。
【００４３】
磁気ビーズを用いる場合、磁気ビーズを移動させるための外力印加手段としては、磁界を印加する手段であることが好ましい。磁気ビーズに磁界Hを印加した場合、磁気ビーズに働く力FHは下式（１）によって表される。
【００４４】
【数１】
2009128234.tif 000003
ここで、Mは磁気ビーズの磁化である。
【００４５】
スーパーパラ磁性を示す物質の磁化Mは、磁界Hの関数として表される。また、比較的小さな磁界において、磁化Mと磁界Hの関係はほぼ線形となる。つまりスーパーパラ磁性を示す磁気ビーズの磁化Mは、小さな磁界において、M = χHと表される。ここでχは磁気ビーズの磁化率である。したがって磁気ビーズに印加される力は、磁化率、磁界の大きさ、磁界の勾配などに依存する。そして磁気ビーズには、磁界が小さい場所から大きい場所に向かう方向の力FHが働く。したがって除去手段1006、解離手段1007、収集手段1008として磁力を用いる場合、磁気ビーズの磁気特性に応じて適当な分布の磁界を印加する。
【００４６】
例えば、除去工程において、不要な磁気ビーズを容器1001の側面に集める必要があったとする。このとき結合領域1003から離れるに従って大きくなるような磁界を、容器1001内部に印加すればよい。これは、容器1001外側の側面に、永久磁石や電磁石を設けることによって容易に達成することができる。このとき印加する磁力の大きさは、結合領域1003に特異的に結合した複合体が解離しない大きさとする。その後、容器1001側面に集めた不要な磁気ビーズを、別の除去手段1006によって容器1001外部へ除去しても良い。
【００４７】
また解離手段1007として、容器1001外側の側面に設置された永久磁石または電磁石を利用することも出来る。この場合には、印加する磁力の大きさを、特異的結合力と同じくらいの大きさとする。そうすることで、結合領域1003に特異的に結合した複合体を解離させることができる。
【００４８】
（標識物質が電荷を帯びた物質の一例）
以下、標識物質として電荷を帯びた物質を用いる場合の一例について説明する。このときの物質検出装置を、図２（ａ）を参照して説明する。物質検出装置は、検体1002を保持する容器1001を有する。容器1001の形状は、図１で説明したものと同様の形状とする。
【００４９】
容器1001の外周側の側面には、測定対象物質と特異的に結合可能な被結合物質が固相化されている。つまり容器1001の外周側の側面は、結合領域1003となっている。そして結合領域1003に電荷を付与することが出来るように、容器1001側面に沿って円筒形状の外電極2007が設けられている。また容器1001が有する円柱形状の凹部には、円柱形状の中心電極2008が設けられている。外電極2007と中心電極2008は、スイッチを介して電源2009と電気的に接続されている。そして電圧を印加した際、両電極2007,2008の極性は、正負が逆になるようにする。
【００５０】
容器1001の底部は検出領域1009であり、容器1001の下方には検出手段として検出デバイス1004が設けられている。検出領域1009は結合領域1003よりも狭くなるように構成されている。検出デバイス1004が検出した検出信号を処理するために、検出デバイス1004は検出信号処理デバイス1005と接続されている。
【００５１】
中心電極2008と外電極2007の材質は、電極の表面に電荷を均一に誘起させるものであれば、どのようなものでも使用可能である。ただし、標識物質や複合体が非特異的に結合するような材質である場合、検出感度の低下を引き起こす原因となる。その場合には、両電極2007,2008を保護膜で覆うことが望ましい。そうすることで、検出感度の低下を阻止することが出来る。
【００５２】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示される破線A-A'において物質検出装置を切断した場合の断面図である。容器1001の断面の形状はリング形状であり、その中心部には中心電極2008が設置されている。また、容器1001の外周部には、外電極2007が設置されている。ここで、中心電極2008の半径をaとし、外電極2007の内壁の半径をbとする。また、両電極2007,2008の高さは、各半径a，bよりも十分に大きくする。
【００５３】
上記のように構成された両電極2007,2008に電圧Vを印加した場合、容器1001の内部に発生する電界の大きさは、下式（２）によって表される。
【００５４】
【数２】
2009128234.tif 000004
ただし、rは容器1001の中心軸からの距離を表す。電界の向きは、容器1001の中心軸から容器1001側面に向かって、放射状に広がる方向となる。もちろん両電極2007,2008間の極性を反転させることによって、電界の向きは反転させることが出来る。
【００５５】
ここで、標識物質2011は電荷q2を帯びているとする。標識物質2011の電荷q2は、検体1002のpHや塩濃度などにより変化させることが可能である。抗体や抗原等の生体物質も、上記のように電荷量を変化させることができる。
【００５６】
また、標識物質2011の大きさは、外電極2007と中心電極2008との距離、すなわち（ b - a ）と比較して十分に小さいとする。そして外電極2007に、標識物質2011が有する電荷q2と同じ極性の電荷が誘起するように、電圧Vを印加する。このとき、結合領域1003に結合されている標識物質2011には、中心電極2008に向かう方向の力が印加される。その力Fの大きさは、下式（３）で示される大きさとなる。
【００５７】
【数３】
2009128234.tif 000005
上記のように、両電極2007,2008を構成したことにより、結合領域1003に結合されている標識物質2011には、ほぼ等しい力を印加することが出来る。また、印加する力の大きさは電圧によって簡単に制御可能である。したがって解離手段として磁力を用いる場合、両電極2007,2008間に与える電圧Vを適当な大きさに制御すれば良い。このとき、標識物質2011に印加する力の大きさは、特異的結合力とほぼ同等な大きさとする。そうすることで、結合領域1003と特異的に結合している標識物質2011を解離させることができる。
【００５８】
また除去工程において、不要な標識物質2011を容器1001の中心へ集める必要がある場合、上式（３）で示される力Fを利用することができる。このとき、力Fの大きさは特異的結合力よりも小さな力となるように制御する。そうすることによって、検体1002中を浮遊している標識物質2011や、特異的結合力よりも小さな力で非特異的に結合している標識物質2011を中心電極2008表面に集めることができる。この後、必要であるならば、中心電極2008表面に集められた不要な標識物質2011を容器1001から除去すれば良い。
【００５９】
（実施例１）
次に、本発明における物質検出装置および物質検出方法の実施例について説明する。本実施例では、測定対象物質として前立腺特異抗原（PSA）を用い、標識物質として磁気ビーズを用いる。
【００６０】
図３は、本実施例における物質検出装置を説明する図である。物質検出装置は、検体3002を保持する容器3001を有する。容器3001の形状は円筒形状であり、容器3001の中心軸と一致させて円柱形状の凹部が設けられている。つまり容器3001上面の形状は、リング状となっている。円柱形状の凹部は、容器3001上面から下方に向かって伸びている。この凹部の直径は0.6mmである。円柱形状の凹部の内部には、コイル3006が設置されている。また、容器3001の底面は直径1.6mmの円形であり、容器3001の高さは14mmである。
【００６１】
円柱形状の凹部の容器3001内部側の側面には、金膜が形成されている。金膜表面には、PSAと特異的に結合する一次抗体が固相化されている。つまり、凹部の容器3001内部側の側面は結合領域3003となっている。この結合領域3003の面積は約20mm2である。
【００６２】
容器3001の外側の側面にはコイル3011が備えられている。コイル3011は、磁界を発生することが出来るように、電源3012と接続されている。またコイル3011は、鉄心3013に巻かれている。鉄心3013の形状は、コイル3011が巻かれている部分が円柱形状である。そして、容器3001の側面に近づくに従って細くなるような形状をしている。
【００６３】
また、コイル3011は容器3001側面に沿って上下移動をすることが出来るように構成されている。さらにコイル3011は、容器3001の側面に沿って、容器3001の中心軸に対して回転することが可能とする。このコイル3011は、除去手段、解離手段、収集手段として利用される。
【００６４】
収集手段として、容器3001下方にはコイル3014が設置されている。コイル3014は電源に接続されている。さらに容器3001上方には、除去手段として鉄心3009に巻きつけられたコイル3008が設置されている。このコイル3008は、電源3010に接続されている。
【００６５】
本実施例においてはコイル3011を一つとしたが、同様のコイルを複数設けても構わない。そうすることにより、容器3001内部の広い領域に磁界を印加することができる。
【００６６】
また容器3001の底部は検出領域3026であり、容器3001の底面には検出手段として検出デバイス3004が設けられている。検出デバイス3004の形状は、一辺の長さが0.7mmの正方形である。図４は、検出デバイス3004の詳細な構成を示す図である。検出デバイス3004は複数の磁気抵抗効果素子3021から構成されている。磁気抵抗効果素子3021は、同一平面上に512列×512行、隙間をあけて並べられている。また、磁気抵抗効果素子3021の下部には、選択トランジスタ3020が形成されている。一つの選択トランジスタ3020に対して一つの磁気抵抗効果素子3021が接続されている。また、磁気抵抗効果素子3021の上部には上部電極3022が形成されている。この上部電極3022は、容器3001の下面として構成されている。また上部電極3022は、検出信号処理デバイス3005と電気的に接続されている。
【００６７】
磁気抵抗効果素子3021はTa / MnPt / CoFe / Ru / CoFeB / MgO / CoFeB / Au の多層膜からなる。また、磁気抵抗効果素子3021は、その膜面内の方向に磁気異方性を有する。このため、膜面内の方向の磁界の大きさに依存して、磁気抵抗効果素子3021の電気抵抗が変化する。したがって、膜面内の方向の浮遊磁界の大きさを検出することによって、磁気ビーズ3019の検出が可能である。
【００６８】
磁気抵抗効果素子3021の表面の面積は一素子あたり0.4μm×1.3μmの大きさとする。したがって、全ての磁気抵抗効果素子3021の表面積は0.13mm2となる。これは、結合領域3003の面積（約20mm2）と比べて著しく狭い。もし、結合領域3003の面積と同等の表面積を、磁気抵抗効果素子3021によって埋め尽くす場合、本実施例の場合と比較して100倍以上の磁気抵抗効果素子3021が必要となる。これは物質検出装置のコストを著しく高くする要因となる。
【００６９】
また上部電極3022の容器3001内部側には、窒化シリコン3023からなる突起物が形成されている。窒化シリコン3023は、磁気抵抗効果素子3021間の隙間を有する領域に対応して形成されている。窒化シリコン3023は抗原あるいは抗体が吸着しにくい材料である。これによって、収集工程の際に、磁気ビーズ3019を磁気抵抗効果素子3021の直上に集めることが出来る。
【００７０】
磁気ビーズ3019としては、スーパーパラ磁性を示すものを用いる。また、磁気ビーズ3019の直径は100nmであり、磁気ビーズ3019の表面にはPSA 3017と特異的に結合する二次抗体が形成されている。
【００７１】
以下、本実施例における物質検出方法について説明する。まず複合体形成工程として、容器3001内に検体3002と磁気ビーズ3019を注入して、約20分間攪拌する。このとき、検体3002中のPSA 3017と磁気ビーズ3019は、二次抗体を介して複合体を形成する。
【００７２】
次に結合工程として、電源3007によってコイル3006に電流を流す。すると容器3001内部には、結合領域3003から遠ざかるほど弱くなるような磁界が形成される。したがって磁気ビーズ3019は、より磁界の強い結合領域3003表面に引き寄せられる。このとき図５で示されるように、PSA 3017と磁気ビーズ3019との複合体は、PSA 3017によって一次抗体3016と特異的に結合する。つまり磁気ビーズ3019は、一次抗体3016、PSA 3017、二次抗体3018を介して結合領域3003に特異的に結合される。
【００７３】
また、複合体形成工程において複合体を形成しなかった磁気ビーズ3019は、結合領域3003に結合しないか、もしくは結合領域3003に非特異的に結合される。このような磁気ビーズ3019は、検出の感度を低下させる原因となる不要な磁気ビーズである。
【００７４】
次に除去工程として、コイル3006による磁界の印加を止める。すると、結合領域3003に結合していない不要な磁気ビーズは、ブラウン運動によって検体3002中に拡散する。そして結合領域3003表面には、PSA 3017によって特異的に結合された磁気ビーズ3019と、非特異的に結合された不要な磁気ビーズが残る。
【００７５】
次に電源3012からコイル3011に電流を供給する。そして、結合領域3003から遠ざかるにしたがって強くなるような磁界を印加する。鉄心3013がない場合、コイル3011に電流Iを流すことで発生する磁界Hの強度は、下式（４）によって表される。
【００７６】
【数４】
2009128234.tif 000006
ここで、コイル3011の半径をαとした。またコイル3011の中心軸上において、コイル3011からの距離をｚとした（図６参照）。ただし、Nはコイルの巻き数である。
【００７７】
スーパーパラ磁性を示す磁気ビーズ3019の磁化Mは、小さな磁界において、M = χHと表される。したがってコイル3011に電流Iを流すことによって、コイル3011からの距離ｚの位置にある磁気ビーズ3019に印加される力FHは、式（１）と式（４）から、下式（５）のように見積もられる。
【００７８】
【数５】
2009128234.tif 000007
またコイル3011内部に鉄心3013を設けた場合、鉄心3013の先端部を小さくすることによって、より大きな磁力を得ることが可能である。本実施例においては、コイル3011が巻かれている部分の鉄心3013の断面の直径を1cmとした。また、鉄心3013の先端部の直径を1mmとし、コイルの巻き数Nを100とした。さらに、鉄心3013の先端部から結合領域3003に結合している磁気ビーズ3019までの距離zが1 [mm]となるように構成されている。本実施例で用いた磁気ビーズ3019の磁化率χは2×10-22である。このとき、コイル3011に流す電流Iを80 [mA]とした。
【００７９】
このように電流を制御して、PSA 3017によって特異的に結合された磁気ビーズ3019を解離させないようにする。そして、コイル3011を上下移動および回転移動させることで、検体3002中に浮遊している不要な磁気ビーズと特異的結合力よりも弱い力で非特異的に結合している不要な磁気ビーズを、コイルに3011に引き寄せる。そして、コイル3011を容器3001上部に移動させることで、不要な磁気ビーズを容器3001上部へ集める。その後、電源3010を用いてコイル3008に電流を流し、コイル3008から磁界を発生させる。すると不要な磁気ビーズは、コイル3008に備えられている鉄心3009に引き寄せられる。このとき、鉄心3009を検体3002に接触させることによって、不要な磁気ビーズは、鉄心3009に結合される。そしてコイル3008による磁界を発生させたまま、鉄心3009を容器3001から遠ざける。そうすることで、不要な磁気ビーズを、容器3001から除去することができる。
【００８０】
検体3002中から不要な磁気ビーズを除去した後、解離工程を実施する。解離工程では、再びコイル3011から磁界を発生させる。このとき発生させる磁界の大きさは、PSA3017と一次抗体3016との特異的結合力とほぼ同等な大きさとする。これは、コイル3011に流す電流を制御することで実施される。本実施例においては、コイル3011に流す電流は700[mA]とした。このようにすることで、特異的に結合しているPSA 3017と磁気ビーズ3019との複合体を結合領域3003から解離させる。このとき、磁気ビーズ3019に印加した磁力より大きな結合力で非特異的に結合領域3003に結合している不要な磁気ビーズは解離されない。このように、除去工程と解離工程によって、不要な磁気ビーズを効率的に除去することが出来る。
【００８１】
次に収集工程として、解離工程において解離した複合体を検出領域3026に集める。そのために、コイル3011から磁界を発生させた状態で、コイル3011を容器3001下方に移動させる。そうすることにより、解離した複合体は容器3001下方に集められる。その後、コイル3011から磁界を止めるとともに、コイル3014によって磁界を発生させることによって、複合体は検出領域3026に集められる。図４で説明したように、容器3001下部には、窒化シリコン3023からなる突起物が形成されている。したがって収集工程において、複合体は磁気抵抗効果素子3021の表面に集められる。
【００８２】
最後に検出工程として、検出領域3026に集めた複合体中の磁気ビーズ3019を検出する。磁気ビーズ3019はスーパーパラ磁性を示すため、無磁場中においては磁化を生じない。したがって磁気ビーズ3019を検出するために、磁気ビーズ3019を磁化させる必要が有る。そのためには、磁気ビーズ3019にバイアス磁界を印加すれば良い。図７は、磁気ビーズ3019にバイアス磁界3024を印加したときの様子を示す図である。上述したように、磁気ビーズ3019には、磁気抵抗効果素子3021の膜面に垂直な方向のバイアス磁界3024を印加する。バイアス磁界3024の大きさは、使用する磁気ビーズ3019の磁化が飽和しない程度の大きさであることが好ましい。そのような磁界の大きさは、500 [Oe]から2000[Oe]程度である。このようなバイアス磁界3024は、コイル3014によって発生させることができる。
【００８３】
バイアス磁界3024によって磁化された磁気ビーズ3019は、浮遊磁界3025を発生させる。この浮遊磁界3025は、磁気抵抗効果素子3021の膜面に平行な方向の成分を有する。したがって、磁気抵抗効果素子3021の抵抗は、この浮遊磁界3025によって変化する。この抵抗の変化量を測定することによって、磁気ビーズ3019の量を検出することができる。そして、磁気ビーズ3019の量から、PSA 3017の量を測定することが出来る。
【００８４】
（実施例２）
本発明の物質検出装置および物質検出方法の別の実施例について、以下に説明する。本実施例では、標識物質として電荷を帯びる標識ビーズを用いて、測定対象物質としてPSAを用いる。
【００８５】
図８は本実施例における物質検出装置の概念図である。物質検出装置は、測定対象物質を含んだ検体4002を保持する容器4001を有する。容器4001の形状は略円筒形である。容器4001の底面は直径1.6mmの円形であり、容器4001の高さは14mmである。
【００８６】
容器4001上部には容器4001内の流体を排出する排出口4010が形成されている。排出口4010には、排出口4010を開閉するためのバルブ4009が取り付けられている。また、容器4001下部には、検体4002やバッファー溶液などを注入する為の注入口4012が形成されている。そして注入口4012には、注入口4012を開閉するためのバルブ4011が取り付けられる。
【００８７】
容器4001側面には金膜が形成されている。金膜には、PSAと特異的に結合可能な一次抗体が形成されている。このようにして、容器4001の側面には、結合領域4003が構成されている。この結合領域4003の面積は100mm2である。
【００８８】
結合領域4003を取り巻くように、容器4001の側面には、円筒形の外電極4006が取り付けられている。また、容器4001の中心軸に沿って、円柱形状の中心電極4008が設けられている。中心電極4008は、容器4001上面から容器4001底面付近までの高さを有する。また、中心電極4008の直径は0.3mmである。中心電極4008は、電源4007を介して外電極4006と電気的に接続される。
【００８９】
中心電極4008には、リング形状の移動電極が中心軸を一致させて設置されている。このリング形状の移動電極は中心軸を含む面において２つに切断されおり、それぞれ半リング形状となっている。この２つの移動電極4021,4022は、それぞれ中心電極4008に沿って上下に移動することができる。
【００９０】
容器4001底面の一部には、検出手段として検出デバイス4004が設けられている。したがって、容器4001底面の一部が検出領域4018となる。このように結合領域4003と検出領域4018とは、異なる領域となっている。検出デバイス4004は検出信号処理デバイス4005と接続されている。検出デバイス4004としては、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）が用いられる。ＦＥＴは１万個設けられており、それぞれ選択トランジスタと接続されている。またＦＥＴは、検出信号処理デバイス4005と電気的に接続されている。
【００９１】
図９は、ＦＥＴの詳細な構成を説明する図である。ＦＥＴはソース4013と、ドレイン4014と、ゲート電極4015を有する。ソース4013とドレイン4014はシリコン基板4016表面に離間して配置されている。ソース4013とドレイン4014の上部には、ゲート酸化膜4020が構成されている。ゲート酸化膜4020の上部にはゲート電極4015が形成されている。ゲート電極4015の面積は5000nm2とする。したがって、ゲート電極4015の総面積は50μｍ2である。このように、検出領域4018は結合領域4003と比較して著しく狭い。したがって、ＦＥＴの数を多くする必要が無く、安価に物質検出装置を製作することができる。
【００９２】
ゲート電極4015上の電荷が変化したとき、ソース4013とドレイン4014の間を流れる電流は変化する。つまり、ゲート電極4015上に電荷を帯びた標識ビーズ4019がある場合、電流の大きさの変化を測定することで、標識ビーズ4019の数量を検出することができる。このようにして、間接的にPSA 4017の濃度を測定することが可能である。
【００９３】
以下、本実施例における物質検出方法について説明する。標識ビーズ4019としては、負に帯電した物質を用いる。まず複合体形成工程として、検体4002と標識ビーズ4019を、注入口4012から容器4001内に注入する。このとき標識ビーズ4019の表面には、PSA 4017と特異的に結合する二次抗体が固定されている。そして、約２０分間攪拌を行い、PSA 4017と標識ビーズ4019を十分に反応させることで、複合体を形成する。
【００９４】
次に、結合工程として、電源4007によって中心電極4008に負の極性を与える。そうすることで、標識ビーズ4019を結合領域4003に集めることができる。このとき、PSA 4017との複合体を形成した標識ビーズ4019は、PSA 4017によって一次抗体と特異的に結合する。このようにして、複合体はPSA 4017によって結合領域4003に特異的に結合される。
【００９５】
次いで除去工程として、中心電極4008の電荷を除去し、標識ビーズ4019に印加している静電気力を取り除く。すると、結合領域4003に結合されていない不要な標識ビーズは、ブラウン運動によって容器4001内を分散していく。そして、注入口4012に取り付けられたバルブ4011を開け、注入口4012よりリン酸バッファー溶液を注入する。それに伴い、排出口4010に取り付けられたバルブ4009を開け、排出口4010より検体4002とリン酸バッファー溶液との混合液を排出させる。このようにすることで、検体4002中に浮遊していた不要な標識ビーズは、容器4001外へ排出される。また、容器4001内部の混合液の流れによって、結合領域4003に弱い力で非特異的に結合している不要な標識ビーズは、結合領域4003から解離されて、容器4001外へ排出される。このように容器4001内を十分に洗浄して、不要な磁気ビーズを容器4001内から除去する。その後、バルブ4009およびバルブ4011を閉じる。
【００９６】
不要な磁気ビーズを除去した後、解離工程を実施する。解離工程では、電源4007によって中心電極4008に、正の極性を与える。このようにして、複合体中の標識ビーズ4019に、中心電極4008に向かう方向の力を印加する。このとき印加する力の大きさは、PSA 4017と一次抗体との特異的結合力とほぼ同等な大きさとする。そして、複合体を結合領域4003から解離させる。このとき、標識ビーズ4019に印加した磁力より大きな結合力で非特異的に結合している不要な標識ビーズは解離されない。このように、除去工程と解離工程によって、不要な標識ビーズを除去することが出来る。このとき、解離された複合体は中心電極4008付近に引き寄せられている。
【００９７】
次に、収集工程を実施する。予め、移動電極4021,4022は容器4001の上部で静止させておく。収集工程では、まず中心電極4008への電圧の印加を止める。そして、移動電極4021を正に帯電させる。それとともに、移動電極4021を中心電極4008に沿って、容器4001上部から下部に向かって移動させる。このとき、中心電極4008に引き寄せられた複合体は、中心電極4008とともに、容器4001下部へ集められる。また同様に、移動電極4022を正に帯電させるとともに、移動電極4022を容器4001上部から下部に向かって移動させる。そうすることによって、中心電極4008付近に集められていた複合体は、容器4001下部に集められる。その後、移動電極4021,4022の電荷を除去し、ＦＥＴが有するゲート電極4015を正に帯電させる。このようにして、複合体をゲート電極4015表面、つまり検出領域4018に集めることができる。
【００９８】
収集工程の後、検出工程を実施する。検出工程では、まず、ＦＥＴが有するゲート電極4015に誘起された電荷を除去する。そして、ソース4013からドレイン4014に向かって電流を流す。このときの電流の大きさを検出信号処理デバイス4005によって読み取る。このとき流れる電流の大きさは、ゲート電極4015表面の電荷の総量によって変化する。したがって、電流の大きさを測定することによって、複合体中の標識ビーズ4019の量を検出することができる。これにより、間接的にPSA 4017の量を検出することが可能である。
【００９９】
以上説明した各実施例の物質検出方法によれば、高い検出感度を維持したまま、検出デバイスを設置する領域を小さくすることができる。そして、検出デバイスを設置する領域を小さくすることで、安価に物質検出装置を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の物質検出装置の一例を示す概念図。
【図２】（ａ）は本発明の物質検出装置の一例を示す概念図。（ｂ）は、（ａ）に図示された破線A-A'において物質検出装置を切断したときの断面図。
【図３】本発明の一実施例である物質検出装置の模式図。
【図４】図３で示した物質検出装置において用いられる検出デバイスの模式図。
【図５】標識物質が測定対象物質によって検出領域に特異的に結合する様子を説明する図。
【図６】コイルによって生じる磁界を説明する概念図。
【図７】磁気ビーズを検出する際に印加するバイアス磁界と、磁気ビーズから生じる浮遊磁界を説明する概念図。
【図８】本発明の一実施例である物質検出装置の模式図。
【図９】標識物質の検出手段であるＦＥＴを用いた検出デバイスの断面図。
【符号の説明】
【０１０１】
1002,3002,4002    検体
1003,3003,4003    結合領域
1004,3004,4004    検出デバイス
1006              除去手段
1007              解離手段
1008              収集手段
1009,3026,4018    検出領域
2011              標識物質
3017,4017         PSA
3019              磁気ビーズ
3021              磁気抵抗効果素子
4019              標識ビーズ
【図１】
2009128234.tif 000008
【図２】
2009128234.tif 000009
【図３】
2009128234.tif 000010
【図４】
2009128234.tif 000011
【図５】
2009128234.tif 000012
【図６】
2009128234.tif 000013
【図７】
2009128234.tif 000014
【図８】
2009128234.tif 000015
【図９】
2009128234.tif 000016