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JP2012242141A - Optical analysis device and optical analysis method using optical system of confocal microscope or multiphoton microscope - Google Patents

Optical analysis device and optical analysis method using optical system of confocal microscope or multiphoton microscope Download PDF

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JP2012242141A
JP2012242141A JP2011109946A JP2011109946A JP2012242141A JP 2012242141 A JP2012242141 A JP 2012242141A JP 2011109946 A JP2011109946 A JP 2011109946A JP 2011109946 A JP2011109946 A JP 2011109946A JP 2012242141 A JP2012242141 A JP 2012242141A
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JP
Japan
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light
optical
photodetector
sample solution
region
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2011109946A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsushiro Yamaguchi
光城 山口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
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Publication date
Application filed by Olympus Corp filed Critical Olympus Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To optically connect light from a re-imaging area to a light receiving surface of a photodetector with no light protruded therefrom without using a photodetector having a large light receiving surface, when a confocal volume is enlarged for measuring a sample solution with a low emitting particle concentration in an optical analysis technique using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope.SOLUTION: In an optical analysis technique according to the present invention, a multimode optical fiber that optically connects light passing through the re-imaging area where an image of a light detection area in the sample solution of the optical system of a microscope is formed, to a light receiving surface of the photodetector is a tapered optical fiber that has a core diameter in a first end which receives the light passing through the re-imaging area is larger than a core diameter of a second end which emits the light to the light receiving surface of the photodetector.

Description

本発明は、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系などの溶液中の微小領域からの光が検出可能な光学系を用いて、溶液中に分散又は溶解した原子、分子又はこれらの凝集体(以下、これらを「粒子」と称する。)、例えば、タンパク質、ペプチド、核酸、脂質、糖鎖、アミノ酸若しくはこれらの凝集体などの生体分子、ウイルス、細胞などの粒子状の対象物、或いは、非生物学的な粒子からの光を検出して、それらの状態(相互作用、結合・解離状態など)の分析又は解析に於いて有用な情報を取得することが可能な光分析技術に係り、より詳細には、上記の如き光学系を用いて発光する粒子からの光を検出して種々の光分析を可能にする光分析装置及び光分析方法に係る。なお、本明細書に於いて、光を発する粒子(以下、「発光粒子」と称する。)は、それ自身が光を発する粒子、又は、任意の発光標識若しくは発光プローブが付加された粒子のいずれであってもよく、発光粒子から発せられる光は、蛍光、りん光、化学発光、生物発光、散乱光等であってよい。   The present invention uses an optical system capable of detecting light from a minute region in a solution, such as an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, and uses atoms, molecules or aggregates thereof dispersed or dissolved in a solution ( These are hereinafter referred to as “particles”), for example, biomolecules such as proteins, peptides, nucleic acids, lipids, sugar chains, amino acids or aggregates thereof, particulate objects such as viruses and cells, or non- It relates to optical analysis technology that can detect light from biological particles and obtain useful information in the analysis or analysis of those states (interaction, binding / dissociation state, etc.). Specifically, the present invention relates to an optical analysis apparatus and an optical analysis method that enable various optical analyzes by detecting light from particles that emit light using the optical system as described above. In the present specification, a particle that emits light (hereinafter referred to as “luminescent particle”) is either a particle that emits light itself, or a particle to which an arbitrary luminescent label or luminescent probe is added. The light emitted from the luminescent particles may be fluorescence, phosphorescence, chemiluminescence, bioluminescence, scattered light, or the like.

近年の光計測技術の発展により、共焦点顕微鏡の光学系とフォトンカウンティング(1光子検出)も可能な超高感度の光検出技術とを用いて、一光子又は蛍光一分子レベルの微弱光の検出・測定が可能となっている。そこで、そのような微弱光の計測技術を用いて、生体分子等の特性、分子間相互作用又は結合・解離反応の検出を行う装置又は方法が種々提案されている。例えば、蛍光相関分光分析(Fluorescence Correlation Spectroscopy:FCS。例えば、特許文献1−3、非特許文献1−3参照)に於いては、レーザー共焦点顕微鏡の光学系とフォトンカウンティング技術を用いて、試料溶液中の微小領域(顕微鏡のレーザー光が集光された焦点領域−コンフォーカル・ボリュームと称される。)内に出入りする蛍光分子又は蛍光標識された分子(蛍光分子等)からの蛍光強度の測定が為され、その測定された蛍光強度の自己相関関数の値から決定される微小領域内に於ける蛍光分子等の平均の滞留時間(並進拡散時間)及び滞留する分子の数の平均値に基づいて、蛍光分子等の運動の速さ又は大きさ、濃度といった情報の取得、或いは、分子の構造又は大きさの変化や分子の結合・解離反応又は分散・凝集といった種々の現象の検出が為される。また、蛍光強度分布分析(Fluorescence-Intensity Distribution Analysis:FIDA。例えば、特許文献4、非特許文献4)やフォトンカウンティングヒストグラム(Photon Counting Histogram:PCH。例えば、特許文献5)では、FCSと同様に計測されるコンフォーカル・ボリューム内に出入りする蛍光分子等の蛍光強度のヒストグラムが生成され、そのヒストグラムの分布に対して統計的なモデル式をフィッティングすることにより、蛍光分子等の固有の明るさの平均値とコンフォーカル・ボリューム内に滞留する分子の数の平均値が算定され、これらの情報に基づいて、分子の構造又は大きさの変化、結合・解離状態、分散・凝集状態などが推定されることとなる。またその他に、特許文献6、7に於いては、共焦点顕微鏡の光学系を用いて計測される試料溶液の蛍光信号の時間経過に基づいて蛍光性物質を検出する方法が提案されている。特許文献8は、フローサイトメータに於いて流通させられた蛍光微粒子又は基板上に固定された蛍光微粒子からの微弱光をフォトンカウンティング技術を用いて計測してフロー中又は基板上の蛍光微粒子の存在を検出するための信号演算処理技術を提案している。   With the recent development of optical measurement technology, detection of weak light at the level of one photon or fluorescent single molecule using an optical system of a confocal microscope and an ultrasensitive photodetection technology capable of photon counting (one-photon detection)・ Measurement is possible. Thus, various apparatuses or methods for detecting characteristics of biomolecules, intermolecular interactions, or binding / dissociation reactions using such a measurement technique of weak light have been proposed. For example, in Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS; see, for example, Patent Documents 1-3 and Non-Patent Documents 1-3), a sample is obtained using an optical system of a laser confocal microscope and a photon counting technique. Fluorescence intensity from fluorescent molecules or fluorescently labeled molecules (fluorescent molecules, etc.) entering and exiting a microscopic area in the solution (focused area where the laser beam of the microscope is focused-called confocal volume) The average residence time (translational diffusion time) of the fluorescent molecules and the like in the minute region determined from the value of the autocorrelation function of the measured fluorescence intensity, and the average number of staying molecules Based on this, acquisition of information such as the speed, size, and concentration of movement of fluorescent molecules, etc., changes in the structure or size of molecules, molecular binding / dissociation reactions, dispersion / aggregation Of the people of the phenomenon detection is made. In addition, fluorescence-intensity distribution analysis (FIDA, for example, Patent Document 4, Non-Patent Document 4) and photon counting histogram (Photon Counting Histogram: PCH, for example, Patent Document 5) are measured in the same manner as FCS. A histogram of the fluorescence intensity of the fluorescent molecules entering and exiting the confocal volume generated is generated, and by fitting a statistical model formula to the distribution of the histogram, the average of the intrinsic brightness of the fluorescent molecules etc. The average value of the value and the number of molecules staying in the confocal volume is calculated, and based on this information, changes in the structure or size of the molecule, binding / dissociation state, dispersion / aggregation state, etc. are estimated. It will be. In addition, Patent Documents 6 and 7 propose a method for detecting a fluorescent substance based on the passage of time of a fluorescence signal of a sample solution measured using an optical system of a confocal microscope. Patent Document 8 describes the presence of fluorescent fine particles in a flow or on a substrate by measuring weak light from fluorescent fine particles distributed in a flow cytometer or fluorescent fine particles fixed on a substrate using a photon counting technique. A signal arithmetic processing technique for detecting the signal is proposed.

特に、FCS、FIDA等の共焦点顕微鏡の光学系とフォトンカウンティング技術とを用いた微小領域の蛍光測定技術を用いた方法によれば、測定に必要な試料は、従前に比して極めて低濃度且微量でよく(一回の測定で使用される量は、たかだか数十μL程度)、測定時間も大幅に短縮される(一回の測定で秒オーダーの時間の計測が数回繰り返される。)。従って、これらの技術は、特に、医学・生物学の研究開発の分野でしばしば使用される希少な或いは高価な試料についての分析を行う場合や、病気の臨床診断や生理活性物質のスクリーニングなど、検体数が多い場合に、従前の生化学的方法に比して、低廉に、或いは、迅速に実験又は検査が実行できる強力なツールとなることが期待されている。   In particular, according to a method using a micro area fluorescence measurement technique using an optical system of a confocal microscope such as FCS or FIDA and a photon counting technique, the sample required for measurement has an extremely low concentration compared with the conventional method. It can be very small (the amount used in one measurement is about several tens of μL), and the measurement time is greatly shortened (measurement of time on the order of seconds is repeated several times in one measurement). . Therefore, these technologies are particularly useful for analyzing rare or expensive samples often used in the field of medical and biological research and development, for clinical diagnosis of diseases, screening for physiologically active substances, etc. When the number is large, it is expected to be a powerful tool capable of performing experiments or inspections at a lower cost or faster than conventional biochemical methods.

特開2005−098876JP-A-2005-09876 特開2008−292371JP2008-292371 特開2009−281831JP 2009-281831 A 特許第4023523号Patent No. 4023523 国際公開2008−080417International Publication 2008-080417 特開2007−20565JP2007-20565 特開2008−116440JP2008-116440 特開平4−337446号公報JP-A-4-337446

金城政孝、蛋白質 核酸 酵素 Vol.44、No.9、1431−1438頁 1999年Masataka Kaneshiro, Protein Nucleic Acid Enzyme Vol.44, No.9, pp.1431-1438 1999 エフ・ジェイ・メイヤー・アルムス(F.J.Meyer-Alms)、フルオレセンス・コリレーション・スペクトロスコピー(Fluorescence Correlation Spectroscopy)、アール・リグラー編(R.Rigler)、スプリンガー(Springer)、ベルリン、2000年、204−224頁FJMeyer-Alms, Fluorescence Correlation Spectroscopy, R. Rigler, Springer, Berlin, 2000, 204 -Page 224 加藤則子外4名、遺伝子医学、Vol.6、No.2、271−277頁Norio Kato, 4 people, Gene Medicine, Vol.6, No.2, pp.271-277 カスク他3名、米国科学アカデミー紀要 1999年、96巻、13756‐13761頁(P. Kask, K. Palo, D. Ullmann, K. Gall PNAS 96, 13756-13761 (1999))Cask and three others, Bulletin of the American Academy of Sciences 1999, 96, 13756-13761 (P. Kask, K. Palo, D. Ullmann, K. Gall PNAS 96, 13756-13761 (1999))

上記のFCS、FIDA等の共焦点顕微鏡の光学系とフォトンカウンティング技術を用いた光分析技術では、計測される光は、蛍光一分子又は数分子から発せられた光であるが、その光の解析に於いて、時系列に測定された蛍光強度データの自己相関関数の演算又はヒストグラムに対するフィッティングといった蛍光強度のゆらぎの算出等の統計的処理が実行され、個々の蛍光分子等からの光の信号を個別に参照又は分析するわけではない。即ち、これらの光分析技術に於いては、複数の蛍光分子等からの光の信号が統計的に処理され、蛍光分子等について統計平均的な特性が検出されることとなる。従って、これらの光分析技術に於いて統計的に有意な結果を得るためには、試料溶液中の観測対象となる蛍光分子等の濃度又は数密度は、平衡状態に於いて、一回の秒オーダーの長さの計測時間のうちに統計的処理が可能な数の蛍光分子等が微小領域内を入出するレベル、好適には、微小領域内に常に一個程度の蛍光分子等が存在しているレベルである必要がある。実際、コンフォーカル・ボリュームの体積は、1fL程度となるので、上記の光分析技術に於いて使用される試料溶液中の蛍光分子等の濃度は、典型的には、1nM程度若しくはそれ以上であり、1nMを大幅に下回るときには、蛍光分子等がコンフォーカル・ボリューム内に存在しない時間が生じて統計的に有意な分析結果が得られないこととなる。一方、特許文献6〜8に記載の蛍光分子等の検出方法では、蛍光強度のゆらぎの統計的演算処理が含まれておらず、試料溶液中の蛍光分子等が1nM未満であっても蛍光分子等の検出が可能であるが、溶液中でランダムに運動している蛍光分子等の濃度又は数密度を定量的に算出するといったことは達成されていない。   In the optical analysis technology using the optical system of confocal microscopes such as FCS and FIDA described above and photon counting technology, the light to be measured is light emitted from one or several fluorescent molecules. Then, statistical processing such as calculation of fluctuation of fluorescence intensity such as calculation of autocorrelation function of fluorescence intensity data measured in time series or fitting to histogram is executed, and light signals from individual fluorescent molecules etc. are processed. It is not individually referenced or analyzed. That is, in these optical analysis techniques, light signals from a plurality of fluorescent molecules and the like are statistically processed, and statistical average characteristics of the fluorescent molecules and the like are detected. Therefore, in order to obtain a statistically significant result in these photoanalysis techniques, the concentration or number density of the fluorescent molecules or the like to be observed in the sample solution is equal to one second in the equilibrium state. The number of fluorescent molecules that can be statistically processed within the measurement time of the order length enters and exits the micro area, and preferably there is always about one fluorescent molecule in the micro area. Must be level. In fact, since the volume of the confocal volume is about 1 fL, the concentration of fluorescent molecules or the like in the sample solution used in the above optical analysis technique is typically about 1 nM or more. When it is significantly lower than 1 nM, a time when the fluorescent molecule or the like is not present in the confocal volume occurs, and a statistically significant analysis result cannot be obtained. On the other hand, the methods for detecting fluorescent molecules described in Patent Documents 6 to 8 do not include statistical calculation processing of fluctuations in fluorescence intensity, and even if the fluorescent molecules in the sample solution are less than 1 nM, the fluorescent molecules However, it has not been achieved to quantitatively calculate the concentration or number density of fluorescent molecules that are moving randomly in the solution.

そこで、本願出願人は、特願2010−044714及びPCT/JP2011/53481に於いて、観測対象となる発光粒子の濃度又は数密度が、FCS、FIDA等の統計的処理を含む光分析技術で取り扱われるレベルよりも低い試料溶液中の発光粒子の状態又は特性を定量的に観測することを可能にする新規な原理に基づく光分析技術を提案した。かかる新規な光分析技術に於いては、端的に述べれば、FCS、FIDA等と同様に共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系などの溶液中の微小領域からの光が検出可能な光学系を用いるところ、試料溶液内に於いて光の検出領域である微小領域(以下、「光検出領域」と称する。)の位置を移動させながら、即ち、光検出領域により試料溶液内を走査しながら、光検出領域が試料溶液中に分散してランダムに運動する発光粒子を包含したときに、その発光粒子から発せられる光を検出し、これにより、試料溶液中の発光粒子の一つ一つを個別に検出して、発光粒子のカウンティングや試料溶液中の発光粒子の濃度又は数密度に関する情報の取得を可能にする。この新規な光分析技術(以下、「走査分子計数法」と称する。)によれば、測定に必要な試料がFCS、FIDA等の光分析技術と同様に微量(例えば、数十μL程度)であってもよく、また、測定時間が短く、しかも、FCS、FIDA等の光分析技術の場合に比して、より低い濃度又は数密度の発光粒子の存在を検出し、その濃度、数密度又はその他の特性を定量的に検出することが可能となる。   Therefore, the applicant of the present application handles the concentration or number density of the luminescent particles to be observed in optical analysis technology including statistical processing such as FCS and FIDA in Japanese Patent Application No. 2010-044714 and PCT / JP2011 / 53481. An optical analysis technique based on a novel principle that makes it possible to quantitatively observe the state or characteristics of luminescent particles in a sample solution below a certain level is proposed. In this new optical analysis technology, in short, an optical system capable of detecting light from a minute region in a solution, such as an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, like FCS, FIDA and the like. When used, while moving the position of a minute region (hereinafter referred to as “light detection region”) that is a light detection region in the sample solution, that is, while scanning the sample solution by the light detection region, When the photodetection area includes luminescent particles that are dispersed in the sample solution and move randomly, the light emitted from the luminescent particles is detected, and each of the luminescent particles in the sample solution is detected individually. To detect information on the concentration or number density of the luminescent particles in the sample solution. According to this new optical analysis technique (hereinafter referred to as “scanning molecule counting method”), the sample required for measurement is a very small amount (for example, about several tens of μL) as in the optical analysis techniques such as FCS and FIDA. In addition, the measurement time is short, and the presence of luminescent particles having a lower concentration or number density is detected as compared with the case of photoanalysis techniques such as FCS and FIDA. Other characteristics can be detected quantitatively.

ところで、上記の如き走査分子計数法、FCS、FIDA、PCH等の、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いて、その光学系のコンフォーカル・ボリューム(即ち、光検出領域)に進入する発光粒子から発せられる光を検出する光分析技術に於いて、試料溶液中の発光粒子の濃度が低い場合、検出光量(フォトンカウンティングの場合には、光子数)が低減し、良好な精度にて計測結果を得ることが困難となり得る。既に述べた如く、FCS、FIDA又はPCHの場合、試料溶液中の発光粒子濃度が、光の計測の時間中に一個以上の発光粒子がコンフォーカル・ボリュームに存在する程度を下回ると、統計的に有意な結果を得ることが困難となる。また、走査分子計数法の場合、試料溶液中の発光粒子濃度が低いほど、コンフォーカル・ボリュームの走査中の単位時間当たりの粒子の検出数が低くなるので、十分な精度の結果を得るためには、長い計測時間が必要となる。   By the way, the confocal volume (that is, the light detection region) of the optical system is entered by using the optical system of the confocal microscope or the multiphoton microscope such as the scanning molecule counting method, FCS, FIDA, and PCH as described above. In optical analysis technology that detects light emitted from luminescent particles, when the concentration of luminescent particles in the sample solution is low, the amount of light detected (in the case of photon counting, the number of photons) is reduced, with good accuracy. Obtaining measurement results can be difficult. As already mentioned, in the case of FCS, FIDA or PCH, if the concentration of the luminescent particles in the sample solution falls below the extent that one or more luminescent particles are present in the confocal volume during the light measurement time, It becomes difficult to obtain significant results. In the case of the scanning molecule counting method, the lower the luminescent particle concentration in the sample solution, the lower the number of detected particles per unit time during scanning of the confocal volume. Requires a long measurement time.

上記の如き、試料溶液中の発光粒子の濃度が低く、コンフォーカル・ボリュームへ進入する単位時間当たりの発光粒子数が少ないことに起因する問題は、コンフォーカル・ボリュームの大きさを大きくすれば、解決可能である。即ち、試料溶液中の発光粒子濃度が低いときには、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の対物レンズから出射される励起光の焦点領域の大きさの拡大やピンホールの口径の拡大(共焦点顕微鏡の場合)により、コンフォーカル・ボリュームを拡大し、これにより、一時に検出される領域を拡大して、検出光量が増大し、計測結果の精度が改善されることが期待される。   As described above, the problem caused by the low concentration of the luminescent particles in the sample solution and the small number of luminescent particles per unit time entering the confocal volume can be obtained by increasing the size of the confocal volume. It can be solved. That is, when the concentration of the luminescent particles in the sample solution is low, the size of the focal region of the excitation light emitted from the objective lens of the confocal microscope or multiphoton microscope or the diameter of the pinhole (in the case of a confocal microscope) ), It is expected that the confocal volume is expanded, thereby expanding the area detected at a time, increasing the amount of detected light, and improving the accuracy of the measurement result.

しかしながら、この点に関し、単に、励起光の焦点領域の大きさの拡大又はピンホールの口径の拡大により、コンフォーカル・ボリュームの拡大を行う場合、光分析装置の構成によっては、試料溶液中のコンフォーカル・ボリュームの拡大に対応して検出光量を増大できない場合がある。後述の実施形態の欄により詳細に説明されている如く、典型的には、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いた上記の如き光分析技術を実行する光分析装置に於いては、コンフォーカル・ボリューム内から発せられた光は、対物レンズを透過した後、再度、集光されて或る位置にて結像され(再結像領域−共焦点顕微鏡の場合には、再結像領域にピンホールが配置される。)、しかる後、光検出器へ導入される。光検出器としては、通常、有限の寸法又は径の受光面を有するフォトダイオード、好適には、APD(アバランシェフォトダイオード)が採用される。そして、再結像領域から光検出器の受光面まで検出光を導くためには、一般的には、光ファイバーが用いられる。その際、コンフォーカル・ボリュームが拡大されているときには、再結像領域から光ファイバーの入射端へ向かう光線の幅も拡大するので、受光面のコア径が大きな光ファイバーを用いる必要がある。その場合、通常の光ファイバーは、両端の受光面のコア径が等しく、従って、受光面の大きな光ファイバーから出射する光線の幅も拡大するので、光ファイバーから出射する光線の全てを検出するためには、より大きな受光面を有するフォトダイオードを採用する必要も出てくる。だが、フォトダイオード、特に、APDに於いて、大きな受光面を有する物は、一般に、非常に高価であり、これにより、装置のコストが大幅に増大することとなる。また、再結像領域から光ファイバーの端への光学的結合のために使用するレンズをコンフォーカル・ボリュームの寸法に対応して交換することにより、再結像位置から光ファイバーの端部へ向かう光線の幅を縮小することが可能であるが、レンズの交換毎に、光軸調整を行う必要があり、測定のための操作が煩わしいものとなる。従って、発光粒子濃度の低い試料溶液についても十分な精度の計測結果を比較的短い計測時間にて得られるようにするためのコンフォーカル・ボリュームの拡大を、より大きな受光面を有する高価なフォトダイオードを採用することなく、且つ、煩わしい光軸調整を繰り返すことなく達成できる手法があれば、装置のコストの大幅な増大を回避することができ有利である。   However, in this regard, when the confocal volume is increased simply by increasing the size of the focal region of the excitation light or the diameter of the pinhole, depending on the configuration of the optical analyzer, the confinement in the sample solution may be increased. In some cases, the amount of detected light cannot be increased in response to an increase in focal volume. As will be described in more detail in the section of the embodiment described later, typically, in an optical analyzer that performs the optical analysis technique as described above using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, The light emitted from within the confocal volume passes through the objective lens, and is then collected again and imaged at a certain position (re-imaging region-in the case of a confocal microscope, re-imaging Pinholes are placed in the area.) And then introduced into the photodetector. As the photodetector, a photodiode having a light-receiving surface having a finite size or a diameter, preferably an APD (avalanche photodiode) is preferably employed. In general, an optical fiber is used to guide the detection light from the re-imaging region to the light receiving surface of the photodetector. At this time, when the confocal volume is enlarged, the width of the light beam from the re-imaging region to the incident end of the optical fiber is also enlarged, so it is necessary to use an optical fiber having a large core diameter on the light receiving surface. In that case, the normal optical fiber has the same core diameter at the light receiving surfaces at both ends, and therefore the width of the light beam emitted from the optical fiber having a large light receiving surface is also expanded. Therefore, in order to detect all the light beams emitted from the optical fiber, It becomes necessary to employ a photodiode having a larger light receiving surface. However, photodiodes, particularly those having a large light receiving surface in an APD, are generally very expensive, which greatly increases the cost of the device. In addition, the lens used for optical coupling from the reimaging area to the end of the optical fiber is exchanged according to the size of the confocal volume, so that the light beam from the reimaging position toward the end of the optical fiber can be changed. Although it is possible to reduce the width, it is necessary to adjust the optical axis every time the lens is replaced, and the measurement operation becomes troublesome. Therefore, it is possible to increase the confocal volume so that a sufficiently accurate measurement result can be obtained in a relatively short measurement time even for a sample solution having a low concentration of luminescent particles. If there is a technique that can be achieved without adopting the method and without repeating troublesome optical axis adjustment, it is possible to avoid a significant increase in the cost of the apparatus.

かくして、本発明の一つの目的は、上記の如き走査分子計数法、FCS、FIDA、PCH等の、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いた光分析技術に於いて、より大きな受光面を有する高価なフォトダイオードを採用することなく、且つ、煩わしい光軸調整を繰り返すことなく、発光粒子濃度の低い試料溶液の計測に於いても十分な精度にて比較的短時間に結果が得られるようにすることである。   Thus, one object of the present invention is to provide a larger light receiving surface in optical analysis technology using the optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, such as the above-described scanning molecule counting method, FCS, FIDA, and PCH. Even in the measurement of a sample solution with a low concentration of luminescent particles, it is possible to obtain a result in a relatively short time without employing an expensive photodiode having a large amount of light, and without repeating troublesome optical axis adjustment. Is to do so.

また、本発明の更なる目的は、上記の如き光分析技術に於いて、通常の、或いは、より小さな受光面を有するフォトダイオードを採用しても、拡大されたコンフォーカル・ボリュームからの光の再結像領域の通過後の光線がフォトダイオードの受光面へその受光面からはみ出すことなく光学的に連結されるようにする新規な手法を提案することである。   A further object of the present invention is to provide an optical analysis technique such as that described above, even if a photodiode having a normal or smaller light receiving surface is used, the light from an enlarged confocal volume can be obtained. The present invention proposes a new technique for optically coupling the light beam after passing through the re-imaging region without protruding from the light receiving surface of the photodiode.

本発明によれば、上記の課題は、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いて試料溶液中にて分散しランダムに運動する発光粒子からの光を検出する光分析装置であって、顕微鏡の光学系の試料溶液内に於ける光検出領域の像が結像する再結像領域を通過する光線を光検出器の受光面に光学的に連結するマルチモード光ファイバーを含み、かかるマルチモード光ファイバーが、再結像領域を通過する光線を受光する第一の端に於けるコア径が光検出器の受光面へ光線を出射する第二の端のコア径よりも大きいテーパ型光ファイバーであることを特徴とする装置によって達成される。かかる構成に於いて、「試料溶液中にて分散しランダムに運動する発光粒子」とは、試料溶液中に分散又は溶解した原子、分子又はそれらの凝集体などの、光を発する粒子であって、基板などに固定されず、溶液中を自由にブラウン運動している粒子であれば任意の粒子であってよい。かかる発光粒子は、典型的には、蛍光性粒子であるが、励起光の照射により発光するその他の粒子(りん光性粒子など)であってもよい。共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系の「光検出領域」とは、コンフォーカル・ボリューム、即ち、顕微鏡に於いて光が検出される微小領域であり、対物レンズから励起光が与えられる場合には、その励起光が集光された領域に相当する。「再結像領域」とは、既に触れた如く、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系に於いて、光検出領域の像が対物レンズを通過した後に結像される領域、典型的には、対物レンズの焦点領域と共役の位置の領域であり、光検出領域から発せられる光は、「再結像領域」を通過して光検出器へ導入される。特に、共焦点顕微鏡に於いては、再結像領域にピンホールが配置されて、これにより、実質的に、再結像領域、即ち、光検出領域から発せられる光のみが、ピンホールを通過し、光検出領域外から発せられた光が遮断されることにより、実質的に、光検出領域内からの光のみを検出することが可能となる。即ち、共焦点顕微鏡の場合、ピンホールの口径によって、コンフォーカル・ボリュームの径が決定される。光検出器としては、典型的には、フォトダイオード、好適には、APDが用いられる。なお、本明細書に於いて、「信号」という場合には、特に断らない限り、発光粒子からの光を表す信号を指すものとする。   According to the present invention, the above-described problem is an optical analyzer that detects light from luminescent particles that are dispersed in a sample solution and move randomly using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, Including a multimode optical fiber for optically coupling a light beam passing through a re-imaging region where an image of the photodetection region in the sample solution of the microscope optical system is imaged to the light receiving surface of the photodetector; The optical fiber is a tapered optical fiber in which the core diameter at the first end that receives light passing through the re-imaging region is larger than the core diameter at the second end that emits light to the light receiving surface of the photodetector. This is achieved by a device characterized in that. In such a configuration, “a light-emitting particle dispersed in a sample solution and moving randomly” is a particle that emits light, such as atoms, molecules, or aggregates thereof dispersed or dissolved in a sample solution. Any particle may be used as long as it is not fixed to the substrate or the like and freely moves in the solution in Brownian motion. Such luminescent particles are typically fluorescent particles, but may be other particles (such as phosphorescent particles) that emit light upon irradiation with excitation light. The “photodetection area” of the optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope is a confocal volume, that is, a minute area in which light is detected in a microscope, and when excitation light is given from an objective lens. Corresponds to a region where the excitation light is collected. As already mentioned, the “re-imaging region” is a region where an image of the light detection region is imaged after passing through the objective lens in the optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, typically The light emitted from the light detection region is a region conjugate with the focal region of the objective lens, and is introduced into the photodetector through the “re-imaging region”. In particular, in a confocal microscope, a pinhole is arranged in the re-imaging region, so that substantially only light emitted from the re-imaging region, ie, the light detection region, passes through the pinhole. However, by blocking light emitted from outside the light detection region, it is possible to detect substantially only light from within the light detection region. That is, in the case of a confocal microscope, the diameter of the confocal volume is determined by the diameter of the pinhole. As the photodetector, a photodiode, preferably an APD, is typically used. In the present specification, the term “signal” refers to a signal representing light from the luminescent particles unless otherwise specified.

上記の構成によれば、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いて試料溶液中にて発光粒子からの光を検出する光分析装置、例えば、走査分子計数法、FCS、FIDA、PCHといった光分析技術を実行する装置に於いて、光検出領域、即ち、コンフォーカル・ボリュームの寸法を通常用いられる設定よりも拡大した場合でも、通常使用される光検出器よりも受光面の大きな光検出器を用いることなく、再結像領域を通過する光線(光検出領域内から発せられ対物レンズを通過した光束)を光検出器の受光面にて受容することが容易となる。本発明の装置では、上記の如く、再結像領域を通過する光線を光検出器の受光面に光学的に連結するマルチモード光ファイバーとして、再結像領域を通過する光線を受光する第一の端に於けるコア径が光検出器の受光面へ光線を出射する第二の端のコア径よりも大きいテーパ型光ファイバーが用いられることにより、光検出器の受光面へ向けられる光線の径を光ファイバーの入射側の光線の径よりも細くすることが可能となる。従って、コンフォーカル・ボリュームが拡大され、再結像領域を通過する光線の径が拡大されても、光線の周縁を欠くことなく、かかる光線を光ファイバーに受容し、更に、光ファイバーから出射される光線を、その周縁を欠くことなく、光検出器の受光面へ導入することが容易となる。なお、一方の端のコア径が他方の端のコア径よりも大きいテーパ型マルチモード光ファイバーは、既に光通信等の分野にて利用され市販されているので、比較的廉価にて入手可能であり、装置のコストを大幅に増大することはない点で有利である。   According to said structure, the optical analyzer which detects the light from a luminescent particle in a sample solution using the optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, for example, a scanning molecule counting method, FCS, FIDA, PCH, etc. In a device that performs optical analysis technology, even if the size of the light detection area, that is, the confocal volume, is larger than the setting that is normally used, the light detection of the light receiving surface larger than that of the commonly used photodetector. Without using a detector, it becomes easy to receive a light beam (a light beam emitted from within the light detection region and passed through the objective lens) that passes through the re-imaging region on the light receiving surface of the light detector. In the apparatus of the present invention, as described above, the first light beam that passes through the re-imaging region is received as a multimode optical fiber that optically couples the light beam that passes through the re-imaging region to the light receiving surface of the photodetector. By using a tapered optical fiber whose core diameter at the end is larger than the core diameter of the second end that emits light to the light receiving surface of the photodetector, the diameter of the light beam directed to the light receiving surface of the photodetector is reduced. It is possible to make the diameter smaller than the diameter of the light beam on the incident side of the optical fiber. Therefore, even if the confocal volume is enlarged and the diameter of the light beam passing through the re-imaging region is enlarged, the light beam is received by the optical fiber without missing the peripheral edge of the light beam, and is further emitted from the optical fiber. Can be easily introduced into the light-receiving surface of the photodetector without lacking the periphery. Note that tapered multimode optical fibers in which the core diameter at one end is larger than the core diameter at the other end are already used and marketed in fields such as optical communications, and are therefore relatively inexpensive. This is advantageous in that it does not significantly increase the cost of the device.

上記の構成に於いて、より詳細には、テーパ型マルチモード光ファイバーに於いては、好適には、第一の端のコア径が該第一の端に於ける再結像領域を通過した光線の径よりも大きく、第二の端を出射した光線の光検出器の受光面に於ける径が光検出器の受光可能な面の径よりも小さくなるよう第一及び第二の端のコア径が選択される。これにより、再結像領域を通過した光線は、光ファイバーの入射端(第一の端)及び光検出器の受光面に於いて、はみ出すことなく、それぞれ受容され、コンフォーカル・ボリュームの拡大の効果が十分に発揮されることとなる。   In the above-described configuration, more specifically, in a tapered multimode optical fiber, it is preferable that the light beam having the core diameter at the first end passed through the re-imaging region at the first end. The cores at the first and second ends so that the diameter of the light beam emitted from the second end at the light receiving surface of the photodetector is smaller than the diameter of the light receiving surface of the photodetector. The diameter is selected. As a result, the light beam that has passed through the re-imaging region is received at the incident end (first end) of the optical fiber and the light receiving surface of the photodetector without being protruded, and the effect of expanding the confocal volume is achieved. Will be fully demonstrated.

また、上記の本発明の装置に於いて、光検出領域、即ち、コンフォーカル・ボリュームの寸法が変更可能となっていてよい。既に触れた如く、試料溶液中の発光粒子濃度が低く、単位時間当たりに光検出領域に進入する発光粒子数が少ないときには、光検出領域を拡大することにより、単位時間当たりに光検出領域に進入する発光粒子数を増大し、これにより、短い計測時間にて、十分な精度の計測結果を得られることが期待される。従って、本発明の装置に於いては、上記の如く、光検出領域の寸法が変更可能となっていることにより、より広範囲の発光粒子濃度の試料溶液についての計測が短い計測時間にて、そして、十分な精度にて達成可能となる。   In the above-described apparatus of the present invention, the size of the light detection region, that is, the confocal volume may be changeable. As already mentioned, when the concentration of luminescent particles in the sample solution is low and the number of luminescent particles entering the light detection area per unit time is small, the light detection area is expanded to enter the light detection area per unit time. It is expected that the number of luminescent particles to be increased will increase the measurement results with sufficient accuracy in a short measurement time. Therefore, in the apparatus of the present invention, as described above, the size of the light detection region can be changed, so that measurement of a sample solution with a wider range of luminescent particle concentrations can be performed in a short measurement time, and Can be achieved with sufficient accuracy.

更に、上記の装置に於いて、再結像領域を通過した光線の第一の端への光学的結合を達成する第一の端の取付固定部と、第二の端から光検出器の受光可能な面への光学的結合を達成する第二の端の取付固定部とが、装置の外表面に設けられ、使用者による光ファイバーの装置への取付が可能となっていることが好ましい。一般に、任意の光路に光ファイバーを配置する際には、FCコネクタ等の規格化された光学的連結用の取付固定器具が使用される。そのような取付固定器具を使用する場合には、光ファイバーを機械的に取付固定器具に接続することにより光学的連結が達成されるように、光路上にて取付固定器具の位置の調整が予め為される。従って、上記の如く、第一の端の取付固定部と第二の端の取付固定部とが装置の外表面に設けられ、使用者による光ファイバーの装置への取付が可能となっていることにより、光ファイバーの交換取り付けの際の光学調整操作を最小限にすることが可能となる。そして、使用者は、コンフォーカル・ボリュームの寸法と光検出器の受光面の寸法又は径に適合した光ファイバーを選択し、装置に取り付けることを容易に実行することが可能となる。   Furthermore, in the above apparatus, a first end mounting fixture that achieves optical coupling to the first end of the light beam that has passed through the re-imaging region, and light reception by the photodetector from the second end. A second end mounting fixture that achieves optical coupling to a possible surface is preferably provided on the outer surface of the device, allowing the user to attach the optical fiber to the device. Generally, when an optical fiber is disposed in an arbitrary optical path, a standardized mounting fixture for optical connection such as an FC connector is used. When using such a fixture, the position of the fixture is adjusted in advance on the optical path so that optical coupling is achieved by mechanically connecting the optical fiber to the fixture. Is done. Accordingly, as described above, the first end mounting fixing portion and the second end mounting fixing portion are provided on the outer surface of the apparatus, so that the user can attach the optical fiber to the apparatus. In addition, it is possible to minimize the optical adjustment operation when the optical fiber is exchanged and attached. The user can easily select and attach an optical fiber suitable for the size of the confocal volume and the size or diameter of the light receiving surface of the photodetector.

上記の本発明は、「走査分子計数法」を実行する装置に適用されてよい。従って、本発明の一つの態様に於いて、上記の本発明の装置は、更に、顕微鏡の光学系の光路を変更することにより試料溶液内に於いて光学系の光検出領域の位置を移動する光検出領域移動部と、試料溶液内に於いて光検出領域の位置を移動させながら光検出器にて検出された発光粒子の各々からの光を表す信号を個別に検出する信号処理部とを含んでいてよい。   The present invention described above may be applied to an apparatus that executes the “scanning molecule counting method”. Therefore, in one embodiment of the present invention, the above-described apparatus of the present invention further moves the position of the light detection region of the optical system in the sample solution by changing the optical path of the optical system of the microscope. A light detection region moving unit, and a signal processing unit for individually detecting a signal representing light from each of the luminescent particles detected by the light detector while moving the position of the light detection region in the sample solution. May contain.

かかる本発明の装置の基本的な構成に於いては、まず、試料溶液内に於いて光検出領域の位置を移動しながら、即ち、試料溶液内を光検出領域により走査しながら、逐次的に、光の検出が行われる。そうすると、移動する光検出領域が、ランダムに運動している発光粒子を包含したときには、発光粒子からの光が光検出器にて検出され、これにより、一つの発光粒子の存在が検出されることとなる。そして、装置の信号処理部は、逐次的に検出される光検出器からの信号に於いて発光粒子からの光を表す信号を検出して、これにより、発光粒子の存在を一つずつ個別に逐次的に検出し、発光粒子の溶液内での状態に関する種々の情報が取得されることとなる。具体的には、例えば、上記の本発明の装置に於いて、信号処理部が、個別に検出された発光粒子からの光を表す信号の数を計数して光検出領域の位置の移動中に検出された発光粒子の数を計数するようになっていてよい(発光粒子のカウンティング)。かかる構成によれば、発光粒子の数と光検出領域の位置の移動量と組み合わせることにより、試料溶液中の発光粒子の数密度又は濃度に関する情報が得られることとなる。特に、任意の手法により、例えば、所定の速度にて光検出領域の位置を移動するなどして、光検出領域の位置の移動軌跡の全体積を特定すれば、発光粒子の数密度又は濃度が具体的に算定できることとなる。勿論、絶対的な数密度値又は濃度値を直接的に決定するのではなく、複数の試料溶液又は濃度又は数密度の基準となる標準試料溶液に対する相対的な数密度又は濃度の比を算出するようになっていてもよい。また、上記の本発明に於いては、光学系の光路を変更して光検出領域の位置を移動するよう構成されていることにより、光検出領域の移動は、速やかであり、且つ、試料溶液に於いて機械的振動や流体力学的な作用が実質的に発生しないので、検出対象となる発光粒子が力学的な作用の影響を受けることなく安定した状態にて、光の計測が可能である(試料溶液中に振動や流れが作用すると、粒子の物性的性質が変化する可能性がある。)。そして、試料溶液を流通させるといった構成が必要ではないので、FCS、FIDA等の場合と同様に微量(1〜数十μL程度)の試料溶液にて計測及び分析が可能である。   In the basic configuration of the apparatus of the present invention, first, the position of the photodetection region is moved in the sample solution, that is, while the sample solution is scanned by the photodetection region, sequentially. The light is detected. Then, when the moving light detection region includes randomly moving luminescent particles, the light from the luminescent particles is detected by the photodetector, thereby detecting the presence of one luminescent particle. It becomes. Then, the signal processing unit of the apparatus detects the signal representing the light from the luminescent particles in the signal from the photodetector that is sequentially detected, thereby individually detecting the presence of the luminescent particles one by one. It detects sequentially and the various information regarding the state in the solution of a luminescent particle will be acquired. Specifically, for example, in the apparatus of the present invention described above, the signal processing unit counts the number of signals representing light from the individually detected luminescent particles and moves the position of the light detection region. The number of detected luminescent particles may be counted (counting of luminescent particles). According to such a configuration, information on the number density or concentration of the luminescent particles in the sample solution can be obtained by combining the number of luminescent particles and the amount of movement of the position of the light detection region. In particular, if the total volume of the movement locus of the light detection region is specified by any method, for example, by moving the position of the light detection region at a predetermined speed, the number density or concentration of the luminescent particles is reduced. It can be calculated specifically. Of course, instead of directly determining the absolute number density value or concentration value, the relative number density or concentration ratio with respect to a plurality of sample solutions or a standard sample solution as a reference of the concentration or number density is calculated. It may be like this. In the present invention, the optical detection area is moved to change the position of the photodetection area by changing the optical path of the optical system. Because there is virtually no mechanical vibration or hydrodynamic action, light can be measured in a stable state without being affected by the mechanical action of the luminescent particles. (If vibration or flow acts on the sample solution, the physical properties of the particles may change.) And since the structure which distribute | circulates a sample solution is not required, it can measure and analyze with a trace amount (about 1-several dozen microliters) sample solution like the case of FCS, FIDA, etc.

また、上記の走査分子計数法を実行する装置の信号処理部の処理に於いて、逐次的な光検出部からの信号から1つの発光粒子が光検出領域に入ったか否かの判定は、光検出部にて検出された時系列の光を表す信号の形状に基づいて為されてよい。実施の形態に於いて、典型的には、所定の閾値より大きい強度を有する信号が検出されたときに、1つの発光粒子が光検出領域に入ったと検出されるようになっていてよい。   Further, in the processing of the signal processing unit of the apparatus that executes the above-described scanning molecule counting method, it is determined whether or not one luminescent particle has entered the light detection region from the signal from the sequential light detection unit. This may be done based on the shape of a signal representing time-series light detected by the detector. In the embodiment, typically, when a signal having an intensity greater than a predetermined threshold is detected, it may be detected that one luminescent particle has entered the light detection region.

更に、上記の装置に於いて、試料溶液内での光検出領域の位置の移動速度は、発光粒子の特性又は試料溶液中の数密度又は濃度に基づいて適宜変更となっていてよい。当業者に於いて理解される如く、発光粒子から検出される光の態様は、発光粒子の特性又は試料溶液中の数密度又は濃度によって変化し得る。特に、光検出領域の移動速度が速くなると、一つの発光粒子から得られる光量は低減することとなるので、一つの発光粒子からの光が精度よく又は感度よく計測できるように、光検出領域の移動速度は、適宜変更となっていることが好ましい。   Further, in the above apparatus, the moving speed of the position of the light detection region in the sample solution may be appropriately changed based on the characteristics of the luminescent particles or the number density or concentration in the sample solution. As will be appreciated by those skilled in the art, the manner of light detected from the luminescent particles can vary depending on the properties of the luminescent particles or the number density or concentration in the sample solution. In particular, as the moving speed of the light detection region increases, the amount of light obtained from one light emitting particle decreases, so that the light from one light emitting particle can be measured with high accuracy or sensitivity. The moving speed is preferably changed as appropriate.

また、更に、上記の装置に於いて、試料溶液内での光検出領域の位置の移動速度は、好適には、検出対象となる発光粒子の拡散移動速度(ブラウン運動による粒子の平均の移動速度)よりも高く設定される。上記に説明されている如く、本発明の装置は、走査分子計数法を実行する場合、光検出領域が発光粒子の存在位置を通過したときにその発光粒子から発せられる光を検出して、発光粒子を個別に検出する。しかしながら、発光粒子が溶液中でブラウン運動することによりランダムに移動して、複数回、光検出領域を出入りする場合には、1つの発光粒子から複数回、(発光粒子の存在を表す)信号が検出されてしまい、検出された信号と1つの発光粒子の存在とを対応させることが困難となる。そこで、上記の如く、光検出領域の移動速度を発光粒子の拡散移動速度よりも高く設定し、これにより、1つの発光粒子を一つの(発光粒子の存在を表す)信号に対応させることが可能となる。なお、拡散移動速度は、発光粒子によって変わるので、上記の如く、発光粒子の特性(特に、拡散定数)に応じて、本発明の装置は、光検出領域の移動速度が適宜変更可能であるよう構成されていることが好ましい。   Furthermore, in the above apparatus, the moving speed of the position of the light detection region in the sample solution is preferably the diffusion moving speed of the luminescent particles to be detected (the average moving speed of the particles due to Brownian motion). ) Is set higher. As described above, when performing the scanning molecule counting method, the apparatus of the present invention detects light emitted from the luminescent particles when the light detection region passes through the position where the luminescent particles exist, and emits light. Detect particles individually. However, if the luminescent particles move randomly in the solution due to Brownian motion and enter and exit the photodetection region multiple times, a signal (representing the presence of the luminescent particles) is emitted multiple times from one luminescent particle. Thus, it becomes difficult to make the detected signal correspond to the presence of one luminescent particle. Therefore, as described above, the moving speed of the light detection region is set to be higher than the diffusion moving speed of the luminescent particles, so that one luminescent particle can correspond to one signal (indicating the presence of the luminescent particle). It becomes. Since the diffusion movement speed varies depending on the luminescent particles, as described above, according to the characteristics of the luminescent particles (particularly, the diffusion constant), the apparatus of the present invention can appropriately change the movement speed of the light detection region. It is preferable to be configured.

光検出領域の位置の移動のための光学系の光路の変更は、任意の方式で為されてよい。例えば、レーザー走査型光学顕微鏡に於いて採用されているガルバノミラーを用いて光路を変更して光検出領域の位置が変更されるようになっていてよい。光検出領域の位置の移動軌跡は、任意に設定されてよく、例えば、円形、楕円形、矩形、直線及び曲線のうちから選択可能であってよい。   The optical path of the optical system for moving the position of the light detection region may be changed by an arbitrary method. For example, the position of the light detection region may be changed by changing the optical path using a galvanometer mirror employed in a laser scanning optical microscope. The movement trajectory of the position of the light detection region may be arbitrarily set, and may be selected from, for example, a circle, an ellipse, a rectangle, a straight line, and a curve.

更に、上記の本発明の装置によれば、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いて試料溶液中にて分散しランダムに運動する発光粒子からの光を検出し分析する光分析方法に於いて、コンフォーカル・ボリュームが拡大される場合に、その効果を充分に発揮させることが可能な新規な方法が提供される。即ち、本発明のもう一つの態様によれば、光分析方法は、顕微鏡の光学系の試料溶液内に於ける光検出領域の像が結像する再結像領域を通過する光線を光検出器の受光面に光学的に連結するマルチモード光ファイバーにして、再結像領域を通過する光線を受光する第一の端に於けるコア径が光検出器の受光面へ光線を出射する第二の端のコア径よりも大きいテーパ型光ファイバーを用いることを特徴とする。   Furthermore, according to the above-described apparatus of the present invention, an optical analysis method for detecting and analyzing light from luminous particles dispersed and randomly moving in a sample solution using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope. In this regard, a novel method is provided that can fully exert its effect when the confocal volume is expanded. That is, according to another aspect of the present invention, an optical analysis method uses a light detector that passes through a re-imaging region where an image of a light detection region in a sample solution of a microscope optical system is formed. A multimode optical fiber that is optically coupled to the light receiving surface of the second optical fiber having a core diameter at the first end that receives the light passing through the re-imaging region; A tapered optical fiber larger than the end core diameter is used.

かかる方法に於いても、第一の端のコア径が該第一の端に於ける再結像領域を通過した光線の径よりも大きく、第二の端を出射した光線の光検出器の受光面に於ける径が光検出器の受光可能な面の径よりも小さくなるようテーパ型光ファイバーの第一及び第二の端のコア径が選択されていてよい。また、好適には、本発明の方法は、光検出領域の寸法を変更する過程を含む。   Even in such a method, the core diameter of the first end is larger than the diameter of the light beam that has passed through the re-imaging region at the first end, and the light detector of the light beam that has exited the second end The core diameters of the first and second ends of the tapered optical fiber may be selected so that the diameter at the light receiving surface is smaller than the diameter of the light receiving surface of the photodetector. Also preferably, the method of the present invention includes the step of changing the size of the light detection region.

また、本発明の方法が走査分子計数法に適用される場合、本発明の方法は、前記の光学系の光路を変更することにより光学系の光検出領域の試料溶液内に於ける位置を移動する過程と、試料溶液内に於いて光検出領域の位置を移動させながら光検出領域からの光を検出する過程と、検出された光から個々の発光粒子からの光信号を個別に検出する過程とを含むことを特徴とする。   When the method of the present invention is applied to the scanning molecule counting method, the method of the present invention moves the position of the optical detection region of the optical system in the sample solution by changing the optical path of the optical system. The process of detecting the light from the light detection area while moving the position of the light detection area in the sample solution, and the process of individually detecting the light signal from each luminescent particle from the detected light It is characterized by including.

かかる方法に於いても、個別に検出された発光粒子からの光信号の数を計数して光検出領域の位置の移動中に検出された発光粒子の数を計数する過程及び/又は検出された発光粒子の数に基づいて、試料溶液中の発光粒子の数密度又は濃度を決定する過程が含まれていてよい。また、光検出領域の位置を移動する過程に於いて、光検出領域の位置が所定の速度にて或いは発光粒子の拡散移動速度よりも速い速度にて移動されるようになっていてよく、光検出領域の位置の移動速度は、発光粒子の特性又は試料溶液中の数密度又は濃度に基づいて設定されるようになっていてよい。更に、信号処理過程に於いては、1つの発光粒子が光検出領域に入ったことは、検出された時系列の光信号の形状に基づいて、例えば、所定の閾値より大きい強度を有する光信号が検出したときに判定されてよい。   Even in such a method, the number of light signals from the individually detected light emitting particles is counted and the number of light emitting particles detected during the movement of the position of the light detection region is counted and / or detected. A step of determining the number density or concentration of luminescent particles in the sample solution based on the number of luminescent particles may be included. Further, in the process of moving the position of the light detection region, the position of the light detection region may be moved at a predetermined speed or at a speed faster than the diffusion movement speed of the luminescent particles. The moving speed of the position of the detection region may be set based on the characteristics of the luminescent particles or the number density or concentration in the sample solution. Further, in the signal processing process, the fact that one luminescent particle has entered the light detection region is, for example, an optical signal having an intensity greater than a predetermined threshold based on the shape of the detected time-series optical signal. It may be determined when is detected.

本発明による光分析技術は、典型的には、タンパク質、ペプチド、核酸、脂質、糖鎖、アミノ酸若しくはこれらの凝集体などの生体分子、ウイルス、細胞などの粒子状の生物学的な対象物の溶液中の状態の分析又は解析の用途に用いられるが、非生物学的な粒子(例えば、原子、分子、ミセル、金属コロイドなど)の溶液中の状態の分析又は解析に用いられてもよく、そのような場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。   The optical analysis technique according to the present invention is typically used for biomolecules such as proteins, peptides, nucleic acids, lipids, sugar chains, amino acids or aggregates thereof, and particulate biological objects such as viruses and cells. Used for analysis or analysis of conditions in solution, but may be used for analysis or analysis of conditions in solution of non-biological particles (eg, atoms, molecules, micelles, metal colloids, etc.) It should be understood that such a case also belongs to the scope of the present invention.

総じて、本発明によれば、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いた走査分子計数法、FCS、FIDA、PCH等の光分析技術に於いて、再結像領域と光検出器の受光面の間の光学的連結を達成するための光ファイバーとして、テーパ型光ファイバーを採用することにより、コンフォーカル・ボリュームを拡大した場合に光検出器の受光面の拡大をしなくても、再結像領域から光検出器の受光面への光線の伝達が、実質的に光線の一部を欠くことなく達成されることとなる。従って、コンフォーカル・ボリュームの拡大の際に、特別に広い受光面を有する高価な光検出器を準備する必要がなくなり、装置のコストの大幅な増大が回避できることとなる。そして、かかる構成により、発光粒子濃度の低い試料溶液の計測の際の、コンフォーカル・ボリュームの拡大による計測時間の短縮、計測結果の精度の向上等が、廉価に達成可能となる。   In general, according to the present invention, in a photoanalysis technique such as a scanning molecule counting method using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, FCS, FIDA, PCH, etc., a re-imaging region and light reception by a photodetector. By adopting a tapered optical fiber as an optical fiber to achieve the optical connection between the surfaces, re-imaging without expanding the light receiving surface of the photodetector when the confocal volume is expanded The transmission of the light beam from the region to the light receiving surface of the photodetector will be achieved substantially without a part of the light beam. Therefore, when expanding the confocal volume, it is not necessary to prepare an expensive photodetector having a particularly wide light receiving surface, and a significant increase in the cost of the apparatus can be avoided. With this configuration, when measuring a sample solution having a low concentration of luminescent particles, it is possible to achieve a reduction in measurement time by increasing the confocal volume, improvement in accuracy of measurement results, and the like at low cost.

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。   Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the present invention.

図1(A)は、本発明を実現する光分析装置の内部構造の模式図である。図1(B)は、コンフォーカル・ボリューム(共焦点顕微鏡の観察領域)の模式図である。図1(C)は、ミラー7の向きを変更して試料溶液内に於いて光検出領域の位置を移動する機構の模式図である。FIG. 1A is a schematic diagram of the internal structure of an optical analyzer that realizes the present invention. FIG. 1B is a schematic diagram of a confocal volume (observation region of a confocal microscope). FIG. 1C is a schematic diagram of a mechanism for changing the direction of the mirror 7 to move the position of the light detection region in the sample solution. 図2(A)は、光分析装置の一部の外観と光ファイバーの模式図であり、図2(B)は、光分析装置に於ける光ファイバーの取付固定部の模式的な断面図である。2A is a schematic view of a part of the optical analyzer and an optical fiber, and FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of an optical fiber mounting and fixing part in the optical analyzer. 図3(A)、(B)は、それぞれ、本発明の一部を構成する走査分子計数法に於ける光検出の原理を説明する模式図及び計測される光強度の時間変化の模式図である。FIGS. 3A and 3B are a schematic diagram for explaining the principle of light detection in the scanning molecule counting method constituting a part of the present invention, and a schematic diagram of temporal change in measured light intensity, respectively. is there. 図4(A)は、ピンホール(再結像領域)から光検出器の受光面までの光学的連結の構成の模式図である。図4(B)は、光ファイバーの入射端の模式図であり、ピンホールの大きさによって入射光線の径が異なることを示している。図4(C)は、本発明に於いて採用されるテーパ型マルチモード光ファイバーの模式図である。FIG. 4A is a schematic diagram of a configuration of optical connection from the pinhole (re-imaging region) to the light receiving surface of the photodetector. FIG. 4B is a schematic diagram of the incident end of the optical fiber, and shows that the diameter of the incident light beam varies depending on the size of the pinhole. FIG. 4C is a schematic diagram of a tapered multimode optical fiber employed in the present invention. 図5は、本発明が適用される走査分子計数法の処理手順をフローチャートの形式で表した図である。FIG. 5 is a flowchart showing the processing procedure of the scanning molecule counting method to which the present invention is applied. 図6(A)、(B)は、それぞれ、走査分子計数法に於いて、発光粒子がブラウン運動をしながら光検出領域を横切る場合及び試料溶液内の光検出領域の位置を発光粒子の拡散移動速度よりも速い速度にて移動することにより発光粒子が光検出領域を横切る場合の粒子の運動の態様を表すモデル図である。図6(C)は、走査分子計数法に従って、計測された時系列光強度データ(フォトンカウントの時間変化)から発光粒子の存在を検出するための処理手順に於ける検出信号の信号処理過程の例を説明する図である。FIGS. 6A and 6B show the case where the luminescent particles cross the light detection region while performing Brownian motion and the position of the light detection region in the sample solution in the scanning molecule counting method, respectively. It is a model figure showing the mode of movement of particles when luminous particles cross the photodetection region by moving at a speed faster than the moving speed. FIG. 6C shows the signal processing process of the detection signal in the processing procedure for detecting the presence of the luminescent particles from the measured time-series light intensity data (time change of the photon count) according to the scanning molecule counting method. It is a figure explaining an example. 図7は、計測されたフォトンカウントデータの実測例(棒グラフ)と、データをスムージングして得られる曲線(点線)と、パルス存在領域にてフィッティングされたガウス関数(実線)を示している。図中、「ノイズ」と付された信号は、ノイズ又は異物による信号であるとして無視される。FIG. 7 shows an actual measurement example (bar graph) of measured photon count data, a curve (dotted line) obtained by smoothing the data, and a Gaussian function (solid line) fitted in the pulse existence region. In the figure, a signal labeled “noise” is ignored as it is a signal due to noise or foreign matter.

1…光分析装置(共焦点顕微鏡)
1a…光分析装置の外表面
2…光源
3…シングルモードオプティカルファイバー
4…コリメータレンズ
5…ダイクロイックミラー
6、7、11…反射ミラー
8…対物レンズ
9…マイクロプレート
10…ウェル(試料溶液容器)
12…コンデンサーレンズ
13…ピンホール
14…バリアフィルター
14a…マルチモードオプティカルファイバーをピンホールからの光路に接続する取付固定部
15…マルチモードオプティカルファイバー
15a、15b…マルチモードオプティカルファイバーの端部
16…光検出器
16a…マルチモードオプティカルファイバーを光検出器の受光面への光路に接続する取付固定部
17…ミラー偏向器
17a…ステージ位置変更装置
18…コンピュータ
30a、30b…リレーレンズ
1 ... Optical analyzer (confocal microscope)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a ... Outer surface of optical analyzer 2 ... Light source 3 ... Single mode optical fiber 4 ... Collimator lens 5 ... Dichroic mirror 6, 7, 11 ... Reflection mirror 8 ... Objective lens 9 ... Microplate 10 ... Well (sample solution container)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Condenser lens 13 ... Pinhole 14 ... Barrier filter 14a ... Mounting fixing part 15 which connects a multimode optical fiber to the optical path from a pinhole ... Multimode optical fiber 15a, 15b ... End part 16 of multimode optical fiber ... Light Detector 16a ... Mounting fixing portion 17 for connecting the multimode optical fiber to the optical path to the light receiving surface of the photodetector ... Mirror deflector 17a ... Stage position changing device 18 ... Computer 30a, 30b ... Relay lens

以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

光分析装置の構成
本発明は、図1(A)に模式的に例示されている如き、走査分子計数法、FCS、FIDA、PCH等が実行可能な共焦点顕微鏡の光学系と光検出器とを組み合わせてなる光分析装置に適用される。図1(A)を参照して、光分析装置1は、光学系2〜17と、光学系の各部の作動を制御すると共にデータを取得し解析するためのコンピュータ18とから構成される。光分析装置1の光学系は、通常の共焦点顕微鏡の光学系と同様であってよく、そこに於いて、光源2から放射されシングルモードファイバー3内を伝播したレーザー光(Ex)が、ファイバーの出射端に於いて固有のNAにて決まった角度にて発散する光となって放射され、コリメーター4によって平行光となり、ダイクロイックミラー5、反射ミラー6、7にて反射され、対物レンズ8へ入射される。対物レンズ8の上方には、典型的には、1〜数十μLの試料溶液が分注される試料容器又はウェル10が配列されたマイクロプレート9が配置されており、対物レンズ8から出射したレーザー光は、試料容器又はウェル10内の試料溶液中で焦点を結び、図1(B)に模式的に示されている如き光強度の強い領域(焦点領域)が形成される。試料溶液中には、観測対象物である発光粒子、典型的には、蛍光色素等の発光標識が付加された分子が分散又は溶解されており、発光粒子が焦点領域に進入すると、その間、発光粒子が励起され光が放出される。放出された光(Em)は、対物レンズ8、ダイクロイックミラー5を通過し、ミラー11にて反射してコンデンサーレンズ12にて集光され、ピンホール13にて焦点領域の像が形成される(再結像領域)。即ち、当業者に於いて知られている如く、ピンホール13は、対物レンズ8の焦点位置と共役の位置に配置されており、これにより、図1(B)に例示の如き焦点領域内から発せられた光のみがピンホール13を通過し、焦点面以外からの光は遮断される。図1(B)に例示された焦点領域は、通常、1〜10fL程度の実効体積を有する本光分析装置に於ける光検出領域であり、コンフォーカル・ボリュームと称される。コンフォーカル・ボリュームに於いては、典型的には、光強度が領域の中心を頂点とするガウス型分布又はローレンツ型分布となり、その実効体積は、光強度が1/eとなる面を境界とする略楕円球体の体積である。なお、本発明の装置に於いては、好適には、コンフォーカル・ボリュームの大きさ、即ち、光検出領域の大きさが変更可能であることが好ましい。コンフォーカル・ボリュームの大きさの変更は、励起光の光路に於けるレンズ4の位置の調整及び/又は使用する対物レンズの交換(対物レンズの開口数の選択)により実行されてよい。また、共焦点顕微鏡の場合、試料溶液中でのコンフォーカル・ボリュームの大きさの変更に際しては、その変化に対応してピンホール13の口径も変更される。従って、本発明の装置に於いては、種々の口径のピンホールが準備され、それらの中から、適宜、選択された口径のピンホールが配置され使用できるようになっていてよい。
Configuration of Optical Analysis Apparatus The present invention includes an optical system and a photodetector of a confocal microscope capable of executing a scanning molecule counting method, FCS, FIDA, PCH, etc. as schematically illustrated in FIG. It is applied to an optical analysis device formed by combining With reference to FIG. 1 (A), the optical analysis apparatus 1 is comprised from the optical systems 2-17, and the computer 18 for acquiring and analyzing data while controlling the action | operation of each part of an optical system. The optical system of the optical analyzer 1 may be the same as the optical system of a normal confocal microscope, in which the laser light (Ex) emitted from the light source 2 and propagated through the single mode fiber 3 is a fiber. The light is emitted as a divergent light at an angle determined by a specific NA at the outgoing end of the light, becomes parallel light by the collimator 4, is reflected by the dichroic mirror 5, the reflection mirrors 6, 7, and the objective lens 8. Is incident on. Above the objective lens 8, a microplate 9 in which sample containers or wells 10 into which a sample solution of 1 to several tens μL is dispensed is typically arranged is emitted from the objective lens 8. The laser beam is focused in the sample solution in the sample container or well 10 to form a region (focus region) having a high light intensity as schematically shown in FIG. In the sample solution, light-emitting particles that are the object of observation, typically molecules to which a light-emitting label such as a fluorescent dye is added are dispersed or dissolved, and when the light-emitting particles enter the focal region, light is emitted during that time. The particles are excited and light is emitted. The emitted light (Em) passes through the objective lens 8 and the dichroic mirror 5, is reflected by the mirror 11, is condensed by the condenser lens 12, and an image of the focal region is formed by the pinhole 13 ( Reimaging area). That is, as known to those skilled in the art, the pinhole 13 is disposed at a position conjugate with the focal position of the objective lens 8, and thereby, from within the focal area as illustrated in FIG. Only emitted light passes through the pinhole 13, and light from other than the focal plane is blocked. The focal region illustrated in FIG. 1B is a light detection region in the present optical analyzer having an effective volume of about 1 to 10 fL, and is referred to as a confocal volume. In the confocal volume, the light intensity is typically a Gaussian or Lorentzian distribution with the center of the region at the apex, and the effective volume is bounded by the surface where the light intensity is 1 / e 2. The volume of a substantially elliptic sphere. In the apparatus of the present invention, it is preferable that the size of the confocal volume, that is, the size of the light detection region can be changed. Changing the size of the confocal volume may be performed by adjusting the position of the lens 4 in the optical path of the excitation light and / or exchanging the objective lens used (selecting the numerical aperture of the objective lens). In the case of the confocal microscope, when the size of the confocal volume in the sample solution is changed, the diameter of the pinhole 13 is also changed in accordance with the change. Therefore, in the apparatus of the present invention, pinholes with various diameters are prepared, and pinholes with diameters selected appropriately may be arranged and used from among them.

かくして、ピンホール13に形成された再結像領域を通過した光は、バリアフィルター14を透過して(ここで、特定の波長帯域の光成分のみが選択される。)、マルチモード光ファイバー15に導入され、対応する光検出器16に到達する。光検出器16では、逐次的に到来する光が時系列の電気信号に変換されて、コンピュータ18へ入力され、後に説明される態様にて光分析のための処理が為される。光検出器16としては、好適には、フォトンカウンティングに使用可能な超高感度の光検出器が用いられ、これにより、1つの発光粒子からの光、例えば、一個又は数個の蛍光色素分子からの微弱光が検出可能となる。光検出器16には、典型的には、フォトダイオード、より好適には、APDが採用される。かくして、上記の構成により、発光粒子からの光の強度が計測されることとなる。   Thus, the light that has passed through the re-imaging region formed in the pinhole 13 passes through the barrier filter 14 (here, only a light component in a specific wavelength band is selected), and enters the multimode optical fiber 15. Is introduced and reaches the corresponding photodetector 16. In the photodetector 16, the sequentially arriving light is converted into a time-series electric signal and input to the computer 18, and processing for optical analysis is performed in a manner described later. As the photodetector 16, an ultrasensitive photodetector that can be used for photon counting is preferably used, so that light from one luminescent particle, for example, one or several fluorescent dye molecules can be used. The weak light can be detected. The photodetector 16 typically employs a photodiode, more preferably an APD. Thus, with the above configuration, the intensity of light from the luminescent particles is measured.

また、上記の光分析装置の光学系に於いて、特に、後により詳細に説明される走査分子計数法を実行する場合には、更に、光学系の光路を変更して試料溶液内を光検出領域により走査する、即ち、試料溶液内に於いて焦点領域(即ち、光検出領域)の位置を移動するための機構が設けられる。かかる光検出領域の位置を移動するための機構としては、例えば、図1(C)に模式的に例示されている如く、反射ミラー7の向きを変更するミラー偏向器17が採用されてよい。かかるミラー偏向器17は、通常のレーザー走査型顕微鏡に装備されているガルバノミラー装置と同様であってよい。また、所望の光検出領域の位置の移動パターンを達成するべく、ミラー偏向器17は、コンピュータ18の制御の下、光検出器16による光検出と協調して駆動される。光検出領域の位置の移動経路は、円形、楕円形、矩形、直線、曲線又はこれらの組み合わせから任意に選択されてよい(コンピュータ18に於けるプログラムに於いて、種々の移動パターンが選択できるようになっていてよい。)。なお、図示していないが、対物レンズ8を上下に移動することにより、光検出領域の位置が上下方向に移動されるようになっていてもよい。上記の如く、試料溶液を移動するのではなく、光学系の光路を変更して光検出領域の位置を移動する構成によれば、試料溶液内に機械的な振動や流体力学的な作用が実質的に発生することがなくなり、観測対象物に対する力学的な作用の影響を排除することが可能となり、安定的な計測が達成される。   Further, in the optical system of the above optical analyzer, particularly when the scanning molecule counting method described in detail later is executed, the optical path of the optical system is further changed to detect the inside of the sample solution. A mechanism is provided for scanning by the region, that is, for moving the position of the focal region (ie, the light detection region) within the sample solution. As a mechanism for moving the position of the light detection region, for example, a mirror deflector 17 that changes the direction of the reflection mirror 7 may be employed as schematically illustrated in FIG. Such a mirror deflector 17 may be the same as a galvanometer mirror device provided in a normal laser scanning microscope. Further, in order to achieve a desired movement pattern of the position of the light detection region, the mirror deflector 17 is driven in cooperation with light detection by the light detector 16 under the control of the computer 18. The movement path of the position of the light detection region may be arbitrarily selected from a circle, an ellipse, a rectangle, a straight line, a curve, or a combination thereof (so that various movement patterns can be selected by the program in the computer 18). It may be.) Although not shown, the position of the light detection region may be moved in the vertical direction by moving the objective lens 8 up and down. As described above, according to the configuration in which the position of the light detection region is moved by changing the optical path of the optical system instead of moving the sample solution, mechanical vibrations and hydrodynamic actions are substantially caused in the sample solution. It is possible to eliminate the influence of the dynamic action on the observation object and to achieve stable measurement.

なお、追加的な構成として、顕微鏡のステージ(図示せず)には、観察するウェル10を変更するべく、マイクロプレート9の水平方向位置を移動するためのステージ位置変更装置17aが設けられていてよい。ステージ位置変更装置17aの作動は、コンピュータ18により制御されてよい。   As an additional configuration, a stage (not shown) of the microscope is provided with a stage position changing device 17a for moving the horizontal position of the microplate 9 in order to change the well 10 to be observed. Good. The operation of the stage position changing device 17a may be controlled by the computer 18.

発光粒子が多光子吸収により発光する場合には、上記の光学系は、多光子顕微鏡として使用される。その場合には、励起光の焦点領域(光検出領域)のみで光の放出があるので、ピンホール13は、除去されてよい。発光粒子がりん光により発光する場合には、上記の共焦点顕微鏡の光学系がそのまま用いられる。更に、光分析装置1に於いては、図示の如く、複数の励起光源2が設けられていてよく、発光粒子を励起する光の波長によって適宜、励起光の波長が選択できるようになっていてよい。   When the luminescent particles emit light by multiphoton absorption, the above optical system is used as a multiphoton microscope. In that case, since there is light emission only in the focal region (light detection region) of the excitation light, the pinhole 13 may be removed. When the luminescent particles emit light by phosphorescence, the optical system of the confocal microscope is used as it is. Further, in the optical analyzer 1, as shown in the figure, a plurality of excitation light sources 2 may be provided, and the wavelength of the excitation light can be appropriately selected according to the wavelength of the light for exciting the luminescent particles. Good.

更に、本実施形態の装置は、好適には、マルチモード光ファイバー15が使用者により任意に交換できるよう構成されてよい。その場合、具体的には、図2(A)に例示されている如く、装置1の外表面1aに、ピンホール13からバリアフィルター14を通過した光路とマルチモード光ファイバー15との光学的連結を達成する取付固定部14aと、マルチモード光ファイバー15と光検出器16の受光面との光学的連結を達成する取付固定部16aとが露出され、これにより、それぞれの取付固定部にマルチモード光ファイバー15の端部15a、15bとが、使用者によって接続可能とされる。取付固定部には、図2(B)に模式的に例示されている如く、FCコネクタ、SMAコネクタ、STコネクタ、SCコネクタ等の規格化された光学的連結用の取付固定器具が使用され、マルチモード光ファイバー15の端部15a、15bがそれぞれの取付固定器具へ機械的に接続されると、取付固定器具の内側に固定されたレンズの光路とマルチモード光ファイバー15との間に光学的連結が達成されるよう光路及びレンズが調整される。かかる構成により、使用者は、計測の目的に応じて、使用するマルチモード光ファイバー15を選択して使用し、或いは、マルチモード光ファイバー15を任意に交換する際に、マルチモード光ファイバーの光学的連結のための操作が極めて簡単化されることとなる。   Furthermore, the apparatus of this embodiment may be preferably configured such that the multimode optical fiber 15 can be arbitrarily replaced by the user. In that case, specifically, as illustrated in FIG. 2A, the optical path of the multimode optical fiber 15 and the optical path passing through the barrier filter 14 from the pinhole 13 is formed on the outer surface 1a of the device 1. The mounting and fixing portion 14a to be achieved and the mounting and fixing portion 16a that achieves optical connection between the multimode optical fiber 15 and the light receiving surface of the photodetector 16 are exposed, so that the multimode optical fiber 15 is attached to each mounting and fixing portion. The end portions 15a and 15b can be connected by the user. As schematically illustrated in FIG. 2 (B), standard mounting fixtures for optical connection such as FC connectors, SMA connectors, ST connectors, SC connectors, etc. are used for the mounting fixtures. When the end portions 15 a and 15 b of the multimode optical fiber 15 are mechanically connected to the respective mounting and fixing devices, an optical connection is established between the optical path of the lens fixed inside the mounting and fixing device and the multimode optical fiber 15. The optical path and lens are adjusted to achieve. With this configuration, the user selects and uses the multimode optical fiber 15 to be used according to the purpose of measurement, or when the multimode optical fiber 15 is arbitrarily replaced, the optical coupling of the multimode optical fiber is performed. Therefore, the operation for this is greatly simplified.

テーパ型マルチモード光ファイバーの使用
「発明の概要」に於いて触れたように、走査分子計数法、FCS、FIDA、PCH等の、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いた光分析技術に於いて、試料溶液中の発光粒子の濃度が低い場合、単位時間当たりにコンフォーカル・ボリューム(焦点領域)に進入する発光粒子数が少ないため、十分な精度の結果を得るためには、長い計測時間が必要となる。この問題は、コンフォーカル・ボリュームを通常よりも拡大して、単位時間当たりにコンフォーカル・ボリュームに進入する発光粒子数を増大することにより解決することが可能である。しかしながら、コンフォーカル・ボリュームを拡大すると、コンフォーカル・ボリュームの像が増大することとなり、これにより、コンフォーカル・ボリュームから光検出器の受光面までの光路に於いて光線の周縁部分が、各光学要素の受光面からはみ出ることがあり、コンフォーカル・ボリュームの拡大の効果が十分に発揮されない場合が起き得る。
Use of Tapered Multimode Optical Fiber As mentioned in “Summary of Invention”, optical analysis technology using optical system of confocal microscope or multiphoton microscope such as scanning molecule counting method, FCS, FIDA, PCH, etc. However, when the concentration of the luminescent particles in the sample solution is low, the number of luminescent particles entering the confocal volume (focus area) per unit time is small. Time is needed. This problem can be solved by enlarging the confocal volume more than usual and increasing the number of luminescent particles entering the confocal volume per unit time. However, if the confocal volume is enlarged, the image of the confocal volume will increase, so that the peripheral portion of the light beam in the optical path from the confocal volume to the light receiving surface of the photodetector will be It may protrude from the light receiving surface of the element, and there may be a case where the effect of expanding the confocal volume is not sufficiently exhibited.

より詳細には、図1に関連して簡単に触れたように、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系に於いては、図4(A)に模式的に描かれている如く、コンフォーカル・ボリュームCV内からの光は、対物レンズ8の透過後に再度結像されると共に、ピンホール13を通過し、次いで、レンズ30a、30bなどにより、光ファイバー15の一方の端へ導入されて、光ファイバー15の他方の端から光検出器16の受光面へ伝達される。そして、コンフォーカル・ボリュームCV内からの光の再結像領域、つまり、対物レンズの焦点領域の像以外のピンホール13の開口領域の外側を通過する光は、外縁部分にて遮断されることとなる。換言すれば、コンフォーカル・ボリューム、即ち、光検出領域は、ピンホール13の口径δμmの大きさにより画定され、コンフォーカル・ボリュームCVを拡大したときには、再結像領域を通過して光検出器16の受光面へ向かう光線の幅も拡大されることとなる。[より厳密にいえば、共焦点顕微鏡の場合に検出される光が発せられる領域、つまり、検出される光のコンフォーカル・ボリュームCVの径は、ピンホール13の口径δμmにより決定される。励起光を使用する計測の場合には、励起光の焦点領域の像がピンホール13に形成されるように、励起光のコンフォーカル・ボリュームCVと検出光のコンフォーカル・ボリュームCVとが実質的にできるだけ一致するように、光学系が調整される。従って、励起光を使用する共焦点顕微鏡に於いて、コンフォーカル・ボリュームCVの拡大の際には、励起光の焦点領域の拡大とピンホール13の口径δμmの拡大が為される。一方、励起光を使用しない共焦点顕微鏡に於いては、コンフォーカル・ボリュームCVの拡大は、単にピンホール13の口径δμmの拡大により為される。また、ピンホール13を必要としない多光子顕微鏡の場合は、励起光の焦点領域の拡大によって、コンフォーカル・ボリュームCVの拡大が為される。いずれの場合も、コンフォーカル・ボリュームCVを拡大したときには、再結像領域から光検出器16の受光面へ向かう光線の径も拡大される。]   More specifically, as briefly mentioned in connection with FIG. 1, in the confocal microscope or multiphoton microscope optical system, as shown schematically in FIG. The light from the volume CV is imaged again after passing through the objective lens 8, passes through the pinhole 13, and is then introduced into one end of the optical fiber 15 by the lenses 30 a, 30 b, etc. 15 is transmitted from the other end of 15 to the light receiving surface of the photodetector 16. Then, light re-imaging area from within the confocal volume CV, that is, light passing outside the opening area of the pinhole 13 other than the image of the focal area of the objective lens is blocked at the outer edge portion. It becomes. In other words, the confocal volume, that is, the light detection area is defined by the size of the diameter δ μm of the pinhole 13, and when the confocal volume CV is enlarged, the light detector passes through the re-imaging area. The width of the light beam toward the 16 light receiving surfaces is also enlarged. [Strictly speaking, the region where the light detected in the case of the confocal microscope is emitted, that is, the diameter of the confocal volume CV of the detected light is determined by the aperture δ μm of the pinhole 13. In the case of measurement using excitation light, the confocal volume CV of the excitation light and the confocal volume CV of the detection light are substantially such that an image of the focal region of the excitation light is formed in the pinhole 13. The optical system is adjusted so as to match as much as possible. Therefore, in the confocal microscope using the excitation light, when the confocal volume CV is enlarged, the focal area of the excitation light and the diameter δ μm of the pinhole 13 are enlarged. On the other hand, in a confocal microscope that does not use excitation light, the confocal volume CV is expanded simply by increasing the diameter δ μm of the pinhole 13. In the case of a multiphoton microscope that does not require the pinhole 13, the confocal volume CV is expanded by expanding the focal region of the excitation light. In any case, when the confocal volume CV is enlarged, the diameter of the light beam from the re-imaging area toward the light receiving surface of the photodetector 16 is also enlarged. ]

上記の構成に於いて、コンフォーカル・ボリュームCVの拡大により、ピンホール13又は再結像領域を通過する光線の径が拡大すると、レンズ30a、30bを通過して光ファイバーの入射端15aへ向かう光線の径も拡大し、光ファイバーの入射端15aの受光面の径より大きくなってしまう場合が起き得る。例えば、典型的な装置の例では、ピンホール13の口径は、50μm程度に設定され、光ファイバーとして、コア径が100μm程度の物が使用される。その場合、ピンホール13の口径を100μmまで拡大しても、ピンホール13を透過した光線は、光ファイバー内へその受光面からはみ出さずに伝達される(図4(B)(i)、(ii))。しかしながら、ピンホール13の口径が100μmを超えて拡大されると、例えば、口径が200μmに設定されると、ピンホール13を透過した光線は、その周縁部分にて光ファイバーの受光面からはみ出ることとなる(図4(B)(iii))。換言すれば、コンフォーカル・ボリュームCVの寸法が光ファイバーの受光面の径に制限されることとなる。従って、ピンホール13の口径を或る程度拡大しても(例えば、口径を200μmまで拡大しても)、ピンホール13を透過した光線が光ファイバー内へその受光面からはみ出さずに伝達されるようにするためには、入射端のコア径がより大きな光ファイバーを使用する必要がある(図4(B)(iv))。   In the above configuration, when the diameter of the light beam passing through the pinhole 13 or the re-imaging region is increased due to the expansion of the confocal volume CV, the light beam passes through the lenses 30a and 30b and travels toward the incident end 15a of the optical fiber. In some cases, the diameter of the optical fiber increases and becomes larger than the diameter of the light receiving surface of the incident end 15a of the optical fiber. For example, in a typical device example, the diameter of the pinhole 13 is set to about 50 μm, and an optical fiber having a core diameter of about 100 μm is used. In that case, even if the diameter of the pinhole 13 is increased to 100 μm, the light beam that has passed through the pinhole 13 is transmitted into the optical fiber without protruding from the light receiving surface (FIGS. ii)). However, when the diameter of the pinhole 13 is enlarged to exceed 100 μm, for example, when the diameter is set to 200 μm, the light beam that has passed through the pinhole 13 protrudes from the light receiving surface of the optical fiber at the peripheral portion thereof. (FIG. 4 (B) (iii)). In other words, the size of the confocal volume CV is limited to the diameter of the light receiving surface of the optical fiber. Therefore, even if the diameter of the pinhole 13 is enlarged to some extent (for example, even if the diameter is increased to 200 μm), the light beam that has passed through the pinhole 13 is transmitted into the optical fiber without protruding from the light receiving surface. In order to do so, it is necessary to use an optical fiber having a larger core diameter at the incident end (FIGS. 4B and 4Iv).

しかしながら、上記の共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いた光分析装置に於いて、通常、マルチモード光ファイバーは、両端のコア径が等しいものが使用される(例えば、ファイバガイド・インダストリーズ社(Fiberguide Industries (New Jersey USA)のSFS100TO110Nなど)。そして、コア径が大きい光ファイバーから出射される光線の径も大きくなる。従って、コンフォーカル・ボリュームCV及び/又はピンホール13の口径の拡大に対応して、コア径の大きいマルチモード光ファイバーを使用すると、ピンホール13から光ファイバーの入射端への光学的連結に於いては、光線が光ファイバー内へその受光面からはみ出さずに伝達されるが、光ファイバーの出射端から光検出器の受光面への光学的連結に於いて、図4(B)に関連して説明された状況と同様に、光線が光検出器の受光面からはみ出ることが起き得る。この点に関し、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いた光分析装置に於いては、光検出器として、典型的には、受光面の径が180μm程度のAPDの標準品が使用されている(例えば、パーキン・オプトエレクトロニクス社(Perkin Optoelectronics(Fremont CA, USA)のSPCM-AQRH-13など)。かかるAPDの受光部分の標準的な仕様に於いては、通常、例えば、FCコネクタ等に適合するコア径が100μmのマルチモード光ファイバーを接続可能となるよう規格化されており、そのようなAPDの受光部分にマルチモード光ファイバーを取り付けたときに、光ファイバーの出射端から光検出器の受光面への光学的連結が、光線が光検出器の受光面からはみ出ることなく、達成されるよう最適化して設計されている(図2(B)参照)。従って、もしコア径が100μmを超えるマルチモード光ファイバーをAPDの受光部分に接続すると、光線が光検出器の受光面からはみ出得ることとなる。かかる問題を解決する一つの手法は、受光面が標準品よりも大きいAPDを採用することであるが、受光面が標準品よりも大きいAPDは、非常に高価であり、光分析装置のコストを増大することとなる。   However, in the optical analyzer using the optical system of the confocal microscope or the multiphoton microscope described above, normally, multimode optical fibers having the same core diameter at both ends are used (for example, Fiber Guide Industries, Inc.). (SFS100TO110N from Fiberguide Industries (New Jersey USA) etc.) And the diameter of the light beam emitted from the optical fiber with a large core diameter is also increased, so it is possible to cope with the enlargement of the confocal volume CV and / or the pinhole 13 When a multimode optical fiber having a large core diameter is used, in the optical connection from the pinhole 13 to the incident end of the optical fiber, the light beam is transmitted into the optical fiber without protruding from the light receiving surface. In the optical connection from the emission end of the optical fiber to the light receiving surface of the photodetector, FIG. As with the situation described in connection with), it is possible for light rays to protrude from the light-receiving surface of the photodetector, in this regard, in an optical analyzer using a confocal microscope or a multiphoton microscope optical system. As a photodetector, typically, an APD standard product having a light receiving surface diameter of about 180 μm is used (for example, SPCM- of Perkin Optoelectronics (Fremont CA, USA)). AQRH-13 etc.) The standard specification of the light receiving part of such APD is usually standardized so that, for example, a multi-mode optical fiber with a core diameter of 100 μm suitable for an FC connector can be connected. When a multi-mode optical fiber is attached to the light receiving part of such an APD, the optical connection from the light emitting end of the optical fiber to the light receiving surface of the photodetector is such that the light beam passes from the light receiving surface of the photodetector. (See Fig. 2 (B).) Therefore, if a multimode optical fiber with a core diameter of more than 100 µm is connected to the light receiving portion of the APD, the light beam will be detected by a photodetector. One method for solving this problem is to use an APD whose light receiving surface is larger than the standard product, but an APD having a light receiving surface larger than the standard product is very It is expensive and increases the cost of the optical analyzer.

そこで、本発明に於いては、ピンホール13から光検出器の受光面までの光学的連結のための光ファイバーとして、図4(C)に模式的に例示されている如き、一方の端のコア径が他方の端のコア径よりも大きく、コア径が徐々に変化しているにもかかわらず、光の伝播のロスが生じないように設計されたテーパ型マルチモード光ファイバーが採用される。その使用に於いては、コア径の大きい端15aがピンホール13側の取付固定部14aに接続され、コア径の小さい端15bが光検出器16側の取付固定部16aに接続される(図2(A)参照)。そうすると、ピンホール13の口径を通常の口径(例えば、100μm)よりも拡大した場合でも、光ファイバーのピンホール13側の端では、ピンホール13からの光線が、光ファイバー内へその受光面からはみ出ることなく導入され、光ファイバーの光検出器16側の端でも、出射した光線が光検出器の受光面へそこからはみ出ることなく入射されることとなる。これにより、コンフォーカル・ボリュームCVの拡大に対する制限を緩和することが可能となり、試料溶液中の発光粒子の濃度が低い場合に、適宜、コンフォーカル・ボリュームCVを拡大して、短時間に良好な精度にて計測結果が得られることとなる。なお、上記の如きテーパ型マルチモード光ファイバーは、既に光通信等の分野にて利用され市販されており(例えば、ファイバガイド・インダストリーズ社(Fiberguide Industries (New Jersey USA)のSFT200TO100Yなど)、比較的廉価にて入手可能なので、光分析装置のコストの大幅な増大が回避される。   Therefore, in the present invention, as an optical fiber for optical connection from the pinhole 13 to the light receiving surface of the photodetector, a core at one end as schematically illustrated in FIG. A tapered multi-mode optical fiber designed so as not to cause a loss of light propagation despite the fact that the diameter is larger than the core diameter at the other end and the core diameter gradually changes is employed. In its use, the end 15a having the larger core diameter is connected to the mounting fixing portion 14a on the pinhole 13 side, and the end 15b having the smaller core diameter is connected to the mounting fixing portion 16a on the photodetector 16 side (see FIG. 2 (A)). Then, even when the diameter of the pinhole 13 is larger than the normal diameter (for example, 100 μm), the light beam from the pinhole 13 protrudes from the light receiving surface into the optical fiber at the end of the optical fiber on the pinhole 13 side. Thus, even at the end of the optical fiber on the side of the photodetector 16, the emitted light beam is incident on the light receiving surface of the photodetector without protruding therefrom. As a result, the restriction on the expansion of the confocal volume CV can be relaxed, and when the concentration of the luminescent particles in the sample solution is low, the confocal volume CV can be appropriately expanded to be good in a short time. Measurement results can be obtained with high accuracy. The tapered multi-mode optical fiber as described above is already used and marketed in the field of optical communications (for example, SFT200TO100Y of Fiberguide Industries (New Jersey USA)) and is relatively inexpensive. Therefore, a significant increase in the cost of the optical analyzer is avoided.

走査分子計数法
本発明の構成は、既に述べた如く、走査分子計数法、FCS、FIDA、PCHといった光分析技術を実行する装置に於いて適用される。本明細書に於いては、走査分子計数法に適用した場合について説明する。以下、「走査分子計数法」の原理及び具体的操作について概説する。
Scanning Molecule Counting The configuration of the present invention is applied to an apparatus that executes a scanning molecule counting method, an optical analysis technique such as FCS, FIDA, PCH, as already described. In this specification, a case where the present invention is applied to the scanning molecule counting method will be described. The principle and specific operation of the “scanning molecule counting method” will be outlined below.

1.走査分子計数法の原理
FCS、FIDA等の分光分析技術は、従前の生化学的な分析技術に比して、必要な試料量が極めて少なく、且つ、迅速に検査が実行できる点で優れている。しかしながら、FCS、FIDA等の分光分析技術では、原理的に、発光粒子の特性は、蛍光強度のゆらぎに基づいて算定されるので、精度のよい測定結果を得るためには、試料溶液中の発光粒子の濃度又は数密度が、蛍光強度の計測中に常に一個程度の発光粒子が光検出領域CV内に存在するレベルであり、計測時間中に常に有意な光強度が検出されることが要求される。もし発光粒子の濃度又は数密度がそれよりも低い場合、発光粒子がたまにしか光検出領域CV内へ進入しないレベルである場合には、有意な光強度の信号が、計測時間の一部にしか現れないこととなり、精度のよい光強度のゆらぎの算定が困難となる。また、計測中に常に一個程度の発光粒子が光検出領域内に存在するレベルよりも発光粒子の濃度が大幅に低い場合には、光強度のゆらぎの演算に於いて、バックグラウンドの影響を受けやすくなると共に、演算に十分な量の有意な光強度データを得るために計測時間が長くなる。
1. Principle of scanning molecule counting method The spectroscopic analysis technology such as FCS and FIDA is superior to the conventional biochemical analysis technology in that it requires a very small amount of sample and can perform inspection quickly. ing. However, in the spectroscopic analysis techniques such as FCS and FIDA, in principle, the characteristics of the luminescent particles are calculated based on the fluctuation of the fluorescence intensity. Therefore, in order to obtain an accurate measurement result, the luminescence in the sample solution is obtained. The concentration or number density of the particles is a level at which about one luminescent particle is always present in the light detection region CV during the measurement of the fluorescence intensity, and it is required that a significant light intensity is always detected during the measurement time. The If the concentration or number density of the luminescent particles is lower than that, and if the luminescent particles are at a level that only occasionally enters the light detection region CV, a signal with a significant light intensity is only part of the measurement time. Therefore, it is difficult to calculate the fluctuation of the light intensity with high accuracy. Also, if the concentration of the luminescent particles is much lower than the level at which about one luminescent particle is always present in the light detection area during measurement, the light intensity fluctuation is affected by the background. The measurement time is increased in order to obtain significant light intensity data sufficient for calculation.

そこで、本願出願人は、特願2010−044714及びPCT/JP2011/53481に於いて、発光粒子の濃度が、上記の如きFCS、FIDA等の分光分析技術にて要求されるレベルよりも低い場合でも、発光粒子の特性の検出を可能にする新規な原理に基づく「走査分子計数法」を提案した。   Therefore, the applicant of the present application disclosed in Japanese Patent Application No. 2010-044714 and PCT / JP2011 / 53481 even when the concentration of the luminescent particles is lower than the level required by the above-described spectroscopic analysis techniques such as FCS and FIDA. We proposed a "scanning molecule counting method" based on a novel principle that enables the detection of the properties of luminescent particles.

走査分子計数法に於いて実行される処理としては、端的に述べれば、光検出領域の位置を移動するための機構(ミラー偏向器17)を駆動して光路を変更し、図1(C)にて模式的に描かれているように、試料溶液内に於いて光検出領域CVの位置を移動しながら、即ち、光検出領域CVにより試料溶液内を走査しながら、光検出が実行される。そうすると、例えば、図3(A)の如く、光検出領域CVが移動する間(図中、時間to〜t2)に於いて1つの発光粒子の存在する領域を通過する際(t1)には、発光粒子から光が放出され、図3(B)に描かれている如き時系列の光強度データ上に有意な光強度(Em)のパルス状の信号が出現することとなる。かくして、上記の光検出領域CVの位置の移動と光検出を実行し、その間に出現する図3(B)に例示されている如きパルス状の信号(有意な光強度)を一つずつ検出することによって、発光粒子が個別に検出され、発光粒子の特性に関する情報が取得できることとなる。かかる走査分子計数法の原理に於いては、蛍光強度のゆらぎの算出の如き統計的な演算処理は行われず、発光粒子が一つずつ検出されるので、FCS、FIDA等では十分な精度にて分析ができないほど、観測されるべき粒子の濃度が低い試料溶液でも、粒子の特性に関する情報が取得可能である。   As a process executed in the scanning molecule counting method, in brief, a mechanism (mirror deflector 17) for moving the position of the light detection region is driven to change the optical path, and FIG. As schematically depicted in FIG. 2, light detection is performed while moving the position of the light detection region CV in the sample solution, that is, while scanning the sample solution by the light detection region CV. . Then, for example, as shown in FIG. 3A, when the light detection region CV moves (time to to t2 in the drawing) and passes through the region where one luminescent particle exists (t1), Light is emitted from the luminescent particles, and a pulse-like signal having a significant light intensity (Em) appears on the time-series light intensity data as illustrated in FIG. Thus, the movement of the position of the light detection region CV and the light detection are performed, and pulse-like signals (significant light intensity) appearing in the meantime illustrated in FIG. 3B are detected one by one. Thus, the luminescent particles are individually detected, and information on the characteristics of the luminescent particles can be acquired. In the principle of the scanning molecule counting method, statistical calculation processing such as calculation of fluctuations in fluorescence intensity is not performed, and luminescent particles are detected one by one. Therefore, FCS, FIDA, etc. have sufficient accuracy. Information on the characteristics of the particles can be obtained even in a sample solution in which the concentration of particles to be observed is so low that analysis is impossible.

2.走査分子計数法の処理操作過程
図1(A)に例示の光分析装置1を用いた走査分子計数法に於いては、具体的には、(1)発光粒子を含む試料溶液の調製過程、(2)試料溶液の光強度の測定処理過程、及び(3)測定された光強度の分析処理過程が実行される。図5は、フローチャートの形式にて表した本実施形態に於ける処理過程を示している。
2. Processing Operation Process of Scanning Molecule Counting Method In the scanning molecule counting method using the optical analyzer 1 illustrated in FIG. 1A, specifically, (1) a sample solution preparation process including luminescent particles, (2) The light intensity measurement process of the sample solution and (3) the measured light intensity analysis process are executed. FIG. 5 shows a processing process in the present embodiment expressed in the form of a flowchart.

(1)試料溶液の調製
本発明に於いて観測対象となる粒子は、溶解された分子等の、試料溶液中にて分散し溶液中にてランダムに運動する粒子であれば、任意のものであってよく、例えば、タンパク質、ペプチド、核酸、脂質、糖鎖、アミノ酸若しくはこれらの凝集体などの生体分子、ウイルス、細胞、或いは、金属コロイド、その他の非生物学的粒子などであってよい(試料溶液は、典型的には水溶液であるが、これに限定されず、有機溶媒その他の任意の液体であってよい。)。また、観測対象となる粒子は、それ自体が発光する粒子であってもよく、或いは、発光標識(蛍光分子、りん光分子)が任意の態様にて付加された粒子であってよい。
(1) Preparation of sample solution The particles to be observed in the present invention may be any particles as long as they are dispersed in the sample solution and move randomly in the solution, such as dissolved molecules. For example, it may be a biomolecule such as a protein, peptide, nucleic acid, lipid, sugar chain, amino acid or aggregate thereof, virus, cell, metal colloid, or other non-biological particle ( The sample solution is typically an aqueous solution, but is not limited thereto, and may be an organic solvent or any other liquid. In addition, the particles to be observed may be particles that emit light themselves, or may be particles to which a light emitting label (fluorescent molecule, phosphorescent molecule) is added in an arbitrary manner.

(2)試料溶液の光強度の測定
本実施形態の走査分子計数法による光強度の測定処理過程では、ミラー偏向器17を駆動して、試料溶液内での光検出領域の位置の移動(試料溶液内の走査)を行いながら、光強度の測定が為される(図5−ステップ100)。操作処理に於いて、典型的には、マイクロプレート9のウェル10に試料溶液を注入して顕微鏡のステージ上に載置した後、使用者がコンピュータ18に対して、測定の開始の指示を入力すると、コンピュータ18は、記憶装置(図示せず)に記憶されたプログラムに従って、試料溶液内の光検出領域に於ける励起光の照射及び光強度の計測が開始される。計測が開始されると、まず、コンピュータ18のプログラムに従った処理動作の制御下、光源2から、試料溶液中の発光粒子の励起波長の光が出射されると共に、ミラー偏向器17がミラー7(ガルバノミラー)を駆動して、ウェル10内に於いて光検出領域の位置の移動を実行し、これと同時に光検出器16は、それぞれ、逐次的に検出された光を電気信号に変換してコンピュータ18へ送信し、コンピュータ18は、任意の態様にて、送信された信号から時系列の光強度データを生成して保存する。典型的には、光検出器16は、一光子の到来を検出できる超高感度光検出器であるので、光の検出は、所定時間に亘って、逐次的に、所定の単位時間毎(BIN TIME)に、例えば、10μ秒毎に光検出器に到来するフォトンの数を計測する態様にて実行されるフォトンカウンティングであり、時系列の光強度のデータは、時系列のフォトンカウントデータであってよい。
(2) Measurement of light intensity of sample solution In the process of measuring light intensity by the scanning molecule counting method of this embodiment, the mirror deflector 17 is driven to move the position of the light detection region in the sample solution (sample The light intensity is measured while performing scanning within the solution (FIG. 5-Step 100). In the operation process, typically, after injecting the sample solution into the well 10 of the microplate 9 and placing it on the stage of the microscope, the user inputs an instruction to start measurement to the computer 18. Then, the computer 18 starts irradiation of excitation light and measurement of light intensity in the light detection region in the sample solution according to a program stored in a storage device (not shown). When the measurement is started, first, under the control of the processing operation according to the program of the computer 18, light having the excitation wavelength of the luminescent particles in the sample solution is emitted from the light source 2, and the mirror deflector 17 is moved to the mirror 7. (Galvanomirror) is driven to move the position of the light detection region in the well 10, and at the same time, the photodetector 16 sequentially converts the detected light into an electric signal. The computer 18 generates and stores time-series light intensity data from the transmitted signal in an arbitrary manner. Typically, the photodetector 16 is an ultra-sensitive photodetector that can detect the arrival of one photon, so that the light detection is performed sequentially over a predetermined period of time at a predetermined unit time (BIN). TIME), for example, photon counting executed in a mode in which the number of photons arriving at the photodetector every 10 μsec is measured, and the time-series light intensity data is time-series photon count data. It's okay.

光検出領域の位置の移動速度に関して、走査分子計数法に於いて、計測された時系列の光強度データからの発光粒子の個別の検出を、定量的に精度よく実行するために、好適には、光強度の計測中の光検出領域の位置の移動速度は、発光粒子のランダムな運動、即ち、ブラウン運動による移動速度よりも速い値に設定される。光検出領域の位置の移動速度が粒子のブラウン運動による移動に比して遅い場合には、図6(A)に模式的に描かれている如く、粒子が領域内をランダムに移動し、これにより、光強度がランダムに変化し(光検出領域の励起光強度は、領域の中心を頂点として外方に向かって低減する。)、個々の発光粒子に対応する有意な光強度の変化(発光粒子からの光を表す信号)を特定することが困難となる。そこで、好適には、図6(B)に描かれている如く、粒子が光検出領域CVを略直線に横切り、これにより、時系列の光強度データに於いて、個々の粒子に対応する光強度の変化のプロファイルが、図6(C)最上段に例示されている如く励起光強度分布と略同様の略釣鐘状となって、個々の発光粒子と光強度との対応が容易に特定できるように、光検出領域の位置の移動速度は、粒子のブラウン運動による平均の移動速度(拡散移動速度)よりも速く設定される。   Regarding the moving speed of the position of the light detection region, in order to carry out the individual detection of the luminescent particles from the measured time-series light intensity data quantitatively and accurately in the scanning molecule counting method, preferably The moving speed of the position of the light detection region during the measurement of the light intensity is set to a value faster than the random movement of the luminescent particles, that is, the moving speed due to the Brownian movement. When the moving speed of the position of the light detection region is slower than the movement of the particle due to Brownian motion, the particle moves randomly within the region as schematically illustrated in FIG. As a result, the light intensity changes randomly (the excitation light intensity in the light detection region decreases outward with the center of the region as the apex), and significant light intensity changes corresponding to individual light emitting particles (light emission) It is difficult to specify the signal representing the light from the particles. Therefore, preferably, as shown in FIG. 6B, the particles cross the light detection region CV in a substantially straight line, whereby light corresponding to each particle in the time-series light intensity data is obtained. As illustrated in the uppermost part of FIG. 6C, the intensity change profile has a substantially bell shape substantially the same as the excitation light intensity distribution, and the correspondence between the individual luminescent particles and the light intensity can be easily specified. As described above, the moving speed of the position of the light detection region is set faster than the average moving speed (diffusion moving speed) due to the Brownian motion of the particles.

具体的には、拡散係数Dを有する発光粒子がブラウン運動によって半径Woの光検出領域(コンフォーカルボリューム)を通過するときに要する時間Δτは、平均二乗変位の関係式
(2Wo)=6D・Δτ …(1)
から、
Δτ=(2Wo)/6D …(2)
となるので、発光粒子がブラウン運動により移動する速度(拡散移動速度)Vdifは、概ね、
Vdif=2Wo/Δτ=3D/Wo …(3)
となる。そこで、光検出領域の位置の移動速度は、かかるVdifを参照して、それよりも十分に早い値に設定されてよい。例えば、発光粒子の拡散係数が、D=2.0×10−10/s程度であると予想される場合には、Woが、0.62μm程度だとすると、Vdifは、1.0×10−3m/sとなるので、光検出領域の位置の移動速度は、その略10倍以上の15mm/sなどと設定されてよい。なお、発光粒子の拡散係数が未知の場合には、光検出領域の位置の移動速度を種々設定して光強度の変化のプロファイルが、予想されるプロファイル(典型的には、励起光強度分布と略同様)となる条件を見つけるための予備実験を繰り返し実行して、好適な光検出領域の位置の移動速度が決定されてよい。
Specifically, the time Δτ required for the light-emitting particles having the diffusion coefficient D to pass through the photodetection region (confocal volume) having the radius Wo by Brownian motion is expressed by a relational expression (2Wo) 2 = 6D · Δτ (1)
From
Δτ = ( 2 Wo) 2 / 6D (2)
Therefore, the speed (diffusion movement speed) Vdif at which the luminous particles move by Brownian motion is approximately
Vdif = 2Wo / Δτ = 3D / Wo (3)
It becomes. Therefore, the moving speed of the position of the light detection region may be set to a value sufficiently faster than that with reference to the Vdif. For example, when the diffusion coefficient of the luminescent particles is expected to be about D = 2.0 × 10 −10 m 2 / s, assuming that Wo is about 0.62 μm, Vdif is 1.0 × 10 Since −3 m / s, the moving speed of the position of the light detection region may be set to 15 mm / s, which is approximately 10 times or more. In addition, when the diffusion coefficient of the luminescent particles is unknown, various movement speeds of the position of the light detection region are set, and the profile of the change in light intensity is expected to be expected (typically, the excitation light intensity distribution and Preliminary experiments for finding conditions that are substantially the same) may be repeatedly performed to determine a suitable moving speed of the position of the light detection region.

なお、既に述べた如く、試料溶液中の発光粒子濃度が低いほど、単位時間当たりに検出される発光粒子からの光の信号の数が低減することとなる。そうすると、例えば、試料溶液中の発光粒子の濃度又は数密度を精度よく計測しようとする場合、或る程度の数の発光粒子の信号を取得する必要があるところ、試料溶液中の発光粒子濃度が低いときには、かかる数の発光粒子の信号を取得するまでに要する計測時間が長くなる。そこで、本発明に於いては、上記の如く、計測時間の短縮を図るべく、コンフォーカル・ボリューム(光検出領域)の拡大を行われると共に、ピンホール13から光検出器16までの光路に於いて、光ファイバーの入射端及び光検出器16の受光面ではみ出ることのないように、光ファイバー15として、テーパ型マルチモード光ファイバーが装置1に取り付けられる。その際、既に述べた如く、コア径の大きい端15aがピンホール13側の取付固定部14aに接続され、コア径の小さい端15bが光検出器16側の取付固定部16aに接続される。   As already described, the lower the concentration of luminescent particles in the sample solution, the lower the number of light signals from the luminescent particles detected per unit time. Then, for example, when it is intended to accurately measure the concentration or number density of the luminescent particles in the sample solution, it is necessary to acquire a signal of a certain number of luminescent particles, and the concentration of the luminescent particles in the sample solution is When it is low, the measurement time required to acquire signals of such a number of luminescent particles becomes long. Therefore, in the present invention, as described above, in order to shorten the measurement time, the confocal volume (light detection region) is expanded and the optical path from the pinhole 13 to the light detector 16 is increased. In addition, a tapered multimode optical fiber is attached to the apparatus 1 as the optical fiber 15 so as not to protrude from the incident end of the optical fiber and the light receiving surface of the photodetector 16. At this time, as already described, the end 15a having the larger core diameter is connected to the mounting / fixing portion 14a on the pinhole 13 side, and the end 15b having the smaller core diameter is connected to the mounting / fixing portion 16a on the photodetector 16 side.

(3)光強度の分析
上記の処理により試料溶液中の発光粒子の時系列の光強度データが得られると、コンピュータ18に於いて、記憶装置に記憶されたプログラムに従った処理により、光強度データ上に於ける発光粒子からの光に対応する信号の検出、発光粒子濃度の算出等の分析が実行される。
(3) Analysis of light intensity When time-series light intensity data of the luminescent particles in the sample solution is obtained by the above processing, the light intensity is obtained by the computer 18 according to a program stored in the storage device. Analysis such as detection of a signal corresponding to light from the luminescent particles in the data and calculation of the concentration of the luminescent particles is performed.

(i)発光粒子に対応する信号の検出
時系列の光強度データに於いて、一つの発光粒子の光検出領域を通過する際の軌跡が、図6(B)に示されている如く略直線状である場合、その粒子に対応する信号に於ける光強度の変化は、(光学系により決定される)光検出領域内の光強度分布を反映した略釣鐘状のプロファイルを有する(図6(C)最上段参照)。従って、走査分子計数法では、基本的には、適宜設定される閾値を超える光強度が継続する時間幅が所定の範囲にあるとき、その光強度のプロファイルを有する信号が一つの粒子が光検出領域を通過したことに対応すると判定され、一つの発光粒子の検出が為されるようになっていてよい。そして、閾値を超える光強度が継続する時間幅が所定の範囲にない信号は、ノイズ又は異物の信号として判定される。また、光検出領域の光強度分布が、ガウス分布:
I=A・exp(−2t/a) …(4)
であると仮定できるときには、有意な光強度のプロファイル(バックグラウンドでないと明らかに判断できるプロファイル)に対して式(4)をフィッティングして算出された強度A及び幅aが所定の範囲内にあるとき、その光強度のプロファイルが一つの粒子が光検出領域を通過したことに対応すると判定され、一つの発光粒子の検出が為されてよい。(強度A及び幅aが所定の範囲外にある信号は、ノイズ又は異物の信号として判定され、その後の分析等に於いて無視されてよい。)
(I) Detection of signal corresponding to luminescent particles In the time-series light intensity data, the locus of one luminescent particle passing through the light detection region is a substantially straight line as shown in FIG. The light intensity change in the signal corresponding to the particle has a substantially bell-shaped profile reflecting the light intensity distribution in the light detection region (determined by the optical system) (FIG. 6 ( C) See top row). Therefore, in the scanning molecule counting method, basically, when the time duration in which the light intensity exceeds an appropriately set threshold value is within a predetermined range, a signal having the light intensity profile is detected as one particle. It may be determined that it corresponds to having passed through the region, and one luminescent particle may be detected. Then, a signal whose duration of light intensity exceeding the threshold is not within a predetermined range is determined as a noise or foreign matter signal. Also, the light intensity distribution in the light detection area is Gaussian distribution:
I = A · exp (−2t 2 / a 2 ) (4)
Can be assumed that the intensity A and the width a calculated by fitting the expression (4) to a significant light intensity profile (a profile that can be clearly determined not to be background) are within a predetermined range. In some cases, it may be determined that the light intensity profile corresponds to the passage of one particle through the light detection region, and one luminescent particle may be detected. (A signal whose intensity A and width a are outside the predetermined range is determined as a noise or foreign object signal and may be ignored in the subsequent analysis or the like.)

時系列光強度データからの発光粒子の一括的な検出を行う処理方法の一つの例としては、まず、時系列光強度データ(図5(A)、最上段「検出結果(未処理)」)に対して、スムージング(平滑化)処理が為される(図5−ステップ110、図6(C)中上段「スムージング」)。発光粒子の発する光は確率的に放出されるものであり、微小な時間に於いてデータ値の欠落が生じ得るため、かかるスムージング処理によって、前記の如きデータ値の欠落を無視できることとなる。スムージング処理は、例えば、移動平均法等により為されてよい。なお、スムージング処理を実行する際のパラメータ、例えば、移動平均法に於いて一度に平均するデータ点数や移動平均の回数など、は、光強度データ取得時の光検出領域の位置の移動速度(走査速度)、BIN TIMEに応じて適宜設定されてよい。   As an example of a processing method for collectively detecting luminescent particles from time-series light intensity data, first, time-series light intensity data (FIG. 5A, uppermost “detection result (unprocessed)”) Then, a smoothing (smoothing) process is performed (FIG. 5-step 110, upper part “smoothing” in FIG. 6C). The light emitted by the luminescent particles is probabilistically emitted, and data values may be lost in a very short time. Therefore, such a data value loss can be ignored by the smoothing process. The smoothing process may be performed by, for example, a moving average method. It should be noted that the parameters for executing the smoothing process, such as the number of data points averaged at a time in the moving average method and the number of moving averages, are the moving speed (scanning of the position of the light detection region at the time of acquiring the light intensity data). Speed) and BIN TIME may be set as appropriate.

次いで、スムージング処理後の時系列光強度データに於いて、有意なパルス状の信号(以下、「パルス信号」と称する。)が存在する時間領域(パルス存在領域)を検出するために、スムージング処理後の時系列光強度データの時間についての一次微分値が演算される(ステップ120)。時系列光強度データの時間微分値は、図6(C)中下段「時間微分」に例示されている如く、信号値の変化時点に於ける値の変化が大きくなるので、かかる時間微分値を参照することによって、有意な信号の始点と終点を有利に決定することができる。   Next, in the time-series light intensity data after the smoothing process, a smoothing process is performed in order to detect a time region (pulse existing region) where a significant pulse-like signal (hereinafter referred to as “pulse signal”) exists. A first derivative value with respect to time of the subsequent time-series light intensity data is calculated (step 120). The time differential value of the time-series light intensity data has a large change in the value at the time of change of the signal value, as illustrated in the lower “time differential” in FIG. By reference, significant signal start and end points can be advantageously determined.

しかる後、時系列光強度データ上に於いて、逐次的に、有意なパルス信号を検出し、検出された信号が発光粒子に対応する信号であるか否かが判定される。具体的には、まず、時系列光強度データの時系列の時間微分値データ上にて、逐次的に時間微分値を参照して、一つのパルス信号の始点と終点とが探索され決定され、パルス存在領域が特定される(ステップ130)。一つのパルス存在領域が特定されると、そのパルス存在領域に於けるスムージングされた時系列光強度データに対して、釣鐘型関数のフィッティングが行われ(図6(C)下段「釣鐘型関数フィッティング」)、釣鐘型関数のパルスのピーク(最大値)の強度Ipeak、パルス幅(半値全幅)Wpeak、フィッティングに於ける(最小二乗法の)相関係数等のパラメータが算出される(ステップ140)。なお、フィッティングされる釣鐘型関数は、典型的には、ガウス関数であるが、ローレンツ型関数であってもよい。そして、算出された釣鐘型関数のパラメータが、一つの発光粒子が光検出領域を通過したときに検出されるパルス信号が描く釣鐘型のプロファイルのパラメータについて想定される範囲内にあるか否か、即ち、パルスのピーク強度、パルス幅、相関係数が、それぞれ、所定範囲内にあるか否か等が判定される(ステップ150)。かくして、図7左に示されている如く、算出された釣鐘型関数のパラメータが一つの発光粒子に対応する信号に於いて想定される範囲内にあると判定された信号は、一つの発光粒子に対応する信号であると判定され、これにより、一つの発光粒子が検出されたこととなる。一方、図7右に示されている如く、算出された釣鐘型関数のパラメータが想定される範囲内になかったパルス信号は、ノイズとして無視される。   Thereafter, a significant pulse signal is sequentially detected on the time-series light intensity data, and it is determined whether or not the detected signal is a signal corresponding to the luminescent particles. Specifically, first, on the time-series time differential value data of the time-series light intensity data, with reference to the time differential value sequentially, the start point and the end point of one pulse signal are searched and determined, A pulse presence region is identified (step 130). When one pulse existence region is specified, a bell-shaped function fitting is performed on the smoothed time-series light intensity data in the pulse existence region (see FIG. 6C, “bottom-shaped function fitting”). )), Parameters such as the peak peak (maximum value) intensity Ipeak, the pulse width (full width at half maximum) Wpeak, and the correlation coefficient (of the least squares method) in the fitting (step 140). . The bell-shaped function to be fitted is typically a Gaussian function, but may be a Lorentz-type function. Whether or not the calculated bell-shaped function parameter is within a range assumed for the bell-shaped profile parameter drawn by the pulse signal detected when one luminescent particle passes through the light detection region, That is, it is determined whether or not the peak intensity, pulse width, and correlation coefficient of the pulse are within predetermined ranges (step 150). Thus, as shown in the left of FIG. 7, the signal determined that the calculated bell-shaped function parameter is within the range assumed in the signal corresponding to one luminescent particle is one luminescent particle. Thus, one luminescent particle is detected. On the other hand, as shown in the right of FIG. 7, a pulse signal whose calculated bell-shaped function parameter is not within the assumed range is ignored as noise.

上記のステップ130〜150の処理に於けるパルス信号の探索及び判定は、時系列光強度データの全域に渡って繰り返し実行されてよい(ステップ160)。なお、時系列光強度データから発光粒子の信号を個別に検出する処理は、上記の手順に限らず、任意の手法により実行されてよい。   The search and determination of the pulse signal in the processing of steps 130 to 150 may be repeatedly executed over the entire area of the time-series light intensity data (step 160). In addition, the process which detects the signal of a luminescent particle separately from time series light intensity data is not restricted to said procedure, You may perform by arbitrary methods.

(ii)発光粒子濃度の決定
更に、検出された発光粒子の信号の数を計数して、発光粒子の数の決定が為されてもよい(発光粒子のカウンティング)。また、任意の手法にて、光検出領域の通過した領域の総体積が算定されれば、その体積値と発光粒子の数とから試料溶液中の発光粒子の数密度又は濃度が決定される(ステップ170)。
(Ii) Determination of Luminescent Particle Concentration Further, the number of luminescent particles may be determined by counting the number of detected luminescent particle signals (counting of luminescent particles). Further, if the total volume of the region through which the light detection region passes is calculated by an arbitrary method, the number density or concentration of the luminescent particles in the sample solution is determined from the volume value and the number of luminescent particles ( Step 170).

光検出領域の通過した領域の総体積は、励起光又は検出光の波長、レンズの開口数、光学系の調整状態に基づいて理論的に算定されてもよいが、実験的に、例えば、発光粒子の濃度が既知の溶液(対照溶液)について、検査されるべき試料溶液の測定と同様の条件にて、上記に説明した光強度の測定、発光粒子の検出及びカウンティングを行うことにより検出された発光粒子の数と、対照溶液の発光粒子の濃度とから決定されるようになっていてよい。具体的には、例えば、発光粒子の濃度Cの対照溶液について、対照溶液の発光粒子の検出数がNであったとすると、光検出領域の通過した領域の総体積Vtは、
Vt=N/C …(5)
により与えられる。また、対照溶液として、発光粒子の複数の異なる濃度の溶液が準備され、それぞれについて測定が実行されて、算出されたVtの平均値が光検出領域の通過した領域の総体積Vtとして採用されるようになっていてよい。そして、Vtが与えられると、発光粒子のカウンティング結果がnの試料溶液の発光粒子の濃度cは、
c=n/Vt …(6)
により与えられる。なお、光検出領域の体積、光検出領域の通過した領域の総体積は、上記の方法によらず、任意の方法にて、例えば、FCS、FIDAを利用するなどして与えられるようになっていてよい。また、本実施形態の光分析装置に於いては、想定される光検出領域の移動パターンについて、種々の標準的な発光粒子についての濃度Cと発光粒子の数Nとの関係(式(5))の情報をコンピュータ18の記憶装置に予め記憶しておき、装置の使用者が光分析を実施する際に適宜記憶された関係の情報を利用できるようになっていてよい。
The total volume of the region through which the light detection region passes may be theoretically calculated based on the wavelength of the excitation light or detection light, the numerical aperture of the lens, and the adjustment state of the optical system. A solution having a known particle concentration (control solution) was detected by measuring the light intensity, detecting the luminescent particles, and counting as described above under the same conditions as the measurement of the sample solution to be examined. It may be determined from the number of luminescent particles and the concentration of luminescent particles in the control solution. Specifically, for example, for a control solution having a concentration C of luminescent particles, if the number of detected luminescent particles in the control solution is N, the total volume Vt of the region through which the photodetection region has passed is
Vt = N / C (5)
Given by. In addition, as a control solution, a plurality of solutions having different concentrations of luminescent particles are prepared, measurement is performed for each, and the calculated average value of Vt is adopted as the total volume Vt of the region through which the light detection region has passed. It may be like this. When Vt is given, the concentration c of the luminescent particles in the sample solution whose counting result of the luminescent particles is n is
c = n / Vt (6)
Given by. The volume of the light detection region and the total volume of the region through which the light detection region has passed are given by any method, for example, using FCS or FIDA, without depending on the above method. It's okay. Further, in the optical analyzer of the present embodiment, the relationship between the concentration C of various standard luminescent particles and the number N of luminescent particles (formula (5)) with respect to the assumed movement pattern of the light detection region. ) May be stored in advance in the storage device of the computer 18 so that the user can use the information stored as appropriate when the user of the device performs optical analysis.

かくして、上記の本発明によれば、光検出領域により試料溶液中にて走査して発光粒子を個別に検出する走査分子計数法に於いて、試料溶液中の発光粒子のカウンティング、濃度の決定等が可能となる。   Thus, according to the present invention described above, in the scanning molecule counting method in which the luminescent particles are individually detected by scanning in the sample solution by the light detection region, counting of the luminescent particles in the sample solution, determination of the concentration, etc. Is possible.

上記に説明した本発明の有効性を検証するために、以下の如き実験を行った。なお、以下の実施例は、本発明の有効性を例示するものであって、本発明の範囲を限定するものではないことは理解されるべきである。   In order to verify the effectiveness of the present invention described above, the following experiment was conducted. It should be understood that the following examples illustrate the effectiveness of the present invention and do not limit the scope of the present invention.

試料溶液として、リン酸緩衝液(0.1% Pluronic F−127を含む)中に、蛍光色素ATTO633を、濃度が10pMとなるように、溶解した溶液をそれぞれ調製した。次に、調製した試料溶液30μLをマイクロプレートのウェルに分注した。なお、光分析装置として、共焦点蛍光顕微鏡の光学系とフォトンカウンティングシステムを備えた1分子蛍光測定装置MF20(オリンパス株式会社)を用いた。励起光は、1mWの633nmのレーザー光とし、検出波長帯域は、バンドパスフィルターを用いて、660−710nmの波長帯域とした。光の測定に於いては、上記の「(2)試料溶液の光強度の測定」にて説明した態様に従って、上記の各々の試料溶液について、時系列光強度データ(フォトンカウントデータ)を取得した。試料溶液中に於ける光検出領域は、15mm/秒の移動速度にて移動させた。また、BIN TIMEを10μ秒とし、測定時間は、2秒間とした。更に、かかる光の測定に於けるコンフォーカル・ボリュームの拡大の効果とテーパ型マルチモード光ファイバーの使用の効果を検証すべく、測定は、ピンホール口径を50μm、100μm、200μmのそれぞれに設定して、両端のコア径が100μmの通常型の光ファイバー(SFS100TO110N)を用いた場合と、ピンホール口径を200μmに設定して、コア径が200μmの端とコア径が100μmの端とを有するテーパ型光ファイバー(SFT200TO100Y)を用いた場合のそれぞれについて実行した。光検出器としては、APD(SPCM-AQRH-13)を用いた。   As sample solutions, solutions were prepared in which the fluorescent dye ATTO633 was dissolved in a phosphate buffer (containing 0.1% Pluronic F-127) so that the concentration would be 10 pM. Next, 30 μL of the prepared sample solution was dispensed into the wells of the microplate. In addition, the single molecule fluorescence measuring apparatus MF20 (Olympus Corporation) provided with the optical system of the confocal fluorescence microscope and the photon counting system was used as an optical analyzer. The excitation light was 1 mW of 633 nm laser light, and the detection wavelength band was a wavelength band of 660-710 nm using a bandpass filter. In light measurement, time-series light intensity data (photon count data) was obtained for each of the sample solutions according to the embodiment described in “(2) Measurement of light intensity of sample solution”. . The light detection area in the sample solution was moved at a moving speed of 15 mm / sec. In addition, BIN TIME was set to 10 μs, and the measurement time was set to 2 seconds. Furthermore, in order to verify the effect of expansion of the confocal volume and the use of the tapered multimode optical fiber in the measurement of such light, the measurement was performed by setting the pinhole diameter to 50 μm, 100 μm, and 200 μm, respectively. A taper type optical fiber having a normal type optical fiber (SFS100TO110N) having a core diameter of 100 μm at both ends, a pinhole aperture set to 200 μm, an end having a core diameter of 200 μm, and an end having a core diameter of 100 μm It performed about each when (SFT200TO100Y) was used. APD (SPCM-AQRH-13) was used as the photodetector.

光強度の測定後、上記の「(3)(i)発光粒子に対応する信号の検出」に記載された処理手順に従って、各条件に於ける試料溶液について取得された時系列のフォトンカウントデータ中にて検出された発光粒子からの光を表す信号を計数した。ステップ110に於けるデータの移動平均法によるスムージングに於いては、一度に平均するデータ点は9個とし、移動平均処理を5回繰り返した。また、ステップ140のフィッティングに於いては、時系列データに対してガウス関数を最小二乗法によりフィッティングし、(ガウス関数に於ける)ピーク強度、ピーク幅(半値全幅)、相関係数を決定した。更に、ステップ150に於ける判定処理では、下記の条件:
20μ秒<パルス幅<400μ秒
ピーク強度>1.0[pc/10μs] …(A)
相関係数>0.95
を満たすパルス信号のみを発光粒子に対応する信号であると判定する一方、上記の条件を満たさないパルス信号はノイズとして無視し、発光粒子に対応する信号であると判定された信号の数を「パルス数」として計数した。
After measuring the light intensity, according to the processing procedure described in “(3) (i) Detection of signal corresponding to luminescent particles” above, the time-series photon count data acquired for the sample solution under each condition The signals representing the light from the luminescent particles detected in were counted. In the smoothing of the data by the moving average method in step 110, nine data points were averaged at a time, and the moving average process was repeated five times. In the fitting of step 140, a Gaussian function was fitted to the time series data by the least square method, and the peak intensity (in the Gaussian function), the peak width (full width at half maximum), and the correlation coefficient were determined. . Further, in the determination process in step 150, the following conditions:
20 μsec <pulse width <400 μsec peak intensity> 1.0 [pc / 10 μs] (A)
Correlation coefficient> 0.95
Only a pulse signal satisfying the above condition is determined to be a signal corresponding to the luminescent particle, while a pulse signal not satisfying the above condition is ignored as noise, and the number of signals determined to be a signal corresponding to the luminescent particle is expressed as “ Counted as “number of pulses”.

上記の測定条件にて検出されたパルス数は、以下の通りであった。
ピンホール口径[μm] 光ファイバー パルス数 比
a) 50 通常型 203 1
b) 100 通常型 739 1.91
c) 200 通常型 1833 3.01
d) 200 テーパ型 3224 3.99
なお、「比」は、aのパルス数の平方根に対する各々の場合のパルス数の平方根の比である。
The number of pulses detected under the above measurement conditions was as follows.
Pinhole diameter [μm] Optical fiber Pulse number ratio a) 50 Normal type 203 1
b) 100 normal type 739 1.91
c) 200 Normal type 1833 3.01
d) 200 taper type 3224 3.99
The “ratio” is the ratio of the square root of the number of pulses in each case to the square root of the number of pulses of a.

上記の走査分子計数法に於いて、パルス数、即ち、発光粒子の検出数は、コンフォーカル・ボリュームの走査方向に垂直な面の断面積(走査断面積)に比例し、ピンホール口径がN倍になると、走査断面積は、N倍となる。従って、パルス数の平方根がピンホール口径に比例する。かくして、上記の結果のa)〜c)を参照して、通常型の光ファイバーを使用した場合、a)の場合を基準として、b)のピンホール口径が100μm、即ち、a)の2倍の場合には、パルス数の平方根の比は、略2倍となったが、c)のピンホール口径が200μm、即ち、a)の4倍の場合には、パルス数の平方根の比は、約3倍となった。このことは、ピンホール口径を拡大しても、ピンホールを通過した光線の一部が光ファイバーからはみ出ることにより、ピンホール口径の拡大に対応したコンフォーカル・ボリュームの拡大の効果が結果に反映されていないことを示唆している。一方、テーパ型の光ファイバーを使用した場合、a)の場合を基準として、d)のピンホール口径が200μm、即ち、a)の4倍の場合には、パルス数の平方根の比は、略4倍となった。このことは、テーパ型の光ファイバーの使用により、ピンホール口径が拡大されても、ピンホールを通過した光線が実質的に光ファイバーからはみ出ることなく、光検出器まで到達し、コンフォーカル・ボリュームの拡大が結果に反映されていることを示唆する。 In the scanning molecule counting method described above, the number of pulses, that is, the number of detected luminescent particles is proportional to the cross-sectional area (scanning cross-sectional area) of the plane perpendicular to the scanning direction of the confocal volume, and the pinhole diameter is N When it is doubled, the scanning cross-sectional area is N 2 times. Therefore, the square root of the number of pulses is proportional to the pinhole diameter. Thus, with reference to the above results a) to c), when a normal type optical fiber is used, the pinhole diameter of b) is 100 μm, that is, twice that of a), based on the case of a). In this case, the ratio of the square root of the number of pulses was almost doubled. However, when the pinhole diameter of c) was 200 μm, that is, four times that of a), the ratio of the square root of the number of pulses was about Tripled. This means that even if the pinhole diameter is enlarged, a part of the light beam that has passed through the pinhole protrudes from the optical fiber, and the effect of expanding the confocal volume corresponding to the expansion of the pinhole diameter is reflected in the result. Suggests not. On the other hand, when a tapered optical fiber is used, the ratio of the square root of the number of pulses is approximately 4 when the pinhole diameter of d) is 200 μm, that is, four times that of a) with reference to the case of a). Doubled. This is because even if the pinhole diameter is increased by using a tapered optical fiber, the light beam that has passed through the pinhole reaches the photodetector without substantially protruding from the optical fiber, and the confocal volume is increased. Suggests that this is reflected in the results.

かくして、本発明によれば、コンフォーカル・ボリュームの拡大時に、テーパ型の光ファイバーを使用することにより、コンフォーカル・ボリュームの拡大の効果を充分に発揮できるようになることが明らかになった。   Thus, according to the present invention, it has been clarified that the effect of expanding the confocal volume can be sufficiently exhibited by using the tapered optical fiber when expanding the confocal volume.

実施例1と同じ測定条件にて、FCSを実行した。ただし、試料溶液中の蛍光色素濃度は、1nMとした。検出された並進拡散時間は、以下の通りであった。
ピンホール口径[μm] 光ファイバー 並進拡散時間[μs] 比
a) 50 通常型 140.7 1
b) 100 通常型 565.9 2.006
c) 200 通常型 1597.9 3.370
d) 200 テーパ型 2611.0 4.308
なお、「比」は、aの並進拡散時間の平方根に対する各々の場合の並進拡散時間の平方根の比である。
FCS was performed under the same measurement conditions as in Example 1. However, the concentration of the fluorescent dye in the sample solution was 1 nM. The detected translational diffusion times were as follows:
Pinhole diameter [μm] Optical fiber Translational diffusion time [μs] Ratio a) 50 Normal type 140.7 1
b) 100 normal type 565.9 2.006
c) 200 Normal type 1597.9 3.370
d) 200 taper type 2611.0 4.308
The “ratio” is the ratio of the square root of the translational diffusion time in each case to the square root of the translational diffusion time of a.

上記のFCSに於いて、並進拡散時間τは、コンフォーカル・ボリュームの径Woと、粒子の拡散定数Dから、τ=(Wo)/Dにより与えられるので、並進拡散時間の平方根が、コンフォーカル・ボリュームの径、即ち、ピンホール口径に比例する。かくして、上記の結果のa)〜c)を参照して、通常型の光ファイバーを使用した場合、a)の場合を基準として、b)のピンホール口径が100μm、即ち、a)の2倍の場合には、並進拡散時間の平方根の比は、略2倍となったが、c)のピンホール口径が200μm、即ち、a)の4倍の場合には、並進拡散時間の平方根の比は、約3.4倍となった。このことは、ピンホール口径を拡大しても、ピンホールを通過した光線の一部が光ファイバーからはみ出ることにより、ピンホール口径の拡大に対応したコンフォーカル・ボリュームの拡大の効果が結果に反映されていないことを示唆している。一方、テーパ型の光ファイバーを使用した場合、a)の場合を基準として、d)のピンホール口径が200μm、即ち、a)の4倍の場合には、並進拡散時間の平方根の比は、約4倍となった。このことは、テーパ型の光ファイバーの使用により、ピンホール口径が拡大されても、ピンホールを通過した光線が実質的に光ファイバーからはみ出ることなく、光検出器まで到達し、コンフォーカル・ボリュームの拡大が結果に反映されていることを示唆する。 In the above FCS, the translational diffusion time τ is given by τ = (Wo) 2 / D from the confocal volume diameter Wo and the diffusion constant D of the particle, so that the square root of the translational diffusion time is It is proportional to the diameter of the focal volume, that is, the pinhole diameter. Thus, with reference to the above results a) to c), when a normal type optical fiber is used, the pinhole diameter of b) is 100 μm, that is, twice that of a), based on the case of a). In this case, the ratio of the square root of the translational diffusion time was almost doubled. However, when the pinhole diameter of c) was 200 μm, that is, four times that of a), the ratio of the square root of the translational diffusion time was It was about 3.4 times. This means that even if the pinhole diameter is enlarged, a part of the light beam that has passed through the pinhole protrudes from the optical fiber, and the effect of expanding the confocal volume corresponding to the expansion of the pinhole diameter is reflected in the result. Suggests not. On the other hand, when a tapered optical fiber is used, the ratio of the square root of the translational diffusion time is about when the pinhole diameter of d) is 200 μm, that is, four times that of a), based on the case of a). Four times. This is because even if the pinhole diameter is increased by using a tapered optical fiber, the light beam that has passed through the pinhole reaches the photodetector without substantially protruding from the optical fiber, and the confocal volume is increased. Suggests that this is reflected in the results.

かくして、上記の実施例の結果から理解される如く、上記の本発明によれば、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いた光分析技術に於いて、ピンホール又は再結像領域から光検出器の受光面までの光学的連結をテーパ型の光ファイバーにより達成することにより、コンフォーカル・ボリューム、ピンホール又は再結像領域の拡大の効果を結果に反映させることが可能となる。これにより、試料溶液中の発光粒子濃度が低い場合の、拡大されたコンフォーカル・ボリュームを用いた計測の実行が、高価な受光面の大きい光検出器を用いずに良好な精度にて短い計測時間により達成されることとなる。   Thus, as will be understood from the results of the above embodiments, according to the present invention described above, in the optical analysis technique using the optical system of the confocal microscope or the multiphoton microscope, from the pinhole or the re-imaging region. By achieving the optical connection to the light receiving surface of the photodetector with a tapered optical fiber, it is possible to reflect the effect of expanding the confocal volume, the pinhole, or the re-imaging region in the result. As a result, when the concentration of luminescent particles in the sample solution is low, execution of measurement using an enlarged confocal volume can be performed with good accuracy and without using an expensive photodetector with a large light-receiving surface. It will be achieved by time.

Claims (13)

共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いて試料溶液中にて分散しランダムに運動する発光粒子からの光を検出し分析する光分析装置であって、
前記光学系の前記試料溶液内に於ける光検出領域の像が結像する再結像領域を通過する光線を光検出器の受光面に光学的に連結するマルチモード光ファイバーを含み、前記マルチモード光ファイバーが、前記再結像領域を通過する光線を受光する第一の端に於けるコア径が前記光検出器の受光面へ光線を出射する第二の端のコア径よりも大きいテーパ型光ファイバーであることを特徴とする装置。
An optical analyzer that detects and analyzes light from luminescent particles that are dispersed in a sample solution and move randomly using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope,
A multimode optical fiber that optically couples a light beam passing through a re-imaging region where an image of the photodetection region in the sample solution of the optical system forms an image to a light receiving surface of a photodetector; A tapered optical fiber in which a core diameter at a first end for receiving a light beam passing through the re-imaging region is larger than a core diameter at a second end for emitting the light beam to the light receiving surface of the photodetector. A device characterized by being.
請求項1の装置であって、前記第一の端のコア径が該第一の端に於ける前記再結像領域を通過した光線の径よりも大きく、前記第二の端を出射した光線の前記光検出器の受光面に於ける径が前記光検出器の受光可能な面の径よりも小さくなるよう前記テーパ型光ファイバーの第一及び第二の端のコア径が選択されていることを特徴とする装置。   2. The apparatus of claim 1, wherein the core diameter of the first end is larger than the diameter of the light beam that has passed through the re-imaging region at the first end, and the light beam emitted from the second end. The core diameters of the first and second ends of the tapered optical fiber are selected so that the diameter at the light receiving surface of the photodetector is smaller than the diameter of the light receivable surface of the photodetector. A device characterized by. 請求項1又は2の装置であって、前記再結像領域を通過した光線の前記第一の端への光学的結合を達成する前記第一の端の取付固定部と、前記第二の端から前記光検出器の受光可能な面への光学的結合を達成する前記第二の端の取付固定部とが、前記装置の外表面に設けられ、使用者による前記光ファイバーの前記装置への取付が可能であることを特徴とする装置。   3. The apparatus of claim 1 or 2, wherein the first end mounting fixture for achieving optical coupling to the first end of the light beam that has passed through the re-imaging region, and the second end. The second end mounting fixture that achieves optical coupling from the optical detector to the light receptive surface of the photodetector, provided on the outer surface of the device, by which the user attaches the optical fiber to the device A device characterized in that 請求項1乃至3のいずれかの装置であって、前記光検出領域の寸法が変更可能であることを特徴とする装置。   4. The apparatus according to claim 1, wherein the size of the light detection region is changeable. 請求項1乃至4のいずれかの装置であって、更に、
前記光学系の光路を変更することにより前記試料溶液内に於いて前記光学系の光検出領域の位置を移動する光検出領域移動部と、
前記試料溶液内に於いて前記光検出領域の位置を移動させながら前記光検出器にて検出された前記発光粒子の各々からの光を表す信号を個別に検出する信号処理部と
を含むことを特徴とする装置。
The apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
A light detection region moving unit that moves the position of the light detection region of the optical system in the sample solution by changing the optical path of the optical system;
A signal processing unit for individually detecting a signal representing light from each of the luminescent particles detected by the photodetector while moving the position of the light detection region in the sample solution. Features device.
請求項5の装置であって、前記信号処理部が、前記個別に検出された発光粒子からの光を表す信号の数を計数して前記光検出領域の位置の移動中に検出された前記発光粒子の数を計数することを特徴とする装置。   6. The apparatus according to claim 5, wherein the signal processing unit counts the number of signals representing light from the individually detected light emitting particles and detects the light emission detected during movement of the position of the light detection region. An apparatus characterized by counting the number of particles. 請求項5又は6の装置であって、前記光検出領域移動部が前記発光粒子の拡散移動速度よりも速い速度にて前記光検出領域の位置を移動することを特徴とする装置。   7. The apparatus according to claim 5, wherein the light detection area moving unit moves the position of the light detection area at a speed faster than a diffusion movement speed of the luminescent particles. 共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いて試料溶液中にて分散しランダムに運動する発光粒子からの光を検出し分析する光分析方法であって、
前記光学系の前記試料溶液内に於ける光検出領域の像が結像する再結像領域を通過する光線を光検出器の受光面に光学的に連結するマルチモード光ファイバーにして、前記再結像領域を通過する光線を受光する第一の端に於けるコア径が前記光検出器の受光面へ光線を出射する第二の端のコア径よりも大きいテーパ型光ファイバーを用いることを特徴とする方法。
An optical analysis method for detecting and analyzing light from luminous particles dispersed and moving randomly in a sample solution using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope,
A light beam passing through a re-imaging region where an image of the light detection region in the sample solution of the optical system is formed is a multimode optical fiber that optically couples to a light receiving surface of a photodetector, and the reconnection is performed. A tapered optical fiber having a core diameter at a first end that receives light passing through an image region is larger than a core diameter at a second end that emits light to the light receiving surface of the photodetector. how to.
請求項8の方法であって、前記第一の端のコア径が該第一の端に於ける前記再結像領域を通過した光線の径よりも大きく、前記第二の端を出射した光線の前記光検出器の受光面に於ける径が前記光検出器の受光可能な面の径よりも小さくなるよう前記テーパ型光ファイバーの第一及び第二の端のコア径が選択されていることを特徴とする方法。   9. The method of claim 8, wherein the core diameter of the first end is larger than the diameter of the light beam that has passed through the re-imaging region at the first end, and the light beam emitted from the second end. The core diameters of the first and second ends of the tapered optical fiber are selected so that the diameter at the light receiving surface of the photodetector is smaller than the diameter of the light receivable surface of the photodetector. A method characterized by. 請求項8又は9の方法であって、前記光検出領域の寸法を変更する過程を含むことを特徴とする方法。   10. A method according to claim 8 or 9, comprising the step of changing the size of the photodetection region. 請求項8乃至10のいずれかの方法であって、
前記光学系の光路を変更することにより前記試料溶液内に於いて前記光学系の光検出領域の位置を移動する過程と、
前記試料溶液内に於いて前記光検出領域の位置を移動させながら前記光検出器により前記光検出領域からの光を検出する過程と、
前記検出された光から個々の発光粒子からの光を表す信号を個別に検出する過程と
を含むことを特徴とする方法。
A method according to any of claims 8 to 10, comprising
Changing the optical detection path of the optical system in the sample solution by changing the optical path of the optical system;
Detecting light from the light detection region by the light detector while moving the position of the light detection region in the sample solution;
Individually detecting signals representing light from individual luminescent particles from the detected light.
請求項11の方法であって、更に、前記個別に検出された発光粒子からの光を表す信号の数を計数して前記光検出領域の位置の移動中に検出された前記発光粒子の数を計数する過程を含むことを特徴とする方法。   12. The method of claim 11, further comprising counting the number of signals representing light from the individually detected luminescent particles to determine the number of luminescent particles detected during movement of the position of the light detection region. A method comprising the step of counting. 請求項11又は12のいずれかの方法であって、前記光検出領域の位置を移動する過程に於いて、前記光検出領域の位置が前記発光粒子の拡散移動速度よりも速い速度にて移動されることを特徴とする方法。   13. The method according to claim 11, wherein in the process of moving the position of the light detection region, the position of the light detection region is moved at a speed faster than the diffusion movement speed of the luminescent particles. A method characterized by that.
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