JP2004251814A - Method and analyzer for fluorometric analyzer - Google Patents
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- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
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Abstract
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、蛍光分析方法および蛍光分析装置に関し、さらに具体的には、被検体に与えるダメージが少なく、かつ、検出感度が良く、コストの安い蛍光分析方法および蛍光分析装置に関する。
【0002】
ヒトゲノム・プロジェクトが終了し、人間の遺伝子情報を含む塩基配列は解読された。今後はこの情報を活用して、オーダーメイド医療、創薬、再生医療など、医療技術の改革が行われようとしている。このような生命科学分野の動きの中に、DNAやタンパク質を解析するための装置に関連する分野がある。現在、DNAやタンパク質は、DNAチップ、あるいはタンパク・チップと呼ばれる基板(マイクロ・アレイ・チップともよばれる)に、多数の異なる標準DNAをマス目状に配列しておき、細胞等から採取したサンプルDNAと反応させることで情報を得ている。
【0003】
産業的にも注目されているゲノム創薬などを実現するためには、今後、さまざまな手法を用いて、DNAやタンパク質の情報を収集しなければならない。ところが、人ひとりの塩基配列は約30億個であり、現状では、ひとりの人間の塩基配列のスキャンには約300億円程度の費用が発生するなどといった試算があり、極めて膨大な検査コストが発生することが分っている。したがって、ゲノム応用産業を現実のものにするには、情報分析のコストダウン技術が強く望まれており、本発明はそのコストダウンを実現する分析方法および分析装置に関するものである。
【0004】
【従来の技術】
人間の全遺伝子情報(ヒトゲノム)を含む塩基配列がほとんど決定されつつあり、そのような遺伝情報を具体的に活用することを目的にしたタンパク質の構造や機能を解明しようとする動きが活発になってきた。こうした動きの中で、個人個人の遺伝情報の分析にかかるコストが問題になってきている。
【0005】
産業的視点からも注目されているゲノム創薬を実現するには、今後、さまざまな手法を用いて、さまざまな角度から、タンパク質の基礎情報を収集しなければならない。ところが、前記のように、人ひとりの塩基配列は約30億塩基であり、例えば、1000人のゲノム情報は約3テラ塩基、ということになり、その情報収集コストが1塩基あたり1円と仮定しても膨大な検査コストが発生する。したがって、ゲノム創薬を実現し、オーダーメイド医療を現実のものにするには、基礎研究と並行して、コストダウンを考慮した計測手法の開発が不可欠である。
【0006】
その一環として、マイクロ・アレイ・チップを高密度化、あるいは3次元化するなどの研究開発が進められている。1枚のチップ状の分析密度を上げることで、コストダウンを計ろうという戦略である。ところが、従来の手法により、密度を上げると、
(1)励起光と蛍光の波長が接近していて、微弱な蛍光を検出できなくなる。しかし、密度が上がると、励起光の強度を増大させなければならなくなる。というような相反する課題が発生する。
(2)また、可視光の波長を直接励起するため、サンプルのダメージも考慮しなければならない。など、マイクロチップの高密度化と並行して、光源の課題も克服しなければならない。
【0007】
一方、2光子吸収あるいは多光子吸収効果を利用した共焦点蛍光顕微鏡システムはフェムト秒光パルスの特徴をいかした装置として近年普及しつつある。この手法の特長を簡単に整理すると、以下のようになる。
▲1▼通常、フェムト秒パルスの波長は近赤外領域であるため、細胞の破壊が少ない。
▲2▼多光子吸収過程が生じる焦点部分は、基本波を集光している部分より小さいため、基本波の回折限界で決まる分解能よりも高分解能の観測が可能となる。
▲3▼よって、集光レンズの共焦点深度に影響されることなく、微小部分を励起できるため、深さ方向のスキャン(3次元スキャン)も可能となる。
【0008】
以上のことなどにより、従来型の顕微鏡では計測できなかった高精度の観測が可能となっている。ここにあげた技術的特長は現時点では蛍光顕微鏡にとどまっているが、この技術を高密度化したマイクロチップアレイ分析に適用することにより、飛躍的な感度の向上や、分析時間の短縮、ひいては、分析コストの削減などが期待できる。
【0009】
これらの分析に関する従来の技術の代表的な例として、特表2000−500874号公報「時間分解蛍光測定を使用する蛍光分子群識別のためのシステム」(以下、文献1という)、特表平10−512952号公報「フロー蛍光法及び装置」(以下、文献2という)、特開平10−318924号公報「パルスレーザを備えた光学装置」(以下、文献3という)、特開2001−100102号公報「顕微鏡システム」(以下、文献4という)、特表平9−507579号公報「試料の化学分析用信号処理方法及び装置」(以下、文献5という)をあげることができる。
【0010】
文献1には、分析物分子と結合し、異なる蛍光特性を有する最低2種類の分子群を使用することが記載されている。
【0011】
文献2には、2光子励起を用いた分析装置が述べられている。
【0012】
文献3には、サブピコ秒パルスレーザを光源に用い、2光子吸収、多光子吸収を利用した蛍光検出装置が述べられている。
【0013】
文献4には、分子を基底状態から第1の励起状態へ励起するための第1の波長を有するポンプ光としての第1のレーザ光と、第1の励起状態から第2の励起状態へ励起するための第2の波長を有するイレース光としての第2のレーザ光を試料に照射して、二重共鳴吸収過程を用いた超解像顕微鏡システムが述べられており、第1の波長と第2の波長はレーザ光を波長変調して発生させている。
【0014】
文献5には、波長変調を利用して発生させた波長が3〜40nm離れた2つの異なる波長のレーザ光を試料に照射して蛍光を測定することが述べられている。
【0015】
これらの文献1〜5には、レーザ光を照射した試料から発せられる蛍光の測定するにあたっての精度向上や感度向上、試料の保護など種々の改良を試みたことが記されている。そして、その共通する技術思想は、試料の吸収スペクトルあるいは蛍光発光スペクトルのピーク値を利用しようとする技術思想であり、レーザ光は狭い波長領域で周期的に変動するようなレーザ光ではなく、むしろ安定したレーザ光を利用することである。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の蛍光分析方法及び装置では、分析コストが高く、分析精度も十分とはいえず、試料に与えるダメージへの配慮も十分とはいえないのが現状であり、特に分析コストの低減が強く望まれている。
【0017】
本発明の目的は、既存のフェムト秒共焦点顕微鏡の基本技術を生かし、DNAチップ、あるいは、タンパク・チップを用いた蛍光計測における、その感度と分解能を向上させるために、コストバランスの良いフェムト秒レーザー技術を導入し、複数の蛍光標識による観測技術を比較的に向上させる装置を提供することである。
【0018】
ここに、フェムト秒レーザーとは、パルス幅が1ピコ秒より狭いフェムト秒のオーダーのパルス光レーザのことをいう。
【0019】
社会的背景と産業上の視点から、装置の普及を促進することが最大の課題であり、そのために、装置コストのほとんどを決定してしまうフェムト秒レーザー光源のコストを下げる技術を開発することが重要となる。光源のコストダウンを行うためには、発振条件の最適化による省電力化とコストダウンのために、フェムト秒レーザー光源の出力強度を必要最低限まで減少させる工夫を行うことである。また、システムとして装置をとらえた場合、マイクロチップアレイの研究開発の流れを考慮し、アレイの高密度化への対応、および、減少させたレーザー出力による励起でも、蛍光色素からの信号を十分なS/Nで検出できるように、信号検出技術を工夫することである。
【0020】
具体的に技術的項目を整理すると以下のようになる。
DNAチップなどの遺伝子情報の検査コストを削減するための一環として、チップの高密度化が進められている。従来の分析装置では、通常のレーザーが励起光源として使用されている。この技術では、ドットサイズが高密度化し、1ミクロン以下になったときの分解能低下が避けられない。
【0021】
また、ドットサイズが1ミクロン以下になると、各ドットからの蛍光強度が弱くなる。そこで、励起レーザー強度を上げることで感度を維持しようとするが、従来の手法では、強くなるレーザーと基本的に微弱な蛍光との分離が問題となる。
【0022】
レーザー共振器内部の精密な分散補償を実現し、最適なモード同期条件を制御すれば、蛍光色素や蛍光タンパクを励起するのに必要十分な省エネルギー型光源が実現できる。
【0023】
そのためには、分散量を連続可変できる機能を有する多層蒸着ミラーが必要となる。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの課題の多くを解決するためになされたものである。
【0025】
本発明の特に顕著な特徴は次のようになる。
【0026】
(1)本発明は、通常、DNAチップ、あるいはタンパク・チップ検査装置では、赤色と緑色に発色するような2種類の蛍光色素が標識として使われることを考慮して、その特長をそのまま生かし、2種類の蛍光を差動増幅することにより、検出感度の向上を行ったところにある。
【0027】
即ち、2種類の蛍光標識を使用することにより、各蛍光標識の吸収スペクトルの傾斜および、各吸収スペクトルの交差を利用して、その吸収スペクトルの交差点付近に対応する波長を中心波長とする波長変調を行った光を励起光とすることにより、それぞれの蛍光に180度の位相差情報を付加し、さらに、それぞれの蛍光標識からの蛍光を波長分離した後、それぞれの蛍光を光検知器により各蛍光に対応する電気信号に変換し、各電気信号を差動増幅器に導いて、励起光の混入が主要因となる同相ノイズを100dB程度の同相ノイズ除去比により除去する蛍光検出手段を提案した。
【0028】
(2)また、本発明の例では、励起光源としてフェムト秒レーザーを使用し、2光子吸収効果を利用すれば、励起波長を赤外線領域に設定できるため、従来の励起のように、励起波長と蛍光波長が近接していることによる、散乱光の混入などに起因する検出感度の低下などを回避することができる。
【0029】
(3)本発明の例では、フェムト秒光パルスを照射することによって生じる2光子あるいは多光子吸収過程では、焦点部分は、基本波を集光している部分より小さいため、このことだけで基本波の回折限界で決まる集光分解能よりも高分解能の観測が可能となる。
【0030】
さらに、上記の2種類の蛍光標識が同時に結合した分子試料を使用する場合は、集光領域内部において蛍光標識が同時に発光するような場所を特定したことになり、単一蛍光色素の場合の2光子吸収過程による計測よりも、より高分解能となる。
【0031】
このような、電気的な高感度化と、蛍光標識の分子サイズの結合を活用できるようなフェムト秒レーザー光の導入により、アレイ・ドットの高密度化に対応することができる。
【0032】
(4)本発明の例では、発振条件の最適化による小型化と総合的なコストダウンを実施するために、従来の蒸着薄膜による分散補償ミラーと斜蒸着による分散補償量可変型ミラーを製造し、レーザー共振器内部の精密な分散補償を実現し、最適なモード同期条件を制御することにより、低コスト小型フェムト秒レーザー光を実現するることができる。
【0033】
以下、本発明の特徴を詳細に説明する。
【0034】
本発明の目的の達成を図るため、本発明の蛍光分析方法の例は、励起光を生体分子試料に照射することにより、前記生体分子試料あるいは前記生体分子試料に標識として付加されている蛍光体から発せられる蛍光の強度やスペクトルを検出することにより生体分子試料の成分を判定する蛍光分析方法であって、前記蛍光体として、励起光に対する吸収スペクトルと定義する縦軸に蛍光体の励起光吸収強度をとり横軸に蛍光体の励起光吸収波長をとってグラフとして表した励起光吸収強度−波長曲線が異なる少なくとも2種類の蛍光体が用いられ、前記2種類の蛍光体は、その吸収スペクトルが各吸収スペクトルのピーク位置でない位置で、一方の蛍光体の吸収スペクトルの傾斜が正であり他方の蛍光体の吸収スペクトルの傾斜が負であるように交差している蛍光体であり、前記励起光は、前記試料に照射されている間の少なくとも一部の時間にわたって波長が周期的に変化するように波長変調されている励起光であることを特徴としている。
【0035】
そして、本発明の蛍光分析方法の例は、前記蛍光標識からの蛍光を波長分離した後、波長分離されたそれぞれの蛍光を光検出器により各蛍光に対応する電気信号に変換し、前記各電気信号を差動増幅器に導いて、同相ノイズを除去する蛍光検出手段を用いることを特徴としている。
【0036】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記励起光が、λ1とλ2を正の数としたとき、前記2種類の蛍光体の吸収スペクトルの各ピーク値を与える各波長λ3とλ4の間にある特定波長λ0を挟んでλ0+λ1からλ0−λ2の間で変化する波長変調を受けた励起光であり、前記波長λ0+λ1とλ0−λ2は、いずれも、前記波長λ3とλ4のうちの短い方の波長よりも長く、かつ、前記波長λ3とλ4のうちの長い方の波長よりも短い波長であることを特徴としている。
【0037】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記励起光が前記試料に照射されている間の全時間帯において、特定波長λ0を挟んでλ0+λ1からλ0−λ2の間で変化する波長変調を受けていることを特徴としている。
【0038】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記励起光の波長の変化が特定波長λ0を中心波長とする正弦波であることを特徴としている。
【0039】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記検出される蛍光が、生体分子試料における多光子吸収効果による蛍光発光を計測する方法であることを特徴としている。
【0040】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記試料が、多光子吸収効果を有する有機色素あるいは蛍光タンパク質を標識として付加された生体分子を含む試料であることを特徴としている。
【0041】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記試料が、多光子吸収効果を有する有機色素あるいは蛍光タンパク質を標識として複数付加されており、複数の成分分析が可能であることを特徴としている。
【0042】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記多光子吸収が2光子吸収であることを特徴としている。
【0043】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記蛍光の検出に蛍光色素あるいは蛍光タンパク質からの蛍光信号を前記励起光の前記波長変調の周波数と同期した位相検出を行うことを利用していることを特徴としている。
【0044】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記試料からの蛍光検出に空間ビーム光学系により構成された蛍光波長の分離機能を有する光学装置を用いることを特徴としている。
【0045】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記試料からの蛍光検出に、前記試料からの蛍光を光ファイバ内を前記励起光と逆方向に進行させるように構成されているとともに、光ファイバカプラおよび光ファイバフィルタモジュールにより構成された蛍光波長の分離機能を有している光学装置を用いることを特徴としている。
【0046】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記光学装置が試料の平面全体をスキャンできる円盤型レンズアレイを有していることを特徴としている。
【0047】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記差動増幅器に入力される前記2種類の蛍光に基づく信号が、差動増幅を受ける前のいずれかの段階において、振幅が同じで位相が互いに逆位相の関係にある信号になるように制御手段によって制御されることを特徴としている。
【0048】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記制御手段が、電気的手段によって電気的抵抗素子の抵抗値を変える手段であることを特徴としている。
【0049】
本発明の蛍光分析方法の例は、前記試料の励起に用いられる励起光の光源の分散補償に、斜め蒸着技術を用いて製造された多層膜を用いた分散補償素子が用いられていることを特徴としている。
【0050】
そして、本発明の蛍光分析方法の例は、前記本発明の各特徴をいくつか併せもっていることを特徴としている。
【0051】
本発明の目的の達成を図るため、本発明の蛍光分析装置の例は、励起光を生体分子試料に照射することにより、前記生体分子試料あるいは前記生体分子試料に標識として付加されている蛍光体から発せられる蛍光の強度やスペクトルを検出することにより生体分子試料の成分を判定することができる蛍光分析装置であって、前記装置は、前記蛍光体として、励起光に対する吸収スペクトルと定義する縦軸に蛍光体の励起光吸収強度をとり横軸に蛍光体の励起光吸収波長をとってグラフとして表した励起光吸収強度−波長曲線が異なる少なくとも2種類の蛍光体を用いることができるようになっているか前記蛍光体に対応する条件設定手段を有しており、前記2種類の蛍光体は、その吸収スペクトルが各吸収スペクトルのピーク位置でない位置で、一方の蛍光体の吸収スペクトルの傾斜が正であり他方の蛍光体の吸収スペクトルの傾斜が負であるように交差している蛍光体であり、前記励起光は、前記試料に照射されている間の少なくとも一部の時間にわたって波長が周期的に変化するように波長変調されている励起光であることを特徴としている。
【0052】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記蛍光分析装置が、前記蛍光標識からの蛍光を波長分離した後、波長分離されたそれぞれの蛍光を光検出器により各蛍光に対応する電気信号に変換し、前記各電気信号を差動増幅器に導いて、同相ノイズを除去する蛍光検出手段を有することを特徴としている。
【0053】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記励起光が、λ1とλ2を正の数としたとき、前記2種類の蛍光体の吸収スペクトルの各ピーク値を与える両波長λ3とλ4の間にある特定波長λ0を挟んでλ0+λ1からλ0−λ2の間で変化する波長変調を受けた励起光であり、前記波長λ0+λ1とλ0−λ2は、いずれも、前記波長λ3とλ4のうちの短い方の波長よりも長く、かつ、前記波長λ3とλ4のうちの長い方の波長よりも短い波長であることを特徴としている。
【0054】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記励起光は前記試料に照射されている間の全時間帯において、特定波長λ0を挟んでλ0+λ1からλ0−λ2の間で変化する波長変調を受けていることを特徴としている。
【0055】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記励起光の波長の変化が特定波長λ0を中心波長とする正弦波であることを特徴としている。
【0056】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記装置が、生体分子試料における多光子吸収効果による蛍光発光を計測する装置であることを特徴としている。
【0057】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記試料が、多光子吸収効果を有する有機色素あるいは蛍光タンパク質を標識として付加された生体分子を含む試料であることを特徴としている。
【0058】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記装置が、前記試料に2光子吸収効果を有する有機色素あるいは蛍光タンパク質を標識として複数付加された試料を用いることができ、複数の成分分析が可能な装置であることを特徴としている。
【0059】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記多光子吸収が2光子吸収であることを特徴としている。
【0060】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記装置が、前記蛍光の検出に蛍光色素あるいは蛍光タンパク質からの蛍光信号を前記励起光の前記波長変調の周波数と同期した位相検出を行うことを利用している装置であることを特徴としている。
【0061】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記試料からの蛍光検出に空間ビーム光学系により構成された蛍光波長の分離機能を有する光学装置を用いることを特徴としている。
【0062】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記試料からの蛍光検出に、前記試料からの蛍光を光ファイバ内を前記励起光と逆方向に進行させるように構成されているとともに、光ファイバカプラおよび光ファイバフィルタモジュールにより構成された蛍光波長の分離機能を有している光学装置を用いることを特徴としている。
【0063】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記光学装置が試料の平面全体をスキャンできる円盤型レンズアレイを有していることを特徴としている。
【0064】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記差動増幅器に入力される前記2種類の蛍光に基づく信号が、差動増幅を受ける前のいずれかの段階において、振幅が同じで位相が互いに逆位相の関係にある信号になるように制御手段によって制御されることを特徴としている。
【0065】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記制御手段が、電気的手段によって電気的抵抗素子の抵抗値を変える手段であることを特徴としている。
【0066】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記試料の励起に用いられる励起光の光源の分散補償に、斜め蒸着技術を用いて製造された多層膜を用いた分散補償素子が用いられていることを特徴としている。
【0067】
そして、本発明の蛍光分析装置の例は、前記本発明の各特徴をいくつか併せもっていることを特徴としている。
【0068】
本発明の目的の達成を図るため、本発明の蛍光分析装置の例は、生体分子等あるいは標識として蛍光体等を付加した生体分子等の試料に励起光を照射して、前記励起光照射によって前記生体分子等あるいは前記生体分子等に標識として付加した蛍光体等から発せられる発光の強度やスペクトルを検出することにより生体分子等の成分を判定することができる分析装置において、前記励起光は、前記試料に照射されている間の少なくとも一部の時間帯において、その波長が、λ1とλ2を正の数としたとき、特定波長λ0を挟んでλ0+λ1からλ0−λ2の間で周期的に変化する波長変調を受けた励起光であることを特徴としている。
【0069】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記励起光は前記試料に照射されている間の全時間帯において、特定波長λ0を挟んでλ0+λ1からλ0−λ2の間で変化する波長変調を受けていることを特徴としている。
【0070】
本発明の蛍光分析装置の例は、前記励起光の波長の変化が特定波長λ0を中心波長とした正弦波であることを特徴としている。
【0071】
そして、本発明の蛍光分析装置の例は、前記本発明の各特徴をいくつか併せもっていることを特徴としている。
【0072】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、説明に用いる各図は本発明を理解できる程度に各構成要素の寸法、形状、配置関係などを概略的に示してある。そして、本発明の説明の都合上、部分的に拡大率を変えて図示する場合もあり、本発明に用いる図は、必ずしも実施の形態などの実物や記述と相似形でない場合もある。また、各図において、同様な構成要素については同一の番号を付けて示し、重複する説明を省略することもある。
【0073】
以下において、本発明の実施例を説明する。
【0074】
【実施例1】
図1〜図5は本発明の基本的技術思想を説明する図で、図1は2光子吸収スペクトルがちょうど交差するような2種類の色素を説明する図、図2は、短い波長側に吸収を持つ色素の吸収スペクトルと蛍光スペクトルを説明する図、図3は、長い波長側に吸収を持つ色素の吸収スペクトルと蛍光スペクトルを説明する図、図4は、短い波長側に吸収を持つ色素と長い波長側に吸収を持つ色素のそれぞれの蛍光スペクトルを説明する図、図5は、変調した励起光と変調に依存して変化する蛍光強度を説明する図である。
【0075】
図1〜図5で、符号1は色素Aの2光子吸収スペクトル、2は色素Aの蛍光スペクトル、3は色素Bの2光子吸収スペクトル、4は色素Bの蛍光スペクトル、5はX字状に交差するような2光子吸収スペクトル波長上の交差点の位置を示す点線、6は波長(λ0)を中心にして、周波数変調(±Δλ(ν))した励起光、7は弱くなった場合の蛍光強度スペクトル、8は強くなった場合の蛍光強度スペクトル、9は励起波長の変調が短波長側、λ0−Δλ、に移動するときの状態、10は励起波長の変調が長波長側、λ0+Δλ、に移動するときの状態、11は強くなった場合の蛍光強度スペクトル、12は弱くなった場合の蛍光強度スペクトルを表す。各図の座標軸の縦軸は光強度、横軸は波長である。
【0076】
高密度マイクロ・チップ・アレイに適用することを前提にした、集光分解能の向上と検出感度の向上は、2光子吸収現象とよばれる原理に基づいている。
【0077】
DNAチップやタンパク・チップなどのマイクロ・チップ・アレイにおいては、蛍光色素を標識として使用する。
【0078】
この蛍光色素として、図1に示すような、2光子吸収スペクトルがちょうど交差するような色素Aおよび色素Bを選択する。
【0079】
図1に示したような色素Aの2光子吸収スペクトル1の長波長側と他方の色素Bの2光子吸収スペクトル3の短波長側が点線5の位置の波長でX字状に交差する交差点を有する蛍光色素を2種類選択する。
【0080】
この2光子吸収スペクトル上の交差点の波長(λ0)の2倍の中心波長(λe)をもつフェムト秒パルス励起光を色素Aと色素Bに照射して、フェムト秒2光子吸収効果を利用して色素Aと色素Bを励起し、蛍光を計測する。そのとき、2種類の蛍光色素は、観測対象の分子の構造の僅かな違いを反映して、標識の蛍光色素が2種類ともに結合する状態、あるいは、どちらか一方のみが結合する状態、都合3種類の状態を作りだす。
【0081】
このときのフェムト秒パルス励起光の励起波長λeとスペクトル交差点5の波長λ0の関係は、次式のように表される。
【0082】
λ0=λe/2
従来この状態は、赤色に発色する状態、緑色に発色する状態、黄色に見える状態として区別されていた。
【0083】
ここで、図5に示すように、励起光源の波長を先ほどの2光子吸収スペクトルの交差点
の波長(λ0)を中心にして、周波数変調(波長変調ともいう)(±Δλ(ν))を与えるような光6により励起する。
【0084】
励起波長が長波長側に移動する変調の時、すなわち、λ0+Δλ、符号10の状態のとき、蛍光色素(緑)(色光色素A)の長波長側は吸収スペクトルの右下がりのスペクトルの傾きを感じて蛍光強度は蛍光強度スペクトル7のように弱くなり、他方、蛍光色素(赤)(蛍光色素B)の短波長側は吸収スペクトルの右上がりの傾きを感じて蛍光強度は蛍光強度スペクトル8のように強くなる。
【0085】
逆に、励起波長の変調が短波長側に移動するとき、すなわち、λ0−Δλ、符号9の状態のとき、蛍光色素Aの長波長側は吸収スペクトルの右上がりの傾きを感じて蛍光強度は蛍光強度スペクトル11のように強くなり、他方、蛍光色素Bの短波長側は吸収スペクトルの右下がりの傾きを感じて蛍光強度は蛍光強度スペクトル12のように弱くなる。
【0086】
したがって、変調された励起光が照射されると、蛍光波長が短波長側(緑)の蛍光色素Aの蛍光強度2と長波長側(赤)の蛍光色素Bの蛍光強度4は、同一の励起光に対して相補的に同期して蛍光強度が変化する。すなわち、短波長側(緑)の蛍光色素の蛍光強度2が強くなる時には、長波長側(赤)の蛍光色素の蛍光強度4は弱くなるように変化する。
【0087】
ここで、図8を用いて2種類の蛍光を用いた差動増幅の原理を説明する。
【0088】
図8は2種類の蛍光体を用いた差動増幅の原理を説明する図で、符号57は比反転増幅入力、58は反転増幅入力、59は差動増幅器、60は差増贈幅器からの出力、61は比反転入力端子につながる信号波形、62は反転入力端子につながる信号波形、63は同相ノイズ信号、64は入力信号、65は入力信号、66は出力信号である。
【0089】
一般的な差動増幅器59には、反転増幅入力58と、比反転増幅入力57があり、この二つの入力端子間に加わった電圧、あるいは、電流を適切な増幅度で増幅し、出力端子60に導く。このとき、入力端子間の信号形態として、反転入力端子につながる信号波形62、比反転入力端子につながる信号波形61を考える。
【0090】
差動増幅器は同相ノイズ除去比が約100dB程度あるため、同相ノイズ信号63は出力60には表れない。一方、入力信号64、入力信号65のように、逆相となっている信号は、出力信号66として増幅される。
【0091】
差動増幅器のこの特長を生かし、たとえば、反転入力端子58に緑色の蛍光色素Aの蛍光標識からの検出信号を、比反転入力端子57に赤色の蛍光色素Bの蛍光標識からの検出信号を入力すれば、たとえば、同相ノイズ信号63として混入される可能性の高い励起光に起因する信号は除去される。
【0092】
図6は、本発明の励起光源も含む高感度蛍光計測系の概略図を示す図である。図6で、符号13はマスタ信号源、14はフェムト秒レーザー光源、15は光変調器、16は被計測サンプル、16Aは被計測サンプル16から発せられる蛍光、17は赤色の蛍光を通過する光学フィルター、18は緑色の蛍光を通過させる光学フィルター、19と20は光検知器、21、22、29は増幅器、23と24は外部制御機能を有する可変抵抗器、25は制御装置、26と27は出力、28は位相検波器である。
【0093】
図6に示すように、マスタ信号源13により、フェムト秒レーザー光源14の発振波長を、光変調器15により変調し、変調された励起光6を発生させる。
そして、被計測サンプル16からの蛍光16Aの、例えば赤色の蛍光を通過する光学フィルター17、緑色の蛍光を通過させるフィルター18を通過した光を、それぞれ、光検知器19および光検知器20で検出する。次に、それぞれの光検出器からの電気信号をそれぞれ、増幅器21および増幅器22により増幅し、外部制御機能を有する可変抵抗器23および外部制御機能を有する可変抵抗器24に入力する。
【0094】
可変抵抗器23および24の出力26および27は、制御装置25により監視され、出力26と出力27の強度が常に同一となるように制御されているものとする。このように強度がそろえられた蛍光の信号、および、マスタ信号源13の信号を差動増幅器28に入力することにより、マスタ信号源13の周波数(ν)に同期した同期検出を行い、増幅器29を通過後に、出力30を得ることができる。
【0095】
図7に、以上のような動作の状態を横軸を時間軸として示す。
【0096】
図7は、本発明の高感度蛍光検出装置の前記例における信号タイミングチャートを説明する図で、符号31はマスタ信号源13の信号波形、32は二つの信号すなわち出力26と出力27の信号波形の合成信号である。
【0097】
図示のように、マスタ信号源13の信号波形31に全ての信号が同期して示されている。たとえば、蛍光信号強度が一致している出力26、および、出力27が差動増幅器28に入ると、内部では二つの信号の合成信号32のような状態が作られ、結果として増幅器29の出力30は、電圧としてはゼロとなる。
【0098】
このようにして、同期検出によりこの2種類の波長を検知しておけば、各波長の強度バランス調整により、出力ゼロ状態を発生させることができる。この出力ゼロの状態を実現するのに、制御装置25が、どのような制御電圧の差を可変抵抗器23および可変抵抗器24に与えたかを知れば、フィルタ17及び18を通過した蛍光の状態を容易に検知できる。
【0099】
この特性を利用すると、2種類の蛍光色素を使うときの3つの状態が区別することができる。
【0100】
すなわち、もし、対象としている分子が、蛍光色素の一方しか結合しない状態ならば、ゼロ電圧のバランスが崩れるため、どちらかの蛍光を計測するだけとなる。このような状態の検出信号30は、制御装置25の差動ゲインを調整しても出力ゼロとならない。
【0101】
上記のような同期検出手段により、2種類の蛍光色素の結合状態を敏感に検地することが可能となる。
【0102】
特に、赤色の発色と緑色の発色の混合として黄色に見える状態を、さらに細かく分離することが可能となる。
【0103】
つまり、赤色蛍光と緑色蛍光の強度比をこの検出方法により測定することが可能となる。すなわち、従来のように、蛍光が混合した単なる黄色ではなく、赤の強い黄色か、逆に、緑の強い黄色かの区別を電気的に行うことができる。
【0104】
【実施例2】
光源のコストダウンを行うためには、フェムト秒レーザー光源の出力強度を必要最低限まで減少させる工夫を行うことである。フェムト秒光パルスを発生させるためには、光共振器内部の分散を調整し、理想的には共振器内部の分散が発振波長領域に渡ってゼロであることが望ましい。しかし、そのような状況を作りだすことは容易ではなく、通常、個々のミラーの特性のばらつきや、結晶の特性のばらつきなどが重なって、条件を特定することは容易ではない。
【0105】
そこで、本発明の1つの実施の形態例として、図9に示すような、斜め蒸着による分散補償量可変型ミラーを提案する。
【0106】
図9は本発明の1つの実施の形態例としての斜め蒸着による分散補償量可変型ミラーを説明する図で、符号33は基板ガラス、34は分散補償ミラー層、35は厚みが入射面内方向で変化している層、36は斜め蒸着ビーム、37は分散補償特性曲線、38は分散補償量ミラーの場所を表す横軸、縦軸は2次の群速度分散である。ここで、入射面内方向とは多層膜を構成する各層のミラーの入射面に平行な方向という意味で、各層の中にミラーの入射面に平行な平面を想定し、その平面の方向という意味である。
【0107】
厚みが入射面内方向で変化している層35は、図9では最上部の層のように図示しているが、これに限定されず、分散補償ミラー層34の各層のうちの一部をこのように形成しても良く、また、分散補償ミラー層34の全ての層をこのように形成しても良い。
【0108】
また、斜め蒸着ビーム36により分散補償ミラーを作成する場合、基板33に構造をもたせたり、基板を適宜回転したり、マスクを制御したりするなどにより、ミラーへの光ビーム入射位置と分散補償特性の変化の関係を、適宜調整して作製することができる。
【0109】
分散補償量可変型ミラーは、光ビームの入射位置の変化に対して分散補償特性がステップ状に変わるように作成し、多層膜への光ビームの入射位置を、ミラーの入射ビームに対する傾き、ミラーの位置移動、光学系の制御による光ビームの移動などによって適宜選択することができる。
【0110】
分散補償量可変型ミラーの光ビームの入射位置あるいは傾きとミラーの分散補償特性の関係はあらかじめ実験などによって調べておき、当該制御系のメモリーに制御データとして記憶させておき、制御の精度を向上させるのに利用することができる。
【0111】
このミラーは、基板ガラス33の上に、膜厚により2次の群速度分散を補償できるミラー層34を斜め蒸着ビーム36により作製した構成を有する分散補償量可変型ミラーである。この様な構成のミラーを作製することにより、符号38により示した分散補償量はミラーの場所に依存して2次の群速度分散−波長特性が変化し、分散補償の内容が変化し、符号37で示すような分散補償特性曲線となる。
【0112】
この分散補償量可変型ミラーを用いた光共振器を構成することにより、共振器内部の分散はミラーの位置を可変にすることで連続的に調整することが可能となり、個々の共振器固有の分散補償を容易にかつ高精度に実施することが可能となる。その結果、分散補償量の微妙なズレに起因して発生していた余剰の励起エネルギーを削減することができ、最終的には光源のコストを抑えることが可能となる。
【0113】
【実施例3】
図10は、本発明の実施の形態例としての、フェムト秒レーザー光源10を用いた高感度DNAチップ蛍光分析装置の概略を示す図で、符号39はマイクロ・アレイ、40は対物レンズ、41は蛍光を赤色も緑色も通過するダイクロイックミラー、42は赤色を反射するダイクロイックミラー、43と44は光検知器、45は検出装置、46は制御コンピューター、47は表示装置、48はスキャンする移動ステージである。
【0114】
フェムト秒レーザー光源10から発生する、マスタ信号源9により変調された、レーザー光6は、励起光を反射するダイクロイックミラー41により反射され、対物レンズ40により、DNAチップ等のマイクロ・アレイ39上に集光される。
【0115】
励起光を照射された結果によるマイクロ・アレイからの蛍光は、図に示されていない、集光した励起ビームの光軸上を、励起光とちょうど逆に進み、蛍光を赤色も緑色も通過するダイクロイックミラー41を通過し、その後、緑色を透過し、赤色を反射するダイクロイックミラー42に達する。
【0116】
ミラー42を透過した緑色は、光検知器43により検出され、ミラー42で反射された赤色は、光検知器44により検出される。
【0117】
図6に示した位相検波器28等を含む検出装置45、および、マイクロチップを平面内でスキャンする移動ステージ48は、制御コンピューター46で制御され、マイクロチップ39からの蛍光情報は表示装置47上に表示される。
【0118】
【実施例4】
図11は、本発明の実施の形態例としての、フェムト秒レーザー光源10を用いた高感度DNAチップ蛍光分析装置において、光ファイバー(ファイバともいう)を用いた場合の実施例の概略を示す図で、符号49は集光コリメーターレンズ、50はシングルモード光ファイバー、51はファイバカプラ、52はフィルタモジュール、53と54は光検知器、55はコリメート・レンズである。
【0119】
フェムト秒レーザー光源10から発生する、マスタ信号源13により変調された、レーザー光6は、コリメートレンズ55により、シングルモード光ファイバー50に結合される。その後、ファイバカプラ51に結合され、集光コリメーターレンズ49により、マイクロチップアレイ39に集光される。
【0120】
マイクロチップアレイ39からの蛍光は、図に示されていないが、集光した励起ビームの光軸上をちょうど励起ビームと逆の方向に進み、ファイバカプラ51により分離され、シングルモード光ファイバ50を経由して、フィルタモジュール52に結合される。
【0121】
フィルタモジュール52において、赤色と緑色に分離され、ファイバー50経由で光検知器53と光検知器54に入る。
【0122】
図6に示した位相検波器28等を含む検出装置45、および、マイクロチップアレイを平面内でスキャンする移動ステージ48は、制御コンピューター46で制御され、マイクロチップアレイ39からの蛍光情報は表示装置47上に表示される。
【0123】
【実施例5】
図12は、本発明の実施の形態例としての、フェムト秒レーザー光源10を用いた高感度DNAチップ蛍光分析装置において、光ファイバーを用いた場合の実施例の概略を示す図で、符号56は円盤型マイクロ・レンズ・アレイである。
【0124】
フェムト秒レーザー光源10から発生する、マスタ信号源13により変調された、レーザー光6は、コリメート・レンズ55により、シングルモード光ファイバー50に結合される。その後、ファイバカプラ51に結合され、円盤型マイクロ・レンズ・アレイ56経由で、マイクロ・チップ・アレイ39に集光される。
【0125】
マイクロ・チップ・アレイ39からの蛍光(図に示されていない)は、集光した励起ビームの光軸上を励起光の光路とちょうど逆に進み、ファイバ・カプラ51により分離され、シングルモード光ファイバ50経由で、フィルタ・モジュール52に結合される。フィルタモジュール52において、赤色と緑色に分離し、ファイバー経由で光検知器53と光検知器54に入る。
【0126】
図6に示した位相検波器28等を含む検出装置45、および、円盤型マイクロ・レンズ・アレイ56の回転は、制御コンピューター46で制御され、マイクロ・チップ・アレイ39からの蛍光情報は表示装置47上に表示される。
【0127】
以上の説明からわかるように、本発明においては、従来のレーザー励起手段とは異なり、励起波長と蛍光波長が近接していることによる、散乱光の混入などに起因する検出感度の低下などを回避することができる。
【0128】
以上、本発明をいくつかの実施例を用いて説明してきたが、本発明はこれに狭く限定されるものではなく、種々のバリエーションを可能にするものである。
【0129】
例えば、未知の被検試料に対して、本発明の蛍光測定に利用できる特性を有する蛍光発光体としてどのようなものが含まれているかをサーチし、その結果によって本発明の励起光源や測定系の諸制御条件を適宜設定できるようにすることができ、また、励起光源の分散補償を自動化したり、励起光の被検試料に照射するまでの経路に、光カップリングなどを利用したモニターを配置し、そのモニター結果を制御にフィードバックすることができる。
【0130】
分散補償量可変型ミラーは、少なくとも一部が入射ビーム位置の変化による分散補償特性が連続的に変化するミラーになるように構成することもできる。
【0131】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、生体分析に応用することができる、安いコストで、検出S/N比が高く、正確な蛍光測定が可能な蛍光分析方法ならびに蛍光分析装置を提供するものである。しかも、試料に与えるダメージも小さい。
【0132】
さらに、本発明のフェムト秒レーザー光を励起光として用いた蛍光検査装置は、検出感度の飛躍的な向上が期待できるため、DNAチップやタンパクチップの高密度化に対応した光源および検出システムの発展に大きく寄与し、今後の生命科学分野の発展への寄与は極めて大きいものといえる。
【0133】
また、本発明は、フローサイトメータ(セルソーター)の光源と検出手法に利用して大きな効果を発揮することができる。
【0134】
本発明のように、「斜め蒸着による分散補償量可変型ミラー」を用いた、フェムト秒レーザー光源を製造すると、必要最低限の励起光強度と出力強度の最適化が可能となり、分析のさらなる総合的なコストダウンが実現できる。
【0135】
また、本発明によって生命科学にフェムト秒レーザー技術を実用的に導入することは、極めて大きなバイオ産業としての社会的波及効果をもたらすことになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】2光子吸収スペクトルが交差する2種類の色素を説明する図である。
【図2】短い波長側に吸収を持つ色素の吸収スペクトルと蛍光スペクトルを説明する図である。
【図3】長い波長側に吸収を持つ色素の吸収スペクトルと蛍光スペクトルを説明する図である。
【図4】短い波長側に吸収を持つ色素と長い波長側に吸収を持つ色素のそれぞれの蛍光スペクトルを説明する図である。
【図5】本発明の実施の形態例としての波長変調した励起光と変調に依存して変化する蛍光強度を説明する図である。
【図6】本発明の実施の形態例としての高感度蛍光検出装置を説明する図である。
【図7】本発明の実施の形態例としての高感度蛍光検出装置における信号タイミングチャートを説明する図である。
【図8】本発明の実施の形態例としての2種類の蛍光体を用いた差動増幅の原理を説明する図である。
【図9】本発明に用いる斜め蒸着による分散補償量可変型ミラーを説明する図である。
【図10】本発明の実施の形態例としてのフェムト秒レーザー光源を用いた高感度DNAチップ蛍光分析装置を説明する図である。
【図11】本発明の実施の形態例としてのフェムト秒レーザー光源を用いた高感度DNAチップ蛍光分析装置を説明する図である。
【図12】本発明の実施の形態例としてのフェムト秒レーザー光源を用いた高感度DNAチップ蛍光分析装置を説明する図である。
【符号の説明】
1,3:2光子吸収スペクトル
2,4:蛍光スペクトル
5:X字状に交差するような2光子吸収スペクトル波長上の交差点の位置を示す点線
6:波長(λ0)を中心にして、周波数変調(±Δλ(ν))した光
7,8,11,12: 蛍光強度スペクトル
9:励起波長の変調が短波長側、λ0−Δλ、に移動するときの状態
10:励起波長の変調が長波長側、λ0+Δλ、に移動するときの状態
13:マスタ信号源
14:フェムト秒レーザー光源
15:光変調器
16:被計測サンプル
16A:被計測サンプル16から発せられる蛍光、
17,18:光学フィルター
19,20,43,44,53,54:光検知器
21,22,29:増幅器
23,24:外部制御機能を有する可変抵抗器
25:制御装置
26,27,30:出力
28:位相検波器
31:マスタ信号源13の信号波形
32:二つの信号の合成信号
33:基板ガラス
34:分散補償ミラー層
35:厚みが入射面内方向で変化している層
36:斜め蒸着ビーム
37:分散補償特性曲線
38:分散補償量ミラーの場所を表す横軸
39:マイクロ・チップ・アレイ
40:対物レンズ
41,42:ダイクロイックミラー
45:検出装置
46:制御コンピューター
47:表示装置
48:スキャンする移動ステージ
49:集光コリメーターレンズ
50:シングルモード光ファイバー
51:ファイバカプラ
52:フィルタモジュール
55:コリメート・レンズ
56:円盤型マイクロ・レンズ・アレイ
57:比反転増幅入力
58:反転増幅入力
59:差動増幅器
60:差増贈幅器からの出力
61:比反転入力端子につながる信号波形
62:反転入力端子につながる信号波形
63:同相ノイズ信号
64,65:入力信号
66:出力信号[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fluorescence analysis method and a fluorescence analysis device, and more specifically, to a fluorescence analysis method and a fluorescence analysis device that cause less damage to a subject, have good detection sensitivity, and are inexpensive.
[0002]
The Human Genome Project was completed, and the nucleotide sequence containing human genetic information was decoded. In the future, this information will be used to reform medical technologies such as personalized medicine, drug discovery, and regenerative medicine. Among such movements in the life science field, there is a field related to a device for analyzing DNA or protein. At present, DNA and proteins are prepared by arranging a large number of different standard DNAs in a grid pattern on a substrate (also called a microarray chip) called a DNA chip or a protein chip, and collecting a sample DNA from a cell or the like. Information is obtained by reacting with.
[0003]
In order to realize genomic drug discovery and the like that have attracted industrial attention, DNA and protein information must be collected using various techniques in the future. However, each person has about 3 billion base sequences, and at present, it is estimated that scanning a single human base sequence costs about 30 billion yen, resulting in extremely large inspection costs. It is known to happen. Therefore, in order to make the genome application industry a reality, a cost reduction technique for information analysis is strongly desired, and the present invention relates to an analysis method and an analyzer that realize the cost reduction.
[0004]
[Prior art]
Nucleotide sequences containing the entire human genetic information (human genome) are almost being determined, and movements to elucidate the structure and function of proteins aimed at utilizing such genetic information concretely have become active. Have been. Amid these trends, the cost of analyzing individual genetic information has become a problem.
[0005]
In order to realize genomic drug discovery that has attracted attention from an industrial perspective, it is necessary to collect basic information on proteins from various angles using various methods in the future. However, as mentioned above, the base sequence of each person is about 3 billion bases. For example, the genome information of 1000 people is about 3 tera bases, and the information collection cost is assumed to be 1 yen per base. However, huge inspection costs are incurred. Therefore, in order to realize genomic drug discovery and make personalized medicine a reality, it is essential to develop measurement methods in consideration of cost reduction in parallel with basic research.
[0006]
As part of this, research and development have been promoted, such as increasing the density of microarray chips or making them three-dimensional. The strategy is to reduce the cost by increasing the analysis density of one chip. However, when the density is increased by the conventional method,
(1) The wavelengths of the excitation light and the fluorescence are close to each other, so that weak fluorescence cannot be detected. However, as the density increases, the intensity of the excitation light must be increased. Such conflicting issues arise.
(2) In addition, since the wavelength of visible light is directly excited, damage to the sample must be considered. In parallel with the increase in the density of microchips, the challenges of light sources must be overcome.
[0007]
On the other hand, confocal fluorescence microscope systems utilizing the two-photon absorption effect or the multi-photon absorption effect have recently become widespread as devices utilizing the characteristics of femtosecond light pulses. A brief summary of the features of this method is as follows.
{Circle around (1)} Since the wavelength of the femtosecond pulse is generally in the near-infrared region, there is little destruction of cells.
{Circle around (2)} Since the focal point where the multiphoton absorption process occurs is smaller than the part where the fundamental wave is condensed, observation with higher resolution than the resolution determined by the diffraction limit of the fundamental wave becomes possible.
{Circle around (3)} Since the minute portion can be excited without being affected by the confocal depth of the condenser lens, scanning in the depth direction (three-dimensional scanning) is also possible.
[0008]
As described above, high-precision observations that could not be measured with a conventional microscope can be performed. At present, the technical features mentioned here are limited to fluorescence microscopes, but by applying this technology to microchip array analysis with high density, dramatic improvement in sensitivity, shortening of analysis time, and eventually It can be expected to reduce analysis costs.
[0009]
As a typical example of the prior art relating to these analyses, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-500874, “System for Identifying Fluorescent Molecules Using Time-Resolved Fluorescence Measurement” (hereinafter referred to as Document 1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-100102, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-100102, "Flow Fluorescence Method and Apparatus" (hereinafter referred to as Document 2), Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-318924, "Optical Device with Pulsed Laser" (hereinafter referred to as Document 3). "Microscope system" (hereinafter, referred to as Reference 4) and Japanese Patent Publication No. 9-507579, "Signal processing method and apparatus for chemical analysis of a sample" (hereinafter, referred to as Reference 5) can be given.
[0010]
Document 1 describes the use of at least two groups of molecules that bind analyte molecules and have different fluorescent properties.
[0011]
[0012]
[0013]
[0014]
[0015]
These documents 1 to 5 describe various attempts to improve the accuracy, sensitivity, and protection of the sample when measuring the fluorescence emitted from the sample irradiated with the laser beam. The common technical idea is to utilize the peak value of the absorption spectrum or the fluorescence emission spectrum of the sample, and the laser light is not a laser light that periodically fluctuates in a narrow wavelength region, but rather. That is, a stable laser beam is used.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, conventional fluorescence analysis methods and apparatuses have high analysis costs, are not sufficiently accurate in analysis, and do not sufficiently consider the damage to the sample. It is strongly desired.
[0017]
An object of the present invention is to make use of the basic technology of the existing femtosecond confocal microscope to improve the sensitivity and resolution in fluorescence measurement using a DNA chip or a protein chip. It is an object of the present invention to provide a device that introduces laser technology and relatively improves observation technology using a plurality of fluorescent labels.
[0018]
Here, a femtosecond laser refers to a pulsed light laser having a pulse width on the order of femtoseconds narrower than 1 picosecond.
[0019]
From the social background and the industrial point of view, promoting the spread of equipment is the biggest issue. For that purpose, it is necessary to develop a technology to reduce the cost of femtosecond laser light sources, which determines most of equipment costs. It becomes important. In order to reduce the cost of the light source, it is necessary to reduce the output intensity of the femtosecond laser light source to the minimum necessary for power saving and cost reduction by optimizing the oscillation conditions. In addition, if the system is considered as a device, considering the flow of R & D on microchip arrays, signals from fluorescent dyes will be sufficient even when responding to array densification and excitation with reduced laser output. The idea is to devise a signal detection technique so that it can be detected by S / N.
[0020]
The technical items are summarized as follows.
As a part of reducing the cost of testing genetic information such as DNA chips, the density of chips has been increased. In a conventional analyzer, a normal laser is used as an excitation light source. In this technique, a reduction in resolution when the dot size is increased to 1 micron or less is inevitable.
[0021]
Further, when the dot size becomes 1 micron or less, the fluorescence intensity from each dot becomes weak. Therefore, it is attempted to maintain the sensitivity by increasing the intensity of the excitation laser. However, in the conventional method, there is a problem of separation between the laser to be intensified and basically weak fluorescence.
[0022]
By realizing precise dispersion compensation inside the laser cavity and controlling the optimal mode-locking conditions, an energy-saving light source necessary and sufficient to excite a fluorescent dye or a fluorescent protein can be realized.
[0023]
For that purpose, a multilayer evaporation mirror having a function of continuously changing the dispersion amount is required.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve many of these problems.
[0025]
Particularly salient features of the present invention are as follows.
[0026]
(1) The present invention takes into account that usually two types of fluorescent dyes, which emit red and green, are used as labels in a DNA chip or protein chip inspection apparatus, and the characteristics thereof are utilized as they are. That is, the detection sensitivity is improved by differentially amplifying the two types of fluorescence.
[0027]
In other words, by using two types of fluorescent labels, the wavelength modulation using the slope of the absorption spectrum of each fluorescent label and the intersection of each absorption spectrum as a center wavelength with the wavelength corresponding to the vicinity of the intersection of the absorption spectra as the center wavelength. Is used as the excitation light, 180 degrees of phase difference information is added to each fluorescence, and after the fluorescence from each fluorescent label is wavelength-separated, each fluorescence is separated by a photodetector. The present inventors have proposed a fluorescence detecting unit that converts electric signals corresponding to fluorescence, guides each electric signal to a differential amplifier, and removes common-mode noise mainly caused by mixing of excitation light with a common-mode noise removal ratio of about 100 dB.
[0028]
(2) In the example of the present invention, if a femtosecond laser is used as an excitation light source and the two-photon absorption effect is used, the excitation wavelength can be set in the infrared region. It is possible to avoid a decrease in detection sensitivity due to mixing of scattered light and the like due to the proximity of the fluorescent wavelengths.
[0029]
(3) In the example of the present invention, in a two-photon or multi-photon absorption process caused by irradiating a femtosecond light pulse, the focal portion is smaller than the portion focusing the fundamental wave. Observation with higher resolution than the focusing resolution determined by the wave diffraction limit is possible.
[0030]
Further, when a molecular sample in which the above two types of fluorescent labels are simultaneously bound is used, a place where the fluorescent labels emit light simultaneously within the light-collecting region is specified. Higher resolution than measurement by photon absorption process.
[0031]
By increasing the electrical sensitivity and introducing a femtosecond laser beam that can make use of the binding of the molecular size of the fluorescent label, it is possible to cope with an increase in the density of array dots.
[0032]
(4) In the example of the present invention, in order to achieve downsizing by optimizing the oscillation conditions and comprehensive cost reduction, a conventional dispersion compensating mirror using a vapor-deposited thin film and a dispersion compensating amount variable type mirror using oblique vapor deposition are manufactured. By realizing precise dispersion compensation inside the laser resonator and controlling the optimal mode-locking conditions, a low-cost and small femtosecond laser beam can be realized.
[0033]
Hereinafter, features of the present invention will be described in detail.
[0034]
In order to achieve the object of the present invention, an example of the fluorescence analysis method of the present invention is a method of irradiating a biomolecule sample with excitation light so that the biomolecule sample or a phosphor added as a label to the biomolecule sample is used. A fluorescent analysis method for determining the components of a biomolecule sample by detecting the intensity and spectrum of the fluorescence emitted from a fluorescent material, wherein the vertical axis defined as the absorption spectrum for the excitation light as the fluorescent substance is the excitation light absorption of the fluorescent substance. At least two types of phosphors having different excitation light absorption intensity-wavelength curves represented by a graph with the intensity taken and the horizontal axis representing the excitation light absorption wavelength of the phosphor are used, and the two types of phosphors have their absorption spectra. Is not at the peak position of each absorption spectrum, the slope of the absorption spectrum of one phosphor is positive and the slope of the absorption spectrum of the other phosphor is negative Intersecting phosphors, wherein the excitation light is excitation light that is wavelength-modulated so that the wavelength periodically changes over at least a part of the time during irradiation of the sample. And
[0035]
Then, in the example of the fluorescence analysis method of the present invention, after the fluorescence from the fluorescent label is wavelength-separated, each wavelength-separated fluorescence is converted into an electric signal corresponding to each fluorescence by a photodetector, It is characterized in that fluorescence detection means for guiding a signal to a differential amplifier and removing common-mode noise is used.
[0036]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is such that, when λ1 and λ2 are positive numbers, the excitation light is between the respective wavelengths λ3 and λ4 that give respective peak values of the absorption spectra of the two kinds of phosphors. The pump light is wavelength-modulated pumping light that changes between λ0 + λ1 and λ0-λ2 with the specific wavelength λ0 interposed therebetween, and each of the wavelengths λ0 + λ1 and λ0-λ2 is a shorter one of the wavelengths λ3 and λ4. The wavelength is longer than the longer wavelength of the wavelengths λ3 and λ4.
[0037]
In an example of the fluorescence analysis method of the present invention, the wavelength modulation that changes between λ0 + λ1 and λ0-λ2 across the specific wavelength λ0 is applied during the entire time period during which the sample is irradiated with the excitation light. It is characterized by:
[0038]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is characterized in that the change in the wavelength of the excitation light is a sine wave having a specific wavelength λ0 as a central wavelength.
[0039]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is characterized in that the detected fluorescence is a method of measuring fluorescence emission due to a multiphoton absorption effect in a biomolecule sample.
[0040]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is characterized in that the sample is a sample containing a biomolecule to which an organic dye or a fluorescent protein having a multiphoton absorption effect is added as a label.
[0041]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is characterized in that the sample is added with a plurality of organic dyes or fluorescent proteins having a multiphoton absorption effect as labels, and a plurality of components can be analyzed.
[0042]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is characterized in that the multiphoton absorption is two-photon absorption.
[0043]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is characterized in that the fluorescence is detected by performing a phase detection of a fluorescence signal from a fluorescent dye or a fluorescent protein in synchronization with the frequency of the wavelength modulation of the excitation light. And
[0044]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is characterized in that an optical device having a function of separating a fluorescence wavelength, which is constituted by a spatial beam optical system, is used for detecting fluorescence from the sample.
[0045]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is configured such that, when detecting fluorescence from the sample, the fluorescence from the sample is caused to travel in the optical fiber in a direction opposite to the excitation light, and an optical fiber coupler and an optical fiber. The present invention is characterized in that an optical device having a function of separating a fluorescence wavelength, which is constituted by a fiber filter module, is used.
[0046]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is characterized in that the optical device has a disk-shaped lens array that can scan the entire plane of the sample.
[0047]
In an example of the fluorescence analysis method of the present invention, the signal based on the two types of fluorescence input to the differential amplifier has the same amplitude and the opposite phase to each other at any stage before receiving the differential amplification. The signal is controlled by the control means so that the signal has the following relationship.
[0048]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is characterized in that the control means is means for changing a resistance value of an electric resistance element by an electric means.
[0049]
An example of the fluorescence analysis method of the present invention is that the dispersion compensation of the light source of the excitation light used to excite the sample is performed by using a dispersion compensation element using a multilayer film manufactured using an oblique deposition technique. Features.
[0050]
And the example of the fluorescence analysis method of the present invention is characterized by having some of the features of the present invention.
[0051]
In order to achieve the object of the present invention, an example of the fluorescent analyzer of the present invention is a method of irradiating a biomolecule sample with excitation light to thereby add the biomolecule sample or a phosphor added as a label to the biomolecule sample. A fluorescence analyzer that can determine the components of the biomolecule sample by detecting the intensity and spectrum of the fluorescence emitted from the apparatus, wherein the apparatus is, as the phosphor, a vertical axis defining an absorption spectrum for excitation light. It is possible to use at least two types of phosphors having different excitation light absorption intensity-wavelength curves, which are plotted by taking the excitation light absorption intensity of the phosphor and taking the excitation light absorption wavelength of the phosphor on the horizontal axis. Or a condition setting means corresponding to the phosphor, wherein the two kinds of phosphors have a position where the absorption spectrum is not the peak position of each absorption spectrum. A phosphor that crosses such that the slope of the absorption spectrum of one phosphor is positive and the slope of the absorption spectrum of the other phosphor is negative, and the excitation light is applied to the sample. The pump light is characterized in that the excitation light is wavelength-modulated so that the wavelength periodically changes over at least a part of the time.
[0052]
In the example of the fluorescence analyzer of the present invention, the fluorescence analyzer, after wavelength-separating the fluorescence from the fluorescent label, converts each wavelength-separated fluorescence into an electrical signal corresponding to each fluorescence by a photodetector. And a fluorescence detection unit for guiding each of the electric signals to a differential amplifier to remove common-mode noise.
[0053]
In the example of the fluorescence analyzer according to the present invention, when the excitation light has λ1 and λ2 as positive numbers, the excitation light is between two wavelengths λ3 and λ4 which give respective peak values of the absorption spectra of the two kinds of phosphors. The pump light is wavelength-modulated pumping light that changes between λ0 + λ1 and λ0-λ2 with the specific wavelength λ0 interposed therebetween, and each of the wavelengths λ0 + λ1 and λ0-λ2 is a shorter one of the wavelengths λ3 and λ4. The wavelength is longer than the longer wavelength of the wavelengths λ3 and λ4.
[0054]
In the example of the fluorescence analyzer of the present invention, the excitation light is subjected to wavelength modulation that changes between λ0 + λ1 and λ0-λ2 across the specific wavelength λ0 during the entire time period during which the sample is irradiated. It is characterized by:
[0055]
The example of the fluorescence analyzer of the present invention is characterized in that the change in the wavelength of the excitation light is a sine wave having a specific wavelength λ0 as a center wavelength.
[0056]
An example of the fluorescence analyzer of the present invention is characterized in that the device is a device for measuring fluorescence emission due to a multiphoton absorption effect in a biomolecule sample.
[0057]
An example of the fluorescence analyzer of the present invention is characterized in that the sample is a sample containing a biomolecule to which an organic dye or a fluorescent protein having a multiphoton absorption effect is added as a label.
[0058]
An example of the fluorescence analyzer of the present invention is an apparatus which can use a sample in which the sample is obtained by adding a plurality of organic dyes or fluorescent proteins having a two-photon absorption effect to the sample as labels, and which can analyze a plurality of components. It is characterized by being.
[0059]
An example of the fluorescence analyzer of the present invention is characterized in that the multiphoton absorption is two-photon absorption.
[0060]
An example of the fluorescence analyzer of the present invention utilizes the fact that the device performs a phase detection in synchronization with the frequency of the wavelength modulation of the excitation light with a fluorescence signal from a fluorescent dye or a fluorescent protein in the detection of the fluorescence. Device.
[0061]
An example of the fluorescence analyzer according to the present invention is characterized in that an optical device having a function of separating a fluorescence wavelength, which is constituted by a spatial beam optical system, is used for detecting fluorescence from the sample.
[0062]
An example of the fluorescence analyzer according to the present invention is configured such that, when detecting fluorescence from the sample, the fluorescence from the sample is caused to travel in the optical fiber in a direction opposite to the excitation light, and an optical fiber coupler and an optical fiber are connected. The present invention is characterized in that an optical device having a function of separating a fluorescence wavelength, which is constituted by a fiber filter module, is used.
[0063]
An example of the fluorescence analyzer of the present invention is characterized in that the optical device has a disk-shaped lens array that can scan the entire plane of the sample.
[0064]
In an example of the fluorescence analyzer of the present invention, the signal based on the two types of fluorescence input to the differential amplifier has the same amplitude and the opposite phase to each other at any stage before receiving the differential amplification. The signal is controlled by the control means so that the signal has the following relationship.
[0065]
An example of the fluorescence analyzer of the present invention is characterized in that the control means is means for changing a resistance value of an electric resistance element by an electric means.
[0066]
An example of the fluorescence analyzer of the present invention is based on the fact that a dispersion compensating element using a multilayer film manufactured using an oblique deposition technique is used for dispersion compensation of a light source of excitation light used for exciting the sample. Features.
[0067]
And the example of the fluorescence analyzer of the present invention is characterized by having some of the features of the present invention.
[0068]
In order to achieve the object of the present invention, an example of the fluorescence analyzer of the present invention is to irradiate a sample such as a biomolecule or a biomolecule to which a fluorescent substance or the like is added as a label with excitation light, and to irradiate the sample with the excitation light. In an analyzer that can determine components such as biomolecules by detecting the intensity or spectrum of luminescence emitted from a phosphor or the like added as a label to the biomolecules or the biomolecules, the excitation light includes: In at least a part of the time period during which the sample is irradiated, when λ1 and λ2 are positive numbers, the wavelength periodically changes between λ0 + λ1 and λ0-λ2 across the specific wavelength λ0. It is characterized by being pump light that has undergone wavelength modulation.
[0069]
In the example of the fluorescence analyzer of the present invention, the excitation light is subjected to wavelength modulation that changes between λ0 + λ1 and λ0-λ2 across the specific wavelength λ0 during the entire time period during which the sample is irradiated. It is characterized by:
[0070]
An example of the fluorescence analyzer according to the present invention is characterized in that the change in the wavelength of the excitation light is a sine wave having a specific wavelength λ0 as a center wavelength.
[0071]
And the example of the fluorescence analyzer of the present invention is characterized by having some of the features of the present invention.
[0072]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings used in the description schematically show the dimensions, shapes, arrangements, and the like of the components so that the present invention can be understood. For convenience of explanation of the present invention, the magnification may be partially changed in the drawings, and the drawings used in the present invention may not necessarily be similar to the real thing or the description of the embodiment. In addition, in each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
[0073]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0074]
Embodiment 1
1 to 5 are diagrams for explaining the basic technical concept of the present invention. FIG. 1 is a diagram for explaining two kinds of dyes whose two-photon absorption spectra just intersect, and FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating an absorption spectrum and a fluorescence spectrum of a dye having a long wavelength, FIG. 3 is a diagram illustrating an absorption spectrum and a fluorescence spectrum of a dye having an absorption at a long wavelength, and FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating each fluorescence spectrum of a dye having absorption on a longer wavelength side, and FIG. 5 is a diagram illustrating a modulated excitation light and a fluorescence intensity that changes depending on the modulation.
[0075]
1 to 5, reference numeral 1 denotes a two-photon absorption spectrum of Dye A, 2 denotes a fluorescence spectrum of Dye A, 3 denotes a two-photon absorption spectrum of Dye B, 4 denotes a fluorescence spectrum of Dye B, and 5 denotes an X-shape. A dotted line indicating the position of the crossing point on the wavelength of the two-photon absorption spectrum that intersects, 6 is the excitation light frequency-modulated (± Δλ (ν)) around the wavelength (λ0), and 7 is the fluorescence when it is weakened. Intensity spectrum, 8 is the fluorescence intensity spectrum when intensified, 9 is the state when the modulation of the excitation wavelength moves to the short wavelength side, λ0−Δλ, and 10 is the state when the modulation of the excitation wavelength is on the long wavelength side, λ0 + Δλ. The state at the time of movement, 11 shows the fluorescence intensity spectrum when it becomes strong, and 12 shows the fluorescence intensity spectrum when it becomes weak. The vertical axis of the coordinate axes in each figure is the light intensity, and the horizontal axis is the wavelength.
[0076]
The improvement of the light-gathering resolution and the improvement of the detection sensitivity premised on application to a high-density microchip array are based on a principle called a two-photon absorption phenomenon.
[0077]
In a microchip array such as a DNA chip or a protein chip, a fluorescent dye is used as a label.
[0078]
As the fluorescent dye, dye A and dye B whose two-photon absorption spectra just cross each other as shown in FIG. 1 are selected.
[0079]
As shown in FIG. 1, the long wavelength side of the two-photon absorption spectrum 1 of the dye A and the short wavelength side of the two-
[0080]
The dye A and the dye B are irradiated with femtosecond pulse excitation light having a center wavelength (λe) twice as long as the wavelength (λ0) of the crossing point on the two-photon absorption spectrum, and the femtosecond two-photon absorption effect is utilized. The dye A and the dye B are excited, and the fluorescence is measured. At this time, the two types of fluorescent dyes reflect a slight difference in the structure of the molecule to be observed, and the two types of fluorescent dyes are bound together, or only one of them is bound. Create different states.
[0081]
At this time, the relationship between the excitation wavelength λe of the femtosecond pulse excitation light and the wavelength λ0 of the
[0082]
λ0 = λe / 2
Conventionally, this state has been distinguished as a state that develops red, a state that develops green, and a state that looks yellow.
[0083]
Here, as shown in FIG. 5, the wavelength of the excitation light source is set at the intersection of the two-photon absorption spectrum.
Is excited by
[0084]
At the time of modulation in which the excitation wavelength moves to the longer wavelength side, that is, in the state of [lambda] 0+ [Delta] [lambda],
[0085]
Conversely, when the modulation of the excitation wavelength shifts to the shorter wavelength side, that is, in the state of λ0−Δλ,
[0086]
Therefore, when the modulated excitation light is irradiated, the
[0087]
Here, the principle of differential amplification using two types of fluorescence will be described with reference to FIG.
[0088]
FIG. 8 is a diagram for explaining the principle of differential amplification using two kinds of phosphors.
[0089]
A general
[0090]
Since the differential amplifier has a common-mode noise rejection ratio of about 100 dB, the common-
[0091]
Taking advantage of this feature of the differential amplifier, for example, a detection signal from the fluorescent label of the green fluorescent dye A is input to the inverting
[0092]
FIG. 6 is a schematic diagram of a high-sensitivity fluorescence measurement system including the excitation light source of the present invention. In FIG. 6,
[0093]
As shown in FIG. 6, the oscillation wavelength of the femtosecond
Then, the light 16A from the
[0094]
The
[0095]
FIG. 7 shows the state of the operation as described above, with the horizontal axis representing the time axis.
[0096]
FIG. 7 is a diagram for explaining a signal timing chart in the above-described example of the high-sensitivity fluorescence detection apparatus of the present invention.
[0097]
As shown, all signals are shown in synchronization with the
[0098]
In this way, if the two types of wavelengths are detected by the synchronization detection, a zero output state can be generated by adjusting the intensity balance of each wavelength. To realize this zero output state, if the control device 25 knows what control voltage difference has been applied to the
[0099]
By utilizing this characteristic, three states when two types of fluorescent dyes are used can be distinguished.
[0100]
That is, if the target molecule is in a state where only one of the fluorescent dyes is bound, the balance of the zero voltage is lost, and only one of the fluorescences is measured. The output of the
[0101]
The synchronous detection means as described above makes it possible to detect the binding state of the two types of fluorescent dyes sensitively.
[0102]
In particular, it is possible to further finely separate a state that looks yellow as a mixture of red and green colors.
[0103]
That is, the intensity ratio between red fluorescence and green fluorescence can be measured by this detection method. That is, it is possible to electrically discriminate between a strong yellow of red and a strong yellow of green instead of a mere yellow mixed with fluorescence as in the related art.
[0104]
In order to reduce the cost of the light source, it is necessary to reduce the output intensity of the femtosecond laser light source to a necessary minimum. In order to generate a femtosecond optical pulse, it is desirable to adjust the dispersion inside the optical resonator, and ideally, the dispersion inside the resonator is zero over the oscillation wavelength region. However, it is not easy to create such a situation, and it is usually not easy to specify the conditions due to variations in characteristics of individual mirrors and variations in characteristics of crystals.
[0105]
Therefore, as one embodiment of the present invention, a variable dispersion compensation type mirror by oblique evaporation as shown in FIG. 9 is proposed.
[0106]
FIG. 9 is a view for explaining a dispersion compensation amount variable type mirror by oblique vapor deposition as one embodiment of the present invention, wherein
[0107]
The layer 35 whose thickness changes in the in-plane direction is illustrated as the uppermost layer in FIG. 9, but is not limited thereto. It may be formed in this way, or all the layers of the dispersion compensating
[0108]
When a dispersion compensating mirror is formed by the
[0109]
The variable dispersion compensation type mirror is formed so that the dispersion compensation characteristic changes stepwise with respect to the change of the incident position of the light beam, and the incident position of the light beam on the multilayer film is adjusted by tilting the mirror with respect to the incident beam, The position can be selected as appropriate by the movement of the position, the movement of the light beam by controlling the optical system, and the like.
[0110]
The relationship between the incident position or tilt of the light beam of the variable dispersion compensation type mirror and the dispersion compensation characteristics of the mirror is examined in advance by experiments, etc., and stored as control data in the memory of the control system to improve control accuracy. Can be used to make it.
[0111]
This mirror is a variable dispersion compensation type mirror having a configuration in which a
[0112]
By constructing an optical resonator using this dispersion compensation variable type mirror, the dispersion inside the resonator can be continuously adjusted by changing the position of the mirror, and the individual resonator-specific dispersion can be adjusted. Dispersion compensation can be easily and accurately performed. As a result, it is possible to reduce the excess pumping energy generated due to the subtle deviation of the dispersion compensation amount, and ultimately to reduce the cost of the light source.
[0113]
FIG. 10 is a diagram schematically showing a high-sensitivity DNA chip fluorescence analyzer using a femtosecond
[0114]
The
[0115]
The fluorescence from the microarray resulting from the excitation light travels on the optical axis of the focused excitation beam, not shown, just opposite to the excitation light and passes through both the red and green fluorescence After passing through the
[0116]
Green transmitted through the
[0117]
The
[0118]
FIG. 11 is a diagram schematically illustrating an example in which an optical fiber (also referred to as a fiber) is used in a high-sensitivity DNA chip fluorescence analyzer using a femtosecond
[0119]
The
[0120]
Although not shown in the figure, the fluorescence from the
[0121]
In the
[0122]
A
[0123]
FIG. 12 is a view schematically showing an example in which an optical fiber is used in a high-sensitivity DNA chip fluorescence analyzer using a femtosecond
[0124]
The
[0125]
Fluorescence (not shown) from the
[0126]
The rotation of the
[0127]
As can be understood from the above description, unlike the conventional laser excitation means, the present invention avoids a decrease in detection sensitivity due to the mixing of scattered light and the like due to the proximity of the excitation wavelength and the fluorescence wavelength. can do.
[0128]
As described above, the present invention has been described with reference to some embodiments. However, the present invention is not limited to this, and allows various variations.
[0129]
For example, for an unknown test sample, a search was performed to find what kind of fluorescent luminescent material having characteristics that can be used for the fluorescence measurement of the present invention, and the excitation light source and measurement system of the present invention were determined based on the results. It is possible to set various control conditions appropriately, and to automate the dispersion compensation of the excitation light source, and to use a monitor that uses optical coupling etc. in the path until the excitation light irradiates the test sample. The monitoring result can be fed back to the control.
[0130]
The variable dispersion compensation type mirror may be configured such that at least a part thereof is a mirror whose dispersion compensation characteristic continuously changes due to a change in the incident beam position.
[0131]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a fluorescence analysis method and a fluorescence analysis apparatus which can be applied to biological analysis, are inexpensive, have a high detection S / N ratio, and can perform accurate fluorescence measurement. is there. Moreover, damage to the sample is small.
[0132]
Furthermore, since the fluorescence inspection apparatus using the femtosecond laser light of the present invention as excitation light can be expected to dramatically improve detection sensitivity, the development of light sources and detection systems corresponding to the densification of DNA chips and protein chips has been developed. And greatly contribute to the development of the life science field in the future.
[0133]
Further, the present invention can exert a great effect when used for a light source and a detection method of a flow cytometer (cell sorter).
[0134]
By manufacturing a femtosecond laser light source using a “variable compensation type dispersion mirror by oblique deposition” as in the present invention, it becomes possible to optimize the minimum necessary excitation light intensity and output intensity, and further analyze Cost reduction can be realized.
[0135]
In addition, the practical application of femtosecond laser technology to life sciences according to the present invention will have a significant social spillover effect as the biotechnology industry.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating two types of dyes whose two-photon absorption spectra intersect.
FIG. 2 is a diagram illustrating an absorption spectrum and a fluorescence spectrum of a dye having absorption on a short wavelength side.
FIG. 3 is a diagram illustrating an absorption spectrum and a fluorescence spectrum of a dye having absorption on a long wavelength side.
FIG. 4 is a diagram illustrating the respective fluorescence spectra of a dye having absorption on the short wavelength side and a dye having absorption on the long wavelength side.
FIG. 5 is a diagram for explaining wavelength-modulated excitation light and fluorescence intensity that changes depending on the modulation as an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a high-sensitivity fluorescence detection device as an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a signal timing chart in the high-sensitivity fluorescence detection device as an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating the principle of differential amplification using two types of phosphors as an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a view for explaining a dispersion compensation amount variable type mirror by oblique deposition used in the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a high-sensitivity DNA chip fluorescence analyzer using a femtosecond laser light source as an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a high-sensitivity DNA chip fluorescence analyzer using a femtosecond laser light source as an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram illustrating a high-sensitivity DNA chip fluorescence analyzer using a femtosecond laser light source as an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,3: 2 photon absorption spectrum
2, 4: Fluorescence spectrum
5: dotted line indicating the position of the crossing point on the two-photon absorption spectrum wavelength that crosses in an X shape
6: Light that has been frequency-modulated (± Δλ (ν)) around the wavelength (λ0)
7, 8, 11, 12: Fluorescence intensity spectrum
9: State when the modulation of the excitation wavelength moves to the shorter wavelength side, λ0-Δλ
10: State when the modulation of the excitation wavelength moves to the longer wavelength side, λ0 + Δλ
13: Master signal source
14: Femtosecond laser light source
15: Optical modulator
16: Sample to be measured
16A: fluorescence emitted from the
17, 18: Optical filter
19, 20, 43, 44, 53, 54: Photodetector
21, 22, 29: Amplifier
23, 24: Variable resistors having an external control function
25: Control device
26, 27, 30: Output
28: Phase detector
31: signal waveform of the
32: Composite signal of two signals
33: Substrate glass
34: Dispersion compensation mirror layer
35: Layer whose thickness changes in the in-plane direction of incidence
36: Oblique deposition beam
37: dispersion compensation characteristic curve
38: horizontal axis representing the location of the dispersion compensation amount mirror
39: Microchip array
40: Objective lens
41, 42: Dichroic mirror
45: Detector
46: Control computer
47: Display device
48: Moving stage to scan
49: Condensing collimator lens
50: Single mode optical fiber
51: Fiber coupler
52: Filter module
55: Collimating lens
56: Disk type micro lens array
57: Ratio inversion amplification input
58: Inverting amplification input
59: Differential amplifier
60: Output from the difference amplifier
61: Signal waveform connected to ratio inversion input terminal
62: signal waveform connected to inverting input terminal
63: common-mode noise signal
64, 65: input signal
66: output signal
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