JP3296593B2

JP3296593B2 - 生体分子検出方法および装置

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Publication number: JP3296593B2
Application number: JP17377292A
Authority: JP
Inventors: ペーターゼーハーイェンス
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1991-06-08
Filing date: 1992-06-08
Publication date: 2002-07-02
Anticipated expiration: 2017-07-02
Also published as: DE69110032T2; JPH07174693A; US5341215A; EP0517930A1; EP0517930B1; DE69110032D1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、生体分子検出方法およ
び装置に関するものである。とりわけ、本発明は、表面
プラズモン共鳴を生じさせる可視光によって境界部を照
射し、ＤＮＡ分子が反射する励起エネルギーを検出する
ことによって、ＤＮＡの検出を行うことに関するもので
ある。

【０００２】

【技術背景】当該技術において、特に、液体中における
濃度の低い生体分子を検出するための方法が幾つか知ら
れている。１つの方法は、いわゆるエバネセント波（ｅ
ｖａｎｅｓｃｅｎｔｗａｖｅｓ）に基づくものであ
る。検出すべき生体分子は、溶液中にあり、用いられる
液体よりも光学的に濃度の高い媒体の表面（例えば、ガ
ラス）と密着させられる。これは、該生体分子を、ガラ
ス表面に固定化された相補的生体分子に吸収させること
によって行うことができる。検出すべき生体分子には、
蛍光化合物によってマーキングが施されている。これ
は、直接実施することもできるし（すなわち、生体分子
と蛍光物質との化学的結合によって）、あるいは、蛍光
色素で標識付けされ、検出装置の一部に固定化または化
学的に結合された生体分子内において、検出する生体分
子と競合させることも可能である。すなわち、未知の生
体分子によって蛍光生体分子が解放され、さらに、ガラ
ス表面に固定化された相補的生体分子に吸収される。後
者のプロセスについては、Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒ．
Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ｂ３１６（１９８７年）の１４３〜
１６０頁に記載の、Ｂａｄｌｅｙ，Ｒ．Ａ．他による
「ＯｐｔｉｃａｌＢｉｏｓｅｎｓｏｒｓＦｏｒＩ
ｍｍｕｎｏａｓｓａｙｓ：ＴｈｅＦｌｕｏｒｅｓｃｅ
ｎｃｅＣａｐｉｌｌａｒｙ−ｆｉｌｌＤｅｖｉｃ
ｅ」に解説がある。

【０００３】レーザ源またはフィルタ式閃光電球からの
単色光が、光学的に濃度の高い媒体（例えば、ガラス）
と光学的に希薄な媒体（例えば、水溶液）との境界部を
照射する。この光ビームは、光学的に濃度の高い媒体か
ら入射し、その入射角は、臨界角以上であるため、全反
射が発生する。全反射が生じると、光学的に希薄な媒体
（水溶液）にエバネセント波が生じるが、このエバネセ
ント波は、ある波長の部分が透過して、光学的に希薄な
媒体に入り込む。エバネセント波の電界振幅は、境界部
において最大であり、界面からの距離に応じて指数関数
的に減衰する。

【０００４】エバネセント波の浸透する深度には限界が
あるので、こうした波は、境界部における生体分子の存
在をモニタするのに適している。この波によって、生体
分子の蛍光付加物が入射光より波長の長い光を放出する
（これが、蛍光を生じさせる有効な方法である）。この
蛍光信号は、散乱光をモニタして、直接測定することも
できるし、あるいは、結合して、光学的に濃度の高い媒
体に戻る光を測定することによっても可能である。

【０００５】上述の技法が、ガラス／水溶液界面への吸
収に限定されるものでないのは、明らかである。代わり
に、他の材料を用いることも可能である。さらに、入射
光の波長をさらに長い波長にシフトする蛍光以外の効果
（例えば、燐光または吸光）を利用することも可能であ
る。後者の場合、標識付けされていない生体分子でも検
出することができる。一般的な検出方法は、屈折光また
は反射光によって、換言すると、反射光または屈折光の
角度の偏差によってモニタされる生体分子の存在によっ
て生じる、屈折率の変化の測定に基づくものである。ま
た、当該技術において周知のように、導波管内において
複数回数反射して、境界部を複数回数照射するように、
入射光の方向付けが行われるが、これについては、例え
ば、Ｃｌｉｎ，Ｃｈｅｍ．３０／９（１９８４年）１５
３３〜１５３８頁の、Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ，Ｒｅｎａ
ｌｄＭ．他による「ＯｐｔｉｃａｌＤｅｔｅｃｔｉ
ｏｎｏｆＡｎｔｉｂｏｄｙ−ＡｎｔｉｇｅｎＲｅ
ａｃｔｉｏｎｓａｔａＧｌａｓｓ−Ｌｉｑｕｉｄ
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ」を参照されたい。

【０００６】生体分子の検出に関するもう１つの技法
は、いわゆる表面プラズモン共鳴（ｓｕｒｆａｃｅｐ
ｌａｓｍｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ《ＳＰＲ》）に基づ
くものである。この方法では、ガラスと溶液の間に薄い
金属のフィルム、層、または、コーティング（より一般
的に言えば、導電層または半導体層）を必要とする。所
定の角度で当たると、入射光は、金属フィルムと光学的
に希薄な媒体（例えば、溶液）との界面に沿って伝搬す
る集団電子振動に関連した表面モード（ＴＥおよび／ま
たはＴＭモード）を生じる。入射光は、通常プリズムま
たは回折格子によって金属フィルムに結合する。特定の
波長または角度において、共鳴が発生し、急激に最低の
反射率になる。すなわち、反射率が急激に降下する。共
鳴の条件は、金属フィルムの光学特性、その厚さ、その
両側における誘電体の回折率（もしあるとすれば）、お
よび入射光の角度によって決まる。

【０００７】これらの特性のうち最初の２つは、表面プ
ラズモン共鳴を実施する所定の装置の場合、基本的に不
変のままである。しかし、光学的に希薄な媒体の屈折率
は、その表面に結合する、または、吸収される生体分子
の量によって変動する。これがモニタすべき特性であ
る。

【０００８】吸収された生体分子の存在および量を検出
するため、入射光の所定の角度における屈折率の変動を
モニタすることもできるし、あるいは、共鳴のシフト
（生体分子が存在すると、最低反射率が、異なる入射角
に合わせてシフトする）を観測することもできる。

【０００９】表面プラズモン共鳴は、金属回折格子によ
って生じさせることもできるし、あるいは、全反射の結
果発生するエバネセント波によって生じさせることも可
能である（上記参照）。

【００１０】表面プラズモン共鳴に関するこれ以上の詳
細については、１５（１９８８年）、１１〜１８頁の、
Ｄａｎｉｅｌｓ，Ｐ．Ｂ．他による「Ｓｕｒｆａｃｅ
ＰｌａｓｍｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅａｐｐｌｉｅｄ
ｔｏＩｍｍｕｎｏｎｓｅｎｓｏｒｓ，Ｓｅｎｓｏｒ
ｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ」および、Ａｎａｌｙ
ｔｉｃａＣｈｉｍｉｃａＡｃｔａ，２１３（１９８
８年）、３５〜４５頁の、Ｋｏｏｙｍａｎ，Ｒ．Ｐ．
Ｈ．他による「ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍｍｕｎｏｓｅｎｓｏｒｓ：Ｓ
ｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＣｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ」
を特に参照のこと。

【００１１】先行技術の表面プラズモン技法は、生体分
子の存在および濃度の両方または一方を検出するため、
生体分子によって生じる屈折率の変化を利用した。しか
し、ＥＰ−Ａ−３５３９５７号に記載のように、免疫測
定において蛍光または燐光を励起させる表面プラズモン
に関連したエバネセント波の利用も既知のところであ
る。

【００１２】表面プラズモン共鳴の適用に関する一般的
な問題は、生体分子を「過励起」させる可能性がある、
すなわち入射電磁波から生体分子に過剰なエネルギが伝
達される、ということである。こうした場合、生体分子
は、ブリーチされる可能性がある、すなわち、生体分子
がその特性およびその物理的作用に変化を生じ、もはや
検出不能ということになる可能性がある。この効果は、
明らかに、測定結果を損なうものである。

【００１３】問題は、生体分子に対するエネルギの「ポ
ンピング」量を制御できないということである。もちろ
ん、ｐ偏光電磁波源によって放出されるエネルギは、既
知のところであり、変動させることができる。しかし、
生体分子に対してポンピングされる総放出エネルギの割
合は、未知である（すなわち、総放出エネルギは、既知
であるが、生体分子に加えられる部分は、未知であ
る）。理由は、先行技術による生体分子の検出構成の場
合、入射角が、表面プラズモン共鳴の発生する正確な角
度にならない（今後は、この角度をθＳＰＲと呼ぶこと
にする）。これは、この角度に正確に合わせることがで
きないか、あるいは、装置をθＳＰＲに合わせて正確に
調整できたとしても、この角度が、温度の影響、不特定
の分子（すなわち、検出対象でない分子）の結合、金属
／液体界面の変化等によってドリフトすることになるた
めである。従って、後者のアプローチの場合、表面プラ
ズモン共鳴に最適の角度θＳＰＲに対して入射角がある
程度の偏差を生じることになる。

【００１４】実際の入射角が表面プラズモン共鳴に最適
の角度に正確に対応しないので、結果として、ｐ偏光電
磁波によって伝達される総エネルギのほんの一部だけし
か、生体分子に加えられない。一方、上で概説したよう
に、この割合は未知である。理想の角度に対する実際の
角度の偏差を正確に求めることができたとしても、生体
分子に結合されるエネルギの割合は、明確な偏差の関数
ではないので、問題の解決にはならない。

【００１５】従って、先行技術による構成の場合、生体
分子に結合されるエネルギの有効な制御は、ほとんど不
可能である。もちろん、１００％のエネルギが結合した
としても、生体分子が損傷を受けないように、放射源に
よって放出されるエネルギの総量を減少させることは可
能である。しかし、実際の入射角と表面プラズモン共鳴
にとって理想の角度θ_ＳＰＲとの偏差によって、エネル
ギ伝達の７５％が減少するものと仮定すると、生体分子
に対してポンピングされる残りのエネルギでは、信頼に
足る測定を行うのに不十分である。一方、放射源の総エ
ネルギ出力が大幅に増すと、極めて低いエネルギ結合比
であったとしても、信頼に足る操作が可能であるが、１
００％結合されると、生体分子に損傷が生じることにな
る。

【００１６】

【発明の目的】本発明の目的は、表面プラズモン共鳴波
の励起に関して上述の種類の生体分子の存在および／ま
たは濃度を検出するための方法および装置を提供するこ
とにあり、この方法および装置によって、生体分子に結
合されるエネルギの正確な制御が可能になる。

【００１７】

【発明の概要】上記の目的は、境界部で反射する電磁波
をモニタして、強度を検出し、この境界部で反射する電
磁波の強度に基づいてｐ偏光電磁波の入射角に制御を加
え、強度が表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）の発生に対応
する最小限にほぼ保たれるようにすることによって解決
される。

【００１８】本発明の方法は、実際の入射角が表面プラ
ズモン共鳴にとって理想の角度θ_ＳＰＲに一致する場
合、ほぼ１００％の入射エネルギが生体分子に結合され
る。すなわち、本発明は、これらの角度が、必ずほぼ等
しくなることを保証する。放射源から出力される総エネ
ルギは、生体分子に伝達される。放射源から伝達される
（既知の）エネルギを制御することによって、生体分子
が受け取るエネルギ量を正確に求めることが可能であ
る。従って、生体分子に損傷を加えずに、最適な検出を
確実にするため、検出すべき生体分子に合わせて、放射
源のエネルギ出力を正確に調整することができる。

【００１９】境界部で反射する電磁波の強度をモニタ
し、その強度が基本的にその最低値に保たれるように、
入射角の制御を行うことによって、理想の角度θＳＰＲ
が、保持される。留意すべきは、境界部で反射する電磁
波は、通常、生体分子が蛍光、燐光、および、同様の効
果で発生する電磁波とは、角度が異なるという点であ
る。これは、境界部に吸収される生体分子が、屈折率を
変えるためである。さらに、蛍光、燐光等によって発生
する「誘発」放射線は、一般に、元の電磁波に比べる
と、波長が長いか、または周波数が低い。従って、２つ
のビームをモニタしなければならない。第１のビーム
は、生体分子から生じ、このビームの強度は、生体分子
の存在および／または濃度を表す。第２のビームは、境
界部で反射する（この第２のビームの反射角は、入射角
に等しい）。この第２のビームの強度は、入射角をθＳ
ＰＲに保持させるために、すなわち、最適な表面プラズ
モン波励起に合致させるために利用される。

【００２０】入射角の変更は、第２のビームの強度に依
存しており、該強度は最低値に保持されるが、この変更
は都合のよいやり方で実施することができる。光学的に
濃度の高い媒体が、透明なプリズム（特に、ガラスのプ
リズム）である望ましい実施例の場合、こうした変更
は、前記透明なプリズムを回転させることによって実施
することができる。一方、プリズムの中心まわりの円形
経路に沿って放射源を移動させるといったことも可能で
ある。

【００２１】上で概説したように、この方法の一般的な
利点は、最適な測定を可能にすると同時に、生体分子の
損傷を回避するため、放射源のエネルギを生体分子に正
確に適合させることができるという点である。ただし、
本発明の方法には、それ以外の利点もある。とりわけ、
該装置は、必ず、その最適な動作点に保持されるので、
エネルギが節約される。ほぼ１００％のエネルギが、生
体分子に結合されるので、多重反射波によって生じる２
次的効果が生じない。さらに、温度ドリフト、不特定分
子の吸収、境界部の変化等の効果が、排除される。放射
源のエネルギ出力が変動しないとしても、これらの利点
を得ることは可能である。第１の利点、すなわち、生体
分子に対する制御されたエネルギ移動を得るため、可変
放射源は必ずしも必要ではないが、本発明の有利な実施
例では、こうした放射源が設けられる。

【００２２】本発明の有利な実施例の場合、透明なプリ
ズムが、回転支持体によって支持されるが、前記強度の
増大またはかなりの増大が検出されると、あるいは、所
定の時間期間が満了すると、前記支持体は、第１の方向
に回転し、次に、前記第１の方向とは逆の第２の方向に
回転する。反射光の増大またはかなりの増大は、表面プ
ラズモン共鳴の理想の角度θ_ＳＰＲの値が、大きくなっ
たか、または、小さくなったことを表すので、以前の角
度に隣接する領域を探索して新しい最小値を求めなけれ
ばならない。一方、連続した適正な動作を確保するた
め、大した増大が認められなくても、時々、現在の動作
点に隣接した領域を走査することが有用である。

【００２３】代替実施例の場合、境界部で反射される電
磁波が、いくつかのモニタ素子、例えば、フォトダイオ
ードまたはフォトトランジスタのような、前記電磁波に
感応する素子からなるアレイ・センサによってモニタさ
れる。中心検知またはモニタ素子は、基準の働きをす
る。本実施例の目的は、この中心素子に焦点を合わせた
反射電磁波の強度を最低にすることである。

【００２４】反射ビームの焦点を中心素子に合わせたと
しても、入射波および反射波は、単一の表面において振
動するだけではない。すなわち、横方向の波または漂遊
波も存在する。これらは、表面プラズモン共鳴にとって
最適の角度θＳＰＲとはわずかに異なる角度で境界部を
照射する。中心素子に対して横方向に配置された検知素
子またはモニタ素子を利用して、こうした漂遊波が記録
される。従って、検出装置が、その最適点、すなわち、
θ＝θＳＰＲで動作する場合、横方向素子によって記録
される強度は、中心素子の強度よりも大きくなるものと
予測される。しかし、横方向素子によって記録される強
度が、中心素子によって記録される強度未満に低下する
場合、これは、調整ミスのために、あるいは、表面プラ
ズモン共鳴にとって最適の波長が、例えば、温度の影響
によって、または、不特定分子の吸収によって移動した
ために、もはや、該装置がθ＝θＳＰＲで動作していな
いことを表している。従って、これが生じると、装置の
再調整のため、制御信号が発生する。中心記録素子およ
び２つの横方向記録素子が例示のためのものであるの
は、明らかである。より正確な制御のためには、より多
くの横方向素子、例えば、１１個のフォトダイオードか
らなるアレイを利用することができる。また、上記のよ
うに、１次元構成ではなく、２次元構成をなすように、
検知素子を配置することも可能である。

【００２５】好都合なことに、ｐ偏光電磁波は、前記薄
い導電性フィルムの通過前後に、あるいは、その何れか
において、薄い誘電フィルムを通過する。こうした誘電
フィルムは、生体分子が吸収される金属フィルムとガラ
ス・プリズムの間に配置される。こうした誘電層を利用
すると、共鳴のピークが鋭くなり、また、関連する他の
利点も得られる。基本的には、この種の誘電層は、当該
技術において既知のところである（例えば、ＥＰ−Ａ−
３５３９３７号参照のこと）。

【００２６】もう一つの望ましい実施例の場合、光学的
に希薄な媒体は、前記生体分子が、前記境界部の光学的
に希薄な側に吸収され、被着し、あるいは物理的または
化学的に結合されるように溶解させられる溶媒である。
すなわち、生体分子は、境界部の光学的に希薄な側に存
在する。これは、生体分子を検出する通常の（ただし唯
一ではない）方法である。いくつかの技法を用いて、溶
液中の生体分子と境界部の間の接触を形成することがで
きる。そのほとんどが当該技術において周知のところで
ある、これらの技法は、各種物理的効果と化学的効果の
両方または一方を利用している。その最も一般的な方法
は、単純な吸収である。ただし、検出すべき生体分子と
既存のマーキングを施された生体分子の間の競合プロセ
スのようなより高度な方法も利用されている（例えば、
Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．、Ｂ３
１６、１４３〜１６０頁（１９８７年）の、Ｂａｄｌｅ
ｙ，Ｒ．Ａ．他による「ＯｐｔｉｃａｌＢｉｏｓｅｎ
ｓｏｒｓｆｏｒＩｍｍｕｎｏａｓｓａｙｓ：Ｔｈｅ
ＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅＣａｐｉｌｌａｒｙ−ｆ
ｉｌｌＤｅｖｉｃｅ」参照のこと）。

【００２７】好都合なことには、本発明の方法では、蛍
光、燐光、化学発光、または、電界発光物質が用いられ
ている。こうした物質は、表面プラズモン波によって励
起され、入射波の周波数と比べて周波数の低い放射線を
放出する。周波数の低い波は、同じ周波数の波に比べ
て、検出が容易である（公示されている先行技術の大部
分においては、後者のアプローチ、すなわち、生体分子
によって生じる屈折率の変化しか検出しない、すなわ
ち、入射波の周波数と同じ周波数の光を測定するアプロ
ーチが利用されてきた）。ただし、留意すべきは、本発
明が、標識付けされた生体分子を取り入れた有効な実施
例に限定されるものではないということである。代わり
に、吸収効果、ラマン分光学的効果、および、非線形効
果に基づく測定は、本発明による方法および装置によっ
て実施することも可能である。

【００２８】標識付けされた生体分子を利用する場合、
検出すべき生体分子（未知の生体分子）は、蛍光物質と
の化学的構造によって、直接標識付けすることが可能で
ある。ただし、未知の生体分子のない化学的構造を変え
る必要のない、より高度な方法もある。通常、こうした
技法では、その他の標識付けを施された生体分子が用い
られる。こうした技法の１つ、すなわち、未知の生体分
子と標識付け生体分子の間における競合プロセスについ
ては、既に論述した。代わりに、相補的標識付けを施さ
れた生体分子を利用することも可能である。

【００２９】次に、こうした相補的標識付けを施された
生体分子に基づく有利な実施例について述べることにす
る。

【００３０】この実施例によれば、前記境界部の光学的
に希薄な側には、未知の生体分子と相補性の捕獲分子に
よるコーティングが施されている。溶媒には、未知の生
体分子に加えて、溶液中の未知の生体分子に対し、相補
性の、標識付けされた生体分子も含まれている。すなわ
ち、２種類の相補性生体分子が用いられることになる。
第１の種類の生体分子は、境界部に固定された捕獲分子
（「補足プローブ（ｃａｐｔｕｒｅｐｒｏｂｅ）」と
も呼ばれる）である。第２の種類の生体分子は、例え
ば、蛍光物質によって標識付けが施されており、溶液に
溶かされている（「標識プローブ（ｌａｂｅｌｐｒｏ
ｂｅ）」とも呼ばれる）。未知の生体分子は、「目標プ
ローブ（ｔａｒｇｅｔｐｒｏｂｅ）」とも呼ばれる。

【００３１】測定時、目標プローブは、捕獲プローブに
吸収される。一方、標識プローブは、目標プローブに吸
収されるので、その標識が、表面プラズモン波によって
励起される。

【００３２】上述のプロセスは、デオキシリボ核酸（Ｄ
ＮＡ）のシーケンスを検出すべき場合には、とりわけ有
効である。表面プラズモン波が励起されると、これによ
って、蛍光物質の標識が励起される。これらの蛍光物質
による標識は、検査を受ける生体分子、すなわち、標識
プローブに付けることが可能であり、極めて感度の高
い、特定の検出システムが得られることになる。

【００３３】例えば、特定のＤＮＡシーケンス（「目標
ＤＮＡ（ｔａｒｇｅｔＤＮＡ）」）を検出するため、
まず最初に、単一のストランドをなすこの目標ＤＮＡと
その相補性合成ストランドとを溶液中において混成する
ことが提案されている。この合成ストランド（標識プロ
ーブ）は、その特異性を保証するため、１６の塩基より
長くなければならず、あらかじめ標識付けが施される
か、あるいは、後で標識付けが行えるように前処理が施
される。次に、この目標ラベルの複合体は、金属界面に
おいて、金属界面に結合することになるもう１つの相補
性合成ストランド（捕獲プローブ）に対して、混成によ
って固定化される。異なる誘電層の間に金属フィルムの
層を埋め込むことによって、エバネセント波の強度を最
適にできるだけでなく、捕獲プローブの結合を改善する
ことも可能になる。所定の入射角において、反射ビーム
は、急激な降下を示すが、この角度は、標識付けを施さ
れ、固定化された目標ＤＮＡを備えるサンプルボリュー
ム内に最大パワーを結合する角度にほとんど同一であ
る。この急降下は、蛍光物質の標識の最大光子パワーに
とって最適の条件を規定するための制御値として利用さ
れ、これによって、さらに、最低励起パワーがもたらさ
れるので、光破壊の可能性が低下する。Ｓ／Ｎ比をさら
に向上させるため、崩壊率が長く、ストークスのシフト
が大きい蛍光物質の標識を適用して、固有の蛍光および
検出される表面プラズモン信号に対する励起光の影響を
低減することが可能である。蛍光分子によって放出され
るかなりの量の蛍光を濃度の高い媒体に結合することが
可能である。こうした装置の利点は、サンプルボリュー
ムと光路の間の完全な分離である。さらに、それ自体、
濃度の高い媒体と整合のとれた、薄いカバー・ガラス
に、異なる誘電層および金属層を被着させることが可能
である。こうした修正されたカバー・ガラスは、安価
で、使い捨ての装置として利用することができ、光源お
よび検出器は濃度の高い媒体に一体化することができ
る。濃度の高い媒体は、規定の最小入射角および最大入
射角を備えたウェッジ状の光ビームを結合可能な半円形
プリズムとすることも可能である。

【００３４】上述のプロセスに適した蛍光物質の標識に
は、例えば、希土類元素の金属がある。崩壊率の長いこ
れらの元素には、固有の蛍光の崩壊後であっても、その
放出の検出が可能であるという利点があり、ストークス
・シフトが大きいので、励起光、固有蛍光、および、放
出光の間において光学的な減結合（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎ
ｇ）が生じることになる。

【００３５】こうした蛍光物質の標識を用いるため、ビ
オチンのような蛋白質、ジゴキシゲニン、または、その
他の適合する物質が、ＤＮＡストランドに挿入される。
こうした蛋白質は、アビジンのような分子または抗体に
特に結合し、これらは、さらに、蛍光および燐光分子を
構成する。

【００３６】標識ＤＮＡだけでなく、一般的な捕獲ＤＮ
Ａも、目標ＤＮＡと相補性で、ほぼ２０の塩基からなる
合成オリゴヌクレオチドである。

【００３７】本発明は、上述の方法を実施する働きをす
る装置に関するものでもある。本発明の態様の１つによ
れば、生体分子の存在および濃度の両方または一方を検
出するためのこうした装置は、可視光のスペクトル内で
あることが望ましい電磁波源、電磁波源から放出される
電磁波にｐ偏光を施す偏光手段と、ｐ偏光を施された電
磁波の方向付けをし、光学的に濃度の高い媒体を通っ
て、光学的に濃度の高い媒体と光学的に希薄な媒体の間
の境界部に達するようにするための手段と、境界部上
の、金属フィルムが望ましい、薄い導電性フィルムまた
は半導体フィルムと、境界部において生体分子によって
反射され、あるいは、発生する放射線をモニタする第１
のモニタ手段と、境界部において反射される電磁波をモ
ニタする第２のモニタ手段と、境界部において反射され
る電磁波の強度を検出する強度検出手段と、境界部にお
いて反射される電磁波の強度に従って、衝突するｐ偏光
電磁波の入射角を制御し、強度が、表面プラズモン共鳴
の発生に対応した最小値にほぼ保たれるようにする制御
手段から構成される。本発明の装置によれば、第２のモ
ニタ手段は、境界部において反射される電磁波を検出す
る。さらに反射された電磁波の強度は、入射角度を制御
するのに利用される。これは制御手段によって実施され
る。

【００３８】当該技術の熟練者には明らかなように、上
述の第２のモニタ手段と強度検出手段は、１つのコンポ
ーネントに一体化することができるし、あるいは両方の
タスクを共通のコンポーネントによって実施することも
できる。同様に、第１と第２のモニタ手段は、共通のコ
ンポーネントにすることが可能である。上記はとりわ
け、吸収を利用して、生体分子を検出する場合、従っ
て、境界部で反射する電磁波の角度、および、生体分子
によって反射する電磁波の角度が、ほんのわずかしか変
わらない場合に当てはまることである。しかし、上述の
角度における差が顕著な、蛍光および燐光を利用する場
合には、異なるモニタ手段を利用することが可能であ
る。

【００３９】一般に、第１のモニタ手段、第２のモニタ
手段、および、強度検出手段は、任意の適合する方法で
組み合わせることが可能である。例えば、上記角度が少
しだけしか異ならない場合には、同じ検出器を利用し
て、境界部から放出される電磁波、および生体分子によ
って放出される電磁波（例えば、光）を記録することが
できる。ダイオード・アレイは、こうした環境に適した
検出器と思われる。フィルタを利用することも可能であ
る。

【００４０】入射角を制御する（あるいは補正する）た
めの各種代替がある。光学的に濃度の高い媒体が透明な
プリズム（例えば、ガラス）である望ましい実施例の場
合、こうしたプリズムは、制御手段によって発生する制
御信号に基づいて、モータ（ステップ・モータのよう
な）で回転する回転式支持体に取りつけることが可能で
ある。入射角がΔθだけ回転すると、第２のモニタ手段
は、２×Δθだけ回転する。従って、ガラス製プリズム
がΔθだけ回転すると、第２のモニタ手段を２×Δθだ
け回転させるギヤのような伝達手段を備えるのが有利で
ある。この機能を果たすテーブルまたはディスクは、当
該技術において周知のところであり、市販されている。

【００４１】ただし、留意しておくべきは、さらに、プ
リズムの中心まわりの円形経路に沿って放射源を移動さ
せるか、あるいは、放射源アレイを利用することによっ
て、制御信号に応じて、入射角を変更することも可能で
あるが、この場合、制御信号に従って所定の時点に活動
（すなわち、放射）するのは、これらの放射源の１つだ
けであるということである。

【００４２】制御信号の発生についても、いくつかの有
利な方法がある。これらの解決法の１つ、すなわち、現
在の動作点に隣接した領域を探索して、最低強度を求め
る解決法（ソフトウェアで解決することができる）につ
いては、上で既に解決した。こうした探索を実施する方
法の１つについては、詳細な説明において述べることに
する。もう１つの適合する解決法によれば、第２のモニ
タ手段は、少なくとも中心モニタ素子と、少なくとも、
前記中心モニタ素子の任意の側における横方向素子を備
えた、できれば、フォトダイオードまたはフォトトラン
ジスタといった、モニタ素子からなるアレイによって構
成され、この場合、前記横方向素子の１つによって記録
される強度が、前記中心素子によって記録される強度よ
り低いと、少なくとも制御信号を発生する制御信号発生
手段が設けられており、前記制御信号は、前記制御手段
に送られる。

【００４３】すでに概説したように、本発明の主たる目
的は、生体分子に結合されたエネルギ量を正確に制御す
ることにある。本発明によれば、透過率は常にほぼ１０
０％になることが保証されるので、そのエネルギ出力を
検査を受ける生体分子に適応させるには、可調整放射源
を備えるのがさらに有利である。ただし、あるタイプの
生体分子だけしか検査しない場合には、放射源は、調整
可能である必要はない。

【００４４】以上の方法および装置は、デオキシリボ核
酸の分子の検出に特に有効であり、適していることが証
明されている。ただし、他の種類の生体分子について
も、こうした方法および装置によって、確実に検出する
ことができるのは、明らかである。

【００４５】

【実施例】図６に示す先行技術による構成の場合、可視
スペクトル内のｐ偏光のような電磁放射線の発生源１が
設けられている。この光は（光線２）、レンズ１ａを介
して半円形のガラス製プリズム３に送り込まれる。溶媒
４には、検出すべき、溶解したＤＮＡ分子が含まれてい
る（図６の場合、そのうちの３つ、５ａ、５ｂ、および
５ｃには標識が付けられている）。ガラス製プリズム３
は、溶媒４に関して、光学的に濃度の高い媒体として働
き、溶媒は、光学的に希薄な媒体をなす。

【００４６】入射角θは、全反射が生じるように、すな
わち、θ≧θ_Ｃｒ（臨界角）になるように選択される。

【００４７】全反射が生じると、エバネセント波が発生
し、波長の一部が光学的に希薄な媒体（溶媒４）に侵入
する。このエバネセント波は、図では６で表示されてい
る。溶媒４に正味エネルギの流れ込むことはないが、エ
バネセント波６の電界振幅は、ガラス製プリズム３と溶
媒４の境界部において最大であり、境界部からの距離に
応じて指数関数的に減衰する。

【００４８】図６の場合、ＤＮＡ分子５ａ〜５ｂには、
蛍光物質で標識付けが施される。エバネセント波６が蛍
光物質を励起させ、これによって、周波数の低い光が放
出される（損失のため）、すなわち、ν_{ｅｍｉｔｔｅｄ}
≦ν_{ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ}、ここで、ν
_{ｅｍｉｔｔｅｄ}は、蛍光物質から放出される光の周波数
を表し、ν_{ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ}は、入射光（参照番号
２）の周波数を表している。また、ν_{ｅｍｉｔｔｅｄ}＝
ν_{ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ}−Δνと書くことも可能である
が、ここで、Δνは、蛍光物質の損失を表している。

【００４９】蛍光物質から放出される光は、光線８によ
って示すように、結合によって、ガラス製プリズム３に
戻る。周波数が異なるため、放出される光φの角度は、
入射角度θと全く同じにはならない（留意しなければな
らないのは、これが、この用語の一般的な意味による
「反射された」光ではないという点である）。次に、光
線８は、光学フィルタ９に達し、周波数νｅｍｉｔｔｅ
ｄの光だけが通過し、すなわち、蛍光物質から放出され
た光でなければ、ブロックされる。フィルタリングを施
した光（光線１０）は、検出器１１に送られる。

【００５０】検出器１１に入射する光の強度は、この場
合、蛍光物質によって標識付けされ、界面７に吸収され
たＤＮＡ分子の量に正比例する。

【００５１】図７には、表面プラズモン波による生体分
子の励起に関する先行技術による構成が示されている。
放射源１２によって発生するｐ偏光光は、フィルタ１３
に送られ、さらに、ガラス製プリズム１４に送られる
（光線１５）。図６の構成と図７の構成との主たる相違
は、ガラス製プリズム１４と溶媒１７の間に薄い金属層
１６が設けられている点である。さらに、誘電層１８に
よって、金属層１６が溶媒１７から分離される（図７に
は示されていないが、金属層１６とガラス製プリズム１
４の間に、同様の誘電層を設けることも可能である）。

【００５２】入射光が境界部１９に角度θ＝θＳＰＲで
当たると、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）、すなわち、
金属フィルムにおける集団電子振動に関連した表面モー
ドが生じる。表面プラズモン波は、境界部２０（溶媒１
７との境界部）に沿って伝搬する「束縛」波である（す
なわち、エネルギが放出されない）。表面プラズモン波
は、溶媒１７の表面に沿ってだけでなく、金属フィルム
１６にも伝搬する。誘電フィルム１８が、金属フィルム
１６への伝搬による損失を減少させる。

【００５３】一般には、後述のように、θＳＰＲ＞θＣ
ｒのＤＮＡ分子２１ａ〜２１ｃは、境界部２０に吸収さ
れ、それによって境界部における屈折率が変化する。こ
の屈折率の変化は、検出器２２によってモニタさせるこ
とができる。検出器２２に対するこの光線は、図７にお
いて２３で表示されているが、もう１つのフィルタ２４
に通されることになる。検出器２２に送られる光の角度
φは、ＤＮＡ分子２１ａ〜２１ｃによって生じる屈折
率、すなわち、φ≠θのため、入射角θとは異なる。

【００５４】図８には、入射角θに応じたｐ偏光光の反
射率Ｒが示されている。臨界角θＣｒ（ブルースター角
θＢｒより大きい臨界角）において全反射が生じる。こ
の角度において、ｐ偏光光の反射率は、ほぼ１になる。
反射率の急激な降下が、θ＝θＳＰＲにおいて観測され
る。これは、表面プラズモン共鳴の発生する入射角であ
る。留意すべきは、θ＝θＳＰＲにおける最低値は、極
めて小さいという点である。すなわち、入射角がさらに
増すと、すなわち、θ＞θＳＰＲになると、表面プラズ
モン共鳴は、生じない。同じことが、θ＜θＳＰＲの場
合にも言える。

【００５５】ＤＮＡ分子を境界部に吸収させる本発明の
基本アプローチが、図１に示されている。この図では、
金属フィルムは２５で表示されており、２６は誘電層で
ある。「目標ＤＮＡ」、すなわち検出すべきＤＮＡは、
２７で示されている。

【００５６】誘電層２６には、捕獲ＤＮＡ２８による
「コーティング」が施されている。捕獲ＤＮＡ２８は、
誘電層２６に固定化されており、目標ＤＮＡ２７に対し
て相補性の構造を備えている。

【００５７】測定時、目標ＤＮＡ２７に加え、相補性Ｄ
ＮＡ、すなわち、標識ＤＮＡ２９も、水のような溶媒に
溶かされる。目標ＤＮＡ２７の一部は、溶液中において
標識ＤＮＡ２９と混成する。次に、目標ＤＮＡ２７の別
の部分が、捕獲ＤＮＡ２８と混成し、複合体全体が境界
部に固定化される。第１の混成（目標ＤＮＡと標識ＤＮ
Ａ）、すなわち、溶媒中における３次元の混成の方が速
く行われ、目標ＤＮＡ／捕獲ＤＮＡの２次元の混成は、
遅くなる。

【００５８】標識ＤＮＡ２９は、上述のように、蛍光物
質３０に化学的に結合する。蛍光物質の量は、従って、
溶液中における目標ＤＮＡの量により測定される。

【００５９】図２に示す本発明の実施例の場合、光源３
１は、制御手段３２で示すように調整可能である。制御
手段３２は、光源３１のエネルギ出力、すなわち、放出
されるビームの強度を制御する。このビームは、ｐ偏光
光を発生するように、偏光子３３を通過される。さらに
ｐ偏光光の入射光ビーム３４はガラス製プリズム３５に
達する。

【００６０】図２の実施例の場合、３つの層、すなわ
ち、第１の誘電層３６、金属層３７、および、第２の誘
電層３８が、ガラス製プリズム３５に隣接している。留
意しなければならないのは、これらの層の厚さは、先行
図の場合と同様、図示のため、誇張して描かれている。
実際には、該厚さは、数ｎｍしかない。従って、上述の
ように、該層は、溶液中の目標ＤＮＡおよび標識ＤＮＡ
を含んでいる溶媒４０との境界部３９を形成している。
これらのＤＮＡ分子は、やはり、上述のように、境界部
に吸収される。吸収されるＤＮＡの一部が、例示のため
に描かれている。参照番号４１ａ、４１ｂおよび４１ｃ
参照のこと。

【００６１】入射点３４を通過してプリズム３５に入射
した光ビーム４２は、入射角θ（すなわち、境界部にお
ける入射光と法線との角度）で境界部３９にぶつかる。
入射角θは、表面プラズモン共鳴が、θ＝θＳＰＲの場
合に発生するように選択される。

【００６２】ただし、留意すべきは、入射光ビームが境
界部にぶつかるポイントから２つの光線４３および４４
が生じるということである。

【００６３】光線４３は、境界部において反射する励起
光に対応する。光線４３の反射角δは、入射角θに等し
く、δ＝θである。

【００６４】標識ＤＮＡが蛍光物質による標識付けを施
されているものと仮定すると、表面プラズモン波によっ
て、蛍光標識が励起され、放出される光の波長が長くな
るか、あるいは、短くなる。すなわち、λｅｍｉｔｔｅ
ｄ＞λｉｍｐｉｎｇｉｎｇ、および、νｅｍｉｔｔｅｄ
＜νｉｍｐｉｎｇｉｎｇ（λ：波長、ν：周波数）とな
る。これは、蛍光分子のエネルギ損失による。

【００６５】蛍光標識によって放出される光は、もう１
つの表面プラズモン波による結合によってガラス製プリ
ズムに戻される（すなわち、放出される光によって境界
部に表面プラズモン波が発生し、これによって、さら
に、ガラス製プリズムを通る光線が生じることにな
る）。これは、図２において光ビーム４４で示してあ
る。周波数の低下によって、その反射角φは、入射角と
異なることになる。通常、角度δとφの差は、約１°〜
２°である。すなわち、φ−δ≒１°〜２°である。

【００６６】光線４３および４４は、異なる検出器４６
および４５によって検出される（他の実施例について
は、後述する）。当該技術の熟練者には周知のように、
検出器４５が受ける光線の強度を利用して、目標ＤＮＡ
の濃度が求められる。

【００６７】検出器４６の出力は、強度検出器４７に送
られる。本発明の目標は、表面プラズモン共鳴にとって
最適に、すなわち、θ＝θ_ＳＰＲになるように該装置を
操作して、この強度をできるだけ低く保つことにある。

【００６８】このステップは、制御装置４８によって実
施され、該制御装置は、さらに、入射角θの制御を行う
（フィードバック４９）。入射角の変更および制御は、
さまざまな方法で行うことが可能であり、詳細について
は、後述することにする。

【００６９】図２には、本発明による装置の基本構造に
ついて、概要が示されている。さらに詳細な説明につい
ては、次に、図３に関連して行うことにする。

【００７０】図３によれば、例えば、ヘリウム・ネオン
・レーザのようなレーザ５０の光が、偏光子５１に、さ
らに、アイリス５２に送られる（アイリスは、迷光を減
少させるために用いられる）。入射光は、さらに、第１
のミラー５３および第２のミラー５４によって、第２の
アイリス５５、次いで、ガラス製プリズム５６に送られ
る。

【００７１】ミラー５４は、半透過性ミラーである。こ
のミラーに入射する光子の中には、アイリス５５の方向
に反射せず、代わりに、ミラーを透過するものもある。
これらの光子は、コンピュータ５８に接続された検出器
５７にぶつかる。検出器５７によって記録される信号
は、基準信号として、例えば、レーザ５０のエネルギを
制御したり、あるいは、測定を受けるＤＮＡ濃度を正常
化するために利用される。

【００７２】ガラス製プリズム５６の詳細、および、目
標ＤＮＡおよび標識ＤＮＡが境界部に吸収される方法
は、図２に関連して解説した内容と同じであり、ここで
は取り上げない。ＤＮＡ分子を吸収した境界部の概略
が、図３に参照番号５９によって示されている。

【００７３】ガラス製プリズム５６は、回転デスクまた
はテーブル６０に取り付けられている。回転の目的の１
つは、入射光の角度θを表面プラズモン共鳴にとって最
適の角度、すなわち、θ＝θＳＰＲに保つことにある。
回転デスク６０のシャフトは、回転に適した手段、例え
ば、ステップ・モータ（図示せず）に接続されている。
さらに、回転デスク６０が回転する２つの速度または角
度で、第２の検出器６１を回転させる伝達装置（例え
ば、歯車）が設けられている。例えば、回転デスク６０
が増分Δθだけ回転すると、検出器６１は、増分２×Δ
θだけ回転することになる。この機能を果たす回転デス
クは、当該技術において既知のところであり、ここでは
明示しない。

【００７４】検出器６１には、境界部で反射した光に加
え、蛍光標識から放出された光をも記録する手段が含ま
れている。留意すべきは、（図２の環境におけるよう
に）独立した検出器は、設けられていないという点であ
る。これらの光ビーム間における角度の差がわずかであ
るため、単一の検出器を利用することができる。実際、
光線６２は、両方の光ビームを表している（境界部で反
射した光、並びに、蛍光標識から放出された光）。

【００７５】しかし、上述の光ビームは、区別が容易で
ある。まず、例えば、検出器６１において、角位置がわ
ずかにオフセットした２つの検出器を利用することがで
きる。また、適当なフィルタを利用することも可能であ
る（一方のフィルタが励起光を通過させ、もう一方のフ
ィルタは蛍光の波長に適合する）。フィルタを時間多重
化モードで動作させ、単一検出器が、ある時点において
励起光を受け、別の時点において蛍光波長を受けるよう
にすることができるので、好都合である。当該技術の熟
練者には、他の構成も明らかである。

【００７６】検出器６１が検出する信号は、コンピュー
タ５８に送られ、このコンピュータは、反射励起光の強
度を利用して、回転デスク６０の駆動手段（例えば、ス
テップ・モータ）を制御し、フィードバック・ループ６
３で示すように、入射角θを表面プラズモン共鳴にとっ
て最適の位置に保つ。次に、蛍光の強度を利用して、ガ
ラス製プリズム５６の境界部におけるＤＮＡ分子の濃度
を計算する。コンピュータ５８は、さらに、用紙に結果
を記録するため、プロッタに接続されている。

【００７７】図４のフローチャートには、コンピュータ
が、いかにして、入射角θを表面プラズモン共鳴にとっ
て最適の位置に保つことができるかが示されている。図
４に示すルーチンは、離散的時間間隔で行われ、割り込
みによって開始される。

【００７８】「開始」の表示（参照番号６５）からルー
チンに入る。該ルーチンでは、まず、反射励起信号Ｉｎ
の強度が、フローチャートを最後に実施したときの測定
強度Ｉｎ−１より大きいか否かをチェックする（参照番
号６６）。答えがイエスの場合、これは、該装置が、お
そらく、最適な入射角で動作していないということにな
り、操作は囲み６７に進む。留意しなければならないの
は、可能性のある強度の増大、すなわち、Ｉｎ＞Ｉｎ−
１は、必ずしも入射角が最適であることを表していない
という点である。強度は、温度の影響、境界部に対する
不特定分子の結合等によって、入射角のシフトを伴わず
に増大する可能性がある。しかし、上述の効果の１つに
よって、強度の最低値が別の角度に移動した可能性はか
なり高い。同様に、該装置の単なる調整ミスであること
も考えられる。

【００７９】強度の増大が認められなければ、たまたま
動作点が最適でないという可能性がある。例えば、最低
強度のレベルが低下し、同時に最低強度がわずかにシフ
トしたものと仮定する。こうした場合、ある動作点にお
ける強度は、増大しないか、あるいは、わずかに減少を
示すことさえあるかもしれないが、この動作点は、もは
や、θ＝θ_ＳＰＲのポイントではない。

【００８０】従って、提示のルーチンでは、時々、強度
の増大が示されたか否かに関係なく、現在の動作点が最
適か否かのチェックが行われる。これが、囲み６８で示
されている。最後のチェック以来の時間Ｔが、あらかじ
め設定された値Ｔ_ＭＡＸを超えている場合、次のチェッ
クが必要になる。Ｔ_ＭＡＸの選択は、例えば、数分の場
合もあれば、あるいは、数時間の場合さえある。

【００８１】Ｔ_ＭＡＸを超えず、また、強度も増大しな
いという場合、再調整は不要である。操作が囲み６９に
進み（タイマＴの増数）、次に、ルーチンを出る（ライ
ン７０、「戻り」表示７１）。別様であれば、タイマＴ
は、ゼロにセットされる。（囲み７２）。

【００８２】再調整が必要な場合、ルーチンは、現在の
動作点に隣接した領域を走査して、新しい最小値を求め
る。ルーチンのこの部分は、囲み６７で開始され、一時
カウンタｍが、セット・アップされる（ルーチンのこの
部分のためだけに）。

【００８３】囲み７３において、カウンタｍが増数し、
入射角θがあらかじめ設定した値Δ（例えば、ステップ
・モータの１ステップに相当する）だけθが小さくな
る。図３を参照すると、これは、回転デスク６０の反時
計回り方向における回転と考えられる。

【００８４】次に、新しい動作点における強度Ｉ_ｍとそ
の前の値の比較が行われる（参照番号７４）。低下して
いれば（ライン７５）、これは、現在の入射角が、その
以前の値に比べて、最低値に近いということになり、同
じ方向に回転が続行される。

【００８５】一方、新しい角度における強度が、以前の
角度における強度を超えると、回転デスクは、回転しす
ぎたことになる。従って、最終ステップは、デスクを逆
方向に回転させて補正される。

【００８６】同様に、次に、ステップ７７において、別
の方向における最低値の有無をチェックするため、入射
角を大きくする（回転デスク６０の反時計廻り方向の回
転）。ステップ７８および７９は、ステップ７４および
７６に対応する。

【００８７】留意すべきは、ルーチンの終了時には、入
射角が以前の角度と一致するのであろうということであ
る。これは、例えば、タイマＴの満了によって、検索が
開始されるが、最低強度の移動がないという場合であ
る。

【００８８】図４のフローチャートには、入射角を制御
するための極めて単純なルーチンが示されている。当該
技術の熟練者であれば、例えば強度の導関数ｄＩ／ｄｔ
を考慮し、局所的最低値の存在する場合でも、大域最低
値を探索する、より高度なプログラムの開発が可能であ
る。

【００８９】図５には、入射角を制御することの可能な
もう１つの方法が示されている。中心フォトダイオード
８０ａと２つの横方向フォトダイオード８０ｂおよび８
０ｃからなるフォトダイオード・アレイ８０が、反射励
起光を受ける。該ダイオードは、互いに少し間隔を開け
て配置されている。

【００９０】フォトダイオード８０ｂおよび８０ｃが受
ける迷光は、わずかに異なる入射角を表している。中心
フォトダイオード８０ａが、全てのフォトダイオード中
で最低強度を受けている限りは、該装置は、θ＝θ
_ＳＰＲ、すなわち、最適条件で動作していることにな
る。こうした場合、コンパレータ８１および８２は、負
の信号またはゼロ信号を発生するので、ステップ・モー
タはデスク６０を回転させない。すなわち、何も起こら
ない。コンパレータ８１は、その反転入力において、ラ
イン８３の、フォトダイオード８０ｃからの強度信号を
受け、その非反転入力において、ライン８４の、フォト
ダイオード８０ａからの強度信号を受ける。同様に、コ
ンパレータ８２は、その反転入力において、ライン８５
の、フォトダイオード８０ｂからの強度信号を受け、そ
の非反転入力において、ライン８６の、フォトダイオー
ド８０ａからの強度信号を受ける。

【００９１】例えば、ここで、フォトダイオード８０ｃ
の強度信号が、中心フォトダイオード８０ａが示す強度
より低いものと仮定する。これは、該装置の調整ミスで
あることを表している。次に、デスクを回転させるた
め、コンパレータ８１は、正の制御信号をライン８７に
送り出す。フォトダイオード・アレイ８０が図３の検出
器６１の一部である場合、これは、入射角を小さくする
ために、デスクを右方向すなわち時計廻り方向に回転さ
せなければならないということになる。次に最低強度
が、フォトダイオード・アレイ８０の中心、すなわち、
中心フォトダイオード８０ａの方向にシフトする。

【００９２】回転は、中心フォトダイオード８０ａが最
低強度を記録するまで続行される。同様に、フォトダイ
オード８０ｂが最低強度を記録すると、デスクは、制御
ライン８８を介して反時計廻り方向に回転する。

【００９３】図５は、本発明を明らかにする一例にすぎ
ない。例えば、横方向のフォトダイオード数を増やすこ
ともできるし、フォトダイオード以外の感光素子を用い
ることができるのも明らかである。

【００９４】本発明について、特定の実施例に関連し
て、解説し、例示してきたが、当該技術の熟練者には明
らかなように、上述の、および請求項に記載の本発明の
原理を逸脱することなく、修正および変更を加えること
が可能である。

【００９５】

【発明の効果】本発明は、上記のように構成したので以
下の効果を奏することができる。ｐ偏光電磁波の入射角
を表面プラズモン共鳴にとって理想の角度θＳＰＲにほ
ぼ一致させることができる。これにより、生体分子に結
合されるエネルギの正確な制御が可能となり、生体分子
の存在や濃度の最適な測定が可能となり、また生体分子
に損傷を与えることなく、精度の高い検出を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＤＮＡストランドの吸収のメカニズムを示す説
明図である。

【図２】本発明の検出装置の一実施例を示す図である。

【図３】本発明の検出装置の一実施例を示す図である。

【図４】反射光の最小強度を検出するためのフローチャ
ートである。

【図５】フォトダイオード・アレイに基づく代替の制御
機構を示す図である。

【図６】エバネセント波を発生させるたの生体分子を励
起し、生体分子の濃度を測定するための第１の従来例を
示す図である。

【図７】表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させるこ
とにより導体や半導体を励起し、生体分子の濃度を測定
するための第２の従来例を示す図である。

【図８】偏光した光の反射率を示すための図である。

【符号の説明】３１光源３２制御手段３３偏向子３４入射点３５プリズム３６第１の誘電層３７金属層３８第２の誘電層３９境界部４０溶媒４１ａ〜４１ｃＤＮＡ４２光ビーム４３，４４光線４５，４６検出器４７強度検出器４８制御装置４９フィードバック

フロントページの続き (73)特許権者 399117121 395 ＰａｇｅＭｉｌｌＲｏａｄＰａｌｏＡｌｔｏ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａＵ．Ｓ．Ａ. (56)参考文献特開昭63−75542（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−35689（ＪＰ，Ａ) 特開平１−138443（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−220834（ＪＰ，Ａ) 特開平１−308946（ＪＰ，Ａ) 特開平３−261846（ＪＰ，Ａ) 実開平４−96050（ＪＰ，Ｕ) 特表平４−506998（ＪＰ，Ａ) 特表平６−505794（ＪＰ，Ａ) 特表平６−501546（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 G01N 21/62 - 21/74 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ) 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】生体分子を検出するための方法であっ
て：（ａ）境界部に複数の生体分子を付けるステップと、該
境界部が、光学的に濃度の高い媒体と光学的に希薄な媒
体との間に存在し、光学的に濃度の高い媒体に隣接する
第一の面と光学的に希薄な媒体に隣接する第二の面とを
有し、該複数の生体分子が、（ｉ）前記境界部への吸収、（ｉｉ）前記境界部上への被着、（ｉｉｉ）前記境界部への物理的または化学的結合の少なくとも１つによって付けられ、前記境界部がフィ
ルムを備え、このフィルムが、表面プラズモン波を導電
可能な導電性を有し；（ｂ）前記境界部上に前記光学的に濃度の高い媒体を通
過する光を用いてｐ偏光電磁波を照射するステップと、
前記境界部に照射されるｐ偏光電磁波の入射角（θ）
が、表面プラズモン共鳴が発生する角（θＳＰＲ）に実
質上等しく、表面プラズモン波が、前記境界部で前記複
数の生体分子に起因して生じて、該表面プラズモン波に
応じて電磁波が反射または発生し；（ｃ）前記境界部で前記複数の生体分子により反射され
る電磁波及び発生する電磁波の少なくとも１つをモニタ
し、（ｉ）前記複数の生体分子の存在及び（ｉｉ）前記複数の生体分子の濃度の少なくとも１つを、前記反射される電磁波または発生
する電磁波の少なくとも１つの解析によって検出するス
テップと、前記境界部で前記複数の生体分子により反射
されまたは発生する電磁波の強度が検出され；さらに（ｄ）前記境界部で反射され又は発生する電磁波の強度
によって照射されるｐ偏光電磁波の入射角（θ）を制御
するステップと、それによって該電磁波の強度が、表面
プラズモン共鳴の発生に対応する最小に実質上保たれ
る、各ステップからなる方法。
【請求項２】前記光学的に濃度の高い媒体が透明なプ
リズムである、請求項１記載の方法。
【請求項３】前記電磁波の強度によって前記透明プリ
ズムを支持する回転可能支持体を移動するステップをさ
らに含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】前記電磁波の強度の増大に応じて、もし
くは所定の時間期間（ＴＭＡＸ）が満了した場合に、前
記回転可能支持体が、第一の方向に回転され、さらにこ
の第一の方向とは反対の第二の方向に回転される、請求
項３記載の方法。
【請求項５】前記境界部で反射される電磁波が、少な
くとも１つの中心モニタ素子とこの中心モニタ素子の両
側の少なくとも１つづつの横方向モニタ素子からなるモ
ニタ素子アレイへ送られ、前記横方向モニタ素子の１つ
によって検出される強度が前記中心モニタ素子によって
検出される強度よりも小さい場合に、前記入射角（θ）
の調整を行う制御信号が発生する、請求項１〜４のいず
れか１項に記載の方法。
【請求項６】（ｉ）ｐ偏光電磁波が前記フィルムを通
過する前に誘電層を通過するステップ、及び（ｉｉ）ｐ偏光電磁波が前記フィルムを通過した後に誘
電層を通過するステップ、の少なくとも１つをさらに含
む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】前記光学的に希薄な媒体が、前記複数の
生体分子が溶けている溶液であり、それによって少なく
とも前記複数の生体分子の幾つかが、前記境界部の第二
の面に吸収し、被着しもしくは物理的または化学的に結
合する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】前記複数の生体分子及び前記複数の生体
分子に対して相補的な相補的生体分子の少なくとも一方
が、蛍光、燐光、化学発光又は電解発光物質によって標
識付けされる、請求項７記載の方法。
【請求項９】前記境界部の第二の面が、前記複数の生
体分子に対して相補的な捕獲分子、前記複数の生体分子
からなる溶液及び前記複数の生体分子に対して相補的な
標識付けされた分子によってコーティングされている、
請求項８記載の方法。
【請求項１０】前記複数の生体分子及び前記複数の生
体分子に対して相補的である相補的生体分子の少なくと
も一方が、蛍光、燐光、化学発光又は電解発光物質によ
って標識付けされる、請求項１〜９のいずれか１項に記
載の方法。
【請求項１１】境界部で生体分子を検出するための装
置であって、該境界部が、光学的に濃度の高い媒体と光
学的に希薄な媒体との間に存在し、該生体分子が前記境
界部上にもしくは前記境界部に付けられ、前記境界部が
前記境界部に結合する導電性のフィルムを備え、該フィ
ルムが表面プラズモン波を導電可能であって、前記装置
が、電磁波放射源と；前記電磁波発生装置により放出される電磁波をｐ偏光さ
せるための偏光手段と；光学的に濃度の高い媒体を通して前記ｐ偏光電磁波を前
記境界部上へ方向付けするための手段と、前記境界部が
光学的に濃度の高い媒体と光学的に希釈な媒体との間に
存在することと；前記境界部で前記生体分子によって反射又は発生する放
射をモニタするための第１のモニタ手段と；前記境界部で反射又は発生する電磁波をモニタするため
の第２のモニタ手段と；前記境界部で反射又は発生する電磁波の強度を検出する
ための、前記第１及び第２のモニタ手段に結合されてい
る強度検出手段と；前記強度検出手段に結合され、かつ前記ｐ偏光電磁波を
検出するための手段に結合されている制御手段と、該制
御手段が、前記電磁波の強度によって、照射されるｐ偏
光電磁波の入射角を制御し、それによって前記電磁波の
強度が表面プラズモン共鳴の発生に対応する最小に実質
上保たれることを含むことを特徴とする装置。
【請求項１２】前記第２のモニタ手段が検出器を含
み、該検出器が前記ｐ偏光電磁波のスペクトルにのみ応
答する、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】前記第２のモニタ手段と共に前記第１
のモニタ手段が、前記境界部で反射される前記電磁波及
び前記ｐ偏光電磁波に選択的に応答する検出器を含む、
請求項１１又は１２記載の装置。
【請求項１４】前記第２のモニタ手段が、少なくとも
１つの中心モニタ素子及びこの中心モニタ素子の両側の
少なくとも１つづつの横方向モニタ素子を備えるモニタ
素子アレイと、該横方向モニタ素子の１つによって検出
される強度が該中心モニタ素子によって検出される強度
よりも小さい場合に、制御信号を供給する制御信号発生
手段とからなり、該制御信号が前記制御手段に送られ
る、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】前記ｐ偏光電磁波を境界部上に方向付
けるための手段が透明プリズムからなる、請求項１１〜
１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】前記透明プリズムが、前記制御手段に
よって制御される作動手段によって回転可能な支持体に
設けられ、前記透明プリズムが角度Δθ回転される、請
求項１５記載の装置。
【請求項１７】前記支持体を第１の角度（Δθ）回転
させ、前記第１及び第２のモニタ手段の少なくとも１つ
を前記第１の角度の２倍（２×Δθ）回転させるための
伝達手段をさらに含む、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】前記電磁波放射源が調整可能である、
請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】生体分子を検出するための方法であっ
て：（ａ）境界部に複数の生体分子を付けるステップと、該
境界部が、光学的に濃度の高い媒体と光学的に希薄な媒
体との間に存在し、光学的に濃度の高い媒体に隣接する
第一の面と光学的に希薄な媒体に隣接する第二の面とを
有し、該複数の生体分子が、（ｉ）前記境界部への吸収、（ｉｉ）前記境界部上への被着、（ｉｉｉ）前記境界部への物理的または化学的結合の少なくとも１つによって付けられ、前記境界部がフィ
ルムを備え、このフィルムが、表面プラズモン波を導電
可能な導電性を有し；（ｂ）前記境界部に前記のように付けられた前記複数の
生体分子を照射電磁波によって照射するステップと、そ
のために該照射電磁波が前記光学的に濃度の高い媒体を
介して前記境界部上に進み、前記照射電磁波の入射角
（θ）が、表面プラズモン共鳴が発生する角（θＳＰ
Ｒ）に実質上等しく、表面プラズモン波が、前記境界部
で前記複数の生体分子に起因して生じて、該表面プラズ
モン波に応じて電磁波が少なくとも反射または発生し；（ｃ）前記境界部で前記複数の生体分子によって反射さ
れる電磁波及びは発生する電磁波の少なくとも一方の強
度を検出するステップと；（ｄ）前記のように検出された電磁波の強度に基づい
て、（ｉ）前記複数の生体分子の存在及び（ｉｉ）前記複数の生体分子の濃度の少なくとも１つを決定するステップと；（ｅ）反射又は発生される電磁波の強度を検出すること
によって角度（θＳＰＲ）のシフトをモニタするステッ
プと；（ｆ）前記のように検出される電磁波の強度によって照
射されるｐ偏光電磁波の入射角（θ）を制御して、ステ
ップ（ｄ）の決定を行うように、前記複数の生体分子に
結合される照射電磁波のエネルギを実質上最適化するス
テップと、からなることを特徴とする方法。
【請求項２０】前記光学的に濃度の高い媒体が透明な
プリズムである、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】前記電磁波の強度によって前記透明プ
リズムを支持する回転可能支持体を移動するステップを
さらに含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】前記電磁波の強度の増大に応じて、も
しくは所定の時間期間（ＴＭＡＸ）が満了した場合に、
前記回転可能支持体が、第一の方向に回転され、さらに
この第一の方向とは反対の第二の方向に回転される、請
求項２１記載の方法。
【請求項２３】前記境界部で反射又は発生される電磁
波が、少なくとも１つの中心モニタ素子とこの中心モニ
タ素子の両側の少なくとも１つづつの横方向モニタ素子
からなるモニタ素子アレイへ送られ、前記横方向モニタ
素子の１つによって検出される強度が前記中心モニタ素
子によって検出される強度よりも小さい場合に、前記入
射角（θ）の調整を行う制御信号が発生する、請求項１
９〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】（ｉ）前記照射電磁波が前記フィルム
を通過する前に誘電層を通過するステップ、及び（ｉｉ）前記照射電磁波が前記フィルムを通過した後に
誘電層を通過するステップ、の少なくとも１つをさらに
含む、請求項１９〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】前記複数の生体分子及び前記複数の生
体分子に対して相補的な相補的生体分子の少なくとも一
方が、蛍光、燐光、化学発光又は電解発光物質によって
標識付けされる、請求項１９〜２４のいずれか１項に記
載の方法。
【請求項２６】境界部で生体分子を検出するための装
置であって、該境界部が、光学的に濃度の高い媒体と光
学的に希薄な媒体との間に存在し、該生体分子が前記境
界部上にもしくは前記境界部に付けられ、前記境界部が
前記境界部に結合する導電性のフィルムを備え、該フィ
ルムが表面プラズモン波を導電可能であって、前記装置
が：電磁波放射源と；前記電磁波発生装置により放出される電磁波をｐ偏光さ
せるための偏光手段と；光学的に濃度の高い媒体を通して前記ｐ偏光電磁波を前
記境界部上へ方向付けして、表面プラズモン共鳴をもた
らし、それによってエネルギを前記生体分子と結合させ
るための手段と、前記境界部が、光学的に濃度の高い媒
体と光学的に希釈な媒体との間に存在し、光学的に濃度
の高い媒体に隣接する第一の面と光学的に希薄な媒体に
隣接する第二の面とを有することと；前記境界部で前記生体分子によって反射又は発生する電
磁波をモニタし、前記生体分子の存在及び濃度の少なく
とも１つを検出するための第１のモニタ手段と；前記境界部で反射又は発生する電磁波の強度を決定する
ための、前記第１のモニタ手段に結合された強度検出手
段と；前記電磁波の強度に基づいて、表面プラズモン共鳴が発
生する（θＳＰＲ）入射角のシフトをモニタするため
の、前記強度検出手段に結合されている第２のモニタ手
段と；前記第２のモニタ手段に結合され、かつ前記ｐ偏光電磁
波を検出するための手段に結合されている制御手段と、
該制御手段が、前記電磁波の強度によって、照射ｐ偏光
電磁波の入射角（θ）を制御して、前記複数の生体分子
の存在もしくは濃度の決定に対して生体分子に結合され
る照射ｐ偏光電磁波のエネルギを実質上最適化すること
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２７】前記第２のモニタ手段が検出器を含
み、該検出器が前記ｐ偏光電磁波のスペクトルにのみ応
答する、請求項２６記載の装置。
【請求項２８】前記強度検出手段が、少なくとも１つ
の中心検出素子とこの中心検出素子の両側の少なくとも
１つづつの横方向検出素子を備える検出素子アレイから
なり、前記第２のモニタ手段が、前記検出素子で検出さ
れる強度をモニタし、前記横方向検出素子の１つによっ
て検出される強度が前記中心検出素子によって検出され
る強度よりも小さい場合に、制御信号を供給し、該制御
信号が前記制御手段に送られる、請求項２６又は２７記
載の装置。
【請求項２９】前記ｐ偏光電磁波を前記境界部へ方向
付けるための手段が透明プリズムからなる、請求項２６
〜２８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３０】前記透明プリズムが、前記制御手段に
よって制御される作動手段によって回転可能な支持体に
設けられ、前記透明プリズムが角度Δθ回転される、請
求項２９記載の装置。
【請求項３１】前記支持体を角度（Δθ）回転させ、
前記第１及び第２のモニタ手段の少なくとも１つを前記
角度の２倍（２×Δθ）回転させるための伝達手段をさ
らに含む、請求項３０記載の装置。