JP4910132B2 - Surface charge amount measuring apparatus and surface charge amount measuring method - Google Patents

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Description

本発明は、表面電荷量計測装置及び表面電荷量計測方法に関するものである。   The present invention relates to a surface charge amount measuring apparatus and a surface charge amount measuring method.

従来、化学的反応や生物学的反応を検出する方法として、反応に伴う電気信号(例えば電位)の変化を検出する方法が知られている。例えば、特異性の高い生体分子について、当該生体分子と親和性の高い標的分子を検出する場合、この生体分子を半導体基板に固定し標的分子との結合を当該半導体基板から出力される電気信号の変化によって検出する方法が検討されている(特許文献1参照)。
特開平10−332423号公報
Conventionally, as a method for detecting a chemical reaction or a biological reaction, a method for detecting a change in an electric signal (for example, potential) accompanying the reaction is known. For example, for a highly specific biomolecule, when a target molecule having a high affinity with the biomolecule is detected, the biomolecule is immobilized on a semiconductor substrate, and the binding to the target molecule is detected by an electric signal output from the semiconductor substrate. A method of detecting by a change has been studied (see Patent Document 1).
JP-A-10-332423

本発明は、試料の表面における電荷量を簡便に計測することが可能な表面電荷量計測装置及び表面電荷量計測方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a surface charge amount measuring apparatus and a surface charge amount measuring method capable of easily measuring the charge amount on the surface of a sample.

ところで、検出の対象が電気信号だけでは、結合反応を検証するのに十分ではない。すなわち、例えば電位の変化等を検出できたとしても、それだけでは反応を定量的に分析することができず、さらには当該電位変化が実際に結合反応によってもたらされたものであることの実証もできない。   By the way, it is not enough to verify the binding reaction if the object of detection is only an electric signal. That is, even if a change in potential, for example, can be detected, the reaction cannot be analyzed quantitatively by itself, and further, it is demonstrated that the potential change is actually caused by a binding reaction. Can not.

通常、結合反応を特定するために、蛍光色素等で測定の対象物質を標識して直接観察されている。しかし、この場合標識操作が非常に煩雑となってしまうという問題があった。   Usually, in order to specify the binding reaction, the substance to be measured is directly observed with a fluorescent dye or the like. However, in this case, there is a problem that the labeling operation becomes very complicated.

こうした問題に対し、本願発明者等は、基板等の表面における電荷量を測定することで、基板表面での生体反応等を特定することができる上、定量的な分析も可能となることを見出した。そこで、本願発明者等は生物学的反応あるいは化学的反応等についての分析のさらなる発展に貢献すべく、試料表面での電荷量を簡便に計測することができる装置及び方法について鋭意研究を重ねた結果、ついに本願発明に想到するに至った。   For these problems, the inventors of the present application have found that by measuring the amount of charge on the surface of the substrate or the like, it is possible to specify a biological reaction or the like on the surface of the substrate, and also to perform a quantitative analysis. It was. Accordingly, the inventors of the present application have made extensive studies on an apparatus and method that can easily measure the amount of charge on the sample surface in order to contribute to further development of analysis of biological reactions or chemical reactions. As a result, it finally came to the present invention.

かかる研究結果を踏まえ、本発明に係る表面電荷量計測装置は、荷電した複数のプローブ粒子を上方に浮遊させて荷電試料の表面での電荷量を計測する表面電荷量計測装置であって、複数のプローブ粒子の位置分布を算出する位置分布算出手段と、位置分布に基づいて試料表面での電荷量を算出する電荷量算出手段と、を備えることを特徴とする。   Based on such research results, the surface charge amount measuring apparatus according to the present invention is a surface charge amount measuring apparatus that measures a charge amount on the surface of a charged sample by floating a plurality of charged probe particles upward. A position distribution calculating means for calculating the position distribution of the probe particles, and a charge amount calculating means for calculating the charge amount on the sample surface based on the position distribution.

上記の表面電荷量計測装置では、荷電された試料の表面上方に荷電プローブ粒子を分布させている。荷電されたプローブ粒子は、荷電された試料との間の静電的相互作用による影響を受けて分布する。そのため、プローブ粒子の位置分布を求めることにより、荷電された試料表面の電荷量を算出することが可能となる。また、荷電されたプローブ粒子の位置分布を求めるだけであるため、簡便に且つ低コストで試料表面の電荷量を計測することが可能となる。また、試料表面上に液体あるいは気体が存在し当該液体等が流動している場合であっても、プローブ粒子は浮遊しているため、流動によって妨げられることなく試料表面での電荷量を計測することが可能となる。また、プローブ粒子の大きさを変えることで所望の分解能で電荷量を計測することが可能となる。   In the above surface charge amount measuring apparatus, charged probe particles are distributed above the surface of a charged sample. The charged probe particles are distributed under the influence of electrostatic interaction with the charged sample. Therefore, by obtaining the position distribution of the probe particles, the charge amount on the charged sample surface can be calculated. Further, since only the position distribution of the charged probe particles is obtained, the charge amount on the sample surface can be measured easily and at low cost. In addition, even when liquid or gas is present on the sample surface and the liquid or the like is flowing, the probe particles are floating, so the charge amount on the sample surface is measured without being hindered by the flow. It becomes possible. In addition, it is possible to measure the charge amount with a desired resolution by changing the size of the probe particles.

プローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像に基づいて、試料の表面での電荷量を計測する上記の表面電荷量計測装置であって、プローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値特定手段をさらに備え、位置分布算出手段は、プローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からのプローブ粒子の距離との関係を示す校正データと、大きさ規定値特定手段で求められた測定値と、に基づいて、複数のプローブ粒子の位置分布を算出することが好ましい。   A surface charge amount measuring apparatus for measuring the amount of charge on the surface of a sample based on a probe image obtained by picking up an image of probe particles, the probe obtained by picking up an image of probe particles The apparatus further comprises size specification value specifying means for obtaining a measurement value that specifies the size of the probe particle in the image, and the position distribution calculation means includes a value that specifies the size of the probe particle in the probe image and the probe particle from the reference plane. It is preferable to calculate the position distribution of the plurality of probe particles based on the calibration data indicating the relationship with the distance and the measurement value obtained by the size specification value specifying means.

この表面電荷量計測装置では、プローブ画像における各プローブ粒子の大きさを規定する測定値さえ求められればそのプローブ粒子の位置分布が算出できる。そのため、プローブ画像に撮像されたプローブ粒子の数が複数であっても、当該撮像された複数のプローブ粒子の位置分布を算出することが可能であり、表面での電荷量の計測に要する時間を短縮することが可能となる。   In this surface charge amount measuring apparatus, the position distribution of the probe particles can be calculated as long as the measurement value that defines the size of each probe particle in the probe image is obtained. Therefore, even if there are a plurality of probe particles imaged in the probe image, it is possible to calculate the position distribution of the plurality of probe particles imaged, and the time required for measuring the charge amount on the surface can be calculated. It can be shortened.

あるいは、光の強度を測定する強度測定手段をさらに備え、表面と交差する試料の第1の側面に斜めに入射光を入射させることにより試料の表面での電荷量を計測する上記の表面電荷量計測装置であって、入射光は、試料表面において全反射しながら試料内を伝播した後、表面とは交差する試料の第2の側面から出射光として出射していくよう第1の側面に入射され、位置分布算出手段は、入射光の強度と出射光の強度との強度差に基づいて、複数のプローブ粒子の位置分布を算出することが好ましい。   Alternatively, the surface charge amount described above further includes an intensity measurement unit that measures the intensity of light, and measures the amount of charge on the surface of the sample by causing incident light to enter the first side surface of the sample intersecting the surface obliquely. In the measurement apparatus, the incident light is incident on the first side surface so as to be emitted from the second side surface of the sample intersecting the surface after being propagated through the sample while being totally reflected on the sample surface. The position distribution calculating means preferably calculates the position distribution of the plurality of probe particles based on the intensity difference between the intensity of the incident light and the intensity of the emitted light.

この表面電荷量計測装置では、入射光が表面において全反射しながら試料内を伝播するため、試料表面近傍の試料外側にエバネッセント光が浸透する。エバネッセント光の強度Eは、界面(試料表面)での光強度をEとすると、式(1)で表される。

Figure 0004910132


X:界面からの距離
dp:エバネッセント光の強度が界面での強度の1/eになるときの界面からの距離 In this surface charge amount measuring apparatus, since the incident light propagates through the sample while being totally reflected on the surface, the evanescent light penetrates outside the sample near the sample surface. The intensity E of the evanescent light is expressed by Expression (1), where E 0 is the light intensity at the interface (sample surface).
Figure 0004910132


X: Distance from interface
dp: Distance from the interface when the intensity of the evanescent light is 1 / e of the intensity at the interface

式(1)から理解されるように、エバネッセント光の強度Eは、界面から離れるにしたがって指数関数的に減衰する。エバネッセント光の到達距離dpは略波長オーダーとされ、以下の式(2)で表される。

Figure 0004910132


λ:入射光の波長
:試料の屈折率
:試料と界面で接する媒質の屈折率
θ:試料表面の法線に対する入射光の角度 As understood from the equation (1), the intensity E of the evanescent light attenuates exponentially as the distance from the interface increases. The arrival distance dp of the evanescent light is approximately in the order of wavelengths, and is expressed by the following equation (2).
Figure 0004910132


λ: wavelength of incident light n 1 : refractive index of sample n 2 : refractive index of medium in contact with sample at interface θ: angle of incident light with respect to normal of sample surface

例えば、波長400nmの光を入射光とし、石英ガラス(n=1.47)を試料として用い、水(n2=1.33)を試料と界面で接する媒質として用意し、試料表面の法線に対する入射光の角度を70°(試料内では66.8°を用いる。)を用いた場合、式(2)から約270nmがエバネッセント光の到達距離dpとして得られる。実際に、吸収に寄与するエバネッセント光の最高到達距離は3dpとされているので、光の吸収は約810nmまで起こると考えられる。上記の表面電荷量計測装置は、このエバネッセント光を用いてプローブ粒子の位置分布を算出するため、非常に小さいスケールで試料表面を計測することができる。また、通常、荷電された抗体蛋白質を試料表面に固定化した場合、標的抗原の検出及びその定量分析が可能となる。 For example, light with a wavelength of 400 nm is used as incident light, quartz glass (n 1 = 1.47) is used as a sample, water (n2 = 1.33) is prepared as a medium in contact with the sample at the interface, and the normal of the sample surface is prepared. When the angle of the incident light with respect to is 70 ° (66.8 ° is used in the sample), about 270 nm is obtained as the reach distance dp of the evanescent light from the equation (2). Actually, the maximum reachable distance of the evanescent light contributing to the absorption is 3 dp, so that the light absorption is considered to occur up to about 810 nm. Since the surface charge amount measuring apparatus calculates the position distribution of the probe particles using the evanescent light, the surface of the sample can be measured with a very small scale. In general, when a charged antibody protein is immobilized on the surface of a sample, detection of a target antigen and quantitative analysis thereof are possible.

プローブ粒子が球体であることが好ましい。この場合、プローブ粒子の扱いが容易となるため、上記表面電荷量計測装置はより一層簡便に試料表面での電荷量を計測することが可能となる。   The probe particles are preferably spheres. In this case, since the handling of the probe particles is facilitated, the surface charge amount measuring apparatus can more easily measure the charge amount on the sample surface.

試料は、荷電物質が表面に固定されることによって荷電されることが好ましい。例えば荷電されたDNA分子が試料の表面に固定された場合、標的分子の検出だけでなく結合反応の定量的な分析も可能となる。   The sample is preferably charged by charging a charged substance on the surface. For example, when charged DNA molecules are immobilized on the surface of a sample, not only detection of target molecules but also quantitative analysis of the binding reaction is possible.

一方、本発明に係る表面電荷量計測方法は、荷電した複数のプローブ粒子を上方に浮遊させて荷電試料の表面での電荷量を計測する表面電荷量計測方法であって、複数のプローブ粒子の位置分布を算出する位置分布算出ステップと、位置分布に基づいて試料表面での電荷量を算出する電荷量算出ステップと、を備えることを特徴とする。   On the other hand, the surface charge amount measuring method according to the present invention is a surface charge amount measuring method for measuring a charge amount on the surface of a charged sample by floating a plurality of charged probe particles upward, A position distribution calculating step for calculating the position distribution; and a charge amount calculating step for calculating the charge amount on the sample surface based on the position distribution.

上記の表面電荷量計測方法では、荷電された試料の表面上方に荷電プローブ粒子を分布させている。荷電されたプローブ粒子は、荷電された試料との間の静電的相互作用による影響を受けて分布する。そのため、プローブ粒子の位置分布を求めることにより、荷電された試料表面の電荷量を算出することが可能となる。また、荷電されたプローブ粒子の位置分布を求めるだけであるため、簡便に且つ低コストで試料表面の電荷量を計測することが可能となる。また、試料表面上に液体あるいは気体が存在し当該液体等が流動している場合であっても、プローブ粒子は浮遊しているため、流動によって妨げられることなく試料表面での電荷量を計測することが可能となる。また、プローブ粒子の大きさを変えることで所望の分解能で電荷量を計測することが可能となる。   In the above surface charge amount measuring method, charged probe particles are distributed above the surface of a charged sample. The charged probe particles are distributed under the influence of electrostatic interaction with the charged sample. Therefore, by obtaining the position distribution of the probe particles, the charge amount on the charged sample surface can be calculated. Further, since only the position distribution of the charged probe particles is obtained, the charge amount on the sample surface can be measured easily and at low cost. In addition, even when liquid or gas is present on the sample surface and the liquid or the like is flowing, the probe particles are floating, so the charge amount on the sample surface is measured without being hindered by the flow. It becomes possible. In addition, it is possible to measure the charge amount with a desired resolution by changing the size of the probe particles.

プローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からのプローブ粒子の距離との関係を示す校正データを用意する校正データ準備ステップと、プローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値特定ステップと、をさらに備え、位置分布算出ステップは、校正データと大きさ規定値特定手段で求められた測定値とに基づいて、複数のプローブ粒子の位置分布を算出することが好ましい。   A calibration data preparation step for preparing calibration data indicating a relationship between a value defining the size of the probe particle in the probe image and the distance of the probe particle from the reference plane, and a probe image obtained by capturing an image of the probe particle A size specification value specifying step for obtaining a measurement value that defines the size of the probe particle in the position distribution step, the position distribution calculation step based on the calibration data and the measurement value obtained by the size specification value specifying means It is preferable to calculate the position distribution of a plurality of probe particles.

上記表面電荷量計測方法では、プローブ画像における各プローブ粒子の大きさを規定する測定値さえ求められればそのプローブ粒子の位置分布が算出できる。そのため、プローブ画像に撮像されたプローブ粒子の数が複数であっても、当該撮像された複数のプローブ粒子の位置分布を算出することが可能であり、表面での電荷量の計測に要する時間を短縮することが可能となる。   In the surface charge amount measuring method, the position distribution of the probe particles can be calculated as long as the measurement value that defines the size of each probe particle in the probe image is obtained. Therefore, even if there are a plurality of probe particles imaged in the probe image, it is possible to calculate the position distribution of the plurality of probe particles imaged, and the time required for measuring the charge amount on the surface can be calculated. It can be shortened.

あるいは、試料表面で全反射しながら試料内を伝播する強度の測定された入射光を、表面と交差する試料の第1の側面に斜めに入射させる光入射ステップと、入射光として入射し試料内を伝播した後、表面と交差する試料の第2の側面から出射する出射光の強度を測定する出射光強度測定ステップと、をさらに備え、位置分布算出ステップは、入射光の強度と出射光の強度との強度差に基づいて、複数のプローブ粒子の位置分布を算出することが好ましい。   Alternatively, a light incident step in which incident light whose intensity is propagated through the sample while being totally reflected by the sample surface is incident obliquely on the first side surface of the sample intersecting the surface, and incident light is incident on the sample. An emission light intensity measuring step for measuring the intensity of the emitted light emitted from the second side surface of the sample that intersects the surface, and the position distribution calculating step includes the intensity of the incident light and the intensity of the emitted light. It is preferable to calculate the position distribution of the plurality of probe particles based on the intensity difference from the intensity.

上記表面電荷量計測方法では、入射光が表面において全反射しながら試料内を伝播するため、試料表面近傍の試料外側にエバネッセント光が浸透する。上記の表面電荷量計測方法は、このエバネッセント光を用いてプローブ粒子の位置分布を算出するため、非常に小さいスケールで試料表面を計測することができる。   In the surface charge amount measuring method, since the incident light propagates through the sample while being totally reflected on the surface, the evanescent light penetrates outside the sample near the sample surface. Since the surface charge amount measuring method calculates the position distribution of the probe particles using the evanescent light, the sample surface can be measured with a very small scale.

プローブ粒子が球体であることが好ましい。この場合、プローブ粒子の扱いが容易となるため、上記表面電荷量計測方法はより一層簡便に試料表面での電荷量を計測することが可能となる。   The probe particles are preferably spheres. In this case, since the probe particles can be easily handled, the surface charge amount measuring method can more easily measure the charge amount on the sample surface.

試料は、荷電物質が表面に固定されることによって荷電されることが好ましい。例えば荷電されたDNA分子が試料の表面に固定された場合、標的分子の検出だけでなく結合反応の定量的な分析も可能となる。   The sample is preferably charged by charging a charged substance on the surface. For example, when charged DNA molecules are immobilized on the surface of a sample, not only detection of target molecules but also quantitative analysis of the binding reaction is possible.

本発明によれば、試料の表面における電荷量を簡便に計測することが可能な表面電荷量計測装置及び表面電荷量計測方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the surface charge amount measuring apparatus and surface charge amount measuring method which can measure the charge amount in the surface of a sample simply can be provided.

以下、添付図面を参照して、好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.

(第1実施形態)
図1は第1実施形態に係る表面電荷量計測装置1Aの構成を示す図である。図1に示すように表面電荷量計測装置1Aは、光源2と、水槽20と、結像光学系(結像手段)3と、撮像装置(撮像手段)4と、画像処理装置(画像処理手段)10と、表示装置(表示手段)5とを備える。表面電荷量計測装置1Aは、透明な基板22と、当該透明基板22の表面に固定された固定化DNA分子23とで構成される試料21の表面21aの電荷量を計測する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a surface charge amount measuring apparatus 1A according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, a surface charge measuring device 1A includes a light source 2, a water tank 20, an imaging optical system (imaging means) 3, an imaging device (imaging means) 4, and an image processing device (image processing means). ) 10 and a display device (display means) 5. The surface charge amount measuring apparatus 1 </ b> A measures the amount of charge on the surface 21 a of the sample 21 composed of the transparent substrate 22 and the immobilized DNA molecules 23 immobilized on the surface of the transparent substrate 22.

水槽20は、一面が開口した透明材質からなる容器である。水槽20内には、例えば純水25が満たされている。水槽20の底面上には、試料21が、固定化DNA分子23が固定されていない面が水槽20の底面と接するように載置されている。水槽20内では、試料21の表面21a上方において球体のプローブ粒子Pが複数浮遊している。必要に応じて、検出DNA分子24も水槽20内に浮遊させてもよい。プローブ粒子Pとして例えば、径が約1μmのポリスチレンラテックス微粒子を用いる。試料21、検出DNA分子24、及びプローブ粒子Pは、同符号で荷電している。試料21は、荷電物質である固定化DNA分子23がその表面に固定されることによって荷電する。   The water tank 20 is a container made of a transparent material with one surface opened. The water tank 20 is filled with pure water 25, for example. On the bottom surface of the water tank 20, the sample 21 is placed so that the surface on which the immobilized DNA molecules 23 are not fixed is in contact with the bottom surface of the water tank 20. In the water tank 20, a plurality of spherical probe particles P are suspended above the surface 21 a of the sample 21. If necessary, the detection DNA molecules 24 may also be suspended in the water tank 20. For example, polystyrene latex fine particles having a diameter of about 1 μm are used as the probe particles P. The sample 21, the detection DNA molecule 24, and the probe particle P are charged with the same sign. The sample 21 is charged when the immobilized DNA molecule 23 which is a charged substance is immobilized on the surface thereof.

光源2は、水槽20の上方に、すなわち水槽20の試料21が載置されている底面とは反対側に位置する。光源2は、試料21及びプローブ粒子Pを照射する光lを出力する。表面電荷量計測装置1Aは、光源2に対してさらに集光レンズ2Aを備えている。集光レンズ2Aは、光源2から出力された光lを集光して、水槽20内に入射させる。   The light source 2 is located above the water tank 20, that is, on the side opposite to the bottom surface on which the sample 21 of the water tank 20 is placed. The light source 2 outputs light l that irradiates the sample 21 and the probe particles P. The surface charge amount measuring device 1 </ b> A further includes a condenser lens 2 </ b> A with respect to the light source 2. The condensing lens 2 </ b> A collects the light 1 output from the light source 2 and makes it enter the water tank 20.

結像光学系3は、水槽20の下方に、すなわち水槽20の底面側に位置する。結像光学系3は、光源2から出力された光lによって照射されたプローブ粒子Pの像(プローブ像)を撮像装置4の受光面上に結ぶ。試料21は後述の結像光学系3の焦点面Fとは一致せず、本実施形態では試料21は結像光学系3の焦点面Fが水槽20内に位置するように配置される。   The imaging optical system 3 is located below the water tank 20, that is, on the bottom surface side of the water tank 20. The imaging optical system 3 connects an image (probe image) of the probe particle P irradiated with the light 1 output from the light source 2 on the light receiving surface of the imaging device 4. The sample 21 does not coincide with the focal plane F of the imaging optical system 3 which will be described later. In this embodiment, the sample 21 is arranged so that the focal plane F of the imaging optical system 3 is located in the water tank 20.

撮像装置4は、結像光学系3によって結像されたプローブ像を撮像するCCDカメラである。撮像装置4は、プローブ像を撮像して得られたプローブ画像を画像処理装置10に出力する。   The imaging device 4 is a CCD camera that captures a probe image formed by the imaging optical system 3. The imaging device 4 outputs the probe image obtained by imaging the probe image to the image processing device 10.

画像処理装置10は、撮像されたプローブ画像を撮像装置4から入力する。画像処理装置10は、撮像装置4から出力されたプローブ画像からプローブ粒子Pの位置分布を算出し、当該位置分布から試料21の表面21aでの電荷量を算出する。画像処理装置10は、算出した試料21の表面21aでの電荷量を表示装置5へ出力する。なお、画像処理装置10は、必要に応じてプローブ画像も表示装置5へ出力してもよい。   The image processing apparatus 10 inputs the captured probe image from the imaging apparatus 4. The image processing apparatus 10 calculates the position distribution of the probe particles P from the probe image output from the imaging apparatus 4, and calculates the charge amount on the surface 21a of the sample 21 from the position distribution. The image processing apparatus 10 outputs the calculated charge amount on the surface 21 a of the sample 21 to the display device 5. Note that the image processing apparatus 10 may also output a probe image to the display device 5 as necessary.

表示装置5は、画像処理装置10から入力された試料21の表面21aでの電荷量あるいはプローブ画像を表示する。この表示装置5としては、例えば、CRTモニタや、液晶ディスプレイなどを用いることができる。   The display device 5 displays a charge amount or a probe image on the surface 21 a of the sample 21 input from the image processing device 10. As the display device 5, for example, a CRT monitor, a liquid crystal display, or the like can be used.

次に、図2を参照して画像処理装置10の機能について説明する。図2に示すように、画像処理装置10は、校正データ格納部11と、大きさ規定値特定部12と、位置分布算出部13と、電荷量算出部14とを有する。   Next, functions of the image processing apparatus 10 will be described with reference to FIG. As illustrated in FIG. 2, the image processing apparatus 10 includes a calibration data storage unit 11, a size specification value specifying unit 12, a position distribution calculation unit 13, and a charge amount calculation unit 14.

校正データ格納部11には、プローブ画像におけるプローブ粒子Pの大きさを規定する値とプローブ粒子Pの試料21の表面21aからの距離との関係を示す校正データが格納されている。本実施形態ではプローブ粒子Pは球体であるため、プローブ粒子Pの大きさを規定する値を、画像上におけるプローブ粒子Pの直径とする。   The calibration data storage unit 11 stores calibration data indicating the relationship between the value that defines the size of the probe particle P in the probe image and the distance of the probe particle P from the surface 21a of the sample 21. In this embodiment, since the probe particle P is a sphere, the value that defines the size of the probe particle P is defined as the diameter of the probe particle P on the image.

図3に校正データによって得られるグラフを示す。図3のグラフの横軸は試料21の表面21aに直交する方向(以下、z方向という)での結像光学系3の焦点面Fからの距離Z(μm)を表し、縦軸はプローブ画像におけるプローブ粒子Pの直径の大きさd(μm)を表す。結像光学系3の焦点面Fは、プローブ粒子の位置を特定するための基準面として機能する。図3のグラフにおける円は実際の測定データを表し、曲線はこれらの測定データに対してフィッティングを行った結果である。校正データ格納部11は、例えばフィッティングによって得られた関係式を校正データとして格納する。あるいは、校正データ格納部11は、例えば実際の測定データを校正データとして格納する。図4に、校正データ格納部11が実際の測定データを校正データとして格納する場合における校正データの表を示す。   FIG. 3 shows a graph obtained from the calibration data. The horizontal axis of the graph in FIG. 3 represents the distance Z (μm) from the focal plane F of the imaging optical system 3 in the direction orthogonal to the surface 21a of the sample 21 (hereinafter referred to as the z direction), and the vertical axis represents the probe image. Represents the diameter d (μm) of the probe particle P in FIG. The focal plane F of the imaging optical system 3 functions as a reference plane for specifying the position of the probe particle. The circle in the graph of FIG. 3 represents actual measurement data, and the curve is the result of fitting to these measurement data. The calibration data storage unit 11 stores, for example, a relational expression obtained by fitting as calibration data. Alternatively, the calibration data storage unit 11 stores, for example, actual measurement data as calibration data. FIG. 4 shows a table of calibration data when the calibration data storage unit 11 stores actual measurement data as calibration data.

試料21の表面21aからの結像光学系3の焦点面Fの位置は既知である。したがって図3のグラフから理解されるように、校正データによれば、プローブ粒子Pの直径の大きさdを得ることによって、試料21の表面21aからのプローブ粒子Pの距離Zを求めることができる。ここで、焦点面Fからそれぞれ距離Z、Z、Zだけ離れているプローブ粒子P、P、Pの、距離Z、Z、Zとプローブ画像における直径d、d、dとの関係を説明する。説明に際し、図5〜6を参照する。 The position of the focal plane F of the imaging optical system 3 from the surface 21a of the sample 21 is known. Therefore, as can be understood from the graph of FIG. 3, according to the calibration data, the distance Z of the probe particle P from the surface 21 a of the sample 21 can be obtained by obtaining the diameter d of the probe particle P. . Here, each distance Z from the focal plane F 0, Z 1, Z 2 only separated probe particles P 0, the P 1, P 2, the distance Z 0, Z 1, Z 2 and the diameter d 0 of the probe image, The relationship between d 1 and d 2 will be described. In the description, reference is made to FIGS.

図5は、プローブ粒子P、P、Pと焦点面Fとの関係を説明するための図である。図5に示されているように、プローブ粒子Pは焦点面Fに位置し、焦点面FからZ(Z=0)だけ離れている。プローブ粒子Pは焦点面Fに対しZ(<Z)の位置にある。プローブ粒子Pは焦点面Fに対しZ(>Z)の位置にある。 FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the probe particles P 0 , P 1 , P 2 and the focal plane F. FIG. As shown in FIG. 5, the probe particle P 0 is located at the focal plane F and is separated from the focal plane F by Z 0 (Z 0 = 0). The probe particle P 1 is at a position Z 1 (<Z 0 ) with respect to the focal plane F. The probe particle P 2 is at a position Z 2 (> Z 0 ) with respect to the focal plane F.

図6は、撮像されたプローブ画像におけるプローブ粒子P、P、Pの画像である。図6(a)はプローブ粒子Pの、図6(b)はプローブ粒子Pの、図6(c)はプローブ粒子Pの画像である。図6に示されるように、焦点面Fに位置するプローブ粒子Pの画像(図6(b))における円の大きさ(直径の大きさ)は、他のプローブ粒子P、Pの画像(図6(a)、(c))における円(直径)に比べて小さくなる。図6(a)に示された二点鎖線T、図6(b)に示された二点鎖線T、図6(c)に示された二点鎖線Tはそれぞれプローブ画像におけるプローブ粒子の中心点を通り、各プローブ粒子の画像を横断する線である。また、図6(a)に示された直径d12、図6(b)に示された直径d10、図6(c)に示された直径d11はそれぞれプローブ画像におけるプローブ粒子の白い輪で表される像の直径である。図6(a)に示された直径d22、図6(b)に示された直径d20、図6(c)に示された直径d21はそれぞれプローブ画像におけるプローブ粒子の黒い輪で表される像の直径である。 FIG. 6 is an image of probe particles P 0 , P 1 , P 2 in the captured probe image. 6A is an image of the probe particle P 0 , FIG. 6B is an image of the probe particle P 1 , and FIG. 6C is an image of the probe particle P 2 . As shown in FIG. 6, the size (diameter size) of the circle in the image of the probe particle P 0 located in the focal plane F (FIG. 6B) is that of the other probe particles P 1 and P 2 . It becomes smaller than the circle (diameter) in the image (FIGS. 6A and 6C). The two-dot chain line T 2 shown in FIG. 6A, the two-dot chain line T 0 shown in FIG. 6B, and the two-dot chain line T 1 shown in FIG. A line that passes through the center point of the particle and traverses the image of each probe particle. Further, the diameter d 12 shown in FIG. 6A, the diameter d 10 shown in FIG. 6B, and the diameter d 11 shown in FIG. 6C are white circles of probe particles in the probe image, respectively. The diameter of the image represented by The diameter d 22 shown in FIG. 6 (a), the diameter d 20 shown in FIG. 6 (b), and the diameter d 21 shown in FIG. 6 (c) are each represented by a black ring of probe particles in the probe image. Is the diameter of the image to be made.

図7は、プローブ画像における各プローブ粒子P、P、Pの強度を示すグラフである。図7(a)はプローブ粒子Pの、図7(b)はプローブ粒子Pの、図7(c)はプローブ粒子Pのグラフである。各グラフの横軸は図6(a)、(b)、(c)に示された横断線T、T、T上の位置T、縦軸はプローブ画像における強度I(T)を表す。各グラフにおける強度Iは、背景画像の平均強度に相当する。プローブ画像における各プローブ粒子P、P、Pの直径d、d、dは、例えば各横断線上であって画像上のプローブ粒子の円内に位置する強度I(T)の0次のピーク(凸部)の両脇にある1次のピーク(凸部)の頂点間の距離(図6(a)〜(c)の各画像における白い輪の直径)d10、d11、d12とする。あるいは、プローブ画像における各プローブ粒子P、P、Pの直径d、d、dは、例えば各横断線上であって画像上のプローブ粒子の円内に位置する強度I(T)の0次のピーク(凸部)の両脇にある凹部の頂点間の距離(図6(a)〜(c)の各画像における黒い輪の直径)d20、d21、d22であってもよい。 FIG. 7 is a graph showing the intensity of each probe particle P 0 , P 1 , P 2 in the probe image. 7A is a graph of the probe particle P 0 , FIG. 7B is a graph of the probe particle P 1 , and FIG. 7C is a graph of the probe particle P 2 . The horizontal axis of each graph is the position T on the transverse lines T 2 , T 0 , and T 1 shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C, and the vertical axis is the intensity I (T) in the probe image. To express. The intensity I 0 in each graph corresponds to the average intensity of the background image. The diameters d 0 , d 1 , d 2 of each probe particle P 0 , P 1 , P 2 in the probe image are, for example, of the intensity I (T) located on each transverse line and within the circle of the probe particle on the image The distance between the vertices of the primary peak (convex portion) on both sides of the zero-order peak (convex portion) (the diameter of the white ring in each image of FIGS. 6A to 6C) d 10 , d 11 , and d 12. Alternatively, the diameters d 0 , d 1 , d 2 of the probe particles P 0 , P 1 , P 2 in the probe image are, for example, the intensities I (T) located on the respective transverse lines and within the circle of the probe particles on the image. ) Between the vertices of the concave portions on both sides of the 0th-order peak (convex portion) (diameter of the black ring in each image of FIGS. 6A to 6C) d 20 , d 21 , d 22. May be.

また、0次のピークの強度が平均強度Iより小さい場合というのはプローブ粒子が焦点面Fより上に位置することを意味する。一方、0次のピークの強度I(T=0)が平均強度Iより大きい場合というのはプローブ粒子が焦点面Fより下に位置することを意味する。したがって、図7(a)〜(c)より、プローブ粒子Pが焦点面Fより上に位置し、プローブ粒子P、Pが焦点面Fより下に位置することが示される。 Further, the case where the intensity of the zero-order peak is smaller than the average intensity I 0 means that the probe particles are located above the focal plane F. On the other hand, the case where the intensity I (T = 0) of the zero-order peak is larger than the average intensity I 0 means that the probe particles are located below the focal plane F. Thus, from FIG. 7 (a) ~ (c) , the probe particles P 2 is positioned above the focal plane F, probe particles P 0, P 1 is shown to be positioned below the focal plane F.

再び図2を参照して画像情報処理装置10の機能についての説明を続ける。大きさ規定値特定部12は、撮像されたプローブ画像を撮像装置4から入力し、プローブ画像における複数のプローブ粒子Pそれぞれの大きさを規定する値の測定値である直径dを求める。すなわち、直径dは、図6に示したような画像に基づいて得られるグラフ(図7参照)に基づき、1次ピーク間の距離として求められる。大きさ規定値特定部12は、直径dを位置分布算出部13に出力する。   The description of the function of the image information processing apparatus 10 will be continued with reference to FIG. The size specification value specifying unit 12 inputs the captured probe image from the imaging device 4 and obtains a diameter d that is a measurement value of a value that specifies the size of each of the plurality of probe particles P in the probe image. That is, the diameter d is obtained as a distance between primary peaks based on a graph (see FIG. 7) obtained based on an image as shown in FIG. The size specification value specifying unit 12 outputs the diameter d to the position distribution calculating unit 13.

位置分布算出部13は、大きさ規定値特定部12からプローブ粒子Pの直径dを入力する。位置分布算出部13は、校正データ格納部11に格納された校正データとプローブ粒子Pの直径dとに基づいて、試料21の表面21aからのプローブ粒子Pの位置情報を算出する。すなわち、位置分布算出部13は、校正データ格納部11から得た図3に示す校正データに基づき、大きさ規定値特定部12で求められたプローブ粒子Pの直径の大きさがdの時の焦点面Fからの距離(位置情報)Zを求める。また、焦点面Fの試料21の表面21aからの距離をZFとすると、ZFは既知であるから、位置分布算出部13は必要に応じて、ZFをこうして求められたZに加えることにより試料21の表面21aからのプローブ粒子Pの距離ZPを算出する。   The position distribution calculation unit 13 inputs the diameter d of the probe particles P from the size specification value specifying unit 12. The position distribution calculation unit 13 calculates the position information of the probe particles P from the surface 21 a of the sample 21 based on the calibration data stored in the calibration data storage unit 11 and the diameter d of the probe particles P. That is, the position distribution calculation unit 13 is based on the calibration data shown in FIG. 3 obtained from the calibration data storage unit 11 when the diameter of the probe particle P obtained by the size specification value specifying unit 12 is d. A distance (positional information) Z from the focal plane F is obtained. Further, if the distance from the surface 21a of the focal plane F to the surface 21a of the sample 21 is ZF, the ZF is known. Therefore, the position distribution calculation unit 13 adds ZF to the Z thus obtained as necessary, thereby adding the sample 21. The distance ZP of the probe particle P from the surface 21a is calculated.

位置分布算出部13は、2次元のプローブ画像から各プローブ粒子の当該2次元上、すなわち試料21の表面21aに投影させた2次元座標(x、y)を得る。そして、位置分布算出部13は焦点面Fからの距離に基づき、所望の位置を原点にとり、各プローブ粒子Pの3次元座標(x、y、z)(例えば、z=Z、あるいはz=ZP)を得る。   The position distribution calculation unit 13 obtains two-dimensional coordinates (x, y) projected on the two-dimensional surface of each probe particle, that is, on the surface 21a of the sample 21, from the two-dimensional probe image. Then, based on the distance from the focal plane F, the position distribution calculation unit 13 takes the desired position as the origin, and the three-dimensional coordinates (x, y, z) (for example, z = Z or z = ZP) of each probe particle P. )

位置分布算出部13は、複数のプローブ粒子Pの3次元座標(x、y、z)から試料21の表面21a上方を浮遊している複数のプローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を求める。本実施形態における位置分布n(x、y、z)は、試料21の表面21a上方であって、座標(x、y、z)の位置におけるプローブ粒子Pの個数の分布を表す関数であり、式(3)で表される。

Figure 0004910132


A:定数
φ(x、y、z):静電的相互作用
:φ(x、y、z)=0におけるプローブ粒子の個数(zが十分に大きいときに成立)
k:Boltzmann定数
T:絶対温度 The position distribution calculation unit 13 determines the position distribution n (x, y, z) of the plurality of probe particles P floating above the surface 21a of the sample 21 from the three-dimensional coordinates (x, y, z) of the plurality of probe particles P. ) The position distribution n (x, y, z) in the present embodiment is a function that represents the distribution of the number of probe particles P at the position of coordinates (x, y, z) above the surface 21a of the sample 21. It is represented by Formula (3).
Figure 0004910132


A: Constant φ (x, y, z): Electrostatic interaction n 0 : Number of probe particles at φ (x, y, z) = 0 (Established when z is sufficiently large)
k: Boltzmann constant T: Absolute temperature

位置分布算出部13は、こうして得た各プローブ粒子Pの位置分布である位置分布n(x、y、z)を電荷量算出部14に出力する。   The position distribution calculation unit 13 outputs the position distribution n (x, y, z) that is the position distribution of each probe particle P thus obtained to the charge amount calculation unit 14.

電荷量算出部14は、位置分布算出部13からプローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を入力する。電荷量算出部14は、プローブ粒子Pの位置分布に基づき、式(3)からプローブ粒子Pと試料21の表面21aとの間の静電的相互作用φ(x、y、z)を求める。   The charge amount calculation unit 14 inputs the position distribution n (x, y, z) of the probe particles P from the position distribution calculation unit 13. Based on the position distribution of the probe particle P, the charge amount calculation unit 14 obtains an electrostatic interaction φ (x, y, z) between the probe particle P and the surface 21a of the sample 21 from Expression (3).

電荷量算出部14は、式(3)から求めた静電的相互作用に基づいて、試料21の表面21aでの表面電位を(4)式により求める。

Figure 0004910132

The charge amount calculation unit 14 obtains the surface potential at the surface 21a of the sample 21 from the equation (4) based on the electrostatic interaction obtained from the equation (3).
Figure 0004910132

電荷量算出部14は、さらに、式(4)から求めた試料21の表面電位に基づいて、試料21の表面21aでの単位面積当たりの電荷量σを(5)式により求める。

Figure 0004910132

The charge amount calculation unit 14 further obtains the charge amount σ per unit area on the surface 21a of the sample 21 from the equation (5) based on the surface potential of the sample 21 obtained from the equation (4).
Figure 0004910132

次に、図8及び図9を参照して、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1Aを用いる表面電荷量計測方法について説明し、併せて表面電荷量計測装置1Aの動作についても説明する。図8は、表面電荷量計測方法の手順を示す図である。   Next, a surface charge amount measuring method using the surface charge amount measuring apparatus 1A according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9, and the operation of the surface charge amount measuring apparatus 1A will also be described. FIG. 8 is a diagram showing the procedure of the surface charge amount measuring method.

まず、撮像装置4によって撮像された画像におけるプローブ粒子Pの大きさを規定する値である直径dと、基準面である結像光学系3の焦点面Fからのプローブ粒子Pの距離Zとの関係を示す校正データ(図3及び図4参照)を用意する(校正データ準備ステップS01)。図9は、校正データを求めることについて説明するための図である。校正データは以下の手順で取得される。   First, the diameter d that is a value that defines the size of the probe particle P in the image captured by the imaging device 4 and the distance Z of the probe particle P from the focal plane F of the imaging optical system 3 that is the reference surface. Calibration data (see FIGS. 3 and 4) indicating the relationship is prepared (calibration data preparation step S01). FIG. 9 is a diagram for explaining how to obtain calibration data. Calibration data is acquired by the following procedure.

すなわち、図9に示されるように、2枚のカバーガラスG1、G2の間に挟まれたプローブ粒子Pをz方向に移動する。すなわち、焦点面Fと一致する場合を基準(Z=0)とし、当該基準に対して上下方向(Z<0、Z>0)にカバーガラスG1、G2に挟まれたプローブ粒子Pを移動する。その際、各位置でのプローブ粒子Pのプローブ像が撮像装置4によって撮像され、プローブ画像におけるプローブ粒子Pの直径dが求められる。こうして、焦点面Fからの距離Zに対するプローブ画像におけるプローブ粒子Pの直径dが求められ、校正データが得られる。得られた校正データは、画像処理装置10の校正データ格納部11に格納される。   That is, as shown in FIG. 9, the probe particles P sandwiched between the two cover glasses G1 and G2 are moved in the z direction. That is, the case where it coincides with the focal plane F is set as a reference (Z = 0), and the probe particles P sandwiched between the cover glasses G1 and G2 are moved in the vertical direction (Z <0, Z> 0) with respect to the reference. . At that time, a probe image of the probe particle P at each position is picked up by the image pickup device 4, and the diameter d of the probe particle P in the probe image is obtained. Thus, the diameter d of the probe particle P in the probe image with respect to the distance Z from the focal plane F is obtained, and calibration data is obtained. The obtained calibration data is stored in the calibration data storage unit 11 of the image processing apparatus 10.

再び図8に戻って、表面電荷量計測方法について説明を続ける。次に、基板22の一方の表面に固定化DNA分子23を固定して試料21を用意する。固定化DNA分子23は荷電しているため、固定化DNA分子23が基板22表面に固定されることによって試料21は荷電される。   Returning to FIG. 8 again, the description of the surface charge amount measuring method will be continued. Next, the sample 21 is prepared by immobilizing the immobilized DNA molecules 23 on one surface of the substrate 22. Since the immobilized DNA molecule 23 is charged, the sample 21 is charged when the immobilized DNA molecule 23 is immobilized on the surface of the substrate 22.

さらに、純水25で満たされた水槽20を用意し、固定化DNA分子23が固定された表面と反対側の面が水槽20の底面と接するように、試料21を水槽20の底面上に載置する。試料21を水槽20内に入れた後、複数の荷電されたプローブ粒子Pを水槽20の純水25内に浮遊させる。これにより、試料21の表面21a上方をプローブ粒子Pが浮遊するように、試料21及びプローブ粒子Pが配置される(プローブ粒子準備ステップS02)。また、必要に応じて、水槽20内に検出DNA分子24を浮遊させてもよい。   Furthermore, a water tank 20 filled with pure water 25 is prepared, and the sample 21 is placed on the bottom surface of the water tank 20 so that the surface opposite to the surface on which the immobilized DNA molecules 23 are fixed is in contact with the bottom surface of the water tank 20. Put. After putting the sample 21 into the water tank 20, a plurality of charged probe particles P are suspended in the pure water 25 of the water tank 20. Thereby, the sample 21 and the probe particle P are arranged so that the probe particle P floats above the surface 21a of the sample 21 (probe particle preparation step S02). Further, the detection DNA molecules 24 may be suspended in the water tank 20 as necessary.

続いて、結像光学系3によって結ばれた複数のプローブ粒子Pの像が、撮像装置4によって撮像される(撮像ステップS03)。プローブ画像には様々な位置座表を有する複数のプローブ粒子Pが撮像されていてもよい。撮像されたプローブ画像は、撮像装置4から画像処理装置10の大きさ規定値特定部12へ出力される。   Subsequently, images of the plurality of probe particles P connected by the imaging optical system 3 are picked up by the image pickup device 4 (image pickup step S03). A plurality of probe particles P having various position maps may be imaged in the probe image. The captured probe image is output from the imaging device 4 to the size specification value specifying unit 12 of the image processing device 10.

プローブ画像が入力された大きさ規定値特定部12では、撮像装置4で撮像されたプローブ画像におけるプローブ粒子Pの大きさを規定する測定値である直径dが求められる(大きさ規定値特定ステップS04)。複数のプローブ粒子Pが撮像されている場合には、それらについての直径dが求められる。こうして求められた直径の大きさdは、大きさ規定値特定部12から位置分布算出部13へ出力される。   The size specification value specifying unit 12 to which the probe image is input obtains a diameter d that is a measurement value that specifies the size of the probe particle P in the probe image captured by the imaging device 4 (size specification value specifying step). S04). When a plurality of probe particles P are imaged, the diameter d is obtained for them. The diameter size d thus obtained is output from the size specification value specifying unit 12 to the position distribution calculating unit 13.

直径dが入力された位置分布算出部13では、校正データ格納部11に格納された校正データと、大きさ規定値特定ステップS04で求められたプローブ粒子Pの直径dと、に基づいて、基準面である焦点面Fからのプローブ粒子Pの3次元座標(x、y、z)が算出される。位置情算出部13は、こうして求められた各プローブ粒子Pの3次元座標(x、y、z)に基づいて、プローブ粒子Pの個数分布である位置分布n(x、y、z)を算出する(位置分布算出ステップS05)。こうして求められた各プローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)は、位置分布算出部13から電荷量算出部14へ出力される。   In the position distribution calculation unit 13 to which the diameter d is input, based on the calibration data stored in the calibration data storage unit 11 and the diameter d of the probe particle P obtained in the size specification value specifying step S04, a reference is made. The three-dimensional coordinates (x, y, z) of the probe particle P from the focal plane F, which is a plane, are calculated. The position information calculation unit 13 calculates the position distribution n (x, y, z), which is the number distribution of the probe particles P, based on the three-dimensional coordinates (x, y, z) of each probe particle P thus obtained. (Position distribution calculation step S05). The position distribution n (x, y, z) of each probe particle P thus obtained is output from the position distribution calculation unit 13 to the charge amount calculation unit 14.

プローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)が入力された電荷量算出部14では、位置分布n(x、y、z)に基づいて試料21の表面21aでの電荷量が算出される(電荷量算出ステップS06)。電荷量算出部14では、プローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)から、式(3)によりプローブ粒子Pと試料21の表面21aとの間の静電的相互作用φ(x、y、z)が算出される。さらに、静電的相互作用φ(x、y、z)から、式(4)により試料21の表面21aでの表面電位が算出される。さらに、表面21aでの表面電位から、式(5)により、試料21の表面21aの単位面積当たりの電荷量σが算出され、表面21aでの電荷量が算出される。   In the charge amount calculation unit 14 to which the position distribution n (x, y, z) of the probe particle P is input, the charge amount on the surface 21a of the sample 21 is calculated based on the position distribution n (x, y, z). (Charge amount calculation step S06). In the charge amount calculation unit 14, the electrostatic interaction φ (x, x, x) between the probe particle P and the surface 21 a of the sample 21 is calculated from the position distribution n (x, y, z) of the probe particle P according to Equation (3). y, z) is calculated. Further, the surface potential at the surface 21a of the sample 21 is calculated from the electrostatic interaction φ (x, y, z) by the equation (4). Further, the charge amount σ per unit area of the surface 21a of the sample 21 is calculated from the surface potential on the surface 21a by the equation (5), and the charge amount on the surface 21a is calculated.

本実施形態に係る電荷量算出装置1A及び電荷量算出方法では、こうして水槽20内に複数のプローブ粒子Pが浮遊しているときの固定化DNA分子23が固定された基板22から構成される試料21の表面21aでの電荷量が算出される。   In the charge amount calculation apparatus 1A and the charge amount calculation method according to the present embodiment, a sample constituted by the substrate 22 on which the immobilized DNA molecules 23 are fixed when the plurality of probe particles P are suspended in the water tank 20 in this way. The amount of charge on the surface 21a of 21 is calculated.

次いで、例えば固定化DNA分子23と相補的な親和性を有するDNA分子の検出する場合には、この計測系での校正データは既に取得されているため、校正データ準備ステップS01を省略することができる。そして、水槽20内の溶液を廃棄し、上述のプローブ粒子準備ステップS02〜電荷量算出ステップS06を繰り返す。すなわち、まず再度試料21を底面に載置し、水槽20内を純水25で満たす。その後、水槽20内に先ほどと同数のプローブ粒子P及び検出DNA分子24を浮遊させ(プローブ粒子準備ステップS02)、撮像ステップS03、大きさ既定値特定ステップS04、位置分布算出ステップS05、及び電荷量算出ステップS06を実行する。こうしてプローブ粒子準備ステップS02〜電荷量算出ステップS06を繰り返すことにより、様々なDNA分子の検出を行うことができる。   Next, when detecting a DNA molecule having an affinity complementary to the immobilized DNA molecule 23, for example, the calibration data preparation step S01 may be omitted because the calibration data in this measurement system has already been acquired. it can. Then, the solution in the water tank 20 is discarded, and the above-described probe particle preparation step S02 to charge amount calculation step S06 are repeated. That is, first, the sample 21 is again placed on the bottom surface, and the water tank 20 is filled with pure water 25. Thereafter, the same number of probe particles P and detection DNA molecules 24 are suspended in the water tank 20 (probe particle preparation step S02), imaging step S03, size predetermined value specifying step S04, position distribution calculating step S05, and charge amount. Calculation step S06 is executed. By repeating the probe particle preparation step S02 to the charge amount calculation step S06 in this way, various DNA molecules can be detected.

本実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法では、プローブ粒子P及び試料21はいずれも荷電しており、互いに静電的相互作用を及ぼし合っている。したがって、プローブ粒子Pはこの静電的相互作用の影響を受けて分布することとなり、プローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を求めるこで、電荷量算出部14では、試料21の表面21a電位を求めることが可能となる(式(3)及び(4)参照)。電荷量算出部14ではさらに、式(5)から、表面電位に基づき試料21の表面21aでの電荷量を算出することができる。このように、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法では、プローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)から試料21の表面21での電荷量を算出することが可能となる。   In the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment, the probe particles P and the sample 21 are both charged and have an electrostatic interaction with each other. Therefore, the probe particles P are distributed under the influence of the electrostatic interaction, and the charge amount calculation unit 14 obtains the sample 21 by obtaining the position distribution n (x, y, z) of the probe particles P. It is possible to obtain the surface 21a potential of (see equations (3) and (4)). Further, the charge amount calculation unit 14 can calculate the charge amount on the surface 21a of the sample 21 based on the surface potential from the equation (5). Thus, in the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment, the charge amount on the surface 21 of the sample 21 is calculated from the position distribution n (x, y, z) of the probe particles P. It becomes possible.

また、試料21表面での電荷量が計測可能である本実施形態に係る表面電荷量計測装置1B及び表面電荷量計測方法は、バイオセンシング分野への応用において非常に有用であると考えられる。   In addition, the surface charge amount measuring apparatus 1B and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment that can measure the charge amount on the surface of the sample 21 are considered to be very useful in application to the biosensing field.

すなわち、試料21の基板22に固定された固定化DNA分子23と検出DNA分子24とが結合した場合、当該結合により試料21の表面21aでの電荷量が変化する。これに伴い、結合箇所における試料21の表面電位も変化する。そのため、固定化DNA分子23と検出DNA分子24とが結合されている箇所の上方では、結合していない場合に比べプローブ粒子Pが試料21から遠ざかる方向に移動する。したがって、結合が起こっている場合と起こっていない場合とでは、プローブ粒子Pの位置分布が変化し、電荷量にも変化が現れる。その結果、プローブ粒子Pのみであって検出DNA分子24が水槽20内に浮遊していない場合における試料21の表面21aでの電荷量と、プローブ粒子及び検出DNA分子24が水槽20内に浮遊している場合における試料21の表面21aでの電荷量とを比較検討することで反応を特定でき、さらには反応を定量的に分析することが可能となる。   That is, when the immobilized DNA molecule 23 fixed to the substrate 22 of the sample 21 and the detection DNA molecule 24 are bonded, the amount of charge on the surface 21a of the sample 21 changes due to the bonding. Along with this, the surface potential of the sample 21 at the bonding location also changes. Therefore, the probe particle P moves in a direction away from the sample 21 above the portion where the immobilized DNA molecule 23 and the detection DNA molecule 24 are bonded to each other as compared with the case where they are not bonded. Therefore, the position distribution of the probe particles P changes depending on whether or not the binding occurs, and the charge amount also changes. As a result, the amount of charge on the surface 21a of the sample 21 when only the probe particles P and the detection DNA molecules 24 are not suspended in the water tank 20, and the probe particles and the detection DNA molecules 24 are suspended in the water tank 20. The reaction can be specified by comparing the charge amount on the surface 21a of the sample 21 in the case where the sample 21 is present, and the reaction can be quantitatively analyzed.

特に、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1B及び表面電荷量計測方法では、プローブ粒子準備ステップS02〜電荷量算出ステップS06を繰り返すことで、検出DNA分子24が水槽20内に浮遊していない場合における試料21の表面21aでの電荷量、及び検出DNA分子24が水槽20内に浮遊している場合における試料21の表面21aでの電荷量をそれぞれ非常に簡単に計測することができる。そのため、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法では、非常に簡便な方法で反応を特定でき、且つ定量的に分析することが可能となる。   In particular, in the surface charge amount measuring apparatus 1B and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment, the detection DNA molecules 24 are not suspended in the water tank 20 by repeating the probe particle preparation step S02 to the charge amount calculation step S06. In this case, the amount of charge on the surface 21a of the sample 21 and the amount of charge on the surface 21a of the sample 21 when the detection DNA molecule 24 is suspended in the water tank 20 can be measured very easily. Therefore, in the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment, the reaction can be specified by a very simple method and can be quantitatively analyzed.

このように、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法で計測しているのは、試料21の表面21aにおける電気信号(例えば、電位等)ではなく、電荷量である。そのため、試料21の表面21aにおいて固定化DNA分子23と検出DNA分子24とが結合したことを特定することが可能となる。さらに、結合反応によって得られる電荷量を特定することもでき、これにより反応についての定量的な分析も可能となる。そのため、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法は、バイオセンシング分野への応用において非常に有用である。   As described above, what is measured by the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment is not the electric signal (for example, potential) on the surface 21a of the sample 21, but the charge amount. . Therefore, it is possible to specify that the immobilized DNA molecule 23 and the detection DNA molecule 24 are bound on the surface 21a of the sample 21. Furthermore, it is possible to specify the amount of charge obtained by the binding reaction, thereby enabling quantitative analysis of the reaction. Therefore, the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment are very useful in application to the biosensing field.

また、本実施形態では荷電されたプローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を求めるだけで電荷量が計測される。そのため、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法では、簡便且つ低コストで電荷量を計測することができる。   In the present embodiment, the charge amount is measured only by obtaining the position distribution n (x, y, z) of the charged probe particles P. Therefore, the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment can measure the charge amount easily and at low cost.

試料21は純水25内に配置される。しかし、浮遊しているプローブ粒子Pによって計測がなされるため、当該純水25が流動している場合であっても、流動によって計測が妨げられることはない。   The sample 21 is disposed in the pure water 25. However, since measurement is performed by the floating probe particles P, the measurement is not hindered by the flow even when the pure water 25 is flowing.

また、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法では、流動体(この場合、純水25)に浮遊しているプローブ粒子Pを利用して計測がなされるため、血液中、尿中、あるいは脳などの組織液中の生体物質に対して適用できる。そのため、極微量の特定遺伝子や特定蛋白質の検出、さらには細胞の化学物質に対する応答評価や脳を主とする生体組織の機能評価などのライフサイエンス研究及び医療計測、あるいは農・水産物などの食品分析等に極めて役立つと考えられる。そして、その結果、従来に比べ迅速且つ簡便な標的遺伝子・蛋白質のセンシングシステムの開発につながり、ライフサイエンス研究、医療診断等に大きく寄与するほか、新規薬剤や環境汚染物質のハイスループットスクリーニングなどにも応用が期待される。   Further, in the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment, measurement is performed using the probe particles P floating in the fluid (in this case, pure water 25), so blood It can be applied to biological substances in tissue fluid such as medium, urine, or brain. For this reason, life science research and medical measurement such as detection of trace amounts of specific genes and proteins, response evaluation of cells to chemical substances, and functional evaluation of biological tissues mainly in the brain, or food analysis such as agriculture and fishery products It is thought that it is very useful for such as. As a result, it has led to the development of a target gene / protein sensing system that is quicker and simpler than before, contributing greatly to life science research, medical diagnosis, etc., and also for high-throughput screening of new drugs and environmental pollutants Application is expected.

また、プローブ粒子Pの大きさを変えることで、例えばより局所的な領域での電荷量を計測することも可能となる。   Further, by changing the size of the probe particle P, for example, the charge amount in a more local region can be measured.

また、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法それぞれでは、プローブ画像における各プローブ粒子Pの直径dさえ求められればそのプローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)が算出できる。そのため、プローブ画像に撮像されたプローブ粒子Pの数が複数であっても、当該撮像された複数のプローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を算出することが可能であり、電荷量の計測に要する時間を短縮することが可能となる。   Further, in each of the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment, the position distribution n (x, y, z) of the probe particle P is obtained as long as the diameter d of each probe particle P in the probe image is obtained. ) Can be calculated. Therefore, even if there are a plurality of probe particles P captured in the probe image, it is possible to calculate the position distribution n (x, y, z) of the plurality of probe particles P captured, and the charge It is possible to reduce the time required for measuring the quantity.

本実施形態では、プローブ粒子Pは球体であるため、プローブ画像によって得られるプローブ粒子Pの直径(プローブ粒子Pの大きさを規定する値)はプローブ粒子Pを撮像する方向に依存しない。その結果、プローブ粒子Pを如何なる方向からも撮像でき、電荷量の計測が容易になる。   In this embodiment, since the probe particle P is a sphere, the diameter of the probe particle P obtained from the probe image (a value that defines the size of the probe particle P) does not depend on the direction in which the probe particle P is imaged. As a result, the probe particle P can be imaged from any direction, and the charge amount can be easily measured.

本実施形態では、プローブ粒子Pを照射する光lを出力する光源2を備えているため、自身で光を発しないプローブ粒子Pを用いて電荷量を計測することが可能となる。   In the present embodiment, since the light source 2 that outputs the light 1 that irradiates the probe particle P is provided, the charge amount can be measured using the probe particle P that does not emit light by itself.

(第2実施形態)
図10は第2実施形態に係る表面電荷量計測装置1Bの構成を示す図である。図10に示すように表面電荷量計測装置1Bは、光源2と、水槽20と、強度測定装置(強度測定手段)6と、演算処理装置(演算処理手段)30と、表示装置(表示手段)5とを備える。表面電荷量計測装置1Bは、透明な基板22と、当該透明基板22の表面に固定された固定化DNA分子23とで構成される試料21の表面21aの電荷量を計測する。
(Second Embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a surface charge amount measuring apparatus 1B according to the second embodiment. As shown in FIG. 10, the surface charge amount measuring device 1B includes a light source 2, a water tank 20, an intensity measuring device (intensity measuring means) 6, an arithmetic processing device (arithmetic processing means) 30, and a display device (display means). 5. The surface charge amount measuring apparatus 1B measures the charge amount on the surface 21a of the sample 21 composed of the transparent substrate 22 and the immobilized DNA molecules 23 fixed on the surface of the transparent substrate 22.

水槽20の底面上には、試料21が載置されている。水槽20内では、試料21の表面21a上方において球体のプローブ粒子Pが複数浮遊している。必要に応じて、検出DNA分子24も水槽20内に浮遊させてもよい。プローブ粒子Pとして例えば、径が約40nmの金のコロイド粒子を用いる。試料21、検出DNA分子24、及びプローブ粒子Pは、同符号で荷電している。また、基板22の屈折率は、基板22と接する純水25及び水槽20のいずれの屈折率よりも高い。   A sample 21 is placed on the bottom surface of the water tank 20. In the water tank 20, a plurality of spherical probe particles P are suspended above the surface 21 a of the sample 21. If necessary, the detection DNA molecules 24 may also be suspended in the water tank 20. For example, gold colloidal particles having a diameter of about 40 nm are used as the probe particles P. The sample 21, the detection DNA molecule 24, and the probe particle P are charged with the same sign. Further, the refractive index of the substrate 22 is higher than any of the refractive indexes of the pure water 25 and the water tank 20 in contact with the substrate 22.

光源2は、試料21の表面21aと交差する試料21の第1の側面21bに斜めに入射光lを入射する。入射光lは、試料21の表面21a及び当該表面21aに対向する面において全反射しながら試料21の基板22内を伝播する。すなわち、基板22は入射光lに対し光導波路として機能する。基板22内を伝播した入射光lは、表面21aとは交差する試料21の第2の側面21cから出射光lとして出射し、強度測定装置6に入射する。また、光源2は、入射光lの強度を測定し、測定された強度を演算処理装置30へ出力する。 Light source 2 is incident to the incident light l 1 obliquely to the first aspect 21b of the sample 21 that intersect the surface 21a of the sample 21. Incident light l 1 propagates in the substrate 22 of the sample 21 while being totally reflected at the surface opposite to the surface 21a and the surface 21a of the sample 21. That is, the substrate 22 functions as an optical waveguide with respect to the incident light l 1. Incident light l 1 propagated through the substrate 22 is emitted as emitted light l 2 from the second side surface 21 c of the sample 21 intersecting the surface 21 a and is incident on the intensity measuring device 6. The light source 2, the intensity of the incident light l 1 were measured, and outputs the measured intensity to a processing unit 30.

強度測定装置6は、試料21の基板22から出射された出射光lを入力とする。強度測定装置6は、出射光lの強度を測定し、測定された強度を演算処理装置30へ出力する。 Strength measuring device 6 has an input of output light l 2 emitted from the substrate 22 of the sample 21. The intensity measuring device 6 measures the intensity of the outgoing light l 2 and outputs the measured intensity to the arithmetic processing device 30.

演算処理装置30は、光源2から出力された入射光lの強度を、さらに強度測定装置6から出力された出射光lの強度をそれぞれ入力とする。演算処理装置30は、入射光lの強度と出射光lの強度との強度差からプローブ粒子Pの位置分布を算出し、当該位置分布から試料21の表面21aでの電荷量を算出する。演算処理装置30は、算出した試料21の表面21aでの電荷量を表示装置5へ出力する。 The arithmetic processing device 30 receives the intensity of the incident light l 1 output from the light source 2 and the intensity of the outgoing light l 2 output from the intensity measurement device 6 as inputs. The arithmetic processing unit 30 calculates the position distribution of the probe particles P from the intensity difference between the intensity of the incident light l 1 and the intensity of the emitted light l 2 , and calculates the amount of charge on the surface 21 a of the sample 21 from the position distribution. . The arithmetic processing device 30 outputs the calculated charge amount on the surface 21 a of the sample 21 to the display device 5.

表示装置5は、演算処理装置30から入力された試料21の表面21aでの電荷量を表示する。この表示装置5としては、例えば、CRTモニタや、液晶ディスプレイなどを用いることができる。   The display device 5 displays the charge amount on the surface 21 a of the sample 21 input from the arithmetic processing device 30. As the display device 5, for example, a CRT monitor, a liquid crystal display, or the like can be used.

次に、図11を参照して演算処理装置30の機能について説明する。図11に示すように、演算処理装置30は、位置分布算出部(位置分布算出手段)31と、電荷量算出部(電荷量算出手段)32とを有する。   Next, the function of the arithmetic processing unit 30 will be described with reference to FIG. As illustrated in FIG. 11, the arithmetic processing device 30 includes a position distribution calculation unit (position distribution calculation unit) 31 and a charge amount calculation unit (charge amount calculation unit) 32.

位置分布算出部31は、光源2から入射光lの強度を、強度測定装置6から出射光lの強度を入力する。位置分布算出部31は、入射光lの強度と出射光lの強度との強度差に基づいて、式(6)より、複数のプローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を算出する。

Figure 0004910132


:入射光lの強度
:出射光lの強度
ε:試料表面(界面)からの距離zにおけるプローブ粒子の吸光係数
C:プローブ粒子の数密度(濃度)
:全反射光の試料表面(界面)からの距離zにおける光路長
n(x、y、z):試料表面(界面)からの距離zに分布するプローブ粒子の数
:全プローブ粒子数
n(x、y、z)/n:界面からの距離zにおけるプローブ粒子の分布関数 The position distribution calculating unit 31 inputs the intensity of the incident light l 1 from the light source 2 and the intensity of the emitted light l 2 from the intensity measuring device 6. The position distribution calculation unit 31 calculates the position distribution n (x, y, z) of the plurality of probe particles P from Expression (6) based on the intensity difference between the intensity of the incident light l 1 and the intensity of the emitted light l 2. Is calculated.
Figure 0004910132


I 1 : Intensity of incident light l 1 I 2 : Intensity of outgoing light l 2 ε z : Absorption coefficient of probe particles at a distance z from the sample surface (interface) C: Number density (concentration) of probe particles
l z : Optical path length at a distance z from the sample surface (interface) of the total reflected light n (x, y, z): Number of probe particles distributed at the distance z from the sample surface (interface) n 0 : Total probe particles Number n (x, y, z) / n 0 : Probe particle distribution function at a distance z from the interface

電荷量算出部14は、位置分布算出部13からプローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を入力する。電荷量算出部14は、プローブ粒子Pの位置分布に基づき、式(3)からプローブ粒子Pと試料21の表面21aとの間の静電的相互作用φ(x、y、z)を求める。   The charge amount calculation unit 14 inputs the position distribution n (x, y, z) of the probe particles P from the position distribution calculation unit 13. Based on the position distribution of the probe particle P, the charge amount calculation unit 14 obtains an electrostatic interaction φ (x, y, z) between the probe particle P and the surface 21a of the sample 21 from Expression (3).

電荷量算出部14は、式(3)から求めた静電的相互作用に基づいて、試料21の表面21aでの表面電位を(4)式により求める。電荷量算出部14は、さらに、式(4)から求めた試料21の表面電位に基づいて、試料21の表面21aでの電荷量を(5)式により求める。   The charge amount calculation unit 14 obtains the surface potential at the surface 21a of the sample 21 from the equation (4) based on the electrostatic interaction obtained from the equation (3). The charge amount calculation unit 14 further obtains the amount of charge on the surface 21a of the sample 21 from the equation (5) based on the surface potential of the sample 21 obtained from the equation (4).

こうして、電荷量算出部14が、試料21の表面21aでの電荷量を算出することで、表面電荷量計測装置1Bでは試料21の表面21aでの電荷量が計測される。   Thus, the charge amount calculation unit 14 calculates the amount of charge on the surface 21a of the sample 21, so that the amount of charge on the surface 21a of the sample 21 is measured in the surface charge amount measuring apparatus 1B.

次に、図12を参照して、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1Bを用いる表面電荷量計測方法について説明し、併せて表面電荷量計測装置1Bの動作についても説明する。図12は、表面電荷量計測方法の手順を示す図である。   Next, with reference to FIG. 12, the surface charge amount measuring method using the surface charge amount measuring apparatus 1B according to the present embodiment will be described, and the operation of the surface charge amount measuring apparatus 1B will also be described. FIG. 12 is a diagram illustrating a procedure of the surface charge amount measuring method.

まず、基板22の一方の表面に固定化DNA分子23を固定して試料21を用意する。 さらに、純水25で満たされた水槽20を用意し、固定化DNA分子23が固定された表面と反対側の面が水槽20の底面と接するように、試料21を水槽20の底面上に載置する。試料21を水槽20内に入れた後、複数の荷電されたプローブ粒子Pを水槽20の純水25内に浮遊させる。これにより、試料21の表面21a上方をプローブ粒子Pが浮遊するように、試料21及びプローブ粒子Pが配置される(プローブ粒子準備ステップS12)。   First, the sample 21 is prepared by fixing the immobilized DNA molecule 23 on one surface of the substrate 22. Furthermore, a water tank 20 filled with pure water 25 is prepared, and the sample 21 is placed on the bottom surface of the water tank 20 so that the surface opposite to the surface on which the immobilized DNA molecules 23 are fixed is in contact with the bottom surface of the water tank 20. Put. After putting the sample 21 into the water tank 20, a plurality of charged probe particles P are suspended in the pure water 25 of the water tank 20. Thereby, the sample 21 and the probe particles P are arranged so that the probe particles P float above the surface 21a of the sample 21 (probe particle preparation step S12).

次に、試料21の表面21aで全反射しながら試料21の基板22内を伝播する入射光lを、表面21aと交差する試料21の第1の側面21bに斜めに入射させる(光入射ステップS12)。基板22の屈折率は、基板22が接している純水25及び水槽20の何れよりも屈折率が高い。そのため、入射光を斜めに入れることで、試料21の表面、すなわち基板22の表面において入射光lが全反射を起こしながら、第2の側面21cに向かって伝播する。 Next, the first to be incident obliquely on the side face 21b (light incidence step of the incident light l 1, the sample intersects the surface 21a 21 propagating in the substrate 22 of the sample 21 while being totally reflected by the surface 21a of the sample 21 S12). The refractive index of the substrate 22 is higher than that of any of the pure water 25 and the water tank 20 with which the substrate 22 is in contact. For this reason, by entering the incident light obliquely, the incident light l 1 propagates toward the second side surface 21 c while causing total reflection on the surface of the sample 21, that is, the surface of the substrate 22.

入射光lが基板22の表面で全反射を起こすとき、その表面から外側にはエバネッセント光が浸みだしている。固定化DNA分子23の厚さは、エバネッセント光が浸みだす範囲(例えば、基板22の外側に向かって約200nmの範囲)に比較して極めて薄い。また、プローブ粒子Pの径も例えば約40nmと非常に小さい。そのため、エバネッセント光が浸みだす範囲内にプローブ粒子Pは十分分布している。 When the incident light l 1 causes total reflection at the surface of the substrate 22, the evanescent light is Heading immersion is outwardly from the surface thereof. The thickness of the immobilized DNA molecule 23 is extremely thin as compared with a range where evanescent light oozes out (for example, a range of about 200 nm toward the outside of the substrate 22). Further, the diameter of the probe particle P is very small, for example, about 40 nm. Therefore, the probe particles P are sufficiently distributed within the range where the evanescent light oozes out.

プローブ粒子Pは、浸みだしたエバネッセント光を吸収する。そのため、入射光lが全反射を起こしながら、基板22内を第2の側面21cに向かって伝播している間にプローブ粒子Pに吸収された分だけ光の強度が減少している。 The probe particles P absorb the soaked evanescent light. Therefore, while causing a total reflection incident light l 1, an amount corresponding light intensity of which is absorbed by the probe particles P while propagating toward the substrate 22 to the second side surface 21c is decreased.

続いて、強度測定装置6において、表面21aと交差する試料21の第2の側面21cから出射する出射光lの強度が測定される(出射光強度測定ステップS13)。光源2で測定された入射光lの強度及び強度測定装置6において測定された出射光lの強度が、演算処理装置30に出力される。 Subsequently, the intensity measuring device 6, a second intensity of the outgoing light l 2 emitted from the side surface 21c of is measured (emission light intensity measuring step S13) of sample 21 that intersect the surface 21a. The intensity of the incident light l 1 measured by the light source 2 and the intensity of the emitted light l 2 measured by the intensity measuring device 6 are output to the arithmetic processing unit 30.

入射光lの強度及び出射光lの強度が入力された演算処理装置30の位置分布算出部31では、入射光lの強度と出射光lの強度との強度差に基づいて複数のプローブ粒子Pの位置分布が算出される(位置分布算出ステップS14)。式(6)に基づき算出されたプローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)は、位置分布算出部31から電荷量算出部32へ出力される。 In the position distribution calculation unit 31 of the arithmetic processing unit 30 to which the intensity of the incident light l 1 and the intensity of the emitted light l 2 are input, a plurality of values are calculated based on the intensity difference between the intensity of the incident light l 1 and the intensity of the emitted light l 2. The position distribution of the probe particles P is calculated (position distribution calculation step S14). The position distribution n (x, y, z) of the probe particle P calculated based on the equation (6) is output from the position distribution calculation unit 31 to the charge amount calculation unit 32.

プローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)が入力された電荷量算出部32では、位置分布n(x、y、z)に基づいて試料21の表面21aでの電荷量が算出される(電荷量算出ステップS15)。電荷量算出部32では、プローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)に基づき、式(3)〜(5)によって、試料21の表面21aでの電荷量が算出される。   In the charge amount calculation unit 32 to which the position distribution n (x, y, z) of the probe particle P is input, the charge amount on the surface 21a of the sample 21 is calculated based on the position distribution n (x, y, z). (Charge amount calculation step S15). In the charge amount calculation unit 32, the charge amount on the surface 21 a of the sample 21 is calculated by the equations (3) to (5) based on the position distribution n (x, y, z) of the probe particles P.

次いで、例えば固定化DNA分子23と相補的な親和性を有するDNA分子の検出する場合には、水槽20内の溶液を廃棄し、上述のプローブ粒子準備ステップS11〜電荷量算出ステップS15を繰り返す。すなわち、まず再度試料21を底面に載置し、水槽20内を純水25で満たす。その後、水槽20内に先ほどと同数のプローブ粒子P及び検出DNA分子24を浮遊させ(プローブ粒子準備ステップS11)、光入射ステップS12、位置分布算出ステップS13、及び電荷量算出ステップS14を実行する。こうしてプローブ粒子準備ステップS12〜電荷量算出ステップS16を繰り返すことにより、様々なDNA分子の検出を行うことができる。   Next, for example, when a DNA molecule having an affinity complementary to the immobilized DNA molecule 23 is detected, the solution in the water tank 20 is discarded, and the above-described probe particle preparation step S11 to charge amount calculation step S15 are repeated. That is, first, the sample 21 is again placed on the bottom surface, and the water tank 20 is filled with pure water 25. Thereafter, the same number of probe particles P and detection DNA molecules 24 are suspended in the water tank 20 (probe particle preparation step S11), and the light incident step S12, the position distribution calculation step S13, and the charge amount calculation step S14 are executed. Thus, by repeating the probe particle preparation step S12 to the charge amount calculation step S16, various DNA molecules can be detected.

本実施形態に係る表面電荷量計測装置1B及び表面電荷量計測方法では、プローブ粒子P及び試料21はいずれも荷電しており、互いに静電的相互作用を及ぼし合っている。したがって、プローブ粒子Pはこの静電的相互作用の影響を受けて分布することとなり、プローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を求めることで、式(3)〜(5)から、試料21の表面21aでの電荷量を算出することができる。このように、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1B及び表面電荷量計測方法では、プローブ粒子Pの位置分布から試料21の表面21での電荷量を算出することが可能となる。   In the surface charge amount measuring apparatus 1B and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment, the probe particles P and the sample 21 are both charged and have an electrostatic interaction with each other. Therefore, the probe particles P are distributed under the influence of the electrostatic interaction, and by obtaining the position distribution n (x, y, z) of the probe particles P, the equations (3) to (5) are obtained. The amount of charge on the surface 21a of the sample 21 can be calculated. Thus, in the surface charge amount measuring apparatus 1B and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment, the charge amount on the surface 21 of the sample 21 can be calculated from the position distribution of the probe particles P.

また、試料21表面での電荷量が計測可能である本実施形態に係る表面電荷量計測装置1B及び表面電荷量計測方法も、第1実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法同様、バイオセンシング分野への応用において非常に有用であると考えられる。   In addition, the surface charge amount measuring apparatus 1B and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment that can measure the charge amount on the surface of the sample 21 are also the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the first embodiment. Like the method, it is thought to be very useful in biosensing applications.

また、本実施形態では荷電されたプローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を求めるだけで電荷量が計測される。そのため、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法では、簡便且つ低コストで電荷量を計測することができる。   In the present embodiment, the charge amount is measured only by obtaining the position distribution n (x, y, z) of the charged probe particles P. Therefore, the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment can measure the charge amount easily and at low cost.

試料21は純水25内に載置されている。しかし、浮遊しているプローブ粒子Pによって計測がなされるため、当該純水25が流動している場合であっても、流動によって計測が妨げられることはない。   The sample 21 is placed in the pure water 25. However, since measurement is performed by the floating probe particles P, the measurement is not hindered by the flow even when the pure water 25 is flowing.

また、プローブ粒子Pの大きさを変えることで、例えばより局所的な領域での電荷量を計測することも可能となる。特に、本実施形態ではプローブ粒子Pとして非常に径の小さいもの(例えば約40nm)を用い、さらに試料21を光導波路として利用して計測にエバネッセント光を用いている。そのため、非常にミクロのスケールでの反応も検出することが可能となる。   Further, by changing the size of the probe particle P, for example, the charge amount in a more local region can be measured. In particular, in this embodiment, a probe particle P having a very small diameter (for example, about 40 nm) is used, and the sample 21 is used as an optical waveguide, and evanescent light is used for measurement. Therefore, it is possible to detect a reaction on a very micro scale.

また、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1B及び表面電荷量計測方法それぞれでは、入射光lの強度と出射光lの強度との強度差さえ求められれば、そのプローブ粒子Pの位置分布(x、y、z)が算出できる。そのため、プローブ粒子Pを複数用いる場合であっても、位置分布n(x、y、z)の算出に要する時間は非常に短いものとなる。その結果、電荷量の計測に要する時間を短縮することが可能となる。 Further, each surface charge quantity measuring apparatus 1B and surface charge quantity measuring method according to the present embodiment, as long sought even intensity difference of the intensity of the incident light l 1 and the intensity of the emitted light l 2, the position of the probe particles P Distribution (x, y, z) can be calculated. Therefore, even when a plurality of probe particles P are used, the time required for calculating the position distribution n (x, y, z) is very short. As a result, the time required for measuring the charge amount can be shortened.

ここで、エバネッセント光が浸みだす範囲にプローブ粒子が存在する場合に、プローブ粒子Pがエバネッセント光を吸収することを実証するための実施例をデータとともに示す。厚みの薄いガラス基板を光導波路として用い、径が40nmの金コロイド粒子(負電荷に荷電)をプローブ粒子Pとして利用した。   Here, an example for demonstrating that the probe particle P absorbs the evanescent light when the probe particle exists in a range where the evanescent light oozes is shown together with data. A thin glass substrate was used as an optical waveguide, and gold colloid particles having a diameter of 40 nm (charged to a negative charge) were used as probe particles P.

まず、図17に、未処理のガラス基板(表面が負電荷に荷電)及び表面をアミノ化処理されたガラス基板(表面が正電荷に荷電)それぞれを金コロイド粒子が浮遊している純水中に配置し、ガラス基板への入射光と出射光との強度差を測定したグラフを示す。図17のグラフAが未処理のガラス基板の結果を表し、グラフBがアミノ化処理されたガラス基板の結果を表す。図17のグラフの横軸は吸収スペクトル(λ/nm)を表し、縦軸は入射光と出射光との強度差(A.U.)、すなわちエバネッセント光の吸収量を表す。図17のグラフから、未処理のガラス基板では、エバネッセント光の吸収量がアミノ化処理されたガラス基板に比べ少ないことがわかる。これは、未処理のガラス基板表面がもつ負電荷と金コロイド粒子がもつ負電荷とが反発しあい、金コロイド粒子がガラス表面に近づきにくいことを示す。さらには、アミノ化処理されたガラス基板では、金コロイド粒子との間に静電的引力が働き、金コロイド粒子がガラス表面近傍に近づきやすくなることも理解される。   First, FIG. 17 shows pure water in which colloidal gold particles are suspended on an untreated glass substrate (the surface is negatively charged) and an aminated glass substrate (the surface is charged positively). The graph which arrange | positioned and measured the intensity difference of the incident light and emitted light to a glass substrate is shown. Graph A in FIG. 17 represents the result of the untreated glass substrate, and graph B represents the result of the aminated glass substrate. The horizontal axis of the graph in FIG. 17 represents the absorption spectrum (λ / nm), and the vertical axis represents the intensity difference (A.U.) between the incident light and the emitted light, that is, the amount of absorption of the evanescent light. From the graph of FIG. 17, it can be seen that the untreated glass substrate has a smaller amount of absorbed evanescent light than the aminated glass substrate. This indicates that the negative charge of the untreated glass substrate surface and the negative charge of the gold colloid particles repel each other, and the gold colloid particles are difficult to approach the glass surface. Furthermore, it is understood that the aluminized glass substrate exerts an electrostatic attraction between the gold colloid particles and the gold colloid particles are likely to approach the vicinity of the glass surface.

図18に、金コロイド粒子が浮遊しているイオン交換蒸留水中及び金コロイド粒子が浮遊しているリン酸緩衝液中それぞれに、未処理のガラス基板(表面が負電荷に荷電)を配置し、ガラス基板への入射光と出射光との強度差を測定したグラフを示す。図18のグラフCがイオン交換蒸留水中に配置された結果を表し、グラフDがリン酸緩衝液中に配置された結果を表す。図18のグラフの横軸は吸収スペクトル(λ/nm)を表し、縦軸は入射光と出射光との強度差(A.U.)、すなわちエバネッセント光の吸収量を表す。図18のグラスから、リン酸緩衝液中の方がイオン交換蒸留水中に比べ、金コロイド粒子がガラス基板に近づきやすくなることが理解される。   In FIG. 18, an untreated glass substrate (the surface is negatively charged) is placed in ion-exchange distilled water in which gold colloid particles are suspended and in a phosphate buffer in which gold colloid particles are suspended, The graph which measured the intensity difference of the incident light and emitted light to a glass substrate is shown. Graph C in FIG. 18 represents the result of placement in ion-exchanged distilled water, and graph D represents the result of placement in phosphate buffer. The horizontal axis of the graph of FIG. 18 represents the absorption spectrum (λ / nm), and the vertical axis represents the intensity difference (A.U.) between the incident light and the emitted light, that is, the amount of absorption of the evanescent light. From the glass of FIG. 18, it is understood that the colloidal gold particles are more likely to approach the glass substrate in the phosphate buffer than in the ion exchange distilled water.

図17のグラフから、ガラス基板表面の荷電状態を反映して入射光の強度に対する出射光の強度の比が変化する(プローブ粒子と基板表面に静電的引力が働く場合、この比は低下する)ことが実証された。また、図18のグラフから、ガラス基板を配置する溶液によって、プローブ粒子である金コロイド粒子をガラス基板に近づきやすくさせることができることが実証された。これらの結果から、ガラス基板を光導波路として用い、エバネッセント光を利用した計測により、電荷量の測定をより一層簡便に行うことが可能なことが理解される。   From the graph of FIG. 17, the ratio of the intensity of the emitted light to the intensity of the incident light changes reflecting the charged state of the glass substrate surface (this ratio decreases when an electrostatic attractive force acts on the probe particles and the substrate surface). ). Further, from the graph of FIG. 18, it was proved that the gold colloid particles, which are the probe particles, can easily approach the glass substrate by the solution in which the glass substrate is arranged. From these results, it is understood that the charge amount can be more easily measured by the measurement using the evanescent light using the glass substrate as the optical waveguide.

(第3実施形態)
図13を参照して、第3実施形態に係る表面電荷量計測装置1Cの構成について説明する。図11は第3実施形態に係る表面電荷量計測装置1Cの構成を示す図である。第3実施形態に係る表面電荷量計測装置1Cは、試料21の基板22が不透明な基板22Aであって、当該不透明基板22Aに対する反射型の顕微鏡として構成されている点で第1実施形態に係る表面電荷量計測装置1Aと異なる。
(Third embodiment)
With reference to FIG. 13, the structure of the surface charge amount measuring apparatus 1C according to the third embodiment will be described. FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a surface charge amount measuring apparatus 1C according to the third embodiment. The surface charge amount measuring apparatus 1C according to the third embodiment relates to the first embodiment in that the substrate 22 of the sample 21 is an opaque substrate 22A and is configured as a reflection microscope for the opaque substrate 22A. Different from the surface charge measuring device 1A.

不透明な基板22Aは、例えば半導体デバイス、あるいは着色されたガラス基板等である。   The opaque substrate 22A is, for example, a semiconductor device or a colored glass substrate.

光源2は、水槽20の斜め上方に位置する。光源2は、試料21及びプローブ粒子Pを照射する光lを、その光軸が基板22Aに対して傾きを有するように出力する。   The light source 2 is located obliquely above the water tank 20. The light source 2 outputs the light 1 that irradiates the sample 21 and the probe particles P so that the optical axis thereof is inclined with respect to the substrate 22A.

一方、結像光学系3も、水槽20の斜め上方に位置する。結像光学系3は、基板22A表面で反射された光の像を撮像装置4の受光面上に結ぶように、基板22Aに対して傾きを有して配置される。このように、表面電荷量計測装置1Cは、限外照明系を採用する。また、限外照明系を用いる場合、例えば作動距離の長い高倍率対物レンズを用いる方法、あるいは低倍率対物レンズにズーム光学系を組み合わせる方法、あるいは暗視野対物レンズを用いる方法などがある。   On the other hand, the imaging optical system 3 is also positioned obliquely above the water tank 20. The imaging optical system 3 is disposed with an inclination with respect to the substrate 22A so as to tie an image of light reflected on the surface of the substrate 22A on the light receiving surface of the imaging device 4. Thus, the surface charge amount measuring apparatus 1C employs an ultra-illumination system. When using an ultra-illumination system, for example, there are a method using a high-power objective lens having a long working distance, a method combining a low-power objective lens with a zoom optical system, or a method using a dark-field objective lens.

本実施形態に係る表面電荷量算出装置1Cを用いる表面電荷量算出方法も、表面電荷量算出装置1Aを用いる表面電荷量算出方法と同様、図8に示すような校正データ準備ステップS01、プローブ粒子準備ステップS02、撮像ステップS03、大きさ規定値特定ステップS04、位置分布算出ステップS05、及び表面電荷量算出ステップS06を備える。   The surface charge amount calculation method using the surface charge amount calculation apparatus 1C according to the present embodiment is similar to the surface charge amount calculation method using the surface charge amount calculation apparatus 1A, as shown in FIG. It includes a preparation step S02, an imaging step S03, a size prescribed value specifying step S04, a position distribution calculating step S05, and a surface charge amount calculating step S06.

反射型の顕微鏡に同軸(明視野)照明系を用いると背景反射が対物レンズに入射されてしまいプローブ粒子の像が不明瞭となってしまう。表面電荷量算出装置1Cでは、限外(暗視野)照明系を用いているため、不透明な基板22から構成される試料21を計測する場合であっても、プローブ粒子Pの像を撮像することができる。これにより、プローブ画像におけるプローブ粒子Pの直径を特定することが可能となるため、試料21の表面21aでの電荷量を計測することが可能となる。このように、本実施形態に係る表面電荷量算出装置1C及び表面電荷量算出方法では不透明な試料21に対しても表面21aでの電荷量を計測することが可能となる。   When a coaxial (bright field) illumination system is used in a reflection type microscope, background reflection is incident on the objective lens and the image of the probe particle becomes unclear. Since the surface charge amount calculation apparatus 1C uses an extraordinary (dark field) illumination system, an image of the probe particle P can be captured even when the sample 21 composed of the opaque substrate 22 is measured. Can do. As a result, the diameter of the probe particle P in the probe image can be specified, so that the charge amount on the surface 21a of the sample 21 can be measured. Thus, the surface charge amount calculation apparatus 1C and the surface charge amount calculation method according to the present embodiment can measure the charge amount on the surface 21a even for the opaque sample 21.

本実施形態に係る表面電荷量計測装置1C及び表面電荷量計測方法では、プローブ粒子P及び試料21はいずれも荷電しており、互いに静電的相互作用を及ぼし合っている。したがって、プローブ粒子Pはこの静電的相互作用の影響を受けて分布することとなり、プローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を求めることで、式(3)〜(5)から、試料21の表面21aでの電荷量を算出することができる。このように、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1C及び表面電荷量計測方法では、プローブ粒子Pの位置分布から試料21の表面21での電荷量を算出することが可能となる。   In the surface charge amount measuring apparatus 1C and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment, the probe particles P and the sample 21 are both charged and have an electrostatic interaction with each other. Therefore, the probe particles P are distributed under the influence of the electrostatic interaction, and by obtaining the position distribution n (x, y, z) of the probe particles P, the equations (3) to (5) are obtained. The amount of charge on the surface 21a of the sample 21 can be calculated. Thus, in the surface charge amount measuring apparatus 1C and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment, the charge amount on the surface 21 of the sample 21 can be calculated from the position distribution of the probe particles P.

また、試料21表面での電荷量が計測可能である本実施形態に係る表面電荷量計測装置1C及び表面電荷量計測方法も、第1実施形態に係る表面電荷量計測装置1A及び表面電荷量計測方法同様、バイオセンシング分野への応用において非常に有用であると考えられる。   In addition, the surface charge amount measuring apparatus 1C and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment that can measure the charge amount on the surface of the sample 21 are also the surface charge amount measuring apparatus 1A and the surface charge amount measuring method according to the first embodiment. Like the method, it is thought to be very useful in biosensing applications.

また、本実施形態では荷電されたプローブ粒子Pの位置分布n(x、y、z)を求めるだけで電荷量が計測される。そのため、本実施形態に係る表面電荷量計測装置1C及び表面電荷量計測方法では、簡便且つ低コストで電荷量を計測することができる。   In the present embodiment, the charge amount is measured only by obtaining the position distribution n (x, y, z) of the charged probe particles P. Therefore, the surface charge amount measuring apparatus 1C and the surface charge amount measuring method according to the present embodiment can measure the charge amount easily and at low cost.

試料21は純水25内に載置されている。しかし、浮遊しているプローブ粒子Pによって計測がなされるため、当該純水25が流動している場合であっても、流動によって計測が妨げられることはない。   The sample 21 is placed in the pure water 25. However, since measurement is performed by the floating probe particles P, the measurement is not hindered by the flow even when the pure water 25 is flowing.

また、プローブ粒子Pの大きさを変えることで、例えばより局所的な領域での電荷量を計測することも可能となる。   Further, by changing the size of the probe particle P, for example, the charge amount in a more local region can be measured.

また、一度の撮像で複数のプローブ粒子について位置を算出することができるため、実際の計測が容易となり、電荷量の計測に要する時間を短縮することが可能となる。   In addition, since the positions of a plurality of probe particles can be calculated by one imaging, actual measurement is facilitated, and the time required for measuring the charge amount can be shortened.

本実施形態では、プローブ粒子Pは球体であるため、プローブ粒子Pを如何なる方向からも撮像でき、実際の計測が容易になる。その結果、電荷量の計測が容易になる。   In this embodiment, since the probe particle P is a sphere, the probe particle P can be imaged from any direction, and actual measurement becomes easy. As a result, the charge amount can be easily measured.

本実施形態では、プローブ粒子Pを照射する光lを出力する光源2を備えているため、自身で光を発しないプローブ粒子Pを用いて電荷量を算出することが可能となる。   In the present embodiment, since the light source 2 that outputs the light 1 that irradiates the probe particle P is provided, the charge amount can be calculated using the probe particle P that does not emit light by itself.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々なリアルタイムセンシング測定システムに応用することが可能である。例えば、図14に示す測定システムのように、第1実施形態に係る表面電荷量計測装置1Aと電気化学的測定装置40とをともに備えていてもよい。すなわち、図14に示す測定システムでは、表面電荷量計測装置1Aにより試料21の表面21aでの電荷量を計測し、同時に電気化学的測定装置40により試料21で発生する電気信号を検出することができる。電気化学的測定装置40は、参照電極41、対向電極42、ポテンシオスタット43、及び電気信号表示装置44を備える。基板22上には、透明電極層(図示を省略)が形成されており、当該透明電極層が電気化学的測定装置40の作用電極として機能する。   The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various real-time sensing measurement systems. For example, as in the measurement system shown in FIG. 14, both the surface charge amount measuring device 1 </ b> A according to the first embodiment and the electrochemical measuring device 40 may be provided. That is, in the measurement system shown in FIG. 14, the surface charge amount measuring device 1 </ b> A measures the charge amount on the surface 21 a of the sample 21, and at the same time, the electrochemical measuring device 40 detects the electric signal generated in the sample 21. it can. The electrochemical measurement device 40 includes a reference electrode 41, a counter electrode 42, a potentiostat 43, and an electric signal display device 44. A transparent electrode layer (not shown) is formed on the substrate 22, and the transparent electrode layer functions as a working electrode of the electrochemical measuring device 40.

あるいは、例えば、図15に示す測定システムのように、第1実施形態に係る表面電荷量計測装置1Aと物理的現象あるいは化学的現象を測定する半導体測定装置50とをともに備えていてもよい。すなわち、図15に示す測定システムでは、表面電荷量計測装置1Aにより試料21の表面21aでの電荷量を計測し、同時に半導体測定装置50により試料21で発生する電気信号を検出することができる。半導体測定装置50は、参照電極61、半導体装置SC、及び電気信号表示装置62を備える。半導体装置SCは、n層51aを有するSi基板51と、SiO層52と、Si層53と、Poly−Si層54と、Si/SiO層55と、Al導体部56と、Au/Ti層57とを有する。また、半導体装置SCは、拡張ゲート型(Extended Gate型)の電極部63を有する。半導体装置SCの電極部63は、基板22上に形成された透明電極層として形成される。電極部63は、Au/Ti層57と導線によって接続されている。 Alternatively, for example, as in the measurement system shown in FIG. 15, the surface charge amount measuring apparatus 1A according to the first embodiment and the semiconductor measuring apparatus 50 that measures a physical phenomenon or a chemical phenomenon may be provided. That is, in the measurement system shown in FIG. 15, the surface charge amount measuring device 1 </ b> A can measure the charge amount on the surface 21 a of the sample 21, and at the same time, the semiconductor measuring device 50 can detect the electrical signal generated in the sample 21. The semiconductor measurement device 50 includes a reference electrode 61, a semiconductor device SC, and an electric signal display device 62. The semiconductor device SC includes an Si substrate 51 having an n + layer 51a, an SiO 2 layer 52, an Si 3 N 4 layer 53, a Poly-Si layer 54, an Si 3 N 4 / SiO 2 layer 55, and an Al conductor. A portion 56 and an Au / Ti layer 57 are included. In addition, the semiconductor device SC includes an extended gate type (extended gate type) electrode portion 63. The electrode part 63 of the semiconductor device SC is formed as a transparent electrode layer formed on the substrate 22. The electrode part 63 is connected to the Au / Ti layer 57 by a conducting wire.

図16を参照して、半導体測定装置50の半導体装置SCの測定動作を説明する。図16は、半導体測定装置50の半導体装置SCの測定動作を説明するための図である。半導体装置SCは、機能的に、電荷供給部71、電荷注入調節部72、センシング部(電荷変換部)73、障壁部74、フローティングディフュージョン部75、リセットゲート76、及びリセットドレイン77を備える。測定に際し、電荷供給部71、障壁部74およびリセットゲート76にパルス電圧が印加され、フローティングディフュージョン部75を除く他の電極に直流電圧が印加される。   With reference to FIG. 16, the measurement operation of the semiconductor device SC of the semiconductor measurement device 50 will be described. FIG. 16 is a diagram for explaining the measurement operation of the semiconductor device SC of the semiconductor measurement device 50. The semiconductor device SC functionally includes a charge supply unit 71, a charge injection adjustment unit 72, a sensing unit (charge conversion unit) 73, a barrier unit 74, a floating diffusion unit 75, a reset gate 76, and a reset drain 77. In measurement, a pulse voltage is applied to the charge supply unit 71, the barrier unit 74, and the reset gate 76, and a DC voltage is applied to the other electrodes excluding the floating diffusion unit 75.

まず、図16(a)に示すように、電荷供給部71の電位を高く設定する。次に図16(b)に示すように、電荷供給部71の電位を下げ、センシング部73に電荷78が注入されるようにする。続いて図16(c)に示すように、電荷供給部71の電位を再び高く設定する。これにより、電荷78は電荷注入調節部72によってすりきられ、センシング部73に蓄積される。   First, as shown in FIG. 16A, the potential of the charge supply unit 71 is set high. Next, as shown in FIG. 16B, the potential of the charge supply unit 71 is lowered so that the charge 78 is injected into the sensing unit 73. Subsequently, as shown in FIG. 16C, the potential of the charge supply unit 71 is set high again. As a result, the charge 78 is removed by the charge injection adjusting unit 72 and accumulated in the sensing unit 73.

続いて図16(d)に示すように、障壁部74の電位を上げる。これにより、センシング部73に蓄積されていた電荷78がフローティングディフュージョン部75に転送される。センシング部73に蓄積されていた電荷78が全てフローティングディフュージョン部75に転送された後、図16(e)に示すように、障壁部74の電位を下げて、電荷78の転送を止める。フローティングディフュージョン部75の電位は、転送されてきた電荷78の量で決まり、この電位を出力として測定がなされる。   Subsequently, as shown in FIG. 16D, the potential of the barrier portion 74 is increased. As a result, the charge 78 stored in the sensing unit 73 is transferred to the floating diffusion unit 75. After all the charges 78 accumulated in the sensing unit 73 are transferred to the floating diffusion unit 75, as shown in FIG. 16E, the potential of the barrier unit 74 is lowered to stop the transfer of the charges 78. The potential of the floating diffusion portion 75 is determined by the amount of charge 78 transferred, and measurement is performed using this potential as an output.

その後、図16(f)に示すように、リセットゲート76をオンし、リセットドレイン77の電位にリセットし、図16(a)に戻る。図16(a)〜(f)に示される動作を繰り返すことにより、電荷が外に出力され、測定がなされる。   Thereafter, as shown in FIG. 16 (f), the reset gate 76 is turned on, reset to the potential of the reset drain 77, and the process returns to FIG. 16 (a). By repeating the operations shown in FIGS. 16A to 16F, electric charges are output to the outside and measurement is performed.

また、本発明は上記実施形態及び応用例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、生物学的反応であるDNA反応に適用した場合を例示したが、様々な分野に適用可能である。例えば、DNA反応以外であっても、抗体や受容体、結合性蛋白質を用いることによる標的となる蛋白質、糖類等のバイオ分子の検出にも応用できる。さらには、生物学的反応に限らず、例えば化学的反応に適用してもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments and application examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a DNA reaction that is a biological reaction is illustrated, but the present invention can be applied to various fields. For example, it can be applied to detection of biomolecules such as proteins, saccharides and the like as targets by using antibodies, receptors, and binding proteins, other than DNA reactions. Furthermore, the present invention is not limited to biological reactions, and may be applied to chemical reactions, for example.

また、プローブ粒子Pの形状は球状に限らず、例えば棒状であってもよい。棒状プローブ粒子を用いた場合における、プローブ画像におけるプローブ粒子Pの大きさを規定する値というのは、プローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さとなる。すなわち、例えば、プローブ画像においてプローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さが同じである場合には、棒状のプローブ粒子は、長手方向と試料表面とが平行になるように分布している。一方、プローブ画像においてプローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さが異なる場合には、棒状のプローブ粒子は、長手方向が試料表面に対して角度を有して分布している。したがって、プローブ画像におけるプローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さを求めることによって、プローブ粒子Pの試料表面に対する位置情報としてプローブ粒子Pの試料表面に対する傾きが得られる。棒状のプローブ粒子Pは、試料表面と有機的に関連することによりその傾きが決定する。したがって、プローブ粒子Pの試料表面に対する傾きに基づいて、表面電位を算出することができる。   The shape of the probe particle P is not limited to a spherical shape, and may be, for example, a rod shape. The value that defines the size of the probe particle P in the probe image when the rod-shaped probe particle is used is the length in the short direction at both ends in the longitudinal direction of the probe particle. That is, for example, when the lengths in the short direction at both ends of the probe particles in the longitudinal direction are the same in the probe image, the rod-like probe particles are distributed so that the longitudinal direction and the sample surface are parallel. ing. On the other hand, when the lengths in the short direction at both ends in the longitudinal direction of the probe particles are different in the probe image, the rod-like probe particles are distributed with the longitudinal direction having an angle with respect to the sample surface. Therefore, the inclination of the probe particle P with respect to the sample surface can be obtained as positional information of the probe particle P with respect to the sample surface by obtaining the length in the short direction at both ends in the longitudinal direction of the probe particle in the probe image. The inclination of the rod-like probe particle P is determined by being organically related to the sample surface. Therefore, the surface potential can be calculated based on the inclination of the probe particle P with respect to the sample surface.

また、プローブ粒子Pはポリスチレンラテックスあるいは金に限らず、他の材料からなるものであってもよい。また、プローブ粒子は液体に限らず、例えば気体中に浮遊していても、あるいは真空中に浮遊していてもよい。   The probe particles P are not limited to polystyrene latex or gold, but may be made of other materials. The probe particles are not limited to liquids, and may be suspended in a gas or in a vacuum, for example.

また、光源を有さず、例えばプローブ粒子P自身が蛍光を発光し、その像を撮像して試料21の表面での電荷量を計測してもよい。光源に限定はなく、可視光、紫外線、赤外線、X線、電子線、あるいは中性子線など、どのような波長の光を出す光源であってもよい。   In addition, for example, the probe particle P itself may emit fluorescence, and an image thereof may be captured to measure the amount of charge on the surface of the sample 21 without having a light source. The light source is not limited and may be a light source that emits light of any wavelength, such as visible light, ultraviolet light, infrared light, X-rays, electron beams, or neutron beams.

第1実施形態に係る表面電荷量算出装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the surface charge amount calculation apparatus which concerns on 1st Embodiment. 画像処理部の機能について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function of an image process part. 校正データによって得られるグラフの図である。It is a figure of the graph obtained by calibration data. 実際の測定データを校正データとする場合における校正データの表を示す。A table of calibration data when actual measurement data is used as calibration data is shown. プローブ粒子と結像光学系の焦点面との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between probe particle | grains and the focal plane of an imaging optical system. 撮像されたプローブ画像におけるプローブ粒子の画像を表す図である。It is a figure showing the image of the probe particle in the imaged probe image. プローブ画像における各プローブ粒子の強度を示すグラフの図である。It is a figure of the graph which shows the intensity | strength of each probe particle in a probe image. 第1実施形態に係る表面電荷量算出方法の手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure of the surface charge amount calculation method which concerns on 1st Embodiment. 校正データを求めることについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating calculating | requiring calibration data. 第2実施形態に係る表面電荷量算出装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the surface charge amount calculation apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 演算処理部の機能について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function of an arithmetic processing part. 第2実施形態に係る表面電荷量算出方法の手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure of the surface charge amount calculation method which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る表面電荷量算出装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the surface charge amount calculation apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第1実施形態に係る表面電荷量算出装置を応用した測定システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measurement system which applied the surface charge amount calculation apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る表面電荷量算出装置を応用した測定システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measurement system which applied the surface charge amount calculation apparatus which concerns on 1st Embodiment. 半導体測定装置の半導体装置の測定動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measurement operation | movement of the semiconductor device of a semiconductor measuring device. ガラス基板への入射光とガラス基板からの出射光との強度差を測定したグラフを示す。The graph which measured the intensity difference of the incident light to a glass substrate and the emitted light from a glass substrate is shown. ガラス基板への入射光とガラス基板からの出射光との強度差を測定したグラフを示す。The graph which measured the intensity difference of the incident light to a glass substrate and the emitted light from a glass substrate is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1A、1B、1C…表面電荷量計測装置、P…プローブ粒子、2…光源、3…結像光学系、4…撮像装置、5…表示装置、6…強度測定装置、10…画像処理装置、11…校正データ格納部、12…大きさ規定値特定部、13、31…位置分布算出部、14、32…電荷量算出部、30…演算処理装置、40…電気化学的測定装置、41…参照電極、42…対向電極、43…ポテンシオスタット、44、62…電気信号表示装置、50…半導体測定装置、SC…半導体装置、61…参照電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A, 1B, 1C ... Surface charge amount measuring device, P ... Probe particle, 2 ... Light source, 3 ... Imaging optical system, 4 ... Imaging device, 5 ... Display device, 6 ... Intensity measuring device, 10 ... Image processing device, DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Calibration data storage part, 12 ... Size prescribed value specific | specification part, 13, 31 ... Position distribution calculation part, 14, 32 ... Charge amount calculation part, 30 ... Operation processing apparatus, 40 ... Electrochemical measurement apparatus, 41 ... Reference electrode, 42 ... Counter electrode, 43 ... Potentiostat, 44, 62 ... Electric signal display device, 50 ... Semiconductor measuring device, SC ... Semiconductor device, 61 ... Reference electrode

Claims (10)

荷電した複数のプローブ粒子を上方に浮遊させて荷電試料の表面での電荷量を計測する表面電荷量計測装置であって、
前記複数のプローブ粒子の位置分布を算出する位置分布算出手段と、
前記位置分布に基づいて前記試料表面での電荷量を算出する電荷量算出手段と、を備えることを特徴とする表面電荷量計測装置。
A surface charge measurement device that measures the amount of charge on the surface of a charged sample by floating a plurality of charged probe particles upward,
Position distribution calculating means for calculating a position distribution of the plurality of probe particles;
A surface charge amount measuring device comprising: a charge amount calculating means for calculating a charge amount on the surface of the sample based on the position distribution.
前記プローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像に基づいて、前記試料の表面での前記電荷量を計測する請求項1記載の表面電荷量計測装置であって、
前記プローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値特定手段をさらに備え、
前記位置分布算出手段は、前記プローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からの前記プローブ粒子の距離との関係を示す校正データと、前記大きさ規定値特定手段で求められた前記測定値と、に基づいて、前記複数のプローブ粒子の前記位置分布を算出することを特徴とする表面電荷量計測装置。
The surface charge amount measuring device according to claim 1, wherein the charge amount on the surface of the sample is measured based on a probe image obtained by capturing an image of the probe particles.
A size defining value specifying means for obtaining a measurement value that defines the size of the probe particle in the probe image obtained by capturing an image of the probe particle;
The position distribution calculating unit is obtained by calibration data indicating a relationship between a value defining the size of the probe particle in the probe image and a distance of the probe particle from a reference plane, and the size defining value specifying unit. A surface charge amount measuring apparatus that calculates the position distribution of the plurality of probe particles based on the measured value.
光の強度を測定する強度測定手段をさらに備え、前記表面と交差する前記試料の第1の側面に斜めに入射光を入射させることにより前記試料の表面での前記電荷量を計測する請求項1記載の表面電荷量計測装置であって、
前記入射光は、前記試料表面において全反射しながら前記試料内を伝播した後、前記表面とは交差する前記試料の第2の側面から出射光として出射していくよう前記第1の側面に入射され、
前記位置分布算出手段は、前記入射光の強度と前記出射光の強度との強度差に基づいて、前記複数のプローブ粒子の前記位置分布を算出することを特徴とする表面電荷量計測装置。
An intensity measuring means for measuring the intensity of light is further provided, and the amount of charge on the surface of the sample is measured by causing incident light to enter the first side surface of the sample that intersects the surface obliquely. A surface charge measuring device according to claim
The incident light is incident on the first side surface so as to be emitted as emitted light from the second side surface of the sample intersecting the surface after propagating through the sample while being totally reflected on the sample surface. And
The surface charge amount measuring device, wherein the position distribution calculating unit calculates the position distribution of the plurality of probe particles based on an intensity difference between the intensity of the incident light and the intensity of the emitted light.
前記プローブ粒子が球体であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項記載の表面電荷量計測装置。   The surface charge amount measuring apparatus according to claim 1, wherein the probe particle is a sphere. 前記試料は、荷電物質が前記表面に固定されることによって荷電されることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項記載の表面電荷量計測装置。   The surface charge amount measuring device according to claim 1, wherein the sample is charged by fixing a charged substance on the surface. 荷電した複数のプローブ粒子を上方に浮遊させて荷電試料の表面での電荷量を計測する表面電荷量計測方法であって、
前記複数のプローブ粒子の位置分布を算出する位置分布算出ステップと、
前記位置分布に基づいて前記試料表面での電荷量を算出する電荷量算出ステップと、を備えることを特徴とする表面電荷量計測方法。
A surface charge measurement method for measuring a charge amount on the surface of a charged sample by floating a plurality of charged probe particles upward,
A position distribution calculating step for calculating a position distribution of the plurality of probe particles;
And a charge amount calculating step of calculating a charge amount on the surface of the sample based on the position distribution.
前記プローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からの前記プローブ粒子の距離との関係を示す校正データを用意する校正データ準備ステップと、
前記プローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値特定ステップと、をさらに備え、
前記位置分布算出ステップは、前記校正データと前記大きさ規定値特定手段で求められた前記測定値とに基づいて、前記複数のプローブ粒子の位置分布を算出することを特徴とする請求項6記載の表面電荷量計測方法。
A calibration data preparation step of preparing calibration data indicating a relationship between a value defining a size of the probe particle in the probe image and a distance of the probe particle from a reference plane;
A size defining value specifying step for obtaining a measurement value that defines the size of the probe particle in the probe image obtained by capturing an image of the probe particle, and
The position distribution calculation step calculates the position distribution of the plurality of probe particles based on the calibration data and the measured value obtained by the size specification value specifying means. Method for measuring surface charge.
前記試料表面で全反射しながら前記試料内を伝播する強度の測定された入射光を、前記表面と交差する前記試料の第1の側面に斜めに入射させる光入射ステップと、
前記入射光として入射し前記試料内を伝播した後、前記表面と交差する前記試料の第2の側面から出射する出射光の強度を測定する出射光強度測定ステップと、をさらに備え、
前記位置分布算出ステップは、前記入射光の強度と前記出射光の強度との強度差に基づいて、前記複数のプローブ粒子の位置分布を算出することを特徴とする請求項6記載の表面電荷量計測方法。
A light incident step in which incident light having a measured intensity propagating in the sample while being totally reflected by the sample surface is incident obliquely on a first side surface of the sample intersecting the surface;
An emitted light intensity measuring step for measuring the intensity of the emitted light emitted from the second side surface of the sample intersecting with the surface after being incident as the incident light and propagating through the sample; and
7. The surface charge amount according to claim 6, wherein the position distribution calculating step calculates a position distribution of the plurality of probe particles based on an intensity difference between the intensity of the incident light and the intensity of the emitted light. Measurement method.
前記プローブ粒子が球体であることを特徴とする請求項6〜8の何れか一項記載の表面電荷量計測方法。   The surface charge amount measuring method according to any one of claims 6 to 8, wherein the probe particle is a sphere. 前記試料は、荷電物質が前記表面に固定されることによって荷電されることを特徴とする請求項6〜9の何れか一項記載の表面電荷量計測方法。   The surface charge amount measuring method according to claim 6, wherein the sample is charged by fixing a charged substance on the surface.
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