JP6197796B2 - Detection device - Google Patents
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Description
本発明は、表面プラズモンを利用してアナライトの存在またはその量を検出する検出装置に関する。 The present invention relates to a detection device that detects the presence or amount of an analyte using surface plasmons.
以前から、表面プラズモンを利用してアナライトの存在またはその量を検出する検出装置が知られている。このような検出装置としては、表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance:以下「SPR」と略記する)装置および表面プラズモン励起増強蛍光分光(Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy:以下「SPFS」と略記する)装置が知られている。これらの装置は、プリズムと、プリズムの1面に形成された金属薄膜と、金属薄膜上に固定された捕捉体(例えば抗体)とを有する。これらの装置では、プリズムの内部から金属薄膜にレーザー光を照射することで、金属薄膜で表面プラズモンが発生する。これらの装置は、この表面プラズモンを利用してアナライトを検出する。 Detection devices that detect the presence or amount of an analyte using surface plasmons have been known for some time. As such a detection device, a surface plasmon resonance (SPR) device and a surface plasmon-field enhanced fluorescence spectroscopy (hereinafter abbreviated as “SPFS”) device are used. It has been known. These devices include a prism, a metal thin film formed on one surface of the prism, and a capturing body (for example, an antibody) fixed on the metal thin film. In these apparatuses, surface plasmons are generated in the metal thin film by irradiating the metal thin film with laser light from the inside of the prism. These devices use this surface plasmon to detect the analyte.
これらの装置では、金属薄膜に対するレーザー光の入射角を走査して、表面プラズモン共鳴が最大となるときの入射角(以下「共鳴角」という)を決定することが必要である。すなわち、SPR装置では、共鳴角のシフト量を測定してアナライトを検出するため、金属薄膜に対するレーザー光の入射角を走査して共鳴角を決定することが必要である。また、SPFS装置では、最大効率かつ同一エネルギーで蛍光物質を励起するために、金属薄膜に対するレーザー光の入射角を走査して共鳴角を決定することが必要である。 In these apparatuses, it is necessary to scan the incident angle of the laser beam on the metal thin film to determine the incident angle (hereinafter referred to as “resonance angle”) when the surface plasmon resonance is maximized. That is, in the SPR apparatus, in order to detect the analyte by measuring the shift amount of the resonance angle, it is necessary to determine the resonance angle by scanning the incident angle of the laser beam on the metal thin film. Further, in the SPFS apparatus, in order to excite the fluorescent substance with the maximum efficiency and the same energy, it is necessary to determine the resonance angle by scanning the incident angle of the laser beam with respect to the metal thin film.
上記のように金属薄膜に対するレーザー光の入射角を走査する場合は、金属薄膜上の照射スポットの位置を変えずに入射角のみを変えることが必要である。ところが、これらの装置では、プリズムを介して金属薄膜に光を照射するため、照射スポットの位置を変えずに入射角のみを変えることは容易ではない。そこで、入射角を変えることによる照射スポットの位置ずれを解消するための手段が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。 When scanning the incident angle of the laser beam on the metal thin film as described above, it is necessary to change only the incident angle without changing the position of the irradiation spot on the metal thin film. However, in these apparatuses, since light is irradiated onto the metal thin film through the prism, it is not easy to change only the incident angle without changing the position of the irradiation spot. Accordingly, means for eliminating the positional deviation of the irradiation spot due to changing the incident angle has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
特許文献1には、三角柱形状のプリズムの1面に形成された金属薄膜にレーザー光を照射して金属薄膜を評価する減衰全反射型薄膜評価装置が開示されている。減衰全反射型薄膜評価装置でも、金属薄膜に対するレーザー光の入射角を走査することが必要である。特許文献1に記載の装置では、レーザー光の光軸とプリズムとを相対的に回転させるだけでなく、さらにレーザー光の光軸とプリズムとを相対的に移動させることで、入射角を変えることによる照射スポットの位置ずれを防止している。 Patent Document 1 discloses an attenuated total reflection thin film evaluation apparatus that evaluates a metal thin film by irradiating a metal thin film formed on one surface of a triangular prism with a laser beam. Even in the attenuated total reflection thin film evaluation apparatus, it is necessary to scan the incident angle of the laser beam with respect to the metal thin film. In the apparatus described in Patent Document 1, not only the optical axis of the laser beam and the prism are relatively rotated, but also the incident angle is changed by relatively moving the optical axis of the laser beam and the prism. This prevents misalignment of the irradiation spot.
特許文献2には、半円柱形状のプリズムを有するSPR装置が開示されている。特許文献2に記載の装置では、半円柱の中心軸を回転軸としてレーザー光源を回転させることで、入射角を変えることによる照射スポットの位置ずれを防止している。 Patent Document 2 discloses an SPR device having a semi-cylindrical prism. In the apparatus described in Patent Document 2, the position of the irradiation spot is prevented from being changed by changing the incident angle by rotating the laser light source about the central axis of the semi-cylinder.
特許文献1に記載の装置には、複数の駆動機構を設けなければならないため、構成が複雑であり、かつ製造コストが増大するという問題がある。特許文献2に記載の装置には、プリズム表面に対してレーザー光が垂直に入射するため、反射光が光源に戻り、レーザー光の光量や波長などが変化してしまうという問題がある。また、特許文献2に記載の装置には、入射面が曲面であるため、レーザー光線の中央部と周縁部とでプリズム表面に対する入射角が異なるという問題もある。 The apparatus described in Patent Document 1 has a problem that the configuration is complicated and the manufacturing cost increases because a plurality of drive mechanisms must be provided. The apparatus described in Patent Document 2 has a problem in that since the laser light is perpendicularly incident on the prism surface, the reflected light returns to the light source and the amount of light, wavelength, and the like of the laser light change. Moreover, since the incident surface is a curved surface, the apparatus described in Patent Document 2 has a problem that the incident angle with respect to the prism surface is different between the central portion and the peripheral portion of the laser beam.
本発明の目的は、金属薄膜上の照射スポットの位置を変えずに入射角を変えることができる検出装置であって、単純な構成でかつプリズム表面からの反射光が光源に戻らない検出装置を提供することである。 An object of the present invention is a detection device that can change the incident angle without changing the position of the irradiation spot on the metal thin film, and has a simple configuration and does not return reflected light from the prism surface to the light source. Is to provide.
上記課題を解決するため、本発明の一実施の形態に係る検出装置は、入射面および金属薄膜を形成された面を有するプリズムを含む検出チップを装着され、励起光を前記入射面を介して前記金属薄膜に照射することで、アナライトの存在またはその量を検出する検出装置であって、前記検出チップを保持するためのチップホルダーと、前記励起光を出射する光源と、前記励起光を前記入射面を介して前記金属薄膜の所定の位置に所定の角度で照射するために、前記励起光の光軸と前記チップホルダーとを相対的に回転させる角度調整部と、を有し、前記角度調整部は、前記入射面に対する入射角が0°にならず、かつ前記金属薄膜で表面プラズモンが発生する角度を含む角度範囲内で、前記金属薄膜に対する前記励起光の入射角を走査し、前記角度調整部は、前記金属薄膜に対する前記励起光の入射角を走査する際に、前記角度範囲の最小角度、中心角度および最大角度のときの前記入射面に入射する前記励起光の光軸の延長線に囲まれて形成される三角形の内接円の円心を円心とし、前記内接円の円心から、前記角度範囲の最小角度および最大角度のときの前記入射面に入射する前記励起光の光軸の延長線の交点までの距離を半径とする円の範囲内に位置する点を中心として、前記励起光の光軸と前記チップホルダーとを、前記三角形を含む仮想の平面上において相対的に回転させる。 In order to solve the above problems, a detection apparatus according to an embodiment of the present invention is equipped with a detection chip including a prism having an incident surface and a surface on which a metal thin film is formed, and excitation light is transmitted through the incident surface. A detection device for detecting the presence or amount of an analyte by irradiating the metal thin film, a chip holder for holding the detection chip, a light source for emitting the excitation light, and the excitation light An angle adjusting unit that relatively rotates the optical axis of the excitation light and the chip holder in order to irradiate a predetermined position of the metal thin film at a predetermined angle through the incident surface; The angle adjustment unit scans the incident angle of the excitation light with respect to the metal thin film within an angle range including an angle at which an incident angle with respect to the incident surface is not 0 ° and a surface plasmon is generated in the metal thin film, Previous The angle adjustment unit, when scanning the incident angle of the excitation light to the metal thin film, the extension of the excitation light optical axis incident on the incident plane when the minimum angle, the central angle and the maximum angle of the angle range The excitation light incident on the incident surface at the minimum angle and the maximum angle of the angle range from the center of the inscribed circle, with the center of the inscribed circle of the triangle formed surrounded by the line as the center relative around a point located within the circle and the distance to the intersection of the extension line to the radius of the optical axis, and said tip holder and the optical axis of the excitation light, on a virtual plane including the triangle Rotate.
本発明によれば、簡単な構成で、金属薄膜上の照射スポットの位置を変えずに入射角を変えることができるため、検出感度の高い装置を安価に製造することができる。また、本発明によれば、プリズム表面からの反射光が光源に戻らないため、アナライトの存在またはその量を高精度に検出することができる。 According to the present invention, since the incident angle can be changed with a simple configuration without changing the position of the irradiation spot on the metal thin film, an apparatus with high detection sensitivity can be manufactured at low cost. Further, according to the present invention, since the reflected light from the prism surface does not return to the light source, the presence or amount of the analyte can be detected with high accuracy.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明に係る検出装置であるSPFS装置の一実施の形態について説明する。(Embodiment 1)
In the first embodiment, an embodiment of an SPFS apparatus that is a detection apparatus according to the present invention will be described.
まず、SPFS装置の概要について説明する。SPFS装置は、誘電体からなるプリズムと、プリズムの1面に形成された金属薄膜と、金属薄膜のプリズムに対向しない面に固定された捕捉体(例えば抗体)とを有する。サンプル中にアナライトが存在する場合は、この捕捉体にアナライトが捕捉される。捕捉されたアナライトは、蛍光物質で標識されている。プリズムの内部から金属薄膜に臨界角以上の入射角で励起光(レーザー光)を照射すると、エバネッセント波が生じる。このエバネッセント波により、蛍光物質が励起され、蛍光を放出する。SPFS装置は、この蛍光の光量を検出することで、アナライトの存在またはその量を検出する。 First, an outline of the SPFS apparatus will be described. The SPFS device includes a prism made of a dielectric, a metal thin film formed on one surface of the prism, and a capturing body (for example, an antibody) fixed to a surface of the metal thin film that does not face the prism. If an analyte is present in the sample, the analyte is captured by this capturing body. The captured analyte is labeled with a fluorescent substance. When excitation light (laser light) is irradiated from the inside of the prism onto the metal thin film at an incident angle greater than the critical angle, an evanescent wave is generated. The evanescent wave excites the fluorescent material and emits fluorescence. The SPFS device detects the presence or amount of the analyte by detecting the amount of the fluorescent light.
図1は、実施の形態1に係るSPFS装置100の構成を示す模式図である。図1に示されるように、SPFS装置100は、励起光出射部110、基台120、チップホルダー130、回転モーター140、光検出部150を有する。また、SPFS装置100は、各駆動部の制御や光検出部150における受光量の定量化などを一元的に行う、不図示の制御部も有する。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an
SPFS装置100は、チップホルダー130に検出チップ10を装着した状態で使用される。後述するように、検出チップ10は、入射面21、成膜面22および出射面23を有するプリズム20と、成膜面22に形成された金属薄膜30と、成膜面22上に配置された流路部材40とを有する(図2参照)。
The
励起光出射部110は、励起光源としてレーザーダイオード(以下「LD」と略記する)を有し、チップホルダー130に保持された検出チップ10の入射面21に向けて励起光α(シングルモードレーザー光)を出射する。より具体的には、励起光出射部110は、検出チップ10に含まれる金属薄膜30によって励起光αが全反射されるように、金属薄膜30に対するP波のみを入射面21に向けて出射する。励起光出射部110は、LDユニット、第1整波器および整形光学系(いずれも不図示)を有する。
The excitation
LDユニットは、コリメートされ、かつ波長および光量が一定の励起光αを、金属薄膜30表面における照射スポットの形状が略円形となるように出射する。LDユニットは、励起光源としてのLDと、LDから出射された励起光αをコリメートするコリメーターと、励起光αの光量を一定にするための温度調整回路とを有する。LDから出射される励起光αは、コリメートされてもその輪郭形状が扁平である。このため、金属薄膜30表面における照射スポットの形状が略円形となるように、LDは所定の姿勢で保持される。また、LDから出射される励起光αの波長および光量は、温度によって変化する。このため、温度調整回路は、コリメートされた後の励起光αから分岐させた光の光量をフォトダイオードなどにより監視し、励起光αの波長および光量が一定となるようにLDの温度を調整する。
The LD unit emits the collimated excitation light α having a constant wavelength and light amount so that the shape of the irradiation spot on the surface of the metal
第1整波器は、第1バンドパスフィルター(以下「BPF1」と略記する)および直線偏光フィルター(以下「LP」と略記する)を含み、LDユニットから出射された光を整波する。LDユニットからの励起光αは、若干の波長分布幅を有しているため、BPF1は、LDユニットからの励起光αを中心波長のみの狭帯域光にする。また、LDユニットからの励起光αは、完全な直線偏光ではないため、LPは、LDユニットからの励起光αを完全な直線偏光の光にする。 The first wave adjuster includes a first bandpass filter (hereinafter abbreviated as “BPF1”) and a linear polarization filter (hereinafter abbreviated as “LP”), and harmonizes the light emitted from the LD unit. Since the excitation light α from the LD unit has a slight wavelength distribution width, the BPF 1 turns the excitation light α from the LD unit into narrowband light having only the center wavelength. In addition, since the excitation light α from the LD unit is not completely linearly polarized light, the LP converts the excitation light α from the LD unit into completely linearly polarized light.
整形光学系は、金属薄膜30表面における照射スポットの形状が所定サイズの円形となるように、励起光αのビーム径や輪郭形状などを調整する。整形光学系から出射された励起光αは、検出チップ10に含まれるプリズム20に照射される。整形光学系は、例えばスリットやズーム手段などである。
The shaping optical system adjusts the beam diameter, contour shape, and the like of the excitation light α so that the shape of the irradiation spot on the surface of the metal
チップホルダー130は、励起光出射部110から出射された励起光αの光軸に直交する軸を中心として回転可能に基台120に保持されている。チップホルダー130は、回転モーター140と接続されており、回転モーター140により回転させられる。回転モーター140は、基台120に固定されている。チップホルダー130および回転モーター140は、共同して、励起光αの光軸に対してチップホルダー130(および検出チップ10)を回転させる。すなわち、本実施の形態のSPFS装置100では、チップホルダー130および回転モーター140は、共同して、励起光αの光軸とチップホルダー130とを相対的に回転させる角度調整部として機能する。チップホルダー130の回転中心の位置については、後で詳細に説明する。
The
光検出部150は、チップホルダー130に保持された検出チップ10の金属薄膜30のプリズム20と対向しない面に対向するように配置されている。より具体的には、光検出部150は、金属薄膜30表面における励起光αの照射スポットを通り、かつ金属薄膜30表面に垂直な直線上に配置されている。光検出部150は、金属薄膜30のプリズム20と対向しない面から出射される光を検出する。たとえば、光検出部150は、金属薄膜30上の蛍光物質から放出された蛍光βや、金属薄膜30からのプラズモン散乱光を検出する。光検出部150は、集光レンズおよび結像レンズを含む鏡筒151と、第2バンドパスフィルター(以下「BPF2」と略記する)を含む第2整波器152と、BPF2の位置を切り替える切替モーター153と、受光センサー154とを有する。
The
鏡筒151に含まれる集光レンズおよび結像レンズは、迷光の影響を受けにくい共役光学系を構成する。集光レンズと結像レンズとの間を進行する光は、略平行光となる。集光レンズおよび結像レンズは、金属薄膜30上の蛍光像を受光センサー154の受光面上に結像させる。
The condensing lens and the imaging lens included in the
第2整波器152は、集光レンズおよび結像レンズの間に位置するように、鏡筒151に設けられている。BPF2は、励起光αの波長の光を遮ることで、受光センサー154に蛍光の波長以外の光(例えば、励起光出射部110からの漏れ光や、プラズモン散乱光、拡散光など)が到達することを防ぐ。すなわち、BPF2は、受光センサー154に到達する光からノイズ成分を除去し、微弱な蛍光の検出精度および感度の向上に寄与する。BPF2の位置は、切替モーター153により切り替えられる。蛍光を検出する場合は、BPF2は、光路上に位置するように鏡筒151内に挿入される。一方、プラズモン散乱光を検出する場合は、BPF2は、光路外に位置するように鏡筒151から退出させられる。
The
受光センサー154は、金属薄膜30上の蛍光像を検出する。たとえば、受光センサー154は、感度およびSN比が高い光電子増倍管である。受光センサー154は、アバランシェ・フォトダイオード(APD)などであってもよい。なお、チップホルダー130の回転に伴い金属薄膜30上の蛍光像も傾くが、その角度は数度であること、蛍光物質からは全方位に等しく蛍光が放出されることから、受光する光量の変化は無視することができる。
The
なお、金属薄膜30の一方の面(プリズム20と対向する面)における励起光αの照射スポットα1の大きさは、金属薄膜30の他方の面(光検出部150と対向する面)における光検出部150による測定領域β1の大きさよりも小さくなるように調整される(図2参照)。このようにすることで、プリズム20の各パラメータの誤差により照射スポットα1がわずかに位置ずれした場合であっても、照射スポットα1が測定領域β1から外れることを防止できる。
Note that the size of the irradiation spot α1 of the excitation light α on one surface (surface facing the prism 20) of the metal
図2は、検出チップ10の断面図である。図2に示されるように、検出チップ10は、プリズム20、金属薄膜30および流路部材40を有する。検出チップ10は、アナライトの検出ごとに交換される。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
プリズム20は、屈折率が1.4〜1.6程度の透明な樹脂により形成されている。なお、プリズム20は、ガラスにより形成されていてもよい。プリズム20は、励起光出射部110からの励起光αをプリズム20の内部に入射させる入射面21と、プリズム20の内部に入射した励起光αを反射する金属薄膜30が形成される成膜面22と、金属薄膜30で反射した励起光αをプリズム20の外部に出射させる出射面23とを有する。たとえば、入射面21と成膜面22との角度および成膜面22と出射面23との角度は、いずれも約80°である。
The
金属薄膜30は、プリズム20の成膜面22上に形成されている。金属薄膜30は、励起光αが金属薄膜30と成膜面22との界面で全反射することにより生じるエバネッセント波(増強電場)を増幅させる。すなわち、成膜面22上の金属薄膜30に表面プラズモン共鳴を生じさせることにより、金属薄膜30の無い面(成膜面22)で励起光αを全反射させてエバネッセント波を生じさせる場合に比べ、形成されるエバネッセント波を増幅させることができる。
The metal
金属薄膜30の素材は、表面プラズモン共鳴を生じさせる金属であれば特に限定されない。金属薄膜30の素材の例には、金、銀、銅、アルミ、これらの合金が含まれる。本実施の形態では、金属薄膜30は、金薄膜である。
The material of the metal
また、図2では図示しないが、金属薄膜30のプリズム20と対向しない面には、アナライトを捕捉するための捕捉体が固定されている。捕捉体の種類は、アナライトを捕捉することができれば特に限定されない。たとえば、捕捉体は、アナライトに特異的な抗体である。
Although not shown in FIG. 2, a capturing body for capturing the analyte is fixed to the surface of the metal
流路部材40は、プリズム20の成膜面22上に配置されている。流路部材40は、成膜面22および金属薄膜30と共に試料液が流れる流路41を形成する。流路41の両端は、流路部材40の上面に形成された注入口42および排出口43とそれぞれ接続されている。流路部材40は、透明な樹脂により形成されており、接着剤による接着や、レーザー溶着、超音波溶着、クランプ部材を用いた圧着などによりプリズム20に接合されている。流路41は、金属薄膜30とサンプルとが接する領域が光検出部150の測定領域β1よりも広くなるように形成されている。
The
検出チップ10は、SPFS装置100の前処理部(不図示)に設置されると、流路41内にサンプルを注入される。そして、サンプルを注入された検出チップ10は、金属薄膜30上に固定された捕捉体とアナライトとの反応が終了した後、チップホルダー130まで搬送され、チップホルダー130に所定の姿勢で装着される。
When the
次に、SPFS装置100の検出動作について説明する。図3は、SPFS装置100の動作手順の一例を示すフローチャートである。
Next, the detection operation of the
まず、事前準備として、検出チップ10の流路41にサンプルなどを注入して、金属薄膜30上に固定された捕捉体に、蛍光物質で標識されたアナライトを捕捉させておく。たとえば、検出チップ10の流路41にアナライトを含むサンプルを注入する。これにより、サンプル中のアナライトの少なくとも一部は、捕捉体(例えば、抗体)に捕捉される。次いで、流路41内を緩衝液などで洗浄し、捕捉体に捕捉されなかった物質を除去する。次いで、蛍光物質で標識された別の捕捉体(例えば、蛍光標識抗体)を含む液体を流路41に注入する。これにより、金属薄膜30上に固定された捕捉体に捕捉されたアナライトを蛍光物質で標識することができる。最後に、流路41内を緩衝液などで再度洗浄し、遊離の蛍光物質などを除去する。以上の手順により、金属薄膜30上に固定された捕捉体に、蛍光物質で標識されたアナライトを捕捉させることができる。
First, as a preliminary preparation, a sample or the like is injected into the
また、もう一つの事前準備として、SPFS装置100の電源を入れて、励起光出射部110内のLDの温度を一定にしておく。前述のとおり、LDから出射される励起光αの波長および光量は、温度によって変化するからである。励起光αの波長および光量が変化すると、プラズモン共鳴の条件や、エバネッセント波の発生量も変化してしまう。LDの温度が一定になるまでには時間が掛かるため、余裕を持って電源を入れておくことが好ましい。
As another advance preparation, the
LDの温度が一定になった後、チップホルダー130に検出チップ10を装着する(ステップS10)。前述のとおり、検出チップ10では、金属薄膜30上に固定された捕捉体に、蛍光物質で標識されたアナライトが捕捉されている。
After the LD temperature becomes constant, the
次に、励起光αを金属薄膜30の所定の位置に照射しながら、金属薄膜30に対する励起光αの入射角を走査して、最適な共鳴角を決定する(ステップS20)。具体的には、光検出部150内のBPF2を光路から退出させた後、励起光αを金属薄膜30の所定の位置に照射しながら、後述する回転中心を中心としてチップホルダー130を回転させる。このとき、光検出部150は、金属薄膜30からのプラズモン散乱光を検出する。必要に応じて、光検出部150内において、光路にNDフィルターを挿入してもよい。SPFS装置100は、後述する回転中心を中心としてチップホルダー130を回転させることで、金属薄膜30上の照射スポットの位置を変えずに入射角のみを変えることができる。制御部は、励起光αの光軸とチップホルダー130との相対回転角度と、プラズモン散乱光の光量を記憶する。さらに、制御部は、プラズモン散乱光の光量が最大のときの相対回転角度を、最適な共鳴角として決定する。制御部は、金属薄膜30に対する励起光αの入射角がステップS20で決定した共鳴角となるように、チップホルダー130を回転させ、固定する(ステップS30)。
Next, while irradiating the predetermined position of the metal
次に、ステップS30で設定された最適な入射角における、蛍光の光量を検出する(ステップS40)。具体的には、光検出部150内のBPF2を光路上に挿入した後、励起光αを金属薄膜30の所定の位置に最適な入射角で照射しながら、測定領域β1からの蛍光を測定する。制御部は、検出値を記憶すると共に、表示器に表示させる(ステップS50)。この後、チップホルダー130を初期位置に戻して、一連の測定を終了する(ステップS60)。
Next, the amount of fluorescent light at the optimum incident angle set in step S30 is detected (step S40). Specifically, after the BPF 2 in the
以上のように、SPFS装置100を用いてアナライトを検出する際には、励起光αを金属薄膜30に照射しながらチップホルダー130を回転させて、金属薄膜30に対する励起光αの入射角を走査する(ステップS20)。このステップについて、図4を参照して、より詳細に説明する。
As described above, when the analyte is detected using the
基本的には、検出チップ10の構成により、金属薄膜30に対する励起光αの最適な入射角(すなわち共鳴角)は決定される。この共鳴角に関わるパラメータとしては、プリズム20の屈折率や、金属薄膜30を構成する金属の屈折率と消衰係数、金属薄膜30の膜厚、励起光αの波長などが挙げられる。しかしながら、検出時に使用する蛍光物質の種類および量、プリズム20の形状誤差などにより、共鳴角は計算値からわずかにずれることが多い。そこで、計算値を中心として両側数度未満の角度範囲で入射角を走査して、真の共鳴角を決定することが必要である。
Basically, the optimum incident angle (that is, the resonance angle) of the excitation light α with respect to the metal
前述のとおり、本実施の形態のSPFS装置100では、チップホルダー130を回転させて、金属薄膜30に対する励起光αの入射角(図4に示される角度A)を走査する。このとき、SPFS装置100は、入射面21に対する入射角が0°にならず、かつ金属薄膜30で表面プラズモンが発生する角度を含む角度範囲(図4に示される角度範囲B:以下「走査角度範囲」という)内で、金属薄膜30に対する励起光αの入射角を走査する。入射面21に対する入射角が0°にならないようにするのは、入射面21からの反射光が励起光出射部110に戻らないようにするためである。走査角度範囲Bは、10°以内であり、入射面21に対する励起光αの入射角(図4に示される角度D)は、0°を超え10°以下である。
As described above, in the
励起光αの入射面21に対する最小入射角について、より詳細に検討する。励起光αのビームサイズをdとし、入射面21からのLDの距離をLとしたとき、避けるべき最小入射角はATAN(d/2L)となる。励起光αのレーザー強度は、ガウス分布している。ガウス分布しているレーザー光のビーム径は、中心強度の1/e2(13.5%)とするのが一般的である。しかしながら、中心強度の0.1%程度のレーザー強度であっても戻り光の影響が出るため、励起光αの入射面21に対する最小入射角は、上記最小入射角の2倍のATAN(d/L)とすることが好ましい。たとえば、励起光αの入射面21に対する最小入射角を5°とすれば、実用上十分である(実際はもっと小さくしても問題ない)。The minimum incident angle of the excitation light α with respect to the
また、SPFS装置100は、走査角度範囲Bの最小角度のときの入射面21に入射する励起光αの光軸の延長線と、走査角度範囲Bの最大角度のときの入射面21に入射する励起光αの光軸の延長線との交点Cを中心として、チップホルダー130を回転させる。このようにすることで、金属薄膜30上の照射スポットα1の位置を変えずに金属薄膜30に対する励起光αの入射角を変えることができる(図4参照)。実用上は、上記交点Cだけでなく、交点Cから金属薄膜30表面における励起光αの照射スポットの直径の10%以内の距離に位置する点を回転中心としても、大きな問題はない。
Further, the
走査角度範囲Bの中心角度のときの励起光αの光軸と、走査角度範囲Bの最小角度および最大角度のときの励起光αの光軸とは、1点では交差せず、微小な三角形を作る。この場合、その三角形の内接円の中心を回転中心としたときに、照射位置の変動が一番小さくなる。三角形が大きくなると、照射位置のずれも大きくなる。残留物質の不均一性や、観察光学系の像面照度分布などで照射位置がずれると、蛍光量が変化してしまう。照射位置のずれは、回転中心と各光線との距離および共鳴角度に略比例する。たとえば、共鳴角度が70°の場合に、励起光αが光軸に直交する方向に所定距離移動したとき、金属薄膜30表面における面方向の照射位置は、前記所定距離の約3倍移動してしまう。しかしながら、前述の交点Cまたは交点Cから金属薄膜30表面における励起光αの照射スポットの直径の10%以内の距離に位置する点を回転中心とすることで、実用上問題ない範囲まで照射位置ずれを抑制することができる。なお、走査角度範囲Bを狭くするとともに、入射面21の法線に近づけることで、前述の三角形を小さくすることができる。
The optical axis of the excitation light α at the center angle of the scanning angle range B and the optical axis of the excitation light α at the minimum angle and the maximum angle of the scanning angle range B do not intersect at one point, and are minute triangles. make. In this case, when the center of the inscribed circle of the triangle is the center of rotation, the variation of the irradiation position is the smallest. As the triangle becomes larger, the displacement of the irradiation position also becomes larger. If the irradiation position is deviated due to non-uniformity of residual substances or image plane illuminance distribution of the observation optical system, the amount of fluorescence changes. The deviation of the irradiation position is approximately proportional to the distance between the rotation center and each light beam and the resonance angle. For example, when the resonance angle is 70 °, when the excitation light α moves a predetermined distance in a direction orthogonal to the optical axis, the irradiation position in the surface direction on the surface of the metal
以上の点を考慮して、共鳴角および走査角度範囲Bから、検出チップ10における入射面21の角度が規定される。金属薄膜30における表面プラズモンの発生量が最大となるときの、プリズム20内に入射した励起光αの光軸と入射面21の法線との角度(微小角)をθとする。ここで、Sinθ≒θと大雑把に近似し、プリズム屈折率を1.5としたとき、プリズム20内に入射する励起光αの光軸と入射面21の法線との成す角度(入射面21に対する入射角;図4に示される角度D)は、1.5θである。プリズム20内における共鳴角の走査角度範囲±εも小さいため、走査角度範囲Bの最大角度および最小角度における入射面21に対する励起光αの入射角(図4に示される角度D)は、1.5(θ±ε)となる。1.5(θ±ε)が0°を含む場合、戻り光が生じることになる。一方、1.5(θ±ε)が過剰に大きい場合、照射位置のずれ幅が大きくなってしまう。前述のとおり、戻り光を防ぐ観点から、1.5(θ−ε)は、ATAN(d/L)以上(例えば5°以上)であることが好ましい。また、ε≦5°なので、共鳴角におけるプリズム20内の励起光αの光軸と入射面21の法線との成す角θは、8.4°以上となり、入射面21に対する励起光αの入射角の振り角度範囲は、±7.5°以下となる。プリズム屈折率を2.0(ガラスの最大値)としたときは、共鳴角と入射面21の法線との成す角θは、7.5°以上となり、励起光αの入射角の振り角度範囲は、±10°以下(振り幅20°以下)となる。したがって、金属薄膜30における表面プラズモンの発生量が最大となるときの、プリズム20内に入射した励起光αの光軸と入射面21の法線との角度は、5〜20°の範囲内であることが好ましい。
Considering the above points, the angle of the
以上のとおり、本実施の形態のSPFS装置100は、走査角度範囲Bの最小角度のときの入射面21に入射する励起光αの光軸の延長線と、走査角度範囲Bの最大角度のときの入射面21に入射する励起光αの光軸の延長線との交点Cまたはその近傍を中心として、チップホルダー130を回転させるため、金属薄膜30上の照射スポットα1の位置を変えずに金属薄膜30に対する励起光αの入射角を変えることができる。
As described above, the
(実施の形態2)
実施の形態1では、励起光αの光軸に対してチップホルダー130を回転させるSPFS装置100について説明したが、実施の形態2では、チップホルダー130に対して励起光αの光軸を回転させるSPFS装置200について説明する。(Embodiment 2)
In the first embodiment, the
図5は、実施の形態2に係るSPFS装置200の構成を示す図である。図5に示されるように、SPFS装置200は、励起光出射部110、基台120、チップホルダー210、回転レバー220、回転モーター230、光検出部150を有する。また、SPFS装置200は、各駆動部の制御や光検出部150における受光量の定量化などを一元的に行う、不図示の制御部も有する。実施の形態2に係るSPFS装置200は、実施の形態1に係るSPFS装置100と同様に、チップホルダー210に検出チップ10を装着した状態で使用される。なお、実施の形態1に係るSPFS装置100と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the
チップホルダー210は、実施の形態1に係るSPFS装置100のチップホルダー130とは異なり、回転できない状態で基台120に固定されている。
Unlike the
一方、実施の形態2に係るSPFS装置200では、回転レバー220が、励起光出射部110から出射された励起光αの光軸に直交する軸を中心として回転可能に基台120およびチップホルダー210に保持されている。回転レバー220の回転中心の位置は、実施の形態1に係るSPFS装置100のチップホルダー130の回転中心の位置と同じである。回転レバー220の回転中心は、検出チップ10のプリズム20内に位置するため、回転レバー220の回転軸は、チップホルダー210の外側に分断して設けられている。
On the other hand, in the
励起光出射部110は、基台120ではなく、回転レバー220に固定されている。励起光出射部110は、励起光αの光軸が回転レバー220の回転中心を通るように、回転レバー220に固定されている。回転レバー220は、回転モーター230と接続されており、回転モーター230により回転させられる。回転モーター230は、基台120に固定されている。回転レバー220および回転モーター230は、共同して、チップホルダー210(および検出チップ10)に対して励起光αの光軸を回転させる。すなわち、本実施の形態のSPFS装置200では、回転レバー220および回転モーター230は、共同して、励起光αの光軸とチップホルダー210とを相対的に回転させる角度調整部として機能する。
The excitation
本実施の形態のSPFS装置200は、チップホルダー130(および検出チップ10)の代わりに回転レバー220(および励起光出射部110)を回転させる点を除いては、実施の形態1に係るSPFS装置100と同様の手順で動作する。
The
実施の形態2に係るSPFS装置200は、実施の形態1に係るSPFS装置100と同様の効果を有する。
The
なお、上記各実施の形態ではSPFS装置について説明したが、本発明に係る検出装置はSPFS装置に限定されない。たとえば、本発明に係る検出装置は、SPR装置であってもよい。この場合、SPR装置は、金属薄膜で反射され、出射面から出射された励起光を検出する光検出部を有する。 In addition, although each said embodiment demonstrated the SPFS apparatus, the detection apparatus which concerns on this invention is not limited to a SPFS apparatus. For example, the detection device according to the present invention may be an SPR device. In this case, the SPR device includes a light detection unit that detects excitation light reflected from the metal thin film and emitted from the emission surface.
本出願は、2012年11月15日出願の特願2012−251149に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。 This application claims the priority based on Japanese Patent Application No. 2012-251149 of an application on November 15, 2012. The contents described in the application specification and the drawings are all incorporated herein.
本発明の検出装置は、高感度かつ高精度でアナライトの存在またはその量を検出することができるため、例えば臨床検査などに有用である。 Since the detection apparatus of the present invention can detect the presence or amount of an analyte with high sensitivity and high accuracy, it is useful for clinical examinations, for example.
10 検出チップ
20 プリズム
21 入射面
22 成膜面
23 出射面
30 金属薄膜
40 流路部材
41 流路
42 注入口
43 排出口
100,200 SPFS装置
110 励起光出射部
120 基台
130,210 チップホルダー
140,230 回転モーター
150 光検出部
151 鏡筒
152 第2整波器
153 切替モーター
154 受光センサー
220 回転レバー
α 励起光
α1 励起光の照射領域
β 蛍光
β1 蛍光の測定領域
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記検出チップを保持するためのチップホルダーと、
前記励起光を出射する光源と、
前記励起光を前記入射面を介して前記金属薄膜の所定の位置に所定の角度で照射するために、前記励起光の光軸と前記チップホルダーとを相対的に回転させる角度調整部と、
を有し、
前記角度調整部は、前記入射面に対する入射角が0°にならず、かつ前記金属薄膜で表面プラズモンが発生する角度を含む角度範囲内で、前記金属薄膜に対する前記励起光の入射角を走査し、
前記角度調整部は、前記金属薄膜に対する前記励起光の入射角を走査する際に、前記角度範囲の最小角度、中心角度および最大角度のときの前記入射面に入射する前記励起光の光軸の延長線に囲まれて形成される三角形の内接円の円心を円心とし、前記内接円の円心から、前記角度範囲の最小角度および最大角度のときの前記入射面に入射する前記励起光の光軸の延長線の交点までの距離を半径とする円の範囲内に位置する点を中心として、前記励起光の光軸と前記チップホルダーとを、前記三角形を含む仮想の平面上において相対的に回転させる、
検出装置。 Detection that detects the presence or amount of an analyte by mounting a detection chip including a prism having an incident surface and a surface on which a metal thin film is formed, and irradiating the metal thin film with excitation light through the incident surface A device,
A chip holder for holding the detection chip;
A light source that emits the excitation light;
An angle adjusting unit that relatively rotates the optical axis of the excitation light and the chip holder in order to irradiate the excitation light at a predetermined angle to the predetermined position of the metal thin film through the incident surface;
Have
The angle adjustment unit scans the incident angle of the excitation light with respect to the metal thin film within an angle range including an angle at which an incident angle with respect to the incident surface is not 0 ° and a surface plasmon is generated in the metal thin film. ,
When the angle adjustment unit scans the incident angle of the excitation light with respect to the metal thin film , the optical axis of the excitation light incident on the incident surface at the minimum angle, the center angle, and the maximum angle of the angle range. The excitation that is incident on the incident surface at the minimum angle and the maximum angle of the angle range from the center of the inscribed circle, with the center of the inscribed circle of the triangle formed surrounded by the extension line as the center. around a point located within a distance a of a circle radius to the intersection of the extension line of the optical axis of the light, and said tip holder and the optical axis of the excitation light, on a virtual plane including the triangle Rotate relatively,
Detection device.
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