JP2011257266A - 光学センサおよび光学センサに用いられるチップ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】検出領域における特定物質の検出時の反応ムラの発生を抑制し、均一で高感度に特定物質の検出を行うことのできるチップ構造体およびこのチップ構造体を用いた光学センサを提供すること。
【解決手段】面状に形成された検出領域に試料溶液を供給するとともに前記試料溶液中の特定物質を検出領域で捕捉し、この捕捉された特定物質を光学的に検出する光学センサに用いられるチップ構造体であって、前記チップ構造体が、前記試料溶液中の特定物質を捕捉するための前記検出領域と、前記検出領域が形成された面に対して、所定の角度を持って形成された縦形流路と、前記縦形流路に前記試料溶液を供給するための供給路と、前記縦形流路を介して検出領域に供給された試料溶液を排出するための排出路と、を有する反応層を少なくとも備え、これにより前記面状に形成された検出領域に対し、前記縦形流路を介して縦方向より試料溶液が供給されるよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出領域に試料溶液を供給することで試料溶液中の特定物質を検出領域で捕捉し、この捕捉された特定物質を光学的に検出する光学センサおよび光学センサに用いられるチップ構造体に関する。

従来より、極微少な特定物質の検出を行う場合において、物質の物理的現象を応用することで、この特定物質を光学的に検出するようにした光学センサが用いられている。

このような光学センサの一つとして、ナノメートルレベルなどの微細領域中で電子と光とが共鳴することにより、高い光出力を得る現象（表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ；Surface Plasmon Resonance）現象）を応用し、例えば生体内の極微少な特定物質の検出を行う
ようにした表面プラズモン共鳴装置（以下ＳＰＲ装置とする）が挙げられる。

また、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象を応用した表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ；Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）の原理に基づき、ＳＰＲ装置よりもさらに高精度に特定物質の検出を行えるようにした表面プラズモン増強蛍光測定装置（以下、ＳＰＦＳ装置とする）も、光学センサの一つである。

このような光学センサでは、まず検出対象となる特定物質を含有した試料溶液を予め用意しておき、これをチップ構造体の検出領域に送液する。検出領域には予め検出対象となる特定物質を捕捉するためのリガンドが設けられており、試料溶液がここを通過すると、リガンドに特定物質が捕捉されるようになっている。

この検出領域で捕捉された特定物質を光学的に検出することで、特定物質の有無などを知ることができる。

ところで、検出領域に試料溶液を供給する場合、試料溶液を貯留する方法（例えば特許文献１，２）や、検出領域に横形の流路を形成し試料溶液を送液する方法などが用いられている。

試料溶液を貯留する方法の例として図７に示したチップ構造体１００では、誘電体部材１０２に凹部１１０を形成するとともに、この凹部１１０の底面を検出領域１０６に設定し、この凹部１１０内に試料溶液１０８を貯留するようになっている。

そして、この状態で光源１１２より集光部材１１４で集光しながら金属薄膜１０４に光を照射し、金属薄膜１０４に反射した光を受光手段１１６で受光した際に、試料溶液１０８内に特定の物質が有るか否かで生ずる信号の変化により、試料溶液１０８中の特定物質の有無の判定がなされている。

また、図８に示したチップ構造体２００では、試料溶液保持部２１０を形成し、この試料溶液保持部２１０内に試料溶液２０８を貯留することで、検出領域２０６での特定物質の検出ができるようになっている。

なおここでは、誘電体部材２０２を介して金属薄膜２０４に光源２１２より特定波長の光を照射した際に生ずる現象により、検出領域２０６で捕捉された特定物質に標識された蛍光が増強され、この蛍光を光検出手段２１４で検出することで、特定物質の検出ができ
るようになっている。

一方、横形流路３１２を形成して検出領域３０６に試料溶液３０８を送液する方法の例として図９に示したチップ構造体３００では、チップ構造体３００の反応層３１０に形成された検出領域３０６に横形流路３１２を形成しておき、この状態で横形流路３１２内に試料溶液３０８を流すことで、検出領域３０６に横方向から試料溶液３０８が供給され、これにより検出領域３０６で試料溶液中の特定物質が捕捉されるようになっている。

そして、この状態で上記したのと同様、誘電体部材３０２を介して金属薄膜３０４に光源（図示せず）より特定波長の光を照射した際に生ずる現象により、検出領域３０６で捕捉された特定物質に標識された蛍光が増強され、この蛍光を光検出手段（図示せず）で検出することで、試料溶液３０８中の特定物質の検出ができるようになっている。

なお、このように横形流路３１２を用いて試料溶液３０８を送液した場合、検出対象となる特定物質が極微量であると、試料溶液３０８が少量しか用意できず、一回の送液では検出領域３０６において特定物質が確実に捕捉されない場合がある。

このような場合には、検出領域３０６内へ試料溶液３０８を送液する横形流路３１２に循環送液ポンプ（図示せず）を設け、検出領域３０６へ試料溶液３０８が循環して供給されるようにしたり、また往復送液ポンプ（図示せず）を設け、検出領域３０６を試料溶液３０８が往復して供給されるようにしたりすることで、検出領域３０６における特定物質の検出精度を高めることができる。

特開２００３−１７２７４３号公報 特開２００８−１０２１１７号公報

しかしながら、上述したような試料溶液を貯留する従来のチップ構造体は、試料溶液の流れが生じ難く、検出対象となる特定物質が極微量の場合、特定物質が確実に検出領域で捕捉されない場合があり、このようなチップ構造体を用いて特定物質の検出を行った際、検出精度が十分ではなかった。

一方、横形流路を形成して検出領域に試料溶液を送液するようにした従来のチップ構造体は、試料溶液が検出領域の一方側端部から他方側端部に向かって順番に流れ込むようになっているため、検出領域の一方側端部（上流側）からリガンドに特定物質が捕捉されることとなり、どうしても他方側端部（下流側）では特定物質の検出反応が生じ難くなり、検出領域で反応ムラが生ずる場合があった。

なお、このようなチップ構造体の横形流路に往復送液ポンプを設ければ、検出領域の一方側端部から他方側端部に向かって、また他方側端部から一方側端部に向かって試料溶液を往復させることができるため、検出領域の一方側端部と他方側端部のいずれにおいても特定物質の反応を生じさせることができる。

しかしながら、この場合においても、検出領域の一方側端部と他方側端部に特定物質の検出時の反応が集中し、それ以外の部分では反応が生じ難く、反応ムラが生じているのが現状である。

本発明はこのような現状に鑑みなされたものであって、検出領域における特定物質の検出時の反応ムラの発生を抑制し、均一で高感度に特定物質の検出を行うことのできるチップ構造体およびこのチップ構造体を用いた光学センサを提供することを目的とする。

本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決するために発明されたものであって、
本発明のチップ構造体は、
面状に形成された検出領域に試料溶液を供給するとともに前記試料溶液中の特定物質を検出領域で捕捉し、この捕捉された特定物質を光学的に検出する光学センサに用いられるチップ構造体であって、
前記チップ構造体が、
前記試料溶液中の特定物質を捕捉するための前記検出領域と、
前記検出領域が形成された面に対して、所定の角度を持って形成された縦形流路と、
前記縦形流路に前記試料溶液を供給するための供給路と、
前記縦形流路を介して検出領域に供給された試料溶液を排出するための排出路と、
を有する反応層を少なくとも備え、
これにより前記面状に形成された検出領域に対し、前記縦形流路を介して縦方向より試料溶液が供給されるよう構成されていることを特徴とする。

このように試料溶液を供給するための縦形流路が、検出領域が形成された面に対して角度を持って形成されていれば、検出領域に対して面方向から試料溶液を一定の濃度で供給することができる。

このため、検出領域における特定物質の検出時の反応ムラの発生を抑制し、均一で高感度に特定物質の検出を行うことができる。

また、縦形流路に供給路と排出路がそれぞれに設けられていれば、縦形流路への試料溶液の供給および試料溶液の検出領域からの排出を容易に行うことができる。

さらに、供給路と排出路とを縦形流路の同側面に設置すれば、チップ構造体の大きさを小さくまとめることができ好ましい。

また、本発明のチップ構造体は、
前記縦形流路が、
前記検出領域が形成された面に対し、３０〜９０度の範囲の角度を有して形成されていることを特徴とする。

このような角度範囲で縦形流路が形成されていれば、確実に試料溶液を検出領域に対して一定の濃度で供給することができ、検出領域における特定物質の検出時の反応ムラを生ずることがなく、均一で高感度に特定物質の検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記縦形流路の断面が、略円形状であることを特徴とする。

このように縦形流路断面が略円形状であれば、例えば透明な部材にレーザで穴を形成したり、筒状体で縦形流路を簡単に構成できるため、部品点数が少なくてすみ製造コストを抑えることができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記断面略円形状の縦形流路の直径が、φ５〜１０ｍｍの範囲内であることを特徴とする。

このような太さの縦形流路であれば、確実に試料溶液を検出領域に対して一定の濃度で供給することができ、検出領域における特定物質の検出時の反応ムラを生ずることがなく、均一で高感度に特定物質の検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記縦形流路の断面形状が、前記検出領域の形状と略同形状となるように設定されていることを特徴とする。

このように縦形流路の断面形状が検出領域の形状と略同形状であれば、検出領域の全面に一定の濃度で試料溶液を供給できる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記縦形流路の一方側端部から他方側端部までの流路長が、１０〜２０ｍｍの範囲内であることを特徴とする。

このような流路長を有する縦形流路であれば、確実に試料溶液を検出領域に対して一定の濃度で供給することができ、検出領域における特定物質の検出時の反応ムラを生ずることがなく、均一で高感度に特定物質の検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記供給路の断面が略円形状であって、
前記略円形状の直径がφ０．５〜１．０ｍｍの範囲内であることを特徴とする。

このような供給路であれば、縦形流路に試料溶液を供給する際に、試料溶液を安定して供給することができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記排出路の断面が略円形状であって、
前記略円形状の直径がφ０．５〜１．０ｍｍの範囲内であることを特徴とする。

このような排出路であれば、縦形流路に供給された試料溶液を排出する際に、試料溶液を安定して排出することができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記縦形流路内に供給される試料溶液の流量が、２００〜５００μｌ／ｍｉｎの範囲内であることを特徴とする。

このような流量で縦形流路内に試料溶液を供給すれば、縦形流路の構造で生じ易い試料溶液内への気泡混入を効果的に防止することができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記チップ構造体が、
誘電体部材と、
前記誘電体部材の上面に形成された金属薄膜と、
前記金属薄膜の上面に形成された前記反応層と、
を有することを特徴とする。

このようなチップ構造体であれば、誘電体部材に光源より光を照射し、金属薄膜上の反応層の検出領域で試料溶液中の特定物質を光学的に検出するようにした光学センサに好適である。

また、本発明の光学センサは、
上記いずれかに記載のチップ構造体と、
前記チップ構造体の検出領域に供給された試料溶液中の特定物質を光学的に検出する光検出手段と、
を少なくとも有することを特徴とする。

このような光学センサであれば、上記した縦形流路が形成されたチップ構造体を用いているため、検出領域における特定物質の検出時の反応ムラの発生を抑制し、均一で高感度に特定物質の検出を行うことができる。

また、本発明の光学センサは、
前記反応層の縦形流路内に供給される試料溶液を、
前記供給路，縦形流路，排出路の順で送液し、再び前記供給路へ還流させる循環送液ポンプを有することを特徴とする。

このように循環送液ポンプを設ければ、検出領域に対して試料溶液を繰り返し循環して供給できるため、特定物質の検出精度をさらに向上させることができる。

また、本発明の光学センサは、
前記反応層の縦形流路内に供給される試料溶液を、
前記供給路，縦形流路，排出路の順で送液するとともに、さらに排出路，縦形流路，供給路の順で送液する往復送液ポンプを有することを特徴とする。

このように往復送液ポンプを設ければ、検出領域に対して試料溶液を繰り返し往復して供給できるため、特定物質の検出精度をさらに向上させることができる。

また、本発明の光学センサは、
前記光学センサが、
表面プラズモン共鳴装置（ＳＰＲ装置）または表面プラズモン増強蛍光測定装置（ＳＰＦＳ装置）であることを特徴とする。

このようにＳＰＲ装置またはＳＰＦＳ装置であれば、特に極微少な特定物質の検出に好適であり、試料溶液の液量が限られる場合であっても、本発明の縦形流路が設けられたチップ構造体を用いることで、検出領域において均一に特定物質を捕捉することができ、これにより精度良く特定物質の検出を行うことができる。

本発明によれば、反応層の検出領域の直上に縦形流路を形成することで、検出領域の全面に対して一定の濃度で試料溶液を供給することができるとともに、特定物質の検出時の反応ムラの発生を抑制し、均一で高感度に特定物質の検出を行うことのできるチップ構造体およびこのチップ構造体を用いた光学センサを提供することができる。

図１は、本発明のチップ構造体を説明するための概略図である。 図２は、チップ構造体の縦形流路を説明するための概略図である。 図３は、チップ構造体の縦形流路，供給路，排出路を円筒部，供給部，排出部で形成した場合について説明するための概略図である。 図４は、本チップ構造体の供給路，排出路を複数設けた場合について説明するための概略図である。 図５は、本発明のチップ構造体を用いた光学センサを説明するための概略図である。 図６は、本発明のチップ構造体と従来のチップ構造体との検出領域におけるシグナルの違いを説明するためのグラフである。 図７は、従来のチップ構造体を説明するための概略図である。 図８は、従来のチップ構造体を説明するための概略図である。 図９は、従来のチップ構造体を説明するための概略図である。

以下、本発明のチップ構造体およびこのチップ構造体を用いた光学センサの実施形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。

図１は、本発明のチップ構造体を説明するための概略図、図２は、チップ構造体の縦形流路を説明するための概略図、図３は、チップ構造体の縦形流路，供給路，排出路を円筒部，供給部，排出部で形成した場合について説明するための概略図、図４は、本チップ構造体の供給路，排出路を複数設けた場合について説明するための概略図、図５は、本発明のチップ構造体を用いた光学センサを説明するための概略図、図６は、本発明のチップ構造体と従来のチップ構造体との検出領域におけるシグナルの違いを説明するためのグラフである。

本発明のチップ構造体およびこのチップ構造体を用いた光学センサは、反応層の検出領域の直上に縦形流路を形成することで、検出領域の全面に対して一定の濃度で試料溶液を供給することができるとともに、特定物質の検出時に反応ムラを生ずることがなく、均一で高感度に特定物質の検出を行うことができるものである。

＜チップ構造体１０＞
本発明のチップ構造体１０の一実施例では、図１に示したように、誘電体部材１２と、この誘電体部材１２の上面に形成された金属薄膜１４と、さらにこの金属薄膜１４の上面に形成された反応層１８と、から構成されている。

そして、反応層１８は、金属薄膜１４上の一部に検出領域１６が設けられ、この検出領域１６に対して特定の角度を持って縦形流路２０が形成されている。

この縦形流路２０は、検出領域１６に対して試料溶液３０を供給するためのものであり、試料溶液３０中には検出対象となる特定物質が含有され、この特定物質が検出領域１６に達すると、検出領域１６に予め設けられたリガンドに捕捉されることとなる。

なお、図１に示したチップ構造体１０では、検出領域１６の直上に、略垂直に縦形流路２０が形成されているが、例えば図２に示したように縦形流路２０が傾斜していても構わない。

要は検出領域１６が形成された面に対して、横方向からではなく、縦方向から試料溶液３０が供給されるように構成された縦形流路２０であれば如何なる角度θであっても良いものである。この角度θは３０〜９０度の範囲内であることが好ましく、７０〜９０度の範囲内であることがより好ましい。

このような縦形流路２０は直径Ｄ１がφ１〜２ｍｍの範囲内に設定されることが好まし
い。また縦形流路２０の流路長Ｌ１は、１０〜２０ｍｍの範囲内に設定されることが好ましい。

縦形流路２０の直径Ｄ１がφ１ｍｍ以上で、流路長Ｌ１が１０ｍｍ以上とした場合には、試料溶液３０の充分な流れを確保して検出領域１６での反応を良好に行う上で好ましい。

一方、縦形流路２０の直径Ｄ１がφ２ｍｍ以下で、流路長Ｌ１が２０ｍｍ以下とした場合には、チップ構造体１０自体を小型化できる上で好ましい。

さらに、検出領域１６の直径Ｄ２は、縦形流路２０の直径Ｄ１と略同径とすることが好ましい。このようにしておけば、検出領域１６の大きさを限定することができ、特定物質の検出時におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、縦形流路２０の一方側端部には、試料溶液３０を供給するための供給路２４が設けられ、他方側端部には、検出領域１６に供給された試料溶液３０を排出するための排出路２６が設けられている。

ここで供給路２４の直径ｄ１は、φ０．５〜２．０ｍｍの範囲内であることが好ましく、より好ましくはφ０．５〜１．０ｍｍの範囲内である。また、排出路２６の直径ｄ２は、φ０．５〜２．０ｍｍの範囲内であることが好ましく、より好ましくはφ０．５〜１．０ｍｍの範囲内である。

供給路２４および排出路２６の直径ｄ１，ｄ２がφ０．５ｍｍ以上である場合には、試料溶液３０の流れの際に抵抗が高くなりすぎず、液漏れや圧力欠損による流量低下などを生ずるおそれが防止できるため、好ましい。

一方、供給路２４および排出路２６の直径ｄ１，ｄ２がφ２．０ｍｍ以下である場合には、試料溶液３０の一部が検出領域１６に触れることなく排出路２６へ戻ってしまうおそれが防止でき、特定物質の検出精度が向上するため、好ましい。

なお、本実施例におけるチップ構造体１０では、反応層１８における縦形流路２０，供給路２４，排出路２６の形成は、ソリッド状の部材にこれら縦形流路２０，供給路２４，排出路２６となる穴および溝を加工形成しておき、これを金属薄膜１４の上面に配設することで排出路２６が形成される。

さらに、穴および溝が形成されたソリッド状の部材の上面に、今度は透明天板２２を配設することで、縦形流路２０および供給路２４が形成されるようになっている。

上記した反応層１８における縦形流路２０，供給路２４，排出路２６の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えばソリッド状の部材に縦形流路２０，供給路２４，排出路２６用の３つの穴を形成すれば、透明天板２２を用いなくとも形成可能である。

また、図３に示したように、円筒部３２に供給部３４と排出部３６とを接続させ、円筒部３２の天面を透明天板２２で塞ぐことで、縦形流路２０，供給路２４，排出路２６を形成しても良い。

さらに、図４に示したように、供給路２４と排出路２６とを複数設け、試料溶液３０を複数の箇所から縦形流路２０へ送るようにしても良いものである。

このように本発明のチップ構造体１０は、検出領域１６の形成された面に対して所定の角度を持って縦形流路２０が形成されているので、試料溶液３０が検出領域１６に一定の濃度で供給可能となる。

このため、検出領域における特定物質の検出時の反応ムラを生ずることがなく、均一で高感度に特定物質の検出を行うことができる。

＜光学センサ８０＞
次いで図５に示した本発明の光学センサ８０は、光学センサ８０の一例である表面プラズモン増強蛍光測定装置（ＳＰＦＳ装置）であり、上記のチップ構造体１０を備えたものである。

このような光学センサ８０では、チップ構造体１０の供給路２４と排出路２６には、それぞれチューブ６８，６８が接続され、このチューブ６８，６８がポンプ７０に接続されている。

ここでチューブ６８の材質は特に限定されるものではないが、送液精度を出す点、また内容物を目視できる点などから、空気圧による変形をし難い硬い材質からなる樹脂製透明チューブが好ましい。

また、試料溶液３０は試料溶液収容器７２に貯留されており、この試料溶液収容器７２内の試料溶液３０は、ポンプ７０の駆動によりポンプ７０内へ送液されるようになっている。

なお、ここで用いられるポンプ７０は、ペリスタポンプ，シリンジポンプ，ピエゾポンプなど如何なるポンプであっても良いが、中でもペリスタポンプはポンプ内に空気を取り入れないで済むため好ましい。

また、このポンプ７０は、試料溶液３０を還流させる循環送液ポンプであっても往復動させる往復送液ポンプであっても良いが、本実施例では循環送液ポンプを用いている。また、本実施例にように単一のポンプを用いる場合に限らず、複数のポンプを用いてもよく、順方向に送液するためのポンプと逆方向に送液するためのポンプで往復送液ポンプを構成してもよく、或いは試料溶液３０を最初に供給するためのポンプと循環送液するためのポンプで循環送液ポンプを構成してもよい。

さらにチップ構造体１０の誘電体部材１２側には、誘電体部材１２内に入射され、金属薄膜１４に向かって励起光５２を照射する光源５０を備え、さらに光源５０から照射され金属薄膜１４に反射した金属薄膜反射光５４を受光する受光手段５６が備えられている。

光源５０から照射される励起光５２としてはレーザ光が好ましく、波長２００〜９００ｎｍ、０．００１〜１，０００ｍＷのＬＤレーザ、または波長２３０〜８００ｎｍ、０．０１〜１００ｍＷの半導体レーザが好適である。

一方、チップ構造体１０の反応層１８側には、反応層１８で生じた蛍光６０を受光する光検出手段６２が設けられている。

光検出手段６２としては、超高感度の光電子増倍管、または多点計測が可能なＣＣＤイメージセンサを用いることが好ましい。

なお、本実施例における光学センサ８０では、チップ構造体１０の反応層１８と光検出
手段６２との間に、集光部材６４および蛍光選択部材６６が配設されている。

集光部材６４は、蛍光６０を集光するものであり、蛍光選択部材６６は、特定波長の蛍光のみを選択して透過させ、この蛍光６０を全反射条件で光検出手段６２に到達させるように構成されたものである。

そして、このような光学センサ８０の使用においては、ポンプ７０の駆動により、試料溶液収容器７２内の試料溶液３０がチューブ６８を介して供給路２４へ送られ、さらに縦形流路２０を通じて検出領域１６に試料溶液３０が供給される。

検出領域１６では、試料溶液３０中のアナライトがリガンドに捕捉され、さらにアナライトに蛍光物質を標識させる。

そしてリガンドにアナライトが捕捉されなかった残りの試料溶液３０は、排出路２６を介してポンプ７０に戻り、再び供給路２４，縦形流路２０を介して検出領域１６に循環して供給される。

その後、光源５０より誘電体部材１２内に励起光５２を照射し、この励起光５２が特定の角度（共鳴角５８）で金属薄膜１４に入射することで、金属薄膜１４上に粗密波（表面プラズモン）を生ずるようにすることができる。

なお、金属薄膜１４上に粗密波（表面プラズモン）が生ずる際には、励起光５２と金属薄膜１４中の電子振動とがカップリングし、金属薄膜反射光５４のシグナルが変化（光量が減少）することとなるため、受光手段５６で受光される金属薄膜反射光５４のシグナルが変化（光量が減少）する地点を見つければ良い。

そして、この粗密波（表面プラズモン）により、金属薄膜１４上の検出領域１６の蛍光物質を標識したアナライトの蛍光物質が効率良く励起され、これにより蛍光物質が発する蛍光６０の光量が増大し、この蛍光６０を、集光部材６４を介して光検出手段６２で収集することで、極微量および／または極低濃度のアナライトを検出することができる。

なお、チップ構造体１０の金属薄膜１４の材質としては、好ましくは金，銀，アルミニウム，銅，および白金からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属からなり、より好ましくは金からなり、さらにこれら金属の合金からなることである。

このような金属は、酸化に対して安定であり、かつ粗密波（表面プラズモン）による電場増強が大きくなることから金属薄膜１４に好適である。

また、金属薄膜１４の形成方法としては、例えばスパッタリング法，蒸着法（抵抗加熱蒸着法，電子線蒸着法等），電解メッキ，無電解メッキ法などが挙げられる。中でもスパッタリング法，蒸着法は、薄膜形成条件の調整が容易であるため好ましい。

さらに金属薄膜１４の厚さとしては、金：５〜５００ｎｍ、銀：５〜５００ｎｍ、アルミニウム：５〜５００ｎｍ、銅：５〜５００ｎｍ、白金：５〜５００ｎｍ、およびそれらの合金：５〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。

電場増強効果の観点からは、金：２０〜７０ｎｍ、銀：２０〜７０ｎｍ、アルミニウム：１０〜５０ｎｍ、銅：２０〜７０ｎｍ、白金：２０〜７０ｎｍ、およびそれらの合金：１０〜７０ｎｍの範囲内であることがより好ましい。

金属薄膜１４の厚さが上記範囲内であれば、粗密波（表面プラズモン）が発生し易く好適である。また、このような厚さを有する金属薄膜１４であれば、大きさ（縦×横）は特に限定されないものである。

なお、試料溶液３０としては、血液，血清，血漿，尿，鼻孔液，唾液，便，体腔液（髄液，腹水，胸水等）またはこれらを水溶したものなどが挙げられる。

また、試料溶液３０中に含有されるアナライトは、例えば、核酸（一本鎖であっても二本鎖であってもよいＤＮＡ，ＲＮＡ，ポリヌクレオチド，オリゴヌクレオチド，ＰＮＡ（ペプチド核酸）等、またはヌクレオシド，ヌクレオチドおよびそれらの修飾分子），タンパク質（ポリペプチド、オリゴペプチド等），アミノ酸（修飾アミノ酸も含む。），糖質（オリゴ糖，多糖類，糖鎖等），脂質，またはこれらの修飾分子，複合体などが挙げられ、具体的には、ＡＦＰ（αフェトプロテイン）等のがん胎児性抗原や腫瘍マーカー，シグナル伝達物質，ホルモンなどであってもよく、特に限定されない。

さらに蛍光物質としては、所定の励起光５２を照射するか、または電界効果を利用することで励起し、蛍光６０を発する物質であれば特に限定されないものである。なお本明細書でいう蛍光６０とは、燐光など各種の発光も含まれるものである。

また、誘電体部材１２としては、光学的に透明な各種の無機物，天然ポリマー，合成ポリマーを用いることができ、化学的安定性，製造安定性および光学的透明性の観点から、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）または二酸化チタン（ＴｉＯ₂）を含むことが好ましい。

本実施例における誘電体部材１２は、プリズム形状を有する１部材からなっているが、他にもプリズム形状のものと、板状の誘電体部材を張り合わせた２部材からなるものであっても良く、特に構成は限定されないものである。

さらに、このような光学センサ８０は、光源５０から金属薄膜１４に照射される励起光５２による表面プラズモン共鳴の最適角（共鳴角５８）を調整するため、角度可変部（図示せず）や、受光手段５６および／または光検出手段６２に入力された情報を処理するためのコンピュータ（図示せず）などを有しても良いものである。

ここで、角度可変部（図示せず）は、サーボモータで全反射減衰（ＡＴＲ）条件を求めるために受光手段５６と光源５０とを同期し、４５〜８５°の角度変更を可能とし、分解能が０．０１°以上であることが好ましい。

このような構成を有する本発明の光学センサ８０は、上記した縦形流路２０が形成されたチップ構造体１０を用いるため、検出領域１６における検出時の反応ムラを生ずることがなく、均一で高感度に特定物質の検出を行うことができるようになっている。

また上記した光学センサ８０は、ＳＰＦＳ装置を想定して説明したが、これに限定されるものではなく、例えば表面プラズモン共鳴装置（ＳＰＲ装置），共焦点光学系装置，吸光光度計など如何なる光学センサ８０であっても良いものである。

さらに上記説明では循環送液ポンプを用いて説明したが、試料溶液３０が少ない場合には往復送液ポンプを用いることが好ましく、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能なものである。

なお、本明細書における各種の数値範囲は、その数値自体も当該数値範囲に含むものである。例えば、３０〜９０度の範囲の角度とは、３０度以上９０度以下の角度を意味する
ものである。

（実施例１）
図５に示した光学センサ８０のポンプを往復送液ポンプとしたこと以外は、基本的に同様の構成を有するＳＰＦＳ装置において、図１および図２に示した本発明のチップ構造体１０を用いて特定物質の検出を行った。

ここでは、検出領域１６に面する縦形流路２０の角度θを３０，４５，７０，９０度に設定したチップ構造体１０をそれぞれ用いた。

なお、検出領域１６として、金製の金属薄膜１４上にカルボキシル末端のＳＡＭ膜を介してＡＦＰ１次抗体を１０μｇ／ｍｌを添加し、固相化したものを用意した。

そして、往復送液ポンプにより濃度が１．０ｎｇ／ｍｌの試料溶液３０を流速５００μｌ／ｍｉｎで、角度θ３０，４５，７０，９０度のそれぞれの縦形流路２０へ２５ｍｉｎ還流送液した。

次にＴＢＳＴ溶液を流速５００μｌ/ｍｉｎでそれぞれの縦型流路２０へ５ｍｉｎ送液
した。そして、Ａｌｅｘａ６４７標識ＡＦＰ２次抗体２．５μｇ/ｍｌを流速５００μｌ/ｍｉｎでそれぞれの縦型流路２０へ２０ｍｉｎ還流供給し、再びＴＢＳＴ溶液で１０ｍｉｎ洗浄した。

その後、ＳＰＦＳ装置の光検出手段６２により、角度θ３０，４５，７０，９０度のいずれの縦形流路２０が形成された検出領域１６からＳＰＦＳシグナルを検出した。

また、図６に示したグラフから明らかなように、実施例１における縦形流路２０が形成されたチップ構造体１０では、検出領域１６に対する縦形流路２０の角度θが３０度から９０度に近づくほど、検出領域１６のシグナルが増加するとともに、検出領域１６の両端部と中心部とでシグナルの差が少なく安定していることが確認できた。

（比較例１）
図９に示した従来の横形流路３１２が形成されたチップ構造体３００を用いたこと以外は、実施例１と同様にして特定物質の検出を行った。

光検出手段により、横形流路３１２が形成された検出領域３０６からＳＰＦＳシグナルを検出した。この比較例１における特定物質のシグナルは、実施例１でθ＝９０度のチップ構造体１０におけるシグナルの半分程度であった。

なお、図６に示したグラフから明らかなように、比較例１における横形流路３１２が形成されたチップ構造体３００では、試料溶液がはじめに到達する検出領域３０６の両端部においてシグナルが最も高く、その後は中心部に向かってシグナルが大幅に減少しており、検出領域３０６において反応ムラが生じていることが確認できた。

したがって、本発明の縦形流路２０を形成したチップ構造体１０を用いた場合の方が、従来の横形流路３１２を形成したチップ構造体３００を用いた場合よりも特定物質の検出を高精度，高感度で行うことが確認できた。

１０・・・チップ構造体
１２・・・誘電体部材
１４・・・金属薄膜
１６・・・検出領域
１８・・・反応層
２０・・・縦形流路
２２・・・透明天板
２４・・・供給路
２６・・・排出路
３０・・・試料溶液
３２・・・円筒部
３４・・・供給部
３６・・・排出部
５０・・・光源
５２・・・励起光
５４・・・金属薄膜反射光
５６・・・受光手段
５８・・・共鳴角
６０・・・蛍光
６２・・・光検出手段
６４・・・集光部材
６６・・・蛍光選択部材
６８・・・チューブ
７０・・・ポンプ
７２・・・試料溶液収容器
８０・・・光学センサ
Ｄ１・・縦形流路の直径
Ｄ２・・検出領域の直径
ｄ１・・供給路の直径
ｄ２・・排出路の直径
Ｌ１・・縦形流路の流路長
θ・・・縦形流路の角度
１００・・・チップ構造体
１０２・・・誘電体部材
１０４・・・金属薄膜
１０６・・・検出領域
１０８・・・試料溶液
１１０・・・凹部
１１２・・・光源
１１４・・・集光部材
１１６・・・受光手段
２００・・・チップ構造体
２０２・・・誘電体部材
２０４・・・金属薄膜
２０６・・・検出領域
２０８・・・試料溶液
２１０・・・試料溶液保持部
２１２・・・光源
２１４・・・光検出手段
３００・・・チップ構造体
３０２・・・誘電体部材
３０４・・・金属薄膜
３０６・・・検出領域
３０８・・・試料溶液
３１０・・・反応層
３１２・・・横形流路

Claims (14)

1. 面状に形成された検出領域に試料溶液を供給するとともに前記試料溶液中の特定物質を検出領域で捕捉し、この捕捉された特定物質を光学的に検出する光学センサに用いられるチップ構造体であって、
   前記チップ構造体が、
   前記試料溶液中の特定物質を捕捉するための前記検出領域と、
   前記検出領域が形成された面に対して、所定の角度を持って形成された縦形流路と、
   前記縦形流路に前記試料溶液を供給するための供給路と、
   前記縦形流路を介して検出領域に供給された試料溶液を排出するための排出路と、
   を有する反応層を少なくとも備え、
   これにより前記面状に形成された検出領域に対し、前記縦形流路を介して縦方向より試料溶液が供給されるよう構成されていることを特徴とするチップ構造体。
2. 前記縦形流路が、
   前記検出領域が形成された面に対し、３０〜９０度の範囲の角度を有して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のチップ構造体。
3. 前記縦形流路の断面が、略円形状であることを特徴とする請求項１または２に記載のチップ構造体。
4. 前記断面略円形状の縦形流路の直径が、φ５〜１０ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項３に記載のチップ構造体。
5. 前記縦形流路の断面形状が、前記検出領域の形状と略同形状となるように設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のチップ構造体。
6. 前記縦形流路の一方側端部から他方側端部までの流路長が、１０〜２０ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のチップ構造体。
7. 前記供給路の断面が略円形状であって、
   前記略円形状の直径がφ０．５〜１．０ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のチップ構造体。
8. 前記排出路の断面が略円形状であって、
   前記略円形状の直径がφ０．５〜１．０ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のチップ構造体。
9. 前記縦形流路内に供給される試料溶液の流量が、２００〜５００μｌ／ｍｉｎの範囲内であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のチップ構造体。
10. 前記チップ構造体が、
    誘電体部材と、
    前記誘電体部材の上面に形成された金属薄膜と、
    前記金属薄膜の上面に形成された前記反応層と、
    を有することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のチップ構造体。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載のチップ構造体と、
    前記チップ構造体の検出領域に供給された試料溶液中の特定物質を光学的に検出する光検出手段と、
    を少なくとも有することを特徴とする光学センサ。
12. 前記反応層の縦形流路内に供給される試料溶液を、
    前記供給路，縦形流路，排出路の順で送液し、再び前記供給路へ還流させる循環送液ポンプを有することを特徴とする請求項１１に記載の光学センサ。
13. 前記反応層の縦形流路内に供給される試料溶液を、
    前記供給路，縦形流路，排出路の順で送液するとともに、さらに排出路，縦形流路，供給路の順で送液する往復送液ポンプを有することを特徴とする請求項１１に記載の光学センサ。
14. 前記光学センサが、
    表面プラズモン共鳴装置（ＳＰＲ装置）または表面プラズモン増強蛍光測定装置（ＳＰＦＳ装置）であることを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載の光学センサ。

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