JP2015004580A - Microparticle and substance detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は特定波長の光が照射されることで、表面から近接場光を発生する微小粒子、および当該微小粒子を用いた物質検出装置に関する。 The present invention relates to microparticles that generate near-field light from the surface when irradiated with light of a specific wavelength, and a substance detection device using the microparticles.
近年、水や食品の安全に対する意識の向上、および、新興国における衛生状況の改善を理由として、水や食品中の微量な有害成分を検出する手法、装置などに関するニーズが高まりつつある。特に、有害成分の中でも細菌類は、100個程度の経口摂取であっても人体に病変を引き起こすものが存在する。そのため、上記の検出手法、装置などにおいては、ng(ナノグラム)、さらにはpg(ピコグラム)オーダーでの超高感度な検出が求められている。 In recent years, there has been a growing need for methods and devices for detecting trace amounts of harmful components in water and food because of increased awareness of water and food safety and improved hygiene in emerging countries. In particular, among harmful components, there are bacteria that cause lesions in the human body even when about 100 oral intakes are made. For this reason, in the detection methods and apparatuses described above, ultrasensitive detection on the order of ng (nanogram) and pg (picogram) is required.
上記のような超高感度検出において、プラズモン増幅現象に起因する光吸収波長ピークシフト現象を利用する試みがなされている。例えば、下記非特許文献1には、金属メッシュをバンドパスフィルターの一種として用い、金属メッシュの表面プラズモンの発生状態が、表面に付着している物質の屈折率に大きく左右される現象を用いて、500pgという微量のたんぱく質を検出する技術が開示されている。以下、図13を参照して、非特許文献1をはじめとする、従来技術について説明する。 In the ultra-sensitive detection as described above, attempts have been made to use the light absorption wavelength peak shift phenomenon caused by the plasmon amplification phenomenon. For example, the following Non-Patent Document 1 uses a phenomenon in which a metal mesh is used as a kind of bandpass filter, and the surface plasmon generation state of the metal mesh is greatly influenced by the refractive index of a substance attached to the surface. , A technique for detecting a minute amount of protein of 500 pg is disclosed. Hereinafter, with reference to FIG. 13, the prior art including Non-Patent Document 1 will be described.
図13は、金属メッシュ54における表面プラズモンの発生状況を断面図で示したものである。図13における領域543は、表面プラズモンの発生によって、近接場光が発生する領域(近接場光発生領域543)を示している。一般的に、金属ナノ粒子に特定波長の光を照射すると、表面プラズモンの発生により当該部位に近接場光が発生し、これが結果として、金属ナノ粒子における光の吸収率の増大となって観察される。例えば、粒径50nm程度の金コロイド水溶液は、516nm付近に強い吸収ピークを示す。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the occurrence of surface plasmons in the
非特許文献1の技術において、上述したプラズモン発生状況が、金属メッシュ54の近傍の屈折率分布に依存しているため、近接場光発生領域543に、媒質である水などと屈折率の異なる物質が存在すれば、吸収ピークの波長がシフトする現象が観察される。すなわち、吸収ピークの波長のシフトを観察することで、金属メッシュ54の近傍に屈折率の異なる物質が存在するか否かが判定できる。この吸収ピークは、上述した金コロイドの場合、当該金コロイドが、1mlあたり10の10乗個程度という非常に低い濃度でも十数%程度に達する吸収量として観察されるため、pgオーダーの微量検出が可能である。
In the technique of Non-Patent Document 1, since the plasmon generation state described above depends on the refractive index distribution in the vicinity of the
さらに、非特許文献1の技術でも採用されているように、雑菌などの微量検出には抗原抗体反応を用いる。具体的には、抗体5411を金属メッシュに修飾し、抗体5411に抗原である検出対象物5412が選択的に結合する性質を用いる。これにより、検査対象である水や食品を金属メッシュ54と接触させ、金属メッシュ54上の抗体5411に抗原である検出対象物5412が結合した後に、洗浄により結合した検出対象物5412以外の物質5413を洗い流せば、検出対象物5412のみが金属メッシュ54の近接場光発生領域543に残留するので、微量な検出対象物5412の検出が可能となる。
Furthermore, as employed in the technique of Non-Patent Document 1, an antigen-antibody reaction is used to detect a trace amount of various bacteria. Specifically, the
しかしながら、上記非特許文献1に示すような、従来のプラズモン増幅現象を用いた検出手法は、金属メッシュと選択的に結合する物質との結合の有無にかかわらず、光学定数の変化のみを検出しているため、ノイズに弱いという課題がある。 However, the conventional detection method using the plasmon amplification phenomenon as shown in Non-Patent Document 1 detects only a change in the optical constant regardless of whether or not the metal mesh and the substance selectively bind to each other. Therefore, there is a problem that it is vulnerable to noise.
具体的に説明すると、水や食品などの検査対象中には、検出対象物5412よりもはるかに多量のタンパク質などが含まれており、これらを完全に洗浄によって取り去ることは現実的ではない。例えば、水素結合や分子間力による自然吸着によって、抗体に結合を起こさない物質5413が金属メッシュなどに付着したまま残留してしまう。上述したように、プラズモン増幅現象は屈折率の変化のみに依存して変化するので、このような検出対象物5412以外の残留物質(物質5413)によってノイズが発生し、検出対象物の検出が阻害されてしまう。
More specifically, the test object such as water or food contains much more protein than the
以上をまとめると、水や食品などにおける雑菌検出などにおいては、多量に存在する他の物質に起因するノイズが検出の妨げとなり、実質上、検出が不可能であるという課題がある。 To summarize the above, in the detection of germs in water, foods, etc., there is a problem that noise caused by other substances present in large quantities hinders detection and is substantially impossible to detect.
本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、検出対象物およびそれ以外の様々な物質が混合されている検査溶液において、微量の検出対象物の検出を可能とする微小粒子などを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to make a minute amount capable of detecting a very small amount of a detection target in a test solution in which the detection target and various other substances are mixed. To provide particles and the like.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る微小粒子は、少なくとも一つの検出対象物を含む検査溶液中に分散され、特定波長の光が照射されることで表面の一部から近接場光を発生する導電性の微小粒子であって、上記検査溶液に含まれる上記検出対象物と選択的に結合する能力を有する選択結合部と、上記検査溶液に印加される磁場から場の力を受けて上記微小粒子にトルクを与えるトルク付与部と、を備え、上記選択結合部および上記トルク付与部のそれぞれが上記微小粒子の表面の異なる位置に配置されている。 In order to solve the above-described problem, the microparticle according to one embodiment of the present invention is dispersed in a test solution including at least one detection target, and is irradiated with light of a specific wavelength from a part of the surface. Conductive microparticles that generate near-field light, a selective coupling portion that has an ability to selectively bind to the detection target contained in the test solution, and a magnetic field applied to the test solution from the magnetic field. A torque application unit that receives torque and applies torque to the microparticles, and each of the selective coupling unit and the torque application unit is disposed at a different position on the surface of the microparticles.
本発明の一態様によれば、検出対象物およびそれ以外の様々な物質が混合されている検査溶液において、微量の検出対象物の検出を可能とするという効果を奏する。 According to one aspect of the present invention, there is an effect that it is possible to detect a trace amount of a detection target in a test solution in which the detection target and various other substances are mixed.
本発明の実施の形態について図1〜図12に基づいて説明すれば以下のとおりである。以下の特定の実施形態で説明する構成以外の構成については、必要に応じて説明を省略する場合があるが、他の実施形態で説明されている場合は、その構成と同じである。また、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。さらに、各図面に記載した構成の形状、ならびに、長さ、大きさおよび幅などの寸法は、実際の形状や寸法を反映させたものではなく、図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更している。 The embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. Descriptions of configurations other than those described in the following specific embodiments may be omitted as necessary, but are the same as those configurations when described in other embodiments. For convenience of explanation, members having the same functions as those shown in each embodiment are given the same reference numerals, and the explanation thereof is omitted as appropriate. Furthermore, the shape of the configuration described in each drawing and the dimensions such as length, size, and width do not reflect the actual shape and dimensions, but are appropriately changed for clarity and simplification of the drawings. doing.
〔実施形態1の物質検出装置および実施形態2の微小粒子〕
以下、図1〜図7に基づき、本発明の実施形態1に係る物質検出装置1aおよび実施形態2に係る微小粒子4a〜4eについて詳細に説明する。なお、以下では、便宜上、物質検出装置1a、並びに後述の実施形態4および7にてそれぞれ説明する物質検出装置1bおよび物質検出装置1cを総称して、「物質検出装置1」と称する場合がある。また、同様に、実施形態2に係る微小粒子4a〜4e、並びに後述の実施形態3、実施形態5および6に係る微小粒子4f、微小粒子4gおよび微小粒子4hを総称して、「微小粒子4」と称する場合がある。
[Substance Detection Apparatus of Embodiment 1 and Fine Particles of Embodiment 2]
Hereinafter, based on FIGS. 1-7, the
<微量の検出対象物の検出について>
まず、図1および図2を参照して本発明の実施の一形態に係る微小粒子について説明する。図1は、本発明の実施形態1に係る物質検出装置および計測用セルの概略構成を示す図であり、図1(a)は、上記物質検出装置の概要構成を示すブロック図であり、図1(b)は、検出対象物を含む検査溶液が入った計測用セルの外観を示す。
図2は、微小粒子4aの概要構成を示す概略図である。図2は、本発明の実施形態2に係る微小粒子の一例を示す概略図である。図2に示すように、微小粒子4aは、選択結合部41とトルク付与部42とを備えている。
<Detection of a very small amount of detection target>
First, microparticles according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a substance detection device and a measurement cell according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 1A is a block diagram illustrating a schematic configuration of the substance detection device. 1 (b) shows the appearance of a measurement cell containing a test solution containing a detection target.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the
図1(b)に示すように、微小粒子4aは、少なくとも一つの検出対象物を含む検査溶液3中に分散され、図1(a)および図2に示すように、特定波長の光が照射されることで表面の一部から近接場光を発生する導電性の微小粒子である。なお、微小粒子4aの表面の一部で近接場光が発生している領域のことを以下、「近接場光発生領域」という(例えば、図2に示す近接場光発生領域43参照)。
As shown in FIG. 1 (b), the
選択結合部41は、検査溶液3に含まれる検出対象物と選択的に結合する能力を有する部分である。
The
トルク付与部42は、検査溶液3に印加される磁場から場の力を受けて微小粒子4にトルクを与える部分である。選択結合部41およびトルク付与部42のそれぞれは、微小粒子4の表面の異なる位置に配置されている。なお、選択結合部41およびトルク付与部42の詳細は後述する。
The
上述した微小粒子4の構成より、トルク付与部42は、検査溶液3に印加される磁場から場の力を受けて微小粒子4自身にトルクを与える。ここで「トルク」とは、微小粒子4aの重心を中心に働く、上記重心まわりの力のモーメントである。このため、検査溶液3に磁場による摂動を印加すれば、検査溶液3に含まれる微小粒子4には、上記のトルクにより摂動が生じる。なお、「磁場の摂動」とは、印加される磁場の変動を意味し、また、「微小粒子の摂動」とは、上記印加された磁場の摂動に同期して生じる、微小粒子の運動を意味する。また、本実施形態では、「微小粒子の摂動」とは、微小粒子の往復回転運動である。ただし、他の実施形態においてはその限りではなく、「微小粒子の摂動」には、微小粒子の回転運動が含まれていても良い。
Due to the configuration of the microparticles 4 described above, the
このような摂動によって、微小粒子4上の観測者から見ると、近接場光が発生している領域である近接場光発生領域43に選択結合部41が出入りするような運動となる(実際には微小粒子4aにおける近接場光発生領域43の微小粒子4aに対する相対的な位置が微小粒子4aの運動に伴って変化するものと考えられる)。これにより、選択結合部41に検出対象物が結合している場合は、上記摂動に同期して、近接場光の発生状態が変化する。一方、近接場光発生領域43にある不純物は、選択結合部41と選択的に結合しない(結合力が弱い)ため、上記摂動に応じて近接場光発生領域43を出入りすることはない。つまり、(検出対象物に起因する)近接場光の発生状態は、上記摂動に応じて変化しない。例えば、後述する物質検出装置1を用いることで、この近接場光の発生状態の変化に起因する変動成分(変動成分信号)を抽出して解析することにより、検出対象物およびそれ以外の様々な物質が混合されている検査溶液3において、微量の検出対象物の検出が可能となる。
Such a perturbation causes a movement such that the
<微小粒子4の構成>
続いて、微小粒子4の構成について、図2〜図4を参照してより詳細に説明する。微小粒子4は、特定波長の光を照射されることで、表面の一部から近接場光を発する導電性の微小粒子である。換言すれば、微小粒子4は、特定波長の光を照射されることで、表面プラズモンを発生する。なお、一般的に、導電性の微小粒子4が特定波長の光を受けると、微小粒子4の表面全体から近接場光が発生する。一方、特定方向の偏光が微小粒子4aに照射された場合、偏光方向と同じ方向にのみ近接場光が発せられる。具体的には、偏光方向が図2の紙面に対して上下方向である場合には、図2に示すように微小粒子4の上下に位置する近接場光発生領域43にのみ近接場光が発生する。
<Configuration of microparticle 4>
Subsequently, the configuration of the microparticle 4 will be described in more detail with reference to FIGS. The microparticles 4 are conductive microparticles that emit near-field light from a part of the surface when irradiated with light of a specific wavelength. In other words, the microparticles 4 generate surface plasmons when irradiated with light of a specific wavelength. In general, when the conductive microparticles 4 receive light of a specific wavelength, near-field light is generated from the entire surface of the microparticles 4. On the other hand, when the
次に同図に示すように、微小粒子4aは、ポリスチレン核401を金膜402でコーティングしたものである。さらに、微小粒子4aは、金膜402の表面に選択結合部41およびトルク付与部42を備えている。なお、選択結合部41およびトルク付与部42は、同図に示すように、微小粒子4aの中心Oに対して選択結合部41の配されている位置と、微小粒子4aの中心Oに対してトルク付与部42が配されている位置との為す角θが略直角となるように配置されている。より具体的には、選択結合部41およびトルク付与部42は、微小粒子4aの中心Oと選択結合部41の中央C1を結ぶ第1の直線と、微小粒子4aの中心Oとトルク付与部42の中央C2を結ぶ第2の直線との為す角θが、85度より大きく、95度未満となるように配置されている。ここで、中央C1は、紙面に対して上側から見たときの選択結合部41の中央のことであり、中央C2は、紙面に対して右側から見たときのトルク付与部42の中央のことである。これにより、トルク付与部42と選択結合部41との微小粒子4aに対する位置関係は、微小粒子4aの中心に対してほぼ直角となる。これにより、微小粒子4aに付与されるトルクを最大化することができる。
Next, as shown in the figure, the
(選択結合部41)
選択結合部41は、後述する検査溶液3中の検出対象物と選択的に結合する能力を有するものである。具体的には、図2に示す微小粒子4aの選択結合部41は、金膜402上に同一種類の大腸菌の抗体411aが複数配されたものである。例えば、大腸菌の抗体411aは、抗原である大腸菌と選択的に結合する能力を有する。つまり、後述するように、微小粒子4aを検査溶液3中に分散させることで、検出対象物大腸菌およびそれ以外の様々な物質が混合されている検査溶液3から、微量の大腸菌の検出が可能となる。
(Selective coupling unit 41)
The
なお、選択結合部41は、抗体に限定されず、核酸の単鎖(以下、「核酸単鎖」という)などであっても良い。核酸単鎖は、DNA(デオキシリボ核酸)の単鎖であっても良くRNA(リボ核酸)の単鎖であっても良い。
The selective
選択結合部41の形態については、主として下記(イ)〜(へ)の各形態を例示することができる。すなわち、選択結合部41は、1種類以上の抗体を少なくとも一つ、1種類以上の核酸単鎖を少なくとも一つ、若しくは少なくとも一つの抗体と少なくとも一つの核酸単鎖との組み合わせを有していても良い。
(イ)単一の微小粒子で単一(したがって1種類)の抗体(または核酸単鎖)のみを有する形態、
(ロ)単一の微小粒子で同一種類の抗体(または核酸単鎖)を複数有する形態、
(ハ)単一の微小粒子で異なる種類の抗体の組合せを有する形態、
(ニ)単一の微小粒子で異なる種類の核酸単鎖の組合せを有する形態、
(ホ)単一の微小粒子で少なくとも一つの抗体と少なくとも一つの核酸単鎖との組合せ有する形態、
(へ)複数の微小粒子のそれぞれが、別々の抗体(または核酸単鎖)を有する形態。
About the form of the selective coupling |
(A) a form having only a single (and therefore one type) antibody (or nucleic acid single chain) in a single microparticle;
(B) a form having a plurality of the same type of antibody (or nucleic acid single chain) in a single microparticle;
(C) a form having a combination of different types of antibodies in a single microparticle,
(D) a form having a combination of different types of nucleic acid single strands in a single microparticle,
(E) a form having a combination of at least one antibody and at least one nucleic acid single chain in a single microparticle;
(F) A form in which each of a plurality of microparticles has a separate antibody (or nucleic acid single chain).
例えば、図2に示す微小粒子4aは、上記(ロ)の形態の一例であり、選択結合部41は、同一種類の抗体411aを複数有している。
For example, the
次に、図3に示す微小粒子4a〜4cは、上記(へ)の形態の一例であり、上記微小粒子4aの他、抗体411aとは別種類の抗体411bを複数有する微小粒子4b、同一種類の核酸単鎖411cを有する微小粒子4cが示されている。
Next, the
さらに、図4に示す微小粒子4dは、上記(ホ)の形態の一例であり、選択結合部41は、抗体411a、抗体411b、および核酸単鎖411cを有している。
Furthermore, the
(トルク付与部42)
次に、トルク付与部42は、検査溶液3に印加される磁場から場の力をうけて微小粒子4aにトルクを与えるものである。つまり、トルク付与部42が、微小粒子4aにトルクを与えることにより、微小粒子4aには摂動が与えられる。
(Torque imparting section 42)
Next, the
また、本実施形態では、トルク付与部42は、コバルト白金を用いた強磁性体の垂直磁化膜であり、上記垂直磁化膜表面(選択結合部42の微小粒子4aの側と反対側の表面)の極性は、検査溶液3に含まれる複数の微小粒子4aにおいてすべて同一である。これにより、微小粒子4aに対して容易に摂動を起こさせることができるとともに、同一極性による反発を利用して、微小粒子4a同士の凝集を避けることができる。
In the present embodiment, the
また、検査溶液3に印加される磁場は、特定の周波数を有し、正弦波状に変化する変動磁場である。この変動磁場によって生じるトルクが微小粒子4aに与えられることで、微小粒子4aは、上記特定の周波数に同期した摂動を行う。この摂動を利用した物質検出方法についての詳細は後述する。
<微小粒子4の効果>
微小粒子4のトルク付与部42は、後述するように検査溶液3に印加される磁場から場の力を受けて微小粒子4自身にトルクを与える。このため、微小粒子4の中には往復回転運動(または後述する回転運動)を行うものが出現する。このため、微小粒子4の一部に近接場光が発生するような特定波長の光を検査溶液に照射し、検査溶液3に磁場による摂動を印加した場合、上記のような運動が生じ、これを微小粒子4上の観測者からみると、微小粒子4の一部の近接場光が発生している近接場光発生領域43を、選択結合部41が出入りするような運動となる(実際には微小粒子4における近接場光発生領域43の微小粒子4に対する相対的な位置が微小粒子4の運動に伴って変化するものと考えられる)。
The magnetic field applied to the test solution 3 is a variable magnetic field having a specific frequency and changing in a sinusoidal shape. When the torque generated by the fluctuating magnetic field is applied to the
<Effect of microparticles 4>
As will be described later, the
しかしながら、自然吸着もしくは偶然その場に存在した検出対象物(例えば、大腸菌)以外の物質(例えば、選択結合部に結合する能力に乏しい不純物)は、検出対象物と比較して選択結合部41に対する結合が弱いため、微小粒子4に対する相対的な位置をほとんど変えず、微小粒子4の近接場光発生領域43に対する相対的な位置も大きく変わることはない。したがって、上記のように検査溶液3に磁場による摂動を印加し、選択結合部41に結合した検出対象物のみが近接場光発生領域43の中を出入りするような運動を起こせば、検査溶液3中の溶媒と検出対象物との屈折率差に起因して、磁場の摂動に応じて分光計測した吸収ピークの位置が変動することになる。この吸収ピークの位置の変動は、分光計測の結果における選択結合部41に結合した検出対象物のみに起因する変動成分となる。
However, substances other than the detection target (for example, Escherichia coli) that spontaneously adsorbed or accidentally existed (for example, impurities having a poor ability to bind to the selective binding portion) are more likely to react with the selective binding
このため、例えば、後述する物質検出装置1aを用いれば、分光計測の結果からこのような変動成分を抽出して解析することにより、検出対象物およびそれ以外の様々な物質が混合されている検査溶液において、微量の検出対象物の検出が可能となる。
For this reason, for example, if the
<物質検出装置1aの基本構成>
次に、物質検出装置1aの基本構成について図1を参照して説明する。
<Basic configuration of the
Next, the basic configuration of the
なお、上述したまたは以下で説明する微小粒子および物質検出装置の各形態は、既存技術に対する本発明の差異を端的に示す態様の例である。 In addition, each form of the microparticles and the substance detection apparatus described above or described below is an example of an aspect that directly shows a difference of the present invention with respect to an existing technology.
また、以下でその詳細を説明する、微小粒子におけるプラズモン共鳴による近接場光の発生位置(近接場光発生領域)と、選択吸着された検出対象物の存在する位置(選択結合部)との位置関係の変化を用いた検出という本発明の主たる構成要素は、本発明者らによってはじめて見出された知見であり、この本発明の主たる構成要素が備わっている形態であれば、本発明を具現化する形態は上述した態様または以下に示す態様のものに限定されないことは言うまでもない。そこで、以下の説明では、上記本発明の主たる構成要素以外の、分光計測システム(後述する分光特性計測部7参照)およびロックインアンプ(後述する変動成分抽出部6参照)のような本発明の本質との関係性が希薄な構成要素であって、当業者においては汎用計測機器としてその性質や利用方法が確立している構成要素についてはブラックボックスとして扱い、その詳細な構造などに関する説明は適宜省略するものとする。
Further, the position between the generation position of near-field light (near-field light generation area) due to plasmon resonance and the position where the selectively adsorbed detection target exists (selective coupling part), which will be described in detail below, The main component of the present invention, that is, detection using a change in the relationship, is a discovery found for the first time by the present inventors, and the present invention can be embodied as long as the main component of the present invention is provided. It goes without saying that the form to be converted is not limited to the above-described embodiment or the embodiment described below. Therefore, in the following description, in addition to the main constituent elements of the present invention, a spectroscopic measurement system (see a spectral
図1(a)は、物質検出装置1aの概略構成を示す図である。物質検出装置1aは、少なくとも、計測用セル2、コイル5、コイルドライバ51、ロックインアンプ6、分光特性計測部7、信号処理部14、並びにコイルドライバ51を含む。
Fig.1 (a) is a figure which shows schematic structure of the
(分光特性計測部7)
分光特性計測部7は、検査溶液3を通過した光の分光特性の検出結果を検出信号として出力するものである。図1(a)に示すように、分光特性計測部7は、少なくとも、発光部11、受光部12、偏光板111、および分光計測装置制御部10を含む。また、分光特性計測部7は、発光部11および受光部12間の光路13に存在する物質における、光の吸収量を当該光の波長ごとに計測する。発光部11は、予め設定された波長範囲の光を、例えば、短波長側から長波長側へ変化させながら、受光部12へ向けて照射する。また、受光部12は、上記の透過光の受光量を検出し、検出した受光量を検出信号としてロックインアンプ6に入力する。この受光量には検査溶液3中の光路13を通過する光の吸収量(吸収率)が反映される。ここで吸収率とは、物質へ入射する光である入射光の強度と、物質を透過した光である透過光の強度との比で表される値(割合)である。
(Spectral characteristic measurement unit 7)
The spectral
さらに、発光部11の直後には偏光板111が配されている。発光部11からの光が偏光板に111を通過することで、例えば、後述する図3において示される、偏光方向132が上下方向である光が検査溶液3に入射する(検出対象物質に照射される)こととなる。
Further, a
なお、本発明においては分光特性計測部の計測機能のみが利用できれば十分であり、分光特性計測部の計測手法などの異同は本発明の実施に影響しない。よって、計測手法などの詳細についてはその説明を省略する。 In the present invention, it is sufficient that only the measurement function of the spectral characteristic measurement unit can be used. Differences in the measurement method of the spectral characteristic measurement unit do not affect the implementation of the present invention. Therefore, the details of the measurement method and the like are not described.
(計測用セル2)
図1の(b)は、計測用セル2の詳細を示す概略図である。計測用セル2は、物質を光路13上に配置するためのセルである。本実施形態では、検査溶液3が入れられた計測用セル2が、偏光板111および受光部12の間に配置される。なお、本実施形態では、検査溶液3は、食品や河川水などを想定している。ただし、検査溶液3は、上記の例に限定されるものではない。また、検査溶液3中には、上述した微小粒子4(例えば微小粒子4a)が分散されている。さらに、微小粒子4の分散性を向上させるために、検査溶液3中に図示しない分散剤を加えてもよい。
(Measurement cell 2)
FIG. 1B is a schematic diagram showing details of the
(コイル5およびコイルドライバ51)
コイル(磁場印加部)5は、自身に流れる電流によって検査溶液3に磁場を印加するものである。例えば、本実施形態では、後述するコイルドライバ51によって、100Hzの正弦波状の電流がコイル5に流れるものとする。図1の(a)に示すように、コイル5は計測用セル2に接触している。ここで、コイル5に100Hzの正弦波状の電流が流れると、計測用セル2内の検査溶液3に上記100Hzの周波数で摂動する磁場が印加される。
(
The coil (magnetic field application unit) 5 applies a magnetic field to the test solution 3 by a current flowing through the
コイルドライバ51は、電流をコイル5に流すものである。具体的には、コイルドライバ51は、電圧をコイル5に印加することにより、印加された電圧に応じた電流をコイル5に流す。また、コイルドライバ51は、磁場を摂動させるための信号、具体的にはコイル5に100Hzの正弦波状の電流を流すための信号(以降、摂動信号と称する)を、後述するロックインアンプ6に入力する。
The
(ロックインアンプ6)
ロックインアンプ(変動成分抽出部)6は、特定の信号を検出して増幅するものである。具体的には、ロックインアンプ6には、受光部12から上記検出信号が入力されるとともに、コイルドライバ51から、上記摂動信号が参照信号として入力される。ロックインアンプ6は、上記検出信号から、上記摂動信号に同期した信号、すなわち、選択結合部41に結合した検出対象物(大腸菌)が、近接場光発生領域43を出入りすることによる、近接場光の発生状態の変化に起因する信号(以降、変動成分信号と称する)を抽出して出力し、信号処理部14に入力する。
(Lock-in amplifier 6)
The lock-in amplifier (variation component extraction unit) 6 detects and amplifies a specific signal. Specifically, the lock-in amplifier 6 receives the detection signal from the
なお、本実施形態では、変動成分抽出部の一例としてロックインアンプを用いて説明したが、本発明を具現化する形態はこれに限定されない。例えば、受光部12からの検出信号とともに、コイルドライバ51からの参照信号が直接(但し、A/D変換後の信号)信号処理部14に入力されるように構成し、信号処理部14による情報処理により、上記変動成分信号(もしくは変動成分情報)を抽出するようにしても良い。
In the present embodiment, the lock-in amplifier is used as an example of the fluctuation component extraction unit. However, the embodiment embodying the present invention is not limited to this. For example, the reference signal from the
(信号処理部14)
信号処理部(検出処理部)14は、本実施形態においては、上記の処理の結果に基づき、検出対象物の有無を判定したり、検出対象物の濃度などを算出したりするものである。例えば、信号処理部14は、変動成分信号を入力されると、予め内蔵されている検量線を用いて、上記吸収率の極大値のピーク(以降、吸収ピークと称する)のシフト量を検出対象物である大腸菌の濃度に変換する。なお、上述した信号処理部14の行う処理は一例であり、目的に応じた種々の信号処理が行われてもよい。
(Signal processing unit 14)
In this embodiment, the signal processing unit (detection processing unit) 14 determines the presence / absence of a detection target or calculates the concentration of the detection target based on the result of the above processing. For example, when the fluctuation component signal is input, the
なお、本発明においては、上述した各部材の機能を有する複数の装置を組み合わせた、いわゆる物質検出システムについても、その技術的範囲に含まれる。 In the present invention, a so-called substance detection system in which a plurality of devices having the functions of the respective members described above are combined is also included in the technical scope.
<物質検出方法の詳細>
次に、微小粒子4aを用いた物質検出方法の詳細について、図5および図6を参照して説明する。図5は、微小粒子4aにおいて、外部磁場(磁場)が印加されたときの摂動を示す概略図である。なお、図5は、電磁場解析ソフトを用いたシミュレーション結果である。
<Details of substance detection method>
Next, details of the substance detection method using the
図5の(a)に示すように、例えば、偏光方向132が紙面に対して上下方向である偏光131が、微小粒子4aに入射すると、プラズモン共鳴によって、偏光方向132の方向と同じ方向(図5の(a)の近接場光発生領域43)に、近接場光が発生する。
As shown in FIG. 5A, for example, when
ここで、検出対象物412(大腸菌)と結合した選択結合部41が近接場光発生領域43に存在すれば、微小粒子4aに起因する吸収ピーク波長の位置が長波長側にシフトする。しかしながら、選択結合部41に不純物413が自然吸着した場合、あるいは近接場光発生領域43内に不純物413が偶然存在した場合も、同様に微小粒子4aに起因する吸収ピーク波長の位置が長波長側にシフトしてしまう。
Here, if the selective
そこで、図3の(b)に示すように、検査溶液3中に、方向が偏光方向132に平行で、偏光131の入射方向に垂直である外部磁場44を印加する。外部磁場44は、図3の(b)に示すように、その方向が、図3の(b)の上下方向に100Hzの周波数で摂動するものである。これにより、微小粒子4aは上記100Hzの周波数の摂動に同期した摂動(往復回転運動)を行う。これにより、近接場光発生領域43の微小粒子4aに対する相対的な位置が、微小粒子4aの摂動に伴って変化する。つまり、上記摂動を微小粒子4a上の観測者から見たとき、検査溶液3中に分散された微小粒子4aの一部が、近接場光発生領域43を、選択結合部41が出入りするような運動を起こす。なお、外部磁場の変動方向は、上述した外部磁場44の変動方向に限定されない。後述する変形例のように、選択結合部41とトルク付与部42との位置関係に応じて、例えば、変動方向が偏光131の入射方向に平行である外部磁場を印加してもよい。
Therefore, as shown in FIG. 3B, an external
一方、選択結合部41に自然吸着している不純物413は、選択結合部41に対する結合が弱いため、摂動によって選択結合部41から離れる。そのため、選択結合部41に自然吸着している不純物413、および、近接場光発生領域43内に偶然存在した不純物413は、微小粒子に対する相対的な位置をほとんど変えることがない。換言すれば、不純物413は、選択結合部41とともに近接場光発生領域43を出入りすることはない。
On the other hand, the
以上より、検査溶液3に外部磁場44を印加すると、微小粒子4aの摂動が起こる。これにより、選択結合部41に結合した検出対象物412は、不純物413と異なり、近接場光発生領域43を出入りする。この検査溶液3を透過する光を受光部12が検出すると、吸収ピーク波長の位置が特定の周波数(本実施形態では100Hz)と同期して変化する検出信号が出力される。この吸収ピーク波長の位置の変化は、特定の周波数での微小粒子4aの摂動により、選択結合部41が近接場光発生領域43を出入りすることによって起こる、検査溶液3中の溶媒と検出対象物412(大腸菌)との屈折率差に起因するものである。
As described above, when the external
上記検出信号を、上記摂動信号を参照信号とするロックインアンプ6に入力すると、検出信号から上記摂動信号に同期した成分、すなわち、選択結合部41と結合した検出対象物412(大腸菌)に起因する変動成分信号が抽出される。
When the detection signal is input to the lock-in amplifier 6 using the perturbation signal as a reference signal, a component synchronized with the perturbation signal from the detection signal, that is, the detection target 412 (E. coli) coupled to the
図6は、上記の信号処理の概念を示すスペクトルである。具体的には、プラズモン共鳴を利用した物質検出装置においては、理想的には図6の(a)に示すようなスペクトルが検出される。図6の(a)に示すように、微小粒子4aに起因する吸収ピークの長波長側へのシフトが観察されると、選択結合部41に大腸菌が結合していることが特定できる。しかしながら、従来技術では不純物の存在により、図6の(b)に示すようなスペクトルが検出されてしまう。これにより、吸収ピークの波長を決定することが困難となる。そこで、上述した物質検出方法により、摂動に同期して変化する成分(変動成分信号)のみを抽出することで、図6の(c)に示すようなスペクトルが検出される。このスペクトルの信号を信号処理部14が処理し、吸収ピークのシフト量を検出対象物の濃度に変換することで、ノイズを抑えた検出対象物の定量が可能となる。
FIG. 6 is a spectrum showing the concept of the above signal processing. Specifically, in a substance detection apparatus using plasmon resonance, ideally a spectrum as shown in FIG. 6 (a) is detected. As shown in FIG. 6A, when a shift to the long wavelength side of the absorption peak due to the
<変形例>
上述した形態では、微小粒子4aは、図2に示すように、選択結合部41およびトルク付与部42は、同図に示すように、微小粒子4aの中心Oに対して選択結合部41の配されている位置と、微小粒子4aの中心Oに対してトルク付与部42が配されている位置との為す角θが略直角となるように配置されていた。これは、上記配置が、微小粒子4aにおける摂動を最大化する配置であるためである。
<Modification>
In the form described above, the
しかしながら、本発明の課題を解決するためには、選択結合部41に結合した大腸菌などの検出対象物412が、近接場光発生領域43を出入りするような摂動を、微小粒子4aが行えば十分である。
However, in order to solve the problem of the present invention, it is sufficient that the
そこで、本発明の実施形態に係る微小粒子は、図7に示すように、選択結合部41とトルク付与部42とが対向するように配置された微小粒子4eであってもよい。この場合、トルク付与部42の法線と、外部磁場の方向とが平行となるようなトルクを、微小粒子4eに与えるために、コイル5は、特定の周波数で図5の(b)の左右方向に摂動する外部磁場45を検査溶液3に印加する。微小粒子4eに与えられるトルクの大きさは、微小粒子4aに与えられるトルクの大きさと比較して小さいものとなるが、選択結合部41が近接場光発生領域43を出入りするような摂動を与えるためには十分な大きさである。
Therefore, the microparticles according to the embodiment of the present invention may be
なお、選択結合部41とトルク付与部42との位置関係は、上述した位置関係に限定されない。つまり、選択結合部41が近接場光発生領域43を出入りするような摂動を微小粒子4に与えられるような位置関係であれば、どのような位置関係であってもよい。さらに具体的には、選択結合部41とトルク付与部42とが、同じ位置に存在するよう配置されていなければ、どのような配置であってもよい。
〔実施形態3〕
本発明の別の実施形態について、図8に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図8は、本発明の実施形態3に係る微小粒子の一例を示す概略図である。
Note that the positional relationship between the
[Embodiment 3]
Another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic view showing an example of microparticles according to Embodiment 3 of the present invention.
上述した実施形態2の微小粒子4a〜4eでは、トルク付与部42は、コバルト白金を用いた強磁性体の垂直磁化膜であった。本実施形態では、トルク付与部42が、強磁性体の面内磁化膜である点で、上述した実施形態2の微小粒子と異なっている。
In the
つまり、トルク付与部42は、外部磁場に応じて、微小粒子4を微小粒子の重心を中心として回転させるものであればどのようなものであってもよい。例えば、図8に示す形態では、トルク付与部642として、強磁性体の面内磁化膜を用いている。ただし、この場合、微小粒子4fの凝集を防ぐために、微小粒子4fの表面を同一極性の電荷に帯電させておくことが好ましい。
That is, the
〔実施形態4〕
本発明のさらに別の実施形態について、図9に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図9は、本発明の実施形態4に係る物質検出装置の概略構成を示す図である。
[Embodiment 4]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a substance detection apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
上述した実施形態1では、外部磁場の変動方向は、図5における上下方向、あるいは図7における左右方向に固定されていた。この場合、微小粒子4の摂動に応じて、トルク付与部42の法線が、外部磁場の方向と平行になるように変化するため、微小粒子4に与えられるトルクは徐々に減少していくという副次的な問題が生じる。
In Embodiment 1 described above, the fluctuation direction of the external magnetic field is fixed in the vertical direction in FIG. 5 or in the horizontal direction in FIG. In this case, the torque applied to the microparticles 4 gradually decreases because the normal of the
このような副次的な問題を解決するため、本実施形態の物質検出装置1bは、図7に示すように、実施形態1に記載の物質検出装置1aにおけるコイルドライバ51およびコイル5に代えて、コイルドライバ650、並びにコイル651およびコイル652を備えている。コイル651およびコイル652は、計測用セル2の側面に接触するように配置され、その接触位置はそれぞれ異なる。
In order to solve such a secondary problem, the
コイルドライバ650は、コイル651およびコイル652それぞれに対して、別の電圧を印加する。一例として本実施形態では、コイルドライバ650は、コイル651に対して、f0を周波数、tを時刻として、下記(式1)で示される電圧VAを印加するものとする。
The
VA=V0×sin(2π×f0×t) (式1)
また、コイルドライバ650は、コイル652に対して、下記(式2)で示される電圧VBを印加するものとする。
V A = V 0 × sin (2π × f 0 × t) (Formula 1)
The
VB=V0×cos(2π×f0×t) (式2)
これにより、コイル651からは、上記電圧VAに応じた磁場が発生し、コイル652からは、上記電圧VBに応じた磁場が発生する。そして、検査溶液3には、これら磁場が合成された合成磁場が印加される。
V B = V 0 × cos (2π × f 0 × t) (Formula 2)
As a result, a magnetic field corresponding to the voltage V A is generated from the
ここで、上記合成磁場は、周波数f0で回転する回転磁場となる。この回転磁場によって、微小粒子4aが周波数f0で回転し、選択結合部41が近接場光発生領域43を出入りすることとなる。また、上記合成磁場と微小粒子4aは、ともに周波数f0で回転するため、トルク付与部42の法線と、外部磁場の方向とが平行となることを防ぎ、理想的には、トルク付与部42の法線と、外部磁場の方向とがなす角度を、常にほぼ直角に保ち続けることが可能である。これにより、微小粒子4aは、実施形態1と比較して大きなトルクを、常に得ることが可能であり、その結果、摂動の振幅を大きくとることが可能となる。これは、近接場光発生領域43に対する検出対象物の配置がより大きく変化することを意味するため、検出信号および変動成分信号の強度を増強することができる。
Here, the resultant magnetic field is a rotating magnetic field which rotates at the frequency f 0. Due to this rotating magnetic field, the
<変形例>
本実施形態では、微小粒子4aに一定の回転を生じさせる外部磁場を、検査溶液3に印加する構成について説明した。しかしながら、外部磁場は往復回転を生じさせるものであってもよい。
<Modification>
In the present embodiment, the configuration in which the external magnetic field that causes the
具体的には、コイルドライバ650が、コイル651およびコイル652に対して、下記の(式3)および(式4)で示される電圧VCおよびVDをそれぞれ印加するものであればよい。なお、下記の(式3)および(式4)におけるφ0は、振動振幅である。
VC=V0×sin(φ0×sin(2π×f0×t)) (式3)
VD=V0×cos(φ0×sin(2π×f0×t)) (式4)
これにより、検査溶液3に印加される合成磁場は、振動振幅がφ0、周波数がf0で往復回転する往復回転磁場となる。この往復回転磁場を用いることで、検出対象物と選択結合部41との結合強度が反映された情報を得ることができる。
Specifically, it is only necessary that the
V C = V 0 × sin (φ 0 × sin (2π × f 0 × t)) (Formula 3)
V D = V 0 × cos (φ 0 × sin (2π × f 0 × t)) (Formula 4)
Thereby, the synthetic magnetic field applied to the test solution 3 becomes a reciprocating rotating magnetic field that reciprocally rotates at a vibration amplitude of φ 0 and a frequency of f 0 . By using this reciprocating rotating magnetic field, it is possible to obtain information in which the coupling strength between the detection object and the
なお、本実施形態における物質検出装置1bの特徴は、複数のコイルに印加される電圧によって、検査溶液3および微小粒子4に回転する合成磁場を印加することにある。つまり、上記合成磁場を発生させるための電圧波形については、上記合成磁場を回転させるものであればよく、上記(式1)〜(式4)で示される電圧波形に限定されない。
The feature of the
〔実施形態5〕
本発明のさらに別の実施形態について、図10に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図10は、本発明の実施形態5に係る微小粒子の一例を示す概略図である。
[Embodiment 5]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to FIG. FIG. 10 is a schematic view showing an example of fine particles according to
上述した実施形態2および3に係る微小粒子4では、トルク付与部42が強磁性体の磁化膜であった。このため、微小粒子4はトルク付与部42によって磁化され、検査溶液3中で微小粒子4同士が凝集してしまうという懸念(副次的な問題点)があった。
In the fine particles 4 according to
上記の副次的な問題を解決するため、本実施形態の微小粒子4gは、トルク付与部742として導電膜を用いた微小粒子である。上記導電膜は、導電性を有するものであればその材質を問わないが、本実施形態では、一例としてアルミニウムの膜を用いている。なお、金膜402とトルク付与部742との間は、図示していない絶縁膜にて絶縁されている。
In order to solve the above-mentioned secondary problem, the
次に、導電膜であるトルク付与部742を用いた微小粒子4gに磁場を印加することで、微小粒子4gが摂動を行う原理について説明する。
Next, the principle that the
上記実施形態2にて示される回転磁場が、検査溶液3に印加されることによって、トルク付与部742には渦電流が生じ、この渦電流によって誘導磁場が発生する。これにより、上記回転磁場に追従する方向のトルクが微小粒子4gに付与されるため、微小粒子4gが摂動を行う。なお、この現象は、アラゴーの円板の原理にて説明することができる。
When the rotating magnetic field shown in the second embodiment is applied to the test solution 3, an eddy current is generated in the
以上より、微小粒子4gが摂動を行うことによって、選択結合部41が近接場光発生領域43を出入りすることとなるので、選択結合部41に結合した検出対象物412を検出することができる。
As described above, when the
また、トルク付与部742には導電膜を用いているので、微小粒子4gが磁化されることはない。このため、分散剤による分散処理や、微小粒子4の表面を同一極性の電荷で帯電させるといった処理が不要となる。よって、構造が簡便になり、製造プロセスにおけるプロセス数も少なくなるため、製造コストを下げることができる。
Further, since the conductive film is used for the
〔実施形態6〕
本発明のさらに別の実施形態について、図11に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図11は、本発明の実施形態6に係る微小粒子の一例を示す概略図である。
[Embodiment 6]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic view showing an example of microparticles according to Embodiment 6 of the present invention.
本実施形態の微小粒子4hは、トルク付与部842として超常磁性体を用いた微小粒子である。ここで、超常磁性体とは、室温で常磁性を示す強磁性体あるいはフェリ磁性体である。超常磁性体に対して磁場を印加すると、常磁性体と比べて大きな磁気モーメントを有することとなる。つまり、超常磁性体をトルク付与部842として利用することで、微小粒子4hに摂動を行わせるのに十分なトルクを与えることができる。
The
上記超常磁性体は、上述した磁気的性質を満たしているものであればその材質を問わないが、本実施形態では、一例としてFe3O4のナノ粒子を用いている。具体的には、Fe3O4のナノ粒子からなるトルク付与部842は、微小粒子4hに対して結合している。このようなトルク付与部842を形成するには、スパッタなどの方法を用いて、Fe3O4の極薄膜を微小粒子4hの表面に部分的に形成し、その後、アニール等の方法を用いて凝集させることで、極薄膜からFe3O4のナノ粒子を形成すれば良い。
The superparamagnetic material may be made of any material as long as it satisfies the above-described magnetic properties, but in the present embodiment, Fe 3 O 4 nanoparticles are used as an example. Specifically, the
次に、超常磁性体であるトルク付与部842を用いた微小粒子4gに磁場を印加することで、微小粒子4hが摂動を行う原理についてさらに具体的に説明する。
Next, the principle of perturbing the
外部磁場が検査溶液3に印加されることによって、トルク付与部842、すなわち微小粒子4hが当該磁場に引き寄せられる。この外部磁場は、例えば実施形態1で説明した100Hzの周波数で変動する外部磁場である。なお、外部磁場は100Hzの周波数で摂動する磁場に限定されない。ここで、トルク付与部842は微小粒子4hに対して非対称に配置されているため、微小粒子4hは摂動を行う。この摂動により、選択結合部41が近接場光発生領域43を出入りすることとなるので、選択結合部41に結合した検出対象物412を検出することができる。
By applying an external magnetic field to the test solution 3, the
また、微小粒子4hは、超常磁性体をトルク付与部842として用いているため、外部磁場が印加されない限りは磁化されない。このため、分散剤による分散処理や、微小粒子4の表面を同一極性の電荷で帯電させるといった処理が不要となる。よって、構造が簡便になり、製造プロセスにおけるプロセス数も少なくなるため、製造コストを下げることができる。
Further, since the
〔実施形態7〕
本発明のさらに別の実施形態について、図12に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図12は、本発明の実施形態7に係る物質検出装置の概略構成を示す図である。
[Embodiment 7]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to FIG. FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration of a substance detection apparatus according to
本実施形態の物質検出装置1cは、上述した実施形態2の物質検出装置1bと同様に、2つのコイルを備えている。ただし、物質検出装置1cは、計測用セル2の側面に接触する位置に配置されるコイル651に代えて、検査溶液3の上部に配置されるコイル951を備える。
The
以下に、本実施形態における物質検出方法について説明する。なお、本実施形態では、一例として、微小粒子4aを使用する。
Below, the substance detection method in this embodiment is demonstrated. In the present embodiment, the
まず、コイル951により検査溶液3に磁場を印加する。この磁場は、微小粒子4aがコイル951に引き寄せられるように制御された磁場であればよい。これにより、検査溶液3に分散された微小粒子4aは、コイル951に引き寄せられるが、検査溶液3の表面張力の影響で、検査溶液3から離脱することはできない。結果として、微小粒子4aは、検査溶液3の界面に集中する。
First, a magnetic field is applied to the test solution 3 by the
続いて、コイル951およびコイル652のうち少なくとも1つを用いて、検査溶液3に、微小粒子4aを摂動させるような磁場を印加する。例えば、コイル652を用いて、実施形態1で説明した特定の周波数で摂動する磁場を印加してもよいし、コイル951およびコイル652を用いて、実施形態4で説明した回転する合成磁場を印加してもよい。
Subsequently, a magnetic field that perturbs the
これにより、微小粒子4aは、検査溶液3の界面で摂動を行う。このとき、微小粒子4aは、検査溶液3の界面に表出しているため、微小粒子4aが完全に検査溶液3中にある場合に比べて、検査溶液3の粘性抵抗が小さくなる。よって、同一強度の磁場を印加した場合でも、微小粒子4aの振動振幅が大きくなり、感度の高い検出が可能となる。
Thereby, the
なお、本実施形態で使用される微小粒子は、コイル951に引き寄せられるものであればよく、微小粒子4aに限定されない。例えば、実施形態6にて説明した微小粒子4hを用いてもよい。
Note that the fine particles used in the present embodiment are not limited to the
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る微小粒子(4)は、少なくとも一つの検出対象物(412)を含む検査溶液(3)中に分散され、特定波長の光が照射されることで表面の一部から近接場光を発生する導電性の微小粒子であって、上記検査溶液に含まれる上記検出対象物と選択的に結合する能力を有する選択結合部(41)と、上記検査溶液に印加される磁場から場の力を受けて上記微小粒子にトルクを与えるトルク付与部(42)と、を備え、上記選択結合部および上記トルク付与部のそれぞれが上記微小粒子の表面の異なる位置に配置されている。
[Summary]
The fine particles (4) according to the first aspect of the present invention are dispersed in a test solution (3) including at least one detection target (412), and are irradiated with light of a specific wavelength from a part of the surface. A selective coupling part (41) that is a conductive fine particle that generates near-field light and has an ability to selectively bind to the detection target contained in the test solution, and a magnetic field applied to the test solution A torque applying unit (42) that receives a field force from the surface and applies torque to the microparticles, and each of the selective coupling unit and the torque applying unit is disposed at a different position on the surface of the microparticles. .
上記構成によれば、微小粒子のトルク付与部は、検査溶液に印加される磁場から場の力を受けて微小粒子自身にトルクを与える。このため、微小粒子の中には回転または往復回転運動を行うものが出現する。このため、微小粒子の一部に近接場光が発生するような特定波長の光を検査溶液に照射し、検査溶液に磁場による摂動を印加した場合、上記のような運動が生じ、これを微小粒子上の観測者からみると、微小粒子の一部の近接場光が発生している領域(以下、近接場光発生領域という)を、選択結合部が出入りするような運動となる(実際には微小粒子における近接場光発生領域の微小粒子に対する相対的な位置が微小粒子の運動に伴って変化するものと考えられる)。 According to the above configuration, the torque applying unit for the microparticles receives a field force from the magnetic field applied to the test solution and applies torque to the microparticles themselves. For this reason, some of the fine particles appear to rotate or reciprocate. For this reason, when the test solution is irradiated with light of a specific wavelength that generates near-field light in a part of the microparticles, and the perturbation due to the magnetic field is applied to the test solution, the above-mentioned motion occurs, From the viewpoint of the observer on the particle, the region where the near-field light of a part of the microparticle is generated (hereinafter referred to as the near-field light generation region) moves so that the selective coupling part enters and exits (actually It is considered that the relative position of the near-field light generation region of the microparticle with respect to the microparticle changes with the movement of the microparticle).
しかしながら、自然吸着もしくは偶然その場に存在した検出対象物以外の物質(例えば、選択結合部に結合する能力に乏しい不純物)は、検出対象物と比較して選択結合部に対する結合が弱いため、微小粒子に対する相対的な位置をほとんど変えず、微小粒子の近接場光発生領域に対する相対的な位置も大きく変わることはない。したがって、上記のように検査溶液に磁場による摂動を印加し、選択結合部に結合した検出対象物のみが近接場光発生領域の中を出入りするような運動を起こせば、検査溶液中の溶媒と検出対象物との屈折率差に起因して、磁場の摂動に応じて分光計測した吸収ピークの位置が変動することになる。この吸収ピークの位置の変動は、分光計測の結果における選択結合部に結合した検出対象物のみに起因する変動成分となる。 However, substances other than the target to be detected that spontaneously adsorbed or accidentally existed (for example, impurities having a poor ability to bind to the selective binding part) have a weak binding to the selective binding part compared to the target to be detected. The relative position with respect to the particles hardly changes, and the relative position of the microparticles with respect to the near-field light generation region does not change significantly. Therefore, if the perturbation due to the magnetic field is applied to the test solution as described above, and only the detection target coupled to the selective coupling part moves in and out of the near-field light generation region, the solvent in the test solution Due to the difference in refractive index from the detection object, the position of the absorption peak spectroscopically measured varies according to the perturbation of the magnetic field. The fluctuation in the position of the absorption peak becomes a fluctuation component caused only by the detection target coupled to the selective coupling portion in the spectroscopic measurement result.
このため、分光計測の結果からこのような変動成分を抽出して解析することにより、検出対象物およびそれ以外の様々な物質が混合されている検査溶液において、(例えば、後述する物質検出装置を用いれば)微量の検出対象物の検出が可能となる。 For this reason, by extracting and analyzing such a fluctuation component from the result of spectroscopic measurement, in a test solution in which a detection target and various other substances are mixed (for example, a substance detection device described later is used). If used), it is possible to detect a very small amount of detection object.
本発明の態様2に係る微小粒子は、上記態様1において、上記微小粒子の中心に対して上記選択結合部の配されている位置と、上記微小粒子の中心に対して上記トルク付与部が配されている位置との為す角が、略直角であってもよい。
The microparticle according to
上記の構成によれば、トルク付与部と選択結合部との微小粒子に対する位置関係は、微小粒子の中心に対してほぼ直角となる。これにより、微小粒子に付与されるトルクを最大化することができる。 According to said structure, the positional relationship with respect to a microparticle of a torque provision part and a selective coupling part becomes a substantially right angle with respect to the center of a microparticle. As a result, the torque applied to the fine particles can be maximized.
本発明の態様3に係る微小粒子は、上記態様1または2において、上記トルク付与部は、強磁性体の垂直磁化膜を含んでもよい。
In the microparticle according to aspect 3 of the present invention, in the
上記の構成によれば、トルク付与部は強磁性体の垂直磁化膜を含んでいるので、検査溶液に磁場を印加することで、選択結合部と結合した検出対象物と、近接場光が発生している領域との位置関係を変化させるのに十分な大きさのトルクを、微小粒子に対して付与することができる。また、同一極性による反発を利用して、微小粒子同士の凝集を避けることができるので、分散剤が不要となる。 According to the above configuration, since the torque applying unit includes the perpendicular magnetization film of the ferromagnetic material, the detection target coupled with the selective coupling unit and the near-field light are generated by applying a magnetic field to the test solution. A torque large enough to change the positional relationship with the region being applied can be applied to the fine particles. Moreover, since the repulsion by the same polarity can be utilized and aggregation of microparticles can be avoided, a dispersing agent becomes unnecessary.
本発明の態様4に係る微小粒子は、上記態様1または2において、上記トルク付与部は、導電膜を含んでもよい。
In the fine particles according to aspect 4 of the present invention, in the
本発明の態様5に係る微小粒子は、上記態様1または2において、上記トルク付与部は、超常磁性体を含んでもよい。
In the microparticle according to
上記の構成によれば、トルク付与部は導電膜あるいは超常磁性体を含む。これにより、微小粒子自体が磁性を有しないものとなるので、微小粒子同士の凝集を防ぐことができる。また、微小粒子に対して分散剤による分散処理などを施す必要もなくなるので、構成が簡便になり製造プロセスにおけるプロセス数も少なくなるため、製造コストを下げることができる。 According to said structure, a torque provision part contains a electrically conductive film or a superparamagnetic substance. Thereby, since the microparticles themselves do not have magnetism, aggregation of the microparticles can be prevented. In addition, since it is not necessary to perform a dispersion treatment with a dispersant on the fine particles, the configuration is simple and the number of processes in the manufacturing process is reduced, so that the manufacturing cost can be reduced.
本発明の態様6に係る微小粒子は、上記態様1から5において、上記選択結合部は、1種類以上の抗体または1種類以上の核酸の単鎖を少なくとも一つ有してもよい。 In the microparticles according to aspect 6 of the present invention, in the above aspects 1 to 5, the selective binding portion may have at least one single chain of one or more types of antibodies or one or more types of nucleic acids.
上記の構成によれば、選択結合部は、1種類以上の抗体または1種類以上の核酸の単鎖少なくとも一つを有する。これにより、選択結合部は、抗体または核酸の単鎖と選択的に結合する検査溶液内の検出対象物と選択的に結合するので、抗体または核酸の単鎖と選択的に結合する検出対象物の検出が可能になる。 According to the above configuration, the selective binding portion has at least one single chain of one or more types of antibodies or one or more types of nucleic acids. Accordingly, the selective binding portion selectively binds to the detection target in the test solution that selectively binds to the single chain of the antibody or nucleic acid, and thus the detection target that selectively binds to the single chain of the antibody or nucleic acid. Can be detected.
本発明の態様7に係る物質検出装置1は、上記態様1から6における微小粒子を少なくとも一つと、検出対象物を少なくとも一つと、を含む検査溶液に特定波長の光を照射することで上記微小粒子から発生する近接場光を利用して、上記検査溶液に含まれる検出対象物を検出する物質検出装置であって、上記検査溶液を通過した光の分光特性の検出結果を検出信号として出力する分光特性計測部(7)と、上記検査溶液に磁場を印加する少なくとも一つの磁場印加部(コイル5、コイル651、コイル652、コイル951)と、上記磁場印加部が上記検査溶液に印加する上記磁場の摂動信号を参照信号とし、上記分光特性計測部から出力された検出信号から上記摂動信号に同期した変動成分信号を抽出して出力する変動成分抽出部(ロックインアンプ6)と、上記変動成分抽出部から出力された上記変動成分信号を用いて上記検出対象物を検出する処理を実行する検出処理部(信号処理部14)と、を備えていてもよい。
The substance detection apparatus 1 according to
上記の構成によれば、磁場の摂動信号を参照信号とすることで、上記磁場を印加した検査溶液を通過した光の分光特性の検出結果である検出信号から、上記摂動信号に同期した変動成分信号を抽出して出力する。そして、検出処理部は、上記変動成分信号を用いて検出対象物を検出する。 According to the above configuration, by using the perturbation signal of the magnetic field as a reference signal, the fluctuation component synchronized with the perturbation signal from the detection signal that is the detection result of the spectral characteristics of the light that has passed through the test solution to which the magnetic field is applied. Extract and output the signal. And a detection process part detects a detection target object using the said fluctuation | variation component signal.
ここで、選択結合部と結合した検出対象物と、近接場光が発生している領域との位置関係の変化は、上記摂動信号に同期して発生する。つまり、上記の構成により、選択結合部と結合した検出対象物と、近接場光発生領域との微小粒子に対する相対的な位置関係の変化に対応した、近接場光の発生状態の変化のみを、変動成分信号として抽出することができる。よって、不純物に起因するノイズを抑えた、S/N比の高い検出対象物の検出が可能となる。 Here, the change in the positional relationship between the detection target coupled with the selective coupling unit and the region where the near-field light is generated occurs in synchronization with the perturbation signal. That is, with the above configuration, only the change in the near-field light generation state corresponding to the change in the relative positional relationship with respect to the microparticles of the detection object combined with the selective coupling portion and the near-field light generation region, It can be extracted as a fluctuation component signal. Therefore, it is possible to detect a detection target with a high S / N ratio while suppressing noise caused by impurities.
本発明の態様8に係る物質検出装置は、上記態様3における微小粒子を少なくとも一つと、検出対象物を少なくとも一つと、を含む検査溶液に特定波長の光を照射することで上記微小粒子から発生する近接場光を利用して、上記検査溶液に含まれる検出対象物を検出する物質検出装置であって、上記検査溶液を通過した光の分光特性の検出結果を検出信号として出力する分光特性計測部と、上記検査溶液に磁場を印加する少なくとも一つの磁場印加部と、上記磁場印加部が上記検査溶液に印加する上記磁場の摂動信号を参照信号とし、上記分光特性計測部から出力された検出信号から上記摂動信号に同期した変動成分信号を抽出して出力する変動成分抽出部と、上記変動成分抽出部から出力された上記変動成分信号を用いて上記検出対象物を検出する処理を実行する検出処理部と、を備え、上記検査溶液は、上記微小粒子を複数含み、複数の上記微小粒子のそれぞれの上記トルク付与部の上記微小粒子の側と反対側の表面の極性が同一であってもよい。 A substance detection device according to aspect 8 of the present invention is generated from the fine particles by irradiating a test solution containing at least one fine particle and at least one detection object in aspect 3 with light of a specific wavelength. A substance detection device that detects a detection target contained in the test solution by using near-field light, and outputs a detection result of a spectral characteristic of light that has passed through the test solution as a detection signal And at least one magnetic field applying unit that applies a magnetic field to the test solution, and a perturbation signal of the magnetic field that the magnetic field applying unit applies to the test solution is used as a reference signal, and the detection is output from the spectral characteristic measuring unit A fluctuation component extraction unit that extracts and outputs a fluctuation component signal synchronized with the perturbation signal from a signal; and the detection target object is detected using the fluctuation component signal output from the fluctuation component extraction unit. A detection processing unit that executes a processing to be performed, wherein the test solution includes a plurality of the microparticles, and the surface of the torque application unit of each of the plurality of microparticles on a surface opposite to the microparticle side is provided. The polarities may be the same.
本発明の態様9に係る物質検出装置は、上記態様7または8において、上記トルク付与部は、上記微小粒子の側と反対側の表面と垂直な方向に磁化をもつ垂直磁化膜であってもよい。
In the substance detection device according to aspect 9 of the present invention, in the
上記の構成によれば、検査溶液には複数の微小粒子が含まれており、この複数の微小粒子それぞれにおける、トルク付与部(強磁性体の垂直磁化膜)の微小粒子の側と反対側の表面の磁性が同一であるので、微小粒子同士が反発する。よって、微小粒子の凝集を防ぐことができる。 According to the above configuration, the test solution includes a plurality of microparticles, and each of the plurality of microparticles is on the side opposite to the microparticles side of the torque applying unit (the perpendicular magnetization film of the ferromagnetic material). Since the surface magnetism is the same, the microparticles repel each other. Therefore, aggregation of microparticles can be prevented.
本発明の態様10に係る物質検出装置は、上記態様7または8において、上記磁場印加部を複数備えてもよい。
The substance detection device according to
上記の構成によれば、磁場印加部が複数備えられているので、それぞれの磁場印加部が異なる磁場を発生させることができる。これにより、検査溶液には異なる磁場を合成した合成磁場を印加することができる。 According to said structure, since the magnetic field application part is provided with two or more, each magnetic field application part can generate a different magnetic field. Thereby, the synthetic | combination magnetic field which synthesize | combined a different magnetic field can be applied to a test solution.
例えば、それぞれの磁場の摂動信号を制御することによって、特定の周波数で回転する合成磁場を印加することができる。これにより、微小粒子は合成磁場の回転と同期して回転するので、上記微小粒子の側と反対側の表面における法線の方向と、合成磁場の方向は一定の関係、理想的にはこれらのベクトルの為す角が常に直角になるような関係を維持することができる。よって、微小粒子に常に大きなトルクを付与することができ、より感度の高い検出が可能となる。 For example, by controlling the perturbation signal of each magnetic field, a synthetic magnetic field rotating at a specific frequency can be applied. As a result, the microparticles rotate in synchronization with the rotation of the synthetic magnetic field, so the direction of the normal on the surface opposite to the microparticle side and the direction of the synthetic magnetic field have a fixed relationship, ideally these It is possible to maintain such a relationship that the angle formed by the vector is always a right angle. Therefore, a large torque can always be applied to the fine particles, and detection with higher sensitivity is possible.
本発明の態様11に係る物質検出装置は、上記態様8において、上記複数の上記磁場印加部のうちの少なくとも1つが、上記検査溶液の上部に配置されていてもよい。 In the substance detection device according to aspect 11 of the present invention, in the aspect 8, at least one of the plurality of magnetic field application units may be disposed above the test solution.
上記の構成によれば、複数の磁場印加部のうち少なくとも1つは、検査溶液の上部に配置されている。この磁場印加部によって検査溶液に磁場を印加することで、微小粒子を検査溶液の界面に表出させることができる。これにより、微小粒子にもたらされる検査溶液の粘性抵抗を小さくすることができ、例えば、同一の磁界強度による微小粒子の振動振幅が大きくなる。よって、より感度の高い検出が可能となる。 According to the above configuration, at least one of the plurality of magnetic field application units is arranged on the upper part of the test solution. By applying a magnetic field to the test solution by the magnetic field application unit, the fine particles can be exposed at the interface of the test solution. Thereby, the viscosity resistance of the test solution brought to the microparticles can be reduced, and for example, the vibration amplitude of the microparticles with the same magnetic field strength is increased. Therefore, detection with higher sensitivity is possible.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, a new technical feature can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
なお、本発明の実施形態は、以下のようにも表現できる。 The embodiment of the present invention can also be expressed as follows.
すなわち、本発明の微小粒子は、導電性微小粒子表面の一部に磁性体を、別の一部に、検出対象物に選択的に結合する能力を有する選択結合部を有する。 That is, the microparticles of the present invention have a selective binding portion having the ability to selectively bind a magnetic substance to a part of the surface of the conductive microparticle and another part to a detection target.
上記の微小粒子によれば、磁性体に外部磁界をかけることで微小粒子の摂動を誘引し、この摂動に対応した変化を検出することで微量の検出対象を検出可能となる。 According to the above-mentioned microparticles, a perturbation of the microparticles is induced by applying an external magnetic field to the magnetic material, and a minute detection target can be detected by detecting a change corresponding to the perturbations.
また、本発明の微小粒子は、磁性体は、垂直磁化膜であり、微小粒子表面の極性が同一であってもよい。 In the fine particles of the present invention, the magnetic substance may be a perpendicular magnetization film, and the polarities of the fine particle surfaces may be the same.
上記の微小粒子によれば、摂動を起こすことが容易で、かつ、微小粒子同士の凝集を避けることができる。 According to the above microparticles, perturbation can be easily caused and aggregation of the microparticles can be avoided.
また、本発明の微小粒子は、上記磁性体と、上記選択結合部が、微小粒子中心に対して90度の角度を持って配されていてもよい。 In the fine particle of the present invention, the magnetic substance and the selective coupling portion may be arranged with an angle of 90 degrees with respect to the fine particle center.
上記の微小粒子によれば、摂動による効果を最大化することができる。 According to the above fine particles, the effect of perturbation can be maximized.
また、本発明の物質検出システムは、上記の微小粒子を含んだ検査対象およびこの検査対象の分光特性を検出する分光特性計測部と、上記微小粒子に対する摂動を磁気的に加える磁界印加部と、前記磁気摂動における摂動信号を参照信号とするロックインアンプを有し、前記磁気摂動に同期した変動成分を用いて検出対象の検出を行ってもよい。 In addition, the substance detection system of the present invention includes an inspection object including the above-described microparticles, a spectral characteristic measurement unit that detects the spectral characteristics of the inspection object, a magnetic field application unit that magnetically perturbs the microparticles, A lock-in amplifier that uses a perturbation signal in the magnetic perturbation as a reference signal may be included, and a detection target may be detected using a fluctuation component synchronized with the magnetic perturbation.
上記の検出システムによれば、ノイズを押さえた検出対象の定量が可能となる。 According to the above detection system, it is possible to quantify the detection target while suppressing noise.
本発明は、特定波長の光が照射されることで、表面から近接場光を発生する微小粒子、および当該微小粒子を用いて、水や食品などに含まれる微量な細菌などを検出する物質検出装置に好適に利用することができる。 The present invention is a substance detection that detects microparticles that generate near-field light from the surface when irradiated with light of a specific wavelength, and minute amounts of bacteria contained in water or food using the microparticles. It can utilize suitably for an apparatus.
1 物質検出装置
1a〜1c 物質検出装置
3 検査溶液
4 微小粒子
4a〜4h 微小粒子
5 コイル(磁場印加部)
6 ロックインアンプ(変動成分抽出部)
7 分光特性計測部
14 信号処理部(検出処理部)
41 選択結合部
42,642,742,842 トルク付与部
412 検出対象物
651 コイル(磁場印加部)
652 コイル(磁場印加部)
951 コイル(磁場印加部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
6 Lock-in amplifier (variable component extraction unit)
7 Spectral
41
652 Coil (magnetic field application unit)
951 Coil (magnetic field application unit)
Claims (5)
上記検査溶液に含まれる上記検出対象物と選択的に結合する能力を有する選択結合部と、
上記検査溶液に印加される磁場から場の力を受けて上記微小粒子にトルクを与えるトルク付与部と、を備え、
上記選択結合部および上記トルク付与部のそれぞれが上記微小粒子の表面の異なる位置に配置されていることを特徴とする微小粒子。 Conductive fine particles dispersed in a test solution containing at least one detection object and generating near-field light from a part of the surface by being irradiated with light of a specific wavelength,
A selective binding portion having the ability to selectively bind to the detection target contained in the test solution;
A torque applying unit that receives a field force from the magnetic field applied to the test solution and applies torque to the microparticles,
Each of the said selective coupling | bond part and the said torque provision part is arrange | positioned in the position where the surface of the said microparticle differs.
上記検査溶液を通過した光の分光特性の検出結果を検出信号として出力する分光特性計測部と、
上記検査溶液に磁場を印加する少なくとも一つの磁場印加部と、
上記磁場印加部が上記検査溶液に印加する上記磁場の摂動信号を参照信号とし、上記分光特性計測部から出力された検出信号から上記摂動信号に同期した変動成分信号を抽出して出力する変動成分抽出部と、
上記変動成分抽出部から出力された上記変動成分信号を用いて上記検出対象物を検出する処理を実行する検出処理部と、を備え
上記検査溶液は、上記微小粒子を複数含み、
複数の上記微小粒子のそれぞれの上記トルク付与部の上記微小粒子の側と反対側の表面の極性が同一であることを特徴とする物質検出装置。 Utilizing near-field light generated from the microparticles by irradiating a test solution containing at least one microparticle according to claim 2 and at least one detection object with light of a specific wavelength, A substance detection device for detecting a detection target contained in a test solution,
A spectral characteristic measurement unit that outputs a detection result of the spectral characteristic of light that has passed through the test solution as a detection signal;
At least one magnetic field application unit for applying a magnetic field to the test solution;
A fluctuation component that extracts the fluctuation component signal synchronized with the perturbation signal from the detection signal output from the spectral characteristic measurement section using the perturbation signal of the magnetic field applied to the test solution by the magnetic field application section as a reference signal and outputs the fluctuation component signal An extractor;
A detection processing unit that executes a process of detecting the detection target object using the fluctuation component signal output from the fluctuation component extraction unit, and the test solution includes a plurality of the microparticles,
The substance detection apparatus according to claim 1, wherein the polarities of the surfaces of the torque applying portions of the plurality of microparticles on the side opposite to the microparticles are the same.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013129903A JP2015004580A (en) | 2013-06-20 | 2013-06-20 | Microparticle and substance detection device |
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Cited By (1)
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CN113474645A (en) * | 2019-06-20 | 2021-10-01 | 松下知识产权经营株式会社 | Detection method and detection device |
-
2013
- 2013-06-20 JP JP2013129903A patent/JP2015004580A/en active Pending
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CN113474645A (en) * | 2019-06-20 | 2021-10-01 | 松下知识产权经营株式会社 | Detection method and detection device |
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