JP2012026924A - Optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measurement device and plasmon excitation sensor used in the same - Google Patents

Optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measurement device and plasmon excitation sensor used in the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical fiber type surface enhanced fluorescence measurement device which is capable of detecting a desired analyte with high precision by applying optical fiber technology to surely collect fluorescent light and is capable of easily detecting the desired analyte without controlling a resonance angle of excitation light, and to provide a plasmon excitation sensor used in the same.SOLUTION: A plasmon excitation sensor used in an optical fiber type surface enhanced fluorescence measurement device has an optical fiber structure comprising at least a core part made of a columnar dielectric member having metal fine particles dispersed therein and a clad part provided on the outside of the core part in a concentric-circle state and having, on an inner surface, a reaction layer for capturing an analyte labeled by a fluorochrome and is configured so that an electric field of the metal fine particles is enhanced by irradiation of excitation light from a light source to one side end part of the core part to excite the fluorochrome in the reaction layer and thereby enhanced fluorescent light is detected by optical detection means.

Description

本発明は、表面プラズモン励起増強蛍光分光法(SPFS;Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy)の原理に基づいた光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置およびこの光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置に用いられるプラズモン励起センサに関する。   The present invention relates to an optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus based on the principle of surface plasmon excitation enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) and plasmon excitation used in the optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus. It relates to sensors.

従来より、ナノメートルレベルなどの微細領域中で電子と光とが共鳴することにより、高い光出力を得る現象(表面プラズモン共鳴(SPR;Surface Plasmon Resonance)現象)を応用し、例えば生体内の極微少なアナライトの検出を行うようにした表面プラズモン共鳴装置(以下SPR装置とする)が用いられている。   Conventionally, a phenomenon (surface plasmon resonance (SPR) phenomenon) in which high light output is obtained by resonating electrons and light in a minute region such as a nanometer level is applied. A surface plasmon resonance device (hereinafter referred to as an SPR device) that detects a small amount of analyte is used.

このようなSPR装置100は、図5に示したように、誘電体部材106の上面に金属薄膜102が形成されており、この金属薄膜102上に所定のリガンドを固定した固定層104が形成されている。   In such an SPR device 100, as shown in FIG. 5, a metal thin film 102 is formed on the upper surface of a dielectric member 106, and a fixed layer 104 on which a predetermined ligand is fixed is formed on the metal thin film 102. ing.

さらに、誘電体部材106の下方側には、金属薄膜102に向かって励起光110を照射する光源108を備え、さらに光源108から照射され、金属薄膜102で反射した金属薄膜反射光114を受光する受光手段112が備えられている。   Further, a light source 108 that irradiates the excitation light 110 toward the metal thin film 102 is provided below the dielectric member 106, and the metal thin film reflected light 114 that is irradiated from the light source 108 and reflected by the metal thin film 102 is received. A light receiving means 112 is provided.

そして、SPR装置100の使用において、固定層104に特定のアナライトを含んだ検体試料溶液を流し、この状態で誘電体部材106の下方より金属薄膜102に向かって励起光110を共鳴角116で照射し、さらに金属薄膜102に反射した金属薄膜反射光114を受光手段112で受光する。   In use of the SPR device 100, a specimen sample solution containing a specific analyte is passed through the fixed layer 104, and in this state, the excitation light 110 is directed toward the metal thin film 102 from below the dielectric member 106 at the resonance angle 116. The metal thin film reflected light 114 that has been irradiated and reflected by the metal thin film 102 is received by the light receiving means 112.

なお、金属薄膜102に向かって共鳴角116で励起光110を照射すると、金属薄膜102上に粗密波(表面プラズモン)が生じ、この際、励起光110と金属薄膜102中の電子振動とがカップリングして、金属薄膜反射光114の光量減少が生ずる。   When the excitation light 110 is irradiated toward the metal thin film 102 at the resonance angle 116, a close-packed wave (surface plasmon) is generated on the metal thin film 102. At this time, the excitation light 110 and the electronic vibration in the metal thin film 102 are cupped. As a result, the light amount of the metal thin film reflected light 114 is reduced.

この現象は、アナライトの有無によって共鳴角116が変わってくるため、アナライトを含まない試料溶液を固定層104に流したときの共鳴角116を予め調べておけば、共鳴角116が異なった場合に所定のアナライトを有すると判断できることとなる。これにより、所定のアナライトが検体試料溶液中に含有されているか否かを知ることができる。   In this phenomenon, since the resonance angle 116 changes depending on the presence or absence of the analyte, if the resonance angle 116 when the sample solution not containing the analyte is passed through the fixed layer 104 is examined in advance, the resonance angle 116 is different. In this case, it can be determined that the predetermined analyte is included. Thereby, it is possible to know whether or not a predetermined analyte is contained in the specimen sample solution.

一方、このような表面プラズモン共鳴(SPR)現象を応用した表面プラズモン励起増強蛍光分光法(SPFS)の原理に基づき、SPR装置100よりもさらに高精度にアナライト検出を行えるようにした表面プラズモン増強蛍光測定装置(以下、SPFS装置200とする)も開発されている(例えば特許文献1,2)。   On the other hand, based on the principle of surface plasmon excitation enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) applying such a surface plasmon resonance (SPR) phenomenon, the surface plasmon enhancement that enables the analyte detection with higher accuracy than the SPR device 100. A fluorescence measuring apparatus (hereinafter referred to as SPFS apparatus 200) has also been developed (for example, Patent Documents 1 and 2).

このようなSPFS装置200は、図6に示したように、まず誘電体部材206の上面に金属薄膜202が形成されており、さらにこの金属薄膜202上に、蛍光色素で標識されたアナライトを捕捉する反応層204が形成されたプラズモン励起センサ218を備えている。   In such an SPFS apparatus 200, as shown in FIG. 6, a metal thin film 202 is first formed on the upper surface of a dielectric member 206, and an analyte labeled with a fluorescent dye is further formed on the metal thin film 202. A plasmon excitation sensor 218 having a reaction layer 204 to be captured is provided.

そして、プラズモン励起センサ218の誘電体部材206側には、金属薄膜202に向かって励起光210を照射する光源208と、光源208から照射され金属薄膜202で反射した金属薄膜反射光214を受光する受光手段212が設けられている。   The dielectric member 206 side of the plasmon excitation sensor 218 receives the light source 208 that irradiates the excitation light 210 toward the metal thin film 202 and the metal thin film reflected light 214 that is irradiated from the light source 208 and reflected by the metal thin film 202. A light receiving means 212 is provided.

一方、プラズモン励起センサ218の反応層204側には、反応層204で捕捉されたアナライトを標識した蛍光色素が発する蛍光220を受光する光検出手段222が設けられている。   On the other hand, on the reaction layer 204 side of the plasmon excitation sensor 218, a light detection means 222 that receives fluorescence 220 emitted from a fluorescent dye labeled with the analyte captured by the reaction layer 204 is provided.

なお、反応層204と光検出手段222との間には、蛍光220を効率よく集光するための集光部材224と、蛍光220以外に含まれる光を除去し、必要な蛍光220のみを選択する波長選択機能部材226が設けられている。   In addition, between the reaction layer 204 and the light detection means 222, the light collecting member 224 for efficiently condensing the fluorescent light 220 and the light included in the portion other than the fluorescent light 220 are removed, and only the necessary fluorescent light 220 is selected. A wavelength selection function member 226 is provided.

そして、SPFS装置200の使用においては、金属薄膜202上に、あらかじめ蛍光色素で標識されたアナライトが捕捉された反応層204を形成しておき、この状態で光源208より誘電体部材206内に励起光210を照射し、この励起光210が共鳴角216で金属薄膜202に入射することで、金属薄膜202上に粗密波(表面プラズモン)を生ずるようになっている。   When the SPFS apparatus 200 is used, a reaction layer 204 in which an analyte labeled with a fluorescent dye is captured in advance is formed on the metal thin film 202, and in this state, the light source 208 enters the dielectric member 206. The excitation light 210 is irradiated, and the excitation light 210 is incident on the metal thin film 202 at the resonance angle 216, thereby generating a dense wave (surface plasmon) on the metal thin film 202.

なお、金属薄膜202上に粗密波(表面プラズモン)が生ずる際には、励起光210と金属薄膜202中の電子振動とがカップリングし、金属薄膜反射光214の光量減少が生ずるため、受光手段212で受光される金属薄膜反射光214のシグナルが変化(光量が減少)する地点を見つければ、粗密波(表面プラズモン)が生ずる共鳴角216を得ることができる。   In addition, when a close-packed wave (surface plasmon) is generated on the metal thin film 202, the excitation light 210 and the electronic vibration in the metal thin film 202 are coupled to reduce the light amount of the metal thin film reflected light 214. If a point where the signal of the metal thin film reflected light 214 received at 212 changes (the amount of light decreases) is found, a resonance angle 216 at which a dense wave (surface plasmon) occurs can be obtained.

そして、この粗密波(表面プラズモン)を生ずる現象により、金属薄膜202上の反応層204の蛍光色素が効率良く励起され、これにより蛍光色素が発する蛍光220の光量が増大することとなる。   Then, due to the phenomenon of generating the dense wave (surface plasmon), the fluorescent dye of the reaction layer 204 on the metal thin film 202 is efficiently excited, and thereby the amount of the fluorescent light 220 emitted from the fluorescent dye is increased.

この増大した蛍光220を、集光部材224および波長選択機能部材226を介して光検出手段222で受光することで、極微量および/または極低濃度のアナライトを検出することができるようになっている。   By receiving the increased fluorescence 220 by the light detection means 222 via the light collecting member 224 and the wavelength selection function member 226, it is possible to detect an extremely small amount and / or an extremely low concentration of the analyte. ing.

近年、SPR装置100やSPFS装置200の更なる精度向上に向けた技術開発が盛んに行われている。
例えば、SPR装置100においては、光ファイバー技術を応用し、入射角度を変化させる機構、または様々な角度成分を含む光源を含み、誘電体部材(プリズム)を用いる必要が無く、小型で簡易としたSPR装置100が開示されている(例えば、特許文献3〜5)。
In recent years, technological development for further improving the accuracy of the SPR device 100 and the SPFS device 200 has been actively performed.
For example, in the SPR device 100, optical fiber technology is applied, a mechanism for changing the incident angle, or a light source including various angle components is included, and there is no need to use a dielectric member (prism), and a small and simple SPR. An apparatus 100 is disclosed (for example, Patent Documents 3 to 5).

また、微粒子を光ファイバー表面に結合させ、共鳴角シフト構造が不要で、誘電体部材(プリズム)を用いる必要が無く、小型で簡易な構造で微量成分の検出が可能な局在プラズモンセンサ技術も開示されている(例えば、特許文献6)。   Also disclosed is a localized plasmon sensor technology that allows fine particles to be bonded to the surface of an optical fiber, does not require a resonance angle shift structure, does not require the use of a dielectric member (prism), and can detect trace components with a small and simple structure. (For example, Patent Document 6).

このような光ファイバー技術を応用した光ファイバー型SPR装置300は、図7に示したように、励起光310の伝送部分であり誘電体部材306から成るコア部318と、励起光310を全反射させるとともに励起光310が外部に漏れ出すことを防止するクラッド部320と、からなる2重構造の光ファイバー322を備えている。   As shown in FIG. 7, the optical fiber type SPR device 300 using such optical fiber technology totally reflects the excitation light 310 and the core portion 318 made of the dielectric member 306 as a transmission part of the excitation light 310. An optical fiber 322 having a double structure including a clad portion 320 that prevents the excitation light 310 from leaking to the outside is provided.

そして、光ファイバー322の一方側端部は、コア部318が露出されており、このコア部318の外表面に金属薄膜302が設けられ、さらにその外側には、特定のリガンドを固定する固定層304が形成されている。   At one end of the optical fiber 322, the core portion 318 is exposed, a metal thin film 302 is provided on the outer surface of the core portion 318, and a fixed layer 304 for fixing a specific ligand is provided on the outer side. Is formed.

そして、光ファイバー322の他方側端部には、コア部318に励起光310を照射するための光源308が設けられ、一方側端部には、金属薄膜302に反射した金属薄膜反射光314を受光する受光手段312が設けられている。   A light source 308 for irradiating the core 318 with the excitation light 310 is provided at the other end of the optical fiber 322, and the metal thin film reflected light 314 reflected by the metal thin film 302 is received at one end. A light receiving means 312 is provided.

このような光ファイバー型SPR装置300の使用においては、まず固定層304に所定のアナライトを含有した検体試料溶液を流して、固定層304で所定のアナライトを捕捉する。   In using such an optical fiber type SPR device 300, first, a specimen sample solution containing a predetermined analyte is passed through the fixed layer 304, and the predetermined analyte is captured by the fixed layer 304.

そしてこの状態で、コア部318の誘電体部材306に励起光310を共鳴角316で照射し、コア部318の外側の金属薄膜302に反射した金属薄膜反射光314を受光手段312で受光することで、検体試料溶液中にアナライトが含有されているか否かを知ることができるようになっている。   In this state, the dielectric member 306 of the core portion 318 is irradiated with the excitation light 310 at the resonance angle 316, and the metal thin film reflected light 314 reflected on the metal thin film 302 outside the core portion 318 is received by the light receiving means 312. Thus, it is possible to know whether or not the analyte is contained in the specimen sample solution.

そして、光ファイバー型SPR装置300と同じように、光ファイバー技術を応用した光ファイバー型SPFS装置の開発も望まれている。   As with the optical fiber type SPR device 300, the development of an optical fiber type SPFS device using optical fiber technology is also desired.

特許第3294605号公報Japanese Patent No. 3294605 特開2006−208069号公報JP 2006-208069 A 特許第2938973号公報Japanese Patent No. 29389973 特許第3231675号公報Japanese Patent No. 3231675 特許第3592065号公報Japanese Patent No. 3592065 特開2005−181296号公報JP 2005-181296 A

しかしながら、SPFS装置は、SPR装置とは測定方法が全く異なるため、光ファイバー技術を応用することが困難である。
SPR装置においては、基本的に共鳴角、すなわち金属薄膜から反射されずに局在場光となった成分が最大となる角度を求めることで、アナライトの誘電率と存在量の変化を測定できる。
However, since the measurement method of the SPFS device is completely different from that of the SPR device, it is difficult to apply the optical fiber technology.
In an SPR device, the change in the dielectric constant and abundance of an analyte can be measured basically by determining the resonance angle, that is, the angle at which the component that has become localized field light without being reflected from the metal thin film is maximized. .

光ファイバー型SPR装置においては、一方の側端部から種々の角度で入射された光がコア部を通って反対側の側端面に設置された受光手段に到達する透過光量変化を測定することで、同様に共鳴角を測定することが可能であり、原理的にATR(全反射減衰)に近い。   In the optical fiber type SPR device, by measuring the change in the amount of transmitted light that the light incident at various angles from one side end portion reaches the light receiving means installed on the opposite side end surface through the core portion, Similarly, the resonance angle can be measured, and is in principle close to ATR (total reflection attenuation).

また図7に示した光ファイバー型SPR装置300のように、誘電体部材306の外表面に金属薄膜302が形成された構造を、SPFS装置に適用させた場合、アナライト検出の際に発生する蛍光を検出するための光検出手段が光ファイバーの外側に必要であり、光ファイバーの特徴である小型で簡易なシステムにはならない。   In addition, when the structure in which the metal thin film 302 is formed on the outer surface of the dielectric member 306 is applied to the SPFS device as in the optical fiber type SPR device 300 shown in FIG. 7, the fluorescence generated when the analyte is detected. The light detection means for detecting the light is required outside the optical fiber, and the system cannot be a small and simple system that is characteristic of the optical fiber.

さらに、微粒子を用いた局在プラズモンセンサでは、伝搬光から局在場光への変換効率が上がらないため感度が上がらないことが知られている。
また、光ファイバー型SPR装置300においては、コア部318の誘電体部材306中に励起光310を照射する際、共鳴角316とするための角度制御が必要であるが、この制御は非常に困難であり、改善が求められていた。
Furthermore, it is known that a localized plasmon sensor using fine particles does not increase sensitivity because the conversion efficiency from propagating light to localized field light does not increase.
Further, in the optical fiber type SPR device 300, when the excitation light 310 is irradiated into the dielectric member 306 of the core portion 318, angle control for setting the resonance angle 316 is necessary, but this control is very difficult. There was a need for improvement.

本発明はこのような現状に鑑みなされたものであって、光ファイバー技術を応用して蛍光を確実に集光し、所望のアナライトを高精度に検出することができる光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置およびこれに用いられるプラズモン励起センサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the current situation, and is an optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measurement that can apply optical fiber technology to reliably collect fluorescence and detect a desired analyte with high accuracy. An object is to provide an apparatus and a plasmon excitation sensor used in the apparatus.

また本発明は、励起光の共鳴角を制御することなく簡単に所望のアナライトの検出を行うことのできる光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置およびこれに用いられるプラズモン励起センサを提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide an optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus capable of easily detecting a desired analyte without controlling the resonance angle of excitation light, and a plasmon excitation sensor used therefor. And

本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決するために発明されたものであって、
本発明のプラズモン励起センサは、
光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置に用いられるプラズモン励起センサであって、
前記プラズモン励起センサは、
内部に金属微粒子が分散された円柱状の誘電体部材からなるコア部と、
前記コア部の外側に同心円状に設けられ、蛍光色素で標識されたアナライトを捕捉する反応層を内表面に有するクラッド部と、
から少なくとも構成された光ファイバー構造であって、
前記コア部の一方側端部に光源より励起光を照射し、前記金属微粒子の電場を増強させて前記反応層の蛍光色素を励起させ、これにより増強された蛍光を光検出手段で検出するよう構成されていることを特徴とする。
The present invention was invented to solve the problems in the prior art as described above,
The plasmon excitation sensor of the present invention is
A plasmon excitation sensor used in an optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring device,
The plasmon excitation sensor is
A core portion made of a cylindrical dielectric member in which metal fine particles are dispersed;
A clad part provided concentrically outside the core part and having a reaction layer on the inner surface for capturing an analyte labeled with a fluorescent dye;
An optical fiber structure comprising at least
One end of the core is irradiated with excitation light from a light source, the electric field of the metal fine particles is enhanced to excite the fluorescent dye of the reaction layer, and the enhanced fluorescence is detected by the light detection means. It is configured.

このように構成すれば、励起光がプラズモン励起センサの外に漏れ出すことがないため、励起光の利用効率が高く、S/N比を向上させて、高精度にアナライトの検出を行うことができる。   With this configuration, since the excitation light does not leak out of the plasmon excitation sensor, the use efficiency of the excitation light is high, the S / N ratio is improved, and the analyte is detected with high accuracy. Can do.

また、上記センサ構造において金属微粒子が実質的に導通するような近接した状態であり、かつ光の透過性を確保する構造にすることで通常の局在プラズモンセンサと同様に入射角度制御は不要であり、一方で金属微粒子を伝わりながら、金属微粒子の界面で電場増強が生じるため、局在プラズモンでは達成できない局在場光の伝搬が可能な光の通り道(コア)と、センシングした蛍光の通り道(クラッド)を分離することができる。さらにコア内で光路長も長く取れるため、光の利用効率も著しく高くできる。   In addition, in the above sensor structure, the metal fine particles are in close proximity so as to be substantially conductive, and the structure for ensuring light transmission eliminates the need for incident angle control as in a normal localized plasmon sensor. On the other hand, the electric field is enhanced at the interface of the metal fine particles while passing through the metal fine particles, so that the light path (core) capable of propagating the local field light that cannot be achieved by the local plasmon and the sensed fluorescence path ( Can be separated. Furthermore, since the optical path length can be increased in the core, the light utilization efficiency can be remarkably increased.

このため、励起光の共鳴角を見つける必要がなく、簡単な構造で高感度に所望のアナライト検出を行うことができる。
さらに、このような構成であれば、金型で一体的に樹脂成形が可能であるため、製造が容易であり、製造コストを抑えることができる。
Therefore, it is not necessary to find the resonance angle of the excitation light, and desired analyte detection can be performed with a simple structure and high sensitivity.
Furthermore, with such a configuration, resin molding can be performed integrally with a mold, so that the manufacturing is easy and the manufacturing cost can be reduced.

また、本発明のプラズモン励起センサは、
前記金属微粒子が、ナノワイヤーまたはナノコロイドであることを特徴とする。
このようにナノワイヤーまたはナノコロイドであれば、コア部材に励起光を照射した際に、光の透過を妨げることがないため、確実にナノワイヤーまたはナノコロイドの表面で表面プラズモンを生じ、蛍光を励起させて所望のアナライト検出を行うことができる。
The plasmon excitation sensor of the present invention is
The metal fine particles are nanowires or nanocolloids.
In this way, nanowires or nanocolloids do not interfere with the transmission of light when the core member is irradiated with excitation light, so surface plasmons are reliably generated on the surface of the nanowires or nanocolloids, and fluorescence is emitted. It can be excited to perform the desired analyte detection.

中でも特にナノワイヤーであれば、誘電体部材中でナノワイヤーが長さ方向に重なり、かつ金属粒子密度あたりの透過率を高く保てるため、表面プラズモンを確実に生じさせることができる。   In particular, in the case of nanowires, since the nanowires overlap in the length direction in the dielectric member and the transmittance per metal particle density can be kept high, surface plasmons can be reliably generated.

また、本発明のプラズモン励起センサは、
前記コア部とクラッド部との界面に隙間が形成されており、
前記隙間内に検体試料溶液が充填されるよう構成されていることを特徴とする。
The plasmon excitation sensor of the present invention is
A gap is formed at the interface between the core portion and the cladding portion,
The specimen sample solution is filled in the gap.

このようにコア部とクラッド部の界面の隙間に検体試料溶液が充填されるようにすれば、この隙間が流路の替わりとなるため、特に流路を形成する必要がなく、製造が容易である。   If the sample sample solution is filled in the gap at the interface between the core part and the clad part in this way, this gap becomes a substitute for the flow path. is there.

また、本発明のプラズモン励起センサは、
前記クラッド部の外側に、同心円状に被覆層が形成されていることを特徴とする。
このようにクラッド部の外側に被覆層が設けられていれば、反応層で生じた蛍光以外のノイズ成分を防止することができるため、所望のアナライト検出を高精度に行うことができる。
The plasmon excitation sensor of the present invention is
A coating layer is formed concentrically outside the clad portion.
Thus, if the coating layer is provided outside the cladding portion, noise components other than the fluorescence generated in the reaction layer can be prevented, so that desired analyte detection can be performed with high accuracy.

また、本発明のプラズモン励起センサは、
前記コア部およびクラッド部の励起光が照射される一方側端部に、ダイクロイックミラーが配設されていることを特徴とする。
The plasmon excitation sensor of the present invention is
A dichroic mirror is disposed at one end of the core portion and the cladding portion irradiated with excitation light.

このようにダイクロイックミラーが設けられていれば、反応層で生じた蛍光が光源側に戻ってしまうことを防止できるため、確実に蛍光を検出して所望のアナライト検出を高精度に行うことができる。   If the dichroic mirror is provided in this way, it is possible to prevent the fluorescence generated in the reaction layer from returning to the light source side, so that it is possible to reliably detect the fluorescence and perform desired analyte detection with high accuracy. it can.

また、本発明の光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置は、
上記のいずれかに記載のプラズモン励起センサと、
前記プラズモン励起センサにおける前記コア部およびクラッド部の一方側端部に設けられ、励起光を照射する光源と、
前記コア部およびクラッド部の他方側端部に設けられ、前記増強された蛍光色素を検出する光検出手段と、
を少なくとも備えることを特徴とする。
In addition, the optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring device of the present invention,
A plasmon excitation sensor according to any of the above,
A light source that is provided at one end of the core part and the clad part in the plasmon excitation sensor and that emits excitation light;
A light detecting means provided at the other end of the core and the clad and for detecting the enhanced fluorescent dye;
At least.

このような光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置であれば、上記したプラズモン励起センサにより、光源より励起光を照射する際の角度制御が不要であり、また光の利用効率が高く、S/N比を向上させて、高精度に所望のアナライト検出を行うことができる。   With such an optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring device, the above-described plasmon excitation sensor does not require angle control when irradiating excitation light from a light source, has high light utilization efficiency, and has an S / N ratio. The desired analyte can be detected with high accuracy.

本発明によれば、光ファイバー技術を応用するとともに、励起光の邪魔にならないよう、コア部材中に金属微粒子を含有させ、この金属微粒子に表面プラズモンを生じさせて反応層の蛍光を増強させるようにしたので、蛍光を確実に集光し、所望のアナライトを高精度に検出することができる光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置およびこれに用いられるプラズモン励起センサを提供することができる。   According to the present invention, the optical fiber technology is applied, and metal fine particles are contained in the core member so as not to disturb the excitation light, and surface plasmons are generated in the metal fine particles to enhance the fluorescence of the reaction layer. Therefore, it is possible to provide an optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus and a plasmon excitation sensor used therefor that can reliably collect fluorescence and detect a desired analyte with high accuracy.

また、励起光の共鳴角を制御することなく簡単に所望のアナライトの検出を行うことのできる光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置およびこれに用いられるプラズモン励起センサを提供することができる。   In addition, it is possible to provide an optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus capable of easily detecting a desired analyte without controlling the resonance angle of excitation light, and a plasmon excitation sensor used therefor.

図1は、本発明の光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定(SPFS)装置の実施例における概略図である。FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of the optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measurement (SPFS) apparatus of the present invention. 図2は、図1に示した光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定(SPFS)装置におけるプラズモン励起センサのA−A線による断面図である。2 is a cross-sectional view taken along line AA of the plasmon excitation sensor in the optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measurement (SPFS) apparatus shown in FIG. 図3は、本発明の光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定(SPFS)装置の他の実施例における概略図である。FIG. 3 is a schematic view of another embodiment of the optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measurement (SPFS) apparatus of the present invention. 図4は、図3に示した光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定(SPFS)装置におけるプラズモン励起センサのB−B線による断面図である。4 is a cross-sectional view of the plasmon excitation sensor in the optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measurement (SPFS) apparatus shown in FIG. 図5は、表面プラズモン共鳴(SPR)装置の基本的な構造を示した概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the basic structure of a surface plasmon resonance (SPR) device. 図6は、表面プラズモン増強蛍光測定(SPFS)装置の基本的な構造を示した概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing a basic structure of a surface plasmon enhanced fluorescence measurement (SPFS) apparatus. 図7は、光ファイバー型表面プラズモン共鳴(SPR)装置の基本的な構造を示した概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing the basic structure of an optical fiber type surface plasmon resonance (SPR) apparatus.

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
図1は、本発明の光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置の実施例における概略図、図2は、図1に示した光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置におけるプラズモン励起センサのA−A線による断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail based on the drawings.
FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of an optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a cross section taken along line AA of a plasmon excitation sensor in the optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus shown in FIG. FIG.

本発明の光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置およびこれに用いられるプラズモン励起センサは、光ファイバー技術を応用して蛍光を確実に集光し、所望のアナライトを高精度に検出することができ、また励起光の共鳴角を制御することなく簡単に所望のアナライトの検出を行うことのできるものである。   The optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus of the present invention and the plasmon excitation sensor used therefor can reliably collect fluorescence by applying optical fiber technology, and can detect a desired analyte with high accuracy. It is possible to easily detect a desired analyte without controlling the resonance angle of the excitation light.

<光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定(SPFS)装置10>
図1に示したように、本発明の光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置(以下、光ファイバー型SPFS装置とする)10は、まず金属微粒子12が分散された円柱状の誘電体部材16からなるコア部38と、このコア部38の外側に同心円状に設けられ、内表面に蛍光色素を担持したアナライトを捕捉するための反応層14を有するクラッド部40と、から少なくとも構成された光ファイバー構造のプラズモン励起センサ18を有している。
<Optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measurement (SPFS) apparatus 10>
As shown in FIG. 1, an optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus (hereinafter referred to as an optical fiber type SPFS apparatus) 10 of the present invention is a core composed of a cylindrical dielectric member 16 in which metal fine particles 12 are dispersed. An optical fiber structure comprising at least a portion 38 and a clad portion 40 provided concentrically outside the core portion 38 and having a reaction layer 14 for capturing an analyte carrying a fluorescent dye on the inner surface. A plasmon excitation sensor 18 is provided.

ここでコア部38を構成する誘電体部材16の材質としては、光学的に透明な各種の無機物,天然ポリマー,合成ポリマーを用いることができ、化学的安定性,製造安定性および光学的透明性の観点から、二酸化ケイ素(SiO2)または二酸化チタン(TiO2)を含むことが好ましい。 Here, as the material of the dielectric member 16 constituting the core portion 38, various optically transparent inorganic substances, natural polymers, and synthetic polymers can be used, and chemical stability, manufacturing stability, and optical transparency can be used. In view of the above, it is preferable to contain silicon dioxide (SiO 2 ) or titanium dioxide (TiO 2 ).

また、この誘電体部材16中に分散される金属微粒子12としては、ナノワイヤーまたはナノコロイドを用いることが好ましい。
中でもナノワイヤーは、誘電体部材16中で長さ方向に重なるため、表面プラズモンを確実に生じさせるのに好適である。
Further, it is preferable to use nanowires or nanocolloids as the metal fine particles 12 dispersed in the dielectric member 16.
Among these, the nanowires overlap in the dielectric member 16 in the length direction, and thus are suitable for reliably generating surface plasmons.

ここでナノコロイドの粒子径としては20〜500nmの範囲内であることが好ましい。
一方、ナノワイヤーの長辺長さとしては1〜100μmの範囲内であることが好ましく、また短辺長さとしては10〜500nmの範囲内であることが好ましい。なお、長辺と短辺のアスペクト比については5〜100の範囲内であることが好ましい。
Here, the particle diameter of the nanocolloid is preferably in the range of 20 to 500 nm.
On the other hand, the long side length of the nanowire is preferably in the range of 1 to 100 μm, and the short side length is preferably in the range of 10 to 500 nm. The aspect ratio between the long side and the short side is preferably in the range of 5 to 100.

さらにこのような金属微粒子12の材質としては、プラズモンを発生する金属、好ましくは金,銀,アルミニウム,銅,および白金からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属からなり、より好ましくは銀からなり、さらにこれら金属の合金から成ることである。上記した金属は、酸化に対して安定であり、かつ粗密波(表面プラズモン)による電場増強が大きくなることから金属微粒子12に好適である。   Further, the material of the metal fine particles 12 is made of a metal that generates plasmon, preferably at least one metal selected from the group consisting of gold, silver, aluminum, copper, and platinum, more preferably silver. Furthermore, it is made of an alloy of these metals. The above metals are suitable for the metal fine particles 12 because they are stable against oxidation and increase in electric field due to dense waves (surface plasmons) becomes large.

また、誘電体部材16中に金属微粒子12を分散させたコア部38を製造する方法としては、例えば誘電体部材16の原料である樹脂材を溶融し、ここに金属微粒子12を入れて混ぜ合わせ金型で成形すれば良い。   Further, as a method of manufacturing the core part 38 in which the metal fine particles 12 are dispersed in the dielectric member 16, for example, a resin material that is a raw material of the dielectric member 16 is melted, and the metal fine particles 12 are put in and mixed therewith. What is necessary is just to shape | mold with a metal mold | die.

一方、クラッド部40は、コア部38を構成する誘電体部材16の屈折率よりも低く設定されていること以外は、基本的に同じ材質を用いることができ、プラスチック材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン、環状オレフィン系樹脂などのポリオレフィン類、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのビニル系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリサルホン(PSF)、ポリエーテルサルホン(PES)、ポリカーボネート(PC)、ポリアミド、ポリイミド、アクリル樹脂、トリアセチルセルロース(TAC)などを用いることができる。   On the other hand, the clad portion 40 can be basically made of the same material except that it is set lower than the refractive index of the dielectric member 16 constituting the core portion 38. As the plastic material, for example, polyethylene Polyesters such as terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate, polyolefins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene and cyclic olefin resins, vinyl resins such as polyvinyl chloride and polyvinylidene chloride, polyether ethers Ketone (PEEK), polysulfone (PSF), polyethersulfone (PES), polycarbonate (PC), polyamide, polyimide, acrylic resin, triacetyl cellulose (TAC), and the like can be used.

無機材料としては、二酸化ケイ素(SiO2)または二酸化チタン(TiO2)等を用いることができる。
また、化学的安定性,製造安定性および光学的透明性の観点から、二酸化ケイ素(SiO2)または二酸化チタン(TiO2)が好ましく、取り扱い易さおよびコストの点から、ポリエチレンテレフタレート、アクリル樹脂、トリアセチルセルロースを含むことが好ましい。
As the inorganic material, silicon dioxide (SiO 2 ) or titanium dioxide (TiO 2 ) can be used.
Further, from the viewpoints of chemical stability, production stability, and optical transparency, silicon dioxide (SiO 2 ) or titanium dioxide (TiO 2 ) is preferable. From the viewpoint of ease of handling and cost, polyethylene terephthalate, acrylic resin, It is preferable to contain triacetyl cellulose.

このようなクラッド部40は、管状のクラッド部40を成形しておき、この内表面に反応層14を設けることで簡単に製造が可能である。
そしてこのクラッド部40内に、コア部38を挿入することで、図2に示したようにコア部38に対してクラッド部40が同心円状に配設されたプラズモン励起センサ18が得られる。
Such a clad portion 40 can be easily manufactured by forming the tubular clad portion 40 and providing the reaction layer 14 on the inner surface thereof.
Then, by inserting the core portion 38 into the clad portion 40, the plasmon excitation sensor 18 in which the clad portion 40 is concentrically arranged with respect to the core portion 38 as shown in FIG.

なお、このときコア部38とクラッド部40との間は、隙間34が生ずるようになっており、両部の位置決めについては、別途位置決め用の部材(図示せず)を設けて固定したり、コア部38の両端部にフランジ部(図示せず)を形成し、このフランジ部とクラッド部40とを接続するようにするなど、如何なる固定方法であっても良いものである。   At this time, a gap 34 is formed between the core portion 38 and the clad portion 40. For positioning of both portions, a positioning member (not shown) is separately provided and fixed. Any fixing method may be used, such as forming flange portions (not shown) at both ends of the core portion 38 and connecting the flange portion and the clad portion 40.

ここでコア部38とクラッド部40との間に設けられた隙間34は、後述するように流路としての役割をなし、ここに所望のアナライトを含んだ検体試料溶液が充填されることで、反応層14のリガンドにアナライトが捕捉されるようになっている。   Here, the gap 34 provided between the core portion 38 and the cladding portion 40 serves as a flow path as will be described later, and is filled with a specimen sample solution containing a desired analyte. The analyte is captured by the ligand of the reaction layer 14.

ここで検体試料溶液に用いられる検体としては、血液,血清,血漿,尿,鼻孔液,唾液,便,体腔液(髄液,腹水,胸水等)などが挙げられる。
また、検体試料溶液中に含有されるアナライトは、例えば、核酸(一本鎖であっても二本鎖であってもよいDNA,RNA,ポリヌクレオチド,オリゴヌクレオチド,PNA(ペプチド核酸)等、またはヌクレオシド,ヌクレオチドおよびそれらの修飾分子),タンパク質(ポリペプチド、オリゴペプチド等),アミノ酸(修飾アミノ酸も含む。),糖質(オリゴ糖,多糖類,糖鎖等),脂質,またはこれらの修飾分子,複合体などが挙げられ、具体的には、AFP(αフェトプロテイン)等のがん胎児性抗原や腫瘍マーカー,シグナル伝達物質,ホルモンなどであってもよく、特に限定されない。
Examples of the specimen used for the specimen sample solution include blood, serum, plasma, urine, nasal fluid, saliva, feces, body cavity fluid (spinal fluid, ascites, pleural effusion, and the like).
Analytes contained in the sample solution include, for example, nucleic acids (DNA, RNA, polynucleotides, oligonucleotides, PNA (peptide nucleic acid), which may be single-stranded or double-stranded), Alternatively, nucleosides, nucleotides and their modified molecules), proteins (polypeptides, oligopeptides, etc.), amino acids (including modified amino acids), carbohydrates (oligosaccharides, polysaccharides, sugar chains, etc.), lipids, or modifications thereof Examples thereof include molecules, complexes, and the like, and specifically, carcinoembryonic antigens such as AFP (α-fetoprotein), tumor markers, signal transduction substances, hormones, and the like may be used without particular limitation.

さらにアナライトを標識させるために用いられる蛍光色素としては、所定の励起光20を照射するか、または電界効果を利用することで励起し、蛍光26を発する物質であれば、特に限定されない。なお本明細書でいう蛍光26とは、燐光など各種の発光も含まれるものである。   Further, the fluorescent dye used for labeling the analyte is not particularly limited as long as it is a substance that emits fluorescence 26 by being irradiated with predetermined excitation light 20 or excited by using a field effect. In addition, the fluorescence 26 as used in this specification includes various light emission, such as phosphorescence.

本発明において蛍光色素は、所定の励起光を照射する、または電界効果を利用して励起することによって蛍光を発光する機能をなすものである。ここで、「蛍光」は、燐光など各種の発光も含む。   In the present invention, the fluorescent dye has a function of emitting fluorescence by irradiating with predetermined excitation light or by exciting using the electric field effect. Here, “fluorescence” includes various types of light emission such as phosphorescence.

このような蛍光色素は、その種類に特に制限はなく、公知の蛍光色素のいずれであっても良い。一般に、単色比色計(monochromometer)よりむしろフィルタを備えた蛍光計の使用をも可能にし、かつ検出の効率を高める大きなストークス・シフトを有する蛍光色素が好ましい。   There is no restriction | limiting in particular in the kind of such fluorescent dye, Any of well-known fluorescent dye may be sufficient. In general, fluorescent dyes with large Stokes shifts that allow the use of a fluorometer with a filter rather than a monochromator and also increase the efficiency of detection are preferred.

蛍光色素としては、例えば、フルオレセイン・ファミリーの蛍光色素(Integrated DNA Technologies社製)、ポリハロフルオレセイン・ファミリーの蛍光色素(アプライドバイオシステムズジャパン(株)製)、ヘキサクロロフルオレセイン・ファミリーの蛍光色素(アプライドバイオシステムズジャパン(株)製)、クマリン・ファミリーの蛍光色素(インビトロジェン(株)製)、ローダミン・ファミリーの蛍光色素(GEヘルスケア バイオサイエンス(株)製)、シアニン・ファミリーの蛍光色素、インドカルボシアニン・ファミリーの蛍光色素、オキサジン・ファミリーの蛍光色素、チアジン・ファミリーの蛍光色素、スクアライン・ファミリーの蛍光色素、キレート化ランタニド・ファミリーの蛍光色素、BODIPY(登録商標)・ファミリーの蛍光色素(インビトロジェン(株)製)、ナフタレンスルホン酸・ファミリーの蛍光色素、ピレン・ファミリーの蛍光色素、トリフェニルメタン・ファミリーの蛍光色素、Alexa Fluor(登録商標)色素シリーズ(インビトロジェン(株)製)などが挙げられる。   Examples of the fluorescent dye include a fluorescent dye of the fluorescein family (manufactured by Integrated DNA Technologies), a fluorescent dye of the polyhalofluorescein family (manufactured by Applied Biosystems Japan Co., Ltd.), and a fluorescent dye of the hexachlorofluorescein family (applied biotechnology). Systems Japan Co., Ltd.), Coumarin Family Fluorescent Dye (Invitrogen), Rhodamine Family Fluorescent Dye (GE Healthcare Bioscience), Cyanine Family Fluorescent Dye, Indocarbocyanine Family fluorescent dyes, oxazine family fluorescent dyes, thiazine family fluorescent dyes, squarain family fluorescent dyes, chelated lanthanide family fluorescent dyes , BODIPY (registered trademark) family fluorescent dye (manufactured by Invitrogen), naphthalenesulfonic acid family fluorescent dye, pyrene family fluorescent dye, triphenylmethane family fluorescent dye, Alexa Fluor (registered trademark) ) Dye series (manufactured by Invitrogen Corporation).

さらに米国特許番号第6,406,297号、同第6,221,604号、同第5,994,063号、同第5,808,044号、同第5,880,287号、同第5,556,959号および同第5,135,717号に記載の蛍光色素も本発明で用いることができる。   Further, U.S. Pat. Nos. 6,406,297, 6,221,604, 5,994,063, 5,808,044, 5,880,287, The fluorescent dyes described in US Pat. Nos. 5,556,959 and 5,135,717 can also be used in the present invention.

これらのファミリーに含まれる代表的な蛍光色素の吸収波長(nm)および発光波長(nm)を表1に示す。   Table 1 shows the absorption wavelength (nm) and emission wavelength (nm) of typical fluorescent dyes included in these families.

Figure 2012026924
また蛍光色素は、上記有機蛍光色素に限られない。例えばEu、Tb等の希土類錯体系の蛍光色素も本発明に用いられ得る。
Figure 2012026924
The fluorescent dye is not limited to the organic fluorescent dye. For example, rare earth complex fluorescent dyes such as Eu and Tb can also be used in the present invention.

希土類錯体は、一般的に励起波長(310〜340nm程度)と発光波長(Eu錯体で615nm付近、Tb錯体で545nm付近)との波長差が大きく、蛍光寿命が数百マイクロ秒以上と長い特徴がある。市販されている希土類錯体系の蛍光色素の一例としては、ATBTA−Eu3+が挙げられる。 In general, rare earth complexes have a large wavelength difference between an excitation wavelength (about 310 to 340 nm) and an emission wavelength (about 615 nm for an Eu complex and 545 nm for a Tb complex), and a long fluorescence lifetime of several hundred microseconds or more. is there. An example of a commercially available rare earth complex-based fluorescent dye is ATBTA-Eu 3+ .

そしてこのようなプラズモン励起センサ18の一方側端部には、コア部38内に励起光20を照射するための光源22が設けられている。
光源22から照射される励起光20としてはレーザ光が好ましく、波長200〜900nm、0.001〜1,000mWのLDレーザ、または波長230〜800nm、0.01〜100mWの半導体レーザが好適である。
A light source 22 for irradiating the excitation light 20 into the core portion 38 is provided at one end of the plasmon excitation sensor 18.
The excitation light 20 emitted from the light source 22 is preferably a laser beam, and an LD laser having a wavelength of 200 to 900 nm and 0.001 to 1,000 mW, or a semiconductor laser having a wavelength of 230 to 800 nm and 0.01 to 100 mW is suitable. .

一方、プラズモン励起センサ18の他方側端部には、反応層14で増強された蛍光色素が発する蛍光26を検出する光検出手段28が設けられている。
なお、光検出手段28に入力された情報を処理するためのコンピュータ(図示せず)などを有することも可能である。
On the other hand, at the other end of the plasmon excitation sensor 18, a light detection means 28 for detecting the fluorescence 26 emitted from the fluorescent dye enhanced in the reaction layer 14 is provided.
It is also possible to have a computer (not shown) for processing information input to the light detection means 28.

このようにして構成される光ファイバー型SPFS装置10は、その使用において、まず所定のリガンドが固定された反応層14を有するプラズモン励起センサ18を用意する。   The optical fiber type SPFS device 10 configured as described above is prepared by first preparing a plasmon excitation sensor 18 having a reaction layer 14 on which a predetermined ligand is fixed.

そして、プラズモン励起センサ18のコア部38とクラッド部40との間に設けられた隙間34内に、所望のアナライトを含んだ検体試料溶液を充填し、反応層14のリガンドにアナライトが捕捉されるようにする。次いで捕捉されたアナライトを付着させて蛍光標識するようにする。   Then, a specimen sample solution containing a desired analyte is filled in the gap 34 provided between the core portion 38 and the cladding portion 40 of the plasmon excitation sensor 18, and the analyte is captured by the ligand of the reaction layer 14. To be. The captured analyte is then attached and fluorescently labeled.

なお、リガンドにアナライトが捕捉される際に、アナライトが蛍光色素で標識されていれば、1回で反応層14に、蛍光色素で標識されたアナライトが捕捉されることとなる。
そして、プラズモン励起センサ18の一方側端部に励起光20を照射するための光源22を配設するとともに、他方側端部に反応層14で生じた蛍光26を検出するための光検出手段28を配設し、光ファイバー型SPFS装置10の準備がなされる。
When the analyte is captured by the ligand, if the analyte is labeled with a fluorescent dye, the analyte labeled with the fluorescent dye is captured in the reaction layer 14 at a time.
A light source 22 for irradiating excitation light 20 to one end of the plasmon excitation sensor 18 is disposed, and light detection means 28 for detecting fluorescence 26 generated in the reaction layer 14 at the other end. The optical fiber type SPFS apparatus 10 is prepared.

この状態において、コア部38の一方側端部に光源22より励起光20を照射すると、コア部38の誘電体部材16中の金属微粒子12表面で表面プラズモンが生じ、これにより反応層14のアナライトに捕捉された蛍光26が励起されて、蛍光26の光が増大される。   In this state, when one end of the core portion 38 is irradiated with the excitation light 20 from the light source 22, surface plasmons are generated on the surface of the metal fine particles 12 in the dielectric member 16 of the core portion 38, and thereby the anatomical reaction layer 14 is analyzed. The fluorescence 26 captured by the light is excited, and the light of the fluorescence 26 is increased.

なお、光ファイバー型SPR装置300では、光源308より照射される励起光310を共鳴角316で照射する必要があったが、本発明の光ファイバー型SPFS装置10では、局在プラズモンの構造であるため、励起光20を共鳴角で入射する必要がなく、作業手順が少なく取り扱いが容易である。   In the optical fiber type SPR device 300, it is necessary to irradiate the excitation light 310 emitted from the light source 308 at the resonance angle 316. However, in the optical fiber type SPFS device 10 of the present invention, the structure is a localized plasmon. The excitation light 20 does not need to be incident at a resonance angle, and the work procedure is small and the handling is easy.

そして、この増大された蛍光26を、光検出手段28で検出することにより、所望のアナライト検出ができる。
なお、蛍光26検出の際には、コア部38の他方側端部にマスク30を配設することで、蛍光26のみを検出できるようすることが好ましい。
Then, by detecting the increased fluorescence 26 by the light detection means 28, desired analyte detection can be performed.
When detecting the fluorescence 26, it is preferable to dispose only the fluorescence 26 by disposing a mask 30 at the other end of the core portion 38.

また、反応層14の外側に同心円状に被覆層32を形成しておけば、蛍光26以外の光がノイズとなって光検出手段28で検出されてしまうことを極力防止することができる。
さらに、プラズモン励起センサ18の一方側端部にダイクロイックミラー36を設ければ、反応層14で生じた蛍光26が光源22側に戻ってしまうことを防止できる。
Further, if the coating layer 32 is formed concentrically outside the reaction layer 14, it is possible to prevent light other than the fluorescence 26 from being detected by the light detection means 28 as noise.
Furthermore, if the dichroic mirror 36 is provided at one end of the plasmon excitation sensor 18, it is possible to prevent the fluorescence 26 generated in the reaction layer 14 from returning to the light source 22 side.

このように、本発明の光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置10およびこれに用いられるプラズモン励起センサ18は、上記したように光ファイバー技術を応用するとともに、励起光20の邪魔にならないよう、コア部材38中に金属微粒子12を含有させ、この金属微粒子12に表面プラズモンを生じさせて反応層14の蛍光26を増強させるようにしたので、蛍光26を確実に集光し、所望のアナライトを高精度に検出することができる。   As described above, the optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus 10 and the plasmon excitation sensor 18 used in the optical fiber type of the present invention apply the optical fiber technology as described above and do not interfere with the excitation light 20 as described above. Since the metal fine particles 12 are contained therein and surface plasmons are generated in the metal fine particles 12 to enhance the fluorescence 26 of the reaction layer 14, the fluorescence 26 is surely collected and the desired analyte is highly accurate. Can be detected.

また、励起光20の共鳴角を制御することなく簡単に所望のアナライトの検出を行うことができる。
次に、図3および図4に示した光ファイバー型SPFS装置10は、本発明の第2の実施例における概略図である。
Further, it is possible to easily detect a desired analyte without controlling the resonance angle of the excitation light 20.
Next, the optical fiber type SPFS apparatus 10 shown in FIG. 3 and FIG. 4 is a schematic diagram in the second embodiment of the present invention.

図3および図4に示した光ファイバー型SPFS装置10は図1および図2に示した第1の実施例の光ファイバー型SPFS装置10と基本的には同じ構成であるので、同じ構成部材には同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。   The optical fiber type SPFS apparatus 10 shown in FIGS. 3 and 4 has basically the same configuration as the optical fiber type SPFS apparatus 10 of the first embodiment shown in FIGS. Reference numerals are assigned and detailed description thereof is omitted.

図3および図4に示した光ファイバー型SPFS装置10は、コア部38とクラッド部40との間に隙間34を生じさせる替りに、コア部38とクラッド部40との境界面に流路42が形成されている点で、実施例1と異なっている。   In the optical fiber type SPFS device 10 shown in FIGS. 3 and 4, instead of creating the gap 34 between the core part 38 and the clad part 40, a flow path 42 is formed at the boundary surface between the core part 38 and the clad part 40. This is different from the first embodiment in that it is formed.

このような構成を有するプラズモン励起センサ18は、コア部38とクラッド部40との境界面に設けられた流路42以外の箇所は接触して固定されているため、両部を固定する部材が必要なく製造も容易である。   Since the plasmon excitation sensor 18 having such a configuration is fixed in contact with the portions other than the flow path 42 provided on the boundary surface between the core portion 38 and the cladding portion 40, a member for fixing both portions is provided. It is unnecessary and easy to manufacture.

なおこの場合には、コア部38である誘電体部材16を、例えばプラスチック材料をガラス転移点以上の温度で流動化するか有機溶剤を加えて溶解させた後、金属ナノワイヤーを加えて混錬させて均一に分散させた後、円筒上の金型あるいは枠で成形してコア部38を作製する。   In this case, the dielectric member 16 which is the core portion 38 is kneaded by adding metal nanowires after the plastic material is fluidized at a temperature equal to or higher than the glass transition point or by adding an organic solvent. After being uniformly dispersed, the core portion 38 is produced by molding with a cylindrical mold or frame.

別途中空で流路の入口、出口を有し、かつコア部38との接合部を有する誘電体材料の成形物を製造し、コア部38と端面で接続することで本発明のプラズモン励起センサ18を製造できる。   A plasmon excitation sensor 18 of the present invention is manufactured by separately manufacturing a molded product of a dielectric material that is hollow and has an inlet and an outlet of a flow path and has a joint with the core 38 and is connected to the core 38 at the end face. Can be manufactured.

<銀ナノワイヤーの製造例>
非特許文献1(Adv.Mater.2002,14,833〜837)に記載の方法を参考に、還元剤としてエチレングリコール(EG)を、形態制御剤兼保護コロイド剤としてポリビニルピロリドン(PVP:PVP:平均分子量130万、アルドリッチ社製)を使用し、かつ核形成工程と粒子成長工程とを分離して粒子形成を行い、銀ナノワイヤー分散液を調製した。
<Production example of silver nanowire>
Referring to the method described in Non-Patent Document 1 (Adv. Mater. 2002, 14, 833 to 837), ethylene glycol (EG) as a reducing agent and polyvinylpyrrolidone (PVP: PVP: An average molecular weight of 1.3 million (manufactured by Aldrich) was used, and the nucleation step and the particle growth step were separated to form particles to prepare a silver nanowire dispersion.

<核形成工程>
反応容器内で160℃に保持したEG液100mlを攪拌しながら、硝酸銀のEG溶液(硝酸銀濃度:1.0モル/l)2.0mlを、一定の流量で1分間かけて添加した。
<Nucleation process>
While stirring 100 ml of the EG solution maintained at 160 ° C. in the reaction vessel, 2.0 ml of an EG solution of silver nitrate (silver nitrate concentration: 1.0 mol / l) was added at a constant flow rate over 1 minute.

その後、160℃で10分間保持しながら銀イオンを還元して銀の核粒子を形成した。続いて、PVPのEG溶液(PVP濃度:3.0×10-1モル/l)10.0mlを一定の流量で10分間かけて添加した。 Thereafter, the silver ions were reduced while being held at 160 ° C. for 10 minutes to form silver core particles. Subsequently, 10.0 ml of PVP EG solution (PVP concentration: 3.0 × 10 −1 mol / l) was added at a constant flow rate over 10 minutes.

<粒子成長工程>
上記核形成工程を終了した後の核粒子を含む反応液を、攪拌しながら160℃に保持し、硝酸銀のEG溶液(硝酸銀濃度:1.0×10-1モル/l)100mlと、PVPのEG溶液(PVP濃度:3.0×10-1モル/l)100mlを、ダブルジェット法を用いて一定の流量で120分間かけて添加した。
<Particle growth process>
The reaction liquid containing the core particles after the nucleation step is held at 160 ° C. with stirring, 100 ml of an EG solution of silver nitrate (silver nitrate concentration: 1.0 × 10 −1 mol / l), and PVP 100 ml of EG solution (PVP concentration: 3.0 × 10 −1 mol / l) was added over 120 minutes at a constant flow rate using the double jet method.

粒子成長工程において、30分毎に反応液を採取して電子顕微鏡で確認したところ、核形成工程で形成された核粒子が、時間経過に伴ってワイヤー状の形態に成長しており、粒子成長工程における新たな微粒子の生成は認められなかった。   In the particle growth process, the reaction solution was sampled every 30 minutes and confirmed with an electron microscope. As a result, the core particles formed in the nucleation process grew into a wire-like form over time, and the particle growth Formation of new fine particles in the process was not observed.

最終的に得られた銀ナノワイヤーについて、電子顕微鏡写真を撮影し、300個の銀ナノワイヤー粒子像の短軸方向および長軸方向の粒径を測定して算術平均を求めた。短軸方向の平均粒径は150nm、長軸方向の平均長さは70μmであった。   About the silver nanowire finally obtained, the electron micrograph was image | photographed and the average particle diameter was calculated | required by measuring the particle size of the short-axis direction of a 300 silver nanowire particle image and a long-axis direction. The average particle size in the minor axis direction was 150 nm, and the average length in the major axis direction was 70 μm.

<脱塩水洗工程>
上記粒子形成工程を終了した反応液を室温まで冷却した後、分画分子量0.2μmの限外濾過膜を用いて脱塩水洗処理を施すとともに、溶媒をエタノールに置換した。最後に液量を100mlまで濃縮して銀ナノワイヤーのEtOH分散液を調製した。
<Demineralized water washing process>
After cooling the reaction solution after the particle formation step to room temperature, it was subjected to a desalted water washing treatment using an ultrafiltration membrane having a fractional molecular weight of 0.2 μm, and the solvent was replaced with ethanol. Finally, the liquid volume was concentrated to 100 ml to prepare a silver nanowire EtOH dispersion.

この銀ナノワイヤーEtOH分散液とウレタンアクリレート(PR−202:三菱化成社製、屈折率1.58)の25%メチルイソブチルケトン溶液を銀ナノワイヤーの濃度が1%になるように混合して分散液を作製した。   Disperse this silver nanowire EtOH dispersion and urethane acrylate (PR-202: manufactured by Mitsubishi Kasei Co., Ltd., refractive index 1.58) in a 25% methyl isobutyl ketone solution so that the concentration of the silver nanowire is 1%. A liquid was prepared.

<コア部(38)の製造例>
上記銀ナノワイヤーの分散液を、直径が5mmで長さが30cmの円筒状ステンレス製容器の一方に蓋をして流し込み、容器を立てて80℃の乾燥器に一昼夜入れて溶剤を除去し、銀ナノワイヤーを含有したプラスチック性のコア部(38)を成形した。
<Example of production of core part (38)>
The silver nanowire dispersion liquid was poured into a cylindrical stainless steel container having a diameter of 5 mm and a length of 30 cm, and the solvent was removed by placing the container in an 80 ° C. dryer overnight. A plastic core (38) containing silver nanowires was molded.

<クラッド部(40)の製造例>
PMMA(三菱レーヨン社製アクリペット、屈折率1.49)を内径6mm、外形7mmで端面にコア部(38)との接続部を有し、長さが5cmである円筒を成型し、流路の入口、出口の穴を加工した。
<Manufacture example of a clad part (40)>
PMMA (Mitsubishi Rayon Acrypet, Refractive Index 1.49) has an inner diameter of 6 mm, an outer diameter of 7 mm, an end face having a connecting portion with a core portion (38), and a cylinder having a length of 5 cm is molded, and a flow path The holes at the inlet and outlet were processed.

<光ファイバー型SPFS装置(10)の製造例>
前記コア部(38)とクラッド部(40)を組み合わせ、一方の端面の接続部をプラスチック部材で封止して固定し、さらに他方の端面にダイクロイックミラー(36)を設け、光源(22)と光検出手段(28)を接続して本発明の光ファイバー型SPFS装置(10)を作製した。
<Example of manufacturing optical fiber type SPFS device (10)>
The core part (38) and the clad part (40) are combined, the connecting part on one end face is sealed and fixed with a plastic member, and a dichroic mirror (36) is provided on the other end face, and the light source (22) An optical fiber type SPFS device (10) of the present invention was produced by connecting the light detection means (28).

<一次抗体の固定化>
1.4mg/ml抗αフェトプロテイン(AFP)モノクローナル抗体(6D2、ミクリ免疫研究所(株)製)を1時間流路内に循環させて一次抗体を物理吸着で固定した。
<Immobilization of primary antibody>
A primary antibody was fixed by physical adsorption by circulating a 1.4 mg / ml anti-α-fetoprotein (AFP) monoclonal antibody (6D2, manufactured by Mikuli Immuno Laboratory Co., Ltd.) for 1 hour in the flow path.

<標識二次抗体の作製>
「FITC」標識抗AFPモノクローナル抗体の調製
抗αフェトプロテイン(AFP)モノクローナル抗体(6D2、2.5mg/ml、ミクリ免疫研究所(株)製)を、市販のFITC7ラベリングキットにより調製した。
<Preparation of labeled secondary antibody>
Preparation of “FITC” Labeled Anti-AFP Monoclonal Antibody An anti-α fetoprotein (AFP) monoclonal antibody (6D2, 2.5 mg / ml, manufactured by Mikuri Immuno Laboratory Co., Ltd.) was prepared using a commercially available FITC7 labeling kit.

[光ファイバー型SPFS装置(10)による測定例]
表2に示したAFPの所定量を30分間流した後、標識二次抗体を30分流した後バッファーで洗浄置換を行い、信号測定を行った。
一方、AFPを含まず測定した信号をブランクとした。
[Measurement example using optical fiber type SPFS device (10)]
A predetermined amount of AFP shown in Table 2 was allowed to flow for 30 minutes, and then a labeled secondary antibody was allowed to flow for 30 minutes, followed by washing and replacement with a buffer, and signal measurement was performed.
On the other hand, a signal measured without AFP was used as a blank.

Figure 2012026924
Figure 2012026924

[LPFS(局在プラズモン)装置による測定例]
粒径40nmのコロイド金(田中貴金属社製)溶液10gにポリビニルアルコールPVA117(クラレ社製)2g、硬化剤トリアジン0.1gを加えた後、透明ガラス基板上に塗布し80℃で乾燥して局在プラズモンセンサ基板を作成した。
[Measurement example using LPFS (localized plasmon) device]
After adding 2 g of polyvinyl alcohol PVA117 (manufactured by Kuraray Co., Ltd.) and 0.1 g of a curing agent triazine to 10 g of colloidal gold (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) solution having a particle size of 40 nm, it is coated on a transparent glass substrate and dried at 80 ° C. A plasmon sensor substrate was prepared.

この基板に流路を付し、3−アミノプロピルトリエトキシシラン(信越シリコーン社製)を用いて1次抗体をアミンカップリングで固定化し、表3に示したAFPの所定量を流して反応させた後洗浄し、更に標識2次抗体と反応させ、その後洗浄を行った。偏光板を通して垂直に630nmのLDで露光し、カットフィルターを付してフォトマルチプライヤで検出を行った。
一方、AFPを含まず測定した信号をブランクとした。
A flow path was attached to this substrate, the primary antibody was immobilized by amine coupling using 3-aminopropyltriethoxysilane (manufactured by Shin-Etsu Silicone), and reacted with a predetermined amount of AFP shown in Table 3. After washing, it was further reacted with a labeled secondary antibody, followed by washing. The sample was exposed vertically with a 630 nm LD through a polarizing plate, attached with a cut filter, and detected with a photomultiplier.
On the other hand, a signal measured without AFP was used as a blank.

Figure 2012026924
Figure 2012026924

以上のように、本発明の光ファイバー型SPFS装置10は励起光の入射角度調整をすることなく、簡易で小型の有益なバイオセンサであること、また表2および表3の結果から、例えばLPFS(局在プラズモン)装置に比べても高感度であり高精度検出可能なバイオセンサであることが確認された。   As described above, the optical fiber type SPFS device 10 of the present invention is a simple and small useful biosensor without adjusting the incident angle of the excitation light. From the results of Tables 2 and 3, for example, LPFS ( It was confirmed that the biosensor is highly sensitive and capable of highly accurate detection compared to the localized plasmon device.

また更に、本発明の光ファイバー型SPFS装置10は、従来のSPFS装置のように励起光が近赤外程度の波長域で、高屈折率ガラスを使用しないと測定のダイナミックレンジを確保できないといった制約がなく、設計の自由度が向上できるものである。   Furthermore, the optical fiber type SPFS apparatus 10 of the present invention has a limitation that the dynamic range of measurement cannot be ensured unless a high refractive index glass is used in the wavelength region where the excitation light is in the near-infrared range as in the conventional SPFS apparatus. The design freedom can be improved.

以上、本発明における光ファイバー型SPFS装置10およびこれに用いられるプラズモン励起センサ18の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能なものである。   The preferred embodiments of the optical fiber type SPFS device 10 and the plasmon excitation sensor 18 used in the optical fiber type SPFS device 10 according to the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and does not depart from the object of the present invention. Various changes are possible.

10・・・光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定(SPFS)装置
12・・・金属微粒子
14・・・反応層
16・・・誘電体部材
18・・・プラズモン励起センサ
20・・・励起光
22・・・光源
26・・・蛍光
28・・・光検出手段
30・・・マスク
32・・・被覆層
34・・・隙間
36・・・ダイクロイックミラー
38・・・コア部
40・・・クラッド部
42・・・流路
100・・・表面プラズモン共鳴(SPR)装置
102・・・金属薄膜
104・・・固定層
106・・・誘電体部材
108・・・光源
110・・・励起光
112・・・受光手段
114・・・金属薄膜反射光
116・・・共鳴角
200・・・表面プラズモン増強蛍光測定(SPFS)装置
202・・・金属薄膜
204・・・反応層
206・・・誘電体部材
208・・・光源
210・・・励起光
212・・・受光手段
214・・・金属薄膜反射光
216・・・共鳴角
218・・・プラズモン励起センサ
220・・・蛍光
222・・・光検出手段
224・・・集光部材
226・・・波長選択機能部材
300・・・光ファイバー型表面プラズモン共鳴(SPR)装置
302・・・金属薄膜
304・・・固定層
306・・・誘電体部材
308・・・光源
310・・・励起光
312・・・受光手段
314・・・反射光
316・・・共鳴角
318・・・コア部
320・・・クラッド部
322・・・光ファイバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measurement (SPFS) apparatus 12 ... Metal fine particle 14 ... Reaction layer 16 ... Dielectric member 18 ... Plasmon excitation sensor 20 ... Excitation light 22 .... · Light source 26 · · · Fluorescence 28 · · · Light detection means 30 · · · Mask 32 · · · Coating layer 34 · · · Clearance 36 · · · Dichroic mirror 38 · · · Core portion 40 · · · Cladding portion 42 · · · ..Flow path 100 ... Surface plasmon resonance (SPR) device 102 ... Metal thin film 104 ... Fixed layer 106 ... Dielectric member 108 ... Light source 110 ... Excitation light 112 ... Light reception Means 114 ... Metal thin film reflected light 116 ... Resonance angle 200 ... Surface plasmon enhanced fluorescence measurement (SPFS) device 202 ... Metal thin film 204 ... Reaction layer 206 ... Dielectric part 208 ... light source 210 ... excitation light 212 ... light receiving means 214 ... metal thin film reflected light 216 ... resonance angle 218 ... plasmon excitation sensor 220 ... fluorescence 222 ... light detection means 224 ... Condensing member 226 ... Wavelength selection function member 300 ... Optical fiber type surface plasmon resonance (SPR) device 302 ... Metal thin film 304 ... Fixed layer 306 ... Dielectric member 308 ... Light source 310 ... excitation light 312 ... light receiving means 314 ... reflected light 316 ... resonance angle 318 ... core part 320 ... clad part 322 ... optical fiber

Claims (6)

光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置に用いられるプラズモン励起センサであって、
前記プラズモン励起センサは、
内部に金属微粒子が分散された円柱状の誘電体部材からなるコア部と、
前記コア部の外側に同心円状に設けられ、蛍光色素で標識されたアナライトを捕捉する反応層を内表面に有するクラッド部と、
から少なくとも構成された光ファイバー構造であって、
前記コア部の一方側端部に光源より励起光を照射し、前記金属微粒子の電場を増強させて前記反応層の蛍光色素を励起させ、これにより増強された蛍光を光検出手段で検出するよう構成されていることを特徴とするプラズモン励起センサ。
A plasmon excitation sensor used in an optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring device,
The plasmon excitation sensor is
A core portion made of a cylindrical dielectric member in which metal fine particles are dispersed;
A clad part provided concentrically outside the core part and having a reaction layer on the inner surface for capturing an analyte labeled with a fluorescent dye;
An optical fiber structure comprising at least
One end of the core is irradiated with excitation light from a light source, the electric field of the metal fine particles is enhanced to excite the fluorescent dye of the reaction layer, and the enhanced fluorescence is detected by the light detection means. A plasmon excitation sensor characterized by comprising.
前記金属微粒子が、ナノワイヤーまたはナノコロイドであることを特徴とする請求項1に記載のプラズモン励起センサ。   The plasmon excitation sensor according to claim 1, wherein the metal fine particles are nanowires or nanocolloids. 前記コア部と前記クラッド部との界面に隙間が形成されており、
前記隙間内に検体試料溶液が充填されるよう構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のプラズモン励起センサ。
A gap is formed at the interface between the core portion and the cladding portion,
The plasmon excitation sensor according to claim 1 or 2, wherein the gap is filled with a specimen sample solution.
前記クラッド部の外側に、同心円状に被覆層が形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のプラズモン励起センサ。   The plasmon excitation sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein a coating layer is formed concentrically outside the clad portion. 前記コア部および前記クラッド部の、励起光が照射される一方側端部に、ダイクロイックミラーが配設されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のプラズモン励起センサ。   The plasmon excitation sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein a dichroic mirror is disposed at one end of the core portion and the clad portion where the excitation light is irradiated. 請求項1から5のいずれかに記載のプラズモン励起センサと、
前記プラズモン励起センサにおける前記コア部および前記クラッド部の、一方側端部に設けられ、励起光を照射する光源と、
前記コア部および前記クラッド部の、他方側端部に設けられ、前記増強された蛍光色素を検出する光検出手段と、
を少なくとも備えることを特徴とする光ファイバー型表面プラズモン増強蛍光測定装置。
A plasmon excitation sensor according to any one of claims 1 to 5,
A light source for irradiating excitation light, provided at one end of the core part and the clad part in the plasmon excitation sensor;
A light detection means for detecting the enhanced fluorescent dye, provided at the other end of the core portion and the clad portion;
An optical fiber type surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112414582A (en) * 2020-12-02 2021-02-26 黑龙江科技大学 Micro-nano temperature sensor based on rare earth nano particles and surface plasmon polariton

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