JP2004085488A - Measuring instrument - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a plurality of areas in a short time with satisfactory measuring precision, and to reduce a size, in a measuring instrument using total reflection. <P>SOLUTION: A sample liquid 9 is supplied to measuring chips 11A, 11B or the like, they are scanned with light beam 30 emitted from a laser beam source 31 by rotating a rotary mirror 32, the beam 30 is made incident, in order, to an interface between a dielectric blocks such as the measuring chips 11A, 11B and a thin film layer via an incident optical system 33, and the beam 30 reflected in the interface is converged to a photodiode array 42 by a converging optical system 41 comprising three sheets of cylindrical lenses. A total reflection attenuation angle in the every measuring chip is detected based on light intensity of the beam 30 received individually by each photodiode of the photodiode array 40. The plurality of measuring chips is allowed to be measured in the short time by the scanning by the beam 30. No movable member is required in a portion for converging the beam 30 to the photodiode array 40. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

すなわち、上記反射光強度が低下する入射角である全反射減衰角θｓｐを知ることにより、試料の誘電率εｓ　、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、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似の測定装置として、例えば「分光研究」第４７巻　第１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７頁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、液体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。
【００１０】
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】
なお、表面プラズモン測定装置もしくは漏洩モード測定装置等の全反射を利用した測定装置としては、光を界面に全反射条件が得られる入射角で入射させ、その光によるエバネッセント波の発生により、界面で全反射した光の状態の変化を測定することにより試料の特性分析等を行うに際して、前述の全反射減衰を生じる特定入射角の測定をする装置のほか、複数の波長の光ビームを界面に入射させ、角波長毎の全反射減衰の程度を検出する装置、あるいは、光ビームを界面に入射させるとともに、この光ビームの一部を、界面入射前に分割し、この分割した光ビームを界面で反射した光ビームと干渉させて、該干渉の状態を測定する装置等種々のタイプがある。
【００１２】
上述した表面プラズモン測定装置や漏洩モード測定装置等の測定装置は、創薬研究分野等において、所定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に使用されることがある。この場合には前記薄膜層（表面プラズモン共鳴測定装置の場合は金属膜であり、漏洩モード測定装置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た複数の測定チップを用意し、各測定チップのセンシング物質上に異なる被検体を含む液体試料をそれぞれ滴下し、各測定チップ毎に測定を行い、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の判定を行う。このような測定のスループットを向上させるためには、短時間で多数の領域の測定を行うことのできる測定系が望ましい。例えば本出願人により出願された特願平２００２−９５７０６では、６個の光源から射出された光ビームを、６個の測定チップへそれぞれ入射させ、各測定チップの界面で全反射させ、６個のアレイセンサを用いて、各光ビームの光強度を測定している。
【００１３】
また、上記測定装置は、前記誘電体ブロックと前記薄膜層の界面における試料の特性を２次元で測定する装置として構成されるものもある。このような場合にも、やはり複数の領域の測定を行うことができる測定系が必要である。例えば特開平２−１７４３１号公報では、光源、光検出素子および光学系を組み込んだ測定ヘッドを移動させることにより、光ビームを走査させて、複数領域の測定を行う測定装置や、光源および光検出素子を固定し、光源および光検出素子間の光路上に２つのポリゴンミラーを設けて、複数領域の測定を行う測定装置が示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数領域の測定を行うために、上記特願平２００２−９５７０６に示すように、測定領域数と同数の光源およびアレイセンサを配置する場合には、装置の大型化を招くという問題がある。一方、例えば特開平２−１７４３１号公報に示されたような測定ヘッドを移動させて測定を行う装置では、測定系の小型化は可能であるが、測定系の移動時の振動などの影響により、測定精度が悪化するという問題があった。また、２つのポリゴンを使用する場合には、小型化は可能であるが、２つのポリゴンを同期させて駆動することが困難であり、やはり測定精度の悪化を招くという問題がある。
【００１５】
本発明は上記の事情に鑑みて、良好な測定精度で、複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な測定装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の測定装置は、試料に接触させられる薄膜層を一面に形成された誘電体ブロックと、
前記誘電体ブロックに対して、前記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光ビームを入射させ、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定する測定手段とを備えてなる測定装置において、
前記測定手段が、前記光ビームを前記界面上で、前記入射する光ビームと全反射した光ビームを含む平面と略直交する方向へ走査する走査手段と、
複数の受光素子が前記平面に平行かつ前記界面に対抗する方向に列設されてなる光検出手段と、
前記界面上で走査された前記光ビームを常に前記光検出手段へ入射するように収束させる収束光学手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
なおここで走査手段とは、光ビームを走査する手段であればいかなるものであってもよく、例えは光源から射出された光ビームを回転ミラー等を用いて偏向することにより走査を行うものや、光ビームを射出する光源そのものを移動あるいは回転させることにより走査を行うものなどがある。
【００１８】
上記測定装置は、上記走査手段と前記誘電体ブロックの間に配置され、前記走査手段における面倒れを補正する面倒れ補正光学系を有するものであってもよい。
【００１９】
また、前記光検出手段により検出された検出信号に信号処理を施すことにより、異常な測定結果による測定誤差を低減する測定誤差低減手段をさらに備えたものであってもよい。
【００２０】
上記走査手段が、前記光ビームを偏向することにより前記走査を行う偏向手段であれば、前記偏向手段と前記誘電体ブロックの間に配置され、偏向された前記光ビームを前記界面上において等速走査せしめるｆθレンズを備えたものであってもよい。
【００２１】
また、本発明による測定装置は、試料に対して、光ビームを入射させ、前記試料の表面で反射した光ビームの強度を測定する測定手段を備えてなる測定装置において、
前記測定手段が、前記光ビームを前記表面上で、前記入射する光ビームと反射した光ビームを含む平面と略直交する方向へ走査する走査手段と、
複数の受光素子が前記平面に平行かつ前記界面に対抗する方向に列設されてなる光検出手段と、
前記表面上で走査された前記光ビームを常に前記光検出手段へ入射するように収束させる収束光学手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００２２】
上記測定装置は、上記薄膜層を、金属膜からなるものとし、前述の表面プラズモン共鳴による効果を利用して測定を行なうように構成されたものとしてもよい。
【００２３】
また、上記測定装置は、上記薄膜層を、誘電体ブロックの前記上面に形成されたクラッド層と該クラッド層上に形成された光導波層からなるものとし、該光導波層における導波モードの励起による効果を利用して測定を行なうように構成されたものとしてもよい。
【００２４】
さらに、本発明による測定装置においては、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分析を行ってもよいし、Ｄ．Ｖ．Ｎｏｏｒｔ，Ｋ．ｊｏｈａｎｓｅｎ，Ｃ．−Ｆ．Ｍａｎｄｅｎｉｕｓ，　Ｐｏｒｏｕｓ　Ｇｏｌｄ　ｉｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　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分析を行ってもよい。
【００２５】
またＰ．Ｉ．Ｎｉｋｉｔｉｎ，Ａ．Ｎ．Ｇｒｉｇｏｒｅｎｋｏ，Ａ．Ａ．Ｂｅｌｏｇｌａｚｏｖ，Ｍ．Ｖ．Ｖａｌｅｉｋｏ，Ａ．Ｉ．Ｓａｖｃｈｕｋ，Ｏ．Ａ．Ｓａｖｃｈｕｋ，　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｌａｓｍｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏ−Ａｒｒａｙ　Ｂｉｏｓｅｎｓｉｎｇ，　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分析を行ってもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の測定装置においては、光ビームを界面上で、入射する光ビームと全反射した光ビームを含む平面と略直交する方向へ走査する走査手段と、複数の受光素子が平面に平行かつ界面に対抗する方向に列設されてなる光検出手段と、界面上で走査された光ビームを常に光検出手段へ入射するように収束させる収束光学手段とを備えるようにしたので、多数の光源や、多数の光検出手段が不要であり、小型化が容易である。また光ビームを光検出手段へ収束させる部位に、可動部材が不要であるため、測定精度の悪化が防止できる。さらに、光ビームを界面上で走査することができるため、短時間で複数領域の測定を行うことができる。すなわち、良好な測定精度で、短時間で複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な全反射光を用いた測定装置を実現することができる。
【００２７】
上記測定装置が、走査手段と誘電体ブロックの間に配置され、走査手段における面倒れを補正する面倒れ補正光学系を有するものであれば、走査手段の面倒れに起因する光ビームの入射位置ずれを補正することができる。
【００２８】
また、前記光検出手段により検出された検出信号に信号処理を施すことにより、異常な測定結果による測定誤差を低減する測定誤差低減手段をさらに備えたものであれば、振動などの影響により、入射位置ずれが生じたり、界面角度にずれが生じて、異常な測定値が測定された場合で合っても、測定誤差を低減することができ、測定結果の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
走査手段が、光ビームを偏向することにより走査を行う偏向手段であり、偏向手段と誘電体ブロックの間に配置され、偏向された光ビームを前記界面上において等速走査せしめるｆθレンズを備えた場合には、光検出手段から検出信号を取り出すタイミングを容易に制御することができる。またそれぞれの領域に入射する光ビームの径を容易に均一化することができる。
【００３０】
本発明の他の測定装置においては、光ビームを試料の表面上で、入射する光ビームと反射した光ビームを含む平面と略直交する方向へ走査する走査手段と、複数の受光素子が平面に平行かつ界面に対抗する方向に列設されてなる光検出手段と、試料の表面上で走査された光ビームを常に光検出手段へ入射するように収束させる収束光学手段とを備えるようにしたので、多数の光源や、多数の光検出手段が不要であり、小型化が容易である。また光ビームを光検出手段へ収束させる部位に、可動部材が不要であるため、測定精度の悪化が防止できる。さらに、光ビームを試料の表面上で走査することができるため、短時間で複数領域の測定を行うことができる。すなわち、良好な測定精度で、短時間で複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な反射光を用いた測定装置を実現することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本発明の実施の形態の全反射減衰を利用した測定装置は、光ビームを回転ミラーを用いて走査して、複数の測定チップに順次入射させて、１つのフォトダイオードアレイにより光ビームの光強度を測定して試料の分析を行う表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモン測定装置であり、図１は本発明の実施の形態の表面プラズモン測定装置の概略構成を示す平面図であり、図２はこの表面プラズモン測定装置の側面形状を示すものである。
【００３２】
表面プラズモン測定装置は、１２個の測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…からなる測定チップアレイ１０と、光ビーム３０を出射するレーザ光源３１と、図示しないモータにより回転せしめられて、この光ビーム３０を所定の方向に偏向する回転ミラー３２と、偏向された光ビーム３０を測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…に対して走査せしめる入射光学系３３と、測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…で反射された光ビーム３０を入射してこの光ビーム３０をフォトダイオードアレイ４０へ向けて収束する収束光学系４１と、光検出手段としてのフォトダイオードアレイ４０と、該フォトダイオードアレイ４０から出力された出力信号Ｓをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器５０と、Ａ／Ｄ変換器５０から出力された出力信号Ｓを受け後述の処理を行うコンピュータシステム等からなる信号処理部５１と、この信号処理部５１に接続された表示部６０と、始点検出部６１とを備えている。
【００３３】
測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…は、同様な構成を有するものであり、１例として測定チップ１１Ａの構成を図２に示す。測定チップ１１Ａは、概略四角錐形状とされた誘電体ブロック１３と、この誘電体ブロック１３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薄膜層１４と、この薄膜層１４の上に側方が閉じられた空間を画成する筒状部材からなる試料液保持枠１５とを備えている。試料液保持枠１５の部分は、その内面が薄膜層１４から上方に離れるにつれて側外方に離れるテーパ形状とされ、この試料液保持枠１５内のテーパ形状の空間は、試料液９を貯える試料保持部１６として機能している。
【００３４】
測定チップ１１Ａは、誘電体ブロック１３と試料液保持枠１５とを、例えば透明樹脂等から一体整形し、蒸着により薄膜層１４を形成したものである。薄膜層１４の上にセンシング物質１７が固定され、試料液９の中には被検体が含まれている。なお、上記センシング物質１７および試料液９の両者が発明の試料として機能するものである。
【００３５】
測定チップアレイ１０は、上記測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…が並べて配置されている。また、測定チップアレイ１０としては、図３に示すように、各測定チップの誘電体ブロック１３および試料液保持枠１５が隣接する測定チップの誘電体ブロックおよび試料液保持枠とそれぞれ一体的に構成されたものであってもよい。
【００３６】
入射光学系３３は、回転ミラー３２により偏向された光ビーム３０を測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…の誘電体ブロック１３と薄膜層１４の界面１４ａの所定領域へ、全反射条件が得られる種々の角度で入射せしめると共に、主走査方向Ｘについて等速走査せしめる光学系であり、２枚のレンズからなるｆθレンズ３４（ｆθ第一レンズ３４ａ，ｆθ第二レンズ３４ｂ）と、このｆθレンズ３４を通過した光ビーム３０の進行方向を測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…の界面へ向けて変えるレンズ３５、光ビーム３０を界面の所定領域へ収束する集光レンズ３６とから構成させる。
【００３７】
光ビーム３０は、集光レンズ３６により上述のように集光されるので、界面１４ａ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。そのため、界面１４ａで全反射した反射光ビーム３０には、種々の反射角で全反射された成分が含まれることになる。
【００３８】
なお光ビーム３０は、界面１４ａ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をその偏光方向が上記所定の方向となるように配設すればよい。その他、光ビーム３０を界面１４ａに対してｐ偏光で入射させるには波長板で光ビーム３０の偏光の向きを制御するようにしてもよい。
【００３９】
また、ｆθレンズ３４、レンズ３５および集光レンズ３６すなわち入射光学系３３によりいわゆる面倒れ補正光学系が構成され、回転ミラー３２に面倒れが生じた場合に、界面１４ａへの光ビーム３０の入射点が変動することが防止される。光源３１から射出され、回転ミラー３２により偏向せしめられた光ビーム３０は、ｆθレンズ３４により界面１４ａ上において等速度で走査される一方、回転ミラー３２の面倒れにより図２における水平方向に走査位置が変動する。この水平方向に変動する光ビーム３０は、入射光学系３３により面倒れ補正がなされる。なお、入射光学系としては、例えば、本出願人により出願された平１０−１９７８３２２号公報に記載されているような、ｆθレンズおよび面倒れ補正光学系として機能するインミラーレンズから構成される入射光学系等を用いることもできる。なお、回転ミラー３２およびレンズ３５は本発明の走査手段として機能している。
【００４０】
フォトダイオードアレイ４０は、多数のフォトダイオードが列設されて構成され、各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から同一距離となる位置に、フォトダイオードの列設方向が、界面へ入射する光ビーム３０と、界面で全反射した光ビーム３０とを含む平面に平行で、かつ界面に対抗する方向、すなわち図２に示すＸ方向となるように配置されている。
【００４１】
収束光学系４１は、測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…で反射された光ビーム３０を収束して、フォトダイオードアレイ４０へ入射せしめる光学系であり、測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…で反射された光ビーム３０をＸ方向へ平行光化するコリメートレンズ４２、このＸ方向へ平行光化された光ビーム３０の進行方向をフォトダイオード４０へ向けて変えるレンズ４３、レンズ４３を透過した光ビーム３０をＸ方向へ収束・発散させてフォトダイオードアレイ４０へ入射せしめる集光レンズ４４とから構成されている。なお、コリメートレンズ４２、レンズ４３および集光レンズ４４は、シリンドリカルレンズであり、コリメートレンズ４２は、図１および図２に示すように、Ｘ方向へ凸面が形成され、かつ凸面がフォトダイオードアレイ４０と対向するように配置され、レンズ４３はコリメートレンズ４２と直交する方向に凸面が形成され、かつ凸面が測定チップと対向するように配置され、集光レンズ４４は、コリメートレンズ４２と同方向へ凸面が形成され、かつ凸面が測定チップと対向するように配置されている。
【００４２】
信号処理部５１は、予め、後述する始点検出部６１から出力された頭出し信号Ｆの出力タイミングを基準として、各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…における測定タイミングが記憶されている。測定時には、この測定タイミングに従って、フォトダイオードアレイ４０における各フォトダイオート゛の検出値（出力信号Ｓ）を読み出し、各測定チップ毎に後述する全反射減衰角θ_ＳＰを算出する。なお、信号処理部５１は、測定誤差低減手段としても機能するものであり、上記全反射減衰角θ_ＳＰを測定する際には、光ビーム３０の走査を続けて１０回繰り返し、各測定チップ毎に１０回の測定値の平均値を算出し、全反射減衰角θ_ＳＰとして、表示部６０へ出力するものである。
【００４３】
始点検出部６１は、ｆθレンズ３４、レンズ３５および集光レンズ３６の端部を透過した光ビーム３０の進行方向を偏向するミラー６２と、該ミラー６２により偏向された光ビーム３０が入射する位置に配置され、光ビーム３０が入射した際に、頭出し信号Ｆを信号処理部５１へ出力する始点検出フォトディテクター６３とから構成されている。
【００４４】
以下、上記構成の表面プラズモン測定装置を用いて行う測定動作について説明する。まず、測定チップアレイ１０の各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…の各試料液保持部１６に不図示の試料液供給手段により試料液９が供給される。この際それぞれの測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…へ供給される試料液９には、異なる種類の被検体が含まれている。信号処理部５１からの指令でレーザ光源３１が駆動され、光ビーム３０が射出される。
【００４５】
図１に示す通り、レーザ光源３１から射出された光ビーム３０は、回転ミラー３２に入射する。回転ミラー３２は、不図示のモータにより、反時計回りに回転されており、回転ミラー３２に入射した光ビーム３０は、回転ミラー３２の回転に伴って、反時計方向に走査されながら、ｆθレンズ３４、レンズ３５および集光レンズ３６を透過して、まず始点検出部６１のミラー６２に入射し、その後、順次測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…の界面へ入射する。なお、ｆθレンズ３４の作用により、光ビーム３０は、等速走査されて、測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…へ順次入射する。ミラー６２で反射した光ビーム３０は、始点検出フォトディテクター６３へ入射し、始点検出フォトディテクター６３から頭出し信号Ｆが信号処理部５１へ出力される。
【００４６】
測定チップ１１Ａにおいては、光ビーム３０が前述したように収束する状態で、誘電体ブロック１３と薄膜層１４との界面１４ａに入射する。この界面１４ａで全反射した光ビーム３０は、コリメートレンズ４２により平行光化された後、レンズ４３により進行方向をフォトダイオード４０の方向へ変えられ、集光レンズ４３により収束・発散されて、フォトダイオードアレイ４０へ入射せしめられる。
【００４７】
なお、ｆθレンズ３４、レンズ３５および集光レンズ３６すなわち入射光学系３３によりいわゆる面倒れ補正光学系が構成されているため、回転ミラー３２に面倒れが生じた場合であっても、界面１４ａへの光ビーム３０の入射点が変動することはない。
【００４８】
光ビーム３０は、上述の通り収束光状態で誘電体ブロック１３に入射するので、上記界面１４ａ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１４ａ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。
【００４９】
このように光ビーム３０が全反射するとき、界面１４ａから薄膜層１４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１４ａ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薄膜層１４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。
【００５０】
そこで、信号処理手段５１において、全反射減衰の状態として、フォトダイオードアレイ４０が出力する出力信号Ｓから各フォトダイオードの検出光量を調べ、暗線を検出したフォトダイオードの位置に基づいて上記入射角（全反射減衰角）θ_ＳＰを求める。
【００５１】
なお、信号処理部５１は、予め記憶された測定タイミングに従って、フォトダイオードアレイ４０におけるフォトダイオート゛の検出値（出力信号Ｓ）を読み出し、全反射減衰角θ_ＳＰを算出する。
【００５２】
その後、順次測定チップ１１Ｂ、１１Ｃ…においても、同様の測定が行われ、各測定チップ毎に全反射減衰角θ_ＳＰが算出される。
【００５３】
なお、上記の測定動作は、続けて１０回繰り返され、信号処理部５１では、各測定チップ毎に１０回の全反射減衰角θ_ＳＰの測定値の平均値を算出し、全反射減衰角θ_ＳＰとして、表示部６０へ出力する。
【００５４】
また、本実施形態では薄膜層１４上にセンシング物質１７が固定され、試料液９の中の被検体との結合状態に応じてセンシング物質１７の屈折率が変化するので、上記全反射減衰角θ_ＳＰを測定し続けることにより、この結合状態の変化の様子を調べることができる。
【００５５】
すなわち、時間経過とともに、全反射減衰角θ_ＳＰの角度が変化する場合には、試料液９中の被検体がセンシング物質１７と結合する物質であると判定することができ、全反射減衰角θ_ＳＰの角度に変化が生じない場合には、試料液９中の被検体は、センシング物質と結合する物質ではないと判定することができる。信号処理部５１は、以上の原理に基づいて上記結合の有無を判定し、その判定結果を表示部６０に表示する。
【００５６】
以上の説明であきらかなように、本発明の表面プラズモン測定装置においては、光ビーム３０を測定チップの界面上で、入射する光ビーム３０と全反射した光ビーム３０を含む平面と略直交する方向へ走査する回転ミラー３２およびレンズ３５と、界面上で走査された光ビームを常にフォトダイオードアレイ４０へ入射するように収束させる収束光学系４１とを備えるようにしたので、多数の光源や、多数のフォトダイオードアレイが不要であり、小型化が容易である。また光ビーム３０をフォトダイオードアレイ４０へ収束させる部位に、可動部材が不要であるため、測定精度の悪化が防止できる。さらに、光ビーム３０を界面上で走査することができるため、短時間で複数領域の測定を行うことができる。すなわち、良好な測定精度で、短時間で複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な表面プラズモン測定装置を実現することができる。
【００５７】
また、入射光学系３３が面倒れ光学系を構成するので、回転ミラー３２に面倒れが生じた場合であっても、測定チップの界面に対する光ビーム３０の入射位置がずれることが防止され、さらに測定精度を向上させることができる。
【００５８】
さらに、同一の測定を１０回繰り返し、その平均値を求めることにより、振動などの影響により、瞬間的に、光ビーム３０が界面１４ａに入射する入射位置のずれが生じたり、界面１４ａの角度にずれが生じて、異常な測定値が測定されても、平均化により測定誤差を低減することができ、測定結果の信頼性を向上させることができる。なお、例えば異常な測定値を除いて平均値を算出したり、あるいは時系列的に前後の測定値と比較して異常な測定値を除く等の、異常値排除処理を行ってもよく、一層測定結果の信頼性が向上する。
【００５９】
光ビームを測定チップの界面上において等速走査せしめるｆθレンズ３４を備えたので、フォトダイオードアレイ４０から出力信号Ｓを取り出すタイミングを容易に制御することができる。またそれぞれの測定チップの界面に入射する光ビーム３０の径を容易に均一化することができる。
【００６０】
また、例えば回転ミラー３２による走査角度を小さくし、１つの測定チップ内において、多数回の測定を行えば、測定チップにおける走査方向の直線領域のセンシング物質１７の屈折率分布を測定することができる。また、測定チップを図２における水平方向へ僅かに移動させながら測定を繰り返せば、図２における水平方向の直線領域のセンシング物質１７の屈折率を測定することができる。すなわち、上記の測定を組み合わせれば、センシング物質１７の２次元屈折率分布を測定することができる。
【００６１】
なお、本実施の形態においては、入射光学系として、各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…に対して走査された光ビーム３０が平行に入射するテレセントリック系を用いているが、入射光学系はこのようなテレセントリック系に限定されるものではない。例えば走査された光ビーム３０が、光ビーム間の間隔を拡げながら各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…へ入射する、あるいは光ビーム間の間隔を狭めながら各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…へ入射する非テレセントリック系を用いてもよく、このような場合には、入射光学系に対応する収束光学系を適宜用いればよい。
【００６２】
次に、図１および図５参照して本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施の形態の全体構成は第１の実施形態とほぼ同様であるため、図１において、異なる構成部の番号のみ図中に付記する。また図５においては、図２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。
【００６３】
この第２の実施の形態の測定装置は、先に説明した漏洩モード測定装置であり、測定チップ９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ…からなる測定チップアレイ８９を用いるように構成されている。図５に示すように、測定チップ９０Ａの誘電体ブロック１３の上面にはクラッド層９１が形成され、さらにその上には光導波層９２が形成されている。また光導波層９２の表面上にはセンシング物質１７が固定されている。
【００６４】
誘電体ブロック１３は、例えば合成樹脂やＢＫ７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９１は、誘電体ブロック１３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９２は、クラッド層９１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９１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９２の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で７００ｎｍ程度とされる。
【００６５】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、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１３を通してクラッド層９１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３１が誘電体ブロック１３とクラッド層９１との界面９１ａで全反射するが、クラッド層９１を透過して光導波層９２に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層９２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９２に取り込まれるので、上記界面９１ａ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。
【００６６】
光導波層９２における導波光の波数は、該光導波層９２の上のセンシング物質１７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１７の屈折率を測定することができ、試料液９中の被検体とセンシング物質１７との結合状態を知ることができる。
【００６７】
第１の実施の形態と同様に、本実施形態においても、入射光学系３３と収束光学系４１とを備えるようにしたので、多数の光源や、多数のフォトダイオードアレイが不要であり、小型化が容易である。また光ビーム３０をフォトダイオードアレイ４０へ収束させる部位に、可動部材が不要であるため、測定精度の悪化が防止できる。さらに、光ビーム３０を界面上で走査することができるため、短時間で複数領域の測定を行うことができる。すなわち、良好な測定精度で、短時間で複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な表面プラズモン測定装置を実現することができる。また、他の効果も第１の実施の形態と同様に得られる。
【００６８】
なお、各実施の形態においては、光検出手段としてフォトダイオードアレイ４０を用いたがこれに限定されるものではなく、１列あるいは数列の受光素子がライン状に配置されているものでればよく、ＣＣＤアレイなどであってもよい。また、回転ミラー３２の代わりに、ポリゴンミラーあるいはガルバノメータミラー等を用いてもよい。
【００６９】
さらに、上記各実施の形態においては、全反射光を用いた測定装置について説明を行ったが、これに限定されるものではなく、例えば赤外分光装置等の反射光を用いて試料の特性を分析する測定装置においても、本発明は適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による表面プラズモン測定装置の概略構成を示す平面図
【図２】表面プラズモン測定装置の要部の側面形状を示す図
【図３】測定チップアレイの概略構成図
【図４】光ビームの界面への入射角と光強度との関係を示す図
【図５】本発明の第２の実施形態による漏洩モード測定装置の要部の側面形状を示す図
【符号の説明】
９　　　　試料液
１０，８９　測定チップアレイ
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…　　測定チップ
９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ…　　測定チップ
１３　　　誘電体ブロック
１４　　　薄膜層
１４ａ　　誘電体ブロックと薄膜層との界面
１５　　　試料液保持枠
１６　　　試料保持部
１７　　　センシング物質
３０　　　光ビーム
３１　　　レーザ光源
３２　　　回転ミラー
３３　　　入射光学系
３４　　　ｆθレンズ
４０　　　フォトダイオード
４１　　　収束光学系
５１　　　信号処理部
６０　　　表示部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a measuring apparatus using reflected light, such as a surface plasmon measuring apparatus that analyzes the characteristics of a substance by using generation of surface plasmons.
[0002]
[Prior art]
In the metal, free electrons collectively vibrate to generate a dense wave called a plasma wave. A quantized version of this dense wave generated on the metal surface is called surface plasmon.
[0003]
Conventionally, various surface plasmon measuring apparatuses for analyzing the characteristics of a sample by utilizing a phenomenon in which the surface plasmon is excited by a light wave have been proposed. Among them, one that uses a system called Kretschmann arrangement is particularly well known (see, for example, JP-A-6-167443).
[0004]
A surface plasmon measuring apparatus using the above system basically includes, for example, a dielectric block formed in a prism shape, a metal film formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with a sample such as a liquid sample, an optical A light source that generates a beam; an optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the metal film; and It comprises light detection means for measuring the intensity of the totally reflected light beam and detecting the surface plasmon resonance state, that is, the state of total reflection attenuation.
[0005]
In order to obtain various incident angles as described above, a relatively thin light beam may be incident on the interface by changing the incident angle, or a component incident on the light beam at various angles is included. As described above, a relatively thick light beam may be incident on the interface in a convergent light state or a divergent light state. In the former case, a light beam whose reflection angle changes according to a change in the incident angle of the incident light beam can be detected by a line sensor extending along the direction of change in the reflection angle. On the other hand, in the latter case, it can be detected by a line sensor extending in a direction in which all light beams reflected at various reflection angles can be received.
[0006]
In the surface plasmon measuring apparatus having the above-described configuration, when a light beam is incident on the metal film at a specific incident angle greater than the total reflection angle, an evanescent wave having an electric field distribution is generated in the sample in contact with the metal film. Surface plasmons are excited at the interface between the metal film and the sample by the evanescent wave. When the wave number vector of the evanescent light is equal to the wave number of the surface plasmon and the wave number matching is established, both are in a resonance state and the energy of the light is transferred to the surface plasmon, so that the entire energy is transferred to the interface between the dielectric block and the metal film. The intensity of the reflected light decreases sharply. This decrease in light intensity is generally detected as a dark line by the light detection means. The resonance described above occurs only when the incident beam is p-polarized light. Therefore, it is necessary to set in advance so that the light beam is incident as p-polarized light.
[0007]
If the wave number of the surface plasmon is known from the incident angle at which this total reflection attenuation (ATR) occurs, that is, the total reflection attenuation angle θsp, the dielectric constant of the sample can be obtained. That is, if the wave number of surface plasmon is Ksp, the angular frequency of surface plasmon is ω, c is the speed of light in vacuum, εm and εs are metal, and the dielectric constant of the sample is as follows.
[0008]
[Expression 1]

That is, by knowing the total reflection attenuation angle θsp, which is the incident angle at which the reflected light intensity decreases, the characteristics related to the dielectric constant εs of the sample, that is, the refractive index can be obtained.
[0009]
Moreover, as a similar measuring device using total reflection attenuation (ATR), for example, “Spectroscopic Research” Vol. 47, No. 1, (1998), pages 21 to 23 and pages 26 to 27 are described. Devices are also known. This leakage mode measuring device is basically a dielectric block formed in a prism shape, for example, a clad layer formed on one surface of the dielectric block, and formed on the clad layer so as to be in contact with a liquid sample. Optical waveguide layer to be generated, a light source for generating a light beam, and the light beam to the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the cladding layer. The optical system includes an incident optical system and light detection means for detecting the excitation state of the waveguide mode, that is, the total reflection attenuation state by measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface.
[0010]
In the leakage mode measuring apparatus having the above-described configuration, when a light beam is incident on the cladding layer through the dielectric block at an incident angle greater than the total reflection angle, the light waveguide layer transmits a specific wave number after passing through the cladding layer. Only light having a specific incident angle having a wave length propagates in the waveguide mode. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer, resulting in total reflection attenuation in which the intensity of light totally reflected at the interface is sharply reduced. Since the wave number of guided light depends on the refractive index of the sample on the optical waveguide layer, the refractive index of the sample and its related sample characteristics are analyzed by knowing the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs. be able to.
[0011]
In addition, as a measuring device using total reflection such as a surface plasmon measuring device or a leakage mode measuring device, light is incident on the interface at an incident angle at which a total reflection condition is obtained, and the generation of evanescent waves by the light causes In addition to the above-mentioned device that measures the specific incident angle that causes total reflection attenuation when performing sample characteristic analysis by measuring the change in the state of the totally reflected light, a light beam with multiple wavelengths is incident on the interface. In addition, a device for detecting the degree of total reflection attenuation for each angular wavelength or a light beam is incident on the interface, and a part of the light beam is divided before the interface is incident, and the divided light beam is separated at the interface. There are various types such as an apparatus for measuring the state of interference by interfering with the reflected light beam.
[0012]
Measuring devices such as the above-described surface plasmon measuring device and leakage mode measuring device may be used for random screening to find a specific substance that binds to a predetermined sensing substance in the field of drug discovery research. In this case, a plurality of measurement chips are prepared by fixing a sensing substance on the thin film layer (a metal film in the case of a surface plasmon resonance measurement device, a clad layer and an optical waveguide layer in the case of a leakage mode measurement device), A liquid sample containing a different analyte is dropped on the sensing substance of each measurement chip, and measurement is performed for each measurement chip to determine whether the analyte is a specific substance that binds to the sensing substance. In order to improve the throughput of such measurement, a measurement system capable of measuring a large number of regions in a short time is desirable. For example, in Japanese Patent Application No. 2002-95706 filed by the present applicant, light beams emitted from six light sources are respectively incident on six measurement chips and totally reflected at the interface of each measurement chip. The array sensor is used to measure the light intensity of each light beam.
[0013]
The measuring device may be configured as a device for measuring two-dimensionally the characteristics of the sample at the interface between the dielectric block and the thin film layer. Even in such a case, a measurement system capable of measuring a plurality of regions is also necessary. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2-17431, a measurement apparatus that scans a light beam by moving a measurement head incorporating a light source, a light detection element, and an optical system to measure a plurality of regions, a light source, and a light detection There is shown a measuring apparatus for measuring a plurality of regions by fixing an element and providing two polygon mirrors on an optical path between a light source and a light detecting element.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, as shown in Japanese Patent Application No. 2002-95706, in order to measure a plurality of areas, when the same number of light sources and array sensors as the number of measurement areas are arranged, there is a problem that the apparatus is increased in size. . On the other hand, for example, in an apparatus that performs measurement by moving a measurement head as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-17431, the measurement system can be downsized, but due to the influence of vibration during movement of the measurement system, etc. There was a problem that the measurement accuracy deteriorated. Further, when two polygons are used, it is possible to reduce the size, but it is difficult to drive the two polygons in synchronization with each other, and there is a problem that the measurement accuracy is deteriorated.
[0015]
In view of the circumstances described above, an object of the present invention is to provide a measuring apparatus that can measure a plurality of regions with good measurement accuracy and can be miniaturized.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The measuring device of the present invention comprises a dielectric block having a thin film layer that is brought into contact with a sample on one side,
A measuring means for making a light beam incident on the dielectric block at an angle at which a total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the thin film layer, and measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface; In a measuring apparatus comprising:
Scanning means for scanning the light beam on the interface in a direction substantially perpendicular to a plane including the incident light beam and the totally reflected light beam;
A plurality of light receiving elements arranged in a direction parallel to the plane and opposed to the interface;
And a converging optical means for converging the light beam scanned on the interface so as to always enter the light detecting means.
[0017]
Here, the scanning means may be any means as long as it scans the light beam. For example, the scanning means performs scanning by deflecting the light beam emitted from the light source using a rotating mirror or the like. There are some which perform scanning by moving or rotating the light source itself that emits the light beam.
[0018]
The measurement apparatus may be provided between the scanning unit and the dielectric block, and may include a surface tilt correction optical system that corrects the surface tilt in the scanning unit.
[0019]
Further, the apparatus may further include measurement error reduction means for reducing measurement error due to an abnormal measurement result by performing signal processing on the detection signal detected by the light detection means.
[0020]
If the scanning unit is a deflecting unit that performs the scanning by deflecting the light beam, the scanning unit is arranged between the deflecting unit and the dielectric block, and the deflected light beam is made constant velocity on the interface. It may be provided with an fθ lens that allows scanning.
[0021]
Further, the measuring device according to the present invention is a measuring device comprising a measuring means for measuring the intensity of the light beam incident on the sample and reflected by the surface of the sample.
Scanning means for scanning the light beam on the surface in a direction substantially perpendicular to a plane including the incident light beam and the reflected light beam;
A plurality of light receiving elements arranged in a direction parallel to the plane and opposed to the interface;
And a converging optical means for converging the light beam scanned on the surface so as to always enter the light detecting means.
[0022]
The measurement apparatus may be configured such that the thin film layer is made of a metal film and measurement is performed using the effect of the surface plasmon resonance described above.
[0023]
In the measuring apparatus, the thin film layer includes a clad layer formed on the upper surface of the dielectric block and an optical waveguide layer formed on the clad layer. It is good also as what was comprised so that a measurement might be performed using the effect by excitation.
[0024]
Furthermore, in the measuring apparatus according to the present invention, there are various methods for analyzing the sample by measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface by the light detecting means. For example, the light beam is totally reflected at the interface. Measure the intensity of the light beam totally reflected at the interface at each position corresponding to each incident angle to obtain the reflection condition, and determine the position (angle) of the dark line generated by the total reflection attenuation. Analysis may be performed by detection. V. Noort, K .; johansen, C.I. -F. Mandenius, Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII, 1999, pp. As described in 585-588, a light beam having a plurality of wavelengths is incident at an incident angle at which the total reflection condition is obtained at the interface, and the intensity of the light beam totally reflected at the interface is measured for each wavelength. Thus, the analysis may be performed by detecting the degree of total reflection attenuation for each wavelength.
[0025]
P. I. Nikitin, A .; N. Grigorenko, A .; A. Beloglazov, M.M. V. Valeiko, A .; I. Savchuk, O .; A. Savchuk, Surface Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Array Biosensing, EUROSENSORS XIII, 1999, pp. As described in 235-238, a light beam is incident at an incident angle at which the total reflection condition is obtained at the interface, and a part of the light beam is divided before the light beam is incident on the interface. Then, the analysis may be performed by causing the divided light beam to interfere with the light beam totally reflected at the interface and measuring the intensity of the light beam after the interference.
[0026]
【The invention's effect】
In the measuring apparatus of the present invention, the scanning means for scanning the light beam on the interface in a direction substantially orthogonal to the plane including the incident light beam and the totally reflected light beam, and the plurality of light receiving elements are parallel to the plane and the interface And a converging optical means for converging the light beam scanned on the interface so as to be always incident on the light detecting means. A large number of light detection means are unnecessary, and the size can be easily reduced. In addition, since no movable member is required at the site where the light beam is converged on the light detection means, it is possible to prevent the measurement accuracy from deteriorating. Further, since the light beam can be scanned on the interface, a plurality of regions can be measured in a short time. That is, it is possible to realize a measuring apparatus using total reflection light that can measure a plurality of regions in a short time with good measurement accuracy and can be miniaturized.
[0027]
If the measuring apparatus is disposed between the scanning unit and the dielectric block and has a surface tilt correction optical system for correcting the surface tilt in the scanning unit, the incident position of the light beam caused by the surface tilt of the scanning unit The deviation can be corrected.
[0028]
In addition, if a measurement error reduction means for reducing a measurement error due to an abnormal measurement result is further provided by performing signal processing on the detection signal detected by the light detection means, the incident is caused by the influence of vibration or the like. Even when a positional deviation occurs or a deviation occurs in the interface angle and an abnormal measurement value is measured, the measurement error can be reduced and the reliability of the measurement result can be improved.
[0029]
The scanning unit is a deflecting unit that performs scanning by deflecting the light beam, and includes an fθ lens that is disposed between the deflecting unit and the dielectric block and scans the deflected light beam at a constant speed on the interface. In this case, it is possible to easily control the timing for extracting the detection signal from the light detection means. In addition, the diameter of the light beam incident on each region can be easily made uniform.
[0030]
In another measuring apparatus of the present invention, a scanning unit that scans a light beam on the surface of a sample in a direction substantially perpendicular to a plane including the incident light beam and the reflected light beam, and a plurality of light receiving elements are in a plane. Since the light detection means arranged in parallel and in the direction opposite to the interface and the converging optical means for converging the light beam scanned on the surface of the sample so as to always enter the light detection means are provided. A large number of light sources and a large number of light detection means are unnecessary, and the size can be easily reduced. In addition, since no movable member is required at the site where the light beam is converged on the light detection means, it is possible to prevent the measurement accuracy from deteriorating. Further, since the light beam can be scanned on the surface of the sample, a plurality of regions can be measured in a short time. That is, it is possible to realize a measuring apparatus using reflected light that can measure a plurality of regions in a short time with good measurement accuracy and can be miniaturized.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The measurement apparatus using total reflection attenuation according to the embodiment of the present invention scans a light beam using a rotating mirror, sequentially enters a plurality of measurement chips, and the light intensity of the light beam by one photodiode array. FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a surface plasmon measuring device according to an embodiment of the present invention, and FIG. The side surface shape of a surface plasmon measuring device is shown.
[0032]
The surface plasmon measuring apparatus is rotated by a measuring chip array 10 including twelve measuring chips 11A, 11B, 11C,..., A laser light source 31 that emits a light beam 30, and a motor (not shown). A rotating mirror 32 that deflects in a predetermined direction, an incident optical system 33 that scans the deflected light beam 30 with respect to the measurement chips 11A, 11B, 11C,. A converging optical system 41 for injecting the beam 30 and converging the light beam 30 toward the photodiode array 40, a photodiode array 40 as a light detection means, and an output signal S output from the photodiode array 40. An A / D converter 50 that converts the digital signal and an output signal S output from the A / D converter 50 are received. A signal processing unit 51 comprising a computer system for performing the processing described later, a display unit 60 connected to the signal processing unit 51, and a start point detection unit 61.
[0033]
The measurement chips 11A, 11B, 11C,... Have the same configuration, and the configuration of the measurement chip 11A is shown in FIG. The measurement chip 11A includes a dielectric block 13 having a substantially quadrangular pyramid shape, a thin film layer 14 made of, for example, gold, silver, copper, or aluminum formed on the top surface of the dielectric block 13, and the thin film layer 14 And a sample liquid holding frame 15 made of a cylindrical member that defines a space closed on the side. The portion of the sample solution holding frame 15 is tapered so that the inner surface of the sample solution holding frame 15 is separated from the thin film layer 14 toward the outside. The tapered space in the sample solution holding frame 15 stores the sample solution 9. It functions as the holding unit 16.
[0034]
The measurement chip 11A is obtained by integrally shaping the dielectric block 13 and the sample solution holding frame 15 from, for example, a transparent resin and forming the thin film layer 14 by vapor deposition. A sensing substance 17 is fixed on the thin film layer 14, and the sample liquid 9 contains an analyte. Note that both the sensing substance 17 and the sample liquid 9 function as samples of the invention.
[0035]
In the measurement chip array 10, the measurement chips 11A, 11B, 11C,. Further, as shown in FIG. 3, the measurement chip array 10 is configured integrally with the dielectric block 13 and the sample liquid holding frame 15 of the measurement chip adjacent to each other, as shown in FIG. It may be what was done.
[0036]
The incident optical system 33 provides various conditions for obtaining the total reflection condition of the light beam 30 deflected by the rotating mirror 32 to a predetermined region of the interface 14a between the dielectric block 13 and the thin film layer 14 of the measuring chips 11A, 11B, 11C. An optical system that allows incidence at an angle and scans at a constant speed in the main scanning direction X. The fθ lens 34 (fθ first lens 34a, fθ second lens 34b) including two lenses, and passes through the fθ lens 34. The lens 35 changes the traveling direction of the light beam 30 toward the interfaces of the measuring chips 11A, 11B, 11C..., And the condensing lens 36 converges the light beam 30 to a predetermined region of the interface.
[0037]
Since the light beam 30 is condensed by the condenser lens 36 as described above, the light beam 30 includes components incident on the interface 14a at various incident angles θ. In addition, this incident angle (theta) shall be an angle more than a total reflection angle. Therefore, the reflected light beam 30 totally reflected at the interface 14a includes components that are totally reflected at various reflection angles.
[0038]
The light beam 30 is incident on the interface 14a as p-polarized light. In order to do so, the laser light source 31 may be disposed in advance so that the polarization direction thereof is the predetermined direction. In addition, in order to make the light beam 30 incident on the interface 14a as p-polarized light, the direction of polarization of the light beam 30 may be controlled with a wave plate.
[0039]
The so-called surface tilt correction optical system is configured by the fθ lens 34, the lens 35, and the condenser lens 36, that is, the incident optical system 33. When the surface tilt occurs in the rotating mirror 32, the light beam 30 enters the interface 14a. The point is prevented from fluctuating. The light beam 30 emitted from the light source 31 and deflected by the rotating mirror 32 is scanned at the same speed on the interface 14 a by the fθ lens 34, while the scanning position in the horizontal direction in FIG. Fluctuates. The light beam 30 that fluctuates in the horizontal direction is corrected to be tilted by the incident optical system 33. As the incident optical system, for example, an incident lens configured by an fθ lens and an in-mirror lens functioning as a surface tilt correction optical system as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-978322 filed by the present applicant. An optical system or the like can also be used. The rotating mirror 32 and the lens 35 function as scanning means of the present invention.
[0040]
The photodiode array 40 is configured by arranging a large number of photodiodes, and the light beam 30 in which the arrangement direction of the photodiodes enters the interface at the same distance from each measurement chip 11A, 11B, 11C. And the plane parallel to the plane including the light beam 30 totally reflected at the interface and the direction opposite to the interface, that is, the X direction shown in FIG.
[0041]
The converging optical system 41 is an optical system that converges the light beam 30 reflected by the measurement chips 11A, 11B, 11C... And enters the photodiode array 40, and is reflected by the measurement chips 11A, 11B, 11C. A collimating lens 42 that collimates the light beam 30 in the X direction, a lens 43 that changes the traveling direction of the light beam 30 collimated in the X direction toward the photodiode 40, and the light beam 30 that has passed through the lens 43. The condenser lens 44 is made to converge and diverge in the X direction and enter the photodiode array 40. The collimating lens 42, the lens 43, and the condenser lens 44 are cylindrical lenses. As shown in FIGS. 1 and 2, the collimating lens 42 has a convex surface in the X direction, and the convex surface is the photodiode array 40. The lens 43 is arranged so that a convex surface is formed in a direction orthogonal to the collimating lens 42 and the convex surface is opposed to the measuring chip, and the condenser lens 44 is arranged in the same direction as the collimating lens 42. A convex surface is formed, and the convex surface is arranged to face the measuring chip.
[0042]
The signal processing unit 51 stores measurement timings in the measurement chips 11A, 11B, 11C,... In advance with reference to the output timing of a cueing signal F output from a start point detection unit 61 described later. At the time of measurement, the detection value (output signal S) of each photo diode in the photodiode array 40 is read according to this measurement timing, and the total reflection attenuation angle θ described later for each measurement chip. _SP Is calculated. The signal processing unit 51 also functions as a measurement error reducing unit, and the total reflection attenuation angle θ _SP , The scanning of the light beam 30 is continuously repeated 10 times, the average value of 10 measured values is calculated for each measurement chip, and the total reflection attenuation angle θ is calculated. _SP Is output to the display unit 60.
[0043]
The start point detector 61 includes a mirror 62 that deflects the traveling direction of the light beam 30 that has passed through the ends of the fθ lens 34, the lens 35, and the condenser lens 36, and a position where the light beam 30 deflected by the mirror 62 is incident. And a start point detection photodetector 63 that outputs a cueing signal F to the signal processing unit 51 when the light beam 30 is incident thereon.
[0044]
Hereinafter, a measurement operation performed using the surface plasmon measurement apparatus having the above configuration will be described. First, the sample liquid 9 is supplied to each sample liquid holding part 16 of each measurement chip 11A, 11B, 11C... Of the measurement chip array 10 by a sample liquid supply means (not shown). At this time, the sample liquid 9 supplied to each of the measurement chips 11A, 11B, 11C... Contains different types of analytes. The laser light source 31 is driven by a command from the signal processing unit 51, and the light beam 30 is emitted.
[0045]
As shown in FIG. 1, the light beam 30 emitted from the laser light source 31 enters a rotating mirror 32. The rotating mirror 32 is rotated counterclockwise by a motor (not shown), and the light beam 30 incident on the rotating mirror 32 is scanned counterclockwise along with the rotation of the rotating mirror 32, while the fθ lens. 34, the lens 35, and the condensing lens 36, first enter the mirror 62 of the start point detector 61, and then sequentially enter the interfaces of the measurement chips 11A, 11B, 11C. The light beam 30 is scanned at a constant speed by the action of the fθ lens 34 and sequentially enters the measurement chips 11A, 11B, 11C. The light beam 30 reflected by the mirror 62 is incident on the start point detection photo detector 63, and a cueing signal F is output from the start point detection photo detector 63 to the signal processing unit 51.
[0046]
In the measurement chip 11A, the light beam 30 is incident on the interface 14a between the dielectric block 13 and the thin film layer 14 in a state of being converged as described above. The light beam 30 totally reflected by the interface 14a is converted into parallel light by the collimator lens 42, then the traveling direction is changed to the direction of the photodiode 40 by the lens 43, converged / diverged by the condenser lens 43, and photo The light is incident on the diode array 40.
[0047]
Since the so-called surface tilt correction optical system is configured by the fθ lens 34, the lens 35, and the condensing lens 36, that is, the incident optical system 33, even when the surface tilt occurs in the rotary mirror 32, the interface 14a is reached. The incident point of the light beam 30 does not fluctuate.
[0048]
Since the light beam 30 is incident on the dielectric block 13 in a convergent light state as described above, the light beam 30 includes components that are incident on the interface 14a at various incident angles θ. In addition, this incident angle (theta) shall be an angle more than a total reflection angle. Therefore, the light beam 30 is totally reflected at the interface 14a, and the reflected light beam 30 includes components reflected at various reflection angles.
[0049]
Thus, when the light beam 30 is totally reflected, an evanescent wave oozes from the interface 14a to the thin film layer 14 side. And the specific incident angle θ with which the light beam 30 is relative to the interface 14a _SP In this case, since the evanescent wave resonates with the surface plasmon excited on the surface of the thin film layer 14, the reflected light intensity I sharply decreases for this light. FIG. 4 schematically shows the relationship between the incident angle θ and the reflected light intensity I when the total reflection attenuation phenomenon occurs.
[0050]
Therefore, in the signal processing means 51, as the total reflection attenuation state, the detected light amount of each photodiode is examined from the output signal S output from the photodiode array 40, and the incident angle (based on the position of the photodiode where the dark line is detected) Total reflection attenuation angle) θ _SP Ask for.
[0051]
The signal processing unit 51 reads the detection value (output signal S) of the photo diode in the photodiode array 40 in accordance with the measurement timing stored in advance, and calculates the total reflection attenuation angle θ. _SP Is calculated.
[0052]
Thereafter, the same measurement is sequentially performed on the measurement chips 11B, 11C..., And the total reflection attenuation angle θ for each measurement chip. _SP Is calculated.
[0053]
The above measurement operation is repeated 10 times in succession, and the signal processing unit 51 performs the total reflection attenuation angle θ 10 times for each measurement chip. _SP The average value of the measured values is calculated and the total reflection attenuation angle θ _SP Is output to the display unit 60.
[0054]
In the present embodiment, the sensing substance 17 is fixed on the thin film layer 14, and the refractive index of the sensing substance 17 changes according to the binding state with the subject in the sample liquid 9, so that the total reflection attenuation angle θ _SP The state of the change in the coupling state can be examined by continuing to measure.
[0055]
That is, with time, the total reflection attenuation angle θ _SP Can be determined that the analyte in the sample liquid 9 is a substance that binds to the sensing substance 17, and the total reflection attenuation angle θ can be determined. _SP If no change occurs in the angle, it can be determined that the analyte in the sample liquid 9 is not a substance that binds to the sensing substance. The signal processing unit 51 determines the presence / absence of the coupling based on the above principle, and displays the determination result on the display unit 60.
[0056]
As is clear from the above description, in the surface plasmon measurement device of the present invention, the light beam 30 is substantially perpendicular to the plane including the incident light beam 30 and the totally reflected light beam 30 on the interface of the measurement chip. And the converging optical system 41 for converging the light beam scanned on the interface so as to be always incident on the photodiode array 40. The photodiode array is unnecessary and can be easily downsized. In addition, since no movable member is required at the site where the light beam 30 is converged on the photodiode array 40, the measurement accuracy can be prevented from deteriorating. Furthermore, since the light beam 30 can be scanned on the interface, a plurality of regions can be measured in a short time. That is, it is possible to realize a surface plasmon measuring device that can measure a plurality of regions in a short time with good measurement accuracy and can be miniaturized.
[0057]
Further, since the incident optical system 33 constitutes a surface tilt optical system, even if the surface tilt of the rotating mirror 32 occurs, the incident position of the light beam 30 with respect to the interface of the measurement chip is prevented from shifting, and further Measurement accuracy can be improved.
[0058]
Furthermore, the same measurement is repeated 10 times, and the average value is obtained, whereby the incident position where the light beam 30 is incident on the interface 14a is instantaneously shifted or the angle of the interface 14a is caused by the influence of vibration or the like. Even if a deviation occurs and an abnormal measurement value is measured, the measurement error can be reduced by averaging, and the reliability of the measurement result can be improved. In addition, for example, an abnormal value may be removed by calculating an average value by removing abnormal measurement values, or by removing abnormal measurement values by comparing with previous and subsequent measurement values in time series. Reliability of measurement results is improved.
[0059]
Since the fθ lens 34 that scans the light beam on the interface of the measurement chip at a constant speed is provided, the timing for extracting the output signal S from the photodiode array 40 can be easily controlled. In addition, the diameter of the light beam 30 incident on the interface of each measurement chip can be easily made uniform.
[0060]
Further, for example, if the scanning angle by the rotating mirror 32 is reduced and the measurement is performed many times in one measurement chip, the refractive index distribution of the sensing substance 17 in the linear region in the scanning direction on the measurement chip can be measured. . If the measurement is repeated while slightly moving the measuring chip in the horizontal direction in FIG. 2, the refractive index of the sensing substance 17 in the horizontal linear region in FIG. 2 can be measured. That is, by combining the above measurements, the two-dimensional refractive index distribution of the sensing substance 17 can be measured.
[0061]
In this embodiment, as the incident optical system, a telecentric system in which the light beams 30 scanned with respect to the respective measuring chips 11A, 11B, 11C... Are incident in parallel is used. It is not limited to such a telecentric system. For example, the scanned light beam 30 is incident on each measurement chip 11A, 11B, 11C... While increasing the interval between the light beams, or is incident on each measurement chip 11A, 11B, 11C. In such a case, a converging optical system corresponding to the incident optical system may be appropriately used.
[0062]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Since the overall configuration of the second embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, only the numbers of the different components in FIG. In FIG. 5, the same elements as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless particularly necessary.
[0063]
The measurement apparatus according to the second embodiment is the leakage mode measurement apparatus described above, and is configured to use a measurement chip array 89 including measurement chips 90A, 90B, 90C. As shown in FIG. 5, a clad layer 91 is formed on the upper surface of the dielectric block 13 of the measurement chip 90A, and an optical waveguide layer 92 is further formed thereon. A sensing substance 17 is fixed on the surface of the optical waveguide layer 92.
[0064]
The dielectric block 13 is formed using, for example, synthetic resin or optical glass such as BK7. On the other hand, the cladding layer 91 is formed in a thin film shape using a dielectric having a lower refractive index than the dielectric block 13 or a metal such as gold. The optical waveguide layer 92 is also formed into a thin film using a dielectric having a higher refractive index than that of the cladding layer 91, for example, PMMA. The film thickness of the cladding layer 91 is, for example, 36.5 nm when formed from a gold thin film, and the film thickness of the optical waveguide layer 92 is, for example, about 700 nm when formed from PMMA.
[0065]
In the leakage mode sensor configured as described above, when the light beam 30 emitted from the laser light source 31 is incident on the cladding layer 91 through the dielectric block 13 at an incident angle equal to or greater than the total reflection angle, the light beam 31 is incident on the dielectric block 13. The light having a specific wave number that is totally reflected at the interface 91a between the light and the clad layer 91 but is transmitted through the clad layer 91 and incident on the optical waveguide layer 92 at a specific incident angle propagates through the optical waveguide layer 92 in a waveguide mode. It becomes like this. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer 92, resulting in total reflection attenuation in which the intensity of light totally reflected at the interface 91a is sharply reduced.
[0066]
Since the wave number of guided light in the optical waveguide layer 92 depends on the refractive index of the sensing material 17 on the optical waveguide layer 92, the refractive index of the sensing material 17 can be obtained by knowing the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs. And the binding state between the analyte in the sample liquid 9 and the sensing substance 17 can be known.
[0067]
Similar to the first embodiment, in this embodiment, the incident optical system 33 and the converging optical system 41 are provided, so that a large number of light sources and a large number of photodiode arrays are not required, and the size is reduced. Is easy. In addition, since no movable member is required at the site where the light beam 30 is converged on the photodiode array 40, the measurement accuracy can be prevented from deteriorating. Furthermore, since the light beam 30 can be scanned on the interface, a plurality of regions can be measured in a short time. That is, it is possible to realize a surface plasmon measuring device that can measure a plurality of regions in a short time with good measurement accuracy and can be miniaturized. Other effects can also be obtained in the same manner as in the first embodiment.
[0068]
In each of the embodiments, the photodiode array 40 is used as the light detection means. However, the present invention is not limited to this. It is sufficient that one or several rows of light receiving elements are arranged in a line. Or a CCD array or the like. Further, instead of the rotating mirror 32, a polygon mirror, a galvanometer mirror, or the like may be used.
[0069]
Furthermore, in each of the above-described embodiments, the measurement apparatus using total reflection light has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, the characteristics of the sample can be determined using reflection light from an infrared spectrometer or the like. The present invention can also be applied to a measuring apparatus for analysis, and the same effect can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a surface plasmon measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a side shape of a main part of a surface plasmon measuring device.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a measurement chip array.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the incident angle of the light beam on the interface and the light intensity.
FIG. 5 is a view showing a side shape of a main part of a leakage mode measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
9 Sample solution
10,89 Measuring chip array
11A, 11B, 11C ... Measuring chip
90A, 90B, 90C ... Measuring chip
13 Dielectric block
14 Thin film layer
14a Interface between dielectric block and thin film layer
15 Sample solution holding frame
16 Sample holder
17 Sensing substances
30 Light beam
31 Laser light source
32 Rotating mirror
33 Incident optical system
34 fθ lens
40 photodiode
41 Convergent optics
51 Signal processor
60 Display section

Claims (5)

A dielectric block formed on one side with a thin film layer to be brought into contact with the sample;
A measuring means for making a light beam incident on the dielectric block at an angle at which a total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the thin film layer, and measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface; In a measuring apparatus comprising:
Scanning means for scanning the light beam on the interface in a direction substantially perpendicular to a plane including the incident light beam and the totally reflected light beam;
A plurality of light receiving elements arranged in a direction parallel to the plane and opposed to the interface;
A measuring apparatus comprising: a converging optical means for converging the light beam scanned on the interface so as to always enter the light detecting means. 2. The measuring apparatus according to claim 1, further comprising a surface tilt correction optical system that is disposed between the scanning unit and the dielectric block and corrects the surface tilt of the scanning unit. 3. The measuring apparatus according to claim 1, further comprising measurement error reducing means for reducing a measurement error due to an abnormal measurement result by performing signal processing on the detection signal detected by the light detection means. . The scanning means is a deflection means for performing the scanning by deflecting the light beam;
4. The fθ lens disposed between the deflecting unit and the dielectric block and configured to scan the deflected light beam at a constant speed on the interface. 5. measuring device. In a measuring apparatus comprising a measuring means for making a light beam incident on a sample and measuring the intensity of the light beam reflected by the surface of the sample,
Scanning means for scanning the light beam on the surface in a direction substantially perpendicular to a plane including the incident light beam and the reflected light beam;
A plurality of light receiving elements arranged in a direction parallel to the plane and opposed to the interface;
A measuring apparatus comprising: a converging optical means for converging the light beam scanned on the surface so as to always enter the light detecting means.

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