JP2015083922A - Single particle detection device using photometric analysis, single particle detection method and single particle detection computer program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系などの溶液中の微小領域からの光が検出可能な光学系を用いて、溶液中に分散又は溶解した原子、分子又はこれらの凝集体(以下、これらを「粒子」と称する。)、例えば、タンパク質、ペプチド、核酸、脂質、糖鎖、アミノ酸若しくはこれらの凝集体などの生体分子、ウイルス、細胞などの粒子状の対象物、或いは、非生物学的な粒子を検出して、それらの状態(相互作用、結合・解離状態など)の分析又は解析に於いて有用な情報を取得することが可能な単一粒子検出技術に係り、より詳細には、上記の如き光学系を用いて単一の粒子の存在に依る光強度の変化を計測して単一粒子を検出し、種々の分析を可能にする単一粒子検出装置、単一粒子検出方法及び単一粒子検出用コンピュータプログラムに係る。 The present invention uses an optical system capable of detecting light from a minute region in a solution, such as an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, and uses atoms, molecules or aggregates thereof dispersed or dissolved in a solution ( These are hereinafter referred to as “particles”), for example, biomolecules such as proteins, peptides, nucleic acids, lipids, sugar chains, amino acids or aggregates thereof, particulate objects such as viruses and cells, or non- More about single particle detection technology that can detect biological particles and obtain useful information in analysis or analysis of their state (interaction, binding / dissociation state, etc.) A single particle detector, a single particle detector that enables various analyzes by detecting a single particle by measuring a change in light intensity due to the presence of a single particle using the optical system as described above. Detection method and single particle detection computer According to the program.
近年の光計測技術の発展により、共焦点顕微鏡の光学系とフォトンカウンティング(1光子検出)も可能な超高感度の光検出技術とを用いて、一光子又は蛍光一分子レベルの微弱光の検出・測定が可能となっている。そこで、そのような微弱光の計測技術を用いて、生体分子等の特性、分子間相互作用又は結合・解離反応の検出を行う光分析技術が種々提案されている。そのような光分析技術としては、例えば、蛍光相関分光分析(Fluorescence Correlation Spectroscopy:FCS。例えば、特許文献1−3、非特許文献1−3参照)、蛍光強度分布分析(Fluorescence-Intensity Distribution Analysis:FIDA。例えば、特許文献4、非特許文献4)やフォトンカウンティングヒストグラム(Photon Counting Histogram:PCH。例えば、特許文献5)などが知られている。また、特許文献6〜8には、共焦点顕微鏡の光学系を用いて計測される試料溶液の蛍光信号の時間経過に基づいて蛍光性物質を検出する方法が提案されている。 With the recent development of optical measurement technology, detection of weak light at the level of one photon or fluorescent single molecule using an optical system of a confocal microscope and an ultrasensitive photodetection technology capable of photon counting (one-photon detection)・ Measurement is possible. Thus, various photoanalysis techniques have been proposed for detecting characteristics of biomolecules, intermolecular interactions, or binding / dissociation reactions using such weak light measurement techniques. Examples of such an optical analysis technique include fluorescence correlation spectroscopy (FCS; see, for example, Patent Literature 1-3 and Non-Patent Literature 1-3), and fluorescence intensity distribution analysis (Fluorescence-Intensity Distribution Analysis: FIDA, for example, Patent Document 4, Non-Patent Document 4) and Photon Counting Histogram (PCH, for example, Patent Document 5) are known. Patent Documents 6 to 8 propose a method for detecting a fluorescent substance based on the passage of time of a fluorescence signal of a sample solution measured using an optical system of a confocal microscope.
更に、本願出願人は、特許文献9〜11に於いて、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系などの溶液中の微小領域からの光が検出可能な光学系を用いた光分析技術であって、FCS、FIDA等の光分析技術とは異なる原理による新規な光分析技術を提案した。上記のFCS、FIDA等の光分析技術の場合、端的に述べれば、試料溶液内に於ける光の検出領域である微小領域(以下、「光検出領域」と称する。)に浮遊する蛍光分子からの光を連続的に計測することにより得られた光強度データに対して統計的な演算処理が実行されて、蛍光分子の濃度及び/又はその他の特性が検出される。これに対し、特許文献9〜11に於いて提案された新規な光分析技術では、試料溶液内に於いて光検出領域の位置を移動させながら、即ち、光検出領域により試料溶液内を走査しながら、光検出領域が試料溶液中に分散してランダムに運動する光を発する粒子(発光粒子)を包含したときに、その発光粒子から発せられる光を個別に検出し、これにより、試料溶液中の発光粒子を一つずつ検出して、発光粒子のカウンティングや試料溶液中の発光粒子の濃度又は数密度に関する情報の取得が可能となる。この光分析技術(以下、「走査分子計数法」と称する。)によれば、測定に必要な試料は、FCS、FIDA等の光分析技術と同様に微量(例えば、数十μL程度)であってもよく、また、測定時間が短く(一回の測定で秒オーダーの時間の計測が数回繰り返される。)、更に、観測対象となる粒子の濃度が、FCS、FIDA等の光分析技術の良好に測定可能なレベル(1nM程度)よりも低い試料溶液に於いて、発光粒子の存在を検出し、その濃度、数密度又はその他の特性を定量的に検出することが可能となる。かくして、「走査分子計数法」は、医学・生物学の研究開発の分野でしばしば使用される希少な或いは高価な試料についての分析を行う場合や、病気の臨床診断や生理活性物質のスクリーニングなど、検体数が多い場合に、従前の生化学的方法に比して、低廉に、或いは、迅速に実験又は検査が実行でき、しかも、FCS、FIDA等を良好に実行できない程度のより低い濃度の粒子の濃度及び/又は特性の検出が可能な強力なツールとして期待される。 Further, the applicant of the present application described in Patent Documents 9 to 11 is an optical analysis technique using an optical system capable of detecting light from a minute region in a solution such as an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope. Thus, a new optical analysis technique based on a principle different from optical analysis techniques such as FCS and FIDA has been proposed. In the case of the above-described optical analysis techniques such as FCS and FIDA, in short, from fluorescent molecules floating in a minute region (hereinafter referred to as “light detection region”) that is a light detection region in a sample solution. Statistical calculation processing is executed on the light intensity data obtained by continuously measuring the light, and the concentration and / or other characteristics of the fluorescent molecules are detected. On the other hand, in the novel optical analysis techniques proposed in Patent Documents 9 to 11, the position of the light detection region is moved in the sample solution, that is, the sample solution is scanned by the light detection region. However, when the light detection region includes particles (light-emitting particles) that emit light that randomly moves by being dispersed in the sample solution, the light emitted from the light-emitting particles is individually detected, thereby It is possible to detect each of the luminescent particles one by one and to obtain information on the counting of the luminescent particles and the concentration or number density of the luminescent particles in the sample solution. According to this optical analysis technique (hereinafter referred to as “scanning molecule counting method”), the sample required for the measurement is a very small amount (for example, about several tens of μL) as in the optical analysis techniques such as FCS and FIDA. In addition, the measurement time is short (measurement of time in the order of seconds is repeated several times in one measurement), and the concentration of particles to be observed is the same as that of optical analysis technology such as FCS and FIDA. It is possible to detect the presence of luminescent particles in a sample solution lower than a well measurable level (about 1 nM) and quantitatively detect its concentration, number density or other characteristics. Thus, the “scanning molecule counting method” is used for analysis of rare or expensive samples often used in the field of medical and biological research and development, clinical diagnosis of diseases, screening of bioactive substances, etc. When the number of specimens is large, it is possible to perform experiments or tests at a lower cost or more quickly than conventional biochemical methods, and at a lower concentration so that FCS, FIDA, etc. cannot be performed well. It is expected to be a powerful tool capable of detecting the concentration and / or properties of
上記の如き発光する単一粒子の光を個別に検出する走査分子計数法に於いては、単一粒子からの光は、微弱であるので、迷光や水のラマン散乱による影響を受けやすい。即ち、発光粒子から発せられる光を表す光強度値の増大を発光粒子の信号として識別する分析手法の場合、迷光や水のラマン散乱による光を誤って発光粒子の信号として識別してしまうことがある。また、単一粒子の光を検出する走査分子計数法の場合には、観測対象となる粒子(観測対象粒子)は、発光粒子に限られる。従って、発光しない粒子を観測したい場合には、観測対象となる粒子に発光標識(蛍光標識、りん光標識など)を付与する必要があるところ、観測対象粒子に常に適当な発光標識が付与可能であるとは限らない(発光標識の付与により、観測対象粒子が変性することもあり得る。)。 In the scanning molecule counting method that individually detects the light of single particles that emit light as described above, the light from the single particles is weak, and is easily affected by stray light or Raman scattering of water. That is, in the case of an analysis method for identifying an increase in light intensity value representing light emitted from a luminescent particle as a signal of the luminescent particle, light due to stray light or water Raman scattering may be mistakenly identified as a signal of the luminescent particle. is there. In the case of a scanning molecule counting method that detects light of a single particle, particles to be observed (observed particles) are limited to luminescent particles. Therefore, when observing particles that do not emit light, it is necessary to attach luminescent labels (fluorescent labels, phosphorescent labels, etc.) to the particles to be observed. It does not always exist (the observation target particle may be denatured by applying a luminescent label).
この点に関し、一般に、顕微鏡の光学系により光計測を行う場合、背景光が高いときには、迷光や水のラマン散乱による影響を受けにくい。また、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系の場合、通常の光学顕微鏡よりも光軸方向の分解能が高いので、発光しない単一粒子がコンフォーカル・ボリュームの内部を通過すると、コンフォーカル・ボリュームからの光強度の低下が観測される(特許文献12)。そこで、本願出願人は、特願2011−184635に於いて、観測対象粒子を発光しない単一粒子として用い、実質的に一定の背景光を放出する試料溶液内を光検出領域により走査する「走査分子計数法」と同様の要領にて光の検出を行い、発光しない単一粒子が光検出領域内へ包含された際の単一粒子の影を検出して、単一粒子の存在を検出する「反転型走査分子計数法」を提案した。かかる「反転型走査分子計数法」によれば、迷光やラマン散乱光を観測対象粒子の信号として誤検出することはなく、また、低濃度の発光しない単一粒子の検出が可能となる。 In this regard, in general, when optical measurement is performed by an optical system of a microscope, when background light is high, it is hardly affected by stray light or Raman scattering of water. Also, in the case of an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, the resolution in the optical axis direction is higher than that of a normal optical microscope, so if a single particle that does not emit light passes through the confocal volume, the confocal volume A decrease in light intensity is observed (Patent Document 12). Therefore, in the Japanese Patent Application No. 2011-184635, the applicant of the present application uses the observation target particle as a single particle that does not emit light, and scans a sample solution that emits a substantially constant background light with a light detection region. The detection of light is performed in the same manner as the `` molecular counting method '', and the presence of a single particle is detected by detecting the shadow of the single particle when a single particle that does not emit light is included in the light detection region. An “inverted scanning molecule counting method” was proposed. According to the “inverted scanning molecule counting method”, stray light or Raman scattered light is not erroneously detected as a signal of an observation target particle, and a single particle that does not emit light at a low concentration can be detected.
ところで、一般に、本発明の観測対象となる粒子は、特定の波長帯域に於いて光を放出するが、別の波長帯域に於いては殆ど光を放出しないという発光波長特性を有している。従って、同一の試料溶液内に於いて複数種類の粒子が混在する場合に、それらの粒子の光を放出しない波長帯域が異なっていれば、「反転型走査分子計数法」に於いて、光検出領域の光の検出波長を、複数の種類の粒子の光の放出のない波長帯域のそれぞれに設定することによって、検出波長に対応して試料溶液内に混在する複数種類の粒子のうちの特定の種類の粒子を別々に検出することが可能となり、種類の識別をしながら、粒子の検出を行えることとなる。 By the way, in general, the particles to be observed of the present invention have a light emission wavelength characteristic that emits light in a specific wavelength band but hardly emits light in another wavelength band. Therefore, when multiple types of particles coexist in the same sample solution, if the wavelength bands that do not emit light of these particles are different, light detection is performed in the “inverted scanning molecule counting method”. By setting the detection wavelength of the light in the region to each of the wavelength bands where there is no light emission of the plurality of types of particles, the specific wavelength of the plurality of types of particles mixed in the sample solution corresponding to the detection wavelength It becomes possible to detect the types of particles separately, and the particles can be detected while identifying the types.
かくして、本発明の主な課題は、同一の試料溶液内に於いて複数種類の粒子が混在する場合に、反転型走査分子計数法の原理を利用して、複数種類のうちの特定の種類の粒子を検出し、或いは、種類の識別をしながら、単一粒子を検出することを可能にする新規な原理による単一粒子検出技術を提供することである。 Thus, the main problem of the present invention is that when a plurality of types of particles are mixed in the same sample solution, the principle of the inverted scanning molecule counting method is used to select a specific type of the plurality of types. It is to provide a single particle detection technique based on a novel principle that makes it possible to detect single particles while detecting particles or identifying types.
本発明の一つの態様によれば、上記の課題は、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いて試料溶液中にて分散しランダムに運動する単一粒子を検出する単一粒子検出装置であって、試料溶液内に於ける顕微鏡の光学系の光検出領域の位置を移動する光検出領域移動部と、光検出領域からの光を検出する光検出部と、試料溶液内に於いて光検出領域の位置を移動させながら光検出部にて検出された光検出領域からの光の時系列の光強度データを生成し、時系列の光強度データに於いて単一粒子の各々の存在を表す信号を個別に検出する信号処理部とを含み、単一粒子が第一の波長帯域に於いて発光せず第一の波長帯域とは異なる第二の波長帯域に於いて発光する第一の単一粒子と、第一の波長帯域に於いて発光し第二の波長帯域に於いて発光しない第二の単一粒子とを含み、光検出部により検出される光の波長帯域が第一の波長帯域であるときには、光検出領域からの光が第一の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、単一粒子の各々の存在を表す信号が、第一の単一粒子が光検出領域内へ進入した際に生ずる光検出部にて検出される光強度の低下であり、光検出部により検出される光の波長帯域が前記第二の波長帯域であるときには、光検出領域からの光が第二の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、単一粒子の各々の存在を表す信号が、第二の単一粒子が光検出領域内へ進入した際に生ずる光検出部にて検出される光強度の低下であることを特徴とする装置によって達成される。 According to one aspect of the present invention, the above-described problem is solved by using a confocal microscope or an optical system of a multiphoton microscope to detect a single particle that is dispersed in a sample solution and randomly moves. In the sample solution, a light detection region moving unit that moves the position of the light detection region of the optical system of the microscope in the sample solution, a light detection unit that detects light from the light detection region, and the sample solution Generate time-series light intensity data of light from the light detection area detected by the light detection unit while moving the position of the light detection area, and each single particle in the time-series light intensity data And a signal processing unit that individually detects a signal that represents a first particle in which a single particle does not emit light in the first wavelength band but emits light in a second wavelength band different from the first wavelength band. Single particles of light in the first wavelength band and in the second wavelength band When the wavelength band of light detected by the light detection unit is the first wavelength band, the light from the light detection region is substantially constant in the first wavelength band. The signal representing the presence of each of the single particles, including the background light, is a decrease in the light intensity detected by the light detection unit that occurs when the first single particle enters the light detection region, When the wavelength band of light detected by the light detection unit is the second wavelength band, the light from the light detection region includes a substantially constant background light of the second wavelength band, and each of the single particles The signal representing the presence of is a reduction in the light intensity detected by the light detection unit that occurs when the second single particle enters the light detection region.
かかる構成に於いて、「試料溶液中にて分散しランダムに運動する単一粒子」とは、試料溶液中に分散又は溶解した原子、分子又はそれらの凝集体などにして、基板などに固定されず、溶液中を自由にブラウン運動している粒子であれば任意の粒子であってよい。共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系の「光検出領域」とは、それらの顕微鏡に於いて光が検出される微小領域であり、対物レンズから照明光が与えられる場合には、その照明光が集光された領域に相当する(共焦点顕微鏡に於いては、特に対物レンズとピンホールとの位置関係により確定される。)。「前記光検出領域からの光が前記第一(第二)の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、」とは、検出光の波長帯域が第一(第二)の波長帯域に設定されている場合に、観測対象となる単一粒子が光検出領域内に存在していないときの検出光(即ち、背景光)の強度値が許容誤差の範囲内に収まることを意味している。換言すれば、背景光は、その変動が単一粒子が光検出領域内へ進入した際に生ずる検出光の強度の低下幅よりも十分に小さくなるよう調節される。一方、「第一(第二)の波長帯域に於いて実質的に発光」しない単一粒子とは、対応する波長帯域に於ける発光強度が背景光に比して十分に小さい単一粒子を意味する。即ち、かかる単一粒子の発光強度は、殆ど0であることが好ましいが、背景光の強度よりも有意に低いレベルであっても許容されてよい。なお、本明細書に於いて、「単一粒子の信号」という場合には、特に断らない限り、単一粒子の存在を表す信号を指すものとする。 In such a configuration, “single particles that are dispersed in the sample solution and randomly move” are atoms, molecules, or aggregates thereof dispersed or dissolved in the sample solution and fixed to the substrate or the like. Any particle may be used as long as it is a particle that freely performs Brownian motion in the solution. The “light detection area” of the optical system of a confocal microscope or multiphoton microscope is a minute area in which light is detected in those microscopes. When illumination light is given from an objective lens, the illumination light is Corresponds to the focused region (in a confocal microscope, it is determined in particular by the positional relationship between the objective lens and the pinhole). “The light from the photodetection region includes substantially constant background light in the first (second) wavelength band,” means that the wavelength band of the detection light is in the first (second) wavelength band. When set, it means that the intensity value of the detection light (ie background light) when the single particle to be observed does not exist in the light detection region is within the allowable error range. Yes. In other words, the background light is adjusted such that the fluctuation is sufficiently smaller than the decrease in the intensity of the detection light that occurs when a single particle enters the light detection region. On the other hand, a single particle that does not “emit substantially in the first (second) wavelength band” means a single particle whose emission intensity in the corresponding wavelength band is sufficiently smaller than the background light. means. That is, the emission intensity of such single particles is preferably almost zero, but may be acceptable even at a level significantly lower than the intensity of background light. In this specification, the term “single particle signal” refers to a signal indicating the presence of a single particle unless otherwise specified.
上記から理解される如く、本発明の装置に於いては、基本的には、「走査分子計数法」と同様に、試料溶液内に於いて光検出領域の位置を移動しながら、即ち、試料溶液内を光検出領域により走査しながら、逐次的に、光の検出が行われる。かかる構成に於いて、光検出領域からの光に、検出光の波長帯域の有意な強度の背景光が含まれている場合には、検出光の波長帯域に於いて発光しない単一粒子が光検出領域に進入したときに或いは試料溶液内にて移動する光検出領域が検出光の波長帯域に於いて発光しない単一粒子を包含したときに、単一粒子の存在によって光検出領域からの光検出部まで到達する背景光の光強度又は光量が低下することとなる。一方、検出光の波長帯域に於いて発光する単一粒子は、光検出領域内に存在しても、背景光に紛れて、光強度又は光量の低下が殆ど検出されないこととなる。かくして、本発明の装置では、単一粒子が第一の波長帯域に於いて発光せず第二の波長帯域に於いて発光する第一の単一粒子と、第一の波長帯域に於いて発光し第二の波長帯域に於いて発光しない第二の単一粒子とを含む場合に、第一の波長帯域に於いて有意な背景光が放出されるときには、検出光の波長帯域を第一の波長帯域に設定し、かかる背景光の光強度又は光量の低下を単一粒子の信号として個別に検出して、これにより、粒子の存在を一つずつ個別に逐次的に検出し、第二の波長帯域に於いて有意な背景光が放出されるときには、検出光の波長帯域を第二の波長帯域に設定し、かかる背景光の光強度又は光量の低下を単一粒子の信号として個別に検出して、これにより、粒子の存在を一つずつ個別に逐次的に検出する。そして、これにより、試料溶液中の互いに異なる粒子、即ち、第一及び第二の粒子がそれぞれ別々に、即ち、種類毎に検出され、種類毎に粒子の溶液内での状態に関する種々の情報が取得されることとなる。即ち、本発明の装置に於いては、特定の波長帯域毎に、一定の背景光が存在する領域に於けるその特定の波長帯域に於いて発光しない単一粒子の影を検出することにより、単一粒子が個別に検出される。 As understood from the above, in the apparatus of the present invention, basically, as in the “scanning molecule counting method”, the position of the light detection region is moved in the sample solution, that is, the sample. The light is sequentially detected while scanning the inside of the solution with the light detection region. In such a configuration, when the light from the light detection region includes background light having a significant intensity in the wavelength band of the detection light, single particles that do not emit light in the wavelength band of the detection light are light. The light from the light detection region due to the presence of a single particle when entering the detection region or when the light detection region moving within the sample solution includes single particles that do not emit light in the wavelength band of the detection light. The light intensity or light quantity of the background light that reaches the detection unit will decrease. On the other hand, even if a single particle that emits light in the wavelength band of the detection light is present in the light detection region, it is mixed with the background light and almost no decrease in light intensity or light amount is detected. Thus, in the apparatus of the present invention, a single particle does not emit light in the first wavelength band but emits light in the second wavelength band, and light emission in the first wavelength band. When a significant background light is emitted in the first wavelength band when the second single particle that does not emit light in the second wavelength band is included, the wavelength band of the detection light is changed to the first wavelength band. The wavelength band is set, and the decrease in the light intensity or light quantity of the background light is individually detected as a single particle signal, whereby the presence of the particles is detected individually and sequentially one by one. When significant background light is emitted in the wavelength band, the wavelength band of the detection light is set to the second wavelength band, and the decrease in light intensity or light quantity of the background light is individually detected as a single particle signal. Thus, the presence of particles is detected individually and sequentially. Thus, different particles in the sample solution, that is, the first and second particles are detected separately, that is, for each type, and for each type, various information regarding the state of the particles in the solution is obtained. Will be acquired. That is, in the device of the present invention, for each specific wavelength band, by detecting the shadow of a single particle that does not emit light in the specific wavelength band in a region where a certain background light exists, Single particles are detected individually.
上記の本発明の装置に於いて、光検出領域からの光に含まれているべき背景光としては、試料溶液内に分散された物質による蛍光、りん光、化学発光、生物発光又は散乱光であってよい。この場合、試料溶液として使用する溶液中に光を放出又は散乱する物質が分散していない場合には、かかる溶液中に積極的に光を放出又は散乱する物質が溶解又は分散されてよい。また、試料溶液として使用する溶液が自家蛍光を発する場合には、その自家蛍光が上記の背景光として利用されてよい。特に、背景光を生ずる物質が励起光又は照明光を必要とする場合には、顕微鏡装置に於いて照明光用の光源及び光学系が装備される。一方、背景光を生ずる物質が励起光又は照明光なしで発光する場合、例えば、化学発光又は生物発光により発光する物質の場合には、顕微鏡装置に於いて照明光は要しない。更に、背景光は、光検出領域内に単一粒子が存在する場合に低減するのであれば、透過照明等による照明光であってもよいことは理解されるべきである。なお、上記の本発明の構成に於いては、単一粒子の存在による背景光の低減を検出するところ、その背景光の低減の度合は、単一粒子の寸法と光検出領域の寸法との関係に依存する。この点に関し、後に詳細に述べる見積によれば、好ましくは、観測対象となる単一粒子の外径は、光検出領域の直径の15%以上であり、より好ましくは、単一粒子の外径が光検出領域の直径の35%以上であることが見出されている。(特願2011−184635参照) In the above-described apparatus of the present invention, the background light to be included in the light from the light detection region is fluorescence, phosphorescence, chemiluminescence, bioluminescence, or scattered light caused by a substance dispersed in the sample solution. It may be. In this case, when the substance that emits or scatters light is not dispersed in the solution used as the sample solution, the substance that actively emits or scatters light may be dissolved or dispersed in the solution. Further, when the solution used as the sample solution emits autofluorescence, the autofluorescence may be used as the background light. In particular, when a substance that generates background light requires excitation light or illumination light, the microscope apparatus is equipped with a light source and an optical system for illumination light. On the other hand, in the case where a substance that generates background light emits light without excitation light or illumination light, for example, a substance that emits light by chemiluminescence or bioluminescence, illumination light is not required in the microscope apparatus. Furthermore, it should be understood that the background light may be illumination light by transmitted illumination or the like if it is reduced when a single particle is present in the light detection region. In the above-described configuration of the present invention, when the background light reduction due to the presence of a single particle is detected, the degree of background light reduction is determined by the size of the single particle and the size of the light detection region. Depends on the relationship. In this regard, according to the estimation described in detail later, the outer diameter of the single particle to be observed is preferably 15% or more of the diameter of the light detection region, and more preferably, the outer diameter of the single particle. Has been found to be 35% or more of the diameter of the light detection region. (See Japanese Patent Application No. 2011-184635)
更に、上記の本発明の構成に於いて、或る特定の波長帯域の光の検出に際して、観測対象とならない検出光の波長帯域にて発光する単一粒子は、背景光の強度と略等しい強度を有していることが好ましい。これは、もし観測対象とならない単一粒子の光強度と背景光の強度との差が大きい場合には、光強度データに於いて、観測対象となる単一粒子の信号の検出に影響するためである(検出光の波長帯域にて発光する単一粒子の輝度が過大であると、背景光の値が過大に算定されることとなり、検出光の波長帯域にて発光する単一粒子の輝度が過小であると、観測対象の単一粒子に対応する光強度の低下と区別がしにくくなる)。そこで、上記の本発明に於いては、好適には、光検出部により検出される光の波長帯域が第一の波長帯域であるときには、背景光の強度と第二の単一粒子からの光強度とが実質的に等しく、光検出部により検出される光の波長帯域が第二の波長帯域であるときには、背景光の強度と第一の単一粒子からの光強度とが実質的に等しくなるよう背景光の強度が調節される。かかる背景光の調節は、例えば、試料溶液中に発光物質を分散することによって為されてよい。 Furthermore, in the above-described configuration of the present invention, when detecting light in a specific wavelength band, single particles that emit light in the wavelength band of the detection light that is not the object of observation have an intensity substantially equal to the intensity of the background light. It is preferable to have. This is because if the difference between the light intensity of a single particle that is not the object of observation and the intensity of the background light is large, it affects the detection of the signal of the single particle that is the object of observation in the light intensity data. (If the brightness of a single particle that emits light in the wavelength band of detection light is excessive, the background light value will be excessively calculated, and the brightness of the single particle that emits light in the wavelength band of detection light. Is too small to be distinguished from a decrease in light intensity corresponding to a single particle to be observed). Therefore, in the present invention described above, preferably, when the wavelength band of the light detected by the light detection unit is the first wavelength band, the intensity of the background light and the light from the second single particle When the intensity is substantially equal and the wavelength band of the light detected by the light detector is the second wavelength band, the intensity of the background light and the intensity of light from the first single particle are substantially equal. The intensity of the background light is adjusted so that Such background light adjustment may be achieved, for example, by dispersing a luminescent material in the sample solution.
上記の本発明の装置に於ける試料溶液内での光検出領域の位置の移動速度は、単一粒子の特性又は試料溶液中の数密度又は濃度に基づいて適宜変更可能となっていてよい。特に、光検出領域の移動速度が速くなると、単一粒子の存在による光強度又は光量の低下の度合が低減することとなるので、単一粒子による光強度又は光量の低下が精度よく又は感度よく計測できるように、光検出領域の移動速度は、適宜変更可能となっていることが好ましい。 The moving speed of the position of the light detection region in the sample solution in the apparatus of the present invention may be appropriately changed based on the characteristics of single particles or the number density or concentration in the sample solution. In particular, if the moving speed of the light detection region is increased, the degree of decrease in light intensity or light amount due to the presence of a single particle is reduced. Therefore, the decrease in light intensity or light amount due to a single particle is accurate or sensitive. It is preferable that the moving speed of the light detection region can be changed as appropriate so that measurement can be performed.
また、試料溶液内での光検出領域の位置の移動速度は、好適には、検出対象となる単一粒子の拡散移動速度(ブラウン運動による粒子の平均の移動速度)よりも高く設定される。上記に説明されている如く、本発明の装置は、光検出領域が単一粒子の存在位置を通過したときにその単一粒子の存在による背景光の低減を検出して単一粒子を個別に検出する。しかしながら、単一粒子が溶液中でブラウン運動することによりランダムに移動して、複数回、光検出領域を出入りする場合には、1つの単一粒子から複数回、その存在を信号が検出されてしまい、検出された信号と1つの単一粒子の存在とを対応させることが困難となる。そこで、上記の如く、光検出領域の移動速度を単一粒子の拡散移動速度よりも高く設定し、これにより、1つの単一粒子を一つの(単一粒子の存在を表す)信号に対応させることが可能となる。なお、拡散移動速度は、単一粒子の特性によって変わるので、上記の如く、単一粒子の特性(特に、拡散定数)に応じて、本発明の装置は、光検出領域の移動速度が適宜変更可能であるよう構成されていることが好ましい。 Further, the moving speed of the position of the light detection region in the sample solution is preferably set higher than the diffusion moving speed of the single particle to be detected (the average moving speed of the particles due to Brownian motion). As explained above, the device of the present invention detects the reduction of background light due to the presence of a single particle when the light detection region passes through the position where the single particle exists, and individually separates the single particle. To detect. However, when a single particle moves randomly in the solution due to Brownian motion and enters and exits the photodetection region multiple times, the presence of the signal is detected multiple times from one single particle. Therefore, it becomes difficult to make the detected signal correspond to the presence of one single particle. Therefore, as described above, the moving speed of the light detection region is set to be higher than the diffusion moving speed of the single particle, thereby making one single particle correspond to one signal (representing the presence of a single particle). It becomes possible. Since the diffusion movement speed varies depending on the characteristics of the single particle, as described above, the apparatus of the present invention appropriately changes the movement speed of the light detection region according to the characteristics of the single particle (particularly, the diffusion constant). It is preferable that it is configured to be possible.
試料溶液内での光検出領域の位置の移動は、任意の方式で為されてよい。例えば、レーザー走査型光学顕微鏡に於いて採用されているガルバノミラーを用いるなどして、顕微鏡の光学系の光路を変更して光検出領域の位置が変更されるようになっていてよく、或いは、試料溶液の位置を(例えば、顕微鏡のステージを移動するなどして)動かして、光検出領域の試料溶液内に於ける相対的な位置を移動するようになっていてよい。光検出領域の位置の移動軌跡は、任意に設定されてよく、例えば、円形、楕円形、矩形、直線及び曲線のうちから選択可能であってよい。特に、顕微鏡の光学系の光路を変更して光検出領域の位置が変更される場合、光検出領域の移動は、速やかであり、且つ、試料溶液に於いて機械的振動や流体力学的な作用が実質的に発生しないので、検出対象となる単一粒子が力学的な作用の影響を受けることなく安定した状態にて、光の計測が可能である点で有利である。 The movement of the position of the light detection region in the sample solution may be performed by an arbitrary method. For example, the position of the light detection region may be changed by changing the optical path of the optical system of the microscope by using a galvanometer mirror adopted in a laser scanning optical microscope, or The position of the sample solution may be moved (for example, by moving a microscope stage) to move the relative position of the light detection region in the sample solution. The movement trajectory of the position of the light detection region may be arbitrarily set, and may be selected from, for example, a circle, an ellipse, a rectangle, a straight line, and a curve. In particular, when the position of the light detection region is changed by changing the optical path of the optical system of the microscope, the movement of the light detection region is quick, and mechanical vibrations and hydrodynamic actions are applied to the sample solution. Therefore, it is advantageous in that light can be measured in a stable state without being affected by a dynamic action of a single particle to be detected.
また、上記の本発明の装置の信号処理部の処理に於いて、逐次的な光検出部からの検出値の信号から1つの粒子が光検出領域に入ったか否かの判定は、光検出部にて検出された時系列の光を表す信号の形状に基づいて為されてよい。実施の形態に於いて、典型的には、背景光の強度から計って所定の閾値より低い光強度を有する信号が検出されたときに1つの単一粒子が光検出領域に入ったと判定されてよい。より具体的には、後の実施形態の欄にて説明される如く、通常、単一粒子の存在を表す信号は、光検出部の時系列の検出値、即ち、光強度データに於いて、或る程度の強度を下回る下に凸の釣鐘型のパルス状の信号として現れ、ノイズは、釣鐘型のパルス状ではないか、強度の高い信号として現れる。そこで、本発明の装置の信号処理部は、時系列光強度データ上に於いて、背景光の強度から計って所定閾値を下回る下に凸の釣鐘型のパルス状の信号を単一粒子の存在を表す信号として検出するよう構成されていてよい。「所定閾値」は、実験的に適当な値に設定することが可能である。 In the processing of the signal processing unit of the apparatus of the present invention, it is determined whether or not one particle has entered the light detection region from the detection value signal from the sequential light detection unit. May be based on the shape of the signal representing the time-series light detected at. In an embodiment, it is typically determined that a single particle has entered the light detection region when a signal having a light intensity lower than a predetermined threshold, as measured from the intensity of the background light, is detected. Good. More specifically, as will be described later in the section of the embodiment, the signal indicating the presence of a single particle is usually a time-series detection value of the light detection unit, that is, light intensity data. It appears as a downwardly convex bell-shaped pulse signal below a certain intensity, and the noise is not a bell-shaped pulse signal or appears as a high-intensity signal. Therefore, the signal processing unit of the apparatus of the present invention generates a bell-shaped pulse-shaped signal that is lower than a predetermined threshold value measured from the intensity of background light on the time-series light intensity data, and the presence of a single particle. It may be configured to detect as a signal representing. The “predetermined threshold value” can be set to an appropriate value experimentally.
更に、本発明の装置により得られる光強度は、比較的微弱であり、細かい増減が生じ、かかる光強度の細かい増減は、単一粒子の存在を表す信号の検出精度を悪化させる。そこで、信号処理部は、時系列の光強度データを平滑化し、光強度の細かい増減を無視できるようにデータを加工した後、平滑化された時系列光強度データに於いて背景光の強度から計って所定閾値を下回る強度を有する下に凸の釣鐘型のパルス状信号を単一粒子の存在を表す信号として検出するよう構成されていてよい。 Furthermore, the light intensity obtained by the apparatus of the present invention is relatively weak and causes a fine increase / decrease, and the fine increase / decrease of the light intensity deteriorates the detection accuracy of a signal indicating the presence of a single particle. Therefore, the signal processing unit smoothes the time-series light intensity data, processes the data so that the fine increase / decrease in the light intensity can be ignored, and then determines the background light intensity in the smoothed time-series light intensity data. It may be configured to detect a downwardly convex bell-shaped pulse signal having an intensity below a predetermined threshold, as a signal representing the presence of a single particle.
上記の本発明の実施の態様の一つに於いては、信号の数を計数して光検出領域に包含された単一粒子の数を計数するようになっていてよい(粒子のカウンティング)。その場合、検出された単一粒子の数と光検出領域の位置の移動量と組み合わせることにより、試料溶液中の同定された単一粒子の数密度又は濃度に関する情報が得られることとなる。具体的には、例えば、複数の試料溶液の数密度若しくは濃度の比、或いは、濃度若しくは数密度の基準となる標準試料溶液に対する相対的な数密度若しくは濃度の比が算出されるか、又は、濃度若しくは数密度の基準となる標準試料溶液に対する相対的な数密度若しくは濃度の比を用いて、絶対的な数密度値又は濃度値が決定されてよい。或いは、任意の手法により、例えば、所定の速度にて光検出領域の位置を移動するなどして、光検出領域の位置の移動軌跡の全体積を特定すれば、単一粒子の数密度又は濃度が具体的に算定できることとなる。特に本発明の場合には、同一の試料溶液中に混在する発光しない波長帯域が互いに異なる単一粒子について、それぞれ、別々にカウンティング及び/又は濃度の算定が可能となる。 In one of the above embodiments of the present invention, the number of signals may be counted to count the number of single particles included in the light detection region (particle counting). In that case, information on the number density or concentration of the identified single particles in the sample solution can be obtained by combining the number of detected single particles and the amount of movement of the position of the light detection region. Specifically, for example, the number density or concentration ratio of a plurality of sample solutions, or the relative number density or concentration ratio with respect to the standard sample solution serving as a reference for the concentration or number density is calculated, or An absolute number density value or concentration value may be determined using a relative number density or concentration ratio relative to a standard sample solution that is a reference for concentration or number density. Alternatively, if the total volume of the movement locus of the position of the light detection region is specified by any method, for example, by moving the position of the light detection region at a predetermined speed, the number density or concentration of single particles Can be calculated specifically. In particular, in the case of the present invention, it is possible to separately count and / or calculate the concentration of single particles having different wavelength bands that do not emit light and are mixed in the same sample solution.
ところで、粒子のカウンティングの典型的な態様に於いては、任意に設定された測定時間中に得られた単一粒子の信号の数が計数される。しかしながら、その場合、設定された測定時間の長さによって、検出される単一粒子の信号数の変動することとなり、特に、単一粒子濃度が低いときには、検出信号数から算定される単一粒子濃度値のばらつきが大きくなって精度が低下し得る。そこで、上記の本発明の装置に於いては、粒子のカウンティングの別の態様として、単一粒子の信号数が任意に設定された数に到達するまで測定が実行され、測定時間に基づいて単一粒子濃度値が算定されるようになっていてよい。即ち、上記の本発明の装置は、信号処理部が検出した単一粒子の存在を表す信号の数が予め定められた数に達するまで、光検出領域移動部による光学系の光検出領域の位置の移動と、光検出部による光検出領域からの光の検出と、信号処理部による単一粒子の存在を表す信号の検出とを繰り返し、単一粒子の信号の存在を表す数が予め定められた数に達するのに要した時間に基づいて試料溶液中の単一粒子の濃度を決定するよう構成されていてよい。この場合、単一粒子の高濃度の試料溶液についての測定時間の短縮が期待され、単一粒子の低濃度の試料溶液についての測定は、十分な時間を費やして実行されることとなる。即ち、上記の構成によれば、単一粒子の濃度に応じて測定時間が最適化される。また、予め定められた数を結果に要求される精度を達成する数に設定しておけば、その予め定められた数の単一粒子の検出に要した時間又はそれから導出される任意の結果に於けるばらつきは、小さく抑制され、結果の精度を満足するものとすることが可能となる。 By the way, in a typical embodiment of particle counting, the number of single particle signals obtained during an arbitrarily set measurement time is counted. However, in that case, the number of single particle signals detected varies depending on the length of the set measurement time. In particular, when the single particle concentration is low, the single particle value calculated from the number of detection signals is low. The variation of the density value becomes large and the accuracy can be lowered. Therefore, in the above-described apparatus of the present invention, as another aspect of particle counting, measurement is performed until the number of signals of a single particle reaches an arbitrarily set number. One particle concentration value may be calculated. That is, the above-described apparatus according to the present invention allows the position of the light detection region of the optical system by the light detection region moving unit until the number of signals indicating the presence of single particles detected by the signal processing unit reaches a predetermined number. The number representing the presence of a single particle signal is determined in advance by repeating the movement of the light, the detection of light from the light detection region by the light detection unit, and the detection of the signal indicating the presence of a single particle by the signal processing unit. May be configured to determine the concentration of a single particle in the sample solution based on the time taken to reach the number. In this case, shortening of the measurement time for a single particle high-concentration sample solution is expected, and the measurement for a single particle low-concentration sample solution is performed with sufficient time. That is, according to said structure, measurement time is optimized according to the density | concentration of a single particle. In addition, if a predetermined number is set to a number that achieves the accuracy required for the result, the time required to detect the predetermined number of single particles or any result derived therefrom can be obtained. Variations in this are suppressed to a small level, and the accuracy of the result can be satisfied.
上記の本発明の装置に於いて、発光しない波長帯域が互いに異なる単一粒子が混在する試料溶液内に於いて光検出領域の位置を移動させながら、第一又は第二の波長帯域に於ける光検出を背景光の存在下にて行い、背景光の光強度又は光量の低下を単一粒子の信号として個別に検出して、これにより、種類毎に(発光しない波長帯域毎に)単一粒子の存在を一つずつ個別に逐次的に検出する単一粒子検出技術の処理は、汎用のコンピュータによっても実現可能である。従って、本発明のもう一つの態様によれば、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いて試料溶液中にて分散しランダムに運動する単一粒子を検出する単一粒子検出用コンピュータプログラムであって、試料溶液内に於ける顕微鏡の光学系の光検出領域の位置を移動する手順と、試料溶液内に於ける光検出領域の位置を移動させながら光検出領域からの光を検出して時系列の光強度データを生成する手順と、時系列光強度データに於いて単一粒子の各々の存在を表す信号として個別に検出する手順とをコンピュータに実行させ、単一粒子が第一の波長帯域に於いて実質的に発光せず第一の波長帯域とは異なる第二の波長帯域に於いて発光する第一の単一粒子と、第一の波長帯域に於いて発光し第二の波長帯域に於いて実質的に発光しない第二の単一粒子とを含み、検出される光の波長帯域が第一の波長帯域であるときには、光検出領域からの光が第一の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、単一粒子の各々の存在を表す信号が、第一の単一粒子が光検出領域内へ進入した際に生ずる光強度データに於ける光強度の低下であり、検出される光の波長帯域が第二の波長帯域であるときには、光検出領域からの光が第二の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、単一粒子の各々の存在を表す信号が、第二の単一粒子が光検出領域内へ進入した際に生ずる光強度データに於ける光強度の低下であることを特徴とするコンピュータプログラムが提供される。 In the apparatus of the present invention described above, in the first or second wavelength band, the position of the light detection region is moved in the sample solution in which single particles having different wavelength bands that do not emit light are mixed. Light detection is performed in the presence of background light, and a decrease in light intensity or light quantity of background light is individually detected as a single particle signal, so that it is single for each type (for each wavelength band that does not emit light). The processing of the single particle detection technique for sequentially detecting the presence of particles one by one can be realized by a general-purpose computer. Therefore, according to another aspect of the present invention, a single particle detection computer program for detecting single particles that are dispersed in a sample solution and randomly move using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope. The procedure for moving the position of the light detection area of the microscope optical system in the sample solution and the light from the light detection area are detected while moving the position of the light detection area in the sample solution. The computer executes a procedure for generating time-series light intensity data and a procedure for individually detecting signals representing the presence of each single particle in the time-series light intensity data. A first single particle that emits light in a second wavelength band different from the first wavelength band but does not substantially emit light in the first wavelength band; Substantially no light emission in the wavelength band Two single particles, and when the wavelength band of the detected light is the first wavelength band, the light from the photodetection region includes a substantially constant background light in the first wavelength band, The signal indicating the presence of each particle is a decrease in light intensity in the light intensity data that occurs when the first single particle enters the light detection region. When in the second wavelength band, the light from the light detection region includes a substantially constant background light in the second wavelength band, and a signal representative of the presence of each single particle is There is provided a computer program characterized by a decrease in light intensity in light intensity data generated when entering a light detection area.
かかる構成に於いても、背景光は、試料溶液内に分散された物質による蛍光、りん光、化学発光、生物発光又は散乱光であるか、照明光であってよい。かかる背景光の強度は、好適には、検出される光の波長帯域が第一の波長帯域であるときには、背景光の強度と第二の単一粒子からの光強度とが実質的に等しく、検出される光の波長帯域が第二の波長帯域であるときには、背景光の強度と第一の単一粒子からの光強度とが実質的に等しくなるよう、例えば、試料溶液中に発光粒子を分散することなどによって、背景光の強度が調節される。また、単一粒子の外径は、好適には、光検出領域の直径の15%以上であり、より好適には、光検出領域の直径の35%以上となる。 Even in such a configuration, the background light may be fluorescence, phosphorescence, chemiluminescence, bioluminescence, scattered light, or illumination light by a substance dispersed in the sample solution. The intensity of such background light is preferably such that when the wavelength band of the detected light is the first wavelength band, the intensity of the background light and the light intensity from the second single particle are substantially equal, When the wavelength band of the detected light is the second wavelength band, for example, luminescent particles are placed in the sample solution so that the intensity of the background light is substantially equal to the light intensity from the first single particle. The intensity of the background light is adjusted by dispersing the light. The outer diameter of the single particle is preferably 15% or more of the diameter of the photodetection region, and more preferably 35% or more of the diameter of the photodetection region.
また、上記のコンピュータプログラムに於いても、単一粒子の各々の存在を表す信号の個別の検出は、時系列の信号の形状に基づいて為されてよい。実施の形態に於いて、典型的には、単一粒子の存在を表す信号を個別に検出する手順に於いて、背景光の強度から計って所定の閾値より低い光強度を有する信号が検出されたときに1つの単一粒子が光検出領域に入ったと判定するようになっていてよい。具体的には、単一粒子の存在を表す信号を個別に検出する手順に於いて、時系列光強度データに於いて背景光の強度から計って所定閾値を下回る強度を有する下に凸の釣鐘型のパルス状信号が単一粒子の存在を表す信号として検出されてよく、その際、時系列光強度データが平滑化され、平滑化された時系列光強度データに於いて下に凸の釣鐘型のパルス状信号が単一粒子の存在を表す信号として検出されてよい。 Also in the above computer program, individual detection of a signal indicating the presence of each single particle may be performed based on the shape of a time-series signal. In an embodiment, typically, in a procedure for individually detecting signals representing the presence of a single particle, a signal having a light intensity lower than a predetermined threshold measured from the background light intensity is detected. It may be determined that one single particle has entered the light detection region. Specifically, in the procedure of individually detecting signals representing the presence of a single particle, a downwardly convex bell having an intensity below a predetermined threshold measured from the intensity of background light in time-series light intensity data. A pulse signal of the type may be detected as a signal representing the presence of a single particle, in which case the time-series light intensity data is smoothed and the downwardly convex bell in the smoothed time-series light intensity data. A type of pulsed signal may be detected as a signal representing the presence of a single particle.
更に、試料溶液内での光検出領域の位置の移動速度は、単一粒子の特性、試料溶液中の数密度又は濃度に基づいて適宜変更可能となっていてよく、好適には、試料溶液内での光検出領域の位置の移動速度は、検出対象となる単一粒子の拡散移動速度よりも高く設定される。試料溶液内での光検出領域の位置の移動は、任意の方式で為されてよく、好適には、顕微鏡の光学系の光路を変更して或いは試料溶液の位置を動かして光検出領域の位置が変更されるようになっていてよい。光検出領域の位置の移動軌跡は、任意に設定されてよく、例えば、円形、楕円形、矩形、直線及び曲線のうちから選択可能であってよい。 Furthermore, the moving speed of the position of the light detection region in the sample solution may be appropriately changed based on the characteristics of the single particle, the number density or concentration in the sample solution, and preferably in the sample solution. The moving speed of the position of the light detection region at is set higher than the diffusion moving speed of the single particle to be detected. The position of the light detection region in the sample solution may be moved by an arbitrary method. Preferably, the position of the light detection region is changed by changing the optical path of the optical system of the microscope or moving the position of the sample solution. May be changed. The movement trajectory of the position of the light detection region may be arbitrarily set, and may be selected from, for example, a circle, an ellipse, a rectangle, a straight line, and a curve.
更に、上記のコンピュータプログラムに於いても、個別に検出された単一粒子の信号の数を計数して光検出領域の位置の移動中に検出された単一粒子の数を計数する手順及び/又は検出された単一粒子の数に基づいて、試料溶液中の単一粒子の数密度又は濃度を決定する手順が含まれていてよい。なお、上記のコンピュータプログラムの場合にも、粒子のカウンティングの於いては、典型的には、任意に設定された測定時間中に得られた単一粒子の信号の数が計数されるが、単一粒子の信号数が任意に設定された数に到達するまで測定が実行され、測定時間に基づいて単一粒子濃度値が算定されるようになっていてよい。従って、上記のコンピュータプログラムも、単一粒子の存在を表す信号の数が予め定められた数に達するまで、光検出領域の位置の移動と、光検出領域からの光の検出と、単一粒子の存在を表す信号の検出とを繰り返し、単一粒子の信号の存在を表す数が予め定められた数に達するのに要した時間に基づいて試料溶液中の単一粒子の濃度を決定するよう手順が構成されていてよい。 Furthermore, in the above computer program, a procedure for counting the number of single particles detected during movement of the position of the light detection region by counting the number of individually detected single particle signals and / or Alternatively, a procedure for determining the number density or concentration of single particles in the sample solution based on the number of single particles detected may be included. In the case of the above computer program as well, in particle counting, the number of single particle signals obtained during an arbitrarily set measurement time is typically counted. The measurement may be performed until the number of signals of one particle reaches an arbitrarily set number, and the single particle concentration value may be calculated based on the measurement time. Therefore, the above computer program also moves the position of the light detection region, detects light from the light detection region, and detects single particles until the number of signals indicating the presence of single particles reaches a predetermined number. Detection of a signal representing the presence of a single particle, and determining the concentration of a single particle in the sample solution based on the time taken for the number representing the presence of a single particle signal to reach a predetermined number. A procedure may be configured.
上記の本発明の装置又はコンピュータプログラムによれば、発光しない波長帯域が互いに異なる単一粒子が混在する試料溶液内に於いて光検出領域の位置を移動させながら、第一又は第二の波長帯域に於ける光検出を背景光の存在下にて行い、背景光の光強度又は光量の低下を単一粒子の信号として個別に検出して、これにより、種類毎に(発光しない波長帯域毎に)単一粒子の存在を一つずつ個別に逐次的に検出する新規な方法が実現される。かくして、本発明によれば、更に、共焦点顕微鏡又は多光子顕微鏡の光学系を用いて試料溶液中にて分散しランダムに運動する単一粒子を検出する単一粒子検出方法であって、試料溶液内に於ける顕微鏡の光学系の光検出領域の位置を移動する過程と、試料溶液内に於ける光検出領域の位置を移動させながら前記光検出領域からの光を検出して時系列の光強度データを生成する過程と、時系列光強度データに於いて前記単一粒子の各々の存在を表す信号として個別に検出する過程とを含み、単一粒子が第一の波長帯域に於いて実質的に発光せず第一の波長帯域とは異なる第二の波長帯域に於いて発光する第一の単一粒子と、第一の波長帯域に於いて発光し第二の波長帯域に於いて実質的に発光しない第二の単一粒子とを含み、検出される光の波長帯域が第一の波長帯域であるときには、光検出領域からの光が第一の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、単一粒子の各々の存在を表す信号が、第一の単一粒子が光検出領域内へ進入した際に生ずる時系列光強度データに於ける光強度の低下であり、検出される光の波長帯域が第二の波長帯域であるときには、光検出領域からの光が第二の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、単一粒子の各々の存在を表す信号が、第二の単一粒子が光検出領域内へ進入した際に生ずる時系列光強度データに於ける光強度の低下であることを特徴とする方法が提供される。 According to the apparatus or the computer program of the present invention, the first or second wavelength band is moved while moving the position of the light detection region in the sample solution in which single particles having different wavelength bands that do not emit light are mixed. In the presence of background light, the light intensity or light intensity of the background light is individually detected as a single particle signal. ) A novel method of detecting the presence of single particles one after another individually is realized. Thus, according to the present invention, there is further provided a single particle detection method for detecting single particles dispersed and moving randomly in a sample solution using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope, The process of moving the position of the light detection area of the optical system of the microscope in the solution, and detecting the light from the light detection area while moving the position of the light detection area in the sample solution A step of generating light intensity data and a step of individually detecting as a signal representing the presence of each of the single particles in the time-series light intensity data, wherein the single particles are in the first wavelength band. A first single particle that does not substantially emit light and emits light in a second wavelength band different from the first wavelength band; and emits light in the first wavelength band and in the second wavelength band. A second single particle that does not substantially emit light, and When the long band is the first wavelength band, the light from the photodetection region includes a substantially constant background light in the first wavelength band, and a signal representative of the presence of each single particle is This is a decrease in light intensity in the time-series light intensity data that occurs when a single particle enters the light detection region. When the wavelength band of the detected light is the second wavelength band, from the light detection region A time series that occurs when the second single particle enters the photodetection region, and the signal representing the presence of each of the single particles includes a substantially constant background light in the second wavelength band. A method is provided that is a reduction in light intensity in light intensity data.
かかる構成に於いても、背景光は、試料溶液内に分散された物質による蛍光、りん光、化学発光、生物発光又は散乱光であるか、照明光であってよい。かかる背景光の強度は、好適には、検出される光の波長帯域が第一の波長帯域であるときには、背景光の強度と第二の単一粒子からの光強度とが実質的に等しく、検出される光の波長帯域が第二の波長帯域であるときには、背景光の強度と第一の単一粒子からの光強度とが実質的に等しくなるよう、例えば、試料溶液中に発光粒子を分散することなどによって、背景光の強度が調節される。また、単一粒子の外径は、好適には、光検出領域の直径の15%以上であり、より好適には、光検出領域の直径の35%以上となる。 Even in such a configuration, the background light may be fluorescence, phosphorescence, chemiluminescence, bioluminescence, scattered light, or illumination light by a substance dispersed in the sample solution. The intensity of such background light is preferably such that when the wavelength band of the detected light is the first wavelength band, the intensity of the background light and the light intensity from the second single particle are substantially equal, When the wavelength band of the detected light is the second wavelength band, for example, luminescent particles are placed in the sample solution so that the intensity of the background light is substantially equal to the light intensity from the first single particle. The intensity of the background light is adjusted by dispersing the light. The outer diameter of the single particle is preferably 15% or more of the diameter of the photodetection region, and more preferably 35% or more of the diameter of the photodetection region.
また、上記の方法に於いても、単一粒子の各々の存在を表す信号の個別の検出は、時系列の信号の形状に基づいて為されてよい。実施の形態に於いて、典型的には、単一粒子の存在を表す信号を個別に検出する過程に於いて、背景光の強度から計って所定の閾値より低い光強度を有する信号が検出されたときに1つの単一粒子が前記光検出領域に入ったと判定するようになっていてよい。具体的には、単一粒子の存在を表す信号を個別に検出する過程に於いて、時系列光強度データに於いて背景光の強度から計って所定閾値を下回る強度を有する下に凸の釣鐘型のパルス状信号が単一粒子の存在を表す信号として検出されてよく、その際、時系列光強度データが平滑化され、平滑化された時系列光強度データに於いて下に凸の釣鐘型のパルス状信号が単一粒子の存在を表す信号として検出されてよい。 Also in the above method, the individual detection of the signal representing the presence of each single particle may be performed based on the shape of the time-series signal. In the embodiment, typically, in the process of individually detecting the signal indicating the presence of a single particle, a signal having a light intensity lower than a predetermined threshold is detected from the background light intensity. It may be determined that one single particle has entered the light detection region. Specifically, in the process of individually detecting signals representing the presence of a single particle, a downwardly convex bell having an intensity below a predetermined threshold measured from the intensity of background light in time-series light intensity data. A pulse signal of the type may be detected as a signal representing the presence of a single particle, in which case the time-series light intensity data is smoothed and the downwardly convex bell in the smoothed time-series light intensity data. A type of pulsed signal may be detected as a signal representing the presence of a single particle.
更に、試料溶液内での光検出領域の位置の移動速度は、単一粒子の特性、試料溶液中の数密度又は濃度に基づいて適宜変更可能となっていてよく、好適には、試料溶液内での光検出領域の位置の移動速度は、検出対象となる単一粒子の拡散移動速度よりも高く設定される。試料溶液内での光検出領域の位置の移動は、任意の方式で為されてよく、好適には、顕微鏡の光学系の光路を変更して或いは試料溶液の位置を動かして光検出領域の位置が変更されるようになっていてよい。光検出領域の位置の移動軌跡は、任意に設定されてよく、例えば、円形、楕円形、矩形、直線及び曲線のうちから選択可能であってよい。 Furthermore, the moving speed of the position of the light detection region in the sample solution may be appropriately changed based on the characteristics of the single particle, the number density or concentration in the sample solution, and preferably in the sample solution. The moving speed of the position of the light detection region at is set higher than the diffusion moving speed of the single particle to be detected. The position of the light detection region in the sample solution may be moved by an arbitrary method. Preferably, the position of the light detection region is changed by changing the optical path of the optical system of the microscope or moving the position of the sample solution. May be changed. The movement trajectory of the position of the light detection region may be arbitrarily set, and may be selected from, for example, a circle, an ellipse, a rectangle, a straight line, and a curve.
更に、上記の方法に於いても、個別に検出された単一粒子の信号の数を計数して光検出領域の位置の移動中に検出された単一粒子の数を計数する過程及び/又は検出された単一粒子の数に基づいて、試料溶液中の単一粒子の数密度又は濃度を決定する過程が含まれていてよい。なお、上記の方法の場合にも、粒子のカウンティングの於いては、典型的には、任意に設定された測定時間中に得られた単一粒子の信号の数が計数されるが、単一粒子の信号数が任意に設定された数に到達するまで測定が実行され、測定時間に基づいて単一粒子濃度値が算定されるようになっていてよい。従って、上記の方法も、単一粒子の存在を表す信号の数が予め定められた数に達するまで、光検出領域の位置の移動と、光検出領域からの光の検出と、単一粒子の存在を表す信号の検出とを繰り返し、単一粒子の信号の存在を表す数が予め定められた数に達するのに要した時間に基づいて試料溶液中の単一粒子の濃度を決定するよう構成されていてよい。 Further, in the above method, the process of counting the number of individually detected single particle signals to count the number of single particles detected during the movement of the position of the light detection region and / or A step of determining the number density or concentration of single particles in the sample solution based on the number of single particles detected may be included. In the case of the above method as well, in particle counting, the number of single particle signals obtained during an arbitrarily set measurement time is typically counted. Measurement may be performed until the number of particle signals reaches an arbitrarily set number, and a single particle concentration value may be calculated based on the measurement time. Therefore, the above method also moves the position of the light detection region, detects light from the light detection region, and detects the single particle until the number of signals indicating the presence of a single particle reaches a predetermined number. Configured to repeatedly detect the presence signal and determine the concentration of the single particle in the sample solution based on the time taken for the number of single particle signals to reach a predetermined number May have been.
上記の本発明の単一粒子検出技術は、典型的には、タンパク質、ペプチド、核酸、脂質、糖鎖、アミノ酸若しくはこれらの凝集体などの生体分子、ウイルス、細胞などの粒子状の生物学的な対象物の溶液中の状態の分析又は解析の用途に用いられるが、非生物学的な粒子(例えば、原子、分子、ミセル、リポソーム、金属コロイド、ビーズ(磁気ビーズ、ポリスチレンビーズ、ラテックスビーズ等)、消光剤(アゾベンゼン類(dabcyl,BHQなど)、金属粒子など)の溶液中の状態の分析又は解析に用いられてもよく、そのような場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。 The above-described single particle detection technique of the present invention typically involves particulate biological materials such as proteins, peptides, nucleic acids, lipids, sugar chains, amino acids or aggregates thereof, viruses, cells and the like. Used for analysis or analysis of the state of a target object in solution, but non-biological particles (eg, atoms, molecules, micelles, liposomes, metal colloids, beads (magnetic beads, polystyrene beads, latex beads, etc. ), Quenchers (azobenzenes (dabcyl, BHQ, etc.), metal particles, etc.) in the state of the solution or analysis, it is understood that such cases also belong to the scope of the present invention. Should.
端的に述べれば、本発明の単一粒子検出技術は、溶液中に分散した発光しない単一粒子の検出を行う反転型走査分子計数法に於いて、単一粒子をその種類を識別しながら個別に検出することを可能にする。本発明の構成によれば、走査分子計数法と同様に、観測対象の単一粒子の数密度又は濃度がFCS、FIDA、PCH等の光分析技術に必要であったレベルよりも大幅に低い試料溶液に適用可能であるという利点、反転型走査分子計数法の迷光やラマン散乱光を観測対象粒子の信号として誤検出することが無くなるという利点を有するとともに、一つの溶液中に複数の種類の単一粒子が存在する場合でも、それらの複数の種類の単一粒子の発光しない波長帯域が異なっていれば、別々に検出可能となる点で有利である。波長帯域の選択は、予備実験等の結果を参考になされてよい。 In short, the single particle detection technique of the present invention is a reversible scanning molecular counting method that detects single particles that do not emit light dispersed in a solution. Makes it possible to detect. According to the configuration of the present invention, similar to the scanning molecule counting method, the number density or concentration of a single particle to be observed is significantly lower than the level necessary for optical analysis techniques such as FCS, FIDA, PCH, etc. It has the advantage that it can be applied to a solution, and it eliminates the false detection of stray light and Raman scattered light of the inverted scanning molecule counting method as a signal of the observation target particle. Even when one particle is present, it is advantageous in that it can be detected separately if the wavelength bands in which the plurality of types of single particles do not emit light are different. The selection of the wavelength band may be made with reference to the result of a preliminary experiment or the like.
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the present invention.
1…光分析装置(共焦点顕微鏡)
2…光源
3…シングルモードオプティカルファイバー
4…コリメータレンズ
5…ダイクロイックミラー
6、7、11…反射ミラー
8…対物レンズ
9…マイクロプレート
10…ウェル(試料溶液容器)
12…コンデンサーレンズ
13…ピンホール
14…バリアフィルター
14a…ダイクロイックミラー又は偏光ビームスプリッタ
15…マルチモードオプティカルファイバー
16…光検出器
17…ミラー偏向器
17a…ステージ位置変更装置
18…コンピュータ
1 ... Optical analyzer (confocal microscope)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Light source 3 ... Single mode optical fiber 4 ... Collimator lens 5 ... Dichroic mirror 6, 7, 11 ... Reflection mirror 8 ... Objective lens 9 ... Microplate 10 ... Well (sample solution container)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Condenser lens 13 ... Pinhole 14 ... Barrier filter 14a ... Dichroic mirror or polarizing beam splitter 15 ... Multimode optical fiber 16 ... Photo detector 17 ... Mirror deflector 17a ... Stage position change device 18 ... Computer
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
単一粒子検出装置の構成
本発明による単一粒子検出技術を実現する単一粒子検出装置は、基本的な構成に於いて、図1(A)に模式的に例示されている如き、FCS、FIDA等が実行可能な共焦点顕微鏡の光学系と光検出器とを組み合わせてなる装置であってよい。同図を参照して、単一粒子検出装置1は、光学系2〜17と、光学系の各部の作動を制御すると共にデータを取得し解析するためのコンピュータ18とから構成される。単一粒子検出装置1の光学系は、通常の共焦点顕微鏡の光学系と同様であってよく、そこに於いて、光源2から放射されシングルモードファイバー3内を伝播したレーザー光(Ex)が、ファイバーの出射端に於いて固有のNAにて決まった角度にて発散する光となって放射され、コリメーター4によって平行光となり、ダイクロイックミラー5、反射ミラー6、7にて反射され、対物レンズ8へ入射される。なお、本発明の装置に於いては、複数の波長帯域の背景光の検出が行われるところ、背景光を発生させるための励起光の波長が選択できるように、図示の如く、光源2に於いて複数の発光源(レーザー)が設けられていてよい。測定の態様によって、波長が異なる励起光が同時に複数の発光源から出射され、対物レンズ8へ導入されるようになっていてもよい。
Configuration of Single Particle Detection Device A single particle detection device that realizes the single particle detection technology according to the present invention has an FCS, as schematically illustrated in FIG. It may be an apparatus formed by combining an optical system of a confocal microscope capable of executing FIDA and the like and a photodetector. Referring to FIG. 1, single particle detection apparatus 1 includes optical systems 2 to 17 and a computer 18 for controlling the operation of each part of the optical system and acquiring and analyzing data. The optical system of the single particle detection apparatus 1 may be the same as the optical system of a normal confocal microscope, in which laser light (Ex) emitted from the light source 2 and propagated through the single mode fiber 3 is transmitted. The light diverges at an angle determined by the specific NA at the emission end of the fiber and is radiated, becomes parallel light by the collimator 4, is reflected by the dichroic mirror 5, and the reflection mirrors 6 and 7, and is objective. The light enters the lens 8. In the apparatus of the present invention, when background light in a plurality of wavelength bands is detected, the wavelength of the excitation light for generating the background light can be selected. A plurality of light emitting sources (lasers) may be provided. Depending on the mode of measurement, excitation light having different wavelengths may be simultaneously emitted from a plurality of light emission sources and introduced into the objective lens 8.
対物レンズ8の上方には、典型的には、1〜数十μLの試料溶液が分注される試料容器又はウェル10が配列されたマイクロプレート9が配置されており、対物レンズ8から出射したレーザー光は、試料容器又はウェル10内の試料溶液中で焦点を結び、光強度の強い領域(励起領域)が形成される。なお、試料溶液中には、典型的には、観測対象物である検出波長帯域にて発光しない粒子と、背景光を生ずる任意の発光物質が分散又は溶解されており、検出波長帯域にて発光しない粒子が励起領域に進入していないときには、発光物質が励起されて実質的に一定の光が放出されて、背景光となり、検出波長帯域にて発光しない粒子が励起領域に進入すると、背景光が低減することとなる。 Above the objective lens 8, a microplate 9 in which sample containers or wells 10 into which a sample solution of 1 to several tens μL is dispensed is typically arranged is emitted from the objective lens 8. The laser light is focused in the sample solution in the sample container or well 10 to form a region with high light intensity (excitation region). In the sample solution, typically, particles that do not emit light in the detection wavelength band, which is an observation object, and any light-emitting substance that generates background light are dispersed or dissolved, and light is emitted in the detection wavelength band. When the particles that do not enter the excitation region are excited, the luminescent material is excited to emit substantially constant light to become background light, and when particles that do not emit light in the detection wavelength band enter the excitation region, the background light Will be reduced.
かくして、励起領域から放出された光(Em)は、対物レンズ8、ダイクロイックミラー5を通過し、ミラー11にて反射してコンデンサーレンズ12にて集光され、ピンホール13を通過し、バリアフィルター14を透過して(ここで、特定の波長帯域の光成分のみが選択される。)、マルチモードファイバー15に導入されて、光検出器16に到達し、時系列の電気信号に変換された後、コンピュータ18へ入力され、後に説明される態様にて単一粒子検出のための処理が為される。なお、当業者に於いて知られている如く、上記の構成に於いて、ピンホール13は、対物レンズ8の焦点位置と共役の位置に配置されており、これにより、図1(B)に模式的に示されている如きレーザー光の焦点領域、即ち、励起領域内から発せられた光のみがピンホール13を通過し、励起領域以外からの光は遮断される。図1(B)に例示されたレーザー光の焦点領域は、通常、1〜10fL程度の実効体積を有する本光分析装置に於ける光検出領域であり(典型的には、光強度が領域の中心を頂点とするガウス様分布となる。実効体積は、光強度が1/e2となる面を境界とする略楕円球体の体積である。)、コンフォーカル・ボリュームと称される。 Thus, the light (Em) emitted from the excitation region passes through the objective lens 8 and the dichroic mirror 5, is reflected by the mirror 11, collected by the condenser lens 12, passes through the pinhole 13, and passes through the barrier filter. 14 (here, only a light component in a specific wavelength band is selected), introduced into the multimode fiber 15, reaches the photodetector 16, and is converted into a time-series electrical signal. Thereafter, it is input to the computer 18 and processing for single particle detection is performed in a manner described later. As is known to those skilled in the art, in the above configuration, the pinhole 13 is disposed at a position conjugate with the focal position of the objective lens 8, and as a result, as shown in FIG. Only the light emitted from the focal region of the laser beam, that is, the excitation region as schematically shown, passes through the pinhole 13, and the light from other than the excitation region is blocked. The focal region of the laser light illustrated in FIG. 1B is usually a light detection region in the present optical analyzer having an effective volume of about 1 to 10 fL (typically, the light intensity is in the region). It has a Gaussian distribution with the center at the apex.The effective volume is the volume of a substantially elliptical sphere bounded by the plane where the light intensity is 1 / e 2 )), and is called confocal volume.
ピンホール13を通過した光は、ダイクロイックミラー14aに於いて、一部の波長帯域の光が反射し、残りの波長帯域の光が透過する態様にて波長帯域により分割され、分割された光の各成分は、それぞれ、対応するバリアフィルター14を透過して(ここで、特定の波長帯域の光成分のみが選択される。)、マルチモードファイバー15に導入されて、対応する光検出器16に到達し、時系列の電気信号に変換された後、コンピュータ18へ入力され、後に説明される態様にて光分析のための処理が為される。また、本発明では、数分子程度の蛍光色素分子からの微弱光からなる背景光に於ける単一粒子の存在による光量の低下を検出するので、光検出器16としては、好適には、フォトンカウンティングに使用可能な超高感度の光検出器が用いられる。光の検出がフォトンカウンティングによる場合、光強度の測定は、所定時間に亘って、逐次的に、所定の単位時間毎(BIN TIME)に、光検出器に到来するフォトンの数を計測する態様にて実行される。従って、この場合、時系列の光強度のデータは、時系列のフォトンカウントデータである。また、顕微鏡のステージ(図示せず)には、観察するべきウェル10を変更するべく、マイクロプレート9の水平方向位置を移動するためのステージ位置変更装置17aが設けられていてよい。ステージ位置変更装置17aの作動は、コンピュータ18により制御されてよい。かかる構成により、検体が複数在る場合にも、迅速な計測が達成可能となる。 The light that has passed through the pinhole 13 is divided by the wavelength band in such a manner that light in a part of the wavelength band is reflected by the dichroic mirror 14a and light in the remaining wavelength band is transmitted. Each component passes through the corresponding barrier filter 14 (here, only the light component in a specific wavelength band is selected), and is introduced into the multimode fiber 15 to the corresponding photodetector 16. After reaching and being converted into a time-series electrical signal, it is input to the computer 18 and processing for optical analysis is performed in a manner described later. In the present invention, since the decrease in the amount of light due to the presence of a single particle in the background light consisting of weak light from several fluorescent dye molecules is detected, the photo detector 16 is preferably a photon. An ultra-sensitive photodetector that can be used for counting is used. When the light detection is based on photon counting, the light intensity is measured in a manner in which the number of photons arriving at the photodetector is sequentially measured for a predetermined unit time (BIN TIME) over a predetermined time. Executed. Therefore, in this case, the time-series light intensity data is time-series photon count data. Further, a stage position changing device 17a for moving the horizontal position of the microplate 9 may be provided on a microscope stage (not shown) in order to change the well 10 to be observed. The operation of the stage position changing device 17a may be controlled by the computer 18. With this configuration, it is possible to achieve quick measurement even when there are a plurality of specimens.
更に、上記の単一粒子検出装置の光学系に於いては、試料溶液内を光検出領域により走査する、即ち、試料溶液内に於いて焦点領域、即ち、光検出領域の位置を移動するための機構が設けられる。かかる光検出領域の位置を移動するための機構としては、例えば、図1(C)に模式的に例示されている如く、反射ミラー7の向きを変更するミラー偏向器17が採用されてよい(光検出領域の絶対的な位置を移動する方式)。かかるミラー偏向器17は、通常のレーザー走査型顕微鏡に装備されているガルバノミラー装置と同様であってよい。或いは、別の態様として、図1(D)に例示されている如く、試料溶液が注入されている容器10(マイクロプレート9)の水平方向の位置を移動し、試料溶液内に於ける光検出領域の相対的な位置を移動するべくステージ位置変更装置17aが作動されてもよい(試料溶液の絶対的な位置を移動する方式)。いずれの方式による場合も、所望の光検出領域の位置の移動パターンを達成するべく、ミラー偏向器17又はステージ位置変更装置17aは、コンピュータ18の制御の下、光検出器16による光検出と協調して駆動される。光検出領域の位置の移動軌跡は、円形、楕円形、矩形、直線、曲線又はこれらの組み合わせから任意に選択されてよい(コンピュータ18に於けるプログラムに於いて、種々の移動パターンが選択できるようになっていてよい。)。また、光検出領域の絶対的な位置を移動する方式と試料溶液の絶対的な位置を移動する方式とを組み合わせて、試料溶液の位置を動かしつつ、光検出領域の絶対的な位置の移動が実行されてよい。この場合、短時間のうちの光検出領域が同一の領域を通過することにより同一の単一粒子を繰り返し検出することが回避される。或いは、光検出領域の絶対的な位置を移動する方式により、意図的に光検出領域に同一の領域を繰り返し通過させ、同一の単一粒子を複数回に亘って周期的に検出し、信号の精度の向上が図られてもよい。この場合、光検出領域の絶対的な位置の移動を所定時間に亘って実行した後に、試料溶液の位置が間歇的に移動して、試料溶液内の別の場所にて、同一の単一粒子の繰り返し検出を実行し、検出される単一粒子の数の増大が図られてよい。なお、図示していないが、対物レンズ8又はステージを上下に移動することにより、光検出領域の位置が上下方向に移動されて、光検出領域の位置の軌跡が、試料溶液内にて三次元的に展開されるようになっていてもよい。 Further, in the optical system of the single particle detection apparatus described above, the sample solution is scanned by the light detection region, that is, the focal region, that is, the position of the light detection region is moved in the sample solution. The mechanism is provided. As a mechanism for moving the position of the light detection region, for example, a mirror deflector 17 that changes the direction of the reflection mirror 7 may be employed as schematically illustrated in FIG. A method of moving the absolute position of the light detection area). Such a mirror deflector 17 may be the same as a galvanometer mirror device provided in a normal laser scanning microscope. Alternatively, as another embodiment, as illustrated in FIG. 1D, the horizontal position of the container 10 (microplate 9) into which the sample solution is injected is moved to detect light in the sample solution. The stage position changing device 17a may be operated to move the relative position of the region (a method of moving the absolute position of the sample solution). In any case, the mirror deflector 17 or the stage position changing device 17a cooperates with the light detection by the light detector 16 under the control of the computer 18 in order to achieve a desired movement pattern of the position of the light detection region. Driven. The movement trajectory of the position of the light detection region may be arbitrarily selected from a circle, an ellipse, a rectangle, a straight line, a curve, or a combination thereof (so that various movement patterns can be selected by the program in the computer 18). It may be.) Also, combining the method of moving the absolute position of the light detection region and the method of moving the absolute position of the sample solution, the absolute position of the light detection region can be moved while moving the position of the sample solution. May be executed. In this case, it is avoided that the same single particle is repeatedly detected when the light detection region in the short time passes through the same region. Or, by moving the absolute position of the light detection region, the same region is intentionally repeatedly passed through the light detection region, the same single particle is periodically detected multiple times, and the signal An improvement in accuracy may be achieved. In this case, after the absolute position of the light detection region is moved for a predetermined time, the position of the sample solution moves intermittently, and the same single particle is moved to another place in the sample solution. May be performed to increase the number of single particles detected. Although not shown, the position of the light detection region is moved in the vertical direction by moving the objective lens 8 or the stage up and down, and the locus of the position of the light detection region is three-dimensionally within the sample solution. It may be designed to be deployed.
背景光を生成する発光物質が多光子吸収により発光する場合には、上記の光学系は、多光子顕微鏡として使用される。その場合には、励起光の焦点領域(光検出領域)のみで光の放出があるので、ピンホール13は、除去されてよい。また、背景光を生成する発光物質が化学発光や生物発光現象により励起光によらず発光する場合には、励起光を生成するための光学系2〜5が省略されてよい。背景光を生成する発光物質がりん光又は散乱により発光する場合には、上記の共焦点顕微鏡の光学系がそのまま用いられる。更に、背景光は、照明光により与えられてもよい。その場合、対物レンズの上方から透過照明(ケーラー照明であってよい。)により試料溶液が照明される。 When the luminescent material that generates background light emits light by multiphoton absorption, the above optical system is used as a multiphoton microscope. In that case, since there is light emission only in the focal region (light detection region) of the excitation light, the pinhole 13 may be removed. Further, when the luminescent material that generates background light emits light regardless of excitation light due to chemiluminescence or bioluminescence, the optical systems 2 to 5 for generating excitation light may be omitted. When the luminescent material that generates background light emits light by phosphorescence or scattering, the optical system of the confocal microscope is used as it is. Furthermore, the background light may be provided by illumination light. In that case, the sample solution is illuminated from above the objective lens by transmitted illumination (may be Koehler illumination).
本発明の単一粒子検出技術の原理
「発明の概要」の欄に記載されている如く、本発明の単一粒子検出技術に於いては、端的に述べれば、特定の波長帯域に於ける単一粒子の影を検出する形式の走査分子計数法(以下、「反転型走査分子計数法」と称する。)にて、即ち、特定の波長帯域に於ける背景光の存在下で、試料溶液内にて光検出領域の位置を移動し、その特定の波長帯域にて発光しない単一粒子が光検出領域に包含された際の背景光の低下を単一粒子の信号として検出する態様にて、単一粒子の存在が個別に検出される。そして、複数の互いに異なる波長帯域に於ける光の検出を行うことにより、複数種類の単一粒子の存在を種類毎に検出し、それらの粒子の計数、或いは、試料溶液中の濃度に関する情報が取得される。以下、本発明による反転型走査分子計数法の原理について説明する。
Principle of the Single Particle Detection Technology of the Present Invention As described in the “Summary of the Invention” section, the single particle detection technology of the present invention is simply described as a single particle in a specific wavelength band. In a scanning molecule counting method (hereinafter referred to as “inverted scanning molecule counting method”) that detects the shadow of a single particle, that is, in the presence of background light in a specific wavelength band, In a mode in which the position of the light detection region is moved at and a decrease in background light when a single particle that does not emit light in that specific wavelength band is included in the light detection region is detected as a single particle signal, The presence of a single particle is detected individually. By detecting light in a plurality of different wavelength bands, the presence of a plurality of types of single particles is detected for each type, and information regarding the count of those particles or the concentration in the sample solution is provided. To be acquired. Hereinafter, the principle of the inverted scanning molecule counting method according to the present invention will be described.
1.反転型走査分子計数法の原理
特許文献9〜11に記載されている「走査分子計数法」では、端的に述べれば、上記の如き単一粒子検出装置に於いて、発光粒子が分散された試料溶液内にて光検出領域の位置をしながら、光強度の測定が実行される。そして、光検出領域が発光粒子を包含したときには、発光粒子からの光が光検出部に到達することにより、光強度の測定値の増大が生ずるので、かかる光強度値の増大を検出して、一つの発光粒子の存在が個別に検出されることとなる。かかる走査分子計数法の原理に於いては、蛍光強度のゆらぎの算出の如き統計的な演算処理は行われず、発光粒子が一つずつ検出されるので、従前のFCS、FIDA等では十分な精度にて分析ができないほど、観測されるべき粒子の濃度が低い試料溶液でも、粒子の濃度若しくは数密度に関する情報が取得可能である。
1. Principle of Inverted Scanning Molecular Counting Method In “scanning molecule counting method” described in Patent Documents 9 to 11, luminescent particles are dispersed in a single particle detector as described above. The light intensity is measured while positioning the light detection region in the sample solution. Then, when the light detection region includes the luminescent particles, the light from the luminescent particles reaches the light detection unit, so that an increase in the measured value of the light intensity occurs. The presence of one luminescent particle will be detected individually. In the principle of the scanning molecule counting method, statistical calculation processing such as calculation of fluctuations in fluorescence intensity is not performed, and luminescent particles are detected one by one. Therefore, conventional FCS, FIDA, etc. have sufficient accuracy. Even with a sample solution in which the concentration of particles to be observed is so low that the analysis cannot be performed in (3), it is possible to obtain information on the particle concentration or number density.
上記の通常の「走査分子計数法」の場合には、観測対象となる粒子は、発光粒子であり、検出光の波長帯域に於いて発光しない粒子を検出することができない。従って、発光しない粒子を観測対象とする場合には、かかる粒子に蛍光標識等の発光標識を付与する必要がある。しかしながら、粒子によっては、発光標識の付与が困難であったり、発光標識の付与に起因して粒子の変性が起き得る。また、粒子の放出する光をその粒子の存在を表す信号として識別する形式の場合、迷光や散乱光或いは光検出器の電気的ノイズにより、光強度データ上の値の増大が生じたときに、その値の増大を誤って発光粒子の信号として識別してしまう場合が在り得る。 In the case of the above-described normal “scanning molecule counting method”, particles to be observed are luminescent particles, and particles that do not emit light in the wavelength band of detection light cannot be detected. Therefore, when particles that do not emit light are to be observed, it is necessary to attach a light-emitting label such as a fluorescent label to the particles. However, depending on the particle, it may be difficult to apply the luminescent label, or the particle may be modified due to the application of the luminescent label. Also, in the case of a format that identifies the light emitted by a particle as a signal indicating the presence of the particle, when the value on the light intensity data increases due to stray light, scattered light, or electrical noise of the photodetector, There may be a case where the increase in the value is mistakenly identified as a signal of the luminescent particles.
そこで、本発明の「反転型走査分子計数法」は、上記の走査分子計数法による光計測に於いて、光検出領域から背景光を放出させ(或いは、光検出領域を照明光にて照明し)、観測対象となる粒子が光検出領域に進入した際に、検出される背景光が低下することを捉えて、単一粒子の検出が為される。具体的には、通常の走査分子計数法と同様に、光検出領域の位置を移動するための機構(ミラー偏向器17)を駆動して光路を変更し、或いは、試料溶液が注入されている容器10(マイクロプレート9)の水平方向の位置を移動して、図2(A)にて模式的に描かれているように、試料溶液内に於いて光検出領域CVの位置を移動しながら、即ち、光検出領域CVにより試料溶液内を走査しながら、光検出が実行される。既に触れたように、試料溶液中には発光物質が分散され、光検出領域CV内には、多数の発光物質が存在しているので、光検出領域CVの移動中(図中、時間to〜t2)、基本的には、それらの発光物質からの光が略一様に検出される。しかしながら、光検出領域CVが移動する間に於いて1つの発光しない粒子の存在する領域を通過する際(t1)には、発光物質の存在領域の体積が低減するので、発光物質の放出する光の総量が低減し、図2(B)に描かれている如く、時系列の光強度データ上に、釣鐘型のパルス状の有意な光強度(Em)の低下が出現することとなる。かくして、上記の光検出領域CVの位置の移動と光検出を実行し、その間に出現する図2(B)に例示されている如きパルス状の有意な光強度の低下、即ち、単一粒子の存在を表す信号を一つずつ検出することによって、単一粒子が個別に検出され、その数をカウントすることにより、計測された領域内に存在する単一粒子の数、或いは、濃度若しくは数密度に関する情報が取得できることとなる。 Therefore, the “inverted scanning molecule counting method” of the present invention allows the background light to be emitted from the light detection region (or the light detection region is illuminated with illumination light) in the optical measurement by the scanning molecule counting method described above. ) When a particle to be observed enters the light detection region, a single particle is detected by detecting that the detected background light decreases. Specifically, as in the normal scanning molecule counting method, the optical path is changed by driving a mechanism (mirror deflector 17) for moving the position of the light detection region, or a sample solution is injected. The horizontal position of the container 10 (microplate 9) is moved to move the position of the light detection region CV in the sample solution as schematically illustrated in FIG. That is, light detection is performed while scanning the sample solution by the light detection region CV. As already mentioned, since the luminescent material is dispersed in the sample solution and a large number of luminescent materials are present in the light detection region CV, the light detection region CV is moving (in the figure, time to? t2) Basically, light from these luminescent materials is detected substantially uniformly. However, when the light detection region CV moves through the region where one non-light emitting particle exists (t1), the volume of the region where the light emitting material exists is reduced, so that the light emitted from the light emitting material is reduced. As shown in FIG. 2B, a significant light intensity (Em) in the form of a bell-shaped pulse appears on the time-series light intensity data. Thus, the movement of the position of the light detection region CV and the light detection described above are performed, and a significant decrease in light intensity in the form of pulses as illustrated in FIG. A single particle is detected individually by detecting the signal representing the presence one by one, and by counting the number, the number of single particles present in the measured area, or the concentration or number density The information regarding can be acquired.
上記の光強度の低下の度合は、発光しない単一粒子の径と光検出領域の径との関係から概算することが可能である。典型的には、光検出領域内の光強度分布は、中心にて最大強度Imaxを有し、半径r方向に向かって低減する釣鐘型のプロファイルf(r)を有している。従って、f(r)が略0になる光検出領域の半径aを用いて、光検出領域内に発光しない粒子が存在していないときの光検出領域内から放出される光の総量αは、
α=4π∫r2f(r)dr [積分区間は、0〜a] …(1)
にて与えられる。一方、光検出領域内に、半径bの発光しない単一粒子が進入し、光検出領域の中心に位置するとき、その領域の発光物質が排除されることとなるので、排除された発光物質に相当する光量が低減することとなる。その排除された発光物質に相当する光量、つまり低下量βは、
β=4π∫r2f(r)dr [積分区間は、0〜b] …(2)
にて与えられる。かくして、光強度の低下の割合は、β/αにより概算することが可能となる。ここで、f(r)がガウス関数であり、α=1、a=1となるとき、
f(r)=0.684exp(−2r2) …(3)
となる。典型的には、背景光の変動率が1%程度であり、単一粒子による光強度の低下の割合が1%以下であると、信号の検出が不可能となるので、上記の式にて演算すると、光検出領域の半径に対する単一粒子半径の比b/aは、0.15以上とすべきである。また、単一粒子による光強度の低下の割合を10%以上とする場合には、光検出領域の半径に対する検出可能な単一粒子半径の比b/aは、0.35となる。なお、観測されるべき単一粒子が消光剤や蛍光エネルギー移動のアクセプタである場合、単一粒子が周囲(例えば、10nm)の光を吸収するので、検出可能な単一粒子半径は、上記に例示の半径よりも低減し得る。
The degree of decrease in the light intensity can be estimated from the relationship between the diameter of a single particle that does not emit light and the diameter of the light detection region. Typically, the light intensity distribution in the light detection region has a bell-shaped profile f (r) having a maximum intensity Imax at the center and decreasing toward the radius r. Therefore, using the radius a of the photodetection region where f (r) is substantially 0, the total amount α of light emitted from the photodetection region when there is no non-emitting particle in the photodetection region is
α = 4π∫r 2 f (r) dr [Integration interval is 0 to a] (1)
Given in On the other hand, when a single particle that does not emit light having a radius b enters the photodetection region and is positioned at the center of the photodetection region, the luminescent material in that region is excluded. The corresponding amount of light will be reduced. The amount of light corresponding to the excluded luminescent material, that is, the decrease amount β is
β = 4π∫r 2 f (r) dr [Integral interval is 0 to b] (2)
Given in Thus, the rate of decrease in light intensity can be estimated by β / α. Here, when f (r) is a Gaussian function and α = 1 and a = 1,
f (r) = 0.684exp (-2r 2 ) (3)
It becomes. Typically, when the fluctuation rate of the background light is about 1% and the rate of decrease in light intensity due to a single particle is 1% or less, signal detection becomes impossible. When calculated, the ratio b / a of the single particle radius to the radius of the photodetection region should be 0.15 or more. When the rate of decrease in light intensity due to single particles is 10% or more, the ratio b / a of the detectable single particle radius to the radius of the photodetection region is 0.35. If the single particle to be observed is a quencher or a fluorescence energy transfer acceptor, the single particle absorbs ambient light (for example, 10 nm). It can be reduced from the illustrated radius.
2.複数波長帯域での光測定を行う反転型走査分子計数法
「発明の概要」の欄に於いて触れた如く、本発明で観測対象となる粒子は、通常、光を放出する波長帯域(発光波長帯域)と実質的に光を放出しない波長帯域(非発光波長帯域)とを有しており、発光波長帯域と非発光波長帯域とは、粒子の種類によって互いに異なり、また、そのように粒子を調製することが可能である。そして、上記の如き反転型走査分子計数法に於いて、検出光の波長帯域、即ち、背景光の波長帯域を粒子の非発光波長帯域内に設定すれば、その粒子の影が形成され、粒子の存在が検出可能となる。一方、検出光の波長帯域に発光波長帯域を有する粒子の放出する光は、背景光と区別がつかず、かかる粒子は検出されない。即ち、図2(C)の如く、第一の波長帯域にて発光する粒子aと第二の波長帯域にて発光する粒子bが存在している場合、図2(D)の如く、第一の波長帯域の背景光が検出される状態下では、粒子aが発光するので、背景光の低下は生ぜず、粒子aは検出されないが、粒子bは発光しないので、背景光の低下が生じ、これにより、その存在が検出されることとなる。一方、図2(E)の如く、第二の波長帯域の背景光が検出される状態下では、粒子bが発光するので、背景光の低下は生ぜず、粒子bは検出されないが、粒子aは発光しないので、背景光の低下が生じ、これにより、その存在が検出されることとなる。
2. Inverted Scanning Molecular Counting Method for Measuring Light in Multiple Wavelength Bands As mentioned in the “Summary of the Invention” section, the particles to be observed in the present invention usually have a wavelength band that emits light (emission wavelength). Band) and a wavelength band that substantially does not emit light (non-emission wavelength band). The emission wavelength band and the non-emission wavelength band are different from each other depending on the type of particles, and It is possible to prepare. In the inversion scanning molecule counting method as described above, if the wavelength band of the detection light, that is, the wavelength band of the background light is set within the non-emission wavelength band of the particle, the shadow of the particle is formed, and the particle The presence of can be detected. On the other hand, light emitted by particles having an emission wavelength band in the detection light wavelength band is indistinguishable from background light, and such particles are not detected. That is, as shown in FIG. 2C, when there are particles a that emit light in the first wavelength band and particles b that emit light in the second wavelength band, as shown in FIG. Under the condition in which background light in the wavelength band is detected, the particle a emits light, so that the background light does not decrease and the particle a is not detected, but the particle b does not emit light, resulting in a decrease in background light. Thereby, the presence is detected. On the other hand, as shown in FIG. 2E, under the condition in which the background light in the second wavelength band is detected, the particle b emits light, so that the background light does not decrease and the particle b is not detected. Does not emit light, the background light is reduced, and its presence is detected.
かくして、本発明に於いては、複数の波長帯域にて光検出を行い、波長帯域毎に背景光の低下を検出することによって、検出される波長帯域にて非発光波長帯域を有する単一粒子が検出される。既に述べた如く、非発光波長帯域は、粒子の種類によって異なるので、これにより、同一の試料溶液内に複数種類の粒子が混在する場合に、それらの非発光波長帯域が異なっていれば、種類を識別しながら、単一粒子の検出が可能となる。 Thus, in the present invention, a single particle having a non-emission wavelength band in the detected wavelength band by detecting light in a plurality of wavelength bands and detecting a decrease in background light for each wavelength band. Is detected. As already described, the non-emission wavelength band varies depending on the type of particles. Therefore, when a plurality of types of particles are mixed in the same sample solution, the non-emission wavelength band is different if the non-emission wavelength band is different. It is possible to detect a single particle while discriminating.
反転型走査分子計数法の処理操作過程
図1(A)に例示の単一粒子検出装置1を用いた本発明に従った反転型走査分子計数法の実施形態に於いては、具体的には、(1)単一粒子と背景光を生成する発光物質とを含む試料溶液の調製、(2)試料溶液の光強度の測定処理、及び(3)測定された光強度の分析処理が実行される。図3は、フローチャートの形式にて表した本実施形態に於ける処理を示している。
Processing Operation Process of Inverted Scanning Molecule Counting Method In the embodiment of the inverted scanning molecule counting method according to the present invention using the single particle detector 1 illustrated in FIG. (1) Preparation of a sample solution containing a single particle and a luminescent substance that generates background light, (2) Measurement processing of the light intensity of the sample solution, and (3) Analysis processing of the measured light intensity The FIG. 3 shows processing in this embodiment expressed in the form of a flowchart.
(1)試料溶液の調製
本発明の単一粒子検出技術の観測対象物となる粒子は、試料溶液中にて分散し溶液中にてランダムに運動する粒子であって、粒径が光検出領域の径の好適には15%以上、より好適には、35%以上であれば、任意のものであってよく、例えば、タンパク質、ペプチド、核酸、脂質、糖鎖、アミノ酸若しくはこれらの凝集体などの生体分子、ウイルス、細胞などの粒子状の生物学的な対象物、非生物学的な粒子(例えば、原子、分子、ミセル、リポソーム、金属コロイド、ビーズ(磁気ビーズ、ポリスチレンビーズ、ラテックスビーズ等)、消光剤(アゾベンゼン類(dabcyl,BHQなど)、金属粒子など)などであってよい。また、背景光を与える発光物質としては、任意の発光分子、例えば、蛍光分子、りん光分子、化学・生物発光分子であってよく、発光物質は、光検出領域内に常に数分子以上存在する濃度にて試料溶液中に溶解又は分散される。試料溶液は、典型的には水溶液であるが、これに限定されず、有機溶媒その他の任意の液体であってもよい。
(1) Preparation of sample solution The particles to be observed in the single particle detection technique of the present invention are particles that are dispersed in the sample solution and move randomly in the solution, and the particle size is the light detection region. Preferably, the diameter may be 15% or more, more preferably 35% or more, such as protein, peptide, nucleic acid, lipid, sugar chain, amino acid, or an aggregate thereof. Particulate biological objects such as biomolecules, viruses, cells, non-biological particles (eg, atoms, molecules, micelles, liposomes, metal colloids, beads (magnetic beads, polystyrene beads, latex beads, etc. ), Quenchers (azobenzenes (dabcyl, BHQ, etc.), metal particles, etc.) The luminescent substance that gives the background light can be any luminescent molecule, such as a fluorescent molecule, phosphorescent molecule, chemical, etc. It may be a bioluminescent molecule, and the luminescent substance is dissolved or dispersed in the sample solution at a concentration that is always present in the light detection region at a few or more molecules, which is typically an aqueous solution. The organic solvent and other arbitrary liquids may be used.
また、特に、本発明の単一粒子検出技術に於いては、既に触れた如く、観測対象となる単一粒子の非発光波長帯域と特定の発光波長帯域とに於いて背景光が与えられるように試料の調製が行われる。例えば、試料溶液中に、第一の波長帯域に於いて発光せず第一の波長帯域とは異なる第二の波長帯域に於いて発光する第一の単一粒子と、第一の波長帯域に於いて発光し第二の波長帯域に於いて発光しない第二の単一粒子とが含まれる場合、第一の波長帯域に於いて背景光を与える発光物質と第二の波長帯域に於いて背景光を与える発光物質とが分散されてよい。この点に関し、粒子の発光波長帯域に於いて光の検出を行う場合、背景光の輝度と粒子の発光輝度とが完全に一致すること、粒子内の発光輝度が一様であり、また、複数の粒子間で輝度ムラがないことが理想であるが、必ずしもそのように粒子の輝度と背景光輝度とを調整する必要はなく、多少の輝度ムラや背景光の低下の度合のずれがあっても、解析上識別できれば十分である。例えば、例えば、無蛍光のコアに蛍光を示す外殻を持つような粒子、蛍光性物質が無蛍光の殻に覆われた粒子などであってもよい。背景光と粒子の輝度差については、背景光のCV以下の輝度差であることが理想である。典型的な背景光のCV値は10%であるため、発光する粒子と背景光の輝度差が10%以下となっていることが望ましく、好適には、試料溶液は、かかる状態が達成されるよう調製される。背景光は、蛍光、自家蛍光、散乱(ラマン散乱(溶媒(水)二硫化炭素、イソプレン、遷移金属錯体)、発光物質による光であってよく、或いは、均一光源による照明光であってもよい。 In particular, in the single particle detection technique of the present invention, as already mentioned, background light is given in the non-emission wavelength band and the specific emission wavelength band of the single particle to be observed. Sample preparation is performed. For example, in a sample solution, a first single particle that does not emit light in a first wavelength band and emits light in a second wavelength band different from the first wavelength band; A light emitting material that provides background light in the first wavelength band and a background in the second wavelength band if the second single particle that emits light and does not emit light in the second wavelength band is included. A luminescent material that provides light may be dispersed. In this regard, when detecting light in the emission wavelength band of the particles, the luminance of the background light and the emission luminance of the particles are completely the same, the emission luminance in the particles is uniform, Ideally, there should be no uneven brightness between the particles, but it is not always necessary to adjust the brightness of the particles and the background light, and there is a slight difference in brightness and a decrease in background light. However, it is sufficient if it can be identified in the analysis. For example, the particle | grains which have the outer shell which shows fluorescence in a non-fluorescent core, the particle | grains with which the fluorescent substance was covered by the non-fluorescent shell, etc. may be sufficient, for example. The brightness difference between the background light and the particles is ideally a brightness difference equal to or lower than the CV of the background light. Since the CV value of typical background light is 10%, it is desirable that the luminance difference between the light emitting particles and the background light is 10% or less, and preferably, the sample solution achieves such a state. It is prepared as follows. The background light may be fluorescence, autofluorescence, scattering (Raman scattering (solvent (water) carbon disulfide, isoprene, transition metal complex)), light from a luminescent material, or illumination light from a uniform light source. .
(2)試料溶液の光強度の測定(図3−ステップ100)
本実施形態の反転型走査分子計数法による光分析に於ける光強度の測定は、測定中にミラー偏向器17又はステージ位置変更装置17aを駆動して、試料溶液内での光検出領域の位置の移動(試料溶液内の走査)を行う他は、FCS又はFIDAに於ける光強度の測定過程と同様の態様にて実行されてよい。操作処理に於いて、典型的には、マイクロプレート9のウェル10に試料溶液を注入して顕微鏡のステージ上に載置した後、使用者がコンピュータ18に対して、測定の開始の指示を入力すると、コンピュータ18は、記憶装置(図示せず)に記憶されたプログラム(試料溶液内に於いて光検出領域の位置を移動する手順と、光検出領域の位置の移動中に光検出領域からの光を検出して時系列の光強度データを生成する手順)に従って、試料溶液内の光検出領域に於ける励起光の照射及び光強度の計測が開始される。かかる計測中、コンピュータ18のプログラムに従った処理動作の制御下、ミラー偏向器17又はステージ位置変更装置17aは、ミラー7(ガルバノミラー)又は顕微鏡のステージ上のマイクロプレート9を駆動して、ウェル10内に於いて光検出領域の位置の移動を実行し、これと同時に光検出器16は、逐次的に検出された光を電気信号に変換してコンピュータ18へ送信し、コンピュータ18では、任意の態様にて、送信された信号から時系列の光強度データを生成して保存する。なお、本実施形態に於いては、複数の光検出器16の各々が、互いに異なる波長帯域の光を検出し、検出された互いに異なる波長帯域毎に時系列光強度データが生成される。互いに異なる波長帯域の光の測定は、同時に行われてもよいし、同時に行われなくてもよい。また、典型的には、光検出器16は、一光子の到来の有無を検出できる超高感度光検出器であるので、光の検出が、フォトンカウンティングによる場合、時系列光強度データは、時系列のフォトンカウントデータであってよい。
(2) Measurement of light intensity of sample solution (FIG. 3-Step 100)
The light intensity in the optical analysis by the inverted scanning molecule counting method of the present embodiment is measured by driving the mirror deflector 17 or the stage position changing device 17a during the measurement, and the position of the light detection region in the sample solution. Other than performing the above movement (scanning in the sample solution), it may be executed in the same manner as the light intensity measurement process in FCS or FIDA. In the operation process, typically, after injecting the sample solution into the well 10 of the microplate 9 and placing it on the stage of the microscope, the user inputs an instruction to start measurement to the computer 18. Then, the computer 18 stores a program stored in a storage device (not shown) (procedure for moving the position of the light detection region in the sample solution, and from the light detection region during movement of the position of the light detection region). In accordance with a procedure for detecting light and generating time-series light intensity data, irradiation of excitation light and measurement of light intensity in the light detection region in the sample solution are started. During the measurement, under the control of the processing operation according to the program of the computer 18, the mirror deflector 17 or the stage position changing device 17a drives the mirror 7 (galvanomirror) or the microplate 9 on the stage of the microscope, and the wells. 10, the position of the light detection region is moved, and at the same time, the light detector 16 sequentially converts the detected light into an electric signal and transmits it to the computer 18. In this manner, time-series light intensity data is generated from the transmitted signal and stored. In the present embodiment, each of the plurality of photodetectors 16 detects light in different wavelength bands, and time-series light intensity data is generated for each detected different wavelength band. Measurement of light in different wavelength bands may or may not be performed simultaneously. Typically, the photodetector 16 is an ultra-sensitive photodetector that can detect the presence or absence of the arrival of one photon. Therefore, when the light is detected by photon counting, the time-series light intensity data is It may be a series of photon count data.
光強度の計測中の光検出領域の位置の移動速度は、任意に、例えば、実験的に又は分析の目的に適合するよう設定された所定の速度であってよい。検出された単一粒子の数に基づいて、その数密度又は濃度に関する情報を取得する場合には、光検出領域の通過した領域の大きさ又は体積が必要となるので、移動距離が把握される態様にて光検出領域の位置の移動が実行される。なお、計測中の経過時間と光検出領域の位置の移動距離とが比例関係にある方が測定結果の解釈が容易となるので、移動速度は、基本的に、一定速度であることが好ましいが、これに限定されない。 The moving speed of the position of the light detection region during the measurement of the light intensity may optionally be a predetermined speed set, for example, experimentally or to suit the purpose of the analysis. When acquiring information on the number density or concentration based on the number of detected single particles, the size or volume of the region through which the light detection region has passed is required, so that the moving distance is grasped. The movement of the position of the light detection region is executed in the manner. In addition, since it is easier to interpret the measurement result when the elapsed time during measurement and the movement distance of the position of the light detection region are in a proportional relationship, it is preferable that the movement speed is basically a constant speed. However, the present invention is not limited to this.
ところで、光検出領域の位置の移動速度に関して、計測された時系列の光強度データからの単一粒子の個別の検出、或いは、単一粒子の数のカウンティングを、定量的に精度よく実行するためには、かかる移動速度は、単一粒子のランダムな運動、即ち、ブラウン運動による移動速度よりも速い値に設定されることが好ましい。本発明の単一粒子検出技術の観測対象粒子は、溶液中に分散又は溶解されて自由にランダムに運動する粒子であるので、ブラウン運動によって位置が時間と伴に移動する。従って、光検出領域の位置の移動速度が粒子のブラウン運動による移動に比して遅い場合には、図4(A)に模式的に描かれている如く、粒子が領域内をランダムに移動し、これにより、光強度がランダムに変化し(既に触れた如く、光検出領域の励起光強度は、領域の中心を頂点として外方に向かって低減する。)、個々の単一粒子に対応する有意な光強度の変化を特定することが困難となる。そこで、好適には、図4(B)に描かれている如く、粒子が光検出領域を略直線に横切り、これにより、時系列の光強度データに於いて、図4(C)の最上段に例示の如く、個々の単一粒子に対応する光強度の変化のプロファイルが略一様となり(単一粒子が略直線的に光検出領域を通過する場合には、光強度の変化のプロファイルは、励起光強度分布を反転したプロファイルと略同様となる。)、個々の粒子と光強度との対応が容易に特定できるように、光検出領域の位置の移動速度は、粒子のブラウン運動による平均の移動速度(拡散移動速度)よりも速く設定される。 By the way, with respect to the moving speed of the position of the light detection region, in order to carry out quantitatively accurate detection of single particles or counting of the number of single particles from the measured time-series light intensity data. For this reason, it is preferable that the moving speed is set to a value faster than the moving speed by the random movement of the single particle, that is, the Brownian movement. Since the observation target particles of the single particle detection technique of the present invention are particles that are dispersed or dissolved in a solution and move freely and randomly, the position moves with time by Brownian motion. Accordingly, when the moving speed of the position of the light detection region is slower than the movement of the particle due to Brownian motion, the particle moves randomly within the region as schematically illustrated in FIG. As a result, the light intensity changes randomly (as already mentioned, the excitation light intensity in the light detection region decreases outward with the center of the region as the apex), corresponding to each single particle. It becomes difficult to identify a significant change in light intensity. Therefore, preferably, as shown in FIG. 4B, the particle crosses the light detection region in a substantially straight line, so that in the time-series light intensity data, the uppermost stage of FIG. As shown in the example, the light intensity change profile corresponding to each single particle becomes substantially uniform (if the single particle passes through the light detection region substantially linearly, the light intensity change profile is It is almost the same as the profile obtained by inverting the excitation light intensity distribution.) The moving speed of the position of the light detection region is the average due to the Brownian motion of the particles so that the correspondence between individual particles and light intensity can be easily identified Is set to be faster than the moving speed (diffusion moving speed).
具体的には、拡散係数Dを有する粒子がブラウン運動によって半径Woの光検出領域(コンフォーカルボリューム)を通過するときに要する時間Δtは、平均二乗変位の関係式
(2Wo)2=6D・Δt …(4)
から、
Δt=(2Wo)2/6D …(5)
となるので、粒子がブラウン運動により移動する速度(拡散移動速度)Vdifは、概ね、
Vdif=2Wo/Δt=3D/Wo …(6)
となる。そこで、光検出領域の位置の移動速度は、かかるVdifを参照して、それよりも十分に早い値に設定されてよい。例えば、観測対象粒子の拡散係数が、D=2.0×10−10m2/s程度であると予想される場合には、Woが、0.62μm程度だとすると、Vdifは、1.0×10−3m/sとなるので、光検出領域の位置の移動速度は、その10倍以上の15mm/sなどと設定されてよい。なお、観測対象粒子の拡散係数が未知の場合には、光検出領域の位置の移動速度を種々設定して光強度の変化のプロファイルが、予想されるプロファイル(典型的には、励起光強度分布と略同様)となる条件を見つけるための予備実験を繰り返し実行して、好適な光検出領域の位置の移動速度が決定されてよい。
Specifically, the time Δt required for a particle having a diffusion coefficient D to pass through a photodetection region (confocal volume) having a radius Wo by Brownian motion is expressed by a relational expression of mean square displacement (2Wo) 2 = 6D · Δt (4)
From
Δt = ( 2 Wo) 2 / 6D (5)
Therefore, the speed at which the particles move due to Brownian motion (diffusion movement speed) Vdif is approximately
Vdif = 2Wo / Δt = 3D / Wo (6)
It becomes. Therefore, the moving speed of the position of the light detection region may be set to a value sufficiently faster than that with reference to the Vdif. For example, when the diffusion coefficient of the observation target particle is expected to be about D = 2.0 × 10 −10 m 2 / s, if Wo is about 0.62 μm, Vdif is 1.0 × Since 10 −3 m / s, the moving speed of the position of the light detection region may be set to 15 mm / s or more, which is 10 times or more. In addition, when the diffusion coefficient of the observation target particle is unknown, the profile of the change in the light intensity by setting the moving speed of the position of the light detection region in various ways is expected (typically, the excitation light intensity distribution). A preliminary experiment for finding a condition that is substantially the same as that described above may be repeatedly performed to determine a suitable moving speed of the position of the light detection region.
(3)光強度の分析
上記の処理により時系列光強度データが得られると、コンピュータ18に於いて、記憶装置に記憶されたプログラムに従った処理により、単一粒子の信号の検出、単一粒子のカウンティング、濃度算出等の各種分析が実行される。
(3) Analysis of light intensity When time-series light intensity data is obtained by the above-described processing, the computer 18 detects a single particle signal by processing according to a program stored in a storage device, Various analyzes such as particle counting and concentration calculation are performed.
(i)単一粒子信号の個別検出
時系列の光強度データに於いて、一つの粒子の光検出領域を通過する際の軌跡が、図4(B)に示されている如く略直線状である場合、その粒子に対応する信号に於ける光強度の変化は、(光学系により決定される)光検出領域内の光強度分布を反映した下に凸の略釣鐘状のプロファイルを有する(図4(C)最上段参照)。従って、走査分子計数法では、基本的には、背景光から計った適宜設定される閾値を下回る光強度の低下が継続する時間幅が所定の範囲にあるとき、その光強度の低下のプロファイルを有する信号が一つの粒子が光検出領域を通過したことに対応すると判定され、一つの粒子の検出が為されるようになっていてよい。そして、閾値を下回る光強度の低下が継続する時間幅が所定の範囲にない信号は、ノイズ又は異物の信号として判定される。また、光検出領域の光強度分布が、背景光Ibgから下に凸のガウス分布:
I=Ibg−A・exp(−2t2/a2) …(7)
であると仮定できるときには、有意な光強度の低下のプロファイル(背景光のゆらぎではないと明らかに判断できるプロファイル)に対して式(7)をフィッティングして算出された強度A及び幅aが所定の範囲内にあるとき、その光強度のプロファイルが一つの粒子が光検出領域を通過したことに対応すると判定され、一つの粒子の検出が為されてよい。(強度A及び幅aが所定の範囲外にある信号は、ノイズ又は異物の信号として判定され、その後の分析等に於いて無視されてよい。)
(I) Individual detection of single particle signal In time-series light intensity data, the trajectory of one particle passing through the light detection region is substantially linear as shown in FIG. In some cases, the change in light intensity in the signal corresponding to the particle has a downwardly convex, generally bell-shaped profile that reflects the light intensity distribution in the light detection region (determined by the optical system) (see FIG. 4 (C) Refer to the top row). Therefore, in the scanning molecule counting method, basically, when the time width in which the decrease in the light intensity that falls below the appropriately set threshold value measured from the background light is within a predetermined range, a profile of the decrease in the light intensity is obtained. It may be determined that the signal it has corresponds to that one particle has passed through the light detection region, and one particle may be detected. Then, a signal in which the time width in which the decrease in light intensity below the threshold continues is not within the predetermined range is determined as a noise or foreign matter signal. Further, the light intensity distribution in the light detection region has a Gaussian distribution that protrudes downward from the background light Ibg:
I = Ibg−A · exp (−2t 2 / a 2 ) (7)
Can be assumed that the intensity A and the width a calculated by fitting the equation (7) to a significant light intensity decrease profile (a profile that can be clearly determined not to be fluctuation of background light) are predetermined. When it is within the range, it is determined that the light intensity profile corresponds to the passage of one particle through the light detection region, and one particle may be detected. (A signal whose intensity A and width a are outside the predetermined range is determined as a noise or foreign object signal and may be ignored in the subsequent analysis or the like.)
時系列光強度データからの単一粒子の一括的な検出を行う処理方法の一つの例としては、まず、時系列光強度データ(図4(C)、最上段「検出結果(未処理)」)に対して、スムージング(平滑化)処理が為される(図3−ステップ110、図4(C)中上段「スムージング」)。発光物質の発する光は確率的に放出されるものであり、また、その光強度は、比較的微弱であるので、細かい増減が生じるところ、かかる光強度の細かい増減(ゆらぎ)は、単一粒子の存在を表す信号の検出精度を悪化させる。スムージング処理は、かかるデータ上の細かい増減を無視できるようにすることとなる。スムージング処理は、例えば、移動平均法(例えば、隣接平均法、サビンスキー-ゴレイ(Savinsky-golay)法のアルゴリズム)、パーセンタイルフィルタ法、FFTフィルタ法により為されてよい。スムージング処理を実行する際のパラメータ、例えば、移動平均法に於いて一度に平均するデータ点数や移動平均の回数など、は、光強度データ取得時の光検出領域の位置の移動速度(走査速度)、BIN TIMEに応じて適宜設定されてよい。例えば、移動平均法等により為されてよい。 As an example of a processing method for collectively detecting single particles from time-series light intensity data, first, time-series light intensity data (FIG. 4C, uppermost “detection result (unprocessed)” ) Is subjected to smoothing (smoothing) (FIG. 3-step 110, upper part “smoothing” in FIG. 4C). The light emitted by the luminescent material is probabilistically emitted, and the light intensity is relatively weak. Therefore, the fine increase / decrease occurs. The detection accuracy of a signal indicating the presence of the signal is deteriorated. The smoothing process makes it possible to ignore the fine increase and decrease on the data. The smoothing process may be performed, for example, by a moving average method (for example, an adjacent average method, an algorithm of Savinsky-golay method), a percentile filter method, or an FFT filter method. Parameters for performing the smoothing process, such as the number of data points averaged at a time in the moving average method and the number of moving averages, are the moving speed (scanning speed) of the position of the light detection region when acquiring light intensity data. , BIN TIME may be set as appropriate. For example, the moving average method may be used.
次いで、スムージング処理後の時系列光強度データに於いて、有意なパルス状の信号(以下、「パルス信号」と称する。)が存在する時間領域(パルス存在領域)を検出するために、スムージング処理後の時系列光強度データの時間についての一次微分値が演算される(ステップ120)。時系列光強度データの時間微分値は、図4(C)中下段「時間微分」に例示されている如く、信号値の変化時点に於ける値の変化が大きくなるので、かかる時間微分値を参照することによって、有意な信号の始点と終点を有利に決定することができる。 Next, in the time-series light intensity data after the smoothing process, a smoothing process is performed in order to detect a time region (pulse existing region) where a significant pulse-like signal (hereinafter referred to as “pulse signal”) exists. A first derivative value with respect to time of the subsequent time-series light intensity data is calculated (step 120). The time differential value of the time-series light intensity data has a large change in value at the time of change of the signal value, as illustrated in the lower “time differential” in FIG. By reference, significant signal start and end points can be advantageously determined.
しかる後、時系列光強度データ上に於いて、逐次的に、有意なパルス信号を検出し、検出された信号が単一粒子に対応する信号であるか否かが判定される。具体的には、まず、時系列光強度データの時系列の時間微分値データ上にて、逐次的に時間微分値を参照して、一つのパルス信号の始点と終点とが探索され決定され、パルス存在領域が特定される(ステップ130)。一つのパルス存在領域が特定されると、そのパルス存在領域に於けるスムージングされた時系列光強度データに対して、下に凸の釣鐘型関数のフィッティングが行われ(図4(C)下段「釣鐘型関数フィッティング」)、釣鐘型関数のパルスのピークの強度(背景光からの最大低下量)Ipeak、パルス幅(半値全幅)Wpeak、フィッティングに於ける(最小二乗法の)相関係数等のパラメータが算出される(ステップ140)。なお、フィッティングされる釣鐘型関数は、典型的には、ガウス関数であるが、ローレンツ型関数であってもよい。そして、算出された釣鐘型関数のパラメータが、一つの単一粒子が光検出領域を通過したときに検出されるパルス信号が描く釣鐘型のプロファイルのパラメータについて想定される範囲内にあるか否か、即ち、パルスのピーク強度(式(7)のA、背景光の低下分の最大値)、パルス幅、相関係数が、それぞれ、所定範囲内にあるか否か、例えば、
下記の条件:
20μ秒<パルス幅<400μ秒
ピーク強度>4.0[pc/10μs] …(A)
相関係数>0.95
を満たすか否か等が判定される(ステップ150)。かくして、算出された釣鐘型関数のパラメータが一つの粒子に対応する信号に於いて想定される範囲内にあると判定された信号は、一つの粒子に対応する信号であると判定される。一方、算出された釣鐘型関数のパラメータが想定される範囲内になかったパルス信号は、ノイズとして無視される。
Thereafter, a significant pulse signal is sequentially detected on the time-series light intensity data, and it is determined whether or not the detected signal is a signal corresponding to a single particle. Specifically, first, on the time-series time differential value data of the time-series light intensity data, with reference to the time differential value sequentially, the start point and the end point of one pulse signal are searched and determined, A pulse presence region is identified (step 130). When one pulse existence area is specified, a downward convex bell-shaped function fitting is performed on the smoothed time-series light intensity data in the pulse existence area (see FIG. Bell-shaped function fitting ”), peak-shaped intensity of peak of bell-shaped function (maximum decrease from background light) Ipeak, pulse width (full width at half maximum) Wpeak, correlation coefficient (of least squares method) in fitting, etc. A parameter is calculated (step 140). The bell-shaped function to be fitted is typically a Gaussian function, but may be a Lorentz-type function. Whether or not the calculated bell-shaped function parameter is within a range assumed for the bell-shaped profile parameter drawn by the pulse signal detected when one single particle passes through the light detection region. That is, whether the peak intensity of the pulse (A in equation (7), the maximum value of the decrease in background light), the pulse width, and the correlation coefficient are within predetermined ranges, for example,
The following conditions:
20 μs <pulse width <400 μs peak intensity> 4.0 [pc / 10 μs] (A)
Correlation coefficient> 0.95
Whether or not the condition is satisfied is determined (step 150). Thus, the signal determined that the calculated bell-shaped function parameter is within the assumed range in the signal corresponding to one particle is determined to be the signal corresponding to one particle. On the other hand, a pulse signal whose calculated bell-shaped function parameter is not within the assumed range is ignored as noise.
上記のステップ130〜150の処理に於けるパルス信号の探索及び判定は、時系列光強度データの全域に渡って繰り返し実行されてよい(ステップ160)。特に、本実施形態に於いては、互いに異なる波長帯域の時系列光強度データの各々について、上記のステップ110〜170が実行され、それぞれの波長帯域についての粒子に対応するパルス信号の数が計数されてよい。なお、時系列光強度データから単一粒子の信号を個別に検出する処理は、上記の手順に限らず、任意の手法により実行されてよい。 The search and determination of the pulse signal in the processing of steps 130 to 150 may be repeatedly executed over the entire area of the time-series light intensity data (step 160). In particular, in the present embodiment, the above steps 110 to 170 are executed for each of time-series light intensity data in different wavelength bands, and the number of pulse signals corresponding to particles in each wavelength band is counted. May be. In addition, the process which detects the signal of a single particle individually from time series light intensity data is not restricted to said procedure, You may perform by arbitrary methods.
(ii)粒子濃度の決定
更に、検出された単一粒子の信号の数を計数して、粒子の数の決定が為されてもよい(粒子のカウンティング)。また、任意の手法にて、光検出領域の通過した領域の総体積が算定されれば、その体積値と粒子の数とから試料溶液中の粒子の数密度又は濃度が決定される(ステップ170)。
(Ii) Determination of particle concentration Furthermore, the number of particles detected may be counted to determine the number of particles (particle counting). If the total volume of the region through which the light detection region has passed is calculated by an arbitrary method, the number density or concentration of particles in the sample solution is determined from the volume value and the number of particles (step 170). ).
光検出領域の通過した領域の総体積は、励起光又は検出光の波長、レンズの開口数、光学系の調整状態に基づいて理論的に算定されてもよいが、実験的に、例えば、粒子の濃度が既知の溶液(対照溶液)について、検査されるべき試料溶液の測定と同様の条件にて、上記に説明した光強度の測定、粒子の検出及びカウンティングを行うことにより検出された粒子の数と、対照溶液の粒子の濃度とから決定されるようになっていてよい。具体的には、例えば、粒子濃度Cの対照溶液について、対照溶液の単一粒子の検出数がNであったとすると、光検出領域の通過した領域の総体積Vtは、
Vt=N/C …(8)
により与えられる。また、対照溶液として、単一粒子の複数の異なる濃度の溶液が準備され、それぞれについて測定が実行されて、算出されたVtの平均値が光検出領域の通過した領域の総体積Vtとして採用されるようになっていてよい。そして、Vtが与えられると、単一粒子のカウンティング結果がnの試料溶液の粒子濃度cは、
c=n/Vt …(9)
により与えられる。なお、光検出領域の体積、光検出領域の通過した領域の総体積は、上記の方法によらず、任意の方法にて、例えば、FCS、FIDAを利用するなどして与えられるようになっていてよい。また、本実施形態の装置に於いては、想定される光検出領域の移動パターンについて、種々の標準的な粒子についての濃度Cと粒子の数Nとの関係(式(6))の情報をコンピュータ18の記憶装置に予め記憶しておき、装置の使用者が単一粒子検出を実施する際に適宜記憶された関係の情報を利用できるようになっていてよい。
The total volume of the region through which the light detection region has passed may be theoretically calculated based on the wavelength of the excitation light or detection light, the numerical aperture of the lens, and the adjustment state of the optical system. For a solution having a known concentration (control solution), the light intensity measurement, particle detection and counting described above are performed under the same conditions as the measurement of the sample solution to be examined. It may be determined from the number and the concentration of particles in the control solution. Specifically, for example, for a control solution with a particle concentration C, if the number of detected single particles in the control solution is N, the total volume Vt of the region through which the light detection region has passed is
Vt = N / C (8)
Given by. In addition, as a control solution, a plurality of solutions having different concentrations of single particles are prepared, and measurement is performed on each of them. The calculated average value of Vt is adopted as the total volume Vt of the region through which the light detection region passes. You may be supposed to. Then, given Vt, the particle concentration c of the sample solution with a single particle counting result of n is
c = n / Vt (9)
Given by. The volume of the light detection region and the total volume of the region through which the light detection region has passed are given by any method, for example, using FCS or FIDA, without depending on the above method. It's okay. In the apparatus of the present embodiment, information on the relationship between the concentration C and the number N of various standard particles (formula (6)) is assumed for the assumed movement pattern of the light detection region. Information stored in advance in the storage device of the computer 18 may be used so that the user of the device can appropriately use the stored information when performing single particle detection.
かくして、光検出領域により試料溶液中にて走査して粒子を個別に検出する反転型走査分子計数法に於いて、上記の処理手順により、試料溶液中の粒子のカウンティング、濃度の決定等が可能となる。特に、本発明の場合に於いては、検出波長帯域毎に、粒子のカウンティングが為され、単一粒子濃度が決定され、これにより、粒子の種類毎の濃度の決定が可能となる。 Thus, in the inverted scanning molecular counting method, in which the particles are individually detected by scanning in the sample solution using the light detection area, the counting and concentration of particles in the sample solution can be determined by the above processing procedure. It becomes. In particular, in the case of the present invention, particle counting is performed for each detection wavelength band, and a single particle concentration is determined, thereby making it possible to determine the concentration for each type of particle.
(4)一定の信号数を検出する単一粒子検出処理
上記の単一粒子検出処理に於いては、或る設定した時間に亘って光測定を実行した後、得られた光強度データ上にて単一粒子の信号が検出される。その場合、試料溶液中の粒子濃度が未知であるとき、或る固定された測定時間に亘って光強度の測定を行う場合には、粒子の濃度が低い場合に備えて、測定時間は、十分に長く設定されることとなる。一方、試料溶液中の粒子の濃度が高い場合には、濃度等の特性を許容可能な又は満足する精度にて決定するのに必要な時間以上に光強度の測定が継続されることとなる。また、試料溶液中の粒子濃度が実験者の想定した濃度よりも低く、設定された測定時間が足りない場合には、結果の誤差が大きくなってしまう。そこで、単一粒子検出処理の別の態様として、光検出領域を移動しながらの光強度の測定と単一粒子の信号の検出とを信号の数が予め定められた数に達するまで繰り返し、信号の数が予め定められた数に達するのに要した時間が計測され、かかる単一粒子の信号の数が予め定められた数に達するのに要した時間に基づいて、粒子濃度が決定されてよい。かかる構成によれば、試料溶液中の粒子濃度が高い場合には、光強度の測定に要する時間は短縮され、試料溶液中の粒子濃度が低い場合には、結果(即ち、粒子濃度)に要求される精度を達成する粒子数が得られるまで光強度の測定を継続させることが可能となる。そして、単一粒子の信号の数が達するべき予め定められた数を結果に要求される精度を達成する粒子数に設定しておくことにより、単一粒子の信号の数が予め定められた数に達するのに要した時間には、結果に要求される精度を達成する粒子数が反映されることとなるので、その時間に基づいて決定される粒子の濃度値は、許容可能な又は満足する精度を有していることが期待される。なお、かかる構成に於いても、本発明の場合には、光計測から粒子濃度の算定までが、複数の検出波長毎に実行される。
(4) Single particle detection process for detecting a certain number of signals In the single particle detection process described above, after performing light measurement over a set time, the obtained light intensity data is displayed on the obtained light intensity data. Single particle signal is detected. In that case, when the particle concentration in the sample solution is unknown, when measuring the light intensity over a fixed measurement time, the measurement time is sufficient to prepare for the case where the particle concentration is low. Will be set longer. On the other hand, when the concentration of the particles in the sample solution is high, the measurement of the light intensity is continued for more than the time necessary to determine the characteristics such as the concentration with an acceptable or satisfactory accuracy. Further, when the particle concentration in the sample solution is lower than the concentration assumed by the experimenter and the set measurement time is insufficient, the error of the result becomes large. Therefore, as another aspect of the single particle detection process, measurement of light intensity while moving in the light detection region and detection of single particle signals are repeated until the number of signals reaches a predetermined number, The time required for the number of particles to reach a predetermined number is measured, and based on the time required for the number of such single particle signals to reach a predetermined number, the particle concentration is determined. Good. According to this configuration, when the particle concentration in the sample solution is high, the time required for measuring the light intensity is shortened, and when the particle concentration in the sample solution is low, the result (ie, particle concentration) is required. The light intensity measurement can be continued until the number of particles that achieve the desired accuracy is obtained. And by setting the predetermined number that the number of single particle signals should reach to the number of particles that achieves the accuracy required for the result, the number of single particle signals is a predetermined number. The time taken to reach the value reflects the number of particles that achieve the required accuracy in the results, so the particle concentration value determined based on that time is acceptable or satisfactory. It is expected to have accuracy. Even in such a configuration, in the case of the present invention, from the optical measurement to the calculation of the particle concentration is executed for each of a plurality of detection wavelengths.
(i)基本原理
粒子の濃度値と、信号数が予め定められた数に達するのに要した時間とは、以下の如く、関係づけられる。即ち、或る粒子濃度Cの試料溶液中に於いて、時間τに亘って、光検出領域を走査速度uにて移動させた場合、光検出領域の断面積をSとすると、検出される粒子信号の数Xは、
X=CSuτNA …(10)
となる。ここで、NAは、アボガドロ数である。従って、信号数が予め定められた数XEに達するのに時間Tを要したとすると、粒子濃度Cは、
C=XE/(STuNA) …(11)
により、時間Tの関数として与えられる。なお、式(11)に於いて、単位時間当たりの粒子の検出速度Vは、信号数が予め定められた数XEに達するのに要した時間Tと粒子検出数XEとに基づいて
V=XE/T …(12)
により与えられるので、粒子濃度Cは、
C=V/(SuNA)…(13)
と表される。この式(13)に於いては、粒子濃度Cが、検出速度Vに一次に比例し、粒子濃度Cと検出速度Vとの対応関係がわかり易いので、実際の実験に於いては、粒子濃度Cは、検出速度Vを用いて決定されてもよい。
(I) Basic Principle The concentration value of particles and the time required for the number of signals to reach a predetermined number are related as follows. That is, in a sample solution having a certain particle concentration C, when the photodetection region is moved at the scanning speed u over time τ, the detected particle is represented by S as the cross-sectional area of the photodetection region. The number of signals X is
X = CSuτN A ... (10)
It becomes. Here, N A is Avogadro's number. Therefore, if time T is required for the number of signals to reach a predetermined number XE, the particle concentration C is
C = XE / (STuN A) ... (11)
Is given as a function of time T. In the equation (11), the particle detection speed V per unit time is based on the time T required for the number of signals to reach a predetermined number XE and the number of detected particles XE: V = XE / T (12)
The particle concentration C is given by
C = V / (SuN A) ... (13)
It is expressed. In this equation (13), the particle concentration C is linearly proportional to the detection speed V, and the correspondence between the particle concentration C and the detection speed V is easy to understand. Therefore, in an actual experiment, the particle concentration C May be determined using the detection speed V.
(ii)処理操作手順
一定の信号数を検出する単一粒子検出処理は、例えば、図5のフローチャートに示した処理手順により実行されてよい。同図の例に於いては、端的に述べれば、光検出領域の位置の移動、光検出領域からの光の検出、単一粒子の信号の検出及び検出された粒子信号の計数の一連の処理が、解析時間間隔t(所定の時間間隔)毎に、検出された粒子数Xが終了粒子数XE(単一粒子数が到達すべき予め定められた数)に到達するまで反復して実行される。なお、以下に述べる一連の処理及び構成は、コンピュータ18の処理作動により実現されることは理解されるべきである。
(Ii) Processing operation procedure The single particle detection processing for detecting a certain number of signals may be executed, for example, by the processing procedure shown in the flowchart of FIG. In the example of the figure, to put it briefly, a series of processes of moving the position of the light detection region, detecting light from the light detection region, detecting a single particle signal and counting the detected particle signal. Are repeatedly executed at every analysis time interval t (predetermined time interval) until the detected particle number X reaches the end particle number XE (a predetermined number that a single particle number should reach). The It should be understood that the series of processes and configurations described below are realized by the processing operation of the computer 18.
(a)初期設定
図5を参照して、操作処理に於いて、具体的には、まず、マイクロプレート9のウェル10に試料溶液を注入して顕微鏡のステージ上に載置した後、使用者がコンピュータ18に対して、光強度の測定と粒子の検出・計数の処理の開始の指示を入力すると、コンピュータ18は、初期設定として、終了粒子数XEの設定(ステップ10)及び解析時間間隔tの設定(ステップ20)を行う。終了粒子数XEと解析時間間隔tとは、使用者により任意に設定されてよい。終了粒子数XEは、粒子濃度の結果値に要求される精度を達成できるように粒子濃度が既知の溶液を用いた予備実験による結果を参考にして適宜決定可能である。解析時間間隔tとしては、処理の開始後から粒子数(X)が終了粒子数(XE)に到達するまでの時間よりも十分に短い任意の時間間隔が、装置1に於ける処理速度等を考慮して適宜設定されてよい。また、終了粒子数XEと解析時間間隔tとは、それぞれ、粒子濃度が既知の溶液を用いた予備実験による結果を参考にして予め決定された値が、装置1に於いて記憶され、かかる記憶された値が自動的に又は使用者の選択により使用されるようになっていてもよい。
(A) Initial setting Referring to FIG. 5, in the operation process, specifically, first, the sample solution is injected into the well 10 of the microplate 9 and placed on the microscope stage, and then the user. When the computer 18 inputs an instruction to start light intensity measurement and particle detection / counting processing to the computer 18, the computer 18 sets the end particle number XE (step 10) and the analysis time interval t as initial settings. Is set (step 20). The number of end particles XE and the analysis time interval t may be arbitrarily set by the user. The number XE of end particles can be appropriately determined with reference to the result of a preliminary experiment using a solution having a known particle concentration so that the accuracy required for the result value of the particle concentration can be achieved. The analysis time interval t is an arbitrary time interval that is sufficiently shorter than the time from the start of processing until the number of particles (X) reaches the number of end particles (XE). It may be set as appropriate in consideration. In addition, as the end particle number XE and the analysis time interval t, values preliminarily determined with reference to the result of a preliminary experiment using a solution having a known particle concentration are stored in the apparatus 1, and such storage is performed. The set value may be used automatically or by user selection.
(b)粒子数の検出
上記の如く終了粒子数XEと解析時間間隔tの設定が為されると、以下の如く、解析時間間隔t毎に、解析時間間隔tに亘る走査分子計数法による光強度の測定処理及び測定された光強度データからの粒子信号の検出並びに粒子数xの検出(ステップ30)と、ステップ30にて検出された粒子数xを累積して粒子の総数X(tn)を算定する処理(ステップ40)とが粒子の総数X(tn)が終了粒子数XEに到達するまで(ステップ50)、反復して実行される。なお、ステップ30〜50の処理の反復実行に先だって、一連の処理の開始時間Tsが記憶されてよい(ステップ25)。
(B) Detection of the number of particles When the number XE of the end particles and the analysis time interval t are set as described above, the light by the scanning molecule counting method over the analysis time interval t is analyzed at each analysis time interval t as follows. Intensity measurement processing, detection of particle signals from the measured light intensity data and detection of the number of particles x (step 30), and accumulation of the number of particles x detected in step 30 results in the total number of particles X (tn) (Step 40) is repeatedly executed until the total number of particles X (tn) reaches the final particle number XE (step 50). Prior to the repeated execution of the processes in steps 30 to 50, the start time Ts of a series of processes may be stored (step 25).
ステップ30に於ける光検出・粒子数検出の処理は、図3に示した処理と同様であってよい。端的に述べれば、試料溶液内での光検出領域の位置の移動(試料溶液内の走査)を行いながら、光強度の測定が解析時間間隔tに亘って為され、しかる後、得られた解析時間間隔tに於ける時系列光強度データに於いて、コンピュータ18に於いて、記憶装置に記憶されたプログラムに従った処理により、単一粒子の存在を表す信号の検出及び検出数のカウンティングが実行される。 The light detection / particle number detection process in step 30 may be the same as the process shown in FIG. In short, the light intensity is measured over the analysis time interval t while moving the position of the light detection region in the sample solution (scanning in the sample solution), and then the obtained analysis is performed. In the time-series light intensity data at the time interval t, the computer 18 performs processing according to a program stored in the storage device to detect a signal indicating the presence of a single particle and count the detected number. Executed.
かくして、解析時間間隔tに亘る時系列光強度データに於ける粒子数xが検出されると、単一粒子の検出総数X(tn)が
X(tn)=X(tn−1)+x …(14)
により算出される(図5−ステップ40)。なお、X(tn−1)は、前回の解析時間間隔tまでに検出された粒子の検出総数であり、その初期値は0である。そして、ステップ30〜40は、単一粒子の検出総数X(tn)が終了粒子数XEに到達するまで、即ち、
X(tn)≧XE …(15)
が成立するまで(ステップ50)、解析時間間隔t毎に繰り返される。そして、ステップ30〜50を反復しているうちに、式(15)が成立すると、試料溶液の光強度の測定と粒子の検出・計数との処理が終了する。ステップ30〜50の反復処理が終了すると、終了時間TEが記憶されてよい(ステップ60)。
Thus, when the number of particles x in the time-series light intensity data over the analysis time interval t is detected, the total number X (t n ) of single particles detected is X (t n ) = X (t n−1 ). + X (14)
(Step 40 in FIG. 5). X (t n-1 ) is the total number of particles detected up to the previous analysis time interval t, and its initial value is zero. Steps 30 to 40 are performed until the total number X (tn) of single particles reaches the end particle number XE, that is,
X (t n ) ≧ XE (15)
Is repeated at each analysis time interval t until the above is established (step 50). And if Formula (15) is materialized while repeating step 30-50, the process of the measurement of the light intensity of a sample solution, and the detection and count of particle | grains will be complete | finished. When the iterative process of steps 30 to 50 ends, the end time TE may be stored (step 60).
(c)粒子数と測定終了時間の表示
ところで、解析時間間隔t毎にステップ30〜50の反復実行期間に於いて(式(15)が成立するまで)、コンピュータ18のモニター上などの表示器に、粒子の検出総数X(tn)及び/又は測定終了時間TE若しくは測定残り時間Trが表示されるようになっていてよい。かかる構成によれば、使用者は、それらの表示を見ることによって、実行中の測定がいつ頃終了するのかを予測することができる点で有利である。
(C) Display of the number of particles and the measurement end time By the way, in the repeated execution period of steps 30 to 50 at every analysis time interval t (until the expression (15) is established), a display on the monitor of the computer 18 The total number of detected particles X (t n ) and / or the measurement end time TE or the remaining measurement time Tr may be displayed. According to such a configuration, it is advantageous in that the user can predict when the measurement being performed will end by looking at the display.
上記の如き表示を実行する場合には、図5のステップ50の判定に於いて、式(15)が成立しなかった場合に、図中、点線にて示された各処理が実行される。具体的には、まず、ステップ40に於いて算定された最新の粒子の検出総数X(tn)が表示器上に表示される(ステップ52)。なお、既にステップ30〜50の反復実行が為されている場合には、それまでの粒子の検出総数X(tn)の値が更新される。次いで、測定終了時間TE若しくは測定残り時間Trを算出するために、ステップ30〜50の処理の開始後からの粒子の検出速度vが算出される(ステップ54)。現在までの粒子の検出速度vは、
v=X(tn)/(Tp−Ts) …(16)
により与えられてよい。ここで、Tpは、現在の時刻である。かくして、粒子の検出速度vを用いて、測定残り時間Tr(ステップ30〜50の処理終了までの時間)が、
Tr=(XE−X(tn))/v …(17)
により推定され、また、測定終了時間TE(ステップ30〜50の処理が終了する時間)が、
TE=Tp+Tr …(18)
により推定される(ステップ56)。そして、推定された測定終了時間TE若しくは測定残り時間Trが表示器上に表示される(ステップ58)。なお、既にステップ30〜50の反復実行が為されている場合には、既に表示されている値が更新される。また、X(tn)=0のときは、式(17)又は(18)は、演算されずに、Tr及びTEは、不明であると表示されてよい。
In the case of executing the display as described above, when the formula (15) is not satisfied in the determination in step 50 of FIG. 5, each process indicated by a dotted line in the drawing is executed. Specifically, first, the latest total number of detected particles X (tn) calculated in step 40 is displayed on the display (step 52). Note that if the repeated execution of steps 30 to 50 has already been performed, the value of the total number of detected particles X (tn) so far is updated. Next, in order to calculate the measurement end time TE or the measurement remaining time Tr, the particle detection speed v after the start of the processing of Steps 30 to 50 is calculated (Step 54). The particle detection speed v up to now is
v = X (t n ) / (Tp−Ts) (16)
May be given by Here, Tp is the current time. Thus, using the particle detection speed v, the measurement remaining time Tr (time until the processing of steps 30 to 50 is finished) is
Tr = (XE−X (t n )) / v (17)
And the measurement end time TE (the time at which the processing of steps 30 to 50 is completed)
TE = Tp + Tr (18)
(Step 56). Then, the estimated measurement end time TE or the remaining measurement time Tr is displayed on the display (step 58). If the repeated execution of steps 30 to 50 has already been performed, the value already displayed is updated. Further, when X (t n ) = 0, Expression (17) or (18) may not be calculated, and Tr and TE may be displayed as unknown.
上記の図5のステップ30〜50の処理は、既に述べた如く、解析時間間隔t毎に繰り返される。この点に関し、図3のステップ100の光強度の測定は、測定の開始から終了まで、ステップ100以外の信号処理ステップの実行中も連続的に実行されてよい。即ち、光検出・粒子数検出の処理に於いては、一つのサイクルの解析時間間隔tに亘る光強度の測定が完了されると、次のサイクルの解析時間間隔tに亘る光強度の測定がそのまま連続して実行されると同時に、コンピュータ18に於いて、完了したサイクルの解析時間間隔tに亘って取得された光強度データからの粒子の信号の検出・計数の処理が実行されることとなる。これにより、リアルタイムに粒子の検出・計数が達成されることとなる。 The processing of steps 30 to 50 in FIG. 5 is repeated every analysis time interval t as already described. In this regard, the measurement of the light intensity in step 100 of FIG. 3 may be continuously performed during the execution of the signal processing steps other than step 100 from the start to the end of the measurement. That is, in the light detection / particle number detection process, when the measurement of the light intensity over the analysis time interval t of one cycle is completed, the measurement of the light intensity over the analysis time interval t of the next cycle is performed. At the same time, the computer 18 executes processing for detecting and counting the particle signal from the light intensity data acquired over the analysis time interval t of the completed cycle. Become. Thereby, detection / counting of particles is achieved in real time.
(d)濃度算出等の分析
かくして、粒子数が終了粒子数に到達すると、粒子数が終了粒子数に到達するまでの時間T(=TE−Ts)或いは検出された粒子の信号から得られるその他の情報を用いて、濃度算出等の分析が実行されてよい(ステップ70)。粒子濃度は、既に述べた如く、式(12)を用いて、終了粒子数に到達するまでの時間Tと終了粒子数XEとから、粒子の検出速度Vを算出し、粒子の検出速度Vから、式(13)の関係を用いて決定される。
(D) Analysis of concentration calculation etc. Thus, when the number of particles reaches the number of end particles, the time T (= TE−Ts) until the number of particles reaches the number of end particles or other signals obtained from the detected particle signal Analysis such as concentration calculation may be executed using the information (step 70). As described above, the particle concentration is calculated from the time T until reaching the end particle number and the end particle number XE using the equation (12), and the particle detection speed V is calculated. , Determined using the relationship of equation (13).
なお、式(10)〜(13)中の光検出領域の通過領域の断面積Sは、励起光又は検出光の波長、レンズの開口数、光学系の調整状態に基づいて理論的に算定されてもよいが、実験的に、例えば、粒子濃度が既知の溶液(対照溶液)について、検査されるべき試料溶液の測定と同様の条件にて、上記に説明した光強度の測定、粒子の検出・計数を行うことにより検出された粒子の数と、対照溶液の単一粒子の濃度とから決定されるようになっていてよい。具体的には、例えば、粒子の濃度Cの対照溶液について、移動速度uoにて或る時間τoに亘って実行された光強度の測定に於ける粒子の検出数がNであったとすると、光検出領域の通過領域の断面積Sは、
S=N/(C・NA・uo・τo) …(19)
により与えられる。また、対照溶液として、粒子の複数の異なる濃度の溶液が準備され、それぞれについて測定が実行されて、算出されたSの平均値が光検出領域の断面積Sとして採用されるようになっていてよい。
In addition, the cross-sectional area S of the passage region of the light detection region in the equations (10) to (13) is theoretically calculated based on the wavelength of the excitation light or detection light, the numerical aperture of the lens, and the adjustment state of the optical system. However, experimentally, for example, for a solution having a known particle concentration (control solution), measurement of light intensity and particle detection described above under the same conditions as the measurement of the sample solution to be examined. It may be determined from the number of particles detected by performing the counting and the concentration of a single particle in the control solution. Specifically, for example, assuming that the number of detected particles in the measurement of light intensity performed for a certain time τo at a moving speed uo for a control solution having a particle concentration C is N The cross-sectional area S of the passage area of the detection area is
S = N / (C · N A · uo · τo) ... (19)
Given by. In addition, a plurality of solutions having different concentrations of particles are prepared as a control solution, and measurement is performed on each of them. The calculated average value of S is adopted as the cross-sectional area S of the light detection region. Good.
(e)試料溶液の光強度の測定と粒子の検出・計数の処理の修正例
上記の試料溶液の光強度の測定と単一粒子の検出・計数の処理に於いて、別の態様として、解析時間間隔tは、固定値ではなく、単一粒子の検出状況に応じて修正されるようになっていてもよい。図6(A)は、解析時間間隔tを粒子の検出状況に応じて修正する処理(ステップ20’)を含むよう構成された試料溶液の光強度の測定と粒子の検出・計数の処理をフローチャートの形式で表したものであり、図6(B)は、ステップ20’に於ける解析時間間隔tの演算処理をフローチャートの形式で表したものである。なお、図6(A)に於いて、図5と同一の処理には、同一のステップ番号が付されている。
(E) Modified example of measurement of light intensity of sample solution and detection / counting process of particles In the measurement of light intensity of sample solution and detection / counting process of single particle, analysis is performed as another aspect. The time interval t is not a fixed value but may be corrected according to the detection state of a single particle. FIG. 6A is a flowchart of the measurement of the light intensity of the sample solution and the particle detection / counting process configured to include a process (step 20 ′) for correcting the analysis time interval t according to the particle detection state. FIG. 6B shows the calculation processing of the analysis time interval t in step 20 ′ in the form of a flowchart. In FIG. 6A, the same step number is assigned to the same process as in FIG.
同図を参照して、図6の処理では、解析時間間隔tに亘る光強度の測定が完了する毎に解析時間間隔tが修正される(ステップ20’)。また、図示の例の処理は、特に、開始から粒子数が終了粒子数XEに到達するまでの一回の測定に於いて、予め定められた回数N(以下、「更新予定回数」と称する。)だけ、光強度の測定と粒子の検出・計数の処理サイクルが実行されるよう構成される。具体的には、まず、初期設定として、終了粒子数XEの設定(ステップ10)及び開始時間Tsの記憶(ステップ25)の後、最初に光強度の測定と粒子の検出・計数の処理を実行する際、即ち、光強度の測定と粒子の検出・計数の処理サイクルの実行回数kが0のとき、解析時間間隔tに、任意に設定されてよい初期値toが与えられる(図6(B)ステップ200、210参照)。そして、処理サイクルの実行回数kが1増大され(ステップ270)、図5に記載の処理と同様に解析時間間隔tに亘る光強度の測定及び粒子の検出・計数の処理が実行される(ステップ30〜50)。かくして、最初のサイクルの粒子数x(=X(t1))が得られると、粒子検出速度v(ステップ54)、測定残り時間Tr(ステップ56)が順に算定される。なお、図5の場合と同様に、コンピュータ18のモニター上などの表示器に、粒子の検出総数X(tn)及び/又は測定終了時間TE若しくは測定残り時間Trが表示されるようになっていてよい(ステップ52、58)。また、最初の処理サイクルで粒子数が終了粒子数XEに到達していたときには、そのまま、光強度の測定と粒子の検出・計数の処理が終了する(ステップ50)。 Referring to FIG. 6, in the process of FIG. 6, every time the measurement of the light intensity over the analysis time interval t is completed, the analysis time interval t is corrected (step 20 ′). In addition, the process of the example shown in the drawing is referred to as a predetermined number N (hereinafter referred to as “scheduled number of updates”) in one measurement from the start until the number of particles reaches the end particle number XE. ) Only the light intensity measurement and particle detection / counting processing cycles are executed. Specifically, as an initial setting, first, after setting the number XE of end particles (step 10) and storing the start time Ts (step 25), first the light intensity measurement and particle detection / counting processing are executed. In other words, when the number of executions k of the light intensity measurement and particle detection / counting processing cycle is 0, an initial value to which can be arbitrarily set is given to the analysis time interval t (FIG. 6B ) See steps 200 and 210). Then, the number of executions k of the processing cycle is incremented by 1 (step 270), and the light intensity measurement and particle detection / counting processing over the analysis time interval t are executed (step 270) (step 270). 30-50). Thus, when the number x (= X (t 1 )) of particles in the first cycle is obtained, the particle detection speed v (step 54) and the remaining measurement time Tr (step 56) are calculated in order. As in the case of FIG. 5, the total number of detected particles X (t n ) and / or the measurement end time TE or the remaining measurement time Tr are displayed on a display such as the monitor of the computer 18. (Steps 52 and 58). If the number of particles has reached the end particle number XE in the first processing cycle, the light intensity measurement and particle detection / counting processes are terminated (step 50).
最初の処理サイクルの後、解析時間間隔tの修正と、図5の場合と同様の光強度の測定と粒子の検出・計数の処理サイクル(ステップ20’、30〜58)が、粒子数が終了粒子数XEに到達するまで反復される。その際、解析時間間隔tの修正を行うステップ20’に於いては、まず、そのときまでに検出されている粒子数X(tn)が0であるか否かが判定される(ステップ220)。X(tn)=0のときは、直前のサイクルに於ける解析時間間隔tがm倍されてよい(mは、1以上の正数)。X(tn)>0であるときには、測定残り時間Trと更新予定回数Nと処理サイクルの実行回数kとを用いて、解析時間間隔tが、
t=Tr/(N−k) …(20)
により算定される(ステップ240)。なお、算定される解析時間間隔tには、下限が設定されていてよく、解析時間間隔tが下限値tminを下回るときには、解析時間間隔tは、下限値tminに設定されてよい(ステップ250、260)。上記の如く、解析時間間隔tが修正される態様によれば、測定残り時間Trには、観測対象となっている試料溶液中の粒子の検出状況が反映されているので、解析時間間隔tがかかる粒子の検出状況に応じて最適化されることとなる。
After the first processing cycle, the analysis time interval t is corrected, and the light intensity measurement and particle detection / counting processing cycle (steps 20 ′, 30 to 58) is the same as in FIG. Repeat until particle number XE is reached. At this time, in step 20 ′ for correcting the analysis time interval t, it is first determined whether or not the number of particles X (tn) detected so far is 0 (step 220). . When X (tn) = 0, the analysis time interval t in the immediately preceding cycle may be multiplied by m (m is a positive number of 1 or more). When X (tn)> 0, the analysis time interval t is determined by using the remaining measurement time Tr, the scheduled update count N, and the execution count k of the processing cycle.
t = Tr / (N−k) (20)
(Step 240). Note that a lower limit may be set for the calculated analysis time interval t, and when the analysis time interval t falls below the lower limit value tmin, the analysis time interval t may be set to the lower limit value tmin (step 250, 260). As described above, according to the aspect in which the analysis time interval t is corrected, the measurement remaining time Tr reflects the detection state of particles in the sample solution to be observed. It will be optimized according to the detection status of such particles.
上記に説明した本発明の有効性を検証するために、以下の如き実験を行った。なお、以下の実施例は、本発明の有効性を例示するものであって、本発明の範囲を限定するものではないことは理解されるべきである。 In order to verify the effectiveness of the present invention described above, the following experiment was conducted. It should be understood that the following examples illustrate the effectiveness of the present invention and do not limit the scope of the present invention.
反転型走査分子計数法による光測定により得られた時系列光強度データに於いて、発光しない単一粒子の存在を表す信号が検出可能であることを共焦点蛍光顕微鏡像により検証した。 It was verified by a confocal fluorescence microscope image that a signal indicating the presence of a single particle that does not emit light can be detected in time-series light intensity data obtained by light measurement by the inverted scanning molecule counting method.
試料溶液として、200μMの蛍光色素ATTO488と50μMの蛍光色素ATTO633と10fMの蛍光ビーズ(FP-4052-2:spherotec(D:4000nm))とを含む20%ポリエチレングリコール溶液を調製した。かかる試料溶液を共焦点レーザー走査型顕微鏡FV10i(オリンパス社)を用いて観察し、共焦点蛍光顕微鏡像を得た。測定は、励起光473nm(120μW)と励起光635nm(47μW)を用いて行った。用いられた蛍光ビーズは、励起光473nmにて照明すると発光し、励起光635nmにて照明したときには、殆ど発光しない粒子である。ATTO488とATTO633とは、それぞれ、励起光473nmと励起光635nmとにて蛍光観察する際の背景光を放出するための発光物質である。 As a sample solution, a 20% polyethylene glycol solution containing 200 μM fluorescent dye ATTO488, 50 μM fluorescent dye ATTO633 and 10 fM fluorescent beads (FP-4052-2: spherotec (D: 4000 nm)) was prepared. The sample solution was observed using a confocal laser scanning microscope FV10i (Olympus) to obtain a confocal fluorescence microscope image. The measurement was performed using excitation light 473 nm (120 μW) and excitation light 635 nm (47 μW). The fluorescent beads used are particles that emit light when illuminated with excitation light at 473 nm, and hardly emit light when illuminated with excitation light at 635 nm. ATTO 488 and ATTO 633 are luminescent materials for emitting background light when fluorescence is observed with excitation light 473 nm and excitation light 635 nm, respectively.
図7は、(A)励起光473nmにて、及び、(B)励起光635nmにて、それぞれ観察された共焦点蛍光顕微鏡像を示している。図から理解される如く、(A)励起光473nmの場合には、ビーズの影は殆ど検出されなかったのに対し、(B)励起光635nmの場合には、各ビーズの影が観察された。このことは、本発明の如く、特定の波長帯域で発光し別の波長帯域で殆ど発光しない粒子の存在がその粒子の非発光波長帯域の背景光の存在下に於いては検出可能であり、発光波長帯域の背景光の存在下に於いて検出されないことを示している。 FIG. 7 shows confocal fluorescence microscope images observed at (A) excitation light 473 nm and (B) excitation light 635 nm, respectively. As can be seen from the figure, (A) in the case of excitation light 473 nm, the shadow of the beads was hardly detected, whereas in the case of (B) excitation light 635 nm, the shadow of each bead was observed. . This means that, as in the present invention, the presence of particles that emit light in a specific wavelength band and hardly emit light in another wavelength band can be detected in the presence of background light in the non-emission wavelength band of the particle, This indicates that the light is not detected in the presence of background light in the emission wavelength band.
反転型走査分子計数法に従って、ビーズを含む試料溶液中に於いて、ビーズの計数を行った。試料溶液として、0.5μMの蛍光色素ATTO488を含む20%ポリエチレングリコール溶液に10fMにて非蛍光ビーズ(CP-40-10: spherotec(D:4000nm))を分散させた溶液1及び10fMにて蛍光ビーズ(FP-4052-2:spherotec(D:4000nm))を分散させた溶液2とを調製した。光の測定に於いては、光分析装置として、共焦点蛍光顕微鏡の光学系とフォトンカウンティングシステムを備えた1分子蛍光測定装置MF20(オリンパス株式会社)を用い、上記の「(2)試料溶液の光強度の測定」にて説明した態様に従って、上記の二つの試料溶液について、時系列光強度データ(フォトンカウントデータ)を取得した。その際、励起光は、50μWの488nmのレーザー光を用い、光学フィルター(615LPと670BP)により、650−690nmの波長帯域の光を測定し、時系列フォトンカウントデータを生成した。試料溶液中に於ける光検出領域の位置の移動速度は、9000rpm(67.5mm/秒)とし、BIN TIMEを50μ秒とし、100秒間の測定を各溶液について3回ずつ行った。なお、上記の条件に於いては、溶液2中のビーズは蛍光を発するので、光強度の低下が生じ難い状態である。 In accordance with the inverted scanning molecule counting method, the beads were counted in the sample solution containing the beads. As a sample solution, fluorescent solution was obtained with solution 1 and 10 fM in which non-fluorescent beads (CP-40-10: spherotec (D: 4000 nm)) were dispersed at 10 fM in a 20% polyethylene glycol solution containing 0.5 μM fluorescent dye ATTO488 Solution 2 in which beads (FP-4052-2: spherotec (D: 4000 nm)) were dispersed was prepared. In the measurement of light, a single molecule fluorescence measurement device MF20 (Olympus Corporation) equipped with an optical system of a confocal fluorescence microscope and a photon counting system is used as an optical analysis device, and the above-mentioned “(2) Sample solution In accordance with the embodiment described in “Measurement of Light Intensity”, time-series light intensity data (photon count data) was obtained for the above two sample solutions. At that time, 50 μW of 488 nm laser light was used as the excitation light, and light in the wavelength band of 650-690 nm was measured with an optical filter (615LP and 670BP) to generate time-series photon count data. The moving speed of the position of the light detection region in the sample solution was 9000 rpm (67.5 mm / second), the BIN TIME was 50 μsec, and the measurement for 100 seconds was performed three times for each solution. Note that, under the above conditions, the beads in the solution 2 fluoresce, so that the light intensity is hardly lowered.
光計測後のデータ処理に於いては、まず、取得された時系列フォトンカウントデータに於いて、「(i)単一粒子の信号の個別検出」及び図3のステップ110〜160に記載された要領に従って、時系列フォトンカウントデータにスムージング処理を施し、スムージングされたデータに於いて、パルス信号の始点及び終点を決定した後、各パルス信号にガウス関数を最小自乗法によりフィッティングして、(ガウス関数に於ける)ピーク強度(背景光からの低下量の最大値)、パルス幅(半値全幅)、相関係数を決定した。そして、下記の条件:
20μ秒<パルス幅<400μ秒
ピーク強度≧背景光の平均値の20% …(A)
相関係数>0.95
を満たすパルス信号のみを単一粒子の信号として抽出した。
In the data processing after optical measurement, first, in the acquired time-series photon count data, “(i) Individual detection of single particle signal” and steps 110 to 160 in FIG. According to the procedure, smoothing processing is performed on the time-series photon count data, and after determining the start point and end point of the pulse signal in the smoothed data, a Gaussian function is fitted to each pulse signal by the least square method, The peak intensity (in the function) (maximum amount of decrease from background light), pulse width (full width at half maximum), and correlation coefficient were determined. And the following conditions:
20 μsec <pulse width <400 μsec Peak intensity ≧ 20% of the average value of background light (A)
Correlation coefficient> 0.95
Only pulse signals satisfying the above were extracted as single particle signals.
図8は、ビーズを含まない溶液、無蛍光ビーズを含む溶液1、蛍光ビーズを含む溶液2について、上記の手順にて、時系列フォトンカウントデータに於いて検出されたパルスの数を示している。同図を参照して、無蛍光ビーズを含む溶液1に於いては、パルス数が2700個程度検出されたのに対し、蛍光ビーズを含む溶液2に於いては、パルス数が大幅に減少した。これは、蛍光ビーズの発する光によって、背景光からの光強度の低下が生じ難くなったためであることを示唆している。かかる結果は、背景光と同様の光を発するか否かで、試料溶液中の特定の種類の粒子の検出が可能であることを示している。(蛍光ビーズを含む溶液2に於いて、パルス数が検出された理由は、蛍光ビーズの発光輝度にばらつきが存在するためであると考えられる。即ち、蛍光ビーズとされるビーズ中に於いて、発光輝度の弱いものが含まれていたためである。) FIG. 8 shows the number of pulses detected in the time-series photon count data for the solution containing no beads, the solution 1 containing non-fluorescent beads, and the solution 2 containing fluorescent beads in the above procedure. . Referring to the figure, about 2700 pulses were detected in solution 1 containing non-fluorescent beads, whereas the number of pulses was greatly reduced in solution 2 containing fluorescent beads. . This suggests that the light emitted from the fluorescent beads is less likely to reduce the light intensity from the background light. This result indicates that it is possible to detect a specific type of particles in the sample solution depending on whether or not light similar to background light is emitted. (In the solution 2 containing fluorescent beads, the reason why the number of pulses was detected is considered to be due to variations in the emission luminance of the fluorescent beads. That is, in the beads used as fluorescent beads, This is because some of them have low emission brightness.)
かくして、上記の実施例の結果から理解される如く、本発明の教示に従った複数波長帯域に於ける反転型走査分子計数法によれば、試料溶液中に分散された発光波長帯域と非発光波長帯域とが互いに異なる単一粒子の検出及びその濃度に関する情報の取得が粒子の種類毎に可能となる。特に、本発明は、単一粒子の信号を個別に検出するので、試料溶液中の粒子濃度が、FCS等の光分析技術で要求される濃度域よりも低くても、粒子の検出が可能であり、かかる特徴は、医学・生物学の研究開発の分野でしばしば使用される希少な或いは高価な試料についての分析を行う場合に有利であろう。 Thus, as can be seen from the results of the above examples, the inverted scanning molecule counting method in multiple wavelength bands in accordance with the teachings of the present invention allows for emission wavelength bands and non-emissions dispersed in the sample solution. Detection of single particles having different wavelength bands and acquisition of information on their concentrations are possible for each type of particle. In particular, since the present invention individually detects single particle signals, particles can be detected even if the particle concentration in the sample solution is lower than the concentration range required by optical analysis techniques such as FCS. Yes, such a feature may be advantageous when performing analysis on rare or expensive samples often used in the field of medical and biological research and development.
Claims (12)
前記試料溶液内に於ける前記光学系の光検出領域の位置を移動する光検出領域移動部と、
前記光検出領域からの光を検出する光検出部と、
前記試料溶液内に於いて前記光検出領域の位置を移動させながら前記光検出部にて検出された前記光検出領域からの光の時系列の光強度データを生成し、前記時系列の光強度データに於いて前記単一粒子の各々の存在を表す信号を個別に検出する信号処理部とを含み、
前記単一粒子が第一の波長帯域に於いて実質的に発光せず前記第一の波長帯域とは異なる第二の波長帯域に於いて発光する第一の単一粒子と、前記第一の波長帯域に於いて発光し前記第二の波長帯域に於いて実質的に発光しない第二の単一粒子とを含み、前記光検出部により検出される光の波長帯域が前記第一の波長帯域であるときには、前記光検出領域からの光が前記第一の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、前記単一粒子の各々の存在を表す信号が、前記第一の単一粒子が前記光検出領域内へ進入した際に生ずる前記光検出部にて検出される光強度の低下であり、前記光検出部により検出される光の波長帯域が前記第二の波長帯域であるときには、前記光検出領域からの光が前記第二の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、前記単一粒子の各々の存在を表す信号が、前記第二の単一粒子が前記光検出領域内へ進入した際に生ずる前記光検出部にて検出される光強度の低下であることを特徴とする装置。 A single particle detection device for detecting single particles dispersed and moving randomly in a sample solution using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope,
A light detection region moving unit that moves the position of the light detection region of the optical system in the sample solution;
A light detection unit for detecting light from the light detection region;
Generate time-series light intensity data of light from the light detection area detected by the light detection unit while moving the position of the light detection area in the sample solution, and the time-series light intensity A signal processor for individually detecting signals representing the presence of each of the single particles in the data;
A first single particle that emits light in a second wavelength band different from the first wavelength band, wherein the single particle does not substantially emit light in the first wavelength band; and A second single particle that emits light in a wavelength band and does not substantially emit light in the second wavelength band, and a wavelength band of light detected by the light detection unit is the first wavelength band The light from the light detection region includes a substantially constant background light in the first wavelength band, and a signal indicative of the presence of each of the single particles is When the light intensity detected by the light detection unit is reduced when entering the light detection region, and the wavelength band of light detected by the light detection unit is the second wavelength band, The light from the light detection region comprises a substantially constant background light in the second wavelength band; The signal indicating the presence of each single particle is a decrease in light intensity detected by the light detection unit that occurs when the second single particle enters the light detection region. Device to do.
前記試料溶液内に於ける前記光学系の光検出領域の位置を移動する過程と、
前記試料溶液内に於ける前記光検出領域の位置を移動させながら前記光検出領域からの光を検出して時系列の光強度データを生成する過程と、
前記時系列光強度データに於いて前記単一粒子の各々の存在を表す信号として個別に検出する過程と
を含み、
前記単一粒子が第一の波長帯域に於いて実質的に発光せず前記第一の波長帯域とは異なる第二の波長帯域に於いて発光する第一の単一粒子と、前記第一の波長帯域に於いて発光し前記第二の波長帯域に於いて実質的に発光しない第二の単一粒子とを含み、前記検出される光の波長帯域が前記第一の波長帯域であるときには、前記光検出領域からの光が前記第一の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、前記単一粒子の各々の存在を表す信号が、前記第一の単一粒子が前記光検出領域内へ進入した際に生ずる前記時系列光強度データに於ける光強度の低下であり、前記検出される光の波長帯域が前記第二の波長帯域であるときには、前記光検出領域からの光が前記第二の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、前記単一粒子の各々の存在を表す信号が、前記第二の単一粒子が前記光検出領域内へ進入した際に生ずる前記時系列光強度データに於ける光強度の低下であることを特徴とする方法。 A single particle detection method for detecting single particles dispersed in a sample solution and moving randomly using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope,
Moving the position of the light detection region of the optical system in the sample solution;
Detecting light from the light detection region while moving the position of the light detection region in the sample solution to generate time-series light intensity data;
Individually detecting a signal representing the presence of each of the single particles in the time-series light intensity data,
A first single particle that emits light in a second wavelength band different from the first wavelength band, wherein the single particle does not substantially emit light in the first wavelength band; and A second single particle that emits light in a wavelength band and does not substantially emit light in the second wavelength band, and when the wavelength band of the detected light is the first wavelength band, The light from the light detection region includes a substantially constant background light in the first wavelength band, and a signal representative of the presence of each of the single particles indicates that the first single particle is in the light detection region. A decrease in light intensity in the time-series light intensity data that occurs when the light enters, and when the wavelength band of the detected light is the second wavelength band, light from the light detection region is Including a substantially constant background light in the second wavelength band, and the presence of each of the single particles. How to signal, wherein said second single particles are reduced in in light intensity to the time-series light intensity data generated when entering into the light detection region.
前記試料溶液内に於ける前記光学系の光検出領域の位置を移動する手順と、
前記試料溶液内に於ける前記光検出領域の位置を移動させながら前記光検出領域からの光を検出して時系列の光強度データを生成する手順と、
前記時系列光強度データに於いて前記単一粒子の各々の存在を表す信号として個別に検出する手順と
をコンピュータに実行させ、
前記単一粒子が第一の波長帯域に於いて実質的に発光せず前記第一の波長帯域とは異なる第二の波長帯域に於いて発光する第一の単一粒子と、前記第一の波長帯域に於いて発光し前記第二の波長帯域に於いて実質的に発光しない第二の単一粒子とを含み、前記検出される光の波長帯域が前記第一の波長帯域であるときには、前記光検出領域からの光が前記第一の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、前記単一粒子の各々の存在を表す信号が、前記第一の単一粒子が前記光検出領域内へ進入した際に生ずる前記光強度データに於ける光強度の低下であり、前記検出される光の波長帯域が前記第二の波長帯域であるときには、前記光検出領域からの光が前記第二の波長帯域の実質的に一定の背景光を含み、前記単一粒子の各々の存在を表す信号が、前記第二の単一粒子が前記光検出領域内へ進入した際に生ずる前記光強度データに於ける光強度の低下であることを特徴とするコンピュータプログラム。 A computer program for single particle detection that detects single particles that are dispersed in a sample solution and move randomly using an optical system of a confocal microscope or a multiphoton microscope,
A procedure for moving a position of a light detection region of the optical system in the sample solution;
A procedure for generating light intensity data in time series by detecting light from the light detection region while moving the position of the light detection region in the sample solution;
Causing the computer to execute a procedure of individually detecting signals representing the presence of each of the single particles in the time-series light intensity data,
A first single particle that emits light in a second wavelength band different from the first wavelength band, wherein the single particle does not substantially emit light in the first wavelength band; and A second single particle that emits light in a wavelength band and does not substantially emit light in the second wavelength band, and when the wavelength band of the detected light is the first wavelength band, The light from the light detection region includes a substantially constant background light in the first wavelength band, and a signal representative of the presence of each of the single particles indicates that the first single particle is in the light detection region. A decrease in light intensity in the light intensity data that occurs when the light enters, and when the wavelength band of the detected light is the second wavelength band, the light from the light detection region is A signal representing the presence of each of the single particles, including substantially constant background light in two wavelength bands. But the computer program, wherein the second single particles are reduced in in light intensity in said light intensity data generated when entering into the light detection region.
The computer program according to any one of claims 9 to 11, further comprising: detecting a number of signals indicating the presence of the individually detected single particles while detecting the position of the light detection region. A computer program comprising a procedure for counting the number of single particles.
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