JP4851367B2

JP4851367B2 - ローカルプラズモン増強蛍光センサ

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Publication number: JP4851367B2
Application number: JP2007054071A
Authority: JP
Inventors: 尚大塚
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-03-05
Also published as: US20080219893A1; JP2008216046A

Description

本発明は、蛍光法により試料中の特定物質を検出する蛍光センサ、特に詳細にはローカルプラズモン増強を利用した蛍光センサに関するものである。

従来、病原性ウィルス抗原やその他の蛋白質を検出する方法の一つとして、例えば特許文献１に示されるイムノクロマトグラフ法が知られている。このイムノクロマトグラフ法は、検出対象物と反応、結合する物質を所定位置に固定した担体（支持体）を用いるものであり、検出対象物と結合可能な標識微粒子を混合した試料を上記担体において展開させ、もし検出対象物が存在して上記物質と結合した場合は、検出対象物と結合していた標識微粒子が上記所定位置において呈色することを利用して、検出対象物の存否や量を検出するものである。

例えばインフルエンザ等のウィルス性の病気に対しては、近時、タミフル（登録商標）などの特効薬が出現したこともあって、このイムノクロマトグラフ法は簡易かつ迅速に病原菌やウィルスを検出できる方法として需要が急速に拡大している。

なお、上記の標識微粒子としては一般に金微粒子が用いられ、その場合は、該粒子の部分で発生したローカルプラズモン（局在プラズモン）による特定波長の光の吸収を利用して、呈色させている。したがって、この金微粒子の粒子径を変えることで、ある程度発色を変化させることが可能となっている。

またバイオ測定等において高感度の測定ができる方法として、従来、蛍光法も広く用いられている。この蛍光法は、特定波長の光により励起されて蛍光を発する検出対象物を含むと考えられる試料に上記特定波長の励起光を照射し、そのとき蛍光を検出することによって検出対象物の存在を確認する方法である。また、検出対象物が蛍光体ではない場合、蛍光体で標識されて検出対象物と特異的に結合する物質を試料に接触させ、その後上記と同様にして蛍光を検出することにより、この結合すなわち検出対象物の存在を確認することも広くなされている。

図２は、上記の標識された物質を用いる蛍光法を実施するセンサの一例を概略図示するものである。本例の蛍光センサは一例として試料１に含まれる抗原２を検出するためのものであり、基板３には抗原２と特異的に結合する１次抗体４が塗布されている。そしてこの基板３上に設けられた試料保持部５の中において試料１が流され、次いで同様に蛍光体１０で標識されて抗原２と特異的に結合する２次抗体６が流される。その後、基板３の表面部分に向けて光源７から励起光８が照射され、また光検出器９により蛍光検出がなされる。このとき、光検出器９によって所定の蛍光が検出されたなら、上記２次抗体６と抗原２との結合、すなわち試料中における抗原２の存在を確認できることになる。

なお以上の例では、蛍光検出によって実際に存在が確認されるのは２次抗体６であるが、この２次抗体６は抗原２と結合しなければ流されてしまって基板３上に存在し得ないものであるから、この２次抗体６の存在を確認することにより、間接的に検出対象物である抗原２の存在が確認されることとなる。

とりわけここ数年は、冷却ＣＣＤの発達など光検出器の高性能化が進んでいることもあって、以上述べた蛍光法はバイオ研究には欠かせない手段となっており、さらにバイオ以外の分野においても広範に利用されている。特に可視領域では、例えばＦＩＴＣ（蛍光波長：５２５ｎｍ、量子収率：０．６）や、Ｃｙ５（蛍光波長：６８０ｎｍ、量子収率：０．３）のように、実用の目安となる０．２を超える高い量子収率を持つ蛍光色素が開発されており、蛍光法の応用分野がさらに拡大することが期待されている。

しかしながら、図２に示したような従来の蛍光センサでは、基板と試料との界面における励起光の反射／散乱光や、検出対象物以外の不純物／浮遊物Ｍ等による散乱光がノイズとなるため、せっかく光検出器を高性能化しても蛍光検出におけるＳ／Ｎは向上しないのが実情であった。

これに対する解決法として、従来、エバネッセント波を用いる蛍光法が提案されている。この方法を実施する蛍光センサの一例を図３に概略的に示す。なおこの図３において、図２中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。

この蛍光センサにおいては、前述の基板３に代わるものとしてプリズム（誘電体ブロック）１３が用いられ、その上には金属膜２０が形成されている。そして光源７からの励起光８が、このプリズム１３と金属膜２０との界面で全反射する条件で、プリズム１３を通して照射される。この構成においては、励起光８が上記界面で全反射するとき該界面近傍に染み出すエバネッセント波１１により２次抗体６が励起される。そして蛍光検出は、試料１に対してプリズム１３と反対側（図中では上方）に配された光検出器９によってなされる。

この蛍光センサにおいて、励起光８は図中の下方に全反射するので、上方から蛍光を検出するに当たり、励起光検出成分が蛍光検出信号に対するバック・グラウンドとなってしまうことがない。またエバネッセント波１１は上記界面から数百ｎｍの領域にしか到達しないので、試料中の不純物／浮遊物Ｍからの散乱を殆ど無くすことができる。そのため、このエバネッセント蛍光法は、従来の蛍光法と比べて（光）ノイズを大幅に低減でき、検出対象物を１分子単位で蛍光測定できる方法として注目されている。

なお図３に示したものは、エバネッセント蛍光法による蛍光センサの中でも、特に高感度化を図った表面プラズモン増強蛍光センサである。この表面プラズモン増強蛍光センサにおいては金属膜２０が形成されていることにより、励起光８が照射されたとき該金属膜２０中に表面プラズモンが生じ、その電界増幅作用によって蛍光が増幅されるようになる。あるシミュレーションによると、その場合の蛍光強度は１０００倍程度まで増幅されることが判っている。この種の表面プラズモン増強蛍光センサについては、例えば特許文献２や特許文献３に詳しい記載がなされている。
特公平７−１３６４０号公報特許第３５６２９１２号公報特開平１０−７８３９０号公報

前述した通りイムノクロマトグラフ法においては、標識微粒子である金微粒子等の粒子径を変えることで、ある程度発色を変化させることが可能であるが、金微粒子のローカルプラズモンによる吸収の波長が５３０ｎｍ付近に有るために発色はマゼンタとなり、それは人間の目に対して視認性が良くないものとなっている。したがってこのイムノクロマトグラフ法は、例えば数十ｐmol（ピコ・モル）程度の微量な物質も検出できるようにという、高感度化の要求に応えるのは困難となっている。

一方、表面プラズモン増強蛍光センサは数ｆmol（フェムト・モル）程度の微量な物質を検出可能であって、高感度化の要求にも応えられるものであるが、その半面、プリズム等の全反射光学系を必要とするので、装置が複雑化してコストが高くつくものとなっている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、高感度化が可能で、しかも安価に形成可能な蛍光センサを提供することを目的とする。

本発明による第１の蛍光センサは、ローカルプラズモンによる電場増強を利用して、いわゆるサンドイッチ形式で検出対象物を検出するローカルプラズモン増強蛍光センサであり、詳しくは、
例えば液体状の試料中の検出対象物と結合する第１物質が固定された検出部と、
この検出部に試料が接するように該試料を保持する試料保持部と、
前記試料中に混合されて、前記検出対象物と結合する複数の第２物質と、
これらの第２物質の各々に結合された金属微粒子と、
この金属微粒子および第２物質の対の各々と一体化された蛍光体と、
前記検出部に対して、前記蛍光体を励起する励起光を照射する光源と、
前記励起光によって励起された蛍光体が発する蛍光を検出する光検出手段とを備えてなることを特徴とするものである。

なお、この本発明による第１のローカルプラズモン増強蛍光センサにおいては、前記第１物質が、前記検出対象物としての抗原と結合する１次抗体であり、前記第２物質が、前記抗原と結合する２次抗体であることが望ましい。

一方、本発明による第２の蛍光センサは、ローカルプラズモンによる電場増強を利用して、いわゆる競合形式で検出対象物を検出するするローカルプラズモン増強蛍光センサであり、詳しくは、
例えば液体状の試料中の検出対象物と結合する第１物質が固定された検出部と、
この検出部に試料が接するように該試料を保持する試料保持部と、
前記試料中に混合されて、前記第１物質と結合する複数の第２物質と、
これらの第２物質の各々に結合された金属微粒子と、
この金属微粒子および第２物質の対の各々と一体化された蛍光体と、
前記検出部に対して、前記蛍光体を励起する励起光を照射する光源と、
前記励起光によって励起された蛍光体が発する蛍光を検出する光検出手段とを備えてなることを特徴とするものである。

なお、この本発明による第２のローカルプラズモン増強蛍光センサにおいては、前記第１物質が、前記検出対象物としての抗原と結合する１次抗体であり、前記第２物質が、前記１次抗体と結合する物質であることが望ましい。

他方、本発明のローカルプラズモン増強蛍光センサにおいて適用される金属微粒子は、不撓性膜によって覆われていることが望ましい。また、このような金属微粒子としては、金微粒子を好適に用いることができる。

本発明による第１のローカルプラズモン増強蛍光センサは、試料中に混合されて検出対象物と結合する複数の第２物質と、これらの第２物質の各々に結合された金属微粒子と、この金属微粒子および第２物質の対の各々と一体化された蛍光体とを備えているので、検出部の第１物質に試料中の検出対象物が結合していると、その検出対象物に第２物質が結合するようになる。つまりこの場合は、検出部に検出対象物の量に応じた量の第２物質が（つまりは金属微粒子および蛍光体が）存在することになるので、検出部に励起光が照射されると蛍光体から蛍光が発せられる。この蛍光の光量は、検出対象物の量が多いほど多くなるので、その光量を光検出手段によって検出することにより、検出対象物を検出、定量測定することが可能となる。これは、いわゆるサンドイッチ形式と呼ばれる検出方式である。

そのとき、検出部には複数の金属微粒子も存在するので、それらによりローカルプラズモンが生じ、その電界増幅作用によって蛍光が増幅されるようになる。こうして蛍光が増幅されることにより、このローカルプラズモン増強蛍光センサによれば、検出対象物を高感度で検出可能となる。

一方、本発明による第２のローカルプラズモン増強蛍光センサは、試料中に混合されて第１物質と結合する複数の第２物質と、これらの第２物質の各々に結合された金属微粒子と、この金属微粒子および第２物質の対の各々と一体化された蛍光体とを備えているので、検出部の第１物質に試料中の検出対象物が結合していると、その検出対象物と競合する結果、第１物質と結合する第２物質の量が（つまりは金属微粒子および蛍光体が）少なくなる。つまりこの場合は、検出部に励起光が照射されたとき蛍光体から発せられる蛍光の光量は、検出対象物の量が多いほど少なくなるので、その光量を光検出手段によって検出することにより、検出対象物を検出、定量測定することが可能となる。これは、いわゆる競合形式と呼ばれる検出方式である。

また、本発明のローカルプラズモン増強蛍光センサは、表面プラズモン増強蛍光センサのようにプリズム等の全反射光学系を必要とするものではないので、装置構成が簡単で安価に形成可能なものとなる。

なお、本発明のローカルプラズモン増強蛍光センサにおいて、特に金属微粒子が不撓性膜によって覆われている場合は、蛍光体が金属膜に対して、金属消光が起きる程度まで近接してしまうことが防止される。そこでこの場合は前述のような金属消光を招くことがなくなり、ローカルプラズモンによる電場増幅作用を確実に得て、極めて高い感度で蛍光を検出可能となる。

また、特に不撓性膜が疎水性材料から形成されていれば、試料液中に存在する金属イオンや溶存酸素のような消光の原因となる分子が該不撓性膜の内部にまで入り込むことが無く、よってそれらの分子が励起光の励起エネルギーを奪ってしまうことが防止される。そこでこの場合は、極めて高い励起エネルギーが確保され、極めて高い感度で蛍光を検出可能となる。

なお、上記の「不撓性」とは、センサを普通に使用しているうちに膜厚が変わってしまうほどに変形することが無い程度の剛性を備えていることを意味するものとする。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるローカルプラズモン増強蛍光センサ（以下、単に蛍光センサという）を示す概略側面図である。図示されている通りこの蛍光センサは、液体状の試料１を保持する透明部材製の試料保持部４０と、この試料保持部４０の検出部となる底面４０ａ上に向けて励起光４１を照射する半導体レーザ等の光源４２と、後述のようにして試料保持部底面４０ａから発せられる蛍光４３を検出する光検出器４４とを有している。

この蛍光センサが検出対象としているのは、一例としてCRP抗原２（分子量11万 Da）であり、それと特異的に結合する１次抗体（モノクロナール抗体）４が試料保持部底面４０ａの上に固定されている。この１次抗体４は、例えば末端をカルボキシル基化したPEGを介して、アミンカップリング法により、試料保持部底面４０ａの上に固定される。

上記アミンカップリング法は一例として下記（１）〜（３）のステップからなるものである。なおこれは、30μｌ（マイクロ・リットル）のキュベット／セルを用いた場合の例である。

（１）リンカー先端（末端）の-COOH基を活性化
0.1mol（モル）のNHSと0.4molのEDCとを等体積混合した溶液を30μｌ加え、30分間室温静置。なお、
NHS：N-hydrooxysuccinimide
EDC：1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide
である。

（２）1次抗体４の固定化
PBSバッファ（pH7.4）で5回洗浄後、1次抗体溶液（500μg/ｍｌ）を30μｌ加え、30〜60分間室温静置。

（３）未反応の -COOH基をブロッキング
PBSバッフア（pH7.4）で5回洗浄後、１molのエタノールアミン（pH8.5）を30μｌ加え、20分間室温静置。さらにPBSバッフア（pH7.4）で5回洗浄。

CRP抗原２の検出に際しては、試料１の中に、多数の標識化金属微粒子が混合される。本実施形態においてはこの金属微粒子として金微粒子（金コロイド）４５が用いられる。各金微粒子４５にはそれぞれ、CRP抗原２と特異的に結合する２次抗体６が結合されている。この２次抗体６は、１次抗体４とはエピトープ＜epitope;抗原決定基＞が異なるモノクロナール抗体が用いられる。これらの２次抗体６はそれぞれ、蛍光体１０で標識化されている。この蛍光体１０としては、例えば波長532ｎｍの上記励起光４１によって励起されたとき、例えばピーク波長575ｎｍの蛍光４３を発するＣｙ３が用いられている。

光源４２としては上記半導体レーザに限らず、その他の公知の光源を適宜選択使用可能である。また光検出器４４としては、例えば富士フイルム株式会社製 LAS-1000 plus（商品名）を好適に用いることができるが、それに限らず、CCD、PD（フォトダイオード）、光電子増倍管、c-MOS等の公知のものを適宜選択使用可能である。また励起波長を変えれば、上記以外の蛍光体を標識として用いることもできる。

なお金微粒子４５の周囲は、前述したような不撓性膜４６によって被覆されている。この不撓性膜４６およびその形成方法については、後に詳しく説明する。

本実施形態の蛍光センサは、以上説明した要素のうち、CRP抗原２を含む可能性の有る試料１以外から構成されたものである。以下、この蛍光センサを用いて試料１に含まれるCRP抗原２を定量分析する場合について説明する。

まず試料保持部４０の中において液体状の試料１が流され、次いで同様に標識化金微粒子４５が流される。なお、このように試料１等を流すことはしないで、試料保持部４０の中に液体状の試料１および標識化金微粒子４５を貯えた状態で蛍光検出を行うことも可能である。

この操作の後、光源４２から試料保持部４０の底面４０ａ上に向けて励起光４１が照射される。このとき、もし試料１の中にCRP抗原２が存在してそれらが上記底面４０ａ上の１次抗体４に結合していれば、さらに該抗原２に２次抗体６が結合し、その２次抗体６の標識である蛍光体１０が励起光４１によって励起されることとなる。こうして励起された蛍光体１０はピーク波長575ｎｍの蛍光４３を発し、その蛍光４３が光検出器４４によって検出される。こうして検出される蛍光４３の光量は、蛍光体１０の量が多いほど、つまりCRP抗原２の量が多いほど大となるので、この検出光量に基づいてCRP抗原２を定量分析することができる。

また上述のように励起光４１が照射されたとき、試料保持部４０の底面４０ａ近辺に存在する多数の金微粒子４５によってローカルプラズモンが励起され、このローカルプラズモンの電界増幅作用によって蛍光４３が増幅されるようになる。こうして蛍光４３が増幅されることにより、検出対象物であるCRP抗原２を高感度で検出可能となる。

また本実施形態の蛍光センサにおいては、多数の金微粒子４５の各々が不撓性膜４６によって覆われているので、蛍光体１０が金微粒子４５に対して、金属消光が起きる程度まで近接してしまうことがなくなる。そこでこの場合は金属消光を招くことがなくなり、ローカルプラズモンによる電場増幅作用を確実に得て、極めて高い感度で蛍光を検出可能となる。

そして本実施形態の蛍光センサは、表面プラズモン増強蛍光センサのようにプリズム等の全反射光学系を必要とするものではないので、装置構成が簡単で安価に形成可能なものとなる。

ここで、上述の不撓性膜４６を形成する方法について２つの例を説明する。まず第１の方法は、不撓性膜４６をSiO₂被膜から形成するものであり、大きく分けて次の（１）〜（３）の工程からなる。

（１）金微粒子４５となる金コロイドの合成
（２）金コロイド表面分散剤の置換（クエン酸→シロキサン）
5×=10^-4molの金コロイド水溶液500ｍｌ（ミリ・リットル）に、APS（（3-Aminopropyl)trimethoxysilane）水溶液（2.5ｍｌ、1ｍmol）を添加し、15分間強攪拌することにより、金コロイド表面のクエン酸を置換する。

（３）金コロイド表面のSiO₂修飾
ｐH10〜11に調整したsodium silicate 0.54重量％水溶液20ｍｌを工程（２）の金コロイド水溶液に添加し、強攪拌する。24時間経過すると、厚さが約4ｎｍのSiO₂被膜が形成される。この溶液を遠心分離により30ｍｌまで濃縮した溶液に、170ｍｌのエタノールを添加する。さらに0.6ｍｌのNH₄OH（28％）を滴下し、80μｌ（マイクロ・リットル）のTES（テトラエトキシシラン）を添加し、24時間ゆっくり攪拌すると、厚さ20ｎｍのSiO₂被膜からなる不撓性膜４６が形成される。

次に第２の方法として、不撓性膜４６をポリマー被覆から形成する場合について説明する。この方法は、大きく分けて次の（１）〜（２）の工程からなる。

（１）金微粒子４５となる金ナノ粒子のDMFへの再分散
平均粒径が役30ｎｍのクエン酸安定化金ナノ粒子を最大約360ｐmol（＝7×10^-11重量％）含む水分散液を１ｍｌ用意し、これを遠心分離にかけた後、上澄み0.95ｍｌを捨てる。残った暗赤色、粘稠性の沈殿物を１ｍｌのDMF（N,N-dimethylformamide）に再分散させる。なお、過剰のクエン酸イオンは粒子のカプセル化を阻害する。また、小粒径の粒子を用いる場合は、DMFを加える前に水で洗浄した方が良い。

（２）金ナノ粒子のカプセル化
上記（１）の工程で得られた、平均粒径が約30ｎｍのクエン酸安定化金ナノ粒子を約648ｐmol（＝7×10^-11重量％）含むDMF分散液１ｍｌに、ポリスチレン-ポリアクリル酸ブロック共重合体(ポリスチレンが約100量体、ポリアクリル酸が約13量体)のDMF溶液(約10^-2ｇ/ｍｌ) 10μｌを加え、シリンジポンプにより8.3μｌ／minの流量で水200μｌを加えて激しく撹拌する。10分撹拌すると溶液の色が徐々に紫色に変化するので、そこで１重量％のドデカンチオールDMF溶液5μｌを加え、24時間撹拌する。その後、さらにシリンジポンプにより、2ｍｌ／ｈの流量で水3ｍｌを加える。

次に透析により24時間かけてDMFを除去する。次いで撹拌しながら72μｌのEDC溶液（水に対して0.1重量％：24ｎmol）を一気に添加し、30分撹拌したところで144μｌのEDODEA溶液（水に対して0.1重量％：96ｎmol）を一気に添加し、撹拌する。

その後、透析により24時間かけて試薬を除去し、次いで4000Ｇで30分間遠心分離を行い、体積で80％に相当する上澄みを捨てる。次に捨てた上澄みと同体積の水を加えて同様に遠心分離を行う。この遠心分離から遠心分離までの操作を３回以上繰り返すことにより、ポリスチレン-ポリアクリル酸ブロック共重合体の架橋物からなる被膜が金ナノ粒子（金微粒子４５）の周りに不撓性膜４６として形成される。

以上説明した実施形態の蛍光センサは、いわゆるサンドイッチ形式と呼ばれる検出方式で蛍光検出するものであるが、例えば図１の構成において、２次抗体６に替えて１次抗体４と結合する物質を用い、それらの各々に、不撓性膜４６によって被覆された金微粒子４５および蛍光体１０を結合させたものを試料１中に混合させれば、いわゆる競合方式で蛍光検出する蛍光センサが得られる。すなわちその場合は、上記物質とCRP抗原２とが１次抗体４への結合において競合するので、CRP抗原２の量が多いほど蛍光体１０の量が少なくなり、検出される蛍光４３の光量が少なくなる。そこでこの場合も、この検出蛍光量に基づいてCRP抗原２を定量分析することができる。

本発明の一実施形態によるローカルプラズモン増強蛍光センサを示す概略側面図従来の蛍光センサの一例を示す概略側面図従来の蛍光センサの別の例を示す概略側面図

符号の説明

１試料
２抗原
４１次抗体
６２次抗体
１０蛍光体
４０試料保持部
４０ａ試料保持部の底面（検出部）
４１励起光
４２光源
４３蛍光
４４光検出器

Claims

試料中の検出対象物と結合する第１物質が固定された検出部と、
この検出部に試料が接するように該試料を保持する試料保持部と、
前記試料中に混合されて、前記検出対象物と結合する複数の第２物質と、
これらの第２物質の各々に結合された金属微粒子と、
前記第２物質と一体化された蛍光体と、
前記検出部に対して、前記蛍光体を励起する励起光を照射する光源と、
前記励起光によって励起された蛍光体が発する蛍光を検出する光検出手段とを備えてなるローカルプラズモン増強蛍光センサ。
前記第１物質が、前記検出対象物としての抗原と結合する１次抗体であり、
前記第２物質が、前記抗原と結合する２次抗体であることを特徴とする請求項１記載のローカルプラズモン増強蛍光センサ。
試料中の検出対象物と結合する第１物質が固定された検出部と、
この検出部に試料が接するように該試料を保持する試料保持部と、
前記試料中に混合されて、前記第１物質と結合する複数の第２物質と、
これらの第２物質の各々に結合された金属微粒子と、
前記第２物質と一体化された蛍光体と、
前記検出部に対して、前記蛍光体を励起する励起光を照射する光源と、
前記励起光によって励起された蛍光体が発する蛍光を検出する光検出手段とを備えてなるローカルプラズモン増強蛍光センサ。
前記第１物質が、前記検出対象物としての抗原と結合する１次抗体であり、
前記第２物質が、前記１次抗体と結合する物質であることを特徴とする請求項３記載のローカルプラズモン増強蛍光センサ。
前記金属微粒子が不撓性膜によって覆われていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のローカルプラズモン増強蛍光センサ。
前記金属微粒子が金微粒子であることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載のローカルプラズモン増強蛍光センサ。