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技術 測定チップ

出願人 富士フイルム株式会社
発明者 大塚尚
出願日 2002年5月13日 (18年7ヶ月経過) 出願番号 2002-136514
公開日 2003年11月19日 (17年1ヶ月経過) 公開番号 2003-329579
状態 特許登録済
技術分野 生物学的材料の調査,分析 光学的測定セル 光学的手段による材料の調査、分析
主要キーワード イオン濃度センサ 光強度センサ 包囲部材 レファレンス光 試料周囲 各測定ユニット シャーレ状 バイオ物質
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重要な関連分野

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図面 (11)

課題

エバネッセント波を利用した測定装置に用いられる測定チップにおいて、測定チップ内の試料周辺環境因子を測定できるようにする。

解決手段

測定チップ9、光ビーム13を発生する光源であるレーザ光源14、上記光ビーム13を測定チップ9に対して入射させる入射光学系15、測定チップ9の界面10bで反射された光ビーム13を受光して光強度を検出する光検出器17等からなる測定装置に用いられる測定チップにおいて、測定チップ上面に蓋72を設け、この蓋72に取り付けられたイオンセンサー71により試料液11中のイオン濃度を測定する。

概要

背景

金属中においては、自由電子集団的振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。

従来より、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、被測定物質の特性を分析する表面プラズモン測定装置が種々提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる(例えば特開平6−167443号公報参照)。

上記の系を用いる表面プラズモン測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料液などの被測定物質に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態、つまり全反射減衰の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。

なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを入射角を変化させて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。前者の場合は、入射した光ビームの入射角の変化に従って、反射角が変化する光ビームを、上記反射角の変化に同期して移動する小さな光検出器によって検出したり、反射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサによって検出することができる。

上記構成の表面プラズモン測定装置において、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角で入射させると、該金属膜に接している被測定物質中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と被測定物質との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。なお上記の共鳴は、入射ビームがp偏光のときにだけ生じる。したがって、光ビームがp偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。

この全反射減衰(ATR)が生じる入射角、すなわち全反射減衰角θSPより表面プラズモンの波数が分かると、被測定物質の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をKSP、表面プラズモンの角周波数をω、真空中の光速をc、金属、被測定物質の誘電率をそれぞれεm 、εs とすると、以下の関係がある。

概要

エバネッセント波を利用した測定装置に用いられる測定チップにおいて、測定チップ内の試料周辺環境因子を測定できるようにする。

測定チップ9、光ビーム13を発生する光源であるレーザ光源14、上記光ビーム13を測定チップ9に対して入射させる入射光学系15、測定チップ9の界面10bで反射された光ビーム13を受光して光強度を検出する光検出器17等からなる測定装置に用いられる測定チップにおいて、測定チップ上面に蓋72を設け、この蓋72に取り付けられたイオンセンサー71により試料液11中のイオン濃度を測定する。

目的

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上述のような測定装置に用いられる測定チップ内の試料周辺の環境因子を測定することが可能な測定チップを提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
3件

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請求項1

誘電体ブロック、該誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、および該薄膜層の表面上に試料を保持する試料保持部を備えてなる測定チップと、光ビームを発生させる光源と、前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られる入射角入射させる入射光学系と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段とを備えてなる測定装置に用いられる測定チップであって、前記試料保持部内環境因子の状態を測定する環境因子測定手段を備えたことを特徴とする測定チップ。

請求項2

前記環境因子が、イオン濃度、温度、pH、光強度、放射線強度バイオ物質濃度からなる群から選ばれた1つであることを特徴とする請求項1記載の測定チップ。

請求項3

前記環境因子測定手段が、前記試料保持部を構成する機能性樹脂により構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の測定チップ。

技術分野

0001

本発明は、試料に接した薄膜層誘電体ブロックとの界面で光ビーム全反射させてエバネッセント波を発生させ、それにより全反射した光ビームの強度に表れる変化を測定して試料の分析を行うエバネッセント波を利用した測定装置に用いる測定チップに関するものである。

背景技術

0002

金属中においては、自由電子集団的振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。

0003

従来より、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、被測定物質の特性を分析する表面プラズモン測定装置が種々提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる(例えば特開平6−167443号公報参照)。

0004

上記の系を用いる表面プラズモン測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料液などの被測定物質に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態、つまり全反射減衰の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。

0005

なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを入射角を変化させて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。前者の場合は、入射した光ビームの入射角の変化に従って、反射角が変化する光ビームを、上記反射角の変化に同期して移動する小さな光検出器によって検出したり、反射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサによって検出することができる。

0006

上記構成の表面プラズモン測定装置において、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角で入射させると、該金属膜に接している被測定物質中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と被測定物質との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。なお上記の共鳴は、入射ビームがp偏光のときにだけ生じる。したがって、光ビームがp偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。

0007

この全反射減衰(ATR)が生じる入射角、すなわち全反射減衰角θSPより表面プラズモンの波数が分かると、被測定物質の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をKSP、表面プラズモンの角周波数をω、真空中の光速をc、金属、被測定物質の誘電率をそれぞれεm 、εs とすると、以下の関係がある。

0008

ID=000003HE=020 WI=051 LX=1245 LY=2050
すなわち、上記反射光強度が低下する入射角である全反射減衰角θSPを知ることにより、被測定物質の誘電率εs、つまりは屈折率に関連する特性を求めることができる。

0009

なおこの種の表面プラズモン測定装置においては、全反射減衰角θSPを精度良く、しかも大きなダイナミックレンジで測定することを目的として、特開平11−326194号公報に示されるように、アレイ状の光検出手段を用いることが考えられている。この光検出手段は、複数の受光素子所定方向に配設されてなり、前記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそれぞれ異なる受光素子が受光する向きにして配設されたものである。

0010

そしてその場合は、上記アレイ状の光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、該受光素子の配設方向に関して微分する微分手段が設けられ、この微分手段が出力する微分値に基づいて被測定物質の屈折率に関連する特性を求めることが多い。

0011

また、全反射減衰(ATR)を利用する類似の測定装置として、例えば「分光研究」第47巻 第1号(1998)の第21〜23頁および第26〜27頁に記載がある漏洩モード測定装置も知られている。この漏洩モード測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料液に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して導波モード励起状態、つまり全反射減衰状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。

0012

上記構成の漏洩モード測定装置において、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の被測定物質の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、被測定物質の屈折率や、それに関連する被測定物質の特性を分析することができる。

0013

なおこの漏洩モード測定装置においても、全反射減衰によって反射光に生じる暗線の位置を検出するために、前述したアレイ状の光検出手段を用いることができ、またそれと併せて前述の微分手段が適用されることも多い。

0014

また、上述した表面プラズモン測定装置や漏洩モード測定装置は、創薬研究分野等において、所望のセンシング物質に結合する特定物質を見いだすランダムスクリーニングへ使用されることがあり、この場合には前記薄膜層(表面プラズモン測定装置の場合は金属膜であり、漏洩モード測定装置の場合はクラッド層および光導波層)上に上記被測定物質としてセンシング物質を固定し、該センシング物質上に種々の被検体溶媒に溶かされた試料液を添加し、所定時間が経過する毎に前述の全反射減衰角θSPの角度を測定している。

0015

試料液中の被検体が、センシング物質と結合するものであれば、この結合によりセンシング物質の屈折率が時間経過に伴って変化する。したがって、所定時間経過毎に上記全反射減衰角θSPを測定し、該全反射減衰角θSPの角度に変化が生じているか否か測定することにより、被検体とセンシング物質の結合状態を測定し、その結果に基づいて被検体がセンシング物質と結合する特定物質であるか否かを判定することができる。このような特定物質とセンシング物質との組み合わせとしては、例えば抗原と抗体、あるいは抗体と抗体が挙げられる。具体的には、ウサギ抗ヒトIgG抗体をセンシング物質として薄膜層の表面に固定し、ヒトIgG抗体を特定物質として用いることができる。

0016

なお、被検体とセンシング物質の結合状態を測定するためには、全反射減衰角θSPの角度そのものを必ずしも検出する必要はない。例えばセンシング物質に試料液を添加し、その後の全反射減衰角θSPの角度変化量を測定して、その角度変化量の大小に基づいて結合状態を測定することもできる。前述したアレイ状の光検出手段と微分手段を全反射減衰を利用した測定装置に適用する場合であれば、微分値の変化量は、全反射減衰角θSPの角度変化量を反映しているため、微分値の変化量に基づいて、センシング物質と被検体との結合状態を測定することができる。(本出願人による特願2000−398309号参照)このような全反射減衰を利用した測定方法および装置においては、底面に予め形成された薄膜層上にセンシング物質が固定されたカップ状あるいはシャーレ状の測定チップに、溶媒と被検体からなる試料液を滴下供給して、上述した全反射減衰角θSPの角度変化量の測定を行っている。

0017

なお本出願人は、ターンテーブル等に搭載された複数個の測定チップの測定を順次行うことにより、多数の試料についての測定を短時間で行うことができる全反射減衰を利用した測定装置を特開2001−330560号公報により提案している。

0018

また、本出願人は、特願2001−397411号において、複数個の試料液保持部が設けられた測定チップを用いて測定を行う全反射減衰を利用した測定装置も提案している。このような構成の測定装置を用いれば、測定チップを移動させることなく多数の試料についての測定を同時に行うことができる。

発明が解決しようとする課題

0019

ところで、表面プラズモン共鳴測定装置漏洩モードセンサー等の測定装置は、例えば、創薬研究分野等における酵素反応を測定するような場合にも用いられることがある。この創薬に用いられる酵素は最終的には人体生体)内で用いられるものであり、この酵素の生体内での反応は、単に反応物質同士の存在によって決まるものではなく酵素などの他の物質の存在や、それら置かれる環境に大きく左右される。

0020

このような反応に影響を及ぼす環境因子としては、温度、pH、イオン濃度カリウムカルシウム水素一酸化窒素など)、他物質(酵素など)の濃度などが挙げられる。例えば、の中での物質の反応は、主としてpH、あるいは水素イオンの濃度に左右される。また、近年(1999年以降)の研究においては、神経伝達因子として、一酸化窒素による影響が注目されている。一方、ヘモグロビンにおいては酸素二酸化炭素ガス分圧が重要である。

0021

このように、特に生体内の反応を想定した測定においては、試料周辺の環境因子の状態を測定することは非常に重要なことであるが、従来、このような環境因子の状態の測定は行われていないため、実際の生体内の反応と一概に比較することができなかった。

0022

また、上記のような酵素反応に伴って、周囲の温度、pH、イオン濃度等が変化する場合もあるため、これらの環境因子の状態の変化を測定することによって、酵素反応、すなわち測定チップ内の試料液の結合状態の変化に伴って表れる種々の現象を確認することができるようになる。

0023

上述ように、表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モードセンサー等の測定装置において、測定チップ内の試料周辺の環境因子の状態を測定することは非常に重要な意味を持つため、これら種々の環境因子が測定できることが望まれている。

0024

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上述のような測定装置に用いられる測定チップ内の試料周辺の環境因子を測定することが可能な測定チップを提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0025

本発明による測定チップは、誘電体ブロック、誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、および薄膜層の表面上に試料を保持する試料保持部を備えてなる測定チップと、光ビームを発生させる光源と、光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られる入射角で入射させる入射光学系と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段とを備えてなる測定装置に用いられる測定チップであって、試料保持部内の環境因子の状態を測定する環境因子測定手段を備えたことを特徴とするものである。

0026

上記のような測定装置としては、金属膜を上記薄膜層として用いる前述の表面プラズモン測定装置や、誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成された光導波層とからなる層を上記薄膜層として用いる前述の漏洩モード測定装置等がある。

0027

本発明による測定チップを用いる測定装置において、光検出手段により前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して試料の分析を行うには種々の方法があり、例えば、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる種々の入射角で入射させ、各入射角に対応した位置毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰により発生した暗線の位置(角度)を検出することにより試料分析を行ってもよいし、D.V.Noort,K.johansen,C.-F.Mandenius, Porous Gold inSurface Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.585-588 に記載されているように、複数の波長の光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させ、各波長毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、各波長毎の全反射減衰の程度(暗線の位置および程度)を検出することにより試料分析を行ってもよい。

0028

また、P.I.Nikitin,A.N.Grigorenko,A.A.Beloglazov,M.V.Valeiko,A.I.Savchuk,O.A.Savchuk, Surface Plasmon Resonance Interferometry for Micro-ArrayBiosensing, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.235-238 に記載されているように、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させるとともに、この光ビームの一部を、この光ビームが前記界面に入射する前に分割し、この分割した光ビームを、前記界面で全反射した光ビームと干渉させて、その干渉後の光ビームの強度を測定することにより試料分析を行ってもよい。

0029

本発明による測定チップにおいては、環境因子測定手段によりイオン濃度、温度、pH、光強度、放射線強度バイオ物質濃度のいずれかの測定を行えることが望ましい。

0030

また、環境因子測定手段は、試料保持部を構成する機能性樹脂により構成してもよい。

発明の効果

0031

本発明による測定チップにおいては、環境因子測定手段を備えて、試料保持部内の環境因子の状態を測定できるようにしたので、測定装置による試料の屈折率の測定の他に、測定時における試料周囲の環境因子の状態や、試料の状態の変化に伴って表れる種々の環境因子の状態の変化を測定することができる。

発明を実施するための最良の形態

0032

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の一実施の形態による測定チップを用いた表面プラズモン測定装置の概略構成を示す平面図であり、図2はこの表面プラズモン測定装置の側面形状を示すものである。この表面プラズモン測定装置は、複数の誘電体ブロックに光ビームを並列的に入射させることにより複数の試料の分析を同時に行うことが可能な表面プラズモン測定装置である。

0033

上記表面プラズモン測定装置101は、同様の構成の複数の表面プラズモン測定ユニット101A、101B、101C…により構成されている。

0034

各測定ユニットの構成について、個別の要素を表す符号であるA、B、C…の符号は省略して説明する。各測定ユニットは、測定チップ9と、光ビーム13を発生する光源であるレーザ光源14と、上記光ビーム13を測定チップ9に対して入射させる入射光学系15と、測定チップ9で反射された光ビーム13を平行光化して光検出器17に向けて射出するコリメーターレンズ16と、コリメーターレンズ16より出射された光ビーム13を受光して光強度を検出する光検出器17と、光検出器17に接続された差動アンプアレイ18と、差動アンプアレイ18に接続されたドライバ19と、ドライバ19に接続されたコンピュータシステム等からなる信号処理部20とからなる。

0035

測定チップ9は、四角錐の4つの稜線が集まる頂角を含む一部分が切り取られ、かつこの四角錐の底面(図中上面10a)に試料液11を貯える試料保持機構として機能する凹部10cが形成された形状の誘電体ブロック10と、この誘電体ブロック10の凹部10cの底面に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる薄膜層である金属膜12とからなる。この誘電体ブロック10は、例えば透明樹脂等により形成することができる。

0036

さらに測定チップ9の上面には凹部10cを覆う蓋72が設けられており、この蓋72に環境因子測定手段としてのイオンセンサー71が取り付けられている。イオンセンサー71は測定部70に接続されており、この測定部70はイオンセンサー71により検出された信号をA/D変換して信号処理部20に対して出力する。

0037

なお、測定チップ9の誘電体ブロック10は、図3に示すように、互いに隣接する複数の表面プラズモン測定ユニットの測定チップの誘電体ブロックと一体的に構成されたものであってもよい。その場合、蓋72は、一体的に構成してもよいし、個別に設けてもよい。

0038

本実施の形態の測定装置においては、図6(A)に模式図を示すように、測定チップの金属膜12の上に、一部表面に膜タンパク30aが形成された生物細胞をセンシング物質30として固定し、生物細胞(センシング物質30)上にリガンド11aを含む試料液11を滴下して、反応を測定するものとする。

0039

入射光学系15は、レーザ光源14から射出された光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ15aと、この平行光化された光ビーム13を上記界面10bに向けて収束させる集光レンズ15bとから構成されている。

0040

光ビーム13は、集光レンズ15bにより上述のように集光されるので、界面10bに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なお、この入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そのため、界面10bで全反射した光ビーム13には、種々の反射角で全反射された成分が含まれることになる。なお、上記入射光学系15は、光ビーム13を界面10b上に点状に集光させずにデフォーカス状態で入射させるように構成してもよい。そのようにすれば、界面10b上のより広い領域において光ビーム13が全反射されるので、全反射減衰の状態の検出誤差が平均化されて全反射減衰角の測定精度を高めることができる。

0041

なお光ビーム13は、界面10bに対してp偏光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ光源14をその偏光方向が上記所定の方向となるように配設すればよい。その他、光ビーム13を界面10bに対してp偏光で入射させるには波長板で光ビーム13の偏光の向きを制御するようにしてもよい。

0042

また、表面プラズモン測定装置101は、各測定ユニットの信号処理部20A、20B、20C…に接続された1つの表示手段21を備えている。

0043

以下、上記構成の表面プラズモン測定装置による試料分析について説明する。

0044

図2に示す通り、レーザ光源14から射出された光ビーム13は、入射光学系15を通して、誘電体ブロック10と金属膜12との界面10b上に収束される。

0045

界面10b上に収束され、この界面10bで全反射された光ビーム13は、コリメーターレンズ16を通して光検出器17によって検出される。光検出器17は、複数の受光素子であるフォトダイオード17a、17b、17c…が1列に並設されてなるフォトダイオードアレイであり、フォトダイオードの並設方向図2紙面に略平行となるように、かつコリメーターレンズ16を通して平行光化されて入射される光ビーム13の伝播方向に対して略直交するように配設されている。したがって、上記界面10bにおいて種々の反射角で全反射された光ビーム13の各成分を、それぞれ異なるフォトダイオード17a、17b、17c…が受光することになる。そして、光検出器17は、各フォトダイオード17a、17b、17c…によって検出された上記光ビーム13の強度分布を示す信号を出力する。

0046

界面10bに特定入射角θSPで入射した上記光ビーム13の成分は、金属膜12とこの金属膜12に接している物質との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度が鋭く低下する。つまり上記特定入射角θSPが全反射減衰角であり、この角度θSPにおいて反射光強度は極小値を示す。この反射光強度が低下する領域は、図2中に示すように、界面10bで全反射された光ビーム13中の暗線として観察される。

0047

次に、光検出器17から出力された光ビーム13の強度分布を示す信号の処理について詳細に説明する。

0048

図4は、この表面プラズモン測定装置の電気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドライバ19は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18a、18b、18c…の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路22a、22b、22c…、これらのサンプルホールド回路22a、22b、22c…の各出力が入力されるマルチプレクサ23、このマルチプレクサ23の出力をデジタル化して信号処理部20に入力するA/D変換器24、マルチプレクサ23とサンプルホールド回路22a、22b、22c…とを駆動する駆動回路25、および信号処理部20からの指示に基づいて駆動回路25の動作を制御するコントローラ26から構成されている。

0049

上記フォトダイオード17a、17b、17c…の各出力は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18a、18b、18c…に入力される。この際、互いに隣接する2つのフォトダイオードの出力が、共通の差動アンプに入力される。したがって各差動アンプ18a、18b、18c…の出力は、複数のフォトダイオード17a、17b、17c…が出力する光検出信号を、それらの並設方向に関して微分したものと考えることができる。

0050

各差動アンプ18a、18b、18c…の出力は、それぞれサンプルホールド回路22a、22b、22c…により所定のタイミングでサンプルホールドされ、マルチプレクサ23に入力される。マルチプレクサ23は、サンプルホールドされた各差動アンプ18a、18b、18c…の出力を、所定の順序に従ってA/D変換器24に入力する。A/D変換器24はこれらの出力をデジタル化して信号処理部20に入力する。

0051

図5は、界面10bで全反射された光ビーム13の界面10bへの入射角θ毎の光強度と、差動アンプ18a、18b、18c…の出力との関係を説明するものである。ここで、光ビーム13の界面10bへの入射角θと上記反射された光ビーム13の光強度Iとの関係は、同図(1)のグラフに示すようなものであるとする。

0052

また図5の(2)は、フォトダイオード17a、17b、17c…の並設方向を示しており、先に説明した通り、これらのフォトダイオード17a、17b、17c…の並設方向位置は上記入角θと一義的に対応している。

0053

そしてフォトダイオード17a、17b、17c…の並設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ18a、18b、18c…の出力I’(反射光強度Iの微分値)との関係は、同図(3)に示すようなものとなる。

0054

信号処理部20は、A/D変換器24から入力された微分値I’の値に基づいて、差動アンプ18a、18b、18c…の中から、微分値として正の値を有し、かつ全反射減衰角θSPに対応する微分値I’=0に最も近い出力が得られているもの(図5(3)の例では差動アンプ18eとなる)と、微分値として負の値を有し、かつ全反射減衰角θSPに対応する微分値I’=0に最も近い出力が得られているもの(図5(3)の例では差動アンプ18dとなる)を選択し、それらの差動アンプが出力する微分値に基づいて、全反射減衰角θSPを算出する。なお、場合によっては微分値I’=0を出力している差動アンプが存在することもあり、そのときはその差動アンプに基づいて全反射減衰角θSPを算出する。以後、所定時間が経過する毎に上記と同様な動作を繰り返し、全反射減衰角θSPを算出し、測定開始時からの角度変化量を求める。

0055

上述のように、測定チップの金属膜12に接しているセンシング物質30の誘電率つまりは屈折率が変化すると、それに応じて全反射減衰角θSPも変化するため、この全反射減衰角θSPの角度変化量を時間の経過とともに測定し続けることにより、センシング物質30の反応の有無を調べることができる。

0056

本例では、センシング物質30として、一部表面に膜タンパク30aが形成された生物細胞を用い、この生物細胞上にリガンド11aを含む試料液11を滴下して反応の有無を測定しているが、図6(B)に示すように、生物細胞の一部に形成されている膜タンパク30aとリガンド11aとが結合すると、生物細胞(センシング物質30)の屈折率が変化するとともに、膜タンパク30aが細胞内のカルシウムイオン30bを透過させるようになるため、試料液11中のカルシウムイオン濃度が上昇する。

0057

本実施の形態による測定チップ9は、イオンセンサー71(環境因子測定手段)を備えているため、生物細胞(センシング物質30)の屈折率の変化とともに、試料液11中のカルシウムイオン濃度(環境因子の状態)の測定を行うことができる。図7に示すように、これらの測定結果は信号処理部20により表示手段21に表示される。

0058

本発明による測定チップにおいて、環境因子測定手段は上記のようなイオンセンサーに限らず、温度、pH、光強度、放射線強度、バイオ物質濃度等のセンサーとしてもよい。また、センサーの配置位置も上記のような蓋に設ける態様に限らず、誘電体ブロックの側面に設ける等種々の態様としてもよい。

0059

また、各種センサーは、イオン濃度、温度、pH、光強度、放射線強度、バイオ物質濃度等の環境因子に対してセンシング機能を有する機能性樹脂を配して、この機能性樹脂をセンサー(環境因子測定手段)としてもよい。その場合は、図8(A)に示すように、凹部10cの側面に機能性樹脂75を配してもよい。

0060

このような機能性樹脂の一例を以下に示す。イオン濃度センサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリピロールポリアニリン等があげられる。温度センサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリ(3−アルキルチオフェン)等があげられる。pHセンサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリアニリン等があげられる。光強度センサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリピロール等の各種導電性樹脂があげられる。放射線強度センサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリチオフェントリフェニルヨードニウムパークレートの複合体等があげられる。バイオ物質濃度センサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリピロール、ポリアニリン等があげられる。

0061

上記の機能性樹脂はいずれも、それらに対応した環境因子の状態によってそれらの電流−電圧特性が変化するため、図示しない電源電流計および電圧計等により電流−電圧特性を測定することにより、各種センサーとして活用することができる。なお、用いる機能性樹脂が透明である場合は、誘電体ブロック全体をこの機能性樹脂により形成してもよい。

0062

また、測定チップは、図8(B)に示すように、プリズム81上に金属膜12が蒸着されたガラス基板80が設けられ、金属膜12上に機能性樹脂により形成したウェル76が設けられた態様としてもよく、このような態様とした場合は、機能性樹脂が十分に透明でなくても測定に支障を及ぼすことがない。

0063

上記の表面プラズモン測定装置は、前記界面で反射した光ビームの暗線の位置を検出することにより試料分析を行うかわりに、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させるとともに、この光ビームの一部を、この光ビームが前記界面に入射する前に分割し、この分割した光ビームを、前記界面で全反射した光ビームと干渉させて、その干渉後の光ビームの強度を測定することにより試料分析を行うこともできる。

0064

以下、図面を参照して説明する。図9はこの表面プラズモン測定装置101’の側面形状を示す図である。なお、この図においては、ホルダーまたは包囲部材、およびそれに付随する温調手段は省略している。

0065

図9に示すように、この表面プラズモン共鳴測定装置101’は、上記表面プラズモン共鳴測定装置101から、入射光学系15の代わりに干渉光学系50に変更したものである。

0066

レーザ光源14から射出された光ビーム13は、コリメータレンズ50aにより平行光化されて偏光フィルタ50bに入射する。偏光フィルタ50bを透過して界面10bに対してp偏光で入射するようにされた光ビーム13は、ハーフミラー50cにより一部がレファレンス光ビーム13Rとして分割され、ハーフミラー50cを透過した残りの光ビーム13Sは界面10bに入射する。界面10bで全反射した光ビーム13Sおよびミラー50eで反射したレファレンス光ビーム13Rはハーフミラー50dに入射して合成される。合成された光ビーム13’は集光レンズ50fにより集光され、アパーチャー50gを通過してCCD60によって検出される。このとき、CCD60で検出される光ビーム13’は、光ビーム13Sとレファレンス光ビーム13Rとの干渉の状態に応じて干渉縞を発生させる。

0067

つまりこの場合は、測定チップ9の金属膜12に接している物質の誘電率つまりは屈折率が変化すると、界面10bで全反射した光ビーム13Sおよびレファレンス光ビーム13Rがハーフミラー50dにより合成される際に、干渉の状態が変化するため、上記干渉縞の変化に応じて金属膜12に接している物質の屈折率変化を検出することができる。

0068

さらに上述の表面プラズモン測定装置は、一部の構成を変更することにより漏洩モード測定装置とすることができる。図10は、一例として上述の表面プラズモン測定装置101の一部を変更して構成した漏洩モード測定装置201の測定ユニットの側面図である。なおこの図10において、図2中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。

0069

この漏洩モード測定装置も、上述の表面プラズモン測定装置と同様に測定チップ9を用いるように構成されている。この測定チップ9の上面に形成された凹部10cの底面にはクラッド層40が形成され、さらにその上には光導波層41が形成されている。これらクラッド層40と光導波層41とによって薄膜層が形成されている。

0070

誘電体ブロック10は、例えば合成樹脂やBK7等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラッド層40は、誘電体ブロック10よりも低屈折率誘電体や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層41は、クラッド層40よりも高屈折率の誘電体、例えばPMMAを用いてこれも薄膜状に形成されている。クラッド層40の膜厚は、例えば金薄膜から形成する場合で36.5nm、光導波層41の膜厚は、例えばPMMAから形成する場合で700nm程度とされる。

0071

上記構成の漏洩モード測定装置において、レーザ光源14から射出された光ビーム13を誘電体ブロック10を通してクラッド層40に対して全反射角以上の入射角で入射させると、該光ビーム13の多くの成分が誘電体ブロック10とクラッド層40との界面10bで全反射するが、クラッド層40を透過して光導波層41に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層41を導波モードで伝搬されるようになる。こうして導波モードが励起されると、特定入射角で入射した入射光のほとんどが光導波層41に取り込まれるので、上記界面10bに特定入射角で入射し、全反射された光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。

0072

光導波層41における導波光の波数は、該光導波層41上の試料液11の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角である全反射減衰角を知ることによって、試料液11の屈折率や、それに関連する試料液11の特性を分析することができ、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図面の簡単な説明

0073

図1本発明の一実施の形態による測定チップを用いた表面プラズモン測定装置の概略構成を示す平面図
図2上記表面プラズモン測定装置の側面形状を示す図
図3測定チップの概略構成図
図4表面プラズモン測定装置の電気的構成を示すブロック図
図5光ビームの界面への入射角と差動アンプの出力との関係を示す図
図6測定チップ内の模式図
図7PR信号およびイオン濃度の経時変化を示す図
図8本発明による測定チップの他の態様を示す図
図9表面プラズモン測定装置の側面形状を示す図
図10漏洩モード測定装置の一例を示す図

--

0074

9測定チップ
10誘電体ブロック
13光ビーム
14レーザ光源
15入射光学系
16コリメータレンズ
17光検出器
18差動アンプアレイ
19ドライバ
20信号処理部
21 表示手段
50干渉光学系
60 CCD
61 信号処理部
70測定部
71イオンセンサー
72 蓋
75機能性樹脂
76 機能性樹脂製ウェル
80ガラス基板
81プリズム
101表面プラズモン測定装置
101A、101B、101C…表面プラズモン測定ユニット
201 漏洩モード測定装置

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