JP4269001B1 - 反応装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリーを用いて、短いスループット時間で結合反応を得ることができ、また少量のサンプルで効率よく反応させることができる、新しい反応装置及び方法を提供する。対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリーと、前記キャピラリー内に前記対象物質を含有する流体を導入した状態において前記流体中に配された柱状の磁性体と、前記柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて前記キャピラリー内で固定する端部固定手段と、前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を送液するように運動させる端部運動手段と、を備える。
【選択図】図５
【選択図】図５
Description
本発明は、対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリーを用いた反応装置及び方法に関する。
従来より、特定の分子と選択的に結合する物質を用い、それに対応する物質を選択的に検出するアフィニティー検出法を利用した反応装置が開発されている。例えば特開２００２−２０２３０５号公報（特許文献１）には、分析対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリーを複数個束ねた構造を持つアフィニティー検出分析チップ及び検出システムが開示されている。
具体的には、特許文献１に記載の検出システムでは、検出対象分子を含むサンプルを複数のキャピラリーの内部に流し、キャピラリー内面のプローブ分子と特異的な結合反応を起こさせることにより検出対象分子をキャピラリー内面に結合させる。そして、吸光観測装置を用いてキャピラリー内部の結合の有無を観測・分析する。
このような、対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリーを用いて、対象物質を結合する（固定する）反応装置を構成する場合、キャピラリーの内部に対象物質を含有する流体（サンプル）を流すために、シリンジポンプやピストンポンプなどの一般的なポンプをキャピラリー外部に設ける必要がある。
しかし、キャピラリーの微細な流路内では流体の見かけの粘度が非常に高くなることから、一般的なポンプを用いる方法では、流路内の任意の位置（特にポンプから離れた位置）にあるサンプルの送液を精度よく制御することが難しく、結果として、結合反応が得られるまでのスループット時間が長くなってしまうおそれがある。
また、ポンプ内などの配管を通る分の流体が最低限必要となるため、サンプルの利用効率が低下してしまうという問題もある。
更に、従来の構成では、例えばサンプルに含まれる検出対象分子が少ない場合、キャピラリー内面のプローブ分子に検出対象分子を十分に結合させるためには、キャピラリーに流すサンプルの量を増やすことで結合チャンスを増やさざるを得ず、多量のサンプルが必要になるという問題も存在する。
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリーを用いて、短いスループット時間で結合反応を得ることができ、また少量のサンプルで効率よく反応させることができる、新しい反応装置及び方法を提供することを目的とする。
本発明の反応装置は、対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリーと、前記キャピラリー内に前記対象物質を含有する流体を導入した状態において前記流体中に配された柱状の磁性体と、前記柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて前記キャピラリー内で固定する端部固定手段と、前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を送液するように運動させる端部運動手段と、を備える。
前記端部運動手段は、送液方向に対して略平行に交流磁界を印加し、前記磁性体が前記一方の端部を支点として振り子の様に動作するように、前記他方の端部を送液方向及びその逆方向に往復運動させることができる。
前記端部運動手段は、往運動と復運動とで移動速度が異なるように前記他方の端部を往復運動させることができる。
前記柱状の磁性体は、前記直流磁界によって複数の磁性粒子を柱状に磁気結合させて生成されるものであってよい。
本発明の反応方法は、対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリー内に前記対象物質を含有する流体を導入した状態において、前記流体中に配された柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて対象装置内で固定する端部固定工程と、前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を送液するように運動させる送液工程と、を備える。
本発明の反応装置及び方法によれば、対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリーを用いて、短いスループット時間で結合反応を得ることができ、また少量のサンプルで効率よく反応させることができる。
以下に本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１（Ａ）は、本発明の実施形態である反応装置１の概略構成を模式的に示す図である。
図に示すように、反応装置１は、対象物質５０（例えば、タンパク質やＤＮＡなどの生理活性物質）と特異的な結合反応を起こすプローブ分子５１を内面に固定したマイクロキャピラリーチューブ１０と、マイクロキャピラリーチューブ１０の両端を接続する流路（循環路）１１とを備えている。なお、図では１本のマイクロキャピラリーチューブ１０を示しているが、複数個のマイクロキャピラリーチューブ１０を集積させて用いてもよい。また説明のために、図では、図面の左から右に向かう方向にＸ軸を、下から上に向かう方向にＹ軸を、手前から奥に向かう方向にＺ軸を割り当てている。
マイクロキャピラリーチューブ１０は、従来技術（例えば特許文献１）を用いて製造することができる。具体的には、マイクロキャピラリーチューブ１０は、ガラス質材料（石英ガラス、ホウケイ酸ガラス）、有機系材料、プラスチック系材料（ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリプロピレン）、カーボンナノチューブなどの材料を用いて製造することができ、そのサイズは、例えば内径１０マイクロメートル〜１００マイクロメートル程度、長さ１ｍｍ〜５ｍｍ程度とすることが考えられる。
流路１１は、対象物質５０を含有する流体（例えば、気体、液体、ゲルなど；目的に応じて選択される；以下、「サンプル」という）を循環させるための路であり、マイクロキャピラリーチューブ１０の一方の端（出口端１２）から排出されるサンプルを他方の端（入口端１３）へ流通させることができるように構成されている。流路１１は、従来同様、ガラス、シリコン、プラスチックなど、種々の材料を用いて形成することができ、そのサイズはマイクロキャピラリーチューブ１０のサイズに応じて決定できる。
なお、マイクロキャピラリーチューブ１０の入口端１３近傍には、反応装置１内にサンプルを導入するための導入路１４が接続されており、その接続部には循環時にサンプルが導入路に流入しないようにする弁（図示せず）が設けられている。
図１（Ｂ）は、サンプルを反応装置１に導入した状態での、マイクロキャピラリーチューブ１０の様子を模式的に示す図である。
プローブ分子５１は、対象物質５０と特異的な結合反応を起こす相補的な分子であればよく、従来技術同様、設計に応じて適宜、選択することができる。具体的には、対象物質５０に応じて、ＤＮＡ、ＲＮＡ、抗原、抗体、酵素、タンパク質などを用いることができる。
プローブ分子５１は、従来技術同様、リンカー物質によりマイクロキャピラリーチューブ１０の内面に固定することができる。例えば、プローブ分子５１に結合させたリンカー物質（例えば、グルタルアルデヒド）と、マイクロキャピラリーチューブ１０の内面に形成した反応基（例えばシラノール基）とを結合させる態様や、マイクロキャピラリーチューブ１０の内面に存在させた反応基にリンカー物質（例えば、コハク酸）を結合させ、該リンカー物質の上にプローブ分子５１を合成していく態様などを考えることができる。
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本実施形態の反応装置１は、更に、反応装置１内（具体的には、マイクロキャピラリーチューブ１０及び流路１１内）にサンプルを導入した状態においてサンプル中に配された磁性体２０と、磁性体２０の挙動を制御するための制御装置３０として端部固定手段３１及び端部運動手段３２とを備えている。
なお、図１（Ａ）では、端部固定手段３１をマイクロキャピラリーチューブ１０に対して図においてＺ軸プラス方向側に、端部運動手段３２を図においてＹ軸マイナス方向側に配置しているが、これらの手段は、後述する直流磁界４０及び交流磁界４１、４２を印加できる位置であれば、設計に応じて任意の位置に配置することができる。
図２に、磁性体２０の構造を模式的に示す。図に示すように、磁性体２０は、複数の磁性粒子２１が柱状に磁性結合して構成されており、柱の両端に相当する２つの端部２２、２３を備えている。
磁性体２０の一方の端部２２は、後述するように端部固定手段３１によってマイクロキャピラリーチューブ１０に接した状態で固定されている。一方、磁性体２０の他方の端部２３は固定されておらず、後述するように端部運動手段３２によって往復運動などを行うように制御される。
磁性粒子２１は、従来技術を用いて製造することができ、磁性体自体の粒子のほか、磁性体を含む組成物の粒子であってもよい。磁性粒子２１は、粒状、板状、箱状、針状（例えばマグネチックカーボンナノチューブ（ＣＮＴ））など、種々の形状をとることができ、そのサイズは、マイクロキャピラリーチューブ１０のサイズ、サンプルの種類、必要とされる送液能力や攪拌能力に応じて、決定することができる（なお、本願ではサンプルが液体以外の場合にも「送液」との用語を用いる）。
端部固定手段３１は、マイクロキャピラリーチューブ１０の管路方向に対して略直交方向（例えば、図１に示す座標系においてＺ軸マイナス方向）に直流磁界４０を印加する装置である（図３（Ａ）参照）。このような装置は、従来同様、永久磁石、電磁石等をコントローラで制御することにより実現できる。
流体中に分散した磁性粒子に対して直流磁界を印加すると、磁性粒子が磁界入射側を底として柱状に磁性結合することが知られている（例えば、「Field-Induced Structures in Ferrofluid Emulsions」,PHYSICAL REVIEW LETTERS, Volume 74, Number 13, 3 April 1995を参照のこと。この文献は参照により本願に組み込まれる）。「柱」の間隔、高さは、印加する直流磁界の強さ等によって制御可能である。
本実施形態の磁性体２０は、上記の現象を利用して形成される。すなわち、サンプル中に磁性粒子２１を導入・分散させた後、端部固定手段３１によりマイクロキャピラリーチューブ１０の管路方向に対して略直交方向に直流磁界４０を印加することで、マイクロキャピラリーチューブ１０の磁界入射側を底（固定された端部２２）として磁性粒子２１が柱状に磁性結合され、磁性体２０が形成される。
ここで、マイクロキャピラリーチューブ１０の磁界入射側に予め磁性粒子や磁性薄膜を付しておいてもよい。付す方法は、接着など従来技術を用いることができる。この場合、予め付した磁性粒子等が柱の底となるように磁性粒子２１が磁性結合されるので、磁性体２０の形成位置を予め指定することが可能となる。
端部運動手段３２は、マイクロキャピラリーチューブ１０の管路方向（図１に示す座標系においてＹ軸方向）に対して略平行に交流磁界４１を印加し、又、所定の平面（例えば、図１に示す座標系においてＸＹ平面）内で磁界の向きが３６０°回転するように交流磁界４２を印加する装置である（図３（Ｂ）、（Ｃ）参照）。このような装置は、従来同様、交流電流により発生する磁界をコントローラで制御することにより実現できる。
磁性体２０の端部２３は、マイクロキャピラリーチューブ１０に固定されておらず、そのため、端部運動手段３２により印加される交流磁界４１の影響を受けて運動する。
なお、磁性体２０の端部２２も端部運動手段３２により印加される交流磁界４１の影響を受けるため、その影響下でも端部２２をマイクロキャピラリーチューブ１０に固定できるよう、端部運動手段３２により印加される交流磁界４１の強さに対して、端部固定手段３１により印加される直流磁界４０の強さを十分に大きく設定する。
次に、本実施形態における反応装置１を利用した反応方法の実施例を具体的に説明する。
（実施例１） 実施例１では、磁性体２０をナノポンプとして作用させることで反応効率の向上を図る。
まず、対象物質５０を含有するサンプルに磁性粒子２１を混入し、分散させる（ステップ１）。
次に、磁性粒子２１を分散させたサンプルを導入路から反応装置１（マイクロキャピラリーチューブ１０）内に導入する（ステップ２）。
次に、端部固定手段３１により、マイクロキャピラリーチューブ１０の管路方向に対して略直交方向に直流磁界４０を印加する（ステップ３）。ここでは、図１に示す座標系においてＺ軸マイナス方向に直流磁界４０を印加するものとする。
かかる直流磁界４０の印加により、サンプル中に分散していた磁性粒子２１は、直流磁界が入射する側であるマイクロキャピラリーチューブ１０の奥側面（Ｚ軸プラス方向側の面）を底（固定された端部２２）として柱状に磁性結合し、磁性体２０を形成する。
マイクロキャピラリーチューブ１０の奥側面に形成される磁性体２０の間隔（端部２２どうしの間隔）や高さ（磁性粒子２１の結合数）は、磁性粒子２１の直径、磁気モーメント、種類（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなど）によって決まる。具体的にどのような間隔、高さとするかは、マイクロキャピラリーチューブ１０のサイズ、サンプルの種類、必要とされる送液能力や攪拌能力、プローブ分子５１の密度などに応じて、決定することができる。
次に、端部運動手段３２により、送液動作モードにて、交流磁界４１を印加する（ステップ４）。送液動作モードでは、マイクロキャピラリーチューブ１０の管路方向（図１に示す座標系においてＹ軸方向）に対して略平行に交流磁界４１を印加する。かかる交流磁界４１の印加により、磁性体２０の端部２３は、交流磁界４１の方向、すなわち、図１に示す座標系においてＹ軸マイナス方向（送液方向）及びＹ軸プラス方向（送液方向の逆方向）に往復運動する。
端部２３の往復運動は、印加する交流磁界４１の波形によって制御することができる。
例えば、送液方向への動きを往運動、送液方向の逆方向への動きを復運動とする場合、端部２３の往運動時の移動速度が、復運動時の移動速度よりも大きくなるように交流磁界４１の波形を設定することができる。具体的には、往運動時には、相対的に急峻な磁場勾配（磁束密度の変化）が生じるように交流磁界４１の波形を設定し、端部２３が相対的に速い速度で移動するように制御する。また、復運動時には、相対的に緩やかな磁場勾配が生じるように交流磁界４１の波形を設定し、端部２３が相対的に遅い速度で移動するように制御する。
このように往運動の移動速度が復運動の移動速度よりも大きくなるように端部２３の往復運動を制御することで、磁性体２０は、固定されている端部２２を支点として振り子の様に動作し、サンプルを送液するように作用する（ナノポンプとして機能する）。かかる送液作用により、サンプルはマイクロキャピラリーチューブ１０及び流路１１を一定方向に循環する。
図４に、サンプル中の磁性体２０がナノポンプとして機能する様子を模式的に示す。図４（Ａ）は柱状の磁性体２０を横から見た図、図４（Ｂ）は柱状の磁性体２０を上から見た図である。各図における磁性体２０は模式的に示したものであり、その寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
なお、送液動作モードにおける往復運動の移動速度差は、サンプルの種類、必要とされる送液能力に応じて、決定することができる。また、送液作用が不要となった場合は、交流磁界４１の印加を停止すればよい。
実施例１の反応装置１は、サンプル中の磁性体２０の挙動によってサンプルを送液できるので、従来のようなポンプ装置は不要である。その結果、従来必要であったポンプ装置内の配管を通る分のサンプルも不要となるから、サンプルの利用効率を向上させることができる。また、ポンプ装置という機械部分を排除できるので、機械部分の故障等による装置寿命の短縮を回避することができる。
実施例１の反応装置１は、サンプル中の磁性体２０の挙動によってサンプルを送液できるので、従来のようなポンプ装置は不要である。その結果、従来必要であったポンプ装置内の配管を通る分のサンプルも不要となるから、サンプルの利用効率を向上させることができる。また、ポンプ装置という機械部分を排除できるので、機械部分の故障等による装置寿命の短縮を回避することができる。
また、ナノポンプとして作用する磁性体２０は、マイクロキャピラリーチューブ１０内のサンプル中に分散しているため、マイクロキャピラリーチューブ１０全体にわたって精度よく送液を制御することができ、その結果、マイクロキャピラリーチューブ１０内でサンプルをスムースに流通させることができるので、結合反応が得られるまでのスループット時間を短縮することができる。
更に、サンプルは流路１１を経由してマイクロキャピラリーチューブ１０内を循環することでプローブ分子５１に繰り返し接触するため、反応装置１に導入するサンプルの量を増やすことなく、対象物質５０とプローブ分子５１との結合チャンスを増加させることができる。
（実施例２） 実施例２では、磁性体２０をナノポンプ及びナノスターラとして作用させることで反応効率の向上を図る。
実施例２において、ステップ１〜４までは実施例１と同様である。ただし、実施例２では、端部運動手段３２は、サンプルがマイクロキャピラリーチューブ１０内に充填された状態となった場合、ステップ４と以下のステップ５とを切り替えて、両ステップを繰り返し実行する。
具体的には、ステップ５では、端部運動手段３２により、攪拌動作モードにて交流磁界４２を印加する。攪拌動作モードにおける交流磁界４２の印加方向や強さは、サンプルの種類、必要とされる攪拌能力に応じて、決定することができる。
例えば、端部２３が、所定の平面（例えば、図１に示す座標系においてＸＹ平面）内で磁界の向きが３６０°回転するように、交流磁界４２の波形を設定することができる（図３（Ｃ）参照）。この場合、磁性体２０の端部２３は、前記平面内で略円運動する。その結果、磁性体２０は、固定されている端部２２を支点として円錐振り子の様に動作し、流体を攪拌するように作用する（ナノスターラとして機能する）。
図５に、サンプル中の磁性体２０がナノスターラとして機能する様子を模式的に示す。図５（Ａ）は柱状の磁性体２０を横から見た図、図５（Ｂ）は柱状の磁性体２０を上から見た図である。各図における磁性体２０は模式的に示したものであり、その寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
なお、攪拌動作モードにおける磁界の回転速度などは、サンプルの種類、必要とされる攪拌能力に応じて、決定することができる。また、攪拌作用が不要となった場合は、交流磁界４２の印加を停止すればよい。また、ステップ４及びステップ５の実行時間は異なっていてもよく、また時間の経過に応じて各ステップの実行時間を変化させてもおい。
実施例２の反応装置１は、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。更に、マイクロキャピラリーチューブ１０に対して印加する交流磁界４２を制御することで、磁性体２０をナノスターラとして機能させ、マイクロキャピラリーチューブ１０内でサンプルを攪拌することができるので、反応装置１に導入するサンプルの量を増やすことなく、対象物質５０とプローブ分子５１との結合チャンスを増加させることができる。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。例えば、上記実施形態ではマイクロキャピラリーチューブ１０全体に対して一様に交流磁界４１、４２を印加しているが、局所的に交流磁界を印加する構成としてもよい。またマイクロキャピラリーチューブ１０に加えて又は代えて、流路１１に対して一様に又は局所的に交流磁界を印加する構成としてもよい。すなわち、端部固定手段により、流路１１の送液方向に対して略直交方向に直流磁界を印加し、端部運動手段により、流路１１の送液方向に応じた方向に交流磁界を印加することで、流路１１内のサンプル中に配された磁性体２０をナノポンプ又はナノスターラとして作用させることができる。
また、上記実施形態では、実施例１では磁性体２０をナノポンプとして作用させる態様を説明し、実施例２では磁性体２０をナノポンプ及びナノスターラとして作用させる態様を説明しているが、磁性体２０をナノスターラとしてのみ作用させる態様を採用してもよい。この場合でも、磁性体２０のナノスターラとしての作用により、及び流路１１を経由してサンプルがマイクロキャピラリーチューブ１０を循環することにより、反応装置１に導入するサンプルの量を増やすことなく、対象物質５０とプローブ分子５１との結合チャンスを増加させることができる。
また、反応装置が、マイクロキャピラリーチューブ１０内の対象物質の結合の有無を検出する構成や、検出結果をデータ処理する構成を備えるように構成してもよい。結合の有無を検出する方法として、従来技術のように吸光観測装置を用いる態様や、マイクロキャピラリーチューブ１０のインピーダンスの変化により結合の量を判定する態様などを考えることができる。
以上説明したとおり、本発明の反応装置及び方法によれば、サンプル中の磁性体２０の挙動を制御することで送液機能及び攪拌機能を実現できるので、キャピラリーを用いた種々の反応装置に広く利用することができる。
１ 反応装置
１０ マイクロキャピラリーチューブ
１１ 流路
１２ 出口端
１３ 入口端
１４ 導入路
２０ 磁性体
２１ 磁性粒子
２２、２３ 磁性体２０の端部
３０ 制御装置
３１ 端部固定手段
３２ 端部運動手段
４０ 直流磁界
４１、４２ 交流磁界
１０ マイクロキャピラリーチューブ
１１ 流路
１２ 出口端
１３ 入口端
１４ 導入路
２０ 磁性体
２１ 磁性粒子
２２、２３ 磁性体２０の端部
３０ 制御装置
３１ 端部固定手段
３２ 端部運動手段
４０ 直流磁界
４１、４２ 交流磁界
Claims (5)
- 対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリーと、
前記キャピラリー内に前記対象物質を含有する流体を導入した状態において前記流体中に配された柱状の磁性体と、
前記柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて前記キャピラリー内で固定する端部固定手段と、
前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を送液するように運動させる端部運動手段と、
を備える反応装置。 - 前記端部運動手段が、送液方向に対して略平行に交流磁界を印加し、前記磁性体が前記一方の端部を支点として振り子の様に動作するように、前記他方の端部を送液方向及びその逆方向に往復運動させることを特徴とする請求の範囲第１項記載の反応装置。
- 前記端部運動手段が、往運動と復運動とで移動速度が異なるように前記他方の端部を往復運動させることを特徴とする請求の範囲第２項記載の反応装置。
- 前記柱状の磁性体は、前記直流磁界によって複数の磁性粒子を柱状に磁気結合させて生成されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の反応装置。
- 対象物質と特異的な結合反応を起こすプローブ分子を内面に固定したキャピラリー内に前記対象物質を含有する流体を導入した状態において、前記流体中に配された柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて対象装置内で固定する端部固定工程と、
前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を送液するように運動させる送液工程と、
を備える反応方法。
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