JP2006119111A - Specific detection method for test substance using photocurrent, electrode used therefor, measuring cell and measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
発明の分野
本発明は、光電流を用いて、核酸、外因性内分泌攪乱物質、抗原等の特異的結合性を有する被検物質を特異的に検出する方法、それに用いられる電極、測定用セル、および測定装置に関する。
The present invention relates to a method for specifically detecting a test substance having specific binding properties such as a nucleic acid, an exogenous endocrine disrupting substance, an antigen, etc. by using a photocurrent, an electrode used therefor, a measurement cell, And a measuring device.
背景技術
生体試料中のDNAを解析する遺伝子診断法が、各種病気の新たな予防および診断法として、有望視されている。このようなDNA解析を簡便かつ正確に行う技術として、以下のものが提案されている。
BACKGROUND ART Gene diagnostic methods for analyzing DNA in biological samples are promising as new preventive and diagnostic methods for various diseases. The following are proposed as techniques for performing such DNA analysis simply and accurately.
被検体DNAを、これと相補的な塩基配列を有し、かつ蛍光物質を標識されたDNAプローブとハイブリダイズさせ、その際の蛍光シグナルを検出する、DNAの分析方法が知られている(例えば、特許文献1(特開平7−107999号公報)および特許文献2(特開平11−315095号公報)参照)。この方法にあっては、ハイブリダイゼーションによる二本鎖DNAの形成を色素の蛍光により検出する。 There is known a DNA analysis method in which a sample DNA is hybridized with a DNA probe having a base sequence complementary thereto and a fluorescent substance labeled, and a fluorescent signal at that time is detected (for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-107999) and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-315095). In this method, the formation of double-stranded DNA by hybridization is detected by fluorescence of the dye.
また、一本鎖に変性された遺伝子サンプルを、これに相補性を有する一本鎖の核酸プローブとハイブリダイゼーションさせた後、インターカレータ等の二本鎖認識体を添加して電気化学的に検出する方法が知られている(例えば、特許文献3(特許公報第2573443号)および非特許文献1(表面科学Vol. 24, No. 11. Pp. 671-676, 2003)参照)。 In addition, a gene sample denatured into a single strand is hybridized with a complementary single-stranded nucleic acid probe, and then a double-stranded recognizer such as an intercalator is added for electrochemical detection. (See, for example, Patent Document 3 (Patent Publication No. 2573443) and Non-Patent Document 1 (Surface Science Vol. 24, No. 11. Pp. 671-676, 2003)).
一方、近年、ダイオキシンを始めとする外因性内分泌撹乱物質(環境ホルモン)の生殖系および神経系等への障害が社会問題化している。現在、外因性内分泌撹乱毒性の検出は様々な方法によって行われているが、そのような物質はわずか10pptレベル程度の極めて低い濃度で毒性を示す。このため、そのような低濃度範囲における外因性内分泌撹乱物質の検出方法が望まれている。 On the other hand, in recent years, damage to the reproductive system and nervous system of exogenous endocrine disrupting substances (environmental hormones) such as dioxins has become a social problem. Currently, the detection of exogenous endocrine disrupting toxicity is carried out by various methods, but such substances are toxic at very low concentrations of the order of only 10 ppt. Therefore, a method for detecting an exogenous endocrine disrupting substance in such a low concentration range is desired.
特に、外因性内分泌撹乱物質は、受容体等のタンパク質を介して標的DNAに結合し、それにより当該DNAの発現等に影響を与え、毒性を生じる。すなわち、外因性内分泌撹乱物質は、DNAに直接的に結合するのではなく、受容体等のタンパク質を介して間接的DNAに結合する。そのため、DNA結合性を用いたプレスクリーニング等の従来の方法にあっては、その結合の評価は容易ではない。 In particular, an exogenous endocrine disrupting substance binds to a target DNA via a protein such as a receptor, thereby affecting the expression of the DNA and causing toxicity. That is, the exogenous endocrine disrupting substance does not directly bind to DNA but binds indirectly to DNA via a protein such as a receptor. Therefore, in conventional methods such as prescreening using DNA binding properties, the evaluation of the binding is not easy.
ところで、増感色素を用いて光から電気エネルギーを発生させる太陽電池が知られている(例えば、特許文献4(特開平1−220380号公報)参照)。この太陽電池は、多結晶の金属酸化物半導体を有し、かつその表面積に広範囲にわたり増感色素の層が形成されてなるものである。しかしながら、このような電極を生物化学的な分析に応用しようとする試みは未だなされていない。
本発明者らは、今般、被検物質とプローブ物質との直接または間接的な特異的結合を介して作用電極に増感色素を固定させ、この増感色素を光励起させて発生する光電流を検出することにより、被検物質を高感度で簡便かつ正確に検出および定量出来るとの知見を得た。また、一枚の作用電極上で、複数の試料を個別に測定したり、あるいは複数種類の被検物質の分析を同時に行えるとの知見も得た。 The present inventors recently fixed a sensitizing dye on a working electrode through direct or indirect specific binding between a test substance and a probe substance, and generated a photocurrent generated by photoexcitation of the sensitizing dye. By detecting it, the knowledge that a test substance can be detected and quantified with high sensitivity, simply and accurately was obtained. In addition, the inventors have also found that a plurality of samples can be individually measured on a single working electrode, or a plurality of types of analytes can be analyzed simultaneously.
したがって、本発明は、特異的結合性を有する被検物質を高感度で簡便かつ正確に検出および定量することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to detect and quantify a test substance having specific binding properties with high sensitivity, simply and accurately.
そして、本発明の光電流を用いた被検物質の特異的検出方法は、
被検物質を含む試料液と、該被検物質と直接または間接的に特異的に結合可能なプローブ物質を表面に備えた作用電極と、対電極とを用意し、
増感色素の共存下、前記試料液を前記作用電極に接触させて、前記プローブ物質に前記被検物質を直接または間接的に特異的に結合させ、該結合により前記増感色素を前記作用電極に固定させ、
前記作用電極と前記対電極とを電解質媒体に接触させ、そして、
前記作用電極に光を照射して前記増感色素を光励起させ、該光励起された増感色素から前記作用電極への電子移動に起因して前記作用電極と前記対電極との間に流れる光電流を検出すること
を含んでなるものである。
And the specific detection method of the test substance using the photocurrent of the present invention,
Preparing a sample solution containing a test substance, a working electrode having a probe substance capable of specifically binding directly or indirectly to the test substance, and a counter electrode;
In the presence of a sensitizing dye, the sample solution is brought into contact with the working electrode to specifically bind the test substance directly or indirectly to the probe substance, and the binding causes the sensitizing dye to bind to the working electrode. Fixed to
Contacting the working electrode and the counter electrode to an electrolyte medium; and
Light is applied to the working electrode to excite the sensitizing dye, and a photocurrent flows between the working electrode and the counter electrode due to electron transfer from the photoexcited sensitizing dye to the working electrode. Is detected.
また、本発明の電極は、上記方法において作用電極として用いられる電極であって、
導電性基材と、
該導電性基材上に形成される、前記増感色素が光励起に応じて放出する電子を受容可能な電子受容物質を含んでなる電子受容層と、
を備えたものである。
The electrode of the present invention is an electrode used as a working electrode in the above method,
A conductive substrate;
An electron-accepting layer comprising an electron-accepting material capable of accepting electrons emitted by the sensitizing dye in response to photoexcitation, formed on the conductive substrate;
It is equipped with.
さらに、本発明の測定用セルは、上記方法に用いられる測定用セルであって、
上記作用電極と、
対電極と、
前記作用電極および前記対電極が接触される電解質媒体と
を備えたものである。
Furthermore, the measurement cell of the present invention is a measurement cell used in the above method,
The working electrode;
A counter electrode;
An electrolyte medium in contact with the working electrode and the counter electrode.
また、本発明の測定装置は、上記方法に用いられる測定装置であって、
上記測定用セルと、
前記作用電極の表面に光を照射する光源と、
前記作用電極と前記対電極との間を流れる電流を測定する電流計と
を備えたものである。
The measuring device of the present invention is a measuring device used in the above method,
The measurement cell;
A light source for irradiating light on the surface of the working electrode;
And an ammeter for measuring a current flowing between the working electrode and the counter electrode.
光電流を用いた被検物質の特異的検出
本発明の方法にあっては、まず、被検物質を含む試料液と、作用電極と、対電極とを用意する。本発明に用いる作用電極は、被検物質と直接または間接的に特異的に結合可能なプローブ物質を表面に備えた電極である。すなわち、プローブ物質は、被検物質と直接、特異的に結合する物質のみならず、被検物質を受容体蛋白質分子等の媒介物質に特異的に結合させて得られる結合体と特異的に結合可能な物質であってよい。次いで、増感色素の共存下、試料液を作用電極に接触させて、プローブ物質に被検物質を直接または間接的に特異的に結合させ、この結合により増感色素を作用電極に固定させる。増感色素は、光励起に応じて作用電極に電子を放出可能な物質であり、被検物質あるいは媒介物質に予め標識させておくか、あるいは被検物質およびプローブ物質の結合体にインターカレーション可能な増感色素を用いる場合には試料液に単に添加すればよい。
Specific Detection of Test Substance Using Photocurrent In the method of the present invention, first, a sample solution containing a test substance, a working electrode, and a counter electrode are prepared. The working electrode used in the present invention is an electrode provided on the surface with a probe substance capable of specifically binding directly or indirectly to a test substance. That is, the probe substance specifically binds not only to a substance that directly binds specifically to the test substance, but also to a conjugate obtained by specifically binding the test substance to a mediator such as a receptor protein molecule. It may be a possible substance. Next, in the presence of the sensitizing dye, the sample solution is brought into contact with the working electrode to specifically bind the test substance directly or indirectly to the probe substance, and the sensitizing dye is fixed to the working electrode by this binding. Sensitizing dyes are substances that can emit electrons to the working electrode in response to photoexcitation, and can be pre-labeled to the test substance or mediator, or intercalated to the conjugate of the test substance and the probe substance. When a sensitizing dye is used, it may be simply added to the sample solution.
そして、作用電極と対電極とを電解質媒体に接触させた後、作用電極に光を照射して増感色素を光励起させると、光励起された増感色素から電子受容物質へ電子移動が起こる。この電子移動に起因して作用電極と対電極との間に流れる光電流を検出することにより、被検物質を高い感度で検出することができる。また、この検出電流は試料液中の被検試料濃度との高い相関関係を有しているので、測定された電流量または電気量に基づき被検試料の定量測定を行うことができる。 Then, after bringing the working electrode and the counter electrode into contact with the electrolyte medium, when the sensitizing dye is photoexcited by irradiating the working electrode with light, electron transfer occurs from the photoexcited sensitizing dye to the electron acceptor. By detecting the photocurrent flowing between the working electrode and the counter electrode due to this electron movement, the test substance can be detected with high sensitivity. Further, since the detected current has a high correlation with the test sample concentration in the sample solution, the test sample can be quantitatively measured based on the measured current amount or electric quantity.
被検物質およびプローブ物質
本発明の方法における被検物質としては、特異的な結合性を有する物質であれば限定されず、種々の物質であってよい。このような被検物質であれば、被検物質と直接または間接的に特異的に結合可能なプローブ物質を作用電極表面に担持させておくことにより、被検物質をプローブ物質に直接または間接的に特異的に結合させて検出することが可能となる。
Test substance and probe substance The test substance in the method of the present invention is not limited as long as it has a specific binding property, and may be various substances. In such a test substance, the test substance is directly or indirectly attached to the probe substance by supporting on the surface of the working electrode a probe substance that can specifically or directly bind to the test substance. It becomes possible to detect it by specifically binding to.
すなわち、本発明の方法にあっては、被検物質およびプローブ物質として互いに特異的に結合可能なものを選択することができる。すなわち、本発明の好ましい態様によれば、特異的な結合性を有する物質を被検物質とし、被検物質と特異的に結合する物質をプローブ物質として作用電極に担持させるのが好ましい。これにより、作用電極上に被検物質を直接、特異的に結合させて検出することができる。この態様における、被検物質およびプローブ物質の組合せの好ましい例としては、一本鎖の核酸および核酸に対して相補性を有する一本鎖の核酸の組合せ、ならびに抗原および抗体の組合せが挙げられる。 That is, in the method of the present invention, it is possible to select a test substance and a probe substance that can specifically bind to each other. That is, according to a preferred embodiment of the present invention, it is preferable that a substance having specific binding properties be a test substance and a substance that specifically binds to the test substance be carried on the working electrode as a probe substance. As a result, the test substance can be directly bound and detected on the working electrode. Preferable examples of the combination of the test substance and the probe substance in this embodiment include a single-stranded nucleic acid and a combination of single-stranded nucleic acids having complementarity to the nucleic acid, and a combination of antigen and antibody.
本発明のより好ましい態様によれば、被検物質を一本鎖の核酸とし、プローブ物質を核酸に対して相補性を有する一本鎖の核酸とするのが好ましい。この態様における被検物質の作用電極への特異的結合の工程を図1(a)および(b)に示す。これらの図に示されるように、被検物質としての一本鎖の核酸1は、作用電極3上に担持されたプローブ物質としての相補性を有する一本鎖の核酸4とハイブリダイズされて、二本鎖の核酸7を形成する。 According to a more preferred embodiment of the present invention, it is preferable that the test substance is a single-stranded nucleic acid and the probe substance is a single-stranded nucleic acid having complementarity to the nucleic acid. The steps of specific binding of the test substance to the working electrode in this embodiment are shown in FIGS. As shown in these figures, a single-stranded nucleic acid 1 as a test substance is hybridized with a single-stranded nucleic acid 4 having complementarity as a probe substance carried on the working electrode 3, A double-stranded nucleic acid 7 is formed.
一本鎖の核酸を被検物質とする場合、プローブ物質である核酸と相補性部分を有していればよく、被検物質を構成する塩基対の長さは限定されないが、プローブ物質が核酸に対して15bp以上の相補性部分を有するのが好ましい。本発明の方法によれば、200bp、500bp、1000bpの塩基対を有する比較的鎖長の長い核酸であっても、高感度にプローブ物質と被検物質の核酸同士の特異的結合形成を光電流として検出することができる。 When a single-stranded nucleic acid is used as a test substance, it only needs to have a portion complementary to the nucleic acid that is the probe substance, and the length of the base pairs constituting the test substance is not limited. It preferably has a complementary portion of 15 bp or more. According to the method of the present invention, even when a nucleic acid having a base length of 200 bp, 500 bp, and 1000 bp is relatively long, a specific binding formation between the nucleic acid of the probe substance and the test substance can be performed with high sensitivity. Can be detected as
被検物質としての一本鎖の核酸を含む試料液は、末梢静脈血のような血液、白血球、血清、尿、糞便、精液、唾液、培養細胞、各種臓器細胞のような組織細胞等の、核酸を含有する各種検体試料から、公知の方法により核酸を抽出して作製することができる。このとき、検体試料中の細胞の破壊は、例えば、振とう、超音波等の物理的作用を外部から加えて担体を振動させることにより行なうことができる。また、核酸抽出溶液を用いて、細胞から核酸を遊離させることもできる。核酸溶出溶液の例としては、SDS、Triton-X、Tween-20のような界面活性剤、サポニン、EDTA、プロテア−ゼ等を含む溶液が挙げられる。これらの溶液を用いて核酸を溶出する場合、37℃以上の温度でインキュベ−トすることにより反応を促進することができる。 Sample liquids containing single-stranded nucleic acids as test substances are blood such as peripheral venous blood, white blood cells, serum, urine, feces, semen, saliva, cultured cells, tissue cells such as various organ cells, etc. Nucleic acids can be extracted from various specimen samples containing nucleic acids by a known method. At this time, destruction of the cells in the specimen sample can be performed, for example, by applying a physical action such as shaking or ultrasonic waves from the outside and vibrating the carrier. In addition, nucleic acid can be released from cells using a nucleic acid extraction solution. Examples of the nucleic acid elution solution include a solution containing a surfactant such as SDS, Triton-X, Tween-20, saponin, EDTA, protease, and the like. When nucleic acids are eluted using these solutions, the reaction can be accelerated by incubating at a temperature of 37 ° C. or higher.
本発明のより好ましい態様によれば、被検物質とする遺伝子の含有量が微量である場合には、公知の方法により遺伝子を増幅した後検出を行なうのが好ましい。遺伝子を増幅する方法としては、ポリメラ−ゼチェインリアクション(PCR)等の酵素を用いる方法が代表的であろう。ここで、遺伝子増幅法に用いられる酵素の例としては、DNAポリメラ−ゼ、Taqポリメラ−ゼのようなDNA依存型DNAポリメラ−ゼ、RNAポリメラ−ゼIのようなDNA依存型RNAポリメラ−ゼ、Qβレプリカ−ゼのようなRNA依存型RNAポリメラ−ゼが挙げられ、好ましくは温度を調節するだけで連続して増幅を繰り返すことができる点で、Taqポリメラ−ゼを用いるPCR法である。 According to a more preferred embodiment of the present invention, when the content of a gene as a test substance is very small, detection is preferably performed after the gene is amplified by a known method. A typical method for amplifying a gene would be a method using an enzyme such as polymerase chain reaction (PCR). Examples of enzymes used in the gene amplification method include DNA polymerases, DNA-dependent DNA polymerases such as Taq polymerase, and DNA-dependent RNA polymerases such as RNA polymerase I. And RNA-dependent RNA polymerases such as Qβ replicase, and the PCR method using Taq polymerase is preferred in that amplification can be repeated continuously only by adjusting the temperature.
本発明の好ましい態様によれば、上記増幅時に特異的に核酸を増感色素で標識することが出来る。一般的には、DNAにアミノアリル修飾dUTPを取り込ませることにより行うことができる。この分子は未修飾の dUTP と同じ効率で取り込まれる。次のカップリング段階において、N−ヒドロキシサクシンアミド(N-hydroxysuccinimide)により活性化された蛍光色素が修飾 dUTP と特異的に反応し、均一に増感色素で標識された被検物質が得られる。 According to a preferred embodiment of the present invention, the nucleic acid can be specifically labeled with a sensitizing dye during the amplification. Generally, it can be carried out by incorporating aminoallyl-modified dUTP into DNA. This molecule is incorporated with the same efficiency as unmodified dUTP. In the next coupling step, a fluorescent dye activated by N-hydroxysuccinimide specifically reacts with the modified dUTP, and a test substance uniformly labeled with a sensitizing dye is obtained.
本発明の好ましい態様によれば、上記のようにして得られた核酸の粗抽出液あるいは精製した核酸溶液をまず90〜98℃、好ましくは95℃以上の温度で熱変性を施し、一本鎖核酸を調製することができる。 According to a preferred embodiment of the present invention, the nucleic acid crude extract solution or purified nucleic acid solution obtained as described above is first subjected to heat denaturation at a temperature of 90 to 98 ° C., preferably 95 ° C. or higher, to obtain a single strand. Nucleic acids can be prepared.
本発明の方法にあっては、被検物質とプローブ物質が間接的に特異的に結合するものであってもよい。すなわち、本発明の別の好ましい態様によれば、特異的な結合性を有する物質を被検物質とし、この被検物質と特異的に結合する物質を媒介物質として共存させ、この媒介物質と特異的に結合可能な物質をプローブ物質として作用電極に担持させるのが好ましい。これにより、プローブ物質に特異的に結合できない物質であっても、媒介物質を介して作用電極上に間接的に特異的に結合させて検出することができる。この態様における、被検物質、媒介物質、およびプローブ物質の組合せの好ましい例としては、リガンド、このリガンドを受容可能な受容体蛋白質分子、およびこの受容体蛋白質分子と特異的に結合可能な二本鎖の核酸の組合せが挙げられる。リガンドの好ましい例としては、外因性内分泌攪乱物質(環境ホルモン)が挙げられる。外因性内分泌撹乱物質とは、受容体蛋白質分子を介してDNAに結合し、その遺伝子発現に影響して毒性を生じる物質であるが、本発明の方法によれば、被検物質によりもたらされる受容体等のタンパク質のDNAに対する結合性を簡便にモニタリングすることができる。この態様における被検物質の作用電極への特異的結合の工程を図2に示す。図2に示されるように、被検物質としてのリガンド10は、まず、媒介物質である受容体蛋白質分子11に特異的に結合する。そして、リガンドが結合された受容体蛋白質分子13が、プローブ物質としての二本鎖の核酸14に特異的に結合する。 In the method of the present invention, the test substance and the probe substance may indirectly bind specifically. That is, according to another preferred embodiment of the present invention, a substance having specific binding properties is used as a test substance, a substance that specifically binds to the test substance is used as a mediator, and It is preferable to carry a substance capable of binding to the working electrode as a probe substance. Thereby, even a substance that cannot specifically bind to the probe substance can be detected by specifically binding indirectly to the working electrode via the mediator substance. In this embodiment, preferred examples of the combination of the test substance, the mediator, and the probe substance include a ligand, a receptor protein molecule that can accept the ligand, and two molecules that can specifically bind to the receptor protein molecule. A combination of nucleic acids in a strand is mentioned. Preferable examples of the ligand include exogenous endocrine disrupting substances (environmental hormones). An exogenous endocrine disrupting substance is a substance that binds to DNA via a receptor protein molecule and produces toxicity by affecting its gene expression. According to the method of the present invention, the receptor produced by a test substance is used. It is possible to easily monitor the binding of a protein such as a body to DNA. The specific binding process of the test substance to the working electrode in this embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 2, a ligand 10 as a test substance first specifically binds to a receptor protein molecule 11 that is a mediator. Then, the receptor protein molecule 13 to which the ligand is bound specifically binds to a double-stranded nucleic acid 14 as a probe substance.
本発明の方法によれば、1つのプローブ物質に対し、異なる入手経路に由来する複数の同一被検物質を同時に反応させ、サンプルの由来による被検物質量の差異を判断することにより、目的とする入手経路に由来する被検物質を定量することも可能である。具体的な適用例としては、マイクロアレイ上での競合的ハイブリダイゼーションによる発現プロフィール解析が挙げられる。これは、細胞間での特定遺伝子の発現パターンの差異を解析するため、別々の蛍光色素で標識された被検物質を、同一プローブ物質に対して競合的にハイブリダイゼーションを行わせるものである。本発明においては、このような手法を用いることにより、細胞間での発現差異解析が電気化学的に行えるという、従来に無い利点が得られる。 According to the method of the present invention, a plurality of identical test substances derived from different acquisition routes are simultaneously reacted to one probe substance, and a difference in the amount of the test substance due to the origin of the sample is determined. It is also possible to quantify the test substance derived from the acquisition route. Specific application examples include expression profile analysis by competitive hybridization on a microarray. In this method, in order to analyze the difference in expression pattern of a specific gene among cells, a test substance labeled with different fluorescent dyes is competitively hybridized with the same probe substance. In the present invention, by using such a technique, an advantage that has not been obtained in the past can be obtained, in which an expression difference analysis between cells can be performed electrochemically.
増感色素
本発明の方法にあっては、被検物質の存在を光電流で検出するために、増感色素の共存下、プローブ物質に被検物質を直接または間接的に特異的に結合させて、該結合により増感色素を作用電極に固定させる。そのために、本発明の方法にあっては、図1(a)および図2に示されるように被検物質1あるいは媒介物質11に予め増感色素2,12で標識しておくことができる。また、図1(b)に示されるように被検物質およびプローブ物質の結合体7(例えばハイブリダイゼーション後の二本鎖核酸)にインターカレーション可能な増感色素8を用いる場合には、試料液に増感色素を添加することにより、プローブ物質に増感色素を固定させることができる。
Sensitizing dye In the method of the present invention, in order to detect the presence of a test substance by photocurrent, the test substance is directly or indirectly specifically bound to the probe substance in the presence of the sensitizing dye. Thus, the sensitizing dye is fixed to the working electrode by the binding. Therefore, in the method of the present invention, the test substance 1 or the mediating substance 11 can be labeled with the sensitizing dyes 2 and 12 in advance as shown in FIG. 1 (a) and FIG. In addition, when using a sensitizing dye 8 that can be intercalated with a conjugate 7 (for example, a double-stranded nucleic acid after hybridization) of a test substance and a probe substance as shown in FIG. By adding a sensitizing dye to the solution, the sensitizing dye can be fixed to the probe substance.
本発明の好ましい態様によれば、被検物質が一本鎖の核酸の場合、被検物質1分子につき増感色素を一つ標識するのが好ましい。一本鎖の核酸における標識位置は、容易に被検物質とプローブ物質の特異的な結合を形成させる観点から、一本鎖の核酸の5’末端または3’末端のいずれかの位置とするのが好ましく、標識工程をさらに簡便にする観点から被検物質の5’末端とするのがさらに好ましい。 According to a preferred embodiment of the present invention, when the test substance is a single-stranded nucleic acid, it is preferable to label one sensitizing dye per molecule of the test substance. The labeling position in the single-stranded nucleic acid should be either the 5 ′ end or the 3 ′ end of the single-stranded nucleic acid from the viewpoint of easily forming a specific bond between the test substance and the probe substance. From the viewpoint of further simplifying the labeling step, the 5 ′ end of the test substance is more preferable.
また、本発明の別の好ましい態様によれば、被検物質1分子あたりの増感色素担持量を高める為、被検物質1分子につき2つ以上の増感色素を2つ以上標識するのが好ましい。これにより、電子受容物質の形成された作用電極における単位比表面積あたりの色素担持量をより多くすることができ、より高感度に光電流応答を観測することができる。 According to another preferred embodiment of the present invention, in order to increase the amount of sensitizing dye supported per molecule of the test substance, two or more sensitizing dyes are labeled per molecule of the test substance. preferable. As a result, the amount of dye supported per unit specific surface area of the working electrode on which the electron accepting material is formed can be increased, and the photocurrent response can be observed with higher sensitivity.
本発明に用いる増感色素は、光励起に応じて作用電極に電子を放出可能な物質であり、光源の照射による光励起状態への遷移が可能であり、かつ励起状態から作用電極に電子注入できる電子状態を採りうるものであればよい。したがって、用いる増感色素は、作用電極、特に電子受容層との間において上記電子状態をとることができるものであればよいことから、多種の増感色素が使用可能であり、高価な色素を使用する必要がない。 The sensitizing dye used in the present invention is a substance that can emit electrons to the working electrode in response to photoexcitation, can be changed to the photoexcited state by irradiation with a light source, and can be injected into the working electrode from the excited state. Anything that can take a state may be used. Therefore, any sensitizing dye can be used as long as it can take the above-described electronic state with the working electrode, particularly the electron accepting layer. Therefore, various sensitizing dyes can be used, and expensive dyes can be used. There is no need to use it.
複数の被検物質の個別検出を行う態様にあっては、各々の被検物質に標識する増感色素は、それぞれ異なる波長の光で励起できるものであればよく、例えば、照射光の波長を選択することにより各被検物質を個別に励起できればよい。例えば、複数の被検物質に対応する複数の増感色素を用い、各増感色素毎に異なる励起波長の光を照射すると、複数のプローブが同一スポット上であっても個別に信号を検出することが可能となる。本発明の方法において、被検物質の数は限定されないが、光源から照射される光の波長と増感色素の吸収特性を考慮すると、1〜5種類が適当であろう。この態様において使用可能な増感色素は、照射光の波長領域内において光励起しさえすればよく、必ずしもその吸収極大が該波長領域にある必要はない。なお、特定波長における増感色素の光吸収反応の有無は、紫外可視スペクトロフォトメーター(例えば、島津製作所社製、UV−3150)を用いて測定することができる。 In the embodiment in which individual detection of a plurality of test substances is performed, the sensitizing dye that labels each test substance may be any one that can be excited by different wavelengths of light. It is only necessary that each test substance can be excited individually by selecting. For example, when a plurality of sensitizing dyes corresponding to a plurality of test substances are used and light having different excitation wavelengths is irradiated for each sensitizing dye, signals are detected individually even if the plurality of probes are on the same spot. It becomes possible. In the method of the present invention, the number of test substances is not limited, but considering the wavelength of light emitted from the light source and the absorption characteristics of the sensitizing dye, 1 to 5 types may be appropriate. The sensitizing dye that can be used in this embodiment only needs to be photoexcited in the wavelength region of the irradiation light, and the absorption maximum is not necessarily in the wavelength region. In addition, the presence or absence of the light absorption reaction of the sensitizing dye at a specific wavelength can be measured using an ultraviolet-visible spectrophotometer (for example, UV-3150 manufactured by Shimadzu Corporation).
増感色素の具体例としては、金属錯体や有機色素が挙げられる。金属錯体の好ましい例としては、銅フタロシアニン、チタニルフタロシアニン等の金属フタロシアニン;クロロフィルまたはその誘導体;ヘミン、特開平1−220380 号公報や特表平5−504023 号公報に記載のルテニウム、オスミウム、鉄及び亜鉛の錯体(例えばシス−ジシアネート−ビス(2、2 ’−ビピリジル−4、4 ’−ジカルボキシレート)ルテニウム(II))があげられる。有機色素の好ましい例としては、メタルフリーフタロシアニン、9−フェニルキサンテン系色素、シアニン系色素、メタロシアニン系色素、キサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、アクリジン系色素、オキサジン系色素、クマリン系色素、メロシアニン系色素、ロダシアニン系色素、ポリメチン系色素、インジゴ系色素等が挙げられる。また、増感色素の別の好ましい例としては、アマシャムバイオサイエンス社製のCy3、Cy3.5、Cy5、Cy5.5、Cy7、Cy7.5、Cy9;モルキュラープローブ社製のAlexaFluor355、AlexaFluor405、AlexaFluor430、AlexaFluor488、AlexaFluor532、AlexaFluor546、AlexaFluor555、AlexaFluor568、AlexaFluor594、AlexaFluor633、AlexaFluor647、AlexaFluor660、AlexaFluor680、AlexaFluor700、AlexaFluor750;Dyomics社製のDY−610、DY−615、DY−630、DY−631、DY−633、DY−635、DY−636、EVOblue10、EVOblue30、DY−647、DY−650、DY−651、DYQ−660、DYQ−661が挙げられる。 Specific examples of the sensitizing dye include metal complexes and organic dyes. Preferred examples of metal complexes include metal phthalocyanines such as copper phthalocyanine and titanyl phthalocyanine; chlorophyll or derivatives thereof; hemin, ruthenium, osmium, iron described in JP-A-1-220380 and JP-A-5-504023, and Zinc complexes such as cis-dicyanate-bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) ruthenium (II)) are mentioned. Preferred examples of the organic dye include metal-free phthalocyanine, 9-phenylxanthene dye, cyanine dye, methocyanine dye, xanthene dye, triphenylmethane dye, acridine dye, oxazine dye, coumarin dye, Examples include merocyanine dyes, rhodacyanine dyes, polymethine dyes, and indigo dyes. As another preferred example of the sensitizing dye, Cy3, Cy3.5, Cy5, Cy5.5, Cy7, Cy7.5, Cy9 manufactured by Amersham Biosciences; AlexaFluor 355, AlexaFluor 405, AlexaFluor 430 manufactured by Molecular Probes, Inc. , AlexaFluor 488, AlexaFluor 532, Alexa Fluor 546, Alexa Fluor 555, Alexa Fluor 568, Alexa Fluor 594, Alexa Fluor 633, Alexa Fluor 647, Alexa Fluor 660, Alexa Fluor 680, Alexa Fluor 680, Alexa Fluor 680, Alexa Fluor 680, Alex Fluor 680, Alex Fluor 680 633, DY-635, DY-636, EVOblue10, EVOblue30, DY-647, DY-650, DY-651, DYQ-660, DYQ-661 and the like.
二本鎖核酸にインターカレーション可能な増感色素の好ましい例としては、アクリジンオレンジ、エチジウムブロマイドが挙げられる。このような増感色素を用いる場合、核酸のハイブリダイゼーション後に試料液に添加するだけで増感色素で標識された二本鎖核酸が形成されるので、予め一本鎖の核酸を標識する必要が無い。 Preferable examples of the sensitizing dye capable of intercalating with a double-stranded nucleic acid include acridine orange and ethidium bromide. When such a sensitizing dye is used, a double-stranded nucleic acid labeled with a sensitizing dye is formed simply by adding to the sample solution after hybridization of the nucleic acid. Therefore, it is necessary to label the single-stranded nucleic acid in advance. No.
作用電極およびその製造
本発明に用いる作用電極は、上記プローブ物質を表面に備えた電極であり、プローブ物質を介して固定された増感色素が光励起に応じて放出する電子を受容可能な電極である。したがって、作用電極の構成および材料は、使用される増感色素との間で上記電子移動が生じるものであれば限定されず、種々の構成および材料であってよい。
Working electrode and production thereof The working electrode used in the present invention is an electrode having the probe substance on its surface, and is an electrode that can accept electrons emitted by a sensitizing dye immobilized via the probe substance in response to photoexcitation. is there. Accordingly, the configuration and material of the working electrode are not limited as long as the above-described electron transfer occurs with the sensitizing dye to be used, and may be various configurations and materials.
本発明の好ましい態様によれば、作用電極が増感色素が光励起に応じて放出する電子を受容可能な電子受容物質を含んでなる電子受容層を有し、この電子受容層の表面にプローブ物質が備えられてなるのが好ましい。また、本発明のより好ましい態様によれば、作用電極が導電性基材をさらに含んでなり、この導電性基材上に電子受容層が形成されてなるのが好ましい。この態様の電極は図1および2に示される。図1および2に示される作用電極4は、導電性基材5と、この導電性基材上に形成され、電子受容物質を含んで成る電子受容層6とを備えてなる。そして、電子受容層6の表面にプローブ物質が担持される。 According to a preferred embodiment of the present invention, the working electrode has an electron accepting layer containing an electron accepting material capable of accepting electrons emitted by the sensitizing dye in response to photoexcitation, and a probe material is provided on the surface of the electron accepting layer. Is preferably provided. According to a more preferred aspect of the present invention, it is preferable that the working electrode further comprises a conductive substrate, and an electron accepting layer is formed on the conductive substrate. An electrode of this embodiment is shown in FIGS. The working electrode 4 shown in FIGS. 1 and 2 includes a conductive substrate 5 and an electron accepting layer 6 formed on the conductive substrate and containing an electron accepting substance. A probe substance is supported on the surface of the electron accepting layer 6.
本発明における電子受容層は、プローブ物質を介して固定された増感色素が光励起に応じて放出する電子を受容可能な電子受容物質を含んでなる。すなわち、電子受容物質は、光励起された標識色素からの電子注入が可能なエネルギー準位を取り得る物質であることができる。ここで、光励起された標識色素からの電子注入が可能なエネルギー準位(A)とは、例えば、電子受容性材料として半導体を用いる場合には、伝導体(コンダクションバンド:CB)を意味し、電子受容性材料として金属を用いる場合には、フェルミ準位を意味し、電子受容性材料として有機物もしくはC60等の分子状無機物を用いる場合には、最低非占有分子軌道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital:LUMO)を意味する。すなわち、本発明に用いる電子受容物質は、このAの準位が、増感色素のLUMOのエネルギー準位よりも卑な準位、換言すれば、増感色素のLUMOのエネルギー準位よりも低いエネルギー準位を有するものであればよい。 The electron-accepting layer in the present invention comprises an electron-accepting material that can accept electrons emitted by a sensitizing dye immobilized via a probe material in response to photoexcitation. That is, the electron-accepting substance can be a substance that can take an energy level in which electrons can be injected from the photoexcited labeling dye. Here, the energy level (A) capable of injecting electrons from the photoexcited labeling dye means, for example, a conductor (conduction band: CB) when a semiconductor is used as the electron-accepting material. When a metal is used as the electron-accepting material, it means the Fermi level. When an organic material or a molecular inorganic material such as C60 is used as the electron-accepting material, the lowest unoccupied molecular orbital (Lowest Unoccupied Molecular Orbital: LUMO). That is, in the electron acceptor used in the present invention, this A level is lower than the LUMO energy level of the sensitizing dye, in other words, lower than the LUMO energy level of the sensitizing dye. Any material having an energy level may be used.
電子受容物質の好ましい例としては、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体;チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、タンタル等の酸化物半導体;チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム等のペロブスカイト型半導体;カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物半導体;カドミウム、鉛のセレン化物半導体;カドミウムのテルル化物半導体;亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム等のリン化物半導体;ガリウムヒ素、銅−インジウム−セレン化物、銅−インジウム−硫化物の化合物半導体;金、白金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム、ニッケル等の金属;ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール等の有機物ポリマー;C60、C70等の分子状無機物が挙げられ、より好ましくは、シリコン、TiO2、SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO、Nb2O5、Ta2O3、In2O3、チタン酸ストロンチウム、CdS、ZnS、PbS、Bi2S3、CdSe、CdTe、GaP、InP、GaAs、CuInS2、CuInSe、C60であり、さらに好ましくは、TiO2、ZnO、SnO2、Fe2O3、WO3、Nb2O5、Ta2O3、In2O3、チタン酸ストロンチウム、CdS、PbS、CdSe、InP、GaAs、CuInS2、CuInSe2であり、最も好ましくはTiO2である。なお、上記の列挙した半導体は、真性半導体および不純物半導体のいずれであってもよい。 Preferred examples of the electron accepting material include simple semiconductors such as silicon and germanium; oxides such as titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, and tantalum. Semiconductors: Perovskite type semiconductors such as strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, potassium niobate; cadmium, zinc, lead, silver, antimony, bismuth sulfide semiconductors; cadmium, lead selenide semiconductors Cadmium telluride semiconductors; phosphide semiconductors such as zinc, gallium, indium and cadmium; gallium arsenide, copper-indium selenide, copper-indium-sulfide compound semiconductors; gold, platinum, silver, copper, aluminum Rhodium, indium, a metal such as nickel, polythiophene, polyaniline, polyacetylene, organic polymer polypyrrole; is C60, C70, etc. molecular inorganic, and more preferably include silicon, TiO 2, SnO 2, Fe 2 O 3, WO 3, ZnO, Nb 2 O 5, Ta 2 O 3, In 2 O 3, strontium titanate, CdS, ZnS, PbS, Bi 2 S 3, CdSe, CdTe, GaP, InP, GaAs, CuInS 2, CuInSe, a C60, more preferably, TiO 2, ZnO, SnO 2 , Fe 2 O 3, WO 3, Nb 2 O 5, Ta 2 O 3, in 2 O 3, strontium titanate, CdS, PbS, CdSe, InP GaAs, CuInS 2 , CuInSe 2 , most preferably TiO 2 . Note that the semiconductors listed above may be either intrinsic semiconductors or impurity semiconductors.
また、本発明の別の好ましい態様によれば、電子受容物質として、インジウム-スズ複合酸化物(ITO)またはフッ素がドープされた酸化スズ(FTO)を用いることができる。ITOおよびFTOは電子受容層のみならず導電性基材としても機能する性質を有するため、これらの材料を使用することにより導電性基材を用いることなく電子受容層のみで作用電極として機能させることができる。 According to another preferred embodiment of the present invention, indium-tin composite oxide (ITO) or fluorine-doped tin oxide (FTO) can be used as the electron accepting material. Since ITO and FTO have the property of functioning not only as an electron-accepting layer but also as a conductive substrate, by using these materials, only the electron-accepting layer can function as a working electrode without using a conductive substrate. Can do.
電子受容物質として半導体または金属を用いる場合、その半導体または金属は単結晶および多結晶のいずれであってもよいが、多結晶体が好ましく、さらに緻密なものよりも多孔性を有するものが好ましい。これにより、比表面積が大きくなり、被検物質および増感色素を多く吸着させて、より高い感度で被検物質を検出することができる。したがって、本発明の好ましい態様によれば、電子受容層が多孔性を有しており、各孔の径が3〜1000nmであるのが好ましく、より好ましくは、10〜100nmである。 When a semiconductor or metal is used as the electron-accepting substance, the semiconductor or metal may be single crystal or polycrystalline, but a polycrystalline body is preferable, and a porous material is more preferable than a dense material. As a result, the specific surface area is increased, and a large amount of the test substance and sensitizing dye can be adsorbed to detect the test substance with higher sensitivity. Therefore, according to the preferable aspect of this invention, it is preferable that the electron-accepting layer has porosity, and the diameter of each hole is 3-1000 nm, More preferably, it is 10-100 nm.
本発明の好ましい態様によれば、電子受容層を導電性基材上に形成した状態での表面積は、投影面積に対して10倍以上であることが好ましく、さらに100倍以上であることが好ましい。この表面積の上限には特に限定されないが、通常1000倍程度であろう。電子受容層を構成する電子受容物質の微粒子の粒径は、投影面積を円に換算したときの直径を用いた平均粒径で一次粒子として5〜200nmであることが好ましく、より好ましくは8〜100nmであり、さらに好ましくは20〜60nmである。また、分散物中の電子受容性物質の微粒子(二次粒子)の平均粒径としては0.01〜100μmであることが好ましい。また、入射光を散乱させて光捕獲率を向上させる目的で、粒子サイズの大きな、例えば300nm程度の電子受容物質の微粒子を併用して、電子受容層を形成してもよい。 According to a preferred aspect of the present invention, the surface area in a state where the electron-accepting layer is formed on the conductive substrate is preferably 10 times or more, more preferably 100 times or more with respect to the projected area. . The upper limit of the surface area is not particularly limited, but will usually be about 1000 times. The particle diameter of the fine particles of the electron accepting material constituting the electron accepting layer is preferably 5 to 200 nm as a primary particle in terms of an average particle diameter using a diameter when the projected area is converted into a circle, and more preferably 8 to It is 100 nm, More preferably, it is 20-60 nm. The average particle diameter of the electron-accepting substance fine particles (secondary particles) in the dispersion is preferably 0.01 to 100 μm. In addition, for the purpose of improving the light capture rate by scattering incident light, an electron accepting layer may be formed by using fine particles of an electron accepting material having a large particle size, for example, about 300 nm.
本発明の好ましい態様によれば、作用電極が導電性基材をさらに含んでなり、電子受容層が導電性基材上に形成されてなるのが好ましい。本発明に使用可能な導電性基材としては、チタン等の金属のように支持体そのものに導電性があるもののみならず、ガラスもしくはプラスチックの支持体の表面に導電材層を有するものであってよい。この導電材層を有する導電性基材を使用する場合、電子受容層はその導電材層上に形成される。導電材層を構成する導電材の例としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等の金属;炭素、炭化物、窒化物等の導電性セラミックス;およびインジウム−スズ複合酸化物、酸化スズにフッ素をドープしたもの、酸化スズにアンチモンをドープしたもの、酸化亜鉛にガリウムをドープしたもの、または酸化亜鉛にアルミニウムをドープしたもの等の導電性の金属酸化物が挙げられ、より好ましくは、インジウム-スズ複合酸化物(ITO)、酸化スズにフッ素をドープした金属酸化物(FTO)である。ただし、前述した通り、電子受容層自体が導電性基材としても機能する場合にあっては導電性基材は省略可能である。また、本発明において、導電性基材は、導電性を確保できる材料であれば限定されず、それ自体では支持体としての強度を有しない薄膜状またはスポット状の導電材層も包含するものとする。 According to a preferred embodiment of the present invention, it is preferred that the working electrode further comprises a conductive substrate, and the electron accepting layer is formed on the conductive substrate. The conductive base material usable in the present invention is not only a material having conductivity on the support itself, such as a metal such as titanium, but also a material having a conductive material layer on the surface of a glass or plastic support. It's okay. When a conductive substrate having this conductive material layer is used, the electron accepting layer is formed on the conductive material layer. Examples of the conductive material constituting the conductive material layer include metals such as platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, and indium; conductive ceramics such as carbon, carbide, and nitride; and indium-tin composite oxides, Examples include conductive metal oxides such as tin oxide doped with fluorine, tin oxide doped with antimony, zinc oxide doped with gallium, or zinc oxide doped with aluminum. Are indium-tin composite oxide (ITO) and metal oxide (FTO) in which tin oxide is doped with fluorine. However, as described above, when the electron-accepting layer itself also functions as a conductive substrate, the conductive substrate can be omitted. Further, in the present invention, the conductive substrate is not limited as long as it is a material that can ensure conductivity, and includes a thin film-like or spot-like conductive material layer that does not have strength as a support by itself. To do.
本発明の好ましい態様によれば、導電性基材が実質的に透明、具体的には、光の透過率が10%以上であるのが好ましく、より好ましくは50%以上であり、さらに好ましくは70%以上である。これにより、作用電極の裏側(すなわち導電性基材)から光を照射させて、作用電極(すなわち導電性基材および電子受容層)を透過した光が増感色素を励起するようにセルを構成することができる。また、本発明の好ましい態様によれば、導電材層の厚みは、0.02〜10μm程度であるのが好ましい。さらに、本発明の好ましい態様によれば、導電性基材の表面抵抗が100Ω/cm2以下であり、さらに好ましくは40Ω/cm2以下であるのが好ましい。導電性基材の表面抵抗の下限は特に限定されないが、通常0.1Ω/cm2程度であろう。 According to a preferred embodiment of the present invention, the conductive substrate is substantially transparent, specifically, the light transmittance is preferably 10% or more, more preferably 50% or more, and still more preferably. 70% or more. As a result, the cell is configured such that light is irradiated from the back side of the working electrode (that is, the conductive substrate), and the light transmitted through the working electrode (that is, the conductive substrate and the electron accepting layer) excites the sensitizing dye. can do. Moreover, according to the preferable aspect of this invention, it is preferable that the thickness of a electrically-conductive material layer is about 0.02-10 micrometers. Furthermore, according to the preferable aspect of this invention, it is preferable that the surface resistance of an electroconductive base material is 100 ohms / cm < 2 > or less, More preferably, it is 40 ohms / cm < 2 > or less. The lower limit of the surface resistance of the conductive substrate is not particularly limited, but will usually be about 0.1 Ω / cm 2 .
導電性基材上への電子受容層の好ましい形成方法の例としては、電子受容物質の分散液またはコロイド溶液を導電性支持体上に塗布する方法、半導体微粒子の前駆体を導電性支持体上に塗布し空気中の水分によって加水分解して微粒子膜を得る方法(ゾル−ゲル法)、スパッタリング法、CVD法、PVD法、蒸着法などが挙げられる。電子受容物質としての半導体微粒子の分散液を作成する方法としては、前述のゾル−ゲル法の他、乳鉢ですり潰す方法、ミルを使って粉砕しながら分散する方法、あるいは半導体を合成する際に溶媒中で微粒子として析出させそのまま使用する方法等が挙げられる。このときの分散媒としては水または各種の有機溶媒(例えばメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ジクロロメタン、アセトン、アセトニトリル、酢酸エチル等)が挙げられる。分散の際、必要に応じてポリマー、界面活性剤、酸、もしくはキレート剤などを分散助剤として使用してもよい。 Examples of a preferable method for forming an electron-accepting layer on a conductive substrate include a method of coating a dispersion or colloidal solution of an electron-accepting material on a conductive support, and a precursor of semiconductor fine particles on the conductive support. And a method of obtaining a fine particle film by being hydrolyzed with moisture in the air (sol-gel method), a sputtering method, a CVD method, a PVD method, and a vapor deposition method. As a method for preparing a dispersion of semiconductor fine particles as an electron acceptor, in addition to the sol-gel method described above, a method of grinding with a mortar, a method of dispersing while grinding using a mill, or a semiconductor synthesis Examples thereof include a method in which it is precipitated as fine particles in a solvent and used as it is. Examples of the dispersion medium include water or various organic solvents (for example, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, dichloromethane, acetone, acetonitrile, ethyl acetate, etc.). At the time of dispersion, a polymer, a surfactant, an acid, a chelating agent, or the like may be used as a dispersion aid as necessary.
電子受容物質の分散液またはコロイド溶液の塗布方法の好ましい例としては、アプリケーション系としてローラ法、ディップ法、メータリング系としてエアーナイフ法、ブレード法等、またアプリケーションとメータリングを同一部分でできるものとして、特公昭58−4589号公報に開示されているワイヤーバー法、米国特許2681294号、同2761419号、同2761791号等に記載のスライドホッパ法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法が挙げられる。 Preferred examples of the application method of the electron acceptor dispersion or colloidal solution include the roller method as the application system, the dip method, the air knife method as the metering system, the blade method, etc., and the application and metering in the same part. The wire bar method disclosed in Japanese Patent Publication No. 58-4589, the slide hopper method, the extrusion method, the curtain method, the spin method, and the spray method described in US Pat. Nos. 2,681,294, 2761419, 2761791, etc. Is mentioned.
本発明の好ましい態様によれば、電子受容層が半導体微粒子からなる場合、電子受容層の膜厚が0.1〜200μmであるのが好ましく、より好ましくは0.1〜100μmであり、さらに好ましくは1〜30μm、最も好ましくは2〜25μmである。これにより、単位投影面積当たりのプローブ物質および固定される増感色素量を増加して光電流量を多くするとともに、電荷再結合による生成した電子の損失をも低減することができる。また、導電性基材1m2当たりの半導体微粒子の塗布量は0.5〜400gであるのが好ましく、より好ましくは5〜100gである。 According to a preferred aspect of the present invention, when the electron accepting layer is composed of semiconductor fine particles, the thickness of the electron accepting layer is preferably 0.1 to 200 μm, more preferably 0.1 to 100 μm, and still more preferably. Is 1-30 μm, most preferably 2-25 μm. As a result, the probe substance per unit projected area and the amount of sensitizing dye to be fixed can be increased to increase the photoelectric flow rate, and the loss of generated electrons due to charge recombination can also be reduced. The coating amount of the semiconductor fine particles per 1 m 2 of the conductive base material is preferably 0.5 to 400 g, more preferably 5 to 100 g.
本発明の好ましい態様によれば、電子受容物質がインジウム-スズ複合酸化物(ITO)または酸化スズにフッ素をドープした金属酸化物(FTO)を含んでなる場合、電子受容層の膜厚が1nm以上であるのが好ましく、より好ましくは10nm〜1μmである。 According to a preferred embodiment of the present invention, when the electron-accepting material comprises indium-tin composite oxide (ITO) or metal oxide (FTO) doped with fluorine in tin oxide, the thickness of the electron-accepting layer is 1 nm. It is preferable that it is above, More preferably, it is 10 nm-1 micrometer.
本発明の好ましい態様によれば、半導体微粒子を導電性基材上に塗布した後に加熱処理を施すのが好ましい。これにより、粒子同士を電気的に接触させ、また、塗膜強度の向上や支持体との密着性を向上させることができる。好ましい加熱処理温度は、40〜700℃であり、より好ましくは100〜600℃である。また、好ましい加熱処理時間は10分〜10時間程度である。 According to a preferred embodiment of the present invention, it is preferable to apply heat treatment after coating the semiconductor fine particles on the conductive substrate. Thereby, particle | grains can be made to contact electrically and the improvement of coating-film intensity | strength and adhesiveness with a support body can be improved. A preferable heat treatment temperature is 40 to 700 ° C, more preferably 100 to 600 ° C. Moreover, preferable heat processing time is about 10 minutes-10 hours.
また、本発明の別の好ましい態様によれば、ポリマーフィルムなど融点や軟化点の低い導電性基材を用いる場合にあっては、熱による劣化を防止するため、高温処理を用いない方法により膜形成を行うのが好ましく、そのような膜形成方法の例として、プレス、低温加熱、電子線照射、マイクロ波照射、電気泳動、スパッタリング、CVD、PVD、蒸着等の方法が挙げられる。 According to another preferred embodiment of the present invention, when a conductive base material having a low melting point or softening point, such as a polymer film, is used, the film is formed by a method that does not use high-temperature treatment in order to prevent deterioration due to heat. The film is preferably formed, and examples of such a film forming method include a method such as pressing, low-temperature heating, electron beam irradiation, microwave irradiation, electrophoresis, sputtering, CVD, PVD, and vapor deposition.
こうして得られた作用電極の電子受容層の表面にはプローブ物質が担持される。作用電極へのプローブ物質の担持は公知の方法に従い行うことができる。本発明の好ましい態様によれば、プローブ物質として一本鎖の核酸を用いる場合には、作用電極表面に酸化層を形成させておき、この酸化層を介して核酸プロ−ブと作用電極とを結合させることにより行うことができる。このとき、核酸プローブの作用電極への固定化は、核酸の末端に官能基を導入することにより行うことができる。これにより、官能基が導入された核酸プロ−ブはそのまま固定化反応により担体上に固定化されることができる。核酸末端への官能基の導入は、酵素反応もしくはDNA合成機を用いて行なうことができる。酵素反応において用いられる酵素としては、例えば、タ−ミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラ−ゼ、ポリAポリメラ−ゼ、ポリヌクレオチドカイネ−ス、DNAポリメラ−ゼ、ポリヌクレオチドアデニルトランスフェラ−ゼ、RNAリガ−ゼを挙げることができる。また、ポリメラ−ゼチェインリアクション(PCR法)、ニックトランスレ−ション、ランダムプライマ−法により官能基を導入することもできる。官能基は、核酸のどの部分に導入されてもよく、3'末端、5'末端もしくはランダムな位置に導入することができる。 A probe substance is supported on the surface of the electron accepting layer of the working electrode thus obtained. Loading of the probe substance on the working electrode can be performed according to a known method. According to a preferred embodiment of the present invention, when a single-stranded nucleic acid is used as a probe substance, an oxidized layer is formed on the surface of the working electrode, and the nucleic acid probe and the working electrode are connected via the oxidized layer. This can be done by bonding. At this time, the nucleic acid probe can be immobilized on the working electrode by introducing a functional group at the end of the nucleic acid. As a result, the nucleic acid probe into which the functional group has been introduced can be immobilized on the carrier as it is by an immobilization reaction. Introduction of a functional group at the end of a nucleic acid can be performed using an enzymatic reaction or a DNA synthesizer. Examples of the enzyme used in the enzymatic reaction include terminal deoxynucleotidyl transferase, poly A polymerase, polynucleotide kinase, DNA polymerase, polynucleotide adenyl transferase, RNA ligase. Can be mentioned. Moreover, a functional group can also be introduce | transduced by a polymerase chain reaction (PCR method), a nick translation, and a random primer method. The functional group may be introduced at any part of the nucleic acid, and can be introduced at the 3 ′ end, 5 ′ end or at a random position.
本発明の好ましい態様によれば、核酸プローブの作用電極への固定化のため官能基として、アミン、カルボン酸、スルホン酸、チオール、水酸基、リン酸等が好適に使用できる。また、本発明の好ましい態様によれば、核酸プローブを作用電極に強固に固定化するためには、作用電極と核酸プローブの間を架橋する材料を使用することも可能である。そのような架橋材料の好ましい例としては、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤や、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン等の導電性ポリマーが挙げられる。 According to a preferred embodiment of the present invention, amine, carboxylic acid, sulfonic acid, thiol, hydroxyl group, phosphoric acid and the like can be suitably used as the functional group for immobilizing the nucleic acid probe to the working electrode. According to a preferred embodiment of the present invention, a material that crosslinks between the working electrode and the nucleic acid probe can be used in order to firmly fix the nucleic acid probe to the working electrode. Preferable examples of such a crosslinking material include silane coupling agents, titanate coupling agents, and conductive polymers such as polythiophene, polyacetylene, polypyrrole, and polyaniline.
本発明の好ましい態様によれば、核酸プロ−ブの固定化を物理吸着という、より簡単な操作で効率よく行うことも可能である。電極表面への核酸プロ−ブの物理吸着は、例えば、以下のように行なうことができる。まず、電極表面を、超音波洗浄器を用いて蒸留水およびアルコ−ルで洗浄する。その後、電極を核酸プロ−ブを含有する緩衝液に挿入して核酸プロ−ブを担体表面に吸着させる。 According to a preferred embodiment of the present invention, the nucleic acid probe can be immobilized efficiently by a simple operation called physical adsorption. The physical adsorption of the nucleic acid probe to the electrode surface can be performed, for example, as follows. First, the electrode surface is cleaned with distilled water and alcohol using an ultrasonic cleaner. Thereafter, the electrode is inserted into a buffer containing the nucleic acid probe to adsorb the nucleic acid probe onto the surface of the carrier.
また、核酸プローブの吸着後、ブロッキング剤を添加することにより、非特異的な吸着を抑制することができる。使用可能なブロッキング剤としては、核酸プローブが吸着していない電子受容層表面のサイトを埋めることができ、かつ電子受容物質に対して化学吸着あるいは物理吸着等により吸着可能な物質であれば限定されないが、好ましくは化学結合を介して吸着可能な官能基を有する物質である。例えば、酸化チタンを電子受容層として用いる場合における好ましいブロッキング剤の例としては、カルボン酸基、リン酸基、スルホン酸基、水酸基、アミノ基、ピリジル基、アミド等の酸化チタンに吸着可能な官能基を有する物質が挙げられる。 Moreover, nonspecific adsorption | suction can be suppressed by adding a blocking agent after adsorption | suction of a nucleic acid probe. The blocking agent that can be used is not limited as long as it can fill a site on the surface of the electron accepting layer on which the nucleic acid probe is not adsorbed and can adsorb the electron accepting material by chemical adsorption or physical adsorption. However, it is preferably a substance having a functional group that can be adsorbed via a chemical bond. For example, preferable examples of the blocking agent in the case of using titanium oxide as an electron-accepting layer include functional groups that can be adsorbed to titanium oxide such as carboxylic acid group, phosphoric acid group, sulfonic acid group, hydroxyl group, amino group, pyridyl group, and amide. Examples thereof include substances having a group.
本発明の好ましい態様によれば、作用電極上にプローブ物質が互いに分離された複数の領域毎に区分されて担持されてなり、光源による光照射が各領域に対して個別に行われるのが好ましい。これにより、複数の試料を一枚の作用電極上で測定することができるので、DNAチップの集積化等が可能となる。本発明のより好ましい態様によれば、作用電極上にプローブ物質が担持された、互いに分離された複数の領域がパターニングされており、光源から照射される光でスキャニングしながら、各領域の試料について被検物質の検出または定量を一度の操作で連続的に行うことが好ましい。 According to a preferred aspect of the present invention, it is preferable that the probe substance is divided and supported on each of the plurality of regions separated from each other on the working electrode, and the light irradiation by the light source is performed individually on each region. . Thereby, since a plurality of samples can be measured on one working electrode, integration of DNA chips and the like are possible. According to a more preferable aspect of the present invention, a plurality of regions separated from each other, on which a probe substance is supported on the working electrode, is patterned, and a sample in each region is scanned while scanning with light emitted from a light source. It is preferable that the detection or quantification of the test substance is continuously performed in one operation.
本発明のより好ましい態様によれば、作用電極上の互いに分離された複数の領域の各領域に複数種類のプローブ物質を担持させることができる。これにより、領域の個数に、各領域毎のプローブ物質の種類数を乗じた数の、多数のサンプルの測定を同時に行うことができる。 According to a more preferred aspect of the present invention, a plurality of types of probe substances can be carried on each of a plurality of regions separated from each other on the working electrode. As a result, a large number of samples can be simultaneously measured by multiplying the number of regions by the number of types of probe substances for each region.
本発明のより好ましい態様によれば、作用電極上の互いに分離された複数の領域の各領域毎に異なるプローブ物質を担持させることができる。これにより、区分された領域の数に相当する種類数のプローブ物質を担持させることができるので、多種類の被検物質の測定を同時に行うことができる。この態様は、各領域毎に異なる被検物質の分析が可能なため、一塩基多型の解析(SNPs)の多項目解析に好ましく利用することができる。 According to a more preferable aspect of the present invention, a different probe substance can be carried in each of a plurality of regions separated from each other on the working electrode. As a result, the number of types of probe substances corresponding to the number of the divided areas can be carried, so that multiple types of analytes can be measured simultaneously. This aspect can be preferably used for multi-item analysis of single nucleotide polymorphism analysis (SNPs) because different test substances can be analyzed for each region.
対電極
本発明に用いる対電極は、電解質媒体に接触させた場合に作用電極との間に電流が流れることができるものであれば特に限定されず、ガラス、プラスチック、セラミックス等の絶縁性の支持体に、金属もしくは導電性の酸化物を蒸着したものが使用可能である。また、対電極としての金属薄膜を5μm以下、好ましくは3nm〜3μmの範囲の膜厚になるように、蒸着やスパッタリングなどの方法により形成して作成することもできる。対電極に使用可能な材料の好ましい例としては、白金、金、パラジウム、ニッケル、カーボン、ポリチオフェン等の導電性ポリマー、酸化物、炭化物、窒化物等の導電性セラミックス等が挙げられ、より好ましくは、白金、カーボンであり、最も好ましくは白金である。これらの材料は電子受容層の形成方法と同様の方法により薄膜形成が可能である。
Counter electrode The counter electrode used in the present invention is not particularly limited as long as a current can flow between the electrode and the working electrode when it is brought into contact with the electrolyte medium. Insulating support such as glass, plastic, ceramics, etc. A body or a metal or conductive oxide vapor-deposited can be used. Moreover, the metal thin film as a counter electrode can be formed by a method such as vapor deposition or sputtering so as to have a film thickness of 5 μm or less, preferably 3 nm to 3 μm. Preferable examples of materials that can be used for the counter electrode include conductive polymers such as platinum, gold, palladium, nickel, carbon, and polythiophene, and conductive ceramics such as oxide, carbide, and nitride, and more preferably. Platinum and carbon, and most preferably platinum. These materials can be formed into a thin film by the same method as the electron accepting layer.
測定方法および装置
本発明の方法にあっては、増感色素の共存下、試料液を作用電極に接触させて、プローブ物質に被検物質を直接または間接的に特異的に結合させ、この結合により増感色素を前記作用電極に固定させる。
Measurement method and apparatus In the method of the present invention, in the presence of a sensitizing dye, the sample solution is brought into contact with the working electrode to specifically bind the test substance directly or indirectly to the probe substance. To fix the sensitizing dye to the working electrode.
本発明の好ましい態様によれば、増感色素で予め標識された一本鎖の核酸を被検物質とする場合、プローブ物質である一本鎖核酸との間でハイブリダイゼーション反応を行なうことができる。ハイブリダイゼーション反応の好ましい温度は37〜72℃の範囲であるが、その最適温度は使用するプロ−ブの塩基配列や長さ等により異なる。 According to a preferred embodiment of the present invention, when a single-stranded nucleic acid previously labeled with a sensitizing dye is used as a test substance, a hybridization reaction can be performed with a single-stranded nucleic acid that is a probe substance. . The preferred temperature for the hybridization reaction is in the range of 37-72 ° C., but the optimum temperature varies depending on the base sequence and length of the probe used.
本発明の別の好ましい態様によれば、被検物質およびプローブ物質の結合体(例えばハイブリダイゼーション後の二本鎖核酸)にインターカレーション可能な増感色素を用いる場合には、試料液に増感色素を添加することにより結合体を特異的に増感色素で標識することができる。 According to another preferred embodiment of the present invention, when a sensitizing dye that can be intercalated is used for a conjugate of a test substance and a probe substance (for example, a double-stranded nucleic acid after hybridization), it is added to the sample solution. By adding a sensitizing dye, the conjugate can be specifically labeled with a sensitizing dye.
本発明の方法にあっては、被検物質が増感色素と共に固定された作用電極を、対電極と共に電解質媒体に接触させ、作用電極に光を照射して増感色素を光励起させ、光励起された増感色素から作用電極への電子移動に起因して作用電極と対電極との間に流れる光電流を検出する。作用電極および対電極の相対的な位置関係は、互いに電気的に短絡することなく、なおかつ電解質媒体に接触しさえしていれば限定されるものではなく、互いに対向させて配置してもよいし、あるいは同一平面上に互いに離間させて配置してもよい。なお、作用電極および対電極が同一平面上に互いに離間させて配置される場合には、作用電極と対電極との間の電気的な短絡を防止するために絶縁基板上に両電極が設けられるのが望ましい。 In the method of the present invention, a working electrode in which a test substance is fixed together with a sensitizing dye is brought into contact with an electrolyte medium together with a counter electrode, and the working electrode is irradiated with light to photoexcite the sensitizing dye, thereby being photoexcited. The photocurrent flowing between the working electrode and the counter electrode due to the electron transfer from the sensitizing dye to the working electrode is detected. The relative positional relationship between the working electrode and the counter electrode is not limited as long as the working electrode and the counter electrode are not electrically short-circuited to each other and are in contact with the electrolyte medium. Alternatively, they may be spaced apart from each other on the same plane. When the working electrode and the counter electrode are arranged on the same plane and spaced apart from each other, both electrodes are provided on the insulating substrate to prevent an electrical short circuit between the working electrode and the counter electrode. Is desirable.
このような測定用セルの一例を図3に示す。図3に示される測定用セル21は、作用電極22と対電極23とにより挟まれて形成された空隙内に電解液24が充填されてなる。作用電極22は、導電性基材26と電子受容層27とを備えてなり、電子受容層27側を電解液24に接触させるように配置される。作用電極22と対電極23との間には絶縁スペーサ25が挿入されることにより、電解液24を収容する空間が確保されている。電極間の距離は酸化還元のサイクルを効率良く行わせるためには短い方が好ましく、工作的な精度との兼ね合いから数十μm であることが望ましい。また、いわゆるMEMS 的な製造方法を利用するのであれば、より近接した電極間距離とすることも可能である。 An example of such a measurement cell is shown in FIG. The measurement cell 21 shown in FIG. 3 is formed by filling an electrolyte solution 24 into a gap formed by being sandwiched between a working electrode 22 and a counter electrode 23. The working electrode 22 includes a conductive base material 26 and an electron accepting layer 27, and is disposed so that the electron accepting layer 27 side is in contact with the electrolytic solution 24. By inserting an insulating spacer 25 between the working electrode 22 and the counter electrode 23, a space for accommodating the electrolytic solution 24 is secured. The distance between the electrodes is preferably short in order to efficiently perform the oxidation-reduction cycle, and is preferably several tens of μm in view of work accuracy. Further, if a so-called MEMS-like manufacturing method is used, it is possible to make the distance between electrodes closer to each other.
本発明において用いる電解質媒体は、電解質、溶媒、および所望により添加物を含んでなるものであることができる。電解質の好ましい例としては、I2とヨウ化物の組み合わせ(ヨウ化物としてはLiI、NaI、KI、CsI、CaI2などの金属ヨウ化物、あるいはテトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドなど4級アンモニウム化合物のヨウ素塩など)、Br2と臭化物の組み合わせ(臭化物としてはLiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr2などの金属臭化物、あるいはテトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイドなど4級アンモニウム化合物の臭素塩など)のほか、フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩やフェロセン−フェリシニウムイオンなどの金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィドなどのイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノン等が挙げられ、より好ましくは、I2とLiIやピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドなど4級アンモニウム化合物のヨウ素塩を組み合わせた電解質である。上述した電解質は混合して用いてもよい。本発明において特に好ましい電解質媒体はリチウムイオンを含んでなるものである。 The electrolyte medium used in the present invention can comprise an electrolyte, a solvent, and optionally an additive. Preferable examples of the electrolyte include a combination of I 2 and iodide (as iodide, metal iodide such as LiI, NaI, KI, CsI, CaI 2 , tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, imidazolium iodide). Quaternary ammonium compounds such as iodine salts), Br 2 and bromide combinations (bromides include metal bromides such as LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr 2 , or quaternary ammonium compounds such as tetraalkylammonium bromide and pyridinium bromide). Bromine salts), metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ions, sulfur compounds such as sodium polysulfide, alkylthiol-alkyldisulfides, and viologens Examples thereof include dyes, hydroquinone-quinones, and the like. More preferable is an electrolyte in which I 2 and iodine salt of a quaternary ammonium compound such as LiI, pyridinium iodide, imidazolium iodide and the like are combined. The electrolytes described above may be used in combination. Particularly preferred electrolyte media in the present invention are those comprising lithium ions.
本発明の好ましい態様によれば、電解液の電解質濃度は0.1〜15Mであるのが好ましく、より好ましくは0.2〜10Mである。また、電解質にヨウ素を添加する場合における、好ましいヨウ素の添加濃度は0.01〜0.5Mである。 According to the preferable aspect of this invention, it is preferable that the electrolyte concentration of electrolyte solution is 0.1-15M, More preferably, it is 0.2-10M. Further, when iodine is added to the electrolyte, a preferable iodine concentration is 0.01 to 0.5M.
好ましい溶媒の例としては、水、アルコール(メタノール、エタノール等)、非プロトン性の極性溶媒(例えばアセトニトリルなどのニトリル類、炭酸プロピレンや炭酸エチレンなどのカーボネート類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチルイミダゾリノンや3−メチルオキサゾリジノン、ジアルキルイミダゾリウム塩などの複素環化合物、等)が挙げられる。 Examples of preferred solvents include water, alcohol (methanol, ethanol, etc.), aprotic polar solvents (eg, nitriles such as acetonitrile, carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1 , 3-dimethylimidazolinone, 3-methyloxazolidinone, heterocyclic compounds such as dialkylimidazolium salts, and the like.
本発明の好ましい態様によれば、水系の電解液が用いることができる。これにより、蛋白質等の生体分子を変性または失活させることなく適切に測定することが可能となる。また、電解液の流路等の劣化および電解液の揮発を防止できるとともに、廃液処理も容易に行えるとの利点もある。本発明の好ましい態様によれば、水系電解質は、支持電解質と、還元剤(電子供与体)と、溶媒としての水とを含んでなるのが好ましい。支持電解質としては、水に溶解した時にイオンに解離して伝導性を与え、かつ目的とする電極反応を阻害しないものであれば限定されず、好ましい例としては、NaCl、Na2SO4、KCl、K2SO4などが挙げられる。還元剤(電子供与体)の好ましい例としては、EDTA、トリエタノールアミン、シュウ酸、ヒドロキノンなどが挙げられる。 According to a preferred embodiment of the present invention, an aqueous electrolyte solution can be used. Thereby, it becomes possible to measure appropriately without denaturing or deactivating biomolecules such as proteins. Further, there is an advantage that it is possible to prevent deterioration of the flow path of the electrolytic solution and the volatilization of the electrolytic solution and to easily perform waste liquid treatment. According to a preferred embodiment of the present invention, the aqueous electrolyte preferably comprises a supporting electrolyte, a reducing agent (electron donor), and water as a solvent. The supporting electrolyte is not limited as long as it dissociates into ions when dissolved in water to give conductivity, and does not inhibit the target electrode reaction. Preferred examples include NaCl, Na 2 SO 4 , KCl. , K 2 SO 4 and the like. Preferable examples of the reducing agent (electron donor) include EDTA, triethanolamine, oxalic acid, hydroquinone and the like.
本発明の好ましい態様によれば、電解質媒体はゲル化(固体化)させて使用することもできる。ゲル化の方法の例としては、ポリマー添加、オイルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、ポリマーの架橋反応等の手法により行うことができる。ゲル電解質のマトリクスに使用されるポリマーの例としては、ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンフルオリド等が挙げられる。 According to a preferred embodiment of the present invention, the electrolyte medium can be used after gelation (solidification). Examples of the gelation method can be carried out by techniques such as addition of a polymer, addition of an oil gelling agent, polymerization including polyfunctional monomers, and a crosslinking reaction of the polymer. Examples of the polymer used in the matrix of the gel electrolyte include polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride.
図3に示されるように作用電極22の上方には光源28が光源カバー29を介して配置される。すなわち、作用電極22の裏側(すなわち導電性基材)から光を照射させて、作用電極(すなわち導電性基材および電子受容層)を透過した光が増感色素を励起するようにセルが構成されている。もっとも、対電極を透光性の材料で構成することにより光を対電極の裏側から照射してもよく、あるいは、作用電極および対電極に平行に光を照射してもよいのは言うまでもない。本発明に用いる光源としては、標識色素を光励起できる波長の光を照射できるものであれば限定されず、好ましい例としては、蛍光灯、ブラックライト、殺菌ランプ、白熱電球、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、水銀−キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、LED(白色、青、緑、赤)、レーザー光、太陽光を用いることができ、より好ましくは、蛍光灯、白熱電球、キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、LED(白色、青、緑、赤)、太陽光等を挙げることができる。また、必要に応じて、分光器やバンドパスフィルタを用いて特定波長領域の光のみを照射してもよい。 As shown in FIG. 3, a light source 28 is disposed above the working electrode 22 via a light source cover 29. That is, the cell is configured such that light is irradiated from the back side of the working electrode 22 (that is, the conductive substrate), and the light transmitted through the working electrode (that is, the conductive substrate and the electron accepting layer) excites the sensitizing dye. Has been. However, it goes without saying that light may be irradiated from the back side of the counter electrode by configuring the counter electrode with a light-transmitting material, or light may be irradiated in parallel to the working electrode and the counter electrode. The light source used in the present invention is not limited as long as it can irradiate light having a wavelength capable of photoexciting the labeling dye. Preferred examples include fluorescent lamps, black lights, sterilizing lamps, incandescent lamps, low pressure mercury lamps, high pressure mercury Lamps, xenon lamps, mercury-xenon lamps, halogen lamps, metal halide lamps, LEDs (white, blue, green, red), laser light and sunlight can be used, more preferably fluorescent lamps, incandescent lamps, xenon lamps. , Halogen lamp, metal halide lamp, LED (white, blue, green, red), sunlight and the like. Moreover, you may irradiate only the light of a specific wavelength range using a spectroscope and a band pass filter as needed.
本発明の好ましい態様によれば、互いに異なる光波長で励起可能な二種以上の増感色素を用いて複数種類の被検物質を個別に検出する場合、光源から波長選択手段を介して特定波長の光を照射することにより、複数の色素を個別に励起することが可能である。波長選択手段の例としては、分光器、色ガラスフィルタ、干渉フィルタ、バンドパスフィルタ等が挙げられる。また、増感色素の種類に応じて異なる波長の光を照射可能な複数の光源を用いてもよく、この場合の好ましい光源の例としては、特定波長の光が照射されるレーザー光やLEDを用いてもよい。また、作用極に光を効率よく照射するため、石英、ガラス、液体ライトガイドを用いて導光してもよい。 According to a preferred aspect of the present invention, when two or more kinds of test substances are individually detected using two or more sensitizing dyes that can be excited at different light wavelengths, a specific wavelength is detected from the light source via the wavelength selection means. It is possible to excite a plurality of dyes individually by irradiating the light. Examples of the wavelength selection means include a spectroscope, a colored glass filter, an interference filter, a band pass filter, and the like. In addition, a plurality of light sources capable of irradiating light of different wavelengths depending on the type of sensitizing dye may be used. Examples of preferable light sources in this case include laser light and LED irradiated with light of a specific wavelength. It may be used. Further, in order to efficiently irradiate the working electrode with light, light may be guided using quartz, glass, or a liquid light guide.
本発明の好ましい態様によれば、光源から放射される光がもともと紫外線を実質的に含まないか、または光源からの光の照射が紫外線を除去する手段を介して行われるのが好ましい。これにより、照射光に400nm以下の波長の紫外線が含まれる場合に発生しうる電子受容物質自体の光励起によるバックグランド電流、すなわちノイズを効果的に抑制して、より精度の高い測定が可能となる。なお、増感色素は一般的に可視光の吸収により励起されることができるため、紫外線を除去したとしても可視光の照射により高い感度で光電流を検出することが可能である。 According to a preferred embodiment of the present invention, it is preferable that the light emitted from the light source is essentially free of ultraviolet light, or the light irradiation from the light source is performed through a means for removing the ultraviolet light. As a result, the background current due to photoexcitation of the electron-accepting substance itself, that is, noise, which can be generated when the irradiation light includes ultraviolet light having a wavelength of 400 nm or less can be effectively suppressed, and more accurate measurement can be performed. . In general, since sensitizing dyes can be excited by absorption of visible light, even if ultraviolet rays are removed, photocurrent can be detected with high sensitivity by irradiation with visible light.
紫外線を除去する手段の好ましい例としては、光学フィルタ、および分光器が挙げられる。光学フィルタまたは分光器を用いることにより、照射光の波長を制御することができ、作用電極自体の光励起を防止しつつ、増感色素のみを励起することが可能となる。好ましい光学フィルタの例としては、紫外線カットフィルタ等の色ガラスフィルタが挙げられる。好ましい分光器の例としては、厳密な波長制御が可能な点で、回折格子が内蔵された分光器が挙げられる。 Preferable examples of the means for removing ultraviolet rays include an optical filter and a spectroscope. By using an optical filter or a spectroscope, the wavelength of irradiation light can be controlled, and only the sensitizing dye can be excited while preventing the photoexcitation of the working electrode itself. Examples of preferred optical filters include colored glass filters such as ultraviolet cut filters. As an example of a preferable spectroscope, there is a spectroscope having a built-in diffraction grating in that precise wavelength control is possible.
もともと紫外線を実質的に含まない光を放出する光源の好ましい例としては、レーザ、無機エレクトロルミネッセンス(EL)素子、有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子、発光ダイオード(LED)が挙げられるが、最も好ましくは発光ダイオード(LED)である。LEDによれば、波長分布の狭い制御された光を照射することができ、小型、軽量、低消費電力、および長寿命といった利点も得られる。 Preferred examples of light sources that emit light that is essentially free of ultraviolet light include lasers, inorganic electroluminescence (EL) elements, organic electroluminescence (EL) elements, and light emitting diodes (LEDs), most preferably Light emitting diode (LED). According to the LED, it is possible to irradiate controlled light with a narrow wavelength distribution, and there are also advantages such as small size, light weight, low power consumption, and long life.
本発明のより好ましい態様によれば、使用する電子受容物質についての既知のバンドギャップを下記式に代入して算出される、表1に示されるカットオフ波長よりも短い波長の光を除去することが好ましい。これにより、電子受容物質の特性に応じて、バックグランド電流の発生を効果的に抑制できる。
バンドギャップ(eV) = hν = hc/λ = 1239.8/λ(mm)
(h:プランク定数、c:光速)
According to a more preferable aspect of the present invention, light having a wavelength shorter than the cutoff wavelength shown in Table 1 calculated by substituting the known band gap for the electron accepting material to be used in the following equation is removed. Is preferred. Thereby, generation | occurrence | production of a background current can be suppressed effectively according to the characteristic of an electron accepting substance.
Band gap (eV) = hν = hc / λ = 1239.8 / λ (mm)
(H: Planck constant, c: speed of light)
表 1
電子受容物質 バンドギャップ 好適なカットオフ波長
(eV) (nm)
ルチル型酸化チタン 3.2 387
アナターゼ型酸化チタン 3.0 413
酸化亜鉛 3.1 400
チタン酸ストロンチウム 3.2 387
酸化スズ 3.5 354
酸化タングステン 2.8 443
酸化ニオブ 3.1 400
酸化鉄 2.2 564 Table 1
Electron acceptor band gap Suitable cutoff wavelength
(EV) (nm)
Rutile type titanium oxide 3.2 387
Anatase type titanium oxide 3.0 413
Zinc oxide 3.1 400
Strontium titanate 3.2 387
Tin oxide 3.5 354
Tungsten oxide 2.8 443
Niobium oxide 3.1 400
Iron oxide 2.2 564
なお、電子受容物質には不純物準位を含む場合があるため、万全を期して、カットオフ波長を表1に示される波長よりも長波長側に設定しても構わない。また、作用電極が複数の電子受容物質で構成されている場合には、構成成分のうち最もバンドギャップが狭い成分のカットオフ波長よりも短い波長を除去するのが好ましい。 Note that since the electron-accepting material may contain an impurity level, the cutoff wavelength may be set longer than the wavelength shown in Table 1 for the sake of completeness. When the working electrode is composed of a plurality of electron accepting substances, it is preferable to remove wavelengths shorter than the cutoff wavelength of the component having the narrowest band gap among the constituent components.
図4に示されるように、作用電極21および対電極22間には電流計30が接続され、光照射により系内を流れる光電流が電流計により測定される。これにより、被検物質を検出することができる。その際の電流値は作用電極上にトラップされた増感色素の量を反映する。例えば、被検物質が核酸の場合、相補性のある核酸間で形成された二本鎖の量が、電流値となり反映される。したがって、得られた電流値から被検物質を定量することができる。したがって、本発明の好ましい態様によれば、電流計が、得られた電流量または電気量から試料液中の被検物質濃度を算出する手段をさらに備えてなるのが好ましい。 As shown in FIG. 4, an ammeter 30 is connected between the working electrode 21 and the counter electrode 22, and the photocurrent flowing through the system by light irradiation is measured by the ammeter. Thereby, the test substance can be detected. The current value at that time reflects the amount of sensitizing dye trapped on the working electrode. For example, when the test substance is a nucleic acid, the amount of double strands formed between complementary nucleic acids is reflected as the current value. Therefore, the test substance can be quantified from the obtained current value. Therefore, according to a preferred aspect of the present invention, it is preferable that the ammeter further comprises means for calculating the concentration of the test substance in the sample solution from the obtained amount of current or electricity.
本発明の好ましい態様によれば、光電流を検出する工程が、電流値を測定し、得られた電流値または電気量から試料液中の被検物質濃度を算出することができる。この被検物質濃度の算出は、予め作成された被検物質濃度と電流値または電気量との検量線と、得られた電流値または電気量とを対比することにより行うことができる。本発明の方法にあっては、電流値は作用電極上にトラップされた増感色素の量が反映されるので、被検物質濃度に対応した正確な電流値が得られるため、定量測定に適する。 According to a preferred aspect of the present invention, the step of detecting the photocurrent can measure the current value, and calculate the concentration of the test substance in the sample liquid from the obtained current value or electric quantity. The calculation of the test substance concentration can be performed by comparing a calibration curve between the test substance concentration and the current value or the electric quantity prepared in advance with the obtained current value or the electric quantity. In the method of the present invention, since the current value reflects the amount of the sensitizing dye trapped on the working electrode, an accurate current value corresponding to the concentration of the test substance can be obtained, which is suitable for quantitative measurement. .
本発明の別の好ましい態様によれば、予め増感色素で標識された被検物質を競合物質として用いて、増感色素で標識されていない、プローブ物質に特異的に結合可能な第二の被検物質を定量することができる。第二の被検物質はプローブ物質に標識済被検物質よりも特異的に結合しやすい性質を有するのが好ましい。これら二種類の被検物質を競合させてプローブ物質に特異的に結合させると、検出される電流値と第二の被検物質の濃度との間に相関関係が得られる。つまり、色素標識されていない第二の被検物質の数が増加するにつれ、プローブ物質に特異的に結合する競合物質の数が減少するため、第二の被検物質濃度の増加につれて、検出電流値が減少する検量線を得ることができる。したがって、増感色素で標識されていない第二の被検物質の検出および定量が可能となる。 According to another preferred embodiment of the present invention, a test substance previously labeled with a sensitizing dye is used as a competitor, and a second substance capable of specifically binding to a probe substance that is not labeled with a sensitizing dye. The test substance can be quantified. It is preferable that the second test substance has a property of easily binding to the probe substance more specifically than the labeled test substance. When these two kinds of test substances are made to compete and specifically bind to the probe substance, a correlation is obtained between the detected current value and the concentration of the second test substance. That is, as the number of second analytes that are not dye-labeled increases, the number of competitors that specifically bind to the probe substance decreases, so that the detection current increases as the second analyte concentration increases. A calibration curve with decreasing values can be obtained. Therefore, it is possible to detect and quantify the second test substance that is not labeled with a sensitizing dye.
本発明のより好ましい態様によれば、被検物質および第二の被検物質が抗原であり、プローブ物質が抗体であるのが好ましい。この態様における被検物質および第二の被検物質のプローブ物質への固定化工程を図5に示す。図5に示されるように、増感色素で標識された抗原41と、色素標識されていない抗原42とが競合して抗体43に特異的に結合する。したがって、色素標識されていない抗原42が増加するにつれ、抗体に特異的に結合する色素標識された抗原43が減少するため、第二の被検物質濃度の増加につれて、検出電流値が減少する検量線を得ることができる。 According to a more preferred embodiment of the present invention, the test substance and the second test substance are preferably antigens, and the probe substance is preferably an antibody. FIG. 5 shows the step of immobilizing the test substance and the second test substance on the probe substance in this embodiment. As shown in FIG. 5, the antigen 41 labeled with a sensitizing dye and the antigen 42 not labeled with the dye compete with each other and specifically bind to the antibody 43. Therefore, as the amount of the antigen 42 that is not dye-labeled increases, the amount of the dye-labeled antigen 43 that specifically binds to the antibody decreases. Therefore, the detection current value decreases as the second analyte concentration increases. You can get a line.
フロー型測定用セルおよびパターニング電極を用いた測定方法および装置
本発明の方法および装置の好ましい実施態様の一例として、フロー型測定用セルおよびパターニング電極を用いた測定方法および装置について説明する。図6に、装置の全体構造を示す。図6に示される装置50は、フロー型測定用セル51と、光源52と、電解液タンク53と、洗浄液タンク54と、供給ポンプ55と、電流計56と、排出ポンプ57とを備えてなる。フロー型測定用セル51は、パターニングされた作用電極58と、作用電極に対向する対電極59とを備えてなり、作用電極58および対電極59の間に、電解液または洗浄液を収容しかつ流すことができる流路が形成される。すなわち、供給ポンプ55により測定用セル51内に供給された電解液または洗浄液は、作用電極58および対電極59に接触しながら流路を通過した後、排出ポンプ57により測定用セル51外に排出されるように構成されている。これら一連の動作の制御および光電流値の解析は図示しない制御解析装置により行われることができる。
Measurement Method and Apparatus Using Flow Type Measurement Cell and Patterning Electrode As an example of a preferred embodiment of the method and apparatus of the present invention, a measurement method and apparatus using a flow type measurement cell and a patterning electrode will be described. FIG. 6 shows the overall structure of the apparatus. The apparatus 50 shown in FIG. 6 includes a flow type measurement cell 51, a light source 52, an electrolyte solution tank 53, a cleaning solution tank 54, a supply pump 55, an ammeter 56, and a discharge pump 57. . The flow-type measurement cell 51 includes a patterned working electrode 58 and a counter electrode 59 opposite to the working electrode. The electrolytic solution or the cleaning solution is accommodated between and flows between the working electrode 58 and the counter electrode 59. A flow path is formed. That is, the electrolytic solution or the cleaning solution supplied into the measurement cell 51 by the supply pump 55 passes through the flow path while being in contact with the working electrode 58 and the counter electrode 59, and is then discharged out of the measurement cell 51 by the discharge pump 57. It is configured to be. The control of the series of operations and the analysis of the photocurrent value can be performed by a control analysis device (not shown).
作用電極58は、電子受容層上にプローブ物質が担持された、互いに分離された複数の領域がパターニングされており、光源から照射される光でスキャニングしながら、各領域の試料について被検物質の検出または定量を一度の操作で連続的に行えるように構成されている。このようにパターニングされた作用電極の例を図7(a)〜(d)および図8(a)〜(c)に示す。 The working electrode 58 has a plurality of regions separated from each other, on which a probe substance is supported on the electron-accepting layer, and is scanned with light emitted from a light source, and the sample of each substance in each region is scanned. It is configured so that detection or quantification can be performed continuously in one operation. Examples of the working electrode thus patterned are shown in FIGS. 7 (a) to (d) and FIGS. 8 (a) to (c).
図7(a)および(b)に示される作用電極58は、導電性基材58aの全面に形成された電子受容層58b上に、プローブ物質58cが担持された複数のスポット60が縦横方向にパターニングされたものである。そして、この作用電極58の導電性基材にリード線61が施され、このリード線61を介して作用電極58全体が電流計56に接続されている。この作用電極58によれば、各スポットに順次光照射を行うことにより、発生する光電流を各スポット毎に測定することができる。また、電極の構成が比較的簡単なため電極の作製が容易であり、従来のDNAチップの製造技術を利用できるとの利点もある。また、変形例として、図7(c)に示されるように電子受容層58b自体をスポット状に形成してその上にプローブ物質58cを担持させる、あるいは、図7(d)に示されるように導電性基材を省略して電子受容層58bのみでスポット状の作用電極58を構成してその上にプローブ物質58cを担持させ、かつ電子受容層58bにリード線61を施してもよく、特に後者にあっては、製造工程が簡略化されるとともに製造コストも低減できるとの利点がある。この作用電極に使用される光源52としては、図9に示されるように作用電極58上を縦横方向に移動する光源であるか、または図10に示されるように作用電極58の各スポットに対応して複数の光源が配列させておき、各光源を順に点灯および消灯させるものであってよい。 In the working electrode 58 shown in FIGS. 7A and 7B, a plurality of spots 60 carrying the probe substance 58c are vertically and horizontally arranged on the electron accepting layer 58b formed on the entire surface of the conductive substrate 58a. It has been patterned. A lead wire 61 is applied to the conductive base material of the working electrode 58, and the working electrode 58 as a whole is connected to the ammeter 56 via the lead wire 61. According to this working electrode 58, the photocurrent generated can be measured for each spot by sequentially irradiating each spot with light. In addition, since the structure of the electrode is relatively simple, it is easy to manufacture the electrode, and there is an advantage that a conventional DNA chip manufacturing technique can be used. Further, as a modification, the electron accepting layer 58b itself is formed in a spot shape as shown in FIG. 7C, and the probe material 58c is carried thereon, or as shown in FIG. 7D. The conductive base material may be omitted, and the spot-like working electrode 58 may be constituted by only the electron-accepting layer 58b, the probe material 58c may be supported thereon, and the lead wire 61 may be provided on the electron-accepting layer 58b. The latter has the advantage that the manufacturing process is simplified and the manufacturing cost can be reduced. The light source 52 used for this working electrode is a light source that moves vertically and horizontally on the working electrode 58 as shown in FIG. 9, or corresponds to each spot of the working electrode 58 as shown in FIG. Then, a plurality of light sources may be arranged, and each light source may be turned on and off in turn.
図8(a)および(b)に示される作用電極58’は、絶縁基板58d’上に導電性基材58a’および電子受容層58b’からなる複数のスポット60’が縦横方向にパターニングされており、電子受容層58b’上にプローブ物質58c’が担持される。そして、各スポット60’の導電性基材には個別にリード線61’が施され、このリード線61’を介して各スポット60’が電流計56に接続されている。この作用電極58’によれば、作用電極の全面に光を同時に照射するだけで、各スポットに発生する光電流を同時にかつ個別に測定することができる。また、各スポットにおける光電流を個別に測定することができるので、他のスポットで発生した光電流をノイズとして拾うことが無いとの利点もある。また、変形例として、図8(c)に示されるように導電性基材を省略して電子受容層58b’のみでスポット状の作用電極58’を構成してその上にプローブ物質58c’を担持させ、かつ電子受容層58b’にリード線61’を施してもよく、製造工程が簡略化されるとともに製造コストも低減できるとの利点がある。この作用電極58’に使用される光源52は、図6の作用電極の場合と同様、作用電極58上を縦横方向に移動する光源であるか、または作用電極58の各スポットに対応して複数の光源が配列させておき、各光源を順に点灯および消灯させるものであってよい。 The working electrode 58 ′ shown in FIGS. 8A and 8B is obtained by patterning a plurality of spots 60 ′ composed of a conductive base material 58a ′ and an electron accepting layer 58b ′ on the insulating substrate 58d ′ in the vertical and horizontal directions. The probe material 58c ′ is supported on the electron accepting layer 58b ′. A lead wire 61 ′ is individually applied to the conductive base material of each spot 60 ′, and each spot 60 ′ is connected to the ammeter 56 via the lead wire 61 ′. According to this working electrode 58 ', the photocurrent generated in each spot can be measured simultaneously and individually simply by irradiating the entire surface of the working electrode with light simultaneously. Further, since the photocurrent at each spot can be measured individually, there is an advantage that the photocurrent generated at other spots is not picked up as noise. Further, as a modification, as shown in FIG. 8C, the conductive base material is omitted, and the spot-like working electrode 58 ′ is formed only by the electron accepting layer 58b ′, and the probe substance 58c ′ is formed thereon. The lead wire 61 ′ may be provided on the electron-accepting layer 58b ′, which is advantageous in that the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. As in the case of the working electrode of FIG. 6, the light source 52 used for the working electrode 58 ′ is a light source that moves vertically and horizontally on the working electrode 58, or a plurality of light sources 52 corresponding to each spot of the working electrode 58. These light sources may be arranged, and each light source may be turned on and off in turn.
この装置を使用した測定方法の一例について以下に説明する。
まず、増感色素の共存下、試料液を作用電極に接触させて、プローブ物質に被検物質を直接または間接的に特異的に結合させ、この結合により増感色素を作用電極58に固定させる。このとき、作用電極の電子受容層に図7に示されるスポットパターンのマスキングを施して、プローブ物質が担持された複数のスポット60が縦横方向にパターニングされた作用電極58を得る。こうして得られた作用電極58をフロー型測定用セル51に装着する。
An example of a measurement method using this apparatus will be described below.
First, in the presence of a sensitizing dye, the sample solution is brought into contact with the working electrode to specifically bind the test substance directly or indirectly to the probe substance, and the sensitizing dye is fixed to the working electrode 58 by this binding. . At this time, spot pattern masking shown in FIG. 7 is applied to the electron-accepting layer of the working electrode to obtain a working electrode 58 in which a plurality of spots 60 carrying the probe substance are patterned in the vertical and horizontal directions. The working electrode 58 thus obtained is attached to the flow type measurement cell 51.
次いで、供給ポンプ55を作動させて電解液タンク53から電解液を測定用セル51内に送り込み、測定用セル内の流路を電解液で満たした後、送液を停止する。光源52から作用電極58に光を照射し、電流計56により作用電極58および対電極59間に発生する光電流を測定する。この光電流値の測定にあっては、光電流値が安定する、照射開始後数十秒後の値を採用するのが好ましい。そして、図示しない制御解析装置において、得られた電流値と、予め作成された被検物質濃度と電流値との検量線とを対比することにより被検物質濃度が算出される。光電流の測定終了後、供給ポンプ55を作動させて洗浄液タンク53から洗浄液を測定用セル51内に送り込むと同時に、測定用セル51内の電解液を排出ポンプ57を作動させて排出し、測定用セル内の流路内の電解液で洗浄液で置換した後、送液および排液を停止する。これにより、洗浄液で洗浄化された測定用セル51を用いて、次の測定を上記同様の手順で行うことができる。 Next, the supply pump 55 is operated to feed the electrolytic solution from the electrolytic solution tank 53 into the measuring cell 51. After the flow path in the measuring cell is filled with the electrolytic solution, the feeding is stopped. Light is applied to the working electrode 58 from the light source 52, and the photocurrent generated between the working electrode 58 and the counter electrode 59 is measured by an ammeter 56. In the measurement of the photocurrent value, it is preferable to adopt a value several tens of seconds after the start of irradiation, at which the photocurrent value becomes stable. Then, in a control analysis device (not shown), the test substance concentration is calculated by comparing the obtained current value with a calibration curve between the test substance concentration and the current value prepared in advance. After the measurement of the photocurrent, the supply pump 55 is operated to supply the cleaning liquid from the cleaning liquid tank 53 into the measuring cell 51, and at the same time, the electrolytic solution in the measuring cell 51 is discharged by operating the discharge pump 57. After the electrolyte solution in the flow channel in the cell is replaced with the cleaning solution, the liquid feeding and draining are stopped. Thereby, the next measurement can be performed in the same procedure as described above using the measurement cell 51 cleaned with the cleaning liquid.
以下の実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The following examples further illustrate the present invention. The present invention is not limited to these examples.
例1:作用電極の作製
まず、以下の配合を有する原料を自動乳鉢を用いて充分に混合した後、150℃で6時間乾燥させて混合物を得た。
α−テルピネオール 60重量%
2−(2−ブトキシエトキシ)エタノール 15重量%
エチルセルロース 25重量%
Example 1 Production of Working Electrode First, raw materials having the following composition were mixed thoroughly using an automatic mortar and then dried at 150 ° C. for 6 hours to obtain a mixture.
α-Terpineol 60% by weight
2- (2-butoxyethoxy) ethanol 15% by weight
Ethylcellulose 25% by weight
得られた混合物0.5gに粒状酸化チタン(日本エアロゾル社製P25、平均粒径20〜25nm)1gを添加して混合した後、先に得られた混合物0.5gをさらに添加して混合した。その後、α−テルピネオールを加えて再度混合して、ペーストを得た。これら一連の混合は自動乳鉢を用いて合計3時間行った。 After adding and mixing 1 g of granular titanium oxide (P25 manufactured by Nippon Aerosol Co., Ltd., average particle size 20 to 25 nm) to 0.5 g of the obtained mixture, 0.5 g of the previously obtained mixture was further added and mixed. . Thereafter, α-terpineol was added and mixed again to obtain a paste. The series of mixing was performed for 3 hours in total using an automatic mortar.
フッ素ドープされたSnO2膜が形成されたガラス基板(旭硝子製)の縁枠を幅約63μmのテープでマスキングし、上記ペーストをスキージ印刷した後、60℃で2時間乾燥させた。得られたガラス基板を焼成炉内に入れ、約17分間かけて500℃まで炉内温度を上昇させ、この温度で30分間保持した後、放冷した。炉内温度が100℃に達した時点でガラス基板をエタノールに浸漬した。こうして、酸化チタンを含んでなる電子受容層が形成された作用電極を得た。 The edge frame of a glass substrate (manufactured by Asahi Glass) on which a fluorine-doped SnO 2 film was formed was masked with a tape having a width of about 63 μm, and the paste was squeegee-printed and then dried at 60 ° C. for 2 hours. The obtained glass substrate was put in a baking furnace, the furnace temperature was raised to 500 ° C. over about 17 minutes, held at this temperature for 30 minutes, and then allowed to cool. When the furnace temperature reached 100 ° C., the glass substrate was immersed in ethanol. Thus, a working electrode having an electron accepting layer containing titanium oxide was obtained.
次いで、5’−NH2−AACGTCGTGACTGGGの塩基配列を有するNH2修飾DNAをバッファ(3X SSC)に溶解して、286μMのNH2修飾DNA溶液を調製した。この溶液を、予め95℃で3分間保持した後、氷上で冷却させることにより、変性させておいた。 Then, by dissolving NH 2 modified DNA having the nucleotide sequence of 5'-NH 2 -AACGTCGTGACTGGG buffer (3X SSC), was prepared NH 2 modified DNA solution 286MyuM. This solution was previously denatured by being kept at 95 ° C. for 3 minutes and then cooled on ice.
先に得られた作用電極の電子受容層上に、5mm×5mm角の大きさの開口部が形成された、厚さ700μmのシリコンシールを載置した。この開口部に286μMのNH2修飾DNA溶液35μl注入した。このとき、ピペットチップの先端を用いて、シリコンシールの開口部の四隅まで充分にDNA溶液が行き渡るようにした。続いて、DNA溶液中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から覆い、湿らせた紙等で蒸気圧が調整されたプラスチック容器に収容した。この容器中に60℃で2時間保持して、NH2修飾DNAをインキュベートした。その後、DNA溶液を除去し、流水で軽く電極表面を洗浄した後、空気を吹き付けて残水を飛散させた。こうして、プローブ物質が担持された作用電極を得た。 On the electron-accepting layer of the working electrode obtained previously, a silicon seal with a thickness of 700 μm in which an opening having a size of 5 mm × 5 mm square was formed was placed. 35 μl of 286 μM NH 2 modified DNA solution was injected into this opening. At this time, the tip of the pipette tip was used so that the DNA solution was sufficiently distributed to the four corners of the opening of the silicon seal. Subsequently, the DNA solution was covered from above with a glass plate so as to prevent bubbles from entering as much as possible, and stored in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like. The NH 2 -modified DNA was incubated in this container at 60 ° C. for 2 hours. Thereafter, the DNA solution was removed, the surface of the electrode was washed lightly with running water, and then the remaining water was scattered by blowing air. Thus, a working electrode carrying the probe substance was obtained.
例2:ローダミン修飾DNAの検出
5’−Rho−CCCAGTCACGACGTTの塩基配列を有するローダミン修飾DNAをバッファ(2X SSC、0.03% SDS)に溶解して、28.6μMおよび286μMの各濃度を有するローダミン修飾DNA溶液を作製した。
例1で使用したものと同様のシリコンシールを作用電極表面に載置し、各濃度のローダミン修飾DNA溶液を35μlずつ、開口部に注入した。溶液中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から覆い、湿らせた紙等で蒸気圧を調整したプラスチック容器に入れた。こうして、60℃で一晩(12時間)インキュベートさせて、ハイブリダイゼーションを行った。
Example 2: Detection of rhodamine-modified DNA Rhodamine-modified DNA having a base sequence of 5'-Rho-CCCAGCTACGACGTT was dissolved in a buffer (2X SSC, 0.03% SDS) to obtain rhodamine having respective concentrations of 28.6 μM and 286 μM. A modified DNA solution was prepared.
A silicon seal similar to that used in Example 1 was placed on the surface of the working electrode, and 35 μl of each concentration of rhodamine-modified DNA solution was injected into the opening. The solution was covered with a glass plate from directly above so that air bubbles would not enter the solution as much as possible, and placed in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like. In this way, hybridization was performed by incubating overnight (12 hours) at 60 ° C.
こうしてハイブリダイゼーションが施された作用電極を洗浄液に浸し、ゆっくりと揺らしながら洗浄した。洗浄液としては下記表2に示されるものを使用し、各洗浄液について下記表に示される洗浄時間、洗浄回数、および温度で洗浄を行った。なお、洗浄液を変更する毎に洗浄容器を交換した。
表 2
洗浄液 1回当たりの 洗浄回数 温度
洗浄時間
2X SSC、0.2% SDS 6分間 3回 室温
0.2X SSC、0.2% SDS 6分間 3回 室温
0.2X SSC、0.2% SDS 13分間 1回 60℃
0.2X SSC、0.2% SDS 6分間 2回 室温
0.2X SSC 6分間 1回 室温
注)2X SSC:0.3M塩化ナトリウムおよび0.03Mクエン酸ナトリウム含有水溶液(pH7.0)
SDS:硫酸ドデシルナトリウム
The working electrode thus hybridized was immersed in a washing solution and washed with gentle shaking. The cleaning liquid shown in the following Table 2 was used, and each cleaning liquid was cleaned at the cleaning time, the number of cleanings, and the temperature shown in the following table. The cleaning container was replaced every time the cleaning liquid was changed.
Table 2
Number of cleanings per cleaning liquid Temperature
Cleaning time
2X SSC, 0.2% SDS, 6 minutes, 3 times, room temperature 0.2X SSC, 0.2% SDS, 6 minutes, 3 times, room temperature, 0.2X SSC, 0.2% SDS, 13 minutes, 1 time, 60 ° C
0.2X SSC, 0.2% SDS, 6 minutes, 2 times, room temperature
0.2X SSC 6 minutes once Room temperature
Note) 2X SSC: aqueous solution containing 0.3 M sodium chloride and 0.03 M sodium citrate (pH 7.0)
SDS: sodium dodecyl sulfate
さらに、作用電極をエタノールで軽く液中で上下させることにより、2回洗浄を行った。2回目の洗浄後は紙等で拭き取らずに、素早く空気を吹き付けて残水を飛散させた。 Furthermore, the working electrode was washed twice by gently moving it up and down with ethanol. After the second washing, the remaining water was scattered by quickly blowing air without wiping with paper or the like.
こうして得られた作用電極と、対電極としての白金電極とを用いて、図3および図4に示されるような測定用セルを以下のようにして組み立てた。
まず、白金電極として、ガラス基板上に白金薄膜をスパッタリングにより形成したものを用意した。白金電極の白金膜上に、厚さ500μmのシリコンシートを載置した。このシリコンシートは作用電極と対電極との接触による短絡を防ぐためのスペーサーである。このとき、白金電極の白金で被膜された端部にリード線を接続して、電流を取り出し可能に構成した。作用電極もリード線を介して電流計と接続した。
電解液として、体積比が8:2のエチレンカーボネートとアセトニトリルの混合溶媒にヨウ素0.05Mとテトラプロピルアンモニウムヨーダイド0.5Mを溶解した混合液を用意した。この電解液を白金電極に5μL滴下した後、作用電極をその電子受容層が白金電極と対向するように、載置した。こうして、スペーサーおよび電解液を作用電極および対電極とで挟持されてなる、サンドイッチ型の測定用セルを得た。
Using the working electrode thus obtained and a platinum electrode as a counter electrode, a measurement cell as shown in FIGS. 3 and 4 was assembled as follows.
First, a platinum electrode prepared by sputtering a platinum thin film on a glass substrate was prepared. A silicon sheet having a thickness of 500 μm was placed on the platinum film of the platinum electrode. This silicon sheet is a spacer for preventing a short circuit due to contact between the working electrode and the counter electrode. At this time, a lead wire was connected to the end of the platinum electrode coated with platinum so that current could be taken out. The working electrode was also connected to an ammeter via a lead wire.
As an electrolytic solution, a mixed solution was prepared by dissolving 0.05M iodine and 0.5M tetrapropylammonium iodide in a mixed solvent of ethylene carbonate and acetonitrile having a volume ratio of 8: 2. After 5 μL of this electrolytic solution was dropped on the platinum electrode, the working electrode was placed so that its electron-accepting layer was opposed to the platinum electrode. In this way, a sandwich type measurement cell was obtained in which the spacer and the electrolyte were sandwiched between the working electrode and the counter electrode.
作用電極のリード線と対電極のリード線とを電流計(ALSモデル832A、ディアル電気化学アナライザー)に接続した。光源(林時計社製、LA−250XE)から液体ライトガイドを用いて導光し、紫外線カットフィルタ(Y-43、旭テクノグラス)を介して作用電極表面の1.5cm上方から白色光を30秒間作用電極表面に照射した。このとき、作用電極と対電極との間に流れる電流値を電流計により経時的に測定した。 The working electrode lead wire and the counter electrode lead wire were connected to an ammeter (ALS model 832A, Dial Electrochemical Analyzer). Light is guided from a light source (manufactured by Hayashi-Cho Co., Ltd., LA-250XE) using a liquid light guide, and white light is emitted from 1.5 cm above the working electrode surface through an ultraviolet cut filter (Y-43, Asahi Techno Glass). The surface of the working electrode was irradiated for 2 seconds. At this time, the current value flowing between the working electrode and the counter electrode was measured over time by an ammeter.
図6に28.6μMローダミン修飾DNA溶液を用いた場合の検出電流の経時変化を、図7に286μMローダミン修飾DNA溶液を用いた場合の検出電流の経時変化を示す。これらの図に示されるように、増感色素で標識づけられたDNAと、これと相補性を有するDNAとをハイブリダイゼーションさせると、光の照射により大きな電流が流れることが分かる。 FIG. 6 shows the change over time of the detected current when using the 28.6 μM rhodamine-modified DNA solution, and FIG. 7 shows the change over time of the detected current when using the 286 μM rhodamine-modified DNA solution. As shown in these figures, it can be seen that when a DNA labeled with a sensitizing dye is hybridized with a DNA having complementarity with the DNA, a large current flows due to light irradiation.
また、28.6μMおよび286μMの各ローダミン修飾DNA溶液を用いた場合について、電流値が定常状態になった時点における電流値を別途測定したところ、図8に示される通りの結果が得られた。また、参照のため、ローダミン修飾DNAの固定化を行わなかった場合についても同様にして測定を行った。その結果も図8に併せて示す。図8に示されるように、ローダミン修飾DNAの濃度に依存して電流値が変化した。したがって、本発明の方法によれば定量分析が可能なことが分かる。 In addition, when the 28.6 μM and 286 μM rhodamine-modified DNA solutions were used, the current value at the time when the current value reached a steady state was measured separately, and the results shown in FIG. 8 were obtained. For reference, the same measurement was performed when rhodamine-modified DNA was not immobilized. The results are also shown in FIG. As shown in FIG. 8, the current value varied depending on the concentration of rhodamine-modified DNA. Therefore, it can be seen that quantitative analysis is possible according to the method of the present invention.
例3:プローブ物質を担持させない作用電極を使用した測定
また、比較のため、例1で作製された、NH2修飾DNAを担持させる前の、酸化チタンを含んでなる電子受容層のみが形成された作用電極を用いて測定用セルを構成して、例2と同様に測定を行った。図6に28.6μMローダミン修飾DNA溶液を用いた場合の検出電流の経時変化を、図7に286μMローダミン修飾DNA溶液を用いた場合の検出電流の経時変化を示す。これらの図に示されるように、紫外線カットフィルタで除去できなかった若干量の紫外線によって酸化チタン自身が励起され、光電流が観測されるものの、ローダミン修飾DNA溶液を用いた例2の場合と比べて、光電流は著しく低かった。
Example 3: Measurement using a working electrode not loaded with a probe substance Also, for comparison, only the electron-accepting layer made of titanium oxide was formed in Example 1 before loading NH 2 -modified DNA. A measurement cell was constructed using the working electrode, and measurement was performed in the same manner as in Example 2. FIG. 6 shows the change over time of the detected current when using the 28.6 μM rhodamine-modified DNA solution, and FIG. 7 shows the change over time of the detected current when using the 286 μM rhodamine-modified DNA solution. As shown in these figures, titanium oxide itself is excited by a certain amount of ultraviolet rays that could not be removed by the ultraviolet cut filter, and a photocurrent is observed, but compared with the case of Example 2 using a rhodamine-modified DNA solution. The photocurrent was extremely low.
例4:作用電極にブロッキングを施した場合の測定
例1と同様にして、プローブ物質が担持された作用電極を得た。この電極表面に例1で使用したものと同様のシリコンシールを再度載置して、開口部にブロッキング剤として10μMのジエタノールアミン35μlを注入した。ブロッキング剤中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から覆い、湿らせた紙等で蒸気圧を調整したプラスチック容器に入れた。そして、60℃で30分間保持して、ブロッキング剤をインキュベートした。電極表面を再度流水で軽く洗浄した後、空気を吹き付けて残水を飛散させた。
Example 4: A working electrode carrying a probe substance was obtained in the same manner as in Measurement Example 1 where the working electrode was blocked . A silicon seal similar to that used in Example 1 was again placed on the electrode surface, and 35 μl of 10 μM diethanolamine was injected into the opening as a blocking agent. It was covered with a glass plate from directly above so that air bubbles would not enter the blocking agent as much as possible, and placed in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like. And it hold | maintained at 60 degreeC for 30 minute (s), and incubated the blocking agent. The electrode surface was lightly washed again with running water, and then air was blown to scatter the remaining water.
こうしてプローブ物質がブロッキングされた作用電極を用いて、例2と同様にして、ローダミン修飾DNAのインキュベーションによるハイブリダイゼーション、および光電流測定を行った。その結果は図6および図7に示される通りであった。これらの図に示されるように、ブロッキングが施された作用電極を用いた場合には、それが施されない例2の場合と比べて、著しく電流値が低下した。 Using the working electrode thus blocked with the probe substance, hybridization by incubation of rhodamine-modified DNA and photocurrent measurement were performed in the same manner as in Example 2. The results were as shown in FIG. 6 and FIG. As shown in these figures, when the working electrode subjected to blocking was used, the current value was remarkably reduced as compared with the case of Example 2 where it was not applied.
例5:競合物質PNAとの共存下におけるローダミン修飾DNAの検出
5’−Rho−CCCAGTCACGACGTTの塩基配列を有するローダミン修飾DNAと、競合物質として5’−CCCAGTCACGACGTTTの塩基配列を有するPNAとをバッファ(2X SSC、0.03% SDS)に溶解して、28.6μMローダミン修飾および200μM PNA含有溶液と、286μMローダミン修飾および200μM PNA含有溶液とを作製した。
この試料溶液を用いたこと以外は、例2と同様にして、ローダミン修飾DNAのインキュベーションによるハイブリダイゼーション、および光電流測定を行った。その結果は図6および図7に示される通りであった。これらの図に示されるように、ハイブリダイゼーション時に競合すると考えられる塩基配列を有するPNAを共存させた場合、PNAが共存しない例2の場合と比べて、電流値が低下した。
Example 5: Detection of rhodamine modified DNA in the presence of competitor PNA Rhodamine modified DNA having 5'-Rho-CCCAGTCACGACGTTT base sequence and PNA having 5'-CCCGTCACGACGGTTT base sequence as a competitor (2X SSC, 0.03% SDS) to prepare 28.6 μM rhodamine modified and 200 μM PNA containing solution and 286 μM rhodamine modified and 200 μM PNA containing solution.
Except for using this sample solution, hybridization by incubation of rhodamine-modified DNA and photocurrent measurement were performed in the same manner as in Example 2. The results were as shown in FIG. 6 and FIG. As shown in these figures, when PNA having a base sequence that is considered to compete during hybridization coexists, the current value decreased compared to Example 2 where PNA does not coexist.
例6:検量線の作成
(1) 被検物質およびプローブ物質の準備
色素標識された被検物質(以下、被検DNAともいう)として、3’末端をローダミンBで標識された、以下の塩基配列を有する15塩基の核酸塩基(3’ローダミンDNA)を用意した。また、プローブ物質(以下、プローブDNAともいう)として上記被検DNAと相補鎖を有する15塩基の核酸塩基(5’末端をアミノ基で修飾したDNA(以下、5’−NH2−DNAという)を用意した。すなわち、このプローブDNAと被検DNAは、ハイブリダイゼーション反応により二本鎖DNAを形成することができる。
被検DNA(3’ローダミンDNA):
3’Rho−TTGCAGCACTGACCC 5’
プローブDNA(5’−NH2−DNA):
5’NH2−AACGTCGTGACTGGG 3’
Example 6: Preparation of calibration curve (1) Preparation of test substance and probe substance The following bases having a 3 'end labeled with rhodamine B as a dye-labeled test substance (hereinafter also referred to as test DNA) A 15-base nucleobase having a sequence (3 ′ rhodamine DNA) was prepared. Further, as a probe substance (hereinafter also referred to as probe DNA), a 15-base nucleobase having a complementary strand to the test DNA (DNA having a 5 ′ end modified with an amino group (hereinafter referred to as 5′-NH 2 -DNA)) That is, this probe DNA and test DNA can form a double-stranded DNA by a hybridization reaction.
Test DNA (3 ′ rhodamine DNA):
3 'Rho-TTGCAGCACTGACCC 5'
Probe DNA (5′-NH 2 -DNA):
5 ′ NH 2 -AACGTCGGTACTGGGG 3 ′
(2) 作用電極の作製およびプローブ物質の担持
まず、チタニア微粉末(昭和タイタニウム社製、F2、平均粒径60nm、アナターゼ:ルチル=4:6)1gと、以下の配合を有する有機ビヒクル1gとを自動乳鉢で混練しながら、徐々に溶媒(αテルピネオール:ブチルカルビトール=重量比60:40)1gを添加して、酸化チタンペーストを得た。これら一連の混合は合計5時間行われた。
α−テルピネオール 65重量%
ブチルカルビトール 15重量%
ポリビニルブチラール 20重量%
(2) Production of working electrode and loading of probe substance First, 1 g of fine titania powder (Showa Titanium Co., F2, average particle size 60 nm, anatase: rutile = 4: 6), and 1 g of an organic vehicle having the following composition: Was gradually kneaded in an automatic mortar, and 1 g of a solvent (α terpineol: butyl carbitol = weight ratio 60:40) was gradually added to obtain a titanium oxide paste. This series of mixing was carried out for a total of 5 hours.
α-Terpineol 65% by weight
Butyl carbitol 15% by weight
Polyvinyl butyral 20% by weight
フッ素ドープされた酸化スズ(F−SnO2:FTO)コートガラス(エイアイ特殊硝子社製、U膜、シート抵抗:15Ω/□)の導電面上の縁枠を金属メタルスクリーンマスクでマスキングし、上記ペーストを用いて厚さ120μm、大きさ5mm×5mmの膜を作製した。得られた膜を60℃で3時間乾燥させた後、500℃で30分間焼成を行い、酸化チタン多孔質膜を電子受容層として備えた作用電極を得た。こうして得られた作用電極にBLBランプで一晩紫外線照射を施し、汚れおよび残存有機物の除去を行った。 Mask the edge frame on the conductive surface of fluorine-doped tin oxide (F-SnO 2 : FTO) coated glass (manufactured by AI Special Glass Co., Ltd., U film, sheet resistance: 15Ω / □) with a metal metal screen mask, and A film having a thickness of 120 μm and a size of 5 mm × 5 mm was produced using the paste. The obtained film was dried at 60 ° C. for 3 hours and then baked at 500 ° C. for 30 minutes to obtain a working electrode having a titanium oxide porous film as an electron-accepting layer. The working electrode thus obtained was irradiated with UV light overnight with a BLB lamp to remove dirt and residual organic matter.
次いで、プローブDNAとして5’−NH2−DNAを50mM HEPES(pH7.0)に溶解させて水溶液を調製した。この溶液を、予め95℃で3分間保持した後、氷上(2℃)で3分間以上冷却させることにより、熱変性させておいた。 Subsequently, 5′-NH 2 -DNA was dissolved in 50 mM HEPES (pH 7.0) as a probe DNA to prepare an aqueous solution. This solution was previously held at 95 ° C. for 3 minutes and then heat-denatured by cooling on ice (2 ° C.) for 3 minutes or more.
先に得られた作用電極の電子受容層上に、スペーサー用穴あきテープを貼り、ピンセットの先を用いてテープ接着面に残存する空気を除去した。このテープ上に、5mm×5mm角の大きさの開口部が形成されたシリコンシートを載置して密着させた。この開口部に先に調製した5’−NH2−DNA溶液(200μM)を25μl装填した。このとき、ピペットチップの先端を用いて、シリコンシールの開口部の四隅まで充分にDNA溶液が行き渡るようにした。続いて、DNA溶液中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から蓋をして、湿らせた紙等で蒸気圧が調整されたプラスチック容器に収容した。この容器中に60℃で6時間保持して、5’−NH2−DNAをインキュベートした。その後、DNA溶液を除去し、流水で軽く電極表面を2秒間洗浄した後、空気を吹き付けて残水を飛散させた。こうして、プローブDNAが担持された作用電極を得た。 A spacer-perforated tape was affixed on the electron-accepting layer of the working electrode obtained earlier, and air remaining on the tape adhesive surface was removed using the tip of a tweezers. On this tape, a silicon sheet having an opening of 5 mm × 5 mm square was placed and brought into close contact. The opening was charged with 25 μl of the previously prepared 5′-NH 2 -DNA solution (200 μM). At this time, the tip of the pipette tip was used so that the DNA solution was sufficiently distributed to the four corners of the opening of the silicon seal. Subsequently, the glass solution was covered with a glass plate so that air bubbles would not enter the DNA solution as much as possible, and then stored in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like. The container was kept at 60 ° C. for 6 hours to incubate 5′-NH 2 -DNA. Thereafter, the DNA solution was removed, and the electrode surface was gently washed with running water for 2 seconds, and then air was blown to scatter the remaining water. Thus, a working electrode carrying the probe DNA was obtained.
上記プローブ物質が担持された作用電極に新たなシリコンシールを載置し、開口部にブロッキング剤として1μMのジエタノールアミン25μlを装填した。ブロッキング剤中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から蓋をして、湿らせた紙等で蒸気圧を調整したプラスチック容器に入れた。そして、60℃で30分間保持して、ブロッキング剤をインキュベートした。電極表面を再度流水で軽く2秒間洗浄した後、空気を吹き付けて残水を飛散させた。こうしてブロッキングが施された作用電極を得た。 A new silicon seal was placed on the working electrode carrying the probe substance, and 25 μl of 1 μM diethanolamine was loaded into the opening as a blocking agent. In order to prevent bubbles from entering the blocking agent as much as possible, the glass plate was covered with a lid from directly above and placed in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like. And it hold | maintained at 60 degreeC for 30 minute (s), and incubated the blocking agent. The electrode surface was again lightly washed with running water for 2 seconds and then air was blown to scatter the remaining water. Thus, a working electrode subjected to blocking was obtained.
(3)ハイブリダイゼーション
色素標識された被検DNAとしての3’ローダミンDNAをHEPES水溶液に溶解して、0、10、40、400、4000、15000、25000、30000、40000、80000nMの各濃度を有する3’ローダミンDNA溶液を作製した。
各濃度の3’ローダミンDNA溶液を25μl作用電極に装填した。溶液中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から蓋をして、湿らせた紙等で蒸気圧を調整したプラスチック容器に入れた。こうして、60℃で15時間インキュベートさせて、ハイブリダイゼーションを行った。
(3) Hybridization 3 ′ rhodamine DNA as a dye-labeled test DNA is dissolved in an HEPES aqueous solution, and each concentration is 0, 10, 40, 400, 4000, 15000, 25000, 30000, 40000, and 80000 nM. A 3 ′ rhodamine DNA solution was prepared.
Each concentration of 3 ′ rhodamine DNA solution was loaded onto a 25 μl working electrode. In order to prevent bubbles from entering the solution as much as possible, it was covered with a glass plate from directly above and placed in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like. Thus, hybridization was performed by incubating at 60 ° C. for 15 hours.
こうしてハイブリダイゼーションが施された作用電極を洗浄液に浸し、ゆっくりと揺らしながら洗浄した。洗浄液としては下記表3に示されるものを使用し、各洗浄液について下記表に示される洗浄時間、洗浄回数、および温度で洗浄を行った。なお、洗浄液を変更する毎に洗浄容器を交換した。さらに、作用電極を水で5秒間洗い流し、素早く空気を吹き付けて残水を飛散させた。
表 3
洗浄液 1回当たりの 洗浄回数 温度
洗浄時間
HEPES、0.1%Tween20 6分間 6回 室温
HEPES、0.1%Tween20 13分間 1回 60℃
HEPES 6分間 2回 室温
超純水 15分間 1回 室温
注)HEPES:2−[4−(2−ヒドロキシエチル)−1−ピペラジニル]エタンスルホン酸(同仁化学研究所製)の50mM、pH7.0の溶液
0.1%Tween20:SERVA社製の界面活性剤を超純水に0.1vol%で希釈したもの
The working electrode thus hybridized was immersed in a washing solution and washed with gentle shaking. The cleaning liquid shown in Table 3 below was used, and each cleaning liquid was cleaned at the cleaning time, the number of times of cleaning, and the temperature shown in the following table. The cleaning container was replaced every time the cleaning liquid was changed. Further, the working electrode was rinsed with water for 5 seconds, and air was quickly blown to scatter the remaining water.
Table 3
Number of cleanings per cleaning liquid Temperature
Cleaning time
HEPES, 0.1% Tween20 6 minutes 6 times, room temperature HEPES, 0.1% Tween20 13 minutes, 1 time 60 ° C
HEPES 6 minutes 2 times room temperature
Ultrapure water 15 minutes once Room temperature
Note) HEPES: 2- [4- (2-hydroxyethyl) -1-piperazinyl] ethanesulfonic acid (manufactured by Dojindo Laboratories), 50 mM, pH 7.0 0.1% Tween 20: Surface activity manufactured by SERVA Agent diluted to 0.1 vol% in ultrapure water
(4)測定用セルの組み立て
こうして得られた作用電極と、対電極としての白金電極とを用いて、図3および図4に示されるような測定用セルを以下のようにして組み立てた。
まず、白金電極として、厚さ1mmのガラス基板上に、密着性確保のためのクロム層を介して、白金薄膜をスパッタリングにより形成したものを用意した。白金電極の白金膜上に、厚さ500μmのシリコンシートを載置した。このシリコンシートは作用電極と対電極との接触による短絡を防ぐためのスペーサーである。このとき、白金電極の白金で被膜された端部にリード線を接続して、電流を取り出し可能に構成した。作用電極もリード線を介して電流計と接続した。
電解液として、体積比が4:6のアセトニトリルと炭酸エチレンの混合溶媒にヨウ素0.06Mとテトラプロピルアンモニウムヨーダイド0.6Mを溶解した混合液を用意した。この電解液を白金電極に1滴(5μL)滴下した後、作用電極をその電子受容層が白金電極と対向するように、載置した。こうして、スペーサーおよび電解液を作用電極および対電極とで挟持されてなる、サンドイッチ型の測定用セルを得た。
(4) Assembly of measurement cell Using the working electrode thus obtained and a platinum electrode as a counter electrode, a measurement cell as shown in FIGS. 3 and 4 was assembled as follows.
First, a platinum electrode was prepared by sputtering a platinum thin film on a 1 mm thick glass substrate through a chromium layer for ensuring adhesion. A silicon sheet having a thickness of 500 μm was placed on the platinum film of the platinum electrode. This silicon sheet is a spacer for preventing a short circuit due to contact between the working electrode and the counter electrode. At this time, a lead wire was connected to the end of the platinum electrode coated with platinum so that current could be taken out. The working electrode was also connected to an ammeter via a lead wire.
As an electrolytic solution, a mixed solution in which 0.06M iodine and 0.6M tetrapropylammonium iodide were dissolved in a mixed solvent of acetonitrile and ethylene carbonate having a volume ratio of 4: 6 was prepared. After 1 drop (5 μL) of this electrolyte solution was dropped onto the platinum electrode, the working electrode was placed so that its electron-accepting layer was opposed to the platinum electrode. In this way, a sandwich type measurement cell was obtained in which the spacer and the electrolyte were sandwiched between the working electrode and the counter electrode.
(5)光電流の測定
作用電極のリード線と対電極のリード線とをポテンシオスタット(北斗電工社製、HSV−100)に接続した。250Wキセノンランプ(林時計工業社製、LA−250Xe)から液体ライトガイドを用いて導光し、基材である酸化チタンによる光吸収および光電流発生を避けるため430nm以下の波長の光を除去できる紫外線カットフィルタ(旭テクノグラス社製、Y−43)を介して作用電極表面に光を作用電極表面に照射した。このとき、作用電極と対電極との間に流れる電流値を電流計により経時的に測定した。電流値の測定は60秒間行ったが、光の照射は電流の測定開始10秒後から30秒間のみ行った。
(5) Measurement of photocurrent The lead wire of the working electrode and the lead wire of the counter electrode were connected to a potentiostat (HSV-100, manufactured by Hokuto Denko Corporation). Light is guided from a 250W xenon lamp (LA-250Xe, manufactured by Hayashi Watch Industry Co., Ltd.) using a liquid light guide, and light with a wavelength of 430 nm or less can be removed in order to avoid light absorption and photocurrent generation by titanium oxide as a substrate. The surface of the working electrode was irradiated with light through an ultraviolet cut filter (Asahi Techno Glass Co., Ltd., Y-43). At this time, the current value flowing between the working electrode and the counter electrode was measured over time by an ammeter. The current value was measured for 60 seconds, but the light irradiation was performed only for 30 seconds after 10 seconds from the start of current measurement.
(6)検量線の作成
被検DNAの濃度と、検出された光電流の値とから、図14および15に示される検量線が得られた。図14に示されるように、被検DNA濃度が0〜4000nMの低濃度域では、被検DNA濃度と電流値との間に比例関係が見られた。また、図15に示されるように、被検DNA濃度が1000〜100000nMの高濃度域では、被検DNA濃度の対数と電流値との間にリニアな関係が得られた。したがって、これらの検量線を用いることにより、未知の被検DNAの濃度を、測定された光電流値に基づいて正確に知ることができる。すなわち、本発明の方法によれば、DNAの定量が可能である。
(6) Preparation of calibration curve From the concentration of the test DNA and the value of the detected photocurrent, the calibration curve shown in FIGS. 14 and 15 was obtained. As shown in FIG. 14, in the low concentration range where the test DNA concentration is 0 to 4000 nM, a proportional relationship was observed between the test DNA concentration and the current value. In addition, as shown in FIG. 15, in the high concentration range where the test DNA concentration is 1000 to 100,000 nM, a linear relationship was obtained between the logarithm of the test DNA concentration and the current value. Therefore, by using these calibration curves, the concentration of the unknown test DNA can be accurately known based on the measured photocurrent value. That is, according to the method of the present invention, DNA can be quantified.
例7:リチウムイオンを含む電解質媒体を用いた例
電解液として以下の二種類の対カチオンを含有する電解液AおよびBを使用したこと、および被検DNA溶液(5’−NH2−DNA溶液)の濃度を200μMとしたこと以外は例6と同様にして試験を行った。
電解液A:40容量%炭酸エチレンおよび60容量%アセトニトリルの混合溶媒中、0.06M I2および0.6M TPA+I−が溶解された液(テトラプロピルアミンモニウムカチオン((n−C3H7)4N+;TPA+)を対カチオンとして有する電解液)
電解液B:アセトニトリル中、0.05M I2および0.5M Li+I−が溶解した液(リチウムイオンを対カチオンとする電解液)
Example 7: Example using an electrolyte medium containing lithium ions The following electrolytic solutions A and B containing two kinds of counter cations were used as the electrolytic solution, and the test DNA solution (5'-NH 2 -DNA solution) ) Was carried out in the same manner as in Example 6 except that the concentration was 200 μM.
Electrolyte A: A solution in which 0.06 M I 2 and 0.6 M TPA + I − are dissolved in a mixed solvent of 40% by volume ethylene carbonate and 60% by volume acetonitrile (tetrapropylaminemonium cation ((n-C 3 H 7 ) Electrolyte solution having 4N + ; TPA + ) as a counter cation)
Electrolytic solution B: a solution in which 0.05 M I 2 and 0.5 M Li + I − are dissolved in acetonitrile (electrolytic solution using lithium ions as counter cations)
また、ブランクとして、プローブDNAおよび被検DNAのいずれも固定化されていない、作製されたままの作用電極についても光電流値を測定した。 In addition, as a blank, the photocurrent value was also measured for a working electrode as fabricated, in which neither the probe DNA nor the test DNA was immobilized.
測定された光電流値(安定電流値)は表4に示される通りであった。
表 4
電解液 光電流値(mA)
本発明例 ブランク
A(TPA+) 1.4 0.3
B(Li + ) 1.7 0.4
The measured photocurrent values (stable current values) were as shown in Table 4.
Table 4
Electrolyte Photocurrent value (mA)
Example of the present invention Blank
A (TPA + ) 1.4 0.3
B (Li + ) 1.7 0.4
表4から分かるように、電解液AおよびBのいずれもヨウ素とヨウ化物を含んでおり、そのいずれを用いた場合も、高感度に光電流を検出することができた。特に、リチウムイオンを対カチオンとして含有する電解液Bでは、リチウムイオンを含まない電解液Aと比べて、20〜35%も光電流が増加する傾向が見られた。つまり、リチウムイオンを対カチオンとして電解質媒体に使用することで、検出される光電流を増加させて、被検DNAを高感度に検出できることが分かる。 As can be seen from Table 4, both electrolytic solutions A and B contained iodine and iodide, and even when any of them was used, the photocurrent could be detected with high sensitivity. In particular, in the electrolytic solution B containing lithium ions as a counter cation, the photocurrent tended to increase by 20 to 35% as compared with the electrolytic solution A not containing lithium ions. That is, it can be seen that by using lithium ions as the counter cation in the electrolyte medium, the detected photocurrent can be increased and the test DNA can be detected with high sensitivity.
例8:電子受容物質として酸化チタンまたはチタン酸ストロンチウムを用いた例
作用電極作製用ペーストを以下のように調製したこと、および被検DNA溶液の濃度を200μMとしたこと以外は例6と同様にして試験を行った。
Example 8: Example using titanium oxide or strontium titanate as an electron accepting substance As in Example 6, except that a working electrode preparation paste was prepared as follows and the concentration of the test DNA solution was 200 μM. The test was conducted.
すなわち、作用電極作製用ペーストの作製は、以下に示される酸化物半導体0.5gと、例6で使用したものと同様の有機ビヒクル0.5gとを自動乳鉢で混練しながら、徐々に溶媒(αテルピネオール:ブチルカルビトール=重量比60:40)1gを添加することにより行った。これら一連の混合は合計5時間行われた。
TiO2:昭和タイタニウム社製、F−2、平均粒子径約60nm、アナターゼ:ルチル=2:8の混合相
ZnO:シーアイ化成社製、NanotekZnO、平均粒子径約30nm
Nb2O5:多木化学社製、酸化ニオブゾルを蒸発乾固した粉末、平均粒子径約10nm
WO3:和光純薬社製、平均粒子径約100nm
SrTiO3:2−エチルヘキサン酸ストロンチウムのトルエン溶液とチタンテトライソプロポキシドのイソプロピルアルコール溶液をモル比(Sr:Ti)で1:1の割合で混合し、100℃で蒸発乾固させた後、850℃で焼成する方法で自製した粉末、平均粒子径約200nm
In2O3:和光純薬社製、平均粒子径約100nm
That is, the working electrode preparation paste was prepared by gradually mixing a solvent (0.5 g) while kneading 0.5 g of an oxide semiconductor shown below and 0.5 g of an organic vehicle similar to that used in Example 6 in an automatic mortar. It was performed by adding 1 g of α-terpineol: butyl carbitol = weight ratio 60:40). This series of mixing was carried out for a total of 5 hours.
TiO 2 : Showa Titanium Co., F-2, average particle size of about 60 nm, anatase: rutile = 2: 8 mixed phase ZnO: CI Kasei Co., Ltd. NanotekZnO, average particle size of about 30 nm
Nb 2 O 5 : manufactured by Taki Chemical Co., Ltd., powder obtained by evaporating and drying niobium oxide sol, average particle diameter of about 10 nm
WO 3 : Wako Pure Chemical Industries, average particle size of about 100 nm
SrTiO 3 : A toluene solution of strontium 2-ethylhexanoate and an isopropyl alcohol solution of titanium tetraisopropoxide were mixed at a molar ratio (Sr: Ti) of 1: 1 and evaporated to dryness at 100 ° C. Self-made powder by baking at 850 ° C., average particle size of about 200 nm
In 2 O 3 : Wako Pure Chemical Industries, average particle size of about 100 nm
また、ブランクとして、プローブDNAおよび被検DNAのいずれも固定化されていない、作製されたままの作用電極についても光電流値を測定した。 In addition, as a blank, the photocurrent value was also measured for a working electrode as fabricated, in which neither the probe DNA nor the test DNA was immobilized.
測定された光電流値(安定電流値)は表5に示される通りであった。なお、表4には、実測値のみならず、ブランクについて計測されたバックグランド電流値を差し引いた補正後の電流値も示す。
表 5
電子受容物質 平均粒子径 光電流値(mA)
(nm) 実測値 ブランク 補正後の電流値
TiO2 60 1.53 0.04 1.49
ZnO 30 0.59 0.03 0.56
WO3 100 0.24 0.10 0.14
Nb2O5 10 0.025 0.010 0.015
SrTiO3 200 0.045 0.0006 0.045
In 2 O 3 100 0.30 0.07 0.23
The measured photocurrent values (stable current values) were as shown in Table 5. Table 4 shows not only actual measured values but also corrected current values obtained by subtracting measured background current values for blanks.
Table 5
Electron acceptor average particle diameter Photocurrent (mA)
(Nm) Measured value Blank Current value after correction TiO 2 60 1.53 0.04 1.49
ZnO 30 0.59 0.03 0.56
WO 3 100 0.24 0.10 0.14
Nb 2 O 5 10 0.025 0.010 0.015
SrTiO 3 200 0.045 0.0006 0.045
In 2 O 3 100 0.30 0.07 0.23
表5から分かるように、上記いずれの酸化物半導体を電子受容物質として使用した場合にも、光電流を検出することができた。特に、光電流の実測値および補正後の電流値と共に酸化チタンが最も高い値を示し、優れた電子受容物質であることが分かる。また、チタン酸ストロンチウムは、ブランクについて計測されたバックグランド電流値が極めて低いことからS/N比に優れており、高い精度で被検DNAに起因する応答電流を検出できることが分かる。 As can be seen from Table 5, the photocurrent could be detected when any of the above oxide semiconductors was used as the electron acceptor. In particular, titanium oxide shows the highest value together with the measured value of the photocurrent and the corrected current value, indicating that it is an excellent electron accepting material. In addition, strontium titanate has an excellent S / N ratio because the background current value measured for the blank is extremely low, and it can be seen that the response current caused by the test DNA can be detected with high accuracy.
例9:各種酸化物半導体におけるバックグランド電流の波長依存性
以下の5種類の酸化物半導体について、分光光度計(島津製作所社製、UV−3150)を使用して、拡散反射(DR)スペクトルを測定した。
SrTiO3:2−エチルヘキサン酸ストロンチウムのトルエン溶液とチタンテトライソプロポキシドのイソプロピルアルコール溶液をモル比(Sr:Ti)で1:1の割合で混合し、100℃で蒸発乾固させた後、850℃で焼成する方法で自製した粉末、平均粒子径約200nm
F3:昭和タイタニウム社製、平均粒子径約50nm、アナターゼ:ルチル=4:6の酸化チタン
P−25:日本アエロジル社製、平均粒子径約25nm、アナターゼ:ルチル=7:3の酸化チタン
ST−01:石原産業社製、平均粒子径約7nm、アナターゼ型酸化チタン
ZnO:シーアイ化成社製、NanotekZnO、平均粒子径30nm
Example 9: Wavelength dependence of background current in various oxide semiconductors For five types of oxide semiconductors below, using a spectrophotometer (manufactured by Shimadzu Corporation, UV-3150), diffuse reflection (DR) spectra were obtained. It was measured.
SrTiO 3 : A toluene solution of strontium 2-ethylhexanoate and an isopropyl alcohol solution of titanium tetraisopropoxide were mixed at a molar ratio (Sr: Ti) of 1: 1 and evaporated to dryness at 100 ° C. Self-made powder by baking at 850 ° C., average particle size of about 200 nm
F3: titanium oxide manufactured by Showa Titanium Co., average particle size of about 50 nm, anatase: rutile = 4: 6 titanium oxide P-25: Nippon Aerosil Co., Ltd., average particle size of about 25 nm, anatase: rutile = 7: 3 titanium oxide ST- 01: manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd., average particle size of about 7 nm, anatase type titanium oxide ZnO: manufactured by CI Kasei Co., Ltd., NanotekZnO, average particle size of 30 nm
その結果は図16に示される通りであった。図16に示されるように、測定した全ての酸化物粉末は全て紫外領域の波長の光を吸収するが、410nm以上の波長の光をほとんど吸収しないことが分かる。このことは、照射光の波長をカットフィルタやバンドパスフィルタを用いて制御することにより、電子受容物質自体の光吸収に由来するバックグランド電流を極力抑制できることを意味する。特に、図16から分かるように、チタン酸ストロンチウムは400nm以上の波長の光をほとんど吸収しておらず、バックグランド電流が極めて低いという例8の結果と一致する。 The result was as shown in FIG. As shown in FIG. 16, it can be seen that all the measured oxide powders absorb light having a wavelength in the ultraviolet region, but hardly absorb light having a wavelength of 410 nm or more. This means that the background current derived from the light absorption of the electron accepting substance itself can be suppressed as much as possible by controlling the wavelength of the irradiation light using a cut filter or a bandpass filter. In particular, as can be seen from FIG. 16, strontium titanate hardly absorbs light having a wavelength of 400 nm or more, which is consistent with the result of Example 8 in which the background current is extremely low.
例10:被検DNAにおける色素標識位置による測定への影響
色素標識された被検DNAとして以下に示される3’ローダミンDNAおよび5’ローダミンDNAの二種類を使用したこと、および被検DNA溶液の濃度を200μMとしたこと以外は例6と同様にして試験を行った。
被検DNA(3’ローダミンDNA):
3’Rho−TTGCAGCACTGACCC 5’
被検DNA(5’ローダミンDNA):
3’ TTGCAGCACTGACCC−Rho5’
Example 10: Influence on measurement by dye labeling position in test DNA Two types of 3 'rhodamine DNA and 5' rhodamine DNA shown below were used as dye-labeled test DNA, and the test DNA solution The test was performed in the same manner as in Example 6 except that the concentration was 200 μM.
Test DNA (3 ′ rhodamine DNA):
3 'Rho-TTGCAGCACTGACCC 5'
Test DNA (5 ′ rhodamine DNA):
3 'TTGCAGCACTGACCC-Rho5'
なお、これらの被検DNAはいずれも、プローブDNAである5’−NH2−DNAとハイブリダイゼーション反応により二本鎖DNAを形成することができるものである。 All of these test DNAs can form double-stranded DNA by hybridization reaction with 5′-NH 2 -DNA which is a probe DNA.
比較のため、被検DNAの代わりに、プローブDNAとの相補鎖を持たない、3’末端をローダミンBで標識された、以下の塩基配列を有する15塩基の核酸塩基(T−ローダミンDNA)を用いて、上記同様の試験を行った。
T−ローダミンDNA:
5’ TTTTTTTTTTTTTTT−Rho3’
For comparison, a 15-base nucleobase (T-rhodamine DNA) having the following base sequence, which has no complementary strand to the probe DNA and labeled with rhodamine B and has the following base sequence, is used instead of the test DNA. The same test as above was performed.
T-rhodamine DNA:
5 'TTTTTTTTTTTTTTT-Rho3'
また、ブランクとして、プローブDNAおよび被検DNAのいずれも固定化されていない、作製されたままの作用電極についても光電流値を測定した。 In addition, as a blank, the photocurrent value was also measured for a working electrode as fabricated, in which neither the probe DNA nor the test DNA was immobilized.
測定された光電流値(安定電流値)は表6に示される通りであった。
表 6
被検DNA 光電流値(mA)
3’ローダミンDNA 1.53
5’ローダミンDNA 1.28
T−ローダミンDNA(比較例) 0.29
ブランク(比較例) 0.04
The measured photocurrent values (stable current values) were as shown in Table 6.
Table 6
Test DNA Photocurrent value (mA)
3 'Rhodamine DNA 1.53
5 ′ Rhodamine DNA 1.28
T-Rhodamine DNA (Comparative Example) 0.29
Blank (comparative example) 0.04
表6に示される通り、被検DNAの3‘末端を色素標識した場合と、被検DNAの5’末端を色素標識した場合の両方において、ほぼ同等の光電流が観測された。この結果から、被検DNAの3‘末端および5’末端のどちらに色素標識しても、高感度に被検DNAを検出できることが分かる。
一方、表6から分かるように、プローブDNAと相補鎖を持たないT−ローダミンDNAを使用した場合には、色素に由来する光電流がほとんど検出されなかった。すなわち、T−ローダミンDNAとプローブDNAとの間にハイブリダイゼーション反応が起こらなかったことが分かる。
また、ブランク試験の結果から、プローブDNAおよび被検DNAのいずれも固定化されていない、作製されたままの作用電極を使用した場合には、ほとんど光電流が検出されないことが分かる。
したがって、光電流の発生は基本的に被検DNAに標識された増感色素の光励起反応および電子受容物質への電子移動反応によって起こるものであり、その光電流値は電極上の二本鎖DNAの形成の割合に依存することが分かる。
As shown in Table 6, almost the same photocurrent was observed both when the 3 ′ end of the test DNA was dye-labeled and when the 5 ′ end of the test DNA was dye-labeled. From this result, it can be seen that the test DNA can be detected with high sensitivity regardless of whether the 3 ′ end or the 5 ′ end of the test DNA is labeled with a dye.
On the other hand, as can be seen from Table 6, when T-rhodamine DNA having no complementary strand with the probe DNA was used, almost no photocurrent derived from the dye was detected. That is, it can be seen that no hybridization reaction occurred between T-rhodamine DNA and probe DNA.
In addition, it can be seen from the results of the blank test that almost no photocurrent is detected when an as-prepared working electrode in which neither the probe DNA nor the test DNA is immobilized is used.
Therefore, the generation of the photocurrent is basically caused by the photoexcitation reaction of the sensitizing dye labeled on the test DNA and the electron transfer reaction to the electron accepting substance, and the photocurrent value is the double-stranded DNA on the electrode. It can be seen that this depends on the rate of formation.
例11:光電流のアクションスペクトルの測定
被検DNA溶液の濃度を40μMとしたこと、光電流の測定の代わりに以下に述べる光電流のアクションスペクトルの測定を行ったこと以外は例6と同様にして試験を行った。
すなわち、光電流のアクションスペクトルの測定は、波長可変単色光源(分光計器製)を用いて行った。IPCE(Incident Photon to Current Efficiency:光電変換効率)をM. Gratzelらの報告(J. Am. Chem. Soc. 115, 6382, 1993)に基づき、下記式を用いて算出した。中心波長を各波長に設定し、半値幅を20nmとした。フォトンフラックス(Photon Flux)はスペクトルラディオメーター(ウシオ電機社製、USR−40D)を用いて測定した。
IPCE = 1250×光電流密度(μA/cm2)/[波長(nm)×フォトンフラックス(W/m2)]
Example 11: Measurement of photocurrent action spectrum The procedure of Example 6 was repeated except that the concentration of the test DNA solution was 40 μM and the photocurrent action spectrum was measured in place of the photocurrent measurement. The test was conducted.
That is, the measurement of the action spectrum of the photocurrent was performed using a wavelength variable monochromatic light source (manufactured by Spectrometer). IPCE (Incident Photon to Current Efficiency) was calculated using the following formula based on a report by M. Gratzel et al. (J. Am. Chem. Soc. 115, 6382, 1993). The center wavelength was set to each wavelength, and the half width was 20 nm. Photon flux (Photon Flux) was measured using a spectrum radiometer (USR-40D manufactured by USHIO INC.).
IPCE = 1250 × photocurrent density (μA / cm 2 ) / [wavelength (nm) × photon flux (W / m 2 )]
測定されたアクションスペクトル(IPCEの波長依存性)は図17に示される通りであった。図17には、使用した増感色素であるローダミンBの吸収スペクトルの併せて示してある。図17から分かるように、得られたアクションスペクトルは、増感色素(ローダミンB)の吸収スペクトルと同様のプロファイルを示した。これは、光電流が増感色素の励起に起因することを示唆する。すなわち、ローダミンBの吸収中心波長は520nmと見られるので、この波長域の光量を増加させることで、光電流値を増大できるものと考えられる。一方、420nm以下の波長領域では光電流が上昇する傾向が見られたが、この光電流は電子受容物質である酸化チタン自身の光励起に起因する光電流である。この電流は、被検DNAおよびプローブDNAのハイブリダイゼーションの有無にかかわらず発生し、いわゆるノイズとなる。したがって、センサの高精度化を実現させるためには、420nm以下の光を極力除去することが有効であることが分かる。 The measured action spectrum (IPCE wavelength dependence) was as shown in FIG. FIG. 17 also shows the absorption spectrum of rhodamine B, which is the sensitizing dye used. As can be seen from FIG. 17, the obtained action spectrum showed a profile similar to the absorption spectrum of the sensitizing dye (rhodamine B). This suggests that the photocurrent is due to excitation of the sensitizing dye. That is, since the absorption center wavelength of rhodamine B is seen to be 520 nm, it is considered that the photocurrent value can be increased by increasing the amount of light in this wavelength region. On the other hand, in the wavelength region of 420 nm or less, the photocurrent tended to increase, but this photocurrent is a photocurrent caused by photoexcitation of titanium oxide itself, which is an electron accepting substance. This current is generated regardless of the presence or absence of hybridization between the test DNA and the probe DNA, and becomes so-called noise. Therefore, it can be seen that it is effective to remove light of 420 nm or less as much as possible in order to realize high accuracy of the sensor.
例12:光源フィルタとバックグランド電流との関係
光学フィルタとして以下の6種類を使用したこと、およびハイブリダイゼーションを行わなかったこと以外は例6と同様にして試験を行った。
Y-43フィルタ:朝日テクノグラス社製、Y-43、紫外線カットフィルタ
550nm-40hwフィルタ:オプトライン社製、A06-8200843、中心波長550nm、半値幅40nm
20nm-220hwフィルタ:朝日分光社製、PB0620-220、中心波長620nm、半値幅220nm
600nm-260hwフィルタ:朝日分光社製、PB060-260、中心波長600nm、半値幅260nm
620nm-260hwフィルタ:朝日分光社製、PB0620-260、中心波長620nm、半値幅260nm
600nm-300hwフィルタ:朝日分光社製、PB0600-300、中心波長600nm、半値幅300nm
Example 12: Relationship between light source filter and background current A test was conducted in the same manner as in Example 6 except that the following six types of optical filters were used and hybridization was not performed.
Y-43 filter: Asahi Techno Glass, Y-43, UV-cut filter
550nm-40hw filter: Optline, A06-8200843, center wavelength 550nm, half width 40nm
20nm-220hw filter: Asahi Spectroscope, PB0620-220, center wavelength 620nm, half-value width 220nm
600nm-260hw filter: Asahi Spectroscopic Co., PB060-260, center wavelength 600nm, half width 260nm
620nm-260hw filter: Asahi Spectroscopic Co., PB0620-260, center wavelength 620nm, half width 260nm
600nm-300hw filter: Asahi Spectroscopic Co., Ltd., PB0600-300, center wavelength 600nm, half width 300nm
また、色素の光吸収量を以下のようにして測定した。まず、酸化チタン電極上に吸着したDNAにラベルした色素を分光光度計(島津製作所社製、UV−3100)を用いて測定した。積分球を使用した拡散反射法に基づき、色素の反射率(R%)を算出した。このとき、反射率100%の参照物質として、硫酸バリウムの粉末を用いた。そして、式α(%)=100−R(%)に基づき、吸収率α(%)を算出した。
次いで、光吸収量を下記式に基づき、算出した。
Subsequently, the light absorption amount was calculated based on the following formula.
測定されたバックグランド光電流値(安定電流値)および光吸収量は表7に示される通りであった。
表 7
フィルタ バックグランド光電流値 光吸収量
(μA) (mW/cm 2 )
Y-43フィルタ 46.6 4.3
550nm-40hwフィルタ 1.5 0.57
20nm-220hwフィルタ 11.8 1.6
600nm-260hwフィルタ 26.4 3.6
620nm-260hwフィルタ 16.4 2.7
600nm-300hwフィルタ 42.1 4.1
The measured background photocurrent value (stable current value) and light absorption were as shown in Table 7.
Table 7
Filter Background photocurrent light absorption
(ΜA) (mW / cm 2 )
Y-43 filter 46.6 4.3
550nm-40hw filter 1.5 0.57
20nm-220hw filter 11.8 1.6
600nm-260hw filter 26.4 3.6
620nm-260hw filter 16.4 2.7
600nm-300hw filter 42.1 4.1
ハイブリダイゼーション反応を行わない本例にあっては、増感色素の光励起が起こらないことから、電流値は本来ゼロとなることが望ましい。しかし、表7に示されるように、電子受容物質である酸化チタン自身の光励起による光電流がバックグランド電流として観測されてしまう。また、表7から分かるように、紫外線量の少ない550nm-40hwフィルタを使用した場合にはバックグランド電流を低減できるが、色素の光吸収量が他のフィルタよりも少なくなってしまう。したがって、バックグランドの低減には550nm-40hwフィルタの使用が好ましい一方、大きな光電流の値を得るためにはY-43フィルタの使用が有効であることが分かる。 In the present example in which the hybridization reaction is not performed, it is desirable that the current value is essentially zero because photoexcitation of the sensitizing dye does not occur. However, as shown in Table 7, a photocurrent due to photoexcitation of titanium oxide itself, which is an electron acceptor, is observed as a background current. Further, as can be seen from Table 7, when a 550 nm-40 hw filter with a small amount of ultraviolet light is used, the background current can be reduced, but the light absorption amount of the dye is smaller than other filters. Therefore, it can be seen that the use of a 550 nm-40 hw filter is preferable for reducing the background, while the use of a Y-43 filter is effective for obtaining a large photocurrent value.
参考のため、上記6種類のフィルタを250Wのキセノンランプ光源(林時計工業社製、LA250Xe)に使用した場合の光源のスペクトル分布を、スペクトルラディオメーター(ウシオ電機、USR−40D)を用いて測定した。その結果は図18に示される通りであった。また、図18に示されるスペクトル分布図における350〜550nmの波長域を拡大した図を図19に示す。 For reference, the spectral distribution of the light source when the above six types of filters are used in a 250 W xenon lamp light source (LA250Xe, manufactured by Hayashi Watch Industry Co., Ltd.) is measured using a spectral radiometer (USHIO, USR-40D). did. The result was as shown in FIG. FIG. 19 shows an enlarged view of the wavelength region of 350 to 550 nm in the spectrum distribution diagram shown in FIG.
例13:光源フィルタとS/N比との関係
光学フィルタとして例11で用いたY-43フィルタおよび550nm-40hwフィルタを使用したこと、および被検DNA溶液の濃度を40μMとしたこと以外は例6と同様にして試験を行った。
Example 13: Relationship between light source filter and S / N ratio Except that the Y-43 filter and 550 nm-40 hw filter used in Example 11 were used as optical filters, and the concentration of the test DNA solution was 40 μM. The test was conducted in the same manner as in FIG.
測定されたバックグランド光電流値の経時変化は図20に示される通りであった。図20に示されるように、Y-43フィルタの光電流の最大値は3.4mA、550nm-40hwフィルタの最大値は1.1mAとなった。すなわち、550nm-40hwフィルタを使用した場合の光電流の値はY-43フィルタを使用した場合の1/3程度と小さかった。これは、550nm-40hwフィルタは、例12の結果から分かるようにバックグランド電流を低減できるフィルタである一方、可視光の強度も弱くしてしまうため、増感色素の光吸収量が小さくなったためと考えられる。 The time-dependent change of the measured background photocurrent value was as shown in FIG. As shown in FIG. 20, the maximum value of the photocurrent of the Y-43 filter was 3.4 mA, and the maximum value of the 550 nm-40 hw filter was 1.1 mA. That is, the value of the photocurrent when using the 550 nm-40 hw filter was as small as about 1/3 that when using the Y-43 filter. This is because the 550 nm-40 hw filter is a filter that can reduce the background current as can be seen from the result of Example 12, but also the intensity of visible light is weakened, so the light absorption amount of the sensitizing dye is reduced. it is conceivable that.
ここで、センサのシグナル/ノイズ比(S/N比)の指標として、光電流の最大値/バックグランド電流の比を考える。550nm-40hwフィルタを用いると、Y-43フィルタよりもバックグランド電流が1/30に低減される一方、光電流の最大値が1/3となる。したがって、550nm-40hwフィルタのS/N比はY-43フィルタに比較して、(1/3)/(1/30)=10倍向上することになる。他のフィルタに関しても同様な評価をおこなったところ、550nm-40hwフィルタのS/N比が最も優れていることが分かった。 Here, the ratio of the maximum value of the photocurrent / the background current is considered as an index of the signal / noise ratio (S / N ratio) of the sensor. When the 550 nm-40 hw filter is used, the background current is reduced to 1/30 as compared with the Y-43 filter, while the maximum value of the photocurrent is 1/3. Therefore, the S / N ratio of the 550 nm-40 hw filter is improved by (1/3) / (1/30) = 10 times compared to the Y-43 filter. The same evaluation was performed on other filters, and it was found that the S / N ratio of the 550 nm-40 hw filter was the best.
例14:照射光の強度依存性
被検DNA溶液の濃度を40μMとしたこと、および光源の強度を変化させたこと以外は例6と同様にして試験を行った。また、光強度をスペクトルラディオメーター(ウシオ電機社製、USR−40d)を用いて測定した。
Example 14: Irradiation light intensity dependency The test was conducted in the same manner as in Example 6 except that the concentration of the test DNA solution was 40 μM and the intensity of the light source was changed. Further, the light intensity was measured using a spectrum radiometer (USR-40d, manufactured by USHIO INC.).
測定された光電流値(安定電流値)と、光強度との関係は図21に示される通りであった。図21に示されるように、光強度800mW/cm2の領域まで線形性が確認でき、光電流が反応速度は光強度の1乗に比例する光量律速であることが判明した。なお、一般的に、センサとして高精度でかつ安定に機能させるためには、反応速度が光強度の1/2乗に比例する拡散律速とはならない、光量律速下で評価することが望ましいとされている。 The relationship between the measured photocurrent value (stable current value) and the light intensity was as shown in FIG. As shown in FIG. 21, the linearity can be confirmed up to the region of light intensity of 800 mW / cm 2 , and it has been found that the reaction rate of the photocurrent is light quantity rate control in which the reaction speed is proportional to the first power of the light intensity. In general, in order to function with high accuracy and stability as a sensor, it is desirable to perform evaluation under a light amount rate control, in which the reaction rate is not a diffusion rate rate proportional to the 1/2 power of the light intensity. ing.
例15:LED光源の検討
プローブDNAの担持を以下の通り行ったこと、ハイブリダイゼーションを行わなかったこと、および光源として以下のLEDを使用したこと以外は、例6と同様にして試験を行った。
赤色LED:オアシスRED、TOL-50aURsCEs
黄色LED:日亜化学、YELLOW NSPY-500S
白色LED:日亜化学、WHITE NSPW500BS
青色LED:豊田合成、BLUE E1L51-3B
緑色LED:豊田合成、GREEN E1L51-3G
なお、これらのLEDのスペクトル分布をスペクトルラディオメーター(ウシオ電機、USR−40D)を用いて測定したところ、図22に示される通りの結果が得られた。
Example 15: Examination of LED light source The test was carried out in the same manner as in Example 6 except that the probe DNA was supported as follows, hybridization was not performed, and the following LED was used as the light source. .
Red LED: Oasis RED, TOL-50aURsCEs
Yellow LED: Nichia, YELLOW NSPY-500S
White LED: Nichia, WHITE NSPW500BS
Blue LED: Toyoda Gosei, BLUE E1L51-3B
Green LED: Toyoda Gosei, GREEN E1L51-3G
In addition, when the spectrum distribution of these LED was measured using the spectrum radiometer (USHIO, USR-40D), the result as shown in FIG. 22 was obtained.
すなわち、プローブDNAの担持は以下の通り行った。まず、例6と同様にしてプローブDNAが担持される前の作用電極を作製した。こうして得られた作用電極にBLBランプで一晩紫外線照射を施し、汚れおよび残存有機物の除去を行った。次いで、プローブDNAとして以下に示される5’−NH2−3’ローダミンDNAを50mM HEPES(pH7.0)に溶解させて水溶液を調製した。この溶液を、予め95℃で3分間保持した後、氷上(2℃)で3分間以上冷却させることにより、熱変性させておいた。
プローブDNA(5’−NH2−3’ローダミンDNA):
5’ NH2−AACGTCGTGACTGGG 3’Rho
That is, loading of probe DNA was performed as follows. First, a working electrode before carrying the probe DNA was prepared in the same manner as in Example 6. The working electrode thus obtained was irradiated with UV light overnight with a BLB lamp to remove dirt and residual organic matter. Then, the aqueous solution is prepared of 5'-NH 2 -3 'rhodamine DNA shown below as probe DNA was dissolved in 50mM HEPES (pH7.0). This solution was previously held at 95 ° C. for 3 minutes and then heat-denatured by cooling on ice (2 ° C.) for 3 minutes or more.
Probe DNA (5′-NH 2 -3 ′ rhodamine DNA):
5 ′ NH 2 -AACGTCGGTACTGGGG 3 ′ Rho
先に得られた作用電極の電子受容層上に、プローブDNAと電子受容物質(酸化チタン)の結合力を向上させるために、シランカップリング剤による表面処理を行った。すなわち、イソプロパノール中にシランカップリング剤(信越化学社製、KBM−403)を0.5wt%溶解させた液を、75℃で5分間酸化チタンの表面に反応させた後、イソプロパノールで洗浄して乾燥した。こうして得られた作用電極表面にスペーサ用穴あきテープを貼り、ピンセットの先を用いてテープ接着面に残存する空気を除去した。このテープ上に、5mm×5mm角の大きさの開口部が形成されたシリコンシートを載置して密着させた。この開口部に先に調製した5’−NH2−3’ローダミンDNA溶液(40μM)を25μl装填した。このとき、ピペットチップの先端を用いて、シリコンシールの開口部の四隅まで充分にDNA溶液が行き渡るようにした。続いて、DNA溶液中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から蓋をして、湿らせた紙等で蒸気圧が調整されたプラスチック容器に収容した。この容器中に60℃で15時間保持して、5’アミン−3’ローダミンDNAをインキュベートした。その後、DNA溶液を除去し、流水で軽く電極表面を2秒間洗浄した後、空気を吹き付けて残水を飛散させた。こうして、プローブDNAが担持された作用電極を得た。 In order to improve the binding force between the probe DNA and the electron accepting substance (titanium oxide) on the electron accepting layer of the working electrode obtained previously, surface treatment with a silane coupling agent was performed. That is, a solution obtained by dissolving 0.5 wt% of a silane coupling agent (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., KBM-403) in isopropanol was reacted with the surface of titanium oxide at 75 ° C. for 5 minutes, and then washed with isopropanol. Dried. A spacer-perforated tape was affixed to the surface of the working electrode thus obtained, and air remaining on the tape adhesive surface was removed using the tip of a tweezers. On this tape, a silicon sheet having an opening of 5 mm × 5 mm square was placed and brought into close contact. This opening was charged with 25 μl of the previously prepared 5′-NH 2 -3 ′ rhodamine DNA solution (40 μM). At this time, the tip of the pipette tip was used so that the DNA solution was sufficiently distributed to the four corners of the opening of the silicon seal. Subsequently, the glass solution was covered with a glass plate so that air bubbles would not enter the DNA solution as much as possible, and then stored in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like. The container was incubated at 60 ° C. for 15 hours to incubate 5 ′ amine-3 ′ rhodamine DNA. Thereafter, the DNA solution was removed, and the electrode surface was gently washed with running water for 2 seconds, and then air was blown to scatter the remaining water. Thus, a working electrode carrying the probe DNA was obtained.
こうしてプローブ物質が担持された作用電極に新たなシリコンシールを載置し、開口部にブロッキング剤として10μMのジエタノールアミン25μlを注入した。ブロッキング剤中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から蓋をして、湿らせた紙等で蒸気圧を調整したプラスチック容器に入れた。そして、60℃で30分間保持して、ブロッキング剤をインキュベートした。電極表面を再度流水で軽く2秒間洗浄した後、空気を吹き付けて残水を飛散させた。こうしてブロッキングが施された作用電極を得た。 In this way, a new silicon seal was placed on the working electrode carrying the probe substance, and 25 μl of 10 μM diethanolamine was injected into the opening as a blocking agent. In order to prevent bubbles from entering the blocking agent as much as possible, the glass plate was covered with a lid from directly above and placed in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like. And it hold | maintained at 60 degreeC for 30 minute (s), and incubated the blocking agent. The electrode surface was again lightly washed with running water for 2 seconds and then air was blown to scatter the remaining water. Thus, a working electrode subjected to blocking was obtained.
また、ブランクとして、作用電極に上記プローブDNAを固定化しないブランク電極についても光電流を測定した。プローブDNAを固定化した作用電極の光電流と、プランク電極の光電流との比をS/N比として評価した。 Moreover, the photocurrent was also measured for a blank electrode in which the probe DNA was not immobilized on the working electrode. The ratio of the photocurrent of the working electrode to which the probe DNA was immobilized and the photocurrent of the Planck electrode was evaluated as the S / N ratio.
測定された光電流、ブランク電流、光電流とブランク電流の差、およびS/N比を図23に示す。図23から分かるように、黄色および緑色のLEDにおいて、ブランク電流を低く抑えることができ、良好な結果が得られた。青色および白色のLEDは400nm以下の波長を若干含むため、ノイズとして検出される酸化チタン由来のバックグランド電流値が大きくなった。一方、赤色のLEDは最も光強度が強いにもかかわらず、色素として用いたローダミンの励起波長よりも長波長のため、光電流が検出されなかった。 FIG. 23 shows the measured photocurrent, blank current, difference between photocurrent and blank current, and S / N ratio. As can be seen from FIG. 23, in the yellow and green LEDs, the blank current could be kept low, and good results were obtained. Since blue and white LEDs slightly include wavelengths of 400 nm or less, the background current value derived from titanium oxide detected as noise increased. On the other hand, although the red LED had the strongest light intensity, no photocurrent was detected because it was longer than the excitation wavelength of rhodamine used as the dye.
例16:LED光源を用いた被検DNAの検出
被検DNA溶液の濃度を10、20、および30μMとしたこと、プローブDNAの担持を以下の通り行ったこと、および光源として以下のLEDを使用したこと以外は、例6と同様にして光電流の測定を行った。
黄色LED:日亜化学、YELLOW NSPY-500S
緑色LED:豊田合成、GREEN E1L51-3G
Example 16: Detection of test DNA using LED light source Test DNA solution concentrations were 10, 20, and 30 μM, probe DNA was carried as follows, and the following LEDs were used as light sources Except for the above, photocurrent was measured in the same manner as in Example 6.
Yellow LED: Nichia, YELLOW NSPY-500S
Green LED: Toyoda Gosei, GREEN E1L51-3G
すなわち、プローブDNAの担持は以下の通り行った。まず、例6と同様にしてプローブ物質が担持される前の作用電極を作製した。こうして得られた作用電極にBLBランプで一晩紫外線照射を施し、汚れおよび残存有機物の除去を行った。 That is, loading of probe DNA was performed as follows. First, in the same manner as in Example 6, a working electrode before carrying the probe substance was produced. The working electrode thus obtained was irradiated with UV light overnight with a BLB lamp to remove dirt and residual organic matter.
次いで、プローブDNAとして例6で使用したものと同じ5’−NH2−DNAを50mM HEPES(pH7.0)に溶解させて水溶液を調製した。この溶液を、予め95℃で3分間保持した後、氷上(2℃)で3分間以上冷却させることにより、熱変性させておいた。 Next, the same 5′-NH 2 -DNA as that used in Example 6 was dissolved in 50 mM HEPES (pH 7.0) as a probe DNA to prepare an aqueous solution. This solution was previously held at 95 ° C. for 3 minutes and then heat-denatured by cooling on ice (2 ° C.) for 3 minutes or more.
先に得られた作用電極の電子受容層上に、プローブDNAと電子受容物質(酸化チタン)の結合力を向上させるために、シランカップリング剤による表面処理を行った。すなわち、イソプロパノール中にシランカップリング剤(信越化学、KBM−403)を0.5wt%溶解させた液を75℃で5分間電子受容層(酸化チタン)の表面に反応させた後、イソプロパノールで洗浄して乾燥した。こうして得られた作用電極表面にスペーサ用穴あきテープを貼り、ピンセットの先を用いてテープ接着面に残存する空気を除去した。このテープ上に、5mm×5mm角の大きさの開口部が形成されたシリコンシートを載置して密着させた。この開口部に先に調製した5’−NH2−DNA溶液(200μM)を25μl注入した。このとき、ピペットチップの先端を用いて、シリコンシールの開口部の四隅まで充分にDNA溶液が行き渡るようにした。続いて、DNA溶液中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から蓋をして、湿らせた紙等で蒸気圧が調整されたプラスチック容器に収容した。この容器中に60℃で6時間保持して、5’−NH2−DNAをインキュベートした。その後、DNA溶液を除去し、流水で軽く電極表面を2秒間洗浄した後、空気を吹き付けて残水を飛散させた。こうして、プローブDNAが担持された作用電極を得た。 In order to improve the binding force between the probe DNA and the electron accepting substance (titanium oxide) on the electron accepting layer of the working electrode obtained previously, surface treatment with a silane coupling agent was performed. That is, a solution obtained by dissolving 0.5 wt% of a silane coupling agent (Shin-Etsu Chemical, KBM-403) in isopropanol was reacted with the surface of the electron-accepting layer (titanium oxide) at 75 ° C. for 5 minutes, and then washed with isopropanol. And dried. Spacer perforated tape was affixed to the surface of the working electrode thus obtained, and air remaining on the tape adhesive surface was removed using the tip of a tweezers. On this tape, a silicon sheet having an opening of 5 mm × 5 mm square was placed and brought into close contact. 25 μl of the previously prepared 5′-NH 2 -DNA solution (200 μM) was injected into this opening. At this time, the tip of the pipette tip was used so that the DNA solution was sufficiently distributed to the four corners of the opening of the silicon seal. Subsequently, the glass solution was covered with a glass plate so that air bubbles would not enter the DNA solution as much as possible, and then stored in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like. The container was kept at 60 ° C. for 6 hours to incubate 5′-NH 2 -DNA. Thereafter, the DNA solution was removed, and the electrode surface was gently washed with running water for 2 seconds, and then air was blown to scatter the remaining water. Thus, a working electrode carrying the probe DNA was obtained.
こうしてプローブ物質が担持された作用電極に新たなシリコンシールを載置し、開口部にブロッキング剤として10μMのジエタノールアミン25μlを注入した。ブロッキング剤中に気泡が極力入らないようにガラス板で真上から蓋をして、湿らせた紙等で蒸気圧を調整したプラスチック容器に入れた。そして、60℃で30分間保持して、ブロッキング剤をインキュベートした。電極表面を再度流水で軽く2秒間洗浄した後、空気を吹き付けて残水を飛散させた。こうしてブロッキングが施された作用電極を得た。 In this way, a new silicon seal was placed on the working electrode carrying the probe substance, and 25 μl of 10 μM diethanolamine was injected into the opening as a blocking agent. In order to prevent bubbles from entering the blocking agent as much as possible, the glass plate was covered with a lid from directly above and placed in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like. And it hold | maintained at 60 degreeC for 30 minute (s), and incubated the blocking agent. The electrode surface was again lightly washed with running water for 2 seconds and then air was blown to scatter the remaining water. Thus, a working electrode subjected to blocking was obtained.
測定された光電流と被検DNA濃度との関係は図24に示される通りであった。黄色および緑色LEDを光源として用いた場合、被検DNA濃度に依存した光電流が観測され、ハイブリダイゼーションを行わなかった濃度0μMのブランクよりも優位な光電流が観測された。これらの結果から、黄色および緑色LED光源は被検DNAの定量測定に適していることが分かる。 The relationship between the measured photocurrent and the test DNA concentration was as shown in FIG. When yellow and green LEDs were used as light sources, a photocurrent depending on the test DNA concentration was observed, and a photocurrent superior to that of a blank having a concentration of 0 μM without hybridization was observed. From these results, it can be seen that the yellow and green LED light sources are suitable for quantitative measurement of the test DNA.
例17:ルテニウム錯体スクシンイミジルエステルを用いた被検DNAの色素標識
被検DNAを標識するための増感色素として、アミノ基を持つ蛋白質を色素修飾するための色素として市販されている、下記式で表されるルテニウム錯体スクシンイミジルエステル(Ru−ONSu)を用意した。
この増感色素を用いたDNA末端アミンへの修飾を以下の通り行った。まず、上記増感色素を以下の条件で3’末端にアミノ基を持つ15merのssDNAと反応させた。
Ru−ONSu:200nmol/25μl
ssDNA:20nmol/25μl
緩衝液:50mM HEPES(pH7.0)
TAPS(pH8.0)
TAPS(pH9.0)
Modification to the DNA-terminal amine using this sensitizing dye was performed as follows. First, the sensitizing dye was reacted with 15-mer ssDNA having an amino group at the 3 ′ end under the following conditions.
Ru-ONSu: 200 nmol / 25 μl
ssDNA: 20 nmol / 25 μl
Buffer: 50 mM HEPES (pH 7.0)
TAPS (pH 8.0)
TAPS (pH 9.0)
各溶液を室温で15時間振盪させた後、ゲルろ過、続いてエタノール沈殿を行い、色素修飾DNAを精製した。Ru−ONSuの濃度を458nmの吸収スペクトルで測定した。また、ssDNAの濃度をMolecularProbes社の定量キットを用いて測定した。得られた測定結果を基に、ssDNAに対するRu−ONSuの修飾比(モル比)を算出した。得られた結果は表8に示される通りであった。
表 8
緩衝液 修飾比(Ru/DNA)
HEPES(pH7.0) 5.6
TAPS(pH8.0) 3.1
TAPS(pH9.0) 4.4
Each solution was shaken at room temperature for 15 hours, followed by gel filtration followed by ethanol precipitation to purify the dye-modified DNA. The concentration of Ru-ONSu was measured with an absorption spectrum at 458 nm. Further, the concentration of ssDNA was measured using a quantitative kit manufactured by Molecular Probes. Based on the obtained measurement results, the modification ratio (molar ratio) of Ru-ONSu to ssDNA was calculated. The obtained results were as shown in Table 8.
Table 8
Buffer modification ratio (Ru / DNA)
HEPES (pH 7.0) 5.6
TAPS (pH 8.0) 3.1
TAPS (pH 9.0) 4.4
表8に示される結果から、スクシンイミジルエステル誘導体をDNAの標識色素としても利用可能なことが分かる。表8の結果から分かるように、スクシンイミジルエステル誘導体は末端アミンのみならず核酸塩基中のアミンにも結合していると見られるため、この色素によれば1分子のDNAに対して複数個の標識色素を導入できることも分かる。 From the results shown in Table 8, it can be seen that succinimidyl ester derivatives can also be used as labeling dyes for DNA. As can be seen from the results in Table 8, the succinimidyl ester derivative appears to bind not only to the terminal amine but also to the amine in the nucleobase. It can also be seen that the labeling dye can be introduced.
例18:光電流のアクションスペクトルの測定
色素標識された被検DNAとして以下に示される3’AlexaFluor(R)647DNAを使用し、かつプローブDNAとして5’−NH2−DNA―2を使用したこと、および被検DNA溶液の濃度を40μMとしたこと以外は例11と同様にして光電流のアクションスペクトルの測定を行った。
被検DNA(3’AlexaFluora647DNA):
3’ AlexaFluora647−CCATGATGTCAGTTT 5’
プローブDNA(5’−NH2−DNA−2):
5’ NH2−GGTACTACAGTCAAA 3’
なお、これらの被検DNAとプローブDNAは、ハイブリダイゼーション反応により二本鎖DNAを形成することができるものである。
Example 18: Measurement of action spectrum of photocurrent Using 3 ′ AlexaFluor (R) 647 DNA shown below as a dye-labeled test DNA and 5′-NH 2 -DNA-2 as a probe DNA The action spectrum of the photocurrent was measured in the same manner as in Example 11 except that the concentration of the test DNA solution was 40 μM.
Test DNA (3 ′ Alexa Fluora 647 DNA):
3 'AlexaFluora 647-CCATGATGTCAGTTT 5'
Probe DNA (5′-NH 2 -DNA-2):
5 'NH2-GGTACTACAGTCAAA 3'
These test DNA and probe DNA can form double-stranded DNA by a hybridization reaction.
測定されたアクションスペクトル(IPCEの波長依存性)は図25に示される通りであった。図25から分かるように、得られたアクションスペクトルは、増感色素であるAlexaFluor(R)647の吸収スペクトルと同様のプロファイルを示した。これは、光電流が増感色素の励起に起因することを示唆する。AlexaFluor(R)647の吸収中心波長は640nmと見られるので、前述したローダミンB色素の吸収中心波長(520nm)と分離して、それぞれの色素由来の光電流を観測できる。よって、複数の吸収波長の異なる色素を各々のDNAに標識し、それらの色素を別々に励起できる光を照射することで、同時に二本鎖DNAの形成を光電流として観測することが可能となる。 The measured action spectrum (IPCE wavelength dependence) was as shown in FIG. As can be seen from Figure 25, the action spectrum obtained showed the same profile and the absorption spectrum of the AlexaFluor (R) 647 which is a sensitizing dye. This suggests that the photocurrent is due to excitation of the sensitizing dye. Since the absorption center wavelength of AlexaFluor (R) 647 appears to be 640 nm, it can be separated from the aforementioned absorption center wavelength (520 nm) of the rhodamine B dye, and the photocurrent derived from each dye can be observed. Thus, by labeling each DNA with a plurality of dyes having different absorption wavelengths and irradiating light that can excite those dyes separately, it becomes possible to simultaneously observe the formation of double-stranded DNA as a photocurrent. .
例19: 酸化チタン多孔質膜を電子受容層として備えた作用電極の微細構造の評価
例6と同様にして、酸化チタン多孔質膜を電子受容層として備えた作用電極の作製を行った。得られた作用電極の断面および表面を走査型電子顕微鏡(S-4100型、日立製作所製)により観察した。作用電極の断面について得られたSEM画像を図26に、作用電極の酸化チタン多孔質膜表面について得られたSEM画像を図27に、それぞれ示す。図26に示される画像から、多孔質酸化チタン電極の膜厚は約20μmであり、表面が非常に平滑な均一な膜構造を有することが分かる。また、図27に示される画像から、得られた多孔質電極は、使用した酸化チタン粉末の一次粒子(粒径:約40〜50nm)に相当する粒子が良好に分散した、比較的大きなメソ細孔を有する良好な多孔質膜であることが分かった。従って、得られた多孔質膜にあっては、比較的分子サイズの大きいDNA分子であっても細孔内への拡散が容易に起こるものと考えられる。
Example 19: Evaluation of fine structure of working electrode provided with titanium oxide porous film as electron-accepting layer A working electrode comprising a titanium oxide porous film as an electron-accepting layer was produced in the same manner as in Example 6. The cross section and surface of the obtained working electrode were observed with a scanning electron microscope (S-4100, manufactured by Hitachi, Ltd.). FIG. 26 shows an SEM image obtained for the cross section of the working electrode, and FIG. 27 shows an SEM image obtained for the titanium oxide porous membrane surface of the working electrode. From the image shown in FIG. 26, it can be seen that the porous titanium oxide electrode has a film thickness of about 20 μm and a uniform film structure with a very smooth surface. In addition, from the image shown in FIG. 27, the obtained porous electrode has a relatively large meso fine particle in which particles corresponding to primary particles (particle size: about 40 to 50 nm) of the used titanium oxide powder are well dispersed. It was found to be a good porous membrane with pores. Therefore, in the obtained porous membrane, it is considered that even a DNA molecule having a relatively large molecular size easily diffuses into the pores.
また、得られた酸化チタン多孔質膜の細孔分布を、細孔分布測定装置(日本ベル製、Belsorp28SA)を用いて測定した。このとき、測定サンプルとして、焼成後の作用電極から酸化チタン多孔質膜を剥離させたものを用いた。サンプルの表面積はBET式より、細孔径はDH式により算出した。その結果、BET比表面積は19.8m2/gと比較的高く、細孔分布は67.8nmにピークを持つ曲線が得られた。これらの結果から、得られた酸化チタン多孔質膜は、比較的大きな細孔が均一に開いた非常にポーラスな構造を有することが分かった。このような大きな細孔内にあっては、比較的嵩高いDNA分子(例えば一本鎖DNAの幅が約2nmのもの)の拡散が容易に起こるものと考えられる。 In addition, the pore distribution of the obtained titanium oxide porous membrane was measured using a pore distribution measuring device (Belsorp28SA, manufactured by Bell Japan). At this time, a sample obtained by peeling the porous titanium oxide film from the fired working electrode was used as a measurement sample. The surface area of the sample was calculated from the BET equation, and the pore diameter was calculated from the DH equation. As a result, a BET specific surface area of 19.8 m 2 / g was relatively high, and a curve with a peak in the pore distribution at 67.8 nm was obtained. From these results, it was found that the obtained titanium oxide porous membrane had a very porous structure in which relatively large pores were uniformly opened. In such a large pore, it is considered that diffusion of a relatively bulky DNA molecule (for example, a single-stranded DNA having a width of about 2 nm) easily occurs.
例20:LED光源に対する酸化物半導体電極の最適化
(1)被検物質およびプローブ物質の準備
色素標識された被検物質(以下、被検DNAともいう)として、5’末端を蛍光色素Cy5で標識された、以下の塩基配列を有する25塩基の核酸塩基(5’Cy5DNA)を用意した。また、プローブ物質(以下、プローブDNAともいう)として上記被検DNAと相補鎖を有する5’末端にアミンを標識した25塩基の核酸塩基(5’−NH2−DNA)を用意した。すなわち、このプローブDNAと被検DNAは、ハイブリダイゼーション反応により二本鎖DNAを形成することができる。
被検DNA(5’Cy5DNA):
3’−TGGAAGTAGTTTTTGTAGTAGTAGG−Cy5−5’
プローブDNA(5’−NH2−DNA):
5’NH2−ACCTTCATCAAAAACATCATCATCC−3’
Example 20: Optimization of oxide semiconductor electrode for LED light source (1) Preparation of test substance and probe substance As a dye-labeled test substance (hereinafter also referred to as test DNA), the 5 'end is replaced with a fluorescent dye Cy5 A labeled 25-base nucleobase (5′Cy5 DNA) having the following base sequence was prepared. In addition, a 25-base nucleobase (5′-NH 2 -DNA) labeled with an amine at the 5 ′ end having a complementary strand to the test DNA was prepared as a probe substance (hereinafter also referred to as probe DNA). That is, this probe DNA and test DNA can form a double-stranded DNA by a hybridization reaction.
Test DNA (5′Cy5 DNA):
3′-TGGAAGTAGTTTTTGTAGTAGTAG-Cy5-5 ′
Probe DNA (5′-NH 2 -DNA):
5'NH 2 -ACCTTCATCAAAAACATCATCATCC-3 '
(2)作用電極の作製およびプローブ物質の担持
プローブ物質として上記(1)に示したプローブDNAを使用したこと、チタニア微粉末またはその代わりとして以下に示される酸化物半導体微粉末を使用したこと、およびペーストを塗布する際の膜厚を60μmとしたこと以外は例6と同様にしてプローブDNAが担持された作用電極を得た。
TiO2:昭和タイタニウム社製、F-3、平均粒径50nm
ZnO:シーアイ化成社製、NanotekZnO)
Nb2O5:多木化学社製、酸化ニオブゾルを蒸発乾固した粉末
WO3:和光純薬社製
SrTiO3:Sr(NO3)2+Ti(OiPr)4を加水分解後焼成して得た粉末
In2O3:和光純薬社製
Ta2O5:シグマアルドリッチジャパン社製
(2) Production of working electrode and loading of probe substance Use of probe DNA shown in (1) above as probe substance, titania fine powder or oxide semiconductor fine powder shown below as an alternative, A working electrode carrying probe DNA was obtained in the same manner as in Example 6 except that the film thickness when applying the paste was 60 μm.
TiO 2 : Showa Titanium Co., F-3, average particle size 50 nm
ZnO: NanotekZnO, manufactured by CI Kasei Co., Ltd.)
Nb 2 O 5 : manufactured by Taki Chemical Co., Ltd., powder obtained by evaporating and drying niobium oxide sol
WO 3 : Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
SrTiO 3 : Powder obtained by hydrolysis and firing of Sr (NO 3 ) 2 + Ti (OiPr) 4
In 2 O 3 : Wako Pure Chemical Industries
Ta 2 O 5 : Sigma-Aldrich Japan
用いた各種酸化物半導体のバンドギャップ、平均粒径、およびバックグランド電流を表9に示す。なお、バックグランド電流とは、プローブDNAおよび被検DNAのどちらも吸着していない剥き出し(Bare)の電極の光電流である。
表 9
酸化物半導体 バンドギャップ(eV) 平均粒径(nm) バックグランド電流(nA)
酸化チタン(アナターゼ) 3.2 50 3
酸化亜鉛 3.1 30 25
酸化ニオブ 3.1 10 20
酸化タングステン 2.8 100 25
チタン酸ストロンチウム 3.2 200 0
酸化インジウム 3.8 100 15
酸化タンタル 3.9 500 0
Table 9 shows band gaps, average particle diameters, and background currents of the various oxide semiconductors used. The background current is a photocurrent of a bare electrode to which neither the probe DNA nor the test DNA is adsorbed.
Table 9
Oxide semiconductor Band gap (eV) Average grain size (nm) Background current (nA)
Titanium oxide (anatase) 3.2 50 3
Zinc oxide 3.1 30 25
Niobium oxide 3.1 10 20
Tungsten oxide 2.8 100 25
Strontium titanate 3.2 200 0
Indium oxide 3.8 100 15
Tantalum oxide 3.9 500 0
上記プローブ物質が担持された作用電極を、湿らせた紙等で蒸気圧が調整されたプラスチック容器に入れて、60℃で30分間、飽和水蒸気中に置いた。こうして蒸気に触れさせた電極に90℃で3分間加熱処理を行い、新たなシリコンシールを電極に載せた。 The working electrode carrying the probe substance was placed in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like, and placed in saturated steam at 60 ° C. for 30 minutes. The electrode thus exposed to vapor was heat-treated at 90 ° C. for 3 minutes, and a new silicon seal was placed on the electrode.
(3)ハイブリダイゼーション
被検DNA溶液として10μMの5’Cy5DNA溶液を使用したこと、およびインキュベートの温度を50℃としたこと以外は例6と同様にしてハイブリダイゼーションを行った。
(3) Hybridization Hybridization was carried out in the same manner as in Example 6 except that a 10 μM 5′Cy5 DNA solution was used as the test DNA solution and that the incubation temperature was 50 ° C.
(4)測定用セルの組み立て
例6と同様にしてサンドイッチ型の測定用セルを組み立てた。
(4) Assembly of measurement cell A sandwich type measurement cell was assembled in the same manner as in Example 6.
(5)光電流の測定
光源として赤色LED (CCS社製、HLV-27-NR-R)を用いたこと、および紫外線カットフィルタを使用しなかったこと以外は例6と同様にして光電流の測定を行った。
その結果は、図28に示される通りであった。図28に示されるように、赤色LED照射下でCy−5色素標識DNAを被検DNAとして用いた場合、酸化インジウム、酸化亜鉛、および酸化チタン電極において高い光電流値が得られることが判明した。また、その他の酸化物半導体電極、酸化タングステン、酸化ニオブ、チタン酸ストロンチウム、および酸化タンタルにおいてもバックグランド電流値以上の光電流値が得られているのでDNAセンサーとして有効であることが判明した。上記結果から、必ずしも酸化チタン電極だけが最適な電極であるとは限らず、光源、標識色素、およびDNA等の諸条件に応じて最適な電極も変化し得ることが分かる。
(5) Measurement of photocurrent Photocurrent was measured in the same manner as in Example 6 except that a red LED (manufactured by CCS, HLV-27-NR-R) was used as a light source, and an ultraviolet cut filter was not used. Measurements were made.
The result was as shown in FIG. As shown in FIG. 28, when Cy-5 dye-labeled DNA was used as a test DNA under irradiation with a red LED, it was found that high photocurrent values were obtained at indium oxide, zinc oxide, and titanium oxide electrodes. . In addition, it was found that other oxide semiconductor electrodes, tungsten oxide, niobium oxide, strontium titanate, and tantalum oxide were effective as DNA sensors because photocurrent values higher than the background current value were obtained. From the above results, it can be seen that not only the titanium oxide electrode is necessarily the optimum electrode but also the optimum electrode can be changed according to various conditions such as the light source, the labeling dye, and the DNA.
例21:電子受容層のみで構成される作用電極を用いた例
(1) 色素標識プローブDNAの準備
色素標識されたプローブDNAとして、3’末端をCy5で標識された、以下の塩基配列を有する25塩基の核酸塩基(Cy5標識ssDNA)を用意した。
色素標識プローブDNA(Cy5標識ssDNA):
5’NH2−ACCTTCATCAAAAACATCATCATCC−Cy5−3’
Example 21: Example using a working electrode composed only of an electron-accepting layer (1) Preparation of dye-labeled probe DNA The dye-labeled probe DNA has the following base sequence labeled with Cy5 at the 3 ′ end. A 25-base nucleobase (Cy5-labeled ssDNA) was prepared.
Dye-labeled probe DNA (Cy5-labeled ssDNA):
5 'NH2-ACCTTCATCAAAAACATCATCATCC-Cy5-3'
(2)作用電極の準備および色素標識DNAの担持
電子受容層のみで構成される作用電極として、フッ素をドープした酸化スズ(F−SnO2:FTO)コートガラス(エイアイ特殊硝子社製、U膜、シート抵抗:15Ω/□)およびスズをドープした酸化インジウム(Sn−InO2:ITO)コートガラス(東洋精密工業株式会社製、100Ω/□)を用意した。これらのガラスをアセトンと水で洗浄し、酸素雰囲気下で紫外線照射を30分間施して、汚れおよび残存有機物の除去を行った。洗浄されたガラスにスペーサ用穴あきテープを貼り、ピンセットの先を用いてテープ接着面に残存する空気を除去した。このテープ上に5mm×5mm角の大きさの開口部が形成されたシリコンシートを戴置して密着させた。
(2) Preparation of working electrode and support of dye-labeled DNA Fluorine-doped tin oxide (F-SnO 2 : FTO) -coated glass (manufactured by AI Special Glass Co., Ltd., U membrane) as a working electrode composed of only an electron accepting layer Sheet resistance: 15Ω / □) and tin-doped indium oxide (Sn—InO 2: ITO) coated glass (manufactured by Toyo Seimitsu Kogyo Co., Ltd., 100Ω / □) were prepared. These glasses were washed with acetone and water, and irradiated with ultraviolet rays for 30 minutes in an oxygen atmosphere to remove dirt and residual organic matter. A spacer-perforated tape was applied to the cleaned glass, and air remaining on the tape adhesive surface was removed using the tip of a tweezers. On this tape, a silicon sheet having an opening with a size of 5 mm × 5 mm square was placed and adhered.
続いて、0、1、10、50μMの各濃度に調製したCy5標識ssDNA溶液を95℃で5分間保持した後、直ちに氷上に移して10分間保持してDNAを変性させ、先に用意した電極上の開口部に25μlを装填した。この時ピペットチップの先端を用いて、シリコンシールの開口部の四隅まで充分にDNA溶液が行き渡るようにした。そして、DNA溶液中に気泡が入らないようにガラス板で真上から蓋をして、湿らせた紙等で蒸気圧が調製されたプラスチック容器に収容して、60℃で一晩インキュベートさせた。インキュベート後、DNA溶液を除去し、流水で軽く電極表面を約2秒間洗浄した後、空気を吹き付けて残水を飛散させた。その後、例6の表3に示した条件でDNAを吸着させた電極を洗浄し、最後に空気を吹き付けて残水を飛散させた。 Subsequently, the Cy5-labeled ssDNA solution prepared at each concentration of 0, 1, 10, 50 μM was held at 95 ° C. for 5 minutes, immediately transferred to ice and held for 10 minutes to denature the DNA, and the electrode prepared earlier The upper opening was loaded with 25 μl. At this time, the tip of the pipette tip was used so that the DNA solution was sufficiently distributed to the four corners of the opening of the silicon seal. Then, the glass solution was covered with a glass plate so that air bubbles would not enter into the DNA solution, housed in a plastic container whose vapor pressure was adjusted with wet paper or the like, and incubated at 60 ° C. overnight. . After incubation, the DNA solution was removed, the electrode surface was gently washed with running water for about 2 seconds, and then air was blown to scatter the remaining water. Thereafter, the electrode on which DNA was adsorbed was washed under the conditions shown in Table 3 of Example 6, and the remaining water was scattered by finally blowing air.
(3)測定用セルの組み立て
こうして得られた作用電極と、対電極としての白金電極とを用いて、図6に示されるようなフロー型測定セルを組み立てた。その際、作用電極を白金対電極と対向させて配置するとともに、その間には、両電極間の短絡を防止しかつ電解液を充填する空間を形成するための膜厚500μmのシリコンシートを挿入した。シリコンシートには5mm×5mm角よりも十分大きい穴が空いており、ここに送液された電解液が溜まり、作用電極上に固定化されたDNAが接触する構造になっている。作用電極は電気的に接しているスプリングプローブを介して、白金電極は端部に接続されたリード線を介してポテンシオスタット(ビー・エー・エス株式会社、ALS Modl832A)に接続した。
電解液として、体積比が4:6のアセトニトリルと炭酸エチレンの混合溶媒にヨウ素0.06Mとテトラプロピルアンモニウムヨーダイド0.6Mを溶解した混合液を用意した。この電解液を先に述べたフロー型測定セルに組み込まれた作用電極と白金対電極の間に充填させた。
(3) Assembly of measurement cell Using the working electrode thus obtained and a platinum electrode as a counter electrode, a flow type measurement cell as shown in FIG. 6 was assembled. At that time, the working electrode was placed opposite to the platinum counter electrode, and a 500 μm thick silicon sheet was inserted between them to prevent a short circuit between the two electrodes and form a space filled with the electrolyte. . The silicon sheet has a hole sufficiently larger than 5 mm × 5 mm square, and has a structure in which the electrolyte solution fed here accumulates and the DNA immobilized on the working electrode comes into contact. The working electrode was connected to a potentiostat (BAS Co., Ltd., ALS Modl832A) via a spring probe in electrical contact, and the platinum electrode was connected to a lead wire connected to the end.
As an electrolytic solution, a mixed solution in which 0.06M iodine and 0.6M tetrapropylammonium iodide were dissolved in a mixed solvent of acetonitrile and ethylene carbonate having a volume ratio of 4: 6 was prepared. This electrolytic solution was filled between the working electrode and the platinum counter electrode incorporated in the flow type measurement cell described above.
(4)光電流の測定
フロー型測定セルに固定したLED(CCS社製、HLV-27-NR-R)から生じた光を作用電極表面に照射し、作用電極と白金対電極との間に流れる電流を経時的に測定した。測定は180秒間行ったが、光の照射は電流の測定開始60秒後から60秒間のみ行った。観測した光電流について、120秒後の光電流値から180秒後の光電流値を差し引くことにより補正を行った。
各濃度のCy5標識ssDNAについて測定されたた光電流値は、図29に示される通りであった。図29に示されるように、FTOまたはITOを電子受容層として用いた場合、その下層に導電性基材を更に設けること無く、作用電極として十分に機能させることが出来る。すなわち、FTOおよびITOは電子受容層のみならず導電性基材としても機能することが確認された。
(4) Photocurrent measurement Light generated from an LED (CLV, HLV-27-NR-R) fixed to a flow type measurement cell is irradiated on the surface of the working electrode, and between the working electrode and the platinum counter electrode. The flowing current was measured over time. The measurement was performed for 180 seconds, but light irradiation was performed only for 60 seconds after 60 seconds from the start of current measurement. The observed photocurrent was corrected by subtracting the photocurrent value after 180 seconds from the photocurrent value after 120 seconds.
The photocurrent values measured for each concentration of Cy5-labeled ssDNA were as shown in FIG. As shown in FIG. 29, when FTO or ITO is used as the electron-accepting layer, it can function sufficiently as a working electrode without further providing a conductive base material thereunder. That is, it was confirmed that FTO and ITO function not only as an electron-accepting layer but also as a conductive substrate.
例22:蛋白質の測定
(1)被検物質およびプローブ物質の準備
色素標識された被検物質として、ローダミンで標識したHSA(ヒト血清アルブミン)を用意した。また、プローブ物質として、抗HSA抗体(ウサギ抗HSA血清、日本バイオテスト研究所)を用意した。
Example 22: Measurement of protein (1) Preparation of test substance and probe substance As a test substance labeled with dye, HSA (human serum albumin) labeled with rhodamine was prepared. In addition, an anti-HSA antibody (rabbit anti-HSA serum, Japan Biotest Laboratories) was prepared as a probe substance.
(2)作用電極の作製およびプローブ物質の担持
例6と同様にして作用電極の作製、および汚れおよび残存有機物の除去を行った。
得られた作用電極上に、スペーサ用穴あきテープを貼り、ピンセットの先を用いてテープ接着面に残存する空気を除去した。このテープ上に、5mm×5mm角の大きさの開口部が形成されたシリコンシートを戴置して密着させた。
次いで、プローブ物質として抗HSA抗体(ウサギ抗HSA血清、日本バイオテスト研究所)を50mM HEPES緩衝液(pH7.0)に7.68mg/mlになるように溶解させて水溶液を調製した。この溶液を、作用電極上のシリコンシールの開口部に25μl/電極ずつ装填して、ガラス板で覆い、4℃で一晩放置して固相化した。こうして得られた作用電極を50mM HEPES緩衝液(pH 7.0)で3回洗浄した。洗浄後、0.2%カゼインを含む50mM HEPES緩衝液(pH 7.0)をシリコンシールを作用電極表面に載置した開口部に25μl/電極ずつ装填して、ガラス板で覆い30℃で90分インキュベートし、ブロッキングを行った。
標識キットとしてFluoReporter Tetramethylrhodamine Protein Labeling kit(Molecular Probes社)を用いて、テトラメチルローダミンをHSAに標識した。製造元のプロトコルに従い、色素の標識反応、精製、および分離を行い、標識比1のローダミン標識HSA溶液を3.78mg/ml濃度で1.5ml得た。
(2) Production of working electrode and loading of probe substance Production of the working electrode and removal of dirt and residual organic substances were carried out in the same manner as in Example 6.
A spacer-perforated tape was affixed on the obtained working electrode, and air remaining on the tape adhesive surface was removed using the tip of a tweezers. On this tape, a silicon sheet having an opening with a size of 5 mm × 5 mm square was placed and adhered.
Next, an aqueous solution was prepared by dissolving an anti-HSA antibody (rabbit anti-HSA serum, Japan Biotest Laboratories) as a probe substance in a 50 mM HEPES buffer (pH 7.0) to 7.68 mg / ml. This solution was loaded at 25 μl / electrode into the opening of the silicon seal on the working electrode, covered with a glass plate, and allowed to stand overnight at 4 ° C. to solidify. The working electrode thus obtained was washed 3 times with 50 mM HEPES buffer (pH 7.0). After washing, 50 mM HEPES buffer solution (pH 7.0) containing 0.2% casein was loaded at 25 μl / electrode into an opening where a silicon seal was placed on the surface of the working electrode, covered with a glass plate, and 90 ° C. at 90 ° C. Incubated for minutes and blocked.
Tetramethylrhodamine was labeled with HSA using FluoReporter Tetramethylrhodamine Protein Labeling kit (Molecular Probes) as a labeling kit. According to the manufacturer's protocol, dye labeling reaction, purification, and separation were performed to obtain 1.5 ml of a rhodamine-labeled HSA solution with a labeling ratio of 1.78 at a concentration of 3.78 mg / ml.
(3)被検物質の装填
次いで、ブロッキング後の作用電極を0.05% Tween20を含む50mM HEPES緩衝液(pH7.0)(以下T−HEPES)で3回洗浄した。ローダミン標識HSAをブロッキング液で段階希釈することにより、0.1、0.33、1.0、および3.3mg/mlの各濃度のローダミン標識HSA溶液を作製した。各濃度のローダミン標識HSA溶液を作用電極上のシリコンシールの開口部に25μl/電極ずつ装填して、ガラス板で覆い、30℃で90分間インキュベートした。その後、T−HEPESで3回洗浄し、超純水でリンスした。
(3) Loading of test substance Next, the working electrode after blocking was washed three times with a 50 mM HEPES buffer solution (pH 7.0) containing 0.05% Tween 20 (hereinafter T-HEPES). Rhodamine-labeled HSA solutions at various concentrations of 0.1, 0.33, 1.0, and 3.3 mg / ml were prepared by serial dilution of rhodamine-labeled HSA with a blocking solution. Each concentration of rhodamine-labeled HSA solution was loaded at 25 μl / electrode into the opening of the silicon seal on the working electrode, covered with a glass plate, and incubated at 30 ° C. for 90 minutes. Then, it washed 3 times with T-HEPES and rinsed with ultrapure water.
(4)測定用セルの組み立て
電解液として100mMエチレンジアミン四酢酸、100mM NaCl、および100mM Na2SO4からなる成分を溶解した水溶液を使用したこと以外は例21と同様にしてフロー型測定セルを組み立てた。
(4) Assembly of measurement cell A flow type measurement cell was assembled in the same manner as in Example 21 except that an aqueous solution in which components consisting of 100 mM ethylenediaminetetraacetic acid, 100 mM NaCl, and 100 mM Na 2 SO 4 were used was used as the electrolyte. It was.
(5)光電流の測定
フロー型測定セルに固定した緑色LED(CCS社製、HLV-24GR-NR-3W)と集光マイクロファイバヘッド(CCS社製、HFR-25-30)を用いて作用電極表面の3cm上方から光を照射し、作用電極と白金対電極の間に流れる電流を経時的に測定した。測定は180秒間行ったが、光の照射は電流の測定開始60秒後から60秒間のみ行った。観測した光電流は120秒後の光電流値から180秒後の光電流値を差し引くことで補正を行った。
各濃度のHSA溶液について測定された光電流値は、図30に示される通りであった。抗原濃度が0.1〜3.3mg/mlの範囲で相関係数の高い検量線を引くことができ、蛋白質の定量が可能であることが分かった。
(5) Photocurrent measurement Using a green LED (CLV, HLV-24GR-NR-3W) and a condensing microfiber head (CCS, HFR-25-30) fixed to a flow-type measurement cell Light was irradiated from 3 cm above the electrode surface, and the current flowing between the working electrode and the platinum counter electrode was measured over time. The measurement was performed for 180 seconds, but the light irradiation was performed only for 60 seconds after 60 seconds from the start of current measurement. The observed photocurrent was corrected by subtracting the photocurrent value after 180 seconds from the photocurrent value after 120 seconds.
The photocurrent value measured for each concentration of HSA solution was as shown in FIG. It was found that a calibration curve having a high correlation coefficient can be drawn when the antigen concentration is in the range of 0.1 to 3.3 mg / ml, and the protein can be quantified.
Claims (64)
被検物質を含む試料液と、該被検物質と直接または間接的に特異的に結合可能なプローブ物質を表面に備えた作用電極と、対電極とを用意し、
増感色素の共存下、前記試料液を前記作用電極に接触させて、前記プローブ物質に前記被検物質を直接または間接的に特異的に結合させ、該結合により前記増感色素を前記作用電極に固定させ、
前記作用電極と前記対電極とを電解質媒体に接触させ、そして、
前記作用電極に光を照射して前記増感色素を光励起させ、該光励起された増感色素から前記作用電極への電子移動に起因して前記作用電極と前記対電極との間に流れる光電流を検出すること
を含んでなる、方法。 A specific detection method for a test substance using photocurrent,
Preparing a sample solution containing a test substance, a working electrode having a probe substance capable of specifically binding directly or indirectly to the test substance, and a counter electrode;
In the presence of a sensitizing dye, the sample solution is brought into contact with the working electrode to specifically bind the test substance directly or indirectly to the probe substance, and the binding causes the sensitizing dye to bind to the working electrode. Fixed to
Contacting the working electrode and the counter electrode to an electrolyte medium; and
Light is applied to the working electrode to excite the sensitizing dye, and a photocurrent flows between the working electrode and the counter electrode due to electron transfer from the photoexcited sensitizing dye to the working electrode. Detecting the method.
被検物質が直接または間接的に特異的に結合したプローブ物質を表面に備え、かつ該結合により増感色素が固定されてなる作用電極と、対電極とを電解質媒体に接触させ、
前記作用電極に光を照射して前記増感色素を光励起させ、該光励起された増感色素から前記作用電極への電子移動に起因して前記作用電極と前記対電極との間に流れる光電流を検出すること
を含んでなる、方法。 A specific detection method for a test substance using photocurrent,
A working electrode comprising a probe substance to which a test substance is directly or indirectly specifically bound, and a sensitizing dye fixed by the binding, and a counter electrode are brought into contact with the electrolyte medium;
Light is applied to the working electrode to excite the sensitizing dye, and a photocurrent flows between the working electrode and the counter electrode due to electron transfer from the photoexcited sensitizing dye to the working electrode. Detecting the method.
前記試料液が、前記増感色素で標識されていない、前記プローブ物質に特異的に結合可能な第二の被検物質をさらに含んでなり、それにより、前記被検物質および第二の被検物質を前記プローブ物質に競合させて特異的に結合させ、そして、
前記光電流を検出する工程が、電流値または電気量を測定し、得られた電流値または電気量から前記試料液中の第二の被検物質濃度を算出することをさらに含んでなる、請求項1または2に記載の方法。 The test substance is previously labeled with the sensitizing dye,
The sample solution further comprises a second test substance that is not labeled with the sensitizing dye and can specifically bind to the probe substance, whereby the test substance and the second test substance are included. Allowing the substance to compete with and specifically bind to the probe substance; and
The step of detecting the photocurrent further comprises measuring a current value or an electric quantity, and calculating a second analyte concentration in the sample solution from the obtained current value or electric quantity. Item 3. The method according to Item 1 or 2.
各増感色素毎に異なる波長の光を照射することにより、前記各被検物質を個別に検出する、請求項1〜25のいずれか一項に記載の方法。 Two or more kinds of the test substances are present, and the test substances are labeled with different sensitizing dyes that can be excited by light of different wavelengths,
The method according to any one of claims 1 to 25, wherein each test substance is individually detected by irradiating light having a different wavelength for each sensitizing dye.
導電性基材と、
該導電性基材上に形成される、前記増感色素が光励起に応じて放出する電子を受容可能な電子受容物質を含んでなる電子受容層と、
を備えた、電極。 An electrode used as a working electrode in the method according to any one of claims 1-38,
A conductive substrate;
An electron-accepting layer comprising an electron-accepting material capable of accepting electrons emitted by the sensitizing dye in response to photoexcitation, formed on the conductive substrate;
With an electrode.
請求項39〜50のいずれか一項に記載の作用電極と、
対電極と、
前記作用電極および前記対電極が接触される電解質媒体と
を備えた、測定用セル。 A measurement cell used in the method according to any one of claims 1 to 38,
A working electrode according to any one of claims 39 to 50;
A counter electrode;
A measurement cell comprising: an electrolyte medium in contact with the working electrode and the counter electrode.
請求項51〜54のいずれか一項に記載される測定用セルと、
前記作用電極の表面に光を照射する光源と、
前記作用電極と前記対電極との間を流れる電流を測定する電流計と
を備えた、測定装置。 A measuring apparatus used in the method according to any one of claims 1 to 38,
A measurement cell according to any one of claims 51 to 54;
A light source for irradiating light on the surface of the working electrode;
A measuring apparatus comprising: an ammeter that measures a current flowing between the working electrode and the counter electrode.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080509 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090109 |