JP2004012206A

JP2004012206A - 測定チップ

Info

Publication number: JP2004012206A
Application number: JP2002163721A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Mukai; 向井　厚史
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2004-01-15

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

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θ_０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ｋ_０、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、プリズムの屈折率をｎ_０、入射角をθとする。
ｋ_Ｅ＝ｋ_０ｎ_０ｓｉｎθ　　　…（２）
【０００６】
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θ_０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θ_０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ε_Ｓ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。
【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θ_０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Ｌ_ＩＮ、及び、凹レンズ部１０ｃから出射する出射光線Ｌ_ＯＵＴの光軸（Ｚ軸）からの距離を、それぞれｒ_ＩＮ及びｒ_ＯＵＴとする。また、入射光線Ｌ_ＩＮ及び出射光線Ｌ_ＯＵＴのＺ軸に対する傾きを、それぞれθ_ＩＮ及びθ_ＯＵＴとする。さらに、透明誘電体１０の屈折率をｎ_１、空気の屈折率をｎ_２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Ｌ_ＩＮ（ｒ_ＩＮ，θ_ＩＮ）と、出射光線Ｌ_ＯＵＴ（ｒ_ＯＵＴ，θ_ＯＵＴ）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、ｔａｎθ_ＩＮ＝ｒ_ＩＮ／ｄであり、近軸光学系においてはｔａｎθ_ＩＮ≒θ_ＩＮ、ｒ_ＩＮ＝ｄ・θ_ＩＮとなる。また、式（３）に、例えば、透明誘電体１０の屈折率ｎ_１＝１．５、空気の屈折率ｎ_２＝１．０を代入すると、出射光線Ｌ_ＯＵＴの傾きθ_ＯＵＴ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θ_ＯＵＴ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Ｌ_ＩＮの直径（ビーム径）をｂとすると、入射光線Ｌ_ＩＮ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

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。