(57)【要約】【課題】十分な感度で広いダイナミックレンジを有する蛍光検出装置を提供する。【解決手段】蛍光検出装置１は、光源１１とシリコンフォトダイオード３０と駆動回路４０とを備える。光源１１は、試料Ｓに照射するための励起光を出射する。シリコンフォトダイオード３０は、励起光が照射されることにより試料Ｓから発せられた蛍光を受光する。駆動回路４０は、シリコンフォトダイオード３０をゼロバイアス駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に照射するための励起光を出射する光源と、
前記励起光が照射されることにより前記試料から発せられた蛍光を受光する半導体光電変換素子と、
前記半導体光電変換素子をゼロバイアス駆動する駆動回路と、を備える、蛍光検出装置。
【請求項２】
前記半導体光電変換素子はシリコンフォトダイオードである、請求項１記載の蛍光検出装置。
【請求項３】
前記試料から発せられた前記蛍光を前記半導体光電変換素子の受光面に集光する縮小光学系をさらに備える、請求項１又は２記載の蛍光検出装置。
【請求項４】
前記試料と前記半導体光電変換素子との間の光路上に配置され、前記励起光を遮断し、且つ前記蛍光を透過させる光学フィルタをさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項記載の蛍光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光が照射されることにより試料から発せられた蛍光を検出する蛍光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば生体試料等の試料に含有される物質の濃度を測定するために、試料に励起光を照射し、試料から発せられた蛍光を光検出器により検出し、検出された蛍光の強度を解析する蛍光測定装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１４７８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の蛍光測定装置においては、光検出器に光電子増倍管を用いると、特に試料中の物質の濃度が低い低濃度域においても、高感度な測定が可能となる。しかしながら、一般的な光電子増倍管のダイナミックレンジは、下限が暗電流（１ｎＡ程度）、上限がブリーダー電流（１０μＡ程度）によりそれぞれ制限されるため、蛍光測定装置のダイナミックレンジが制限される場合がある。
【０００５】
光電子増倍管で微弱光検出に用いる光電子計数法（フォトンカウンティング法）を用いても入射光遮断時には１００カウント／秒程度のダークカウントが存在し、このダークカウントにより測定可能範囲の下限が決定される一方、上限は信号パルスの重なりで計数損失を起こす１０メガカウント／秒程度が測定可能な上限となっている。
【０００６】
したがって、光電子増倍管を用いた蛍光測定装置においては光電子増倍管の動作条件を変更せずに計測可能なダイナミックレンジの範囲は上述のように狭く、大きな蛍光強度変化を測定するには光電子増倍管の動作電圧の調節や励起光強度の調節、光学系での光強度調節などで測定可能範囲に収める必要がある。
【０００７】
しかしながら、光電子増倍管を用いた蛍光測定装置で通常行われる光電子増倍管の動作電圧調整や計測試料に照射する励起光強度変更を試料測定中に行うと測定条件の一貫性が崩れ計測結果に影響する問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の問題点を解決し、十分な感度で広いダイナミックレンジを有する蛍光検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の蛍光検出装置は、試料に照射するための励起光を出射する光源と、励起光が照射されることにより試料から発せられた蛍光を受光する半導体光電変換素子と、半導体光電変換素子をゼロバイアス駆動する駆動回路と、を備える。
【００１０】
この蛍光検出装置では、光源から出射された励起光が試料に照射され、それにより試料から発せられた蛍光が半導体光電変換素子によって受光される。このとき、半導体光電変換素子は、駆動回路によってゼロバイアス駆動されている。これにより、半導体光電変換素子の暗電流が著しく減少するため、半導体光電変換素子の暗電流によって決定される蛍光検出装置のダイナミックレンジの下限を低下させて蛍光検出装置のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００１１】
また、蛍光検出装置において、半導体光電変換素子はシリコンフォトダイオードであってもよい。シリコンフォトダイオードの光電変換量子効率は、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の領域において高い。したがって、この構成によれば、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の領域の蛍光を用いた生体測定の分野での使用に特に好適となる。
【００１２】
また、蛍光検出装置は、試料から発せられた蛍光を半導体光電変換素子の受光面に集光する縮小光学系をさらに備えていてもよい。この構成によれば、半導体光電変換素子の受光面を小さくして、暗電流を一層減少させることができる。したがって、蛍光検出装置のダイナミックレンジを一層拡大することができる。
【００１３】
また、蛍光検出装置は、試料と半導体光電変換素子との間の光路上に配置され、励起光を遮断し、且つ蛍光を透過させる光学フィルタをさらに備えていてもよい。この構成によれば、励起光の半導体光電変換素子への入射によって半導体光電変換素子で発生する電流が、本来の測定対象となる蛍光に由来する電流に重畳されることが防止される。したがって、試料により発せられる蛍光をより精度よく測定することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高感度で広いダイナミックレンジを有する蛍光検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の蛍光検出装置の構成図である。
【図２】図１の駆動回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１に示されるように、蛍光検出装置１は、光源１１から出射された励起光を試料Ｓに照射し、それにより試料Ｓから発せられた蛍光をシリコンフォトダイオード３０（半導体光電変換素子）により受光する。蛍光検出装置１は、このようにして蛍光強度を測定することにより試料Ｓ中の物質の濃度を測定することができる。
【００１８】
蛍光検出装置１には、試料Ｓを配置するための部分である試料受容部１５が設けられている。この試料受容部１５には、溶液状とされるとともに蛍光プローブが混合された、又は自家蛍光物質を含む液体状態の試料Ｓがサンプルキュベット１６に収容された状態で配置される。サンプルキュベット１６は、例えば、断面が１０ｍｍ四方の四角形である四角柱形状の容器であり、ガラスやプラスチックなどの透明な材料からなる。サンプルキュベット１６への試料の注入には、例えば、液体を吐出するための装置であるシリンジ１８を用いることができる。また、サンプルキュベット１６内での試料の撹拌には、マグネット撹拌子１９を用いることができる。
【００１９】
また、蛍光検出装置１は、試料Ｓに照射するための励起光を出射する光源１１を備えている。この光源１１としては、例えば青色ＬＥＤを使用することができる。光源１１は、試料Ｓが収容されるサンプルキュベット１６の側面に対して、励起光を照射する。
【００２０】
光源１１から試料受容部１５に至る光路上には、励起光用バンドパスフィルタ１２、アパーチャ１３及び集光レンズ１４が配置される。励起光用バンドパスフィルタ１２は、励起光に対応する波長の光のみを透過させ、他の波長の光を遮断するためのフィルタである。アパーチャ１３は、励起光の光量を制限する平面形状の部品であり、励起光を透過させるための円形の開口が設けられている。集光レンズ１４は、励起光用バンドパスフィルタ１２及びアパーチャ１３を通過した励起光を試料Ｓに集光するためのレンズである。
【００２１】
光源１１から試料受容部１５に至る光路の延長線上には、光トラップ１７が設けられている。この光トラップ１７は、試料Ｓを透過した励起光を吸収することにより、迷光を抑制するための部品である。
【００２２】
また、蛍光検出装置１は、励起光が照射されることにより試料Ｓから発せられた蛍光を受光するためのシリコンフォトダイオード３０を備えている。このシリコンフォトダイオード３０は、光源１１から試料受容部１５へ至る光路に直交する方向において、試料受容部１５に対向するように配置されている。シリコンフォトダイオード３０としては、試料Ｓにより発せられる蛍光の波長に対する受光感度が良いシリコンフォトダイオードを使用することができる。また、シリコンフォトダイオード３０は、例えば直径３ｍｍの受光面を有するものとすることができる。
【００２３】
試料受容部１５からシリコンフォトダイオード３０に至る光路上において、試料受容部１５の近傍には、レンズ２１、励起光カットフィルタ２２（光学フィルタ）及びアパーチャ２３が配置される。レンズ２１は、試料受容部１５から発せられた蛍光をシリコンフォトダイオード３０に導光するための部品である。励起光カットフィルタ２２は、光源１１により出射された励起光を遮断し、シリコンフォトダイオード３０に入射することを防止するための光学フィルタである。ここで、励起光カットフィルタ２２は、試料Ｓにより発せられる蛍光を透過させる波長特性を有するものである必要がある。アパーチャ２３は、レンズ２１及び励起光カットフィルタ２２を通過した試料Ｓからの蛍光の光路幅の広がりを制限するための部品であり、アパーチャ１３と同様に円形の開口が設けられている。
【００２４】
また、蛍光検出装置１は、試料受容部１５からシリコンフォトダイオード３０に至る光路上に、レンズ２４、励起光カットフィルタ２５（光学フィルタ）、レンズ２６及びレンズ２７を備えている。このうち、レンズ２６及びレンズ２７が、試料Ｓから発せられた蛍光をシリコンフォトダイオード３０の受光面上に集光する縮小光学系を構成する。レンズ２４、レンズ２６及びレンズ２７は、試料Ｓにより発せられた蛍光をシリコンフォトダイオード３０の受光面に集光するためのレンズである。励起光カットフィルタ２５は、励起光カットフィルタ２２と同様に、試料Ｓにより発せられた蛍光を透過させつつ励起光を遮断するための光学フィルタである。励起光カットフィルタ２２及び励起光カットフィルタ２５は、それぞれ複数枚の光学フィルタを組み合わせて合成したものとしてもよい。また、励起光カットフィルタ２２及び励起光カットフィルタ２５には、例えば水のラマン散乱光除去特性等を持たせてもよい。
【００２５】
さらに、蛍光検出装置１は、シリコンフォトダイオード３０をゼロバイアス駆動する駆動回路４０を備えている。なお、本明細書において、「シリコンフォトダイオード３０をゼロバイアス駆動する」とは、シリコンフォトダイオード３０の受光面に入射する光が遮断された状態において、シリコンフォトダイオード３０のアノード端子とカソード端子との間に印加される電圧を略ゼロとすること、より具体的にはシリコンフォトダイオード３０の出力信号を受けるＯＰアンプＡ１が持つ入力オフセット電圧を打ち消すようにシリコンフォトダイオード３０を駆動することを意味する。
【００２６】
なお、上記で説明した蛍光検出装置１の構成部品は、筐体１０に収容されている。筐体１０は、外部から入射する光を遮断する不透明な材質からなり、その形状は箱状とされている。そして、筐体１０には、試料Ｓを収容するサンプルキュベット１６を試料受容部１５に出し入れするための開口部（不図示）が設けられている。蛍光測定を行う際には、この開口部を蓋で覆い、外部からの光が入射しないようにする。
【００２７】
次に、駆動回路４０について、図２を参照して説明する。図２に示されるように、駆動回路４０は、ＯＰアンプＡ１、回路要素Ｚｆ、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を含んで構成される。回路要素Ｚｆは、シリコンフォトダイオード３０からの電流を電圧に変換するための回路要素である。回路要素Ｚｆとしては、例えば抵抗やコンデンサなどを使用することができる。ＯＰアンプＡ１の非反転入力端子は接地されている。ＯＰアンプＡ１の反転入力端子は、シリコンフォトダイオード３０のアノード端子に接続されると共に、回路要素Ｚｆの一端に接続されている。ＯＰアンプＡ１の出力端子には回路要素Ｚｆの他端が接続されている。
【００２８】
また、抵抗Ｒ１の一端には調節電圧Ｖadjが入力され、抵抗Ｒ１の他端には抵抗Ｒ２の一端が接続され、抵抗Ｒ２の他端は接地されている。そして、抵抗Ｒ１の他端及び抵抗Ｒ２の一端には、シリコンフォトダイオード３０のカソードが接続される。抵抗Ｒ１の抵抗値は、抵抗Ｒ２の抵抗値と比較して十分に大きく設定する。例えば、抵抗Ｒ１の抵抗値を１ＭΩとし、抵抗Ｒ２の抵抗値は１〜１０Ω程度とする。
【００２９】
このような駆動回路４０において、ＯＰアンプＡ１の入力オフセット電圧（ＯＰアンプ内部の差動入力部分を構成するトランジスタやＦＥＴのペア特性の不一致により生ずる電圧）Ｖoffsetは、ＯＰアンプによって数ｍＶ程度から数μＶ程度となる。シリコンフォトダイオード３０のアノードはＯＰアンプＡ１の反転入力端子に接続されているため、シリコンフォトダイオード３０のアノードの電位もＶoffsetとなり、Ｖoffsetをシリコンフォトダイオード３０のアノード・カソード間抵抗で除算した値の暗電流が生じてしまう。その暗電流を生じさせないためにシリコンフォトダイオード３０のカソード電位をＶoffsetと同じ電位に調整できるように、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２は、調整電圧Ｖadjを分圧する回路を構成している。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とが接続されたノードに接続されるシリコンフォトダイオード３０のカソードの電位Ｖpdは、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２によりＶadjを分圧して得られる値であるＶadj×（Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））となる。ここで、上述したようにＲ１の抵抗値はＲ２の抵抗値と比べて十分大きく設定されているため、Ｖpdの値は調整電圧Ｖadjに応じて数ｍＶから数μＶ程度の範囲の任意の値を容易に設定できる。例えばＲ１を１ＭΩ、Ｒ２を１Ωとした場合、Ｖadjに１Ｖの調節電圧を入力すると、Ｖpd≒１μＶとなる。したがって、調整電圧Ｖadjを適宜調整することにより、シリコンフォトダイオード３０のカソードの電位Ｖpdをシリコンフォトダイオード３０のアノードの電位Ｖoffsetとほぼ等しくすることができ、駆動回路４０はシリコンフォトダイオード３０をゼロバイアス駆動することができる。このようにシリコンフォトダイオード３０がゼロバイアス駆動された状態においては、シリコンフォトダイオード３０の暗電流は、シリコンフォトダイオード３０のアノード・カソード間抵抗が１ＧΩの場合、１ｆＡ程度まで減少する。
【００３０】
次に、以上のように構成された蛍光検出装置１の動作について説明する。まず、光源１１から励起光が出射されると、出射された励起光は、励起光用バンドパスフィルタ１２、アパーチャ１３、集光レンズ１４を経由して試料受容部１５に収容された試料Ｓに照射される。そして、励起光が照射された試料Ｓから蛍光が発せられ、発せられた蛍光は、レンズ２１、励起光カットフィルタ２２、アパーチャ２３、レンズ２４、励起光カットフィルタ２５、レンズ２６及びレンズ２７を経由してシリコンフォトダイオード３０の受光面に集光される。そして、シリコンフォトダイオード３０は、受光面に集光された蛍光の光量に応じた電流を発生し、ＯＰアンプＡ１及び回路要素Ｚｆが、シリコンフォトダイオード３０により発生した電流を電圧に変換し、電圧Ｖoとして出力する。
【００３１】
以上のように、本蛍光検出装置１によれば、光源１１から出射された励起光が試料Ｓに照射され、それにより、試料Ｓから発せられた蛍光がシリコンフォトダイオード３０によって受光される。このとき、シリコンフォトダイオード３０は、駆動回路４０によってゼロバイアス駆動されている。これにより、シリコンフォトダイオード３０の暗電流が著しく減少するため、シリコンフォトダイオード３０の暗電流によって決定される蛍光検出装置１のダイナミックレンジの下限が低下し、蛍光検出装置１のダイナミックレンジが拡大されている。
【００３２】
また、本蛍光検出装置１は、以下で説明するように生体試料の測定の分野において、特にその効果を好適に発揮する。近年、生体試料の測定の分野において、試料と混合される蛍光プローブから発せられる蛍光に、共存する生体試料由来のタンパク成分等による自家蛍光や自家発光が重畳され、（当該自家蛍光等の測定自体が目的である場合は別として）蛍光プローブが発する蛍光の測定に対して悪影響を及ぼすことが問題視されている。この自家蛍光や自家発光は、主に波長が概ね６００ｎｍ以下の領域で発生し、波長が概ね６００ｎｍ以上の領域では自家蛍光や自家発光の影響は小さい。特に自家蛍光は波長依存性が大きく、励起波長を長くすればするほど自家蛍光の強度が小さくなるという特徴を有する。発明者らの経験によれば、励起波長を１００ｎｍ長波長側にシフトさせると、自家蛍光の強度は約１桁低減する。また、生体を構成する水は、波長１０００ｎｍ以上の領域の赤外光を吸収しやすい。そのため、生体試料の測定の分野においては、波長が概ね６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の赤色光から近赤外光にかけての励起光とそれによる蛍光を用いて測定を行いたいというニーズが存在する。
【００３３】
ここで、本蛍光検出装置１においては、蛍光を検出するための光検出器として、シリコンフォトダイオード３０が使用されている。一般に、シリコンフォトダイオードの光電変換量子効率は、光電子増倍管のそれと比較すると、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の領域において高い。したがって、蛍光検出装置１は、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の領域の蛍光を用いた生体測定の分野での使用に特に適しており、上記のニーズに対応しうる点で有用である。
【００３４】
また、蛍光検出装置１は、試料Ｓから発せられた蛍光をシリコンフォトダイオード３０の受光面に集光する縮小光学系を備えているため、シリコンフォトダイオード３０の受光面を小さくして、シリコンフォトダイオード３０の暗電流が一層減少されており、その結果、蛍光検出装置１のダイナミックレンジが一層拡大されている。
【００３５】
また、蛍光検出装置１は、試料Ｓとシリコンフォトダイオード３０との間の光路上に、励起光を遮断する励起光カットフィルタ２２及び励起光カットフィルタ２５を備えているため、励起光のシリコンフォトダイオード３０への入射によってシリコンフォトダイオード３０で発生する電流が、本来の測定対象となる蛍光に由来する電流に重畳されることが防止されている。したがって、試料Ｓにより発光される蛍光がより精度よく測定される。
【００３６】
また、蛍光検出装置１においては、蛍光を検出するための光検出器として、光電子増倍管でなくシリコンフォトダイオードが用いられているため、蛍光検出装置１が小型化され、光電子増倍管の駆動に使用される数百Ｖ程度の高電圧電源が不要となり、耐衝撃性も向上し、強光入射時の保護や個体ごとのゲイン調節も不要となり、磁力や温度の影響も受けにくくなっている。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、半導体光電変換素子として、シリコンフォトダイオード３０に代えて、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用いてもよい。また、試料Ｓから発せられる光の波長に応じて、シリコンフォトダイオード３０に代えて、受光波長が１〜３．２μｍであるＰｂＳ素子、受光波長が１．５〜５．２μｍであるＰｂＳｅ素子、受光波長が１〜６．７μｍであるＩｎＳｂ素子、受光波長が１〜３．８μｍであるＩｎＡｓ素子、受光波長が１〜５．８μｍであるＩｎＡｓＳｂ素子、又は受光波長が２〜２５μｍであるＨｇＣｄＴｅ素子を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…蛍光検出装置、１１…光源、３０…シリコンフォトダイオード（半導体光電検出素子）、４０…駆動回路、Ｓ…試料。
【図１】
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【図２】
2014062838.tif 000004