JP2001242083A - Light intensifying method, light intensifying device, fluorometry using it, and fluorometer - Google Patents

Light intensifying method, light intensifying device, fluorometry using it, and fluorometer

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JP2001242083A
JP2001242083A JP2000056130A JP2000056130A JP2001242083A JP 2001242083 A JP2001242083 A JP 2001242083A JP 2000056130 A JP2000056130 A JP 2000056130A JP 2000056130 A JP2000056130 A JP 2000056130A JP 2001242083 A JP2001242083 A JP 2001242083A
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light
sample
excitation light
refractive index
index layer
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Japanese (ja)
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Jinyon Ie
ジンヨン イエ
Mitsuru Ishikawa
満 石川
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Hamamatsu Photonics KK
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Hamamatsu Photonics KK
Angstrom Technology Partnership
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light intensifying method stably providing fluorescence intensifying effect, a light intensifying device, a fluorometry using it, and a fluorometer. SOLUTION: A sample mounting base 1 is constructed of a base board 10 on a light incident face 1a side and a dielectric multiplayer film 11 on a sample mounting face lb side. Excitation light entering from the light incident face 1a is fully reflected on the sample mounting face 1b, while its evanescent light is fed to a sample. In construction of a low refractive index layer 12 and a high refractive index layer 13 constituting the dielectric multiplayer film 11, thickness of each layer 12, 13 is set on the basis of the wavelength of the excitation light so that light intensity of the excitation light is localized in the vicinity of the sample mounting face 1b. In this way, evanescent light fed to the sample is intensified and efficient fluorescence intensifying can be realized.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、試料に照射される
励起光を増強する光増強方法、光増強装置、及びそれを
用いた蛍光測定方法、蛍光測定装置に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light enhancement method and a light enhancement device for enhancing excitation light applied to a sample, and a fluorescence measurement method and a fluorescence measurement device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、蛍光測定に基づく単一分子検出、
及びイメージング・分光技術の開発が進められており、
分析化学において様々な応用の可能性を提供している。
このような単一分子検出を行う蛍光測定装置において
は、基板上の試料に対して励起光が照射され、試料への
励起光光路及び試料からの反射光光路を除く位置に設置
された蛍光検出手段によって、試料からの蛍光が検出さ
れる。
2. Description of the Related Art In recent years, single molecule detection based on fluorescence measurement,
And the development of imaging and spectroscopy technologies is underway.
It offers a variety of potential applications in analytical chemistry.
In such a fluorescence measurement device that performs single-molecule detection, the sample on the substrate is irradiated with excitation light, and the fluorescence detection device is set at a position other than the excitation light path to the sample and the reflection light path from the sample. By the means, fluorescence from the sample is detected.

【0003】例えば、特開平6−148076号公報に
示された蛍光測定装置では、試料載置用の基板としてシ
リコンウエハが用いられている。そして、このシリコン
ウエハ上に載置された試料に、励起光源であるレーザか
らのレーザ光が斜め方向から照射されるとともに、シリ
コンウエハの上方に設置された光学顕微鏡を含む蛍光検
出手段によって、試料からの蛍光が検出される。
For example, in a fluorescence measuring apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 148076/1994, a silicon wafer is used as a substrate for mounting a sample. The sample mounted on the silicon wafer is irradiated with laser light from a laser as an excitation light source from an oblique direction, and the sample is detected by fluorescence detection means including an optical microscope installed above the silicon wafer. Is detected.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記した蛍光測定によ
る単一分子検出の対象となっている分子は、主に可視域
(波長400〜800nm)、特に500nm付近に吸
収スペクトルの極大を有する蛍光性色素類に限られてい
る。一方、例えば核酸塩基に単一分子検出を適用しよう
とすると、その光吸収効率及び蛍光量子収率が蛍光性色
素類に比べて非常に小さい。このため、励起光に対して
試料から発生される蛍光強度が弱くなり、単一分子検出
が困難となっている。
The molecules to be detected by the above-described single molecule detection by fluorescence measurement mainly have a fluorescent property having an absorption spectrum maximum in the visible region (wavelength: 400 to 800 nm), particularly in the vicinity of 500 nm. Limited to pigments. On the other hand, when single molecule detection is applied to, for example, nucleobases, the light absorption efficiency and the fluorescence quantum yield are extremely small as compared with fluorescent dyes. For this reason, the fluorescence intensity generated from the sample with respect to the excitation light is weakened, and it is difficult to detect a single molecule.

【0005】すなわち、蛍光性色素類は、(a)光吸収
の効率を表す分子吸光係数εが、およそ105cm
-1(mol/l)-1と大きく、また、(b)蛍光量子収
率が、およそ0.1〜1.0であって1に近い、という
条件を備えている。これに対して、核酸塩基は、(1)
光吸収の効率が、およそ104cm-1(mol/l)-1
で、蛍光性色素類の1/5〜1/10程度であり、ま
た、(2)蛍光量子収率が、およそ10-4と小さく、蛍
光性色素類と比べて不利な条件を持っている。一般に、
蛍光量子収率が0.1よりも小さくなると、単一分子検
出は実質的に不可能であることが経験的に知られてい
る。
That is, fluorescent dyes have (a) a molecular extinction coefficient ε representing the efficiency of light absorption of about 10 5 cm
−1 (mol / l) −1, and (b) the condition that the fluorescence quantum yield is about 0.1 to 1.0 and close to 1. In contrast, nucleobases are (1)
The efficiency of light absorption is about 10 4 cm -1 (mol / l) -1
And about 1/5 to 1/10 that of fluorescent dyes, and (2) the fluorescent quantum yield is as small as about 10 -4 , which is disadvantageous compared to fluorescent dyes. . In general,
It is empirically known that single-molecule detection is virtually impossible when the fluorescence quantum yield is less than 0.1.

【0006】また、核酸塩基の光吸収スペクトルの極大
は、波長〜260nmの紫外領域にある。しかしなが
ら、紫外光を用いて直接励起を行うと、(3)試料及び
周辺の汚染、不純物や光学部品等に起因するバックグラ
ウンド光が増大して、蛍光測定が妨げられる、という問
題を生じる。
[0006] The maximum of the light absorption spectrum of the nucleic acid base is in the ultraviolet region having a wavelength of up to 260 nm. However, when excitation is directly performed using ultraviolet light, there is a problem that (3) background light caused by contamination of the sample and surroundings, impurities, optical components, and the like is increased, and fluorescence measurement is hindered.

【0007】また、核酸塩基を化学反応によって蛍光性
の誘導体に変換し、さらに2光子励起蛍光法を用いるこ
とによって、蛍光を増強することも可能である。例え
ば、グアニンは7位をメチル化することによって、蛍光
収率が約100倍になることが知られている。また、核
酸塩基の蛍光性誘導体(吸収極大波長280〜310n
m)に2光子励起蛍光法を適用すると、励起光の波長は
可視域(波長560〜620nm)となる。このとき、
不純物等に起因するバックグラウンド蛍光の波長は、励
起光よりも必ず長波長(波長560nm以上)となるの
で、2光子励起蛍光法による核酸塩基誘導体の蛍光波長
領域(波長320〜450nm)には影響しなくなり、
紫外光を用いた場合のようなバックグラウンド光の問題
を避けることができる。
It is also possible to enhance the fluorescence by converting a nucleic acid base into a fluorescent derivative by a chemical reaction and further using a two-photon excitation fluorescence method. For example, guanine is known to increase the fluorescence yield by about 100 times by methylating the 7-position. In addition, a fluorescent derivative of a nucleic acid base (maximum absorption wavelength 280 to 310 n)
When the two-photon excitation fluorescence method is applied to m), the wavelength of the excitation light is in the visible region (wavelength 560 to 620 nm). At this time,
The wavelength of the background fluorescence caused by impurities and the like is always longer than the excitation light (wavelength: 560 nm or more), so it affects the fluorescence wavelength region (wavelength: 320 to 450 nm) of the nucleobase derivative by the two-photon excitation fluorescence method. No longer
The problem of background light, such as when using ultraviolet light, can be avoided.

【0008】しかしながら、このような方法を用いた場
合、(4)核酸塩基の蛍光性誘導体の蛍光量子収率が、
単一分子測定が可能となる0.1に満たない(例えば
0.01程度)場合が起こりうる、という問題がある。
また、2光子励起過程は非線型光学過程で、その蛍光強
度は励起光強度の2乗に比例することが知られており、
一般に、(5)2光子励起の効率は1光子励起に比べて
小さい、という問題がある。
However, when such a method is used, (4) the fluorescence quantum yield of the fluorescent derivative of the nucleobase is
There is a problem that a case where the value is less than 0.1 (for example, about 0.01) at which single-molecule measurement can be performed may occur.
It is known that the two-photon excitation process is a nonlinear optical process, and the fluorescence intensity is proportional to the square of the excitation light intensity.
In general, (5) there is a problem that the efficiency of two-photon excitation is smaller than that of one-photon excitation.

【0009】このような蛍光強度の問題に対して、文献
1「Hiroaki Yokota et al., Phys.Rev. Lett. 80, pp.
4606-4609 (1998)」に蛍光増強方法が示されている。文
献1の増強方法では、試料を載置する石英基板の試料載
置面上に金属薄膜を形成している。そして、この金属薄
膜での表面プラズモンを石英基板側からのエバネッセン
ト光によって励起して、金属薄膜上に載置された試料か
らの蛍光を増強している。
[0009] In response to such a problem of fluorescence intensity, reference 1 (Hiroaki Yokota et al., Phys. Rev. Lett. 80, pp.
4606-4609 (1998) "shows a fluorescence enhancement method. In the enhancement method of Document 1, a metal thin film is formed on a sample mounting surface of a quartz substrate on which a sample is mounted. Then, the surface plasmon in the metal thin film is excited by evanescent light from the quartz substrate side, and the fluorescence from the sample mounted on the metal thin film is enhanced.

【0010】しかしながら、金属薄膜は、一般に蛍光増
強効果に加えて蛍光消光をも起こすことが知られてい
る。また、金属薄膜を用いた効果として蛍光増強または
消光のいずれが得られるかは、蛍光分子と金属表面との
距離に依存する(例えば、米国特許第4649280号
公報参照)。特に、蛍光分子と金属表面との距離が小さ
くなると、消光が支配的になると考えられている。
[0010] However, it is known that a metal thin film generally causes fluorescence quenching in addition to the fluorescence enhancement effect. Further, whether the fluorescence enhancement or quenching is obtained as an effect using the metal thin film depends on the distance between the fluorescent molecule and the metal surface (for example, see US Pat. No. 4,649,280). In particular, it is considered that the quenching becomes dominant as the distance between the fluorescent molecule and the metal surface decreases.

【0011】例えば、上記文献1では、運動性単一タン
パク分子の活性の測定に関して、蛍光増強効果が得られ
ている例がいくつか報告されている(銀表面で蛍光増強
率13倍、アルミ表面2.3倍、金表面1.6倍)が、
それらは、タンパク分子がたまたまスペーサとして機能
したと考えられる。また、金属は、化学的に活性な場合
が多く、試料と何らかの化学反応を起こすなど、蛍光消
光以外にも試料に対して望ましくない影響を与える可能
性がある。例えば、蛍光増強率が最も大きい銀を金属薄
膜として用いた例では、タンパクの酵素活性を失ってし
まうという結果が得られている。すなわち、金属薄膜を
用いた蛍光増強方法では、全体の効果として必ずしも蛍
光増強の効果を得ることができず、あるいは、試料分子
の性質自体に影響を与えてしまうなどの問題がある。
[0011] For example, in the above-mentioned literature 1, there are several reports on the measurement of the activity of motile single protein molecules in which a fluorescence enhancing effect is obtained (fluorescence enhancement rate 13 times on silver surface, aluminum surface 2.3 times, gold surface 1.6 times)
It is thought that they happened to function as spacers. In addition, metals are often chemically active and may have undesirable effects on a sample other than fluorescence quenching, such as causing some chemical reaction with the sample. For example, in a case where silver having the highest fluorescence enhancement rate is used as the metal thin film, the result is that the enzyme activity of the protein is lost. That is, in the fluorescence enhancement method using a metal thin film, there is a problem that the fluorescence enhancement effect cannot always be obtained as a whole effect, or the property itself of the sample molecule is affected.

【0012】本発明は、以上の問題点に鑑みてなされた
ものであり、安定的に蛍光増強効果を得ることが可能な
光増強方法、光増強装置、及びそれを用いた蛍光測定方
法、蛍光測定装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and provides a light enhancement method and a light enhancement apparatus capable of stably obtaining a fluorescence enhancement effect, a fluorescence measurement method using the same, and a fluorescence measurement method. It is an object to provide a measuring device.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による光増強方法は、試料に照射され
る所定波長の励起光の光強度を局在化させて増強する光
増強方法であって、励起光が透過されるとともに、一方
の面が光入射面となる基板と、基板の他方の面上に低屈
折率層及び高屈折率層を交互に積層して形成されるとと
もに、基板とは反対側の面が試料載置面となる誘電体多
層膜と、を有して、誘電体多層膜における低屈折率層及
び高屈折率層のそれぞれの厚さが、所定波長に基づい
て、励起光の光強度が試料載置面の近傍に局在化される
厚さに設定された試料載置台を用い、試料載置台に対し
て、光入射面から励起光を入射させ、試料載置面で全反
射させて、試料載置面上に載置される試料に対して供給
する増強されたエバネッセント光を生成することを特徴
とする。
In order to achieve the above object, a light enhancement method according to the present invention provides a light enhancement method that localizes and enhances the intensity of excitation light of a predetermined wavelength applied to a sample. A method in which excitation light is transmitted and a substrate having one surface serving as a light incident surface and a low-refractive-index layer and a high-refractive-index layer are alternately laminated on the other surface of the substrate. And a dielectric multilayer film in which the surface opposite to the substrate serves as a sample mounting surface, and the thickness of each of the low refractive index layer and the high refractive index layer in the dielectric multilayer film is a predetermined wavelength. On the basis of the above, using the sample mounting table whose thickness is set such that the light intensity of the excitation light is localized near the sample mounting surface, the excitation light is incident on the sample mounting table from the light incident surface. , The total energy reflected on the sample mounting surface and the enhanced energy supplied to the sample mounted on the sample mounting surface. And generating a Ssento light.

【0014】また、本発明による光増強装置は、試料を
載置するための試料載置台から構成され、試料に照射さ
れる所定波長の励起光の光強度を局在化させて増強する
光増強装置であって、試料載置台は、励起光が透過され
るとともに、一方の面が光入射面となる基板と、基板の
他方の面上に低屈折率層及び高屈折率層を交互に積層し
て形成されるとともに、基板とは反対側の面が試料載置
面となる誘電体多層膜と、を有して、誘電体多層膜にお
ける低屈折率層及び高屈折率層のそれぞれの厚さが、所
定波長に基づいて、励起光の光強度が試料載置面の近傍
に局在化される厚さに設定され、試料載置台に対して、
光入射面から励起光を入射させ、試料載置面で全反射さ
せて、試料載置面上に載置される試料に対して供給する
増強されたエバネッセント光を生成することを特徴とす
る。
Further, the optical enhancement device according to the present invention comprises a sample mounting table for mounting a sample, and enhances the light by localizing and enhancing the intensity of the excitation light of a predetermined wavelength applied to the sample. An apparatus, in which a sample mounting table transmits an excitation light and alternately laminates a substrate having one surface serving as a light incident surface and a low refractive index layer and a high refractive index layer on the other surface of the substrate. And a dielectric multilayer film having a surface on the opposite side to the substrate serving as a sample mounting surface, and a thickness of each of the low refractive index layer and the high refractive index layer in the dielectric multilayer film. However, based on the predetermined wavelength, the light intensity of the excitation light is set to a thickness that is localized near the sample mounting surface, with respect to the sample mounting table,
The excitation light is incident from the light incident surface, is totally reflected by the sample mounting surface, and generates enhanced evanescent light to be supplied to the sample mounted on the sample mounting surface.

【0015】試料載置台を用いた上記の光増強方法及び
光増強装置においては、励起光を試料載置面で全反射さ
せて、エバネッセント照明法によって励起光を供給して
いる。このため、不純物等に励起光が供給されることに
よるバックグラウンド光の発生が抑制される。また、試
料載置台の試料載置面側を誘電体多層膜によって構成す
るとともに、多層膜を構成する低屈折率層及び高屈折率
層のうち、試料載置面側の層内において励起光の光強度
が局在化されるように、各層の厚さが励起光の波長に基
づいて設定されている。これによって、試料載置面での
励起光の全反射によって生成されて、試料へと供給され
るエバネッセント光の光強度が増強される。
In the light enhancement method and the light enhancement device using the sample mounting table, the excitation light is totally reflected by the sample mounting surface, and the excitation light is supplied by the evanescent illumination method. For this reason, generation of background light due to supply of excitation light to impurities and the like is suppressed. In addition, the sample mounting surface side of the sample mounting table is formed of a dielectric multilayer film, and of the low refractive index layer and the high refractive index layer constituting the multilayer film, the excitation light in the layer on the sample mounting surface side. The thickness of each layer is set based on the wavelength of the excitation light so that the light intensity is localized. Thereby, the light intensity of the evanescent light generated by the total reflection of the excitation light on the sample mounting surface and supplied to the sample is enhanced.

【0016】特に、試料が載置される誘電体多層膜は、
金属薄膜とは異なり蛍光消光を起こさない。したがっ
て、効率的かつ安定的に蛍光増強を実現することが可能
な光増強方法及び光増強装置とすることが可能である。
In particular, the dielectric multilayer film on which the sample is placed is:
Unlike metal thin films, it does not cause fluorescence quenching. Therefore, it is possible to provide a light enhancement method and a light enhancement device capable of efficiently and stably achieving fluorescence enhancement.

【0017】また、光増強方法は、低屈折率層及び高屈
折率層のそれぞれの厚さdL及びdHは、それぞれの屈折
率をnL及びnH、それぞれの層内を通過する励起光の光
路の通過角度をθL及びθHとしたときに、励起光の所定
波長λに対して、条件nL・dLcosθL=nH・dH
osθH=λ/4を満たすように設定されることを特徴
とする。
In the light enhancement method, the thicknesses d L and d H of the low-refractive index layer and the high refractive index layer are set to n L and n H , respectively. Assuming that the transmission angles of the light in the optical path are θ L and θ H , for a predetermined wavelength λ of the excitation light, the condition n L · d L cos θ L = n H · d H c
osθ H = λ / 4.

【0018】また、光増強装置は、低屈折率層及び高屈
折率層は、それぞれの厚さdL及びdHが、それぞれの屈
折率をnL及びnH、それぞれの層内を通過する励起光の
光路の通過角度をθL及びθHとしたときに、励起光の所
定波長λに対して、条件nL・dLcosθL=nH・dH
cosθH=λ/4を満たすように形成されていること
を特徴とする。
Further, in the light intensifying device, the low refractive index layer and the high refractive index layer have respective thicknesses d L and d H and have respective refractive indices n L and n H , and pass through the respective layers. Assuming that the passing angles of the excitation light in the optical path are θ L and θ H , for a predetermined wavelength λ of the excitation light, the condition n L · d L cos θ L = n H · d H
It is characterized by being formed so as to satisfy cos θ H = λ / 4.

【0019】このように誘電体多層膜の各層の厚さを設
定して、1次元フォトニック結晶を構成するとともに、
試料載置面側の層を欠陥層として機能させることによっ
て、特に効率的に、励起光の試料載置面の近傍での局在
化と、それによるエバネッセント光の増強を実現するこ
とができる。
In this way, the thickness of each layer of the dielectric multilayer film is set to form a one-dimensional photonic crystal,
By causing the layer on the sample mounting surface side to function as a defect layer, localization of the excitation light in the vicinity of the sample mounting surface and thereby enhancement of evanescent light can be realized particularly efficiently.

【0020】また、光増強方法(光増強装置)は、基板
は、その平面度が、励起光の所定波長λに対して、λ/
10以下であることを特徴とする。このように平面度の
高い基板を用いることによって、基板上に形成される誘
電体多層膜を良質なものとして、励起光を局在化させる
ための特性を向上することができる。
In the light enhancement method (light enhancement device), the flatness of the substrate is λ / λ with respect to a predetermined wavelength λ of the excitation light.
It is characterized by being 10 or less. By using a substrate having a high degree of flatness as described above, a dielectric multilayer film formed on the substrate can be made of good quality, and characteristics for localizing excitation light can be improved.

【0021】さらに、光増強装置は、試料載置台におい
て、低屈折率層及び高屈折率層のうちで最も試料載置面
側にある層は、SiO2からなることを特徴とする。S
iO2は化学的に特に安定な物質であり、このSiO2
らなる石英基板等と同等の層上に試料を載置する構成と
することによって、化学反応や酵素活性の喪失などの試
料に対する望ましくない影響の発生を抑制することがで
きる。
Further, the light intensifying device is characterized in that, in the sample mounting table, the layer closest to the sample mounting surface among the low refractive index layer and the high refractive index layer is made of SiO 2 . S
iO 2 is a chemically particularly stable substance, and it is preferable that the sample be placed on a layer equivalent to a quartz substrate or the like made of SiO 2, such as loss of chemical reaction or enzyme activity. The occurrence of unaffected effects can be suppressed.

【0022】また、本発明による蛍光測定方法は、励起
光源から出力された励起光を、試料載置台の光入射面か
ら入射させ、上記した光増強方法を用いて、入射された
励起光の光強度を試料載置台の試料載置面の近傍に局在
化させて、試料載置面上に載置された試料に対して増強
されたエバネッセント光を供給する試料励起ステップ
と、励起された試料からの蛍光を検出する蛍光検出ステ
ップと、を備えることを特徴とする。
Further, in the fluorescence measuring method according to the present invention, the excitation light output from the excitation light source is made incident on the light incident surface of the sample mounting table, and the light of the incident excitation light is emitted using the above-described light enhancement method. A sample excitation step of localizing the intensity near the sample mounting surface of the sample mounting table to supply enhanced evanescent light to the sample mounted on the sample mounting surface; and And a fluorescence detecting step of detecting fluorescence from the light source.

【0023】また、本発明による蛍光測定装置は、試料
に照射される所定波長の励起光を出力する励起光源と、
上記した光増強装置と、光増強装置を構成している試料
載置台上に載置された試料からの蛍光を検出する蛍光検
出手段と、を備えることを特徴とする。
Further, the fluorescence measuring apparatus according to the present invention comprises: an excitation light source for outputting excitation light of a predetermined wavelength irradiated on the sample;
It is characterized by comprising the above-mentioned light intensifier and fluorescence detecting means for detecting fluorescence from a sample placed on a sample mounting table constituting the light intensifier.

【0024】これによって、試料載置面近傍に励起光を
局在化することにより増強されたエバネッセント光を用
いて試料を励起して、試料から発生される蛍光の増強を
効率的かつ安定的に実現することができる。また、励起
光を試料載置面で全反射させる構成とし、その試料載置
面上に試料を載置しているので、蛍光検出手段に光学顕
微鏡を用いた場合に、その対物レンズを試料に対して近
距離まで自由に接近させることができる。また、試料と
対物レンズとの間に基板等が配置されることがないの
で、測定される蛍光量の減少や測定可能な蛍光スペクト
ル範囲の制限などの問題が解消される。
Thus, the sample is excited using the evanescent light enhanced by localizing the excitation light in the vicinity of the sample mounting surface, and the fluorescence generated from the sample is efficiently and stably enhanced. Can be realized. In addition, since the excitation light is totally reflected from the sample mounting surface and the sample is mounted on the sample mounting surface, when an optical microscope is used for the fluorescence detecting means, the objective lens is applied to the sample. On the other hand, it can be freely approached to a short distance. In addition, since a substrate or the like is not disposed between the sample and the objective lens, problems such as a decrease in the amount of measured fluorescence and a limitation on a measurable fluorescence spectrum range are solved.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】以下、図面とともに本発明による
光増強方法、光増強装置、及びそれを用いた蛍光測定方
法、蛍光測定装置の好適な実施形態について詳細に説明
する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符
号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法
比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a light enhancement method, a light enhancement device, a fluorescence measurement method using the same, and a fluorescence measurement device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. Also, the dimensional ratios in the drawings do not always match those described.

【0026】図1は、本発明による光増強装置の一実施
形態である試料載置台1の構成を示す側面図である。試
料載置台1は、その一方の面(図中の下面)を光入射面
1a、他方の面(図中の上面)を試料載置面1bとして
構成されている。なお、図1(a)においては、試料載
置台1の光入射面1a側に設置されたプリズム14と、
試料載置面1bの上方に設置された光学顕微鏡(後述)
の対物レンズ42とを図示するとともに、試料載置面1
b上に載置される試料に対して供給される励起光の光路
を示している。一方、図1(b)においては、試料載置
台1について、特に誘電体多層膜11を拡大して、その
構成を具体的に示している。
FIG. 1 is a side view showing the structure of a sample mounting table 1 which is an embodiment of the light enhancing device according to the present invention. The sample mounting table 1 is configured such that one surface (lower surface in the drawing) is a light incident surface 1a and the other surface (upper surface in the drawing) is a sample mounting surface 1b. In FIG. 1A, a prism 14 installed on the light incident surface 1a side of the sample mounting table 1 includes:
Optical microscope (to be described later) installed above the sample mounting surface 1b
The objective lens 42 of FIG.
4B illustrates the optical path of the excitation light supplied to the sample placed on b. On the other hand, FIG. 1B specifically illustrates the configuration of the sample mounting table 1 with the dielectric multilayer film 11 being enlarged.

【0027】試料載置台1は、基板10と、基板10上
に形成された誘電体多層膜11と、を有して構成されて
いる。基板10は、好ましくはガラス基板または石英基
板であり、その一方の面が上述した光入射面1aとなっ
ている。この基板10は、光入射面1aから入射された
所定波長の励起光を、他方の面へと透過させる。
The sample mounting table 1 includes a substrate 10 and a dielectric multilayer film 11 formed on the substrate 10. The substrate 10 is preferably a glass substrate or a quartz substrate, and one surface thereof is the above-mentioned light incident surface 1a. This substrate 10 transmits the excitation light of a predetermined wavelength incident from the light incident surface 1a to the other surface.

【0028】誘電体多層膜11は、基板10の光入射面
1aとは反対側の面上に形成され、その基板10とは反
対側の面が上述した試料載置面1bとなっている。この
誘電体多層膜11は、好ましくはSiO2(二酸化ケイ
素)からなる低屈折率層12と、低屈折率層12よりも
高い屈折率を有し好ましくはHfO2(二酸化ハフニ
ア)からなる高屈折率層13と、が交互に蒸着によって
積層された1次元フォトニック結晶(one-dimensional
photonic-crystal、以下、1DPCという)として構成
されている。
The dielectric multilayer film 11 is formed on the surface of the substrate 10 opposite to the light incident surface 1a, and the surface opposite to the substrate 10 is the above-described sample mounting surface 1b. The dielectric multilayer film 11 has a low refractive index layer 12 preferably made of SiO 2 (silicon dioxide) and a high refractive index preferably made of HfO 2 (hafnia dioxide) having a higher refractive index than the low refractive index layer 12. One-dimensional photonic crystal (one-dimensional photonic crystal)
photonic-crystal, hereinafter referred to as 1DPC).

【0029】本実施形態においては、図1(b)に示す
ように、基板10上に低屈折率層121が配置され、さ
らに高屈折率層13及び低屈折率層12が、最も試料載
置面1b側の層である低屈折率層128まで交互に形成
されている。各層の数は、低屈折率層が121〜128
8層、高屈折率層が131〜137の7層である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1 (b), the low-refractive index layer 12 1 is disposed on the substrate 10, a higher refractive index layer 13 and the low refractive index layer 12, placing most samples They are formed alternately to the low-refractive index layer 12 8 with a layer of surface 1b side. The number of layers, eight layers of the low refractive index layer is 12 1 to 12 8, a 7-layer of the high refractive index layer is 131-134 7.

【0030】ここで、誘電体多層膜11を構成している
各層のうち、上面が試料載置面1bとなる層を、石英基
板などと同等であって化学的に安定なSiO2からなる
低屈折率層128としている。このとき、試料載置面1
b上に載置される試料への、化学反応などによる望まし
くない影響が特に抑制される。
Here, of the layers constituting the dielectric multilayer film 11, the layer having the upper surface serving as the sample mounting surface 1b is replaced with a low-level layer made of chemically stable SiO 2 equivalent to a quartz substrate or the like. It is the refractive index layer 12 8. At this time, the sample mounting surface 1
Undesirable effects due to chemical reactions and the like on the sample placed on b are particularly suppressed.

【0031】これらの低屈折率層12及び高屈折率層1
3は、後述するように、増強しようとする励起光の波長
λに基づいて、励起光の光強度が試料載置面1bの近傍
に局在化されるように、それぞれの厚さが設定されて形
成されている。ここで、低屈折率層12及び高屈折率層
13のそれぞれの屈折率をnL及びnH、それぞれの層の
厚さをdL及びdH、それぞれの層内を通過する励起光の
光路の通過角度をθL及びθHと表すこととする。
The low refractive index layer 12 and the high refractive index layer 1
The thicknesses 3 are set such that the light intensity of the excitation light is localized near the sample mounting surface 1b based on the wavelength λ of the excitation light to be enhanced, as described later. It is formed. Here, the refractive indices of the low refractive index layer 12 and the high refractive index layer 13 are n L and n H , the thickness of each layer is d L and d H , and the optical path of the excitation light passing through each layer. Are represented as θ L and θ H.

【0032】上記した光増強装置である試料載置台1を
用いた光増強方法においては、光増強の対象となる波長
λの励起光は、試料載置台1に対して光入射面1a側か
ら入射される。図1(a)に示した例においては、励起
光は、誘電体多層膜11の積層方向(図1の上下方向)
に対して所定の角度(例えば45°)で、プリズム14
を介して試料載置台1に入射されている。
In the light intensifying method using the sample mounting table 1 which is the above-described light intensifying apparatus, the excitation light having the wavelength λ to be subjected to light enhancement enters the sample mounting table 1 from the light incident surface 1a side. Is done. In the example shown in FIG. 1A, the excitation light is applied in the stacking direction of the dielectric multilayer film 11 (the vertical direction in FIG. 1).
At a predetermined angle (for example, 45 °) with respect to
And is incident on the sample mounting table 1 via.

【0033】試料載置台1に入射された励起光は、光入
射面1a側から基板10を透過し、さらに誘電体多層膜
11を通過して試料載置面1bに到達する。そして、励
起光は試料載置面1bで全反射され、その反射光は、誘
電体多層膜11及び基板10を逆に通過して光入射面1
aから出射される。このとき、試料載置面1b上の試料
には、試料載置面1bによる全反射で生成されたエバネ
ッセント光によって、励起光が供給される。ここで、上
述したように試料載置面1b近傍で励起光が局在化され
ていることによって、試料に供給される励起光であるエ
バネッセント光が増強される。
Excitation light that has entered the sample mounting table 1 passes through the substrate 10 from the light incident surface 1a side, further passes through the dielectric multilayer film 11, and reaches the sample mounting surface 1b. Then, the excitation light is totally reflected by the sample mounting surface 1b, and the reflected light passes through the dielectric multilayer film 11 and the substrate 10 in the opposite direction, and the light incident surface 1b.
a. At this time, excitation light is supplied to the sample on the sample mounting surface 1b by evanescent light generated by total reflection by the sample mounting surface 1b. Here, since the excitation light is localized near the sample mounting surface 1b as described above, the evanescent light that is the excitation light supplied to the sample is enhanced.

【0034】試料載置台1を構成している誘電体多層膜
11の具体的な構成、及び得られる蛍光増強効果につい
て、図2を用いてさらに説明する。なお、図2において
は、試料載置台1等の構成について、一部省略して示し
ている。
The specific structure of the dielectric multilayer film 11 constituting the sample mounting table 1 and the obtained fluorescence enhancing effect will be further described with reference to FIG. In FIG. 2, the configuration of the sample mounting table 1 and the like is partially omitted.

【0035】入射光路l1によって試料載置台1内に所
定角度で入射された励起光は、試料載置面1bで全反射
されて反射光路l2によって試料載置台1外へと導かれ
る。このとき、励起光に対する試料載置台1の光学的な
構成は、図2に模式的に示すように、試料載置台1上
に、鏡像の関係となる仮想的な試料載置台2を連続して
配置した場合と等価である。この仮想的な構成において
は、励起光は試料載置面1bで反射されずに、試料載置
台2内の仮想的な光路l3を通過して、その基板20側
から出射される。
The excitation light is incident at a predetermined angle to the specimen table 1 by incident light path l 1 is guided to the specimen table 1 outside by reflected light path l 2 it is totally reflected by the specimen mounting face 1b. At this time, the optical configuration of the sample mounting table 1 with respect to the excitation light is such that a virtual sample mounting table 2 having a mirror image relationship is continuously formed on the sample mounting table 1 as schematically shown in FIG. It is equivalent to the case where they are arranged. In this hypothetical configuration, the excitation light without being reflected by the sample mounting surface 1b, and passes through the virtual optical path l 3 in the specimen table 2, and is emitted from the substrate 20 side.

【0036】このとき、鏡像の関係で重ねられた試料載
置台1、2の誘電体多層膜11、21は、それらを合わ
せた全体として1DPCを構成している。そして、その
積層方向の中心に試料載置面1bを挟んで位置する、低
屈折率層128及び228からなる層は、他の低屈折率層
及び高屈折率層に比べて厚さが倍となり、この1DPC
のフォトニック結晶構造における欠陥層(defect laye
r)15を構成する。
At this time, the dielectric multilayer films 11 and 21 of the sample tables 1 and 2 which are superimposed in a mirror image form a 1DPC as a whole. Then, located across a sample mounting surface 1b at the center of the stacking direction, a layer composed of a low refractive index layer 12 8 and 22 8 thickness than the other of the low refractive index layer and the high refractive index layer Double this 1DPC
Layer in the photonic crystal structure of GaN
r) Construct 15.

【0037】周期的な構造を有するフォトニック結晶内
では、光に対してフォトニックバンドギャップが形成さ
れて、特定波長領域の光が内部で存在または通過できな
くなる。このような構造に対して、周期的な構造を乱す
欠陥層を導入すると、フォトニックバンドギャップ中に
局在準位が形成されて、その準位に対応した波長の光が
結晶内に存在できるようになる(例えば、文献2「Jing
Yong Ye et al., Appl. Phys. Lett. 75, pp.3605-360
7 (1998)」、及び文献3「Toshiaki Hattori et al.,
J. Opt. Soc. Am. B14, pp.348-355 (1997)」参照)。
In a photonic crystal having a periodic structure, a photonic band gap is formed with respect to light, so that light in a specific wavelength region cannot exist or pass inside. When a defect layer that disturbs the periodic structure is introduced to such a structure, a localized level is formed in the photonic band gap, and light having a wavelength corresponding to the level can exist in the crystal. (For example, in Reference 2, Jing
Yong Ye et al., Appl. Phys. Lett. 75, pp. 3605-360
7 (1998) "and Reference 3" Toshiaki Hattori et al.,
J. Opt. Soc. Am. B14, pp. 348-355 (1997) ”).

【0038】図2に示した仮想的な1DPCにおいて
は、欠陥層15の屈折率をnX、層の厚さをdX、層内を
通過する励起光の光路の通過角度をθXとすると、 nL・dLcosθL=nH・dHcosθH =nX・dXcosθX/2=λ/4 を満たすように各層を形成することによって、波長λの
光に対応する局在準位が1DPC内に形成される。この
局在準位は、1DPCに対する光の透過波長曲線におい
て、鋭い線幅の透過窓として機能し、波長λの励起光が
透過されるとともに欠陥層15内で局所的に光電場が増
強(局在化)される条件が実現される。
In the virtual 1DPC shown in FIG. 2, when the refractive index of the defect layer 15 is n x , the thickness of the layer is d x , and the passing angle of the optical path of the excitation light passing through the layer is θ x. , L L d L cos θ L = n H d H cos θ H = n X d X cos θ X / 2 = λ / 4 By forming each layer, localization corresponding to light of wavelength λ is achieved. Levels are formed in 1DPC. This localized level functions as a transmission window having a sharp line width in the transmission wavelength curve of light with respect to 1DPC, so that the excitation light having the wavelength λ is transmitted and the optical field is locally enhanced in the defect layer 15 (locally). Is realized.

【0039】この局在化条件を実現するための、試料載
置台1の誘電体多層膜11の構成においては、低屈折率
層12及び高屈折率層13のそれぞれの厚さを、条件n
L・dLcosθL=nH・dHcosθH=λ/4を満たす
ように形成する。このとき、試料載置面1bの近傍に形
成される仮想的な欠陥層15の厚さは、nX=nL、dX
=2dL、θX=θLより、条件nX・dXcosθX/2=
λ/4を自動的に満たす。したがって、波長λの励起光
が試料載置面1b側の低屈折率層128において局在化
されて、励起光の局所的な光強度及び試料に供給される
エバネッセント光の光強度が増強される構成が得られ
る。
In the configuration of the dielectric multilayer film 11 of the sample mounting table 1 for realizing this localization condition, the thickness of each of the low refractive index layer 12 and the high refractive index layer 13 is determined by the condition n.
It is formed so as to satisfy L · d L cos θ L = n H · d H cos θ H = λ / 4. At this time, the thickness of the virtual defect layer 15 formed near the sample mounting surface 1b is n x = n L , d x
= 2d L , θ X = θ L , the condition n X · d X cos θ X / 2 =
λ / 4 is automatically satisfied. Therefore, localized excitation light having a wavelength λ is in the low refractive index layer 12 8 sample mounting surface 1b side, the light intensity of the evanescent light to be supplied to the local light intensity and sample of the excitation light is enhanced Is obtained.

【0040】図1に示した試料載置台1によって具体的
な実施例をあげると、低屈折率層12及び高屈折率層1
3をSiO2及びHfO2によってそれぞれ形成したと
き、それぞれの屈折率はnL=1.46、nH=1.94
である。これに対して、波長λ=600nmの励起光に
対して透過窓を形成することとし、また、低屈折率層1
2での励起光光路の通過角度をθL=45°に設定する
(図1(a)参照)。高屈折率層13での励起光光路の
通過角度は、屈折の法則nLsinθL=nHsinθH
り、θH=32°となる。
In a specific embodiment using the sample mounting table 1 shown in FIG. 1, a low refractive index layer 12 and a high refractive index layer 1 will be described.
3 is formed of SiO 2 and HfO 2 respectively, the respective refractive indices are n L = 1.46 and n H = 1.94.
It is. On the other hand, a transmission window is formed for excitation light having a wavelength of λ = 600 nm.
The passing angle of the excitation light path at 2 is set to θ L = 45 ° (see FIG. 1A). Passage angle of the excitation light optical path of the high refractive index layer 13, from the law n L sinθ L = n H sinθ H refracting, and θ H = 32 °.

【0041】以上の条件では、低屈折率層12及び高屈
折率層13の厚さは、それぞれnL・dL=212.1n
m(dL=145.3nm)、及びnH・dH=176.
8nm(dH=91.13nm)と求められる。図3
は、図1の試料載置台1において、上記した厚さ設定を
適用して誘電体多層膜11を形成したときに、得られる
光の透過波長曲線を示すグラフである。この透過波長曲
線では、およそ540〜680nmの波長領域に、光が
透過されないフォトニックバンドギャップが形成されて
いる。そして、このフォトニックバンドギャップ中の波
長λ=600nmの位置に、鋭い線幅の透過ピーク(励
起光の透過窓)が形成されている。
Under the above conditions, the thicknesses of the low refractive index layer 12 and the high refractive index layer 13 are n L · d L = 212.1n, respectively.
m (d L = 145.3 nm) and n H · d H = 176.
8 nm (d H = 91.13 nm). FIG.
3 is a graph showing a transmission wavelength curve of light obtained when the dielectric multilayer film 11 is formed by applying the above-mentioned thickness setting in the sample mounting table 1 of FIG. In this transmission wavelength curve, a photonic band gap through which light is not transmitted is formed in a wavelength region of about 540 to 680 nm. A transmission peak having a sharp line width (a transmission window for excitation light) is formed at a wavelength λ = 600 nm in the photonic band gap.

【0042】以上述べた構成を有する試料載置台1によ
る光増強装置及び光増強方法では、誘電体多層膜11の
うち試料載置面1b側の低屈折率層128が欠陥層とし
て機能することによって、波長λに対応する局在準位が
形成されて、波長λの励起光の光強度が局在化される。
このとき、励起光の試料載置面1bによる全反射で生成
されて試料へと供給されるエバネッセント光の光強度が
増強されて、試料での蛍光増強が実現される。
[0042] In the above mentioned optical intensifier and the optical enhancement process according to the sample table 1 has a configuration, the low refractive index layer 12 8 of the sample mounting surface 1b side of the dielectric multilayer film 11 functions as the defect layer As a result, a localized level corresponding to the wavelength λ is formed, and the light intensity of the excitation light having the wavelength λ is localized.
At this time, the light intensity of the evanescent light generated by the total reflection of the excitation light by the sample mounting surface 1b and supplied to the sample is enhanced, and the fluorescence of the sample is enhanced.

【0043】ここで、試料が載置される誘電体多層膜1
1は、金属薄膜とは異なり蛍光消光を起こさないので、
効率的かつ安定的に蛍光増強を実現することができる。
また、特に、試料載置面1b側の層が、安定なSiO2
からなる低屈折率層128とされているので、試料であ
る酵素の活性が失われるなどの望ましくない影響の発生
が防止される。また、エバネッセント照明法を用いてい
るため、不純物等を励起してしまうことによるバックグ
ラウンド光の発生が抑制されている。
Here, the dielectric multilayer film 1 on which the sample is placed
1 does not cause fluorescence quenching unlike metal thin films,
Fluorescence enhancement can be realized efficiently and stably.
Particularly, the layer on the sample mounting surface 1b side is made of a stable SiO 2
Since there is a low refractive index layer 12 8 made of the occurrence of undesirable effects, such as the activity of the enzyme which is a sample is lost is prevented. In addition, since the evanescent illumination method is used, generation of background light due to excitation of impurities or the like is suppressed.

【0044】なお、試料載置台1において、基板10の
平面度が悪いと、その上に形成される誘電体多層膜11
についても同様に平面度が劣化してしまうので、光の透
過波長曲線において良好な透過窓が得られない。誘電体
多層膜11の上記した構造を精度良く実現して良好な透
過窓を得るためには、基板10の平面度は、励起光の波
長λに対してλ/10以下であることが好ましい。
If the flatness of the substrate 10 in the sample mounting table 1 is poor, the dielectric multilayer film 11 formed thereon
Similarly, the flatness also deteriorates, so that a good transmission window cannot be obtained in the light transmission wavelength curve. In order to accurately realize the above structure of the dielectric multilayer film 11 and obtain a good transmission window, the flatness of the substrate 10 is preferably λ / 10 or less with respect to the wavelength λ of the excitation light.

【0045】このように高い平面度と充分な機械的強度
を得るため、基板10に対しては、ある程度の厚みが要
求される。例えば、基板10の材質としてガラスや石英
を想定し、直径25mm(1インチ)の基板で厚さを2
mm程度とすると、研磨技術等の条件により、その平面
度はλ/4程度となって、充分な平面度が得られない。
良好な透過窓が得られる平面度λ/10を要求した場合
には、例えば5mm程度の厚さが必要となる。
In order to obtain such high flatness and sufficient mechanical strength, the substrate 10 is required to have a certain thickness. For example, assuming that the material of the substrate 10 is glass or quartz, the thickness of the substrate 10 is 25 mm (1 inch) and the thickness is 2 mm.
When the thickness is about mm, the flatness is about λ / 4 due to conditions such as a polishing technique, and a sufficient flatness cannot be obtained.
When a flatness λ / 10 at which a good transmission window is obtained is required, for example, a thickness of about 5 mm is required.

【0046】また、1DPCの欠陥層における光の局在
化を利用した蛍光増強については、文献2に記載があ
る。この文献2では、石英基板(直径30mm、厚さ5
mm)上に誘電体多層膜を形成したものを2枚対向さ
せ、その間に、試料分子を添加した所定厚さのポリマー
フィルムを欠陥層として挟んで、1DPCを構成してい
る。この構成は、図2において、試料載置台1に対して
鏡像の関係にある仮想的な試料載置台2を実際に設置し
て、励起光を反射させずに光路l3を通過するように構
成した場合に相当する。
Reference 2 describes the fluorescence enhancement using the localization of light in the defect layer of 1DPC. In this document 2, a quartz substrate (diameter 30 mm, thickness 5
mm) on which two dielectric multilayer films are formed to face each other, and a polymer film of a predetermined thickness to which sample molecules are added is sandwiched between the two as a defect layer to constitute a 1DPC. This configuration, in FIG. 2, a virtual specimen table 2 in a relationship of mirror image relative to the specimen table 1 actually installed, configured to pass through the optical path l 3 without reflects the excitation light It corresponds to the case of doing.

【0047】しかしながら、この構成では、試料を試料
載置台に直接載置させることができず、欠陥層を形成す
るために所定の厚さの例えば試料分子をドープしたポリ
マーフィルムが必要となる。また、例えばポリマーフィ
ルムを挟んだ場合、誘電体多層膜同士の位置精度が、局
在準位を形成する上で重要となり、ポリマーフィルムの
凹凸の影響を低減するために、万力などを用いて圧力を
加えて凹凸をならすなどの作業が必要となる。また、試
料で発生した蛍光は誘電体多層膜及び基板を通過した後
に測定されることとなるので、それによって測定される
蛍光量が減少したり、測定可能な蛍光スペクトル範囲が
制限されてしまうという問題を生じる。
However, in this configuration, the sample cannot be directly mounted on the sample mounting table, and a polymer film having a predetermined thickness, for example, doped with sample molecules is required to form a defect layer. Also, for example, when a polymer film is sandwiched, the positional accuracy between the dielectric multilayer films is important in forming a localized level, and in order to reduce the influence of the unevenness of the polymer film, using a vise or the like. Work such as smoothing out irregularities by applying pressure is required. In addition, since the fluorescence generated from the sample is measured after passing through the dielectric multilayer film and the substrate, the amount of fluorescence measured thereby is reduced, or the measurable fluorescence spectrum range is limited. Cause problems.

【0048】さらに、試料に対して両側に基板及び誘電
体多層膜が配置されるが、上記したように、誘電体多層
膜を良好に形成するために基板にはある程度の厚さ(例
えば5mm程度)が必要とされるので、光学顕微鏡の対
物レンズが、装置の構成上、試料に対して充分に近づく
ことができないという問題がある。この対物レンズと試
料との距離は、蛍光測定の効率に大きく影響する。
Further, the substrate and the dielectric multilayer film are disposed on both sides of the sample. As described above, the substrate has a certain thickness (for example, about 5 mm) in order to form the dielectric multilayer film well. ) Is required, there is a problem that the objective lens of the optical microscope cannot be sufficiently close to the sample due to the configuration of the apparatus. The distance between the objective lens and the sample greatly affects the efficiency of the fluorescence measurement.

【0049】蛍光単一分子検出などにおいては、試料か
らの蛍光をできるだけ高効率で集めて測定することが重
要である。このため、対物レンズの先端を浸す媒質の屈
折率nで開口率NAを除した値η(この値は、蛍光集光
効率の尺度となる)ができるだけ大きい対物レンズを用
いることが好ましい。
In the detection of single-fluorescent molecules, it is important to collect and measure the fluorescence from the sample with the highest possible efficiency. For this reason, it is preferable to use an objective lens having the largest possible value η (this value is a measure of the fluorescence collection efficiency) obtained by dividing the aperture ratio NA by the refractive index n of the medium in which the tip of the objective lens is immersed.

【0050】NAと集光効率との関係を図4に示す。な
お、図4では、簡単のために媒質の屈折率をすべて1.
0としてある。通常市販されている油浸あるいは水浸の
対物レンズでは、NAの値は最大1.40程度である
が、媒質の水や油(n〜1.5)を考慮すると、η〜
0.93が限界となり、集光効率に関しては、空気を媒
質とするNA〜0.95の対物レンズと同等である。ま
た、倍率が40〜100倍の対物レンズのNAは、おお
むね0.7以上である。
FIG. 4 shows the relationship between NA and light collection efficiency. In FIG. 4, the refractive indices of the medium are all 1.
It is set to 0. In a commercially available oil-immersed or water-immersed objective lens, the value of NA is about 1.40 at the maximum, but considering the water and oil (n to 1.5) of the medium, η to
The limit is 0.93, and the light-collecting efficiency is equivalent to that of an objective lens having an NA of 0.95 using air as a medium. The NA of the objective lens having a magnification of 40 to 100 times is approximately 0.7 or more.

【0051】対物レンズと試料との間の距離は、対物レ
ンズの作動距離(WD、Working Distance)と呼ばれ
る。一般に、NAが大きくなるとWDは小さくなり、N
Aが1.0以上では、WDは典型的には0.1mmと非
常に小さい。これに対して、文献2の例では、試料と対
物レンズとの間に厚さ5mmの基板があるため、WDが
5mmを超える対物レンズを用いる必要がある。このと
き、NAは0.4以下になるので、蛍光測定にとって不
利となる。
The distance between the objective lens and the sample is called the working distance (WD, Working Distance) of the objective lens. In general, as NA increases, WD decreases and N
When A is 1.0 or more, WD is very small, typically 0.1 mm. On the other hand, in the example of Literature 2, since a substrate having a thickness of 5 mm is provided between the sample and the objective lens, it is necessary to use an objective lens whose WD exceeds 5 mm. At this time, the NA is 0.4 or less, which is disadvantageous for fluorescence measurement.

【0052】これに対して、励起光を試料載置面1bで
全反射させるとともに、その試料載置面1b上に試料を
載置するように構成した上記実施形態による試料載置台
1を用いれば、図1(a)に示すように、光学顕微鏡の
対物レンズ42を試料に対して近距離まで自由に接近さ
せて、WDを小さくすることが可能である。したがっ
て、NAが大きい値を有するものなど、様々な対物レン
ズを適宜選択して、高効率で蛍光測定を行うことが可能
になる。また、試料と対物レンズ42との間に、基板等
が配置されないので、測定される蛍光量が減少したり、
測定可能な蛍光スペクトル範囲が制限されてしまうなど
の問題がない。
On the other hand, when the sample mounting table 1 according to the above-described embodiment is configured so that the excitation light is totally reflected by the sample mounting surface 1b and the sample is mounted on the sample mounting surface 1b. As shown in FIG. 1A, the WD can be reduced by freely bringing the objective lens 42 of the optical microscope close to the sample to a short distance. Therefore, it is possible to perform fluorescence measurement with high efficiency by appropriately selecting various objective lenses such as those having a large NA. Further, since no substrate or the like is disposed between the sample and the objective lens 42, the amount of measured fluorescence decreases,
There is no problem that the measurable fluorescence spectrum range is limited.

【0053】図5は、本発明による光増強装置及び光増
強方法を用いた蛍光測定装置の一実施形態を概略的に示
す構成図である。この装置は、試料Aが試料載置面1b
上に載置された試料載置台1と、試料載置台1の光入射
面1a側から入射される励起光を供給する励起光源30
と、試料Aからの蛍光を検出する蛍光検出手段であるフ
ォトンカウンティングシステム(検出部40、光学顕微
鏡41、対物レンズ42、検出制御部44、コンピュー
タ45、モニタ46、記憶装置47)とを備えている。
FIG. 5 is a block diagram schematically showing one embodiment of a light intensifying device and a fluorescence measuring device using the light intensifying method according to the present invention. In this device, the sample A is placed on the sample mounting surface 1b.
A sample mounting table 1 mounted thereon and an excitation light source 30 for supplying excitation light incident from the light incident surface 1a side of the sample mounting table 1
And a photon counting system (detection unit 40, optical microscope 41, objective lens 42, detection control unit 44, computer 45, monitor 46, storage device 47) as fluorescence detection means for detecting fluorescence from sample A. I have.

【0054】試料載置台1は、クラス1000以下のク
リーンブースに配置され、清澄な雰囲気に置かれてい
る。また、検出部40による蛍光検出は、検出制御部4
4によって制御され、検出制御部44、コンピュータ4
5、モニタ46、記憶装置47で、信号の蓄積(蛍光の
フォトンカウンティング)、画像処理、画像の表示、及
び記録の保存等がなされる。この装置は、核酸の塩基や
タンパクなど、蛍光を発する様々なものを試料Aとして
用い得る。また、蛍光を発しないものであっても、蛍光
性物質と結合させて同様に用い得る。
The sample mounting table 1 is placed in a clean booth of class 1000 or less, and is placed in a clear atmosphere. The detection of fluorescence by the detection unit 40 is performed by the detection control unit 4.
4, the detection control unit 44, the computer 4
5. In the monitor 46 and the storage device 47, accumulation of signals (photon counting of fluorescence), image processing, display of images, storage of records, and the like are performed. This apparatus can use, as the sample A, various substances that emit fluorescence, such as nucleic acid bases and proteins. Further, even those which do not emit fluorescence can be used in the same manner by binding to a fluorescent substance.

【0055】試料載置台1として、波長λ=600nm
に透過窓を有する上記した実施例のものを用いて、試料
からの蛍光の測定を行った。励起光源30としては、ア
ルゴンイオンレーザ励起フェムト秒チタンサファイアレ
ーザ発振器、アルゴンイオンレーザ励起フェムト秒チタ
ンサファイアレーザ再生増幅器、光パラメトリック増幅
器から構成された光源を用い、光パラメトリック増幅器
からの波長600nm、時間幅150fs、周波数20
0kHz、出力強度10mWの光出力を照射する励起光
として用いた。
The wavelength λ = 600 nm as the sample mounting table 1
The fluorescence from the sample was measured using the above-described embodiment having a transmission window. As the excitation light source 30, a light source composed of an argon ion laser-pumped femtosecond titanium sapphire laser oscillator, an argon ion laser-pumped femtosecond titanium sapphire laser regenerative amplifier, and an optical parametric amplifier is used. 150 fs, frequency 20
It was used as excitation light for irradiating an optical output with 0 kHz and an output intensity of 10 mW.

【0056】また、光学顕微鏡41は Zeiss Axio Pla
n、対物レンズ42は Zeiss Fluar(倍率20x、NA
0.75、WD2mm)をそれぞれ用い、検出部40
は、ポリクロメータ及びストリークカメラを含んで構成
した。この構成において、エバネッセント光によって励
起光が供給されて励起された試料Aからの蛍光は、対物
レンズ42及び光学顕微鏡41によって集光されて導か
れ、検出部40のポリクロメータへと導入された後、ス
トリークカメラによって測定された。
The optical microscope 41 is a Zeiss Axio Pla
n, objective lens 42 is Zeiss Fluar (magnification 20x, NA
0.75, WD2 mm), and the detection unit 40
Comprised a polychromator and a streak camera. In this configuration, the fluorescence from the sample A, which is excited by the excitation light supplied by the evanescent light, is collected and guided by the objective lens 42 and the optical microscope 41, and is introduced into the polychromator of the detection unit 40. , Measured by a streak camera.

【0057】試料Aとしては、蛍光色素ナイルブルー
(100μl、1μmol/l)を試料載置台1にスピ
ンコートしたものを用いた。図6は、測定された蛍光強
度を示すグラフである。なお、このグラフにおいては、
上記した試料載置台1を用いた測定結果に加えて、誘電
体多層膜を形成していない石英基板を載置台として用い
た場合についても、比較例として示してある。
As the sample A, a sample prepared by spin-coating the sample mounting table 1 with a fluorescent dye Nile Blue (100 μl, 1 μmol / l) was used. FIG. 6 is a graph showing the measured fluorescence intensity. In this graph,
In addition to the measurement results using the sample mounting table 1 described above, a case where a quartz substrate on which a dielectric multilayer film is not formed is used as a mounting table is also shown as a comparative example.

【0058】図6中で、縦軸は、測定された蛍光強度の
変化を示している。また、横軸は、試料載置台1に対す
る励起光源30からの励起光の入射角度を示している。
このとき、石英基板を用いた比較例では、励起光の入射
角度にかかわらず、ほぼ一定の蛍光強度が得られてい
る。これに対して、上記した実施例での試料載置台1を
用いた場合には、励起光が試料載置面1bの近傍に局在
化されてエバネッセント光が増強される条件が満たされ
る入射角度45°において、測定される蛍光強度が大幅
に増強され、石英基板の場合に比べて約18倍の蛍光強
度が得られた。
In FIG. 6, the vertical axis indicates a change in the measured fluorescence intensity. The horizontal axis indicates the incident angle of the excitation light from the excitation light source 30 to the sample mounting table 1.
At this time, in the comparative example using the quartz substrate, almost constant fluorescence intensity was obtained regardless of the incident angle of the excitation light. On the other hand, when the sample mounting table 1 in the above-described embodiment is used, the incident angle at which the condition that the excitation light is localized near the sample mounting surface 1b and the evanescent light is enhanced is satisfied. At 45 °, the measured fluorescence intensity was greatly enhanced, and a fluorescence intensity approximately 18 times that of the quartz substrate was obtained.

【0059】本発明による光増強方法、光増強装置は、
上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、
様々な変形が可能である。例えば誘電体多層膜11の低
屈折率層12及び高屈折率層13は、SiO2及びHf
2以外にも、様々な物質を用いて良く、それぞれの層
数についても、必要な線幅等の条件によって適宜変更す
ることが可能である。また、最も試料載置面1b側の層
は、低屈折率層12でなくても良く、あるいは、試料に
対する影響が充分に小さければ、SiO2以外の材質か
らなる層を試料載置面1b側の層としても良い。
The light enhancement method and light enhancement device according to the present invention
It is not limited to the above-described embodiments and examples,
Various modifications are possible. For example, the low refractive index layer 12 and the high refractive index layer 13 of the dielectric multilayer film 11 are made of SiO 2 and Hf.
Various substances other than O 2 may be used, and the number of layers may be appropriately changed depending on necessary conditions such as a line width. The layer closest to the sample mounting surface 1b may not be the low refractive index layer 12, or if the influence on the sample is sufficiently small, a layer made of a material other than SiO 2 may be used. Layer.

【0060】また、上記の光増強方法、光増強装置を用
いた蛍光測定方法、蛍光測定装置についても、上記した
実施形態及び実施例に限られるものではない。例えば、
検出部40としては上記した構成以外にも、CCDカメ
ラなど様々なものを用いて良い。また、通常の蛍光測定
以外にも、ラマン散乱や2光子励起蛍光をはじめとする
非線型光学現象等の様々な光学現象の増強に対しても、
同様に適用することが可能である。
Further, the above-described light enhancement method, fluorescence measurement method using the light enhancement device, and fluorescence measurement device are not limited to the above-described embodiments and examples. For example,
As the detection unit 40, various devices such as a CCD camera may be used in addition to the above-described configuration. In addition to ordinary fluorescence measurement, it is also useful for enhancing various optical phenomena such as non-linear optical phenomena such as Raman scattering and two-photon excitation fluorescence.
The same can be applied.

【0061】[0061]

【発明の効果】本発明による光増強方法、光増強装置
は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得
る。すなわち、試料載置台を、光入射面側の基板と、試
料載置面側の誘電体多層膜から構成し、光入射面から入
射された励起光を試料載置面で全反射させるとともに、
そのエバネッセント光を試料へと供給する。そして、誘
電体多層膜を構成する低屈折率層及び高屈折率層の構成
において、試料載置面の近傍で励起光の光強度が局在化
されるように、各層の厚さを励起光の波長に基づいて設
定する。
The light enhancing method and the light enhancing apparatus according to the present invention have the following effects as described in detail above. That is, the sample mounting table is composed of the substrate on the light incident surface side and the dielectric multilayer film on the sample mounting surface side, and the excitation light incident from the light incident surface is totally reflected on the sample mounting surface,
The evanescent light is supplied to the sample. Then, in the configuration of the low refractive index layer and the high refractive index layer constituting the dielectric multilayer film, the thickness of each layer is adjusted so that the light intensity of the excitation light is localized near the sample mounting surface. Set based on the wavelength of

【0062】このとき、試料に供給されるエバネッセン
ト光の光強度が励起光の局在化によて増強される。ま
た、誘電体多層膜は、金属薄膜とは異なり蛍光消光を起
こさないので、励起光強度を増強したことによる蛍光増
強の効果を効率的かつ安定的に得ることができる。ま
た、エバネッセント照明法によって励起光を供給してい
るので、不純物等に起因するバックグラウンド光の発生
が抑制されている。
At this time, the light intensity of the evanescent light supplied to the sample is enhanced by the localization of the excitation light. In addition, the dielectric multilayer film does not cause fluorescence quenching unlike the metal thin film, so that the effect of enhancing the fluorescence by increasing the excitation light intensity can be obtained efficiently and stably. Further, since the excitation light is supplied by the evanescent illumination method, generation of background light due to impurities or the like is suppressed.

【0063】また、上記の光増強方法、光増強装置を用
いた蛍光測定方法、蛍光測定装置では、励起光を試料載
置面で全反射させる構成とし、その試料載置面上に試料
を載置しているので、蛍光検出手段に光学顕微鏡を用い
た場合に、その対物レンズを試料に対して近距離まで自
由に接近させることができる。また、試料と対物レンズ
との間に基板等が配置されることがないので、測定され
る蛍光量の減少や測定可能な蛍光スペクトル範囲の制限
などの問題が解消される。
In the above-described light enhancement method, the fluorescence measurement method using the light enhancement device, and the fluorescence measurement device, the excitation light is totally reflected by the sample mounting surface, and the sample is mounted on the sample mounting surface. When the optical microscope is used as the fluorescence detecting means, the objective lens can be freely brought close to the sample to a short distance. In addition, since a substrate or the like is not disposed between the sample and the objective lens, problems such as a decrease in the amount of measured fluorescence and a limitation on a measurable fluorescence spectrum range are solved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】光増強装置の一実施形態である試料載置台の構
成を示す側面図である。
FIG. 1 is a side view showing a configuration of a sample mounting table which is an embodiment of a light enhancement device.

【図2】図1に示した試料載置台における励起光の局在
化について説明するための模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram for describing localization of excitation light on a sample mounting table shown in FIG.

【図3】図1に示した試料載置台の一実施例における光
の透過波長曲線を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a light transmission wavelength curve in one embodiment of the sample mounting table shown in FIG. 1;

【図4】対物レンズのNA及び集光効率の相関を示すグ
ラフである。
FIG. 4 is a graph showing a correlation between NA of an objective lens and light collection efficiency.

【図5】図1に示した試料載置台を用いた蛍光測定装置
の一実施形態を示す構成図である。
FIG. 5 is a configuration diagram showing one embodiment of a fluorescence measurement device using the sample mounting table shown in FIG.

【図6】図5に示した蛍光測定装置による蛍光増強につ
いて示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing fluorescence enhancement by the fluorescence measurement device shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…試料載置台、1a…光入射面、1b…試料載置面、
10…基板、11…誘電体多層膜、12…低屈折率層、
13…高屈折率層、14…プリズム、15…欠陥層、3
0…励起光源、40…検出部、41…光学顕微鏡、42
…対物レンズ、44…検出制御部、45…コンピュー
タ、46…モニタ、47…記憶装置。
Reference numeral 1 denotes a sample mounting table, 1a denotes a light incident surface, 1b denotes a sample mounting surface,
10: substrate, 11: dielectric multilayer film, 12: low refractive index layer,
13: high refractive index layer, 14: prism, 15: defect layer, 3
0: excitation light source, 40: detection unit, 41: optical microscope, 42
... Objective lens, 44 detection control unit, 45 computer, 46 monitor, 47 storage device.

フロントページの続き (72)発明者 石川 満 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 Fターム(参考) 2G043 AA01 BA16 CA05 DA02 EA01 EA03 FA02 GA07 GB01 HA01 JA01 KA02 KA03 KA09 LA01 LA03 MA01 2H048 GA01 GA07 GA12 GA34 GA51 GA61 Continuation of the front page (72) Inventor Mitsuru Ishikawa 1126 Nomachi, Hamamatsu-shi, Shizuoka Pref. F-term in Hamamatsu Photonics Co., Ltd. 2H048 GA01 GA07 GA12 GA34 GA51 GA61

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料に照射される所定波長の励起光の光
強度を局在化させて増強する光増強方法であって、 前記励起光が透過されるとともに、一方の面が光入射面
となる基板と、 前記基板の他方の面上に低屈折率層及び高屈折率層を交
互に積層して形成されるとともに、前記基板とは反対側
の面が試料載置面となる誘電体多層膜と、を有して、 前記誘電体多層膜における前記低屈折率層及び前記高屈
折率層のそれぞれの厚さが、前記所定波長に基づいて、
前記励起光の光強度が前記試料載置面の近傍に局在化さ
れる厚さに設定された試料載置台を用い、 前記試料載置台に対して、前記光入射面から前記励起光
を入射させ、前記試料載置面で全反射させて、前記試料
載置面上に載置される前記試料に対して供給する増強さ
れたエバネッセント光を生成することを特徴とする光増
強方法。
1. A light enhancement method for localizing and enhancing the light intensity of excitation light of a predetermined wavelength applied to a sample, wherein the excitation light is transmitted and one surface is formed as a light incident surface. And a dielectric multilayer in which a low-refractive-index layer and a high-refractive-index layer are alternately laminated on the other surface of the substrate, and the surface opposite to the substrate is a sample mounting surface. A thickness of the low refractive index layer and the high refractive index layer in the dielectric multilayer film, based on the predetermined wavelength,
Using a sample stage on which the light intensity of the excitation light is localized near the sample stage, the excitation light is incident on the sample stage from the light incident surface. And generating an enhanced evanescent light to be supplied to the sample mounted on the sample mounting surface by total reflection on the sample mounting surface.
【請求項2】 前記低屈折率層及び前記高屈折率層のそ
れぞれの厚さdL及びdHは、それぞれの屈折率をnL
びnH、それぞれの層内を通過する前記励起光の光路の
通過角度をθL及びθHとしたときに、前記励起光の前記
所定波長λに対して、条件 nL・dLcosθL=nH・dHcosθH=λ/4 を満たすように設定されることを特徴とする請求項1記
載の光増強方法。
2. The respective thicknesses d L and d H of the low refractive index layer and the high refractive index layer are n L and n H , respectively, of the refractive index, and the excitation light passing through the respective layers. Assuming that the passing angles of the optical paths are θ L and θ H , the condition n L · d L cos θ L = n H · d H cos θ H = λ / 4 is satisfied with respect to the predetermined wavelength λ of the excitation light. The light enhancement method according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記基板は、その平面度が、前記励起光
の前記所定波長λに対して、λ/10以下であることを
特徴とする請求項1または2記載の光増強方法。
3. The optical enhancement method according to claim 1, wherein the substrate has a flatness of λ / 10 or less with respect to the predetermined wavelength λ of the excitation light.
【請求項4】 励起光源から出力された励起光を、試料
載置台の光入射面から入射させ、請求項1〜3のいずれ
か一項記載の光増強方法を用いて、入射された前記励起
光の光強度を前記試料載置台の試料載置面の近傍に局在
化させて、前記試料載置面上に載置された前記試料に対
して前記増強されたエバネッセント光を供給する試料励
起ステップと、 励起された前記試料からの蛍光を検出する蛍光検出ステ
ップと、を備えることを特徴とする蛍光測定方法。
4. An excitation light outputted from an excitation light source is made to enter from a light incident surface of a sample mounting table, and the excitation light is inputted by using the light enhancement method according to claim 1. Sample excitation for localizing the light intensity of light in the vicinity of the sample mounting surface of the sample mounting table and supplying the enhanced evanescent light to the sample mounted on the sample mounting surface And a fluorescence detection step of detecting the fluorescence from the sample that has been excited.
【請求項5】 試料を載置するための試料載置台から構
成され、前記試料に照射される所定波長の励起光の光強
度を局在化させて増強する光増強装置であって、 前記試料載置台は、 前記励起光が透過されるとともに、一方の面が光入射面
となる基板と、 前記基板の他方の面上に低屈折率層及び高屈折率層を交
互に積層して形成されるとともに、前記基板とは反対側
の面が試料載置面となる誘電体多層膜と、を有して、 前記誘電体多層膜における前記低屈折率層及び前記高屈
折率層のそれぞれの厚さが、前記所定波長に基づいて、
前記励起光の光強度が前記試料載置面の近傍に局在化さ
れる厚さに設定され、 前記試料載置台に対して、前記光入射面から前記励起光
を入射させ、前記試料載置面で全反射させて、前記試料
載置面上に載置される前記試料に対して供給する増強さ
れたエバネッセント光を生成することを特徴とする光増
強装置。
5. An optical enhancement device comprising a sample mounting table for mounting a sample, wherein the light enhancement device localizes and enhances the light intensity of excitation light having a predetermined wavelength applied to the sample. The mounting table is formed by transmitting the excitation light and alternately stacking a low refractive index layer and a high refractive index layer on the other surface of the substrate, and a substrate having one surface serving as a light incident surface. And a dielectric multilayer film in which a surface opposite to the substrate is a sample mounting surface, and a thickness of each of the low refractive index layer and the high refractive index layer in the dielectric multilayer film. However, based on the predetermined wavelength,
The light intensity of the excitation light is set to a thickness localized in the vicinity of the sample mounting surface. The excitation light is incident on the sample mounting table from the light incident surface, and the sample mounting is performed. A light enhancement device that generates an enhanced evanescent light to be totally reflected by a surface and supplied to the sample mounted on the sample mounting surface.
【請求項6】 前記低屈折率層及び前記高屈折率層は、
それぞれの厚さdL及びdHが、それぞれの屈折率をnL
及びnH、それぞれの層内を通過する前記励起光の光路
の通過角度をθL及びθHとしたときに、前記励起光の前
記所定波長λに対して、条件 nL・dLcosθL=nH・dHcosθH=λ/4 を満たすように形成されていることを特徴とする請求項
5記載の光増強装置。
6. The low refractive index layer and the high refractive index layer,
The respective thicknesses d L and d H define the respective refractive indices as n L
And n H , when the passing angles of the optical paths of the excitation light passing through the respective layers are θ L and θ H , the condition n L · d L cos θ L is satisfied for the predetermined wavelength λ of the excitation light. = n H · d H cosθ H = λ / 4 optical intensifier according to claim 5, characterized by being formed so as to satisfy.
【請求項7】 前記基板は、その平面度が、前記励起光
の前記所定波長λに対して、λ/10以下であることを
特徴とする請求項5または6記載の光増強装置。
7. The optical enhancement device according to claim 5, wherein the flatness of the substrate is λ / 10 or less with respect to the predetermined wavelength λ of the excitation light.
【請求項8】 前記試料載置台において、前記低屈折率
層及び前記高屈折率層のうちで最も前記試料載置面側に
ある層は、SiO2からなることを特徴とする請求項5
〜7のいずれか一項記載の光増強装置。
8. The sample mounting table, wherein a layer closest to the sample mounting surface among the low refractive index layer and the high refractive index layer is made of SiO 2.
The light intensifier according to any one of claims 7 to 7.
【請求項9】 試料に照射される所定波長の励起光を出
力する励起光源と、請求項5〜8のいずれか一項記載の
光増強装置と、 前記光増強装置を構成している前記試料載置台上に載置
された前記試料からの蛍光を検出する蛍光検出手段と、
を備えることを特徴とする蛍光測定装置。
9. An excitation light source for outputting excitation light of a predetermined wavelength applied to a sample, an optical enhancement device according to claim 5, and the sample constituting the optical enhancement device. Fluorescence detection means for detecting fluorescence from the sample mounted on the mounting table,
A fluorescence measurement device comprising:
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