JP2010043983A

JP2010043983A - 光学測定装置

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Publication number: JP2010043983A
Application number: JP2008208844A
Authority: JP
Inventors: Takuya Kishimoto; 拓哉岸本; Hidetoshi Watanabe; 英俊渡辺; Michihiro Onishi; 通博大西
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-08-14
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2010-02-25

Abstract

【課題】光源からの励起光を効率よく試料に照射し、かつ、試料からの放出光を効率よく光検出器に導光することによって、高感度に微量物質の分析を行うことができる光学測定装置の提供。
【解決手段】光源1a〜1cから発せられる光を試料へ導光し照射する励起光用光ファイバ4a〜4cと、励起された試料から発せられる放出光を光検出器8へ導光する放出光用光ファイバ4dとが、中心に位置する一の前記放出光用光ファイバ4dを複数の前記励起光用光ファイバ1a〜1cで取り囲んで束ねられた光ファイバ束4によって光学経路が構成された光学測定装置Aを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料に励起光を照射して、試料から発せられる放出光を検出することによって、試料中の特定の物質を定量的・定性的に分析する光学測定装置に関する。より詳しくは、励起光の照射のための光学経路と放出光の検出のための光学経路とを光ファイバによって構成した光検出装置に関する。

試料中の特定の物質を分析することを目的として、試料に対し励起光を照射して、励起された試料から発せられる放出光を検出する光学測定装置が用いられている。この光学測定装置では、例えば、励起された試料が発する蛍光スペクトルや特定波長の蛍光強度を測定することによって、試料中の特定の物質を定量的・定性的に分析することができる。

光学測定装置は高感度な測定が可能であるため、特に微量物質の分析に好適に用いられている。例えば、キャピラリーや基板上に形成した微細流路内に微量試料を導入し、キャピラリーや微細流路内を通流する試料に励起光を照射して分析を行う光学測定装置が知られている。特許文献1には、このような光学測定装置の一例として、ビーズが充填された細管からなるマイクロ流路系と、ビーズ上でのターゲット核酸とプローブ核酸のハイブリダイゼーションを検出する検出部と、を備えることを特徴とするハイブリダイゼーション検出装置が開示されている（当該文献「請求項11」参照）。

光学測定装置は、励起光を光源から試料に導光し照射する照射系と、試料から発せられる放出光を光電子倍増管等の光検出器に導光する検出系と、の２つの光学経路によって構成される。上記特許文献1に開示されるハイブリダイゼーション検出装置の検出部も、プローブ核酸にラベルされた蛍光物質を励起させるための励起光照射部と、蛍光物質から得られる励起蛍光を捕捉する光ディテクタ部と、を備えるものである（当該文献「請求項12」参照）。

近年、この照射系と検出系の光学経路を光ファイバによって構成した光学測定装置が提案されてきている（例えば、特許文献2参照）。このような光学測定装置では、光ファイバを用いて励起光を光源から試料に導光・照射し、試料から発せられる放出光を別の光ファイバを用いて光検出器に導く構造が採用されている（例えば、特許文献3参照）。

このように光ファイバを用いて光学経路を構成すると、試料と光源、又は試料と光検出器との位置関係に自由度が増す利点がある。また、検出する放出光が微弱である場合にも、光学経路内への外乱光の混入を防止して、測定感度を向上させることができる。

光ファイバを用いた光学測定装置では、試料に照射される励起光や光検出器に導光される放出光の光量を増大させることを目的として、結合レンズや多数本の光ファイバを束ねた光ファイバ束を用いて光学経路を構成する試みがなされている。

例えば、上記特許文献3には、光ファイバの先方に結合レンズを設けると共に試料容器の底部にレンズ部を一体的に設けて、光ファイバからの励起光を、結合レンズとレンズ部により試料に効率よく結合させる光結合系等が開示されている（当該文献「請求項1」参照）。また、同文献には、中心に位置する励起光用光ファイバとその周辺を取り囲む複数の受光用光ファイバとからなる光ファイバ束を用いて光学経路を構成できる旨が記載されている（当該文献「請求項2」及び「図1B」参照）。

特開2006-266692号公報特開平11-326210号公報特開2007-132792号公報

上述したようなキャピラリーや基板上に形成した微細流路内において微量物質の分析を行う光学測定装置では、検出する放出光は特に微弱となる。

また、半導体発光素子からの励起光を光ファイバを用いて微細流路のような発光素子よりも微小な試料面に照射する場合、試料面で得られる励起光のエネルギーＥは、「Ｅ＝発光素子の発光エネルギー×（ファイバの端面積／発光素子面積）」となる。そのため、発光素子よりも微小な試料面に、発光素子の発光エネルギーを効率良く照射することは難しい。加えて、一つの半導体発光素子（例えば、LED）から発せられる発光エネルギーは、現状では十分大きいとはいえない。

従って、微細流路のような微小な試料面において微量物質の分析を高感度に行うためには、試料に照射される励起光や光検出器に導光される放出光の光量を最大限にまで増大させることが求められる。

本発明は、上記の要請に鑑み、光源からの励起光を効率よく試料に照射し、かつ、試料からの放出光を効率よく光検出器に導光することによって、高感度に微量物質の分析を行うことができる光学測定装置を提供することを主な目的とする。

上記課題解決のため、本発明は、光源から発せられる光を試料へ導光し照射する励起光用光ファイバと、励起された試料から発せられる放出光を光検出器へ導光する放出光用光ファイバとが、中心に位置する一つの前記放出光用光ファイバを複数の前記励起光用光ファイバで取り囲んで束ねられた光ファイバ束によって、光学経路が構成された光学測定装置を提供する。
この光学測定装置において、前記光学経路は、前記光ファイバ束の周辺部に位置する前記励起光用光ファイバから出射される励起光を試料に集光し、かつ、試料から発せられる放出光を集光して前記光ファイバ束の中心部に位置する前記放出光用ファイバ内へ導光する光学レンズを具備する。
放出光用ファイバ内を光ファイバ束の中心部に位置させることにより、試料に対する光ファイバ束の位置決めを正確かつ容易に行うことができる。
また、この光学測定装置は、前記光学経路の光源として、異なる波長の光を発する複数の半導体発光素子を備え、各半導体素子から発せられる光を個別に導入する複数の前記励起光用光ファイバにより前記光ファイバ束が構成されるものである。
この場合において、前記励起光用光ファイバの径は、前記放出光用光ファイバの径よりも小さいことが好適となる。これにより、光ファイバ束全体の径を小さく形成することができ、かつ、光ファイバ束の周辺部に励起光用光ファイバを高密度に配置することができる。
また、前記光学経路には、前記光源と前記励起光用光ファイバとの間に配設され、前記光源から発せられる光のうち特定波長域の光のみを透過する光学フィルタを設けることが好適となる。これにより、光源からの光を狭スペクトル化することができる。

本発明は、また、試料が導入される流路と、光源から発せられる光を前記流路内を通流する試料へ導光し照射する励起光用光ファイバと、励起された試料から発せられる放出光を光検出器へ導光する放出光用光ファイバとが、中心に位置する前記放出光用光ファイバを複数の前記励起光用光ファイバで取り囲んで束ねられた光ファイバ束、によって構成される光学経路と、を備える光学測定装置を提供する。

本発明により、光源からの励起光を効率よく試料に照射し、かつ、試料からの放出光を効率よく光検出器に導光することによって、高感度に微量物質の分析を行うことができる光学測定装置が提供される。

１．光学測定装置
以下、本発明を実施するための好適な形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。

図1は、本発明に係る光学測定装置の実施形態の構成を説明するための模式図である。この光学測定装置Aは、キャピラリーや基板上に形成した微細流路内において微量物質の分析を行うものである。

図1中、符号Aで示す光学測定装置は、励起光の光源1a, 1b, 1cを有する。光源1a, 1b, 1cには、半導体発光素子、特に発光ダイオード（LED）が好適に用いられる。光源1a, 1b, 1cはそれぞれ異なる波長の光を発するものである。具体的には、光源1aは470〜490ｎｍ付近の波長の青光を、光源1bは540〜560ｎｍ付近の波長の緑光を、光源1cは600ｎｍ〜640ｎｍ付近の赤光を発するLEDを用いることができる。

光源としてLEDを用いることで、キセノンランプや冷陰極管を用いた場合に比べて、発熱や消費電力を低減して、かつ、装置を小型化することができる。また、各光源のLEDの出力を変調することで、時間分解蛍光測定法やロックイン検出を行うことが可能となる。

光源1a, 1b, 1cから発せられる光は、それぞれファイバ結合レンズ2a, 2b, 2c及びバンドパスフィルタ3a, 3b, 3cを経て、励起光用光ファイバである光ファイバ4a, 4b, 4c内へ個別に導光される。この際、ファイバ結合レンズ2a, 2b, 2cは、光源1a, 1b, 1cからの光を光ファイバ4a, 4b, 4cの入射端に集光するために機能する。

一般にLEDは発光スペクトルが広いため、特定波長の励起光を試料に照射する光学測定（蛍光測定）には不向きである。そのため、光学測定装置Aでは、光源1a, 1b, 1cと光ファイバ4a, 4b, 4cとのカップリングの間にバンドパスフィルタ3a, 3b, 3cを設け、光源1a, 1b, 1cからの光を狭スペクトル化している。これにより、光学測定装置Aでは、光源から発せられる光のうち特定波長域の光のみを光ファイバ4a, 4b, 4c内に導光し、励起光として試料に照射することが可能とされている。

各バンドパスフィルタには、例えば、バンドパスフィルタ3aとして480±40 nm、バンドパスフィルタ3bとして530±40 nmバンドパスフィルタ3cとして630±40 nmのフィルタを用いる。光学測定装置Aでは、各バンドパスフィルタの特性を適宜設定することで、励起光の色純度を任意に設定することができる。

図1では、青、緑、赤の光源1a, 1b, 1cをそれぞれ１つずつ図示したが、これらは複数設けることが好適である。また、緑のLED光源1bは出力が小さいため、他の光源に比べて設置数を多くしてもよい。各光源を複数配置した場合には、それぞれに対してファイバ結合レンズ及びバンドパスフィルタ、励起光用光ファイバを個別に設ける。また、ここでは、光源から発せられた光がファイバ結合レンズにより集光された後にバンドパスフィルタを透過するよう構成したが、ファイバ結合レンズ及びバンドパスフィルタの光学経路上における順序は任意である。

光ファイバ4a, 4b, 4cはその出射端側において１本に束ねられ、光ファイバ束4として構成されている。光ファイバ4a, 4b, 4c内に導光された光源1a, 1b, 1cからの光は、光ファイバ束4の出射端から試料に対して照射される。各光源からの光を光ファイバ束4の一端から一律に出射させることにより、各色の光を位置ずれすることなく試料に照射することができる。

図1中、符号5は、微量試料が導入されるマイクロ流路を示している。このマイクロ流路5は、キャピラリーや基板上に形成された微細流路であってよく、例えば、上記特許文献1に開示されるような、ビーズが充填された細管からなるマイクロ流路系とすることができる。

光学測定装置Aは、光ファイバ束4から出射される光源1a, 1b, 1cからの光（以下、「励起光」ともいう）を、対物レンズ6によってマイクロ流路5に集光し、流路内を通流する微量試料に対して照射する。

励起光の照射により、励起された微量試料から発せられる放出光は、対物レンズ6によって、光ファイバ束4に束ねられた放出光用光ファイバである光ファイバ4dの入射端に集光される。そして、光ファイバ4dの入射端に集光された放出光は、光ファイバ4d内を導光され、バリアフィルタ7を経て光検出器8に導かれる。

このように、対物レンズ6を用いて、励起光の照射及び放出光の集光を行うことにより、光ファイバ束4の励起光出射端とマイクロ流路5との距離をとることができ、マイクロ流路5の設置位置の自由度を向上させることができる。

光検出器8は、通常使用される光電子倍増管等によって構成され、導光された放出光を検出して電気信号へ変換する。光学測定装置Aは、この電気信号に基づいて特定波長の蛍光の強度やスペクトルを測定し測定結果を出力する。また、さらに、測定結果に基づいて特定の物質を定量的・定性的に分析し、分析結果を出力することもできる。

２．光ファイバ束
図2は、光ファイバ束4の構成を説明するための模式図であり、図1中P-P断面に対応する断面模式図である。図2中、符号Lは、光ファイバ束4の直径を示す。また、符号l₁, l₂は、それぞれ励起光用光ファイバ（光ファイバ4a, 4b, 4c）と放出光用光ファイバ（光ファイバ4d）の直径を示す。

光ファイバ束4は、図2に示すように、光ファイバ4a, 4b, 4cと、光ファイバ4dとが束ねられて構成されている。さらに、各光ファイバは、一本の光ファイバ4dを中心として、その周囲を複数の光ファイバ4a, 4b, 4cで取り囲んで束ねられている。各光ファイバ4a, 4b, 4cは、それぞれ青、緑、赤の光源1a, 1b, 1cからの励起光を試料に導光するものであり、光ファイバ4dは試料から発せられる放出光を光検出器8に導光するものである（図1参照）。

このように光ファイバ4dを光ファイバ束4の中心部に位置させることにより、次に詳しく説明するように、マイクロ流路5を通流する微量試料から発せられる放出光を効率良く光ファイバ4d内へ導光することが可能となる。

光ファイバ束4の周辺部に位置される光ファイバ4a, 4b, 4cは、ランダムに配置されていてよく、また一定の規則に従って配置されていてもよい。また、先に説明したように、緑のLED光源1b用の光ファイバ4bを、他の光ファイバに比べて多く配置してもよい。

光ファイバ束4において、光ファイバ4a, 4b, 4cの直径l₁は、光ファイバ4dの直径l₂よりも小さく形成されている。光ファイバ4a, 4b, 4cの直径l₁及び光ファイバ4dの直径l₂は、例えば、それぞれ0.25mm、1.0mm程度とされる。

比較のため、図4には、励起光用光ファイバ14a, 14b, 14cの直径l₁と放出光用光ファイバ14dの直径l₂とを等しく構成した光ファイバ束14の断面模式図を示す。

試料から発せられる放出光を導光する光ファイバ4d及び14dの直径l₂を同径とした場合、図2に示した光ファイバ束4では、図4の光ファイバ束14に比べて、光ファイバ束の全体の直径Lをより小さくすることができる。光ファイバ束の直径Lを小さくすることで、光学測定装置Aでは、光ファイバ束4のフレキシビリティーを向上させ、試料と光源、又は試料と光検出器との位置関係の自由度を一層高めることができる。

また、図2及び図4の比較から明らかなように、光ファイバ4a, 4b, 4cの直径l₁を光ファイバ4dの直径l₂よりも小さく形成することで、光ファイバ束4の周辺部に配置される光ファイバ4a, 4b, 4c間の間隙を少なくして、各光ファイバを高密度に配置することができる。

一般に、LED光源1a, 1b, 1cのそれぞれから発せられる発光エネルギーは、現状では十分大きいとはいえない。また、各光源からの励起光を、光ファイバ4a, 4b, 4cを用いてマイクロ流路5のような発光素子よりも微小な試料面に照射する場合、試料面で得られる励起光のエネルギーＥは、「Ｅ＝発光素子の発光エネルギー×（ファイバの端面積／発光素子面積）」となってしまう。

そこで、光学測定装置Aでは、光源1a, 1b, 1cをそれぞれ複数設け、各光源からの励起光を光ファイバ束4の周辺部に高密度に配置した光ファイバ4a, 4b, 4cによって導光し、複数のLED光源からの励起光をマイクロ流路5内の試料に対して重ね合わせて照射するようにしている。これにより、試料面に照射さされる励起光の光量を増加させ、高い測定感度を得ることが可能となる。

３．対物レンズ
図3は、対物レンズ6によって集光される励起光及び放出光を説明するための模式図であり、励起光の照射方向における対物レンズ6等の断面模式図である。図中、実線は励起光、点線は放射光を示す。

光学測定装置Aにおいて、光ファイバ束4から出射される光源1a, 1b, 1cからの励起光は、対物レンズ6によってマイクロ流路5に集光され、流路内を通流する微量試料に対して照射される。この際、対物レンズ6は、光ファイバ束4の周辺部に位置する励起光用光ファイバ4a, 4b, 4cから出射される励起光を試料に集光し得るように構成される。

また、光学測定装置Aにおいて、励起光の照射により、励起された微量試料から発せられる放出光は、対物レンズ6によって、光ファイバ束4に束ねられた放出光用光ファイバである光ファイバ4dの入射端に集光される。この際、対物レンズ6は、試料から発せられる放出光を集光して光ファイバ束4の中心部に位置する放出光用光ファイバ4d内へ導光し得るように構成される。

マイクロ流路5のような小さい領域から発せられる放出光を損失なく集光して光検出器8（図1参照）に導光するためには、マイクロ流路5中の試料に対して、光ファイバ束4、特には放出光用光ファイバ4dを正確に位置決めする必要がある。仮に、マイクロ流路5中の試料に対する位置決めが不正確であると、放出光を光ファイバ4d内に十分に導光することができず、測定感度が著しく低下することとなる。

光学測定装置Aでは、光ファイバ束4の中心部に光ファイバ4dを位置させたことによって、マイクロ流路5内を通流する試料に対する光ファイバ束4及び光ファイバ4dの位置決めを正確かつ容易に行うことができる。また、光ファイバ4dを光ファイバ束4の中心部に位置させることで、試料から発せられる放出光の対物レンズ6による「けられ」を抑制し、試料からの放出光をファイバ4dに効率力集光することができる。従って、光学測定装置Aでは、光検出器に導光される放出光の光量を増大させることができ、高い測定感度を得ることが可能となる。

光ファイバ束4及び対物レンズ6の具体的な構成として、図4では、光ファイバ4a, 4b, 4c, 4dの開口率（NA）を0.37とし、ファイバ端から放射角の角度θを48.2度とする場合を示した。各光ファイバのNAは、0.37が好適となり、この場合の角度θは48.2度となる。また、この場合、対物レンズ6は直径6ｍｍのボールレンズを用いるのが好適である。

対物レンズ6を配置することで、光ファイバ束4の励起光出射端とマイクロ流路5との距離をとり、マイクロ流路5の設置位置の自由度を向上させることができるが、コリメートレンズを採用すればこの距離を大きくすることもできる。例えば、光ファイバ束4の励起光出射端とマイクロ流路5との距離が6mmの場合、F12のレンズを用いるのが好適である。なお、対物レンズ6を配置しない場合には、光ファイバ束4とマイクロ流路5が近いほど集光効率がよい。

本発明に係る光学測定装置は、光源からの励起光を効率よく試料に照射し、かつ、試料からの放出光を効率よく光検出器に導光することによって、高感度に微量物質の分析を行うことができる。そのため、特に、キャピラリーや基板上に形成した微細流路内において微量物質の分析を行うために好適に用いられる。

本発明に係る光学測定装置の実施形態の構成を説明するための模式図である。光ファイバ束4の構成を説明するための断面模式図である。符号Lは光ファイバ束4の直径、符号l₁, l₂はそれぞれ励起光用光ファイバ（光ファイバ4a, 4b, 4c）と放出光用光ファイバ（光ファイバ4d）の直径を示す。対物レンズ6によって集光される励起光及び放出光を説明するための断面模式図である。実線は励起光、点線は放射光を示す。本発明に係る光学測定装置との比較のため、励起光用光ファイバ14a, 14b, 14cの直径l₁と放出光用光ファイバ14dの直径l₂とを等しく構成した光ファイバ束14を示す断面模式図である。

符号の説明

A 光学測定装置
1a, 1b, 1c 光源
2a, 2b, 2c ファイバ結合レンズ
3a, 3b, 3c バンドバスフィルタ
4 光ファイバ束
4a, 4b, 4c 励起光用光ファイバ
4d 放出光用光ファイバ
5 マイクロ流路
6 対物レンズ
7 バリアフィルタ
8 光検出器

Claims

光源から発せられる光を試料へ導光し照射する励起光用光ファイバと、励起された試料から発せられる放出光を光検出器へ導光する放出光用光ファイバとが、中心に位置する一つの前記放出光用光ファイバを複数の前記励起光用光ファイバで取り囲んで束ねられた光ファイバ束によって、光学経路が構成された光学測定装置。
前記光学経路が、前記光ファイバ束の周辺部に位置する前記励起光用光ファイバから出射される励起光を試料に集光し、かつ、試料から発せられる放出光を集光して前記光ファイバ束の中心部に位置する前記放出光用ファイバ内へ導光する光学レンズを具備する請求項１記載の光学測定装置。
前記光学経路の光源として、異なる波長の光を発する複数の半導体発光素子を備え、
各半導体素子から発せられる光を個別に導入する複数の前記励起光用光ファイバにより前記光ファイバ束が構成された請求項２記載の光学測定装置。
前記励起光用光ファイバの径が、前記放出光用光ファイバの径よりも小さい請求項３記載の光学測定装置。
前記光学経路が、前記光源と前記励起光用光ファイバとの間に配設され、前記光源から発せられる光のうち特定波長域の光のみを透過する光学フィルタを具備する請求項３又は４記載の光学測定装置。
試料が導入される流路と、
光源から発せられる光を前記流路内を通流する試料へ導光し照射する励起光用光ファイバと、励起された試料から発せられる放出光を光検出器へ導光する放出光用光ファイバとが、中心に位置する前記放出光用光ファイバを複数の前記励起光用光ファイバで取り囲んで束ねられた光ファイバ束、によって構成される光学経路と、
を備える光学測定装置。