JP3688671B2 - Electrochemical multi-analyte analysis method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学的多検体分析方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、試験溶液中に含まれる分析対象物質の濃度を定量する目的で、広く適用されているマルチタイタープレートは、容積3ml−100μlのマイクロウェルを有し、12−96個の検体の連続的分析を可能とする。このマルチタイタープレートによる分析では、吸光、蛍光、発光計測が検出原理として採用され、いずれの検出系においても、一つ一つの容器における分析対象物質の濃度を全自動で連続的に測定する装置が市販されている。このマルチタイタープレートを用いた分析において、注目する目的物質の容器内の濃度は均一であることが大前提となっている。
【0003】
マルチタイタープレートを用いた分析手法の中には、電気化学検出を採用した手法も多くある。しかし、この手法は、連なる容器の一つ一つが独立で、検出電極(作用極)のみならず、参照極/対極も一つ一つの容器ごとに配置されることが一般的であって、構成は複雑である。電気化学検出の場合、試料溶液と電極表面の間に濃度勾配が形成されるが、これは検出電流を獲得するに際して形成される濃度勾配であり、目的物質の容器内における沖合濃度は均一であることが大前提であることに変わりはない。高感度分析を目的とし、比較的微体積の容器と電気化学検出を組み合わせた分析システムでは、容器内に存在する目的物質をすべて反応させた際の電気量を出力として得る方法も既に知られている。
【0004】
上述の分析システムのコンセプトと全く異なり、本発明は、一対(微小電流計測用の作用極および参照極/対極)の電気化学計測系で多数配列された容器の濃度および濃度勾配を一つ一つ連続的に計測する方法を提供する。
【0005】
また、本発明は、下記の特許文献1における装置構成の一部である「試料保持装置」を使用せず、独自の形状を有するウェル(容器)を用いた酸素消費量計測方法に関する。
【0006】
本発明は、装置の操作に習熟した人以外でも簡単に計測を実施することを可能にする。さらに、容器は複数の試料を保持することが可能であり、胚1個あたりの計測に要する時間を大幅に短縮できる。
【0007】
また、走査型電気化学顕微鏡は、微小電極を探針とし、試料表面近傍の濃度勾配の計測を可能にする装置である。しかし、注目物質の濃度勾配の計測から試料−溶液間の物質収支速度が定量できるケースは極めて限られているのが現状である。例えば、サイズが微小(半径100μm程度あるいはそれ以下)でかつ球あるいは円といったシンプルな形状の試料については、球面拡散の式が適用でき、試料−溶液間の物質収支速度が定量できる。本発明では、容器内部に形成される濃度勾配を計測し、試料−溶液間の物質移動速度を定量する。
【0008】
解析工程は球面拡散の仮定および理論式に縛られず、試料は球形である必要がない。また、計測の際に電極を試料に最近接させる必要がない。更に、計測および解析工程は哺乳動物胚の酸素消費量計測以外にも応用可能であり、その場合、特許文献1に束縛されることはない。
【0009】
特許文献1には哺乳動物胚の無侵襲的品質評価方法及びその装置が示され、特に、個々の胚における酸素消費量を基準に胚の正常性を判定するようにしている。
【0010】
非特許文献1には、溶液の濃度分布に関する測定手法が記載されている(詳細は後述)。
なお、本願発明者らによるセルを用いた電気化学的分析装置及び方法が特願2002−269651として既に提案されている。
【0011】
【特許文献1】
特開2002−122568号、第4〜6頁
【非特許文献1】
珠玖ら、Electrochemistry,69,806−810(2001)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1における呼吸計測工程は、試料の保持や電極の位置決めに関してマニピュレーターを使用し、煩雑な工程が不可避であった。また、計測に要する時間は計測を実施する人の修練度により大きく左右されるという問題があった。
【0013】
本発明では、容器内に配置された計測対象試料と周囲の溶液との間で物質移動が起こり溶液中に濃度勾配が形成される場合に、この容器内の濃度勾配から試料−溶液間の物質移動速度を定量する。
【0014】
本発明を、呼吸量計測を基に哺乳動物胚の品質評価を行う特許文献1の呼吸計測工程に適用した場合、以下の3点において改善が期待でき、計測をより効率的に実施することを可能にする。
【0015】
(1)特許文献1における「単一哺乳動物胚の酸素消費量の計測を行う電気化学顕微鏡計測装置」を構成する諸装置中に挙げられていない、計測用ウェルを新たに設計した。すなわち、マニピュレータ等の特別な装置は一切使用せず、手動で目的の位置に試料を配置する。しかも、試料をウェル内に配置した際の位置決め精度は10μm程度である。
【0016】
(2)従来法においては、試料の呼吸に起因する周囲水溶液中の酸素濃度勾配が試料の中心を原点として全方位に向け球状に形成される。これに対し本発明を用いると、試料の呼吸に起因する試料近傍の酸素濃度勾配の形成は著しく方位が狭められ、濃度変化が一定方向に集約できる。
【0017】
(3)複数の試料を同一容器上に配置できる。
【0018】
本発明は、上記状況に鑑みて、ウェル内に形成された計測対象物の不均一な濃度分布を計測することにより、試料−溶液間の物質移動速度を定量することができる電気化学的多検体分析方法を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕電気化学的多検体分析方法において、セルの基台に形成された逆円錐形状のウェル内に配置された試料とこの試料を取り囲む前記セル内の溶液間に物質収支が存在する場合に、前記逆円錐形状のウェル内に形成された計測対象物の不均一な濃度分布を計測することにより、前記試料−溶液間の物質移動速度を定量することを特徴とする。
【0020】
〔2〕上記〔1〕記載の電気化学的多検体分析方法において、前記計測対象物を測定する際に、複数のウェルを有するセルを用いることを特徴とする。
【0021】
〔3〕上記〔1〕記載の電気化学的多検体分析方法において、前記計測対象物を測定する際に、この計測対象物の濃度勾配がウェル内部にのみ存在し、複数のウェル間の物質移動が存在しないように構成されたウェルを用いることを特徴とする。
【0022】
〔4〕上記〔1〕記載の電気化学的多検体分析方法において、前記試料が生体試料であることを特徴とする。
【0023】
〔5〕上記〔4〕記載の電気化学的多検体分析方法において、前記生体試料が哺乳動物胚や動物細胞であることを特徴とする。
【0024】
〔6〕上記〔4〕記載の電気化学的多検体分析方法において、前記生体試料がタンパク質や核酸であることを特徴とする。
【0025】
上記したように、複数のウェルを配置したセルを用い、ウェル内に生体試料を配置し、ウェル内の濃度分布を計測することにより、試料と溶液間の物質移動量を定量することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0027】
図1は本発明にかかる電気化学的多検体分析セルの模式図であり、図1(a)はその平面図、図1(b)はそのA−A線断面図である。図2はそのウェルの拡大断面図〔図1(b)点線部拡大図〕である。
【0028】
これらの図において、1はセル、2は基台、3は枠体、4は複数のウェル、5は計測溶液である。因みに各部の寸法は次の通りである。基台2の長さL1 は80mm、基台2の幅L2 は30mm、基台2の厚さL3 は5mm、枠体3の長さ(外壁と外壁の距離)L4 は60mm、枠体3の長さ(内壁と内壁の距離)L5 は50mm、枠体3の外幅L2 は30mm、枠体3の内幅L6 は20mm(したがって、枠体3の幅L7 は10mm)、枠体3の高さL8 は5mm、ウェル4間の距離(ピッチ)L9 は6mmである。また、枠体3内に形成される複数のウェル4の形状は、図2に示すように、逆円錐形状で半径L11と深さL12が共に2mmである。円錐の頂角2θは90°となる。
【0029】
なお、この電気化学的多検体分析セルにおいては、ウェル4に試料が配置され、これらの複数のウェル4に共通する計測溶液(計測溶液で電気的に短絡される)5が与えられるとともに、一対(微小電流計測用の作用極および参照極/対極)の電気化学計測装置系が設けられる。
【0030】
〔A〕球面拡散の理論式に基づく物質移動速度の算出(従来法)
試料表面における反応種の濃度が均一である球状試料(半径rs )と周囲の溶液の間で物質収支が存在し、溶液側に形成される濃度勾配が定常である場合に、溶液の濃度分布C(r)は球座標軸rに対し、次式で表される(非特許文献1参照)。
【0031】
l=(r+rs )
C(r)=(Cs −C* )rs /l+C* …(1)
ここで、lは電極先端と試料の中心間の距離、rs は試料半径、rは試料表面からの距離、Cs は表面濃度、C* は沖合濃度を示している。
【0032】
上記式(1)より、試料の中心を通る水平線に沿って、試料の最近接地点から沖合方向に探針電極を走査し、溶液中の濃度勾配を直接計測することで、沖合との試料表面の濃度差(ΔC=Cs −C* )が、C(r)vsrs /(r+rs )プロットの傾きとして得られる。このとき、試料全体から溶液へ移動する流束の総和(Fdirect〔mols-1〕)および、試料表面における流束密度(fs 〔molcm-2s-1〕)は、
Fdirect=4πrs DΔC …(2)
fs =DΔC/rs …(3)
で表される。
【0033】
同様の実験系で、図3に示すように、試料の最近接地点(点A)から鉛直方向(z軸方向)に探針電極を走査した場合、電極先端と試料の中心間の距離lは、 l=(z2 +rs 2 )0.5
であり、z軸方向の濃度勾配C(z)は、
C(z)=ΔCrs /l+C* …(1)′
このとき、ΔCはC(z)vsrs /lプロットの傾きとして得られる。
【0034】
以下、同様に上記式(2)、(3)が適用できる。
【0035】
逆円錐型ウェルの底に球状試料を静置した場合も、C(z)vsrs /lプロットの線形性は良好であり、ΔCwellを得ることができる。
【0036】
〔B〕ウェルに形成された濃度勾配から試料の物質移動速度を定量する方法
図3に計測工程を示した。球状試料(半径rs )が逆円錐形のウェル4に設置される場合を想定し、試料の中心を原点Oとするx−y−z座標を図3に示す通りに設定する。逆円錐の頂角を2θとする。逆円錐の頂点と試料中心Oの距離hは、
h=(1/sinθ)rs
である。z=z0 において、逆円錐の頂点からの距離(h+z0 )を半径とする球のうちウェル内部におさまる部分の球の表面積Sz=z0は、
Sz=z0=2π(1−cosθ)(h+z0 )2
である。頂角2θ=90°の逆円錐型ウェルを用いた場合、h=√2rs 、Sz=z0=2π(1−1/√2)(h+z0 )2 となる。沖合から試料/溶液界面に定常的な物質収支が存在し、総流束をF〔mols-1〕で表す。
【0037】
球面Sz=z0を通過する総流束Fz=z0は、
Fz=z0=∫fz=z0(x,y,z)dS
ここで、Sz=z0=∫dS、fz=z0(x,y,z)は、球面Sz=z0の任意の座標(x,y,z)における流束密度〔molcm-2s-1〕である。
【0038】
Fickの第一法則より、
fz=z0(x,y,z)=D(∂C/∂x+∂C/∂y+∂C/∂z)
ここで、DおよびCは注目する物質の拡散係数〔cm-2s-1〕および濃度〔molcm-3〕である。fz=z0が球面内で一様である場合には、
Fz=z0=fz=z0Sz=z0
と表せる。沖合から供給される物質量と試料が消費する物質量が等しい場合は、濃度勾配および流束が時間に依存して変化せず定常状態に収束する。
【0039】
〔C〕ウェルの中の濃度勾配(実測例1)
ここでは、藻類ハネモのプロトプラストを球状試料として選択した。ハネモ半径154μm、計測は常温、溶液は海水、酸素の拡散係数D=2.1×10-5cm2 mol-1、沖合酸素濃度C* =0.204×10-6molcm-3とした。
【0040】
ウェル内の酸素濃度勾配を、微小電極を走査させることにより測定した。局所の酸素濃度は、電極電位を−0.6VvsAg/AgClに固定してPtディスク電極(電極半径1μm)を走査し、酸素還元電流を記録することにより求めた。
【0041】
図4は容器内において酸素濃度の等しい点をプロットした図である。
【0042】
ここで、太線はSz (ウェルの頂点を中心とする同心円)、実線はS′z (原点を中心とする同心円)を表す。
【0043】
この図より、ウェルの濃度勾配が球状に広がることが分かる。ウェルの頂点を中心とする球のうちウェル内部におさまる部分の球の表面積Sz は上述のとおり次式で表せる。
【0044】
Sz =2π(1−1/√2)(h+z)2
これに対し、原点を中心とする球のうちウェル内部におさまる部分の球の表面積S′z は、
S′z =2π(1−cosψ)z2
sinψ=(z−h)/z
(ψは円錐の軸と、球Sとウェルの交点の角)
ウェル内部の等濃度面はz<2rs では球面S′z よりむしろ球面Sz とよく一致していることが分かる。
【0045】
座標(x,y,z)=(0,0,rs )の点Bを走査開始点として+z方向に酸素濃度勾配を記録し(図3参照)、図5に示すように、いくつかの点でzと流束密度fz=z0、ウェルの球面積Sz=z0、球面を通過する総流束Fz=z0の関係を得た。なお、図5において、図5(A)は図3の点Bよりz軸方向の無次元濃度勾配を示す図、図5(B)はいくつかの点におけるzと流束密度fz=z0の関係を示す図、図5(C)はzと球面積Sz の関係を示す図、図5(D)はzと球面を通過する総流束Fz=z0の特性図である。
【0046】
これらの図から明らかなように、zが大きくなるとfz は減少し、Sz は増加する。総流束Fz はzに依らずよく一致している。すなわち、z軸方向の勾配を計測することにより、総流束Fz=z0を求めることができる。
【0047】
〔D〕従来法と本発明のウェルを用いた計測の比較
実際の種々のサイズを有するハネモとウシ胚について、各単一試料を平底容器と逆円錐形ウェルに各々設置し、酸素消費量を定量した。まず、平底容器に設置した試料の酸素濃度差ΔCdirectと、同一試料をウェルに移し同様に定量した濃度差ΔCwellを比較した(図6)。
【0048】
なお、図6において、図6(A)はハネモについて従来法の平底容器で定量した濃度差ΔCdirectと、本発明における逆円錐形ウェルで定量した濃度差ΔCwellの関係を示す図、図6(B)はウシ胚について従来法の平底容器で定量した濃度差ΔCdirectと、本発明における逆円錐形ウェルで定量した濃度差ΔCwellとの関係を示す図であり、ΔCdirectは、上記式(1)より得た。ΔCwellは、図3の点Aから鉛直方向(z軸方向)に探針電極を走査して式(1)′より得た。その結果、ハネモ、ウシ胚とも、サイズによらず、
ΔCwell=2・ΔCdirect
の関係式を得た。すなわち、逆円錐形ウェルを用いると、試料の酸素濃度変化を、従来法に比べ2程度増幅して観測可能であることが分かった。
【0049】
次に、平底容器に設置した試料の酸素消費量Fdirectと、同一試料をウェルに移し、上述の工程に従い算出した酸素消費量Fz を比較した(図7)。なお、試料はウシ胚(体外受精後、1,5,6,8日間培養した胚)を用いた。図7において、●は図3の点Bから鉛直方向に探針電極を走査した場合、○は図3の点Aから鉛直方向に探針電極を走査した場合を示している。
【0050】
Fz とFdirectを比較した結果、試料のサイズや走査開始点の違いによらず、
Fz =0.8・Fdirect
の関係式を得た。平底容器に比べ逆円錐形ウェルの方が酸素供給の角度が限られており、Fz /Fdirectが1より小さいことは妥当であると考える。
【0051】
以上の計測例から以下のことが分かった。
【0052】
逆円錐形ウェルあるいはそれに準ずる形状の容器に十〜数百μmオーダーの試料を設置し、試料とその回りの溶液間の物質収支速度を定量する場合、〔ここでは半径2mm、深さ2mmの逆円錐形状ウェルにハネモあるいはウシ胚を設置し、試料の呼吸活性(酸素消費速度)を定量する場合〕、試料から比較的離れた距離においては、容器内に分布する流束密度と物質移動の存在する断面積との積により、溶液−試料間の総物質収支を求めることができる。ここで、「試料から比較的離れた距離」とは、例えば、半径rs の球状試料の場合、z>2rs とすることができる。
【0053】
また、図4より、試料−溶液間の濃度勾配はウェルの内部にのみ存在しており、個々のウェル同士では物質移動が存在しないことが分かる。従って、各ウェルは隣接するウェルにより外乱を受けることなく、独立性を保持している。エンザイムイムノアッセイは、通常96穴プレート(12cm×8cm)を使用して、実施されるが、本発明により、プレートの小型化、使用する試料・試薬量の微量化が期待できる。
【0054】
図8は本発明を適用可能なウェルを96個配列した場合のセルの概略平面図である。
【0055】
この図において、セル10には、96個のウェル13が配列されている。因みに、基台11の長さL21は80mm、基台11の幅L22は50mm、枠体12の長さ(外壁と外壁の距離)L23は70mm、枠体12の長さ(内壁と内壁の距離)L24は60mm、枠体12の外幅L22は50mm、枠体12の内幅L25は40mmである。
【0056】
上記実施例では、生体試料として、藻類ハネモやウシ胚について述べたが、広くは、哺乳動物胚や動物細胞、タンパク質(抗原、抗体、酵素)や核酸(DNA、RNA)などの生体試料に適用できることは言うまでもない。
【0057】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0058】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0059】
(A)複数のウェル内に配置された試料と試料を取り囲む溶液間に物質収支が存在する場合に、ウェル内に形成された計測対象物の不均一な濃度分布を計測することにより、試料−溶液間の物質移動速度を定量することができる。
【0060】
(B)多数配列された計測対象物容器の一つ一つ連続的に計測することができる。
【0061】
(C)計測対象の形状(球や円などの簡単な形状)には制限がなく、適用範囲が広い。
【0062】
(D)さらに、哺乳動物胚の呼吸計測に際し、操作性の向上を図り、胚1個あたりの計測に要する時間を大幅に短縮することができる。
【0063】
なお、本発明によれば、走査型電気化学顕微鏡をベースにした分析化学的アプローチの中で初めて、多検体・多項目計測の全自動化が期待できる。また、哺乳動物胚の呼吸計測以外にもエンザイムイムノアッセイへの応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかる電気化学的多検体分析セルの模式図である。
【図2】 本発明にかかる電気化学的多検体分析セルのウェルの拡大断面図である。
【図3】 本発明にかかるウェルに形成された濃度勾配から試料の物質移動速度を定量する方法の説明図である。
【図4】 本発明にかかる容器内において酸素濃度の等しい点をプロットした図である。
【図5】 本発明にかかるいくつかの点でzと流束密度fz=z0、ウェルの球面積Sz=z0、球面を通過する総流束Fz=z0の関係を示す図である。
【図6】 ハネモについて従来の平底容器で定量した濃度差ΔCdirectと、本発明における逆円錐形ウェルで定量した濃度差ΔCwellの関係とを示す図、及びウシ胚について、従来の平底容器で定量した濃度差ΔCdirectと、本発明にかかる逆円錐形ウェルで定量した濃度差ΔCwellとの関係を示す図である。
【図7】 ウシ胚についての各単一試料を、従来の平底容器で定量した酸素消費量Fdirectと、本発明にかかる逆円錐形ウェルで定量した酸素消費量Fz との関係を示す図である。
【図8】 本発明を適用可能なウェルを96個配列した場合のセルの概略平面図である。
【符号の説明】
1,10 セル
2,11 基台
3,12 枠体
4,13 複数のウェル
5 計測溶液[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrochemical multi-analyte analysis method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a multititer plate widely applied for the purpose of quantifying the concentration of an analyte contained in a test solution has a microwell with a volume of 3 ml to 100 μl, and continuously analyzes 12 to 96 specimens. Is possible. In this multititer plate analysis, absorption, fluorescence, and luminescence measurement are adopted as detection principles, and in any detection system, there is a device that continuously and fully automatically measures the concentration of the analyte in each container. It is commercially available. In the analysis using this multititer plate, it is a major premise that the concentration of the target substance of interest in the container is uniform.
[0003]
Among the analytical methods using multititer plates, there are many methods that employ electrochemical detection. However, in this method, each of the consecutive containers is independent, and not only the detection electrode (working electrode) but also the reference electrode / counter electrode is generally arranged for each container. Is complicated. In the case of electrochemical detection, a concentration gradient is formed between the sample solution and the electrode surface. This is the concentration gradient formed when the detection current is acquired, and the offshore concentration of the target substance in the container is uniform. This is still a major premise. For analysis systems that combine a relatively small volume container and electrochemical detection for the purpose of high-sensitivity analysis, there is already known a method for obtaining the output of electricity when all target substances existing in the container are reacted. Yes.
[0004]
The present invention is completely different from the concept of the analysis system described above, and the present invention relates to the concentration and concentration gradient of each container arranged in a large number in a pair of electrochemical measurement systems (working electrode for measuring minute current and reference electrode / counter electrode). Provide a continuous measurement method.
[0005]
The present invention also relates to an oxygen consumption measurement method using a well (container) having a unique shape without using a “sample holding device” which is a part of the device configuration in
[0006]
The present invention makes it possible to easily carry out measurement even by a person who is not familiar with the operation of the apparatus. Furthermore, the container can hold a plurality of samples, and the time required for measurement per embryo can be greatly shortened.
[0007]
A scanning electrochemical microscope is a device that enables measurement of a concentration gradient in the vicinity of a sample surface using a microelectrode as a probe. However, there are currently only a limited number of cases where the mass balance rate between the sample and the solution can be determined from the measurement of the concentration gradient of the target substance. For example, for a sample having a small size (radius of about 100 μm or less) and a simple shape such as a sphere or a circle, the spherical diffusion equation can be applied, and the mass balance rate between the sample and the solution can be quantified. In the present invention, the concentration gradient formed in the container is measured, and the mass transfer rate between the sample and the solution is quantified.
[0008]
The analysis process is not bound by spherical diffusion assumptions and theoretical equations, and the sample need not be spherical. Further, it is not necessary to bring the electrode into close contact with the sample during measurement. Furthermore, the measurement and analysis process can be applied to other than the oxygen consumption measurement of the mammalian embryo, and in that case, the measurement and analysis process is not limited to
[0009]
[0010]
Non-Patent
Incidentally, an electrochemical analysis apparatus and method using a cell by the present inventors have already been proposed as Japanese Patent Application No. 2002-269651.
[0011]
[Patent Document 1]
JP 2002-122568, pp. 4-6 [Non-Patent Document 1]
Juju et al., Electrochemistry, 69, 806-810 (2001).
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The respiration measurement process in
[0013]
In the present invention, when mass transfer occurs between the sample to be measured arranged in the container and the surrounding solution and a concentration gradient is formed in the solution, the substance between the sample and the solution is determined from the concentration gradient in the container. Quantify travel speed.
[0014]
When the present invention is applied to the respiratory measurement process of
[0015]
(1) A measurement well which is not listed in various devices constituting the “electrochemical microscope measurement device for measuring oxygen consumption of a single mammalian embryo” in
[0016]
(2) In the conventional method, the oxygen concentration gradient in the surrounding aqueous solution due to the respiration of the sample is formed in a spherical shape in all directions with the center of the sample as the origin. On the other hand, when the present invention is used, the direction of the formation of the oxygen concentration gradient in the vicinity of the sample due to the respiration of the sample is remarkably narrowed, and the concentration change can be concentrated in a certain direction.
[0017]
(3) A plurality of samples can be arranged on the same container.
[0018]
In view of the above situation, the present invention is an electrochemical multi-analyte capable of quantifying the rate of mass transfer between a sample and a solution by measuring a non-uniform concentration distribution of a measurement object formed in a well. The purpose is to provide an analysis method.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In the electrochemical multi-analyte analysis method, when there is a mass balance between a sample placed in an inverted conical well formed on a cell base and a solution in the cell surrounding the sample. The mass transfer rate between the sample and the solution is quantified by measuring a non-uniform concentration distribution of the measurement object formed in the inverted conical well.
[0020]
[2] The electrochemical multi-analyte analysis method according to [1], wherein a cell having a plurality of wells is used when measuring the measurement object.
[0021]
[3] In the electrochemical multi-analyte analysis method according to [1], when measuring the measurement object, a concentration gradient of the measurement object exists only in the well, and mass transfer between the plurality of wells It is characterized by using a well constructed such that no is present.
[0022]
[4] The electrochemical multi-analyte analysis method according to [1], wherein the sample is a biological sample.
[0023]
[5] The electrochemical multi-analyte analysis method according to [4], wherein the biological sample is a mammalian embryo or an animal cell.
[0024]
[6] The electrochemical multi-analyte analysis method according to [4], wherein the biological sample is a protein or a nucleic acid.
[0025]
As described above, by using a cell in which a plurality of wells are arranged, a biological sample is arranged in the well, and the concentration distribution in the well is measured, whereby the amount of mass transfer between the sample and the solution can be quantified.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0027]
FIG. 1 is a schematic view of an electrochemical multi-analyte analysis cell according to the present invention, FIG. 1 (a) is a plan view thereof, and FIG. 1 (b) is a cross-sectional view thereof taken along line AA. FIG. 2 is an enlarged sectional view of the well [FIG.
[0028]
In these figures, 1 is a cell, 2 is a base, 3 is a frame, 4 is a plurality of wells, and 5 is a measurement solution. Incidentally, the dimensions of each part are as follows. The length L 1 of the
[0029]
In this electrochemical multi-analyte analysis cell, a sample is placed in the
[0030]
[A] Calculation of mass transfer rate based on the theoretical formula of spherical diffusion (conventional method)
When a mass balance exists between a spherical sample (radius r s ) having a uniform concentration of reactive species on the sample surface and the surrounding solution, and the concentration gradient formed on the solution side is steady, the concentration distribution of the solution C (r) is expressed by the following equation with respect to the spherical coordinate axis r (see Non-Patent Document 1).
[0031]
l = (r + r s )
C (r) = (C s −C * ) r s / l + C * (1)
Here, l is the distance between the electrode tip and the center of the sample, r s is the sample radius, r is the distance from the sample surface, C s is the surface concentration, and C * is the offshore concentration.
[0032]
From the above equation (1), the probe electrode is scanned from the nearest ground point of the sample to the offshore direction along the horizontal line passing through the center of the sample, and the concentration gradient in the solution is directly measured. Concentration difference (ΔC = C s −C * ) is obtained as the slope of the C (r) vsr s / (r + r s ) plot. At this time, the total flux (F direct [mols −1 ]) moving from the entire sample to the solution and the flux density (f s [molcm −2 s −1 ]) on the sample surface are:
F direct = 4πr s DΔC (2)
f s = DΔC / r s (3)
It is represented by
[0033]
In the same experimental system, as shown in FIG. 3, when the probe electrode is scanned in the vertical direction (z-axis direction) from the closest ground point (point A) of the sample, the distance l between the electrode tip and the center of the sample is , l = (z 2 + r s 2) 0.5
The concentration gradient C (z) in the z-axis direction is
C (z) = ΔCr s / l + C * (1) ′
At this time, ΔC is obtained as the slope of the C (z) vsr s / l plot.
[0034]
Hereinafter, the above formulas (2) and (3) can be similarly applied.
[0035]
Even when a spherical sample is allowed to stand at the bottom of the inverted conical well, the linearity of the C (z) vsr s / l plot is good, and ΔC well can be obtained.
[0036]
[B] Method for Quantifying Sample Mass Transfer Rate from Concentration Gradient Formed in Well FIG. 3 shows the measurement process. Assuming that a spherical sample (radius r s ) is placed in the inverted
h = (1 / sin θ) r s
It is. At z = z 0 , the surface area S z = z 0 of the part of the sphere whose radius is the distance from the apex of the inverted cone (h + z 0 ) that fits inside the well is:
S z = z 0 = 2π (1-cos θ) (h + z 0 ) 2
It is. When an inverted conical well having an apex angle 2θ = 90 ° is used, h = √2r s , S z = z0 = 2π (1-1 / √2) (h + z 0 ) 2 . There is a steady mass balance from offshore to the sample / solution interface, and the total flux is represented by F [mols −1 ].
[0037]
The total flux F z = z0 passing through the spherical surface S z = z0 is
F z = z0 = ∫f z = z0 (x, y, z) dS
Here, S z = z0 = ∫dS, f z = z0 (x, y, z) is a flux density [molcm −2 s − at an arbitrary coordinate (x, y, z) of the spherical surface S z = z0. 1 ].
[0038]
From Fick's first law,
f z = z0 (x, y, z) = D (∂C / ∂x + ∂C / ∂y + ∂C / ∂z)
Here, D and C are the diffusion coefficient [cm −2 s −1 ] and the concentration [molcm −3 ] of the substance of interest. If f z = z0 is uniform in the sphere,
F z = z0 = f z = z0 S z = z0
It can be expressed. When the amount of material supplied offshore is equal to the amount of material consumed by the sample, the concentration gradient and flux do not change depending on time and converge to a steady state.
[0039]
[C] Concentration gradient in the well (measurement example 1)
Here, alga honey protoplasts were selected as spherical samples. The radius of the honeycomb was 154 μm, the measurement was at room temperature, the solution was seawater, the oxygen diffusion coefficient D = 2.1 × 10 −5 cm 2 mol −1 , and the offshore oxygen concentration C * = 0.204 × 10 −6 molcm −3 .
[0040]
The oxygen concentration gradient in the well was measured by scanning the microelectrode. The local oxygen concentration was determined by scanning the Pt disk electrode (
[0041]
FIG. 4 is a diagram in which points having the same oxygen concentration are plotted in the container.
[0042]
Here, the bold line represents S z (concentric circle centered on the apex of the well), and the solid line represents S ′ z (concentric circle centered on the origin).
[0043]
From this figure, it can be seen that the concentration gradient of the well spreads in a spherical shape. The surface area S z of the part of the sphere centered on the apex of the well that fits inside the well can be expressed by the following equation.
[0044]
S z = 2π (1-1 / √2) (h + z) 2
On the other hand, the surface area S ′ z of the part of the sphere centered at the origin that fits inside the well is
S ′ z = 2π (1-cos ψ) z 2
sinψ = (z−h) / z
(Ψ is the angle of the cone axis and the intersection of sphere S and well)
It can be seen that the iso-concentration surface inside the well agrees well with the spherical surface S z rather than the spherical surface S ′ z when z <2r s .
[0045]
The oxygen concentration gradient is recorded in the + z direction with the point B at the coordinates (x, y, z) = (0, 0, r s ) as the scanning start point (see FIG. 3). As shown in FIG. At the point, the relationship between z and the flux density f z = z0 , the sphere area S z = z0 of the well , and the total flux F z = z0 passing through the spherical surface was obtained. In FIG. 5, FIG. 5A shows a dimensionless concentration gradient in the z-axis direction from point B in FIG. 3, and FIG. 5B shows z and flux density f z = z0 at several points. FIG. 5C is a diagram illustrating the relationship between z and the sphere area S z , and FIG. 5D is a characteristic diagram of the total flux F z = z 0 passing through z and the spherical surface.
[0046]
As is clear from these figures, as z increases, f z decreases and S z increases. The total flux F z agrees well regardless of z. That is, the total flux F z = z0 can be obtained by measuring the gradient in the z-axis direction.
[0047]
[D] Comparison of measurement using the conventional method and the wells of the present invention For the honey and bovine embryos having various actual sizes, each single sample was placed in a flat bottom container and an inverted conical well, and the oxygen consumption was reduced. Quantified. First, the oxygen concentration difference ΔC direct of the sample placed in the flat bottom container was compared with the concentration difference ΔC well obtained by transferring the same sample to the well and similarly quantifying it (FIG. 6).
[0048]
In FIG. 6, FIG. 6 (A) is a diagram showing the relationship between the concentration difference ΔC direct quantified in the conventional flat-bottom vessel for honey and the concentration difference ΔC well quantified in the inverted conical well according to the present invention. (B) is a diagram showing the relationship between the concentration difference ΔC direct quantified in a conventional flat bottom container for bovine embryos and the concentration difference ΔC well quantified in an inverted conical well in the present invention, where ΔC direct is the above formula. Obtained from (1). ΔC well was obtained from equation (1) ′ by scanning the probe electrode in the vertical direction (z-axis direction) from point A in FIG. As a result, both honey and bovine embryos, regardless of size,
ΔC well = 2 ・ ΔC direct
Was obtained. In other words, it was found that when the inverted conical well is used, the change in the oxygen concentration of the sample can be observed after being amplified by about 2 compared to the conventional method.
[0049]
Next, the oxygen consumption amount F direct of the sample placed in the flat bottom container was compared with the oxygen consumption amount F z calculated in accordance with the above-mentioned process by transferring the same sample to the well (FIG. 7). The sample used was a bovine embryo (embryo cultured for 1, 5, 6, 8 days after in vitro fertilization). In FIG. 7, ● represents the case where the probe electrode was scanned in the vertical direction from the point B in FIG. 3, and ○ represents the case where the probe electrode was scanned in the vertical direction from the point A in FIG. 3.
[0050]
Result of comparison F z and F direct, regardless of the differences in size and the scanning start point of the sample,
F z = 0.8 ・ F direct
Was obtained. The angle of the oxygen supply is limited in the inverted conical well as compared with the flat bottom container, and it is considered appropriate that F z / F direct is smaller than 1.
[0051]
The following was found from the above measurement examples.
[0052]
When a sample of the order of 10 to several hundred μm is placed in an inverted conical well or similar container and the mass balance speed between the sample and the solution around it is quantified, [in this case, the reverse of
[0053]
Further, it can be seen from FIG. 4 that the concentration gradient between the sample and the solution exists only inside the well, and there is no mass transfer between the individual wells. Therefore, each well maintains independence without being disturbed by adjacent wells. The enzyme immunoassay is usually carried out using a 96-well plate (12 cm × 8 cm). However, the present invention can be expected to reduce the size of the plate and the amount of sample / reagent used.
[0054]
FIG. 8 is a schematic plan view of a cell when 96 wells to which the present invention can be applied are arranged.
[0055]
In this figure, 96
[0056]
In the above embodiment, algal honey and bovine embryos have been described as biological samples, but they are widely applied to biological samples such as mammalian embryos, animal cells, proteins (antigens, antibodies, enzymes) and nucleic acids (DNA, RNA). Needless to say, you can.
[0057]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0058]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0059]
(A) When there is a mass balance between a sample arranged in a plurality of wells and a solution surrounding the sample, the sample- The mass transfer rate between solutions can be quantified.
[0060]
(B) It is possible to continuously measure each of a large number of measurement object containers arranged one by one.
[0061]
(C) The shape of the measurement target (simple shape such as a sphere or a circle) is not limited and has a wide application range.
[0062]
(D) Furthermore, when measuring respiration of a mammalian embryo, the operability can be improved, and the time required for measurement per embryo can be greatly shortened.
[0063]
According to the present invention, full automation of multi-sample / multi-item measurement can be expected for the first time in an analytical chemistry approach based on a scanning electrochemical microscope. In addition to respiratory measurement of mammalian embryos, application to enzyme immunoassay can be expected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an electrochemical multi-analyte analysis cell according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a well of an electrochemical multi-analyte analysis cell according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a method for quantifying a mass transfer rate of a sample from a concentration gradient formed in a well according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram in which points having the same oxygen concentration are plotted in a container according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between z, flux density f z = z0 , well sphere area S z = z0 , and total flux F z = z0 passing through a spherical surface at several points according to the present invention. .
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between a concentration difference ΔC direct quantified in a conventional flat bottom container for honey and a concentration difference ΔC well quantified in an inverted conical well in the present invention, and a bovine embryo in a conventional flat bottom container. a concentration difference [Delta] C direct quantified, is a diagram showing the relationship between quantitative the concentration difference [Delta] C well in inverted conical well according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the oxygen consumption F direct quantified in a conventional flat bottom container and the oxygen consumption F z quantified in an inverted conical well according to the present invention for each single sample of a bovine embryo. It is.
FIG. 8 is a schematic plan view of a cell when 96 wells to which the present invention can be applied are arranged.
[Explanation of symbols]
1,10
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