JP2014122888A - Method for quantifying adsorption of trace amount of water molecule to thin film by use of reflectometric interference spectroscopy, and measurement system for the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide means capable of analyzing a behavior of water molecules to a thin film made of various materials, from a viewpoint different from the prior arts.SOLUTION: There is provided an analyzing method relating to a behavior of gaseous water molecules with respect to a sample thin film including a step of measuring data (measurement step) relating to a film thickness of the sample thin film by RIfS (reflectometric interference spectroscopy) while continuously or discontinuously changing the humidity of the environment where the sample thin film formed on a surface of a measurement substrate is placed. A RIfS measurement system including humidity adjusting means for continuously changing the humidity of the environment where the sample thin film formed on a surface of a sensor chip is placed is also.provided.

Description

本発明は、RIfS(Reflectometric Interference Spectroscopy:反射干渉分光法)を応用した分析方法およびそのための測定システムに関する。   The present invention relates to an analysis method applying RifS (Reflectometric Interference Spectroscopy) and a measurement system therefor.

RIfSは、センサーチップの表面に形成された光学的な厚さの薄膜に光を照射すると、その厚さによって、干渉によって反射率が最低となる波長(ボトムピーク波長)が相違するという原理を利用する分析手法である。すなわち、試料薄膜が形成されたセンサーチップについてボトムピーク波長を測定することにより、基準となる無修飾のセンサーチップについて測定されたボトムピーク波長との差(Δλ)を算出し、そこから試料薄膜の光路長(屈折率×厚さ)に換算することができる。たとえば、試料中に含まれるアナライト(抗原分子等)と、センサーチップの表面に固定化されたリガンド(抗体等)との間で分子間相互作用(抗原抗体反応による結合)が起き、当該アナライトからなる薄膜が形成されると、その形成量(平均的な厚さ)に応じてΔλが変化するので、試料中のアナライトを標識化することなく、リアルタイムで定量的に検出することができる。RIfSの基本原理は特許文献1や非特許文献1などに記載されている。   RIFS uses the principle that when a thin film with an optical thickness formed on the surface of a sensor chip is irradiated with light, the wavelength (bottom peak wavelength) at which the reflectance becomes lowest due to interference differs depending on the thickness. This is an analysis method. That is, by measuring the bottom peak wavelength for the sensor chip on which the sample thin film is formed, the difference (Δλ) from the measured bottom peak wavelength for the unmodified sensor chip is calculated, and from there, the sample thin film It can be converted into an optical path length (refractive index × thickness). For example, an intermolecular interaction (binding by antigen-antibody reaction) occurs between an analyte (antigen molecule, etc.) contained in a sample and a ligand (antibody, etc.) immobilized on the surface of the sensor chip, and the analyte When a light thin film is formed, Δλ changes according to the amount of formation (average thickness), so that it can be detected quantitatively in real time without labeling the analyte in the sample. it can. The basic principle of RIfS is described in Patent Document 1, Non-Patent Document 1, and the like.

さて、高分子材料など各種の素材について、吸水性や膨潤特性といった水が関係する物性を分析するための手段としては、次のようなものが知られている。
たとえば、試料の含水率(水を含んだ試料の全重量で水の重量を割って得られる値)は、簡易的には水を含んだ試料をオーブンで加熱し、その前後の重量を測定することによって算出することができ、より正確にはカールフィッシャー法によって測定することができ、各種の測定装置も販売されている。しかしながら、このような測定方法には比較的多量の試料が必要とされ、また環境湿度に応じて変化する水の吸着(吸湿)量およびその速度をリアルタイムに求めることはできない。
As a means for analyzing water-related physical properties such as water absorption and swelling characteristics of various materials such as polymer materials, the following are known.
For example, the moisture content of a sample (value obtained by dividing the weight of water by the total weight of the sample containing water) is simply measured by measuring the weight before and after heating the sample containing water in an oven. More precisely, it can be measured by the Karl Fischer method, and various measuring devices are also sold. However, such a measurement method requires a relatively large amount of sample, and the amount of adsorption (moisture absorption) and the speed thereof that change according to the environmental humidity cannot be determined in real time.

特許文献2には、QCM(水晶振動子マイクロバランス)またはその改良法であるQCM−Dを利用する手段が記載されている。すなわち、表面に膜状の試料が形成されているセンサーを用いて、その試料の上方に形成されている微小空間の相対湿度を変化させながらQCM等の測定を行うことにより、吸湿した試料の物性(膨潤性)を分析する方法や、その方法を実施するための装置(モジュール)が記載されている。さらに、非特許文献2には、特許文献2に係る出願人が販売している前記装置(モジュール)を用いて、相対湿度を数段階に変化させながら試料の厚さを測定するという応用例が開示されている。しかしながら、QCM等の理論上、測定環境が一定でないと測定は行えず(水が試料薄膜に吸着するとSauerbrey式からの乖離が大きくなるので、測定環境が変化すると計測のベースラインが変化してしまう)、またそれらの方法のための装置は一般的に機械的な駆動部を有するので測定に時間がかかる。そのため、非特許文献2中のグラフに示されているように、相対湿度を変化させる場合も、上昇又は下降させた後に一定の値でしばらく保持するといったように、段階的に変化させる必要があり、湿度を連続的に変化させながらリアルタイムで測定を行うことはできない。また、厚膜ほど前述の誤差が大きくなるため、測定対象膜厚が非常に狭い欠点もある。   Patent Document 2 describes means using QCM (quartz crystal microbalance) or QCM-D which is an improved method thereof. That is, by using a sensor having a film-like sample formed on the surface and measuring the QCM or the like while changing the relative humidity of the minute space formed above the sample, the physical properties of the absorbed sample A method for analyzing (swellability) and an apparatus (module) for carrying out the method are described. Furthermore, Non-Patent Document 2 has an application example in which the thickness of a sample is measured while changing the relative humidity in several steps using the apparatus (module) sold by the applicant according to Patent Document 2. It is disclosed. However, in theory such as QCM, measurement cannot be performed if the measurement environment is not constant (if the measurement environment changes, the measurement baseline changes because the deviation from the Sauerbrey equation increases when water is adsorbed to the sample thin film). ), And the devices for these methods generally have a mechanical drive and therefore take a long time to measure. Therefore, as shown in the graph in Non-Patent Document 2, even when the relative humidity is changed, it is necessary to change it stepwise so that it is held at a constant value for a while after being raised or lowered. It is impossible to measure in real time while continuously changing the humidity. Moreover, since the above-mentioned error becomes larger as the thickness of the film increases, there is a disadvantage that the film thickness to be measured is very narrow.

非特許文献3には、密閉空間に設置した精密電子天秤と調湿装置を組み合わせた装置が開示されている。この装置では、密閉空間内の湿度条件を変化させて各湿度の平衡状態での精密電子天秤の計量により水蒸気吸着等温線を求めることで固体材料への水分の吸脱着の挙動を測定することができる。しかしながら、電子天秤の精度はマイクログラム程度である。   Non-Patent Document 3 discloses a device in which a precision electronic balance installed in a sealed space and a humidity control device are combined. In this device, it is possible to measure the moisture adsorption / desorption behavior on a solid material by changing the humidity condition in the sealed space and obtaining the water vapor adsorption isotherm by weighing with a precision electronic balance in the equilibrium state of each humidity. it can. However, the accuracy of the electronic balance is on the order of micrograms.

上記のような従来技術によってでは、原理的に水の吸脱着前後の測定量の差分としてしか見ることができず、水との相互作用に関する試料の特性を分析しようとしても得られる情報の精度には限界があり、水の挙動を巨視的に(水をバルクとして)把握することしかできなかった。   According to the conventional technology as described above, in principle, it can be seen only as the difference between the measured amount before and after the adsorption / desorption of water, and the accuracy of the information obtained even when trying to analyze the characteristics of the sample related to the interaction with water. Was limited and could only grasp the behavior of water macroscopically (water as bulk).

特許第3786073号公報Japanese Patent No. 3778673 国際公開公報WO2009/005452号International Publication No. WO2009 / 005452

Sandstrom et al, APPL.OPT., 24, 472, 1985Sandstrom et al, APPL.OPT., 24, 472, 1985 Application Note (QS 405-18-1) "Analysing vapor uptake & release with QCM-D" (http://www.q-sense.com/file/18-analyzing-humidity-effects-with-qcm-d-1.pdf)Application Note (QS 405-18-1) "Analysing vapor uptake & release with QCM-D" (http://www.q-sense.com/file/18-analyzing-humidity-effects-with-qcm-d- 1.pdf) Intrinsic-Compact and Economical Dynamic Vapor Sorption System (http://www.thesorptionsolution/com/files/DVS%20Intrinsic%20Brochure.pdf)Intrinsic-Compact and Economical Dynamic Vapor Sorption System (http: //www.thesorptionsolution/com/files/DVS%20Intrinsic%20Brochure.pdf)

本発明は、各種の材料からなる薄膜に対する水分子の挙動を、従来にはない観点から分析することを可能とする手段を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a means that makes it possible to analyze the behavior of water molecules with respect to thin films made of various materials from an unconventional viewpoint.

発明者らは、RIfSに基づく分子間相互作用測定装置を用いて、センサーチップが置かれた雰囲気の湿度を連続的に変化させながら、センサーチップの表面に形成された試料薄膜についてΔλを測定したところ、驚くべきことに、湿度の変化に呼応してΔλ(およびそこから換算される膜厚)がサブオングストロームレベルで変化する様子を観察することができた。水分子のサイズは約0.4nmなので、仮にΔλから膜厚が0.02nm変化したと換算されれば、センサーチップの表面面積の約1/20に水分子が付着した(平均で水分子1/20個分の厚さの薄膜が形成された)ことを検出できる。つまり、試料薄膜に対する気体状の水の挙動を、バルクとしてではなく分子レベルで、定量的に観察することができることが見出された。しかも、RIfSでは光学的な界面を見ているため、湿度(および必要に応じて温度)を変化させてもベースラインは変化せず、また機械的な駆動部がないため分光器の限界(通常10msec)までリアルタイムで測定することができる。   The inventors measured Δλ of the sample thin film formed on the surface of the sensor chip while continuously changing the humidity of the atmosphere in which the sensor chip was placed using an intermolecular interaction measuring apparatus based on RIfS. Surprisingly, however, it was possible to observe how Δλ (and the film thickness converted therefrom) changed at the sub-angstrom level in response to changes in humidity. Since the size of the water molecule is about 0.4 nm, if the film thickness is converted from Δλ to 0.02 nm, the water molecule adheres to about 1/20 of the surface area of the sensor chip (water molecule 1 on average) / 20 thin films are formed). That is, it was found that the behavior of gaseous water with respect to the sample thin film can be quantitatively observed at the molecular level, not as a bulk. Moreover, since the optical interface is viewed in RIfS, the baseline does not change even if the humidity (and temperature if necessary) is changed, and there is no mechanical drive, so the limit of the spectrometer (usually Up to 10 msec).

このような知見に基づき完成された本発明は、一つの側面において、薄膜に対する気体状水分子の挙動に関する分析方法を提供し、別の側面において、当該分析方法を実施するための測定システムを提供する。すなわち、本発明は下記の発明を包含する。   The present invention completed based on such findings provides, in one aspect, an analysis method for the behavior of gaseous water molecules with respect to a thin film, and in another aspect, a measurement system for performing the analysis method. To do. That is, the present invention includes the following inventions.

[1] 測定基板の表面に形成された試料薄膜が置かれている雰囲気の湿度を連続的または不連続的に変化させながら、RIfS(反射干渉分光法)により当該試料薄膜の膜厚に関するデータを測定する工程(測定工程)を含むことを特徴とする、試料薄膜に対する気体状水分子の挙動に関する分析方法。   [1] Data on the film thickness of the sample thin film is obtained by RIFS (reflection interference spectroscopy) while continuously or discontinuously changing the humidity of the atmosphere in which the sample thin film formed on the surface of the measurement substrate is placed. A method for analyzing the behavior of gaseous water molecules with respect to a sample thin film, comprising a step of measuring (measuring step).

[2] 前記測定工程において、湿度の値の間隔が0.1〜10%である、10回以上の測定ステップが行われる、[1]に記載の分析方法。
[3] 前記測定工程において、湿度の変化が1〜100サイクル繰り返される、[1]または[2]に記載の分析方法。
[2] The analysis method according to [1], wherein in the measurement step, 10 or more measurement steps are performed in which a humidity value interval is 0.1 to 10%.
[3] The analysis method according to [1] or [2], wherein in the measurement step, a change in humidity is repeated for 1 to 100 cycles.

[4] 前記測定工程において、湿度を1%あたり1〜3600秒の速度で変化させる、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の分析方法。
[5] 前記測定工程において、初期の湿度を高くし、そこから湿度を低下させるように変化させる、[1]〜[4]のいずれか一項に記載の分析方法。
[4] The analysis method according to any one of [1] to [3], wherein in the measurement step, the humidity is changed at a rate of 1 to 3600 seconds per 1%.
[5] The analysis method according to any one of [1] to [4], wherein in the measurement step, the initial humidity is increased and then the humidity is decreased.

[6] 前記測定工程において、前記雰囲気の温度または前記試料薄膜の温度を変化させることを含む、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の分析方法。
[7] 前記測定工程が、前記雰囲気の湿度の変化速度が異なる条件下で、複数回行われる、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の分析方法。
[6] The analysis method according to any one of [1] to [5], including changing the temperature of the atmosphere or the temperature of the sample thin film in the measurement step.
[7] The analysis method according to any one of [1] to [6], wherein the measurement step is performed a plurality of times under conditions in which the humidity change rate of the atmosphere is different.

[8] 前記測定工程が、前記雰囲気の温度または前記試料薄膜の温度が異なる条件下で、複数回行われる、[1]〜[7]のいずれか一項に記載の分析方法。
[9] 前記試料薄膜が、被膜形成性の固体もしくは液体により形成される薄膜;測定基板の表面に固着可能な固体、液体もしくは気体により形成される薄膜;または測定基板上に形成された密閉空間内に溶解もしくは浮遊する物質により形成される薄膜である、[1]〜[8]のいずれか一項に記載の分析方法。
[8] The analysis method according to any one of [1] to [7], wherein the measurement step is performed a plurality of times under conditions in which the temperature of the atmosphere or the temperature of the sample thin film is different.
[9] A thin film in which the sample thin film is formed of a film-forming solid or liquid; a thin film formed of a solid, liquid, or gas that can be fixed to the surface of the measurement substrate; or a sealed space formed on the measurement substrate The analysis method according to any one of [1] to [8], which is a thin film formed of a substance that dissolves or floats inside.

[10] 前記試料薄膜の厚さが1nm〜100μmである、[1]〜[9]のいずれか一項に記載の分析方法。
[11] 前記測定工程により得られたデータに基づいて、気体状水分子の吸脱着量および吸脱着速度、気体状水分子の吸脱着ダイナミクス、試料薄膜の飽和水和量、平衡時間、平衡膜厚および平衡含水率、分子レベルの微小な面積の濡れ性、環境(温度、湿度の変化)の違いやストレスをかけた前後での物質の水和性の違い、水分子の吸・脱着(加湿と除湿)に由来するヒステリシス、水和速度の違い、および水和構造からなる群より選ばれる少なくとも一つの項目について分析する工程を含む、[1]〜[10]のいずれか一項に記載の分析方法。
[10] The analysis method according to any one of [1] to [9], wherein the thickness of the sample thin film is 1 nm to 100 μm.
[11] Based on the data obtained by the measurement step, the adsorption / desorption amount and adsorption / desorption rate of gaseous water molecules, the adsorption / desorption dynamics of gaseous water molecules, the saturation hydration amount of the sample thin film, the equilibrium time, the equilibrium membrane Thickness and equilibrium moisture content, wettability of minute area at molecular level, difference in environment (change in temperature and humidity), difference in hydration property of substance before and after stress, absorption / desorption of water molecule (humidification) And the step of analyzing at least one item selected from the group consisting of hysteresis, difference in hydration rate, and hydration structure, according to any one of [1] to [10] Analysis method.

[12] 前記平衡時間、平衡膜厚もしくは平衡含水率についての分析を、シミュレーション曲線または計算式に基づいて行う、[11]に記載の分析方法。
[13] 前記気体状水分子の吸脱着量または吸脱着速度についての分析を、前記測定工程により得られた試料薄膜の膜厚に関するデータから算出された、試料薄膜に吸脱着した気体状水分子の体積または質量に基づいて行う、[11]に記載の分析方法。
[12] The analysis method according to [11], wherein the analysis of the equilibrium time, the equilibrium film thickness, or the equilibrium moisture content is performed based on a simulation curve or a calculation formula.
[13] Gaseous water molecules adsorbed and desorbed on the sample thin film calculated from the data on the film thickness of the sample thin film obtained by the measurement step for analysis of the adsorption / desorption amount or adsorption / desorption rate of the gaseous water molecules The analysis method according to [11], which is performed based on the volume or mass of

[14] 前記水和構造についての分析を、膜厚変化量−湿度曲線の変曲点に基づいて行う、[11]に記載の分析方法。
[15] 測定基板の表面に形成された試料薄膜が置かれている雰囲気の湿度を連続的に変化させる湿度調節手段を備えることを特徴とする、RIfS測定システム。
[14] The analysis method according to [11], wherein the hydration structure is analyzed based on an inflection point of a film thickness change amount-humidity curve.
[15] A RIfS measurement system comprising humidity adjusting means for continuously changing the humidity of the atmosphere in which the sample thin film formed on the surface of the measurement substrate is placed.

[16] さらに、前記雰囲気の温度または前記試料薄膜の温度を変化させる温度調節手段を備える、[15]に記載のシステム。
[17] 気体を流出入させる開口を備えた密閉空間形成部材を前記測定基板に重ね合わせることで、前記試料薄膜の周囲に密閉空間が形成されている、請求項15または16に記載のシステム。
[16] The system according to [15], further comprising temperature adjusting means for changing the temperature of the atmosphere or the temperature of the sample thin film.
[17] The system according to claim 15 or 16, wherein a sealed space is formed around the sample thin film by overlapping a sealed space forming member having an opening through which gas flows in and out on the measurement substrate.

なお、明細書中に記載される用語「湿度」は、「相対湿度」および「絶対湿度」の両方を包含する。温度が一定であれば、「相対湿度を連続的に変化させる」ことと「絶対湿度を連続的に変化させること」は、どちらも連続的に変化するという点で共通しており、本発明の分析方法や測定システムにおける「湿度」をどちらの意味で解釈しても支障はない。たとえば、本発明における湿度調節手段としては、一般的に販売されている湿度調節ユニットや湿度調節装置を用いることができるが、通常は相対湿度により湿度を制御しているので、それに従って相対湿度で湿度調節パターンを設定することができる。一方、相対湿度が同じであっても高温の方が多量の水分子が存在する(絶対湿度が高い)ことになり、逆に同じ質量の水分子があっても(絶対湿度が同じでも)高温の方が相対湿度は低くなる。したがって、異なる温度で測定した結果を共通の基準で比較する場合、あるいは水分子の絶対量で表示する場合は、絶対湿度で測定または換算する方が適切である。   The term “humidity” described in the specification includes both “relative humidity” and “absolute humidity”. If the temperature is constant, “changing the relative humidity continuously” and “changing the absolute humidity continuously” are common in that both change continuously. There is no problem in interpreting either “humidity” in the analysis method or measurement system. For example, as the humidity adjusting means in the present invention, a commercially available humidity adjusting unit or humidity adjusting device can be used. However, since the humidity is normally controlled by relative humidity, the relative humidity can be controlled accordingly. A humidity control pattern can be set. On the other hand, even if the relative humidity is the same, a higher amount of water molecules are present at higher temperatures (absolute humidity is higher), and conversely, even if there are water molecules of the same mass (even if the absolute humidity is the same), the temperature is higher. The relative humidity is lower. Therefore, when comparing the results measured at different temperatures based on a common standard, or when displaying the absolute amount of water molecules, it is more appropriate to measure or convert with absolute humidity.

本発明によれば、湿度を連続的に変化させたときの試料の光路長の変化をRIfSによりリアルタイムで測定することができるので、気体状の水分子の吸着、脱離といった挙動や、試料に付着(保持、固着、吸湿、保湿、水和等の様々な言葉で表される)される量などを精密に分析することができるようになる。このような本発明の分析方法は、従来の方法でも測定できた吸水率、含水率、膨潤率といった言葉で表されていた巨視的な物性に留まらず、これまで発想すらされていなかった(もちろん従来の方法では実現不可能な)水の分子レベルでの分析、たとえば試料に付着した微量の水分子の定量、さらに水分子の吸着・脱離速度の測定、分子レベルの濡れ性、環境の違いやストレスをかけた前後での物質の水和性の違いなどの物性の評価を可能とする。湿度を連続的に変化させながら測定を行うという技術的思想をRIfSに導入することにより生み出された本発明は、各種の物質に対する気体状の水分子の挙動を本質的に解析することのできる手段として画期的なものである。   According to the present invention, since the change in the optical path length of the sample when the humidity is continuously changed can be measured in real time by RIfS, the behavior of adsorption and desorption of gaseous water molecules, The amount of adhesion (expressed in various terms such as retention, fixation, moisture absorption, moisture retention, and hydration) can be analyzed accurately. Such an analysis method of the present invention is not limited to the macroscopic physical properties expressed by words such as water absorption, water content, and swelling rate that could be measured by conventional methods, and has not been even conceived so far (of course). Analysis at the molecular level of water (not possible with conventional methods), for example, determination of a small amount of water molecules adhering to a sample, measurement of adsorption / desorption rate of water molecules, wettability at the molecular level, environmental differences This makes it possible to evaluate physical properties such as the difference in hydration properties of substances before and after stress. The present invention created by introducing the technical idea of performing measurement while continuously changing humidity into RIfS is a means capable of essentially analyzing the behavior of gaseous water molecules with respect to various substances. As groundbreaking.

図1は、本発明の測定システムの一実施形態(測定環境調節機構の第1実施形態)を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a measurement system according to the present invention (a first embodiment of a measurement environment adjusting mechanism). 図2は、本発明の測定システムの一実施形態(測定環境調節機構の第2実施形態)を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic view showing one embodiment of the measurement system of the present invention (second embodiment of the measurement environment adjusting mechanism). 図3は、様々な湿度の変化パターンを示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing various humidity change patterns. 図4は、実施例のセンサーチップNo.1(ベア基板)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。4 shows a sensor chip No. of Example. It is a graph showing the measurement result (Δλ, relative humidity) of 1 (bare substrate). 図5は、実施例のセンサーチップNo.2(オプツールDSX)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。5 shows the sensor chip No. of Example. 2 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 2 (OPTOOL DSX). 図6は、実施例のセンサーチップNo.3(フレッセラR)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。6 shows the sensor chip No. of Example. 3 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 3 (Fressera R). 図7は、実施例のセンサーチップNo.4(Triethoxy-1H,1H,2H,2H-tridecafluoro-n-octylsilane)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。7 shows the sensor chip No. of Example. 4 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 4 (Triethoxy-1H, 1H, 2H, 2H-tridecafluoro-n-octylsilane). 図8は、実施例のセンサーチップNo.5(Octadecyl-trimethoxysilane)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。8 shows a sensor chip No. of Example. 5 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 5 (Octadecyl-trimethoxysilane). 図9は、実施例のセンサーチップNo.6(Hydroxymethyl triethoxysilane)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。9 shows a sensor chip No. of Example. 6 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 6 (Hydroxymethyl triethoxysilane). 図10は、実施例のセンサーチップNo.7(N-(3-Triethoxysilylpropyl)gluconeamide)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。10 shows a sensor chip No. of Example. 7 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 7 (N- (3-Triethoxysilylpropyl) gluconeamide). 図11は、実施例のセンサーチップNo.8(CMD-L-05B1)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。11 shows the sensor chip No. of Example. 8 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 8 (CMD-L-05B1). 図12は、実施例のセンサーチップNo.9(CMD-D40-021205)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。12 shows the sensor chip No. of Example. 9 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 9 (CMD-D40-021205). 図13は、実施例のセンサーチップNo.10(CMD500-06F1)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。FIG. 13 shows a sensor chip No. of Example. 10 is a graph showing a measurement result (Δλ, relative humidity) of 10 (CMD500-06F1). 図14は、実施例のセンサーチップNo.11(BSA)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。14 shows a sensor chip No. of Example. 11 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 11 (BSA). 図15は、実施例のセンサーチップNo.12(ニュートラアビジン)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。15 shows a sensor chip No. of Example. It is a graph showing the measurement result ((DELTA) (lambda), relative humidity) of 12 (neutravidin). 図16は、実施例のセンサーチップNo.13(細胞膜画分)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。16 shows a sensor chip No. of Example. 13 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 13 (cell membrane fraction). 図17は、実施例のセンサーチップNo.14(DOPC)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。17 shows a sensor chip No. of Example. 14 is a graph showing a measurement result (Δλ, relative humidity) of 14 (DOPC). 図18は、実施例のセンサーチップNo.15(PS1)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。18 shows a sensor chip No. of Example. 15 is a graph showing a measurement result (Δλ, relative humidity) of 15 (PS1). 図19は、実施例のセンサーチップNo.16(PS2)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。19 shows a sensor chip No. of Example. 16 is a graph showing a measurement result (Δλ, relative humidity) of 16 (PS2). 図20は、実施例のセンサーチップNo.17(PS3)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。20 shows a sensor chip No. of Example. 17 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 17 (PS3). 図21は、実施例のセンサーチップNo.18(PMMA1)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。21 shows a sensor chip No. of Example. 18 is a graph showing a measurement result (Δλ, relative humidity) of 18 (PMMA1). 図22は、実施例のセンサーチップNo.19(PMMA2)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。22 shows the sensor chip No. of Example. 19 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 19 (PMMA2). 図23は、実施例のセンサーチップNo.20(PMMA3)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。23 shows a sensor chip No. of Example. It is a graph showing the measurement result (Δλ, relative humidity) of 20 (PMMA3). 図24は、実施例のセンサーチップNo.21(PA)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。24 shows a sensor chip No. of Example. It is a graph showing the measurement result ((DELTA) (lambda), relative humidity) of 21 (PA). 図25は、実施例のセンサーチップNo.22(ハイドランCP7610)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。25 shows a sensor chip No. of Example. 22 is a graph showing measurement results (Δλ, relative humidity) of 22 (Hydran CP7610). 図26は、実施例のセンサーチップNo.23(SiO2)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を表すグラフである。26 shows a sensor chip No. of Example. It is a graph showing the measurement result (Δλ, relative humidity) of 23 (SiO 2 ). 図27は、実施例のセンサーチップNo.12(ニュートラアビジン)について、12時間放置前後の測定結果を対比したグラフである。27 shows a sensor chip No. of Example. It is the graph which contrasted the measurement result before and behind 12 hours about 12 (neutravidin). 図28は、実施例のセンサーチップNo.15,16,17(PS1〜3:塗布濃度相違)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を対比したグラフである。28 shows a sensor chip No. of Example. 15 is a graph comparing the measurement results (Δλ, relative humidity) of 15, 16, 17 (PS1-3: difference in coating concentration). 図29は、実施例のセンサーチップNo.18,19,20(PMMA1〜3:塗布濃度相違)の測定結果(Δλ、対相対湿度)を対比したグラフである。29 shows a sensor chip No. of Example. 18 is a graph comparing the measurement results (Δλ, relative humidity) of 18, 19, 20 (PMMA1 to 3: difference in coating concentration). 図30は、実施例のセンサーチップNo.20(PMMA3)について、3段階で相対湿度を保持しながら温度を連続的に変化させたときの測定結果(λ、対温度)を対比したグラフである(上から、相対湿度が50%、30%、10%となっている)。30 shows a sensor chip No. of Example. 20 (PMMA3) is a graph comparing the measurement results (λ, temperature vs. temperature) when the temperature is continuously changed while maintaining the relative humidity in three stages (from the top relative humidity is 50%, 30 %, 10%). 図31は、実施例のセンサーチップNo.23(SiO2)について、2段階で温度を保持しながら湿度を連続的に変化させたときの測定結果(Δλ、対相対湿度)を対比したグラフである。31 shows a sensor chip No. of Example. 23 is a graph comparing measurement results (Δλ, relative humidity) when the humidity is continuously changed while maintaining the temperature in two stages for 23 (SiO 2 ). 図32は、実施例群2で用いた密閉空間形成部材(ガス流路)のイメージ図である。FIG. 32 is an image view of a sealed space forming member (gas flow path) used in Example Group 2. 図33は、実施例8に関する吸脱着曲線を表すグラフである。FIG. 33 is a graph showing an adsorption / desorption curve relating to Example 8. 図34は、実施例8(2)の水の吸脱着ダイナミクスを表すプロットである。FIG. 34 is a plot showing the water adsorption / desorption dynamics of Example 8 (2). 図35は、実施例8(3)に関する乾燥曲線および湿潤曲線を表すグラフである。FIG. 35 is a graph showing a drying curve and a wetting curve for Example 8 (3). 図36は、実施例9に関する膜厚変化を表すグラフである。左列の3つのグラフはそれぞれ調湿パターンに対する膜厚変化、右列の3つのグラフはそれぞれ水の吸着時および脱着時における膜厚変化を示している。FIG. 36 is a graph showing changes in film thickness in Example 9. Three graphs in the left column each show a change in film thickness with respect to the humidity control pattern, and three graphs in the right column show a change in film thickness at the time of water adsorption and desorption, respectively. 図37は、実施例9における、サンプル(c)の変曲点を求めるための補助線を引いた、膜厚変化を表すグラフである。FIG. 37 is a graph showing a change in film thickness in which an auxiliary line for obtaining the inflection point of sample (c) is drawn in Example 9. 図38は、実施例9における、平衡調湿時間のシミュレーション(左)および平衡含水率のシミュレーション(右)に用いたグラフである。FIG. 38 is a graph used in the simulation of the equilibrium humidity control time (left) and the simulation of the equilibrium moisture content (right) in Example 9. 図39は、実施例10における、正常NeutrAvidinからなる薄膜(上)および変性NeutrAvidinからなる薄膜(下)の膜厚変化を表すグラフである。FIG. 39 is a graph showing changes in film thickness of a thin film composed of normal NeutrAvidin (upper) and a thin film composed of modified NeutrAvidin (lower) in Example 10. 図40は、実施例11における、PS(ポリスチレン)(上段)およびPMMA(ポリメチルメタクリレート)(下段)の膜厚変化を表すグラフである。左列の2つのグラフはそれぞれ調湿パターンに対する膜厚変化、右列の2つのグラフはそれぞれ水の吸着時および脱着時における膜厚変化を示している。FIG. 40 is a graph showing changes in film thickness of PS (polystyrene) (upper stage) and PMMA (polymethyl methacrylate) (lower stage) in Example 11. The two graphs in the left column each show the change in film thickness with respect to the humidity control pattern, and the two graphs in the right column show the film thickness change during water adsorption and desorption, respectively. 図41は、実施例12における、CMD(カルボキシメチルデキストラン)(上段)およびデキストラン(下段)の膜厚変化を表すグラフである。左列の2つのグラフはそれぞれ調湿パターンに対する膜厚変化、右列の2つのグラフはそれぞれ水の吸着時および脱着時における膜厚変化を示している。FIG. 41 is a graph showing changes in film thickness of CMD (carboxymethyl dextran) (upper stage) and dextran (lower stage) in Example 12. The two graphs in the left column each show the change in film thickness with respect to the humidity control pattern, and the two graphs in the right column show the film thickness change during water adsorption and desorption, respectively. 図42は、実施例12における、CMD(カルボキシメチルデキストラン)(上段)およびデキストラン(下段)の水の吸脱着ダイナミクスを表すプロットである。FIG. 42 is a plot showing the water adsorption / desorption dynamics of CMD (carboxymethyldextran) (upper) and dextran (lower) in Example 12. 図43は、実施例13(1)(調湿温度とサンプル表面温度の温度差が5℃)における、フレッセラRの膜厚変化を表すグラフ(上段)および水の吸脱着ダイナミクスを表すプロット(下段)である。FIG. 43 is a graph (upper stage) showing the change in the film thickness of Fressela R and a plot (lower stage) showing the water adsorption / desorption dynamics in Example 13 (1) (temperature difference between the humidity control temperature and the sample surface temperature is 5 ° C.). ). 図44は、実施例13(2)(調湿温度とサンプル表面温度の温度差が10℃)における、フレッセラRの膜厚変化を表すグラフ(上段)および水の吸脱着ダイナミクスを表すプロット(下段)である。FIG. 44 is a graph (upper stage) showing the change in the film thickness of Fresseler R and a plot (lower stage) showing the water adsorption / desorption dynamics in Example 13 (2) (temperature difference between the humidity control temperature and the sample surface temperature is 10 ° C.). ).

−測定システム−
本発明は一つの側面において、試料薄膜に対する水分子の挙動に関する本発明の分析方法を実施するのに好適な、測定システムを提供する。本発明の測定システムは、RIfS、特に反射型RIfSに基づくものである。本発明の測定システムの実施形態の例を図1および図2に示すが、本発明の実施形態はこれら図に示されたものに限定されず、本発明の作用効果を妨げない範囲で改変された実施形態も含まれる。
-Measurement system-
In one aspect, the present invention provides a measurement system suitable for carrying out the analysis method of the present invention relating to the behavior of water molecules with respect to a sample thin film. The measurement system of the present invention is based on RIfS, in particular reflective RIfS. Examples of embodiments of the measurement system of the present invention are shown in FIG. 1 and FIG. 2, but the embodiments of the present invention are not limited to those shown in these drawings, and are modified within a range that does not impede the effects of the present invention. Embodiments are also included.

RIfS測定システム1は基本的に、RIfS装置10、このRIfS装置10にセットして用いられるセンサーチップ21、制御装置50、および制御装置50と各要素との接続手段60を含むシステム制御手段により構成される。本発明のRIfS測定システム1はさらに、センサーチップ21が置かれた雰囲気の温湿度を連続的または不連続的に変化させるための測定環境調節手段を含み、好ましくはセンサーチップ21(試料薄膜21c)の周囲に密閉空間を形成する密閉空間形成部材23や、センサーチップ21(試料薄膜21c)の温度をより直接的に調節するためセンサーチップ用温度調節手段も含む。   The RIfS measurement system 1 is basically configured by an RIfS apparatus 10, a sensor chip 21 used by being set in the RIfS apparatus 10, a control apparatus 50, and a system control means including a connection means 60 between the control apparatus 50 and each element. Is done. The RIfS measurement system 1 of the present invention further includes measurement environment adjusting means for continuously or discontinuously changing the temperature and humidity of the atmosphere in which the sensor chip 21 is placed, and preferably the sensor chip 21 (sample thin film 21c). In addition, a sealed space forming member 23 that forms a sealed space around the sensor chip and a sensor chip temperature adjusting means for directly adjusting the temperature of the sensor chip 21 (sample thin film 21c) are also included.

(RIfS装置)
RIfS装置10は、RIfS測定機構、測定環境調節機構、センサーチップ21および必要に応じて用いられるガス流路形成部材23をセットするためのセンサーチップセット部(ステージ)およびチップカバー、これらを収納し、一部に開閉可能な遮光カバーが設けられている筐体などから構成される。
(RIfS device)
The RIfS apparatus 10 accommodates a RIfS measurement mechanism, a measurement environment adjustment mechanism, a sensor chip 21 and a sensor chip set part (stage) and a chip cover for setting a gas flow path forming member 23 used as necessary. A part of the housing is provided with a shading cover that can be opened and closed in part.

・RIfS測定機構
RIfS測定機構は、白色光源11、分光器12、測定プローブ13を含む。白色光源11が点灯すると、その白色光が光ファイバ13aを介して測定領域Aに向けられたプローブ13から照射され、測定領域Aからの反射光が光ファイバ13bを介して分光器12に導かれる。図中の矢印は入射光および反射光を表す。プローブ13から照射される白色光の届く範囲が測定領域Aに相当し、この測定領域Aの面積(以下「測定面積」と呼ぶ場合がある。)は例えば0.126mm2(直径0.4mmの円)程度である。
RIfS measurement mechanism The RIfS measurement mechanism includes a white light source 11, a spectroscope 12, and a measurement probe 13. When the white light source 11 is turned on, the white light is irradiated from the probe 13 directed to the measurement region A through the optical fiber 13a, and the reflected light from the measurement region A is guided to the spectroscope 12 through the optical fiber 13b. . Arrows in the figure represent incident light and reflected light. The range in which the white light irradiated from the probe 13 reaches corresponds to the measurement region A, and the area of the measurement region A (hereinafter sometimes referred to as “measurement area”) is, for example, 0.126 mm 2 (with a diameter of 0.4 mm). Yen).

白色光源11は、ハロゲンランプと、これを格納する筐体とから構成される。筐体には、第一の光ファイバ13aを接続するための接続ポートが設けられており、接続ポートに接続された光ファイバ13aの端面とハロゲンランプとが対向するように配置される。   The white light source 11 includes a halogen lamp and a casing that stores the halogen lamp. The housing is provided with a connection port for connecting the first optical fiber 13a, and is arranged so that the end face of the optical fiber 13a connected to the connection port faces the halogen lamp.

分光器12は、受光部(CCD等)で受ける光について、波長ごとに強度を検出し、分光強度として制御装置50に出力する。筐体には、第二の光ファイバ13bを接続するための接続ポートが設けられており、接続ポートに接続された光ファイバ13bの端面と受光部とが対向するように配置される。   The spectroscope 12 detects the intensity for each wavelength of the light received by the light receiving unit (CCD or the like), and outputs it to the control device 50 as the spectral intensity. The housing is provided with a connection port for connecting the second optical fiber 13b, and is arranged so that the end face of the optical fiber 13b connected to the connection port and the light receiving portion face each other.

測定プローブ13は、白色光源11からの白色光を測定領域Aに導くための第一の光伝達経路としての光ファイバ13aと、光ファイバ13aから照射された白色光の測定領域Aにおける反射光を分光器12に導くための第二の光伝達経路としての光ファイバ13bとを備える。光ファイバ13a,13bは、いずれも微細ファイバを束ねた構造となっている。光ファイバ13aの一端は、白色光源11の接続ポートに接続されており、光ファイバ13bの一端は、分光器12の受光を行う接続ポートに接続されている。光ファイバ13aおよび13bそれぞれのもう一端は、測定プローブ13で、各々の微細ファイバが一つの束となるように複合的に寄り合わされている。光ファイバ13aを構成する微細ファイバは、測定プローブ13の中央に分布し、光ファイバ13bを構成する微細ファイバは光ファイバ13aの微細ファイバの束を取り囲むようにその周囲に分布している。   The measurement probe 13 is an optical fiber 13a as a first light transmission path for guiding white light from the white light source 11 to the measurement region A, and reflected light in the measurement region A of the white light irradiated from the optical fiber 13a. And an optical fiber 13b as a second light transmission path for guiding to the spectroscope 12. Each of the optical fibers 13a and 13b has a structure in which fine fibers are bundled. One end of the optical fiber 13 a is connected to the connection port of the white light source 11, and one end of the optical fiber 13 b is connected to the connection port that receives light from the spectrometer 12. The other end of each of the optical fibers 13a and 13b is combined with the measurement probe 13 so that each of the fine fibers forms one bundle. The fine fibers constituting the optical fiber 13a are distributed in the center of the measurement probe 13, and the fine fibers constituting the optical fiber 13b are distributed around the bundle of the fine fibers of the optical fiber 13a.

なお、本実施形態においては、センサーチップ21からの反射光を分光器12で受光するようにしているが(反射型RIfS)、センサーチップ21として光透過性のものを用いて、白色光源11からの光をセンサーチップ21に照射し、センサーチップ21を透過してきた光を受光するように分光器12を配置し、透過光の分光強度を検出するよう変形することも可能である。   In the present embodiment, reflected light from the sensor chip 21 is received by the spectroscope 12 (reflective type RIfS). It is also possible to arrange the spectroscope 12 so as to irradiate the sensor chip 21 with light and to receive the light transmitted through the sensor chip 21 and to detect the spectral intensity of the transmitted light.

(センサーチップ/測定基板)
センサーチップ21は、一般的には矩形であり、基板21aと、その上に形成された光学薄膜21bと、本発明ではさらに、光学薄膜21bの上に形成された試料薄膜21cから構成される。試料薄膜21cの一部が、白色光が照射されて反射率が測定される測定領域Aとなる。
(Sensor chip / measurement board)
The sensor chip 21 is generally rectangular, and includes a substrate 21a, an optical thin film 21b formed thereon, and a sample thin film 21c formed on the optical thin film 21b in the present invention. A part of the sample thin film 21c becomes a measurement region A where the reflectance is measured by irradiation with white light.

なお、従来の一般的なRIfSにおいては、各種の液体を送液することのできる流路を形成するために、枠材となるフローセルをセンサーチップに積載して用いる(センサーチップとフローセルとを組み合わせて測定部材とする)こともある。本発明では、試料薄膜は液体中には置かず、気体中に置いて気体状の水分子と接触できる状態で測定を行うので、そのようなフローセルを用いる必要はない。その代わり、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、センサーチップ表面に形成された試料薄膜の周囲を密閉し、湿度および/または温度が調節されたガスを導入および排出するための密閉空間形成部材として、従来のフローセルに類似した、センサーチップと重ね合わせられる部材を用いることもある。   In addition, in the conventional general RIfS, in order to form a flow path capable of feeding various liquids, a flow cell serving as a frame material is loaded on a sensor chip and used (a combination of a sensor chip and a flow cell). Measurement member). In the present invention, the sample thin film is not placed in a liquid, but is measured in a state where it is placed in a gas and brought into contact with gaseous water molecules. Therefore, it is not necessary to use such a flow cell. Instead, in one of the preferred embodiments of the present invention, a sealed space forming member for sealing around the sample thin film formed on the surface of the sensor chip and for introducing and discharging a gas whose humidity and / or temperature is adjusted. In some cases, a member similar to a conventional flow cell and superposed on a sensor chip may be used.

また、本明細書において、表面に試料薄膜21cが形成された状態のセンサーチップを「分析対象センサーチップ」と称する。一方、RIfS用のセンサーチップとして最小限の構成、典型的には基板21aおよび光学薄膜21bのみを備えたセンサーチップを「無修飾センサーチップ」と称する。また、このような無修飾センサーチップや、無修飾センサーチップに試料薄膜を形成するための前処理(たとえばシランカップリング剤による処理)までが施された状態(試料薄膜を形成する直前の状態)のセンサーチップであって、前記分析対象センサーチップの測定データを対比するためのもの「リファレンスセンサーチップ」と称する。   In this specification, a sensor chip in which the sample thin film 21c is formed on the surface is referred to as an “analysis target sensor chip”. On the other hand, a sensor chip having a minimum configuration as a sensor chip for RIfS, typically, only the substrate 21a and the optical thin film 21b is referred to as an “unmodified sensor chip”. In addition, such unmodified sensor chip and a state in which pretreatment (for example, treatment with a silane coupling agent) for forming a sample thin film is performed on the unmodified sensor chip (a state immediately before forming the sample thin film) This is referred to as a “reference sensor chip” for comparing the measurement data of the sensor chip to be analyzed.

ここで、本発明では、図1に示すように無修飾センサーチップ(その最表面の光学薄膜21b)の上層に試料薄膜21cを形成した場合だけでなく、光学薄膜21bで被覆されていない基板21a自体の上層に直接試料薄膜21cを形成した場合(したがってセンサーチップとは呼びにくい場合)であっても、RIfSに基づく測定および試料薄膜の分析を行うことが可能である。本明細書では、典型的な実施形態である前者に基づき、基板21a、光学薄膜21bおよび試料薄膜21cから構成される「(分析対象)センサーチップ」という用語を用いながら本発明を説明しているが、当該用語を基板21aおよび試料薄膜21cから構成される「(分析対象)基板」に適宜読み替えながら発明を解釈することが可能である。同様に、「無修飾センサーチップ」および「リファレンスセンサーチップ」を「無修飾基板」および「リファレンス基板」に読み替えることも可能である。試料薄膜21cが塗布される対象となる、光学薄膜21bが積層されていてもされていなくてもよい基板21aをまとめて「測定基板」と称する。   Here, in the present invention, as shown in FIG. 1, not only the case where the sample thin film 21c is formed on the upper layer of the unmodified sensor chip (the optical thin film 21b on the outermost surface) but also the substrate 21a not covered with the optical thin film 21b. Even in the case where the sample thin film 21c is directly formed on the upper layer of the film itself (therefore, it is difficult to call the sensor chip), the measurement based on RIfS and the analysis of the sample thin film can be performed. In the present specification, the present invention is described using the term “(analysis object) sensor chip” composed of the substrate 21a, the optical thin film 21b, and the sample thin film 21c based on the former which is a typical embodiment. However, it is possible to interpret the invention by appropriately reading the term as “(analysis target) substrate” composed of the substrate 21a and the sample thin film 21c. Similarly, “unmodified sensor chip” and “reference sensor chip” can be read as “unmodified substrate” and “reference substrate”. The substrate 21a on which the sample thin film 21c is to be applied, which may or may not be laminated with the optical thin film 21b, is collectively referred to as a “measurement substrate”.

・基板および光学薄膜
基板21aおよび光学薄膜21bは、白色光を照射したときに観測される反射率極小波長が適切な範囲となるような屈折率および厚みを有する材料で形成される。
-Substrate and optical thin film The substrate 21a and the optical thin film 21b are formed of a material having a refractive index and a thickness such that the minimum wavelength of reflectance observed when irradiated with white light is within an appropriate range.

基板21aは、従来の一般的なセンサーチップにおいては、Si(ケイ素、シリコンウェハ)からなる基板が好ましい。一方、本発明の一実施形態において、基板21aの上層に試料薄膜21cを形成する場合、その基板21aは、Si以外の基板、たとえばSiO2(石英ガラス)またはその他のガラス、あるいはポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボート、シクロオレフィンポリマー等のプラスチックからなる基板であってもよい。 In the conventional general sensor chip, the substrate 21a is preferably a substrate made of Si (silicon, silicon wafer). On the other hand, in the embodiment of the present invention, when the sample thin film 21c is formed on the upper layer of the substrate 21a, the substrate 21a is a substrate other than Si, for example, SiO 2 (quartz glass) or other glass, polystyrene, polymethyl, or the like. It may be a substrate made of a plastic such as methacrylate, polycarbonate, or cycloolefin polymer.

光学薄膜21bは、基板21aがSiからなるものである場合、SiN、SiO2、TiO2、Ti25などからなる薄膜とすることができるが、SiN(窒化ケイ素)からなる薄膜が好ましい。SiNの屈折率は可視光領域の波長約400から800nmの範囲において約2.0〜2.5であり、SiNの膜厚を約45〜90nmとすることにより、反射率極小波長をおよそ400nm〜800nmの範囲に調節することができる。光学薄膜21bは、基板21aの上面に、蒸着により積層することができる。 When the substrate 21a is made of Si, the optical thin film 21b can be a thin film made of SiN, SiO 2 , TiO 2 , Ti 2 O 5 or the like, but a thin film made of SiN (silicon nitride) is preferable. The refractive index of SiN is about 2.0 to 2.5 in the wavelength range of about 400 to 800 nm in the visible light region. By setting the film thickness of SiN to about 45 to 90 nm, the minimum reflectance wavelength is about 400 nm to It can be adjusted to a range of 800 nm. The optical thin film 21b can be laminated on the upper surface of the substrate 21a by vapor deposition.

・試料薄膜
試料薄膜21cは、適切な材料により形成され、RIfSを適用することのできる膜厚、屈折率等の性質を備えたものであれば特に限定されるものではない。
Sample thin film The sample thin film 21c is not particularly limited as long as it is formed of an appropriate material and has properties such as a film thickness and a refractive index to which RIfS can be applied.

試料薄膜の膜厚は、たとえば、1nm〜100μm、好ましくは10nm〜10μm、より好ましくは10nm〜1μmの範囲とすることができる。試料薄膜21cは、センサーチップ21の片方の表面の全てに形成されていても、一部に形成されていてもよい。   The film thickness of the sample thin film can be, for example, in the range of 1 nm to 100 μm, preferably 10 nm to 10 μm, more preferably 10 nm to 1 μm. The sample thin film 21c may be formed on the entire surface of one side of the sensor chip 21 or may be formed on a part thereof.

試料薄膜21cとしては、たとえば、被膜形成性の固体もしくは液体から形成された薄膜;センサーチップの表面に固着可能な固体、液体もしくは気体から形成された薄膜;またはセンサーチップ上に形成された密閉空間内に溶解もしくは浮遊する物質から形成された薄膜が挙げられる。   Examples of the sample thin film 21c include a thin film formed from a film-forming solid or liquid; a thin film formed from a solid, liquid or gas that can be fixed to the surface of the sensor chip; or a sealed space formed on the sensor chip. Examples include a thin film formed from a substance that dissolves or floats inside.

このうち「被膜形成性の固体」としては、疎水性ポリマー(ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチルなど)、親水性ポリマー(プラズマ処理等により親水化処理をしたポリメタクリル酸メチルなど)、水溶性ポリマー、生体材料(タンパク、リン脂質、核酸、糖鎖、細胞、細胞膜画分、皮膚、生体由来の分泌成分など)、表面処理剤(フッ素系撥水処理剤、親水性表面改質剤など)、塗料(インク、ペイントなど)、機能性材料が挙げられるが、無機化合物も含まれる。SiO2, Si, SiN, ZnO, TiO2などの、水分子を吸着しうる(それによって光路長が変化する)物質からなる薄膜(層)自体を試料薄膜としてもよい。「センサーチップの表面に固着可能な固体」としては、微粒子状(コロイダルシリカ、顔料、トナーなど)や単分子状の化合物(シランカップリング剤形成膜、LB膜形成膜、蒸着物など)であってもよい。 Among these, “film-forming solids” include hydrophobic polymers (polystyrene, polymethyl methacrylate, etc.), hydrophilic polymers (polymethyl methacrylate hydrophilized by plasma treatment, etc.), water-soluble polymers, biological Materials (proteins, phospholipids, nucleic acids, sugar chains, cells, cell membrane fractions, skin, biologically derived secretory components, etc.), surface treatment agents (fluorinated water repellent treatment agents, hydrophilic surface modifiers, etc.), paints ( Ink, paint, etc.) and functional materials, but also inorganic compounds. A thin film (layer) itself made of a substance capable of adsorbing water molecules such as SiO 2 , Si, SiN, ZnO, TiO 2 (which changes the optical path length) may be used as the sample thin film. “Solids that can be fixed to the surface of the sensor chip” include fine particles (colloidal silica, pigments, toners, etc.) and monomolecular compounds (silane coupling agent-forming films, LB film-forming films, vapor depositions, etc.). May be.

試料薄膜21cの形成方法も特に限定されるものではなく、RIfS用センサーチップを作製する場合などについてと同様の、公知の手法を用いることができる。
たとえば、合成もしくは天然の高分子材料からなる薄膜を形成する場合は、必要に応じて溶媒を用いて適度な粘度の溶液を調製した後、ディップコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティングなどのコーティング技術を用いて無修飾センサーチップの表面に塗布することができる。また、無修飾センサーチップの表面をシランカップリング剤またはアミンカップリング剤で処理して反応性官能基(アミノ基、カルボキシル基等)を導入しておき、高分子材料が有する官能基と反応させることにより当該高分子材料からなる薄膜を形成するようにしてもよい。このような官能基同士の反応のかわりに、分子間相互作用や静電吸着により高分子材料からなる薄膜を形成することもできる。あるいは、無修飾センサーチップの表面に光、熱などにより重合可能なモノマーを導入し、グラフト重合させることにより、そのモノマーから高分子材料を生成させて薄膜をを形成することもできる。その他、キャスト製法、化学気相成長法(CVD)、物理気相成長法(PVD)等の成膜技術を用いることもできる。
The method for forming the sample thin film 21c is not particularly limited, and a known method similar to that used for manufacturing a sensor chip for RIfS can be used.
For example, when forming a thin film made of a synthetic or natural polymer material, use a coating technique such as dip coating, spin coating, or spray coating after preparing a solution with an appropriate viscosity using a solvent as necessary. Can be applied to the surface of an unmodified sensor chip. In addition, the surface of the unmodified sensor chip is treated with a silane coupling agent or an amine coupling agent to introduce reactive functional groups (amino group, carboxyl group, etc.) and reacted with the functional group of the polymer material. Thus, a thin film made of the polymer material may be formed. Instead of such a reaction between functional groups, a thin film made of a polymer material can be formed by intermolecular interaction or electrostatic adsorption. Alternatively, a thin film can be formed by introducing a polymerizable monomer by light, heat or the like onto the surface of the unmodified sensor chip and graft polymerizing it to produce a polymer material from the monomer. In addition, film forming techniques such as a casting method, chemical vapor deposition (CVD), and physical vapor deposition (PVD) can also be used.

また、試料薄膜21cがタンパク質、核酸等の生体関連物質からなるものである場合は、抗原抗体反応やDNAハイブリダイゼーションなどの特異的な反応、または非特異的な反応により、前記生体関連物質を捕捉できる物質をセンサーチップの表面にあらかじめ固定化しておき、前記生体関連物質の水溶液をそのセンサーチップの表面に接触させることにより成膜することができる。この際、リガンドを固定化するステップや、アナライトを捕捉するステップは、そのステップを行う前の状態のセンサーチップにフローセルを載せて密閉流路を形成し、そこに材料を含む溶液を送液するようにして行うことが可能である。さらに、骨、皮膚などの生体材料(採取された組織または人工物)も、センサーチップの表面に固着させることができる。   When the sample thin film 21c is made of a biological material such as protein or nucleic acid, the biological material is captured by a specific reaction such as an antigen-antibody reaction or DNA hybridization, or a non-specific reaction. A film can be formed by previously immobilizing a substance that can be formed on the surface of the sensor chip and bringing the aqueous solution of the biological substance into contact with the surface of the sensor chip. At this time, in the step of immobilizing the ligand and the step of capturing the analyte, the flow cell is placed on the sensor chip in the state before the step is performed to form a sealed channel, and the solution containing the material is fed there. It is possible to do so. Furthermore, biomaterials (collected tissues or artificial products) such as bones and skin can be fixed to the surface of the sensor chip.

・試薬供給手段
測定システム1は必要に応じて、試料薄膜に微量の試薬を添加するための試薬供給手段を備えていてもよい。この場合、RIfS測定装置1は、たとえば、振動子での噴霧または静電噴霧による試薬供給機構を備える。試薬供給機構に係る制御プログラムを記憶した制御装置50は、当該機構を構成する各部材(液運搬手段など)と通信可能なように接続される。密閉空間形成部材23を利用する実施形態においては、当該部材に試薬供給口23dが設けられるので、試薬供給機構はそのような試薬供給口23dから試薬を噴霧できる位置に設置される。
-Reagent supply means The measurement system 1 may be provided with a reagent supply means for adding a small amount of reagent to the sample thin film, if necessary. In this case, the RIfS measurement apparatus 1 includes a reagent supply mechanism by spraying with a vibrator or electrostatic spraying, for example. The control device 50 storing a control program related to the reagent supply mechanism is connected so as to be communicable with each member (liquid transporting means, etc.) constituting the mechanism. In the embodiment using the sealed space forming member 23, since the reagent supply port 23d is provided in the member, the reagent supply mechanism is installed at a position where the reagent can be sprayed from the reagent supply port 23d.

(システム制御手段)
システム制御手段は、制御装置50、制御装置50と測定システム1を構成する各要素との間で電気的な信号、データ等の通信を可能とする接続手段60、制御装置50に記憶されたプログラム(ソフトウェア)などから構成される。システム制御手段の対象となる上記の各要素には、RIfSにおける基本的な要素である白色光源11、分光器12などに加えて、本発明で必要とされる測定環境調節機構、たとえばそれらを構成する温湿度調節ユニット110、温湿度センサー120などの部材が含まれ、さらに、RIfS測定装置がセンサーチップ用温度調節機や試薬供給機構を備える場合は、それらの構成部材も含まれる。
(System control means)
The system control means includes a control device 50, a connection means 60 that enables communication of electrical signals, data, and the like between the control device 50 and each element constituting the measurement system 1, and a program stored in the control device 50. (Software). In addition to the white light source 11 and the spectroscope 12 that are basic elements in RIfS, the above-described elements that are the targets of the system control means include measurement environment adjustment mechanisms that are required in the present invention, such as those constituting the system control means. The temperature / humidity adjusting unit 110 and the temperature / humidity sensor 120 are included, and when the RIfS measuring device includes a sensor chip temperature controller and a reagent supply mechanism, those components are also included.

制御装置50は、オペレータからのシステムの動作やデータの処理などに関する指示の入力の受け付け、システム構成要素(それらが備えるマイコン)に向けてその指示通りに作動させるための実行指令の送信、システム構成要素からの測定データの受信、システムの動作状況や受信、処理されたデータの表示などを行うための適切なインターフェースを備える。   The control device 50 receives an input of an instruction related to system operation or data processing from an operator, transmits an execution command for operating the system component (a microcomputer included in the system) according to the instruction, a system configuration Appropriate interfaces are provided for receiving measurement data from elements, operating status and reception of the system, and displaying processed data.

また、制御装置50は、測定システム1を構成する各要素から受信したデータを処理するための演算手段や、その処理を行うプログラム(ソフトウェア)や各種のデータを記憶するための記録媒体も備える。たとえば、分光器12から受信した分光強度データに基づくボトムピーク波長の変位量(Δλ)の算出や、その値に対応する温湿度センサー120から受信した温湿度データの統合などは、所定のプログラムにより処理することができる。   The control device 50 also includes a calculation means for processing data received from each element constituting the measurement system 1, a program (software) for performing the processing, and a recording medium for storing various data. For example, the calculation of the displacement amount (Δλ) of the bottom peak wavelength based on the spectral intensity data received from the spectroscope 12 and the integration of the temperature / humidity data received from the temperature / humidity sensor 120 corresponding to the value are performed by a predetermined program. Can be processed.

上記のような機能を持たせる制御装置50としては、パーソナルコンピュータを用いることが一般的である。本発明の分析システムは、制御装置50が記憶したプログラムにより、各測定ステップ、工程の開始、反復、終了等の処理が(半)自動的に行われることが好ましい。   As the control device 50 having the above functions, a personal computer is generally used. In the analysis system of the present invention, it is preferable that processes such as each measurement step, start of process, repetition, and end are (semi-) automatically performed by a program stored in the control device 50.

(測定環境調節手段)
測定環境調節手段は、分析の目的に応じて密閉空間23内の湿度および/または温度が所望の状態になるよう調節するための手段である。本発明のRIfS測定システムは、少なくとも湿度調節手段を含み、好ましくはさらに温度調節手段を含むが、これらの2つが統合されている測定環境調節手段を含むことが望ましい。
(Measurement environment adjustment means)
The measurement environment adjusting means is a means for adjusting the humidity and / or temperature in the sealed space 23 to a desired state according to the purpose of analysis. The RIfS measurement system of the present invention includes at least humidity adjustment means, and preferably further includes temperature adjustment means, but it is desirable to include measurement environment adjustment means in which these two are integrated.

測定環境調節機構の第1の実施形態として、図1に示すように配置された、温湿度調節ユニット110、温湿度センサー120、およびそれらを収納するとともに密閉空間23aを形成する筐体190によって構成される測定環境調節機構100が挙げられる。測定環境調節機構100に係る制御プログラムを記憶した制御装置50は、温湿度調節ユニット110および温湿度センサー120と制御可能なように接続されている。   As a first embodiment of the measurement environment adjustment mechanism, it is constituted by a temperature / humidity adjustment unit 110, a temperature / humidity sensor 120, and a casing 190 that houses them and forms a sealed space 23a, as shown in FIG. Measurement environment adjusting mechanism 100 to be used. The control device 50 storing a control program related to the measurement environment adjustment mechanism 100 is connected to the temperature / humidity adjustment unit 110 and the temperature / humidity sensor 120 so as to be controllable.

本実施形態では、測定環境調節機構100の筐体190内にRIfS装置10を設置している。この場合、筐体190内の温湿度が、RIfS装置10にセットされたセンサーチップ21が置かれた雰囲気の温湿度とみなせるよう、気体の出入りが保たれた状態とする。   In the present embodiment, the RIfS apparatus 10 is installed in the housing 190 of the measurement environment adjustment mechanism 100. In this case, the gas is kept in and out so that the temperature and humidity in the housing 190 can be regarded as the temperature and humidity of the atmosphere in which the sensor chip 21 set in the RIfS apparatus 10 is placed.

このような第1実施形態の測定環境調節機構100としては、温湿度調節ユニット110、湿度センサー120、およびそれらを収納する筐体190が一体的に統合されている、恒温恒湿器のような装置を用いてもよい。市販されている製品としては、たとえば、調湿恒温槽装置ARL-0680-J、ARL-1100-J、ARS-0680-J、ARS-1100-J、PFL−3K、PFL−3KH、PFU−3K、SH-221、SH-241、SH-246、SH-661(エスペック社製)が挙げられる。   As such a measurement environment adjustment mechanism 100 of the first embodiment, a temperature / humidity adjustment unit 110, a humidity sensor 120, and a housing 190 for housing them are integrated integrally, such as a thermo-hygrostat. An apparatus may be used. Examples of commercially available products include humidity control chambers ARL-0680-J, ARL-1100-J, ARS-0680-J, ARS-1100-J, PFL-3K, PFL-3KH, PFU-3K , SH-221, SH-241, SH-246, SH-661 (manufactured by Espec).

測定環境調節機構100、特に上に挙げたような一体型の装置は、温湿度センサー120によって装置内の湿度を計測し、温湿度調節ユニット110による加湿又は除湿によって、そこが設定された湿度となるように湿度制御を実行することができ、湿度の上昇、下降または維持を任意のパターンで自動的に行えるよう、電子回路(マイコン)またはシステム制御手段によってプログラム制御されるものが好適である。プログラムを電子回路に記憶させるための入力手段、温湿度データの記録・出力手段、各種の情報を確認できる表示手段などは、コントロールパネル等として測定環境調節機構100自体が備えていてもよいし、測定環境調節機構100に接続された制御装置50がその機能を担うようにしてもよい。   The measurement environment adjustment mechanism 100, particularly the integrated apparatus as described above, measures the humidity in the apparatus by the temperature / humidity sensor 120, and the humidity set by the humidity / dehumidification by the temperature / humidity adjustment unit 110 is measured. It is preferable that the humidity control can be executed, and that the program is controlled by an electronic circuit (microcomputer) or system control means so that the humidity can be automatically increased, decreased, or maintained in an arbitrary pattern. An input means for storing the program in an electronic circuit, a temperature / humidity data recording / outputting means, a display means for confirming various types of information may be provided in the measurement environment adjusting mechanism 100 itself as a control panel, The control device 50 connected to the measurement environment adjusting mechanism 100 may have the function.

測定環境調節機構の第2の実施形態として、図2に示すように配置された、温湿度調節ユニット110、温湿度センサー120、および排気機構130によって構成される測定環境調節機構100が挙げられる。本実施形態ではあらかじめ、フローセルに類似した密閉空間形成部材23によってセンサーチップ21の試料薄膜21c(特に測定領域A)の周囲に密閉空間23aを形成した上で、温湿度調節ユニット110から発生した温湿度が調節された気体を密閉空間23a内に導入し、試料薄膜に供給する。   As a second embodiment of the measurement environment adjustment mechanism, there is a measurement environment adjustment mechanism 100 configured by a temperature / humidity adjustment unit 110, a temperature / humidity sensor 120, and an exhaust mechanism 130 arranged as shown in FIG. In the present embodiment, the temperature generated from the temperature / humidity adjusting unit 110 after the sealed space 23a is formed around the sample thin film 21c (particularly, the measurement region A) of the sensor chip 21 by the sealed space forming member 23 similar to the flow cell. A gas whose humidity is adjusted is introduced into the sealed space 23a and supplied to the sample thin film.

また、測定環境調節機構100に係る制御プログラム(測定環境制御プログラム)を記憶した制御装置50は、これらの測定環境調節機構の各要素と制御可能なように接続される。このような測定環境調節手段において、温湿度センサー120によって密閉空間23a内の湿度および/または温度をリアルタイムで計測し、その測定値を制御装置50にフィードバックして、制御装置50に記憶された設定値と比較する。その結果に基づいて、温湿度調節ユニット110および排気機構130を適切に作動させることによって、密閉空間23aが設定された湿度および/または温度となるように制御することができる。   Moreover, the control apparatus 50 which memorize | stored the control program (measurement environment control program) concerning the measurement environment adjustment mechanism 100 is connected so that it can control with each element of these measurement environment adjustment mechanisms. In such a measurement environment adjusting means, the humidity and / or temperature in the sealed space 23a is measured in real time by the temperature / humidity sensor 120, and the measurement value is fed back to the control device 50 and stored in the control device 50. Compare with the value. Based on the result, by appropriately operating the temperature / humidity adjusting unit 110 and the exhaust mechanism 130, the sealed space 23a can be controlled to have the set humidity and / or temperature.

測定環境制御プログラムは、密閉空間23aの湿度および/または温度の上昇、下降または維持を任意のパターンで自動的に行えるようなものとすることが好適である。測定環境制御プログラムの入力手段、温湿度データの記録・出力手段、各種の情報を確認できる表示手段などは、制御装置50として一般的に用いられるPCが備えている。測定環境制御プログラムは、例えば次のような実施形態とすることができる:(1)事前に設定した「時間」および「設定温湿度」の計画を読み込み、(2)温湿度調節ユニットおよびセンサーチップの測定領域近傍に設置された温湿度センサーから、A/D変換により温湿度を変換して入力し、(3)計測された温湿度と前記設定温湿度との差分を計算して、温湿度調節ユニットを駆動して乾湿ガスの温湿度を制御する。加熱/冷却および加湿/除湿の度合い(%)の算出は、例えば、サンプリング方式(離産値)に適したPID演算方式とし、3つのPID制御パラメータ(Kp、Ki、Kd)によりチューニングすることが好ましい。   It is preferable that the measurement environment control program can automatically increase, decrease or maintain the humidity and / or temperature of the sealed space 23a in an arbitrary pattern. A PC generally used as the control device 50 includes an input unit for the measurement environment control program, a recording / output unit for temperature / humidity data, a display unit for confirming various information, and the like. The measurement environment control program may be, for example, the following embodiments: (1) Read a preset schedule of “time” and “set temperature / humidity”, and (2) temperature / humidity adjustment unit and sensor chip The temperature / humidity sensor installed in the vicinity of the measurement area is input by converting the temperature / humidity by A / D conversion, and (3) calculating the difference between the measured temperature / humidity and the set temperature / humidity. Drive the adjustment unit to control the temperature and humidity of the wet and dry gas. The calculation of the degree of heating / cooling and the degree of humidification / dehumidification (%) can be, for example, a PID calculation method suitable for the sampling method (separation value) and can be tuned by three PID control parameters (Kp, Ki, Kd). preferable.

温湿度調節ユニット110および排気機構130は、それぞれ、密閉空間23aの両端に設けられた開口23b(導入口)および開口23c(排出口)に、第一のガス流路140aおよび第二のガス流路140bを介して接続される。ガス流路140aおよび140bは、好ましくは、結露した水分を排除するための水分トラップ機構150を備える。   The temperature / humidity adjusting unit 110 and the exhaust mechanism 130 are respectively connected to an opening 23b (inlet) and an opening 23c (exhaust) provided at both ends of the sealed space 23a. It is connected via the path 140b. The gas flow paths 140a and 140b preferably include a moisture trap mechanism 150 for removing condensed moisture.

湿度調節ユニット110は、所望の湿度をおよび/または温度を有する気体を発生させて密閉空間23aに供給するためのユニットであり、湿潤ガス発生機構、乾燥ガス発生機構、乾湿ガス供給コントロールユニット、および乾湿ガス用温度調節機構を組み合わせて構築することが好ましい。   The humidity adjustment unit 110 is a unit for generating a gas having a desired humidity and / or temperature and supplying the gas to the sealed space 23a, and includes a wet gas generation mechanism, a dry gas generation mechanism, a dry / humid gas supply control unit, and It is preferable to construct by combining a temperature control mechanism for dry and wet gas.

湿潤ガス発生機構に用いることができる加湿の方式には、露点制御式(水中でバブルを発生させて環境温度の露点で湿度発生する)スチーム式(水をヒーターで加熱して沸騰させ、その蒸気を放出させる)、気化式(フィルターに水を含ませて、そのフィルターに空気を当てる事で水分を気化し、放出させる)、超音波式(超音波振動によって水を非常に細かな粒子にして放出させる)、ハイブリッド式(気化式がベースではあるが、ヒーターで熱した温風を吹き付け、気化を促進させ放出させる)、などがある。   The humidification method that can be used in the wet gas generation mechanism is a dew point control type (a bubble is generated in water and humidity is generated at the dew point of the ambient temperature) a steam type (water is boiled by heating with a heater, and its steam ), Vaporization type (water is contained in a filter, and water is vaporized and released by applying air to the filter), ultrasonic type (water is made into very fine particles by ultrasonic vibration) And a hybrid type (the vaporization type is the base, but warm air heated by a heater is blown to promote vaporization and release).

一方、乾燥ガス発生機構に用いることができる除湿の方式には、コンプレッサー式(コンプレッサーで空気を冷却し、空気中の水分を液化させて回収し、水分が回収されて乾燥した空気を放出させる)、デシカント式(デシカントと呼ばれる吸湿剤を利用し、空気中の水分を吸着して除湿する)、ハイブリッド式(コンプレッサー式とデシカント式を組み合わせたもの)などがある。   On the other hand, the dehumidification method that can be used for the dry gas generation mechanism is a compressor type (cooling air with a compressor, liquefying and recovering moisture in the air, and releasing dried air by collecting moisture) , Desiccant type (using a moisture absorbent called desiccant to adsorb moisture in the air to dehumidify), hybrid type (combined compressor type and desiccant type), etc.

乾湿ガス供給コントロールユニットは、湿潤ガス発生機構から発生した湿潤ガスおよび乾燥ガス発生機構から発生した乾燥ガスのそれぞれを、適切なタイミングで適切な量、密閉空間23aに供給するための機構である。乾湿ガス供給コントロールユニットに係る制御プログラムを記憶した制御装置50が、乾湿ガス供給コントロールユニットの構成要素のそれぞれと通信可能なように接続される。   The dry / humid gas supply control unit is a mechanism for supplying the wet gas generated from the wet gas generation mechanism and the dry gas generated from the dry gas generation mechanism to the sealed space 23a in an appropriate amount at an appropriate timing. A control device 50 storing a control program related to the dry / wet gas supply control unit is connected so as to be communicable with each component of the dry / wet gas supply control unit.

乾湿ガス用温度調節機構は、後述するセンサーチップ用温度調節機構と同様で、必要に応じて適宜改変した実施形態とすることができる。たとえば、温度調節器、当該温度調節器に接続され、湿潤ガス発生機構および乾燥ガス発生機構のそれぞれに当接された温度調節ユニット(たとえばペルチェ素子および冷却ファン)および温度センサーにより、乾湿ガス用温度調節機構を構築することができる。   The temperature control mechanism for the wet and dry gas is the same as the temperature control mechanism for the sensor chip described later, and can be an appropriately modified embodiment as necessary. For example, the temperature of the wet and dry gas is controlled by a temperature controller, a temperature control unit (for example, a Peltier element and a cooling fan) connected to the temperature controller and in contact with each of the wet gas generation mechanism and the dry gas generation mechanism, and a temperature sensor. Regulatory mechanisms can be constructed.

湿度センサー120としては、毛髪式、高分子抵抗式、高分子容量式、酸化アルミ容量式、アスマン通風式等の一般的な湿度測定方式を利用した、各種の温湿度計(乾湿計)を用いることができる。   As the humidity sensor 120, various temperature / humidity meters (wet and humidity meters) using a general humidity measuring method such as a hair type, a polymer resistance type, a polymer capacitance type, an aluminum oxide capacitance type, an Asman ventilation type, etc. are used. be able to.

排気機構130は、温湿度調節ユニット110から供給された後に不要となったガスをRIfS測定装置10の外部に排出する。排気機構130は、ファンや、必要に応じてガス中の水分の回収機構などを含む。排気機構130の排気能力は、密閉空間23aの容積などを考慮しながら適宜設定することができるが、たとえば0.1〜10mL/分の範囲で調整することができる。   The exhaust mechanism 130 discharges the unnecessary gas after being supplied from the temperature / humidity adjustment unit 110 to the outside of the RIfS measurement apparatus 10. The exhaust mechanism 130 includes a fan and, if necessary, a mechanism for collecting moisture in the gas. The exhaust capacity of the exhaust mechanism 130 can be appropriately set in consideration of the volume of the sealed space 23a and the like, but can be adjusted, for example, in the range of 0.1 to 10 mL / min.

測定環境調節機構の第3の実施形態として、RIfS装置10の内部に設置されたセンサーチップ21の周囲を、センサーチップをセットするセンサーチップセット部(ステージ)およびフローセルに被せるチップカバーに適切な構造を設けることによって、あるいはセンサーチップをRIfS装置10に着脱する際に開閉し、RIfS測定時に外部からの光を遮断する遮光カバーに適切な構造を設けることによって、密閉空間23a(チャンバー)を形成した上で、温湿度調節ユニット110から発生した温湿度が調節された気体を密閉空間23a(チャンバー)に導入するようにしてもよい。   As a third embodiment of the measurement environment adjustment mechanism, a structure suitable for a sensor chip set part (stage) for setting a sensor chip and a chip cover for covering the periphery of the sensor chip 21 installed inside the RIfS apparatus 10 with a flow cell. Or by opening / closing the sensor chip when attaching / detaching the sensor chip to / from the RIfS apparatus 10 and providing an appropriate structure for the light-shielding cover that blocks light from the outside during RIFS measurement, the sealed space 23a (chamber) is formed. In the above, the gas whose temperature and humidity are generated from the temperature and humidity adjustment unit 110 may be introduced into the sealed space 23a (chamber).

上述した測定環境調節機構の第2および第3の実施形態において用いることのできる、外付けの調湿装置(湿度発生装置、露点計、湿度校正器、温湿度制御装置など)の例としては、Humilab(東陽テクニカ)、SRG-1R(神栄テクノロジー)、KTC-Z02A-S(コトヒラ工業)、GenRH-A、GenRH-T(Surface Measurement Systems Ltd.社製)、OVG-4、OHG-4(Owlstone co. ltd 社製)が挙げられる。   Examples of external humidity control devices (humidity generator, dew point meter, humidity calibrator, temperature / humidity control device, etc.) that can be used in the second and third embodiments of the measurement environment adjustment mechanism described above are as follows: Humilab (Toyo Technica), SRG-1R (Shinei Technology), KTC-Z02A-S (Kotohira Industry), GenRH-A, GenRH-T (Surface Measurement Systems Ltd.), OVG-4, OHG-4 (Owlstone) co. ltd).

測定環境調節機構100により調節される湿度および/または温度の範囲は特に限定されるものではなく、分析の目的に応じて適宜設定することができるが、温湿度調節ユニット110は、湿度を0〜100%の範囲で、また温度を10〜60℃の範囲で、任意に設定できるものであることが好ましい。また、分析の目的に応じて、任意のパターンで湿度および/または温度を調節できるよう、温湿度調節ユニット110は、湿度であれば1%あたり1〜3600秒、たとえば15〜150秒の速度で、温度であれば1℃あたり1〜3600秒の速度、たとえば10秒〜120秒の速度で、湿度および/または温度を連続的に変化させることのできるものが好ましい。   The range of humidity and / or temperature adjusted by the measurement environment adjusting mechanism 100 is not particularly limited, and can be set as appropriate according to the purpose of analysis. It is preferable that the temperature can be arbitrarily set within a range of 100% and a temperature within a range of 10 to 60 ° C. Moreover, the temperature and humidity adjustment unit 110 is 1 to 3600 seconds per 1%, for example, 15 to 150 seconds per 1% of humidity so that the humidity and / or temperature can be adjusted in an arbitrary pattern according to the purpose of analysis. In the case of temperature, those capable of continuously changing humidity and / or temperature at a rate of 1 to 3600 seconds per 1 ° C., for example, at a rate of 10 to 120 seconds are preferable.

さらに、分析の目的に応じて(たとえば水分子の運動を加速ないし制御するために)、密閉空間23aの圧力を減圧または加圧することもできる。そのために、制御装置50(制御プログラム)は、温湿度調節ユニット110によるガスの供給量および排気機構130によるガスの排出量のバランスを調節することにより、密閉空間23aの圧力を所望の値にする機能を有するものであってもよい。   Furthermore, the pressure in the sealed space 23a can be reduced or increased according to the purpose of analysis (for example, to accelerate or control the movement of water molecules). Therefore, the control device 50 (control program) adjusts the balance between the gas supply amount by the temperature / humidity adjustment unit 110 and the gas discharge amount by the exhaust mechanism 130 to set the pressure in the sealed space 23a to a desired value. It may have a function.

また、密閉空間23aに供給される湿度および/または温度が調整されたガスには、空気のみでなく、窒素ガス、水素ガス等、測定目的に応じた種々の気体を用いることもできる。そのために、測定環境調節機構はさらに、温湿度調節ユニット110に窒素ガス、水素ガス等の空気以外のガスを供給する機構、たとえば、それらのガスを化学反応等により発生させる機構、またはボンベ(気体)ないしタンク(液体)からそれらのガスを導入する機構を有するものであってもよい。湿潤ガス発生機構および乾燥ガス発生機構は、空気と入れ替えて予め封入されたそれらのガスを用いて、所定の湿度および/または温度を有するガスを調製し、密閉空間23aに供給することができる。   In addition, not only air but also various gases according to the measurement purpose such as nitrogen gas and hydrogen gas can be used as the gas with adjusted humidity and / or temperature supplied to the sealed space 23a. For this purpose, the measurement environment adjustment mechanism is further provided with a mechanism for supplying a gas other than air, such as nitrogen gas or hydrogen gas, to the temperature / humidity adjustment unit 110, for example, a mechanism for generating such gas by a chemical reaction, or a cylinder (gas ) To a tank (liquid) to introduce those gases. The wet gas generation mechanism and the dry gas generation mechanism can prepare a gas having a predetermined humidity and / or temperature by using the gas previously enclosed by replacing with air, and supply the gas to the sealed space 23a.

(センサーチップ用温度調節手段)
測定システム1は必要に応じて、センサーチップ21(試料薄膜21c)自体をより直接的に加熱冷却するための、センサーチップ用温度調節手段を備えていてもよい。
(Temperature adjustment means for sensor chip)
The measurement system 1 may include sensor chip temperature adjusting means for heating and cooling the sensor chip 21 (sample thin film 21c) itself more directly as necessary.

この場合、RIfS測定装置1は、たとえば、温度調節器210、温度調節器210に接続され、センサーチップ21に当接された温度調節ユニット220および温度センサー230を含む、センサーチップ用温度調節機構200を備える。センサーチップ用温度調節機構200に係る制御プログラムを記憶した制御装置50は、温度調節器210と通信可能なように接続される。センサーチップ用温度調節手段によって制御されるセンサーチップ21の温度は、試料薄膜21c(特に測定領域A)や試薬塗布領域の温度とみなせる。   In this case, the RIfS measurement apparatus 1 includes, for example, a temperature adjustment mechanism 200 for a sensor chip that includes a temperature controller 210, a temperature adjustment unit 220 connected to the temperature controller 210, and a temperature sensor 230 that is in contact with the sensor chip 21. Is provided. The control device 50 storing the control program related to the sensor chip temperature adjustment mechanism 200 is connected so as to be communicable with the temperature controller 210. The temperature of the sensor chip 21 controlled by the temperature adjusting means for sensor chip can be regarded as the temperature of the sample thin film 21c (particularly the measurement area A) or the reagent application area.

センサーチップ用温度調節手段により調節される温度の範囲は特に限定されるものではなく、分析の目的に応じて適宜設定することができる。たとえば、高温域における試料薄膜の分析が行えるよう、100〜200℃までの昇温に対応することができるものであってもよい。逆に、乾湿空気との温度差を生じさせやすいよう、−50〜−20℃までの降温に対応することができるものであってもよい。   The temperature range adjusted by the temperature adjusting means for sensor chip is not particularly limited, and can be set as appropriate according to the purpose of analysis. For example, it may be possible to cope with a temperature rise of 100 to 200 ° C. so that the sample thin film can be analyzed in a high temperature range. Conversely, it may be one that can cope with a temperature drop of -50 to -20 ° C so as to easily cause a temperature difference with dry and humid air.

目的に応じて温度を調節することができるようであれば、センサーチップ用温度調節手段は必ずしも温度を連続的に変化させることのできるものでなくてもよいが、任意のパターンで温度を調節できるよう、たとえば1℃あたり10〜3600秒の速度で温度を連続的に変化させることのできるものが好ましい。   As long as the temperature can be adjusted according to the purpose, the temperature adjusting means for the sensor chip may not necessarily be able to continuously change the temperature, but the temperature can be adjusted in an arbitrary pattern. For example, a material capable of continuously changing the temperature at a rate of 10 to 3600 seconds per 1 ° C. is preferable.

温度調節器210は、温度センサー230によりセンサーチップ21の温度を計測し、温度調節ユニット220による加温又は冷却によって、センサーチップ21が設定された温度となるように温度制御を実行する。   The temperature controller 210 measures the temperature of the sensor chip 21 with the temperature sensor 230 and performs temperature control so that the sensor chip 21 becomes a set temperature by heating or cooling by the temperature adjustment unit 220.

温度調節器210は、温度調節ユニット220による加熱、冷却または温度維持を任意のパターンで自動的に行えるよう、電子回路(マイコン)によってプログラム制御されるものが好適である。プログラムを電子回路に記憶させるための入力手段、温度データの記録・出力手段、各種の情報を確認できる表示手段などは、コントロールパネル等として温度調節器210自体が備えていてもよいし、温度調節器210に接続された制御装置50がその機能を担うようにしてもよい。   It is preferable that the temperature controller 210 be program-controlled by an electronic circuit (microcomputer) so that heating, cooling or temperature maintenance by the temperature adjustment unit 220 can be automatically performed in an arbitrary pattern. An input means for storing the program in the electronic circuit, a temperature data recording / outputting means, a display means for confirming various types of information may be provided in the temperature controller 210 itself as a control panel or the like. The control device 50 connected to the device 210 may perform the function.

温度調節ユニット220は、所望の温度を作り出すよう、加熱機能および冷却機能を有する部材、たとえばペルチェ素子および冷却ファンを組み合わせることで構成することができる。温度センサー230としては、たとえばサーミスタを用いることができる。温度調節ユニット220および温度センサー230は、分析の目的に応じた範囲の温度に対応したものを選択すればよい。   The temperature adjustment unit 220 can be configured by combining a member having a heating function and a cooling function, such as a Peltier element and a cooling fan, so as to produce a desired temperature. As the temperature sensor 230, for example, a thermistor can be used. The temperature control unit 220 and the temperature sensor 230 may be selected corresponding to the temperature in the range according to the purpose of analysis.

−分析方法−
本発明に係る、試料薄膜に対する水分子の挙動に関する分析方法は、分析対象センサーチップが置かれている雰囲気の湿度および/または温度を連続的または不連続的に上昇および/または下降させながら、RIfSにより当該試料薄膜の膜厚に関するデータを取得する工程(RIfS測定工程)を含むことを特徴とする。
-Analysis method-
The analysis method relating to the behavior of water molecules with respect to the sample thin film according to the present invention is performed by increasing and / or decreasing the humidity and / or temperature of the atmosphere in which the sensor chip to be analyzed is continuously or discontinuously. Including a step (RIfS measurement step) of acquiring data relating to the film thickness of the sample thin film.

なお、以下に説明するような本発明の分析方法は、前述したような本発明の測定システムを使用して実施することが好適であるが、本発明の分析方法を実施するための手段はそれに限定されるものではなく、他の手段によって実施される場合であっても本発明の分析方法の範囲に含まれる。   Note that the analysis method of the present invention as described below is preferably carried out using the measurement system of the present invention as described above, but means for carrying out the analysis method of the present invention is not limited thereto. However, the present invention is not limited, and the analysis method of the present invention is included in the scope of the present invention even when it is performed by other means.

(測定工程)
測定工程では、表面に試料薄膜が形成されたセンサーチップ(分析対象センサーチップ)が置かれている雰囲気の温湿度を連続的または不連続的に変化(上昇および/または下降)させながら、RIfSにより当該試料薄膜の膜厚に関するデータを測定する。すなわち、測定工程では、温湿度の連続的または不連続的な変化と同調させて、所定の時間間隔で測定ステップが複数回繰り返される。RIfS測定装置を用いれば、1秒以下(例えば700ミリ秒)の間隔で測定することも可能である。
(Measurement process)
In the measurement process, the temperature and humidity of the atmosphere in which the sensor chip (analysis target sensor chip) having the sample thin film formed on the surface is continuously or discontinuously changed (increased and / or lowered) by RIfS. Data on the thickness of the sample thin film is measured. That is, in the measurement process, the measurement step is repeated a plurality of times at predetermined time intervals in synchronization with continuous or discontinuous changes in temperature and humidity. If the RIfS measuring apparatus is used, it is possible to measure at intervals of 1 second or less (for example, 700 milliseconds).

湿度を連続的に変化させる場合、隣接する2つの測定ステップにおける湿度の値の間隔は、比較的小さなものとなるよう適宜調整することができるが、通常は0.1〜10%であり、好ましくは0.1〜2%である。1つの測定工程に含まれる測定ステップの回数も適宜調整することができるが、通常は10回以上、好ましくは20回以上である。湿度が湿度調節手段によって自動的に変化していく場合には、測定ごとの湿度の間隔が上記のような範囲となるよう、タイミングを調節しながら自動的に測定ステップを行うようにシステムを制御することが好ましい。   When the humidity is continuously changed, the interval between the humidity values in the two adjacent measurement steps can be appropriately adjusted so as to be relatively small, but is usually 0.1 to 10%, preferably Is 0.1 to 2%. Although the number of measurement steps included in one measurement process can be adjusted as appropriate, it is usually 10 times or more, preferably 20 times or more. When the humidity is automatically changed by the humidity adjustment means, the system is controlled so that the measurement step is automatically performed while adjusting the timing so that the humidity interval between measurements is within the above range. It is preferable to do.

一方、湿度を不連続的に変化させる場合は、所定の時間(たとえば試料薄膜に対する水分子の吸脱着が平衡に達するのに十分な時間)湿度を一定に保ってから測定を行い、その後ある間隔で(通常、前述した連続的に変化させる場合の間隔よりも大きく)離れた湿度に変化させて、再び所定の時間湿度を一定に保ってから測定を行うことを繰り返す。この場合も、隣接する2つの測定ステップにおける湿度の値の間隔や、1つの測定工程に含まれる測定ステップの回数は、適宜調整することができる。   On the other hand, when the humidity is discontinuously changed, measurement is performed after the humidity is kept constant for a predetermined time (for example, a time sufficient for the adsorption / desorption of water molecules to the sample thin film to reach equilibrium), and thereafter, at certain intervals. (Usually larger than the interval for the continuous change described above), and the measurement is repeated after the humidity is kept constant for a predetermined time again. Also in this case, the interval between the humidity values in two adjacent measurement steps and the number of measurement steps included in one measurement step can be adjusted as appropriate.

また、必要に応じて、湿度を変化させる測定工程を異なる温度において複数回行ってもよい。たとえば、一つの測定対象センサーチップについて、第1の温度で、湿度を所定のパターンで変化させながら測定する(第1測定工程)、当該ステップ終了後に温度を変化(上昇または下降)させ、第2の温度で、再び同じ湿度のパターンで測定する(第2測定工程)、当該測定ステップ終了後にまた温度を変化させ、第3の温度で、再び同じ湿度のパターンで測定する(第3測定工程)・・・というように測定工程を繰り返してもよい。このような実施形態においては、湿度をあるパターンで連続的に変化させながら測定が行われている一つの測定工程の間は、基本的に温度は一定に固定される。逆に、温度を変化させる測定工程を異なる湿度において複数回行ってもよい。   Moreover, you may perform the measurement process which changes humidity several times in different temperature as needed. For example, one measurement target sensor chip is measured at a first temperature while changing the humidity in a predetermined pattern (first measurement step). After the step is finished, the temperature is changed (increased or lowered), and the second Measure again with the same humidity pattern at the same temperature (second measurement step), change the temperature again after the end of the measurement step, and measure again at the third temperature with the same humidity pattern (third measurement step) The measurement process may be repeated. In such an embodiment, the temperature is basically fixed constant during one measurement process in which the measurement is performed while continuously changing the humidity in a certain pattern. Conversely, the measurement process for changing the temperature may be performed a plurality of times at different humidity.

一方、一つの測定工程内で温度と湿度の両方を変化させることもできる。たとえば、まず湿度を所定の値まで上昇させ、続いてその湿度を維持したまま温度を上昇させ、最後にその温度を維持したまま湿度を最初の値まで低下させる、というパターンで測定することも可能である。   On the other hand, both temperature and humidity can be changed within one measurement process. For example, it is possible to measure with a pattern that first increases the humidity to a predetermined value, then increases the temperature while maintaining the humidity, and finally decreases the humidity to the initial value while maintaining the temperature. It is.

湿度の調節(加湿または除湿)および温度の調節(加熱または冷却)は、任意の時間に任意の湿度および温度に調節できるよう、前述したような温湿度調節手段およびセンサーチップ用温度調節手段により行うことが好適である。   Humidity adjustment (humidification or dehumidification) and temperature adjustment (heating or cooling) are performed by the temperature / humidity adjustment means and the sensor chip temperature adjustment means as described above so that the humidity and temperature can be adjusted at any time. Is preferred.

・湿度調節パターン
湿度調節パターン(横軸に時間、縦軸に湿度または温度をとったときのプロット)は、任意の範囲の温湿度で試料薄膜の膜厚に関するデータを連続的または不連続的に取得できるよう、温湿度の数値の間隔を空けすぎずに連続的または不連続的に変化させればよく、分析の目的に応じて様々なパターンを適用することができる。
・ Humidity control pattern The humidity control pattern (plot when the horizontal axis represents time and the vertical axis represents humidity or temperature) continuously or discontinuously provides data on the film thickness of the sample thin film at any temperature and humidity range. It is only necessary to continuously or discontinuously change the numerical value of the temperature and humidity so as to be acquired, and various patterns can be applied depending on the purpose of analysis.

温湿度の変化は、上昇または下降の一方のみからなるものであってもよいし、両方を含むものであってもよい。また、所定の範囲で湿度を変化させるサイクルが、1回ないし複数回(たとえば2〜100回)含まれていてもよい。上記のサイクルは、湿度または温度を先に上昇させてから湿度を下降させるパターンでも、先に下降させてから上昇させるパターンでもよい。   The change in temperature and humidity may consist of only one of rising or lowering, or may include both. Further, the cycle for changing the humidity within a predetermined range may be included once to plural times (for example, 2 to 100 times). The above cycle may be a pattern in which the humidity or temperature is first increased and then the humidity is decreased, or a pattern in which the humidity is first decreased and then increased.

温湿度の変化速度(時間に対する湿度または温度の傾き)は、分析の目的に応じて適宜調整することができ、開始から終了までの間一定でもよいし、必要に応じて、途中で一回ないし複数回変化させてもよい。開始から終了までの間に温湿度が一定となる(上昇も下降もしない)時間が実質的に含まれないパターンでもよいし、必要に応じて、温湿度が一定となる任意の時間が一回ないし複数回含まれているパターン(湿度または温度が変化する時間と一定となる時間が規則的に繰り返される階段状のパターン)でもよい。たとえば、湿度の変化が速すぎると膜厚の変化が観察できない薄膜を分析対象とする場合に、階段状に湿度または温度を変化させることで適切な分析が行えるようになることがある。   The temperature / humidity change rate (the humidity or temperature gradient with respect to time) can be adjusted as appropriate according to the purpose of the analysis, and may be constant from the start to the end, or once in the middle as needed. It may be changed multiple times. It may be a pattern that does not substantially include the time during which the temperature and humidity are constant (no increase or decrease) from the start to the end, and if necessary, any time when the temperature and humidity are constant Alternatively, it may be a pattern that is included a plurality of times (stepped pattern in which the time during which the humidity or temperature changes and the time during which the humidity or temperature changes is regularly repeated). For example, when a thin film whose change in film thickness cannot be observed if the change in humidity is too fast is to be analyzed, an appropriate analysis may be performed by changing the humidity or temperature in a stepwise manner.

温湿度の上昇および/または下降の速度は、分析の目的に応じて適宜調整することができるが、湿度であればたとえば1%あたり1〜3600秒の速度、温度であればたとえば1℃あたり1〜3600秒の速度とすることができる。たとえば、このときの湿度の速度(湿度を所定の範囲で変化させたときにかかった時間)に基づき、測定結果ら水分子の吸着速度または脱離速度を求めることができる。   The rate of increase and / or decrease in temperature and humidity can be adjusted as appropriate according to the purpose of analysis, but for humidity, for example, a rate of 1 to 3600 seconds per 1%, for temperature, for example, 1 per 1 ° C. The speed can be up to 3600 seconds. For example, the adsorption rate or desorption rate of water molecules can be obtained from the measurement result based on the humidity rate at this time (the time taken when the humidity is changed within a predetermined range).

さらに、図3に示すように、従来は初期の湿度を低くし、そこから湿度を上昇させるよう変化させるパターン(正調湿パターン)が一般的であったが、本発明では、初期の湿度を高くし、そこから湿度を低下させるよう変化させるパターン(逆調湿パターン)、あるいは逆調湿パターンと正調湿パターンが混合したパターン(正逆調湿パターン)としてもよい。温度についても同様である。逆調湿パターンおよび正逆調湿パターンは、たとえば親水性の高い材料(生体材料等)であって、乾燥させると変性するおそれのあるものを試験薄膜に用いる場合に有用である。   Furthermore, as shown in FIG. 3, a pattern in which the initial humidity is lowered and the humidity is increased from that (normal humidity pattern) is generally used. However, in the present invention, the initial humidity is increased. Then, the pattern may be changed so as to decrease the humidity (reverse humidity control pattern), or a pattern in which the reverse humidity control pattern and the normal humidity control pattern are mixed (normal / reverse humidity control pattern). The same applies to the temperature. The reverse humidity pattern and the normal / inverse humidity pattern are useful when, for example, a highly hydrophilic material (such as a biomaterial) that may be denatured when dried is used for the test thin film.

上記のような温湿度の変化は、一つのパターンの内部における変化であってもよいのと同様、複数のパターンの間での変化であってもよい。たとえば、第1のパターンでは第1の速度で湿度を変化させ、第2のパターンでは第2の速度で湿度を変化させるようにしたとき、それらのパターンの測定結果の対比から、湿度変化速度の違いによる分析試料薄膜および水分子の挙動の違いを分析することができる。   The temperature / humidity change as described above may be a change between a plurality of patterns as well as a change in one pattern. For example, when the humidity is changed at the first speed in the first pattern and the humidity is changed at the second speed in the second pattern, the humidity change rate is calculated from the comparison of the measurement results of those patterns. It is possible to analyze the difference in the behavior of the analysis sample thin film and water molecules due to the difference.

・試薬供給
試料薄膜に試薬を添加してその反応による影響を分析する場合には、適切なタイミングで試薬を添加するための操作を行えばよい。たとえば、ある試料薄膜(試薬添加前)に対して所定の温湿度の変化に関する測定を行った後、前述したような実施形態により試薬を密閉空間に噴霧する操作を行い、試薬と試料薄膜とを反応させ、続いてその試料薄膜(試薬添加後)に対して所定の温湿度の変化に関する測定を行うことができる。
-Reagent supply When a reagent is added to a sample thin film and the influence of the reaction is analyzed, an operation for adding the reagent at an appropriate timing may be performed. For example, after measuring a predetermined temperature / humidity change for a certain sample thin film (before addition of the reagent), an operation of spraying the reagent into the sealed space according to the above-described embodiment is performed. Next, the sample thin film (after addition of the reagent) can be reacted, and a measurement relating to a predetermined change in temperature and humidity can be performed.

・膜厚に関するデータ
「試料薄膜の膜厚に関するデータ」は、RIfSにおいては一般的に光路長を基準にしており、その取得方法は次の通りである。
-Data relating to film thickness "Data relating to the film thickness of a sample thin film" is generally based on the optical path length in RIfS, and the acquisition method is as follows.

まず、測定対象センサーチップについて、測定工程の各測定ステップにおいて分光器により得られる反射光の分光強度データを、基準となる白色光の分光強度データと対比し、波長ごとの反射率(=反射光の強度/白色光の強度)を算出する。白色光の分光強度データは、あらかじめ装置組み立て調整時に測定して記憶していたものでもよいし、適切な手段により(たとえば参照用反射板を用いて)測定の都度取得したものでもよい。   First, with respect to the sensor chip to be measured, the spectral intensity data of reflected light obtained by the spectrometer in each measurement step of the measurement process is compared with the spectral intensity data of white light as a reference, and the reflectance for each wavelength (= reflected light) Intensity / white light intensity). The spectral intensity data of the white light may be measured and stored in advance when the apparatus is assembled and adjusted, or may be acquired at every measurement by an appropriate means (for example, using a reference reflector).

続いて、横軸に波長、縦軸に算出された反射率をプロットした反射スペクトルを作成し、反射率が極小となる波長(ボトム波長)、極大となる波長(ピーク波長)を決定する。反射スペクトルの波形は、膜厚が増えれば増えるほど凹凸が繰り返されるような不規則な形状を呈しており、ボトム波長とピーク波長を特定するのが困難な状態となっている場合があるが、たとえば、公知の手法を用いて反射スペクトルを高次関数で近似することにより、高次多項式からその解(極値)を求めて、これを極値の値とすることができる。   Subsequently, a reflection spectrum is created by plotting the wavelength on the horizontal axis and the calculated reflectance on the vertical axis, and the wavelength at which the reflectance is minimized (bottom wavelength) and the wavelength at which the reflectance is maximized (peak wavelength) are determined. The waveform of the reflection spectrum has an irregular shape that repeats unevenness as the film thickness increases, and it may be difficult to specify the bottom wavelength and peak wavelength, For example, by approximating the reflection spectrum with a high-order function using a known method, the solution (extreme value) can be obtained from a high-order polynomial, and this can be used as an extreme value.

・膜厚算出方法
試料薄膜の光路長に関するデータは、分光器により得られる反射スペクトル(波長および光の強度)に基づいて、たとえば以下に述べるような(a)ボトムピーク法(Δλ等)、(b)cOPL法、(c)フーリエ解析法などにより、膜厚d、屈折率n、または光路長(=膜厚d×屈折率n)に換算することができる。いずれの算出方法を用いるにせよ、本測定データは各時点での試料薄膜と水の光路長を合算したものであり、本質的に2状態間の差分を水とするのではなく、水と薄膜の量(膜厚あるいは換算した重量として)を非破壊的に、絶対値としてリアルタイムに導出可能な方法である。膜厚算出の方式は特に限定されるものではなく、要求される精度に応じて適切なものを用いることができ、たとえばシミュレーションを用いる場合は、その精度の向上や実測値の補正により改良することが可能である。
-Thickness calculation method The data on the optical path length of the sample thin film is based on the reflection spectrum (wavelength and light intensity) obtained by the spectroscope, for example, as described below (a) bottom peak method (Δλ etc.), ( b) The film thickness d, the refractive index n, or the optical path length (= film thickness d × refractive index n) can be converted by the cOPL method, (c) Fourier analysis method, or the like. Regardless of which calculation method is used, this measurement data is the sum of the optical path lengths of the sample thin film and water at each point in time. Essentially, the difference between the two states is not water, but water and thin film. This amount can be derived in real time as an absolute value in a non-destructive manner (as a film thickness or a converted weight). The method of calculating the film thickness is not particularly limited, and an appropriate one can be used according to the required accuracy. For example, when using a simulation, the accuracy should be improved or the measured value corrected. Is possible.

なお、試料薄膜に保持されていない大気中の水分子は、光学的な界面の外側にあるため光路長の変化によって計測されず、試料薄膜の表面または内部に保持された水分子のみが、光路長の変化によって計測され、定量化することができる。光学的に説明すると、加湿時の屈折率は「エドレンの実験式」で求めることができるが、本発明の測定系においては乾燥空気と湿潤空気の屈折率の差が非常に小さいため無視できる。   Note that water molecules in the atmosphere that are not retained in the sample thin film are not measured by the change in the optical path length because they are outside the optical interface, and only the water molecules retained on the surface or inside the sample thin film are in the optical path. It can be measured and quantified by changes in length. Optically, the refractive index during humidification can be determined by “Edren's empirical formula”, but in the measurement system of the present invention, the difference in refractive index between dry air and wet air is so small that it can be ignored.

(a)ボトムピーク法
ボトムピーク法は、従来のRIfSにおいて一般的に用いられている方法であり、Δλの値から所定の換算式により簡易的に測定対象薄膜の膜厚d等値を算出することも可能である。しかしながら、周期性を超える膜厚については膜厚の絶対値を求めることは容易ではない。
(A) Bottom peak method The bottom peak method is a method generally used in conventional RIfS, and the film thickness d equivalent value of the thin film to be measured is simply calculated from the value of Δλ by a predetermined conversion formula. It is also possible. However, it is not easy to obtain the absolute value of the film thickness for the film thickness exceeding the periodicity.

ここで、ボトムピーク法では、dの値によってΔλの換算の方式が相違する。λが400〜800nmの範囲にある場合、Δλの測定値そのものをdの算出に用いることができるのは、dが約100nm以下の場合に限られる。   Here, in the bottom peak method, the conversion method of Δλ differs depending on the value of d. When λ is in the range of 400 to 800 nm, the measured value of Δλ itself can be used for calculating d only when d is about 100 nm or less.

dが約100nm以下の場合、dとΔλの関係における周期性を考慮する必要はない。このとき、Δλ/d=an+bという一次の近似式が成り立つ(aおよびbの値は測定条件によって変動する)。そこで、所定の測定条件下であらかじめdおよびnが既知のサンプルについてのΔλを何点か測定するか、またはそれをのシミュレーションを行うことより、nおよびΔλ/dのプロットからΔλ/d=an+bで表される回帰式を取得しておく。そして、同じ測定条件下で測定されたΔλをd=Δλ/(an+b)の換算式に当てはめる、換言すれば1/(an+b)を「膜厚換算係数」としてΔλに乗ずることで、dを算出することができる。ただし、このようなdの算出方法を適用することができるのは、nは既知で、試料薄膜に水が吸着しても変化しないとものとみなせる場合である。逆に、前記近似式より、n=(Δλ/d−b)/a=Δλ/da−b/aと求められるので、この換算式に測定されたΔλを当てはめることでnを算出することができる。ただし、このようなnの算出方法を適用することができるのは、dが既知で、試料薄膜に水が吸着しても変化しないとものとみなせる場合である。あるいは、Δλと光路長dnとの関係式を立てて、その式に測定されたΔλを当てはめることで、dおよびnの変化を一体的に反映するdnを算出することができるので、それを用いて試料の分析を行うようにしてもよい。   When d is about 100 nm or less, it is not necessary to consider the periodicity in the relationship between d and Δλ. At this time, a first-order approximation of Δλ / d = an + b is established (the values of a and b vary depending on the measurement conditions). Therefore, Δλ / d = an + b is obtained from a plot of n and Δλ / d by measuring several points of Δλ for a sample whose d and n are known in advance under a predetermined measurement condition or by simulating it. The regression equation represented by is acquired. Then, Δλ measured under the same measurement conditions is applied to a conversion formula of d = Δλ / (an + b), in other words, 1 / (an + b) is multiplied by Δλ as a “film thickness conversion factor” to calculate d. can do. However, such a calculation method of d can be applied when n is known and can be regarded as not changing even if water is adsorbed to the sample thin film. Conversely, n = (Δλ / d−b) / a = Δλ / da−b / a is obtained from the approximate expression, and therefore n can be calculated by applying Δλ measured to this conversion expression. it can. However, such a calculation method of n can be applied when d is known and it can be considered that it does not change even if water is adsorbed to the sample thin film. Alternatively, by establishing a relational expression between Δλ and the optical path length dn and applying Δλ measured to the expression, it is possible to calculate dn that integrally reflects changes in d and n. The sample may be analyzed.

一方、dが約100nm以上の場合、dとΔλの関係における周期性を考慮する必要がある。したがって、測定されるλが何周期目に該当するのかという情報を別途(たとえば、試料薄膜の形成条件などから推定されるおおよその膜厚に基づき)取得し、それによって正しい膜厚を反映させるために加算すべきΔλ(加算Δλ値)を決定する必要がある。そして、測定されたΔλにその加算Δλ値を加えて得られる補正値を用いて、dが約100nm以下の場合についてと同様の方法で作成した換算式に基づき、dおよびnを個別に、または光路長dnとして、算出することができる。   On the other hand, when d is about 100 nm or more, it is necessary to consider the periodicity in the relationship between d and Δλ. Therefore, in order to obtain separately information (for example, based on the approximate film thickness estimated from the formation conditions of the sample thin film) as to what period the measured λ corresponds to, thereby reflecting the correct film thickness It is necessary to determine Δλ to be added to (addition Δλ value). Then, using the correction value obtained by adding the added Δλ value to the measured Δλ, d and n are individually or based on the conversion formula created in the same manner as in the case where d is about 100 nm or less. It can be calculated as the optical path length dn.

周期性の境界は以下の様に定める。すなわち、(1)周期を決定する、(2)周期性と屈折率nを元に膜厚換算係数(係数×屈折率−調整項)を算出した後、Δλの値を当該膜厚換算係数で割って光路長を求める、(3)2周期目以降の場合は膜厚加算値を加算した値を膜厚値とする。膜厚の変異量も前記膜厚換算係数を用いて同様に計算する。物質そのものの膜厚値、変化量を見るためには、予めリファレンス(例えば修飾前のセンサーチップ)のλ値を引く必要があるが、周期が同一でない場合は測定値への影響は少ないので引く必要はない。   The boundary of periodicity is determined as follows. That is, (1) determine the period, (2) calculate the film thickness conversion coefficient (coefficient × refractive index−adjustment term) based on the periodicity and the refractive index n, and then calculate the value of Δλ by the film thickness conversion coefficient. (3) In the second and subsequent cycles, the value obtained by adding the film thickness addition value is used as the film thickness value. The variation amount of the film thickness is similarly calculated using the film thickness conversion coefficient. In order to see the film thickness value and the amount of change of the substance itself, it is necessary to subtract the λ value of the reference (for example, the sensor chip before modification) in advance, but if the period is not the same, the effect on the measured value is small. There is no need.

本発明では、一つの光学シミュレーションの結果として、水の屈折率を1.33としたとき、周期性がない場合(0周期)はd=Δλ/1.5、周期性がある場合(多周期)はd=Δλ/0.86の換算式を用いることができる。   In the present invention, as a result of one optical simulation, when the refractive index of water is 1.33, when there is no periodicity (0 period), d = Δλ / 1.5, when there is periodicity (multi-period) ) Can use a conversion formula of d = Δλ / 0.86.

(b)cOPL法(コニカミノルタ社製膜厚算出プログラム)
cOPL法(converted optical length)は、反射率曲線に表れる(複数の)極値の位置(数とボトムおよびピークの波長情報)に基づいて試料薄膜の光路長を算出する方法である。この方法では、光路長の変化、すなわち屈折率毎に膜厚を変化させた反射率曲線の(複数の)極値位置の波長シフトの関係を予めシミュレーションし、それを数学的に処理してテンプレートを作成しておく。そして、実測された反射率曲線の極値位置の波長をテンプレートに照らすと、近似的に分析対象センサーチップの光路長(L)が得られる。Lからリファレンスセンサーチップの光路長(L')を引けば、試料薄膜自体の光路長(ΔL)が求められる。このΔLは試料薄膜の光路長(=屈折率n×膜厚d)自体なので、その値を試料薄膜の屈折率nあるいは水の屈折率1.33を基に計算すると厚さdを直接的に算出することができる。光路長の解析を詳細に行うことで屈折率nと膜厚dの分離も原理的に可能である。cOPL法を用いた場合、水の膜厚の測定精度(分解能)は、高精度な分光器の場合、分子のシグナル/ノイズレベルからたとえば0.05nm程度であることが確認できている。cOPL法では前述のΔλと異なり、周期性を飛び越えても、絶対膜厚の算出が可能である。また、厚膜(概ね100nm以上)ではボトムあるいはピーク(極値と呼ぶ)が複数あるため、1個のピークしか追跡できないボトムピーク法よりもノイズに強く、測定精度は原理的に高精度である。水の吸脱着量の計算においては、例えば簡易的に任意の乾燥状態の膜厚をサンプル薄膜の膜厚として計算し、そこから更なる乾燥により水が蒸散、あるいは加湿により水が増加して行く膜厚を水分子として計算することで容易に計算できる。また、所定の湿度における光路長、あるいは調湿により変化して行く光路長から屈折率を最小二乗法により解析することにより、薄膜の膜厚と水の膜厚を独立してリアルタイムに算出することも可能である。
(B) cOPL method (film thickness calculation program manufactured by Konica Minolta)
The cOPL method (converted optical length) is a method for calculating the optical path length of a sample thin film based on the positions (number and bottom and peak wavelength information) of extreme values appearing in the reflectance curve. In this method, a change in the optical path length, that is, the wavelength shift relationship of the extremum position of the reflectance curve in which the film thickness is changed for each refractive index is simulated in advance, and this is mathematically processed to obtain a template. Create. When the measured wavelength of the extreme value position of the reflectance curve is illuminated on the template, the optical path length (L) of the sensor chip to be analyzed is approximately obtained. If the optical path length (L ′) of the reference sensor chip is subtracted from L, the optical path length (ΔL) of the sample thin film itself can be obtained. Since ΔL is the optical path length of the sample thin film (= refractive index n × film thickness d) itself, the thickness d can be directly calculated by calculating the value based on the refractive index n of the sample thin film or the refractive index of water 1.33. Can be calculated. By conducting a detailed analysis of the optical path length, the refractive index n and the film thickness d can be separated in principle. When the cOPL method is used, it has been confirmed that the measurement accuracy (resolution) of the water film thickness is, for example, about 0.05 nm from the molecular signal / noise level in the case of a high-precision spectrometer. Unlike the above-mentioned Δλ, the cOPL method can calculate the absolute film thickness even if the periodicity is exceeded. In addition, since a thick film (approximately 100 nm or more) has a plurality of bottoms or peaks (referred to as extreme values), it is more resistant to noise than the bottom peak method in which only one peak can be traced, and the measurement accuracy is in principle high accuracy. . In the calculation of the amount of water adsorbed and desorbed, for example, the film thickness of an arbitrary dry state is simply calculated as the film thickness of the sample thin film, and from there the water evaporates or the water increases due to humidification. It can be easily calculated by calculating the film thickness as water molecules. In addition, the film thickness of the thin film and the film thickness of the water can be calculated independently in real time by analyzing the refractive index from the optical path length at a predetermined humidity or the optical path length that changes with humidity control by the least square method. Is also possible.

(c)フーリエ解析法
前記cOPL法同様に光路長の変化に対する反射率曲線の波形を予めシミュレーションし、それを数学的に処理してテンプレートを作成しておく。そして、実測された反射率曲線の波形をフーリエ解析し、前記テンプレートを参照して光路長を求めることができる。光路長の解析を詳細に行うことで屈折率nと膜厚dの分離も原理的に可能である。
(C) Fourier analysis method Similar to the cOPL method, a waveform of a reflectance curve with respect to a change in optical path length is simulated in advance, and a template is created by mathematically processing it. Then, the waveform of the actually measured reflectance curve is Fourier analyzed, and the optical path length can be obtained with reference to the template. By conducting a detailed analysis of the optical path length, the refractive index n and the film thickness d can be separated in principle.

・分析内容
本発明では、上述したような測定工程により得られたデータに基づき、試料薄膜に対する水分子の挙動、試料薄膜の各種の物性、その他の様々な項目について分析を行うことができる。本発明における分析内容は特に限定されるものではないが、たとえば以下のような項目について分析を行うことが可能である。それぞれの項目についての分析は、膜厚を基準として行うこともできるし、膜厚から算出可能な体積または質量を基準として行うこともできる。
-Analysis content In the present invention, based on the data obtained by the measurement process as described above, the behavior of water molecules with respect to the sample thin film, various physical properties of the sample thin film, and other various items can be analyzed. The analysis content in the present invention is not particularly limited. For example, the following items can be analyzed. The analysis for each item can be performed based on the film thickness, or can be performed based on the volume or mass that can be calculated from the film thickness.

(a)湿度を変化させることで、気体状の水分子の試料薄膜中への取り込みが、膜厚の変化として観察される。比較的薄い膜では表面への分子状態での水和が進行し、比較的厚い膜ではそのような膜表面への水和と、膜内部への水分子の取り込み、つまり膜の膨潤とが合わさったものになる。高湿度下で膜厚を測定することで水分子が飽和した膜厚(湿潤膜厚)または飽和水和量を求めることができる。低湿度下、たとえば真空中で脱気後に膜厚を測定することで、水分子のない膜厚(乾燥膜厚)を求めることができる。厚さの変化が観察されなければ、その試料は水分子を全くないしほとんど吸着、保持しないことが分かる。また、RIfS測定装置は極めて短い時間間隔(1秒以下)で膜厚を測定することができるので、各測定における膜厚変化量の差分を算出することにより、気体状水分子の吸脱着ダイナミクスを表現するプロットを作成することができる。   (A) By changing the humidity, uptake of gaseous water molecules into the sample thin film is observed as a change in film thickness. In relatively thin films, hydration in the molecular state proceeds on the surface, and in relatively thick films, such hydration on the surface of the film is combined with the uptake of water molecules inside the film, that is, the swelling of the film. It becomes a thing. By measuring the film thickness under high humidity, the film thickness in which water molecules are saturated (wet film thickness) or the saturation hydration amount can be obtained. By measuring the film thickness after deaeration in a low humidity, for example, in vacuum, a film thickness without water molecules (dry film thickness) can be obtained. If no change in thickness is observed, it can be seen that the sample adsorbs little or no water molecules. In addition, since the RIfS measuring apparatus can measure the film thickness at an extremely short time interval (1 second or less), the adsorption / desorption dynamics of gaseous water molecules can be calculated by calculating the difference in the film thickness change amount in each measurement. You can create plots to represent.

(b)湿度を連続的に変化させたときの測定結果から、各湿度におけるその試料の水分子の保持量や、保持量の変化量として表れる吸着量(プラスの変化量)または脱離量(マイナスの変化量)を定量的に測定することができる。測定結果から換算された水の膜厚に測定面積(例えば0.126mm2)を乗じることで当該領域中の水分子の体積が求まり、その体積に水の比重(つまり1)を乗じれば水分子の質量が求まり、その質量を水の質量数18で除すれば水分子の物質量(mol)が求まる。後記実施例に示すように、水の膜厚の分解能は例えば0.05nmであり、この場合水分子の質量の分解能は6.3pgとなる。また、試料薄膜の厚さが比較的膜厚い場合は、水の膜厚を試料薄膜の膜厚で除することにより、体積基準の含水率(vol%)等を求めることが可能である。一方、試料薄膜の比重が既知で、試料薄膜について膜厚×測定面積×比重からその質量が求められれば、水の膜厚を試料薄膜の質量で除することにより、質量基準の含水率(wt%)を求めることが可能である。 (B) From the measurement result when the humidity is continuously changed, the amount of water molecules retained in each sample at each humidity, the amount of adsorption (plus amount of variation) or the amount of desorption expressed as the amount of variation in the amount retained ( Negative change amount) can be measured quantitatively. By multiplying the film thickness of water converted from the measurement results by the measurement area (for example, 0.126 mm 2 ), the volume of water molecules in the region can be obtained, and if the volume is multiplied by the specific gravity of water (ie, 1), When the mass of the molecule is obtained and the mass is divided by the mass number of water 18, the substance amount (mol) of the water molecule is obtained. As shown in the examples described later, the resolution of the film thickness of water is, for example, 0.05 nm. In this case, the resolution of the mass of water molecules is 6.3 pg. When the thickness of the sample thin film is relatively large, it is possible to obtain a volume-based moisture content (vol%) or the like by dividing the film thickness of water by the film thickness of the sample thin film. On the other hand, if the specific gravity of the sample thin film is known and the mass of the sample thin film can be obtained from the film thickness × measured area × specific gravity, the water content on the mass basis (wt %) Can be obtained.

(c)ある試料薄膜について、いくつかの異なる膜厚における水分子の保持量、吸着量、脱離量等の値を対比することにより、膜厚効果(たとえば膜内部への水の浸透の程度)を観察できる。   (C) The film thickness effect (for example, the degree of water penetration into the membrane) by comparing the values of water molecule retention, adsorption amount, desorption amount, etc. with respect to a certain sample thin film. ) Can be observed.

(d)ある試料薄膜について、いくつかの異なる湿度変化速度における水分子の保持量、吸着量、離脱量等の値を比較することにより、湿度変化速度の違いによる水分子の挙動を観察できる。たとえば、湿度変化速度が速いとき(短時間で湿度を一定量変化させたとき)の湿度の上限値における水分子の保持量よりも、湿度変化速度が遅いとき(長時間かけて湿度を一定量変化させたとき)の湿度の上限値における水分子の保持量が高ければ、後者の保持量の方が真の水分子の飽和量に近い(平衡水和率に近い)、一方前者は飽和(平衡水和率)に達していない、と考えることができる。また、水分子の保持量が平衡に達するまでの時間(平衡時間)や、ある湿度において水の吸脱着が平衡した状態にあるときの膜厚(平衡膜厚)または膜厚基準の含水率(平衡含水率)などを、シミュレーション曲線または計算式を用いて予測することが可能となる。例えば、平衡時間に関するシミュレーション曲線および計算式は、横軸に調湿時間(湿度範囲の一端からもう一端に至るまでに要した時間)、縦軸に平均膜厚差(ある調湿時間における膜厚差の平均値)をとって測定結果をプロットすることにより求められる。そのシミュレーション曲線または計算式において平均膜厚差が0になる調湿時間が、連続的な水和が最も安定的に進む調湿時間と予測できる。一方で、横軸に調湿時間、縦軸に膜厚または膜厚基準をとって測定結果をプロットしたとき、予測された平衡時間における膜厚または膜厚基準の含水率が平衡膜厚または平衡含水率であると予測できる。   (D) The behavior of water molecules due to the difference in humidity change rate can be observed by comparing values such as the retention amount, adsorption amount, and desorption amount of water molecules at several different humidity change rates for a certain sample thin film. For example, when the humidity change rate is fast (when the humidity is changed by a certain amount in a short time), when the humidity change rate is slower than the retention amount of water molecules at the upper limit of humidity (a constant amount of humidity over a long period of time) If the retention amount of water molecules at the upper limit of humidity at the time of change is higher, the latter retention amount is closer to the saturation amount of the true water molecule (closer to the equilibrium hydration rate), while the former is saturated ( It can be considered that the equilibrium hydration rate has not been reached. In addition, the time until the water molecule retention reaches equilibrium (equilibrium time), the film thickness (equilibrium film thickness) when water adsorption / desorption is balanced at a certain humidity, or the moisture content based on the film thickness ( It is possible to predict the equilibrium water content using a simulation curve or a calculation formula. For example, the simulation curve and calculation formula for the equilibration time are as follows: humidity adjustment time (time required from one end of the humidity range to the other end) on the horizontal axis, and average film thickness difference (film thickness at a certain humidity adjustment time) on the vertical axis It is obtained by plotting the measurement result by taking the average value of the difference. The humidity control time at which the average film thickness difference becomes 0 in the simulation curve or calculation formula can be predicted as the humidity control time during which continuous hydration proceeds most stably. On the other hand, when the measurement results are plotted with the humidity adjustment time on the horizontal axis and the film thickness or film thickness standard on the vertical axis, the film thickness or film thickness reference moisture content at the predicted equilibrium time is The moisture content can be predicted.

(e)水分子の吸着量または脱離量を、そのときの湿度の変化にかかった時間で除算すれば、その試料への水分子の吸着速度および脱離速度を求めることができる。たとえば、水分子の吸着速度とそのときの湿度を対比することにより、構造化水が形成されるために水吸着が遅くなっているのか、または自由水が吸着するために水吸着が早くなっているのか等を推測することができる。つまり、水分子の吸着速度および脱離速度(水和速度)の違いから水和構造についての分析(解析)をさらに行うことができる。たとえば、縦軸に膜厚等の変化量、横軸に湿度をとったグラフにおいて、直線の傾き(または曲線の接線)が吸脱着速度を表すが、その変曲点において水和構造が大きく変化していると考えられる。RIfSによりリアルタイムで測定を行うことによってこのような解析が可能となる。   (E) By dividing the amount of adsorption or desorption of water molecules by the time taken to change the humidity at that time, the adsorption rate and desorption rate of water molecules on the sample can be determined. For example, by comparing the adsorption speed of water molecules with the humidity at that time, water adsorption is slow because structured water is formed, or water adsorption is fast because free water is adsorbed. We can guess whether there is. That is, it is possible to further analyze (analyze) the hydration structure from the difference in the adsorption rate and desorption rate (hydration rate) of water molecules. For example, in a graph with the vertical axis representing the amount of change in film thickness and the horizontal axis representing humidity, the slope of the straight line (or tangent to the curve) represents the adsorption / desorption rate, but the hydration structure changes greatly at the inflection point. it seems to do. Such analysis can be performed by measuring in real time using RIfS.

(f)加湿および除湿によるサイクルを行ったとき、除湿後の低湿度下で加湿前の初期膜厚に戻る場合は、水和と脱水のバランスが取れていると評価することができる。一方、水和性の強い材料では、水分子が入りやすく出にくいため、除湿後の膜厚は初期膜厚よりも大きくなる。疎水性の強い材料では、入り込んだ水が広がっていて出やすいため、あるいは濡れ性等の水和に対するバリヤーがあるため、除湿後の膜厚は初期膜厚よりも小さくなる。これらの挙動は、プロットの除湿時の傾き/加湿時の傾きが1(加湿時と除湿時の傾きが同じ)か、1より小さい(除湿時の傾きが加湿時の傾きがより小さい)か、1より大きい(除湿時の傾きが加湿時の傾きがより大きい)か、ということに置き換えられる。   (F) When a cycle by humidification and dehumidification is performed, if the initial film thickness before humidification is restored under low humidity after dehumidification, it can be evaluated that the balance between hydration and dehydration is balanced. On the other hand, in the case of a highly hydratable material, water molecules are easy to enter, and the film thickness after dehumidification is larger than the initial film thickness. In the case of a highly hydrophobic material, the water that has entered is easy to spread out, or because there is a barrier against hydration such as wettability, the film thickness after dehumidification is smaller than the initial film thickness. These behaviors indicate that the slope of the plot when dehumidifying / the slope when humidifying is 1 (the same slope when humidifying and dehumidifying) or less than 1 (the slope when dehumidifying is smaller than the slope when humidifying), It is replaced by whether it is larger than 1 (the inclination during dehumidification is larger than the inclination during humidification).

(g)ある試料薄膜について、いくつかの異なる温度における水分子の保持量、吸着量、脱離量等の値を対比することにより、異なる温度における水和挙動の違いを観察できる。さらに、測定環境調節機構によるガスの温度及び湿度の調節と、センサーチップ用温度調節機構による試料薄膜の温度の調節を通じて、温度と湿度を協調的に変化させて、高温高湿から低温低湿における気体状水分子の吸着ないし結露の様子を観察することにより、防曇性を評価することができる。   (G) The difference in hydration behavior at different temperatures can be observed by comparing the values of the retention amount, adsorption amount, desorption amount, etc. of water molecules at several different temperatures for a certain sample thin film. Furthermore, by adjusting the temperature and humidity of the gas by the measurement environment adjustment mechanism and the temperature of the sample thin film by the temperature adjustment mechanism for the sensor chip, the temperature and humidity are changed in a coordinated manner, and the gas from high temperature and high humidity to low temperature and low humidity. The antifogging property can be evaluated by observing the state of adsorption or dew condensation of the water molecules.

(h)水分子の吸脱着、すなわち湿度変化(加湿および除湿)のサイクルを複数回繰り返すこと(マルチサイクル)により、試料薄膜の湿度に対するヒステリシス、劣化状況、あるいは繰り返しによる水分子保持量の変化等を評価することができる。   (H) Hydration / desorption of water molecules, that is, changes in humidity (humidification and dehumidification) are repeated multiple times (multi-cycle), so that hysteresis of the sample thin film, deterioration status, change in water molecule retention due to repetition, etc. Can be evaluated.

(i)湿度および温度の組み合わせを3点以上変化させて測定することにより、試料の熱応答性および水和性の両方(環境耐性、環境順応性)を評価することができる。
(j)生体材料(骨、(人工)皮膚等)を試料とした場合、水分子の保持量、吸着量、離脱量等の測定値から、保湿性などを定量的に評価することができる。たとえば、化粧水の効果を推定することができる。
(I) It is possible to evaluate both the thermal responsiveness and hydration property (environmental resistance and environmental adaptability) of a sample by changing the combination of humidity and temperature at three or more points.
(J) When a biomaterial (bone, (artificial) skin, etc.) is used as a sample, moisture retention and the like can be quantitatively evaluated from measured values such as the amount of water molecules retained, the amount of adsorption, and the amount of separation. For example, the effect of lotion can be estimated.

(k)ポリマー材料(天然、合成)を試料とした場合、水分子の保持量、吸着量、離脱量等の測定値から、水分保持能などを定量的に評価することができる。たとえば、電池のセパレータの通水能力を測定することができる。   (K) When a polymer material (natural, synthetic) is used as a sample, the water retention ability and the like can be quantitatively evaluated from measured values such as the retention amount, adsorption amount, and desorption amount of water molecules. For example, the water passage capacity of a battery separator can be measured.

(l)乾燥した材料について、湿度を上昇させながら得られたデータからは、水和性の挙動(物質が十分に水和するための水分子の量)を知ることができる。逆に、タンパク質のように水分子を保持した試料について、最初に湿度を高い状態に保っておき、湿度を低下させながら得られたデータからは、乾燥に伴う挙動を知ることができる。たとえば、タンパク質は乾燥させたときに変性しやすく、湿度を上昇させたときにタンパク質の乾燥品の水和がスムースに行かない場合、乾燥によるヒステリシスが起きていると推測することができる。   (L) With respect to the dried material, from the data obtained while increasing the humidity, the behavior of hydration (the amount of water molecules for sufficiently hydrating the substance) can be known. On the other hand, for a sample holding water molecules such as protein, the humidity is first kept high, and the behavior associated with drying can be known from the data obtained while reducing the humidity. For example, if the protein is easily denatured when dried, and the hydrated protein does not hydrate smoothly when the humidity is increased, it can be assumed that hysteresis due to drying occurs.

(m)湿度を上げていくと、水中の挙動に近づくことが分かっており、材料の親水性によりクリティカルな湿度が異なる。たとえば、タンパク質が水中(塩分)で集合して生体中での構造をとるのに必要な水分子の量を定量することができる。   (m) It is known that as the humidity increases, the behavior in water approaches, and the critical humidity differs depending on the hydrophilicity of the material. For example, it is possible to quantify the amount of water molecules required for the protein to gather in water (salt) and take a structure in the living body.

(n)薬剤等を試料とした場合は、湿度を上昇させながら得られたデータから、薬剤の生体への浸透性(分子レベルの濡れ性)を推測することが可能である。従来、接触角を指標として評価されていた濡れ性は、分子レベルの水和性との定量的な関係性はないと考えられるが、本発明によれば水和性を分子レベルで定量化できる。   (N) When a drug or the like is used as a sample, it is possible to estimate the penetrability of the drug into the living body (molecular level wettability) from the data obtained while increasing the humidity. Conventionally, wettability that has been evaluated using the contact angle as an index is considered not to have a quantitative relationship with hydration at the molecular level, but according to the present invention, hydration can be quantified at the molecular level. .

(o)モデル細胞膜を固着し、湿度を変化させながら測定を行うことによって水分子の取り込みやすさを評価することが可能である。モデル細胞膜としては、たとえば生体から採取した細胞膜画分や、合成したリン脂質二重層を用いることができる。後者はリン脂質二重層中に存在する、水分子を選択的に通過せるアクアポリンなどの膜タンパク質を含むので、アクアポリンの水取り込み速度、ひいてはアクアポリンの機構解明、正常・異常の判定、アクアポリン由来の各種疾患の罹患の危険性を予測できる可能性がある。後者は、異種リン脂質の配合比の評価を、水分固着量で定量化することが可能である。   (O) It is possible to evaluate the ease of water molecule uptake by fixing the model cell membrane and performing measurement while changing the humidity. As the model cell membrane, for example, a cell membrane fraction collected from a living body or a synthesized phospholipid bilayer can be used. The latter contains membrane proteins such as aquaporins that can selectively pass water molecules in the phospholipid bilayer, so the water uptake rate of aquaporins, and further elucidation of the mechanism of aquaporins, judgment of normality / abnormality, various types of aquaporins It may be possible to predict the risk of disease. In the latter case, it is possible to quantify the evaluation of the blending ratio of the different phospholipids by the moisture adhering amount.

(p)各種の薄膜の撥水性、親水性を分子レベルで定量的に評価することができる。また、基材に表面処理剤または塗料を塗布したときの水分子の吸着量を測定すれば、耐久性の初期レベルがわかる。   (P) The water repellency and hydrophilicity of various thin films can be quantitatively evaluated at the molecular level. Further, the initial level of durability can be determined by measuring the amount of water molecules adsorbed when a surface treatment agent or paint is applied to the substrate.

(q)多孔質素材で形成された薄膜(層)への水分吸着量から、空隙率を測定することができる。水は比重が1だから質量に換算することも容易である。また、湿度に対する水分子の吸着、脱離の追随性もわかる。   (Q) The porosity can be measured from the amount of moisture adsorbed on the thin film (layer) formed of the porous material. Since water has a specific gravity of 1, it can be easily converted to mass. In addition, the followability of water molecule adsorption and desorption with respect to humidity is also known.

−実施例群1:実施例1〜7−
実施例1〜7において、RIfS装置としては反射型RIfS方式の分子間相互作用測定装置「MI−Affinity」(登録商標、コニカミノルタテクノロジーセンター株式会社)を使用し、無修飾センサーチップ(ベア基板)として、上記「MI−Affinity」専用のセンサーチップ(Si,厚さ1mm/SiN,厚さ66nm)を使用した。温湿度調整装置としては、ESPEC社製恒温槽PDR-3KTと専用調湿制御装置を用い、この恒温槽内に前記RIfS装置を設置した。調湿プログラムは、25℃において、まず15%(RH:相対湿度)で15分保持し、続いて15%(RH)から60%(RH)までの加湿を30分で行い、60%(RH)で15分保持後、60%(RH)から15%(RH)までの除湿を30分行い、最後に15%(RH)で15分保持するよう設定した。膜厚算出プログラムとしては、ボトムピーク法のΔλ(ボトム波長)を測定し、換算式により膜厚換算を行った。
-Example group 1: Examples 1-7-
In Examples 1 to 7, a reflection type RIfS intermolecular interaction measurement device “MI-Affinity” (registered trademark, Konica Minolta Technology Center Co., Ltd.) is used as the RIfS device, and an unmodified sensor chip (bare substrate). As described above, a sensor chip (Si, thickness 1 mm / SiN, thickness 66 nm) dedicated to “MI-Affinity” was used. As the temperature and humidity adjusting device, a constant temperature bath PDR-3KT manufactured by ESPEC and a dedicated humidity control device were used, and the RIfS device was installed in the constant temperature bath. The humidity control program is to hold 15% (RH: Relative Humidity) for 15 minutes at 25 ° C, then humidify from 15% (RH) to 60% (RH) in 30 minutes, and 60% (RH ) For 15 minutes, then dehumidification from 60% (RH) to 15% (RH) was performed for 30 minutes, and finally, 15% (RH) was maintained for 15 minutes. As a film thickness calculation program, Δλ (bottom wavelength) of the bottom peak method was measured, and the film thickness was converted by a conversion formula.

(分析対象センサーチップの作製)
表1に示した試料、成膜方法および基板を用いて分析対象センサーチップNo.1〜23を作成した。
(Production of sensor chip to be analyzed)
Using the sample, film forming method and substrate shown in Table 1, the sensor chip No. 1-23 were made.

(a)スピンコーターによる塗布(分析対象センサーチップNo.2、3、14〜20、22)
無修飾のセンサーチップ上に、表2に示した条件に従って、各種材料をスピンコーターにより3000rpmで塗布し、加熱乾燥して分析対象センサーチップを作製した。
(A) Application by spin coater (analysis target sensor chip No. 2, 3, 14-20, 22)
On the unmodified sensor chip, various materials were applied at 3000 rpm with a spin coater according to the conditions shown in Table 2, and dried by heating to produce an analysis target sensor chip.

(b)シランカップリング剤による処理(分析対象センサーチップNo.4〜7)
95%エタノール水溶液10mLに表3に示す薬剤を各100μL添加し、室温で1時間攪拌した。得られたシランカップリング剤の中に、無修飾のセンサーチップを室温で1時間浸漬して反応させた。センサーチップを引き上げ、エタノール、超純水で順次洗浄後、窒素ブローにより乾燥させ、乾熱機にて80℃、1時間脱水縮合させることにより、分析対象センサーチップNo.4〜7を作製した。
(B) Treatment with silane coupling agent (sensor chip No. 4 to 7 to be analyzed)
100 μL of each of the drugs shown in Table 3 was added to 10 mL of 95% ethanol aqueous solution and stirred at room temperature for 1 hour. An unmodified sensor chip was immersed in the obtained silane coupling agent for 1 hour at room temperature to react. The sensor chip was lifted, washed with ethanol and ultrapure water in sequence, dried by nitrogen blowing, and dehydrated and condensed at 80 ° C. for 1 hour with a dry heat machine. 4-7 were produced.

(c)アミノ基基板を用いたカップリング固着(分析対象センサーチップNo.8〜11、21)
(c−1:アミノ化センサーチップの調製)
95%エタノール水溶液10mLに3-Aminopropyltrimethoxysilaneを100μL添加し、室温で1時間攪拌した。得られたシランカップリング剤の中に、無修飾のセンサーチップを室温で1時間浸漬しシランカップリング剤を反応させた。センサーチップを引き上げ、エタノール、超純水で順次洗浄後、窒素ブローにより乾燥させ、乾熱機にて80℃、1時間脱水縮合させることにより、アミノ化センサーチップ(アミノ基基板)を作製した。
(C) Coupling fixation using an amino group substrate (analysis target sensor chips Nos. 8 to 11 and 21)
(C-1: Preparation of aminated sensor chip)
100 μL of 3-Aminopropyltrimethoxysilane was added to 10 mL of 95% ethanol aqueous solution and stirred at room temperature for 1 hour. In the obtained silane coupling agent, an unmodified sensor chip was immersed at room temperature for 1 hour to react with the silane coupling agent. The sensor chip was pulled up, washed sequentially with ethanol and ultrapure water, dried by nitrogen blowing, and dehydrated and condensed at 80 ° C. for 1 hour with a dry heat machine to prepare an aminated sensor chip (amino group substrate).

(c−2:アミノ化センサーチップへの固着)
NHS(N−ヒドロキシコハク酸イミド)とWSC(水溶性カルボジイミド)とを、それぞれ50mMおよび200mMの濃度で含有する水溶液を25mM MESバッファー(pH5.0)を用いて調製した。得られた水溶液に、表4に示した各試薬を10mM(濃度5wt%)となるよう添加し、30分間撹拌後、前記アミノ化センサーチップを室温で20分間、攪拌しながら浸漬した。その後、センサーチップを引き上げ、超純水で洗浄した。化学結合に利用されていない活性エステルを加水分解するために1/10規定の苛性ソーダ水溶液中に前記反応後のセンサーチップを10分間浸漬した。希塩酸で中和後、更に超純水洗浄、乾燥を行い、目的とする分析対象センサーチップを得た。
(C-2: Fixation to aminated sensor chip)
An aqueous solution containing NHS (N-hydroxysuccinimide) and WSC (water-soluble carbodiimide) at concentrations of 50 mM and 200 mM, respectively, was prepared using 25 mM MES buffer (pH 5.0). Each reagent shown in Table 4 was added to the obtained aqueous solution so as to have a concentration of 10 mM (concentration: 5 wt%). After stirring for 30 minutes, the amination sensor chip was immersed for 20 minutes at room temperature with stirring. Thereafter, the sensor chip was pulled up and washed with ultrapure water. In order to hydrolyze the active ester not used for chemical bonding, the sensor chip after the reaction was immersed in a 1/10 normal aqueous sodium hydroxide solution for 10 minutes. After neutralizing with dilute hydrochloric acid, washing with ultrapure water and drying were performed to obtain the target sensor chip for analysis.

(d)流路中で固着(分析対象センサーチップNo.12、13)
(d−1:ニュートラアビジン)
MI-AffinityにPDMS製の専用フローセルをセットし、PBSバッファーをランニングしている中に、ニュートラアビジン(NeutrAvidin)100μg/mlを100μlインジェクターから注入した。20μl/min.で10分送液後、窒素ガスを噴射して表面に付いた水を切って、直ぐに測定に用いた。
(D) Adhering in the flow path (analysis target sensor chip No. 12, 13)
(D-1: Neutravidin)
A dedicated flow cell made of PDMS was set in MI-Affinity, and 100 μg / ml of NeutraAvidin was injected from a 100 μl injector while PBS buffer was running. After 10 minutes of feeding at 20 μl / min., Nitrogen gas was sprayed to cut off the water attached to the surface and immediately used for measurement.

(d−2:細胞膜画分)
MI-AffinityにPDMS製の専用フローセルをセットし、PBSバッファーをランニングしている中に、膜画分100μg/mlを100μlインジェクターから注入した。20μl/min.で膜画分送液中にポンプを停止して1時間放置して基板に固着させた。窒素ガスを噴射して表面に付いた水を切って、直ぐに測定に用いた。
(D-2: cell membrane fraction)
A dedicated flow cell made of PDMS was set in MI-Affinity, and 100 μg / ml of membrane fraction was injected from a 100 μl injector while PBS buffer was running. The pump was stopped while the membrane fraction was being fed at 20 μl / min. And allowed to stand for 1 hour to be fixed to the substrate. Nitrogen gas was jetted to drain the water on the surface and used immediately for measurement.

(水分子の定量化)
前記調湿プログラムに従って湿度を連続的に変化させながらRIfS測定を行い、その測定値に基づいて水分子の膜厚等を算出した。結果を表5に示す。水分子の膜厚は、60%(RH)と15%(RH)のΔλの差分を、水の屈折率に基づく換算係数(周期性有りまたは無しに応じたもの)で除算して求めた。リアルタイム計測なので、任意の湿度%の水分子の量を求めることができる。得られた水分子の膜厚を材料膜厚で除算を行い比較することも有益である。また、加湿と除湿の違いによる挙動も材料と水との相互作用を解析する上で重要である。
(Quantification of water molecules)
RIfS measurement was performed while continuously changing the humidity according to the humidity control program, and the film thickness of water molecules and the like were calculated based on the measured value. The results are shown in Table 5. The film thickness of the water molecule was determined by dividing the difference between Δλ of 60% (RH) and 15% (RH) by a conversion factor based on the refractive index of water (with or without periodicity). Since it is a real-time measurement, the amount of water molecules at any humidity% can be determined. It is also useful to divide and compare the obtained water molecule film thickness by the material film thickness. In addition, the behavior due to the difference between humidification and dehumidification is also important in analyzing the interaction between the material and water.

また、前記調湿プログラムに従って湿度を連続的に変化させながらRIfS測定を行ったときの、測定結果のグラフを図4〜31に示す。以下、これらの測定結果のグラフについて考察した。 Moreover, the graph of a measurement result when performing RIfS measurement, changing humidity continuously according to the said humidity control program is shown to FIGS. Hereinafter, the graph of these measurement results was considered.

[実施例1]No.1-7(ベア基板、超薄膜の濡れ性、水和性、親水性、疎水性、撥水性評価)
リファレンスとしてベア基板(No.1:図4)の水分子吸着を測定した。結露条件ではないため、本来は水分子の吸着は起きないはずだが、相対湿度が上昇するにつれて、水分子の吸着と見られるΔλの上昇がみられた。センサーチップのSiNが酸化されて一部SiO2になった可能性がある。撥水性のフッ素コート(No.2:図5、No.4:図7)を行うことで、前記ベア基板で見られた水分子吸着が抑制されることを確認した。厚みのあるNo.2の方が、分子レベルの薄膜であるNo.4よりも撥水効果が高いことも分かる。疎水性のアルキル基を有するNo.5(図8)も水分子吸着を抑制した。この結果から、本発明の方法により水和性だけでなく分子レベルの疎水性、撥水性評価も可能であることを示唆している。一方、No.3(図6)の親水性表面改質剤では、疎水性材料の20〜40倍の水を吸収している。No.6(図9)およびNo.7(図10)の親水化表面改質剤では、疎水性表面改質剤よりも水分子吸着量が増えているが、No.3程ではない。以上、厚みがほとんどなく、水による膨潤がほぼない被膜においても、水分の影響が高精度に測れていることから、従来の機器では測定できなかった、被膜表面に分子レベルで水和が起こる現象を定量化できていると考えられる。
[Example 1] No. 1-7 (Bare substrate, wettability of ultrathin film, hydration, hydrophilicity, hydrophobicity, water repellency evaluation)
As a reference, water molecule adsorption of a bare substrate (No. 1: FIG. 4) was measured. Since it is not a dew condensation condition, water molecules should not be adsorbed originally, but as the relative humidity increased, an increase in Δλ, which seems to be the adsorption of water molecules, was observed. There is a possibility that SiN of the sensor chip is oxidized and partially becomes SiO 2 . It was confirmed that water molecule adsorption observed on the bare substrate was suppressed by performing water-repellent fluorine coating (No. 2: FIG. 5, No. 4: FIG. 7). It can also be seen that the thick No. 2 has a higher water repellency effect than the No. 4 thin film at the molecular level. No. 5 (FIG. 8) having a hydrophobic alkyl group also suppressed water molecule adsorption. This result suggests that the method of the present invention enables not only hydration properties but also molecular level hydrophobicity and water repellency evaluation. On the other hand, the hydrophilic surface modifier No. 3 (FIG. 6) absorbs 20 to 40 times as much water as the hydrophobic material. The hydrophilized surface modifiers No. 6 (FIG. 9) and No. 7 (FIG. 10) have more water molecule adsorption than the hydrophobic surface modifier, but not as much as No. 3. As described above, even in a film with almost no thickness and almost no swelling due to water, the effect of moisture can be measured with high precision, and hydration occurs at the molecular level on the film surface, which could not be measured with conventional equipment. Is considered to be quantified.

[実施例2]No.8-14(生体関連物質の水和、吸湿性評価)
No.8(図11)、No.9(図12)、No.10(図13)のCMDは比較的水和性が高く、置換度(カルボキシル基の導入量)の低いNo.9が水和能力としては一番低いことが確認できた。No.11(図14)のBSAは、CMDよりも水和量が大きいが、加湿と除湿で大きく挙動が異なっており、加湿時の水和が起きにくいことが示唆された。BSAが大気中に長期間放置されたサンプルだったので変質が起こったと考えられる。No.12(図15)のニュートラアビジンとNo.13(図16)の細胞膜画分は水和量が非常に大きく、かつ特にNo.13は加湿で水分子が入りやすく、除湿では出にくくなっている。これは、材料の水和性が高いために膜への水の吸収速度が放出速度に勝っていることを示唆している。No.14(図17)のリン脂質膜は、膜の薄さの割に非常に大きい親水性を示しており、リン脂質二重層を形成していることが示唆された。
[Example 2] No. 8-14 (Evaluation of hydration and hygroscopicity of biological substances)
No. 8 (Fig. 11), No. 9 (Fig. 12) and No. 10 (Fig. 13) CMDs are relatively highly hydratable, and No. 9 with a low degree of substitution (carboxyl group introduction amount) is water. It was confirmed that the Japanese ability was the lowest. BSA No. 11 (FIG. 14) has a higher hydration amount than CMD, but the behavior differs greatly between humidification and dehumidification, suggesting that hydration during humidification hardly occurs. Since BSA was a sample left in the atmosphere for a long time, it is thought that alteration occurred. The neutravidin of No. 12 (Fig. 15) and the cell membrane fraction of No. 13 (Fig. 16) have a very high hydration amount. ing. This suggests that the rate of water absorption into the membrane is superior to the release rate due to the high hydration properties of the material. The phospholipid membrane of No. 14 (FIG. 17) showed a very large hydrophilicity relative to the thinness of the membrane, suggesting that a phospholipid bilayer was formed.

[実施例3]No.12(ニュートラアビジンの乾燥評価)
実施例2で用いたニュートラアビジン(No.12)を12時間大気中に放置後、水吸着性の再測定を行った(加湿2、除湿2)。図27から明らかなように、放置後の加湿2では、乾燥しているため、水和速度が遅くなっているが、除湿2のサイクルでは放置前と同様になっており、高湿度下で元に戻ったと考えられる。このような測定で、各種材料の乾燥評価が可能なことを示している。
[Example 3] No. 12 (Drying evaluation of neutravidin)
The neutral avidin (No. 12) used in Example 2 was left in the atmosphere for 12 hours, and then the water adsorptivity was measured again (humidification 2, dehumidification 2). As is clear from FIG. 27, the humidification 2 after being left is dry, so the hydration rate is slow, but in the dehumidification 2 cycle, it is the same as before being left as it is, and it is the original under high humidity. It is thought that it returned to. Such measurement shows that drying evaluation of various materials is possible.

[実施例4]No.15-22(疎水性のPS、含水率2%のPMMA、水和挙動の違い)
ポリスチレン(No.15:図18、No.16:図19、No.17:図20)では膜厚が小さい方が水和による変化が大きい結果であった。特にNo.15のPS1は、加湿時に水分子が膜に吸着しにくく、除湿時に水分子が出やすい結果であった。一方、親水性がより高いポリメタクリル酸メチル(No.18:図21、No.19:図22、No.20:図23)では膜厚が高い方が水分子の吸着が大きい結果であった。水溶性のアクリル酸(No.21:図24)と表面がカチオン性で水和性が強い「ハイドランCP7610」(No.22:図25)はいずれも水和性が高いものの、乾燥下に長時間置かれたため、加湿時に水分子が入りにくく、除湿時は出やすい傾向であった。複数の加湿サイクルを行えば、加湿と除湿の関係は徐々に逆転すると考えられる。
[Example 4] No. 15-22 (hydrophobic PS, 2% moisture content PMMA, difference in hydration behavior)
With polystyrene (No. 15: FIG. 18, No. 16: FIG. 19, No. 17: FIG. 20), the smaller the film thickness, the greater the change due to hydration. In particular, No. 15 PS1 was such that water molecules were less likely to be adsorbed to the membrane during humidification, and water molecules were likely to be generated during dehumidification. On the other hand, polymethyl methacrylate (No. 18: FIG. 21, No. 19: FIG. 22, No. 20: FIG. 23), which has higher hydrophilicity, resulted in greater water molecule adsorption at higher film thicknesses. . Water-soluble acrylic acid (No. 21: Fig. 24) and "Hydran CP7610" (No. 22: Fig. 25), which has a cationic surface and strong hydration, are both highly hydratable, but long under drying. Since it was kept for a long time, water molecules did not easily enter during humidification, and it was likely to come out during dehumidification. If multiple humidification cycles are performed, the relationship between humidification and dehumidification is considered to be gradually reversed.

[実施例5](ポリマーの膜厚違いの評価)
ポリマーの膜厚違いの挙動を見ると、膜厚に対する水分子の吸着比(水膜厚/試料膜厚、%)はポリスチレンも、ポリメタクリル酸メチルも薄い方が高いことが分かる(表5)。このことは、膜厚が増えるに従って水和の効率が下がることを示唆している。また、図28および29に示されているように、ポリスチレンでは、膜厚が薄い時ほど水和性の絶対量が高いのに対し、ポリメタクリル酸メチルでは逆になっており、ポリマーの疎水性の程度に由来するものと考えられる。
[Example 5] (Evaluation of difference in film thickness of polymer)
Looking at the behavior of the polymer film thickness difference, it can be seen that the adsorption ratio of water molecules to the film thickness (water film thickness / sample film thickness,%) is higher for both polystyrene and polymethyl methacrylate (Table 5). . This suggests that the efficiency of hydration decreases as the film thickness increases. As shown in FIGS. 28 and 29, in polystyrene, the absolute amount of hydration is higher as the film thickness is thinner, whereas in polymethyl methacrylate, the reverse is true, and the hydrophobicity of the polymer It is thought that it originates in the grade of.

[実施例6](PMMA熱応答と水和定量の組合せ)
ポリメタクリル酸メチル(PMMA3: No.20)について、湿度を変化させながら10%、30%、50%において各30分間同一温度で保持する調湿プログラムを組んだ。これらの湿度10%、30%、50%それぞれに同期させて、1℃当たり15秒で10℃から40℃まで基板を昇温させる熱応答プログラムを走らせた。結果を図30に示す。湿度10%で測定することで、物質に対する熱のみの影響を測定し、湿度10%に対して30%、50%の測定を参照することで湿度の影響が定量的に分離できる。熱と水分の影響を一度の測定で行い、それぞれの因子を分離可能な優れた測定方法であることが分かる。
[Example 6] (Combination of PMMA thermal response and hydration determination)
For polymethyl methacrylate (PMMA3: No. 20), a humidity control program was set up to maintain the same temperature at 10%, 30%, and 50% for 30 minutes each while changing the humidity. In synchronism with these humidity of 10%, 30%, and 50%, a thermal response program was run to raise the substrate from 10 ° C to 40 ° C in 15 seconds per 1 ° C. The results are shown in FIG. By measuring at a humidity of 10%, the effect of only heat on the substance can be measured, and by referring to the measurements of 30% and 50% for a humidity of 10%, the influence of humidity can be quantitatively separated. It can be seen that this is an excellent measurement method that can separate the factors of heat and moisture in a single measurement.

[実施例7](SiO2の評価、温度違い、およびベア基板のSiO2含有量の推定)
SiO2(No.23)については加湿のみを行った。図26に示す結果から分かるように、温度を高くすることで、相対湿度が同じでも絶対水分量(絶対湿度)が高いため、湿度に対するΔλは同じ傾向で、かつ全体が持ち上がっている。本サンプルはSiO2100%になることから、No.1の部分的にSiO2になったベア基板と絶対値で比較するとSiO2含有量が約50%と推定できる。
[Example 7] (Evaluation of SiO 2 , temperature difference, and estimation of SiO 2 content of bare substrate)
For SiO 2 (No. 23), only humidification was performed. As can be seen from the results shown in FIG. 26, by increasing the temperature, the absolute moisture content (absolute humidity) is high even if the relative humidity is the same. This sample can be estimated from becoming SiO 2 100%, when compared with partially bare substrate the absolute value became SiO 2 of No.1 SiO 2 content of about 50%.

−実施例群2:実施例8〜12−
実施例8〜12において、RIfS装置としては反射型RIfS方式の分子間相互作用測定装置「MI−Affinity」(登録商標、コニカミノルタテクノロジーセンター株式会社)を使用し、無修飾センサーチップ(ベア基板)として、上記「MI−Affinity」専用のセンサーチップ(Si,厚さ1mm/SiN,厚さ66nm)を使用した。小型の温湿度調整装置としては、「GenRH-A」(英国Surface Measurement Systems社製)を用いた。下記のようにして作製した分析対象センサーチップに、図32に示す形状の部材を重ね合わせてガス流路を構築し、「MI−Affinity」のセンサー部に設置した。このガス流路に上記装置および「MI−Affinity」を連結し、上記装置から発生する調湿ガスを測定領域の試料薄膜に供給した。調湿制御をリアルタイムに自動で行うための制御ソフトウェアとして、SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)パッケージソフトウェアであるSpecView(米国SpecView Corporation社製)を用いて、加湿と除湿を連続的にPID制御するプログラムを作成した。PID制御に用いる湿度計はGenRH-A内蔵された湿度計のデータを用いた。膜厚算出ソフトウェアとしてはcOPL(コニカミノルタ社製)を用いて2層(下層に薄膜サンプル、上層に水分子)モデルを作成して、絶対膜厚を算出した。
-Example group 2: Examples 8-12-
In Examples 8 to 12, a reflection-type RIfS intermolecular interaction measurement device “MI-Affinity” (registered trademark, Konica Minolta Technology Center Co., Ltd.) is used as the RIfS device, and an unmodified sensor chip (bare substrate). As described above, a sensor chip (Si, thickness 1 mm / SiN, thickness 66 nm) dedicated to “MI-Affinity” was used. As a small temperature / humidity adjusting device, “GenRH-A” (manufactured by Surface Measurement Systems, UK) was used. A gas flow path was constructed by superimposing a member having the shape shown in FIG. 32 on the sensor chip to be analyzed manufactured as described below, and the gas flow path was installed in the sensor section of “MI-Affinity”. The apparatus and “MI-Affinity” were connected to the gas flow path, and the humidity control gas generated from the apparatus was supplied to the sample thin film in the measurement region. Program for continuous PID control of humidification and dehumidification using SpecView (manufactured by SpecView Corporation, USA), SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) package software as control software for automatically performing humidity control in real time It was created. The hygrometer used for PID control was the data of the hygrometer built in GenRH-A. As the film thickness calculation software, cOPL (manufactured by Konica Minolta) was used to create a two-layer model (thin film sample in the lower layer and water molecules in the upper layer), and the absolute film thickness was calculated.

(分析対象センサーチップの作製)
表6に示したサンプルを含む塗布液を調製し、スピンコーターを用いてスロープ(SL)5秒、1000rpm−60秒の条件で無修飾センサーチップの表面に塗布して、各サンプルからなる試料薄膜が表面に形成された分析対象センサーチップNo.24〜29を作製した。これらの分析対象センサーチップはそれぞれ複数枚作製した。分析対象センサーチップNo.27およびNo.28は、膜厚の異なる2種類を作製した。
(Production of sensor chip to be analyzed)
A coating solution containing the samples shown in Table 6 was prepared and applied to the surface of the unmodified sensor chip using a spin coater under conditions of slope (SL) 5 seconds and 1000 rpm-60 seconds, and a sample thin film consisting of each sample Sensor chip No. with the surface formed on the surface. 24-29 were produced. A plurality of these analysis target sensor chips were prepared. Analysis target sensor chip No. 27 and no. No. 28 produced two types having different film thicknesses.

[実施例8]
分析対象センサーチップNo.25(サンプルとしてCMD:カルボキシメチルデキストランを塗布)を用いてRIfSの測定を行った。MI-Affinityの温調は25℃に設定した。湿度制御は100ml/min.の流量で、図33に示したように10RH%の低湿度で10分、300RH%/hr.の調湿変化速度で連続的に80RH%の高湿度まで持って行き、10分間80RH%の高湿度下で保持し、その後300RH%/hr.の調湿変化速度で連続的に10RH%の低湿度まで持って行き、更に10分間10RH%の低湿度下で保持するものである。
[Example 8]
Analysis target sensor chip No. RIfS was measured using No. 25 (CMD: coated with carboxymethyl dextran as a sample). The temperature control of MI-Affinity was set to 25 ° C. The humidity is controlled at a flow rate of 100 ml / min., As shown in Fig. 33, 10 minutes at a low humidity of 10RH%, and continuously to a high humidity of 80RH% at a humidity change rate of 300RH% / hr. , Hold for 10 minutes under high humidity of 80RH%, then bring it continuously to low humidity of 10RH% at a humidity change rate of 300RH% / hr. And hold for 10 minutes under low humidity of 10RH% Is.

(1)CMD膜の屈折率を1.45としたとき、最も乾燥した状態での膜厚は343.55nmと算出された。10RH%から80RH%まで湿度を変化させた際の水吸着量による膜厚増加量(水吸着膜厚)は51.16nmであった。80RH%の湿潤した状態における、膜厚基準の含水率は12.96%であることを定量計算できる。一方、測定領域の面積(光ファイバーの断面積、0.126mm2)を膜厚に乗ずることで、膜厚を体積に、さらに質量に換算することができる。前記水吸着膜厚から、測定領域に6.43ngの水が吸着したことが分かる。また、CMDの比重は1.05なので、湿潤膜厚を重量換算すると52.08ngとなり、重量基準の含水率としては12.34%であることが分かる。本発明により、非常に微量のサンプルを用いて、任意の設定湿度が短時間で変化する実技系で水の吸脱着現象が定量化可能であることが分かる。 (1) When the refractive index of the CMD film was 1.45, the film thickness in the most dry state was calculated to be 343.55 nm. When the humidity was changed from 10RH% to 80RH%, the increase in film thickness (water adsorption film thickness) due to the amount of water adsorption was 51.16nm. It can be quantitatively calculated that the moisture content on the basis of the film thickness in the wet state of 80RH% is 12.96%. On the other hand, by multiplying the film thickness by the area of the measurement region (cross-sectional area of the optical fiber, 0.126 mm 2 ), the film thickness can be converted into volume and further into mass. From the water adsorption film thickness, it can be seen that 6.43 ng of water was adsorbed in the measurement region. Moreover, since the specific gravity of CMD is 1.05, it turns out that the wet film thickness is 52.08 ng in terms of weight, and the moisture content on the weight basis is 12.34%. According to the present invention, it is understood that the adsorption / desorption phenomenon of water can be quantified in a practical system in which an arbitrary set humidity changes in a short time using a very small amount of sample.

(2)1秒以下程度の時間間隔で膜厚変化量(d)を測定し、その差分(Δd)を計算することで、水の吸脱着ダイナミクス(図34参照)が表現できる。例えば、分子レベルの極微量の水を短時間の変化量で計算し直すと、通常の測定では解析不可能な、水の動的平衡分析が可能である。Δdにおいて、プラスは吸着量でマイナスは脱着量を表し、吸着初期は10RH%でバランスが取れているが、湿度が上昇するにつれて徐々に吸着量が増えて行く現象が定量化可能であることが分かる。 (2) Water adsorption / desorption dynamics (see FIG. 34) can be expressed by measuring the film thickness change amount (d) at a time interval of about 1 second or less and calculating the difference (Δd). For example, if a very small amount of water at the molecular level is recalculated with the amount of change in a short time, a dynamic equilibrium analysis of water that cannot be analyzed by ordinary measurement is possible. In Δd, plus indicates the amount of adsorption and minus indicates the amount of desorption, and the initial adsorption is balanced at 10RH%, but the phenomenon that the amount of adsorption gradually increases as humidity increases can be quantified. I understand.

(3)設定条件下(10RH%、100ml/min.)における平衡状態の予測
前記調湿速度では10-80RH%の範囲内で完全に安定な湿潤状態が形成されていないので、10RH%および80RH%における時間と膜厚のグラフ(表8および図35参照)から任意のシミュレーション曲線を作成し、計算式を求めることにより、最適な調湿条件を求めることができる。また、該計算式を用いれば、試料薄膜の安定な乾燥状態または湿潤状態における水吸着量の定量化も可能である。本サンプルでの水吸着膜厚は51.16nmであったが、安定な調湿条件で測定すると67.75nmであると予測できる。
(3) Prediction of equilibrium state under set conditions (10RH%, 100ml / min.) Since the humidity control rate does not form a completely stable wet state within the range of 10-80RH%, 10RH% and 80RH By creating an arbitrary simulation curve from the graph of time and film thickness in% (see Table 8 and FIG. 35) and obtaining a calculation formula, it is possible to obtain an optimum humidity control condition. Further, by using this calculation formula, it is possible to quantify the water adsorption amount in a stable dry or wet state of the sample thin film. Although the water adsorption film thickness in this sample was 51.16 nm, it can be predicted to be 67.75 nm when measured under stable humidity control conditions.

[実施例9]
分析対象センサーチップNo.26(サンプルとして超親水性材料であるフレッセラRを塗布)を用いてRIfSの測定を行った。この薄膜サンプルを10RH%の低湿度で10分保持後、300RH%/hr.の調湿変化速度で連続的に80RH%の高湿度まで変化させて、10分間80RH%の高湿度下で保持し、その後300RH%/hr.の調湿変化速度で連続的に10RH%の低湿度まで持って行き、更に10分間10RH%の低湿度下で保持させた(a)。同一の薄膜サンプルを用いて、前記調湿パターンにおいて全ての連続調湿速度を100RH%/hr.に変化させた以外は全く同様にして測定を行った(b)。同一の薄膜サンプルを用いて、前記調湿パターンにおいて全ての連続調湿速度を50RH%/hr.に変化させた以外は全く同様にして測定を行った(c)。10-80RH%の測定における所要時間は、(a)14分、(b)42分、(c)84分である。結果を表9に示す。
[Example 9]
Analysis target sensor chip No. The RifS was measured using No. 26 (applied with Fresella R, which is a superhydrophilic material, as a sample). This thin film sample is held for 10 minutes at a low humidity of 10RH%, then continuously changed to a high humidity of 80RH% at a humidity change rate of 300RH% / hr. And held at a high humidity of 80RH% for 10 minutes. After that, it was continuously brought to a low humidity of 10 RH% at a humidity change rate of 300 RH% / hr., And further kept under a low humidity of 10 RH% for 10 minutes (a). Using the same thin film sample, measurement was performed in exactly the same manner except that all continuous humidity control rates were changed to 100 RH% / hr. In the humidity control pattern (b). Using the same thin film sample, measurement was performed in exactly the same manner except that all continuous humidity control rates were changed to 50 RH% / hr. In the humidity control pattern (c). The time required for measurement at 10-80 RH% is (a) 14 minutes, (b) 42 minutes, and (c) 84 minutes. The results are shown in Table 9.

調湿時間を変化させた(a)、(b)、(c)を比較すると(図36参照)、調湿時間が短いと、含水率が大きく、かつ吸脱着曲線が非対称であり(非対称性は(a)>(b)>(c))、水の取込が不安定な状態で進行していることが分かる。一方、長時間調湿(c)では、対称性が向上しており水が安定状態で取りこまれていることが分かる。 Comparing (a), (b), and (c) where the humidity control time was changed (see FIG. 36), when the humidity control time was short, the moisture content was large and the adsorption / desorption curve was asymmetric (asymmetry) (A)>(b)> (c)), it can be seen that the water intake proceeds in an unstable state. On the other hand, in the long-term humidity control (c), it can be seen that the symmetry is improved and water is taken up in a stable state.

また、サンプル(c)について計算式から変曲点の交点を求めると湿度63RH%にあることが分かる(図37参照)。
調湿時間変化を行うことで、水吸脱着の平衡に達する時間を吸着、脱着の数値から決めることができる。例えば、平均吸着膜厚、平均脱着膜厚を求めてその差分を取り、時間と差分が0になる時間を求めることで連続的な水和が最安定に到達する調湿速度を求めることができる。ここでは、表10および図38に示すように、(a)、(b)、(c)のサンプルの近似式を導出して、0になる時間を求めたところ107分であったので、このサンプルにおいては10-80RH%の変化を107分で行えば、最安定な水和条件になることが推定できる。また、その時間に平衡に達した際の膜厚基準含水率は7.44%であることが計算可能である。
Further, when the intersection of the inflection points is obtained from the calculation formula for the sample (c), it can be seen that the humidity is 63 RH% (see FIG. 37).
By changing the humidity control time, the time to reach the equilibrium of water absorption / desorption can be determined from the values of adsorption / desorption. For example, by calculating the average adsorbed film thickness and the average desorbed film thickness, taking the difference between them, and determining the time at which the difference becomes 0, the humidity control speed at which continuous hydration reaches the maximum stability can be determined. . Here, as shown in Table 10 and FIG. 38, the approximate expression of the samples of (a), (b), and (c) was derived, and the time to become 0 was found to be 107 minutes. In the sample, if the change of 10-80RH% is performed in 107 minutes, the most stable hydration condition can be estimated. It is also possible to calculate that the film thickness reference moisture content when the equilibrium is reached at that time is 7.44%.

水の吸着時に調湿速度を変化させたときの吸着速度を表10にまとめた。低湿度では水が吸着しにくく、高湿度では水が吸着しやすいことが分かる。このことは、低湿度下では水と物質との相互作用が強いため、例えば構造化水形成で水吸着が遅いことを表している。一方、高湿度下では、それ以外の水吸着、例えば自由水の様に相互作用の低い水であることが示唆される。   Table 10 summarizes the adsorption rate when the humidity control rate was changed during water adsorption. It can be seen that water is difficult to adsorb at low humidity, and water is likely to adsorb at high humidity. This indicates that water adsorption is slow due to the formation of structured water, for example, because the interaction between water and substances is strong under low humidity. On the other hand, under high humidity, other water adsorption, for example, it is suggested that the water has low interaction like free water.

[実施例10]
1mg/mlのNeutrAvidin−PBS溶液中に前記無修飾センサーチップ2枚を10秒間浸漬した後、水洗いして、サンプルとしてNeutrAvidinが表面に非特異的に吸着した分析対象センサーチップを作製した。1枚は正常サンプルとし、洗浄後乾燥による変性が起きないように80RH%で10分間保持し、80RH%から10RH%の調湿変化を行った。更に80RH%で10分保持後10RH%から80RH%の調湿変化、80RH%で10分間保持した。もう1枚は変性サンプルとし、70℃で水を蒸発させ、同温で3時間保持した後、再度水に1時間浸漬してから、前記調湿測定を行った。結果を表11および図39に示す。正常サンプルではスムースな水和変化が見られるが、乾燥保存された変性サンプルでは部分的に水和がスムースにいかない領域があり、結果的に顕著なヒステリシスが観測された。また、変性サンプルの方が正常サンプルよりも含水率が著しく多く、タンパクの立体構造がばらけて、水和領域が正常サンプルより多く表面に出てきたことが示唆される。
[Example 10]
The two unmodified sensor chips were immersed in a 1 mg / ml NeutrAvidin-PBS solution for 10 seconds and then washed with water to prepare a sensor chip to be analyzed in which NeutrAvidin was adsorbed nonspecifically on the surface. One sheet was a normal sample, which was held at 80 RH% for 10 minutes to prevent denaturation due to drying after washing, and the humidity was changed from 80 RH% to 10 RH%. Furthermore, after holding at 80 RH% for 10 minutes, the humidity was changed from 10 RH% to 80 RH%, and was held at 80 RH% for 10 minutes. The other sheet was a denatured sample, water was evaporated at 70 ° C., kept at the same temperature for 3 hours, then immersed in water again for 1 hour, and then the humidity measurement was performed. The results are shown in Table 11 and FIG. In the normal sample, a smooth hydration change was observed, but in the denatured sample that had been stored dry, there was a region where the hydration did not go smoothly. As a result, a remarkable hysteresis was observed. In addition, the denatured sample has a significantly higher moisture content than the normal sample, and the three-dimensional structure of the protein is dispersed, suggesting that more hydrated regions have appeared on the surface than the normal sample.

[実施例11]
分析対象センサーチップNo.27(サンプルとして疎水性合成ポリマーであるポリメチルメタクリレート(PMMA)を塗布)および分析対象センサーチップNo.28(サンプルとして同じくポリスチレン(PS)を塗布)を用いてRIfSの測定を行った。これらの疎水性合成ポリマーについては、大気圧下で安定な含水状態にするのに半年かかるとのデータもあるが、本実施例では調整直後の含水率を測定した。結果を表12および図40に示す。本実施例の結果によると、PSの含水率は膜厚基準、質量基準どちらとも0.1%以下と、水和量が圧倒的に少なく、この結果からPSの疎水性の程度が明確になった。一方、質量基準含水率が1%前後と考えられるPMMAでは、膜厚あたりの水和量はPSに比較して圧倒的に大きく、疎水性ポリマー間の親水的な程度を膜厚基準の含水率として高精度に数値化できた。
[Example 11]
Analysis target sensor chip No. 27 (coated with polymethyl methacrylate (PMMA), which is a hydrophobic synthetic polymer as a sample) and sensor chip No. RifS was measured using 28 (also coated with polystyrene (PS) as a sample). Regarding these hydrophobic synthetic polymers, there is data that it takes half a year to obtain a stable water-containing state at atmospheric pressure, but in this example, the water content immediately after adjustment was measured. The results are shown in Table 12 and FIG. According to the result of this example, the moisture content of PS was 0.1% or less on both the film thickness basis and the mass basis, and the amount of hydration was overwhelmingly small. From this result, the degree of hydrophobicity of PS became clear. On the other hand, with PMMA, which is considered to have a mass-based moisture content of around 1%, the amount of hydration per film thickness is overwhelmingly larger than that of PS, and the hydrophilicity between hydrophobic polymers is determined by the film-based moisture content. Can be quantified with high accuracy.

[実施例12]
分析対象チップNo.24(サンプルとしてデキストランを塗布)およびNo.25(サンプルとしてCMDを塗布)を用いてRIfSの測定を行った。デキストランとCMDは基本構造が同じ水和性材料(多糖類)である。水和性材料については、初期に乾燥状態を経ることでしばしば不可逆的な変化を起こし得るため、高湿状態から低湿状態に調湿を行う逆調湿パターンを考案したが、乾燥状態を経て水和構造が復元するか否かを見るために調湿パターンを80RH%で10分、80RH%から10RH%に300RH%/hr.の速度で変化、10RH%で10分、10RH%から80RH%に300RH%/hr.の速度で調湿パターンを考案した。結果を表13および図41に示す。膜厚基準含水率は基本構造が同じ糖鎖構造を持つこともあり、大差のない結果であった。CMDにおいては、乾燥状態を経ても10RH%から80RH%に調湿を行うことで素早く水和が進行するのに対し、デキストランでは乾燥状態を経た後、水和による膜厚が元に戻らず、不可逆的な膜の劣化を起こした可能性がある。このような調湿パターンを用いることにより、水和の復元性、水和の速さを測定可能であることが分かる。
[Example 12]
Analysis target chip No. 24 (with dextran applied as a sample) and no. The RIfS was measured using 25 (coated with CMD as a sample). Dextran and CMD are hydratable materials (polysaccharides) with the same basic structure. For hydratable materials, an irreversible change can often occur by going through the dry state in the initial stage.Therefore, a reverse humidity control pattern was devised to adjust the humidity from a high humidity state to a low humidity state. To see if the Japanese structure is restored, the humidity control pattern changes from 80RH% to 10RH% at a rate of 300RH% / hr. From 80RH% to 10RH%, 10RH% for 10 minutes, from 10RH% to 80RH% A humidity control pattern was devised at a rate of 300RH% / hr. The results are shown in Table 13 and FIG. The film thickness reference moisture content was not so different as the basic structure may have the same sugar chain structure. In CMD, hydration proceeds quickly by adjusting the humidity from 10RH% to 80RH% even after the dry state, whereas in dextran, after passing through the dry state, the film thickness due to hydration does not return, It may have caused irreversible film degradation. It can be seen that by using such a humidity control pattern, it is possible to measure the hydration restoration property and the hydration speed.

また、図42に示すダイナミクスを比較すると、CMDでは水の脱着と吸着で形状の似通った吸脱着が進行しているのに対し、デキストランでは水脱着の膜厚低下が様々な頻度で起きており膜厚差分の分布が非常に大きい。一方その後の水吸着の膜厚差分の分布は非常に狭く秩序だって水が吸着している様が分かる。 In addition, when comparing the dynamics shown in FIG. 42, the CMD is proceeding with adsorption / desorption similar in shape due to desorption and adsorption of water, whereas dextran causes a decrease in the film thickness of water desorption at various frequencies. Distribution of film thickness difference is very large. On the other hand, the distribution of the difference in film thickness of the subsequent water adsorption is very narrow and orderly, indicating that water is adsorbed.

[実施例13]
分析対象センサーチップNo.26(サンプルとして超親水性材料であるフレッセラRを塗布)を用いてRIfSの測定を行った。超親水性で、かつ防染性を有する材料が表面処理剤として注目を浴びている。室内と室外、息がかかった場合の様に環境温湿度が急速に変化した際に微小なレベルで結露して失透する現象が大きな課題となっており、性能指標として防曇性が着目されているが、科学的な測定手法が確立していない。防曇性に関しては、高温高湿から低温低湿の変化で顕著に起こるのでMI-Affinityのプログラム温調機能を利用して、温度と湿度の関係性を多面的に評価した。調湿温度とサンプル表面の温度差が5℃および10℃の2通りについて測定した。
[Example 13]
Analysis target sensor chip No. The RifS was measured using No. 26 (applied with Fresella R, which is a superhydrophilic material, as a sample). Super hydrophilic and anti-dyeing materials are attracting attention as surface treatment agents. The phenomenon of condensation and devitrification at a minute level when the ambient temperature and humidity change rapidly, such as when breathing indoors and outdoors, is a major issue. However, scientific measurement methods have not been established. Regarding anti-fogging properties, the temperature-humidity relationship was evaluated from various aspects by using the program temperature control function of MI-Affinity because it was noticeably caused by the change from high temperature and high humidity to low temperature and low humidity. The difference between the humidity control temperature and the sample surface temperature was measured at 5 ° C and 10 ° C.

(1)調湿温度30℃、サンプル表面温度25℃(温度差5℃)
密閉空間(調湿ガス)の温度を30℃、サンプル表面(センサーチップ)の温度を25℃に調節した測定系で、湿度を10RH%、80RH%および10RH%の順に変化させたプログラム調湿を行った。結果を図43に示す。フレッセラRでは、5℃の温度差で、湿度80RH%近辺に結露(曇点)するポイントがあり、途中から水滴になって測定範囲から外れる(大きな水滴は測定不能)様子が観察できた。
(1) Humidity adjustment temperature 30 ℃, sample surface temperature 25 ℃ (temperature difference 5 ℃)
In a measurement system in which the temperature of the enclosed space (humidity control gas) is adjusted to 30 ° C and the temperature of the sample surface (sensor chip) is adjusted to 25 ° C, the humidity control is performed in the order of 10RH%, 80RH%, and 10RH%. went. The results are shown in FIG. In FRESERA®, there was a point of condensation (clouding point) near a humidity of 80 RH% at a temperature difference of 5 ° C, and it was possible to observe the appearance of water drops out of the measurement range (large water drops cannot be measured).

(2)調湿温度30℃、サンプル表面温度20℃(温度差10℃)
密閉空間(調湿ガス)の温度を30℃、サンプル表面(センサーチップ)の温度を20℃に調節した測定系で、湿度を10RH%、80RH%および10RH%の順に変化させたプログラム調湿を行った。結果を図44に示す。湿度60%までは、通常の水吸着が見られるが、それ以降は結露のため測定不能となった。温度差5℃の時よりも明らかに低湿度で結露が発生していると思われる。
(2) Humidity adjustment temperature 30 ℃, sample surface temperature 20 ℃ (temperature difference 10 ℃)
In a measurement system in which the temperature of the enclosed space (humidity control gas) is adjusted to 30 ° C and the temperature of the sample surface (sensor chip) is adjusted to 20 ° C, the humidity control is performed in the order of 10RH%, 80RH%, and 10RH%. went. The results are shown in FIG. Up to 60% humidity, normal water adsorption was observed, but after that, measurement was impossible due to condensation. It seems that condensation is apparently occurring at lower humidity than when the temperature difference is 5 ° C.

1 測定システム
10 RifS測定装置
11 白色光源
12 分光器
13 測定プローブ
13a 第一の光ファイバ
13b 第二の光ファイバ
21 センサーチップ
21a 基板(Si)
21b 光学薄膜(SiN)
21c 試料薄膜(試料)
23 密閉空間形成部材
23a(破線) 密閉空間
23b 開口(ガス流入口)
23c 開口(ガス排出口)
23d 開口(試薬供給口)
A 測定領域
50 制御装置
60 接続手段
100 測定環境調節機構
110 温湿度調節ユニット
120 温湿度センサー
130 排気機構
140a 第一のガス流路
140b 第二のガス流路
150 水分トラップ機構
190 筐体(調湿ボックス)
200 センサーチップ用温度調節機構
210 温度調節器
220 温度調節ユニット
230 温度センサー
300 試薬供給機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measurement system 10 RifS measuring apparatus 11 White light source 12 Spectrometer 13 Measurement probe 13a First optical fiber 13b Second optical fiber 21 Sensor chip 21a Substrate (Si)
21b Optical thin film (SiN)
21c Sample thin film (sample)
23 Sealed space forming member 23a (broken line) Sealed space 23b Opening (gas inlet)
23c Opening (gas outlet)
23d Opening (reagent supply port)
A measurement area 50 control device 60 connection means 100 measurement environment adjustment mechanism 110 temperature / humidity adjustment unit 120 temperature / humidity sensor 130 exhaust mechanism 140a first gas flow path 140b second gas flow path 150 moisture trap mechanism 190 housing (humidity control) box)
200 Sensor Chip Temperature Control Mechanism 210 Temperature Controller 220 Temperature Control Unit 230 Temperature Sensor 300 Reagent Supply Mechanism

Claims (17)

測定基板の表面に形成された試料薄膜が置かれている雰囲気の湿度を連続的または不連続的に変化させながら、RIfS(反射干渉分光法)により当該試料薄膜の膜厚に関するデータを測定する工程(測定工程)を含むことを特徴とする、試料薄膜に対する気体状水分子の挙動に関する分析方法。   A step of measuring data relating to the film thickness of the sample thin film by RIFS (reflection interference spectroscopy) while continuously or discontinuously changing the humidity of the atmosphere in which the sample thin film formed on the surface of the measurement substrate is placed (A measuring process), The analysis method regarding the behavior of the gaseous water molecule with respect to a sample thin film characterized by the above-mentioned. 前記測定工程において、湿度の値の間隔が0.1〜10%である、10回以上の測定ステップが行われる、請求項1に記載の分析方法。   2. The analysis method according to claim 1, wherein in the measurement step, 10 or more measurement steps in which an interval between humidity values is 0.1 to 10% are performed. 前記測定工程において、湿度の変化が1〜100サイクル繰り返される、請求項1または2に記載の分析方法。   The analysis method according to claim 1 or 2, wherein in the measurement step, the change in humidity is repeated for 1 to 100 cycles. 前記測定工程において、湿度を1%あたり1〜3600秒の速度で変化させる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の分析方法。   The analysis method according to any one of claims 1 to 3, wherein in the measurement step, the humidity is changed at a rate of 1 to 3600 seconds per 1%. 前記測定工程において、初期の湿度を高くし、そこから湿度を低下させるように変化させる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の分析方法。   The analysis method according to any one of claims 1 to 4, wherein, in the measurement step, the initial humidity is increased and changed so as to decrease the humidity. 前記測定工程において、前記雰囲気の温度または前記試料薄膜の温度を変化させることを含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の分析方法。   The analysis method according to any one of claims 1 to 5, wherein in the measurement step, the temperature of the atmosphere or the temperature of the sample thin film is changed. 前記測定工程が、前記雰囲気の湿度の変化速度が異なる条件下で、複数回行われる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の分析方法。   The analysis method according to any one of claims 1 to 6, wherein the measurement step is performed a plurality of times under conditions in which the humidity change rate of the atmosphere is different. 前記測定工程が、前記雰囲気の温度または前記試料薄膜の温度が異なる条件下で、複数回行われる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の分析方法。   The analysis method according to any one of claims 1 to 7, wherein the measurement step is performed a plurality of times under conditions in which the temperature of the atmosphere or the temperature of the sample thin film is different. 前記試料薄膜が、被膜形成性の固体もしくは液体により形成される薄膜;測定基板の表面に固着可能な固体、液体もしくは気体により形成される薄膜;または測定基板上に形成された密閉空間内に溶解もしくは浮遊する物質により形成される薄膜である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の分析方法。   The sample thin film is a thin film formed of a film-forming solid or liquid; a thin film formed of a solid, liquid or gas that can be fixed to the surface of the measurement substrate; or dissolved in a sealed space formed on the measurement substrate. Or the analysis method as described in any one of Claims 1-8 which is a thin film formed with the substance which floats. 前記試料薄膜の厚さが1nm〜100μmである、請求項1〜9のいずれか一項に記載の分析方法。   The analysis method according to claim 1, wherein the sample thin film has a thickness of 1 nm to 100 μm. 前記測定工程により得られたデータに基づいて、気体状水分子の吸脱着量および吸脱着速度、気体状水分子の吸脱着ダイナミクス、試料薄膜の飽和水和量、平衡時間、平衡膜厚および平衡含水率、分子レベルの微小な面積の濡れ性、環境(温度、湿度の変化)の違いやストレスをかけた前後での物質の水和性の違い、水分子の吸脱着(加湿と除湿)に由来するヒステリシス、水和速度の違い、および水和構造からなる群より選ばれる少なくとも一つの項目について分析する工程を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の分析方法。   Based on the data obtained by the measurement process, the adsorption / desorption amount and adsorption / desorption rate of gaseous water molecules, the adsorption / desorption dynamics of gaseous water molecules, the saturation hydration amount of the sample thin film, the equilibrium time, the equilibrium film thickness and the equilibrium For moisture content, wettability of minute area at molecular level, difference in environment (change in temperature and humidity), difference in hydration property of substance before and after stress, adsorption / desorption of water molecule (humidification and dehumidification) The analysis method according to any one of claims 1 to 10, comprising a step of analyzing at least one item selected from the group consisting of hysteresis derived, a difference in hydration rate, and a hydration structure. 前記平衡時間、平衡膜厚もしくは平衡含水率についての分析を、シミュレーション曲線または計算式に基づいて行う、請求項11に記載の分析方法。   The analysis method according to claim 11, wherein the analysis of the equilibrium time, the equilibrium film thickness, or the equilibrium moisture content is performed based on a simulation curve or a calculation formula. 前記気体状水分子の吸脱着量または吸脱着速度についての分析を、前記測定工程により得られた試料薄膜の膜厚に関するデータから算出された、試料薄膜に吸脱着した気体状水分子の体積または質量に基づいて行う、請求項11に記載の分析方法。   Analyzing the adsorption / desorption amount or adsorption / desorption rate of the gaseous water molecules, the volume of gaseous water molecules adsorbed / desorbed on the sample thin film calculated from the data on the film thickness of the sample thin film obtained by the measurement step, or The analysis method of Claim 11 performed based on mass. 前記水和構造についての分析を、膜厚変化量−湿度曲線の変曲点に基づいて行う、請求項11に記載の分析方法。   The analysis method according to claim 11, wherein the hydration structure is analyzed based on an inflection point of a film thickness change amount-humidity curve. 測定基板の表面に形成された試料薄膜が置かれている雰囲気の湿度を連続的に変化させる湿度調節手段を備えることを特徴とする、RIfS測定システム。   An RIfS measurement system comprising humidity adjusting means for continuously changing the humidity of an atmosphere in which a sample thin film formed on the surface of a measurement substrate is placed. さらに、前記雰囲気の温度または前記試料薄膜の温度を変化させる温度調節手段を備える、請求項15に記載のシステム。   The system according to claim 15, further comprising temperature adjusting means for changing a temperature of the atmosphere or a temperature of the sample thin film. 気体を流出入させる開口を備えた密閉空間形成部材を前記測定基板に重ね合わせることで、前記試料薄膜の周囲に密閉空間が形成されている、請求項15または16に記載のシステム。   The system according to claim 15 or 16, wherein a sealed space is formed around the sample thin film by overlapping a sealed space forming member having an opening through which gas flows in and out on the measurement substrate.
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