JP2011209097A - 光学的測定装置および光学的測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面プラズモンを利用して試料中の被検物質Aの有無および/または量を測定する光学的測定装置において、流路33に接するように形成されたプリズム部30上の金属膜34aを含む検出部を備える測定チップC1と、プリズム部30と金属膜34aとの界面における測定光Leの偏光方向を変調せしめるように、測定光Leの偏光状態を制御する偏光制御機構(11、21および22)と、検出部から生じる信号光を検出する光検出器23と、偏光方向の変調に同期した信号成分を信号光から分離検出する信号処理部24とを備える。
【選択図】図1
Description
表面プラズモンを利用して試料中の被検物質の有無および/または量を測定する光学的測定装置において、
測定光を出射する光源と、
流路を形成する流路基材と、流路の壁面の一部を構成するプリズム部と、流路に接するように形成されたプリズム部上の金属膜を含む検出部とを備える測定チップと、
プリズム部と金属膜との界面で測定光が全反射条件を満たすように、プリズム部を通して一方の側からこの界面に測定光を導光する導光部材と、
測定光の上記界面における偏光方向を変調せしめるように、測定光の偏光状態を制御する偏光制御機構と、
上記界面に関して他方の側に配置された、検出部から生じる信号光を検出する光検出器と、
偏光方向の変調に同期した信号成分を信号光から分離検出する信号処理部とを備えることを特徴とするものである。
流路を形成する流路基材と、流路の壁面の一部を構成するプリズム部と、流路に接するように形成されたプリズム部上の金属膜を含む検出部とを備える測定チップを用い、
プリズム部と金属膜との界面で測定光が全反射条件を満たすように、プリズム部を通して一方の側からこの界面に測定光を導光せしめ、
測定光の上記界面における偏光方向を変調せしめるように、測定光の偏光状態を制御し、
検出部から生じる信号光を上記界面に関して他方の側から検出し、
偏光方向の変調に同期した信号成分を信号光から分離検出し、
分離検出された信号成分により、被検物質の存在および/または量を測定することを特徴とするものである。
本実施形態の光学的測定装置1は、図1、図2A、図2Bおよび図3に示すように、流路33を形成する流路基材30、流路33の上流側に乾燥配置された蛍光標識結合物質BF、および流路33内の所定領域に形成された金属膜34aを含む検出部38を備える測定チップC1と、測定光Leを出射する光源10と、流路基材30と金属膜34aとの界面で測定光Leが全反射条件を満たすように、流路基材30を通して一方の側からこの界面に測定光Leを導光する導光部材14と、測定光Leの上記界面における偏光方向を周期的に変調せしめるように、測定光Leの偏光状態を制御する偏光変調素子11と、偏光方向の変調の周期の基となる電圧の周期クロックを生成するファンクションジェネレータ(FG)21と、このFG21に生成された電圧の周期クロックに応じて偏光変調素子11を駆動する偏光変調素子ドライバ22と、上記界面に関して他方の側に配置された、検出部38から生じる信号光を検出する光検出器23と、偏光方向の変調の周期に同期した信号成分を信号光から分離検出する信号処理部24と,装置全体をコントロールする制御部20とを備えるものである。ここで、上記金属膜34aの表面には、試料中の被検物質Aと特異的に結合する物質B1(特異的結合物質)が固定されている。
step1:注入口35aから検査対象である血液(全血)Soを注入する。ここでは、この血液So中に被検物質である抗原Aが含まれている場合について説明する。図3において血液Soは網掛け領域で示している。
step2:血液Soはメンブレンフィルタ36により濾過され、赤血球、白血球などの大きな分子が残渣となる。引き続き、メンブレンフィルタ36で血球分離された血液S(血漿)が毛細管現象で流路33に染み出す。または反応を早め、検出時間を短縮するために、空気孔にポンプを接続し、血漿Sをポンプの吸引、押し出し操作によって流下させてもよい。図3において血漿Sは斜線領域で示している。
step3:流路33に染み出した血漿Sと、流路33の検出部上流側に乾燥状態で配置された標識2次抗体BFとが混ぜ合わされ、血漿S中の抗原Aが標識2次抗体BFと結合する。
step4:血漿Sは流路33に沿って空気孔35b側へと徐々に流れ、標識2次抗体BFと結合した抗原Aが、測定用の検出部38上に固定されている1次抗体B1と結合し、抗原Aが1次抗体B1と標識2次抗体BFで挟み込まれたいわゆるサンドイッチ構造が形成される。
step5:抗原Aと結合しなかった標識2次抗体BFの一部は、リファレンス用の検出部39上に固定されている抗体であって、上記2次抗体B2と特異的結合性のある1次抗体B0と結合する。さらに、1次抗体B0と結合しなかった標識2次抗体BFが検出部上に残っている場合があっても、後続の血漿が洗浄の役割を担い、検出部上に浮遊している標識2次抗体BFを洗い流す。
本実施形態において、例えばポッケルスセルへ周波数fの印加電圧を加えて偏光変調素子11を制御した場合について説明する。偏光変調素子11によって偏光状態が制御された測定光Leは、流路基材30(プリズム部)を透過し、流路基材30と金属膜34aとの界面に照射される。このとき、偏光方向の変調の周期の中で、上記界面における測定光Leの偏光状態がp偏光になったとき、測定光Leは表面プラズモンとカップリングして、金属膜34a上に増強電場Ewが発生する。一方、上記界面における測定光Leの偏光状態がs偏光になったとき、測定光Leは表面プラズモンとカップリングしないので、増強電場は発生しない。そして、表面プラズモンの増強電場Ewによって励起された、検出対象信号成分である蛍光標識Fからの蛍光Lfは、周波数fで変動するが、ノイズ信号成分である散乱光Lsは、p偏光、s偏光に関わらず発生するため、周波数変動をしない。これは前述したように、表面プラズモンの誘起に有効に寄与するのがp偏光成分であり、s偏光成分は寄与しないためである。このため、信号処理部24によって、検出した信号光のうち周波数fに同期する成分を検出する測定を行うと、検出対象信号成分が測定され、ノイズ信号成分は除去される。これによりノイズによらない高感度測定を行うことが可能になる。
上記実施形態においては、抗原Aの標識として蛍光標識物質を用いたが、標識としてはその他の光応答性標識(例えば、燐光、散乱光などの標識)を用いてもよい。
次に、第2の実施形態の光学的測定装置および方法について説明する。本実施形態の光学的測定装置2および方法は、偏光変調素子11と導光部材14の間に備えられた波長板12および13と、流路基材30と金属膜34aとの界面における測定光Leの反射光を検出する第2の光検出器40と、第2の信号処理部41と、上記波長板を回転制御する波長板制御部42とを備え、上記反射光をモニタリングすることにより、上記界面における測定光Leの偏光状態を調整する点で、第1の実施形態の光学的測定装置1および方法と異なる。したがって、その他の第1の実施形態の光学的測定装置1および方法と同様の構成要素についての説明は、特に必要のない限り省略する。
流路基材30(プリズム)内に複屈折が存在するとき、偏光変調素子11で流路基材30へ透過する前にp偏光およびs偏光を周期的に切り替える変調を行っても、流路基材30内を伝播する間に例えば楕円偏光となってしまい、増強電場が効率よく生じず、分離検出した信号のS/N比が悪化してしまうという問題が生じる。実際に、安価なプラスチック材料を使ったプリズム(ゼオネックス(登録商標)、ポリスチレン、PMMAなど)を用いた場合、この複屈折は無視することができない。そこで、実際にはこの流路基材30を伝播する間に生じる複屈折の位相差を加味して測定光Leの偏光状態を制御する必要がある。
上記第2の実施形態では、波長板制御部によって波長板を回転制御し、測定光の流路基材内の伝播中に生じる複屈折の位相差を調整したが、下記第3の実施形態にあるように、波長板ではなく直接偏光変調素子を制御するようにしてもよい。
次に、第3の実施形態の光学的測定装置3および方法について説明する。本実施形態の光学的測定装置3および方法は、測定チップC3が、測定光Leがプリズム部に入射してから上記界面に到達するまでに測定光Leに生じる複屈折の位相差に関する位相差情報を表示する情報コード44を備える点、およびこの情報コードを読み取るための情報読取部43と、測定光Leの伝播中に生じる上記複屈折の位相差を制御する位相差制御部45とを備え、上記情報コードが有する位相差情報に基づいて、上記界面における測定光Leの偏光状態を調整する点で、第1の実施形態の光学的測定装置1および方法と異なる。したがって、その他の第1の実施形態の光学的測定装置1および方法と同様の構成要素についての説明は、特に必要のない限り省略する。
測定光Leが流路基材30を伝播する間に生じる複屈折の位相差を加味して測定光Leの偏光状態を制御する必要があるのは、前述した通りである。そこで、本実施形態では、出荷時に予め求められた位相差情報を測定チップC3に添付しておき、さらにその情報を測定時に読み取り、この読み取った情報をFG21が生成する変調波形に反映させて偏光状態を調整することにより、上記複屈折の位相差を加味し、この位相差と逆の位相差を与えるように測定光の偏光状態を制御することができる。
上記第3の実施形態では、波長板ではなく情報コードに基づいて直接偏光変調素子を制御し、測定光の流路基材内の伝播中に生じる複屈折の位相差を調整したが、前述した第2の実施形態にあるように、波長板制御部によって波長板を回転制御するようにしてもよい。
10 光源
11 偏光変調素子(偏光制御機構)
12、13 波長板
14 導光部材
20 制御部
21 ファンクションジェネレータ(FG)(偏光制御機構)
22 偏光変調素子ドライバ(偏光制御機構)
23 光検出器
24 信号処理部
30 流路基材(プリズム部)
32 蓋部材
33 流路
34a・34b 金属膜
40 第2の光検出器
41 第2の信号処理部
42 波長板制御部
43 情報読取部
44 情報コード
45 位相差制御部
A 被検物質
BF 蛍光標識結合物質
C1、C2、C3 測定チップ
Ew 増強電場
Le 測定光
Lf 蛍光
Lr 反射光
Ls 散乱光
Claims (9)
- 表面プラズモンを利用して試料中の被検物質の有無および/または量を測定する光学的測定装置において、
測定光を出射する光源と、
流路を形成する流路基材と、該流路の壁面の一部を構成するプリズム部と、前記流路に接するように形成された該プリズム部上の金属膜を含む検出部とを備える測定チップと、
前記プリズム部と前記金属膜との界面で前記測定光が全反射条件を満たすように、該プリズム部を通して一方の側から該界面に前記測定光を導光する導光部材と、
前記測定光の前記界面における偏光方向を変調せしめるように、該測定光の偏光状態を制御する偏光制御機構と、
前記界面に関して他方の側に配置された、前記検出部から生じる信号光を検出する光検出器と、
前記偏光方向の変調に同期した信号成分を前記信号光から分離検出する信号処理部とを備えることを特徴とする光学的測定装置。 - 前記界面における前記測定光の反射光を検出する第2の光検出器を備え、
前記偏光制御機構が、該第2の光検出器に検出された、前記偏光方向の変調に同期して変調する前記反射光の強度に基づいて、該反射光の強度の最大値に対する最小値の比が最小化するように前記偏光状態を制御するものであることを特徴とする請求項1に記載の光学的測定装置。 - 情報コードが表示する情報を読み取る情報読取部を備え、
前記測定チップが、前記測定光が前記プリズム部に入射してから前記界面に到達するまでに該測定光に生じる複屈折の位相差に関する位相差情報を表示する情報コードを備えたものであり、
前記偏光制御機構が、前記情報読取部により読み取られた前記測定チップの前記情報コードが表示する前記位相差情報に基づいて、前記測定光に前記位相差と逆の位相差が生じるように前記偏光状態を制御するものであることを特徴とする請求項1または2に記載の光学的測定装置。 - 表面プラズモンを利用して試料中の被検物質の存在および/または量を測定する光学的測定方法において、
流路を形成する流路基材と、該流路の壁面の一部を構成するプリズム部と、前記流路に接するように形成された該プリズム部上の金属膜を含む検出部とを備える測定チップを用い、
前記プリズム部と前記金属膜との界面で測定光が全反射条件を満たすように、該プリズム部を通して一方の側から該界面に前記測定光を導光せしめ、
前記測定光の前記界面における偏光方向を変調せしめるように、該測定光の偏光状態を制御し、
前記検出部から生じる信号光を前記界面に関して他方の側から検出し、
前記偏光方向の変調に同期した信号成分を前記信号光から分離検出し、
該分離検出された信号成分により、前記被検物質の存在および/または量を測定することを特徴とする光学的測定方法。 - 前記測定光が前記プリズム部に入射してから前記界面に到達するまでに該測定光に生じる複屈折の位相差と逆の位相差を与えるように、前記偏光状態を制御することを特徴とする請求項4に記載の光学的測定方法。
- 前記界面における前記測定光の反射光であって、前記偏光方向の変調に同期して変調する前記反射光の強度に基づいて、前記逆の位相差を与えるように前記偏光状態を制御することを特徴とする請求項5に記載の光学的測定方法。
- 前記測定チップに備えられた、該位相差に関する位相差情報を表示する情報コードに基づいて、前記逆の位相差を与えるように前記偏光状態を制御することを特徴とする請求項5または6に記載の光学的測定方法。
- 前記検出部から生じる前記信号光として、前記被検物質を標識する標識物質から生じる光を検出することを特徴とする請求項4から7いずれかに記載の光学的測定方法。
- 前記標識物質が、前記測定光に励起されて蛍光を発する蛍光標識であることを特徴とする請求項8に記載の光学的測定方法。
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