JP2015203654A - 分子数測定装置及び分子数測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料溶液に含まれる生体分子の数を精度よく計測することが可能な分子数測定装置及び分子数測定方法を提供する。【解決手段】測定対象の生体分子に励起光を照射する光照射部と、前記励起光が照射された単一生体分子から発せられた単一光子を検出する第１検出器及び第２検出器、並びに前記励起光が照射された生体分子から発せられた光を分岐させて、前記第１検出器若しくは前記第２検出器又はその両方に入射させるハーフミラーを備える検出部を設けて、分子数測定装置とする。【選択図】図１

Description

本技術は、分子数測定装置及び分子数測定方法に関する。より詳しくは、試料溶液に含まれる生体分子の数を光学的に測定する技術に関する。

試料溶液に含まれる生体分子の濃度を測定する方法としては、例えば、基板にマトリクス状に微細な孔を形成し、その孔で測定対象の生体分子を捕獲して検出する方法がある（特許文献１参照）。また、本発明者は、ラマン分光法を用いて、血液中の成分の濃度を測定する方法を提案している（特許文献２参照）。

特表２０１３−５２１５００号公報 特開２０１４−１８５９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、基板に微細な孔を形成する加工が必要であり、また、孔の数で感度が決まるため、例えば希薄溶液を測定する場合は、非常に多くの孔を形成する必要があるという問題がある。また、試料溶液の測定単位空間（２次元も含む）に存在する生体分子の数は、下記数式１で示されるポアソン分布に従うため、試料溶液の平均濃度が高くなると、測定単位空間に２つ以上の生体分子が存在する確率が大きくなる。なお、下記数式１におけるλは測定単位空間平均分子数であり、ｎは測定分子数である。

一方、従来の測定方法では、測定単位空間に存在する分子は、０個か１個と仮定しているため、特許文献１に記載されているような従来の生体分子濃度測定方法は、試料溶液が高濃度の場合は、測定誤差が大きくなるという問題もある。

そこで、本開示は、試料溶液に含まれる生体分子の数を精度よく計測することが可能な分子数測定装置及び分子数測定方法を提供することを主目的とする。

本開示に係る分子数測定装置は、測定対象の生体分子に励起光を照射する光照射部と、前記励起光が照射された単一生体分子から発せられた単一光子を検出する第１検出器及び第２検出器、並びに前記励起光が照射された生体分子から発せられた光を分岐させて、前記第１検出器若しくは前記第２検出器又はその両方に入射させるハーフミラーを備える検出部と、を有する。
本開示の分子数測定装置は、前記第１検出器と前記第２検出器とは、前記ハーフミラーからの光路長が同じになる位置に配置されており、前記第１検出器から出力された検出信号と、前記第２検出器から出力された検出信号とを比較することにより、前記ハーフミラーに入射した光が単一光子か否かを判定する判定部を有していてもよい。
その場合、前記判定部は、例えば、前記第１検出器が光子を検出したときに前記第２検出器も光子を検出していた場合は、前記ハーフミラーに入射した光は複数の生体分子から発せられた複数個の光子を含むと判定し、前記第１検出器及び前記第２検出器のいずれか一方のみが光子を検出していた場合は、前記ハーフミラーに入射した光が、前記単一生体分子から発せられた単一光子であると判定する。
また、前記光照射部は、単一測定点に対して励起光を複数回照射し、前記判定部は、複数回の励起に伴う複数の検出結果に基づいて、単一光子であるか否かを判定することもできる。
本開示の分子数測定装置は、前記光照射部は二次元に走査しながら前記励起光を照射し、前記判定部における判定結果に基づいて単位体積あたりの生体分子数を算出する解析部をしていてもよい。
また、前記光照射部は、前記励起光をパルス照射してもよい。
その場合、前記励起光のパルス幅を、測定対象の生体分子の励起緩和過程の緩和時間以下とすることができる。

本開示に係る分子数測定方法は、測定対象の生体分子に励起光を照射する光照射工程と、前記励起光が照射された生体分子から発せられた光をハーフミラーにより分岐し、単一光子を検出可能な第１検出器及び第２検出器のいずれか一方又は両方に入射させる検出工程と、を有する。

本開示によれば、試料溶液に含まれる生体分子の数を精度よく計測することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本開示の第１の実施形態の分子数測定装置の構成例を示す図である。 図１に示す検出部２０の構成を示す拡大図である。 検出部２０での検出結果を示す図である。 試料溶液の濃度と、複数分子を検出する確率との関係を示す図である。 本開示の第２の実施形態の分子数測定装置の構成例を示す図である。

以下、本開示を実施するための形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す各実施形態に限定されるものではない。また、説明は、以下の順序で行う。

１．第１の実施の形態
（基板裏面側から励起光を照射する分子数測定装置の例）
２．第２の実施の形態
（基板表面側から励起光を照射する分子数測定装置の例）

（１．第１の実施の形態）
先ず、本開示の第１の実施形態に係る分子数測定装置について説明する。

従来、測定像の輝点を数える濃度測定方法では、単一の輝点が単一分子に起因するものとは限らなかった。そこで、本実施形態の分子数測定装置では、単一の輝点が単一分子に起因するものであることを補償する。単一の発光中心を有する蛍光分子や励起子発光する量子ドットは、１回の励起緩和過程で単一の光子を放出することが知られている。以下、この現象を「単一光子発光」という。そこで、本実施形態では、このような単一の蛍光分子や量子ドットで標識された単一の分子が、単一光子発光していることを確認することで、測定像の単一の輝点に単一の分子が存在することを補償する。

図１は本実施形態の分子数測定装置の構成例を示す図であり、図２はその検出部２０の構成を示す拡大図である。本実施形態の分子数測定装置１は、測定対象の生体分子に励起光を照射する光照射部１０と、励起光が照射された単一生体分子から発せられた単一光子を検出する検出部２０とを備える。また、本実施形態の分子数測定装置１には、必要に応じて、判定部３０、解析部４０及びフォーカス調整部５０などが設けられる。

［光照射部１０］
光照射部１０は、例えば基板２などに保持された生体分子を含む試料溶液に、励起光３を照射するものである。そして、この光照射部１０は、例えば、光源１１、アイソレータ１２、アナモルフィックプリズム１３、光増幅器１４、音響光学変調素子１５、ミラー１６などを備えている。

（光源１１）
光源１１は、励起光３の波長に応じて適宜選択することができるが、例えばモードロック半導体レーザ、モードロックチタンサファイアレーザ、自励発振半導体レーザ、パルス駆動の半導体レーザ、Ｑスイッチレーザなどを使用することができる。単一光子発光を得るため、光源１１から出射される励起光３は、パルス光であることが好ましい。その際、励起光３のパルス幅が、測定対象の生体分子の励起緩和過程の緩和時間以下とすることが好ましい。これにより、精度よく単一光子発光を得ることができる。

（アイソレータ１２）
アイソレータ１２は、各光学部品の表面で生じた反射光が、光源１１を構成するレーザに戻ることを防止するものである。このような戻り光がレーザに入射すると、レーザ発振が不安定になり、出力変動が起こるが、戻り光の進行方向において光源１１の直前に、アイソレータ１２を配置することにより、レーザの発振を安定化することができる。

（アナモルフィックプリズム１３）
アナモルフィックプリズム１３は、楕円形のビームを成形し、円形状にするものである。

（光増幅器１４）
光増幅器１４は、入射したレーザの強弱に応じて、波長をほとんど変えずに入射光を増幅して出力するものである。

（音響光学変調素子１５）
音響光学変調素子１５は、超音波による光の一次屈折光を利用した光変調素子である。

（ミラー１６）
ミラー１６は、励起光３を基板２などに保持された生体分子を含む試料溶液に向けて反射するものである。

［検出部２０］
検出部２０は、励起光が照射された単一生体分子から発せられた単一光子を検出するものであり、単一光子を検出する２つの検出器（第１検出器２１ａ、第２検出器２１ｂ）と、ハーフミラー２２とを備えている。また、検出部２０には、必要に応じて、対物レンズ２３、ダイクロックミラー２４、バンドパスフィルター２５、レンズ２６ａ，２６ｂ、ピンホール２７などの各種光学部品が設けられていてもよい。

（検出器２１ａ,２１ｂ）
第１検出器２１ａと第２検出器２１ｂは、励起光３が照射された単一生体分子から発せられた単一光子を検出可能なものであればよく、例えばハーフミラー２２からの光路長が同じになる位置に配置される。なお、第１検出器２１ａ及び第２検出器２１ｂとして、アバランシェ増幅を行う検出器を使用する場合は、増幅されたキャリアが十分に消滅した後、次の光子を検出するようにタイミングを設定する。

（ハーフミラー２２）
ハーフミラー２２は、励起光３が照射された生体分子から発せられた光を分岐させて、第１検出器２１ａ若しくは第２検出器２１ｂ又はその両方に入射させるものであり、透過率と反射率がそれぞれ５０％となっている。

（対物レンズ２３）
対物レンズ２３は、生体分子から発せられた光などを集光するものである。また、対物レンズ２３には、油浸レンズや水浸レンズを使用することもできる。

（ダイクロックミラー２４）
ダイクロックミラー２４は、波長特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過するものであり、本実施形態の分子数測定装置１の場合、生体分子から発せられた光を反射し、その他の光を透過するものを使用する。即ち、本実施形態の分子数測定装置１においては、ダイクロックミラー２４により、励起光３と、生体分子から発せられた蛍光と、後述するフォーカス調整部５０において使用するフォーカスサーボ光（近赤外光４）とを分離する。

（バンドパスフィルター２５）
バンドパスフィルター２５は、特定波長の光のみを透過するフィルターであり、本実施形態の分子数測定装置１の場合、生体分子から発せられた蛍光を透過し、その他の光を減衰させるものを使用する。即ち、本実施形態の分子数測定装置１においては、バンドパスフィルター２５により、励起光３及びフォーカスサーボ光（近赤外光４）を除去し、生体分子から発せられた蛍光のみを抽出する。

（レンズ２６ａ，２６ｂ）
レンズ２６ａ，２６ｂは、試料の共役像を形成し、その後方でビームを平行にするものである。

（ピンホール２７）
ピンホール２７は、入射した光を空間的にフィルタリングするものであり、迷光を除去してＳ／Ｎ比（信号雑音比）を向上させるために配置している。

［判定部３０］
判定部３０は、第１検出器２１ａから出力された検出信号と、第２検出器２１ｂから出力された検出信号とを比較することにより、ハーフミラー２２に入射した光が単一光子か否かを判定する。例えば、第１検出２１ａが光子を検出したときに第２検出器２１ｂも光子を検出していた場合は、ハーフミラー２２に入射した光は複数の生体分子から発せられた複数個の光子を含むと判定する。一方、第１検出器２１ａ及び第２検出器２１ｂのいずれか一方のみが光子を検出していた場合は、ハーフミラー２２に入射した光が、単一生体分子から発せられた単一光子であると判定する。

また、単一光子であるか否かの判定は、光照射部１０により単一測定点に対して励起光３を複数回照射し、複数回の励起に伴う複数の検出結果に基づいて行うことが好ましい。これにより、検出精度を更に向上させることができる。

［解析部４０］
本実施形態の分子数測定装置は、光照射部１０により励起光３を二次元に走査しながら照射し、解析部４０により、判定部３０における判定結果に基づいて単位体積あたりの生体分子数（生体分子濃度）を算出することもできる。

［フォーカス調整部５０］
本実施形態の分子数測定装置は、更に、対物レンズ２３に対する基板２の位置を調整するフォーカス調整部５０を備えていてもよい。このフォーカス調整部５０は、例えば近赤外半導体レーザ５１、偏光ビームスプリッター５２、１／４波長板５３、レンズ５４、円筒レンズ５５、４分割ディテクタ５６などで構成することができる。また、フォーカスサーボ方式には、例えば非点収差法を用いることができる。

［分子数測定方法］
次に、本実施形態の分子数測定装置１を用いて、生体分子の数を測定する方法について、生体分子が心筋炎症マーカーであるトロポニンを蛍光標識したものである場合を例にして説明する。本実施形態の分子数測定方法では、測定対象の生体分子に励起光３を照射する光照射工程と、励起光３が照射された生体分子から発せられた光をハーフミラー２２により分岐し、第１検出器２１ａ及び第２検出器２１ｂのいずれか一方又は両方に入射させる検出工程とを行う。

光照射工程では、例えば、測定対象の生体分子を基板２上に分散し、この分散されている面を基板２の表面としたとき、基板２の裏面から全反射条件で励起光３を照射する。ここで、励起光３としては、例えば、Applied Physics Express 5 (2012) 022702に記載されている方法で生成される波長４０５ｎｍ、パルスエネルギー５００ｐＪ、パルス幅２ｐｓ、繰り返し周波数１ＧＨｚのパルスレーザを用いることができる。そして、この励起光３を、音響光学変調素子１５を用いて１０ＭＨｚに周波数を下げた後、基板２の裏面に照射する。

このとき、測定対象のトロポニンの励起緩和時間は、概ね１ｎｓであるため、１パルス照射時間中に２回以上の励起緩和過程を繰り返すことはなく、１パルスに対し単一分子からの蛍光は１光子の放出に限定される。このように、励起光３をパルス光とし、更に、パルス幅を、測定対象の生体分子の励起緩和過程の緩和時間以下にすることにより、単一分子から複数の光子が放出されることを抑制できる。

一方、検出工程では、先ず、測定対象の生体分子分散面（基板２の表面）側に配置された例えば開口数（ＮＡ）０．９の対物レンズ２３で、生体分子から放出された光子を捕獲する。次に、対物レンズ２３で捕獲した光子を、例えばカットオフ波長が５１０ｎｍｍ，７００ｎｍのダイクロイックミラー２４ａ，２４ｂと、例えばピーク値が５３５ｎｍ、バンド幅５０ｎｍのバンドパスフィルター２５により励起光３を除去する。その後、結像レンズ２６ａにより、像面に対し１０倍になるように像を形成する。

像の位置には、例えば開口が１０μｍ径のピンホール２７を配置し、これにより生体分子分散面で１μｍ径の範囲からの光子を捕獲するようにする。そして、再度、レンズ２６ｂにより光線を平行光とし、図２に示すHanbury Brown Twiss干渉系に導入し、第１検出器２１ａ及び第２検出器２１ｂで検出する。

R. Hanbury Brown and R. Q. Twiss (1958). "Interferometry of the intensity fluctuations in light. II. An experimental test of the theory for partially coherent light". Proceedings of the Royal Society A 243 (1234): 291-319）によれば、素粒子である光子はハーフミラーでは２つに分けることはできない。本実施形態の分子数測定装置では、検出部にHanbury Brown Twissの干渉系を作製し、単一光子の強度でも十分信号が得られる光検出器を設置しているため、検出された光が単一光子か否かを精度よく判定することができる。

ここで、対物レンズ２３に対する基板２の位置は、フォーカス調整部５０により、励起光３や生体分子から発せられる蛍光とは別に、近赤外波長のレーザ光４による非点収差法を用いてフォーカスサーボを行うことができる。その場合、対物レンズ２３は、フォーカスサーボに使用する光の波長に対して、色収差補正がなされているものを使用することが好ましい。

更に、本実施形態の分子数測定方法では、パルスレーザ光の繰り返しと同期させて、検出部２０の検出結果を判定部４０に入力し、自己相関を求めてもよい。図３は検出部２０での検出結果を示す図である。図３に示すように、相関時間０では自己相関はショットノイズレベルとなっている場合、単一光子発光であることが確認でき、観測中の輝点が単一分子によるものであることが確認できる。

このような測定を、基板２上の生体分子が分散されている領域について全て観測することで、基板２上に結合された被測定分子数を数えることができる。即ち、光照射部１０により基板２の分散領域を二次元に走査しながら前記励起光を照射し、判定部４０における判定結果に基づいて単位体積あたりの生体分子数を算出することにより、試料溶液の濃度を算出することもできる。その場合、単一光子発光と確認できなかった輝点については、例えば２分子による発光として数えることができる。

以上詳述したように、本実施形態の分子数測定装置は、光照射部１０により、単一測定点に対して励起光３を複数回照射し、判定部４０において、この複数回の励起に伴う複数の検出結果に基づいて、単一光子であるか否かを判定することもできる。これにより、検出感度を向上させ、誤差を低減することができる。

図４は試料溶液の濃度と、複数分子を検出する確率との関係を示す図である。従来の測定方法で分子数を測定した場合、図４に示す分子数０〜１の範囲で検出することになるが、本実施形態の分子数測定方法では、図４に示す分子数０〜２の範囲で検出することが可能となる。図４に示すように、平均分子数（濃度）が増加するに従い、２分子の観測確率が高くなるが、本実施形態の分子数測定方法は、従来の測定方法に比べて、高濃度側測定限界を大きくすることができるため、高濃度試料溶液における検出精度を向上させることができる。

このように、本実施形態の分子数測定装置は、励起光が照射された単一生体分子から発せられた単一光子を検出しているため、試料溶液に含まれる生体分子の数を精度よく計測することができる。また、本実施形態の分子数測定装置は、生体分子の数や濃度を測定するにあたり、従来よりも測定限界をより高濃度側にすることが可能である。

（２．第２の実施の形態）
次に、本開示の第２の実施形態に係る分子数測定装置について説明する。図５は本開示の第２の実施形態の分子数測定装置の構成例を示す図である。なお、図５においては、図１に示す第１の実施形態の分子数測定装置の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

［装置構成］
図５に示すように、本実施形態の分子数測定装置１００では、基板２０の表面側から励起光３を照射する構成となっている以外は、前述した第１の実施形態の分子数測定装置と同様である。このように、励起光３を基板２０の表面側から照射する構成とすると、光学系を簡素化することができるため、装置をよりコンパクトにすることができる。

［分子数測定方法］
次に、本実施形態の分子数測定装置１００を用いて、生体分子の数を測定する方法について、生体分子が癌マーカー分子である場合を例にして説明する。本実施形態の分子数測定装置１００では、光源１１に例えばパルスレーザを用い、偏光は紙面に平行な方向の直線偏光とすることができる。

光源１１から出射された励起光３は対物レンズ２３の手前に配置されたダイクロイックミラー２４を透過し、対物レンズ２３の焦点位置に焦点を結ぶ。即ち、分子数測定装置１００では、光照射装置１０の光学系が、第１検出器２１ａ及び第２検出器２１ｂの位置と共焦点の関係になる配置となっている。そして、偏光ビームスプリッター５２を透過した励起光３は、１／４波長板５３によって、測定対象の生体試料がある位置では円偏光にされ、戻り光路の偏光ビームスプリッター５２の位置では紙面に垂直方向の偏光とされる。

これにより、光源１１への戻り光を減少することができると共に、偏光ビームスプリッター５２で反射する戻り光をフォーカスサーボに利用することができる。そして、第１の実施形態と同様の方法でフォーカスサーボを行い、基板２０と対物レンズ２３の距離を一定に保ちながら、ダイクロイックミラー２４及びバンドパスフィルター２５を用い、生体分子から放出された光子をHanbury Brown Twiss干渉系に導き、第１検出器２１ａ及び第２検出器２１ｂで検出する。また、判定部４０により、２つの検出器２１ａ，２１ｂからの信号の自己相関を比較し、ハーフミラー２２に入射した光が単一光子か否かを判定する。

本実施形態の分子数測定装置も、励起光が照射された単一生体分子から発せられた単一光子を検出しているため、試料溶液に含まれる生体分子の数を精度よく計測することができる。

また、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
（１）
測定対象の生体分子に励起光を照射する光照射部と、
前記励起光が照射された単一生体分子から発せられた単一光子を検出する第１検出器及び第２検出器、並びに前記励起光が照射された生体分子から発せられた光を分岐させて、前記第１検出器若しくは前記第２検出器又はその両方に入射させるハーフミラーを備える検出部と、
を有する分子数測定装置。
（２）
前記第１検出器と前記第２検出器とは、前記ハーフミラーからの光路長が同じになる位置に配置されており、
前記第１検出器から出力された検出信号と、前記第２検出器から出力された検出信号とを比較することにより、前記ハーフミラーに入射した光が単一光子か否かを判定する判定部を有する（１）に記載の分子数測定装置。
（３）
前記判定部は、前記第１検出器が光子を検出したときに前記第２検出器も光子を検出していた場合は、前記ハーフミラーに入射した光は複数の生体分子から発せられた複数個の光子を含むと判定し、前記第１検出器及び前記第２検出器のいずれか一方のみが光子を検出していた場合は、前記ハーフミラーに入射した光が、前記単一生体分子から発せられた単一光子であると判定する（２）に記載の分子数測定装置。
（４）
前記光照射部は、単一測定点に対して励起光を複数回照射し、
前記判定部は、複数回の励起に伴う複数の検出結果に基づいて、単一光子であるか否かを判定する（２）又は（３）に記載の分子数測定装置。
（５）
前記光照射部は二次元に走査しながら前記励起光を照射し、
前記判定部における判定結果に基づいて単位体積あたりの生体分子数を算出する解析部を有する（２）〜（４）のいずれかに記載の分子数測定装置。
（６）
前記光照射部は、前記励起光をパルス照射する（１）〜（５）のいずれかに記載の分子数測定装置。
（７）
前記励起光のパルス幅が、測定対象の生体分子の励起緩和過程の緩和時間以下である（６）に記載の分子数測定装置。
（８）
測定対象の生体分子に励起光を照射する光照射工程と、
前記励起光が照射された生体分子から発せられた光をハーフミラーにより分岐し、単一光子を検出可能な第１検出器及び第２検出器のいずれか一方又は両方に入射させる検出工程と、
を有する分子数測定方法。

なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。

１、１００ 分子数測定装置
２ 基板
３ 励起光
４ 近赤外光
１０ 光照射部
２０ 検出部
３０ 判定部
４０ 解析部
５０ フォーカス調整部

Claims (8)

1. 測定対象の生体分子に励起光を照射する光照射部と、
   前記励起光が照射された単一生体分子から発せられた単一光子を検出する第１検出器及び第２検出器、並びに前記励起光が照射された生体分子から発せられた光を分岐させて、前記第１検出器若しくは前記第２検出器又はその両方に入射させるハーフミラーを備える検出部と、
   を有する分子数測定装置。
2. 前記第１検出器と前記第２検出器とは、前記ハーフミラーからの光路長が同じになる位置に配置されており、
   前記第１検出器から出力された検出信号と、前記第２検出器から出力された検出信号とを比較することにより、前記ハーフミラーに入射した光が単一光子か否かを判定する判定部を有する請求項１に記載の分子数測定装置。
3. 前記判定部は、前記第１検出器が光子を検出したときに前記第２検出器も光子を検出していた場合は、前記ハーフミラーに入射した光は複数の生体分子から発せられた複数個の光子を含むと判定し、前記第１検出器及び前記第２検出器のいずれか一方のみが光子を検出していた場合は、前記ハーフミラーに入射した光が、前記単一生体分子から発せられた単一光子であると判定する請求項２に記載の分子数測定装置。
4. 前記光照射部は、単一測定点に対して励起光を複数回照射し、
   前記判定部は、複数回の励起に伴う複数の検出結果に基づいて、単一光子であるか否かを判定する請求項３に記載の分子数測定装置。
5. 前記光照射部は二次元に走査しながら前記励起光を照射し、
   前記判定部における判定結果に基づいて単位体積あたりの生体分子数を算出する解析部を有する請求項２に記載の分子数測定装置。
6. 前記光照射部は、前記励起光をパルス照射する請求項１に記載の分子数測定装置。
7. 前記励起光のパルス幅が、測定対象の生体分子の励起緩和過程の緩和時間以下である請求項６に記載の分子数測定装置。
8. 測定対象の生体分子に励起光を照射する光照射工程と、
   前記励起光が照射された生体分子から発せられた光をハーフミラーにより分岐し、単一光子を検出可能な第１検出器及び第２検出器のいずれか一方又は両方に入射させる検出工程と、
   を有する分子数測定方法。

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