(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-11-27
(54)【発明の名称】生物学的液体中の金属元素を検出および/または定量する方法
(51)【国際特許分類】
G01N 27/48 20060101AFI20231117BHJP
G01N 33/483 20060101ALI20231117BHJP
G01N 33/84 20060101ALI20231117BHJP
G01N 27/416 20060101ALI20231117BHJP
【FI】
G01N27/48 311
G01N33/483 F
G01N33/84 Z
G01N27/416 302G
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023529949
(86)(22)【出願日】2021-11-17
(85)【翻訳文提出日】2023-07-13
(86)【国際出願番号】 IB2021060659
(87)【国際公開番号】W WO2022107019
(87)【国際公開日】2022-05-27
(31)【優先権主張番号】102020000027546
(32)【優先日】2020-11-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523180768
【氏名又は名称】カーディオヴァスキュラー・ラボ・エッセ・エッレ・エッレ
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】ヴィンチェンツォ・マッザラッキオ
(72)【発明者】
【氏名】ファビアナ・アルドゥイーニ
(72)【発明者】
【氏名】ダニラ・モスコーネ
(72)【発明者】
【氏名】フランチェスコ・キアラ
(72)【発明者】
【氏名】シモーナ・ロッジェーロ
【テーマコード(参考)】
2G045
【Fターム(参考)】
2G045AA25
2G045CA25
2G045CA26
2G045DB11
2G045DB12
2G045DB13
2G045DB14
2G045FB05
2G045GC20
(57)【要約】
本発明は、特に血液、血漿および血清からなる群選択された、生物学的液体中の金属元素を検出および/または定量する方法であって:前記生物学的液体を少なくとも1種のフッ素化酸性物質と接触させるステップと;前記生物学的液体および前記フッ素化酸性物質を電気分析センサに適用するステップと;前記電気分析センサによって、前記生物学的液体中の金属元素の量に比例する電流信号を検出するステップと;を含む方法に関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
生物学的液体中の金属元素を検出および/または定量するための方法であって:
-前記生物学的液体を少なくとも1種のフッ素化酸性物質と接触させるステップと;
-前記生物学的液体および前記フッ素化酸性物質を電気分析センサまたはポーラログラフに適用するステップと;
-前記電気分析センサまたはポーラログラフによって、前記生物学的液体中の金属元素の量に比例する電流信号を検出するステップと;
を含む、方法。
【請求項2】
生物学的液体中の金属元素を検出および/または定量するための方法であって:
-前記生物学的液体を少なくとも1種のフッ素化酸性物質と接触させるステップと;
-前記生物学的液体のタンパク質含有画分を、前記金属元素および前記少なくとも1種のフッ素化酸性物質を含む前記生物学的液体の画分から分離するステップと;
-前記金属元素および前記フッ素化酸性物質を含む前記生物学的液体の前記画分を電気分析センサまたはポーラログラフに適用するステップと;
-前記電気分析センサまたはポーラログラフによって、前記生物学的液体中の金属元素の量に比例する電流信号を検出するステップと;を含む、方法。
【請求項3】
前記電気分析センサが、セルロース、ポリエステルまたはそれらの誘導体で作られた支持体を含み、その上に疎水性領域が親水性作用領域を画定し、前記親水性作用領域が、スクリーン印刷によって印刷された少なくとも1つの作用電極、1つの参照電極、および1つの対極を含む、請求項1または2に記載の方法。
【請求項4】
前記生物学的液体が、血液、血漿および血清からなる群から選択される、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
前記少なくとも1種のフッ素化酸性物質がトリフルオロ酢酸(TFA)である、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
トリフルオロ酢酸(TFA)に加えて、フッ素化ポリマー、好ましくはスルホン化テトラフルオロエチレンによって形成されたフルオロポリマー-コポリマーを使用する、請求項5に記載の方法。
【請求項7】
前記作用電極が、金属ナノ粒子および/またはフッ素化ポリマー、好ましくはスルホン化テトラフルオロエチレンによって形成されるフルオロポリマー-コポリマーで処理される、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記生物学的液体の前記タンパク質含有画分を、前記金属元素および前記少なくとも1種のフッ素化酸性物質を含む前記生物学的液体の画分から分離するステップが、遠心分離または超遠心分離によって実施される、請求項2~7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記生物学的液体の前記タンパク質含有画分を、前記金属元素および前記少なくとも1種のフッ素化酸性物質を含む前記生物学的液体の画分から分離するステップが、マイクロ流体システムによって実施される、請求項2~7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
前記金属元素が、鉄、銅、セレン、亜鉛、マンガン、セシウム、ルビジウム、鉛、カドミウム、および水銀からなる群から選択される、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
前記金属元素が、Fe
2+および/またはFe
3+である、請求項10に記載の方法。
【請求項12】
電気分析センサを用いて生物学的液体中の金属元素を検出および/または定量するためのフッ素化酸性物質の使用。
【請求項13】
前記フッ素化酸性物質が、トリフルオロ酢酸、トリフルオロプロピオン酸、モノフルオロ酢酸(MFA)およびジフルオロ酢酸(DFA)からなる群から選択される、請求項12に記載の使用。
【請求項14】
前記フッ素化酸性物質がトリフルオロ酢酸である、請求項13に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願への相互参照
本特許出願は、2020年11月17日に出願されたイタリア特許出願第102020000027546号の優先権を主張するものであり、その開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、好ましくは血液、血漿および血清からなる群から選択された、生物学的液体(全血、血清、血漿、尿、唾液、汗、母乳)中の金属元素を検出および/または定量する方法であって、生物学的液体を少なくとも1種のフッ素化酸性物質と接触させるステップと、電気分析センサによって生物学的液体中の金属元素の量に比例する電流信号を検出するステップとを含む方法に関する。
【背景技術】
【0003】
例えば、血液、血漿および血清などの生物学的液体中の金属イオンを、単純かつ安価な方法で検出および定量する可能性は、「検査室外」診断(在宅ケアのためのポイントオブケア装置、または薬局および手術)のためのシステム、および診断検査室の両方の状況において、診断において基本的に重要である。
【0004】
血液中の金属、特に鉄を測定するために特別に設計された電気化学的検出モードを有するセンサ技術は、現在のところ、市場で広く利用可能ではない。しかし、鉄の物理化学的特性のために、電気化学的方法は、現在使用されている比色法に関してより高い精度を保証するであろう。実際、鉄の定量には、実験室で使用されるゴールドスタンダードは原子吸光法であり、より頻繁にはFerene技術(最も広く普及している)を用いた比色法である。Fereneベースの比色技術を用いた方法は、1984年に初めて報告された(Serum Iron Determination Using Ferene Triazine-Frank E. Smith and John Herbert)。この方法では、少なくとも2種の試薬と、鉄に結合するイオノフォア物質(Ferene)を用いて比色測定を行う。そのため、時間と費用のかかる機械を必要とする複雑な方法であり、特異性が低く、感度も低い。
【0005】
したがって、生物学的液体中の金属元素の検出と定量を可能にする方法を開発する必要があり、これは、緊急事態や設備の整っていない小規模な施設の場合に、実験室の外と実験室の両方で適用することができる。特に、より安価で、より迅速かつ単純で、特異的かつ選択的であり、診断の観点から非専門の検査室および環境に適応可能な方法に対する強い要求がある。この要求は特に金属元素鉄の場合に顕著である。
【0006】
ポリエステルまたはセルロース支持体、特に紙上に作製することができる電気化学的センサが開発されており、これは安価で環境に優しい解決策である。しかし、これらのセンサは、特に血液のような複雑なマトリックスで使用するためには、依然として最適化を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
そこで、本発明の1つの目的は、上記課題を簡易かつ効率的に解決することができる、好ましくは血液、血漿および血清からなる群から選択される生物学的液体中の、金属元素、特に鉄を検出および/または定量する方法を提供することである。
【0008】
この目的は、請求項1に記載の方法に関して本発明によって達成される。
【0009】
本発明のさらなる目的は、請求項12に記載の電気分析センサによって、生物学的液体中の金属元素を検出および/または定量するための、フッ素化酸性物質、特にトリフルオロ酢酸(TFA)の使用を提供することである。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】本発明で使用される電気分析センサの一例の概略図を示す。
【
図2】
図1に示された電気分析センサの作用電極の好ましい実施形態による、改質プロセスの例示的な画像を示す。
【
図3】
図1の電気分析センサの製造方法の段階を示す。
【
図4】
図1の電気分析センサによって電気化学的信号を測定するための測定システムの概略図を示す。
【
図5A】
図1の電気分析センサを用いた、異なる既知の量のFe
3+についての電位-電流グラフを示す。
【
図5B】
図1の電気分析センサを用いた、Fe
3+の相対検量線を示す。
【
図6】
図1の電気分析センサを使用したFe
2+の検量線を有するグラフを示す。
【
図7】
図1の電気分析センサによって血清中の鉄を検出し定量する方法の概略図を示す。
【
図8】フッ素化酸性物質(トリフルオロ酢酸、TFA)の存在および非フッ素化物質(トリクロロ酢酸、TCA)の存在における
図1の電気分析センサによる血清中の鉄の定量曲線を有するグラフを示す。
【
図9】フッ素化酸性物質(トリフルオロ酢酸、TFA)の存在における且つ金ナノ粒子で修飾された作用電極によって、
図1の電気分析センサによる血清中の銅の定量曲線を有するグラフを示す。
【
図10】フッ素化酸性物質(トリフルオロ酢酸、TFA)の存在における
図1の電気分析センサによる、血清中(
図10A)および全血中(
図10B)の鉄の定量曲線を有するグラフを示す。
【
図11】
図1のものと類似しているが紙支持体の代わりにポリエステルを用いた電気分析センサを使用した、2つの既知量のFe
2+についての電位-電流グラフを示す。
【
図12】フッ素化酸性物質(トリフルオロプロピオン酸)の存在における
図1の電気分析センサによる血清中の鉄の定量曲線を有するグラフを示す。
【
図13】スルホン化トリフルオロスチレンの存在下での
図1の電気分析センサによる、血清中の鉄(Fe
2+およびFe
3+)の定量曲線を有するグラフを示す。
【
図14】血清のタンパク質含有画分を分離するための分離通路を有さない、
図1の電気分析センサによる血清中の鉄の定量曲線を有するグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明による、好ましくは血液、血漿および血清からなる群から選択される生物学的液体中の金属元素を検出および/または定量する方法は:前記生物学的液体を少なくともフッ素化酸性物質と接触させ、前記生物学的液体および前記フッ素化酸性物質を電気分析センサまたはポーラログラフに適用するステップと;前記電気分析センサまたはポーラログラフによって、前記生物学的液体中の金属元素の量に比例する電流信号を検出するステップと;を含む。
【0012】
好ましくは、本発明による方法は:-前記生物学的液体を少なくともフッ素化酸性物質と接触させるステップと;前記生物学的液体のタンパク質含有画分を、前記金属元素および前記少なくとも1種のフッ素化酸性物質を含む前記生物学的液体の画分から分離するステップと;前記金属元素および前記フッ素化酸性物質を含む前記生物学的液体の前記画分を電気分析センサまたはポーラログラフに適用するステップと;前記電気分析センサまたはポーラログラフを用いて、前記生物学的液体中の金属元素の量に比例する電流信号を検出するステップと;を含む。
【0013】
この方法は、任意のタイプの電気化学的検出で機能する。実施例で使用した技術(方形波ボルタンメトリー)に加えて、他の電気化学的技術、具体的には、線形掃引ボルタンメトリー(LSV)、通常パルスボルタンメトリー(NPV)または示差パルスボルタンメトリーを使用することが可能である。第1のケースでは、印加された電位は、時間と共に線形に変化し、時間と共に線形比例的に増加する。第2のケースでは、パルスは、時間と共に徐々に増大する振幅で印加される。最後に、DPVでは、電位信号を生成するために、一連の固定振幅パルスが線形スケールに沿って使用される。最後に、ストリッピング技術、すなわち、固定された還元(または酸化)電位を最初に印加して、作用電極の表面に問題の金属を予備濃縮し、堆積させる技術を使用することができる。続いて、金属を検出するための前述のボルタンメトリー技術のうちの1つの形態で電位が印加される。電気分析法は吸着作用電極(黒鉛)を用いるポーラログラフシステムにも適用できる。
【0014】
金属元素は、好ましくは、鉄、銅、セレン、亜鉛、マンガン、セシウム、ルビジウム、鉛、カドミウムおよび水銀からなる群から選択される。より好ましくは、金属元素は鉄または銅である。さらにより好ましくは、金属元素は鉄である。特に、本発明による方法は、Fe2+およびFe3+の両方の検出および定量を可能にする。
【0015】
少なくとも1種のフッ素化酸性物質は、トリフルオロ酢酸(TFA)、トリフルオロプロピオン酸、モノフルオロ酢酸(MFA)またはジフルオロ酢酸(DFA)であり得る。好ましくは、それはトリフルオロ酢酸(TFA)である。
【0016】
本発明によれば、トリフルオロプロピオン酸、モノフルオロ酢酸(MFA)およびジフルオロ酢酸(DFA)のようなトリフルオロ酢酸(TFA)を効果的に使用して、電気分析センサによって、血液、血漿および血清からなる群から選択される生物学的液体中の金属元素を検出および/または定量することができることが初めて示された。
【0017】
TFAを使用する場合、生物学的液体中のTFAの濃度は、好ましくは240~280ミリモルの範囲であり、より好ましくは260ミリモルである。
【0018】
トリフルオロ酢酸(TFA)に加えて、フッ素化ポリマー、好ましくはスルホン化テトラフルオロエチレン、スルホン化ペルフルオロビニルエーテルまたはスルホン化トリフルオロスチレンからなるフルオロポリマー-コポリマーも好ましくは使用される。特に、ナフィオン(CAS番号:31175-20-9)として市販されているポリマーを使用することができる。ナフィオンは、センサの好ましい形態の製造において、
図2に示すように作用電極上に直接使用されることが好ましく、代替的または追加的に、検査されるサンプルに直接添加することもできる。後者の実施形態では、TFAに対して0.1~10のモル比でナフィオンを用いることが好ましい。ナフィオンに関連したTFAの使用は、TFAのいくつかの特性を広げるのに寄与する可能性がある。酸処理(必要であれば、後述する遠心分離と共に)は、生物学的液体のタンパク質含有部分を除去し、最適な変性を可能にし、また、この方法の感度を高める。TFAはまた、ナフィオンと錯体を形成することができ、これにより、電極/溶液界面での分析物還元電流によって発生する伝導を増加させることができる。
【0019】
好ましい実施形態において、生物学的液体のタンパク質含有画分を、金属元素および少なくとも1種のフッ素化酸性物質を含む生物学的液体の画分から分離するステップは、遠心分離または超遠心分離、好ましくは超遠心分離によって実施される。この実施形態は、実験室での使用に特に適している。
【0020】
好ましい代替の実施形態では、生物学的液体のタンパク質含有画分を、金属元素および少なくとも1種のフッ素化酸性物質を含む生物学的液体の画分から分離するステップは、マイクロ流体システムによって実施される。この実施形態では、ナフィオンも好ましくは使用され、分析されるサンプルに直接添加される。特に、ナフィオンは、生物学的液体を少なくとも1種のフッ素化酸性物質と接触させるステップにおいて、第1のフッ素化酸性物質に添加される。マイクロ流体システムに代えて、電気分析センサの表面に一体化された膜、ビーズおよび/またはフィルタを使用することができる。この実施形態は、ポイントオブケア、実験室外での使用に特に適している。
【0021】
異なるタイプの電気分析センサを使用することができるが、好ましいセンサは、ポリエステル支持体を含むセンサであり、別の好ましいセンサは、セルロースまたはその誘導体で作製された支持体を含むセンサであり、その上に疎水性領域が親水性作用領域を画定し、前記親水性作用領域は、スクリーン印刷によって印刷された少なくとも作用電極、参照電極および対極を含む。センサは、例えば、インクジェット印刷、フォトリソグラフィ、化学蒸着及び電子ビーム蒸着のような他の方法によっても得ることができる。
【0022】
セルロース上に印刷されたこのタイプのセンサは、イタリア特許出願第102020000002017号に記載されている。上記の特許出願に記載されたセンサとは異なり、本発明で使用されるセンサは、金属ナノ粒子による支持体の機能化を伴わない。
【0023】
好ましくは、セルロースまたはその誘導体から作製された支持体は、紙、特に濾紙、ワットマン紙または事務用紙、より好ましくは事務用紙から形成される。疎水性領域は、支持体上に印刷されたワックスから形成されることが好ましい。
【0024】
好ましくは、センサは、
図1に示されるような構成を有し、円形の作用電極は、6~13mm
2の間の表面積を有する。しかし、異なる形状、例えば正方形や長方形、を持つことができ、1辺あたりの寸法は1mmまたは2mmまでである。本発明に記載される同じ電極は、より小さい直径を有することができ、直径1mmに達する。
【0025】
カーボンブラックを作用電極上に堆積させることが好ましい。より好ましくは、金、パラジウム又は白金の金属ナノ粒子がカーボンブラック上に堆積される。金ナノ粒子(AUNP)は特に効果的であることが証明されている。さらにより好ましくは、スルホン化テトラフルオロエチレンから形成されたフルオロポリマー-コポリマー(例えば、ナフィオン)が、カーボンブラックおよび任意の金属ナノ粒子上にさらに堆積される。
【0026】
図2に示すように、作用電極上への堆積の好ましい順序は、カーボンブラック、金属ナノ粒子、およびフルオロポリマー-コポリマーである。
【0027】
図1に示すセンサを製造するための好ましい方法は、以下のものである。電極を印刷するために、黒鉛(作用電極および対極)ならびに銀/塩化銀(参照電極)をベースとする導電性インクを使用するスクリーン印刷技術が使用される。電気化学的セルは、固体インクワックスプリンターで作られた疎水性(青色)の紙に印刷されている。同じセルは外側の黒い疎水性部分に囲まれている(これも固体インクワックスプリンターで作られる)。第1の青色疎水性領域を生成するために、ワックスを100℃で処理して、紙の内部に浸透できるようにする。このプロセスを
図3に示す。
【0028】
電気分析センサを用いて生物学的液体中の金属元素の量に比例する電流信号を検出する代わりに、電流信号は発色団の色の変化を生じさせることができ、検出は比色であることができる。言い換えれば、記載された同じ分析手順および同じ電気化学的センサを使用することによって、測定において生成される電流を利用して、発色団に色を変化させる。この場合、上記の物質を方法の最終通過として添加しなければならず、最終検出は光学系によって実施されることになる。金属の検出の特定の場合において、使用され得る物質は、N-エチルマレイミドの誘導体である。
【0029】
実施例1-標準溶液中の電気分析センサの較正
図4を参照して、既知の量の分析物を含有する100μlの溶液を、上記のようにセンサ上に堆積させ、分析物の還元によって生じた電流を、ポテンシオスタットによって測定した。次に、Fe
3+およびFe
2+について、それぞれ、
図5Aおよび5Bならびに
図6に示す2つの検量線を作成した。
【0030】
実施例2
図7は、生物学的液体のタンパク質含有画分を、金属元素および少なくとも1種のフッ素化酸性物質を含む生物学的液体の画分から分離するステップが、遠心分離または超遠心分離、好ましくは超遠心分離によって実施される、好ましい実施形態による手順を示す。検出および定量される金属元素は鉄であり、生物学的液体は血清である。使用したフッ素化酸性物質はTFAである。
【0031】
実施例3
図8は、フッ素化酸性物質(トリフルオロ酢酸、TFA)の存在および非フッ素化物質(トリクロロ酢酸、TCA)の存在における
図1の電気分析センサによる血清中の鉄の定量曲線を有するグラフを示す。したがって、この方法は、フッ素化酸の存在下でのみ機能し、非フッ素化酸の存在下では機能しないことが明らかである。
【0032】
実施例4
図9は、フッ素化酸性物質(トリフルオロ酢酸、TFA)の存在における且つ金ナノ粒子で修飾された作用電極によって、上記の電気分析センサにより血清中の銅を定量した実験の結果を示す。
【0033】
実施例5
本発明の方法による鉄測定能力を検証するために、マトリックスが血清ではなく全血で表される場合についても試験を行った。
図10Aは、既に記載した血清中の鉄の測定を示す。
図10Bは、鉄が全血中でも検出されたことを示す。全血測定システムの能力を実証するための手順は、以下のステップによって実施された:1)全血(全血500ml)への既知濃度(0.5ppm)のある量の鉄の添加、2)全血サンプルへある量(10μL)のTFAの添加、3)遠心分離(12000rpm、10分間)、4)上清100μLの回収、5)電気化学的測定を行うための電極表面への上清の堆積。
【0034】
したがって、同じ手順を用いることによって、全血から鉄を正確に測定することが可能であることが示された。理論的根拠は、ヘモグロビンに結合した鉄は非常に低濃度であり、血清鉄の定量を「変化させる」ことはなく、したがって、ポイントオブケアでの測定に適合する可能性があるということである。
【0035】
実施例6
電気化学的センサによる鉄測定能力を検証するために、センサを紙の代わりにポリエステルに印刷した場合についても試験を行った。鉄を測定するシステムの能力を実証する手順は、記載されたものと同じである。センサは、鉄の非存在下(上の線)ならびに5ppm(中央の線)および2ppm(下の線)の存在下で標準溶液を測定することによって試験された。結果を
図11に示す。
【0036】
実施例7
図12に示すように、トリフルオロプロピオン酸を用いて本発明による方法を試験した。上の線は、電気化学的測定による鉄の検出を示す。トリフルオロプロピオン酸が存在しない場合、サンプル中に存在する鉄は検出されない。
【0037】
モノフルオロ酢酸およびジフルオロ酢酸についても同様の結果が得られた(簡略化のために図示していない)。
【0038】
実施例8
図13に示すように、スルホン化トリフルオロスチレンを用いて本発明による方法を試験した。スルホン化ペルフルオロビニルエーテルを用いても同様の結果が得られた(簡略化のために図示していない)。
【0039】
実施例9
本発明による方法は、生物学的液体のタンパク質含有画分の分離の段階を必ずしも含まないので、特に有利である。この例に示すように、鉄は全血で直接測定することができる。
【0040】
この方法は、以下のステップを伴う:
1.全血サンプルから遠心分離によって血清を得るステップ。
2.500μLの血清へのTFAの添加。
3.センサ上の上清の堆積。TFAの単純な添加から、沈殿、すなわち上清が形成される。
4.ボルタンメトリーによる測定および血清鉄の検出。
【0041】
試験は、血清サンプル上の血清鉄をそのまま(上の線)および鉄80ppmを添加した後の血清(下の線)で測定することによって実施した。結果を
図14のグラフに示す。
【0042】
利点
従来技術による方法に関して、本発明による方法は、以下の利点を有する。
-低コスト(必要な機器を購入し、分析を実施するための投資が少ない);
-実行時間の短縮;
-職員の訓練の必要性が少ないこと;
-有毒化学物質への曝露のリスクが低い;
-環境への影響の低減;
-方法の特異性および選択性の改善;
-汎用性(異なる金属イオンを測定する可能性、電流信号の変化の検出によってまたは光信号によって電気化学的信号を検出する可能性);
-検査室と手術の両方のポイントオブケア方法への適応性。
【国際調査報告】