JP2003202288A

JP2003202288A - 全反射減衰測定装置

Info

Publication number: JP2003202288A
Application number: JP2002000661A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Naya; 昌之納谷
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2002-01-07
Publication date: 2003-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】測定チップに蓋等の蒸発防止手段が施されて
いても非接触で液体試料を撹拌でき、迅速な測定が可能
なＡＴＲ測定装置を提供する。【解決手段】このＡＴＲ測定装置は、測定対象となる
液体試料１２が注入される測定チップ１０と、測定チッ
プ１０に注入された液体試料１２を撹拌するための光透
過性を有する撹拌用誘電体１３と、該撹拌用誘電体１３
に入射する光を発生するスターラ光源８と、スターラ光
源８によって発生された光を撹拌用誘電体１３に入射さ
せて撹拌用誘電体１３を回転させるためのスターラ光学
系とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エバネッセント波
による全反射減衰を利用し、測定チップ内に注入された
液体試料中の物質を定量分析するＡＴＲ（Attenuated T
otal Reflection：全反射減衰）測定装置に関し、特
に、反応速度を早め、測定にかかる時間を短縮するため
に液体試料の撹拌を行うＡＴＲ測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡＴＲ測定装置において、短時間で液体
試料の反応測定を行うためには、撹拌装置を用いて液体
試料を流動させることにより早い反応速度を得ることが
考えられる。しかしながら、精密な測定を行う場合に
は、液体試料の蒸発を防ぐために蓋等の蒸発防止手段が
必要となり、非接触で撹拌を行わなくてはならない。非
接触の撹拌装置としては磁石を用いたスターラがある
が、ＡＴＲ測定装置の測定チップのような微小空間にお
ける液体試料の撹拌には適していなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、上記の点に鑑
み、本発明は、測定チップに蓋等の蒸発防止手段が施さ
れていても非接触で液体試料を撹拌でき、迅速な測定が
可能なＡＴＲ測定装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明に係るＡＴＲ測定装置は、全反射減衰を利用
した測定を行う装置であって、測定対象となる液体試料
が注入される測定チップと、測定チップに注入された液
体試料を撹拌するための光透過性を有する撹拌用誘電体
と、該撹拌用誘電体に入射する光を発生するスターラ光
源と、スターラ光源によって発生された光を撹拌用誘電
体に入射させて撹拌用誘電体を回転させるためのスター
ラ光学系とを具備する。

【０００５】本発明によれば、ＡＴＲ測定装置におい
て、光により撹拌用誘電体を回転させる光スターラを用
いることにより、測定チップに蓋等の蒸発防止手段が施
されていても非接触で液体試料を撹拌でき、迅速な測定
が可能となる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の
構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略す
る。図１は、本発明の第１の実施形態に係るＡＴＲ測定
装置の全体構成を示している。

【０００７】図１に示すように、ＡＴＲ測定装置１は、
測定部３において、測定対象となる液体試料が注入され
る測定チップ（プリズムカップとも呼ばれる）１０と、
ＡＴＲ測定に用いる光を発生する測定光源１４と、測定
光源１４によって発生された光を測定チップ１０に入射
させるための光学系を構成する集光レンズ１５と、反射
光を検出する光検出器１６とを含んでいる。測定チップ
１０に注入された液体試料中には、液体試料を撹拌する
ための少なくとも１つの誘電体（以下、撹拌用誘電体と
いう）が含まれている。

【０００８】また、ＡＴＲ測定装置１は、撹拌部２にお
いて、撹拌用誘電体に入射する光を発生するスターラ光
源８と、スターラ光源８によって発生された光を撹拌用
誘電体に入射させるための光学系を構成する集光レンズ
９とを含んでいる。さらに、ＡＴＲ装置１は、複数の測
定チップ１０を保持するターンテーブル４と、ターンテ
ーブル４を間欠的に回動させるモータ５と、光検出器１
６の出力信号を受けて処理する処理部７と、モータ５を
制御すると共に、ＡＴＲ測定装置１における測定タイミ
ングを制御する制御部６とを含んでいる。

【０００９】ターンテーブル４に保持された複数の測定
チップ１０は、ターンテーブル４が１周する間に順次交
換される。測定チップ１０を交換可能に保持するために
は、例えば、測定チップ１０を、上底から下底に向かう
につれて徐々に断面積が小さくなるような形状にして、
ターンテーブル４の空孔によって保持すれば良い。

【００１０】ターンテーブル４は、複数の測定チップ１
０を、その回動軸を中心とする円周上に等角度間隔で保
持するように構成されている。モータ５は、ステッピン
グモータ等から構成され、測定チップ１０の配置角度と
等しい角度ずつターンテーブル４を間欠的に回動させ
る。

【００１１】図２に、図１に示す撹拌部２と測定部３を
拡大して示す。本実施形態は、表面プラズモン共鳴（Ｓ
ＰＲ：Surface Plasmon Resonance）の測定を行う表面
プラズモンセンサに適用される。

【００１２】図２に示すように、測定チップ１０は、透
明誘電体１１と、金属薄膜１７とを含んでいる。透明誘
電体１１は、上底よりも下底の面積が小さい角錐台の形
状を有しており、本実施形態においては、４角錐台とな
っている。透明誘電体１１の上部には、液体試料１２が
注入される空孔が形成され、液体試料１２の蒸発による
温度変化等を防ぐために蓋１８が被せられている。金属
薄膜１７は、透明誘電体１１の空孔の内底面上に形成さ
れ、検出対象である物質を含む液体試料１２と直接接触
するようになっている。

【００１３】透明誘電体１１は、ポリメチルメタクリレ
ート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌ
ａｔｅ：ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、非晶性ポリオ
レフィン、又は、シクロオレフィンを含む透明樹脂や、
ガラス等によって形成される。また、金属薄膜１７は、
金、銀、銅、アルミニウム等を含み、透明誘電体１１の
空孔の内底面に蒸着等によって形成される。

【００１４】スターラ光源８によって発生された光は、
集光レンズ９によって集光され、蓋１８を介して、液体
試料１２中の撹拌用誘電体１３に入射する。スターラ光
源８としては、液体試料１２における光エネルギーの吸
収による温度上昇を防止するため、液体試料１２の吸収
波長帯外の単波長（例えば、１，０６４ｎｍ）を有する
シングルモードレーザ光を発生するＹＡＧレーザ等を用
いることができる。なお、スターラ光源８の出力光のエ
ネルギーは、５０ｍＷ〜２００ｍＷとしている。

【００１５】撹拌用誘電体１３は、光透過性を有する誘
電体であり、例えば、透明なガラスやポリスチレン等を
用いて作製することができる。撹拌用誘電体１３は、光
がその内部を透過する際に屈折することにより力を受け
る。撹拌用誘電体１３を非対称形状として、光の屈折に
より受ける力を異方的にすることにより、撹拌用誘電体
１３を回転させることができる。

【００１６】以下に、図３を参照しながら、光の透過に
より物体に力が加わる原理について詳しく説明する。光
は波動としての性質を有する一方で、粒子としての性質
も有する。そのため、光が屈折する際には、光の粒子で
ある光子の運動量変化を補うように、光が物体に力を及
ぼす。

【００１７】図３において、集光レンズを通過して焦点
ｆに向かう光線Ａが、焦点ｆの手前で物体に入射してい
る。物体に入射する際の屈折による光線Ａの運動量変化
により、運動量を保存するための力ＦＡ_INが物体に作用
する。また、光線Ａが物体から出射する際の屈折におい
ても、運動量を保存するための力ＦＡ_OUTが物体に作用
する。そのため、光線Ａが物体に及ぼす力は、力ＦＡ_IN
と力ＦＡ_OUTとの合力ＦＡとなる。同様に光線Ｂが物体
に及ぼす力は、力ＦＢ_INと力ＦＢ_OUTとの合力ＦＢとな
る。従って、全体として、力ＦＡと力ＦＢとの合力Ｆが
物体に及ぶことになる。

【００１８】この様に、光は物体を透過することにより
物体に力を及ぼすため、撹拌用誘電体として用いる物体
は、光透過性を有する必要があり、さらには、透明であ
ることが好ましい。また、物体を非対称形状として、そ
れぞれの光線の屈折により受ける力を異方的にすること
により、物体を回転させることができる。

【００１９】再び図２を参照すると、測定光源１４は、
ＳＰＲ測定に用いる光を発生する。集光レンズ１５は、
測定光源１４によって発生された光を集光して透明誘電
体１１に入射させ、透明誘電体１１と金属薄膜１７との
界面に対して種々の入射角が得られるようにする。この
入射角の範囲は、上記界面において光の全反射条件が得
られ、かつ、表面プラズモン共鳴が生じ得る角度を含む
範囲とされる。なお、表面プラズモン共鳴は、入射光が
ｐ偏光であるときに生じるので、入射光がｐ偏光となる
ように測定光源１４を予め設定しておく。その他、波長
板や偏光板を用いて入射光の偏光の向きを調節しても良
い。

【００２０】光検出器１６は、多数の受光素子が一列に
配されてなるラインセンサを用いて構成されている。測
定光源１４によって発生された光は、測定チップ１０の
内底面において反射され、入射した面に対向する面から
出射され、光検出器１６によって検出される。その際
に、測定チップにおいて表面プラズモン共鳴が生じてい
ると、検出された光の中に暗線が観測される。光検出器
１６は、検出した光を表す検出信号を、図１に示す処理
部７に出力する。

【００２１】次に、表面プラズモンセンサの測定原理に
ついて説明する。光を金属薄膜１７に対して全反射角以
上の入射角で入射させると、金属薄膜１７に接している
液体試料１２中に、電界分布を有するエバネッセント波
が生じる。このエバネッセント波により、金属薄膜１７
と液体試料１２との界面に、表面プラズモンが励起され
る。このとき、エバネッセント波と表面プラズモンとの
間で波数整合が成立すると共鳴状態となり、エバネッセ
ント波のエネルギーが表面プラズモンに移行する。これ
により、透明誘電体１１と金属薄膜１７との界面に特定
の入射角θ₀で入射して全反射された光の強度が、鋭く
低下する。このような光の強度の低下は、光検出器１６
により、反射光中の暗線として検出される。

【００２２】表面プラズモンの波数ｋ_SPは、次の式によ
って決定される。ここで、表面プラズモンの波数を
ｋ_SP、真空中での光の波数をｋ₀、金属の誘電率をε_M、
試料の誘電率をε_Sとする。

【数１】また、エバネッセント波の波数ｋ_Eは、次の式で与えら
れる。ここで、プリズムカップの屈折率をｎ₀、入射角
をθとする。ｋ_E＝ｋ₀ｎ₀ｓｉｎθ ・・・（２）

【００２３】エバネッセント波の波数ｋ_Eと、表面プラ
ズモンの波数ｋ_SPが等しくなるような入射角θ₀におい
て表面プラズモン共鳴が起こり、全反射減衰が生じる。
従って、全反射減衰が生じる入射角θ₀を観測すること
により、式（１）及び式（２）に基づいて、全反射減衰
が生じるときの誘電率を算出することができる。さら
に、この誘電率ε_Sから、較正曲線等を利用することに
より、試料中の検出対象である物質の濃度を求めること
ができる。

【００２４】ＳＰＲ測定をバイオセンサに適用するため
には、例えば、金属薄膜１７の上に、検出対象である物
質と特定の反応を起こす媒体（以下、「センシング媒
体」という）を固定しておく。特定の反応とは、例え
ば、抗原抗体反応であり、液体試料１２に含まれる抗原
を検出する場合に、その抗原に対する抗体をセンシング
媒体として用いる。センシング媒体の上に検出対象であ
る物質を含む液体試料１２を注入すると、金属薄膜１７
上で、液体試料１２に含まれる抗原の濃度に応じた抗原
抗体反応が起こる。これにより液体試料１２の屈折率が
変化するので、金属薄膜１７と液体試料１２との界面に
おいて生じる表面プラズモンの波数が変化する。これに
伴い、上記のような表面プラズモン共鳴が起こる入射角
θ₀及びその反射角が変化する。従って、光検出器１６
によって暗線の位置（角度）変化を検出することによ
り、試料中の特定物質の濃度を間接的に測定することが
できる。

【００２５】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。図４に、本発明の第２の実施形態における撹拌
部と測定部を示す。本実施形態は、導波路センサに適用
される。

【００２６】図４に示すように、測定チップ２０は、透
明誘電体２１と、導波路層としての誘電体薄膜２７と、
誘電体２８とを含んでいる。透明誘電体２１は、上底の
面積及び下底の面積が中央部の面積よりも小さい角錐台
の結合形状を有しており、本実施形態においては８角錐
台となっている。透明誘電体２１の上部には、液体試料
２２が注入される空孔が形成されている。誘電体薄膜２
７と誘電体２８は、透明誘電体２１の空孔の内底面上
に、内底面より大きい面積で層状に形成されており、液
体試料２２と直接接触する誘電体薄膜２７の屈折率は、
誘電体２８の屈折率よりも大きくなっている。

【００２７】測定光源２４は、測定に用いる光を発生す
る。集光レンズ２５は、測定光源２４によって発生され
た光を集光して透明誘電体２１に入射させ、誘電体薄膜
２７と誘電体２８との界面に対して種々の入射角が得ら
れるようにする。

【００２８】光検出器２６は、多数の受光素子が一列に
配されてなるラインセンサを用いて構成されている。測
定光源２４によって発生された光は、透明誘電体２１を
介して誘電体薄膜２７の一端に入射し、導波路層である
誘電体薄膜２７内を進行して、誘電体薄膜２７の他端か
ら透明誘電体２１を介して出射し、光検出器２６によっ
て検出される。その際に、導波路層が入射光の波長の数
分の１から数倍程度の厚みを有すると、多重反射光の干
渉による共鳴効果のため、とびとびの波数を有する光だ
けが伝搬を許される。このような動作を行う導波路セン
サは、吸収や屈折率の測定に利用される。

【００２９】次に、導波路センサの測定原理について説
明する。図４に示す測定チップ２０においては、液体試
料２２の屈折率をｎ₂₂、液体試料２２と接する誘電体薄
膜２７の屈折率をｎ₂₇、誘電体２８の屈折率をｎ₂₈とす
ると、式（３）の関係がある。ｎ₂₇＞ｎ₂₂，ｎ₂₈ ・・・（３）これにより、屈折率ｎ₂₇を有する誘電体薄膜２７が導波
路層となる。

【００３０】透明誘電体２１から所定の角度で誘電体薄
膜２７に入射した光は、誘電体薄膜２７と誘電体２８と
の界面、及び、誘電体薄膜２７と液体試料２２との界面
において全反射を繰り返し、誘電体薄膜２７内を進行す
る。さらに、この光は、液体試料２２と誘電体薄膜２７
とが接していない部分において、誘電体薄膜２７から透
明誘電体２１に出射する。

【００３１】このような導波路センサにおいては、液体
試料２２が存在する部分における導波光の波数と、透明
誘電体２１が存在する部分における導波光の波数とが異
なるため、光の出射角から導波光の波数を直接的に求め
ることはできない。そのため、液体試料２２と誘電体薄
膜２７とが接している部分におけるエバネッセント波と
液体試料２２との相互作用長と波数との積で与えられる
導波光の位相を、干渉計により測定する必要がある。

【００３２】導波光の波数は、次の固有方程式を解くこ
とによって決定される。ここで、真空中における光の波
数をｋ₀、導波路層である誘電体薄膜２７の厚さをＴ、
誘電体薄膜内を伝搬するときの界面における光の入射角
をθとすると、ＴＥ偏光（ＴＥモード）の固有方程式
は、次式で表される。

【数２】また、ＴＭ偏光（ＴＭモード）の固有方程式は、次式で
表される。

【数３】以上において、ｍは整数である。ＴＥ偏光とは、電界が
誘電体薄膜２７の法線と導波光の進行方向との垂直成分
のみの導波モードであり、ＴＭ偏光とは、磁界が誘電体
薄膜２７の法線と導波光の進行方向との垂直成分のみの
導波モードである。式（４）及び式（５）は、θに対し
て解析的に解くことができず、数値計算またはグラフを
用いて求められる。これにより、液体試料の屈折率を求
めることができる。

【００３３】次に、本発明の第３の実施形態について説
明する。図５に、本発明の第３の実施形態における撹拌
部と測定部を示す。本実施形態は、漏洩モードセンサに
適用される。

【００３４】図５に示すように、測定チップ３０は、透
明誘電体３１と、導波路層としての誘電体薄膜３７と、
クラッド層としての誘電体薄膜３８とを含んでいる。透
明誘電体３１は、上底よりも下底の面積が小さい角錐台
の形状を有しており、本実施形態においては４角錐台と
なっている。透明誘電体３１の上部には、液体試料３２
が注入される空孔が形成されている。２つの誘電体薄膜
３７、３８は、透明誘電体３１の空孔の内底面上に層状
に形成されており、液体試料３２と直接接触する誘電体
薄膜３７の屈折率は、誘電体薄膜３８の屈折率よりも大
きくなっている。

【００３５】測定光源３４は、測定に用いる光を発生す
る。集光レンズ３５は、測定光源３４によって発生され
た光を集光して透明誘電体３１に入射させ、２つの誘電
体薄膜３７、３８の界面に対して種々の入射角が得られ
るようにする。

【００３６】光検出器３６は、多数の受光素子が一列に
配されてなるラインセンサを用いて構成されている。測
定光源３４によって発生された光は、透明誘電体３１を
介して誘電体薄膜３７の途中に入射し、導波路層である
誘電体薄膜３７内を進行して、誘電体薄膜３７の途中か
ら透明誘電体３１を介して出射し、光検出器３６によっ
て検出される。このようにすることにより、液体試料３
２が存在する部分の導波光の波数を直接測定することが
できるので、導波路センサの欠点が解消される。その結
果、漏洩モードセンサは、表面プラズモンセンサと類似
した構造を有する。液体試料、導波路層、クラッド層の
いずれかに吸収がある場合には、表面プラズモンセンサ
と同様に、反射光の角度分布に現れる暗線から導波光の
波数を求めることができる。

【００３７】次に、漏洩モードセンサの測定原理につい
て説明する。図５に示す測定チップ３０においては、液
体試料３２の屈折率をｎ₃₂、液体試料３２と接する誘電
体薄膜３７の屈折率をｎ₃₇、もう一方の誘電体薄膜３８
の屈折率をｎ₃₈とすると、式（６）の関係がある。ｎ₃₇＞ｎ₃₂，ｎ₃₈ ・・・（６）これにより、屈折率ｎ₃₇の誘電体薄膜３７が導波路層と
なり、屈折率ｎ₃₈の誘電体薄膜３８がクラッド層とな
る。

【００３８】導波路センサにおけるのと同様に、透明誘
電体３１側から所定の角度で誘電体薄膜３７に入射した
ＴＥ偏光又はＴＭ偏光の光によって、誘電体薄膜３７内
に導波光を励起することができる。ただし、導波路セン
サにおけるのと異なり、液体試料３２に接していない誘
電体薄膜３８も薄いので、導波光は伝搬しながら誘電体
薄膜３７から漏洩し、液体試料３２との相互作用長は限
られた大きさになる。そのため、導波路センサと比較し
て感度が低くなるものの、液体試料３２が存在する部分
の導波光の波数を直接測定することができる。なお、誘
電体薄膜３８が薄いために、導波光の波数は、透明誘電
体３１の影響も受ける。そのため、漏洩モードセンサは
４層導波路として扱わなければならず、導波モードの固
有方程式が少し複雑となる。

【００３９】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、表面
プラズモンセンサ、導波路センサ、漏洩モードセンサ等
を含むＡＴＲ測定装置において、光により撹拌用誘電体
を回転させる光スターラを用いることにより、測定チッ
プに蓋等の蒸発防止手段が施されていても非接触で液体
試料を撹拌でき、迅速な測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るＡＴＲ測定装置
の全体構成を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施形態における撹拌部と測定
部を示す図である。

【図３】光により物体に力が加わる原理を示す図であ
る。

【図４】本発明の第２の実施形態における撹拌部と測定
部を示す図である。

【図５】本発明の第３の実施形態における撹拌部と測定
部を示す図である。

【符号の説明】

１ＡＴＲ測定装置２撹拌部３測定部４ターンテーブル５モータ６制御部７処理部８スターラ光源９、１５、２５、３５集光レンズ１０、２０、３０測定チップ１１、２１、３１透明誘電体１２、２２、３２液体試料１３、２３、３３撹拌用誘電体１４、２４、３４測定光源１６、２６、３６光検出器１７金属薄膜１８蓋２７、３７、３８誘電体薄膜２８誘電体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全反射減衰を利用した測定を行う装置で
あって、測定対象となる液体試料が注入される測定チップと、前記測定チップに注入された液体試料を撹拌するための
光透過性を有する撹拌用誘電体と、前記撹拌用誘電体に入射する光を発生するスターラ光源
と、前記スターラ光源によって発生された光を前記撹拌用誘
電体に入射させて前記撹拌用誘電体を回転させるための
スターラ光学系と、を具備する全反射減衰測定装置。
【請求項２】全反射減衰測定に用いる光を発生する測
定光源と、前記測定光源によって発生された光を前記測定チップに
入射させるための測定光学系と、前記測定チップにおいて反射した反射光を検出する光検
出器と、をさらに具備する請求項１記載の全反射減衰測
定装置。
【請求項３】前記測定チップが、表面プラズモン共鳴
を利用した測定を行うために、内底面に金属薄膜を有す
る、請求項１又は２記載の全反射減衰測定装置。
【請求項４】前記測定チップが、光導波路又は漏洩モ
ードを利用した測定を行うために、内底面に屈折率の異
なる２つの誘電体層を有する、請求項１又は２記載の全
反射減衰測定装置。
【請求項５】前記測定チップに注入された液体試料の
蒸発を防ぐために蒸発防止手段をさらに具備し、前記ス
ターラ光源によって発生された光が前記蒸発防止手段を
介して前記撹拌用誘電体に入射する、請求項１〜４のい
ずれか１項記載の全反射減衰測定装置。