JP2003254906A

JP2003254906A - エバネッセント波を利用したセンサー

Info

Publication number: JP2003254906A
Application number: JP2002362306A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Naya; 昌之納谷
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: JP4173725B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ウェル形状の測定チップを備えたエバネッセ
ント波を利用したセンサーで、通常の測定に加え試料を
連続的に供給して行う測定も可能とする。【解決手段】測定チップ９と、光ビーム13を発生させ
る光源14と、光ビーム13を誘電体ブロック10と金属膜12
との界面10ｂに対して種々の入射角が得られるように測
定流路55に入射させる光学系15と、界面10ｂで全反射し
平行光化された光ビーム13を検出するフォトダイオード
アレイ17とを備えたエバネッセント波を利用したセンサ
ーにおいて、被検体を含む液体試料11を、ポンプ56によ
り供給路51から測定流路55に連続的に供給する。金属膜
12上に予め固定されているセンシング物質30と液体試料
11中の被検体が結合する場合には、センシング物質30の
屈折率が変化し、暗線Ｄの角度（全反射減衰角）が変化
する。液体試料11中の被検体濃度が一定であるため、結
合状態を精度良く測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料に接した薄膜
層と誘電体ブロックとの界面で光ビームを全反射させて
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センサーに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、エバネッセント波を利用した
センサーの１つとして、表面プラズモンセンサーが知ら
れている。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。表面プラズモンセンサー
は、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、試料の特性を分析するものであり、種々の
タイプのセンサーが提案されている。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）。

【０００３】上記の系を用いる表面プラズモンセンサー
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検出する光検出手段と、該光検出
手段の検出結果に基づいて表面プラズモン共鳴の状態を
測定する測定手段とを備えてなるものである。

【０００４】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。

【０００５】上記構成の表面プラズモンセンサーにおい
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。

【０００６】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】この光強度の低下が生じる全反射角以上の
特定入射角θ_ＳＰ（以後全反射減衰角θ_ＳＰと記載）よ
り表面プラズモンの波数が解ると、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。

【０００８】

【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
いて試料の屈折率等が分かるので、結局、全反射減衰角
θ_ＳＰを知ることにより、試料の誘電率つまりは屈折率
に関連する特性を求めることができる。

【０００９】また、エバネッセント波を利用した類似の
センサーとして、漏洩モードセンサーも知られている
（例えば非特許文献１参照）。この漏洩モードセンサー
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する光検出手段と、該光
検出手段の検出結果に基づいて導波モードの励起状態を
測定する測定手段とを備えてなるものである。

【００１０】上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、
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、全反射減衰角θ_ＳＰ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。

【００１１】また、上述した表面プラズモンセンサーや
漏洩モードセンサーは、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（表面プラズモンセンサーの場合は金属膜
であり、漏洩モードセンサーの場合はクラッド層および
光導波層）上に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の溶液（液体試料）を添加し、所
定時間が経過する毎に前述の全反射減衰角θ_Ｓ _Ｐを測定
している。液体試料中の被検体が、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θ_ＳＰを測定し、全反射
減衰角θ _ＳＰ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が行われているか
否か、すなわち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、そのよ
うなものに関する具体的な測定としては、一例として、
センシング物質をウサギ抗ヒトＩｇＧ抗体とし、被検体
であるヒトＩｇＧ抗体との結合の有無検出とその定量分
析を行う測定が挙げられる。

【００１２】なお、液体試料中の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、必ずしも全反射減衰
角θ_ＳＰの角度そのものを検出する必要はない。例えば
センシング物質に被検体が含まれた液体試料を添加し、
その後の全反射減衰角θ_ＳＰ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。

【００１３】また、本発明者等は、使い勝手のよいウェ
ル形状の測定チップを用いて、上記全反射減衰の状態の
測定を行うセンサーを提案している。（例えば特許文献
２参照）。このようなウェル形状の測定チップを用いる
ことにより、例えば試料として液体試料を用いる場合で
あれば、測定チップ内に入る少量の液体試料を準備する
のみで、測定を行うことができる。また測定チップを複
数個保持可能なテーブルを用いることにより、短時間で
容易に多種の試料の測定を行うことができる。

【００１４】なお、エバネッセント波を利用したセンサ
ーにおいて、光検出手段により前記界面で全反射した光
ビームの強度を検出して、試料の特性を分析する方法と
しては種々の方法があり、例えば、前述したように、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検出して、全反射減衰により
発生した暗線の位置（全反射減衰角θ_ＳＰ）を検出する
ことにより全反射減衰の状態を測定して、試料の特性を
分析してもよいし、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検出して、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の特性
を分析してもよい（例えば非特許文献２参照）。

【００１５】また、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検
出することにより試料の特性を分析してもよい。（例え
ば非特許文献３参照）。

【００１６】

【特許文献１】特開平６−１６７４４３号公報

【００１７】

【特許文献２】特開２００２−２９６１７２号公報

【００１８】

【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

【００１９】

【非特許文献２】D.V.Noort,K.johansen,C.-F.Mandeniu
s, Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measur
ement, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.585-588

【００２０】

【非特許文献３】P.I.Nikitin,A.N.Grigorenko,A.A.Bel
oglazov,M.V.Valeiko,A.I.Savchuk,O.A.Savchuk, Surfa
ce Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Arra
y Biosensing, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.235-238

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】一方、上記のようなエ
バネッセント波を利用して試料の特性を分析するセンサ
ーとしては、センシング物質が固定された平板上の測定
チップ上に流路機構を用いて、液体試料を連続的に供給
して測定を行うセンサーが知られている。この形態のセ
ンサーを用いれば、センシング物質と特定物質との結合
状態を測定する際に、常に新しい液体試料が測定チップ
上に供給されるため、液体試料中の被検体の濃度が変化
せず、結合状態の測定を精度良く行うことができる。ま
た、センシング物質と特定物質の結合状態を測定したの
ち、結合が行われている場合には、この結合体が固定さ
れている測定チップ上に、特定物質が含まれていない液
体試料（以後バッファ液と記載）を流すことより、セン
シング物質と特定物質との解離状態を測定することがで
きる。さらに、例えば試料として気体を用いる場合、あ
るいは気体が溶在している液体試料を用いる場合に、流
路機構を用いて、容易に測定チップ上に試料を供給する
ことができる。

【００２２】このように、試料を連続的に供給すること
により、種々の効果が得られるが、一方で測定チップ上
に連続的に試料を供給するために、多量の試料を準備し
なければならない、あるいは多種の試料の測定を短時間
で行うことが困難であるなどの欠点もある。このため、
使用者は、ウェル形状の測定チップを用いたセンサー
と、平板形状の測定チップと流路機構を備えたセンサー
の両者を用意しないと、望ましい測定を行うことができ
ないという問題がある。

【００２３】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、ウェル形状の測定チップを備えたエバネッセン
ト波を利用したセンサーにおいて、測定チップ内に試料
を溜めて行う通常の測定に加え、測定チップ内に試料を
連続的に供給して行う測定も可能とすることを目的とす
る。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の第１のエバネッ
セント波を利用したセンサーは、光ビームを発生させる
光源と、前記光ビームに対して透明な誘電体ブロック、
この誘電体ブロックの一面に形成される薄膜層、この薄
膜層の表面上に試料を保持可能に形成された試料保持機
構を備えてなるウェル形状の測定チップと、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角度で入射
させる光学系と、前記界面で全反射した光ビームの強度
を検出する光検出手段と、該光検出手段の検出結果に基
づいて、全反射減衰の状態を測定する測定手段とを備え
てなるエバネッセント波を利用したセンサーにおいて、
前記測定チップに着脱可能に形成され、前記薄膜層の表
面上に前記試料を連続的に供給するとともに、この供給
された試料を連続的に排出する試料給排手段をさらに備
えたことを特徴とするものである。

【００２５】なお、上記各実施の形態においては、「供
給された試料を連続的に排出する」際には、供給された
試料を吸引等により排出してもよいし、あるいは単に排
出路が接続された閉空間に試料を連続的に供給すること
により、試料が排出路から排出されてもよい。

【００２６】上記各エバネッセント波を利用したセンサ
ーにおいては、前記試料給排手段として、前記薄膜層の
表面上に前記試料を供給する供給路と、前記表面上から
前記試料を排出する排出路と、前記供給路と前記排出路
を前記ウェル形状の測定チップに出入自在に保持する流
路ホルダとを備えたものを用いることができる。

【００２７】また、前記流路ホルダとしては、該流路ホ
ルダの下面に前記供給路の出口と、前記排出路の入口と
を開口させて有し、かつ該下面の前記薄膜層の表面と接
する領域に、前記出口と前記入口を囲むシール手段を備
えたものを用いることができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明のエバネッセント波を利用したセ
ンサーは、ウェル形状の測定チップに着脱可能に形成さ
れ、測定チップの薄膜層の表面上に試料を連続的に供給
するとともに、この供給された試料を連続的に排出する
試料給排手段を備えたことにより、測定チップ内に試料
を溜めて行う通常の測定に加え、測定チップ内に試料を
連続的に供給して行う測定も可能となる。

【００２９】また、薄膜層上にセンシング物質を固定し
て、液体試料中の特定物質との結合状態を測定する場合
であれば、連続的に新しい液体試料を供給することが可
能であるため、測定中に液体試料に含まれる被検体の濃
度を一定に保つことができ、結合状態を精度良く測定す
ることができる。また、結合係数なども容易に求めるこ
とができる。さらに、センシング物質と特定物質の結合
体が固定されている測定チップの薄膜上に、上記試料給
排手段を用いて、バッファ液を連続的に供給することに
より、センシング物質と特定物質との解離状態を精度良
く測定することができる。また解離係数等も容易に求め
ることができる。

【００３０】また、試料給排手段が測定チップに対し
て、着脱可能に形成されているため、測定目的に応じ
て、試料給排手段を測定チップに取り付けずに、試料を
測定チップ内に保持した状態で行う測定と、試料給排手
段を測定チップに取り付けて、試料を測定チップ内に連
続的に供給した状態で行う測定のどちらかを選択するこ
とができる。

【００３１】また、上記試料給排手段として、測定チッ
プの薄膜層の表面上に前記試料を供給する供給路と、該
表面上から前記試料を排出する排出路と、該供給路と排
出路を前記ウェル形状の測定チップに出入自在に保持す
る流路ホルダとを備えたものを用いる場合には、測定チ
ップに試料給排手段を簡単に着脱することができる。

【００３２】上記流路ホルダが、該流路ホルダの下面に
前記供給路の出口と、前記排出路の入口とを開口させて
有し、かつ該下面の前記薄膜層の表面と接する領域に、
前記出口と前記入口を囲むシール手段を備えたものであ
る場合には、試料が試料給排手段から測定チップ内に漏
れ出すことがなく、試料の種類を変更して測定を継続す
る際等に、測定精度の低下を防止することができる。

【００３３】

【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。本発明の第１の実施形態の
エバネッセント波を利用したセンサーは、表面プラズモ
ン共鳴を利用した表面プラズモンセンサーであり、図１
は表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものであ
り、図２は、この表面プラズモンセンサーに用いられる
流路ユニットの上面図および側面図である。

【００３４】この表面プラズモンセンサーは、例えば概
略四角錐の一部が切り取られた形状とされた誘電体ブロ
ック10と、この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）
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とからなるウェル形状の測定チップ９を有
している。

【００３５】誘電体ブロック10は例えば透明樹脂等から
なり、金属膜12が形成された部分の周囲が嵩上げされた
形とされ、この嵩上げされた部分は液体試料11を貯える
試料保持部10ａとして機能する。なお本例では、金属膜
12の上にセンシング物質30が固定されるが、このセンシ
ング物質30については後述する。

【００３６】測定チップ９の試料保持部10ａ内には、金
属膜12上に流路を形成するための流路ユニット50が取り
付けられている。この流路ユニット50は、図２に示すよ
うに、概略四角錐の一部が切り取られた形状に形成され
ている流路ホルダ51に、液体試料を供給するための供給
路52および液体試料を排出するための排出路53が取り付
けられ、測定チップ９内に簡単に着脱することができ
る。流路ホルダ51の下部には、供給路52の出口と排出路
53の入口が開口され、また流路ホルダ51の下面の金属膜
12の表面と接する領域に、この供給路52の出口と排出路
53の入口を囲むシール部54が設けられている。このた
め、この流路ユニット50を測定チップ９に取り付けた場
合には、図１に示すように、金属膜12およびシール部54
によりシールされた測定流路55が形成される。なお、シ
ール部54は、流路ホルダ51の上部部分と一体形成された
ものであってもよいし、上部部分とは異なる素材により
形成され、後付されたものであってもよく、例えばＯリ
ング等を流路ホルダ51の下部部分に取り付けたものであ
ってもよい。

【００３７】流路ユニット50の供給路52には、ポンプ56
が接続され、該ポンプ56には液溜部57が接続されてい
る。流路ユニット50、ポンプ56および液溜部57が、発明
の試料給排手段として機能する。液溜部57には予め被検
体を含む液体試料11が準備されている。

【００３８】本実施形態の表面プラズモンセンサーは、
上記誘電体ブロック10に加えてさらに、１本の光ビーム
13を発生させる半導体レーザ等からなる光源14（以下、
レーザ光源14という）と、上記光ビーム13を誘電体ブロ
ック10に通し、該誘電体ブロック10と金属膜12との界面
10ｂに対して、種々の入射角が得られるように入射させ
る光学系15と、上記界面10ｂで全反射した光ビーム13を
平行光化するコリメーターレンズ16と、この平行光化さ
れた光ビーム13を検出するフォトダイオードアレイ17
と、フォトダイオードアレイ17に接続された差動アンプ
アレイ18と、ドライバ19と、コンピュータシステム等か
らなる信号処理部20と、この信号処理部20に接続された
表示部21とを備えている。

【００３９】入射光学系15は、レーザ光源14から発散光
状態で出射した光ビーム13を平行光化するコリメーター
レンズ15ａと、該平行光化された光ビーム13を上記界面
10ｂ上で収束させる集光レンズ15ｂとから構成されてい
る。なお、光ビーム13は、集光レンズ15ｂにより流路エ
リア51内の界面10ｂに集光される。

【００４０】光ビーム13は、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。そこで、光ビーム13は界面10ｂで全反射
し、この反射した光ビーム13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。なお、上記光学系15
は、光ビーム13を界面10ｂ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の誤差が平均化されて、測定
精度が高められる。

【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をその偏光方向が所定方向となるように配設すれ
ばよい。その他、波長板で光ビーム13の偏光の向きを制
御してもよい。

【００４２】以下、上記構成の表面プラズモンセンサー
による試料分析について説明する。測定に先立ち、測定
チップ９をテーブル31に設けられたチップ保持孔31ａに
嵌合固定する。その後、流路ユニット50のシール部54が
測定チップ９の金属膜12に密着するように、流路ユニッ
ト50を測定チップ９に取り付ける。ポンプ56を作動さ
せ、液溜部57に準備されている液体試料11を流路ユニッ
ト50の供給路52を介して測定流路55へ供給する。測定を
行っている間は、ポンプ56を作動させ続けるため、液体
試料11は測定流路55に連続的に供給される。測定流路55
はシール部54によりシールされているため、測定流路55
に供給された液体試料11は順次排出路53を通って排出さ
れる。

【００４３】測定流路55内に、液体試料11が供給された
後、測定を開始する。なお、前述したように、測定を行
っている間は、液体試料11は連続的に供給される。図１
に示す通り、レーザ光源14から発散光状態で出射した光
ビーム13は、光学系15の作用により、測定流路55の下の
誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂ上で収束す
る。この際、光ビーム13は、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。そこで、光ビー
ム13は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム13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。

【００４４】界面10ｂで全反射した後、コリメーターレ
ンズ16によって平行光化された光ビーム13は、フォトダ
イオードアレイ17により検出される。本例におけるフォ
トダイオードアレイ17は、複数のフォトダイオード17
ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなり、図１の図
示面内において、平行光化された光ビーム13の進行方向
に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向
きに配設されている。したがって、上記界面10ｂにおい
て種々の反射角で全反射した光ビーム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。

【００４５】図３は、この表面プラズモンセンサーの電
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、18
ｂ、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、22
ｃ……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。

【００４６】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18
ａ、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、17
ｂ、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。

【００４７】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。

【００４８】図４は、界面10ｂで全反射した光ビーム13
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。

【００４９】界面10ｂにある特定の入射角θ_ＳＰで入射
した光は、金属膜12と液体試料11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Ｉ
が鋭く低下する。つまりθ_ＳＰが全反射減衰角であり、
この角度θ_ＳＰにおいて反射光強度Ｉは最小値を取る。
この反射光強度Ｉの低下は、図１にＤで示すように、反
射光中の暗線として観察される。

【００５０】また図４の（２）は、フォトダイオード17
ａ、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射角θと一義的に対応して
いる。

【００５１】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。

【００５２】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、18
ｂ、18ｃ……の中から、全反射減衰角θ_ＳＰ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
３の例では差動アンプ18ｄとなる）を選択し、それが出
力する微分値Ｉ’に所定の補正処理を施してから、その
値を表示部21に表示させる。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、そのときは当然その差動アンプが選択される。

【００５３】以後、所定時間が経過する毎に上記選択さ
れた差動アンプ18ｄが出力する微分値Ｉ’が、所定の補
正処理を受けてから表示部21に表示される。この微分値
Ｉ’は、測定チップの金属膜12に接している物質の誘電
率つまりは屈折率が変化し、全反射減衰角θ_ＳＰが変化
して、図４（１）に示す曲線が左右方向に移動する形で
変化すると、それに応じて上下する。したがって、この
微分値Ｉ’を時間の経過とともに測定し続けることによ
り、金属膜12に接しているセンシング物質30の屈折率変
化を調べることができる。

【００５４】特に本実施形態では液体試料11に含まれる
被検体が、センシング物質30と結合する特定物質であれ
ば、センシング物質30と被検体との結合状態に応じてセ
ンシング物質30の屈折率が変化するので、上記微分値
Ｉ’を測定し続けることにより、被検体がセンシング物
質30と結合する特定物質であるか否かを検出することが
できる。

【００５５】なお、本実施例においては、測定流路55に
対する液体試料11の供給を測定終了まで継続する。この
ため、測定開始から測定終了までの間、液体試料11の中
に含まれる被検体の濃度は一定に保たれる。

【００５６】また、液体試料11の中の被検体とセンシン
グ物質30とが結合する場合には、この測定の終了後に、
被検体とセンシング物質30との解離状態の変化の様子を
時間経過とともに調べる測定を行うことができる。この
際には、被検体が結合しているセンシング物質30に対し
て、被検体が含まれていない液体試料であるバッファ液
を連続的に供給し、測定を行う。センシング物質30と結
合している被検体は、徐々にバッファ液中に解離し、そ
れらの解離状態に応じてセンシング物質30の屈折率が変
化するので、上記微分値Ｉ’を測定し続けることによ
り、この解離状態の変化の様子を精度良く調べることが
できる。また、新しいバッファ液が常時供給されるた
め、容易に解離係数を求めることができる。

【００５７】以上の説明から明かなように本実施の形態
によるエバネッセント波を利用したセンサーによれば、
金属膜12上にセンシング物質30を固定して、液体試料11
中の被検体との結合状態を測定する際に、流路ユニット
50を介して、測定チップ９内に連続的に新しい液体試料
11を供給することが可能であるため、測定中に液体試料
11に含まれる被検体の濃度を一定に保つことができ、結
合状態を精度良く測定することができる。また、結合係
数なども容易に求めることができる。さらに、センシン
グ物質30と被検体の結合体が固定されている測定チップ
９の金属膜12上に、被検体が含まれていない液体試料で
あるバッファ液を連続的に供給することにより、センシ
ング物質30と被検体との解離状態を精度良く測定するこ
とができる。また解離係数等も容易に求めることができ
る。

【００５８】また、流路ユニット50が、測定チップ９に
対して、着脱可能に形成されているため、測定目的に応
じて、流路ユニット50を測定チップ９に取り付けずに、
液体試料11を測定チップ９内に保持した状態で行う通常
の測定と、流路ホルダ51を測定チップ９に取り付けて、
液体試料11を測定チップ９内に連続的に供給する状態で
行う測定のどちらかを適宜選択することができる。な
お、流路ユニット50は、液体試料11を供給する供給路52
と、液体試料11を排出する排出路53と、該供給路52およ
び排出路53を保持する流路ホルダ51から形成されている
ため、容易に測定チップ９に着脱することができる。

【００５９】また、流路ホルダ51が、シール部54を備え
ているため、液体試料11が測定流路55から測定チップ９
内に漏れ出すことがなく、例えば上述したように、結合
状態を測定後、引き続き解離状態を測定するような場合
であっても、被検体が含まれていない液体試料11に、被
検体が含まれている液体試料が測定チップ９内から混入
することがないので、測定精度の低下を防止することが
できる。

【００６０】なお、本実施の形態は、上述したように、
センシング物質30と被検体との結合状態の測定に使用方
法が限定されるものではない。例えば気体が溶在してい
る液体試料を流路ユニット50を用いて、センシング物質
30が固定されていない測定チップ９内に供給することに
より、この液体試料の屈折率を精度良く測定することが
できる。

【００６１】なお、液体試料11の中の特定物質とセンシ
ング物質30との結合状態の変化の様子を時間経過ととも
に調べるためには、所定時間が経過する毎の微分値Ｉ’
を求めて表示するほか、最初に計測した微分値Ｉ’(0)
と所定時間経過時に計測した微分値Ｉ’(t)との差Δ
Ｉ’を求めて表示してもよい。

【００６２】また、本実施の形態の変型例として、図５
の（ａ）にその上面図を示すような供給路および排出路
を複数本備えた流路ユニット60を用いることもできる。
この流路ユニット60は、概略四角錐の一部が切り取られ
た形状に形成されている流路ホルダ61に、液体試料を供
給するための第１の供給路62、第２の供給路64および液
体試料を排出するための第１の排出路63、第２の排出路
65が取り付けられ、測定チップ９内に簡単に着脱するこ
とができる。流路ホルダ61の下部には、第１の供給路62
の出口と第１の排出路63の入口が開口され、また第２の
供給路64の出口と第２の排出路65の入口が開口され、流
路ホルダ61の下面の金属膜12の表面と接する領域に、第
１の供給路62の出口と第１の排出路63の入口および第２
の供給路64の出口と第２の排出路65の入口を囲むシール
部66が設けられている。このため、この流路ユニット60
を測定チップ９に取り付けた場合には、図５の（ａ）に
示すように、金属膜12およびシール部66によりシールさ
れた測定流路67および測定流路68が形成される。

【００６３】さらに、本実施の形態の他の変型例とし
て、図５の（ｂ）にその上面図を示すような供給路、連
結路および排出路を備えた流路ユニット70を用いること
もできる。この流路ユニット70は、概略四角錐の一部が
切り取られた形状に形成されている流路ホルダ71に、液
体試料を供給するための供給路72、液体試料を排出する
ための排出路73および流路ホルダ71内で流路を連結する
連結路74が取り付けられ、測定チップ９内に簡単に着脱
することができる。流路ホルダ71の下部には、供給路73
の出口と連結路74の入口が開口され、また連結路74の出
口と排出路73の入口が開口され、流路ホルダ71の下面の
金属膜12の表面と接する領域に、供給路72の出口と連結
路74の入口および連結路74の出口と排出路73の入口を囲
むシール部75が設けられている。このため、この流路ユ
ニット70を測定チップ９に取り付けた場合には、図５の
（ｂ）に示すように、金属膜12およびシール部75により
シールされた測定流路76および測定流路77が形成され
る。

【００６４】例えば、金属膜12上の半分の領域にセンシ
ング物質30が固定され、残りの領域にはセンシング物質
30が固定されていない測定チップを作成し、各測定流路
がそれぞれの領域上に形成されるように、測定ユニット
を取り付け、２つの測定流路における測定値の差を求め
ることにより、液体試料の温度変化等の影響で生じる測
定誤差を相殺した測定結果を得ることができる。

【００６５】なお、上述のように、測定流路を複数個形
成する流路ユニット60あるいは70を用いた場合には、レ
ーザ光源14、光学系15、コリメータレンズ16およびフォ
トダイオードアレイ17から成る測定系を２組配設して、
同時に２つの測定流路の測定を行ってもよいし、あるい
は１組の測定系を用いて、この測定系あるいは測定チッ
プ９を移動させて、時分割で測定を行ってもよい。

【００６６】また、本実施の形態の他の変型例として、
流路ホルダ51の下面を金属膜12上に接しないように、流
路ユニット50を測定チップ９に取り付けて使用するもの
も考えられる。このような場合には、流路ホルダ51と測
定チップ９の内壁の間にＯリング等を設けるか、あるい
は排出路53側に吸引機能を付け加え、液体試料11の供給
量と排出量を一致させればよい。

【００６７】次に、図６を参照して本発明の第２の実施
の形態について説明する。なおこの図６において、図１
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。

【００６８】この第２の実施の形態のエバネッセント波
を利用したセンサーは、第１の実施の形態で説明した表
面プラズモンセンサーを漏洩モードセンサーに変更した
ものであり、本例でも測定チップ化された誘電体ブロッ
ク10を用いるように構成されている。この誘電体ブロッ
ク10の一面（図中の上面）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。

【００６９】誘電体ブロック10は、例えば合成樹脂やＢ
Ｋ７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。

【００７０】上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、
レーザ光源14から出射した光ビーム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41に取り込まれるので、上記界面10ｂ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。

【００７１】光導波層41における導波光の波数は、該光
導波層41の上のセンシング物質30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、センシング物質30の屈折率を知ることができる。
また、差動アンプアレイ18の各差動アンプが出力する微
分値Ｉ’に基づいてセンシング物質30と液体試料11の中
の被検体との結合状態の変化の様子を調べることができ
る。なお、液体試料11の中の被検体とセンシング物質30
とが結合する場合には、この測定の終了後に、被検体が
含まれていない液体試料11を連続的に供給し、センシン
グ物質30と被検体の解離状態の変化の様子を調べること
ができる。また、上記第２の実施の形態においても第１
の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【００７２】次に図７を参照して本発明の第３の実施の
形態について説明する。なお、この図７において、図１
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。本実施
の形態のエバネッセント波を利用したセンサーは、表面
プラズモンセンサーであり、上記第１の実施の形態の表
面プラズモンセンサーと比べ測定方法を変更したもので
ある。図７は、本実施の形態の表面プラズモンセンサー
の側面形状を示すものであり、本表面プラズモンセンサ
ーの測定位置には、レーザ光源120 とＣＣＤ121 が配設
されており、レーザ光源120 とＣＣＤ121 との間には、
コリメータレンズ122 、干渉光学系123、集光レンズ124
およびアパーチャー125 が配設されている。

【００７３】上記干渉光学系123 は、偏光フィルタ131
、ハーフミラー132 、ハーフミラー133 およびミラー1
34 により構成されている。さらに、ＣＣＤ121 は測定
手段135 に接続されており、測定手段135 は表示部21に
接続されている。

【００７４】以下、本実施の形態の表面プラズモンセン
サーにおける測定動作について説明する。レーザ光源12
0 が駆動されて光ビーム140 が発散光の状態で出射され
る。この光ビーム140 はコリメータレンズ122 により平
行光化されて偏光フィルタ131 に入射する。偏光フィル
タ131 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140 は、ハーフミラー132 により一
部がレファレンス光ビーム140Rとして分割され、ハーフ
ミラー132 を透過した残りの光ビーム140Sは界面10ｂに
入射する。界面10ｂで全反射した光ビーム140Sおよびミ
ラー134 で反射したレファレンス光ビーム140Rはハーフ
ミラー133 に入射して合成される。合成された光ビーム
140'は集光レンズ124 により集光され、アパーチャー12
5 を通過してＣＣＤ121 によって検出される。このと
き、ＣＣＤ121 で検出される光ビーム140'は、光ビーム
140Sとレファレンス光ビーム140Rとの干渉の状態に応じ
て干渉縞を発生させる。

【００７５】ここで、液体試料11中の被検体が金属膜12
の表面に固定されているセンシング物質30と結合するか
否かを、液体試料11を測定チップ９へ供給後、継続的に
測定を行い、ＣＣＤ121 により検出される干渉縞の変化
を検出することにより、判定することができる。

【００７６】すなわち、上記液体試料11中の被検体とセ
ンシング物質30との結合状態に応じてセンシング物質30
の屈折率が変化するため、界面10ｂで全反射した光ビー
ム140Sおよびレファレンス光ビーム140Rがハーフミラー
133 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結合反応の有無を検出す
ることができる。測定手段135 は、以上の原理に基づい
て上記反応の有無を検出し、その結果が表示部21に表示
される。

【００７７】なお、第１および第２に実施例と同様に、
液体試料11の中の被検体とセンシング物質30とが結合す
る場合には、この測定の終了後に、被検体が含まれてい
ない液体試料11を連続的に供給し、センシング物質30と
被検体の解離状態の変化の様子を調べることができる。
また、上記第３の実施の形態においても、第１の実施の
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】

【図１】本発明の第１の実施の形態による表面プラズモ
ンセンサーの側面図

【図２】上記表面プラズモンセンサーに用いられる流路
ユニットの構成図

【図３】上記表面プラズモンセンサーの電気的構成を示
すブロック図

【図４】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビーム
入射角と検出光強度との関係、並びに光ビーム入射角と
光強度検出信号の微分値との関係を示す概略図

【図５】上記表面プラズモンセンサーに用いられる他の
流路ユニットの上面図

【図６】本発明の第２の実施の形態による漏洩モードセ
ンサーの側面図

【図７】本発明の第３の実施の形態による表面プラズモ
ンセンサーの側面図

【符号の説明】９測定チップ 10 誘電体ブロック 10ａ試料保持部 10ｂ界面 11 液体試料 12 金属膜 13 光ビーム 14 レーザ光源 15 光学系 16 コリメーターレンズ 17 フォトダイオードアレイ 17ａ、17ｂ、17ｃ…… フォトダイオード 18 差動アンプアレイ 18ａ、18ｂ、18ｃ…… 差動アンプ 19 ドライバ 20 信号処理部 21 表示部 22ａ、22ｂ、22ｃ…… サンプルホールド回路 23 マルチプレクサ 24 Ａ／Ｄ変換器 25 駆動回路 26 コントローラ 30 センシング物質 31 テーブル 40 クラッド層 41 光導波層 50、60、70 流路ユニット 51、61、71 流路ホルダ 52、62、64、72 供給路 53、63、65、73 排出路 54、66、75 シール部 55、67、68、76、77 測定流路 56 ポンプ 57 液溜部 120 レーザ光源 121 ＣＣＤ 122 コリメータレンズ 123 干渉光学系 124 集光レンズ 125 アパーチャー 134 ミラー 135 測定手段 140 光ビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G057 AA02 AB04 AB07 AC01 BA05 BB01 BB06 GA06 2G059 AA01 BB04 BB12 CC16 EE02 EE05 EE09 EE10 FF09 GG01 GG04 JJ11 JJ13 JJ19 JJ20 JJ22 KK04 MM01 MM03 MM09 MM10 MM11 PP04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ビームを発生させる光源と、前記光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電
体ブロックの一面に形成される薄膜層、この薄膜層の表
面上に試料を保持可能に形成された試料保持機構を備え
てなるウェル形状の測定チップと、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
角度で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検出する光検出
手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて、全反射減衰の状態
を測定する測定手段とを備えてなるエバネッセント波を
利用したセンサーにおいて、前記測定チップに着脱可能に形成され、前記薄膜層の表
面上に前記試料を連続的に供給するとともに、この供給
された試料を連続的に排出する試料給排手段をさらに備
えたことを特徴とするエバネッセント波を利用したセン
サー。
【請求項２】前記試料給排手段が、前記薄膜層の表面
上に前記試料を供給する供給路と、前記表面上から前記
試料を排出する排出路と、前記供給路と前記排出路を前
記ウェル形状の測定チップに出入自在に保持する流路ホ
ルダとを備えたものであることを特徴とする請求項１記
載のエバネッセント波を利用したセンサー。
【請求項３】前記流路ホルダが、該流路ホルダの下面
に前記供給路の出口と、前記排出路の入口とを開口させ
て有し、かつ前記下面の前記薄膜層の表面と接する領域
に、前記出口と前記入口を囲むシール手段を備えたもの
であることを特徴とする請求項２記載のエバネッセント
波を利用したセンサー。