生体分子検出装置および生体分子検出方法
【課題】高感度な測定が可能な生体分子検出装置を提供する。
【解決手段】配向制御光の照射方向の切り替えにより、溶液中のフリー分子およびバインディング分子の配向方向を切り替え、フリー分子２０およびバインディング分子２２に付随するナノロッドによる減光量を変化させることが可能な構成とした。また、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに伴う配向方向の切り替えに要する時間に差が生じるため、それぞれの分子による減光量が変化するタイミングが異なる。従って、溶液全体の減光量からフリー分子２０およびバインディング分子２２それぞれに付随したナノロッドによる減光量への寄与分を算出することができ、簡便な構成で検出対象物質の濃度を正確に測定することができる。
【解決手段】配向制御光の照射方向の切り替えにより、溶液中のフリー分子およびバインディング分子の配向方向を切り替え、フリー分子２０およびバインディング分子２２に付随するナノロッドによる減光量を変化させることが可能な構成とした。また、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに伴う配向方向の切り替えに要する時間に差が生じるため、それぞれの分子による減光量が変化するタイミングが異なる。従って、溶液全体の減光量からフリー分子２０およびバインディング分子２２それぞれに付随したナノロッドによる減光量への寄与分を算出することができ、簡便な構成で検出対象物質の濃度を正確に測定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液中の検出対象物質を検出する技術に係り、特に、血液や尿等の検体内の生体分子、ウイルス、ＤＮＡ、蛋白質、細菌等を検出することが可能な生体分子検出装置および生体分子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医師や技師等が診療の現場で生体分子検出を行い、その場で測定結果を得て診断や治療に役立てる生体分子検出法が注目されている。生体分子検出法は、抗原抗体反応等の特異的な反応を利用した高い選択性により、血液、尿、汗といった複数成分を有する体液の中から、検出対象物質だけを選択的に検出する方法である。特に、ウイルス、ＤＮＡ、蛋白質、細菌等の生体分子の微量検出、検査、定量、分析などに広く用いられている。
【０００３】
近年、生体分子を高感度に検出する方法として、金属微粒子のプラズモンと光の相互作用を利用したプラズモンセンサの研究が進められている。
【０００４】
特許文献１には、基板に固定した金属微粒子（金ナノロッド）の局在表面プラズモン共鳴の吸収波長が特異的結合によりシフトする現象をセンシング技術に応用した分析チップが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、金ナノロッドを配向させて基板に固定することにより、検出感度を向上させる検知素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２６５０６２号公報
【特許文献２】特開２００７−２４８２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および特許文献２のような金属微粒子を固定した基板を利用した検知素子は、金属微粒子を固定する際の加工コストが高いという問題がある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、金属微粒子を基板に固定することなく高感度で測定可能な生体分子検出装置および生体分子検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る生体分子検出装置は、特定の生体分子に特異的に結合し得る物質と光吸収特性に異方性を示す検出用標識とを有する第１の複合体、および上記生体分子が上記物質を介して上記第１の複合体に特異的に結合した第２の複合体、が含まれる溶液中において、上記第１の複合体および上記第２の複合体を少なくとも２つの方向へ配向させる配向制御手段と、特定方向の直線偏光成分を有する第１の光を上記溶液に照射する第１の光源と、上記溶液による上記第１の光の減光量を測定する検出手段と、上記検出手段により測定した光の減光量に基づいて上記生体分子を検出または定量する演算手段と、を具備し、上記第１の光は、上記第１の複合体および上記第２の複合体の配向方向の変化により、上記検出用標識による減光量に変化が生じる波長の光であることを特徴とする。
【００１０】
ここで、第１の複合体とは、実施の形態１においてはフリー分子を意味する。第２の複合体とは、実施の形態１においてはバインディング分子を意味する。
【００１１】
ここで、光吸収特性に異方性を示す検出用標識とは、光の振動方向に対する向きが変化することで、光の減光量が変化するものであり、具体的には金属ナノロッドやカーボンナノチューブなどが挙げられる。金属ナノロッドは、例えば金ナノロッドを用いることができる。
【００１２】
また、減光量とは、吸収される光の量と散乱される光の量との双方の寄与からなる。本発明においては、減光量として吸光度を測定しても良いし散乱光を測定しても良い。また、減光量として吸光度と散乱光との双方を測定しても良い。
【００１３】
このような構成にすると、簡便な構成で検出対象物質を高感度に測定することができる。また、上記第１の複合体および上記第２の複合体が固定されていないため、溶液中での反応が早い。
【００１４】
また、上記第１の光は、上記配向制御手段による上記第１の複合体および上記第２の複合体の配向方向の変化により、上記検出用標識と上記特定方向の直線偏光成分との向きの関係が変化して上記検出用標識による減光量に変化が生じる光であることが好ましい。
【００１５】
上記配向制御手段は、第２の光を上記溶液に照射する第２の光源と、上記第２の光の照射方向を切り替えることにより、上記第１の複合体および上記第２の複合体を上記溶液中で少なくとも２つの方向へ配向させる切替手段と、を具備することが好ましい。
【００１６】
配向制御手段が光を用いて第１の複合体および第２の複合体を配向させると、第１の複合体および第２の複合体に対して配向のための前処理が不要となる。例えば、磁気を用いて配向制御を行う場合には、第１の複合体および第２の複合体に磁性粒子等を結合させる必要があるが、光を用いて配向させると、そのような前処理が不要である。
【００１７】
また、上記配向制御手段は、直線偏光した第３の光を上記溶液に照射する第３の光源と、上記第３の光の偏光軸を回動させることにより、上記第１の複合体および上記第２の複合体を上記溶液中で少なくとも２つの方向へ配向させる偏光軸回動手段と、を具備するようにしてもよい。
【００１８】
このようにして第１の複合体および第２の複合体を配向させると、光の照射方向を切り替えて配向を切り替える場合のように複数の方向から光を照射する必要がないため、配向制御手段の光学系を小さくすることができる。
【００１９】
また、上記演算手段は、上記配向制御手段によって配向される上記第１の複合体および上記第２の複合体による減光量の時間変化に差があることを利用して上記第１の複合体による減光量成分と上記第２の複合体による減光量成分とを分離し、上記生体分子を検出または定量することが好ましい。
【００２０】
上記第１の複合体と上記第２の複合体とは、溶液中での運動し易さに差があり、減光量の時間変化に差がある。演算手段は、この時間変化の差を利用することで、上記第１の複合体による減光量と、上記第２の複合体による減光量とを分離することができ、上記生体分子を検出することができる。
【００２１】
また、上記検出用標識は金属ナノロッドであることが好ましい。金属ナノロッドは、配向方向の切り替えに伴って減光量に大きな変化が表れる。そのため、高精度に検出を行うことができる。
【００２２】
上記配向制御手段は、上記ナノロッドの長軸方向と上記第１の光源から照射される光の振動方向とが平行となる第１の方向、および、上記ナノロッドの長軸方向と上記第１の光源から照射される光の振動方向とが垂直となる第２の方向、へ上記第１の複合体および上記第２の複合体を配向させることが好ましい。
【００２３】
このように分子の配向を制御すると、上記第１の複合体の配向方向および上記第２の複合体の配向方向の切り替えに伴う減光量の変化が最大となる。そのため、溶液の減光量に対する第１の複合体の寄与分と、第２の複合体の寄与分とを、より高精度に測定することができる。
【００２４】
また、上記配向制御手段は、上記第１の複合体および上記第２の複合体の配向方向を所定の時間間隔で変化させ、上記検出手段は、減光量を複数回測定し、上記演算手段は、複数回測定した減光量の加算平均に基づいて上記生体分子を検出または定量することが好ましい。
【００２５】
このように上記第１の複合体の減光量および上記第２の複合体の減光量を複数回測定し、複数の減光量を加算平均等すれば、ノイズ等による測定毎の減光量のばらつきによる測定精度への影響を減少させることができる。
【００２６】
また、上記所定の時間間隔は、上記溶液中に存在する全ての上記第１の複合体および上記溶液中に存在する全ての上記第２の複合体の配向が完了する時間間隔であることが好ましい。
【００２７】
このように所定の時間間隔を決定すると、上記第１の複合体および上記第２の複合体の配向が完了した後まで測定を行うことがないため、最短の時間で測定を行うことができる。
【００２８】
また、上記第１の光源から照射される光の波長は、上記金属ナノロッドの長軸方向由来の減光量の最大値が現れる波長であることが好ましい。
【００２９】
このように光の波長を決定すると、上記第１の複合体の配向方向および上記第２の複合体の配向方向の変化に伴う上記溶液の吸光度の変化が最大となり、高精度の測定を行うことができる。
【００３０】
また、上記溶液は、四角柱状の形状を有する容器保持部に保持されることが好ましく、さらに、上記第２の光源は、上記第２の光が上記容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように上記第２の光を照射することが好ましい。
【００３１】
このように容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように第２の光を照射すると、第１の複合体および第２の複合体を容器保持部の壁面に押しつけながら回動させることができるため、配向制御しやすくなる。
【００３２】
上記溶液は、四角柱状の形状を有する容器保持部に保持されることが好ましく、さらに、上記第３の光源は、上記第３の光が上記容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように上記第３の光を照射することが好ましい。
【００３３】
このように容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように第３の光を照射すると、第１の複合体および第２の複合体を容器保持部の壁面に押しつけながら回動させることができるため、配向制御しやすくなる。
【００３４】
また、上記第２の光源は、上記溶液に対して上記第２の光を複数の位置から照射することが好ましい。上記第３の光源は、上記溶液に対して上記第３の光を複数の位置から照射することが好ましい。
【００３５】
溶液に対して複数の位置から上記第２の光または上記第３の光を照射すると、溶液内の様々な位置に存在する第１の複合体および第２の複合体の配向方向を制御しやすくなる。
【００３６】
上記検出手段は、減光量として上記溶液による上記第１の光の吸光度を測定してもよい。また、上記検出手段は、減光量として上記溶液による上記第１の光の散乱光を測定してもよい。
【００３７】
上記検出手段は、減光量として、吸光度測定または散乱光測定のいずれか一方のみの測定を行ってもよい。いずれか一方のみの測定を行う場合には、いずれか一方の測定を行うための装置のみを備えればよく、装置構成が複雑とならない。また、吸光度測定および散乱光測定の双方の測定を行ってもよい。吸光度測定および散乱光測定の双方の測定を行うと、さらに高精度な測定を行うことができる。
【００３８】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る生体分子検出方法は、特定の生体分子に特異的に結合し得る物質と光吸収特性に異方性を示す検出用標識とを有する第１の複合体、および上記生体分子が上記物質を介して上記第１の複合体に特異的に結合した第２の複合体、が含まれる溶液中において、上記第１の複合体および上記第２の複合体を少なくとも２つの方向へ配向させるステップと、特定方向の直線偏光成分を有する第１の光を上記溶液に照射するステップと、上記溶液による上記第１の光の減光量を測定するステップと、上記検出手段により測定した光の減光量に基づいて上記生体分子を検出または定量するステップと、を具備し、上記第１の光は、上記第１の複合体および上記第２の複合体の配向方向の変化により、上記検出用標識による減光量に変化が生じる波長の光であることを特徴とする。
【００３９】
このような方法で測定を行うと、簡便な構成で検出対象物質を高感度に測定することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、抗原や抗体等を壁面に固定する固相を用いないため反応が早く、高感度な生体分子検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施の形態１に係る生体分子検出装置の抗原抗体反応の概要を示した模式図である。
【図２】（Ａ）はフリー分子の模式図、（Ｂ）はバインディング分子の模式図である。
【図３】ナノロッドの吸光度特性を示したグラフである。
【図４】（Ａ）は光の振動方向とナノロッドの長軸方向とが平行となる場合を示す図、（Ｂ）は光の振動方向とナノロッドの長軸方向とが垂直となる場合を示す図である。
【図５】（Ａ）は実施の形態１に係る生体分子検出装置の外観斜視図、（Ｂ）は実施の形態１に係る生体分子検出装置の開閉部を開けた図である。
【図６】実施の形態１に係る生体分子検出装置の主要な構成を示すブロック図である。
【図７】配向制御用光源部から照射される配向制御光の照射方向の切り替えを上面から見た模式図である。
【図８】（Ａ）配向制御光の照射方向と複数の分子の配向方向との関係を表した模式図、（Ｂ）は別のケースにおける配向制御光の照射方向と複数の分子の配向方向との関係を表した模式図である。
【図９】（Ａ）は配向制御光の照射方向とフリー分子の配向方向およびバインディング分子の配向方向を描いた図、（Ｂ）は配向制御光の照射方向を切り替えた場合におけるフリー分子の動作およびバインディング分子の動作を描いた図、（Ｃ）は配向制御光の照射方向を切り替えフリー分子の配向およびバインディング分子の配向が完了した場合を描いた模式図である。
【図１０】（Ａ）は配向したフリー分子および配向したバインディング分子と光の振動方向との関係を描いた図、（Ｂ）は別の方向に配向したフリー分子および別の方向に配向したバインディング分子と光の振動方向との関係を描いた図である。
【図１１】ナノロッドの配向の変化に伴う吸光度の変化を表したグラフである。
【図１２】実施の形態１に係る生体分子検出装置における受光部の詳細な構成を表した模式図である。
【図１３】検体の準備から廃棄までの流れを模式的に表した図である。
【図１４】実施の形態１に係る生体分子検出装置における１周期の配向制御信号および溶液による波長９０５ｎｍの光の吸光度の時間変化を表したグラフである。
【図１５】実施の形態１に係る生体分子検出装置における配向制御信号を複数周期に亘って示したグラフである。
【図１６】実施の形態２に係る生体分子検出装置の抗原抗体反応の概要を示した模式図である。
【図１７】実施の形態２に用いる２種類のバインディング分子の上面図である。
【図１８】実施の形態２に用いる２種類のナノロッドの吸光度特性を示したグラフである。
【図１９】実施の形態２に係る生体分子検出装置の主要な構成を示すブロック図である。
【図２０】実施の形態２に係る生体分子検出装置における受光部の詳細な構成を表した模式図である。
【図２１】実施の形態２に用いる２種類のナノロッドの配向の変化に伴う吸光度の変化を表したグラフである。
【図２２】（Ａ）は溶液による波長９０５ｎｍの光の吸光度の時間変化を表したグラフ、（Ｂ）は溶液による波長１．１μｍの光の吸光度の時間変化を表したグラフである。
【図２３Ａ】一方から配向制御光を照射した場合のナノロッドの配向方向と吸光度測定光の振動方向とを表す概念図である。
【図２３Ｂ】他方から配向制御光を照射した場合のナノロッドの配向方向と吸光度測定光の振動方向とを表す概念図である。
【図２４Ａ】実施の形態３に係る生体分子検出装置の主要な構成を示すブロック図である。
【図２４Ｂ】実施の形態３に係る生体分子検出装置の光源部および配向制御用光源部と受光部との位置関係を表した図である。
【図２５Ａ】ナノロッドの一方の配向方向と吸光度測定光の振動方向との関係を表した概念図
【図２５Ｂ】ナノロッドの他方の配向方向と吸光度測定光の振動方向との関係を表した概念図である。
【図２６】ナノロッドの配向方向の変化に伴う吸光度の変化を表したグラフである。
【図２７】（Ａ）〜（Ｃ）は配向制御光の振動方向の変化に対するナノロッドの配向を表した図である。
【図２８】試薬カップの多点に配向制御光を照射する場合を示す図である。
【図２９】配向制御光を多点に入射させるための配向制御用光源部の構造を示す図である。
【図３０】配向制御光を多点に入射させるための光学系の一例を示す図である。
【図３１】配向制御光を多点に入射させるための光学系の別の例を示す図である。
【図３２】マイクロレンズアレイを示す図である。
【図３３】試薬カップの形状の一例を示す図である。
【図３４】試薬カップに対する配向制御光の焦点の位置を示す図である。
【図３５】配向制御信号の周波数に同期した吸光度成分を検出する例を示す図である。
【図３６】３種のバインディング分子の濃度についての、配向制御信号の周波数に対するロックインアンプ出力についての検量線データを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
実施の形態１では、１種類の抗体を使用し、均一溶液中で検出対象物質である特定の１種類の抗原を検出する。図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る生体分子検出装置１００における抗原抗体反応の概要を示した模式図である。図１（Ａ）および図１（Ｂ）を用いて、液中での抗原抗体反応について説明する。図１（Ａ）において、円筒形の試薬カップ１０の中に乾燥した抗体１２が入れられている。抗体１２はナノロッド８に結合されている。ナノロッドとは、ナノサイズの柱状の微粒子のことである。
【００４４】
本実施の形態においては、検体は全血から分離した血漿１６である。試薬カップ１０に血漿１６を分注して撹拌すると、抗体１２と特異的に結合する抗原１８が血漿１６中に存在する場合は、抗体１２と抗原１８との間で抗原抗体反応が起こり、図１（Ｂ）に示すように抗原１２に抗体１８が特異的に結合する。抗体１２は抗原１８に対して十分に多い量が入れられているため、一部の抗体１２は抗原抗体反応をしないまま血漿溶液中に残る。以下、抗原抗体反応で結合した抗体１２および抗原１８ならびにナノロッド８の複合体をバインディング分子と呼ぶ。また、抗原１８と結合していない抗体１２およびナノロッド８の複合体をフリー分子と呼ぶ。血漿１６にフリー分子を混合させると、一定時間経過後、バインディング分子およびフリー分子が混在した血漿溶液となる。なお、血漿中には抗原１８以外の成分も存在するが、説明を簡単にするため、図１（Ａ）および（Ｂ）では抗原１８以外の成分は省略してある。
【００４５】
生体分子検出装置１００は、フリー分子およびバインディング分子が混在している溶液に対して光を照射し、当該溶液による吸光度、特にナノロッド８による吸光度を測定することにより抗原１８の検出および定量を行う。ここで、ナノロッド８は、フリー分子に付随するものとバインディング分子に付随するものとが存在する。フリー分子およびバインディング分子は当該溶液中に混在しているため、当該溶液の吸光度は、当該溶液中に存在する全てのナノロッド８による吸光度の合算値である。そのため、抗原１８を含むバインディング分子に付随するナノロッド８による吸光度への寄与分を算出することは困難である。そこで、生体分子検出装置１００は、溶液中においてフリー分子およびバインディング分子は運動のし易さが異なること、ならびにフリー分子およびバインディング分子に付随するナノロッドの長軸方向の向きと光の振動方向との関係が吸光度に影響を与えることを利用して溶液の吸光度を測定して抗原１８の検出および定量を行う。具体的には、フリー分子およびバインディング分子を配向させ、配向方向の切り替えに伴うフリー分子の吸光度の時間変化とバインディング分子の吸光度の時間変化との差から、溶液全体の吸光度におけるバインディング分子の吸光度の寄与分を算出する。そして、算出されたバインディング分子の吸光度（寄与分）に基づいて、抗原１８の検出および定量を行う。
【００４６】
生体分子検出装置１００において、バインディング分子による吸光度への寄与分と、フリー分子による吸光度への寄与分とを算出する原理を説明するために、生体分子検出装置１００に用いるフリー分子およびバインディング分子の構造について、図２（Ａ）および図２（Ｂ）を用いて説明する。図２（Ａ）はフリー分子２０の模式図を表す。フリー分子２０は、抗体１２およびナノロッド８を有する。
【００４７】
ナノロッド８と抗体１２は結合されている。ナノロッド８と抗体１２との結合は、公知の任意の方法を用いることができる。例えば、アビジン金標識ナノロッドとビオチン化抗体を混合することにより結合させることができる。別の方法としては、プロテインＡの物理吸着を利用し、プロテインＡを介して金ナノロッドに抗体を結合させる方法がある。具体的には、まず金ナノロッドにプロテインＡを物理吸着させ、続いて抗体を吸着させる。一般的に金属類はタンパク質をよく吸着することが知られているため、金ナノロッドにプロテインＡを物理吸着させるため、無処理の金ナノロッド液にプロテインＡ液を添加し１時間程度放置する。１時間後に、スピンフィルターで未吸着の金ナノロッドおよびプロテインＡをろ過分離すれば、プロテインＡが吸着した金ナノロッドが得られる。続いて、プロテインＡが吸着した金ナノロッド液に抗体を添加し、１時間程度放置する。１時間後に、スピンフィルターで未吸着の金ナノロッドおよび抗体をろ過分離すれば、抗体が結合した金ナノロッドが得られる。ここでプロテインＡとは、黄色ブドウ球菌の細胞壁成分の５％を占めるタンパク質である。プロテインＡは、抗体と特異的に結合する。
【００４８】
抗体１２は、抗原１８と特異的に結合する物質であり、ナノロッド８に結合されている。抗体１２は、生体分子検出装置１００のユーザーが検出したい検出対象物質と特異的に結合するものを使用する。
【００４９】
本実施の形態では、検体に全血から分離した血漿を用い、検出対象物質と特異的に結合する抗体１２に抗ＰＳＡ抗体を用いる。そのため、検出対象物質である抗原１８としてＰＳＡ（Ｐｒｏｓｔａｔｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｎｔｉｇｅｎ）を検出することとなる。
【００５０】
ナノロッド８は、図２（Ａ）に示すように短軸方向と長軸方向との長さが異なり、アスペクト比（長軸長さ／短軸長さ）が１より大きく細長い柱状の形状を有する。ナノロッドは、金属の微粒子である。
【００５１】
フリー分子２０が示す吸光度もバインディング分子２２が示す吸光度も、主にナノロッド８による吸光の影響が大半である。従って、抗体１２や抗原１８による吸光現象の程度は、ナノロッド８による吸光に比べると無視できるほど小さい。
【００５２】
ナノロッド８の吸光スペクトルを説明するため、まず金属の微粒子の吸光特性について説明する。一般に、溶液中に分散した金属の微粒子に光を照射すると、特定の波長（プラズモン共鳴波長）の光が金属のプラズモンと共鳴して吸収されることが知られている。これは局在表面プラズモン共鳴（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）と呼ばれる。局在表面プラズモン共鳴におけるプラズモン共鳴波長は、金属微粒子の種類、形状、配列などの構造によって異なる。例えば、球状の金微粒子が水に分散した場合は、プラズモン共鳴波長が５３０ｎｍ程度となる。
【００５３】
柱状の金属微粒子であるナノロッドは、球状の金属微粒子の場合とは異なり、短軸方向のプラズモン共鳴波長と長軸方向のプラズモン共鳴波長とが異なり、２つのピークを有する吸光スペクトルが得られる（図３に模式図を示す）。この吸光スペクトルにおける波長５００ｎｍ付近に位置するピークは、ナノロッドの短軸方向のプラズモン共鳴によるものである。また、波長９００ｎｍ付近のピークは、ナノロッドの長軸方向のプラズモン共鳴によるものである。
【００５４】
ナノロッドの長軸方向由来のプラズモン共鳴波長は、ナノロッドのアスペクト比が高くなると、すなわちより細長い形状となると、長波長側にシフトしていくことが知られている。本実施の形態では、短軸１０ｎｍ、長軸５０ｎｍの金ナノロッドを使用する。この金ナノロッドは、長軸方向由来のプラズモン共鳴波長が約９００ｎｍとなる。
【００５５】
金ナノロッドは、低分子化合物や高分子化合物を保護剤としてナノロッド表面に吸着ないし結合させることによって、金属微粒子が凝集することなく安定的に溶媒に分散する。
【００５６】
図２（Ｂ）はバインディング分子２２の模式図を表す。バインディング分子２２は、抗体１２、ナノロッド８および抗原１８を有する。バインディング分子２２においては、抗体１２が抗原１８と結合している。
【００５７】
ナノロッド８に光を照射する場合、光の振動方向とナノロッド８の長軸の方向との関係は、ナノロッド８による光の吸光度に影響を与える。光は電磁波の一種であるが、ここでは「光の振動方向」とは電場の振動方向を意味するものとする。本実施の形態では、図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、直線偏光された光１９がナノロッド８に照射される場合を例にとって説明する。ここで、直線偏光とは、光の振動方向が一定であり、偏光面が変化しない光を指す。図４（Ａ）および（Ｂ）の場合においては、直線偏光された光１９は、ｘｙ平面内を振動しながらｙ軸の正の方向に向かって進行する。光１９の運動を進行方向と振動方向とに分けて考えると、ｙ軸の正の方向が進行方向となり、ｘ軸方向が振動方向となる。直線偏光した光の進行方向および振動方向が存在する面（ここではｘｙ平面）を偏光面という。また、直線偏光した光の振動方向を偏光軸という。直線偏光された光１９の振動方向がナノロッド８の長軸方向と平行な場合（図４（Ａ））には、ナノロッド８の長軸方向由来の吸光度が最大となる。直線偏光された光の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが垂直な場合(図４（Ｂ）)には、ナノロッド８の長軸方向由来の吸光度が最小となる。つまり、溶液中におけるナノロッド８の向きは、ナノロッド８による吸光度に影響を与える。
【００５８】
このように、ナノロッドの長軸方向と光の振動方向との関係は、ナノロッドの吸光度に影響を与えるが、ナノロッドの長軸方向と光の振動方向との関係は、フリー分子２０に付随するナノロッド８およびバインディング分子２２に付随するナノロッド８においても同様である。
【００５９】
溶液中ではフリー分子２０およびバインディング分子２２は運動しており、溶液中におけるフリー分子２０およびバインディング分子２２の向き、すなわち双方の分子におけるナノロッド８の向きは溶液の吸光度に影響する。そこで、溶液中におけるフリー分子２０およびバインディング分子２２の運動について検討する。フリー分子２０およびバインディング分子２２は、溶液中で不規則にブラウン運動しており、溶液中において移動および回転運動を行っている。従って、フリー分子２０の向きおよびバインディング分子２２の向きは様々である。
【００６０】
溶液中での分子のブラウン運動は、絶対温度、分子の体積または質量、溶媒の粘度等の影響を受けることが知られている。バインディング分子２２は、抗原１８の分だけフリー分子２０より体積および質量が大きく、溶液中でブラウン運動しにくい。フリー分子２０およびバインディング分子２２が溶液中でブラウン運動のしやすさが異なることを利用して、ブラウン運動の変化からバインディング分子２２の検出を行う方法が知られているが、ブラウン運動というランダムな運動を利用しているため検出感度に限界がある。
【００６１】
そこで、生体分子検出装置１００は、配向制御光たるレーザーを利用して溶液中のフリー分子２０の配向およびバインディング分子２２の配向を制御する。溶液中に存在するフリー分子２０およびバインディング分子２２にレーザーを照射すると、主にナノロッド８が外力を受け、溶液中でランダムな運動をしていたフリー分子２０およびバインディング分子２２は、特定の一方向を向く。なお、このように外力を受けて複数存在する分子の全てが特定の一方向を向いた状態を「配向が完了」した状態と表現することとする。フリー分子２０およびバインディング分子２２は、体積または質量の違いにより溶液中における回転運動のしやすさが異なるため、例えば、レーザーで溶液中の分子の配向を制御した場合においても、フリー分子２０とバインディング分子２２とでは、レーザーが照射されてから配向が完了するまでに要する時間に差が生じる。生体分子検出装置１００は、回転運動のし易さが異なることを利用して、溶液の吸光度からバインディング分子による吸光度を分離し、生体分子を検出する。より詳細には、本実施の形態では、フリー分子とバインディング分子と配向完了に要する時間の差を用いて生体分子を検出する。生体分子検出装置１００は、フリー分子２０が配向を完了するまでに要する時間とバインディング分子２２が配向を完了するまでに要する時間との差を利用して、フリー分子２０による吸光度が変化する速さとバインディング分子２２による吸光度が変化する速さとの間に差を生じさせ、溶液の吸光度におけるバインディング分子２２による寄与分を算出する。
【００６２】
続いて、本発明の実施の形態１に係る生体分子検出装置１００の構成について説明する。
【００６３】
図５（Ａ）は、生体分子検出装置１００の外観斜視図である。生体分子検出装置１００の側面には、表示部１０２、ユーザー入力部１０４および開閉部１０６が設けられている。表示部１０２は、測定結果等を表示する。ユーザー入力部１０４は、モードの設定、検体情報の入力等を行う。開閉部１０６は、上蓋の開閉が可能な構成となっており、検体のセット時には上蓋を開け、測定時は上蓋を閉じる。この構成により、外部の光が測定に影響を与えることを防いでいる。
【００６４】
図５（Ｂ）は、開閉部１０６を開いた場合における生体分子検出装置１００の外観斜視図である。開閉部１０６を開くと、生体分子検出装置１００の中には試薬カップ１０８および保持台１１０がある。試薬カップ１０８は、保持台１１０に保持されており、保持台１１０から着脱可能となっている。試薬カップ１０８は、溶液を入れる円柱状の容器である。ユーザーは、試薬カップ１０８に検体を分注し、上蓋を閉じて測定を行う。図示しないが、生体分子検出装置１００内には試薬タンクおよび分注部が設けられており、測定が開始されると、分注部は試薬タンク内から試薬（例えば、抗体およびナノロッド）を吸い上げて試薬カップ１０８内に分注する。
【００６５】
図６は、生体分子検出装置１００の主要な構成を説明するための機能ブロック図である。生体分子検出装置１００は、表示部１０２、ユーザー入力部１０４、試薬カップ１０８、試薬タンク１１２、分注部１１４、配向制御用光源部１１６、光源部１１８、ＡＯＤ（Ａｃｏｕｓｔｏ Ｏｐｔｉｃ Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）１２０、ファンクションジェネレータ（以下、ＦＧと示す）１２２、受光部１２４、増幅部１２６、Ａ／Ｄ変換部１２８、サンプリングクロック発生部１３０、ＣＰＵ１３２およびダイクロイックミラー１３８を有する。
【００６６】
試薬カップ１０８は、試薬タンク１１２に保存してある試薬と患者等から採取した検体とを反応させる容器である。試薬カップ１０８は、円柱状の形状を有している。試薬カップ１０８は、生体分子検出装置１００から着脱可能となっている。試薬カップ１０８の容量は、約１２０μＬである。
【００６７】
試薬タンク１１２は、複数種類の試薬をそれぞれ別の容器に入れて貯めておくタンクである。ここで、試薬とは、抗原、抗体、ナノロッドまたはそれらの複合体等、生体分子検出装置１００における測定に係わる物質をいう。本実施の形態では、フリー分子２０は試薬タンク１１２中に保存されている。
【００６８】
分注部１１４は、着脱可能なピペットや吸引器によって構成される。分注部１１４は、ＣＰＵ１３２から出力される命令に従い、測定に使用する試薬を試薬タンク１１２からピペットで吸い上げ、試薬カップ１０８へ分注する。
【００６９】
配向制御用光源部１１６は、配向制御光１１７をＡＯＤ１２０に向けて照射し、試薬カップ１０８内の溶液中に存在するフリー分子およびバインディング分子に外力を加えて分子の配向を制御する。配向制御光１１７には、波長１０００ｎｍ、出力７００ｍＷのレーザーを用いる。配向制御光１１７は、試薬カップ１０８の溶液全体を照らす程度のビーム幅を有している。
【００７０】
光源部１１８は、内部に備えた偏光子により直線偏光した吸光度測定用の光（以下、吸光度測定光１１９という）を試薬カップ１０８の側面から試薬カップ１０８を挟んで受光部１２４に向けて照射する。吸光度測定光１１９には、波長９０５ｎｍ、出力０．１ｍＷの光を用いる。なお、吸光度測定光１１９には、ナノロッド８の長軸方向由来のピークが生じる波長の光を用いることが望ましいが、ここでは光源の入手の容易性を考えて波長９０５ｎｍの光を用いる。
【００７１】
ＡＯＤ１２０は、音響光学効果を利用して、入力電圧に基づいて内部の屈折率を変化させることにより、入射した光の進行方向を切り替える。ＡＯＤ１２０は、ＦＧ１２２から出力された電圧信号（以下この信号を配向制御信号という）が示す電圧に基づいて、内部の屈折率を変化させて配向制御光１１７の進行方向を切り替える。すなわち、配向制御光１１７の進行方向は、ＦＧ１２２が発生する電圧信号によって決まる。
【００７２】
ＦＧ１２２は、様々な周波数と波形をもった電圧信号を発生させることのできる装置で、ＣＰＵ１３２から出力される命令を受けて、ＡＯＤ１２０およびサンプリングクロック発生部１３０へそれぞれ異なる電圧信号を出力する。
【００７３】
ＣＰＵ１３２は、生体分子検出装置１００の各部の動作を統括的に制御すると共に、測定結果の演算等を行う。ＣＰＵ１３２は、ＦＧ１２２が出力する配向制御信号を指定することにより、ＡＯＤ１２０が配向制御光１１７の照射方向を切り替えるタイミングを制御する。
【００７４】
受光部１２４は、試薬カップ１０８を挟んで光源部１１８の対面に設けられている。受光部１２４は、試薬カップ１０８を透過した吸光度測定光１１９を受光し、アナログ電気信号に変換して増幅部１２６へ出力する。
【００７５】
増幅部１２６は、受光部１２４から出力されたアナログデータを増幅してＡ／Ｄ変換部１２８へ出力する。
【００７６】
サンプリングクロック発生部１３０は、ＦＧ１２２から入力される電圧信号に基づいて、Ａ／Ｄ変換部１２８がアナログデータをサンプリングするタイミングを指定するサンプリングクロックをＡ／Ｄ変換部１２８に入力する。
【００７７】
Ａ／Ｄ変換部１２８は、サンプリングクロック発生部１３０から出力されるサンプリングクロックに基づいて、増幅部１２６から出力されたアナログデータのサンプリングを行い、アナログデータをデジタルデータに変換してＣＰＵ１３２へ出力する。
【００７８】
ＣＰＵ１３２は、Ａ／Ｄ変換部１２８から出力されたデジタルデータを基に、吸光度測定光１１９に対する溶液の吸光度の演算および検出対象物質の定量を行い、その結果を表示部１０２へ出力する。また、ＣＰＵ１３２は、ユーザー入力部１０４から入力される信号に基づき、配向制御用光源部１１６、光源部１１８、分注部１１４およびＦＧ１２２の各々の動作に対する指示命令を行う。具体的には、ＣＰＵ１３２は、配向制御用光源部１１６および光源部１１８に対し、オン／オフ命令を行う。また、分注部１１４に対して、使用する試薬を指定する命令および分注動作開始命令を行う。さらに、ＦＧ１２２に対して、出力する信号波形の指示命令および出力命令を行う。
【００７９】
ダイクロイックミラー１３８は、特定波長の光を反射し、その他の波長の光を透過するミラーである。ダイクロイックミラー１３８は、配向制御光１１７を反射し、吸光度測定光１１９を透過させる。
【００８０】
図７は、配向制御用光源部１１６から照射される配向制御光１１７の照射方向の切り替えを、生体分子検出装置１００の上方から見た模式図である。図７を用いて、試薬カップ１０８に対する配向制御光１１７の照射方向の切り替えについて詳細に説明する。
【００８１】
配向制御用光源部１１６から照射される配向制御光１１７は、ＡＯＤ１２０を通って試薬カップ１０８へ照射される。
【００８２】
ＡＯＤ１２０は、ＦＧ１２２から５Ｖの配向制御信号が入力された場合は、配向制御光１１７の進行方向を切り替える。この場合、配向制御光１１７は、配向制御光１３４の方向へ進んで試薬カップ１０８の側面に入射する。
【００８３】
ＡＯＤ１２０は、ＦＧ１２２から０Ｖの配向制御信号が入力された場合は、配向制御光１１７を素通りさせ、配向制御光１３６の方向へ進ませる。配向制御光１３６は、ダイクロイックミラー１３８によって反射され、配向制御光１３４の進行方向と垂直な方向に進んで試薬カップ１０８の側面に入射する。上方から見た試薬カップ１０８を時計の文字盤に例えると、配向制御光１３４は９時の方向から入射して３時の方向へ進行し、配向制御光１３６は６時の方向から入射して１２時の方向へ進行する。
【００８４】
ダイクロイックミラー１３８は、配向制御光１１７として用いた波長の光のみを反射し、その他の波長の光を透過する。光源部１１８から照射された吸光度測定光１１９は、ダイクロイックミラー１３８を透過し、ダイクロイックミラー１３８で反射した配向制御光１３６と同じ方向に進行して試薬カップ１０８の側面に入射する。
【００８５】
このような構成により、生体分子検出装置１００は、配向制御光１１７が試薬カップ１０８へ照射される方向を、角度が９０度異なる２つの方向に切り替えることができる。ＡＯＤ１２０と試薬カップ１０８との間には遮光板１４０が設けられ、配向制御光１３４の進行方向および配向制御光１３６の進行方向以外に進行する配向制御光１１７は、試薬カップ１０８へ照射されない。また、配向制御光１１７は、配向制御光１３４の進行方向に進行した場合においても、配向制御光１３６の進行方向に進行した場合においても、円柱状の試薬カップ１０８の側面から入射される。試薬カップ１０８は円柱状の形状を有しているため、配向制御光１１７の進行方向が切り替わっても、試薬カップ１０８の配向制御光１１７が入射する側面の形状は同じである。従って、配向制御光１１７がいずれの方向に進行しても、試薬カップ１０８の形状により与えられる影響は同等となる。
【００８６】
配向制御用光源部１１６は、ＡＯＤ１２０を介して配向制御光１３４、１３６という外力をフリー分子２０およびバインディング分子２２に加えることにより、フリー分子２０およびバインディング分子２２を特定の方向へ配向させる。配向制御光１３４、１３６による外力は、これらの光がフリー分子２０およびバインディング分子２２に当たって散乱する際の反作用として生じるものである。フリー分子２０およびバインディング分子２２は、図２に示したように、主要部分を占めるナノロッド８が細長い形状を有しているため、分子全体として観てもナノロッド８の長軸方向に伸びた異方性を有した分子となっている。従って、配向制御光１３４、１３６がフリー分子２０またはバインディング分子２２に当たった場合、配向制御光１３４、１３６に対する反作用がより小さくなるように（配向制御光１３４、１３６に当たる面積がより小さくなるように）フリー分子２０またはバインディング分子２２は回動する。その結果、フリー分子２０およびバインディング分子２２の向き（ナノロッド８の長軸の向き）と配向制御光１３４、１３６の進行方向とが平行となるようになる。この平行関係となったときがエネルギー的に最も安定した状態であるため、フリー分子２０およびバインディング分子２２の回動はここで停止する。換言すると、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、配向制御光１３４、１３６が照射されていないときは、溶液中でランダムな方向を向いて分散しているが、配向制御光１３４が照射されると、フリー分子２０およびバインディング分子２２が回動し、その全てのナノロッド８の長軸方向が配向制御光１３４の進行方向に揃うような位置で停止する。配向制御光１３６が照射される場合も同様に、フリー分子２０およびバインディング分子２２が回動し、その全てのナノロッド８の長軸方向が配向制御光１３６の進行方向に揃うような位置で停止する。配向制御光１３６が照射される場合も同様に、フリー分子２０およびバインディング分子２２が回動し、その全てのナノロッド８の長軸方向が配向制御光１３６の進行方向に揃うような位置で停止する。
【００８７】
図８（Ａ）および（Ｂ）は、レーザーの照射方向とフリー分子２０またはバインディング分子２２の配向方向との関係を表した模式図である。図８（Ａ）および（Ｂ）は、試薬カップ１０８を上方から見た図である。
【００８８】
図８（Ａ）は、試薬カップ１０８の側面から配向制御光１３６が照射され、フリー分子２０およびバインディング分子２２の双方が配向制御光１３６の進行方向と同方向に配向した場合を示した図である。この図に示すように、配向制御光１３６の照射を受けている溶液中に存在する全てのフリー分子２０およびバインディング分子２２が同一方向に配向する。すなわち、フリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向およびバインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向が同一方向に揃う。
【００８９】
図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示した配向制御光１３６とは９０度異なる方向に進行する配向制御光１３４が試薬カップ１０８の側面から照射され、フリー分子２０およびバインディング分子２２が配向制御光１３４の進行方向と同方向に配向した場合を示した図である。配向制御光１３６から配向制御光１３４へのように、配向制御光の照射方向が９０度切り替わると、配向制御光１３６の進行方向に（ナノロッドの長軸方向を向けて）配向していたフリー分子２０は回動する方向の力を受ける。バインディング分子２２も同様に、配向制御光の照射方向が９０度切り替わると、回動する方向の力を受ける。その後、十分な時間が経過すれば、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、配向制御光１３４の照射方向、すなわち紙面左右方向にナノロッドの長軸方向を向けて配向する。この場合においても、フリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向、およびバインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向が同一方向に揃う。配向制御光の照射方向を切り替えて十分な時間が経過すれば、全てのフリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向、および全てのバインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向は同一方向に揃うが、フリー分子２０が配向を完了するまでに要する時間と、バインディング分子２２が配向を完了するまでに要する時間とには差が生じる。
【００９０】
図９（Ａ）〜（Ｃ）に示す模式図を用いて、配向制御用光源部１１６から照射される配向制御光１１７の進行方向の切り替えに伴うフリー分子２０およびバインディング分子２２の動作を詳細に説明する。なお、ここでは理解を容易にするために、試薬カップ１０８中にフリー分子２０およびバインディング分子２２がそれぞれ１つずつ存在する場合を例に取り説明する。
【００９１】
図９（Ａ）は、ＡＯＤ１２０が配向制御光１１７を素通りさせた場合（配向制御光１１７の進行方向に変化がない場合）におけるフリー分子２０の配向方向およびバインディング分子２２の配向方向を示す図である。配向制御光１３６が紙面下から上に進行して試薬カップ１０８に入射すると、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、それぞれに付随するナノロッド８の長軸方向が配向制御光１３６の進行方向と平行となる向き（この場合、紙面上下方向）に配向する。
【００９２】
図９（Ｂ）は、ＡＯＤ１２０が配向制御光１１７の進行方向を切り替えた場合のフリー分子２０およびバインディング分子２２の動作を説明するための図である。配向制御光１３４が紙面左から右に進行して試薬カップ１０８に入射すると、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、それぞれに付随するナノロッド８の長軸方向が配向制御光１１７の進行方向と同一方向となるように回動する。この場合、バインディング分子２２に比べて体積および質量が小さいフリー分子２０の方が速く回動し、配向完了までに要する時間が短い。バインディング分子２２は、フリー分子２０より遅れて配向を完了する。
【００９３】
図９（Ｃ）は、ＡＯＤ１２０が配向制御光１１７の進行方向を切り替えた場合におけるフリー分子２０の配向方向およびバインディング分子２２の配向方向を示す図である。配向制御光１３４が紙面左から右に進行して試薬カップ１０８に入射すると、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、それぞれに付随するナノロッドの長軸方向が配向制御光１３４の進行方向と平行となる向き（この場合紙面左右方向）に配向する。
【００９４】
このようにして、生体分子検出装置１００は、フリー分子２０の配向方向およびバインディング分子２２の配向方向を、角度が互いに９０度異なる２つの方向に切り替えることができる。
【００９５】
次いで、フリー分子２０およびバインディング分子２２の各々の配向方向と吸光度測定光１１９との関係について、図１０（Ａ）および（Ｂ）を用いて説明する。
【００９６】
図１０（Ａ）は、ＦＧ１２２からＡＯＤ１２０への出力が０Ｖの場合における、フリー分子２０およびバインディング分子２２の各々の配向方向と吸光度測定光１１９の振動方向との関係を示した模式図である。
【００９７】
ＦＧ１２２からＡＯＤ１２０への出力が０Ｖの場合、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが垂直となる。この場合、フリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向に由来する吸光度も最小となるし、バインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向に由来する吸光度も最小となる。
【００９８】
図１０（Ｂ）は、ＦＧ１２２からＡＯＤ１２０への出力が５Ｖの場合における、フリー分子２０およびバインディング分子２２の各々の配向方向と吸光度測定光１１９の振動方向との関係を示した模式図である。
【００９９】
ＦＧ１２２からＡＯＤ１２０への出力が５Ｖの場合、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが平行となる。この場合、フリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向に由来する吸光度も最大となるし、バインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向に由来する吸光度も最大となる。
【０１００】
このように、ＡＯＤ１２０による配向制御光１１７の照射方向の切り替え、すなわちフリー分子２０およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えは、フリー分子２０またはバインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向由来の吸光度を最大と最小との間で切り替えることになる。図１１は、フリー分子２０およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えに伴う吸光度の変化を示したグラフである。本実施の形態に用いたナノロッド８の場合は、波長９００ｎｍ付近の光に対する吸光度が、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッドの長軸方向との関係により変化する。吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッドの長軸方向とが垂直関係にある場合に吸光度が最小となり、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッドの長軸方向とが平行関係にある場合に吸光度が最大となる。ここで、ナノロッド８の配向方向の変化に伴い吸光度が最も大きく変化するのは、ピークが表れる波長の光に対する吸光度、すなわち９００ｎｍの光に対する吸光度である。
【０１０１】
配向制御光の１１７の照射方向の切り替えによりフリー分子２０およびバインディング分子２２の配向方向は切り替わるが、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、体積、質量が異なるため、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに対して配向を切り替える速度が異なる。フリー分子２０は、バインディング分子２２に比べて体積、質量が小さいため、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに対してバインディング分子２２よりも早く配向方向が変化する。つまり、バインディング分子２２より早く配向が完了するため、１分子あたりの吸光度が最大となる時間的タイミングがバインディング分子２２よりも早い段階で現れる。
【０１０２】
生体分子検出装置１００は、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに伴いフリー分子２０の吸光度とバインディング分子２２の吸光度とが変化するタイミングが異なることを利用して、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに伴う溶液の吸光度の時間変化に基づいて、吸光度の合計に対するフリー分子２０の寄与分とバインディング分子２２の寄与分との分離を行う。
【０１０３】
続いて図１２を用いて受光部１２４の詳細な構成について説明する。図１２は、受光部１２４の詳細な構成を表した模式図である。受光部１２４は、レンズ１４２、フィルタ１４４、偏光子１４６、レンズ１４８およびフォトダイオード１５０を含む。
【０１０４】
受光部１２４は、試薬カップ１０８の底面側から試薬カップ１０８を透過した吸光度測定光１１９を受光する。試薬カップ１０８内のフリー分子２０またはバインディング分子２２を透過した吸光度測定光１１９は、レンズ１４２によって集光され、フィルタ１４４、偏光子１４６およびレンズ１４８を通ってフォトダイオード１５０へ入射される。この図では、吸光度測定光１１９の左端１４７および右端１４９を用いて光の進行方向を表してある。
【０１０５】
フィルタ１４４は、吸光度測定光１１９の波長以外の波長の光をカットするバンドパスフィルタであり、配向制御光等の吸光度測定光１１９以外の光がフォトダイオード１５０へ入射することを防いでいる。
【０１０６】
偏光子１４６は、吸光度測定光１１９の振動方向と同じ方向に振動する光のみを透過させる。
【０１０７】
フォトダイオード１５０は、レンズ１４８によって集光された吸光度測定光１１９を受光し、吸光度測定光１１９の強度に応じた電荷を発生させて増幅部１２６へ出力する。このようにして受光部１２４は、試薬カップ１０８内を透過した吸光度測定光１１９のみを受光し、ノイズの原因となるその他の光を受光しない。
【０１０８】
続いて、生体分子検出装置１００の測定時における動作について説明する。図１３は、検体の準備から廃棄までの流れを模式的に表した図である。
【０１０９】
測定の準備にあたり、まず患者から５０μＬ採集した全血１５６を遠心分離し、血漿１６を分離する。分離して取り出した血漿１６を、生体分子検出装置１００の検体セット部１５２にセットする。ここまでの作業はユーザーが行う。
【０１１０】
生体分子検出装置１００は、検体セット部１５２にセットされた血漿を、試薬カップストック部１６０にストックしてある未使用の試薬カップ１０８の中に分注する。続いて、生体分子検出装置１００は、試薬タンク１１２の中に存在するフリー分子２０をピペット１５８で吸い上げ、試薬カップ１０８の中に分注する。試薬カップ１０８内に血漿１６およびフリー分子２０を注入後、生体分子検出装置１００は、試薬カップ１０８を３７℃で温調しながら、内蔵したボルテックスミキサーによって振動させ、抗原抗体反応を起こさせる。その後、生体分子検出装置１００は、吸光度測定光１１９の照射、検出対象物質の検出もしくは定量等の測定を行い、測定終了後に試薬カップ１０８を内蔵のごみ箱１５４へ廃棄する。
【０１１１】
測定の際にＦＧ１２２が出力する配向制御信号の変化、および試薬カップ内の溶液による波長９０５ｎｍの光の吸光度の変化について、図１４を用いて説明する。図１４は、縦軸が生体分子検出装置１００における配向制御信号の電圧または波長９０５ｎｍの配向制御光の吸光度を表し、横軸が時間ｔを表したグラフである。なお、ここでは説明を容易にするため、波長９０５ｎｍの光の吸光度については、グラフを模式的に示してある。
【０１１２】
ＦＧ１２２から出力される配向制御信号は、測定前は０Ｖとなっている。測定前においては、配向制御光１１７を試薬カップ１０８内の溶液中に照射して、フリー分子２０およびバインディング分子２２を同一方向に配向させておく。測定の開始に伴い、ＣＰＵ１３２は吸光度測定光１１９の照射を開始する命令を光源部１１８へ出力する。配向制御信号が０Ｖの場合、試薬カップ１０８内の溶液の吸光度はｉｚの値となる。
【０１１３】
試薬カップ１０８に向けて吸光度測定光１１９が照射されると、溶液内のナノロッド８は、局在表面プラズモン共鳴を起こし、吸光度測定光１１９を吸収する。吸光度測定光１１９は、ナノロッド８により吸収され弱められながら溶液を透過し、受光部１２４内のフォトダイオード１５０へ入射する。光源部１１８から照射された吸光度測定光１１９の当初の出力と、フォトダイオード１５０で受光された吸光度測定光１１９の出力とから、配向制御信号が０Ｖの場合におけるナノロッド８による吸光度測定光１１９の吸光度ｉｚが測定される。
【０１１４】
続いて、ＣＰＵ１３２は、時刻Ｔ１で配向制御信号を５Ｖにする命令を出力する。配向制御信号を５Ｖとすると、ＡＯＤ１２０が配向制御光１１７の照射方向を９０度切り替える。配向制御光１１７の照射方向の切り替えに伴い、試薬カップ１０８内に存在するフリー分子２０およびバインディング分子２２は、配向方向が９０度切り替わる。
【０１１５】
フリー分子２０の配向方向の切り替え、およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えが開始され、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが同方向に近づくほど、吸光度測定光１１９とナノロッド８とが局在表面プラズモン共鳴を起こす割合が増加し、吸光度が増加する。従って、フリー分子２０の配向方向の切り替え、およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えが開始することに伴い、波長９０５ｎｍの光に対する溶液の吸光度もｉｚから増加していく。この場合、バインディング分子２２に比べて体積、質量の小さいフリー分子２０の方が配向方向の切り替えが速いため、フリー分子２０の方が吸光度の変化も速くなる。
【０１１６】
配向方向の切り替えが完了した（ここでは、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが平行となった）フリー分子２０およびバインディング分子２２は、吸光度測定光１１９の吸光度が最大となる。フリー分子２０の方が配向方向の切り替えが速いため、時刻Ｔ２で全てのフリー分子２０の配向方向の切り替えが完了すると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は、値ｉｆで飽和する。
【０１１７】
その後、バインディング分子２２の配向方向が切り替わることに伴い、吸光度のグラフは時刻Ｔ３で再び増加していく。時刻Ｔ４で全てのバインディング分子２２の配向方向の切り替えが完了すると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は値ｉｔで飽和する。
【０１１８】
配向制御信号は、５Ｖの出力がＴ秒間続いた後０Ｖとなる。このＴ秒は、波長９０５ｎｍの光の吸光度が時刻Ｔ４において２度目の飽和をするのに充分な時間を少なくとも設定する。配向制御信号が５Ｖから０Ｖに切り替わると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は、しばらくｉｔの値を示すが、その後ｉｚの値まで減少する。波長９０５ｎｍの光の吸光度がｉｚとなる理由は、配向制御信号が０Ｖに切り替わったことに伴い、吸光度測定光１１９の振動方向とフリー分子２０およびバインディング分子２２に付随する双方のナノロッド８の長軸方向とが垂直となり、フリー分子２０またはバインディング分子２２の１分子あたりの吸光度が減少するためである。配向制御信号が０Ｖとなった状態においても波長９０５ｎｍの光の吸光度がしばらくの時間はｉｔという値を示す理由は、フリー分子２０およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えタイミングが、配向制御信号の切り替えタイミングに対して少し時間的に遅れるためである。
【０１１９】
ここで、配向制御信号を０Ｖとする期間は、配向制御信号を５Ｖとしていた期間と同じＴ秒とした。これは、配向制御光１１７の出力が一定という条件下では、溶液中のフリー分子２０およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間は、配向制御信号を０Ｖから５Ｖとした場合と、配向制御信号を５Ｖから０Ｖにした場合とで、ほぼ同じ時間がかかるためである。配向制御信号が０Ｖから５Ｖに変わって時間Ｔだけ経過し、配向制御信号が０Ｖに戻り、時間Ｔだけ経過するまでが、生体分子検出装置１００における測定の１周期である。すなわち、生体分子検出装置１００における１周期の測定時間は２Ｔである。
【０１２０】
なお、吸光度の時間変化が非常に緩やかなために、ｉｆの値が明確に判別できない場合においては、フリー分子２０による吸光度の成分とバインディング分子２２による吸光度の成分とをコンピュータシミュレーションによって分離し、ｉｆの値を求めるようにしても良い。
【０１２１】
図１５は、生体分子検出装置１００における配向制御信号を複数周期に亘って示したグラフである。生体分子検出装置１００は、図１５に示すように、配向制御信号を所定の間隔で切り替えて上記１周期の測定を複数回行い、得られた複数のｉｔ、ｉｆおよびｉｚの値を、それぞれ加算平均を行って、ｉｔ、ｉｆおよびｉｚの値の平均値を求める。本実施の形態では、上記１周期の測定を１０回行い、ｉｔ、ｉｆおよびｉｚの値の平均値を求める。これにより、様々な要因により発生する測定結果のばらつきを平均化している。
【０１２２】
ＣＰＵ１３２は、得られたｉｔ、ｉｆ、ｉｚの平均値から、バインディング分子２２の濃度を算出する。具体的には、初めに測定値Ｓを、次式（１）によって求める。
Ｓ＝（ｉｔ−ｉｆ）／（ｉｔ−ｉｚ）・・・（１）
【０１２３】
式（１）において、（ｉｔ−ｉｆ）は、バインディング分子２２が配向方向を切り替えることに伴い増加した吸光度を求めている。（ｉｔ−ｉｚ）は、得られた吸光度の最大値から測定当初の吸光度を減ずることにより、フリー分子２０およびバインディング分子２２が配向方向を切り替えることに伴い増加した吸光度を求めている。（ｉｔ−ｉｆ）を（ｉｔ−ｉｚ）で除算することにより、光学系変動等の測定結果の再現性を悪化させる要因をキャンセルしている。
【０１２４】
ＣＰＵ１３２は、ここで求めた測定値Ｓから、診断値Ｃ（検出対象物質の濃度）を求める。診断値Ｃは、次式（２）によって求める。
Ｃ＝ｆ（Ｓ）・・・（２）
【０１２５】
ここで、ｆ（Ｓ）は、検量線関数である。あらかじめ既知の複数濃度の標準検体を用いてスペクトルと濃度との関係を取得しておき、この関係を基にスペクトル変化と濃度との関数を示す検量線関数を求めておけば、スペクトルの変化から検出対象物質の濃度を求めることができる。生体分子検出装置１００は、測定項目ごとに異なる検量線関数を記憶しておき、測定値Ｓを診断値Ｃに変換する。ＣＰＵ１３２は、得られた診断値Ｃを表示部１０２へ出力する。このように、受光部１２４、増幅部１２６、Ａ／Ｄ変換部１２８およびＣＰＵ１３２が協働することで、吸光度を測定して生体分子を検出する検出手段となる。
【０１２６】
以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る生体分子検出装置１００によれば、配向制御光１１７の照射方向の切り替えにより、溶液中のフリー分子２０の配向方向およびバインディング分子２２の配向方向を切り替えることが可能な構成とした。配向制御光１１７により切り替えるフリー分子２０の配向方向およびバインディング分子２２の配向方向は、フリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向およびバインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向が、吸光度測定光１１９の振動方向に対して平行な方向と、垂直な方向である。すなわち生体分子検出装置１００は、配向制御光１１７の照射方向の切り替えにより、フリー分子２０およびバインディング分子２２の１分子あたりの吸光度を切り替える。また、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに伴う配向方向の切り替えに要する時間に差が生じるため、それぞれの分子の吸光度が増加するタイミングが異なる。従って生体分子検出装置１００は、溶液中のバインディング分子に付随したナノロッドによる吸光度への寄与分を算出することができ、簡便な構成で検出対象物質の濃度を正確に測定することができる。
【０１２７】
また、以上の構成において、生体分子検出装置１００は、配向制御光１１７による外力によって、フリー分子２０の配向およびバインディング分子２２の配向を全て同じ方向に制御するため、ブラウン運動というランダムな運動を利用して測定する場合に比べて、高感度な測定をすることができる。
【０１２８】
なお、本実施の形態では、抗原抗体反応を利用する場合を例にとって説明したが、検出対象物質と、検出対象物質に特異的に結合する物質との組み合わせは、抗原、抗体に限られず、例えば、抗原を用いて抗体を検出する場合や、特定のＤＮＡを用いて当該ＤＮＡとハイブリダイゼーションをするＤＮＡを検出する場合、ＤＮＡを用いてＤＮＡ結合性たんぱく質を結合する場合、リガンドを用いてレセプターを検出する場合、糖を用いてレクチンを検出する場合、プロテアーゼ検出を利用する場合、高次構造変化を用いる場合等がある。検出対象物質と検出対象物質に特異的に結合する物質の組み合わせが、抗原と抗体以外の場合においても、検出対象物質に特異的に結合する物質とナノロッドとを結合させてフリー分子を構成し、フリー分子と検出対象物質とを結合させてバインディング分子を構成すれば、本実施の形態に係る生体分子検出装置により検出対象物質の濃度を測定することができる。
【０１２９】
また、本実施の形態では、測定結果から検出対象物質の濃度の算出までの説明を容易にするため、測定結果のグラフを模式的な図とした場合における検出対象物質の算出の説明を行ったが、必ずしもこのように算出する必要はなく、例えば、グラフ中の変曲点に基づいて、フリー分子による吸光度が飽和した点を決定して検出対象物質の濃度の算出を行っても良い。
【０１３０】
また、配向制御信号を５Ｖと０Ｖとの間で切り替える際の時間間隔は、フリー分子やバインディング分子の体積、溶媒の粘度、溶液の温度等に基づいて変化させることが望ましい。すなわち、フリー分子が、配向制御光の照射方向の切り替わりにより配向方向が変化し始め、その切り替わりが完了するまでに要する時間は、フリー分子の体積、溶媒の粘度、溶液の温度、溶液中におけるフリー分子の回転しやすさ等によって決まる。また、バインディング分子が配向方向の切り替わりに要する時間も、バインディング分子の体積、溶媒の粘度、溶液の温度、溶液中におけるバインディング分子の回転しやすさ等によって決まる。例えば、検体の粘度が高い場合等、フリー分子が溶液中で回転しにくい場合は、フリー分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間が長くなるため、配向制御信号を５Ｖまたは０Ｖとする期間を、フリー分子の配向方向の切り替えが完了する程度まで長くすることが望ましい。バインディング分子の配向方向の切り替えについても同様のことが言える。ここで、フリー分子およびバインディング分子の双方の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間は、吸光度測定の結果に基づいて決定することができる。例えば、図１４においては、吸光度が最大値となった時刻Ｔ４から初めに配向制御信号を５Ｖにした時刻Ｔ１を減算すること、すなわちＴ４−Ｔ１を行うことにより、フリー分子およびバインディング分子の双方の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間を求めることができる。
【０１３１】
また、本実施の形態では、配向制御光１１７として波長１０００ｎｍ、出力７００ｍＷのレーザーを用いたが、配向制御光１１７はこのレーザーに限られない。配向制御光１１７の波長および出力強度は、フリー分子およびバインディング分子の体積、質量等、これらに起因する溶液中での回転しやすさに基づいて決定することが望ましい。配向制御光１１７の波長は、フリー分子およびバインディング分子を配向させることができ、吸光度測定に影響を与えない波長であれば何でも良い。また、レーザーの出力は、フリー分子とバインディング分子との間に、配向方向の切り替えに要する時間に差が表れる程度の出力とすることが望ましい。
【０１３２】
また、本実施の形態では、吸光度測定光１１９に波長９０５ｎｍ、出力０．１ｍＷの光を用いたが、吸光度測定光１１９に用いる光はこの光に限られない。吸光度測定光１１９の波長は、ナノロッドの配向方向の変化に伴い吸光度に変化が生じる波長であれば良いが、ナノロッドによる吸光度が最大となる波長の光を用いることが望ましい。ナノロッドによる吸光度が最大となる波長の光を使用して吸光度測定を行うと、ナノロッドの配向方向の変化に伴い吸光度が最も大きく変化するため、フリー分子とバインディング分子を分離して算出することが容易となる。また、吸光度測定光１１９の出力は、吸光度測定が可能な出力であれば何でも良い。また、光源部１１８はランプと干渉フィルタの組み合わせによって構成しても良い。
【０１３３】
なお、本実施の形態では、繰り返し測定を行って測定結果の加算平均を求めたが、加算平均は必ずしも行う必要はなく、ユーザーが何を重視するかによって決定すれば良い。例えば、ユーザーが素早く測定を行いたい場合は、測定を１周期のみ行って結果を表示すれば良い。また、ユーザーがより高精度な測定を行いたい場合は、何周期かに亘って測定を行い、測定精度を向上させた結果を表示すれば良い。
【０１３４】
なお、図２（Ａ）および（Ｂ）では、説明を分かりやすくするためにナノロッド８を円柱で示したが、実際のナノロッド８は完全な円柱状の形状とは限らない。また、ナノロッド８は、吸光度測定光の振動方向に対する長軸方向の向きにより、吸光度に変化が現れる形状であれば良い。
【０１３５】
（実施の形態２）
実施の形態２は、２種類の抗体を使用し、均一溶液中で検出対象物質である特定の２種類の抗原を検出する態様である。図１６（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る生体分子検出装置の抗原抗体反応の概要を示した模式図である。ここでは、試薬カップ１０８の中に、抗体３２および抗体３４が入れられている。抗体３２は、ナノロッド３６と結合してフリー分子を形成している（以下、フリー分子Ａという）。抗体３４は、ナノロッド３８と結合してフリー分子を形成している（以下、フリー分子Ｂという）。
【０１３６】
試薬カップ１０８の中に検体１６を入れて撹拌すると、抗体３２と特異的に結合する抗原４４が検体中に存在する場合は、フリー分子Ａと抗原４４との間で抗原抗体反応が起こり、抗体３２および抗原４４が特異的に結合する。同様に抗体３４と特異的に結合する抗原４６が検体中に存在する場合は、フリー分子Ｂと抗原４６との間で抗原抗体反応が起こり、抗体３４および抗原４６が特異的に結合する。実施の形態１で説明した場合と同様に、一部の抗体３２および抗体３４は、抗原抗体反応をしないまま溶液中に存在する。以下、抗原抗体反応をしたフリー分子Ａおよび抗原４４の複合体をバインディング分子Ａと呼び、抗原抗体反応をしたフリー分子Ｂおよび抗原４６の複合体をバインディング分子Ｂと呼ぶ。本実施の形態では、検出対象物質である抗原４４はＰＳＡ、抗原４６はＳＣＣ（Ｓｑｕａｍｏｕｓ Ｃｅｌｌ Ｃａｒｃｉｎｏｍａ）抗原とする。また、抗体３２としてＰＳＡと特異的に結合する抗ＰＳＡ抗体を用い、抗体３４としてＳＣＣ抗原と特異的に結合するＳＣＣ抗体を用いる。
【０１３７】
図１７（Ａ）および（Ｂ）は、バインディング分子Ａおよびバインディング分子Ｂをナノロッド３６およびナノロッド３８の上方から見た図である。ナノロッド３６とナノロッド３８とは、長軸方向の長さが異なり、ナノロッド３８の方が長軸方向の長さが長い。本実施の形態では、ナノロッド３６には短軸１０ｎｍ、長軸５０ｎｍの金ナノロッドを使用する。また、ナノロッド３８には短軸１０ｎｍ、長軸６０ｎｍの金ナノロッドを使用する。
【０１３８】
図１８は、光の波長に対するナノロッド３６またはナノロッド３８による吸光度の変化を描いたグラフである。グラフ５０は、ナノロッド３６による吸光度を表したグラフである。グラフ５２は、ナノロッド３８による吸光度を表したグラフである。一般的にナノロッドは、長軸方向の長さが長いほど、長軸方向由来のプラズモン共鳴波長が長波長側に現れる。この例では、ナノロッド３６の長軸方向由来のピークが波長９００ｎｍ付近に表れる。また、ナノロッド３８の長軸方向由来のピークは、波長１０００ｎｍ付近に現れる。なお、ここでは説明を容易にするためグラフを模式的に示してある。
【０１３９】
本発明の実施の形態２に係る生体分子検出装置は、２種類のフリー分子と２種類のバインディング分子とが混在する溶液に吸光度測定光を照射し、２種類の検出対象物質それぞれの検出または定量を行う。以下、本実施の形態に係る生体分子検出装置について詳細に説明する。
【０１４０】
図１９は、本発明の実施の形態２に係る生体分子検出装置２００の主要な構成を示すブロック図である。なお、実施の形態１で示した生体分子検出装置１００と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１４１】
生体分子検出装置２００は、実施の形態１で示した生体分子検出装置１００の構成に対して、光源部２０１、受光部２０２、分注部２０４、試薬タンク２０６およびＣＰＵ２０８が主に異なる。
【０１４２】
分注部２０４は、複数の抗体がそれぞれ別の容器に入った試薬タンク２０６からユーザーによって指定された抗体を吸い上げ、試薬カップ１０８内へ分注する。
【０１４３】
光源部２０１は、内部に備えた偏光子により直線偏光した光を試薬カップ１０８に向けて照射する。光源部２０１は、波長９０５ｎｍの光と波長１．１μｍ（１１００ｎｍ）の光とから照射する光を選択することができる光源である。光源部２０１の出力は０．１ｍＷである。光源部２０１が照射することができる２種類の波長は、それぞれナノロッド３６の長軸方向由来のピークが現れる付近の波長と、ナノロッド３８の長軸方向由来のピークが現れる付近の波長である。以下、光源部２０１から照射される光を吸光度測定光２０９という。
【０１４４】
受光部２０２は、試薬カップ１０８を透過した吸光度測定光２０９を受光する。受光部２０２は、ＣＰＵ２０８から出力される命令（Ｓ１）を受けて、吸光度測定光２０９の波長に応じたフィルタを用いて吸光度測定光２０９を受光するように構成されている。受光部２０２の詳細な構成については後述する。
【０１４５】
ＣＰＵ２０８は、Ａ／Ｄ変換部１２８から出力されたデジタルデータの演算を行い、その結果を表示部１０２へ出力する。また、ＣＰＵ２０８は、ユーザー入力部１０４から入力される信号に基づき、配向制御用光源部１１６、光源部２０１、分注部２０４、ＦＧ１２２および受光部２０２の各々の動作に対する指示命令を行う。具体的には、ＣＰＵ２０８は、配向制御用光源部１１６および光源部２０１に対し、オン／オフ命令を行う。また、分注部２０４に対して、使用する試薬を指定する命令および分注動作開始命令を行う。さらに、ＦＧ１２２に対して、出力する信号波形の指示命令および出力命令を行う。また、受光部２０２に対してフィルタの切り替え命令を行う。
【０１４６】
受光部２０２の構成について、図２０を用いて詳細に説明する。図２０は、実施の形態２に係る生体分子検出装置２００における受光部２０２の詳細な構成を表した模式図である。
【０１４７】
受光部２０２内のフィルタ切替部２１０は、フィルタ２１２およびフィルタ２１４の２種類のフィルタを備えている。この２種類のフィルタは可動式となっており、レンズ１４２によって集光された光が通るフィルタを切り替えることができる。フィルタ切替部２１０は、ＣＰＵ２０８からの命令（Ｓ１）を受信して、光源２０１から照射されている吸光度測定光２０９の波長に合わせて使用するフィルタを切り替える。具体的には、レンズ１４２で集光された光が通る位置に使用するフィルタを移動させ、使用しないフィルタを光が通らない位置に退避させる。本実施の形態では、フィルタ２１２は、波長９０５ｎｍの光を透過するバンドパスフィルタを用いる。フィルタ２１４は、波長１．１μｍの光を透過するバンドパスフィルタを用いる。ＣＰＵ２０８は、光源部２０１に波長９０５ｎｍの光を照射させる場合はフィルタ２１２を使用する命令を受光部２０２に出力する。また、ＣＰＵ２０８は、光源部２０１に波長１．１μｍの光を照射させる場合はフィルタ２１４を使用する命令を受光部２０２に出力する。この構成により、吸光度測定光２０９に用いた波長以外の光が受光部２０２に入射することを防ぎ、ノイズを減少させることができる。
【０１４８】
本実施の形態においても、ＡＯＤ１２０による配向制御光１１７の照射方向の切り替えは、ナノロッド３６およびナノロッド３８の長軸方向由来の吸光度を最大と最小との間で切り替える。図２１は、ナノロッド３６およびナノロッド３８の配向方向の切り替えに伴う吸光度の変化を示したグラフである。図２１において、曲線５０は波長の変化に対するナノロッド３６による吸光度を表したグラフである。曲線５２は波長の変化に対するナノロッド３８による吸光度を表したグラフである。なお、図２１のグラフは説明を容易にするために模式的に描いてある。
【０１４９】
本実施の形態に用いたナノロッド３６の波長９００ｎｍ付近の光に対する吸光度は、ナノロッド３６の長軸方向の向きが吸光度測定光２０９の振動方向に対して平行方向に近づくほど増加する。図２１には、ナノロッド３６の配向方向の切り替えに伴う吸光度の変化を、破線で示す曲線５４によって示す。また、ナノロッド３８の波長１．１μｍ付近の光に対する吸光度は、ナノロッド３８の長軸方向の向きが吸光度測定光２０９の振動方向に対して平行方向に近づくほど増加する。図２１には、ナノロッド３８の配向方向の切り替えに伴う吸光度の変化を、破線で示す曲線５６によって示す。
【０１５０】
ナノロッド３６においてもナノロッド３８においても、吸光度測定光２０９の振動方向とナノロッドの長軸方向とが垂直の場合に吸光度が最小となり、吸光度測定光２０９の振動方向とナノロッドの長軸方向とが平行の場合に吸光度が最大となる。しかし、ナノロッド３６の長軸方向由来の吸光度のピークが現れる波長と、ナノロッド３８の長軸方向由来の吸光度のピークが現れる波長とは十分離れている。また、ナノロッド３６およびナノロッド３８の吸光度スペクトルにおいて、ピーク付近の吸光度以外は配向の変化に伴う変化が非常に少ない。そのため、ナノロッド３６を含むフリー分子およびバインディング分子を測定する場合は、吸光度測定光２０９として波長９００ｎｍ付近の光を用いるとナノロッド３８の影響を無視して吸光度測定を行うことができる。同様に、ナノロッド３８を含むフリー分子およびバインディング分子を測定する場合は、吸光度測定光２０９として波長１．１μｍ付近の光を用いる。このように、複数種類のフリー分子およびバインディング分子が混在していても、ナノロッドの長軸方向由来のピークが表れる波長が異なるので、所望のフリー分子およびバインディング分子の各々の吸光度を測定することができる。
【０１５１】
本実施の形態に係る生体分子検出装置２００は、実施の形態１と同様に、配向制御光の照射に伴いフリー分子が配向を完了するまでに要する時間とバインディング分子が配向を完了するまでに要する時間との差を利用して測定を行う。すなわち、配向制御光を照射することにより、フリー分子に付随するナノロッドによる吸光度ナノロッドの吸光度が変化するタイミングとバインディング分子に付随するナノロッドの吸光度が変化するタイミングとに差を生じさせる。そして、溶液の吸光度の時間変化から、バインディング分子に付随したナノロッドによる吸光度への寄与分を算出し、検出対象物質の定量を行う。吸光度測定においては、測定する対象のフリー分子およびバインディング分子の双方に付随するナノロッドの長軸方向由来の吸光度が現れる波長帯の光を用いる。
【０１５２】
続いて生体分子検出装置２００の測定動作について説明する。生体分子検出装置２００の測定動作は、実施の形態１で説明した生体分子検出装置１００の測定動作と基本的には同じであるが、細かな点で異なる。フリー分子とバインディング分子が混在した溶液からバインディング分子を分離して検出する原理については実施の形態１で説明したため、ここでは溶液中に混在する２種類のバインディング分子から目的のバインディング分子のみを検出する原理について説明する。
【０１５３】
生体分子検出装置２００は、初めに２種類のバインディング分子のどちらを先に検出するか決定する。例えば、生体分子検出装置２００を使用するユーザーが、ユーザー入力部１０４を用いて任意に決定することができる。
【０１５４】
ここでは、ナノロッド３６を有するバインディング分子Ａから先に測定を行う場合を説明する。ＣＰＵ２０８は、受光部２０２内のフィルタ切替部２１０に、フィルタ２１２の使用を指示する命令を出力する。フィルタ切替部２１０は、ＣＰＵ２０８からの命令を受信し、レンズ１４２で集光された光が通る位置にフィルタ２１２を移動させる。また、ＣＰＵ２０８は、光源部２０１に、波長９０５ｎｍの吸光度測定光２０９を照射する命令を出力する。
【０１５５】
試薬カップ１０８に向けて吸光度測定光２０９が照射されると、溶液内のナノロッド３６は、吸光度測定光２０９と局在表面プラズモン共鳴を起こし吸光度測定光２０９を吸収する。また、ナノロッド３８も同様に吸光度測定光２０９を吸収するが、その割合はナノロッド３６に比べると無視できるほど少ない。
【０１５６】
吸光度測定光２０９は、ナノロッド３６により吸収され弱められながら溶液を透過し、受光部２０２へ入射する。吸光度測定光２０９は、レンズ１４２によって集光され、フィルタ２１２へ入射する。フィルタ２１２は９０５ｎｍの波長の光を通すため、吸光度測定光２０９はフィルタ２１２を透過してフォトダイオード１５０に到達する。光源部２０１から照射された当初の吸光度測定光２０９の出力と、フォトダイオード１５０で受光された吸光度測定光２０９の出力とから、配向制御信号が０Ｖの場合におけるナノロッド３６による吸光度測定光２０９の吸光度ｉｚ１が測定される。
【０１５７】
生体分子検出装置２００によって試薬カップ１０８内の溶液の吸光度測定を行った結果を図２２（Ａ）および（Ｂ）に示す。なお、ここでは説明を容易にするためグラフを模式的に示してある。
【０１５８】
図２２（Ａ）は試薬カップ１０８内の溶液による波長９０５ｎｍの光の吸光度の時間に対する変化である。この吸光度は、主にナノロッド３６による吸光度である。Ｔ１１での測定の開始に伴い、フリー分子Ａおよびバインディング分子Ａの双方の配向が変化して吸光度は増加していく。フリー分子Ａの方がバインディング分子Ａに比べて速く配向方向の切り替えが完了し、時刻Ｔ１２で全てのフリー分子Ａの配向方向の切り替えが完了すると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は、値ｉｆ１で飽和する。その後、吸光度のグラフは時刻Ｔ１３で再び増加する。Ｔ１４でバインディング分子Ａの配向方向の切り替えが完了すると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は値ｉｔ１で飽和する。Ｔ１５で配向制御信号が０Ｖになると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は、時刻Ｔ１５からやや遅れてｉｚ１となる。
【０１５９】
生体分子検出装置２００は、配向制御信号を所定の間隔で切り替えて上記１周期の測定を複数回行い、得られた複数のｉｚ１、ｉｆ１およびｉｔ１の値をそれぞれ加算平均して、ｉｚ１、ｉｆ１およびｉｔ１の値の平均値を求める。
【０１６０】
続いて、ＣＰＵ２０８は、得られたｉｚ１、ｉｆ１およびｉｔ１の平均値から、バインディング分子Ａの濃度を算出する。具体的には、実施の形態１で測定値Ｓを求めた場合と同じ演算を行い、測定値Ｓ１を求める。そして、検量線関数ｆ１（Ｓ）を用いて、測定値Ｓ１から濃度Ｃ１に変換する。ＣＰＵ２０８は、得られた濃度Ｃ１を表示部１０２へ出力する。
【０１６１】
次に、生体分子検出装置２００は、バインディング分子Ｂの測定を行う。ＣＰＵ２０８は、受光部２０２内のフィルタ切替部２１０に、フィルタ２１４の使用を指示する命令を出力する。フィルタ切替部２１０は、ＣＰＵ２０８からの命令を受信し、レンズ１４２で集光された光が通る位置にフィルタ２１４を移動させる。また、ＣＰＵ２０８は、光源部２０１に、波長１．１μｍの吸光度測定光２０９を照射する命令を出力する。
【０１６２】
図２２（Ｂ）は試薬カップ１０８内の溶液による波長１．１μｍの光の吸光度の時間に対する変化である。この吸光度は、主にナノロッド３８による吸光度である。
【０１６３】
配向制御信号が０Ｖの場合におけるナノロッド３８による吸光度測定光２０９の吸光度はｉｚ２を示す。Ｔ２１での測定の開始に伴い、フリー分子Ｂおよびバインディング分子Ｂの双方の配向方向が変化して吸光度は増加する。フリー分子Ｂの方がバインディング分子Ｂに比べて速く配向方向の切り替えが完了するため、時刻Ｔ２２で全てのフリー分子Ｂの配向方向の切り替えが完了すると、波長１．１μｍの光の吸光度は値ｉｆ２で飽和する。その後、吸光度のグラフは時刻Ｔ２３で再び増加し、Ｔ２４でバインディング分子Ａの配向方向の切り替えが完了すると、波長１．１μｍの光の吸光度は値ｉｔ２で飽和する。Ｔ２５で配向制御信号が０Ｖになると、波長１．１μｍの光の吸光度は、時刻Ｔ２５からやや遅れてｉｚ２となる。
【０１６４】
生体分子検出装置２００は、配向制御信号を所定の間隔で切り替えて上記１周期の測定を複数回行い、得られた複数のｉｚ２、ｉｆ２およびｉｔ２の値をそれぞれ加算平均して、ｉｚ２、ｉｆ２およびｉｔ２の値の平均値を求める。
【０１６５】
バインディング分子Ｂを測定する場合の配向制御信号の切り替えタイミングは、バインディング分子Ａを測定する場合と異なる。これは、バインディング分子Ａ、フリー分子Ａ、バインディング分子Ｂおよびフリー分子Ｂそれぞれの体積および質量が異なり、それぞれの分子が配向を完了するまでに要する時間が異なるためである。
【０１６６】
図２２（Ａ）および（Ｂ）に示したように、バインディング分子Ａを測定する場合と、バインディング分子Ｂを測定する場合とでは、吸光度が増加したり飽和したりするタイミングは異なる。これは、バインディング分子Ａとバインディング分子Ｂとの、体積の違いによる溶液中での運動しやすさに起因する。
【０１６７】
続いて、ＣＰＵ２０８は、得られたｉｚ２、ｉｆ２およびｉｔ２の平均値から、バインディング分子Ｂの濃度を算出する。具体的には、実施の形態１で測定値Ｓを求めた場合と同じ演算を行い、測定値Ｓ２を求める。そして、検量線関数ｆ２（Ｓ）を用いて、測定値Ｓ２から濃度Ｃ２に変換する。ＣＰＵ２０８は、得られた濃度Ｃ２を、表示部１０２へ出力する。
【０１６８】
以上説明したように、本発明の実施の形態２に係る生体分子検出装置２００によれば、実施の形態１で説明した生体分子検出装置１００の構成に加え、２種類のナノロッドを用い、フィルタ切替部２１０を２種類のフィルタの切り替えが可能な構成とした。２種類のナノロッドは、配向方向の切り替えに伴う長軸方向由来の吸光度の変化が現れる波長が異なる。そのため、検出対象物質を含むバインディング分子に付随するナノロッドに対応した波長の光を吸光度測定光として使用することにより、検出対象物質を含むバインディング分子の吸光度のみを測定することができる。すなわち、複数の成分が混在した検体から検出対象物質の濃度を正確に測定することができる。このように、一つの検体から複数の検出対象物質を検出することは、免疫診断の精度を上げるために重要である。
【０１６９】
なお、本実施の形態では、２種類のナノロッドとして短軸１０ｎｍ、長軸５０ｎｍの金ナノロッドおよび短軸１０ｎｍ、長軸６０ｎｍの金ナノロッドを用いたが、測定に用いるナノロッドはこの長さまたはアスペクト比のものに限られない。２種類のナノロッドとしては、一方のナノロッドの吸光度のみを測定できる程度に長軸方向由来のプラズモン共鳴波長に差があるものを用いれば良い。
【０１７０】
また、本実施の形態では、配向制御光１１７に波長１０００ｎｍ、出力７００ｍＷのレーザーを用いたが、配向制御光１１７はこのレーザーに限られない。配向制御光１１７の出力は、フリー分子の体積および質量ならびにバインディング分子の体積および質量等に起因する溶液中での回転しやすさに基づいて決定することが望ましい。配向制御光１１７の波長は、フリー分子およびバインディング分子を配向させることができ、吸光度測定に影響を与えない波長であれば何でも良い。
【０１７１】
また、本実施の形態では、吸光度測定光２０９に波長９０５ｎｍ、出力０．１ｍＷの光および波長１．１μｍ、出力０．１ｍＷの光を用いたが、吸光度測定光２０９に用いる光はこれらの光に限られない。吸光度測定光２０９の波長は、ナノロッドの配向方向の変化に伴い吸光度に変化が生じる波長であれば良いが、ナノロッドによる吸光度が最大となる波長の光を用いることが望ましい。ナノロッドによる吸光度が最大となる波長の光を用いて吸光度測定を行うと、ナノロッドの配向方向の変化に伴い吸光度が最も大きく変化するため、フリー分子とバインディング分子を分離して算出することが容易となる。また、吸光度測定光２０９の出力は、吸光度測定が可能な出力であれば何でも良い。また、光源部２０１はランプと干渉フィルタの組み合わせによって構成しても良い。
【０１７２】
なお、本実施の形態では、抗原抗体反応を利用する場合を例にとって説明したが、検出対象物質と、検出対象物質に特異的に結合する物質との組み合わせは、抗原、抗体に限られず、例えば、抗原を用いて抗体を検出する場合や、特定のＤＮＡと当該ＤＮＡとハイブリダイゼーションをするＤＮＡ、ＤＮＡとＤＮＡ結合性たんぱく質、リガンドとレセプター、糖とレクチン、プロテアーゼ検出、高次構造変化等を用いても良い。検出対象物質と検出対象物質に特異的に結合する物質の組み合わせが、抗原および抗体以外の場合においても、検出対象物質に特異的に結合する物質とナノロッドとを結合させてフリー分子を構成し、フリー分子と検出対象物質とを結合させてバインディング分子を構成すれば、本実施の形態に係る生体分子検出装置により検出対象物質の濃度を測定することができる。
【０１７３】
また、本実施の形態では検出対象物質が２種類の場合について説明したが、検出対象物質の種類は３種類以上でも良い。その場合においても、各検出対象物質と特異的に結合する物質を用い、それぞれ異なったアスペクト比を有するナノロッドと結合させて同様の測定を行うと、各検出対象物質の濃度を測定することができる。
【０１７４】
また、実施の形態１や実施の形態２において、配向制御光として直線偏光された光を用いて偏光軸を回動させ、これによりフリー分子およびバインディング分子を配向させるような態様としても良い。直線偏光された光を照射されたフリー分子および直線偏光された光を照射されたバインディング分子は、光の偏光軸によって決まる特定の方向に配向する。配向制御光として直線偏光された光を用いる場合は、ＡＯＤの代わりにλ／２波長板を用いることができる。λ／２波長板は、垂直な方向に振動する光の光路差を１／２波長変化させる機能を有する位相板であり、光の偏光軸を回動操作するために用いられる。λ／２波長板の光学軸方向と平行な方向に直線偏光した光はλ／２波長板を素通りするが、λ／２波長板の光学軸方向と４５度の角度をなす方向に直線偏光した光は偏光軸が９０度回動する。つまり、直線偏光した光に対するλ／２波長板の角度を切り替えることにより、光を素通りさせる場合と、光の偏光軸を９０度変化させる場合とを切り替えることができる。すなわち、λ／２波長板を用いて直線偏光した光の偏光軸を回動させることにより、フリー分子およびバインディング分子を２つの方向へ配向させることができる。
【０１７５】
なお、実施の形態１および実施の形態２では、直線偏光した吸光度測定光を溶液に照射する場合、すなわち偏光面が単一の吸光度測定光を溶液に照射する場合を例にとって説明したが、吸光度測定光は必ずしも単一の偏光面を有する直線偏光した光である必要はない。実施の形態１および実施の形態２の効果を奏するためには、吸光度測定光が特定方向の直線偏光成分を少なくとも１つ有していれば良い。ここで、特定方向の直線偏光成分を有する光とは、ナノロッドの配向方向の変化により、ナノロッドと特定方向の直線偏光成分との向きの関係が変化して、特定方向の直線偏光成分に対してナノロッドによる吸光度に変化が生じる光である。例えば、ランダム偏光した吸光度測定光を照射し、受光部の前に検光子を設けて特定方向の直線偏光成分のみを受光するように構成しても良い。ここでランダム偏光とは、光の振動方向がランダムであり、様々な方向に振動する成分が存在することをいう。
【０１７６】
図２３Ａおよび図２３Ｂは、それぞれ配向制御光１３４、１３６を照射した際のナノロッド８の配向方向とランダム偏光した吸光度測定光２１８の振動方向とを表した概念図である。配向制御光１３４は、配向制御光１３６に対して照射方向が９０度異なる。吸光度測定光２１８の振動方向２２０ａ〜２２０ｄは、吸光度測定光２１８の進行方向に対して垂直な平面内における光の振動方向を表す。図２３Ａおよび図２３Ｂでは、振動方向２２０ａ〜２２０ｄによって吸光度測定光２１８の振動方向が様々な方向であることを表しているが、実際は、図示した成分だけでなく、あらゆる角度方向のより多くの成分が含まれている。
【０１７７】
検光子２１６は、ナノロッド８を透過した吸光度測定光２１８のうち特定の方向に振動する成分を透過し、それ以外の方向に振動する成分を遮断する。換言すれば、検光子２１６を透過した光は特定の方向にのみ振動する光となる。検光子２１６が透過する特定の方向に振動する成分とは配向制御光１３４によって配向したナノロッド８の長軸方向と同一の方向に振動する成分である。検光子２１６を透過した吸光度測定光２１８の振動方向は、図２３ＡおよびＢにおいて振動方向２２０ａとなる。これにより、図２３Ａに示すように、ナノロッド８を透過した吸光度測定光２１８のうち、配向制御光１３４によって配向したナノロッド８の長軸方向と同一の方向に振動する成分のみをフォトダイオード１５０に到達させることができる。一方、図２３Ｂに示すように、配向制御光１３４と照射方向が９０度異なる配向制御光１３６によって配向したナノロッド８の長軸方向に対しては、垂直な方向に振動する成分のみがフォトダイオード１５０に到達する。このような構成にすることで、吸光度測定光２１８としてランダム偏光した光を用いても、直線偏光した吸光度測定光を照射した場合と同様に、特定の方向に振動する光に対する溶液の吸光度測定を行うことができる。なお、検光子２１６が透過させる特定の方向に振動する成分とは必ずしもここで示した方向に振動する成分に限られず、ナノロッド８の配向方向の変化に伴いナノロッド８による吸光度に差が生じる成分であれば何でも良い。
【０１７８】
また、図２３Ａおよび図２３Ｂでは吸光度測定光がいずれの方向に振動する場合においても振幅が一定である例を示したが、必ずしも全ての方向において振幅が一定である必要はない。フォトダイオード１５０が受光する成分は特定方向に振動する成分のみであるので、その他の方向に振動する成分は遮断される。
【０１７９】
図２３Ｂに示す配向制御信号が０Ｖの場合、配向制御光１３６により配向したナノロッド８の長軸方向と検光子２１６を透過可能な光の振動方向とは垂直となる。この場合、吸光度測定光２１８の各方向に振動する成分のうち検光子２１６を透過可能な方向に振動する成分は、ナノロッド８に吸収されにくい。
【０１８０】
一方、図２３Ａに示す配向制御信号が５Ｖの場合、配向制御光１３４により配向したナノロッド８の長軸方向と検光子２１６を透過可能な光の振動方向とは平行となる。この場合、吸光度測定光２１８の各方向に振動する成分のうち検光子２１６を透過可能な方向に振動する成分はナノロッド８に吸収されやすい。
【０１８１】
このような構成とした場合においても、配向制御信号を０Ｖから５Ｖに変化させると、ナノロッド８の配向方向が変化し、ナノロッド８の長軸方向と検光子２１６が透過可能な光の振動方向とが徐々に平行に近づく。それに伴い、検光子２１６を透過可能な方向に振動する光に対するナノロッド８の吸光度が増加し、溶液の吸光度は増加する。この場合、フリー分子とバインディング分子とでは、配向を完了するまでに要する時間が異なるため、吸光度が増加して飽和するタイミングも異なる。そのため、このような構成とした場合においても、配向制御信号を０Ｖから５Ｖに変化させた際の、時間に対する溶液の吸光度の変化のグラフは、図１４と同様の形状となる。つまり、この場合においても溶液の吸光度のグラフについて実施の形態１と同様の計算を行うことにより、検出対象物質の濃度を測定することができる。
【０１８２】
（実施の形態３）
図２４Ａは、生体分子検出装置３００の主要な構成を説明するための機能ブロック図である。図２４Ｂは、光源部３０４および配向制御用光源部３２２と第１の受光部３０６との位置関係を表した図である。図２４Ｂにおいては、説明に使用する構成を図２４Ａから抜き出して描いてあり、その他の構成は省略して示している。なお、図２４Ａおよび図２４Ｂにおいて、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１８３】
光源部３０４は、内部に備えた偏光子により２つの直交する方向に振動する成分のみを有する吸光度測定光３１２を、図２４Ｂに示すように、試薬カップ１０８の底面から試薬カップ１０８の上方に設けられた第１の受光部３０６に向けて照射する。吸光度測定光３１２には、波長９０５ｎｍ、出力０．１ｍＷの光を用いる。
【０１８４】
偏光ビームスプリッタ３１０は、試薬カップ１０８と第１の受光部３０６との間に設けられている。偏光ビームスプリッタ３１０は、試薬カップ１０８を透過した２つの直交する方向に直線偏光した吸光度測定光３１２のうち、一方の直線偏光成分３１４を透過し、他方の直線偏光成分３１６を直線偏光成分３１４とは９０度異なる方向に反射する。
【０１８５】
第１の受光部３０６は、図２４Ｂに示すように試薬カップ１０８の上方かつ試薬カップ１０８を挟んで光源部３０４の対面に設けられている。第１の受光部３０６は、内部にフォトダイオードを有する。第１の受光部３０６は、試薬カップ１０８および偏光ビームスプリッタ３１０を透過した直線偏光成分３１４をフォトダイオードで受光し、アナログ電気信号に変換して増幅部１２６へ出力する。また、第１の受光部３０６の内部にはバンドパスフィルタが設けられている。このバンドパスフィルタは、吸光度測定光３１２と同一の波長の光のみをフォトダイオードに到達させる。これにより、吸光度測定光３１２と異なる波長の光がフォトダイオードに到達してノイズとなることを防いでいる。
【０１８６】
第２の受光部３０８は、偏光ビームスプリッタ３１０によって反射される直線偏光成分３１６の光路上に設けられている。第２の受光部３０６は、偏光ビームスプリッタ３１０によって反射された直線偏光成分３１６を内部に設けられたフォトダイオードで受光し、アナログ電気信号に変換して増幅部１２６へ出力する。第２の受光部３０６の内部にはバンドパスフィルタが設けられている。このバンドパスフィルタは、吸光度測定光３１２と同等の波長を持つ光のみをフォトダイオードに到達させる。
【０１８７】
ＦＧ３１８は、様々な周波数と波形をもった電圧信号を発生させることのできる装置であり、ＣＰＵ３２０から出力される命令を受けて、偏光方向制御部３２４およびサンプリングクロック発生部１３０へそれぞれ異なる電圧信号を出力する。以下、ＦＧ３１８から偏光方向制御部３２４へ出力される信号を偏光方向制御信号という。
【０１８８】
配向制御用光源部３２２は、図２４Ｂに示すように試薬カップ１０８の下部に設けられ、内部に備えた偏光子により直線偏光した配向制御光３２６を、偏光方向制御部３２４を通って試薬カップ１０８の底面から上方に向けて照射し、試薬カップ１０８内の溶液中に存在するフリー分子およびバインディング分子に外力を加えてこれらの配向を制御する。配向制御光３２６には、波長１．３μｍ、出力７００ｍＷのレーザーを用いる。配向制御光３２６は、試薬カップ１０８の溶液全体を照らす程度の幅を有している。
【０１８９】
偏光方向制御部３２４は、配向制御光３２６の偏光方向（振動方向）を切り替えることで、フリー分子およびバインディング分子の配向方向を切り替える。偏光方向制御部３２４は、λ／２波長板を有する。λ／２波長板は、垂直な方向に振動する偏光の光路差を１／２波長変化させる機能を有する位相板であり、光の偏光面を回転操作するために用いられる。λ／２波長板の光学軸方向と平行な方向に直線偏光した光はλ／２波長板を素通りするが、λ／２波長板の光学軸方向と４５度の角度をなす方向に直線偏光した光は振動方向が９０度変化する。つまり、直線偏光した光に対するλ／２波長板の角度を切り替えることで、光を素通りさせる場合と、光の振動方向を９０度変化させる場合とを切り替えることができる。λ／２波長板は、電子式のλ／２波長板回転素子に保持されている。偏光方向制御部３２４は、ＦＧ３１８から出力される偏光方向制御信号を受信して、専用のコントローラによりλ／２波長板回転素子を回動させることでλ／２波長板を回転させ、配向制御光３２６の振動方向を９０度切り替える。換言すれば、配向制御光３２６の振動方向は、ＦＧ３１８が発生する電圧信号によって決まる。
【０１９０】
ＣＰＵ３２０は、生体分子検出装置３００の各動作を統括的に制御し、測定結果の演算等を行う。ＣＰＵ３２０は、ＦＧ３１８が出力する偏光方向制御信号を指定することで、偏光方向制御部３２４が配向制御光３２６の振動方向を切り替えるタイミングを制御する。
【０１９１】
図２５Ａおよび図２５Ｂに示す概念図を用いて、配向制御光３２６の振動方向に対するナノロッドの配向方向と吸光度測定光３１２の振動方向との向きの関係について説明する。なお、図２５Ａおよび図２５Ｂにおいては、説明に不要な要素は省略して描いてある。吸光度測定光３１２は、進行方向に対して垂直な平面内において振動方向３３０ａ、３３０ｂに振動する成分を有する。また、振動方向３３０ａと振動方向３３０ｂは直交している。つまり、吸光度測定光３１２は互いに直交する２つの直線偏光成分を有する光である。
【０１９２】
図２５Ａは、偏光方向制御信号が０Ｖの場合の概念図である。偏光方向制御信号が０Ｖの場合、振動方向３３４に振動する配向制御光３２６が試薬カップ１０８に照射される。偏光方向制御信号が０Ｖの場合の配向制御光３２６の振動方向３３４と、吸光度測定光３１２の振動方向３３０ａとは平行である。振動方向３３４の方向に振動する配向制御光３２６を照射されたナノロッド８は、振動方向３３４と同一の方向に長軸方向を向けて配向する。
【０１９３】
偏光ビームスプリッタ３１０は、吸光度測定光３１２のうち振動方向３３０ａに振動する直線偏光成分３１４を透過し、振動方向３３０ｂに振動する直線偏光成分３１６を反射する。偏光ビームスプリッタ３１０を透過した直線偏光成分３１４は、第１の受光部３０６内に設けられたフォトダイオード３４０に到達する。偏光ビームスプリッタ３１０で反射した直線偏光成分３１６は、第２の受光部３０８内に設けられたフォトダイオード３４２に到達する。
【０１９４】
図２５Ｂは、偏光方向制御信号が５Ｖの場合の概念図である。偏光方向制御信号が５Ｖの場合、振動方向３４０に振動する配向制御光３２６が試薬カップ１０８に照射される。偏光方向制御信号が５Ｖの場合の配向制御光３２６の振動方向３４０と、吸光度測定光３１２振動方向３３０ｂとは平行である。振動方向３４０の方向に振動する配向制御光３２６を照射されたナノロッド８は、振動方向３４０と同一の方向に長軸方向を向けて配向する。
【０１９５】
図２６は、縦軸が生体分子検出装置３００における偏光方向制御信号の電圧または吸光度を表し、横軸が時間ｔを表したグラフである。なお、ここでは説明を容易にするため、偏光ビームスプリッタを透過した配向制御光の吸光度、偏光ビームスプリッタで反射した配向制御光の吸光度および正規化した吸光度については、グラフを模式的に示してある。
【０１９６】
本実施の形態においても実施の形態１と同様にＦＧ３１８から出力される偏光方向制御信号は、測定前は０Ｖとなっている。測定前においては、配向制御光３２６を試薬カップ１０８内の溶液中に照射して、フリー分子およびバインディング分子を同一方向に配向させておく。測定の開始に伴い、ＣＰＵ３２０は、吸光度測定光３１２の照射を開始する命令を光源部３０４へ出力する。
【０１９７】
偏光ビームスプリッタ３１０で反射する直線偏光成分３１６に着目すると、直線偏光している方向と、ナノロッド８の長軸方向との関係は実施の形態１と同様になる。従って、試薬カップ１０８内の溶液による直線偏光成分３１６の吸光度の時間変化は、実施の形態１の図１４に示したグラフと同様のグラフとなる。つまり、時刻Ｔ３１における配向制御光３２６の振動方向の変化に伴ってフリー分子およびバインディング分子の配向方向が切り替わり、直線偏光成分３１６に対するナノロッド８の吸光度が当初の値ｉｚ３から増加するが、フリー分子が配向を完了することにより吸光度は時刻Ｔ３２において値ｉｆ３で飽和する。その後、バインディング分子の配向方向が切り替わることに伴い時刻Ｔ３３で吸光度は再び増加し、全てのバインディング分子が配向を完了した時刻Ｔ３４において値ｉｔ３で飽和する。偏光方向制御信号は、５Ｖの出力がＴ秒間続いた後０Ｖとなる。偏光方向制御信号が５Ｖから０Ｖに切り替わると、直線偏光成分３１６の吸光度は、しばらくｉｔ３の値であるが、その後ｉｚ３の値まで減少する。
【０１９８】
偏光ビームスプリッタ３１０を透過する直線偏光成分３１４に着目する。直線偏光成分３１４の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが時刻Ｔ３１までは平行であるため吸光度が最大となる。時刻Ｔ３１における配向制御光３２６の振動方向の変化に伴ってフリー分子およびバインディング分子の配向方向が切り替わり、直線偏光成分３１４に対するナノロッド８の吸光度は当初の値ｉｔ４から減少する。フリー分子が配向を完了することにより吸光度は時刻Ｔ３２において値ｉｆ４で一定となる。その後、バインディング分子の配向方向が切り替わることに伴い時刻Ｔ３３で吸光度は再び減少し、全てのバインディング分子が配向を完了した時刻Ｔ３４において値ｉｚ４で最小値となる。偏光方向制御信号は、５Ｖの出力がＴ秒間続いた後０Ｖとなる。偏光方向制御信号が５Ｖから０Ｖに切り替わると、直線偏光成分３１４の吸光度は、しばらくｉｚ４の値であるが、その後ｉｔ４の値まで増加する。これは、直線偏光成分３１４の振動方向とナノロッド８の長軸方向が平行に戻るためである。
【０１９９】
ＣＰＵ３２０は、直線偏光成分３１６の吸光度をＰｐ、直線偏光成分３１４の吸光度をＰｖとして、これらを次式（３）に従って正規化する。
Ｋ＝（Ｐｐ−Ｐｖ）／（Ｐｐ＋Ｐｖ）・・・（３）
このように、２つの吸光度を正規化することで、ナノロッド８の濃度ばらつきや、光学系の励起パワー変動などの影響を低減させることができる。
【０２００】
正規化した吸光度のグラフから、バインディング分子の濃度を算出する。具体的には、測定値Ｓ３を次式（４）によって求める。
Ｓ３＝（ｉｔ５−ｉｆ５）／（ｉｔ５−ｉｚ５）・・・（４）
【０２０１】
ＣＰＵ３２０は、ここで求めた測定値Ｓ３から、実施の形態１と同様にして検量線関数を用いて診断値Ｃ３（検出対象物質の濃度）を求めて、得られた診断値Ｃ３を表示部１０２へ出力する。
【０２０２】
以上説明したように、本発明の実施の形態３に係る生体分子検出装置３００によれば、配向制御光３２６の振動方向の切り替えにより溶液中のフリー分子およびバインディング分子の配向方向を切り替えることが可能な構成とした。また、吸光度測定光３１２として、２つの直交する方向に振動する成分のみを有する光を用い、溶液を透過した吸光度測定光３１２を偏光ビームスプリッタで振動方向によって分離して直線偏光成分毎の吸光度を測定した。このようにして得られた直線偏光成分毎の吸光度を正規化して、正規化された吸光度を正規化することで、ナノロッド８の濃度ばらつきや、光学系の励起パワー変動などの影響を低減させることができる。正規化された吸光度から、実施の形態１と同様に溶液中のバインディング分子に付随したナノロッドによる吸光度への寄与分を算出することができ、簡便な構成で検出対象物質の濃度を正確に測定することができる。
【０２０３】
なお、以上説明した本発明に係る各実施の形態は、本発明の一例を示すものであり、本発明の構成を限定するものではない。本発明に係る生体分子検出装置は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能である。
【０２０４】
例えば、溶液中の分子の配向方向の切り替えは、光によるものに限られず、フリー分子の配向方向の切り替えおよびバインディング分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間に差が生じる程度の外力を加えるものであれば、磁気的な方法や電気的な方法としても良い。光による分子の配向制御を行うと、磁力等によって分子の配向を制御する場合に比べ複雑な機構が必要ないという利点がある。例えば、磁力を用いて分子の配向を制御するためには、それぞれの分子が磁性を持ったものであるか、磁性を持った分子を用意して配向を制御したい分子に結合させる必要があり、測定にあたっての準備が煩雑となる。
【０２０５】
また、本発明に係る各実施の形態では、配向制御光の照射方向を２つの直交する方向の間で切り替えたが、必ずしもこの２つの直交する方向の間で切り替える必要はない。フリー分子およびバインディング分子は、配向する方向が異なればそれぞれが有するナノロッドの吸光度が異なり、フリー分子の１分子あたりの吸光度またはバインディング分子の１分子あたりの吸光度も異なる。従って、配向制御光の照射方向を２つの直交する方向、すなわちフリー分子の配向方向およびバインディング分子の配向方向を２つの直交する方向としなくとも、フリー分子およびバインディング分子を分離して算出することができる。配向制御光の照射方向が直交していれば、フリー分子の配向およびバインディング分子の配向が完了するまでの時間差が最大となって最もＳ／Ｎが良くなる。一方で、例えば配向制御光の照射方向を、それぞれの照射方向の成す角度が６０度とすれば、直交する２つの方向に配向制御光の照射方向を切り替える場合と比べ、フリー分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間およびバインディング分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間が短くなり、測定に要する時間も短くなる。このように配向制御光を照射する２つの方向の成す角度が９０度より小さいほど、フリー分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間およびバインディング分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間が短くなり測定時間も短くなる。
【０２０６】
また、溶液中に検出対象物質が存在するか否か、すなわちバインディング分子が存在するかしないかのみを測定したい場合は、フリー分子とバインディング分子とに配向方向の切り替えに時間差が生じる程度だけ角度を変えた２つの方向で配向制御光の照射方向を切り替えれば良い。フリー分子とバインディング分子とに配向方向の切り替えに時間差が生じれば、その差は吸光度の変化として表れるため、バインディング分子の存在を確認できる。
【０２０７】
また、分子の配向方向を切り替えるため、本発明に係る実施の形態１および２では、ＡＯＤにより配向制御光の進行方向を切り替え、実施の形態３では直線偏光した配向制御光の振動方向を切り替えたが、分子の配向方向の切り替えには必ずしもこれらの方法を用いる必要はない。例えば、配向制御光の照射方向を変えた配向制御用光源部を複数設けて、使用する配向制御用光源部を切り替えることにより配向制御光の照射方向を切り替えても良い。
【０２０８】
また、配向制御用光源部は必ずしも１つの照射方向に１つのみを設ける必要はなく、複数の配向制御用光源部を設けて、同一方向に複数の配向制御光を照射しても良い。また、配向制御光は、進行方向に垂直な方向の断面形状がどのようなものであっても良い。例えば、図２７（Ａ）に示すように、振動方向３５２の方向に振動する直線偏光した配向制御光３５０が照射される場合を考える。この場合、配向制御光は、進行方向に垂直な方向の断面形状が略長方形である。このとき、配向制御光３５０の中心に位置するナノロッド３５４と配向制御光３５０の周縁部に位置するナノロッド３５６の挙動を考える。
【０２０９】
図２７（Ｂ）に示すように、配向制御光３５０の偏光軸を回動させると、回動軸（偏光軸の回動中心）上に位置するナノロッド３５４は、偏光軸の回動に追従して回動する。一方、配向制御光３５０の周縁部に位置するナノロッド３５６は、偏光軸の回動に追従できず、偏光軸から離れることになる。その後しばらくすると、ナノロッド３５６も偏光軸に引き込まれて配向する。そして、図２７（Ｃ）のように、配向制御光３５０の偏光軸を、図２７（Ａ）に対して９０度回転させても、ナノロッド３５４は追従し、ナノロッド３５６は追従できず、しばらくして配向制御光３５０に引き込まれて配向する。つまり、偏光軸の中心に位置するナノロッド３５４は、配向制御光の振動方向に同期して回動するが、偏光軸の周縁部に位置するナノロッド３５６の動きは、偏光軸の中心に対して公転するような動きとなり、配向制御光の振動方向に同期しない。
【０２１０】
このように、配向制御光の偏光軸の回動に追従できないナノロッドが存在すると測定に影響を与えることがある。その場合は、図２８（試薬カップ１０８の上面図）に示すように、３６０ａ〜３６０ｉの９点にそれぞれ対応した９本の配向制御光を入射させるような態様でも良い。このようにすると、配向制御光の偏光軸の中心に位置するナノロッドが増えるため、測定への影響を低減することができる。なお、ここでは９点に配向制御光を入射させる例を示したが、配向制御光を入射させる点は９点に限られず、９点より多くても少なくても良い。配向制御光を絞るほど、多くの点に入射させることが望ましい。これにより、複数箇所で配向に同期してナノロッドを回転させることができる。その結果、突発的な吸光度の変動を低下させることができ、相対的な散らばりを表す指標である変動係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ）を改善させることができる。
【０２１１】
このように、配向制御光を多点に入射させるための配向制御用光源部４０２の構造について図２９に示す。配向制御用光源部４０２は、３×３の２次元レーザーアレイである。配向制御用光源部４０２は、発光点４０４ａ〜４０４ｉの９点が発光する。発光点の大きさは縦が１μｍで横が１００μｍである。発光点の間の距離は約１００μｍである。この配向制御用光源部４０２を用いた光学系の一例を図３０に示す。なお図３０では、配向制御光および吸光度測定光の光学系以外の構成要素は省略して描いてある。
【０２１２】
配向制御用光源部４０２から照射された直線偏光した配向制御光４２２は、コリメータレンズ４０６を通って焦点において平行光線となる。コリメータレンズ４０６を通った配向制御光４２２は、ビームエキスパンダ４０８およびビームエキスパンダ４１０を通ってλ／２波長板４１２に入射する。ビームエキスパンダ４０８およびビームエキスパンダ４１０を通った配向制御光４２２は、特定の倍率の平行光束に広げられる。λ／２波長板４１２は回転ステージ上にあり、回転可能となっている。これにより配向制御光４２２の偏光軸を回動することができる。λ／２波長板４１２を透過した配向制御光４２２は、ダイクロイックミラー４１８で反射してレンズ４２０により集光されて試薬カップ１０８の底面から上面に向かって入射される。
【０２１３】
光源部４１４から照射された吸光度測定光４２４は、レンズ４２６を通ってダイクロイックミラー４１６により反射される。ダイクロイックミラー４１６により反射された吸光度測定光４２４は、ダイクロイックミラー４１８を透過してレンズ４２０により集光されて試薬カップ１０８の底面から上面に向かって入射する。
【０２１４】
図３０に示す光学系において、コリメータレンズ４０６の焦点距離を３．１ｍｍ、レンズ４２０の焦点距離を４ｍｍとすると、倍率は１．２９倍となる。そのため、試薬カップ１０８の底面において、配向制御光４２２の大きさは約１．３μｍ×１３０μｍとなり、ピッチは約１２９μｍとなる。
【０２１５】
配向制御光を多点に入射させる別の光学系の例について図３１に示す。なお図３１においても、配向制御光および吸光度測定光の光学系以外は省略して描いてある。また、図３０と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２１６】
図３１に示す光学系において、配向制御用光源部１１６は実施の形態１と同様のものである。配向制御光４３２は、コリメータレンズ４０６、ビームエキスパンダ４０８およびビームエキスパンダ４１０を通り、マイクロレンズアレイ４２８へ入射する。マイクロレンズアレイ４２８は、図３２に示すように、複数のマイクロレンズ４３０を格子状に並べたものである。マイクロレンズアレイ４２８を通った配向制御光４３２は、複数の光源から照射された光のように、異なる位置で焦点を結ぶ複数の光束となる。配向制御光４３２は、ピンホールアレイ４３０によって絞られ、ダイクロイックミラー４１８で反射してレンズ４２０を通って試薬カップ１０８の底面から上面に向かって入射する。このようにマイクロレンズアレイを用いても、配向制御光を多点に入射させることができる。
【０２１７】
また、実施の形態１のような配向制御光を照射する方向を変える光学系においては、配向光を多点に照射するために、光学系を複数段用意しても良い。例えば、同様の光学系を３段重ねれば、３つの配向制御用光源部から配向制御光が照射され、試薬カップ１０８へ３点から入射させることができる。このようにしても、配向制御光を多点から照射することができ、複数箇所でナノロッドを回動させることができる。
【０２１８】
なお、ここでは直線偏光した配向制御光を複数の位置から照射して多点に入射させるための光学系について示したが、直線偏光していない配向制御光を多点に入射させ、照射方向を切り替えることでナノロッドの配向方向を切り替えても良い。その場合も、２次元レーザーアレイやマイクロレンズアレイ等を用いて配向制御光を複数の位置から照射する。配向制御光の照射方向の切り替えは、ＡＯＤ等を用いて切り替えても良いし、配向制御光の照射方向が異なる複数の光源を設けて使用する光源を切り替えても良い。
【０２１９】
また、本発明に係る各実施の形態では、生体分子検出装置内に試薬カップを１つ設ける場合を説明したが、必ずしも試薬カップは１つである必要はなく、装置内に複数の試薬カップを設けて複数の検体をセットできる構成としても良い。その場合は、装置が試薬カップを順に測定位置に移動させて測定を行う構成とすれば、自動で複数の検体を測定することができる。
【０２２０】
また、上記各実施の形態では試薬カップを円柱状の形状としたが、試薬カップは必ずしも円柱状の形状とする必要は無い。例えば、図３３に示すように、四角柱状の形状を有し、内部に四角柱状の容器保持部を有する試薬カップ４３２を用いても良い。このような四角柱状の容器保持部を有する試薬カップ４３２は、特にフリー分子およびバインディング分子が、配向制御光によって、配向制御光の進行方向へ圧力を受けて容器壁面に押しつけられる場合に適している。これは、フリー分子およびバインディング分子の質量が軽い場合などに起こり、配向制御光からの力を受けてフリー分子およびバインディング分子が溶液中を移動してしまうことが原因である。この場合、容器保持部が四角柱であると、フリー分子およびバインディング分子は溶液と試薬カップ４３２との界面である平面に押しつけられ配向される。界面が平面であるため、フリー分子およびバインディング分子は横に移動して配向制御光の外に出ることがない。また、フリー分子およびバインディング分子が壁面に押しつけられる場合には、配向制御光の焦点の位置を工夫するとより配向させやすい。
【０２２１】
図３４は、直線偏光した配向制御光の焦点の位置の一例を示す図である。配向制御光４３４は、レンズ４３６に入射し、血漿１６と試薬カップの壁面４３２ｂとの界面において焦点４３４ａを結ぶ。配向制御光の焦点の位置は、配向制御光が最も強い力でフリー分子およびバインディング分子を配向させる。従って、図３４のように配向制御光を入射させると、配向制御光は、焦点４３４ｃの位置においてフリー分子およびバインディング分子を壁面４３２ｂに押しつけつつ、より効率的にフリー分子およびバインディング分子を配向させることができる。この場合においても、直線偏光した配向制御光の偏光軸を回動させることで、フリー分子およびバインディング分子の配向方向を焦点４３４ｃの位置において変化させることができる。
なお、容器保持部は必ずしも四角柱状の形状を有している必要はなく、少なくとも一面に平面を有していれば良い。その平面において焦点を結ぶように配向制御光を照射すればフリー分子およびバインディング分子は横に移動して配向制御光の外に出ることがなく、平面に押しつけられて配向される。
【０２２２】
なお、本発明に係る各実施の形態では、ナノロッドと結合した抗体を用いた例を説明したが、抗体は、必ずしもナノロッドと結合させておく必要はない。例えば、抗体および抗原の結合と、抗体およびナノロッドの結合とを同時に試薬カップ内で行っても良い。この場合、ユーザーは、抗体およびナノロッドをそれぞれ別の試薬タンクに用意しておく。測定時には、生体分子検出装置が、抗体、ナノロッドおよび検体をそれぞれ試薬カップへ分注して反応させる。
【０２２３】
また、配向制御用光源部１１６や光源部１１８は、生体分子検出装置から着脱可能な構成として、検出対象物質およびナノロッドの種類に応じて、適切なものに交換できるようにしても良い。
【０２２４】
また、配向制御の方向を所定の時間間隔で切り替え、得られた複数の吸光度の加算平均を行って、上記検出対象物質の検出または定量を行うと、ノイズによる測定精度への影響を減少させることができ、より高精度な測定が可能となる。
【０２２５】
配向制御の方向を切り替える所定の時間間隔は、溶液中に存在する全てのフリー分子および溶液中に存在する全てのバインディング分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間間隔とすることが望ましい。溶液中に存在する全てのフリー分子およびバインディング分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間は、例えば、吸光度が変化する時間に基づいて求めることができる。生体分子検出装置による測定を何周期か繰り返せば、吸光度が飽和するまでに要する時間がおおよそ分かる。吸光度が飽和するまでに要する時間は、溶液中に存在する全てのフリー分子およびバインディング分子が配向方向の切り替えを完了するまでに要する時間である。そのため、吸光度が飽和するまでに要する時間を上記所定の時間間隔とすることが望ましい。また、吸光度が飽和するまでに要する時間を加算平均して、算出した時間を所定の時間間隔として決めれば、ノイズ等による測定毎のばらつきの影響を減少させることができる。このように所定の時間間隔を設定すると、溶液中の全てのフリー分子および溶液中の全てのバインディング分子が配向を完了した後も同一方向に配向制御光を照射することがなくなり、消費電力を削減することができる。さらに、測定時間も短くすることができる。
【０２２６】
また、溶液中に存在する全てのフリー分子および溶液中に存在する全てのバインディング分子が配向方向の切り替えを完了するまでに要する時間は、フリー分子およびバインディング分子のそれぞれの質量または体積、配向制御手段により配向を制御する外力の強度、溶媒の粘度等から求めることもできる。
【０２２７】
なお、本発明に係る各実施の形態では、説明を容易にするためナノロッドに１つの抗体が結合している場合を例に取って説明したが、ナノロッドに結合させる抗体は必ずしも１つである必要はない。
【０２２８】
なお、本発明に係る各実施の形態では、検体として全血から分離した血漿を用いる場合を例にとって説明したが、検体は全血から分離した血漿に限られず、尿や隋液等、検出対象物質が溶液中に分散していれば検体とすることができる。
【０２２９】
また、本発明に係る各実施の形態では、ナノロッドおよび抗体が固定された基板を用いず、抗原、抗体およびナノロッドが液体中に分散している系で測定ができるため、抗原等を基板に固定して測定を行う測定に比べ、前処理が簡単であるという利点がある。また、抗原、フリー分子共に溶液中を自由に動き回れるため、基板を用いる系に比べて反応が早いという利点がある。
【０２３０】
また、本発明に係る各実施の形態では、ナノロッドとして金ナノロッドを例にとって説明したが、ナノロッドを構成する材料は金に限られず、プラズモン共鳴が生じ得る金属が含まれていれば良い。例えば、銀や銅などを使用することができる。
【０２３１】
また、本発明に使用することができるナノロッドのサイズは、本発明に係る各実施の形態で使用したものに限られず、配向方向の変化により光の吸光度が変化するサイズであれば何でも良い。
【０２３２】
また、本発明に係る各実施の形態では、ナノロッドの中央付近に抗体が結合されている場合を例にとって説明したが、抗体は必ずしもナノロッドの中央付近に結合される必要はない。抗体がナノロッドのいずれの場所に結合されていても、抗体に抗原が結合すれば、溶液中におけるフリー分子の回転し易さとバインディング分子の回転し易さに差が生じる。フリー分子とバインディング分子の回転し易さに差が生じれば、本発明に係る生体分子検出装置によりフリー分子の寄与分とバインディング分子の寄与分を分離することができ、検出対象物質を検出することができる。
【０２３３】
また、本発明に係る各実施の形態では、１つのナノロッドに１つの抗体が固定されている場合を例にとって説明したが、ナノロッドに固定される抗体は必ずしも１つである必要はない。１つのナノロッドに複数の抗体が固定されていても良い。
【０２３４】
また、本発明に係る各実施の形態では、飽和した吸光度の値を基にバインディング分子の濃度を求めたが、必ずしもそのような方法で求める必要はない。例えば、図３５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、配向制御信号の周波数を変え、ロックインアンプを用いて配向制御信号の周波数に同期した成分を抽出する。図３５（Ａ）においては、配向制御信号の周期ｔ１が十分長く、配向制御信号を５Ｖにしている期間が長いため、全てのフリー分子およびバインディング分子が配向して、吸光度は最大値となり、ロックインアンプの出力は最大値Ｉ１となる。一方、図３５（Ｂ）は配向制御信号の周期ｔ２が短く、全てのフリー分子およびバインディング分子が配向する前に配向制御信号が０Ｖになるため、吸光度は最大値とならず、ロックインアンプ出力はＩ２となる。Ｉ２はＩ１より小さい。同様にして３種のバインディング分子の濃度に対して、配向制御信号の値を切り替える周波数に対するロックインアンプ出力について予め検量線データを取得したグラフの例を図３６に示す。
【０２３５】
抗原の濃度が大きいほどバインディング分子の濃度が増え、バインディング分子の方がフリー分子より質量および体積が大きいため、配向制御信号の切り替えに追従しにくい。すなわち、抗原の濃度が大きいほどロックインアンプの出力を最大値Ｉ１にするために配向制御信号を長時間５Ｖにする必要があり、配向制御信号の周期が長い必要がある。周波数は周期の逆数であるため、溶液中の抗原の濃度が大きいほど、ロックインアンプの出力がＩ１となる周波数の最大値は小さくなる。逆に、溶液中の抗原の濃度が小さいほどロックインアンプの出力がＩ１となる周波数の最大値は大きくなる。例えば、図３６に示す３種の検量線において、検量線５０２は最も抗原濃度が大きく、次いで検量線５０４の抗原濃度が大きく、検量線５０６は最も抗原濃度が小さい。例えば、溶液を測定することによって得られたロックインアンプ出力の最大値に対して半値となる周波数がｆ１であった場合、検量線５０２と一致することが分かり、検量線５０２を取得した際の抗原の濃度が溶液中の抗原の濃度として出力される。
【０２３６】
また、本発明に係る各実施の形態においては、吸光度の測定に基づいて検出対象物質の定量を行ったが、必ずしも吸光度のみの測定を行う必要はない。例えば、吸光度に加え、フリー分子およびバインディング分子による散乱光を測定して、光の減光量を測定しても良い。減光量とは、吸収される光の量と散乱される光の量との双方の寄与からなる。従って、溶液を透過する前後の配向制御光の光量を調べてフリー分子およびバインディング分子による配向制御光の吸光度を測定し、フリー分子およびバインディング分子による配向制御光の散乱光を測定することにより、配向制御光の減光量を求めることができる。また、フリー分子およびバインディング分子による配向制御光の散乱光のみを測定しても良い。フリー分子およびバインディング分子による配向制御光の散乱光の強度は、配向制御光の吸収量と同様にフリー分子およびバインディング分子の配向方向によって変化する。従って、散乱光のみを測定しても、吸光度を求めた場合と同様に測定を行うことができる。散乱光を測定する場合は、一般的に暗視野顕微鏡で用いられる方法で測定を行う。すなわち、開口数（ＮＡ）の大きな輪帯光で照明し、受光側でその輪帯光をカットし散乱光のみ受光する。輪帯光とは、断面がリング状の光のことである。
【０２３７】
なお、フリー分子およびバインディング分子による配向制御光の散乱光のスペクトルは既知のため、フリー分子およびバインディング分子による配向制御光の散乱光を測定するためには、受光部に散乱光の波長の光のみを通すバンドパスフィルタを設ければ良い。また、吸光度と散乱光との双方を測定する場合、すなわち、透過光と散乱光を受光する場合は、フリー分子およびバインディング分子を含む溶液から出射する光をダイクロイックミラー等を用いて分光し、バンドパスフィルタを通して透過光と散乱光をそれぞれ受光すれば良い。
【産業上の利用可能性】
【０２３８】
本発明に係る生体分子検出装置および生体分子検出方法は、例えば、検出対象物質と、その検出対象物質に特異的に結合する物質との相互作用を利用して、検出対象物質の検出又は定量を行う装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０２３９】
８ ナノロッド
１２ 抗体
１６ 血漿
１８ 抗原
１００、２００、３００ 生体分子検出装置
１１６、３２２、４０２ 配向制御用光源部
１１８、２０１、３０４、４１４ 光源部
１２０ ＡＯＤ
１２４、２０２、３０６、３０８ 受光部
１４４、２１２、２１４ フィルタ
１４６ 偏光子
１５０、３４０、３４２ フォトダイオード
２１０ フィルタ切替部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液中の検出対象物質を検出する技術に係り、特に、血液や尿等の検体内の生体分子、ウイルス、ＤＮＡ、蛋白質、細菌等を検出することが可能な生体分子検出装置および生体分子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医師や技師等が診療の現場で生体分子検出を行い、その場で測定結果を得て診断や治療に役立てる生体分子検出法が注目されている。生体分子検出法は、抗原抗体反応等の特異的な反応を利用した高い選択性により、血液、尿、汗といった複数成分を有する体液の中から、検出対象物質だけを選択的に検出する方法である。特に、ウイルス、ＤＮＡ、蛋白質、細菌等の生体分子の微量検出、検査、定量、分析などに広く用いられている。
【０００３】
近年、生体分子を高感度に検出する方法として、金属微粒子のプラズモンと光の相互作用を利用したプラズモンセンサの研究が進められている。
【０００４】
特許文献１には、基板に固定した金属微粒子（金ナノロッド）の局在表面プラズモン共鳴の吸収波長が特異的結合によりシフトする現象をセンシング技術に応用した分析チップが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、金ナノロッドを配向させて基板に固定することにより、検出感度を向上させる検知素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２６５０６２号公報
【特許文献２】特開２００７−２４８２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および特許文献２のような金属微粒子を固定した基板を利用した検知素子は、金属微粒子を固定する際の加工コストが高いという問題がある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、金属微粒子を基板に固定することなく高感度で測定可能な生体分子検出装置および生体分子検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る生体分子検出装置は、特定の生体分子に特異的に結合し得る物質と光吸収特性に異方性を示す検出用標識とを有する第１の複合体、および上記生体分子が上記物質を介して上記第１の複合体に特異的に結合した第２の複合体、が含まれる溶液中において、上記第１の複合体および上記第２の複合体を少なくとも２つの方向へ配向させる配向制御手段と、特定方向の直線偏光成分を有する第１の光を上記溶液に照射する第１の光源と、上記溶液による上記第１の光の減光量を測定する検出手段と、上記検出手段により測定した光の減光量に基づいて上記生体分子を検出または定量する演算手段と、を具備し、上記第１の光は、上記第１の複合体および上記第２の複合体の配向方向の変化により、上記検出用標識による減光量に変化が生じる波長の光であることを特徴とする。
【００１０】
ここで、第１の複合体とは、実施の形態１においてはフリー分子を意味する。第２の複合体とは、実施の形態１においてはバインディング分子を意味する。
【００１１】
ここで、光吸収特性に異方性を示す検出用標識とは、光の振動方向に対する向きが変化することで、光の減光量が変化するものであり、具体的には金属ナノロッドやカーボンナノチューブなどが挙げられる。金属ナノロッドは、例えば金ナノロッドを用いることができる。
【００１２】
また、減光量とは、吸収される光の量と散乱される光の量との双方の寄与からなる。本発明においては、減光量として吸光度を測定しても良いし散乱光を測定しても良い。また、減光量として吸光度と散乱光との双方を測定しても良い。
【００１３】
このような構成にすると、簡便な構成で検出対象物質を高感度に測定することができる。また、上記第１の複合体および上記第２の複合体が固定されていないため、溶液中での反応が早い。
【００１４】
また、上記第１の光は、上記配向制御手段による上記第１の複合体および上記第２の複合体の配向方向の変化により、上記検出用標識と上記特定方向の直線偏光成分との向きの関係が変化して上記検出用標識による減光量に変化が生じる光であることが好ましい。
【００１５】
上記配向制御手段は、第２の光を上記溶液に照射する第２の光源と、上記第２の光の照射方向を切り替えることにより、上記第１の複合体および上記第２の複合体を上記溶液中で少なくとも２つの方向へ配向させる切替手段と、を具備することが好ましい。
【００１６】
配向制御手段が光を用いて第１の複合体および第２の複合体を配向させると、第１の複合体および第２の複合体に対して配向のための前処理が不要となる。例えば、磁気を用いて配向制御を行う場合には、第１の複合体および第２の複合体に磁性粒子等を結合させる必要があるが、光を用いて配向させると、そのような前処理が不要である。
【００１７】
また、上記配向制御手段は、直線偏光した第３の光を上記溶液に照射する第３の光源と、上記第３の光の偏光軸を回動させることにより、上記第１の複合体および上記第２の複合体を上記溶液中で少なくとも２つの方向へ配向させる偏光軸回動手段と、を具備するようにしてもよい。
【００１８】
このようにして第１の複合体および第２の複合体を配向させると、光の照射方向を切り替えて配向を切り替える場合のように複数の方向から光を照射する必要がないため、配向制御手段の光学系を小さくすることができる。
【００１９】
また、上記演算手段は、上記配向制御手段によって配向される上記第１の複合体および上記第２の複合体による減光量の時間変化に差があることを利用して上記第１の複合体による減光量成分と上記第２の複合体による減光量成分とを分離し、上記生体分子を検出または定量することが好ましい。
【００２０】
上記第１の複合体と上記第２の複合体とは、溶液中での運動し易さに差があり、減光量の時間変化に差がある。演算手段は、この時間変化の差を利用することで、上記第１の複合体による減光量と、上記第２の複合体による減光量とを分離することができ、上記生体分子を検出することができる。
【００２１】
また、上記検出用標識は金属ナノロッドであることが好ましい。金属ナノロッドは、配向方向の切り替えに伴って減光量に大きな変化が表れる。そのため、高精度に検出を行うことができる。
【００２２】
上記配向制御手段は、上記ナノロッドの長軸方向と上記第１の光源から照射される光の振動方向とが平行となる第１の方向、および、上記ナノロッドの長軸方向と上記第１の光源から照射される光の振動方向とが垂直となる第２の方向、へ上記第１の複合体および上記第２の複合体を配向させることが好ましい。
【００２３】
このように分子の配向を制御すると、上記第１の複合体の配向方向および上記第２の複合体の配向方向の切り替えに伴う減光量の変化が最大となる。そのため、溶液の減光量に対する第１の複合体の寄与分と、第２の複合体の寄与分とを、より高精度に測定することができる。
【００２４】
また、上記配向制御手段は、上記第１の複合体および上記第２の複合体の配向方向を所定の時間間隔で変化させ、上記検出手段は、減光量を複数回測定し、上記演算手段は、複数回測定した減光量の加算平均に基づいて上記生体分子を検出または定量することが好ましい。
【００２５】
このように上記第１の複合体の減光量および上記第２の複合体の減光量を複数回測定し、複数の減光量を加算平均等すれば、ノイズ等による測定毎の減光量のばらつきによる測定精度への影響を減少させることができる。
【００２６】
また、上記所定の時間間隔は、上記溶液中に存在する全ての上記第１の複合体および上記溶液中に存在する全ての上記第２の複合体の配向が完了する時間間隔であることが好ましい。
【００２７】
このように所定の時間間隔を決定すると、上記第１の複合体および上記第２の複合体の配向が完了した後まで測定を行うことがないため、最短の時間で測定を行うことができる。
【００２８】
また、上記第１の光源から照射される光の波長は、上記金属ナノロッドの長軸方向由来の減光量の最大値が現れる波長であることが好ましい。
【００２９】
このように光の波長を決定すると、上記第１の複合体の配向方向および上記第２の複合体の配向方向の変化に伴う上記溶液の吸光度の変化が最大となり、高精度の測定を行うことができる。
【００３０】
また、上記溶液は、四角柱状の形状を有する容器保持部に保持されることが好ましく、さらに、上記第２の光源は、上記第２の光が上記容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように上記第２の光を照射することが好ましい。
【００３１】
このように容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように第２の光を照射すると、第１の複合体および第２の複合体を容器保持部の壁面に押しつけながら回動させることができるため、配向制御しやすくなる。
【００３２】
上記溶液は、四角柱状の形状を有する容器保持部に保持されることが好ましく、さらに、上記第３の光源は、上記第３の光が上記容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように上記第３の光を照射することが好ましい。
【００３３】
このように容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように第３の光を照射すると、第１の複合体および第２の複合体を容器保持部の壁面に押しつけながら回動させることができるため、配向制御しやすくなる。
【００３４】
また、上記第２の光源は、上記溶液に対して上記第２の光を複数の位置から照射することが好ましい。上記第３の光源は、上記溶液に対して上記第３の光を複数の位置から照射することが好ましい。
【００３５】
溶液に対して複数の位置から上記第２の光または上記第３の光を照射すると、溶液内の様々な位置に存在する第１の複合体および第２の複合体の配向方向を制御しやすくなる。
【００３６】
上記検出手段は、減光量として上記溶液による上記第１の光の吸光度を測定してもよい。また、上記検出手段は、減光量として上記溶液による上記第１の光の散乱光を測定してもよい。
【００３７】
上記検出手段は、減光量として、吸光度測定または散乱光測定のいずれか一方のみの測定を行ってもよい。いずれか一方のみの測定を行う場合には、いずれか一方の測定を行うための装置のみを備えればよく、装置構成が複雑とならない。また、吸光度測定および散乱光測定の双方の測定を行ってもよい。吸光度測定および散乱光測定の双方の測定を行うと、さらに高精度な測定を行うことができる。
【００３８】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る生体分子検出方法は、特定の生体分子に特異的に結合し得る物質と光吸収特性に異方性を示す検出用標識とを有する第１の複合体、および上記生体分子が上記物質を介して上記第１の複合体に特異的に結合した第２の複合体、が含まれる溶液中において、上記第１の複合体および上記第２の複合体を少なくとも２つの方向へ配向させるステップと、特定方向の直線偏光成分を有する第１の光を上記溶液に照射するステップと、上記溶液による上記第１の光の減光量を測定するステップと、上記検出手段により測定した光の減光量に基づいて上記生体分子を検出または定量するステップと、を具備し、上記第１の光は、上記第１の複合体および上記第２の複合体の配向方向の変化により、上記検出用標識による減光量に変化が生じる波長の光であることを特徴とする。
【００３９】
このような方法で測定を行うと、簡便な構成で検出対象物質を高感度に測定することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、抗原や抗体等を壁面に固定する固相を用いないため反応が早く、高感度な生体分子検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施の形態１に係る生体分子検出装置の抗原抗体反応の概要を示した模式図である。
【図２】（Ａ）はフリー分子の模式図、（Ｂ）はバインディング分子の模式図である。
【図３】ナノロッドの吸光度特性を示したグラフである。
【図４】（Ａ）は光の振動方向とナノロッドの長軸方向とが平行となる場合を示す図、（Ｂ）は光の振動方向とナノロッドの長軸方向とが垂直となる場合を示す図である。
【図５】（Ａ）は実施の形態１に係る生体分子検出装置の外観斜視図、（Ｂ）は実施の形態１に係る生体分子検出装置の開閉部を開けた図である。
【図６】実施の形態１に係る生体分子検出装置の主要な構成を示すブロック図である。
【図７】配向制御用光源部から照射される配向制御光の照射方向の切り替えを上面から見た模式図である。
【図８】（Ａ）配向制御光の照射方向と複数の分子の配向方向との関係を表した模式図、（Ｂ）は別のケースにおける配向制御光の照射方向と複数の分子の配向方向との関係を表した模式図である。
【図９】（Ａ）は配向制御光の照射方向とフリー分子の配向方向およびバインディング分子の配向方向を描いた図、（Ｂ）は配向制御光の照射方向を切り替えた場合におけるフリー分子の動作およびバインディング分子の動作を描いた図、（Ｃ）は配向制御光の照射方向を切り替えフリー分子の配向およびバインディング分子の配向が完了した場合を描いた模式図である。
【図１０】（Ａ）は配向したフリー分子および配向したバインディング分子と光の振動方向との関係を描いた図、（Ｂ）は別の方向に配向したフリー分子および別の方向に配向したバインディング分子と光の振動方向との関係を描いた図である。
【図１１】ナノロッドの配向の変化に伴う吸光度の変化を表したグラフである。
【図１２】実施の形態１に係る生体分子検出装置における受光部の詳細な構成を表した模式図である。
【図１３】検体の準備から廃棄までの流れを模式的に表した図である。
【図１４】実施の形態１に係る生体分子検出装置における１周期の配向制御信号および溶液による波長９０５ｎｍの光の吸光度の時間変化を表したグラフである。
【図１５】実施の形態１に係る生体分子検出装置における配向制御信号を複数周期に亘って示したグラフである。
【図１６】実施の形態２に係る生体分子検出装置の抗原抗体反応の概要を示した模式図である。
【図１７】実施の形態２に用いる２種類のバインディング分子の上面図である。
【図１８】実施の形態２に用いる２種類のナノロッドの吸光度特性を示したグラフである。
【図１９】実施の形態２に係る生体分子検出装置の主要な構成を示すブロック図である。
【図２０】実施の形態２に係る生体分子検出装置における受光部の詳細な構成を表した模式図である。
【図２１】実施の形態２に用いる２種類のナノロッドの配向の変化に伴う吸光度の変化を表したグラフである。
【図２２】（Ａ）は溶液による波長９０５ｎｍの光の吸光度の時間変化を表したグラフ、（Ｂ）は溶液による波長１．１μｍの光の吸光度の時間変化を表したグラフである。
【図２３Ａ】一方から配向制御光を照射した場合のナノロッドの配向方向と吸光度測定光の振動方向とを表す概念図である。
【図２３Ｂ】他方から配向制御光を照射した場合のナノロッドの配向方向と吸光度測定光の振動方向とを表す概念図である。
【図２４Ａ】実施の形態３に係る生体分子検出装置の主要な構成を示すブロック図である。
【図２４Ｂ】実施の形態３に係る生体分子検出装置の光源部および配向制御用光源部と受光部との位置関係を表した図である。
【図２５Ａ】ナノロッドの一方の配向方向と吸光度測定光の振動方向との関係を表した概念図
【図２５Ｂ】ナノロッドの他方の配向方向と吸光度測定光の振動方向との関係を表した概念図である。
【図２６】ナノロッドの配向方向の変化に伴う吸光度の変化を表したグラフである。
【図２７】（Ａ）〜（Ｃ）は配向制御光の振動方向の変化に対するナノロッドの配向を表した図である。
【図２８】試薬カップの多点に配向制御光を照射する場合を示す図である。
【図２９】配向制御光を多点に入射させるための配向制御用光源部の構造を示す図である。
【図３０】配向制御光を多点に入射させるための光学系の一例を示す図である。
【図３１】配向制御光を多点に入射させるための光学系の別の例を示す図である。
【図３２】マイクロレンズアレイを示す図である。
【図３３】試薬カップの形状の一例を示す図である。
【図３４】試薬カップに対する配向制御光の焦点の位置を示す図である。
【図３５】配向制御信号の周波数に同期した吸光度成分を検出する例を示す図である。
【図３６】３種のバインディング分子の濃度についての、配向制御信号の周波数に対するロックインアンプ出力についての検量線データを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
実施の形態１では、１種類の抗体を使用し、均一溶液中で検出対象物質である特定の１種類の抗原を検出する。図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る生体分子検出装置１００における抗原抗体反応の概要を示した模式図である。図１（Ａ）および図１（Ｂ）を用いて、液中での抗原抗体反応について説明する。図１（Ａ）において、円筒形の試薬カップ１０の中に乾燥した抗体１２が入れられている。抗体１２はナノロッド８に結合されている。ナノロッドとは、ナノサイズの柱状の微粒子のことである。
【００４４】
本実施の形態においては、検体は全血から分離した血漿１６である。試薬カップ１０に血漿１６を分注して撹拌すると、抗体１２と特異的に結合する抗原１８が血漿１６中に存在する場合は、抗体１２と抗原１８との間で抗原抗体反応が起こり、図１（Ｂ）に示すように抗原１２に抗体１８が特異的に結合する。抗体１２は抗原１８に対して十分に多い量が入れられているため、一部の抗体１２は抗原抗体反応をしないまま血漿溶液中に残る。以下、抗原抗体反応で結合した抗体１２および抗原１８ならびにナノロッド８の複合体をバインディング分子と呼ぶ。また、抗原１８と結合していない抗体１２およびナノロッド８の複合体をフリー分子と呼ぶ。血漿１６にフリー分子を混合させると、一定時間経過後、バインディング分子およびフリー分子が混在した血漿溶液となる。なお、血漿中には抗原１８以外の成分も存在するが、説明を簡単にするため、図１（Ａ）および（Ｂ）では抗原１８以外の成分は省略してある。
【００４５】
生体分子検出装置１００は、フリー分子およびバインディング分子が混在している溶液に対して光を照射し、当該溶液による吸光度、特にナノロッド８による吸光度を測定することにより抗原１８の検出および定量を行う。ここで、ナノロッド８は、フリー分子に付随するものとバインディング分子に付随するものとが存在する。フリー分子およびバインディング分子は当該溶液中に混在しているため、当該溶液の吸光度は、当該溶液中に存在する全てのナノロッド８による吸光度の合算値である。そのため、抗原１８を含むバインディング分子に付随するナノロッド８による吸光度への寄与分を算出することは困難である。そこで、生体分子検出装置１００は、溶液中においてフリー分子およびバインディング分子は運動のし易さが異なること、ならびにフリー分子およびバインディング分子に付随するナノロッドの長軸方向の向きと光の振動方向との関係が吸光度に影響を与えることを利用して溶液の吸光度を測定して抗原１８の検出および定量を行う。具体的には、フリー分子およびバインディング分子を配向させ、配向方向の切り替えに伴うフリー分子の吸光度の時間変化とバインディング分子の吸光度の時間変化との差から、溶液全体の吸光度におけるバインディング分子の吸光度の寄与分を算出する。そして、算出されたバインディング分子の吸光度（寄与分）に基づいて、抗原１８の検出および定量を行う。
【００４６】
生体分子検出装置１００において、バインディング分子による吸光度への寄与分と、フリー分子による吸光度への寄与分とを算出する原理を説明するために、生体分子検出装置１００に用いるフリー分子およびバインディング分子の構造について、図２（Ａ）および図２（Ｂ）を用いて説明する。図２（Ａ）はフリー分子２０の模式図を表す。フリー分子２０は、抗体１２およびナノロッド８を有する。
【００４７】
ナノロッド８と抗体１２は結合されている。ナノロッド８と抗体１２との結合は、公知の任意の方法を用いることができる。例えば、アビジン金標識ナノロッドとビオチン化抗体を混合することにより結合させることができる。別の方法としては、プロテインＡの物理吸着を利用し、プロテインＡを介して金ナノロッドに抗体を結合させる方法がある。具体的には、まず金ナノロッドにプロテインＡを物理吸着させ、続いて抗体を吸着させる。一般的に金属類はタンパク質をよく吸着することが知られているため、金ナノロッドにプロテインＡを物理吸着させるため、無処理の金ナノロッド液にプロテインＡ液を添加し１時間程度放置する。１時間後に、スピンフィルターで未吸着の金ナノロッドおよびプロテインＡをろ過分離すれば、プロテインＡが吸着した金ナノロッドが得られる。続いて、プロテインＡが吸着した金ナノロッド液に抗体を添加し、１時間程度放置する。１時間後に、スピンフィルターで未吸着の金ナノロッドおよび抗体をろ過分離すれば、抗体が結合した金ナノロッドが得られる。ここでプロテインＡとは、黄色ブドウ球菌の細胞壁成分の５％を占めるタンパク質である。プロテインＡは、抗体と特異的に結合する。
【００４８】
抗体１２は、抗原１８と特異的に結合する物質であり、ナノロッド８に結合されている。抗体１２は、生体分子検出装置１００のユーザーが検出したい検出対象物質と特異的に結合するものを使用する。
【００４９】
本実施の形態では、検体に全血から分離した血漿を用い、検出対象物質と特異的に結合する抗体１２に抗ＰＳＡ抗体を用いる。そのため、検出対象物質である抗原１８としてＰＳＡ（Ｐｒｏｓｔａｔｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｎｔｉｇｅｎ）を検出することとなる。
【００５０】
ナノロッド８は、図２（Ａ）に示すように短軸方向と長軸方向との長さが異なり、アスペクト比（長軸長さ／短軸長さ）が１より大きく細長い柱状の形状を有する。ナノロッドは、金属の微粒子である。
【００５１】
フリー分子２０が示す吸光度もバインディング分子２２が示す吸光度も、主にナノロッド８による吸光の影響が大半である。従って、抗体１２や抗原１８による吸光現象の程度は、ナノロッド８による吸光に比べると無視できるほど小さい。
【００５２】
ナノロッド８の吸光スペクトルを説明するため、まず金属の微粒子の吸光特性について説明する。一般に、溶液中に分散した金属の微粒子に光を照射すると、特定の波長（プラズモン共鳴波長）の光が金属のプラズモンと共鳴して吸収されることが知られている。これは局在表面プラズモン共鳴（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）と呼ばれる。局在表面プラズモン共鳴におけるプラズモン共鳴波長は、金属微粒子の種類、形状、配列などの構造によって異なる。例えば、球状の金微粒子が水に分散した場合は、プラズモン共鳴波長が５３０ｎｍ程度となる。
【００５３】
柱状の金属微粒子であるナノロッドは、球状の金属微粒子の場合とは異なり、短軸方向のプラズモン共鳴波長と長軸方向のプラズモン共鳴波長とが異なり、２つのピークを有する吸光スペクトルが得られる（図３に模式図を示す）。この吸光スペクトルにおける波長５００ｎｍ付近に位置するピークは、ナノロッドの短軸方向のプラズモン共鳴によるものである。また、波長９００ｎｍ付近のピークは、ナノロッドの長軸方向のプラズモン共鳴によるものである。
【００５４】
ナノロッドの長軸方向由来のプラズモン共鳴波長は、ナノロッドのアスペクト比が高くなると、すなわちより細長い形状となると、長波長側にシフトしていくことが知られている。本実施の形態では、短軸１０ｎｍ、長軸５０ｎｍの金ナノロッドを使用する。この金ナノロッドは、長軸方向由来のプラズモン共鳴波長が約９００ｎｍとなる。
【００５５】
金ナノロッドは、低分子化合物や高分子化合物を保護剤としてナノロッド表面に吸着ないし結合させることによって、金属微粒子が凝集することなく安定的に溶媒に分散する。
【００５６】
図２（Ｂ）はバインディング分子２２の模式図を表す。バインディング分子２２は、抗体１２、ナノロッド８および抗原１８を有する。バインディング分子２２においては、抗体１２が抗原１８と結合している。
【００５７】
ナノロッド８に光を照射する場合、光の振動方向とナノロッド８の長軸の方向との関係は、ナノロッド８による光の吸光度に影響を与える。光は電磁波の一種であるが、ここでは「光の振動方向」とは電場の振動方向を意味するものとする。本実施の形態では、図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、直線偏光された光１９がナノロッド８に照射される場合を例にとって説明する。ここで、直線偏光とは、光の振動方向が一定であり、偏光面が変化しない光を指す。図４（Ａ）および（Ｂ）の場合においては、直線偏光された光１９は、ｘｙ平面内を振動しながらｙ軸の正の方向に向かって進行する。光１９の運動を進行方向と振動方向とに分けて考えると、ｙ軸の正の方向が進行方向となり、ｘ軸方向が振動方向となる。直線偏光した光の進行方向および振動方向が存在する面（ここではｘｙ平面）を偏光面という。また、直線偏光した光の振動方向を偏光軸という。直線偏光された光１９の振動方向がナノロッド８の長軸方向と平行な場合（図４（Ａ））には、ナノロッド８の長軸方向由来の吸光度が最大となる。直線偏光された光の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが垂直な場合(図４（Ｂ）)には、ナノロッド８の長軸方向由来の吸光度が最小となる。つまり、溶液中におけるナノロッド８の向きは、ナノロッド８による吸光度に影響を与える。
【００５８】
このように、ナノロッドの長軸方向と光の振動方向との関係は、ナノロッドの吸光度に影響を与えるが、ナノロッドの長軸方向と光の振動方向との関係は、フリー分子２０に付随するナノロッド８およびバインディング分子２２に付随するナノロッド８においても同様である。
【００５９】
溶液中ではフリー分子２０およびバインディング分子２２は運動しており、溶液中におけるフリー分子２０およびバインディング分子２２の向き、すなわち双方の分子におけるナノロッド８の向きは溶液の吸光度に影響する。そこで、溶液中におけるフリー分子２０およびバインディング分子２２の運動について検討する。フリー分子２０およびバインディング分子２２は、溶液中で不規則にブラウン運動しており、溶液中において移動および回転運動を行っている。従って、フリー分子２０の向きおよびバインディング分子２２の向きは様々である。
【００６０】
溶液中での分子のブラウン運動は、絶対温度、分子の体積または質量、溶媒の粘度等の影響を受けることが知られている。バインディング分子２２は、抗原１８の分だけフリー分子２０より体積および質量が大きく、溶液中でブラウン運動しにくい。フリー分子２０およびバインディング分子２２が溶液中でブラウン運動のしやすさが異なることを利用して、ブラウン運動の変化からバインディング分子２２の検出を行う方法が知られているが、ブラウン運動というランダムな運動を利用しているため検出感度に限界がある。
【００６１】
そこで、生体分子検出装置１００は、配向制御光たるレーザーを利用して溶液中のフリー分子２０の配向およびバインディング分子２２の配向を制御する。溶液中に存在するフリー分子２０およびバインディング分子２２にレーザーを照射すると、主にナノロッド８が外力を受け、溶液中でランダムな運動をしていたフリー分子２０およびバインディング分子２２は、特定の一方向を向く。なお、このように外力を受けて複数存在する分子の全てが特定の一方向を向いた状態を「配向が完了」した状態と表現することとする。フリー分子２０およびバインディング分子２２は、体積または質量の違いにより溶液中における回転運動のしやすさが異なるため、例えば、レーザーで溶液中の分子の配向を制御した場合においても、フリー分子２０とバインディング分子２２とでは、レーザーが照射されてから配向が完了するまでに要する時間に差が生じる。生体分子検出装置１００は、回転運動のし易さが異なることを利用して、溶液の吸光度からバインディング分子による吸光度を分離し、生体分子を検出する。より詳細には、本実施の形態では、フリー分子とバインディング分子と配向完了に要する時間の差を用いて生体分子を検出する。生体分子検出装置１００は、フリー分子２０が配向を完了するまでに要する時間とバインディング分子２２が配向を完了するまでに要する時間との差を利用して、フリー分子２０による吸光度が変化する速さとバインディング分子２２による吸光度が変化する速さとの間に差を生じさせ、溶液の吸光度におけるバインディング分子２２による寄与分を算出する。
【００６２】
続いて、本発明の実施の形態１に係る生体分子検出装置１００の構成について説明する。
【００６３】
図５（Ａ）は、生体分子検出装置１００の外観斜視図である。生体分子検出装置１００の側面には、表示部１０２、ユーザー入力部１０４および開閉部１０６が設けられている。表示部１０２は、測定結果等を表示する。ユーザー入力部１０４は、モードの設定、検体情報の入力等を行う。開閉部１０６は、上蓋の開閉が可能な構成となっており、検体のセット時には上蓋を開け、測定時は上蓋を閉じる。この構成により、外部の光が測定に影響を与えることを防いでいる。
【００６４】
図５（Ｂ）は、開閉部１０６を開いた場合における生体分子検出装置１００の外観斜視図である。開閉部１０６を開くと、生体分子検出装置１００の中には試薬カップ１０８および保持台１１０がある。試薬カップ１０８は、保持台１１０に保持されており、保持台１１０から着脱可能となっている。試薬カップ１０８は、溶液を入れる円柱状の容器である。ユーザーは、試薬カップ１０８に検体を分注し、上蓋を閉じて測定を行う。図示しないが、生体分子検出装置１００内には試薬タンクおよび分注部が設けられており、測定が開始されると、分注部は試薬タンク内から試薬（例えば、抗体およびナノロッド）を吸い上げて試薬カップ１０８内に分注する。
【００６５】
図６は、生体分子検出装置１００の主要な構成を説明するための機能ブロック図である。生体分子検出装置１００は、表示部１０２、ユーザー入力部１０４、試薬カップ１０８、試薬タンク１１２、分注部１１４、配向制御用光源部１１６、光源部１１８、ＡＯＤ（Ａｃｏｕｓｔｏ Ｏｐｔｉｃ Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）１２０、ファンクションジェネレータ（以下、ＦＧと示す）１２２、受光部１２４、増幅部１２６、Ａ／Ｄ変換部１２８、サンプリングクロック発生部１３０、ＣＰＵ１３２およびダイクロイックミラー１３８を有する。
【００６６】
試薬カップ１０８は、試薬タンク１１２に保存してある試薬と患者等から採取した検体とを反応させる容器である。試薬カップ１０８は、円柱状の形状を有している。試薬カップ１０８は、生体分子検出装置１００から着脱可能となっている。試薬カップ１０８の容量は、約１２０μＬである。
【００６７】
試薬タンク１１２は、複数種類の試薬をそれぞれ別の容器に入れて貯めておくタンクである。ここで、試薬とは、抗原、抗体、ナノロッドまたはそれらの複合体等、生体分子検出装置１００における測定に係わる物質をいう。本実施の形態では、フリー分子２０は試薬タンク１１２中に保存されている。
【００６８】
分注部１１４は、着脱可能なピペットや吸引器によって構成される。分注部１１４は、ＣＰＵ１３２から出力される命令に従い、測定に使用する試薬を試薬タンク１１２からピペットで吸い上げ、試薬カップ１０８へ分注する。
【００６９】
配向制御用光源部１１６は、配向制御光１１７をＡＯＤ１２０に向けて照射し、試薬カップ１０８内の溶液中に存在するフリー分子およびバインディング分子に外力を加えて分子の配向を制御する。配向制御光１１７には、波長１０００ｎｍ、出力７００ｍＷのレーザーを用いる。配向制御光１１７は、試薬カップ１０８の溶液全体を照らす程度のビーム幅を有している。
【００７０】
光源部１１８は、内部に備えた偏光子により直線偏光した吸光度測定用の光（以下、吸光度測定光１１９という）を試薬カップ１０８の側面から試薬カップ１０８を挟んで受光部１２４に向けて照射する。吸光度測定光１１９には、波長９０５ｎｍ、出力０．１ｍＷの光を用いる。なお、吸光度測定光１１９には、ナノロッド８の長軸方向由来のピークが生じる波長の光を用いることが望ましいが、ここでは光源の入手の容易性を考えて波長９０５ｎｍの光を用いる。
【００７１】
ＡＯＤ１２０は、音響光学効果を利用して、入力電圧に基づいて内部の屈折率を変化させることにより、入射した光の進行方向を切り替える。ＡＯＤ１２０は、ＦＧ１２２から出力された電圧信号（以下この信号を配向制御信号という）が示す電圧に基づいて、内部の屈折率を変化させて配向制御光１１７の進行方向を切り替える。すなわち、配向制御光１１７の進行方向は、ＦＧ１２２が発生する電圧信号によって決まる。
【００７２】
ＦＧ１２２は、様々な周波数と波形をもった電圧信号を発生させることのできる装置で、ＣＰＵ１３２から出力される命令を受けて、ＡＯＤ１２０およびサンプリングクロック発生部１３０へそれぞれ異なる電圧信号を出力する。
【００７３】
ＣＰＵ１３２は、生体分子検出装置１００の各部の動作を統括的に制御すると共に、測定結果の演算等を行う。ＣＰＵ１３２は、ＦＧ１２２が出力する配向制御信号を指定することにより、ＡＯＤ１２０が配向制御光１１７の照射方向を切り替えるタイミングを制御する。
【００７４】
受光部１２４は、試薬カップ１０８を挟んで光源部１１８の対面に設けられている。受光部１２４は、試薬カップ１０８を透過した吸光度測定光１１９を受光し、アナログ電気信号に変換して増幅部１２６へ出力する。
【００７５】
増幅部１２６は、受光部１２４から出力されたアナログデータを増幅してＡ／Ｄ変換部１２８へ出力する。
【００７６】
サンプリングクロック発生部１３０は、ＦＧ１２２から入力される電圧信号に基づいて、Ａ／Ｄ変換部１２８がアナログデータをサンプリングするタイミングを指定するサンプリングクロックをＡ／Ｄ変換部１２８に入力する。
【００７７】
Ａ／Ｄ変換部１２８は、サンプリングクロック発生部１３０から出力されるサンプリングクロックに基づいて、増幅部１２６から出力されたアナログデータのサンプリングを行い、アナログデータをデジタルデータに変換してＣＰＵ１３２へ出力する。
【００７８】
ＣＰＵ１３２は、Ａ／Ｄ変換部１２８から出力されたデジタルデータを基に、吸光度測定光１１９に対する溶液の吸光度の演算および検出対象物質の定量を行い、その結果を表示部１０２へ出力する。また、ＣＰＵ１３２は、ユーザー入力部１０４から入力される信号に基づき、配向制御用光源部１１６、光源部１１８、分注部１１４およびＦＧ１２２の各々の動作に対する指示命令を行う。具体的には、ＣＰＵ１３２は、配向制御用光源部１１６および光源部１１８に対し、オン／オフ命令を行う。また、分注部１１４に対して、使用する試薬を指定する命令および分注動作開始命令を行う。さらに、ＦＧ１２２に対して、出力する信号波形の指示命令および出力命令を行う。
【００７９】
ダイクロイックミラー１３８は、特定波長の光を反射し、その他の波長の光を透過するミラーである。ダイクロイックミラー１３８は、配向制御光１１７を反射し、吸光度測定光１１９を透過させる。
【００８０】
図７は、配向制御用光源部１１６から照射される配向制御光１１７の照射方向の切り替えを、生体分子検出装置１００の上方から見た模式図である。図７を用いて、試薬カップ１０８に対する配向制御光１１７の照射方向の切り替えについて詳細に説明する。
【００８１】
配向制御用光源部１１６から照射される配向制御光１１７は、ＡＯＤ１２０を通って試薬カップ１０８へ照射される。
【００８２】
ＡＯＤ１２０は、ＦＧ１２２から５Ｖの配向制御信号が入力された場合は、配向制御光１１７の進行方向を切り替える。この場合、配向制御光１１７は、配向制御光１３４の方向へ進んで試薬カップ１０８の側面に入射する。
【００８３】
ＡＯＤ１２０は、ＦＧ１２２から０Ｖの配向制御信号が入力された場合は、配向制御光１１７を素通りさせ、配向制御光１３６の方向へ進ませる。配向制御光１３６は、ダイクロイックミラー１３８によって反射され、配向制御光１３４の進行方向と垂直な方向に進んで試薬カップ１０８の側面に入射する。上方から見た試薬カップ１０８を時計の文字盤に例えると、配向制御光１３４は９時の方向から入射して３時の方向へ進行し、配向制御光１３６は６時の方向から入射して１２時の方向へ進行する。
【００８４】
ダイクロイックミラー１３８は、配向制御光１１７として用いた波長の光のみを反射し、その他の波長の光を透過する。光源部１１８から照射された吸光度測定光１１９は、ダイクロイックミラー１３８を透過し、ダイクロイックミラー１３８で反射した配向制御光１３６と同じ方向に進行して試薬カップ１０８の側面に入射する。
【００８５】
このような構成により、生体分子検出装置１００は、配向制御光１１７が試薬カップ１０８へ照射される方向を、角度が９０度異なる２つの方向に切り替えることができる。ＡＯＤ１２０と試薬カップ１０８との間には遮光板１４０が設けられ、配向制御光１３４の進行方向および配向制御光１３６の進行方向以外に進行する配向制御光１１７は、試薬カップ１０８へ照射されない。また、配向制御光１１７は、配向制御光１３４の進行方向に進行した場合においても、配向制御光１３６の進行方向に進行した場合においても、円柱状の試薬カップ１０８の側面から入射される。試薬カップ１０８は円柱状の形状を有しているため、配向制御光１１７の進行方向が切り替わっても、試薬カップ１０８の配向制御光１１７が入射する側面の形状は同じである。従って、配向制御光１１７がいずれの方向に進行しても、試薬カップ１０８の形状により与えられる影響は同等となる。
【００８６】
配向制御用光源部１１６は、ＡＯＤ１２０を介して配向制御光１３４、１３６という外力をフリー分子２０およびバインディング分子２２に加えることにより、フリー分子２０およびバインディング分子２２を特定の方向へ配向させる。配向制御光１３４、１３６による外力は、これらの光がフリー分子２０およびバインディング分子２２に当たって散乱する際の反作用として生じるものである。フリー分子２０およびバインディング分子２２は、図２に示したように、主要部分を占めるナノロッド８が細長い形状を有しているため、分子全体として観てもナノロッド８の長軸方向に伸びた異方性を有した分子となっている。従って、配向制御光１３４、１３６がフリー分子２０またはバインディング分子２２に当たった場合、配向制御光１３４、１３６に対する反作用がより小さくなるように（配向制御光１３４、１３６に当たる面積がより小さくなるように）フリー分子２０またはバインディング分子２２は回動する。その結果、フリー分子２０およびバインディング分子２２の向き（ナノロッド８の長軸の向き）と配向制御光１３４、１３６の進行方向とが平行となるようになる。この平行関係となったときがエネルギー的に最も安定した状態であるため、フリー分子２０およびバインディング分子２２の回動はここで停止する。換言すると、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、配向制御光１３４、１３６が照射されていないときは、溶液中でランダムな方向を向いて分散しているが、配向制御光１３４が照射されると、フリー分子２０およびバインディング分子２２が回動し、その全てのナノロッド８の長軸方向が配向制御光１３４の進行方向に揃うような位置で停止する。配向制御光１３６が照射される場合も同様に、フリー分子２０およびバインディング分子２２が回動し、その全てのナノロッド８の長軸方向が配向制御光１３６の進行方向に揃うような位置で停止する。配向制御光１３６が照射される場合も同様に、フリー分子２０およびバインディング分子２２が回動し、その全てのナノロッド８の長軸方向が配向制御光１３６の進行方向に揃うような位置で停止する。
【００８７】
図８（Ａ）および（Ｂ）は、レーザーの照射方向とフリー分子２０またはバインディング分子２２の配向方向との関係を表した模式図である。図８（Ａ）および（Ｂ）は、試薬カップ１０８を上方から見た図である。
【００８８】
図８（Ａ）は、試薬カップ１０８の側面から配向制御光１３６が照射され、フリー分子２０およびバインディング分子２２の双方が配向制御光１３６の進行方向と同方向に配向した場合を示した図である。この図に示すように、配向制御光１３６の照射を受けている溶液中に存在する全てのフリー分子２０およびバインディング分子２２が同一方向に配向する。すなわち、フリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向およびバインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向が同一方向に揃う。
【００８９】
図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示した配向制御光１３６とは９０度異なる方向に進行する配向制御光１３４が試薬カップ１０８の側面から照射され、フリー分子２０およびバインディング分子２２が配向制御光１３４の進行方向と同方向に配向した場合を示した図である。配向制御光１３６から配向制御光１３４へのように、配向制御光の照射方向が９０度切り替わると、配向制御光１３６の進行方向に（ナノロッドの長軸方向を向けて）配向していたフリー分子２０は回動する方向の力を受ける。バインディング分子２２も同様に、配向制御光の照射方向が９０度切り替わると、回動する方向の力を受ける。その後、十分な時間が経過すれば、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、配向制御光１３４の照射方向、すなわち紙面左右方向にナノロッドの長軸方向を向けて配向する。この場合においても、フリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向、およびバインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向が同一方向に揃う。配向制御光の照射方向を切り替えて十分な時間が経過すれば、全てのフリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向、および全てのバインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向は同一方向に揃うが、フリー分子２０が配向を完了するまでに要する時間と、バインディング分子２２が配向を完了するまでに要する時間とには差が生じる。
【００９０】
図９（Ａ）〜（Ｃ）に示す模式図を用いて、配向制御用光源部１１６から照射される配向制御光１１７の進行方向の切り替えに伴うフリー分子２０およびバインディング分子２２の動作を詳細に説明する。なお、ここでは理解を容易にするために、試薬カップ１０８中にフリー分子２０およびバインディング分子２２がそれぞれ１つずつ存在する場合を例に取り説明する。
【００９１】
図９（Ａ）は、ＡＯＤ１２０が配向制御光１１７を素通りさせた場合（配向制御光１１７の進行方向に変化がない場合）におけるフリー分子２０の配向方向およびバインディング分子２２の配向方向を示す図である。配向制御光１３６が紙面下から上に進行して試薬カップ１０８に入射すると、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、それぞれに付随するナノロッド８の長軸方向が配向制御光１３６の進行方向と平行となる向き（この場合、紙面上下方向）に配向する。
【００９２】
図９（Ｂ）は、ＡＯＤ１２０が配向制御光１１７の進行方向を切り替えた場合のフリー分子２０およびバインディング分子２２の動作を説明するための図である。配向制御光１３４が紙面左から右に進行して試薬カップ１０８に入射すると、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、それぞれに付随するナノロッド８の長軸方向が配向制御光１１７の進行方向と同一方向となるように回動する。この場合、バインディング分子２２に比べて体積および質量が小さいフリー分子２０の方が速く回動し、配向完了までに要する時間が短い。バインディング分子２２は、フリー分子２０より遅れて配向を完了する。
【００９３】
図９（Ｃ）は、ＡＯＤ１２０が配向制御光１１７の進行方向を切り替えた場合におけるフリー分子２０の配向方向およびバインディング分子２２の配向方向を示す図である。配向制御光１３４が紙面左から右に進行して試薬カップ１０８に入射すると、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、それぞれに付随するナノロッドの長軸方向が配向制御光１３４の進行方向と平行となる向き（この場合紙面左右方向）に配向する。
【００９４】
このようにして、生体分子検出装置１００は、フリー分子２０の配向方向およびバインディング分子２２の配向方向を、角度が互いに９０度異なる２つの方向に切り替えることができる。
【００９５】
次いで、フリー分子２０およびバインディング分子２２の各々の配向方向と吸光度測定光１１９との関係について、図１０（Ａ）および（Ｂ）を用いて説明する。
【００９６】
図１０（Ａ）は、ＦＧ１２２からＡＯＤ１２０への出力が０Ｖの場合における、フリー分子２０およびバインディング分子２２の各々の配向方向と吸光度測定光１１９の振動方向との関係を示した模式図である。
【００９７】
ＦＧ１２２からＡＯＤ１２０への出力が０Ｖの場合、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが垂直となる。この場合、フリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向に由来する吸光度も最小となるし、バインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向に由来する吸光度も最小となる。
【００９８】
図１０（Ｂ）は、ＦＧ１２２からＡＯＤ１２０への出力が５Ｖの場合における、フリー分子２０およびバインディング分子２２の各々の配向方向と吸光度測定光１１９の振動方向との関係を示した模式図である。
【００９９】
ＦＧ１２２からＡＯＤ１２０への出力が５Ｖの場合、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが平行となる。この場合、フリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向に由来する吸光度も最大となるし、バインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向に由来する吸光度も最大となる。
【０１００】
このように、ＡＯＤ１２０による配向制御光１１７の照射方向の切り替え、すなわちフリー分子２０およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えは、フリー分子２０またはバインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向由来の吸光度を最大と最小との間で切り替えることになる。図１１は、フリー分子２０およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えに伴う吸光度の変化を示したグラフである。本実施の形態に用いたナノロッド８の場合は、波長９００ｎｍ付近の光に対する吸光度が、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッドの長軸方向との関係により変化する。吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッドの長軸方向とが垂直関係にある場合に吸光度が最小となり、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッドの長軸方向とが平行関係にある場合に吸光度が最大となる。ここで、ナノロッド８の配向方向の変化に伴い吸光度が最も大きく変化するのは、ピークが表れる波長の光に対する吸光度、すなわち９００ｎｍの光に対する吸光度である。
【０１０１】
配向制御光の１１７の照射方向の切り替えによりフリー分子２０およびバインディング分子２２の配向方向は切り替わるが、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、体積、質量が異なるため、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに対して配向を切り替える速度が異なる。フリー分子２０は、バインディング分子２２に比べて体積、質量が小さいため、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに対してバインディング分子２２よりも早く配向方向が変化する。つまり、バインディング分子２２より早く配向が完了するため、１分子あたりの吸光度が最大となる時間的タイミングがバインディング分子２２よりも早い段階で現れる。
【０１０２】
生体分子検出装置１００は、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに伴いフリー分子２０の吸光度とバインディング分子２２の吸光度とが変化するタイミングが異なることを利用して、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに伴う溶液の吸光度の時間変化に基づいて、吸光度の合計に対するフリー分子２０の寄与分とバインディング分子２２の寄与分との分離を行う。
【０１０３】
続いて図１２を用いて受光部１２４の詳細な構成について説明する。図１２は、受光部１２４の詳細な構成を表した模式図である。受光部１２４は、レンズ１４２、フィルタ１４４、偏光子１４６、レンズ１４８およびフォトダイオード１５０を含む。
【０１０４】
受光部１２４は、試薬カップ１０８の底面側から試薬カップ１０８を透過した吸光度測定光１１９を受光する。試薬カップ１０８内のフリー分子２０またはバインディング分子２２を透過した吸光度測定光１１９は、レンズ１４２によって集光され、フィルタ１４４、偏光子１４６およびレンズ１４８を通ってフォトダイオード１５０へ入射される。この図では、吸光度測定光１１９の左端１４７および右端１４９を用いて光の進行方向を表してある。
【０１０５】
フィルタ１４４は、吸光度測定光１１９の波長以外の波長の光をカットするバンドパスフィルタであり、配向制御光等の吸光度測定光１１９以外の光がフォトダイオード１５０へ入射することを防いでいる。
【０１０６】
偏光子１４６は、吸光度測定光１１９の振動方向と同じ方向に振動する光のみを透過させる。
【０１０７】
フォトダイオード１５０は、レンズ１４８によって集光された吸光度測定光１１９を受光し、吸光度測定光１１９の強度に応じた電荷を発生させて増幅部１２６へ出力する。このようにして受光部１２４は、試薬カップ１０８内を透過した吸光度測定光１１９のみを受光し、ノイズの原因となるその他の光を受光しない。
【０１０８】
続いて、生体分子検出装置１００の測定時における動作について説明する。図１３は、検体の準備から廃棄までの流れを模式的に表した図である。
【０１０９】
測定の準備にあたり、まず患者から５０μＬ採集した全血１５６を遠心分離し、血漿１６を分離する。分離して取り出した血漿１６を、生体分子検出装置１００の検体セット部１５２にセットする。ここまでの作業はユーザーが行う。
【０１１０】
生体分子検出装置１００は、検体セット部１５２にセットされた血漿を、試薬カップストック部１６０にストックしてある未使用の試薬カップ１０８の中に分注する。続いて、生体分子検出装置１００は、試薬タンク１１２の中に存在するフリー分子２０をピペット１５８で吸い上げ、試薬カップ１０８の中に分注する。試薬カップ１０８内に血漿１６およびフリー分子２０を注入後、生体分子検出装置１００は、試薬カップ１０８を３７℃で温調しながら、内蔵したボルテックスミキサーによって振動させ、抗原抗体反応を起こさせる。その後、生体分子検出装置１００は、吸光度測定光１１９の照射、検出対象物質の検出もしくは定量等の測定を行い、測定終了後に試薬カップ１０８を内蔵のごみ箱１５４へ廃棄する。
【０１１１】
測定の際にＦＧ１２２が出力する配向制御信号の変化、および試薬カップ内の溶液による波長９０５ｎｍの光の吸光度の変化について、図１４を用いて説明する。図１４は、縦軸が生体分子検出装置１００における配向制御信号の電圧または波長９０５ｎｍの配向制御光の吸光度を表し、横軸が時間ｔを表したグラフである。なお、ここでは説明を容易にするため、波長９０５ｎｍの光の吸光度については、グラフを模式的に示してある。
【０１１２】
ＦＧ１２２から出力される配向制御信号は、測定前は０Ｖとなっている。測定前においては、配向制御光１１７を試薬カップ１０８内の溶液中に照射して、フリー分子２０およびバインディング分子２２を同一方向に配向させておく。測定の開始に伴い、ＣＰＵ１３２は吸光度測定光１１９の照射を開始する命令を光源部１１８へ出力する。配向制御信号が０Ｖの場合、試薬カップ１０８内の溶液の吸光度はｉｚの値となる。
【０１１３】
試薬カップ１０８に向けて吸光度測定光１１９が照射されると、溶液内のナノロッド８は、局在表面プラズモン共鳴を起こし、吸光度測定光１１９を吸収する。吸光度測定光１１９は、ナノロッド８により吸収され弱められながら溶液を透過し、受光部１２４内のフォトダイオード１５０へ入射する。光源部１１８から照射された吸光度測定光１１９の当初の出力と、フォトダイオード１５０で受光された吸光度測定光１１９の出力とから、配向制御信号が０Ｖの場合におけるナノロッド８による吸光度測定光１１９の吸光度ｉｚが測定される。
【０１１４】
続いて、ＣＰＵ１３２は、時刻Ｔ１で配向制御信号を５Ｖにする命令を出力する。配向制御信号を５Ｖとすると、ＡＯＤ１２０が配向制御光１１７の照射方向を９０度切り替える。配向制御光１１７の照射方向の切り替えに伴い、試薬カップ１０８内に存在するフリー分子２０およびバインディング分子２２は、配向方向が９０度切り替わる。
【０１１５】
フリー分子２０の配向方向の切り替え、およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えが開始され、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが同方向に近づくほど、吸光度測定光１１９とナノロッド８とが局在表面プラズモン共鳴を起こす割合が増加し、吸光度が増加する。従って、フリー分子２０の配向方向の切り替え、およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えが開始することに伴い、波長９０５ｎｍの光に対する溶液の吸光度もｉｚから増加していく。この場合、バインディング分子２２に比べて体積、質量の小さいフリー分子２０の方が配向方向の切り替えが速いため、フリー分子２０の方が吸光度の変化も速くなる。
【０１１６】
配向方向の切り替えが完了した（ここでは、吸光度測定光１１９の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが平行となった）フリー分子２０およびバインディング分子２２は、吸光度測定光１１９の吸光度が最大となる。フリー分子２０の方が配向方向の切り替えが速いため、時刻Ｔ２で全てのフリー分子２０の配向方向の切り替えが完了すると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は、値ｉｆで飽和する。
【０１１７】
その後、バインディング分子２２の配向方向が切り替わることに伴い、吸光度のグラフは時刻Ｔ３で再び増加していく。時刻Ｔ４で全てのバインディング分子２２の配向方向の切り替えが完了すると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は値ｉｔで飽和する。
【０１１８】
配向制御信号は、５Ｖの出力がＴ秒間続いた後０Ｖとなる。このＴ秒は、波長９０５ｎｍの光の吸光度が時刻Ｔ４において２度目の飽和をするのに充分な時間を少なくとも設定する。配向制御信号が５Ｖから０Ｖに切り替わると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は、しばらくｉｔの値を示すが、その後ｉｚの値まで減少する。波長９０５ｎｍの光の吸光度がｉｚとなる理由は、配向制御信号が０Ｖに切り替わったことに伴い、吸光度測定光１１９の振動方向とフリー分子２０およびバインディング分子２２に付随する双方のナノロッド８の長軸方向とが垂直となり、フリー分子２０またはバインディング分子２２の１分子あたりの吸光度が減少するためである。配向制御信号が０Ｖとなった状態においても波長９０５ｎｍの光の吸光度がしばらくの時間はｉｔという値を示す理由は、フリー分子２０およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えタイミングが、配向制御信号の切り替えタイミングに対して少し時間的に遅れるためである。
【０１１９】
ここで、配向制御信号を０Ｖとする期間は、配向制御信号を５Ｖとしていた期間と同じＴ秒とした。これは、配向制御光１１７の出力が一定という条件下では、溶液中のフリー分子２０およびバインディング分子２２の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間は、配向制御信号を０Ｖから５Ｖとした場合と、配向制御信号を５Ｖから０Ｖにした場合とで、ほぼ同じ時間がかかるためである。配向制御信号が０Ｖから５Ｖに変わって時間Ｔだけ経過し、配向制御信号が０Ｖに戻り、時間Ｔだけ経過するまでが、生体分子検出装置１００における測定の１周期である。すなわち、生体分子検出装置１００における１周期の測定時間は２Ｔである。
【０１２０】
なお、吸光度の時間変化が非常に緩やかなために、ｉｆの値が明確に判別できない場合においては、フリー分子２０による吸光度の成分とバインディング分子２２による吸光度の成分とをコンピュータシミュレーションによって分離し、ｉｆの値を求めるようにしても良い。
【０１２１】
図１５は、生体分子検出装置１００における配向制御信号を複数周期に亘って示したグラフである。生体分子検出装置１００は、図１５に示すように、配向制御信号を所定の間隔で切り替えて上記１周期の測定を複数回行い、得られた複数のｉｔ、ｉｆおよびｉｚの値を、それぞれ加算平均を行って、ｉｔ、ｉｆおよびｉｚの値の平均値を求める。本実施の形態では、上記１周期の測定を１０回行い、ｉｔ、ｉｆおよびｉｚの値の平均値を求める。これにより、様々な要因により発生する測定結果のばらつきを平均化している。
【０１２２】
ＣＰＵ１３２は、得られたｉｔ、ｉｆ、ｉｚの平均値から、バインディング分子２２の濃度を算出する。具体的には、初めに測定値Ｓを、次式（１）によって求める。
Ｓ＝（ｉｔ−ｉｆ）／（ｉｔ−ｉｚ）・・・（１）
【０１２３】
式（１）において、（ｉｔ−ｉｆ）は、バインディング分子２２が配向方向を切り替えることに伴い増加した吸光度を求めている。（ｉｔ−ｉｚ）は、得られた吸光度の最大値から測定当初の吸光度を減ずることにより、フリー分子２０およびバインディング分子２２が配向方向を切り替えることに伴い増加した吸光度を求めている。（ｉｔ−ｉｆ）を（ｉｔ−ｉｚ）で除算することにより、光学系変動等の測定結果の再現性を悪化させる要因をキャンセルしている。
【０１２４】
ＣＰＵ１３２は、ここで求めた測定値Ｓから、診断値Ｃ（検出対象物質の濃度）を求める。診断値Ｃは、次式（２）によって求める。
Ｃ＝ｆ（Ｓ）・・・（２）
【０１２５】
ここで、ｆ（Ｓ）は、検量線関数である。あらかじめ既知の複数濃度の標準検体を用いてスペクトルと濃度との関係を取得しておき、この関係を基にスペクトル変化と濃度との関数を示す検量線関数を求めておけば、スペクトルの変化から検出対象物質の濃度を求めることができる。生体分子検出装置１００は、測定項目ごとに異なる検量線関数を記憶しておき、測定値Ｓを診断値Ｃに変換する。ＣＰＵ１３２は、得られた診断値Ｃを表示部１０２へ出力する。このように、受光部１２４、増幅部１２６、Ａ／Ｄ変換部１２８およびＣＰＵ１３２が協働することで、吸光度を測定して生体分子を検出する検出手段となる。
【０１２６】
以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る生体分子検出装置１００によれば、配向制御光１１７の照射方向の切り替えにより、溶液中のフリー分子２０の配向方向およびバインディング分子２２の配向方向を切り替えることが可能な構成とした。配向制御光１１７により切り替えるフリー分子２０の配向方向およびバインディング分子２２の配向方向は、フリー分子２０に付随するナノロッド８の長軸方向およびバインディング分子２２に付随するナノロッド８の長軸方向が、吸光度測定光１１９の振動方向に対して平行な方向と、垂直な方向である。すなわち生体分子検出装置１００は、配向制御光１１７の照射方向の切り替えにより、フリー分子２０およびバインディング分子２２の１分子あたりの吸光度を切り替える。また、フリー分子２０およびバインディング分子２２は、配向制御光１１７の照射方向の切り替えに伴う配向方向の切り替えに要する時間に差が生じるため、それぞれの分子の吸光度が増加するタイミングが異なる。従って生体分子検出装置１００は、溶液中のバインディング分子に付随したナノロッドによる吸光度への寄与分を算出することができ、簡便な構成で検出対象物質の濃度を正確に測定することができる。
【０１２７】
また、以上の構成において、生体分子検出装置１００は、配向制御光１１７による外力によって、フリー分子２０の配向およびバインディング分子２２の配向を全て同じ方向に制御するため、ブラウン運動というランダムな運動を利用して測定する場合に比べて、高感度な測定をすることができる。
【０１２８】
なお、本実施の形態では、抗原抗体反応を利用する場合を例にとって説明したが、検出対象物質と、検出対象物質に特異的に結合する物質との組み合わせは、抗原、抗体に限られず、例えば、抗原を用いて抗体を検出する場合や、特定のＤＮＡを用いて当該ＤＮＡとハイブリダイゼーションをするＤＮＡを検出する場合、ＤＮＡを用いてＤＮＡ結合性たんぱく質を結合する場合、リガンドを用いてレセプターを検出する場合、糖を用いてレクチンを検出する場合、プロテアーゼ検出を利用する場合、高次構造変化を用いる場合等がある。検出対象物質と検出対象物質に特異的に結合する物質の組み合わせが、抗原と抗体以外の場合においても、検出対象物質に特異的に結合する物質とナノロッドとを結合させてフリー分子を構成し、フリー分子と検出対象物質とを結合させてバインディング分子を構成すれば、本実施の形態に係る生体分子検出装置により検出対象物質の濃度を測定することができる。
【０１２９】
また、本実施の形態では、測定結果から検出対象物質の濃度の算出までの説明を容易にするため、測定結果のグラフを模式的な図とした場合における検出対象物質の算出の説明を行ったが、必ずしもこのように算出する必要はなく、例えば、グラフ中の変曲点に基づいて、フリー分子による吸光度が飽和した点を決定して検出対象物質の濃度の算出を行っても良い。
【０１３０】
また、配向制御信号を５Ｖと０Ｖとの間で切り替える際の時間間隔は、フリー分子やバインディング分子の体積、溶媒の粘度、溶液の温度等に基づいて変化させることが望ましい。すなわち、フリー分子が、配向制御光の照射方向の切り替わりにより配向方向が変化し始め、その切り替わりが完了するまでに要する時間は、フリー分子の体積、溶媒の粘度、溶液の温度、溶液中におけるフリー分子の回転しやすさ等によって決まる。また、バインディング分子が配向方向の切り替わりに要する時間も、バインディング分子の体積、溶媒の粘度、溶液の温度、溶液中におけるバインディング分子の回転しやすさ等によって決まる。例えば、検体の粘度が高い場合等、フリー分子が溶液中で回転しにくい場合は、フリー分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間が長くなるため、配向制御信号を５Ｖまたは０Ｖとする期間を、フリー分子の配向方向の切り替えが完了する程度まで長くすることが望ましい。バインディング分子の配向方向の切り替えについても同様のことが言える。ここで、フリー分子およびバインディング分子の双方の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間は、吸光度測定の結果に基づいて決定することができる。例えば、図１４においては、吸光度が最大値となった時刻Ｔ４から初めに配向制御信号を５Ｖにした時刻Ｔ１を減算すること、すなわちＴ４−Ｔ１を行うことにより、フリー分子およびバインディング分子の双方の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間を求めることができる。
【０１３１】
また、本実施の形態では、配向制御光１１７として波長１０００ｎｍ、出力７００ｍＷのレーザーを用いたが、配向制御光１１７はこのレーザーに限られない。配向制御光１１７の波長および出力強度は、フリー分子およびバインディング分子の体積、質量等、これらに起因する溶液中での回転しやすさに基づいて決定することが望ましい。配向制御光１１７の波長は、フリー分子およびバインディング分子を配向させることができ、吸光度測定に影響を与えない波長であれば何でも良い。また、レーザーの出力は、フリー分子とバインディング分子との間に、配向方向の切り替えに要する時間に差が表れる程度の出力とすることが望ましい。
【０１３２】
また、本実施の形態では、吸光度測定光１１９に波長９０５ｎｍ、出力０．１ｍＷの光を用いたが、吸光度測定光１１９に用いる光はこの光に限られない。吸光度測定光１１９の波長は、ナノロッドの配向方向の変化に伴い吸光度に変化が生じる波長であれば良いが、ナノロッドによる吸光度が最大となる波長の光を用いることが望ましい。ナノロッドによる吸光度が最大となる波長の光を使用して吸光度測定を行うと、ナノロッドの配向方向の変化に伴い吸光度が最も大きく変化するため、フリー分子とバインディング分子を分離して算出することが容易となる。また、吸光度測定光１１９の出力は、吸光度測定が可能な出力であれば何でも良い。また、光源部１１８はランプと干渉フィルタの組み合わせによって構成しても良い。
【０１３３】
なお、本実施の形態では、繰り返し測定を行って測定結果の加算平均を求めたが、加算平均は必ずしも行う必要はなく、ユーザーが何を重視するかによって決定すれば良い。例えば、ユーザーが素早く測定を行いたい場合は、測定を１周期のみ行って結果を表示すれば良い。また、ユーザーがより高精度な測定を行いたい場合は、何周期かに亘って測定を行い、測定精度を向上させた結果を表示すれば良い。
【０１３４】
なお、図２（Ａ）および（Ｂ）では、説明を分かりやすくするためにナノロッド８を円柱で示したが、実際のナノロッド８は完全な円柱状の形状とは限らない。また、ナノロッド８は、吸光度測定光の振動方向に対する長軸方向の向きにより、吸光度に変化が現れる形状であれば良い。
【０１３５】
（実施の形態２）
実施の形態２は、２種類の抗体を使用し、均一溶液中で検出対象物質である特定の２種類の抗原を検出する態様である。図１６（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る生体分子検出装置の抗原抗体反応の概要を示した模式図である。ここでは、試薬カップ１０８の中に、抗体３２および抗体３４が入れられている。抗体３２は、ナノロッド３６と結合してフリー分子を形成している（以下、フリー分子Ａという）。抗体３４は、ナノロッド３８と結合してフリー分子を形成している（以下、フリー分子Ｂという）。
【０１３６】
試薬カップ１０８の中に検体１６を入れて撹拌すると、抗体３２と特異的に結合する抗原４４が検体中に存在する場合は、フリー分子Ａと抗原４４との間で抗原抗体反応が起こり、抗体３２および抗原４４が特異的に結合する。同様に抗体３４と特異的に結合する抗原４６が検体中に存在する場合は、フリー分子Ｂと抗原４６との間で抗原抗体反応が起こり、抗体３４および抗原４６が特異的に結合する。実施の形態１で説明した場合と同様に、一部の抗体３２および抗体３４は、抗原抗体反応をしないまま溶液中に存在する。以下、抗原抗体反応をしたフリー分子Ａおよび抗原４４の複合体をバインディング分子Ａと呼び、抗原抗体反応をしたフリー分子Ｂおよび抗原４６の複合体をバインディング分子Ｂと呼ぶ。本実施の形態では、検出対象物質である抗原４４はＰＳＡ、抗原４６はＳＣＣ（Ｓｑｕａｍｏｕｓ Ｃｅｌｌ Ｃａｒｃｉｎｏｍａ）抗原とする。また、抗体３２としてＰＳＡと特異的に結合する抗ＰＳＡ抗体を用い、抗体３４としてＳＣＣ抗原と特異的に結合するＳＣＣ抗体を用いる。
【０１３７】
図１７（Ａ）および（Ｂ）は、バインディング分子Ａおよびバインディング分子Ｂをナノロッド３６およびナノロッド３８の上方から見た図である。ナノロッド３６とナノロッド３８とは、長軸方向の長さが異なり、ナノロッド３８の方が長軸方向の長さが長い。本実施の形態では、ナノロッド３６には短軸１０ｎｍ、長軸５０ｎｍの金ナノロッドを使用する。また、ナノロッド３８には短軸１０ｎｍ、長軸６０ｎｍの金ナノロッドを使用する。
【０１３８】
図１８は、光の波長に対するナノロッド３６またはナノロッド３８による吸光度の変化を描いたグラフである。グラフ５０は、ナノロッド３６による吸光度を表したグラフである。グラフ５２は、ナノロッド３８による吸光度を表したグラフである。一般的にナノロッドは、長軸方向の長さが長いほど、長軸方向由来のプラズモン共鳴波長が長波長側に現れる。この例では、ナノロッド３６の長軸方向由来のピークが波長９００ｎｍ付近に表れる。また、ナノロッド３８の長軸方向由来のピークは、波長１０００ｎｍ付近に現れる。なお、ここでは説明を容易にするためグラフを模式的に示してある。
【０１３９】
本発明の実施の形態２に係る生体分子検出装置は、２種類のフリー分子と２種類のバインディング分子とが混在する溶液に吸光度測定光を照射し、２種類の検出対象物質それぞれの検出または定量を行う。以下、本実施の形態に係る生体分子検出装置について詳細に説明する。
【０１４０】
図１９は、本発明の実施の形態２に係る生体分子検出装置２００の主要な構成を示すブロック図である。なお、実施の形態１で示した生体分子検出装置１００と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１４１】
生体分子検出装置２００は、実施の形態１で示した生体分子検出装置１００の構成に対して、光源部２０１、受光部２０２、分注部２０４、試薬タンク２０６およびＣＰＵ２０８が主に異なる。
【０１４２】
分注部２０４は、複数の抗体がそれぞれ別の容器に入った試薬タンク２０６からユーザーによって指定された抗体を吸い上げ、試薬カップ１０８内へ分注する。
【０１４３】
光源部２０１は、内部に備えた偏光子により直線偏光した光を試薬カップ１０８に向けて照射する。光源部２０１は、波長９０５ｎｍの光と波長１．１μｍ（１１００ｎｍ）の光とから照射する光を選択することができる光源である。光源部２０１の出力は０．１ｍＷである。光源部２０１が照射することができる２種類の波長は、それぞれナノロッド３６の長軸方向由来のピークが現れる付近の波長と、ナノロッド３８の長軸方向由来のピークが現れる付近の波長である。以下、光源部２０１から照射される光を吸光度測定光２０９という。
【０１４４】
受光部２０２は、試薬カップ１０８を透過した吸光度測定光２０９を受光する。受光部２０２は、ＣＰＵ２０８から出力される命令（Ｓ１）を受けて、吸光度測定光２０９の波長に応じたフィルタを用いて吸光度測定光２０９を受光するように構成されている。受光部２０２の詳細な構成については後述する。
【０１４５】
ＣＰＵ２０８は、Ａ／Ｄ変換部１２８から出力されたデジタルデータの演算を行い、その結果を表示部１０２へ出力する。また、ＣＰＵ２０８は、ユーザー入力部１０４から入力される信号に基づき、配向制御用光源部１１６、光源部２０１、分注部２０４、ＦＧ１２２および受光部２０２の各々の動作に対する指示命令を行う。具体的には、ＣＰＵ２０８は、配向制御用光源部１１６および光源部２０１に対し、オン／オフ命令を行う。また、分注部２０４に対して、使用する試薬を指定する命令および分注動作開始命令を行う。さらに、ＦＧ１２２に対して、出力する信号波形の指示命令および出力命令を行う。また、受光部２０２に対してフィルタの切り替え命令を行う。
【０１４６】
受光部２０２の構成について、図２０を用いて詳細に説明する。図２０は、実施の形態２に係る生体分子検出装置２００における受光部２０２の詳細な構成を表した模式図である。
【０１４７】
受光部２０２内のフィルタ切替部２１０は、フィルタ２１２およびフィルタ２１４の２種類のフィルタを備えている。この２種類のフィルタは可動式となっており、レンズ１４２によって集光された光が通るフィルタを切り替えることができる。フィルタ切替部２１０は、ＣＰＵ２０８からの命令（Ｓ１）を受信して、光源２０１から照射されている吸光度測定光２０９の波長に合わせて使用するフィルタを切り替える。具体的には、レンズ１４２で集光された光が通る位置に使用するフィルタを移動させ、使用しないフィルタを光が通らない位置に退避させる。本実施の形態では、フィルタ２１２は、波長９０５ｎｍの光を透過するバンドパスフィルタを用いる。フィルタ２１４は、波長１．１μｍの光を透過するバンドパスフィルタを用いる。ＣＰＵ２０８は、光源部２０１に波長９０５ｎｍの光を照射させる場合はフィルタ２１２を使用する命令を受光部２０２に出力する。また、ＣＰＵ２０８は、光源部２０１に波長１．１μｍの光を照射させる場合はフィルタ２１４を使用する命令を受光部２０２に出力する。この構成により、吸光度測定光２０９に用いた波長以外の光が受光部２０２に入射することを防ぎ、ノイズを減少させることができる。
【０１４８】
本実施の形態においても、ＡＯＤ１２０による配向制御光１１７の照射方向の切り替えは、ナノロッド３６およびナノロッド３８の長軸方向由来の吸光度を最大と最小との間で切り替える。図２１は、ナノロッド３６およびナノロッド３８の配向方向の切り替えに伴う吸光度の変化を示したグラフである。図２１において、曲線５０は波長の変化に対するナノロッド３６による吸光度を表したグラフである。曲線５２は波長の変化に対するナノロッド３８による吸光度を表したグラフである。なお、図２１のグラフは説明を容易にするために模式的に描いてある。
【０１４９】
本実施の形態に用いたナノロッド３６の波長９００ｎｍ付近の光に対する吸光度は、ナノロッド３６の長軸方向の向きが吸光度測定光２０９の振動方向に対して平行方向に近づくほど増加する。図２１には、ナノロッド３６の配向方向の切り替えに伴う吸光度の変化を、破線で示す曲線５４によって示す。また、ナノロッド３８の波長１．１μｍ付近の光に対する吸光度は、ナノロッド３８の長軸方向の向きが吸光度測定光２０９の振動方向に対して平行方向に近づくほど増加する。図２１には、ナノロッド３８の配向方向の切り替えに伴う吸光度の変化を、破線で示す曲線５６によって示す。
【０１５０】
ナノロッド３６においてもナノロッド３８においても、吸光度測定光２０９の振動方向とナノロッドの長軸方向とが垂直の場合に吸光度が最小となり、吸光度測定光２０９の振動方向とナノロッドの長軸方向とが平行の場合に吸光度が最大となる。しかし、ナノロッド３６の長軸方向由来の吸光度のピークが現れる波長と、ナノロッド３８の長軸方向由来の吸光度のピークが現れる波長とは十分離れている。また、ナノロッド３６およびナノロッド３８の吸光度スペクトルにおいて、ピーク付近の吸光度以外は配向の変化に伴う変化が非常に少ない。そのため、ナノロッド３６を含むフリー分子およびバインディング分子を測定する場合は、吸光度測定光２０９として波長９００ｎｍ付近の光を用いるとナノロッド３８の影響を無視して吸光度測定を行うことができる。同様に、ナノロッド３８を含むフリー分子およびバインディング分子を測定する場合は、吸光度測定光２０９として波長１．１μｍ付近の光を用いる。このように、複数種類のフリー分子およびバインディング分子が混在していても、ナノロッドの長軸方向由来のピークが表れる波長が異なるので、所望のフリー分子およびバインディング分子の各々の吸光度を測定することができる。
【０１５１】
本実施の形態に係る生体分子検出装置２００は、実施の形態１と同様に、配向制御光の照射に伴いフリー分子が配向を完了するまでに要する時間とバインディング分子が配向を完了するまでに要する時間との差を利用して測定を行う。すなわち、配向制御光を照射することにより、フリー分子に付随するナノロッドによる吸光度ナノロッドの吸光度が変化するタイミングとバインディング分子に付随するナノロッドの吸光度が変化するタイミングとに差を生じさせる。そして、溶液の吸光度の時間変化から、バインディング分子に付随したナノロッドによる吸光度への寄与分を算出し、検出対象物質の定量を行う。吸光度測定においては、測定する対象のフリー分子およびバインディング分子の双方に付随するナノロッドの長軸方向由来の吸光度が現れる波長帯の光を用いる。
【０１５２】
続いて生体分子検出装置２００の測定動作について説明する。生体分子検出装置２００の測定動作は、実施の形態１で説明した生体分子検出装置１００の測定動作と基本的には同じであるが、細かな点で異なる。フリー分子とバインディング分子が混在した溶液からバインディング分子を分離して検出する原理については実施の形態１で説明したため、ここでは溶液中に混在する２種類のバインディング分子から目的のバインディング分子のみを検出する原理について説明する。
【０１５３】
生体分子検出装置２００は、初めに２種類のバインディング分子のどちらを先に検出するか決定する。例えば、生体分子検出装置２００を使用するユーザーが、ユーザー入力部１０４を用いて任意に決定することができる。
【０１５４】
ここでは、ナノロッド３６を有するバインディング分子Ａから先に測定を行う場合を説明する。ＣＰＵ２０８は、受光部２０２内のフィルタ切替部２１０に、フィルタ２１２の使用を指示する命令を出力する。フィルタ切替部２１０は、ＣＰＵ２０８からの命令を受信し、レンズ１４２で集光された光が通る位置にフィルタ２１２を移動させる。また、ＣＰＵ２０８は、光源部２０１に、波長９０５ｎｍの吸光度測定光２０９を照射する命令を出力する。
【０１５５】
試薬カップ１０８に向けて吸光度測定光２０９が照射されると、溶液内のナノロッド３６は、吸光度測定光２０９と局在表面プラズモン共鳴を起こし吸光度測定光２０９を吸収する。また、ナノロッド３８も同様に吸光度測定光２０９を吸収するが、その割合はナノロッド３６に比べると無視できるほど少ない。
【０１５６】
吸光度測定光２０９は、ナノロッド３６により吸収され弱められながら溶液を透過し、受光部２０２へ入射する。吸光度測定光２０９は、レンズ１４２によって集光され、フィルタ２１２へ入射する。フィルタ２１２は９０５ｎｍの波長の光を通すため、吸光度測定光２０９はフィルタ２１２を透過してフォトダイオード１５０に到達する。光源部２０１から照射された当初の吸光度測定光２０９の出力と、フォトダイオード１５０で受光された吸光度測定光２０９の出力とから、配向制御信号が０Ｖの場合におけるナノロッド３６による吸光度測定光２０９の吸光度ｉｚ１が測定される。
【０１５７】
生体分子検出装置２００によって試薬カップ１０８内の溶液の吸光度測定を行った結果を図２２（Ａ）および（Ｂ）に示す。なお、ここでは説明を容易にするためグラフを模式的に示してある。
【０１５８】
図２２（Ａ）は試薬カップ１０８内の溶液による波長９０５ｎｍの光の吸光度の時間に対する変化である。この吸光度は、主にナノロッド３６による吸光度である。Ｔ１１での測定の開始に伴い、フリー分子Ａおよびバインディング分子Ａの双方の配向が変化して吸光度は増加していく。フリー分子Ａの方がバインディング分子Ａに比べて速く配向方向の切り替えが完了し、時刻Ｔ１２で全てのフリー分子Ａの配向方向の切り替えが完了すると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は、値ｉｆ１で飽和する。その後、吸光度のグラフは時刻Ｔ１３で再び増加する。Ｔ１４でバインディング分子Ａの配向方向の切り替えが完了すると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は値ｉｔ１で飽和する。Ｔ１５で配向制御信号が０Ｖになると、波長９０５ｎｍの光の吸光度は、時刻Ｔ１５からやや遅れてｉｚ１となる。
【０１５９】
生体分子検出装置２００は、配向制御信号を所定の間隔で切り替えて上記１周期の測定を複数回行い、得られた複数のｉｚ１、ｉｆ１およびｉｔ１の値をそれぞれ加算平均して、ｉｚ１、ｉｆ１およびｉｔ１の値の平均値を求める。
【０１６０】
続いて、ＣＰＵ２０８は、得られたｉｚ１、ｉｆ１およびｉｔ１の平均値から、バインディング分子Ａの濃度を算出する。具体的には、実施の形態１で測定値Ｓを求めた場合と同じ演算を行い、測定値Ｓ１を求める。そして、検量線関数ｆ１（Ｓ）を用いて、測定値Ｓ１から濃度Ｃ１に変換する。ＣＰＵ２０８は、得られた濃度Ｃ１を表示部１０２へ出力する。
【０１６１】
次に、生体分子検出装置２００は、バインディング分子Ｂの測定を行う。ＣＰＵ２０８は、受光部２０２内のフィルタ切替部２１０に、フィルタ２１４の使用を指示する命令を出力する。フィルタ切替部２１０は、ＣＰＵ２０８からの命令を受信し、レンズ１４２で集光された光が通る位置にフィルタ２１４を移動させる。また、ＣＰＵ２０８は、光源部２０１に、波長１．１μｍの吸光度測定光２０９を照射する命令を出力する。
【０１６２】
図２２（Ｂ）は試薬カップ１０８内の溶液による波長１．１μｍの光の吸光度の時間に対する変化である。この吸光度は、主にナノロッド３８による吸光度である。
【０１６３】
配向制御信号が０Ｖの場合におけるナノロッド３８による吸光度測定光２０９の吸光度はｉｚ２を示す。Ｔ２１での測定の開始に伴い、フリー分子Ｂおよびバインディング分子Ｂの双方の配向方向が変化して吸光度は増加する。フリー分子Ｂの方がバインディング分子Ｂに比べて速く配向方向の切り替えが完了するため、時刻Ｔ２２で全てのフリー分子Ｂの配向方向の切り替えが完了すると、波長１．１μｍの光の吸光度は値ｉｆ２で飽和する。その後、吸光度のグラフは時刻Ｔ２３で再び増加し、Ｔ２４でバインディング分子Ａの配向方向の切り替えが完了すると、波長１．１μｍの光の吸光度は値ｉｔ２で飽和する。Ｔ２５で配向制御信号が０Ｖになると、波長１．１μｍの光の吸光度は、時刻Ｔ２５からやや遅れてｉｚ２となる。
【０１６４】
生体分子検出装置２００は、配向制御信号を所定の間隔で切り替えて上記１周期の測定を複数回行い、得られた複数のｉｚ２、ｉｆ２およびｉｔ２の値をそれぞれ加算平均して、ｉｚ２、ｉｆ２およびｉｔ２の値の平均値を求める。
【０１６５】
バインディング分子Ｂを測定する場合の配向制御信号の切り替えタイミングは、バインディング分子Ａを測定する場合と異なる。これは、バインディング分子Ａ、フリー分子Ａ、バインディング分子Ｂおよびフリー分子Ｂそれぞれの体積および質量が異なり、それぞれの分子が配向を完了するまでに要する時間が異なるためである。
【０１６６】
図２２（Ａ）および（Ｂ）に示したように、バインディング分子Ａを測定する場合と、バインディング分子Ｂを測定する場合とでは、吸光度が増加したり飽和したりするタイミングは異なる。これは、バインディング分子Ａとバインディング分子Ｂとの、体積の違いによる溶液中での運動しやすさに起因する。
【０１６７】
続いて、ＣＰＵ２０８は、得られたｉｚ２、ｉｆ２およびｉｔ２の平均値から、バインディング分子Ｂの濃度を算出する。具体的には、実施の形態１で測定値Ｓを求めた場合と同じ演算を行い、測定値Ｓ２を求める。そして、検量線関数ｆ２（Ｓ）を用いて、測定値Ｓ２から濃度Ｃ２に変換する。ＣＰＵ２０８は、得られた濃度Ｃ２を、表示部１０２へ出力する。
【０１６８】
以上説明したように、本発明の実施の形態２に係る生体分子検出装置２００によれば、実施の形態１で説明した生体分子検出装置１００の構成に加え、２種類のナノロッドを用い、フィルタ切替部２１０を２種類のフィルタの切り替えが可能な構成とした。２種類のナノロッドは、配向方向の切り替えに伴う長軸方向由来の吸光度の変化が現れる波長が異なる。そのため、検出対象物質を含むバインディング分子に付随するナノロッドに対応した波長の光を吸光度測定光として使用することにより、検出対象物質を含むバインディング分子の吸光度のみを測定することができる。すなわち、複数の成分が混在した検体から検出対象物質の濃度を正確に測定することができる。このように、一つの検体から複数の検出対象物質を検出することは、免疫診断の精度を上げるために重要である。
【０１６９】
なお、本実施の形態では、２種類のナノロッドとして短軸１０ｎｍ、長軸５０ｎｍの金ナノロッドおよび短軸１０ｎｍ、長軸６０ｎｍの金ナノロッドを用いたが、測定に用いるナノロッドはこの長さまたはアスペクト比のものに限られない。２種類のナノロッドとしては、一方のナノロッドの吸光度のみを測定できる程度に長軸方向由来のプラズモン共鳴波長に差があるものを用いれば良い。
【０１７０】
また、本実施の形態では、配向制御光１１７に波長１０００ｎｍ、出力７００ｍＷのレーザーを用いたが、配向制御光１１７はこのレーザーに限られない。配向制御光１１７の出力は、フリー分子の体積および質量ならびにバインディング分子の体積および質量等に起因する溶液中での回転しやすさに基づいて決定することが望ましい。配向制御光１１７の波長は、フリー分子およびバインディング分子を配向させることができ、吸光度測定に影響を与えない波長であれば何でも良い。
【０１７１】
また、本実施の形態では、吸光度測定光２０９に波長９０５ｎｍ、出力０．１ｍＷの光および波長１．１μｍ、出力０．１ｍＷの光を用いたが、吸光度測定光２０９に用いる光はこれらの光に限られない。吸光度測定光２０９の波長は、ナノロッドの配向方向の変化に伴い吸光度に変化が生じる波長であれば良いが、ナノロッドによる吸光度が最大となる波長の光を用いることが望ましい。ナノロッドによる吸光度が最大となる波長の光を用いて吸光度測定を行うと、ナノロッドの配向方向の変化に伴い吸光度が最も大きく変化するため、フリー分子とバインディング分子を分離して算出することが容易となる。また、吸光度測定光２０９の出力は、吸光度測定が可能な出力であれば何でも良い。また、光源部２０１はランプと干渉フィルタの組み合わせによって構成しても良い。
【０１７２】
なお、本実施の形態では、抗原抗体反応を利用する場合を例にとって説明したが、検出対象物質と、検出対象物質に特異的に結合する物質との組み合わせは、抗原、抗体に限られず、例えば、抗原を用いて抗体を検出する場合や、特定のＤＮＡと当該ＤＮＡとハイブリダイゼーションをするＤＮＡ、ＤＮＡとＤＮＡ結合性たんぱく質、リガンドとレセプター、糖とレクチン、プロテアーゼ検出、高次構造変化等を用いても良い。検出対象物質と検出対象物質に特異的に結合する物質の組み合わせが、抗原および抗体以外の場合においても、検出対象物質に特異的に結合する物質とナノロッドとを結合させてフリー分子を構成し、フリー分子と検出対象物質とを結合させてバインディング分子を構成すれば、本実施の形態に係る生体分子検出装置により検出対象物質の濃度を測定することができる。
【０１７３】
また、本実施の形態では検出対象物質が２種類の場合について説明したが、検出対象物質の種類は３種類以上でも良い。その場合においても、各検出対象物質と特異的に結合する物質を用い、それぞれ異なったアスペクト比を有するナノロッドと結合させて同様の測定を行うと、各検出対象物質の濃度を測定することができる。
【０１７４】
また、実施の形態１や実施の形態２において、配向制御光として直線偏光された光を用いて偏光軸を回動させ、これによりフリー分子およびバインディング分子を配向させるような態様としても良い。直線偏光された光を照射されたフリー分子および直線偏光された光を照射されたバインディング分子は、光の偏光軸によって決まる特定の方向に配向する。配向制御光として直線偏光された光を用いる場合は、ＡＯＤの代わりにλ／２波長板を用いることができる。λ／２波長板は、垂直な方向に振動する光の光路差を１／２波長変化させる機能を有する位相板であり、光の偏光軸を回動操作するために用いられる。λ／２波長板の光学軸方向と平行な方向に直線偏光した光はλ／２波長板を素通りするが、λ／２波長板の光学軸方向と４５度の角度をなす方向に直線偏光した光は偏光軸が９０度回動する。つまり、直線偏光した光に対するλ／２波長板の角度を切り替えることにより、光を素通りさせる場合と、光の偏光軸を９０度変化させる場合とを切り替えることができる。すなわち、λ／２波長板を用いて直線偏光した光の偏光軸を回動させることにより、フリー分子およびバインディング分子を２つの方向へ配向させることができる。
【０１７５】
なお、実施の形態１および実施の形態２では、直線偏光した吸光度測定光を溶液に照射する場合、すなわち偏光面が単一の吸光度測定光を溶液に照射する場合を例にとって説明したが、吸光度測定光は必ずしも単一の偏光面を有する直線偏光した光である必要はない。実施の形態１および実施の形態２の効果を奏するためには、吸光度測定光が特定方向の直線偏光成分を少なくとも１つ有していれば良い。ここで、特定方向の直線偏光成分を有する光とは、ナノロッドの配向方向の変化により、ナノロッドと特定方向の直線偏光成分との向きの関係が変化して、特定方向の直線偏光成分に対してナノロッドによる吸光度に変化が生じる光である。例えば、ランダム偏光した吸光度測定光を照射し、受光部の前に検光子を設けて特定方向の直線偏光成分のみを受光するように構成しても良い。ここでランダム偏光とは、光の振動方向がランダムであり、様々な方向に振動する成分が存在することをいう。
【０１７６】
図２３Ａおよび図２３Ｂは、それぞれ配向制御光１３４、１３６を照射した際のナノロッド８の配向方向とランダム偏光した吸光度測定光２１８の振動方向とを表した概念図である。配向制御光１３４は、配向制御光１３６に対して照射方向が９０度異なる。吸光度測定光２１８の振動方向２２０ａ〜２２０ｄは、吸光度測定光２１８の進行方向に対して垂直な平面内における光の振動方向を表す。図２３Ａおよび図２３Ｂでは、振動方向２２０ａ〜２２０ｄによって吸光度測定光２１８の振動方向が様々な方向であることを表しているが、実際は、図示した成分だけでなく、あらゆる角度方向のより多くの成分が含まれている。
【０１７７】
検光子２１６は、ナノロッド８を透過した吸光度測定光２１８のうち特定の方向に振動する成分を透過し、それ以外の方向に振動する成分を遮断する。換言すれば、検光子２１６を透過した光は特定の方向にのみ振動する光となる。検光子２１６が透過する特定の方向に振動する成分とは配向制御光１３４によって配向したナノロッド８の長軸方向と同一の方向に振動する成分である。検光子２１６を透過した吸光度測定光２１８の振動方向は、図２３ＡおよびＢにおいて振動方向２２０ａとなる。これにより、図２３Ａに示すように、ナノロッド８を透過した吸光度測定光２１８のうち、配向制御光１３４によって配向したナノロッド８の長軸方向と同一の方向に振動する成分のみをフォトダイオード１５０に到達させることができる。一方、図２３Ｂに示すように、配向制御光１３４と照射方向が９０度異なる配向制御光１３６によって配向したナノロッド８の長軸方向に対しては、垂直な方向に振動する成分のみがフォトダイオード１５０に到達する。このような構成にすることで、吸光度測定光２１８としてランダム偏光した光を用いても、直線偏光した吸光度測定光を照射した場合と同様に、特定の方向に振動する光に対する溶液の吸光度測定を行うことができる。なお、検光子２１６が透過させる特定の方向に振動する成分とは必ずしもここで示した方向に振動する成分に限られず、ナノロッド８の配向方向の変化に伴いナノロッド８による吸光度に差が生じる成分であれば何でも良い。
【０１７８】
また、図２３Ａおよび図２３Ｂでは吸光度測定光がいずれの方向に振動する場合においても振幅が一定である例を示したが、必ずしも全ての方向において振幅が一定である必要はない。フォトダイオード１５０が受光する成分は特定方向に振動する成分のみであるので、その他の方向に振動する成分は遮断される。
【０１７９】
図２３Ｂに示す配向制御信号が０Ｖの場合、配向制御光１３６により配向したナノロッド８の長軸方向と検光子２１６を透過可能な光の振動方向とは垂直となる。この場合、吸光度測定光２１８の各方向に振動する成分のうち検光子２１６を透過可能な方向に振動する成分は、ナノロッド８に吸収されにくい。
【０１８０】
一方、図２３Ａに示す配向制御信号が５Ｖの場合、配向制御光１３４により配向したナノロッド８の長軸方向と検光子２１６を透過可能な光の振動方向とは平行となる。この場合、吸光度測定光２１８の各方向に振動する成分のうち検光子２１６を透過可能な方向に振動する成分はナノロッド８に吸収されやすい。
【０１８１】
このような構成とした場合においても、配向制御信号を０Ｖから５Ｖに変化させると、ナノロッド８の配向方向が変化し、ナノロッド８の長軸方向と検光子２１６が透過可能な光の振動方向とが徐々に平行に近づく。それに伴い、検光子２１６を透過可能な方向に振動する光に対するナノロッド８の吸光度が増加し、溶液の吸光度は増加する。この場合、フリー分子とバインディング分子とでは、配向を完了するまでに要する時間が異なるため、吸光度が増加して飽和するタイミングも異なる。そのため、このような構成とした場合においても、配向制御信号を０Ｖから５Ｖに変化させた際の、時間に対する溶液の吸光度の変化のグラフは、図１４と同様の形状となる。つまり、この場合においても溶液の吸光度のグラフについて実施の形態１と同様の計算を行うことにより、検出対象物質の濃度を測定することができる。
【０１８２】
（実施の形態３）
図２４Ａは、生体分子検出装置３００の主要な構成を説明するための機能ブロック図である。図２４Ｂは、光源部３０４および配向制御用光源部３２２と第１の受光部３０６との位置関係を表した図である。図２４Ｂにおいては、説明に使用する構成を図２４Ａから抜き出して描いてあり、その他の構成は省略して示している。なお、図２４Ａおよび図２４Ｂにおいて、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１８３】
光源部３０４は、内部に備えた偏光子により２つの直交する方向に振動する成分のみを有する吸光度測定光３１２を、図２４Ｂに示すように、試薬カップ１０８の底面から試薬カップ１０８の上方に設けられた第１の受光部３０６に向けて照射する。吸光度測定光３１２には、波長９０５ｎｍ、出力０．１ｍＷの光を用いる。
【０１８４】
偏光ビームスプリッタ３１０は、試薬カップ１０８と第１の受光部３０６との間に設けられている。偏光ビームスプリッタ３１０は、試薬カップ１０８を透過した２つの直交する方向に直線偏光した吸光度測定光３１２のうち、一方の直線偏光成分３１４を透過し、他方の直線偏光成分３１６を直線偏光成分３１４とは９０度異なる方向に反射する。
【０１８５】
第１の受光部３０６は、図２４Ｂに示すように試薬カップ１０８の上方かつ試薬カップ１０８を挟んで光源部３０４の対面に設けられている。第１の受光部３０６は、内部にフォトダイオードを有する。第１の受光部３０６は、試薬カップ１０８および偏光ビームスプリッタ３１０を透過した直線偏光成分３１４をフォトダイオードで受光し、アナログ電気信号に変換して増幅部１２６へ出力する。また、第１の受光部３０６の内部にはバンドパスフィルタが設けられている。このバンドパスフィルタは、吸光度測定光３１２と同一の波長の光のみをフォトダイオードに到達させる。これにより、吸光度測定光３１２と異なる波長の光がフォトダイオードに到達してノイズとなることを防いでいる。
【０１８６】
第２の受光部３０８は、偏光ビームスプリッタ３１０によって反射される直線偏光成分３１６の光路上に設けられている。第２の受光部３０６は、偏光ビームスプリッタ３１０によって反射された直線偏光成分３１６を内部に設けられたフォトダイオードで受光し、アナログ電気信号に変換して増幅部１２６へ出力する。第２の受光部３０６の内部にはバンドパスフィルタが設けられている。このバンドパスフィルタは、吸光度測定光３１２と同等の波長を持つ光のみをフォトダイオードに到達させる。
【０１８７】
ＦＧ３１８は、様々な周波数と波形をもった電圧信号を発生させることのできる装置であり、ＣＰＵ３２０から出力される命令を受けて、偏光方向制御部３２４およびサンプリングクロック発生部１３０へそれぞれ異なる電圧信号を出力する。以下、ＦＧ３１８から偏光方向制御部３２４へ出力される信号を偏光方向制御信号という。
【０１８８】
配向制御用光源部３２２は、図２４Ｂに示すように試薬カップ１０８の下部に設けられ、内部に備えた偏光子により直線偏光した配向制御光３２６を、偏光方向制御部３２４を通って試薬カップ１０８の底面から上方に向けて照射し、試薬カップ１０８内の溶液中に存在するフリー分子およびバインディング分子に外力を加えてこれらの配向を制御する。配向制御光３２６には、波長１．３μｍ、出力７００ｍＷのレーザーを用いる。配向制御光３２６は、試薬カップ１０８の溶液全体を照らす程度の幅を有している。
【０１８９】
偏光方向制御部３２４は、配向制御光３２６の偏光方向（振動方向）を切り替えることで、フリー分子およびバインディング分子の配向方向を切り替える。偏光方向制御部３２４は、λ／２波長板を有する。λ／２波長板は、垂直な方向に振動する偏光の光路差を１／２波長変化させる機能を有する位相板であり、光の偏光面を回転操作するために用いられる。λ／２波長板の光学軸方向と平行な方向に直線偏光した光はλ／２波長板を素通りするが、λ／２波長板の光学軸方向と４５度の角度をなす方向に直線偏光した光は振動方向が９０度変化する。つまり、直線偏光した光に対するλ／２波長板の角度を切り替えることで、光を素通りさせる場合と、光の振動方向を９０度変化させる場合とを切り替えることができる。λ／２波長板は、電子式のλ／２波長板回転素子に保持されている。偏光方向制御部３２４は、ＦＧ３１８から出力される偏光方向制御信号を受信して、専用のコントローラによりλ／２波長板回転素子を回動させることでλ／２波長板を回転させ、配向制御光３２６の振動方向を９０度切り替える。換言すれば、配向制御光３２６の振動方向は、ＦＧ３１８が発生する電圧信号によって決まる。
【０１９０】
ＣＰＵ３２０は、生体分子検出装置３００の各動作を統括的に制御し、測定結果の演算等を行う。ＣＰＵ３２０は、ＦＧ３１８が出力する偏光方向制御信号を指定することで、偏光方向制御部３２４が配向制御光３２６の振動方向を切り替えるタイミングを制御する。
【０１９１】
図２５Ａおよび図２５Ｂに示す概念図を用いて、配向制御光３２６の振動方向に対するナノロッドの配向方向と吸光度測定光３１２の振動方向との向きの関係について説明する。なお、図２５Ａおよび図２５Ｂにおいては、説明に不要な要素は省略して描いてある。吸光度測定光３１２は、進行方向に対して垂直な平面内において振動方向３３０ａ、３３０ｂに振動する成分を有する。また、振動方向３３０ａと振動方向３３０ｂは直交している。つまり、吸光度測定光３１２は互いに直交する２つの直線偏光成分を有する光である。
【０１９２】
図２５Ａは、偏光方向制御信号が０Ｖの場合の概念図である。偏光方向制御信号が０Ｖの場合、振動方向３３４に振動する配向制御光３２６が試薬カップ１０８に照射される。偏光方向制御信号が０Ｖの場合の配向制御光３２６の振動方向３３４と、吸光度測定光３１２の振動方向３３０ａとは平行である。振動方向３３４の方向に振動する配向制御光３２６を照射されたナノロッド８は、振動方向３３４と同一の方向に長軸方向を向けて配向する。
【０１９３】
偏光ビームスプリッタ３１０は、吸光度測定光３１２のうち振動方向３３０ａに振動する直線偏光成分３１４を透過し、振動方向３３０ｂに振動する直線偏光成分３１６を反射する。偏光ビームスプリッタ３１０を透過した直線偏光成分３１４は、第１の受光部３０６内に設けられたフォトダイオード３４０に到達する。偏光ビームスプリッタ３１０で反射した直線偏光成分３１６は、第２の受光部３０８内に設けられたフォトダイオード３４２に到達する。
【０１９４】
図２５Ｂは、偏光方向制御信号が５Ｖの場合の概念図である。偏光方向制御信号が５Ｖの場合、振動方向３４０に振動する配向制御光３２６が試薬カップ１０８に照射される。偏光方向制御信号が５Ｖの場合の配向制御光３２６の振動方向３４０と、吸光度測定光３１２振動方向３３０ｂとは平行である。振動方向３４０の方向に振動する配向制御光３２６を照射されたナノロッド８は、振動方向３４０と同一の方向に長軸方向を向けて配向する。
【０１９５】
図２６は、縦軸が生体分子検出装置３００における偏光方向制御信号の電圧または吸光度を表し、横軸が時間ｔを表したグラフである。なお、ここでは説明を容易にするため、偏光ビームスプリッタを透過した配向制御光の吸光度、偏光ビームスプリッタで反射した配向制御光の吸光度および正規化した吸光度については、グラフを模式的に示してある。
【０１９６】
本実施の形態においても実施の形態１と同様にＦＧ３１８から出力される偏光方向制御信号は、測定前は０Ｖとなっている。測定前においては、配向制御光３２６を試薬カップ１０８内の溶液中に照射して、フリー分子およびバインディング分子を同一方向に配向させておく。測定の開始に伴い、ＣＰＵ３２０は、吸光度測定光３１２の照射を開始する命令を光源部３０４へ出力する。
【０１９７】
偏光ビームスプリッタ３１０で反射する直線偏光成分３１６に着目すると、直線偏光している方向と、ナノロッド８の長軸方向との関係は実施の形態１と同様になる。従って、試薬カップ１０８内の溶液による直線偏光成分３１６の吸光度の時間変化は、実施の形態１の図１４に示したグラフと同様のグラフとなる。つまり、時刻Ｔ３１における配向制御光３２６の振動方向の変化に伴ってフリー分子およびバインディング分子の配向方向が切り替わり、直線偏光成分３１６に対するナノロッド８の吸光度が当初の値ｉｚ３から増加するが、フリー分子が配向を完了することにより吸光度は時刻Ｔ３２において値ｉｆ３で飽和する。その後、バインディング分子の配向方向が切り替わることに伴い時刻Ｔ３３で吸光度は再び増加し、全てのバインディング分子が配向を完了した時刻Ｔ３４において値ｉｔ３で飽和する。偏光方向制御信号は、５Ｖの出力がＴ秒間続いた後０Ｖとなる。偏光方向制御信号が５Ｖから０Ｖに切り替わると、直線偏光成分３１６の吸光度は、しばらくｉｔ３の値であるが、その後ｉｚ３の値まで減少する。
【０１９８】
偏光ビームスプリッタ３１０を透過する直線偏光成分３１４に着目する。直線偏光成分３１４の振動方向とナノロッド８の長軸方向とが時刻Ｔ３１までは平行であるため吸光度が最大となる。時刻Ｔ３１における配向制御光３２６の振動方向の変化に伴ってフリー分子およびバインディング分子の配向方向が切り替わり、直線偏光成分３１４に対するナノロッド８の吸光度は当初の値ｉｔ４から減少する。フリー分子が配向を完了することにより吸光度は時刻Ｔ３２において値ｉｆ４で一定となる。その後、バインディング分子の配向方向が切り替わることに伴い時刻Ｔ３３で吸光度は再び減少し、全てのバインディング分子が配向を完了した時刻Ｔ３４において値ｉｚ４で最小値となる。偏光方向制御信号は、５Ｖの出力がＴ秒間続いた後０Ｖとなる。偏光方向制御信号が５Ｖから０Ｖに切り替わると、直線偏光成分３１４の吸光度は、しばらくｉｚ４の値であるが、その後ｉｔ４の値まで増加する。これは、直線偏光成分３１４の振動方向とナノロッド８の長軸方向が平行に戻るためである。
【０１９９】
ＣＰＵ３２０は、直線偏光成分３１６の吸光度をＰｐ、直線偏光成分３１４の吸光度をＰｖとして、これらを次式（３）に従って正規化する。
Ｋ＝（Ｐｐ−Ｐｖ）／（Ｐｐ＋Ｐｖ）・・・（３）
このように、２つの吸光度を正規化することで、ナノロッド８の濃度ばらつきや、光学系の励起パワー変動などの影響を低減させることができる。
【０２００】
正規化した吸光度のグラフから、バインディング分子の濃度を算出する。具体的には、測定値Ｓ３を次式（４）によって求める。
Ｓ３＝（ｉｔ５−ｉｆ５）／（ｉｔ５−ｉｚ５）・・・（４）
【０２０１】
ＣＰＵ３２０は、ここで求めた測定値Ｓ３から、実施の形態１と同様にして検量線関数を用いて診断値Ｃ３（検出対象物質の濃度）を求めて、得られた診断値Ｃ３を表示部１０２へ出力する。
【０２０２】
以上説明したように、本発明の実施の形態３に係る生体分子検出装置３００によれば、配向制御光３２６の振動方向の切り替えにより溶液中のフリー分子およびバインディング分子の配向方向を切り替えることが可能な構成とした。また、吸光度測定光３１２として、２つの直交する方向に振動する成分のみを有する光を用い、溶液を透過した吸光度測定光３１２を偏光ビームスプリッタで振動方向によって分離して直線偏光成分毎の吸光度を測定した。このようにして得られた直線偏光成分毎の吸光度を正規化して、正規化された吸光度を正規化することで、ナノロッド８の濃度ばらつきや、光学系の励起パワー変動などの影響を低減させることができる。正規化された吸光度から、実施の形態１と同様に溶液中のバインディング分子に付随したナノロッドによる吸光度への寄与分を算出することができ、簡便な構成で検出対象物質の濃度を正確に測定することができる。
【０２０３】
なお、以上説明した本発明に係る各実施の形態は、本発明の一例を示すものであり、本発明の構成を限定するものではない。本発明に係る生体分子検出装置は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能である。
【０２０４】
例えば、溶液中の分子の配向方向の切り替えは、光によるものに限られず、フリー分子の配向方向の切り替えおよびバインディング分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間に差が生じる程度の外力を加えるものであれば、磁気的な方法や電気的な方法としても良い。光による分子の配向制御を行うと、磁力等によって分子の配向を制御する場合に比べ複雑な機構が必要ないという利点がある。例えば、磁力を用いて分子の配向を制御するためには、それぞれの分子が磁性を持ったものであるか、磁性を持った分子を用意して配向を制御したい分子に結合させる必要があり、測定にあたっての準備が煩雑となる。
【０２０５】
また、本発明に係る各実施の形態では、配向制御光の照射方向を２つの直交する方向の間で切り替えたが、必ずしもこの２つの直交する方向の間で切り替える必要はない。フリー分子およびバインディング分子は、配向する方向が異なればそれぞれが有するナノロッドの吸光度が異なり、フリー分子の１分子あたりの吸光度またはバインディング分子の１分子あたりの吸光度も異なる。従って、配向制御光の照射方向を２つの直交する方向、すなわちフリー分子の配向方向およびバインディング分子の配向方向を２つの直交する方向としなくとも、フリー分子およびバインディング分子を分離して算出することができる。配向制御光の照射方向が直交していれば、フリー分子の配向およびバインディング分子の配向が完了するまでの時間差が最大となって最もＳ／Ｎが良くなる。一方で、例えば配向制御光の照射方向を、それぞれの照射方向の成す角度が６０度とすれば、直交する２つの方向に配向制御光の照射方向を切り替える場合と比べ、フリー分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間およびバインディング分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間が短くなり、測定に要する時間も短くなる。このように配向制御光を照射する２つの方向の成す角度が９０度より小さいほど、フリー分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間およびバインディング分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間が短くなり測定時間も短くなる。
【０２０６】
また、溶液中に検出対象物質が存在するか否か、すなわちバインディング分子が存在するかしないかのみを測定したい場合は、フリー分子とバインディング分子とに配向方向の切り替えに時間差が生じる程度だけ角度を変えた２つの方向で配向制御光の照射方向を切り替えれば良い。フリー分子とバインディング分子とに配向方向の切り替えに時間差が生じれば、その差は吸光度の変化として表れるため、バインディング分子の存在を確認できる。
【０２０７】
また、分子の配向方向を切り替えるため、本発明に係る実施の形態１および２では、ＡＯＤにより配向制御光の進行方向を切り替え、実施の形態３では直線偏光した配向制御光の振動方向を切り替えたが、分子の配向方向の切り替えには必ずしもこれらの方法を用いる必要はない。例えば、配向制御光の照射方向を変えた配向制御用光源部を複数設けて、使用する配向制御用光源部を切り替えることにより配向制御光の照射方向を切り替えても良い。
【０２０８】
また、配向制御用光源部は必ずしも１つの照射方向に１つのみを設ける必要はなく、複数の配向制御用光源部を設けて、同一方向に複数の配向制御光を照射しても良い。また、配向制御光は、進行方向に垂直な方向の断面形状がどのようなものであっても良い。例えば、図２７（Ａ）に示すように、振動方向３５２の方向に振動する直線偏光した配向制御光３５０が照射される場合を考える。この場合、配向制御光は、進行方向に垂直な方向の断面形状が略長方形である。このとき、配向制御光３５０の中心に位置するナノロッド３５４と配向制御光３５０の周縁部に位置するナノロッド３５６の挙動を考える。
【０２０９】
図２７（Ｂ）に示すように、配向制御光３５０の偏光軸を回動させると、回動軸（偏光軸の回動中心）上に位置するナノロッド３５４は、偏光軸の回動に追従して回動する。一方、配向制御光３５０の周縁部に位置するナノロッド３５６は、偏光軸の回動に追従できず、偏光軸から離れることになる。その後しばらくすると、ナノロッド３５６も偏光軸に引き込まれて配向する。そして、図２７（Ｃ）のように、配向制御光３５０の偏光軸を、図２７（Ａ）に対して９０度回転させても、ナノロッド３５４は追従し、ナノロッド３５６は追従できず、しばらくして配向制御光３５０に引き込まれて配向する。つまり、偏光軸の中心に位置するナノロッド３５４は、配向制御光の振動方向に同期して回動するが、偏光軸の周縁部に位置するナノロッド３５６の動きは、偏光軸の中心に対して公転するような動きとなり、配向制御光の振動方向に同期しない。
【０２１０】
このように、配向制御光の偏光軸の回動に追従できないナノロッドが存在すると測定に影響を与えることがある。その場合は、図２８（試薬カップ１０８の上面図）に示すように、３６０ａ〜３６０ｉの９点にそれぞれ対応した９本の配向制御光を入射させるような態様でも良い。このようにすると、配向制御光の偏光軸の中心に位置するナノロッドが増えるため、測定への影響を低減することができる。なお、ここでは９点に配向制御光を入射させる例を示したが、配向制御光を入射させる点は９点に限られず、９点より多くても少なくても良い。配向制御光を絞るほど、多くの点に入射させることが望ましい。これにより、複数箇所で配向に同期してナノロッドを回転させることができる。その結果、突発的な吸光度の変動を低下させることができ、相対的な散らばりを表す指標である変動係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ）を改善させることができる。
【０２１１】
このように、配向制御光を多点に入射させるための配向制御用光源部４０２の構造について図２９に示す。配向制御用光源部４０２は、３×３の２次元レーザーアレイである。配向制御用光源部４０２は、発光点４０４ａ〜４０４ｉの９点が発光する。発光点の大きさは縦が１μｍで横が１００μｍである。発光点の間の距離は約１００μｍである。この配向制御用光源部４０２を用いた光学系の一例を図３０に示す。なお図３０では、配向制御光および吸光度測定光の光学系以外の構成要素は省略して描いてある。
【０２１２】
配向制御用光源部４０２から照射された直線偏光した配向制御光４２２は、コリメータレンズ４０６を通って焦点において平行光線となる。コリメータレンズ４０６を通った配向制御光４２２は、ビームエキスパンダ４０８およびビームエキスパンダ４１０を通ってλ／２波長板４１２に入射する。ビームエキスパンダ４０８およびビームエキスパンダ４１０を通った配向制御光４２２は、特定の倍率の平行光束に広げられる。λ／２波長板４１２は回転ステージ上にあり、回転可能となっている。これにより配向制御光４２２の偏光軸を回動することができる。λ／２波長板４１２を透過した配向制御光４２２は、ダイクロイックミラー４１８で反射してレンズ４２０により集光されて試薬カップ１０８の底面から上面に向かって入射される。
【０２１３】
光源部４１４から照射された吸光度測定光４２４は、レンズ４２６を通ってダイクロイックミラー４１６により反射される。ダイクロイックミラー４１６により反射された吸光度測定光４２４は、ダイクロイックミラー４１８を透過してレンズ４２０により集光されて試薬カップ１０８の底面から上面に向かって入射する。
【０２１４】
図３０に示す光学系において、コリメータレンズ４０６の焦点距離を３．１ｍｍ、レンズ４２０の焦点距離を４ｍｍとすると、倍率は１．２９倍となる。そのため、試薬カップ１０８の底面において、配向制御光４２２の大きさは約１．３μｍ×１３０μｍとなり、ピッチは約１２９μｍとなる。
【０２１５】
配向制御光を多点に入射させる別の光学系の例について図３１に示す。なお図３１においても、配向制御光および吸光度測定光の光学系以外は省略して描いてある。また、図３０と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２１６】
図３１に示す光学系において、配向制御用光源部１１６は実施の形態１と同様のものである。配向制御光４３２は、コリメータレンズ４０６、ビームエキスパンダ４０８およびビームエキスパンダ４１０を通り、マイクロレンズアレイ４２８へ入射する。マイクロレンズアレイ４２８は、図３２に示すように、複数のマイクロレンズ４３０を格子状に並べたものである。マイクロレンズアレイ４２８を通った配向制御光４３２は、複数の光源から照射された光のように、異なる位置で焦点を結ぶ複数の光束となる。配向制御光４３２は、ピンホールアレイ４３０によって絞られ、ダイクロイックミラー４１８で反射してレンズ４２０を通って試薬カップ１０８の底面から上面に向かって入射する。このようにマイクロレンズアレイを用いても、配向制御光を多点に入射させることができる。
【０２１７】
また、実施の形態１のような配向制御光を照射する方向を変える光学系においては、配向光を多点に照射するために、光学系を複数段用意しても良い。例えば、同様の光学系を３段重ねれば、３つの配向制御用光源部から配向制御光が照射され、試薬カップ１０８へ３点から入射させることができる。このようにしても、配向制御光を多点から照射することができ、複数箇所でナノロッドを回動させることができる。
【０２１８】
なお、ここでは直線偏光した配向制御光を複数の位置から照射して多点に入射させるための光学系について示したが、直線偏光していない配向制御光を多点に入射させ、照射方向を切り替えることでナノロッドの配向方向を切り替えても良い。その場合も、２次元レーザーアレイやマイクロレンズアレイ等を用いて配向制御光を複数の位置から照射する。配向制御光の照射方向の切り替えは、ＡＯＤ等を用いて切り替えても良いし、配向制御光の照射方向が異なる複数の光源を設けて使用する光源を切り替えても良い。
【０２１９】
また、本発明に係る各実施の形態では、生体分子検出装置内に試薬カップを１つ設ける場合を説明したが、必ずしも試薬カップは１つである必要はなく、装置内に複数の試薬カップを設けて複数の検体をセットできる構成としても良い。その場合は、装置が試薬カップを順に測定位置に移動させて測定を行う構成とすれば、自動で複数の検体を測定することができる。
【０２２０】
また、上記各実施の形態では試薬カップを円柱状の形状としたが、試薬カップは必ずしも円柱状の形状とする必要は無い。例えば、図３３に示すように、四角柱状の形状を有し、内部に四角柱状の容器保持部を有する試薬カップ４３２を用いても良い。このような四角柱状の容器保持部を有する試薬カップ４３２は、特にフリー分子およびバインディング分子が、配向制御光によって、配向制御光の進行方向へ圧力を受けて容器壁面に押しつけられる場合に適している。これは、フリー分子およびバインディング分子の質量が軽い場合などに起こり、配向制御光からの力を受けてフリー分子およびバインディング分子が溶液中を移動してしまうことが原因である。この場合、容器保持部が四角柱であると、フリー分子およびバインディング分子は溶液と試薬カップ４３２との界面である平面に押しつけられ配向される。界面が平面であるため、フリー分子およびバインディング分子は横に移動して配向制御光の外に出ることがない。また、フリー分子およびバインディング分子が壁面に押しつけられる場合には、配向制御光の焦点の位置を工夫するとより配向させやすい。
【０２２１】
図３４は、直線偏光した配向制御光の焦点の位置の一例を示す図である。配向制御光４３４は、レンズ４３６に入射し、血漿１６と試薬カップの壁面４３２ｂとの界面において焦点４３４ａを結ぶ。配向制御光の焦点の位置は、配向制御光が最も強い力でフリー分子およびバインディング分子を配向させる。従って、図３４のように配向制御光を入射させると、配向制御光は、焦点４３４ｃの位置においてフリー分子およびバインディング分子を壁面４３２ｂに押しつけつつ、より効率的にフリー分子およびバインディング分子を配向させることができる。この場合においても、直線偏光した配向制御光の偏光軸を回動させることで、フリー分子およびバインディング分子の配向方向を焦点４３４ｃの位置において変化させることができる。
なお、容器保持部は必ずしも四角柱状の形状を有している必要はなく、少なくとも一面に平面を有していれば良い。その平面において焦点を結ぶように配向制御光を照射すればフリー分子およびバインディング分子は横に移動して配向制御光の外に出ることがなく、平面に押しつけられて配向される。
【０２２２】
なお、本発明に係る各実施の形態では、ナノロッドと結合した抗体を用いた例を説明したが、抗体は、必ずしもナノロッドと結合させておく必要はない。例えば、抗体および抗原の結合と、抗体およびナノロッドの結合とを同時に試薬カップ内で行っても良い。この場合、ユーザーは、抗体およびナノロッドをそれぞれ別の試薬タンクに用意しておく。測定時には、生体分子検出装置が、抗体、ナノロッドおよび検体をそれぞれ試薬カップへ分注して反応させる。
【０２２３】
また、配向制御用光源部１１６や光源部１１８は、生体分子検出装置から着脱可能な構成として、検出対象物質およびナノロッドの種類に応じて、適切なものに交換できるようにしても良い。
【０２２４】
また、配向制御の方向を所定の時間間隔で切り替え、得られた複数の吸光度の加算平均を行って、上記検出対象物質の検出または定量を行うと、ノイズによる測定精度への影響を減少させることができ、より高精度な測定が可能となる。
【０２２５】
配向制御の方向を切り替える所定の時間間隔は、溶液中に存在する全てのフリー分子および溶液中に存在する全てのバインディング分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間間隔とすることが望ましい。溶液中に存在する全てのフリー分子およびバインディング分子の配向方向の切り替えが完了するまでに要する時間は、例えば、吸光度が変化する時間に基づいて求めることができる。生体分子検出装置による測定を何周期か繰り返せば、吸光度が飽和するまでに要する時間がおおよそ分かる。吸光度が飽和するまでに要する時間は、溶液中に存在する全てのフリー分子およびバインディング分子が配向方向の切り替えを完了するまでに要する時間である。そのため、吸光度が飽和するまでに要する時間を上記所定の時間間隔とすることが望ましい。また、吸光度が飽和するまでに要する時間を加算平均して、算出した時間を所定の時間間隔として決めれば、ノイズ等による測定毎のばらつきの影響を減少させることができる。このように所定の時間間隔を設定すると、溶液中の全てのフリー分子および溶液中の全てのバインディング分子が配向を完了した後も同一方向に配向制御光を照射することがなくなり、消費電力を削減することができる。さらに、測定時間も短くすることができる。
【０２２６】
また、溶液中に存在する全てのフリー分子および溶液中に存在する全てのバインディング分子が配向方向の切り替えを完了するまでに要する時間は、フリー分子およびバインディング分子のそれぞれの質量または体積、配向制御手段により配向を制御する外力の強度、溶媒の粘度等から求めることもできる。
【０２２７】
なお、本発明に係る各実施の形態では、説明を容易にするためナノロッドに１つの抗体が結合している場合を例に取って説明したが、ナノロッドに結合させる抗体は必ずしも１つである必要はない。
【０２２８】
なお、本発明に係る各実施の形態では、検体として全血から分離した血漿を用いる場合を例にとって説明したが、検体は全血から分離した血漿に限られず、尿や隋液等、検出対象物質が溶液中に分散していれば検体とすることができる。
【０２２９】
また、本発明に係る各実施の形態では、ナノロッドおよび抗体が固定された基板を用いず、抗原、抗体およびナノロッドが液体中に分散している系で測定ができるため、抗原等を基板に固定して測定を行う測定に比べ、前処理が簡単であるという利点がある。また、抗原、フリー分子共に溶液中を自由に動き回れるため、基板を用いる系に比べて反応が早いという利点がある。
【０２３０】
また、本発明に係る各実施の形態では、ナノロッドとして金ナノロッドを例にとって説明したが、ナノロッドを構成する材料は金に限られず、プラズモン共鳴が生じ得る金属が含まれていれば良い。例えば、銀や銅などを使用することができる。
【０２３１】
また、本発明に使用することができるナノロッドのサイズは、本発明に係る各実施の形態で使用したものに限られず、配向方向の変化により光の吸光度が変化するサイズであれば何でも良い。
【０２３２】
また、本発明に係る各実施の形態では、ナノロッドの中央付近に抗体が結合されている場合を例にとって説明したが、抗体は必ずしもナノロッドの中央付近に結合される必要はない。抗体がナノロッドのいずれの場所に結合されていても、抗体に抗原が結合すれば、溶液中におけるフリー分子の回転し易さとバインディング分子の回転し易さに差が生じる。フリー分子とバインディング分子の回転し易さに差が生じれば、本発明に係る生体分子検出装置によりフリー分子の寄与分とバインディング分子の寄与分を分離することができ、検出対象物質を検出することができる。
【０２３３】
また、本発明に係る各実施の形態では、１つのナノロッドに１つの抗体が固定されている場合を例にとって説明したが、ナノロッドに固定される抗体は必ずしも１つである必要はない。１つのナノロッドに複数の抗体が固定されていても良い。
【０２３４】
また、本発明に係る各実施の形態では、飽和した吸光度の値を基にバインディング分子の濃度を求めたが、必ずしもそのような方法で求める必要はない。例えば、図３５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、配向制御信号の周波数を変え、ロックインアンプを用いて配向制御信号の周波数に同期した成分を抽出する。図３５（Ａ）においては、配向制御信号の周期ｔ１が十分長く、配向制御信号を５Ｖにしている期間が長いため、全てのフリー分子およびバインディング分子が配向して、吸光度は最大値となり、ロックインアンプの出力は最大値Ｉ１となる。一方、図３５（Ｂ）は配向制御信号の周期ｔ２が短く、全てのフリー分子およびバインディング分子が配向する前に配向制御信号が０Ｖになるため、吸光度は最大値とならず、ロックインアンプ出力はＩ２となる。Ｉ２はＩ１より小さい。同様にして３種のバインディング分子の濃度に対して、配向制御信号の値を切り替える周波数に対するロックインアンプ出力について予め検量線データを取得したグラフの例を図３６に示す。
【０２３５】
抗原の濃度が大きいほどバインディング分子の濃度が増え、バインディング分子の方がフリー分子より質量および体積が大きいため、配向制御信号の切り替えに追従しにくい。すなわち、抗原の濃度が大きいほどロックインアンプの出力を最大値Ｉ１にするために配向制御信号を長時間５Ｖにする必要があり、配向制御信号の周期が長い必要がある。周波数は周期の逆数であるため、溶液中の抗原の濃度が大きいほど、ロックインアンプの出力がＩ１となる周波数の最大値は小さくなる。逆に、溶液中の抗原の濃度が小さいほどロックインアンプの出力がＩ１となる周波数の最大値は大きくなる。例えば、図３６に示す３種の検量線において、検量線５０２は最も抗原濃度が大きく、次いで検量線５０４の抗原濃度が大きく、検量線５０６は最も抗原濃度が小さい。例えば、溶液を測定することによって得られたロックインアンプ出力の最大値に対して半値となる周波数がｆ１であった場合、検量線５０２と一致することが分かり、検量線５０２を取得した際の抗原の濃度が溶液中の抗原の濃度として出力される。
【０２３６】
また、本発明に係る各実施の形態においては、吸光度の測定に基づいて検出対象物質の定量を行ったが、必ずしも吸光度のみの測定を行う必要はない。例えば、吸光度に加え、フリー分子およびバインディング分子による散乱光を測定して、光の減光量を測定しても良い。減光量とは、吸収される光の量と散乱される光の量との双方の寄与からなる。従って、溶液を透過する前後の配向制御光の光量を調べてフリー分子およびバインディング分子による配向制御光の吸光度を測定し、フリー分子およびバインディング分子による配向制御光の散乱光を測定することにより、配向制御光の減光量を求めることができる。また、フリー分子およびバインディング分子による配向制御光の散乱光のみを測定しても良い。フリー分子およびバインディング分子による配向制御光の散乱光の強度は、配向制御光の吸収量と同様にフリー分子およびバインディング分子の配向方向によって変化する。従って、散乱光のみを測定しても、吸光度を求めた場合と同様に測定を行うことができる。散乱光を測定する場合は、一般的に暗視野顕微鏡で用いられる方法で測定を行う。すなわち、開口数（ＮＡ）の大きな輪帯光で照明し、受光側でその輪帯光をカットし散乱光のみ受光する。輪帯光とは、断面がリング状の光のことである。
【０２３７】
なお、フリー分子およびバインディング分子による配向制御光の散乱光のスペクトルは既知のため、フリー分子およびバインディング分子による配向制御光の散乱光を測定するためには、受光部に散乱光の波長の光のみを通すバンドパスフィルタを設ければ良い。また、吸光度と散乱光との双方を測定する場合、すなわち、透過光と散乱光を受光する場合は、フリー分子およびバインディング分子を含む溶液から出射する光をダイクロイックミラー等を用いて分光し、バンドパスフィルタを通して透過光と散乱光をそれぞれ受光すれば良い。
【産業上の利用可能性】
【０２３８】
本発明に係る生体分子検出装置および生体分子検出方法は、例えば、検出対象物質と、その検出対象物質に特異的に結合する物質との相互作用を利用して、検出対象物質の検出又は定量を行う装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０２３９】
８ ナノロッド
１２ 抗体
１６ 血漿
１８ 抗原
１００、２００、３００ 生体分子検出装置
１１６、３２２、４０２ 配向制御用光源部
１１８、２０１、３０４、４１４ 光源部
１２０ ＡＯＤ
１２４、２０２、３０６、３０８ 受光部
１４４、２１２、２１４ フィルタ
１４６ 偏光子
１５０、３４０、３４２ フォトダイオード
２１０ フィルタ切替部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の生体分子に特異的に結合し得る物質と光吸収特性に異方性を示す検出用標識とを有する第１の複合体、および前記生体分子が前記物質を介して前記第１の複合体に特異的に結合した第２の複合体、が含まれる溶液中において、前記第１の複合体および前記第２の複合体を少なくとも２つの方向へ配向させる配向制御手段と、
特定方向の直線偏光成分を有する第１の光を前記溶液に照射する第１の光源と、
前記溶液による前記第１の光の減光量を測定する検出手段と、
前記検出手段により測定した光の減光量に基づいて前記生体分子を検出または定量する演算手段と、
を具備し、
前記第１の光は、前記第１の複合体および前記第２の複合体の配向方向の変化により、前記検出用標識による減光量に変化が生じる波長の光である生体分子検出装置。
【請求項２】
前記第１の光は、
前記配向制御手段による前記第１の複合体および前記第２の複合体の配向方向の変化により、前記検出用標識と前記特定方向の直線偏光成分との向きの関係が変化して前記検出用標識による減光量に変化が生じる光である請求項１の生体分子検出装置。
【請求項３】
前記配向制御手段は、
第２の光を前記溶液に照射する第２の光源と、
前記第２の光の照射方向を切り替えることにより、前記第１の複合体および前記第２の複合体を前記溶液中で少なくとも２つの方向へ配向させる切替手段と、
を具備する請求項２の生体分子検出装置。
【請求項４】
前記配向制御手段は、
直線偏光した第３の光を前記溶液に照射する第３の光源と、
前記第３の光の偏光軸を回動させることにより、前記第１の複合体および前記第２の複合体を前記溶液中で少なくとも２つの方向へ配向させる偏光軸回動手段と、
を具備する
請求項２の生体分子検出装置。
【請求項５】
前記演算手段は、
前記配向制御手段によって配向される前記第１の複合体および前記第２の複合体による減光量の時間変化に差があることを利用して前記第１の複合体による減光量成分と前記第２の複合体による減光量成分とを分離し、前記生体分子を検出または定量する
請求項１乃至４のいずれか１項の生体分子検出装置。
【請求項６】
前記検出用標識は金属ナノロッドである請求項１乃至５のいずれか１項の生体分子検出装置。
【請求項７】
前記配向制御手段は、
前記金属ナノロッドの長軸方向と前記第１の光源から照射される光の振動方向とが平行となる第１の方向、および、
前記金属ナノロッドの長軸方向と前記第１の光源から照射される光の振動方向とが垂直となる第２の方向、
へ前記第１の複合体および前記第２の複合体を配向させる、
請求項６項の生体分子検出装置。
【請求項８】
前記配向制御手段は、前記第１の複合体および前記第２の複合体の配向方向を所定の時間間隔で変化させ、
前記検出手段は、減光量を複数回測定し、
前記演算手段は、複数回測定した減光量の加算平均に基づいて前記生体分子を検出または定量することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項の生体分子検出装置。
【請求項９】
前記所定の時間間隔は、前記溶液中に存在する全ての前記第１の複合体および前記溶液中に存在する全ての前記第２の複合体の配向が完了する時間間隔であることを特徴とする請求項８の生体分子検出装置。
【請求項１０】
前記第１の光源から照射される光の波長は、前記金属ナノロッドの長軸方向由来の減光量の最大値が現れる波長であることを特徴とする請求項６または７の生体分子検出装置。
【請求項１１】
前記溶液は、四角柱状の形状を有する容器保持部に保持されることを特徴とする請求項３の生体分子検出装置。
【請求項１２】
前記第２の光源は、前記第２の光が前記容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように前記第２の光を照射する請求項１１の生体分子検出装置。
【請求項１３】
前記第２の光源は、前記溶液に対して前記第２の光を複数の位置から照射する請求項１１または１２の生体分子検出装置。
【請求項１４】
前記溶液は、四角柱状の形状を有する容器保持部に保持されることを特徴とする請求項４の生体分子検出装置。
【請求項１５】
前記第３の光源は、前記第３の光が前記容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように前記第３の光を照射する請求項１１の生体分子検出装置。
【請求項１６】
前記第３の光源は、前記溶液に対して前記第３の光を複数の位置から照射する請求項１４または１５の生体分子検出装置。
【請求項１７】
前記検出手段は、減光量として前記溶液による前記第１の光の吸光度を測定する請求項１乃至１６の生体分子検出装置。
【請求項１８】
前記検出手段は、減光量として前記溶液による前記第１の光の散乱光を測定する請求項１乃至１６の生体分子検出装置。
【請求項１９】
特定の生体分子に特異的に結合し得る物質と光吸収特性に異方性を示す検出用標識とを有する第１の複合体、および前記生体分子が前記物質を介して前記第１の複合体に特異的に結合した第２の複合体、が含まれる溶液中において、前記第１の複合体および前記第２の複合体を少なくとも２つの方向へ配向させるステップと、
特定方向の直線偏光成分を有する第１の光を前記溶液に照射するステップと、
前記溶液による前記第１の光の減光量を測定するステップと、
前記検出手段により測定した光の減光量に基づいて前記生体分子を検出または定量するステップと、
を具備し、
前記第１の光は、前記第１の複合体および前記第２の複合体の配向方向の変化により、前記検出用標識による減光量に変化が生じる波長の光である生体分子検出方法。
【請求項１】
特定の生体分子に特異的に結合し得る物質と光吸収特性に異方性を示す検出用標識とを有する第１の複合体、および前記生体分子が前記物質を介して前記第１の複合体に特異的に結合した第２の複合体、が含まれる溶液中において、前記第１の複合体および前記第２の複合体を少なくとも２つの方向へ配向させる配向制御手段と、
特定方向の直線偏光成分を有する第１の光を前記溶液に照射する第１の光源と、
前記溶液による前記第１の光の減光量を測定する検出手段と、
前記検出手段により測定した光の減光量に基づいて前記生体分子を検出または定量する演算手段と、
を具備し、
前記第１の光は、前記第１の複合体および前記第２の複合体の配向方向の変化により、前記検出用標識による減光量に変化が生じる波長の光である生体分子検出装置。
【請求項２】
前記第１の光は、
前記配向制御手段による前記第１の複合体および前記第２の複合体の配向方向の変化により、前記検出用標識と前記特定方向の直線偏光成分との向きの関係が変化して前記検出用標識による減光量に変化が生じる光である請求項１の生体分子検出装置。
【請求項３】
前記配向制御手段は、
第２の光を前記溶液に照射する第２の光源と、
前記第２の光の照射方向を切り替えることにより、前記第１の複合体および前記第２の複合体を前記溶液中で少なくとも２つの方向へ配向させる切替手段と、
を具備する請求項２の生体分子検出装置。
【請求項４】
前記配向制御手段は、
直線偏光した第３の光を前記溶液に照射する第３の光源と、
前記第３の光の偏光軸を回動させることにより、前記第１の複合体および前記第２の複合体を前記溶液中で少なくとも２つの方向へ配向させる偏光軸回動手段と、
を具備する
請求項２の生体分子検出装置。
【請求項５】
前記演算手段は、
前記配向制御手段によって配向される前記第１の複合体および前記第２の複合体による減光量の時間変化に差があることを利用して前記第１の複合体による減光量成分と前記第２の複合体による減光量成分とを分離し、前記生体分子を検出または定量する
請求項１乃至４のいずれか１項の生体分子検出装置。
【請求項６】
前記検出用標識は金属ナノロッドである請求項１乃至５のいずれか１項の生体分子検出装置。
【請求項７】
前記配向制御手段は、
前記金属ナノロッドの長軸方向と前記第１の光源から照射される光の振動方向とが平行となる第１の方向、および、
前記金属ナノロッドの長軸方向と前記第１の光源から照射される光の振動方向とが垂直となる第２の方向、
へ前記第１の複合体および前記第２の複合体を配向させる、
請求項６項の生体分子検出装置。
【請求項８】
前記配向制御手段は、前記第１の複合体および前記第２の複合体の配向方向を所定の時間間隔で変化させ、
前記検出手段は、減光量を複数回測定し、
前記演算手段は、複数回測定した減光量の加算平均に基づいて前記生体分子を検出または定量することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項の生体分子検出装置。
【請求項９】
前記所定の時間間隔は、前記溶液中に存在する全ての前記第１の複合体および前記溶液中に存在する全ての前記第２の複合体の配向が完了する時間間隔であることを特徴とする請求項８の生体分子検出装置。
【請求項１０】
前記第１の光源から照射される光の波長は、前記金属ナノロッドの長軸方向由来の減光量の最大値が現れる波長であることを特徴とする請求項６または７の生体分子検出装置。
【請求項１１】
前記溶液は、四角柱状の形状を有する容器保持部に保持されることを特徴とする請求項３の生体分子検出装置。
【請求項１２】
前記第２の光源は、前記第２の光が前記容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように前記第２の光を照射する請求項１１の生体分子検出装置。
【請求項１３】
前記第２の光源は、前記溶液に対して前記第２の光を複数の位置から照射する請求項１１または１２の生体分子検出装置。
【請求項１４】
前記溶液は、四角柱状の形状を有する容器保持部に保持されることを特徴とする請求項４の生体分子検出装置。
【請求項１５】
前記第３の光源は、前記第３の光が前記容器保持部から出射する位置において焦点を結ぶように前記第３の光を照射する請求項１１の生体分子検出装置。
【請求項１６】
前記第３の光源は、前記溶液に対して前記第３の光を複数の位置から照射する請求項１４または１５の生体分子検出装置。
【請求項１７】
前記検出手段は、減光量として前記溶液による前記第１の光の吸光度を測定する請求項１乃至１６の生体分子検出装置。
【請求項１８】
前記検出手段は、減光量として前記溶液による前記第１の光の散乱光を測定する請求項１乃至１６の生体分子検出装置。
【請求項１９】
特定の生体分子に特異的に結合し得る物質と光吸収特性に異方性を示す検出用標識とを有する第１の複合体、および前記生体分子が前記物質を介して前記第１の複合体に特異的に結合した第２の複合体、が含まれる溶液中において、前記第１の複合体および前記第２の複合体を少なくとも２つの方向へ配向させるステップと、
特定方向の直線偏光成分を有する第１の光を前記溶液に照射するステップと、
前記溶液による前記第１の光の減光量を測定するステップと、
前記検出手段により測定した光の減光量に基づいて前記生体分子を検出または定量するステップと、
を具備し、
前記第１の光は、前記第１の複合体および前記第２の複合体の配向方向の変化により、前記検出用標識による減光量に変化が生じる波長の光である生体分子検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５Ａ】
【図２５Ｂ】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５Ａ】
【図２５Ｂ】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【公開番号】特開２０１２−２１５４０４（Ｐ２０１２−２１５４０４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７９２８０（Ｐ２０１１−７９２８０）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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