JP5487150B2 - Optical measuring method and optical measuring apparatus - Google Patents

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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Description

本発明は、試料液中の被検出物質を光学的に測定する光学的測定方法および光学的測定装置に関するものである。   The present invention relates to an optical measurement method and an optical measurement apparatus for optically measuring a substance to be detected in a sample solution.

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SN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SN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 this surface plasmon enhanced fluorescence method, in order to generate plasmon resonance, a metal layer is provided in the sensor portion, surface plasmon is generated in this metal layer, and the signal intensity is increased by the electric field enhancing action to improve the SN ratio. Is.

以上のように、バイオ測定等における測定方法としては、種々の方法が提案されている。   As described above, various methods have been proposed as measurement methods in biomeasurement and the like.

特開平1−221667号公報JP-A-1-221667

ところで、上記のような光学的測定装置では、一般的にはフォトダイオードやCCD等の光検出素子を用いて、センサ部において発生した蛍光量を計測することにより、被検出物質の存在の確認を行っている。   By the way, in the optical measuring apparatus as described above, generally, the presence of a substance to be detected is confirmed by measuring the amount of fluorescence generated in the sensor unit using a light detection element such as a photodiode or CCD. Is going.

この場合、センサ部に励起光を入射させるプリズムやセンサチップの励起光導入部に光学的な歪があると、センサ部において発生した蛍光のみならず、この歪の部分で散乱した励起光までが光検出素子に入射してしまうようになり、正確な測定が行えなくなるおそれがある。また、プリズムや励起光導入部の各面において励起光が反射し、不要な反射光が光検出素子に入射してしまった場合にも、同様の問題を生じる。   In this case, if there is an optical distortion in the excitation light incident part of the prism or sensor chip that makes the excitation light incident on the sensor part, not only the fluorescence generated in the sensor part but also the excitation light scattered in this distortion part. There is a risk that accurate measurement cannot be performed because the light enters the light detection element. Further, the same problem occurs when the excitation light is reflected on each surface of the prism and the excitation light introducing portion and unnecessary reflected light is incident on the light detection element.

このような検出信号に対する励起光の影響を排除するため、特許文献1では、被検出物質に結合させる光標識結合物質の光標識として発光持続時間が長い燐光標識を用い、燐光標識を励起光で励起させた後に励起光の照射を停止し、励起光が照射されていない状態で燐光標識から生じる燐光を検出することにより、励起光の影響を排除することが提案されている。   In order to eliminate the influence of excitation light on such a detection signal, in Patent Document 1, a phosphorescent label having a long emission duration is used as a photolabel of a photolabel-binding substance to be bound to a substance to be detected. It has been proposed to eliminate the influence of excitation light by stopping the irradiation of excitation light after excitation and detecting the phosphorescence generated from the phosphorescent label in the state where the excitation light is not irradiated.

しかしながら、燐光等のように発光時間が長い光の光量を正確に測定するためには、発光持続時間に対して十分な時間分解能を有する光検出素子を用いて、発光持続時間中に複数回の測定を行い、測定結果を全て積分する必要があるため、測定時の負荷が大きくなるという問題がある。   However, in order to accurately measure the amount of light having a long emission time, such as phosphorescence, a light detection element having sufficient time resolution with respect to the emission duration is used, and a plurality of times during the emission duration. Since it is necessary to perform measurement and integrate all measurement results, there is a problem that the load during measurement increases.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、試料液中の被検出物質を光学的に測定する光学的測定方法および光学的測定装置において、低い負荷で、励起光の影響を排除してSN比の高い測定を可能と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 in an optical measurement method and an optical measurement apparatus for optically measuring a substance to be detected in a sample solution, the influence of excitation light is eliminated with a low load. It is intended to enable measurement with a high S / N ratio.

本発明の光学的測定方法は、センサチップの誘電体プレートの一面に形成されたセンサ部上に、被検出物質を含む試料液を接触させることにより、試料液に含有される被検出物質の量に応じた量の光標識結合物質をセンサ部上に結合させ、センサ部に全反射条件が得られる入射角度で励起光を照射することにより、センサ部上に光電場を発生せしめ、光電場により光標識結合物質の光標識を励起し、この励起に起因して生じる光を計測することにより、被検出物質の量を測定する光学的測定方法において、励起光を、被検出物質の量に対応した値を示すシグナル成分と励起光の迷光に起因するノイズ成分の両方が同期した強度変化を示す低周波数で周波数変調してセンサ部に照射するとともに、励起に起因して生じる光から低周波数に同期する成分を抽出して低周波数計測信号を取得し、励起光を、ノイズ成分のみが同期した強度変化を示す高周波数で周波数変調してセンサ部に照射するとともに、励起に起因して生じる光から高周波数に同期する成分を抽出して高周波数計測信号を取得し、低周波数計測信号と高周波数計測信号との差分を求めることでシグナル成分のみの信号を取得することを特徴とするものである。   In the optical measurement method of the present invention, the amount of the substance to be detected contained in the sample liquid is obtained by bringing the sample liquid containing the substance to be detected into contact with the sensor part formed on one surface of the dielectric plate of the sensor chip. The photo-label binding substance corresponding to the amount is bound on the sensor unit, and the sensor unit is irradiated with excitation light at an incident angle at which a total reflection condition is obtained, thereby generating a photoelectric field on the sensor unit. In an optical measurement method that measures the amount of a substance to be detected by exciting the light label of the photolabel binding substance and measuring the light generated by this excitation, the excitation light corresponds to the quantity of the substance to be detected. The signal component indicating the measured value and the noise component due to the stray light of the excitation light are both modulated at a low frequency indicating a synchronized intensity change and irradiated to the sensor unit. Synchronize The component is extracted to obtain a low-frequency measurement signal, and the excitation light is frequency-modulated at a high frequency that shows an intensity change in which only the noise component is synchronized. A high frequency measurement signal is acquired by extracting a component synchronized with the frequency, and a signal having only a signal component is acquired by obtaining a difference between the low frequency measurement signal and the high frequency measurement signal.

本発明の光学的測定方法において「励起光の迷光に起因するノイズ成分」とは、励起光の散乱光や反射光が検出されることにより生じる誤差成分を意味する。
また、励起光に対する「周波数変調」とは、一定の周波数で励起光の強度または偏光状態を変調させることを意味する。
In the optical measurement method of the present invention, “noise component caused by stray light of excitation light” means an error component generated by detecting scattered light or reflected light of excitation light.
Further, “frequency modulation” with respect to the excitation light means that the intensity or polarization state of the excitation light is modulated at a constant frequency.

また、「低周波数」および「高周波数」とは、互いの周波数の相対的な高低の関係を意味しており、特定の周波数帯域を指すものではない。励起光を変調する周波数(周波数変調)が低周波数の場合にシグナル成分とノイズ成分の両方が検出対象となる理由、および高周波数の場合にノイズ成分のみが検出対象となる理由については、以下に説明する。   Further, “low frequency” and “high frequency” mean a relative high-low relationship between frequencies, and do not indicate a specific frequency band. The reason why both the signal component and noise component are detected when the frequency for modulating the excitation light (frequency modulation) is low, and the reason why only the noise component is detected when the frequency is high, is described below. explain.

ここで、本発明の光学的測定方法における処理について図5を用いて詳細に説明する。図5は励起光を一定の周波数で変調してセンサ部に照射するとともに、計測した光から励起光の変調周波数に同期して変動する光の強度を抽出した場合の結果を示すグラフである。なお、グラフの横軸は励起光の変調周波数、縦軸は励起光の変調周波数に同期して変動する光の強度の実効値を示している。   Here, processing in the optical measurement method of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5 is a graph showing the result when the excitation light is modulated at a certain frequency and irradiated to the sensor unit, and the intensity of light that varies in synchronization with the modulation frequency of the excitation light is extracted from the measured light. The horizontal axis of the graph represents the modulation frequency of the excitation light, and the vertical axis represents the effective value of the intensity of light that varies in synchronization with the modulation frequency of the excitation light.

通常、励起光の周波数変調の応答速度に比べると、シグナル成分である蛍光の応答速度は遅い。一方、ノイズ成分である励起光の散乱光や反射光は、励起光の照射によって発生するため、励起光の変調周波数と同期して応答する。シグナル成分、ノイズ成分の発光寿命を各々τs、τnと置くと、Debye型緩和の一般的な蛍光物質から得られる蛍光信号の周波数応答成分の実部は下記式のように得られる。ここで、ωは角周波数を表し、ω=2πfである。また、H、H、Hは周波数応答成分の実部のうち、シグナル成分、ノイズ成分、それらより速い緩和成分の各々の大きさを表す。なお、図5は、H=H/10、H=0の場合を例示している。

Figure 0005487150
Usually, the response speed of fluorescence as a signal component is slower than the response speed of frequency modulation of excitation light. On the other hand, scattered light or reflected light of excitation light, which is a noise component, is generated by irradiation of excitation light, and therefore responds in synchronization with the modulation frequency of excitation light. When the emission lifetimes of the signal component and the noise component are set as τs and τn, respectively, the real part of the frequency response component of the fluorescence signal obtained from a general fluorescent material with Debye relaxation is obtained as follows. Here, ω represents an angular frequency, and ω = 2πf. H S , H n , and H represent the magnitudes of the signal component, the noise component, and the faster relaxation component among the real parts of the frequency response component. FIG. 5 illustrates a case where H n = H S / 10 and H = 0.
Figure 0005487150

すなわち、ノイズ成分は発光寿命が短く緩和周波数が高いので、励起光を変調する周波数が高くなっても、励起光と同じ周波数により発光される。図5中の一点鎖線で示すように、励起光の変調周波数と同期する検出信号は、0.1〜1000kHzで信号強度がほぼ一定となる。緩和周波数とは緩和時間の逆数で定義されたものであり、発光寿命の逆数で表される。すなわち、シグナル成分の緩和周波数fsはfs=1/τs、ノイズ成分の緩和周波数fnはfn=1/τnと表される。ノイズ成分の蛍光寿命は短いので、緩和周波数は高くなる。
これに対し、シグナル成分は緩和周波数が低いので、図5中の実線で示すように、低周波数領域(図5を例に示した場合には大体1kHz以下の領域)だと励起光の変調周波数に追随して蛍光の強弱が起こるため、励起光の変調周波数と同期する検出信号として取得できるが、高周波領域(図5を例に示した場合には大体100kHz以上の領域)だと励起光の変調周波数に追随できないので蛍光の強弱が起こらず常に光った状態となるため、励起光の変調周波数と同期する検出信号としては取得することができない。
That is, since the noise component has a short emission lifetime and a high relaxation frequency, the noise component is emitted at the same frequency as the excitation light even when the frequency for modulating the excitation light is high. As indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 5, the signal intensity of the detection signal synchronized with the modulation frequency of the excitation light is approximately constant at 0.1 to 1000 kHz. The relaxation frequency is defined by the reciprocal of the relaxation time, and is represented by the reciprocal of the light emission lifetime. That is, the relaxation frequency fs of the signal component is expressed as fs = 1 / τs, and the relaxation frequency fn of the noise component is expressed as fn = 1 / τn. Since the fluorescence lifetime of the noise component is short, the relaxation frequency becomes high.
On the other hand, since the signal component has a low relaxation frequency, as shown by the solid line in FIG. 5, the modulation frequency of the pumping light is low in the low frequency region (in the case of FIG. 5, the region is approximately 1 kHz or less). Since the intensity of fluorescence occurs following this, it can be acquired as a detection signal synchronized with the modulation frequency of the excitation light. However, in the high frequency range (in the case of FIG. Since it cannot follow the modulation frequency, the intensity of the fluorescence does not occur and the light always shines. Therefore, it cannot be acquired as a detection signal synchronized with the modulation frequency of the excitation light.

センサ部の光量を測定する場合は、図5中の点線で示すように、シグナル成分にノイズ成分が重畳された状態で検出されるが、上記の通り高周波領域にはシグナル成分は含まれないため、シグナル成分とノイズ成分の両方が含まれる低周波数領域(例えば0.1kHz)と、ノイズ成分のみが含まれる高周波数領域(例えば1000kHz)の2点で測定を行い、両者の差分を求めることでシグナル成分のみの信号を取得することができる。   When measuring the light quantity of the sensor unit, as shown by the dotted line in FIG. 5, it is detected in a state where a noise component is superimposed on the signal component, but the signal component is not included in the high frequency region as described above. By measuring at two points, a low frequency region (for example, 0.1 kHz) that includes both the signal component and the noise component, and a high frequency region (for example, 1000 kHz) that includes only the noise component, the difference between the two is obtained. A signal having only a signal component can be acquired.

この場合、シグナル成分である光標識の応答速度が遅い程、より低い周波数で励起光の変調周波数に追随できなくなるため、本発明の処理を行うにあたっては、シグナル成分とノイズ成分との分離が容易になる。従って、本発明の光学的測定方法においては、光標識として、燐光標識を用いることが好ましい。   In this case, the slower the response speed of the optical label that is the signal component, the less it becomes possible to follow the modulation frequency of the excitation light at a lower frequency. Therefore, when performing the processing of the present invention, it is easy to separate the signal component and the noise component. become. Therefore, in the optical measurement method of the present invention, it is preferable to use a phosphorescent label as the photolabel.

また、周波数変調を、励起光の強度を変調することにより行ってもよい。   Further, frequency modulation may be performed by modulating the intensity of the excitation light.

また、センサチップとして、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ものを用い、励起光の照射により金属層にプラズモンを励起して、プラズモンによって増強した光電場を発生せしめるようにしてもよい。   In addition, as the sensor chip, the sensor part has a laminated structure including a metal layer adjacent to the dielectric plate, and the plasmon is excited by irradiating excitation light to generate a photoelectric field enhanced by the plasmon. You may make it show.

この場合、周波数変調を、励起光の偏光状態を変調することにより行ってもよい。   In this case, frequency modulation may be performed by modulating the polarization state of the excitation light.

さらに、この場合、励起光が誘電体プレートに入射してからセンサ部に到達するまでに励起光に生じる複屈折の位相差に関する位相差情報を取得し、この位相差情報に基づいて、励起光に前記位相差と逆の位相差が生じるように励起光の偏光状態を制御するようにしてもよい。また、センサ部における励起光の反射光を検出し、偏光状態の変調に同期して変調する反射光の強度に基づいて、反射光の強度の最大値に対する最小値の比が最小化するように偏光状態を制御するようにしてもよい。   Furthermore, in this case, phase difference information regarding the phase difference of birefringence that occurs in the excitation light from when the excitation light enters the dielectric plate until it reaches the sensor unit is acquired, and the excitation light is obtained based on the phase difference information. The polarization state of the excitation light may be controlled so that a phase difference opposite to the phase difference is generated. In addition, the reflected light of the excitation light in the sensor unit is detected, and the ratio of the minimum value to the maximum value of the reflected light intensity is minimized based on the intensity of the reflected light modulated in synchronization with the modulation of the polarization state. The polarization state may be controlled.

本発明の光学的測定装置は、上記光学的測定方法に用いられる光学的測定装置であって、センサチップを収容するための収容部と、収容部に収容されるセンサチップのセンサ部の位置に励起光を照射する励起光照射光学系と、励起光に対して周波数変調を施すための周波数変調手段と、励起に起因して生じる光を検出する光検出手段と、光検出手段によって検出された光に基づく信号から励起光を変調する周波数に同期する成分を抽出する周波数解析手段と、低周波数計測信号と高周波数計測信号との差分を求めることでシグナル成分のみの信号を取得する演算手段とを備えることを特徴とするものである。   An optical measuring device of the present invention is an optical measuring device used in the above optical measuring method, and is provided at a position of a housing portion for housing a sensor chip and a sensor portion of the sensor chip housed in the housing portion. Excitation light irradiation optical system for irradiating excitation light, frequency modulation means for performing frequency modulation on the excitation light, light detection means for detecting light caused by excitation, and detected by the light detection means A frequency analysis means for extracting a component synchronized with a frequency for modulating the excitation light from a signal based on light, and an arithmetic means for obtaining a signal of only the signal component by obtaining a difference between the low frequency measurement signal and the high frequency measurement signal; It is characterized by providing.

本発明に光学的測定方法および光学的測定装置によれば、試料液中の被検出物質を光学的に測定する場合に、励起光を被検出物質の量に対応した値を示すシグナル成分と励起光の迷光に起因するノイズ成分の両方が同期した強度変化を示す低周波数で周波数変調してセンサ部に照射するとともに、励起に起因して生じる光から低周波数に同期する成分を抽出して低周波数計測信号を取得し、励起光をノイズ成分のみが同期した強度変化を示す高周波数で周波数変調してセンサ部に照射するとともに、励起に起因して生じる光から高周波数に同期する成分を抽出して高周波数計測信号を取得し、低周波数計測信号と高周波数計測信号との差分を求めることで、少ない測定回数と簡単な計算でシグナル成分のみの信号を取得するようにしたので、少ない負荷で、励起光の影響を排除してSN比の高い測定が可能となる。   According to the optical measurement method and the optical measurement apparatus of the present invention, when optically measuring a substance to be detected in a sample solution, excitation light is excited with a signal component indicating a value corresponding to the amount of the substance to be detected. Both the noise component due to stray light of the light is modulated at a low frequency that shows a synchronized intensity change and irradiated to the sensor unit, and the component that is synchronized with the low frequency is extracted from the light generated due to excitation. Acquires frequency measurement signal, modulates the excitation light at a high frequency showing the intensity change synchronized only with the noise component, irradiates the sensor part, and extracts the component synchronized with the high frequency from the light caused by the excitation Since the high frequency measurement signal is obtained and the difference between the low frequency measurement signal and the high frequency measurement signal is obtained, the signal of only the signal component is obtained with a small number of measurements and simple calculation. With no load, it is possible to measurement with high SN ratio by eliminating the influence of the excitation light.

本発明の光学的測定方法において、光標識として、燐光標識を用いれば、上述の通りシグナル成分とノイズ成分との分離が容易になる。   In the optical measurement method of the present invention, when a phosphorescent label is used as the light label, the signal component and the noise component can be easily separated as described above.

本発明の光学的測定装置の第1の実施形態を示す概略断面図1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of an optical measuring device of the present invention. 本発明の光学的測定装置のセンサチップを示す概略斜視図The schematic perspective view which shows the sensor chip of the optical measuring device of this invention 本発明の光学的測定装置のセンサチップを示す概略断面図Schematic sectional view showing a sensor chip of the optical measuring device of the present invention 本発明の光学的測定方法を用いたイムノアッセイ測定の工程を示す概略断面図Schematic sectional view showing steps of immunoassay measurement using the optical measurement method of the present invention 励起光を周波数変調してセンサ部に照射するとともに、変調周波数に同期して蛍光強度を測定した場合の結果を示すグラフA graph showing the results when the excitation light is frequency-modulated and applied to the sensor unit, and the fluorescence intensity is measured in synchronization with the modulation frequency. 励起光を周波数変調する際に変調素子に印加する電圧のグラフGraph of voltage applied to modulation element when frequency modulation of excitation light 本発明の光学的測定装置の第2の実施形態を示す概略断面図Schematic sectional view showing a second embodiment of the optical measuring device of the present invention 本発明の光学的測定装置の第3の実施形態を示す概略断面図Schematic sectional view showing a third embodiment of the optical measuring device of the present invention

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。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。   Hereinafter, although an embodiment of the present invention is described using a drawing, the present invention is not limited to this. In addition, for easy visual recognition, the scale of each component in the drawings is appropriately changed from the actual one.

「光学的測定装置および光学的測定方法の第1の実施形態」
本実施形態の光学的測定装置1は、図1、図2、図3および図4に示すように、流路33を形成する流路基材30、流路33の上流側に乾燥配置された燐光標識結合物質BF、および流路33内の所定領域に形成された金属膜34aを含む検出部(センサ部)38を備えるセンサチップC1と、励起光Leを出射する光源10と、流路基材30と金属膜34aとの界面で励起光Leが全反射条件を満たすように、流路基材30を通して一方の側からこの界面に励起光Leを導光する導光部材14と、励起光Leの上記界面における偏光方向を周期的に変調せしめるように、励起光Leの偏光状態を制御する偏光変調素子11と、偏光方向の変調の周期の基となる電圧の周期クロックを生成するファンクションジェネレータ(FG)21と、このFG21に生成された電圧の周期クロックに応じて偏光変調素子11を駆動する偏光変調素子ドライバ22と、上記界面に関して他方の側に配置された、励起に起因して検出部38または検出部39から生じる信号光を検出する光検出器23と、偏光方向の変調の周期に同期した信号成分のみを検出する周波数解析部24と、周波数解析部24で得られた信号について演算を行う演算部25と、装置全体をコントロールする制御部20とを備えるものである。ここで、上記金属膜34aの表面には、試料中の被検物質Aと特異的に結合する物質B1(特異的結合物質)が固定されている。
“First Embodiment of Optical Measuring Device and Optical Measuring Method”
As shown in FIGS. 1, 2, 3, and 4, the optical measuring device 1 of the present embodiment is disposed in a dry manner on the upstream side of the flow path base material 30 that forms the flow path 33 and the flow path 33. A sensor chip C1 including a phosphorescent label binding substance BF and a detection unit (sensor unit) 38 including a metal film 34a formed in a predetermined region in the channel 33, a light source 10 that emits excitation light Le, a channel group A light guide member 14 for guiding the excitation light Le from one side through the flow path base material 30 to the interface so that the excitation light Le satisfies the total reflection condition at the interface between the material 30 and the metal film 34a; A polarization modulation element 11 that controls the polarization state of the excitation light Le so as to periodically modulate the polarization direction at the interface of Le, and a function generator that generates a periodic clock of a voltage that is a basis of the modulation period of the polarization direction (FG) 21 and this From the polarization modulation element driver 22 that drives the polarization modulation element 11 according to the periodic clock of the voltage generated in the FG 21, and the detection unit 38 or the detection unit 39 that is arranged on the other side with respect to the interface, due to excitation. A photodetector 23 for detecting the generated signal light, a frequency analysis unit 24 for detecting only a signal component synchronized with the period of modulation in the polarization direction, and a calculation unit 25 for calculating a signal obtained by the frequency analysis unit 24 And a control unit 20 for controlling the entire apparatus. Here, a substance B1 (specific binding substance) that specifically binds to the test substance A in the sample is fixed on the surface of the metal film 34a.

センサチップC1は、図2および図3に示すように、所定領域に金属膜34a・34bを有する上方が開放した流路33を備える流路基材(誘電体プレート)30と、この流路基材30上に流路33の上面を形成するように装着される蓋部材32とを備えている。ここで、図2は、本実施形態に係るチップC1の全体構成を示す概略斜視図であり、図3は、図2中チップC1の金属膜34aを通るz−x平面における概略断面図である。   As shown in FIGS. 2 and 3, the sensor chip C1 includes a flow path substrate (dielectric plate) 30 having a flow path 33 having metal films 34a and 34b open in a predetermined region and an open top, and the flow path base. And a lid member 32 mounted on the material 30 so as to form the upper surface of the flow path 33. Here, FIG. 2 is a schematic perspective view showing the entire configuration of the chip C1 according to this embodiment, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view in the zx plane passing through the metal film 34a of the chip C1 in FIG. .

流路基材30は、被検物質Aを含む試料等を流すための流路33、励起光Leを流路基材30内部へ透過させるための透過面30b、およびこの透過面30bをキズや汚れから保護する保護部30aが形成されたものである。本実施形態では、流路基材(誘電体プレート)30がプリズムとしての機能も果たしている(つまり、流路基材(誘電体プレート)30全体がプリズムを兼ねており、プリズム部の明確な境界はない)。流路基材30の材料は、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。流路基材30は、樹脂から形成されたものが望ましく、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)、ポリスチレン、およびゼオネックス(登録商標)等の樹脂を用いることがより望ましい。   The flow path base material 30 includes a flow path 33 for flowing a sample containing the test substance A, a transmission surface 30b for transmitting the excitation light Le into the flow path base material 30, and the transmission surface 30b. A protective portion 30a that protects against dirt is formed. In this embodiment, the flow path base material (dielectric plate) 30 also functions as a prism (that is, the entire flow path base material (dielectric plate) 30 also serves as a prism, and a clear boundary between the prism portions). Not) The material of the channel substrate 30 is formed from a transparent material such as transparent resin or glass, for example. The channel substrate 30 is preferably formed from a resin. In this case, polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), amorphous polyolefin (APO) containing cycloolefin, polystyrene, and ZEONEX (registered) It is more desirable to use a resin such as a trademark.

流路33は、流路基材30上に形成されたコ文字型の溝に蓋をするように、蓋部材32が流路基材30に装着されることにより形成される。本明細書において、流路の幅および高さ(いずれも試料の進行方向と垂直な方向の長さ)は、特に限定されない。さらに、流路33の両端には液下用或いは廃液用の液溜めが形成されている。また、流路33の所定領域には、検出部(センサ部)38・39をそれぞれ構成する金属膜34a・34bが形成されている。本実施形態では、測定用として金属膜34aを、リファレンス用として金属膜34bを設けている。ただし、検出部は、測定用の検出部38が1つあればよく、上記のようなリファレンス用の検出部39は必ずしも必要ではない。金属膜34a・34bの材料としては、特に制限されるものではなく、例えばプラズモンを効率よく誘起する観点から、Au,Ag,Cu,Pt,Ni,Ti等が挙げられ、電場増強効果の高いAu,Ag等が特に好ましい。金属膜34a・34bの厚みは、金属膜34a・34bの材料と、励起光Le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望ましい。例えば、励起光Leとして780nmに中心波長を有するレーザ光を用い、金属膜34a・34bとしてAu膜を用いる場合、金属膜34a・34bの厚みは50nm±5nmが好適である。   The flow path 33 is formed by attaching the lid member 32 to the flow path base material 30 so as to cover the U-shaped groove formed on the flow path base material 30. In the present specification, the width and height of the flow channel (both lengths in the direction perpendicular to the traveling direction of the sample) are not particularly limited. Furthermore, a liquid reservoir for submerged or waste liquid is formed at both ends of the flow path 33. Further, metal films 34 a and 34 b constituting the detection units (sensor units) 38 and 39 are formed in predetermined regions of the flow path 33. In the present embodiment, a metal film 34a is provided for measurement and a metal film 34b is provided for reference. However, the detection unit need only have one measurement detection unit 38, and the reference detection unit 39 as described above is not necessarily required. The material of the metal films 34a and 34b is not particularly limited, and examples thereof include Au, Ag, Cu, Pt, Ni, Ti and the like from the viewpoint of efficiently inducing plasmons, and Au having a high electric field enhancing effect. , Ag and the like are particularly preferable. The thicknesses of the metal films 34a and 34b are preferably determined as appropriate so that the surface plasmon is strongly excited by the material of the metal films 34a and 34b and the wavelength of the excitation light Le. For example, when a laser beam having a center wavelength of 780 nm is used as the excitation light Le and an Au film is used as the metal films 34a and 34b, the thickness of the metal films 34a and 34b is preferably 50 nm ± 5 nm.

蓋部材32は、流路基材30に装着することにより流路33の上面を形成するためのものである。また、蓋部材32は、液下用の液溜めに接続する試料等を流下するための注入口35a、および廃液用の液溜めに接続する空気等を抜くための空気孔35bを有している。蓋部材32の材料としては、前述した流路基材30と同様の材料を用いることができる。蓋部材32は、上記金属膜が形成されたあとに、超音波融着等により装着される。   The lid member 32 is for forming the upper surface of the flow path 33 by being attached to the flow path base material 30. The lid member 32 has an inlet 35a for flowing down a sample or the like connected to a liquid reservoir for submerging, and an air hole 35b for removing air or the like connected to a liquid reservoir for waste liquid. . As the material of the lid member 32, the same material as that of the flow path base material 30 described above can be used. The lid member 32 is attached by ultrasonic fusion or the like after the metal film is formed.

光源10は、例えばレーザ光源等でもよく、特に制限はないが、検出条件に応じて適宜選択することができる。また、光源10は、前述のように、センサチップC1の流路基材30と金属膜34aとの界面で、励起光Leが全反射すると共に金属膜34aで表面プラズモン共鳴する共鳴角で入射するように配置されている。なお、励起光Leは、一般的に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 light source 10 may be, for example, a laser light source and is not particularly limited, but can be appropriately selected according to detection conditions. Further, as described above, the light source 10 totally reflects the excitation light Le at the interface between the flow path base material 30 of the sensor chip C1 and the metal film 34a, and is incident at a resonance angle that causes surface plasmon resonance at the metal film 34a. Are arranged as follows. The excitation light Le is generally incident on the interface with p-polarized light so as to induce surface plasmons.

導光部材14は、流路基材30と金属膜34aとの界面で励起光Leが全反射条件を満たすように、励起光Leをこの界面に導光するものであれば特に制限されるものではなく、レンズやミラー等を使用することができる。   The light guide member 14 is particularly limited as long as it guides the excitation light Le to this interface so that the excitation light Le satisfies the total reflection condition at the interface between the flow path base material 30 and the metal film 34a. Instead, a lens, a mirror, or the like can be used.

偏光変調素子11、ファンクションジェネレータ(FG)21、および偏光変調素子ドライバ22は、これら全体で本発明における周波数変調手段として機能している。この周波数変調手段によって、流路基材30と金属膜34aとの界面における励起光Leの偏光方向がFG21から出力される信号と同一の周期で変更される。本実施形態の偏光変調素子11は、電圧制御によって励起光Leの偏光状態を制御するための素子であり、具体的には、図6に示すように、第1の電圧が入力された場合は励起光Leの偏光方向をp偏光とし、第2の電圧が入力された場合は励起光Leの偏光方向をs偏光とする素子である。このようなものとして電気光学効果を用いたポッケルスセルが挙げられる。しかし、偏光変調素子11は、これに限定されず、λ/2波長板やλ/4波長板、偏光版、バビネソレイユ板、および特開2006−330105に示されているような近接場を利用した偏光変調素子等でもよい。偏光方向の変調波形(より具体的には、p偏光成分(もしくはs偏光成分)の変調波形)は、図6に示すように第1の電圧と第2の電圧とが切り替わる矩形波状であってもよいし正弦波状であってもよい。例えば、ポッケルスセルを矩形波状の電圧で制御する場合には前者となり、波長板を回転させる場合には後者となる。FG21は、制御部20からトリガーを受信し、制御部20に指定された波形に従って、偏光方向の変調波形の基となる電圧の周期クロック(電圧の変調波形)を生成して偏光変調素子11に出力するものであり、特に限定されるものではなく、他の波形発生器等でもよい。また、FG21は、偏光変調素子に出力する電圧の周期クロックと同一の周期を有する参照信号を周波数解析部24へ出力する。FG21により生成される電圧の変調波形は、矩形波状、正弦波状等適宜設定することができる。偏光変調素子ドライバ22は、FG21に接続されており、FG21が発する信号の波形に従って偏光変調素子11を駆動するものである。ただし、偏光方向の変調は必ずしも周期的である必要はない。   The polarization modulation element 11, the function generator (FG) 21, and the polarization modulation element driver 22 function as frequency modulation means in the present invention as a whole. By this frequency modulation means, the polarization direction of the excitation light Le at the interface between the flow path base material 30 and the metal film 34a is changed with the same period as the signal output from the FG 21. The polarization modulation element 11 of the present embodiment is an element for controlling the polarization state of the excitation light Le by voltage control. Specifically, as shown in FIG. 6, when a first voltage is input, In this element, the polarization direction of the excitation light Le is p-polarized light, and when the second voltage is input, the polarization direction of the excitation light Le is s-polarized light. As such, a Pockels cell using an electro-optic effect can be mentioned. However, the polarization modulation element 11 is not limited to this, and uses a λ / 2 wavelength plate, a λ / 4 wavelength plate, a polarizing plate, a Babinesoleil plate, and a near field as disclosed in JP-A-2006-330105. A polarized light modulation element or the like may be used. The modulation waveform in the polarization direction (more specifically, the modulation waveform of the p-polarized component (or s-polarized component)) is a rectangular waveform in which the first voltage and the second voltage are switched as shown in FIG. Alternatively, it may be sinusoidal. For example, when the Pockels cell is controlled with a rectangular wave voltage, the former is used, and when the wave plate is rotated, the latter is used. The FG 21 receives a trigger from the control unit 20, generates a periodic clock (voltage modulation waveform) of a voltage that is a basis of the modulation waveform in the polarization direction according to the waveform specified by the control unit 20, and supplies the polarization modulation element 11 with the cycle clock. The output is not particularly limited, and other waveform generators may be used. Further, the FG 21 outputs a reference signal having the same cycle as the cycle clock of the voltage output to the polarization modulation element to the frequency analysis unit 24. The modulation waveform of the voltage generated by the FG 21 can be appropriately set such as a rectangular wave shape or a sine wave shape. The polarization modulation element driver 22 is connected to the FG 21 and drives the polarization modulation element 11 according to the waveform of a signal generated by the FG 21. However, the modulation of the polarization direction is not necessarily periodic.

光検出器23は、試料中に含まれる燐光標識Fが励起されて発する燐光Lfを定量的に検出するものであればよく、検出条件に応じて適宜選択することができ、CCD、PD(フォトダイオード)、光電子増倍管、c−MOS等を用いることができる。また、光検出器23は、励起光の迷光として励起に起因して生じる散乱光や反射光(図示せず)も検出する。励起光の散乱光や反射光は、燐光Lfと混在して検出されるためノイズ成分となる。   The photodetector 23 only needs to quantitatively detect the phosphorescence Lf emitted when the phosphorescent label F contained in the sample is excited, and can be appropriately selected according to the detection conditions. A diode), a photomultiplier tube, a c-MOS, or the like can be used. The light detector 23 also detects scattered light and reflected light (not shown) caused by excitation as stray light of excitation light. Since the scattered light and reflected light of the excitation light are detected together with the phosphorescence Lf, they become noise components.

周波数解析部24は、FG21から出力される参照信号を受信し、FG21から偏光変調素子11に出力される電圧の周期クロックの周期に同期する信号成分、すなわち電圧の周期クロックと同一の周期で変動する信号成分のみを検出するものであり、例えば、ロックインアンプ等を用いることができる。   The frequency analysis unit 24 receives the reference signal output from the FG 21, and varies with a signal component synchronized with the period of the period clock of the voltage output from the FG 21 to the polarization modulation element 11, that is, with the same period as the period clock of the voltage. For example, a lock-in amplifier or the like can be used.

演算部25は、後述の通り、周波数解析部24で得られた低周波数計測信号と高周波数計測信号との差分を求めるものである。   As will be described later, the calculation unit 25 calculates a difference between the low frequency measurement signal and the high frequency measurement signal obtained by the frequency analysis unit 24.

制御部20は、本装置上の各構成の動作内容を制御すると共に各動作のタイミング制御を行っている。また、この制御部20によって、FG21の波形発生と周波数解析部24の信号受信のタイミングを制御することにより、制御部20は、FG21と周波数解析部24との同期をとる同期制御手段とすることもできる。   The control unit 20 controls the operation content of each component on the apparatus and controls the timing of each operation. Further, the control unit 20 controls the timing of waveform generation of the FG 21 and the signal reception timing of the frequency analysis unit 24, so that the control unit 20 is a synchronization control unit that synchronizes the FG 21 and the frequency analysis unit 24. You can also.

一方、本実施形態の光学的測定方法は、上記測定装置1を用い、被検物質Aを含有する試料をセンサチップC1に滴下し、試料を乾燥配置された燐光標識結合物質BFと接触せしめながら検出部38まで流下せしめ、流路基材30と金属膜34aとの界面で励起光Leが全反射条件を満たすように、流路基材30を通して一方の側からこの界面に励起光Leを導光せしめ、被検物質Aの量に対応した値を示すシグナル成分と励起光Leの迷光に起因するノイズ成分の両方が検出対象となる低周波数で励起光Leの上記界面における偏光方向を周期的に変調せしめて励起光Leを検出部38に照射するとともに、計測した光からこの低周波数に同期する成分を抽出して低周波数計測信号を取得し、ノイズ成分のみが検出対象となる高周波数で励起光Leの上記界面における偏光方向を周期的に変調せしめて励起光Leを検出部38に照射するとともに、計測した光からこの高周波数に同期する成分を抽出して高周波数計測信号を取得し、低周波数計測信号と高周波数計測信号との差分を求めることで、被検物質Aの存在および/または量を測定することを特徴とするものである。   On the other hand, in the optical measurement method of the present embodiment, the sample containing the test substance A is dropped onto the sensor chip C1 using the measurement apparatus 1, and the sample is brought into contact with the phosphorescent label binding substance BF disposed in a dry state. The detection light is allowed to flow down to the detection unit 38, and the excitation light Le is guided from one side to the interface through the flow path base material 30 so that the excitation light Le satisfies the total reflection condition at the interface between the flow path base material 30 and the metal film 34a. Both the signal component showing a value corresponding to the amount of the test substance A and the noise component caused by the stray light of the excitation light Le are periodically detected, and the polarization direction at the interface of the excitation light Le is periodically changed at a low frequency. In addition to irradiating the excitation unit Le with the excitation light Le and extracting the component synchronized with the low frequency from the measured light to obtain a low frequency measurement signal, only the noise component is detected at a high frequency. Encouragement The polarization direction at the interface of the light Le is periodically modulated to irradiate the detection unit 38 with the excitation light Le, and a component synchronized with the high frequency is extracted from the measured light to obtain a high frequency measurement signal, The presence and / or amount of the test substance A is measured by obtaining a difference between the low-frequency measurement signal and the high-frequency measurement signal.

以下、例えば、被検物質として抗原Aを含む試料Soから、抗原Aを検出する本実施形態における蛍光法について詳細に説明する。本実施形態の蛍光法は、後述するサンドイッチ法によるアッセイを行うことによって、1次抗体B1、抗原Aおよび2次抗体B2を介して金属膜34a上に燐光標識Fを固定し、次に光源10より発せられる励起光LeをセンサチップC1の流路基材30と金属膜34a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して、エバネッセント波を励起し、このエバネッセント波と金属膜34a中の自由電子とを共鳴させることにより金属膜34a中に表面プラズモンを発生させ、この表面プラズモンによる増強電場Ewで燐光標識Fを励起して燐光Lfを生じせしめ、この燐光Lfを光検出器23で検出して、その燐光量を周波数解析部24で処理するものである。   Hereinafter, for example, the fluorescence method in the present embodiment for detecting the antigen A from the sample So containing the antigen A as the test substance will be described in detail. In the fluorescence method of the present embodiment, the phosphorescent label F is immobilized on the metal film 34a via the primary antibody B1, the antigen A, and the secondary antibody B2 by performing an assay by the sandwich method described later, and then the light source 10 Excitation light Le emitted from the sensor chip C1 is incident on the interface between the channel substrate 30 and the metal film 34a of the sensor chip C1 at a specific incident angle equal to or greater than the total reflection angle to excite the evanescent wave. By resonating with free electrons in the metal film 34a, surface plasmons are generated in the metal film 34a, and the phosphorescent label F is excited by the enhanced electric field Ew by the surface plasmons to generate phosphorescence Lf. The amount of phosphorus detected by the detector 23 is processed by the frequency analysis unit 24.

ここで、以上の例では、燐光検出によって実際に存在が確認されるのは燐光標識Fであるが、この燐光標識Fは抗原Aがなければ金属膜34a上に固定されないものと考えて、この燐光標識Fの存在を確認することにより、間接的に抗原Aの存在を確認している。   Here, in the above example, it is the phosphorescent label F that is actually confirmed by phosphorescence detection, but it is considered that this phosphorescent label F is not fixed on the metal film 34a without the antigen A. By confirming the presence of phosphorescent label F, the presence of antigen A is indirectly confirmed.

1次抗体B1は、本実施形態における特異的結合物質であり、特に制限なく、検出条件(特に被検物質)に応じて適宜選択することができる。例えば、抗原がCRP抗原(分子量11万 Da)の場合、この抗原と特異的に結合するモノクロナール抗体(2次抗体B2と少なくともエピトープが異なる)等を用いることができ、既存の技術を用いて金属膜34a上に固定することができる。   The primary antibody B1 is a specific binding substance in the present embodiment, and can be appropriately selected according to detection conditions (especially a test substance) without particular limitation. For example, when the antigen is a CRP antigen (molecular weight 110,000 Da), a monoclonal antibody that specifically binds to this antigen (at least an epitope different from the secondary antibody B2) can be used. It can be fixed on the metal film 34a.

燐光標識結合物質BFは、燐光標識Fおよびこれに修飾化された2次抗体B2からなる。燐光標識Fは、励起光Leが金属膜34aで全反射して発生する表面プラズモン増強電場Ewによって励起されて所定波長の燐光Lfを発するものであり、特に制限なく、測定条件(被検物質や励起光の波長)に応じて適宜選択することができる。例えば、エオシンやオーラミンの他にも、希土類蛍光錯体や遷移金属蛍光錯体等を用いることができる。   The phosphorescent label-binding substance BF is composed of the phosphorescent label F and the secondary antibody B2 modified thereto. The phosphorescent label F is excited by the surface plasmon-enhanced electric field Ew generated when the excitation light Le is totally reflected by the metal film 34a and emits phosphorescence Lf having a predetermined wavelength. The wavelength can be appropriately selected according to the wavelength of the excitation light. For example, in addition to eosin and auramine, rare earth fluorescent complexes and transition metal fluorescent complexes can be used.

増強電場Ewは、金属膜34a中に発生する表面プラズモンによって形成される電場であって、金属膜34a上の局所的な領域に発生する、通常のエバネッセント波よりも増強された電場である。この増強電場Ewによって、標識から発せられる燐光等の信号の強度を増幅することができる。表面プラズモンは、エバネッセント波と金属膜34a中の自由電子とを共鳴させることにより金属膜34a中に発生せしめられる。   The enhanced electric field Ew is an electric field formed by surface plasmons generated in the metal film 34a, and is an electric field which is generated in a local region on the metal film 34a and is stronger than a normal evanescent wave. The intensity of the signal such as phosphorescence emitted from the label can be amplified by the enhanced electric field Ew. The surface plasmon is generated in the metal film 34a by resonating the evanescent wave and the free electrons in the metal film 34a.

燐光標識Fを金属膜34aに固定するためのサンドイッチ法によるアッセイは、例えば以下に示す手順により行われる。血液(全血)中に被検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場合について図4を参照して説明する。また、以下の手順において、標識2次抗体BF(2次抗体B2と燐光標識Fとの燐光標識結合物質)が流路33の検出部上流側に乾燥状態で配置されたセンサチップC1を用いている。
step1:注入口35a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4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36により濾過され、赤血球、白血球等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36で血球分離された血液S(血漿)が毛細管現象で流路33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4において血漿Sは斜線領域で示している。
step3:流路33に染み出した血漿Sと、流路33の検出部上流側に乾燥状態で配置された標識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。
step4:血漿Sは流路33に沿って空気孔35b側へと徐々に流れ、標識2次抗体BFと結合した抗原Aが、測定用の検出部38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構造が形成される。
step5:抗原Aと結合しなかった標識2次抗体BFの一部は、リファレンス用の検出部39上に固定されている抗体であって、上記2次抗体B2と特異的結合性のある1次抗体B0と結合する。さらに、1次抗体B0と結合しなかった標識2次抗体BFが検出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、検出部上に浮遊している標識2次抗体BFを洗い流す。
The assay by the sandwich method for fixing the phosphorescent label F to the metal film 34a is performed, for example, according to the following procedure. Whether or not an antigen as a test substance is contained in blood (whole blood) will be described with reference to FIG. Further, in the following procedure, a sensor chip C1 in which a labeled secondary antibody BF (phosphorescent label binding substance of the secondary antibody B2 and phosphorescent label F) is disposed in a dry state upstream of the detection part of the flow path 33 is used. Yes.
Step 1: Blood (whole blood) So to be examined is injected from the injection port 35a. Here, the case where the antigen A which is a test substance is contained in this blood So is demonstrated. In FIG. 4, blood So is indicated by a shaded area.
step 2: The blood So is filtered by the membrane filter 36, and large molecules such as red blood cells and white blood cells become residues. Subsequently, blood S (plasma) separated by blood membranes by the membrane filter 36 oozes out into the flow path 33 by capillary action. Alternatively, in order to accelerate the reaction and shorten the detection time, a pump may be connected to the air hole, and the plasma S may be caused to flow down by pump suction and push-out operations. In FIG. 4, the plasma S is indicated by a hatched area.
step 3: The plasma S that has oozed into the flow path 33 and the labeled secondary antibody BF disposed in a dry state upstream of the detection section of the flow path 33 are mixed, and the antigen A in the plasma S is labeled with the labeled secondary antibody BF. Combine with.
Step 4: The plasma S gradually flows along the flow path 33 toward the air hole 35b, and the antigen A bound to the labeled secondary antibody BF is combined with the primary antibody B1 fixed on the detection unit 38 for measurement. The so-called sandwich structure in which the antigen A is sandwiched between the primary antibody B1 and the labeled secondary antibody BF is formed.
step 5: A part of the labeled secondary antibody BF that has not bound to the antigen A is an antibody immobilized on the reference detection unit 39, and has a specific binding property with the secondary antibody B2. It binds to antibody B0. Furthermore, even if the labeled secondary antibody BF that has not been bound to the primary antibody B0 may remain on the detection unit, the subsequent plasma plays a role of washing, and the label 2 that floats on the detection unit Wash off secondary antibody BF.

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Step5の後、前述したように上記の装置1において、測定用の検出部38からの信号光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、リファレンス用の検出部39からの信号光を検出できるようにセンサチップC1を移動させ、同様に、リファレンス用の検出部39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を固定しているリファレンス用の検出部39からの信号光は、標識2次抗体BFの流下した量、活性等の反応条件を反映した信号光であると考えられる。したがって、この信号光をリファレンスとして、測定用の検出部38からの信号光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、リファレンス用の検出部39に既知量の標識物質(蛍光標識、金属微粒子等)をあらかじめ固定しておき、リファレンス用の検出部39からの信号光をリファレンスとして測定用の検出部38からの信号光を補正してもよい。   As described above, after step 1 to step 5 until blood is injected from the injection port and the antigen is combined with the primary antibody and the secondary antibody, as described above, in the apparatus 1 described above, By detecting the signal light, the presence and / or concentration of the antigen can be detected with high sensitivity. Thereafter, the sensor chip C1 is moved so that the signal light from the reference detection unit 39 can be detected, and similarly, the detection signal from the reference detection unit 39 is detected. The signal light from the reference detection unit 39 fixing the primary antibody B0 that binds to the labeled secondary antibody BF is a signal light that reflects reaction conditions such as the amount and activity of the labeled secondary antibody BF. It is believed that there is. Therefore, a more accurate detection result can be obtained by correcting the signal light from the measurement detection unit 38 using this signal light as a reference. In addition, a known amount of a labeling substance (fluorescent label, metal fine particle, etc.) is fixed in advance to the reference detection unit 39, and the signal light from the reference detection unit 39 is used as a reference from the measurement detection unit 38. The signal light may be corrected.

以下、本実施形態の光学的測定装置および方法の作用を詳細に説明する。
本実施形態においては、シグナル成分とノイズ成分の両方が検出対象となる低周波数として0.1kHz、ノイズ成分のみが検出対象となる高周波数として1000kHzの変調周波数で偏光変調素子11を制御した場合について説明する。なお、これらの周波数は上記に限るものではなく、使用する燐光標識の特性を考慮して、シグナル成分とノイズ成分の分離が可能な範囲で、適切なものを選択すればよい。
Hereinafter, the operation of the optical measurement apparatus and method of the present embodiment will be described in detail.
In the present embodiment, the polarization modulation element 11 is controlled at a modulation frequency of 0.1 kHz as a low frequency for which both the signal component and the noise component are to be detected, and as a high frequency for which only the noise component is to be detected. explain. Note that these frequencies are not limited to the above, and an appropriate frequency may be selected within a range in which a signal component and a noise component can be separated in consideration of characteristics of a phosphorescent label to be used.

まず、偏光変調素子11によって0.1kHzの変調周波数で偏光状態が制御された励起光Leは、流路基材30を透過し、流路基材30と金属膜34aとの界面に照射される。このとき、偏光方向の変調の周期の中で、上記界面における励起光Leの偏光状態がp偏光になったとき、励起光Leは表面プラズモンとカップリングして、金属膜34a上に増強電場Ewが発生する。一方、上記界面における励起光Leの偏光状態がs偏光になったとき、励起光Leは表面プラズモンとカップリングしないので、増強電場は発生しない。そして、表面プラズモンの増強電場Ewによって励起された、検出対象信号成分である燐光標識Fからの燐光Lfは光検出器23によって検出される。燐光標識Fの発光時間は、変調周波数が0.1kHzの場合に励起光Leがs偏光となる1期間より短い。そのため、燐光標識Fは、励起光Leが再度p偏光となって励起される前に発光が終わり、励起光Leが再度p偏光となった時に再び発光する。つまり、燐光Lfは励起光Leの周波数と同じ周波数0.1kHzで変動する。また、表面プラズモン増強電場Ew内に励起光を散乱する散乱体が存在した場合、その散乱体による励起光Leの迷光等のノイズ成分も、表面プラズモン増強電場Ewが発生した時に大きく、表面プラズモン増強電場Ewが無い時は小さい。つまり、表面プラズモン増強電場Ew内に存在する散乱体による励起光Leの迷光は、励起光Leと同じ周波数0.1kHzで変動して光検出器23によって検出される。また、励起に起因して発生する自家蛍光も表面プラズモン増強電場Ewが発生している時のみ大きいため、励起光Leと同じ周波数0.1kHzで変動する。光検出器23によって検出された光量に基づいて光検出器23から周波数解析部24へ信号が送信され、送信された信号から周波数解析部24によって周波数0.1kHzに同期する成分が検出される。このとき検出された信号(低周波数計測信号)には、被検物質Aの量に対応した値を示すシグナル成分と、表面プラズモン増強電場Ew内に存在する散乱体による励起光Leの迷光や自家蛍光等のノイズ成分の両方が含まれる。   First, the excitation light Le, the polarization state of which is controlled by the polarization modulation element 11 at a modulation frequency of 0.1 kHz, passes through the flow path base material 30 and is irradiated to the interface between the flow path base material 30 and the metal film 34a. . At this time, when the polarization state of the excitation light Le at the interface becomes p-polarized light within the period of modulation of the polarization direction, the excitation light Le is coupled with the surface plasmon, and the enhanced electric field Ew on the metal film 34a. Will occur. On the other hand, when the polarization state of the excitation light Le at the interface becomes s-polarized light, the excitation light Le does not couple with the surface plasmon, and therefore no enhanced electric field is generated. The phosphor Lf from the phosphorescent label F, which is a signal component to be detected, excited by the enhanced electric field Ew of the surface plasmon is detected by the photodetector 23. The emission time of the phosphorescent label F is shorter than one period in which the excitation light Le is s-polarized when the modulation frequency is 0.1 kHz. Therefore, the phosphorescent label F stops emitting before the excitation light Le is excited again as p-polarized light, and emits again when the excitation light Le becomes p-polarized again. That is, the phosphorescence Lf fluctuates at the same frequency of 0.1 kHz as the excitation light Le. In addition, when there is a scatterer that scatters excitation light in the surface plasmon enhanced electric field Ew, noise components such as stray light of the excitation light Le generated by the scatterer are large when the surface plasmon enhanced electric field Ew is generated. It is small when there is no electric field Ew. That is, the stray light of the excitation light Le caused by the scatterer existing in the surface plasmon enhanced electric field Ew fluctuates at the same frequency of 0.1 kHz as the excitation light Le and is detected by the photodetector 23. In addition, since the autofluorescence generated due to excitation is large only when the surface plasmon enhanced electric field Ew is generated, it fluctuates at the same frequency of 0.1 kHz as the excitation light Le. A signal is transmitted from the photodetector 23 to the frequency analysis unit 24 based on the amount of light detected by the photodetector 23, and a component synchronized with the frequency of 0.1 kHz is detected by the frequency analysis unit 24 from the transmitted signal. The signal (low-frequency measurement signal) detected at this time includes a signal component indicating a value corresponding to the amount of the test substance A, stray light of excitation light Le caused by scatterers existing in the surface plasmon enhanced electric field Ew, and private Both noise components such as fluorescence are included.

次に、偏光変調素子11によって1000kHzの変調周波数で偏光状態が制御された励起光Leは、流路基材30を透過し、流路基材30と金属膜34aとの界面に照射される。上記と同様に、表面プラズモンの増強電場Ewによって励起された、検出対象信号成分である燐光標識Fからの燐光Lfは光検出器23によって検出される。燐光標識Fの発光時間は、変調周波数が1000kHzの場合に励起光Leがs偏光となる1期間より長い。そのため、燐光標識Fは、発光時間が終了する前に再度励起され、常に光った状態となる。従って、燐光Lfは周波数1000kHzで変動しない。一方、表面プラズモン増強電場Ew内に存在する散乱体による励起光Leの迷光等のノイズ成分は、励起光Leと同じ周波数1000kHzで変動して光検出器23によって検出される。光検出器23によって検出された光量に基づいて光検出器23から周波数解析部24へ信号が送信され、送信された信号から周波数解析部24によって周波数1000kHzに同期する成分が検出される。燐光Lfは周波数1000kHzに同期して変動する信号ではないため、このとき検出された信号(高周波数計測信号)には、表面プラズモン増強電場Ew内に存在する散乱体による励起光Leの迷光や自家蛍光等のノイズ成分のみが含まれる。   Next, the excitation light Le, the polarization state of which is controlled by the polarization modulator 11 at a modulation frequency of 1000 kHz, passes through the flow path base material 30 and is irradiated to the interface between the flow path base material 30 and the metal film 34a. Similarly to the above, the phosphorescence Lf from the phosphorescent label F, which is the signal component to be detected, excited by the enhanced electric field Ew of the surface plasmon is detected by the photodetector 23. The emission time of the phosphorescent label F is longer than one period in which the excitation light Le is s-polarized when the modulation frequency is 1000 kHz. Therefore, the phosphorescent label F is excited again before the end of the light emission time, and is always in a lighted state. Therefore, the phosphorescence Lf does not vary at a frequency of 1000 kHz. On the other hand, noise components such as stray light of the excitation light Le caused by the scatterers present in the surface plasmon enhanced electric field Ew fluctuate at the same frequency 1000 kHz as the excitation light Le and are detected by the photodetector 23. A signal is transmitted from the photodetector 23 to the frequency analysis unit 24 based on the amount of light detected by the photodetector 23, and a component synchronized with the frequency of 1000 kHz is detected by the frequency analysis unit 24 from the transmitted signal. Since the phosphorescence Lf is not a signal that fluctuates in synchronization with the frequency of 1000 kHz, the detected signal (high frequency measurement signal) includes stray light of the excitation light Le caused by scatterers existing in the surface plasmon enhanced electric field Ew, and private Only noise components such as fluorescence are included.

そして演算部25によって、低周波数計測信号と高周波数計測信号との差分を求めることで、被検物質Aの存在および/または量が求められる。   And the presence and / or quantity of the to-be-tested substance A are calculated | required by calculating | requiring the difference of a low frequency measurement signal and a high frequency measurement signal by the calculating part 25. FIG.

以上のように、本実施形態に係る光学的測定装置は、特に周波数変調手段、周波数解析部および演算部を備えることにより、少ない測定回数と簡単な計算で、表面プラズモン増強電場Ew内に存在する散乱体による励起光Leの迷光や自家蛍光等の影響を排除してSN比の高い測定が可能となる。   As described above, the optical measurement apparatus according to the present embodiment is provided in the surface plasmon enhanced electric field Ew with a small number of measurements and simple calculation, particularly by including the frequency modulation means, the frequency analysis unit, and the calculation unit. Measurement with a high S / N ratio is possible by eliminating the influence of stray light, autofluorescence, etc. of the excitation light Le by the scatterer.

(第1の実施形態の設計変更)
上記実施形態においては、抗原Aの標識として燐光標識物質を用いたが、標識としてはその他の光応答性標識(例えば、蛍光等の標識)を用いてもよい。
(Design change of the first embodiment)
In the above embodiment, a phosphorescent labeling substance is used as a label for antigen A, but other photoresponsive label (for example, a label such as fluorescence) may be used as the label.

偏光変調素子の前後に、λ/2波長板、λ/4波長板、偏光版、バビネソレイユ板等の偏光状態を調整するための素子を加えてもよい。   Elements for adjusting the polarization state, such as a λ / 2 wavelength plate, a λ / 4 wavelength plate, a polarizing plate, and a Babinet Soleil plate, may be added before and after the polarization modulation element.

金属膜に照射される測定光がさまざまな角度成分を含むように、測定光に集光レンズを通過させることが、金属膜の被検物質の吸着量が変動しても表面プラズモンを励起できるために好ましい。しかし、集光レンズがあることは本発明の本質的な部分ではないため、必ずしも必要ではない。また、必要に応じて複数の集光レンズを用いて、測定光の状態を調整してもよい。   By passing the condensing lens through the measurement light so that the measurement light applied to the metal film contains various angle components, surface plasmons can be excited even if the amount of adsorption of the test substance on the metal film varies. Is preferable. However, the presence of a condensing lens is not essential since it is not an essential part of the present invention. Moreover, you may adjust the state of measurement light using a some condensing lens as needed.

上記実施形態においては、免疫反応を利用したサンドイッチ法を例に説明したが、これに限られず、アビジン−ビオチン反応やDNA反応等を利用したもの、または競合法等を利用したものでも本発明を適用することが可能である。   In the above embodiment, the sandwich method using an immune reaction has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to a method using an avidin-biotin reaction or a DNA reaction, or a method using a competition method or the like. It is possible to apply.

上記実施形態においては、本発明を表面プラズモン増強蛍光法に応用した例を示したが、エバネッセント蛍光法に応用することも可能である。エバネッセント蛍光法では、図1に示す装置の流路基材30から金属膜34aを外せばよく、またこの場合には、励起光Leは偏光変調によっても測定することができるが、強度変調させることが好ましい。励起光Leを強度変調する場合は、励起光のオンオフを周期的に行うことがより好ましい。また、表面プラズモン増強蛍光法においても励起光Leを強度変調させてもよい。励起光Leを強度変調すると、表面プラズモン増強電場Ew外に存在する散乱体による励起光Leの散乱光によるノイズ成分も、励起光Leを強度変調する周期と同期して変動するため、同様の方法により除去することができる。
励起光Leの強度変調の方法については、励起光Leの強度をファンクションジェネレータと同期させて変調してもよいし、励起光Leを一定の強度で照射するとともに、光チョッパで周期的に変調してもよい。光チョッパは、例えば、第1の電圧が入力された場合は励起光Leを透過させ、第2の電圧が入力された場合は励起光Leを遮断する。すなわち、光チョッパにより励起光Leを周期的にオンオフ制御することができる。励起光を周期的に強度変調することにより、蛍光標識は周期的に変動する強度で励起される。また、励起光の迷光も周期的に強度変調する。
In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to the surface plasmon enhanced fluorescence method has been described. However, the present invention can also be applied to an evanescent fluorescence method. In the evanescent fluorescence method, the metal film 34a may be removed from the channel substrate 30 of the apparatus shown in FIG. 1, and in this case, the excitation light Le can be measured by polarization modulation, but intensity modulation is performed. Is preferred. When intensity-modulating the excitation light Le, it is more preferable to periodically turn on and off the excitation light. Further, the intensity of the excitation light Le may be modulated also in the surface plasmon enhanced fluorescence method. When the intensity of the excitation light Le is modulated, the noise component of the excitation light Le scattered by the scatterers existing outside the surface plasmon enhanced electric field Ew also fluctuates in synchronization with the period of intensity modulation of the excitation light Le. Can be removed.
As for the intensity modulation method of the excitation light Le, the intensity of the excitation light Le may be modulated in synchronization with the function generator, or the excitation light Le is irradiated with a constant intensity and periodically modulated with an optical chopper. May be. For example, the optical chopper transmits the excitation light Le when the first voltage is input, and blocks the excitation light Le when the second voltage is input. That is, the excitation light Le can be periodically turned on / off by the optical chopper. By periodically modulating the intensity of the excitation light, the fluorescent label is excited with a periodically varying intensity. In addition, the stray light of the excitation light is also periodically modulated in intensity.

「光学的測定装置および光学的測定方法の第2の実施形態」
次に、第2の実施形態の光学的測定装置2および方法について説明する。本実施形態の光学的測定装置2および方法は、センサチップC2が、励起光Leがプリズム部に入射してから上記界面に到達するまでに励起光Leに生じる複屈折の位相差に関する位相差情報を表示する情報コード44を備える点、およびこの情報コードを読み取るための情報読取部43と、励起光Leの伝播中に生じる上記複屈折の位相差を制御する位相差制御部45とを備え、上記情報コードが有する位相差情報に基づいて、上記界面における励起光Leの偏光状態を調整する点で、第1の実施形態の光学的測定装置1および方法と異なる。したがって、その他の第1の実施形態の光学的測定装置1および方法と同様の構成要素についての説明は、特に必要のない限り省略する。
“Second Embodiment of Optical Measuring Device and Optical Measuring Method”
Next, the optical measuring device 2 and method of the second embodiment will be described. The optical measurement device 2 and method of the present embodiment are configured so that the sensor chip C2 has phase difference information relating to the phase difference of birefringence that occurs in the excitation light Le after the excitation light Le enters the prism portion and reaches the interface. Including an information code 44 for displaying the information code, an information reading unit 43 for reading the information code, and a phase difference control unit 45 for controlling the phase difference of the birefringence generated during propagation of the excitation light Le, It differs from the optical measurement apparatus 1 and method of the first embodiment in that the polarization state of the excitation light Le at the interface is adjusted based on the phase difference information of the information code. Therefore, the description of the same components as those of the optical measurement apparatus 1 and the method of the other first embodiment is omitted unless particularly necessary.

本実施形態の光学的測定装置2は、図7に示すように、流路33を形成する流路基材30、流路33の上流側に乾燥配置された蛍光標識結合物質、流路33内の所定領域に形成された金属膜34aを含む検出部、および情報コード44を備えるセンサチップC2と、励起光Leを出射する光源10と、流路基材30と金属膜34aとの界面で励起光Leが全反射条件を満たすように、流路基材30を通して一方の側からこの界面に励起光Leを導光する導光部材14と、励起光Leの上記界面における偏光方向を周期的に変調せしめるように、励起光Leの偏光状態を制御する偏光変調素子11と、偏光方向の変調の周期の基となる電圧の周期クロックを生成するFG21と、このFG21に生成された電圧の周期クロックに応じて偏光変調素子11を駆動する偏光変調素子ドライバ22と、上記界面に関して他方の側に配置された、検出部から生じる信号光を検出する光検出器23と、偏光方向の変調の周期に同期した信号成分のみを検出する周波数解析部24と、周波数解析部24で得られた信号について演算を行う演算部25と、装置全体をコントロールする制御部20と、上記情報コードを読み取る情報読取部43と、情報処理部により読み取られた情報に基づいて、測定光の伝播中に生じる上記複屈折の位相差を制御する位相差制御部45とを備えるものである。   As shown in FIG. 7, the optical measuring device 2 of the present embodiment includes a flow path base material 30 that forms a flow path 33, a fluorescent label binding substance that is disposed dry on the upstream side of the flow path 33, The sensor unit C2 including the detection unit including the metal film 34a formed in the predetermined region and the information code 44, the light source 10 that emits the excitation light Le, and excitation at the interface between the channel substrate 30 and the metal film 34a. The light guide member 14 that guides the excitation light Le from one side to the interface through the flow path substrate 30 and the polarization direction of the excitation light Le at the interface are periodically set so that the light Le satisfies the total reflection condition. The polarization modulation element 11 that controls the polarization state of the excitation light Le so as to modulate, the FG 21 that generates a periodic clock of a voltage that is a basis of the modulation period of the polarization direction, and the periodic clock of the voltage generated in the FG 21 Depending on polarization modulation A polarization modulation element driver 22 for driving the optical element 11, a photodetector 23 for detecting the signal light generated from the detection unit, disposed on the other side with respect to the interface, and only a signal component synchronized with the period of modulation in the polarization direction. A frequency analysis unit 24 that detects a signal, a calculation unit 25 that performs a calculation on a signal obtained by the frequency analysis unit 24, a control unit 20 that controls the entire apparatus, an information reading unit 43 that reads the information code, and an information processing And a phase difference control unit 45 that controls the phase difference of the birefringence generated during the propagation of the measurement light based on the information read by the unit.

情報コード44は、センサチップC2の出荷時に予め求められた流路基材30内の複屈折の位相差に関する位相差情報が、例えばバーコードや2次元コードの形式で記録されたものであり、そのセンサチップC2に添付されたものである。   The information code 44 is obtained by recording phase difference information on the phase difference of birefringence in the flow path base material 30 obtained in advance at the time of shipment of the sensor chip C2, for example, in the form of a barcode or a two-dimensional code. This is attached to the sensor chip C2.

情報読取部43は、例えばCCDや公知のバーコードリーダであり、読み取った情報を位相差制御部45に送信するものである。   The information reading unit 43 is, for example, a CCD or a known bar code reader, and transmits the read information to the phase difference control unit 45.

位相差制御部45は、情報読取部43によって読み取られた情報を受信し、この情報に基づいて、励起光Leの流路基材30内の伝播中に生じる複屈折の位相差と逆の位相差を励起光Leに付与するようにFG21に指示を与えるものである。これにより、FG21は、上記逆の位相差を反映させた電圧の変調波形を生成する。   The phase difference control unit 45 receives the information read by the information reading unit 43, and based on this information, the phase difference opposite to the phase difference of birefringence generated during propagation of the excitation light Le in the flow path base material 30. An instruction is given to the FG 21 so as to impart a phase difference to the excitation light Le. Thereby, the FG 21 generates a voltage modulation waveform reflecting the reverse phase difference.

本実施形態の光学的測定方法は、上記測定装置2を用い、上記第1の実施形態での処理に加えて、上記励起光Leの偏光方向を変調する際に、センサチップC2に添付された情報コード44から励起光Leの流路基材30内の伝播中に生じる複屈折の位相差に関する位相差情報を取得し、この位相差情報に基づいて、励起光Leの偏光状態を制御するものである。   The optical measurement method of the present embodiment is attached to the sensor chip C2 when the polarization direction of the excitation light Le is modulated using the measurement device 2 in addition to the processing in the first embodiment. The phase difference information related to the phase difference of birefringence generated during propagation of the excitation light Le in the channel substrate 30 is acquired from the information code 44, and the polarization state of the excitation light Le is controlled based on this phase difference information It is.

以下、本実施形態の光学的測定装置および方法の作用を詳細に説明する。
流路基材30(プリズム)内に複屈折が存在するとき、偏光変調素子11で流路基材30へ透過する前にp偏光およびs偏光を周期的に切り替える変調を行っても、流路基材30内を伝播する間に例えば楕円偏光となってしまい、増強電場が効率よく生じず、検出した信号のSN比が悪化してしまうという問題が生じる。実際に、安価なプラスチック材料を使ったプリズム(ゼオネックス(登録商標)、ポリスチレン、PMMA等)を用いた場合、この複屈折は無視することができない。そこで、実際にはこの流路基材30を伝播する間に生じる複屈折の位相差を加味して励起光Leの偏光状態を制御する必要がある。
Hereinafter, the operation of the optical measurement apparatus and method of the present embodiment will be described in detail.
When birefringence is present in the flow path base material 30 (prism), even if the polarization modulation element 11 performs modulation to periodically switch between p-polarized light and s-polarized light before passing through the flow path base material 30, the flow path While propagating through the base material 30, for example, it becomes elliptically polarized light, and an enhanced electric field is not efficiently generated, resulting in a problem that the SN ratio of the detected signal is deteriorated. Actually, when a prism (Zeonex (registered trademark), polystyrene, PMMA, etc.) using an inexpensive plastic material is used, this birefringence cannot be ignored. Therefore, in actuality, it is necessary to control the polarization state of the excitation light Le in consideration of the birefringence phase difference that occurs during propagation through the flow path base material 30.

本実施形態では、出荷時に予め求められた位相差情報をセンサチップC2に添付しておき、さらにその情報を測定時に読み取り、この読み取った情報をFG21が生成する変調波形に反映させて偏光状態を調整することにより、上記複屈折の位相差を加味し、この位相差と逆の位相差を与えるように測定光の偏光状態を制御しているので、複屈折を有する材料からなるプリズム部を備えたセンサチップを用いても、SN比の高い測定を行うことが可能となる。   In the present embodiment, phase difference information obtained in advance at the time of shipment is attached to the sensor chip C2, and the information is read at the time of measurement, and the read information is reflected in the modulation waveform generated by the FG 21 to change the polarization state. By adjusting the phase difference of the above birefringence and adjusting the polarization state of the measurement light so as to give a phase difference opposite to this phase difference, a prism portion made of a material having birefringence is provided. Even if the sensor chip is used, measurement with a high S / N ratio can be performed.

(第2の実施形態の設計変更)
上記第2の実施形態では、情報コードに基づいて直接偏光変調素子を制御し、測定光の流路基材内の伝播中に生じる複屈折の位相差を調整したが、後述の第3の実施形態にあるように、波長板制御部によって波長板を回転制御するようにしてもよい。
(Design change of the second embodiment)
In the second embodiment, the polarization modulation element is directly controlled based on the information code, and the phase difference of birefringence generated during propagation of the measurement light in the flow path base material is adjusted. As in the embodiment, the wave plate may be rotationally controlled by the wave plate control unit.

「光学的測定装置および光学的測定方法の第3の実施形態」
次に、第3の実施形態の光学的測定装置および方法について説明する。本実施形態の光学的測定装置3および方法は、偏光変調素子11と導光部材14の間に備えられた波長板12および13と、流路基材30と金属膜34aとの界面における励起光Leの反射光を検出する第2の光検出器40と、第2の周波数解析部41と、上記波長板を回転制御する波長板制御部42とを備え、上記反射光をモニタリングすることにより、上記界面における励起光Leの偏光状態を調整する点で、第1の実施形態の光学的測定装置1および方法と異なる。したがって、その他の第1の実施形態の光学的測定装置1および方法と同様の構成要素についての説明は、特に必要のない限り省略する。
“Third Embodiment of Optical Measuring Device and Optical Measuring Method”
Next, an optical measurement apparatus and method according to the third embodiment will be described. The optical measuring device 3 and method of the present embodiment include excitation light at the interface between the wave plates 12 and 13 provided between the polarization modulation element 11 and the light guide member 14, and the flow path substrate 30 and the metal film 34a. By including a second photodetector 40 that detects reflected light of Le, a second frequency analysis unit 41, and a wavelength plate control unit 42 that controls rotation of the wavelength plate, by monitoring the reflected light, The optical measurement apparatus 1 and the method of the first embodiment are different in that the polarization state of the excitation light Le at the interface is adjusted. Therefore, the description of the same components as those of the optical measurement apparatus 1 and the method of the other first embodiment is omitted unless particularly necessary.

本実施形態の光学的測定装置3は、図8に示すように、流路33を形成する流路基材30、流路33の上流側に乾燥配置された蛍光標識結合物質、および流路33内の所定領域に形成された金属膜34aを含む検出部を備えるセンサチップC3と、励起光Leを出射する光源10と、流路基材30と金属膜34aとの界面で励起光Leが全反射条件を満たすように、流路基材30を通して一方の側からこの界面に励起光Leを導光する導光部材14と、励起光Leの上記界面における偏光方向を周期的に変調せしめるように、励起光Leの偏光状態を制御する偏光変調素子11と、偏光方向の変調の周期の基となる電圧の周期クロックを生成するFG21と、このFG21に生成された電圧の周期クロックに応じて偏光変調素子11を駆動する偏光変調素子ドライバ22と、上記界面に関して他方の側に配置された、検出部から生じる信号光を検出する光検出器23と、偏光方向の変調の周期に同期した信号成分のみを検出する周波数解析部24と、周波数解析部24で得られた信号について演算を行う演算部25と、装置全体をコントロールする制御部20と、上記偏光変調素子11と上記導光部材14の間に備えられた波長板12・13と、上記界面における励起光Leの反射光Lrを検出する第2の光検出器40と、第2の周波数解析部41と、上記波長板を回転制御する波長板制御部42とを備えるものである。   As shown in FIG. 8, the optical measuring device 3 of the present embodiment includes a flow path base material 30 that forms a flow path 33, a fluorescent label binding substance that is disposed on the upstream side of the flow path 33, and a flow path 33. All of the excitation light Le is provided at the interface between the sensor chip C3 including the detection unit including the metal film 34a formed in a predetermined region, the light source 10 that emits the excitation light Le, and the flow path base 30 and the metal film 34a. In order to satisfy the reflection condition, the light guide member 14 that guides the excitation light Le from one side to the interface through the flow path base material 30 and the polarization direction of the excitation light Le at the interface are periodically modulated. The polarization modulation element 11 that controls the polarization state of the excitation light Le, the FG 21 that generates a periodic clock of the voltage that is the basis of the modulation period in the polarization direction, and the polarization according to the periodic clock of the voltage generated in the FG 21 Drives the modulation element 11 A polarization modulation element driver 22, a photodetector 23 that is disposed on the other side with respect to the interface and detects signal light generated from the detection unit, and a frequency analysis that detects only signal components synchronized with the modulation period of the polarization direction A wavelength provided between the polarization modulator 11 and the light guide member 14; a calculation unit 25 that performs a calculation on the signal obtained by the unit 24, the frequency analysis unit 24; a control unit 20 that controls the entire apparatus; Plates 12, 13; a second photodetector 40 for detecting the reflected light Lr of the excitation light Le at the interface; a second frequency analyzer 41; and a wavelength plate controller 42 for controlling the rotation of the wave plate. Is provided.

センサチップC3は、第1の実施形態と同様の構成であるが、図7に示すように、上記界面における励起光Leの反射光Lrが適切に検出することが可能となるように、反射光Lrが流路基材30外へ透過するための透過面30dとこれをキズや汚れから保護するための保護部30cとをさらに備えるように形成されたものである。   The sensor chip C3 has the same configuration as that of the first embodiment. However, as shown in FIG. 7, the reflected light Lr of the excitation light Le at the interface can be detected appropriately. It is formed so as to further include a transmission surface 30d for transmitting Lr to the outside of the flow path base material 30 and a protection portion 30c for protecting this from scratches and dirt.

第2の光検出器40は、上記反射光Lrを検出するように配置された、検出した反射光Lrの信号を第2の周波数解析部41に送信するものであり、第1の実施形態と同様のものを使用することができる。   The second photodetector 40 is arranged to detect the reflected light Lr and transmits a signal of the detected reflected light Lr to the second frequency analysis unit 41. The second photodetector 40 is the same as that of the first embodiment. Similar ones can be used.

波長板12・13、第2の周波数解析部41、および波長板制御部42は、周波数変調手段としてさらに設けられたものであり、これらによって、第2の光検出器40によって検出された反射光強度に基づいて、励起光Leの偏光状態の調整を行う機能を果たす。例えば波長板12・13において、波長板12がλ/2波長板であり、波長板13がλ/4波長板である。第2の周波数解析部41は、例えばロックインアンプ等であり、検出した反射信号光のうち測定光の偏光方向の変調に同期した反射信号成分を分離検出し、この信号成分の強度の最大値に対する最小値の比が最小化する(周期的に変調している間の、最大値と最小値の振幅の変化の差が最大となる)ように、波長板12・13を制御するよう波長板制御部42に指示を与えるものである。また、波長板制御部42は、第2の周波数解析部41の指示に従い波長板12・13を回転制御するものである。   The wave plates 12 and 13, the second frequency analysis unit 41, and the wave plate control unit 42 are further provided as frequency modulation means, and thereby the reflected light detected by the second photodetector 40. The function of adjusting the polarization state of the excitation light Le is achieved based on the intensity. For example, in the wave plates 12 and 13, the wave plate 12 is a λ / 2 wave plate, and the wave plate 13 is a λ / 4 wave plate. The second frequency analysis unit 41 is, for example, a lock-in amplifier, and separates and detects the reflected signal component synchronized with the modulation in the polarization direction of the measurement light from the detected reflected signal light, and the maximum value of the intensity of the signal component The wave plate is controlled so as to control the wave plates 12 and 13 so that the ratio of the minimum value to the wave is minimized (the difference in amplitude change between the maximum value and the minimum value is maximized during periodic modulation). An instruction is given to the control unit 42. The wave plate controller 42 controls the rotation of the wave plates 12 and 13 in accordance with instructions from the second frequency analyzer 41.

一方、本実施形態の光学的測定方法は、上記測定装置3を用い、上記第1の実施形態での処理に加えて、上記第1の実施形態での処理に加えて、上記信号光を検出する際に、上記界面における励起光Leの反射光Lrを含む反射信号光を検出し、この反射信号光のうち偏光方向の変調に同期した反射信号成分を分離検出し、この信号成分の強度の最大値に対する最小値の比が最小化するように、励起光Leの偏光状態を制御するものである。   On the other hand, the optical measurement method of the present embodiment uses the measurement device 3 to detect the signal light in addition to the processing in the first embodiment in addition to the processing in the first embodiment. When the reflected signal light including the reflected light Lr of the excitation light Le at the interface is detected, the reflected signal component synchronized with the modulation in the polarization direction is separated and detected from the reflected signal light, and the intensity of the signal component is detected. The polarization state of the excitation light Le is controlled so that the ratio of the minimum value to the maximum value is minimized.

以下、本実施形態の光学的測定装置および方法の作用を詳細に説明する。
上述の通り、流路基材30を伝播する間に生じる複屈折の位相差を加味して励起光Leの偏光状態を制御する必要があるのは上述の通りである。
流路基材30と金属膜34aとの界面における励起光Leの反射光Lrを第2の光検出器40で検出した場合、反射光Lrの強度が、上記界面における励起光Leの偏光方向の変調に対応して変調することになる。これは、上記界面における励起光Leの偏光状態がp偏光になったとき、励起光Leは表面プラズモンとカップリングして、励起光Leのエネルギーが表面プラズモンに変換されて、反射光Lrが最小になり、一方上記界面における励起光Leの偏光状態がs偏光になったとき、励起光Leは表面プラズモンとカップリングしないので、反射光Lrが最大となることに起因する。
Hereinafter, the operation of the optical measurement apparatus and method of the present embodiment will be described in detail.
As described above, as described above, it is necessary to control the polarization state of the excitation light Le in consideration of the phase difference of birefringence generated while propagating through the channel substrate 30.
When the reflected light Lr of the excitation light Le at the interface between the channel substrate 30 and the metal film 34a is detected by the second photodetector 40, the intensity of the reflected light Lr is the polarization direction of the excitation light Le at the interface. Modulation is performed in response to the modulation. This is because when the polarization state of the excitation light Le at the interface becomes p-polarized light, the excitation light Le is coupled with the surface plasmon, the energy of the excitation light Le is converted into the surface plasmon, and the reflected light Lr is minimized. On the other hand, when the polarization state of the excitation light Le at the interface becomes s-polarized light, the excitation light Le is not coupled with the surface plasmon, and thus the reflected light Lr is maximized.

そこで、本実施形態では、反射信号光のうち励起光Leの偏光方向の変調に同期した反射信号成分をモニタリングし、この信号成分の強度の最大値に対する最小値の比が最小化するように波長板12・13を調整することにより、上記複屈折の位相差を加味し、この位相差と逆の位相差を与えるように励起光Leの偏光状態を制御しているので、複屈折を有する材料からなるプリズム部を備えたセンサチップを用いても、SN比の高い測定を行うことが可能となる。   Therefore, in this embodiment, the reflected signal component of the reflected signal light is monitored in synchronization with the modulation of the polarization direction of the excitation light Le, and the wavelength is set so that the ratio of the minimum value to the maximum value of the intensity of the signal component is minimized. By adjusting the plates 12 and 13, the phase difference of the birefringence is taken into account, and the polarization state of the excitation light Le is controlled so as to give a phase difference opposite to this phase difference. Even if a sensor chip having a prism portion made of is used, measurement with a high S / N ratio can be performed.

(第3の実施形態の設計変更)
上記第3の実施形態では、波長板制御部によって波長板を回転制御し、測定光の流路基材内の伝播中に生じる複屈折の位相差を調整したが、上記第2の実施形態にあるように、波長板ではなく直接偏光変調素子を制御するようにしてもよい。
(Design change of the third embodiment)
In the third embodiment, the wavelength plate is rotationally controlled by the wave plate controller, and the phase difference of birefringence generated during propagation of the measurement light in the flow path base material is adjusted. As is the case, the polarization modulation element may be directly controlled instead of the wave plate.

1、2、3 光学的測定装置
10 光源
11 偏光変調素子(周波数変調手段)
12、13 波長板
14 導光部材
20 制御部
21 ファンクションジェネレータ(FG)(周波数変調手段)
22 偏光変調素子ドライバ(周波数変調手段)
23 光検出器
24 周波数解析部
25 演算部
30 流路基材(誘電体プレート)
32 蓋部材
33 流路
34a・34b 金属膜
40 第2の光検出器
41 第2の周波数解析部
42 波長板制御部
43 情報読取部
44 情報コード
45 位相差制御部
A 被検物質
BF 燐光標識結合物質
C1、C2、C3 センサチップ
Ew 増強電場
Le 励起光
Lf 燐光
Lr 反射光
1, 2, 3 Optical measuring device 10 Light source 11 Polarization modulation element (frequency modulation means)
12, 13 Wavelength plate 14 Light guide member 20 Control unit 21 Function generator (FG) (frequency modulation means)
22 Polarization modulation element driver (frequency modulation means)
23 Photodetector 24 Frequency analysis unit 25 Calculation unit 30 Channel substrate (dielectric plate)
32 Lid member 33 Channels 34a and 34b Metal film 40 Second photodetector 41 Second frequency analysis unit 42 Wave plate control unit 43 Information reading unit 44 Information code 45 Phase difference control unit A Test substance BF Phosphorescent label binding Substance C1, C2, C3 Sensor chip Ew Enhanced electric field Le Excitation light Lf Phosphorescence Lr Reflected light

Claims (8)

センサチップの誘電体プレートの一面に形成されたセンサ部上に、被検出物質を含む試料液を接触させることにより、該試料液に含有される被検出物質の量に応じた量の光標識結合物質を前記センサ部上に結合させ、
前記センサ部に全反射条件が得られる入射角度で励起光を照射することにより、該センサ部上に光電場を発生せしめ、
該光電場により前記光標識結合物質の光標識を励起し、該励起に起因して生じる光を計測することにより、前記被検出物質の量を測定する光学的測定方法において、
前記励起光を、前記被検出物質の量に対応した値を示すシグナル成分と前記励起光の迷光に起因するノイズ成分の両方が同期した強度変化を示す低周波数で周波数変調して前記センサ部に照射するとともに、前記励起に起因して生じる光から前記低周波数に同期する成分を抽出して低周波数計測信号を取得し、
前記励起光を、前記ノイズ成分のみが同期した強度変化を示す高周波数で周波数変調して前記センサ部に照射するとともに、前記励起に起因して生じる光から前記高周波数に同期する成分を抽出して高周波数計測信号を取得し、
前記低周波数計測信号と前記高周波数計測信号との差分を求めることで前記シグナル成分のみの信号を取得することを特徴とする光学的測定方法。
By contacting the sample liquid containing the substance to be detected on the sensor portion formed on one surface of the dielectric plate of the sensor chip, the amount of the photolabeling corresponding to the quantity of the substance to be detected contained in the sample liquid Binding a substance on the sensor unit;
By irradiating the sensor unit with excitation light at an incident angle at which a total reflection condition is obtained, a photoelectric field is generated on the sensor unit,
In the optical measurement method for measuring the amount of the substance to be detected by exciting the photolabel of the photolabel binding substance with the photoelectric field and measuring the light generated due to the excitation,
The excitation light is frequency-modulated at a low frequency indicating an intensity change in which both a signal component indicating a value corresponding to the amount of the substance to be detected and a noise component caused by stray light of the excitation light are synchronized to the sensor unit. Irradiating and extracting a component synchronized with the low frequency from the light caused by the excitation to obtain a low frequency measurement signal;
The excitation light is frequency-modulated at a high frequency that shows an intensity change synchronized only with the noise component and irradiated to the sensor unit, and a component synchronized with the high frequency is extracted from the light generated due to the excitation. To obtain high frequency measurement signals
An optical measurement method characterized by obtaining a signal of only the signal component by obtaining a difference between the low frequency measurement signal and the high frequency measurement signal.
前記光標識として、燐光標識を用いることを特徴とする請求項1記載の光学的測定方法。   The optical measurement method according to claim 1, wherein a phosphorescent label is used as the optical label. 前記周波数変調を、前記励起光の強度を変調することにより行うことを特徴とする請求項1または2記載の光学的測定方法。   The optical measurement method according to claim 1, wherein the frequency modulation is performed by modulating the intensity of the excitation light. 前記センサチップとして、前記センサ部が、前記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ものを用い、
前記励起光の照射により前記金属層にプラズモンを励起して、該プラズモンによって増強した光電場を発生せしめることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の光学的測定方法。
As the sensor chip, the sensor unit has a laminated structure including a metal layer adjacent to the dielectric plate,
4. The optical measurement method according to claim 1, wherein plasmons are excited in the metal layer by irradiation with the excitation light to generate a photoelectric field enhanced by the plasmons. 5.
前記周波数変調を、前記励起光の偏光状態を変調することにより行うことを特徴とする請求項4記載の光学的測定方法。   The optical measurement method according to claim 4, wherein the frequency modulation is performed by modulating a polarization state of the excitation light. 前記励起光が前記誘電体プレートに入射してから前記センサ部に到達するまでに前記励起光に生じる複屈折の位相差に関する位相差情報を取得し、
該位相差情報に基づいて、前記励起光に前記位相差と逆の位相差が生じるように前記励起光の偏光状態を制御することを特徴とする請求項5記載の光学的測定方法。
Obtaining phase difference information regarding a phase difference of birefringence generated in the excitation light from when the excitation light is incident on the dielectric plate until reaching the sensor unit;
6. The optical measurement method according to claim 5, wherein a polarization state of the excitation light is controlled based on the phase difference information so that a phase difference opposite to the phase difference is generated in the excitation light.
前記センサ部における前記励起光の反射光を検出し、
前記偏光状態の変調に同期して変調する前記反射光の強度に基づいて、該反射光の強度の最大値に対する最小値の比が最小化するように前記偏光状態を制御することを特徴とする請求項5または6記載の光学的測定方法。
Detecting reflected light of the excitation light in the sensor unit;
The polarization state is controlled based on the intensity of the reflected light modulated in synchronization with the modulation of the polarization state so that the ratio of the minimum value to the maximum value of the intensity of the reflected light is minimized. The optical measurement method according to claim 5 or 6.
請求項1から7いずれかに記載の光学的測定方法に用いられる光学的測定装置であって、
前記センサチップを収容するための収容部と、
該収容部に収容される前記センサチップの前記センサ部の位置に前記励起光を照射する励起光照射光学系と、
前記励起光に対して周波数変調を施すための周波数変調手段と、
前記励起に起因して生じる光を検出する光検出手段と、
該光検出手段によって検出された光に基づく信号から前記励起光を変調する周波数に同期する成分を抽出する周波数解析手段と、
前記低周波数計測信号と前記高周波数計測信号との差分を求めることで前記シグナル成分のみの信号を取得する演算手段とを備えることを特徴とする光学的測定装置。
An optical measurement device used in the optical measurement method according to claim 1,
An accommodating portion for accommodating the sensor chip;
An excitation light irradiating optical system for irradiating the position of the sensor part of the sensor chip accommodated in the accommodating part with the excitation light;
Frequency modulation means for performing frequency modulation on the excitation light;
A light detection means for detecting light caused by the excitation;
A frequency analysis means for extracting a component synchronized with a frequency for modulating the excitation light from a signal based on the light detected by the light detection means;
An optical measurement apparatus comprising: an arithmetic unit that obtains only a signal component by obtaining a difference between the low frequency measurement signal and the high frequency measurement signal.
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