JP2004012206A - 測定チップ - Google Patents
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Abstract
【課題】SPR測定において共鳴角の変化量が小さい試料を観察する場合に、装置の構成を複雑にすることなく精度の高い測定を行うことができる測定チップを提供する。
【解決手段】全反射減衰を利用した測定において用いられる測定チップであって、試料を入れるための空孔12が形成された光透過性を有する誘電体であって、測定に用いられる光がそれぞれ入射及び出射される第1及び第2の側面10a及び10bを含み、第2の側面10bに、出射する光を発散させる凹レンズ部10cが形成されている誘電体10と、空孔の内底面に形成された金属薄膜であって、第1の側面10aから試料と反対側の面に入射した光を凹レンズ部10cに向けて反射する金属薄膜11とを具備する。
【選択図】 図1
【解決手段】全反射減衰を利用した測定において用いられる測定チップであって、試料を入れるための空孔12が形成された光透過性を有する誘電体であって、測定に用いられる光がそれぞれ入射及び出射される第1及び第2の側面10a及び10bを含み、第2の側面10bに、出射する光を発散させる凹レンズ部10cが形成されている誘電体10と、空孔の内底面に形成された金属薄膜であって、第1の側面10aから試料と反対側の面に入射した光を凹レンズ部10cに向けて反射する金属薄膜11とを具備する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモン共鳴(surface plasmon resonance:SPR)測定に用いられる測定チップに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、全反射減衰を利用して試料中の物質を定量分析する方法が知られており、特に、表面プラズモン共鳴(SPR)測定は、タンパク質等を検出するためのバイオセンサとして広く利用されている。
図7は、SPR測定の原理を説明するための図である。プリズム101の表面には、金属薄膜102が蒸着等によって形成されている。さらに、金属薄膜102の上には、検出対象である物質を含む試料103が乗せられている。
【0003】
このようなプリズム101の透明誘電体と金属薄膜102との界面で全反射条件となるように、光L1を様々な入射角でプリズム101に入射させる。ここで、光L1を様々な入射角でプリズム101に入射させるようにするためには、細い光ビームを偏向させながらプリズム101に入射させても良いし、太い光ビームを収束させながらプリズム101に入射させても良い。図7においては、光源104から出射された光を、レンズ105によって収束させてプリズム101に入射させている。
【0004】
光L1を金属薄膜102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102に接している試料103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102と試料103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が表面プラズモンに移行する。これにより、プリズム101と金属薄膜102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106により、反射光L2中の暗線として検出される。なお、このような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L1がp偏光となるように予め設定しておく。
【0005】
表面プラズモンの波数kSP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kSP、真空中での光の波数をk0、金属の誘電率をεM、試料の誘電率をεSとする。
【数1】
また、エバネッセント波の波数kEは、次の式で与えられる。ここで、プリズムの屈折率をn0、入射角をθとする。
kE=k0n0sinθ …(2)
【0006】
エバネッセント波の波数kEと、表面プラズモンの波数kSP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εSを算出することができる。さらに、この誘電率εS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。
【0007】
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102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、試料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試料を置くと、金属薄膜102上で、試料に含まれる抗原の濃度に応じた抗原抗体反応が起こる。これにより試料103の屈折率が変化するので、金属薄膜102と試料103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(以下、「共鳴角」という)が変化する。従って、光検出器106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。
【0008】
ところで、このようなSPR測定においては、例えば、分子量の小さい物質における反応のように試料の屈折率の変化がごく僅かな場合には、暗線の移動量が小さいために暗線の位置変化を検出できないことがある。このような場合には、プリズム101と光検出器106との間に拡大レンズ系を設けることにより、暗線の位置変化を増幅することが考えられる。しかしながら、拡大レンズ系を設けると、装置の構成が複雑になると共に、拡大レンズ系を含む光学系の調整が必要になり、装置の取り扱いが煩雑になるという問題が生じてしまう。
【0009】
【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、SPR測定において共鳴角の変化量が小さい試料を観察する場合においても、装置の構成を複雑にすることなく精度の高い測定を行うことができる測定チップを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る測定チップは、全反射減衰を利用した測定において用いられる測定チップであって、試料を入れるための空孔が形成された光透過性を有する誘電体であって、測定に用いられる光がそれぞれ入射及び出射される第1及び第2の側面を含み、該第2の側面に、出射する光を発散させる凹レンズ部が形成されている誘電体と、上記空孔の内底面に形成された金属薄膜であって、第1の側面から試料と反対側の面に入射した光を凹レンズ部に向けて反射する金属薄膜とを具備する。
【0011】
本発明によれば、測定チップにおいて光が出射する位置に凹レンズ部を形成することにより測定チップに拡大レンズ機能を持たせているので、拡大レンズ系等を別途設けることなく、SPR測定における測定精度を上げることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。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、本発明の一実施形態に係る測定チップを示す断面図である。測定チップ1は、光透過性を有する誘電体(以下、透明誘電体という)10と金属薄膜11とを含んでいる。測定チップ1をSPR測定に用いる際には、金属薄膜11の上にセンシング媒体が固定され、その上に、タンパク質等の検出対象の物質を含む試料が配置される。
【0013】
透明誘電体10は、一部に凹レンズ部を有する四角錐台の形状を有しており、その上面には試料が配置される空孔12が形成されている。なお、透明誘電体10の形状は四角錐台に限られず、例えば、他の角錐台、角柱等の様々な形状を用いても良い。このような透明誘電体10は、ポリメチルメタクリレート(polymethyl methacrylate: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プラスチックや、ガラス等によって形成されている。
【0014】
透明誘電体10の空孔12の内底面には、金属薄膜11が形成されている。金属薄膜11としては、金やアルミニウム等が用いられ、本実施形態においては金を用いている。金属薄膜11は、蒸着等によって形成されている。
【0015】
透明誘電体10は、SPR測定を行う際に光をそれぞれ入射及び出射させる1組の側面10a及び10bを有している。その内の側面10bには、内側に向かって凹むように凹レンズ部10cが成形されている。この凹レンズ部10cによって、透明誘電体10が拡大レンズ機能を有するようになる。
【0016】
図2の(a)及び(b)は、図1に示す測定チップ1の凹レンズ部10cの周辺を拡大して示す断面図である。図2の(a)に示すように、本実施形態において、凹レンズ部10cは、曲率半径Rを有する球面の一部の形状を有している。ここで、凹レンズ部10cによるレンズ機能の倍率は、次のようにして求められる。
【0017】
図2の(a)において、凹レンズ部10cに入射する入射光線LIN、及び、凹レンズ部10cから出射する出射光線LOUTの光軸(Z軸)からの距離を、それぞれrIN及びrOUTとする。また、入射光線LIN及び出射光線LOUTのZ軸に対する傾きを、それぞれθIN及びθOUTとする。さらに、透明誘電体10の屈折率をn1、空気の屈折率をn2とする。
【0018】
このとき、θ≒sinθ≒tanθとなる近軸光学系において、入射光線LIN(rIN,θIN)と、出射光線LOUT(rOUT,θOUT)との関係は、次のように表される。
【数2】
【0019】
ここで、焦点と凹レンズ部との間の距離dを用いると、tanθIN=rIN/dであり、近軸光学系においてはtanθIN≒θIN、rIN=d・θINとなる。また、式(3)に、例えば、透明誘電体10の屈折率n1=1.5、空気の屈折率n2=1.0を代入すると、出射光線LOUTの傾きθOUTは、次のように表される。
【数3】
さらに、焦点と凹レンズ部との間の距離dを、例えば、d=4.6mmとすると、出射角θOUTは次のようになる。
【数4】
即ち、この場合における倍率は、概ね(2.3/R+1.5)倍となる。
【0020】
また、図2の(b)は、SPR測定の際に用いられる光線の直径と、凹レンズ部10cの大きさとの望ましい関係を説明するための図である。凹レンズ部10cの出射面10bにおける直径(レンズ径)をa、凹レンズ部10cにおける入射光線LINの直径(ビーム径)をbとすると、入射光線LINの検出漏れをなくすためには、a>bであることが望ましい。また、レンズ径の最大値は2Rなので、レンズ径aの範囲は、2R>a>bとなる。従って、例えば、レンズ径aを3mmにする場合には、曲率半径Rを1.5mmより大きくすると共に、ビーム径bが3mm以下になるように、光源光を絞れば良い。
【0021】
図3の(a)は、本実施形態に係る測定チップ1を用いてSPR測定を行っている状態を示す図であり、図3の(b)は、比較のために、従来の測定チップ2を用いてSPR測定を行っている状態を示す図である。図3の(b)に示す従来の測定チップ2において、SPR測定に用いられる光が入射又は出射する側面20a及び20bは、共に平面になるように形成されている。
【0022】
図3の(a)及び(b)において、測定チップ1及び2に形成されている金属薄膜11の上には、予めセンシング媒体13が固定されている。測定チップ1及び2に、光源14から発生した光L1を、透明誘電体10又は20と金属薄膜11との界面において全反射条件となるように入射させる。これにより、金属薄膜11とセンシング媒体13との間において表面プラズモンが励起され、所定の角度から入射した光において全反射減衰が生じる。この全反射減衰は、反射光において暗線として観察される。なお、この暗線は、図3の(a)及び(b)において、反射光L2及びL2’の中の破線によって示されている。この状態で、測定チップ1及び2に検出対象の物質を含む試料を配置すると、検出対象の物質とセンシング媒体との間で、例えば、抗原抗体反応が起こり、試料の屈折率が、反応前と比較して変化する。これにより、全反射減衰が生じる入射角及びその反射角(共鳴角)が変化するので、反射光において観察される暗線の位置(角度)が移動する。なお、移動後の暗線は、図3の(a)及び(b)において、反射光L2及びL2’における実線によって示されている。この暗線の移動量Δxを、光検出器16を用いて測定することにより、試料に含まれている検出対象の物質の濃度を求めることができる。
【0023】
ここで、図3の(b)に示すように、従来の測定チップ2を用いる場合には、暗線の移動量Δxがごく僅かであるときに、光検出器15によって暗線の位置変化を検出できない可能性がある。しかしながら、図3の(a)に示すように、本実施形態に係る測定チップ1を用いる場合には、暗線の移動量がごく僅かであるときでも、透明誘電体10の凹レンズ部10cによるレンズ機能により、暗線の移動量Δxが増幅される。従って、暗線の位置変化を高い精度で測定することができる。
【0024】
本実施形態においては、透明誘電体に球面の一部の形状を有する凹レンズ部を形成することにより、測定チップに球面レンズの機能を備えさせているが、凹レンズ部の形状としては、透明誘電体から出射する光を発散させるような形状であれば、どのような形状を用いても良い。例えば、凹レンズ部の形状を、楕円、放物面、双曲面等の2次曲面等にすることにより、測定チップに非球面レンズの機能を備えさせても良い。或いは、凹レンズ部をシリンドリカルレンズにしても良い。
【0025】
図4は、本実施形態に係る測定チップの変形例を示す斜視図である。図4に示す測定チップ3は、本実施形態に係る測定チップ1に、空孔12を覆うための蓋4を設けたものである。蓋の材料としては、例えば、弾性変形可能なプラスチック等を用いることができる。このような蓋を設けることにより、空孔12に配置された試料における水分の蒸発を防ぐことができるので、蒸発による試料の濃度変化や温度変化等を防いで、安定したSPR測定を行うことができる。
【0026】
本実施形態において、測定チップは四角錐台の形状を有するものとして説明したが、測定チップの形状としては、四角錐台に限られない。測定チップの形状としては、四角錐台以外の角錐台、円錐台、その他の錘台、角柱、円柱、その他の柱状形状等を含む様々なものを用いることができる。
【0027】
また、本実施形態においては、1つの透明誘電体に対して1つの空孔が形成されている測定チップについて説明したが、1つの透明誘電体に複数の空孔を形成することにより、複数の測定ユニットを有する測定チップを作成しても良い。
図5の(a)は、複数の測定ユニットを有する測定チップの例を示す斜視図である。図5の(a)に示すように、測定チップ4は、四角錐台に成形された透明誘電体が1次元に連結した形状を有している。それぞれの四角錐台には試料が配置される空孔12が形成され、空孔12の内底面には金属薄膜11が形成されており、これらは測定ユニット16を構成している。透明誘電体40は、SPR測定において光がそれぞれ入射及び出射する側面40a及び40bを有しており、その内の側面40bには、それぞれの測定ユニット16に対応して、内側に向かって凹むように複数の凹レンズ部40cが形成されている。
【0028】
図5の(b)は、複数の測定ユニットを有する測定チップの別の例を示す斜視図である。図5の(b)に示すように、測定チップ5において、四角柱(台柱)の形状を有する透明誘電体50には、試料がそれぞれ配置される複数の空孔12が1次元に並ぶように形成され、複数の空孔12の内底面には金属薄膜11がそれぞれ形成されている。透明誘電体50は、SPR測定において光がそれぞれ入射及び出射する側面50a及び50bを有しており、その内の側面50bには、空孔12及び金属薄膜11をそれぞれ含む複数の測定ユニット16に対応して、内側に向かって凹むように複数の凹レンズ部50cが形成されている。
【0029】
図5の(c)は、複数の測定ユニットを有する測定チップのさらに別の例を示す斜視図である。図5の(c)に示すように、測定チップ6において、台柱の形状を有する透明誘電体60には、試料がそれぞれ配置される複数の空孔12が1次元に並ぶように形成され、複数の空孔12の内底面には金属薄膜11がそれぞれ形成されている。透明誘電体60は、SPR測定において光がそれぞれ入射及び出射する側面60a及び60bを有しており、その内の側面60bには、内側に向かって凹むようにシリンドリカルレンズの形状を有する凹レンズ部60cが連続して形成されている。
なお、透明誘電体50及び60の形状としては、台柱に限らず、直方体や四角柱以外の角柱等の様々な形状を用いても良い。
【0030】
図6は、2次元に配列された複数の測定ユニットを有する測定チップを示す斜視図である。図6に示すように、測定チップ7において、透明誘電体70には、試料がそれぞれ配置される複数の空孔12が2次元に並ぶように形成され、複数の空孔12の内底面には金属薄膜11がそれぞれ形成されている。また、測定チップ7に含まれるそれぞれの列は、SPR測定に用いられる光がそれぞれ入射及び出射する側面70a及び70bを有しており、その内の側面70bには、空孔12及び金属薄膜11をそれぞれ含む複数の測定ユニット16に対応して、内側に向かって凹むように複数の凹レンズ部70cが形成されている。或いは、側面70bに、内側に向かって凹むように凹レンズ部を連続して形成しても良い。
【0031】
図6に示すように、このような測定チップにおいてSPR測定を行う際には、側面70aから金属薄膜11に向けて透明誘電体70に光L1を入射させ、金属薄膜11に反射して透明誘電体から凹レンズ部70cを通って出射する光L2を検出する。
【0032】
このように、図5の(a)〜(c)及び図6に示すような複数の測定ユニットを有する測定チップ4〜7は、個別になっている測定チップに比較して扱いが容易であると共に、自動化されたSPR測定装置によって連続的にSPR測定を行うことができるので、測定時における効率を上げることができる。
【0033】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、測定チップに凹レンズ部を形成することにより測定チップ自体に拡大レンズ機能を持たせているので、暗線の僅かな位置変化を検出することができる。従って、そのような測定チップを用いて、精度の高いSPR測定を容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る測定チップを示す断面図である。
【図2】図2の(a)及び(b)は、図1に示す測定チップの一部を拡大して示す断面図である。
【図3】図3の(a)は、本実施形態に係る測定チップを用いてSPR測定を行っている状態を示す図であり、図3の(b)は、従来の測定チップを用いてSPR測定を行っている状態を示す図である。
【図4】本発明の一実施形態に係る測定チップの変形例を示す斜視図である。
【図5】複数の測定ユニットを含む測定チップを示す斜視図である。
【図6】2次元配列された複数の測定ユニットを含む測定チップを示す斜視図である。
【図7】SPR測定の原理を説明するための図である。
【符号の説明】
1〜7 測定チップ
10、40〜70、101 透明誘電体
10a、20a、40a〜70a、10b、20b、40b〜70b 側面
10c、40c〜70c 凹レンズ部
11、102 金属薄膜(金薄膜)
12 空孔
13 センシング媒体(タンパク質)
14、104 光源
15、106 光検出器
16 測定ユニット
105 レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモン共鳴(surface plasmon resonance:SPR)測定に用いられる測定チップに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、全反射減衰を利用して試料中の物質を定量分析する方法が知られており、特に、表面プラズモン共鳴(SPR)測定は、タンパク質等を検出するためのバイオセンサとして広く利用されている。
図7は、SPR測定の原理を説明するための図である。プリズム101の表面には、金属薄膜102が蒸着等によって形成されている。さらに、金属薄膜102の上には、検出対象である物質を含む試料103が乗せられている。
【0003】
このようなプリズム101の透明誘電体と金属薄膜102との界面で全反射条件となるように、光L1を様々な入射角でプリズム101に入射させる。ここで、光L1を様々な入射角でプリズム101に入射させるようにするためには、細い光ビームを偏向させながらプリズム101に入射させても良いし、太い光ビームを収束させながらプリズム101に入射させても良い。図7においては、光源104から出射された光を、レンズ105によって収束させてプリズム101に入射させている。
【0004】
光L1を金属薄膜102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102に接している試料103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102と試料103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が表面プラズモンに移行する。これにより、プリズム101と金属薄膜102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106により、反射光L2中の暗線として検出される。なお、このような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L1がp偏光となるように予め設定しておく。
【0005】
表面プラズモンの波数kSP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kSP、真空中での光の波数をk0、金属の誘電率をεM、試料の誘電率をεSとする。
【数1】
また、エバネッセント波の波数kEは、次の式で与えられる。ここで、プリズムの屈折率をn0、入射角をθとする。
kE=k0n0sinθ …(2)
【0006】
エバネッセント波の波数kEと、表面プラズモンの波数kSP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εSを算出することができる。さらに、この誘電率εS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。
【0007】
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102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、試料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試料を置くと、金属薄膜102上で、試料に含まれる抗原の濃度に応じた抗原抗体反応が起こる。これにより試料103の屈折率が変化するので、金属薄膜102と試料103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(以下、「共鳴角」という)が変化する。従って、光検出器106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。
【0008】
ところで、このようなSPR測定においては、例えば、分子量の小さい物質における反応のように試料の屈折率の変化がごく僅かな場合には、暗線の移動量が小さいために暗線の位置変化を検出できないことがある。このような場合には、プリズム101と光検出器106との間に拡大レンズ系を設けることにより、暗線の位置変化を増幅することが考えられる。しかしながら、拡大レンズ系を設けると、装置の構成が複雑になると共に、拡大レンズ系を含む光学系の調整が必要になり、装置の取り扱いが煩雑になるという問題が生じてしまう。
【0009】
【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、SPR測定において共鳴角の変化量が小さい試料を観察する場合においても、装置の構成を複雑にすることなく精度の高い測定を行うことができる測定チップを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る測定チップは、全反射減衰を利用した測定において用いられる測定チップであって、試料を入れるための空孔が形成された光透過性を有する誘電体であって、測定に用いられる光がそれぞれ入射及び出射される第1及び第2の側面を含み、該第2の側面に、出射する光を発散させる凹レンズ部が形成されている誘電体と、上記空孔の内底面に形成された金属薄膜であって、第1の側面から試料と反対側の面に入射した光を凹レンズ部に向けて反射する金属薄膜とを具備する。
【0011】
本発明によれば、測定チップにおいて光が出射する位置に凹レンズ部を形成することにより測定チップに拡大レンズ機能を持たせているので、拡大レンズ系等を別途設けることなく、SPR測定における測定精度を上げることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。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、本発明の一実施形態に係る測定チップを示す断面図である。測定チップ1は、光透過性を有する誘電体(以下、透明誘電体という)10と金属薄膜11とを含んでいる。測定チップ1をSPR測定に用いる際には、金属薄膜11の上にセンシング媒体が固定され、その上に、タンパク質等の検出対象の物質を含む試料が配置される。
【0013】
透明誘電体10は、一部に凹レンズ部を有する四角錐台の形状を有しており、その上面には試料が配置される空孔12が形成されている。なお、透明誘電体10の形状は四角錐台に限られず、例えば、他の角錐台、角柱等の様々な形状を用いても良い。このような透明誘電体10は、ポリメチルメタクリレート(polymethyl methacrylate: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プラスチックや、ガラス等によって形成されている。
【0014】
透明誘電体10の空孔12の内底面には、金属薄膜11が形成されている。金属薄膜11としては、金やアルミニウム等が用いられ、本実施形態においては金を用いている。金属薄膜11は、蒸着等によって形成されている。
【0015】
透明誘電体10は、SPR測定を行う際に光をそれぞれ入射及び出射させる1組の側面10a及び10bを有している。その内の側面10bには、内側に向かって凹むように凹レンズ部10cが成形されている。この凹レンズ部10cによって、透明誘電体10が拡大レンズ機能を有するようになる。
【0016】
図2の(a)及び(b)は、図1に示す測定チップ1の凹レンズ部10cの周辺を拡大して示す断面図である。図2の(a)に示すように、本実施形態において、凹レンズ部10cは、曲率半径Rを有する球面の一部の形状を有している。ここで、凹レンズ部10cによるレンズ機能の倍率は、次のようにして求められる。
【0017】
図2の(a)において、凹レンズ部10cに入射する入射光線LIN、及び、凹レンズ部10cから出射する出射光線LOUTの光軸(Z軸)からの距離を、それぞれrIN及びrOUTとする。また、入射光線LIN及び出射光線LOUTのZ軸に対する傾きを、それぞれθIN及びθOUTとする。さらに、透明誘電体10の屈折率をn1、空気の屈折率をn2とする。
【0018】
このとき、θ≒sinθ≒tanθとなる近軸光学系において、入射光線LIN(rIN,θIN)と、出射光線LOUT(rOUT,θOUT)との関係は、次のように表される。
【数2】
【0019】
ここで、焦点と凹レンズ部との間の距離dを用いると、tanθIN=rIN/dであり、近軸光学系においてはtanθIN≒θIN、rIN=d・θINとなる。また、式(3)に、例えば、透明誘電体10の屈折率n1=1.5、空気の屈折率n2=1.0を代入すると、出射光線LOUTの傾きθOUTは、次のように表される。
【数3】
さらに、焦点と凹レンズ部との間の距離dを、例えば、d=4.6mmとすると、出射角θOUTは次のようになる。
【数4】
即ち、この場合における倍率は、概ね(2.3/R+1.5)倍となる。
【0020】
また、図2の(b)は、SPR測定の際に用いられる光線の直径と、凹レンズ部10cの大きさとの望ましい関係を説明するための図である。凹レンズ部10cの出射面10bにおける直径(レンズ径)をa、凹レンズ部10cにおける入射光線LINの直径(ビーム径)をbとすると、入射光線LINの検出漏れをなくすためには、a>bであることが望ましい。また、レンズ径の最大値は2Rなので、レンズ径aの範囲は、2R>a>bとなる。従って、例えば、レンズ径aを3mmにする場合には、曲率半径Rを1.5mmより大きくすると共に、ビーム径bが3mm以下になるように、光源光を絞れば良い。
【0021】
図3の(a)は、本実施形態に係る測定チップ1を用いてSPR測定を行っている状態を示す図であり、図3の(b)は、比較のために、従来の測定チップ2を用いてSPR測定を行っている状態を示す図である。図3の(b)に示す従来の測定チップ2において、SPR測定に用いられる光が入射又は出射する側面20a及び20bは、共に平面になるように形成されている。
【0022】
図3の(a)及び(b)において、測定チップ1及び2に形成されている金属薄膜11の上には、予めセンシング媒体13が固定されている。測定チップ1及び2に、光源14から発生した光L1を、透明誘電体10又は20と金属薄膜11との界面において全反射条件となるように入射させる。これにより、金属薄膜11とセンシング媒体13との間において表面プラズモンが励起され、所定の角度から入射した光において全反射減衰が生じる。この全反射減衰は、反射光において暗線として観察される。なお、この暗線は、図3の(a)及び(b)において、反射光L2及びL2’の中の破線によって示されている。この状態で、測定チップ1及び2に検出対象の物質を含む試料を配置すると、検出対象の物質とセンシング媒体との間で、例えば、抗原抗体反応が起こり、試料の屈折率が、反応前と比較して変化する。これにより、全反射減衰が生じる入射角及びその反射角(共鳴角)が変化するので、反射光において観察される暗線の位置(角度)が移動する。なお、移動後の暗線は、図3の(a)及び(b)において、反射光L2及びL2’における実線によって示されている。この暗線の移動量Δxを、光検出器16を用いて測定することにより、試料に含まれている検出対象の物質の濃度を求めることができる。
【0023】
ここで、図3の(b)に示すように、従来の測定チップ2を用いる場合には、暗線の移動量Δxがごく僅かであるときに、光検出器15によって暗線の位置変化を検出できない可能性がある。しかしながら、図3の(a)に示すように、本実施形態に係る測定チップ1を用いる場合には、暗線の移動量がごく僅かであるときでも、透明誘電体10の凹レンズ部10cによるレンズ機能により、暗線の移動量Δxが増幅される。従って、暗線の位置変化を高い精度で測定することができる。
【0024】
本実施形態においては、透明誘電体に球面の一部の形状を有する凹レンズ部を形成することにより、測定チップに球面レンズの機能を備えさせているが、凹レンズ部の形状としては、透明誘電体から出射する光を発散させるような形状であれば、どのような形状を用いても良い。例えば、凹レンズ部の形状を、楕円、放物面、双曲面等の2次曲面等にすることにより、測定チップに非球面レンズの機能を備えさせても良い。或いは、凹レンズ部をシリンドリカルレンズにしても良い。
【0025】
図4は、本実施形態に係る測定チップの変形例を示す斜視図である。図4に示す測定チップ3は、本実施形態に係る測定チップ1に、空孔12を覆うための蓋4を設けたものである。蓋の材料としては、例えば、弾性変形可能なプラスチック等を用いることができる。このような蓋を設けることにより、空孔12に配置された試料における水分の蒸発を防ぐことができるので、蒸発による試料の濃度変化や温度変化等を防いで、安定したSPR測定を行うことができる。
【0026】
本実施形態において、測定チップは四角錐台の形状を有するものとして説明したが、測定チップの形状としては、四角錐台に限られない。測定チップの形状としては、四角錐台以外の角錐台、円錐台、その他の錘台、角柱、円柱、その他の柱状形状等を含む様々なものを用いることができる。
【0027】
また、本実施形態においては、1つの透明誘電体に対して1つの空孔が形成されている測定チップについて説明したが、1つの透明誘電体に複数の空孔を形成することにより、複数の測定ユニットを有する測定チップを作成しても良い。
図5の(a)は、複数の測定ユニットを有する測定チップの例を示す斜視図である。図5の(a)に示すように、測定チップ4は、四角錐台に成形された透明誘電体が1次元に連結した形状を有している。それぞれの四角錐台には試料が配置される空孔12が形成され、空孔12の内底面には金属薄膜11が形成されており、これらは測定ユニット16を構成している。透明誘電体40は、SPR測定において光がそれぞれ入射及び出射する側面40a及び40bを有しており、その内の側面40bには、それぞれの測定ユニット16に対応して、内側に向かって凹むように複数の凹レンズ部40cが形成されている。
【0028】
図5の(b)は、複数の測定ユニットを有する測定チップの別の例を示す斜視図である。図5の(b)に示すように、測定チップ5において、四角柱(台柱)の形状を有する透明誘電体50には、試料がそれぞれ配置される複数の空孔12が1次元に並ぶように形成され、複数の空孔12の内底面には金属薄膜11がそれぞれ形成されている。透明誘電体50は、SPR測定において光がそれぞれ入射及び出射する側面50a及び50bを有しており、その内の側面50bには、空孔12及び金属薄膜11をそれぞれ含む複数の測定ユニット16に対応して、内側に向かって凹むように複数の凹レンズ部50cが形成されている。
【0029】
図5の(c)は、複数の測定ユニットを有する測定チップのさらに別の例を示す斜視図である。図5の(c)に示すように、測定チップ6において、台柱の形状を有する透明誘電体60には、試料がそれぞれ配置される複数の空孔12が1次元に並ぶように形成され、複数の空孔12の内底面には金属薄膜11がそれぞれ形成されている。透明誘電体60は、SPR測定において光がそれぞれ入射及び出射する側面60a及び60bを有しており、その内の側面60bには、内側に向かって凹むようにシリンドリカルレンズの形状を有する凹レンズ部60cが連続して形成されている。
なお、透明誘電体50及び60の形状としては、台柱に限らず、直方体や四角柱以外の角柱等の様々な形状を用いても良い。
【0030】
図6は、2次元に配列された複数の測定ユニットを有する測定チップを示す斜視図である。図6に示すように、測定チップ7において、透明誘電体70には、試料がそれぞれ配置される複数の空孔12が2次元に並ぶように形成され、複数の空孔12の内底面には金属薄膜11がそれぞれ形成されている。また、測定チップ7に含まれるそれぞれの列は、SPR測定に用いられる光がそれぞれ入射及び出射する側面70a及び70bを有しており、その内の側面70bには、空孔12及び金属薄膜11をそれぞれ含む複数の測定ユニット16に対応して、内側に向かって凹むように複数の凹レンズ部70cが形成されている。或いは、側面70bに、内側に向かって凹むように凹レンズ部を連続して形成しても良い。
【0031】
図6に示すように、このような測定チップにおいてSPR測定を行う際には、側面70aから金属薄膜11に向けて透明誘電体70に光L1を入射させ、金属薄膜11に反射して透明誘電体から凹レンズ部70cを通って出射する光L2を検出する。
【0032】
このように、図5の(a)〜(c)及び図6に示すような複数の測定ユニットを有する測定チップ4〜7は、個別になっている測定チップに比較して扱いが容易であると共に、自動化されたSPR測定装置によって連続的にSPR測定を行うことができるので、測定時における効率を上げることができる。
【0033】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、測定チップに凹レンズ部を形成することにより測定チップ自体に拡大レンズ機能を持たせているので、暗線の僅かな位置変化を検出することができる。従って、そのような測定チップを用いて、精度の高いSPR測定を容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る測定チップを示す断面図である。
【図2】図2の(a)及び(b)は、図1に示す測定チップの一部を拡大して示す断面図である。
【図3】図3の(a)は、本実施形態に係る測定チップを用いてSPR測定を行っている状態を示す図であり、図3の(b)は、従来の測定チップを用いてSPR測定を行っている状態を示す図である。
【図4】本発明の一実施形態に係る測定チップの変形例を示す斜視図である。
【図5】複数の測定ユニットを含む測定チップを示す斜視図である。
【図6】2次元配列された複数の測定ユニットを含む測定チップを示す斜視図である。
【図7】SPR測定の原理を説明するための図である。
【符号の説明】
1〜7 測定チップ
10、40〜70、101 透明誘電体
10a、20a、40a〜70a、10b、20b、40b〜70b 側面
10c、40c〜70c 凹レンズ部
11、102 金属薄膜(金薄膜)
12 空孔
13 センシング媒体(タンパク質)
14、104 光源
15、106 光検出器
16 測定ユニット
105 レンズ
Claims (5)
- 全反射減衰を利用した測定において用いられる測定チップであって、
試料を入れるための空孔が形成された光透過性を有する誘電体であって、測定に用いられる光がそれぞれ入射及び出射される第1及び第2の側面を含み、前記第2の側面に、出射する光を発散させる凹レンズ部が形成されている前記誘電体と、
前記空孔の内底面に形成された金属薄膜であって、前記第1の側面から試料と反対側の面に入射した光を前記凹レンズ部に向けて反射する前記金属薄膜と、
を具備する測定チップ。 - 前記光透過性を有する誘電体が、ポリメチルメタクリレート(polymethyl methacrylate:PMMA)、ポリカーボネート、非晶性ポリオレフィン、若しくは、シクロオレフィンを含むプラスチック、又は、ガラスである、請求項1記載の測定チップ。
- 前記空孔を覆うための蓋をさらに具備する請求項1又は2記載の測定チップ。
- 前記凹レンズ部が、所定の曲率半径を有する球面形状を有する、請求項1〜3のいずれか1項記載の測定チップ。
- 前記凹レンズ部の直径が、前記凹レンズ部の曲率半径の2倍より小さく、且つ、前記凹レンズ部の出射面におけるビーム径より大きい、請求項4記載の測定チップ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002163721A JP2004012206A (ja) | 2002-06-05 | 2002-06-05 | 測定チップ |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2017169715A1 (ja) * | 2016-03-30 | 2017-10-05 | 富士フイルム株式会社 | 検査デバイス、検査装置および検査方法 |
CN109884064A (zh) * | 2019-04-24 | 2019-06-14 | 金华伏安光电科技有限公司 | 一种液体传感器的数据采集装置 |
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- 2002-06-05 JP JP2002163721A patent/JP2004012206A/ja not_active Withdrawn
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