JP2009281831A - Fluorescence analyzer and analysis method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定試料中の蛍光プローブから発生する蛍光を検出して、測定試料についての解析を行う蛍光解析装置、及び蛍光解析方法に関するものである。 The present invention relates to a fluorescence analysis apparatus and a fluorescence analysis method for detecting fluorescence generated from a fluorescent probe in a measurement sample and analyzing the measurement sample.
蛍光相関分光法(FCS: Fluorescence Correlation Spectroscopy)は、極低濃度の蛍光物質が存在する測定試料溶液中の微小領域に励起光を照射して測定領域とし、測定領域内で発生した蛍光の強度を時系列的に測定して自己相関関数を求めることで、試料中での蛍光物質の並進拡散運動等の情報を得るものである(例えば特許文献1〜3参照)。このような蛍光解析法は、例えば臨床診断における免疫分析に適用可能である。
上記した蛍光解析では、蛍光物質によって標識された分子プローブ(蛍光プローブ)を測定試料に加え、測定領域内にある蛍光プローブからの蛍光を検出するとともに、その自己相関関数から並進拡散運動等についての情報を取得する。これにより、分析対象となる試料中の標的分子と、蛍光プローブとの反応量を知ることができ、測定試料についての情報を取得することができる。このような試料解析方法は、ホモジニアス・アッセイにおける非分離型の計測方法であるため、ELISA法などのヘテロジニアス・アッセイに比べて、消耗品類の消費を少なくしてランニングコストを低減することが可能である。また、解析装置の小型化、低価格化も可能である。 In the fluorescence analysis described above, a molecular probe (fluorescent probe) labeled with a fluorescent substance is added to the measurement sample, and the fluorescence from the fluorescent probe in the measurement region is detected. Get information. Thereby, the amount of reaction between the target molecule in the sample to be analyzed and the fluorescent probe can be known, and information about the measurement sample can be acquired. Since this sample analysis method is a non-separation type measurement method in a homogeneous assay, it is possible to reduce the consumption cost by reducing the consumption of consumables compared to the heterogeneous assay such as ELISA method. It is. In addition, the analysis apparatus can be reduced in size and price.
一方、FCSなどの手法を用いた蛍光解析において、その測定感度や効率等のさらなる向上が求められている。そのような方法の1つとして、標的分子に対して複数個の蛍光プローブを凝集するように結合させ、それらの蛍光プローブからの蛍光を検出する蛍光解析方法が提案されている(例えば特許文献1、2参照)。しかしながら、このような方法では、複数個の蛍光プローブが結合した標的分子からの蛍光検出イベントと、それ以外のノイズイベントとの識別が難しいという問題がある。 On the other hand, in fluorescence analysis using a technique such as FCS, further improvement in measurement sensitivity, efficiency, and the like is required. As one of such methods, a fluorescence analysis method has been proposed in which a plurality of fluorescent probes are bound to a target molecule so as to aggregate and the fluorescence from these fluorescent probes is detected (for example, Patent Document 1). 2). However, such a method has a problem that it is difficult to distinguish a fluorescence detection event from a target molecule to which a plurality of fluorescent probes are bound from other noise events.
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、測定領域内にある蛍光プローブからの蛍光を測定することによる測定試料の蛍光解析を好適に実行することが可能な蛍光解析装置、及び蛍光解析方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of suitably executing a fluorescence analysis of a measurement sample by measuring fluorescence from a fluorescent probe in a measurement region. An object is to provide an apparatus and a fluorescence analysis method.
このような目的を達成するために、本発明による蛍光解析装置は、(1)測定試料に対して設定された測定領域に励起光を照射する励起光照射手段と、(2)励起光照射手段によって励起光が照射された測定試料の測定領域内にある蛍光プローブから発生する蛍光を2つの蛍光成分に分岐する光分岐手段と、(3)分岐された一方の第1蛍光成分を検出する第1蛍光検出手段と、(4)分岐された他方の第2蛍光成分を検出する第2蛍光検出手段と、(5)第1蛍光検出手段及び第2蛍光検出手段でそれぞれ検出された光子数を所定の計数時間幅で時系列的に計数して、第1光子数測定データFA(t)及び第2光子数測定データFB(t)を取得する光子計数手段と、(6)第1光子数測定データFA(t)及び第2光子数測定データFB(t)に基づいて、測定データFA(t)、FB(t)の少なくとも一方が0の場合に
nAB(t)=0
となり、測定データFA(t)、FB(t)の両者が0でない場合に所定の関数fで
nAB(t)=f(FA(t)、FB(t))
となる光子数解析データnAB(t)を生成する解析データ生成手段と、(7)解析データ生成手段によって生成された光子数解析データnAB(t)に対し、蛍光プローブを含む測定試料の測定結果についての蛍光解析を行う測定結果解析手段とを備えることを特徴とする。
In order to achieve such an object, the fluorescence analyzer according to the present invention includes (1) excitation light irradiation means for irradiating excitation light to a measurement region set for a measurement sample, and (2) excitation light irradiation means. Light branching means for branching the fluorescence generated from the fluorescent probe in the measurement region of the measurement sample irradiated with the excitation light into two fluorescent components, and (3) detecting the first branched first fluorescent component. 1 fluorescence detection means, (4) second fluorescence detection means for detecting the other branched second fluorescence component, and (5) the number of photons detected by the first fluorescence detection means and the second fluorescence detection means, respectively. (6) first photon counting means for obtaining first photon number measurement data F A (t) and second photon number measurement data F B (t) by counting in a time series with a predetermined counting time width; number of photons measured data F A (t) and the second photon number measurement data Based on the B (t), the measured data F A (t), n AB (t) = 0 in the case of at least one of 0 F B (t)
When both of the measurement data F A (t) and F B (t) are not 0, n AB (t) = f (F A (t), F B (t)) with a predetermined function f
And (7) the photon number analysis data n AB (t) generated by the analysis data generation means, the analysis data generation means for generating the photon number analysis data n AB (t) And a measurement result analyzing means for performing a fluorescence analysis on the measurement result.
また、本発明による蛍光解析方法は、(1)測定試料に対して設定された測定領域に励起光を照射する励起光照射ステップと、(2)励起光照射ステップで励起光が照射された測定試料の測定領域内にある蛍光プローブから発生する蛍光を2つの蛍光成分に分岐する光分岐ステップと、(3)分岐された一方の第1蛍光成分を検出する第1蛍光検出ステップと、(4)分岐された他方の第2蛍光成分を検出する第2蛍光検出ステップと、(5)第1蛍光検出ステップ及び第2蛍光検出ステップでそれぞれ検出された光子数を所定の計数時間幅で時系列的に計数して、第1光子数測定データFA(t)及び第2光子数測定データFB(t)を取得する光子計数ステップと、(6)第1光子数測定データFA(t)及び第2光子数測定データFB(t)に基づいて、測定データFA(t)、FB(t)の少なくとも一方が0の場合に
nAB(t)=0
となり、測定データFA(t)、FB(t)の両者が0でない場合に所定の関数fで
nAB(t)=f(FA(t)、FB(t))
となる光子数解析データnAB(t)を生成する解析データ生成ステップと、(7)解析データ生成ステップにおいて生成された光子数解析データnAB(t)に対し、蛍光プローブを含む測定試料の測定結果についての蛍光解析を行う測定結果解析ステップとを備えることを特徴とする。
In addition, the fluorescence analysis method according to the present invention includes (1) an excitation light irradiation step in which a measurement region set for a measurement sample is irradiated with excitation light, and (2) a measurement in which excitation light is irradiated in the excitation light irradiation step. A light branching step for branching fluorescence generated from a fluorescent probe in a measurement region of the sample into two fluorescent components; (3) a first fluorescence detecting step for detecting one branched first fluorescent component; ) A second fluorescence detection step for detecting the other branched second fluorescence component; and (5) time series of the number of photons detected in the first fluorescence detection step and the second fluorescence detection step in a predetermined counting time width. Counting to obtain first photon number measurement data F A (t) and second photon number measurement data F B (t), and (6) first photon number measurement data F A (t ) And second photon number measurement data Based on the B (t), the measured data F A (t), n AB (t) = 0 in the case of at least one of 0 F B (t)
When both of the measurement data F A (t) and F B (t) are not 0, n AB (t) = f (F A (t), F B (t)) with a predetermined function f
An analysis data generation step for generating photon number analysis data n AB (t) to be (7), and (7) for the photon number analysis data n AB (t) generated in the analysis data generation step, And a measurement result analysis step for performing fluorescence analysis on the measurement result.
上記した蛍光解析装置、及び蛍光解析方法においては、励起光照射系及び蛍光検出系によって測定試料中に微小な測定領域を設定する。また、測定領域内の蛍光プローブで発生する蛍光に対して光分岐手段を設けるとともに、蛍光検出系として第1、第2蛍光検出手段を設置して第1、第2光子数測定データFA(t)、FB(t)を取得する。そして、それらの測定データを直接に蛍光解析に用いるのではなく、FA(t)・FB(t)=0のときに0となる解析データnAB(t)を生成して蛍光解析を行っている。 In the fluorescence analysis apparatus and the fluorescence analysis method described above, a minute measurement region is set in the measurement sample by the excitation light irradiation system and the fluorescence detection system. Further, a light branching means is provided for the fluorescence generated by the fluorescent probe in the measurement region, and the first and second fluorescence detection means are provided as the fluorescence detection system to provide the first and second photon number measurement data F A ( t) and F B (t) are acquired. Then, instead of directly using these measurement data for the fluorescence analysis, the analysis data n AB (t) that becomes 0 when F A (t) · F B (t) = 0 is generated to perform the fluorescence analysis. Is going.
このような構成では、光子数測定データFA(t)、FB(t)に代えて光子数解析データnAB(t)を用いることにより、第1、第2蛍光検出手段での蛍光検出の同時性を考慮した形で蛍光解析を実行することができる。これにより、例えば、複数個の蛍光プローブが結合した標的分子からの蛍光検出イベントと、それ以外のノイズイベントとの識別精度を向上するなど、測定試料の蛍光解析の精度を向上することが可能となる。 In such a configuration, by using the photon number analysis data n AB (t) instead of the photon number measurement data F A (t) and F B (t), fluorescence detection by the first and second fluorescence detection means is performed. Fluorescence analysis can be executed in consideration of the simultaneity. This makes it possible to improve the accuracy of fluorescence analysis of the measurement sample, for example, by improving the accuracy of distinguishing fluorescence detection events from target molecules to which multiple fluorescent probes are bound from other noise events. Become.
ここで、測定試料に対する蛍光解析に用いられる励起光、蛍光については、励起光は単一波長領域の励起光であり、第1蛍光成分及び第2蛍光成分は同一波長領域の蛍光成分である構成を用いることが可能である。このような構成は、測定試料に加える蛍光プローブとして1種類の蛍光プローブのみを用いるとともに、試料に含まれる標的分子に2個以上の同一種類の蛍光プローブが結合する場合の蛍光解析に好適に適用することができる。 Here, with regard to excitation light and fluorescence used for fluorescence analysis on the measurement sample, the excitation light is excitation light in a single wavelength region, and the first fluorescence component and the second fluorescence component are fluorescence components in the same wavelength region. Can be used. Such a configuration is suitably used for fluorescence analysis when only one type of fluorescent probe is used as a fluorescent probe to be added to a measurement sample, and when two or more same types of fluorescent probes are bound to target molecules contained in the sample. can do.
光子数測定データから解析データへのデータ変換については、具体的には例えば、解析データ生成において、測定データFA(t)、FB(t)の両者が0でない場合に、測定データFA(t)、FB(t)の相乗平均となる関数fで
nAB(t)=√(FA(t)・FB(t))
によって光子数解析データnAB(t)を生成することが好ましい。このように相乗平均を用いて解析データを求めることにより、蛍光検出の同時性が考慮された蛍光解析を好適に実行することができる。また、この方法では、測定データFA、FBの少なくとも一方が0の場合においても、相乗平均の上記関数√(FA・FB)でnAB=0となる。
Regarding data conversion from photon number measurement data to analysis data, specifically, for example, in the generation of analysis data, when both measurement data F A (t) and F B (t) are not 0, measurement data F A (T), a function f that is a geometric mean of F B (t), n AB (t) = √ (F A (t) · F B (t))
It is preferable to generate the photon number analysis data n AB (t) by Thus, by calculating | requiring analysis data using a geometric mean, the fluorescence analysis in consideration of the simultaneousness of fluorescence detection can be performed suitably. In this method, even when at least one of the measurement data F A and F B is 0, the above function √ (F A · F B ) of the geometric mean is n AB = 0.
あるいは、解析データ生成において、測定データFA(t)、FB(t)の両者が0でない場合に、測定データFA(t)、FB(t)の調和平均となる関数fで
nAB(t)=2/{1/FA(t)+1/FB(t)}
によって光子数解析データnAB(t)を生成する構成を用いても良い。このように調和平均を用いて解析データを求めることにより、相乗平均の場合と同様に、蛍光検出の同時性が考慮された蛍光解析を好適に実行することができる。
Alternatively, in the analysis data generation, when both of the measurement data F A (t) and F B (t) are not 0, the function f is a harmonic average of the measurement data F A (t) and F B (t) n AB (t) = 2 / {1 / F A (t) + 1 / F B (t)}
A configuration for generating the photon number analysis data n AB (t) may be used. As described above, by obtaining the analysis data using the harmonic average, similarly to the case of the geometric average, it is possible to suitably execute the fluorescence analysis in consideration of the synchronization of the fluorescence detection.
光子数解析データを用いた蛍光解析については、具体的には、測定結果解析において、光子数解析データnAB(t)に対し、蛍光解析として、自己相関解析またはフォトンバースト解析の少なくとも一方を行うことが好ましい。このように、自己相関解析法、フォトンバースト解析法、あるいはそれらを組み合わせた解析法を用いることにより、測定試料の蛍光解析を精度良く実行することができる。 Specifically, for fluorescence analysis using photon number analysis data, at least one of autocorrelation analysis or photon burst analysis is performed as fluorescence analysis on photon number analysis data n AB (t) in the measurement result analysis. It is preferable. Thus, by using the autocorrelation analysis method, the photon burst analysis method, or an analysis method combining them, the fluorescence analysis of the measurement sample can be performed with high accuracy.
また、測定結果解析において、光子数解析データnAB(t)を所定のビン時間幅でビニングし、ビニングされた解析データに対して蛍光解析を行う構成としても良い。この場合、具体的な測定条件等に応じて解析データのビン時間幅を設定することにより、蛍光解析の精度を向上することができる。 In the measurement result analysis, the photon number analysis data n AB (t) may be binned with a predetermined bin time width, and the fluorescence analysis may be performed on the binned analysis data. In this case, the accuracy of the fluorescence analysis can be improved by setting the bin time width of the analysis data according to specific measurement conditions and the like.
本発明の蛍光解析装置及び解析方法によれば、試料中に設定された測定領域内にある蛍光プローブからの蛍光に対して光分岐手段を設けるとともに、第1、第2蛍光検出手段を設置して第1、第2光子数測定データFA(t)、FB(t)を取得し、それらの測定データから少なくとも一方が0の場合にnAB=0となる解析データnAB(t)を生成して蛍光解析を行うことにより、2つの検出手段での蛍光検出の同時性を考慮した形で蛍光解析を実行して、測定試料の蛍光解析の精度を向上することが可能となる。 According to the fluorescence analysis apparatus and the analysis method of the present invention, the light branching means is provided for the fluorescence from the fluorescent probe in the measurement region set in the sample, and the first and second fluorescence detection means are provided. The first and second photon number measurement data F A (t), F B (t) are obtained, and the analysis data n AB (t) is such that n AB = 0 when at least one of the measurement data is 0 By performing the fluorescence analysis by generating the fluorescence analysis, it is possible to improve the accuracy of the fluorescence analysis of the measurement sample by executing the fluorescence analysis in consideration of the simultaneous detection of the fluorescence by the two detection means.
以下、図面とともに本発明による蛍光解析装置、及び蛍光解析方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, preferred embodiments of a fluorescence analysis apparatus and a fluorescence analysis method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
図1は、本発明による蛍光解析装置の一実施形態の構成を概略的に示す図である。本実施形態による蛍光解析装置1Aは、測定試料Sに対して設定された測定領域内にある蛍光プローブから発生する蛍光を検出して時系列の光子数測定データを取得し、得られた測定データに対して所定の蛍光解析を行うことで測定試料Sについての情報を取得するものである。以下においては、試料S中にあって測定対象となる蛍光物質(蛍光物質によって標識された分子等を含む)を「蛍光プローブ」とする。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an embodiment of a fluorescence analysis apparatus according to the present invention. The
本蛍光解析装置1Aによる解析対象の一例としては、図2に示す標的分子(ターゲット物質)T、及び蛍光プローブP1、P2を含むものが挙げられる。図2の模式図は、生体分子などの標的分子Tに対する蛍光プローブPの特異的結合を利用して標的分子Tについての情報を取得するホモジニアス・アッセイの一例を示すものである。
An example of an analysis target by the
具体的には、図2においては、3個所の認識部位t1〜t3を有する標的分子Tを含む試料(図2(a))に対し、認識部位t1に特異的に結合する認識部位を有する蛍光標識された分子プローブP1、及び認識部位t2に特異的に結合する認識部位を有する蛍光標識された分子プローブP2(図2(b))を蛍光プローブとして混合し、図2(c)に示すようにそれらを反応させて、蛍光解析の対象となる溶液状の測定試料Sとする。 Specifically, in FIG. 2, the fluorescence having a recognition site that specifically binds to the recognition site t1 with respect to a sample containing the target molecule T having three recognition sites t1 to t3 (FIG. 2 (a)). The labeled molecular probe P1 and the fluorescently labeled molecular probe P2 (FIG. 2B) having a recognition site that specifically binds to the recognition site t2 are mixed as a fluorescent probe, as shown in FIG. 2C. These are reacted with each other to obtain a solution-like measurement sample S to be subjected to fluorescence analysis.
このような試料Sにおいて、蛍光プローブP1、P2が同一種類の分子プローブである場合、または蛍光プローブP1、P2の蛍光物質が同一種類の物質である場合、試料Sで発生する蛍光は単一波長領域の蛍光となる。以下においては、標的分子Tに対して複数個の同一種類の蛍光プローブが結合する場合を主な蛍光解析の対象として想定する。以下、本実施形態による解析装置1Aの構成について、蛍光解析方法とともに説明する。
In such a sample S, when the fluorescent probes P1 and P2 are the same type of molecular probe, or when the fluorescent substances of the fluorescent probes P1 and P2 are the same type of substance, the fluorescence generated in the sample S has a single wavelength. The region becomes fluorescent. In the following, it is assumed that a plurality of fluorescent probes of the same type bind to the target molecule T as a main target of fluorescence analysis. Hereinafter, the configuration of the
図1に示す蛍光解析装置1Aは、試料ホルダ10と、対物レンズ20と、ダイクロイックミラー21と、励起光源22と、光フィルタ23と、反射ミラー24と、結像レンズ25と、ピンホール26と、コリメートレンズ27と、ビームスプリッタ30と、光検出器31、32とを備えており、これらの各要素が本蛍光解析装置1Aにおける蛍光顕微鏡部を構成している。また、この蛍光顕微鏡部の各要素に加えて、本蛍光解析装置1Aは、検出信号処理部33、34と、光子計数部35と、測定制御部50とを備えている。
A
試料ホルダ10は、蛍光測定及び解析の対象となる蛍光プローブを含む測定試料Sを保持する試料保持手段であり、その底面がスライドグラスとして機能する容器によって構成されている。また、この試料ホルダ10に対し、所定位置に対物レンズ20が設置されている。対物レンズ20としては、例えば水浸(液浸)系の対物レンズを好適に用いることができる。また、このような対物レンズ20に対し、試料ホルダ10は、その形状が対物レンズ20の作動距離に対応するように構成されている。
The
図1に示す構成では、対物レンズ20、ダイクロイックミラー21、及び励起光源22によって、測定試料Sの測定領域に励起光を照射する励起光照射手段が構成されている。励起光源22としては、例えばレーザ光源を好適に用いることができる。励起光源22から供給された励起レーザ光は、ダイクロイックミラー21によって反射され、対物レンズ20を介して集光されつつ、試料ホルダ10内の測定試料Sへとビームスポットとして照射される(励起光照射ステップ)。励起光源22の例としては、波長473nm、532nm、または635nmのレーザ光を供給するレーザ光源を用いることができる。
In the configuration shown in FIG. 1, the
また、図1に示す構成では、対物レンズ20、光フィルタ23、反射ミラー24、結像レンズ25、ピンホール26、コリメートレンズ27、ビームスプリッタ30、第1光検出器31、及び第2光検出器32によって蛍光検出手段が構成されている。測定試料Sの蛍光プローブからの蛍光は対物レンズ20によって収集され、ダイクロイックミラー21を透過し、さらに光フィルタ23を通過した後、反射ミラー24によってビームスプリッタ30に向けて反射される。光フィルタ23としては、例えば、試料Sからの散乱光、迷光等の余分な光成分を除去するための、測定対象の蛍光プローブの蛍光スペクトルに合わせて選択されたバンドパスフィルタを用いることができる。
Further, in the configuration shown in FIG. 1, the
反射ミラー24によって光路が変更された蛍光は、結像レンズ25及びピンホール26を順に通過し、コリメートレンズ27によって平行光束とされた後に、ビームスプリッタ30へと入射する。ピンホール26は、結像レンズ25によって集光される蛍光に対して共焦点となる位置に設置されており、焦点外れの光を除去して、試料S中に形成されたビームスポットの測定領域からの蛍光のみを通過させる構成となっている。
The fluorescence whose optical path has been changed by the
ビームスプリッタ30は、蛍光を分岐する光分岐手段であり、励起光が照射された測定試料Sの測定領域内にある蛍光プローブからの蛍光を2つの蛍光成分に分岐する(光分岐ステップ)。すなわち、ビームスプリッタ30は、試料Sからの蛍光の個々の光子を第1光検出器31への光路または第2光検出器32への光路のいずれか一方へと導くことで、蛍光を2つの蛍光成分に分岐する。このようなビームスプリッタ30としては、例えば蛍光を50:50の分岐比で2つの蛍光成分に等分割するものが用いられる。
The
ビームスプリッタ30で分岐された一方の第1蛍光成分(ビームスプリッタ30を透過した光子)は第1蛍光検出手段を構成する光検出器31によって検出され、検出信号が出力される(第1蛍光検出ステップ)。また、ビームスプリッタ30で分岐された他方の第2蛍光成分(ビームスプリッタ30で反射された光子)は第2蛍光検出手段を構成する光検出器32によって検出され、検出信号が出力される(第2蛍光検出ステップ)。光検出器の具体例としては、光電子増倍管を用いることができる。また、光フィルタ23からレンズ27までの各光学要素は、第1、第2蛍光検出手段で共用されている。
One of the first fluorescence components branched by the beam splitter 30 (photons transmitted through the beam splitter 30) is detected by the
以上の励起光照射手段及び蛍光検出手段により、試料Sにおいて微小な測定領域を設定し、励起光を照射するとともに、測定領域からの蛍光を検出する共焦点光学系による蛍光顕微鏡が構成されている。また、本実施形態の蛍光顕微鏡は、試料Sからの蛍光に対し、光分岐手段、及びそれに対応する2つの蛍光検出手段を含んで構成されている。 The above-described excitation light irradiation means and fluorescence detection means constitute a fluorescence microscope using a confocal optical system that sets a minute measurement region in the sample S, irradiates excitation light, and detects fluorescence from the measurement region. . Further, the fluorescence microscope of the present embodiment is configured to include a light branching unit and two corresponding fluorescence detection units for the fluorescence from the sample S.
ここで、上記構成の蛍光顕微鏡によって測定試料S中に設定される測定領域は、例えば1fl(フェムトリットル)程度の極微小領域である。また、試料Sに含まれる蛍光プローブの分子濃度の一例を1nMとすると、測定領域内での蛍光プローブの平均分子数は、6・1023×1・10−9×1・10−15=0.6個である。また、図2に例示したホモジニアス・アッセイでは、標的分子の濃度は例えば1pM程度である。ただし、これらの数値は測定領域等の設定の一例であり、具体的な設定は個々の場合で異なる。 Here, the measurement region set in the measurement sample S by the fluorescence microscope having the above-described configuration is a very small region of about 1 fl (femtoliter), for example. Further, when an example of the molecular concentration of the fluorescent probe contained in the sample S is 1 nM, the average number of molecules of the fluorescent probe in the measurement region is 6 · 10 23 × 1 · 10 −9 × 1 · 10 −15 = 0. .6. In the homogeneous assay illustrated in FIG. 2, the concentration of the target molecule is, for example, about 1 pM. However, these numerical values are an example of the setting of the measurement area and the like, and the specific setting differs in each case.
第1、第2光検出器31、32から出力された検出信号は、それぞれ第1、第2検出信号処理部33、34へと入力される。検出信号処理部33、34は、例えばプリアンプなどの信号増幅回路及び波高弁別器などの信号処理回路によって構成され、光検出器31、32からの検出信号に対して所定の信号処理を行って、光検出器31、32のそれぞれでの単一光子検出イベントを示す検出パルス信号列を生成し出力する。
Detection signals output from the first and
信号処理部33、34からの検出パルス信号列は光子計数部35へと入力される。光子計数部35は、蛍光解析に用いる測定データを取得する計数手段であり、光検出器31、32からの検出信号(処理部33、34からの信号列)に基づいて、検出光子数を所定の計数時間幅で計数して、時系列の第1、第2光子数測定データFA(t)、FB(t)を生成する(光子計数ステップ)。これにより、試料Sに対する単一光子計数による蛍光測定が可能となる。ここで、以下において、第1光検出器での検出結果に関する量を添え字「A」で示し、第2光検出器での検出結果に関する量を添え字「B」で示す。
Detection pulse signal sequences from the
本解析装置1Aにおいては、光子計数部35での計数時間幅が蛍光解析のビン幅の初期条件(最小ビン幅)となる。また、光子計数部35としては、具体的には例えば、マルチチャンネルスケーラ(MCS)を用いることができる。また、光子計数部35での計数時間幅となるMCSの時間分解能は、例えば200nsec(ナノ秒)以下である。
In the
光子計数部35において生成された時系列の光子数測定データFA(t)、FB(t)は測定制御部50に入力され、この測定制御部50において、測定データに対して蛍光解析が行われる。本実施形態による測定制御部50は、解析データ生成部51と、測定結果解析部52とを有している。このような測定制御部50は、例えば、蛍光解析用のソフトウェアが動作する制御用コンピュータによって構成することができる。
The time-series photon number measurement data F A (t) and F B (t) generated by the
解析データ生成部51は、光子数測定データFA(t)、FB(t)から、蛍光解析に用いる光子数解析データnAB(t)を生成する(解析データ生成ステップ)。具体的には、生成部51は、測定データFA(t)、FB(t)に基づいて、測定データの少なくとも一方が0の場合(FA・FB=0)に
nAB(t)=0
となり、測定データの両者が0でない場合(FA・FB>0)に所定の関数fで
nAB(t)=f(FA(t)、FB(t))
となる光子数解析データnAB(t)を生成する。
The analysis
When both of the measurement data are not 0 (F A · F B > 0), n AB (t) = f (F A (t), F B (t)) with a predetermined function f
The photon number analysis data n AB (t) is generated.
具体的な光子数解析データとしては、好ましくは、測定データFA(t)、FB(t)の相乗平均を用い、下記の式(1)
によって解析データnAB(t)を生成する方法を用いることができる。なお、相乗平均の場合、その定義式で測定データの少なくとも一方が0の場合にnAB=0となる条件が満たされるため、その場合も含めて上記式(1)で解析データが定義される。
As specific photon number analysis data, preferably, the geometrical average of the measurement data F A (t) and F B (t) is used, and the following formula (1)
A method for generating analysis data n AB (t) can be used. In the case of the geometric mean, since the condition that n AB = 0 is satisfied when at least one of the measurement data is 0 in the definition formula, the analysis data is defined by the formula (1) including that case. .
測定結果解析部52は、必要な蛍光解析を行う解析手段であり、生成部51で生成された解析データnAB(t)に対し、蛍光プローブを含む測定試料Sの測定結果についての蛍光解析を行う(測定結果解析ステップ)。これにより、例えば試料S中にある標的分子の情報など、測定試料Sについての必要な情報を取得することができる。
The measurement
上記実施形態による蛍光解析装置、及び蛍光解析方法の効果について説明する。 The effects of the fluorescence analysis apparatus and the fluorescence analysis method according to the above embodiment will be described.
図1に示した蛍光解析装置1A、及び蛍光解析方法においては、対物レンズ20、励起光源22、及び光検出器31、32等を含む励起光照射系及び蛍光検出系によって試料S中に微小な測定領域を設定する。また、測定領域内の蛍光プローブで発生する蛍光に対してビームスプリッタ30を設けるとともに蛍光検出系として第1、第2蛍光検出手段を設置して、第1光子数測定データFA(t)及び第2光子数測定データFB(t)を取得する。そして、測定データFA(t)、FB(t)からFA(t)・FB(t)=0のときにnAB(t)=0となる解析データnAB(t)を生成して蛍光解析を行っている。
In the
このような構成では、光子数測定データFA(t)、FB(t)に代えて光子数解析データnAB(t)を用いることにより、第1、第2光検出器31、32での蛍光検出の同時性を考慮した形で蛍光解析を実行することができる。これにより、例えば、複数個の蛍光プローブが結合した標的分子からの蛍光検出イベントと、それ以外のノイズイベントとの識別精度を向上するなど、試料Sの蛍光解析の精度を向上することが可能となる。
In such a configuration, by using photon number analysis data n AB (t) instead of the photon number measurement data F A (t) and F B (t), the first and
蛍光解析の励起光、蛍光については、励起光は単一波長領域の励起光であり、第1、第2蛍光成分は同一波長領域の蛍光成分である構成を用いることが可能である。このような構成は、図2に関して上述したように、測定試料Sに加える蛍光プローブとして1種類の蛍光プローブのみを用いるとともに、試料Sに含まれる標的分子に2個以上の同一種類の蛍光プローブが結合する場合の蛍光解析に好適に適用することができる。また、図1の解析装置1Aでは、このような解析対象に対応して、単一の励起光源22を用いている。
Regarding the excitation light and fluorescence in the fluorescence analysis, it is possible to use a configuration in which the excitation light is excitation light in a single wavelength region, and the first and second fluorescence components are fluorescence components in the same wavelength region. As described above with reference to FIG. 2, such a configuration uses only one type of fluorescent probe as a fluorescent probe to be added to the measurement sample S, and two or more same types of fluorescent probes are present on the target molecule contained in the sample S. It can apply suitably for the fluorescence analysis in the case of combining. Moreover, in the
ここで、蛍光プローブとして2種類以上の蛍光プローブを用いる方法では、複数種類の蛍光プローブが均等に反応する必要があり、プローブの選定が難しい。また、例えば各種類の蛍光プローブに対する測定領域の不一致などの問題を生じる場合もある(特許文献3参照)。これに対して、1種類の蛍光プローブを用いる蛍光解析法では、これらの問題点がなく測定が容易であり、蛍光解析の精度を向上することも可能である。 Here, in the method using two or more types of fluorescent probes as the fluorescent probes, it is necessary for a plurality of types of fluorescent probes to react equally, and it is difficult to select a probe. In addition, for example, there may be a problem such as a mismatch of measurement regions for each type of fluorescent probe (see Patent Document 3). On the other hand, the fluorescence analysis method using one type of fluorescent probe is free from these problems and can be easily measured, and the accuracy of fluorescence analysis can be improved.
光子数解析データを用いた蛍光解析の具体的な内容については、解析部52において、光子数解析データnABに対し、自己相関解析またはフォトンバースト解析の少なくとも一方を行うことが好ましい。このように、自己相関解析法、フォトンバースト解析法、あるいはそれらを組み合わせた解析法を用いることにより、試料Sの蛍光解析を精度良く実行することができる。また、解析部52において、解析データnABを所定のビン時間幅でビニングし、ビニングされた解析データに対して蛍光解析を行う構成としても良い。この場合、具体的な測定条件等に応じて解析データのビン時間幅を設定することにより、蛍光解析の精度を向上することができる。
The specific details of the fluorescence analysis using the number of photons analysis data, the analyzing
図1に示した蛍光解析装置1A、及び解析装置1Aにおいて実行される蛍光解析方法について、さらに具体的に説明する。
The
まず、光子数測定データFA(t)、FB(t)を用いた一般的な蛍光解析について説明する。試料Sに1種類の蛍光プローブを加えて測定した場合、光検出器31、32での測定結果による自己相関関数G(τ)は、光子数測定データFA、FBに対して、それぞれ下記の式(2)、式(3)
によって求めることができる。
First, general fluorescence analysis using the photon number measurement data F A (t) and F B (t) will be described. When one type of fluorescent probe is added to the sample S and measured, the autocorrelation function G (τ) based on the measurement results of the
Can be obtained.
また、光検出器31、32間の相互相関関数は、下記の式(4)、式(5)
によって求められる。ここで、これらの相関関数GAB(τ)、GBA(τ)の対称性
を考慮すると、下記の式(7)で定義される関数GC(τ)=GCROSS(τ)
を光検出器31、32間の相互相関関数として用いることができる。
Further, the cross-correlation function between the
Sought by. Here, the symmetry of these correlation functions G AB (τ), G BA (τ)
Is considered, the function G C (τ) = G CROSS (τ) defined by the following equation (7)
Can be used as a cross-correlation function between the
一般に、蛍光相関分光法における1成分系の波形解析では、自己相関、相互相関ともに相関関数G(τ)は、下記の式(8)
によって求められる。ここで、<N>は試料Sで共焦点光学系によって構築される測定領域内に滞在する蛍光プローブの平均分子数を示し、また、τDは拡散時定数、r0、z0は構造パラメータ(ストラクチャパラメータ)、Tは三重項状態へと遷移する割合、λは三重項遷移の時定数をそれぞれ示している。これらのパラメータは、取得された相関関数に対してフィッティング計算による波形解析を行うことで求めることができる。
In general, in one-component waveform analysis in fluorescence correlation spectroscopy, the correlation function G (τ) for both autocorrelation and cross-correlation is expressed by the following equation (8).
Sought by. Here, <N> indicates the average number of molecules of the fluorescent probe staying in the measurement region constructed by the confocal optical system in the sample S, τ D is a diffusion time constant, and r 0 and z 0 are structural parameters. (Structure parameter), T represents the rate of transition to the triplet state, and λ represents the time constant of the triplet transition. These parameters can be obtained by performing waveform analysis by fitting calculation on the acquired correlation function.
式(7)、式(8)を用いる解析法は従来法であるが、測定データを直接用いずに解析データnABを用いる図1に示した解析装置1Aにおいても、このような解析法によって平均分子数、並進拡散時定数、三重項に関するパラメータ等を解析することは、蛍光プローブの初期状態を把握する上で好適である。また、式(8)において三重項状態への遷移確率をT=0とすると、時間遅れτ=0のときに、G(τ)のy切片について
G(τ=0)=1/<N>
の関係が得られる。すなわち、相関関数G(τ)のy切片により、試料S中での蛍光プローブの濃度に対応する測定領域内での平均分子数<N>が求められる。
The analysis method using the equations (7) and (8) is a conventional method, but the
The relationship is obtained. That is, the average number of molecules <N> in the measurement region corresponding to the concentration of the fluorescent probe in the sample S is obtained from the y intercept of the correlation function G (τ).
ここで、式(7)に示した相互相関関数GC(τ)は、1種類の蛍光プローブを用いて求められたものであるため、上記の式(8)で波形解析することができる。このような蛍光解析法では、相互相関によって光検出器のノイズをキャンセルすることができる利点がある。ただし、このように2つの光検出器を用いた相互相関では、1つの光検出器の場合に比べてSN比が1/√2倍に低下する。 Here, since the cross-correlation function G C (τ) shown in the equation (7) is obtained using one kind of fluorescent probe, the waveform analysis can be performed by the equation (8). Such a fluorescence analysis method has an advantage that noise of the photodetector can be canceled by cross-correlation. However, in the cross-correlation using two photodetectors as described above, the S / N ratio is reduced to 1 / √2 times as compared with the case of one photodetector.
次に、光子数解析データnAB(t)を用いた蛍光解析について説明する。ここで、図1の解析装置1Aにおいて、試料Sの測定領域内に1個の蛍光プローブのみが存在している場合には、光検出器31、32で同時に蛍光が検出されることはなく、光検出器31、32で同時に蛍光が検出された場合には、必ず複数個の蛍光プローブが測定領域内に存在するものとする。
Next, fluorescence analysis using photon number analysis data n AB (t) will be described. Here, in the
この場合、上記の式(1)に示した相乗平均による解析データnAB(t)
nAB(t)=√(FA(t)・FB(t))
を用いることにより、光子検出の同時性の観点から1個の蛍光プローブによる検出イベントを排除することができる。また、この解析データでは、同時性の評価のため、測定データFA、FBの一方または両方が0でnAB=0となる場合も除外せずに解析データを求める。また、相乗平均による上記の解析データは、光分岐手段として分岐比1:1のビームスプリッタを用いた場合の蛍光解析において、特に好適に適用することができる。
In this case, analysis data n AB (t) by the geometric mean shown in the above formula (1).
n AB (t) = √ (F A (t) · F B (t))
By using, it is possible to eliminate a detection event by one fluorescent probe from the viewpoint of synchronization of photon detection. Further, in this analysis data, for the evaluation of simultaneity, the analysis data is obtained without being excluded even when one or both of the measurement data F A and F B are 0 and n AB = 0. Further, the above analysis data based on the geometric mean can be particularly preferably applied to fluorescence analysis when a beam splitter having a branching ratio of 1: 1 is used as the light branching means.
この解析データnABを時系列の光子数データとして、蛍光検出の同時性が加味された自己相関関数Gnew(τ)を求めると、下記の式(9)
となる。なお、相乗平均による解析データは実数データであるため、この式(9)の相関関数を求める演算も実数演算となる。このような演算を含む蛍光解析は、測定制御部50でソフトウェア的に解析演算を行う構成において好適に実現することできる。
When this analysis data n AB is used as time-series photon number data, an autocorrelation function G new (τ) taking into account the coincidence of fluorescence detection is obtained, the following equation (9)
It becomes. Since the analysis data based on the geometric mean is real number data, the calculation for obtaining the correlation function of Equation (9) is also a real number calculation. The fluorescence analysis including such calculation can be suitably realized in a configuration in which the
式(9)の自己相関関数では、光子数データのビン時間幅が例えば1μsecと小さい場合にはnAB=0である確率が高いため、相関波形を求めることができない。これに対して、解析データnABのビン時間幅をビニングで大きくしていくと、nAB=0の確率が次第に減少して相関波形が現れてくる。すなわち、上記の相関波形Gnew(τ)は、2つの光検出器31、32で取得される光子数データに対して任意のビン時間幅を設定したときに、そのビン幅内で光子が同時に検出される程度を示すものである。
In the autocorrelation function of Equation (9), when the bin time width of the photon number data is as small as 1 μsec, for example, there is a high probability that n AB = 0, and thus a correlation waveform cannot be obtained. On the other hand, when the bin time width of the analysis data n AB is increased by binning, the probability of n AB = 0 gradually decreases and a correlation waveform appears. That is, the above correlation waveform G new (τ) indicates that when an arbitrary bin time width is set for the photon number data acquired by the two
また、自己相関関数G(τ)では、上記したように、そのy切片が蛍光プローブの平均分子数の逆数1/<N>に対応している。したがって、試料Sの測定領域内に蛍光プローブが多い場合には、それらが同時に観測される確率が高くなって相関波形のy切片が小さくなる。一方、蛍光プローブが少ない場合には、同時に観測される確率が低くなってy切片が大きくなる。蛍光検出の同時性を考慮した上記の相関関数Gnew(τ)は、一般的な相関関数GC(τ)に対して、上記特性によって変動することとなる。 In the autocorrelation function G (τ), as described above, the y-intercept corresponds to the reciprocal 1 / <N> of the average number of molecules of the fluorescent probe. Therefore, when there are many fluorescent probes in the measurement region of the sample S, the probability that they are simultaneously observed increases and the y-intercept of the correlation waveform decreases. On the other hand, when there are few fluorescent probes, the probability of simultaneous observation is reduced and the y-intercept is increased. The correlation function G new (τ) taking into account the synchronism of fluorescence detection varies depending on the above characteristics with respect to a general correlation function G C (τ).
なお、蛍光プローブの並進拡散運動等については、いずれの相関関数でも同じ運動を観測している。このため、式(9)の相関関数Gnew(τ)の波形解析においても、相互相関関数GC(τ)について求められた拡散時定数τD、遷移割合T、及び時定数λの各パラメータを、同じパラメータ値で適用することが可能である。 As for the translational diffusion movement of the fluorescent probe, the same movement is observed in any correlation function. For this reason, also in the waveform analysis of the correlation function G new (τ) in Expression (9), the parameters of the diffusion time constant τ D , the transition ratio T, and the time constant λ obtained for the cross correlation function G C (τ) Can be applied with the same parameter values.
上記の相関関数Gnew(τ)の導出において、解析データnABのビン時間幅を蛍光プローブの濃度に対して適切に設定することにより、蛍光検出の同時性による制限によって測定領域内に滞在する見かけ上の分子数を少なく見積もることができる。これは、測定領域内にある複数個の蛍光プローブからの蛍光を2つの光検出器で同時に検出する頻度が、ビン時間幅の大きさによって異なってくることによる。このビン時間幅については、光子計数部35での計数時間幅を初期ビン幅として取得された光子数データについて、必要に応じてビニングを行ってビン時間幅を設定、変更することが好ましい。
In the derivation of the correlation function G new (τ), the bin time width of the analysis data n AB is appropriately set with respect to the concentration of the fluorescent probe, thereby staying in the measurement region due to the limitation due to the simultaneous detection of the fluorescence. It is possible to estimate the apparent number of molecules small. This is because the frequency of simultaneously detecting fluorescence from a plurality of fluorescent probes in the measurement region with two photodetectors varies depending on the size of the bin time width. Regarding the bin time width, it is preferable to set and change the bin time width by performing binning as necessary for the photon number data acquired using the counting time width in the
解析データnABを用いた蛍光解析の上記性質は、標的分子に対して複数個の蛍光プローブが凝集するように結合する場合の蛍光解析に特に有効である。この場合、試料Sに加える蛍光プローブを多くすることにより、複数個の蛍光プローブが結合した標的分子による蛍光検出イベントが増加する。また、複数個の蛍光プローブの標的分子への結合によって並進拡散運動が変化するため、FCSによる蛍光解析において標的分子の検出能力が向上される。また、フリーの蛍光プローブについては、測定領域内に複数個が滞在する場合でも滞在タイミングがずれて同時性が小さくなるため、ビン時間幅の設定によって、フリーの蛍光プローブによるイベントを効果的に除外することが可能である。 The above-mentioned property of the fluorescence analysis using the analysis data n AB is particularly effective for the fluorescence analysis in the case where a plurality of fluorescent probes are bound to the target molecule so as to aggregate. In this case, increasing the number of fluorescent probes added to the sample S increases the fluorescence detection events due to the target molecules to which a plurality of fluorescent probes are bound. In addition, since the translational diffusion movement is changed by the binding of a plurality of fluorescent probes to the target molecule, the ability to detect the target molecule is improved in the fluorescence analysis by FCS. As for free fluorescent probes, even when multiple probes stay in the measurement area, the stay timing is shifted and the simultaneity is reduced, so the event due to free fluorescent probes is effectively excluded by setting the bin time width. Is possible.
標的分子に複数個の蛍光プローブが結合する場合のFCSによる蛍光解析では、相関関数G(τ)は下記の式(10)、式(11)
によって求められる。ここで、式(10)、式(11)において、添え字iは標的分子に対する蛍光プローブの結合状態が異なる場合の各蛍光成分を示している。また、αは蛍光の発光効率に関する係数である。また、式(11)の相関波形成分では、三重項に関する波形部分を省略している。
In the fluorescence analysis by FCS in the case where a plurality of fluorescent probes are bound to the target molecule, the correlation function G (τ) is expressed by the following equations (10) and (11).
Sought by. Here, in the expressions (10) and (11), the subscript i indicates each fluorescent component when the binding state of the fluorescent probe to the target molecule is different. Α is a coefficient relating to the luminous efficiency of fluorescence. Further, in the correlation waveform component of Expression (11), the waveform portion related to the triplet is omitted.
蛍光プローブとして1種類の分子プローブのみを用い、図1の解析装置1Aで取得された測定データを式(7)の相互相関関数GC(τ)によって解析する場合、係数αiは正の整数の値をとり、それに応じて平均分子数<Ni>がそれぞれ求められる。例えば、標的分子に対して蛍光プローブが最大で2個までしか結合しない場合、式(10)の相関関数G(τ)は下記の式(12)
となる。ここで、添え字i=1はフリーの蛍光プローブによる蛍光成分を示し、i=2は標的分子に蛍光プローブが1個結合した場合の蛍光成分を示し、i=3は標的分子に蛍光プローブが2個結合した場合の蛍光成分を示している。また、この場合の蛍光プローブの総分子数<N>は、下記の式(13)
によって求められる。
When only one type of molecular probe is used as the fluorescent probe, and the measurement data acquired by the
It becomes. Here, the subscript i = 1 indicates the fluorescent component by the free fluorescent probe, i = 2 indicates the fluorescent component when one fluorescent probe is bound to the target molecule, and i = 3 indicates that the fluorescent probe is present on the target molecule. The fluorescence component when two are bonded is shown. In this case, the total number of molecules <N> of the fluorescent probe is expressed by the following formula (13).
Sought by.
これらの式(12)、式(13)を用い、式(7)の相互相関関数GC(τ)について各相関波形成分gi(τ)の係数を求めることによって、試料Sにおける蛍光プローブの状態、及び標的分子の量などについての情報を取得することができる。ただし、このような蛍光解析において、標的分子の量が少なくフリーの蛍光プローブが多い場合には、相関波形は主にフリーの蛍光プローブによる蛍光成分によって表されることとなり、標的分子についての情報を充分な精度で取得することが困難となる。 Using these equations (12) and (13), the coefficient of each correlation waveform component g i (τ) is obtained for the cross-correlation function G C (τ) of equation (7), so that Information about the state, the amount of the target molecule, and the like can be acquired. However, in such a fluorescence analysis, if the amount of target molecules is small and there are many free fluorescent probes, the correlation waveform will be represented mainly by the fluorescent component of the free fluorescent probes, and information about the target molecules will be displayed. It becomes difficult to obtain with sufficient accuracy.
このような場合、測定データFA、FBによる相関関数GC(τ)に代えて、解析データnABによる相関関数Gnew(τ)を用いることにより、標的分子の情報を好適に取得することができる。すなわち、蛍光検出の同時性が考慮された相関関数Gnew(τ)では、フリーの蛍光プローブ、及び標的分子に1個のみ結合した蛍光プローブの分子数が低く見積もられるため、標的分子に蛍光プローブが2個結合した分子数<N3>を精度良く定量することができる。 In such a case, information on the target molecule is suitably obtained by using the correlation function G new (τ) based on the analysis data n AB instead of the correlation function G C (τ) based on the measurement data F A and F B. be able to. That is, in the correlation function G new (τ) taking into account the synchronism of fluorescence detection, the number of free fluorescent probes and only one fluorescent probe bound to the target molecule is estimated to be low. <N 3 > can be quantified with high accuracy.
また、式(1)に示した光子数解析データnAB(t)自体については、試料Sの測定領域内に複数個の蛍光プローブが同時に滞在する場合の蛍光ゆらぎに相当している。このため、蛍光解析については、上記した自己相関解析以外にも、解析データに対してフォトンバースト解析(光子数データでの検出光子数についての解析)を行うことによっても、標的分子の情報等を取得することが可能である。なお、解析データのフォトンバースト解析については、具体的には後述する。 Further, the photon number analysis data n AB (t) itself shown in the equation (1) corresponds to the fluorescence fluctuation when a plurality of fluorescent probes stay in the measurement region of the sample S at the same time. For this reason, in addition to the autocorrelation analysis described above, the photon burst analysis (analysis of the number of detected photons in the photon number data) is also performed on the analysis data to obtain information on the target molecule. It is possible to obtain. The photon burst analysis of the analysis data will be specifically described later.
ここで、標的分子Tに対する蛍光プローブPの特異的結合(図2参照)を利用するホモジニアス・アッセイでは、具体的には例えば、標的分子を含む試料Sに対し、(1)反応前の蛍光プローブの評価工程、(2)標的分子と蛍光プローブとの反応工程、及び(3)反応後の蛍光の評価工程の3つの工程によって蛍光解析が行われる。この場合、反応前の評価工程(1)では、式(7)の相互相関関数GC(τ)を求め、式(8)を適用して波形解析を行って必要なパラメータの値を決定する。さらに、式(1)の解析データ、及び式(9)の相関関数Gnew(τ)による解析を行い、反応前の状態の初期値を求めるとともに、同時性を評価する上で重要となる蛍光解析用のビン時間幅を設定する。 Here, in the homogeneous assay using the specific binding of the fluorescent probe P to the target molecule T (see FIG. 2), specifically, for example, for the sample S containing the target molecule, (1) the fluorescent probe before the reaction The fluorescence analysis is performed in three steps: (2) a reaction step between the target molecule and the fluorescent probe, and (3) a fluorescence evaluation step after the reaction. In this case, in the evaluation step (1) before the reaction, the cross-correlation function G C (τ) of Equation (7) is obtained, and the waveform analysis is performed by applying Equation (8) to determine the necessary parameter values. . Further, analysis is performed using the analysis data of Equation (1) and the correlation function G new (τ) of Equation (9) to obtain the initial value of the state before the reaction, and fluorescence that is important in evaluating simultaneity. Set the bin time width for analysis.
また、反応後の評価工程(3)では、先に求めた蛍光解析用のビン時間幅を適用して式(1)、式(9)による解析を行い、さらに、相関波形に対して式(10)、式(11)を用いた波形解析を行うことにより、試料Sでの標的分子の量を見積もることができる。あるいは、波形解析に代えて、式(1)の解析データに対してフォトンバースト解析を行っても良い。なお、ビン時間幅の設定方法等については、具体的には後述する。 In the evaluation step (3) after the reaction, the analysis is performed according to the equations (1) and (9) by applying the previously obtained bin time width for fluorescence analysis, and further the equation ( 10) The amount of the target molecule in the sample S can be estimated by performing a waveform analysis using Equation (11). Alternatively, instead of waveform analysis, photon burst analysis may be performed on the analysis data of Equation (1). The bin time width setting method and the like will be specifically described later.
また、自己相関関数G(τ)の算出においては、一定のビン時間幅で演算を行わず、時間遅れτに応じてビン幅を変えて相関関数を求めるマルチプルタウ方式を用いても良い。すなわち、一般的な自己相関関数は、下記の式(14)
によって求められるが、時間遅れτが例えば100nsec〜1secの範囲全体で一定のビン幅100nsecの分解能を適用すると演算量が膨大となり、また、時間遅れτが大きい領域で求められる波形のSN比が劣化する場合がある。
In calculating the autocorrelation function G (τ), a multiple tau method may be used in which the correlation function is obtained by changing the bin width according to the time delay τ without performing the calculation with a constant bin time width. That is, the general autocorrelation function is expressed by the following equation (14).
However, if a resolution with a constant bin width of 100 nsec is applied over the entire time delay τ range of 100 nsec to 1 sec, for example, the calculation amount becomes enormous, and the S / N ratio of the waveform required in the region where the time delay τ is large is deteriorated. There is a case.
これに対し、時間遅れτが大きい領域でビン時間幅が大きくなるように、時間遅れτに応じてビン幅を変えるマルチプルタウ方式によれば、相関波形の演算量を低減するとともに、時間遅れτが大きい領域でのSN比を改善することができる。具体的には例えば、初期ビン幅が100nsの時系列の測定データに対して解析演算を行う場合、τ=1μsでは初期ビン幅100nsのままで演算を行い、τ=1msではビン幅が1μsとなるようにビニングした光子数データを用いて演算を行う方法を用いることができる。 On the other hand, according to the multiple tau method in which the bin width is changed according to the time delay τ so that the bin time width becomes large in the region where the time delay τ is large, the calculation amount of the correlation waveform is reduced and the time delay τ SN ratio in a large area can be improved. Specifically, for example, when performing analysis calculation on time-series measurement data having an initial bin width of 100 ns, the calculation is performed with the initial bin width of 100 ns at τ = 1 μs, and the bin width is 1 μs at τ = 1 ms. It is possible to use a method of performing calculation using the photon number data binned as described above.
一般には、相関関数の算出において、時間遅れτが小さい領域で適用する最小ビン幅を設定し、時間遅れτが大きい領域では最小ビン幅を整数倍したビン時間幅でビニングして相関関数を算出する方法を用いることができる。このような演算方法は、測定制御部50でソフトウェア的に蛍光解析を行う構成において好適に実現することできる。すなわち、ソフトウェア的に解析する構成では、解析演算に対する自由度が大きく、また、蛍光測定後にデータ処理を実行できることから、例えば解析条件を変えて何回も演算を繰り返すなど、様々な蛍光解析を行うことが可能である。
In general, when calculating the correlation function, set the minimum bin width to be applied in the region where the time delay τ is small, and bin the bin width with an integer multiple of the minimum bin width in the region where the time delay τ is large. Can be used. Such a calculation method can be suitably realized in a configuration in which the
次に、解析データnAB及び相関関数Gnew(τ)による蛍光解析について、その具体例とともにさらに説明する。以下においては、蛍光解析における測定データFA、FBの初期ビン幅となる光子計数部35での計数時間幅を100nsとする。また、相関関数の算出においては、基本的に上記したマルチプルタウ方式を用いるものとする。
Next, the fluorescence analysis using the analysis data n AB and the correlation function G new (τ) will be further described along with specific examples thereof. In the following, the counting time width in the
図3は、光子数測定データに対して得られる相関関数を示すグラフである。図3において、グラフ(a)は、光検出器31での測定データFAから式(2)によって算出された自己相関関数GA(τ)を示している。また、グラフ(b)は、光検出器31、32での測定データFA、FBから式(7)によって算出された相互相関関数GC(τ)を示している。これらの相関関数は、いずれも最小ビン幅を100nsとしたマルチプルタウ方式によって算出されている。また、図3では、図1の解析装置1Aで3秒間の蛍光測定を10回繰り返して得られた測定データから求められる相関関数を示している。
FIG. 3 is a graph showing a correlation function obtained for the photon number measurement data. In FIG. 3, the graph (a) shows the autocorrelation function G A (τ) calculated by the equation (2) from the measurement data F A at the
図3の自己相関関数のグラフ(a)では、τ=1μs程度までの速い時間領域では光検出器のアフターパルスノイズが重畳された波形となっており、1μs以降の相関波形についてのみ、有効に解析することができる。また、相互相関関数のグラフ(b)では、三重項状態への遷移過程が充分に観測されており、この相関波形を解析することで蛍光プローブの状態を正確に知ることができる。蛍光測定における平均光子検出数は、第1光検出器31で35.3kcps、第2光検出器32で32.9kcpsであり、ビームスプリッタ30による蛍光の分岐比は約52:48となっている。また、グラフ(b)の相関波形について、式(8)で波形フィッティングを行った場合、各パラメータの値は
<N>:21.4
τD:0.256ms
T:0.123
λ:0.396μs
r0/z0:0.2
と求められ、この場合の平均分子数は<N>=21.4となっている。
In the graph (a) of the autocorrelation function in FIG. 3, in the fast time region up to about τ = 1 μs, the waveform is superimposed with the after-pulse noise of the photodetector, and is effective only for the correlation waveform after 1 μs. Can be analyzed. Further, in the graph (b) of the cross-correlation function, the transition process to the triplet state is sufficiently observed, and the state of the fluorescent probe can be accurately known by analyzing the correlation waveform. The average number of detected photons in the fluorescence measurement is 35.3 kcps for the
τ D : 0.256 ms
T: 0.123
λ: 0.396 μs
r 0 / z 0 : 0.2
In this case, the average number of molecules is <N> = 21.4.
図3と同一の測定データFA、FBについて、式(1)の解析データnABを求め、さらに式(9)の同時性を考慮した相関関数Gnew(τ)を算出した結果を図4に示す。図4においては、ビニングによって初期ビン幅100nsよりも大きい所定の時間幅を最小ビン幅としてマルチプルタウ方式によって算出された相関関数を示している。また、図4において、グラフA1、A2、A3、A4は、それぞれ最小ビン幅を6.4μs、25.6μs、102.4μs、409.6μsとしたときの相関関数を示している。ここで、例えばビン幅6.4μsの光子数データは、初期ビン幅100nsの光子数データを64個ずつ加算するビニング処理によって得られる。また、初期ビン幅よりも大きい時間幅を最小ビン幅としているのは、最小ビン幅100nsでは同時性を考慮することでほとんどのビンの計数値が0になってしまうためである。 For the same measurement data F A and F B as in FIG. 3, the analysis data n AB of equation (1) is obtained, and the correlation function G new (τ) taking into account the simultaneity of equation (9) is calculated. 4 shows. FIG. 4 shows a correlation function calculated by a multiple tau method by binning with a predetermined time width larger than the initial bin width of 100 ns as a minimum bin width. In FIG. 4, graphs A1, A2, A3, and A4 show correlation functions when the minimum bin width is 6.4 μs, 25.6 μs, 102.4 μs, and 409.6 μs, respectively. Here, for example, photon number data with a bin width of 6.4 μs is obtained by binning processing in which 64 photon number data with an initial bin width of 100 ns are added. The reason that the minimum bin width is set to a time width larger than the initial bin width is that the count value of most bins becomes 0 in consideration of simultaneity at the minimum bin width of 100 ns.
図4のグラフA1〜A4より、相関関数Gnew(τ)を求める際の最小ビン幅を大きくすることにより、1/<N>に相当する相関関数のy切片が小さくなり、測定領域内での同時性が考慮された蛍光プローブの平均分子数<N>が増加することがわかる。この図4の相関関数に対し、分子数<N>以外のパラメータについて図3のグラフ(b)で求めた上記のパラメータ値を適用して波形フィッティングによる解析を行うことにより、グラフA1〜A4のそれぞれについて各最小ビン幅での平均分子数<N>が求められる。 From the graphs A1 to A4 in FIG. 4, by increasing the minimum bin width when obtaining the correlation function G new (τ), the y-intercept of the correlation function corresponding to 1 / <N> decreases, and within the measurement region It can be seen that the average number of molecules <N> of the fluorescent probe in consideration of the simultaneity is increased. By applying the above parameter values obtained in the graph (b) in FIG. 3 to parameters other than the number of molecules <N> for the correlation function in FIG. 4 and performing analysis by waveform fitting, graphs A1 to A4 For each, the average number of molecules <N> at each minimum bin width is determined.
図5は、相関関数Gnew(τ)から求められる分子数のビン幅依存性を示すグラフである。図5において、横軸はマルチプルタウ方式による相関関数の算出での最小ビン時間幅(sec)を示し、縦軸は各最小ビン幅での相関関数のy切片から求められる平均分子数<N>を示している。ここで、光子数解析データnABでは、時系列の測定データにおいて計数値が0のビンが存在することを前提として同時性を評価している。このため、ビニング処理によってビン時間幅当たりの蛍光量が増えて計数値が0となる頻度が低くなる時間領域、例えば図5においてビン幅が0.3ms以上の領域では、解析データnABを求めて同時性を評価する効果が充分に得られていない。 FIG. 5 is a graph showing the bin width dependence of the number of molecules obtained from the correlation function G new (τ). In FIG. 5, the horizontal axis represents the minimum bin time width (sec) in the calculation of the correlation function by the multiple tau method, and the vertical axis represents the average number of molecules <N> obtained from the y-intercept of the correlation function at each minimum bin width. Is shown. Here, in the photon number analysis data n AB , the simultaneity is evaluated on the assumption that a bin with a count value of 0 exists in the time-series measurement data. Therefore, the time domain the frequency count value is increasing fluorescence amount per bin time width by binning process becomes 0 is low, in the region bin width is not less than 0.3ms in FIG. 5 for example, obtains the analysis data n AB Thus, the effect of evaluating simultaneity is not sufficiently obtained.
一方、例えばビン幅を6.4μsとした場合の相関関数Gnew(τ)では、図3のグラフ(b)の相関関数GC(τ)で21.4個であった平均分子数<N>が6.1個まで減少している。これは、解析データnABで蛍光検出の同時性を考慮することにより、試料Sの測定領域内にある見かけ上の分子数が少なく見積もられたことを示すものである。このような解析条件は、上述したように、標的分子に対して複数個の蛍光プローブが凝集するように結合する場合の蛍光解析において、複数個のフリーの蛍光プローブによるバックグラウンドイベントの影響が低減されるなどの点で特に有効である。 On the other hand, for example, in the correlation function G new (τ) when the bin width is 6.4 μs, the average number of molecules <N that was 21.4 in the correlation function G C (τ) in the graph (b) of FIG. > Has decreased to 6.1. This shows that the apparent number of molecules in the measurement region of the sample S was estimated to be small by considering the simultaneous detection of fluorescence with the analysis data n AB . As described above, such analysis conditions reduce the influence of background events caused by a plurality of free fluorescent probes in a fluorescence analysis when a plurality of fluorescent probes are aggregated to a target molecule. It is particularly effective in that it is done.
図6は、光子数測定データに対して得られる相関関数の他の例を示すグラフである。図6のグラフは、図3の場合よりも蛍光プローブの濃度が低い条件で蛍光測定を行って得られた相互相関関数GC(τ)を示している。このグラフにおいて、蛍光測定における平均光子検出数は、第1光検出器31で2.3kcps、第2光検出器32で2.2kcpsであり、ビームスプリッタ30による蛍光の分岐比は約51:49となっている。また、図6のグラフの相関波形について、式(8)で波形フィッティングを行った場合、各パラメータの値は
<N>:1.66
τD:0.256ms
T:0.247
λ:2.28μs
r0/z0:0.2
と求められ、この場合の平均分子数は<N>=1.66となっている。
FIG. 6 is a graph showing another example of the correlation function obtained for the photon number measurement data. The graph of FIG. 6 shows the cross-correlation function G C (τ) obtained by performing the fluorescence measurement under the condition where the concentration of the fluorescent probe is lower than that in the case of FIG. In this graph, the average number of detected photons in the fluorescence measurement is 2.3 kcps in the
τ D : 0.256 ms
T: 0.247
λ: 2.28 μs
r 0 / z 0 : 0.2
In this case, the average number of molecules is <N> = 1.66.
図7は、図6と同一の測定データについて、相関関数Gnew(τ)から求められる分子数のビン幅依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、例えばビン幅を6.4μsとした場合の相関関数Gnew(τ)では、図6の相関関数GC(τ)で1.66個であった平均分子数<N>が0.27個まで減少している。これらの図5、図7のグラフからわかるように、蛍光解析において光子数測定データ、解析データをビニングする場合のビン時間幅については、相関関数から求められる分子数のビン幅依存性を参照してビン時間幅を設定することが好ましい。また、分子数のビン幅依存性は、蛍光プローブの濃度等の条件によって変化するが、条件が同じであれば再現性は高いと考えられる。 FIG. 7 is a graph showing the bin width dependence of the number of molecules obtained from the correlation function G new (τ) for the same measurement data as FIG. In this graph, for example, in the correlation function G new (τ) when the bin width is 6.4 μs, the average number of molecules <N> that was 1.66 in the correlation function G C (τ) in FIG. 6 is 0. Reduced to 27. As can be seen from the graphs of FIGS. 5 and 7, the bin time width when binning the photon number measurement data and analysis data in fluorescence analysis refers to the bin width dependence of the number of molecules obtained from the correlation function. It is preferable to set the bin time width. In addition, the bin width dependency of the number of molecules varies depending on conditions such as the concentration of the fluorescent probe, but if the conditions are the same, the reproducibility is considered high.
次に、光子数測定データFA、FBから解析データnABへのデータ変換について説明する。同時性を考慮した解析データは、一般には、FA・FB=0の場合に
となり、FA・FB>0の場合に所定の関数fで
となるように求められる。また、FA・FB>0の場合の解析データの具体的な算出方法としては、上記に例示した相乗平均による解析データnAB
を用いることができる。これにより、蛍光検出の同時性が考慮された蛍光解析を好適に実行することができる。また、この方法では、FA・FB=0の場合においても、相乗平均の上記関数でnAB=0となる。
Next, data conversion from the photon number measurement data F A and F B to the analysis data n AB will be described. Analytical data considering simultaneity is generally when F A · F B = 0
When F A · F B > 0, the predetermined function f
It is requested to become. In addition, as a specific calculation method of analysis data in the case of F A · F B > 0, analysis data n AB based on the geometric average exemplified above is used.
Can be used. Thereby, the fluorescence analysis in consideration of the synchronization of fluorescence detection can be suitably executed. In this method, even when F A · F B = 0, n AB = 0 in the above-mentioned geometric mean function.
また、FA・FB>0の場合の解析データの他の算出方法としては、相加平均による解析データnAB
を用いることができる。なお、この方法では、相加平均の上記関数ではFA、FBの一方のみが0の場合にnAB=0とならない。このため、FA・FB=0の場合については、別にnAB=0と定義する。
As another method for calculating analysis data when F A · F B > 0, analysis data n AB obtained by arithmetic mean is used.
Can be used. In this method, in the above arithmetic mean function, when only one of F A and F B is 0, n AB = 0 is not satisfied. For this reason, in the case of F A · F B = 0, it is separately defined as n AB = 0.
あるいは、FA・FB>0の場合の解析データのさらに他の算出方法としては、調和平均による解析データnAB
を用いることができる。これにより、相乗平均の場合と同様に、蛍光検出の同時性が考慮された蛍光解析を好適に実行することができる。また、この方法でも、FA・FB=0の場合については、別にnAB=0と定義する。
Alternatively, as another calculation method of analysis data in the case of F A · F B > 0, analysis data n AB by harmonic average is used.
Can be used. As a result, as in the case of geometric averaging, it is possible to suitably execute fluorescence analysis in consideration of the synchronization of fluorescence detection. Also in this method, when F A · F B = 0, it is separately defined as n AB = 0.
あるいは、FA・FB>0の場合の解析データのさらに他の算出方法としては、測定データの積による解析データnAB
を用いても良い。ただし、この積による解析データは、他の相乗平均、相加平均、調和平均による解析データとは性質が異なっている。
Alternatively, as another method of calculating analysis data when F A · F B > 0, analysis data n AB based on the product of measurement data is used.
May be used. However, the analysis data based on this product is different from the analysis data based on other geometric averages, arithmetic averages, and harmonic averages.
一般には、解析データnAB(t)の算出において、FA・FB>0の場合には、相乗平均、相加平均、調和平均、または積のいずれかとなる関数f(FA、FB)で解析データnABを求めることが好ましく、特に、相乗平均、相加平均、または調和平均のいずれかとなる関数f(FA、FB)で解析データnABを求めることが好ましい。 In general, in the calculation of the analysis data n AB (t), when F A · F B > 0, a function f (F A , F B that is one of geometric average, arithmetic average, harmonic average, or product is obtained. it is preferable to obtain the analysis data n AB at), in particular, the geometric mean, arithmetic mean or harmonic mean is either a function f (F a,, it is preferable to obtain the analysis data n AB in F B).
図8は、相関関数から求められる分子数のビン幅依存性を示すグラフである。図8において、グラフ(a)は図5に示した蛍光プローブの濃度が高い場合のグラフに対応し、グラフ(b)は図7に示した濃度が低い場合のグラフに対応している。また、グラフ(a)において、グラフB1、B2、B3、B4は、それぞれ解析データの算出に相乗平均、相加平均、調和平均、積を用いた場合の分子数<N>を示している。グラフ(b)におけるグラフC1、C2、C3、C4についても同様である。 FIG. 8 is a graph showing the bin width dependence of the number of molecules obtained from the correlation function. 8, graph (a) corresponds to the graph when the concentration of the fluorescent probe shown in FIG. 5 is high, and graph (b) corresponds to the graph when the concentration shown in FIG. 7 is low. In graph (a), graphs B1, B2, B3, and B4 indicate the number of molecules <N> when the geometrical average, arithmetic average, harmonic average, and product are used for calculation of the analysis data, respectively. The same applies to the graphs C1, C2, C3, and C4 in the graph (b).
また、図9は、図8のグラフ(a)に示した蛍光プローブの濃度が高い条件における、光子数解析データに対して得られる相関関数を示すグラフである。図9において、グラフ(a)は、ビン幅を6.4μsとした場合の相関関数を示し、グラフD1、D2、D3、D4は、それぞれ解析データの算出に相乗平均、相加平均、調和平均、積を用いた場合の相関関数を示している。また、図9のグラフ(b)は、ビン幅を102.4μsとした場合の相関関数を示し、グラフE1、E2、E3、E4は、それぞれ解析データの算出に相乗平均、相加平均、調和平均、積を用いた場合の相関関数を示している。 FIG. 9 is a graph showing a correlation function obtained for the photon number analysis data under the condition where the concentration of the fluorescent probe shown in the graph (a) of FIG. 8 is high. In FIG. 9, graph (a) shows the correlation function when the bin width is set to 6.4 μs, and graphs D1, D2, D3, and D4 represent the geometric mean, the arithmetic mean, and the harmonic mean, respectively, for calculation of analysis data. The correlation function when using the product is shown. Further, the graph (b) in FIG. 9 shows the correlation function when the bin width is set to 102.4 μs, and the graphs E1, E2, E3, and E4 respectively represent the geometric mean, the arithmetic mean, and the harmonic for calculating the analysis data. A correlation function in the case of using an average and a product is shown.
これらのグラフに示すように、相乗平均、相加平均、及び調和平均による解析データを用いた場合は、いずれも分子数<N>のビン幅依存性について同様の傾向を示している。一方、積による解析データを用いた場合は、自己相関演算において平均強度とゆらぎとが同じように変動するため、相関波形のy切片、及びそれによって求められる分子数<N>は、ほぼ一定値を示す結果となっている。また、上記のいずれの場合でも、相関関数(図9参照)については、分子数<N>以外のパラメータについて、相互相関関数から求めたパラメータ値を適用して波形フィッテイングによる解析を行うことが可能である。 As shown in these graphs, when the analysis data based on the geometric mean, the arithmetic mean, and the harmonic mean are used, all show the same tendency regarding the bin width dependency of the number of molecules <N>. On the other hand, when the analysis data based on the product is used, since the average intensity and the fluctuation fluctuate in the same manner in the autocorrelation calculation, the y-intercept of the correlation waveform and the number of molecules <N> obtained thereby are almost constant values. The result is shown. In any of the above cases, the correlation function (see FIG. 9) can be analyzed by waveform fitting by applying the parameter values obtained from the cross correlation function to parameters other than the number of molecules <N>. Is possible.
図8のグラフ(a)に示す例では、上記したように相乗、相加、調和平均について同様の傾向を示している。これは、この測定例では光検出器31、32での平均光子検出数が35.3kcps、32.9kcpsであり、例えば6.4μsのビン幅では平均計数値が0.22となる。このため、各ビンでの計数値の多くが0、1、2のいずれかとなり、光検出器間の検出の偏りについて、相乗、相加、調和平均で大きな差が無いことによる。これらの相乗、相加、調和平均のうちでは、蛍光ゆらぎを過剰に評価しないことから、相乗平均、及び調和平均が特に解析データの算出に適していると考えられる。
In the example shown in the graph (a) of FIG. 8, as described above, the same tendency is shown for synergy, additive, and harmonic average. In this measurement example, the average photon detection numbers in the
次に、光子数解析データnAB(t)のフォトンバースト解析について説明する。フォトンバースト解析は、時系列の光子数データに対し、その各ビンでの検出光子数及びその時間変化について解析することで、測定領域内での蛍光プローブの個数等についての情報を得る解析方法である。 Next, photon burst analysis of the photon number analysis data n AB (t) will be described. Photon burst analysis is an analysis method that obtains information about the number of fluorescent probes in the measurement region by analyzing the number of detected photons in each bin and its temporal change with respect to time-series photon number data. is there.
図10は、時系列の光子数データでの計数値(ビン当たりの検出光子数)の分布の一例を示すグラフである。図10に示す計数値分布は、図3〜図5に示した蛍光プローブの濃度が高い場合の測定結果によるものである。図10のグラフ(a)は、光検出器31、32での測定データFA、FBを加算した光子数データにおいて、ビニングによってビン幅を307.2μsとしたときの計数値分布を示している。ここで、この図10の測定例では、測定データFA、FBでの平均光子検出数を加算すると68.2kcpsとなり、分子数が<N>=21.4であることから、1分子当たりの蛍光強度は約3.2kcpsである。上記のビン幅は、この蛍光強度を考慮し、蛍光プローブ1分子に対応する計数値が約1となるように選択している。このため、グラフ(a)において、そのピーク計数値はおよそ21となっている。
FIG. 10 is a graph showing an example of the distribution of count values (number of detected photons per bin) in time-series photon number data. The count value distribution shown in FIG. 10 is based on the measurement results when the concentration of the fluorescent probe shown in FIGS. 3 to 5 is high. The graph (a) in FIG. 10 shows the count value distribution when the bin width is set to 307.2 μs by binning in the photon number data obtained by adding the measurement data F A and F B at the
一方、図10のグラフ(b)は、ビン幅6.4μsで相乗平均による解析データnABを求め、さらにビニングによってビン幅を307.2μsとしたときの計数値分布を示している。この場合、測定データFA、FBの平均という点でいうと、計数値0.5が蛍光プローブ1分子に相当することとなる。このグラフ(b)では、計数値が5以上で2つ以上のビンをまたいで発光するような現象について、その識別が容易になる。すなわち、図10の例では、例えば10個程度の蛍光プローブが標的分子に凝集、結合する反応系の場合、測定データのグラフ(a)ではフリーの蛍光プローブによるイベントに埋もれてしまい識別が困難であるが、蛍光検出の同時性が考慮された解析データのグラフ(b)ではそれらを識別することが可能である。 On the other hand, the graph (b) in FIG. 10 shows the count value distribution when the analysis data n AB by the geometric mean is obtained with the bin width of 6.4 μs and the bin width is set to 307.2 μs by binning. In this case, in terms of the average of the measurement data F A and F B , a count value of 0.5 corresponds to one fluorescent probe molecule. In this graph (b), it is easy to identify a phenomenon in which the count value is 5 or more and light is emitted across two or more bins. That is, in the example of FIG. 10, for example, in the case of a reaction system in which about 10 fluorescent probes are aggregated and bound to a target molecule, the measurement data graph (a) is buried in an event by a free fluorescent probe and is difficult to identify. However, it is possible to identify them in the graph (b) of the analysis data in which the synchronism of fluorescence detection is considered.
図11は、光子数データでの計数値の分布の他の例を示すグラフである。図11に示す計数値分布は、図6、図7に示した蛍光プローブの濃度が低い場合の測定結果によるものである。図11のグラフ(a)、(b)は、それぞれ図10のグラフ(a)、(b)と同様に求められた計数値分布を示している。ここで、この図11の測定例では、測定データFA、FBでの平均光子検出数を加算すると4.5kcpsとなり、分子数が<N>=1.66であることから、1分子当たりの蛍光強度は約2.6kcpsである。このとき、上記のビン幅では、蛍光プローブ1分子に対応する計数値は約0.8となっている。 FIG. 11 is a graph showing another example of the count value distribution in the photon number data. The count value distribution shown in FIG. 11 is based on the measurement result when the concentration of the fluorescent probe shown in FIGS. 6 and 7 is low. Graphs (a) and (b) in FIG. 11 show count value distributions obtained in the same manner as the graphs (a) and (b) in FIG. 10, respectively. Here, in the measurement example of FIG. 11, when the average photon detection number in the measurement data F A and F B is added, it becomes 4.5 kcps, and the number of molecules is <N> = 1.66. Has a fluorescence intensity of about 2.6 kcps. At this time, in the bin width, the count value corresponding to one fluorescent probe molecule is about 0.8.
図11のグラフ(b)では、計数値1の頻度が142、計数値2の頻度が1となっており、その他のイベントは全て計数値が0となっている。このような測定結果では、上記した307.2μsのビン幅で例えば計数値0.4を基準としてフォトンバースト解析を行うことが可能である。
In the graph (b) of FIG. 11, the frequency of the
標的分子に対して複数個の蛍光プローブが結合する反応系では、解析データnABが0よりも大きくなる確率は非常に高い。このため、相乗平均などによる解析データを用いることで、フリーの蛍光プローブなどによるバックグラウンドイベントを低減した形での蛍光解析が可能となる。ただし、フォトンバースト解析は相対的な評価であるため、濃度が既知の測定試料についてあらかじめ測定を行って検量線を作成し、その検量線を参照して解析を行うことが好ましい。また、同時性を考慮した解析データの算出方法については、フォトンバースト解析においても、相乗、相加、調和平均のいずれを用いても大きな差は無かった。また、積については、分散が大きくなる傾向があるため、解析データの算出方法としては相乗平均等が適しているものと考えられる。 In a reaction system in which a plurality of fluorescent probes are bound to a target molecule, the probability that the analysis data nAB is greater than 0 is very high. For this reason, by using analysis data such as a geometric mean, it is possible to perform fluorescence analysis in a form in which background events due to a free fluorescent probe or the like are reduced. However, since the photon burst analysis is a relative evaluation, it is preferable to make a measurement curve in advance for a measurement sample with a known concentration, create a calibration curve, and perform the analysis with reference to the calibration curve. In addition, regarding the calculation method of analysis data in consideration of simultaneity, there was no significant difference in photon burst analysis even when using synergistic, arithmetic, or harmonic average. Further, since the product tends to have a large variance, it is considered that a geometric mean or the like is suitable as a method for calculating analysis data.
本発明による蛍光解析装置、及び蛍光解析方法は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、蛍光測定に用いられる蛍光顕微鏡等の装置構成については、図1はその一例を示すものであり、具体的には様々な構成を用いて良い。また、上記した蛍光解析法は、測定試料に1種類の蛍光プローブのみを加える場合以外にも、様々な条件での蛍光測定に対して適用可能である。また、上記した蛍光解析装置及び解析方法は、フリーの蛍光プローブの影響を抑制できることから、例えば分子間相互作用における結合力が弱い反応系に対する蛍光解析法として有効であると考えられ、これまでELISA法等に適用できなかった抗原抗体反応の組合せについても適用できる可能性がある。 The fluorescence analysis apparatus and fluorescence analysis method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible. For example, FIG. 1 shows an example of the configuration of an apparatus such as a fluorescence microscope used for fluorescence measurement. Specifically, various configurations may be used. Further, the above-described fluorescence analysis method can be applied to fluorescence measurement under various conditions other than the case where only one type of fluorescent probe is added to the measurement sample. Further, since the above-described fluorescence analysis apparatus and analysis method can suppress the influence of a free fluorescent probe, it is considered to be effective as a fluorescence analysis method for a reaction system having a weak binding force in an intermolecular interaction, for example. It may also be applicable to combinations of antigen-antibody reactions that could not be applied to methods.
本発明は、測定領域内にある蛍光プローブからの蛍光を測定することによる測定試料の蛍光解析を好適に実行することが可能な蛍光解析装置、及び蛍光解析方法として利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a fluorescence analysis apparatus and a fluorescence analysis method that can suitably execute fluorescence analysis of a measurement sample by measuring fluorescence from a fluorescence probe in a measurement region.
1A…蛍光解析装置、S…測定試料、10…試料ホルダ、20…対物レンズ、21…ダイクロイックミラー、22…励起光源、23…光フィルタ、24…反射ミラー、25…結像レンズ、26…ピンホール、27…コリメートレンズ、
30…ビームスプリッタ、31…第1光検出器、32…第2光検出器、33…第1検出信号処理部、34…第2検出信号処理部、35…光子計数部、50…測定制御部、51…解析データ生成部、52…測定結果解析部。
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記励起光照射手段によって前記励起光が照射された前記測定試料の前記測定領域内にある蛍光プローブから発生する蛍光を2つの蛍光成分に分岐する光分岐手段と、
分岐された一方の第1蛍光成分を検出する第1蛍光検出手段と、
分岐された他方の第2蛍光成分を検出する第2蛍光検出手段と、
前記第1蛍光検出手段及び前記第2蛍光検出手段でそれぞれ検出された光子数を所定の計数時間幅で時系列的に計数して、第1光子数測定データFA(t)及び第2光子数測定データFB(t)を取得する光子計数手段と、
前記第1光子数測定データFA(t)及び前記第2光子数測定データFB(t)に基づいて、測定データFA(t)、FB(t)の少なくとも一方が0の場合に
nAB(t)=0
となり、測定データFA(t)、FB(t)の両者が0でない場合に所定の関数fで
nAB(t)=f(FA(t)、FB(t))
となる光子数解析データnAB(t)を生成する解析データ生成手段と、
前記解析データ生成手段で生成された前記光子数解析データnAB(t)に対し、前記蛍光プローブを含む前記測定試料の測定結果についての蛍光解析を行う測定結果解析手段と
を備えることを特徴とする蛍光解析装置。 Excitation light irradiation means for irradiating excitation light to the measurement region set for the measurement sample;
A light branching means for branching fluorescence generated from a fluorescent probe in the measurement region of the measurement sample irradiated with the excitation light by the excitation light irradiation means into two fluorescent components;
First fluorescence detecting means for detecting one branched first fluorescence component;
Second fluorescence detection means for detecting the other branched second fluorescence component;
The number of photons detected by the first fluorescence detection means and the second fluorescence detection means is counted in a time-series manner with a predetermined counting time width, and the first photon number measurement data F A (t) and the second photon are counted. Photon counting means for obtaining the number measurement data F B (t);
On the basis of the first photon number measurement data F A (t) and the second photon number measurement data F B (t), the measured data F A (t), when at least one of F B (t) is 0 n AB (t) = 0
When both of the measurement data F A (t) and F B (t) are not 0, n AB (t) = f (F A (t), F B (t)) with a predetermined function f
Analysis data generating means for generating photon number analysis data n AB (t) to be
Measurement result analysis means for performing fluorescence analysis on the measurement result of the measurement sample including the fluorescent probe with respect to the photon number analysis data n AB (t) generated by the analysis data generation means, Fluorescence analyzer.
nAB(t)=√(FA(t)・FB(t))
によって前記光子数解析データnAB(t)を生成することを特徴とする請求項1記載の蛍光解析装置。 The analysis data generation means n is a function f that is a geometric mean of the measurement data F A (t) and F B (t) when both of the measurement data F A (t) and F B (t) are not zero. AB (t) = √ (F A (t) · F B (t))
The fluorescence analysis apparatus according to claim 1, wherein the photon number analysis data n AB (t) is generated by:
nAB(t)=2/{1/FA(t)+1/FB(t)}
によって前記光子数解析データnAB(t)を生成することを特徴とする請求項1記載の蛍光解析装置。 The analysis data generating means is a function f that is a harmonic average of the measurement data F A (t) and F B (t) when both of the measurement data F A (t) and F B (t) are not 0. AB (t) = 2 / {1 / F A (t) + 1 / F B (t)}
The fluorescence analysis apparatus according to claim 1, wherein the photon number analysis data n AB (t) is generated by:
前記励起光照射ステップで前記励起光が照射された前記測定試料の前記測定領域内にある蛍光プローブから発生する蛍光を2つの蛍光成分に分岐する光分岐ステップと、
分岐された一方の第1蛍光成分を検出する第1蛍光検出ステップと、
分岐された他方の第2蛍光成分を検出する第2蛍光検出ステップと、
前記第1蛍光検出ステップ及び前記第2蛍光検出ステップでそれぞれ検出された光子数を所定の計数時間幅で時系列的に計数して、第1光子数測定データFA(t)及び第2光子数測定データFB(t)を取得する光子計数ステップと、
前記第1光子数測定データFA(t)及び前記第2光子数測定データFB(t)に基づいて、測定データFA(t)、FB(t)の少なくとも一方が0の場合に
nAB(t)=0
となり、測定データFA(t)、FB(t)の両者が0でない場合に所定の関数fで
nAB(t)=f(FA(t)、FB(t))
となる光子数解析データnAB(t)を生成する解析データ生成ステップと、
前記解析データ生成ステップで生成された前記光子数解析データnAB(t)に対し、前記蛍光プローブを含む前記測定試料の測定結果についての蛍光解析を行う測定結果解析ステップと
を備えることを特徴とする蛍光解析方法。 An excitation light irradiation step for irradiating the measurement region set for the measurement sample with excitation light;
A light branching step for branching fluorescence generated from a fluorescent probe in the measurement region of the measurement sample irradiated with the excitation light in the excitation light irradiation step into two fluorescent components;
A first fluorescence detection step of detecting one branched first fluorescence component;
A second fluorescence detection step of detecting the other branched second fluorescence component;
The number of photons detected in the first fluorescence detection step and the second fluorescence detection step is counted in time series with a predetermined counting time width, and the first photon number measurement data F A (t) and the second photon are counted. A photon counting step to obtain the number measurement data F B (t);
On the basis of the first photon number measurement data F A (t) and the second photon number measurement data F B (t), the measured data F A (t), when at least one of F B (t) is 0 n AB (t) = 0
When both of the measurement data F A (t) and F B (t) are not 0, n AB (t) = f (F A (t), F B (t)) with a predetermined function f
An analysis data generation step for generating photon number analysis data n AB (t) to be
A measurement result analysis step of performing fluorescence analysis on the measurement result of the measurement sample including the fluorescent probe with respect to the photon number analysis data n AB (t) generated in the analysis data generation step, Fluorescence analysis method.
nAB(t)=√(FA(t)・FB(t))
によって前記光子数解析データnAB(t)を生成することを特徴とする請求項7記載の蛍光解析方法。 In the analysis data generation step, when both of the measurement data F A (t) and F B (t) are not 0, the function f is a geometric mean of the measurement data F A (t) and F B (t) n AB (t) = √ (F A (t) · F B (t))
The fluorescence analysis method according to claim 7, wherein the photon number analysis data n AB (t) is generated by:
nAB(t)=2/{1/FA(t)+1/FB(t)}
によって前記光子数解析データnAB(t)を生成することを特徴とする請求項7記載の蛍光解析方法。 In the analysis data generation step, when both of the measurement data F A (t) and F B (t) are not 0, the function f is a harmonic average of the measurement data F A (t) and F B (t) n AB (t) = 2 / {1 / F A (t) + 1 / F B (t)}
The fluorescence analysis method according to claim 7, wherein the photon number analysis data n AB (t) is generated by:
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