JP5622215B2 - Microplate having periodic structure, surface plasmon excitation enhanced fluorescence microscope, fluorescence microplate reader using the same, and method for detecting specific antigen-antibody reaction - Google Patents
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Description
本発明は、表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance、以下SPRとも記す)によって発生する表面プラズモン共鳴光により、蛍光物質を励起して蛍光を発生させる表面プラズモン励起増強蛍光(Surface Plasmon Fluorescence)を用いた高感度蛍光顕微鏡およびマイクロプレートリーダーに関する。 The present invention uses surface plasmon excitation enhanced fluorescence (Surface Plasmon Fluorescence) that excites a fluorescent substance to generate fluorescence by surface plasmon resonance light generated by surface plasmon resonance (hereinafter also referred to as SPR). The present invention relates to a sensitive fluorescence microscope and a microplate reader.
汎用のエピ蛍光(落射蛍光)顕微鏡を用いて試料の蛍光観察を行う場合、暗くて十分に見えないときや、バックグラウンドが非常に高くて(明るくて)試料が十分に見えないときには、より高感度でS/Nの高い測定が必要とされる。これまでは全反射蛍光顕微鏡(TIRF)や、高分解能を特徴とする共焦点顕微鏡を用いて観測されてきた。 When performing fluorescence observation of a sample using a general-purpose epifluorescence (epi-illumination) microscope, it is higher when the sample is dark and not sufficiently visible, or when the background is very high (bright) and the sample is not sufficiently visible. Measurement with high sensitivity and S / N is required. Until now, it has been observed using a total reflection fluorescence microscope (TIRF) and a confocal microscope characterized by high resolution.
一方、表面プラズモン共鳴顕微鏡に関して、種々の論文や特許出願(下記特許文献1〜5参照)がなされており、装置として市販もされている。しかし、特許文献1〜5に開示されている基本光学系を応用して、蛍光顕微鏡であるSPFM(Surface Plasmon Fluorescence Microscopy)を実現することは現状では不可能である。その理由は、市販の表面プラズモン共鳴顕微鏡では、入射光学系に高屈折率対物レンズを用いており、この対物レンズの屈折率の制限によって使用可能な光の波長が近赤外領域に制限されることになり、一般的な蛍光分子の励起光として用いることができないからである。 On the other hand, regarding the surface plasmon resonance microscope, various papers and patent applications (see Patent Documents 1 to 5 below) have been made, and are commercially available as devices. However, at present, it is impossible to realize SPFM (Surface Plasmon Fluorescence Microscopy) which is a fluorescence microscope by applying the basic optical systems disclosed in Patent Documents 1 to 5. The reason is that a commercially available surface plasmon resonance microscope uses a high refractive index objective lens for the incident optical system, and the wavelength of light that can be used is limited to the near infrared region by limiting the refractive index of the objective lens. This is because it cannot be used as excitation light for general fluorescent molecules.
これに対し、下記特許文献6、7には、プリズムを用いた光学系をもつ表面プラズモン共鳴顕微鏡からSPFMへの展開が開示されている。 On the other hand, the following Patent Documents 6 and 7 disclose development from a surface plasmon resonance microscope having an optical system using a prism to SPFM.
上記したように、高感度・高分解能蛍光検出が可能な顕微鏡として、全反射顕微鏡、あるいは共焦点顕微鏡があるが、高出力レーザー等を装備していることが多く、光学系が複雑なシステムであり、そのため操作が複雑であり、且つ高価格であるという問題がある。 As mentioned above, there are total reflection microscopes and confocal microscopes as microscopes that can detect fluorescence with high sensitivity and high resolution, but they are often equipped with high-power lasers, etc. Therefore, there is a problem that the operation is complicated and the price is high.
上記した特許文献6、7に開示されたSPFMに関しても、図19に示すクレッチマン型の配置を採用しているために光学系が複雑であり、操作が複雑である問題がある。 The SPFMs disclosed in Patent Documents 6 and 7 described above also have a problem that the optical system is complicated and the operation is complicated because the Kretschmann type arrangement shown in FIG. 19 is adopted.
一方、蛍光を観測するための別の装置として、マイクロプレートリーダーがある。従来のマイクロプレートリーダーで蛍光検出する場合、十分な強度の蛍光を発生させるためには、高濃度でかつ微量とは言えない程度の試料を準備する必要がある問題がある。 On the other hand, there is a microplate reader as another apparatus for observing fluorescence. In the case of detecting fluorescence with a conventional microplate reader, there is a problem that it is necessary to prepare a sample having a high concentration and not a very small amount in order to generate fluorescence with sufficient intensity.
本発明は、上記の課題を解決すべく、単純な光学系を採用し操作が簡便であり、且つ低価格の高感度な蛍光検出を実現する表面プラズモン励起増強蛍光顕微鏡を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a surface plasmon excitation enhanced fluorescence microscope that adopts a simple optical system, is easy to operate, and realizes low-cost, highly sensitive fluorescence detection in order to solve the above-described problems. To do.
また本発明は、既存の蛍光マイクロプレートリーダーよりも高感度な表面プラズモン励起増強蛍光マイクロプレートリーダーを提供することも目的とする。 Another object of the present invention is to provide a surface plasmon excitation enhanced fluorescent microplate reader that is more sensitive than existing fluorescent microplate readers.
本願発明者は、上記の課題を解決するために鋭意研究した結果、周期構造上に金属および消光抑制膜を調製した基板で発生した表面プラズモンを利用することによって、プリズムを使用しない高感度の蛍光顕微鏡および蛍光マイクロプレートリーダーを実現できることを見出した。 As a result of intensive research to solve the above problems, the present inventor has made use of surface plasmons generated on a substrate in which a metal and a quenching suppression film are prepared on a periodic structure. It has been found that a microscope and a fluorescent microplate reader can be realized.
すなわち、本発明は、以下に示す態様を含むものである。 That is, the present invention includes the following aspects.
本発明に係る第1のマイクロプレートは、蛍光顕微鏡または蛍光マイクロプレートリーダーにおいて使用され、観測対象の試料を搭載し、蛍光標識二次抗体を利用して特異的な抗原抗体反応を増強蛍光により検出するためのマイクロプレートであって、表面に周期構造を有するベース基板と、前記周期構造の上に形成された金属層と、前記金属層の上に形成された消光抑制層とを備え、前記周期構造が一方向に沿って形成された複数の溝部を備え、前記金属層が表面にスロープを有し、前記金属層が、伝播型の表面プラズモン共鳴光を発生し得る金属で形成され、前記消光抑制層の表面に抗体が吸着あるいは結合されており、前記マイクロプレートに光を入射させて、前記表面プラズモン共鳴光によって増強された電場を発生させるステップと、発生させた前記電場を蛍光分子の励起場として、前記増強蛍光を、前記ベース基板側または前記消光抑制層側のいずれかから検出するステップとを含む方法により、前記マイクロプレートからの前記増強蛍光が検出され、前記ベース基板側から入射される前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす角度が、前記光が屈曲手段によって屈曲されなくても、前記マイクロプレートに入射可能な角度であり、かつ、前記表面プラズモン共鳴光が発生する程度に小さい角度であることを特徴としている。 The first microplate according to the present invention is used in a fluorescence microscope or a fluorescence microplate reader, carries a sample to be observed, and detects a specific antigen-antibody reaction by enhanced fluorescence using a fluorescently labeled secondary antibody. A base plate having a periodic structure on its surface, a metal layer formed on the periodic structure, and a quenching suppression layer formed on the metal layer, The structure includes a plurality of grooves formed along one direction, the metal layer has a slope on the surface, the metal layer is formed of a metal capable of generating a propagation-type surface plasmon resonance light, and the quenching A step of generating an electric field enhanced by the surface plasmon resonance light, wherein an antibody is adsorbed or bound to the surface of the suppression layer, and light is incident on the microplate. And detecting the enhanced fluorescence from either the base substrate side or the quenching suppression layer side using the generated electric field as an excitation field of a fluorescent molecule, and the enhanced fluorescence from the microplate. The angle formed by the incident direction of the light incident from the base substrate side and the perpendicular of the plane on which the light is incident on the base substrate is not bent by the bending means. The angle is such that the light can enter the microplate and the angle is small enough to generate the surface plasmon resonance light.
また、本発明に係る第2のマイクロプレートは、第1のマイクロプレートにおいて、前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす前記角度が、5度から46度の範囲内であることを特徴としている。 Further, in the second microplate according to the present invention, in the first microplate, the angle formed by the incident direction of the light and the perpendicular of the plane on which the light is incident on the base substrate is from 5 degrees. It is characterized by being within a range of 46 degrees.
また、本発明に係る第3のマイクロプレートは、第2のマイクロプレートにおいて、前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす前記角度が、5度から25度の範囲内であることを特徴としている。 Further, in the third microplate according to the present invention, in the second microplate, the angle formed by the incident direction of the light and the perpendicular of the plane on which the light of the base substrate is incident is from 5 degrees. It is characterized by being within a range of 25 degrees.
また、本発明に係る第4のマイクロプレートは、第1のマイクロプレートにおいて、前記周期構造の周期が10nm以上1μm以下であることを特徴としている。 The fourth microplate according to the present invention is characterized in that, in the first microplate, the period of the periodic structure is 10 nm or more and 1 μm or less.
また、本発明に係る第5のマイクロプレートは、第4のマイクロプレートにおいて、前記周期構造が、前記一方向と交差する方向に沿って形成された複数の溝部をさらに備えることを特徴としている。 The fifth microplate according to the present invention is characterized in that, in the fourth microplate, the periodic structure further includes a plurality of groove portions formed along a direction intersecting the one direction.
また、本発明に係る第6のマイクロプレートは、第1〜5の何れかのマイクロプレートにおいて、前記消光抑制層の厚さが10nm以上100nm以下であることを特徴としている。 The sixth microplate according to the present invention is characterized in that, in any one of the first to fifth microplates, the quenching suppression layer has a thickness of 10 nm to 100 nm.
また、本発明に係る第7のマイクロプレートは、第1〜6の何れかのマイクロプレートにおいて、前記金属層が遷移金属の膜厚10〜500nmの薄膜で形成されていることを特徴としている。 The seventh microplate according to the present invention is characterized in that in any one of the first to sixth microplates, the metal layer is formed of a thin film of transition metal having a thickness of 10 to 500 nm.
また、本発明に係る第8のマイクロプレートは、第1〜7の何れかのマイクロプレートにおいて、前記ベース基板と前記金属層との間に、膜厚0.1〜3nmの接着層を備え、前記金属層と前記消光抑制層との間に、膜厚0.1〜3nmの接着および酸化防止層を備えていることを特徴としている。 Further, an eighth microplate according to the present invention includes an adhesive layer having a thickness of 0.1 to 3 nm between the base substrate and the metal layer in any one of the first to seventh microplates, An adhesion and antioxidant layer having a film thickness of 0.1 to 3 nm is provided between the metal layer and the quenching suppression layer.
また、本発明に係る第9のマイクロプレートは、第8のマイクロプレートにおいて、前記金属層が銀で形成され、前記消光抑制層がSiO2で形成されていることを特徴としている。 The ninth microplate according to the present invention is characterized in that, in the eighth microplate, the metal layer is formed of silver and the quenching suppression layer is formed of SiO 2 .
また、本発明に係る第10のマイクロプレートは、第9のマイクロプレートにおいて、前記消光抑制層の厚さが10〜50nmであることを特徴としている。 The tenth microplate according to the present invention is the ninth microplate, wherein the quenching suppression layer has a thickness of 10 to 50 nm.
また、本発明に係る第11のマイクロプレートは、第1〜8の何れかのマイクロプレートにおいて、前記金属層が金で形成され、前記消光抑制層の厚さが10〜70nmであることを特徴としている。 The eleventh microplate according to the present invention is any one of the first to eighth microplates, wherein the metal layer is formed of gold, and the thickness of the quenching suppression layer is 10 to 70 nm. It is said.
また、本発明に係る第12のマイクロプレートは、第4のマイクロプレートにおいて、前記ベース基板の表面の前記周期構造が、矩形の周期構造であり、前記金属層が、矩形の段差部分に対応する表面に前記スロープを有し、厚さ200nmに形成され、前記周期に対する前記スロープの長さの割合が10±5%であり、前記溝部の深さをdnmとし、前記周期に対する山の長さの割合をM%として、5≦d<15、且つ、0<M<70、若しくは70<M<100、15≦d<25、且つ、0<M<80、若しくは80<M<100、25≦d<35、且つ、0<M<60、若しくは60<M<100、または、35≦d<45、且つ、0<M<60、若しくは60<M<100であることを特徴としている。 The twelfth microplate according to the present invention is the fourth microplate, wherein the periodic structure on the surface of the base substrate is a rectangular periodic structure, and the metal layer corresponds to a rectangular step portion. It has the slope on the surface, is formed to a thickness of 200 nm, the ratio of the length of the slope to the period is 10 ± 5%, the depth of the groove is dnm, and the length of the mountain relative to the period When the ratio is M%, 5 ≦ d <15, and 0 <M <70, or 70 <M <100, 15 ≦ d <25, and 0 <M <80, or 80 <M <100, 25 ≦ d <35 and 0 <M <60, or 60 <M <100, or 35 ≦ d <45, and 0 <M <60, or 60 <M <100.
また、本発明に係る第13のマイクロプレートは、第1〜12の何れかのマイクロプレートにおいて、前記マイクロプレートの前記消光抑制層の表面に、蛋白質または細胞を吸着または結合させるために、前記消光抑制層の前記表面にアミノ化またはアルキル化の処理が施されることを特徴としている。 Further, the thirteenth microplate according to the present invention is the quenching plate according to any one of the first to twelfth microplates, in order to adsorb or bind proteins or cells to the surface of the quenching suppression layer of the microplate. The surface of the suppression layer is subjected to amination or alkylation treatment.
また、本発明に係る第14のマイクロプレートは、第13のマイクロプレートにおいて、前記マイクロプレートの前記消光抑制層の表面が、さらに末端が活性エステル化カルボキシル基で修飾されたビオチン化ポリエチレングリコールと反応させられ、ストレプトアビジンを含む蛍光標識抗原または抗体との結合の検出に使用されることを特徴としている。 The fourteenth microplate according to the present invention is the same as the thirteenth microplate, in which the surface of the quenching suppression layer of the microplate is further reacted with biotinylated polyethylene glycol whose end is modified with an active esterified carboxyl group. And is used for detection of binding to a fluorescently labeled antigen or antibody containing streptavidin.
本発明に係る第1の検出方法は、蛍光顕微鏡または蛍光マイクロプレートリーダーにおいて、マイクロプレートを用いて、蛍光標識二次抗体を利用して特異的な抗原抗体反応を増強蛍光により検出する方法であって、前記マイクロプレートが、表面に周期構造を有するベース基板と、前記周期構造の上に形成された金属層と、前記金属層の上に形成された消光抑制層とを備え、前記周期構造が一方向に沿って形成された複数の溝部を備え、前記金属層が表面にスロープを有し、前記金属層が、伝播型の表面プラズモン共鳴光を発生し得る金属で形成され、前記消光抑制層の表面に抗体が吸着あるいは結合されており、前記方法が、前記マイクロプレートに光を入射させて、前記表面プラズモン共鳴光によって増強された電場を発生させるステップと、発生させた前記電場を蛍光分子の励起場として、前記増強蛍光を、前記ベース基板側または前記消光抑制層側のいずれかから検出するステップとを含み、前記ベース基板側から入射される前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす角度が、前記光が屈曲手段によって屈曲されなくても、前記マイクロプレートに入射可能な角度であり、かつ、前記表面プラズモン共鳴光が発生する程度に小さい角度であることを特徴としている。 The first detection method according to the present invention is a method for detecting a specific antigen-antibody reaction by enhanced fluorescence using a fluorescently labeled secondary antibody using a microplate in a fluorescence microscope or a fluorescence microplate reader. The microplate includes a base substrate having a periodic structure on a surface, a metal layer formed on the periodic structure, and a quenching suppression layer formed on the metal layer, wherein the periodic structure A plurality of grooves formed along one direction, the metal layer has a slope on the surface, the metal layer is formed of a metal capable of generating a propagation type surface plasmon resonance light, and the quenching suppression layer An antibody is adsorbed or bound to the surface of the substrate, and the method causes a light incident on the microplate to generate an electric field enhanced by the surface plasmon resonance light. And detecting the enhanced fluorescence from either the base substrate side or the quenching suppression layer side using the generated electric field as an excitation field of fluorescent molecules, and entering from the base substrate side The angle formed by the incident direction of the light and the perpendicular of the plane on which the light of the base substrate is incident is an angle at which the light can be incident on the microplate even if the light is not bent by a bending means, and The angle is so small that the surface plasmon resonance light is generated.
また、本発明に係る第2の検出方法は、第1の検出方法において、前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす前記角度が、5度から46度の範囲内であることを特徴としている。 The second detection method according to the present invention is the first detection method, wherein the angle formed by the incident direction of the light and the perpendicular of the plane on which the light is incident on the base substrate is from 5 degrees. It is characterized by being within a range of 46 degrees.
また、本発明に係る第3の検出方法は、第2の検出方法において、前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす前記角度が、5度から25度の範囲内であることを特徴としている。 According to a third detection method of the present invention, in the second detection method, the angle formed by the incident direction of the light and a perpendicular of the plane on which the light of the base substrate is incident is from 5 degrees. It is characterized by being within a range of 25 degrees.
また、本発明に係る第1の表面プラズモン励起増強蛍光顕微鏡は、観測対象の試料を搭載し、蛍光標識二次抗体を利用して特異的な抗原抗体反応を増強蛍光により検出するためのマイクロプレートを有する蛍光顕微鏡であって、前記マイクロプレートが、表面に周期構造を有するベース基板と、該ベース基板の前記周期構造の上に形成された金属層と、該金属層の上に形成された消光抑制層とを備え、前記周期構造が一方向に沿って形成された複数の溝部を備え、前記金属層が表面にスロープを有し、前記金属層が、伝播型の表面プラズモン共鳴光を発生し得る金属で形成され、前記消光抑制層の表面に抗体が吸着あるいは結合されており、前記マイクロプレートが、前記マイクロプレートに光を入射させて、前記表面プラズモン共鳴光によって増強された電場を発生させるステップと、発生させた該電場を蛍光分子の励起場として、前記増強蛍光を、前記ベース基板側または前記消光抑制層側のいずれかから検出するステップとを含む方法により、前記マイクロプレートからの前記増強蛍光が検出され、前記ベース基板側から入射される前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす角度が、前記光が屈曲手段によって屈曲されなくても、前記マイクロプレートに入射可能な角度であり、かつ、前記表面プラズモン共鳴光が発生する程度に小さい角度であることを特徴としている。 The first surface plasmon excitation enhanced fluorescence microscope according to the present invention is a microplate for mounting a sample to be observed and detecting a specific antigen-antibody reaction by enhanced fluorescence using a fluorescently labeled secondary antibody. The microplate includes a base substrate having a periodic structure on a surface thereof, a metal layer formed on the periodic structure of the base substrate, and a quenching formed on the metal layer A suppression layer, the periodic structure includes a plurality of grooves formed along one direction, the metal layer has a slope on the surface, and the metal layer generates propagation-type surface plasmon resonance light. Formed on the surface of the quenching suppression layer, and an antibody is adsorbed or bound to the surface of the quenching suppression layer. Generating an enhanced electric field, and detecting the enhanced fluorescence from either the base substrate side or the quenching suppression layer side using the generated electric field as an excitation field of a fluorescent molecule. Thus, the enhanced fluorescence from the microplate is detected, and an angle formed by an incident direction of the light incident from the base substrate side and a plane perpendicular to the light incident on the base substrate is the light. Is an angle that can be incident on the microplate without being bent by the bending means, and is an angle that is small enough to generate the surface plasmon resonance light.
また、本発明に係る第2の蛍光顕微鏡は、第1の蛍光顕微鏡において、前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす前記角度が、5度から46度の範囲内であることを特徴としている。 In the second fluorescence microscope according to the present invention, in the first fluorescence microscope, the angle formed by the incident direction of the light and a perpendicular of the plane on which the light is incident on the base substrate is from 5 degrees. It is characterized by being within a range of 46 degrees.
また、本発明に係る第3の蛍光顕微鏡は、第2の蛍光顕微鏡において、前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす前記角度が、5度から25度の範囲内であることを特徴としている。 The third fluorescence microscope according to the present invention is the second fluorescence microscope, wherein the angle formed by the incident direction of the light and the perpendicular of the plane on which the light is incident on the base substrate is 5 degrees. It is characterized by being within a range of 25 degrees.
また、本発明に係る第1の表面プラズモン励起増強蛍光マイクロプレートリーダーは、観測対象の試料を搭載し、蛍光標識二次抗体を利用して特異的な抗原抗体反応を増強蛍光により検出するためのマイクロプレートを有する蛍光マイクロプレートリーダーであって、前記マイクロプレートが、表面に周期構造を有するベース基板と、該ベース基板の前記周期構造の上に形成された金属層と、該金属層の上に形成された消光抑制層とを備え、前記周期構造が一方向に沿って形成された複数の溝部を備え、前記金属層が表面にスロープを有し、前記金属層が、伝播型の表面プラズモン共鳴光を発生し得る金属で形成され、前記消光抑制層の表面に抗体が吸着あるいは結合されており、前記マイクロプレートが、前記マイクロプレートに光を入射させて、前記表面プラズモン共鳴光によって増強された電場を発生させるステップと、発生させた該電場を蛍光分子の励起場として、前記増強蛍光を、前記ベース基板側または前記消光抑制層側のいずれかから検出するステップとを含む方法により、前記マイクロプレートからの前記増強蛍光が検出され、前記ベース基板側から入射される前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす角度が、前記光が屈曲手段によって屈曲されなくても、前記マイクロプレートに入射可能な角度であり、かつ、前記表面プラズモン共鳴光が発生する程度に小さい角度であることを特徴としている。 The first surface plasmon excitation enhanced fluorescence microplate reader according to the present invention is equipped with a sample to be observed and for detecting a specific antigen-antibody reaction by enhanced fluorescence using a fluorescently labeled secondary antibody. A fluorescent microplate reader having a microplate, wherein the microplate has a base substrate having a periodic structure on a surface, a metal layer formed on the periodic structure of the base substrate, and on the metal layer A quenching suppression layer formed, the periodic structure has a plurality of grooves formed along one direction, the metal layer has a slope on the surface, the metal layer is a propagation type surface plasmon resonance It is formed of a metal that can generate light, and an antibody is adsorbed or bound to the surface of the quenching suppression layer, and the microplate makes light incident on the microplate. Generating an electric field enhanced by the surface plasmon resonance light, and using the generated electric field as an excitation field of a fluorescent molecule, the enhanced fluorescence is applied to either the base substrate side or the quenching suppression layer side. Detecting the enhanced fluorescence from the microplate and detecting a direction of incidence of the light incident from the base substrate side and a perpendicular of the plane on which the light of the base substrate is incident Is an angle that allows the light to enter the microplate even if the light is not bent by a bending means, and is an angle that is small enough to generate the surface plasmon resonance light. .
また、本発明に係る第2の蛍光マイクロプレートリーダーは、第1の蛍光マイクロプレートリーダーにおいて、前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす前記角度が、5度から46度の範囲内であることを特徴としている。 The second fluorescent microplate reader according to the present invention is the first fluorescent microplate reader, wherein the angle formed by the incident direction of the light and a perpendicular of the plane on which the light is incident on the base substrate is It is characterized by being in the range of 5 to 46 degrees.
また、本発明に係る第3の蛍光マイクロプレートリーダーは、第2の蛍光マイクロプレートリーダーにおいて、前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす前記角度が、5度から25度の範囲内であることを特徴としている。 The third fluorescent microplate reader according to the present invention is the second fluorescent microplate reader, wherein the angle formed by the incident direction of the light and a perpendicular of the plane on which the light is incident on the base substrate is It is characterized by being in the range of 5 to 25 degrees.
本発明によれば、クレッチマン型のようなプリズムを使用することなく、光の入射角度を小さくすることができるので、従来の落射照明または透過照明を採用した正立または倒立蛍光顕微鏡の何れをも使用することができる。従って、操作が簡単であり、NAの小さい対物レンズを使用することができ、明るい蛍光観測が可能である。 According to the present invention, since the incident angle of light can be reduced without using a prism such as a Kretschmann type, any conventional upright or inverted fluorescent microscope employing epi-illumination or transmission illumination can be used. Can be used. Therefore, the operation is simple, an objective lens having a small NA can be used, and bright fluorescence observation is possible.
また、蛍光観察において空間選択性を高くすること、即ち、マイクロプレート界面だけ(マイクロプレート表面から200nm未満の範囲)を観測することができるので、バックグラウンドによるノイズの影響をほとんど受けず、検体の注入後、リンス(洗浄)操作をせずに計測することが可能である
また、マイクロプレート界面の表面プラズモン共鳴光は入射光強度の100倍以上に増強されるので、高出力のレーザーを用いる必要がなく、ランプ光源でも既存のエピ蛍光顕微鏡よりも100倍程度明るい蛍光を観測することができる。
In addition, it is possible to increase the spatial selectivity in fluorescence observation, that is, to observe only the microplate interface (in the range of less than 200 nm from the microplate surface), so that it is hardly affected by noise due to the background. It is possible to measure without rinsing (cleaning) after injection. Also, the surface plasmon resonance light at the microplate interface is enhanced more than 100 times the incident light intensity, so it is necessary to use a high-power laser. Thus, even a lamp light source can observe fluorescence about 100 times brighter than that of an existing epifluorescence microscope.
また、ランプ光源を用いることで、適当な光学フィルターを選択することで広範囲に波長選択可能になるので、レーザーを装備した顕微鏡に比べてコンパクトであり、低価格である。 In addition, by using a lamp light source, it becomes possible to select a wavelength in a wide range by selecting an appropriate optical filter, so that it is more compact and less expensive than a microscope equipped with a laser.
従来の全反射顕微鏡、あるいは共焦点顕微鏡では、高出力レーザー等を装備していることが多く、また、光学系が複雑なシステムであり、操作の複雑性と高価格が問題となり、一般に広く普及することが難しい状況であったが、本発明によると、これらの問題を解決することができるので、汎用型の高感度蛍光顕微鏡として普及することが期待できる。特に、蛍光標識を行って試料を観測する医療・生物分野の普及に大きく貢献することが期待できる。 Conventional total reflection microscopes or confocal microscopes are often equipped with high-power lasers, etc., and the optical system is complicated, so the complexity of operation and high cost are problems, and it is widely spread. However, according to the present invention, these problems can be solved, so that it can be expected to spread as a general-purpose high-sensitivity fluorescent microscope. In particular, it can be expected to greatly contribute to the spread of the medical / biological field in which samples are observed by fluorescent labeling.
また、本発明を蛍光マイクロプレートリーダーに適用した場合、蛍光の増幅が期待でき、照明の入射角も低角でよいため、既存のマイクロプレートリーダーでも、低濃度試料や極微量試料の測定が可能となる。 In addition, when the present invention is applied to a fluorescent microplate reader, amplification of fluorescence can be expected, and the incident angle of illumination may be low, so even existing microplate readers can measure low-concentration samples and trace amounts of samples. It becomes.
また、本発明のマイクロプレートは、特異的な抗原抗体反応を検出するのに有効である。即ち、マイクロプレートの消光抑制層の表面に抗体を吸着あるいは結合させ、リンス操作を行うことなく、蛍光標識二次抗体を利用して特異的な抗原抗体反応を増強蛍光により検出することができる。 The microplate of the present invention is effective for detecting a specific antigen-antibody reaction. That is, a specific antigen-antibody reaction can be detected by enhanced fluorescence by using a fluorescently labeled secondary antibody without adsorbing or binding the antibody to the surface of the quenching suppression layer of the microplate and performing a rinsing operation.
以下に、添付の図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
まず、蛍光顕微鏡には、図1に示したように、観測対象Aに対する照明光Liの入射方向および蛍光Lpの観測方向の組み合わせに応じて4種類がある。具体的には、次の通りである。
落射型正立顕微鏡の場合、照明光の入射方向がIN1であり、観測方向がTである
落射型倒立顕微鏡の場合、照明光の入射方向がIN2であり、観測方向がBである。
透過型正立顕微鏡の場合、照明光の入射方向がIN2であり、観測方向がTである。
透過型倒立顕微鏡の場合、照明光の入射方向がIN1であり、観測方向がBである。
本発明はこれら全てを対象とするが、以下では、説明を簡潔にするために、適宜これらの一部について説明する。
First, as shown in FIG. 1, there are four types of fluorescence microscopes according to the combination of the incident direction of the illumination light Li with respect to the observation target A and the observation direction of the fluorescence Lp. Specifically, it is as follows.
In the case of the epi-illuminated upright microscope, the incident direction of the illumination light is IN1, and in the case of the epi-illuminated inverted microscope whose observation direction is T, the incident direction of the illumination light is IN2, and the observation direction is B.
In the case of a transmission upright microscope, the incident direction of illumination light is IN2, and the observation direction is T.
In the case of a transmission inverted microscope, the incident direction of illumination light is IN1, and the observation direction is B.
The present invention covers all of these, but in the following, some of these will be described as appropriate for the sake of brevity.
図2は、本発明の実施の形態に係る表面プラズモン励起増強蛍光顕微鏡(以下、SPFMという)の一例を示す図である。図2に示したSPFM1は、顕微鏡本体(以下、本体という)2と、顕微鏡ステージ(以下、ステージという)3の上に搭載されるマイクロプレート4とを備えている。図2では、マイクロプレート4の上に試料Aが搭載され、照明光Liが下から入射し、観測光(プラズモン励起増強蛍光)Lpが上から観測される様子を示している。即ち、図2のSPFM1は、透過型正立顕微鏡に分類される。 FIG. 2 is a diagram showing an example of a surface plasmon excitation enhanced fluorescence microscope (hereinafter referred to as SPFM) according to an embodiment of the present invention. The SPFM 1 shown in FIG. 2 includes a microscope main body (hereinafter referred to as “main body”) 2 and a microplate 4 mounted on a microscope stage (hereinafter referred to as “stage”) 3. FIG. 2 shows a state in which the sample A is mounted on the microplate 4, the illumination light Li is incident from below, and the observation light (plasmon excitation enhanced fluorescence) Lp is observed from above. That is, the SPFM 1 in FIG. 2 is classified as a transmission type upright microscope.
本SPFM1は、マイクロプレート4に特徴を有し、それ以外の蛍光顕微鏡として機能する上で必要な、本体2の構成要素は従来の蛍光顕微鏡と同じである。即ち、本体2の構成要素である光源、対物レンズ、接眼レンズ、干渉ミラー(ダイクロイックミラー)、干渉フィルター(励起フィルター)、蛍光フィルターなどは、公知の蛍光顕微鏡と同じものを使用する。従って、それらに関する説明を省略する。 The SPFM 1 is characterized by the microplate 4 and the components of the main body 2 necessary for functioning as the other fluorescence microscope are the same as those of the conventional fluorescence microscope. That is, the light source, the objective lens, the eyepiece lens, the interference mirror (dichroic mirror), the interference filter (excitation filter), the fluorescence filter, and the like, which are constituent elements of the main body 2, are the same as those of a known fluorescence microscope. Therefore, the description regarding them is omitted.
図3は、本実施の形態に係るマイクロプレート4の構成を示す断面図である。マイクロプレート4は、ベース基板5と、ベース基板5の表面に形成された金属層6および消光抑制層7とを備えて構成されている。なお、図3では省略しているが、ベース基板5と金属層6との間、金属層6と消光抑制層7との間には、それぞれ、隣接する2つの層を接着するための層(以下、接着層という)を備えていることが好ましい。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the microplate 4 according to the present embodiment. The microplate 4 includes a base substrate 5, a metal layer 6 and a quenching suppression layer 7 formed on the surface of the base substrate 5. Although omitted in FIG. 3, a layer for adhering two adjacent layers between the base substrate 5 and the metal layer 6 and between the metal layer 6 and the quenching suppression layer 7 ( Hereinafter, it is preferable to include an adhesive layer.
ベース基板5は、表面に周期的構造である格子が形成されている。ベース基板5は、入射光Liおよび観測光Lpに対して透明な材質、例えばガラス、プラスチックなどで形成されていれば、落射および透過型の何れの蛍光顕微鏡観察においても使用できる。落射の観察に限るのであれば、ベース基板5は透明である必要はない。周期構造は、例えば一方向に沿ってほぼ等間隔に配置された複数の溝を有する形状であり、溝は、例えば鋸歯状溝、正弦波状溝、矩形状溝である。周期構造の周期、即ち隣接する溝の間隔は、観察に使用する波長以下、例えば10〜1000nm(ナノメートル)であり、好ましくは100〜600nmである。周期構造の高さ(溝の深さ)は4〜400nm、アスペクト比は0.005〜10である。 The base substrate 5 has a lattice having a periodic structure formed on the surface. As long as the base substrate 5 is formed of a material transparent to the incident light Li and the observation light Lp, such as glass or plastic, it can be used in either an epi-illumination or transmission type fluorescence microscope observation. The base substrate 5 does not need to be transparent as long as it is limited to the observation of epi-illumination. The periodic structure has, for example, a shape having a plurality of grooves arranged at approximately equal intervals along one direction, and the grooves are, for example, sawtooth grooves, sinusoidal grooves, and rectangular grooves. The period of the periodic structure, that is, the interval between adjacent grooves is not more than the wavelength used for observation, for example, 10 to 1000 nm (nanometers), and preferably 100 to 600 nm. The periodic structure has a height (groove depth) of 4 to 400 nm and an aspect ratio of 0.005 to 10.
なお、ナノスケールの周期構造をもつ周期構造は、例えば、特許第3350711号公報、特許第2832337号公報、特開2004−117810号公報などに開示されている方法を使用して形成することができる。 The periodic structure having a nanoscale periodic structure can be formed using, for example, a method disclosed in Japanese Patent No. 3350711, Japanese Patent No. 2832337, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-117810, and the like. .
金属層6は、金、銀、銅、プラチナ、ニッケルなどの遷移金属であることが好ましい。金属層6の膜厚は、10〜500nmが好ましく、より好ましくは50〜200nmである。しかし、金属層6は、遷移金属に限定されず、表面プラズモンを発生可能な金属であればよく、その場合にも膜厚は10〜500nmが好ましく、より好ましくは50〜200nmである。 The metal layer 6 is preferably a transition metal such as gold, silver, copper, platinum, or nickel. The film thickness of the metal layer 6 is preferably 10 to 500 nm, more preferably 50 to 200 nm. However, the metal layer 6 is not limited to a transition metal, and may be any metal that can generate surface plasmons. In this case, the film thickness is preferably 10 to 500 nm, more preferably 50 to 200 nm.
消光抑制層7には、ポリカーボネートやポリメタクリル酸メチルのような有機高分子やシリカ(SiO2)など、観察に用いる入射光や発生する蛍光の波長領域で吸収のない(若しくは吸収の少ない)透明な薄膜を用いる。表面プラズモン励起増強蛍光法の特徴である増強蛍光は、蛍光分子と金属との距離が近いと、強い励起場で励起された蛍光も金属表面にエネルギー移動して消光されてしまう。従って、試料を金属層6から所定距離だけ離隔させて消光を抑制することが必要である。また、表面プラズモン共鳴による励起場は近接場であるために、金属表面から離れるにしたがってその電場強度は減衰するため、金属表面からおよそ100nm以内に存在する蛍光分子のみが効率よく励起される。そのために、消光抑制層7の膜厚は、約10nm〜100nmの範囲で金属層6の種類に応じて決定される。たとえば、膜厚の最適値は、金属層6が銀の場合10〜50nmであり、より好ましくは20〜50nmである。金の場合、膜厚の最適値は10〜70nmであり、より好ましくは40〜70nmである。 The quenching suppression layer 7 is transparent with no absorption (or less absorption) in the wavelength region of incident light used for observation or generated fluorescence, such as organic polymers such as polycarbonate and polymethyl methacrylate, and silica (SiO 2 ). Use a thin film. With enhanced fluorescence, which is a feature of the surface plasmon excitation enhanced fluorescence method, when the distance between the fluorescent molecule and the metal is short, the fluorescence excited by a strong excitation field is also transferred to the metal surface and quenched. Therefore, it is necessary to suppress quenching by separating the sample from the metal layer 6 by a predetermined distance. In addition, since the excitation field due to surface plasmon resonance is a near field, the electric field intensity attenuates as the distance from the metal surface increases, so that only fluorescent molecules existing within about 100 nm from the metal surface are efficiently excited. Therefore, the film thickness of the quenching suppression layer 7 is determined in accordance with the type of the metal layer 6 in the range of about 10 nm to 100 nm. For example, the optimum value of the film thickness is 10 to 50 nm when the metal layer 6 is silver, and more preferably 20 to 50 nm. In the case of gold, the optimum value of the film thickness is 10 to 70 nm, more preferably 40 to 70 nm.
試料を含む水溶液(燐酸緩衝液など)をマイクロプレート4上に搭載して観測する場合が想定される。従って、金属層6に銀を使用する場合には、水中で非常に不安定な銀を保護するために、ベース基板5と銀との間および銀と消光抑制層7(例えば、SiO2)との間に、酸化を防止する層(以下、酸化防止層という)を形成することが望ましい。なお、酸化防止層は、少なくとも銀と消光抑制層7との間にあればよい。例えば、ベース基板5と銀との間に接着層として機能する第1層を形成し、銀と消光抑制層7との間に接着および酸化防止層として機能する第2層を形成する。例えば、第1層および第2層は、それぞれ膜厚0.1〜3nmの薄膜として形成される。第2層は、銀を保護できる材質の層であればよく、例えばクロム(Cr)、アルミニウム、チタン、パラジウムで形成される。なお、第2層は消光抑制層7の接着性を高める役割をもする材質が望ましく、この意味でもクロム(Cr)が適している。 It is assumed that an aqueous solution containing a sample (such as a phosphate buffer) is mounted on the microplate 4 for observation. Therefore, when silver is used for the metal layer 6, in order to protect silver which is very unstable in water, between the base substrate 5 and silver and between the silver and quenching suppression layer 7 (for example, SiO 2 ) It is desirable to form a layer for preventing oxidation (hereinafter referred to as “antioxidation layer”). The antioxidant layer may be at least between silver and the quenching suppression layer 7. For example, a first layer that functions as an adhesive layer is formed between the base substrate 5 and silver, and a second layer that functions as an adhesion and antioxidant layer is formed between the silver and the quenching suppression layer 7. For example, the first layer and the second layer are each formed as a thin film having a thickness of 0.1 to 3 nm. The second layer may be a layer made of a material that can protect silver, and is formed of, for example, chromium (Cr), aluminum, titanium, or palladium. The second layer is preferably made of a material that also serves to enhance the adhesion of the quenching suppression layer 7, and in this sense, chromium (Cr) is suitable.
次に、図4を参照して、入射光の偏光方向と周期構造の方向との関係について説明する。図4は、周期構造が形成された平面の一方から光が入射することを示しており、上からの入射に限定されることを意味する訳ではない。表面プラズモン共鳴光の発生には、p偏光の光が必要である。また、周期構造の配置との関係では、p偏光が、周期構造の方向(格子の溝に垂直な方向)の成分を含んでいることが必要である。 Next, the relationship between the polarization direction of incident light and the direction of the periodic structure will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows that light is incident from one of the planes on which the periodic structure is formed, and does not mean that the incident is limited to incidence from above. Generation of surface plasmon resonance light requires p-polarized light. Further, in relation to the arrangement of the periodic structure, it is necessary that the p-polarized light includes a component in the direction of the periodic structure (direction perpendicular to the grooves of the grating).
図4の(a)は、マイクロプレート4に光が入射する状態を示す斜視図であり、(b)はその平面図である。平面U1、U2は、マイクロプレート4の表面に垂直であり、且つマイクロプレート4表面に形成された格子8の方向(格子の溝に垂直な方向)V1と平行な平面U1と、それに直交する平面U2である。入射光L1、L2は、光源から出力され、対物レンズによって円錐形に集光されてマイクロプレート4に入射する光のうち、それぞれ平面U1内、U2内を進行する光である。ここで、入射光L1、L2は、偏光フィルターなどによる偏光を受けていない光であるとする。従って、マイクロプレート4に対する入射光L1、L2のp偏光成分V2、V3の成分のうちV1と平行な成分によって表面プラズモン共鳴光が発生する。このように、マイクロプレート4への入射光が偏光していない場合、マイクロプレート4の表面に形成された格子8の方向V1に平行な成分をもつ入射光のp偏光によって表面プラズモン共鳴光が発生する。 4A is a perspective view showing a state where light is incident on the microplate 4, and FIG. 4B is a plan view thereof. The planes U1 and U2 are perpendicular to the surface of the microplate 4 and parallel to the direction V1 of the grating 8 formed on the surface of the microplate 4 (direction perpendicular to the grooves of the grating), and a plane orthogonal to the plane U1. U2. Incident light L1 and L2 are light that is output from the light source, condensed in a conical shape by the objective lens, and incident on the microplate 4, respectively, traveling in the planes U1 and U2. Here, it is assumed that the incident lights L1 and L2 are lights that have not been polarized by a polarizing filter or the like. Accordingly, surface plasmon resonance light is generated by a component parallel to V1 among the components of the p-polarized components V2 and V3 of the incident lights L1 and L2 with respect to the microplate 4. As described above, when the incident light on the microplate 4 is not polarized, surface plasmon resonance light is generated by the p-polarized light of the incident light having a component parallel to the direction V1 of the grating 8 formed on the surface of the microplate 4. To do.
その一方、入射光が偏光フィルターなどによって所定の方向に偏光されている場合、マイクロプレート4の配置によっては、表面プラズモン共鳴光がほとんど発生しない場合がある。図5は、図4と同様の斜視図であるが、マイクロプレート4が図4の状態から90度回転されて配置されている。また、図5では、偏光フィルターなどによって偏光軸Sの入射光が対物レンズによって円錐形に集光されているが、平面U1およびU2内を伝播する光L1、L2に対しては、平面U1の面内方向と、平面U2に対する法線方向にそれぞれ偏光(V2とV4)されることとなる。この場合、p偏光成分V2が格子の方向V1と直交しており、V4はマイクロプレート4に対してs偏光になるため、光L1、L2の何れによっても表面プラズモン共鳴光が発生しない。L1、L2以外の入射光に対してもp偏光性とV1との平行性が低いために効率よく表面プラズモン共鳴光は発生しない。よって、図5のような偏光軸の入射光と格子の配置では、明るい蛍光画像は得られない。 On the other hand, when incident light is polarized in a predetermined direction by a polarizing filter or the like, surface plasmon resonance light may hardly be generated depending on the arrangement of the microplate 4. FIG. 5 is a perspective view similar to FIG. 4 except that the microplate 4 is rotated 90 degrees from the state of FIG. In FIG. 5, incident light of the polarization axis S is collected in a conical shape by the objective lens by a polarizing filter or the like, but the light L1 and L2 propagating in the planes U1 and U2 are in the plane U1. The light is polarized (V2 and V4) in the in-plane direction and in the normal direction to the plane U2. In this case, since the p-polarized component V2 is orthogonal to the grating direction V1, and V4 is s-polarized with respect to the microplate 4, no surface plasmon resonance light is generated by either the light L1 or L2. Even for incident light other than L1 and L2, the surface plasmon resonance light is not generated efficiently because the parallelism between the p-polarization property and V1 is low. Therefore, a bright fluorescent image cannot be obtained with the arrangement of incident light having a polarization axis and a grating as shown in FIG.
従来の蛍光顕微鏡において、偏光子を挿入しなくとも、通常組み込まれているフィルターセットの中に偏光依存性のある素子(ダイクロイックミラーなど)が含まれている場合、上記したように表面プラズモン共鳴光が効率よく発生するように、マイクロプレート4の配置、即ち格子の方向を調節することが必要である。 In a conventional fluorescence microscope, if a polarization-dependent element (such as a dichroic mirror) is included in a filter set that is normally incorporated without inserting a polarizer, surface plasmon resonance light is used as described above. Therefore, it is necessary to adjust the arrangement of the microplate 4, that is, the direction of the lattice so as to generate efficiently.
以上、本発明の実施の形態を、蛍光顕微鏡に適用する場合について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。特に、本発明のマイクロプレートは、落射型正立顕微鏡、落射型倒立顕微鏡、透過型正立顕微鏡、透過型倒立顕微鏡の何れの蛍光顕微鏡においても使用され得ることを明記しておく。また、本発明は、蛍光マイクロプレートリーダーに対しても同様に適用可能である。 As described above, the case where the embodiment of the present invention is applied to a fluorescence microscope has been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. In particular, it should be noted that the microplate of the present invention can be used in any of the fluorescence microscopes of an episcopic upright microscope, an episcopic inverted microscope, a transmission upright microscope, and a transmission inverted microscope. Further, the present invention can be similarly applied to a fluorescent microplate reader.
また、周期構造の形状は、上記した一方向に溝を有する形状に限定されず、図6に示すような、ベース基板5’の表面に交差する2方向に溝を形成した2次元周期構造や円形(フレネル)の周期構造であってもよい。図6は、2次元周期構造が形成されたベース基板5’の平面図である。ベース基板5’の表面には、複数の溝部9が直交する2方向に、即ち凸部10が直交する2方向に配列している。なお、溝9を形成する2方向は、直交していなくてもよく、斜めであってもよい。 In addition, the shape of the periodic structure is not limited to the shape having grooves in one direction as described above, and a two-dimensional periodic structure in which grooves are formed in two directions intersecting the surface of the base substrate 5 ′ as shown in FIG. It may be a circular (Fresnel) periodic structure. FIG. 6 is a plan view of the base substrate 5 ′ on which the two-dimensional periodic structure is formed. On the surface of the base substrate 5 ′, the plurality of groove portions 9 are arranged in two directions perpendicular to each other, that is, the convex portions 10 are arranged in two directions perpendicular to each other. Note that the two directions in which the grooves 9 are formed do not have to be orthogonal, and may be oblique.
2次元周期構造が形成されたベース基板を用いる場合、偏光した入射光を使用する場合にも、マイクロプレートの配置による蛍光強度への影響を小さくすることができる。また、偏光していない光を使用する場合、入射光の利用効率が高くなり、より明るい蛍光を観測することができる。 In the case of using a base substrate on which a two-dimensional periodic structure is formed, the influence on the fluorescence intensity due to the arrangement of the microplate can be reduced even when polarized incident light is used. In addition, when unpolarized light is used, the utilization efficiency of incident light is increased and brighter fluorescence can be observed.
蛍光マイクロプレートリーダーに使用する本発明に係るマイクロプレートに関しては、図7(上側は縦断面図、下側は平面図)に示したように、ベース基板5表面上の、アレイ状に配置された複数の領域11に周期構造を形成した後、ベース基板5の上に金属層6、消光抑制層7を順に形成すればよい。このとき、全ての領域11において周期構造の溝を同じ方向になるように形成することが望ましい。蛍光マイクロプレートリーダーで観測する場合、これらの複数の領域11の上に微量の試料をスポッティングして観測する。 The microplate according to the present invention used for the fluorescent microplate reader is arranged in an array on the surface of the base substrate 5 as shown in FIG. 7 (the upper side is a longitudinal sectional view and the lower side is a plan view). After forming the periodic structure in the plurality of regions 11, the metal layer 6 and the quenching suppression layer 7 may be sequentially formed on the base substrate 5. At this time, it is desirable to form grooves having a periodic structure in the same direction in all regions 11. When observing with a fluorescent microplate reader, a small amount of sample is spotted on the plurality of regions 11 and observed.
また、図7では、ベース基板5の表面全体に金属層6および消光抑制層7を形成しているが、これに限定されず、少なくとも周期構造が形成された領域11の上に金属層6および消光抑制層7が形成されていればよい。また、各領域11に、図6に示した2次元周期構造を形成してもよい。 In FIG. 7, the metal layer 6 and the quenching suppression layer 7 are formed on the entire surface of the base substrate 5. However, the present invention is not limited to this, and at least the metal layer 6 and the region 11 where the periodic structure is formed and It is sufficient that the quenching suppression layer 7 is formed. Further, the two-dimensional periodic structure shown in FIG. 6 may be formed in each region 11.
以下に、実施例を示し、本発明の特徴をさらに明らかにする。 Hereinafter, the features of the present invention will be further clarified by showing examples.
ベース基板としてガラス基板を使用し、その表面に観測波長オーダー以下の周期構造(周期:480nm、深さ:31nm、M:40%(図10参照、詳細は後述する))をもつ格子を形成し、さらにその上に接着層(Cr、膜厚0.3nm)、金属薄膜(銀、膜厚100nm)、接着および酸化防止層(Cr、膜厚1nm)、消光抑制層(SiO2、膜厚20nm)をスパッター法により形成してマイクロプレートを製作した。コントロール(比較対照)として周期構造のないスライドガラスにも同様に成膜した。 A glass substrate is used as a base substrate, and a grating having a periodic structure (period: 480 nm, depth: 31 nm, M: 40% (see FIG. 10, details will be described later)) of the order of the observation wavelength or less is formed on the surface. Furthermore, an adhesive layer (Cr, film thickness 0.3 nm), a metal thin film (silver, film thickness 100 nm), an adhesion and antioxidant layer (Cr, film thickness 1 nm), and a quenching suppression layer (SiO 2 , film thickness 20 nm) ) By a sputtering method to produce a microplate. As a control (comparative control), a film was similarly formed on a slide glass having no periodic structure.
波長632.8nmのp偏光入射光をベース基板側または消光抑制層側から入射して観測したマイクロプレートの反射率(即ち、落射で観測)の結果を図8に示す。入射光の偏光面と格子の方向V1との関係は平行である。図8では、ベース基板側からの入射による反射率カーブを点線で、消光抑制層側からの入射による反射率カーブを実線で描いている。 FIG. 8 shows the result of the reflectance (that is, observed by epi-illumination) of the microplate observed when p-polarized incident light having a wavelength of 632.8 nm is incident from the base substrate side or the quenching suppression layer side. The relationship between the polarization plane of incident light and the grating direction V1 is parallel. In FIG. 8, the reflectance curve due to incidence from the base substrate side is drawn with a dotted line, and the reflectance curve due to incidence from the quenching suppression layer side is drawn with a solid line.
図8のグラフから、周期構造基板のベース基板側からの入射、および消光抑制層側からの入射、どちらにおいても表面プラズモン共鳴光の発生が観測できることが分かる。図8では、ベース基板側からの入射でΨ=0(度)、φ=22(度)である場合に、表面プラズモン共鳴光が最も強く発生しており、消光抑制層側からの入射ではΨ=0(度)、φ=16(度)で表面プラズモン共鳴光が最も強く発生している(Ψは、図9に示したように、入射光の偏光面と格子の方向の成す角度である)。従って、NAの小さい対物レンズでも十分明るい蛍光観測が可能になることを示唆している。その一方で、このような表面プラズモン共鳴光が効率よく発生するのはp偏光入射光のときのみならず、角度Ψ回転させた光を用いて入射した場合にも発生させることができる。コントロールの周期構造のない基板では、入射角に依存せず、すべて80%以上の反射率(従って、表面プラズモン共鳴光の観測が難しい)を示した。 From the graph of FIG. 8, it can be seen that the generation of surface plasmon resonance light can be observed both in the incidence from the base substrate side of the periodic structure substrate and in the incidence from the quenching suppression layer side. In FIG. 8, when ψ = 0 (degrees) and φ = 22 (degrees) when incident from the base substrate side, surface plasmon resonance light is most strongly generated, and when incident from the quenching suppression layer side, Ψ = 0 (degrees), φ = 16 (degrees), surface plasmon resonance light is most strongly generated (Ψ is an angle formed by the plane of polarization of incident light and the direction of the grating, as shown in FIG. ). Therefore, it is suggested that sufficiently bright fluorescence observation is possible even with an objective lens having a small NA. On the other hand, such surface plasmon resonance light can be efficiently generated not only in the case of p-polarized incident light but also in the case of incidence using light rotated by an angle Ψ. The substrates without the control periodic structure all showed a reflectivity of 80% or more regardless of the incident angle (thus, it was difficult to observe surface plasmon resonance light).
よって、図8の結果から、マイクロプレートのどちら側から光を入射しても、表面プラズモン共鳴場を発生させ得ることがわかった。実際には、試料を搭載したマイクロプレートの配置および入射光の角度を調節し、最適状態を決定することが望ましい。 Therefore, from the result of FIG. 8, it was found that the surface plasmon resonance field can be generated regardless of which side of the microplate is incident. Actually, it is desirable to determine the optimum state by adjusting the arrangement of the microplate on which the sample is mounted and the angle of the incident light.
さらに本願発明者は、類似した周期構造を形成した基板を用いても、増強蛍光効果を生じさせる表面プラズモン共鳴場を発生しない基板が存在することを見出した。これについて、実験結果とシミュレーション結果との比較検討を行い、表面プラズモン共鳴発生の条件として、周期構造のデューティ比(duty ratio)、溝部の深さ、形状が重要であることを見出した。そして、シミュレーションにより、これら条件の望ましい範囲を決定することができた。以下に、具体的に説明する。 Furthermore, the inventor of the present application has found that there is a substrate that does not generate a surface plasmon resonance field that causes an enhanced fluorescence effect even when a substrate having a similar periodic structure is used. In this regard, the experimental results were compared with the simulation results, and it was found that the duty ratio of the periodic structure, the depth of the groove, and the shape were important as conditions for generating surface plasmon resonance. The desired range of these conditions could be determined by simulation. This will be specifically described below.
(1)まず、類似した周期構造をもつ次の2枚のベース基板(SiO2)を用いて、スパッター法により、ベース基板の周期構造上に金属層および消光抑制層を調製してマイクロプレートを製作した。具体的には、周期構造の上に約200nmの厚さで銀薄膜を形成し、さらにその上に約20nmの厚さで消光抑制層としてSiO2を形成した。そして、これらのマイクロプレートを用いて、実施例1と同様に表面プラズモン共鳴を観測した。
基板1:周期が480nm、溝部の深さが31nm、デューティ比が0.4
基板2:周期が480nm、溝部の深さが39nm、デューティ比が0.54
ここで、ベース基板表面の周期構造は、断面形状が図10に示した矩形状である。デューティ比は、周期に対する凸部の長さの割合をM%、周期に対する凹部の長さの割合をV%として、M/(M+V)である。
(1) First, by using the following two base substrates (SiO 2 ) having a similar periodic structure, a metal layer and a quenching suppression layer are prepared on the periodic structure of the base substrate by sputtering, and a microplate is formed. Produced. Specifically, a silver thin film was formed on the periodic structure with a thickness of about 200 nm, and further SiO 2 was formed thereon as a quenching suppression layer with a thickness of about 20 nm. Then, using these microplates, surface plasmon resonance was observed in the same manner as in Example 1.
Substrate 1: Period is 480 nm, groove depth is 31 nm, duty ratio is 0.4
Substrate 2: Period is 480 nm, groove depth is 39 nm, duty ratio is 0.54
Here, the periodic structure on the surface of the base substrate has the rectangular shape shown in FIG. The duty ratio is M / (M + V) where the ratio of the length of the convex portion to the period is M% and the ratio of the length of the concave portion to the period is V%.
観測結果を図11に示す。図11の(a)、(b)は、それぞれ基板1及び基板2に関する観測結果である。図11から分かるように、基板1では表面プラズモン共鳴が観測されたが、基板2では表面プラズモン共鳴が観測されなかった。 The observation results are shown in FIG. (A) and (b) of FIG. 11 are observation results regarding the substrate 1 and the substrate 2, respectively. As can be seen from FIG. 11, surface plasmon resonance was observed on the substrate 1, but surface plasmon resonance was not observed on the substrate 2.
基板1、2を原子間力顕微鏡(AFM)で検査したところ、ベース基板表面は矩形状の周期構造であるが、その上に形成された金属層の表面は、図12に示すように周期構造の段差部分に対応する部分が傾斜(以下、この部分をスロープという)していることが分かった。図12では、金属層の上の消光抑制層は省略している。周期構造の山(M%)、谷(V%)、スロープ(SL%)の比率は、基板1に関してはV:M:SL=33:39:14であり、基板2に関してはV:M:SL=24:60:8であった。 When the substrates 1 and 2 are examined with an atomic force microscope (AFM), the base substrate surface has a rectangular periodic structure, but the surface of the metal layer formed thereon has a periodic structure as shown in FIG. It was found that the portion corresponding to the step portion of the slope is inclined (hereinafter, this portion is referred to as a slope). In FIG. 12, the quenching suppression layer on the metal layer is omitted. The ratio of the peak (M%), valley (V%), and slope (SL%) of the periodic structure is V: M: SL = 33: 39: 14 for the substrate 1 and V: M: for the substrate 2. SL = 24: 60: 8.
そこで、公知の厳密結合波解析(RCWA)によるシミュレーションを行った。その結果を図13に示す。図13の(a)、(b)は、それぞれ基板1、2に関するシミュレーション結果であり、実験データである図11の(a)、(b)を再現できていることが分かる。なお、シミュレーションは、実際のマイクロプレートとは異なり、銀薄膜の上に形成されたSiO2が銀薄膜の平らな山及び谷のみに存在し、スロープ上には存在しない条件で行った。 Therefore, a simulation by a well-known exact coupled wave analysis (RCWA) was performed. The result is shown in FIG. FIGS. 13A and 13B are simulation results for the substrates 1 and 2, respectively, and it can be seen that the experimental data of FIGS. 11A and 11B can be reproduced. Note that, unlike an actual microplate, the simulation was performed under the condition that SiO 2 formed on the silver thin film exists only in the flat peaks and valleys of the silver thin film and does not exist on the slope.
(2)次に、図12に示した形状において、周期構造の山(M%)、谷(V%)、スロープ(SL%)の比率を変化させて、厳密結合波解析(RCWA)によるシミュレーションを行った。 (2) Next, in the shape shown in FIG. 12, the ratio of the peak (M%), valley (V%), and slope (SL%) of the periodic structure is changed, and the simulation is performed by rigorous coupled wave analysis (RCWA). Went.
その結果、次のことが分かった。
i) 図14のように表面がほぼ垂直なスロープ(傾斜角度αが90度)をもつ周期構造では、表面プラズモン共鳴はデューティ比に敏感に依存し、プラズモン共鳴場が発生する条件が制限されるが、図12のような表面にスロープ(高さ10〜50nm、且つSL=40〜100nm、即ち傾斜角度αが6〜50度)のある構造では、表面プラズモン共鳴発生のデューティ比への依存度が小さく、限られた一部の条件でプラズモン共鳴が発生しないことが分かった。特にスロープの傾斜が緩い程、表面プラズモン共鳴のデューティ比への依存度は小さくなる。
ii) 金属層表面にスロープをもたせた構造にすることで、表面プラズモン共鳴の溝部の深さへの依存度も軽減される。
iii) 表面プラズモン共鳴は周期にはあまり依存しない。
As a result, the following was found.
i) In a periodic structure having a slope with a substantially vertical surface (tilt angle α is 90 degrees) as shown in FIG. 14, surface plasmon resonance depends sensitively on the duty ratio, and conditions for generating a plasmon resonance field are limited. However, in the structure having a slope (height of 10 to 50 nm and SL = 40 to 100 nm, that is, the inclination angle α is 6 to 50 degrees) as shown in FIG. 12, the dependence of the surface plasmon resonance generation on the duty ratio It was found that plasmon resonance does not occur under some limited conditions. In particular, the gentler the slope slope, the smaller the dependence of the surface plasmon resonance on the duty ratio.
ii) Dependence of the surface plasmon resonance on the depth of the groove is reduced by providing a structure having a slope on the surface of the metal layer.
iii) Surface plasmon resonance is not very dependent on the period.
金属層(特に銀薄膜)の厚さが約200nmの場合の望ましい条件を具体的に示せば、次のとおりである。
金属層表面にスロープが無く垂直な段差が形成されている(α=90°)場合、ベース基板の凹部の深さをd(nm)として、
d=10±5(5以上15未満)、且つ、15≦M<45、45<M<85、若しくは85<M<100、
d=20±5(15以上25未満)、且つ、10≦M<100、
d=30±5(25以上35未満)、且つ、10≦M≦40、60≦M≦70、若しくは75≦M≦95、
d=40±5(35以上45未満)、且つ、0<M≦40、45≦M≦55、若しくは60≦M≦70
である。
金属層表面がスロープを有し(α<90°)、SL=10±5の場合(ベース基板はα=90°)、ベース基板の凹部の深さをd(nm)として、
d=10±5(5nm以上15nm未満、即ちαが約12度)、且つ、0<M<70、または70<M<100
d=20±5(15nm以上25nm未満、即ちαが約23度)、且つ、0<M<80、または80<M<100
d=30±5(25nm以上35nm未満、即ちαが約32度)、且つ、0<M<60、または60<M<100
d=30±5(35nm以上55nm未満、即ちαが約40度)、且つ、0<M<60、または60<M<100
である。
The specific conditions when the thickness of the metal layer (particularly the silver thin film) is about 200 nm are specifically shown as follows.
When the metal layer surface has no slope and a vertical step is formed (α = 90 °), the depth of the recess of the base substrate is d (nm),
d = 10 ± 5 (5 or more and less than 15) and 15 ≦ M <45, 45 <M <85, or 85 <M <100,
d = 20 ± 5 (15 or more and less than 25), and 10 ≦ M <100,
d = 30 ± 5 (25 or more and less than 35), and 10 ≦ M ≦ 40, 60 ≦ M ≦ 70, or 75 ≦ M ≦ 95,
d = 40 ± 5 (35 or more and less than 45) and 0 <M ≦ 40, 45 ≦ M ≦ 55, or 60 ≦ M ≦ 70
It is.
When the surface of the metal layer has a slope (α <90 °) and SL = 10 ± 5 (the base substrate is α = 90 °), the depth of the concave portion of the base substrate is d (nm),
d = 10 ± 5 (5 nm or more and less than 15 nm, that is, α is about 12 degrees), and 0 <M <70, or 70 <M <100
d = 20 ± 5 (15 nm or more and less than 25 nm, that is, α is about 23 degrees), and 0 <M <80, or 80 <M <100
d = 30 ± 5 (25 nm or more and less than 35 nm, that is, α is about 32 degrees), and 0 <M <60, or 60 <M <100
d = 30 ± 5 (35 nm or more and less than 55 nm, that is, α is about 40 degrees), and 0 <M <60, or 60 <M <100
It is.
周期構造(周期:480nm、深さ:31nm、M:40%)を形成したガラスの上に接着層(Cr、膜厚0.3nm)、金属薄膜(銀、膜厚100nm)、接着および酸化防止層(Cr、膜厚1nm)、消光抑制層(SiO2、膜厚20nm)を成膜し、消光抑制層の表面を1%アミノプロピルトリエトキシシランによってアミノ化したものを調製した。試料として、Cy5蛍光標識蛋白(ストレプトアビジン)で結合されたビオチン化マイクロビーズを基板に吸着させて透過型正立顕微鏡で蛍光観測した。また、DiI蛍光標識された細胞を基板に吸着させて落射型倒立顕微鏡で蛍光観測した。蛍光観測においては、どちらもハロゲンランプを用い、フィルターとして前者では発光側にCy5用フィルター、入射側に633nm干渉フィルターを挿入し、後者ではCy3フィルターキューブを用いた。 Adhesive layer (Cr, film thickness 0.3 nm), metal thin film (silver, film thickness 100 nm), adhesion and oxidation prevention on glass with periodic structure (period: 480 nm, depth: 31 nm, M: 40%) A layer (Cr, film thickness 1 nm) and a quenching suppression layer (SiO 2 , film thickness 20 nm) were formed, and the surface of the quenching suppression layer was aminated with 1% aminopropyltriethoxysilane. As a sample, biotinylated microbeads bound with Cy5 fluorescently labeled protein (streptavidin) were adsorbed on a substrate, and fluorescence was observed with a transmission upright microscope. Further, DiI fluorescently labeled cells were adsorbed on a substrate, and fluorescence was observed with an episcopic inverted microscope. In both fluorescence observations, halogen lamps were used. In the former, a Cy5 filter was inserted on the light emission side and a 633 nm interference filter was inserted on the incident side, and a Cy3 filter cube was used in the latter.
観測結果を図15に示す。図15の(a)が透過型正立顕微鏡で観察したビーズの蛍光像、図15の(b)が落射型倒立顕微鏡による細胞の蛍光像である。このように、周期構造マイクロプレートに吸着した細胞からの増強蛍光が観測された。 The observation results are shown in FIG. FIG. 15A is a fluorescence image of a bead observed with a transmission upright microscope, and FIG. 15B is a fluorescence image of a cell with an episcopic inverted microscope. Thus, enhanced fluorescence from the cells adsorbed on the periodic structure microplate was observed.
実施例3では、周期構造基板上に金属膜などを成膜し、さらにその表面をアミノ化して顕微鏡観測用のプレートとして利用したが、これは蛋白質を吸着させやすくするための基板表面処理である。ここでは、LaSFN9(ドイツ・ヘルマ社)という高屈折率ガラス基板上に膜厚48nmの金を成膜し、末端がメルカプト基の下記6種類のチオール化合物の数μM(マイクロモラー(モラー=モル/リットル))エタノール溶液に15分〜1時間浸漬後洗浄して、消光抑制層の表面を修飾した。チオール化合物は以下のとおりである。
(1)メルカプト−ポリエチレングリコール(末端ヒドロキシル基)
(2)メルカプト−ポリエチレングリコールカルボン酸(末端カルボキシル基)
(3)メルカプト−ウンデカノール(末端ヒドロキシル基)
(4)メルカプト−ドデカン(末端メチル基)
(5)メルカプト−アミノウンデカン(末端アミノ基)
(6)メルカプト−ビオチン化ポリエチレングリコール(末端ビオチン)
表面に数μMの蛋白質ストレプトアビジン溶液を注入して、その吸着量を図19に示すようなプリズムカップリング表面プラズモン共鳴法(クレッチマン型)により、評価した。その結果が図16である。
In Example 3, a metal film or the like was formed on the periodic structure substrate, and the surface thereof was aminated and used as a microscope observation plate. This is a substrate surface treatment for facilitating protein adsorption. . Here, a gold film with a film thickness of 48 nm is formed on a high refractive index glass substrate called LaSFN9 (Herma, Germany), and several μM of the following six kinds of thiol compounds having a terminal mercapto group (micro-molar (molar = mol / mol / L)) The surface of the quenching suppression layer was modified by immersing in an ethanol solution for 15 minutes to 1 hour and then washing. The thiol compounds are as follows.
(1) Mercapto-polyethylene glycol (terminal hydroxyl group)
(2) Mercapto-polyethylene glycol carboxylic acid (terminal carboxyl group)
(3) Mercapto-undecanol (terminal hydroxyl group)
(4) Mercapto-dodecane (terminal methyl group)
(5) Mercapto-aminoundecane (terminal amino group)
(6) Mercapto-biotinylated polyethylene glycol (terminal biotin)
Several μM protein streptavidin solution was injected on the surface, and the amount of adsorption was evaluated by the prism coupling surface plasmon resonance method (Kretschmann type) as shown in FIG. The result is shown in FIG.
表面がヒドロキシル基やカルボキシル基の場合には、ほとんど蛋白質は吸着しないが、メチル基(アルキル化表面)では特異的結合の6割強、アミノ化表面では9割強の吸着がおこっている。よって、表面の構造をアルキル化、好ましくはアミノ化することで、観察する蛋白質や細胞をより高密度に結合あるいは吸着させることが可能なプレートにすることができることがわかった。 When the surface is a hydroxyl group or a carboxyl group, almost no protein is adsorbed, but the methyl group (alkylated surface) adsorbs more than 60% of the specific bond and more than 90% of the aminated surface. Therefore, it was found that the surface structure can be alkylated, preferably aminated, so that a plate capable of binding or adsorbing proteins and cells to be observed with higher density can be obtained.
ベース基板として厚さ1mmのプラスチック基板を使用し、その表面に観測波長オーダー以下の周期構造(周期:480nm、深さ:30nm、M:45%)をもつ格子を形成し、さらにその上に接着層(Cr、膜厚0.3nm)金属薄膜(銀、膜厚100nm)、接着および酸化防止層(Cr、膜厚1nm)、消光抑制層(SiO2、膜厚20nm)を形成してマイクロプレートを製作した。 A plastic substrate with a thickness of 1 mm is used as the base substrate, and a lattice having a periodic structure (period: 480 nm, depth: 30 nm, M: 45%) of the order of the observation wavelength or less is formed on the surface, and further bonded thereon. A microplate having a layer (Cr, film thickness 0.3 nm), a metal thin film (silver, film thickness 100 nm), an adhesion and antioxidant layer (Cr, film thickness 1 nm), and a quenching suppression layer (SiO 2 , film thickness 20 nm) Was made.
消光抑制層表面を1%アミノプロピルトリエトキシシラン水溶液で化学処理(室温で40分間)し、さらに末端が活性エステル化カルボキシル基で修飾されたビオチン化ポリエチレングリコール2mMりん酸緩衝溶液を滴下し、約1時間インキュベートしアミノ基と反応させてミリQ水にて洗浄した。 The surface of the quenching suppression layer is chemically treated with a 1% aminopropyltriethoxysilane aqueous solution (at room temperature for 40 minutes), and a biotinylated polyethylene glycol 2 mM phosphate buffer solution whose end is modified with an active esterified carboxyl group is added dropwise. It was incubated for 1 hour, reacted with amino groups, and washed with milliQ water.
このビオチン化基板表面に両面テープで径15mmのカバーガラスをとりつけ、ここへ8nM(ナノモラー)蛍光標識蛋白質(Cy5−ストレプトアビジン)りん酸緩衝水溶液20μL(マイクロリットル)を注入し、蛋白質を表面に結合させ、リンス(洗浄)操作なしで、入射角に対する反射率および蛍光強度を計測する装置にセットした。またコントロールとして、20nM蛍光標識蛋白質(Cy5−抗GFP抗体)りん酸緩衝水溶液20μLを注入し、蛋白質を非特異吸着させ、同様にリンス操作なしで、入射角に対する反射率および蛍光強度を計測する装置にセットした。 A cover glass with a diameter of 15 mm is attached to the surface of this biotinylated substrate with double-sided tape, and 20 μL (microliter) of 8 nM (nanomolar) fluorescently labeled protein (Cy5-streptavidin) phosphate buffer solution is injected to bind the protein to the surface. The apparatus was set in a device for measuring the reflectance and fluorescence intensity with respect to the incident angle without rinsing (cleaning) operation. In addition, as a control, 20 μL of 20 nM fluorescently labeled protein (Cy5-anti-GFP antibody) phosphate buffer aqueous solution is injected, the protein is non-specifically adsorbed, and the reflectance and fluorescence intensity with respect to the incident angle are similarly measured without rinsing. Set.
波長632.8nmのp偏光をベース基板側から入射して入射角に対する反射率および蛍光強度計測を行った。その結果を図17に示す。 A p-polarized light having a wavelength of 632.8 nm was incident from the base substrate side, and the reflectance and fluorescence intensity were measured with respect to the incident angle. The result is shown in FIG.
図17の(a)に示されたように、8nMCy5−ストレプトアビジン水溶液を注入して15分後、22度に見られる表面プラズモン共鳴角(反射率曲線における極小点)が観測された。また、この表面プラズモン共鳴角に対応する増強蛍光のピークも観測された。よって、ベース基板側からの光入射によっても、消光抑制層表面に吸着した蛍光分子からの増強蛍光を検出することができるプレートであることが確認できた。 As shown in FIG. 17A, 15 minutes after injecting the 8 nMCy5-streptavidin aqueous solution, a surface plasmon resonance angle (minimum point in the reflectance curve) observed at 22 degrees was observed. An enhanced fluorescence peak corresponding to the surface plasmon resonance angle was also observed. Therefore, it was confirmed that the plate was able to detect enhanced fluorescence from the fluorescent molecules adsorbed on the surface of the quenching suppression layer even when light was incident from the base substrate side.
また、図17の(b)に示されたように、同じ構造の基板を用いてコントロール実験をしたところ、20nMCy5−抗GFP抗体水溶液を注入して15分後、表面プラズモン共鳴角に対応する増強蛍光は見られなかった。 Further, as shown in FIG. 17B, when a control experiment was performed using a substrate having the same structure, an enhancement corresponding to the surface plasmon resonance angle was performed 15 minutes after injecting the 20 nMCy5-anti-GFP antibody aqueous solution. No fluorescence was seen.
よって、本マイクロプレートを用いることで、リンス操作なしの試料注入の1ステップで背景光が抑制され、低濃度でも非特異吸着と特異的結合を区別することのできる非常に高感度かつ高いS/N比の計測ができたことが示された。 Therefore, by using this microplate, background light is suppressed in one step of sample injection without rinsing operation, and it is possible to distinguish non-specific adsorption from specific binding even at low concentration and high S / It was shown that the N ratio could be measured.
入射光の方向と蛍光の観測方向による観測される蛍光強度の違いについて検証した。具体的には、実施例5と同様に、5nMCy5−ストレプトアビジンの特異的吸着を洗浄(リンス)なしで格子カップリング表面プラズモン共鳴による増強蛍光から計測した。その結果を図18に示す。 The difference in the observed fluorescence intensity between the incident light direction and the fluorescence observation direction was verified. Specifically, as in Example 5, specific adsorption of 5nMCy5-streptavidin was measured from enhanced fluorescence by lattice coupling surface plasmon resonance without washing (rinsing). The result is shown in FIG.
図18において、(a)は、消光抑制層側から光を入射し、消光抑制層側から蛍光を検出した結果であり、(b)は、ベース基板側から光を入射し、消光抑制層側から蛍光を検出した結果である。(a)では、溶液中に存在する未吸着の蛍光分子からの蛍光が背景光として30%以上を占めているが、(b)では、背景光の影響が3%未満である。このように、ベース基板側からの照射により、背景光が抑制されるので、消光抑制層側からの照射に比べて、蛍光観察におけるS/Nを大きく改善することができる。よって、ベース基板側から光を入射することによって、リンス操作が不要なマイクロプレートを実現することができる。 In FIG. 18, (a) is the result of light entering from the quenching suppression layer side and fluorescence is detected from the quenching suppression layer side, and (b) is the result of light entering from the base substrate side and the quenching suppression layer side. It is the result of having detected fluorescence from. In (a), the fluorescence from unadsorbed fluorescent molecules present in the solution accounts for 30% or more as background light, but in (b), the influence of background light is less than 3%. Thus, since background light is suppressed by irradiation from the base substrate side, S / N in fluorescence observation can be greatly improved compared to irradiation from the quenching suppression layer side. Therefore, a microplate that does not require a rinsing operation can be realized by making light incident from the base substrate side.
1 表面プラズモン励起増強蛍光顕微鏡(SPFM)
2 本体
3 ステージ
4 マイクロプレート
5、5’ ベース基板
6 金属層
7 消光抑制層
8 周期構造
9 溝部
10 凸部
IN1 消光抑制層側からの光の入射
IN2 ベース基板側からの光の入射
T 消光抑制層側からの蛍光の検出
B ベース基板側からの蛍光の検出
A 試料
Li 照明光
Lp 観測光(プラズモン励起増強蛍光)
L1、L2 入射光
V1 格子の方向
V2、V3 入射光のp偏光成分
V4 入射光のs偏光成分
φ 入射角度
U1、U2 入射平面
1 Surface plasmon excitation enhanced fluorescence microscope (SPFM)
2 Main body 3 Stage 4 Microplate 5, 5 ′ Base substrate 6 Metal layer 7 Quenching suppression layer 8 Periodic structure 9 Groove 10 Protruding portion IN1 Light incident from the quenching suppression layer side IN2 Light incident from the base substrate side T Quenching suppression Detection of fluorescence from the layer side B Detection of fluorescence from the base substrate side Sample Li Illumination light Lp Observation light (plasmon excitation enhanced fluorescence)
L1, L2 Incident light V1 Lattice directions V2, V3 P-polarized component of incident light V4 S-polarized component of incident light φ Incident angles U1, U2 Incident plane
Claims (12)
前記マイクロプレートが、
表面に周期構造を有するベース基板と、
前記周期構造の上に形成された非透光性の金属層と、
前記金属層の上に形成された消光抑制層とを備え、
前記周期構造が一方向に沿って形成された複数の溝部を備え、前記金属層が表面にスロープを有し、前記金属層が、伝播型の表面プラズモン共鳴光を発生し得る金属で形成され、前記消光抑制層の表面に抗体が吸着あるいは結合されており、
前記方法が、
前記マイクロプレートに光を入射させて、前記表面プラズモン共鳴光によって増強された電場を発生させるステップと、
発生させた前記電場を蛍光分子の励起場として、前記増強蛍光を、前記ベース基板側または前記消光抑制層側のいずれかから検出するステップとを含み、
前記ベース基板側から入射される前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす角度が、前記光が屈曲手段によって屈曲されなくても、前記マイクロプレートに入射可能な角度であり、かつ、前記表面プラズモン共鳴光を発生させて前記増強蛍光を供与する程度に小さい角度であることを特徴とする検出方法。 A method of detecting a specific antigen-antibody reaction with enhanced fluorescence using a fluorescently labeled secondary antibody using a microplate in a fluorescence microscope or a fluorescence microplate reader,
The microplate is
A base substrate having a periodic structure on the surface;
A non-translucent metal layer formed on the periodic structure;
A quenching suppression layer formed on the metal layer,
The periodic structure includes a plurality of grooves formed along one direction, the metal layer has a slope on the surface, and the metal layer is formed of a metal capable of generating a propagation type surface plasmon resonance light, The antibody is adsorbed or bound to the surface of the quenching suppression layer,
The method comprises
Causing light to enter the microplate to generate an electric field enhanced by the surface plasmon resonance light; and
Using the generated electric field as an excitation field of fluorescent molecules, and detecting the enhanced fluorescence from either the base substrate side or the quenching suppression layer side,
The angle formed by the incident direction of the light incident from the base substrate side and the perpendicular of the plane on which the light is incident on the base substrate is equal to the microplate even if the light is not bent by the bending means. A detection method characterized by being an incident angle and an angle that is small enough to generate the surface plasmon resonance light and provide the enhanced fluorescence .
前記ベース基板の表面の前記周期構造が、矩形の周期構造であり、 The periodic structure on the surface of the base substrate is a rectangular periodic structure;
前記金属層が、矩形の段差部分に対応する表面に前記スロープを有し、厚さ200nmに形成され、 The metal layer has the slope on the surface corresponding to the rectangular step portion, and is formed to a thickness of 200 nm;
前記周期に対する前記スロープの長さの割合が10±5%であり、 The ratio of the length of the slope to the period is 10 ± 5%;
前記溝部の深さをdnmとし、前記周期に対する山の長さの割合をM%として、 The depth of the groove is dnm, and the ratio of the peak length to the period is M%.
5≦d<15、且つ、0<M<70、若しくは70<M<100、 5 ≦ d <15, and 0 <M <70, or 70 <M <100,
15≦d<25、且つ、0<M<80、若しくは80<M<100、 15 ≦ d <25 and 0 <M <80, or 80 <M <100,
25≦d<35、且つ、0<M<60、若しくは60<M<100、または、 25 ≦ d <35 and 0 <M <60, or 60 <M <100, or
35≦d<45、且つ、0<M<60、若しくは60<M<100 35 ≦ d <45 and 0 <M <60, or 60 <M <100
であることを特徴とする請求項1に記載の検出方法。 The detection method according to claim 1, wherein:
前記マイクロプレートが、表面に周期構造を有するベース基板と、該ベース基板の前記周期構造の上に形成された非透光性の金属層と、該金属層の上に形成された消光抑制層とを備え、前記周期構造が一方向に沿って形成された複数の溝部を備え、前記金属層が表面にスロープを有し、前記金属層が、伝播型の表面プラズモン共鳴光を発生し得る金属で形成され、前記消光抑制層の表面に抗体が吸着あるいは結合されており、
前記蛍光顕微鏡が、
前記マイクロプレートに光を入射させて、前記表面プラズモン共鳴光によって増強された電場を発生させるステップと、発生させた該電場を蛍光分子の励起場として、前記増強蛍光を、前記ベース基板側または前記消光抑制層側のいずれかから検出するステップとを含む方法により、前記マイクロプレートからの前記増強蛍光を検出し、
前記ベース基板側から入射される前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす角度が、前記光が屈曲手段によって屈曲されなくても、前記マイクロプレートに入射可能な角度であり、かつ、前記表面プラズモン共鳴光を発生させて前記増強蛍光を供与する程度に小さい角度であることを特徴とする表面プラズモン励起増強蛍光顕微鏡。 A fluorescence microscope equipped with a sample to be observed and having a microplate for detecting a specific antigen-antibody reaction by enhanced fluorescence using a fluorescently labeled secondary antibody,
The microplate includes a base substrate having a periodic structure on a surface thereof, a non-translucent metal layer formed on the periodic structure of the base substrate, and a quenching suppression layer formed on the metal layer. The periodic structure includes a plurality of grooves formed along one direction, the metal layer has a slope on the surface, and the metal layer is a metal that can generate a propagation type surface plasmon resonance light. Formed, the antibody is adsorbed or bound to the surface of the quenching suppression layer,
The fluorescence microscope is
Injecting light into the microplate to generate an electric field enhanced by the surface plasmon resonance light, and using the generated electric field as an excitation field of a fluorescent molecule, the enhanced fluorescence is transmitted to the base substrate side or the by a method comprising the steps of detecting from one of the quenching suppressing layer side, detects the enhanced fluorescence from the microplate,
The angle formed by the incident direction of the light incident from the base substrate side and the perpendicular of the plane on which the light is incident on the base substrate is equal to the microplate even if the light is not bent by the bending means. A surface plasmon excitation-enhanced fluorescence microscope characterized in that the angle is an incident angle and the angle is small enough to generate the surface plasmon resonance light and provide the enhanced fluorescence.
前記ベース基板の表面の前記周期構造が、矩形の周期構造であり、 The periodic structure on the surface of the base substrate is a rectangular periodic structure;
前記金属層が、矩形の段差部分に対応する表面に前記スロープを有し、厚さ200nmに形成され、 The metal layer has the slope on the surface corresponding to the rectangular step portion, and is formed to a thickness of 200 nm;
前記周期に対する前記スロープの長さの割合が10±5%であり、 The ratio of the length of the slope to the period is 10 ± 5%;
前記溝部の深さをdnmとし、前記周期に対する山の長さの割合をM%として、 The depth of the groove is dnm, and the ratio of the peak length to the period is M%.
5≦d<15、且つ、0<M<70、若しくは70<M<100、 5 ≦ d <15, and 0 <M <70, or 70 <M <100,
15≦d<25、且つ、0<M<80、若しくは80<M<100、 15 ≦ d <25 and 0 <M <80, or 80 <M <100,
25≦d<35、且つ、0<M<60、若しくは60<M<100、または、 25 ≦ d <35 and 0 <M <60, or 60 <M <100, or
35≦d<45、且つ、0<M<60、若しくは60<M<100 35 ≦ d <45 and 0 <M <60, or 60 <M <100
であることを特徴とする請求項5に記載の表面プラズモン励起増強蛍光顕微鏡。 The surface plasmon excitation enhanced fluorescence microscope according to claim 5, wherein
前記マイクロプレートが、表面に周期構造を有するベース基板と、該ベース基板の前記周期構造の上に形成された非透光性の金属層と、該金属層の上に形成された消光抑制層とを備え、前記周期構造が一方向に沿って形成された複数の溝部を備え、前記金属層が表面にスロープを有し、前記金属層が、伝播型の表面プラズモン共鳴光を発生し得る金属で形成され、前記消光抑制層の表面に抗体が吸着あるいは結合されており、
前記蛍光マイクロプレートリーダーが、
前記マイクロプレートに光を入射させて、前記表面プラズモン共鳴光によって増強された電場を発生させるステップと、発生させた該電場を蛍光分子の励起場として、前記増強蛍光を、前記ベース基板側または前記消光抑制層側のいずれかから検出するステップとを含む方法により、前記マイクロプレートからの前記増強蛍光を検出し、
前記ベース基板側から入射される前記光の入射方向と、前記ベース基板の前記光が入射される平面の垂線とがなす角度が、前記光が屈曲手段によって屈曲されなくても、前記マイクロプレートに入射可能な角度であり、かつ、前記表面プラズモン共鳴光を発生させて前記増強蛍光を供与する程度に小さい角度であることを特徴とする表面プラズモン励起増強蛍光マイクロプレートリーダー。 A fluorescence microplate reader equipped with a sample to be observed and having a microplate for detecting a specific antigen-antibody reaction by enhanced fluorescence using a fluorescently labeled secondary antibody,
The microplate includes a base substrate having a periodic structure on a surface thereof, a non-translucent metal layer formed on the periodic structure of the base substrate, and a quenching suppression layer formed on the metal layer. The periodic structure includes a plurality of grooves formed along one direction, the metal layer has a slope on the surface, and the metal layer is a metal that can generate a propagation type surface plasmon resonance light. Formed, the antibody is adsorbed or bound to the surface of the quenching suppression layer,
The fluorescent microplate reader is
Injecting light into the microplate to generate an electric field enhanced by the surface plasmon resonance light, and using the generated electric field as an excitation field of a fluorescent molecule, the enhanced fluorescence is transmitted to the base substrate side or the by a method comprising the steps of detecting from one of the quenching suppressing layer side, detects the enhanced fluorescence from the microplate,
The angle formed by the incident direction of the light incident from the base substrate side and the perpendicular of the plane on which the light is incident on the base substrate is equal to the microplate even if the light is not bent by the bending means. A surface plasmon excitation-enhanced fluorescence microplate reader having an incident angle and an angle small enough to generate the surface plasmon resonance light and provide the enhanced fluorescence.
前記ベース基板の表面の前記周期構造が、矩形の周期構造であり、 The periodic structure on the surface of the base substrate is a rectangular periodic structure;
前記金属層が、矩形の段差部分に対応する表面に前記スロープを有し、厚さ200nmに形成され、 The metal layer has the slope on the surface corresponding to the rectangular step portion, and is formed to a thickness of 200 nm;
前記周期に対する前記スロープの長さの割合が10±5%であり、 The ratio of the length of the slope to the period is 10 ± 5%;
前記溝部の深さをdnmとし、前記周期に対する山の長さの割合をM%として、 The depth of the groove is dnm, and the ratio of the peak length to the period is M%.
5≦d<15、且つ、0<M<70、若しくは70<M<100、 5 ≦ d <15, and 0 <M <70, or 70 <M <100,
15≦d<25、且つ、0<M<80、若しくは80<M<100、 15 ≦ d <25 and 0 <M <80, or 80 <M <100,
25≦d<35、且つ、0<M<60、若しくは60<M<100、または、 25 ≦ d <35 and 0 <M <60, or 60 <M <100, or
35≦d<45、且つ、0<M<60、若しくは60<M<100 35 ≦ d <45 and 0 <M <60, or 60 <M <100
であることを特徴とする請求項9に記載の表面プラズモン励起増強蛍光マイクロプレートリーダー。 10. The surface plasmon excitation enhanced fluorescence microplate reader according to claim 9.
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