JP2017219512A - 光学的測定方法及び測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(2)前記反射光信号の変化は、前記第1の磁場の印加により前記結合体が前記表面に平行な方向に移動する、または前記表面から遠ざかることによることを特徴とする前記(1)記載の光学的測定方法。
(3)前記結合体が重力沈降によって、前記表面付近に沈降した後に、前記結合体を前記第1の磁場の印加により移動させることを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の光学的測定方法。
(4)前記結合体を引き寄せ磁場の印加により前記表面付近に引き寄せた後に、前記結合体を前記第1の磁場の印加により移動させることを特徴とする前記(1)乃至(3)のいずれか1項記載の光学的測定方法。
(5)前記引き寄せ磁場の印加と、前記第1の磁場の印加を、交互に複数回行うことを特徴とする前記(4)記載の光学的測定方法。
(6)前記結合体は、前記標的物質に、前記近接場に対する光吸収若しくは光散乱を生じる標識物質、または前記標的物質が含まれている溶媒よりも高屈折率の標識物質のうちの少なくともいずれかが結合していることを特徴とする前記(1)乃至(5)のいずれか1項記載の光学的測定方法。
(7)前記結合体は、前記標的物質に、重り物質が結合していることを特徴とする前記(1)乃至(6)のいずれか1項記載の光学的測定方法。
(8)前記表面には、前記結合体の吸着を抑制する化学的な処理が施されていることを特徴とする前記(1)乃至(7)のいずれか1項記載の光学的測定方法。
(9)裏面側から全反射条件で照射される光により表面上に近接場を形成可能な検出板を備え、かつ、標的物質を含む液体の試料及び前記標的物質と結合体を形成する磁性粒子を前記検出板の前記表面上に保持可能な液体保持部と、前記全反射条件で前記検出板の前記裏面側から光を照射する光照射部と、前記検出板で反射した反射光を検出する光検出部と、前記結合体を前記表面に平行な方向又は前記表面から遠ざける方向に移動させる第1の磁場を印加する第1の磁場印加部とを備えることを特徴とする、光学的測定装置。
(10)前記結合体を前記表面に引き寄せる磁場を印加する引き寄せ磁場印加部を備えることを特徴とする前記(9)に記載の光学的測定装置。
(11)前記検出板が、裏面から表面に向けて、光透過性基板、表面プラズモン共鳴を発生する金属層の順で積層された積層構造を備えることを特徴とする前記(9)又は(10)に記載の光学的測定装置。
(12)前記検出板が、裏面から表面に向けて、光透過性基板、金属層又は半導体層、光透過性誘電材料で形成される誘電体層の順で積層された積層構造を備えることを特徴とする前記(9)又は(10)に記載の光学的測定装置。
(13)前記表面は、前記結合体の吸着を抑制する表面であることを特徴とする前記(9)乃至(12)のいずれか1項記載の光学的測定装置。
前記液体保持部は、検出板が配され、かつ、導入される標的物質を含む液体の試料及び前記試料に添加され、前記標的物質と結合して結合体を形成する磁性粒子を前記検出板の表面上に保持するものである。
光照射部は、全反射条件で検出板の裏面側から光を照射可能とされる。
光検出部は、検出板の表面上の領域を検出領域とし照射した光により発生した増強電場と標的物質を含む結合体との相互作用が反映された反射光を、検出可能とするように、反射光の光路上に配される。光検出部としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知のフォトダイオード、光電子増倍管、CMOSイメージセンサ、分光器等の光検出器を用いることができる。
第1の磁場印加部は、検出板の表面から、標的物質と磁性粒子との結合体を遠ざける遠ざけ磁場、または、表面近傍で表面に平行に移動させる方向に磁力を作用させる平行移動用磁場を、印加可能である。結合体は、近接場内においてのみ、近接場との相互作用による反射光信号を発生する。また、近接場の電場強度は検出板の表面から遠ざかるにつれて減衰する。その為、遠ざけ磁場の印加によって結合体が表面から遠ざけられると相互作用が弱まり、さらに、結合体が、近接場の電場強度がゼロとみなせる程度までの距離以上に表面から遠ざけられると、結合体との相互作用による反射光信号が消失することとなる。本発明では、このような反射光信号の変化を検出して、標的物質を検出する。第1の磁場印加部は、結合体を検出板の表面から遠ざける、または表面近傍で移動させることができる磁場の発生が可能であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知の電磁石及び永久磁石のいずれか1つ以上を用いることができる。なお、第1の磁場が印加される方向も、前記結合体を前記検出板の前記表面から遠ざける、または前記表面近傍で平行に移動させることが可能であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜設定することができる。第1の磁場の強さは、一定値であってもよいし、可変としてもよい。磁場の強さを変化する方法としては、例えば、電磁石においては該電磁石に流す電流量を変化させる、永久磁石においては該永久磁石と検出板との距離を変化させる、といった方法が挙げられる。
磁性粒子は、標的物質と結合して結合体を形成し、第1の磁場による磁力によって、標的物質を検出板の表面から遠ざける、または表面近傍で移動させる作用を持つ。磁性粒子としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば公知の磁性酸化鉄ナノ粒子などを用いることができる。
本発明では、標的物質に、近接場に対する光吸収若しくは光散乱を生じる標識物質、または溶媒よりも高屈折率の標識物質を結合させて用いてもよい。標識物質は、標的物質そのものによる反射光信号が微弱で検出が困難な場合に特に有効であり、標的物質に代わって、大きな反射光信号を生じる役目を果たす。光吸収または光散乱を生じる標識物質は、標識物質により反射光強度を減少させることで、反射光信号を増幅する。試料の溶媒よりも高屈折率の標識物質は、共鳴による増強電場を発生させる検出板を用いる場合に、標識物質により共鳴波長や共鳴角の変化を生じさせることで、反射光信号を増幅する。標識物質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。光吸収または光散乱を生じる標識物質としては、例えば公知の色素分子、蛍光物質、ナノ粒子などを用いることができる。蛍光物質としては、例えば公知の蛍光色素や量子ドットなどが挙げられる。ナノ粒子としては、例えば公知のポリスチレンビーズや金ナノ粒子などが挙げられる。溶媒よりも高屈折率の標識物質としては、例えば公知のナノ粒子などを用いることができ、ポリスチレンビーズやシリコンナノ粒子などが挙げられる。
本発明では、近接場を用いて検出板の表面上の標的物質を含む結合体による反射光信号の変化を検出して標的物質を検出するに際し、前記結合体を前記表面から遠ざける方向、または前記表面近傍で平行に移動させる方向の第1の磁場の印加によって生じる反射光信号の変化を計測して、標的物質を検出する。つまり、結合体が、第1の磁場によって、検出板の表面から遠ざかることまたは表面近傍で平行に移動することを以て、前記結合体の検出を行う。この検出機構においては、結合体は、第1の磁場が印加される前には、近接場が発生している領域内に存在していなくてはならない。
光学的測定装置による標的物質の測定に際して、試料には磁性粒子が添加される。また、必要に応じて標識物質及び重り物質が添加される。一般に、磁性粒子、標識物質及び重り物質は、溶液中に分散されて保管されているか、粉末状で保管されており、使用時に試料と混合される。混合の方法は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、(1)試料を液体保持部に注入した後に磁性粒子、標識物質及び重り物質を混合する方法、(2)磁性粒子、標識物質及び重り物質を液体保持部に注入した後に試料を液体保持部に注入する方法、(3)試料と磁性粒子、標識物質及び重り物質とを混合(以下、「事前混合」という。)した後に液体保持部に注入する方法、などの手法を用いることができる。事前混合を採用した場合、磁性粒子を容器越しに磁石で集めながら、容器内を洗浄することによって、容易に磁性粒子及び結合体以外の物質を取り除くことができると共に、結合体の濃縮を行うことができる。その結果、より高精度で高感度な検出が実施可能となり好ましい。
検出板の表面には、結合体を構成する標的物質、磁性粒子、標識物質及び重り物質の吸着を抑制する化学的な表面処理を施しておいてもよい。前記表面処理により、結合体が、検出板の表面に捕捉されることなく、遠ざけ磁場等の第1の磁場印加により検出板の表面から遠ざかる、または表面近傍で移動することが容易となるので好ましい。表面処理の方法は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、タンパク質などの吸着を抑制する各種ブロッキング法を用いることができる。ブロッキング法の例としては、ポリエチレングリコールを用いる手法、エタノールアミンを用いる方法、スキムミルクを用いる方法などが挙げられる。表面処理によって結合体の検出板表面への吸着を抑制すれば、安定した正確な検出が可能となる。
本発明の第1の実施形態を、図3及び4を参照して説明する。本実施形態では、磁性粒子が反射光信号の変化を生じ、磁性粒子同士が標的物質を介して凝集塊を形成する場合について説明する。試料中の標的物質には、1つ以上の磁性粒子が結合可能である。図3及び図4では、抗体付き磁性粒子には複数の抗体が結合し、抗体付き磁性粒子と抗原との結合によって凝集塊が形成される場合を、図示したものである。図3及び図4では、図示しないが全反射条件で検出板2の裏面側から照射された光が形成する近接場が、検出板表面に発生している。結合体は、図1または図2に記載の装置を用いて検出される。また、図3及び4では、磁性粒子の例として抗体付き磁性粒子16で説明し、標的物質の例として抗原15で説明する。
本発明の第2の実施形態を、図5及び6を参照して説明する。本実施形態では、磁性粒子および標的物質による反射光信号が微弱であるか、または反射光信号を生じない場合に、有効な方法である。本実施形態では、標識物質が生じる反射光信号を検知して、試料中の標的物質を検知する。本実施形態では、標的物質を磁性粒子と標識物質とで挟み込んで、所謂サンドイッチ構造をとる場合を例に説明を行う。なお、標識物質が色素であって、標的物質自体に反射光信号を生じる機能を付与する場合については、説明を省略するが、同様である。
本発明の第3の実施形態を、図7、8及び9を参照して説明する。本実施形態では、試料中で、標的物質に磁性粒子と重り粒子を結合させる場合について説明する。標的物質を磁性粒子と重り粒子とで挟み込んで、サンドイッチ構造をとる場合を例に説明を行う。本実施形態では、磁性粒子が反射光信号を生じる場合について説明するが、磁性粒子に加え、重り粒子が反射光信号を生じてもよい。
本発明の第1、第2、第3の実施形態における測定原理の検証の為の実験例1について以下述べる。本実験例1では、図2に記載の光学的測定装置1を用い、具体的には図10に示す構成で装置を構築した。図10の光学的測定装置は、光源の白色LED24と、コリメートレンズと偏光フィルタ25と、プリズム26と、検出板としての導波モード検出板22と、光検出部の分光器27と、遠ざけ磁場印加部28と、引き寄せ磁場印加部29とで構成される。測定試料23を搭載する導波モード検出板22は、導波モードによる増強電場を形成可能な検出板であり、光透過性基板のSiO2層の上に、Si層、SiO2層をこの順番で積層した積層構造を有する。
2 検出板
3 混合溶液
4 光照射部
5 入射光
6 反射光
7 光検出部
8 第1の磁場印加部
9、29 引き寄せ磁場印加部
10、26 プリズム
15 抗原
16 抗体付き磁性粒子
17 抗体付き標識粒子
18 抗体付き重り粒子
22 導波モード検出板
23 測定試料
24 白色LED
25 コリメートレンズと偏光フィルタ
27 分光器
28 遠ざけ磁場印加部
Claims (13)
- 近接場の形成された検出板の表面上の標的物質を含む結合体を、前記近接場を発生させる照射光の反射光信号を用いて検出する標的物質の光学的測定方法であって、
前記結合体は少なくとも前記標的物質と磁性粒子の結合によって形成され、前記結合体を前記表面に平行な方向又は前記表面から遠ざける方向に移動させる第1の磁場の印加によって生じる前記反射光信号の変化を計測して、前記標的物質を検出することを特徴とする、光学的測定方法。 - 前記反射光信号の変化は、前記第1の磁場の印加により前記結合体が前記表面に平行な方向に移動する、または前記表面から遠ざかることによることを特徴とする請求項1記載の光学的測定方法。
- 前記結合体が重力沈降によって、前記表面付近に沈降した後に、前記結合体を前記第1の磁場の印加により移動させることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学的測定方法。
- 前記結合体を引き寄せ磁場の印加により前記表面付近に引き寄せた後に、前記結合体を前記第1の磁場の印加により移動させることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の光学的測定方法。
- 前記引き寄せ磁場の印加と、前記第1の磁場の印加を、交互に複数回行うことを特徴とする請求項4記載の光学的測定方法。
- 前記結合体は、前記標的物質に、前記近接場に対する光吸収若しくは光散乱を生じる標識物質、または前記標的物質が含まれている溶媒よりも高屈折率の標識物質のうちの少なくともいずれかが結合していることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の光学的測定方法。
- 前記結合体は、前記標的物質に、重り物質が結合していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載の光学的測定方法。
- 前記表面には、前記結合体の吸着を抑制する化学的な処理が施されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の光学的測定方法。
- 裏面側から全反射条件で照射される光により表面上に近接場を形成可能な検出板を備え、かつ、標的物質を含む液体の試料及び前記標的物質と結合体を形成する磁性粒子を前記検出板の前記表面上に保持可能な液体保持部と、
前記全反射条件で前記検出板の前記裏面側から光を照射する光照射部と、
前記検出板で反射した反射光を検出する光検出部と、
前記結合体を前記表面に平行な方向又は前記表面から遠ざける方向に移動させる第1の磁場を印加する第1の磁場印加部とを
備えることを特徴とする、光学的測定装置。 - 前記結合体を前記表面に引き寄せる磁場を印加する引き寄せ磁場印加部を備えることを特徴とする請求項9に記載の光学的測定装置。
- 前記検出板が、裏面から表面に向けて、光透過性基板、表面プラズモン共鳴を発生する金属層の順で積層された積層構造を備えることを特徴とする請求項9又は10に記載の光学的測定装置。
- 前記検出板が、裏面から表面に向けて、光透過性基板、金属層又は半導体層、光透過性誘電材料で形成される誘電体層の順で積層された積層構造を備えることを特徴とする請求項9又は10に記載の光学的測定装置。
- 前記表面は、前記結合体の吸着を抑制する表面であることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか1項記載の光学的測定装置。
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