JP2011075459A - 測定物の濃度測定方法及び光学センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 測定物を均一に反応させ、より高精度な測定を行うことを可能とする光学センサを提供する
【解決手段】 基板２の主面上に形成され、互いに離間して設けられた一対のグレーティング４を含む光導波路層３と、光導波路層上に設けられ、グレーティング間に位置する光導波路層の一部分上に開口部５ａを有する疎水性樹脂層５とを備えたセンサチップ１と、センサチップ１と組み合わせた際に、光導波路層３、及び疎水性樹脂層５と協働して開口部５ａを試薬７と測定物１０との反応室８とすると共に、反応室８内に測定物の供給、及び供給の際に発生する圧力を排出させるための複数のギャップ９を有するチャンバ６と、反応室８内の試薬７と測定物１０との反応物に対して反応を促進するための振動を与える振動付与手段１１とを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、測定物の濃度測定方法及び光学センサに関する。

従来の光学センサは、センサチップからなり、センサチップは、基板の主面上に設けられ、両端部にグレーティングを有する光導波路層と、この光導波路層上に設けられ、グレーティング間の光導波路層部分に開口部を有する疎水性樹脂層とで構成され、開口部内に測定物中のタンパク質等に対応する試薬が固定化されている。そして、このセンサチップでは、開口部内に所定量の測定物を滴下し、試薬と反応させた後、レーザ光を一方のグレーティングを介して光導波路層に入射させ、エバネッセント波を発生させて、開口部に露出する光導波路層部分でのエバネッセント波の変化を測定している。

しかし、このセンサチップにおいては、開口部内に所定量の測定物を的確に滴下することが困難であり、また開口部内において、滴下された測定物とその壁面との表面張力によって、測定物が凸状、または凹状となる場合がある。そのため、精度の高い測定を行うことが困難となる。

上記問題を解決する光学センサとして、特許文献１に示すものがある。この光学センサ１００では、図７に示すように、センサチップ１１０とこのセンサチップ１１０と組み合わされるチャンバ１２０とを有している。センサチップ１１０は、図８に示すように互いに離間して設けられたグレーティング１１２ａ、１１２ｂを有する光導波路層１１１が設けられ、グレーティング１１２ａ、１１２ｂ間の光導波路層１１１部分に試薬１１３が設けられた構造を有する。一方、図７のチャンバ１２０には、センサチップ１１０と組み合わされた時、試薬１１３に連接するギャップ１２１が設けられている。

特開２００９−１３３８３６号

しかし、上記の特許文献１に記載の光学センサ１００では、測定物をチャンバ１２０のギャップ１２１を通じて試薬１１３内に的確に導くことができると共に、試薬１１３が設けられた面をチャンバ１２０の底面で塞ぐことにより試薬１１３内に供給された測定物の上面を平坦化しているので、従来の光学センサに比べて精度の高い測定を行うことができるが、この光学センサにおいては、測定物と試薬を均一に反応させ難く、高精度な測定を行う為には改良の余地がある。

本発明では、測定物を均一に反応させ、より高精度な測定を行うことを可能とする測定物の濃度測定方法及び光学センサの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第1態様の光学センサは、基板の主面上に形成され、互いに離間して設けられた一対のグレーティングを含む光導波路層と、前記光導波路層上に設けられ、前記グレーティング間に位置する前記光導波路層の一部分上に開口部を有する疎水性樹脂層とを備えたセンサチップと、前記センサチップと組み合わせた際に、前記光導波路層、及び前記疎水性樹脂層と協働して前記開口部を試薬と測定物との反応室とすると共に、前記反応室内に測定物の供給、及び供給の際に発生する圧力を排出させるための複数のギャップを有するチャンバと、前記反応室内の前記測定物と前記試薬との反応物に対して反応を促進するための振動を与える振動付与手段と、を備えることを特徴としている。

また、本発明の第２態様の測定物の濃度測定方法は、上記第１態様の前記センサチップに前記チャンバを組み合わせて、試薬と測定物との反応室を形成する工程と、前記チャンバの前記ギャップを通じて前記反応室内に前記測定物を供給する工程と、前記反応室内に前記測定物を供給した後、前記反応室内の前記測定物と前記試薬との反応物に対して振動を与えて反応を促進させる工程と、を含むことを特徴としている。

本発明では、測定物と試薬を均一に反応させることにより、より高精度な測定を可能とする測定物の濃度測定方法及び光学センサの提供をすることができる。

本発明の第１実施形態に係る光学センサを示す上面図。 図１のＡ−Ａ線に沿う光学センサの断面図。 図２のＢ−Ｂ線に沿う光学センサの上面図。 チャンバの詳細を示した断面図。 本発明の第２実施形態に係る光学センサを示す断面図。 本発明の第３実施形態に係る光学センサを示す図で、同図（ａ）はその断面図、同図(ｂ)は測定物中の磁性微粒子の状態を示す図。 従来の光学センサを示す斜視図。 従来の光学センサに使用されたセンサチップを示す上面図。

以下に、本発明の実施形態に係る測定物の濃度測定方法及び光学センサに関し、図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る光学センサを、図１乃至図４を参照して具体的に説明する。図１乃至図４に示すように、本実施形態の光学センサ２０は、センサチップ１とチャンバ６と振動付与手段１１とにより構成される。

まず、センサチップ１の説明を行う。センサチップ１は、矩形状の基板２と、この基板２の主面に形成された光導波路層３と、この光導波路層３上に形成された疎水性樹脂層５とを有する。

光導波路層３は、レーザダイオードから出射されたレーザ光を伝播させるための層で、両端部には、レーザ光の方向を変えるための、一対のグレーティング４（入射側グレーティング４ａ、及び出射側グレーティング４ｂ）が設けられている。入射側グレーティング４ａと出射側グレーティング４ｂとは、その間に測定域Ｓを挟むように互いに離間して形成されている。

光導波路層３の一例としては、平面光導波路層が用いられる。この平面光導波路層は、例えば酸化シリコン、ガラス、酸化チタン、またフェノール樹脂やエポキシ樹脂のような有機系樹脂材料から形成することができる。また、平面光導波路層は、所定の光の透過性を有する材料が良い。好ましくは、ポリスチレンを主たる構造とするエポキシ樹脂等が良い。

次に疎水性樹脂層５の説明を行う。疎水性樹脂層５は、光導波路層３の上面全体に形成されている。この疎水性樹脂層５には、例えば矩形状の開口部５ａが形成されている。開口部５ａは、入射側グレーティング４ａと出射側グレーティング４ｂとの間に位置する測定域Ｓの光導波路層３の一部を露出するように形成されている。

疎水性樹脂層５は、光導波路層３を構成する材料よりも低屈折率かつ測定物と反応しない材料、例えばフッ素樹脂材料を使用すると良い。

次に、チャンバ６の説明を行う。チャンバ６は、略直方体の形状をしており、センサチップ１と組み合わせた際、センサチップ１側の面（底面）により疎水性樹脂層５の開口部５ａの開口面を覆う。これにより、チャンバ６の底面、測定域Ｓの光導波路層３の部分、及び開口部５ａ側面の疎水性樹脂層５部分の協働により開口部５ａが試薬と測定物との反応室８に代えられる。また試薬７が、光導波路層３の部分と対向するチャンバ６の底面部分に固定化されている。

また、チャンバ６には、反応室８内に測定物１０を供給するため、また供給時に発生する圧力を逃がすためにギャップ９が設けられている。ここでは、反応室８内に測定物１０を供給するため供給ギャップ９ａと排出ギャップ９ｂがそれぞれ設けられている。供給ギャップ９ａは、反応室８に対して＋Ｘ方向から−Ｘ方向に傾斜され、チャンバ６を貫いてチャンバ６の上面から反応室８にまで達している。または排出ギャップ９ｂは、供給ギャップ９ａとは逆に反応室８に対して−Ｘ軸方向からＸ軸方向に傾斜され、チャンバ６を貫いてチャンバ６の上面から反応室８にまで達している。なお、ギャップ９の位置や数、傾き方向、及び形状はこれに限られない。

チャンバ６は、例えばアクリルで形成されている。そして、少なくともセンサチップ１の光導波路層３と対向する対向面は、黒色に着色されている。なお、チャンバ６の全体が黒色の材質で形成されていてもよい。チャンバ６の対向面、または全体を黒色にするのは、発色反応を検出する測定装置から出射されたレーザ光が、センサチップ１の光導波路層３に入射した際に、散乱光や迷光を減らすことができ、高精度な測定が可能となるからである。

試薬７は、測定物１０と特異的に反応するものを含み、凍結乾燥されることにより固定化されている。例えばチャンバ６にメッシュを設け、試薬７を保持するビーズを作成し、メッシュの穴にビーズを入れ、凍結乾燥させて固定化させる。また試薬７は、測定物１０が反応室８に供給されると遊離する。

試薬７の固定化の方法として、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）やポリエチレングリコール、リン脂質ポリマー、ゼラチン等のような水溶性高分子材を添加したスラリを塗布し、凍結乾燥することにより固定化することも可能である。

反応室８を構成する光導波路層３の部分とその光導波路層３の部分と対向する底面の一部もしくは全体領域は、親水化処理されている。これにより、測定物１０を光学的変化の検出を行う反応室８全体に対し、均一に素早く広げることが出来る。

次に、振動付与手段１１の説明を行う。本実施形態では、振動付与手段１１としては、ポンプが用いられる。ポンプ１１は、チャンバ６の上面において、供給ギャップ９ａに送・排パイプを装着及び取外し可能に設置される。このポンプ１１は、反応室８内に測定物１０を供給した後、チャンバ６の上面に設けられたギャップ９ａに設置される。このポンプ１１は、反応室８内の試薬７と測定物１０との反応物とポンプ１１との間に閉じ込められたギャップ９ａ内の空気を振動させるために、空気の送出と排出を行うためのものである。このポンプ１１による、ギャップ９ａ内の空気の振動により、反応室８内の反応物に振動を与える。

測定物１０は、例えば血液、血清、血漿、生体試料、食品等の中に含まれる蛋白質、ペプチド、遺伝子等が挙げられる。具体的には、例えば、インスリン、カゼイン、β−ラクトグロブリン、オボアルブミン、カルシトニン、C−ペプチド、レプチン、β−２−ミログロブリン、レチノール結合タンパク、α−１−ミクログロブリン、α−フェトプロテイン、癌胎児性抗原、トロポニン−I、グルカゴン様ペプチド、インスリン様ペプチド、腫瘍増殖因子、繊維芽細胞増殖因子、血小板成長因子、上皮増殖因子、コルチゾール、トリヨードサイロニン、サイロキシン等のハプテンホルモン、ジゴキシン、テオフィリン等の薬物、細菌、ウイルス等の感染症物質、肝炎抗体、IgＥの他、そばの主要タンパク質複合体、落花生のＡｒａｈ２を含む可溶性タンパク質等があげられるが、これらに限定されるものではない。

次に、上述した光学センサ１０を用いて測定物の濃度測定方法について説明する。まず、センサチップ１にチャンバ６を組み合わせた後、チャンバ６の供給ギャップ９ａを通じて測定液（測定物）１０を反応室８内に供給する。供給された測定液１０は、反応室８内の全体に亘って均一にすばやく広がる。試薬７は、チャンバ６の底面から遊離し、測定液１０と反応をはじめる。

測定液１０を反応室８内に供給した後、ポンプ１１の送・排パイプをチャンバ６の供給ギャップ９ａに挿入し、ポンプ１１の送出及び排出動作を交互に、且つ連続的に行い、ギャップ９ａ内の空気を振動させることにより、反応室８内の試薬７と測定液１０の反応液に対して振動を与え、試薬７と測定液１０との反応を促進させる。

その後、レーザダイオード（図示略）からレーザ光を、入射側グレーティング４ａを介して光導波路層３に入射させ、エバネッセント波を発生させて、反応室８内に露出する光導波路層３部分を伝播させた後、出射側グレーティング４ｂからのレーザ光をフォトダイオード（図示略）で受光し、レーザ光の強度を測定する。そして、この測定されたレーザ光の強度と予め測定されてある基準光強度との差により測定物の濃度を算出する。

以上、第１実施形態によれば、ポンプ１１の送・排出動作によりギャップ９ａ内の空気を振動させて反応室８内の試薬７と測定液１０との反応液に対して振動を与え、試薬７と測定液１０との反応を促進させている。そのため、均一に反応させ、より高精度な測定を行うことが可能な測定物の濃度測定方法及び光学センサを提供することが出来る。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る光学センサを、図５を参照して具体的に説明する。

本実施形態は、第１実施形態とは振動付与手段を振動体で構成している点で異なり、その他の構成部分については、同様の構成を有している。従って、以下の説明においては、第１実施形態と同様の構成部分については、同一の符号を付して詳細説明を省略し、異なる構成部分について説明する。

本実施形態の光学センサ３０では、振動付与手段１２は振動素子から構成され、振動素子１２は、基板２の裏面に着脱可能に設置される。振動素子１２の大きさは、測定装置におけるレーザ光の入射及び出射の関係上、光導波路層３における一対のグレーティング４の間隔より狭いものが良い。なお、振動素子１２の設置位置や大きさはこれに限らない。

振動素子１２は、ここでは、例えば弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）素子が用いられるが、ピエゾ素子、アクチェータなどでもよく、振動するものであれば良い。

そして、測定物の濃度測定において、センサチップ１にチャンバ６を組み合わせて、反応室８に測定液１０を供給した後、振動素子１２を動作させて振動させることにより、センサチップ１が振動し、その結果、反応室８内の試薬７と測定液１０との反応液が振動され、反応が促進される。

以上、第２実施形態によれば、振動素子１２を動作させることで生じる振動により、反応室８内の試薬７と測定液１０との反応液に対して振動を与え、試薬７と測定液１０との反応を促進させている。そのため、均一に反応させ、より高精度な測定を行うことが可能な測定物の濃度測定方法及び光学センサを提供することが出来る。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る光学センサを、図６を参照して具体的に説明する。

本実施形態は、第１実施形態とは振動付与手段を振動体で構成している点で異なり、その他の構成部分については、同様の構成を有している。従って、以下の説明においては、第１実施形態と同様の構成部分については、同一の符号を付して詳細説明を省略し、異なる構成部分について説明する。

本実施形態の光学センサ４０では、振動付与手段１３は、磁力により移動可能な磁性微粒子で構成される。

磁性微粒子１３は、例えばマグネタイトやフェライト等の酸化鉄が含まれているものからなり、ここでは、試薬７と混合され凍結乾燥され、反応室８内に位置するチャンバ６の底面部分に固定化されている。また、固定化された磁性微粒子１３は、測定液１０が反応室８に供給された際、図６（ｂ）に示すように、試薬７と共に測定液１０中に遊離する。なお、磁性微粒子１３は、チャンバ６の底面部分に限らず、反応室８内であれば、光導波路層３の部分、疎水性樹脂層５部分に固定化されてもよい。

そして、測定物の濃度測定において、センサチップ１にチャンバ６を組み合わせて、反応室８に測定液１０を供給した後、例えば、磁石１４をチャンバ６の上面に設置し、Ｘ、Ｙ方向に移動させることにより、磁性微粒子１３は、磁石１４の移動に合わせて反応液中を移動する。その結果、反応室８内の試薬７と測定物１０との反応液が振動・攪拌され、反応が促進される。なお、磁石１４の設置位置は、磁性微粒子１３を移動させることが出来ればよく、チャンバ６の上面に限られない。

以上、第３実施形態によれば、磁性微粒子１３が磁石１４の移動に合わせて反応液中を移動することにより、反応室８内の試薬７と測定物１０との反応液が振動・攪拌され、反応が促進される。そのため、均一に反応させ、より高精度な測定を行うことが可能な測定物の濃度測定方法及び光学センサを提供することが出来る。

本発明では、上記第１実施形態から第３実施形態に限定されるものではなく、反応室８内における試薬と測定物とが均一に混ざり、反応させることが出来る振動付与手段を有していれば良い。

１，１１０…センサチップ
２…基板
３，１１１…光導波路層
４，１１２…グレーティング
５…疎水性樹脂層
５ａ…開口部
６，１２０…チャンバ
７，１１３…試薬
８…反応室
９，１２１…ギャップ
１０…測定物
１１…ポンプ
１２…振動素子
１３…磁性微粒子
１４…磁石
２０、３０、４０、１００…光学センサ

Claims (7)

1. 基板の主面上に形成され、互いに離間して設けられた一対のグレーティングを含む光導波路層と、前記光導波路層上に設けられ、前記グレーティング間に位置する前記光導波路層上の一部分に開口部を有する疎水性樹脂層とを備えたセンサチップと、
   前記センサチップと組み合わせた際に、前記光導波路層、及び前記疎水性樹脂層と協働して前記開口部を試薬と測定物との反応室とすると共に、前記反応室内に測定物の供給、及び供給の際に発生する圧力を排出させるための複数のギャップを有するチャンバと、
   前記反応室内の前記測定物と前記試薬との反応物に対して反応を促進するための振動を与える振動付与手段と、
   を備えることを特徴とする光学センサ。
2. 前記振動付与手段は、前記ギャップに対して空気を送出・排出し、且つ前記反応物に対して振動を与えるポンプであることを特徴とする請求項１記載の光学センサ。
3. 前記振動付与手段は、前記センサチップ及び前記チャンバの少なくとも一方に振動を与えるＳＡＷ素子、ピエゾ素子、またはアクチェータであることを特徴とする請求項１記載の光学センサ。
4. 前記振動付与手段は、磁力により遥動する磁性微粒子であり、前記試薬中に混在されていることを特徴とする請求項１記載の光学センサ。
5. 前記チャンバは、黒色であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光学センサ。
6. 前記反応室を形成する前記光導波路層部分、前記疎水性樹脂層、及び前記チャンバ部分の少なくとも一部が、親水化処理されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光学センサ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項記載の前記センサチップに前記チャンバを組み合わせて、試薬と測定物との反応室を形成する工程と、
   前記チャンバの前記ギャップを通じて前記反応室内に測定物を供給する工程と、
   前記反応室内に測定物を供給した後、前記反応室内の前記測定物と前記試薬との反応物に対して振動を与えて反応を促進させる工程と、
   を含むことを特徴とする測定物の濃度測定方法。

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