JP2007225354A

JP2007225354A - 測定装置

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Publication number: JP2007225354A
Application number: JP2006044721A
Authority: JP
Inventors: Takashi Otsuka; 尚大塚
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】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おいて、光検出手段としてＣＣＤを用いた場合でも高Ｓ／Ｎを確保する。
【解決手段】光ビームＬのビーム幅方向を発散させ、ＣＣＤ17により受光される光ビームＬの像のビーム幅方向における最大幅Ｗ_Ｌを、ＣＣＤ17のビーム幅方向Ｘの検出領域幅Ｗ_Ｄの６０％以上となるようにして、ＣＣＤ17の検出領域において光ビームＬの入射していない画素、すなわちＳ／Ｎの悪い（測定信号に対して暗電流ノイズが多い）画素を少なくすることにより、ＣＣＤ17のビーム幅方向の画素のビニング（加算平均化）処理する際のＳ／Ｎを向上させる。
【選択図】図９

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、εｍとεｓ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εｓ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、所望のリガンドに結合するアナライト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）上にリガンドを固定し、該リガンド上に種々のアナライトを含有するバッファー（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。バッファー中のアナライトが、リガンドと結合するものであれば、この結合によりリガンド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、アナライトとリガンドの結合が行われているか否か、すなわちアナライトがリガンド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。このようなアナライトとリガンド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、リガンドをウサギ抗ヒトＩｇＧ抗体とし、アナライトであるヒト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、バッファー中のアナライトとリガンド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。例えば最初にアナライトを含まないバッファーを用いて基準となるベースラインを測定した後、リガンド上にアナライトが含まれたバッファーを添加した際の全反射減衰角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）

上記の測定装置においては、光検出手段として近年ではＣＣＤが用いられることが多いが、ＣＣＤは検出する光量が少ない場合、暗電流の影響によりＳ／Ｎが低下するという問題がある。そのため、ＣＣＤのＳ／Ｎを向上させるために、測定光のＣＣＤへの入射光量を増加させるか、もしくはＣＣＤのビーム幅方向の画素のビニング（加算平均化）処理を行うことが考えられる。

しかしながら、測定光のＣＣＤへの入射光量を単純に増加させた場合、ＣＣＤの検出感度には上限があるため、ＣＣＤの検出感度が飽和して正確に測定できなくなる虞がある。また、ビニング処理を行う場合、一般に測定光のビーム幅に比べてＣＣＤ幅の方が格段に広いため、測定光を受光していない領域の信号が多く加算されることになり、有効な効果を得るのが困難である。

すなわち、上記のような測定装置において光検出手段にＣＣＤを用いた場合、測定信号のＳ／Ｎを確保するのが困難であるという問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、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おいて、光検出手段としてＣＣＤを用いた場合でも高Ｓ／Ｎを確保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。

本発明の測定装置は、光ビームを発生させる光源と、光ビームに対して透明な誘電体ブロック、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部を備えてなる測定チップと、光ビームを誘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種々の角度で入射させる入射光学系と、前記界面で全反射した光ビームの像を互いに直交する反射角度方向とビーム幅方向との二次元状に配列された複数画素からなる二次元画像として検出する光検出手段とを備えてなる測定装置において、光検出手段により受光される光ビームの像のビーム幅方向における最大幅が、光検出手段の前記ビーム幅方向の検出領域幅の６０％以上となるように構成されていることを特徴とするものである。

上記測定装置において、光検出手段により受光される光ビームの像のビーム幅方向における最大幅は、光検出手段の前記ビーム幅方向の検出領域幅の８０％以上とすることが好ましい。

また、光検出手段により受光される光ビームの像のビーム幅方向における最大幅を、光検出手段の前記ビーム幅方向の検出領域幅に対して所定の割合以上とすべく、光源と光検出手段との間に、光ビームのビーム幅を拡大する拡大光学系を配置してもよい。このとき、拡大光学系は、測定チップと光検出手段との間に配置することが好ましい。

また、光源と光検出手段との間に、光ビームのビーム幅を一旦収束させた後拡大する収束光学系を配置してもよい。このとき、収束光学系は、光源と測定チップとの間に配置することが好ましい。

さらに、光検出手段のビーム幅方向を、前記界面で全反射した光ビームの光軸に対して傾けてもよい。

発明の測定装置は、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として構成されたものとすることができる。また、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として構成されたものとすることができる。

また、薄膜層上の状態の測定方法は、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測定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測定するものであってもよい。

なお、本発明の測定装置においては、暗線位置を検出する方法として、差分法のみならず、例えばSurface plasmon resonance: instrumental resolution using photo diode array (Measurement Science and Technology, 11(2000) 1630-1638)に開示されているような重心法（centriod algorism)を用いてもよい。

本発明の測定装置によれば、光ビームを発生させる光源と、光ビームに対して透明な誘電体ブロック、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部を備えてなる測定チップと、光ビームを誘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種々の角度で入射させる入射光学系と、前記界面で全反射した光ビームの像を互いに直交する反射角度方向とビーム幅方向との二次元状に配列された複数画素からなる二次元画像として検出する光検出手段とを備えてなる測定装置において、光検出手段により受光される光ビームの像のビーム幅方向における最大幅を、光検出手段の前記ビーム幅方向の検出領域幅の６０％以上となるように構成したことにより、測定光の入射していない画素、すなわちＳ／Ｎの悪い（測定信号に対して暗電流ノイズが多い）画素を減らすことができるため、光検出手段のビーム幅方向の画素をビニング（加算平均化）処理する際のＳ／Ｎを向上さ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。本発明の第１の実施の形態の測定装置は、測定ユニットの複数の測定部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、図１は本実施の形態の表面プラズモンセンサーの概略構成を示す平面図、図２はこの表面プラズモンセンサーの測定系の平面図、図３はこの表面プラズモンセンサーの測定系の側面図、図８は図２中のVIII−VIII線断面図、図９はこの表面プラズモンセンサーのＣＣＤの受光面に受光される光ビームの状態を示す図である。

この表面プラズモンセンサー１は、図１に示すように、測定ユニット10に設けられた複数の測定部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２、図３および図８に示すように、各測定系は、１本の光ビームＬを発生させる半導体レーザ等からなるレーザ光源13と、レーザ光源13から出射された光ビームＬを測定ユニット10への入射角度方向に発散させるシリンドリカルレンズ14と、光ビームＬを測定ユニット10に通し、流路60（測定部）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Ｌを反射角度方向と直交するビーム幅方向に各々発散させるシリンドリカルレンズ16（拡大光学系）と、この平行光化された光ビームＬを各々検出する２つのＣＣＤ17と、２つのＣＣＤ17に接続されたコンピューター18とを備えている。

まず、測定ユニット10について説明する。図４は測定ユニット10の斜視図、図５は上記測定ユニットの分解斜視図、図６は上記測定ユニットの上面図、図７は図６中のVII−VII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50ｆ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７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５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７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。

入射光学系15は、シリンドリカルレンズ14から発散光状態で出射された光ビームＬ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Ｌを分割するハーフミラー15ｃと、ハーフミラー15ｃにより反射された光ビームＬ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Ｌ、およびミラー15ｄにより反射された光ビームＬ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Ｌ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Ｌは界面50ｄおよび50ｅで全反射し、この反射した光ビームＬ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Ｌ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Ｌ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13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Ｌの偏光の向きを制御してもよい。

図８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Ｌが並列的に入射されるが、このうち一方の界面50ｄ上の金属膜55上は何も固定していない参照領域とし、他方の界面50ｅ上の金属膜55上はリガンド73を固定した検出領域とし、後述のリファレンス法による測定結果の校正を行うことができるようにしている。

ＣＣＤ17は、受光面が光ビームＬの伝播方向に対して略直交するように配置されている。ＣＣＤ17の受光面には二次元状に配列された複数の画素が形成されており、この複数の画素は、反射角度方向Ｙとこれに直交するビーム幅方向Ｘの二次元状に配列されている。

図９に示すように、シリンドリカルレンズ16は、ＣＣＤ17により受光される光ビームＬの像のビーム幅方向における最大幅Ｗ_Ｌが、ＣＣＤ17のビーム幅方向Ｘの検出領域幅Ｗ_Ｄの８０％以上となるように光ビームＬのビーム幅方向を発散させる位置に配置されている。

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50ｆ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８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から液体試料として基準バッファーやアナライトを含有するバッファー72等を流路60の測定部63に供給した後、測定を開始する。

図３に示す通り、レーザ光源13から発散光状態で出射した光ビームＬ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Ｌ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Ｌは界面50ｄおよび50ｅで全反射し、この反射した光ビームＬ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つのシリンドリカルレンズ16によってビーム幅方向に各々発散された２本の光ビームＬは、２つのＣＣＤ17により各々検出され、ＣＣＤ17から信号がコンピューター18に送信される。

コンピューター18では、Ｓ／Ｎを向上させるためにＸ軸方向毎に検出信号のビニング（加算平均化）処理を行い、Ｙ軸方向（反射角度方向）のみの１次元情報を得る。そしてこのＹ軸方向の信号に基づいて光ビームＬ中の暗線Ｄの位置、すなわち全反射減衰角θ_ＳＰを求める。なお、本発明の測定装置において暗線位置を検出する方法は、差分法もしくは重心法等、種々の方法を用いることが可能である。

通常、ＣＣＤの検出領域において光ビームＬの入射していない画素、すなわちＳ／Ｎの悪い（測定信号に対して暗電流ノイズが多い）画素が多いと、ＣＣＤの検出信号に対するビニング処理を行ってもＳ／Ｎ向上の有効な効果が得られない虞があるが、本実施の形態においては、ＣＣＤ17により受光される光ビームＬの像のビーム幅方向における最大幅Ｗ_Ｌが、ＣＣＤ17のビーム幅方向Ｘの検出領域幅Ｗ_Ｄの８０％以上となるようにし、光ビームＬの入射していない画素を少なくしたので、測定信号のＳ／Ｎを向上させることが可能である。

上記全反射減衰角θ_ＳＰ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するとそれに応じて変化するため、この全反射減衰角θ_ＳＰ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に接しているバッファー72（またはリガンド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検出領域において、バッファー72に含まれるアナライトがリガンド73と結合する特定物質であれば、リガンド73とアナライトとの結合状態に応じてリガンド73の屈折率が変化するので、上記全反射減衰角θ_ＳＰを測定し続けることにより、アナライトがリガンド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。

さらに、本実施の形態においては、リファレンス法を行うべく検出領域と参照領域の２つの領域を有し、この２つの領域の測定を同時に行っているため、リガンド73の変形により生じた誤差を校正した結果に対して、さらにリファレンス法によりバッファー73の温度変化や、光源変動等の外乱による誤差を校正することができる。

本実施の形態においては、金属膜55上の参照領域には何も固定していないが、参照領域はバッファー72中のアナライトと結合しない機能を有している方が好ましい。そのような態様とするためには、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金属膜55上に固定すればよい。また、リガンド固定機能のない有機膜や、測定に用いるアナライトと反応しないことが分かっているタンパク質を参照面として使ってもよい。

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１０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１０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。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態の表面プラズモンセンサーの測定系の光学系を変更したものである。

本実施の形態の測定系は、１本の光ビームＬを発生させる半導体レーザ等からなるレーザ光源13と、レーザ光源13から出射された光ビームＬを測定ユニット10への入射角度方向およびこの入射角度方向と直交するビーム幅方向に発散させるシリンドリカルレンズ14´と、光ビームＬを測定ユニット10に通し、流路60（測定部）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Ｌを各々検出する２つのＣＣＤ17と、２つのＣＣＤ17に接続されたコンピューター18とを備えている。

入射光学系15は、シリンドリカルレンズ14´から発散光状態で出射された光ビームＬ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Ｌを分割するハーフミラー15ｃと、ハーフミラー15ｃにより反射された光ビームＬ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Ｌ、およびミラー15ｄにより反射された光ビームＬを上記界面50ｄおよび50ｅ上で入射角度方向およびビーム幅方向ともに各々収束させる２つの集光レンズ15ｂ´（収束光学系）とから構成されている。

上記のような構成としても、ＣＣＤ17により受光される光ビームＬの像のビーム幅方向における最大幅を、ＣＣＤ17のビーム幅方向の検出領域幅の８０％以上とすることが可能であるため、上記第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１１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１１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。この第３の実施の形態は、第１の実施の形態の表面プラズモンセンサーの測定系のＣＣＤの配置を変更したものである。

本実施の形態の測定系は、１本の光ビームＬを発生させる半導体レーザ等からなるレーザ光源13と、レーザ光源13から出射された光ビームＬを測定ユニット10への入射角度方向に発散させるシリンドリカルレンズ14と、光ビームＬを測定ユニット10に通し、流路60（測定部）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Ｌを各々検出する２つのＣＣＤ17と、２つのＣＣＤ17に接続されたコンピューター18とを備えている。

ＣＣＤ17のビーム幅方向は、界面で全反射した光ビームＬの光軸に対して傾いており、このような構成としても、ＣＣＤ17により受光される光ビームＬの像のビーム幅方向における最大幅を、ＣＣＤ17のビーム幅方向の検出領域幅の８０％以上とすることが可能であるため、上記第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４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３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４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13から出射した光ビームＬ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Ｌ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の上のバッファー72もしくはリガンド73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、バッファー72もしくはリガンド73の屈折率を知ることができる。

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。

以上、本発明の好ましい実施の態様を説明したが、ＣＣＤ17により受光される光ビームの像のビーム幅方向における最大幅を、ＣＣＤ17のビーム幅方向の検出領域幅に対して所定の割合以上とするためには、上記で説明した拡大光学系を用いる態様、集束光学系を用いる態様、ＣＣＤ17のビーム幅方向を界面で全反射した光ビームＬの光軸に対して傾ける態様を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態による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６中のVII−VII線断面図図２中のVIII−VIII線断面図上記表面プラズモンセンサーのＣＣＤの受光面に受光される光ビームの状態を示す図本発明の第２の実施の形態による表面プラズモンセンサーの測定系の平面図本発明の第３の実施の形態による表面プラズモンセンサーの測定系の平面図本発明の第４の実施の形態による漏洩モードセンサーの測定系の側面図

符号の説明

10 測定ユニット
13 レーザ光源
14 シリンドリカルレンズ
15 入射光学系
16 シリンドリカルレンズ
17 ＣＣＤ
18 コンピューター
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 リガンド

Claims

光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームに対して透明な誘電体ブロック、該誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、および該薄膜層の表面上に試料を保持する試料保持部を備えてなる測定チップと、
前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して前記誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られる種々の角度で入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの像を互いに直交する反射角度方向とビーム幅方向との二次元状に配列された複数画素からなる二次元画像として検出する光検出手段とを備えてなる測定装置において、
前記光検出手段により受光される光ビームの像の前記ビーム幅方向における最大幅が、前記光検出手段の前記ビーム幅方向の検出領域幅の６０％以上となるように構成されていることを特徴とする測定装置。
前記光検出手段により受光される光ビームの像の前記ビーム幅方向における最大幅が、前記光検出手段の前記ビーム幅方向の検出領域幅の８０％以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
前記光源と前記光検出手段との間に、前記光ビームの前記ビーム幅を拡大する拡大光学系が配置されたことを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
前記測定チップと前記光検出手段との間に、前記拡大光学系が配置されたことを特徴とする請求項３記載の測定装置。
前記光源と前記光検出手段との間に、前記光ビームの前記ビーム幅を一旦収束させた後拡大する収束光学系が配置されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の測定装置。
前記光源と前記測定チップとの間に、前記収束光学系が配置されたことを特徴とする請求項５記載の測定装置。
前記光検出手段の前記ビーム幅方向が、前記界面で全反射した光ビームの光軸に対して傾いていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の測定装置。