JP3693750B2

JP3693750B2 - Electrophoresis sensor

Info

Publication number: JP3693750B2
Application number: JP11989296A
Authority: JP
Inventors: 昌之納谷; 泰造秋本
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2016-05-15
Also published as: JPH09304339A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気泳動を利用して試料中の物質を分析する電気泳動センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開昭６２−２２０８５３号に示されるように、電気泳動を利用して試料中の物質を分析するための電気泳動装置が知られている。この電気泳動装置は基本的に、試料を含浸する電気泳動媒体に直流電圧を印加して、試料中の蛋白質、蛋白質分核物、核酸、核酸分解物等の電荷を有する物質を該媒体において電気泳動させ、各物質の泳動速度の違いを利用してそれらを電気泳動媒体において空間的に分離させるものである。
【０００３】
従来の電気泳動装置においては、電気泳動媒体としてポリアクリルアミドゲル、アガロースゲル等からなるゲルシートが多く用いられている。そして、そこに空間的に分離した試料中の物質を分析する上では、試料中の物質に予め蛍光体や放射線同位元素等からなる標識を付けておき、電気泳動後の電気泳動媒体における標識の位置を、写真感光材料や、例えば特開昭６２−９０６００号に示されている蓄積性蛍光体シート等に記録する手法が広く採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記標識の位置を記録するには、写真感光材料や蓄積性蛍光体シート等に対する露光操作や、さらには写真感光材料の現像処理、蓄積性蛍光体シートの蓄積記録情報を読み取る処理等が必要であり、そのために、電気泳動装置による試料分析はかなり面倒なものとなっていた。また、試料中の物質に放射線同位元素等からなる標識を付ける作業は煩わしいものであり、そして人体への悪影響も懸念されるものである。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、面倒な操作や処理を必要とせずに、試料中の物質を簡単に分析可能な電気泳動センサーを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の電気泳動センサーは、請求項１に記載の通り、試料を含浸する固体状の電気泳動媒体と、この電気泳動媒体の一端に接する状態に配された、金属膜からなる第１の電極と、上記電気泳動媒体の他端側に配された第２の電極と、上記第１および第２の電極を介して電気泳動媒体に、試料中の検出対象物質を上記他端から一端側に泳動させる直流電圧を印加する手段と、上記電気泳動媒体の一端と反対側から第１の電極に接する状態に配置されたプリズムと、光ビームを上記プリズムに通し、該プリズムと第１の電極との界面に対して、種々の入射角が得られるように入射させるビーム照射系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を、上記種々の入射角毎に検出可能な光検出手段とを備えてなるものである。
【０００７】
なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを偏向させて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面で集束するように入射させてもよい。前者の場合は、光ビームの偏向にともなって出射角が変化する光ビームを、光ビームの偏向に同期移動する小さな光検出器によって検出したり、出射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサーによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の出射角で出射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサーによって検出することができる。
【０００８】
また本発明による第２の電気泳動センサーは、請求項２に記載の通り、
上記と同様の電気泳動媒体、第１の電極（ただし、この場合は金属膜に限るものではなく、透明電極とされる）、第２の電極、直流電圧印加手段およびプリズムに加えて、
所定の偏光状態とした光ビームを、上記プリズムと第１の電極との界面で全反射するように、該プリズム側から入射させるビーム照射系と、
この光ビームの、上記全反射による偏光状態の変化を検出する手段とが設けられてなるものである。
【０００９】
さらに本発明による第３の電気泳動センサーは、特に蛍光体による標識が付けられた検出対象物質を含む試料を対象とするものであり、詳しくは請求項３に記載の通り、
第２の電気泳動センサーにおけるのと同様の電気泳動媒体、第１の電極、第２の電極、直流電圧印加手段およびプリズムに加えて、
光ビームを、上記プリズムと第１の電極との界面で全反射するように、該プリズム側から入射させるビーム照射系と、
上記界面から漏れ出たエバネッセント波により励起されて、蛍光体標識から発せられた蛍光を検出する手段とが設けられてなるものである。
【００１０】
【発明の効果】
上記第１の電気泳動センサーにおいて、光ビームを金属膜からなる第１の電極に対して全反射角以上の入射角で入射させると、この第１の電極に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。入射角がある特定の角度θ_SPになったとき、エバネッセント光の波数と表面プラズモンの波数とが等しくなり、波数整合が成立する。この状態では、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、プリズムと第１の電極との界面で全反射する光の強度が鋭く低下する。ただし、この現象が生じるのは、入射光がＰ偏光（偏光が金属膜に垂直な状態）のときに限られる。
【００１１】
この現象が生じる入射角θ_SPより表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫ_SP、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、ε_mとε_sをそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【００１２】
【数１】

【００１３】
試料の誘電率ε_sが分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上記反射光強度が低下する入射角θ_SPを知ることにより、試料中の特定物質を定量分析することができる。
【００１４】
本装置ではこのようにして、第１の電極に到達した物質のみが検出されるのであるが、試料中に含まれる複数の物質は、泳動速度の違いにより、互いに時間差を伴って第１の電極に到達するから、それらの物質は時間的に分離して検出されることになる。
【００１５】
以上の通り、本発明による第１の電気泳動センサーによれば、試料中に含まれる複数の物質が時間的に分離して検出されるから、これらの物質を空間的に分離、記録するための露光操作や現像処理等が不要となり、試料中の物質を簡単に分析可能となる。
【００１６】
またこの第１の電気泳動センサーは、前述の反射光強度に基づいて試料中の物質を分析するものであるから、その使用に際して試料中の物質に標識を付ける必要がなく、この点からも分析作業が簡素化され得る。
【００１７】
次に、本発明の第２の電気泳動センサーによる効果について説明する。第１媒質中を進行する光ビームが、該第１媒質とそれよりも低屈折率の第２媒質との界面で全反射するとき、上にも述べた通り、第２媒質側にエバネッセント波と呼ばれる光が漏れ出る。上記界面に偏光している光ビームを入射させた際には、全反射の前と後とで偏光状態（つまりｐ偏光成分とｓ偏光成分との間の位相差）が変化し、そしてこの偏光状態の変化は、上記エバネッセント波と相互作用する第２媒質に応じた固有のものとなる。
【００１８】
本発明の第２の電気泳動センサーは、プリズムを上記第１媒質として、また第１の電極およびそこに到達した物質を上記第２媒質として作用するように構成したものであり、そこで、全反射による光ビームの偏光状態の変化を検出することにより、試料中の物質を定量分析可能となる。このように本装置でも、第１の電極に到達した物質のみが検出される。そして、試料中に含まれる複数の物質は、泳動速度の違いにより互いに時間差を伴って第１の電極に到達するから、それらの物質は時間的に分離して検出されることになる。
【００１９】
なお、この第２の電気泳動センサーにおける第１の電極は透明電極であるから、エバネッセント波は試料液中に漏れ出るようになり、したがって、試料分析はこの電極に妨げられることなく行なわれ得る。
【００２０】
以上の通り、本発明による第２の電気泳動センサーによれば、試料中に含まれる複数の物質が時間的に分離して検出されるから、これらの物質を空間的に分離、記録するための露光操作や現像処理等が不要となり、試料中の物質を簡単に分析可能となる。
【００２１】
またこの第２の電気泳動センサーは、前記偏光状態の変化を検出して試料中の物質を分析するものであるから、その使用に際して試料中の物質に標識を付ける必要がなく、この点からも分析作業が簡素化され得る。
【００２２】
次に、本発明の第３の電気泳動センサーによる効果について説明する。この第３の電気泳動センサーは、光ビームをプリズムと第１の電極との界面で全反射させ、そのとき該界面から漏れ出たエバネッセント波により励起されて、標識をなす蛍光体から発せられた蛍光を検出するように構成されているので、第１の電極に到達している物質をこの蛍光に基づいて定量分析可能となる。
【００２３】
このように本装置でも、第１の電極に到達した物質のみが検出される。そして、試料中に含まれる複数の物質は、泳動速度の違いにより互いに時間差を伴って第１の電極に到達するから、それらの物質は時間的に分離して検出されることになる。
【００２４】
以上の通り、本発明による第３の電気泳動センサーによれば、試料中に含まれる複数の物質が時間的に分離して検出されるから、これらの物質を空間的に分離、記録するための露光操作や現像処理等が不要となり、試料中の物質を簡単に分析可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態である電気泳動センサーの側面形状を示すものである。
【００２６】
図示されるようにこの電気泳動センサーは、試料液11が満たされる保温水槽10と、この保温水槽10の下部において試料液11に接するように配された第１電極12と、保温水槽10の上部において試料液11に接するように配された第２電極13と、この第２電極13と第１電極12との間に直流電圧を印加する直流電源14とを有している。なお上記第１電極12としては、例えば金、銀等からなる金属膜が用いられている。
【００２７】
またこの電気泳動センサーは、第１電極12に下側（保温水槽10の外側）から接する三角柱状のプリズム15と、１本の光ビーム16を発生させる半導体レーザー等の光源17と、この光源17から発散光状態で出射した光ビーム16をプリズム15の長軸に垂直な面（紙面に平行な面）内のみで集束させるシリンドリカルレンズ18と、プリズム15と第１電極12との界面15ａで全反射した光ビーム16の強度を検出する光検出手段19とを備えている。
【００２８】
光ビーム16は、シリンドリカルレンズ18の作用により上述のように集束するので、図中に最小入射角θ₁と最大入射角θ₂とを例示するように、界面15ａに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム16は界面15ａで全反射し、この反射した光ビーム16には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００２９】
光検出手段19としては、上記のように種々の反射角で反射した全部の光ビーム16を受光できる方向に受光部が延びる、例えばＣＣＤラインセンサ等が用いられている。そこで、この光検出手段19の各受光素子毎に出力される光検出信号Ｓ１は、上記種々の反射角毎に（つまり、種々の入射角毎に）光ビーム16の強度を示すものとなる。
【００３０】
以下、上記構成の電気泳動センサーによる試料分析について説明する。保温水槽10の中には、一端（図中の下端）が第１電極12に接する状態にして、例えばポリアクリルアミドゲルからなる電気泳動媒体としてのゲルシート20が配される。またこの保温水槽10の中には、試料液11が満たされる。一方、直流電源14により、第１電極12と第２電極13との間に直流電圧が印加される。そして、上述のように集束する光ビーム16が、第１電極12に向けて照射される。この第１電極12とプリズム15との界面15ａで全反射した光ビーム16は、光検出手段19によって検出される。
【００３１】
前述した通り、光検出手段19の各受光素子毎に出力される光検出信号Ｓ１は、全反射した光ビーム16の強度Ｉを入射角θ毎に示すものとなる。そしてこの反射光強度Ｉと入射角θとの関係は、概ね図２に示すようなものとなる。
【００３２】
ここで、ある特定の入射角θ_SPで入射した光は、第１電極12と試料液11との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。光検出手段19の各受光素子毎に出力される光検出信号Ｓ１を用いれば上記入射角θ_SPが分かり、このθ_SPの値に基づいて試料液11中の物質を定量分析することができる。その理由は、先に詳しく説明した通りである。
【００３３】
また、上述のように直流電源14に接続された第１電極12と第２電極13との間に直流電圧が印加されているので、第１電極12には、ゲルシート20を電気泳動した試料液11中の複数の物質が次々に到達する。このとき、これら複数の物質は電気泳動速度の違いにより、互いに時間間隔を置いて第１電極12に到達する。つまり、上記光検出信号Ｓ１に基づいて定量分析される物質はこのように電気泳動した物質であり、そして各物質は時間軸上で変化する光検出信号Ｓ１に基づいて、互いに分離して検出されることとなる。
【００３４】
なお以上の実施形態においては、種々の入射角θを得るために、比較的太い光ビーム16を界面15ａで集束するように入射させているが、比較的細い光ビームを偏向させることによって種々の入射角θを得るようにしてもよい。
【００３５】
次に図３を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。なおこの図３において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重複した説明は省略する（以下、同様）。
【００３６】
この図３の電気泳動センサーは図１のものと比べると、基本的に、電気泳動用の構成は同等で、光によるセンサー部が異なるものである。すなわちこの図３の電気泳動センサーは、前述と同様のプリズム15と、このプリズム15の一面（図中の上面）に形成されて、試料液11に接触させられる透明な第１電極30と、１本の光ビーム31を発生させるレーザー光源32と、この光源32から出射した光ビーム31の偏光状態を制御する偏光子33およびλ／４板34と、プリズム15と第１電極30との界面15ａで全反射した光ビーム31の光路に配された検光子35と、この検光子35を通過した光ビーム31の強度を検出する光検出手段36とを備えている。
【００３７】
レーザー光源32、偏光子33およびλ／４板34からなるビーム照射系は、光ビーム31が上記界面15ａに全反射角以上の入射角で入射するように配置されている。また偏光子33およびλ／４板34によって光ビーム31は、界面15ａに入射する直前に円偏光となる。また検光子35は光軸周りに回転されるようになっている。
【００３８】
以下、上記構成の電気泳動センサーによる試料分析について説明する。保温水槽10の中には、一端（図中の下端）が第１電極30に接する状態にして、前述のゲルシート20が配される。またこの保温水槽10の中には、試料液11が満たされる。一方、直流電源14により、第１電極30と第２電極13との間に直流電圧が印加される。そして、上述のような円偏光とされた光ビーム31が、第１電極30に向けて照射される。この第１電極30とプリズム15との界面15ａで全反射した光ビーム31は、光検出手段36によって検出される。
【００３９】
上記のように光ビーム31が界面15ａで全反射するとき、入射光と反射光とでは、そのｐ偏光成分（界面15ａに平行な振動面を有する偏光成分）とｓ偏光成分（界面15ａに垂直な振動面を有する偏光成分）との位相差が異なる。この全反射による位相差の変化つまり偏光状態の変化は、第１電極30に付着している分析対象物質の物性および総量を反映したものとなる。そこで、光検出手段36の出力Ｓ２から偏光の楕円率を測定し、円偏光からのずれを調べることで、全反射による偏光状態の変化、つまりは分析対象物質の物性および総量を求めることができる。
【００４０】
この場合も、第１電極30と第２電極13との間に直流電圧が印加されているので、第１電極30には、ゲルシート20を電気泳動した試料液11中の複数の物質が次々に到達する。そして、これら複数の物質は電気泳動速度の違いにより、互いに時間間隔を置いて第１電極30に到達するから、時間的に互いに分離して検出されることとなる。
【００４１】
この実施形態においては、光ビーム31の全反射による偏光状態の変化を、回転する検光子35と光検出手段36とによって検出しているが、この偏光状態の変化はその他の公知の手法によって検出することも可能である。例えば、検光子35を固定状態にしておけば、偏光状態の変化にともなって光検出信号Ｓ２が刻々変化するので、この光検出信号Ｓ２の値に基づいて偏光状態の変化をリアルタイムで検出することができる。なお図４には、時間経過に伴なう光検出信号Ｓ２の変化の様子の一例を示してある。
【００４２】
以上のような物質の分離検出の例としては、コラーゲンポリペプチド鎖の分離検出が挙げられる。コラーゲン中のα鎖、β鎖、γ鎖は、分子量がそれぞれ９６０００、１９２０００、２８８０００である。それらを検出する場合、第１電極30が陽極となるように電圧を掛けるとそれぞれの物質が第１電極30側に泳動し、そして、それらの泳動速度は分子量が小さいものほど大となる。したがって、α鎖、β鎖、γ鎖がこの順に第１電極30に到達する。それぞれの物質が第１電極30に到達すると、該電極30の表面近傍の誘電率（屈折率）が各物質に応じて変化し、それにより上述の偏光状態が変化する。この偏光状態の変化は、上記の通り光検出信号Ｓ２の変化として検出される。
【００４３】
次に図５を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。この図５の電気泳動センサーも図１のものと比べると、基本的に電気泳動用の構成は同等で、光によるセンサー部が異なるものである。すなわちこの図５の電気泳動センサーは、透明な第１電極30に接する状態に配置された断面略台形状のプリズム40と、１本の光ビーム41をこのプリズム40に入射させるレーザー光源42と、後述する蛍光46を集光する集光レンズ43と、上記蛍光46を選択的に透過させる波長フィルター44と、上記蛍光46を検出する光検出器45とを有している。なお上記光源42は、そこから出射した光ビーム41がプリズム40と第１電極30との界面40ａで全反射するように配置されている。
【００４４】
以下、この電気泳動センサーによる試料分析について説明する。保温水槽10の中には、一端（図中の下端）が第１電極30に接する状態にして、前述のゲルシート20が配される。またこの保温水槽10の中には、試料液11が満たされる。なおこの試料液11中の検出対象物質は、蛍光体の一種である色素で標識される。一方、直流電源14により、第１電極30と第２電極13との間に直流電圧が印加される。そして光ビーム41が、第１電極30に向けて照射される。
【００４５】
上述のように光ビーム41が界面40ａで全反射するとき、該界面40ａから第１電極30側にエバネッセント波が漏れ出る。このとき、試料液11中の色素で標識された物質が第１電極30に到達していれば、この色素はこのエバネッセント波により励起されて、蛍光46を発する。この蛍光46は集光レンズ43により集光されて光検出器45に導かれ、該光検出器45によって検出される。つまり本装置では、光検出器45の光検出信号Ｓ３に基づいて、色素で標識された試料液11中の物質を検出することができる。
【００４６】
この場合も、第１電極30と第２電極13との間に直流電圧が印加されているので、第１電極30には、ゲルシート20を電気泳動した試料液11中の複数の物質が次々に到達する。そして、これら複数の物質は電気泳動速度の違いにより、互いに時間間隔を置いて第１電極30に到達するから、時間的に互いに分離して検出されることとなる。
【００４７】
次に図６を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。この図６の電気泳動センサーは、図５の構成に、図１に示された光によるセンサー部が付加された形のものである。
【００４８】
この図６の電気泳動センサーにより試料液11中の複数の物質を分離検出する際には、ある特定の物質のみが色素で標識される。これら複数の物質は、表面プラズモンを利用するセンサー部（図１のものと同じ）によって全て検出されるが、特にそれらの中で色素で標識されたものは、蛍光観測によっても検出され得る。したがって、良く分かっている特定の物質を標準サンプルとして色素標識しておくことにより、蛍光検出信号Ｓ３から基準信号を得ながら、その他の物質を光検出信号Ｓ１に基づいて分析可能となる。
【００４９】
次に図７を参照して、本発明の第５の実施形態について説明する。この図７の電気泳動センサーは、図５の構成に、図３に示された光によるセンサー部が付加された形のものである。
【００５０】
この図７の電気泳動センサーにより試料液11中の複数の物質を分離検出する際にも、良く分かっている特定の物質が標準サンプルとして色素標識される。それにより、図６の電気泳動センサーにおけるのと同様に蛍光検出信号Ｓ３から基準信号を得ながら、その他の物質を分析可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である電気泳動センサーの側面図
【図２】図１の電気泳動センサーにおける、プリズムへの光ビーム入射角と全反射光強度との概略関係を示すグラフ
【図３】本発明の第２の実施形態である電気泳動センサーの側面図
【図４】図３の電気泳動センサーにおける光検出信号の変化の様子を概略的に示すグラフ
【図５】本発明の第３の実施形態である電気泳動センサーの側面図
【図６】本発明の第４の実施形態である電気泳動センサーの側面図
【図７】本発明の第５の実施形態である電気泳動センサーの側面図
【符号の説明】
10 保温水槽
11 試料液
12 金属膜からなる第１電極
13 第２電極
14 直流電源
15 プリズム
15ａプリズムと第１電極との界面
16 光ビーム
17 光源
18 シリンドリカルレンズ
19 光検出手段
20 ゲルシート
30 透明な第１電極
31 光ビーム
32 光源
33 偏光子
34 λ／４板
35 検光子
36 光検出手段
40 プリズム
40ａプリズムと第１電極との界面
41 光ビーム
42 光源
43 集光レンズ
44 波長フィルター
45 光検出器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrophoresis sensor for analyzing a substance in a sample using electrophoresis.
[0002]
[Prior art]
For example, as disclosed in JP-A-62-220853, an electrophoresis apparatus for analyzing a substance in a sample using electrophoresis is known. This electrophoresis apparatus basically applies a DC voltage to an electrophoretic medium impregnated with a sample, and charges substances such as proteins, protein nuclei, nucleic acids, and nucleic acid degradation products in the sample in the medium. They are electrophoresed, and they are spatially separated in the electrophoretic medium using the difference in electrophoretic speed of each substance.
[0003]
In conventional electrophoresis apparatuses, gel sheets made of polyacrylamide gel, agarose gel or the like are often used as the electrophoresis medium. In analyzing the material in the spatially separated sample, a label made of a phosphor or a radioisotope is attached to the material in the sample in advance, and the label in the electrophoresis medium after electrophoresis is added. A technique of recording the position on a photographic material or a storage phosphor sheet disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 62-90600 is widely used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to record the position of the marker, there are an exposure operation for a photographic photosensitive material or a stimulable phosphor sheet, a development process for a photographic photosensitive material, a process for reading accumulated record information of a stimulable phosphor sheet, etc. For this reason, sample analysis by an electrophoresis apparatus has become quite troublesome. In addition, the work of attaching a label made of a radioisotope or the like to a substance in a sample is troublesome, and there is a concern about adverse effects on the human body.
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electrophoretic sensor that can easily analyze a substance in a sample without requiring troublesome operations and processing.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to a first electrophoretic sensor of the present invention, a solid electrophoretic medium impregnated with a sample and a metal film arranged in contact with one end of the electrophoretic medium are provided. 1 electrode, a second electrode disposed on the other end side of the electrophoresis medium, and the detection target substance in the sample from the other end to the electrophoresis medium via the first and second electrodes. Means for applying a DC voltage to be migrated to one end side, a prism disposed in contact with the first electrode from the side opposite to the one end of the electrophoretic medium, a light beam passed through the prism, the prism and the first A beam irradiating system that is incident on the interface with the electrode so as to obtain various incident angles, and a light detecting means capable of detecting the intensity of the light beam totally reflected at the interface for each of the various incident angles. Is provided.
[0007]
In order to obtain various incident angles as described above, a relatively thin light beam may be deflected and incident on the interface, or a component that is incident on the light beam at various angles may be included. A relatively thick light beam may be incident so as to be focused at the interface. In the former case, a light beam whose emission angle changes with the deflection of the light beam is detected by a small photodetector that moves synchronously with the deflection of the light beam, or by an area sensor that extends along the direction of change of the emission angle. Can be detected. On the other hand, in the latter case, it can be detected by an area sensor extending in a direction in which each light beam emitted at various emission angles can be received.
[0008]
The second electrophoretic sensor according to the present invention is as described in claim 2.
In addition to the same electrophoretic medium, the first electrode (in this case, it is not limited to the metal film, but a transparent electrode), the second electrode, the DC voltage applying means and the prism,
A beam irradiation system for allowing a light beam having a predetermined polarization state to be incident from the prism side so as to be totally reflected at the interface between the prism and the first electrode;
Means for detecting a change in the polarization state of the light beam due to the total reflection is provided.
[0009]
Furthermore, the third electrophoretic sensor according to the present invention is particularly intended for a sample containing a detection target substance labeled with a fluorescent substance.
In addition to the same electrophoretic medium, first electrode, second electrode, DC voltage applying means and prism as in the second electrophoretic sensor,
A beam irradiation system for causing a light beam to be incident from the prism side so as to be totally reflected at the interface between the prism and the first electrode;
Means for detecting fluorescence emitted from the phosphor label excited by the evanescent wave leaking from the interface is provided.
[0010]
【The invention's effect】
In the first electrophoretic sensor, when a light beam is incident on the first electrode made of a metal film at an incident angle equal to or greater than the total reflection angle, an electric field distribution is generated in the sample in contact with the first electrode. Evanescent waves are generated, and surface plasmons are excited at the interface between the metal film and the sample by the evanescent waves. When the incident angle reaches a certain angle θ _SP , the wave number of the evanescent light and the wave number of the surface plasmon become equal, and wave number matching is established. In this state, the light energy is transferred to surface plasmons, so that the intensity of light totally reflected at the interface between the prism and the first electrode is sharply reduced. However, this phenomenon occurs only when the incident light is P-polarized light (polarized light is perpendicular to the metal film).
[0011]
If the wave number of the surface plasmon is known from the incident angle θ _{SP at} which this phenomenon occurs, the dielectric constant of the sample can be obtained. That is, when the wave number of surface plasmon is K _SP , the angular frequency of surface plasmon is ω, c is the speed of light in vacuum, ε _m and ε _s are metal, and the dielectric constant of the sample is as follows.
[0012]
[Expression 1]

[0013]
If the dielectric constant ε _s of the sample is known, the concentration of the specific substance in the sample can be known based on a predetermined calibration curve or the like, so eventually, by knowing the incident angle θ _{SP at} which the reflected light intensity decreases, Specific substances can be quantitatively analyzed.
[0014]
In this apparatus, only the substance that has reached the first electrode is detected in this way, but the plurality of substances contained in the sample are different from each other in time due to the difference in migration speed. Therefore, these substances are separated and detected in time.
[0015]
As described above, according to the first electrophoretic sensor of the present invention, a plurality of substances contained in a sample are temporally separated and detected, so that these substances can be spatially separated and recorded. Exposure operations, development processing, and the like are not required, and the substance in the sample can be easily analyzed.
[0016]
In addition, since the first electrophoresis sensor analyzes a substance in a sample based on the reflected light intensity described above, it is not necessary to label the substance in the sample when used, and also from this point of analysis. Work can be simplified.
[0017]
Next, effects of the second electrophoresis sensor of the present invention will be described. When the light beam traveling in the first medium is totally reflected at the interface between the first medium and the second medium having a lower refractive index than the first medium, as described above, an evanescent wave is generated on the second medium side. Called light leaks out. When a polarized light beam is incident on the interface, the polarization state (that is, the phase difference between the p-polarization component and the s-polarization component) changes before and after total reflection, and this polarization The change in state is specific to the second medium that interacts with the evanescent wave.
[0018]
The second electrophoretic sensor of the present invention is configured so that the prism acts as the first medium, and the first electrode and the substance reaching the first electrode act as the second medium. By detecting the change in the polarization state of the light beam due to the light, it becomes possible to quantitatively analyze the substance in the sample. Thus, also in this apparatus, only the substance that has reached the first electrode is detected. Since a plurality of substances contained in the sample reach the first electrode with a time difference from each other due to a difference in migration speed, these substances are detected separately in time.
[0019]
Since the first electrode in the second electrophoretic sensor is a transparent electrode, the evanescent wave leaks into the sample liquid, and therefore the sample analysis can be performed without being hindered by this electrode.
[0020]
As described above, according to the second electrophoretic sensor of the present invention, a plurality of substances contained in a sample are detected by temporal separation, so that these substances can be spatially separated and recorded. Exposure operations, development processing, and the like are not required, and the substance in the sample can be easily analyzed.
[0021]
In addition, since the second electrophoresis sensor detects the change in the polarization state and analyzes the substance in the sample, there is no need to label the substance in the sample when used. Analysis work can be simplified.
[0022]
Next, the effect of the third electrophoresis sensor of the present invention will be described. The third electrophoretic sensor totally emits the light beam at the interface between the prism and the first electrode, and is excited by the evanescent wave leaking from the interface, and emitted from the fluorescent substance forming the label. Since the fluorescent light is configured to be detected, the substance reaching the first electrode can be quantitatively analyzed based on the fluorescent light.
[0023]
Thus, also in this apparatus, only the substance that has reached the first electrode is detected. Since a plurality of substances contained in the sample reach the first electrode with a time difference from each other due to a difference in migration speed, these substances are detected separately in time.
[0024]
As described above, according to the third electrophoretic sensor of the present invention, a plurality of substances contained in a sample are temporally separated and detected, so that these substances can be spatially separated and recorded. Exposure operations, development processing, and the like are not required, and the substance in the sample can be easily analyzed.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a side shape of an electrophoretic sensor according to a first embodiment of the present invention.
[0026]
As shown in the figure, the electrophoretic sensor includes a warm water tank 10 filled with the sample liquid 11, a first electrode 12 disposed in contact with the sample liquid 11 at the lower part of the warm water tank 10, and an upper part of the warm water tank 10. , A second electrode 13 disposed so as to be in contact with the sample solution 11, and a DC power source 14 for applying a DC voltage between the second electrode 13 and the first electrode 12. As the first electrode 12, a metal film made of, for example, gold or silver is used.
[0027]
The electrophoretic sensor also includes a triangular prism 15 in contact with the first electrode 12 from the lower side (outside the insulated water tank 10), a light source 17 such as a semiconductor laser that generates one light beam 16, and the light source 17 A cylindrical lens 18 that focuses the light beam 16 emitted in a divergent light state only in a plane perpendicular to the major axis of the prism 15 (a plane parallel to the paper surface), and an interface 15a between the prism 15 and the first electrode 12 all And a light detection means 19 for detecting the intensity of the reflected light beam 16.
[0028]
Since the light beam 16 is focused as described above by the action of the cylindrical lens 18, the various incident angles θ with respect to the interface 15a are exemplified as illustrated in the figure with the minimum incident angle θ ₁ and the maximum incident angle θ _2. The component which injects is included. In addition, this incident angle (theta) shall be an angle more than a total reflection angle. Therefore, the light beam 16 is totally reflected at the interface 15a, and the reflected light beam 16 includes components reflected at various reflection angles.
[0029]
As the light detection means 19, for example, a CCD line sensor or the like is used in which the light receiving portion extends in a direction in which all the light beams 16 reflected at various reflection angles can be received. Therefore, the light detection signal S1 output for each light receiving element of the light detecting means 19 indicates the intensity of the light beam 16 for each of the various reflection angles (that is, for each of various incident angles).
[0030]
Hereinafter, sample analysis by the electrophoresis sensor having the above-described configuration will be described. A gel sheet 20 as an electrophoresis medium made of, for example, polyacrylamide gel is disposed in the heat-reserving water tank 10 with one end (lower end in the figure) in contact with the first electrode 12. In addition, the warm water tank 10 is filled with the sample solution 11. On the other hand, a DC voltage is applied between the first electrode 12 and the second electrode 13 by the DC power supply 14. Then, the light beam 16 focused as described above is irradiated toward the first electrode 12. The light beam 16 totally reflected by the interface 15 a between the first electrode 12 and the prism 15 is detected by the light detection means 19.
[0031]
As described above, the light detection signal S1 output for each light receiving element of the light detection means 19 indicates the intensity I of the totally reflected light beam 16 for each incident angle θ. The relationship between the reflected light intensity I and the incident angle θ is approximately as shown in FIG.
[0032]
Here, the light incident at a specific incident angle θ _SP excites surface plasmons at the interface between the first electrode 12 and the sample liquid 11, and the reflected light intensity I sharply decreases for this light. Using the light detection signal S1 output for each light receiving element of the light detection means 19, the incident angle θ _SP can be known, and the substance in the sample liquid 11 can be quantitatively analyzed based on the value of θ _SP . The reason is as described in detail above.
[0033]
In addition, since a DC voltage is applied between the first electrode 12 and the second electrode 13 connected to the DC power source 14 as described above, the sample solution obtained by electrophoresis of the gel sheet 20 is applied to the first electrode 12. Several substances in 11 arrive one after another. At this time, the plurality of substances reach the first electrode 12 at time intervals from each other due to the difference in electrophoresis speed. That is, the substance quantitatively analyzed based on the light detection signal S1 is the substance thus electrophoresed, and each substance is detected separately from each other based on the light detection signal S1 changing on the time axis. The Rukoto.
[0034]
In the above-described embodiment, in order to obtain various incident angles θ, the relatively thick light beam 16 is incident so as to be focused at the interface 15a. The incident angle θ may be obtained.
[0035]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted (the same applies hereinafter).
[0036]
The electrophoretic sensor of FIG. 3 is basically the same in electrophoretic configuration as the electrophoretic sensor of FIG. That is, the electrophoretic sensor of FIG. 3 includes a prism 15 similar to that described above, a transparent first electrode 30 formed on one surface (upper surface in the drawing) of the prism 15 and brought into contact with the sample liquid 11, and 1 A laser light source 32 for generating a single light beam 31, a polarizer 33 and a λ / 4 plate 34 for controlling the polarization state of the light beam 31 emitted from the light source 32, and an interface 15a between the prism 15 and the first electrode 30. And an analyzer 35 disposed in the optical path of the light beam 31 totally reflected by the light detector 36 and a light detection means 36 for detecting the intensity of the light beam 31 that has passed through the analyzer 35.
[0037]
The beam irradiation system including the laser light source 32, the polarizer 33, and the λ / 4 plate 34 is arranged so that the light beam 31 is incident on the interface 15a at an incident angle equal to or greater than the total reflection angle. Further, the light beam 31 is circularly polarized immediately before entering the interface 15a by the polarizer 33 and the λ / 4 plate 34. The analyzer 35 is rotated around the optical axis.
[0038]
Hereinafter, sample analysis by the electrophoresis sensor having the above-described configuration will be described. The gel sheet 20 is arranged in the heat retaining water tank 10 with one end (the lower end in the figure) in contact with the first electrode 30. In addition, the warm water tank 10 is filled with the sample solution 11. On the other hand, a DC voltage is applied between the first electrode 30 and the second electrode 13 by the DC power source 14. Then, the light beam 31 having the circular polarization as described above is irradiated toward the first electrode 30. The light beam 31 totally reflected by the interface 15 a between the first electrode 30 and the prism 15 is detected by the light detection means 36.
[0039]
As described above, when the light beam 31 is totally reflected at the interface 15a, the p-polarized component (polarized component having a vibration plane parallel to the interface 15a) and the s-polarized component (perpendicular to the interface 15a) are incident light and reflected light. The phase difference is different from that of a polarization component having a simple vibration surface. The change in the phase difference due to the total reflection, that is, the change in the polarization state reflects the physical properties and the total amount of the substance to be analyzed attached to the first electrode 30. Therefore, by measuring the ellipticity of the polarized light from the output S2 of the light detection means 36 and examining the deviation from the circularly polarized light, the change in the polarization state due to the total reflection, that is, the physical properties and the total amount of the analysis target substance can be obtained. .
[0040]
Also in this case, since a DC voltage is applied between the first electrode 30 and the second electrode 13, a plurality of substances in the sample solution 11 obtained by electrophoresis of the gel sheet 20 are successively applied to the first electrode 30. To reach. The plurality of substances arrive at the first electrode 30 with a time interval due to the difference in electrophoresis speed, and therefore are detected separately from each other in time.
[0041]
In this embodiment, the change in the polarization state due to the total reflection of the light beam 31 is detected by the rotating analyzer 35 and the light detection means 36. This change in the polarization state is detected by other known methods. It is also possible to do. For example, if the analyzer 35 is fixed, the light detection signal S2 changes every moment with the change in the polarization state. Therefore, the change in the polarization state is detected in real time based on the value of the light detection signal S2. Can do. FIG. 4 shows an example of how the light detection signal S2 changes with time.
[0042]
An example of the separation detection of the substance as described above is separation detection of a collagen polypeptide chain. The α chain, β chain, and γ chain in collagen have molecular weights of 96000, 192000, and 288,000, respectively. In detecting them, when a voltage is applied so that the first electrode 30 becomes an anode, each substance migrates to the first electrode 30 side, and the migration speed increases as the molecular weight decreases. Therefore, the α chain, β chain, and γ chain reach the first electrode 30 in this order. When each material reaches the first electrode 30, the dielectric constant (refractive index) in the vicinity of the surface of the electrode 30 changes according to each material, thereby changing the polarization state described above. This change in polarization state is detected as a change in the light detection signal S2 as described above.
[0043]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The electrophoretic sensor of FIG. 5 is basically the same in electrophoretic configuration as the electrophoretic sensor of FIG. That is, the electrophoretic sensor of FIG. 5 includes a prism 40 having a substantially trapezoidal cross section disposed in contact with the transparent first electrode 30, a laser light source 42 that causes one light beam 41 to enter the prism 40, It has a condensing lens 43 that collects fluorescence 46, which will be described later, a wavelength filter 44 that selectively transmits the fluorescence 46, and a photodetector 45 that detects the fluorescence 46. The light source 42 is arranged so that the light beam 41 emitted therefrom is totally reflected at the interface 40a between the prism 40 and the first electrode 30.
[0044]
Hereinafter, sample analysis using this electrophoresis sensor will be described. The gel sheet 20 is arranged in the heat retaining water tank 10 with one end (the lower end in the figure) in contact with the first electrode 30. In addition, the warm water tank 10 is filled with the sample solution 11. The detection target substance in the sample solution 11 is labeled with a dye that is a kind of phosphor. On the other hand, a DC voltage is applied between the first electrode 30 and the second electrode 13 by the DC power source 14. Then, the light beam 41 is irradiated toward the first electrode 30.
[0045]
As described above, when the light beam 41 is totally reflected at the interface 40a, an evanescent wave leaks from the interface 40a to the first electrode 30 side. At this time, if the substance labeled with the dye in the sample solution 11 reaches the first electrode 30, the dye is excited by the evanescent wave and emits fluorescence 46. The fluorescent light 46 is condensed by the condenser lens 43, guided to the photodetector 45, and detected by the photodetector 45. That is, in the present apparatus, the substance in the sample liquid 11 labeled with the dye can be detected based on the light detection signal S3 of the light detector 45.
[0046]
Also in this case, since a DC voltage is applied between the first electrode 30 and the second electrode 13, a plurality of substances in the sample solution 11 obtained by electrophoresis of the gel sheet 20 are successively applied to the first electrode 30. To reach. The plurality of substances arrive at the first electrode 30 with a time interval due to the difference in electrophoresis speed, and therefore are detected separately from each other in time.
[0047]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The electrophoretic sensor shown in FIG. 6 has a configuration in which the light sensor shown in FIG. 1 is added to the configuration shown in FIG.
[0048]
When a plurality of substances in the sample solution 11 are separated and detected by the electrophoresis sensor of FIG. 6, only a specific substance is labeled with a dye. These plurality of substances are all detected by a sensor unit using surface plasmons (same as that shown in FIG. 1). In particular, those labeled with a dye can be detected by fluorescence observation. Therefore, by dye-labeling a specific substance that is well known as a standard sample, it is possible to analyze other substances based on the light detection signal S1 while obtaining a reference signal from the fluorescence detection signal S3.
[0049]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The electrophoretic sensor of FIG. 7 has a configuration in which the light sensor shown in FIG. 3 is added to the configuration of FIG.
[0050]
When a plurality of substances in the sample solution 11 are separated and detected by the electrophoresis sensor of FIG. 7, a specific substance that is well known is dye-labeled as a standard sample. As a result, other substances can be analyzed while obtaining the reference signal from the fluorescence detection signal S3 as in the electrophoresis sensor of FIG.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of an electrophoretic sensor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a schematic relationship between a light beam incident angle on a prism and total reflected light intensity in the electrophoretic sensor of FIG. FIG. 3 is a side view of an electrophoretic sensor according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a graph schematically showing a change in a light detection signal in the electrophoretic sensor of FIG. FIG. 6 is a side view of an electrophoretic sensor according to a third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a side view of an electrophoretic sensor according to the fourth embodiment of the present invention. Side view of electrophoresis sensor [Explanation of symbols]
10 Insulated water tank
11 Sample solution
12 First electrode made of metal film
13 Second electrode
14 DC power supply
15 Prism
15a Interface between prism and first electrode
16 Light beam
17 Light source
18 Cylindrical lens
19 Light detection means
20 Gel sheet
30 Transparent first electrode
31 Light beam
32 Light source
33 Polarizer
34 λ / 4 plate
35 analyzer
36 Light detection means
40 prism
40a Interface between prism and first electrode
41 Light beam
42 Light source
43 condenser lens
44 wavelength filter
45 photodetector

Claims

A solid electrophoretic medium impregnating the sample;
A first electrode made of a metal film disposed in contact with one end of the electrophoresis medium;
A second electrode disposed on the other end of the electrophoresis medium;
Means for applying a DC voltage for causing the detection target substance in the sample to migrate from the other end to the one end side to the electrophoretic medium via the first and second electrodes;
A prism disposed in contact with the first electrode from the side opposite to one end of the electrophoretic medium;
A beam irradiation system for allowing a light beam to pass through the prism and making it incident on the interface between the prism and the first electrode so as to obtain various incident angles;
An electrophoretic sensor comprising light detecting means capable of detecting the intensity of the light beam totally reflected at the interface at each of the various incident angles. "

An electrophoretic medium impregnating the sample;
A transparent first electrode disposed in contact with one end of the electrophoresis medium;
A second electrode disposed on the other end of the electrophoresis medium;
Means for applying a DC voltage for causing the detection target substance in the sample to migrate from the other end to the one end side to the electrophoretic medium via the first and second electrodes;
A prism disposed in contact with the first electrode from the side opposite to one end of the electrophoretic medium;
A beam irradiation system for allowing a light beam having a predetermined polarization state to be incident from the prism side so as to be totally reflected at the interface between the prism and the first electrode;
An electrophoretic sensor comprising: means for detecting a change in polarization state of the light beam due to the total reflection.

An electrophoretic medium impregnating a sample containing a detection target substance labeled with a phosphor;
A transparent first electrode disposed in contact with one end of the electrophoresis medium;
A second electrode disposed on the other end of the electrophoresis medium;
Means for applying a DC voltage for causing the detection target substance in the sample to migrate from the other end to the one end side to the electrophoretic medium via the first and second electrodes;
A prism disposed in contact with the first electrode from the side opposite to one end of the electrophoretic medium;
A beam irradiation system for causing a light beam to be incident from the prism side so as to be totally reflected at the interface between the prism and the first electrode;
An electrophoretic sensor comprising: means for detecting fluorescence emitted from the phosphor when excited by an evanescent wave leaking from the interface.