CN107709974A - 测定用芯片、测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

课题在于：提供能够进行与以往相比更简易且高精度的测定的测定用芯片、测定装置及测定方法。解决手段为：被导入至导入部(11)的光在传播层(101)的传播部(13)之中一边全反射一边传播。在传播层(101)的上表面之中的形成有配体(102)的区域、与没有形成配体(102)的区域中，全反射时的移相量不同。若分析物(201)吸附于配体(102)，则反射时的移相量与分析物(201)附着前相比变得更大。其结果，从导出部(17)输出的光的波束图案变化。

Description

测定用芯片、测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及测定用芯片、测定装置及测定方法。

背景技术

以往，作为进行基因分析、临床诊断、或者有害物质检测等的测定装置，例如提出了专利文献1那样的测定装置。

专利文献1的测定装置是使用了表面等离子共振的测定装置，测定被检测物有无吸附导致的折射率的变化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2008-14732

发明内容

发明要解决的课题

但是，在使用了表面等离子共振的测定中，需要检测微量的角度变化(例如1/1000度)，所以需要进行光的导入角度、导出角度的精密的调整。此外，根据周围温度的变化而共振角(或共振波长)变化，所以需要精密的温度控制。从而，需要高级的角度检测器、温度控制器，装置也变得非常昂贵。

本发明的目的在于，提供能够进行与以往相比更简易且高精度的测定的测定用芯片、测定装置及测定方法。

用于解决课题的手段

本发明的特征在于，具备：导入部，导入光；传播部，传播所述光；导出部，导出所述光；以及反应部，具有与被检测物质反应的反应物质，使与所述传播部中的所述光的传播方向正交的方向的复振幅分布变化。

被导入至导入部的光在测定用芯片内一边全反射一边传播。反应部通过所述被检测物质与所述反应物质的反应所导致的所述传播部的周边处的复折射率的变化，使与光的传播方向正交的方向的复振幅分布变化。例如，若在测定用芯片的上表面上，将与所述被检测物质(分析物(analyte))反应的反应物质(配体、通过酶被分解的基质等)配置在沿着所述正交的方向具有不同的密度的区域(例如，将反应物质条纹状地(部分地)配置)，则在反应物质的密度大的区域和密度小的区域中(或，在形成有反应物质的区域和没有形成反应物质的区域中)，反射时的复振幅分布的变化(例如，移相量、振幅变化量)不同。

这样，例如若相位分布变化，则从导出部射出的光的波束图案(例如在远场)变化。例如，在高斯波束被导入至导入部的情况下，在从导出部射出的光中出现衍射光。并且，若被检测物质吸附于反应物质，则反射时的移相量变化。例如，在远场的1次衍射光的强度相对于0次衍射光的强度变大。从而，测定装置通过检测所导出的光的波束图案的变化，能够检测有无被检测物质，或将被检测物质定量。

另外，反应部例如由沿着所述正交的方向周期性地形成的反应物质构成。在该情况下，在所述传播部的主面上对反应物质进行构图。或者，反应部由在所述传播部的主面上沿着所述正交的方向形成的凹凸构成。在该情况下，即使设为在整个面形成反应物质，部分地存在凹凸的区域与不存在凹凸的部分相比表面积增大，所以被检测物质的吸附量增大。从而，存在凹凸的区域与不存在凹凸的区域相比被检测物质的吸附导致的例如移相量变大，波束图案变化。

此外，优选反应部沿着光的传播方向形成，使在传播部中传播的所述光沿着所述传播方向反射多次，从而使所述复振幅分布的变化积蓄。反射次数越多，则复振幅分布的变化量变得越大，所以灵敏度提高。

此外，优选反应部以光的波长的至少5倍以上的周期配置为条纹状。在反应部的周期与光的波长相比充分大的情况下，产生无数的衍射光，所以能够适当地出现衍射光。

此外，反应部既可以是在测定用芯片(传播部)的单面上被形成的方式，也可以是在双面上被形成的方式。

发明效果

根据本发明，能够提供能够进行与以往相比更简易且高精度的测定的测定用芯片、测定装置及测定方法。

附图说明

图1是表示测定装置15的概略结构的图。

图2是表示测定装置15的结构的框图。

图3是表示芯片1的构造的图。

图4是表示光的强度与相位的关系的图。

图5是表示测定方法的流程图。

图6是仅形成1个区域配体(ligand)的情况下的芯片1的构造的图。

图7中图7的(A)是应用例1所涉及的芯片1A的立体图，图7的(B)是应用例2所涉及的芯片1B的立体图。

图8中图8的(A)是芯片1C的立体图，图8的(B)是芯片1D的立体图。

图9是表示应用例3所涉及的芯片1E的图。

图10是表示在两个主面形成配体的例子的图。

具体实施方式

图1是表示包含本发明的芯片的测定装置15的概略结构的图。图2是表示测定装置15的结构的框图。图3是表示芯片1的构造的图。

如图1所示，测定装置15具备芯片(测定用芯片)1、光源10、受光部30、测定部31及控制部(比较部)32。测定部31及控制部32既可以是专用的硬件，但也可以是通过被搭载在个人计算机等信息处理装置上的软件来实现的方式。

光源10是放射例如650nm左右的可见光的光源。该光被照射向芯片1的导入部11。光源10放射的光优选是高斯波束。高斯波束在传播的过程中波束形状不变化，所以适合于检测波束形状的变化。此外，光源10放射的光优选是连续波(CW波：Continuous Wave)。通过设为连续波，观测变得容易，且还能够降低光源的成本。另外，本高斯波束不需要在二维上是高斯分布，在图3所示的X方向上是高斯分布即可。此外，光源10放射的光并非限于可见光，但特别是在利用可见光的情况下，不使用红外光、紫外光等相对高价的光源和测定部，所以能够抑制测定装置的成本。

图3的(A)是芯片1的剖面图，图3的(B)及图3的(C)是表示芯片1的构造的立体图。在该例中，将芯片1的上面方向(厚度方向)设为Z，将光的传播方向(长度方向)设为Y，将与光传播的方向正交的宽度方向设为X。

芯片1由平板状的传播层101构成。传播层101使用折射率为1.5左右的丙烯树脂。其中，传播层101除此之外还能够使用玻璃、聚乙烯醇、聚氯乙烯、硅树脂或聚苯乙烯等电介质。

作为一例，传播层101的厚度为0.1mm，Y方向的长度为15mm，X方向的长度为2mm左右。

在传播层101的主面之中的下表面侧，设置有导入部11及导出部17。导入部11及导出部17由衍射栅格构成。例如衍射栅格例如由纳米压印方式制成。纳米压印方式是准备被构图了条纹状的构造的金属等的模具，将该图案转印到传播层101的方式。除此之外还能够通过棱镜来设置导入部11及导出部17。

被导入至导入部11的光在传播层101的上表面及下表面全反射。将传播层101之中的该全反射的区域称为传播部13。在传播部13中传播的光从导出部17被射出。

如图3的(B)所示，在传播层101的主面之中的上表面侧，形成有配体102。配体102如图3的(C)所示，是特别地吸附检体中的分析物(被检测物质)201的物质。在该例中，配体102沿着与光的传播方向(Y方向)正交的方向(X方向)周期性地形成有多个。此外，各配体102沿着Y方向在整体上形成。例如在对保护层(resist)进行构图后涂覆用于吸附配体的表面处理剂，去除保护层从而配置配体102。作为一例，配体102的宽度(X方向的长度)为0.1mm左右，厚度成为5nm左右。

这样配置的配体102作为通过分析物与配体的反应导致的传播层101的周边(在本实施方式中，传播层101的上表面)的复折射率的变化，使所传播的光的X方向的复振幅分布(例如，相位分布、振幅分布、或这双方)变化的反应部而发挥作用。其中，为了简化说明，在本实施方式中，作为反应部具有仅使光的X方向的相位分布变化的功能而进行说明。图4是表示光的振幅和相位的图。图4的(A)是表示被导入至导入部11的光的振幅(强度)和相位的图。在该例中，被导入至导入部11的光是高斯波束，X方向的相位大致相等，在传播过程中波束形状不变化。

被导入至导入部11的光在传播层101的传播部13之中一边全反射一边传播。在此，配体102的折射率(例如1.5左右)与周围的折射率(例如折射率1.33的检体或折射率1的空气)不同。全反射时的移相量依赖于传播部13的折射率以及与传播部13相接的周围的折射率的大小。因此，在形成有配体102的区域、与没有形成配体102的区域中，全反射时的移相量不同。也就是说，图3的(B)与“周围的折射率的大小为一定，且构造上如图3的(D)所示那样传播层101之中的形成有配体102的区域在上表面上成为凸形状的传播层101”，在赋予相位分布的变化上是等价的。

由此，如图4的(B)所示，在传播部13中传播的光的X方向的相位分布变化。反射次数越多，则相位分布的变化被积蓄，相位的偏移量变大。

并且，在形成有各配体102的周期(间距)与光的波长相比充分长的情况(例如为5倍以上的情况)，如图4的(D)所示，从导出部17射出的光例如在远场出现多个衍射光。通过将该周期设为5倍以上，芯片1能够比较容易地制作。

在此，如图3的(C)所示，若具有与配体102同程度的折射率的分析物201吸附于配体102，则如图4的(C)所示，反射时的移相量与分析物201附着前相比变得更大。即，与“周围的折射率的大小为一定，且构造上如图3的(E)所示那样上表面的凸部分变高的状态”是等价的。其结果，如图4的(E)所示，从导出部17输出的光的波束图案变化。

在该例中，1次衍射光的强度相对于0次衍射光的强度变大。从而，测定装置15在使检体接触(附着)于芯片1之前和之后，分别通过受光部30在远场(或通过傅里叶变换透镜)接受从导出部17射出的光，由测定部31测定0次衍射光的强度及1次衍射光的强度。由测定部31测定的强度被输入至控制部32，被记录至存储器(未图示)。测定部31计算1次衍射光的强度相对于0次衍射光的强度，在1次衍射光的强度相对于0次衍射光的强度变化了规定值以上的情况下，判定为有分析物。或者，测定部31根据1次衍射光的强度相对于0次衍射光的强度的变化，将分析物定量。

这样，测定装置15作为检测分析物(例如流感病毒等的抗原)的有无、或者浓度的检查装置而发挥作用。

接着，图5是测定方法的流程图。测定装置15首先测定分析物201没有被吸附于配体102的状态的参考的强度(相当于s11：第一测定步骤)。例如将芯片1以清洗液(例如纯水等)清洗，既可以在使其干燥后的状态下进行参考的测定，也可以在使芯片1的上表面附着清洗液的状态下进行参考的测定。

测定装置15如图1所示，在规定的位置设置芯片1，从芯片1的下表面使光源10的光导入至导入部11。受光部30由接受从导出部11射出的光、且一维或二维配置的受光元件构成。测定部31取得由受光部30的各受光元件接受的光的强度信息，并输出至控制部32。控制部32为了分析由受光部30接受的光的波束图案，将由测定部31取得的各受光元件的强度信息作为波束图案而记录至内置存储器(未图示)。

其后，在芯片1的上表面，附着包含成为检查对象的分析物的检体(相当于s12：接触步骤)。并且，测定装置15在附着了检体的状态下，向芯片1的导入部11导入光，测定从导出部17射出的光的波束图案(相当于s13：第二测定步骤)。

其后，控制部32将在存储器中记录的参考的波束图案与接触检体后的状态的波束图案进行比较(相当于s14：检测步骤)。控制部32例如计算1次衍射光的强度相对于0次衍射光的强度，在1次衍射光的强度相对于0次衍射光的强度变化了规定值以上的情况下，判定为有分析物。或者，控制部32根据1次衍射光的强度相对于0次衍射光的强度的变化量，将分析物定量。

这样，测定装置15能够检测有无分析物，或者进行定量。

在本实施方式所示的测定方法中，通过变更芯片1的Y方向的长度，能够调整反射次数，能够使灵敏度变化。例如，越加长芯片1的Y方向的长度则反射次数越增加，所以灵敏度提高。

此外，本实施方式所示的测定的方法即使不清洗检体并使其干燥也能够进行，所以能够实现迅速的检查，在没有清洗液的环境中也能够进行检查。

此外，即使假设光源的振幅变化，0次衍射光的强度与1次衍射光的强度之比也不会变化，所以能够进行稳定的测定。进而，全反射时的移相量基本不受温度变化的影响，而且相对于入射角度的变化的变化也是微量的。从而，本实施方式所示的测定方法不需要高级的角度检测器、温度控制器，能够实现简易且高精度的检查。

另外，在图3中，作为配置配体的密度大的区域和密度小的区域的例子，示出周期性地形成有三个配体102的例子，但配体102的形成数量并非限定于三个。例如，最简易的是，如图6所示，还能够以波束的中心为边界，构成形成有配体102的区域、和没有形成配体102的区域。在这样的构造中，配体102也作为使所传播的光的X方向的相位分布变化的反应部而发挥作用，所以能够检测波束图案的变化。

接着，图7的(A)是应用例1所涉及的芯片1A的立体图。芯片1A中，在传播层101的上表面上多个微小的凸状的圆柱构造501以规定的间距被周期配置。这些圆柱构造501例如通过纳米压印方式被制成。圆柱构造501例如以100nm左右的间距被周期配置。该圆柱构造501的配置间距与光的波长(例如650nm)相比充分小，所以传播光不会由于该圆柱构造的周期配置而发生衍射。

芯片1A设置有这样的微小的周期构造，从而与芯片1相比，传播层101的表面积变大，配体102的表面积也变大。从而，分析物201附着时的移相量变大，灵敏度提高。

图7的(B)是应用例2所涉及的芯片1B的立体图。芯片1B中，配体102被涂覆在传播层101的上表面全部。

芯片1B中，在传播层101的上表面上圆柱构造501以规定的间距被周期配置。其中，在传播层101的上表面上，沿着X方向周期性地存在设置有圆柱构造501的区域、和没有设置圆柱构造501的区域。

设置有圆柱构造501的区域与没有设置圆柱构造501的区域相比表面积变大，所以分析物201附着时的移相量变大。即，在该例中，沿着X方向在传播部13的表面上部分地形成的圆柱构造501作为使所传播的光的X方向的相位分布变化的反应部而发挥作用。因此，即使在配体102被涂覆在整个面的情况下，也能够使波束图案变化。

另外，在图7的(A)及图7的(B)中，作为微小的周期构造，在传播层101的上表面上示出了凸状的圆柱构造，但还能够设置凹状的圆柱构造。

此外，如图8的(A)的芯片1C所示，沿着Y方向周期性地形成在X方向上长且在Y方向上短的微小的(与光的波长相比充分小的宽度的)槽502，从而也能够增大表面积，能够使灵敏度提高。

此外，代替图7的(B)所示的圆柱构造501，如图8的(B)的芯片1D所示，还能够以规定的间距周期配置在Y方向上长且在X方向上短的微小的槽503。在该情况下，在传播层101的上表面上，沿着X方向而周期性地存在设置有槽503的区域、和没有设置槽503的区域。在该例中，设置有槽503的区域和没有设置槽503的区域在光的传播方向上被形成，作为使所传播的光的X方向的相位分布变化的反应部而发挥作用。

图9的(A)及图9的(B)是应用例3所涉及的芯片1E的剖面图及立体图。芯片1E在玻璃等基材105的上表面，隔着中间层107而形成有传播层109。在中间层107使用具有与检体同程度的折射率的材料(例如折射率为1.34左右的氟树脂材料)。在传播层109的上表面形成有配体102。配体102的形成方式与芯片1同样。

芯片1E中，传播层109的厚度与传播层101相比变薄。传播层109通过厚度0.1mm左右的基材105而保持形状，所以能够变薄至例如几μm左右的厚度。

传播层中，越加长Y方向的长度，缩短Z方向的长度，则反射次数越增加，灵敏度提高。但是，若加长Y方向的长度则需要增多附着于芯片的检体的量。因此，设为如下方式：在应用例3的芯片1E中，将全反射的区域变薄至几μm，从而即使在缩短Y方向的长度(例如1mm以下)的情况下，也能够确保某种程度的灵敏度。

此外，中间层107不是必须的，但在没有中间层107的情况下，由于玻璃的折射率高(例如1.5至1.6左右)，所以入射角变浅而反射次数变少，而且反射时的移相量也变小。

因此，在应用例3中，将具有与检体的折射率(例如1.33)相同的程度的折射率(例如1.34)的中间层107配置在传播层109的下表面侧，从而即使是较深的入射角也在传播层109的下表面侧适当进行全反射。

另外，在本实施方式中，示出了在传播层的上表面形成配体的例子，但例如图10的(A)及图10的(B)所示，还能够设为在传播层的上表面及下表面(其中，下表面为导入部11及导出部17以外的区域)形成了配体102的芯片。

此外，在本实施方式中，反应物质由配体构成，但并非限定于此，还能够设为通过酶被分解的基质。显然在该情况下，在形成有基质的区域与没有形成基质的区域中，全反射时的移相量也不同。

此外，在本实施方式中，构成为反应部具有仅使与传播部中的光的传播方向正交的方向的相位分布变化的功能，但并非限定于此，也可以构成为反应部具有仅使与传播部中的光的传播方向正交的方向的振幅分布变化的功能，或也可以构成为反应部具有使与传播部中的光的传播方向正交的方向的相位分布及振幅分布这双方变化的功能。

标号说明：

1、1A、1B、1C、1D、1E……芯片

10……光源

11……导入部

13……传播部

15……测定装置

17……导出部

30……受光部

31……测定部

32……控制部

101……传播层

102……配体

105……基材

107……中间层

109……传播层

201……被检测物质(分析物)

501……圆柱构造

502、503……槽。

Claims (14)

1.一种测定用芯片，具备：

导入部，导入光；

传播部，传播所述光；

导出部，导出所述光；以及

反应部，具有与被检测物质反应的反应物质，使与所述传播部中的所述光的传播方向正交的方向的复振幅分布变化。

2.如权利要求1所述的测定用芯片，其特征在于，

所述反应部通过所述被检测物质与所述反应物质的反应所导致的所述传播部的周边处的复折射率的变化，使与所述光的传播方向正交的方向的复振幅分布变化。

3.如权利要求1或权利要求2所述的测定用芯片，其特征在于，

所述反应部具有沿着所述正交的方向而所述反应物质具有不同的密度的区域。

4.如权利要求1或权利要求2所述的测定用芯片，其特征在于，

所述反应部具有沿着所述正交的方向而所述反应物质在所述传播部的表面被部分地形成的区域。

5.如权利要求1或权利要求2所述的测定用芯片，其特征在于，

所述反应部具有沿着所述正交的方向而凹凸在所述传播部的表面被部分地形成的区域。

6.如权利要求1至权利要求5的任一项所述的测定用芯片，其特征在于，

所述反应部沿着所述光的传播方向被形成，使在所述传播部中传播的光沿着所述传播方向反射多次，使所述复振幅分布的变化积蓄。

7.如权利要求1至权利要求6的任一项所述的测定用芯片，其特征在于，

所述反应部以所述光的波长的至少5倍以上的周期被配置为条纹状。

8.如权利要求1至权利要求7的任一项所述的测定用芯片，其特征在于，

所述反应部被形成在夹着所述传播部的两个主面。

9.一种测定装置，配置权利要求1至权利要求8的任一项所述的测定用芯片，具备：

光源，向所述测定用芯片的所述导入部引导所述光；

受光部，接受从所述导出部射出的光；以及

控制部，对由所述受光部接受的光的波束图案进行分析。

10.如权利要求9所述的测定装置，其特征在于，

所述光是高斯波束。

11.如权利要求9或权利要求10所述的测定装置，其特征在于，

所述控制部进行检测所述光的波束图案的变化的检测处理。

12.如权利要求9至权利要求11的任一项所述的测定装置，其特征在于，

所述控制部进行检测所述光的波束图案的0次衍射光的强度与1次衍射光的强度的检测处理。

13.一种测定方法，使用了权利要求1至权利要求8的任一项所述的测定用芯片，具备：

第一测定步骤，向所述导入部导入光，检测从所述导出部射出的光的波束图案；

接触步骤，使包含被检测物质的检体与所述测定用芯片接触；

第二测定步骤，在接触了包含所述被检测物质的检体后，检测从所述导出部射出的光的波束图案；以及

检测步骤，将在所述第一测定步骤中测定的波束图案与在所述第二测定步骤中测定的波束图案进行比较，检测这些波束图案的变化。

14.如权利要求13所述的测定方法，其特征在于，

所述检测步骤检测在所述第一测定步骤及所述第二测定步骤中分别测定的波束图案的0次衍射光的强度与1次衍射光的强度。