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JP7801754B2 - METHOD FOR MEASURING TARGET NUCLEIC ACID SEQUENCE IN A TEST SAMPLE - Google Patents
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JP7801754B2 - METHOD FOR MEASURING TARGET NUCLEIC ACID SEQUENCE IN A TEST SAMPLE - Google Patents

METHOD FOR MEASURING TARGET NUCLEIC ACID SEQUENCE IN A TEST SAMPLE

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Description

本発明は、被験検体中の目的核酸配列を測定するための測定装置および測定方法に関する。 The present invention relates to a measurement device and a measurement method for measuring a target nucleic acid sequence in a test sample.

従来、例えば新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)等のウイルス感染の確定診断の手法として採用されている、ポリメラーゼ連鎖反応(Polymerase Chain Reaction、PCR)において、TaqMan(登録商標)プローブ法を用いたリアルタイムPCRが知られている(例えば、特許文献1ならびに非特許文献1および2)。 Real-time PCR using the TaqMan (registered trademark) probe method has been used in polymerase chain reactions (PCR), which have been conventionally employed as a method for definitively diagnosing viral infections such as the novel coronavirus (SARS-CoV-2) (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2).

TaqManプローブは、5’端に蛍光物質を有し、3’端にはクエンチャーを有する。この状態では、クエンチャーが蛍光物質の近くに存在しているので、励起光を与えても、蛍光物質の蛍光発生が抑制される。目的核酸配列が存在すると、PCRにおけるアニーリングステップで、プライマーとTaqManプローブとが目的核酸配列に結合する。その後の伸長ステップでは、Taqポリメラーゼが遺伝子を合成し、TaqポリメラーゼがTaqManプローブのところまで届くと、5’→3’エキソヌクレアーゼ活性により、TaqManプローブが分解される。TaqManプローブが分解されると、クエンチャーが蛍光物質の蛍光発生を抑制しなくなるので、励起光を与えると、蛍光物質が蛍光を発するようになる。PCRの増幅が進むにしたがい、蛍光の発光強度が増大する。 A TaqMan probe has a fluorescent substance at its 5' end and a quencher at its 3' end. In this state, the quencher is located near the fluorescent substance, suppressing the emission of fluorescence from the fluorescent substance even when excitation light is applied. When the target nucleic acid sequence is present, the primer and TaqMan probe bind to the target nucleic acid sequence during the annealing step of PCR. In the subsequent extension step, Taq polymerase synthesizes the gene, and when Taq polymerase reaches the TaqMan probe, it degrades the TaqMan probe due to its 5'->3' exonuclease activity. Once the TaqMan probe is degraded, the quencher no longer suppresses the emission of fluorescence from the fluorescent substance, and the fluorescent substance begins to emit fluorescence when excitation light is applied. As PCR amplification progresses, the fluorescence intensity increases.

一方、液相での拡散過程および界面での化学反応の解析や、多孔質電極の解析等に用いる手法として、電気化学インピーダンス法(Electrochemical Impedance Spectroscopy、EIS)が知られている。(以下、「EIS法」という。)EIS法は、耐食性評価、電析プロセスの評価、各種センサの性能評価、電池等のエネルギー変換デバイスの性能評価、および、誘電材料の電気特性評価等の様々な分野において用いられていることが報告されている。 On the other hand, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is known as a technique used to analyze diffusion processes in the liquid phase and chemical reactions at interfaces, as well as to analyze porous electrodes. (Hereinafter referred to as "EIS method"). EIS method has been reported to be used in a variety of fields, including corrosion resistance evaluation, evaluation of electrodeposition processes, performance evaluation of various sensors, performance evaluation of energy conversion devices such as batteries, and evaluation of the electrical properties of dielectric materials.

このような中、DNA鎖を増幅して検出を行うDNAの分析および定量手法であるPCRにおいて、EIS法で測定対象物中の目的とするDNAを検出する手法が提案されている(例えば、特許文献2および非特許文献3)。 In light of this, a method has been proposed for detecting target DNA in a measurement sample using EIS in PCR, a DNA analysis and quantification method that amplifies and detects DNA strands (e.g., Patent Document 2 and Non-Patent Document 3).

この手法は、EIS法による、インピーダンスを計測することによって溶液中に存在する対象物質を検出する方法である。対象物質のDNAをPCRで増幅し、その過程で、ルテニウム等金属錯体を二本鎖DNAに挿入させ、溶液中の媒介物質により、電極との電子の授受、すなわち酸化還元反応を起こす。この酸化還元反応をインピーダンスで測定する。例えば、対象物質が初期値から増加すると、当初存在していたインピーダンス変動物質が対象物質に取り込まれることから減少し、インピーダンス観測物質の電荷移動性を変動させる。この電荷移動性の変動をインピーダンス応答という形で検出することにより、対象物質の増加を検出する。 This technique uses the EIS method to detect target substances present in a solution by measuring impedance. The DNA of the target substance is amplified by PCR, and during this process, a metal complex such as ruthenium is inserted into the double-stranded DNA, and an intermediary substance in the solution causes electron transfer with the electrode, i.e., an oxidation-reduction reaction. This oxidation-reduction reaction is measured by impedance. For example, if the target substance increases from its initial value, the impedance-changing substance that was originally present is taken up by the target substance, decreasing, causing a change in the charge mobility of the impedance-monitoring substance. The increase in the target substance can be detected by detecting this change in charge mobility in the form of an impedance response.

特許文献2および非特許文献3では、所定の測定サイクルが終了した後に、サイクル毎の電荷移動抵抗(Charge Transfer Resistance)Rctの増加量を確認し、Rctが急激に増加し始めた時点付近で、二本鎖DNAが顕著に増加したと判断している。 In Patent Document 2 and Non-Patent Document 3, after a predetermined measurement cycle is completed, the increase in charge transfer resistance (Rct) for each cycle is confirmed, and it is determined that a significant increase in double-stranded DNA has occurred around the time when Rct begins to increase rapidly.

ctは、電荷移動反応の速度が電流と比例関係にあることから、反応の起こりにくさの指針となる。電荷移動反応が起こりやすい場合にはRctが小さくなり、起こりにくい場合にはRctが大きくなる。Rctは、EIS法で得られたインピーダンスをコールコールプロットで描いたときの半円状プロットの直径がほぼRctとなり、コールコールプロットから直感的にも分かりやすくなっている。 Rct is an indicator of the reluctance of a charge transfer reaction, as the rate of the charge transfer reaction is proportional to the current. If the charge transfer reaction is likely to occur, Rct will be small, and if it is unlikely to occur, Rct will be large. Rct is roughly the diameter of the semicircular plot when the impedance obtained by the EIS method is plotted on a Cole-Cole plot, making it easy to understand intuitively from the Cole-Cole plot.

なおコールコールプロットは、インピーダンスの実部を横軸にし、インピーダンスの虚部を負を上向きにして縦軸に表示した、ナイキストプロットの一種であり、電気回路の構成に応じて特徴的な軌跡が描かれ、スペクトルの概要を視覚的に捉えやすくなっている。EIS法の一つであるFRA(Frequency Response Analyzer、周波数応答解析装置)法による自動計測では、一般に、コールコールプロットを作成する機能を備えている。 A Cole-Cole plot is a type of Nyquist plot in which the real part of the impedance is plotted on the horizontal axis and the imaginary part of the impedance is plotted on the vertical axis with negative values pointing upward. It depicts a characteristic locus depending on the configuration of the electrical circuit, making it easy to visually grasp the outline of the spectrum. Automatic measurements using the FRA (Frequency Response Analyzer) method, which is one of the EIS methods, generally have a function to create a Cole-Cole plot.

特開2013-188164号公報JP 2013-188164 A 国際公開WO2019/026517号公報International Publication No. WO2019/026517

Proc Natl Acad Sci U S A. 1991 Aug 15; 88(16): 7276-7280.Proc Natl Acad Sci U S A. 1991 Aug 15; 88(16): 7276-7280. 「リアルタイムPCRの原理」、[online]、タカラバイオ株式会社[2022年1月7日検索]、インターネット<URL:https://catalog.takara-bio.co.jp/product/basic_info.php?unitid=U100009037>"Principles of Real-Time PCR," [online], Takara Bio Inc. [searched January 7, 2022], Internet <URL: https://catalog.takara-bio.co.jp/product/basic_info.php?unitid=U100009037> 応用物理学会編 特別WEBコラム『新型コロナウイルス禍に学ぶ応用物理』、[online]、公益社団法人応用物理学会[2022年1月7日検索]、インターネット<URL:https://www.jsap.or.jp/columns-covid19/covid19_4-3-3>Special web column "Learning Applied Physics from the COVID-19 Pandemic," edited by the Japan Society of Applied Physics, [online], Japan Society of Applied Physics [searched January 7, 2022], Internet <URL: https://www.jsap.or.jp/columns-covid19/covid19_4-3-3>

特許文献1ならびに非特許文献1および2のようなTaqManプローブ法では、蛍光測定を行うために、励起光を発生するための光源と、目的とする波長の蛍光のみを検出する受光部が必要であり、装置が高額化かつ大型化するという課題があった。 The TaqMan probe method described in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2 requires a light source to generate excitation light and a light-receiving unit to detect only the fluorescence of the desired wavelength in order to perform fluorescence measurement, which poses the problem of making the equipment expensive and large.

特許文献2および非特許文献3では、対象物質であるDNAをPCRで増幅した際に、金属錯体が二本鎖DNAに取り込まれる結果として、媒介物質を介しての酸化還元反応が減ることによりシグナルが減る現象をとらえていた。したがって、対象物質の含有量とシグナルとが反比例する関係にあるので、本質的には検出感度が低くなる傾向があった。 Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 describe a phenomenon in which, when the target substance, DNA, is amplified by PCR, a metal complex is incorporated into double-stranded DNA, resulting in a decrease in the redox reaction mediated by the intermediary substance, resulting in a decrease in signal. Therefore, since the amount of the target substance and the signal are inversely proportional, there is an inherent tendency for detection sensitivity to be low.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、装置が安価で小型であり、検出感度を向上した目的核酸配列を測定するための測定装置および測定方法を提供する。 The present invention was made in light of these circumstances, and provides a measurement device and method for measuring target nucleic acid sequences that is inexpensive, compact, and has improved detection sensitivity.

本発明はかかる課題を解決するため、目的核酸配列を含み得る被計測物のインピーダンスの変化を計測し、被験検体中の目的核酸配列を測定するための測定装置を用いた測定方法であって、前記測定装置が、前記被計測物を収容する容器と、前記容器に設けられ、前記被計測物に接触する少なくとも一対の電極と、前記電極において前記インピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、前記被計測物に印加する温度を調節する温度制御部と、を備え、前記被計測物が、前記被験検体と、インピーダンス観測物質と、前記目的核酸配列の標的配列に相補的な配列を持つプローブであって、インピーダンス変動置換基で修飾されたインピーダンス変動前駆物質と、5’→3’エキソヌクレアーゼ活性を有するポリメラーゼと、プライマーと、を含む混合液であり、前記混合液に対してPCR(Polymerase Chain Reaction)を実施することで、前記5’→3’エキソヌクレアーゼ活性を有するポリメラーゼによって、前記インピーダンス変動前駆物質が分解されてインピーダンス変動物質を生成する、測定方法を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a measurement method using a measurement device for measuring changes in impedance of a measurement object that may contain a target nucleic acid sequence, and for measuring the target nucleic acid sequence in a test specimen, the measurement device comprising: a container for containing the measurement object; at least one pair of electrodes provided in the container and in contact with the measurement object; an impedance measurement unit for measuring the impedance at the electrodes; and a temperature control unit for adjusting the temperature applied to the measurement object, wherein the measurement object is the test specimen, an impedance observation substance, and a probe having a sequence complementary to the target sequence of the target nucleic acid sequence, and the measurement object is a mixture containing an impedance change precursor modified with an impedance change substituent, a polymerase with 5'→3' exonuclease activity, and a primer, and wherein PCR (Polymerase Chain Reaction) is performed on the mixture, so that the impedance change precursor is decomposed by the polymerase with 5'→3' exonuclease activity to produce an impedance change substance.

前記測定方法では、前記測定装置は、前記インピーダンスが、所定の閾値をよぎったか否かを判定する判定部をさらに備える、としてもよい。 In the measurement method , the measurement device may further include a determination unit that determines whether the impedance has crossed a predetermined threshold value.

前記測定方法では、前記インピーダンス変動物質が、前記インピーダンス観測物質の電荷移動性を増強させるものであり、前記インピーダンス観測物質が、前記電極に対し電荷を発現し、前記インピーダンス変動物質以外とは相互作用を起こさないものである、としてもよい。 In the measurement method , the impedance varying substance may enhance the charge mobility of the impedance observation substance, and the impedance observation substance may exhibit a charge on the electrode and not interact with anything other than the impedance varying substance.

前記測定方法では、前記インピーダンス変動物質が、メチレンブルー、ナイルブルー、アントラキノン誘導体、ナフタレン誘導体、金属アンミン錯体、ならびに、有機配位子としてビピリジン誘導体、フェナントロリン誘導体、および/または、ジピリドフェナジン誘導体を含む金属錯体からなる群から選択される酸化還元作用を有する化合物で修飾されているものである、としてもよい。 In the measurement method , the impedance-changing substance may be modified with a compound having redox activity selected from the group consisting of methylene blue, Nile blue, anthraquinone derivatives, naphthalene derivatives, metal ammine complexes, and metal complexes containing bipyridine derivatives, phenanthroline derivatives, and/or dipyridophenazine derivatives as organic ligands.

前記測定方法では、前記インピーダンス観測物質が、フェリシアン化物イオン、フェロシアン化物イオン、フェロセン、および、これらの混合物からなる群から選択される酸化還元性電解質を形成する金属錯体である、としてもよい。 In the measurement method , the impedance observation substance may be a metal complex forming a redox electrolyte selected from the group consisting of ferricyanide ion, ferrocyanide ion, ferrocene, and mixtures thereof.

前記測定方法では、前記インピーダンスとして、前記インピーダンスの絶対値、前記インピーダンスの実部および前記インピーダンスの虚部のうち少なくとも1つを用いる、としてもよい。 In the measuring method , at least one of an absolute value of the impedance, a real part of the impedance, and an imaginary part of the impedance may be used as the impedance.

前記測定方法では、前記インピーダンスとして、前記インピーダンスから算出される電荷移動抵抗の推定値を用いる、としてもよい。 In the measurement method , an estimated value of charge transfer resistance calculated from the impedance may be used as the impedance.

前記測定方法では、前記インピーダンスの計測値に基づくコールコールプロットを、前記コールコールプロット上の2点以上を用いて半円に近似して、当該半円の直径を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、前記コールコールプロット上の2点以上を用いた前記インピーダンスの実部の差を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、前記コールコールプロット上の2点以上を用いた前記インピーダンスの差の絶対値を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、前記コールコールプロットを、前記コールコールプロット上の3点以上を用いて楕円に近似して、当該楕円の実軸方向の直径を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、または、前記コールコールプロットを、前記コールコールプロット上の3点以上を用いて円弧に近似して、当該円弧の虚部=0Ωにおける実部の差を前記電荷移動抵抗の推定値とする、としてもよい。 In the measurement method , the Cole-Cole plot based on the measured values of the impedance may be approximated to a semicircle using two or more points on the Cole-Cole plot, and the diameter of the semicircle may be used as the estimated value of the charge transfer resistance; the difference in the real parts of the impedance using two or more points on the Cole-Cole plot may be used as the estimated value of the charge transfer resistance; the absolute value of the difference in the impedance using two or more points on the Cole-Cole plot may be used as the estimated value of the charge transfer resistance; the Cole-Cole plot may be approximated to an ellipse using three or more points on the Cole-Cole plot, and the diameter in the real axis direction of the ellipse may be used as the estimated value of the charge transfer resistance; or the Cole-Cole plot may be approximated to an arc using three or more points on the Cole-Cole plot, and the difference in the real parts of the arc when the imaginary part of the arc = 0Ω may be used as the estimated value of the charge transfer resistance.

本発明はまた、PCR(Polymerase Chain Reaction)法とEIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)法とを組み合わせることにより被験検体中の目的核酸配列を測定するための測定方法であって、前記目的核酸配列の標的配列に相補的な配列を持つプローブであって、インピーダンス変動置換基で修飾されたインピーダンス変動前駆物質を用い、前記被験検体と、インピーダンス観測物質と、前記インピーダンス変動前駆物質と、5’エキソヌクレアーゼ活性を有するポリメラーゼとを含む混合液に対してPCR反応を実施し、前記ポリメラーゼによる前記インピーダンス変動前駆物質のインピーダンス変動物質への分解を惹起し、前記インピーダンス変動物質が、前記インピーダンス観測物質の電荷移動性を増強させることによって観測される前記混合液のインピーダンスの変化をEIS法によって計測する、測定方法を提供する。 The present invention also provides a measurement method for measuring a target nucleic acid sequence in a test specimen by combining a PCR (Polymerase Chain Reaction) method with an EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) method, comprising: using an impedance change precursor, which is a probe having a sequence complementary to the target sequence of the target nucleic acid sequence and which has been modified with an impedance change substituent; carrying out a PCR reaction on a mixture containing the test specimen, an impedance observation substance, the impedance change precursor, and a polymerase having 5' exonuclease activity; inducing decomposition of the impedance change precursor into an impedance change substance by the polymerase; and measuring a change in impedance of the mixture observed as a result of the impedance change substance enhancing the charge mobility of the impedance observation substance by an EIS method.

前記測定方法では、前記インピーダンス変動物質が、前記インピーダンス観測物質の電荷移動性を増強させるものであり、前記インピーダンス観測物質が、前記インピーダンスを計測するための電極に対し電荷を発現し、前記インピーダンス変動物質以外とは相互作用を起こさないものである、としてもよい。 In the measurement method, the impedance varying substance may enhance the charge mobility of the impedance observation substance, and the impedance observation substance may exhibit a charge on an electrode for measuring the impedance and not interact with anything other than the impedance varying substance.

前記測定方法では、前記インピーダンス変動物質が、メチレンブルー、ナイルブルー、アントラキノン誘導体、ナフタレン誘導体、金属アンミン錯体、ならびに、有機配位子としてビピリジン誘導体、フェナントロリン誘導体、および/または、ジピリドフェナジン誘導体を含む金属錯体からなる群から選択される酸化還元作用を有する化合物で修飾されているものである、としてもよい。 In the measurement method, the impedance-changing substance may be modified with a compound having redox activity selected from the group consisting of methylene blue, Nile blue, anthraquinone derivatives, naphthalene derivatives, metal ammine complexes, and metal complexes containing bipyridine derivatives, phenanthroline derivatives, and/or dipyridophenazine derivatives as organic ligands.

前記測定方法では、前記インピーダンス観測物質が、フェリシアン化物イオン、フェロシアン化物イオン、フェロセン、および、これらの混合物からなる群から選択される酸化還元性電解質を形成する金属錯体である、としてもよい。 In the measurement method, the impedance observation substance may be a metal complex that forms a redox electrolyte selected from the group consisting of ferricyanide ions, ferrocyanide ions, ferrocene, and mixtures thereof.

前記測定方法では、前記インピーダンスとして、前記インピーダンスの絶対値、前記インピーダンスの実部および前記インピーダンスの虚部のうち少なくとも1つを用いる、としてもよい。 The measurement method may use at least one of the absolute value of the impedance, the real part of the impedance, and the imaginary part of the impedance as the impedance.

前記測定方法では、前記インピーダンスとして、前記インピーダンスから算出される電荷移動抵抗の推定値を用いる、としてもよい。 In the measurement method, the impedance may be an estimated value of charge transfer resistance calculated from the impedance.

前記測定方法では、前記インピーダンスの計測値に基づくコールコールプロットを、前記コールコールプロット上の2点以上を用いて半円に近似して、当該半円の直径を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、前記コールコールプロット上の2点以上を用いた前記インピーダンスの実部の差を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、前記コールコールプロット上の2点以上を用いた前記インピーダンスの差の絶対値を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、前記コールコールプロットを、前記コールコールプロット上の3点以上を用いて楕円に近似して、当該楕円の実軸方向の直径を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、または、前記コールコールプロットを、前記コールコールプロット上の3点以上を用いて円弧に近似して、当該円弧の虚部=0Ωにおける実部の差を前記電荷移動抵抗の推定値とする、としてもよい。 In the measurement method, the Cole-Cole plot based on the impedance measurement values may be approximated to a semicircle using two or more points on the Cole-Cole plot, and the diameter of the semicircle may be used as the estimated value of the charge transfer resistance; the difference in the real parts of the impedances using two or more points on the Cole-Cole plot may be used as the estimated value of the charge transfer resistance; the absolute value of the difference in the impedances using two or more points on the Cole-Cole plot may be used as the estimated value of the charge transfer resistance; the Cole-Cole plot may be approximated to an ellipse using three or more points on the Cole-Cole plot, and the diameter of the ellipse in the real axis direction may be used as the estimated value of the charge transfer resistance; or the Cole-Cole plot may be approximated to an arc using three or more points on the Cole-Cole plot, and the difference in the real parts of the arc when the imaginary part of the arc = 0 Ω may be used as the estimated value of the charge transfer resistance.

本発明の測定装置および測定方法によれば、従来のPCRの良さは維持しつつ、装置を安価で小型な構成とすることができる。また、従来のEIS法を用いたPCRによる検出方法に比べ、検出感度を向上することができる。 The measurement device and method of the present invention allow for the device to be inexpensive and compact while maintaining the advantages of conventional PCR. Furthermore, detection sensitivity can be improved compared to conventional PCR detection methods using the EIS method.

本発明の測定装置の好適な一実施形態としての基本構成例を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing an example of a basic configuration of a measurement device according to a preferred embodiment of the present invention. 本発明の測定装置の好適な一実施形態としての基本構成例を模式的に示す側断面図である。1 is a side cross-sectional view schematically showing an example of a basic configuration of a measurement device according to a preferred embodiment of the present invention. 本発明の測定装置の好適な一実施形態としての基本構成例のインピーダンス計測部および判定部を示す図である。1 is a diagram showing an impedance measuring unit and a determining unit in an example of a basic configuration as a preferred embodiment of a measuring device of the present invention. FIG. インピーダンス計測部の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an impedance measuring unit. 本発明の被計測物中に含まれるプローブ(インピーダンス変動前駆物質)の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a probe (impedance change precursor) contained in the object to be measured according to the present invention. 本発明の被計測物中に含まれるプライマーの模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a primer contained in the object to be measured according to the present invention. 本発明の対象物質となる目的核酸配列の模式図である。1 is a schematic diagram of a target nucleic acid sequence that is a target substance of the present invention. PCRのアニーリングステップにおいて、プライマーとプローブが目的核酸配列に結合する様子を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing how a primer and a probe bind to a target nucleic acid sequence during the annealing step of PCR. PCRの伸長ステップにおいて、ポリメラーゼが相補鎖を合成する様子を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing how a polymerase synthesizes a complementary strand in the extension step of PCR. 伸長反応が進み、ポリメラーゼがプローブを分解する様子を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing how the extension reaction progresses and the polymerase decomposes the probe. プローブが分解される様子を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing how a probe is disassembled. PCRサイクル数とインピーダンスとの関係を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the number of PCR cycles and impedance. EIS法の測定対象物である被計測物の一般的な等価回路の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a general equivalent circuit of an object to be measured, which is an object to be measured by the EIS method. 好適な一実施形態において、EIS法におけるコールコールプロットの一例を模式的に示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a Cole-Cole plot in an EIS method according to a preferred embodiment. 好適な一実施形態に係るコールコールプロットにおいて、高低2つの周波数で半円に近似して、その半円の直径をインピーダンスから推定した電荷移動抵抗Rctとする際の電荷移動抵抗Rctの求め方を模式的に示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a method for determining charge transfer resistance R ct in a Cole-Cole plot according to a preferred embodiment, in which two frequencies, high and low, are approximated to semicircles and the diameter of the semicircles is taken as the charge transfer resistance R ct estimated from impedance. 好適な一実施形態に係るコールコールプロットにおいて、高低2つの周波数で計測したインピーダンスにおける実部の差、または、インピーダンスの差の絶対値をインピーダンスから推定した電荷移動抵抗Rctとすることを模式的に示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating that, in a Cole-Cole plot according to a preferred embodiment, the charge transfer resistance R ct estimated from the impedance is the difference between the real parts of the impedances measured at two frequencies, high and low, or the absolute value of the impedance difference. 好適な一実施形態に係るコールコールプロットにおいて、3つの周波数で楕円に近似して、その楕円の実軸方向の直径をインピーダンスから推定した電荷移動抵抗Rctとすることを模式的に示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a Cole-Cole plot according to a preferred embodiment, in which an ellipse is approximated at three frequencies, and the diameter of the ellipse in the real axis direction is taken as the charge transfer resistance R ct estimated from the impedance. 好適な一実施形態に係るコールコールプロットにおいて、3つの周波数で円弧に近似して、その円弧の虚部=0Ωにおける実部の差をインピーダンスから推定した電荷移動抵抗Rctとすることを模式的に示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a Cole-Cole plot according to a preferred embodiment, in which three frequencies are approximated to arcs, and the difference between the real parts of the arcs at the point where the imaginary part of the arc is 0Ω is taken as the charge transfer resistance R ct estimated from the impedance.

以下、図面を参照して、本発明の測定装置および測定方法の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は、以下の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、または、発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。そのような変形や変更もまた、本発明の範囲に含まれる。 Below, preferred embodiments of the measuring device and measuring method of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and various modifications and alterations are possible for those skilled in the art based on the gist of the invention as set forth in the claims or disclosed in the detailed description. Such modifications and alterations also fall within the scope of the present invention.

本明細書において言及される全ての文献はその全体が引用により本明細書に取り込まれる。 All documents cited herein are incorporated by reference in their entirety.

<測定装置の構成>
図1は、本発明の測定装置1の好適な一実施形態としての基本構成例を模式的に示す斜視図である。測定装置1は、被計測物2(図2を参照)を収容する容器3と、容器3に設けられ、被計測物2に接触する少なくとも一対の電極4とを備える。図2は、測定装置1の側断面図である。容器3内には、被計測物2が収容される。容器3毎に被計測物2を収容することで、試験試料のコンタミネーション防止が図れる。電極4上には、一例としてシール部5を介して、被計測物2に印加する温度を調節する温度制御部6が設けられる。測定装置1は、電極4において被計測物2のインピーダンスZを計測するインピーダンス計測部7と、インピーダンスZが、所定の閾値Zthをよぎったか否かを判定する判定部8とを備える。測定装置1は、時間経過と共に、目的核酸配列9(図7を参照)を含み得る被計測物2のインピーダンスZの変化を計測し、目的核酸配列9の有無を判定する。
<Configuration of measuring device>
FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating an example of the basic configuration of a preferred embodiment of a measuring device 1 of the present invention. The measuring device 1 includes a container 3 that contains a measurement object 2 (see FIG. 2 ) and at least one pair of electrodes 4 that are provided in the container 3 and contact the measurement object 2. FIG. 2 is a side cross-sectional view of the measuring device 1. The measurement object 2 is contained in the container 3. By containing a measurement object 2 in each container 3, contamination of the test sample can be prevented. A temperature control unit 6 that adjusts the temperature applied to the measurement object 2 is provided on the electrode 4, for example, via a seal unit 5. The measuring device 1 includes an impedance measurement unit 7 that measures the impedance Z of the measurement object 2 at the electrode 4, and a determination unit 8 that determines whether the impedance Z crosses a predetermined threshold value Zth . The measuring device 1 measures changes in the impedance Z of the measurement object 2, which may contain a target nucleic acid sequence 9 (see FIG. 7 ), over time to determine the presence or absence of the target nucleic acid sequence 9.

電極4は、インピーダンス変動物質B(図11を参照)の電荷移動変動をより強く発現させるため、その溶液側表面に、インピーダンス変動物質Bと親和性を有する化合物Cを配することが好ましい。この親和性を有する化合物Cは、電極4表面を修飾するように配され、例えば、薄膜層として存在することが好ましい。インピーダンス変動物質Bが化合物Cの薄膜層内に留まるような構造をとることができる場合は、薄膜層内に存在していたインピーダンス変動物質Bの量が変動することにより、膜抵抗も変動することとなり、急激なインピーダンスZの変動として検出することができる。なお、インピーダンス変動物質Bは、薄膜層内に留まっているだけでなく、薄膜層を通過して電極4に到達している場合においても、その量の変動がインピーダンスZの変動として検出することができる。 To more strongly express the charge transfer fluctuation of the impedance-changing substance B (see Figure 11), electrode 4 preferably has compound C, which has affinity for impedance-changing substance B, disposed on its solution-side surface. This affinity-containing compound C is disposed so as to modify the surface of electrode 4, and is preferably present, for example, as a thin film layer. If a structure can be adopted in which impedance-changing substance B remains within the thin film layer of compound C, fluctuations in the amount of impedance-changing substance B present within the thin film layer will also cause fluctuations in membrane resistance, which can be detected as a sudden fluctuation in impedance Z. It should be noted that fluctuations in the amount of impedance-changing substance B can be detected as a fluctuation in impedance Z not only when it remains within the thin film layer, but also when it passes through the thin film layer and reaches electrode 4.

親和性を有する化合物Cとしては、PCR反応液成分、増幅成分、生体由来物質等に対する相互作用の小さい化合物であることが好ましく、例えば、ポリマー、SAM膜が挙げられる。構造表面は、例えば水酸基、エーテル基、アルデヒド基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトロ基、リン酸基、スルホン酸基等の官能基が配置される。ポリマー材料である場合、その主鎖あるいは、側鎖、あるいはその両方に官能基が配置される。具体的には、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエステル、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、多糖類等が挙げられる。 The affinity compound C is preferably a compound that has minimal interaction with PCR reaction solution components, amplification components, biological substances, etc., and examples include polymers and SAM membranes. Functional groups such as hydroxyl groups, ether groups, aldehyde groups, carbonyl groups, carboxyl groups, nitro groups, phosphate groups, and sulfonic acid groups are arranged on the structural surface. In the case of polymer materials, functional groups are arranged on the main chain, side chains, or both. Specific examples include polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyester, polyacrylic acid, polyacrylamide, and polysaccharides.

電極4に化合物Cを配する方法は周知の方法を適用することができる。周知の手法を用いて、電極4上に電解重合、光重合、熱重合、ラジカル重合等を適用して化合物Cを形成させることも可能である。薄膜層は、インピーダンス観測物質Aが出入り可能で、インピーダンス変動物質Bが吸脱着可能なポーラス構造を有する材料であることが望ましく、0.001~10μmの厚さであることが好ましい。 A known method can be used to apply compound C to electrode 4. It is also possible to form compound C on electrode 4 using known techniques such as electropolymerization, photopolymerization, thermal polymerization, and radical polymerization. The thin film layer is preferably made of a material with a porous structure that allows impedance observation substance A to enter and exit and impedance variation substance B to adsorb and desorb, and is preferably 0.001 to 10 μm thick.

電極4は、電気化学計測用の電極であれば材料は特に限定されないが、電極4表面に化合物Cを配する場合は、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンブラック等から構成されるカーボン電極、金電極、ITO等の導電性酸化物電極であることが好ましい。 There are no particular restrictions on the material of electrode 4, as long as it is an electrode for electrochemical measurements. However, if compound C is disposed on the surface of electrode 4, it is preferable that the electrode be a carbon electrode made of graphite, carbon nanotubes, carbon black, etc., a gold electrode, or a conductive oxide electrode such as ITO.

図3に示すように、インピーダンス計測部7は、被計測物2の特定の周波数におけるインピーダンスZを、例えば四端子法により計測する。この特定の周波数は、単一の周波数でもよいし、複数の周波数を切り替えて複数回の計測としてもよい。インピーダンス計測部7は、例えば、図4に示すように、特定の周波数の信号を印加する信号源10と、その周波数の電流および電圧(共にベクトル値)を計測する電流電圧計測手段11とを有し、インピーダンスZは電圧/電流で求めることができる。インピーダンスZの測定には、例えば上記のFRAを用いることができる。なお、インピーダンス計測部7は、測定装置1に含めてもよいし、測定装置1の外部の装置としてもよい。本実施形態では、例えば、PCRサイクルごとにインピーダンスZの計測を行う。 As shown in FIG. 3, the impedance measurement unit 7 measures the impedance Z of the object under test 2 at a specific frequency, for example, using the four-terminal method. This specific frequency may be a single frequency, or multiple frequencies may be switched between for multiple measurements. As shown in FIG. 4, for example, the impedance measurement unit 7 has a signal source 10 that applies a signal of a specific frequency, and a current-voltage measurement means 11 that measures the current and voltage (both vector values) at that frequency, and the impedance Z can be calculated as voltage/current. The above-mentioned FRA, for example, can be used to measure the impedance Z. The impedance measurement unit 7 may be included in the measurement device 1, or may be an external device to the measurement device 1. In this embodiment, the impedance Z is measured, for example, for each PCR cycle.

判定部8は、例えば、図示しない演算処理手段としてのCPU(中央演算装置)や、記憶手段としてのメモリを備え、メモリに記憶されたソフトウェアプログラムにより、インピーダンスZの計測値を入力として、インピーダンスZが所定の閾値Zthをよぎったか否かによって被験検体中の目的核酸配列9の有無を出力したり、後述する方法による目的核酸配列9の定量結果を出力したりする。 The determination unit 8 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) as a processing means (not shown) and a memory as a storage means, and uses a software program stored in the memory to input the measured value of impedance Z and output the presence or absence of the target nucleic acid sequence 9 in the test sample depending on whether or not the impedance Z crosses a predetermined threshold value Zth , or to output the quantification result of the target nucleic acid sequence 9 by a method described below.

<被計測物>
被計測物2は、目的核酸配列9を含み得る被験検体と、インピーダンス観測物質Aと、プローブ12(図5を参照)としてのインピーダンス変動前駆物質と、5’→3’エキソヌクレアーゼ活性を有するポリメラーゼと、プライマー13(図6を参照)とを含む混合液である。
<Object to be measured>
The object to be measured 2 is a mixture containing a test sample that may contain a target nucleic acid sequence 9, an impedance observation substance A, an impedance change precursor as a probe 12 (see Figure 5), a polymerase with 5' → 3' exonuclease activity, and a primer 13 (see Figure 6).

(目的核酸配列)
本実施形態の測定装置1および測定方法は、被験検体中の目的核酸配列9が核酸、核酸構造を分子内に有する化合物に好適に用いることができ、特にPCR法による核酸の増幅物である、二本鎖DNAの増加をモニタリングするのに適している。
(Target nucleic acid sequence)
The measurement device 1 and measurement method of this embodiment can be suitably used for compounds in which the target nucleic acid sequence 9 in the test sample is a nucleic acid or a nucleic acid structure within the molecule, and are particularly suitable for monitoring the increase in double-stranded DNA, which is an amplified product of nucleic acid by PCR.

RNAウイルスの感染を検出する場合には、被験検体(宿主)から試験試料を採取する。採取した試験試料からRNAを抽出した後、cDNAを合成し、鋳型DNAとして用いる。 When detecting infection with an RNA virus, a test sample is collected from the test specimen (host). RNA is extracted from the collected test sample, and cDNA is synthesized and used as template DNA.

(インピーダンス観測物質)
インピーダンス観測物質Aは、電極4に対し電荷を発現する、インピータンス計測の対象となるものであり、インピーダンス変動物質B以外とは相互作用を起こさないもの、起こしても極めて小さいものであることが好ましい。溶液中でのインピーダンス観測物質Aの移動度の変動が、電極4に対してインピーダンスの変動として認識される。
(Impedance observation material)
The impedance monitoring substance A is a substance that generates a charge on the electrode 4 and is the subject of impedance measurement, and preferably does not interact with substances other than the impedance varying substance B, or if it does, the interaction is extremely small. Fluctuations in the mobility of the impedance monitoring substance A in the solution are recognized as fluctuations in impedance on the electrode 4.

インピーダンス観測物質Aは、例えば、フェリシアン化物イオン、フェロシアン化物イオン、フェロセン、および、これらの混合物からなる群から選択される酸化還元性電解質を形成する金属錯体である。 The impedance monitoring substance A is, for example, a metal complex that forms a redox electrolyte selected from the group consisting of ferricyanide ion, ferrocyanide ion, ferrocene, and mixtures thereof.

(プローブ)
プローブ12は、図5に示すように、目的核酸配列9の標的塩基配列に相補的な塩基配列を持つヌクレオチドであって、インピーダンス変動置換基B’で修飾されたインピーダンス変動前駆物質である。(図5では、インピーダンス変動置換基B’としてルテニウム錯体を例示している。)
(probe)
As shown in Figure 5, probe 12 is a nucleotide having a base sequence complementary to the target base sequence of target nucleic acid sequence 9, and is an impedance-changing precursor modified with impedance-changing substituent B'. (In Figure 5, a ruthenium complex is shown as an example of impedance-changing substituent B'.)

インピーダンス変動置換基B’は、インピーダンス観測物質Aの電荷移動性を変動させる化合物から誘導される基である。インピーダンス観測物質Aの電荷移動性を変動させる化合物は、インピーダンス観測物質Aの電荷移動性を増強する化合物であってもよく、インピーダンス観測物質Aの電荷移動性を減弱する化合物であってもよいが、感度の点からインピーダンス観測物質Aの電荷移動性を増強する化合物が好ましい。インピーダンス観測物質Aの電荷移動性を変動させる化合物としては、メチレンブルー、ナイルブルー、アントラキノン誘導体、ナフタレン誘導体、金属アンミン錯体、ならびに、有機配位子としてビピリジン誘導体、フェナントロリン誘導体、および/または、ジピリドフェナジン誘導体を含む金属錯体からなる群から選択される酸化還元作用を有する化合物等が挙げられる。金属錯体として、例えば、ルテニウム錯体等を用いることができ、ルテニウム錯体として、例えば、ビピリジン、ジピリドフェナジンを配位子としたルテニウム錯体や、ビス(2,2’-ビピリジン)ジピリド[3,2-a:2’,3’-c]フェナジンルテニウム(II)(Ru(bpy)DPPZ錯体)等を用いることができる。なお、後記のインピーダンス変動物質Bが塩基対にインターカレートすることは好ましくないため、例えば芳香族環3個以上が縮環した縮合環がインピーダンス変動置換基B’中にある場合は、縮合環部分にリンカーを介してプローブ12のヌクレオチドと結合することが好ましい。例えば、インピーダンス観測物質Aの電荷移動性を変動させる化合物として、ビス(2,2’-ビピリジン)ジピリド[3,2-a:2’,3’-c]フェナジンルテニウム(II)(Ru(bpy)DPPZ錯体)を用いる場合、有機配位子のうちジピリド[3,2-a:2’,3’-c]フェナジン部分にリンカーを介してプローブ12のヌクレオチドと結合することが好ましい。または、フェナントロリン骨格またはジピリドフェナジン骨格にかさ高い置換基を導入したフェナントロリン誘導体またはジピリドフェナジン誘導体を有機配位子としてもよい。 The impedance varying substituent B' is a group derived from a compound that varies the charge mobility of the impedance observation substance A. The compound that varies the charge mobility of the impedance observation substance A may be a compound that enhances the charge mobility of the impedance observation substance A, or a compound that reduces the charge mobility of the impedance observation substance A. However, from the viewpoint of sensitivity, a compound that enhances the charge mobility of the impedance observation substance A is preferred. Examples of compounds that vary the charge mobility of the impedance observation substance A include compounds having redox activity selected from the group consisting of methylene blue, Nile blue, anthraquinone derivatives, naphthalene derivatives, metal ammine complexes, and metal complexes containing bipyridine derivatives, phenanthroline derivatives, and/or dipyridophenazine derivatives as organic ligands. Examples of the metal complex that can be used include ruthenium complexes, such as ruthenium complexes with bipyridine or dipyridophenazine as a ligand, and bis(2,2'-bipyridine)dipyrido[3,2-a:2',3'-c]phenazineruthenium(II) (Ru(bpy) 2DPPZ complex). It is not preferable for the impedance variable substance B described below to intercalate into base pairs. Therefore, when the impedance variable substituent B' contains a fused ring in which three or more aromatic rings are fused, it is preferable for the fused ring moiety to be bonded to the nucleotide of the probe 12 via a linker. For example, when bis(2,2'-bipyridine)dipyrido[3,2-a:2',3'-c]phenazine ruthenium(II) (Ru(bpy) 2DPPZ complex) is used as the compound that changes the charge mobility of impedance observation substance A, it is preferable to bind the dipyrido[3,2-a:2',3'-c]phenazine moiety of the organic ligand to the nucleotide of probe 12 via a linker. Alternatively, a phenanthroline derivative or a dipyridophenazine derivative in which a bulky substituent has been introduced into the phenanthroline skeleton or the dipyridophenazine skeleton may be used as the organic ligand.

インピーダンス変動置換基B’による修飾は周知の方法を用いることができ、修飾するのはプローブ12のヌクレオチドの3’端でも5’端でもよいが、修飾のしやすさや安価であることからプローブ12のヌクレオチドの5’端を修飾することが好ましい。インピーダンス観測物質Aの電荷移動性を変動させる化合物が有する官能基と直接プローブ12のヌクレオチドの5’端または3’端を修飾してもよく、クロスリンカーまたはスペーサー等を介してインピーダンス観測物質Aの電荷移動性を変動させる化合物をプローブ12のヌクレオチドの5’端または3’端を修飾してもよい。 Modification with impedance-varying substituent B' can be performed using well-known methods. The modification can be performed at either the 3' or 5' end of the nucleotide of probe 12, although modification at the 5' end of the nucleotide of probe 12 is preferred due to ease of modification and low cost. The 5' or 3' end of the nucleotide of probe 12 may be directly modified with a functional group possessed by a compound that varies the charge mobility of impedance observation substance A, or the 5' or 3' end of the nucleotide of probe 12 may be modified with a compound that varies the charge mobility of impedance observation substance A via a crosslinker, spacer, etc.

例えば、目的核酸配列9の標的配列に相補的な配列を持つヌクレオチドの5’端の塩基中のアミノ基を、S-アセチルチゴグリコール酸N-スクシンイミジル(SATA)等のクロスリンカーと反応させたものと、インピーダンス観測物質Aの電荷移動性を変動させる化合物中の有機配位子の炭素原子に結合した水素原子1つを臭素原子で置換したものとを反応させることで、インピーダンス変動置換基B’で修飾されたインピーダンス変動前駆物質を得ることができる。 For example, by reacting the amino group in the base at the 5' end of a nucleotide having a sequence complementary to the target sequence of the target nucleic acid sequence 9 with a crosslinker such as N-succinimidyl S-acetylthioglycolate (SATA), and then reacting this with a compound that changes the charge mobility of the impedance observation substance A in which one hydrogen atom bonded to a carbon atom of an organic ligand is substituted with a bromine atom, an impedance change precursor modified with the impedance change substituent B' can be obtained.

プローブ12の塩基配列は目的核酸配列9に応じて適宜決定されるが、プローブ12の塩基数は少なくとも20塩基であることが好ましく、30塩基程度であることがより好ましい。プローブ12の塩基数の上限値は例えば100塩基以下程である。例えば、インピーダンス変動置換基B’を5’端に修飾する場合、3’端に標的配列に非特異的な塩基配列を付加して、所望とする塩基数のプローブ12を得てもよい。 The base sequence of probe 12 is determined appropriately depending on the target nucleic acid sequence 9, but the number of bases in probe 12 is preferably at least 20, and more preferably approximately 30. The upper limit of the number of bases in probe 12 is, for example, approximately 100 or less. For example, when the impedance-changing substituent B' is modified at the 5' end, a base sequence non-specific to the target sequence may be added to the 3' end to obtain a probe 12 with the desired number of bases.

また、プローブ12は、電気化学的検出だけでなく、光学的検出にも使えるようにするため、蛍光を発する化合物や置換基で修飾されてもよい。 The probe 12 may also be modified with fluorescent compounds or substituents to enable it to be used for optical detection as well as electrochemical detection.

(ポリメラーゼ)
ポリメラーゼとしては、5’→3’エキソヌクレアーゼ活性を有するポリメラーゼが使用でき、特に、PCRに常用されている、Taq DNAポリメラーゼ等の各種耐熱性ポリメラーゼが使用できる。
(polymerase)
As the polymerase, a polymerase having 5' to 3' exonuclease activity can be used, and in particular, various heat-resistant polymerases such as Taq DNA polymerase, which are commonly used in PCR, can be used.

被計測物2である混合液には、上記のほか、必要に応じて、PCRに常用されている、緩衝液、塩および添加剤の1種または2種以上を、常用されている濃度で含んでいてもよい。 In addition to the above, the mixture liquid that is the object to be measured 2 may also contain, as needed, one or more of the buffer solutions, salts, and additives commonly used in PCR, at commonly used concentrations.

(インピーダンス変動物質)
インピーダンス変動置換基B’で修飾したプローブ12は、分子量が大きく拡散係数が小さいため、インピーダンス観測物質Aの電荷移動性に作用せず、被計測物2のインピーダンスZは変動しない。
(Impedance-varying substances)
The probe 12 modified with the impedance-changing substituent B' has a large molecular weight and a small diffusion coefficient, and therefore does not affect the charge mobility of the impedance observation substance A, and the impedance Z of the object to be measured 2 does not change.

被計測物2である混合液に目的核酸配列9が存在し、混合液に対してPCR反応が実施されると、まず、PCRのアニーリングステップでは、プライマー13およびプローブ12が、目的塩基配列9の所定領域に相補的に結合し、続くPCRの伸長ステップでは、ポリメラーゼの作用により、プローブ12が分解され、インピーダンス変動物質Bを生成する。このインピーダンス変動物質Bは、プローブ12のヌクレオチドの5’端または3’端の1塩基がインピーダンス変動置換基B’で修飾されたものであり、分子量がインピーダンス変動前駆物質に比して小さく、拡散係数が大きいため、インピーダンス観測物質Aの電荷移動性を増強または減弱させる作用が大きくなる。 When a target nucleic acid sequence 9 is present in a mixture liquid, which is the object to be measured 2, and a PCR reaction is performed on the mixture liquid, first, in the annealing step of the PCR, the primer 13 and probe 12 complementarily bind to a predetermined region of the target base sequence 9, and then, in the extension step of the PCR, the probe 12 is degraded by the action of the polymerase to produce an impedance change substance B. This impedance change substance B has one base at the 5' or 3' end of the nucleotide of the probe 12 modified with an impedance change substituent B'. Compared to the impedance change precursor, its molecular weight is smaller and its diffusion coefficient is larger, resulting in a greater effect of enhancing or attenuating the charge mobility of the impedance change observation substance A.

(プライマー)
プライマー13は、図6に示すように、目的核酸配列9の標的塩基配列に相補的な塩基配列を持つヌクレオチドであり、目的核酸配列9に応じて、適宜公知の方法で設計したものを使用できる。
(Primer)
As shown in FIG. 6, the primer 13 is a nucleotide having a base sequence complementary to the target base sequence of the target nucleic acid sequence 9, and can be designed by a known method as appropriate depending on the target nucleic acid sequence 9.

<目的核酸配列の検出方法>
インピーダンス変動置換基B’で修飾したプローブ12は、分子量が大きいので拡散係数が小さいため、インピーダンス観測物質Aの電荷移動性に作用せず、被計測物2のインピーダンスZは変動しない。
<Method for detecting a target nucleic acid sequence>
The probe 12 modified with the impedance-changing substituent B' has a large molecular weight and therefore a small diffusion coefficient, so it does not affect the charge mobility of the impedance observation substance A, and the impedance Z of the object to be measured 2 does not change.

PCRのアニーリングステップでは、被計測物2中に目的核酸配列9が存在すると、図8に示すように、プローブ12およびプライマー13が、目的核酸配列9の所定領域に相補的に結合する。 In the annealing step of PCR, if a target nucleic acid sequence 9 is present in the object to be measured 2, the probe 12 and primer 13 complementarily bind to a specific region of the target nucleic acid sequence 9, as shown in Figure 8.

PCRの伸長ステップでは、図9に示すように、伸長反応で、ポリメラーゼが相補鎖を合成する。 In the extension step of PCR, polymerase synthesizes a complementary strand during the extension reaction, as shown in Figure 9.

さらに伸長反応が進むと、図10に示すように、ポリメラーゼがプローブ12のところまで届き、ポリメラーゼがプローブ12をインピーダンス変動物質Bへ分解する。 As the extension reaction progresses further, the polymerase reaches the probe 12, as shown in Figure 10, and decomposes the probe 12 into impedance-varying substance B.

図11に示すように、プローブ12が分解されると、インピーダンス変動物質Bの作用により、被計測物2のインピーダンスZが低下する。より具体的には、インピーダンス変動置換基B’で修飾されたプローブ12が分解されることで、インピーダンス変動置換基B’の修飾1個当たりの塩基の数が1塩基となり(インピーダンス変動物質B)、分子量が小さくなるので、拡散係数が増大する。拡散係数が増大することにより、インピーダンス観測物質Aの電荷移動性を例えば増強させる作用が大きくなり、インピーダンス観測物質AのインピーダンスZが低下する。図12に示すように、PCRの増幅が進むにしたがい、さらにインピーダンスZが低下する。 As shown in Figure 11, when the probe 12 is decomposed, the impedance Z of the object to be measured 2 decreases due to the action of the impedance change substance B. More specifically, when the probe 12 modified with the impedance change substituent B' is decomposed, the number of bases per modification of the impedance change substituent B' becomes one base (impedance change substance B), and the molecular weight decreases, resulting in an increase in the diffusion coefficient. As the diffusion coefficient increases, the effect of, for example, enhancing the charge mobility of the impedance observation substance A becomes greater, and the impedance Z of the impedance observation substance A decreases. As shown in Figure 12, the impedance Z decreases further as PCR amplification progresses.

被計測物2中に目的核酸配列9が存在しない場合は、プローブ12は分解されないので、PCRサイクル数が増えても、被計測物2のインピーダンスZは変動しない。 If the target nucleic acid sequence 9 is not present in the object to be measured 2, the probe 12 is not degraded, and therefore the impedance Z of the object to be measured 2 does not change even if the number of PCR cycles increases.

したがって、図12において、インピーダンスZが、所定の閾値Zthをよぎった場合に、被計測物2中に目的核酸配列9が存在すると判定することができる。一方、所定のPCRサイクル数の後も、インピーダンスZが所定の閾値Zthをよぎらない場合は、被計測物2中に目的核酸配列9が存在しないと判定することができる。 12, when the impedance Z crosses the predetermined threshold value Zth , it can be determined that the target nucleic acid sequence 9 is present in the object to be measured 2. On the other hand, when the impedance Z does not cross the predetermined threshold value Zth even after a predetermined number of PCR cycles, it can be determined that the target nucleic acid sequence 9 is not present in the object to be measured 2.

PCR条件は、特に限定されないが、例えば、98℃2分間の初期変性ステップを行った後に、98℃10秒間の変性ステップ、55℃20秒間のアニーリングステップ、および、68℃30秒間の伸長ステップを1サイクルとして、40サイクル繰り返す。インピーダンス計測は、伸長ステップ後に行うことが好ましく、伸長ステップ直後、すなわち伸長ステップ後、次の変性ステップの前に行うことがより好ましい。インピーダンス計測の温度は適宜選択でき、インピーダンス計測はPCRサイクルごとに一定の温度で行うことが好ましい。 PCR conditions are not particularly limited, but for example, an initial denaturation step at 98°C for 2 minutes is followed by 40 cycles of a denaturation step at 98°C for 10 seconds, an annealing step at 55°C for 20 seconds, and an extension step at 68°C for 30 seconds. Impedance measurement is preferably performed after the extension step, and more preferably immediately after the extension step, i.e., after the extension step and before the next denaturation step. The temperature for impedance measurement can be selected as appropriate, and impedance measurement is preferably performed at a constant temperature for each PCR cycle.

閾値Zthは、例えば、ある特定の被計測物2に対して予備実験をした結果から適宜決定することで、以後、同様の被計測物2に対して適用することができる。 The threshold value Z th can be appropriately determined from the results of a preliminary experiment on a specific object 2 to be measured, for example, and can be applied to similar objects 2 to be measured thereafter.

<目的核酸配列の定量測定>
目的核酸配列9の定量測定は、リアルタイムPCRで周知の絶対定量法および相対定量法と同様の方法で行うことができる。絶対定量法では、例えば、Y軸にC値(増幅曲線が閾値に達した時のPCRサイクル数)、X軸にスタンダード量を取った検量線を書き、目的核酸配列9の量を定量すればよい。相対定量法では、例えば、希釈率またはテンプレート量の対数値(X軸)に対してC値(Y軸)をプロットし、それぞれの検量線を作成すればよい。
<Quantitative measurement of target nucleic acid sequence>
Quantitative measurement of the target nucleic acid sequence 9 can be performed using methods similar to the well-known absolute and relative quantitation methods for real-time PCR. In the absolute quantitation method, for example, a calibration curve is plotted with the CT value (the PCR cycle number when the amplification curve reaches the threshold) on the Y axis and the amount of standard on the X axis, and the amount of the target nucleic acid sequence 9 is quantified. In the relative quantitation method, for example, the CT value (Y axis) is plotted against the logarithm of the dilution rate or template amount (X axis), and each calibration curve is created.

以上のように目的核酸配列9の検出および定量測定が可能な本実施形態の測定装置1および測定方法によれば、大規模な連続解析やリアルタイム分析を実現することができる。 As described above, the measurement device 1 and measurement method of this embodiment, which are capable of detecting and quantitatively measuring the target nucleic acid sequence 9, make it possible to achieve large-scale continuous analysis and real-time analysis.

<インピーダンスの計測値>
図13は、EIS法の測定対象物である被計測物2の一般的な等価回路の一例を示す図である。このような等価回路については、EIS法における従来技術で知られているところであり、簡単に説明する。被計測物2の種類によっては、図中の等価回路と異なる場合もある。
<Impedance measurement value>
13 is a diagram showing an example of a general equivalent circuit of a measurement target 2, which is an object to be measured by the EIS method. Such equivalent circuits are known in the prior art of the EIS method, and will be briefly explained below. Depending on the type of measurement target 2, the equivalent circuit may differ from that shown in the diagram.

溶液抵抗Rは、被計測物2の抵抗率等で決まる電気抵抗成分である。電荷移動抵抗Rctは、電極4界面での被計測物2の反応による抵抗である。電気二重層静電容量Cdlは、被計測物2の静電容量成分を表す。ワールブルグインピーダンスWは、拡散抵抗を表す。 The solution resistance Rs is an electrical resistance component determined by the resistivity of the object to be measured 2, etc. The charge transfer resistance Rct is a resistance due to a reaction of the object to be measured 2 at the interface of the electrode 4. The electric double layer capacitance Cdl represents the capacitance component of the object to be measured 2. The Warburg impedance W represents the diffusion resistance.

被計測物2中の電荷移動を担う物質が取り込まれるような条件において、一例として、被計測物2のインピーダンスZの計測に基づく電荷移動抵抗Rctに関する計測により、被計測物2の化学的性質の変化の進捗を知ることができる。 Under conditions where a substance responsible for charge transfer in the object to be measured 2 is taken in, the progress of change in the chemical properties of the object to be measured 2 can be known, for example, by measuring the charge transfer resistance R ct based on the measurement of the impedance Z of the object to be measured 2.

このような等価回路のインピーダンスZは、例えば、数kHz程度以上の高い周波数における計測では、ほぼ溶液抵抗Rとなる。等価回路で、電気二重層静電容量Cdlが短絡と近似できる周波数領域に相当するからである。 The impedance Z of such an equivalent circuit is approximately the solution resistance Rs when measured at high frequencies of, for example, several kHz or more. This is because the equivalent circuit corresponds to a frequency range in which the electric double layer capacitance Cdl can be approximated as a short circuit.

電気二重層静電容量Cdlによる容量リアクタンスの絶対値に対して電荷移動抵抗Rctの絶対値が無視できない程度の大きさとなるような周波数、例えば、数百Hzから数Hz程度の周波数領域では、コールコールプロットにおいて半円状のインピーダンスを示す。計測を行う周波数として、当該半円の頂点付近になる周波数を選択すれば、インピーダンスの虚部は電荷移動抵抗Rctの半分程度になる。すなわち、一つの周波数による計測におけるインピーダンスの虚部によって、インピーダンス計測を行うことが可能である。また、当該半円の頂点付近になる周波数を複数選択して計測を行い、そのインピーダンスの虚部の値の平均をとることなども可能である。 At frequencies where the absolute value of the charge transfer resistance Rct is non-negligible relative to the absolute value of the capacitive reactance due to the electric double layer capacitance Cdl , for example, in the frequency range of several hundred Hz to several Hz, a Cole-Cole plot shows a semicircular impedance. If a frequency near the apex of the semicircle is selected as the frequency at which measurement is performed, the imaginary part of the impedance will be approximately half of the charge transfer resistance Rct . In other words, impedance can be measured using the imaginary part of the impedance measured at a single frequency. It is also possible to select multiple frequencies near the apex of the semicircle and perform measurements, and then average the values of the imaginary part of the impedance.

周波数が低いと、電気二重層静電容量Cdlが開放と近似できる周波数領域に近づくため、等価回路のインピーダンスは、溶液抵抗Rと電荷移動抵抗Rctの和に近づく。すなわち、計測を行う周波数としてこのような低い周波数を選択すれば、インピーダンスの実部は溶液抵抗Rと電荷移動抵抗Rctの和に近くなる。つまり、一つの周波数による計測におけるインピーダンスの実部によって、インピーダンス計測を行うことが可能である。また、当該電気二重層静電容量Cdlが開放と近似できる周波数を複数選択して計測を行い、そのインピーダンスの実部の値の平均をとることなども可能である。さらに、インピーダンスの実部の代わりにインピーダンスの絶対値を用いることも可能であり、特に、当該周波数においてインピーダンスの虚部がゼロではない場合に有効な場合がある。 At low frequencies, the electric double layer capacitance C dl approaches a frequency range where it can be approximated as an open circuit, and the impedance of the equivalent circuit approaches the sum of the solution resistance R s and the charge transfer resistance R ct . That is, by selecting such a low frequency as the measurement frequency, the real part of the impedance approaches the sum of the solution resistance R s and the charge transfer resistance R ct . In other words, impedance can be measured using the real part of the impedance measured at a single frequency. It is also possible to select multiple frequencies where the electric double layer capacitance C dl can be approximated as an open circuit, perform measurements, and then average the real part of the impedance. Furthermore, it is also possible to use the absolute value of the impedance instead of the real part of the impedance, which may be particularly effective when the imaginary part of the impedance is not zero at the frequency.

例えば、数Hz以下のようなさらに低い周波数領域では、ワールブルグインピーダンスWによる変化が支配的になるようなインピーダンスの変化を示す。すなわち、周波数が低くなるにつれて、インピーダンスの実部と虚部が共に増加するような変化が生じる。 For example, in the even lower frequency range of a few Hz or less, the impedance changes in such a way that the change due to the Warburg impedance W becomes dominant. In other words, as the frequency decreases, both the real and imaginary parts of the impedance increase.

図14は、EIS法におけるコールコールプロットの一例を模式的に示す概略図である。このコールコールプロットから分かるように、インピーダンスの絶対値|Z|と、インピーダンスの実部Zrealとの間には大きな相違はない。インピーダンスの虚部も同様の傾向を示す。 14 is a schematic diagram showing an example of a Cole-Cole plot in the EIS method. As can be seen from this Cole-Cole plot, there is no significant difference between the absolute value of the impedance |Z| and the real part of the impedance Zreal . The imaginary part of the impedance also shows a similar tendency.

図15は、コールコールプロットにおいて、高低2つの周波数で半円に近似して、その半円の直径をインピーダンスから推定した電荷移動抵抗Rctとする際の電荷移動抵抗Rctの求め方を模式的に示す概略図である。図中、溶液抵抗R、および、中心点が実軸上にある半円上の1点a-jbの2点が定まれば、b:(a-R)=(R+Rct-a):bなので、以下の式により、高低2つの周波数fで計測したインピーダンスから推定した電荷移動抵抗Rctが求められる。溶液抵抗Rは、例えば少なくとも1回、例えば1kHz以上の高い周波数におけるインピーダンスの計測により溶液抵抗Rに相当するインピーダンスを計測すればよく、例えば、周波数f=1kHzにおけるインピーダンス計測値の実部Zrealとすることができる。 15 is a schematic diagram showing how to determine the charge transfer resistance R ct in a Cole-Cole plot when two frequencies, high and low, are approximated as semicircles and the diameter of the semicircles is used as the charge transfer resistance R ct estimated from the impedance. In the figure, once the solution resistance R s and two points a-jb on the semicircle whose center point is on the real axis are determined, b:(a-R s )=(R s +R ct -a):b, the charge transfer resistance R ct estimated from the impedance measured at two frequencies, high and low, f, can be determined using the following formula. The solution resistance R s can be determined, for example, by measuring the impedance at a high frequency of 1 kHz or higher at least once to obtain an impedance equivalent to the solution resistance R s . For example, the real part Z real of the impedance measured at a frequency f=1 kHz can be used.

インピーダンスの絶対値、虚部、実部のいずれかを用いる場合は、1つの周波数の計測結果でも複数の周波数の計測結果でもよいことを前述した。一方、この半円への近似による方法では、最低2つの周波数(コールコールプロット上の2点)における計測結果が必要である。さらに、より多くの周波数における計測結果を用いて半円への近似を行い、それらの平均を取るなどの方法も可能である。 As mentioned above, when using either the absolute value, imaginary part, or real part of impedance, measurement results at one frequency or multiple frequencies can be used. On the other hand, this method using approximation to a semicircle requires measurement results at at least two frequencies (two points on the Cole-Cole plot). Furthermore, it is also possible to use measurement results at more frequencies to approximate to a semicircle and then take the average of these.

図16は、コールコールプロットにおいて、高低2つの周波数で計測したインピーダンスにおける実部の差、またはインピーダンスの差の絶対値(ベクトル差の絶対値)を、インピーダンスから推定した電荷移動抵抗Rctとすることを模式的に示す概略図である。この方法においても、最低2つの周波数(コールコールプロット上の2点)における計測結果が必要である。さらに、より多くの周波数における計測結果を用いて、それらの平均を取るなどの方法も可能である。 16 is a schematic diagram showing how the charge transfer resistance R ct is estimated from the impedance by using the difference in the real parts of the impedance measured at two frequencies, high and low, or the absolute value of the impedance difference (absolute value of the vector difference) in a Cole-Cole plot. This method also requires measurement results at at least two frequencies (two points on the Cole-Cole plot). Furthermore, it is also possible to use measurement results at more frequencies and take the average of these.

図17は、コールコールプロットにおいて、3つの周波数で楕円に近似して、その楕円の実軸方向の直径をインピーダンスから推定した電荷移動抵抗Rctとすることを模式的に示す概略図である。具体的な対象物における実測結果では、半円が縦につぶれたようなコールコールプロットになることも多いので、楕円に近似することによってより正確な近似を行うことができる場合がある。この方法においては、最低3つの周波数(コールコールプロット上の3点)における計測結果が必要である。さらに、より多くの周波数における計測結果を用いて、それらの平均を取るなどの方法も可能である。なお、具体的な対象物における実測結果において、もし半円が縦に伸びたようなコールコールプロットであっても(すなわち、実軸方向の直径が短径であっても)、同様に近似が可能である。 FIG. 17 is a schematic diagram illustrating how a Cole-Cole plot is approximated to an ellipse at three frequencies, and the diameter of the ellipse in the real axis direction is used as the charge transfer resistance R ct estimated from the impedance. Measurements of a specific object often result in a Cole-Cole plot that resembles a vertically squashed semicircle, so approximating to an ellipse can sometimes result in a more accurate approximation. This method requires measurement results at at least three frequencies (three points on the Cole-Cole plot). Alternatively, measurement results at more frequencies can be averaged. Similar approximations are possible even if the Cole-Cole plot in the actual measurement of a specific object resembles a vertically stretched semicircle (i.e., the diameter in the real axis direction is the minor axis).

図18は、コールコールプロットにおいて、3つの周波数で円弧に近似して、その円弧の虚部=0Ωにおける実部の差をインピーダンスから推定した電荷移動抵抗Rctとすることを模式的に示す概略図である。半円の中心が実軸よりも下側にあるような状態に近いコールコールプロットにおいては、円弧に近似することによってより正確な近似を行うことができる場合もある。この方法においても、最低3つの周波数(コールコールプロット上の3点)における計測結果が必要である。さらに、より多くの周波数における計測結果を用いて、それらの平均を取るなどの方法も可能である。 FIG. 18 is a schematic diagram showing how a Cole-Cole plot is approximated to arcs at three frequencies, and the difference between the real parts of the arcs when the imaginary part of the arcs is 0 Ω is used as the charge transfer resistance R ct estimated from the impedance. In a Cole-Cole plot where the center of the semicircle is close to being below the real axis, approximating the arc may result in a more accurate approximation. This method also requires measurement results at at least three frequencies (three points on the Cole-Cole plot). Furthermore, it is also possible to use measurement results at more frequencies and take their average.

かように、インピーダンスから推定する電荷移動抵抗Rctの求め方は例示しているだけでも5通りある。被計測物2のインピーダンスZの求め方は、インピーダンスの実部・虚部・絶対値を加えて、例示しているだけでも8通りあることになるが、これらに限定するものではない。 Thus, there are five ways to calculate the charge transfer resistance R ct estimated from the impedance, just shown as examples. There are eight ways to calculate the impedance Z of the object to be measured 2, including the real part, imaginary part, and absolute value of the impedance, just shown as examples, but the methods are not limited to these.

以下の実施例において、ゲノムDNAの調製、PCR等は、当業者に周知慣用の方法を用いて行うことができる。例えば、Molecular Cloning:a Laboratory Manual, 4th ed.(Michael R. Green and Joseph Sambrook)等を参照されたい。 In the following examples, genomic DNA preparation, PCR, and other procedures can be performed using methods commonly known to those skilled in the art. See, for example, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 4th ed. (Michael R. Green and Joseph Sambrook).

<PCRおよびインピーダンス計測>
PCRは一例として、表1(組成)、表2(反応条件)および表3(配列)に示す条件で実施する。ヒトβアクチン遺伝子座を含むヒト細胞由来ゲノムDNAをヒト細胞から調製し、鋳型DNAとして用いる。KOD FX(東洋紡株式会社)を用いて製造者の指示に従ってPCRを行う。また、PCR用プライマーおよびインピーダンス観測物質(フェリシアン化物およびフェロシアン化物)は、市販のものを用いる。
<PCR and Impedance Measurement>
PCR is performed under the conditions shown in Table 1 (composition), Table 2 (reaction conditions), and Table 3 (sequence), for example. Genomic DNA containing the human β-actin gene locus is prepared from human cells and used as template DNA. PCR is performed using KOD FX (Toyobo Co., Ltd.) according to the manufacturer's instructions. PCR primers and impedance monitoring substances (ferricyanide and ferrocyanide) are commercially available.

インピーダンス変動前駆物質(Ru錯体修飾プローブ)は、例えば以下の文献に記載の方法にしたがって調製する。
Jing-Tang Linら、”A Sulfhydryl-Reactive Ruthenium (II) Complex and Its Conjugation to Protein G as a Universal Reagent for Fluorescent Immunoassays”、PLOS ONE、Volume 7、Issue 4、2012年4月
The impedance change precursor (Ru complex modified probe) is prepared according to the method described in the following document, for example.
Jing-Tang Lin et al., “A Sulfhydryl-Reactive Ruthenium (II) Complex and Its Conjugation to Protein G as a Universal Reagent for Fluorescent Immunoassays”, PLOS ONE, Volume 7, Issue 4, April 2012

目的核酸配列の測定は、インピーダンスを計測可能な測定装置を用いて行う(図3)。インピーダンスは、PCRを行いながら、インピーダンス観測物質の変化を指標にして計測する(図12、図14)。インピーダンスの計測は、表2の伸長ステップ後に行う。インピーダンスの計測条件は、一例として、電圧100mV、周波数は10kHz~0.1Hzとする。 The target nucleic acid sequence is measured using a measuring device capable of measuring impedance (Figure 3). Impedance is measured using changes in the impedance monitoring substance as an indicator while PCR is being performed (Figures 12 and 14). Impedance is measured after the extension step in Table 2. For example, the impedance measurement conditions are a voltage of 100 mV and a frequency of 10 kHz to 0.1 Hz.

別の一例として、PCRは、表4(組成)、表5(反応条件)および表6(配列)に示す条件で実施することもできる。表5では、アニーリングステップと伸長ステップを一つのステップとして実行しているが、このような場合でも同様に本発明を適用可能である。ヒトβアクチン遺伝子座を含むヒト細胞由来ゲノムDNAをヒト細胞から調製し、鋳型DNAとして用いる。Premix Ex Taq(登録商標)(タカラバイオ株式会社)を用いて製造者の指示に従ってPCRを行う。また、PCR用プライマーおよびインピーダンス観測物質(フェリシアン化物およびフェロシアン化物)は、市販のものを用いる。そのほかの条件は、インピーダンスの計測を、表5のアニーリングおよび伸長ステップ後に行う以外は実施例1と同様にして、PCRを行いながら、インピーダンスを計測し、目的核酸配列の測定を行う。 As another example, PCR can be performed under the conditions shown in Table 4 (composition), Table 5 (reaction conditions), and Table 6 (sequence). In Table 5, the annealing step and extension step are performed as a single step, but the present invention is equally applicable in this case. Genomic DNA derived from human cells containing the human β-actin locus is prepared from human cells and used as template DNA. PCR is performed using Premix Ex Taq (registered trademark) (Takara Bio Inc.) according to the manufacturer's instructions. Commercially available PCR primers and impedance monitoring substances (ferricyanide and ferrocyanide) are used. Other conditions are the same as in Example 1, except that impedance measurements are performed after the annealing and extension steps in Table 5. Impedance is measured during PCR to determine the target nucleic acid sequence.

PCRにおいて、インピーダンス変動前駆物質の核酸配列として、配列番号7に記載のものを用いる代わりに、配列番号8に記載のものを用いる以外は、実施例2と同様に、PCRを行いながら、インピーダンスを計測し、目的核酸配列の測定を行う。 The impedance is measured and the target nucleic acid sequence is determined while PCR is being performed in the same manner as in Example 2, except that in PCR, the nucleic acid sequence of the impedance-changing precursor is changed from that of SEQ ID NO: 7 to that of SEQ ID NO: 8.

以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明したが、本発明は種々の変形実施をすることができる。種々の変形実施も本発明の範囲に含まれる。 The present invention has been described above based on embodiments and examples, but the present invention can be implemented in various modified forms. Various modified forms are also included within the scope of the present invention.

1 測定装置
2 被計測物
3 容器
4 電極
5 シール部
6 温度制御部
7 インピーダンス計測部
8 判定部
9 目的核酸配列
10 信号源
11 電流電圧計測手段
12 プローブ(インピーダンス変動前駆物質)
13 プライマー
B インピーダンス変動物質
B’ インピーダンス変動置換基
溶液抵抗
ct 電荷移動抵抗
Z インピーダンス
th 閾値
REFERENCE SIGNS LIST 1 Measuring device 2 Measurement object 3 Container 4 Electrode 5 Sealing unit 6 Temperature control unit 7 Impedance measurement unit 8 Determination unit 9 Target nucleic acid sequence
10 Signal source
11 Current and voltage measurement means
12 probes (impedance variation precursors)
13 Primer B Impedance change substance B' Impedance change substituent R s Solution resistance R ct Charge transfer resistance Z Impedance Z th Threshold

Claims (15)

目的核酸配列を含み得る被計測物のインピーダンスの変化を計測し、被験検体中の目的核酸配列を測定するための測定装置を用いた測定方法であって、
前記測定装置が、
前記被計測物を収容する容器と、
前記容器に設けられ、前記被計測物に接触する少なくとも一対の電極と、
前記電極において前記インピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、
前記被計測物に印加する温度を調節する温度制御部と、
を備え、
前記被計測物が、
前記被験検体と、
インピーダンス観測物質と、
前記目的核酸配列の標的配列に相補的な配列を持つプローブであって、インピーダンス変動置換基で修飾されたインピーダンス変動前駆物質と、
5’→3’エキソヌクレアーゼ活性を有するポリメラーゼと、
プライマーと、
を含む混合液であり、
前記混合液に対してPCR(Polymerase Chain Reaction)を実施することで、前記5’→3’エキソヌクレアーゼ活性を有するポリメラーゼによって、前記インピーダンス変動前駆物質が分解されてインピーダンス変動物質を生成する、測定方法
A measurement method using a measurement device for measuring a change in impedance of a measurement object that may contain a target nucleic acid sequence, and measuring the target nucleic acid sequence in a test specimen, comprising:
The measuring device
a container for accommodating the object to be measured;
At least one pair of electrodes provided in the container and in contact with the object to be measured;
an impedance measuring unit that measures the impedance at the electrode;
a temperature control unit that adjusts the temperature applied to the object to be measured;
Equipped with
The object to be measured is
The test specimen;
an impedance observation material;
a probe having a sequence complementary to a target sequence of the target nucleic acid sequence, the probe being an impedance-changing precursor modified with an impedance-changing substituent;
a polymerase having 5' to 3' exonuclease activity;
A primer,
A mixture containing
The method comprises carrying out PCR (Polymerase Chain Reaction) on the mixed solution, whereby the impedance change precursor is decomposed by the polymerase having 5' to 3' exonuclease activity to generate an impedance change substance.
前記測定装置は、前記インピーダンスが、所定の閾値をよぎったか否かを判定する判定部をさらに備える、請求項1に記載の測定方法The measurement method according to claim 1 , wherein the measurement device further comprises a determination unit that determines whether the impedance has crossed a predetermined threshold value. 前記インピーダンス変動物質が、前記インピーダンス観測物質の電荷移動性を増強させるものであり、
前記インピーダンス観測物質が、前記電極に対し電荷を発現し、前記インピーダンス変動物質以外とは相互作用を起こさないものである、請求項1または2に記載の測定方法
the impedance varying substance enhances the charge mobility of the impedance observation substance,
3. The measurement method according to claim 1, wherein the impedance observation substance generates a charge on the electrode and does not interact with any substance other than the impedance change substance.
前記インピーダンス変動物質が、メチレンブルー、ナイルブルー、アントラキノン誘導体、ナフタレン誘導体、金属アンミン錯体、ならびに、有機配位子としてビピリジン誘導体、フェナントロリン誘導体、および/または、ジピリドフェナジン誘導体を含む金属錯体からなる群から選択される酸化還元作用を有する化合物で修飾されているものである、請求項1~3のいずれか1項に記載の測定方法 The measurement method according to any one of claims 1 to 3, wherein the impedance changing substance is modified with a compound having redox activity selected from the group consisting of methylene blue, Nile blue, anthraquinone derivatives, naphthalene derivatives, metal ammine complexes, and metal complexes containing bipyridine derivatives, phenanthroline derivatives, and/or dipyridophenazine derivatives as organic ligands . 前記インピーダンス観測物質が、フェリシアン化物イオン、フェロシアン化物イオン、フェロセン、および、これらの混合物からなる群から選択される酸化還元性電解質を形成する金属錯体である、請求項1~4のいずれか1項に記載の測定方法 5. The measurement method according to claim 1, wherein the impedance observation substance is a metal complex forming a redox electrolyte selected from the group consisting of ferricyanide ion, ferrocyanide ion, ferrocene, and mixtures thereof. 前記インピーダンスとして、前記インピーダンスの絶対値、前記インピーダンスの実部および前記インピーダンスの虚部のうち少なくとも1つを用いる、請求項1~5のいずれか1項に記載の測定方法 6. The measurement method according to claim 1, wherein at least one of an absolute value of the impedance, a real part of the impedance, and an imaginary part of the impedance is used as the impedance. 前記インピーダンスとして、前記インピーダンスから算出される電荷移動抵抗の推定値を用いる、請求項1~5のいずれか1項に記載の測定方法 The measurement method according to any one of claims 1 to 5, wherein an estimated value of charge transfer resistance calculated from the impedance is used as the impedance. 前記インピーダンスの計測値に基づくコールコールプロットを、前記コールコールプロット上の2点以上を用いて半円に近似して、当該半円の直径を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、
前記コールコールプロット上の2点以上を用いた前記インピーダンスの実部の差を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、
前記コールコールプロット上の2点以上を用いた前記インピーダンスの差の絶対値を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、
前記コールコールプロットを、前記コールコールプロット上の3点以上を用いて楕円に近似して、当該楕円の実軸方向の直径を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、または、
前記コールコールプロットを、前記コールコールプロット上の3点以上を用いて円弧に近似して、当該円弧の虚部=0Ωにおける実部の差を前記電荷移動抵抗の推定値とする、請求項7に記載の測定方法
a Cole-Cole plot based on the impedance measurement value is approximated to a semicircle using two or more points on the Cole-Cole plot, and the diameter of the semicircle is used as the estimated value of the charge transfer resistance;
the difference between the real parts of the impedances obtained using two or more points on the Cole-Cole plot is used as an estimate of the charge transfer resistance;
the absolute value of the difference in impedance between two or more points on the Cole-Cole plot is used as the estimated value of the charge transfer resistance;
The Cole-Cole plot is approximated to an ellipse using three or more points on the Cole-Cole plot, and the diameter of the ellipse along the real axis is used as the estimated value of the charge transfer resistance; or
8. The measurement method according to claim 7, wherein the Cole-Cole plot is approximated to an arc using three or more points on the Cole-Cole plot, and the difference between real parts of the arc when the imaginary part of the arc is 0 Ω is used as the estimated value of the charge transfer resistance.
PCR(Polymerase Chain Reaction)法とEIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)法とを組み合わせることにより被験検体中の目的核酸配列を測定するための測定方法であって、
前記目的核酸配列の標的配列に相補的な配列を持つプローブであって、インピーダンス変動置換基で修飾されたインピーダンス変動前駆物質を用い、
前記被験検体と、インピーダンス観測物質と、前記インピーダンス変動前駆物質と、5’エキソヌクレアーゼ活性を有するポリメラーゼとを含む混合液に対してPCR反応を実施し、
前記ポリメラーゼによる前記インピーダンス変動前駆物質のインピーダンス変動物質への分解を惹起し、
前記インピーダンス変動物質が、前記インピーダンス観測物質の電荷移動性を増強させることによって観測される前記混合液のインピーダンスの変化をEIS法によって計測する、測定方法。
A method for measuring a target nucleic acid sequence in a test sample by combining a PCR (Polymerase Chain Reaction) method and an EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) method, comprising:
a probe having a sequence complementary to a target sequence of the target nucleic acid sequence, using an impedance change precursor modified with an impedance change substituent;
carrying out a PCR reaction on a mixture containing the test specimen, an impedance monitoring substance, the impedance change precursor, and a polymerase having 5' exonuclease activity;
causing the polymerase to decompose the impedance-varying precursor into an impedance-varying substance;
A measurement method in which the impedance change of the mixed solution, which is observed when the impedance change substance enhances the charge mobility of the impedance observation substance, is measured by an EIS method.
前記インピーダンス変動物質が、前記インピーダンス観測物質の電荷移動性を増強させるものであり、
前記インピーダンス観測物質が、前記インピーダンスを計測するための電極に対し電荷を発現し、前記インピーダンス変動物質以外とは相互作用を起こさないものである、請求項9に記載の測定方法。
the impedance varying substance enhances the charge mobility of the impedance observation substance,
10. The measurement method according to claim 9, wherein the impedance observation substance generates a charge on an electrode for measuring the impedance and does not interact with any substance other than the impedance change substance.
前記インピーダンス変動物質が、メチレンブルー、ナイルブルー、アントラキノン誘導体、ナフタレン誘導体、金属アンミン錯体、ならびに、有機配位子としてビピリジン誘導体、フェナントロリン誘導体、および/または、ジピリドフェナジン誘導体を含む金属錯体からなる群から選択される酸化還元作用を有する化合物で修飾されているものである、請求項9または10に記載の測定方法。 The measurement method according to claim 9 or 10, wherein the impedance-changing substance is modified with a compound having redox activity selected from the group consisting of methylene blue, Nile blue, anthraquinone derivatives, naphthalene derivatives, metal ammine complexes, and metal complexes containing bipyridine derivatives, phenanthroline derivatives, and/or dipyridophenazine derivatives as organic ligands. 前記インピーダンス観測物質が、フェリシアン化物イオン、フェロシアン化物イオン、フェロセン、および、これらの混合物からなる群から選択される酸化還元性電解質を形成する金属錯体である、請求項9~11のいずれか1項に記載の測定方法。 The measurement method according to any one of claims 9 to 11, wherein the impedance observation substance is a metal complex that forms a redox electrolyte selected from the group consisting of ferricyanide ion, ferrocyanide ion, ferrocene, and mixtures thereof. 前記インピーダンスとして、前記インピーダンスの絶対値、前記インピーダンスの実部および前記インピーダンスの虚部のうち少なくとも1つを用いる、請求項9~12のいずれか1項に記載の測定方法。 The measurement method described in any one of claims 9 to 12, wherein at least one of the absolute value of the impedance, the real part of the impedance, and the imaginary part of the impedance is used as the impedance. 前記インピーダンスとして、前記インピーダンスから算出される電荷移動抵抗の推定値を用いる、請求項9~12のいずれか1項に記載の測定方法。 The measurement method described in any one of claims 9 to 12, wherein an estimated value of charge transfer resistance calculated from the impedance is used as the impedance. 前記インピーダンスの計測値に基づくコールコールプロットを、前記コールコールプロット上の2点以上を用いて半円に近似して、当該半円の直径を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、
前記コールコールプロット上の2点以上を用いた前記インピーダンスの実部の差を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、
前記コールコールプロット上の2点以上を用いた前記インピーダンスの差の絶対値を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、
前記コールコールプロットを、前記コールコールプロット上の3点以上を用いて楕円に近似して、当該楕円の実軸方向の直径を前記電荷移動抵抗の推定値とするか、または、
前記コールコールプロットを、前記コールコールプロット上の3点以上を用いて円弧に近似して、当該円弧の虚部=0Ωにおける実部の差を前記電荷移動抵抗の推定値とする、請求項14に記載の測定方法。
a Cole-Cole plot based on the impedance measurement value is approximated to a semicircle using two or more points on the Cole-Cole plot, and the diameter of the semicircle is used as the estimated value of the charge transfer resistance;
the difference between the real parts of the impedances obtained using two or more points on the Cole-Cole plot is used as an estimate of the charge transfer resistance;
the absolute value of the difference in impedance between two or more points on the Cole-Cole plot is used as the estimated value of the charge transfer resistance;
The Cole-Cole plot is approximated to an ellipse using three or more points on the Cole-Cole plot, and the diameter of the ellipse along the real axis is used as the estimated value of the charge transfer resistance; or
15. The measurement method according to claim 14, wherein the Cole-Cole plot is approximated to an arc using three or more points on the Cole-Cole plot, and the difference between real parts of the arc at an imaginary part of 0 Ω is used as the estimated value of the charge transfer resistance.
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