JP2004093342A - Measuring apparatus - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the measuring accuracy of a total reflection declining angle θ<SB>SP</SB>in a measuring apparatus detecting the position of a dark line by measuring the intensity of light beam by a plurality of light receiving elements and differentiating light detection signals outputted from the light receiving elements for each output from two light receiving elements adjacent to each other. <P>SOLUTION: A light receiving element in which detected signal values of the light receiving elements of a specified quantity are monotonously increased in a direction separating from the element itself as a standard to both sides, i.e., a light receiving element detecting the root part of a dark line area having a some width is detected as a standard light receiving element (photo diode 17n in this case). The total reflection declining angle θ<SB>SP</SB>is calculated based on the differentiated values obtained by differentiating an output from the light receiving elements of the specified quantity holding the reference light receiving element therebetween with respect to the juxtaposed direction of the light receiving elements. <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θ_ＳＰを知ることにより、被測定物質の誘電率ε_ｓ、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】
なおこの種の表面プラズモン測定装置においては、全反射減衰角θ_ＳＰを精度良く、しかも大きなダイナミックレンジで測定することを目的として、特開平１１−３２６１９４号公報に示されるように、アレイ状の光検出手段を用いることが考えられている。この光検出手段は、複数の受光素子が所定方向に配設されてなり、前記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそれぞれ異なる受光素子が受光する向きにして配設されたものである。
【００１０】
そしてその場合は、上記アレイ状の光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、該受光素子の配設方向に関して微分する微分手段が設けられ、この微分手段が出力する微分値に基づいて全反射減衰角θ_ＳＰを特定し、被測定物質の屈折率に関連する特性を求めることが多い。
【００１１】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似の測定装置として、例えば「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、試料液に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して導波モードの励起状態、つまり全反射減衰状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【００１２】
上記構成の漏洩モード測定装置において、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の被測定物質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、被測定物質の屈折率や、それに関連する被測定物質の特性を分析することができる。
【００１３】
なおこの漏洩モード測定装置においても、全反射減衰によって反射光に生じる暗線の位置を検出するために、前述したアレイ状の光検出手段を用いることができ、またそれと併せて前述の微分手段が適用されることも多い。
【００１４】
また、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）上に上記被測定物質として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が溶媒に溶かされた試料液を添加し、所定時間が経過する毎に前述の全反射減衰角θ_ＳＰの角度を測定している。
【００１５】
試料液中の被検体が、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、該全反射減衰角θ_ＳＰの角度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状態を測定し、その結果に基づいて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る。具体的には、ウサギ抗ヒトＩｇＧ抗体をセンシング物質として薄膜層の表面に固定し、ヒトＩｇＧ抗体を特定物質として用いることができる。
【００１６】
なお、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、全反射減衰角θ_ＳＰの角度そのものを必ずしも検出する必要はない。例えばセンシング物質に試料液を添加し、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。前述したアレイ状の光検出手段と微分手段を全反射減衰を利用した測定装置に適用する場合であれば、微分値の変化量は、全反射減衰角θ_ＳＰの角度変化量を反映しているため、微分値の変化量に基づいて、センシング物質と被検体との結合状態を測定することができる。（本出願人による特願２００１−２９７０７４号参照）
このような全反射減衰を利用した測定方法および装置においては、底面に予め形成された薄膜層上にセンシング物質が固定されたカップ状あるいはシャーレ状の測定チップに、溶媒と被検体からなる試料液を滴下供給して、上述した全反射減衰角θ_ＳＰの角度変化量の測定を行っている。
【００１７】
なお本出願人は、ターンテーブル等に搭載された複数個の測定チップの測定を順次行うことにより、多数の試料についての測定を短時間で行うことができる全反射減衰を利用した測定装置を特開２００１−３３０５６０号公報により提案している。
【００１８】
また、本出願人は、特願２００２−０６８７６７号において、複数個の試料液保持部が設けられた測定チップを用いて測定を行う全反射減衰を利用した測定装置も提案している。このような構成の測定装置を用いれば、測定チップを移動させることなく多数の試料についての測定を同時に行うことができる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の特開平１１−３２６１９４号公報に記載されているような、複数の受光素子からなる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、この光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、隣接する２つの受光素子の出力毎に微分し、この微分値に基づいて全反射減衰角θ_ＳＰを求める測定装置においては、微分値が極小（大）から極大（小）となる曲線のゼロクロス点に対応する位置を暗線の位置、すなわち全反射減衰角θ_ＳＰと認識する。そのため、光検出手段が出力する光検出信号にノイズが重畳し、微分信号中に複数のゼロクロス点が発生してしまうと、正確に全反射減衰角θ_ＳＰを算出することが難しいという問題があった。
【００２０】
本発明は上記の事情に鑑みて、複数の受光素子により光ビームの強度の測定を行い、各受光素子が出力する光検出信号を、隣接する２つの受光素子の出力毎に微分して暗線の位置の検出を行う測定装置において、正確に全反射減衰角θ_ＳＰを算出することが可能な測定装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明による測定装置は、誘電体ブロック、誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、および薄膜層の表面上に試料を保持する試料保持機構を備えてなる測定チップと、光ビームを発生させる光源と、光ビームを電体ブロックに対して、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られる入射角で入射させる入射光学系と、前記界面で全反射した入射角の異なる光ビームの強度を測定する複数の受光素子からなる光検出手段と、光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、隣接する２つの受光素子の出力毎に受光素子の並設方向に関して微分する微分手段と、微分手段による微分値に基づいて、前記界面での反射光中に含まれる暗線の位置を求める演算手段とを備えてなる測定装置において、演算手段が、所定の方法により基準受光素子を特定し、この基準受光素子を中心として両側に離れる方向に所定数の受光素子の検出信号値が単調増加するか否かを判定し、単調増加すると判定されたときの基準受光素子を挟んだ所定数の受光素子の出力を受光素子の並設方向に関して微分した微分値に基づいて、暗線の位置を求めるものであることを特徴とするものである。
【００２２】
ここで、上記所定の方法は、各受光素子の中から、光検出信号の最小値を出力した受光素子を基準受光素子として特定するものとしてもよい。
【００２３】
また、上記所定の方法は、隣接する２つの受光素子の出力毎に受光素子の並設方向に関して微分した際に、微分値が最も０に近くなる２つの受光素子を基準受光素子として特定するものとしてもよい。なお、この方法の場合は、２つの受光素子が基準受光素子として特定されるが、このうちの一方の受光素子のみに上記判定を行ってもよいし、両方の受光素子に対して上記判定を行ってもよい。
【００２４】
上記のような測定装置としては、金属膜を上記薄膜層として用いる前述の表面プラズモン測定装置や、誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成された光導波層とからなる層を上記薄膜層として用いる前述の漏洩モード測定装置等がある。
【００２５】
上記のような測定装置において、光検出信号の各受光素子により検出された光検出信号のビームプロファイルの波形中には、上記表面プラズモン効果等により生じた暗線による谷の他に、スパイクノイズ等のノイズが重畳することによって生じる谷が形成される場合があり、ビームプロファイル中にこのように複数の谷が形成されると微分信号中に複数のゼロクロス点を生じてしまい、正確に暗線の位置を算出することが困難になる。
【００２６】
これらのノイズによる谷の波形は概ね急峻な幅の狭い谷を形成しており、一方、正常に検出された暗線による谷の波形は測定装置の光学系に応じたある程度の幅を有するため、本発明では光検出手段により検出されたビームプロファイル中から、上記所定の方法により基準受光素子を特定し、この基準受光素子を中心として両側に離れる方向に所定数の受光素子の検出信号値が単調増加するか否かを判定し、単調増加すると判定されたときの基準受光素子を挟んだ所定数の受光素子の出力を受光素子の並設方向に関して微分した微分値に基づいて、すなわち微分信号の中から暗線に対応した領域を限定し、その間のゼロクロス点の位置に基づいて暗線の位置を求めることにより、正確に暗線の位置を算出可能としたものである。
【００２７】
なお、上記「基準受光素子を中心として両側に離れる方向に所定数の受光素子」および「基準受光素子を挟んだ所定数の受光素子」にそれぞれ記述の「所定数」については、必ずしも同数とする必要はなく、異なる数としてもよい。
【００２８】
本発明による測定装置において、光検出手段により前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して試料の分析を行うには種々の方法があり、例えば、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる種々の入射角で入射させ、各入射角に対応した位置毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰により発生した暗線の位置（角度）を検出することにより試料分析を行ってもよいし、Ｄ．Ｖ．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（暗線の位置および程度）を検出することにより試料分析を行ってもよい。
【００２９】
【発明の効果】
複数の受光素子により光ビームの強度の測定を行い、各受光素子が出力する光検出信号を、隣接する２つの受光素子の出力毎に微分して暗線の位置の検出を行う測定装置において、本発明の測定装置は、演算手段を、所定の方法により基準受光素子を特定し、この基準受光素子を中心として両側に離れる方向に所定数の受光素子の検出信号値が単調増加するか否かを判定し、単調増加すると判定されたときの基準受光素子、すなわちある程度の幅を有する暗線領域の谷間を検出した受光素子を挟んだ所定数の受光素子の出力を受光素子の並設方向に関して微分した微分値に基づいて、暗線の位置を求めるようにしたので、スパイクノイズ等の発生により微分信号中に複数のゼロクロス点がある場合であっても、正確に全反射減衰角θ_ＳＰを特定することが可能である。
【００３０】
【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。本発明の一実施の形態の測定装置は、複数の誘電体ブロックに光ビームを並列的に入射させることにより複数の試料の分析を同時に行うことが可能な表面プラズモン測定装置であり、図１は本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。
【００３１】
上記表面プラズモン測定装置１０１は、同様の構成の複数の表面プラズモン測定ユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…により構成されている。
【００３２】
各測定ユニットの構成について、個別の要素を表す符号であるＡ、Ｂ、Ｃ…の符号は省略して説明する。各測定ユニットは、測定チップ９と、光ビーム１３を発生する光源であるレーザ光源１４と、上記光ビーム１３を測定チップ９に対して入射させる入射光学系１５と、測定チップ９で反射された光ビーム１３を平行光化して光検出器１７に向けて射出するコリメーターレンズ１６と、コリメーターレンズ１６より出射された光ビーム１３を受光して光強度を検出する光検出器１７と、光検出器１７に接続された差動アンプアレイ（微分手段）１８と、差動アンプアレイ１８に接続されたドライバ１９と、ドライバ１９に接続されたコンピュータシステム等からなる信号処理部（演算手段）２０とからなる。
【００３３】
測定チップ９は、四角錐の４つの稜線が集まる頂角を含む一部分が切り取られ、かつこの四角錐の底面に試料液１１を貯える試料保持機構として機能する凹部１０ｃが形成された形状の誘電体ブロック１０と、この誘電体ブロック１０の凹部１０ｃの底面に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる薄膜層である金属膜１２とからなる。この誘電体ブロック１０は、例えば透明樹脂等により形成することができる。なお、金属膜１２の上に後述するセンシング媒体３０を設けてもよい。また、測定チップ９の誘電体ブロック１０は、図３に示すように、互いに隣接する複数の表面プラズモン測定ユニットの測定チップの誘電体ブロックと一体的に構成されたものであってもよい。
【００３４】
入射光学系１５は、レーザ光源１４から射出された光ビーム１３を平行光化するコリメーターレンズ１５ａと、この平行光化された光ビーム１３を上記界面１０ｂに向けて収束させる集光レンズ１５ｂとから構成されている。
【００３５】
光ビーム１３は、集光レンズ１５ｂにより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。そのため、界面１０ｂで全反射した光ビーム１３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。なお、上記入射光学系１５は、光ビーム１３を界面１０ｂ上に点状に集光させずにデフォーカス状態で入射させるように構成してもよい。そのようにすれば、界面１０ｂ上のより広い領域において光ビーム１３が全反射されるので、全反射減衰の状態の検出誤差が平均化されて全反射減衰角の測定精度を高めることができる。
【００３６】
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１３を界面１０ｂに対してｐ偏光で入射させるには波長板で光ビーム１３の偏光の向きを制御するようにしてもよい。
【００３７】
また、表面プラズモン測定装置１０１は、各測定ユニットの信号処理部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…に接続された１つの表示手段２１を備えている。
【００３８】
以下、上記構成の表面プラズモン測定装置による試料分析について説明する。
【００３９】
図２に示す通り、レーザ光源１４から射出された光ビーム１３は、入射光学系１５を通して、誘電体ブロック１０と金属膜１２との界面１０ｂ上に収束される。
【００４０】
界面１０ｂ上に収束され、この界面１０ｂで全反射された光ビーム１３は、コリメーターレンズ１６を通して光検出器１７によって検出される。光検出器１７は、複数の受光素子であるフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…が１列に並設されてなるフォトダイオードアレイであり、フォトダイオードの並設方向が図２の紙面に略平行となるように、かつコリメーターレンズ１６を通して平行光化されて入射される光ビーム１３の伝播方向に対して略直交するように配設されている。したがって、上記界面１０ｂにおいて種々の反射角で全反射された光ビーム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。そして、光検出器１７は、各フォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…によって検出された上記光ビーム１３の強度分布を示す信号を
差動アンプアレイ１８およびＡ／Ｄ変換器２７に出力する。Ａ／Ｄ変換器２７は各フォトダイオードから出力された信号をＡ／Ｄ変換して信号処理部２０に出力する。
【００４１】
界面１０ｂに特定入射角θ_ＳＰで入射した上記光ビーム１３の成分は、金属膜１２とこの金属膜１２に接している物質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が鋭く低下する。つまり上記特定入射角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は極小値を示す。この反射光強度が低下する領域は、図２にＤで示すように、界面１０ｂで全反射された光ビーム１３中の暗線として観察される。
【００４２】
次に、光検出器１７から出力された光ビーム１３の強度分布を示す信号の処理について詳細に説明する。
【００４３】
図４は、この表面プラズモン測定装置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、１８ｂ、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、２２ｃ…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。
【００４４】
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１８ａ、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、１７ｂ、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。
【００４５】
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。
【００４６】
図５は、界面１０ｂで全反射された光ビーム１３の界面１０ｂへの入射角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と上記反射された光ビーム１３の光強度Ｉとの関係は、同図（１）に示すようなものであるとする。
【００４７】
また図５（２）は、フォトダイオード１７ａ、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。また、各フォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…により検出された上記光ビーム１３の強度Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ…を、光ビーム１３の光強度Ｉのグラフと対応させて図５（１）に示す。
【００４８】
またフォトダイオード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。なお、本例では同図（１）に示すように光検出信号の強度が低い領域が２カ所あるため、同図（３）に示す微分値Ｉ’中にゼロクロス点が２カ所発生する。
【００４９】
次に、本実施の形態の表面プラズモン測定装置の信号処理部２０における暗線算出のプロセスについて説明する。図６に暗線算出の処理の流れを示すフローチャートを示す。なお、各種処理ステップを図上＃印を付した記号で示し、以下の説明において参照するものとする。
【００５０】
説明に入る前に、本説明において用いる用語（各種値）について定義する。フォトダイオードの各チャネルについてはＰｄｃｈと記載する。また、フォトダイオード（Ｐｄｃｈ）の信号検出値をＰｄ＿ｖａｌと記載する。また、隣接する２つのフォトダイオード（Ｐｄｃｈ_ｎおよびＰｄｃｈ_ｎ＋１）が接続された差動アンプ、すなわち微分チャネルについてはＤｆｃｈと記載する。また、微分チャネル（Ｄｆｃｈ）の信号の出力電圧値（Ｐｄ＿ｖａｌ_ｎ＋１−Ｐｄ＿ｖａｌ_ｎ）をＤｆ＿ｖａｌと記載する。
【００５１】
最初に暗線の判定Ｐｄｃｈ数ｍを設定する（＃１）。暗線の幅は測定装置の光学系の配置に応じて変化するため、測定装置に生じる暗線の幅に基づいて、暗線を適正に検出可能な値を設定する。本実施の形態ではこの判定Ｐｄｃｈ数を３とする。
【００５２】
次に、基準受光素子として、Ｐｄｃｈ_{（１＋ｍ）}からＰｄｃｈ_{（ｍａｘ−ｍ）}の範囲内でＰｄ＿ｖａｌが最小値を検出したＰｄｃｈ_ｎを検索する（＃２）。本実施の形態のフォトダイオードアレイ１７はフォトダイオード１７ａ〜１７ｕの２１ｃｈのフォトダイオード（Ｐｄｃｈ）から構成されており、また、判定Ｐｄｃｈ数ｍは３としたため、上記範囲はフォトダイオード１７ｄからフォトダイオード１７ｒとなる。
【００５３】
次に、検索された最小値検出Ｐｄｃｈ_ｎを基準に両側に離れる方向に判定Ｐｄｃｈ数ｍの受光素子の検出信号値が単調増加しているか、すなわちＰｄｃｈ_ｎ→Ｐｄｃｈ_{（ｎ−ｍ）}およびＰｄｃｈ_ｎ→Ｐｄｃｈ_{（ｎ＋ｍ）}が単調増加しているか否か判定し（＃３）、単調増加していると判定された場合には、そのＰｄｃｈ_ｎを基準受光素子として設定する（＃５）。また、単調増加していないと判定された場合には、検索済みのＰｄｃｈを除いて再度最小値検出Ｐｄｃｈ_ｎを検索し（＃４）、ステップ＃３の処理に再度移行する。
【００５４】
本実施の形態の説明において、フォトダイオード１７ｄからフォトダイオード１７ｒの範囲内での最小値検出Ｐｄｃｈ_ｎはフォトダイオード１７ｄであるが、このフォトダイオード１７ｄを基準に両側に離れる方向に３ｃｈのフォトダイオードの検出信号値が単調増加しているか、すなわちフォトダイオード１７ｄ→フォトダイオード１７ａおよびフォトダイオード１７ｄ→フォトダイオード１７ｇが単調増加しているか判定した場合、フォトダイオード１７ｄ→フォトダイオード１７ｇは単調増加をしているが、フォトダイオード１７ｄ→フォトダイオード１７ａは単調増加をしていないため、フォトダイオード１７ｄを基準受光素子の候補から外して、フォトダイオード１７ｄからフォトダイオード１７ｒの範囲内で再度最小値検出Ｐｄｃｈ_ｎを検索する。
【００５５】
フォトダイオード１７ｄの次に最小値を検出したＰｄｃｈ_ｎはフォトダイオード１７ｎであるが、このフォトダイオード１７ｎを基準に両側に離れる方向に３ｃｈのフォトダイオードの検出信号値が単調増加しているか、すなわちフォトダイオード１７ｎ→フォトダイオード１７ｋおよびフォトダイオード１７ｎ→フォトダイオード１７ｑが単調増加しているか判定した場合、両方とも単調増加をしているため、フォトダイオード１７ｎを基準受光素子として設定する。
【００５６】
そして、微分値Ｉ’の中の、この特定したフォトダイオード１７ｎを挟んだ所定数（本実施の形態では判定Ｐｄｃｈ数ｍと同数の３とするが、必ずしも同数である必要は無い）のフォトダイオード群の出力に対応する差動アンプ（Ｄｆｃｈ）１８ｋから１８ｐまでの出力領域の中で、微分値Ｉ’（Ｄｆ＿ｖａｌ）＝０に最も近い出力のものを選択し、それらの差動アンプが出力する微分値に基づいて、全反射減衰角θ_ＳＰを算出する。このようにすることにより、光検出信号の強度が低い領域、すなわち微分値Ｉ’中のゼロクロス点が複数箇所あっても、真の暗線による信号とその他の信号とを区別して、正確に全反射減衰角θ_ＳＰを算出することができる。
【００５７】
なお、差動アンプアレイ１８により出力される微分値Ｉ’のみにパルス状のノイズが重畳している場合であっても、上記と同様の処理により真の暗線を受光したフォトダイオード群を特定し、この特定したフォトダイオード群の出力に対応する差動アンプ群の出力領域中の信号より全反射減衰角θ_ＳＰを算出することによって、パルス状のノイズと暗線による信号とを区別して、正確に全反射減衰角θ_ＳＰを算出することができる。
【００５８】
以後、所定時間が経過する毎に上記と同様な動作を繰り返し、全反射減衰角θ_ＳＰを算出し、測定開始時からの角度変化量を求め表示手段２１に表示する。
【００５９】
上述のように、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すると、それに応じて全反射減衰角θ_ＳＰも変化するため、この全反射減衰角θ_ＳＰの角度変化量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に接している物質の屈折率変化を調べることができる。
【００６０】
なお金属膜１２の上に、試料液１１の中の特定物質と結合するセンシング媒体３０を固定した場合、試料液１１とセンシング媒体３０との結合状態に応じてセンシング媒体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、この結合状態の変化の様子を調べることができる。つまりこの場合は、試料液１１およびセンシング媒体３０の双方が、分析対象の試料となる。そのような特定物質とセンシング媒体３０との組合せとしては、例えば抗原と抗体等が挙げられる。
【００６１】
また、本実施の形態では、各受光素子の中から、光検出信号の最小値を出力した受光素子を基準受光素子として特定していたが、本発明はそのような態様に限定されるものではない。
【００６２】
例えば、隣接する２つの受光素子の出力毎に受光素子の並設方向に関して微分した際に、微分値が最も０に近くなる２つの受光素子を基準受光素子として特定するものとしてもよい。なお、この方法の場合は、２つの受光素子が基準受光素子として特定されるが、このうちの一方の受光素子のみに上記判定を行ってもよいし、両方の受光素子に対して上記判定を行ってもよい。
【００６３】
上述の表面プラズモン測定装置は、一部の構成を変更することにより漏洩モード測定装置とすることができる。図７は、上述の表面プラズモン測定装置１０１の一部を変更して構成した漏洩モード測定装置の測定ユニットの側面図である。なおこの図７において、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。
【００６４】
この漏洩モード測定装置も、上述の表面プラズモン測定装置と同様に測定チップ９を用いるように構成されている。この測定チップ９の上面に形成された凹部１０ｃの底面にはクラッド層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。これらクラッド層４０と光導波層４１とによって薄膜層が形成されている。
【００６５】
誘電体ブロック１０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。
【００６６】
上記構成の漏洩モード測定装置において、レーザ光源１４から射出された光ビーム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の多くの成分が誘電体ブロック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されるようになる。こうして導波モードが励起されると、特定入射角で入射した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に特定入射角で入射し、全反射された光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００６７】
光導波層４１における導波光の波数は、該光導波層４１上の試料液１１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である全反射減衰角を知ることによって、試料液１１の屈折率や、それに関連する試料液１１の特性を分析することができ、上記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側面形状を示す図
【図３】測定チップの概略構成図
【図４】表面プラズモン測定装置の電気的構成を示すブロック図
【図５】光ビームの界面への入射角と差動アンプの出力との関係を示す図
【図６】基準受光素子検出プロセスを示すフローチャート
【図７】漏洩モード測定装置の一例を示す図
【符号の説明】
９　　測定チップ
１０　　誘電体ブロック
１３　　光ビーム
１４　　レーザ光源
１５　　入射光学系
１６　　コリメータレンズ
１７　　光検出器
１８　　差動アンプアレイ
１９　　ドライバ
２０　　信号処理部
２１　　表示手段
１０１　　表面プラズモン測定装置
１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…　　表面プラズモン測定ユニット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, the light beam is totally reflected at the interface between the thin film layer in contact with the sample and the dielectric block to generate an evanescent wave, thereby measuring the change in the intensity of the totally reflected light beam and analyzing the sample. The present invention relates to a measuring device using an evanescent wave that performs the above.
[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 devices for analyzing the characteristics of a substance to be measured have been proposed by utilizing the phenomenon that this surface plasmon is excited by a light wave. Among them, one that uses a system called a Kretschmann arrangement is particularly well known (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-167443).
[0004]
A surface plasmon measuring apparatus using the above system basically includes a dielectric block formed in a prism shape, for example, and a metal film formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with a substance to be measured such as a sample liquid. A light source that generates a light 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 an interface between the dielectric block and the metal film; and It comprises light detecting means for detecting the surface plasmon resonance state, that is, the state of total reflection attenuation by measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface.
[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 the change in the incident angle of the incident light beam is detected by a small photodetector that moves in synchronization with the change in the reflection angle, or the direction in which the reflection angle changes Can be detected by an area sensor extending along the line. On the other hand, in the latter case, it can be detected by an area sensor extending in a direction in which each light beam reflected at various reflection angles can be received.
[0006]
In the surface plasmon measuring apparatus having the above configuration, when a light beam is incident on a metal film at a specific incident angle that is greater than the total reflection angle, an evanescent wave having an electric field distribution is generated in the measured substance in contact with the metal film. The evanescent wave excites surface plasmons at the interface between the metal film and the substance to be measured. 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]
The attenuated total reflection (ATR) incident angle causing, i.e. when the wave number of the surface plasmon is determined from the total reflection attenuation angle theta _SP is known, the dielectric constant of a measured substance can be determined. That is, if the surface plasmon wave number is K _SP , the surface plasmon angular frequency is ω, the speed of light in vacuum is c, the dielectric constant of the metal and the substance to be measured are ε _m and ε _s , respectively, the following relationship is established.
[0008]
[Expression 1]

That is, by knowing the total reflection attenuation angle θ _SP that is the incident angle at which the reflected light intensity decreases, the dielectric constant ε _{s of the} substance to be measured, that is, the characteristics related to the refractive index can be obtained.
[0009]
In still a surface plasmon measuring apparatus of this type, the attenuated total reflection angle theta _SP accurately, yet for the purpose of measuring a large dynamic range, as shown in JP-A-11-326194, an array of light It is considered to use detection means. This light detection means is provided with a plurality of light receiving elements arranged in a predetermined direction, and arranged so that different light receiving elements receive light beam components totally reflected at various reflection angles at the interface. Is.
[0010]
In that case, there is provided differential means for differentiating the light detection signals output from the light receiving elements of the arrayed light detection means with respect to the arrangement direction of the light receiving elements, and based on the differential value output by the differential means. identify the ATR angle theta _SP Te, often determining characteristics relating to the refractive index of a measured substance.
[0011]
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 to be in contact with the sample liquid. 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.
[0012]
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 substance to be measured on the optical waveguide layer, knowing the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs, the refractive index of the substance to be measured and the measurement object related thereto The properties of the substance can be analyzed.
[0013]
In this leakage mode measuring apparatus, the above-mentioned array-shaped light detecting means can be used to detect the position of the dark line generated in the reflected light due to the total reflection attenuation, and the above-described differentiating means is applied in conjunction therewith. Often done.
[0014]
In addition, the surface plasmon measurement device and the leakage mode measurement device described above may be used for random screening to find a specific substance that binds to a desired sensing substance in the field of drug discovery research. In this case, the thin film layer A sensing substance is fixed on the sensing substance on the sensing substance (a metal film in the case of a surface plasmon measuring apparatus, a clad layer and an optical waveguide layer in the case of a leakage mode measuring apparatus), and various analytes are placed on the sensing substance. adding a sample solution obtained by dissolving in a solvent, and measuring the attenuated total reflection angle theta _SP described above every time a predetermined time elapses.
[0015]
If the analyte in the sample liquid binds to the sensing substance, the refractive index of the sensing substance changes with time due to this binding. Therefore, the attenuated total reflection angle theta _SP was measured every predetermined time, and it is determined whether or not a change in the attenuated total reflection angle theta _SP occurs, measure a binding state between a test substance and a sensing substance Based on the result, it can be determined whether or not the analyte is a specific substance that binds to the sensing substance. Examples of the combination of the specific substance and the sensing substance include an antigen and an antibody, or an antibody and an antibody. Specifically, rabbit anti-human IgG antibody can be immobilized on the surface of the thin film layer as a sensing substance, and human IgG antibody can be used as the specific substance.
[0016]
In order to measure a binding state between a test substance and a sensing substance, it is not always necessary to detect the angle itself of an attenuated total reflection angle theta _SP. For example, a sample solution was added to a sensing substance, by measuring the angle variation subsequent ATR angle theta _SP, it is also possible to measure a binding state based on the magnitude of the angle variation. In the case of applying the differentiating means and the above-described array-form light-detecting means to the measuring apparatus that utilizes attenuated total reflection, the change amount of the differential value reflects the amount of angular change attenuated total reflection angle theta _SP Therefore, the binding state between the sensing substance and the analyte can be measured based on the amount of change in the differential value. (See Japanese Patent Application No. 2001-297074 by the applicant)
In such a measurement method and apparatus using total reflection attenuation, a sample liquid consisting of a solvent and an analyte is placed on a cup-shaped or petri-shaped measurement chip in which a sensing substance is fixed on a thin film layer formed in advance on the bottom surface. the dropwise supply, and measured the amount of angular change attenuated total reflection angle theta _SP described above.
[0017]
In addition, the applicant of the present invention has a measuring device using total reflection attenuation that can measure a large number of samples in a short time by sequentially measuring a plurality of measuring chips mounted on a turntable or the like. This is proposed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-330560.
[0018]
In addition, in Japanese Patent Application No. 2002-068767, the present applicant has also proposed a measuring apparatus using total reflection attenuation that performs measurement using a measuring chip provided with a plurality of sample liquid holding units. By using the measuring apparatus having such a configuration, it is possible to simultaneously measure a large number of samples without moving the measuring chip.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the intensity of the light beam totally reflected at the interface is measured by a light detection means composed of a plurality of light receiving elements as described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-326194, and each light reception of this light detection means. In a measuring device that differentiates the light detection signal output from the element for each output of two adjacent light receiving elements and obtains the total reflection attenuation angle θ _SP based on the differential value, the differential value is from minimum (large) to maximum. position of the dark line corresponding to the zero crossing point of the curves as a (small), i.e. recognizes that ATR angle theta _SP. Therefore, the light detection means noise is superimposed on the light detection signal is output, the plurality of zero cross points in the differential signal occurs, exactly the problem that it is difficult to calculate the total reflection attenuation angle theta _SP It was.
[0020]
In view of the above circumstances, the present invention measures the intensity of a light beam by a plurality of light receiving elements, differentiates the light detection signal output from each light receiving element for each output of two adjacent light receiving elements, and generates dark lines. in the measurement device for detecting the position, and an object thereof is to provide a can accurately calculate the total reflection attenuation angle theta _SP measurement device.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
A measuring apparatus according to the present invention generates a light beam with a measuring chip comprising a dielectric block, a thin film layer formed on one surface of the dielectric block, and a sample holding mechanism for holding a sample on the surface of the thin film layer. A light source, an incident optical system that causes the light beam to enter the electrical block at an incident angle that provides a total reflection condition at the interface between the dielectric block and the thin film layer, and light having a different incident angle that is totally reflected at the interface Differentiating the light detection means composed of a plurality of light receiving elements for measuring the intensity of the beam and the light detection signal output from each light receiving element of the light detecting means with respect to the parallel arrangement direction of the light receiving elements for each output of two adjacent light receiving elements And a calculating unit that obtains the position of the dark line included in the reflected light at the interface based on a differential value obtained by the differentiating unit. Identify the light receiving element, determine whether the detection signal value of a predetermined number of light receiving elements increases monotonously in the direction away from both sides centering on this reference light receiving element, and determine the reference light receiving element when it is determined to increase monotonously The position of the dark line is obtained based on a differential value obtained by differentiating the outputs of a predetermined number of the sandwiched light receiving elements with respect to the parallel arrangement direction of the light receiving elements.
[0022]
Here, in the predetermined method, the light receiving element that outputs the minimum value of the light detection signal may be specified as the reference light receiving element among the light receiving elements.
[0023]
Further, the predetermined method specifies two light receiving elements whose differential values are closest to 0 as reference light receiving elements when differentiated with respect to the direction in which the light receiving elements are juxtaposed for each output of two adjacent light receiving elements. It is good. In this method, two light receiving elements are specified as reference light receiving elements. However, the above determination may be performed only on one of the light receiving elements, or the above determination may be performed on both light receiving elements. You may go.
[0024]
As the above-described measuring apparatus, the above-described surface plasmon measuring apparatus using a metal film as the thin film layer, a clad layer formed on one surface of a dielectric block, and an optical waveguide layer formed on the clad layer And the above-described leaky mode measuring device using the above-mentioned layer as the thin film layer.
[0025]
In the measurement apparatus as described above, in the waveform of the beam profile of the light detection signal detected by each light receiving element of the light detection signal, in addition to the valley caused by the dark line caused by the surface plasmon effect or the like, spike noise or the like There are cases where valleys are generated due to noise superposition, and when multiple valleys are formed in the beam profile, multiple zero cross points are generated in the differential signal, and the position of the dark line is accurately determined. It becomes difficult to calculate.
[0026]
The waveform of the valley caused by these noises forms a substantially steep narrow valley, while the waveform of the valley caused by a normally detected dark line has a certain width according to the optical system of the measuring apparatus. In the invention, the reference light receiving element is identified by the predetermined method from the beam profile detected by the light detecting means, and the detection signal value of a predetermined number of light receiving elements increases monotonously in a direction away from both sides centering on the reference light receiving element. Based on a differential value obtained by differentiating the outputs of a predetermined number of light receiving elements sandwiching the reference light receiving element when it is determined to monotonously increase with respect to the direction in which the light receiving elements are juxtaposed, that is, in the differential signal The area corresponding to the dark line is limited, and the position of the dark line is obtained based on the position of the zero crossing point therebetween, so that the position of the dark line can be accurately calculated.
[0027]
Note that the “predetermined number” described in the “predetermined number of light receiving elements in the direction away from both sides centering on the reference light receiving element” and the “predetermined number of light receiving elements sandwiching the reference light receiving element” are not necessarily the same. It is not necessary and may be a different number.
[0028]
In the measurement 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 detection means. For example, the light beam is subjected to the total reflection condition at the interface. Detecting the position (angle) of the dark line generated by the total reflection attenuation by measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface at each position corresponding to each incident angle. Sample analysis may be performed according to D. 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 sample analysis may be performed by detecting the degree of total reflection attenuation (the position and degree of the dark line) for each wavelength.
[0029]
【The invention's effect】
In a measuring apparatus that measures the intensity of a light beam by a plurality of light receiving elements, differentiates the light detection signal output from each light receiving element for each output of two adjacent light receiving elements, and detects the position of the dark line. The measuring apparatus of the invention specifies a reference light receiving element by a predetermined method as a calculation means, and determines whether or not a detection signal value of a predetermined number of light receiving elements monotonously increases in a direction away from both sides around the reference light receiving element. The output of a predetermined number of light receiving elements sandwiching the light receiving elements that have detected a valley in a dark line region having a certain width is differentiated with respect to the parallel arrangement direction of the light receiving elements. based on the differential value, since to obtain the position of the dark line, even when the occurrence of spike noise has multiple zero-cross point in the differential signal, accurately ATR angle theta _SP Patent It is possible to.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The measurement apparatus according to an embodiment of the present invention is a surface plasmon measurement apparatus that can simultaneously analyze a plurality of samples by allowing light beams to enter a plurality of dielectric blocks in parallel, and FIG. It is a top view which shows schematic structure of the surface plasmon measuring apparatus of this Embodiment, FIG. 2 shows the side surface shape of this surface plasmon measuring apparatus.
[0031]
The surface plasmon measuring device 101 is composed of a plurality of surface plasmon measuring units 101A, 101B, 101C.
[0032]
The configuration of each measurement unit will be described by omitting the symbols A, B, C,... Each measurement unit is reflected by the measurement chip 9, a laser light source 14 that is a light source that generates a light beam 13, an incident optical system 15 that makes the light beam 13 incident on the measurement chip 9, and the measurement chip 9. A collimator lens 16 that collimates the light beam 13 and emits the light beam 13 toward the light detector 17, a light detector 17 that receives the light beam 13 emitted from the collimator lens 16 and detects light intensity, A differential amplifier array (differentiating means) 18 connected to the detector 17, a driver 19 connected to the differential amplifier array 18, and a signal processing unit (calculating means) 20 including a computer system connected to the driver 19. It consists of.
[0033]
The measurement chip 9 is a dielectric having a shape in which a part including an apex angle where four ridges of a quadrangular pyramid gather is cut out and a concave portion 10c functioning as a sample holding mechanism for storing the sample liquid 11 is formed on the bottom surface of the quadrangular pyramid. The block 10 and a metal film 12 which is a thin film layer made of, for example, gold, silver, copper, aluminum, or the like, formed on the bottom surface of the concave portion 10c of the dielectric block 10. The dielectric block 10 can be formed of, for example, a transparent resin. A sensing medium 30 described later may be provided on the metal film 12. Further, as shown in FIG. 3, the dielectric block 10 of the measurement chip 9 may be configured integrally with the dielectric blocks of the measurement chips of a plurality of adjacent surface plasmon measurement units.
[0034]
The incident optical system 15 includes a collimator lens 15a that collimates the light beam 13 emitted from the laser light source 14, and a condensing lens 15b that converges the collimated light beam 13 toward the interface 10b. It is composed of
[0035]
Since the light beam 13 is condensed by the condenser lens 15b as described above, the light beam 13 includes components incident on the interface 10b at various incident angles θ. In addition, this incident angle (theta) shall be an angle more than a total reflection angle. For this reason, the light beam 13 totally reflected at the interface 10b includes components totally reflected at various reflection angles. The incident optical system 15 may be configured to allow the light beam 13 to be incident in a defocused state without condensing the light beam 13 on the interface 10b in the form of dots. By doing so, since the light beam 13 is totally reflected in a wider area on the interface 10b, the detection error of the total reflection attenuation state is averaged, and the measurement accuracy of the total reflection attenuation angle can be improved.
[0036]
The light beam 13 is incident on the interface 10b as p-polarized light. In order to do so, the laser light source 14 may be arranged in advance so that the polarization direction is the predetermined direction. In addition, in order to make the light beam 13 incident on the interface 10b as p-polarized light, the direction of polarization of the light beam 13 may be controlled by a wave plate.
[0037]
Further, the surface plasmon measuring apparatus 101 includes one display means 21 connected to the signal processing units 20A, 20B, 20C... Of each measuring unit.
[0038]
Hereinafter, sample analysis by the surface plasmon measuring apparatus having the above-described configuration will be described.
[0039]
As shown in FIG. 2, the light beam 13 emitted from the laser light source 14 is converged on the interface 10 b between the dielectric block 10 and the metal film 12 through the incident optical system 15.
[0040]
The light beam 13 converged on the interface 10 b and totally reflected by the interface 10 b is detected by the photodetector 17 through the collimator lens 16. The photodetector 17 is a photodiode array in which a plurality of photodiodes 17a, 17b, 17c,..., Which are a plurality of light receiving elements, are arranged in a line, and the arrangement direction of the photodiodes is substantially parallel to the paper surface of FIG. In this manner, the light beam 13 is collimated through the collimator lens 16 and is arranged so as to be substantially orthogonal to the propagation direction of the incident light beam 13. Therefore, different photodiodes 17a, 17b, 17c,... Receive the components of the light beam 13 totally reflected at various reflection angles at the interface 10b. The photodetector 17 outputs a signal indicating the intensity distribution of the light beam 13 detected by the photodiodes 17a, 17b, 17c... To the differential amplifier array 18 and the A / D converter 27. The A / D converter 27 performs A / D conversion on the signal output from each photodiode and outputs the signal to the signal processing unit 20.
[0041]
Component of the light beam 13 incident at a specific incidence angle theta _SP at the interface 10b, so excites the interface surface plasmons with substances in contact with the metal film 12 and the metal film 12, the reflected light intensity for the light Decreases sharply. That the specific incident angle theta _SP is attenuated total reflection angle, the reflected light intensity at the angle theta _SP indicates a minimum value. The region where the reflected light intensity decreases is observed as a dark line in the light beam 13 totally reflected by the interface 10b, as indicated by D in FIG.
[0042]
Next, processing of a signal indicating the intensity distribution of the light beam 13 output from the photodetector 17 will be described in detail.
[0043]
FIG. 4 is a block diagram showing an electrical configuration of the surface plasmon measuring apparatus. As shown in the drawing, the driver 19 samples and holds the outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c... Of the differential amplifier array 18, and the sample hold circuits 22a, 22b, 22c. The multiplexer 23 to which the outputs of... Are input, the A / D converter 24 that digitizes the output of the multiplexer 23 and inputs to the signal processing unit 20, the multiplexer 23 and the sample hold circuits 22a, 22b, 22c,. The driving circuit 25 and the controller 26 that controls the operation of the driving circuit 25 based on instructions from the signal processing unit 20 are configured.
[0044]
The outputs of the photodiodes 17a, 17b, 17c,... Are input to the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,. At this time, the outputs of two photodiodes adjacent to each other are input to a common differential amplifier. Therefore, the outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,... Can be considered to be obtained by differentiating the photodetection signals output from the plurality of photodiodes 17a, 17b, 17c,.
[0045]
The outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c... Are sampled and held at predetermined timings by the sample hold circuits 22a, 22b, 22c. The multiplexer 23 inputs the sampled and held outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c... To the A / D converter 24 in a predetermined order. The A / D converter 24 digitizes these outputs and inputs them to the signal processing unit 20.
[0046]
FIG. 5 illustrates the relationship between the light intensity for each incident angle θ of the light beam 13 totally reflected at the interface 10b and the output of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c. Here, it is assumed that the relationship between the incident angle θ of the light beam 13 on the interface 10b and the light intensity I of the reflected light beam 13 is as shown in FIG.
[0047]
5 (2) shows the direction in which the photodiodes 17a, 17b, 17c,... Are arranged side by side. As described above, the positions of the photodiodes 17a, 17b, 17c,. Corresponds uniquely to θ. Further, the intensities Ia, Ib, Ic,... Of the light beam 13 detected by the photodiodes 17a, 17b, 17c,... Are shown in FIG.
[0048]
Further, the relationship between the positions of the photodiodes 17a, 17b, 17c,..., That is, the incident angle θ, and the output I ′ (differential value of the reflected light intensity I) of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,. The result is as shown in FIG. In this example, since there are two regions where the intensity of the light detection signal is low as shown in FIG. 1A, two zero cross points occur in the differential value I ′ shown in FIG.
[0049]
Next, a dark line calculation process in the signal processing unit 20 of the surface plasmon measurement device of the present embodiment will be described. FIG. 6 is a flowchart showing the flow of dark line calculation processing. Various processing steps are indicated by symbols with a # mark in the figure, and are referred to in the following description.
[0050]
Before entering the description, terms (various values) used in this description will be defined. Each channel of the photodiode is described as Pdch. The signal detection value of the photodiode (Pdch) is described as Pd_val. A differential amplifier connected to two adjacent photodiodes (Pdch _n and Pdch _{n + 1} ), that is, a differential channel is described as Dfch. Further, the output voltage value (Pd_val _{n + 1} −Pd_val _n ) of the signal of the differential channel (Dfch) is described as Df_val.
[0051]
First, the dark line determination Pdch number m is set (# 1). Since the width of the dark line changes according to the arrangement of the optical system of the measurement apparatus, a value capable of appropriately detecting the dark line is set based on the width of the dark line generated in the measurement apparatus. In this embodiment, this determination Pdch number is set to 3.
[0052]
Next, as a reference light receiving element, a search is performed for Pdch _n in which Pd_val has detected a minimum value within the range of Pdch _{(1 + m)} to Pdch _(max−m) (# 2). The photodiode array 17 of the present embodiment is composed of 21ch photodiodes (Pdch) of the photodiodes 17a to 17u, and the determination Pdch number m is 3, so the above range is from the photodiode 17d to the photodiode 17r. It becomes.
[0053]
Next, whether or not the detection signal value of the light receiving element having the determination Pdch number m is monotonically increasing in the direction away from both sides with respect to the searched minimum value detection Pdch _n , that is, Pdch _n → Pdch _(nm) and Pdch _n → It is determined whether or not Pdch _{(n + m)} is monotonously increasing (# 3). If it is determined that Pdch _{(n + m)} is monotonously increasing, the Pdch _n is set as a reference light receiving element (# 5). On the other hand, if it is determined that it has not increased monotonously, the minimum value detection Pdch _n is searched again except for the searched Pdch (# 4), and the process proceeds to step # 3 again.
[0054]
In the description of the present embodiment, the minimum value detection Pdch _n within the range of the photodiode 17d to the photodiode 17r is the photodiode 17d, but the 3ch photodiode is separated in a direction away from both sides with respect to the photodiode 17d. When it is determined whether the detection signal value is monotonically increasing, that is, whether the photodiode 17d → the photodiode 17a and the photodiode 17d → the photodiode 17g is monotonically increasing, the photodiode 17d → the photodiode 17g is monotonically increasing. However, since the photodiode 17d → the photodiode 17a does not increase monotonously, the photodiode 17d is removed from the reference light receiving element candidates, and the minimum value detection Pd is performed again within the range of the photodiode 17d to the photodiode 17r. Search for ch _n .
[0055]
The Pdch _{n that} has detected the next minimum value after the photodiode 17d is the photodiode 17n. The detection signal value of the 3ch photodiode monotonously increases in the direction away from both sides with respect to the photodiode 17n. When it is determined whether the diode 17n → the photodiode 17k and the photodiode 17n → the photodiode 17q are monotonically increasing, since both are monotonically increasing, the photodiode 17n is set as the reference light receiving element.
[0056]
Then, a predetermined number of photodiodes sandwiching the specified photodiode 17n in the differential value I ′ (in this embodiment, the number is the same as the determination Pdch number m, but it is not necessarily the same number). Among the output regions from the differential amplifiers (Dfch) 18k to 18p corresponding to the output of the group, the one having the output closest to the differential value I ′ (Df_val) = 0 is selected, and those differential amplifiers output. based on the differential value to calculate the total reflection attenuation angle theta _SP. By doing so, even if there are a plurality of zero-cross points in the region where the intensity of the light detection signal is low, that is, the differential value I ′, the signal due to the true dark line is distinguished from other signals, and the total reflection is accurately performed. The attenuation angle θ _SP can be calculated.
[0057]
Even when pulse-like noise is superimposed only on the differential value I ′ output from the differential amplifier array 18, the photodiode group that has received the true dark line is identified by the same process as described above. By calculating the total reflection attenuation angle θ _SP from the signal in the output region of the differential amplifier group corresponding to the output of the specified photodiode group, the pulsed noise and the signal due to the dark line can be distinguished accurately. it can be calculated attenuated total reflection angle theta _SP.
[0058]
Thereafter, repeat the same operation as each time a predetermined time elapses, to calculate a ATR angle theta _SP, displays the angle variation from start of measurement on the display unit 21 determined.
[0059]
As described above, when the dielectric constant, that is, the refractive index of the substance in contact with the metal film 12 of the measurement chip changes, the total reflection attenuation angle θ _SP also changes accordingly. Therefore, the angle of this total reflection attenuation angle θ _SP By continuously measuring the amount of change over time, the refractive index change of the substance in contact with the metal film 12 can be examined.
[0060]
When a sensing medium 30 that binds to a specific substance in the sample liquid 11 is fixed on the metal film 12, the refractive index of the sensing medium 30 changes according to the coupling state between the sample liquid 11 and the sensing medium 30. Therefore, by continuously measuring the differential value I ′, it is possible to examine the state of change in the coupling state. That is, in this case, both the sample liquid 11 and the sensing medium 30 are samples to be analyzed. Examples of such a combination of the specific substance and the sensing medium 30 include an antigen and an antibody.
[0061]
In the present embodiment, the light receiving element that outputs the minimum value of the light detection signal is specified as the reference light receiving element among the light receiving elements. However, the present invention is not limited to such a mode. Absent.
[0062]
For example, the two light receiving elements whose differential values are closest to 0 may be specified as the reference light receiving elements when differentiated with respect to the juxtaposed direction of the light receiving elements for each output of two adjacent light receiving elements. In this method, two light receiving elements are specified as reference light receiving elements. However, the above determination may be performed only on one of the light receiving elements, or the above determination may be performed on both light receiving elements. You may go.
[0063]
The above-described surface plasmon measuring device can be a leakage mode measuring device by changing a part of the configuration. FIG. 7 is a side view of a measurement unit of a leaky mode measurement apparatus configured by changing a part of the surface plasmon measurement apparatus 101 described above. In FIG. 7, the same elements as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless particularly necessary.
[0064]
This leakage mode measuring device is also configured to use the measuring chip 9 as in the above-described surface plasmon measuring device. A clad layer 40 is formed on the bottom surface of the recess 10c formed on the upper surface of the measurement chip 9, and an optical waveguide layer 41 is further formed thereon. A thin film layer is formed by the cladding layer 40 and the optical waveguide layer 41.
[0065]
The dielectric block 10 is formed using optical glass, such as a synthetic resin and BK7, for example. On the other hand, the cladding layer 40 is formed in a thin film shape using a dielectric having a lower refractive index than the dielectric block 10 or a metal such as gold. The optical waveguide layer 41 is also formed into a thin film using a dielectric having a higher refractive index than that of the cladding layer 40, such as PMMA. The thickness of the cladding layer 40 is, for example, 36.5 nm when formed from a gold thin film, and the thickness of the optical waveguide layer 41 is, for example, about 700 nm when formed from PMMA.
[0066]
In the leakage mode measuring apparatus having the above configuration, when the light beam 13 emitted from the laser light source 14 is incident on the cladding layer 40 through the dielectric block 10 at an incident angle equal to or greater than the total reflection angle, The component is totally reflected at the interface 10b between the dielectric block 10 and the clad layer 40, but light having a specific wave number that is transmitted through the clad layer 40 and incident on the optical waveguide layer 41 at a specific incident angle passes through the optical waveguide layer 41. Propagated in guided mode. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light incident at the specific incident angle is taken into the optical waveguide layer 41, so that the intensity of the light incident on the interface 10b at the specific incident angle and totally reflected is sharp. Decreasing total reflection attenuation occurs.
[0067]
Since the wave number of the guided light in the optical waveguide layer 41 depends on the refractive index of the sample liquid 11 on the optical waveguide layer 41, the total reflection attenuation angle that is the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs is known. The refractive index of the liquid 11 and the characteristics of the sample liquid 11 associated therewith can be analyzed, and the same effect as in the above embodiment can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a surface plasmon measuring device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a side shape of the surface plasmon measuring device. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a measuring chip. FIG. 5 is a block diagram showing the electrical configuration of the surface plasmon measuring apparatus. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the incident angle of the light beam on the interface and the output of the differential amplifier. FIG. 7] Figure showing an example of a leak mode measurement device [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Measuring chip 10 Dielectric block 13 Light beam 14 Laser light source 15 Incident optical system 16 Collimator lens 17 Photo detector 18 Differential amplifier array 19 Driver 20 Signal processing part 21 Display means 101 Surface plasmon measuring device 101A, 101B, 101C ... Surface Plasmon measurement unit

Claims (3)

A measurement chip comprising a dielectric block, a thin film layer formed on one surface of the dielectric block, and a sample holding mechanism for holding a sample on the surface of the thin film layer;
A light source that generates a light beam;
An incident optical system that causes the light beam to be incident on the dielectric block at an incident angle at which a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the thin film layer;
A light detection means comprising a plurality of light receiving elements for measuring the intensity of the light beams having different incident angles totally reflected at the interface;
Differentiating means for differentiating the light detection signal output by each light receiving element of the light detecting means with respect to the direction in which the light receiving elements are arranged for each output of the two adjacent light receiving elements;
In a measuring apparatus comprising: an arithmetic unit that obtains a position of a dark line included in the reflected light at the interface based on a differential value by the differentiating unit;
The calculation means identifies a reference light receiving element by a predetermined method, determines whether or not a detection signal value of a predetermined number of light receiving elements increases monotonously in a direction away from both sides around the reference light receiving element, and increases monotonously Then, the position of the dark line is obtained based on a differential value obtained by differentiating the outputs of a predetermined number of light receiving elements sandwiching the reference light receiving element when it is determined with respect to the parallel arrangement direction of the light receiving elements. Measuring device. 2. The measuring apparatus according to claim 1, wherein the predetermined method is to identify, as the reference light receiving element, a light receiving element that outputs a minimum value of the light detection signal among the light receiving elements. When the predetermined method is differentiated with respect to the parallel arrangement direction of the light receiving elements for each output of the two adjacent light receiving elements, the two light receiving elements whose differential values are closest to 0 are specified as the reference light receiving elements. The measuring apparatus according to claim 1, wherein the measuring apparatus is one.

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