JP2021153451A - Detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気体試料中に含まれる物質を検出する検出装置に関する。 The present invention relates to a detection device that detects a substance contained in a gas sample.
酵素反応に伴う補酵素の減少を検出することにより、気体試料中に含まれる特定の物質を検出する検出装置が知られている。 A detection device is known that detects a specific substance contained in a gas sample by detecting a decrease in coenzymes associated with an enzymatic reaction.
このような検出装置としては、例えば、アセトン等のケトン類、又はノネナール等の基質の反応に伴って補酵素であるNADHが減少することを利用して、気体試料中に含まれる基質の検出を行うバイオセンサシステムが特許文献1に開示されている。具体的には、特許文献1のバイオセンサシステムは、補酵素に特定の励起光を照射すると蛍光を発することを利用して補酵素の減少を検出している。特許文献1のバイオセンサシステムでは、基質に起因して補酵素の濃度が変化する酵素近傍へ光ファイバプローブを介して補酵素への励起光の照射、及び補酵素が発する蛍光の検出を行っている。特許文献2には、上記バイオセンサシステムにおいて課題であった励起光及び蛍光の利用効率を向上することにより特定物質の検出精度の向上を図ると共に、装置の小型化を図ることが可能な検出装置を提示している。 As such a detection device, for example, it is possible to detect a substrate contained in a gas sample by utilizing the fact that NADH, which is a coenzyme, decreases with the reaction of a ketone such as acetone or a substrate such as nonenal. The biosensor system to be performed is disclosed in Patent Document 1. Specifically, the biosensor system of Patent Document 1 detects a decrease in coenzyme by utilizing the fact that when a coenzyme is irradiated with a specific excitation light, it emits fluorescence. In the biosensor system of Patent Document 1, the coenzyme is irradiated with excitation light via an optical fiber probe in the vicinity of the enzyme whose coenzyme concentration changes due to the substrate, and the fluorescence emitted by the coenzyme is detected. There is. Patent Document 2 describes a detection device capable of improving the detection accuracy of a specific substance and downsizing the device by improving the utilization efficiency of excitation light and fluorescence, which has been a problem in the biosensor system. Is presented.
励起光は検出信号のS/N比を悪化させる不要光となる。そのため、不要励起光が検出部に受光される割合を減少させるために、特許文献2に記載の技術では、受光側コリメートレンズの焦点位置において励起光が最もデフォーカスされるように受光側コリメートレンズが配置されていた。 The excitation light becomes unnecessary light that deteriorates the S / N ratio of the detection signal. Therefore, in order to reduce the rate at which unnecessary excitation light is received by the detection unit, in the technique described in Patent Document 2, the light receiving side collimating lens is defocused most at the focal position of the light receiving side collimating lens. Was placed.
しかし、実際に、検出部に受光される励起光と蛍光の受光量を計算してみると、特許文献2に記載の光学系では、励起光の受光量が最小となるように設定される場合、蛍光の受光量も大きく低下してしまうことが分かった。すなわち、S/N比の改善という視点からみると、特許文献2に記載の光学系は最適な光学系の構成とは言えないという問題があった。 However, when the amount of excitation light and fluorescence received by the detection unit is actually calculated, in the optical system described in Patent Document 2, the amount of excitation light received is set to be the minimum. It was also found that the amount of light received by fluorescence was greatly reduced. That is, from the viewpoint of improving the S / N ratio, there is a problem that the optical system described in Patent Document 2 cannot be said to have an optimum optical system configuration.
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、励起光に対する蛍光の利用効率を高める検出装置を提供することを課題の1つとする。 The present invention has been made in view of the above points, and one of the problems is to provide a detection device that enhances the utilization efficiency of fluorescence with respect to excitation light.
本願請求項1に記載の検出装置は、気体試料が流れる気体流路と、励起光が照射されることで蛍光を発する補酵素を含む溶液が流れる溶液流路と、前記溶液と前記気体試料に接しつつ前記気体流路と前記溶液流路を隔てるように形成され、かつ前記補酵素と結合することで前記気体試料の化学反応を触媒する酵素を保持する酵素保持膜と、を含む反応部と、 一の軸に沿って、前記反応部の前記気体流路側から前記酵素保持膜に前記励起光を照射する励起光光学系と、前記蛍光を受光するように前記一の軸上に設けられ、かつ前記一の軸に沿った導光路を形成する導光部材と、を備え、前記励起光光学系は、前記一の軸上の前記酵素保持膜よりも前記気体流路側、又は前記一の軸上の前記導光部材内のいずれかの一の領域に前記励起光を集光するように構成されることを特徴とする。 The detection device according to claim 1 of the present application includes a gas flow path through which a gas sample flows, a solution flow path through which a solution containing a coenzyme that emits fluorescence when irradiated with excitation light flows, and the solution and the gas sample. A reaction section including an enzyme-retaining membrane that is formed so as to separate the gas flow path and the solution flow path while being in contact with the gas sample and holds an enzyme that catalyzes a chemical reaction of the gas sample by binding to the coenzyme. Along one axis, an excitation photooptical system that irradiates the enzyme holding film with the excitation light from the gas flow path side of the reaction unit, and an excitation photooptical system that receives the fluorescence are provided on the one axis. The excitation optical optical system includes a light guide member that forms a light guide path along the one axis, and the excitation photooptical system is closer to the gas flow path than the enzyme holding film on the one axis, or the one axis. It is characterized in that it is configured to collect the excitation light in any one region in the light guide member.
以下、図面を参照しつつ本発明による実施例について説明する。なお、実施例において、実質的に同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, examples according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the examples, components having substantially the same function and configuration are designated by the same reference numerals, so that duplicate description will be omitted.
図1は、本発明の実施例である検出装置としてのバイオセンサ10の一の軸AXに沿った断面を示している。
FIG. 1 shows a cross section of a
図1において、検出装置としてのバイオセンサ10は、アポ酵素と結合する補酵素が発する蛍光を検出して、検出対象である基質を検出する装置である。
In FIG. 1, the
具体的には、バイオセンサ10の基質の検出に用いる補酵素は、基質の反応前後の一方の状態において励起光により励起されて蛍光を発する。したがって、バイオセンサ10は、基質の反応によって補酵素が発する蛍光の光量が変化することを利用して、基質を検出する。
Specifically, the coenzyme used for detecting the substrate of the
例えば、化1に示すように、補酵素としてNADH(還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)を用いた場合、酵素であるS−ADHは、基質であるアセトンが2−プロパノールに還元される反応を触媒する。この際、補酵素であるNADHは、酵素反応によりNAD+(酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)に酸化される。 For example, as shown in Chemical formula 1, when NADH (reduced nicotinamide adenine dinucleotide) is used as a coenzyme, the enzyme S-ADH catalyzes the reaction in which the substrate acetone is reduced to 2-propanol. do. At this time, the coenzyme NADH is oxidized to NAD + (oxidized nicotinamide adenine dinucleotide) by an enzymatic reaction.
ここでNADHは、所定の波長の励起光を受けて蛍光を発するが、同じ波長の励起光をNAD+が受けても蛍光を発しない。したがって、この反応の前後において検出される蛍光強度は変動する。 Here, NADH receives excitation light of a predetermined wavelength and emits fluorescence, but does not emit fluorescence even if NAD + receives excitation light of the same wavelength. Therefore, the fluorescence intensity detected before and after this reaction fluctuates.
本実施例のバイオセンサ10は、このNADHが発する蛍光の光量を測定することにより基質の濃度を測定する装置である。
The
バイオセンサ10は、図1に示すように、励起光光学系20とフローセル30と蛍光光学系50とを有する。バイオセンサ10は、ケースC1〜C5が図示しないネジ締結等によって連結され一体となって、光源LT、励起光光学系20、フローセル30、導光部材40、蛍光光学系50、光検出素子60の各々の周囲を覆う筒状に形成されている。すなわち、ケースC1〜C5は、光源LT、励起光光学系20、フローセル30、導光部材40、蛍光光学系50、光検出素子60を一の軸AX上に沿って内部に収容する。したがって、ケースC1〜C5からなるバイオセンサ10は、その内部に外光が入らないように構成されている。
As shown in FIG. 1, the
[励起光光学系20]
図1において、ケースC1に収納される光源LTは、励起光を出射する発光装置である。光源LTは、例えば、励起光としてピーク波長が340nmである紫外光を出射する紫外光発光ダイオードである。発光装置は、紫外光発光ダイオードに限られず、例えば、紫外レーザーダイオード、水銀ランプ等を用いることができる。
[Excitation optical optical system 20]
In FIG. 1, the light source LT housed in the case C1 is a light emitting device that emits excitation light. The light source LT is, for example, an ultraviolet light emitting diode that emits ultraviolet light having a peak wavelength of 340 nm as excitation light. The light emitting device is not limited to the ultraviolet light emitting diode, and for example, an ultraviolet laser diode, a mercury lamp, or the like can be used.
ケースC1に一端が連結されるケースC2に収納される励起光光学系20は、一の軸AX上において、光源LTから出射された励起光を伝達する光学系である。励起光光学系20は、励起光を一の軸AX上に向けて集光する。一の軸AXは、本実施例においては励起光の光軸と同一の軸である。
The excitation optical
励起光光学系20は、励起光を平行光にするコリメートレンズ21と、コリメートレンズ21によって平行光にされた励起光を一の軸AX上に集光する集光レンズであるボールレンズ22を含む。なお、ボールレンズ22は、少なくとも、導光部材40の開口数よりも高い開口数を有して構成されている。
The excitation optical
ボールレンズ22は、集光レンズの中でも焦点距離が短いため、バイオセンサ10の構成をより小型にすることができる。またボールレンズ22は集光レンズの中でも開口数(NA)が大きく、より多くの励起光を取り込むことが可能である。
Since the
コリメートレンズ21とボールレンズ22の間には、励起光の波長を透過する励起光バンドパスフィルタEFが設けられている。励起光バンドパスフィルタEFが透過させる帯域は、補酵素が励起する励起光の波長を含む帯域である。補酵素に340nmの紫外線を吸収して蛍光を発するNADHを用いているので、励起光バンドパスフィルタEFは、例えば検出蛍光帯域と干渉する波長400nm以上の可視光を低減する。
An excitation light bandpass filter EF that transmits the wavelength of the excitation light is provided between the collimating
[フローセル30]
ケースC2の他端側には、一の軸AX上においてケースC3と連結されて、フローセル30が構成されている。フローセル30は、化1に示した酵素反応が行われる反応部として機能する。フローセル30は、基質を含む気体試料が流れる気体流路31と、補酵素を含む溶液を保持する溶液流路32と、酵素を保持する多孔性膜である酵素保持膜33と、を有する。
[Flow cell 30]
On the other end side of the case C2, a
ケースC2には、一の軸AXに垂直な方向にケースC2を貫通して設けられた2つの貫通穴HAが形成されている。この2つの貫通穴HAに気体流路31を挿通することで、気体流路31を一の軸AX上に取付けることができる。気体流路31は、フローセル30の光源LT側には、励起光を透過させる透光性の窓Wを有している。
The case C2 is formed with two through holes HA provided through the case C2 in a direction perpendicular to one axis AX. By inserting the
ケースC3には、一の軸AXに垂直な方向にケースC3を貫通して設けられた2つの貫通穴HBが形成されている。この2つの貫通穴HBに管構造を有する溶液流路32を挿通することで、溶液流路32を一の軸AX上に取付けることができる。
The case C3 is formed with two through holes HB provided so as to penetrate the case C3 in a direction perpendicular to one axis AX. By inserting the
ここで、気体流路31は、例えば、少なくとも一の軸AX上の励起光ビームを透過させる透光性の管のような構造となっていてもよいし、透光性のシャーレ状容器のような構造になっていてもよい。また、溶液流路32は、補酵素を含む溶液を流す、例えば、少なくともの一の軸AX上の励起光ビームを透過させる透光性の管のような構造となっていてもよいし、透光性のシャーレ状容器のような構造になっていてもよい。この場合、溶液流路32の励起光ビームが照射される領域以外については、励起光の迷光を低減させるため遮光性の部材で形成するようにしてもよい。
Here, the
気体流路31に流れる気体試料に含まれる基質は、ケトン基、アルデヒド基のいずれかを含んでいる。
The substrate contained in the gas sample flowing through the
図2は、一の軸AXに沿った反応部であるフローセル30の部分の拡大断面を示している。
FIG. 2 shows an enlarged cross section of a portion of the
図2に示すように、溶液流路32は、溶液の流れ方向の上流側に設けられている上流側接続部と、溶液の流れ方向の下流側に設けられている下流側接続部と、上流側接続部及び下流側接続部から光源LT側に向かって湾曲して形成されている湾曲部(円筒部CBの内壁)と、を有する。
As shown in FIG. 2, the
円筒部CBの内壁は、一の軸AXに沿って伸びる溶液流路32の一部の貫通穴H2である。貫通穴H3は、導光部材40の外径と同等の大きさを有する小径部と、小径部から蛍光光学系50に向かって拡径して形成された拡径部と、を有する。
The inner wall of the cylindrical portion CB is a through hole H2 that is a part of the
したがって、導光部材40を小径部H3に嵌め合わせることにより、導光部材40は、フローセル30(ケースC3)によって溶液流路32の一部として保持される。
Therefore, by fitting the
溶液流路32を流れる溶液は、補酵素と、酵素や補酵素の至適pH値を考慮したpH値を有する緩衝液と、を成分として含んでいる。当該溶液に含まれる補酵素は、基質の反応前後の一方の状態において励起光により励起されて蛍光を発するものが用いられる。このような補酵素の一例としては、NADH、NADPH(還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸)等が挙げられる。なお、補酵素は、基質の反応前後の2つの状態の間で可逆的に化学構造が変化する。
The solution flowing through the
酵素を保持する酵素保持膜33(すなわち酵素が固定化された多孔質膜)は、気体流路31の貫通穴H1と溶液流路32の貫通穴H2とを塞ぐように、気体流路31と溶液流路32との両方に接して設けられている。すなわち、酵素保持膜33は、保持されている酵素が溶液流路32の溶液及び気体流路31の気体試料に接触可能であり、かつ溶液流路32と気体流路31とを隔てる隔膜である。
The enzyme retention membrane 33 (that is, the porous membrane on which the enzyme is immobilized) that retains the enzyme is formed with the
酵素保持膜33は、膜材料である多孔質膜に酵素が固定化されたものである。酵素保持膜33の担体としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリフッ化ビニリデン、ニトロセルロース、セルロース等が挙げられる。
The enzyme-retaining
酵素保持膜33に保持される酵素は、補酵素としてNADH又はNADPHを用いる場合、例えば、アラニン脱水素酵素、アルコール脱水素酵素、アルデヒド脱水素酵素、イソクエン酸脱水素酵素、ウリジン−5’−ジホスフォ−グルコース脱水素酵素、ガラクトース脱水素酵素、ギ酸脱水素酵素、グリセルアルデヒド−3−リン酸脱水素酵素、グリセロール脱水素酵素、グリセロール−3−リン酸脱水素酵素、グルコース脱水素酵素、グルコース−6−リン酸脱水素酵素、グルタミン酸脱水素酵素、コレステロール脱水素酵素、サルコシン脱水素酵素、ソルビトール脱水素酵素、炭酸脱水素酵素、乳酸脱水素酵素、3−ヒドロキシ酪酸脱水素酵素、ピルビン酸脱水素酵素、フルクトース脱水素酵素、6−ホスフォグルコン酸脱水素酵素、ホルムアルデヒド脱水素酵素、マンニトール脱水素酵素、リンゴ酸脱水素酵素、ロイシン脱水素酵素等を挙げることができ、特に、NADH又はNADPHを電子供与体として用いてケトン(アセトン、2−ブタノン、2−ペンタノン等)又はアルデヒド(ノネナール等)を還元する酵素、より具体的には、二級アルコール脱水素酵素(S−ADH)(二級アルコール脱水素酵素(secondary alcohol dehydrogenase) EC:1.1.1.x)、エノン還元酵素(ER1)(エノン還元酵素(enone reductase type 1, ER1))等が利用できる。
When NADH or NADPH is used as the coenzyme, the enzyme retained in the
ケースC2には、気体流路31に接するように一の軸AXに垂直な方向において互いに対向して突出する円環状内壁CCが形成されている。円環状内壁CCは、一の軸AX上において、貫通穴HAと貫通穴HBとの間に形成されている。
The case C2 is formed with an annular inner wall CC that projects so as to be in contact with the
ケースC3には、酵素保持膜33を介して気体流路31に連結するように一の軸AXに平行な方向において気体流路31へ突出する円筒部CBが形成されている。
The case C3 is formed with a cylindrical portion CB that projects into the
円環状内壁CCに酵素保持膜33を被せて、これを挟んで円筒部CBを嵌め込むことによって、酵素保持膜33が一の軸AX上に取付けられている。すなわち、この円環状内壁CCは、酵素保持膜33を一の軸AX上の円筒部CBに取付可能とする取付部として機能する。このように、ケースC2、C3により、気体流路31、液体流路32及び酵素保持膜33は着脱可能となっている。
The enzyme-retaining
フローセル30は、一の軸AXに沿って延在する導光部材40の側面SSと貫通孔H3の拡径部の壁部との間に空間SPを有している。導光部材40の屈折率をn1、空間SPの屈折率をn2とすると、開口数(NA)は以下の式で与えられる。
The
ここで、導光部材40の屈折率n1が固定された条件下で開口数(NA)を最大とするためには、n2を1、すなわち空間SPを空気とする必要がある。よって、導光部材40は、その側面SSの周囲を空気層とすることで開口数(NA)が最大となる。
Here, in order to maximize the numerical aperture (NA) under the condition that the refractive index n 1 of the
ここで、導光部材40の導光路41は、励起光が導光される量を少なくするように形成するとよい。具体的には、フローセル30の溶液流路32を通過した励起光の少なくとも一部の導光部材40に対する入射角は、導光部材40の導光路41の内面で全反射可能な最大受光角よりも大きくなるようにするとよい。
Here, the
[蛍光光学系50]
図1に示すように、ケースC3に一端が、他端がケースC5に連結されるケースC4に収納される蛍光光学系50は、蛍光等を集める導光部材40と、蛍光等を平行光にする受光側コリメートレンズ51と、受光側コリメートレンズ51によって平行光にされた蛍光を一の軸AX上に集光する集光レンズ52を含む。蛍光光学系50は、一の軸AX上において、導光部材40から出射された蛍光を主に光検出素子60(ケースC5に収納されている)へ供給する光学系である。
[Fluorescent optical system 50]
As shown in FIG. 1, the fluorescent
導光部材40は、一の軸AX上において、フローセル30の溶液流路32に接して設けられている。導光部材40は、本実施例においては円柱状に形成されている。導光部材40は、円柱状以外の形状でもよく、例えば、非平面の端面を持つ円柱状、多角柱状、円錐台状の形状であってもよい。
The
導光部材40は、屈折率が均一なガラス等の同一素材で構成されている。なお、導光部材40は、屈折率が均一なガラス等の同一素材に限られず、例えば、互いに屈折率が異なるコア及びクラッドの2つの素材で構成されるようにしてもよい。また、導光部材40は、測定する蛍光波長に対して吸収が少ない、例えば、吸収係数が0.1以下の素材で構成されていてもよい。導光部材40の側面周囲には一の軸AXに沿って形成されている導光路41が設けられている。
The
導光部材40と光検出素子60の検出面との間に蛍光の波長を含む帯域を透過する光学フィルタが設けられている。例えば、受光側コリメートレンズ51と集光レンズ52との間には、蛍光の波長を含む帯域を透過する蛍光バンドパスフィルタFFが設けられている。補酵素であるNADHが励起することにより発する蛍光の波長は、450〜510nm、より具体的には491nm付近である。従って、本実施例においては、蛍光バンドパスフィルタFFが透過させる波長の範囲は、440〜510nmとしている。
An optical filter that transmits a band including a wavelength of fluorescence is provided between the
一の軸AX上において、集光レンズ52を通過した蛍光を検出する光検出素子60が設けられている。光検出素子60は、光電子増倍管、フォトダイオード検出器、及びこれらを含む分光光度計を含み、検出した蛍光の光量、若しくは分光特性に基づいて気体試料中における基質の濃度を検出する。
A
[励起光光学系20の励起光の光線追跡]
図3は、光源LTから出射された励起光の態様を示している。図3において、一点鎖線矢印は、励起光LT1(紫外光)を示す。光源LTから照射された励起光LT1は、コリメートレンズ21で平行光にされる。図4は、図3に示す励起光LT1の集光点の周りの要部M1を説明する拡大部分断面図である。
[Ray tracing of excitation light of excitation optical optical system 20]
FIG. 3 shows an aspect of the excitation light emitted from the light source LT. In FIG. 3, the alternate long and short dash arrow indicates the excitation light LT1 (ultraviolet light). The excitation light LT1 emitted from the light source LT is made into parallel light by the collimating
コリメートレンズ21で一の軸AXと平行光にされた励起光LT1は、励起光バンドパスフィルタEFにおいて、所定の帯域以外の波長を有する光が低減される。励起光バンドパスフィルタEFを通過した励起光LT1は、ボールレンズ22によってフローセル30の溶液流路32に向けて集光される。
The excitation light LT1 collimated with the one axis AX by the collimating
実施例1においては、溶液流路32の溶液内で励起光LT1が発散光となるように、ボールレンズ22により酵素保持膜33に向かって集光される。これは、励起光LT1の集光位置が一の軸AX上の酵素保持膜33の光源LT側(気体流路31内でも、その外の励起光LT1の光源LTに近い側でもよい)とすることにより、達成できる。励起光LT1の集光位置の調整は、一の軸AX上のボールレンズ22の位置を変える、ボールレンズ22の屈折率を変えて集光位置を変える、もしくは、焦点距離fの短いレンズに置き換えることで可能となる。
In the first embodiment, the excitation light LT1 is focused toward the
図4に示すように、実施例1の励起光光学系20によれば、励起光LT1を、酵素保持膜33の光源LT側(気体流路31内でも、その外の励起光LT1の光源LTに近い側でもよい)で集光させて、溶液流路32の溶液では拡散過程の状態でNADH群を励起させる故に、光検出素子60の検出面への集光率が励起光LT1についてはなるべく低く、更に、蛍光LT2についてはなるべく高くなるように調整できる。
As shown in FIG. 4, according to the
このように、ボールレンズ22により酵素保持膜33に向かって励起光LT1が集光されるとき、集光位置が酵素保持膜33と溶液流路32の溶液の間でなく、酵素保持膜33の光源LT側(気体流路31内でも、その外の励起光LT1の光源LTに近い側でもよい)に来るようにすれば、溶液流路32の溶液内では励起光LT1が発散光の状態になるように、励起光光学系20を設定することができる。これにより、後段のコリメートレンズの配置により励起光LT1のコリメート(光検出素子60への導光)を抑制することもできる。
In this way, when the excitation light LT1 is focused toward the
また、ボールレンズ22は、導光部材40の開口数よりも大きい開口数で構成されているため、一の軸AXに対して鋭角に導光路41に入射する励起光LT1が増加する。すなわち、導光路41の最大受光角よりも大きい入射角度で導光路41に入射する励起光LT1の量が増加する。この結果、導光部材40を導光せずに外部の導光路41に透過する励起光LT1の量が多くなる。
Further, since the
なお、受光側コリメートレンズ51で平行光にされた励起光LT1は、蛍光バンドパスフィルタFFによって反射又は吸収される。
The excitation light LT1 made parallel by the light receiving
[蛍光光学系50の蛍光の光線追跡]
図3において、二点鎖線矢印は、蛍光LT2を示す。補酵素は励起光LT1を受光すると、蛍光LT2を発する。蛍光LT2は、溶液流路32の溶液中を透過して導光部材40に入射する。導光部材40を導光した蛍光LT2は、導光部材40の出射端から受光側コリメートレンズ51に向けて出射される。
[Fluorescent ray tracing of fluorescent optical system 50]
In FIG. 3, the alternate long and short dash arrow indicates fluorescent LT2. When the coenzyme receives the excitation light LT1, it emits a fluorescent LT2. The fluorescent LT2 passes through the solution in the
受光側コリメートレンズ51によってコリメートされた蛍光LT2は、蛍光バンドパスフィルタFFによって所定の帯域以外の波長を有する光が低減される。蛍光バンドパスフィルタFFを通過した蛍光LT2は、集光レンズにて光検出素子60の検出面に向けて集光される。
In the fluorescent LT2 collimated by the light receiving
蛍光光学系50に蛍光バンドパスフィルタFFが設けられることにより、集光レンズ52に到達する励起光の光量は低減されるが、蛍光バンドパスフィルタFFの透過帯域以外の光に対する減衰率は0とはならないため、励起光を完全に除去することはできない。このため、光検出素子60の検出面に到達する励起光の光量をさらに低減させることができれば、蛍光の測定精度をより向上させることができる。この点において、上記のように励起光LT1の集光点(気体流路31中)を蛍光LT2の光源(溶液流路32内の励起されたNADH群)から遠ざけたことで、励起光LT1のみを光検出素子60の検出面上でデフォーカス可能となる。
By providing the fluorescent bandpass filter FF in the fluorescent
励起光LT1の集光位置が酵素保持膜33の手前にある実施例1にて、その効果を、比較例を用いて以下に示す。
In Example 1 in which the focusing position of the excitation light LT1 is in front of the
従来技術のように励起光の集光点と蛍光の光源(励起されたNADH群)の位置が非常に近い光学系を比較例として、比較例と本実施例のように励起光の集光点を蛍光の光源から遠ざけた光学系のそれぞれについて、受光側コリメートレンズ51を一の軸AX方向に沿って移動させた場合の、光検出素子による励起光及び蛍光の受光量をシミュレートした。
As a comparative example, an optical system in which the positions of the excitation light condensing point and the fluorescent light source (excited NADH group) are very close to each other as in the prior art is used as a comparative example, and the excitation light condensing point is as in the comparative example and the present embodiment. For each of the optical systems away from the fluorescent light source, the amount of excitation light and fluorescence received by the light detection element when the light receiving
図5は、比較例による、励起光の集光位置が溶液流路32内にあって、受光側コリメートレンズ51を一の軸AX方向に移動させた場合の、光検出素子60の検出面上で蛍光LT2の受光量S及び励起光LT1の受光量Rの変化を示す。また、図6は、実施例1による図4の状態(励起光LT1の集光位置が酵素保持膜33の光源LT側に存在)で、受光側コリメートレンズ51を一の軸AX方向に移動させたときの、光検出素子60の検出面上で蛍光LT2の受光量S及び励起光LT1の受光量Rの変化を示す。比較例の場合では、Pc位置において励起光LT1の受光量Rはボトムに近いが、蛍光LT2の受光量Sもボトムの位置にあり、光学系としてのS/N比は最適になっていない。
FIG. 5 shows a comparative example on the detection surface of the
一方、ボールレンズ22を比較例のPc位置から一の軸AX方向に励起光LT1の光源LTに近い側に移動させて、励起光LT1の集光位置を酵素保持膜33の手前に来るようにし、この状態で受光側コリメートレンズ51を一の軸AX方向に移動させたときの蛍光LT2及び励起光LT1の受光量の変化をみると図6のようになる。図6において受光側コリメートレンズ51を位置P1の位置にしたとき、蛍光LT2の受光量が最大近くになると同時に励起光LT1の受光量が最小とすることができている。蛍光光学系50の設定は、S(蛍光LT2の受光量)/R(励起光LT1の受光量)が最大となるようにすることが好ましいため、蛍光光学系50は、化学反応が起きていない状態において、光検出素子60により検出される励起光LT1の光量に対する蛍光LT2の光量の比(S/R)が所定比以上となるように構成される。
On the other hand, the
この結果、本実施例によれば、蛍光光学系50は、導光部材40を通過した励起光LT1が光検出素子60の検出面上においてデフォーカスされるように構成されている。蛍光光学系50は、一の軸AXに沿って配置され、かつ導光部材40を通過した蛍光LT2の少なくとも一部を光検出素子60の検出面に集光させる。したがって、光検出素子60の検出面において検出される励起光LT1の受光量を減らすことが可能となり、検出精度の向上を図ることが可能となる。
As a result, according to the present embodiment, the fluorescence
図7は、本発明の実施例2に係る検出装置の構成を示す断面図である。図8は、図7に示す励起光LT1の集光点の周りの要部M2を説明する拡大部分断面図である。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the detection device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8 is an enlarged partial cross-sectional view illustrating the main part M2 around the focusing point of the excitation light LT1 shown in FIG.
本実施例は、図7、図8に示すように、励起光LT1の集光位置を酵素保持膜33の光源LT側に置き溶液流路32の溶液内で励起光LT1が発散光の状態とすることに代えて、溶液流路32の溶液内で励起光LT1が集光過程の状態になるように光学系を構成して励起光LT1の集光位置が導光部材40内にある以外、第1の実施例と同一である。
In this embodiment, as shown in FIGS. 7 and 8, the focusing position of the excitation light LT1 is placed on the light source LT side of the
本実施例の励起光LT1が集光点の調整は、ボールレンズ22の位置を変える、ボールレンズ22の屈折率を変えて集光位置を変える、もしくは、焦点距離fの長いレンズに置き換えることで、達成できる。導光部材40内で励起光LT1を集光させ、溶液流路32の溶液では集光過程の状態で励起させることにより、励起光LT1の集光点を蛍光LT2の光源(励起されたNADH群)から遠ざけ、励起光LT1のみを光検出素子60の検出面上でデフォーカス可能となる。
The excitation light LT1 of this embodiment adjusts the focusing point by changing the position of the
図9は、実施例2による、励起光LT1の集光位置が導光部材40内にあるようにボールレンズ22を移動させたのち、受光側コリメートレンズ51を比較例(図5)のPc位置から一の軸AX方向に移動させたときの蛍光LT2及び励起光LT1のS(蛍光LT2の受光量)/R(励起光LT1の受光量)の変化を示す。受光側コリメートレンズ51を位置P2(蛍光受光量の2番目に大きい極大の近傍&励起光受光量最小となる位置)にしたとき、比較例の場合(Pc位置)に対して蛍光LT2の受光量Sが増加し、かつ励起光LT1の受光量Rは最小に近くなる。このとき、実施例1と比較すると蛍光LT2の受光量Sは低いものとなるが、S/N比の劣化要因である励起光LT1の受光量が最小となるという意味では、実施例1と同様の効果が得られる。
In FIG. 9, the
図10は、本発明の実施例3に係る検出装置における一の軸AXに沿った気体流路31、溶液流路32及び酵素保持膜33における励起光LT1の集光状態の要部M3を説明する拡大部分断面図である。
FIG. 10 describes a main part M3 of the focused state of the excitation light LT1 in the
本実施例は、図10に示すように、励起光光学系20が一の軸AX上に配されて励起光LT1を遮光可能な遮光膜70を含んでいる以外、第2の実施例と同一である。
As shown in FIG. 10, this embodiment is the same as that of the second embodiment except that the excitation optical
本実施例は、溶液流路32の溶液内で励起光LT1が集光過程の状態になる光学系の実施例2の変形例であって、導光部材40は、一の軸AX上の溶液流路32側に励起光LT1の少なくとも一部を遮る遮光膜70を有する。すなわち、励起光LT1が照射される導光部材40の受光面に、励起光LT1を遮光するための遮光膜70を設けるようにしてもよい。
This example is a modification of Example 2 of the optical system in which the excitation light LT1 is in the state of condensing in the solution of the
本実施例により、導光部材40に入射する励起光LT1を減らせるため、蛍光LT2の検出感度を高める(S/N比をさらに高める)ことができる。
According to this embodiment, the excitation light LT1 incident on the
なお、遮光膜70は、吸光膜でも反射膜でもよい。反射膜の場合、反射した励起光LT1により、補酵素が再度励起されるため、励起光LT1の励起効率を高めることができる。
The light-shielding
本実施例の遮光膜70により、導光部材40に入射できない蛍光LT2も発生するが、図のように蛍光LT2は補酵素の一つ一つからあらゆる方向に放射される放射光であるため、一部の放射光は、遮光膜70で遮光されることなく導光部材40に入射する。これに対して、励起光LT1は集光であるため、遮光膜70に向かう部分の光は導光部材40に入射できない。
The light-shielding
また、遮光膜70は、導光部材40の受光面上の励起光LT1のスポット全体を覆い隠すものであってもよいし、特にエネルギー密度の高い励起光LT1ビーム中心を含む一部のみを覆い隠すものであってもよい。
Further, the light-shielding
以上のように、本実施例に係るバイオセンサ10によれば、一の軸AX上を直進する励起光LT1を遮断することができる。また、導光部材40に入射される励起光LT1の入射角度を大きくすることができ、多くの励起光LT1を導光路41において導光させないようにすることができる。この結果、光検出素子60の検出面で検出される励起光LT1の受光量を減らすことができ、検出精度の向上を図ることが可能となる。
As described above, according to the
図11は、本発明の実施例4に係る検出装置としてのバイオセンサ10の一の軸AXに沿った断面を示している。
FIG. 11 shows a cross section of the
本実施例は、図11に示すように、励起光光学系20における集光レンズの肉厚の厚いボールレンズ22に代えて励起光LT1を出射する平面を有する平凸レンズ22a等の肉厚の薄い集光レンズに置き換え以外、上記の実施例と同一である。
In this embodiment, as shown in FIG. 11, the wall thickness of the plano-
ボールレンズ22は、その形状からレンズが厚くなりバックフォーカス距離が短くなるため、一の軸AX方向の移動範囲が狭くなる。本実施例によれば、ボールレンズを平凸レンズ22aに置き換えることで集光レンズの移動範囲が狭くなる問題を改善することができる。
Due to the shape of the
また、平凸レンズ22aの方がボールレンズ22に比べてコスト的にも有利になると考えられる。このとき、平凸レンズの集光レンズ22aによってボールレンズ22よりも焦点距離fを長くすることにより、一の軸AX上を移動させたときの励起光LT1の集光状態の変化が緩くなることから調整がしやすくなる。
Further, it is considered that the plano-
上述した実施例における機器、装置の構成等は、例示に過ぎず、用途等に応じて、適宜選択又は変更することができる。例えば、本装置は酵素を利用して気体中に含まれる微量な有機揮発成分量を選択性良く検出するバイオセンサであり、環境計測、医療用生体診断、運動生理計測、製造ライン計測等で利用される。 The equipment, the configuration of the device, etc. in the above-described embodiment are merely examples, and can be appropriately selected or changed depending on the intended use and the like. For example, this device is a biosensor that selectively detects a small amount of organic volatile components contained in a gas using an enzyme, and is used for environmental measurement, medical biodiagnosis, exercise physiology measurement, production line measurement, etc. Will be done.
10 バイオセンサ
20 励起光光学系
30 フローセル
31 気体流路
32 溶液流路
33 酵素保持膜
40 導光部材
41 導光路
50 蛍光光学系
51 受光側コリメートレンズ
52 集光レンズ
60 光検出素子
70 遮光膜
AX 一の軸
10
Claims (9)
一の軸に沿って、前記反応部の前記気体流路側から前記酵素保持膜に前記励起光を照射する励起光光学系と、
前記蛍光を受光するように前記一の軸上に設けられ、かつ前記一の軸に沿った導光路を形成する導光部材と、
を備え、
前記励起光光学系は、前記一の軸上の前記酵素保持膜よりも前記気体流路側、又は前記一の軸上の前記導光部材内のいずれかの一の領域に前記励起光を集光するように構成されることを特徴とする検出装置。 A gas flow path through which a gas sample flows, a solution flow path through which a solution containing a coenzyme that emits fluorescence when irradiated with excitation light flows, and the gas flow path and the solution flow path while being in contact with the solution and the gas sample. A reaction section including an enzyme-holding membrane that is formed so as to separate the two and holds an enzyme that catalyzes the chemical reaction of the gas sample by binding to the coenzyme.
An excitation optical optical system that irradiates the enzyme holding membrane with the excitation light from the gas flow path side of the reaction unit along one axis.
A light guide member provided on the one axis so as to receive the fluorescence and forming a light guide path along the one axis.
With
The excitation photooptical system collects the excitation light on the gas flow path side of the enzyme holding film on the one axis or in any one region in the light guide member on the one axis. A detection device characterized in that it is configured to.
前記蛍光光学系は、前記導光路を通過した前記励起光が前記検出面上においてデフォーカスされるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の検出装置。 A fluorescence optical system arranged along the one axis and condensing at least a part of the fluorescence that has passed through the light guide path on the detection surface of the photodetector is provided.
The detection device according to claim 1, wherein the fluorescence optical system is configured such that the excitation light passing through the light guide path is defocused on the detection surface.
The detection device according to any one of claims 1 to 8, wherein an optical filter that transmits a band including a wavelength of fluorescence is provided between the light guide member and the detection surface.
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