JP5130517B2 - Optical waveguide type DNA sensor and DNA detection method - Google Patents
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Description
本発明は、光導波路型DNAセンサおよびDNA検出方法に関し、より詳細には、光を用いてDNAセンシングを行う光導波路型DNAセンサおよびDNA検出方法 The present invention relates to an optical waveguide type DNA sensor and a DNA detection method, and more specifically, an optical waveguide type DNA sensor and a DNA detection method for performing DNA sensing using light.
高齢化に伴い医療費の増大が深刻になっており、医療費を抑えるために微量なDNAを迅速、常温で検出できるセンサの開発が求められている。近年、金微粒子を利用して、DNA検体を迅速、また常温で検出できる方法が報告されている(非特許文献1)。 With the aging of society, the increase in medical costs has become serious, and in order to reduce medical costs, there is a need for the development of sensors that can detect minute amounts of DNA quickly and at room temperature. In recent years, a method has been reported that can detect a DNA sample rapidly and at room temperature using gold fine particles (Non-patent Document 1).
また、金コロイド溶液を用いたDNA検出法が報告されている。図1は、従来の、金コロイド溶液を用いたDNA検出法を説明するための図である。
図1において、光3を透過する材料からなる容器1中に、金コロイド溶液2が入れられている。この金コロイド溶液2は、金コロイド溶液に一本鎖DNA(プローブDNA)を滴下して金微粒子にプローブDNAを固定し、次いで、ターゲットとする一本鎖DNA(ターゲットDNA)を金コロイド溶液に滴下して生成される。
In addition, a DNA detection method using a gold colloid solution has been reported. FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional DNA detection method using a gold colloid solution.
In FIG. 1, a
このとき、プローブDNAとターゲットDNAとが相補的である場合、ハイブリダイゼーション反応が起こり、金微粒子の凝集が起こる。金微粒子が分散した金コロイドは赤色であるが、上記凝集が起こると吸収スペクトルが長波長側にシフトして、溶液の色が赤色から紫色へと変化する。 At this time, if the probe DNA and the target DNA are complementary, a hybridization reaction occurs and aggregation of gold fine particles occurs. The gold colloid in which the gold fine particles are dispersed is red, but when the above aggregation occurs, the absorption spectrum shifts to the long wavelength side, and the color of the solution changes from red to purple.
従来では、この色の変化を利用してDNAセンシングを行っている。すなわち、図1において、容器1において、光3の入射側と対向する側にフォトダイオード等の受光素子4を配置し、金コロイド溶液2に対して光3を照射し、その透過光5を受光素子4にて受光している。受光素子4にて受光した透過光5の吸収スペクトルを調べることにより、DNAセンシングを行っている。
Conventionally, DNA sensing is performed using this color change. That is, in FIG. 1, in the
このように従来では、金コロイド溶液に光を入射し、その透過光のスペクトルを解析することによってDNA検出を行っているが、金コロイド溶液では、マイナスの電荷を持つCOO−基が金微粒子を取り囲んでおり、金微粒子間に電気的な反発力が働き、金微粒子同士が凝集せずに分散している。従って、少量のDNA検体(プローブDNAおよびターゲットDNA)では正確な測定が行えず、光の通過する領域に金微粒子を多く存在させるために、多量の金コロイド溶液が必要であった。 In this way conventional, light incident on the gold colloid solution, is performed a DNA detection by analyzing the spectrum of the transmitted light, the gold colloid solution, COO with a negative charge - the group gold particles Surrounding, an electrical repulsive force acts between the gold fine particles, and the gold fine particles are dispersed without being aggregated. Accordingly, accurate measurement cannot be performed with a small amount of DNA specimen (probe DNA and target DNA), and a large amount of colloidal gold solution is required in order to cause a large amount of gold fine particles to exist in a region through which light passes.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、少量のDNA検体であっても正確にDNA検出が可能な光導波路型DNAセンサおよびDNA検出方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an optical waveguide type DNA sensor and a DNA detection method capable of accurately detecting DNA even with a small amount of a DNA sample. There is.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、光導波路と前記光導波路に光を結合するための光結合手段と、DNAを固定可能であり、一方の符号の電荷が帯電した金微粒子が分散した金コロイド溶液と、プローブDNAと、ターゲットDNAとが付与される、前記光導波路上の領域とを備え、前記結合した光は、少なくとも前記領域を横切るように前記光導波路を導波し、前記領域上に付与された前記金微粒子をさらに備え、前記領域には、前記電荷と反対の符号の電荷が導入されており、前記領域の表面では、該表面と前記金微粒子とが静電的に吸着していることを特徴とする光導波路型DNAセンサである。 In order to achieve the above object, the present invention provides an optical waveguide, an optical coupling means for coupling light to the optical waveguide, DNA can be fixed, A colloidal gold solution in which gold particles charged with a sign are dispersed; a region on the optical waveguide to which probe DNA and target DNA are applied; and the combined light crosses at least the region. And further comprising the gold fine particles provided on the region, wherein a charge having a sign opposite to the charge is introduced into the region. And the gold microparticles are electrostatically adsorbed to each other , an optical waveguide type DNA sensor .
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記金微粒子には、前記プローブDNAが固定されていることを特徴とする。
The invention described in
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記結合した光の波長帯域は、前記金微粒子の吸収波長帯域と少なくとも一部で重なっていることを特徴とする。 A third aspect of the invention is characterized in that, in the invention of the first or second aspect , the wavelength band of the combined light overlaps at least partly with the absorption wavelength band of the gold fine particles.
請求項4に記載の発明は、DNAを固定可能であり、一方の符号の電荷が帯電した金微粒子が分散した金コロイド溶液と、プローブDNAと、ターゲットDNAとが付与される領域を有する光導波路であって、該領域には、前記電荷と反対の符号の電荷が導入されている光導波路を用意する工程と、前記領域に前記金コロイド溶液、前記プローブDNA、および前記ターゲットDNAを付与する工程と、前記光導波路に光を結合して、該結合した光を、前記領域を横切るように導波させる工程と、前記領域を横切った光を受光する工程とを備えることを特徴とする。 The invention according to claim 4 is an optical waveguide capable of fixing DNA and having a region to which a colloidal gold solution in which fine gold particles charged with one sign are dispersed, a probe DNA, and a target DNA are provided. A step of preparing an optical waveguide in which a charge having a sign opposite to the charge is introduced in the region; and a step of applying the gold colloid solution, the probe DNA, and the target DNA to the region And a step of coupling light to the optical waveguide, guiding the coupled light so as to cross the region, and a step of receiving light crossing the region.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記プローブDNAと前記ターゲットDNAとがミスマッチの場合は、前記金微粒子は、前記領域の表面に静電的に吸着していることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the invention, when the probe DNA and the target DNA are mismatched, the gold fine particles are electrostatically adsorbed on the surface of the region. It is characterized by that.
請求項6に記載の発明は、請求項4または5に記載の発明において、前記結合した光の波長帯域は、前記金微粒子の吸収波長帯域と少なくとも一部で重なっていることを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the invention according to
本発明によれば、DNAを固定可能であり、一方の電荷で帯電した材料、プローブDNA、およびターゲットDNAが付与される光導波路の所定の領域に対して、上記電荷の符号と反対の電荷を導入しているので、上記材料を光導波路に静電的に吸着することができる。よって、少量のDNA検体であっても正確にDNA検出が可能な光導波路型DNAセンサおよびDNA検出方法を提供することが可能である。 According to the present invention, the charge opposite to the sign of the charge can be applied to a predetermined region of the optical waveguide to which DNA can be fixed and charged with one charge, the probe DNA, and the target DNA. Since it is introduced, the material can be electrostatically adsorbed to the optical waveguide. Therefore, it is possible to provide an optical waveguide type DNA sensor and a DNA detection method capable of accurately detecting DNA even with a small amount of DNA sample.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
粒子径15nm程度の金微粒子が分散した金コロイド溶液は、赤色である。この金コロイド溶液において、金微粒子が凝集すると、吸収スペクトルが長波長側にシフトして、溶液の色は赤色から青に変化する。この金微粒子の凝集は、金微粒子に固定されたプローブDNAとターゲットDNAとがハイブリダイゼーション反応することによって起こるものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
A gold colloid solution in which gold fine particles having a particle diameter of about 15 nm are dispersed is red. In this gold colloid solution, when the gold fine particles are aggregated, the absorption spectrum shifts to the longer wavelength side, and the color of the solution changes from red to blue. The aggregation of the gold fine particles is caused by a hybridization reaction between the probe DNA fixed to the gold fine particles and the target DNA.
本発明の一実施形態に係るDNAセンシングは、上記色の変化、あるいは凝集を利用して、すなわち、プローブDNAとターゲットDNAとのハイブリダイゼーション反応を利用して、吸収スペクトル、透過スペクトル、あるいは蛍光等の光の特性、または屈折率変化を測定することによって行っている。 DNA sensing according to an embodiment of the present invention utilizes the above-described color change or aggregation, that is, utilizing a hybridization reaction between the probe DNA and the target DNA, so that an absorption spectrum, a transmission spectrum, fluorescence, etc. This is done by measuring the light characteristic or refractive index change.
さて、光を用いたDNAセンシングに金コロイド溶液等のコロイド溶液を用いると、金微粒子が分散しているので上述のように、大量のDNA検体や金コロイド溶液が必要である。そこで、本発明の一実施形態では、センシング領域に金微粒子を、コロイド溶液中の金粒子密度よりも高密度に配置している。 When a colloidal solution such as a gold colloid solution is used for DNA sensing using light, since gold fine particles are dispersed, a large amount of DNA specimen and gold colloid solution are required as described above. Therefore, in one embodiment of the present invention, the gold fine particles are arranged in the sensing region at a higher density than the gold particle density in the colloidal solution.
このような配置を実現するために、本発明の一実施形態では、光導波路のセンシング領域上に、金微粒子を取り囲む官能基であるCOO−基と反対の電荷であるプラスの電荷を持つ官能基(例えば、NH2 +基)を配置する。すなわち、上記領域にプラス電荷を導入する。こうすることで、センシング領域上に金コロイド溶液を付与すると、溶液中の金微粒子は、該金微粒子を取り囲むCOO−基とセンシング領域上に導入されたプラス電荷(例えば、NH2 +基)との間のクーロン力によって静電的にセンシング領域に吸着する。この様子を図2(a)に示す。 In order to realize such an arrangement, in one embodiment of the present invention, on the sensing region of the optical waveguide, a functional group having a positive charge that is opposite to the COO − group that is a functional group surrounding the gold fine particle. (For example, NH 2 + group) is arranged. That is, a positive charge is introduced into the region. In this way, when a colloidal gold solution is applied on the sensing region, the gold fine particles in the solution have a COO − group surrounding the gold fine particles and a positive charge (for example, NH 2 + group) introduced on the sensing region. Is electrostatically adsorbed to the sensing area by the Coulomb force. This is shown in FIG.
図2(a)において、光導波路21上に、金コロイド溶液22が付与されており、さらに金微粒子23がプラス電荷の導入が施された光導波路21に静電的に吸着されている。この光導波路21には、シランカップリング処理を行ってNH2 +基(不図示)が配置されており、該NH2 +基と金微粒子23の周囲にあるCOO−基との間に働くクーロン力により、金微粒子23は光導波路21に静電的に吸着している。
In FIG. 2A, a
これに対して、上述のプラス電荷の導入が施されていないと、図2(b)に示すように、光導波路21上に金コロイド溶液22を付与しても、通常通り、金微粒子23は溶液中で分散している。
On the other hand, if the above-described positive charge is not introduced, even if the
図2(a)および図2(b)から分るように、光導波路の表面にプラス電荷を導入すると、光導波路の界面に金微粒子が吸着しているので、図2(a)の矢印方向Pに光を導波させると、導波路中を導波する光の進行方向における導波路の長さ(単に、「導波路の長さ」とも呼ぶ)分だけ、導波路を導波する光を金微粒子に作用させることができる。従って、DNA検体や金コロイド溶液を少量にしても、上記導波路の長さ分だけ、測定光である導波路を導波する光と金微粒子とが作用する領域をかせぐことができる。 As can be seen from FIGS. 2 (a) and 2 (b), when a positive charge is introduced into the surface of the optical waveguide, gold fine particles are adsorbed on the interface of the optical waveguide. When light is guided to P, the light guided through the waveguide by the length of the waveguide in the traveling direction of the light guided through the waveguide (also simply referred to as “the length of the waveguide”). Can act on gold fine particles. Therefore, even if the amount of the DNA specimen or the colloidal gold solution is small, the region where the light guided through the waveguide as the measurement light and the gold fine particles act can be gained by the length of the waveguide.
すなわち、図2(b)や、図1に示す従来の方法のように、金微粒子が分散したコロイド溶液を用いる場合、検体の量が少量だと測定に用いる光が作用する金微粒子の数は、金微粒子が溶液中で分散しているのでわずかとなってしまい、より高精度な測定を行うために、検体や金コロイド溶液の量を大量にしなければならない。しかしながら、図2(a)のようにすることで、所定量の金コロイド溶液において、分散により3次元的に分布している金微粒子を、2次元的に配置することができ、この2次元的に配置された面と平行に光を導波させることによって、2次元的に配置された金微粒子の全てに対して、上記導波光を作用させることができる。よって、従来のように、コロイド溶液のままで測定する際の、分散によって測定光と作用しない金微粒子をも上記測定光と作用させることができるので、コロイド溶液中の金微粒子を効率よく利用することができ、検体等の微量化を実現できる。 That is, when a colloidal solution in which gold fine particles are dispersed is used as in the conventional method shown in FIG. 2B or FIG. 1, the number of gold fine particles to which light used for measurement acts when the amount of the sample is small is Since the gold fine particles are dispersed in the solution, the amount of the gold fine particles becomes small, and the amount of the specimen and the colloidal gold solution has to be increased in order to perform highly accurate measurement. However, as shown in FIG. 2A, gold fine particles distributed three-dimensionally by dispersion in a predetermined amount of colloidal gold solution can be two-dimensionally arranged. By guiding the light in parallel with the surface arranged in the above, the guided light can be applied to all of the two-dimensionally arranged gold fine particles. Therefore, as in the conventional case, gold fine particles that do not act on the measurement light due to dispersion can be allowed to act on the measurement light when measured in the colloid solution, so that the gold fine particles in the colloid solution are efficiently used. Therefore, it is possible to reduce the amount of specimens.
なお、光導波路に付与された金コロイド溶液に含まれる金微粒子の全てを、光導波路に静電的に吸着させることが好ましいが、吸着されずに溶液に金微粒子が残っていても良い。本発明の一実施形態で重要なことの一つは、付与される金コロイド溶液に含まれる金微粒子を効率良く導波路を導波する光と作用させることであり、上記金コロイド溶液の少なくとも一部を光導波路に静電的に吸着させれば、付与される金コロイド溶液に含まれる金微粒子において、導波路を導波する光と作用する金微粒子を増加することができる。 Note that it is preferable that all of the gold fine particles contained in the gold colloid solution applied to the optical waveguide are electrostatically adsorbed to the optical waveguide, but the gold fine particles may remain in the solution without being adsorbed. One of the important things in one embodiment of the present invention is that gold fine particles contained in a given colloidal gold solution are allowed to efficiently react with light guided through a waveguide. If the part is electrostatically adsorbed to the optical waveguide, the gold fine particles included in the applied gold colloid solution can increase the number of gold fine particles acting on the light guided through the waveguide.
本発明の一実施形態で重要なことは上述のように、測定光である導波路を導波する光と作用する金微粒子の数を増やすことであり、そのために、導波光によるエバネッセント波の染み出す領域に、より多くの金微粒子を存在させることが重要である。そのために、マイナス電荷によって分散している金微粒子を光導波路のセンシング領域上に静電的に吸着させている。 As described above, it is important in one embodiment of the present invention to increase the number of gold fine particles that interact with the light guided through the waveguide as the measurement light. For this reason, the evanescent wave is stained by the guided light. It is important that more gold fine particles be present in the region to be discharged. For this purpose, gold fine particles dispersed by negative charges are electrostatically adsorbed on the sensing region of the optical waveguide.
なお、本発明の一実施形態では、プローブDNAを固定するために用いる材料として金微粒子を用いているが、これに限らず、例えば、酸化シリコン(SiO2)等、DNAを固定可能であり、一方の符号の電荷を有する官能基に取り囲まれる等して、上記符号の電荷で帯電して溶液中で分散される材料であればいずれの材料であっても良い。このような材料としては、コロイド溶液の際の色と、凝集した時の色とが異なる材料であることが好ましい。 In one embodiment of the present invention, gold fine particles are used as a material used for immobilizing the probe DNA. However, the present invention is not limited thereto, and for example, DNA such as silicon oxide (SiO 2 ) can be immobilized. Any material may be used as long as it is a material that is charged with the charge of the above sign and is dispersed in the solution by being surrounded by a functional group having the charge of one sign. As such a material, it is preferable that the color in the case of a colloidal solution differs from the color at the time of aggregation.
(第1の実施形態)
図3(a)は、本実施形態に係る光導波路型DNAセンサの側面図であり、図3(b)は、図3(a)に示した光導波路型DNAセンサの上面図である。
図3において、ガラス基板31の一方の面には、カリウムイオン交換ガラス光導波路(硝酸カリウム溶融塩中400℃、1hイオン交換)32が、厚さ約2ミクロンで形成されている。光導波路32は、シングルモード導波路である。ガラス基板31の、光導波路32が形成された面と対向する面には、光吸収層33が形成されている。光導波路32の所定の領域には、有機EL材料であるAlq3 34が形成されている。Alq3 34を覆うようにしてCytop35が形成されており、該Cytop35上にはカバーガラス36が配置されている。
(First embodiment)
FIG. 3A is a side view of the optical waveguide type DNA sensor according to the present embodiment, and FIG. 3B is a top view of the optical waveguide type DNA sensor shown in FIG.
In FIG. 3, a potassium ion exchange glass optical waveguide (400 ° C., 1 h ion exchange in molten potassium nitrate) 32 is formed on one surface of a
光導波路32上の、図3(b)の矢印方向Dに向かって、Cytop35やカバーガラス36から所定の距離だけ離間して、プリズム37が配置されている。このプリズム37と光導波路32との間には、インデックスマッチングオイル(不図示)が配置されており、光導波路32を導波する光はプリズム37へと入射される。光導波路32上の、Cytop35やカバーガラス36とプリズム37との間の領域であって、導波光Sが導波する領域上に、金コロイド溶液を付与するための領域であるセンシング領域38が形成されている。このセンシング領域38は、テフロン(登録商標)シートなどから形成することができ、上記センシング領域38上に、金コロイド溶液が付与され、また、DNA検体も付与される。すなわち、導波光Sが横切るようにセンシング領域38が形成されている。
A
また、Alq3 34に光を入射するように、紫外線照射用のLED39が配置されている。このLED39からは、波長365nmの紫外線が照射される。
Further, an
プリズム37からの出射光を受光するようにフィルタ40および光センサ41が配置されている。また、ガラス基板31の、光吸収層33が形成されていない領域から出射される光を受光するように、フィルタ42および光センサ43が形成されている。
A
ところで、本実施形態において、金微粒子の吸収スペクトルに対応するために、有機EL材料であるAlq3を用いている。Alq3の発光波長領域は、500〜600nmの幅広い波長領域である。よって、金微粒子の吸収スペクトルとAlq3の発光スペクトルとがほぼ重なっている、すなわち、Alq3の発光波長領域が金微粒子の吸収ピークの波長に対応しているため、感度の高い検出が可能となる。 By the way, in this embodiment, Alq3 which is an organic EL material is used in order to correspond to the absorption spectrum of gold fine particles. The emission wavelength region of Alq3 is a wide wavelength region of 500 to 600 nm. Therefore, the absorption spectrum of the gold fine particle and the emission spectrum of Alq3 are almost overlapped, that is, the emission wavelength region of Alq3 corresponds to the wavelength of the absorption peak of the gold fine particle, so that highly sensitive detection is possible.
よって、本実施形態のように構成し、LED39から紫外線(波長=365nm)をAlq3 34に照射して、Alq3 34にてフォトルミネッセンス光を生成する。この生成されたフォトルミネッセンス光のうち、所定の光が光導波路32に結合し、導波光Sとなる。このようにして、シングルモード導波路である光導波路32中を、スペクトル幅の広い導波光Sが導波することになる。この導波光Sは、プリズム37から出射され、該プリズムから出射された出射光Uは、フィルタ40を介して光センサ41に入射する。また、上記生成されたフォトルミネッセンス光のうち光Tは、ガラス基板31の、光吸収層33が形成されていない領域から外に出射され、後述する、フィルタ42を介して、光センサ43に入射する。
Therefore, it comprises like this embodiment, and ultraviolet rays (wavelength = 365 nm) are irradiated to
次に、本実施形態に係る光導波路型DNAセンサの作製方法を説明する。
市販のスライドガラスを超音波洗浄により洗浄し、十分にリンスした後、400℃の硝酸カリウム溶液塩中に40分間浸す。このようにして、ガラス基板31上に形成されたカリウムイオン交換光導波路32を作製する。次いで、光導波路32の所定の領域に真空蒸着法によりAlq3 34の薄膜を作製し、該作製されたAlq3 34を覆うようにCytop35を形成し、カバーグラス36を配置する。次いで、センシングエリア38をテフロン(登録商標)シートにより形成し、光導波路32の所定の領域にインデックスマッチングオイルを塗布して、該インデックスマッチングオイル上にプリズム37を配置する。
Next, a method for producing an optical waveguide type DNA sensor according to this embodiment will be described.
A commercially available slide glass is cleaned by ultrasonic cleaning, rinsed sufficiently, and then immersed in a potassium nitrate solution salt at 400 ° C. for 40 minutes. In this way, the potassium ion exchange
さて、金コロイド溶液では、マイナスの電荷を持つCOO−基が金微粒子を取り囲むことによって微粒子間に電気的な反発力が働く。よって、金コロイド溶液は、粒子同士が凝集せずに分散している。そのため、基板表面にプラスの電荷を持ちえるNH2 +基を導入すれば、静電的に基板上に金微粒子を吸着することができる。 Now, in the colloidal gold solution, an electrically repulsive force acts between the fine particles by the negatively charged COO − group surrounding the gold fine particles. Therefore, the colloidal gold solution is dispersed without aggregation of particles. Therefore, if an NH 2 + group capable of having a positive charge is introduced on the substrate surface, the gold fine particles can be electrostatically adsorbed on the substrate.
よって、本実施形態では、光導波路のセンシング領域38にシランカップリング処理を行うことで、光導波路基板にNH2 +基を導入している。すなわち、図3に示した構成のセンサを用意し、金コロイド溶液中の金微粒子を取り囲む官能基の有する電荷と反対の電荷を、センシング領域38に導入する処理を行う。
Therefore, in the present embodiment, NH 2 + groups are introduced into the optical waveguide substrate by performing a silane coupling process on the
次いで、金コロイド溶液(濃度74ppm、粒子径16.5nm)をセンシング領域38に滴下する。センシング領域38表面にはシランカップリング処理により、NH2 +基が導入されているので、上記滴下された金コロイド溶液中の金微粒子は、センシング領域38の表面に電気的に吸着することによって固定化される。
Next, a colloidal gold solution (concentration 74 ppm, particle diameter 16.5 nm) is dropped onto the
次いで、Au−プローブDNA、および0.5MのNaCl溶液とターゲットDNAとを金微粒子が静電的に吸着しているセンシング領域38に滴下する。このようにして、本実施形態に係る光導波路型DNAセンサが作製される。なお、本実施形態では、金微粒子とDNAの結合には、Au−S結合を利用している。
Next, Au-probe DNA, 0.5 M NaCl solution and target DNA are dropped onto the
上記滴下されたターゲットDNAが、プローブDNAとフルマッチのときは、プローブDNAとターゲットDNAとはハイブリダイゼーション反応するはずである。つまり、ターゲットDNAがプローブDNAとフルマッチなのか、ミスマッチなのかに応じて、金微粒子に固定されたDNAの電荷の状態が異なり、光導波路への固定化に差が生じると考えられる。 When the dropped target DNA is a full match with the probe DNA, the probe DNA and the target DNA should undergo a hybridization reaction. That is, it is considered that the state of the charge of the DNA fixed to the gold fine particle differs depending on whether the target DNA is a full match or mismatch with the probe DNA, and the immobilization to the optical waveguide is different.
よって、本実施形態では、ターゲットDNAがプローブDNAとフルマッチなのか、ミスマッチなのかに応じて、DNAが固定された金微粒子の光導波路のセンシング領域への固定を制御するために、センシング領域にシランカップリング処理を行う等して、プラス電荷の導入を行っている。 Therefore, in the present embodiment, depending on whether the target DNA is a full match or a mismatch with the probe DNA, in order to control the fixation of the gold fine particles to which the DNA is fixed to the sensing region of the optical waveguide, A positive charge is introduced, for example, by performing a coupling process.
次に、本実施形態に係るDNA検出方法について説明する。
まず、図3において、プラス電荷が導入されたセンシング領域38に、金コロイド溶液と、プローブDNAと、ターゲットDNAとをそれぞれ付与する。次いで、Alq3 34に対して、LED39から紫外線を照射して、フォトルミネッセンス光を発生させる。このフォトルミネッセンス光の発光スペクトルは、波長帯域500nm〜600nmにピークがあり、金微粒子の吸収ピークとほぼ重なっている。発生したフォトルミネッセンス光の一部は導波光Sとして、光導波路32に結合し、また、他の一部は、光Tとしてセンサから出射して、フィルタ42を介して光センサ43に入射する。
Next, the DNA detection method according to this embodiment will be described.
First, in FIG. 3, a gold colloid solution, a probe DNA, and a target DNA are respectively applied to the
上記導波光Sは、全反射しながら光導波路32を導波するので、エバネッセント波が発生する。このとき、プローブDNAとターゲットDNAとがミスマッチのときは、センシング領域の表面に1本鎖のDNAが固定された(プローブDNAが固定された)金微粒子が静電的に吸着している(固定されている)ので、上記エバネッセント波がその範囲内に存在する金微粒子に作用して、およそ波長530nmの光が吸収される。よって、プリズム37から出射し、フィルタ40を介して光センサ41にて受光された光を解析すると、吸収ピークであるおよそ波長530nmの光強度が時間と共に弱まる。この様子を図4に示す。
Since the guided light S is guided through the
図4において、スペクトル(a)は、固定化(吸着)が起こる前の光センサ41にて受光した光の透過スペクトル、すなわち、金コロイド溶液、プローブDNA、およびターゲットDNAをセンシング領域38に付与する前の透過スペクトルである。スペクトル(b)は、金コロイド溶液、プローブDNA、およびターゲットDNAをセンシング領域38に付与(固定後(吸着後)とも呼ぶ)してから10分後の光センサ41にて受光した光の透過スペクトルであり、スペクトル(c)は、固定後(吸着後)から20分後の光センサ41にて受光した光の透過スペクトルであり、スペクトル(d)は、固定後(吸着後)から30分後の光センサ41にて受光した光の透過スペクトルである。図4から分るように、時間の経過と共に、透過スペクトルの、およそ530nm付近の光強度が弱まっているので、該波長帯域の光が吸収されていることが分かる。すなわち、センシング領域38の表面に金微粒子が固定されていることが分る。
In FIG. 4, spectrum (a) gives the transmission spectrum of light received by the optical sensor 41 before immobilization (adsorption), that is, a colloidal gold solution, probe DNA, and target DNA are applied to the
一方、プローブDNAとターゲットDNAとがフルマッチのときは、金微粒子には2本鎖のDNAが固定されることになり、金微粒子はセンシング領域38に固定(吸着)されない。よって、固定後の経過時間に依らず、光センサ41にて受光した光の透過スペクトルはほとんど変化しない。この様子を図5に示す。
On the other hand, when the probe DNA and the target DNA are in a full match, the double-stranded DNA is fixed to the gold fine particle, and the gold fine particle is not fixed (adsorbed) to the
図5において、スペクトル(a)は、固定化(吸着)が起こる前の光センサ41にて受光した光の透過スペクトルである。スペクトル(b)は、固定後(吸着後)から10分後の光センサ41にて受光した光の透過スペクトルであり、スペクトル(c)は、固定後(吸着後)から20分後の光センサ41にて受光した光の透過スペクトルであり、スペクトル(d)は、固定後(吸着後)から30分後の光センサ41にて受光した光の透過スペクトルである。図5から分るように、時間が経過しても、透過スペクトルの、およそ530nm付近の光強度にほとんど変化は見られないので、該波長帯域の光がほとんど吸収されていないことが分る。すなわち、センシング領域38の表面に金微粒子が固定されてないことが分る。
In FIG. 5, spectrum (a) is a transmission spectrum of light received by the optical sensor 41 before immobilization (adsorption) occurs. The spectrum (b) is a transmission spectrum of light received by the optical sensor 41 10 minutes after fixation (after adsorption), and the spectrum (c) is an optical sensor 20 minutes after fixation (after adsorption). 41 is a transmission spectrum of light received at 41, and a spectrum (d) is a transmission spectrum of light received by the optical sensor 41 30 minutes after fixing (after adsorption). As can be seen from FIG. 5, even when time elapses, almost no change is observed in the light intensity in the vicinity of about 530 nm of the transmission spectrum, so that it is understood that the light in the wavelength band is hardly absorbed. That is, it can be seen that gold fine particles are not fixed to the surface of the
本実施形態の構成において、フルマッチ時には金微粒子がプラス電荷を導入した光導波路表面に固定されず、ミスマッチ時に金微粒子が上記光導波路表面に固定されることを確認するため、以下のようにして吸収スペクトルを測定した。 In the configuration of the present embodiment, in order to confirm that the gold fine particles are not fixed to the surface of the optical waveguide into which the positive charge is introduced at the time of the full match and the gold fine particles are fixed to the surface of the optical waveguide at the time of the mismatch, the absorption is performed as follows. The spectrum was measured.
上述した方法により、同一の作製条件で3枚の光導波路基板を用意した。そのうちの第1の光導波路基板を2つに切断し、切断された一方の光導波路基板には、フルマッチになるように金コロイド溶液、プローブDNA、ターゲットDNAを付与し、他方の光導波路基板には、ミスマッチになるように金コロイド溶液、プローブDNA、ターゲットDNAを付与し、フルマッチの光導波路基板およびミスマッチの光導波路基板のそれぞれについて、該付与後(固定後)10分後に上記付与が行われた領域を通過させた光の吸収スペクトルを測定した。この吸収スペクトルを、図6および7に示す。 By the method described above, three optical waveguide substrates were prepared under the same manufacturing conditions. The first optical waveguide substrate is cut into two, and one of the cut optical waveguide substrates is provided with a colloidal gold solution, probe DNA, and target DNA so as to be a full match, and the other optical waveguide substrate is applied to the other optical waveguide substrate. Applies a colloidal gold solution, probe DNA, and target DNA so as to be mismatched, and the above-described application is performed 10 minutes after the application (after fixation) for each of the full-match optical waveguide substrate and the mismatch optical waveguide substrate. The absorption spectrum of light that passed through the region was measured. This absorption spectrum is shown in FIGS.
これと同様にして、第2の光導波路基板についても2つに切断し、一方をフルマッチの基板、他方をミスマッチの基板として、固定後20分後の吸収スペクトルを測定した。第3の光導波路基板についても上述と同様にして2つに切断し、一方をフルマッチの基板、他方をミスマッチの基板として、固定後30分後の吸収スペクトルを測定した。これらの吸収スペクトルも図6および7に示す。 In the same manner, the second optical waveguide substrate was also cut into two, and the absorption spectrum was measured 20 minutes after fixing, with one being a fully matched substrate and the other being a mismatched substrate. The third optical waveguide substrate was also cut into two in the same manner as described above, and the absorption spectrum 30 minutes after fixing was measured using one as a fully matched substrate and the other as a mismatched substrate. These absorption spectra are also shown in FIGS.
図6から分るように、フルマッチの場合は、固定後からの経過時間に依らず、およそ530nmにある金微粒子の吸収ピークは見られなかった。よって、金微粒子による光の吸収はほとんど起こっていないことが分る。従って、光導波路基板を導波する光によるエバネッセント波の範囲内にはほとんど金微粒子が存在していない、すなわち、金微粒子はほとんど固定されていないことが分る。 As can be seen from FIG. 6, in the case of the full match, the absorption peak of the gold fine particles at about 530 nm was not seen regardless of the elapsed time after the fixation. Therefore, it can be seen that light absorption by the gold fine particles hardly occurs. Therefore, it can be seen that almost no gold fine particles are present in the range of the evanescent wave by the light guided through the optical waveguide substrate, that is, the gold fine particles are hardly fixed.
また、図7から分るように、ミスマッチの場合は、いずれの経過時間においても、金微粒子の吸収ピークと一致する、およそ530nmに吸収ピークが見られた。よって、金微粒子による光の吸収が起こっていることが分かる。従って、光導波路基板を導波する光によるエバネッセント波の範囲内に金微粒子が多数存在している、すなわち、金微粒子は光導波路基板表面に固定されていることが分かる。 Further, as can be seen from FIG. 7, in the case of mismatch, an absorption peak was observed at about 530 nm, which coincided with the absorption peak of the gold fine particles at any elapsed time. Therefore, it can be seen that light absorption occurs by the gold fine particles. Therefore, it can be seen that a large number of gold fine particles are present in the range of evanescent waves generated by the light guided through the optical waveguide substrate, that is, the gold fine particles are fixed to the surface of the optical waveguide substrate.
さて、検出方法の説明に戻ると、導波光Sは、光導波路32を通過してセンシング領域38において金微粒子が固定(静電的に吸着)されている場合は該金微粒子に作用して、プリズム37から出射されて出射光Uとなる。該出射光Uは、フィルタ40を介して光センサ41に入射する。
Now, returning to the description of the detection method, the guided light S acts on the gold fine particles when the gold fine particles pass through the
光センサ43にて受光した光から得られる透過スペクトルはリファレンスとして機能するので、光センサ41にて受光した光から得られる透過スペクトルとの比を取ることによって、計算された透過スペクトルを取得する。この透過スペクトルを見て、およそ530nmのピークが時間の経過と共に減少する場合は、ミスマッチと判断し、減少せずにほとんど変化しない場合はフルマッチと判断する。このようにして、DNAの検出を行う。
Since the transmission spectrum obtained from the light received by the
なお、本実施形態では、所定の波長帯域を有する光を光導波路に入射するためにAlq3 34やLED39を用いているが、これに限定されず、所定の波長帯域を有する光を光導波路に入射できればいずれの手段を用いても良い。例えば、光導波路32の所定の領域にプリズム37と対向するように第2のプリズムを配置し、該プリズムを介して光を光導波路32に入射するようにしても良い。また、所定の波長帯域の光が導波している光ファイバや光導波路の一方端を、光導波路32のプリズム37と対向する側の端面にバットジョイント法などにより接続して、上記光を光導波路32に入射するようにしても良い。
In this embodiment, Alq334 and LED39 are used to make light having a predetermined wavelength band incident on the optical waveguide. However, the present invention is not limited to this, and light having a predetermined wavelength band is incident on the optical waveguide. Any means may be used if possible. For example, a second prism may be disposed in a predetermined region of the
また、本実施形態では、ミスマッチ時の、光導波路に吸着した金微粒子に固定されたDNAによるにエバネッセント波の吸収の影響を、測定する光に反映して、透過スペクトルや吸収スペクトルを変化できれば良い。よって、本実施形態では、金微粒子の吸収波長帯域と一致するような波長帯域を有する光を生成するためにAlq3を用いているが、上記一致が起こらなくても、上述のエバネッセント波の吸収の影響を測定光に反映できれば良い。導波光Sの波長帯域が金微粒子の吸収波長帯域と少なくとも一部で重なっていれば、上述のエバネッセント波の吸収の影響を測定光に反映できるので、本実施形態では、このような波長帯域の光を光導波路に導波できれば良い。 Further, in the present embodiment, it is sufficient that the transmission spectrum and the absorption spectrum can be changed by reflecting the effect of absorption of the evanescent wave on the light to be measured by the DNA fixed to the gold fine particles adsorbed on the optical waveguide at the time of mismatch. . Therefore, in the present embodiment, Alq3 is used to generate light having a wavelength band that matches the absorption wavelength band of the gold fine particles. However, even if the above-mentioned coincidence does not occur, the absorption of the above-described evanescent wave is performed. It is sufficient if the influence can be reflected in the measurement light. If the wavelength band of the guided light S overlaps at least partly with the absorption wavelength band of the fine gold particles, the influence of the absorption of the evanescent wave can be reflected in the measurement light. It is sufficient if light can be guided to the optical waveguide.
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、出射光Uから得られる透過スペクトルを測定してDNAセンシングを行っているが、本実施形態では、出射光Uから屈折率変化を測定してDNAセンシングを行う。この場合は、光センサ41を屈折率測定用のセンサとする。また、屈折率は温度によって変動するので、図3に示した光導波路型DNAセンサをホットプレート等の温調の上に配置し、センシング領域38の温度を一定に保つことが好ましい。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, DNA sensing is performed by measuring a transmission spectrum obtained from the outgoing light U. However, in this embodiment, DNA sensing is performed by measuring a change in refractive index from the outgoing light U. In this case, the optical sensor 41 is a refractive index measuring sensor. Further, since the refractive index varies depending on the temperature, it is preferable to keep the temperature of the
(第3の実施形態)
第1および第2の実施形態では、金コロイド溶液を用いているので、光導波路の表面にプラスの電荷を導入している。しかしながら、本発明では、光導波路の表面にプラスの電荷を導入することが本質ではない。本発明では、金コロイド溶液などの、DNAを固定するための材料が分散された溶液において、上記材料を光導波路の表面に静電的に吸着させることが本質である。よって、上記材料に帯電した電荷の符号と反対の符号の電荷を光導波路に導入することが重要である。例えば、上記材料が一方の符号の電荷を有する官能基によって取り囲まれている場合は、他方の符号の電荷を光導波路に導入するのである。よって、上記材料がプラスの電荷を有する官能基によって囲まれている場合は、光導波路の表面にマイナスの電荷を導入すれば良い。
(Third embodiment)
In the first and second embodiments, since a gold colloid solution is used, positive charges are introduced into the surface of the optical waveguide. However, in the present invention, it is not essential to introduce a positive charge to the surface of the optical waveguide. In the present invention, in a solution in which a material for immobilizing DNA such as a colloidal gold solution is dispersed, it is essential that the material is electrostatically adsorbed on the surface of the optical waveguide. Therefore, it is important to introduce a charge having a sign opposite to that of the charge charged in the material into the optical waveguide. For example, when the material is surrounded by a functional group having a charge of one sign, the charge of the other sign is introduced into the optical waveguide. Therefore, if the material is surrounded by a functional group having a positive charge, a negative charge may be introduced into the surface of the optical waveguide.
21 光導波路
22 金コロイド溶液
23 金微粒子
31 ガラス基板
32 カリウムイオン交換ガラス光導波路
33 光吸収層
34 Alq3
35 Cytop
36 カバーガラス
37 プリズム
38 センシング領域
39 LED
40,42 フィルタ
41、43 光センサ
21
35 Cytop
36
40, 42
Claims (6)
前記光導波路に光を結合するための光結合手段と、
DNAを固定可能であり、一方の符号の電荷が帯電した金微粒子が分散した金コロイド溶液と、プローブDNAと、ターゲットDNAとが付与される、前記光導波路上の領域とを備え、
前記結合した光は、少なくとも前記領域を横切るように前記光導波路を導波し、
前記領域上に付与された前記金微粒子をさらに備え、
前記領域には、前記電荷と反対の符号の電荷が導入されており、
前記領域の表面では、該表面と前記金微粒子とが静電的に吸着していること
を特徴とする光導波路型DNAセンサ。 An optical waveguide;
Optical coupling means for coupling light to the optical waveguide;
A colloidal gold solution in which fine gold particles charged with a charge of one sign are dispersed, a region on the optical waveguide to which probe DNA and target DNA are applied;
The coupled light is guided through the optical waveguide so as to cross at least the region;
Further comprising the gold fine particles applied on the region,
In the region, a charge having a sign opposite to the charge is introduced ,
An optical waveguide type DNA sensor , wherein the surface and the gold fine particles are electrostatically adsorbed on the surface of the region .
前記領域に前記金コロイド溶液、前記プローブDNA、および前記ターゲットDNAを付与する工程と、
前記光導波路に光を結合して、該結合した光を、前記領域を横切るように導波させる工程と、
前記領域を横切った光を受光する工程と
を備えることを特徴とするDNA検出方法。 An optical waveguide having a region to which DNA can be fixed, a colloidal gold solution in which gold particles charged with one sign are dispersed, a probe DNA, and a target DNA are provided. Preparing an optical waveguide into which a charge having a sign opposite to that of the charge is introduced;
Applying the gold colloid solution, the probe DNA, and the target DNA to the region;
Coupling light into the optical waveguide and guiding the coupled light across the region;
And a step of receiving light crossing the region.
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