JP2018091737A - 蛍光観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロチャンバアレイにおける蛍光を、簡易でかつ安価な設備により観察する。【解決手段】マイクロチャンバアレイ１は、液滴７を収容する収容部１１を備える。基板２は、収容部１１に存在する蛍光物質１８の蛍光を励起するための励起光を通過させる導波路となっている。基板２と収容部１１との距離は、基板２を通過する励起光から漏れ出す近接場光が収容部１１に到達する距離に設定されている。光源３は、励起光を基板２に入射する。【選択図】図１

Description

本発明は、励起光によって励起される蛍光を観察するための装置に関するものである。

本発明者らは、数マイクロメートルの直径の穴が並んでいるマイクロチャンバアレイを用いた、低濃度ターゲット分子の高感度検出装置（下記特許文献１及び２参照）を提案している。この技術を用いると、マイクロチャンバアレイに封入されたフェムトリットル体積の微小液滴中で酵素結合免疫吸着アッセイ（ＥＬＩＳＡ）を行い、酵素１分子の反応によって生成される蛍光色素を検出することができる。すると、例えばＰＳＡ（前立腺特異抗原）のような分子マーカーを、従来の約１００万倍という超高感度で検出することが可能になる。

ところで、この技術においては、蛍光を励起するための励起光を、マイクロチャンバアレイに照射する必要がある。マイクロチャンバアレイに照射された励起光（透過光又は反射光）は、蛍光を観察するためのカメラに、強い背景光（ノイズ）として入射する。そこで、従来の蛍光観察装置では、強い背景光を除去するための高性能なフィルタをカメラの手前に配置する必要があった。さらに、従来の装置では、マイクロチャンバアレイ全体に励起光を照射するための設備も大がかりとなっていた。このため、従来の蛍光観察装置は、大型でかつ高価であるという問題があった。一方、医療の現場では、小型かつ安価な装置が求められており、従来の蛍光観察装置を病院などの医療施設に配置することには困難があった。

特開２００４−３０９４０５号公報 国際公開２０１２／１２１３１０号公報

本発明は、前記した状況に基づいてなされたものである。本発明の主な目的は、マイクロチャンバアレイにおける蛍光を、簡易でかつ安価な設備により観察できる技術を提供することである。

前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。

（項目１）
マイクロチャンバアレイと、基板と、光源とを備える蛍光観察装置であって、
前記マイクロチャンバアレイは、液滴を収容する収容部を備えており、
前記基板は、前記収容部に存在する蛍光物質の蛍光を励起するための励起光を通過させる導波路となっており、
前記基板と前記収容部との距離は、前記基板を通過する励起光から漏れ出す近接場光が前記収容部に到達する距離に設定されており、
前記光源は、前記励起光を前記基板に入射する構成となっている
蛍光観察装置。

（項目２）
さらに観察部を備えており、
前記観察部は、前記蛍光を観察するためのカメラと、前記カメラに前記蛍光を伝送するための光学系と、前記カメラへの前記励起光の入射量を低減させるためのフィルタとを備えている
項目１に記載の蛍光観察装置。

（項目３）
前記カメラは、スマートフォンその他の携帯端末に内蔵されたカメラである
項目２に記載の蛍光観察装置。

（項目４）
さらにストッパを備えており、
前記光源は、前記基板の端面から前記励起光を前記基板に入射する構成となっており、
前記ストッパは、前記基板の端面近傍に、前記端面を露出させた状態で設置され、かつ、前記励起光の入射方向と交差する方向に延長されて、前記励起光からの迷光を低減させる構成となっている
項目１〜３のいずれか１項に記載の蛍光観察装置。

（項目５）
前記収容部の容量は１０００ｆＬ以下とされている
項目１〜４のいずれか１項に記載の蛍光観察装置。

（項目６）
前記基板への前記光源の入射角度は、前記基板の内部を進む前記励起光の全反射条件を満たす角度に設定されている
項目１〜５のいずれか１項に記載の蛍光観察装置。

（項目７）
前記基板の屈折率は、少なくとも前記導波路を構成する部分においては、前記基板の周囲の屈折率よりも高いものとされている
項目１〜６のいずれか１項に記載の蛍光観察装置。

（項目８）
前記光源は、前記励起光の出射方向に交差し、かつ、前記基板の延長方向に沿う方向に移動可能とされており、これによって、前記励起光を、前記基板の延長方向に沿って走査させることができる構成となっている
項目１〜７のいずれか１項に記載の蛍光観察装置。

（項目９）
項目１〜８のいずれか１項に記載の蛍光観察装置を用いた蛍光観察方法であって、
前記収容部に前記液滴を収容するステップと、
前記光源から、前記励起光を前記基板に入射するステップと、
前記基板が、導波路として、前記励起光を通過させるステップと、
前記基板の内部を通過する励起光から漏れ出す近接場光が、前記収容部に存在する蛍光物質の蛍光を励起するステップと
を備える蛍光観察方法。

（項目１０）
項目３に記載の蛍光観察装置を用いた試料分析方法であって、
前記携帯端末は、前記カメラで撮影された蛍光を解析可能なアプリケーションソフトウエアを備えている
試料分析方法。

本発明によれば、マイクロチャンバアレイ中の蛍光物質の蛍光を、簡易かつ安価な設備により観察することが可能になる。これにより、マイクロチャンバアレイを用いた蛍光観察装置を、病院などの一般的な医療施設に導入することが容易となる。

本発明の一実施形態における蛍光観察装置の概略的な構成を示すための要部断面図である。 図１の装置を用いた蛍光観察方法を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態に係る蛍光観察装置を、図１を参照しながら説明する。

（本実施形態の構成）
本実施形態の蛍光観察装置は、マイクロチャンバアレイ１と、基板２と、光源３とを備えている。さらに、この装置は、観察部４とストッパ５とを追加的に備えている。

（マイクロチャンバアレイ）
マイクロチャンバアレイ１は、液滴７を収容する複数の収容部１１を備えている。より具体的には、本例のマイクロチャンバアレイ１は、下部本体１２と、上部本体１３と、疎水性層１４と、側壁１５とを備えている。

下部本体１２は、図１における紙面に交差する方向に延長された略板状に形成されている。収容部１１は、下部本体１２をその厚さ方向に貫通する貫通孔により形成されている。収容部１１の大きさとしては、たとえば直径１〜１０μｍとすることができる。

上部本体１３は、略板状に形成されており、下部本体１２と平行に、かつ離間して配置されている。疎水性層１４は、上部本体１３の内面（図１における下面）に配置されている。側壁１５は、疎水性層１４あるいは上部本体１３の側部と下部本体１２との側部とを接続するように配置されている。これにより、本実施形態では、疎水性層１４と下部本体１２との間に閉鎖された空間１７が形成されるようになっている。

本例の収容部１１の内部には、蛍光物質１８が配置されている。この蛍光物質１８は、励起光の照射によって蛍光を発するものとなっている。具体的には、蛍光物質としては、例えば、フルオレセイン、レゾルフィン、４ＭＵを用いることができる。

本実施形態の収容部１１の容量は、１０００ｆＬ以下とされている。

前記以外の点におけるマイクロチャンバアレイの構成は、例えば前記特許文献２に記載のものと同様とすることができるので、これ以上詳しい説明は省略する。

（基板）
基板２は、収容部１１に存在する蛍光物質の蛍光を励起するための励起光を通過させる導波路となっている。

基板２と収容部１１との距離は、基板２を通過する励起光から漏れ出す近接場光が収容部１１に到達する距離に設定されている。この距離としては、例えば、０〜１００ｎｍ程度とすることができる。

基板２の屈折率は、少なくとも導波路を構成する部分においては、基板２の周囲の屈折率よりも高いものとされている。具体的には、基板２の材質としては例えば、ガラスを用いることができる。

（光源）
光源３は、励起光を基板２に入射する構成となっている。本実施形態の光源３は、基板２の端面から励起光を基板２に入射する構成となっている。本実施形態の光源３としては、励起光の波長を発光可能なレーザが用いられている。ただし、励起光の波長を含み、かつ必要な発光強度を持つものであれば、他の発光素子、例えばＬＥＤを用いることも可能である。

基板２への光源３の入射角度は、基板２の内部を進む励起光の全反射条件を満たす角度に設定されている。この角度としては、例えば、４０度〜６０度程度とすることができる。

（観察部）
観察部４は、蛍光を観察するためのカメラ４１と、カメラ４１に蛍光を伝送するための光学系４２と、カメラ４１への励起光の入射量を低減させるためのフィルタ４３とを備えている。

本実施形態のカメラ４１は、スマートフォンその他の携帯端末に内蔵されたカメラである。具体的には、このカメラ４１は、結像レンズ４１１とイメージセンサ４１２とを備えている。

（ストッパ）
ストッパ５は、基板２の端面近傍に、この端面を露出させた状態で設置されている。かつ、ストッパ５は、励起光の入射方向と交差する方向に延長されて、励起光からの迷光を低減させる構成となっている。具体的には、本実施形態のストッパ５は、図１において下向きに延長された下部ストッパ５１と、図１において上向きに延長された上部ストッパ５２とを備えている。

（本実施形態の動作）
つぎに、図２をさらに参照して、本実施形態の装置を用いた蛍光観察方法について説明する。

（図２のステップＳＡ−１）
まず、各収容部に液滴を収容する。この収容方法としては、例えば前記した特許文献２に記載の方法を用いることができるので、これについての詳しい説明は省略する。

（図２のステップＳＡ−２及びＳＡ−３）
次に、光源３を駆動して、レーザ光を基板２の端面に入射する（図１参照）。入射されたレーザ光は、基板２の端面からその内部に入り、基板２の延長方向に沿って進行する。すなわち、本実施形態の基板２は、光導波路の機能を発揮する。

ここで、本実施形態では、光源３から基板２への励起光の入射角度を、基板２の内部を進む励起光の全反射条件を満たす角度に設定しているので、励起光を基板２の内部に効率よく導入して、基板２により伝送することができる。

さらに、本実施形態では、基板２の端部近傍にストッパ５を設置したので、光源３から基板２の端部に向けて照射された光がマイクロチャンバアレイ１やカメラ４１の方向に進むことを阻害できる。このため、本実施形態によれば、カメラ４１に入射する迷光（励起光）を低減させることができるという利点もある。

さらに、本実施形態では、光源３からの励起光を、マイクロチャンバアレイ１の方向に向けて（図１では斜め上向きに）照射しているので、カメラ４１に入り込む迷光をさらに減らすことができるという利点もある。

（図２のステップＳＡ−４）
励起光が基板２の内部を進むと、基板２の表面近傍においては、近接場光が基板２の外側にしみ出す。近接場光の到達距離は、ごくわずか（数十ナノメートル以下）であることが知られている。

本実施形態では、基板２と収容部１１との距離を、基板２を通過する励起光から漏れ出す近接場光が収容部１１に到達できる距離としているので、本実施形態によれば、近接場光を蛍光物質１８に照射することができる。すなわち、本実施形態では、近接場光により蛍光を励起することができる。

（図２のステップＳＡ−５）
励起された蛍光は、光学系４２を通り、カメラ４１のイメージセンサ４１２により受光される。すなわち、本実施形態では、蛍光をカメラ４１により撮影することができる。このようにして蛍光観察が可能になる。カメラ４１で撮影された映像は、適宜な解析手法により解析可能である。

ここで、従来の蛍光観察装置では、強い励起光が背景光としてカメラに入射してしまうため、高価なフィルタが必要であった。これに対して、本実施形態では、近接場光を用いて蛍光を励起しているので、カメラ４１に入射する励起光はほとんど無視できるほどに小さい。すなわち、本実施形態では、環境光やわずかに漏れ出た励起光を除去できるような安価で軽量なフィルタ４３を用いることができる。このようなフィルタ４３としては、例えば安価なフィルム状フィルタを用いることができる。したがって、本実施形態によれば、蛍光観察装置を小型化及び軽量化でき、さらには、装置の製造及び運用コストを低減できるという利点がある。

また、従来の蛍光観察装置では、光源をマイクロチャンバアレイに対向して配置しているために、光源装置も大がかりになっていた。これに対して、本実施形態では、基板２の側面に励起光を照射することで蛍光を励起できるので、光源３の構成を簡略化することができる。すなわち、本実施形態では、この点からも、装置の小型化及び軽量化を図ることができ、さらには、装置の製造及び運用コストを低減することができる。

（変形例１）
光源３は、励起光の出射方向に交差し、かつ、基板の延長方向に沿う方向（すなわち、図１における紙面の厚さ方向）に移動可能であってもよい。このように構成すれば、励起光を、基板２の延長方向に沿って走査させることが可能となる。この変形例１の構成によれば、励起光として近接場光を用いた場合においても、２次元的に分散配置されている収容部１１内の蛍光物質に対して、漏れなく励起光を照射することが可能になるという利点がある。

（変形例２）
カメラ４１を内蔵した携帯端末（例えばスマートフォン）は、カメラ４１で撮影された蛍光を解析可能なアプリケーションソフトウエアを備えたものであってもよい。このようにすると、より簡易な設備により蛍光観察及び試料分析を行うことが可能になり、汎用性が増すという利点がある。あるいは、携帯端末からサーバあるいはクラウドにデータを送ることにより、観察結果をいわゆるビッグデータとして用いて、各種用途に活用することも可能である。

なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。

例えば、前記説明において上部や下部とは、区別のための用語に過ぎず、実装における配置状態を限定するものではない。

また、蛍光の撮影条件によっては、フィルタ４３の配置を省略することも可能である。

１ マイクロチャンバアレイ
１１ 収容部
１２ 下部本体
１３ 上部本体
１４ 疎水性層
１５ 側壁
１７ 空間
１８ 蛍光物質
２ 基板
３ 光源
４ 観察部
４１ カメラ
４１１ 結像レンズ
４１２ イメージセンサ
４２ 光学系
４３ フィルタ
５ ストッパ
５１ 下部ストッパ
５２ 上部ストッパ
７ 液滴

Claims (10)

1. マイクロチャンバアレイと、基板と、光源とを備える蛍光観察装置であって、
   前記マイクロチャンバアレイは、液滴を収容する収容部を備えており、
   前記基板は、前記収容部に存在する蛍光物質の蛍光を励起するための励起光を通過させる導波路となっており、
   前記基板と前記収容部との距離は、前記基板を通過する励起光から漏れ出す近接場光が前記収容部に到達する距離に設定されており、
   前記光源は、前記励起光を前記基板に入射する構成となっている
   蛍光観察装置。
2. さらに観察部を備えており、
   前記観察部は、前記蛍光を観察するためのカメラと、前記カメラに前記蛍光を伝送するための光学系と、前記カメラへの前記励起光の入射量を低減させるためのフィルタとを備えている
   請求項１に記載の蛍光観察装置。
3. 前記カメラは、スマートフォンその他の携帯端末に内蔵されたカメラである
   請求項２に記載の蛍光観察装置。
4. さらにストッパを備えており、
   前記光源は、前記基板の端面から前記励起光を前記基板に入射する構成となっており、
   前記ストッパは、前記基板の端面近傍に、前記端面を露出させた状態で設置され、かつ、前記励起光の入射方向と交差する方向に延長されて、前記励起光からの迷光を低減させる構成となっている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の蛍光観察装置。
5. 前記収容部の容量は１０００ｆＬ以下とされている
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の蛍光観察装置。
6. 前記基板への前記光源の入射角度は、前記基板の内部を進む前記励起光の全反射条件を満たす角度に設定されている
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の蛍光観察装置。
7. 前記基板の屈折率は、少なくとも前記導波路を構成する部分においては、前記基板の周囲の屈折率よりも高いものとされている
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の蛍光観察装置。
8. 前記光源は、前記励起光の出射方向に交差し、かつ、前記基板の延長方向に沿う方向に移動可能とされており、これによって、前記励起光を、前記基板の延長方向に沿って走査させることができる構成となっている
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の蛍光観察装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の蛍光観察装置を用いた蛍光観察方法であって、
   前記収容部に前記液滴を収容するステップと、
   前記光源から、前記励起光を前記基板に入射するステップと、
   前記基板が、導波路として、前記励起光を通過させるステップと、
   前記基板の内部を通過する励起光から漏れ出す近接場光が、前記収容部に存在する蛍光物質の蛍光を励起するステップと
   を備える蛍光観察方法。
10. 請求項３に記載の蛍光観察装置を用いた試料分析方法であって、
    前記携帯端末は、前記カメラで撮影された蛍光を解析可能なアプリケーションソフトウエアを備えている
    試料分析方法。

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