特許 6671405 信号増幅のための分子プローブ、及びそれを用いるキットとアッセイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6671405

(24)【登録日】2020年3月5日

(45)【発行日】2020年3月25日

(54)【発明の名称】信号増幅のための分子プローブ、及びそれを用いるキットとアッセイ

(51)【国際特許分類】

   G01N 33/53 20060101AFI20200316BHJP

   C12Q 1/00 20060101ALI20200316BHJP

   G01N 33/543 20060101ALI20200316BHJP

   G01N 33/553 20060101ALI20200316BHJP

【ＦＩ】

   G01N33/53 D

   C12Q1/00

   G01N33/53 M

   G01N33/543 545A

   G01N33/553

【請求項の数】16

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2018-53098(P2018-53098)

(22)【出願日】2018年3月20日

(65)【公開番号】特開2018-155760(P2018-155760A)

(43)【公開日】2018年10月4日

【審査請求日】2018年3月20日

(31)【優先権主張番号】15/462920

(32)【優先日】2017年3月20日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】62/482198

(32)【優先日】2017年4月6日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】504455908

【氏名又は名称】国立成功大学

(73)【特許権者】

【識別番号】518096825

【氏名又は名称】国立成功大学医学院付属医院

【氏名又は名称原語表記】ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＣＨＥＮＧ ＫＵＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＨＯＳＰＩＴＡＬ

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(74)【代理人】

【識別番号】110002262

【氏名又は名称】ＴＲＹ国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】黄 偉倫

(72)【発明者】

【氏名】蘇 五洲

(72)【発明者】

【氏名】陳 海▲ブン▼

(72)【発明者】

【氏名】鐘 為邦

(72)【発明者】

【氏名】蒋 依庭

(72)【発明者】

【氏名】葉 徳夫

(72)【発明者】

【氏名】▲トウ▼ ▲キ▼聖

(72)【発明者】

【氏名】陳 良哲

【審査官】 海野 佳子

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／００８７１４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００３／１０４４２４（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 米国特許第０７９２３２４０（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 YUAN ZHOU ET AL.，Chemiluminescence immunoassay for the rapid and sensitive detection of antibody against porcine parvovirus by using horseradish peroxidase/detection antibody-coated gold nanoparticles as nanoprobes : Porcine parvovirus antibody detected by chemiluminescence immunoassay，THE JOURNAL OF BIOLOGICAL AND CHEMICAL LUMINESCENCE，２０１３年，vol. 29, no. 4，p338 - 343

【文献】 RON GILL ET AL.，Optical Detection of Glucose and Acetylcholine Esterase Inhibitors by H2O2-Sensitive CdSe/ZnS Quantum Dots，ANGEWANDTE CHEMIE INTERNATIONAL EDITION，２００８年 ２月１５日，vol. 47, no. 9，pages 1676 - 1679

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ３３／４８−３３／９８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＣＡｐｌｕｓ／ＭＥＤＬＩＮＥ／ＢＩＯＳＩＳ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

分子プローブであって、
標的分子に特異的な検出分子と、
前記検出分子に共有結合又は非共有結合され、溶液からメディエーターを生成するための触媒を含む少なくとも１つの標識とを含み、
前記メディエーターは、前記溶液中に一定期間蓄積することができ、当該メディエーターの濃度又は存在に対応する信号を直接又は間接に生成する化学反応に関与するものである、ことを特徴とする分子プローブ。

【請求項2】

前記標識の前記触媒は、ナノ材料、酵素、金属、及び金属錯体の少なくとも１つを含み、
前記ナノ材料は、ナノ粒子、２次元ナノ構造体、及びバルクナノ構造材料を含み、
前記ナノ粒子は、金属ナノ粒子、フラーレン、及び量子ドットを含み、
前記量子ドットは、金属量子ドット、酸化グラフェン量子ドット、及びカーボン量子ドットを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の分子プローブ。

【請求項3】

前記信号は、光学特性、電磁特性、熱力学特性又は機械的特性の変化を含む化学反応によって生成するものである、ことを特徴とする請求項１に記載の分子プローブ。

【請求項4】

前記触媒によって生成された前記メディエーターは、活性酸素種、活性窒素種、過酸化脂質又は脂質酸化生成物、トリプロピルアミン（ＴＰＡ）、中間原子価化合物、３，３’，５，５’−テトラ−メチルベンジジン（ＴＭＢ）、窒素酸化物系持続性ラジカル、ラジカル付加体、α−フェニルＮ−ターシャリー−ブチルニトロン（ＰＢＮ）、５，５−ジメチル−ピロリンＮ−オキシド（ＤＭＰＯ）、グルタチオン、グルタチオンジスルフィド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ／ＮＡＤＨ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨ）及びＣ−ニトロソスピントラップの少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の分子プローブ。

【請求項5】

前記触媒によって生成された前記メディエーターの生成効率は、溶液にエネルギーを供給することによって向上する、ことを特徴とする請求項１に記載の分子プローブ。

【請求項6】

前記エネルギーは、化学エネルギー、放射エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー、磁気エネルギー、電磁エネルギー、音波エネルギー、機械エネルギー、又はそれらの任意の組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項５に記載の分子プローブ。

【請求項7】

前記検出分子と前記標的分子とは、選択的な分子結合によって相互作用し、
前記選択的な分子結合は、タンパク質に基づく相互作用、ヌクレオチド配列に基づく相互作用、又はそれらの組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の分子プローブ。

【請求項8】

表面上で行われる分子検出アッセイと共に使用される、ことを特徴とする請求項１に記載の分子プローブ。

【請求項9】

標的分子をアッセイする方法であって、
少なくとも１つの分子プローブを溶液中の前記標的分子に結合させるステップであって、前記分子プローブの各々は、
前記標的分子に特異的な検出分子と、
前記検出分子に共有結合又は非共有結合され、前記溶液からメディエーターを生成するための触媒を含む少なくとも１つの標識と、を含み、
前記メディエーターは、前記溶液中に一定期間蓄積することができ、当該メディエーターの濃度又は存在に対応する信号を直接又は間接に生成する化学反応に関与するものである、ステップと、
前記分子プローブの前記標識によって前記メディエーターを生成させて前記溶液に蓄積させるために、前記溶液を一定期間放置するステップと、
前記メディエーターとの化学反応のための反応物質を前記溶液に添加するステップと、
前記化学反応によって生成された信号を測定するステップとを含む、ことを特徴とする標的分子をアッセイする方法。

【請求項10】

前記溶液を一定期間放置する前記ステップは、
前記溶液にエネルギーを供給するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記エネルギーは、化学エネルギー、放射エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー、磁気エネルギー、電磁エネルギー、音波エネルギー、機械エネルギー、又はそれらの任意の組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記標識の前記触媒は、ナノ材料、酵素、金属、及び金属錯体の少なくとも１つを含み、
前記ナノ材料は、ナノ粒子、２次元ナノ構造体、及びバルクナノ構造材料を含み、
前記ナノ粒子は、金属ナノ粒子、フラーレン、及び量子ドットを含み、
前記量子ドットは、金属量子ドット、酸化グラフェン量子ドット、及びカーボン量子ドットを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。

【請求項13】

前記触媒によって生成された前記メディエーターは、活性酸素種、活性窒素種、過酸化脂質又は脂質酸化生成物、トリプロピルアミン（ＴＰＡ）、中間原子価化合物、３，３’，５，５’−テトラ−メチルベンジジン（ＴＭＢ）、窒素酸化物系持続性ラジカル、ラジカル付加体、α−フェニルＮ−ターシャリー−ブチルニトロン（ＰＢＮ）、５，５−ジメチル−ピロリンＮ−オキシド（ＤＭＰＯ）、グルタチオン、グルタチオンジスルフィド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ／ＮＡＤＨ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨ）及びＣ−ニトロソスピントラップの少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。

【請求項14】

前記検出分子と前記標的分子とは、選択的な分子結合によって相互作用し、
前記選択的な分子結合は、タンパク質に基づく相互作用、ヌクレオチド配列に基づく相互作用、又はそれらの組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。

【請求項15】

前記信号は、光学特性、電磁特性、熱力学特性又は機械的特性の変化を含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。

【請求項16】

表面上で行われる、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本開示は、２０１７年４月６日に出願された米国仮特許出願第６２／４８２１９８号の優先権を主張し、且つ、２０１７年３月２０日に出願された米国非仮特許出願第１５／４６２，９２０号の一部継続であり、それらの全体が参照によりここに援用される。

【0002】

本開示は信号増幅のための分子プローブ、キット及び方法に関し、より詳細には、分子検出アッセイの検出信号を増幅するための分子プローブ、キット及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

図１に示されるように、従来のイムノアッセイは、捕捉抗体と検出抗体の対の能力を利用して、標的分子を認識し結合して溶液中の標的分子の存在を検出しており、実験室検査と医学診断、及び食品検査と環境試験のための有用なツールとなっている。標的分子を定量化するために、検出抗体は、典型的には、検出可能な標識又は触媒に結合される。標識は、発光したり、放射線を放出したり、色変化を生成することができる、或いは、発光したり、放射線を放出したり、色変化を生成するように誘導することができる。触媒は、標的分子への抗体の結合に応じて測定可能な信号を生成するために検出可能な変化のいずれかを引き起こすことができる。

【0004】

しかしながら、このようなメカニズム設定の下では、１つの標的分子の検出は一度に１つの測定可能な信号にしか対応しない（例えば、発光イムノアッセイでは、１つのセイヨウワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）は一度に１つのルミノール分子としか反応できず、生成後直ちに消える１つの光子を生成する）。その結果、信号強度が弱く、検出感度と精度が悪い。その結果、従来のイムノアッセイの大きな割合が、誤診及び間違った治療を引き起こすことが知られている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

既存の分子アッセイの感度及び精度を改善するために、本発明の実施形態は、標的分子に特異的な検出分子、及び検出分子に共有結合又は非共有結合される少なくとも１つの標識を含む分子プローブを提供する。標識は、溶液から電子及び／又はメディエーターを生成するための触媒を含む。

【0006】

好ましくは、標識の触媒は、ナノ材料、酵素、金属、及び金属錯体の少なくとも１つを含む。ナノ材料は、ナノ粒子、２次元ナノ構造体、及びバルクナノ構造材料を含む。ナノ粒子は、金属ナノ粒子、フラーレン、及び量子ドットを含む。量子ドットは、金属量子ドット、グラフェン量子ドット、酸化グラフェン量子ドット、及びカーボン量子ドットを含む。

【0007】

好ましくは、触媒によって生成されたメディエーターは、溶液中に一定期間蓄積することができる。

【0008】

好ましくは、メディエーターは、光学特性、電磁特性、熱力学特性又は機械的特性の変化を含む信号を生成する化学反応に関与する。

【0009】

好ましくは、触媒によって生成されたメディエーターは、活性酸素種、活性窒素種、過酸化脂質又は脂質酸化生成物、トリプロピルアミン（ＴＰＡ）、中間原子価化合物、３，３’，５，５’−テトラ−メチルベンジジン（ＴＭＢ）、窒素酸化物系持続性ラジカル、ラジカル付加体、α−フェニルＮ−ターシャリー−ブチルニトロン（ＰＢＮ）、５，５−ジメチル−ピロリンＮ−オキシド（ＤＭＰＯ）、グルタチオン、グルタチオンジスルフィド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ／ＮＡＤＨ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨ）及びＣ−ニトロソスピントラップの少なくとも１つを含む。

【0010】

好ましくは、触媒によって生成されたメディエーターの生成効率は、溶液にエネルギーを供給することによって向上する。エネルギーは、化学エネルギー、放射エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー、磁気エネルギー、電磁エネルギー、音波エネルギー、機械エネルギー、又はそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。

【0011】

好ましくは、検出分子と標的分子とは、タンパク質に基づく相互作用又はヌクレオチド配列に基づく相互作用によって相互作用する。タンパク質に基づく相互作用は、リガンド−レセプター相互作用又は抗体−抗原相互作用を含む。

【0012】

好ましくは、分子プローブは、表面上で行われる分子検出アッセイと共に使用される。

【0013】

本発明の別の態様は、標的分子をアッセイするための方法を提供する。この方法は、上記分子プローブを溶液中の標的分子に結合させるステップと、溶液を一定期間放置するステップと、化学反応のための反応物質を溶液に添加するステップと、化学反応によって生成された信号を測定するステップとを含む。

【0014】

好ましくは、溶液を一定期間放置するステップは、溶液にエネルギーを供給するステップをさらに含む。

【0015】

要するに、前記実施形態による本発明は、溶液からメディエーターを生成することができる１つ又は複数の触媒により検出分子を標識することによって、分子検出アッセイの検出信号を増幅するか、又は増幅されたその検出信号を取得する。メディエーターは、分子検出アッセイの化学反応に連続的に関与するように、溶液中に一定期間安定的に蓄積することができ、それにより、標的分子の検出に応じて顕著に増幅された信号（即ち、「１対多数」の増幅）をもたらす。従って、本発明は、少ないコスト又は低減されたコストで、既存のアッセイの検出感度を効果的に改善する。さらに、電子及びメディエーターを同時に生成することができるため、本発明は少なくとも２つのタイプの測定可能な信号を提供するので、分子検出の正確性を保証するために検出される信号を再確認又はダブルチェックする可能性を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

添付の図面は、本発明の１つ又は複数の実施形態を示し、且つ記載された説明とともに、本発明の原理を説明する。可能な限り、図面全体を通じて実施形態の同一又は同様の要素を指すために同じ参照番号が使用される。

【0017】

【図1】図１は、従来技術に係る従来の分子検出アッセイの概念の概略図である。

【0018】

【図2】図２は、本発明の実施形態に係る従来の分子検出アッセイと組み合わせて使用される分子プローブの概略図である。

【0019】

【図3】図３は、本発明の実施形態に係る従来の分子検出アッセイの検出信号を増幅するための方法の概略図である。

【0020】

【図4】図４は、本発明の実施形態に係る窒素ドープ酸化グラフェン量子ドット（ＮＧＯＱＤｓ）の濃度と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）の濃度との相関関係を示す実験結果である。

【0021】

【図5A】図５Ａは、本発明の実施形態に係る経時的なＨ_２Ｏ_２の蓄積を示す実験結果である。

【0022】

【図5B】図５Ｂは、本発明の実施形態に係る経時的なＨ_２Ｏ_２の安定性を示す実験結果である。

【0023】

【図6A】図６Ａは、本発明の実施形態に係るＨ_２Ｏ_２濃度と化学発光ＨＲＰ基質から生成された化学発光信号の強度との相関関係を示す実験結果である。

【0024】

【図6B】図６Ｂは、本発明の実施形態に係るＨ_２Ｏ_２濃度とルミノールから生成された化学発光信号の強度との相関関係を示す実験結果である。

【0025】

【図7A】図７Ａは、本発明の実施形態に係る窒素ドープ酸化グラフェン量子ドット（ＮＧＯＱＤｓ）の濃度と化学発光信号の強度との相関関係を示す実験結果である。

【0026】

【図7B】図７Ｂは、本発明の実施形態に係る標的分子の濃度と化学発光信号の強度との相関関係を示す実験結果である。

【0027】

【図8】図８は、本発明の実施形態に係る露光に応じる電流の発生を示す実験結果である。

【0028】

【図9】図９は、本発明の実施形態に係る光エネルギーの提供によるＨ_２Ｏ_２の生成効率の向上を示す実験結果である。

【0029】

【図10】図１０は、本発明の実施形態に係るインターロイキン（ＩＬ−６）用量依存的な電流強度の増加を示す実験結果である。

【0030】

【図11】図１１は、本発明の実施形態に係る光エネルギー及び化学エネルギーが供給される場合の経時的な電流強度の変化を示す実験結果である。

【0031】

【図12A】図１２Ａは、本発明の実施形態に係るＴｉＯ_２によるＨ_２Ｏ_２の生成を示す実験結果である。

【0032】

【図12B】図１２Ｂは、本発明の実施形態に係るＦｅＰｔナノ粒子による用量依存的なＨ_２Ｏ_２の生成を示す実験結果である。

【0033】

【図13】図１３は、本発明の実施形態に係る化学エネルギーの提供によるＨ_２Ｏ_２の生成効率の向上を示す実験結果である。

【0034】

【図14】図１４は、本発明の実施形態に係るＦｅＰｔナノ粒子によって生成されたＨ_２Ｏ_２の蓄積を示す実験結果である。

【0035】

慣行に従い、説明された様々な特徴は一定の縮尺で描かれておらず、本開示に関連する特徴を強調するために描かれている。同様の参照符号は、図面及びテキスト全体を通して同様の要素を指す。

【発明を実施するための形態】

【0036】

本発明は、本発明の様々な例示的な実施形態を示す添付の図面を参照しながら、以下により完全に記述される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、開示の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。同様の参照番号は、全体を通して同様の要素を指す。

【0037】

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用されるように、「一（ａ）」、「一（ａｎ）」及び「前記（ｔｈｅ）」という単数形は、文脈が、そうではないと明確に示さない限り、複数形も含むことが意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、又は「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」及び／又は「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、又は「有する（ｈａｓ）」及び／又は「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合、述べられた特徴、領域、完全体、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を明示するが、１つ又は複数の他の特徴、領域、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はこれらのグループの存在又は追加を解除しないことがさらに理解されるであろう。

【0038】

「及び／又は」と「少なくとも１つ」という用語は、１つ又は複数の関連するリストされたアイテムの任意の組み合わせ及びすべての組み合わせを含むことが理解されるであろう。本明細書においては、様々な要素、構成要素、領域、部品、及び／又は部分を記述するにあたって「第１」、「第２」、「第３」などの用語を用いる場合があるが、これらの要素、構成要素、領域、部品、及び／又は部分をこれらの用語によって制限すべきではないことも理解されるであろう。これらの用語は、単に、１つの要素、構成要素、領域、部品及び／又は部分を他の要素、構成要素、領域、層、又は部分から識別する目的のみで使われている。従って、以下に記述される第１要素、構成要素、領域、部品又は部分を、本開示の教示から逸脱することなく、第２要素、構成要素、領域、層又は部分と呼ぶこともできる。

【0039】

本明細書に記載の「分子検出アッセイ」という用語は、溶液（例えば、生物学的液体）中の標的分子（即ち、検体）の存在及び／又は濃度を測定する試験を指す。図１に例示されるように、典型的な分子検出アッセイの構成要素は、標的分子２に特異的な捕捉抗体１（即ち、標的分子との特異的結合を可能にする標的分子に対して親和性又は特異的特性を有する）、及び標的分子にも特異的であり、タグ４に結合される検出抗体３を含む。タグ４は、試薬又は反応物質５と接触したときに検出可能な変化を生じさせる化学反応を触媒して、検出抗体３の標的分子２への結合に応じて、測定可能な信号６をもたらす。

【0040】

分子検出アッセイによって行われる化学反応は、還元−酸化（酸化還元）反応、光化学反応、電気化学反応、光電気化学反応、又は、検出可能な標識を生成する他の反応であってもよい。検出可能な信号は、光学特性、電磁特性、熱力学特性又は機械的特性の変化の形態であってもよい。より具体的には、光学特性は、発光強度、蛍光強度、色、発光波長プロファイル、蛍光波長プロファイル、及び光波長プロファイルを含むことができるが、これらに限定されない。電磁特性は、電流強度、電位、導電率、電荷、電圧、及び比誘電率を含むことができるが、これらに限定されない。熱力学特性は、温度を含むことができるが、これに限定されない。機械的特性は、光学密度（例えば、吸光度）、共振周波数、振動周波数、表面弾性波、ピエゾ電気、及びインプラント安定指数を含むことができるが、これらに限定されない。

【0041】

化学反応により生成された信号は、ポテンショスタット、ガルバノスタット、サイクリックボルタンメーター、電気化学的分析装置、エレクトロクロミック分析装置、蛍光分光器、化学発光分光器、電気化学発光分光器、光化学発光分光器、光電気化学発光分光器、電流測定センサ、導電率計、高温計、圧電センサ、共振周波数分析装置、電圧計、電位差計、オシロスコープ、ラマン分光計、表面弾性波センサ、又は水晶マイクロバランスによって検出可能である。

【0042】

化学反応の反応物質は、ルミノール、イソルミノール、アクリジニウムエステル、トリス（２，２’−ビピリジル）ルテニウム（ＩＩ）、Ｒｕ（ｂｐｙ）_３^２＋、３−（２’−スピロアダマンタン）−４−メトキシ−４−（３”−ホスホリルオキシ）フェニル−１，２−ジオキセタン（ＡＭＰＰＤ）、３−（２’−スピロアダマンタン）−４−メトキシ−４−（３”−β−Ｄ’−ガラクトピラノ−イルオキシ）フェニル−１，２−ジオキセタン（ＡＭＰＧＤ）、Ａｍｐｌｅｘ Ｒｅｄ試薬（１０−アセチル−３，７−ジヒドロキシフェノキサジン）、ルシフェリン、ルシゲニン、ペルオキシダーゼ、アルスロマイセスラモサス（Ａｒｔｈｒｏｍｙｃｅｓ ｒａｍｏｓｕｓ）ペルオキシダーゼ（ＡＲＰ）、セイヨウワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）、ヒドロラーゼ、アルカリホスファターゼ（ＡＬＰ）、グルコースオキシダーゼ、β−Ｄ−ガラクトシダーゼ、グルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼ、ルシフェラーゼ、金ナノ粒子、ヘミン、金属錯体（例えば、Ｃｕ^２＋及びＦｅ^３＋フタロシアニン錯体）、又はそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。

【0043】

さらに、捕捉抗体１は表面に固定化することができ、それにより分子検出アッセイをディッシュ、ウェル、キューブ、チューブ、キャピラリ、電極、チャンバー、膜、粒子、検出器、マイクロタイタープレート、マイクロチップ、半導体センサチップ又はキュベットで行うことができる。分子検出アッセイの幾つかの例は、蛍光アッセイ、酵素結合免疫吸着アッセイ（ＥＬＩＳＡ）、ラテラルフローアッセイ、電気化学アッセイ、光化学アッセイ及び光電気化学アッセイを含むが、これらに限定されない。

【0044】

他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で明示的に定義されない限り、一般に使用される辞書で定義されたもののような用語は、関連技術の文脈及び本開示におけるそれらの意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、理想的な意味又は過度に正式的な意味で解釈されないことがさらに理解される。

【0045】

図２を参照する。本発明の第１態様は、信号増幅のための分子プローブを提供する。一実施形態において、分子プローブ７は、検出分子８と、検出分子に結合される少なくとも１つの標識９を含む。標識９は検出分子８に、例えばエステル結合、ペプチド結合、若しくはチオエステル結合によって共有結合されるか、又は、例えば水素結合若しくはπ-π相互作用によって非共有結合される。標識９は、溶液から電子及び／又はメディエーターを生成することができる触媒を含む。検出分子８は、標的分子２に特異的である（即ち、特異的に結合することができる）抗体、抗原、配位子、受容体又はヌクレオチド配列であってもよい。標的分子２は、有機化合物、無機化合物、又は生体分子であってもよい。好ましくは、有機化合物は、芳香族化合物、アルコール、アルデヒド、ケトン、酸、アミン、尿素、又はそれらのポリマーもしくは錯体である。無機化合物は、ドデカボレート、窒化物、金属含有錯体である。生体分子は、アミノ酸、ヌクレオチド、脂質、糖類、ペプチド、核酸、多糖類、ビタミン、ホルモン、又はそれらのポリマーもしくは錯体である。

【0046】

検出分子８と標的分子２は、選択的な分子結合によって選択的に相互作用する。選択的な分子結合は、タンパク質に基づく相互作用、ヌクレオチド配列に基づく相互作用、又はそれらの組み合わせであってもよい。タンパク質に基づく相互作用は、リガンド−レセプター相互作用又は抗体−抗原相互作用を含んでもよい。より具体的には、幾つかの実施形態において、リガンド−レセプター相互作用は、タンパク質と脂質（例えば、アネキシンＡ５とホスファチジルセリン）との間の相互作用、タンパク質とグリカン／多糖類（例えば、インテレクチンと微生物グリカン）との間の相互作用、タンパク質と金属（例えば、フェリチンと鉄）との間の相互作用、又はタンパク質と小分子（例えば、上皮細胞成長因子受容体（ＥＧＦＲ）とゲフィチニブ、若しくはストレプトアビジンとビオチン）との間の相互作用を含むが、これらに限定されない。幾つかの実施形態において、抗体−抗原相互作用は、ＤＮＡと抗体（例えば、抗ｄｓＤＮＡ抗体）との間の相互作用、小分子と抗体（例えば、抗アフラトキシン抗体）との間の相互作用、脂質と抗体（例えば、抗リン脂質抗体）との間の相互作用、有機化合物と抗体（例えば、抗クロロフェノール抗体）との間の相互作用、無機化合物と抗体（例えば、抗ｍｅｒｃａｐｔｏｕｎｄｅｃａｈｙｄｒｏｄｏｄｅｃａｂｏｒａｔｅ（抗ＢＳＨ）抗体）との間の相互作用、又は環境汚染物質若しくは食品汚染物と抗体（例えば、抗直鎖アルキルベンゼン−スルホン酸塩）との間の相互作用を含むが、これらに限定されない。幾つかの実施形態において、ヌクレオチド配列に基づく相互作用は、相補的配列によるＤＮＡ／ＲＮＡオリゴの間の相互作用、小分子とアプタマー（例えば、抗ドパミンアプタマー）との間の相互作用、タンパク質とアプタマー（例えば、抗トロンビンアプタマー）との間の相互作用、又は核酸とアプタマー（例えば、抗ヒト免疫不全ウイルス（抗ＨＩＶ）トランス作用応答性要素アプタマー）との間の相互作用を含むが、これらに限定されない。上記相互作用は、イムノアッセイ、核酸検出アッセイ、脂質検出アッセイ、又は糖類検出アッセイによって検出されてもよい。

【0047】

標識９上の触媒は、ナノ材料、酵素、金属及び金属錯体の少なくとも１つであってもよい。ナノ材料は、２次元ナノ構造体（例えば、グラフェンナノシートや酸化グラフェン（ＧＯ）ナノシート）、バルクナノ構造材料（例えば、ナノ多孔質材料、ナノコンポジット、及びナノ結晶材料）、及びナノ粒子（例えば、Ａｕナノ粒子、Ａｇナノ粒子、Ｐｔナノ粒子、Ｆｅナノ粒子、ＦｅＡｕナノ粒子、ＦｅＰｔナノ粒子、ＴｉＯ_２ナノ粒子、及び量子ドット（ＱＤｓ））を含んでもよい。量子ドットは、コア型量子ドット、コアシェル型量子ドット、合金化された量子ドット、ＣｄＴｅ ＱＤｓ、ＣｄＳｅ ＱＤｓ、ＣｄＳ ＱＤｓ、ＺｎＳ ＱＤｓ、ＰｂＳ ＱＤｓ、ＨｇＳ ＱＤｓ、ＰｂＳｅ ＱＤｓ、グラフェン量子ドット （ＧＱＤｓ）、酸化グラフェン量子ドット（ＧＯＱＤｓ）、カーボン量子ドット（ＣＱＤｓ）、ＩｎＡｓ／ＺｎＳｅ ＱＤｓ、ＩｎＡｓ／ＣｄＳｅ ＱＤｓ、ＩｎＡｓ／ＩｎＰ ＱＤｓ、Ｃｕ：ＩｎＰ／ＺｎＳｅ ＱＤｓ、ＩｎＡｓｘＰ１?ｘ／ＩｎＰ／ＺｎＳｅ ＱＤｓ）を含むことができるが、これらに限定されない。酵素は、アルスロマイセスラモサスペルオキシダーゼ（ＡＲＰ）、セイヨウワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）、カタラーゼ、グルタチオンペルオキシダーゼ、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰＨ）オキシダーゼ、グルコースオキシダーゼ、チトクロムＰ４５０オキシダーゼ、Ｌ−グロノラクトンオキシダーゼ、モノアミンオキシダーゼ、又はリジルオキシダーゼなどのペルオキシダーゼ、オキシダーゼ又はその誘導体と、ヒドロラーゼ、アルカリホスファターゼ（ＡＬＰ）又はその誘導体と、β−Ｄ−ガラクトシダーゼ、グルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼ、スーパーオキシドジスムターゼ、リポキシゲナーゼ又はルシフェラーゼなどのグルコースオキシダーゼ又はその誘導体を含むことができるが、これらに限定されない。金属及び金属錯体は、単離された単原子Ｒｕ、Ｃｕ^２＋フタロシアニン錯体、Ｆｅ^３＋フタロシアニン錯体、ヘミン、遷移金属カルベン錯体（例えば、グラブス触媒）を含むことができるが、これらに限定されない。

【0048】

幾つかの実施形態では、ナノ材料はＭｇ、Ｏ、Ｎ、Ｐ、Ｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、若しくは他のＩＩＡ族、ＩＩＩＡ族、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族元素又は空のｄ軌道を有する遷移元素で、好ましくは約０モルパーセント（ｍｏｌ％）〜５０ｍｏｌ％の割合でさらにドープされる。ナノ材料は、アミノ基（−ＮＨ_２）、亜リン酸基（−ＰＯ_３）、カルボニル基（−ＣＯ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、アシル基、ホウ素原子（Ｂ）、水素原子（Ｈ）、窒素原子（Ｎ）、酸素原子（Ｏ）、硫黄原子（Ｓ）、リン原子（Ｐ）又は他のＩＩＩＡ族、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族、ＶＩＩＡ族元素官能基で、好ましくは約０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％の割合でさらに官能化されてもよい。

【0049】

幾つかの実施形態では、ナノ材料は、約０．３４ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の粒径、例えば０．３４ｎｍ、０．５ｎｍ、１ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍ又は６０ｎｍの粒径を有する。ナノ材料の形状は、一般に球形、柱状又は円盤状である。幾つかの実施形態では、ナノ材料は、約０．３４ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の厚さ、例えば０．３４、０．５、１、３、５、１０、１５又は２０ｎｍの厚さを有する円盤状の構造のＧＯＱＤである。

【0050】

図２を再び参照する。標識９の触媒は、外部エネルギーの印加の有無に関わらず、様々な温度で（好ましくは４〜５６℃で、又は、さらに好ましくは４℃、２５℃、３７℃、若しくは５０℃で）、溶液から電子及び／又はメディエーター１０を生成することができる。メディエーター１０は、活性酸素種（ＲＯＳ、例えば、有機ヒドロペルオキシド、有機ペルオキシド、ラジカル開始剤、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、ヒドロキシルアニオン、スーパーオキシドラジカル、ヒドロキシルラジカル、又はオゾン）、活性窒素種（例えば、一酸化窒素、二酸化窒素、ペルオキシ亜硝酸）、過酸化脂質又は脂質酸化生成物（例えば、脂肪酸ラジカル又は過酸化脂肪酸ラジカル）、トリプロピルアミン（ＴＰＡ）、中間原子価化合物（例えば、塩化スズ（ＩＩ）（ＳｎＣｌ_２）、硫酸鉄（ＩＩ）（ＦｅＳＯ_４）、一酸化炭素、酸化ルテニウム（ＩＶ）（ＲｕＯ_２）、又は塩化チタン（ＩＩＩ）（ＴｉＣｌ_３））、３，３’，５，５’−テトラ−メチルベンジジン（ＴＭＢ）、窒素酸化物系持続性ラジカル、ラジカル付加体、α−フェニルＮ−ターシャリー−ブチルニトロン（ＰＢＮ）、５，５−ジメチル−ピロリンＮ−オキシド（ＤＭＰＯ）、グルタチオン、グルタチオンジスルフィド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ／ＮＡＤＨ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨ）及びＣ−ニトロソスピントラップ（例えば、３，５−ジブロモ−４−ニトロソベンゼンスルホン酸（ＤＢＮＢＳ）、５−ジイソプロポキシホスホリル−５−メチル−１−ピロリン−Ｎ−オキシド（ＤＩＰＰＭＰＯ））の少なくとも１つであってもよい。

【0051】

溶液は、気溶体、液体溶液、及び 固溶体であってもよい。溶媒が気体である場合、ある特定の条件下で気体のみが溶解する。溶媒が液体である場合、ほとんどすべての気体、液体及び固体を溶解することができ、気体を液体中に、液体を液体中に、固体を液体中に溶解することが含まれる。溶媒が固体である場合、気体、液体及び固体を溶解することができ、気体を固体中に、液体を固体中に、固体を固体中に溶解することが含まれる。液体溶液は、極性溶液と非極性溶液にさらに分類することができる。

【0052】

メディエーターは、溶液に数秒〜数ヶ月の一定期間蓄積して、検出可能な信号６を生成する化学反応に継続的に関与し、それにより、標的分子２の検出に応じて増幅信号を得ることができる。換言すれば、本発明の実施形態の触媒の各々は、多数のメディエーターを生成することができる。各メディエーターは、化学反応の反応物質と反応して多数の検出可能な信号を同時に生成し、それによって、「１対多数」の信号増幅モードを達成する。

【0053】

メディエーターの生成を向上させるための外部から印加されるエネルギーは、化学エネルギー、放射エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー、磁気エネルギー、電磁エネルギー、音波エネルギー、機械エネルギー、又はそれらの任意の組み合わせであってもよい。エネルギーは、レーザ、水銀ランプ、可視光、紫外光、赤外光、内視鏡光、Ｘ線、超音波、電場、磁場、核磁気共鳴、機能発生器、ホットプレート、又は発光ダイオードによって供給されてもよい。

【0054】

本発明の実施形態による分子プローブは、分子検出アッセイの検出信号を増幅するように、分子検出アッセイ（例えば、ＥＬＩＳＡ、ラテラルフローアッセイ、蛍光イムノアッセイ、電気化学イムノアッセイ、光化学イムノアッセイ又は光電気化学イムノアッセイ）と共に使用されてもよい。より具体的には、幾つかの実施形態において、分子プローブを使用して標的分子をアッセイするための方法は、分子プローブを溶液中の標的分子に結合させるステップと、溶液を一定期間放置するステップと、化学反応のための上記反応物質を溶液に添加するステップと、化学反応によって生成された信号を測定するステップとを含む。実施形態において、標的分子は、タンパク質に基づく相互作用又はヌクレオチド配列に基づく相互作用を介して捕捉抗体又は検出分子と相互作用することによって、分子プローブと結合する前に表面上に固定化される。従って、分子プローブを標的分子と結合させた後、方法は、例えば溶液を繰り返し除去し、標的分子又は分子プローブのない新鮮な溶液を添加することによって、標的分子に結合していない分子プローブの一部を除去するステップを任意に含んでもよい。

【0055】

他の実施形態では、分子プローブ７は表面上に固定化されてもよく、且つその標識９は、標的分子２の結合時の立体構造変化又は他のメカニズムによって活性化されてもよい。

【0056】

好ましくは、溶液中の分子プローブ８上の標識９の最終濃度は、約１ｘ１０^−１５ｍｇ／ｍＬ〜５００ｍｇ／ｍＬの範囲である。方法は、ディッシュ、ウェル、キューブ、チューブ、キャピラリ、電極、チャンバー、膜、粒子、検出器、マイクロタイタープレート、マイクロチップ、半導体センサチップ又はキュベットなどの表面上で行われてもよい。

【0057】

他の実施形態では、分子プローブは、分子検出アッセイの信号を増幅するための分子検出アッセイと共に使用されるキットとして供給されてもよい。一実施形態では、キットは、上記検出分子、上記触媒含有標識、及び検出分子と触媒含有標識を共有的に又は非共有的に結合させるための１つ以上の試薬を含む。検出分子及び標識は、分子検出アッセイを行う前に試薬の添加によって結合する。

【0058】

幾つかの実施形態では、キットは酸化還元促進剤をさらに含む。酸化還元促進剤は、栄養剤、ビタミン、アルカリ塩又は緩衝剤、有機化合物、無機化合物、空のｄ、ｆ、若しくはｇ軌道を有する遷移金属イオン、又はそれらの組み合わせであってもよい。栄養剤は、無血清のロズウェルパーク記念研究所（ＲＰＭＩ）培地、無血清のダルベッコ変法イーグル培地（ＤＭＥＭ）、無血清の最小必須培地α（ＭＥＭα）、無血清のハムＦ１２培地、無血清のライボビッツＬ−１５培地、無血清のＨｙｂｒｉ−Ｃａｒｅ培地又はウシ胎児血清を含んでもよい。ビタミンは、アスコルビン酸、補酵素Ｑ１０、グルタチオン又はアスタキサンチンを含んでもよい。アルカリ塩又は緩衝剤は、リン酸緩衝食塩水又は多硫化物であってもよい。有機化合物は、ポルフィリン、クロロフィル、ヒスタミン、メタノール、エタノール、トリエタノールアミン、乳酸、尿素、又は少なくとも１つのヒドロキシル基、カルボニル基若しくは窒素を有する他の複素環化合物若しくは大環状化合物を含んでもよい。無機化合物は、硝酸銀又はヨウ素酸ナトリウムを含んでもよい。空のｄ、ｆ、又はｇ軌道を有する遷移金属イオンは、第二鉄イオン、過マンガン酸第一鉄又は過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ_４）、コバルトイオン、ニッケルイオン、又はそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。好ましくは、酸化還元促進剤は、約１ｘ１０^−１２体積／体積％（ｖ／ｖ％）〜５０ｖ／ｖ％又は約１ｘ１０^−１５モル（Ｍ）〜１０Ｍの濃度範囲でキットに添加される。

【0059】

図３を参照する。本発明の別の態様は、標的分子をアッセイするための方法を提供する。一実施形態では、前記方法は、（Ｓ１）表面上に固定化された前記捕捉抗体１を供給するステップと、（Ｓ２）溶液中に前記標的分子２を含有するサンプルを添加して、捕捉抗体１を標的分子２に結合させるステップと、（Ｓ３）前記分子プローブ７を添加して、分子プローブ７の検出分子８を標的分子２に結合させるステップと、（Ｓ４）分子プローブ７の標識９によってメディエーター１０を生成させて溶液中に蓄積させるために、溶液を一定期間放置するステップと、（Ｓ５）測定可能な信号６を生成する化学反応を開始させるために、前記反応物質５を溶液に添加するステップと、（Ｓ６）信号６を測定するステップとを含む。

【0060】

好ましくは、溶液中の分子プローブ８上の標識９の最終濃度は、約１ｘ１０^−１５ｍｇ／ｍＬ〜５００ｍｇ／ｍＬの範囲である。一方、分子プローブが添加される場合、溶液は、化学反応を行うために必要なもの（例えば、化学反応の反応物質）を除いて、アッセイを行うために必要な試薬及び緩衝剤の全てを含んでもよい。

【0061】

標識９によって生成されたメディエーター１０は、活性酸素種（ＲＯＳ）、活性窒素種、過酸化脂質又は脂質酸化生成物、トリプロピルアミン（ＴＰＡ）、中間原子価化合物、３，３’，５，５’−テトラ−メチルベンジジン（ＴＭＢ）、窒素酸化物系持続性ラジカル、ラジカル付加体、α−フェニルＮ−ターシャリー−ブチルニトロン（ＰＢＮ）、５，５−ジメチル−ピロリンＮ−オキシド（ＤＭＰＯ）、グルタチオン、グルタチオンジスルフィド、ＮＡＤ（Ｈ）、ＮＡＤＰ（Ｈ）、及びＣ−ニトロソスピントラップの少なくとも１つを含む。メディエーターは、好ましくは数分〜数週間の期間で溶液に蓄積して、化学反応に継続的に関与し、それにより、標的分子２の検出に応じて「１対多数」の信号増幅を達成することができる。好ましくは、反応物質５の添加の前に、分子プローブ及び固定化された標的分子を含有する溶液は、室温で１ｍｉｎ放置される。しかしながら、本発明は、溶液が放置される期間及び温度を制限しないことが理解されるべきである。メディエーターが安定して生成され溶液中に蓄積すれば、本発明の実施形態は機能することができる。

【0062】

幾つかの実施形態では、検出可能な信号は、光学特性、電磁特性、熱力学特性又は機械的特性の変化の変化の形態であってもよい。例えば、光学特性は、発光強度、蛍光強度、色、発光波長プロファイル、蛍光波長プロファイル、又は光波長プロファイルであってもよい。電磁特性は、電流強度、電位、導電率、電荷、電圧、又は比誘電率であってもよい。熱力学特性は、温度を含むことができるが、これに限定されない。機械的特性は、光学密度（例えば、吸光度）、共振周波数、振動周波数、表面弾性波、ピエゾ電気、又はインプラント安定指数であってもよい。幾つかの実施形態では、信号は、ポテンショスタット、ガルバノスタット、サイクリックボルタンメーター、電気化学的分析装置、エレクトロクロミック分析装置、蛍光分光器、化学発光分光器、電気化学発光分光器、光化学発光分光器、光電気化学発光分光法、電流測定センサ、導電率計、高温計、圧電センサ、共振周波数分析装置、電圧計、電位差計、オシロスコープ、ラマン分光計、表面弾性波センサ、又は水晶マイクロバランスによって検出されてもよい。

【0063】

幾つかの実施形態では、方法は、ディッシュ、ウェル、キューブ、チューブ、キャピラリ、電極、チャンバー、膜、粒子、検出器、マイクロタイタープレート、マイクロチップ、半導体センサチップ又はキュベットなどの表面上で行われてもよい。

【0064】

別の実施形態では、方法は、捕捉抗体の使用を必要としない。即ち、分子プローブ７は表面上に固定化されてもよく、且つその標識９は、標的分子２の結合時の立体構造変化又は他のメカニズムによって活性化されてもよい。

【0065】

好ましい実施形態では、標的分子をアッセイするための方法は、溶液を一定期間放置する場合、溶液にエネルギー１２を印加するステップをさらに含む。エネルギー１２は、化学エネルギー、放射エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー、磁気エネルギー、電磁エネルギー、音波エネルギー、機械エネルギー、又はそれらの任意の組み合わせであってもよい。エネルギー１２は、レーザ、水銀ランプ、可視光、紫外光、赤外光、内視鏡光、Ｘ線、超音波、電場、磁場、核磁気共鳴、機能発生器、ホットプレート、又は発光ダイオードによって供給されてもよい。エネルギーは、分子プローブ７の標識９による電子及び／又はメディエーター１０の生成を加速又は促進するのに十分であるべきである。好ましくは、エネルギーは、一定期間の露光（例えば、１００ｍＷ／ｃｍ^−２の可視光で２０秒間）及び／又は酸化還元促進剤（例えば、１０ｍＭのアスコルビン酸）の添加によって、溶液に供給される。

【0066】

さらに具体的には、放射エネルギーは、１ｐｍ〜１６００ｎｍ、又は、好ましくは１ｐｍ〜１ｎｍ（電離放射線）、１０ｎｍ〜４００ｎｍ（紫外線射線）、４００ｎｍ〜１０００ｎｍ（可視光及び赤外線放射）の波長範囲又はそれらの組み合わせで供給されてもよい。放射エネルギーは、約１ｘ１０^−６Ｗ／ｃｍ^２〜１００Ｗ／ｃｍ^２、又は、好ましくは１０Ｗ／ｃｍ^２〜５Ｗ／ｃｍ^２の出力範囲であってもよい。熱エネルギーは、約１ｘ１０^−６Ｗ／ｃｍ^２〜１００Ｗ／ｃｍ^２、又は好ましくは１０Ｗ／ｃｍ^２〜５Ｗ／ｃｍ^２の出力範囲で供給されてもよい。電気エネルギーは、約０．０００１Ｖ〜５００Ｖ、又は、好ましくは−５Ｖ〜５Ｖの電位範囲で供給されてもよい。電気エネルギーは、約１ｘ１０^−１５Ａ／ｃｍ^２〜１００Ａ／ｃｍ^２、又は、好ましくは１ｘ１０^−１２〜１０Ａ／ｃｍ^２の範囲の電流応答を有してもよい。磁気エネルギーは、約１ｘ１０^−６Ｗ／ｃｍ^２〜１００Ｗ／ｃｍ^２、又は、好ましくは約１０Ｗ／ｃｍ^２〜５Ｗ／ｃｍ^２の出力範囲で供給されてもよい。機械エネルギーは、好ましくは、約１ｘ１０^−６Ｗ／ｃｍ^２〜１００Ｗ／ｃｍ^２、又は、好ましくは約１０Ｗ／ｃｍ^２〜５Ｗ／ｃｍ^２の出力範囲で供給される超音波エネルギーであってもよい。

【0067】

図４を参照する。本発明の実施形態の分子プローブ上の触媒の量は、メディエーターの生成と相関することが実証される。図４に示されるような実験では、溶液中のＨ_２Ｏ_２の濃度は、ＮＧＯＱＤの濃度とともに増加することが示され、ＮＧＯＱＤが溶液からＨ_２Ｏ_２を生成するようにトリガされ得ることが示唆される。

【0068】

図５Ａと５Ｂを参照する。本発明の実施形態に従って生成されたメディエーターは、溶液中に蓄積し、長期間維持することが実証される。図５Ａに示されるように、5０ｍＷ／ｃｍ^−２の光に暴露した後に、０．００５ｍｇ／ｍＬの最終濃度の窒素ドープ酸化グラフェン量子ドット（ＮＧＯＱＤ）を実験のアッセイに添加する場合、市販のＡｍｐｌｅｘR Ｒｅｄ過酸化水素／ペルオキシダーゼアッセイキットで測定されたＨ_２Ｏ_２の濃度は、わずか３分で６０μＭを超えて蓄積することが示された。蓄積したＨ_２Ｏ_２も安定である。図５Ｂに示されるように、１μＭのＨ_２Ｏ_２は、アッセイ混合物中に少なくとも２時間安定的に存在することが示された。

【0069】

図６Ａと６Ｂを参照する。本発明の実施形態に従って生成されたメディエーターは、発光信号の増幅に強く関連することが実証される。図６Ａに示されるように、セイヨウワサビペルオキシド（ＨＲＰ）及び化学発光性ＨＲＰ基質を使用する実験のアッセイの得られた化学発光信号の強度は、Ｈ_２Ｏ_２の濃度とともに増加することが示された。同様に、図６Ｂに示されるような別の実験では、ルミノールから生成された化学発光信号の強度も、Ｈ_２Ｏ_２の濃度とともに増加することが示された。

【0070】

図７Ａと７Ｂを参照する。本発明の実施形態は、インターロイキン（ＩＬ−６）の検出のためのサンドイッチイムノアッセイの検出信号を増幅することが実証されている。分子プローブの標識に窒素ドープ酸化グラフェン（ＮＧＯＱＤｓ）が含まれ、セイヨウワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）及び化学発光ＨＲＰ基質を用いる発光反応がアッセイに関与していた実験では、図７Ａに示されるように、溶液を１００ｍＷ／ｃｍ^−２の光に２０秒間暴露した後に、ＮＧＯＱＤ用量依存的な発光の増加が観察される。一方、図７Ｂに示されるように、得られた発光信号の強度も、ＮＧＯＱＤｓで標識された分子プローブを用いるサンドイッチイムノアッセイにおけるＩＬ−６の濃度と相関することが示される。

【0071】

図８を参照する。本発明の実施形態は、分子検出アッセイにおいて、電子、そして電流を生成することも実証される。図８に示されるような実験では、ＮＧＯＱＤで標識された分子プローブを含有する溶液を１００ｍＷ／ｃｍ^−２の光に暴露する際に電流が検出された。光は２０秒間保持され、その間に、電流は生成され続けるが、時間と共に減衰する。光がオフされた直後に電流の生成は停止した。さらに、電子及びメディエーターが触媒によって本発明の実施形態の分子プローブ上に同時に生成されることが実証されるため、図８に示される結果はメディエーター（例えば、Ｈ_２Ｏ_２）の生成のタイミング及び相対量も示す。

【0072】

図９を参照する。本発明の実施形態によるメディエーターの生成の効率は、エネルギー（例えば、光エネルギー）を溶液に供給することによって向上されることが実証される。図９に示されるような実験において、０．００８ｍｇ／ｍＬ又は０．０００８ｍｇ／ｍＬのＮＧＯＱＤを含有する溶液に２ｍＭのアスコルビン酸を供給する場合、5０ｍＷ／ｃｍ^−２の光に１０ｍｉｎ暴露されたＮＧＯＱＤｓ（図にＬ１０ｍｉｎと表示される）は、露光を受けないもの（図中にＮＬと表示される）と比較して、約５倍のＨ_２Ｏ_２の生成をもたらした。

【0073】

図１０を参照する。本発明の実施形態は、標的分子の検出及び定量を容易にすることがさらに実証される。図１０に示されるような実験では、ＮＧＯＱＤで標識された分子プローブをＩＬ−６の検出のためのサンドイッチイムノアッセイに添加すると、検出された電流の強度は、ＩＬ−６の濃度とともに増加することが示された。

【0074】

図１１を参照する。本発明の実施形態によれば、同時に複数の種類のエネルギーを供給することによって、触媒で標識された分子プローブによる電子の生成は向上されることが実証される。図１１に示される実験で実証されるように、ＮＧＯＱＤで標識された分子プローブを含有する溶液に１０ｍＭのアスコルビン酸（即ち、化学エネルギー）及び間欠照明（即ち、放射エネルギー）を同時に供給する場合、化学エネルギーでＮＧＯＱＤｓにより生成された電流を連続的に検出することができ、光エネルギーのオン／オフに応じて変動することが示された。

【0075】

図１２Ａと１２Ｂを参照する。本発明の幾つかの実施形態によれば、分子プローブ上の触媒は、ナノ粒子又は他の種類の量子ドット（例えば、金属半導体量子ドット）であってもよい。図１２Ａ及び１２Ｂに示される実験で実証されるように、ＴｉＯ_２及びＦｅＰｔナノ粒子の両方は、水溶液からＨ_２Ｏ_２を生成することができた。

【0076】

図１３を参照する。本発明の幾つかの実施形態によれば、メディエーター生成の効率は、溶液にエネルギー（例えば、化学エネルギー）を供給することによって向上してもよい。例えば、図１３に示される実験は、０．０１ｍｇ／ｍＬ又は０．００１ｍｇ／ｍＬのＦｅＰｔナノ粒子を含有する水溶液へのアスコルビン酸（図にＡＡと表示される）の添加による化学エネルギーを供給することによって、ＡＡ（図にＭＱと表示される）のない対照と比較して、Ｈ_２Ｏ_２の生成が著しく増加したことを実証した。この結果はまた、ＦｅＰｔナノ粒子によるＨ_２Ｏ_２の生成も用量依存的であったことを示した。

【0077】

図１４を参照する。本発明の幾つかの実施形態によれば、他の種類の触媒（例えば、ナノ粒子）により生成されたメディエーターは、溶液に一定時間蓄積することもできる。図１４の実験のように、２ｍＭのアスコルビン酸の存在下で０．００１ｍｇ／ｍＬのＦｅＰｔナノ粒子によって生成されたＨ_２Ｏ_２は、３０ｍｉｎで８μＭを超えるように水に蓄積することが示された。

【0078】

要するに、前記実施形態による本発明は、溶液からメディエーターを生成することができる１つ又は複数の触媒により検出分子を標識することによって、分子検出アッセイの検出信号を増幅するか、又は増幅されたその検出信号を取得する。メディエーターは、分子検出アッセイの化学反応に連続的に関与するように、溶液中に一定期間安定的に蓄積することができ、それにより、標的分子の検出に応じて顕著に増幅された信号（即ち、「１対多数」の増幅）をもたらす。従って、本発明は、少ないコスト又は低減されたコストで、既存のアッセイの検出感度を効果的に改善する。さらに、電子及びメディエーターを同時に生成することができるため、本発明は少なくとも２つのタイプの測定可能な信号を提供するので、分子検出の正確性を保証するために検出される信号を再確認又はダブルチェックする可能性を提供する。

【0079】

以上の説明は、本開示の実施形態のみであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。本開示の特許請求の範囲及び説明による多くの変形や修正は依然として、請求された開示の範囲内にある。また、実施形態及び特許請求の範囲のそれぞれは、開示されたすべての利点又は特徴を達成する必要がない。さらに、要約及び名称は、特許文献の検索を容易にするためにのみ役立つものであり、請求された開示の範囲を限定することを決して意図していない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13】

【図14】