JP2006220582A - センシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センシング装置において、簡易な装置構成で、同一測定条件での複数試料の同時測定を精度よく実施することを可能とする。
【解決手段】 センシング装置１は、試料の種類によって物理特性の異なる反射光を反射するセンサ部１０と、センサ部１０に対して特定方向から測定光を照射する光照射手段２０とを備え、センサ部１０は、測定光の照射方向に対して異なる角度で配置された複数の光反射面１２ａを有するものであり、センサ部１０の光反射面１２ａごとに反射光の物理特性を検出する検出機構３０を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料の種類によって物理特性の異なる反射光を反射するセンサ部を有するセンシング装置に係り、特に一度の試料セットで複数試料の測定が同時に実施できるマルチチャンネルセンシング装置に関するものである。

試料の種類によって物理特性の異なる反射光を反射するセンサチップに対して、特定方向から測定光を照射し、反射光の物理特性を検出するセンシング装置がある。かかるセンシング装置は、センサチップに既知の抗原（あるいは抗体）を結合させて測定を行うことで、抗原抗体反応の有無による反射光の物理特性の相違を検出し、試料中の抗体（あるいは抗原）の有無を検査するバイオセンシング等に利用されている。特許文献１には、センサチップとして、局在プラズモン共鳴によって、特定波長の光の散乱や吸収が著しく増大し、光強度が減衰する現象を利用するものが開示されている。

測定効率の向上等を図るには、一度の試料セットで複数試料の測定が実施できることが好ましい。かかるマルチチャンネルセンシングでは、リファレンスと測定試料など、基本条件は同一とし特定条件のみを変えた複数試料を同時に測定し、特定条件に起因するデータのみを分析することもできる。

上記特許文献１には、平坦なセンサチップの一部を測定試料を接触させる検知部、他部をリファレンス部とする２チャンネルのセンサチップが開示され、検知部とリファレンス部に対して異なる光源からタイミングを変えて光を照射し、反射光を検出する装置構成が開示されている。
特開平０９−２５７６９９号公報

マルチチャンネルセンシングにおいて、基本条件は同一とし特定条件のみを変えた複数試料を同時に測定する場合、特定条件に起因するデータを高精度に分析するには、試料によって測定条件が大きくばらつかないことが重要である。

しかしながら、特許文献１に記載のセンシング装置では、検知部とリファレンス部に対して異なる光源から光を照射しているため、測定条件を合わせるには、補正等を実施して、複数の光源から出射される光の強度等を合わせる必要があり、装置が複雑なものとなる。１個の光源から出射される光を光ファイバ等で分けて、検知部とリファレンス部に入射させることも考えられるが、この場合も同様である。なお、本明細書で言う「光強度」は単位面積当たりの光強度を意味するものとする。

測定条件を合わせて複数試料を同時に測定する手段としては、アレイ状に配列した複数のウェルを有するセンサチップに、１個の光源から光を照射し、アレイ状に配列した検出器を用いて、個々のウェルからの反射光の物理特性を一括検出することが考えられる。しかしながら、センサチップの各ウェルと各検出器との位置合わせが難しい上、隣り合うウェルからの反射光の進行方向が近接しているため、干渉等が起こりやすく、個々のウェルからの反射光を、他のウェルからの反射光の影響がないよう、測定することは極めて難しく、現実的ではない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、簡易な装置構成で、同一測定条件での複数試料の同時測定を精度よく実施することが可能なセンシング装置を提供することを目的とするものである。

本発明のセンシング装置は、試料の種類によって物理特性の異なる反射光を反射するセンサ部と、該センサ部に対して特定方向から測定光を照射する光照射手段とを備え、前記センサ部は、前記測定光の照射方向に対して異なる角度で配置された複数の光反射面を有するものであり、前記センサ部の該光反射面ごとに反射光の前記物理特性を検出する検出機構を備えたことを特徴とするものである。

本発明のセンシング装置において、前記検出機構の好適な態様としては、前記センサ部の前記光反射面ごとに検出器を備えたものが挙げられる。前記検出機構の他の好適な態様としては、前記センサ部の前記光反射面より少ない数の検出器と、前記センサ部の前記光反射面及び／又は前記検出器を移動させ、前記光反射面と前記検出器の組合わせを変更する組合わせ変更手段とを備えたものが挙げられる。

前記センサ部において、前記複数の光反射面は、二つ折り状又は無底角錐状に配置されていることが好ましい。

本発明のセンシング装置において、前記センサ部は、局在プラズモン共鳴によって特定波長の光強度が減衰する現象を利用するものであることが好ましい。

本発明のセンシング装置は、生体分子を分析するバイオセンシング用として好適である。

本発明のセンシング装置では、センサ部に対して特定方向から測定光を照射する光照射手段と、測定光の照射方向に対して異なる角度で配置された複数の光反射面を有するセンサ部と、センサ部の光反射面ごとに反射光の物理特性を検出する検出機構とを備える構成としている。かかる構成では、センサ部の複数の光反射面に各々試料を保持させることで、複数試料の測定が同時に実施できる。

本発明では、１個の光照射手段からセンサ部の複数の光反射面に同時に光を照射するので、補正等を行わなくても、複数の光反射面に入射する光の強度等を合わせやすく、同一測定条件での複数試料の同時測定を簡易に実施できる。

しかも、複数の光反射面は測定光の照射方向に対して異なる角度で配置されているので、複数の光反射面により反射された反射光は各々異なる方向に進むこととなり、干渉等の影響なく、各々の反射光を独立に検出できる。すなわち、本発明によれば、複数の光反射面により反射された反射光を各々、簡易に精度よく測定できる。

以上の効果が相俟って、本発明では、簡易な装置構成で、同一測定条件での複数試料の同時測定を精度よく実施することができる。

（センシング装置）
図を参照し、本発明に係る実施形態のセンシング装置の構成について説明する。図１（ａ）は斜視図（検出器については省略）、図１（ｂ）はセンサ部と検出器を光照射手段側から見た平面図（光照射手段については省略）、図１（ｃ）はセンサ部のＡ−Ａ’断面図である。図２は光照射手段の構成例を示す図である。図中、一点鎖線は光路を模式的に示すものである。

本実施形態のセンシング装置１は、試料の種類によって物理特性の異なる反射光を反射するセンサ部１０と、センサ部１０に対して特定方向から測定光を照射する光照射手段２０と、センサ部１０で反射された反射光の物理特性を検出する検出器（検出機構）３０とを備えている。

検出器３０により検出する反射光の物理特性としては制限されず、特定波長の光強度、吸光度、波長分布等が挙げられる。

センサ部１０は全体が有底正四角錐状であり、有底正四角錐状の金属製等のセンサホルダ１１に、その側面形状に沿って無底正四角錐状のセンサチップ１２が設置されたものである（図１（ｃ）参照）。センサチップ１２は計４個の面を有し、各面が、試料の種類によって物理特性の異なる反射光を反射する光反射面１２ａとなっている。

本実施形態では、センサチップ１２の計４個の光反射面１２ａに各々試料を保持させることで、複数試料の測定が同時に実施できる。センサチップ１２に保持される複数の試料のうち一つは、未知試料を含まないリファレンスとすることができ、この場合、測定試料のデータからリファレンスのデータをバックグランドとして差し引いて、分析を行うことができる。

図２に示す如く、光照射手段２０は、１個の光源２１と光源２１からの出射光をセンサ部１０に導光する導光系２５とから構成される。光源２１としては制限なく、レーザや白色光源（タングステンランプ等）等が用いられる。導光系２５は、光源２１の種類や検出器３０により検出する反射光の物理特性の種類に応じて適宜設計される。光源２１として白色光源を用いる場合、導光系２５は例えば、光源２１からの出射光を平行光束とするコリメータレンズ２２、及び必要に応じて、出射光を特定の偏光に制御する偏光子２３、特定波長の光だけを透過する狭帯域のバンドパスフィルタ２４等により構成される。バンドパスフィルタ２４の後段に、さらに必要に応じて集光レンズ（図示略）を設けることもできる。

本実施形態では、１個の光照射手段２０からセンサ部１０に対して、センサ部１０の底面に垂直な方向から、センサチップ１２の頂点１２ｂを中心として、センサチップ１２のすべての光反射面１２ａに跨る領域Ｐに測定光が照射される（図１（ａ）参照）。すなわち、本実施形態では、同一の光照射手段２０から、センサチップ１２のすべての光反射面１２ａに対して同時に測定光が照射されると共に、各光反射面１２ａにおける測定光の照射面積は略同一となるよう、光照射手段２０からの測定光は略均等に分けられる。

このようにセンサ部１０に照射された測定光は、各光反射面１２ａの表面において、センサ部１０の底面に平行な方向に略全反射され、センサ部１０から出射される（図１（ｂ）参照）。４個の光反射面１２ａは無底正四角錐状に配置されているので、互いに隣接する光反射面１２ａにより反射された反射光は、光照射手段２０側から見て９０°ずれた方向に進む。

本実施形態では、センサチップ１２の光反射面１２ａごとに、反射光を検出する検出器３０（計４個）が備えられている。検出器３０は、光源の種類や検出する物理特性に合わせて選定される。

本実施形態では、以上のように、測定光の照射方向に対して異なる角度で配置された複数の光反射面１２ａを有するセンサチップ１２を備えている点、１個の光照射手段２０により、センサチップ１２に対して特定方向から測定光を照射する点、及び検出機構として、センサチップの光反射面１２ａごとに、反射光の物理特性を検出する検出器３０を備えている点が従来と大きく異なっている。

（センサチップの構成例とセンシング例）
センサチップ１２は、試料の種類によって物理特性の異なる反射光を反射するものであれば特に制限されない。センサチップ１２としては、例えば、局在プラズモン共鳴によって特定波長の光強度が減衰する現象を利用するものが挙げられる。

局在プラズモン共鳴を利用するセンサチップとしては、（Ａ）表面に局在プラズモン共鳴を起こす金属薄膜（金、銀等）が成膜されたもの（特開平９−２５７６９９号公報等）、（Ｂ）表面に微細な凹凸構造を有し、少なくともこの表面凹凸構造部が局在プラズモン共鳴を起こす金属からなるものが挙げられる。特に、表面凹凸構造部を有するタイプ（Ｂ）は、凸部の自由電子が光の電場に共鳴して振動することで、凸部周辺に強い電場が生じ、局在プラズモン共鳴が効果的に起こるとされている。

上記タイプ（Ｂ）の具体的態様としては、（Ｂ１）金属体の表面に多数の金属微粒子を固着させたもの（Takayuki Okamoto and Ichirou Yamaguchi, “Local plasmon sensor with gold colloid monolayers deposited upon glass substrates”, OPTICS LETTERS, Vol.25, No.6, 2000年3月15日, p.372-374等）、（Ｂ２）表面に凹凸を有する金属体の凹部に金属微粒子を固着させたもの（特開２００４−２３２０２７号公報等）等が挙げられる。

かかるセンサチップに光を照射すると、ある特定波長において局在プラズモン共鳴が生じて、測定光の散乱や吸収が著しく増大し、この特定波長については反射光の強度が著しく低くなる。この局在プラズモン共鳴が生じる光波長（共鳴ピーク波長）、及び測定光の散乱や吸収の程度は、センサチップの表面にある試料の屈折率等に依存する。例えば、屈折率が大きい程、共鳴ピーク波長は長波長側にシフトし、測定光の散乱や吸収は増大する。

したがって、（１）反射光の共鳴ピーク波長、（２）基本条件からの反射光の共鳴ピーク波長のシフト、（３）反射光の光強度等を検出することで、試料のセンシングが実施できる。

例えば、光照射手段２０として、共鳴ピーク波長を含むブロードな光を出射する白色光源等を用い、検出器３０として、光を分光して波長分布（分光スペクトル）を得る分光器等を用いることで、（１）反射光の共鳴ピーク波長あるいは（２）基本条件からの反射光の共鳴ピーク波長のシフトを検出することができる。光照射手段２０として、特定波長の光を出射するレーザ等を用い、検出器３０として光強度を検出するフォトダイオード等を用いることで、（３）測定光の散乱及び吸収に伴う反射光の光強度の変化を検出することができる。

局在プラズモン共鳴を利用する上記センサチップでは、試料の屈折率等の測定や、既知試料の屈折率等を基に試料を同定することなどが可能である。

上記センサチップでは、生体分子を分析するバイオセンシング等が実施できる。例えば、センサチップに既知の抗体（あるいは抗原）を固定して測定を行えば、試料に抗原（あるいは抗体）が含まれると、両者の結合が生じて、得られる試料の屈折率等が変化するので、抗原（あるいは抗体）の有無の検査や抗原（あるいは抗体）の同定等が実施できる。複数の試料のうち一つをリファレンスとし、リファレンスのデータをバックグランドとして差し引いた測定試料の反射光の物理特性の変化を経時的に見ることで、抗原抗体反応等のリアルタイム分析も簡易に実施できる。

センサチップ１２の他の例としては、光の干渉効果を利用するセンサチップ等が挙げられる（特表平９−５００４４４号公報等）。

本実施形態では、１個の光照射手段２０からセンサチップ１２（センサ部１０）の複数の光反射面１２ａに同時に光を照射するので、補正等を行わなくても、複数の光反射面１２ａに入射する光の強度等を合わせやすく、同一測定条件での複数試料の同時測定を簡易に実施できる。

しかも、複数の光反射面１２ａは測定光の照射方向に対して異なる角度で配置されているので、複数の光反射面１２ａにより反射された反射光は各々異なる方向に進むこととなり、干渉等の影響なく、各々の反射光を独立に検出できる。すなわち、本実施形態によれば、複数の光反射面１２ａにより反射された反射光を各々、簡易に精度よく測定できる。

以上の効果が相俟って、本実施形態では、簡易な装置構成で、同一測定条件での複数試料の同時測定を精度よく実施することができる。

本実施形態は、リファレンスと測定試料など、基本条件は同一とし特定条件のみを変えた複数試料を同時に測定するケースや、かかる複数試料の同時測定を抗原抗体反応等の反応を進めながら経時的に実施するケースなどが比較的多いバイオセンシングに好ましく適用できる。

（他の態様）
上記実施形態では、正四角錐状のセンサ部１０について説明したが、センサ部１０は、測定光の照射方向に対して異なる角度で配置された複数の光反射面１２ａを有するものであれば制限されない。したがって、センサ部１０の形状に制限はなく、複数の光反射面１２ａは互いに繋がっていても、試料を保持させない非測定面を介して分離されていても構わない。

ただし、１個の光照射手段２０から複数の光反射面１２ａに対して同時に光を照射し、かつ、干渉の影響がないよう、複数の光反射面１２ａからの反射光を異なる方向に反射させる必要がある。かかる特性を充足するセンサ部１０としては、複数の光反射面１２ａが、二つ折り状、無底角錐状（無底三角錐状、無底四角錐状等）、無底角錐状を除く無底多面体状等に配置されたものが好ましく、特に、簡易な構成で、複数の光反射面１２ａからの反射光を良好に分離できる二つ折り状又は無底角錐状が好ましい。

上記実施形態では、検出機構として、センサチップ１２の光反射面１２ａごとに、反射光の物理特性を検出する検出器３０を設ける構成としたが、光反射面１２ａと検出器３０との関係は１対１でなくてもよい。

すなわち、検出器３０の数は、センサチップ１２の光反射面１２ａより少なくてもよい。この場合、検出機構として、検出器３０の他に、センサチップ１２の光反射面１２ａ及び／又は検出器３０を移動させ、光反射面１２ａと検出器３０の組合わせを変更する組合わせ変更手段を設ける構成とすればよい。かかる構成とすれば、検出器３０の数がセンサチップ１２の光反射面１２ａより少なくても、光反射面１２ａごとに反射光の物理特性を検出することができ、上記実施形態と同様の効果が得られる。かかる構成では、検出器３０の数を少なくできるので、装置の小型化を図ることができる。組合わせ変更手段としては、例えば、センサホルダ１１及び／又は検出器３０を、センサ部１０の中心軸を軸として回動させる回動手段等が挙げられる。

上記実施形態では、センサ部１０をセンサホルダ１１とセンサチップ１２とから構成したが、これらを一体化して、全体をセンサチップとしてもよい。

本発明は、同一測定条件で複数試料を同時に測定するバイオセンシング等に好ましく利用できる。

本発明に係る実施形態のセンシング装置の構成を示す図 図１のセンシング装置をなす光照射手段の構成例を示す図

符号の説明

１ センシング装置
１０ センサ部
１１ センサホルダ
１２ センサチップ
２０ 光照射手段
３０ 検出器

Claims (6)

1. 試料の種類によって物理特性の異なる反射光を反射するセンサ部と、該センサ部に対して特定方向から測定光を照射する光照射手段とを備え、
   前記センサ部は、前記測定光の照射方向に対して異なる角度で配置された複数の光反射面を有するものであり、
   前記センサ部の該光反射面ごとに反射光の前記物理特性を検出する検出機構を備えたことを特徴とするセンシング装置。
2. 前記検出機構として、前記センサ部の前記光反射面ごとに検出器が備えられていることを特徴とする請求項１に記載のセンシング装置。
3. 前記検出機構として、前記センサ部の前記光反射面より少ない数の検出器と、前記センサ部の前記光反射面及び／又は前記検出器を移動させ、前記光反射面と前記検出器の組合わせを変更する組合わせ変更手段とが備えられていることを特徴とする請求項１に記載のセンシング装置。
4. 前記センサ部において、前記複数の光反射面は、二つ折り状又は無底角錐状に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンシング装置。
5. 前記センサ部は、局在プラズモン共鳴によって特定波長の光強度が減衰する現象を利用するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセンシング装置。
6. 生体分子を分析するバイオセンシング用であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンシング装置。

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