JP2003294631A - Fluorescent method for analyzing molecule using evanescent illumination - Google Patents

Fluorescent method for analyzing molecule using evanescent illumination

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JP2003294631A JP2002097879A JP2002097879A JP2003294631A JP 2003294631 A JP2003294631 A JP 2003294631A JP 2002097879 A JP2002097879 A JP 2002097879A JP 2002097879 A JP2002097879 A JP 2002097879A JP 2003294631 A JP2003294631 A JP 2003294631A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and an apparatus for analyzing a behavior and a state of molecules adjacent to a cell membrane. <P>SOLUTION: The method that analyzes a state of a substance to be targeted, is provided with a first step in which a fluorescent labeled substance is added to the substance to be targeted in a sampled specimen, a second step in which fluorescent signals generated in the sampled specimen are continuously detected at a plurality of moments while carrying out an evanescent illumination for the sampled specimen simultaneously with or after adding the labeled substance in the first step, and a third step in which the amount of fluctuation per one molecule of the substance to be targeted is analyzed based on the fluorescent signals obtained by observing in the second step, thereby analyzing the state of the substance to be targeted. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、界面領域に存在す
る分子の挙動および状態を解析する方法およびそのよう
な方法を行う装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for analyzing the behavior and state of molecules existing in an interfacial region and an apparatus for carrying out such a method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、蛋白質機能解析の研究は、蛋白質
をコードする遺伝子配列の解析が主な研究対象であった
が、近年のヒトゲノム解析の急速な進展により、蛋白質
機能解析研究の方向は、細胞内に存在する遺伝子から合
成される蛋白質がどのように動き、機能しているかを解
析する点にその重点が移行しつつある。
2. Description of the Related Art Conventionally, research on protein functional analysis has been mainly conducted on the analysis of gene sequences encoding proteins. However, due to recent rapid progress in human genome analysis, the direction of protein functional analysis research is The emphasis is shifting to analyzing how proteins synthesized from genes existing in cells move and function.

【0003】例えば、生体内では、さまざまな遺伝子発
現やシグナル伝達作用によって、特異的機能を有する様
々な分子、例えば、酵素および受容体をはじめとする機
能蛋白質や、細胞構造を保持する蛋白質、脂質、糖鎖蛋
白質およびイオンなどの生物学的活性分子など、が常に
変化し、それによって、生命機構が維持されている。こ
のような生体機能を観測し、解析するためには立体的に
機能を保持した蛋白質の動態を分子レベルで観測する必
要がある。
For example, in the living body, various molecules having specific functions by various gene expression and signal transduction actions, for example, functional proteins such as enzymes and receptors, proteins retaining cell structure, and lipids. , Biologically active molecules such as glycoproteins and ions are constantly changing, thereby maintaining the life mechanism. In order to observe and analyze such biological functions, it is necessary to observe the dynamics of a protein having a three-dimensional function at the molecular level.

【0004】従来、蛋白質の動きを観測する従来の手法
としては蛍光標識法が一般的に使用されていた。これは
フルオレセインイソチオシアネート(以下、FITCと記す)
やアレクサ等の蛍光物質を非特異的に蛋白質へ吸着させ
る方法である。しかしながら、レセプターとリガンドの
反応や、抗原と抗体の反応などの蛋白質と他の物質との
相互作用を行う解析の場合には、立体構造の変化が生じ
易く、正確な判断は難しい。
Conventionally, a fluorescent labeling method has been generally used as a conventional method for observing the movement of proteins. This is fluorescein isothiocyanate (hereinafter referred to as FITC)
It is a method of non-specifically adsorbing a fluorescent substance such as alexa or Alexa to a protein. However, in the case of an analysis in which a reaction between a protein and another substance such as a reaction between a receptor and a ligand or a reaction between an antigen and an antibody, the three-dimensional structure is likely to change, and an accurate judgment is difficult.

【0005】このような欠点を解消するために、生体分
子の解析に関して新たな技術が開発されつつある。例え
ば、蛍光緑色蛋白質(以下、GFPと記す)を標識物質とし
て目的蛋白質をコードする遺伝子と、GFPをコードす
る遺伝子とをベクター内に組み込んで細胞内に導入し、
融合蛋白質を発現させることによって、標識した目的蛋
白質を得るものである。この技術は、標識物質であるG
FP自体が、オワンクラゲ由来の生体分子であるために
生体毒性がない点と、蛋白質の末端にGFPを結合させ
ることができるため、立体構造を生理機能的に保持した
ままで目的蛋白質の挙動を観察できる点で優れている。
In order to solve such a drawback, a new technique is being developed for biomolecule analysis. For example, a fluorescent green protein (hereinafter referred to as GFP) is used as a labeling substance, a gene encoding a target protein and a gene encoding GFP are incorporated into a vector and introduced into a cell,
The labeled protein of interest is obtained by expressing the fusion protein. This technology uses the labeling substance G
Since FP itself is a biomolecule derived from Owan jellyfish, it is not biotoxic, and because GFP can be bound to the end of the protein, the behavior of the target protein can be observed while maintaining the physiological function of the three-dimensional structure. It is excellent in being able to do it.

【0006】このような標識化蛋白質を生理機能的に生
体内に維持された状態での動態を解析できる手段の例と
して、蛍光相関分光法(Fluorescence Correlation Spec
troscopy;以下FCSと記す)を使用した例が報告されてい
る(Proc.Natl.Acac.Sci.USA Vol96,pp10123-10128,199
9)。この方法では、レーザを光源とし、ピンホールを使
用し、更に対物レンズによって光を絞って照射し、そこ
において励起される蛍光強度を検出し、得られた蛍光強
度から自己相関関数を用いて目的とする標識化蛋白質の
挙動を解析している。
[0006] As an example of a means for analyzing the dynamics of such a labeled protein physiologically maintained in the living body, a fluorescence correlation spectroscopy (Fluorescence Correlation Spec
troscopy; hereinafter referred to as FCS) has been reported (Proc.Natl.Acac.Sci.USA Vol96, pp10123-10128,199).
9). In this method, a laser is used as a light source, a pinhole is used, and the light is focused by an objective lens to irradiate, the fluorescence intensity excited by the light is detected, and the obtained fluorescence intensity is used by using an autocorrelation function. The behavior of the labeled protein is analyzed.

【0007】しかしながら、このような共焦点レーザ照
明を用いた観察では、計測範囲は半径約400nm、高
さ約2μmまでに及ぶ。従って、例えば、一般的な細胞
を観察した場合には、核、細胞質およびオルガネラまで
に亘る範囲の情報が混在した状態で解析される。従っ
て、このような方法は、目的蛋白質の動きを詳細に追跡
するのには都合が悪い。
However, in the observation using such confocal laser illumination, the measurement range extends to a radius of about 400 nm and a height of about 2 μm. Therefore, for example, when observing a general cell, the analysis is performed in a state in which the information of the range including the nucleus, the cytoplasm, and the organelle is mixed. Therefore, such a method is not convenient for tracking the movement of the target protein in detail.

【0008】例えば、このようなFCSを用いて細胞膜
上の界面領域に存在する上皮増殖因子(以下、EGFRと記
す)の膜内での挙動を観察したという報告(cytometry vo
l35,pp353-362,1999)などについて検証してみると次の
ような問題が浮き上がる。即ち、レーザの種類によって
は、共焦点レーザ照明のための光エネルギーが強すぎる
ため、目的とする照明領域の蛍光物質が退色を起こして
しまうこと、EGFR−GFPの拡散時間に大きなばら
つき(100〜1000μs)があること、核、細胞質およびオル
ガネラの自家蛍光が観察領域に含まれるためにバックグ
ラウンドノイズが高いこと、更にレーザ照明による細胞
傷害性が大きいことである。
[0008] For example, it was reported that such FCS was used to observe the behavior of epidermal growth factor (hereinafter referred to as EGFR) present in the interface region on the cell membrane in the membrane (cytometry vo).
(35, pp353-362, 1999) etc., the following problems emerge when examined. That is, depending on the type of laser, since the light energy for confocal laser illumination is too strong, the fluorescent material in the target illumination region undergoes fading, and there is a large variation in the diffusion time of EGFR-GFP (100- 1000 μs), the background fluorescence is high because the autofluorescence of the nucleus, cytoplasm and organelle is included in the observation region, and the cytotoxicity due to laser illumination is high.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上記の事情に鑑み、本
発明の目的は、界面領域における分子の挙動および状態
を高S/N比で解析するための方法および装置を提供す
ることである。また、本発明の更なる目的は、細胞近傍
における解析を正確且つ低傷害で実行できる方法および
装置を提供することである。
In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for analyzing the behavior and state of molecules in the interface region with a high S / N ratio. Further, a further object of the present invention is to provide a method and apparatus capable of performing analysis in the vicinity of cells accurately and with low injury.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】鋭意研究の結果、本発明
者らは、上記の課題を解決するための手段を見出した。
即ち、標的物質の状態を解析する方法であって、以下の
こと; (1)試料標本中の標的物質に対して蛍光標識物質を付
加することと、(2)前記(1)の付加することと同時
またはそれに続いて、前記試料標本に対してエバネッセ
ント照明を行いながら、前記試料標本において生じる蛍
光信号を複数の時点で継時的に検出することと、(3)
前記(2)の観察することにより得られた蛍光信号を基
に、前記標的物質の1分子当たりの挙動の変化を解析
し、それにより標的物質の状態を解析することとを具備
する分子蛍光解析方法である。
As a result of earnest research, the present inventors have found means for solving the above problems.
That is, a method for analyzing the state of a target substance, which includes the following; (1) adding a fluorescent labeling substance to the target substance in the sample specimen, and (2) adding (1) above. Simultaneously with or after that, while performing evanescent illumination on the sample specimen, a fluorescence signal generated in the sample specimen is continuously detected at a plurality of time points, and (3).
Analyzing the change in the behavior per molecule of the target substance based on the fluorescence signal obtained by the observation in (2) above, and thereby analyzing the state of the target substance. Is the way.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明の1側面に従うと、試料標
本に対してエバネッセント照明を行うことで、エバネッ
セント照明のための全反射面から約200nmの深度
(即ち、Z軸方向)までの範囲のみに、その照明領域を
限定することが可能である。それによって、試料標本に
存在するその照明領域のみに局在する蛍光物質を励起
し、生じる蛍光強度を検出することが可能となる。この
ようなエバネッセント照明とFCSによる解析方法を用
いることにより、標識化した標的物質の挙動および状態
を、特に、細胞膜とその近傍に局在する標識化した標的
物質の挙動および状態をより正確に解析することが可能
となる。
According to one aspect of the present invention, by performing evanescent illumination on a sample specimen, a range from a total reflection surface for evanescent illumination to a depth of about 200 nm (ie, Z-axis direction) is obtained. Only, it is possible to limit the illumination area. As a result, it becomes possible to excite the fluorescent substance existing only in the illuminated region existing in the sample specimen and detect the generated fluorescence intensity. By using such an evanescent illumination and FCS analysis method, the behavior and state of the labeled target substance, particularly, the behavior and state of the labeled target substance localized in the cell membrane and its vicinity can be analyzed more accurately. It becomes possible to do.

【0012】ここで「分子蛍光解析」とは、微小領域
(例えば、共焦点領域)に出入りする蛍光分子に由来す
る蛍光シグナル(例えば、揺らぎ運動および/または蛍
光強度)を計測し、この計測により得られるデータを解
析する技術である。係る分子蛍光解析としては、上述し
たFCS以外にも、蛍光強度分析解析(Fluorescence I
ntensity Distribution Analysis, 略称はFIDAである)
や蛍光強度多分布解析(Fluorescence Intensity Multi
ple Distribution Analysis, 略称はFIMDAである)等の
方法が挙げられる(特表2001-502062、特表2001-50925
5、特表2001-518307および特表2002-505742などを参照
されたい)。このような方法では、蛍光標識物質から生
じる蛍光信号の変化から分子の挙動や状態を解析するこ
とが可能である。即ち、蛍光の揺らぎを基に前記標的物
質の1分子当たりの挙動を、蛍光強度の変化を基に前記
標的物質の1分子についての状態の変化を解析すること
が可能である。
The term "molecular fluorescence analysis" as used herein means that a fluorescent signal (for example, fluctuation motion and / or fluorescence intensity) derived from a fluorescent molecule that goes in and out of a minute region (for example, confocal region) is measured, and this measurement is performed. This is a technique for analyzing the obtained data. As such molecular fluorescence analysis, in addition to FCS described above, fluorescence intensity analysis (Fluorescence I
ntensity Distribution Analysis, abbreviated as FIDA)
And Fluorescence Intensity Multi
ple Distribution Analysis, abbreviated name is FIMDA) etc. (Table 2001-502062, Table 2001-50925)
5, please refer to special table 2001-518307 and special table 2002-505742). In such a method, it is possible to analyze the behavior and state of the molecule from the change in the fluorescence signal generated from the fluorescent labeling substance. That is, it is possible to analyze the behavior per molecule of the target substance based on the fluctuation of fluorescence and the change in the state of one molecule of the target substance based on the change of fluorescence intensity.

【0013】ここにおいて使用される「試料標本」の語
は、例えば、カバーガラスなどの光学的観察に適切な厚
さ約0.17mmのガラス板上に配置された、解析する
べき標的物質を含む試料を示す。観察対象である試料標
本に含まれ得る試料は、生物に由来する細胞、組織切片
であってもよく、または標的物質を含んでなる溶液あっ
てもよい。
The term "sample" as used herein includes the target substance to be analyzed, which is placed on a glass plate of about 0.17 mm thickness suitable for optical observation, such as a cover glass. A sample is shown. The sample that may be contained in the sample specimen to be observed may be cells or tissue sections derived from an organism, or may be a solution containing a target substance.

【0014】ここにおいて使用される「標的物質」の語
は、その挙動および/または状態を解析するべき対象と
なる物質を示す。例えば、細胞または組織切片などを試
料として用いた場合には、酵素および受容体をはじめと
する機能蛋白質や、細胞構造を保持する蛋白質、脂質、
糖鎖蛋白質およびイオンなどの生物学的活性分子、ま
た、前記試料に存在し得る標的物質は、生体関連物質、
更に、生体において活性を示し得る種々の物質、例え
ば、膜受容体に対して結合し得る物質などであってもよ
い。また標的物質は、樹脂製ビーズなどであってもよ
く、例えば、大きさが約0.2μm以下の物質であれば
よい。また、細胞から分泌される蛋白質であっても、細
胞内に何れかのレセプター、チャネルおよびエクスチェ
ンジャーなどによって取り込まれたり、排出されるよう
な物質についても標的物質とすることが可能である。
The term "target substance" as used herein refers to a substance whose behavior and / or state is to be analyzed. For example, when cells or tissue slices are used as samples, functional proteins such as enzymes and receptors, proteins that retain cell structure, lipids,
Biologically active molecules such as sugar chain proteins and ions, and target substances that can be present in the sample are bio-related substances,
Further, it may be various substances capable of exhibiting activity in the living body, for example, substances capable of binding to membrane receptors. The target substance may be resin beads or the like, and may be, for example, a substance having a size of about 0.2 μm or less. Further, even a protein secreted from cells can be used as a target substance even if it is taken up or excreted by any of the receptors, channels and exchangers in the cells.

【0015】標的物質に対する蛍光標識物質の付加は、
それ自身公知の何れかの蛍光物質を標的物質に対して化
学的または生化学的に結合してもよく、また、生物工学
的に蛍光蛋白質をコードする遺伝子を試料となる細胞に
導入し、前記細胞内で発現させる手段によって行っても
よい。
The addition of the fluorescent labeling substance to the target substance is
Any fluorescent substance known per se may be chemically or biochemically bound to a target substance, and a gene encoding a fluorescent protein is bioengineered into a sample cell, It may be carried out by means of expression in cells.

【0016】[例] 1.エバネッセント照明 試料標本に対してエバネッセント照明を行うための照明
手段は従来からいくつか知られている。ここでは、2つ
のタイプの照明手段、即ち、プリズムを用いる例と対物
レンズを用いる例、について以下に説明する。
[Example] 1. Evanescent Illumination Several illuminating means for performing evanescent illumination on a sample specimen are conventionally known. Here, two types of illumination means, that is, an example using a prism and an example using an objective lens will be described below.

【0017】(1)プリズムを用いる例 図1を用いて、プリズムを用いてエバネッセント照明を
行う照明系の例を説明する。
(1) Example Using Prism An example of an illumination system for performing evanescent illumination using a prism will be described with reference to FIG.

【0018】プリズムを用いてエバネッセント照明を行
う場合、少なくともレーザ1とプリズム2を用いて行う
ことが可能である。以下の構成を有する照明系は、本発
明者によりはじめて報告される新規のプリズム型照明手
段である。
When performing evanescent illumination using a prism, it is possible to use at least the laser 1 and the prism 2. The illumination system having the following configuration is a novel prism type illumination means first reported by the present inventor.

【0019】図1示す通り、本発明の態様に従う照明系
は、レーザ光源1と、前記レーザ光源1から発射された
レーザ光が通るための光路2aと、前記光路2aを通り
進行するレーザ光を屈折するためのプリズム3と、前記
プリズム3により屈折されたレーザ光をその内部の境界
面を用いて全反射するための光路2bと、前記光路2b
におけるレーザ光の全反射により形成されるエバネッセ
ント照明により励起されるべき試料4から構成される。
As shown in FIG. 1, an illumination system according to an aspect of the present invention includes a laser light source 1, an optical path 2a through which the laser light emitted from the laser light source 1 passes, and a laser light traveling through the optical path 2a. A prism 3 for refracting, an optical path 2b for totally reflecting the laser light refracted by the prism 3 using an internal boundary surface thereof, and the optical path 2b.
The sample 4 to be excited by the evanescent illumination formed by the total reflection of the laser light.

【0020】ここで、前記光路2bは、その内部に境界
面を有し、その境界面に対して照射されたレーザ光が前
記全反射されるような手段であると共に前記試料4を支
持するための手段であることが好ましい。そのような光
路2bは、カバーガラスなどの顕微鏡観察に適した光学
的性質を有した板状ガラスであることが好ましい。
Here, the optical path 2b has a boundary surface therein, and is a means for totally reflecting the laser light applied to the boundary surface, and for supporting the sample 4. It is preferable that Such an optical path 2b is preferably a plate glass having optical properties suitable for microscopic observation such as a cover glass.

【0021】更に、上記の照明系の例を図2に示し説明
する。ここでは、試料として接着性細胞23を用い、膜
に局在する標的物質を測定する場合を例とする。カバー
ガラス24上で培養することにより、前記接着性細胞2
3をカバーガラス24の表面に接着する。次に、試料が
配置される面にプリズム22を配置する。受光系として
使用する対物レンズ25は、カバーガラス24を挟んで
接着細胞23の反対側に配置する。レーザ光源からカバ
ーガラス24の試料面に平行するように照射されたレー
ザ21は、プリズム22により屈折され、カバーガラス
24の内部をその境界面における全反射を繰り返しなが
ら前進する。この全反射によりエバネッセント場が形成
される。このときに形成されるエバネッセント領域は、
カバーガラスよりZ軸方向に約200nmであり、XY
軸方向に×60(即ち、60倍の対物レンズ)にて約4
00μmである。
Further, an example of the above illumination system will be described with reference to FIG. Here, the case where the adhesive cells 23 are used as a sample and a target substance localized on the membrane is measured is taken as an example. By culturing on the cover glass 24, the adherent cells 2
3 is adhered to the surface of the cover glass 24. Next, the prism 22 is arranged on the surface on which the sample is arranged. The objective lens 25 used as a light receiving system is arranged on the opposite side of the adherent cells 23 with the cover glass 24 interposed therebetween. The laser 21 irradiated from the laser light source so as to be parallel to the sample surface of the cover glass 24 is refracted by the prism 22 and advances inside the cover glass 24 while repeating total reflection on the boundary surface thereof. An evanescent field is formed by this total reflection. The evanescent region formed at this time is
About 200 nm in the Z-axis direction from the cover glass, XY
Approximately 4 with x60 (ie, 60x objective lens) in the axial direction
It is 00 μm 2 .

【0022】続いて、上記のようなプリズム22を用い
たエバネッセント照明を行い、それにより生じた蛍光を
検出するための光学系の例を図3に示す。このような光
学系は、試料標本に対してエバネッセント照明を行うた
めのレーザ光源31と、前記レーザ光源31から生じた
レーザ光が通るための光路32aと、前記光路32aを
通り進行するレーザ光を屈折させ、更に光路32aの内
部の境界面において前記レーザ光を全反射させることに
よって試料標本に対してエバネッセント照明を行うため
の照明系33(例えば、前記レーザ光を屈折するための
プリズムと前記プリズムにより屈折されたレーザ光を全
反射するための光路としてのガラス板とを含む)と、前
記照明系により形成されたエバネッセント照明により励
起されるべき試料34からなる。
Next, FIG. 3 shows an example of an optical system for performing evanescent illumination using the prism 22 as described above and detecting the fluorescence generated thereby. Such an optical system includes a laser light source 31 for performing evanescent illumination on a sample specimen, an optical path 32a for passing laser light generated from the laser light source 31, and a laser light traveling through the optical path 32a. An illumination system 33 for performing evanescent illumination on a sample specimen by refracting and totally reflecting the laser light on the boundary surface inside the optical path 32a (for example, a prism for refracting the laser light and the prism (Including a glass plate as an optical path for totally reflecting the laser light refracted by the above) and a sample 34 to be excited by the evanescent illumination formed by the illumination system.

【0023】このような光学系の例を図4に示す。レー
ザ光源41から照射されたレーザ光は、光路40aを通
ってプリズム42に入り、これにより屈折されて、カバ
ーガラス44に導入される。カバーガラス44内では、
前記導入されたレーザ光は、ガラス内の境界面で全反射
を繰り返しながら進行し、全反射面において生ずるエバ
ネッセント波として試料43に照射される。試料43の
エバネッセント場に、蛍光物質が存在すれば、それが励
起されて蛍光が生じる。試料43のエバネッセンス場に
おいて生じた蛍光は集光器45によって集光され、光路
40bを通って蛍光検出器49によって検出される。
An example of such an optical system is shown in FIG. Laser light emitted from the laser light source 41 enters the prism 42 through the optical path 40 a, is refracted by the prism 42, and is introduced into the cover glass 44. In the cover glass 44,
The introduced laser light advances while repeating total reflection at the boundary surface in the glass, and is irradiated on the sample 43 as an evanescent wave generated at the total reflection surface. If a fluorescent substance is present in the evanescent field of the sample 43, it is excited to generate fluorescence. Fluorescence generated in the evanescence field of the sample 43 is collected by the condenser 45 and detected by the fluorescence detector 49 through the optical path 40b.

【0024】また、図4において、集光器44により集
光された蛍光は、光路40bを通り、例えば、そこにお
いてダイクロイックミラー46で反射され、ピンホール
47およびレンズ48を通過して、蛍光検出器49によ
り検出される。
Further, in FIG. 4, the fluorescence collected by the condenser 44 passes through the optical path 40b, is reflected by the dichroic mirror 46 there, passes through the pinhole 47 and the lens 48, and detects fluorescence. It is detected by the container 49.

【0025】ここで、集光器45は、対物レンズおよび
光ファイバーなど一般的に使用される集光可能な手段を
使用してよい。また、何れの光路40においても、そこ
を通る光の進行方向を変更するための鏡およびプリズム
が具備されてもよく、レンズやピンホールなどの手段が
具備されてもよく、またレーザ光に対して何らかの干渉
を行うようなフィルタが具備されてもよい。また、集光
器45および光路40bの一部が顕微鏡に具備されても
よい。また、図4の例では、蛍光検出器49として2つ
の検出器49aおよび49bが示されているが、検出器
の数はこれに限定されるものではない。
In this case, the condenser 45 may use a commonly used condensing means such as an objective lens and an optical fiber. Further, in any of the optical paths 40, a mirror and a prism for changing the traveling direction of the light passing therethrough may be provided, a means such as a lens or a pinhole may be provided, and a laser beam may be provided. There may be provided a filter that causes some interference. Further, the condenser 45 and a part of the optical path 40b may be provided in the microscope. Further, in the example of FIG. 4, two detectors 49a and 49b are shown as the fluorescence detector 49, but the number of detectors is not limited to this.

【0026】(2)対物レンズを用いる例 図5を用いて、対物レンズを用いてエバネッセント照明
を行う照明系の例を説明する。この照明系では、レーザ
光51は顕微鏡を通して導入され、開口数(即ち、N
A)が1.4以上の対物レンズ52を通過し、試料54
を支持するカバーガラス53の内側の試料に近い方の境
界面に照射される。そこにおいてレーザ光51は全反射
され、対物レンズ62に再度導入される。
(2) Example Using Objective Lens An example of an illumination system for performing evanescent illumination using the objective lens will be described with reference to FIG. In this illumination system, laser light 51 is introduced through a microscope and has a numerical aperture (ie N
A) passes through the objective lens 52 of 1.4 or more, and the sample 54
The boundary surface closer to the sample inside the cover glass 53 for supporting is irradiated. There, the laser beam 51 is totally reflected and is again introduced into the objective lens 62.

【0027】ここにおいて使用される顕微鏡は倒立顕微
鏡であることが好ましい。倒立顕微鏡を使用することに
より、対物レンズの反射側がフリーとなり、それによっ
てマイクロマニピュレーターや、細胞への刺激の負荷、
微分干渉法(即ち、DIC)光学系などとの併用による
観察が可能になる。
The microscope used here is preferably an inverted microscope. By using an inverted microscope, the reflective side of the objective lens becomes free, which allows the micromanipulator and the load of stimulation to the cells,
Observation by using together with a differential interference method (that is, DIC) optical system or the like becomes possible.

【0028】ここにおいて使用され得る対物レンズは、
開口数1.4以上を有する対物レンズであればよい。例
えば、APO100×/NA1.65アポクロマートレ
ンズ(例えば、オリンパス社製のAPO100×OH
R)や、PlanApo×60NA 1.4 TIRF
M(オリンパス製)などが使用され得る。上記の開口数
は全反射を生じさせ、エバネッセンス照射を生きた細胞
に対して行うために適切な値である。即ち、生きた細胞
を試料標本として使用する場合、細胞におけるの屈折率
は、約1.33から1.38である。従って、1.38
以上の大きな開口数で照射させないと、全反射を得るこ
とはできない(表1)。
The objective lenses that can be used here are:
Any objective lens having a numerical aperture of 1.4 or more may be used. For example, APO 100 × / NA 1.65 apochromat lens (for example, APO 100 × OH manufactured by Olympus Corporation)
R) and PlanApo × 60NA 1.4 TIRF
M (manufactured by Olympus) or the like can be used. The above numerical aperture is a value suitable for causing total reflection and performing evanescence irradiation on living cells. That is, when living cells are used as a sample specimen, the refractive index of the cells is about 1.33 to 1.38. Therefore, 1.38
Total reflection cannot be obtained unless irradiation is performed with the above-mentioned large numerical aperture (Table 1).

【0029】[0029]

【表1】 [Table 1]

【0030】また、全反射の条件は以下の式(1)によ
り示される。また、図6に以下の式(1)の条件を模式
的に示す。
The condition of total reflection is expressed by the following equation (1). Further, FIG. 6 schematically shows the condition of the following expression (1).

【0031】 θ≧sin−1(n/n)、n>n・・・・・・・(1) ここで、nは対物レンズの屈折率であり、nは試料
標本の屈折率であり、θは角度である。
Θ ≧ sin −1 (n 2 / n 1 ), n 1 > n 2 ... (1) where n 1 is the refractive index of the objective lens and n 2 is the sample specimen Is the refractive index of and θ is the angle.

【0032】同様に、対物レンズを用いてエバネッセン
ト照射を行うためには以下の式(2)で示される条件が
必要である。
Similarly, in order to perform evanescent irradiation using the objective lens, the condition shown by the following equation (2) is required.

【0033】 NA=nsinθ・・・・・・・・・(2) ここでNAは対物レンズの開口数であり、nは屈折率で
あり、θは角度である。
NA = nsin θ (2) Here, NA is the numerical aperture of the objective lens, n is the refractive index, and θ is the angle.

【0034】エバネッセント照明を行うためには、対物
レンズにおける励起光は、このレンズの1.38よりも
大きく且つ開口円錐の中を通る必要がある。図5に示す
ような本発明の態様において使用される対物レンズは、
NA1.4の高性能プランアポクロマートレンズを使用
し、レンズのNAの小さな部分(即ち、1.4-1.38=0.02)
を使用して励起光を照射する構造を有している。
For evanescent illumination, the excitation light at the objective lens must be greater than 1.38 for this lens and pass through the aperture cone. The objective lens used in the embodiment of the present invention as shown in FIG.
A high performance plan apochromat lens with NA 1.4 is used, and the NA of the lens is small (ie 1.4-1.38 = 0.02).
Is used to irradiate excitation light.

【0035】以下、このような対物レンズを使用した蛍
光相関分析装置を用いた解析について図7を用いて説明
する。
Analysis using a fluorescence correlation analyzer using such an objective lens will be described below with reference to FIG.

【0036】まず、レーザ光源61から照射されたレー
ザ光は、NDフィルタなどの光強度調節手段62により
減光され、ダイクロイックミラー64を経て対物レンズ
65のNA1.4から1.38で限定される部分に入射
する。この入射したレーザ光は、この対物レンズ65に
て屈折され、試料を支持するカバーガラス66の試料6
0側の内側の境界面において全反射される。この全反射
面により、カバーガラス66上にエバネッセント場が生
じる。生じたこのエバネッセント光により、照射された
試料中に蛍光物質が存在している場合には蛍光が生じ
る。この蛍光は、継時的に複数の時点において検出され
る。即ち、生じた蛍光は、ダイクロイックミラー64を
通過してピンホール70で絞られ、検出器(即ち、AP
D)72に到達する。蛍光信号の大きさは、対物レンズ
65による集光とピンホール70による絞込みに依存す
るが、FCS解析を行うためには、できるだけ蛍光信号
の径を小さくすることが好ましい。特に、照明領域の分
子の出入りを検出するためには、ピンホール70の径は
10μm以下であることが望ましい。
First, the laser light emitted from the laser light source 61 is attenuated by the light intensity adjusting means 62 such as an ND filter, passes through the dichroic mirror 64, and is limited by NA 1.4 to 1.38 of the objective lens 65. Incident on a part. The incident laser light is refracted by the objective lens 65 and the sample 6 on the cover glass 66 that supports the sample.
It is totally reflected at the inner boundary surface on the 0 side. An evanescent field is generated on the cover glass 66 by this total reflection surface. The generated evanescent light causes fluorescence when a fluorescent substance is present in the irradiated sample. This fluorescence is detected at multiple time points over time. That is, the generated fluorescence passes through the dichroic mirror 64, is narrowed down by the pinhole 70, and is detected by the detector (that is, AP
D) Reach 72. The magnitude of the fluorescence signal depends on the focusing by the objective lens 65 and the narrowing down by the pinhole 70, but in order to perform the FCS analysis, it is preferable to make the diameter of the fluorescence signal as small as possible. In particular, the diameter of the pinhole 70 is preferably 10 μm or less in order to detect entry and exit of molecules in the illumination area.

【0037】APD72で検出された信号はある時間幅
で自己相関関数によって解析され、蛍光標識分子の拡散
時間と分子数が計算される。
The signal detected by the APD 72 is analyzed by an autocorrelation function within a certain time width, and the diffusion time and the number of molecules of the fluorescent labeled molecule are calculated.

【0038】また、集光された蛍光を検出する光検出器
(例えば、アバランシャルフォトダイオードなど)72
は、受容した光信号を電気信号に変換し、蛍光強度記録
手段(例えば、コンピュータなど)73に送信する。
Further, a photodetector (for example, avalanche photodiode) 72 for detecting the collected fluorescence.
Converts the received optical signal into an electrical signal and sends it to the fluorescence intensity recording means (for example, computer) 73.

【0039】蛍光強度の変化を記録する蛍光強度記録手
段73は、伝達された蛍光強度データの記録および/ま
たは解析を行う。具体的には、この蛍光強度データの解
析により自己相関関数を設定する。1分子レベルでの蛍
光物質の動きによる分子量の増大および分子数の減少、
あるいは蛍光物質の特定領域への結合による分子数の減
少などが、自己相関関数の変化により検出することがで
きる。このように蛍光を指標とした解析によって、蛍光
標識された標的物質について、1分子レベルでの動き、
分子量、他分子との間に生じる結合などの相互作用な
ど、標的物質の状態および挙動に関する情報を継時的に
得ることが可能である。
The fluorescence intensity recording means 73 for recording the change in fluorescence intensity records and / or analyzes the transmitted fluorescence intensity data. Specifically, the autocorrelation function is set by analyzing the fluorescence intensity data. Increase in molecular weight and decrease in number of molecules due to movement of fluorescent substance at the level of one molecule,
Alternatively, a decrease in the number of molecules due to binding of a fluorescent substance to a specific region can be detected by a change in autocorrelation function. In this way, by using fluorescence as an index, the movement of the fluorescently labeled target substance at the level of one molecule,
Information on the state and behavior of the target substance such as the molecular weight and the interaction such as binding with other molecules can be obtained over time.

【0040】上述のFCSを行うための装置も本発明の
範囲に含まれる。
An apparatus for performing the above-mentioned FCS is also included in the scope of the present invention.

【0041】本発明に従うと、エバネッセント照射とF
CSを組み合わせることによって、従来では観察が不可
能であった細胞膜近傍における蛍光標識物質の挙動およ
び状況を継時的に正確に捉えることが可能となる。本出
願は、このような本発明の思想を達成するための方法お
よび装置を開示するものであり、上述した方法および装
置は、本発明の態様の例を示すものである。従って、本
発明は、上記の例に限定されるものではなく、本発明に
従う方法および装置は、本発明の思想を逸脱しない範囲
において様々に変更することが可能である。
According to the invention, evanescent irradiation and F
By combining CS, it is possible to continuously and accurately grasp the behavior and situation of the fluorescent labeling substance in the vicinity of the cell membrane, which has been conventionally impossible to observe. The present application discloses a method and apparatus for achieving such an idea of the present invention, and the method and apparatus described above represent examples of aspects of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above examples, and the method and device according to the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.

【0042】[考察]図8に、エバネッセント照明と共
焦点照明による照明領域の違いを模式的に示した。例え
ば、カバーガラス81上に接着させた細胞82に対して
照射を行った場合、8Aに示すエバネッセント照明の場
合には、照射される領域の深度は約200nmに留ま
る。従って、観察される領域は膜近傍に限定され、そこ
に存在する受容体85などの物質からの情報を選択的に
得ることが可能である(図8の8A)。また、核83や
細胞質に存在するミトコンドリア84などのオルガネラ
には照明は到達しない。これに対して、共焦点照明の場
合を図8の8Bに示す。共焦点照明の場合は、約2μm
に亘る深度の領域が照射される。従って、膜近傍を選択
的に観察することは不可能である(図8の8B)。
[Discussion] FIG. 8 schematically shows the difference in illumination area between evanescent illumination and confocal illumination. For example, when the cells 82 adhered on the cover glass 81 are irradiated, in the case of the evanescent illumination shown in 8A, the depth of the irradiated area remains about 200 nm. Therefore, the observed region is limited to the vicinity of the membrane, and it is possible to selectively obtain information from the substance such as the receptor 85 present there (8A in FIG. 8). In addition, illumination does not reach organelles such as the nucleus 83 and the mitochondria 84 existing in the cytoplasm. On the other hand, the case of confocal illumination is shown in FIG. 8B. Approximately 2 μm for confocal illumination
An area with a depth of over is illuminated. Therefore, it is impossible to selectively observe the vicinity of the film (8B in FIG. 8).

【0043】エバネッセント照明によって蛍光が観察さ
れる領域は、理論的には励起光の全反射面から約100
nmの範囲である。従って、実際に、カバーガラスに接
着している各器官を蛍光染色した細胞をエバネッセント
照明にて観察すると、細胞膜およびその膜上に存在する
蛍光標識した細胞骨格の一部までを観察することができ
る。更に、エバネッセント波は核までには及ばないため
に、大凡膜と膜近傍の器官のみが照射され観察できる。
The region where fluorescence is observed by evanescent illumination is theoretically about 100 from the total reflection surface of the excitation light.
It is in the range of nm. Therefore, when cells that are fluorescently stained for each organ adhered to the cover glass are observed by evanescent illumination, it is possible to observe even a part of the cell membrane and the fluorescence-labeled cytoskeleton existing on the membrane. . Furthermore, since the evanescent wave does not reach the nucleus, only the rough membrane and the organs near the membrane can be irradiated and observed.

【0044】また、細胞内で蛍光標識蛋白質と共に発現
された細胞膜レセプターと結合するようなリガンドを観
察してみると、蛍光標識リガンドが細胞質に浮遊してい
る場合には、エバネッセント波は及ばないので、蛍光観
察できない。しかし、前記蛍光標識リガンドが、目的と
する細胞膜上のレセプターと相互作用するために細胞膜
に近づき、それによりエバネッセント場に到達すれば、
その蛍光が観察される。
Observation of a ligand that binds to the cell membrane receptor expressed together with the fluorescently labeled protein in the cell reveals that the evanescent wave does not reach when the fluorescently labeled ligand is suspended in the cytoplasm. , I cannot observe fluorescence. However, if the fluorescently labeled ligand approaches the cell membrane in order to interact with the desired receptor on the cell membrane, thereby reaching the evanescent field,
The fluorescence is observed.

【0045】また、エバネッセント照明により観察を行
う場合には、その深度が浅いために、細胞質に存在する
ミトコンドリアなどのオルガネラには照明が届かない。
従って、従来では問題となる自家蛍光は観察されず、共
焦点照明よりもバックグラウンドを低くすることが可能
になる。
Further, when observation is performed by evanescent illumination, the illumination does not reach the organelles such as mitochondria present in the cytoplasm because of its shallow depth.
Therefore, the conventional problem of autofluorescence is not observed, and the background can be made lower than that of confocal illumination.

【0046】蛍光標識した標的物質に対して、このよう
なエバネッセント照明により励起された蛍光を蛍光相関
分析装置を用いて検出し、FCS解析すれば、膜近傍に
おける種々の活性物質の挙動および状態を明らかにする
ことが可能である。例えば、膜存在型のレセプターに結
合するリガンドの挙動や状態を観察する場合、予め蛍光
標識を施されたリガンドが、膜近傍に遊離して存在する
場合には拡散時間が早く、目的のレセプターに結合した
場合には拡散時間が長くなる。これにより、前記リガン
ドとレセプターの相互作用を状態を検出することを継時
的に且つ1分子レベルで行うことが可能である。また、
例えば、結合の強弱などの結合状態についても、拡散時
間の違いにより検出することが可能である。また、細胞
に含まれる顆粒の動きを追跡することにより分泌につい
ての研究を行うことも可能である。
Fluorescence excited by such evanescent illumination with respect to the fluorescently labeled target substance is detected by using a fluorescence correlation analyzer, and FCS analysis is performed, whereby the behavior and state of various active substances in the vicinity of the membrane can be determined. It is possible to clarify. For example, when observing the behavior and state of a ligand that binds to a membrane-existing receptor, if a ligand that has been fluorescently labeled in advance exists in the vicinity of the membrane in a free state, the diffusion time is short and the target receptor When combined, the diffusion time becomes longer. This makes it possible to detect the state of the interaction between the ligand and the receptor continuously and at the level of one molecule. Also,
For example, the binding state such as the strength of the binding can be detected by the difference in the diffusion time. It is also possible to study secretion by following the movement of granules contained in cells.

【0047】また、リガンドとの結合の後に2量体化な
どの多量体化するレセプターに関しても、その状態を解
析することが可能である。この場合、レセプターに対し
て蛍光標識を行えばよい。例えば、標識化は、蛍光色素
を用いて直接レセプター分子に対して標識を行っても、
或いは、分子生物学的に蛍光蛋白質を遺伝子に組み込む
ことによりレセプター膜蛋白質の発現と同時に蛍光物質
も発現させてもよい。例えば、レセプターに蛍光標識
し、細胞幕内での拡散現象を観測した場合、リガンドと
の反応前はレセプターの拡散速度が速く、リガンドの反
応の後に多量体に変化すれば、検出分子数は減少し、拡
散速度も低下する。
It is also possible to analyze the state of a receptor that multimerizes such as dimerize after binding with a ligand. In this case, the receptor may be fluorescently labeled. For example, labeling can be carried out by directly labeling a receptor molecule with a fluorescent dye,
Alternatively, a fluorescent substance may be expressed simultaneously with expression of the receptor membrane protein by molecularly incorporating a fluorescent protein into a gene. For example, when the receptor is fluorescently labeled and the diffusion phenomenon in the cell curtain is observed, the diffusion rate of the receptor is fast before the reaction with the ligand, and the number of detected molecules decreases if it changes to a multimer after the reaction of the ligand. , The diffusion speed also decreases.

【0048】一方、共焦点照明によりこのような観察を
行った場合には、蛍光標識した検出されるべきレセプタ
ーのみを選択的に励起して観察することは困難である。
即ち、共焦点照明では細胞質内のオルガネラも励起され
てしまう。特にミトコンドリアは自家蛍光を生じつつ、
秒単位で動く器官である。そのためにシグナルとして検
出される恐れは高い。ミトコンドリアの動きは、膜蛋白
質の動く早さと同等である。従って、FCSで解析して
も、自家蛍光による蛍光強度と目的とする蛍光物質から
の蛍光強度をそれぞれに識別することは不可能である。
また、共焦点照明による照明深度では、検出されるべき
ではないシグナルに付いても全て混在した状態でFCS
解析が行われてしまう。そのため、自己相関関数曲線に
検出されるべきデータを正確に反映することは困難であ
る。即ち、FCS解析を行うことが不可能になる可能性
がある。
On the other hand, when such observation is performed by confocal illumination, it is difficult to selectively excite only the fluorescently labeled receptor to be detected for observation.
That is, confocal illumination also excites organelles in the cytoplasm. In particular, mitochondria produce autofluorescence,
It is an organ that moves in seconds. Therefore, there is a high possibility that it will be detected as a signal. Mitochondrial movement is equivalent to the speed of movement of membrane proteins. Therefore, even by FCS analysis, it is impossible to distinguish between the fluorescence intensity due to autofluorescence and the fluorescence intensity from the target fluorescent substance.
In addition, in the depth of illumination by confocal illumination, even signals that should not be detected are mixed in the FCS.
Analysis is done. Therefore, it is difficult to accurately reflect the data to be detected on the autocorrelation function curve. That is, it may be impossible to perform FCS analysis.

【0049】これに比較し、エバネッセント照明を用い
てFCS解析を行えば、膜近傍を選択的に励起すること
が可能であり、且つ観察することが可能である。従っ
て、純粋に膜近傍における膜蛋白質などの動きを正確に
解析することが可能である。
In comparison with this, if FCS analysis is performed using evanescent illumination, it is possible to selectively excite and observe the vicinity of the film. Therefore, it is possible to accurately analyze movements of membrane proteins and the like in the vicinity of the membrane.

【0050】図9にはエバネッセント照明により得られ
る膜レセプターに関するFCS解析のデータを示し、図
10には共焦点照明により得られる膜レセプターに関す
るFCS解析データを示す。これらを比較すれば明かで
あるように、エバネッセント照明によるFCSではノイ
ズが少なく理論曲線と実測曲線の値が非常に近く、これ
に対して、共焦点照明によるFCSではノイズが大き
く、理論曲線と実測曲線の相違が大きい。従って、エバ
ネッセント照明によるFCS解析により得られたデータ
の方が、より信頼性のある拡散時間として得られるの
で、膜レセプターの動きをより正確に反映していると考
えられる。
FIG. 9 shows FCS analysis data on membrane receptors obtained by evanescent illumination, and FIG. 10 shows FCS analysis data on membrane receptors obtained by confocal illumination. As is clear from comparing these, the FCS with evanescent illumination has little noise and the values of the theoretical curve and the actual measurement curve are very close to each other, whereas the FCS with confocal illumination has large noise and the theoretical curve and the actual measurement curve The difference in the curves is large. Therefore, it is considered that the data obtained by the FCS analysis using the evanescent illumination is more reliable as the diffusion time and thus more accurately reflects the movement of the membrane receptor.

【0051】また、エバネッセント照明は共焦点照明に
比較して、XY平面方向については、照射領域が広い。
そのため、本発明の態様では、細胞膜の観察領域を膜蛋
白質の観察により適切であるような10μm以下にまで
限定した。この限定は、検出器の前へのピンホールの設
置により達成することが可能である。
Further, the evanescent illumination has a wider irradiation area in the XY plane direction than the confocal illumination.
Therefore, in the embodiment of the present invention, the observation area of the cell membrane is limited to 10 μm or less, which is more suitable for the observation of the membrane protein. This limitation can be achieved by placing a pinhole in front of the detector.

【0052】また、本発明の態様に従う方法および装置
を用いることによって、その他のFCS解析の伴うノイ
ズ(例えば、トリプレット成分や極端に拡散速度の速く
なるような、通常は動きの遅いオルガネラから生じる自
家蛍光など)も最小限に抑制することが可能である。ま
た、自己相関関数による測定系に含まれ、混在する成分
が少なくなったことにより、FCS解析をより正確に実
行することが可能となる。
Also, by using the method and apparatus according to aspects of the present invention, the noise associated with other FCS analyzes (eg, triplet components and autogenic normally slow moving organelles with extremely high diffusion rates). (Fluorescence etc.) can also be suppressed to a minimum. Further, since the number of components included in the measurement system based on the autocorrelation function and mixed in is reduced, it becomes possible to perform the FCS analysis more accurately.

【0053】また、本発明の態様では、試料に照射され
る細胞のダメージを最小限に抑えることが可能なエバネ
ッセント照明を使用するため、検出時のダメージによる
データへの影響を最小限に抑えることが可能である。そ
のため、所望するデータをより正確に得ることが可能で
ある。
Further, in the aspect of the present invention, since the evanescent illumination capable of minimizing the damage to the cells irradiated on the sample is used, the influence of the damage at the time of detection on the data can be minimized. Is possible. Therefore, it is possible to obtain the desired data more accurately.

【0054】従って、本発明に従うと、FCS解析にお
いて算出される1分子あたりの蛍光強度の信頼性が高く
なる。
Therefore, according to the present invention, the reliability of the fluorescence intensity per molecule calculated in the FCS analysis becomes high.

【0055】また、本発明に従うと、次のようことも解
析することが可能である。即ち、蛍光標識化したリガン
ドが存在する環境、例えば、細胞質、細胞膜および細胞
外に依存して、得られる蛍光強度が異なることから、1
分子当たりの蛍光強度の計測から、そのリガンドの存在
する溶媒環境を推測することが可能である。例えば、細
胞質や細胞外に存在する場合には、蛍光強度は低くな
り、細胞膜のような極性の小さい溶媒中では強度が高く
なるであろう。
Further, according to the present invention, the following can also be analyzed. That is, the obtained fluorescence intensity differs depending on the environment in which the fluorescently labeled ligand is present, for example, cytoplasm, cell membrane, and extracellular.
From the measurement of fluorescence intensity per molecule, it is possible to infer the solvent environment in which the ligand exists. For example, when it is present in the cytoplasm or outside the cell, the fluorescence intensity will be low, and the intensity will be high in a solvent with low polarity such as a cell membrane.

【0056】また、観察標本が細胞の場合のみならず、
溶液系の場合においても、例えば、図2に示したような
カバーガラス上にカバーバラスをマウントしたときに形
成される間隔の狭い領域に代表されるようなカバーガラ
ス界面を利用することができる。このカバーガラス界面
に存在する溶液中で蛍光を発する粒子のブラウン運動の
解析においても、エバネッセント照明を用いることによ
って粒子の平均直径100nm未満の粒子の揺らぎを解
析することができる。
Not only when the observation sample is a cell,
Also in the case of a solution system, for example, a cover glass interface typified by a region with a narrow interval formed when a cover glass is mounted on a cover glass as shown in FIG. 2 can be used. Also in the analysis of Brownian motion of particles that emit fluorescence in the solution existing at the interface of the cover glass, it is possible to analyze fluctuations of particles having an average diameter of less than 100 nm by using evanescent illumination.

【0057】また、このような粒子の径が100nm未
満の粒子にDNAや蛋白質などの生体高分子やペプチド
を固相化し、その分子との相互作用を起こす分子を作用
させ、FCS解析し、拡散時間を算出することによっ
て、その分子が固相化した分子と相互作用を起こしてい
るかを確認することができる。分子が固相化された粒子
と分子との反応を揺らぎで解析する場合、反応前後での
分子の大きさの変化がなるべく大きい方が望ましい。拡
散時間の変化は分子の半径の3乗で変わってくるためで
ある。その場合、固相化用の粒子はなるべく小さいもの
を用い、また、固相化される分子は小さいもの、固相化
分子と反応する分子は大きいものを用いた方が分子と反
応した場合の分子量の変化の割合は大きくなる。従っ
て、粒子の径は可能な限り小さい方がより変化が分かり
易くなる。具体的には、エバネッセント光の領域内にお
いて平均直径が100nm未満でなければ、解析可能な
結果を得るのは難しく、好ましくは、80nm以下、特
に50nm以下が好ましい。一方、DNAによる反応を
利用する解析においては、DNA分子よりは有意に大き
い方がS/N比を高くできるので、粒子の平均直径が5
nm以上、特に、10nm以上であることが好ましい。
In addition, a biopolymer or peptide such as DNA or protein is immobilized on particles having a diameter of less than 100 nm, and a molecule that interacts with the molecule is allowed to act on the particles for FCS analysis and diffusion. By calculating the time, it can be confirmed whether or not the molecule interacts with the immobilized molecule. When analyzing a reaction between a particle having a molecule immobilized thereon and the molecule by fluctuation, it is desirable that the change in the size of the molecule before and after the reaction is as large as possible. This is because the diffusion time changes with the cube of the radius of the molecule. In that case, use particles for immobilization that are as small as possible, use small particles for immobilization, and use large particles for reacting with immobilization molecules. The rate of change in molecular weight is large. Therefore, the change becomes easier to understand when the particle diameter is as small as possible. Specifically, it is difficult to obtain an analyzable result unless the average diameter is less than 100 nm in the evanescent light region, preferably 80 nm or less, particularly preferably 50 nm or less. On the other hand, in the analysis utilizing the reaction by DNA, the S / N ratio can be increased when the size is significantly larger than that of the DNA molecule, so that the average diameter of particles is
It is preferably not less than nm, particularly preferably not less than 10 nm.

【0058】[0058]

【発明の効果】本発明に従うと、界面領域に存在する分
子の挙動および状態を高S/N比で解析する方法および
そのような方法を行うための装置が提供される。特に、
本発明に従うと、細胞膜近傍における分子の挙動および
状態、例えば、相互作用を、より正確に且つ低傷害で解
析できる方法およびその方法に使用するための装置が提
供される。
According to the present invention, there is provided a method for analyzing the behavior and state of molecules existing in the interface region at a high S / N ratio, and an apparatus for performing such a method. In particular,
According to the present invention, there is provided a method and a device for use in the method, which can analyze the behavior and state of molecules near the cell membrane, for example, the interaction, more accurately and with low injury.

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

【図1】本発明の1態様において使用され得る照明系を
示すブロック図。
FIG. 1 is a block diagram illustrating an illumination system that may be used in one aspect of the invention.

【図2】本発明の1態様において使用され得る照明系を
示す模式図。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an illumination system that can be used in one embodiment of the present invention.

【図3】本発明の1態様において使用され得る光学系を
示すブロック図。
FIG. 3 is a block diagram showing an optical system that can be used in one embodiment of the present invention.

【図4】本発明の1態様において使用され得る光学系を
示す模式図。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an optical system that can be used in one embodiment of the present invention.

【図5】本発明の1態様において使用され得る照明系を
示す模式図。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an illumination system that can be used in one embodiment of the present invention.

【図6】図5に示される照明系のガラス境界面における
全反射の様子を示す模式図。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a state of total reflection at a glass boundary surface of the illumination system shown in FIG.

【図7】本発明の1態様である蛍光相関分析装置の例を
示す模式図。
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a fluorescence correlation analyzer which is one embodiment of the present invention.

【図8】エバネッセント照明と共焦点照明による照明領
域の違いを示す模式図。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a difference in illumination area between evanescent illumination and confocal illumination.

【図9】エバネッセント照明により得られる膜レセプタ
ーに関するFCS解析のデータを示すグラフ。
FIG. 9 is a graph showing FCS analysis data on membrane receptors obtained by evanescent illumination.

【図10】共焦点照明により得られる膜レセプターに関
するFCS解析のデータを示すグラフ。
FIG. 10 is a graph showing FCS analysis data for membrane receptors obtained by confocal illumination.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1.レーザ光源 2.光路 3.プリズム 4.
試料 21.レーザ 22.プリズム 23.試料 24.カバーガラス
25.対物レンズ 31.光源 32.光路 33.照明系 34.
試料 35.光検出器 40.光路 41.レー
ザ光源 42.プリズム 43.試料標 本 44.カバーガラス 45.集光器 46.
ダイクロイックミラー 47.ピンホール 48.レンズ 49.蛍光検出
器 51.レーザ 52.対物レンズ 53.カバーガラス 54.試
料 60.試料 61.レーザ光源 62.光強度調節手段 63.
光減衰選択装置 64.ダイクロイックミラー 6
5.対物レンズ 66.カバーガラス 67.フィ
ルタ 68.チューブレンズ 69.反射鏡 7
0.ピンホール 71.レンズ 72.光検出器 73.蛍光強度記
録手段 74.蛍光強度減衰率検出手段 75.コ
ントローラ 81.カバーガラス 82.接着細胞
83.核 84.ミトコンドリア 85.膜蛋
白質
1. Laser light source 2. Optical path 3. Prism 4.
Sample 21. Laser 22. Prism 23. Sample 24. Cover glass 25. Objective lens 31. Light source 32. Optical path 33. Illumination system 34.
Sample 35. Photodetector 40. Optical path 41. Laser light source 42. Prism 43. Sample specimen 44. Cover glass 45. Concentrator 46.
Dichroic mirror 47. Pinhole 48. Lens 49. Fluorescence detector 51. Laser 52. Objective lens 53. Cover glass 54. Sample 60. Sample 61. Laser light source 62. Light intensity adjusting means 63.
Optical attenuation selection device 64. Dichroic mirror 6
5. Objective lens 66. Cover glass 67. Filter 68. Tube lens 69. Reflector 7
0. Pinhole 71. Lens 72. Photodetector 73. Fluorescence intensity recording means 74. Fluorescence intensity decay rate detection means 75. Controller 81. Cover glass 82. Adherent cells 83. Nuclear 84. Mitochondria 85. Membrane protein

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Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 標的物質の状態を解析する分子蛍光解析
方法であって、以下のことを具備する方法; (1)試料標本中の標的物質に対して蛍光標識物質を付
加することと、 (2)前記(1)の付加することと同時またはそれに続
いて、前記試料標本に対してエバネッセント照明を行い
ながら、前記試料標本において生じる蛍光信号を複数の
時点で継時的に検出することと、 (3)前記(2)の観察することにより得られた蛍光信
号の変化を基に、前記標的物質の1分子当たりの挙動お
よび/または状態の変化を解析し、それにより標的物質
の状態を解析することと。
1. A molecular fluorescence analysis method for analyzing the state of a target substance, which comprises: (1) adding a fluorescent labeling substance to the target substance in a sample specimen; 2) Simultaneously with or after the addition of (1), while continuously performing evanescent illumination on the sample specimen, a fluorescence signal generated in the sample specimen is continuously detected at a plurality of time points; (3) Based on the change in the fluorescence signal obtained by the observation in (2) above, the behavior and / or the state change per molecule of the target substance is analyzed, and thereby the state of the target substance is analyzed. What to do.
【請求項2】 前記(2)の観察が顕微鏡を介して行わ
れることを特徴とする請求項1に記載の標的物質の状態
を解析する方法。
2. The method for analyzing the state of a target substance according to claim 1, wherein the observation of (2) is performed through a microscope.
【請求項3】 前記(2)に記載の蛍光信号を複数の時
点で継時的に検出することが蛍光相関分析装置を用いて
行われることを特徴とする請求項1または2に記載の標
的物質の状態を解析する方法。
3. The target according to claim 1, wherein the fluorescence signal according to (2) is detected continuously at a plurality of time points by using a fluorescence correlation analyzer. A method of analyzing the state of matter.
【請求項4】 前記標的物質が細胞膜近傍に存在する生
物学的活性分子であり、前記試料標本が接着性細胞であ
ることを特徴とする請求項1から3に記載の標的物質の
状態を解析する方法。
4. The state of the target substance according to claim 1, wherein the target substance is a biologically active molecule existing in the vicinity of a cell membrane, and the sample specimen is an adherent cell. how to.
【請求項5】 前記試料標本がカバーガラス上に前記接
着細胞を接着させることにより作成されること、前記顕
微鏡が倒立顕微鏡であること、並びに前記エバネッセン
ト照明を行うことが、前記カバーガラスの接着細胞の接
着した面上にプリズムを配置し、前記プリズムにレーザ
光を照射して前記カバーガラス内の境界面に前記レーザ
光を全反射させることによって達成されることを特徴と
する請求項1から4の何れか1項に記載の標的物質の状
態を解析する方法。
5. The adherent cells of the cover glass are prepared by adhering the adherent cells on a cover glass, the microscope is an inverted microscope, and the evanescent illumination is performed. 5. A prism is arranged on the bonded surface of, and the prism is irradiated with laser light to totally reflect the laser light on an interface in the cover glass. A method for analyzing the state of the target substance according to any one of 1.
【請求項6】 前記試料標本がカバーガラス上に前記接
着細胞を接着させることにより作成されること、前記顕
微鏡が倒立顕微鏡であること、並びに前記エバネッセン
ト照明を行うことが、前記倒立顕微鏡に用いる対物レン
ズとして開口数が1.4以上の対物レンズを使用し、前
記対物レンズを介して励起光をカバーガラス内の試料に
近い境界面に照射することによって達成されることを特
徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の標的物質
の状態を解析する方法。
6. The objective used for the inverted microscope, wherein the sample specimen is prepared by adhering the adherent cells on a cover glass, the microscope is an inverted microscope, and the evanescent illumination is performed. It is achieved by using an objective lens having a numerical aperture of 1.4 or more as a lens, and irradiating excitation light to a boundary surface near a sample in a cover glass through the objective lens. 5. The method for analyzing the state of the target substance according to any one of 1 to 4.
【請求項7】 以下を具備する蛍光相関分析装置; (1)レーザを照射するための光源と、 (2)前記光源と光路により連結され、前記光源より照
射されたレーザを試料を支持するガラス板内の試料に近
い境界面に全反射することによりエバネッセント波を形
成し、検出の対象となる試料標本に対して前記エバネッ
セント波を照射するための照明系と、 (3)前記照明系により形成されたエバネッセント波に
より励起され生じた蛍光信号を検出するための光検出
器。
7. A fluorescence correlation analyzer comprising: (1) a light source for irradiating a laser, (2) a glass connected to the light source by an optical path, and supporting a sample irradiated with the laser emitted from the light source. An illumination system for forming an evanescent wave by total reflection on a boundary surface near the sample in the plate, and irradiating the sample specimen to be detected with the evanescent wave; (3) Formed by the illumination system Photodetector for detecting a fluorescence signal generated by being excited by the generated evanescent wave.
【請求項8】 前記照明系が開口数1.4以上の対物レ
ンズであることを特徴とする請求項7に記載の蛍光相関
分析装置。
8. The fluorescence correlation analyzer according to claim 7, wherein the illumination system is an objective lens having a numerical aperture of 1.4 or more.
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