JP2011002415A - Fluorescence correlation spectroscopic device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fluorescence correlation spectroscopic device capable of improving an S/N ratio in measurement and improving measurement throughput by enlarging a measurement region by changing the excitation of fluorescence and the size of a detection region in an aqueous solution or moving the excitation of fluorescence and a detection region in the aqueous solution during measurement and positively increasing the number of particles involved in the measurement within a limited time period.SOLUTION: The fluorescence correlation spectroscopic device comprises a laser light source 2; an optical system which forms a confocal region by collecting a laser beam from the laser light source to an aqueous solution being a measurement sample; an optical system for collecting fluorescence from the aqueous solution; and a photo-detector 16 for detecting collected fluorescence and is constituted as to enlarge a measurement region by changing the excitation of fluorescence and the size of a detection region in the aqueous solution or moving the excitation of fluorescence and the detection region in the aqueous solution during the measurement.

Description

本発明は、主に試料に標識した蛍光色素分子、あるいは蛍光蛋白などの微細物質から発せられる蛍光の検出を行うための光検出装置及び光検出方法に関し、特にこれらの光の強度ゆらぎの相関解析を行う蛍光相関分光装置に関するものである。   The present invention relates to a photodetection device and a photodetection method for detecting fluorescence emitted mainly from fine substances such as fluorescent dye molecules or fluorescent proteins labeled on a sample, and in particular, a correlation analysis of these light intensity fluctuations. It is related with the fluorescence correlation spectroscopy apparatus which performs.

近年の光学技術やデータ解析技術の進歩に伴い、光の強度を統計的に解析して、分子などの特性に関する情報を得る解析手法が開発されてきている。このような技術としては、蛍光相関分光解析法(Fluorescence Correlation Spectroscopy:以下「FCS」という。)などが知られている。   With recent advances in optical technology and data analysis technology, analysis methods have been developed that statistically analyze the intensity of light to obtain information on properties such as molecules. As such a technique, fluorescence correlation spectroscopy (hereinafter referred to as “FCS”) is known.

FCSでは共焦点光学顕微鏡の視野の中で、蛍光物質で標識されたタンパク質やコロイド粒子などの担体粒子を溶液中に浮遊させ、これにレーザー光を照射して蛍光物質を励起する。蛍光物質から発せられる蛍光の強度は媒質中に浮遊する蛍光分子がブラウン運動をしているために時間とともに変化する時系列信号となる。
一方、蛍光分子の並進拡散運動の速度は、化学反応や結合反応などによる蛍光分子の大きさの変化や媒質の温度の変化などによって変化する。
In FCS, in a field of view of a confocal optical microscope, carrier particles such as proteins and colloidal particles labeled with a fluorescent substance are suspended in a solution, and this is irradiated with laser light to excite the fluorescent substance. The intensity of the fluorescence emitted from the fluorescent material is a time-series signal that changes with time because the fluorescent molecules floating in the medium are in Brownian motion.
On the other hand, the speed of the translational diffusion movement of the fluorescent molecule changes depending on a change in the size of the fluorescent molecule due to a chemical reaction or a binding reaction or a change in the temperature of the medium.

そこで、この分子の細胞内での化学反応や結合反応などによる拡散運動の速度の変化を蛍光の光強度の時系列信号の統計的な変化として捉えて、これらの微細物質のブラウン運動に基づく蛍光強度ゆらぎを解析して自己相関関数を求めることにより、対象とする微粒子の数や並進拡散時間などを測定することができる。並進拡散時間からは、分子の“大きさ”に関する知見が得られる。   Therefore, the change in the speed of the diffusion motion due to the chemical reaction or binding reaction of this molecule in the cell is regarded as a statistical change in the time series signal of the fluorescence light intensity, and the fluorescence based on the Brownian motion of these fine substances. By analyzing the intensity fluctuation and obtaining the autocorrelation function, the number of target fine particles, the translational diffusion time, and the like can be measured. Translational diffusion time provides insight into the “size” of the molecule.

なお、この技術については、例えば、金城政孝「蛋白質 核酸 酵素」(1999) Vol.44, No.9, p1431-1437に論じられている。さらに"Fluorescence correlation spectroscopy" R.Rigler, E.S.Elson (eds.) Springer (Berlin)などの解説がある。   This technique is discussed in, for example, Masataka Kaneshiro “Protein Nucleic Acid Enzyme” (1999) Vol. 44, No. 9, p1431-1437. Furthermore, there are explanations such as "Fluorescence correlation spectroscopy" R.Rigler, E.S.Elson (eds.) Springer (Berlin).

そして、このような、光を検出し光強度ゆらぎの相関解析などを行って被検試料の物理的な性質を測定する技術としては、次のものが知られている。例えば、特許文献1には共焦点光学顕微鏡を用いて、試料ステージ上で蛍光標識された試料にレーザー光を照射し、試料から発せられる蛍光の強度ゆらぎを解析し、蛍光分子の並進拡散係数などの統計的な性質や分子間の相互作用などを求める方法及び装置が示されている。   The following techniques are known as techniques for measuring the physical properties of a test sample by detecting light and performing correlation analysis of fluctuations in light intensity. For example, Patent Document 1 uses a confocal optical microscope to irradiate a fluorescently labeled sample with a laser beam on a sample stage, analyze the intensity fluctuation of the fluorescence emitted from the sample, and translate the diffusion diffusion coefficient of the fluorescent molecule. A method and an apparatus for determining the statistical properties of molecules and interactions between molecules are shown.

また、特許文献2にはマイクロプレートに収容された蛍光物質を含む試料内に共焦点領域を生成し、これにレーザー光を照射して蛍光物質を励起し、試料から発せられる蛍光の強度や寿命などを測定する装置が示されている。さらに、特許文献3にはレーザー光をレンズにより集光し、マイクロプレートのウェルに入れられた、蛍光標識された試料を励起する技術が示されている。   In Patent Document 2, a confocal region is generated in a sample containing a fluorescent material housed in a microplate, and the fluorescent material is excited by irradiating the confocal region with the laser beam. A device for measuring such as is shown. Further, Patent Document 3 discloses a technology for condensing laser light with a lens and exciting a fluorescently labeled sample placed in a well of a microplate.

特表平11−502608号公報JP-T-11-502608 米国特許第6,071,748号明細書US Pat. No. 6,071,748 特表2001−502062号公報Special table 2001-502062 gazette

しかし、数値化による評価を精度良く行うためには、多くの粒子の測定を行い平均化する必要があり、検出領域を固定してブラウン運動によって、その領域に飛び込んでくる粒子からの蛍光を計測している限り、測定にかかる粒子の数が見込めないという欠点がある。   However, in order to evaluate numerically with high accuracy, it is necessary to measure and average a large number of particles, and the fluorescence from the particles jumping into that region is measured by Brownian motion with the detection region fixed. As long as this is done, there is a drawback that the number of particles for measurement cannot be expected.

また、原理上、大きい分子ほど動きが遅いので、大きい分子ほど測定時間中に測定に関与する分子数は限られることになる。   In principle, the larger the molecule, the slower the movement, so the larger the molecule, the more molecules are involved in the measurement during the measurement time.

さらには、紐状のDNA、ペプチド鎖のように溶液中で様々な形状をとる可能性のある分子は、なるべく多くの状態を測定することで、十分に平均化したものとして測定する必要がある。しかし、上記事情を鑑み、測定時間を長くすると、スループットが悪くなってしまう。   Furthermore, molecules that may take various shapes in solution, such as string-like DNA and peptide chains, need to be measured as sufficiently averaged by measuring as many states as possible. . However, in view of the above circumstances, if the measurement time is lengthened, the throughput is deteriorated.

一方、蛍光色素の特性によっては退色(励起しても蛍光を放出しなくなる)の影響を受ける。ブラウン運動によって飛び込んでくる分子を計測している以上、その測定時間中に拡散してくることが可能な領域にある分子しか関与できないので、一度計測した分子が再び励起、計測領域に入ってくる可能性もあるので、それが退色の影響を受けている場合もある。   On the other hand, depending on the characteristics of the fluorescent dye, it is affected by fading (it does not emit fluorescence even when excited). Since the molecule that jumps in by Brownian motion is measured, only the molecules in the region that can diffuse during the measurement time can be involved, so the molecule once measured is excited again and enters the measurement region There is also a possibility that it may be affected by fading.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変化させる、あるいは測定中に水溶液中の蛍光の励起、及び検出領域を移動させて計測領域を拡大し、限られた時間内に測定に関与する粒子数を積極的に増やして計測のSN比を改善し、測定のスループットを向上させた蛍光相関分光装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above problems, and changes the size of the excitation and detection areas of fluorescence in an aqueous solution, or moves the excitation and detection areas of fluorescence in an aqueous solution during measurement. The purpose is to provide a fluorescence correlation spectrometer that expands the measurement area, actively increases the number of particles involved in measurement within a limited time, improves the S / N ratio of measurement, and improves the measurement throughput It is said.

上記の目的を達成するために、本発明による蛍光相関分光装置は、レーザー光源と、前記レーザー光源からのレーザー光を測定試料となる水溶液に集光して共焦点領域を形成する光学系と、前記水溶液からの蛍光を集光する光学系と、集光した蛍光を検出する光検出器とを有し、前記水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変える手段を備えることを特徴としている。   In order to achieve the above object, a fluorescence correlation spectroscopic device according to the present invention includes a laser light source, an optical system for condensing the laser light from the laser light source into an aqueous solution as a measurement sample, and forming a confocal region, An optical system for collecting the fluorescence from the aqueous solution; and a photodetector for detecting the collected fluorescence, and further comprising means for exciting the fluorescence and changing the size of the detection region in the aqueous solution. It is a feature.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変えるために、対物レンズの倍率を変える機構を備えることが好ましい。   In the fluorescence correlation spectroscopic apparatus of the present invention, it is preferable to provide a mechanism for changing the magnification of the objective lens in order to change the size of the excitation and detection areas of the fluorescence in the aqueous solution.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変えるために、対物レンズへの入射ビーム径を変えることが好ましい。   In the fluorescence correlation spectroscopic device of the present invention, it is preferable to change the diameter of the incident beam to the objective lens in order to change the excitation of fluorescence and the size of the detection region in the aqueous solution.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によって選択できることが好ましい。   In the fluorescence correlation spectroscopy apparatus of the present invention, it is preferable that the fluorescence excitation and the size of the detection region can be selected depending on the size or concentration of the molecule to be measured.

あるいは、本発明の蛍光相関分光装置は、レーザー光源と、前記レーザー光源からのレーザー光を測定試料となる水溶液に集光して共焦点領域を形成する光学系と、前記水溶液からの蛍光を集光する光学系と、集光した蛍光を検出する光検出器とを有し、前記水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させる手段を備えることを特徴としている。   Alternatively, the fluorescence correlation spectroscopic device of the present invention includes a laser light source, an optical system for condensing the laser light from the laser light source onto an aqueous solution as a measurement sample to form a confocal region, and collecting fluorescence from the aqueous solution. It has an optical system that emits light and a photodetector that detects the condensed fluorescence, and includes means for moving the excitation of the fluorescence and the position of the detection region during measurement in the aqueous solution.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させるために、光軸を中心とした回転機構を備えることが好ましい。   In addition, the fluorescence correlation spectroscopic device of the present invention preferably includes a rotation mechanism around the optical axis in order to move the excitation of fluorescence and the position of the detection region in the aqueous solution during measurement.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させるために、走査型顕微鏡のようなラスタースキャンを行える機構を備えることが好ましい。   Further, in the fluorescence correlation spectroscopy apparatus of the present invention, it is preferable to have a mechanism capable of performing a raster scan like a scanning microscope in order to move the excitation of fluorescence and the position of the detection region during measurement in an aqueous solution. .

また、本発明の蛍光相関分光装置においては、蛍光の励起、及び検出領域の移動状態を、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によって選択できることが好ましい。   In the fluorescence correlation spectroscopic apparatus of the present invention, it is preferable that the excitation of fluorescence and the movement state of the detection region can be selected depending on the size or concentration of the molecule to be measured.

さらにまた、本発明の蛍光相関分光装置においては、蛍光相関分光において、必要なデータを算出するための理論式を、蛍光の励起、及び検出領域の大きさ、あるいは移動状態に応じて変更できることが好ましい。   Furthermore, in the fluorescence correlation spectroscopy apparatus of the present invention, the theoretical formula for calculating necessary data in fluorescence correlation spectroscopy can be changed according to the excitation of fluorescence and the size of the detection region or the moving state. preferable.

本発明の蛍光相関分光装置によれば、FCS測定時に溶液内の検出領域を変化、あるいは移動させて計測領域を拡大し、限られた時間内に、測定に関与する粒子数を積極的に増やして計測のSNを改善し、測定のスループットを向上させることができるという効果を有する。   According to the fluorescence correlation spectroscopy apparatus of the present invention, the detection area in the solution is changed or moved during FCS measurement to expand the measurement area, and the number of particles involved in the measurement is actively increased within a limited time. Thus, the SN of measurement can be improved, and the measurement throughput can be improved.

蛍光相関分光装置の基本的な構成示す概略図である。It is the schematic which shows the basic composition of a fluorescence correlation spectroscopy apparatus. 対物レンズの変更によるコンフォーカルボリュームの違いを示す説明図であり、(a)は高倍率の対物レンズの場合、(b)は低倍率の対物レンズの場合を示したものである。It is explanatory drawing which shows the difference in the confocal volume by the change of an objective lens, (a) shows the case of a high magnification objective lens, (b) shows the case of a low magnification objective lens. コンフォーカルボリュームのサイズの表現図である。It is a representation figure of the size of a confocal volume. ビームエキスパンダーによるビーム径の変更の説明図である。It is explanatory drawing of the change of the beam diameter by a beam expander. 偏芯ミラーの説明図である。It is explanatory drawing of an eccentric mirror. 通常の反射ミラーの説明図である。It is explanatory drawing of a normal reflective mirror. 偏芯ミラーによるビームの回転を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows rotation of the beam by an eccentric mirror.

実施形態の説明に先立ち、本発明の概略及び作用効果について説明する。
本発明の蛍光相関分光装置は、レーザー光源と、レーザー光源からのレーザー光を測定試料となる水溶液に集光して共焦点領域を形成する光学系と、水溶液からの蛍光を集光する光学系と、集光した蛍光を検出する光検出器とを有し、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変える手段を備えるように構成されている。これによって、測定試料となる水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変更でき、限られた時間内に測定に関与する粒子数を積極的に増やして計測のSN比を改善することができる。
Prior to the description of the embodiments, the outline and effects of the present invention will be described.
The fluorescence correlation spectroscopic device of the present invention includes a laser light source, an optical system for condensing the laser light from the laser light source onto an aqueous solution as a measurement sample to form a confocal region, and an optical system for collecting fluorescence from the aqueous solution And a light detector for detecting the condensed fluorescence, and is configured to include means for exciting the fluorescence and changing the size of the detection region in the aqueous solution. As a result, the excitation of fluorescence and the size of the detection region in the aqueous solution serving as the measurement sample can be changed, and the number of particles involved in the measurement is actively increased within a limited time to improve the SN ratio of measurement. be able to.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては好ましくは、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変えるために、対物レンズの倍率を変える機構を備える。これによって、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によって蛍光の励起、及び検出領域の大きさが選択できる。   In addition, the fluorescence correlation spectroscopic device of the present invention preferably includes a mechanism for changing the magnification of the objective lens in order to change the size of the excitation and detection areas of the fluorescence in the aqueous solution. Thereby, the excitation of the fluorescence and the size of the detection region can be selected depending on the size or concentration of the molecule to be measured.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては好ましくは、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変えるために、対物レンズへの入射ビーム径を変えることができるようにする。これによって、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によって蛍光の励起、及び検出領域の大きさが選択できる。   In the fluorescence correlation spectroscopic apparatus of the present invention, it is preferable that the diameter of the incident beam on the objective lens can be changed in order to change the excitation of fluorescence and the size of the detection region in the aqueous solution. Thereby, the excitation of the fluorescence and the size of the detection region can be selected depending on the size or concentration of the molecule to be measured.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては好ましくは、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によって選択できるようにする。対物レンズの交換やビームエキスパンダーによる入射ビーム径の変更は、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によってアプリケーションソフトウエアで変更できるようにする。   In the fluorescence correlation spectroscopic apparatus of the present invention, preferably, the excitation of fluorescence and the size of the detection region can be selected depending on the size or concentration of the molecule to be measured. The change of the incident beam diameter by the exchange of the objective lens or the beam expander can be changed by application software depending on the size or concentration of the molecule to be measured.

あるいは、本発明の蛍光相関分光装置は、レーザー光源と、レーザー光源からのレーザー光を測定試料となる水溶液に集光して共焦点領域を形成する光学系と、水溶液からの蛍光を集光する光学系と、集光した蛍光を検出する光検出器とを有し、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させる手段を備えるように構成されている。これによって、測定中に測定試料となる水溶液中の蛍光の励起、及び検出領域を移動させて計測領域を拡大でき、限られた時間内に測定に関与する粒子数を積極的に増やして計測のSN比を改善することができる。   Alternatively, the fluorescence correlation spectroscopic device of the present invention condenses the fluorescence from the laser light source, the optical system for condensing the laser light from the laser light source onto the aqueous solution as the measurement sample and forming a confocal region. It has an optical system and a photodetector for detecting the condensed fluorescence, and is configured to include means for moving the excitation of the fluorescence and the position of the detection region during measurement in the aqueous solution. As a result, the measurement area can be expanded by moving the excitation area and detection area of the fluorescence in the aqueous solution that becomes the measurement sample during measurement, and actively increasing the number of particles involved in the measurement within a limited time. The S / N ratio can be improved.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては好ましくは、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させるために、光軸を中心とした回転機構を備える。これによって、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によって蛍光の励起、及び検出領域の位置が選択できる。   The fluorescence correlation spectroscopic device of the present invention preferably includes a rotation mechanism centered on the optical axis in order to move the excitation of fluorescence and the position of the detection region in the aqueous solution during measurement. Thereby, the excitation of the fluorescence and the position of the detection region can be selected depending on the size or concentration of the molecule to be measured.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては好ましくは、水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させるために、走査型顕微鏡のようなラスタースキャンを行える機構を備える。これによって、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によって蛍光の励起、及び検出領域の位置が選択できる。   In addition, the fluorescence correlation spectroscopic apparatus of the present invention preferably includes a mechanism capable of performing raster scanning like a scanning microscope in order to move the excitation of fluorescence and the position of the detection region in an aqueous solution during measurement. Thereby, the excitation of the fluorescence and the position of the detection region can be selected depending on the size or concentration of the molecule to be measured.

また、本発明の蛍光相関分光装置においては好ましくは、蛍光の励起、及び検出領域の移動状態を、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によって選択できる。入射ビームの走査の変更は、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によってアプリケーションソフトウエアで変更できるようにする。   In the fluorescence correlation spectroscopic apparatus of the present invention, preferably, the excitation of fluorescence and the movement state of the detection region can be selected according to the size or concentration of the molecule to be measured. The scanning of the incident beam can be changed by application software depending on the size or concentration of the molecule to be measured.

さらにまた、本発明の蛍光相関分光装置においては好ましくは、蛍光相関分光において、必要なデータを算出するための理論式を、蛍光の励起、及び検出領域の大きさ、あるいは移動状態に応じて変更できるようにする。自己相関関数を適宜選択することにより、対象となる分子の大きさや速度の大きさに合った適切な結果を得ることができる。   Furthermore, in the fluorescence correlation spectroscopy apparatus of the present invention, preferably, in the fluorescence correlation spectroscopy, the theoretical formula for calculating necessary data is changed according to the excitation of the fluorescence and the size of the detection region or the moving state. It can be so. By appropriately selecting the autocorrelation function, it is possible to obtain an appropriate result according to the size of the target molecule and the size of the velocity.

次に、本発明の実施例の説明を行う前に、蛍光相関分光装置の基本的な構成を図1に基づいて説明する。なお、本発明の蛍光相関分光装置は以下の実施例で説明するように、図1にその基本的な構成を示した蛍光相関分光装置について、その一部を改良したものである。また、蛍光相関分光装置は基本的な部分については、次に説明するように共焦点レーザー顕微鏡の構成を利用したものとなっている。   Next, before describing the embodiment of the present invention, the basic configuration of the fluorescence correlation spectroscopy apparatus will be described with reference to FIG. The fluorescence correlation spectroscopy apparatus of the present invention is a partial improvement of the fluorescence correlation spectroscopy apparatus whose basic configuration is shown in FIG. 1, as described in the following examples. In addition, the basic part of the fluorescence correlation spectroscopic apparatus uses a configuration of a confocal laser microscope as described below.

蛍光相関分光装置は、レーザー光を放射する光源2と、光源2からのレーザー光を測定試料となるマイクロプレート7の水溶液に集光して共焦点領域を形成する光学系を構成するコリメーター4,ダイクロイックミラー5,反射ミラー10,反射ミラー6,対物レンズ1と、水溶液からの蛍光を集光する光学系を構成する集光レンズ12,ピンホール13,バリアフィルター14と、集光した蛍光を検出する光検出器16と、光検出器16のデータを入力して時間に対する自己相関の演算を行う相関演算機17,コンピューター18を備えている。   The fluorescence correlation spectroscopic device includes a light source 2 that emits laser light, and a collimator 4 that constitutes an optical system that forms a confocal region by condensing the laser light from the light source 2 onto an aqueous solution of a microplate 7 serving as a measurement sample. , Dichroic mirror 5, reflecting mirror 10, reflecting mirror 6, objective lens 1, condenser lens 12, pinhole 13, barrier filter 14, and optical filter that collects fluorescence from the aqueous solution, A photodetector 16 to be detected, a correlation calculator 17 that inputs data of the photodetector 16 and calculates autocorrelation with respect to time, and a computer 18 are provided.

マイクロプレート7は測定試料となる水溶液を収納するための反応容器であり、一般的には樹脂やガラス製の透明材料によって形成されている。ウェル20は、マイクロプレート7に設けられた測定試料となる水溶液を収容するための穴であり、マイクロプレート7に多数配列されている。なお、マイクロプレート7は図示してないXYステージに載置して固定されている。   The microplate 7 is a reaction container for storing an aqueous solution serving as a measurement sample, and is generally formed of a resin or glass transparent material. The well 20 is a hole for accommodating an aqueous solution to be a measurement sample provided in the microplate 7, and many wells 20 are arranged on the microplate 7. The microplate 7 is mounted and fixed on an XY stage (not shown).

光源2はレーザー光源を用いるが、図示するようにレーザー光源を複数用意し、これらを切り換えて使用できるようにしてもよく、あるいは一つのみであってもよい。対物レンズ1はマイクロプレート7の下方に設置され、レーザー光を集光してその集光領域(共焦点領域)を水溶液中に形成する。   The light source 2 uses a laser light source. However, as shown in the figure, a plurality of laser light sources may be prepared so that they can be switched and used, or only one may be used. The objective lens 1 is installed below the microplate 7 and condenses laser light to form a condensing region (confocal region) in the aqueous solution.

ダイクロイックミラー5は、波長に応じて選択的に光を透過あるいは反射させる。ダイクロイックミラー5はプリズム形状のガラス製のブロックの斜面に多層膜コーティングを施して、透過、反射のスペクトル特性が最適になるように製作されている。なお、ダイクロイックミラー5は図1に示すように平板を用いても良い。   The dichroic mirror 5 selectively transmits or reflects light according to the wavelength. The dichroic mirror 5 is fabricated so that the spectral characteristics of transmission and reflection are optimized by applying a multilayer coating to the slope of a prism-shaped glass block. The dichroic mirror 5 may be a flat plate as shown in FIG.

バリアフィルター14は蛍光の波長範囲の光のみを通過させるバンドバスフィルターとして機能し、光源2からのレーザー光の一部が試料から発せられた蛍光に混入して光検出器16で受光されるのを防ぐ役割がある。集光レンズ12,ピンホール13は、水溶液中の共焦点領域からの光を透過し、共焦点領域外からのバックグランド光を除去する。   The barrier filter 14 functions as a band-pass filter that allows only light in the fluorescence wavelength range to pass, and a part of the laser light from the light source 2 is mixed with the fluorescence emitted from the sample and received by the photodetector 16. There is a role to prevent. The condensing lens 12 and the pinhole 13 transmit light from the confocal region in the aqueous solution and remove background light from outside the confocal region.

光検出器16は、バリアフィルター14と光検出器16の間に設けられたレンズ21の焦点位置にその受光面が合うように配置され、信号光を電気信号(光電流パルス)に変換する。相関演算機17とコンピューター18は図1においては別々のものとして示したが、実際には一体となって相関解析などの演算を実行する処理装置として機能するものである。   The photodetector 16 is arranged so that the light receiving surface thereof is aligned with the focal position of the lens 21 provided between the barrier filter 14 and the photodetector 16, and converts the signal light into an electric signal (photocurrent pulse). Although the correlation calculator 17 and the computer 18 are shown as separate units in FIG. 1, they actually function as a processing unit that executes calculations such as correlation analysis together.

次に、上記した蛍光相関分光装置の動作について説明する。
測定に用いる蛍光色素分子を励起するためのレーザー光を放射する光源2からレーザー光が放射され、シングルモードファイバー3によって伝播される。
Next, the operation of the above-described fluorescence correlation spectroscopy apparatus will be described.
Laser light is emitted from a light source 2 that emits laser light for exciting fluorescent dye molecules used for measurement, and propagated by a single mode fiber 3.

シングルモードファイバー3の出射端からは、シングルモードファイバー3固有のNAにより、レーザービームは決まった角度で発散光となり放射される。この発散光はコリメーター4によって平行光となり、ダイクロイックミラー5で反射し、反射ミラー10、反射ミラー6で反射して対物レンズ1に入射する。   From the exit end of the single mode fiber 3, the laser beam is emitted as divergent light at a fixed angle due to the NA specific to the single mode fiber 3. The divergent light is converted into parallel light by the collimator 4, reflected by the dichroic mirror 5, reflected by the reflection mirror 10 and the reflection mirror 6, and incident on the objective lens 1.

対物レンズ1の上方には、測定試料となる水溶液が入ったマイクロプレート7が配置されている。試料の水溶液はマイクロプレート7上に構成されたウェル20に入れられ、通常、1μL(マイクロリットル)から数10μL程度の量が入れられている。   Above the objective lens 1, a microplate 7 containing an aqueous solution to be a measurement sample is disposed. The aqueous solution of the sample is put in a well 20 formed on the microplate 7, and an amount of about 1 μL (microliter) to several tens of μL is usually added.

水溶液中でレーザー光は焦点を結び、励起領域を形成する。水溶液中の測定対象となる分子は、蛍光色素分子で標識されており、この測定対象となる分子は、ブラウン運動によって水溶液中を自由に拡散している。
この分子が、一度、励起領域に入ると、その間、標識された蛍光色素分子が励起され、蛍光が放出される。放出された蛍光は、再び、対物レンズ1で集光される。
In aqueous solution, the laser beam is focused and forms an excitation region. The molecule to be measured in the aqueous solution is labeled with a fluorescent dye molecule, and the molecule to be measured is freely diffused in the aqueous solution by Brownian motion.
Once this molecule enters the excitation region, the labeled fluorescent dye molecule is excited and fluorescence is emitted. The emitted fluorescence is again collected by the objective lens 1.

蛍光は、ダイクロイックミラー5を透過し、集光レンズ12で集光され、対物レンズ1の焦点位置に共役の位置に配置されたピンホール13を通過する。このピンホール13により、検出領域の体積が決まり、通常これをコンフォーカルボリュームと呼び、大きさは1fL(フェムトリットル)程度である。   The fluorescence passes through the dichroic mirror 5, is collected by the condenser lens 12, and passes through the pinhole 13 disposed at a position conjugate to the focal position of the objective lens 1. The volume of the detection region is determined by the pinhole 13 and is usually called a confocal volume, and the size is about 1 fL (femtoliter).

続いて、蛍光はバリアフィルター14を透過し、必要な波長帯域の成分のみが選択され、マルチモードファイバー15に入射した後、光検出器16で検出される。光検出器16の出力は、通常、時系列のフォトンのパルス列となって、相関演算機17に入力され、ここで時間に対する自己相関の演算が行われる。   Subsequently, the fluorescence is transmitted through the barrier filter 14, and only a component in a necessary wavelength band is selected. After entering the multimode fiber 15, the fluorescence is detected by the photodetector 16. The output of the photodetector 16 is normally a time-series photon pulse train and is input to the correlation calculator 17 where autocorrelation with respect to time is performed.

蛍光強度の自己相関のデータは、予め理論的に求められている下記の自己相関関数(式1)を用いてフィッティングされ、分子の拡散時間やコンフォーカルボリューム中に平均的に存在する分子の数などが算出される。通常、測定に用いる水溶液は、濃度が1nM(ナノモラー)程度なので、コンフォーカルボリューム中に平均的に存在する分子の数は、約1個程度になる。これらの演算はコンピューター18で実行される。   The autocorrelation data of the fluorescence intensity is fitted using the following autocorrelation function (formula 1) obtained theoretically in advance, and the number of molecules present on average in the diffusion time and the confocal volume of molecules. Etc. are calculated. Usually, since the concentration of the aqueous solution used for the measurement is about 1 nM (nanomolar), the average number of molecules present in the confocal volume is about one. These calculations are executed by the computer 18.

G(t)=1+1/N[1+t/τD-1[1+(WO/WZ2t/τD]-1/2
・・・(式1)
τD:分子の拡散時間
N:コンフォーカルボリューム中に平均的に存在する分子の数
O:コンフォーカルボリュームの横方向の半径
Z:コンフォーカルボリュームの長軸
G (t) = 1 + 1 / N [1 + t / τ D ] −1 [1+ (W O / W Z ) 2 t / τD] −1/2
... (Formula 1)
τD: Molecular diffusion time N: Number of molecules present in the confocal volume on average W O : Radial radius of the confocal volume W Z : Long axis of the confocal volume

次に、本発明の蛍光相関分光装置の実施例にいて説明する。基本的構成は図1に示したものと同様であるので、異なる部分を図2に基づいて説明する。なお、本実施例は、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変えるものである。   Next, an embodiment of the fluorescence correlation spectroscopy apparatus of the present invention will be described. Since the basic configuration is the same as that shown in FIG. 1, different parts will be described with reference to FIG. In this embodiment, the excitation of fluorescence and the size of the detection region are changed.

対物レンズ1には、蛍光色素分子を励起するためのレーザー光が平行光として入射しているが、この対物レンズ1を倍率の異なる対物レンズ8に交換することで、図2に示すように水溶液中のコンフォーカルボリュームの大きさを変えることができる。
なお、この際、図には示していないが、ピンホール13の開口のサイズもコンフォーカルボリュームの大きさに適したサイズに変更する。
Laser light for exciting fluorescent dye molecules is incident on the objective lens 1 as parallel light. By replacing the objective lens 1 with an objective lens 8 having a different magnification, an aqueous solution as shown in FIG. The size of the confocal volume inside can be changed.
At this time, although not shown in the drawing, the size of the opening of the pinhole 13 is also changed to a size suitable for the size of the confocal volume.

例えば、測定対象となる水溶液の濃度が、対象となる分子同士の反応条件の要請から薄い場合(<1nM)、コンフォーカルボリューム中に平均的に存在する分子の数は、0.1以下となる。このような場合、測定時間中のほとんどの時間は、分子が計測に関与しないことになる。このとき、低倍率の対物レンズ8とするとコンフォーカルボリュームのサイズが大きくなり、測定時間中、常に分子がコンフォーカルボリューム中に存在することになる。   For example, when the concentration of the aqueous solution to be measured is thin due to the requirement for reaction conditions between the molecules to be measured (<1 nM), the number of molecules present on average in the confocal volume is 0.1 or less. . In such a case, for most of the measurement time, the molecule is not involved in the measurement. At this time, if the objective lens 8 has a low magnification, the size of the confocal volume becomes large, and molecules always exist in the confocal volume during the measurement time.

次に、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変えるものの他例にいて説明する。基本的構成は図1に示したものと同様であるので、異なる部分を図3に基づいて説明する。   Next, a description will be given of another example in which fluorescence is excited and the size of the detection region is changed. Since the basic configuration is the same as that shown in FIG. 1, different parts will be described with reference to FIG.

コリメーター4から出射される平行光に、ビームエキスパンダー9を挿入し、ビーム径を変化させることで、図3に示すように水溶液中のコンフォーカルボリュームの大きさを変えることができる。なお、この場合も、図には示していないが、ピンホール13の開口のサイズもコンフォーカルボリュームの大きさに適したサイズに変更する。   By inserting the beam expander 9 into the parallel light emitted from the collimator 4 and changing the beam diameter, the size of the confocal volume in the aqueous solution can be changed as shown in FIG. In this case as well, although not shown in the figure, the size of the opening of the pinhole 13 is also changed to a size suitable for the size of the confocal volume.

なお、実施例1及び実施例2の対物レンズ1から対物レンズ8への交換、あるいは、ビームエキスパンダー9の挿入は、予め測定者が、溶液中の分子数が少ないとわかっている場合、測定の前に、アプリケーションソフトウエアで変更が可能なものとする。あるいは、一度、測定を実施した後、分子数Nが少ない場合、アプリケーションソフトウエアが自動的に変更できるように設定できるものとする。   It should be noted that the replacement of the objective lens 1 from the objective lens 1 in Example 1 and Example 2 to the objective lens 8 or the insertion of the beam expander 9 is performed when the measurer knows in advance that the number of molecules in the solution is small. It is assumed that it can be changed by application software before. Alternatively, once the measurement is performed, when the number of molecules N is small, the application software can be set so that it can be automatically changed.

次に、本発明の蛍光相関分光装置の他の実施例にいて説明する。基本的構成は図1に示したものと同様であるので、異なる部分を図5〜図7に基づいて説明する。なお、本実施例は、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させるものである。   Next, another embodiment of the fluorescence correlation spectroscopy apparatus of the present invention will be described. Since the basic configuration is the same as that shown in FIG. 1, different portions will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the excitation of fluorescence and the position of the detection region are moved during measurement.

対物レンズ1には、蛍光色素分子を励起するためのレーザー光が平行光として入射しているが、ここで使われている図6に示す反射ミラー6に角度を持たせたものを、図7に示すように偏芯ミラー19とし、図5に示すようにこれにモーター11を取り付けて偏芯した状態で回転させることで測定に関与するコンフォーカルボリュームの体積を増やすことができる。   Laser light for exciting fluorescent dye molecules is incident on the objective lens 1 as parallel light, and the reflection mirror 6 shown in FIG. 6 used here is provided with an angle as shown in FIG. The volume of the confocal volume involved in the measurement can be increased by using the eccentric mirror 19 as shown in FIG. 5 and rotating the motor 11 with the motor 11 attached thereto as shown in FIG.

通常、光軸上の一点で測光している状態が、光軸を中心としたドーナツ状の体積を掃引することになる。実際、40倍の対物レンズに対して、入射のビームに数分の角度を与えて偏芯させると、励起に関与する体積は1fLから100fLになる。   Usually, a state in which photometry is performed at one point on the optical axis sweeps a donut-shaped volume around the optical axis. Actually, when an incident beam is decentered by giving an angle of several minutes to a 40 × objective lens, the volume involved in excitation becomes 1 fL to 100 fL.

次に、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させるものの他例にいて説明する。基本的構成は図1に示したものと同様であるので、異なる部分について説明する。   Next, another example of excitation of fluorescence and movement of the position of the detection region during measurement will be described. Since the basic configuration is the same as that shown in FIG. 1, only different parts will be described.

本実施例は図には示していないが、通常の走査型レーザー顕微鏡のような走査、例えばラスタースキャンを水溶液中の均一な領域で行いながら測定を行うことでも体積を稼ぐことができる。   Although this embodiment is not shown in the figure, the volume can also be gained by performing measurement while performing scanning like a normal scanning laser microscope, for example, raster scanning in a uniform region in an aqueous solution.

なお、上記実施例3及び実施例4の場合、瞬間瞬間には、コンフォーカルボリュームの体積は、変化していないので、ピンホール13の開口のサイズはそのままでよい。また、ピンホール13の位置も、共役な位置が保存されているのでそのままでよい。   In the case of the third and fourth embodiments, since the volume of the confocal volume does not change at the moment, the size of the opening of the pinhole 13 may be left as it is. Further, the position of the pinhole 13 may be left as it is because a conjugate position is stored.

また、上記実施例3及び実施例4の対物レンズ1への入射ビームの走査は、予め測定者が、溶液中の分子数が少ないとわかっている場合、あるいは分子が大きくて、拡散速度が遅いとわかっている場合、測定の前に、アプリケーションソフトウエアで変更可能なものとする。あるいは、一度、測定を実施した後、分子数Nが少ない、あるいは拡散時間が大きい場合、アプリケーションソフトウエアが自動的に変更できるように設定できるものとする。   In addition, the scanning of the incident beam to the objective lens 1 of the third and fourth embodiments is performed when the measurer knows in advance that the number of molecules in the solution is small, or the molecules are large and the diffusion rate is slow. If it is known, it can be changed by application software before measurement. Alternatively, once the measurement is performed, if the number of molecules N is small or the diffusion time is long, the application software can be set so that it can be automatically changed.

次に、蛍光相関分光において、必要なデータを算出するための理論式を、蛍光の励起、及び検出領域の大きさ、あるいは移動状態に応じて変更する例について説明する。   Next, an example will be described in which the theoretical formula for calculating necessary data in fluorescence correlation spectroscopy is changed according to the excitation of fluorescence and the size of the detection region or the movement state.

水溶液中を移動するコンフォーカルボリュームの相対的な速度(V)の大きさによっては、自己相関関数(式1)から乖離する場合がある。実際、FCS技術の応用として、細かいキャピラリー中に拡散状態が既知の分子を流し、キャピラリー中のFCS測定を行うことで、キャピラリー中の定常的な速度場の分布の解析が行える(Rigler:Ana. Chem. Vol72,No14,2000,3260-3265)。この際、自己相関関数(式1)には、分子を含んだ溶液の速度(V)が考慮され、次式(式2)のように表せる。   Depending on the relative velocity (V) of the confocal volume moving in the aqueous solution, the autocorrelation function (Equation 1) may deviate. In fact, as an application of the FCS technology, a steady velocity field distribution in a capillary can be analyzed by flowing a molecule with a known diffusion state in a fine capillary and performing FCS measurement in the capillary (Rigler: Ana. Chem. Vol 72, No 14, 2000, 3260-3265). At this time, the autocorrelation function (Equation 1) takes into account the velocity (V) of the solution containing the molecule and can be expressed as the following equation (Equation 2).

G(t)=1+1/N[1+t/τD-1[1+(WO/WZ2t/τD]-1/2exp{−[1+t/τD-1[1+(WO/WZ2t/τD-1/2(V/WO・t)2} ・・・(式2) G (t) = 1 + 1 / N [1 + t / τ D ] −1 [1+ (W O / W Z ) 2 t / τ D ] −1/2 exp {− [1 + t / τ D ] −1 [1+ (W O / W Z ) 2 t / τ D ] −1/2 (V / W O · t) 2 } (Formula 2)

本実施例においても、対象となる分子の大きさ、あるいは速度の大きさによっては、式2のexpの項が無視できなくなるので、その場合は(式1)ではなく(式2)をフィッティングに用いるようにする。   Also in this embodiment, depending on the size of the target molecule or the speed, the exp term in Equation 2 cannot be ignored. In this case, instead of (Equation 1), (Equation 2) is used for fitting. Use it.

本発明は、計測中に関与する分子数を増やしてスループットを向上させることができるので、蛍光分析装置に有用なものである。   Since the present invention can increase the number of molecules involved during measurement and improve the throughput, it is useful for a fluorescence analyzer.

1 対物レンズ
2 光源
3 シングルモードファイバー
4 コリメーター
5 ダイクロイックミラー
6 反射ミラー
7 マイクロプレート
8 対物レンズ(低倍率)
9 ビームエキスパンダー
10 反射ミラー
11 モーター
12 集光レンズ
13 ピンホール
14 バリアフィルター
15 マルチモードファイバー
16 光検出器
17 相関演算機
18 コンピューター
19 偏芯ミラー
20 ウェル
21 レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Objective lens 2 Light source 3 Single mode fiber 4 Collimator 5 Dichroic mirror 6 Reflection mirror 7 Microplate 8 Objective lens (low magnification)
9 Beam expander 10 Reflecting mirror 11 Motor 12 Condensing lens 13 Pinhole 14 Barrier filter 15 Multimode fiber 16 Photo detector 17 Correlation calculator 18 Computer 19 Eccentric mirror 20 Well 21 Lens

Claims (9)

レーザー光源と、
前記レーザー光源からのレーザー光を測定試料となる水溶液に集光して共焦点領域を形成する光学系と、
前記水溶液からの蛍光を集光する光学系と、
集光した蛍光を検出する光検出器とを有し、
前記水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変える手段を備えることを特徴とする蛍光相関分光装置。
A laser light source;
An optical system for condensing the laser light from the laser light source into an aqueous solution to be a measurement sample to form a confocal region;
An optical system for collecting fluorescence from the aqueous solution;
A photodetector for detecting the condensed fluorescence;
A fluorescence correlation spectroscopic device comprising means for changing the size of excitation and detection areas of fluorescence in the aqueous solution.
水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変えるために、対物レンズの倍率を変える機構を備えることを特徴とする請求項1に記載の蛍光相関分光装置。   2. The fluorescence correlation spectroscopic apparatus according to claim 1, further comprising a mechanism for changing the magnification of the objective lens in order to change the size of the excitation and detection area of the fluorescence in the aqueous solution. 水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の大きさを変えるために、対物レンズへの入射ビーム径を変えることを特徴とする請求項1に記載の蛍光相関分光装置。   2. The fluorescence correlation spectroscopic apparatus according to claim 1, wherein the diameter of the incident beam to the objective lens is changed in order to change the size of the excitation and detection areas of the fluorescence in the aqueous solution. 蛍光の励起、及び検出領域の大きさを、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によって選択できることを特徴とする請求項1に記載の蛍光相関分光装置。   2. The fluorescence correlation spectroscopic apparatus according to claim 1, wherein the size of the excitation and detection region of fluorescence can be selected depending on the size or concentration of the molecule to be measured. レーザー光源と、
前記レーザー光源からのレーザー光を測定試料となる水溶液に集光して共焦点領域を形成する光学系と、
前記水溶液からの蛍光を集光する光学系と、
集光した蛍光を検出する光検出器とを有し、
前記水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させる手段を備えることを特徴とする蛍光相関分光装置。
A laser light source;
An optical system for condensing the laser light from the laser light source into an aqueous solution as a measurement sample to form a confocal region;
An optical system for collecting fluorescence from the aqueous solution;
A photodetector for detecting the condensed fluorescence;
A fluorescence correlation spectroscopic apparatus comprising means for moving fluorescence excitation and detection region positions in the aqueous solution during measurement.
水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させるために、光軸を中心とした回転機構を備えることを特徴とする請求項5に記載の蛍光相関分光装置。   The fluorescence correlation spectroscopic apparatus according to claim 5, further comprising a rotation mechanism centered on the optical axis in order to move the position of the excitation and detection region of the fluorescence in the aqueous solution during the measurement. 水溶液中における、蛍光の励起、及び検出領域の位置を測定中に移動させるために、走査型顕微鏡のようなラスタースキャンを行える機構を備えることを特徴とする請求項5に記載の蛍光相関分光装置。   6. The fluorescence correlation spectroscopic apparatus according to claim 5, further comprising a mechanism capable of performing a raster scan such as a scanning microscope in order to move fluorescence excitation and detection region positions in an aqueous solution during measurement. . 蛍光の励起、及び検出領域の移動状態を、測定対象の分子の大きさ、あるいは濃度によって選択できることを特徴とする請求項5に記載の蛍光相関分光装置。   6. The fluorescence correlation spectroscopic apparatus according to claim 5, wherein the excitation state of the fluorescence and the movement state of the detection region can be selected depending on the size or concentration of the molecule to be measured. 蛍光相関分光において、必要なデータを算出するための理論式を、蛍光の励起、及び検出領域の大きさ、あるいは移動状態に応じて変更できることを特徴とする請求項1又は請求項5に記載の蛍光相関分光装置。   6. The theoretical formula for calculating necessary data in fluorescence correlation spectroscopy can be changed according to the excitation of fluorescence and the size of the detection region or the movement state. Fluorescence correlation spectrometer.
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