JP2003240705A - 測定チップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面プラズモン共鳴測定装置等の、全反射減
衰を利用した測定装置に用いられる測定チップにおい
て、測定データの再現性を向上させる。 【解決手段】 誘電体ブロック11が、測定用光ビームの
入射面11ｂ、出射面11ｃおよび薄膜層12が形成される一
面の全てを含む１つのブロックとして形成され、この誘
電体ブロック11に薄膜層12が一体化されてなる測定チッ
プ10において、誘電体ブロック11を、光弾性係数が50×
10^−１２Ｐａ^−１未満の樹脂から形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面プラズモンの
発生を利用して試料中の物質を定量分析する表面プラズ
モン共鳴測定装置等に用いられる測定チップに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】金属中においては、自由電子が集団的に
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、試料中の物質を定量分
析する表面プラズモン共鳴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（例えば特許文献１参照）。

【０００４】上記の系を用いる表面プラズモン共鳴測定
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となり、か
つ、表面プラズモン共鳴条件を含む種々の入射角が得ら
れるように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偏向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
界面に収束光あるいは発散光の状態で入射させてもよ
い。前者の場合は、光ビームの偏向にともなって反射角
が変化する光ビームを、光ビームの偏向に同期移動する
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共鳴測定装置に
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θ_ＳＰで入射させると、該金属膜に接している試
料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試料との界面に表面プ
ラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクト
ルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立し
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。

【０００７】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。

【０００８】この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角
θ_ＳＰより表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘
電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫ
_ＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光
速、ε_ｍ とε_ｓ をそれぞれ金属、試料の誘電率とす
ると、以下の関係がある。

【０００９】

【数１】 試料の誘電率ε_ｓ が分かれば、所定の較正曲線等に基
づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上
記反射光強度が低下する入射角θ_ＳＰ（全反射減衰角）
を知ることにより、試料中の特定物質を定量分析するこ
とができる。

【００１０】上記の系を用いる従来の表面プラズモン共
鳴測定装置において、実用上は、試料に接触させる金属
膜を測定毎に交換する必要がある。そこで従来は、この
金属膜を平坦な板状の誘電体ブロックに固定し、それと
は別に前記全反射を生じさせるための光カップラーとし
てのプリズム状誘電体ブロックを設け、この後者の誘電
体ブロックの一面に前者の誘電体ブロックを一体化する
という手法が採用されていた。そのようにすれば、後者
の誘電体ブロックは光学系に対して固定としておき、前
者の誘電体ブロックと金属膜とを測定チップとして、こ
の測定チップのみを試料毎に交換することが可能とな
る。

【００１１】また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類
似の測定装置として、例えば非特許文献１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
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の
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試料の屈折率に依
存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角（全反
射減衰角）を知ることによって、試料の屈折率や、それ
に関連する試料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を用いる場合
も、前述の表面プラズモン共鳴測定装置を用いる場合と
同様に、装置の光学系に対して１つの誘電体ブロックを
固定する一方、別の誘電体ブロックにクラッド層および
光導波層を形成して測定チップとし、この測定チップの
みを試料毎に交換することが可能である。

【００１４】ところで、この交換可能とされた従来の測
定チップを用いる場合は、その誘電体ブロックとプリズ
ム状誘電体ブロックとの間に空隙が生じて屈折率が不連
続となることを防止するため、それら両誘電体ブロック
を屈折率マッチング液を介して一体化する必要が生じ
る。そのようにして両誘電体ブロックを一体化する作業
は非常に煩雑であり、そのため、この従来の測定チップ
は、測定に際しての取扱い性が良くないものとなってい
る。特に、測定チップをターレット等の上に自動装填
し、このターレットを回転させることにより、測定チッ
プを光ビームを受ける測定位置に自動供給して測定を自
動化するような場合は、測定チップの装填、取外しに手
間取り、それが自動測定の能率向上を妨げる原因となり
やすい。

【００１５】またこの従来の測定チップは、屈折率マッ
チング液を使用することから、環境に与える悪影響も懸
念されている。

【００１６】本出願人は上記の事情に鑑みて、屈折率マ
ッチング液を使用する必要がなく、そして測定用光学系
に対して簡単に交換することができる測定チップを先に
提案した（特願２００１−９２６６６号参照）。

【００１７】この測定チップは、上述したように、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
試料に接触させられる薄膜層と、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と
なり、かつ、種々の入射角成分を含むようにして入射さ
せる光学系と、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の状態を検出する光検出手段とを備
えてなる、全反射減衰を利用した測定装置に用いられる
測定チップにおいて、前記誘電体ブロックが、前記光ビ
ームの入射面、出射面および前記薄膜層が形成される一
面の全てを含む１つのブロックとして形成され、この誘
電体ブロックに前記薄膜層が一体化されてなることを特
徴とするものである。

【００１８】なお、この測定チップが前記表面プラズモ
ン共鳴測定用のものである場合、上記薄膜層は金属膜か
ら構成され、漏洩モード測定用のものである場合、上記
薄膜層はクラッド層および光導波層から構成される。

【００１９】また、上記測定チップを構成する誘電体ブ
ロックにおいて、好ましくは、薄膜層が形成される一面
の上方の空間を側方から囲んで、この一面の上に試料を
保持する液溜めを画成する部分が形成される。

【００２０】

【特許文献１】特開平０６−１６７４４３号公報

【００２１】

【非特許文献１】「分光研究」第４７巻 第１号（１９
９８） 第２１〜２３頁および第２６〜２７頁

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の誘電
体ブロックとしては一般に、概略四角錐の一部を切り取
った形状や、四角柱等の形状（つまり、薄膜層が形成さ
れる一面と平行な断面の形状が四辺形等の角多角形とな
る形状）に樹脂を射出成形してなるものが好適に用いら
れるが、そのような樹脂製誘電体ブロックからなる従来
の測定チップにおいては、使用した際に測定データの再
現性に難が認められることがあった。

【００２３】そこで本発明は、測定データの再現性に優
れた測定チップを提供することを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明による一つの測定
チップは、前述したような誘電体ブロックと、この誘電
体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる薄
膜層と、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となり、かつ、種々の入射
角成分を含むようにして入射させる光学系と、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の状
態を検出する光検出手段とを備えてなる、全反射減衰を
利用した測定装置に用いられる測定チップであって、前
記誘電体ブロックが、前記光ビームの入射面、出射面お
よび前記薄膜層が形成される一面の全てを含む１つのブ
ロックとして形成され、この誘電体ブロックに前記薄膜
層が一体化されてなる測定チップにおいて、誘電体ブロ
ックが、光弾性係数が50×10^−１２Ｐａ^−１未満の樹脂
から形成されていることを特徴とするものである。

【００２５】上記のような測定チップとしては、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
置用の測定チップや、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
モード測定装置用の測定チップ等がある。

【００２６】本発明による測定チップを用いた測定装置
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.Noor
t,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を検出
することにより試料分析を行ってもよい。

【００２７】また、P.I.Nikitin,A.N.Grigorenko,A.A.B
eloglazov,M.V.Valeiko,A.I.Savchuk,O.A.Savchuk, Sur
face Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Ar
rayBiosensing, 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。

【００２８】なお上述の樹脂として、より望ましくは、
光弾性係数が20×10^−１２Ｐａ^−１未満であるものが用
いられる。

【００２９】ところで、上記の測定チップを用いた測定
装置の光路は等価的に図８のように示すことができる。
なお、この図において区間Ｐは誘電体ブロック内の光路
を示す。

【００３０】この図に示すように、誘電体ブロックの吸
水により誘電体ブロックの屈折率ｎが変化すると、光路
は実線から破線のように変化し、センサー（光検出手
段）上での検出位置がＡ（ｘ）からＡ´（Δｘ＋ｘ）に
移動する。

【００３１】このような誘電体ブロックの屈折率ｎの変
化による光路変動は、上記の表面プラズモン測定装置や
漏洩モード測定装置等においては、薄膜層と誘電体ブロ
ックとの界面における全反射角θの角度変動Δθとして
誤認識される。

【００３２】ここで、測定チップの幅をＰ、測定チップ
からセンサーまでの距離をｌとした場合、（２）式およ
び（３）式に示す関係から、角度変動分Δθは（４）式
のように表すことができる。

【００３３】 （２） ｌ・ｔａｎ（θ_１＋Δθ）＝Δｘ＋ｘ （３） ｌ・ｔａｎθ_１＝ｘ （４） Δθ＝Δｘ／ｌ・１８０／π・ｓｉｎ^２θ_１ また、誘電体ブロックの屈折率ｎの変動に伴ってθ_２も
変動するが、このθ_２の角度変動分Δθ_２は（５）式の
ように表すことができる。また、このときの位置変動分
Δｘは（６）式のように表すことができ、（５）式およ
び（６）式から位置変動分Δｘは（７）式のように表す
ことができる。

【００３４】 （５） Δθ_２＝−１８０／π・Δｎ／ｎ・ｔａｎθ_２ （６） Δｘ＝Ｐ・πΔθ_２／１８０・１／ｓｉｎ^２θ
_２ （７） Δｘ＝Ｐ・Δｎ／ｎ・１／ｃｏｓθ_２ 結局、（４）式および（７）式から、角度変動分Δθは
（８）式のように表すことができる。

【００３５】（８） Δθ＝Ｐ／ｌ・Δｎ／ｎ・１／ｃ
ｏｓθ_２・１８０／π・ｓｉｎ^２θ _１ ここで、（８）式のＰ、ｌ、ｎ、θ_１、θ_２に、実際の
測定系の値を代入する。

【００３６】測定チップの幅Ｐ＝５（ｍｍ）、測定チッ
プからセンサーまでの距離ｌ＝２００（ｍｍ）、誘電体
ブロックの屈折率ｎ＝１．５、入射中心角θ_１＝２６
°、このときのθ_２＝４２°とすると、実際の測定系に
おける角度変動分Δθは（９）式のようになる。

【００３７】（９） Δθ＝１．３・Δｎ また、「プラスチックレンズの応用と製造」，シーエム
シー，ｐ．６９に代表的な樹脂（「ＯＺ−１０００」
（商品名）、「ＰＭＭＡ」（商品名））の吸湿率と屈折
率変化との関係を示す図が示されている。

【００３８】この図と上記（９）式から、吸湿による信
号変動分が図９に示すように予見される。図９に示すグ
ラフにおいて、実線は吸湿による信号変動分を示す。

【００３９】測定に際しては、信号変動分が約１／１０
以下となる領域で測定を行うことにより、吸湿の影響を
考慮に入れる必要がなくなり、Ｓ／Ｎの良好な測定を行
うことができる。この吸湿の影響を考慮に入れずに測定
できる下限を破線で示す。

【００４０】角度変化量は、測定チップの薄膜層に対す
る試料の吸着量によって異なるが、分子量１００程度の
測定精度に相当する検出限界角度は概ね０．００１°と
されている。

【００４１】通常、薬剤開発の分野においては、分子量
２００程度の測定精度、すなわち０．００２°程度の検
出限界角度が要求される。この要求を満たすためには、
図９に示すグラフが表すように、誘電体ブロックの吸水
率を０．２％未満に抑える必要がある。

【００４２】そのため、この樹脂として、さらに望まし
くは、吸水率が0.2％未満であるものが用いられる。な
おこの吸水率はＡＳＴＭ Ｄ570の試験方法によるもので
あり、そして、以下で述べる吸水率も、説明を省略する
場合があっても、全てこの試験方法によるものである。

【００４３】そのような樹脂としてより具体的には、シ
クロオレフィンポリマーが好適に用いられる。そして、
このシクロオレフィンポリマーのうち特に好ましいもの
として、日本ゼオン株式会社が製造する「ＺＥＯＮＥＸ
３３０Ｒ」（商品名）を挙げることができる。

【００４４】なお、分子量１０００オーダー（必要検出
限界角度０．０１°程度）の蛋白質や遺伝子の測定を行
う場合には、誘電体ブロックの吸水率は１％未満に抑え
ればよい。

【００４５】また、上記薄膜層を金属膜として、表面プ
ラズモン測定装置用の測定チップとした場合の、金属膜
の表面積率と測定感度の関係について調査した。ここで
表面積率とは、金属膜の表面が完全にフラットであると
仮定した場合の表面積Ｓ_０に対する実際の表面積Ｓの比
率Ｓ_{Ｒａｔｉｏ}を意味する。

【００４６】この調査は、表面積率が１．００６から
１．０３４の金属膜を備えた測定チップに、それぞれシ
ョ糖を０．５％希釈した試料と０．２５％希釈した試料
とを注入して測定を行い、ショ糖を０．５％希釈した試
料の測定により得られた検出信号と、０．２５％希釈し
た試料の測定により得られた検出信号との差を感度とし
て求めた。

【００４７】なお、測定は、「ＺＥＯＮＥＸ ３３０
Ｒ」（商品名）製の誘電体ブロックに表面積率が１．０
０６から１．０３４の５０ｎｍ厚のＡｕを成膜した測定
チップに、波長が９５０ｎｍの光ビームを照射して行っ
た。

【００４８】その結果を図１０に示す。図１０に示すグ
ラフは、横軸に表面積率、縦軸に表面積率が１．０１７
のときの感度を１とした相対感度を示したものである。
このグラフから、表面積率を１．０１７未満とした場合
は、表面積率を１．０１７以上とした場合と比較して約
１．４倍の感度となることが分かる。

【００４９】そのため、上記薄膜層を金属膜として、表
面プラズモン測定装置用の測定チップとする場合には、
金属膜の表面積率を１．０１７未満とすることが好まし
い。

【００５０】なお、金属膜の表面積率を１．０１７未満
とするためには、誘電体ブロックを「ＺＥＯＮＥＸ ３
３０Ｒ」（商品名）とし、金属膜を５０ｎｍ厚のＡｕと
した場合には、真空度２．０×１０^−６以下で、成膜速
度０．１０ｎｍ／ｓ以上で蒸着すればよい。

【００５１】

【発明の効果】本発明者の研究によると、樹脂製誘電体
ブロックからなる従来の測定チップを使用した際に測定
データの再現性に難が認められる原因は、その誘電体ブ
ロックの材料樹脂として、光弾性係数が比較的大きい樹
脂が用いられていた点にあることが判明した。

【００５２】すなわち、樹脂製誘電体ブロックは例えば
射出成形等によって形成されるが、樹脂が冷却固化する
ときに残存する力学的歪によって、誘電体ブロックに複
屈折性が生じてしまう。

【００５３】例えば表面プラズモン共鳴測定用の測定チ
ップにあっては、誘電体ブロックと薄膜層（金属膜）と
の界面に測定光をｐ偏光状態で入射させるが、誘電体ブ
ロックの複屈折性に応じて測定光のｐ偏光成分が増減
し、そのため、測定対象の試料の誘電率とは無関係に全
反射光量が変動するようになる。そして、誘電体ブロッ
クの材料として使用される樹脂の光弾性係数が大きいほ
ど上記複屈折性はより高いものとなり、それに応じて上
記全反射光量の変動も大きくなって、測定データの値が
変動してしまうのである。

【００５４】一方、漏洩モード測定用の測定チップにあ
っては、誘電体ブロックと薄膜層（クラッド層）との界
面に入射させる測定光が直線偏光していないと、全反射
光を検出した信号のＳ／Ｎが低下したり、あるいはその
信号の極性が反転してしまうこともある。そこで、誘電
体ブロックの材料として使用される樹脂の複屈折性が高
いと、測定光が上記界面に到達するまでに直線偏光状態
が維持されなくなって、測定データの値が変動してしま
うことになる。

【００５５】本発明者は、上述した表面プラズモン共鳴
測定用の測定チップおよび漏洩モード測定用の測定チッ
プにおける測定データの変動は、通常、チップ通過前の
直線偏光状態が50％程度維持されれば実用上差し支えな
い程度まで抑えられ、90％程度維持されれば（つまり偏
光解消度が10％程度以下ならば）ほとんど無視できる程
度まで抑えられることを見出した。図６は、誘電体ブロ
ックの材料として使用される樹脂の光弾性係数と、そこ
を通過した直線偏光の偏光解消度との関係を示すもので
ある。ここから分かる通り、光弾性係数が50×10^−１２
Ｐａ^−１、20×10^−１２Ｐａ^−１のとき、偏光解消度が
それぞれ上記の値つまり50％、10％となる。そこで本発
明においては、誘電体ブロックを形成する材料として、
光弾性係数が50×10^−１２Ｐａ^−１未満、より好ましく
は20×10^−１２Ｐａ^−１未満の樹脂を用いるものであ
る。それにより本発明の測定チップによれば、直線偏光
の解消度を低く抑えて、変動の少ない再現性の良い測定
データを得ることが可能になる。

【００５６】また本発明による測定チップにおいて、誘
電体ブロックの一面に形成される金属膜等の薄膜層は、
一般に蒸着によって形成される。この蒸着を行なう際
に、誘電体ブロックの吸水率が高くなっていると、蒸着
装置内を真空に近い状態まで脱気するのに要する時間が
より長くなる。図７は、誘電体ブロックの材料として使
用される樹脂の吸水率と、そこに金属膜を蒸着する際に
要する脱気時間（蒸着装置内を４×10^−４Ｐａまで脱気
するのに要する時間）との関係を示すものである。ここ
に示される通り、吸水率が0.2％未満であれば、上記脱
気時間は実用上ほとんどの場合で許容される20分未満に
抑えられるようになり、蒸着に要する作業時間を短縮で
きて好ましい。

【００５７】なお、誘電体ブロックの材料樹脂の吸水率
が大きいと、液体試料について測定をする際に誘電体ブ
ロックが試料中の水分を吸収して、屈折率が大きく変化
するようになる。このようにして誘電体ブロックの屈折
率が変化すると、測定対象の試料の誘電率つまり屈折率
とは無関係に全反射減衰角が変動するようになり、その
点からも測定データの再現性が損なわれることになる。
したがって、上記のように吸水率の低い樹脂を誘電体ブ
ロックの材料として用いれば、誘電体ブロックの吸湿に
よる測定データの変動をより少なく抑えることができる
という効果も得られる。

【００５８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図３は、本発明の一実施の
形態による表面プラズモン共鳴測定チップ（以下、単に
測定チップという）10の斜視形状を示すものである。ま
た図１は、この測定チップ10を用いる表面プラズモン共
鳴測定装置の全体形状を示すものであり、図２はこの装
置の要部の側面形状を示している。

【００５９】図１に示す表面プラズモン共鳴測定装置
は、複数の測定チップ10を支持するターンテーブル20
と、測定用の光ビーム（レーザビーム）30を発生させる
半導体レーザ等のレーザ光源31と、入射光学系を構成す
る集光レンズ32と、光検出器40と、上記ターンテーブル
20を間欠的に回動させる支持体駆動手段50と、この支持
体駆動手段50の駆動を制御するとともに、上記光検出器
40の出力信号Ｓを受けて後述の処理を行なうコントロー
ラ60と、試料自動供給機構70とを有している。

【００６０】上記測定チップ10は図２および図３に示す
通り、例えば概略四角錐の一部を切り取った形状の透明
誘電体ブロック11と、この誘電体ブロック11の上面に形
成された例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金
属膜12と、この金属膜12の上に側方が閉じられた空間を
画成する筒状の試料保持枠13とから構成されている。誘
電体ブロック11は、上記金属膜12が形成される一面11ａ
（後述の界面を構成する面）と、光ビーム30が入射する
面11ｂと、光ビーム30が出射する面11ｃとを全て含む１
つのブロックとして形成されている。試料保持枠13の中
には、後述のようにして例えば液体の試料15が貯えられ
る。

【００６１】測定チップ10を構成する誘電体ブロック11
および試料保持枠13は透明樹脂を用いて一体成形されて
おり、ターンテーブル20に対して交換可能とされてい
る。交換可能とするためには、例えばターンテーブル20
に形成された貫通孔に、測定チップ10を嵌合保持させる
等すればよい。

【００６２】本実施の形態において誘電体ブロック11を
形成する透明樹脂としては、日本ゼオン株式会社が製造
する「ＺＥＯＮＥＸ ３３０Ｒ」（商品名）が用いられ
ている。これはシクロオレフィンポリマーの一つであ
り、その特性等については後述する。なお本例では、金
属膜12の上にセンシング媒体14が固定されているが、そ
れについては後に詳述する。また誘電体ブロック11を形
成する材料として一般には、屈折率が1.45〜2.5程度の
範囲内にあるものを用いるのが望ましい。その理由は、
この屈折率範囲で実用的なＳＰＲ共鳴角が得られるから
である。

【００６３】ターンテーブル20は複数（本例では１１
個）の上記測定チップ10を、その回動軸20ａを中心とす
る円周上に等角度間隔で支持するように構成されてい
る。支持体駆動手段50はステッピングモータ等から構成
され、ターンテーブル20を測定チップ10の配置角度と等
しい角度ずつ間欠的に回動させる。

【００６４】集光レンズ32は図２に示す通り、光ビーム
30を集光して収束光状態で誘電体ブロック11に通し、誘
電体ブロック11と金属膜12との界面（なお以下ではこの
界面を便宜的に、誘電体ブロック11の一面11ａと同じ付
番「11ａ」を付して示す）に対して種々の入射角が得ら
れるように入射させる。この入射角の範囲は、上記界面
11ａにおいて光ビーム30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範囲を含む範囲とさ
れる。

【００６５】なお光ビーム30は、界面11ａ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31をその偏光方向が所定方向となるように配設すれ
ばよい。その他、波長板や偏光板で光ビーム30の偏光の
向きを制御してもよい。

【００６６】光検出器40は、多数の受光素子が１列に配
されてなるラインセンサーから構成されており、受光素
子の並び方向が図２中の矢印Ｘ方向となるように配され
ている。

【００６７】一方コントローラ60は、支持体駆動手段50
からその回動停止位置を示すアドレス信号Ａを受けると
ともに、所定のシーケンスに基づいてこの支持体駆動手
段50を作動させる駆動信号Ｄを出力する。またこのコン
トローラ60は、上記光検出器40の出力信号Ｓを受ける信
号処理部61と、この信号処理部61からの出力を受ける表
示部62とを備えている。

【００６８】試料自動供給機構70は、例えば液体試料を
所定量だけ吸引保持するピペット71と、このピペット71
を移動させる手段72とから構成されたものであり、所定
位置にセットされた試料容器73から試料をピペット71に
吸引保持し、所定の停止位置にある測定チップ10の試料
保持枠13内にその試料を滴下供給する。

【００６９】以下、上記構成の表面プラズモン共鳴測定
装置による試料分析について説明する。試料分析に際し
てターンテーブル20は、前述のように支持体駆動手段50
によって間欠的に回動される。そして、ターンテーブル
20が停止したとき所定位置に静止した測定チップ10の試
料保持枠13に、上記試料自動供給機構70によって試料15
が供給される。

【００７０】その後ターンテーブル20が何回か回動され
てから停止すると、試料保持枠13に試料15を保持してい
る測定チップ10が、その誘電体ブロック11に前記光ビー
ム30が入射する測定位置（図２中の右側の測定チップ10
の位置）に静止する状態となる。この状態のとき、コン
トローラ60からの指令でレーザ光源31が駆動され、そこ
から発せられた光ビーム30が前述のように収束する状態
で、誘電体ブロック11と金属膜12との界面11ａに入射す
る。この界面11ａで全反射した光ビーム30は、光検出器
40によって検出される。

【００７１】光ビーム30は、上述の通り収束光状態で誘
電体ブロック11に入射するので、上記界面11ａ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。そこ
で、光ビーム30は界面11ａで全反射し、この反射した光
ビーム30には、種々の反射角で反射する成分が含まれる
ことになる。ここで、上記集光レンズ32等の光学系は、
光ビーム30を界面11ａにデフォーカス状態で入射させる
ように構成されてもよい。そのようにすれば、表面プラ
ズモン共鳴の状態検出（例えば前記暗線の位置測定）の
誤差が平均化されて、測定精度が高められる。

【００７２】上述のように光ビーム30が全反射すると
き、界面11ａから金属膜12側にエバネッセント波がしみ
出す。そして、光ビーム30が界面11ａに対してある特定
の入射角θ_ＳＰで入射した場合は、このエバネッセント
波が金属膜12の表面に励起する表面プラズモンと共鳴す
るので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下す
る。なお図４には、この全反射減衰現象が生じた際の入
射角θと反射光強度Ｉとの関係を概略的に示してある。

【００７３】そこで、光検出器40が出力する光量検出信
号Ｓから各受光素子毎の検出光量を調べ、暗線を検出し
た受光素子の位置に基づいて上記入射角（全反射減衰
角）θ _ＳＰを求め、予め求めておいた反射光強度Ｉと入
射角θとの関係曲線に基づけば、試料15中の特定物質を
定量分析することができる。コントローラ60の信号処理
部61は、以上の原理に基づいて試料15中の特定物質を定
量分析し、その分析結果が表示部62に表示される。

【００７４】測定を１つの試料15に対して１回だけ行な
う場合は、以上の操作で測定が完了するので、測定を終
えた測定チップ10をターンテーブル20から手操作によ
り、あるいは自動排出手段を用いて排出すればよい。一
方、１つの試料15に対して測定を複数回行なう場合は、
測定終了後も測定チップ10をそのままターンテーブル20
に支持させておけば、ターンテーブル20の１回転後に、
その測定チップ10に保持されている試料15を再度測定に
かけることができる。

【００７５】以上説明した通り、この表面プラズモン共
鳴測定装置は、複数の測定チップ10をターンテーブル20
に支持させ、このターンテーブル20を移動させて各測定
チップ10を順次測定位置に配置するように構成されてい
るから、複数の測定チップ10の各試料保持枠13に保持さ
せた試料15を、ターンテーブル20の移動にともなって次
々と測定に供することができる。それにより、この表面
プラズモン共鳴測定装置によれば、多数の試料15につい
ての測定を短時間で行なうことが可能になる。

【００７６】この測定チップ10は、従来なされていたよ
うに誘電体ブロック11を屈折率マッチング液を介して他
の誘電体ブロックと光学的に結合させるような必要はな
いものである。したがって、この測定チップ10は取扱い
性が良く、また屈折率マッチング液が環境に及ぼす悪影
響から無縁のものとなり得る。

【００７７】なお金属膜12の表面に固定されているセン
シング媒体14は、試料15中の特定物質と結合するもので
ある。このような特定物質とセンシング媒体14との組合
せとしては、例えば抗原と抗体とが挙げられる。その場
合は、全反射減衰角θ_ＳＰに基づいて抗原抗体反応を検
出することができる。

【００７８】次に、測定チップ10について詳しく説明す
る。本実施の形態において、測定チップ10を構成する誘
電体ブロック11は、前述した通り日本ゼオン株式会社が
製造するシクロオレフィンポリマーの一つ「ＺＥＯＮＥ
Ｘ ３３０Ｒ」（商品名）を用いて、射出成形により形
成されている。

【００７９】この「ＺＥＯＮＥＸ ３３０Ｒ」の光弾性
係数は6.5×10^−１２Ｐａ^−１で、前述した50×10
^−１２Ｐａ^−１の値、さらには20×10^−１２Ｐａ^−１の
値よりも小さいものである。このように光弾性係数が極
めて小さい樹脂を用いて誘電体ブロック11が形成されて
いることにより、本実施の形態の測定チップ10は測定デ
ータの再現性に優れたものとなる。その理由は、先に詳
しく説明した通りである。

【００８０】なお、上記光弾性係数の測定に当たって
は、まず上記樹脂からなる縦130ｍｍ×横15ｍｍ×厚さ
５ｍｍの試験片を作成した。次に島津製作所製自動偏光
解析装置（エリプソメータ）AEP=100を使用して、その
試料台に上記試験片を置き、荷重をかけながら複屈折を
何点か測定した。そして、その際の荷重と複屈折の関係
を調べ、この関係を示す直線の傾きから光弾性係数を求
めた。

【００８１】一方、上記「ＺＥＯＮＥＸ ３３０Ｒ」の
吸水率は0.01％未満で、前述した0.2％の値よりも小さ
いものである。なおこの吸水率の値は、前述した通りＡ
ＳＴＭ Ｄ570の試験方法によるものである。

【００８２】このように吸水率が極めて小さい樹脂を用
いて誘電体ブロック11を形成したことにより、そこに金
属膜12を蒸着する際の脱気時間を短く抑えることがで
き、また、誘電体ブロック11の吸湿による屈折率変化の
ために測定データが大きく変動することも防止可能とな
る。

【００８３】さらに、金属膜12の表面積率を１．０１７
未満とすることによって測定感度に優れたものとなる。
その理由は、先に詳しく説明した通りである。

【００８４】次に図５を参照して、本発明の別の実施の
形態について説明する。この図５は、本発明の第２の実
施の形態による漏洩モード測定装置用測定チップ700
と、それを用いる漏洩モード測定装置の側面形状を示す
ものである。

【００８５】この漏洩モード測定装置は基本的に、図２
に示した表面プラズモン共鳴測定装置と同様の構成を有
するものである。一方測定チップ700は、誘電体ブロッ
ク11の一面（図中の上面）にクラッド層701が形成さ
れ、さらにその上に光導波層702が形成されてなるもの
である。

【００８６】誘電体ブロック11は、例えば前述した日本
ゼオン株式会社が製造する「ＺＥＯＮＥＸ ３３０Ｒ」
（商品名）を用いて、射出成形により形成されている。
一方クラッド層701は、誘電体ブロック11よりも低屈折
率の誘電体や、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702は、クラッド層701よりも高屈折
率の誘電体を用いてこれも薄膜状に形成されている。ク
ラッド層701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702の膜厚は、例えばＰＭＭＡから
形成する場合で700ｎｍ程度とされる。

【００８７】上記構成の漏洩モード測定装置において、
レーザ光源31から出射した光ビーム30を誘電体ブロック
11を通してクラッド層701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30が誘電体ブロック11と
クラッド層701との界面11ａで全反射するが、クラッド
層701を透過して光導波層702に特定入射角で入射した特
定波数の光は、該光導波層702を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702に取り込まれるので、上記
界面11ａ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。

【００８８】光導波層702における導波光の波数は、該
光導波層702の上の試料15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、
試料15の屈折率や、それに関連する試料15の特性を分析
することができる。信号処理部61は、以上の原理に基づ
いて試料15中の特定物質を定量分析し、その分析結果が
図示外の表示部に表示される。

【００８９】この第２の実施の形態の漏洩モード測定装
置用測定チップ700も、誘電体ブロック11が、光弾性係
数が6.5×10^−１２Ｐａ^−１と小さく、吸水率も0.01％
未満と小さい樹脂である「ＺＥＯＮＥＸ ３３０Ｒ」
（商品名）を用いて形成されていることにより、第１の
実施の形態の測定チップ10と同様の効果を奏することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による測定チップを
用いる表面プラズモン共鳴測定装置の全体図

【図２】図１の表面プラズモン共鳴測定装置の要部を示
す一部破断側面図

【図３】本発明の第１の実施の形態による表面プラズモ
ン共鳴測定チップを示す斜視図

【図４】表面プラズモン共鳴測定装置における光ビーム
入射角と、光検出器による検出光強度との概略関係を示
すグラフ

【図５】本発明の第２の実施の形態による測定チップ
と、それを用いる漏洩モード測定装置の要部を示す一部
破断側面図

【図６】誘電体ブロック材料の光弾性係数と偏光解消度
との関係を示すグラフ

【図７】誘電体ブロック材料の吸水率と、それに薄膜層
を蒸着する際に要する脱気時間との関係を示すグラフ

【図８】測定チップを用いた測定装置の光路を等価的に
示した図

【図９】誘電体ブロック材料の吸水率と検出限界角度と
の関係を示すグラフ

【図１０】金属膜の表面積率と測定感度との関係を示す
グラフ

【符号の説明】 10 表面プラズモン共鳴測定チップ 11 誘電体ブロック 11ａ 誘電体ブロックの一面 11ｂ 誘電体ブロックの光入射面 11ｃ 誘電体ブロックの光出射面 12 金属膜 13 試料保持枠 14 センシング媒体 15 試料 700 漏洩モード測定装置用測定チップ 701 クラッド層 702 光導波層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷 武晴 神奈川県足柄上郡開成町宮台798番地 富 士写真フイルム株式会社内 Ｆターム(参考） 2G057 AA02 AB04 AC01 BA01 BB01 BB06 2G058 AA09 CC14 CC17 CD04 CF12 EA02 EA11 ED03 GA02 2G059 AA01 BB04 BB12 BB13 CC16 DD12 EE02 EE05 GG01 GG04 JJ11 JJ17 JJ19 JJ20 KK04 PP04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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に接触させ
   られる薄膜層と、 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となり、か
   つ、種々の入射角成分を含むようにして入射させる光学
   系と、 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
   減衰の状態を検出する光検出手段とを備えてなる、全反
   射減衰を利用した測定装置に用いられる測定チップであ
   って、 前記誘電体ブロックが、前記光ビームの入射面、出射面
   および前記薄膜層が形成される一面の全てを含む１つの
   ブロックとして形成され、 この誘電体ブロックに前記薄膜層が一体化されてなる測
   定チップにおいて、 前記誘電体ブロックが、光弾性係数が50×10^−１２Ｐａ
   ^−１未満の樹脂から形成されていることを特徴とする測
   定チップ。
2. 【請求項２】 前記樹脂の光弾性係数が20×10^−１２Ｐ
   ａ^−１未満であることを特徴とする請求項１記載の測定
   チップ。
3. 【請求項３】 前記樹脂のＡＳＴＭ Ｄ570による吸水率
   が0.2％未満であ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。
4. 【請求項４】 前記薄膜層が、表面積率が１．０１７未
   満の金属膜であることを特徴とする請求項１から３いず
   れか１項記載の測定チップ。