JP2006201163A

JP2006201163A - 表面プラズモン共鳴を利用した携帯用バイオチップスキャナ

Info

Publication number: JP2006201163A
Application number: JP2006002940A
Authority: JP
Inventors: Gyeong-Sik Ok; 景植玉; Soshaku Ba; 壯錫馬
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2006-08-03
Also published as: KR100668323B1; KR20060084499A; EP1684063A1; US20060187459A1

Abstract

【課題】回転するプリズムディスク及びマイクロスキャニングミラーを採用することによって多チャンネル測定が可能な小型の携帯用バイオチップスキャナを提供する。
【解決手段】回転自在のディスク形状の表面プラズモン共鳴ユニット４４と、所定の角度範囲内で表面プラズモン共鳴ユニットに光が入射されるように光を走査し、表面プラズモン共鳴ユニットから全反射された光を検出する光ヘッド５０と、を備え、光ヘッドは、ディスク形状の表面プラズモン共鳴ユニットの半径方向に沿って移動する。
【選択図】図６

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴を利用した携帯用バイオチップスキャナに係り、より詳細には、回転するプリズムディスク及びマイクロスキャニングミラーを採用することによって多チャンネル測定が可能な小型の携帯用バイオチップスキャナに関する。

これまで生体試料を分析する方法としては、蛍光分析方法が主に使われた。蛍光分析方法は、固有の反応波長を持つ相異なる蛍光染料でそれぞれの生体分子を染色した後、いろいろな生体分子が混合された全体試料に光を照射して試料から放出される光のスペクトルから試料の成分などを分析する方法である。しかし、このような蛍光分析方法は、試料の染色過程が複雑であり、かつ蛍光染料の値段が非常に高いという問題があった。

これにより、蛍光染料なしに生体分子を検出する方法が提案されたが、そのうち一つが、表面プラズモン共鳴を利用する方法である。

表面プラズモンとは、金属薄膜と誘電体との境界面に沿って進行する表面電磁気波の一種であり、表面プラズモン共鳴現象は、金属薄膜の表面で発生する電子の集団的な振動により発生することが知られている。表面プラズモン共鳴を引き起こすための光学的な方法には、屈折率の相異なる二つの媒質の境界面に金属薄膜を積層し、前記境界面に全反射角より大きい角で光を入射させる方法がある。この時、全反射が起きる場合、二つの媒質の境界面で屈折率の低い媒質側に非常に短い有効距離を持つ消散波が発生するが、金属薄膜の厚さは、この消散波の有効距離より小さい必要がある。例えば、前記金属薄膜の厚さは約５０ｎｍ以下であることが好ましい。

図１は、このような表面プラズモン共鳴を引き起こすための構造を図示している。図１を参照すれば、プリズム１０の底面に金属薄膜１１が蒸着されており、前記金属薄膜１１には誘電体１２が積層されている。もし、プリズム１０の底面に前記金属薄膜１１及び誘電体１２がなければ、プリズム１０の底面に入射する光の入射角による反射率の変化は図２Ａの通りであるだろう。すなわち、臨界角以上になれば底面に透過される光はなくなり、あらゆる入射光が反射される。しかし、図１のようにプリズム１０の底面に金属薄膜１１及び誘電体１２が存在する場合、全反射角を過ぎて入射する光子は、特定の角で金属薄膜１１と誘電体１２との境界面で全部吸収される。これを表面プラズモンが励起されたという。図２Ｂは、表面プラズモン共鳴が起きる場合の反射率グラフである。図２Ｂに示すように、全反射角を超える特定の角度で表面プラズモン共鳴現象により反射率がゼロになることが分かる。

ところが、表面プラズモン共鳴が起きる角度は、金属薄膜１１に積層された誘電体１２の屈折率によって変わる。これを利用すれば、特定種類の生体物質を検出することができる。例えば、特定の種類の生体分子のみに結合するプローブ分子を誘電体１２として金属薄膜１１に付着し、いろいろな生体分子が混合された流体試料を前記誘電体１２に流す。この時、前記プローブ分子からなる誘電体１２に特定の生体分子１３が結合されれば、全体的な屈折率が変わりつつ、図２Ｂに示すように反射率曲線がＡからＢに移動する。したがって、プリズム１０の底面に光を入射させつつ反射率を測定すれば、いかなる種類の生体分子が流体試料内に存在しているかが分かる。

図３ないし図５は、このような表面プラズモン共鳴現象を利用した従来の生体分子検出装置の構造を概略的に図示している。

まず、図３に図示された装置は、特許文献１に開示されたものであり、所定範囲の入射角を持つ光をプリズム１５に入射させ、色々な角度による反射率をＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）のような２次元検出器１６で一度に測定する検出装置である。ここで、上方に図示されたものは側断面図であり、下方に図示されたものは平面図である。下方に図示された平面図から分かるように、複数の光を入射させて同時に複数チャンネルのサンプルに対して測定することができる。しかし、図３に図示された検出装置の場合、検出に必要な高い精密度を持つ大面積ＣＣＤが非常に高コストの部品であるため、製造コストが上昇し、光路が長くて小型に製造するのに適していない。また、一度に検出できるチャンネルの数には限界がある。

図４Ａに図示された検出装置２５は特許文献２に開示されたものであり、光源２０から所定の角度で発散する光を第１反射面２１で全反射させ、これを再び第２反射面２２を通じて２次元検出器または検出器アレイ２３に反射させる構造である。この時、流体試料は第１反射面２１の外面に沿って流れる。図４Ａの検出装置２５は、非常に小型に製作できるが、一回に一チャンネルしか検出できないという問題がある。図４Ｂに示すように、二つの検出装置２５ａ、２５ｂを並列に連結して２チャンネルの検出ができる。しかし、このような方式で増加させうるチャンネルの数には限界がある。また、角度分解能が検出器２３と試料との距離（すなわち、検出器２３と第１反射面２１との距離）に比例するために、小型に製造するために検出器２３と試料との距離を短くするほど角度分解能が低くなる。

一方、図５に図示された検出装置３０は、フォーカシングされた光ビームを、スキャナ３１を利用して所定の角度範囲内でプリズム３２ａに走査し、プリズム３２ａと試料３２ｂとの境界面で全反射された光ビームの強度を検出器３３で測定して反射率を求めるように設計されている。前記検出装置３０は、構成が非常に簡単で高コストの２次元検出器を使用する必要がないので、小型化しやすくて低コストで製作できる。また、スキャナ３１で入射角を精密に調節できるために、角度分解能も優秀であり、走査速度を速くして高速の検出が可能である。しかし、一度に一つのチャンネルしか検出できず、効率が低下するという問題がある。

前述したように、表面プラズモン共鳴現象を利用する従来の生体分子検出装置の場合、未だ小型、低コスト、多チャンネル及び高精度を同時に満足させることはできなかった。
米国特許第５，３１３，２６４号明細書米国特許第５，８９８，５０３号明細書

本発明は、前述した従来の問題点を改善するためのものである。したがって、本発明の目的は、構成が簡単で小型化しやすく、高速の測定が可能であり、同時にいろいろなチャンネルを測定でき、高精度の生体分子検出装置、特に、表面プラズモン共鳴現象を利用する携帯用バイオチップスキャナを提供することである。

本発明による携帯用バイオチップスキャナは、回転自在のディスク形状の表面プラズモン共鳴ユニットと、所定の角度範囲内で前記表面プラズモン共鳴ユニットに光が入射されるように光を走査し、前記表面プラズモン共鳴ユニットから全反射された光を検出する光ヘッドと、を備え、前記光ヘッドは、前記ディスク形状の表面プラズモン共鳴ユニットの半径方向に沿って移動することを特徴とする。

本発明によれば、前記ディスク形状の表面プラズモン共鳴ユニットは、プリズムが環状に形成されているプリズムディスクと、前記プリズムディスクの底面に結合され、微細流体が流れる複数の微細流体チャンネルが上面に形成されている微細流体ディスクと、を備えることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記光ヘッドは、平行光を出射する光源ユニットと、所定の振動数でシーソー運動しつつ前記光源ユニットから出射された光を所定の角度範囲内で走査するマイクロスキャニングミラーと、前記マイクロスキャニングミラーにより走査される光を前記プリズムディスクの底面で反射させる反射ミラーと、前記プリズムディスクの底面から全反射された光を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。

前記プリズムディスクの底面には、円周方向に沿って表面プラズモン共鳴を引き起こすための複数の金属薄膜パターンが同心円トラックの形態で形成されており、前記金属薄膜には、特定の生体分子にのみ結合する複数のプローブ分子が付着されることを特徴とする。

また、前記微細流体ディスクの上面に形成された複数の微細流体チャンネルは、前記プリズムディスクに形成された複数の金属薄膜パターンを横切って微細流体ディスクを一周する。

一方、本発明による携帯用バイオチップスキャナは、表面プラズモン共鳴ユニットの内部を流れる微細流体の温度を一定に維持させるための温度調節器をさらに備える。前記温度調節器は、前記微細流体ディスクの底面に所定の間隔をおいて配置されたペルティエ素子である。

一方、前記マイクロスキャニングミラーは、前記プリズムディスクの円周方向に垂直な方向に沿って光を走査する。かかるマイクロスキャニングミラーは、微細電子機械システム（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ；ＭＥＭＳ）技術を利用して超小型に製造される。この時、マイクロスキャニングミラーの振動数は１０ｋＨｚないし３０ｋＨｚの範囲であることが好ましい。

本発明によれば、前記マイクロスキャニングミラーにより走査される光を前記プリズムディスクの底面で反射させる反射ミラーは、光をプリズムディスクの底面上の一点に収束させるための凹ミラーである。

また、前記反射ミラーは平面ミラーであり、前記マイクロスキャニングミラーにより走査される光を収束し、かつ収差を補正するためのｆ−θレンズが前記平面ミラーとマイクロスキャニングミラーとの間にさらに配置される。

一方、本発明によれば、前記光ヘッドは、誤検出の防止のために二つの平行光を前記プリズムディスクの底面に入射させ、前記プリズムディスクの底面で全反射された二つの反射光を二つの検出器でそれぞれ検出して比較することを特徴とする。

本発明によれば、回転するプリズムディスク及びマイクロスキャニングミラーを採用することによって光学系の構成を単純化したので、低コストの小型バイオチップスキャナを提供できる。また、一つの低電力光源及び一つの光検出器だけでも多チャンネル測定が可能である。さらに、レーザーＴＶなどに使用するマイクロスキャニングミラーは非常に精巧に角度を調節でき、かつ超高速スキャニングが可能なために、前記マイクロスキャニングミラーを使用するバイオチップスキャナは、高速の精密な測定が可能である。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。

図６は、本発明による携帯用バイオチップスキャナの斜視図である。

図６を参照すれば、本発明による携帯用バイオチップスキャナ４０は、環状のプリズムで形成されたプリズムディスク４２、前記プリズムディスク４２の底面に結合される微細流体ディスク４３及び前記プリズムディスク４２に光を出射し、かつ前記プリズムディスク４２から全反射された光を検出する光ヘッド５０を備える。プリズムディスク４２は、表面プラズモン共鳴を引き起こすための構成であり、微細流体ディスク４３は、測定される微細流体を前記プリズムディスク４２に提供するためのものである。前記プリズムディスク４２と微細流体ディスク４３とは互いに結合されて表面プラズモン共鳴ユニット４４をなし、シャフト４７を中心に共に回転する。一方、光ヘッド５０は、プリズムディスク４２上をスキャニングしつつ表面プラズモン共鳴による反射率の変化を観測する。前記光ヘッド５０は、前記表面プラズモン共鳴ユニット４４の半径方向に沿って往復動できる。

図７は、本発明による携帯用バイオチップスキャナ４０の側断面図である。図７に示すように、例えば、ＰＣＢ（ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ）基板４１上にＤＣ（ＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ）モータ４６が実装されており、前記ＤＣモータ４６のシャフト４７には表面プラズモン共鳴ユニット４４が結合されている。また、前記表面プラズモン共鳴ユニット４４の下部には、所定の間隔をおいて温度調節器４５が前記ＰＣＢ基板４１上に配置されている。温度調節器４５は、微細流体ディスク４３内に流れる微細流体の温度を一定に維持させるための役割を行う。前記温度調節器４５は、例えば、ペルティエ素子でありうる。このような温度調節器４５は、ＤＣモータ４６を中心に両側にそれぞれ一つずつ設置されてもよく、ＤＣモータ４６の周囲を全体的に取り囲むように設置されてもよい。

前述したように、表面プラズモン共鳴ユニット４４は、プリズムディスク４２及び微細流体ディスク４３で構成される。プリズムディスク４２は、全反射が起きる底面と前記底面より狭い上面とを持つプリズムが環状に形成されている。前記プリズムディスク４２の外周面と内周面とは、それぞれ光の入射面と出射面とになる。図８Ａに示すように、前記プリズムディスク４２の底面には、複数のチャンネルに対する検出を行えるように、表面プラズモン共鳴を引き起こすための複数の金属薄膜パターン４８が、円周方向に沿って同心円トラックの形態で形成されている。前述したように、表面プラズモン共鳴が起きるためにはプリズムの底面に金属薄膜が蒸着されていなければならず、前記金属薄膜の厚さは約５０ｎｍ以下であることが好ましい。そして、前記金属薄膜には、特定の生体分子のみに結合するプローブ分子（図示せず）が付着される。この時、円周方向に沿って相異なる色々なプローブ分子を複数付着させることができる。すなわち、一つの円形金属薄膜パターン４８のトラック内で、それぞれ異なる放射角ごとに異なるプローブ分子が付着される。このために、一つの円形金属薄膜パターン４８のトラックに沿って複数の金属薄膜が所定の間隔で蒸着される。

前記プリズムディスク４２の底面に微細流体試料を提供するために、微細流体ディスク４３の上面には、図８Ｂに示すような微細流体チャンネル４９が形成されている。図８Ｃは、このようなプリズムディスク４２と微細流体ディスク４３とを結合する態様を図示する。図８Ｃに示すように、プリズムディスク４２の底面と微細流体ディスク４３の上面とが互いに対向するように結合される。これにより、微細流体ディスク４３の上面に形成された微細流体チャンネル４９は、前記プリズムディスク４２に形成された複数の金属薄膜パターン４８を横切りつつ微細流体ディスク４３を一周する。したがって、微細流体試料内に含まれた生体分子は前記微細流体ディスク４３の微細流体チャンネル４９に沿って流れつつ、プリズムディスク４２の金属薄膜パターン４８に付着された特定プローブ分子と結合する。

さらに、図８Ｂを参照して、前記微細流体ディスク４３の上面に形成された微細流体チャンネル４９の構造についてさらに詳細に説明する。図８Ｂに示すように、微細流体ディスク４３の上面外郭側には円形の排出保存部８５が形成されており、前記排出保存部８５には複数の微細流体チャンネル４９がディスク４３の中心に向かって連結されている。前記複数の微細流体チャンネル４９は、微細流体ディスク４３に半径方向に形成されており、それぞれの微細流体チャンネル４９には、微細流体を保存するための試料保存部８２が半径方向に延びている。また、前記試料保存部８２の上端（すなわち、ディスク４３の中心方向への端部）には、微細流体を注入するための試料注入口８１がそれぞれ形成されている。この時、前記試料保存部８２の数と、前記金属薄膜パターン４８の一トラック当り金属薄膜の数は常に一致せねばならない。

一方、前記微細流体チャンネル４９のさらに詳細な構造は図８Ｂの右側に図示されている。図８Ｂを参照して、前記試料保存部８２にあらかじめ保存されていた試料は、微細流体ディスク４３が回転し始めて所定の回転速度に到達すれば、徐々にフローチャンネル８４に沿ってそれぞれの試料チャンバ８３側に移動する。前記フローチャンネル８４の表面は、疎水性を持つように表面処理されている。前記チャンネル８４の構造や大きさまたはディスク４３の回転速度によって流体速度が調節される（すなわち、受動弁方式）。この時、もし、前記プリズムディスク４２に４個の金属薄膜パターン４８トラックがパターニングされているならば、一個の微細流体チャンネル４９に対して総４個の試料チャンバ８３が必要である。また、実施形態によって、それぞれの試料チャンバ８３は、平行に隣接した二つのチャンバ８３ａ、８３ｂの対からなってもよい。それら１対の試料チャンバ８３のうち第１試料チャンバ８３ａは、表面プラズモン共鳴を通じて実際試料を検出するためのものであり、他の第２試料チャンバ８３ｂは、後述する組立公差などによる検出誤差の補正のための参照信号を提供するためのものである。この場合、総８個のチャンバが必要となる。

そして、一つの試料保存部８２から出発した試料がそれぞれ４個の試料チャンバに分岐されて流れるならば、図８Ｂに示すように、それぞれの試料流体は、前記試料保存部８２から近い順にそれぞれ１：３、１：２、１：１の割合で流れ込む。例えば、試料保存部８２から１００体積の試料が流れ出れば、７５体積はフローチャンネル８４に沿ってそのまま次の試料チャンバへ流れ込み、２５体積のみ最初の試料チャンバ流れ込む。そして、２番目の試料チャンバの前で、７５体積の試料のうち５０体積は次のフローチャンネル８４に流れ込み、２５体積のみ二番目の試料チャンバに流れ込む。最後に、５０体積の試料はそれぞれ２５体積に分けられて、残りの二つの試料チャンバに流れ込む。このような流体の分岐はいずれもフローチャンネル８４の適切な構造設計を通じて容易に具現でき、このような方法は既知のものである。この時、それぞれの試料チャンバ８３に流れ込む試料流体は、実際試料の検出及び参照信号の測定のために同時に二つのチャンネルを通過して１対のチャンバ８３ａ、８３ｂ内に均一に分配される。

次いで、このように４個の試料チャンバ８３をいずれも通過した試料は、金属薄膜の近くで反応した後にいずれも抜け出て帯状のトラックである排出保存部８５に保存される。

一方、再び図７を参照すれば、前記プリズムディスク４２の上をスキャニングしつつ表面プラズモン共鳴による反射率の変化を検出する光ヘッド５０は、光源ユニット５１、マイクロスキャニングミラー５２、反射ミラー５３及び光検出器５４を備える。光源ユニット５１は、白色光または所定の波長を持つ平行光を出射してマイクロスキャニングミラー５２に入射させる。たとえ図示されていないとしても、前記光源ユニット５１は、例えば、レーザーダイオードと前記レーザーダイオードの光出射面の前に配置されたコリメートレンズとを備えることができる。マイクロスキャニングミラー５２は、所定の振動数でシーソー運動しつつ前記光源ユニット５１から出射された光を所定の角度範囲内で走査する小型ミラーである。反射ミラー５３は、前記マイクロスキャニングミラー５１により走査される光を反射させて前記プリズムディスク４２の底面に向かわせる。また、光検出器５４は、前記プリズムディスク４２の底面から全反射された光を検出して光の強度を測定する。

本発明で使用するマイクロスキャニングミラー５２は、例えば、レーザープロジェクションＴＶなどで映像信号をスクリーンに高速で偏向させて画像を形成するところに使用する公知の光スキャナをそのまま利用できる。例えば、本出願人による大韓民国特許出願１０−２０００−００１０４６９号（２００２年０２月２７日出願）または大韓民国特許出願１０−２００１−５１４０７（２００１年０８月２４日出願）には、本発明で採用されたマイクロスキャニングミラーの構造が詳細に説明されている。このようなマイクロスキャニングミラーは、コーム状のコーム電極（ｃｏｍｂ−ｔｙｐｅｄｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）構造による静電効果を利用し、ＭＥＭＳ技術によって非常に精巧かつ微細に製作できる。

図９は、このようなマイクロスキャニングミラー５２の構造を例示的に図示している。図９に示すように、公知の光スキャナは、基板６１の上方に懸架されているミラー部６２、前記ミラー部６２の両端を支持する支持体６３、前記ミラー部６２と支持体６３との間に連結されてミラー部６２のシーソー運動を支持するトーションバネ６４、前記ミラー部６２の両側面に垂直に形成された複数の移動コーム電極６５、及び前記移動コーム電極６５と交互に基板６１上に垂直に設置された複数の固定コーム電極６６を備えて構成される。このような構造で、移動コーム電極６５と固定コーム電極６６とにそれぞれ逆極性の電圧が印加されれば、前記電極間の静電気力が発生してミラー６２が高速でシーソー運動をする。このように構成されたマイクロスキャニングミラー５２は、約１ｍｍないし１０ｍｍ程度のミラーを使用する超小型に製作でき、１０ｋＨｚないし３０ｋＨｚ程度の超高速スキャニングが可能である。このようなマイクロスキャニングミラー５２の構造及び原理は既知のものであるので、これ以上の詳細な説明は省略する。

一方、マイクロスキャニングミラー５２により色々な角度でスキャニングされる光は、プリズムディスク４２の底面上の一点に入射されねばならない。すなわち、前記マイクロスキャニングミラー５２によりスキャニングされた光は、入射角度を異ならせてプリズムディスク４２の底面上の一点に入射される。このために、マイクロスキャニングミラー５２により反射された光を収束させる必要がある。

図１０Ａは、このための例示的な構造を図示する。図１０Ａに示すように、マイクロスキャニングミラー５２により反射された光を収束させるために、凹ミラーを反射ミラー５３として使用できる。または、図１０Ｂに示すように、レーザープリンタの光走査装置で一般的に使用するＦ−θレンズ５５を使用してもよい。前記Ｆ−θレンズ５５は、マイクロスキャニングミラー５２により走査される光を収束するだけでなく、マイクロスキャニングミラー５２により発生する収差などを補正する役割も行える。この場合、反射ミラー５３としては平面ミラーを使用する。

これから、前述した構造の本発明による携帯用バイオチップスキャナの動作について説明する。

まず、モータ４６を所定の速度で回転させる。モータ４６の回転速度が所定の速度に到達すれば、微細流体試料が微細流体ディスク４３に形成された微細流体チャンネル４９に、図８Ｂの右側に図示された経路に沿って流れ始める。同時に、モータ４６のシャフト４７に結合された表面プラズモン共鳴ユニット４４も共に回転する。この時、光ヘッド５０は、プリズムディスク４２に形成された同心円形態の金属薄膜パターン４８のトラックのうちいずれか一つに沿ってトラッキングしつつ、現在トラッキングしている金属薄膜パターン４８の位置に光を照射する。光源ユニット５１から出射される光は、マイクロスキャニングミラー５２及び反射ミラー５３により色々な角度で前記プリズムディスク４２の金属薄膜パターン４８の位置に入射する。入射角によって前記プリズムディスク４２の底面で全反射が起きるか、表面プラズモン共鳴による吸収現象が起きる。また、金属薄膜パターン４８の特定放射角位置にそれぞれ付着されたプローブ分子に特定の生体分子が結合される場合、屈折率の変化によって表面プラズモン共鳴による吸収が起きる角度が変わる。光検出器５４は、反射光の強度を測定してこのような表面プラズモン共鳴が起きる角度を求める。したがって、微細流体内にいかなる物質が存在しているかが分かる。このようにして一つの金属薄膜パターンに対する測定が終了すれば、光ヘッド５０は、前記表面プラズモン共鳴ユニット４４の半径方向に沿って移動して、プリズムディスク４２の他の金属薄膜パターン４８のトラックで測定を始める。

前述したように、本発明は、いかなる入射角で表面プラズモン共鳴が起きるかを測定して、微細流体内にいかなる物質が存在するかに関する情報を得るためのものであるので、あらゆる入射角に対する反射率を求める必要はない。したがって、測定の迅速性及び効率性のために一定範囲内の角度でのみ光を入射させることが好ましい。一般的に表面プラズモン共鳴が起きる角度の物質による差は約１０゜程度であるため、約１０゜の範囲内で角度を変化させることが良い。例えば、４０゜〜５０゜の入射角で光を入射させることができる。

一方、マイクロスキャニングミラー５２のスキャニング速度（すなわち、振動数）が遅い場合、１スキャニング周期の間に円周方向へのビームワークの大きさが過度に大きくなって正確な検出がなされない。正確な検出がなされるためには、１スキャニング周期の間に円周方向への移動がなるべく小さい必要がある。

図１１Ａないし図１１Ｃは、ディスクの回転によるビームワークの大きさを説明するための図面である。図１１Ａに方形で表示した部分は、現在スキャニングされている部分であり、ｒは、回転中心からスキャニングされている位置までの半径である。ディスクは、矢印で表示したように時計回り方向に回転すると仮定する。本発明の場合、マイクロスキャニングミラー５２は、プリズムディスク４２の円周方向に垂直な方向に沿って光を走査する。したがって、ビームワークは、図１１Ｂ及び図１１Ｃのように現れる。ここで、図１１Ｂは、スキャニング速度が比較的遅い場合であり、図１１Ｃは、スキャニング速度が比較的速い場合である。もし、ｒ＝２０ｍｍであり、ディスクの回転速度が６００ｒｐｍであれば、円周方向への移動速度は約１．２ｍｍ／ｍｓとなる。この場合、マイクロスキャニングミラー５２が１ｋＨｚの速度でスキャニングすれば、１スキャニング周期の間に１．２ｍｍを移動する。一方、３０ｋＨｚの速度でスキャニングすれば、１スキャニング周期の間にわずか０．０４ｍｍのみ移動するために、ほとんど移動がないと言える。前述したように、本発明によるマイクロスキャニングミラー５２は、１０ｋＨｚないし３０ｋＨｚの範囲内でスキャニングするために、十分に高い正確度で検出できる。

図１２は、本発明の他の実施形態による携帯用バイオチップスキャナの光ヘッドを図示する概略的な平面図である。図１２に示すように、前記光ヘッド５０は、二つの光源ユニット５１ａ、５１ｂ、二つのマイクロスキャニングミラー５２ａ、５２ｂ、二つの反射ミラー５３ａ、５３ｂ及び二つの光検出器５４ａ、５４ｂを備える。一般的に、表面プラズモン共鳴ユニット４４は、組立公差などによって理想的に回転できず、歳差運動のような不安定な回転運動を行える。また、振動のような外部環境によっても回転が不規則になりえる。その結果、プリズムディスク４２の底面に入射する光の入射角が元来意図した入射角と異なりうる。ところが、表面プラズモン共鳴により生じる吸光度は、非常に微細な角度の変化にも大きく変わるために、正確な検出結果を得るには難点がある。

したがって、組立公差及び外部環境による誤検出を防止するために、一つの光は表面プラズモン共鳴による反射率の変化を測定し、他の一つの光は、前述した原因により発生する角度の変化を追跡して誤差を補正できる。例えば、第１光源ユニット５１ａから放出された光は、第１試料チャンバ８３ａから表面プラズモン共鳴を通じて実際試料を検出し、他の第２光源ユニット５１ｂから放出された光は、第２試料チャンバ８３ｂから単に参照信号のみを提供される。このように、第１試料チャンバ８３ａからの反射光と第２試料チャンバ８３ｂからの反射光とを比較して誤差を補正できる。このために、第１試料チャンバ８３ａに対応する金属薄膜パターン４８のトラック上の位置にはプローブ分子を付着し、第２試料チャンバ８３ｂに対応する金属薄膜パターン４８のトラック上の位置にはプローブ分子を付着しない。流体試料内の特定の生体分子が前記プローブ分子と結合されていない間には、組立公差及び外部環境によって撹乱が発生しても二つの反射光は同一に変化する。しかし、前記プローブ分子に特定の生体分子が結合すれば、二つの反射光の変化は変わる。したがって、組立公差及び外部環境によって撹乱が発生しても正確な検出が可能になる。

たとえ、図１２には、光源ユニット、マイクロスキャニングミラー、反射ミラー及び光検出器がそれぞれ２個ずつ図示されていても、他の構成も十分に可能である。例えば、一つの光源ユニットから出射された光を、ビームスプリッタを利用して二つに分離し、分離された二つの光を一つのマイクロスキャニングミラーと反射ミラーとで反射した後、プリズムディスクで反射された二つの光を二つの光検出器でそれぞれ検出してもよい。

本発明は、多チャンネル測定が可能な携帯用バイオチップスキャナの関連技術分野に好適に用いられる。

表面プラズモン共鳴現象を引き起こすためのプリズム構造を示す図面である。金属薄膜が蒸着されていないプリズムでの入射角による反射率グラフである。金属薄膜が蒸着されたプリズムでの入射角による反射率グラフである。表面プラズモン共鳴現象を利用した従来の生体分子検出装置の構造を概略的に示す図面である。表面プラズモン共鳴現象を利用した従来の生体分子検出装置の構造を概略的に示す図面である。表面プラズモン共鳴現象を利用した従来の生体分子検出装置の構造を概略的に示す図面である。本発明による携帯用バイオチップスキャナの斜視図である。本発明による携帯用バイオチップスキャナの側断面図である。本発明による携帯用バイオチップスキャナのプリズムディスクの底面を示す斜視図である。本発明による携帯用バイオチップスキャナの微細流体ディスクの上面を示す図面である。図８Ａのプリズムディスクと図８Ｂの微細流体ディスクとの結合状態を示す斜視図である。本発明で使われるマイクロスキャニングミラーの例示的な構造を示す図面である。本発明で使われる光ヘッドの色々な実施形態を示す図面である。本発明で使われる光ヘッドの色々な実施形態を示す図面である。ディスクの回転によるビームワークの大きさを説明する図面である。ディスクの回転によるビームワークの大きさを説明する図面である。ディスクの回転によるビームワークの大きさを説明する図面である。本発明の他の実施形態による携帯用バイオチップスキャナの光ヘッドを概略的に示す図面である。

符号の説明

４０携帯用バイオチップスキャナ、
４２プリズムディスク、
４３微細流体ディスク、
４４表面プラズモン共鳴ユニット、
４５温度調節器、
４６ＤＣモータ、
４７シャフト、
５０光ヘッド、
５１光源ユニット、
５２マイクロスキャニングミラー。

Claims

回転自在のディスク形状の表面プラズモン共鳴ユニットと、
所定の角度範囲内で前記表面プラズモン共鳴ユニットに光が入射されるように光を走査し、前記表面プラズモン共鳴ユニットから全反射された光を検出する光ヘッドと、を備え、
前記光ヘッドは、前記ディスク形状の表面プラズモン共鳴ユニットの半径方向に沿って移動することを特徴とする携帯用バイオチップスキャナ。
前記ディスク形状の表面プラズモン共鳴ユニットは、
プリズムが環状に形成されているプリズムディスクと、
前記プリズムディスクの底面に結合され、微細流体が流れる複数の微細流体チャンネルが上面に形成されている微細流体ディスクと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記プリズムディスクの底面には、円周方向に沿って表面プラズモン共鳴を引き起こすための複数の金属薄膜パターンが同心円トラックの形態で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記プリズムディスクに形成された複数の金属薄膜パターンの内面には、表面プラズモン共鳴を引き起こすための金属薄膜が蒸着されていることを特徴とする請求項３に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記金属薄膜には、特定の生体分子にのみ結合する複数のプローブ分子が付着されることを特徴とする請求項４に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記微細流体ディスクの上面に形成された複数の微細流体チャンネルは、前記プリズムディスクに形成された複数の金属薄膜パターンを横切って微細流体ディスクを一周することを特徴とする請求項３に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記微細流体ディスクの上面に円形の排出保存部がさらに形成されており、前記複数の微細流体チャンネルは、前記微細流体ディスクの中心に向かって半径方向に前記排出保存部に連結されていることを特徴とする請求項６に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記複数の微細流体チャンネルそれぞれには微細流体を保存するための試料保存部が半径方向に延びており、前記試料保存部には、微細流体を注入するための試料注入口がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項６に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記それぞれの微細流体チャンネルは、同心円トラックの形態で形成された前記それぞれの金属薄膜パターンとそれぞれ対応する位置にある複数の試料チャンバと、前記試料保存部から前記試料チャンバに微細流体を伝達するフローチャンネルと、を備えることを特徴とする請求項８に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
ディスク形状の表面プラズモン共鳴ユニットを回転させるためのモータをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし９のうちいずれか１項に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
表面プラズモン共鳴ユニットの内部を流れる微細流体の温度を一定に維持させるための温度調節器をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし９のうちいずれか１項に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記温度調節器は、前記微細流体ディスクの底面に所定の間隔をおいて配置されたペルティエ素子であることを特徴とする請求項１１に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記光ヘッドは、
平行光を出射する光源ユニットと、
所定の振動数でシーソー運動しつつ前記光源ユニットから出射された光を所定の角度範囲内で走査するマイクロスキャニングミラーと、
前記マイクロスキャニングミラーにより走査される光を前記プリズムディスクの底面で反射させる反射ミラーと、
前記プリズムディスクの底面から全反射された光を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする請求項１ないし９のうちいずれか１項に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記マイクロスキャニングミラーは、前記プリズムディスクの円周方向に垂直な方向に沿って光を走査することを特徴とする請求項１３に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記マイクロスキャニングミラーは、微細電子機械システム技術を利用して製造されることを特徴とする請求項１３に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記マイクロスキャニングミラーの振動数は１０ｋＨｚないし３０ｋＨｚの範囲であることを特徴とする請求項１３に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記反射ミラーは、前記マイクロスキャニングミラーにより色々な角度で走査される光をプリズムディスクの底面上の一点に収束させるための凹ミラーであることを特徴とする請求項１３に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記反射ミラーは平面ミラーであり、前記マイクロスキャニングミラーにより走査される光を収束し、かつ収差を補正するためのｆ−θレンズが前記平面ミラーとマイクロスキャニングミラーとの間に配置されることを特徴とする請求項１３に記載の携帯用バイオチップスキャナ。
前記光ヘッドは、誤検出の防止のために二つの平行光を前記プリズムディスクの底面に入射させ、前記プリズムディスクの底面で全反射された二つの反射光を二つの検出器でそれぞれ検出して比較することを特徴とする請求項１３に記載の携帯用バイオチップスキャナ。