WO2013031141A1 - 分子検出装置、分子検出方法及び分子検出用カートリッジ - Google Patents

Abstract

　分子検出装置は、光を出射する半導体レーザ（２１４）と、半導体レーザ（２１４）から出射した光を保持空間に集光する第１の集光レンズ（３０６）及び第２の集光レンズ（３０７）と、第２の集光レンズ（３０７）から出射されて保持空間に入射する光の入射角を制限するアパーチャー（３０４）と、保持空間からの反射光を検出する光検出器（２１５）とを備え、保持空間の屈折率をｎ１とし、２の集光レンズ（３０７）と保持空間との間に存在する透明部材（２１６）の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、アパーチャー（３０４）は、ｎ１／ｎ２＜ｓｉｎθ≦ＮＡ／ｎ２の式を満たすように、透明部材（２１６）を透過して保持空間に入射する光の入射角θを制限する。

Description

分子検出装置、分子検出方法及び分子検出用カートリッジ

　本発明は、超微量の分子を検出する分子検出装置、分子検出方法及び分子検出用カートリッジに関するものであり、主に生物医学研究、医学診断、予防診断、バイオテクノロジー及びニオイ検出など、従来は微量なため検出が困難であった超微量の分子の有無又は濃度を検出する分子検出装置、分子検出方法及び分子検出用カートリッジを提供するものである。

　バイオ技術の発達に伴って、ｓＲＮＡ（溶性ＲＮＡ）、ｍｉＲＮＡ（ｍｉｃｒｏ－ＲＮＡ）、抗体蛋白質、及びニオイ分子などのバイオマーカーの候補が数多く発見されている。これらのバイオマーカーは、細胞内での遺伝子発現、蛋白合成過程の研究、癌などの病気の診断、又は病気の治療への応用が期待されており、精力的な研究が続けられている。また、バイオマーカーは、生物学的な応用以外にも微量な分子を検出するためのプローブとしても利用可能であり、例えばニオイの検出などのバイオ分野以外での応用も検討されている。

　このような特異的に結合する分子の種類又は量を検出する方法として、マイクロチップによる検出方法が広く用いられている。マイクロチップは、１９９５年にＤＮＡマイクロチップとして報告されて以来、多くの種類の生体分子を網羅的に一度に解析できるツールとしてＤＮＡの塩基配列解析又はＲＮＡの発現解析などの基礎医学分野にとどまらず、創薬及び医薬応用の分野でも広がっている。

　以下、ＤＮＡマイクロチップでｍｉＲＮＡを検出する場合を例に、ＤＮＡマイクロチップの原理を簡単に説明する。ｍｉＲＮＡを検出するために、検出したいｍｉＲＮＡの塩基配列に特異的に結合をする塩基配列を持つＤＮＡをプローブとして予め基板上に数１００～数千個程度固定しておく。細胞又は試料から抽出したｍｉＲＮＡを逆転写酵素により生成したＤＮＡに蛍光色素を結合させておく。このＤＮＡに対し、マイクロチップ上で、ハイブリダイゼーションが行われることにより、マイクロチップ上のＤＮＡプローブと相補関係にあるハイブリダイゼーションが行われたＤＮＡだけが結合する。

　結合したＤＮＡは蛍光色素で標識されている。そのため、スキャナーで光を当てながらＤＮＡマイクロチップをスキャンすれば、結合した箇所では蛍光色素から蛍光が発生するので結合箇所を特定することができる。ＤＮＡマイクロチップ上の位置とＤＮＡプローブの種類とは、一対一に対応しており、ＤＮＡマイクロチップ上の位置からどの種類のマーカに反応したかを特定できる。また、蛍光の強度を測定することで、ハイブリダイゼーションが行われた相対的な量を測定することができる。

　ＤＮＡマイクロチップはバイオ研究分野では広く使われ始めている。しかしながら、実際の医療診断の現場、食品の品質検査、又はバイオテロを想定したセキュリティ検査などに用いるには、検査時間の短縮、検出感度の向上及び再現性の向上が求められる。これらの改善に向けて、幾つかの検出方法が提案されている。

　例えば、特許文献２には、ハイブリダイゼーションの時間経過をリアルタイムに計測する方法が開示されている。また、特許文献２には、エバネッセント光を用いて、ハイブリダイゼーションを起こしていない蛍光色素からのノイズ蛍光を防止して、検出感度を向上させる方法が開示されている。

　図１２を用いて、特許文献１のＤＮＡマイクロアレイ検出装置について説明する。図１２は、従来のＤＮＡマイクロアレイ検出装置の構成を示す図である。図１２において、ＤＮＡマイクロチップ蛍光検出装置は、励起光を照射するためのレーザ８０１、レーザを集光するためのレンズ８０２、光路の向きを変えるミラー８０３、レーザ光を全反射条件で入射させるために、光軸を変化させるレンズ８０４、マイクロチップ８０５、マイクロチップ８０５を固定する基材８０６、蛍光光８１０を集光するためのレンズ８０７、蛍光光８１０を受光するセンサー８０８、及び励起光をカットするための光学フィルタ８０９を備える。

　レーザ８０１より出射されたレーザ光は、レンズ８０２で集光されてミラー８０３で反射され、レンズ８０４の端に入射する。レンズ８０４の端に光が入射することで、マイクロチップ８０５への光の入射角を大きくすることができる。

　マイクロチップ８０５は通常水溶液中で用いられることが多い。水の屈折率は１．３３であるので、マイクロチップ８０５の基材の屈折率が１．５であるとすると、光を６２度以上の入射角で入射させれば光の全反射条件が成立する。このとき、水溶液中のマイクロチップ８０５に到達する光は、基材８０６と水溶液との間で全反射する。しかしながら、基材８０６と水溶液との境界のごく狭い範囲では、エバネッセント光と呼ばれる光が励起光の波長の数分の１程度の深さまで染み出す。エバネッセント光が利用されることで、マイクロチップ８０５上のごく限られた深さ方向の範囲だけに励起光を照射させることができる。このようなエバネッセント光の効果を利用することで、特許文献１では蛍光のバックグラウンドノイズを押さえて、検出のＳ／Ｎを向上させる。

　しかしながら、従来のＤＮＡマイクロアレイ検出装置を実際の医療診断の現場、農業試験場での検査、セキュリティ検査及び食品検査等で用いるには、検出感度が十分ではない。この検出感度の問題がＤＮＡマイクロアレイ検出装置の実用化を妨げる要因であり、短時間で好感度に検出することが求められている。特に近年、病気診断及び病気治療に画期的な革命をもたらすと思われえているｍｉＲＮＡは、血液中の濃度が非常に低く、従来よりも検出感度を大幅に向上させた検出装置が求められている。このような非常に高い検出感度の検出装置が実現できれば、犬の嗅覚に匹敵するニオイ検出器などが実現できるために、その応用範囲は多岐に渡ると予測される。

特開２００６－３８８１６号公報 米国特許出願公開第２０１０－０１４０５０３号明細書

　本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、検出感度を向上させることができる分子検出装置、分子検出方法及び分子検出用カートリッジを提供することを目的とするものである。

　本発明の一局面に係る分子検出装置は、保持空間内に存在する分子を検出する分子検出装置であって、光を出射する光源と、前記光源から出射した前記光を前記保持空間に集光する集光レンズと、前記集光レンズから出射されて前記保持空間に入射する前記光の入射角を制限するアパーチャーと、前記保持空間からの反射光を検出する光検出器とを備え、前記保持空間の屈折率をｎ１とし、前記集光レンズと前記保持空間との間に存在する透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、前記保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、前記アパーチャーは、下記の式（１）を満たすように、前記透明部材を透過して前記保持空間に入射する光の入射角θを制限する。

　ｎ１／ｎ２＜ｓｉｎθ≦ＮＡ／ｎ２・・・・（１）

　この構成によれば、光源は光を出射する。集光レンズは、光源から出射した光を保持空間に集光する。アパーチャーは、集光レンズから出射されて保持空間に入射する光の入射角を制限する。光検出器は、保持空間からの反射光を検出する。保持空間の屈折率をｎ１とし、集光レンズと保持空間との間に存在する透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、アパーチャーは、上記の式（１）を満たすように、透明部材を透過して保持空間に入射する光の入射角θを制限する。

　本発明によれば、上記の式（１）を満たすように、透明部材を透過して保持空間に入射する光の入射角θが制限されるので、保持空間内に分子単位の大きさの微小３次元照射空間を形成し、当該微小３次元照射空間内の１個の分子を検出することができ、検出感度を向上させることができる。

　本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

本発明の実施の形態における分子検出システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における検出カートリッジ及び分子検出器の構成を示す上面図である。 本発明の実施の形態における検出カートリッジ及び分子検出器の構成を示す側面図である。 図１に示す分子検出器の詳細な光学構成を示す図である。 第２の集光レンズによって集光される光の集光点を拡大して示す図である。 ギャップ信号とギャップ間隔との関係を示す図である。 本発明の実施の形態における第２の集光レンズの他の例を示す図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態において、分子が結合する前の蛍光体検出プローブを示す図であり、（Ｂ）は、本発明の実施の形態において、分子が結合した後の蛍光体検出プローブを示す図である。 分子が結合する前の蛍光強度と、分子が結合した後の蛍光強度との波長依存性を説明するための図である。 本発明の実施の形態における分子検出方法について説明するためのフローチャートである。 光検出器によって検出される蛍光光信号の一例を示す図である。 従来のＤＮＡマイクロアレイ検出装置の構成を示す図である。

　以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

　図１は、本発明の実施の形態における分子検出システムの構成を示す図である。図１において、分子検出システム１０は、分子検出装置１００及び検出カートリッジ１０１を備える。検出カートリッジ１０１は、検査用試料を保持する。分子検出装置１００は、分子を保持する保持空間内に存在する分子を検出する。

　分子検出装置１００は、保持基台１０２、制御接点１０３、分子検出器１０４、フロー制御器１０５、レーザ制御器１０６、スポット制御器１０７、蛍光光信号処理器１０８、システムコントローラ１０９及びホストコントローラ１１０を備える。

　保持基台１０２は、検出カートリッジ１０１を保持する。制御接点１０３は、検出カートリッジ１０１と制御信号を送受信する。分子検出器１０４は、分子を検出する。フロー制御器１０５は、検出カートリッジ１０１の動作を制御する。レーザ制御器１０６は、分子検出器１０４のレーザ光源を制御する。スポット制御器１０７は、分子検出器１０４の照射光の位置を制御する。蛍光光信号処理器１０８は、分子検出器１０４からの蛍光光信号を検出し、検出した蛍光光信号に対して信号処理を行う。システムコントローラ１０９は、分子検出装置１００の各ブロックの動作を統合的に制御する。ホストコントローラ１１０は、システムコントローラ１０９と通信を行い、検出結果の表示、動作モードの入力又は検査の実行を指示する。

　以下、図１に示す分子検出システム１０の動作について簡単に説明する。検出カートリッジ１０１は保持基台１０２にセットされる。ホストコントローラ１１０からの指示に従って分子計測動作がスタートする。検出カートリッジ１０１には、フロー制御器１０５からの信号が制御接点１０３を通じて送られ、検出カートリッジ１０１の各種動作が制御される。検出カートリッジ１０１の制御の詳細については、フローチャートを用いて後ほど詳しく説明する。

　検出カートリッジ１０１の下部には、分子検出器１０４が配置されている。分子検出器１０４は、検出カートリッジ１０１内の分子に光を照射することによって発生する蛍光光を検出する。分子検出器１０４は、分子に光を照射する光源として半導体レーザを備える。レーザ制御器１０６は、システムコントローラ１０９からの指示に従って、半導体レーザの発光強度を制御するとともに、半導体レーザのオン及びオフを制御する。

　また、分子検出器１０４は、検出カートリッジ１０１の所定の位置に安定に光を照射して検出ノイズを低下させて検出の精度を向上させる必要がある。このため、スポット制御器１０７は、システムコントローラ１０９からの指示に従って、光の照射位置を制御する。蛍光光信号処理器１０８は、分子検出器１０４によって検出された蛍光光に応じた蛍光光信号に対して信号処理を行う。これにより、様々な検出が行われる。これらの動作は、ホストコントローラ１１０によって手動又はプログラム化された自動処理によって逐次行われる。

　本実施の形態の分子検出装置の動作を詳しく説明する。以下、検出カートリッジ１０１、分子検出器１０４、フロー制御器１０５、レーザ制御器１０６、スポット制御器１０７及び蛍光光信号処理器１０８についてそれぞれ説明する。

　図２は、本発明の実施の形態における検出カートリッジ１０１及び分子検出器１０４の構成を示す上面図であり、図３は、本発明の実施の形態における検出カートリッジ１０１及び分子検出器１０４の構成を示す側面図である。

　図２及び図３において、検出カートリッジ１０１は、検査溶液タンク２０２、フローチューブ２０３、マイクロポンプ２０４、蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９、プローブ弁２１０、検査溶液弁２１１及び透明部材２１６を備える。

　検査溶液タンク２０２は、検査対象である分子を含む検査用試料（分子検査溶液）を格納する。フローチューブ２０３は、分子を保持する。フローチューブ２０３内には、分子検査溶液が流れる。マイクロポンプ２０４は、例えば圧電素子で構成され、フローチューブ２０３内に溶液を流す。マイクロポンプ２０４は、フローチューブ２０３内の分子を移動させる。

　蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９は、検出を所望する分子に対応した分子検出用の蛍光体検出プローブ（特定の分子と結合をするプローブを持った蛍光体）を格納する。蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９は、フローチューブ２０３内の分子に結合する蛍光体（蛍光体検出プローブ）を予め保持する。プローブ弁２１０は、蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９に格納されている各蛍光体検出プローブをフローチューブ２０３に投入する。検査溶液弁２１１は、検査溶液タンク２０２に格納されている分子検査溶液をフローチューブ２０３に投入する。透明部材２１６は、フローチューブ２０３に入射する光を透過させる。

　分子検出器１０４は、アクチュエータ２１２、蛍光光検出光学部２１３、半導体レーザ２１４及び光検出器２１５を備える。アクチュエータ２１２は、照射光を３次元方向に移動させる。半導体レーザ２１４は、分子に照射するための光を出射する。光検出器２１５は、分子に光が照射されることにより発生した蛍光光を検出する。蛍光光検出光学部２１３は、半導体レーザ２１４からの光をアクチュエータ２１２に導くとともに、蛍光光を光検出器２１５に導く。

　本実施の形態の分子検出装置は、検出カートリッジ１０１のフローチューブ２０３に、分子検出器１０４からのレーザ光を照射して蛍光光を検出することで、１分子の精度で特定の分子を検出することができる。第１のポイントとして、分子検出器１０４の光学構成に大きな特徴がある。まず、非常に高い精度で分子を検出することが可能な分子検出器１０４の構成を説明し、その後に、検出カートリッジ１０１の具体的な動作について説明する。

　図４は、図１に示す分子検出器１０４の詳細な光学構成を示す図である。図４では、図１、図２及び図３と同一の構成は、同一の符号で表記している。図４において、分子検出器１０４は、アクチュエータ２１２、蛍光光検出光学部２１３、半導体レーザ２１４及び光検出器２１５を備える。

　アクチュエータ２１２は、第１の集光レンズ３０６、第２の集光レンズ３０７及び集光レンズアクチュエータ３０８を備える。蛍光光検出光学部２１３は、コリメートレンズ３０２、コリメートレンズアクチュエータ３０３、アパーチャー３０４、ハーフミラー３０５、ギャップ信号検出器３０９、蛍光光コリメートレンズ３１０及び三角プリズム３１１を備える。

　コリメートレンズ３０２は、半導体レーザ２１４から照射されたレーザ光３０１をほぼ平行光に変換する。コリメートレンズアクチュエータ３０３は、コリメートレンズ３０２を前後方向（光軸方向）に移動させる。コリメートレンズアクチュエータ３０３は、フローチューブ２０３（保持空間）に集光する光に含まれる球面収差を補正する。アパーチャー３０４は、円形状であり、レーザ光３０１の中心部を遮光する。アパーチャー３０４は、第２の集光レンズ３０７から出射されて保持空間（フローチューブ２０３）に入射する光の入射角を制限する。ハーフミラー３０５は、中心部が遮光されたレーザ光３０１を反射させるとともに、分子から発生した蛍光光３１３を透過させる。

　第１の集光レンズ３０６は、中心部が遮光されたレーザ光３０１を集光する。第２の集光レンズ３０７は、第１の集光レンズ３０６によって集光されたレーザ光３０１を更に集光させる。第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７は、半導体レーザ２１４から出射した光を保持空間（フローチューブ２０３）に集光する。集光レンズアクチュエータ３０８は、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７を上下方向（光軸方向）及び左右方向（光軸に垂直な方向）に移動させる。なお、集光レンズアクチュエータ３０８は、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７を一体に移動させる。スポット制御器１０７は、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７によって集光される光の集光位置が一定となるように集光レンズアクチュエータ３０８を制御する。

　ギャップ信号検出器３０９は、検出カートリッジ１０１と第２の集光レンズ３０７との境界で反射する光を検出する。ギャップ信号検出器３０９は、保持空間（フローチューブ２０３）を備える検出カートリッジ１０１の表面からの反射光を検出し、第２の集光レンズ３０７と検出カートリッジ１０１との間隔を制御するためのギャップ制御信号を出力する。スポット制御器１０７は、ギャップ信号検出器３０９から出力されたギャップ制御信号に基づいて、第２の集光レンズ３０７とカートリッジ１０１との間隔が一定となるように集光レンズアクチュエータ３０８を制御する。

　蛍光光コリメートレンズ３１０は、検出する分子から発生した蛍光光３１３を平行な光に変換する。三角プリズム３１１は、入射した蛍光光３１３を波長ごとの光に分解する。三角プリズム３１１は、保持空間からの蛍光光を、蛍光光に対応した波長毎に分離する。光検出器２１５は、蛍光光を波長毎に検出する。光検出器２１５は、保持空間（フローチューブ２０３）からの反射光を検出する。光検出器２１５は、三角プリズム３１１によって分離された蛍光光の強度を検出する。

　半導体レーザ２１４は、波長４０５ｎｍの青紫レーザ光を出射する。半導体レーザ２１４のレーザ光３０１の出射位置は、コリメートレンズ３０２の焦点位置とほぼ一致する。これにより、コリメートレンズ３０２を通過したレーザ光３０１は、ほぼ平行光に変換される。コリメートレンズ３０２を通過したレーザ光３０１の中心部は、円形のアパーチャー３０４によって遮光される。アパーチャー３０４を通過したレーザ光３０１は、ハーフミラー３０５によって第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７に導かれる。

　本実施の形態の分子検出装置では、アパーチャー３０４によって光の中心部を遮光し、開口数が高い集光レンズの外周部に光を入射させるところに大きな特徴がある。本実施の形態では、第１の集光レンズ３０６と第２の集光レンズ３０７とを組み合わせることで高い開口数の集光光学系を実現している。第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７で集光された光は、検出カートリッジ１０１の透明部材２１６とフローチューブ２０３との境界面に集光するように設計されている。

　フローチューブ２０３内は検査用試料で満たされている。検査用試料の屈折率をｎ１とする。検査用試料が通常の水溶液である場合には、検査用試料の主成分はほぼ水分であるため、屈折率ｎ１は約１．３３となる。本分子検出装置は、濃度が非常に低い検査用試料に含有する分子を検出する。そのため、検査用試料が水溶液である場合、屈折率ｎ１は、ほぼ１．３３となる。

　図５は、第２の集光レンズによって集光される光の集光点を拡大して示す図である。

　ここで、アパーチャー３０４を通過して焦点部分で集光する光（透明部材２１６を透過してフローチューブ２０３に入射する光）の最小入射角度をδとし、検出カートリッジ１０１の集光ビームが通過する部分（第２の集光レンズ３０７とフローチューブ２０３との間に存在する透明部材２１６）の屈折率をｎ２とする。アパーチャー３０４のサイズを変えることによって、集光部分での光の最小入射角度δを変えることができる。アパーチャー３０４のサイズが大きくなると、最小入射角度δは大きくなり、アパーチャー３０４のサイズが小さくなると、最小入射角度δは小さくなる。本実施の形態では、アパーチャー３０４のサイズは、下記の式（２）の条件を満たすように設定される。

　ｓｉｎδ＞ｎ１／ｎ２・・・・（２）

　最小入射角度δが、上記の式（２）の条件を満たす場合、検出カートリッジ１０１とフローチューブ２０３との境界面で全反射条件が成立して、集光された全ての光が境界面で反射されることになる。しかしながら、上記の条件だけでは全反射条件を満たす光を所望の集光位置まで導くことはできない。なぜならば、第２の集光レンズ３０７と検出カートリッジ１０１との間の空気層の屈折率は１であるために、ｎ２／１（空気層の屈折率）の値は、１以上になる。このとき、第２の集光レンズ３０７と空気層との境界面で全反射条件が成立するために、光を検出カートリッジ１０１内に導くことができない。

　そこで、本実施の形態の分子検出装置では、第２の集光レンズ３０７を光の波長以下の距離まで検出カートリッジ１０１の表面に近接させることで、この課題を解決している。これによって、検出カートリッジ１０１と空気層との境界面で全反射させることなく、光を集光したい位置まで導くことができる。このように構成された集光光学系が用いられることで、図５に示した集光点４０１では、入射光が全反射条件を満たすためにフローチューブ２０３に向かって光が通過しない。しかしながら、全反射条件を満たす集光点４０１では、光の波長の数分の１の距離に光が染み出すというエバネッセント効果が発生する。しかも、この集光点４０１には、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７を用いて入射光を集光しているために、３次元的な微小光照射空間が形成される。

　本実施の形態では、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７を含む集光レンズの開口数ＮＡを１．６とし、検出カートリッジ１０１の透明部材２１６の屈折率ｎ２を１．８とする。検査用試料は水溶液であるので、屈折率ｎ１は１．３３となる。屈折率ｎ１は、屈折率ｎ２より小さい。この場合、上記の式（２）のｓｉｎδは０．８３となる。その結果、ｓｉｎδが０．８３～０．８８（＝ＮＡ／ｎ２）の範囲となる角度で入射される光が、集光点４０１に集光される。集光点４０１に集光する光は、下記の式（３）を満たす範囲の入射角θで入射する場合、光が微小３次元集光スポットを形成することになる。

　ｎ１／ｎ２＜ｓｉｎθ≦ＮＡ／ｎ２・・・・（３）

　すなわち、フローチューブ２０３の屈折率をｎ１とし、第２の集光レンズ３０７とフローチューブ２０３との間に存在する透明部材２１６の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、フローチューブ２０３に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、アパーチャー３０４は、上記の式（３）を満たすように、透明部材２１６を透過してフローチューブ２０３に入射する光の入射角θを制限する。また、透明部材２１６を透過してフローチューブ２０３に入射する光の入射角θは、上記の式（３）を満たす。

　したがって、より多くの光を集光点４０１に導くには、開口数ＮＡは屈折率ｎ１よりもできるだけ大きくすることが望ましい。通常の分子検出装置では、半導体レーザの出射パワーの１０％以上の光が集光される光として用いられる必要がある。そのため、開口数ＮＡは下記の式（４）の条件を満たすことが望ましい。

　なお、本実施の形態では、開口数ＮＡを１．６とし、レーザ光の波長を４０５ｎｍとしているので、約１００ｎｍ×１００ｎｍ×１００ｎｍ程度の微小３次元照射空間が集光点４０１に形成される。

　しかしながら、第２の集光レンズ３０７から出射した光が通過する、検出カートリッジ１０１の表面とフローチューブ２０３との間の透明部材２１６の厚さには、誤差が生じることが想定される。検出カートリッジ１０１が高い精度で作成されれば、透明部材２１６の厚さに必要な精度を確保することができるが、これは、検出カートリッジ１０１のコストアップにつながる。透明部材２１６の厚さ誤差を補正することができれば、検出カートリッジ１０１の透明部材２１６の厚さ精度を緩和できるために、実用上、非常に大きな効果となる。

　集光された光が通過する検出カートリッジ１０１の透明部材２１６の厚さに誤差が生じると、球面収差が発生して集光性能が低下する。この課題を回避するために、本実施の形態の分子検出装置は、球面収差を補正する機構としてコリメートレンズアクチュエータ３０３を備える。コリメートレンズアクチュエータ３０３は、例えばステッピングモータで構成され、コリメートレンズ３０２を前後方向（光軸方向）に移動させる。コリメートレンズ３０２が光軸方向に移動することで、コリメートレンズ３０２を通過した光を平行光から若干ずらすことができ、これによって球面収差を発生させることができる。コリメートレンズ３０２によって発生する球面収差によって、検出カートリッジ１０１の透明部材２１６の厚さ誤差により発生する球面収差を打ち消すことができる。したがって、安価な構成で高精度の分子検出装置を実現することができる。

　更に、本実施の形態の望ましい構成は、分子検出装置が、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７を上下方向（光軸方向）及び左右方向（光軸に垂直な方向）に移動させる集光レンズアクチュエータ３０８を備えることである。集光点４０１上に安定して集光空間を保つためには、第２の集光レンズ３０７と検出カートリッジ１０１との間の距離（以下、ギャップと称する）は、照射光の波長である４０５ｎｍの数分の１に常に保つ必要がある。もし、第２の集光レンズ３０７と検出カートリッジ１０１との間の距離が変動する場合、第２の集光レンズ３０７と検出カートリッジ１０１との境界で反射する光の強度が変化して、光検出器２１５の検出信号のノイズになる。

　ギャップの変動を抑えるためには、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７の位置を光軸方向に制御して、ギャップを一定に保つ必要がある。第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７の位置を制御するためには、ギャップ量を検出するためのギャップ検出信号が必要となる。そのため、本実施の形態における分子検出装置は、ギャップ信号を検出するギャップ信号検出器３０９を備える。

　ギャップ信号検出器３０９からのギャップ信号は、ギャップ間隔に対して、図６に示すような信号となる。図６は、ギャップ信号とギャップ間隔との関係を示す図である。ギャップ間隔が広い場合は、検出カートリッジ１０１の表界面（表面）で全ての光が反射されるために反射光は増加する。一方、ギャップ間隔が入射光の波長に近づくと、光が検出カートリッジ１０１内に侵入するために反射光は減少する。検出カートリッジ１０１のギャップ面（表面）からの反射光が一定の制御目標値となるように制御することにより、ギャップ間隔を一定に保つことができる。

　更に、本実施の形態において集光光を安定化するために、集光レンズアクチュエータ３０８は、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７の位置を光軸に垂直な方向にも制御する。仮に、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７が光軸に垂直な方向に動くと、検出カートリッジ１０１の透明部材２１６の厚さが変化するため、収差が発生する。そこで、ギャップ信号検出器３０９は、検出カートリッジ１０１の表面からの反射光を受光し、光軸を挟んで対向する位置に配置された２つの受光部を含む。スポット制御器１０７は、ギャップ信号検出器３０９の２つの受光部の信号強度が等しくなるように、集光レンズアクチュエータ３０８を制御する。

　なお、上記の実施の形態では、第２の集光レンズ３０７として半球形状のレンズを用いているが、本発明は特にこれに限定されない。図７は、本発明の実施の形態における第２の集光レンズの他の例を示す図である。図７に示すように、第２の集光レンズ５０１は、半球よりも光軸方向の長さが短い形状であってもよい。この場合、半球形状のレンズと同様の機能を実現することが可能である。また、第２の集光レンズは、半球よりも光軸方向の長さが長い超半球形状であってもよい。いずれの場合でも、半球レンズと同様に実現可能であり、第２の集光レンズは、半球レンズに限定されない。第２の集光レンズは、球形状の一部であれば、容易に集光レンズとしての機能を実現できる。本実施の形態では、集光レンズは、２つのレンズ（第１の集光レンズ及び第２の集光レンズ）で構成されるが、本発明は特にこれに限定されず、集光レンズは、屈折率が高い１つのレンズで構成してもよい。

　蛍光光コリメートレンズ３１０、三角プリズム３１１及び光検出器２１５は、分子から発生する蛍光光を検出するための構成であるが、これらの動作については、分子検出の原理について検出カートリッジ１０１を用いて具体的に説明した後に、改めて説明する。

　図２及び図３には、本実施の形態の分子検出装置の検出カートリッジの概略構成を示している。本実施の形態の検出カートリッジ１０１は、５種類の蛍光体検出プローブをそれぞれ格納する蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９を備える。この検出カートリッジ１０１が用いられることで５種類の特定分子を非常に高感度で検出できる。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を用いて、蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９に格納されている蛍光体検出プローブと、分子の検出原理とについて説明する。

　図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、本発明の実施の形態で用いられている蛍光体検出プローブを示す図である。図８（Ａ）は、本発明の実施の形態において、分子が結合する前の蛍光体検出プローブを示す図であり、図８（Ｂ）は、本発明の実施の形態において、分子が結合した後の蛍光体検出プローブを示す図である。

　図８（Ａ）において、蛍光体検出プローブは、量子ドット６０１及びプローブ６０２を備える。量子ドット６０１は、ＧｄＳｅの微粒子で構成され、光が照射されることで蛍光光を放射する特性を持つ。本実施の形態では、蛍光体として量子ドットが用いられる。量子ドット６０１には、特定の分子と相補的に結合するプローブ６０２が結合されている。プローブ６０２は、特定の分子と相補的に結合する能力を有していればどの様な形態でもよい。例えば、特定の配列を有するＤＮＡを検出するには、プローブ６０２は、当該ＤＮＡとペアをなす配列を有する一本鎖のＤＮＡとなる。ＲＮＡの場合でも同様に、プローブ６０２としては、当該検出するＲＮＡと相補的な一本鎖のＲＮＡが選ばれる。これ以外にも、抗原を検出する場合には、当該検出する抗原に相補的に結合する抗体がプローブ６０２として選択される。また、ニオイを検出する場合には、検出するニオイ分子に対応する受容体がプローブ６０２として選択される。

　量子ドット６０１にプローブ６０２が結合した蛍光体検出プローブが用いられることで、相補的な分子が結合しているか否かを蛍光波長の変化によって容易に検出することが可能となる。これは、ＧｄＳｅなどの微粒子で構成された量子ドット６０１の蛍光波長は、量子ドット６０１の持つバンドギャップに依存していることに起因している。量子ドット６０１のサイズが変化すると、容易にバンドギャップ幅が変化して、蛍光波長が連続的に変えられる。

　このように、サイズの変化に非常に敏感なバンドギャップエネルギーは、プローブ６０２に特定の分子が相補的に結合すると、その影響を受けて大きく変化する。すなわち、蛍光体検出プローブの蛍光波長又は蛍光強度は、プローブ６０２に特定の分子が結合することにより、変化する。

　図９は、分子が結合する前の蛍光強度７０１と、分子が結合した後の蛍光強度７０２との波長依存性を説明するための図である。図９に示すように、プローブ６０２に検出分子６０３が結合することで大きく蛍光波長が変化していることが分かる。

　図８（Ａ）に示す蛍光体検出プローブは、特定のサイズの量子ドット６０１にプローブ６０２を結合させるだけで容易に作成することが可能であり、大量生産を簡単に実現することができる。従来のＤＮＡマイクロチップでは、チップ上の位置に応じて特定のプローブを配置する必要があり、大量生産は困難であった。更には、検出したい分子を予め蛍光色素で標識する必要があった。検出したい分子を予め蛍光色素で標識する場合、検出したい分子に蛍光色素を結合させるための前処理が必要であり、検出したい分子に蛍光色素が的確に結合できるかを予め確認する必要がある。そのため、従来の分子検出装置では、小型化及び簡易な操作性を実現することは困難であった。

　これに対して、本実施の形態の分子検出装置は、大量生産された蛍光体検出プローブを検査用試料に混合して、蛍光光の波長を測定するだけで、精度の高い分子の検出を前処理なしに実現することができる。

　また、従来のＤＮＡマイクロチップを用いた検出方法では、検出感度も課題であった。ＤＮＡマイクロチップを用いた検出方法では、予め検査用試料に蛍光色素を結合させておき、ＤＮＡマイクロチップ上のＤＮＡプローブとのハイブリダイゼーションが行われる。結合したＤＮＡは蛍光色素で標識されている。そのため、スキャナーで光を当てながらＤＮＡマイクロチップをスキャンすれば、結合した箇所では蛍光色素から蛍光が発生するので結合箇所を特定することができる。

　しかしながら、スキャナーの感度は低く、ある程度の量の蛍光色素が結合していないと検出することが困難である。この検出感度の低下の課題は、複数の結合分子に光を照射して蛍光光を同時に検出するという検出方式の原理的な問題である。結合したＤＮＡマイクロチップの１つの分子に対する検出領域には、非常に多くの検出プローブが深さ側及び面内に分布して塗布されており、この検出領域に一様にスキャン光を照射する必要がある。スキャン光に反応して空間的に分布した蛍光色素がそれぞれ独立に蛍光を発生させる。しかしながら、スキャン光は検出プローブの蛍光色素だけに照射されるのではなく、検出領域の全ての範囲に照射される。スキャン光は、例えば、検出プローブを保持している基台、又は検出プローブを固定する固着剤などにも照射される。これらの材料からもスキャン光が反射し、材料自体からも不要な蛍光が発生するため、検出感度を上げることは原理的に難しい。また、複数の蛍光色素から非相関に蛍光が発生するため、光の位相が揃わず、光強度が低下するおそれもある。

　本実施の形態の分子検出装置では、前述した微小３次元照射空間が検出溶液（気体状態の試料なども含む）中に形成され、微小３次元照射空間の中で発生する蛍光光が検出されることによって、従来克服できなかった検出感度に関する課題を解決している。従来は、検出溶液中に照射される照射光の照射領域は広く、照射領域中に複数の蛍光体が存在するため、１個の分子から発生する蛍光光を計測することが困難であった。複数の蛍光体が照射空間中に存在する場合、検出したい分子と結合している蛍光体と、分子と結合していない蛍光体とが混在しており、それぞれの蛍光体が蛍光を発生させるため、蛍光光の分離は不可能となる。

　しかしながら、本実施の形態の分子検出装置及び分子検出装置に用いる光検出器では、非常に微小な３次元照射空間を実現できるため、従来の方法では困難であった微量の分子の存在を検出できる。

　なお、本実施の形態において、分子検出装置１００が分子検出装置の一例に相当し、半導体レーザ２１４が光源の一例に相当し、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７が集光レンズの一例に相当し、アパーチャー３０４がアパーチャーの一例に相当し、光検出器２１５が光検出器の一例に相当し、三角プリズム３１１が蛍光光分離部の一例に相当し、第１の集光レンズ３０６が第１の集光レンズの一例に相当し、第２の集光レンズ３０７が第２の集光レンズの一例に相当し、ギャップ信号検出器３０９がギャップ検出器の一例に相当し、集光レンズアクチュエータ３０８が集光レンズアクチュエータの一例に相当し、スポット制御器１０７がギャップ制御器及び集光位置制御器の一例に相当し、コリメートレンズアクチュエータ３０３が球面収差補正部の一例に相当し、スポット制御器１０７が球面収差制御部の一例に相当し、フロー制御器１０５が試料投入指示部の一例に相当し、蛍光光信号処理器１０８が分子濃度算出部の一例に相当する。

　また、本実施の形態において、検出カートリッジ１０１が分子検出用カートリッジの一例に相当し、フローチューブ２０３が保持空間の一例に相当し、蛍光体検出プローブが蛍光体の一例に相当し、マイクロポンプ２０４が移動部の一例に相当し、透明部材２１６が透明部材の一例に相当し、蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９が蛍光体保持部の一例に相当し、量子ドット６０１が量子ドットの一例に相当し、プローブ６０２がプローブの一例に相当する。

　以下、図１～図４に示す分子検出システムにおける分子検出方法について、図１０を用いて説明する。なお、図１０では、超微量のｍｉＲＮＡを検出する例について説明する。

　図１０は、本発明の実施の形態における分子検出方法について説明するためのフローチャートである。

　まず、ステップＳ１において、検出カートリッジ１０１が分子検出装置１００に取り付けられる。

　次に、ステップＳ２において、フロー制御器１０５は、制御接点１０３からのカートリッジ情報を受信し、受信したカートリッジ情報に基づいて、カートリッジタイプを識別する。カートリッジタイプの識別に基づいて、ホストコントローラ１１０の指示によって計測がスタートされる。なお、カートリッジ情報は、検出カートリッジ１０１に予め記憶されている。カートリッジ情報は、検出カートリッジ１０１が検出対象とする分子が何であるかを特定するためのカートリッジタイプを含む。

　次に、ステップＳ３において、フロー制御器１０５は、圧電素子で構成されたマイクロポンプ２０４を起動させる。これにより、緩衝溶液がフローチューブ２０３内を循環する。本実施の形態では、微量なｍｉＲＮＡを検出するので、フローチューブ２０３内には、予めｍｉＲＮＡが安定に存在する溶液として、緩衝溶液が挿入されている。

　次に、ステップＳ４において、レーザ制御器１０６は、照射光源である半導体レーザ２１４を点灯させる。この際、レーザ制御器１０６は、半導体レーザ２１４の発光パワーを、事前に取得したカートリッジ情報に基づいて決めることが望ましい。これは、カートリッジタイプによって量子ドットの感度が異なる場合、又は検出する試料のタイプによって照射できるレーザ光のパワーに上限がある場合などがあるためである。静止した試料の同じ場所に長い時間レーザ光が照射された場合、試料がレーザ光により損傷する可能性がある。そのため、前述したように、緩衝溶液を循環させた後、半導体レーザ２１４を点灯させることがより望ましい。

　また、本実施の形態では、レーザ制御器１０６は、カートリッジ情報に基づき、２．１ｍＷのパワーでレーザ光を出射させ、２．１ｍＷのパワーで出射されたレーザ光が、カートリッジの集光点４０１に照射される。また、図４には図示をしていないが、分子検出装置は、半導体レーザ２１４から出射される光の一部を検出するセンサをさらに備え、レーザ制御器１０６は、センサからの検出信号に基づいてレーザ光のフィードバック制御を行うことがより望ましい。この場合、安定したパワーで半導体レーザを発光させることができる。

　なお、カートリッジ情報は、半導体レーザ２１４の発光パワーを含む。この場合、レーザ制御器１０６は、制御接点１０３を介して検出カートリッジ１０１から発光パワーを取得する。また、レーザ制御器１０６は、カートリッジタイプと半導体レーザ２１４の発光パワーとを対応付けたテーブルを予め記憶してもよい。この場合、レーザ制御器１０６は、テーブルを参照することにより、取得したカートリッジタイプに対応する発光パワーを決定する。

　次に、ステップＳ５において、スポット制御器１０７は、集光点４０１の位置に微小３次元照射空間が形成されるように、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７の位置を集光レンズアクチュエータ３０８によって制御する。この制御には、前述したように、ギャップ信号検出器３０９からのギャップ信号が用いられる。

　なお、スポット制御器１０７は、ギャップ信号の強度が一定となるように、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７の光軸方向の位置を制御する。また、スポット制御器１０７は、ギャップ信号検出器３０９の２つの受光部からのギャップ信号の強度が等しくなるように、第１の集光レンズ３０６及び第２の集光レンズ３０７の光軸に垂直な方向の位置を制御する。

　次に、ステップＳ６において、フロー制御器１０５は、プローブ弁２１０の開閉を制御し、蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９からフローチューブ２０３内へ蛍光体検出プローブを投入する。プローブ弁２１０は、圧電素子で構成された弁である。そのため、フロー制御器１０５は、プローブ弁２１０への印加電圧パルスを制御することで正確に蛍光体検出プローブの投入量を制御できる。なお、フロー制御器１０５は、蛍光体検出プローブの投入量を、前述したカートリッジ情報に基づいて決定することが望ましい。これにより、簡易に計測を実行することができる。

　すなわち、カートリッジ情報は、蛍光体検出プローブの投入量を含む。この場合、フロー制御器１０５は、制御接点１０３を介して検出カートリッジ１０１から蛍光体検出プローブの投入量を取得する。また、フロー制御器１０５は、カートリッジタイプと蛍光体検出プローブの投入量とを対応付けたテーブルを予め記憶してもよい。この場合、フロー制御器１０５は、テーブルを参照することにより、取得したカートリッジタイプに対応する蛍光体検出プローブの投入量を決定する。

　ここで、本実施の形態において、ｍｉＲＮＡを検出するために用いられる蛍光体検出プローブについて説明する。蛍光体検出プローブの蛍光部分である量子ドット６０１は、図８（Ａ）に示したようにＧｄＳｅの微粒子で構成される。量子ドットのサイズは、蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９のそれぞれの溶液毎に変えている。蛍光体検出プローブ格納部２０５は、サイズが２．０ｎｍであり緑色蛍光の量子ドットを有する蛍光体検出プローブを格納する。蛍光体検出プローブ格納部２０６は、サイズが２．９ｎｍであり黄緑色蛍光の量子ドットを有する蛍光体検出プローブを格納する。蛍光体検出プローブ格納部２０７は、サイズが４．１ｎｍであり橙色蛍光の量子ドットを有する蛍光体検出プローブを格納する。蛍光体検出プローブ格納部２０８は、サイズが５．９ｎｍであり赤色蛍光の量子ドットを有する蛍光体検出プローブを格納する。蛍光体検出プローブ格納部２０９は、サイズが６．５ｎｍであり濃い赤色蛍光の量子ドットを有する蛍光体検出プローブを格納する。

　これらの量子ドット６０１に、それぞれ異なる５種類のｍｉＲＮＡに特異的に結合するプローブ６０２を付加した蛍光体検出プローブが、蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９に格納されている。本実施の形態では、プローブ６０２として、癌のバイオマーカーとして用いられているｍｉＲ－１、ｍｉＲ－２０ａ、ｍｉＲ－２７ａ、ｍｉＲ－３４ａ及びｍｉＲ－４２３－５ｐの５種類のｍｉＲＮＡに特異的に結合するプローブを用いる。

　フローチューブ２０３に投入された５種類の蛍光体検出プローブは、マイクロポンプ２０４によってフローチューブ２０３内に拡散される。そのため、蛍光体検出プローブは、蛍光体検出プローブの量と、フローチューブ２０３内の緩衝溶液の容量と、集光点４０１に形成される微小３次元照射空間の体積とで決まる所定の確率で微小３次元照射空間を通過する。

　蛍光体検出プローブが微小３次元照射空間を通過すると、量子ドットは蛍光光を発生させる。図４に示すように、発生した蛍光光は、第１の集光レンズ３０６、第２の集光レンズ３０７、ハーフミラー３０５、蛍光光コリメートレンズ３１０及び三角プリズム３１１を通過する。このとき、三角プリズム３１１は、入射した蛍光光を、それぞれの量子ドットに対応した波長の蛍光光に分離する。そして、光検出器２１５は、蛍光光の強度を波長毎に検出する。つまり、光検出器２１５は、複数の蛍光体検出プローブの有無を波長ごとに独立に検出が可能となる。蛍光光コリメートレンズ３１０、三角プリズム３１１及び光検出器２１５が、波長ごとに蛍光光を検出する蛍光光強度検出器に相当する。

　ハーフミラー３０５の中央部には、励起光である４０５ｎｍの波長の光を遮断する波長選択フィルタ３１４が形成されている。これにより、微弱な蛍光光の検出を阻害する迷光を排除し、励起光に起因するノイズを低下させ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

　第２の集光レンズ３０７と検出カートリッジ１０１との境界で反射する迷光を避けるために、第２の集光レンズ３０７の屈折率と、検出カートリッジ１０１の透明部材２１６の屈折率とは近づけたほうがよい。すなわち、集光レンズの屈折率ｎ３は、透明部材２１６の屈折率ｎ２と実質的に同じであることが好ましい。この場合、第２の集光レンズ３０７と検出カートリッジ１０１との境界で反射が発生しないため、迷光に対して有効である。本実施の形態では、２群の集光レンズが用いられるが、基本的には集光レンズの屈折率ｎ３を、検出カートリッジ１０１の透明部材２１６の屈折率ｎ２とほぼ等しくすることで、迷光除去効果を実現できる。さらには、集光点４０１と、検出カートリッジ１０１と第２の集光レンズ３０７との境界との距離を広くすることにより、迷光を除去することができる。

　図１１は、光検出器によって検出される蛍光光信号の一例を示す図である。図１１において、縦軸は蛍光強度を表し、横軸は時間（ｎｓ）を表している。また、図１１では、この蛍光体検出プローブ格納部２０５に格納されている蛍光体検出プローブに対する蛍光光信号を示しており、蛍光光の波長は５１０ｎｍであり、蛍光光の色は緑色である。

　図１１に示すように、蛍光光信号は所定の周期で検出され、各蛍光光信号は１個の蛍光体検出プローブに相当する。このように、蛍光体検出プローブの濃度と試料溶液と微小３次元照射空間の体積とが適切に選択されることにより、一度に微小３次元照射空間を通過する蛍光体検出プローブの数を確率的にほぼ１個にすることができる。そのため、一個の分子を蛍光光の強度変化により容易に検出することができる。

　すなわち、集光レンズの集光点に形成される微小３次元照射空間の体積をＶ１とし、フローチューブ２０３（保持空間）の体積をＶ２とした時に、フローチューブ２０３に投入される蛍光体検出プローブ（蛍光体）の数ｎは、下記の式（５）を満足する。

　ｎ＜Ｖ２／Ｖ１・・・・（５）

　フロー制御器１０５は、上記の式（５）を満たすように、蛍光体検出プローブの数ｎを調整する。

　これは、試料中に微小３次元照射空間を形成することができる本実施の形態の分子検出装置によって始めて実現されるものであり、従来の検出方法では、１個の分子の信号を捉えることは非常に困難であった。蛍光体検出プローブ格納部２０６～２０９内の他の蛍光体検出プローブについても同様に、それぞれの量子ドットが蛍光する波長に着目すれば、同様の検出が可能である。

　さらに本実施の形態の分子検出装置では、量子ドット毎に蛍光波長を変化させているので、同時に複数の蛍光体検出プローブを検出することができる。

　図１０に戻って、ステップＳ７において、スポット制御器１０７は、コリメートレンズ３０２を移動させることにより、球面収差を補正する。図１１に示した蛍光光信号の時間幅又は蛍光強度を用いて、スポット制御器１０７による収差最適化調整が実施される。集光点４０１に形成される微小３次元照射空間は、検出感度を向上させるためには小さいほうがよい。しかしながら、前述したように、集光光学系の球面収差によって微小３次元照射空間のサイズが大きくなってしまう。

　球面収差は、コリメートレンズ３０２を移動させることにより補正することができるが、この補正を行うには、コリメートレンズ３０２の最適な位置を検出する必要がある。仮に、球面収差によって微小３次元照射空間が広がると、図１１に示す蛍光光信号の強度は低下する。また、通過時間が長くなるので、蛍光光信号のパルス幅は広くなる。このような蛍光光信号の信号特性を利用すれば、コリメートレンズ３０２の最適な位置への移動が可能となる。具体的には、スポット制御器１０７は、光検出器２１５から出力される蛍光光信号の振幅が最大となる又は蛍光光信号のパルス幅が最小となるように、コリメートレンズアクチュエータ３０３を制御する。この収差最適化調整処理が、図１０のステップＳ７に示す球面収差を補正する処理である。

　次に、ステップＳ８において、蛍光光信号処理器１０８は、蛍光体検出プローブの数を計測する。所定時間内の図１１に示す蛍光光信号のパルス数は、投入した蛍光体検出プローブの濃度に比例した数になる。蛍光光信号処理器１０８は、蛍光光信号のパルス数を所定時間の間カウントし、カウント数Ｎ１をメモリ（不図示）に記憶する。

　次に、ステップＳ９において、フロー制御器１０５は、検査溶液弁２１１の開閉を制御し、検査溶液タンク２０２からフローチューブ２０３内へ検査用試料を投入される。投入された検査用試料中に本実施の形態の検査対象であるｍｉＲ－１、ｍｉＲ－２０ａ、ｍｉＲ－２７ａ、ｍｉＲ－３４ａ及びｍｉＲ－４２３－５ｐのいずれかのバイオマーカーが含まれていれば、当該バイオマーカーは、対応する蛍光体検出プローブに特異的に結合する。

　次に、ステップＳ１０において、蛍光光信号処理器１０８は、分子が結合していない蛍光体検出プローブの数を計測する。図９に示すように、蛍光体検出プローブに分子が結合すると、蛍光波長が長波長側にシフトする。本実施の形態では、検査用試料中に微量のｍｉＲ－１が含まれているため、ｍｉＲ－１は、蛍光体検出プローブ格納部２０５からの蛍光体検出プローブに結合する。ｍｉＲ－１の結合によって、蛍光体検出プローブの蛍光波長は、５１０ｎｍから５４５ｎｍにシフトする。

　蛍光光信号処理器１０８は、検査用試料を投入する前に蛍光体検出プローブの数を計測した際と同じ所定時間の間に５１０ｎｍの波長に対応する蛍光光信号の数をカウントすることにより、分子が結合していない蛍光体検出プローブの数をカウントする。蛍光光信号処理器１０８は、分子が結合していない蛍光体検出プローブの蛍光波長に対応する蛍光光信号のパルス数を所定時間の間カウントし、カウント数Ｎ２をメモリ（不図示）に記憶する。蛍光光信号処理器１０８は、カウント数Ｎ１とカウント数Ｎ２との差を算出することにより、結合した分子（ｍｉＲＮＡ）の相対的な数を特定することができる。また、蛍光光信号処理器１０８は、所定時間の間に５４５ｎｍの波長に対応する蛍光光信号の数をカウントすることにより、ダイレクトに結合した分子（ｍｉＲＮＡ）の数を測定することもできる。

　このように、本実施の形態の分子検出装置は、分子単位で分子の数をカウントすることが可能であるので、今まで検出が不可能であった非常に低濃度の分子を簡単に検出することができる。

　次に、ステップＳ１１において、蛍光光信号処理器１０８は、分子の濃度を算出する。本実施の形態の分子検出装置のより優れた点は、検査用試料の検出分子の濃度を特定できるという点である。集光レンズの集光点に形成される微小３次元照射空間の体積をＶ１［ｍｌ］とし、フローチューブ２０３の体積をＶ２［ｍｌ］とし、検査用試料が投入される前における蛍光体検出プローブのカウント数をＮ１とし、検査用試料が投入された後における分子が結合していない蛍光体検出プローブのカウント数をＮ２とし、Ｎ１＞Ｎ２とし、フローチューブ２０３を移動する溶液の流量をＶ３［ｍｌ／ｓ］とし、カウント数Ｎ１及びカウント数Ｎ２の計測時間をＴ［ｓ］とし、投入された検査用試料の量をＶ４［ｍｌ］とした時、蛍光光信号処理器１０８は、下記の式（５）に基づいて、検査用試料中の分子の濃度を算出する。

　なお、分子検出装置が備えるメモリ（不図示）は、微小３次元照射空間の体積、フローチューブ２０３の体積、フローチューブ２０３を移動する溶液の流量、カウント数Ｎ１及びカウント数Ｎ２の計測時間、及び投入された検査用試料の量を予め記憶している。蛍光光信号処理器１０８は、微小３次元照射空間の体積、フローチューブ２０３の体積、フローチューブ２０３を移動する溶液の流量、カウント数Ｎ１及びカウント数Ｎ２の計測時間、及び投入された検査用試料の量をメモリから読み出し、検査用試料中の分子の濃度を算出する。

　なお、フローチューブ２０３を移動する溶液の流量、カウント数Ｎ１及びカウント数Ｎ２の計測時間、及び投入された検査用試料の量は、それぞれ実際に計測してもよい。

　また、検出カートリッジ１０１から取得するカートリッジ情報は、微小３次元照射空間の体積、フローチューブ２０３の体積、フローチューブ２０３を移動する溶液の流量、カウント数Ｎ１及びカウント数Ｎ２の計測時間、及び投入された検査用試料の量を含んでもよい。この場合、蛍光光信号処理器１０８は、取得したカートリッジ情報に含まれる、微小３次元照射空間の体積、フローチューブ２０３の体積、フローチューブ２０３を移動する溶液の流量、カウント数Ｎ１及びカウント数Ｎ２の計測時間、及び投入された検査用試料の量に基づいてし、検査用試料中の分子の濃度を算出する。

　このように、カウント数Ｎ１及びカウント数Ｎ２に基づいて、検査用試料中の分子の濃度を特定することができるが、カウント数Ｎ２がゼロに近づくと検出の誤差が増大する。そのため、蛍光光信号処理器１０８は、カウント数Ｎ２がカウント数Ｎ１の１０％以上を確保できるように、検査用試料の投入量を調整することがより望ましい。本実施の形態では、従来のＤＮＡマイクロチップでは検出することができなかった数アトモルの分子の濃度を検出可能であることが確認された。

　上述したように、本実施の形態は、原理的には１個の分子を検出することが可能な優れた分子検出装置を提供するものであり、高感度のバイオマーカー検出装置、ニオイ検出装置及びセキュリティ監視装置を提供することができる。

　なお、上記の実施の形態では、蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９は、それぞれ１種類の蛍光体検出プローブを格納しているが、複数種類の蛍光体検出プローブを１つの蛍光体検出プローブ格納部に混合して格納してもよい。このような構成においても、蛍光波長ごとに個々の蛍光体検出プローブからの蛍光光を検出することが可能であるので、上記と同様の性能を実現できる。また、本実施の形態では、蛍光体検出プローブ格納部２０５～２０９から各蛍光体検出プローブが同時に投入されるが、各蛍光体検出プローブを個別に投入してもよく、特に蛍光体の蛍光波長が重なって分離が難しい場合に、この方法は有効である。

　また、本実施の形態の分子検出装置は、異なる蛍光波長の蛍光光を分離するために三角プリズム３１１を備えているが、三角プリズム３１１に代えて、特定の波長の光を分離するダイクロイックフィルタを備えてもよい。また、ダイクロイックフィルタで分離した光を更に三角プリズムで細かく分離することも可能であり、本実施の形態の分子検出装置は蛍光光の分離方法に依存するものではない。

　また、本実施の形態では、ｍｉＲＮＡを検出する例について説明しているが、蛍光体検出プローブのプローブ６０２を、分子と特異的な結合が可能な抗体又は分子受容体などの様々なプローブに変更することにより、上記と同様に１個の分子に相当する感度での検出が可能となる。

　また、本実施の形態では、蛍光体として量子ドットを用いているが、必ずしも量子ドットである必要はなく、分子がプローブに結合することによって特定の波長の蛍光特性が変化する蛍光体であれば、上記と同様の効果を得ることができる。

　なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。

　本発明の一局面に係る分子検出装置は、保持空間内に存在する分子を検出する分子検出装置であって、光を出射する光源と、前記光源から出射した前記光を前記保持空間に集光する集光レンズと、前記集光レンズから出射されて前記保持空間に入射する前記光の入射角を制限するアパーチャーと、前記保持空間からの反射光を検出する光検出器とを備え、前記保持空間の屈折率をｎ１とし、前記集光レンズと前記保持空間との間に存在する透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、前記保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、前記アパーチャーは、下記の式（６）を満たすように、前記透明部材を透過して前記保持空間に入射する光の入射角θを制限する。

　ｎ１／ｎ２＜ｓｉｎθ≦ＮＡ／ｎ２・・・・（６）

　この構成によれば、光源は光を出射する。集光レンズは、光源から出射した光を保持空間に集光する。アパーチャーは、集光レンズから出射されて保持空間に入射する光の入射角を制限する。光検出器は、保持空間からの反射光を検出する。保持空間の屈折率をｎ１とし、集光レンズと保持空間との間に存在する透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、アパーチャーは、上記の式（６）を満たすように、透明部材を透過して保持空間に入射する光の入射角θを制限する。

　したがって、上記の式（６）を満たすように、透明部材を透過して保持空間に入射する光の入射角θが制限されるので、保持空間内に分子単位の大きさの微小３次元照射空間を形成し、当該微小３次元照射空間内の１個の分子を検出することができ、検出感度を向上させることができる。

　また、上記の分子検出装置において、前記保持空間内の前記分子は、蛍光体に結合し、前記蛍光体に光が照射されることによって蛍光光が発生し、前記保持空間からの前記蛍光光を、前記蛍光光に対応した波長毎に分離する蛍光光分離部をさらに備え、前記光検出器は、前記蛍光光分離部によって分離された前記蛍光光の強度を検出することが好ましい。

　この構成によれば、保持空間内の分子は、蛍光体に結合する。蛍光体に光が照射されることによって蛍光光が発生する。蛍光光分離部は、保持空間からの蛍光光を、蛍光光に対応した波長毎に分離する。光検出器は、蛍光光分離部によって分離された蛍光光の強度を検出する。

　したがって、保持空間からの蛍光光が、蛍光光に対応した波長毎に分離され、分離された蛍光光の強度が検出されるので、異なる蛍光体に結合する複数の分子を同時に検出することができる。

　また、上記の分子検出装置において、前記集光レンズは、前記光を集光する第１の集光レンズと、前記第１の集光レンズによって集光された前記光をさらに集光する第２の集光レンズとを含むことが好ましい。

　この構成によれば、集光レンズが２群のレンズで構成されるので、開口数が大きい集光光学系を容易に実現することができる。

　また、上記の分子検出装置において、前記集光レンズの屈折率をｎ３とした時、前記屈折率ｎ３は、前記屈折率ｎ２と実質的に同じであることが好ましい。

　この構成によれば、集光レンズの屈折率をｎ３は、透明部材の屈折率ｎ２と実質的に同じであるので、透明部材と集光レンズとの境界で発生する迷光を削減することができる。

　また、上記の分子検出装置において、前記保持空間を備えるカートリッジの表面からの反射光を検出し、前記集光レンズと前記カートリッジとの間隔を制御するためのギャップ制御信号を出力するギャップ検出器と、前記集光レンズを光軸方向へ移動させる集光レンズアクチュエータと、前記ギャップ検出器から出力された前記ギャップ制御信号に基づいて、前記集光レンズと前記カートリッジとの間隔が一定となるように前記集光レンズアクチュエータを制御するギャップ制御器とをさらに備えることが好ましい。

　この構成によれば、ギャップ検出器は、保持空間を備えるカートリッジの表面からの反射光を検出し、集光レンズとカートリッジとの間隔を制御するためのギャップ制御信号を出力する。集光レンズアクチュエータは、集光レンズを光軸方向へ移動させる。ギャップ制御器は、ギャップ検出器から出力されたギャップ制御信号に基づいて、集光レンズとカートリッジとの間隔が一定となるように集光レンズアクチュエータを制御する。

　したがって、集光レンズとカートリッジとの間隔が一定になるように制御されるので、集光レンズとカートリッジとの間隔が変動することによって発生するノイズを低減することができ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

　また、上記の分子検出装置において、前記集光レンズを光軸方向へ移動させる集光レンズアクチュエータと、前記集光レンズによって集光される光の集光位置が一定となるように前記集光レンズアクチュエータを制御するスポット制御器とをさらに備えることが好ましい。

　この構成によれば、集光レンズアクチュエータは、集光レンズを光軸方向へ移動させる。スポット制御器は、集光レンズによって集光される光の集光位置が一定となるように集光レンズアクチュエータを制御する。

　したがって、集光レンズによって集光される光の集光位置が一定となるように制御されるので、集光位置が変動することによって発生するノイズを低減することができ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

　また、上記の分子検出装置において、前記保持空間に集光する前記光に含まれる球面収差を補正する球面収差補正部をさらに備えることが好ましい。

　この構成によれば、保持空間に集光する光に含まれる球面収差が補正されるので、透明部材の厚みが変化した場合、透明部材の厚みの変化に起因して発生する球面収差を補正することができ、検出精度を向上させることができる。

　また、上記の分子検出装置において、前記光検出器から出力される信号の振幅が最大となる又は前記信号のパルス幅が最小となるように、前記球面収差補正部を制御する球面収差制御部をさらに備えることが好ましい。

　この構成によれば、光検出器から出力される信号の振幅が最大となる又は信号のパルス幅が最小となるように、球面収差補正部が制御されるので、光検出器から出力される信号を用いて容易に球面収差を補正することができる。

　また、上記の分子検出装置において、前記保持空間内の前記分子は、蛍光体に結合し、前記集光レンズの集光点に形成される微小３次元照射空間の体積をＶ１とし、前記保持空間の体積をＶ２とした時に、前記保持空間に投入される前記蛍光体の数ｎは、下記の式（７）を満足することが好ましい。

　ｎ＜Ｖ２／Ｖ１・・・・（７）

　この構成によれば、保持空間内の分子は、蛍光体に結合する。集光レンズの集光点に形成される微小３次元照射空間の体積をＶ１とし、保持空間の体積をＶ２とした時に、保持空間に投入される蛍光体の数ｎは、上記の式（７）を満足する。

　したがって、微小３次元照射空間中に存在する蛍光体を１個にすることができ、蛍光光をカウントすることで分子の数を特定することができる。

　また、上記の分子検出装置において、前記保持空間内の前記分子は、蛍光体に結合し、前記保持空間内に試料を投入するよう指示する試料投入指示部と、前記集光レンズの集光点に形成される微小３次元照射空間の体積をＶ１とし、前記保持空間の体積をＶ２とし、前記試料が投入される前における前記蛍光体のカウント数をＮ１とし、前記試料が投入された後における分子が結合していない前記蛍光体のカウント数をＮ２とし、Ｎ１＞Ｎ２とし、前記保持空間を移動する溶液の流量をＶ３とし、前記カウント数Ｎ１及び前記カウント数Ｎ２の計測時間をＴとし、投入された前記試料の量をＶ４とした時に、下記の式（８）に基づいて、前記分子の濃度を算出する分子濃度算出部とをさらに備えることが好ましい。

　この構成によれば、保持空間内の分子は、蛍光体に結合する。試料投入指示部は、保持空間内に試料を投入するよう指示する。集光レンズの集光点に形成される微小３次元照射空間の体積をＶ１とし、保持空間の体積をＶ２とし、試料が投入される前における蛍光体のカウント数をＮ１とし、試料が投入された後における分子が結合していない蛍光体のカウント数をＮ２とし、Ｎ１＞Ｎ２とし、保持空間を移動する溶液の流量をＶ３とし、カウント数Ｎ１及びカウント数Ｎ２の計測時間をＴとし、投入された試料の量をＶ４とした時に、分子濃度算出部は、上記の式（８）に基づいて、分子の濃度を算出する。

　したがって、試料が投入される前における蛍光体のカウント数Ｎ１と、試料が投入された後における分子が結合していない蛍光体のカウント数Ｎ２とに基づいて、分子の濃度を容易に算出することができる。

　本発明の他の局面に係る分子検出方法は、保持空間内に存在する分子を検出する分子検出方法であって、光源から光を出射する光出射ステップと、前記光源から出射した前記光を集光レンズにより前記保持空間に集光する集光ステップと、前記集光レンズから出射されて前記保持空間に入射する前記光の入射角をアパーチャーにより制限する光制限ステップと、前記保持空間からの反射光を光検出器により検出する光検出ステップとを含み、前記保持空間の屈折率をｎ１とし、前記集光レンズと前記保持空間との間に存在する透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、前記保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、前記アパーチャーは、下記の式（９）を満たすように、前記透明部材を透過して前記保持空間に入射する光の入射角θを制限する。

　ｎ１／ｎ２＜ｓｉｎθ≦ＮＡ／ｎ２・・・・（９）

　この構成によれば、光出射ステップにおいて、光源から光が出射される。集光ステップにおいて、光源から出射した光が集光レンズにより保持空間に集光される。光制限ステップにおいて、集光レンズから出射されて保持空間に入射する光の入射角がアパーチャーにより制限される。光検出ステップにおいて、保持空間からの反射光が光検出器により検出される。そして、保持空間の屈折率をｎ１とし、集光レンズと保持空間との間に存在する透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、アパーチャーは、上記の式（９）を満たすように、透明部材を透過して保持空間に入射する光の入射角θを制限する。

　したがって、上記の式（９）を満たすように、透明部材を透過して保持空間に入射する光の入射角θが制限されるので、保持空間内に分子単位の大きさの微小３次元照射空間を形成し、当該微小３次元照射空間内の１個の分子を検出することができ、検出感度を向上させることができる。

　本発明の他の局面に係る分子検出用カートリッジは、分子を保持する保持空間と、前記保持空間内の前記分子を移動させる移動部と、前記保持空間に入射する光を透過させる透明部材とを備え、前記保持空間の屈折率をｎ１とし、前記透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、前記保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、前記透明部材を透過して前記保持空間に入射する光の入射角θは、下記の式（１０）を満たす。

　ｎ１／ｎ２＜ｓｉｎθ≦ＮＡ／ｎ２・・・・（１０）

　この構成によれば、保持空間は、分子を保持する。移動部は、保持空間内の分子を移動させる。透明部材は、保持空間に入射する光を透過させる。そして、保持空間の屈折率をｎ１とし、透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、透明部材を透過して保持空間に入射する光の入射角θは、上記の式（１０）を満たす。

　したがって、上記の式（１０）を満たすように、透明部材を透過して保持空間に入射する光の入射角θが制限されるので、保持空間内に分子単位の大きさの微小３次元照射空間を形成し、当該微小３次元照射空間内の１個の分子を検出することができ、検出感度を向上させることができる。

　また、上記の分子検出用カートリッジにおいて、前記保持空間内の前記分子に結合する蛍光体を予め保持する蛍光体保持部をさらに備えることが好ましい。

　この構成によれば、保持空間内の分子に結合する蛍光体が予め保持されるので、保持されている蛍光体を用いて所望の分子を容易に検出することができる。

　また、上記の分子検出用カートリッジにおいて、前記保持空間内の前記分子は、蛍光体に結合し、前記蛍光体は、量子ドットと、前記量子ドットに接続しており、特定の分子と特異的に結合するプローブとを含むことが好ましい。

　この構成によれば、結合による蛍光光の変化を計測することで、１つの分子を検出することができる。

　また、上記の分子検出用カートリッジにおいて、前記蛍光体の蛍光波長又は蛍光強度は、前記プローブに特定の分子が結合することにより、変化することが好ましい。

　この構成によれば、蛍光体の蛍光波長又は蛍光強度は、プローブに特定の分子が結合することにより、変化するので、蛍光波長又は蛍光強度を計測することにより、特定の分子のみを検出することができる。

　なお、発明を実施するための形態の項においてなされた具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。

　本発明に係る分子検出装置、分子検出方法及び分子検出用カートリッジは、検出感度を向上させることができ、分子を検出する分子検出装置、分子検出方法及び分子検出用カートリッジに有用であり、高感度のバイオマーカー検出装置、ニオイ検出装置及びセキュリティ監視装置などへの応用が可能である。

Claims (15)

1. 　保持空間内に存在する分子を検出する分子検出装置であって、
   　光を出射する光源と、
   　前記光源から出射した前記光を前記保持空間に集光する集光レンズと、
   　前記集光レンズから出射されて前記保持空間に入射する前記光の入射角を制限するアパーチャーと、
   　前記保持空間からの反射光を検出する光検出器とを備え、
   　前記保持空間の屈折率をｎ１とし、前記集光レンズと前記保持空間との間に存在する透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、前記保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、
   　前記アパーチャーは、下記の式（１）を満たすように、前記透明部材を透過して前記保持空間に入射する光の入射角θを制限することを特徴とする分子検出装置。
   　ｎ１／ｎ２＜ｓｉｎθ≦ＮＡ／ｎ２・・・・（１）
2. 　前記保持空間内の前記分子は、蛍光体に結合し、
   　前記蛍光体に光が照射されることによって蛍光光が発生し、
   　前記保持空間からの前記蛍光光を、前記蛍光光に対応した波長毎に分離する蛍光光分離部をさらに備え、
   　前記光検出器は、前記蛍光光分離部によって分離された前記蛍光光の強度を検出することを特徴とする請求項１記載の分子検出装置。
3. 　前記集光レンズは、前記光を集光する第１の集光レンズと、前記第１の集光レンズによって集光された前記光をさらに集光する第２の集光レンズとを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の分子検出装置。
4. 　前記集光レンズの屈折率をｎ３とした時、
   　前記屈折率ｎ３は、前記屈折率ｎ２と実質的に同じであることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の分子検出装置。
5. 　前記保持空間を備えるカートリッジの表面からの反射光を検出し、前記集光レンズと前記カートリッジとの間隔を制御するためのギャップ制御信号を出力するギャップ検出器と、
   　前記集光レンズを光軸方向へ移動させる集光レンズアクチュエータと、
   　前記ギャップ検出器から出力された前記ギャップ制御信号に基づいて、前記集光レンズと前記カートリッジとの間隔が一定となるように前記集光レンズアクチュエータを制御するギャップ制御器とをさらに備えることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の分子検出装置。
6. 　前記集光レンズを光軸方向へ移動させる集光レンズアクチュエータと、
   　前記集光レンズによって集光される光の集光位置が一定となるように前記集光レンズアクチュエータを制御する集光位置制御器とをさらに備えることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の分子検出装置。
7. 　前記保持空間に集光する前記光に含まれる球面収差を補正する球面収差補正部をさらに備えることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の分子検出装置。
8. 　前記光検出器から出力される信号の振幅が最大となる又は前記信号のパルス幅が最小となるように、前記球面収差補正部を制御する球面収差制御部をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の分子検出装置。
9. 　前記保持空間内の前記分子は、蛍光体に結合し、
   　前記集光レンズの集光点に形成される微小３次元照射空間の体積をＶ１とし、前記保持空間の体積をＶ２とした時に、
   　前記保持空間に投入される前記蛍光体の数ｎは、下記の式（２）を満足することを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の分子検出装置。
   　ｎ＜Ｖ２／Ｖ１・・・・（２）
10. 　前記保持空間内の前記分子は、蛍光体に結合し、
    　前記保持空間内に試料を投入するよう指示する試料投入指示部と、
    　前記集光レンズの集光点に形成される微小３次元照射空間の体積をＶ１とし、前記保持空間の体積をＶ２とし、前記試料が投入される前における前記蛍光体のカウント数をＮ１とし、前記試料が投入された後における分子が結合していない前記蛍光体のカウント数をＮ２とし、Ｎ１＞Ｎ２とし、前記保持空間を移動する溶液の流量をＶ３とし、前記カウント数Ｎ１及び前記カウント数Ｎ２の計測時間をＴとし、投入された前記試料の量をＶ４とした時に、下記の式（３）に基づいて、前記分子の濃度を算出する分子濃度算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の分子検出装置。
    

    
11. 　保持空間内に存在する分子を検出する分子検出方法であって、
    　光源から光を出射する光出射ステップと、
    　前記光源から出射した前記光を集光レンズにより前記保持空間に集光する集光ステップと、
    　前記集光レンズから出射されて前記保持空間に入射する前記光の入射角をアパーチャーにより制限する光制限ステップと、
    　前記保持空間からの反射光を光検出器により検出する光検出ステップとを含み、
    　前記保持空間の屈折率をｎ１とし、前記集光レンズと前記保持空間との間に存在する透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、前記保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、
    　前記アパーチャーは、下記の式（４）を満たすように、前記透明部材を透過して前記保持空間に入射する光の入射角θを制限することを特徴とする分子検出方法。
    　ｎ１／ｎ２＜ｓｉｎθ≦ＮＡ／ｎ２・・・・（４）
12. 　分子を保持する保持空間と、
    　前記保持空間内の前記分子を移動させる移動部と、
    　前記保持空間に入射する光を透過させる透明部材とを備え、
    　前記保持空間の屈折率をｎ１とし、前記透明部材の屈折率をｎ２とし、ｎ１＜ｎ２とし、前記保持空間に入射する光の入射角の最大値を規定する開口数をＮＡとした時に、
    　前記透明部材を透過して前記保持空間に入射する光の入射角θは、下記の式（５）を満たすことを特徴とする分子検出用カートリッジ。
    　ｎ１／ｎ２＜ｓｉｎθ≦ＮＡ／ｎ２・・・・（５）
13. 　前記保持空間内の前記分子に結合する蛍光体を予め保持する蛍光体保持部をさらに備えることを特徴とする請求項１２記載の分子検出用カートリッジ。
14. 　前記保持空間内の前記分子は、蛍光体に結合し、
    　前記蛍光体は、量子ドットと、前記量子ドットに接続しており、特定の分子と特異的に結合するプローブとを含むことを特徴とする請求項１２又は１３記載の分子検出用カートリッジ。
15. 　前記蛍光体の蛍光波長又は蛍光強度は、前記プローブに特定の分子が結合することにより、変化することを特徴とする請求項１４記載の分子検出用カートリッジ。

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