JP2012211811A - 光学的測定方法および光学的測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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、偏光変調素子ドライバ22により被検物質Aの量に対応した値を示すシグナル成分と励起光Leの迷光に起因するノイズ成分の両方が検出対象となる低周波数で励起光Leを周波数変調してセンサ部に照射するとともに、周波数解析部24で低周波数に同期して光を計測して低周波数計測信号を取得し、偏光変調素子ドライバ22によりノイズ成分のみが検出対象となる高周波数で励起光Leを周波数変調してセンサ部に照射するとともに、周波数解析部24で高周波数に同期して光を計測して高周波数計測信号を取得し、演算部25により低周波数計測信号と高周波数計測信号との差分を求める。
【選択図】図1
Description
また、励起光に対する「周波数変調」とは、一定の周波数で励起光の強度または偏光状態を変調させることを意味する。
これに対し、シグナル成分は緩和周波数が低いので、図5中の実線で示すように、低周波数領域(図5を例に示した場合には大体1kHz以下の領域)だと励起光の変調周波数に追随して蛍光の強弱が起こるため、励起光の変調周波数と同期する検出信号として取得できるが、高周波領域(図5を例に示した場合には大体100kHz以上の領域)だと励起光の変調周波数に追随できないので蛍光の強弱が起こらず常に光った状態となるため、励起光の変調周波数と同期する検出信号としては取得することができない。
本実施形態の光学的測定装置1は、図1、図2、図3および図4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燐光標識結合物質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(センサ部)38を備えるセンサチップC1と、励起光Leを出射する光源10と、流路基材30と金属膜34aとの界面で励起光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励起光Leを導光する導光部材14と、励起光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、励起光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、励起に起因して検出部38または検出部39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のみを検出する周波数解析部24と、周波数解析部24で得られた信号について演算を行う演算部25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4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、白血球等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4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は、シグナル成分とノイズ成分の両方が検出対象となる低周波数として0.1kHz、ノイズ成分のみが検出対象となる高周波数として1000kHzの変調周波数で偏光変調素子11を制御した場合について説明する。なお、これらの周波数は上記に限るものではなく、使用する燐光標識の特性を考慮して、シグナル成分とノイズ成分の分離が可能な範囲で、適切なものを選択すればよい。
上記実施形態においては、抗原Aの標識として燐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、蛍光等の標識)を用いてもよい。
励起光Leの強度変調の方法については、励起光Leの強度をファンクションジェネレータと同期させて変調してもよいし、励起光Leを一定の強度で照射するとともに、光チョッパで周期的に変調してもよい。光チョッパは、例えば、第1の電圧が入力された場合は励起光Leを透過させ、第2の電圧が入力された場合は励起光Leを遮断する。すなわち、光チョッパにより励起光Leを周期的にオンオフ制御することができる。励起光を周期的に強度変調することにより、蛍光標識は周期的に変動する強度で励起される。また、励起光の迷光も周期的に強度変調する。
次に、第2の実施形態の光学的測定装置2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、センサチップC2が、励起光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励起光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、励起光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、上記界面における励起光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、検出した信号のSN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等)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励起光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、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、後述の第3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。
次に、第3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3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との界面における励起光Leの反射光を検出する第2の光検出器40と、第2の周波数解析部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、上記界面における励起光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。
上述の通り、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励起光Leの偏光状態を制御する必要があるのは上述の通りである。
流路基材30と金属膜34aとの界面における励起光Leの反射光Lrを第2の光検出器40で検出した場合、反射光Lrの強度が、上記界面における励起光Leの偏光方向の変調に対応して変調することになる。これは、上記界面における励起光Leの偏光状態がp偏光になったとき、励起光Leは表面プラズモンとカップリングして、励起光Leのエネルギーが表面プラズモンに変換されて、反射光Lrが最小になり、一方上記界面における励起光Leの偏光状態がs偏光になったとき、励起光Leは表面プラズモンとカップリングしないので、反射光Lrが最大となることに起因する。
上記第3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、上記第2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。
10 光源
11 偏光変調素子(周波数変調手段)
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)(周波数変調手段)
22 偏光変調素子ドライバ(周波数変調手段)
23 光検出器
24 周波数解析部
25 演算部
30 流路基材(誘電体プレート)
32 蓋部材
33 流路
34a・34b 金属膜
40 第2の光検出器
41 第2の周波数解析部
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 燐光標識結合物質
C1、C2、C3 センサチップ
Ew 増強電場
Le 励起光
Lf 燐光
Lr 反射光
Claims (8)
- センサチップの誘電体プレートの一面に形成されたセンサ部上に、被検出物質を含む試料液を接触させることにより、該試料液に含有される被検出物質の量に応じた量の光標識結合物質を前記センサ部上に結合させ、
前記センサ部に全反射条件が得られる入射角度で励起光を照射することにより、該センサ部上に光電場を発生せしめ、
該光電場により前記光標識結合物質の光標識を励起し、該励起に起因して生じる光を計測することにより、前記被検出物質の量を測定する光学的測定方法において、
前記励起光を、前記被検出物質の量に対応した値を示すシグナル成分と前記励起光の迷光に起因するノイズ成分の両方が同期した強度変化を示す低周波数で周波数変調して前記センサ部に照射するとともに、前記励起に起因して生じる光から前記低周波数に同期する成分を抽出して低周波数計測信号を取得し、
前記励起光を、前記ノイズ成分のみが同期した強度変化を示す高周波数で周波数変調して前記センサ部に照射するとともに、前記励起に起因して生じる光から前記高周波数に同期する成分を抽出して高周波数計測信号を取得し、
前記低周波数計測信号と前記高周波数計測信号との差分を求めることで前記シグナル成分のみの信号を取得することを特徴とする光学的測定方法。 - 前記光標識として、燐光標識を用いることを特徴とする請求項1記載の光学的測定方法。
- 前記周波数変調を、前記励起光の強度を変調することにより行うことを特徴とする請求項1または2記載の光学的測定方法。
- 前記センサチップとして、前記センサ部が、前記誘電体プレートに隣接する金属層を含む積層構造からなるものを用い、
前記励起光の照射により前記金属層にプラズモンを励起して、該プラズモンによって増強した光電場を発生せしめることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の光学的測定方法。 - 前記周波数変調を、前記励起光の偏光状態を変調することにより行うことを特徴とする請求項4記載の光学的測定方法。
- 前記励起光が前記誘電体プレートに入射してから前記センサ部に到達するまでに前記励起光に生じる複屈折の位相差に関する位相差情報を取得し、
該位相差情報に基づいて、前記励起光に前記位相差と逆の位相差が生じるように前記励起光の偏光状態を制御することを特徴とする請求項5記載の光学的測定方法。 - 前記センサ部における前記励起光の反射光を検出し、
前記偏光状態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ことを特徴とする請求項5または6記載の光学的測定方法。 - 請求項1から7いずれかに記載の光学的測定方法に用いられる光学的測定装置であって、
前記センサチップを収容するための収容部と、
該収容部に収容される前記センサチップの前記センサ部の位置に前記励起光を照射する励起光照射光学系と、
前記励起光に対して周波数変調を施すための周波数変調手段と、
前記励起に起因して生じる光を検出する光検出手段と、
該光検出手段によって検出された光に基づく信号から前記励起光を変調する周波数に同期する成分を抽出する周波数解析手段と、
前記低周波数計測信号と前記高周波数計測信号との差分を求めることで前記シグナル成分のみの信号を取得する演算手段とを備えることを特徴とする光学的測定装置。
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