JP2015021818A - Surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus and surface plasmon enhanced fluorescence measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表面プラズモン共鳴を利用して検体に含まれる被検出物質の検出を行う表面プラズモン増強蛍光測定装置および表面プラズモン増強蛍光測定方法に関する。 The present invention relates to a surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus and a surface plasmon enhanced fluorescence measuring method for detecting a detection target substance contained in a specimen using surface plasmon resonance.
臨床検査などにおいて、タンパク質やDNAなどの微量の被検出物質を高感度かつ定量的に検出することができれば、患者の状態を迅速に把握して治療を行うことが可能となる。このため、微量の被検出物質を高感度かつ定量的に検出できる方法が求められている。 In a clinical test or the like, if a very small amount of a substance to be detected such as protein or DNA can be detected with high sensitivity and quantity, it becomes possible to quickly grasp the patient's condition and perform treatment. For this reason, a method capable of detecting a minute amount of a substance to be detected with high sensitivity and quantity is demanded.
被検出物質を高感度に検出できる方法として、表面プラズモン励起増強蛍光分光法(Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy):以下「SPFS」と略記する)が知られている。SPFSでは、所定の条件で金属膜に光を照射すると、表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance:以下「SPR」と略記する)が生じることを利用する。被検出物質に特異的に結合できる1次抗体を金属膜上に固定化して、被検出物質を特異的に捕捉するための反応場を形成する。この反応場に被検出物質を含む検体を提供すると、被検出物質は反応場に結合する。次いで、蛍光物質で標識された2次抗体を反応場に提供すると、反応場に結合した被検出物質は蛍光物質で標識される。この状態で金属膜に励起光を照射すると、被検出物質を標識する蛍光物質は、SPRにより増強された電場により励起され、蛍光を放出する。したがって、蛍光を検出することで、被検出物質の存在またはその量を検出することができる。SPFSでは、SPRにより増強された電場により蛍光物質を励起するため、高感度で被検出物質を検出することができる。 As a method that can detect a substance to be detected with high sensitivity, surface plasmon-field enhanced fluorescence spectroscopy (hereinafter abbreviated as “SPFS”) is known. SPFS utilizes the fact that surface plasmon resonance (hereinafter abbreviated as “SPR”) occurs when light is irradiated onto a metal film under predetermined conditions. A primary antibody capable of specifically binding to the substance to be detected is immobilized on the metal film to form a reaction field for specifically capturing the substance to be detected. When a specimen containing a substance to be detected is provided in this reaction field, the substance to be detected binds to the reaction field. Next, when a secondary antibody labeled with a fluorescent substance is provided to the reaction field, the target substance bound to the reaction field is labeled with the fluorescent substance. When the metal film is irradiated with excitation light in this state, the fluorescent substance that labels the substance to be detected is excited by the electric field enhanced by SPR and emits fluorescence. Therefore, the presence or amount of the substance to be detected can be detected by detecting fluorescence. In SPFS, a fluorescent substance is excited by an electric field enhanced by SPR, so that a substance to be detected can be detected with high sensitivity.
SPFSは、励起光とSPRとを結合(カップリング)させる手段により、プリズムカップリング(PC)−SPFSと、格子カップリング(GC)−SPFSとに大別される。PC−SPFSでは、1つの面に金属膜を形成されたプリズムを利用する。この方法では、プリズムと金属膜の界面において励起光を全反射させることで、励起光とSPRとを結合させる。PC−SPFSは、現在主流となっている方法であるが、プリズムを使用すること、および金属膜に対する励起光の入射角が大きいことから、PC−SPFSは、測定装置の小型化の点で問題を有している。 SPFS is roughly classified into prism coupling (PC) -SPFS and lattice coupling (GC) -SPFS by means for coupling (coupling) excitation light and SPR. In PC-SPFS, a prism having a metal film formed on one surface is used. In this method, excitation light and SPR are combined by totally reflecting excitation light at the interface between the prism and the metal film. PC-SPFS is the mainstream method at present, but because of the use of prisms and the large incident angle of excitation light on the metal film, PC-SPFS is problematic in terms of miniaturization of the measuring device. have.
これに対し、GC−SPFSは、回折格子を利用して励起光とSPRとを結合させる(非特許文献1参照)。GC−SPFSは、プリズムを使用せず、かつ回折格子に対する励起光の入射角が小さいため、PC−SPFSに比べて測定装置を小型化することができる。 On the other hand, GC-SPFS couples excitation light and SPR using a diffraction grating (see Non-Patent Document 1). Since GC-SPFS does not use a prism and the incident angle of excitation light with respect to the diffraction grating is small, the measuring device can be made smaller than PC-SPFS.
SPFSは、被検出物質を金属膜上に特異的に結合させることを前提としている。しかしながら、金属膜上に検体や試薬液を提供すると、被検出物質以外の物質(例えば、蛍光物質で標識された2次抗体)が非特異的に結合してしまうことがある。SPFSは、高感度であるため、この非特異的結合に由来する蛍光(ノイズ)も検出してしまう。また、検出感度を向上しても、非特異的結合に由来する蛍光も増大してしまうため、検出精度(S/N比)を改善することはできない。このように、SPFSを利用する測定装置および測定方法には、検出精度に改善の余地がある。 SPFS is based on the premise that a substance to be detected is specifically bound on a metal film. However, when a specimen or reagent solution is provided on a metal film, a substance other than the substance to be detected (for example, a secondary antibody labeled with a fluorescent substance) may bind nonspecifically. Since SPFS is highly sensitive, it also detects fluorescence (noise) derived from this non-specific binding. Further, even if the detection sensitivity is improved, the fluorescence derived from non-specific binding also increases, so the detection accuracy (S / N ratio) cannot be improved. As described above, there is room for improvement in detection accuracy in the measurement apparatus and the measurement method using SPFS.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、GC−SPFSを利用する測定装置および測定方法であって、非特異的結合が生じている場合でも被検出物質を高精度に検出することができる測定装置および測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and is a measurement apparatus and a measurement method using GC-SPFS, which can detect a substance to be detected with high accuracy even when non-specific binding occurs. It is an object of the present invention to provide a measuring apparatus and a measuring method that can perform measurement.
本発明者らは、GC−SPFSを利用する測定装置および測定方法において、蛍光を検出する時に、1次抗体に結合した被検出物質に所定の周波数の振動を加えることで上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。 In the measurement apparatus and measurement method using GC-SPFS, the present inventors can solve the above-mentioned problem by applying vibration at a predetermined frequency to a substance to be detected bound to a primary antibody when detecting fluorescence. The present invention was completed by adding a headline and further examination.
すなわち、本発明は、以下の表面プラズモン増強蛍光測定装置に関する。 That is, the present invention relates to the following surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus.
[1]回折格子を形成された金属膜と、前記回折格子に固定化された抗体と、前記抗体に結合した、蛍光物質で標識された被検出物質とを有するチップを装着され、励起光を前記回折格子に照射することで、前記被検出物質の存在またはその量を検出する表面プラズモン増強蛍光測定装置であって、増強された電場により前記蛍光物質を励起して蛍光を放出させるために、前記励起光を前記回折格子に照射する光源と、前記蛍光物質からの蛍光を検出する光検出部と、前記抗体に結合した前記被検出物質に、所定の周波数で前記金属膜の面方向を含む方向の振動を加える振動付与部と、を有し、前記振動付与部により前記被検出物質に振動を加えた状態で、前記光検出部により前記蛍光物質からの蛍光を検出し、前記光検出部からの出力信号を周波数解析することにより被検出物質の存在またはその量を分析する、表面プラズモン増強蛍光測定装置。
[2]前記振動付与部が加える前記振動の周波数は、前記抗体に結合した前記被検出物質が共振する周波数未満であるか、または前記抗体に結合した前記被検出物質が共振する周波数である、[1]に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
[3]前記振動付与部は、交番電界を印加することで前記被検出物質に振動を加える、[1]または[2]に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
[4]前記振動付与部は、前記金属膜を1つの壁面とする流路の他の壁面を振動させることで前記被検出物質に振動を加える、[1]または[2]に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
[5]前記振動付与部は、前記金属膜を1つの壁面とする流路内において液体を往復させることで前記被検出物質に振動を加える、[1]または[2]に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
[6]前記振動付与部は、周波数1×105〜1×1013Hzの電磁波を照射することで前記被検出物質に振動を加える、[1]または[2]に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
[1] A chip having a metal film on which a diffraction grating is formed, an antibody immobilized on the diffraction grating, and a target substance that is bound to the antibody and is labeled with a fluorescent substance is attached, and excitation light is emitted. By irradiating the diffraction grating, a surface plasmon enhanced fluorescence measuring device that detects the presence or amount of the substance to be detected, in order to excite the fluorescent substance with an enhanced electric field and emit fluorescence, The light source for irradiating the diffraction grating with the excitation light, the light detection unit for detecting the fluorescence from the fluorescent material, and the detection target material bound to the antibody include the surface direction of the metal film at a predetermined frequency. A vibration applying unit that applies a vibration in a direction, and the light detection unit detects fluorescence from the fluorescent substance in a state where the detection target substance is vibrated by the vibration applying unit, and the light detection unit. Output signal from Analyzing the presence or amount of the substance to be detected by frequency analysis, surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus.
[2] The frequency of the vibration applied by the vibration applying unit is less than the frequency at which the detection target substance bound to the antibody resonates, or the frequency at which the detection target substance bound to the antibody resonates. [1] The surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus according to [1].
[3] The surface plasmon enhanced fluorescence measurement device according to [1] or [2], wherein the vibration applying unit applies vibration to the substance to be detected by applying an alternating electric field.
[4] The surface plasmon according to [1] or [2], wherein the vibration applying unit applies vibration to the detected substance by vibrating another wall surface of the flow path having the metal film as one wall surface. Enhanced fluorescence measuring device.
[5] The surface plasmon enhancement according to [1] or [2], wherein the vibration applying unit applies vibration to the detected substance by reciprocating a liquid in a flow path having the metal film as one wall surface. Fluorescence measuring device.
[6] The surface plasmon enhanced fluorescence according to [1] or [2], wherein the vibration applying unit applies vibration to the detected substance by irradiating an electromagnetic wave having a frequency of 1 × 10 5 to 1 × 10 13 Hz. measuring device.
また、本発明は、以下の表面プラズモン増強蛍光測定方法に関する。 The present invention also relates to the following surface plasmon enhanced fluorescence measurement method.
[7]被検出物質を標識する蛍光物質が、表面プラズモン共鳴に基づく電場により励起されて発した蛍光を検出して、前記被検出物質の存在またはその量を検出する表面プラズモン増強蛍光測定方法であって、回折格子を形成された金属膜と、前記回折格子に固定化された抗体と、前記抗体に結合した、蛍光物質で標識された被検出物質とを有するチップを準備する工程と、前記抗体に結合した前記被検出物質に所定の周波数で前記金属膜の面方向を含む方向の振動を加えた状態で、前記回折格子に励起光を照射する工程と、前記蛍光物質から放出された蛍光を検出して蛍光シグナルを得る工程と、前記蛍光シグナルを周波数解析することにより被検出物質の存在またはその量を分析する工程と、を含む、表面プラズモン増強蛍光測定方法。
[8]前記被検出物質に加えられる前記振動の周波数は、前記抗体に結合した前記被検出物質が共振する周波数未満であるか、または前記抗体に結合した前記被検出物質が共振する周波数である、[7]に記載の表面プラズモン増強蛍光測定方法。
[7] A surface plasmon-enhanced fluorescence measurement method in which a fluorescent substance that labels a substance to be detected detects fluorescence emitted by being excited by an electric field based on surface plasmon resonance, and detects the presence or amount of the substance to be detected. A step of preparing a chip having a metal film formed with a diffraction grating, an antibody immobilized on the diffraction grating, and a target substance labeled with a fluorescent substance bound to the antibody; A step of irradiating the diffraction grating with excitation light in a state in which a vibration in a direction including a plane direction of the metal film is applied to the detection target substance bound to an antibody at a predetermined frequency; and fluorescence emitted from the fluorescent substance A method for measuring surface plasmon enhanced fluorescence, comprising: obtaining a fluorescence signal by detecting the presence of a substance to be detected or analyzing the frequency of the fluorescence signal.
[8] The frequency of the vibration applied to the detected substance is less than the frequency at which the detected substance bound to the antibody resonates, or the frequency at which the detected substance bound to the antibody resonates. [7] The surface plasmon enhanced fluorescence measurement method according to [7].
本発明によれば、非特異的結合が生じている場合であっても、高いS/N比で被検出物質を検出することができる。 According to the present invention, it is possible to detect a substance to be detected with a high S / N ratio even when non-specific binding occurs.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係る表面プラズモン増強蛍光測定装置(以下「SPFS装置」という)100の構成を示す模式図である。図1に示されるように、SPFS装置100は、光源110、コリメートレンズ120、励起光フィルター130、第1集光レンズ140、蛍光フィルター150、第2集光レンズ160、光検出部170、振動付与部180および制御部190を有する。SPFS装置100は、チップホルダー(不図示)にチップ200を装着した状態で使用される。そこで、チップ200について先に説明し、その後にSPFS装置100について説明する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus (hereinafter referred to as “SPFS apparatus”) 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
チップ200は、基板210と、基板210の上に形成された金属膜220とを有する。金属膜220には、回折格子230が形成されている。回折格子230には1次抗体310が固定化されており、回折格子230の表面は、1次抗体310と被検出物質320とが結合するための反応場としても機能する。なお、図1では、1次抗体310および被検出物質320を省略している。なお、チップ200は、好ましくは、各片の長さが数mm〜数cmである構造物であるが、「チップ」の範疇に含まれないより小型の構造物またはより大型の構造物であってもよい。
The
基板210は、金属膜220の支持部材である。基板210の材料は、金属膜220を支持できる機械的強度を有するものであれば特に限定されない。基板210の材料の例には、ガラスや石英、シリコンなどの無機材料、ポリメタクリル酸メチルやポリカーボネート、ポリスチレン、ポリオレフィンなどの樹脂が含まれる。
The
金属膜220は、基板210上に配置されている。前述のとおり、金属膜220には、回折格子230が形成されている。金属膜220に光を照射すると、金属膜220中に生じる表面プラズモンと、回折格子230により生じるエバネッセント波とが結合して、表面プラズモン共鳴が生じる。金属膜220の材料は、表面プラズモンを生じさせる金属であれば特に限定されない。金属膜220の材料の例には、金、銀、銅、アルミ、これらの合金が含まれる。金属膜220の形成方法は、特に限定されない。金属膜220の形成方法の例には、スパッタリング、蒸着、メッキが含まれる。金属膜220の厚みは、特に限定されない。たとえば、金属膜220の厚みは、30〜70nm程度である。
The
回折格子230は、金属膜220に光を照射された時に、エバネッセント波を生じさせる。回折格子230の形状は、エバネッセント波を生じさせることができれば特に限定されない。回折格子230の断面形状の例には、矩形波形状、正弦波形状、鋸歯形状などが含まれる。回折格子の凹凸形状のピッチおよび深さは、表面プラズモン共鳴が生じるように適宜設定されうる。本実施の形態では、金属膜220の表面に、互いに平行な複数の凹条が所定の間隔で形成されている。すなわち、回折格子230は、1次元回折格子である。
The
回折格子230の形成方法は、特に限定されない。たとえば、平板状の基板210の上に金属膜220を形成した後、金属膜220に凹凸形状を付与してもよい。また、予め凹凸形状を付与された基板210の上に、金属膜220を形成してもよい。いずれの方法であっても、回折格子230を含む金属膜220を形成することができる。
The method for forming the
回折格子230(反応場)には、被検出物質320を捕捉するための1次抗体310が固定化されている(図2参照)。1次抗体310は、被検出物質に特異的に結合する。本実施の形態では、回折格子230の表面に、1次抗体が略均一に固定化されている。
A
1次抗体310の固定化方法は、特に限定されない。たとえば、回折格子230の上に、1次抗体310を結合させた自己組織化単分子膜(以下「SAM膜」という)または高分子膜を形成すればよい。SAM膜の例には、HOOC−(CH2)11−SHなどの置換脂肪族チオールで形成された膜が含まれる。高分子膜を構成する材料の例には、ポリエチレングリコールおよびMPCポリマーが含まれる。また、1次抗体に結合可能な反応性基(または反応性基に変換可能な官能基)を有する高分子を回折格子230に固定化し、この高分子に1次抗体を結合させてもよい。
The method for immobilizing the
図1に示されるように、励起光αは、所定の入射角θ1で金属膜220(回折格子230)に照射される。照射領域では、金属膜220で生じた表面プラズモンと、回折格子230により生じたエバネッセント波が結合し、表面プラズモン共鳴が生じる。照射領域に蛍光物質が存在する場合は、表面プラズモン共鳴により形成された増強電場により、蛍光物質が励起され、蛍光βが放出される。
As shown in FIG. 1, the excitation light α is applied to the metal film 220 (diffraction grating 230) at a predetermined incident angle θ1. In the irradiation region, the surface plasmon generated in the
以下、SPFS装置100の各構成要素について説明する。
Hereinafter, each component of the
光源110、コリメートレンズ120および励起光フィルター130は、励起光照射ユニットを構成する。励起光照射ユニットは、コリメートされ、かつ波長および光量が一定の励起光αを、チップ200の金属膜220表面(回折格子230)における照射スポットの形状が略円形となるように出射する。また、励起光照射ユニットは、金属膜220中の表面プラズモン(SPR)と結合できる回折光が回折格子230で生じるように、金属膜220に対するP波のみを回折格子230に向けて出射する。
The
本実施の形態では、光源110は、レーザーダイオードである。光源110は、チップ200の回折格子230に向けて励起光α(シングルモードレーザー光)を出射する。なお、光源110の種類は、特に限定されず、レーザーダイオードでなくてもよい。光源110の例には、発光ダイオード、水銀灯、その他のレーザー光源が含まれる。
In the present embodiment,
コリメートレンズ120は、光源110から出射された励起光αをコリメートする。レーザーダイオード(光源110)から出射される励起光αは、コリメートされてもその輪郭形状が扁平である。このため、金属膜220表面における照射スポットの形状が略円形となるように、レーザーダイオードは所定の姿勢で保持される。
The
励起光フィルター130は、例えば、バンドパスフィルターおよび直線偏光フィルターを含み、光源110から出射された励起光αを整波する。レーザーダイオード(光源110)からの励起光αは、若干の波長分布幅を有しているため、バンドパスフィルターは、レーザーダイオードからの励起光αを中心波長のみの狭帯域光にする。また、レーザーダイオード(光源110)からの励起光αは、完全な直線偏光ではないため、直線偏光フィルターは、レーザーダイオードからの励起光αを完全な直線偏光の光にする。励起光フィルター130は、金属膜220にP波成分が入射するように励起光αの偏光方向を調整する半波長板を含んでいてもよい。
The
金属膜220に対する励起光αの入射角θ1(図1参照)は、金属膜220においてSPRが最も生じる共鳴角またはその前後であることが好ましい。したがって、SPFS装置100は、励起光αの光軸とチップ200とを相対的に回転させることで入射角θ1を調整する第1角度調整部(図示省略)を有することが好ましい。たとえば、第1角度調整部は、励起光αの光軸と金属膜220との交点を中心として、励起光照射ユニットまたはチップ200を回転させればよい。
The incident angle θ1 (see FIG. 1) of the excitation light α with respect to the
第1集光レンズ140、蛍光フィルター150、第2集光レンズ160および光検出部170は、蛍光検出ユニットを構成する。蛍光検出ユニットは、励起光照射ユニットに対して、励起光αの光軸と金属膜220との交点を通り、かつ金属膜220に対して垂直な直線を挟むように配置されている。蛍光検出ユニットは、回折格子230(反応場)から放出される蛍光βを検出する。
The
第1集光レンズ140および第2集光レンズ160は、迷光の影響を受けにくい共役光学系を構成する。第1集光レンズ140と第2集光レンズ160との間を進行する光は、略平行光となる。第1集光レンズ140および第2集光レンズ160は、金属膜220上の蛍光像を光検出部170の受光面上に結像させる。
The
蛍光フィルター150は、第1集光レンズ140と第2集光レンズ160との間に配置されている。蛍光フィルター150は、例えば、カットフィルターおよび減光(ND)フィルターを含み、光検出部170に到達する光から蛍光β以外のノイズ成分(例えば、励起光αや外光など)を除去したり、光検出部170に到達する光の光量を調整したりする。
The
光検出部170は、金属膜220上の蛍光像を検出する。たとえば、光検出部170は、感度およびSN比が高い光電子増倍管である。光検出部170は、アバランシェ・フォトダイオード(APD)やフォトダイオード(PD)、CCDイメージセンサなどであってもよい。
The
金属膜220の垂線に対する蛍光検出ユニットの光軸の角度θ2(図1参照)は、回折格子230(反応場)から放出される蛍光βの強度が最大となる角度(蛍光ピーク角)であることが好ましい。したがって、SPFS装置100は、蛍光検出ユニットの光軸とチップ200とを相対的に回転させることで角度θ2を調整する第2角度調整部(図示省略)を有することが好ましい。たとえば、第2角度調整部は、蛍光検出ユニットの光軸と金属膜220との交点を中心として、蛍光検出ユニットまたはチップ200を回転させればよい。
The angle θ2 (see FIG. 1) of the optical axis of the fluorescence detection unit with respect to the perpendicular of the
振動付与部180は、回折格子230上の反応場(1次抗体)に結合した、蛍光物質で標識された被検出物質に、所定の振動数で面方向を含む方向に振動を加える。ここで「面方向を含む方向の振動」とは、振動方向が面方向(水平方向)の成分を含むことを意味する。本実施の形態では、振動付与部180は、高圧電源182と、高圧電源182に接続された一対の電極184とを含む。一対の電極184は、回折格子230(反応場)を挟むように配置されている。高圧電源182は、交流電圧または極性を交互に入れ替えたパルス状の電圧を電極184間に印加することが可能である。したがって、振動付与部180は、回折格子230上の反応場に対して極性を所定の周波数で変化する交番電界を加えることができる。反応場に結合した被検出物質が正または負の電荷を帯びている場合は、被検出物質は交番電界により振動させられる。電圧は、例えば数百V以下であり、好ましくは数十V以下である。振動付与部180が加える振動の周波数は、反応場(1次抗体)に結合した被検出物質が共振する周波数、またはそれ未満の周波数であることが好ましい。たとえば、周波数は、数Hz〜数十Hz程度である。
The
図2は、反応場に結合した被検出物質の振動を説明するための模式図である。この図では、回折格子230の表面(例えば、凹条の底面)を拡大して示している。また、一対の電極184に印加されている電圧の極性も示している。図2Aに示される例では、金属膜220(回折格子230)に固定化された1次抗体310に、被検出物質320が結合している。また、被検出物質320に、蛍光物質340で標識された2次抗体330が結合している。被検出物質320、2次抗体330および蛍光物質340からなる複合体は、負の電荷を有しているものとする。このような特異的結合SPにより金属膜220に結合した複合体に加え、非特異的結合USにより金属膜220に結合した複合体も存在する。非特異的結合USの例には、金属膜220への被検出物質320または他の物質350の直接的結合、金属膜220への2次抗体330の直接的結合などが含まれる。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the vibration of the detection target substance bound to the reaction field. In this figure, the surface of the diffraction grating 230 (for example, the bottom surface of the groove) is shown enlarged. In addition, the polarity of the voltage applied to the pair of
図2Bおよび図2Cに示されるように、反応場に交番電界を印加すると、反応場に特異的または非特異的に結合した物質のうち、正または負の電荷を有する物質は、金属膜220の面方向を含む方向に振動させられる。このとき、特異的結合SPにより結合している複合体と、非特異的結合USにより結合している複合体(物質)とでは、その長さおよび質量が異なる。したがって、各成分の振動のしかたはそれぞれ異なるものとなる。たとえば、金属膜220に2次抗体330が直接結合している場合は、反応場に交番電界を印加しても、この2次抗体330はほとんど振動しない。また、金属膜220に被検出物質320が直接結合しており、かつこの被検出物質320に2次抗体330が結合している場合は、この非特異的結合USにより結合している複合体の共振周波数は、特異的結合SPにより結合している複合体の共振周波数よりも大きい。したがって、これらの振動の違いを検出することができれば、特異的結合SPにより結合した複合体と、非特異的結合USにより結合した複合体とを区別することができる。
As shown in FIGS. 2B and 2C, when an alternating electric field is applied to the reaction field, a substance having a positive or negative charge among the substances specifically or non-specifically bound to the reaction field is It is vibrated in the direction including the surface direction. At this time, the length and mass of the complex bound by the specific binding SP and the complex (substance) bound by the non-specific binding US are different. Therefore, the vibration of each component is different. For example, when the
ここで、特異的結合SPにより結合している複合体の共振周波数について説明する。複合体の共振周波数を算出するために、図3に示される倒立振り子モデルを用いてタンパク質の運動方程式について検討する。 Here, the resonance frequency of the complex bound by the specific binding SP will be described. In order to calculate the resonance frequency of the complex, the equation of motion of the protein is examined using the inverted pendulum model shown in FIG.
図3に示されるように、タンパク質の質量をm、タンパク質の長さをl、ばね定数をk、タンパク質の基点からばねの作用点までの長さをh、溶媒による粘性減衰係数をCとしたとき、慣性モーメント、転倒モーメント、ばねの復元力および復元モーメントは、以下のようになる。
慣性モーメント: J=ml2
転倒モーメント: mg・l・sinθ≒mgl・θ
ばねの復元力 : −k・hθ
復元モーメント: −k・hθ・h=−k・h2・θ
As shown in FIG. 3, the mass of the protein is m, the length of the protein is l, the spring constant is k, the length from the protein base point to the spring action point is h, and the viscosity damping coefficient due to the solvent is C. When the moment of inertia, the overturning moment, the restoring force and restoring moment of the spring are as follows:
Moment of inertia: J = ml 2
Falling moment: mg · l · sinθ ≒ mgl · θ
Spring restoring force: -k · hθ
Restoring moment: −k · hθ · h = −k · h 2 · θ
この場合、運動方程式は、以下の式(1)のように表される。
上記式(1)は、以下の式(2)のように書き換えられる。
ここで、重力およびばね復元力による共振角周波数をωnとすると、以下の式(3)および式(4)が成立する。式(3)において、ξは減衰比である。
上記式(3)および式(4)を利用すると、上記式(2)は、以下の式(5)のように表される
溶媒の粘性減衰を含めた全体での共振周期Tは、以下の式(6)のとおりとなる。
ここで、タンパク質の基点からばねの作用点までの長さh、タンパク質の長さl、タンパク質の質量m、重力加速度g、ばね定数kを以下のように仮定する。
h=l=1.8×10−9(m)
m=6.17×10−22(kg)
g=9.8(m/t2)
k=2.5(N/m)=2.5(kg/t2)
Here, the length h from the protein base point to the spring action point, the protein length l, the protein mass m, the gravitational acceleration g, and the spring constant k are assumed as follows.
h = l = 1.8 × 10 −9 (m)
m = 6.17 × 10 −22 (kg)
g = 9.8 (m / t 2 )
k = 2.5 (N / m) = 2.5 (kg / t 2 )
そうすると、kt、慣性モーメントJおよび共振角周波数ωnは、以下のとおりとなる。
kt=kh2−mgl≒0.81×10−15(kgm2/t2)
J=m×l2=6.17×10−22×(18×10−9)2=1.99908×10−37(kgm2)
ωn=√(kt/J)≒0.636×1011(Hz)
Then, kt, moment of inertia J, and resonance angular frequency ωn are as follows.
kt = kh 2 −mgl≈0.81 × 10 −15 (kgm 2 / t 2 )
J = m × l 2 = 6.17 × 10 −22 × (18 × 10 −9 ) 2 = 1.99908 × 10 −37 (kgm 2 )
ωn = √ (kt / J) ≈0.636 × 10 11 (Hz)
溶媒(水)の粘度ηおよびタンパク質の大きさ(半径)rを以下のように仮定する。
η=0.89(cP)=0.89×10−3(kg/(mt))
r=5(nm)
The viscosity η of the solvent (water) and the size (radius) r of the protein are assumed as follows.
η = 0.89 (cP) = 0.89 × 10 −3 (kg / (mt))
r = 5 (nm)
そうすると、タンパク質の体積V、粘性減衰係数C、減衰比ξ、共振周期Tおよび共振周波数fは、以下のとおりとなる。
V=4/3πr3=5.236×10−25(m3)
C=η×V=0.89×10−3×5.236×10−25≒4.66004×10−28(kgm2/t)
ξ=C/(2ωn×J)=4.66004×10−28/(2×0.636×1011×1.99908×10−37)
T=2π/(ωn×√(1−ξ2))≒9.88×10−11(t)
f=1/T≒10(GHz)
Then, the volume V of the protein, the viscous damping coefficient C, the damping ratio ξ, the resonance period T, and the resonance frequency f are as follows.
V = 4 / 3πr 3 = 5.236 × 10 −25 (m 3 )
C = η × V = 0.89 × 10 −3 × 5.236 × 10 −25 ≈4.66004 × 10 −28 (kgm 2 / t)
ξ = C / (2ωn × J) = 4.66004 × 10 −28 /(2×0.636×10 11 × 1.999908 × 10 −37 )
T = 2π / (ωn × √ (1-ξ 2 )) ≈9.88 × 10 −11 (t)
f = 1 / T≈10 (GHz)
より粘度の高い溶媒を選択することで、特異的結合SPにより結合している複合体の共振周波数fを任意の値に設定することができる。共振周波数fは、数Hz程度が好ましい。 By selecting a solvent having a higher viscosity, the resonance frequency f of the complex bound by the specific binding SP can be set to an arbitrary value. The resonance frequency f is preferably about several Hz.
図4は、回折格子230上の電場強度の分布を示すグラフである。図4に示されるように、電場強度は、回折格子230の形状に対応して周期的に変化する。このような状況において、反応場に交番電界を印加して、反応場に特異的または非特異的に結合した複合体を金属膜220の面方向を含む方向に振動させると、これらの複合体の周囲の電場強度が周期的に変化する。したがって、これらの複合体に含まれる蛍光物質からの蛍光強度も周期的に変化する。
FIG. 4 is a graph showing the electric field intensity distribution on the
前述のとおり、特異的結合SPにより結合している複合体と、非特異的結合USにより結合している複合体(物質)とでは、その長さおよび質量が異なる。非特異的結合USにより結合している複合体の共振周波数は、特異的結合SPにより結合している複合体の共振周波数よりも大きい。したがって、図5に示されるように、非特異的結合USにより結合している複合体からの蛍光シグナルの周波数は、特異的結合SPにより結合している複合体からの蛍光シグナルの周波数よりも大きくなる。 As described above, the length and mass of the complex bound by the specific binding SP and the complex (substance) bound by the non-specific binding US are different. The resonance frequency of the complex bound by the non-specific binding US is higher than the resonance frequency of the complex bound by the specific binding SP. Thus, as shown in FIG. 5, the frequency of the fluorescent signal from the complex bound by the non-specific binding US is greater than the frequency of the fluorescent signal from the complex bound by the specific binding SP. Become.
SPFS装置100の説明に戻る。制御部190は、励起光照射ユニット(光源110)、蛍光検出ユニット(光検出部170)、励起光照射ユニットおよび蛍光検出ユニットの角度調整部、ならびに振動付与部180の動作を制御する。また、制御部190は、光検出部170からの出力信号(蛍光シグナル)を周波数解析することにより、特異的結合SPにより結合している複合体からの蛍光シグナルを他の蛍光シグナル(ノイズ)から分離して、被検出物質の存在またはその量を分析する。制御部190は、例えば、ソフトウェアを実行するコンピュータである。なお、周波数解析としては、その一形態として過渡応答解析を利用することもできる。
Returning to the description of the
たとえば、制御部190は、光検出部170からの出力信号(蛍光シグナル)をバンドパスフィルターまたはローパスフィルターを通すことで、特異的結合SPにより結合している複合体からの蛍光シグナルを他の蛍光シグナル(ノイズ)から分離することができる。また、制御部190は、光検出部170からの出力信号(蛍光シグナル)に対して周波数変換処理(例えば高速フーリエ変換)を行い、特異的結合SPにより結合している複合体の振動周波数における蛍光強度を算出することで、被検出物質の存在またはその量を分析することもできる。さらに、制御部は、光検出部170からの出力信号(蛍光シグナル)に対して周波数変換処理(例えば高速フーリエ変換)を行い、得られた信号を所定の振動周波数を通すフィルターに通し、フィルターを通過した信号に対して周波数逆変換処理(例えば高速フーリエ逆変換)を行うことで、特異的結合SPにより結合している複合体からの蛍光シグナルを他の蛍光シグナル(ノイズ)から分離することもできる。
For example, the
次に、SPFS装置100の検出動作について説明する。図6は、SPFS装置100の動作手順の一例を示すフローチャートである。
Next, the detection operation of the
まず、測定の準備をする(工程S10)。具体的には、SPFS装置100の所定の位置にチップ200を設置する。また、チップ200の金属膜220上に保湿剤が存在する場合は、1次抗体310が適切に被検出物質320を捕捉できるように、金属膜220上を洗浄して保湿剤を除去する。
First, preparation for measurement is performed (step S10). Specifically, the
次いで、検体中の被検出物質320と1次抗体310とを反応させる(1次反応、工程S20)。具体的には、金属膜220上に検体を提供して、検体と1次抗体310とを接触させる。検体中に被検出物質320が存在する場合は、被検出物質320の少なくとも一部は1次抗体310に結合する。この後、金属膜220上を緩衝液などで洗浄して、1次抗体310に結合しなかった物質を除去する。検体および被検出物質320の種類は、特に限定されない。検体の例には、血液や血清、血漿、尿、鼻孔液、唾液、精液などの体液およびその希釈液が含まれる。また、被検出物質320の例には、核酸(DNAやRNAなど)、タンパク質(ポリペプチドやオリゴペプチドなど)、アミノ酸、糖質、脂質およびこれらの修飾分子が含まれる。
Next, the
次いで、1次抗体310に結合した被検出物質320を蛍光物質340で標識する(2次反応、工程S30)。具体的には、蛍光物質340で標識された2次抗体330を含む蛍光標識液を金属膜220上に提供して、1次抗体310に結合した被検出物質320と蛍光標識液とを接触させる。蛍光標識液は、例えば、蛍光物質で標識された2次抗体330を含む緩衝液である。被検出物質320が1次抗体310に結合している場合は、被検出物質320の少なくとも一部は、蛍光物質340で標識される(図2A参照)。この後、金属膜220上を緩衝液などで洗浄し、遊離の2次抗体330などを除去する。なお、1次反応と2次反応の順番は、これに限定されない。たとえば、被検出物質320を2次抗体330に結合させた後に、これらの複合体を含む液体を金属膜220上に提供してもよい。また、金属膜220上に検体と蛍光標識液を同時に提供してもよい。
Next, the
次いで、1次抗体310に結合した、蛍光物質340で標識されている被検出物質320に所定の周波数の振動を加える(工程S40)。具体的には、制御部190は、振動付与部180に交番電界を印加させて、被検出物質320に所定の周波数の振動を加えさせる(図2Bおよび図2C参照)。
Next, vibration with a predetermined frequency is applied to the
次いで、被検出物質320に所定の周波数の振動を加えた状態で、励起光αを金属膜220に照射して、蛍光物質340から放出される蛍光βの強度を測定する(工程S50)。具体的には、制御部190は、光源110に励起光αを出射させる。同時に、制御部190は、光検出部170に金属膜220からの蛍光βの強度を検出させる。光検出部170は、測定結果を制御部190に出力する。
Next, with the vibration of a predetermined frequency applied to the substance to be detected 320, the excitation light α is irradiated onto the
最後に、制御部190は、光検出部170からの出力信号(蛍光シグナル)に対して周波数解析を行い、特異的結合SPに由来する蛍光シグナルを分離して、被検出物質の存在または被検出物質の量を分析する(工程S60)。
Finally, the
以上の手順により、特異的結合SPに由来する蛍光シグナルを分離して、検体中の被検出物質の存在または被検出物質の量を高精度に検出することができる。 By the above procedure, the fluorescence signal derived from the specific binding SP can be separated, and the presence of the substance to be detected or the amount of the substance to be detected in the sample can be detected with high accuracy.
前述のとおり、本実施の形態では、回折格子230の表面に、1次抗体が略均一に固定化されている。したがって、回折格子230の凹部の底面に位置する被検出物質320からの蛍光強度の変化と、凸部の頂面に位置する被検出物質320からの蛍光強度の変化とが、互いに打ち消しあうことも考えられる。しかしながら、回折格子230の凹部の底面と凸部の頂面とでは、電場強度に大きな差があるため、凸部の頂面における蛍光強度の変化は、凹部の底面における蛍光強度の変化に比べて非常に小さい。このため、このようなことはほとんど問題とならない。また、蛍光検出ユニット内にマスクを配置して特定の領域(例えば、電場強度が小さい領域)からの蛍光を遮蔽したり、光検出部170で検出した蛍光像における特定の領域(例えば、電場強度が大きい領域)についてのみ周波数解析を行ったりすることで、このような問題をより確実に回避してもよい。
As described above, in the present embodiment, the primary antibody is immobilized substantially uniformly on the surface of the
以上のように、本実施の形態に係るSPFS装置100は、特異的結合SPに由来する蛍光シグナルを分離することができるため、非特異的吸着が生じている場合でも被検出物質を高精度に検出することができる。
As described above, since the
なお、上記実施の形態では、振動付与部180が交番電界を印加して被検出物質に振動を加える例について説明したが、被検出物質に振動を加える手段はこれに限定されない。たとえば、この場合、振動付与部180は、金属膜220を1つの壁面とする流路の他の壁面を振動させることで被検出物質に振動を加えてもよい。また、振動付与部180は、金属膜220を1つの壁面とする流路内において液体を往復させることで被検出物質に振動を加えてもよい。さらに、振動付与部180は、周波数1×105〜1×1013Hzの電磁波を照射して分子を振動させることで被検出物質に振動を加えてもよい。
In the above-described embodiment, the example in which the
また、上記実施の形態では、振動付与部180が被検出物質を主として金属膜220の面方向に振動させる例について説明したが、振動付与部180は被検出物質を金属膜220の厚み方向に振動させてもよい(本願発明者らによる特開2011−80935号公報参照)。SPRにより形成される増強電場は金属膜220のごく近傍にのみ存在するため、被検出物質を金属膜220の厚み方向に振動させても、振動に応じて蛍光物質から放出される蛍光の強度が変化する。また、被検出物質を金属膜220の厚み方向に振動させる場合も、特異的結合SPにより結合した複合体と、非特異的結合USにより結合した複合体とでは、蛍光シグナルの周波数が異なる。したがって、被検出物質を金属膜220の厚み方向に振動させる場合も、上記実施の形態と同様に、特異的結合SPに由来する蛍光シグナルを分離して、検体中の被検出物質の存在または被検出物質の量を高精度に検出することができる。振動付与部180は、被検出物質を金属膜220の面方向に振動させてもよいし、厚み方向に振動させてもよいし、面方向および厚み方向に振動させてもよい。
In the above-described embodiment, the example in which the
また、上記実施の形態では、金属膜220側から励起光αをチップ200に照射する例について説明したが、基板210側から励起光αをチップ200に照射してもよい。
In the above embodiment, the example in which the
本発明に係る表面プラズモン増強蛍光測定装置および表面プラズモン増強蛍光測定方法は、被検出物質を高い信頼性で測定することができるため、例えば臨床検査などに有用である。 The surface plasmon enhanced fluorescence measurement apparatus and the surface plasmon enhanced fluorescence measurement method according to the present invention can measure a substance to be detected with high reliability, and thus are useful for clinical examinations, for example.
100 表面プラズモン増強蛍光測定装置(SPFS装置)
110 光源
120 コリメートレンズ
130 励起光フィルター
140 第1集光レンズ
150 蛍光フィルター
160 第2集光レンズ
170 光検出部
180 振動付与部
182 高圧電源
184 電極
190 制御部
200 チップ
210 基板
220 金属膜
230 回折格子
310 1次抗体
320 被検出物質
330 2次抗体
340 蛍光物質
α 励起光
β 蛍光
100 Surface plasmon enhanced fluorescence measuring device (SPFS device)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
増強された電場により前記蛍光物質を励起して蛍光を放出させるために、前記励起光を前記回折格子に照射する光源と、
前記蛍光物質からの蛍光を検出する光検出部と、
前記抗体に結合した前記被検出物質に、所定の周波数で前記金属膜の面方向を含む方向の振動を加える振動付与部と、を有し、
前記振動付与部により前記被検出物質に振動を加えた状態で、前記光検出部により前記蛍光物質からの蛍光を検出し、前記光検出部からの出力信号を周波数解析することにより被検出物質の存在またはその量を分析する、
表面プラズモン増強蛍光測定装置。 A chip having a metal film with a diffraction grating formed thereon, an antibody immobilized on the diffraction grating, and a target substance labeled with a fluorescent substance bonded to the antibody is mounted, and excitation light is transmitted to the diffraction grating. Is a surface plasmon enhanced fluorescence measuring device that detects the presence or the amount of the substance to be detected by irradiating
A light source for irradiating the diffraction grating with the excitation light in order to excite the fluorescent material with an enhanced electric field to emit fluorescence;
A light detection unit for detecting fluorescence from the fluorescent material;
A vibration applying unit that applies a vibration in a direction including a surface direction of the metal film to the detection target substance bound to the antibody at a predetermined frequency;
In a state in which the substance to be detected is vibrated by the vibration applying unit, the fluorescence from the fluorescent substance is detected by the light detection unit, and the output signal from the light detection unit is analyzed by frequency analysis. Analyze the presence or quantity,
Surface plasmon enhanced fluorescence measurement device.
回折格子を形成された金属膜と、前記回折格子に固定化された抗体と、前記抗体に結合した、蛍光物質で標識された被検出物質とを有するチップを準備する工程と、
前記抗体に結合した前記被検出物質に所定の周波数で前記金属膜の面方向を含む方向の振動を加えた状態で、前記回折格子に励起光を照射する工程と、
前記蛍光物質から放出された蛍光を検出して蛍光シグナルを得る工程と、
前記蛍光シグナルを周波数解析することにより被検出物質の存在またはその量を分析する工程と、
を含む、表面プラズモン増強蛍光測定方法。 A fluorescent substance for labeling a substance to be detected is a surface plasmon-enhanced fluorescence measuring method for detecting fluorescence emitted by being excited by an electric field based on surface plasmon resonance, and detecting the presence or amount of the substance to be detected,
Preparing a chip having a metal film formed with a diffraction grating, an antibody immobilized on the diffraction grating, and a detection target substance bound to the antibody and labeled with a fluorescent substance;
Irradiating the diffraction grating with excitation light in a state where a vibration in a direction including a plane direction of the metal film is applied to the detection target substance bound to the antibody at a predetermined frequency;
Detecting fluorescence emitted from the fluorescent material to obtain a fluorescent signal;
Analyzing the presence or amount of the substance to be detected by frequency analysis of the fluorescent signal;
A method for measuring surface plasmon enhanced fluorescence, comprising:
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