JP2015143654A - 検出装置および検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】円柱形状の導光部材（導光ロッド）を有する検出装置であって、装置を大型化せずに、微弱光を効率よく検出することができる検出装置を提供すること。【解決手段】検出装置は、チップホルダーと、円柱形状の導光ロッドを含む受光光学系と、光センサーとを有する。導光ロッドは、一端に位置する検出対象領域の最大長さより長い直径の入射面と、他端に位置する出射面とを有する。導光ロッドの入射面の直径Ｄと、導光ロッドの軸方向の長さＬと、導光ロッドの屈折率ｎとは、０．８ｎＤ＜Ｌ＜１．２ｎＤの式を満たす。【選択図】図５

Description

本発明は、被検出物質を標識する標識物質から放出される微弱光を検出することにより、前記被検出物質を検出する検出装置および検出方法に関する。

臨床検査などにおいて、タンパク質やＤＮＡなどの微量の被検出物質を高感度かつ定量的に検出することができれば、患者の状態を迅速に把握して治療を行うことが可能となる。このため、微量の被検出物質を高感度かつ定量的に検出できる検出装置が求められている。

被検出物質を高感度に検出できる検出装置として、表面プラズモン共鳴蛍光分析（表面プラズモン励起増強蛍光分光法（Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）：以下「ＳＰＦＳ」と略記する）を利用する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の検出装置では、誘電体からなるプリズムと、プリズムの１面上に形成された金属膜と、金属膜上に固定された捕捉体（たとえば抗体）とを有するセンサチップを使用する。金属膜上に被検出物質を含む検体を供給すると、被検出物質が捕捉体により捕捉される（１次反応）。捕捉された被検出物質は、さらに蛍光物質で標識される（２次反応）。この状態で、表面プラズモン共鳴が生じる角度で励起光をプリズムを介して金属膜に照射すると、金属膜表面上に局在場光を発生させることができる。この局在場光により、金属膜上に捕捉された被検出物質を標識する蛍光物質が選択的に励起され、蛍光物質から放出された蛍光が観察される。この検出装置では、蛍光を検出して、被検出物質の存在またはその量を検出する。

このような検出装置では、微弱な蛍光を定量的に検出するために、光電子増倍管（Photomultiplier：ＰＭＴ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの高感度な光センサーが用いられる。また、蛍光の光路上における光センサーの前には、微弱な蛍光を集光する円柱形状の導光部材が配置される。蛍光物質から放出された蛍光は、部材の一方の端面（入射面）から入射し、内部で反射を繰り返すことにより導かれ、他方の端面（出射面）から出射して、光センサーに到達する。

国際公開第２０１０／１０１０５２号

しかしながら、特許文献１に記載の検出装置では、導光部材の軸方向の長さ（高さ）を考慮していないため、導光部材の軸方向の長さによって、出射面において出射される蛍光の分布および向きが異なる。よって、導光部材（出射面）から出射された蛍光の一部が受光面に到達せず、外部に放出されてしまい、蛍光の検出効率が悪くなるおそれがあった。このように、特許文献１に記載の検出装置には、蛍光物質から放出された蛍光の検出効率を改善する余地がある。

一方、導光部材の出射面から出射した蛍光の全てを受光するように、光センサーの受光面を大きくすることが考えられる。しかし、光センサーの受光面を大きくすると、装置が大型化してしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、円柱形状の導光部材（導光ロッド）を有する検出装置であって、装置を大型化せずに、微弱光を効率よく検出することができる検出装置を提供することを目的とする。また、当該検出装置を用いた検出方法を提供することも目的とする。

本発明者らは、導光ロッドの軸方向の長さを、導光ロッドの入射面の直径と導光ロッドの屈折率とに基づいて設定することで上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の検出装置に関する。

［１］被検出物質を標識した標識物質から放出される微弱光を検出することにより、前記被検出物質を検出する検出装置であって、前記被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定化された検出対象領域を含む検出チップを保持するチップホルダーと、前記捕捉体に捕捉された前記被検出物質を標識した標識物質から放出される微弱光を検出する光センサーと、前記標識物質から放出された微弱光を前記光センサーに導く受光光学系と、前記受光光学系に配置され、一端に位置する入射面から微弱光を入射させ、他端に位置する出射面から微弱光を出射させる円柱形状の導光ロッドと、を有し、前記入射面の直径は、前記検出対象領域の最大長さより長く、前記入射面の直径Ｄと、前記導光ロッドの軸方向の長さＬと、前記導光ロッドの屈折率ｎとは、以下の式（１）を満たす、検出装置。
０．８ｎＤ＜Ｌ＜１．２ｎＤ …（１）

［２］前記チップホルダーおよび前記導光ロッドの間、または前記導光ロッドおよび前記光センサーの間には、波長分離フィルターが配置されている、［１］に記載の検出装置。

［３］前記導光ロッドは、波長分離機能を有する、［１］に記載の検出装置。

［４］前記光センサーの受光面の最小長さは、前記出射面の直径より長い、［１］〜［３］のいずれか一項に記載の検出装置。

［５］前記検出チップに向かって励起光を出射する光源をさらに有し、前記検出チップは、プリズムと、前記プリズムの一面に配置された金属膜とを有し、前記検出対象領域は、前記金属膜の表面の少なくとも一部であり、前記標識物質は、蛍光物質であり、前記微弱光は、前記プリズムを介して前記金属膜の裏面に照射した励起光により生じる局在場光により励起した前記蛍光物質から放出される蛍光である、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の検出装置。

また、本発明は、以下の検出方法に関する。

［６］被検出物質を標識した標識物質から放出される微弱光を検出することにより、前記被検出物質を検出する検出方法であって、前記被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定化された検出対象領域を含み、前記標識物質で標識された被検出物質が前記捕捉体に捕捉された検出チップを準備する工程と、前記標識物質から放出され、導光ロッドによって導かれた微弱光を、光センサーで検出する工程と、を有し、前記導光ロッドの入射面の直径は、前記検出対象領域の最大長さより長く、前記入射面の直径Ｄと、前記導光ロッドの軸方向の長さＬと、前記導光ロッドの屈折率ｎとは、以下の式（１）を満たす、検出方法。
０．８ｎＤ＜Ｌ＜１．２ｎＤ …（１）

本発明によれば、装置を大型化せずに、微弱光を効率よく検出することができる検出装置および検出方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る表面プラズモン共鳴蛍光分析装置の構成を示す図である。 図２は、検出対象領域、導光ロッドおよび光センサーの受光面の位置関係を示す図である。 図３Ａは、導光ロッドへ入射する光の入射角と屈折角を示す模式図であり、図３Ｂは、入射角および屈折角の関係を示すグラフである。 図４Ａ、Ｂは、導光ロッドを進行する蛍光の一部の光路を示す図である。 図５は、導光ロッドにおける蛍光の光路についてのシミュレーション結果を示す図である。 図６は、導光ロッドの軸方向の長さと、光センサーに到達した蛍光の光線数との関係を示すグラフである。 図７は、表面プラズモン共鳴蛍光分析装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明に係る検出装置の代表例として、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を利用して、被検出物質を検出する表面プラズモン共鳴蛍光分析装置（以下「ＳＰＦＳ装置」ともいう）について説明する。

（ＳＰＦＳ装置の構成）
ＳＰＦＳ装置は、誘電体からなるプリズムと、プリズムの１面に形成された金属膜とを有する検出チップが装着された状態で使用される。金属膜上には、被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定されている。金属膜上に被検出物質を含む検体を提供すると、被検出物質が捕捉体により捕捉される。このとき、被検出物質は、蛍光物質で標識されていてもよいし、標識されていなくてもよい。捕捉された被検出物質が蛍光物質で標識されていない場合、捕捉された被検出物質は、さらに蛍光物質で標識される。この状態で、表面に金属膜を有するプリズムに対して全反射条件となるように励起光を照射する。これにより、励起光および金属膜中の自由電子の相互作用（表面プラズモン共鳴）が生じ、局在場光が発生する。一般にこの局在場光は、「増強電場」または「増強されたエバネッセント光」とも呼ばれ、金属膜の表面近傍の物理量変動を測定することが可能である。この局在場光により、金属膜上に捕捉された被検出物質を標識する蛍光物質が選択的に励起され、蛍光物質から放出された蛍光が観察される。ＳＰＦＳ装置は、蛍光の光量を測定して、被検出物質の存在またはその量を検出する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るＳＰＦＳ装置１００の構成を示す図である。図１に示されるように、ＳＰＦＳ装置１００は、検出チップ１０を着脱可能に保持するためのチップホルダー１２と、検出チップ１０に励起光αを照射するための励起光学系ユニット１２０と、検出チップ１０から放出された光（プラズモン散乱光βまたは蛍光γ）を検出するための受光光学系１４０と、これらを制御する制御部１６０とを有する。ＳＰＦＳ装置１００は、チップホルダー１２に検出チップ１０を装着した状態で使用される。そこで、検出チップ１０について先に説明し、その後にＳＰＦＳ装置１００の各構成要素について説明する。

図１に示されるように、検出チップ１０は、入射面２１、成膜面２２および出射面２３を有するプリズム２０と、成膜面２２に形成された金属膜３０と、成膜面２２または金属膜３０上に配置された流路蓋４０とを有する。通常、検出チップ１０は、検出（分析）のたびに交換される。

プリズム２０は、励起光αに対して透明な誘電体からなる。プリズム２０は、入射面２１、成膜面２２および出射面２３を有する。入射面２１は、励起光学系ユニット１２０からの励起光αをプリズム２０の内部に入射させる。成膜面２２の上には、金属膜３０が形成される。プリズム２０の内部に入射した励起光αは、金属膜３０で反射する。より具体的には、プリズム２０と金属膜３０との界面（成膜面２２）で反射する。出射面２３は、金属膜３０で反射した励起光αをプリズム２０の外部に出射させる。プリズム２０の形状は、特に限定されない。本実施の形態では、プリズム２０の形状は、台形を底面とする柱体である。台形の一方の底辺に対応する面が成膜面２２であり、一方の脚に対応する面が入射面２１であり、他方の脚に対応する面が出射面２３である。底面となる台形は、等脚台形であることが好ましい。これにより、入射面２１と出射面２３とが対称になり、励起光αのＳ波成分がプリズム２０内に滞留しにくくなる。入射面２１は、励起光αが励起光学系ユニット１２０に戻らないように形成される。励起光αが励起光源であるレーザーダイオードに戻ると、レーザーダイオードの励起状態が乱れてしまい、励起光αの波長や出力が変動してしまうからである。そこで、理想的な増強角を中心とする走査範囲において、励起光αが入射面２１に垂直に入射しないように、入射面２１の角度が設定される。たとえば、入射面２１と成膜面２２との角度および成膜面２２と出射面２３との角度は、いずれも約８０°である。プリズム２０の材料の例には、樹脂およびガラスが含まれる。プリズム２０の材料は、好ましくは、屈折率が１．４〜１．６であり、かつ複屈折が小さい樹脂である。

金属膜３０は、プリズム２０の成膜面２２上に形成されている。金属膜３０を設けることで、成膜面２２に全反射条件で入射した励起光αの光子と、金属膜３０中の自由電子との間で相互作用（表面プラズモン共鳴；ＳＰＲ）が生じ、金属膜３０の表面上に局在場光を生じさせることができる。金属膜３０の素材は、表面プラズモン共鳴を生じさせる金属であれば特に限定されない。金属膜３０の素材の例には、金、銀、銅、アルミ、これらの合金が含まれる。本実施の形態では、金属膜３０は、金薄膜である。金属膜３０の形成方法は、特に限定されない。金属膜３０の形成方法の例には、スパッタリング、蒸着、メッキが含まれる。金属膜３０の厚みは、特に限定されないが、３０〜７０ｎｍの範囲内が好ましい。

また、特に図示しないが、金属膜３０のプリズム２０と対向しない面には、被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定されている。捕捉体を固定することで、被検出物質を選択的に検出することが可能となる。本実施の形態では、金属膜３０表面の中央部分が検出対象領域３１として設定されている。検出対象領域３１には、捕捉体が均一に固定されている。ここで「検出対象領域」とは、被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定化された領域をいう。捕捉体の種類は、被検出物質を捕捉することができれば特に限定されない。たとえば、捕捉体は、被検出物質に特異的な抗体またはその断片である。

流路蓋４０は、金属膜３０のプリズム２０と対向しない面上に、流路４１を挟んで配置されている。金属膜３０がプリズム２０の成膜面２２の一部にのみ形成されている場合は、流路蓋４０は、流路４１を挟んで成膜面２２上に配置されていてもよい。流路蓋４０は、金属膜３０（およびプリズム２０）と共に、検体や蛍光標識液、洗浄液などの液体が流れる流路４１を形成する。検出対象領域３１は、流路４１内に露出している。流路４１の両端は、流路蓋４０の上面に形成された注入口および排出口（いずれも図示省略）とそれぞれ接続されている。流路４１内へ液体が注入されると、流路４１内において、これらの液体は検出対象領域３１の捕捉体に接触する。流路蓋４０は、金属膜３０の検出対象領域３１から放出された光（プラズモン散乱光βおよび蛍光γ）に対して透明な材料からなる。流路蓋４０の材料の例には、樹脂が含まれる。これらの光を受光光学系１４０に導くことができれば、流路蓋４０の一部は、不透明な材料で形成されていてもよい。流路蓋４０は、例えば、両面テープまたは接着剤による接着や、レーザー溶着、超音波溶着、クランプ部材を用いた圧着などにより金属膜３０またはプリズム２０に接合されている。

図１に示されるように、プリズム２０へ導かれた励起光αは、入射面２１からプリズム２０内に入射する。プリズム２０内に入射した励起光αは、プリズム２０と金属膜３０との界面（成膜面２２）に全反射角度（表面プラズモン共鳴が生じる角度）となるように入射する。界面からの反射光は、出射面２３からプリズム２０外に出射される（図示省略）。一方、表面プラズモン共鳴が生じる角度で励起光αが界面に入射することで、検出対象領域３１からは、プラズモン散乱光βや蛍光γなどが、受光光学系１４０の方向へ出射される。

次に、ＳＰＦＳ装置１００の各構成要素について説明する。前述のとおり、ＳＰＦＳ装置１００は、チップホルダー１２、励起光学系ユニット１２０、受光光学系１４０および制御部１６０を有する。

チップホルダー１２は、所定の位置で検出チップ１０を保持する。検出チップ１０は、チップホルダー１２に保持された状態で、励起光学系ユニット１２０からの励起光αを照射される。このとき、検出対象領域３１からは、励起光αと同一波長のプラズモン散乱光βや蛍光物質から放出された蛍光γなどが上方に放出される。また、励起光αは、プリズム２０と金属膜３０との界面で反射して、プリズム２０の外部に出射される（図示省略）。

励起光学系ユニット１２０は、励起光αを出射する光源ユニット１２１と、プリズム２０と金属膜３０との界面（成膜面２２）に対する励起光αの入射角を調整する角度調整部１２２を有する。

光源ユニット１２１は、励起光源としてレーザーダイオード（以下「ＬＤ」ともいう）を有し、チップホルダー１２に保持された検出チップ１０の入射面２１に向けて励起光α（シングルモードレーザー光）を出射する。より具体的には、光源ユニット１２１は、検出チップ１０のプリズム２０と金属膜３０との界面（成膜面２２）に対して励起光αが全反射角度となるように、界面に対するＰ波のみを入射面２１に向けて出射する。たとえば、光源ユニット１２１は、ＬＤユニット、整波器および整形光学系（いずれも図示省略）を有する。

ＬＤユニットは、コリメートされ、かつ波長および光量が一定の励起光αを、プリズム２０と金属膜３０との界面（成膜面２２）における照射スポットの形状が略円形となるように出射する。ＬＤユニットは、励起光源としてのＬＤと、ＬＤから出射された励起光αをコリメートするコリメーターと、励起光αの光量を一定にするための温度調整回路とを有する。ＬＤから出射される励起光αは、コリメートされてもその輪郭形状が扁平である。このため、界面（成膜面２２）における照射スポットの形状が略円形となるように、ＬＤは所定の姿勢で保持されるか、または後述の整形光学系に所定形状のスリットが挿入される。また、ＬＤから出射される励起光αの波長および光量は、温度によって変化する。このため、温度調整回路は、コリメートされた後の励起光αから分岐させた光の光量をフォトダイオードなどにより監視し、励起光αの波長および光量が一定となるようにヒーターやペルチェ素子などを用いてＬＤの温度を調整する。

整波器は、バンドパスフィルター（以下「ＢＰＦ」ともいう）および直線偏光フィルター（以下「ＬＰ」ともいう）を含み、ＬＤユニットから出射された励起光αを整波する。ＬＤユニットからの励起光αは、若干の波長分布幅を有しているため、ＢＰＦは、ＬＤユニットからの励起光αを中心波長のみの狭帯域光にする。また、ＬＤユニットからの励起光αは、完全な直線偏光ではないため、ＬＰは、ＬＤユニットからの励起光αを完全な直線偏光の光にする。整波器は、金属膜３０にＰ波成分が入射するように励起光αの偏光方向を調整する半波長板を含んでいてもよい。

整形光学系は、プリズム２０と金属膜３０との界面（成膜面２２）における照射スポットの形状が所定サイズの円形となるように、励起光αのビーム径や輪郭形状などを調整する。整形光学系から出射された励起光αは、検出チップ１０のプリズム２０に照射される。整形光学系は、例えばスリットやズーム手段などである。

なお、光源ユニット１２１に含まれる光源の種類は、特に限定されず、ＬＤでなくてもよい。光源の例には、発光ダイオード、水銀灯、その他のレーザー光源が含まれる。光源から出射される光がビームでない場合は、光源から出射される光は、レンズや鏡、スリットなどによりビームに変換される。また、光源から出射される光が単色光でない場合は、光源から出射される光は、回折格子などにより単色光に変換される。さらに、光源から出射される光が直線偏光でない場合は、光源から出射される光は、偏光子などにより直線偏光の光に変換される。

角度調整部１２２は、金属膜３０（プリズム２０と金属膜３０との界面（成膜面２２））への励起光αの入射角を調整する。角度調整部１２２は、励起光αをプリズム２０を介して金属膜３０（成膜面２２）の所定の位置（検出対象領域３１の裏側）に所定の入射角で照射するために、励起光αの光軸とチップホルダー１２とを相対的に回転させる。本実施の形態では、角度調整部１２２は、光源ユニット１２１を励起光αの光軸と直交する軸を中心として回転させる。このとき、入射角を走査しても金属膜３０（成膜面２２）上での照射位置がほとんど移動しないように、回転軸の位置を設定する。たとえば、回転中心の位置を、入射角の走査範囲の両端における２つの励起光αの光軸の交点近傍（成膜面２２上の照射位置と入射面２１との間）に設定することで、照射位置のズレを極小化することができる。

受光光学系１４０は、チップホルダー１２に保持された検出チップ１０の金属膜３０のプリズム２０と対向しない面（検出対象領域３１）に対向するように配置されている。受光光学系１４０は、金属膜３０上から出射される光（プラズモン散乱光βまたは蛍光γ）を検出する。受光光学系１４０は、波長分離フィルター１４６、導光ロッド１４１および光センサー１４２を有する。

波長分離フィルター１４６は、チップホルダー１２（検出チップ１０）および導光ロッド１４１の間に配置されている。波長分離フィルター１４６は、励起光αの波長の光（プラズモン散乱光β）を遮断する一方で、蛍光γを透過させる。これにより、波長分離フィルター１４６は、光センサー１４２に蛍光γの波長以外の光が到達することを防ぐ。すなわち、波長分離フィルター１４６は、光センサー１４２に到達する光からノイズ成分を除去し、微弱な蛍光γの検出精度および感度の向上に寄与する。

波長分離フィルター１４６は、蛍光成分のみを光センサー１４２に導き、高いＳ／Ｎ比で当該蛍光成分を検出するために、励起光成分（プラズモン散乱光β）を除去する。波長分離フィルター１４６の例には、励起光反射フィルター、短波長カットフィルターおよびバンドパスフィルターが含まれる。波長分離フィルター１４６は、例えば、所定の光成分を反射することで除去する多層膜からなるフィルターであるが、所定の光成分を吸収することで除去する色ガラスフィルターであってもよい。なお、特に図示しないが、波長分離フィルター１４６は、フィルター制御部１６４により受光光学系１４０の光路内と、光路外との間を移動可能に構成されている。

導光ロッド１４１は、透光性を有し、検出対象領域３１（金属膜３０およびその近傍）から放出された光（プラズモン散乱光βまたは蛍光γ）を光センサー１４２に導く。本実施の形態に係るＳＰＦＳ装置１００は、導光ロッド１４１が所定の形状および大きさに形成されていることを特徴の一つとする。そこで、導光ロッド１４１の詳細は、後述する。

光センサー１４２は、検出対象領域３１から放出される光（蛍光γまたはプラズモン散乱光β）を検出する。たとえば、光センサー１４２は、感度およびＳＮ比が高い光電子増倍管である。光センサー１４２は、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）などであってもよい。なお、金属膜３０の一方の面（プリズム２０と対向する面）における励起光αの照射スポットの大きさは、金属膜３０の他方の面（導光ロッド１４１と対向する面）における検出対象領域３１よりも小さくなるように調整される。このようにすることで、プリズム２０の各パラメータの誤差により照射スポットがわずかに位置ずれした場合であっても、照射スポットが検出対象領域３１から外れることを防止できる。

制御部１６０は、各駆動部の制御や、光センサー１４２における受光量の定量化などを一元的に行う。本実施の形態では、制御部１６０は、光源ユニット１２１を制御する光源制御部１６１と、光センサー１４２を制御する光センサー制御部１６２と、フィルター移動部（図示省略）を制御するフィルター制御部１６４と、制御処理部１６３とを有する。制御処理部１６３は、光源制御部１６１、光センサー制御部１６２およびフィルター制御部１６４を包括的に制御して、ＳＰＦＳ装置１００全体の動作を制御する。制御部１６０は、例えば、ソフトウェアを実行するコンピュータである。

次に、導光ロッド１４１について詳細に説明する。図２は、検出対象領域３１、導光ロッド１４１および光センサー１４２の受光面１４５の位置関係を示す図である。

前述したように、導光ロッド１４１は、透光性を有し、検出対象領域３１から放出された光（プラズモン散乱光βまたは蛍光γ）を光センサー１４２に導く。導光ロッド１４１の形状は、円柱形状である。導光ロッド１４１は、入射面１４３および出射面１４４を有する。導光ロッド１４１の材料は、検出対象領域３１から放出したプラズモン散乱光βまたは蛍光γを光センサー１４２に導くことができれば、特に限定されない。導光ロッド１４１の材料の例には、透明な樹脂および透明なガラスが含まれる。また、導光ロッド１４１の屈折率ｎは、特に限定されないが、１．４〜２．０程度であることが好ましい。

図２に示されるように、入射面１４３は、円柱における一方の端面（底面）であり、金属膜３０の表面（検出対象領域３１）に対向して配置されている。入射面１４３と検出対象領域３１との間隔は、０．５〜５．０ｍｍ程度である。導光ロッド１４１の入射面１４３の直径Ｄは、検出対象領域３１の最大長さＤ’より長い。これにより、検出対象領域３１から放出された蛍光γを効率的に導光ロッド１４１に入射させることができる。ここで「検出対象領域の最大長さ」とは、検出対象領域３１の外縁部上の２点を両端とする線分のうち最も長い線分の長さを意味する。たとえば、検出対象領域３１が円形であった場合、検出対象領域３１の最大長さＤ’は直径である。また、検出対象領域３１が矩形であった場合、検出対象領域３１の最大長さＤ’は対角線の長さである。

出射面１４４は、円柱における他方の端面（底面）であり、光センサー１４２の受光面１４５に対向して配置されている。出射面１４４と光センサー１４２の受光面１４５との間隔は、０．５〜５．０ｍｍ程度である。導光ロッド１４１の出射面１４４の直径Ｄは、光センサー１４２の受光面１４５の最大長さＤ”より短いことが好ましい。なお、「受光面の最大長さ」とは、光センサー１４２の受光面１４５の外縁部上の２点を両端とする線分のうち最も長い線分の長さを意味する。

次に、導光ロッド１４１内を進行する光の光路について説明する。図３Ａは、導光ロッド１４１に入射する光の入射角θ１と、屈折角θ２を示す模式図である。図３Ｂは、入射角θ１と屈折角θ２との関係を示すグラフである。

図３Ａに示されるように、屈折率ｎ１の媒質（空気層）から屈折率ｎ２の媒質（導光ロッド１４１）へ光が入射した時の入射角をθ１、屈折角をθ２とした場合、ｎ１×ｓｉｎθ１＝ｎ２×ｓｉｎθ２が成り立つことが知られている（スネルの法則）。

このスネルの法則を用いて、屈折率ｎが１．４、１．５、１．６、１．７、１．８または２．０の各導光ロッド１４１において、入射角θ１を０〜９０°まで変化させた場合の屈折角θ２をそれぞれ求めた。各導光ロッド１４１における入射角θ１と屈折角θ２との関係を図３Ｂに示す。図３Ｂにおいて、最も上の曲線（細い実線）は、屈折率ｎが１．４の導光ロッド１４１を用いた場合の結果を示している。上から２番目の曲線（太い実線）は、屈折率ｎが１．５の導光ロッド１４１を用いた場合の結果を示している。上から３番目の曲線（細い破線）は、屈折率ｎが１．６の導光ロッド１４１を用いた場合の結果を示している。上から４番目の曲線（太い破線）は、屈折率ｎが１．７の導光ロッド１４１を用いた場合の結果を示している。上から５番目の曲線（細い一点鎖線）は、屈折率ｎが１．８の導光ロッド１４１を用いた場合の結果を示している。上から６番目の曲線（太い一点鎖線）は、屈折率ｎが１．９の導光ロッド１４１を用いた場合の結果を示している。最も下の曲線（太い二点鎖線）は、屈折率ｎが２．０の導光ロッド１４１を用いた場合の結果を示している。

図３Ｂに示されるように、入射角θ１が大きくなるにつれて、屈折角θ２の変化率が小さくなることがわかる。このとき、屈折率ｎが１．４〜２．０の範囲内である導光ロッド１４１では、屈折角θ２の最大角度は４５°であり、屈折角θ２が３０〜４５°の範囲内で光線密度が増加することがわかる。また、導光ロッド１４１の屈折率ｎが大きくなるにつれて、屈折角θ２が小さくなることがわかる。

図４は、導光ロッド１４１内を進行する一部の蛍光γの光路を示す図である。図４Ａは、蛍光γの入射位置の違いによる導光ロッド１４１における蛍光γの光路を示す図であり、図４Ｂは、導光ロッド１４１の屈折率ｎの違いによる導光ロッド１４１における蛍光γの光路を示す図である。

ここでは、光線密度が大きい、屈折角θ２が４５°の蛍光γの光路について考察する。図４Ａの実線矢印は、入射面１４３の中心から入射した蛍光γの光路を示している。破線矢印は、入射面１４３の中心でない位置から入射した蛍光γの光路を示している。図４Ａの実線矢印に示されるように、入射面１４３の中心から入射し、屈折角θ２が４５°の蛍光γは、入射面１４３の直径をＤとした場合、入射面１４３からＤ離れた位置で径方向の中心を通過することがわかる。また、図４Ａの破線矢印に示されるように、入射面１４３の中心からずれた位置から入射し、屈折角θ２が４５°の蛍光γは、入射面１４３の直径をＤとした場合、入射面１４３からＤ離れた位置の近傍で径方向の中心を通過することがわかる。

次に、導光ロッド１４１の屈折率ｎの違いによる入射面１４３の中心から入射した蛍光γの光路について考察する。図４Ｂの実線矢印は、屈折率ｎが１．４の導光ロッド１４１を進行する蛍光γの光路を示している。破線矢印は、屈折率ｎが１．８の導光ロッド１４１を進行する蛍光γの光路を示している。

図４Ｂの実線矢印に示されるように、屈折率ｎが１．４の導光ロッド１４１の入射面１４３の中心から入射し、屈折角θ２が４５°の蛍光γは、入射面１４３の直径をＤとした場合、入射面１４３からＤ離れた位置で径方向の中心を通過することがわかる。また、図４Ｂの破線矢印に示されるように、屈折率ｎが１．８の導光ロッド１４１の入射面１４３の中心から入射した蛍光γは、入射面１４３の直径をＤとした場合、入射面１４３からＤより離れた位置で径方向の中心を通過することがわかる。これにより、同じ屈折角θ２の蛍光γであっても、導光ロッド１４１の屈折率ｎが大きくなるほど、入射面１４３から離れた位置で径方向の中心を通過することがわかる。

したがって、本実施の形態に係るＳＰＦＳ装置１００の導光ロッド１４１は、式（１）を満たすように、導光ロッド１４１の屈折率ｎおよび導光ロッド１４１の直径Ｄに基づいて、軸方向の長さＬが規定されている。これにより、導光ロッド１４１を進行する蛍光γを径方向の中心付近に集めることができる。
０．８ｎＤ＜Ｌ＜１．２ｎＤ …（１）

（シミュレーション１）
本実施の形態に係るＳＰＦＳ装置１００において、導光ロッド１４１における蛍光γの光路についてシミュレーションを行った。シミュレーションのための各パラメータは、検出対象領域３１の最大長さＤ’：３ｍｍ、導光ロッド１４１の直径Ｄ：６ｍｍ、導光ロッド１４１の屈折率ｎ：１．５１、検出対象領域３１および入射面１４３の間隔：１．０ｍｍとした。

図５は、導光ロッド１４１における蛍光γの光路についてのシミュレーション結果を示す図である。図５の破線は、入射面１４３からの距離が１．０ｎＤ（９．０６ｍｍ）の位置を示している。図５に示されるように、検出対象領域３１から放出した蛍光γは、入射面１４３からの距離が０．８ｎＤ（７．２ｍｍ）〜１．２ｎＤ（１０．９ｍｍ）の範囲内で、効率よく導光ロッド１４１の径方向の中心付近に集まることがわかる。

（シミュレーション２）
次に、導光ロッド１４１の軸方向の長さＬ（入射面１４３からの距離）と、光センサー１４２の受光面１４５に到達する蛍光γの光線数についてシミュレーションを行った。シミュレーションのための各パラメータは、検出対象領域３１の最大長さＤ’：３ｍｍ、導光ロッド１４１の直径Ｄ：６ｍｍ、導光ロッド１４１の屈折率ｎ：１．５１、光センサー１４２の受光面１４５の最大長さＤ”：８．０ｍｍとした。また、検出対象領域３１および入射面１４３の間隔：１．０ｍｍ、導光ロッド１４１の出射面１４４および光センサー１４２の受光面１４５の間隔：１．０ｍｍとした。なお、検出対象領域３１から放出される蛍光γの光線数は、１０万本とした。

図６は、導光ロッド１４１の軸方向の長さＬと、光センサー１４２の受光面１４５に到達した蛍光γの光線数との関係を示すグラフである。図６に示されるように、検出対象領域３１から放出した蛍光γは、入射面１４３からの距離が０．８ｎＤ（７．２ｍｍ）〜１．２ｎＤ（１０．９ｍｍ）の範囲内で最も効率よく中心軸ＣＡ近傍に集光されることがわかる。このように、本実施の形態に係るＳＰＦＳ装置（検出装置）１００では、導光ロッド１４１の軸方向の長さＬが０．８ｎＤ＜Ｌ＜１．２ｎＤを満たすように設計されている。よって、検出対象領域３１から放出された蛍光γ（微弱光）の大部分は、導光ロッド１４１の径方向の中心付近を通過する。したがって、導光ロッド１４１の軸に対して大きい角度で出射した蛍光γも光センサー１４２の受光面１４５に到達するため、蛍光γの利用効率を高めることができる。また、同様に、検出対象領域３１から放出された蛍光γ（微弱光）の大部分は、導光ロッド１４１の径方向の中心付近を通過するため、光センサー１４２の受光面１４５が出射面１４４に対して、ずれて組み立てられた場合であっても、その組み立て誤差を吸収することができる。

次に、ＳＰＦＳ装置１００の動作（ＳＰＦＳ装置１００を用いた検出方法）について説明する。
図７は、ＳＰＦＳ装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。

まず、測定の準備をする（工程Ｓ１０）。具体的には、ＳＰＦＳ装置１００の所定の位置に被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定化された検出対象領域３１を含み、標識物質で標識された被検出物質が捕捉体に捕捉された検出チップ１０を設置する。また、検出チップ１０の流路４１内に保湿剤が存在する場合は、捕捉体が適切に被検出物質を捕捉できるように、流路４１内を洗浄して保湿剤を除去する。

次いで、検体中の被検出物質と捕捉体とを反応させる（１次反応、工程Ｓ２０）。具体的には、流路４１内に検体を注入して、検体と捕捉体とを接触させる。検体中に被検出物質が存在する場合は、被検出物質の少なくとも一部は捕捉体により捕捉される。この後、流路４１内を緩衝液などで洗浄して、捕捉体に捕捉されなかった物質を除去する。検体の種類は、特に限定されない。検体の例には、血液や血清、血漿、尿、鼻孔液、唾液、精液などの体液およびその希釈液が含まれる。

次いで、励起光αを金属膜３０（成膜面２２）の所定の位置に照射しながら、金属膜３０（成膜面２２）に対する励起光αの入射角を走査して、最適な入射角を決定する（工程Ｓ３０）。具体的には、制御処理部１６３は、光源ユニット１２１および角度調整部１２２を制御して、励起光αを金属膜３０（成膜面２２）の所定の位置に照射しながら、金属膜３０（成膜面２２）に対する励起光αの入射角を走査する。また、制御処理部１６３は、光センサー１４２が検出対象領域３１からのプラズモン散乱光βを検出するように、フィルター制御部１６４を制御して、波長分離フィルター１４６を受光光学系１４０の光路外に移動させるとともに、プラズモン散乱光βを検出するように、光センサー制御部１６２を制御する。検出対象領域３１からのプラズモン散乱光βは、導光ロッド１４１を介して光センサー１４２に到達する。これにより、制御処理部１６３は、励起光αの入射角とプラズモン散乱光βの強度との関係を含むデータを得る。そして、制御処理部１６３は、データを解析して、プラズモン散乱光βの強度が最大となる入射角（増強角）を決定する。なお、増強角は、基本的には、プリズム２０の素材および形状、金属膜３０の厚み、流路４１内の液体の屈折率ｎなどにより決まるが、流路４１内の蛍光物質の種類および量、プリズム２０の形状誤差などの各種要因によりわずかに変動する。このため、分析を行うたびに増強角を決定することが好ましい。増強角は、０．１°程度のオーダーで決定される。

次いで、金属膜３０（成膜面２２）に対する励起光αの入射角を、前の工程で決定した増強角に設定する（工程Ｓ４０）。具体的には、制御処理部１６３は、角度調整部１２２を制御して、金属膜３０（成膜面２２）に対する励起光αの入射角を増強角に設定する。以後の工程では、金属膜３０（成膜面２２）に対する励起光αの入射角は、増強角のままである。

次いで、励起光αを金属膜３０（成膜面２２）に照射して、蛍光γと同じ波長の光の強度（光学ブランク値）を測定する（工程Ｓ５０）。具体的には、制御処理部１６３は、フィルター移動部を制御するフィルター制御部１６４を制御して、波長分離フィルター１４６を受光光学系１４０の光路上に移動させる。ついで、制御処理部１６３は、光源制御部１６１を制御して、光源ユニット１２１に励起光αを出射させる。同時に、制御処理部１６３は、光センサー１４２が蛍光γと同じ波長の光の強度を検出するように、光センサー制御部１６２を制御する。よって、光センサー１４２は、正確にノイズとなる光の強度（光学ブランク値）を測定することができる。測定値は、制御処理部１６３に送信され、光学ブランク値として記録される。

次いで、捕捉体に捕捉された被検出物質を蛍光物質で標識する（２次反応、工程Ｓ６０）。具体的には、流路４１内に蛍光標識液を注入する。蛍光標識液は、例えば、蛍光物質で標識された抗体（２次抗体）を含む緩衝液である。蛍光標識液が流路４１に注入されると、蛍光標識液が被検出物質に接触し、被検出物質が蛍光物質で標識される。この後、流路４１内を緩衝液などで洗浄し、遊離の蛍光物質などを除去する。

最後に、励起光αを金属膜３０（成膜面２２）に照射して、検出対象領域３１（標識物質）から放出され、導光ロッド１４１によって導かれた蛍光γ（微弱光）の強度を光センサー１４２で測定する（工程Ｓ７０）。具体的には、制御処理部１６３は、光源制御部１６１を制御して、光源ユニット１２１に励起光αを出射させる。同時に、制御処理部１６３は、光センサー１４２が検出対象領域３１から放出される蛍光γを検出するように、光センサー制御部１６２を制御する。制御処理部１６３は、測定値から光学ブランク値を引き、被検出物質の量に相関する蛍光強度を算出する。蛍光強度は、必要に応じて、被検出物質の量や濃度などに換算される。

以上のように、本発明に係るＳＰＦＳ装置１００では、入射面１４３の直径をＤとし、導光ロッド１４１の軸方向の長さをＬとし、導光ロッド１４１の屈折率をｎとした場合、０．８ｎＤ＜Ｌ＜１．２ｎＤを満たす。よって、蛍光物質から放出された蛍光γの大部分は、導光ロッド１４１の入射面１４３から導光ロッド１４１の直径Ｄ離れた位置の近傍に集光され、光センサー１４２の受光面１４５に到達する。したがって、ＳＰＦＳ装置１００を大型化することなく、微弱光（蛍光γ）を効率よく検出することができる。

なお、波長分離フィルター１４６は、導光ロッド１４１および光センサー１４２の間に配置されていてもよい。また、波長分離フィルター１４６を配置せずに、導光ロッド１４１に波長分離機能を設けてもよい。この場合、導光ロッド１４１の入射面１４３または出射面１４４に前述の多層膜を形成してもよいし、導光ロッド１４１を色ガラスで形成してもよい。

また、本発明に係る検出装置は、微弱な蛍光γを発生させ、その蛍光を検出する装置であれば、いかなる装置にも応用可能である。また、本発明に係る検出装置は、蛍光γだけでなく、燐光などの微弱な光を検出するいかなる装置にも応用可能である。また、前述の実施の形態では、流路４１を有する検出チップ１０を例に挙げて説明したが、流路ではなくウェルを有する検出チップも使用できる。

本発明に係る検出装置は、標識物質から放出される蛍光や燐光などの微弱光を効率よく検出することができるため、例えば臨床検査などに有用である。

１０ 検出チップ
１２ チップホルダー
２０ プリズム
２１ プリズムの入射面
２２ プリズムの成膜面
２３ プリズムの出射面
３０ 金属膜
３１ 検出対象領域
４０ 流路蓋
４１ 流路
１００ 表面プラズモン共鳴蛍光分析装置（ＳＰＦＳ装置）
１２０ 励起光学系ユニット
１２１ 光源ユニット
１２２ 角度調整部
１４０ 受光光学系
１４１ 導光ロッド
１４２ 光センサー
１４３ 導光ロッドの入射面
１４４ 導光ロッドの出射面
１４５ 受光面
１４６ 波長分離フィルター
１６０ 制御部
１６１ 光源制御部
１６２ 光センサー制御部
１６３ 制御処理部
１６４ フィルター制御部

Claims (6)

1. 被検出物質を標識した標識物質から放出される微弱光を検出することにより、前記被検出物質を検出する検出装置であって、
   前記被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定化された検出対象領域を含む検出チップを保持するチップホルダーと、
   前記捕捉体に捕捉された前記被検出物質を標識した標識物質から放出される微弱光を検出する光センサーと、
   前記標識物質から放出された微弱光を前記光センサーに導く受光光学系と、
   前記受光光学系に配置され、一端に位置する入射面から微弱光を入射させ、他端に位置する出射面から微弱光を出射させる円柱形状の導光ロッドと、を有し、
   前記入射面の直径は、前記検出対象領域の最大長さより長く、
   前記入射面の直径Ｄと、前記導光ロッドの軸方向の長さＬと、前記導光ロッドの屈折率ｎとは、以下の式（１）を満たす、
   検出装置。
   ０．８ｎＤ＜Ｌ＜１．２ｎＤ …（１）
2. 前記チップホルダーおよび前記導光ロッドの間、または前記導光ロッドおよび前記光センサーの間には、波長分離フィルターが配置されている、請求項１に記載の検出装置。
3. 前記導光ロッドは、波長分離機能を有する、請求項１に記載の検出装置。
4. 前記光センサーの受光面の最小長さは、前記出射面の直径より長い、請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出装置。
5. 前記検出チップに向かって励起光を出射する光源をさらに有し、
   前記検出チップは、プリズムと、前記プリズムの一面に配置された金属膜とを有し、
   前記検出対象領域は、前記金属膜の表面の少なくとも一部であり、
   前記標識物質は、蛍光物質であり、
   前記微弱光は、前記プリズムを介して前記金属膜の裏面に照射した励起光により生じる局在場光により励起した前記蛍光物質から放出される蛍光である、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の検出装置。
6. 被検出物質を標識した標識物質から放出される微弱光を検出することにより、前記被検出物質を検出する検出方法であって、
   前記被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定化された検出対象領域を含み、前記標識物質で標識された被検出物質が前記捕捉体に捕捉された検出チップを準備する工程と、
   前記標識物質から放出され、導光ロッドによって導かれた微弱光を、光センサーで検出する工程と、
   を有し、
   前記導光ロッドの入射面の直径は、前記検出対象領域の最大長さより長く、
   前記入射面の直径Ｄと、前記導光ロッドの軸方向の長さＬと、前記導光ロッドの屈折率ｎとは、以下の式（１）を満たす、
   検出方法。
   ０．８ｎＤ＜Ｌ＜１．２ｎＤ …（１）

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