CN102933954A - 生物分子检测设备和生物分子检测方法 - Google Patents

生物分子检测设备和生物分子检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种能够进行高灵敏度测量的检测生物分子的设备。用于检测生物分子的设备包括以下结构：其中溶液中的荧光分子通过激光照射对准，并且通过切换激光照射方向，荧光分子的跃迁矩的方向变化到平行或垂直于线偏振激发光的振动方向的方向。这种结构能够在被自由分子和结合分子保持的荧光分子被激发的情况与荧光分子没有被激发的情况之间进行切换。因为在受到抗体/抗原反应的分子与没有受到抗体/抗原反应的分子之间存在与激光照射方向的变化相关联的对准方向的差异，因此可以分别计算由粘附到自由分子的荧光分子发射的荧光的贡献程度和由粘附到结合分子的荧光分子发射的荧光的贡献程度。因此，可以高灵敏度地检测目标物质的浓度。

Description

生物分子检测设备和生物分子检测方法
技术领域
本发明涉及检测溶液中的检测目标物质的技术。具体地，本发明涉及一种能够检测样品中的生物分子、病毒、核酸、蛋白质、和细菌的生物分子检测设备和生物分子检测方法。
背景技术
近年来，正在关注生物分子检测方法，在生物分子检测方法中，医生或技术人员检测关心点处的生物分子，直接获得测量结果，并利用测量结果进行诊断和治疗。生物分子检测方法是用于通过诸如抗原抗体反应的专化性反应(或特异反应)的高选择性来选择性地仅检测来自体液(例如，血液、尿液、以及汗液)中的检测目标物质的方法。这种生物分子检测方法被尤其广泛地用于检测、检查、定量和分析诸如病毒、核酸、蛋白质和细菌的少量生物分子。
放射性免疫测定是一种实际使用的生物分子检测方法。放射性免疫测定采用被同位素标记的抗原或抗体，并检测具体地与标记抗原或标记抗体结合在一起的抗体或抗原的存在。
荧光免疫测定是一种不采用放射性物质的生物分子检测方法。荧光免疫测定设备是公知的，在该荧光免疫测定设备中，抗体被预先固定到反应层(称为固相)上，测量目标溶液和标记有荧光分子的抗体在反应层上流动，并且观察邻近反应层的荧光以测量已经具体地与抗体结合的抗原的浓度(例如，参照专利文献1)。
然而，利用固相的荧光免疫测定的问题在于产生固相的成本较高。存在一种利用荧光偏振方法来确认溶液(称为液相)中的抗原抗体反应的方法作为不采用固相的方法。荧光偏振方法是一种检测由布朗运动变化所引起的荧光偏振度的变化的方法，其中所述布朗运动由于分子与具有荧光标记的分子结合而使得分子尺寸变化而出现。利用荧光偏振方法的生物分子检测方法被公知为一种用于检测样品内的检测目标物质的简单且便利的方法(例如，参照专利文献2)。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]
日本未审查专利公开编号：7(1995)-120397号
[专利文献2]
日本未审查专利公开第2008-298743号
然而，荧光偏振方法利用随机的布朗运动变化，因此具有测量灵敏度受到限制的问题。另外，利用荧光偏振方法的生物分子检测设备没有被考虑。
考虑到上述情况已经形成本发明。本发明的目的是提供一种能够进行高灵敏度测量的生物分子检测设备和生物分子检测方法。
发明内容
实现以上目的的本发明的生物分子检测设备是使检测目标物质、专门与检测目标物质结合的特定结合物质和荧光分子在溶液内相互结合并检测由荧光分子发射的荧光以检测或定量检测目标物质的设备，并具有包括以下部件的结构：
光源，所述光源发射具有在激发荧光分子的特定方向上被线偏振的光成分的激发光；
取向控制装置，所述取向控制装置用于将溶液内的荧光分子的取向切换到在至少两个方向上的取向；
光接收部，所述光接收部检测由荧光分子发射的荧光；以及
计算部，所述计算部根据由光接收部检测的荧光检测或定量检测目标物质。
在本发明的生物分子检测设备中，取向控制装置可以在第一方向上的取向与在第二方向上的取向之间切换荧光分子的取向，在所述第一方向上，荧光分子的跃迁矩的方向和激发光的振动方向是平行的，在所述第二方向上，荧光分子的跃迁矩的方向和激发光的振动方向是垂直的。光的“这振动方向”是指电场的振动方向，并且在光被偏振的情况下与光的偏振方向相同。
本发明的生物分子检测设备可以采用以下结构，其中：
取向控制装置以预定时间间隔切换荧光分子的取向；
光接收部以多次检测荧光；以及
计算部计算检测到的多个荧光强度的算术平均数，并根据荧光强度的算术平均数检测或定量检测目标。
在这种情况下，优选的是根据检测目标物质、特定结合物质和荧光分子的质量或体积，以及由取向控制装置施加的取向控制度来确定预定时间间隔。
在本发明的生物分子检测设备中，优选的是取向控制装置通过发射具有不同于激发光的波长的波长的光来控制荧光分子的取向。在这种情况下，优选的是取向控制装置是从多个位置将具有不同于激发光的波长的波长的光发射到溶液的装置。还优选的是溶液被保持在溶液保持部中，所述溶液保持部至少在所述溶液保持部的一部分处具有平坦表面。
进一步地，在溶液保持部具有平坦表面的情况下，优选的是取向装置是在穿过溶液并离开溶液保持部的平坦表面的方向上发射具有不同于激发光的波长的波长的光使得光与由光源发射的激发光结合地聚集在溶液与平坦表面之间的交接面处的装置。
在本发明的生物分子检测设备中，优选的是光接收部装备有用于光谱地分离光的光谱装置。在这种情况下，优选的是光谱装置是具有不同特性的多个滤光器，并且优选的是光接收部根据荧光分子的发光波长从多个滤光器中切换要被采用的滤光器。
在本发明的生物分子检测设备中，优选的是计算部，通过利用在通过取向控制装置将取向从第一方向切换到第二方向期间由经由特定结合物质与检测目标物质结合的荧光分子发射的荧光的强度的时间变化与由没有与检测目标物质结合的荧光分子发射的荧光的强度的时间变化之间的差值的事实，检测或定量检测目标物质。
本发明的生物分子检测方法是用于使检测目标物质、专门与检测目标物质结合的特定结合物质和荧光分子在溶液内相互结合并检测由荧光分子发射的荧光以检测或定量检测目标物质的方法，并且包括以下步骤：
发射具有在激发荧光分子的特定方向上被线偏振的光成分的激发光；
将溶液内的荧光分子的取向切换到在至少两个方向上的取向；
检测由荧光分子发射的荧光；以及
根据检测的荧光检测或定量检测目标物质。
本发明能够高灵敏度地检测生物分子。
附图说明
图1A是显示根据第一实施例的生物分子检测设备中的抗原抗体反应的第一示意图；
图1B是显示根据第一实施例的生物分子检测设备中的抗原抗体反应的第二示意图；
图2A是显示激发光的振动方向和荧光分子的跃迁矩平行的情况的示意图；
图2B是显示激发光的振动方向和荧光分子的跃迁矩垂直的情况的示意图；
图3A是显示自由分子的示意图；
图3B是显示结合分子的示意图；
图4A是显示根据第一实施例的生物分子检测设备的外观的立体图；
图4B是显示根据第一实施例的生物分子检测设备在可打开部打开的状态下的图；
图5是显示生物分子检测设备的主要部件的方框图；
图6是显示由取向控制光源发出的激光束的发射方向的切换的示意图；
图7A是第一激光发射方向与分子的取向方向之间的关系的示意图；
图7B是第二激光发射方向与分子的取向方向之间的关系的示意图；
图8A是显示第一激光发射方向与多个分子的取向方向之间的关系的示意图；
图8B是显示第二激光发射方向与多个分子的取向方向之间的关系的示意图；
图9是显示根据第一实施例的生物分子检测设备的光接收部的详细结构的示意图；
图10是示意性地显示从样品的制备到样品的处理的过程的流程图的示意图；
图11是显示对于根据第一实施例的生物分子检测设备中的一个循环取向控制信号、采样时钟、PD输出和A/D转换部输出的图集；
图12是显示对于在根据第一实施例的生物分子检测设备中的多个循环的取向控制信号的图；
图13A是显示根据第一实施例的生物分子检测设备中的抗原抗体反应的第一示意图；
图13B是显示根据第二实施例的生物分子检测设备中的抗原抗体反应的第二示意图；
图14是显示根据第二实施例的生物分子检测设备的主要部件的方框图；
图15是显示根据第二实施例的生物分子检测设备的光接收部的详细结构的示意图；
图16A是显示来自根据第二实施例的生物分子检测设备的A/D转换部的输出的第一曲线图；
图16B是显示来自根据第二实施例的生物分子检测设备的A/D转换部的输出的第二曲线图；
图17A是显示在激光束从第一方向发射的情况下荧光分子的跃迁矩与随机偏振激发光的振动方向之间的关系的示意图；
图17B是显示在激光束从第二方向发射的情况下荧光分子的跃迁矩与随机偏振激发光的振动方向之间的关系的示意图；
图18A是显示在激光束从第一方向发射的情况下荧光分子的跃迁矩与在两个方向上被线偏振的激发光的振动方向之间的关系的示意图；
图18B是显示在激光束从第二方向发射的情况下荧光分子的跃迁矩与在两个方向上被线偏振的激发光的振动方向之间的关系的示意图；
图19是显示伴随荧光分子的跃迁矩的方向上的变化的光电二极管的输出的变化的图集；
图20A是用于说明伴随激光束的偏振轴线的变化的结合分子的取向的变化的第一示意图；
图20B是用于说明伴随激光束的偏振轴线的变化的结合分子的取向的变化的第二示意图；
图20C是用于说明伴随激光束的偏振轴线的变化的结合分子的取向的变化的第三示意图；
图21是显示线偏振激光束从试剂杯的底部表面被发射到试剂杯的多个点上的示意图；
图22是显示用于容纳将要从预定方向被发射到多个点上的取向控制光源的结构的示意图；
图23是显示用于容纳将要从预定方向被发射到多个点上的线偏振激光束的光学系统的结构的示例的示意图；
图24是显示用于容纳将要从预定方向被发射到多个点上的线偏振激光束的光学系统的结构的另一个示例的示意图；
图25是显示微型透镜阵列的示意图；
图26是显示试剂杯的形状的示例的示意图；以及
图27是显示聚焦激光束的焦点与试剂杯之间的位置关系的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的实施例。各种特殊反应被用于检测生物分子。这里，以下描述作为示例的利用抗原与抗体之间的特殊反应并根据由作为标记与抗体结合的荧光分子发射的荧光检测已经与抗体反应的抗原的设备。
(第一实施例)
图1A和图1B是显示根据第一实施例的生物分子检测设备中的抗原抗体反应的示意图。以下参照图1A和图1B描述液体内的抗原抗体反应。考虑被荧光分子14标记的抗体12容纳在圆柱形试剂杯10中的情况。与全血分离的血浆是检测生物分子的样品。血浆16被分配到试剂杯10中并被搅动。在专门与抗体12结合的抗原18存在于血浆16中的情况下，抗原抗体反应将出现在抗体12与抗原18之间，并且抗体12和抗原18将以特定结合状态存在于血浆16中，如图1B所示。相对于抗原18供应充分大量的抗体12。然而，存在所有量的抗体12和抗原18不经受抗原抗体反应以及抗体12或抗原18的一部分保持在血浆16中而没有进行抗原抗体反应的情况。在下文中，通过抗原抗体反应相互结合的抗体12、抗原18和荧光分子14将被称为结合分子，而没有进行抗原抗体反应但存在于液体中的抗原12和荧光分子14被称为自由分子。结合分子和自由分子两者都存在于血浆16中。要注意的是除了抗原18之外的成分存在于血浆16中。然而，除了抗原18之外的成分从图1A和图1B被省略以简化说明。
根据本发明的第一实施例的生物分子检测设备将激发光发射到结合分子和自由分子两者所存在的溶液中。接收由荧光分子14发射的荧光，并且根据由此获得的荧光数据执行抗原18的检测或量化。因此，理想的是仅检测从包括将要检测的抗原18的结合分子发射的荧光。然而，自由分子和结合分子两者都存在于溶液中。因此，当激发光被发射到溶液中时，与自由分子相关联的荧光分子14也发射荧光，从而导致产生不必要的荧光成分。因此，根据本发明的第一实施例的生物分子检测设备计算在整个荧光数据中由与自由分子相关联的荧光分子贡献的荧光。
以下参照图2A和图2B描述通过线偏振激发光实现的荧光分子14的激发效率以说明由根据第一实施例的生物分子检测设备100中的结合分子贡献的荧光和由自由分子贡献的荧光的计算原理。图2A是显示激发光19的振动方向和荧光分子14的跃迁矩是平行的情况的示意图。图2B是显示激发光19的振动方向和荧光分子14的跃迁矩是垂直的情况的示意图。这里，描述了荧光分子14的纵向方向平行于跃迁矩的取向方向的情况以简化说明。
当光能被吸收时荧光分子14转变到激发态，并且在返回到基线状态的过程期间发射荧光。当荧光分子14被线偏振激发光19激发时，荧光分子14发射荧光，所述荧光在与激发光的偏振方向相同的方向上被偏振。由荧光分子14发射的荧光的偏振度取决于所述荧光分子14的旋转运动的速度。即，如果荧光分子14没有进行旋转运动，则荧光分子14发射在与激发光19的振动方向相同的方向上被偏振的荧光。当荧光分子14进行旋转运动的速度变大时，由荧光分子14发射的荧光的偏振度减小。当荧光分子14被激发时，荧光分子内被称作为跃迁矩的矢量与激发光19相互作用，其中所述跃迁矩由荧光分子14的分子结构确定。跃迁矩在荧光分子14内具有单一方向，并且激发光19的跃迁矩的方向与振动方向之间的关系确定荧光分子14的激发效率。具体地，荧光分子14选择性地吸收在平行于所述荧光分子14的跃迁矩的方向上振动的光。因此，在激发光19在图2A和2B中所示的图纸的垂直方向上振动并从图纸的左侧朝向右侧传播的同时被发射到荧光分子14上的情况下，激发效率在激发光19的振动方向平行于荧光分子14的跃迁矩的情况下最大(图2A)，并且在激发光19的振动方向垂直于荧光分子14的跃迁矩的情况下变为0(图2B)。跃迁矩的方向根据荧光分子14的取向变化，因此溶液内的荧光分子14的取向影响所述荧光分子14的激发效率。
以下参照图3A和3B描述溶液内的自由分子和结合分子的运动以考虑溶液内的荧光分子14的取向。图3A是显示抗体12和荧光分子14的示意图，其中所述抗体12和所述荧光分子14的结合是自由分子。图3B是显示抗体12、抗原18和荧光分子14的示意图，其中所述抗体12、抗原18和荧光分子14的结合是结合分子。自由分子和结合分子在溶液内无规律地移动(布朗运动)，并且经受旋转运动以及在溶液内的移动。众所周知的分子在溶液内的布朗运动受到绝对温度、分子的体积、溶液的粘度等的影响。由于抗原18与结合分子结合，因此结合分子的体积大于自由分子的体积，并且较少会在溶液内进行布朗运动。利用自由分子和结合分子在溶液内的布朗运动的差由布朗运动的变化检测结合分子的技术(荧光偏振免疫测定)是已知的。然而，因为布朗运动是随机的，因此存在于溶液中的大量结合分子和自由分子处于随机取向状态下，并且可检测到作为从其输出的信号的总和的信号。因此，S/N比差，并且检测灵敏度受到限制。
根据本发明的第一实施例的生物分子检测设备利用激光束控制分子在溶液内的取向。自由分子和结合分子根据相对于控制的跟踪度被分离以实现高敏感度。当激光束被发射到溶液内的自由分子和结合分子上时，已经在溶液内随机移动的自由分子和结合分子在特定的方向上被取向(在下文中，分子通过接收外力在特定方向上被取向的状态将被称为“完全分子取向”)。因为自由分子和结合分子在溶液内移动和旋转的容易性是不同的，因此在溶液内的分子的取向由激光束控制的情况下，自由分子和结合分子从激光束被发射的时间开始完成分子取向所需的时间量不同。根据本发明的第一实施例的生物分子检测设备利用自由分子和结合分子完成分子取向所需的时间量的差产生与每一种分子类型相关联的荧光分子14的激发效率的差并计算由结合分子贡献的荧光。
接下来，描述根据本发明的第一实施例的生物分子检测设备100的结构。图4A是显示生物分子检测设备100的外观的立体图。显示部102、操作部104和可打开部106设置在生物分子检测设备100的侧表面上。显示部102显示测量结果等。操作部104是设定模式、输入样品数据等的部分。可打开部106具有上盖可以打开的结构。当设置样品时，上盖打开，而在测量期间所述上盖关闭。通过采用这种结构，可以防止来自外部的影响测量的光。
图4B是显示生物分子检测设备100处于可打开部106打开的状态下的立体图。当可打开部106打开时，试剂杯108和保持台110位于生物分子检测设备100内。试剂杯108由保持台110可移除地保持。试剂杯108是溶液放置在里面的圆筒形容器。使用者将样品分配到试剂杯108中并关闭上盖以执行测量。虽然在附图中未示出，但是生物分子检测设备100还装备有试剂罐和分配部。当开始测量时，分配部从试剂罐中吸入试剂，并将试剂分配到试剂杯108中。
图5是显示生物分子检测设备100的主要部件的原理框图。试剂罐112和分配部114设置在生物分子检测设备100内。试剂罐112是使多个类型的试剂存储在其内的罐。分配部114通过移液管从试剂罐112吸入要被使用的试剂，然后将所述试剂分配到试剂杯中。另外，取向控制光源116和激发光源118设置在生物分子检测设备100内。取向控制光源116将取向控制激光束117朝向AOD(声光偏转器)120发射，以通过施加外力控制试剂杯108中的溶液内的分子的取向。
AOD 120利用声光效应以根据输入电压改变所述AOD 120内部的折射率，从而改变输入到所述AOD 120的光传播的方向。即，AOD 120基于根据从FG(信号发生器)122输出的电压信号(在下文中，输出到AOD 120的信号将被称为“取向控制信号”)输入的电压改变该AOD 120内部的折射率以改变激光束117传播的方向。换句话说，通过由FG 122生成的取向控制信号确定激光束117传播的方向。
FG 122是能够产生具有各种频率和波形的电压信号的装置。FG 122响应于从CPU 132接收到的指令将不同的电压信号输出给AOD 120和采样时钟发生部130。
CPU 132通过FG 122指定将被输出的取向控制信号，以控制AOD 120切换激光束117传播的方向的时间。
激发光源118将激发光119朝向试剂杯108发射，其中所述激发光119被设置在激发光源118内的偏振元件线偏振，所述激发光源118激发荧光分子14。
光接收部124设置在试剂杯108下方。光接收部124在试剂杯108下方接收由试剂杯108内的荧光分子14产生的荧光123，将接收到的荧光信号转换成模拟电信号(模拟荧光数据)，并将所述模拟电信号输出给放大器126。
放大器126放大从光接收部124输出给所述放大器126的模拟荧光数据，并将放大后的模拟荧光数据输出给A/D转换部128。
采样时钟发生部130根据从FG 122输出到所述采样时钟发生部130的电压信号输入采样时钟，其中所述采样时钟指定A/D转换部128将模拟荧光数据采样给A/D转换部的时间。
A/D转换部128根据从采样时钟发生部部130输出给所述A/D转换部128的采样时钟对从放大器126输出给所述A/D转换部128的荧光数据进行采样。A/D转换部128将采样的模拟荧光数据转换成数字数据，并将该数字数据输出给CPU 132。
CPU 132使用从A/D转换部128输出给所述CPU 132的数字数据执行计算，并将计算结果输出给显示部102。另外，CPU 132响应于从操作部104输入的指令控制取向控制光源116、激发光源118、分配部114和FG 122的操作。具体地，CPU 132将ON/OFF指令输出给取向控制光源116和激发光源118，将指定要被使用的试剂的指令和开始分配操作的指令输出给分配部114，以及将指定要被输出的电压信号的波形的指令和输出所述电压信号的指令输出给FG 122。
在第一实施例中，具有1.3μm波长和700mW输出的激光被用作取向控制光源116，而具有532nm波长和10mW输出的光源被用作激发光源118。
图6是生物分子检测设备110的内部的示意性平面图，其中显示了由取向控制光源发射的激光束的发射方向的切换。以下参照图6描述激光束的发射方向相对于试剂杯108的切换。从取向控制光源116发射的激光束117穿过AOD 120并进入试剂杯108。由取向控制光源116发射的激光束117具有能够使试剂杯108内的所有溶液被所述激光束117照射到的宽度。AOD 120在两个方向之间交替地切换从取向控制光源116发射的激光束传播的方向。具体地，在将5V取向控制信号被输入给AOD 120的情况下，AOD 120使激光束117沿着激光束134的方向传播，而在将0V取向控制信号被输入给AOD 120的情况下，AOD 120使激光束117沿着激光束136的方向传播。激光束134进入试剂杯108的侧表面。激光束136被分色镜138反射，沿着垂直于激光束134的方向传播，并进入试剂杯108的侧表面。如果试剂杯108当从上方看时被认为是钟面，则激光束134从9点钟位置进入并朝向3点钟位置传播，而激光束136从6点钟位置进入并朝向12点钟位置传播。即，激光束134和激光束136传播的方向相互垂直。分色镜138仅反射具有激光束117的波长的光，并透射具有其它波长的光。从激发光源118发射的激发光119穿过分色镜138，沿着与被分色镜138反射的激光束136相同的方向传播，并进入试剂杯108的侧表面。
该结构能够使生物分子检测设备100根据来自FG 122的取向控制信号通过控制AOD 120在两个方向之间交替地切换激光束进入试剂杯108的方向，其中所述两个方向彼此相差90度。光屏蔽板140设置在AOD 120与试剂杯108之间，并且生物分子检测设备100被构造成使得沿着不同于激光束134和激光束136的方向的方向传播的激光束没有进入试剂杯108。另外，激光束在激光束沿着激光束134的方向和沿着激光束136的方向传播的两种情况下进入圆柱形试剂杯108的侧表面。因为试剂杯108是圆筒形的，因此即使激光所传播的方向被切换，试剂杯108的激光束进入的侧表面的形状也是相同的。
以下参照图7A和7B描述试剂杯108内的荧光分子响应于激光束的发射方向的切换的运动。图7A是显示第一激光发射方向与分子的取向方向之间的关系的示意图。图7B是显示第二激光发射方向与分子的取向方向之间的关系的示意图。要注意的是在本说明书中，自由分子和结合分子的“取向方向”表示抗体和荧光分子的取向完成之后抗体和荧光分子被取向的方向。自由分子和结合分子分散在在随机方向上被取向的溶液内。然而，激光束被发射到其内的试剂杯108内的自由分子和结合分子通过接收激光束的外力而在特定方向上被取向。由激光施加的外力通过对撞击自由分子和结合分子并被散射的激光束的反应产生。施加力的方向由激光束传播的方向以及自由分子和结合分子的取向来确定。这里，将相对于自由分子作为示例来进行说明。如图7A所示，激光束134被发射在上面的自由分子从激光束134接收旋转方向上的力，并且在由激光施加的旋转方向上的力抵消的方向(这里，与激光束134传播的方向相同的方向)上稳定取向。换句话说，在自由分子没有在激光束134传播的方向上被取向的情况下，自由分子接收外力以在向右或向左的方向上旋转。然而，在自由分子在激光束134传播的方向上被取向的情况下，向右或向左方向上的外部旋转力抵消，因此所述自由分子稳定同时自由分子在单个方向上被取向。当激光束136被发射在上面的抗体12和荧光分子14在垂直于激光束134影响取向的方向的方向上被取向时，所述抗体12和荧光分子14稳定。通过依此方式改变激光束的发射方向，可以切换溶液内的抗体12和荧光分子14被取向的方向。
图8A和图8B是显示激光发射方向与多个分子的取向方向之间的关系的示意图。图8A和8B是从上面看时试剂杯108的视图。图8A显示了自由分子和结合分子由于被从图纸的左侧朝向图纸的右侧传播的激光束134照射而在激光束134传播的方向上被取向的情况。溶液内接收激光束134的照射的自由分子和结合分子在相同的方向上被取向。即，所有荧光分子14的跃迁矩在一个方向上对准。图8B显示了自由分子和结合分子由于被从图纸的底部朝向图纸的顶部传播的激光束136照射而在激光束136传播的方向上被取向的情况。当激光束134切换到激光束136时，朝向图纸的右侧被取向的自由分子和结合分子接收力以沿向左的方向旋转。在这种情况下，具有比结合分子小的体积的自由分子比结合分子旋转得快，并且在激光束136传播的方向上稳定取向。即，如果充分量的时间过去，则自由分子和结合分子将在相同的方向上被取向。然而，两种类型的分子完成取向所需的时间量不同。在同时发射激光束136的情况下，如果所有自由分子和结合分子完成取向，则所有荧光分子14的跃迁矩将一个方向上对准。
在第一实施例中，已经通过激光束134被取向的荧光分子14的跃迁矩的方向平行于线偏振激发光振动的方向，从而最大化荧光分子14的激发效率。同时，已经通过激光束136被取向的荧光分子14的跃迁矩的方向垂直于线偏振激发光振动的方向，并且荧光分子14的激发效率为0。因此，通过AOD 120进行的激光束的发射方向的切换能够在最大值与最小值(不会发生激发)之间切换荧光分子14相对于线偏振激发光的激发效率。
接下来，参照图9，描述光接收部124的详细结构。图9是显示光接收部124的详细结构的示意图。光接收部124包括：透镜142；滤光器144；偏振元件146；透镜148；和PD(光电二极管)150。光接收部124从试剂杯108的底侧接收荧光。由试剂杯108内的荧光分子14发射的荧光123被透镜142聚焦，并在穿过滤光器144、偏振元件146和透镜148之后进入PD 150。在图9中，使用箭头147和箭头149显示荧光123的宽度。滤光器144是带通滤波器，所述带通滤波器使不同于由荧光分子14发射的荧光截止并防止不同于荧光的光(例如，激发光)进入PD 150。偏振元件146仅透射在与线偏振激发光的振动方向相同的方向上被偏振的光。在试剂杯108内被散射的激发光和由荧光分子14发射的荧光在自由分子和结合分子的取向的方向正在被切换的同时具有不同于激发光的初始振动方向的振动方向，因此不能透射穿过偏振元件146。PD 150接收被透镜148聚集的荧光，产生与荧光的强度相对应的电荷，并将产生的电荷输出给放大器126。光接收部124依此方式将由取向已经被切换的荧光分子14发射的荧光转换成电荷。另外，光接收部124接收朝向试剂杯108的底侧的荧光。因此，光接收部124不可能受到激光束117和激发光119的影响。
接下来，描述测量期间生物分子检测设备100的操作。图10是示意性地显示从样品的制备到样品的处理的过程的流程图的示意图。在第一实施例中，考虑以下情况，其中全血被用作样品，P53(蛋白质53)是作为抗原18的检测目标物质，并且P53抗体是具体地与作为抗体12的检测目标物质结合的物质。由Molecular Probes提供的Alexa Fluor 555用作荧光分子14。Alexa Fluor 555发射具有在从550nm到700nm范围内且在约570nm处具有峰值的波长的荧光。在Alexa Fluor 555被用作荧光分子14的情况下，使用由Semrock提供的SpOr-A滤光器组形成的光接收侧滤光器。该滤光器是透射在从575nm到600nm的范围内的波长并透射由Alexa Fluor 555发射的荧光的一部分的带通滤波器。试剂杯108的容积大约为120μL。
为了准备测量，首先，从病人采集的50μL的全血156被离心分离以分离血浆16。分离的血浆16在生物分子检测设备100的样品设置部中被设置。到此时的步骤由使用者执行。生物分子检测设备100将设置在样品设置部152中的血浆16分配到新试剂杯108中，所述新试剂杯108库存在试剂杯库存部160中。接下来，生物分子检测设备100通过移液管158吸入在试剂罐112中的P53抗体，并将吸入的53抗体分配到试剂杯108中。已经将血浆16和P53抗体放置到试剂杯108中的生物分子检测设备100使用内置涡旋搅拌机搅拌试剂杯108，同时保持试剂杯108的温度在37℃以发生抗原抗体反应。此后，生物分子检测设备100发射激发光、检测荧光并在检测到荧光之后将试剂杯108处理到内置废料桶154中。
以下参照图11描述由FG 122输出的取向控制信号、由采样时钟发生部130输出的采样时钟、由PD 150输出的PD输出以及由A/D转换部输出的A/D转换输出。图11是对于生物分子检测设备100中的单个循环来说使取向控制信号、采样时钟、PD输出和A/D转换部输出分别作为垂直轴线而时间t作为水平轴线的图集。这里要注意的是，PD输出和A/D转换部输出的图被示意性地显示以简化说明。
由FG 122输出的取向控制信号在测量之前为0V。在取向控制信号为0V的情况下，采样时钟也是0V，并且没有执行采样。A/D转换部输出也是0，这是因为采样时钟没有输入。由设备引起的噪声iz作为初始PD输出被输出。仅噪声从PD 150输出的原因在于因为由取向控制光源116发射的激光束117通过正在输入给AOD 120的0V取向控制信号而在激光束136的方向上传播，溶液内的所有荧光分子14的跃迁矩在垂直于激发光119的振动方向的方向上被取向，并且对于激发光119来说不可以激发荧光分子14。
接下来，生物分子检测设备100将取向控制信号改变成5V，并朝向试剂杯108发射激发光119。当取向控制信号被改变到5V时，采样时钟发生部130周期性地输出5V信号作为表示采样时间的采样时钟。A/D转换部128以与采样时钟匹配的时间对模拟荧光进行采样并执行A/D转换。另外，当取向控制信号被改变到5V时，AOD 120将激光束117传播的方向从激光束136的方向切换到激光束134的方向。伴随着切换激光束117传播的方向，激光束被发射到试剂杯108上的方向被切换90度。因此，试剂杯108内的荧光分子14被取向的方向也被切换90度。
伴随着激光束的发射方向的切换，具有比结合分子小的体积的自由分子的取向方向首先改变，从而使得由所述自由分子的荧光分子发射的荧光由于所述自由分子的跃迁矩而不垂直于激发光的振动方向。由与自由分子相关联的荧光分子14发射的大多数荧光在所述自由分子的取向改变期间没有被偏振，因此被偏振元件146隔断。已经完成再取向的自由分子的激发效率最大，这是因为自由分子的荧光分子的跃迁矩平行于激发光的振动方向。由与完成再取向的自由分子相关联的荧光分子发射的荧光到达PD150，而没有被偏振元件146隔断，这是因为所述荧光在与激发光的振动方向相同的方向上被偏振。伴随着已经完成再取向的自由分子的增加，PD输出从iz增加。当所有自由分子的再取向在时间T1完成时，周期输出在值if处暂时饱和。此后，当结合分子的再取向在时间T2开始时，PD输出再次增加。由与结合分子相关联的荧光分子14发射的大多数荧光在所述荧光的取向改变期间没有被偏振，因此所述荧光被偏振元件146隔断。当所有结合分子的再取向在时间T3完成时，周期输出在值it处饱和。
类似于PD输出，A/D转换部的输出初始为值Dz，然后逐渐增加并在值Df处暂时饱和。伴随着PD输出从if的增加，A/D转换部的输出逐渐增加，并在值Dt处饱和。通过将取向控制信号设定为0V，然后依此方式将所述取向控制信号切换到5V，由与自由分子相关联的荧光分子贡献的荧光和由与结合分子相关联的荧光分子贡献的荧光将以其之间的时间差表现在A/D转换部的输出中。
在取向控制信号作为5V被输出持续T秒之后，取向控制信号被变回到0V。T秒被设定为大于或等于PD输出再次在值it处饱和所需的时间量。通过使取向控制信号从5V变回到0V，取样钟也将变为0V。在取向控制信号从5V切换到0V之后，PD输出将成为值it持续一个时间，然后减小到值iz。PD输出变成仅表示由设备所产生的噪声的值iz的原因在于：由于取向控制信号被切换到0V，因此荧光分子14的跃迁矩在垂直于激发光的振动方向的方向上被取向，并且荧光分子14的激发效率变为0，从而使得荧光没有被发射。PD输出为值it持续一个时间的原因在于：荧光分子的取向的切换从取向控制信号的切换被略微延迟。这里，取向控制信号被设定为0V期间的时间段为与取向控制信号被设定为5V的时间量相同的T秒。这是因为在激光输出恒定的条件下，对于取向控制信号从0V切换到5V的情况和取向控制信号从5V切换到0V的情况，溶液内的自由分子和结合分子完成再取向所需的时间量近似相同。生物分子检测设备100的一个测量周期是从取向控制信号从0V切换到5V的时间点到在取向控制信号被切换回到0V之后T秒时间点。即，生物分子检测设备100的一个测量周期中的时间量是2T秒。
图12是显示在生物分子检测设备100中多个周期的取向控制信号的曲线图。如图12中所示，生物分子检测设备100通过以预定时间间隔切换取向控制信号来执行多个测量周期，对多个值Dt、Df和Dz中的每一个计算算术平均数，并获得Dt、Df和Dz的平均值。在第一实施例中，执行10个测量周期以获得Dt、Df和Dz的平均值。因此，由各种因素引起的测量结果的波动可以得到平衡。
CPU 132由获得的Dt、Df和Dz的平均值计算结合分子的浓度。具体地，首先，根据以下公式(1)计算测量值S。
S＝(Dt-Df)/(Dt-Dz)              (1)
在公式(1)中，(Dt-Df)表示由与结合分子相关联的荧光分子发射的荧光的强度。(Dt-Dz)表示由结合分子和自由分子发射的组合荧光的强度，并且通过从获得的最大数据值减去与设备噪声有关的数据来计算。劣化测量结果的再现性的因素(例如，光学系统的变化)通过(Dt-Df)除以(Dt-Dz)而被消除。
CPU 132由获得的测量值S计算判别值C(检测目标物质的浓度)。判别值C根据以下公式(2)计算。
C＝f(S)                   (2)
这里，f(S)是校准曲线函数。对于预先准备测量的每一项生物分子检测设备100都具有不同的校准曲线功能，并将测量值S转换成判别值C。CPU132将获得的判别值C输出给显示部102。
如上所述，根据本发明的第一实施例的生物分子检测设备100具有切换激光束的发射方向从而能够切换溶液内的自由分子和结合分子的取向方向的结构。自由分子和结合分子通过激光束被取向的方向是自由分子和结合分子的荧光分子的跃迁矩平行于线偏振激发光的振动方向的方向、和自由分子和结合分子的荧光分子的跃迁矩垂直于线偏振激发光的振动方向的方向。即，生物分子检测设备100能够在自由分子和结合分子的荧光分子能够被激发光激发的状态与自由分子和结合分子的荧光分子不能够被激发光激发的状态之间进行切换。另外，伴随激光束的发射方向的切换，自由分子和结合分子完成再取向所需的时间量存在差异。因此，由与每一种类型的分子相关联的荧光分子发射的荧光被接收的时间不同。因此，生物分子检测设备100可以分别计算由与自由分子相关联的荧光分子贡献的荧光和由与结合分子相关联的荧光分子贡献的荧光，并且可以通过简单的结构精确地测量检测目标物质的浓度。
在上述结构中，生物分子检测设备100通过由激光束施加的外力将所有自由分子和结合分子的取向切换到相同的方向。因此，与利用随机的布朗运动执行的测量的情况相比较，可以执行具有更高灵敏度的测量。
要注意的是，第一实施例被描述为使用抗原抗体反应作为示例的情况。然而，检测目标物质和与检测目标物质专门结合的物质的组合不局限于上述情况。例如，本发明可以应用到采用抗原检测抗体的情况、采用特定核酸检测与特定核酸混合的核酸的情况、采用核酸检测核酸结合蛋白质的情况、采用配位体检测受体的情况、采用糖类检测外源凝集素的情况、使用朊酶(protease)检测的情况、使用高阶结构变化的情况等。
在第一实施例中，计算被描述为用于显示测量结果是示意性曲线图的情况以简化由测量结果计算检测目标物质的浓度的说明。然而，不是必须以上述方式执行计算。例如，由自由分子发射的荧光与由结合分子发射的荧光之间的界限点根据曲线图内的拐点来确定以执行计算。
另外，理想的是根据自由分子和结合分子的体积、溶液的粘度、溶液的温度等改变取向控制信号被设定为5V或0V期间的时间段。以自由分子和结合分子在溶液内旋转的简易性确定在切换激光束的发射方向之后分子完成再取向所需的时间量，其中所述简易性受自由分子和结合分子的体积、溶液的粘度、溶液的温度等的影响。在自由分子和结合分子难以在溶液内旋转的情况下，自由分子和结合分子完成再取向所需的时间量变得较长。因此，理想的是取向控制信号被设定为5V或0V期间的时间段对于完成再取向来说足够长。在这种情况下，不是必须使取向控制信号被设定为5V期间的时间段和取向控制信号被设定为0V期间的时间段为相同的时间量。
另外，第一实施例采用发射具有1.3μm的波长和700mW的输出的激光束的激光光源作为取向控制光源116。然而，取向控制光源116不局限于这种激光光源。理想的是根据自由分子和结合分子在溶液内旋转的简易性来确定激光光源的波长和输出，其中所述简易性受自由分子和结合分子的体积、自由分子和结合分子的质量等影响。具体地，理想的是激光具有产生显示自由分子和结合分子完成再取向所需的时间量的差异的一定程度的输出。
要注意的是，第一实施例被描述为重复执行测量并且获得测量结果的算术平均数的情况。然而，算术平均数的计算不是必须的，并且可以根据对使用者的重要性来确定计算。例如，在使用者希望便利地执行测量的情况下，可以仅对一个周期执行测量，并且可以显示测量结果。可选地，在使用者希望以更高精度执行测量的情况下，可以对多个周期重复测量以提高测量精度。
(第二实施例)
图13A和13B是显示根据第二实施例的生物分子检测设备中的抗原抗体反应的示意图。第二实施例利用两种类型的抗体来检测两种类型的抗原。在下文中，考虑抗体22和抗体26放置在试剂杯20内的情况。
抗体22和抗体26分别被荧光分子24和荧光分子28标记。当样品30放置在试剂杯20中并被搅拌时，并且如果专门与抗体22结合的抗原32存在于样品30中，则将在抗体22与抗原32之间出现抗原抗体反应。类似地，如果专门与抗体26结合的抗原34存在于样品30中，则将在抗体26与抗原34之间出现抗原抗体反应。以与相对于第一实施例描述的方式相同的方式，抗体和抗原的一部分保持在样品溶液内而不进行抗原抗体反应。在下文中，通过抗原抗体反应相互结合的抗体22、抗原32和荧光分子24将被称为结合分子1，而没有进行抗原抗体反应但存在于液体中的抗原22和荧光分子24将被称为自由分子1。进一步地，通过抗原抗体反应相互结合的抗体26、抗原34和荧光分子28将被称为结合分子2，而没有进行抗原抗体反应但存在于液体中的抗原26和荧光分子28将被称为自由分子2。在第二实施例中，作为检测目标物质的抗原32和抗原34分别是P53和CEA(癌胚抗原)。专门与P53结合的P53抗体被用作抗体22，而专门与CEA结合的CEA抗体被用作抗体26。由Molecular Probes提供的Alexa Fluor 555被用作荧光分子24，而由Molecular Probes提供的Alexa Fluor 588被用作荧光分子28。Alexa Fluor 588发射具有在从575nm到750nm范围内且在大约610nm处具有峰值的波长的荧光。
根据本发明的第二实施例的生物分子检测设备将激发光发射到里面存在有两种类型的自由分子和两种类型的结合分子的溶液上，并检测或定量目标结合分子。
图14是显示根据第二实施例的生物分子检测设备200的主要部件的方框图。要注意的是：生物分子检测设备200的与第一实施例的生物分子检测设备100的组成元件相同的组成元件由相同的附图标记表示，并且将省略对所述组成元件的详细说明。生物分子检测设备200的结构与第一实施例的生物分子检测设备100的不同在于光接收部202、分配部204、药剂槽206、和CPU 208。
分配部204从在单独的容器中存储多种抗体的药剂槽206吸入两种类型的抗体，并将吸入的抗体分配到试剂杯108中。
光接收部202检测由试剂杯108内的荧光分子发射的荧光。光接收部202被构造成响应于来自CPU 208的指令分别接收由荧光分子24发射的荧光和由荧光分子28发射的荧光。
CPU 208对从A/D转换部128输出给所述CPU 208的数字数据执行计算，并将计算结果输出给显示部102。另外，CPU 208响应于从操作部104输入的指令控制取向控制光源116、激发光源118、分配部204、FG 122和光接收部202的操作。具体地，CPU 132将ON/OFF指令输出给取向控制光源116和激发光源118，将指定要被使用的试剂的指令和开始分配操作的指令输出给分配部204，输出指定要被输出的电压信号的波形的指令和将电压信号输出给FG 122的指令，以及将切换滤光器的指令输出给光接收部202。
以下参照图15详细地描述光接收部202的结构。图15是显示根据第二实施例的生物分子检测设备200的光接收部202的详细结构的示意图。光接收部202内的滤光器切换部210安装有两种类型的滤光器：滤光器212和滤光器214。两个滤光器是可移动的，并且滤光器切换部210被构造成能够切换由透镜142聚焦的光穿过的滤光器。滤光器切换部210响应于从CPU 208输出给所述滤光器切换部210的指令切换要被使用的滤光器。例如，当检测到由Alexa Fluor 555发射的荧光时，使用滤光器212，而当检测到由AlexaFluor 588发射的荧光时，使用滤光器214。因此，能够防止不必要的荧光到达PD 150。在第二实施例中，由Semrock提供的SpOr-A滤光器组形成的光接收侧滤光器被用作滤光器212，而由Semrock提供的SpRed-A滤光器组形成的光接收侧滤光器被用作滤光器214。由SpRed-A滤光器组形成的光接收侧滤光是透射在从605nm到650nm范围内的波长的带通滤波器。要注意的是，通过使用两种类型的滤光器光谱分离荧光能够防止不必要的荧光到达PD 150。例如，仅具有特定波长的光可以通过使用衍射光栅或棱镜进行光谱分离而被接收到。
接下来，描述在测量期间生物分子检测设备200的操作。生物分子检测设备200的测量操作基本上与第一实施例的生物分子检测设备100的测量操作相同，但是在细微点处不同。相对于第一实施例描述了分别检测自由分子和结合分子的原理，因此这里描述如何分别检测两种类型的结合分子。首先，生物分子检测设备200确定将要检测哪一种类型的结合分子。该确定可以例如通过经由操作部104通过使用者输入随意执行。这里，描述首先检测使Alexa Fluor 555作为荧光分子的结合分子1的情况。CPU 208输出指示光接收部202内的滤光器切换部210使用滤光器212的指令。滤光器切换部210从CPU 208接收指令，并将滤光器212移动到被透镜142聚集的光通过的位置。当取向控制信号被改变到5V并且激发光被朝向试剂杯108发射时，溶液内的荧光分子24和荧光分子28发射荧光。由荧光分子24和荧光分子28发射的荧光被透镜142聚集并进入滤光器212。滤光器212仅透射具有在从575nm到600nm范围内的波长的光。因此，由荧光分子24发射的荧光穿过滤光器212，而由荧光分子28发射的荧光基本上被完全屏蔽。依此方式仅可以检测由荧光分子24发射的荧光。
图16A中显示了由通过检测由荧光分子24发射的荧光的生物分子检测设备200执行一个测量周期产生的A/D转换部的输出。这里要注意的是，图16A的曲线图被示意性地显示以简化计算。A/D转换部输出表示设备噪声的值D1z，所述值D1z逐渐增加并在时间T11处在值D1f处饱和。此后，A/D转换部的输出开始在时间T12再次增加，并在时间T13处在值Dlt处再次饱和。
生物分子检测设备200以预定时间间隔切换取向控制信号以执行多个周期测量，计算多个D1t值、D1f值和D1z值的算术平均数，并获得D1t值、D1f值和D1z值中的每一个的平均值。
接下来，CPU 208从获得的Dlt、D1f和D1z的平均值计算结合分子1的浓度。具体地，执行当获得第一实施例中的测量值S时相同的计算以获得测量值S1。然后，采用校准曲线函数f1(S)以将测量值S1转换成浓度C1。CPU 208将获得的浓度C1输出给显示部102。
接下来，生物分子检测设备200执行结合分子2的测量。CPU 208将指示光接收部202内的滤光器切换部210使用滤光器214的指令。滤光器切换部210从CPU 208接收指令，并将滤光器214移动到由透镜142聚集的光通过的位置。滤光器214仅透射具有在从610nm到650nm范围内的波长的光。因此，由荧光分子24发射的荧光被滤光器214屏蔽掉，而由荧光分子28发射的荧光被投射通过所述滤光器214。依此方式可以检测仅由荧光分子28发射的荧光。
图16B中显示了由通过检测由荧光分子28发射的荧光的生物分子检测设备200执行一个测量周期产生的A/D转换部的输出。这里要注意的是，图16B的曲线图被示意性地显示以简化计算。A/D转换部输出表示设备噪声的值D2z，所述值逐渐增加并在时间T21在值D2f处暂时饱和。此后，A/D转换部的输出在时间T22开始再次增加，并在时间T23在值D2t处再次饱和。
生物分子检测设备200以预定时间间隔切换取向控制信号以执行多个周期测量，计算多个D2t值、D2f值和D2z值的算术平均数，并获得D2t值、D2f值和D2z值中的每一个的平均值。
测量结合分子2时切换取向控制信号的时间与测量结合分子1时切换取向控制信号的时间不同。这是因为结合分子1、自由分子1、结合分子2以及自由分子2的体积和质量是不同的，并且分子完成取向所需的时间量不同。
如图16A和16B所示，PD输出增加并变饱和的时间在测量结合分子1的情况与测量结合分子2的情况之间不同。这种差异是由于结合分子1和结合分子2在溶液内移动的简易性的差异造成的，其中所述简易性是由结合分子1和结合分子2的体积差异引起的。
接下来，CPU 208由获得的D2t、D2f和D2z的平均值计算结合分子2的浓度。具体地，执行当在第一实施例中获得测量值S时执行的相同的计算以获得测量值S2。然后，采用校准曲线函数f2(S)将测量值S2转换成浓度C2。CPU 208将获得的浓度C2输出给显示部102。
如上所述，除了具有第一实施例的生物分子检测设备100的结构之外，根据本发明的第二实施例的生物分子检测设备200采用两种类型的抗体和荧光分子作为专门与检测目标物质结合的物质并安装有能够在两种类型的滤光器之间切换的滤光器切换部210。因此，通过使用对应于与包括检测目标物质的结合分子相关联的荧光分子的滤光器，仅可以检测由与包括检测目标物质的结合分子相关联的荧光分子发射的荧光。因此，可以精确地测量单个样品中所含有的两种类型的检测目标物质的浓度。
同时地，从提高诊断精度的观点来看，从单个样品测量多个检测目标物质是重要的。例如，如果使用在第二实施例中被检测的P53和CEA两者施行诊断，则与当这些物质被逐个检测时施行的诊断相比较，可以相对于乳腺癌施行具有大约两倍阳性率的诊断。
要注意的是：Alexa Fluor 555和AlexaFluor588在第二实施例中被用作荧光分子。然而，荧光分子不局限于这些。专门分别与多个检测目标物质的多种物质可以被具有充分不同而能够被滤光器分离的荧光波长的多种类型的荧光分子标记。
要注意的是：第二实施例被描述为抗原抗体反应被用作示例的情况。然而，检测目标物质和专门与检测目标物质结合的物质的组合不局限于上述情况。例如，本发明可以应用于采用抗原检测抗体的情况、采用特定核酸检测与特定核酸混合的核酸的情况、采用核酸检测核酸结合蛋白质的情况、采用配位体检测受体的情况、采用糖类检测外源凝集素的情况、使用朊酶检测的情况、使用高阶结构变化的情况等。
另外，第二实施例被描述为采用两种类型的检测目标物质的情况。然而，检测目标物质的数量不局限于两种。同时在此情况下，检测目标物质中的每一个都可以通过采用专门与多种检测目标物质中的每一个结合的多种物质被分别检测，从而通过不同类型的荧光分子标记多种特定结合物质中的每一个，并通过与每一种荧光分子相对应的多个滤光器分离荧光来检测由每一种类型的荧光分子发射的荧光。
要注意的是：当检测目标物质的类型的数量增加时，荧光分子的类型的数量增加，并且将存在由多种类型的荧光分子发射的荧光，并且存在仅使用滤光器难以分离荧光的情况。在此情况下，可以增加激发光的类型以有助于分离荧光。荧光分子的光吸收程度取决于激发光的波长，并且每一种类型的荧光分子具有被容易吸收的波长带。为此，改变激发光的波长仅使荧光分子的一部分发射荧光，从而有助于使用滤光器分离荧光。另外，通过采用具有窄通带的带通滤光器可以有助于由目标荧光分子发射的荧光的检测。
(第一实施例和第二实施例的设计变形例)
要注意的是：本发明的上述实施例仅是本发明的示例，并且不限制本发明的结构。本发明的生物分子检测设备不局限于上述实施例，并且各种改变和修改是可以的，只要所述改变和修改不背离本发明的目的。
例如，施加到溶液内的分子的外力不局限于由激光束施加的外力。可以采用磁方法或电方法，只要所述方法将外力施加到引起自由分子和结合分子完成再取向所需的时间量的差异的程度。
另外，在上述实施例中，激光束传播的方向在相互垂直的两个方向之间被切换，将与自由分子和结合分子相关联的荧光分子的跃迁矩定向成与激发光的振动方向平行，和将与自由分子和结合分子相关联的荧光分子的跃迁矩的方向定向成与激发光的振动方向垂直。然而，不必要使两个方向相互垂直。例如，在定量检测目标物质的情况下，仅需要使激光束传播的两个方向中的一个成为将与自由分子和结合分子相关联的荧光分子的跃迁矩的方向定向成垂直于激发光的振动方向的方向，即，不能够使线偏振激发光激发荧光分子的取向。如果荧光分子被取向成使得线偏振激发光不能激发荧光分子，则PD输出将仅变成噪声，这是因为不会发射荧光。当激光束的发射方向被切换到另一个方向时，仅可以接收由与已经完成再取向的自由分子和结合分子相关联的荧光分子发射的荧光。换句话说，可以暂时重置荧光的发射，从而防止接收不必要的荧光以及由于不必要的荧光而消除噪声。在这种情况下，如果激光束传播的两个方向是垂直的，则自由分子和结合分子完成再取向所需的时间量的差值变成最大，从而产生最高S/N比。同时，如果由激光束传播的两个方向形成的角度为60度，则自由分子和结合分子完成再取向所需的时间量变得较短，并且执行测量所需的时间量也变得较短。依此方式，当由激光束传播的两个方向形成的角度变得接近0度时，自由分子和结合分子完成再取向所需的时间量将变得更短，并且执行测量所需的时间量也变得更短。
另外，在执行测量仅确定检测目标物质是否存在于溶液中，即，结合分子是否存在的情况下，仅需要将激光束的发射方向切换到具有产生使自由分子和结合分子完成再取向所需的时间量的差值的角度差的两个方向。即，不需要使两个方向包括使与自由分子和结合分子相关联的荧光分子的跃迁矩的方向垂直于激发光的振动方向的方向。如果产生自由分子和结合分子完成再取向所需的时间量的差值，则所述差值将被表示在荧光数据中，因此可以确认结合分子的存在。
另外，在上述实施例中采用AOD 120切换激光束的发射方向。然而，采用AOD 120不是必须的，只要使用能够使激光束在两个方向上被发射的结构。例如，可以采用使用反射镜来改变激光束的发射方向的结构。作为另一个可选方式，可以设置两个取向控制光源116以从两个方向发射激光束。
在以上实施例中描述了将一个试剂杯设置在生物分子检测设备内的情况。然而，采用一个试剂杯不是必须的，而是可以采用多个样品设置在其内的多个试剂杯设置在生物分子检测设备中的结构。在这种情况下，如果设备被构造成依次移动试剂杯以测量位置并执行测量，则多个样品可以被自动测量。
要注意的是上述实施例被描述为采用被荧光分子标记的抗体的情况。然而，使用已经被荧光分子标记的抗体不是必须的。例如，可以在试剂杯内同时执行抗体和抗原的结合以及抗体和荧光分子的结合。在这种情况下，使用者可以在单独的药剂槽中制备抗体和荧光分子，并且生物分子检测设备可以将抗体、荧光分子和样品分配到试剂杯中，以当执行测量时使反应发生。
另外，取向控制光源116和激发光源118可以被构造成可移除的，使得所述取向控制光源116和激发光源118可以被适于检测目标物质和荧光分子的类型的光源代替。
如果通过以预定时间间隔切换取向由取向控制装置控制的方向来检测或定量检测目标物质，并计算多个获得的荧光数据的算术平均数，则可以减小每一个测量周期内出现的噪声的影响，并且可以以较高的精度执行测量。
理想的是通过根据检测目标物质、特定结合物质和荧光分子的质量或体积，以及由取向控制装置施加的取向控制度获得所有自由分子和所有结合分子完成取向所需的时间量以及将指定获得的时间量作为时间间隔的长度来确定要被切换的取向控制方向的时间间隔。在这种情况下，在所述分子完成取向之后，激光束不会在相同的方向上被发射，从而降低功率损耗。另外，测量不会无关地继续，并且可以缩短测量时间。
可以根据PD输出或A/D转换部的输出获得所有自由分子和所有结合分子完成取向所需的时间量。例如，如果多个测量周期被重复，则可以了解输出变饱和所需的近似时间量。因此，可以计算输出变饱和所需的时间量的算术平均数，并且计算的时间量可以被指定为预定时间间隔。
与分子的取向由磁体等控制的情况相比较，在采用激光束控制分子的取向的情况下避免了复杂机构。为了使用磁体控制分子的取向，例如，分子需要具有磁性，或者需要制备与其取向将被控制的分子结合的磁性分子，并且测量的准备变得复杂。
要注意的是：在本发明的上述实施例中，描述了全血被用作样品的情况。然而，样品不局限于全血，而是诸如尿液和脊髓液的其它体液可以被用作样品，只要检测目标物质分散在所述体液的溶液内即可。
另外，本发明的实施例可以在抗原、抗体和荧光分子分散在溶液内的液相中执行测量，因此与固相测量相比较显示出初步处理简单的优点。
另外，在本发明中，对于每一个发射方向，取向控制光源的数量不局限于一个。可以设置在一个方向上发射多个激光束的多个取向控制光源。
相对于如本发明的上述实施例中所述通过改变激光束被发射的方向来控制荧光分子的跃迁矩的方向的光学系统，可以设置多个这种光学系统，以同时从一定方向将激光束发射到多个点上，从而加宽辐照范围，以避免在激光束的光束直径减小的情况下辐照范围变小的问题。多个光学系统可以至少在激光束进入试剂杯之前的阶段具有多个光程。例如，如果设置也包括光源的三个光学系统，则激光束从所有三个取向控制光源被发射，并且激光束可以从一定方向照射试剂杯的三个点。作为另一个示例，可以通过采用二维激光阵列、微型透镜阵列等使单个激光束分支。即使仅设置单个光源，激光束也可以被发射到与分支的数量相对应的多个点上。在这种情况下，激光束可以被同时照射到多个点上，并且荧光分子的跃迁矩可以在多个位置处旋转。
本发明的实施例被描述为在单个方向上被线偏振的激发光119被发射到溶液上的情况。即，激发光119具有单个偏振面。然而，激发光119不是必须是具有单个偏振面的线偏振光束。为了获得与由第一实施例和第二实施例获得的相同的有益效果，激发光119仅需要具有在特定方向上被线偏振的至少一个成分。这里，在特定方向上被线偏振的光是：荧光分子的跃迁矩与线偏振成分的振动方向之间的关系的变化相对于荧光分子改变线偏振成分的激发效率的光。例如，如果可以发射随机偏振激发光，并且可以将分析器设置在光接收部的前面，使得仅接收从在特定方向上被线偏振的荧光分子发射的荧光的成分。这里，随机偏振光表示振动方向是随机的并且存在在不同方向上振动的多个线偏振成分的光。
图17A和17B是显示在分别发射激光束136和激光束134的情况下荧光分子14的取向方向与随机偏振激发光230的振动方向之间的关系的示意图。激发光230的振动方向232a-232d表示光在垂直于激发光230传播的方向的平面内的振动方向。在图17A和图17B中，振动方向232a-232d表示激发光230在不同的方向上振动。然而，事实上，除了图17A和图17B中所示的成分之外，还包括具有不同角度方向的更多成分。当在溶液内由于被取向而为静态的荧光分子被线偏振激发光激发时，荧光分子发射在与激发光的振动方向相同的方向上被偏振的荧光。当荧光分子14被随机偏振激发光230激发时，荧光分子14发射随机偏振荧光234。
分析器236透射由荧光分子发射的随机偏振荧光234的在特定方向上振动的成分，并隔断在其它方向上振动的成分。换句话说，仅在特定方向上振动的光穿过分析器236。在特定方向上振动的荧光234的能够穿过分析器236的成分是被激发光230的在振动方向232a上被线偏振的成分激发的成分。振动方向232a是已经被激光束134取向的荧光分子14的跃迁矩的方向(由荧光分子14的椭圆表示的纵向方向)的方向，并且垂直于已经被激光束136取向的荧光分子14的跃迁矩的方向。因此，穿过分析器236的荧光234的振动方向大致仅为图17A和17B中的振动方向232a。因此，仅由荧光分子14发射的荧光234的由在振动方向232a上被线偏振的激发光230的成分激发的成分到达光电二极管238。激发光230的在振动方向232a上被线偏振的成分有助于包括在荧光234中在振动方向232a上振动的成分的发射。即，荧光分子14相对于激发光230的在振动方向232a上被线偏振的成分的激发效率表现为由光电二极管238检测到的荧光强度。通过采用这种结构，即使采用随机偏振光作为激发光230，也可以相对于在特定方向上振动的光执行与由第一实施例执行的测量相同的测量。要注意的是：荧光234的在特定方向上振动并被分析器236透射的成分不局限于在这里所述的方向上振动的成分。在任意方向上振动的成分都可以被分析器236透射，只要伴随着荧光分子14的取向方向的改变，荧光分子14的激发效率产生差异即可。
另外，图17A和图17B显示了对于所有振动方向来说振幅是恒定的示例。然而，对于所有振动方向来说振幅是恒定不是必须的。由光电二极管238接收到的随机偏振荧光234的成分仅是在特定方向上振动的成分，因此在其它方向上振动的成分被隔断。
如图17A所示，当取向控制信号为0V时，通过激光束136被取向的荧光分子14的跃迁矩的方向垂直于透射通过分析器236的成分的振动方向232a。在这种情况下，荧光分子14相对于激发光230的在振动方向232a上的振动的成分的激发效率最小。因此，由荧光分子14发射的荧光234的穿过分析器236并到达光电二极管238的成分的强度在这种情况下也最小。
相反，如图17B所示，当取向控制信号是5V时，通过激光束134被取向的荧光分子14的跃迁矩的方向平行于透射穿过分析器236的成分的振动方向232a。在这种情况下，荧光分子14相对于激发光230的在振动方向232a上振动的成分的激发效率最大。因此，由荧光分子14发射的荧光234的穿过分析器236并到达光电二极管238的成分的强度在这种情况下也最大。
在同时采取这种结构的情况下，当取向控制信号被从0V切换到5V时，荧光分子14的取向方向将改变，并且荧光分子的跃迁矩的方向和透射穿过分析器236的光的振动方向逐渐变成平行。伴随这种逐渐接近平行，荧光分子14相对于激发光230的在能够透射穿过分析器236的方向上振动的成分的激发效率增加。激发效率的增加使得由荧光分子14发射的荧光234的在能够透射穿过分析器236的方向上振动的成分的强度增加。即，由光电二极管238检测到的荧光的强度以与第一实施例相同的方式逐渐增加。在这种情况下，自由分子和结合分子完成取向所需的时间量不同，因此由光电二极管238接收到的荧光的强度增加和饱和的时间将不同。为此，即使在采用上述结构的情况下，表示当取向控制信号从0V切换到5V时光电二极管238随着时间的过去的输出的曲线图具有与图11的曲线图相同的形状。即，同时在这种情况下，可以相对于表示光电二极管238的输出的曲线图通过执行与第一实施例中执行的计算相同的计算测量该检测目标物质的浓度。
作为进一步的可选方式，可以采用由在相互垂直的两个方向上被线偏振的两种成分构成的激发光，如图1gA和图1gB的示意图中所示。激发光240仅具有两种成分，所述两种成分在垂直于激发光240传播的方向的平面内在振动方向242a和242b上被线偏振。即，振动方向242a和振动方向242b相互垂直。通过激发光240被激发的荧光分子14发射具有在与激发光240的振动方向相同的振动方向上振动的成分。即，荧光244具有在振动方向242和242b上被线偏振的两种成分。
图1gA是显示取向控制信号为0V的情况的示意图。当取向控制信号为0V时，激光束136被发射。被激光束136照射的荧光分子14被取向，使得所述荧光分子14的跃迁矩与振动方向242b相同。即，当取向控制信号为0V时，荧光分子的跃迁矩和激发光240的成分之一平行。
偏振分束器246透射荧光244中在振动方向242a上振动的线偏振成分244a，并反射荧光244的在振动方向242b上振动的线偏振成分244b。穿过偏振分束器246的线偏振成分244a到达光电二极管248。被偏振分束器246反射的线偏振成分244b到达光电二极管250。
图18B是显示取向控制信号为5V的情况的示意图。当取向控制信号为5V时，激光束134被发射。被激光束134照射的荧光分子14被取向，使得所述荧光分子14的跃迁矩与振动方向242a相同。即，当取向控制信号为5V时，荧光分子的跃迁矩和激发光240的成分中的另一个的振动方向242a平行。
图19是使取向控制信号的电压、光电二极管248的输出、光电二极管250的输出和光电二极管的标准化输出分别作为垂直轴线而时间t作为水平轴线的图集。这里要注意的是：光电二极管的输出在图中被示意性地显示。
在图19中，以与第一实施例相同的方式，在测量之前取向控制信号被设定为0V。在测量之前，激光束136被照射在试剂杯中的溶液内，以使自由分子和结合分子在单个方向上取向。伴随着测量的开始，激光束136被切换到激光束134。
以下集中描述荧光244的穿过偏振分束器246的线偏振成分244a。在这种情况下，激发光240的成分中的一个的振动方向242a与荧光分子14的跃迁矩的方向在第一实施例的情况下是相同的。光电二极管248的输出的时间变化类似于相对于第一实施例所述的图11的曲线图表示的时间变化。即，伴随着激光束的发射方向在时间T3的切换，自由分子的取向方向开始变化，并且光电二极管248的输出从初始值iz3增加。在自由分子完成再取向之后，光电二极管248的输出在时间T32处变成值if3，并且此后保持恒定持续一段时间。然后，当结合分子的再取向开始时，光电二极管248的输出在时间T33处再次增加。此后，当结合分子的再取向完成时，光电二极管248的输出在时间T34处变成最大值it3。在保持5V电压持续T秒之后，取向控制信号被重置到0V。当取向控制信号从5V切换到0V时，光电二极管248的输出保持值it3持续一段时间。然后减小到值iz3。
以下集中描述荧光244的被偏振分束器246反射的线偏振成分244b。在这种情况下，激发光240的成分中的另一个的振动方向242b和荧光分子14的跃迁矩的方向直到T31都是平行的。因此，荧光分子14相对于激发光240的另一个成分的激发效率直到T31都是最大的。即，荧光244的线偏振成分244b的强度直到T31都是最大的，因此，接收荧光244的被偏振分束器246反射的线偏振成分244b的光电二极管250的输出直到时间T31也都是最大的。伴随着激光束的发射方向在时间T31处的切换，自由分子的取向方向开始变化，并且光电二极管250的输出从初始值it4降低。在自由分子的再取向完成之后，光电二极管250的输出在时间T32处变成值if4，并且此后保持恒定持续一段时间。然后，当结合分子的再取向开始时，光电二极管250的输出在时间T33再次降低。此后，当结合分子的再取向完成时，光电二极管250的输出在时间T34处变成最小值iz4。在取向控制信号保持5V电压持续T秒之后被重置到0V。当取向控制信号从5V切换到0V时，光电二极管250的输出保持在值iz4处持续一段时间，然后增加到值it4。这是因为激发光240的另一个成分的振动方向242b和荧光分子14的跃迁矩的方向返回到平行状态。
CPU指示光电二极管248的输出作为Pp以及光电二极管250的输出作为Pv，并且根据以下公式(3)标准化这些值。
K＝(Pp-Pv)/(Pp+Pv)                   (3)
可以通过依此方式标准化两个光电二极管的输出来减小自由分子和结合分子的浓度的波动和光学系统的激发功率的波动的影响。
然后，从光电二极管的标准化输出的曲线图计算结合分子的浓度。具体地，由以下公式(4)获得测量值S3。
S3＝(it5-if5)/(it5-iz5)            (4)
以与第一实施例相同的方式采用校准曲线函数以由获得的测量值S3获得判别值C3(检测目标物质的浓度)。
本发明的实施例被描述为荧光分子的跃迁矩的方向通过切换激光束发射的方向来控制的情况。然而，用于控制荧光分子的跃迁矩的方向的方法不局限于这种结构。例如，可以利用荧光分子的跃迁矩跟踪线偏振光的振动方向的现象通过控制线偏振激光束的振动方向来控制荧光分子的跃迁矩的方向。
以下描述用于通过控制线偏振激光束的振动方向控制荧光分子的跃迁矩的方向的方法的示例。采用在单个方向上被线偏振的激光束，并且激光束的偏振轴线被旋转以控制自由分子和结合分子的取向，从而控制荧光分子的跃迁矩的方向。线偏振激光束被发射到上面的自由分子或结合分子在由激光束的偏振轴线确定的特定方向上被取向。可以通过采用λ/2波长板控制线偏振激光束的偏振轴线。λ/2波长板是用于使光的两个垂直成分之间的光程差为所述光的波长的一半的相位板，并且用于使光的偏振轴线旋转。在平行于λ/2波长板的光轴的方向的方向上被线偏振的光以保持不变的方式穿过所述波长板，而在与λ/2波长板的光轴的方向形成45度角度的方向上被线偏振的光在所述光的偏振轴线旋转90度的状态下被透射。即，通过切换λ/2波长板相对于线偏振激光束的角度，进行激光束以保持不变的方式穿过λ/2波长板的激光束的情况与激光束在所述激光束的偏振轴线旋转90度的状态下被透射的情况之间的切换。即，采用λ/2波长板通过旋转线偏振激光束的偏振轴线使自由分子和结合分子可以在两个方向上被取向。
在通过控制线偏振激光束的振动方向来控制荧光分子的跃迁矩的方向的情况下，激光束在垂直于所述激光束的传播方向的平面内具有任意横截面形状。例如，考虑发射具有偏振轴线352的线偏振激光束350的情况，如图20A所示。在这种情况下，激光束250在垂直于所述激光束250的传播方向的方向上具有大致矩形横截面形状。考虑位于激光束350的中心处的结合分子354和位于激光束350的周边部分处的结合分子356的矩。
如图20B中所示，当激光束350旋转时，偏振轴线352旋转。位于旋转轴线(偏振轴线352的旋转中心)上的结合分子354直接跟踪偏振轴线352的旋转，并且旋转。同时，位于激光束350的周边部分处的结合分子356没有直接跟踪偏振轴线352的旋转，并且与所述偏振轴线352分离。经过一段时间以后，结合分子356也被吸入到激光束350中，并且开始跟踪偏振轴线352的旋转的旋转。在激光束350的偏振轴线352从图20A的偏振轴线352旋转90度的情况下，如图20C所示，结合分子354的再取向与偏振轴线352的旋转的完成同时完成。同时，因为结合分子356没有直接跟踪偏振轴线352的旋转，因此在完成偏振轴线352的旋转之后的一段时间之后完成结合分子356的再取向。即，位于旋转轴线上的结合分子354的移动是与激光束350的偏振轴线352的旋转同时发生的旋转。然而，位于激光束350的周边部分处的结合分子356的移动不与激光束350的偏振轴线352的旋转同时发生的绕着旋转轴线旋转。
存在没有跟踪激光束350的偏振轴线352的旋转的结合分子的存在影响测量的情况。为了减小这种影响，优选的是激光束从预定方向同时进入多个点。例如，如图21所示(试剂杯108的平面图)，可以采取其中与九个点360a-360i相对应的九个激光束进入试剂杯108的结构。通过采用结构，位于激光束的偏振轴线的中心处的结合分子的数量增加，从而减小对测量的上述影响。要注意的是：虽然这里描述了激光束进入九个点的示例，但是激光束进入的点的数量不局限于九个，而是可以比九个多或比九个少。理想的是激光束聚集得越窄，激光束则进入更多数量的点。因此，可以使结合分子与激光束的旋转同步地旋转。因此，可以降低荧光强度的突然变化，并且可以提高作为表示相对散布的变化系数。
图22中显示了使激光束从预定方向同时进入多个点的取向控制光源402的结构。取向控制光源402是3×3的二维激光阵列。取向控制光源402的九个发光点404a-404i发射光。发光点具有1μm的高度和100μm的宽度。发光点中的距离大约为100μm。
图23中显示了采用图22的取向控制光源402的光学系统的示例。要注意的是：用于激光束和激发光的光学系统以外的结构元件在图23中被省略。
从取向控制光源402输出的线偏振激光束422穿过准直透镜406并在焦点处变成准直光束。已经穿过准直透镜406的激光束422穿过扩束器408和410，然后进入λ/2波长板412。已经穿过扩束器408和410的激光束422散开以变成具有特定放大率的准直光束。λ/2波长板是可旋转台，并且被构造成是可旋转的。这种结构能够使激光束422的振动方向旋转。已经穿过λ/2波长板的激光束422被分色镜418反射，被透镜420聚集，穿过试剂杯108的底部表面进入试剂杯108，并向上传播。
从光源414输出的激发光424穿过透镜426并被分色镜416反射。已经被分色镜416反射的激发光424穿过分色镜418，被透镜420聚集，穿过试剂杯108的底部表面进入试剂杯108，并向上传播。
如果在图23中所示的光学系统中，准直透镜406的焦距被设定为3.1mm，并且透镜420的焦距被设定为4mm，则放大率为1.29x。因此，激光束422的尺寸大约为1.3μm×130μm，且在试剂杯108的底部表面处具有大约129μm的间距。
以下参照图24描述使激光束从预定方向同时进入多个点的光学系统的另一示例。要注意的是：用于激光束和激发光的光学系统以外的结构元件在图24中被省略。另外，与图23中所示的结构元件相同的结构元件由相同的附图标记表示，并且省略所述结构元件的详细说明。
在图24中所示的光学系统中，取向控制光源116与第一实施例的取向控制光源相同。激光束432穿过准直透镜406、扩束器408和410，并进入微型透镜阵列428。如图25所示，微型透镜阵列428具有以网格形状阵列的多个微型透镜428a。穿过微型透镜阵列428的激光束432变成具有不同焦点的多个光束而作为由多个光源发射的光。激光束432被小孔阵列430聚集，被分色镜418反射，由透镜420聚集，穿过试剂杯108的底部表面进入试剂杯108，并向上传播。可以依此方式也通过采用微型透镜阵列使激光束从预定方向同时进入多个点。
描述了采用λ/2波长盘改变振动方向的示例。可选地，可以采用由电信号控制的液晶相调制装置以改变振动方向。
另外，在上述实施例中，试剂杯具有圆筒形形状。然而，试剂杯的形状不是必须为圆筒形。例如，可以采用被成形为矩形柱并具有矩形柱状溶液部的试剂杯432，如图26所示。具有矩形柱状溶液部的试剂杯432尤其地适于在激光束的传播方向上由激光束施加的压力用于抵靠试剂杯432的内壁的表面挤压自由分子和结合分子的情况。这是在自由分子和结合分子的质量较轻的情况下出现的由在激光束施加的压力下移动通过溶液的自由分子和结合分子所引起的现象。在这种情况下，如果溶液保持部是矩形柱，则自由分子和结合分子在被抵靠溶液与试剂杯432之间的交接面挤压的同时被取向。在交接面是平坦表面并且由激光束施加的压力在垂直于所述交接面的方向上操作的情况下，自由分子和结合分子由于在平行于交接面的方向上移动而不会移动出激光束的照射范围。
另外，在抵靠试剂杯432的内壁的表面挤压自由分子和结合分子的情况下，通过设定激光束的焦点的位置可以使分子更加容易地被取向。图27是显示聚集激光束的焦点与试剂杯之间的位置关系的示意图。激光束434进入透镜436并在血浆16与侧壁432b(侧壁432b的内表面)之间的交接面处被聚集在焦点434a处。激光434的强度在焦点434a的位置处最大，因此可以以大量的压力挤压自由分子和结合分子。因此，如果激光434以图27所示的方式被发射，则在抵靠侧壁432b的内表面挤压自由分子和结合分子的同时，自由分子和结合分子可以被更加有效地取向。同时在这种情况下，可以通过旋转线偏振激光束434的振动方向而在焦点434a的位置处改变自由分子和结合分子的取向方向。
要注意的是：溶液保持部形成为矩形柱不是必须的，并且溶液保持部仅需要具有至少一个平坦表面。如果激光束被发射使得所述激光束聚集在平坦表面上的焦点处，则自由分子和结合分子由于在平行于平坦表面的方向上移动而将不会移动出激光束的照射范围，并且在抵靠平坦表面被挤压的同时被取向。
工业应用性
本发明的生物分子检测设备和生物分子检测方法可以应用在通过利用检测目标物质与专门与检测目标物质结合的物质之间的相互作用来检测或定量检测目标物质的设备中。

Claims (12)

1.一种生物分子检测设备，所述生物分子检测设备使检测目标物质、专门与所述检测目标物质结合的特定结合物质和荧光分子在溶液内相互结合，并检测由所述荧光分子发射的荧光以检测或定量所述检测目标物质，其特征在于，所述生物分子检测设备包括：
光源，所述光源发射具有在激发所述荧光分子的特定方向上被线偏振的光成分的激发光；
取向控制装置，所述取向控制装置用于将所述溶液内的荧光分子的取向切换到在至少两个方向上的取向；
光接收部，所述光接收部检测由所述荧光分子发射的荧光；以及
计算部，所述计算部根据由所述光接收部检测的荧光检测或定量所述检测目标物质。
2.根据权利要求1所述的生物分子检测设备，其特征在于：
所述取向控制装置在第一方向上的取向与在第二方向上的取向之间切换所述荧光分子的取向，在所述第一方向上，所述荧光分子的跃迁矩的方向和所述激发光的振动方向是平行的，在所述第二方向上，所述荧光分子的跃迁矩的方向和所述激发光的振动方向是垂直的。
3.根据权利要求1或2所述的生物分子检测设备，其特征在于：
所述取向控制装置以预定时间间隔切换所述荧光分子的取向；
所述光接收部以多次检测所述荧光；以及
所述计算部计算检测到的多个荧光强度的算术平均数，并根据所述荧光强度的算术平均数检测或定量所述检测目标。
4.根据权利要求3所述的生物分子检测设备，其特征在于：
所述预定时间间隔根据所述检测目标物质、所述特定结合物质和所述荧光分子的质量或体积，以及由所述取向控制装置施加的取向控制度来确定。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的生物分子检测设备，其特征在于：
所述取向控制装置通过发射具有不同于所述激发光的波长的波长的光来控制所述荧光分子的取向。
6.根据权利要求5所述的生物分子检测设备，其特征在于：
所述取向控制装置是从多个位置将具有不同于所述激发光的波长的波长的光发射到所述溶液的装置。
7.根据权利要求5或6所述的生物分子检测设备，其特征在于：
所述溶液被保持在溶液保持部中，所述溶液保持部至少在所述溶液保持部的一部分处具有平坦表面。
8.根据权利要求7所述的生物分子检测设备，其特征在于：
所述取向装置是在穿过所述溶液并离开所述溶液保持部的平坦表面的方向上发射具有不同于所述激发光的波长的波长的光使得所述光与由所述光源发射的激发光结合地聚集在所述溶液与所述平坦表面之间的交接面处的装置。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的生物分子检测设备，其特征在于：
所述光接收部装备有用于光谱地分离光的光谱装置。
10.根据权利要求9所述的生物分子检测设备，其特征在于：
所述光谱装置是具有不同特性的多个滤光器；以及
所述光接收部根据所述荧光分子的发光波长从所述多个滤光器中切换要被采用的滤光器。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的生物分子检测设备，其特征在于：
所述计算部，通过利用在通过所述取向控制装置将所述取向从第一方向切换到第二方向期间由经由所述特定结合物质与所述检测目标物质结合的所述荧光分子发射的荧光的强度的时间变化与由没有与所述检测目标物质结合的荧光分子发射的荧光的强度的时间变化之间的差值的事实，检测或定量所述检测目标物质。
12.一种生物分子检测方法，所述生物分子检测方法用于使检测目标物质、专门与所述检测目标物质结合的特定结合物质和荧光分子在溶液内相互结合，并检测由所述荧光分子发射的荧光以检测或定量所述检测目标物质，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
发射具有在激发所述荧光分子的特定方向上被线偏振的光成分的激发光；
将所述溶液内的荧光分子的取向切换到在至少两个方向上的取向；
检测由所述荧光分子发射的荧光；以及
根据检测的所述荧光检测或定量所述检测目标物质。
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