JP2006064514A - 測定ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 エバネッセント波を利用した測定装置に用いる測定ユニットにおいて、薄膜層上に試料を供給する流路を備え、かつ測定の際に必要な試料の量を低減させる。
【解決手段】 測定チップ10を、光ビームに対して透明であり、平滑な上面50ａに薄膜層としての金属膜55が形成された誘電体ブロック50と、この誘電体ブロック50の金属膜55上に密接される流路部材51と、誘電体ブロック50と係合して、流路部材51を誘電体ブロック50の上面50ａ上に保持する保持部材52とから構成し、流路部材51に、入口61から測定部に至る供給路、および測定部から出口65に至る排出路から構成される流路60を形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、試料等の測定対象物に接した薄膜層と誘電体ブロックとの界面で光ビームを全反射させてエバネッセント波を発生させ、それにより全反射した光ビームの強度に表れる変化を測定して試料の分析を行う測定装置に用いる測定ユニットに関するものである。

従来より、エバネッセント波を利用した測定装置の１つとして、表面プラズモンセンサーが知られている。金属中においては、自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。表面プラズモンセンサーは、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料の特性を分析するものであり、種々のタイプのセンサーが提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば特許文献１参照）。

上記の系を用いる表面プラズモンセンサーは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を検出する光検出手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて表面プラズモン共鳴の状態を測定する測定手段とを備えてなるものである。

なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを入射角を変化させて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。前者の場合は、入射した光ビームの入射角の変化に従って、反射角が変化する光ビームを、上記反射角の変化に同期して移動する小さな光検出器によって検出したり、反射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサーによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサーによって検出することができる。

上記構成の表面プラズモンセンサーにおいて、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角θ_ＳＰで入射させると、該金属膜に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。

なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。したがって、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。

この光強度の低下が生じる全反射角以上の特定入射角θ_ＳＰ（以後全反射減衰角θ_ＳＰと記載）より表面プラズモンの波数が解ると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫ_ＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、ε_ｍとε_ｓをそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。

試料の誘電率ε_ｓが分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料の屈折率等が分かるので、結局、全反射減衰角θ_ＳＰを知ることにより、試料の誘電率つまりは屈折率に関連する特性を求めることができる。

また、エバネッセント波を利用した類似のセンサーとして、漏洩モードセンサーも知られている（例えば非特許文献１参照）。この漏洩モードセンサーは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて導波モードの励起状態を測定する測定手段とを備えてなるものである。

上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の試料の屈折率に依存するので、全反射減衰角θ_ＳＰを知ることによって、試料の屈折率や、それに関連する試料の特性を分析することができる。

また、上述した表面プラズモンセンサーや漏洩モードセンサーは、創薬研究分野等において、所望のセンシング物質に結合する特定物質を見いだすランダムスクリーニングへ使用されることがあり、この場合には前記薄膜層（表面プラズモンセンサーの場合は金属膜であり、漏洩モードセンサーの場合はクラッド層および光導波層）上にセンシング物質を固定し、該センシング物質上に種々の被検体の溶液（液体試料）を添加し、所定時間が経過する毎に前述の全反射減衰角θ_ＳＰを測定している。液体試料中の被検体が、センシング物質と結合するものであれば、この結合によりセンシング物質の屈折率が時間経過に伴って変化する。したがって、所定時間経過毎に上記全反射減衰角θ_ＳＰを測定し、全反射減衰角θ_ＳＰに変化が生じているか否か測定することにより、被検体とセンシング物質の結合が行われているか否か、すなわち被検体がセンシング物質と結合する特定物質であるか否かを判定することができる。このような特定物質とセンシング物質との組み合わせとしては、例えば抗原と抗体あるいは抗体と抗体が挙げられ、そのようなものに関する具体的な測定としては、一例として、センシング物質をウサギ抗ヒトＩｇＧ抗体とし、被検体であるヒトＩｇＧ抗体との結合の有無検出とその定量分析を行う測定が挙げられる。

なお、液体試料中の被検体とセンシング物質の結合状態を測定するためには、必ずしも全反射減衰角θ_ＳＰの角度そのものを検出する必要はない。例えばセンシング物質に被検体が含まれた液体試料を添加し、その後の全反射減衰角θ_ＳＰの角度変化量を測定して、その角度変化量の大小に基づいて結合状態を測定することもできる。
特開平6−167443号公報 特開2000−065731号公報 「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）

一方、上記のようなセンサーとしては、センシング物質が固定された平板上の測定チップ上に流路機構を用いて、液体試料を連続的に供給して測定を行うものが知られている（例えば特許文献２参照）。この形態のセンサーを用いれば、センシング物質と特定物質との結合状態を測定する際に、常に新しい液体試料が測定チップ上に供給されるため、液体試料中の被検体の濃度が変化せず、結合状態の測定を精度良く行うことができる。また、センシング物質と特定物質の結合状態を測定したのち、結合が行われている場合には、この結合体が固定されている測定チップ上に、特定物質が含まれていない液体試料を流すことより、センシング物質と特定物質との解離状態を測定することができる。さらに、例えば試料として気体を用いる場合、あるいは気体が溶在している液体試料を用いる場合に、流路機構を用いて、容易に測定チップ上に試料を供給することができる。

さらに、近年、被検出反応の多様化に伴って、測定試料の溶媒にも様々なものが用いられるようになってきており、この中には例えば水等のように比較的蒸発しやすい溶媒も含まれ、この際の水の蒸発は測定試料の屈折率の変化を意味し、測定信号も変化してしまうために正確な測定が困難となる場合があるため、このような場合にも上記の流路機構を設けることにより、測定試料の蒸発を最低限に抑え信号の安定化を図ることが可能である。

このように流路機構を設けることにより種々の効果が得られるが、一方で測定チップ上
に試料を供給するために長い配管が必要となってしまい、多量の試料を準備しなければならないという欠点もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、エバネッセント波を利用した測定装置に用いる測定ユニットにおいて、薄膜層上に試料を供給する流路を備え、かつ測定の際に必要な試料の量を低減させることが可能な測定ユニットを提供することを目的とする。

本発明の測定ユニットは、光ビームに対して透明であり、平滑な一面に薄膜層が形成された誘電体ブロックと、誘電体ブロックの薄膜層上に密接される流路部材とからなり、流路部材が、流路部材上の入口から測定部に至る供給路、および測定部から流路部材上の出口に至る排出路から構成される流路を備えたものであることを特徴とするものである。

本発明の測定ユニットは、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う、所謂表面プラズモンセンサーに使用する測定ユニットとして構成してもよいし、薄膜層を誘電体ブロックの前記一面に形成されたクラッド層とクラッド層上に形成された光導波層からなるものとし、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う、所謂漏洩モードセンサーに使用する測定ユニットとして構成してもよい。

また、誘電体ブロックは、測定装置の光源から出射された光ビームを誘電体ブロックと薄膜層との界面に入射させるとともに、この界面で全反射した光ビームを測定装置の光検出手段に向けて出射させるプリズムを含まないプレート状のものでもいいし、プリズムと一体的に形成されたものでもよい。

また、流路部材は、弾性材料からなるものとすることが好ましく、この場合は、入口および／または出口にスリット部またはセプタムを備えたものとすることがさらに好ましい。ここでスリット部またはセプタムは、必ずしも入口および／または出口の端部にある必要はなく、入口および／または出口の近傍にあればよい。

また、誘電体ブロックと係合して、流路部材を誘電体ブロックの一面上に保持する保持部材をさらに備えていることが好ましく、この場合、保持部材は、流路部材の入口および出口が形成された面に密接する保持板部を備え、この保持板部は、流路部材の入口および出口と対向する位置に、流路部材に向けて狭くなるテーパー状の挿入孔を有するものとすることが好ましい。

また、入口および／または出口を密封して試料の蒸発を防止する蒸発防止部材をさらに備えていることが好ましい。この場合、蒸発防止部材は、入口および／または出口と対向する部分にスリットが形成された弾性材料からなるものとすることができる。また、保持部材と蒸発防止部材とは一体に形成してもよいし、接着部材により接着してもよい。

また、流路部材は、流路を複数備えたものとすることもできる。この場合、流路が直線状に配列されたものとしてもよいし、行列状に配列されたものとしてもよい。

なお、本発明の測定ユニットを用いて試料等の測定対象物についての測定を行う場合、すなわち測定対象物の屈折率情報を取得する場合には、例えば、薄膜層上に配される試料の屈折率自体を取得するものであってもよいし、あるいは薄膜層上に抗体等のセンシング物質を固定し、抗原抗体反応による屈折率の変化や変化の有無を取得するものであってもよい。

屈折率情報の取得方法は、誘電体ブロックと薄膜層との界面に対して種々の入射角度で入射させた光ビームの該界面での反射光を検出して、全反射減衰角もしくはその角度変化を検出することにより屈折率もしくは屈折率変化を取得するものであってもよいし、また、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屈折率もしくは屈折率変化を取得するものであってもよい。さらに、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干渉縞の変化を検出することにより屈折率の変化を取得するものであってもよい。

すなわち、測定対象物の屈折率情報とは、測定対象物の屈折率に応じて変化するものであればいかなるものでもよく、測定対象物の屈折率に応じて変化する全反射減衰角や全反射減衰を生じる光ビーム波長、測定対象物の屈折率変化に応じて変化する全反射減衰角の変化や全反射減衰を生じる光ビーム波長の変化あるいは干渉縞の変化等がその例である。

本発明の測定ユニットは、光ビームに対して透明であり、平滑な一面に薄膜層が形成された誘電体ブロックと、誘電体ブロックの薄膜層上に密接される流路部材とからなり、流路部材が、流路部材上の入口から測定部に至る供給路、および測定部から流路部材上の出口に至る排出路から構成される流路を備えたものとして、流路部材の入口からピペットチップ等の外部送液部品により直接液体試料を供給できるようにしたので、薄膜層上に試料を供給する流路機構を備えつつ、従来必要とされていた長い配管等が不要となり、少ない試料で測定を行うことが可能となる。

また、流路部材を、弾性材料からなるものとすることにより、流路部材を薄膜層上に確実に密接させることができるため、接触面からの液体試料の液漏れを防止することができる。また、この場合に、さらに入口および／または出口にスリット部またはセプタムを備えたものとすることにより、液体試料の蒸発を防止することができるため、この液体試料の蒸発による試料の屈折率変化を防止して、測定信号の安定化を図ることが可能となる。

また、誘電体ブロックと係合して、流路部材を誘電体ブロックの一面上に保持する保持部材をさらに備えることにより、搬送時等に誘電体ブロックと流路部材とが離別することを防止できるため、取扱性を向上させることができる。また、この場合、保持部材は、流路部材の入口および出口が形成された面に密接する保持板部を備え、この保持板部は、流路部材の入口および出口と対向する位置に、流路部材に向けて狭くなるテーパー状の挿入孔を有するものとすることにより、ピペットやシリンジ等の外部送液部品を流路部材の入口または出口へ容易に挿入させることができる。

また、入口および／または出口を密封して試料の蒸発を防止する蒸発防止部材をさらに備えることにより、液体試料が蒸発することによる試料の屈折率変化を防止することができるため、測定信号の安定化を図ることが可能となる。この場合、蒸発防止部材を、入口および／または出口と対向する部分にスリットが形成された弾性材料からなるものとすることにより、簡易な構造で蒸発防止部材を作成することができる。

また、保持部材と蒸発防止部材とを一体に形成した場合には、部品点数を削減することができるため、測定ユニットの製作性を向上させることができる。

また、保持部材と蒸発防止部材とを接着部材により接着した場合には、両者をそれぞれ異なる材料で形成することができる。

また、流路部材を、複数の流路を備えたものとすることにより、一つの測定ユニットで複数の試料の測定を並列的に行わせることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態による測定ユニットの斜視図、図２は上記測定ユニットの分解斜視図、図３は上記測定ユニットの上面図、図４は図３中のIV−IV線断面図である。

測定ユニット10は、光ビームに対して透明であり、平滑な上面50ａに薄膜層としての金属膜55が形成された誘電体ブロック50と、この誘電体ブロック50の金属膜55上に密接される流路部材51と、誘電体ブロック50と係合して、流路部材51を誘電体ブロック50の上面50ａ上に保持する保持部材52とから構成される。

誘電体ブロック50は、例えば透明樹脂等からなるものであり、長手方向に直交する断面が上底よりも下底の方が短い台形状の本体を有し、この本体の長手方向の両端部に上面（もしくは下面）方向から見たときの幅が本体よりも薄く形成された保持部50ｂが形成されたもので、後述の測定装置の光源から出射された光ビームを誘電体ブロック50と金属膜55との界面に入射させるとともに、この界面で全反射した光ビームを測定装置の光検出手段に向けて出射させるプリズム部が一体的に形成されたものである。本体の長手方向の両側面には後述の保持部材52に形成された係合孔52ｃに係合させるための係合凸部50ｃと側面が垂直に形成された垂直凸部50ｄとが両側面で各々互いに対向するように形成されており、底面には長手方向に平行に延びる摺動溝50ｅが形成されている。

流路部材51は、入口61から測定部63に至る供給路62、および測定部63から出口65に至る排出路64から構成される流路60が、流路部材51の長手方向に渡って複数形成されており、この複数の流路60は直線状に配置されている。

図４に示すように、流路部材51の下部部分には、供給路62の出口と排出路64の入口が開口され、また流路部材51の下面に位置する金属膜55の表面と接する領域に、この供給路62の出口と排出路64の入口を囲むシール部51ａが形成されており、このシール部51ａの内側が測定部63となる。このため、流路部材51を誘電体ブロック50の金属膜55上に密接させた場合に、このシール部51ａ内の測定部63が流路として機能するようになる。なお、シール部51ａは、流路部材51の上部部分と一体形成されたものであってもよいし、上部部分とは異なる素材により形成され、後付されたものであってもよく、例えばＯリング等を流路部材51の下部部分に取り付けたものであってもよい。

本発明の測定ユニットを使用する表面プラズモンセンサー等の測定装置では、蛋白質を含む液体試料が使用されることが想定されるが、流路60内で液体試料中の蛋白質が固着してしまうと測定を正確に行うことが困難となってしまうため、流路部材51の材料としては蛋白質に対する非特異吸着性を有しないことが好ましく、具体的にはシリコン、ポリプロピレン等を用いるとよい。また、流路部材51をこのような弾性材料からなるものとすることにより、流路部材51を金属膜55上に確実に密接させることができるため、接触面からの液体試料の液漏れを防止することができる。

保持部材52は、ポリプロピレン等の弾性材料からなり、長手方向と直交する方向の断面が略冂字形状をしており、保持部材52の上板（保持板部）の流路部材51の入口61および出口65と対向する位置には流路部材51に向けて狭くなるテーパー状のピペット挿入孔52ａが形成されており、保持部材52の上面の各ピペット挿入孔52ａの中間、および両端のピペット挿入孔52ａのさらに外側には位置決め用のボス52ｂが形成されている。

また、この保持部材52の上面には、蒸発防止部材54が両面テープ（接着部材）53により貼付されている。図２に示すように、両面テープ53のピペット挿入孔52ａと対向する位置にはピペット挿入用の孔53ａが形成され、ボス52ｂと対向する位置には位置決め用の孔53ｂが形成されており、同様に、蒸発防止部材54のピペット挿入孔52ａと対向する位置にはスリット54ａが形成され、ボス52ｂと対向する位置には位置決め用の孔54ｂが形成されており、ボス52ｂに両面テープ53の孔53ｂおよび蒸発防止部材54の孔54ｂを挿通した状態で、蒸発防止部材54を保持部材52の上面に貼付することにより、蒸発防止部材54のスリット54ａと流路部材51の入口61および出口65とが対向するように構成される。この蒸発防止部材54は、スリット54ａからピペットを挿入できるように弾性を有する材料である必要があり、具体的にはシリコンまたはポリプロピレン等を用いるとよい。なお、上記の保持部材52と蒸発防止部材54とは一体的に形成してもよく、これに加えてさらに流路部材51も一体的に形成してもよい。

さらに、保持部材52の長手方向側板には、誘電体ブロック50に形成された係合凸部50ｃに係合させるための係合孔52ｃが形成されており、この係合孔52ｃを係合凸部50ｃに係合させて保持部材52と誘電体ブロック50とを係合させた状態で、流路部材51が保持部材52と誘電体ブロック50とに挟持され、流路部材51が誘電体ブロック50の上面50ａ上に保持されるように構成されている。

図４に示すように、流路部材51が保持部材52と誘電体ブロック50とに挟持された状態では、流路部材51の入口61および出口65は、蒸発防止部材54のスリット54ａにより外気から遮断され、流路60内に注入された液体試料の蒸発を防止するように構成されている。

次いで、上記測定ユニット10を用いた表面プラズモンセンサーを説明する。図５はこの表面プラズモンセンサーの概略構成を示す平面図、図６は上記表面プラズモンセンサーの測定系の平面図、図７は図６中のVII−VII線断面図、図８は上記表面プラズモンセンサーの測定系の側面図である。なお、図８においては、測定ユニット10の保持部材52（両面テープ53および蒸発防止部材54を含む）を省略して示している。

この表面プラズモンセンサー１は、図５に示すように測定ユニット10に設けられた複数の流路60毎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センサーであり、同様の構成の複数の表面プラズモン測定系１Ａ、１Ｂ…により構成されている。各測定系の構成について、個別の要素を表す符号であるＡ、Ｂ…の符号は省略して説明する。

図６および図７に示すように、各測定系は、１本の光ビーム13を発生させる半導体レーザ等からなる光源14（以下、レーザ光源14という）と、上記光ビーム13を測定ユニット10に通し、流路60の下の誘電体ブロック50と金属膜55との２箇所の界面50ｄおよび50ｅに対して、種々の入射角が得られるように並列的に入射させる光学系15と、上記界面50ｄおよび50ｅで全反射した光ビーム13を各々平行光化する２つのコリメーターレンズ16と、この平行光化された光ビーム13を各々検出する２つのフォトダイオードアレイ17と、２つのフォトダイオードアレイ17に接続された差動アンプアレイ18と、ドライバ19と、コンピュータシステム等からなる信号処理部20と、この信号処理部20に接続された表示部21とを備えている。

入射光学系15は、レーザ光源14から発散光状態で出射した光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ15ａと、該平行光化された光ビーム13を分光するハーフミラー15ｃと、ハーフミラー15ｃにより反射された光ビーム13を測定ユニット10方向に反射させるミラー15ｄと、ハーフミラー15ｃを透過した光ビーム13、およびミラー15ｄにより反射された光ビーム13を上記界面50ｄおよび50ｅ上で各々収束させる２つの集光レンズ15ｂとから構成されている。

光ビーム13は、上述のように集光されるので、界面50ｄおよび50ｅに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム13は界面50ｄおよび50ｅで全反射し、この反射した光ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。なお、上記光学系15は、光ビーム13を界面50ｄおよび50ｅにデフォーカス状態で入射させるように構成されてもよい。そのようにすれば、表面プラズモン共鳴の状態検出の誤差が平均化されて、測定精度が高められる。

なお光ビーム13は、界面50ｄおよび50ｅに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ光源14をその偏光方向が所定方向となるように配設すればよい。その他、波長板で光ビーム13の偏光の向きを制御してもよい。

図７に示すように、本実施の形態において、測定ユニット10の各流路60の測定部63には２箇所の界面50ｄおよび50ｅに対して光ビーム13が並列的に入射されるが、この内界面50ｄ上の金属膜55上には何も固定せず、界面50ｅ上の金属膜55上にはセンシング物質73を固定するが、このセンシング物質73については後述する。

以下、上記構成の表面プラズモンセンサー１による試料分析について説明する。測定に先立ち、恒温室２からチップ保持部11上の測定位置へ向けて測定ユニット10が移動される。チップ保持部11には誘電体ブロック50に形成された摺動溝50ｅと係合するレール11ａが形成されており、測定ユニット10を移動させる際に高い位置精度を確保することができるようになっている。さらに、測定ユニット10がチップ保持部11上に載置された後、誘電体ブロック50に形成された垂直凸部50ｄが不図示の固定機構により挟持されてチップ保持部11上の測定位置に固定される。その後、図７に示すように流路部材51の入口61に液体試料供給用ピペットチップ70を挿入し、出口65に液体試料吸入用ピペットチップ71を挿入し、液体試料供給用ピペットチップ70から液体試料72を流路60の測定部63に供給した後、測定を開始する。

図８に示す通り、レーザ光源14から発散光状態で出射した光ビーム13は、光学系15の作用により、測定部63の下の誘電体ブロック50と金属膜55との界面50ｄおよび50ｅ上で収束する。この際、光ビーム13は、界面50ｄおよび50ｅに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム13は界面50ｄおよび50ｅで全反射し、この反射した光ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。

界面50ｄおよび50ｅで全反射した後、２つのコリメーターレンズ16によって各々平行光化された２本の光ビーム13は、２つのフォトダイオードアレイ17により各々検出される。本例におけるフォトダイオードアレイ17は、複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなり、図８の図示面内において、平行光化された光ビーム13の進行方向に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向きに配設されている。したがって、上記界面50ｄおよび50ｅにおいて種々の反射角で全反射した光ビーム13の各成分を、それぞれ異なるフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が受光することになる。

図９は、この表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドライバ19は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、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。なお、差動アンプアレイ18、ドライバ19、信号処理部20は、２つのフォトダイオードアレイ17からの入力に対して、同様の処理を並列的に行うように構成されている。

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。

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。

図１０は、界面50ｄ（または50ｅ）で全反射した光ビーム13の入射角θ毎の光強度と、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力との関係を説明するものである。ここで、光ビーム13の界面50ｄ（または50ｅ）への入射角θと上記光強度Ｉとの関係は、同図（１）のグラフに示すようなものであるとする。

界面50ｄ（または50ｅ）にある特定の入射角θ_ＳＰで入射した光は、金属膜55と液体試料72との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。つまりθ_ＳＰが全反射減衰角であり、この角度θ_ＳＰにおいて反射光強度Ｉは最小値を取る。この反射光強度Ｉの低下は、図８にＤで示すように、反射光中の暗線として観察される。

また図１０の（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。

そしてフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力Ｉ´（反射光強度Ｉの微分値）との関係は、同図（３）に示すようなものとなる。

信号処理部20は、Ａ／Ｄ変換器24から入力された微分値Ｉ´の値に基づいて、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の中から、全反射減衰角θ_ＳＰに対応する微分値Ｉ´＝０に最も近い出力が得られているもの（図１０の例では差動アンプ18ｄとなる）を選択し、それが出力する微分値Ｉ´に所定の補正処理を施してから、その値を表示部21に表示させる。なお、場合によっては微分値Ｉ´＝０を出力している差動アンプが存在することもあり、そのときは当然その差動アンプが選択される。

以後、所定時間が経過する毎に上記選択された差動アンプ18ｄが出力する微分値Ｉ´が、所定の補正処理を受けてから表示部21に表示される。この微分値Ｉ´は、測定チップの金属膜55に接している物質の誘電率つまりは屈折率が変化し、全反射減衰角θ_ＳＰが変化して、図１０（１）に示す曲線が左右方向に移動する形で変化すると、それに応じて上下する。したがって、この微分値Ｉ´を時間の経過とともに測定し続けることにより、金属膜55に接している液体試料72（またはセンシング物質73）の屈折率変化を調べることができる。

特に本実施形態では液体試料72に含まれる被検体が、センシング物質73と結合する特定物質であれば、センシング物質73と被検体との結合状態に応じてセンシング物質73の屈折率が変化するので、上記微分値Ｉ´を測定し続けることにより、被検体がセンシング物質73と結合する特定物質であるか否かを検出することができる。

また、本実施の形態においては、金属膜55上にセンシング物質73が固定されていない領域と、センシング物質73が固定された領域を有し、リファレンスの測定とセンシング物質73と被検体との結合状態の測定を同時に行っているため、２つの領域における測定値の差を求めることにより、液体試料の温度変化等の影響で生じる測定誤差を相殺した測定結果を得ることができる。

なお、ここではリファレンスの測定面として金属膜55を例示しているが、液体試料72中の被測定物質と結合しない機能を有している方が好ましい。そのような測定面としては、例えばアルキルチオール、アミノアルコールまたはアミノエーテル等をリファレンスの測定面に固定し、被検体の測定面にセンシング物質として抗体を固定する構造にしてもよい。

なお、本実施の形態は、上述したように、リファレンスの測定とセンシング物質73と被検体との結合状態の測定に使用方法が限定されるものではない。また、別の流路により形成される測定面をリファレンスの測定に用いる態様や、リファレンスの測定を行わない態様も可能である。

また、測定装置については、複数の表面プラズモン測定系により測定ユニットに設けられた全ての流路に対して同時に測定を行う態様に限定されるものではなく、一つの表面プラズモン測定系のみを備え、測定ユニットの位置を測定系に対して相対的に移動させることによって測定ユニットに設けられた複数の流路の測定を順次行う態様としてもよい。

次に、図１１を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。なおこの図１１において、図８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。この第２の実施の形態の測定ユニットは漏洩モードセンサーに対応したものであり、測定系は第１の実施の形態の表面プラズモンセンサーと同じ構成である。

この測定ユニット10´の誘電体ブロック50の一面（図中の上面）には薄膜層としてのクラッド層56および光導波層57が順に積層されている。誘電体ブロック50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56は、誘電体ブロック50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57は、クラッド層56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56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57の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で700ｎｍ程度とされる。

上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、レーザ光源14から出射した光ビーム13を誘電体ブロック50を通してクラッド層56に対して全反射角以上の入射角で入射させると、光ビーム13が誘電体ブロック50とクラッド層56との界面50ｄおよび50ｅで全反射するが、クラッド層56を透過して光導波層57に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層57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57に取り込まれるので、上記界面50ｄおよび50ｅ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。

光導波層57における導波光の波数は、該光導波層57の上の液体試料72もしくはセンシング物質73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、液体試料72もしくはセンシング物質73の屈折率を知ることができる。また、差動アンプアレイ18の各差動アンプが出力する微分値Ｉ´に基づいてセンシング物質73と液体試料72の中の被検体との結合状態の変化の様子を調べることができる。

上記第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

次に図１２を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、この図１２において、図８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。この第３の実施の形態の測定ユニットは第１の実施の形態と同様であるが、測定系については第１の実施の形態の表面プラズモンセンサーと比べ測定方法を変更したものである。

図１２は、本実施の形態の表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものであり、本表面プラズモンセンサーの測定位置には、レーザ光源120 とＣＣＤ121 が配設されており、レーザ光源120 とＣＣＤ121 との間には、コリメータレンズ122 、干渉光学系123 、集光レンズ124 およびアパーチャー125 が配設されている。なお、これらは測定ユニット10の界面50ｄおよび50ｅに対して並列的に測定可能なように、各々２つずつ設けられている。

上記干渉光学系123 は、偏光フィルタ131 、ハーフミラー132 、ハーフミラー133 およびミラー134 により構成されている。さらに、ＣＣＤ121 は測定手段135 に接続されており、測定手段135 は表示部21に接続されている。

以下、本実施の形態の表面プラズモンセンサーにおける測定動作について説明する。レーザ光源120 が駆動されて光ビーム140 が発散光の状態で出射される。この光ビーム140 はコリメータレンズ122 により平行光化されて偏光フィルタ131 に入射する。偏光フィルタ131 を透過して界面50ｄおよび50ｅに対してｐ偏光で入射するようにされた光ビーム140 は、ハーフミラー132 により一部がレファレンス光ビーム140Rとして分割され、ハーフミラー132 を透過した残りの光ビーム140Sは界面50ｄおよび50ｅに入射する。界面50ｄおよび50ｅで全反射した光ビーム140Sおよびミラー134 で反射したレファレンス光ビーム140Rはハーフミラー133 に入射して合成される。合成された光ビーム140'は集光レンズ124 により集光され、アパーチャー125 を通過してＣＣＤ121 によって検出される。このとき、ＣＣＤ121 で検出される光ビーム140'は、光ビーム140Sとレファレンス光ビーム140Rとの干渉の状態に応じて干渉縞を発生させる。

ここで、液体試料72中の被検体が金属膜55の表面に固定されているセンシング物質73と結合するか否かを、液体試料72を流路60内へ供給後、継続的に測定を行い、ＣＣＤ121 により検出される干渉縞の変化を検出することにより、判定することができる。

すなわち、上記液体試料72中の被検体とセンシング物質73との結合状態に応じてセンシング物質73の屈折率が変化するため、界面50ｄおよび50ｅで全反射した光ビーム140Sおよびレファレンス光ビーム140Rがハーフミラー133 により合成される際に、干渉の状態が変化するため、上記干渉縞の変化に応じて結合反応の有無を検出することができる。測定手段135 は、以上の原理に基づいて上記反応の有無を検出し、その結果が表示部21に表示される。

上記第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上記第１から第３の実施の形態において、測定ユニット10の流路部材51は、複数の流路60を直線状に配置したものとしたが、勿論流路60を一つのみ配置したもの、または複数の流路60を行列状に配置したものとしてもよい。

また、流路部材51´に形成された流路60の入口61および出口65には、測定ユニットの長手方向の部分側面図である図１３（ａ）およびこの測定ユニットの上面図である図１３（ｂ）に示すようなスリット部51ｂを形成してもよいし、測定ユニットの長手方向の部分側面図である図１４（ａ）およびこの測定ユニットの上面図である図１４（ｂ）に示すようなセプタム51ｃを形成してもよい。このようなスリット部51ｂもしくはセプタム51ｃを形成することによって、液体試料の蒸発を防止することができるため、この液体試料の蒸発による試料の屈折率変化を防止して、測定信号の安定化を図ることが可能となる。

また、測定ユニットの長手方向と直交する方向の断面図である図１５に示すように、誘電体ブロック50´と、測定装置の光源から出射された光ビームを誘電体ブロック50´と金属膜55との界面に入射させるとともに、この界面で全反射した光ビームを測定装置の光検出手段に向けて出射させる半円柱状のプリズム81とが別体に形成された態様としてもよい。この場合は、マッチングオイル80を介して誘電体ブロック50´とプリズム81が結合される。なお、プリズム81の形状については上記以外にも三角柱状や四角柱状等、測定装置の光学系に応じて種々の形状のものを使用することができる。

本発明の第１の実施の形態による測定ユニットの斜視図 上記測定ユニットの分解斜視図 上記測定ユニットの上面図 図３中のIV−IV線断面図 本発明の第１の実施の形態による測定ユニットを用いた表面プラズモンセンサーの概略構成を示す平面図 上記表面プラズモンセンサーの測定系の平面図 図６中のVII−VII線断面図 上記表面プラズモンセンサーの測定系の側面図 上記表面プラズモンセンサーの測定系の電気的構成を示すブロック図 上記表面プラズモンセンサーの測定系における光ビーム入射角と検出光強度との関係、並びに光ビーム入射角と光強度検出信号の微分値との関係を示す概略図 本発明の第２の実施の形態による測定ユニットを用いた漏洩モードセンサーの測定系の側面図 本発明の第３の実施の形態による測定ユニットを用いた表面プラズモンセンサーの測定系の側面図 本発明の他の実施の形態の測定ユニットの長手方向の部分断面図（ａ）、および上面図（ｂ） 本発明のさらに他の実施の形態の測定ユニットの長手方向の部分断面図（ａ）、および上面図（ｂ） 本発明のさらに他の実施の形態の測定ユニットの長手方向と直交する方向の断面図

符号の説明

10 測定ユニット
13 光ビーム
14 レーザ光源
15 光学系
16 コリメーターレンズ
17 フォトダイオードアレイ
17ａ、17ｂ、17ｃ…… フォトダイオード
18 差動アンプアレイ
18ａ、18ｂ、18ｃ…… 差動アンプ
19 ドライバ
20 信号処理部
21 表示部
22ａ、22ｂ、22ｃ…… サンプルホールド回路
23 マルチプレクサ
24 Ａ／Ｄ変換器
25 駆動回路
26 コントローラ
50 誘電体ブロック
51 流路部材
52 保持部材
53 両面テープ
54 蒸発防止部材
55 金属膜
56 クラッド層
57 光動波層
60 流路
61 入口
62 供給路
63 測定部
64 排出路
65 出口
70、71 ピペット
72 液体試料
73 センシング物質
80 マッチングオイル
81 プリズム
120 レーザ光源
121 ＣＣＤ
122 コリメータレンズ
123 干渉光学系
124 集光レンズ
125 アパーチャー
134 ミラー
135 測定手段
140 光ビーム

Claims (12)

1. 光ビームに対して透明であり、平滑な一面に薄膜層が形成された誘電体ブロックと、
   該誘電体ブロックの前記薄膜層上に密接される流路部材とからなり、
   該流路部材が、該流路部材上の入口から測定部に至る供給路、および前記測定部から前記流路部材上の出口に至る排出路から構成される流路を備えたものであることを特徴とする測定ユニット。
2. 前記流路部材が、弾性材料からなるものであることを特徴とする請求項１記載の測定ユニット。
3. 前記流路部材が、前記入口および／または前記出口にスリット部またはセプタムを備えたものであることを特徴とする請求項２記載の測定ユニット。
4. 前記誘電体ブロックと係合して、前記流路部材を前記誘電体ブロックの前記一面上に保持する保持部材を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の測定ユニット。
5. 前記保持部材が、前記流路部材の前記入口および前記出口が形成された面に密接する保持板部を備え、
   該保持板部が、前記入口および前記出口と対向する位置に、前記流路部材に向けて狭くなるテーパー状の挿入孔を有するものであることを特徴とする請求項４記載の測定ユニット。
6. 前記入口および／または前記出口を密封して試料の蒸発を防止する蒸発防止部材を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の測定ユニット。
7. 前記蒸発防止部材が、前記入口および／または前記出口と対向する部分にスリットが形成された弾性材料からなるものであることを特徴とする請求項６記載の測定ユニット。
8. 前記保持部材と前記蒸発防止部材とが一体に形成されていることを特徴とする請求項６または７記載の測定ユニット。
9. 前記保持部材と前記蒸発防止部材とが接着部材により接着されていることを特徴とする請求項６または７記載の測定ユニット。
10. 前記流路部材が、前記流路を複数備えたものであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の測定ユニット。
11. 前記流路が直線状に配列されていることを特徴とする請求項１０記載の測定ユニット。
12. 前記流路が行列状に配列されていることを特徴とする請求項１０記載の測定ユニット。

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