(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１本鎖のＤＮＡの一端が基板に結合され他端が金属微粒子に結合されたＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数を解析する方法であって、レーザー光をビームスプリッターに入射し、ビームスプリッターによりレーザー光を２つに分岐し、一方のレーザー光を、入射光と反射光の光路に極僅かなずれが生じるようにミラーで反射させてビームスプリッターに戻し、他方のレーザー光を、位相変調器を通過させて周波数シフトを与えた後にミラーで反射させてビームスプリッターに戻し、ビームスプリッターにより再び２本のレーザー光を光路がほぼ一致するように合わせ、合わせたレーザー光をＤＮＡ−金属微粒子系が配置された試料セルに照射して試料内に干渉縞を発生させ、その干渉縞を走査することにより光の放射圧を金属微粒子に周期的に働かせて金属微粒子を強制振動させ、さらに金属微粒子の位置を観測用フォトダイオードにより観測して、ＤＮＡ先端に結合させた金属微粒子の位置揺らぎの大きさからＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数を解析することを特徴とするＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法。
【請求項２】
金属微粒子が金微粒子であることを特徴とする請求項１に記載のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法に用いられるシステムであって、
１）ＤＮＡ−金属微粒子系に放射圧を与えるレーザー光を発振するレーザーと、
２）レーザー光を反射させるためのミラーと、
３）干渉計を構成するためのビームスプリッターと、
４）レーザー光の周波数をシフトさせるための位相変調器と、
５）ＤＮＡ−金属微粒子系が配置された試料セルと、
６）ＤＮＡ−金属微粒子系の照明用レーザーと、
７）ＤＮＡ−金属微粒子系の金属微粒子の位置を観測するための観測用フォトダイオードと、
から構成されるＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法および共振周波数解析システムに関するものである。さらに詳しくはこの出願の発明は、ＤＮＡのハイブリダイゼーションによる１本鎖から２本鎖への変化を、そのバネ定数の変化として検出し、さらに共振現象を利用することにより高感度・高効率・高精度に解析し、かつ試料にダメージを与えず何度でも繰り返し測定を行うことのできるＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法およびそれに用いられる共振周波数解析システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、ＤＮＡの解析は、医療やその他様々な分野への貢献が期待されており、特にＤＮＡを１本鎖から２本鎖に変化させるハイブリダイゼーションの解析はＤＮＡの解析に欠かせないものであり、多くの研究者が取り組む課題となっている。
【０００３】
現在、ハイブリダイゼーションの検出・解析には、蛍光プローブを用いたＤＮＡマイクロアレイがよく用いられており、このＤＮＡマイクロアレイにおいてはＤＮＡチップにＤＮＡを配列させて解析するのであるが、この方法でハイブリダイゼーションを検出するためには、ＤＮＡに蛍光分子を添加して励起光を照射しなければならず、その際に蛍光分子が壊れてしまうため繰り返し測定を行うことは不可能であった。したがってＤＮＡマイクロアレイにおいて精度を向上させるためには測定前にＰＣＲによるＤＮＡ増幅処理が必要不可欠であった。
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、ＤＮＡのハイブリダイゼーションによる１本鎖から２本鎖への変化を、そのバネ定数の変化として検出しさらに共振現象を利用することにより高感度・高効率・高精度に解析し、かつ試料にダメージを与えず何度でも繰り返し測定を行うことのできるＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法および共振周波数解析システムを提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、１本鎖のＤＮＡの一端が基板に結合され他端が金属微粒子に結合されたＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数を解析する方法であって、レーザー光をビームスプリッターに入射し、ビームスプリッターによりレーザー光を２つに分岐し、一方のレーザー光を、入射光と反射光の光路に極僅かなずれが生じるようにミラーで反射させてビームスプリッターに戻し、他方のレーザー光を、位相変調器を通過させて周波数シフトを与えた後にミラーで反射させてビームスプリッターに戻し、ビームスプリッターにより再び２本のレーザー光を光路がほぼ一致するように合わせ、合わせたレーザー光をＤＮＡ−金属微粒子系が配置された試料セルに照射して試料内に干渉縞を発生させ、その干渉縞を走査することにより光の放射圧を金属微粒子に周期的に働かせて金属属粒子を強制振動させ、さらに金属微粒子の位置を観測用フォトダイオードにより観測して、ＤＮＡ先端に結合させた金属微粒子の位置揺らぎの大きさからＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数を解析することを特徴とするＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法を提供する。
【０００６】
第２には、この出願の発明は、第１の発明において、金属微粒子が金微粒子であることを特徴とするＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法を提供する。
【０００７】
第３には、この出願の発明は、第１または２の発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法に用いられるシステムであって、１）ＤＮＡ−金属微粒子系に放射圧を与えるレーザー光を発振するレーザーと、２）レーザー光を反射させるためのミラーと、３）干渉計を構成するためのビームスプリッターと、４）レーザー光の周波数をシフトさせるための位相変調器と、５）ＤＮＡ−金属微粒子系が配置された試料セルと、６）ＤＮＡ−金属微粒子系の照明用レーザーと、７）ＤＮＡ−金属微粒子系の金属微粒子の位置を観測するための観測用フォトダイオードと、から構成されるＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析システムを提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法は、１本鎖のＤＮＡの一端が基板に結合され他端が金属微粒子に結合されたＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数を解析する方法であって以下の手順で行われる。
【０００９】
たとえば図１に示しているように、まずＹＡＧレーザーなどのレーザー（１）から発振されたレーザー光（２）をミラー（３）で反射した後ビームスプリッター（４）に入射し、ビームスプリッター（４）により２つに分岐する。分岐された一方のレーザー光（２Ａ）を入射光と反射光の光路に極僅かなずれが生じるようにミラー（３Ａ）で反射させてビームスプリッター（４）に戻し、もう一方のレーザー光（２Ｂ）を、位相変調器（５）を通過させて周波数シフトを与えた後にミラー（３Ｂ）で反射させてビームスプリッター（４）に戻す。そして、ビームスプリッター（４）により再びそれらレーザー光を光路がほぼ一致するように合わせ、合わせたレーザー光（２Ｃ）を、ＤＮＡ−金属微粒子系としてたとえばＤＮＡ−金微粒子系が配置された試料セル（６）に照射する。
【００１０】
試料セル（６）内で２つのレーザー光（２Ａ）および（２Ｂ）は、光路がほぼ一致しているが僅かに光路がずれており、干渉して空間的に変調した光強度分布（干渉縞）となる。このようにして発生させた干渉縞は位相変調器（５）で与えたシフト周波数で明暗が変化するため、それにより発生する放射圧も時間的に変化する。そして、さらに片方のレーザー光の周波数を僅かにシフトさせることによりその干渉縞を時間的に走査し、その走査によって光の放射圧を金微粒子に周期的に働かせて金微粒子を強制振動させ、Ｈｅ−Ｎｅレーザーなどの照明用レーザー（７）で照射しながらその金微粒子の位置を観測用フォトダイオード（８）によりナノメートルの精度で観測し、ＤＮＡ先端に結合させた金微粒子の位置揺らぎの大きさから共振周波数を解析する。このとき、ＤＮＡ−金微粒子系のバネ振り子の周期に放射圧変調の周期が一致した場合に、振幅が非常に大きくなり金微粒子の位置揺らぎが大きくなる様子が観測される。
【００１１】
また、この出願の発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法を行うシステムとしては、たとえば図１に示しているように、ＤＮＡ−金属微粒子系に放射圧を与えるためのレーザー光を発振するＹＡＧレーザーなどのレーザー（１）と、レーザー光を反射させるためのミラー（３）、（３Ａ）、（３Ｂ）と、干渉計を構成するためのビームスプリッター（４）と、レーザー光の周波数をシフトさせるための位相変調器（５）と、ＤＮＡ−金属微粒子系が配置された試料セル（６）と、Ｈｅ−ＮｅレーザーなどのＤＮＡ−金属微粒子系の照明用レーザー（７）と、ＤＮＡ−金属微粒子系の金属微粒子の位置を観測するための観測用フォトダイオード（８）とから構成されるＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析システム（９）を用いることができる。
【００１２】
なおＤＮＡ−金属微粒子系に放射圧を与えるためのレーザーと照明用のレーザーとしては、波長が異なるものであれば上記のＹＡＧレーザーとＨｅ−Ｎｅレーザーの組み合わせの他どのようなレーザーの組み合わせであっても良い。たとえば、半導体レーザー、アルゴンイオンレーザー、チタンサファイアレーザーなどの任意の組み合わせが考えられる。またＤＮＡ−金属微粒子系に放射圧を与えるレーザー光は上記のようにミラーで反射させた後にビームスプリッターに入射させることはもちろんのこと、直接ビームスプリッタ−に入射させることも可能である。
【００１３】
また、ＤＮＡ−金属微粒子系に関しては、金属微粒子として上記のように金微粒子が好適に用いられるが、鉄などの金以外の金属微粒子を用いることももちろん可能である。
【００１４】
この出願の発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法により、ＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数を解析することによって、ＤＮＡのハイブリダイゼーションによる１本鎖から２本鎖への変化をそのバネ定数の変化として検出し、さらに共振現象を利用することにより、ＤＮＡのハイブリダイゼーションを高感度・高効率・高精度に解析することができる。
【００１５】
またこの出願の発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法は蛍光プローブを使用しないため、試料に対してダメージを与えることは一切ない。したがって、照明用のレーザー光を十分な強度で照射することが可能となり、また１つのＤＮＡに対して何度でも繰り返し測定できることから、必要であれば、繰り返し測定を行うことによってさらに精度を向上させることが可能となり、精度向上のためにＤＮＡマイクロアレイのようにＰＣＲによるＤＮＡ増幅処理を行う必要もない。
【００１６】
上記のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法の原理は以下に示すようなものである。
【００１７】
まず、図２（ａ）に示しているように１本鎖のプローブＤＮＡ（１０）の一端を基板（１１）に、他端を金属微粒子（１２）に結合した系は、ＤＮＡを微弱な「バネ」と考えることができるので、強制振動に対して調和振動子的な振る舞いをすると考えられる。１本鎖のプローブＤＮＡ（１０）に、検査の対象となるＤＮＡが結合して２本鎖になると、２重らせん構造の形成に伴い、ＤＮＡの全体としての長さおよび弾性が変化する。
【００１８】
したがって、１本鎖のプローブＤＮＡ（１０）に結合した金属微粒子（１２）の位置を測定し、その揺らぎをフーリエ変換することによってパワースペクトルを求め、さらに周波数応答を解析することによってＤＮＡの鎖長変化を検出することが可能となる。
【００１９】
ここで、ＤＮＡ−金属微粒子のバネ定数は、図２（ｂ）に示すレーザー光（１３）を顕微鏡下で集光した場合に発生する放射圧による「光バネ」と同程度の値を持つ。したがって、放射圧によってｉｎ  ｓｉｔｕで非破壊・非接触に強制振動を与えることができるのである。
【００２０】
上記のような原理に基づいて、この出願の発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法では、図３に示すように金属微粒子（１２）とＤＮＡ（１０）により構成されるバネ振り子に、干渉縞を照射し、干渉縞の明暗に応じて光の強度が変化するため、空間的に変調する放射圧を働かせることができる。ここでさらに片方のレーザー光の周波数を僅かにシフトさせることにより干渉縞を時間的に走査し、そしてレーザー光の周波数シフトをスキャンし、ばね振り子の振幅を測定することができる。その際、バネ振り子の共振周波数において振幅が大きくなる様子が観測される。上記のように、この出願の発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法は共振現象を利用した測定法であるので、ＤＮＡのハイブリダイゼーションを高効率・高感度・高精度な解析が可能となるのである。
【００２１】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２２】
【実施例】
＜実施例１＞
図１に示す、ＤＮＡ−金属微粒子系に放射圧を与えるためのレーザー光を発振するＹＡＧレーザー（１）と、レーザー光を反射させるためのミラー（３）、（３Ａ）、（３Ｂ）と、干渉計を構成するビームスプリッター（４）と、レーザー光の周波数をシフトさせるための位相変調器（５）と、ＤＮＡ−金微粒子系としてＤＮＡ−金微粒子系が配置された試料セル（６）と、ＤＮＡ−金属微粒子系の照明用レーザーであるＨｅ−Ｎｅレーザー（７）と、ＤＮＡ−金属微粒子系の金属微粒子の位置を観測するための観測用フォトダイオード（８）とから構成されるＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析システム（９）を用いて、この出願の発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法によりＤＮＡ−金微粒子系におけるＤＮＡのハイブリダイゼーションの検出・解析を試みた。
【００２３】
その結果、ＤＮＡのハイブリダイゼーションによる１本鎖から２本鎖への変化をそのバネ定数の変化として検出し、さらに共振現象を利用することにより、ＤＮＡのバイブリダイゼーションを高感度・高効率・高精度に解析することができた。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、ＤＮＡのハイブリダイゼーションを高感度・高効率・高精度に解析することが可能となるＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法および共振周波数解析システムが提供され、ＤＮＡ診断等に大きく貢献することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法を実施するための共振周波数解析システムの構成を例示した概略図である。
【図２】この発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法の原理を例示した概念図である。
【図３】この発明のＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析方法の原理を例示した他の概念図である。
【符号の説明】
１  ＹＡＧレーザ
２  レーザー光
３、３Ａ、３Ｂ  ミラー
４  ビームスプリッタ−
５  位相変調器
６  試料セル
７  照明用レーザー
８  観測用フォトダイオード
９  ＤＮＡ−金属微粒子系の共振周波数解析システム
１０  ＤＮＡ
１１  基板
１２  金属微粒子
１３  レーザー光
１４  放射圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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