JP2015111063A - Surface plasmon-field enhanced fluorescence measurement method and surface plasmon enhanced fluorescence measurement apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表面プラズモン増強蛍光測定方法および表面プラズモン増強蛍光測定装置に関する。 The present invention relates to a surface plasmon enhanced fluorescence measurement method and a surface plasmon enhanced fluorescence measurement apparatus.
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、所定の条件で光を金属膜に照射すると、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捕捉体(例えば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試料液を提供すると、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捕捉体(例えば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 a metal film is irradiated with light under a predetermined condition. A capture body (for example, a primary antibody) that can specifically bind 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 sample solution containing a substance to be detected is provided in this reaction field, the substance to be detected is bound to the reaction field. Next, when a capture body (for example, 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、励起光と表面プラズモンとを結合(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使用する(特許文献1参照)。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、励起光と表面プラズモンとを結合させる。 SPFS is roughly classified into prism coupling (PC) -SPFS and lattice coupling (GC) -SPFS by means for coupling (coupling) excitation light and surface plasmons. In PC-SPFS, a prism having a metal film formed on one surface is used (see Patent Document 1). In this method, the excitation light is totally reflected at the interface between the prism and the metal film, thereby coupling the excitation light and the surface plasmon.
これに対し、GC−SPFSは、回折格子を利用して励起光と表面プラズモンとを結合させる(特許文献2参照)。GC−SPFSでは、回折格子を形成された金属膜を使用する。この方法では、回折格子に励起光を照射することで、励起光と表面プラズモンとを結合させる。PC−SPFSでは、蛍光は全方向に出射されるのに対し、GC−SPFSでは、蛍光は特定の方向に指向性を持って出射されることが知られている。 On the other hand, GC-SPFS couples excitation light and surface plasmons using a diffraction grating (see Patent Document 2). In GC-SPFS, a metal film on which a diffraction grating is formed is used. In this method, excitation light and surface plasmons are combined by irradiating the diffraction grating with excitation light. In PC-SPFS, it is known that fluorescence is emitted in all directions, whereas in GC-SPFS, fluorescence is emitted in a specific direction with directivity.
一般的に、GC−SPFSでは、励起光照射時に回折格子上に液体が存在しており、励起光はこの液体を通して回折格子に照射される。このような状況において、液体の上部を外部に開放すると、メニスカスにより液体の表面に傾きが生じる。このように液体の表面に傾きが生じると、励起光の入射角および蛍光の出射角にずれが生じてしまい、光検出部に適切に蛍光が到達できず、被検出物質の検出に失敗してしまうおそれがある。蛍光の出射角のずれに対応するためにレンズなどを用いて光検出部の検出範囲を拡げることも考えられるが、バックグラウンドの低減の観点からはレンズなどの使用は好ましくない。 In general, in GC-SPFS, a liquid exists on the diffraction grating when the excitation light is irradiated, and the excitation light is irradiated to the diffraction grating through the liquid. In such a situation, when the upper part of the liquid is opened to the outside, the meniscus causes an inclination on the surface of the liquid. When the liquid surface is tilted in this way, the incident angle of the excitation light and the emission angle of the fluorescence are shifted, and the fluorescence cannot properly reach the light detection unit, and the detection of the target substance fails. There is a risk that. Although it is conceivable to expand the detection range of the light detection unit using a lens or the like in order to cope with the deviation of the emission angle of the fluorescence, the use of the lens or the like is not preferable from the viewpoint of reducing the background.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、GC−SPFSを利用する測定方法および測定装置であって、バックグラウンドの増大を防ぎつつ、蛍光の出射角のずれによる検出精度の低下を抑制することができる測定方法および測定装置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 method and a measurement apparatus using GC-SPFS, which prevents an increase in background and reduces detection accuracy due to a deviation in emission angle of fluorescence. It is an object of the present invention to provide a measurement method and a measurement apparatus that can be suppressed.
本発明者らは、液体の表面(液体と空気の界面)を介さずに励起光を照射し、蛍光を検出す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。 The present inventors have found that the above problem can be solved by irradiating excitation light without passing through the surface of the liquid (interface between liquid and air) and detecting fluorescence, and have further studied to complete the present invention. It was.
すなわち、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。 That is, the present invention relates to the following surface plasmon enhanced fluorescence measurement method.
[1]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、光透過性の側壁に囲まれ、液体を保持している液溜部と、前記液溜部の底部に配置された、回折格子を含む金属膜と、前記回折格子に固定化された捕捉体と、前記捕捉体に結合した、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、前記回折格子に、前記側壁と前記液溜部に保持された液体との界面を通して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、前記液溜部に保持された液体と前記側壁との界面を通して検出して蛍光シグナルを得る工程と、を含む、表面プラズモン増強蛍光測定方法。
[2]前記励起光の光軸を含む前記液溜部の深さ方向の断面において、前記液溜部に保持された液体の深さhは、以下の式(1)を満たす、[1]に記載の表面プラズモン増強蛍光測定方法。
[2] In a cross section in the depth direction of the liquid reservoir including the optical axis of the excitation light, the depth h of the liquid held in the liquid reservoir satisfies the following formula (1): [1] The surface plasmon enhanced fluorescence measurement method described in 1.
また、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。 The present invention also relates to the following surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus.
[3]光透過性の側壁に囲まれ、液体を保持している液溜部と、前記液溜部の底部に配置された、回折格子を含む金属膜と、前記回折格子に固定化された捕捉体と、前記捕捉体に結合した、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、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、前記回折格子に、前記側壁と前記液溜部に保持された液体との界面を通して励起光を照射する光照射部と、前記蛍光物質から放出された蛍光を、前記液溜部に保持された液体と前記側壁との界面を通して検出する光検出部と、を有する、表面プラズモン増強蛍光測定装置。
[4]前記光照射部および前記光検出部を含む前記液溜部の深さ方向の断面において、前記液溜部に保持された液体の深さhは、以下の式(1)を満たす、[3]に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
[4] In the cross section in the depth direction of the liquid reservoir including the light irradiation unit and the light detection unit, the depth h of the liquid held in the liquid reservoir satisfies the following formula (1): [3] The surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus according to [3].
本発明によれば、GC−SPFSを利用する測定方法および測定装置において、被検出物質をより高感度かつ高精度に検出することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in a measuring method and measuring apparatus using GC-SPFS, a to-be-detected substance can be detected more highly sensitively and with high precision.
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.
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1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およびチップ200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、蛍光フィルター140、光検出部150および制御部160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。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a surface plasmon enhanced fluorescence measurement apparatus (hereinafter referred to as “SPFS apparatus”) 100 and a
チップ200は、基板210と、回折格子230を含む金属膜220と、液体を保持するための液溜部250を形成する側壁240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には捕捉体(例えば1次抗体)が固定化されており、回折格子230の表面は、捕捉体と被検出物質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、捕捉体および被検出物質を省略している。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および側壁240の支持部材である。基板210の材料は、金属膜220および側壁240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、液溜部250の底部に位置するように基板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(SPR)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。たとえば、回折格子230は、図2Aに示されるように1次元回折格子であってもよいし、図2Bに示されるように2次元回折格子であってもよい。図2Aに示される1次元回折格子では、金属膜220の表面に、互いに平行な複数の凸条が所定の間隔で形成されている。図2Bに示される2次元回折格子では、金属膜220の表面に、所定形状の凸部が周期的に配置されている。凸部の配列の例には、正方格子、三角(六方)格子などが含まれる。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。回折格子のピッチは、SPRを発生させる観点から、100〜2000nmの範囲が好ましい。なお、本明細書において、「回折格子のピッチ」とは、図2A,Bに示されるように、凸部の配列方向における凸部の中心間距離Λをいう。
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、被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定化されている。捕捉体は、被検出物質に特異的に結合する。たとえば、回折格子230の表面に、捕捉体が略均一に固定化されている。捕捉体の種類は、被検出物質を捕捉することができれば特に限定されない。たとえば、捕捉体は、被検出物質に特異的な抗体(1次抗体)またはその断片、被検出物質に特異的に結合可能な酵素などである。
A capture body for capturing a substance to be detected is immobilized on the diffraction grating 230 (reaction field). The capturing body specifically binds to the substance to be detected. For example, the capturing body is fixed substantially uniformly on the surface of the
捕捉体の固定化方法は、特に限定されない。たとえば、回折格子230の上に、捕捉体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、捕捉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、この高分子に捕捉体を結合させてもよい。
The method for immobilizing the capturing body is not particularly limited. For example, a self-assembled monomolecular film (hereinafter referred to as “SAM film”) or a polymer film to which a capturing body is bonded may be formed on the
図3に示されるように、励起光αは、所定の入射角θで回折格子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、SPRが生じる。照射領域に蛍光物質が存在する場合は、SPR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。前述のとおり、GC−SPFSでは、蛍光βは特定の方向に指向性を持って出射される。図3に示されるように、蛍光βの出射角は2θで近似される。
As shown in FIG. 3, the excitation light α is irradiated onto the
側壁240は、金属膜220を取り囲むように基板210上に配置されている。側壁240は、金属膜220上に液体310を保持するための液溜部250を形成する。液溜部250の開口部は開放されているため、液溜部250内の液体310の表面は外部に露出される。したがって、液溜部250内の液体310の表面は、メニスカスを形成する。この後説明するように、本実施の形態に係るSPFS装置100は、蛍光検出時におけるメニスカスの影響を回避するために、側壁240を通して励起光αを回折格子230に照射し、側壁240を通して蛍光βを検出する(図1参照)。したがって、側壁240は、励起光αおよび蛍光βの波長について光透過性を有する材料で形成される。
The
側壁240の材料は、励起光αおよび蛍光βの波長について光透過性を有し、かつ金属膜220上に液体310を保持できるものであれば特に限定されない。側壁240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。側壁240の材料としては、アクリル樹脂などの光学プラスチック、または光学ガラスが好ましい。なお、側壁240は、基板210と一体成形されていてもよい。
The material of the
次に、SPFS装置100の各構成要素について説明する。前述のとおり、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、蛍光フィルター140、光検出部150および制御部160を有する。
Next, 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(光照射部)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。本実施の形態に係るSPFS装置100では、励起光照射ユニットは、チップ200の側壁240と液溜部250内の液体310との界面を通るように励起光αを回折格子230に照射する。
The
励起光照射ユニットは、励起光αの光軸が、回折格子230における周期的構造の配列方向(図2A,Bにおけるx軸方向)に沿うように、励起光αを回折格子230に照射する。したがって、x軸に垂直かつ金属膜220の表面に垂直な軸(液溜部250の高さ方向の軸)をy軸とした場合、励起光αの光軸はxy平面に平行である(図1参照)。
The excitation light irradiation unit irradiates the
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。光源110の種類は、蛍光物質を励起できる波長(例えば400〜1000nm)の光を出射できれば特に限定されない。光源110の例には、レーザーダイオード、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。
The
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。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場合がある。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、光源110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。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、光源110からの励起光αを中心波長のみの狭帯域光にする。また、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、光源110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(回折格子230)に対する励起光αの入射角θ(図3参照)は、SPRにより形成される増強電場の強度が最も強くなり、その結果として蛍光物質からの蛍光βの強度が最も強くなる角度が好ましい。励起光αの入射角θは、回折格子230のピッチΛや励起光αの波長、金属膜220を構成する金属の種類などに応じて適切に選択される。たとえば、励起光αの入射角θは、以下の式(2)を満たすように設定される。
λ0:真空中の励起光αの波長
n:回折格子230上の媒質(液溜部250内の液体310)の屈折率
θ:励起光αの回折格子230に対する入射角
m:整数
Λ:回折格子230のピッチ
The incident angle θ (see FIG. 3) of the excitation light α with respect to the metal film 220 (diffraction grating 230) has the highest intensity of the enhanced electric field formed by SPR, and as a result, the intensity of the fluorescence β from the fluorescent material is the highest. A stronger angle is preferred. The incident angle θ of the excitation light α is appropriately selected according to the pitch Λ of the
λ 0 : wavelength of excitation light α in vacuum n: refractive index of medium (liquid 310 in liquid reservoir 250) on
ここで、kspは、2種類の媒質の界面(金属膜220と液溜部250内の液体310との界面)において励起されるプラズモンの波数であり、以下の式(3)のように定義される。
c:光速度
ε1:回折格子230上の媒質(液溜部250内の液体310)の誘電率=n2
ε2:回折格子230を構成する媒質(金属)の誘電率
Here, k sp is the wave number of plasmon excited at the interface between the two types of media (the interface between the
ε 2 : dielectric constant of medium (metal) constituting
励起光αの最適な入射角θは、各種条件の変更により変わるため、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θ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。
Since the optimum incident angle θ of the excitation light α varies depending on various conditions, the
蛍光フィルター140および光検出部150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)上の蛍光物質から放出される蛍光βを検出する。蛍光検出ユニットは、光検出部150の検出範囲を拡げるために集光レンズをさらに有していてもよいが、バックグラウンドの低減の観点からは集光レンズを含まない方が好ましい。
The
蛍光フィルター140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150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150に到達する光の光量を調整したりする。
The
光検出部150は、金属膜220上の蛍光像を検出する。たとえば、光検出部150は、感度およびSN比が高い光電子増倍管である。光検出部150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は、回折格子230(反応場)から放出され、側壁240を透過した蛍光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蛍光検出ユニットの光軸の角度を調整する第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 of the optical axis of the fluorescence detection unit with respect to the perpendicular of the
制御部160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150)、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(第1角度調整部および第2角度調整部)の動作を制御する。また、制御部160は、光検出部150からの出力信号(蛍光シグナル)を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。制御部160は、例えば、ソフトウェアを実行するコンピュータである。
The
図4は、実施の形態1に係るチップ200の構成、ならびに励起光αおよび蛍光βの光路を示す断面模式図である。ここでは、側壁240の外面と内面とが平行であるとする。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
図4において、θ1は、励起光αが外部の媒質(例えば空気)から側壁240に入射したときの励起光αの入射角である。θ2は、励起光αが外部の媒質から側壁240に入射したときの励起光αの屈折角である。θ2は、励起光αが側壁240から液体310(例えば緩衝液)に入射したときの励起光αの入射角でもある。θ3は、励起光αが側壁240から液体310(例えば緩衝液)に入射したときの励起光αの屈折角である。金属膜220に対する励起光αの入射角θとθ3との和は、90°である。
In FIG. 4, θ 1 is an incident angle of the excitation light α when the excitation light α is incident on the
θ4は、蛍光βが液体310から側壁240に入射したときの蛍光βの入射角である。前述のとおり、金属膜220に対する蛍光βの出射角は、2θで近似できる。したがって、θ4と2θとの和は、90°である。θ5は、蛍光βが液体310から側壁240に入射したときの蛍光βの屈折角である。θ5は、蛍光βが側壁240から外部の媒質に入射したときの蛍光βの入射角でもある。θ6は、蛍光βが側壁240から外部の媒質に入射したときの蛍光βの屈折角である。
θ 4 is an incident angle of the fluorescence β when the fluorescence β is incident on the
なお、励起光αの波長や、回折格子230のピッチΛ、金属膜220に対する励起光αの入射角θ、外部の媒質の屈折率n1および誘電率、側壁240の屈折率n1および誘電率、液体310の屈折率n2および誘電率などは、蛍光検出時に使用する液体310の種類や、蛍光物質の種類、蛍光検出時の雰囲気などに応じて従属的に決まる。
Incidentally, and the wavelength of the excitation light alpha, pitch Λ of the
スネルの法則より、以下の式(4)〜式(7)が成立する。ここで、n1は、外部の媒質の屈折率である。n2は、側壁240の屈折率である。n3は、液体310の屈折率である。
また、適切に蛍光βを検出するためには、各屈折点において全反射しないことが必要である。したがって、以下の式(8)および式(9)が成立するように、側壁240の屈折率n2、側壁240の形状および液体310の屈折率n3が選択される。
また、励起光αが側壁240と液体310との界面を通過するためには、以下の式(10)を満たすように液体310の深さhが選択される。式(10)の左辺は、図4におけるh1に相当する。すなわち、式(10)は、励起光αが側壁240から液体310に入射する点が、液体310の表面よりも低い位置にあることを特定している。なお、側壁240の高さが液体310の深さhよりも高いことは当然である。一方、蛍光βが液体310と側壁240との界面を通過するためには、以下の式(11)を満たすように液体310の深さが選択される。式(10)を満たせば式(11)も満たされるため、以下の式(10)を満たすように液体310の深さを選択すればよい。
次に、SPFS装置100の検出動作について説明する。図5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。この例では、捕捉体として1次抗体が金属膜220(回折格子230)上に固定化されている。
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次抗体が適切に被検出物質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、チップ200の液溜部250に試料液を導入して、試料液中の被検出物質と1次抗体とを反応させる(1次反応、工程S20)。試料液中に被検出物質が存在する場合は、被検出物質の少なくとも一部は1次抗体に結合する。この後、液溜部250内を緩衝液などで洗浄して、1次抗体に結合しなかった物質を除去する。
Next, the sample solution is introduced into the
試料液は、検体を含む水系の液体である。たとえば、試料液は、液状の検体や、液状の検体を緩衝液などの液体で希釈した希釈液である。試料液は、界面活性剤などを含んでいてもよい。検体および被検出物質の種類は、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、精液などの体液が含まれる。また、被検出物質の例には、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。 The sample liquid is an aqueous liquid containing a specimen. For example, the sample solution is a liquid sample or a diluted solution obtained by diluting a liquid sample with a liquid such as a buffer solution. The sample solution may contain a surfactant or the like. There are no particular limitations on the types of the specimen and the substance to be detected. Examples of specimens include body fluids such as blood, serum, plasma, urine, nasal fluid, saliva and semen. Examples of substances to be detected include nucleic acids (such as DNA and RNA), proteins (such as polypeptides and oligopeptides), amino acids, carbohydrates, lipids, and modified molecules thereof.
次いで、1次抗体に結合した被検出物質を蛍光物質で標識する(2次反応、工程S30)。具体的には、蛍光物質で標識された2次抗体を含む蛍光標識液を液溜部250に導入して、1次抗体に結合した被検出物質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次抗体を含む緩衝液である。被検出物質が1次抗体に結合している場合は、被検出物質の少なくとも一部は、蛍光物質で標識される。この後、液溜部250内を緩衝液などで洗浄し、遊離の2次抗体などを除去する。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、被検出物質を2次抗体に結合させた後に、これらの複合体を含む液体を液溜部250に導入してもよい。また、液溜部250に検体と蛍光標識液を同時に導入してもよい。いずれの場合であっても、液溜部250に導入された試料液は、緩衝液などの別の液体に置換される。
Next, the target substance bound to the primary antibody is labeled with a fluorescent substance (secondary reaction, step S30). Specifically, a fluorescent labeling solution containing a secondary antibody labeled with a fluorescent substance is introduced into the
次いで、励起光αを金属膜220に照射して、蛍光物質から放出される蛍光βの強度を測定する(工程S40)。具体的には、制御部160は、光源110に励起光αを出射させる。同時に、制御部160は、光検出部150に蛍光βの強度を検出させる。光検出部150は、測定結果を制御部160に出力する。このとき、図1に示されるように、励起光照射ユニット(光照射部)は、液溜部250に保持された液体310の表面(メニスカス)を通さずに、側壁240と液体310との界面を通して回折格子230に励起光αを照射する。また、光検出部150は、蛍光物質から放出された蛍光βを、液体310の表面(メニスカス)を通さずに、液体310と側壁240との界面を通して検出する。
Next, the excitation light α is irradiated onto the
最後に、制御部160は、光検出部150からの出力信号(蛍光シグナル)を解析して、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S50)。
Finally, the
以上の手順により、検体中の被検出物質の存在または被検出物質の量を検出することができる。 By the above procedure, the presence of the substance to be detected in the sample or the amount of the substance to be detected can be detected.
以上のように、本実施の形態に係るSPFS装置100は、液体310の表面(メニスカス)を通さずに、側壁240と液体310との界面を通して励起光αを照射し、液体310と側壁240との界面を通して蛍光βを検出する。側壁240と液体310との界面の形状は変化しないため、このようにすることで、メニスカスに起因する蛍光βの出射角のずれを低減することができる(実施の形態2のシミュレーション結果も参照)。したがって、本実施の形態に係るSPFS装置100によれば、被検出物質を高感度かつ高精度に検出することができる。
As described above, the
[実施の形態2]
実施の形態1では、側壁240の外周面で励起光αを側壁240に入射させる例について説明した。実施の形態2では、側壁240の上面で励起光αを側壁240に入射させる例について説明する。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the example in which the excitation light α is incident on the
図6は、実施の形態2に係るチップ200の構成、ならびに励起光αおよび蛍光βの光路を示す断面模式図である。ここでは、側壁240の外面と内面とが平行であり、側壁240の上面と基板210の上面とが平行であるものとする。図6に示されるように、本実施の形態では、チップ200の側壁240の上面で励起光αを入射させる。入射した励起光αは、側壁240と液体310との界面を通り、回折格子230に到達する。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
図6において、θ1は、励起光αが外部の媒質(例えば空気)から側壁240に入射したときの励起光αの入射角である。θ2は、励起光αが側壁240から液体310(例えば緩衝液)に入射したときの励起光αの入射角である。θは、金属膜220に対する励起光αの入射角である。前述のとおり、金属膜220に対する蛍光βの出射角は、2θで近似できる。
In FIG. 6, θ 1 is an incident angle of the excitation light α when the excitation light α is incident on the
θ3は、蛍光βが液体310から側壁240に入射したときの蛍光βの屈折角である。θ3は、蛍光βが側壁240から外部の媒質に入射したときの蛍光βの入射角でもある。θ4は、蛍光βが側壁240から外部の媒質に入射したときの蛍光βの屈折角である。
θ 3 is a refraction angle of the fluorescence β when the fluorescence β enters the
スネルの法則より、以下の式(12)〜式(15)が成立する。ここで、n1は、外部の媒質の屈折率である。n2は、側壁240の屈折率である。n3は、液体310の屈折率である。
図7Aは、金属膜220に対する励起光αの入射角θと励起光αの反射率との関係(シミュレーション結果)を示すグラフである。このシミュレーションは、以下の条件でRCWA法を用いて行った。金属膜230は、金薄膜とした。金薄膜には、図2Aに示される形状の回折格子230(ピッチΛ:300nm)が形成されている。励起光αの波長は、637nmとした。液体310は、水とした。
FIG. 7A is a graph showing a relationship (simulation result) between the incident angle θ of the excitation light α with respect to the
図7Aに示されるグラフから、この条件では入射角が約26°(26.2°)のときに励起光αの反射率が最も低下し、最も効率よくSPRが生じることがわかる。 From the graph shown in FIG. 7A, it can be seen that, under this condition, when the incident angle is about 26 ° (26.2 °), the reflectance of the excitation light α is the lowest and SPR is most efficiently generated.
ここで、外部の媒質(空気)の屈折率n1が1であり、側壁240(光学樹脂)の屈折率n2が1.525であり、液体310(水)の屈折率n3が1.33であり、θ=26°であると仮定する。この場合は、上記式(12)〜式(15)を解くことで、θ1=65.1°、θ2=57°、θ3=32.5°、θ4=55°と求めることができる。 Here, the refractive index n 1 of the external medium (air) is 1, the refractive index n 2 of the side wall 240 (optical resin) is 1.525, and the refractive index n 3 of the liquid 310 (water) is 1. Suppose that 33 and θ = 26 °. In this case, it is possible to obtain θ 1 = 65.1 °, θ 2 = 57 °, θ 3 = 32.5 °, and θ 4 = 55 ° by solving the above equations (12) to (15). it can.
また、図6において、液溜部250の底部の水平方向の大きさtが5mmであると仮定する。この場合は、上記式(10)より、液体310の深さhは、8.7mmを超えなければならない。したがって、側壁240の高さh2も、8.7mmを超えている必要がある。この8.7mmという数値は、図6におけるh1に相当する。
In FIG. 6, it is assumed that the horizontal size t of the bottom of the
また、図6におけるt2の大きさは、以下の式(16)で求められる。したがって、側壁240の厚みt1は、以下の式(17)を満たすように設定される。
図7Bは、図6に示されるチップ200(回折格子230のピッチΛ:400nm、液溜部250の径t:10mm)を使用して、励起光α(波長:633nm)を液体310の表面(メニスカス)を通して回折格子230に照射した場合の、金属膜220に対する励起光αの入射角θと励起光αの反射光の強度との関係(実測値)を示すグラフである。この実験では、同一のチップを用いて5回反射光の強度を測定した。測定ごとに、液溜部250内の液体310を除去し、改めて液溜部250内に液体310を提供した。
FIG. 7B shows that the
図7Bに示されるグラフから、同じ条件で測定を行っているにも関わらず、励起光αの反射光強度が最も低下する入射角(共鳴角)が、測定ごとに7.2°〜7.8°とばらついていることがわかる。これは、液溜部250内に液体310を提供する度に、液体310の表面形状(メニスカス)が変化し、回折格子230に対する励起光αの入射角が変化しているためと考えられる。
From the graph shown in FIG. 7B, the incident angle (resonance angle) at which the reflected light intensity of the excitation light α is the lowest decreases from 7.2 ° to 7.7 for each measurement even though the measurement is performed under the same conditions. It can be seen that the angle is 8 °. This is probably because the surface shape (meniscus) of the liquid 310 changes every time the liquid 310 is provided in the
図7Cは、図6に示されるチップ200(回折格子230のピッチΛ:400nm、液溜部250の径t:10mm)を使用して、励起光α(波長:637nm)を液体310の表面(メニスカス)を通して回折格子230に照射し、液体310と側壁240との界面を通して蛍光βを検出した場合の、蛍光βの強度(実測値)を示すグラフである。この実験では、同一のチップを用いて5回蛍光βの強度を測定した。測定ごとに、液溜部250内の液体310(TBS−T)を除去し、改めて液溜部250内に液体310(TBS−T)を提供した。また、回折格子230の表面に蛍光標識された被検出物質を結合させる代わりに、回折格子230の表面にSAM膜を形成し、その上に蛍光色素(アロフィコシアニン)を固定化した。
7C uses the
図7Cに示されるグラフから、同じ条件で測定を行っているにも関わらず、蛍光βの強度が、測定ごとに1119〜1191カウント/秒とばらついてことがわかる。これは、液溜部250内に液体310を提供する度に、液体310の表面形状(メニスカス)が変化し、回折格子230に対する励起光αの入射角が変化しているためと考えられる。
From the graph shown in FIG. 7C, it can be seen that the intensity of the fluorescence β varies from 1119 to 1191 counts / second for each measurement even though the measurement is performed under the same conditions. This is probably because the surface shape (meniscus) of the liquid 310 changes every time the liquid 310 is provided in the
図7B,図7Cに示されるように、液体310の表面(メニスカス)を通して励起光αを回折格子230に照射すると、測定の度に励起光αの入射角が変化し、検出される蛍光βの強度も大きくばらつくため、定量的な検出を行うことはできない。
As shown in FIGS. 7B and 7C, when the
これに対し、実施の形態1,2に係るSPFS装置100では、液体310の表面(メニスカス)を通さずに励起光αを回折格子230に照射するため、測定の度に励起光αの入射角が変化することはなく、検出される蛍光βの強度も安定する。このため、実施の形態1,2に係るSPFS装置100は、定量的な検出を行うことができる。
On the other hand, in the
本実施の形態に係るSPFS装置100は、実施の形態1に係るSPFS装置100と同様の効果を奏する。
The
本発明は、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。 Since the present invention can measure a substance to be detected with high reliability, it is 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 蛍光フィルター
150 光検出部
160 制御部
200 チップ
210 基板
220 金属膜
230 回折格子
240 側壁
250 液溜部
310 液体
α 励起光
β 蛍光
100 Surface plasmon enhanced fluorescence measuring device (SPFS device)
DESCRIPTION OF
Claims (4)
光透過性の側壁に囲まれ、液体を保持している液溜部と、前記液溜部の底部に配置された、回折格子を含む金属膜と、前記回折格子に固定化された捕捉体と、前記捕捉体に結合した、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、
前記回折格子に、前記側壁と前記液溜部に保持された液体との界面を通して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、前記液溜部に保持された液体と前記側壁との界面を通して検出して蛍光シグナルを得る工程と、
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,
A liquid reservoir that is surrounded by a light-transmitting side wall and holds a liquid; a metal film that includes a diffraction grating disposed at the bottom of the liquid reservoir; and a capturing body fixed to the diffraction grating; Preparing a chip having a substance to be detected, which is bound to the capturing body and labeled with a fluorescent substance;
Irradiating the diffraction grating with excitation light through an interface between the side wall and the liquid held in the liquid reservoir;
Detecting fluorescence emitted from the fluorescent substance through an interface between the liquid held in the liquid reservoir and the side wall to obtain a fluorescent signal;
A method for measuring surface plasmon enhanced fluorescence, comprising:
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、前記回折格子に、前記側壁と前記液溜部に保持された液体との界面を通して励起光を照射する光照射部と、
前記蛍光物質から放出された蛍光を、前記液溜部に保持された液体と前記側壁との界面を通して検出する光検出部と、
を有する、表面プラズモン増強蛍光測定装置。 A liquid reservoir that is surrounded by a light-transmitting side wall and holds a liquid; a metal film that includes a diffraction grating disposed at the bottom of the liquid reservoir; and a capturing body fixed to the diffraction grating; A surface plasmon that is mounted on a chip having a fluorescent substance-labeled target substance bound to the capturing body and detects the presence or amount of the target substance by irradiating the diffraction grating with excitation light An enhanced fluorescence measuring device comprising:
A light irradiation unit configured to irradiate the diffraction grating with excitation light through an interface between the side wall and the liquid held in the liquid reservoir, in order to excite the fluorescent substance by the enhanced electric field and emit fluorescence;
A light detection unit that detects fluorescence emitted from the fluorescent material through an interface between the liquid held in the liquid reservoir and the side wall;
A surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus.
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- 2013-12-06 JP JP2013253058A patent/JP2015111063A/en active Pending
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