(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に金属薄膜が形成された透明な光導波路から成る基板と、
蛍光色素を励起させるための励起波長領域と共鳴波長の検出用の波長領域とを含む範囲の波長領域を持つ光を発する光源手段であって、前記基板の裏面から金属薄膜に光を照射する光源手段と、
前記金属薄膜に照射した光の反射光に基づいて金属薄膜表面の屈折率を検出する第１光検出手段と、
前記金属薄膜に照射した光に応じて発生する蛍光偏光を検出する第２光検出手段と
を備え、
リガンド分子を前記金属薄膜の表面に固定し、
前記リガンド分子又はこのリガンド分子と反応させるためのアナライト分子に蛍光色素を標識し、
アナライト分子を前記リガンド分子に与えると共に、
前記光源手段から金属薄膜に光を照射して、金属薄膜において表面プラズモン共鳴現象を生じさせると共に、前記蛍光色素を励起し、
リガンド分子とアナライト分子との相互作用により生じる金属薄膜表面の屈折率の変化を前記第１光検出手段で検出すると共に、
リガンド分子とアナライト分子との相互作用により生じる蛍光偏光の偏光度変化を前記第２光検出手段で検出するように構成された表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置であって、
前記金属薄膜が金であり、
前記蛍光色素の蛍光波長が金の金属薄膜透過率が高い波長６００ｎｍより短い波長を有し、
前記蛍光色素の蛍光が金の金属薄膜を通して検出される
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置。
【請求項２】
表面に金属薄膜が形成された透明なプリズムから成る基板と、
蛍光色素を励起させるための励起波長領域と共鳴角検出用の単色光の波長領域との両方の波長領域のピークを有する光を発する光源手段であって、前記基板の裏面から金属薄膜に光を照射する光源手段と、
前記金属薄膜に照射した光の反射光に基づいて金属薄膜表面の屈折率を検出する第１光検出手段と、
前記金属薄膜に照射した光に応じて発生する蛍光偏光を検出する第２光検出手段と
を備え、
リガンド分子を前記金属薄膜の表面に固定し、
前記リガンド分子又はこのリガンド分子と反応させるためのアナライト分子に蛍光色素を標識し、
アナライト分子を前記リガンド分子に与えると共に、
前記光源手段から金属薄膜に光を照射して、金属薄膜において表面プラズモン共鳴現象を生じさせると共に、前記蛍光色素を励起し、
リガンド分子とアナライト分子との相互作用により生じる金属薄膜表面の屈折率の変化を前記第１光検出手段で検出すると共に、
リガンド分子とアナライト分子との相互作用により生じる蛍光偏光の偏光度変化を前記第２光検出手段で検出するように構成された表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置であって、
前記金属薄膜が金であり、
前記蛍光色素の蛍光波長が金の金属薄膜透過率が高い波長６００ｎｍより短い波長を有し、
前記蛍光色素の蛍光が金の金属薄膜を通して検出される
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リガンド分子とアナライト分子との相互作用を表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光の両面から測定することができる測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金や銀等の金属薄膜表面に発生する表面プラズモン共鳴現象を利用してリガンド分子とアナライト分子との相互作用による物質の状態変化を測定することが提案されている。
表面プラズモンとは、金属−誘電体界面に生じる電子の疎密波の一種であり、その波数は試料の厚さや光学特性（誘電率、屈折率）によって変化する。この変化を直接測定することはできないため、表面プラズモン共鳴を利用した測定方法では、プリズムの底面に金や銀等の金属を堆積して金属薄膜を形成し、その金属薄膜の表面に試料を直接接触させた状態で、タングステンランプ、ハロゲンランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、レーザーなどの光を前記金属薄膜の裏面、即ち、試料の反対面から当ててエバネッセント波を発生させ、このエバネッセント波が表面プラズモンと共鳴することに起因した減光により生じる暗線の角度の角度変化から屈折率の変化を測定することで金属薄膜表面に接触させた試料の状態変化を間接的に測定するのが一般的な方法となっている。このように、表面プラズモン共鳴現象を利用した測定方法は、表面プラズモン共鳴により生じる反射光の屈折率の変化により物質間の相互作用を測定するためリガンド分子を標識する必要がない測定方法として注目を浴びている。
一方、リガンド分子とアナライト分子との相互作用による物質の状態変化を測定する方法として、リガンド分子に蛍光素子を標識し、前記蛍光素子が発する蛍光偏光の偏光度を測定する方法がある。
ここで、蛍光偏光について簡単に説明すると、液体中で蛍光素子が励起されると、蛍光素子中の蛍光団が励起状態で、かつ、蛍光素子が力学的な運動において定常状態を維持している間は蛍光素子が同一平面に蛍光偏光を発する。しかし、蛍光団が励起状態にあるときに蛍光素子がブラウン運動により回転すると、偏光度が変わり励起平面と異なる平面へ蛍光を放射するので蛍光偏光が解消される。
偏光度は、分子の回転緩和時間に比例するので、温度と粘土が一定であれば偏光度は分子の大きさと直接的な関係を示すことになる。従って、二分子間の結合、解離、分解又は構造変化等による分子の大きさの変化に応じて偏光度も変化することになる。
蛍光偏光による物質状態の測定方法は、上記した蛍光偏光の特性を利用して、リガンド分子に蛍光素子を標識し、リガンド分子とアナライト分子との相互作用による分子サイズの変化を、励起光に対して垂直な面と平行な面との両面で測定した結果得られる偏光度の変化から間接的に測定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した物質間の相互作用の測定方法として知られている表面プラズモン共鳴測定と蛍光偏光測定とは、同じ物質間の相互作用の測定方法として知られていながら、前者が標識を必要としないことを特徴としているのに対し、後者が標識が必須であるという相反する特徴を持つ測定方法であったため、従来は両者の接点が全くなかった。
発明者等は、一つの装置で物質間の相互作用を表面プラズモン共鳴と蛍光偏光との両面から測定することができるようにすることにより、検出可能な物質の選択範囲が広がり、また、同じ物質間の相互作用を異なる測定方法で測定すれば、両者の測定結果を相互に補完することが可能になり測定結果の信頼性が向上できることに着目して研究を重ね、本発明を発明するに至った。
本発明は、リガンド分子とアナライト分子との相互作用を表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光の両面から測定することができる測定装置を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の請求項１に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置は、表面に金属薄膜が形成された透明な光導波路から成る基板と、蛍光色素を励起させるための励起波長領域と共鳴波長の検出用の波長領域とを含む範囲の波長領域を持つ光を発する光源手段であって、前記基板の裏面から金属薄膜に光を照射する光源手段と、前記金属薄膜に照射した光の反射光に基づいて金属薄膜表面の屈折率を検出する第１光検出手段と、前記金属薄膜に照射した光に応じて発生する蛍光偏光を検出する第２光検出手段とを備え、リガンド分子を前記金属薄膜の表面に固定し、前記リガンド分子又はこのリガンド分子と反応させるためのアナライト分子に蛍光色素を標識し、アナライト分子を前記リガンド分子に与えると共に、前記光源手段から金属薄膜に光を照射して、金属薄膜において表面プラズモン共鳴現象を生じさせると共に、前記蛍光色素を励起し、リガンド分子とアナライト分子との相互作用により生じる金属薄膜表面の屈折率の変化を前記第１光検出手段で検出すると共に、リガンド分子とアナライト分子との相互作用により生じる蛍光偏光の偏光度変化を前記第２光検出手段で検出するように構成された表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置であって、前記金属薄膜が金であり、前記蛍光色素の蛍光波長が金の金属薄膜透過率が高い波長６００ｎｍより短い波長を有し、前記蛍光色素の蛍光が金の金属薄膜を通して検出されることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置は、表面に金属薄膜が形成された透明なプリズムから成る基板と、蛍光色素を励起させるための励起波長領域と共鳴角検出用の単色光の波長領域との両方の波長領域のピークを有する光を発する光源手段であって、前記基板の裏面から金属薄膜に光を照射する光源手段と、前記金属薄膜に照射した光の反射光に基づいて金属薄膜表面の屈折率を検出する第１光検出手段と、前記金属薄膜に照射した光に応じて発生する蛍光偏光を検出する第２光検出手段とを備え、リガンド分子を前記金属薄膜の表面に固定し、前記リガンド分子又はこのリガンド分子と反応させるためのアナライト分子に蛍光色素を標識し、アナライト分子を前記リガンド分子に与えると共に、前記光源手段から金属薄膜に光を照射して、金属薄膜において表面プラズモン共鳴現象を生じさせると共に、前記蛍光色素を励起し、リガンド分子とアナライト分子との相互作用により生じる金属薄膜表面の屈折率の変化を前記第１光検出手段で検出すると共に、リガンド分子とアナライト分子との相互作用により生じる蛍光偏光の偏光度変化を前記第２光検出手段で検出するように構成された表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置であって、前記金属薄膜が金であり、前記蛍光色素の蛍光波長が金の金属薄膜透過率が高い波長６００ｎｍより短い波長を有し、前記蛍光色素の蛍光が金の金属薄膜を通して検出されることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示した幾つかの実施例を参照して本発明に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置の実施の形態について説明する。
【０００６】
図１は、本発明に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置の第一実施例の構成を示す模式図である。
図面に示すように、この測定装置は、光源手段Ａ、センサチップＢ、第一光検出手段Ｃ及び第ニ光検出手段Ｄを備えている。
光源手段Ａは、光源１、入射用光ファイバ２、集光レンズ３、直線偏光子４及び入射角調整用プリズム５を備えており、光源１から照射された光が入射用光ファイバ２を通り、直線偏光子４を介してＰ偏光の光に偏光された後、集光レンズ３で集光され、入射角調整用プリズム５で適当な角度に調整されてセンサチップＢ内に入射するように構成されている。
センサチップＢは、光導波路を形成する透明基板１０上に、金から成る金属薄膜層１１を形成してなる。
第一光検出手段Ｃは、表面プラズモン共鳴により生じる共鳴波長の変化を検出するための検出手段であり、出射角調整用プリズム２０、出射用レンズ２１、出射用ファイバ２２、分光器２３及び不図示のコンピュータから成る。
第二光検出手段Ｄは、蛍光偏光の偏光度の変化を検出するための検出手段であり、集光レンズ３０、偏光ビームスプリッタ３１、平行面偏光強度検出用光検出器３２及び垂直面偏光強度検出用光検出器３３を備えている。
【０００７】
上記したように構成された測定装置は、リガンド分子ｘを金属薄膜１１の表面に化学修飾し、そこにアナライト分子ｙを含む試液を与えて、リガンド分子ｘとアナライト分子ｙとの相互作用による状態変化を検出するが、測定時に、リガンド分子ｘ又はアナライト分子ｙの何れかに蛍光素子を標識することにより、表面プラズモン共鳴による共鳴波長の変化及び蛍光偏光の変化を、第一検出手段Ｃ及び第二検出手段Ｄで各々検出することができるように構成されている。
このため、光源手段Ａにおける光源１には、表面プラズモン共鳴による共鳴波長の変化を検出するための広い波長領域と、蛍光素子を励起させるための励起波長領域との両方をカバーする波長領域を持つ光を発することができる光源が用いられる。
例えば、金属薄膜１１が金から成る場合には６００ｎｍ〜９００ｎｍの波長領域が共鳴波長の変化を検出するために関与する一方で、蛍光色素がフルオレセインである場合には、フルオレセインの蛍光波長が５５０ｎｍであり、励起波長が４５０ｎｍ〜５３０ｎｍ程度であるので、光源１は、少なくとも４５０ｎｍ〜９００ｎｍの波長領域を持つ光を発する必要がある。この波長範囲は、例えば、ハロゲンランプや、ハロゲンランプと重水素ランプとを組み合わせた青紫領域が強いランプ等により実現することができる。
また、本実施例のように、光源１が一つの場合には、表面プラズモン共鳴による共鳴波長の変化を検出するための波長領域と、蛍光素子を励起させるための励起波長領域との両方をカバーする波長領域を持つ光を発する光源が必要になるが、光源を二つ設けて、一方の光源で表面プラズモン共鳴による共鳴波長の変化を検出するための波長領域を持つ光を発し、他方の光源で蛍光素子を励起させるための励起波長領域を持つ光を発するように構成してもよいことは勿論である。
尚、金薄膜を通して蛍光偏光を検出する場合、蛍光素子としては、蛍光波長の中心波長が、金の反射が少なくなる６００ｎｍ以下の物質が選択され得、例えば、上記したフルオレセインは、入手し易く安価であるという利点がある。
【０００８】
上記したように構成された測定装置の作用について、リガンド分子ｘを蛍光素子で標識した場合を例に挙げて説明する。
金属薄膜１１上に蛍光素子で標識されたリガンド分子ｘを化学修飾した後、光源１から上記した波長領域を有する光を一定の角度で照射する。光源１から照射された光は、入射用光ファイバ２、集光レンズ３、直線偏光子４及びプリズム５を介してセンサチップＢの導波路１０の中に入り、導波路１０内で全反射を繰り返した後、導波路１０から出射する。
この導波路１０内を通過する過程において、Ｐ偏光の光が金属薄膜層１１で反射する時に表面プラズモン共鳴現象が生じると共に、リガンド分子ｘの蛍光素子を励起する。
蛍光素子で標識されたリガンド分子ｘに、アナライト分子ｙを含む試液を与えると、リガンド分子ｘとアナライト分子ｙとの相互作用により屈折率が変化すると共に、分子サイズの大きさの変化に伴う偏光度の変化が生じる。
第一光検出手段Ｃは、導波路１０から出射された光をプリズム２０、出射用レンズ２１及び出射用光ファイバ２２を介して分光器２３で受光し、不図示のコンピュータにより表面プラズモン共鳴現象による吸収が最も多い共鳴波長から金属表面の屈折率変化を算出する。
一方、第二光検出手段Ｄは、金属薄膜１１で反射する光を取り出し、集光レンズ３０を介して、取り出した光を偏光ビームスプリッタ３１に入れ、ここで、水平面の光と垂直面の光とに分光した後、水平面の光を平行面偏光強度測定用光検出器３２に入射させ、垂直面の光を垂直面偏光強度測定用光検出器３３に入射させる。不図示のコンピュータは各光検出器３２及び３３に入射した光に基づいて、偏光の水平強度及び垂直強度を算出し、その算出結果に基づいて蛍光偏光度の変化を算出する。
【０００９】
次に、図２を参照しながら本発明に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置の第ニ実施例について説明していく。
図２は、本発明に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置の第ニ実施例の構成を示す模式図である。
図面に示すように、この測定装置は、光源手段Ｅ、センサチップＦ、第一光検出手段Ｇ及び第ニ光検出手段Ｈを備えている。
光源手段Ｅは、光源４０及び光学フィルタ４１を備えている。この光源４０は入射角度を調整できるように移動可能に構成されている。
センサチップＦは、プリズム５０上に、金から成る金属薄膜層５１を形成してなる。
第一光検出手段Ｇは、表面プラズモン共鳴による共鳴角の変化を検出するための検出手段であり、直線偏光子６０、出射用レンズ６１、検出器６２及び不図示のコンピュータからなり、プリズム５０からの光を直線偏光子６０でＰ偏光の光に偏光した後、レンズ６１を介して検出器６２で受光するように構成されている。
第二光検出手段Ｈは、蛍光偏光の偏光度の変化を検出するための検出手段であり、集光レンズ７０、偏光ビームスプリッタ７１、平行面偏光強度検出用光検出器７２及び垂直面偏光強度検出用光検出器７３を備えている。
【００１０】
上記したように構成された測定装置は、リガンド分子ｘを金属薄膜１１の表面に化学修飾し、そこにアナライト分子ｙを含む試液を与えて、リガンド分子ｘとアナライト分子ｙとの相互作用による状態変化を検出するが、測定時に、リガンド分子ｘ又はアナライト分子ｙの何れかに蛍光素子を標識することにより、表面プラズモン共鳴による共鳴角の変化及び蛍光偏光の変化を、第一検出手段Ｇ及び第二検出手段Ｈで各々検出することができるように構成されている。
このため、光源手段Ｅは、表面プラズモン共鳴による共鳴角の変化を検出するための単色光の波長と、蛍光素子を励起させるための励起波長領域との両方の波長ピークを持つ光を発する必要がある。この第二実施例では、光源４０からの光を光学フィルタ４１で二つの波長ピークを持つ光にしている。
例えば、金属薄膜１１が金から成る場合には波長が７００ｎｍの単色光が表面プラズモン共鳴による共鳴角の変化を検出するために用いられる一方で、蛍光色素がフルオレセインである場合には、フルオレセインの励起波長である４５０ｎｍ〜５３０ｎｍ程度の波長領域を持つ光を用いる必要がある。このため、光源手段Ｅにおける光学フィルタ４１は、光源４０からの光を、７００ｎｍと、４５０ｎｍ〜５３０ｎｍとの両方で波長がピークになるようにフィルタリングすることができる光学フィルタが用いられる。
また、本実施例のように、光源が一つの場合には、光源からの光を二つの波長ピークを持つようにフィルタリングする光学フィルタが必要になるが、光源を二つ設けて、一方の光源で表面プラズモン共鳴による共鳴角の変化を検出するための単色光を発し、他方の光源で蛍光素子を励起させるための励起波長領域を持つ光を発するように構成してもよいことは勿論である。
【００１１】
尚、上記した第一実施例では、光導波路を使って共鳴波長の変化に基づいて金属薄膜表面の屈折率の変化を検出するように構成されているが、これは本実施例に限定されることなく、例えば、スペクトル変化や偏光回転に基づいて金属薄膜表面の屈折率変化を検出するように構成してもよい。
【００１２】
上記したように、本発明に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置によれば、一つの装置でリガンド分子とアナライト分子との相互作用を、表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光の両面から測定することができるので、検出可能な物質の選択範囲が広がり、また、同じ物質間の相互作用を両方の測定方法で測定すれば表面プラズモン共鳴による測定結果と蛍光偏光による測定結果とを比較することで測定ミスを防止し、信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置は、表面に金属薄膜が形成された透明な光導波路から成る基板と、蛍光色素を励起させるための励起波長領域と共鳴波長の検出用の波長領域とを含む範囲の波長領域を持つ光を発する光源手段であって、前記基板の裏面から金属薄膜に光を照射する光源手段と、前記金属薄膜に照射した光の反射光に基づいて金属薄膜表面の屈折率を検出する第１光検出手段と、前記金属薄膜に照射した光に応じて発生する蛍光偏光を検出する第２光検出手段とを備え、リガンド分子を前記金属薄膜の表面に固定し、前記リガンド分子又はこのリガンド分子と反応させるためのアナライト分子に蛍光色素を標識し、アナライト分子を前記リガンド分子に与えると共に、前記光源手段から金属薄膜に光を照射して、金属薄膜において表面プラズモン共鳴現象を生じさせると共に、前記蛍光色素を励起し、リガンド分子とアナライト分子との相互作用により生じる金属薄膜表面の屈折率の変化を前記第１光検出手段で検出すると共に、リガンド分子とアナライト分子との相互作用により生じる蛍光偏光の偏光度変化を前記第２光検出手段で検出するように構成された表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置であって、前記金属薄膜が金であり、前記蛍光色素の蛍光波長が金の金属薄膜透過率が高い波長６００ｎｍより短い波長を有し、前記蛍光色素の蛍光が金の金属薄膜を通して検出されるので、リガンド分子とアナライト分子との相互作用を、表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光の両面から測定することが可能になり、同じ物質間の相互作用を両方の測定方法で測定すれば、表面プラズモン共鳴による測定結果と蛍光偏光による測定結果とを比較することで測定ミスを防止し、信頼性を向上させることができるようになるという効果を奏し、また、測定できる物質の選択範囲も広がるという効果を奏する。
また、本発明の請求項２に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置は、基板としてプリズムを用いた場合において、請求項１に係る発明と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置の第一実施例の構成を示す模式図である。
【図２】  本発明に係る表面プラズモン共鳴及び蛍光偏光測定用装置の第ニ実施例の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
Ａ    光源手段
１    光源
２    入射用光ファイバ
３    集光レンズ
４    直線偏光子
５    入射角調整用プリズム
Ｂ    センサチップ
１０  透明基板
１１  金属薄膜
Ｃ    第一光検出手段
２０  出射角調整用プリズム
２１  出射用レンズ
２２  出射用ファイバ
２３  分光器
Ｄ    第二光検出手段
３０  レンズ
３１  偏光ビームスプリッタ
３２  平行面偏光強度測定用光検出器
３３  垂直面偏光強度測定用光検出器
Ｅ    光源手段
４０    光源
４１    光学フィルタ
Ｆ    センサチップ
５０  プリズム
５１  金属薄膜
Ｇ    第一光検出手段
６０  直線偏光子
６１  出射用レンズ
６２  検出器
Ｈ    第二光検出手段
７０  レンズ
７１  偏光ビームスプリッタ
７２  平行面偏光強度測定用光検出器
７３  垂直面偏光強度測定用光検出器
ｘ  蛍光素子で標識されたリガンド分子
ｙ  アナライト分子
【図１】
0003947685.tif 000002
【図２】
0003947685.tif 000003