JP5621973B2 - ナノ構造体を利用した検出方法及び検出システム - Google Patents
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Description
[1]周期的ナノ構造体領域を備えた流路に試料を流すステップと、
単一波長の光を前記ナノ構造体領域に照射し、回折光を生成させるステップと、
生成した前記回折光の内、一次回折光の回折角度変化を検知するステップと、
を含む、検出方法。
[2]前記周期的ナノ構造体領域は、周期的配列で形成されたナノウォール又はナノピラーによって流路が分岐する領域である、[1]に記載の検出方法。
[3]前記周期的ナノ構造体領域のピッチが250nm〜1330nmである、[1]又は[2]に記載の検出方法。
[4]前記光の波長が200nm〜830nmである、[3]に記載の検出方法。
[5]前記光がレーザー光である、[1]〜[4]のいずれか一項に記載の検出方法。
[6]一次回折光を定位置で受光し、その強度変化を検出することによって、前記回折角度変化を検知する、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の検出方法。
[7]フィルタによって周縁光がカットされた一次回折光を受光する、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の検出方法。
[8]前記周期的ナノ構造体領域への照射前に前記光を強度変調するとともに、
該強度変調に同期した成分を前記一次回折光として検出する、[1]〜[7]のいずれか一項に記載の検出方法。
[9]前記周期的ナノ構造体領域の上流側に前記流路を横断する第2の流路が備えられており、該第2の流路内で処理された試料を前記流路に導入する、[1]〜[8]のいずれか一項に記載の検出方法。
[10]前記流路が前記周期的ナノ構造体領域の下流側で分岐しており、一次回折光の回折角度変化を検知した結果を用いて試料中の目的物を特定の支流路に誘導する、[1]〜[9]のいずれか一項に記載の検出方法。
[11]試料が標識化されていない、[1]〜[10]のいずれか一項に記載の検出方法。
[12]周期的ナノ構造体領域を備えた流路と、
前記周期的ナノ構造体領域に照射される光を生成する単一波長の光源と、
前記周期的ナノ構造体領域への光の照射によって生成する回折光の内、一次回折光を受光する受光部と、
受光部からの信号を処理する処理部と、
処理結果を表示する表示部と、
を備えた検出システム。
[13]前記周期的ナノ構造体領域は、周期的配列で形成されたナノウォール又はナノピラーによって流路が分岐する領域である、[12]に記載の検出システム。
[14]前記周期的ナノ構造体領域のピッチが250nm〜1330nmである、[12]又[13]に記載の検出システム。
[15]前記光の波長が200nm〜830nmである、[14]に記載の検出システム。
[16]前記光源がレーザー光源である、[12]〜[15]のいずれか一項に記載の検出システム。
[17]一次回折光の周縁光をカットするフィルタを備える、[12]〜[16]のいずれか一項に記載の検出システム。
[18]前記光源の光を強度変調するための光強度変調器と、一次回折光における該強度変調に同期した成分を検出し、増幅するロックインアンプと、を備える、[12]〜[17]のいずれか一項に記載の検出システム。
[19]前記周期的ナノ構造体領域の上流側に前記流路を横断する第2の流路が備えられている、[12]〜[18]のいずれか一項に記載の検出システム。
[20]前記流路が前記周期的ナノ構造体領域の下流側で分岐している、[12]〜[19]のいずれか一項に記載の検出システム。
[22]フォトダイオードによって一次回折光を受光する、[1]〜[12]のいずれか一項に記載の検出方法。
[23]前記周期的ナノ構造体領域への照射前に前記光を対物レンズによって集光する、[1]〜[12]のいずれか一項に記載の検出方法。
[24]前記流路を試料が流れている際に、前記流路に対してその長さ方向に電圧を印加する、[1]〜[12]のいずれか一項に記載の検出方法。
[25]前記回折角度変化を経時的に検知する、[1]〜[12]のいずれか一項に記載の検出方法。
[26]試料がDNA、タンパク質、糖鎖又は細胞含む溶液である、[1]〜[12]のいずれか一項に記載の検出方法。
[27]前記光源の光を減光する減光フィルタを備える、[12]〜[20]のいずれか一項に記載の検出システム。
[28]前記受光部がフォトダイオードを備える、[12]〜[20]のいずれか一項に記載の検出システム。
[29]前記光源の光を集光する対物レンズを備える、[12]〜[20]のいずれか一項に記載の検出システム。
[30]前記流路に対してその長さ方向に電圧を印加するための電源部を備える、[12]〜[20]のいずれか一項に記載の検出システム。
[31]前記周期的ナノ構造体領域の材質が石英、石英硝子、アクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィンコポリマー、サファイア又はガラスである、[12]〜[20]のいずれか一項に記載の検出システム。
本発明の第1の局面はナノ構造体による光の回折を利用した検出方法に関する。本発明の検出方法は、周期的ナノ構造体を流路に形成し、当該周期的ナノ構造体による光の回折を利用した検出を行う点に最大の特徴がある。具体的には、本発明の検出方法では以下のステップを行う。
(1)周期的ナノ構造体領域を備えた流路に試料を流すステップ
(2)単一波長の光を前記ナノ構造体領域に照射し、回折光を生成させるステップ
(3)生成した前記回折光の内、一次回折光の回折角度変化を検知するステップ
ステップ(1)ではまず、周期的ナノ構造体領域を備えた流路を用意する。典型的には、周期的ナノ構造体領域は流路の一部に形成されるが、流路全体を周期的ナノ構造体領域にしてもよい。分離処理(例えば電気泳動による分離)のための区画として、周期的ナノ構造体が形成されていない領域を周期的ナノ構造体領域の前方位置に備えることにしてもよい。尚、周期的ナノ構造体領域はそれ自体が分子ふるいとしても機能し得る。従って、周期的ナノ構造体領域を用いることにより、従来の電気泳動等に利用されるゲルやポリマーなどを使用しなくとも、一定の分離効果を得ることができる。
ステップ(2)では、単一波長の光を、流路に形成された周期的ナノ構造体領域に照射し、回折光を生成させる。照射する光の波長は200nm〜830nmとする。但し、周期的ナノ構造体領域で回折が生ずるように、周期的ナノ構造体の幅よりも光の波長の方が短くなるようにする。好ましくは、周期的ナノ構造体による光の吸収を考慮し、可視光領域の波長(360nm〜830nm)の光を照射する。光源にはレーザー(半導体レーザー(レーザーダイオード)、固体レーザー等)、LED(発光ダイオード)等を用いることができる。照射範囲を絞り、高感度の検出を可能とするため、光源の光を対物レンズで集光した後に周期的ナノ構造体領域に照射することが好ましい。上記の通り、周期的ナノ構造体領域ではナノ構造体によって流路が分岐し、複数の支流路(周期的ナノ構造体領域内の間隙)が形成される。本発明では、周期的ナノ構造体によって回折が生ずるように、照射範囲中に少なくとも二つのナノ構造体が含まれることになる。そこで、好ましくは照射範囲の径(d)は{(2×ナノ構造体の幅)+(ナノ構造体間の間隙の幅)}<dである。
ステップ(2)に続くステップ(3)では、生成した回折光の内、一次回折光の回折角度変化を検知する。このように本発明では、最も強度の強い一次回折光(プラス側又はマイナス側)を利用することによって検出感度の向上を図る。一次回折光の回折角度は、光照射範囲内に存在する、ナノ構造体間の間隙(支流路)の状態に依存的である。換言すれば、光照射範囲内の支流路の状態変化に伴って回折角度に変化が生ずる。本発明では当該回折角度変化を検知し、試料中の目的物質を検出する。回折角度の変化を検知するための手段としては、定位置での一次回折光の強度の検出が有効であり、簡便でもある。例えば、溶媒のみを流したときに最大の強度となる位置を受光位置として試料を流し検出すれば、光照射領域内の支流路中に試料中の物質(溶媒以外の成分)が到達した際、回折角度が変化し、受光位置での強度が低下(又は上昇)する。従って、強度の低下(又は上昇)を検出すれば、回折角度の変化を間接的に把握できることになる。
本発明の第2の局面は、本発明の検出方法に使用されるシステムないし装置に関する。本発明のシステムは、(1)周期的ナノ構造体領域を備えた流路、(2)周期的ナノ構造体領域に照射される光を生成する単一波長の光源、(3)周期的ナノ構造体領域への光の照射によって生成する回折光の内、一次回折光を受光する受光部、(4)受光部からの信号を処理する処理部、及び(5)処理結果を表示する表示部を備える。
周期的ナノ構造体領域に空気が充填されている状態で回折光の信号強度が極大となる位置にフォトダイオードを固定し、蒸留水を毛細管力によって周期的ナノ構造体内に充填し、経時的に信号強度を測定した。尚、この実験ではフィルタ18を使用しなかった。
ピンホール(直径100μm)を穿孔したフィルタ18の使用によって信号ノイズの低減を図った(図8)。受光する回折光の周縁光をピンホールでカットすることにより、回折光の僅かな変化を捉えることが可能と期待された。
フィルタ18を備えたシステムを使用したこと以外、(1)の場合と同様の条件で実験を行った。結果を図11に示す。フィルタ18を使用しない場合((1)の実験)と比較して信号ノイズが大幅に低減し、S/N比が46にまで上昇した。
まず、周期的ナノ構造体領域に3xTBE緩衝溶液を導入した。この状態で信号強度が極大となる位置にフォトダイオードを固定した。所定の濃度(0.1μM、1μM、10μM、100μM、1mM、10mM)で3×TBEに溶解したサンセットイエローを流路の導入部10eに添加した後、流路に対して電圧を印加することによって、サンセットイエローを周期的ナノ構造体領域に導入し(電気浸透流による導入)、一次回折光の強度を経時的に測定した。測定結果を図12に示す。経時的に信号強度が変化した。また、サンセットイエローの濃度が高い程、シグナル強度の変化(低下)が大きい。即ち、信号強度の変化量が濃度依存性を示した。この結果は、本システムによれば溶媒中の物質を検出可能であることを示すとともに、溶媒中の物質の濃度を測定する手段として本システムが有効であることを示す。
周期的ナノ構造体領域内に水を導入した状態で信号強度が極大となる位置にフォトダイオードを固定した。その後、3xTBEを電気浸透流によって周期的ナノ構造体領域へ導入し、信号強度の測定を開始した。信号強度が安定した段階で1xTEを電気浸透流によって周期的ナノ構造体領域へ導入し、信号強度の経時的変化を調べた。測定結果を図14に示す。3xTBEの屈折率による回折光の変化よりも、1xTEの屈折率による回折光の変化の方が少ないため、3xTBEから1xTEへの置換に伴って信号強度が上昇した。この結果は、信号強度の低下ではなく信号強度の上昇を指標にした検出も可能であることを示す。
本システムの有用性及び汎用性を更に検証するため、DNAの検出を試みた。まず、周期的ナノ構造体領域内に1xTE緩衝溶液を導入し、信号強度が極大となる位置にフォトダイオードを固定した。その後、1xTEに溶解した各サイズのDNA(濃度: 100 ng/μl)を電気泳動(流路に対して電圧を印加)によって導入した。図15に示す通り、DNAのサイズが大きい程、シグナル強度の変化(低下)が大きい。即ち、DNAの塩基対の長さに応じて信号強度の変化量に差が生ずることが明らかとなった。このように、本システムによればDNAを検出できること、及びDNAのサイズの検出・識別にも本システムは有効であることが示された。
本明細書の中で明示した論文、公開特許公報、及び特許公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。
2 ナノウォール
3、6、9 間隙
5、8 ナノピラー
10 ナノウォールチップ
10a 第1流路
10b 第2流路
10c 周期的ナノ構造体領域
10d ナノウォール
10e 導入部
11 レーザー光源
12 フォトダイオード
13 ロックインアンプ
14 チョッパ
15 減光フィルタ
16 ミラー
17 対物レンズ
18 フィルタ
Claims (20)
- 周期的ナノ構造体領域を備えた流路に試料を流すステップと、
単一波長の光を前記ナノ構造体領域に照射し、回折光を生成させるステップと、
生成した前記回折光の内、一次回折光の回折角度変化を検知するステップと、
を含み、
前記回折光は、前記周期的ナノ構造体領を構成する複数のナノ構造体を前記光が伝播する際、ナノ構造体内部で光の全反射が生じ、ナノ構造体の出口にて回折が生ずることによって生成することになる、検出方法。 - 前記周期的ナノ構造体領域は、周期的配列で形成されたナノウォール又はナノピラーによって流路が分岐する領域である、請求項1に記載の検出方法。
- 前記周期的ナノ構造体領域のピッチが250nm〜1330nmである、請求項1又は2に記載の検出方法。
- 前記光の波長が200nm〜830nmである、請求項3に記載の検出方法。
- 前記光がレーザー光である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の検出方法。
- 一次回折光を定位置で受光し、その強度変化を検出することによって、前記回折角度変化を検知する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の検出方法。
- フィルタによって周縁光がカットされた一次回折光を受光する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の検出方法。
- 前記周期的ナノ構造体領域への照射前に前記光を強度変調するとともに、
該強度変調に同期した成分を前記一次回折光として検出する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の検出方法。 - 前記周期的ナノ構造体領域の上流側に前記流路を横断する第2の流路が備えられており、該第2の流路内で処理された試料を前記流路に導入する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の検出方法。
- 前記流路が前記周期的ナノ構造体領域の下流側で分岐しており、一次回折光の回折角度変化を検知した結果を用いて試料中の目的物を特定の支流路に誘導する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の検出方法。
- 試料が標識化されていない、請求項1〜10のいずれか一項に記載の検出方法。
- 周期的ナノ構造体領域を備えた流路と、
前記周期的ナノ構造体領域に照射される光を生成する単一波長の光源と、
前記周期的ナノ構造体領域への光の照射によって生成する回折光の内、一次回折光を受光する受光部と、
受光部からの信号を処理する処理部と、
処理結果を表示する表示部と、
を備え、
前記回折光は、前記周期的ナノ構造体領を構成する複数のナノ構造体を前記光が伝播する際、ナノ構造体内部で光の全反射が生じ、ナノ構造体の出口にて回折が生ずることによって生成することになる、検出システム。 - 前記周期的ナノ構造体領域は、周期的配列で形成されたナノウォール又はナノピラーによって流路が分岐する領域である、請求項12に記載の検出システム。
- 前記周期的ナノ構造体領域のピッチが250nm〜1330nmである、請求項12又は13に記載の検出システム。
- 前記光の波長が200nm〜830nmである、請求項14に記載の検出システム。
- 前記光源がレーザー光源である、請求項12〜15のいずれか一項に記載の検出システム。
- 一次回折光の周縁光をカットするフィルタを備える、請求項12〜16のいずれか一項に記載の検出システム。
- 前記光源の光を強度変調するための光強度変調器と、一次回折光における該強度変調に同期した成分を検出し、増幅するロックインアンプと、を備える、請求項12〜17のいずれか一項に記載の検出システム。
- 前記周期的ナノ構造体領域の上流側に前記流路を横断する第2の流路が備えられている、請求項12〜18のいずれか一項に記載の検出システム。
- 前記流路が前記周期的ナノ構造体領域の下流側で分岐している、請求項12〜19のいずれか一項に記載の検出システム。
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