JP5450993B2 - Detection method, detection sample cell and detection kit - Google Patents
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Description
本発明は、試料中の被検出物質を検出する検出方法、検出用試料セルおよび検出用キットに関するものである。 The present invention relates to a detection method for detecting a substance to be detected in a sample, a detection sample cell, and a detection kit.
バイオ測定等において、蛍光法は高感度かつ容易な測定法として広く用いられている。蛍光法とは、特定波長の光に励起されて蛍光を発する被検出物質を含むと考えられる試料に、上記特定波長の励起光を照射し、このとき発せられる蛍光を検出することによって定性的または定量的に被検出物質の存在を確認する方法である。また、被検出物質自身が蛍光材料ではない場合、この被検出物質を有機蛍光色素等の蛍光標識で標識し、その後同様にして蛍光を検出することにより、その標識の存在をもって被検出物質の存在を確認する方法である。 In bio-measurement and the like, the fluorescence method is widely used as a highly sensitive and easy measurement method. The fluorescence method is qualitative or qualitative by irradiating a sample considered to contain a substance to be detected that emits fluorescence when excited by light of a specific wavelength, by irradiating the excitation light of the specific wavelength and detecting the fluorescence emitted at this time. This is a method for quantitatively confirming the presence of a substance to be detected. In addition, when the substance to be detected is not a fluorescent material, the substance to be detected is labeled with a fluorescent label such as an organic fluorescent dye, and then the fluorescence is detected in the same manner. It is a method to confirm.
上記蛍光法において、試料を流しながら特定の被検出物質のみを効率よく検出できる等の理由から、以下に示す2つの方法により被検出物質をセンサ部表面に固定し、その後蛍光検出を行う手法が一般的である。このような手法の1つは、例えば被検出物質が抗原である場合に、センサ部表面に固定された1次抗体に、抗原を特異的に結合させ、次いで、蛍光標識が付与された、抗原と特異的に結合する2次抗体を、さらに上記抗原に結合させることにより、1次抗体―抗原―2次抗体という結合状態を形成し、2次抗体に付与されている蛍光標識からの蛍光を検出する、所謂サンドイッチ法である。また、もう1つは、例えば被検出物質が抗原である場合に、センサ部表面に固定された1次抗体に、抗原と蛍光標識が付与された2次抗体(前述の2次抗体と異なり、1次抗体と特異的に結合する)とを、競合的に1次抗体と結合させ、競合的に結合した2次抗体に付与されている蛍光標識からの蛍光を検出する、所謂競合法である。 In the above-described fluorescence method, there is a technique in which only a specific target substance can be efficiently detected while flowing a sample, and the target substance is fixed to the surface of the sensor unit by the following two methods and then fluorescence detection is performed. It is common. One such technique is, for example, when the substance to be detected is an antigen, the antigen is specifically bound to the primary antibody immobilized on the surface of the sensor unit, and then a fluorescent label is attached. A secondary antibody that specifically binds to the antigen, and further binds to the antigen to form a primary antibody-antigen-secondary antibody binding state, and the fluorescence from the fluorescent label attached to the secondary antibody This is a so-called sandwich method for detection. The other is, for example, when the substance to be detected is an antigen, a secondary antibody in which an antigen and a fluorescent label are attached to the primary antibody immobilized on the surface of the sensor unit (unlike the above-described secondary antibody, Is a so-called competition method in which the primary antibody is bound to the primary antibody competitively and the fluorescence from the fluorescent label attached to the competitively bound secondary antibody is detected. .
また、蛍光検出においてS/N比を向上できる等の理由から、上記のような方法によって間接的にセンサ部に固定された蛍光標識を、エバネッセント光により励起するエバネッセント蛍光法が提案されている。エバネッセント蛍光法は、励起光をセンサ部裏面から入射し、センサ部表面に染み出すエバネッセント光により蛍光標識を励起して、その蛍光標識から生じる蛍光を検出するものである。 In addition, for the reason that the S / N ratio can be improved in fluorescence detection, an evanescent fluorescence method has been proposed in which a fluorescent label indirectly fixed to a sensor unit by the above-described method is excited by evanescent light. In the evanescent fluorescence method, excitation light is incident from the back surface of the sensor unit, and the fluorescent label is excited by evanescent light that oozes out to the surface of the sensor unit, and fluorescence generated from the fluorescent label is detected.
一方、エバネッセント蛍光法において、感度を向上させるため、プラズモン共鳴による電場増強の効果を利用する方法が、特許文献1、非特許文献1などに提案されている。この表面プラズモン増強蛍光法は、プラズモン共鳴を生じさせるため、センサ部に金属層を設け、この金属層に表面プラズモンを生じさせ、その電場増強作用によって、蛍光信号を増大させてS/N比を向上させるものである。
On the other hand, in order to improve sensitivity in the evanescent fluorescence method, a method using the effect of electric field enhancement by plasmon resonance has been proposed in
また、エバネッセント蛍光法において、表面プラズモン増強蛍光法と同様に、センサ部の電場を増強する効果を有する方法として、光導波モードによる電場増強効果を利用する方法が非特許文献2に提案されている。この光導波モード増強蛍光分光法(OWF:Optical waveguide mode enhanced fluorescence spectroscopy)は、センサ部に金属層と、誘電体などからなる光導波層とを順次形成し、この光導波層に光導波モードを生じさせ、その電場増強効果によって、蛍光信号を増強させるものである。
Further, in the evanescent fluorescence method, as in the surface plasmon enhanced fluorescence method, as a method having the effect of enhancing the electric field of the sensor unit, a method using the electric field enhancement effect by the optical waveguide mode is proposed in Non-Patent
また、特許文献2および非特許文献3には、上記に示した蛍光法のように蛍光標識からの蛍光を検出するのではなく、その蛍光が金属層に新たに表面プラズモンを誘起することによって生じる放射光(SPCE: Surface Plasmon-Coupled Emission)を検出する方法が提案されている。
Further, in
以上のように、バイオ測定等においては、被検出物質を検出するための方法として、励起光の照射により、プラズモン共鳴や光導波モードを生じさせ、これらによって増強された電場で蛍光標識を励起させ、この蛍光標識の励起に起因して生じる光を検出する種々の方法が提案されている。 As described above, in biomeasurement and the like, as a method for detecting a substance to be detected, irradiation of excitation light causes plasmon resonance and an optical waveguide mode, and the fluorescent label is excited by an electric field enhanced by these. Various methods for detecting light generated due to excitation of the fluorescent label have been proposed.
しかしながら、上記のような方法では分子の個数に換算すると未だ105個レベルであり、一分子の検出には程遠いのが現状である。 However, in the method described above is still 10 5 level in terms of the number of molecules, at present, far from the detection of a single molecule.
そこで、非特許文献4に示されているように、一分子レベルでの検出が可能である金属プローブを用いたラマン分光法が注目されている。これは、金属プローブ先端に光を入射して、この先端に局在プラズモンを生じさせ、これにより基板とプローブの間に生じる局所的な電場増強場を利用するものである。これにより、プローブ直下にある分子によるラマン過程の散乱断面積を実効的に増大し、理論的には入射光強度の数10倍から106倍の増強度が得られると考えられている(非特許文献4 pp.277 2.2.1節)。
しかしながら、ラマン信号は、溶媒などの被検出物質が置かれている状態及び環境に大きく左右され、また夾雑物の振動もスペクトルに現れるため、定性分析としては有用であるが定量性は期待できない。また、金属プローブによる局所的な強電場の幅はせいぜい数十nm程度であって測定できる領域が小さいため、金属プローブの走査が必要となり測定が面倒である。さらには、一般的にラマン分光装置は、大型かつ高価であり操作性も良くない。 However, the Raman signal is greatly influenced by the state and environment in which a substance to be detected such as a solvent is placed, and vibrations of impurities appear in the spectrum. Therefore, the Raman signal is useful as a qualitative analysis but cannot be expected to be quantitative. In addition, since the local strong electric field due to the metal probe has a width of about several tens of nanometers at most and the region that can be measured is small, the metal probe needs to be scanned, which makes measurement difficult. Furthermore, in general, a Raman spectroscopic device is large and expensive, and its operability is not good.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ラマン分光法より容易かつ低コストの検出方法によって、一分子レベルでの高感度検出を可能とし、かつ広い検出範囲を有する検出方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a detection method that enables high-sensitivity detection at a single molecule level and has a wide detection range by a detection method that is easier and less expensive than Raman spectroscopy. It is for the purpose.
さらに、本発明は上記検出方法に用いられる検出用試料セルおよび検出用キットを提供することを目的とする。 Furthermore, an object of the present invention is to provide a detection sample cell and a detection kit used in the detection method.
上記課題を解決するため、本発明による検出方法は、誘電体プレートの一面に、この誘電体プレートに隣接する金属層を含む積層構造からなるセンサ部を備えるセンサチップを用い、
センサ部に試料を接触させることにより、試料に含有される被検出物質の量に応じた量の蛍光標識結合物質を、センサ部上に結合させ、
センサ部に励起光を照射することにより、センサ部上に増強した光電場を発生せしめ、
増強した光電場により、蛍光標識結合物質の蛍光標識を励起し、この励起に起因して生じる光の量に基づいて、被検出物質の量を検出する検出方法において、
蛍光標識として、複数の蛍光色素分子および1以上の蛍光増強微粒子を、複数の蛍光色素分子から生じる蛍光を透過する透光材料により包含してなる蛍光物質を用いることを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, a detection method according to the present invention uses a sensor chip including a sensor unit having a laminated structure including a metal layer adjacent to the dielectric plate on one surface of the dielectric plate.
By bringing the sample into contact with the sensor unit, an amount of the fluorescent label binding substance according to the amount of the substance to be detected contained in the sample is bound on the sensor unit,
By irradiating the sensor unit with excitation light, an enhanced photoelectric field is generated on the sensor unit,
In the detection method of exciting the fluorescent label of the fluorescent label binding substance with the enhanced photoelectric field and detecting the amount of the detected substance based on the amount of light generated due to this excitation,
As a fluorescent label, a fluorescent substance comprising a plurality of fluorescent dye molecules and one or more fluorescence enhancing fine particles by a light-transmitting material that transmits fluorescence generated from the plurality of fluorescent dye molecules is used.
ここで、「金属層を含む積層構造」とは、金属層を含み少なくとも1以上の層からなる構造を意味するものとする。つまり、上記積層構造は、金属層のみでもよい。なお、ここで言う「層」とは、必ずしも一面を覆うものである必要はなく、例えば、微小開孔を有するものや粗密のあるものであってもよい。 Here, “laminated structure including a metal layer” means a structure including at least one layer including a metal layer. That is, the laminated structure may be only a metal layer. Here, the “layer” does not necessarily need to cover one surface, and may be, for example, one having a minute opening or one having a rough density.
「蛍光標識結合物質」は、被検出物質の量に応じた量だけセンサ部上に結合する蛍光標識された結合物質を意味するものとする。例えば、サンドイッチ法によるアッセイを行う場合には、被検出物質と特異的に結合する結合物質と蛍光標識とから構成され、競合法によるアッセイを行う場合には、被検出物質と競合する結合物質と蛍光標識とから構成される。 The “fluorescent label binding substance” means a fluorescently labeled binding substance that binds on the sensor unit by an amount corresponding to the amount of the substance to be detected. For example, when an assay by the sandwich method is performed, it is composed of a binding substance that specifically binds to the substance to be detected and a fluorescent label. When an assay by the competitive method is performed, a binding substance that competes with the substance to be detected It consists of a fluorescent label.
蛍光標識の「励起に起因して生じる光」とは、蛍光標識が励起することにより直接的または間接的に生じる光であって、その光の発生量と励起した蛍光標識の数量との間に相関性を有するものを意味するものとする。 “Light resulting from excitation” of a fluorescent label is light that is directly or indirectly generated by excitation of the fluorescent label, and is between the amount of light generated and the number of excited fluorescent labels. It shall mean that which has a correlation.
「被検出物質の量を検出する」とは、被検出物質の存在の有無の検出を含み、定性的な量のみならず、定量的な量を検出することも意味するものとする。 “Detecting the amount of the substance to be detected” includes detection of the presence or absence of the substance to be detected, and means not only a qualitative amount but also a quantitative amount.
「光電場」とは、励起光の照射により生じるエバネッセント光もしくは近接場光に起因する電場を意味するものとする。 The “photoelectric field” means an electric field caused by evanescent light or near-field light generated by irradiation with excitation light.
「増強した光電場を生じさせる」とは、光電場を増強させることによって、増強した光電場を形成することを意味するものとする。なお、光電場を増強させる方法は、プラズモン共鳴の励起による増強であってもよいし、光導波モードの励起による増強であってもよい。 “Generating an enhanced photoelectric field” shall mean forming an enhanced photoelectric field by enhancing the photoelectric field. The method for enhancing the photoelectric field may be enhancement by excitation of plasmon resonance or enhancement by excitation of the optical waveguide mode.
蛍光物質の透光材料により包含される蛍光色素分子の数は、1個でもよいが、複数であることがより好ましい。なお、蛍光物質が複数の蛍光色素分子を備えるものである場合には、少なくとも1つの蛍光色素分子が透光材料により包まれていればよく、他の蛍光色素分子の一部が透光材料の外部に露出していてもよい。 The number of fluorescent dye molecules included in the light-transmitting material of the fluorescent substance may be one, but a plurality is more preferable. In the case where the fluorescent substance includes a plurality of fluorescent dye molecules, it is sufficient that at least one fluorescent dye molecule is encased in a light-transmitting material, and some of the other fluorescent dye molecules are made of the light-transmitting material. It may be exposed to the outside.
「蛍光増強微粒子」とは、この蛍光増強微粒子と、上記光電場、金属層、または近傍にある他の蛍光増強微粒子との相互作用等により、蛍光標識から生じる蛍光を増強するものを意味するものとする。 “Fluorescence-enhanced fine particles” mean those that enhance the fluorescence generated from the fluorescent label by the interaction of the fluorescence-enhanced fine particles with the above-described photoelectric field, metal layer, or other fluorescent-enhanced fine particles in the vicinity. And
さらに、本発明による検出方法において、蛍光増強微粒子は、散乱性微粒子であることが好ましい。 Furthermore, in the detection method according to the present invention, the fluorescence enhancing fine particles are preferably scattering fine particles.
また、蛍光増強微粒子は、金属微粒子であることが好ましく、金属ナノロッドであることがより好ましい。 Further, the fluorescence enhancing fine particles are preferably metal fine particles, and more preferably metal nanorods.
そして、蛍光増強微粒子の粒径は、10〜200nmであることが好ましい。 And it is preferable that the particle diameter of fluorescence enhancement fine particle is 10-200 nm.
ここで、金属微粒子の「粒径」とは、微粒子の最大径を意味するものとする。 Here, the “particle diameter” of the metal fine particles means the maximum diameter of the fine particles.
「ナノロッド」とは、形状がロッド状(棒状)のナノ微粒子であって、縦軸と横軸との長さの比(アスペクト比)が概ね1〜20であるものを意味するものとする。 “Nanorod” means a nanoparticle having a rod-like (rod-like) shape, and the length ratio (aspect ratio) between the vertical axis and the horizontal axis is approximately 1 to 20.
さらに、「蛍光標識結合物質の蛍光標識を励起し、この励起に起因して生じる光の量に基づいて、被検出物質の量を検出する」方法としては、蛍光標識からの蛍光を検出するものであってもよいし、その蛍光が金属層に新たに表面プラズモンを誘起することによって生じる放射光を検出するものであってもよい。具体的には、以下の方法(1)〜(4)が挙げられる。 Furthermore, as a method of “exciting the fluorescent label of the fluorescent label binding substance and detecting the amount of the substance to be detected based on the amount of light generated due to this excitation”, a method for detecting fluorescence from the fluorescent label Alternatively, it may be one that detects the emitted light that is generated when the fluorescence induces a new surface plasmon in the metal layer. Specifically, the following methods (1) to (4) may be mentioned.
(1)励起光の照射により金属層にプラズモンを励起し、プラズモンによって増強した光電場を発生せしめ、蛍光標識の励起に起因して生じる光として、この励起によって蛍光標識から生じる蛍光を検出する方法。 (1) A method of exciting a plasmon in a metal layer by irradiation of excitation light, generating a photoelectric field enhanced by the plasmon, and detecting fluorescence generated from the fluorescent label by this excitation as light generated due to excitation of the fluorescent label .
(2)励起光の照射により金属層にプラズモンを励起し、プラズモンによって増強した光電場を発生せしめ、蛍光標識の励起に起因して生じる光として、この励起によって蛍光標識から生じる蛍光が金属層に新たにプラズモンを誘起することにより、誘電体プレートに対し上記一面と対向する他面側へ放射される、新たに誘起されたプラズモンからの放射光を検出する方法。 (2) The plasmon is excited on the metal layer by the irradiation of the excitation light, and a photoelectric field enhanced by the plasmon is generated, and the fluorescence generated from the fluorescent label by this excitation is generated in the metal layer as light generated by the excitation of the fluorescent label. A method of detecting radiated light from a newly induced plasmon that is radiated to the other surface opposite to the one surface of the dielectric plate by newly inducing plasmons.
(3)センサチップとして、積層構造が光導波層を備えるものを用い、励起光の照射により光導波層に光導波モードを励起し、光導波モードによって増強した光電場を発生せしめ、蛍光標識の励起に起因して生じる光として、この励起によって蛍光標識から生じる蛍光を検出する方法。 (3) A sensor chip having a laminated structure including an optical waveguide layer is used to excite an optical waveguide mode in the optical waveguide layer by irradiation with excitation light, to generate an enhanced photoelectric field by the optical waveguide mode, A method of detecting fluorescence generated from a fluorescent label by this excitation as light generated by excitation.
(4)センサチップとして、積層構造が光導波層を備えるものを用い、励起光の照射により光導波層に光導波モードを励起し、光導波モードによって増強した光電場を発生せしめ、蛍光標識の励起に起因して生じる光として、この励起によって蛍光標識から生じる蛍光が金属層に新たにプラズモンを誘起することにより、誘電体プレートに対し上記一面と対向する他面側へ放射される、新たに誘起されたプラズモンからの放射光を検出する方法。 (4) A sensor chip having a laminated structure including an optical waveguide layer is used to excite an optical waveguide mode in the optical waveguide layer by irradiation of excitation light, thereby generating an enhanced photoelectric field by the optical waveguide mode. As light generated by excitation, the fluorescence generated from the fluorescent label by this excitation induces a new plasmon in the metal layer, and is radiated to the other surface side facing the one surface with respect to the dielectric plate. A method for detecting radiation from induced plasmons.
なお、(1)および(2)において、プラズモンの励起は、金属層を金属膜とし、金属膜と基板との界面に基板裏面から全反射角度以上の角度で励起光を入射し、金属膜表面に表面プラズモンを励起するものであってもよい。一方、プラズモンの励起は、金属層を、励起光の波長よりも小さい周期の凹凸を表面に有する金属微細構造体、あるいは励起光の波長よりも小さいサイズの複数の金属ナノロッドにより構成し、励起光の照射により金属微細構造体あるいは金属ナノロッドに局在プラズモンを励起するものであってもよい。 In (1) and (2), the excitation of plasmons uses a metal layer as a metal film, and the excitation light is incident on the interface between the metal film and the substrate at an angle greater than the total reflection angle from the back surface of the substrate. It is also possible to excite surface plasmons. On the other hand, for plasmon excitation, the metal layer is composed of a metal microstructure having irregularities with a period smaller than the wavelength of the excitation light on the surface, or a plurality of metal nanorods having a size smaller than the wavelength of the excitation light. It is also possible to excite localized plasmons in the metal microstructure or the metal nanorod by irradiation.
さらに、本発明による検出用試料セルは、上記に記載の検出方法においてセンサチップとして使用される検出用試料セルであって、
液体試料が流下される流路を有する基台と、
流路の上流側に設けられた流路に液体試料を注入するための注入口と、
流路の下流側に設けられた、注入口から注入された液体試料を下流側に流すための空気孔と、
注入口と空気孔との間の流路に設けられたセンサチップ部であって、流路の内壁面の一部として設けられた誘電体プレート、および誘電体プレートの試料接触面の所定領域に設けられたセンサ部を備えるセンサチップ部とを備え、
センサ部が、誘電体プレートに隣接する金属層を含む積層構造からなることを特徴とするものである。
Furthermore, the detection sample cell according to the present invention is a detection sample cell used as a sensor chip in the detection method described above,
A base having a channel through which a liquid sample flows;
An inlet for injecting a liquid sample into a flow path provided upstream of the flow path;
An air hole provided on the downstream side of the flow channel for flowing the liquid sample injected from the injection port downstream;
A sensor chip provided in a flow path between the inlet and the air hole, and a dielectric plate provided as a part of the inner wall surface of the flow path, and a predetermined region on the sample contact surface of the dielectric plate A sensor chip portion including a provided sensor portion,
The sensor unit is characterized by having a laminated structure including a metal layer adjacent to the dielectric plate.
そして、本発明による検出用試料セルにおいて、蛍光標識結合物質をセンサ部上に固定するための第1の結合物質であって、センサ部上に固定されているものを備えることが好ましい。 The detection sample cell according to the present invention preferably includes a first binding substance for fixing the fluorescent label binding substance on the sensor part, which is fixed on the sensor part.
また、被検出物質と特異的に結合する第2の結合物質、および被検出物質と競合して第1の結合物質と特異的に結合する第3の結合物質のうちいずれか一方の結合物質と、この一方の結合物質が修飾された蛍光物質とからなる蛍光標識結合物質であって、センサ部より上流側の流路内に配置されている蛍光標識結合物質を備えることが好ましい。 Further, any one of the second binding substance that specifically binds to the detected substance and the third binding substance that competes with the detected substance and specifically binds to the first binding substance, It is preferable to provide a fluorescent label binding substance, which is a fluorescent label binding substance composed of this one binding substance and a modified fluorescent substance, and disposed in the flow channel upstream of the sensor unit.
なお、本発明による検出用試料セルは、上記の蛍光標識結合物質が、第2の結合物質と蛍光標識とからなる場合にはサンドイッチ法によるアッセイを行うのに好適なものとなり、第3の結合物質と蛍光標識とからなる場合には競合法によるアッセイを行うのに好適なものとなる。 The sample cell for detection according to the present invention is suitable for performing an assay by the sandwich method when the fluorescent label binding substance is composed of a second binding substance and a fluorescent label. When it consists of a substance and a fluorescent label, it is suitable for performing an assay by a competitive method.
そして、積層構造は、光導波層を備えることが好ましい。 The laminated structure preferably includes an optical waveguide layer.
さらに、本発明による検出用キットは、上記に記載の検出方法において使用される検出用キットであって、
液体試料が流下される流路を有する基台と、流路の上流側に設けられた流路に液体試料を注入するための注入口と、流路の下流側に設けられた、注入口から注入された液体試料を下流側に流すための空気孔と、注入口と空気孔との間の流路に設けられたセンサチップ部であって、流路の内壁面の一部として設けられた誘電体プレート、および誘電体プレートの試料接触面の所定領域に設けられたセンサ部を備えるセンサチップ部と、蛍光標識結合物質をセンサ部上に固定するための、センサ部上に固定された第1の結合物質とを備え、センサ部が、誘電体プレートに隣接する金属層を含む積層構造からなる、センサチップとして使用される検出用試料セル、および
液体試料と同時もしくは液体試料の流下後に流路内に流下される標識用溶液であって、被検出物質と特異的に結合する第2の結合物質、および被検出物質と競合して第1の結合物質と特異的に結合する第3の結合物質のうちのいずれか一方の結合物質と、この一方の結合物質が修飾された蛍光物質とからなる蛍光標識結合物質を含む標識用溶液を備えてなることを特徴とするものである。
Furthermore, the detection kit according to the present invention is a detection kit used in the detection method described above,
From a base having a channel through which the liquid sample flows down, an inlet for injecting the liquid sample into the channel provided upstream of the channel, and an inlet provided downstream of the channel An air hole for flowing the injected liquid sample downstream, and a sensor chip portion provided in the flow path between the injection hole and the air hole, provided as a part of the inner wall surface of the flow path A sensor chip portion having a dielectric plate and a sensor portion provided in a predetermined region of the sample contact surface of the dielectric plate, and a second fixed on the sensor portion for fixing the fluorescent label binding substance on the sensor portion. And a sample cell for detection used as a sensor chip comprising a metal layer adjacent to a dielectric plate, and a sensor portion that flows at the same time as or after the liquid sample flows down A labeling solution that flows down the road The binding of either the second binding substance that specifically binds to the substance to be detected and the third binding substance that specifically binds to the first binding substance in competition with the substance to be detected It is characterized by comprising a labeling solution containing a fluorescent label binding substance composed of a substance and a fluorescent substance in which this one binding substance is modified.
なお、本発明による検出用キットは、標識用溶液に含まれる蛍光標識結合物質が、第2の結合物質と蛍光標識とからなるものを備えている場合にはサンドイッチ法によるアッセイを行うのに好適なものとなり、第3の結合物質と蛍光標識とからなるものを備えている場合には競合法によるアッセイを行うのに好適なものとなる。 The detection kit according to the present invention is suitable for performing an assay by the sandwich method when the fluorescent label-binding substance contained in the labeling solution comprises a second binding substance and a fluorescent label. In the case where a third binding substance and a fluorescent label are provided, it is suitable for performing an assay by a competitive method.
そして、本発明による検出用キットにおいて、積層構造は、金属層上に光導波層を備えることが好ましい。 In the detection kit according to the present invention, the laminated structure preferably includes an optical waveguide layer on the metal layer.
ここで、検出用試料セルおよび検出用キットにおいて、「蛍光物質」は、上記と同様に、複数の蛍光色素分子および1以上の蛍光増強微粒子を、複数の蛍光色素分子から生じる蛍光を透過する透光材料により包含してなるものである。 Here, in the detection sample cell and the detection kit, the “fluorescent substance” refers to a plurality of fluorescent dye molecules and one or more fluorescent enhancement fine particles that transmit fluorescence generated from the plurality of fluorescent dye molecules, as described above. It is comprised by optical material.
本発明による蛍光検出方法では、蛍光増強微粒子が、蛍光標識である蛍光物質中の蛍光色素分子の近傍に存在する状態で検出を行っている。したがって、この蛍光増強微粒子と、上記光電場、金属層、または近傍にある他の蛍光増強微粒子との相互作用等により、蛍光標識から生じる蛍光を増強することができる。そして、蛍光標識の励起に起因して生じる光を上記蛍光の増強によって、直接的に或は間接的に増強することができる。この結果、S/Nのよい安定した信号を検出することができ、被検出物質の有無および/または量を精度よく検出することが可能となる。 In the fluorescence detection method according to the present invention, the detection is performed in a state where the fluorescence-enhanced fine particles are present in the vicinity of the fluorescent dye molecules in the fluorescent substance that is a fluorescent label. Therefore, the fluorescence generated from the fluorescent label can be enhanced by the interaction between the fluorescence enhancing fine particles and the photoelectric field, the metal layer, or other fluorescent enhancing fine particles in the vicinity. The light generated due to the excitation of the fluorescent label can be directly or indirectly enhanced by the enhancement of the fluorescence. As a result, a stable signal with a good S / N can be detected, and the presence and / or amount of the substance to be detected can be accurately detected.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。 Hereinafter, although an embodiment of the present invention is described using a drawing, the present invention is not limited to this.
「検出方法および検出装置」
<第1の実施形態>
本発明の検出方法は、例えば図1に示すように、誘電体プレート11の一面に金属層12を含むセンサ部14を有してなるセンサチップ10を用い、センサ部14に試料を接触させることにより、該試料に含有される被検出物質Aの量に応じた量の蛍光標識結合物質BFを、該センサ部14上に結合させ、センサ部14に励起光Loを照射し、励起光Loの照射によりセンサ部14上の光電場を増強させ、該増強された光電場D内における、蛍光標識結合物質BFの蛍光標識の励起に起因して生じる光の量に基づいて、被検出物質Aの量を検出する検出方法であって、蛍光標識として、複数の蛍光色素分子fおよび1以上の蛍光増強微粒子Mを、複数の蛍光色素分子fから生じる蛍光を透過する透光材料16により包含してなる蛍光物質Fを用いることを特徴とするものである。
"Detection method and detection device"
<First Embodiment>
In the detection method of the present invention, for example, as shown in FIG. 1, a
また、本発明の検出装置1は、上記検出方法を実施するためのものであって、センサチップ10を収容する収容部19と、センサ部14に励起光Loを照射する励起光照射光学系20と、励起光Loの照射により生じる、被検出物質Aに応じた量の光を検出する光検出手段30とを備えている。
The
本発明は、励起光Loの照射によりセンサ部14上に増強した光電場Dを生じさせ、その増強した光電場Dにおいて蛍光標識が励起されることによって生じる光を検出するものである。しかしながら、光電場Dを増強させる方法は、表面プラズモン共鳴あるいは局在プラズモン共鳴によるものであってもよいし、光導波モードの励起によるもの(第4の実施形態参照)であってもよい。また、蛍光標識から生じる蛍光Lfを検出してもよいし、その蛍光Lfが金属層12に新たに表面プラズモンを誘起することによって生じる放射光Lpを検出してもよい(第3の実施形態参照)。具体的な態様については、以下の各実施形態で説明する。なお、本実施形態の検出方法および装置は、表面プラズモン共鳴により光電場Dを増強させ、増強された光電場Dにおいて励起された蛍光Lfを検出する蛍光検出方法および装置である。
In the present invention, an enhanced photoelectric field D is generated on the
本検出方法では、誘電体プレート11およびその一面の所定領域に金属層12が設けられてなるセンサ部14を備えたセンサチップ10を用いる。
In this detection method, a
センサチップ10は、ガラス板などの誘電体プレート11の一表面の所定領域に金属層12として金属膜が成膜されたものである。誘電体プレート11は、例えば透明樹脂やガラス等の透明材料から形成されたものである。誘電体プレート11は樹脂から形成されたものが好ましく、この場合は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、シクロオレフィンを含む非晶性ポリオレフィン(APO)等の樹脂を用いることがより好ましい。金属膜12は、所定領域に開口を有するマスクを誘電体プレート11の一表面に形成し、既知の蒸着法で成膜形成することができる。金属膜12の厚みは、金属膜12の材料と、励起光Loの波長により表面プラズモンが強く励起されるように適宜定めることが好ましい。例えば、励起光Loとして780nmに中心波長を有するレーザ光を用い、金属膜12として金(Au)膜を用いる場合、金属膜12の厚みは50nm±20nmが好適である。さらに好ましくは、47nm±10nmである。なお、金属膜12は、Au、Ag、Cu、Al、Pt、Ni、Ti、およびこれらの合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属を主成分とするものが好ましい。なお、「主成分」とは、含量90質量%以上の成分と定義する。
The
蛍光標識結合物質BFは、被検出物質Aの量に応じた量だけセンサ部14上に結合する蛍光標識された結合物質である。そして、蛍光標識結合物質BFは、図1で示すように、サンドイッチ法によるアッセイを行う場合には、被検出物質Aと特異的に結合する第1の結合物質B2と蛍光標識とから構成されるものであり、後記する競合法によるアッセイを行う場合には、被検出物質Aと競合する第3の結合物質と蛍光標識とから構成されるものである。より具体的には、センサチップ10として、センサ部14に被検出物質Aと特異的に結合する第1の結合物質B1が固定されてなるものを用いた場合、サンドイッチ法では、被検出物質Aと特異的に結合する第2の結合物質B2と、この結合物質が修飾された蛍光標識とからなる蛍光標識結合物質BFが用いられる。一方、同様の場合において競合法では、被検出物質と競合して第1の結合物質と特異的に結合する第3の結合物質と、この結合物質が修飾された蛍光標識とからなる蛍光標識結合物質が用いられる。被検出物質Aが抗原である場合、第1の結合物質として所謂1次抗体を用いることができる。
The fluorescent label binding substance BF is a fluorescently labeled binding substance that binds to the
蛍光物質Fは、図1の一部に拡大して示すように、複数の蛍光色素分子fおよび1以上の蛍光増強微粒子Mを、該複数の蛍光色素分子fから生じる蛍光を透過する透光材料16により包含してなるものである。蛍光物質Fは、以下のようにして作製することができる。 The fluorescent substance F is a light-transmitting material that transmits a plurality of fluorescent dye molecules f and one or more fluorescence enhancing fine particles M through the fluorescence generated from the plurality of fluorescent dye molecules f, as shown in an enlarged view in part of FIG. 16 is included. The fluorescent substance F can be produced as follows.
まず、上記の蛍光増強微粒子Mを内包する透光材料16を形成する方法について2つの例を説明する。第1の方法は、透光材料16をSiO2被膜から形成するものであり、大きく分けて次の(1)〜(3)の工程からなる。
(1)金微粒子となる金コロイドの合成
(2)金コロイド表面分散剤の置換(クエン酸→シロキサン)
5×=10−4molの金コロイド水溶液500ml(ミリ・リットル)に、APS((3-Aminopropyl)trimethoxysilane)水溶液(2.5ml、1mmol)を添加し、15分間強攪拌することにより、金コロイド表面のクエン酸を置換する。
(3)金コロイド表面のSiO2修飾
pH10〜11に調整したsodium silicate 0.54重量%水溶液20mlを工程(2)の金コロイド水溶液に添加し、強攪拌する。24時間経過すると、厚さが約4nmのSiO2被膜が形成される。この溶液を遠心分離により30mlまで濃縮した溶液に、170mlのエタノールを添加する。さらに0.6mlのNH4OH(28%)を滴下し、80μl(マイクロ・リットル)のTES(テトラエトキシシラン)を添加し、24時間ゆっくり攪拌すると、厚さ20nmのSiO2被膜からなる透光材料16が形成される。
First, two examples of the method for forming the
(1) Synthesis of gold colloid to become gold fine particles (2) Replacement of gold colloid surface dispersant (citric acid → siloxane)
By adding APS ((3-aminopropyl) trimethoxysilane) aqueous solution (2.5 ml, 1 mmol) to 500 ml (milliliter) of 5 × = 10 −4 mol colloidal gold colloid solution, and stirring vigorously for 15 minutes, colloidal gold Displace surface citric acid.
(3) SiO2 modification of
次に第2の方法として、透光材料16をポリマー被覆から形成する場合について説明する。この方法は、大きく分けて次の(1)〜(2)の工程からなる。
Next, as a second method, a case where the
(1)金微粒子となる金ナノ粒子のDMFへの再分散
平均粒径が約30nmのクエン酸安定化金ナノ粒子を最大約360pmol(=7×10−11重量%)含む水分散液を1ml用意し、これを遠心分離にかけた後、上澄み0.95mlを捨てる。残った暗赤色、粘稠性の沈殿物を1mlのDMF(N,N-dimethylformamide)に再分散させる。なお、過剰のクエン酸イオンは粒子のカプセル化を阻害する。また、小粒径の粒子を用いる場合は、DMFを加える前に水で洗浄した方が良い。
(2)金ナノ粒子のカプセル化
上記(1)の工程で得られた、平均粒径が約30nmのクエン酸安定化金ナノ粒子を約648pmol(=7×10−11重量%)含むDMF分散液1mlに、ポリスチレン-ポリアクリル酸ブロック共重合体(ポリスチレンが約100量体、ポリアクリル酸が約13量体)のDMF溶液(約10−2g/ml) 10μlを加え、シリンジポンプにより8.3μl/minの流量で水200μlを加えて激しく撹拌する。10分撹拌すると溶液の色が徐々に紫色に変化するので、そこで1重量%のドデカンチオールDMF溶液5μlを加え、24時間撹拌する。その後、さらにシリンジポンプにより、2ml/hの流量で水3mlを加える。
次に透析により24時間かけてDMFを除去する。次いで撹拌しながら72μlのEDC溶液(水に対して0.1重量%:24nmol)を一気に添加し、30分撹拌したところで144μlのEDODEA溶液(水に対して0.1重量%:96nmol)を一気に添加し、撹拌する。
その後、透析により24時間かけて試薬を除去し、次いで4000Gで30分間遠心分離を行い、体積で80%に相当する上澄みを捨てる。次に捨てた上澄みと同体積の水を加えて同様に遠心分離を行う。この遠心分離から遠心分離までの操作を3回以上繰り返すことにより、ポリスチレン-ポリアクリル酸ブロック共重合体の架橋物からなる被膜が金ナノ粒子(金微粒子)の周りに透光材料16として形成される。
(1) Redispersion of gold nanoparticles as gold fine particles into
(2) Encapsulation of gold nanoparticles DMF dispersion containing about 648 pmol (= 7 × 10 −11 wt%) of citric acid-stabilized gold nanoparticles having an average particle size of about 30 nm obtained in the step (1) To 1 ml of the solution, add 10 μl of a DMF solution (about 10 −2 g / ml) of a polystyrene-polyacrylic acid block copolymer (about 100-mer polystyrene and about 13-mer polyacrylic acid), and Add 200 μl of water at a flow rate of 3 μl / min and stir vigorously. When the solution is stirred for 10 minutes, the color of the solution gradually changes to purple. Then, 5 μl of a 1% by weight dodecanethiol DMF solution is added and stirred for 24 hours. Thereafter, 3 ml of water is further added by a syringe pump at a flow rate of 2 ml / h.
The DMF is then removed by dialysis over 24 hours. Next, 72 μl of EDC solution (0.1 wt% with respect to water: 24 nmol) was added all at once while stirring, and after stirring for 30 minutes, 144 μl of EDODEA solution (0.1 wt% with respect to water: 96 nmol) was added all at once. Add and stir.
Thereafter, the reagent is removed by dialysis over 24 hours, followed by centrifugation at 4000 G for 30 minutes, and the supernatant corresponding to 80% by volume is discarded. Next, add the same volume of water as the discarded supernatant and centrifuge in the same manner. By repeating this operation from centrifugation to centrifugation three times or more, a film made of a cross-linked product of polystyrene-polyacrylic acid block copolymer is formed as a
そして、上記の工程で作成した蛍光増強微粒子Mを包含する蛍光物質Fに蛍光色素分子fを含浸させる。この工程は以下の通りである。上記の工程で作成した蛍光増強微粒子Mを包含する蛍光物質Fを調整して0.1%Solid in phosphate(ポリスチレン溶液:pH7.0)を作製する。
次に、蛍光色素分子(林原生物化学研究所、NK−2014、励起波長:780nm)0.3mgの酢酸エチル溶液(1mL)を作製する。
上記ポリスチレン溶液と蛍光色素溶液を混合し、エバポレートしながら含浸を行った後、遠心分離(15000rpm、4℃、20分を2回)を行い、上清を除去する。
以上の工程により、蛍光色素分子fおよび1以上の蛍光増強微粒子Mを、蛍光色素分子fから生じる蛍光を透過する機能を有するポリスチレンにより内包してなる蛍光物質Fを得ることができる。このような手順で、ポリスチレン粒子に蛍光色素分子fを含浸させて作製された蛍光物質Fの粒径はポリスチレン粒子の粒径と同一(上記例ではφ150nm)となる。
Then, the fluorescent substance F including the fluorescence enhancing fine particles M created in the above process is impregnated with the fluorescent dye molecule f. This process is as follows. A 0.1% Solid in phosphate (polystyrene solution: pH 7.0) is prepared by adjusting the fluorescent substance F including the fluorescence enhancing fine particles M prepared in the above process.
Next, a 0.3 mg ethyl acetate solution (1 mL) of fluorescent dye molecules (Hayashibara Biochemical Laboratories, NK-2014, excitation wavelength: 780 nm) is prepared.
The polystyrene solution and the fluorescent dye solution are mixed and impregnated while evaporating, and then centrifuged (15000 rpm, 4 ° C., 20 minutes twice) to remove the supernatant.
Through the above steps, a fluorescent substance F can be obtained in which the fluorescent dye molecule f and the one or more fluorescence enhancing fine particles M are encapsulated with polystyrene having a function of transmitting the fluorescence generated from the fluorescent dye molecule f. In such a procedure, the particle size of the fluorescent material F produced by impregnating the polystyrene particles with the fluorescent dye molecule f is the same as the particle size of the polystyrene particles (φ150 nm in the above example).
蛍光物質Fは、複数の蛍光色素分子fを内包するものであるため、従来の蛍光色素分子f単体を蛍光標識として用いる場合と比較すると、発光する蛍光量を大幅に増加することができる。また、蛍光物質Fは、拡散時間の点から粒径が5300nm以下のものが好ましい。また、蛍光量およびセンサ部上への最密充填密度の観点および、表面プラズモンの擾乱の観点から100nm〜700nmのものがさらに好ましく、130nm〜500nmのものが特に好ましい。透光材料16としては、具体的には、ポリスチレンやSiO2などが挙げられるが、蛍光色素分子fを内包でき、かつ、蛍光色素分子fからの蛍光Lfを透過させて外部に放出できるものであれば特に制限されない。
Since the fluorescent substance F includes a plurality of fluorescent dye molecules f, the amount of emitted fluorescence can be significantly increased as compared with the case where a conventional fluorescent dye molecule f alone is used as a fluorescent label. The fluorescent material F preferably has a particle size of 5300 nm or less from the viewpoint of diffusion time. Further, from the viewpoint of the amount of fluorescence and the closest packing density on the sensor part and from the viewpoint of disturbance of the surface plasmon, those of 100 nm to 700 nm are more preferred, and those of 130 nm to 500 nm are particularly preferred. Specific examples of the light-transmitting
蛍光増強微粒子Mは、上記光電場、金属層、または近傍にある他の蛍光増強微粒子との相互作用等により、蛍光Lfを増強するものである。蛍光増強微粒子Mは、特に限定されるものではないが、散乱性材料からなる散乱性微粒子であることが好ましい。散乱性微粒子としては、例えば、量子ドット等の無機微粒子や散乱性ポリマー等からなる有機微粒子が挙げられる。さらに、蛍光増強微粒子Mは、金属微粒子であることが好ましく、金属ナノロッドであることがより好ましい。金属ナノロッドの場合には、複数の微粒子を充填するときに、充填率を上げることができるためである。金属微粒子の粒径は、局在プラズモンを効果的に誘起することから、励起光Liの波長より小さいことが好ましく、40〜200nmが特に好ましい。なお、ここで言う粒径とは微粒子の最大径を意味する。 The fluorescence enhancing fine particles M enhance the fluorescence Lf by the interaction with the photoelectric field, the metal layer, or other fluorescent enhancing fine particles in the vicinity. The fluorescence enhancing fine particles M are not particularly limited, but are preferably scattering fine particles made of a scattering material. Examples of the scattering fine particles include inorganic fine particles such as quantum dots and organic fine particles made of a scattering polymer. Furthermore, the fluorescence enhancing fine particles M are preferably metal fine particles, and more preferably metal nanorods. This is because in the case of metal nanorods, the filling rate can be increased when a plurality of fine particles are filled. The particle size of the metal fine particles is preferably smaller than the wavelength of the excitation light Li, and particularly preferably 40 to 200 nm, in order to effectively induce localized plasmons. In addition, the particle diameter said here means the maximum diameter of microparticles | fine-particles.
なお、本実施形態においては、センサチップ10上に液体試料Sを保持する試料保持部13が備えられ、センサチップ10と試料保持部13により液体試料Sを保持可能な箱状セルが構成されている。なお、センサチップ10上に表面張力で留まる程度の微量な液体試料を測定する場合には、試料保持部13を備えない態様であってもよい。
In the present embodiment, the
励起光照射光学系20は、励起光Loを出力する半導体レーザ(LD)等からなる光源21と、誘電体プレート11に一面が接触するように配置されたプリズム22とを備えている。プリズム22は、誘電体プレート11と金属膜12との界面で励起光Loが全反射するように誘電体プレート11内に励起光Loを導光するものである。なお、プリズム22と誘電体プレート11とは、屈折率マッチングオイルを介して接触されている。光源21は、プリズム22の他の一面からセンサチップ10の試料接触面で励起光Loが全反射角以上で、かつ金属膜12で表面プラズモン共鳴する特定の角度で入射するように配置されている。さらに、光源21とプリズム22との間に必要に応じて導光部材を配置してもよい。なお、励起光Loは、表面プラズモンを誘起するようにp偏光で界面に対して入射させる。
The excitation light irradiation
光検出器30としては、CCD、PD(フォトダイオード)、フォトマルチプライア、c−MOS等を適宜用いることができる。
As the
収容部19は、センサチップ10を収容する際に、センサチップ10のセンサ部14がプリズム22上に配置され、光検出器30で蛍光が検出できるよう構成されている。収容部19に対しセンサチップ10は、図中矢印X方向に出し入れすることができる。
The
以下、本実施形態における検出方法および検出装置の作用を説明する。
ここでは、一例として、試料Sに含まれる被検出物質として抗原Aを検出する場合について説明する。
Hereinafter, the operation of the detection method and the detection apparatus in the present embodiment will be described.
Here, as an example, a case where the antigen A is detected as a detection target substance contained in the sample S will be described.
センサチップ10として、金属膜12上に、抗原Aと特異的に結合する第1の結合物質として1次抗体B1が修飾されているものを用意する。
まず、試料保持部13中に検査対象である試料Sを流し、センサチップ10の金属膜12上に試料Sを接触させる。次いで同様に、抗原Aと特異的に結合する第2の結合物質である2次抗体B2と、蛍光標識Fとからなる蛍光標識結合物質BFとを含む溶液を流す。この場合、金属膜12に表面修飾される1次抗体B1と、蛍光標識結合物質BFの2次抗体B2とは、被検出物質である抗原Aに対してそれぞれ別の部位(エピトープ)に結合するものを用いる。なお、蛍光標識Fとして、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包する蛍光物質Fを用いている(図1)。試料S中に抗原Aが存在すれば、1次抗体B1に抗原Aが特異的に結合し、さらに抗原Aに蛍光標識結合物質BFの2次抗体B2が結合して、サンドイッチが形成される。その後、結合物と、未反応の蛍光標識結合物質BFを分離するため、バッファ溶液を流し、未反応の蛍光標識結合物質を排除する。
The
First, the sample S to be inspected is caused to flow through the
以上の工程はセンサチップ10を検出装置1の収容部19にセットする前に行ってもよいし、セット後に行ってもよい。また、被検出物質(抗原A)への標識のタイミングは特に制限されず、被検出物質(抗原A)を第1の結合物質(1次抗体B1)に結合させる前に、予め試料に蛍光標識を添加しておいてもよい。
The above steps may be performed before the
本実施形態では、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包する蛍光物質Fを蛍光標識として用いている。そして、センサチップ10の誘電体プレート11の所定領域に向けて、励起光照射光学系20により励起光Loを照射する。励起光照射光学系20により励起光Loが誘電体プレート11と金属膜12との界面に対して全反射角以上の特定の入射角度で入射されることにより、金属膜上12の試料S中にエバネッセント光が滲み出し、このエバネッセント光によって金属膜12中に表面プラズモンが励起される。この表面プラズモンにより金属膜12表面に増強された光電場Dが形成される。このとき、増強された光電場Dによって、その蛍光物質F中の蛍光色素分子fが励起されて、蛍光Lfが発生する。ここで、表面プラズモンによる電場増強の効果により蛍光Lfは増強されたものとなる。そして、この蛍光Lfを光検出器30により検出することにより、蛍光標識結合物質BFと結合した被検出物質Aの有無および/または量を検出することができる。
In the present embodiment, the fluorescent substance F enclosing the fluorescent dye molecule f and one fluorescence enhancing fine particle M is used as a fluorescent label. Then, excitation light Lo is irradiated by the excitation light irradiation
さらに、本発明においては、蛍光物質F内に蛍光増強微粒子Mが存在することにより、効率よく蛍光色素分子fから蛍光Lfを生じせしめるため、通常の表面プラズモン蛍光法等に比して、より高感度に蛍光Lfを検出することができる。このような蛍光増強微粒子Mの蛍光量増大への寄与は、大きく分けて図2A〜図2Dに示す4つの効果によるものである。 Furthermore, in the present invention, since the fluorescence enhancing fine particles M are present in the fluorescent substance F, the fluorescent Lf is efficiently generated from the fluorescent dye molecules f. The fluorescence Lf can be detected with sensitivity. The contribution of the fluorescence enhancing fine particles M to the increase in the fluorescence amount is largely due to the four effects shown in FIGS. 2A to 2D.
(1)蛍光増強微粒子Mに散乱されたエバネッセント光の散乱光による効果
図2Aに示すように、蛍光増強微粒子Mによる散乱光SLを二次的な励起光として用いることにより、蛍光色素分子fをさらに効率的に照明することができる。前述したように光電場Dは、センサ部14の表面から離れるにしたがって、急激に減衰する。したがって、センサ部14の表面から離れた蛍光色素分子fは、励起するに充分な光を吸収することができない。つまり、蛍光増強微粒子Mは、このような蛍光色素分子fを励起する二次的な励起光として、上記の散乱光を生じせしめることにより、蛍光量増大に寄与する。
(1) Effect of Scattered Light of Evanescent Light Scattered by Fluorescence-Enhanced Fine Particle M As shown in FIG. 2A, by using the scattered light SL from the fluorescence-enhanced fine particle M as secondary excitation light, Furthermore, it can illuminate efficiently. As described above, the photoelectric field D rapidly attenuates as the distance from the surface of the
(2)蛍光増強微粒子Mの表面近傍に生じる近接場光による効果
図2Bに示すように、例えば蛍光増強微粒子Mが金属微粒子である場合には、光電場Dと金属微粒子Mとの相互作用により、局在プラズモンが生じ、その結果、この局在プラズモンによって増強された近接場光NLが金属微粒子Mの周囲に染み出すこととなる。そして、蛍光増強微粒子Mの近傍にある蛍光色素分子fが、この近接場光NLに励起されることとなる。つまり、蛍光増強微粒子Mは、このような近接場光NLを生じせしめることにより、蛍光量増大に寄与する。なお、励起光Loの波長に応じて局在プラズモンを誘起できるように、金属微粒子Mの粒径は適宜選択することができる。
(2) Effect of near-field light generated in the vicinity of the surface of the fluorescence enhancing fine particle M As shown in FIG. 2B, for example, when the fluorescence enhancing fine particle M is a metal fine particle, the interaction between the photoelectric field D and the metal fine particle M Localized plasmons are generated, and as a result, the near-field light NL enhanced by the localized plasmons oozes out around the metal fine particles M. The fluorescent dye molecules f in the vicinity of the fluorescence enhancing fine particles M are excited by the near-field light NL. That is, the fluorescence enhancing fine particles M contribute to an increase in the amount of fluorescence by generating such near-field light NL. The particle size of the metal fine particles M can be appropriately selected so that localized plasmons can be induced according to the wavelength of the excitation light Lo.
(3)蛍光増強微粒子Mと金属層12との間に生じるホットスポットHS1による効果
図2Cに示すように、例えば蛍光増強微粒子Mが金属微粒子である場合には、金属微粒子Mの近傍に金属膜12が存在するとき、金属微粒子M−金属膜12間の隙間にホットスポットHS1が生じる。「ホットスポット」とは、微小構造の物質に静電気力が集中(電界集中)する結果形成される局所的な強い電場領域である。したがって、このホットスポットHS1内に存在する蛍光色素分子fからの蛍光Lfを増強することができる。つまり、蛍光増強微粒子Mは、このようなホットスポットHS1を生じせしめることにより、蛍光量増大に寄与する。
(3) Effect of Hot Spot HS1 Generated Between Fluorescence-Enhanced Fine Particle M and
(4)複数の蛍光増強微粒子Mの間に生じるホットスポットHS2による効果
図2Dに示すように、例えば蛍光増強微粒子Mが金属微粒子である場合には、複数の金属微粒子Mが近傍に存在するとき、金属微粒子M−金属微粒子Mの隙間にホットスポットHS2が生じる。したがって、このホットスポットHS2内に存在する蛍光色素分子fからの蛍光Lfを増強することができる。つまり、蛍光増強微粒子Mは、このようなホットスポットHS2を生じせしめることにより、蛍光量増大に寄与する。
(4) Effect of Hot Spot HS2 Generated Between Plurality of Fluorescence Enhancement Fine Particles M As shown in FIG. 2D, for example, when the fluorescence enhancement fine particles M are metal fine particles, a plurality of metal fine particles M are present in the vicinity. The hot spot HS2 is generated in the gap between the metal fine particle M and the metal fine particle M. Therefore, the fluorescence Lf from the fluorescent dye molecule f existing in the hot spot HS2 can be enhanced. That is, the fluorescence enhancing fine particles M contribute to an increase in the amount of fluorescence by causing such hot spots HS2.
さらに、上記(1)〜(4)の効果による相乗効果も、実際には蛍光量増大に寄与する。両ホットスポットHS1・HS2と上記(2)の局在プラズモンとが同時に生じた場合には、上記(2)の局在プラズモンによって増強された電場が集中し、巨大な電場が形成されるとともに、それによって相手側の局在プラズモンをさらに強く誘起し合うという相乗効果が生じるため、他の場合(例えば粒子が単独で存在する場合や非金属の粒子が近接する場合)に較べ格段に強く増強された光電場Dが形成される。 Furthermore, the synergistic effect due to the effects (1) to (4) actually contributes to an increase in the amount of fluorescence. When both hot spots HS1 and HS2 and the localized plasmon of (2) occur simultaneously, the electric field enhanced by the localized plasmon of (2) concentrates, forming a huge electric field, As a result, a synergistic effect of inducing the partner's localized plasmon more strongly is generated, so that it is much stronger than in other cases (for example, when particles exist alone or non-metallic particles are close to each other). A photoelectric field D is formed.
以上により、本発明に係る方法によれば、金属微粒子−金属微粒子間の隙間もしくは金属微粒子−金属膜間の隙間に生じるホットスポット等の効果によって、蛍光標識から生じる蛍光を増強することができる。この結果、ラマン分光法より容易かつ低コストの蛍光法を用いても、一分子レベルでの高感度検出が可能となる。一方、本発明に係る方法によれば、複数の蛍光増強微粒子Mを検出部上に広く分散させているため、上記ホットスポットは広い範囲にわたり形成させることができる。この結果、増強された光電場が金属プローブの先端付近に限られるラマン分光法に比べて、広い範囲にわたる測定を短時間で行うことが可能となる。 As described above, according to the method of the present invention, the fluorescence generated from the fluorescent label can be enhanced by the effect of a hot spot or the like generated in the gap between the metal fine particles and the metal fine particles or the gap between the metal fine particles and the metal film. As a result, high-sensitivity detection at a single molecule level is possible even when using a fluorescence method that is easier and less expensive than Raman spectroscopy. On the other hand, according to the method of the present invention, since the plurality of fluorescence enhancing fine particles M are widely dispersed on the detection unit, the hot spot can be formed over a wide range. As a result, measurement over a wide range can be performed in a short time compared to Raman spectroscopy in which the enhanced photoelectric field is limited to the vicinity of the tip of the metal probe.
さらに、本実施形態のように、センサ部14の表面に金属層12を有している場合には、この金属層12による蛍光色素分子fの金属消光の影響が強くなるため、金属層12と蛍光色素分子fとの距離を精密に制御する必要がある。金属消光の影響の程度は、金属が半無限の厚さを持つ平面なら距離の3乗に反比例して、金属が無限に薄い平板なら距離の4乗に反比例して、また、金属が微粒子なら距離の6乗に反比例して小さくなる。従って、金属層12と蛍光色素分子fとの間の距離は少なくとも数nm以上、より好ましくは10nm以上確保しておくことが好ましい。このような制御は、一般的にはポリマー膜、SiO2膜、SAM膜もしくはCMD膜のようなバリア層を金属層上に設けることにより行われているが、面倒かつ煩雑であり実用にはあまり向いていない。しかしながら、本発明において、蛍光物質Fが、蛍光色素分子fを充分多く含有する場合には、金属層12上に金属消光防止のための膜を設けなくても、必然的に金属層12と多くの蛍光色素分子fとの距離をある程度離間させることができる。これにより従来、金属消光防止のために必要であったCMD膜およびSAM膜を形成する手間をなくすことができ、非常に簡便な方法で効果的に金属消光を防止すると共に、安定して蛍光信号を検出することができる。
Furthermore, when the
(設計変更例)
上述第1の実施形態においては励起光Loとして、界面に所定の角度θで入射する平行光を入射するものとしたが、励起光としては、図3に模式的に示すような、角度θを中心に角度幅Δθを持つファンビーム(集束光)を用いてもよい。ファンビームの場合、プリズム122とプリズム上の金属膜112との界面に対して、角度θ―Δθ/2〜θ+Δθ/2の範囲の入射角度で入射することになり、この角度範囲内に共鳴角があれば、金属膜112に表面プラズモンを励起することができる。金属膜上への試料供給の前後において、金属膜上の媒質の屈折率が変化し、そのために表面プラズモンが生じる共鳴角が変化する。したがって、上述の実施形態のように平行光を励起光として用いる場合、共鳴角が変化するたびに平行光の入射角度を調整する必要がある。しかし、図3に示すような、界面に入射する入射角度に幅を持たせたファンビームを用いることにより、入射角度の調整をすることなく、共鳴角の変化に対応することができる。なお、ファンビームは入射角度による強度変化が少ないフラットな分布を持つものであることがより好ましい。また、以上のことは後述する第2〜第5の実施形態においても同様である。
(Design change example)
In the first embodiment described above, parallel light incident on the interface at a predetermined angle θ is incident as the excitation light Lo. However, the excitation light has an angle θ as schematically shown in FIG. A fan beam (focused light) having an angular width Δθ at the center may be used. In the case of a fan beam, the light beam is incident on the interface between the
<第2の実施形態>
第2の実施形態である検出方法および装置について図4を参照して説明する。図4は第2の実施形態の検出装置の概略構成を示す全体図である。本実施形態の検出方法および検出装置は、局在プラズモン共鳴により光電場を増強させ、増強された光電場において励起された蛍光を検出する検出方法および装置である。なお、以下においては、第1の実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付してある。
<Second Embodiment>
A detection method and apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an overall view showing a schematic configuration of the detection apparatus according to the second embodiment. The detection method and the detection apparatus according to the present embodiment are a detection method and an apparatus that enhances a photoelectric field by localized plasmon resonance and detects fluorescence excited in the enhanced photoelectric field. In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
図4に示す蛍光検出装置2は、用いられるセンサチップ10’と、励起光照射光学系20’とが上述の第1の実施形態の蛍光検出装置1とは異なる。
The
センサチップ10’は誘電体プレート11上に設けられる金属層12’として、励起光の照射を受けて所謂局在プラズモンを生じる、表面に励起光Loの波長よりも小さい凹凸構造を有する金属微細構造体、あるいは、励起光の波長よりも小さいサイズの複数の金属ナノロッドを備えている。このような局在プラズモンを生じさせる金属層12’を備えた場合には、励起光Loを金属層12’と誘電体プレート11との界面に全反射するように入射させる必要はない。したがってここでは、励起光照射光学系20’は、誘電体プレート11上方から励起光Loを照射するよう構成されている。
The
励起光照射光学系20’は、励起光Loを出力する半導体レーザ(LD)等からなる光源21と、励起光Loを反射してセンサチップ10’へ導光するハーフミラー23とを備えている。ハーフミラー23は、励起光Loを反射し、蛍光Lfを透過するものである。
The excitation light irradiation
センサチップ10’の具体例を図5A〜Cに斜視図で示し説明する。
図5Aに示すセンサチップ10Aは、誘電体プレート11と、該誘電体プレート11の所定領域上にアレイ状に固着された複数の金属粒子73aからなる金属微細構造体73で構成されている。金属粒子73aの配列パターンは適宜設計できるが、略規則的であることが好ましい。かかる構成では、金属粒子73aの平均的な径及びピッチが励起光Loの波長よりも小さく設計される。
A specific example of the
A
図5Bに示すセンサチップ10Bは、誘電体プレート11と、該誘電体プレートの上の所定領域に設けられた、金属細線74aが格子状にパターン形成された金属パターン層からなる金属微細構造体74で構成されている。金属パターン層のパターンは適宜設計でき、略規則的であることが好ましい。かかる構成では、金属細線74aの平均的な線幅及びピッチが励起光Loの波長よりも小さく設計される。
A
図5Cに示すセンサチップ10Cは特開2007−171003号公報に記載のような、Alなどの金属76の陽極酸化の過程で形成される金属酸化物体77の複数の微細孔77a内に成長させた複数のマッシュルーム状の金属75aからなる金属微細構造体75により構成されている。ここでは金属酸化物体77が誘電体プレートに相当する。この金属微細構造体75は、金属体(Al等)の一部を陽極酸化して金属酸化物体(Al2O3等)とし、陽極酸化の過程で形成される金属酸化物体77の複数の微細孔77a内に各々金属75aをメッキ等により成長させて得ることができる。
図5Cに示す例では、マッシュルーム状の金属75aの頭部が粒子状であり、サンプルプレート表面から見れば、金属微粒子が配列されたような構造になっている。かかる構成では、マッシュルーム状の金属75aの頭部が凸部であり、その平均的な径およびピッチが励起光Loの波長よりも小さく設計される。
A
In the example shown in FIG. 5C, the head of the mushroom-
なお、励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じる金属層12’としては、その他、特開2006−322067号公報、特開2006-250924号公報などに記載の金属体を陽極酸化して得られる微細構造体を利用した種々の形態の金属微細構造体を用いることができる。
The
さらには、局在プラズモンを生じさせる金属層は、表面が粗面化された金属膜により構成されていてもよい。粗面化方法としては、酸化還元等を利用した電気化学的な方法等が挙げられる。また、金属層を、サンプルプレート上に配置された複数の金属ナノロッドにより構成してもよい。金属ナノロッドのサイズは、短軸長さが3nm〜50nm程度、長軸長さが25nm〜1000nm程度であり、長軸長さを励起光の波長よりも小さいサイズとする。金属ナノロッドについては、例えば特開2007-139612号公報に記載されている。 Furthermore, the metal layer that generates localized plasmons may be formed of a metal film having a roughened surface. Examples of the roughening method include an electrochemical method using oxidation reduction and the like. Moreover, you may comprise a metal layer by the some metal nanorod arrange | positioned on the sample plate. The metal nanorods have a minor axis length of about 3 nm to 50 nm and a major axis length of about 25 nm to 1000 nm, and the major axis length is smaller than the wavelength of the excitation light. The metal nanorod is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-139612.
なお、金属層12’として用いられる、金属微細構造体あるいは金属ナノロッドとしては、Au、Ag、Cu、Al、Pt、Ni、Ti、およびこれらの合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属を主成分とするものが好ましい。
The metal microstructure or metal nanorod used as the
蛍光検出装置2を用いた本実施形態の蛍光検出方法について説明する。
センサチップを用意し、抗原―抗体反応をさせる工程は、第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。以下の実施形態においても同様とする。
本実施形態では、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包する蛍光物質Fを蛍光標識として用いている。そして、センサチップ10’の誘電体プレート11の所定領域に向けて励起光照射光学系20により励起光Loを照射する。光源21から出射された励起光Loはハーフミラー23により反射されてセンサチップ10’の試料接触面上に入射される。この励起光Loの照射により、金属層12’の表面で局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンにより金属層12’上に増強された光電場Dが形成される。そして、増強された光電場内にある、蛍光物質F中の蛍光色素分子fが励起されて蛍光Lfが発生する。この蛍光Lfを光検出器30により検出をすることにより、蛍光標識結合物質と結合した被検出物質の有無および/または量を検出することができる。
The fluorescence detection method of this embodiment using the
The process of preparing the sensor chip and causing the antigen-antibody reaction is the same as in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. The same applies to the following embodiments.
In the present embodiment, the fluorescent substance F enclosing the fluorescent dye molecule f and one fluorescence enhancing fine particle M is used as a fluorescent label. Then, the excitation light Lo is irradiated by the excitation light irradiation
本実施形態においても、蛍光物質F内に蛍光増強微粒子Mが存在することにより、効率よく蛍光色素分子fから蛍光Lfを生じせしめるため、通常の表面プラズモン蛍光法等に比して、より高感度に蛍光Lfを検出することができ、第1の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。 Also in this embodiment, since the fluorescence enhancing fine particles M are present in the fluorescent substance F, the fluorescent Lf is efficiently generated from the fluorescent dye molecules f. Therefore, the sensitivity is higher than that of the normal surface plasmon fluorescence method. In addition, it is possible to detect the fluorescence Lf, and it is possible to obtain the same effect as in the first embodiment.
<第3の実施形態>
第3の実施形態の検出方法および装置について図6を参照して説明する。図6は第3の実施形態の検出装置の概略構成を示す全体図である。本実施形態の検出方法および装置は、表面プラズモン共鳴により光電場を増強させ、増強された光電場において励起された蛍光が金属層に新たにプラズモンを誘起することにより、誘電体プレートに対して金属層形成面と反対の面側へ放射される、新たに誘起されたプラズモンからの放射光を検出するものである。
<Third Embodiment>
A detection method and apparatus according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is an overall view showing a schematic configuration of the detection apparatus of the third embodiment. The detection method and apparatus according to the present embodiment enhances a photoelectric field by surface plasmon resonance, and fluorescence excited in the enhanced photoelectric field induces plasmons in the metal layer, thereby causing a metal with respect to the dielectric plate. This is to detect the emitted light from the newly induced plasmon emitted to the surface opposite to the layer forming surface.
図6に示す放射光検出装置3は、第1の実施形態の蛍光検出装置と光検出器の配置が異なる。本放射光検出装置3においては、蛍光が金属層に新たに表面プラズモンを誘起することによって、誘電体プレートに対して金属層形成面と反対の面側へ放射される、新たに誘起されたプラズモンからの放射光Lpを検出するように、光検出器30が配置されている。
The emitted
検出装置3を用いた本実施形態の放射光検出方法について説明する。
本実施形態では、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包する蛍光物質Fを蛍光標識として用いている。そして、第1の実施形態と同様に、励起光照射光学系20により励起光Loを照射する。励起光照射光学系20により励起光Loが誘電体プレート11と金属膜12との界面に対して全反射角以上の特定の入射角度で入射されることにより、金属膜上12の試料S中にエバネッセント光が滲み出し、このエバネッセント光によって金属膜12中に表面プラズモンが励起される。この表面プラズモンにより金属膜12表面に増強された光電場Dが形成される。そして、増強された光電場Dにある、蛍光物質F中の蛍光色素分子fが励起されて蛍光Lfが発生する。このとき、表面プラズモンによる電場増強の効果により蛍光は増強される。金属膜12上で生じたこの蛍光Lfが、金属膜12に表面プラズモンを新たに誘起し、この表面プラズモンによりセンサチップ10の金属膜形成面と反対側へ特定の角度で放射光Lpが射出される。光検出器30によって、この放射光Lpを検出することにより、蛍光標識結合物質と結合した被検出物質の有無および/または量を検出することができる。
A radiation light detection method of the present embodiment using the
In the present embodiment, the fluorescent substance F enclosing the fluorescent dye molecule f and one fluorescence enhancing fine particle M is used as a fluorescent label. Then, similarly to the first embodiment, the excitation light Lo is irradiated by the excitation light irradiation
放射光Lpは蛍光が金属膜の特定の波数の表面プラズモンと結合する際に生じるものであり、蛍光の波長に応じてその結合する波数は定まり、その波数に応じて放射光の出射角度が定まる。通常励起光Loの波長と蛍光の波長とは異なることから、蛍光により励起される表面プラズモンは、励起光Loにより生じた表面プラズモンとは異なる波数のものとなり、励起光Loの入射角度とは異なる角度で放射光Lpは放射される。 The emitted light Lp is generated when the fluorescence is combined with surface plasmons having a specific wave number of the metal film. The wave number to be combined is determined according to the wavelength of the fluorescence, and the emission angle of the emitted light is determined according to the wave number. . Since the wavelength of the excitation light Lo is usually different from the wavelength of the fluorescence, the surface plasmon excited by the fluorescence has a wave number different from that of the surface plasmon generated by the excitation light Lo, and is different from the incident angle of the excitation light Lo. The emitted light Lp is emitted at an angle.
本実施形態においても、蛍光物質F内に蛍光増強微粒子Mが存在することにより、効率よく蛍光色素分子fから蛍光Lfを生じせしめ、この増強された蛍光Lfに起因する放射光Lpを検出するので、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 Also in the present embodiment, the presence of the fluorescence enhancing fine particles M in the fluorescent substance F efficiently generates the fluorescence Lf from the fluorescent dye molecule f, and detects the emitted light Lp resulting from the enhanced fluorescence Lf. The same effects as those of the first embodiment can be obtained.
さらに、本実施形態では、センサ表面で生じる蛍光に起因する光をセンサ裏面側から検出するので、蛍光Lfが光吸収の大きい溶媒を通過する距離を数十nm程度と削減することができる。したがって、例えば血液における光吸収をほぼ無視することができ、血液を遠心分離し赤血球などの着色成分を除去したり、血球フィルタを通して血清あるいは血漿状態にしたりするという前処理を行うことなく測定が可能となる。 Furthermore, in the present embodiment, since light caused by fluorescence generated on the sensor surface is detected from the back side of the sensor, the distance that the fluorescence Lf passes through a solvent having a large light absorption can be reduced to about several tens of nm. Therefore, for example, light absorption in blood can be almost ignored, and measurement can be performed without pretreatment of centrifuging blood to remove colored components such as erythrocytes, or making it serum or plasma through a blood cell filter It becomes.
<第4の実施形態>
第4の実施形態の検出方法および装置について図7を参照して説明する。図7は第4の実施形態の検出装置の概略構成を示す全体図である。本実施形態の検出方法および装置は、金属層上に光導波層を備えたセンサチップを用い、励起光の照射により光導波層に光導波モードを励起し、光導波モードにより光電場を増強させ、増強された光電場において励起された蛍光を検出する検出方法および装置である。
<Fourth Embodiment>
A detection method and apparatus according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is an overall view showing a schematic configuration of a detection apparatus according to the fourth embodiment. The detection method and apparatus of the present embodiment uses a sensor chip having an optical waveguide layer on a metal layer, excites an optical waveguide mode in the optical waveguide layer by irradiation of excitation light, and enhances a photoelectric field by the optical waveguide mode. A detection method and apparatus for detecting fluorescence excited in an enhanced photoelectric field.
図7に示す検出装置4の構成は、第1の実施形態の検出装置の構成と同じであるが、用いられるセンサチップが異なり、このセンサチップの違いにより、電場増強のメカニズムが異なる。 The configuration of the detection device 4 shown in FIG. 7 is the same as the configuration of the detection device of the first embodiment, but the sensor chip used is different, and the electric field enhancement mechanism is different depending on the sensor chip.
センサチップ10”は金属層12a上に光導波層12bを備えている。光導波層12bの層厚は、特に制限されることはなく、光導波モードが誘起されるように、励起光Loの波長、入射角度および光導波層12bの屈折率等を考慮して定めることができる。例えば、上記と同様に励起光Loとして780nmに中心波長を有するレーザ光を用い、光導波層12bとして1層のシリコン酸化膜からなるものを用いる場合には、500〜600nm程度が好ましい。なお、光導波層12bは、1層以上の誘電体等の光導波材料からなる内部光導波層を含む積層構造であってもよく、この積層構造は、金属層側から順に内部光導波層および内部金属層の交互積層構造であることが好ましい。
The
蛍光検出装置4を用いた本実施形態の蛍光検出方法について説明する。
本実施形態では、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包する蛍光物質Fを蛍光標識として用いている。そして、第1の実施形態と同様に、励起光照射光学系20により励起光Loを照射する。励起光照射光学系20により励起光Loが誘電体プレート11と金属層12aとの界面に対して全反射角以上の特定の入射角度で入射されることにより、金属層12a上にエバネッセント光が滲み出し、このエバネッセント光が光導波層12bの光導波モードと結合し、光導波モードが励起されることにより、光導波層12b上に増強された光電場Dが形成される。そして、増強された光電場にある、蛍光物質F中の蛍光色素分子fが励起されて蛍光Lfが発生する。このとき、表面プラズモンによる電場増強の効果により蛍光は増強されたものとなる。光検出器30によって、この蛍光Lfを検出することにより、蛍光標識結合物質と結合した被検出物質の有無および/または量を検出することができる。
The fluorescence detection method of this embodiment using the fluorescence detection device 4 will be described.
In the present embodiment, the fluorescent substance F enclosing the fluorescent dye molecule f and one fluorescence enhancing fine particle M is used as a fluorescent label. Then, similarly to the first embodiment, the excitation light Lo is irradiated by the excitation light irradiation
本実施形態においても、蛍光物質F内に蛍光増強微粒子Mが存在することにより、効率よく蛍光色素分子fから蛍光Lfを生じせしめるため、通常の表面プラズモン蛍光法等に比して、より高感度に蛍光Lfを検出することができ、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 Also in this embodiment, since the fluorescence enhancing fine particles M are present in the fluorescent substance F, the fluorescent Lf is efficiently generated from the fluorescent dye molecules f. Therefore, the sensitivity is higher than that of the normal surface plasmon fluorescence method. In addition, the fluorescence Lf can be detected, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
さらに、光導波モードの励起により生じる増強された光電場Dは、通常の表面プラズモン蛍光法により生じる増強された光電場と比較して表面からの距離に伴う電場減衰の程度が緩やかであることから、蛍光標識として、複数の蛍光色素分子fを内包する径の大きな蛍光物質Fを用いた場合、通常の表面プラズモン蛍光法による電場増強を用いるよりも大きな蛍光量増加効果を得ることができる。 Further, the enhanced photoelectric field D generated by the excitation of the optical waveguide mode has a gentler degree of electric field attenuation with the distance from the surface than the enhanced photoelectric field generated by the normal surface plasmon fluorescence method. When a fluorescent substance F having a large diameter encapsulating a plurality of fluorescent dye molecules f is used as a fluorescent label, a larger fluorescence amount increasing effect can be obtained than when the electric field enhancement by the normal surface plasmon fluorescence method is used.
<第5の実施形態>
第5の実施形態の検出方法および装置について図8を参照して説明する。図8は第5の実施形態の検出装置の概略構成示す全体図である。本実施形態の検出方法および装置は、金属層上に光導波層を備えたセンサチップを用い、励起光の照射により光導波層に光導波モードを励起し、光導波モードにより電場を増強させ、増強された電場において励起された蛍光が金属層に新たにプラズモンを誘起することにより、誘電体プレートの金属層形成面と反対の面側から放射される、新たに誘起されたプラズモンからの放射光を検出する検出方法および装置である。
<Fifth Embodiment>
A detection method and apparatus according to a fifth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is an overall view showing a schematic configuration of the detection apparatus of the fifth embodiment. The detection method and apparatus of the present embodiment uses a sensor chip including an optical waveguide layer on a metal layer, excites an optical waveguide mode in the optical waveguide layer by irradiation of excitation light, enhances an electric field by the optical waveguide mode, Fluorescence excited in the enhanced electric field induces a new plasmon in the metal layer, and the emitted light from the newly induced plasmon emitted from the side opposite to the metal layer forming surface of the dielectric plate It is the detection method and apparatus which detect.
図8に示す本実施形態の検出装置5は、第3の実施形態の検出装置3と同様の構成であり、本実施形態の検出方法において用いられるセンサチップは第4の実施形態の検出方法で用いられるセンサチップと同様である。
The
検出装置5を用いた本実施形態の蛍光検出方法について説明する。
本実施形態では、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包する蛍光物質Fを蛍光標識として用いている。そして、第1の実施形態と同様に、励起光照射光学系20により励起光Loを照射する。励起光照射光学系20により励起光Loが誘電体プレート11と金属層12aとの界面に対して全反射角以上の特定の入射角度で入射されることにより、金属層12a上にエバネッセント光が滲み出し、このエバネッセント光が光導波層12bの光導波モードと結合し、光導波モードが励起されることにより、光導波層12b上に増強された光電場Dが形成される。そして、増強された光電場Dにある、蛍光物質F中の蛍光色素分子fが励起されて蛍光Lfが発生する。このとき、表面プラズモンによる電場増強の効果により蛍光Lfは増強されたものとなる。光導波層12b上で生じたこの蛍光Lfが、金属膜12に表面プラズモンを新たに誘起し、この表面プラズモンによりセンサチップ10”の金属膜形成面と反対側へ特定の角度で放射光Lpが射出される。光検出器30によって、この放射光Lpを検出することにより、蛍光標識Fが標識された被検出物質の有無および/または量を検出することができる。
The fluorescence detection method of this embodiment using the
In the present embodiment, the fluorescent substance F enclosing the fluorescent dye molecule f and one fluorescence enhancing fine particle M is used as a fluorescent label. Then, similarly to the first embodiment, the excitation light Lo is irradiated by the excitation light irradiation
本実施形態においても、蛍光物質F内に蛍光増強微粒子Mが存在することにより、効率よく蛍光色素分子fから蛍光Lfを生じせしめ、この増強された蛍光に起因する放射光Lpを検出するので、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 Also in the present embodiment, the presence of the fluorescence enhancing fine particles M in the fluorescent material F efficiently generates the fluorescence Lf from the fluorescent dye molecule f, and detects the emitted light Lp resulting from this enhanced fluorescence. The same effect as that of the first embodiment can be obtained.
また、本実施形態では、センサ表面で生じる蛍光に起因する光をセンサ裏面側から検出するので、蛍光Lfが光吸収の大きい溶媒を通過する距離を数十nm程度と削減することができ、第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。 Further, in the present embodiment, the light caused by the fluorescence generated on the sensor surface is detected from the back side of the sensor, so the distance that the fluorescence Lf passes through the solvent having a large light absorption can be reduced to about several tens of nm. The same effect as that of the second embodiment can be obtained.
さらに、光導波モードの励起により増強された光電場を用いていることから、第4の実施形態と同様に蛍光量増加効果を得ることができる。 Furthermore, since the photoelectric field enhanced by the excitation of the optical waveguide mode is used, the effect of increasing the amount of fluorescence can be obtained as in the fourth embodiment.
なお、上記第1〜第5の実施形態においては、蛍光標識として、図9に示すように、さらに、透光材料16の表面に蛍光を透過する厚みの金属被膜Mcが設けられたものを用いてもよい。金属被膜Mcは、透光材料16の全表面を覆うものであってもよいし、全表面を覆うものでなく、一部表面が露出するように設けられたものであってもよい。金属被膜Mcの材料としては、上述の金属層と同様の金属材料を用いることができる。
In the first to fifth embodiments, as the fluorescent label, as shown in FIG. 9, the surface of the
蛍光物質Fの表面に金属被膜Mcを備えた場合、センサチップ10・10’の金属層12・12’に発生した表面プラズモンまたは局在プラズモン、あるいはセンサチップ10”の光導波層12bに発生した光導波モードが、蛍光物質Fの金属被膜Mcのウィスパリング・ギャラリー・モードにカップリングし、蛍光物質F内の蛍光色素分子fをさらに高効率に励起できる。なお、ウィスパリング・ギャラリー・モードとは、ここで用いられるφ5300nm以下程度の蛍光物質Fのような微小球の球表面に局在し、周回する電磁波モードである。
When the metal coating Mc is provided on the surface of the fluorescent material F, the surface plasmon or localized plasmon generated in the metal layers 12 and 12 ′ of the
蛍光物質Fへの金属被膜方法の一例を以下に示す。
まず、前述手順により蛍光物質を作製し、その表面にポリエチレンイミン(PEI)(エポミン、日本触媒社)を修飾する。
次に、粒子表面のPEIに粒径15nmのPdナノ粒子(平均粒径19nm、徳力本社)を吸着させる。
Pdナノ粒子が吸着したポリスチレン粒子を無電解金メッキ液(HAuCl4、小島化学薬品社)に浸漬させることで、Pdナノ粒子を触媒とする無電界メッキを利用して、ポリスチレン粒子表面に金膜を作製する。
An example of a metal coating method on the fluorescent material F is shown below.
First, a fluorescent material is prepared by the above-described procedure, and polyethyleneimine (PEI) (Epomin, Nippon Shokubai Co., Ltd.) is modified on the surface.
Next, Pd nanoparticles having an average particle diameter of 15 nm (average particle diameter of 19 nm, Tokuru Head Office) are adsorbed on the PEI on the particle surface.
By immersing polystyrene particles adsorbed with Pd nanoparticles in an electroless gold plating solution (HAuCl4, Kojima Chemical Co., Ltd.), a gold film is produced on the surface of polystyrene particles using electroless plating using Pd nanoparticles as a catalyst. To do.
「検出用試料セル」
本発明の検出方法のセンサチップとして使用される検出用試料セルについて説明する。
"Sample cell for detection"
A detection sample cell used as a sensor chip of the detection method of the present invention will be described.
<第1の実施形態の検出用試料セル>
図10Aは、第1の実施形態の検出用試料セル50の構成を示す平面図、図10Bは検出用試料セル50の側断面図である。
検出用試料セル50は、誘電体プレートからなる基台51と、基台51上に液体試料Sを保持し、液体試料Sの流路52を形成するスペーサ53と、試料Sを注入する注入口54aおよび流路52を流下した試料を排出する排出口となる空気孔54bを備えたガラス板からなる上板54とから構成され、流路52の注入口54aと空気孔54bとの間の試料接触面となる基台51の所定領域上にそれぞれ設けられた金属層58a、59aからなるセンサ部58、59が備えられている。また、注入口54aから流路52に至る箇所にはメンブレンフィルター55が備えられ、流路52下流の空気孔54bに接続する部分には廃液だめ56が形成されている。
<Detection Sample Cell of First Embodiment>
FIG. 10A is a plan view showing the configuration of the
The
本実施形態においては、基台51が誘電体プレートから構成され、センサ部の誘電体プレートを兼ねているが、基台としては、センサ部が構成される部分のみ誘電体プレートで構成されたものを用いてもよい。検出用試料セル50は、上述した第1〜第3のいずれの実施形態の検出装置および方法におけるセンサチップとして、使用することができる。また、検出用試料セル50は、被検出物質に応じて、該被検出物質と特異的に結合する第1の結合物質をセンサ部に適宜固定して使用することができる。さらに、被検出物質と特異的に結合する第2の結合物質、および被検出物質と競合して第1の結合物質と特異的に結合する第3の結合物質のうちいずれか一方の結合物質と、この一方の結合物質が修飾された蛍光物質とからなる蛍光標識結合物質であって、センサ部より上流側の流路内に配置されている蛍光標識結合物質を備えることができる。
In this embodiment, the
本実施形態に係る検出用試料セルでは、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包する蛍光物質Fを蛍光標識として予め備えているため、本発明に係る検出装置および方法における効果と同様に、蛍光標識の励起に起因して生じる光を容易に増強することができる。この結果、本実施形態に係る検出用試料セルを用いて被検出物質の検出を行うことによって、S/Nのよい安定した信号を検出することができ、被検出物質の有無および/または量を精度よく検出することが容易に可能となる。 In the detection sample cell according to the present embodiment, since the fluorescent substance F containing the fluorescent dye molecule f and one fluorescence enhancing fine particle M is provided in advance as a fluorescent label, the effects of the detection apparatus and method according to the present invention are as follows. Similarly, light generated due to excitation of a fluorescent label can be easily enhanced. As a result, a stable signal with a good S / N can be detected by detecting the substance to be detected using the detection sample cell according to this embodiment, and the presence and / or amount of the substance to be detected can be determined. It is possible to easily detect with high accuracy.
<第2実施形態の検出用試料セル>
図11は、サンドイッチ法によるアッセイに適した第2の実施形態の検出用試料セルの側断面を示すものである。本実施形態の検出用試料セル50Aにおいては、標識2次抗体吸着エリア57と、第1のセンサ部58と、第2のセンサ部59とが、基台51上に流路52上流側から順に設けられている。ここで、標識2次抗体吸着エリア57には、被検出物質である抗原と特異的に結合する2次抗体(第2の結合物質)B2と、該2次抗体B2が表面修飾された蛍光物質Fとからなる標識2次抗体BF(蛍光標識結合物質)が物理吸着によって配置されている。そして、第1のセンサ部58には、被検出物質である抗原と特異的に結合する1次抗体(第1の結合物質)B1が固定されている。また、第2のセンサ部59には、被検出物質である抗原Aとは結合せず標識2次抗体BFと特異的に結合する1次抗体B0が固定されている。本例では、流路52内に2つのセンサ部を設けた例を挙げているが、センサ部は1つのみであってもよい。なお、蛍光物質Fは、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包するものである。
<Sample Cell for Detection of Second Embodiment>
FIG. 11 shows a side cross section of a detection sample cell according to a second embodiment suitable for an assay by the sandwich method. In the
基台51上の第1のセンサ部58および第2のセンサ部59にはそれぞれ金属層として、金(Au)膜58aおよび59aが形成されている。第1のセンサ部58のAu膜58a上にはさらに1次抗体B1が固定され、第2のセンサ部59のAu膜59a上にはさらに1次抗体B1とは異なる1次抗体B0が固定されている。互いに異なる1次抗体が設けられている点以外は、第1のセンサ部58と第2のセンサ部59は同一の構成である。第2のセンサ部59に固定されている1次抗体B0は抗原Aとは結合せず、標識2次抗体BFと直接結合するものである。これにより、流路を流れた標識2次抗体BFの量、活性など反応に関する変動要因と、励起光照射光学系20、金(Au)膜58aおよび59a、液体試料Sなど光電場増強度に関する変動要因とを検出し、較正に利用することができる。なお、第2のセンサ部には1次抗体B0ではなく、既知量の標識物質が予め固定されていてもよい。標識物質は2次抗体B2により表面修飾された蛍光物質Fと同種のものであってもよいし、波長、サイズの異なる蛍光物質Fであってもよい。さらには金属微粒子などであってもよい。この場合、励起光照射光学系20、金膜58a、59a、液体試料Sなど表面プラズモン増強度に関する変動要因のみを検出し、較正に利用することができる。第2のセンサ部59に標識2次抗体BF、既知量の標識物質のどちらを固定するかは、較正目的および方法によって適宜定めればよい。
Gold (Au)
検出用試料セル50Aは、上述した第1〜第3のいずれの実施形態の検出装置および方法においても、センサチップとして使用することができる。検出用試料セル50は、収容部19において、励起光照射光学系20および光検出器30に相対的にX方向に移動可能とされており、第1のセンサ部58からの蛍光もしくは放射光の検出測定の後、第2のセンサ部59を検出位置に移動させて第2のセンサ部59からの蛍光もしくは放射光の検出を行うように構成されている。
The
本発明の検出方法において、本実施形態の検出用試料セル50Aを用い、血液(全血)中に被検出物質である抗原を含むか否について、サンドイッチ法によるアッセイを行う手順について図12を参照して説明する。
In the detection method of the present invention, refer to FIG. 12 for the procedure for performing an assay by the sandwich method to determine whether blood (whole blood) contains an antigen, which is a substance to be detected, using the
step1:注入口54aから検査対象である血液(全血)Soを注入する。ここでは、この血液So中に被検出物質である抗原Aが含まれている場合について説明する。図12中において血液Soは網掛け領域で示している。
step2:血液Soはメンブレンフィルター55により濾過され、赤血球、白血球などの大きな分子が残渣となる。
step3:メンブレンフィルター55で血球分離された血液S(血漿)が毛細管現象で流路52に染み出す。または反応を早め、検出時間を短縮するために、空気孔54bにポンプを接続し、血漿Sをポンプの吸引、押し出し操作によって流下させてもよい。図12中において血漿Sは斜線領域で示している。
step4:流路52に染み出した血漿Sと流路52内に配置された標識2次抗体BFとが混ぜ合わされ、血漿S中の抗原Aが標識2次抗体BFと結合する。
step5:血漿Sは流路52に沿って空気孔54b側へと徐々に流れ、標識2次抗体BFと結合した抗原Aが、第1のセンサ部58上に固定されている1次抗体B1と結合し、抗原Aが1次抗体B1と標識2次抗体BFで挟み込まれたいわゆるサンドイッチが形成される。
step6:抗原Aと結合しなかった標識2次抗体BFの一部は第2のセンサ部59上に固定されている1次抗体B0と結合する。さらに抗原Aまたは1次抗体B0と結合しなかった標識2次抗体BFがセンサ部上に残っている場合があっても、後続の血漿Sが洗浄の役割を担い、プレート上に浮遊および非特異吸着していた標識2次抗体BFを洗い流す。
step 1: Blood (whole blood) So to be examined is injected from the
step 2: The blood So is filtered by the
step 3: The blood S (plasma) separated by the
step 4: The plasma S that has oozed into the
step 5: The plasma S gradually flows along the
step 6: A part of the labeled secondary antibody BF that has not bound to the antigen A binds to the primary antibody B0 fixed on the
このように、血液Soを注入口54aから注入し、第1のセンサ部58上に抗原Aが1次抗体B1と標識2次抗体BFで挟まれたサンドイッチが形成されるまでのstep1からStep6の後、第1のセンサ部58からの蛍光信号或いは放射光信号(以下、検出信号)を検出することにより、抗原の有無および/またはその濃度を検出することができる。その後、第2のセンサ部59からの検出信号を検出できるように試料セルをX方向に移動させ、第2のセンサ部59からの検出信号を検出する。標識2次抗体BFと結合する1次抗体B0を固定している第2のセンサ部59からの検出信号は、標識2次抗体BFの流下した量、活性などの反応条件を反映した蛍光信号であると考えられ、この検出信号をリファレンスとして、第1のセンサ部58からの検出信号を補正することにより、より精度の高い検出結果を得ることができる。また、既述の通り、第2のセンサ部59に既知量の標識物質(蛍光物質、金属微粒子)をあらかじめ固定した場合であっても、同様に、第2のセンサ部59からの光信号をリファレンスとして第1のセンサ部58からの検出信号を補正することができる。
In this way, blood So is injected from the
本実施形態に係る検出用試料セルでも、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包する蛍光物質Fを蛍光標識として予め備えている。したがって、本実施形態においても、第1実施形態の検出用試料セルと同様の効果を得ることができる。 The sample cell for detection according to the present embodiment also includes a fluorescent substance F enclosing the fluorescent dye molecule f and one fluorescence enhancing fine particle M as a fluorescent label in advance. Therefore, also in this embodiment, the same effect as the detection sample cell of the first embodiment can be obtained.
<第3実施形態の検出用試料セル>
図13は、競合法によるアッセイに適した第3の実施形態の検出用試料セルを示すものである。本実施形態の検出用試料セル50Bにおいては、標識2次抗体吸着エリア57’と、第1のセンサ部58’と、第2のセンサ部59’とが、基台51上に流路52上流側から順に設けられている。ここで、標識2次抗体吸着エリア57’には、被検出物質である抗原とは結合せず後述の1次抗体C1と特異的に結合する2次抗体C3(第3の結合物質)と、該2次抗体C3が表面修飾された蛍光物質Fとからなる標識2次抗体CF(蛍光標識結合物質)が物理吸着によって配置されている。そして、第1のセンサ部58’には、被検出物質である抗原および2次抗体C3と特異的に結合する1次抗体C1(第1の結合物質)が固定されている。また、第2のセンサ部59’には、被検出物質である抗原とは結合せず標識2次抗体CFと特異的に結合する1次抗体C0が固定されている。本例では、流路52内に2つのセンサ部を設けた例を挙げているが、センサ部は1つのみであってもよい。なお、蛍光物質Fは、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包するものである。
<Sample Cell for Detection of Third Embodiment>
FIG. 13 shows a sample cell for detection according to a third embodiment suitable for the assay by the competition method. In the
基台51上の第1のセンサ部58’および第2のセンサ部59’にはそれぞれ金属層として、金(Au)膜58aおよび59aが形成されている。第1のセンサ部58’のAu膜58a上にさらに1次抗体C1が固定され、第2のセンサ部59’のAu膜59a上にさらに1次抗体C1とは異なる1次抗体C0が固定されている。互いに異なる1次抗体が設けられている点以外は、第1のセンサ部58’と第2のセンサ部59’は同一の構成である。抗原Aと標識2次抗体CFとは、第1のセンサ部58’に固定されている1次抗体C1に競合的に結合するものである。第2のセンサ部59’に固定されている1次抗体C0は抗原Aとは結合せず、標識2次抗体CFと直接結合するものである。これにより、流路を流れた標識2次抗体CFの量、活性など反応に関する変動要因と励起光照射光学系20、金(Au)膜58aおよび59a、液体試料Sなど光電場増強度に関する変動要因を検出し、較正に利用することができる。なお、第2のセンサ部には1次抗体C0ではなく、既知量の標識物質が予め固定されていてもよい。標識物質は2次抗体により表面修飾された蛍光物質と同種のものであってもよいし、波長、サイズの異なる蛍光物質であってもよい。この場合、励起光照射光学系20、金(Au)膜58aおよび59a、液体試料Sなど表面プラズモン増強度に関する変動要因のみを検出し、較正に利用することができる。第2のセンサ部59’に標識2次抗体CF、既知量の標識物質のどちらを固定するかは較正目的および方法によって適宜、選択することができる。
Gold (Au)
検出用試料セル50Bは、既述の検出用試料セル50Aと同様に、上述した第1〜第3のいずれの実施形態の検出装置および方法においても、センサチップとして使用することができる。
Similarly to the
本発明の検出方法において、本実施形態の検出用試料セル50Bを用い、血液(全血)中に被検出物質である抗原を含むか否について、サンドイッチ法によるアッセイを行う手順について図14を参照して説明する。
In the detection method of the present invention, refer to FIG. 14 for the procedure for performing an assay by the sandwich method to determine whether or not an antigen that is a substance to be detected is contained in blood (whole blood) using the
step1:注入口54aから検査対象である血液(全血)Soを注入する。ここでは、この血液So中に被検出物質である抗原Aが含まれている場合について説明する。図14において血液Soは網掛け領域で示している。
step2:血液Soはメンブレンフィルター55により濾過され、赤血球、白血球などの大きな分子が残渣となる。
step3:メンブレンフィルター55で血球分離された血液S(血漿)が毛細管現象で流路52に染み出す。または反応を早め、検出時間を短縮するために、空気孔54bにポンプを接続し、血漿Sをポンプの吸引、押し出し操作によって流下させてもよい。図14において血漿Sは斜線領域で示している。
step4:流路52に染み出した血漿Sと流路52内に配置された標識2次抗体CFとが混ぜ合わされる。
step5:血漿Sは流路52に沿って空気孔54b側へと徐々に流れ、抗原Aと標識2次抗体CFとが競合して、第1のセンサ部58’上に固定されている1次抗体C1と結合する。
step6:第1のセンサ部58’上の1次抗体C1と結合しなかった標識2次抗体CFの一部は、第2のセンサ部59’上に固定されている1次抗体C0と結合する。さらに1次抗体C1またはC0と結合していない標識2次抗体CFがセンサ部上に残っている場合があっても、後続の血漿Sが洗浄の役割を担い、プレート上に浮遊および非特異吸着していた標識2次抗体CFを洗い流す。
step 1: Blood (whole blood) So to be examined is injected from the
step 2: The blood So is filtered by the
step 3: The blood S (plasma) separated by the
step 4: The plasma S that has oozed into the
step 5: The plasma S gradually flows along the
Step 6: A part of the labeled secondary antibody CF that did not bind to the primary antibody C1 on the
このように、血液を注入口から注入し、センサ部58’上の1次抗体C1に抗原Aおよび標識2次抗体CFが競合的に結合するまでのstep1からStep6の後、第1のセンサ部58’および第2のセンサ部59’からの検出信号を検出することにより、抗原の有無および/またはその濃度を検出することができる。その後、第2のセンサ部59’からの検出信号を検出できるように検出用試料セルをX方向に移動させ、第2のセンサ部59’からの検出信号を検出し、この検出信号をリファレンスとして、第1のセンサ部58’からの検出信号を補正することにより、より精度の高い検出結果を得ることができる。
As described above, blood is injected from the injection port, and after
競合法においては上記のように、被検出物質Aの濃度が高ければ、1次抗体C1と結合する2標識2次抗体CFの量が少なくなり、金属層上の蛍光物質Fの数が少なくなるため蛍光強度が小さくなる。一方、被検出物質Aの濃度が低ければ、1次抗体C1と結合する標識2次抗体CFの量が多くなり、金属膜上の蛍光物質Fの数が多くなるため蛍光強度が大きくなる。競合法は被検出物質にエピトープが一つあれば測定が可能であることから、低分子量の物質の検出に適している。 In the competition method, as described above, when the concentration of the substance A to be detected is high, the amount of the secondary labeled secondary antibody CF that binds to the primary antibody C1 decreases, and the number of fluorescent substances F on the metal layer decreases. Therefore, the fluorescence intensity becomes small. On the other hand, when the concentration of the substance A to be detected is low, the amount of the labeled secondary antibody CF that binds to the primary antibody C1 increases, and the number of fluorescent substances F on the metal film increases, so that the fluorescence intensity increases. The competitive method is suitable for detection of a low molecular weight substance because it can be measured if the substance to be detected has one epitope.
本実施形態に係る検出用試料セルでも、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包する蛍光物質Fを蛍光標識として予め備えている。したがって、本実施形態においても、第1実施形態の検出用試料セルと同様の効果を得ることができる。 The sample cell for detection according to the present embodiment also includes a fluorescent substance F enclosing the fluorescent dye molecule f and one fluorescence enhancing fine particle M as a fluorescent label in advance. Therefore, also in this embodiment, the same effect as the detection sample cell of the first embodiment can be obtained.
(検出用試料セルの設計変更例)
図15は、光導波モードによる光電場増強を利用する検出方法および装置に用いる検出用試料セルの断面図である。この検出用試料セルは、図10に示した第1の実施形態の検出用試料セルの構成と略同一であるが、それぞれのセンサ部の金属層58a、59a上にさらに光導波層58b、59bを備えている点で異なる。この検出用試料セルは、光導波層58b、59b上に上記のような抗体を適宜固定することにより、検出装置および方法の第4・第5の実施形態でのセンサチップとして使用することができる。
(Example of design change of sample cell for detection)
FIG. 15 is a cross-sectional view of a detection sample cell used in a detection method and apparatus that utilizes the enhancement of a photoelectric field by an optical waveguide mode. This detection sample cell has substantially the same configuration as that of the detection sample cell of the first embodiment shown in FIG. 10. However, the optical waveguide layers 58b and 59b are further provided on the
「検出用キット」
本発明の検出方法に使用される検出用キットについて説明する。図16は検出用キット60の構成を示す模式図である。
"Detection kit"
The detection kit used in the detection method of the present invention will be described. FIG. 16 is a schematic diagram showing the configuration of the
本発明に係る検出用キット60は、検出用試料セル61と、液体試料と同時もしくは液体試料の流下後に流路内に流下される標識用溶液63とを備えている。ここで、標識用溶液63は、抗原Aと特異的に結合する2次抗体B2(第2の結合物質)と、この2次抗体B2が修飾された蛍光物質Fとからなる標識2次抗体BF(蛍光標識結合物質)を含むものである。
The
検出用試料セル61は、検出用試料セル内に、蛍光増強微粒子Mが含まれる標識2次抗体BFが物理吸着した標識2次抗体吸着エリアを備えていない点でのみ上述の第2の実施形態の検出用試料セル50Aと異なり、その他は検出用試料セル50Aと略同一の構成である。
The
本発明の検出方法において、本実施形態の検出用キット60を用い、血液(全血)中に被検出物質である抗原を含むか否について、サンドイッチ法によるアッセイを行う手順について図17を参照して説明する。
In the detection method of the present invention, referring to FIG. 17 for the procedure for performing an assay by the sandwich method as to whether or not an antigen which is a substance to be detected is contained in blood (whole blood) using the
step1:注入口54aから検査対象である血液(全血)Soを注入する。ここでは、この血液So中に被検出物質である抗原Aが含まれている場合について説明する。図17において血液Soは網掛け領域で示している。
step2:血液Soはメンブレンフィルター55により濾過され、赤血球、白血球などの大きな分子が残渣となる。引き続き、メンブレンフィルター55で血球分離された血液S(血漿)が毛細管現象で流路52に染み出す。または反応を早め、検出時間を短縮するために、空気孔にポンプを接続し、血漿Sをポンプの吸引、押し出し操作によって流下させてもよい。図17において血漿Sは斜線領域で示している。
step3:血漿Sは流路52に沿って空気孔54b側へと徐々に流れ、血漿S中の抗原Aが、第1のセンサ部58上に固定されている1次抗体B1と結合する。
step4:標識2次抗体BFを含む標識用溶液63を注入口54aから注入する。
step5:標識2次抗体BFが毛細管現象により流路52に染み出す。または反応を早め、検出時間を短縮するために、空気孔にポンプを接続し、標識用溶液63をポンプの吸引、押し出し操作によって流下させてもよい。
step6:標識2次抗体BFが徐々に下流側に流れ、標識2次抗体BFが抗原Aと結合し、抗原Aが1次抗体B1と結合することにより、抗原Aが1次抗体B1と標識2次抗体BFで挟み込まれたいわゆるサンドイッチが形成される。抗原Aと結合しなかった標識2次抗体BFの一部は、第2のセンサ部59上に固定されている1次抗体B0と結合する。さらに、抗原Aまたは1次抗体B0と結合しなかった標識2次抗体BFがセンサ部上に残っている場合があっても、後続の血漿が洗浄の役割を担い、プレート上に浮遊および非特異吸着していた標識2次抗体BFを洗い流す。
step 1: Blood (whole blood) So to be examined is injected from the
step 2: The blood So is filtered by the
step 3: The plasma S gradually flows along the
step 4: The
step 5: The labeled secondary antibody BF oozes out to the
step 6: the labeled secondary antibody BF gradually flows downstream, the labeled secondary antibody BF binds to the antigen A, and the antigen A binds to the primary antibody B1, whereby the antigen A becomes labeled with the primary antibody B1. A so-called sandwich sandwiched between the next antibodies BF is formed. A part of the labeled secondary antibody BF that does not bind to the antigen A binds to the primary antibody B0 fixed on the
このように、血液を注入口から注入し、抗原が1次抗体および2次抗体と結合するまでのstep1からStep6の後、検出装置において、蛍光物質F内に蛍光増強微粒子Mが存在することによる蛍光量の増大効果を利用し、第1のセンサ部58からの検出信号を検出することにより、抗原の有無および/またはその濃度を高感度に検出することができる。その後、第2のセンサ部59からの検出信号を検出できるように検出用試料セル61をX方向に移動させ、同様に、センサ部上に蛍光標識結合物質を引き寄せ、第2のセンサ部59からの検出信号を検出する。標識2次抗体BFと結合する1次抗体B0を固定している第2のセンサ部59からの検出信号は標識2次抗体の流下した量、活性などの反応条件を反映した検出信号であると考えられ、この検出信号をリファレンスとして、第1のセンサ部からの検出信号を補正することにより、より精度の高い検出結果を得ることができる。また、第2のセンサ部59に既知量の標識物質(蛍光物質、金属微粒子)をあらかじめ固定しておき、第2のセンサ部59からの蛍光信号をリファレンスとして第1のセンサ部からの検出信号を補正してもよい。
As described above, the blood is injected from the injection port, and after
蛍光物質への2次抗体修飾方法および標識用溶液の作製方法の一例を説明する。
前述の手順で作製した蛍光物質溶液(蛍光物質の直径φ150nm、励起波長780nm)に50mM MESバッファおよび、5.0mg/mLの抗hCGモノクローナル抗体(Anti−hCG 5008 SP−5、Medix Biochemica社)溶液を加えて撹拌する。これにより蛍光物質への抗体の修飾がなされる。
次に、400mg/mLのWSC(品番01−62−0011、和光純薬)水溶液を加え室温で攪拌する。
さらに、2mol/L Glycine水溶液を添加し撹拌した後、遠心分離にて、粒子を沈降させる。
最後に、上清を取り除き、PBS(pH7.4)を加え、超音波洗浄機により、表面修飾された蛍光物質を再分散させる。さらに遠心分離を行い、上清を除いた後、1%BSAのPBS(pH7.4)溶液500μL加え、表面修飾された蛍光物質を再分散させて標識用溶液とする。
An example of a method for modifying a secondary antibody to a fluorescent substance and a method for producing a labeling solution will be described.
50 mM MES buffer and 5.0 mg / mL anti-hCG monoclonal antibody (Anti-hCG 5008 SP-5, Medix Biochemica) solution in the fluorescent substance solution (fluorescent substance diameter φ150 nm, excitation wavelength 780 nm) prepared in the above-described procedure Add and stir. This modifies the antibody to the fluorescent substance.
Next, a 400 mg / mL aqueous solution of WSC (Product No. 01-62-0011, Wako Pure Chemical Industries) is added and stirred at room temperature.
Furthermore, after adding 2 mol / L Glycine aqueous solution and stirring, particle | grains are settled by centrifugation.
Finally, the supernatant is removed, PBS (pH 7.4) is added, and the surface-modified fluorescent substance is redispersed by an ultrasonic cleaner. After further centrifugation and removal of the supernatant, 500 μL of 1% BSA in PBS (pH 7.4) is added to re-disperse the surface-modified fluorescent substance to obtain a labeling solution.
本実施形態に係る検出用キットでは、蛍光色素分子fと1の蛍光増強微粒子Mとを内包する蛍光物質Fを蛍光標識として予め備えているため、本発明に係る検出装置および方法における効果と同様に、蛍光標識の励起に起因して生じる光を増強することができる。この結果、本実施形態に係る検出用試料キットを用いて被検出物質の検出を行うことによって、S/Nのよい安定した信号を検出することができ、被検出物質の有無および/または量を精度よく検出することが可能となる。 In the detection kit according to the present embodiment, since the fluorescent substance F containing the fluorescent dye molecule f and one fluorescence enhancing fine particle M is provided in advance as a fluorescent label, the effect is similar to the effect in the detection apparatus and method according to the present invention. In addition, light generated due to excitation of the fluorescent label can be enhanced. As a result, by detecting the substance to be detected using the detection sample kit according to the present embodiment, a stable signal with a good S / N can be detected, and the presence and / or amount of the substance to be detected can be determined. It becomes possible to detect with high accuracy.
(検出用キットの設計変更例)
本発明に係る検出用キットは、付属の検出用試料セルとして、光導波層を有する図13に示す検出用試料セルを用いることにより、競合法によるアッセイを行う検出装置および方法に好適なものとなる。
(Example of design change of detection kit)
The detection kit according to the present invention is suitable for a detection apparatus and method for performing an assay by a competitive method by using the detection sample cell shown in FIG. 13 having an optical waveguide layer as an attached detection sample cell. Become.
また、本発明に係る検出用キットは、付属の検出用試料セルとして、光導波層を有する図15に示す検出用試料セルを用いることにより、光導波モードによる電場増強を利用する検出装置および方法に好適なものとなる。 In addition, the detection kit according to the present invention uses a detection sample cell shown in FIG. 15 having an optical waveguide layer as an attached detection sample cell, so that a detection apparatus and method using electric field enhancement by an optical waveguide mode are used. It is suitable for.
1、2、3、4、5 検出装置
10、10’、10” センサチップ
11 誘電体プレート
12 金属層(金属膜)
12’ 金属層(金属微細構造体)
13 試料保持部
14 センサ部
16 透光材料
19 センサチップ収容部
20、20’ 励起光照射光学系
21 光源
22 プリズム
30 光検出器
50、50A、50B、61 試料セル
51 誘電体プレート
52 流路
53 スペーサ
54 上板
54a 注入口
54b 空気孔
55 メンブレンフィルター
57 標識2次抗体吸着エリア
58、59 センサ部
60 検出用キット
63 検出用キットの標識用溶液
A 抗原(被検出物質)
B1、C1 1次抗体(第1の結合物質)
B2 2次抗体(第2の結合物質)
BF、CF 標識2次抗体(蛍光標識結合物質)
C3 2次抗体(第3の結合物質)
D 光電場
F 蛍光物質
f 蛍光色素分子
Lo 励起光
Lf 蛍光
Lp 放射光
LS 散乱光
M 蛍光増強微粒子
Mc 金属被膜
1, 2, 3, 4, 5
12 'metal layer (metal microstructure)
DESCRIPTION OF
B1, C1 primary antibody (first binding substance)
B2 secondary antibody (second binding substance)
BF, CF labeled secondary antibody (fluorescently labeled binding substance)
C3 secondary antibody (third binding substance)
D Photoelectric field F Fluorescent substance f Fluorescent dye molecule Lo Excitation light Lf Fluorescence Lp Radiation light LS Scattering light M Fluorescence enhancement fine particle Mc Metal coating
Claims (9)
前記センサ部に試料を接触させることにより、該試料に含有される被検出物質の量に応じた量の蛍光標識結合物質を、前記センサ部上に結合させ、
前記センサ部に励起光を照射することにより、該センサ部上に増強した光電場を発生せしめ、
該増強した光電場により、前記蛍光標識結合物質の蛍光標識を励起し、該励起に起因して生じる光の量に基づいて、前記被検出物質の量を検出する検出方法において、
前記蛍光標識として、複数の蛍光色素分子および1以上の金属微粒子を、該複数の蛍光色素分子から生じる蛍光を透過する透光材料により包含してなる蛍光物質を用い、
前記励起光の照射により前記金属膜にプラズモンを励起し、該プラズモンによって前記増強した光電場を発生せしめることを特徴とする検出方法。 On one surface of the dielectric plate, a sensor chip including a sensor unit having a laminated structure including a metal film adjacent to the dielectric plate is used.
By bringing the sample into contact with the sensor unit, an amount of the fluorescent label binding substance according to the amount of the substance to be detected contained in the sample is bound on the sensor unit,
By irradiating the sensor unit with excitation light, an enhanced photoelectric field is generated on the sensor unit,
In the detection method of exciting the fluorescent label of the fluorescent label-binding substance with the enhanced photoelectric field and detecting the amount of the substance to be detected based on the amount of light generated due to the excitation,
As the fluorescent label, using a fluorescent substance comprising a plurality of fluorescent dye molecules and one or more metal fine particles by a light-transmitting material that transmits fluorescence generated from the plurality of fluorescent dye molecules ,
A detection method , wherein plasmons are excited on the metal film by irradiation with the excitation light, and the enhanced photoelectric field is generated by the plasmons .
液体試料が流下される流路を有する基台と、
前記流路の上流側に設けられた該流路に前記液体試料を注入するための注入口と、
前記流路の下流側に設けられた、前記注入口から注入された前記液体試料を該下流側に流すための空気孔と、
前記注入口と前記空気孔との間の前記流路に設けられたセンサチップ部であって、前記流路の内壁面の一部として設けられた誘電体プレート、および該誘電体プレートの試料接触面の所定領域に設けられたセンサ部を備えるセンサチップ部と、
前記センサ部上に固定された、前記蛍光標識結合物質を前記センサ部上に固定するための第1の結合物質と、
前記被検出物質と特異的に結合する第2の結合物質、および前記被検出物質と競合して前記第1の結合物質と特異的に結合する第3の結合物質のうちいずれか一方の結合物質と、該一方の結合物質が修飾された前記蛍光物質とからなる蛍光標識結合物質であって、前記センサ部より上流側の前記流路内に配置された蛍光標識結合物質とを備え、
前記センサ部が、前記誘電体プレートに隣接する金属膜を含む積層構造からなることを特徴とする検出用試料セル。 A detection sample cell used as the sensor chip in the detection method according to claims 1 to 5 or,
A base having a channel through which a liquid sample flows;
An inlet for injecting the liquid sample into the channel provided upstream of the channel;
An air hole provided on the downstream side of the flow path for flowing the liquid sample injected from the injection port to the downstream side;
A sensor chip portion provided in the flow path between the inlet and the air hole, the dielectric plate provided as a part of the inner wall surface of the flow path, and a sample contact of the dielectric plate A sensor chip portion including a sensor portion provided in a predetermined region of the surface ;
A first binding substance immobilized on the sensor unit, the first binding substance for immobilizing the fluorescent label binding substance on the sensor unit;
Any one of the second binding substance that specifically binds to the detected substance and the third binding substance that specifically binds to the first binding substance in competition with the detected substance And a fluorescent label binding substance composed of the fluorescent substance in which the one binding substance is modified, and a fluorescent label binding substance disposed in the flow channel upstream of the sensor unit ,
The detection sample cell, wherein the sensor section has a laminated structure including a metal film adjacent to the dielectric plate.
液体試料が流下される流路を有する基台と、前記流路の上流側に設けられた該流路に前記液体試料を注入するための注入口と、前記流路の下流側に設けられた、前記注入口から注入された前記液体試料を該下流側に流すための空気孔と、前記注入口と前記空気孔との間の前記流路に設けられたセンサチップ部であって、前記流路の内壁面の一部として設けられた誘電体プレート、および該誘電体プレートの試料接触面の所定領域に設けられたセンサ部を備えるセンサチップ部と、前記蛍光標識結合物質を前記センサ部上に固定するための、該センサ部上に固定された第1の結合物質とを備え、前記センサ部が、前記誘電体プレートに隣接する金属膜を含む積層構造からなる、前記センサチップとして使用される検出用試料セル、および
前記液体試料と同時もしくは前記液体試料の流下後に前記流路内に流下される標識用溶液であって、前記被検出物質と特異的に結合する第2の結合物質、および前記被検出物質と競合して前記第1の結合物質と特異的に結合する第3の結合物質のうちのいずれか一方の結合物質と、該一方の結合物質が修飾された前記蛍光物質とからなる蛍光標識結合物質を含む前記標識用溶液を備えてなることを特徴とする検出用キット。 A detection kit used in the detection method according to claims 1 to 5 or,
A base having a channel through which the liquid sample flows, an inlet for injecting the liquid sample into the channel provided on the upstream side of the channel, and provided on the downstream side of the channel An air hole for flowing the liquid sample injected from the injection port to the downstream side, and a sensor chip portion provided in the flow path between the injection port and the air hole, A dielectric plate provided as a part of the inner wall surface of the path, a sensor chip provided with a sensor unit provided in a predetermined region of the sample contact surface of the dielectric plate, and the fluorescent label binding substance on the sensor unit. And a first binding substance fixed on the sensor part, wherein the sensor part is used as the sensor chip having a laminated structure including a metal film adjacent to the dielectric plate. Sample cell for detection, and the liquid A labeling solution that flows into the flow path at the same time as the body sample or after the liquid sample flows, and a second binding substance that specifically binds to the detected substance, and competes with the detected substance. A fluorescently labeled binding substance comprising: a binding substance of any one of the third binding substances that specifically binds to the first binding substance; and the fluorescent substance modified with the one binding substance. A detection kit comprising the labeling solution.
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