JP5281222B2 - 表面試料から発せられた蛍光シグナルの増幅 - Google Patents

Description

本発明は、基板で支えられている表面試料から発せられた蛍光シグナルを、励起シグナルに応じて増幅する方法に関する。また、そのような試料により発せられた蛍光発光の増幅デバイスにも関する。

従来の技術と発明が解決しようとする課題

蛍光測定は多くの技術分野で利用されている測定方法である。それはバイオチップとして公知の、化学的および／または生物的分析デバイスを操作するときに特に利用される。この種類のチップを用いた生物的活動の測定は、表面コーティングの形態の生体試料に固定された分子の蛍光発光を、例えばエピフロレッセンス顕微鏡、スキャナー、蛍光計などで測定することにより行われる。測定するために、チップは特別な試験槽またはカートリッジ内に配設することができる。ペトリ皿の底に直接置いてもよい。また、機械的支持部材を利用して中空に置いてもよい。ある場合には、表面試料はいわゆる背面モードで読み取られる、換言すれば、読取は一方の表面で表面試料を支えている基板を透過することにより行われ、その場合基板は蛍光シグナルに対して必ず透過的である。
蛍光励起シグナルは、有利には薄層板の形態のその基板を透過して一般的に試料の方に向けられる。蛍光を励起する別の方法は、薄層板を透過し励起光を照射することによって、またはプリズム結合によって、エバネッセント波を発生させることである。

別の場合、表面試料はいわゆる前面モードで読み取られる。読取は、基板上に置かれた表面試料で直接行われる。
基板の一表面に形成された、蛍光マーカーを保持している生体の捕獲フェーズとして機能する、生物特異的な表面を表面試料とすることが可能である。このようにして、例えば、二重鎖核酸のような複合物を形成することが可能である。生物特異的な表面は、光照射技術または別の方法でプローブを配設することによる、プローブの合成によって作られたものでもよい。この複合体は抗体−抗原会合体でもよく、この場合、基板の表面に付着させられた抗体が生物特異的な表面を形成する。複合体を形成する表面の厚さは数ｎｍから数百ｎｍの間である。複合体は、形成後に、例えば該複合体を乾燥または吸着することにより、基板の表面に付着させることもできる。

蛍光発光の増大の可能性について最初に述べたのは、H.CHEW等による論文“Model for Raman and fluorescent scattering by molecules in small particles”、(Physical Review A、13(1)、pp396-404、1976年)である。この論文は、ラマン散乱と蛍光発光を扱うと同時に、蛍光分子が照射された場は、それが球体生体内（細胞、エアロゾルの滴）に配設されたとき等方的ではない、ということを確立した理論モデルに関する。該理論モデルは発光の角分布についてのみ述べ、感度を上げるためにこの原理を応用できる可能性については結論を出していない。
さらに最近では、蛍光発光に関するモデルが、異なる物理的形式化でだが、J.ENDERLEIN等による論文“Highly efficient optical detection of surface generated fluorescence”(Applied Optics、Vol. 38、 No.4、1999年、pp724-732)に提案されている。

境界面近くでの分子の蛍光発光現象についての総説が、R.R.CHANCE等による“Molecular fluorescence and energy transfer near interfaces”(Advanced in Chemical Physics、vol. XXXVII、pp1-65、Prigogine I.、Rice S.R.、1978年)で確立された。この総説は、イオン化した分子の緩和時間および、明白な量子効率の変動についてのみ扱っている。絶縁体の計算モデルの場合にも、イオン化した分子の緩和時間および明白な量子効率の変動にのみ関連する。結局、蛍光発光は空間内では等方的であると考えられているが、実際はそうではないということである。

D.A. WEITZ等による論文“The enhancement of Raman scattering、 resonance Raman scattering and fluorescence from molecules adsorbed on a rough silver surface”(Journal of Chemical Physics、79(9)、pp5324-5338、1983年)では、コロイド銀のアイランドが施された凹凸のある表面または平坦な表面に付着させられた分子の蛍光発光に適応するモデルが提案されている。実験が行われ、モデルの有効性が十分に確認された。この設計によると、蛍光の読取は前面でのみ行うことができる。ここで生じた物理的な現象は、非常に強力な局所的な電磁場を作るためのコロイド銀の表面上のプラズモン共振と蛍光分子との間の電磁結合である。そして、蛍光発光の増幅は、銀のアイランドに対する分子の位置の関数となる。接触している場合、分子は表面に吸着され、蛍光発光が引き起こされる。それについてはK.SOLOKOV等による“Enhancement of molecular fluorescence near the surface of colloidal metal film”(Analytical Chemistry、Vol. 70、No. 18、pp 3898-3905、1998年9月15日)で指摘されている。

国際公開公報第９９／２３４９２号は、発光を増強すると思われる表面を利用して、蛍光発光を増幅する技術について開示している。この表面は基板と基板上に付着した生体複合体の間に挿入されており、測定は基板を透過して行われる。しかし、この中間層の表面は織り目が粗くなくてはならず、そのために、この表面を形成する素材はナイロン膜から選択され、素材および織り目により、蛍光シグナルの散乱が引き起こされる。本発明では、その現象は回避される。

米国特許第５８２２４７２号は、きわめてわずかに励起されたルミネセンスを検出する過程について開示している。この過程は導波路を形成する透明な層を支える透明な基板を使用する。透明層の材料の屈折率は、透明基板の材料の屈折率より大きい。デバイスにはまた、二つの結合ネットワークがある。これらのネットワークのうちの一つは、透明基板を透過し透明層へと発光励起光線を導入することを可能にする。励起光線は導波路を形成する透明層を介して導かれる。透明層に接触した、ルミネセント特性のある物質はその後、導波路を形成している層のエバネッセント場で励起される。結合ネットワークは、透明層からの励起光線の出現を確実にし、出現した光線は透明基板を透過する。導波路を形成している透明層の厚さは、励起光の波長よりも短い。その屈折率は１．８以下である。励起光線は光線導入領域と光線出現領域（結合ネットワーク）の間の透明層を介して伝達される。透明層を介して光線を誘導すると、必然的に蛍光シグナルの一部を損失する結果となる。

課題を解決するための手段

本発明は従来の方法またはデバイスの欠点を避けつつ、蛍光シグナルの増幅を得るための別の方法を提供する。
本発明は、表面上の分子は屈折率の不連続を構成し、それらは最大屈折率を有する媒質でその蛍光発光の大部分を発するという事実を利用する。表面分子の蛍光発光の角分布は大容積での分子の角分布とは大幅に異なる。液体の場合、蛍光分子は相互に関連して配向しないので蛍光発光は等方的であると考えられている（双極子モーメントの配向はランダム分布）。蛍光分子が数十ｎｍから数百ｎｍの薄層を構成する場合、現象は異なる。蛍光発光で発せられたシグナルは、蛍光分子から構成される電気双極子の配向に関連している。ゆえに、表面蛍光のために、屈折率が全く異なる二つの媒体の境界面に蛍光分子を配置することは好適である。

励起シグナルおよび蛍光シグナルは薄層に概ね垂直に入射して薄層を透過する。そのとき、薄層は導波路としては利用されない。ゆえに、そのとき蛍光シグナルの一部を損失することはない。
よって、蛍光シグナルに対して透明であるほど十分に薄い層の形態をした、屈折率の大きい素材を利用することが可能で、この薄層は、蛍光シグナルに対して透明な基板で支えられている。
異なる素材のサブレイヤの積層で構成される薄層を利用することも可能で、この薄層は、特に屈折率および蛍光シグナルに対する透明性に関して、従来の薄層と同じ光学的特性を有する。

本発明の第一の目的は、基板により支えられた表面試料から発せられた蛍光シグナルを、励起シグナルに応じて増幅する方法であって、該基板は全部または一部の蛍光シグナルを伝達し、基板と表面試料の間への薄層の挿入を含み、該薄層の屈折率は基板の屈折率より大きくかつ表面試料が浸かっている媒体の屈折率より大きく、該薄層の厚さは透明基板透過後に測定される蛍光シグナルの全部または一部を該薄層が伝達するように選択される。

表面試料は、ガラス、石英、シリカ、プラスチック材料例えばポリスチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレのような材料から選ばれた材料でできた基板で支えることができる。
方法は、窒化珪素、炭化珪素、酸化チタン、酸化アルミニウム、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ_４Ｔｉ、ＨｆＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ダイアモンド、ＭｇＯ、オキシ窒化物（Ｓｉ_ＸＯ_ＹＮ_Ｚ）、ＹＦ_３またはＭｇＦ_２のようなフッ化材料から選ばれた材料による薄層を、基板と表面試料の間に挿入する過程を含むこともできる。薄層は、複数のサブレイヤを堆積して形成することもできる。このときサブレイヤの光学的特性および厚さが、後者の方法で形成された全体に必要な性質を与える（A. HERPIN著、C.R.Acad.Sciences、Paris、225、182、1947年参照）

薄層は、次に挙げる方法のうちの一つによって基板上に形成された層であってよい。その方法とは、ＣＶＤタイプの方法（ＬＰＣＶＤ、ＰＥＤＶＥ等）またはＰＶＤタイプの方法、薄膜転写、ゾル−ゲル法による、蒸着、複製、転写、薄膜堆積薄膜である。薄層は、次に挙げる方法のうちの一つによって基板上へ転移される層であってよい。その方法とは接着および分子付着である。
場合によっては、上記基板上に形成された薄層は熱処理されていてもよい。
表面試料は、生物特異的な表面が蛍光マーカーを持つ試料分子と結び付いている複合体で構成することができる。
試料が浸かっている媒体は液体、ゲルまたは気体である。

本発明の第二の目的は、表面試料により発せられた蛍光発光を上記の方法のうちの一つで増幅するデバイスである。デバイスは、全部または一部の蛍光シグナルを伝達し、かつ表面試料を支えるための基板と、該基板と表面試料の間に挿入されている材料からなる薄層とを含み、該薄層の材料の屈折率は基板の屈折率および蛍光発光の測定中表面試料が浸かっている媒体の屈折率より大きく、厚さは基板を透過した後測定される蛍光シグナルの全部または一部を該薄層が伝達するように選ばれる。

本発明の第三の目的は、複数の表面試料を支えるデバイスであって、該表面試料は同じ数の認識領域を構成する、上記のデバイスを含むことを特徴とするバイオチップである。

本発明は、蛍光シグナルに対して透明な基板と、媒体中に浸かっている表面試料との間への薄層の挿入、および基板を透過した蛍光の測定を含む。
薄層を構成する素材は、その屈折率が基板を構成している素材の屈折率及び表面試料が浸かっている媒体の屈折率よりより大きくなるように選ばれる。

表面試料が浸かっている媒体は、蛍光発光に関して媒体の全体的な調整（ｐＨ、塩分濃度）が必要な場合には、例えば液体バッファである。蛍光分子のフォトディストラクションまたは「ブリーチング」の減少が要求される場合、媒体はゲルでよい。蛍光複合体について大変な読取の条件が要求される場合、媒体は気体（空気または天然ガス）でよい。

一例として、基板は、屈折率が６５０ｎｍに対して１．４８５の、厚さ７００μｍのシリカ（ＳｉＯ２）の薄板である。薄層は、同じ波長に対する屈折率が１．９９７の、厚さ１５０ｎｍの窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）でよい。表面試料は、蛍光シアニン（Ｃｙ５−Ａｍｅｒｓｈａｍ（登録商標））でマークされたＤＮＡベースの複合体でよい。試料が浸かっている媒体は、屈折率が１．３４の液体洗浄バッファ（０．００５％ ＳＳＰＥ ６Ｘ／Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１００）でよい。そのようなデバイスでは、同じ状況で複合体が基板上に直接置かれている場合、つまり薄層がない場合の測定に比べ、６０％の蛍光増幅が測定される。測定はエピフロレッセンス顕微鏡およびＣＣＤカメラで行われる。蛍光励起は６３５ｎｍに集中し、発光の測定は６７０ｎｍ上に集中する。値の増加分は、測定システム（波長、光学的開口数）、使用されるマーカー（双極子モーメントの配向）、および薄層の特質（屈折率、層厚）の関数である。

図１は本発明によるデバイスが、蛍光発光の測定をするためにケーシングの中に置かれている状態を図示している。デバイス１０は、一方の表面が薄層１２で覆われている、薄板状の透明な基板１１を構成要素とする。表面試料１３は薄層１２の自由表面に配設されている。デバイス１０は例えば上記の要素から構成される。
デバイス１０は、ケーシング２０の上板に設けられたハウジングに、蛍光を測定するために、配設されており、表面試料１３がケーシング２０の内側に向かうように配置されている。ケーシングには流入開口部２１と排出開口部２２があり、それによって、表面試料は、表面試料が浸かる媒体を構成する液体３０と接触するようになっている。
蛍光シグナルは計測器４０で受信される。図１で適切に図示されているように、蛍光シグナルは、薄層１２および透明基板１１を透過して計測器４０に到達する。これはいわゆる背面モードである。

図２は、同じデバイス１０を媒体３０の入ったペトリ皿５０の底に置いた場合である。蛍光の測定は計測器４０を用いてこの場合も背面で行われる。

図３は、同じデバイス１０を蛍光発光の測定をするために空気中に置いた場合である。デバイス１０は、周辺部で、機械力学的な支持部材によって支えられている。該支持部材は、表面試料と空気６２との接触を可能にする、開口部６１が開けられているスライド６０を含む。
支持部材はガラス、シリカまたはポリスチレン系のスライドでよい。それは蛍光測定のスペクトル領域に対して透明である。基板の一表面に配置されている薄層は、窒化珪素、酸化チタン、酸化アルミニウムのような材料から、蒸着または複製（光学的薄膜技術）によって形成することができる。薄層の層厚が数μｍより厚い場合、薄膜の形態で配設または（接着または分子付着によって）基板の上に転写することもできる。

本発明の効率を立証するため別の実験を行った。実験は以下の複数のデバイスに関する。
−公知の技術で使われているガラス基板、言い換えれば、蛍光増幅薄層のないガラス基板。
−本発明によるデバイスで、薄層が窒化珪素でできているデバイス。
−本発明によるデバイスで、薄層が熱処理された窒化珪素（窒素内での熱処理は窒化層を緻密にする）でできているデバイス。

蛍光の読取は、Ｃｙ５マーカー用のエピフロレッセンス顕微鏡および冷却デジタルＣＣＤカメラによって行われる。二度の測定がデバイスごとに行われる。つまり、一度の測定は前面で、一度の測定は背面で行われる。前面での測定は、表面試料を計測器に向かい合うように配設して行われるので、蛍光シグナルは基板またはデバイスを透過することはない。
測定結果は、Ｓｉ_３Ｎ_４の薄層を備えるデバイスは単なるガラス基板に対し１．６倍に蛍光が増強され、熱処理されているＳｉ_３Ｎ_４の薄層を備えるデバイスは単なるガラス基板に対し２．４倍に蛍光が増強されるということを示した。

本発明のデバイスは、複数の分子認識領域を備えるバイオチップにも利用することができる。バイオチップというのは、その表面に認識特性のある分子を備える領域、いわゆる認識領域、が一つ以上あるチップまたは基板であると理解される。例えば、認識分子はオリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、抗体やペプチドのようなたんぱく質、レクチンまたはリガンドレセプタータイプの別のシステムでよい。特に、認識分子はＤＮＡまたはＲＮＡの断片を備えることができる。

バイオチップが分析のために試料に接触させられると、認識分子は、例えば複雑化またはハイブリタイゼーションによって試料の「標的分子」と呼ばれる分子と相互作用することが考えられる。このように、異なる標的分子に対して選択的に敏感な異なる認識分子を有する複数の認識領域を、バイオチッブに備えることにより、試料内に含まれる多種多様な分子を検出すること、および、場合によっては定量化することが可能になる。

バイオチップ上に形成される複合体は、試料の標的分子に対応する蛍光標識によって同定することができる。このように、バイオチップの基板は薄層で覆われた本発明によるデバイスの基板に対応し、バイオチップの認識領域は表面試料に対応する。

非限定的な例として述べられている以上の記述により、本発明はより理解され、さらなる利点と特性が明らかになるだろう。以上の記述には、以下の図が伴う。
本発明による蛍光シグナルを読み取るためのデバイスの第一実施例。 本発明による蛍光シグナルを読み取るためのデバイスの第二実施例。 本発明による蛍光シグナルを読み取るためのデバイスの第三実施例。

１０ デバイス
１１ 基板
１２ 薄層
１３ 表面試料
２０ ケーシング
２１ 流入開口部
２２ 排出開口部
３０ 媒体
４０ 計測器
５０ ペトリ皿
６０ スライド
６１ 開口部
６２ 空気

Claims (10)

1. 基板（１１）と表面試料（１３）の間への、薄層（１２）の挿入を含む、蛍光シグナルを伝達する基板（１１）により支えられた表面試料（１３）から発せられた蛍光シグナルを、励起シグナルに応じて増幅する方法であって、
   薄層は回折格子を有しない非導波路であり、
   表面試料が薄層の表面上に配設され、薄層の屈折率は基板の屈折率より大きくかつ表面試料（１３）が浸かっている媒体（３０、６２）の屈折率より大きく、励起シグナルおよび蛍光シグナルは薄層に概ね垂直に入射して薄層を透過し、薄層（１２）は透明基板（１１）を透過した後に測定される蛍光シグナルを伝達することを特徴とする方法。
   
2. 表面試料（１３）を支える基板（１１）は、ガラス、石英、シリカ、プラスチック材料例えばポリスチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートのような材料から選ばれた材料からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
   
3. 基板（１１）と表面試料（１３）の間に挿入される薄層（１２）は、窒化珪素、炭化珪素、酸化チタン、酸化アルミニウム、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ_４Ｔｉ、ＨｆＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ダイアモンド、ＭｇＯ、オキシ窒化物（ＳｉＸＯＹＮＺ）、ＹＦ_３またはＭｇＦ_２のようなフッ化材料から選ばれた材料からなることを特徴とする請求項１ないし２のいずれか１項に記載の方法。
   
4. 上記薄層（１２）は、次の方法、つまりＣＶＤタイプの方法（ＬＰＣＶＤ、ＰＥＤＶＥ等）またはＰＶＤタイプの方法、薄膜転写、ゾル−ゲル法による、蒸着、複製、転写、薄膜堆積薄膜のうちの一つによって基板（１１）上に得られた層であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
   
5. 上記薄層（１２）は、次の方法、つまり接着および分子付着のうちの一つによって基板（１１）上に転移される層であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
   
6. 基板（１１）上に得られる上記薄層（１２）は熱処理されることを特徴とする請求項４ないし５のいずれか１項に記載の方法。
   
7. 表面試料（１３）は、生物特異的な表面が蛍光マーカーを持つ試料分子と結び付いている複合体からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
   
8. 表面試料（１３）が浸かっている媒体（３０、６２）は液体、ゲルまたはガスであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
   
9. 表面試料（１３）により発せられた蛍光発光を、請求項１ないし８のいずれか１項に記載された方法により増幅するためのデバイス（１０）であって、蛍光シグナルを伝達し、かつ表面試料（１３）を支えるための基板（１１）と、該基板（１１）と表面試料（１３）の間に挿入されている薄層（１２）とを含み、表面試料が薄層の表面上に配設され、薄層の屈折率は基板の屈折率および蛍光発光の測定中表面試料が浸かっている媒体の屈折率より大きく、薄層（１２）は蛍光シグナルを伝達するデバイス（１０）。
   
10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法を実行し、蛍光発光による読み取りをするバイオチップであって、蛍光シグナルを伝達することができ、かつその数だけ認識領域を構成する複数の表面試料（１３）を支えるための基板（１１）と、該基板（１１）と表面試料（１３）の間に挿入されている材料の薄層（１２）とを含み、表面試料が薄層の表面上に配設され、薄層の屈折率は基板の屈折率および蛍光発光の測定中表面試料が浸かっている媒体の屈折率より大きく、薄層（１２）は蛍光シグナルを伝達するバイオチップ。

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