專利名稱:生物分子檢測設備和生物分子檢測方法
技術領域:
本發(fā)明涉及檢測溶液中的檢測對象物質的技術。具體地,本發(fā)明涉及一種能夠檢測樣品中的生物分子、病毒、核酸、蛋白質和細菌的生物分子檢測設備和生物分子檢測方法。
背景技術:
近年來,正在關注生物分子檢測方法,在生物分子檢測方法中,醫(yī)生或技術人員檢測關心點處的生物分子,直接獲得測量結果,并利用測量結果進行診斷和治療。生物分子檢測方法是用于通過諸如抗原抗體反應的特異性反應的高選擇性來選擇性地僅檢測來自體液(例如,血液、尿液以及汗液)中的檢測對象物質的方法。這種生物分子檢測方法被尤其廣泛地用于檢測、檢查、定量和分析少量生物分子,諸如病毒、核酸、蛋白質和細菌。放射性免疫測定是一種實際使用的生物分子檢測方法。放射性免疫測定采用被同位素標記的抗原或抗體,并檢測與標記抗原或標記抗體特異性結合的抗體或抗原的存在。熒光免疫測定是一種不采用放射性物質的生物分子檢測方法。已知這樣的熒光免疫測定設備,在該熒光免疫測定設備中,抗體被預先固定到反應層(稱為固相)上,使測量靶溶液和標記有熒光分子的抗體流動到反應層上,并且觀察反應層附近的熒光以測量已經(jīng)與抗體特異性結合的抗原的濃度(例如,參照專利文獻I)。然而,利用固相的熒光免疫測定的問題在于:制備固相的成本較高。存在一種利用熒光偏振方法來確認溶液(稱為液相)中的抗原抗體反應的方法作為不采用固相的方法。熒光偏振方法是一種檢測由布朗運動變化所引起的熒光偏振度的變化的方法,其中所述布朗運動的變化由于分子與具有熒光標記的分子結合而使得分子尺寸變化而出現(xiàn)。利用熒光偏振方法的生物分子檢測方法被公知為一種用于檢測樣品內的檢測對象物質的簡單且便利的方法(例如,參照專利文獻2)。[現(xiàn)有技術文獻][專利文獻][專利文獻I]日本未審查專利公開號H7-120397[專利文獻2]日本未審查專利公開號2008-29874
發(fā)明內容
然而,傳統(tǒng)的熒光偏振方法利用隨機的布朗運動變化,因此具有測量靈敏度受到限制的問題。另外,專利文獻2中公開的方法要求熒光壽命足夠長以受布朗運動變化的影響。然而,熒光壽命受樣品內的成分影響。因此,存在在由專利文獻2的方法獲得的測量結果中將出現(xiàn)波動的情況??紤]到上述情況做出本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠進行高靈敏度測量的生物分子檢測設備和生物分子檢測方法。實現(xiàn)以上目的的本發(fā)明的生物分子檢測設備是這樣的生物分子檢測設備,其檢測由第一復合體發(fā)射的熒光和由第二復合體發(fā)射的熒光以檢測或定量化溶液中存在的檢測對象物質,所述第一復合體具有與所述檢測對象物質特異性結合的物質和熒光分子,并且所述第二復合體由所述第一復合體與所述檢測對象物質結合而成,所述生物分子檢測設備包括:光源,所述光源照射具有特定方向上的線偏振成分并激發(fā)所述熒光分子的激發(fā)光;光接收部,所述光接收部檢測由所述熒光分子發(fā)射的熒光;取向控制裝置,所述取向控制裝置用于將在所述溶液內的所述第二復合體的取向周期性地轉換;同步成分抽取裝置,所述同步成分抽取裝置用于抽取由所述光接收部檢測的熒光中與所述第二復合體取向的所述周期同步的成分;以及計算部,所述計算部基于由所述同步成分抽取裝置抽取的所述成分檢測或定量化所述檢測對象物質。對于本發(fā)明的生物分子檢測設備優(yōu)選的是采用這樣的構造,其中:取向控制裝置在第一方向上的取向與在第二方向上的取向之間轉換第二復合體的取向,在所述第一方向上,第二復合體具有的熒光分子的躍遷矩的方向和激發(fā)光的線偏振成分的振動方向是平行的,在所述第二方向上,所述躍遷矩的方向和所述振動方向是垂直的。對于本發(fā)明的生物分子檢測設備優(yōu)選的是采用這樣的構造,其中:第二復合體取向轉換的周期由檢測對象物質的分子量和體積中的一個、與檢測對象物質特異性結合的物質的分子量和體積中的一個、熒光分子的分子量和體積中的一個,以及由取向控制裝置施加的取向控制的強度確定。對于本發(fā)明的生物分子檢測設備優(yōu)選的是采用這樣的構造,其中:取向控制裝置配備有取向控制光源,所述取向控制光源照射波長與所述激發(fā)光的波長不同的光而使所述第二復合體進行取向。在這種情況下,對于取向控制光源優(yōu)選的是從多個位置向所述溶液照射波長與所述激發(fā)光的波長不同的光。對于本發(fā)明的生物分子檢測設備優(yōu)選的是還包括:用于保持溶液的溶液保持部,所述溶液保持部至少在其一面具有平面。在這種情況下,對于取向控制光源優(yōu)選的是向穿過所述溶液并從所述溶液保持部的所述平面射出的方向上照射波長與所述激發(fā)光的波長不同的所述光,使得波長與所述激發(fā)光的波長不同的所述光聚焦在所述溶液與所述平面之間的界面處。對于本發(fā)明的生物分子檢測設備優(yōu)選的是采用這樣的構造,其中:光接收部配備對光進行分光的分光裝置。在這種情況下,優(yōu)選的是分光裝置是具有不同特性的多個濾光器,并且優(yōu)選的是光接收部根據(jù)所述熒光的波長轉換所述多個濾光器。本發(fā)明的生物分子檢測方法是這樣的生物分子檢測方法,其檢測由第一復合體發(fā)射的熒光和由第二復合體發(fā)射的熒光以檢測或定量化溶液中存在的檢測對象物質,所述第一復合體具有與所述檢測對象物質特異性結合的物質和熒光分子,并且所述第二復合體由所述第一復合體與所述檢測對象物質結合而成,所述方法包括:照射具有特定方向上的線偏振成分并激發(fā)所述熒光分子的激發(fā)光;周期性地轉換所述溶液內的所述第二復合體的取向的步驟;檢測由所述熒光分子發(fā)射的熒光的步驟;抽取所檢測的熒光中與所述第二復合體取向的周期同步的成分的步驟;以及基于抽取的所述成分檢測或定量化所述檢測對象物質的步驟。本發(fā)明能夠高靈敏度地檢測生物分子。
圖1A是顯示根據(jù)第一實施方案的生物分子檢測設備中的抗原抗體反應的第一示意圖。圖1B是顯示根據(jù)第一實施方案的生物分子檢測設備中的抗原抗體反應的第二示意圖。圖2A是顯示激發(fā)光的振動方向和熒光分子的躍遷矩平行的情況的示意圖。圖2B是顯示激發(fā)光的振動方向和熒光分子的躍遷矩垂直的情況的示意圖。圖3A是顯示自由分子(未結合抗原的抗體和熒光分子)的示意圖。圖3B是顯示結合分子(結合抗原的抗體和熒光分子)的示意圖。圖4A是顯示根據(jù)第一實施方案的生物分子檢測設備的外觀的透視圖。圖4B是顯示根據(jù)第一實施方案的生物分子檢測設備在可打開部打開的狀態(tài)下的圖。圖5是顯示生物分子檢測設備的主要部件的框圖。圖6是顯示由取向控制光源發(fā)出的取向控制光束的發(fā)射方向的轉換的示意平面圖。圖7A是顯示第一取向控制光束發(fā)射方向與結合分子的取向方向之間的關系的示意圖。圖7B是顯示垂直于圖7A所示發(fā)射方向的第二取向控制光束的發(fā)射方向與結合分子的取向方向之間的關系的示意圖。圖8是顯示根據(jù)第一實施方案的生物分子檢測設備的光接收部的詳細結構的示意圖。圖9是示意性地顯示從樣品的制備到樣品的處置的過程的流程圖的示意圖。圖1OA是顯示根據(jù)第一實施方案的生物分子檢測設備中的取向控制信號和H)輸出的圖。圖1OB是顯示在根據(jù)第一實施方案的生物分子檢測設備中的鎖定放大器輸出的圖。圖1lA是顯示根據(jù)第二實施方案的生物分子檢測設備中的抗原抗體反應的第一示意圖。圖1lB是顯示根據(jù)第二實施方案的生物分子檢測設備中的抗原抗體反應的第二示意圖。
圖12是顯示根據(jù)第二實施方案的生物分子檢測設備的主要部件的方框圖。圖13是顯示根據(jù)第二實施方案的生物分子檢測設備的光接收部的詳細結構的示意圖。圖14A是顯示第二實施方案中關于第一檢測對象物質的H)輸出的圖。圖14B是顯示第二實施方案中關于第二檢測對象物質的H)輸出的圖。圖15A是顯示在取向控制光束從第一方向發(fā)射的情況下,熒光分子的躍遷矩與隨機偏振激發(fā)光的振動方向之間的關系的概念圖。圖15B是顯示在取向控制光束從第二方向發(fā)射的情況下,熒光分子的躍遷矩與隨機偏振激發(fā)光的振動方向之間的關系的概念圖。圖16A是顯示在取向控制光束從第一方向發(fā)射的情況下,熒光分子的躍遷矩與在兩個方向上線偏振的激發(fā)光的振動方向之間的關系的概念圖。圖16B是顯示在取向控制光從第二方向發(fā)射的情況下,熒光分子的躍遷矩與在兩個方向上線偏振的激發(fā)光的振動方向之間的關系的概念圖。圖17A是顯示其中檢測與較小頻率的取向控制信號同步的熒光成分的實例的圖。圖17B是示例其中檢測與較大頻率的取向控制信號同步的熒光成分的實例的圖。圖18A是用于說明伴隨取向控制光束偏振軸變化的結合分子取向變化的第一概念圖。圖18B是用于說明伴隨取向控制光束偏振軸變化的結合分子取向變化的第二概念圖。圖18C是用于說明伴隨取向控制光束偏振軸變化的結合分子取向變化的第三概念圖。圖19是顯示線偏振激光束從試劑杯的底部表面被發(fā)射到試劑杯的多個點上的情況的概念圖。圖20是顯示用于使線偏振取向控制光束從預定方向發(fā)射到多個點上的取向控制光源的結構的概念圖。圖21是顯示用于使線偏振取向控制光束從預定方向發(fā)射到多個點上的光學系統(tǒng)的結構的一個實例的概念圖。圖22是顯示用于使線偏振取向控制光束從預定方向發(fā)射到多個點上的光學系統(tǒng)的結構的另一個實例的概念圖。圖23是顯示微透鏡陣列的概念圖。圖24是顯示試劑杯的形狀的一個實例的概念圖。圖25是顯示聚焦取向控制光束的焦點與試劑杯之間的位置關系的一個實例的概念圖。
具體實施例方式在下文中,將參照附圖描述本發(fā)明的實施方案。各種特異性反應被用于檢測生物分子。這里,以下描述利用抗原與抗體之間的特異性反應并基于由作為標記與抗體結合的熒光分子發(fā)射的熒光檢測已經(jīng)與抗體反應的抗原的設備作為實例。(第一實施方案)
圖1A和圖1B是顯示根據(jù)第一實施方案的生物分子檢測設備中的抗原抗體反應的示意圖。將參照圖1A和圖1B描述液體內的抗原抗體反應。這里,考慮其中將干燥抗體12放置在圓柱形試劑杯10中的情況??贵w12標記有熒光分子14。在本實施方案中,采用從全血分離的血漿16作為樣品。將血漿16分配到試劑杯10中并攪動。在與抗體12特異性結合的抗原18存在于血漿16中的情況下,抗原抗體反應將出現(xiàn)在抗體12與抗原18之間,并且抗體12和抗原18將以特異性結合狀態(tài)存在于血漿16中,如圖1B所示。在本實施方案中,將描述其中采用從全血分離的血漿16作為樣品的情況,PSA(前列腺特異性抗原)是作為檢測對象物質的抗原18,并且采用抗PSA抗體作為與檢測對象物質特異性結合的抗體12。米用Alexa Fluor568 (由Molecular Probes制造)作為突光分子14。Alexa Fluor568發(fā)射具有550nm至700nm的范圍內的波長,具有在大約610nm的峰值的熒光。提供相對于抗原18足夠大量的抗體12。因此,抗體12的一部分保持在血漿16中而沒有進行抗原抗體反應。在下文中,將通過抗原抗體反應相互結合的抗體12、抗原18和熒光分子14稱為結合分子,而將沒有進行抗原抗體反應但存在于液體中的抗原12和熒光分子14稱為自由分子。結合分子和自由分子兩者都存在于血漿16中。要注意的是除了抗原18之外的成分存在于血漿16中。然而,將除了抗原18之外的成分在圖1A和圖1B中省略以簡化說明。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的生物分子檢測設備將激發(fā)光發(fā)射到其中結合分子和自由分子兩者都存在的溶液中,因為溶液是液相。接收由熒光分子14發(fā)出的熒光,并且基于所接收的熒光執(zhí)行抗原18的檢測并量化。因此,理想的是僅檢測從包括抗原18的結合分子發(fā)出的熒光。然而,自由分子和結合分子兩者都存在于溶液中。因此,當激發(fā)光被發(fā)射到溶液中時,與自由分子相關聯(lián)的熒光分子14也發(fā)出熒光,從而導致產(chǎn)生不必要的熒光成分。因此,根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的生物分子檢測設備計算在整個熒光數(shù)據(jù)中由與自由分子相關聯(lián)的熒光分子貢獻的熒光。以下參照圖2A和圖2B描述通過線偏振激發(fā)光實現(xiàn)的熒光分子14的激發(fā)效率以說明由根據(jù)第一實施方案的生物分子檢測設備100中的結合分子貢獻的熒光和由自由分子貢獻的熒光的計算原理。圖2A是顯示激發(fā)光19的振動方向和熒光分子14的躍遷矩是平行的情況的示意圖。圖2B是顯示激發(fā)光19的振動方向和熒光分子14的躍遷矩是垂直的情況的示意圖。這里,描述了熒光分子14的縱向方向平行于躍遷矩的取向方向的情況以簡化說明。注意,在本說明書中,光的“振動方向”是指電場的振動方向。在光是偏振的情況下,振動方向與偏振方向相同。當吸收光能時熒光分子14躍遷至激發(fā)態(tài),并且在返回至基態(tài)的過程中發(fā)射熒光。當吸收光能時熒光分子14躍遷至激發(fā)態(tài),并且在返回至基態(tài)的過程中發(fā)射熒光。當熒光分子14被線偏振激發(fā)光19激發(fā)時,突光分子14發(fā)射突光,所述突光在與激發(fā)光的偏振方向相同的方向上偏振。由突光分子14發(fā)射的突光的偏振度取決于其旋轉運動的速度。即,如果熒光分子14沒有進行旋轉運動,則熒光分子14發(fā)射在與激發(fā)光19的振動方向相同的方向上偏振的熒光。當熒光分子14進行旋轉運動的速度變大時,由熒光分子14發(fā)射的熒光的偏振度減小。當將熒光分子14激發(fā)時,熒光分子內稱作躍遷矩的矢量與激發(fā)光19相互作用,其中所述躍遷矩由熒光分子14的分子結構確定。躍遷矩在熒光分子14內具有獨特方向,并且躍遷矩的方向與激發(fā)光19的振動方向之間的關系決定熒光分子14的激發(fā)效率。具體地,熒光分子14選擇性地吸收在平行于所述熒光分子14的躍遷矩的方向上振動的光。因此,在激發(fā)光19在圖2A和2B中所示的圖紙的垂直方向上振動并從圖紙的左側朝向右側傳播的同時發(fā)射到突光分子14上的情況下,激發(fā)效率在激發(fā)光19的振動方向平行于突光分子14的躍遷矩的情況下最大(圖2A),并且在激發(fā)光19的振動方向垂直于熒光分子14的躍遷矩的情況下變?yōu)?(圖2B)。躍遷矩的取向根據(jù)熒光分子14的取向變化,因此溶液內的熒光分子14的取向影響所述熒光分子14的激發(fā)效率。以下參照圖3A和3B描述溶液內的自由分子和結合分子的運動以考慮溶液內的熒光分子14的取向。圖3A是顯示抗體12和熒光分子14的示意圖,其中所述抗體12和所述熒光分子14的結合是自由分子。圖3B是顯示抗體12、抗原18和熒光分子14的示意圖,其中所述抗體12、抗原18和熒光分子14的結合是結合分子。自由分子和結合分子在溶液內無規(guī)律地移動(布朗運動),并且經(jīng)受旋轉運動以及在溶液內的移動。眾所周知,分子在溶液內的布朗運動受到絕對溫度、分子的體積、分子的分子量(質量)、溶液的粘度等的影響。由于抗原18的結合,結合分子的體積大于自由分子的體積,并且較不容易在溶液內進行布朗運動。利用自由分子13和結合分子15在溶液內的布朗運動的差異由布朗運動的變化檢測結合分子15的技術是已知的。然而,因為布朗運動是隨機的,檢測靈敏度受到限制。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的生物分子檢測設備利用激光束周期性地將溶液內的結合分子15取向,并且僅檢測對應于取向周期的信號,以計算由結合分子15發(fā)射的熒光的貢獻。當將激光束發(fā)射到溶液內的自由分子13和結合分子15上時,外力作用在自由分子13和結合分子15上,并且其布朗運動被抑制。如果將由激光束施加到結合分子15上的外力標記為Fb,并且將由激光束施加到自由分子上的外力標記為Ff,因為隨著存在或不存在抗原18,體積和質量不同,施加至自由分子13和結合分子15的外力的強度不同,并且Fb> Ff0此外,自由分子13和結合分子15在溶液內進行布朗運動的容易程度歸因于其體積和分子量上的不同而不同。自由分子13具有比結合分子15更小的體積和分子量,并且因此更容易進行布朗運動。如果將取向結合分子15需要的力標記為Bb,并且將取向自由分子13需要的力標記為Bf,Bb > Bf。如果Fb > Bb,那么結合分子15將取向,并且如果Ff<Bf,自由分子13將不取向。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的生物分子檢測設備僅將結合分子15周期性地取向,并且通過僅檢測與該取向周期相對應的信號來計算由結合分子15發(fā)射的熒光的貢獻。確定如溶液的絕對溫度、分子的體積、分子的分子量、溶劑的粘度和激光的強度等的因素以使得結合分子15將取向而自由分子13不取向,換言之,使得Fb > Bb并且Ff < Bf。分子的體積和分子量通常由檢測對象物質決定,并且溶液的粘度通常由樣品決定。因此,根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的生物分子檢測設備通過改變溶液的絕對溫度和激光束的強度進行調節(jié),以獲得其中僅結合分子15被取向的條件。因為這個原因,根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的生物分子檢測設備具有調節(jié)溶液的溫度和調節(jié)激光束的強度的功能。將描述根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的生物分子檢測設備100的構造。圖4A是顯示生物分子檢測設備100的外觀的透視圖。顯示部102、用戶輸入部104和可打開部106設置在生物分子檢測設備100的側表面上。顯示部102顯示測量結果等。用戶輸入部104是設定模式、輸入樣品數(shù)據(jù)等的部分??纱蜷_部106具有上蓋可以打開的構造。當設置樣品時,上蓋打開,而在測量期間所述上蓋關閉。通過采用這種構造,可以防止來自外部的影響測量的光。圖4B是顯示生物分子檢測設備100處于可打開部106打開的狀態(tài)下的透視圖。當可打開部106打開時,試劑杯108和保持臺110位于生物分子檢測設備100內。試劑杯108由保持臺110可移除地保持。試劑杯108是里面放置溶液的圓筒形容器。使用者將樣品分配到試劑杯108中并關閉上蓋以執(zhí)行測量。雖然在附圖中未示出,但是生物分子檢測設備100還配備有試劑槽和分配部。當開始測量時,分配部從試劑槽吸取試劑,并將試劑分配到試劑杯108中。圖5是顯示生物分子檢測設備100的主要部件的功能框圖。生物分子檢測設備100包括:顯示部102、用戶輸入部104、試劑杯108、試劑槽112、分配部114、取向控制光源116、激發(fā)光源118、AOD (聲光偏轉器)120、FG (函數(shù)發(fā)生器)122、光接收部124、放大器126、鎖定放大器127、A/D轉換部128、取樣時鐘生成部130、CPU132和分色鏡138。試劑杯108是其中使得儲存在試劑槽112中的試劑和從患者等收集的樣品反應的容器。試劑杯108可移除地連接于生物分子檢測設備100。試劑杯108的容量為大約120 μ L。試劑槽112是其中儲存多種類型的試劑的槽。將自由分子13儲存在試劑槽112中作為試劑。分配部114由可移動吸液管、吸取器件等構成。分配部114根據(jù)來自CPU132的命令從試劑槽112吸取將要用于測量的試劑并且將所吸取的試劑分配至試劑杯108。取向控制光源116向A0D120發(fā)射取向控制光束117,并且通過對結合分子施加外力將在試劑杯108內的溶液中存在的結合分子取向。在本說明書中,取向控制光源116對應于本發(fā)明的取向控制裝置。例如,采用具有980nm的波長和700mW的輸出的激光束作為取向控制光束117。取向控制光束117是熒光分子14不吸收的激光束,并且具有將不影響或破壞熒光分子14的染料的強度。取向控制光束117具有夠照射試劑杯108內的全部溶液的寬度。激發(fā)光源118向試劑杯108經(jīng)由分色鏡138發(fā)射激發(fā)熒光分子14的激發(fā)光119,所述激發(fā)光119由設置在激發(fā)光源118內的偏振元件線偏振。例如,采用具有532nm的波長和IOmW的輸出的光作為激發(fā)光。分色鏡138反射具有特定波長的光,并且透射具有其他波長的光。分色鏡138反射取向控制光束117并且透射激發(fā)光119。A0D120利用聲光效應以基于輸入電壓改變所述A0D120內部的折射率,從而改變輸入到所述A0D120的光傳播的方向。A0D120基于根據(jù)從FG (函數(shù)發(fā)生器)122輸出的電壓信號(在下文中,輸出到A0D120的信號將被稱為“取向控制信號”)輸入的電壓來改變該AOD120內部的折射率,以改變取向控制光束117傳播的方向。換句話說,通過由FG122生成的取向控制信號確定取向控制光束117傳播的方向。A0D120將取向控制光束117傳播的方向在照射試劑杯108的方向(在圖5中由箭頭134指出)和照射分色鏡138的方向(在圖5中由箭頭136指出)之間轉換。FG122是能夠產(chǎn)生具有各種頻率和波形的電壓信號的裝置。FG122響應于從CPU132接收到的指令將不同的電壓信號輸出給A0D120、鎖定放大器127和采樣時鐘發(fā)生部130。CPU132指定將被FG122輸出的取向控制信號,并控制A0D120轉換取向控制光束117傳播的方向的時機。光接收部124由濾光器、光電二極管等構成。光接收部124設置在試劑杯108下方。光接收部124在試劑杯108下方接收由試劑杯108內的熒光分子14產(chǎn)生的熒光123,將接收到的熒光信號轉換成模擬電信號(模擬熒光數(shù)據(jù)),并將所述模擬電信號輸出給放大器126。放大器126放大從光接收部124輸出給所述放大器126的模擬突光數(shù)據(jù),并將放大后的模擬熒光數(shù)據(jù)輸出至鎖定放大器127。鎖定放大器127將將模擬熒光數(shù)據(jù)轉化為直流頻率。將方波從FG122輸入至鎖定放大器127作為參考信號。方波具有與從FG122輸出至取向控制光源116的電壓信號相同的周期。鎖定放大器127在從放大器126輸出的模擬熒光數(shù)據(jù)中檢測等于參考信號的頻率成分。具體地,鎖定放大器127通過同步檢波僅將等于參考信號的頻率成分轉化為直流信號,并且僅將所述直流信號傳遞通過設置在其中的低通濾波器。鎖定放大器127將直流信號輸出至A/D轉換部128。在本說明書中,鎖定放大器127對應于本發(fā)明的同步成分抽取裝置。米樣時鐘發(fā)生部130基于從FG122輸出到所述米樣時鐘發(fā)生部130的電壓信號輸入采樣時鐘,所述采樣時鐘指定A/D轉換部128將模擬熒光數(shù)據(jù)采樣給A/D轉換部的時機。A/D轉換部128基于從采樣時鐘發(fā)生部部130輸出給所述A/D轉換部128的采樣時鐘對從放大器126輸出給所述A/D轉換部128的模擬熒光數(shù)據(jù)進行采樣。A/D轉換部128將采樣的模擬熒光數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字數(shù)據(jù),并將該數(shù)字數(shù)據(jù)輸出給CPU132。CPU132使用從A/D轉換部128輸出給所述CPU132的數(shù)字數(shù)據(jù)進行計算,并將計算結果輸出給顯示部102。另外,CPU132響應于從用戶輸入部104輸入的指令控制取向控制光源116、激發(fā)光源118、分配部114和FG122的操作。具體地,CPU132將0N/0FF指令輸出給取向控制光源116和激發(fā)光源118,將指定要被使用的試劑的指令和開始分配操作的指令輸出給分配部114,以及將指定要被輸出的電壓信號的波形的指令和輸出所述電壓信號的指令輸出給FG122。圖6是生物分子檢測設備100的內部的示意性平面圖,其中顯示了由取向控制光源116發(fā)射的激光束的發(fā)射方向的轉換。從取向控制光源116發(fā)射的取向控制光束117穿過A0D120并進入試劑杯108。由取向控制光源116發(fā)射的取向控制光束117具有能夠使試劑杯108內的所有溶液被所述激光束117照射到的寬度。A0D120在兩個方向之間交替地轉換從取向控制光源116發(fā)射的取向控制光束117傳播的方向。具體地,在將5V取向控制信號輸入給A0D120的情況下,A0D120使取向控制光束117沿著箭頭134的方向傳播,而在將OV取向控制信號輸入給A0D120的情況下,A0D120使取向控制光束117沿著箭頭136的方向傳播。在箭頭134的方向上傳播的取向控制光束117進入試劑杯108的側表面。在箭頭136的方向上傳播的取向控制光束117被分色鏡138反射,沿著垂直于箭頭134的方向傳播,并進入試劑杯108的側表面。如果試劑杯108當從上方看時被認為是鐘面,則在箭頭134的方向上傳播的取向控制光束117從9點鐘位置進入并朝向3點鐘位置傳播,而在箭頭136的方向上傳播的取向控制光束117從6點鐘位置進入并朝向12點鐘位置傳播。即,在箭頭134的方向上傳播的取向控制光束117進入試劑杯108的方向與在箭頭136的方向上傳播的取向控制光束117進入試劑杯108的方向彼此垂直。分色鏡138僅反射具有取向控制光束117的波長的光,并透射具有其它波長的光。從激發(fā)光源118發(fā)射的激發(fā)光119穿過分色鏡138,沿著與被分色鏡138反射的取向控制光束117相同的方向傳播,并進入試劑杯108的側表面。該構造能夠使生物分子檢測設備100通過根據(jù)來自FG122的取向控制信號的輸入控制A0D120,在彼此相差90度的兩個方向之間交替地轉換激光束進入試劑杯108的方向。將遮光板140設置在A0D120與試劑杯108之間,并且將生物分子檢測設備100構造成使得沿著與由箭頭134和箭頭136指示的方向不同的方向傳播的激光束不進入試劑杯108。另外,取向控制光束117在沿著箭頭134的方向和沿著箭頭136的方向傳播的兩種情況下都進入圓柱形試劑杯108的側表面。因為試劑杯108是圓筒形的,因此即使激光所傳播的方向被轉換,試劑杯108的取向控制光束117進入的側表面的形狀也是相同的。以下參照圖7A和圖7B描述試劑杯108內的熒光分子響應于取向控制光束117的發(fā)射方向的轉換的運動。圖7A是顯不第一取向控制光束117發(fā)射方向與分子的取向方向之間的關系的示意圖。圖7B是顯示第二取向控制光束117發(fā)射方向與分子的取向方向之間的關系的不意圖。圖7A和圖7B是試劑杯108的平面圖。要注意的是在本說明書中,自由分子和結合分子的“取向方向”表不抗體和突光分子的取向完成之后抗體和突光分子被取向的方向。取向控制光束117所發(fā)射到的試劑杯108內的結合分子15通過接收取向控制光束117的外力而在特定方向上取向。由取向控制光束117施加的外力通過激光束撞擊結合分子并被散射的反應產(chǎn)生。施加力的方向由激光束傳播的方向以及結合分子的取向(熒光分子14、抗體12、抗原18排列的方向)決定。通常,自由分子和結合分子分散在溶液內,在隨機方向上取向。然而,被從圖紙的左側至右側傳播的取向控制光束117照射的結合分子15從在箭頭134方向上傳播的取向控制光束117在旋轉方向上受到力,并且在其中由取向控制光束117施加的多個旋轉方向上的外力在照射取向控制光束117的范圍內平衡的方向的取向上穩(wěn)定化,如圖7A中所示。換言之,在其縱向方向與取向控制光束117傳播的方向不相同的情況下,結合分子15受到外力以在向右或向左的方向上旋轉。然而,在結合分子15的縱向方向與取向控制光束117傳播的方向相同的情況下,向右或向左的方向上的外部旋轉力平衡,并且因此結合分子穩(wěn)定化。試劑杯108內的結合分子15全部成為在相同的方向(取向控制光束117傳播的方向和結合分子15的縱向方向平行的方向)上取向。換言之,與全部結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14的躍遷距將排列在相同的方向。同時,試劑杯108內的自由分子13將不取向并且在溶液內進行布朗運動,因為引起布朗運動的力大于由取向控制光束117施加的外力。當如圖7B中所示,取向控制光束117傳播的方向從圖紙的水平方向轉換至圖紙的垂直方向時,已經(jīng)朝向圖紙的右側取向的結合分子15將受到向左旋轉的力。接收從圖紙的底部至圖紙的頂部傳播的取向控制光束117的結合分子15在與它們被從圖紙的左側至右側傳播的取向控制光束117取向的方向垂直的方向上取向,并且穩(wěn)定化。同樣在這種情況下,與全部結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14的躍遷距將在相同的方向上排列。因為引起布朗運動的力大于由取向控制光束117施加的外力,試劑杯108內的自由分子13不取向,并且在溶液內進行布朗運動。以這種方式,可以通過改變取向控制光束117的發(fā)射方向而轉換溶液內的結合分子15的取向方向。在本實施方案中,已經(jīng)被在箭頭134的方向上傳播的取向控制光束117取向的熒光分子14的躍遷矩的方向平行于線偏振激發(fā)光振動的方向,從而最大化突光分子14的激發(fā)效率。同時,已經(jīng)被在箭頭136的方向上傳播的取向控制光束117取向的熒光分子14的躍遷矩的方向垂直于線偏振激發(fā)光振動的方向,并且熒光分子14的激發(fā)效率為O。因此,通過A0D120進行的取向控制光束117的發(fā)射方向的轉換使突光分子14相對于線偏振激發(fā)光的激發(fā)效率在最大值與最小值(不發(fā)生激發(fā))之間轉換。在輸入至A0D120的取向控制信號為5V的情況下,與結合分子15相關聯(lián)的突光分子14的激發(fā)效率變?yōu)樽畲?并且在輸入至A0D120的取向控制信號為OV的情況下,與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14的激發(fā)效率變?yōu)樽钚?。接下來,參照圖8,描述光接收部124的詳細結構。圖8是顯示光接收部124的詳細結構的示意圖。光接收部124包括:透鏡142 ;濾光器144 ;偏振元件146 ;透鏡148 ;和PD (光電二極管)150。光接收部124從試劑杯108的底側接收熒光。由試劑杯108內的熒光分子14發(fā)射并且朝向圖紙的左側進入光接收部124的熒光147,以及由熒光分子14發(fā)射并且朝向圖紙的右側進入光接收部124的熒光149通過透鏡142聚焦并準直,之后在通過濾光器144、偏振元件146和透鏡148之后進入Η)150。應注意,雖然未在圖8中不出,存在介于突光147與突光149之間的突光。然而,該突光的行為可由本領域技術人員預知,并且因此將對其的描述省略。濾光器144是帶通濾波器,所述帶通濾波器使不同于由熒光分子14發(fā)射的熒光的光截止并防止不同于所述熒光的光(例如,激發(fā)光)進入roi50。偏振兀件146僅透射在與線偏振激發(fā)光119的振動方向相同的方向上偏振的光。在試劑杯108內散射的激發(fā)光和由突光分子14發(fā)射的突光在自由分子和結合分子的取向的方向正在轉換的同時,具有不同于激發(fā)光的初始振動方向的振動方向,因此不能透射穿過偏振元件146。PD150由APD(雪崩光電二極管)構成。PD150接收由透鏡148聚焦的熒光,對應于由透鏡148聚焦的突光的強度產(chǎn)生電荷,并且將電荷輸出至放大器126。以這種方式,光接收部124將由其取向已經(jīng)轉換的熒光分子14發(fā)射的熒光轉換為電荷。此外,光接收部124接收來自試劑杯108底側的熒光。因此,光接收部124不易于被取向控制光束117和激發(fā)光119影響。在本實施方案中,PD150接收被透鏡148聚焦的熒光,產(chǎn)生與突光的強度相對應的電荷,并將產(chǎn)生的電荷輸出給放大器126。光接收部124依此方式將由取向已經(jīng)被轉換的熒光分子14發(fā)射的熒光轉換成電荷。另外,光接收部124接收朝向試劑杯108的底側的熒光。因此,光接收部124不太可能受到取向控制光束117和激發(fā)光119的影響。在本說明書中,“取向的轉換完成”是指其中在取向控制光束的發(fā)射方向的轉換之后分子相對于由取向控制光束施加的外力處于穩(wěn)定狀態(tài)的狀態(tài)。接下來,描述測量期間生物分子檢測設備100的操作。圖9是示意性地顯示從樣品的制備到樣品的處置的過程的流程圖的示意圖。為了準備測量,首先,將從病人采集的50 μ L的全血156離心分離以分離血漿16。分離的血漿16在生物分子檢測設備100的樣品設置部中被設置。到此時的步驟由使用者執(zhí)行。生物分子檢測設備100將設置在樣品設置部152中的血漿16分配到新試劑杯108中,所述新試劑杯108庫存在試劑杯庫存部160中。接下來,生物分子檢測設備100通過移液管158吸取在試劑槽112中的PSA抗體,并將吸取的PSA抗體分配到試劑杯108中。已經(jīng)將血漿16和PSA抗體放到試劑杯108中的生物分子檢測設備100使用內置渦旋攪拌機攪動試劑杯108,同時保持試劑杯108的溫度在37°C以使抗原抗體反應發(fā)生。此后,生物分子檢測設備100發(fā)射激發(fā)光、檢測熒光并在檢測熒光之后將試劑杯108處理到內置廢料桶154 中。 由FG122輸出的取向控制信號和由Η)150輸出的H)輸出的一個實例在圖1OA中示例。由鎖定放大器127輸出的鎖定放大器輸出的一個實例在圖1OB中示例。這里應注意,H)輸出和鎖定放大器輸出的圖是示意性地示例以便簡化描述。在測量之前由FG122輸出的取向控制信號為0V。取向控制信號是從O至T(秒)輸出5V的信號并且從T至2T (秒)輸出OV信號的具有2T周期的方波。在測量之前,取向控制信號為0V,并且因此將取向控制光束136發(fā)射至試劑杯108上,并且全部結合分子在相同的方向上取向。生物分子檢測設備100在時間Tl將取向控制信號轉換至5V,并且向試劑杯108發(fā)射激發(fā)光。其后,當取向控制信號變?yōu)?V時,A0D120將取向控制光束117傳播的方向轉換,并且將取向控制光束117傳播的方向從箭頭136的方向轉換至箭頭134的方向。伴隨取向控制光束117傳播方向上的轉換,其中相對于試劑杯108發(fā)射取向控制光束117的方向也轉換90度。伴隨激光束的發(fā)射方向上的轉換,結合分子15的取向方向也轉換。當熒光分子的躍遷距的方向與激發(fā)光束119的振動方向變得不垂直時,發(fā)射熒光123。在取向轉換過程中由與結合分子15相關聯(lián)的突光分子14發(fā)射的大部分突光是不偏振的,并且因此由偏振兀件146截除。完成取向上的轉換的與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14具有與激發(fā)光119的振動方向平行的躍遷距,并且因此其激發(fā)效率成為最大。由完成取向上的轉換的與結合分子15相關聯(lián)的突光分子14發(fā)射的突光在與激發(fā)光的偏振方向相同的方向上偏振,并且因此到達PD150而不被偏振元件146截除。在將激發(fā)光119照射到試劑杯108上時的時間Tl的時刻,H)輸出是iz的值。PD輸出iz是包括由與溶液內的一部分自由分子13相關聯(lián)的突光分子14發(fā)射的突光、設備固有的噪音等的值。當取向控制信號為OV時與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14未被激發(fā),并且因此不貢獻于ro輸出。通過到達H)的由與結合分子15 (其歸因于從OV至5V改變的取向控制信號已經(jīng)完成取向上的轉換)相關聯(lián)的熒光分子14發(fā)射的熒光123,PD輸出從iz增加。在取向轉換的過程中由與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14發(fā)射的大部分熒光123是不偏振的,并且因此被偏振元件146截除。隨著已經(jīng)完成取向上的轉換的結合分子15的數(shù)目增加,H)輸出增加,并且作為當所有結合分子15的取向上的轉換完成時的值達到飽和。在5V的輸出持續(xù)T秒之后,取向控制信號成為0V。T秒是大于或至少等于全部結合分子15完成取向上轉換所需的時間量的時間期間。換言之,τ秒是大于或等于ro輸出在其值上成為飽和所需的時間量的時間期間。當所有的結合分子15完成取向上的轉換并且達到時間T2時,取向控制信號從5V改變至0V。當取向控制信號從5V改變至OV時,與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14的躍遷距的方向與激發(fā)光119的振動方向變得垂直,與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14的激發(fā)效率成為0,并且不再發(fā)射熒光123。因此,H)輸出逐漸地降低直至它成為iz。同樣在這種情況下,在取向轉換過程中由與結合分子15相關聯(lián)的突光分子14發(fā)射的大部分突光123是不偏振的,并且因此被偏振兀件146截除。在從時間T2經(jīng)過時間T并且取向控制信號在時間T3再次成為5V時,PD輸出增加并在其值上成為飽和的。這里,將取向控制信號被設定為OV的時間期間設定為T秒,這與將取向控制信號設定為5V的時間期間相同。這是因為在取向控制光束117的輸出恒定的條件下,完成溶液內結合分子15的取向上的轉換所需的時間量對于其中將取向控制信號從OV改變?yōu)?V的情況和其中將取向控制信號從5V改變至OV的情況是大致相同的。在從時間T3經(jīng)過時間T并且取向控制信號在時間T4變?yōu)镺V之后,H)輸出降低并且成為值iz。應注意取向控制信號的單個周期為2T。因此,T4-T3 = T3-T2 = T2-T1 =T。換言之,ro輸出以與取向控制信號相同的方式以周期2T周期性地重復在值上的升高和下降。鎖定放大器127從輸入其中的信號中檢測與參考信號同步地重復升高和下降的成分。在生物分子檢測設備100中,將與取向控制信號相同的信號輸入至鎖定放大器127作為參考信號。換言之,鎖定放大器127檢測與來自H)輸出的取向控制信號同步的成分。ro輸出是在值上以周期2T重復升高和下降的周期性信號。由與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14發(fā)射的熒光貢獻于ro輸出的所述周期性成分。因此,通過抽取與取向控制信號同步的成分,可以將結合分子15的貢獻從ro輸出中抽取。鎖定放大器127的輸出不穩(wěn)定的輸出,其首先重復升高和下降,但是逐漸地收斂至值S。值S是由與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14發(fā)射的熒光的總量的ro輸出。CPU132由鎖定放大器輸出S計算檢測對象物質的濃度C。具體地,根據(jù)下面的式
(I)計算濃度C。C = f (S) (I)這里,f (S)是校準曲線函數(shù)。對于要測量的每一項,生物分子檢測設備100都具有預先準備的不同的校準曲線函數(shù),并將測量值S轉換成濃度C。CPU132將獲得的濃度C輸出給顯不部102 ο如上所述,根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的生物分子檢測設備100具有轉換取向控制光束117的發(fā)射方向從而能夠轉換溶液內的結合分子15的取向方向的構造。結合分子15被取向控制光束117取向的方向是與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14的躍遷矩平行于線偏振激發(fā)光的振動方向的方向,和與結合分子15相關聯(lián)的突光分子14的躍遷矩垂直于線偏振激發(fā)光的振動方向的方向。換言之,生物分子檢測設備100能夠在與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14能夠被激發(fā)光激發(fā)的狀態(tài)和與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子14不能被激發(fā)光激發(fā)的狀態(tài)之間進行轉換。鎖定放大器127從所接收的熒光數(shù)據(jù)中檢測與命令轉換取向控制光束117的發(fā)射方向的取向控制信號同步的成分。因此,可以計算被取向控制光束117取向的與結合分子15相關聯(lián)的熒光分子的貢獻,并且可以用簡單的結構精確地測量檢測對象物質的濃度。在上述構造中,生物分子檢測設備100通過由取向控制光束117施加的外力將所有結合分子的取向轉換到相同的方向。因此,與利用隨機的布朗運動進行測量的情況相比較,可以進行具有更高靈敏度的測量。應注意在本實施方案中,采用Alexa Fluor568作為熒光分子。然而,由本發(fā)明所采用的熒光分子不限于Alexa Fluor568??梢圆捎萌魏螣晒夥肿樱瑮l件是它具有躍遷距,被激發(fā)光激發(fā),并且發(fā)射能夠被H)檢測的光。要注意的是,第一實施方案被描述為使用抗原抗體反應作為實例的情況。然而,檢測對象物質和與檢測對象物質特異性結合的物質的組合不局限于上述情況。例如,本發(fā)明可以應用到采用抗原檢測抗體的情況、采用特定核酸檢測與特定核酸雜交的核酸的情況、采用核酸檢測核酸結合蛋白的情況、采用配體檢測受體的情況、采用糖類檢測凝集素的情況、利用蛋白酶檢測的情況、利用高級結構變化的情況等。另外,適宜的是根據(jù)結合分子的體積和分子量、溶液的粘度、溶液的溫度等改變取向控制信號被設定為5V或OV期間的時間段。以結合分子在溶液內旋轉的容易度確定在轉換取向控制光束117的發(fā)射方向之后結合分子完成再取向所需的時間量,其中所述容易度受結合分子的體積和分子量、溶液的粘度、溶液的溫度等影響。在結合分子難以在溶液內旋轉的情況下,結合分子完成再取向所需的時間量變得較長。因此,適宜的是取向控制信號被設定為5V或OV期間的時間段對于完成再取向來說足夠長。適宜的是,當結合分子的分子量較大時,取向控制信號被設定為5V或OV的時間期間較長,并且當結合分子的分子量較小時,取向控制信號被設定為5V或OV的時間期間較短。另外,第一實施方案采用發(fā)射具有980nm的波長和700mW的輸出的激光束作為取向控制光束117。然而,作為取向控制光束117所采用的激光束不局限于這種激光束。適宜的是根據(jù)自由分子和結合分子在溶液內旋轉的容易度確定取向控制光束117的波長和輸出以使得輸出光束僅將結合分子取向,其中所述容易度受自由分子和結合分子的體積、自由分子和結合分子的分子量、溶液的粘度、溶液的絕對溫度等影響。(第二實施方案)圖1lA和IlB是顯示根據(jù)第二實施方案的生物分子檢測設備中的抗原抗體反應的示意圖。第二實施方案利用兩種類型的抗體檢測單一溶液內的兩種類型的抗原。在下文中,考慮抗體22和抗體26放置在試劑杯20內的情況。分別將抗體22和抗體26用突光分子24和突光分子28標記。當將樣品30放置在試劑杯20中并攪拌時,如果與抗體22特異性結合的抗原32存在于樣品30中,則將在抗體22與抗原32之間出現(xiàn)抗原抗體反應。類似地,如果與抗體26特異性結合的抗原34存在于樣品30中,則將在抗體26與抗原34之間出現(xiàn)抗原抗體反應。以與關于第一實施方案描述的方式相同的方式,抗體和抗原的一部分保持在樣品溶液內而不進行抗原抗體反應。在下文中,將通過抗原抗體反應相互結合的抗體22、抗原32和熒光分子24稱為結合分子1,而將沒有進行抗原抗體反應但存在于液體中的抗原22和熒光分子24稱為自由分子I。進一步地,將通過抗原抗體反應相互結合的抗體26、抗原34和熒光分子28稱為結合分子2,而將沒有進行抗原抗體反應但存在于液體中的抗體26和熒光分子28稱為自由分子2。在本實施方案中,作為檢測對象物質的抗原32和抗原34分別是PSA和SCC (鱗狀細胞癌)抗原。將與PSA特異性結合的PSA抗體用作抗體22,而將與SCC特異性結合的SCC抗體用作抗體26。采用由Molecular Probes提供的Alexa Fluor568作為突光分子24,并米用由Molecular Probes提供的Alexa Fluor555作為突光分子28。Alexa Fluor555發(fā)射具有在從540nm至700nm范圍內的波長的熒光,并且最大強度地發(fā)射具有大約570nm波長的熒光。根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的生物分子檢測設備將激發(fā)光發(fā)射到里面存在有兩種類型的自由分子和兩種類型的結合分子的溶液上,并檢測或定量目標結合分子。圖12是顯示根據(jù)第二實施方案的生物分子檢測設備200的主要部件的方框圖。要注意的是:生物分子檢測設備200的與第一實施方案的生物分子檢測設備100的組成元件相同的組成元件由相同的附圖標記表示,并且將省略對所述組成元件的詳細說明。生物分子檢測設備200在光接收部202、分配部204、試劑槽206、和CPU208的構造上與第一實施方案的生物分子檢測設備100不同。分配部204從在分開的容器中存儲多種抗體的試劑槽206吸取兩種類型的抗體,并將吸取的抗體分配到試劑杯108中。光接收部202檢測由試劑杯108內的熒光分子發(fā)射的熒光。光接收部202被構造成響應于來自CPU208的指令(SI)分別接收由熒光分子24發(fā)射的熒光和由熒光分子28發(fā)射的熒光。CPU208對從A/D轉換部128輸出給所述CPU208的數(shù)字數(shù)據(jù)進行計算,并將計算結果輸出給顯示部102。另外,CPU208響應于從用戶輸入部104輸入的指令控制取向控制光源116、激發(fā)光源118、分配部204、FG122和光接收部202的操作。具體地,CPU208將ON/OFF指令輸出給取向控制光源116和激發(fā)光源118,將指定要被使用的試劑的指令和開始分配操作的指令輸出給分配部204,輸出指定要被輸出的電壓信號的波形的指令和將電壓信號輸出給FG122的指令,以及將轉換濾光器的指令輸出給光接收部202。以下參照圖13詳細地描述光接收部202的構造。圖13是顯示根據(jù)第二實施方案的生物分子檢測設備200的光接收部202的詳細結構的示意圖。光接收部202內的濾光器轉換部210配備有兩種類型的濾光器:濾光器212和濾光器214。兩個濾光器是可移動的,并且濾光器轉換部210被構造成能夠轉換由透鏡142聚焦并準直的光所穿過的濾光器。由試劑杯108內的熒光分子14發(fā)射并且朝向圖紙的左側進入光接收部202的熒光216,以及由熒光分子14發(fā)射并且朝向圖紙的右側進入光接收部202的熒光218通過透鏡142聚焦并準直,之后在通過濾光器212或濾光器214、偏振元件146和透鏡148之后進入TO150。應注意,雖然未在圖13中示出,在熒光216與熒光218之間存在熒光。然而,這種熒光的行為可由本領域技術人員預知,并且因此將省略對其的描述。濾光器轉換部210響應于從CPU208輸出給所述濾光器轉換部210的指令轉換要被使用的濾光器。在本實施方案中,采用由Semrock提供的SpRed-A濾光器組的光接收側濾光器作為濾光器212。SpRed-A濾光器組的光接收側濾光器是透射在從605nm至650nm范圍內的波長的帶通濾光器。同時,采用由Semrock提供的SpOr-A濾光器組的光接收側濾光器作為濾光器214。SpOr-A濾光器組的光接收側濾光是透射在從575nm至600nm范圍內的波長的帶通濾光器。接下來,描述在測量期間生物分子檢測設備200的操作。生物分子檢測設備200的測量操作基本上與第一實施方案的生物分子檢測設備100的測量操作相同,但是在細微點處不同。對于第一實施方案描述了分別檢測自由分子和結合分子的原理,因此這里將描述如何分別檢測兩種類型的結合分子。首先,生物分子檢測設備200確定將要檢測兩種類型的結合分子中的哪一種。該確定可以例如經(jīng)由用戶輸入部104通過使用者輸入而根據(jù)需要進行。這里,將描述首先檢測具有Alexa Fluor568作為熒光分子的結合分子I的情況。CPU208輸出指示光接收部202內的濾光器轉換部210使用濾光器212的指令。濾光器轉換部210接收來自CPU208的該指令,并將濾光器212移動到被透鏡142聚焦并準直的光通過的位置。當取向控制信號被改變到5V并且激發(fā)光朝向試劑杯108發(fā)射時,由溶液內的熒光分子24和熒光分子28發(fā)射熒光。由熒光分子24和熒光分子28發(fā)射的熒光被透鏡142聚焦和準直并進入濾光器212。濾光器212僅透射具有在從605nm到650nm范圍內的波長的光。因此,由熒光分子24發(fā)射的熒光穿過濾光器212,而由熒光分子28發(fā)射的熒光被基本上完全截除。依此方式僅可以檢測由熒光分子24發(fā)射的熒光。以與第一實施方案中相同的方式,通過生物分子檢測設備200進行取向控制信號數(shù)個周期的測量。從檢測由熒光分子24發(fā)射的熒光得到的ro輸出在圖14A中示例。這里應注意,圖14A的圖是示意性地示例以便簡化計算。ro輸出是具有與取向控制信號的周期相同的周期的信號。雖然未顯示在圖14A中,鎖定放大器檢測與來自ro輸出的與取向控制信號的周期同步的成分,并且輸出值Si。接下來,CPU208從值SI計算結合分子I的濃度。具體地,以與第一實施方案相同的方式采用校準曲線函數(shù)fl (S)以將值SI轉換成濃度Cl。CPU208將獲得的濃度Cl輸出給顯不部102 ο接下來,生物分子檢測設備200進行結合分子2的測量。CPU208輸出指示光接收部202內的濾光器轉換部210使用濾光器214的指令。濾光器轉換部210從CPU208接收該指令,并將濾光器214移動到由透鏡142聚焦并準直的光通過的位置。濾光器214僅透射具有在從575nm到600nm范圍內的波長的光。因此,由熒光分子24發(fā)射的熒光被濾光器214屏蔽掉,而由熒光分子28發(fā)射的熒光被透射通過所述濾光器214。依此方式可以僅檢測由熒光分子28發(fā)射的熒光。通過生物分子檢測設備200進行數(shù)個周期的取向控制信號的測量。從檢測由熒光分子28發(fā)射的熒光得到的ro輸出在圖14B中示出。這里應注意,圖14B的圖是示意性地示例以便簡化計算。ro輸出是具有與取向控制信號的周期相同的周期的信號。測量結合分子2時轉換取向控制信號的時機與測量結合分子I時轉換取向控制信號的時機不同。這是因為結合分子1、自由分子1、結合分子2以及自由分子2的體積和分子量是不同的,并且分子完成取向所需的時間量不同。如圖14A和圖14B中所示,H)輸出從上升轉換至下降的時機對于其中測量結合分子I的情況和其中測量結合分子2的情況是相同的。然而,ro輸出的最大值和最小值是不同的。這歸因于溶液內結合分子I和結合分子2的濃度上的不同,以及溶液內自由分子I和自由分子2的濃度上的不同。接下來,CPU208由值S2計算結合分子2的濃度。具體地,采用校準曲線函數(shù)f2 (S)將值S2轉換成濃度C2。CPU208將獲得的濃度C2輸出給顯示部102。如上所述,除了具有第一實施方案的生物分子檢測設備100的結構之外,根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的生物分子檢測設備200采用兩種類型的抗體和熒光分子作為與檢測對象物質特異性結合的物質并配備有能夠在兩種類型的濾光器之間轉換的濾光器轉換部210。因此,通過使用對應于與包括檢測對象物質的結合分子相關聯(lián)的熒光分子的濾光器,可以僅檢測由與包括檢測對象物質的結合分子相關聯(lián)的熒光分子發(fā)射的熒光。因此,可以精確地測量單個樣品中所含有的兩種類型的檢測對象物質的濃度。要注意的是:在本實施方案中米用Alexa Fluoro568和Alexa Fluoro555作為突光分子。然而,熒光分子不局限于這些。分別與多個檢測對象物質特異性結合的多種物質可以被具有充分不同而能夠被濾光器分開的熒光波長的多種類型的熒光分子標記。要注意的是:將本實施方案描述為抗原抗體反應被用作示例的情況。然而,檢測對象物質和與檢測對象物質特異性結合的物質的組合不局限于上述情況。例如,本發(fā)明可以應用于采用抗原檢測抗體的情況、采用特定核酸檢測與特定核酸雜交的核酸的情況、采用核酸檢測核酸結合蛋白的情況、采用配體檢測受體的情況、采用糖類檢測凝集素的情況、利用蛋白酶檢測的情況、利用高階結構變化的情況等。另外,第二實施方案被描述為采用兩種類型的檢測對象物質的情況。然而,檢測對象物質的數(shù)量不局限于兩種。同時在此情況下,檢測對象物質中的每一個都可以通過以下方式被分別檢測:采用與多種檢測對象物質中的每一個特異性結合的多種物質,用不同類型的熒光分子標記多種特異性結合物質中的每一個,并通過用與每一種類型的熒光分子相對應的多個濾光器分離熒光來檢測由每一種類型的熒光分子發(fā)射的熒光。要注意的是:當檢測對象物質的類型的數(shù)量增加時,熒光分子類型的數(shù)量增加,將存在由多種類型的熒光分子發(fā)射的熒光,并且可能存在僅使用濾光器難以分離熒光的情況。在此情況下,可以增加激發(fā)光的類型以有助于分離熒光。熒光分子的光吸收程度取決于激發(fā)光的波長,并且每一種類型的熒光分子具有容易吸收的波長帶。為此,改變激發(fā)光的波長僅使熒光分子的一部分發(fā)射熒光,從而有助于使用濾光器分離熒光。另外,通過采用具有較窄通帶的帶通濾光器可以有助于由目標熒光分子發(fā)射的熒光的檢測。此外,在本實施方案中的光接收部采用濾光器作為對光進行分光的分光裝置。然而,不必須使用濾光器對光進行分光。例如,可以由光電二極管僅接收具有特定波長的光,通過使用衍射光柵或棱鏡對光進行分光。(第一實施方案和第二實施方案的設計變更)要注意的是:本發(fā)明的上述實施方案僅是本發(fā)明的示例,并且不限制本發(fā)明的結構。本發(fā)明的生物分子檢測設備不局限于上述實施方案,并且各種改變和修改是可以的,只要所述改變和修改不背離本發(fā)明的目的。例如,施加到溶液內的分子的外力不局限于由激光束施加的外力??梢圆捎么欧椒ɑ螂姺椒?,只要所述方法將外力施加到引起自由分子和結合分子完成再取向所需的時間量的差異的程度。此外,不必須采用A0D120,只要采用能夠在兩個方向發(fā)射激光束的結構即可。例如,可以采用使用多個取向控制光源的構造,并且取向控制光束的方向可以通過轉換所采用的光源而轉換。作為另一個備選,結合分子可以通過采用線偏振激光束作為取向控制光束而取向,并且結合分子取向的方向可以通過使用λ /2波長片或可以通過電信號控制的液晶相位調制器件轉換其中激光束線偏振的方向而轉換。另外,在上述實施方案中,取向控制光束117傳播的方向在相互垂直的兩個方向之間被轉換,即,將與結合分子相關聯(lián)的熒光分子的躍遷矩定向成與激發(fā)光的振動方向平行,和將與結合分子相關聯(lián)的突光分子的躍遷矩的方向定向成與激發(fā)光的振動方向垂直。然而,不必要使兩個方向相互垂直。例如,在定量檢測對象物質的情況下,僅需要使取向控制光束傳播的兩個方向中的一個成為將與結合分子相關聯(lián)的熒光分子的躍遷矩的方向定向成垂直于激發(fā)光的振動方向,即,不能夠使該線偏振激發(fā)光激發(fā)突光分子的取向。如果突光分子被取向成使得線偏振激發(fā)光不能激發(fā)熒光分子,則ro輸出將僅變成噪聲,這是因為不會發(fā)射熒光。當激光束的發(fā)射方向被轉換到另一個方向時,可以僅接收由與已經(jīng)完成再取向的自由分子和結合分子相關聯(lián)的熒光分子發(fā)射的熒光。換句話說,可以暫時重置熒光的發(fā)射,從而防止接收不必要的熒光以及消除由不必要的熒光造成的噪聲。在這種情況下,如果取向控制光束117傳播的兩個方向是垂直的,則自由分子和結合分子完成再取向所需的時間量的差值變成最大,從而產(chǎn)生最高S/N比。同時,如果由取向控制光束117傳播的兩個方向形成的角度為60度,則自由分子和結合分子完成再取向所需的時間量變得較短,并且進行測量所需的時間量也變得較短。依此方式,當由取向控制光束117傳播的兩個方向形成的角度由90度減少時,自由分子和結合分子完成再取向所需的時間量將變得更短,并且進行測量所需的時間量也變得更短。另外,在進行測量以僅確定檢測對象物質是否存在于溶液中,即,結合分子是否存在的情況下,僅需要將取向控制光束117的發(fā)射方向轉換到具有產(chǎn)生結合分子完成再取向所需的時間量的差值的角度差的兩個方向。即,不必須使兩個方向包括使與結合分子相關聯(lián)的熒光分子的躍遷矩的方向取向以垂直于激發(fā)光的振動方向的方向。如果產(chǎn)生結合分子完成再取向所需的時間量的差值,則所述差值將被表示在熒光數(shù)據(jù)中,因此可以確認結合分子的存在。在以上實施方案中描述了將一個試劑杯設置在生物分子檢測設備內的情況。然而,采用一個試劑杯不是必須的,而是可以采用將多個樣品設置在其內的多個試劑杯設置在生物分子檢測設備中的構造。在這種情況下,如果設備被構造成依次移動試劑杯至測量位置并進行測量,則可以自動測量多個樣品。要注意的是上述實施方案被描述為采用被熒光分子標記的抗體的情況。然而,使用已經(jīng)被熒光分子標記的抗體不是必須的。例如,可以在試劑杯內同時進行抗體和抗原的結合以及抗體和熒光分子的結合。在這種情況下,使用者可以在單獨的試劑槽中制備抗體和熒光分子,并且生物分子檢測設備可以將抗體、熒光分子和樣品分配到試劑杯中,以當進行測量時使反應發(fā)生。
另外,取向控制光源116和激發(fā)光源118可以構造成可移除的,使得它們可以被適于檢測對象物質和熒光分子的類型的那些代替。適宜的是,通過根據(jù)檢測對象物質、特異性結合物質和熒光分子的分子量或體積,以及由取向控制裝置施加的取向控制度獲得所有結合分子完成取向所需的時間量并且將所獲得的時間量指定為時間間隔的長度,來確定要被轉換的取向控制的方向的時間間隔。在這種情況下,在所述分子完成取向之后,取向控制光束不會在相同的方向上發(fā)射,從而降低功率消耗。另外,測量不會無關地繼續(xù),并且可以縮短測量時間。可以根據(jù)ro輸出或A/D轉換部的輸出獲得所有自由分子和所有結合分子完成取向所需的時間量。例如,如果重復多個測量周期,則可以了解輸出變飽和所需的近似時間量。因此,可以計算輸出變飽和所需的時間量的算術平均數(shù),并且可以將計算的時間量指定為預定時間間隔。與分子的取向由磁體等控制的情況相比較,在采用取向控制光束控制分子的取向的情況下避免了復雜機構。為了使用磁體控制分子的取向,例如,分子需要具有磁性,或者需要制備與其取向將被控制的分子結合的磁性分子,并且測量的準備變得復雜。要注意的是:在本發(fā)明的上述實施方案中,描述了其中采用從全血分離的血漿作為樣品的情況。然而,樣品不局限于全血,而是可以采用如尿液和脊髓液的其它體液作為樣品,只要檢測對象物質分散在所述體液的溶液內即可。應注意本發(fā)明的實施方案被描述為其中將結合分子取向并且不將自由分子取向的情況。然而,自由分子不被取向不是必須的。在自由分子也被取向控制光束取向的情況下,自由分子和結合分子的體積和分子量不同,并且因此它們取向的速度將不同。因為該原因,即使在取向控制光束的發(fā)射方向轉換的情況下,分子完成取向轉換所需的時間的量將不同,并且發(fā)射熒光的周期也將不同。因此,如果將具有結合分子完成取向轉換所需的時間量兩倍的參考信號輸入至鎖定放大器,可以檢測由與結合分子相關聯(lián)的熒光分子發(fā)射的熒光成分。本發(fā)明的實施方案可以在抗原、抗體和熒光分子分散在溶液內的液相中進行測量,從而與固相測量相比較顯示出初步處理簡單的優(yōu)點。此外,抗原和自由分子未固定于固相,并且因此抗原和自由分子可以在溶液內自由地移動,帶來比使用固相的測量的過程中的反應更快的反應。此外,本發(fā)明的實施方案不像傳統(tǒng)的熒光偏振方法中那樣檢測熒光偏振程度由于布朗運動中的改變而變化。因此,即使熒光壽命受樣品內的成分影響,對測量的影響也很小。本發(fā)明的實施方案被描述為在單個方向上線偏振的激發(fā)光119發(fā)射到溶液上的情況。即,激發(fā)光119具有單個偏振面。然而,激發(fā)光119不是必須是具有單個偏振面的線偏振光束。為了獲得與由第一實施方案和第二實施方案獲得的相同的有益效果,激發(fā)光119僅需要具有在特定方向上線偏振的至少一個成分。這里,在特定方向上線偏振的光是:熒光分子的躍遷矩與線偏振成分的振動方向之間的關系的變化改變線偏振成分對熒光分子的激發(fā)效率的光。例如,如果可以發(fā)射隨機偏振激發(fā)光,并且可以將分析器設置在光接收部的前面,使得僅接收從熒光分子發(fā)射的熒光的在特定方向上線偏振的成分。這里,隨機偏振光表不振動方向是隨機的并且存在在不同方向上振動的多個線偏振成分的光。
圖15A和15B是顯示在分別發(fā)射取向控制光束136和取向控制光束134的情況下突光分子14的取向方向與隨機偏振激發(fā)光230的振動方向之間的關系的概念圖。激發(fā)光230的振動方向232a至232d表不光在垂直于激發(fā)光230傳播方向的平面內的振動方向。在圖15A和圖15B中,振動方向232a至232d表示激發(fā)光230在不同的方向上振動。然而,事實上,除了圖15A和圖15B中所示的成分之外,還包括具有不同角度方向的更多成分。一般地,當在溶液內靜態(tài)的突光分子被線偏振激發(fā)光激發(fā)時,突光分子發(fā)射在與激發(fā)光的振動方向相同的方向上偏振的突光。當突光分子被隨機偏振激發(fā)光230激發(fā)時,突光分子14發(fā)射隨機偏振熒光234。分析器236透射由突光分子發(fā)射的隨機偏振突光234的在特定方向上振動的成分,并截除在其它方向上振動的成分。換句話說,只有在特定方向上振動的光通過分析器236。在圖15A和圖15B中,熒光234在特定方向上振動的成分是能夠通過分析器236的唯一成分。因此,通過分析器236的熒光234的振動方向僅是振動方向232a。熒光234中包含的在振動方向232a振動的成分通過被在振動方向232a線偏振的激發(fā)光230的成分激發(fā)而發(fā)射。因此,只有由被在振動方向232a上線偏振的激發(fā)光230成分激發(fā)的熒光分子14發(fā)射的熒光234的成分到達光電二極管238。通過采用這種構造,即使采用隨機偏振光作為激發(fā)光230,也可以相對于在特定方向上振動的光進行與由第一實施方案進行的測量相同的測量。要注意的是:熒光234的在特定方向上振動并被分析器236透射的成分不局限于在這里所述的方向上振動的成分。在任意方向上振動的成分都可以被分析器236透射,只要伴隨著熒光分子14的取向方向的改變,熒光分子14的激發(fā)效率產(chǎn)生差異即可。另外,圖15A和圖15B顯示了對于所有振動方向來說振幅是恒定的示例。然而,對于所有振動方向來說振幅是恒定不是必須的。由光電二極管238接收到的隨機偏振熒光234的成分僅是在特定方向上振動的成分,因此在其它方向上振動的成分被截除。如圖15A所示,當取向控制信號為OV時,被取向控制光束136取向的熒光分子14的躍遷矩的方向垂直于透射通過分析器236的成分的振動方向232a。在這種情況下,熒光分子14相對于激發(fā)光230的在振動方向232a上振動的成分的激發(fā)效率最小。因此,由熒光分子14發(fā)射的熒光234的通過分析器236并到達光電二極管238的成分的強度在這種情況下也最小。相反,如圖15B所示,當取向控制信號是5V時,被取向控制光束134取向的熒光分子14的躍遷矩的方向平行于透射穿過分析器236的成分的振動方向232a。在這種情況下,熒光分子14相對于激發(fā)光230的在振動方向232a上振動的成分的激發(fā)效率最大。因此,由熒光分子14發(fā)射的熒光234的通過分析器236并到達光電二極管238的成分的強度在這種情況下也最大。在同樣采取這種構造的情況下,當取向控制信號從OV轉換到5V時,熒光分子14的取向方向將改變,并且熒光分子14的躍遷矩的方向和透射穿過分析器236的光的振動方向逐漸變成平行。伴隨這種逐漸接近平行,熒光分子14相對于激發(fā)光230的在能夠透射穿過分析器236的方向上振動的成分的激發(fā)效率增加。激發(fā)效率的增加使得由熒光分子14發(fā)射的熒光234的在能夠透射穿過分析器236的方向上振動的成分的強度增加。即,由光電二極管238檢測到的熒光的強度以與第一實施方案相同的方式逐漸增加。為此,即使在采用上述構造的情況下,表示當取向控制信號從OV轉換到5V時光電二極管238的輸出隨著時間變化的圖具有與圖1OA的圖相同的形狀。即,同樣在這種情況下,可以相對于表示光電二極管238輸出的圖,通過進行與第一實施方案中進行的計算相同的計算,測量檢測對象物質的濃度。作為進一步的可選方式,可以采用由在相互垂直的兩個方向上線偏振的兩種成分構成的激發(fā)光240,如圖16A和圖16B的概念圖中所不。激發(fā)光240僅具有兩種成分,所述兩種成分在垂直于激發(fā)光240傳播方向的平面內在振動方向242a和242b上線偏振。即,振動方向242a和振動方向242b相互垂直。被激發(fā)光240激發(fā)的突光分子14發(fā)射具有在與激發(fā)光240的振動方向相同的振動方向上振動的成分的突光244。即,突光244具有在振動方向242和242b上線偏振的兩種成分。圖16A是顯示取向控制信號為OV的情況的概念圖。當取向控制信號為OV時,發(fā)射取向控制光束136。取向控制光束136照射的熒光分子14取向,使得所述熒光分子14的躍遷矩與振動方向242b相同。即,當取向控制信號為OV時,熒光分子的躍遷矩和激發(fā)光240的一個成分的振動方向242b平行。偏振分束器246透射突光244中在振動方向242a上振動的線偏振成分244a,并反射突光244的在振動方向242b上振動的線偏振成分244b。穿過偏振分束器246的線偏振成分244a到達光電二極管248。偏振分束器246反射的線偏振成分244b到達光電二極管250。圖16B是顯示取向控制信號為5V的情況的概念圖。當取向控制信號為5V時,發(fā)射取向控制光束134。取向控制光束134照射的熒光分子14取向,使得所述熒光分子14的躍遷矩與振動方向242a相同。即,當取向控制信號為5V時,熒光分子的躍遷矩和激發(fā)光240的成分中的另一個的振動方向242a平行。以下集中描述熒光244的穿過偏振分束器246的線偏振成分244a。在這種情況下,激發(fā)光240的成分中的一個的振動方向242a與熒光分子14的躍遷矩的方向之間的關系與在第一實施方案的情況下是相同的。光電二極管248的輸出的時間變化類似于相對于第一實施方案所述的圖1OA的曲線圖表示的時間變化。即,伴隨著取向控制光束的發(fā)射方向的轉換,結合分子的取向方向開始變化,并且光電二極管248的輸出增加。光電二極管248的輸出在結合分子的再取向完成之后的時刻點達到最大。在保持5V電壓持續(xù)T秒之后,將取向控制信號重置到0V。當取向控制信號從5V轉換到OV時,結合分子取向的方向再次轉換,并且光電二極管248的輸出降低。同時,以下集中描述突光244的被偏振分束器246反射的線偏振成分244b。在這種情況下,激發(fā)光240的成分中的另一個的振動方向242b和熒光分子14的躍遷矩的方向是平行的。因此,熒光分子14相對于激發(fā)光240的另一個成分的激發(fā)效率直到取向控制光束的發(fā)射方向轉換之前都是最大的。即,熒光244的線偏振成分244b的強度直到取向控制光束的發(fā)射方向轉換之前都是最大的,因此,接收熒光244被偏振分束器246反射的線偏振成分244b的光電二極管250的輸出直到該時間也是最大的。伴隨著取向控制光束的發(fā)射方向的轉換,自由分子的取向方向開始變化,并且光電二極管250的輸出降低。光電二極管250的輸出在所有結合分子的再取向完成之后變成最小。保持5V電壓持續(xù)T秒之后,將取向控制信號重置到0V。當取向控制信號從5V轉換到OV時,結合分子取向的方向再次轉換,并且光電二極管250的輸出增加。這是因為激發(fā)光240的另一個成分的振動方向242b和熒光分子14的躍遷矩的方向返回到平行狀態(tài)。采用光電二極管248的輸出和光電二極管250的輸出將所接收的光數(shù)據(jù)歸一化。通過依此方式將兩個光電二極管的輸出歸一化,可以減小自由分子和結合分子的濃度的波動和光學系統(tǒng)的激發(fā)功率的波動的影響。之后,從歸一化的所接受的光數(shù)據(jù)計算結合分子的濃度。本發(fā)明的實施方案基于飽和熒光強度值獲得結合分子的濃度。然而,不是必須以這種方式獲得結合分子的濃度。例如,可以采用其中取向控制光束的發(fā)射方向在取向控制光束的發(fā)射方向轉換之后在熒光強度成為飽和之前返回至轉換之前的發(fā)射方向的高頻進行鎖定檢測。圖17A是示例其中取向控制信號是5V的過程的期間足夠長以使得熒光強度成為飽和的取向控制信號的輸出的圖。圖17B是示例其中取向控制信號是5V的過程的期間足夠短以使得熒光強度未成為飽和的取向控制信號的輸出的圖。在圖17A中,取向控制信號的周期tl足夠長,并且在取向控制信號是5V的時間的期間足夠長。因此,將所有的結合分子取向,熒光強度成為最大,并且鎖定放大器的輸出成為最大值il。同時,在圖17B中,取向控制信號的周期t2短,并且在所有結合分子取向之前取向控制信號成為0V。因此,熒光強度未達到理論最大值,并且鎖定放大器的輸出為i2。在本發(fā)明的實施方案中,對于每個發(fā)射方向取向控制光源的數(shù)目不限于一個??梢蕴峁┒鄠€取向控制光源,并且多個取向控制光束可以在相同的方向上發(fā)射。在通過改變發(fā)射取向控制光束的方向來控制熒光分子的躍遷距的方向的光學系統(tǒng)中,可以設置從特定方向同時朝向多個點發(fā)射取向控制光束的多個光學系統(tǒng)以加寬取向控制光束的照射范圍,以便避免在將取向控制光束聚焦至窄的范圍內的情況下取向控制光束可以照射的范圍將變小的問題。多個光學系統(tǒng)可以具有多個光路,至少在激光束進入試劑杯之前的階段。例如,如果設置三個也包括光源的光學系統(tǒng),外力施加光束從所有三個外力施加光源發(fā)射,并且外力施加光束可以從特定方向照射試劑杯三個點。作為另一個實例,即使僅設置單個光源,也可以通過采用二維激光陣列、微透鏡陣列等將單個外力施加光束分支,并且可以將外力施加光束發(fā)射至對應于分支的數(shù)目的多個點上。在這種情況下,取向控制光束可以同時發(fā)射至多個點上,并且熒光分子的躍遷距可以在多個位置旋轉。本發(fā)明的實施方案被描述為突光分子的躍遷矩的方向通過轉換激光束發(fā)射的方向來控制的情況。然而,用于控制熒光分子的躍遷矩的方向的方法不局限于這種構造。例如,可以利用熒光分子的躍遷矩跟蹤線偏振光的振動方向的現(xiàn)象,通過控制線偏振激光束的振動方向來控制突光分子的躍遷矩的方向。以下描述用于通過控制線偏振激光束的振動方向控制熒光分子的躍遷矩的方向的方法的示例。采用在單個方向上被線偏振的激光束,并且將激光束的偏振軸旋轉以控制結合分子的取向,從而控制熒光分子的躍遷矩的方向。可以通過采用λ/2波長片控制線偏振激光束的偏振軸。λ /2波長片是用于使光的兩個垂直成分之間的光程差為所述光的波長的一半的相移片,并且用于使光的偏振軸旋轉。在平行于λ/2波長片的光軸方向的方向上被線偏振的光以保持不變的方式穿過所述波長片,而在與λ /2波長片的光軸方向形成45度角的方向上被線偏振的光在其偏振軸旋轉90度的狀態(tài)下被透射。即,通過相對于線偏振激光束轉換λ /2波長片的角度,能夠進行激光束以保持不變的方式穿過λ /2波長片的情況與激光束在其偏振軸旋轉90度的狀態(tài)下被透射的情況之間的轉換。即,采用λ /2波長片通過旋轉線偏振激光束的偏振軸,使結合分子可以在兩個方向上被取向。在通過控制線偏振激光束的振動方向來控制熒光分子的躍遷矩的方向的情況下,取向控制光束在垂直于其傳播方向的平面內具有任意橫截面形狀。例如,考慮發(fā)射具有偏振軸352的線偏振取向控制光束350的情況,如圖18Α所示。在這種情況下,激光束250在垂直于其傳播方向的方向上具有大致矩形橫截面形狀??紤]位于取向控制光束350的中心處的結合分子354和位于取向控制光束350的周邊部分處的結合分子356的矩。如圖18Β中所示,當取向控制光束350旋轉時,偏振軸352旋轉。位于旋轉軸(偏振軸352的旋轉中心)上的結合分子354立即跟蹤偏振軸352的旋轉,并且旋轉。同時,位于取向控制光束350的周邊部分處的結合分子356不能立即跟蹤偏振軸352的旋轉,并且變得與所述偏振軸352分離。經(jīng)過一段時間以后,結合分子356也被吸入到取向控制光束350中,并且開始跟蹤偏振軸352旋轉的旋轉。在取向控制光束350的偏振軸352從圖18Α的偏振軸352旋轉90度的情況下,如圖18C所示,結合分子354的再取向與偏振軸352的旋轉的完成同時完成。同時,因為結合分子356不能立即跟蹤偏振軸352的旋轉,因此在完成偏振軸352的旋轉之后的一段時間之后完成結合分子356的再取向。S卩,位于旋轉軸上的結合分子354的移動是與取向控制光束350的偏振軸352的旋轉同步的旋轉。然而,位于取向控制光束350的周邊部分處的結合分子356的移動是繞著旋轉軸的旋轉,其不與取向控制光束350的偏振軸352的旋轉同步。存在不能跟蹤取向控制光束350的偏振軸352的旋轉的結合分子的存在影響測量的情況。為了減小這種影響,優(yōu)選的是取向控制光束從預定方向同時進入多個點。例如,如圖19所示(試劑杯108的平面圖),可以采取其中與九個點360a至360i相對應的九個取向控制光束進入試劑杯108的構造。通過采用這種構造,位于取向控制光束的偏振軸的中心處的結合分子的數(shù)量將增加,從而減小對測量的上述影響。要注意的是:雖然這里描述了取向控制光束進入九個點的實例,但是取向控制光束進入的點的數(shù)量不局限于九個,而是可以比九個多或比九個少。理想的是取向控制光束聚焦得越窄,激光束進入越多數(shù)量的點。因此,可以使結合分子與取向控制光束的旋轉同步地旋轉。因此,可以降低熒光強度的突然變化,并且可以改善作為表示相對散布的指標的變化系數(shù)。圖20中顯示了使激光束從預定方向同時進入多個點的取向控制光源402的結構。取向控制光源402是3X3的二維激光陣列。取向控制光源402的九個發(fā)光點404a至404i發(fā)射光。發(fā)光點具有I μ m的高度和100 μ m的寬度。發(fā)光點之間的距離大約為100 μ m。圖21中顯示了采用圖20的取向控制光源402的光學系統(tǒng)的一個實例。要注意的是:用于激光束和激發(fā)光的光學系統(tǒng)以外的結構元件在圖21中被省略。從取向控制光源402輸出的線偏振取向控制光束422穿過準直透鏡406并在焦點處變成準直光束。已經(jīng)穿過準直透鏡406的取向控制光束422穿過擴束器408和410,然后進入λ/2波長片412。已經(jīng)穿過擴束器408和410的取向控制光束422散開以變成具有特定放大率的準直光束。λ /2波長片在可旋轉臺上,并且被構造成是可旋轉的。這種構造能夠使取向控制光束422的振動方向旋轉。已經(jīng)穿過λ /2波長片的取向控制光束422被分色鏡418反射,被透鏡420聚焦,穿過試劑杯108的底部表面進入試劑杯108,并向上傳播。從光源414輸出的激發(fā)光424穿過透鏡426并被分色鏡416反射。已經(jīng)被分色鏡416反射的激發(fā)光424穿過分色鏡418,被透鏡420聚焦,穿過試劑杯108的底部表面進入試劑杯108,并向上傳播。如果在圖21中所示的光學系統(tǒng)中,準直透鏡406的焦距被設定為3.1mm,并且透鏡420的焦距被設定為4mm,則放大率為1.29x。因此,取向控制光束422的尺寸大約為
1.3 μ mX 130 μ m,且在試劑杯108的底部表面處具有大約129 μ m的間距。以下參照圖22描述使激光束從預定方向同時進入多個點的光學系統(tǒng)的另一實例。要注意的是:用于取向控制光束和激發(fā)光的光學系統(tǒng)以外的結構元件在圖22中被省略。另外,與圖21中所示的結構元件相同的結構元件由相同的附圖標記表示,并且省略所述結構元件的詳細說明。在圖22中所示的光學系統(tǒng)中,取向控制光源116與第一實施方案的取向控制光源相同。取向控制光束432穿過準直透鏡406、擴束器408和410,并進入微透鏡陣列428。如圖23所示,微透鏡陣列428具有以網(wǎng)格形狀陣列的多個微透鏡428a。穿過微透鏡陣列428的取向控制光束432變成具有不同焦點的多個光束,如同由多個光源發(fā)射的光。取向控制光束432被針孔陣列430聚焦,被分色鏡418反射,由透鏡420聚焦,穿過試劑杯108的底部表面進入試劑杯108,并向上傳播??梢砸来朔绞揭餐ㄟ^采用微透鏡陣列使取向控制光束從預定方向同時進入多個點。另外,在上述實施方案中,試劑杯具有圓筒形形狀。然而,試劑杯的形狀不是必須為圓筒形。例如,可以采用被成形為矩形柱并且其中具有矩形柱狀溶液部的試劑杯432,如圖24所示。具有矩形柱狀溶液部的試劑杯432尤其適于在取向控制光束傳播方向上由該光束施加的壓力被用于將結合分子壓在試劑杯432內壁表面上的情況。這是在結合分子的質量較輕的情況下出現(xiàn)的,由在取向控制光束施加的壓力下結合分子移動通過溶液所引起的現(xiàn)象。在這種情況下,如果溶液保持部是矩形柱,則自由分子和結合分子在被壓在溶液與試劑杯432之間的界面上的同時被取向。在界面是平面并且由取向控制光束施加的壓力在垂直于所述界面的方向上操作的情況下,結合分子將不會因在平行于界面的方向上移動而移動出取向控制光束的照射范圍。另外,在將結合分子壓在試劑杯432內壁表面上的情況下,通過設定取向控制光束的焦點的位置可以使分子更加容易地被取向。圖25是顯示聚焦的取向控制光束的焦點與試劑杯之間的位置關系的圖。取向控制光束434進入透鏡436并在血漿16與側壁432b (側壁432b的內表面)之間的界面處被聚焦在焦點434a。取向控制光束434的強度在焦點434a的位置處最大,因此可以以大量的壓力擠壓結合分子。因此,如果取向控制光束434以圖25所示的方式被發(fā)射,則在將結合分子壓在側壁432b的內表面上的同時,結合分子可以被更加有效地取向。同時在這種情況下,可以通過旋轉線偏振取向控制光束434的振動方向而在焦點434a的位置處改變結合分子的取向方向。要注意的是:溶液保持部形成為矩形柱不是必須的,并且溶液保持部僅需要具有至少一個平面。如果取向控制光束被發(fā)射使得該光束聚焦在該平面上的焦點處,則結合分子將不會因在平行于平面的方向上移動而移動出取向控制光束的照射范圍,并且將在被壓在該平面上的同時被取向。[工業(yè)應用領域]本發(fā)明的生物分子檢測設備和生物分子檢測方法可以應用在通過利用檢測對象物質和與檢測對象物質特異性結合的物質之間的相互作用來檢測或定量檢測對象物質的設備中。
權利要求
1.一種生物分子檢測設備,所述生物分子檢測設備檢測由第一復合體發(fā)射的熒光和由第二復合體發(fā)射的熒光以檢測或定量化溶液中存在的檢測對象物質,所述第一復合體具有與所述檢測對象物質特異性結合的物質和熒光分子,并且所述第二復合體由所述第一復合體與所述檢測對象物質結合而成,所述生物分子檢測設備包括: 光源,所述光源照射具有特定方向上的線偏振成分并激發(fā)所述熒光分子的激發(fā)光; 光接收部,所述光接收部檢測由所述熒光分子發(fā)射的熒光; 取向控制裝置,所述取向控制裝置用于將在所述溶液內的所述第二復合體的取向周期性地轉換; 同步成分抽取裝置,所述同步成分抽取裝置用于抽取由所述光接收部檢測的熒光中與所述第二復合體取向的所述周期同步的成分;以及 計算部,所述計算部基于由所述同步成分抽取裝置抽取的所述成分檢測或定量化所述檢測對象物質。
2.如權利要求1所述的生物分子檢測設備,其中: 所述取向控制裝置在第一方向上的取向與在第二方向上的取向之間轉換所述第二復合體的取向,在所述第一方向上,所述第二復合體具有的所述熒光分子的躍遷矩的方向和所述激發(fā)光的所述線偏振成分的振動方向是平行的,并且在所述第二方向上,所述躍遷矩的方向與所述振動方向是垂直的。
3.如權利要求1或2所述的生物分子檢測設備,其中: 所述第二復合體取向轉換的周期由以下各項決定:所述檢測對象物質的分子量和體積中的一個,與所述檢測對象物質特異性結合的物質的分子量和體積中的一個,所述熒光分子的分子量和體積中的一個,以及由所述取向控制裝置施加的取向控制的強度。
4.如權利要求1至3中的任一項所述的生物分子檢測設備,其中: 所述取向控制裝置配備有取向控制光源,所述取向控制光源照射波長與所述激發(fā)光的波長不同的光而使所述第二復合體進行取向。
5.如權利要求4所述的生物分子檢測設備,其中: 所述取向控制光源從多個位置向所述溶液照射波長與所述激發(fā)光的波長不同的所述光。
6.如權利要求4或5所述的生物分子檢測設備,所述生物分子檢測設備包括: 用于保持所述溶液的溶液保持部,所述溶液保持部至少在其一面具有平面。
7.如權利要求6所述的生物分子檢測設備,其中: 所述取向控制光源向穿過所述溶液并從所述溶液保持部的所述平面射出的方向上照射波長與所述激發(fā)光的波長不同的所述光,使得波長與所述激發(fā)光的波長不同的所述光聚焦在所述溶液與所述平面之間的界面處。
8.如權利要求1至7中的任一項所述的生物分子檢測設備,其中: 所述光接收部配備對光進行分光的分光裝置。
9.如權利要求8所述的生物分子檢測設備,其中: 所述分光裝置是具有不同特性的多個濾光器;并且 所述光接收部根據(jù)所述熒光的波長轉換所述多個濾光器。
10.一種生物分子檢測方法, 所述生物分子檢測方法用于檢測由第一復合體發(fā)射的熒光和由第二復合體發(fā)射的熒光以檢測或定量化溶液中存在的檢測對象物質,所述第一復合體具有與所述檢測對象物質特異性結合的物質和熒光分子,并且所述第二復合體由所述第一復合體與所述檢測對象物質結合而成,所述方法包括: 照射具有特定方向上的線偏振成分并激發(fā)所述熒光分子的激發(fā)光; 周期性地轉換所述溶液內的所述第二復合體的取向的步驟; 檢測由所述熒光分子發(fā)射的熒光的步驟; 抽取所檢測的熒光中與所述第二復合體取向的周期同步的成分的步驟;以及 基于抽取的所述成分檢測或定量化`所述檢測對象物質的步驟。
全文摘要
提供一種能夠進行高靈敏度測量的生物分子檢測設備。將取向控制光束(117)的發(fā)射方向周期性地轉換,以周期性地轉換溶液內的結合分子(15)的取向方向。抽取并檢測從由所述溶液內的熒光分子(14)發(fā)射的熒光(123)抽取的與所述結合分子(15)的取向周期同步的成分。從而,可以用簡單的構造精確地測量檢測對象物質的濃度。
文檔編號G01N33/542GK103140751SQ20118004723
公開日2013年6月5日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權日2010年9月30日
發(fā)明者木村俊仁 申請人:富士膠片株式會社