JP2015175780A - センサ装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源強度、光結合度、外的環境などの変動による影響を受けずに局在表面プラズモン共鳴による光の強度変化を検出可能なセンサ装置および測定方法を提供する。【解決手段】センサ装置（１）は、ＬＥＤ光源（５）と、ＬＥＤ光源からの光を導波する光導波路（３）と、光導波路のコアに接するように配置され、ＬＥＤ光源からの光により局在表面プラズモン共鳴が生じる金属層（４０）と、金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜（４１）と、光導波路からの出射光強度を検知する光センサ（６）と、ＬＥＤ光源の駆動電流を変化させ、複数の駆動電流値について光センサにより検知された出射光強度の測定値を取得し、駆動電流値と出射光強度の測定値の対応関係に基づいて、センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量する制御部（８）とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置および測定方法に関する。

多重反射を用いる光導波路型のＳＰＲセンサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。ＳＰＲセンサは、表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance）現象を利用して、例えばサンプル溶液の濃度、屈折率などを測定する。表面プラズモン共鳴は、サンプル溶液に接触している金属層の内表面に全反射角度以上で光が入射したときに、サンプル溶液の屈折率に応じた波長の光が吸収される現象である。また、ＳＰＲセンサは、局在表面プラズモン共鳴（Localized Surface Plasmon Resonance）現象を利用しても実現できる。局在表面プラズモン共鳴現象は、金属層の金属の粒径が入射光の波長より十分小さい場合、金属の粒径や金属の材質などによって決まる特定の波長の光が吸収される現象である。

図９は、従来の光導波路型のＳＰＲセンサ１００の模式図である。ＳＰＲセンサ１００は、光導波路１０３、金属層１４０およびセンサ膜１４１を含むセンサチップと、光源１０７と、光センサ１０８とを有する。光導波路１０３は、例えば円形断面を有する光ファイバであり、コア１３０とクラッド１３１を有する。金属層１４０とセンサ膜１４１は、例えばコア１３０の一部の表面を取り囲むように重ねて形成される。光導波路１０３の周囲に、センサ膜１４１に接触するようにサンプル溶液１０６が滴下される。

測定時には、光源１０７から光導波路１０３に光を入射させる。入射光が光導波路１０３内で全反射を繰り返しながら伝搬するときに、特定の波長の光により金属層１４０において局在表面プラズモン共鳴が発生する。センサ膜１４１は、サンプル溶液１０６に含まれる被測定物質を抗原として認識する抗体膜であり、被測定物質と特異的に結合する性質を有し、金属層表面のエバネッセント波が染み出した領域での屈折率を変化させる。このとき、金属層１４０では、金属層１４０の材質および構造、コア１３０の屈折率、ならびにサンプル溶液１０６の屈折率および光の波長で決まる量の光吸収が生じる。光導波路１０３を通る光は、金属層１４０でＳＰＲ吸収により減衰し、最終的に出射面から出射され、光センサ１０８で検知される。

図１０（Ａ）は、センサチップの透過スペクトルを示すグラフである。局在表面プラズモン共鳴により吸収される波長のピークは、サンプル溶液の屈折率によって異なる。図１０（Ａ）に示すように、サンプル溶液の屈折率ｎが増加すると、ＳＰＲ吸収のピーク波長が長波長側にシフトする。

図１０（Ｂ）は、波長６６０ｎｍの入射光で測定されたサンプル溶液の屈折率ｎと透過率Ｔとの関係を示すグラフである。図１０（Ａ）に示すように、波長６６０ｎｍは、ＳＰＲ吸収のピーク波長より短波長の光である。ＳＰＲ吸収のピーク波長より短波長の光を光導波路に入射させた場合、サンプル溶液の屈折率ｎが増加すると、透過率Ｔが増加し、光導波路からの出射光強度が強くなる。

このため、光導波路からの出射光を光センサで検知し、透過光量と入射光に対する出射光のスペクトル変化を見ることにより、サンプル溶液による屈折率変化が求められる。さらに、サンプル溶液の屈折率はその濃度に依存するため、サンプル溶液の屈折率からサンプル溶液の濃度が求められる。実際の測定では、まずセンサ膜にサンプル溶液を滴下する前の出射光強度をリファレンスとして測定した後で、サンプル溶液が滴下された状態での出射光強度を測定する。そして、サンプル溶液の測定値とリファレンスとの差からサンプル溶液に基づくＳＰＲ吸収量を求め、サンプル溶液中の被測定物質の量とＳＰＲ吸収量の関係を示す検量線を用いて被測定物質を定量する。

光導波路型のＳＰＲセンサでは、光源強度の変動、光源と光導波路と光センサの間における光結合度の変動（アライメントのズレ）、温度および湿度といった外的環境の変化などによって出射光強度が変化し、それが測定誤差となる。そこで、測定精度を向上させるために、複数の光源からの光を用いて測定することで、光源強度、光結合度、外的環境などの変動による影響を取り除くＳＰＲセンサが提案されている。例えば、特許文献２，３には、互いに異なる波長の光を発光する２つの光源を有し、各波長の光についてセンサチップの透過率を測定し、これらの透過率の差を検量線と比較してサンプル溶液の屈折率を特定するＳＰＲセンサが記載されている。

特開２０１２−１２２９１５号公報 特開２００２−３４０７９０号公報 特許第４１７３６２８号公報

図９に示した従来のＳＰＲセンサ１００では、サンプル溶液を測定するたびにリファレンスを測定する必要があるため、測定の手順が煩雑になり時間がかかる。また、本来、リファレンスの測定とサンプルの測定は同時刻に行う必要があるが、実際には異なる時刻に行われるため、リファレンスを測定してからサンプルを測定するまでの間に生じた変動、サンプルの測定中に生じた変動などが測定誤差となる。センサチップの光導波路を分岐させてリファレンスとサンプルを同時に測定することも考えられるが、分岐導波路を精度よく作製するのは難しく、２つの光導波路上の金属膜が同じ状態であるとは限らないため、結局は測定精度が低くなる。

一方、特許文献２，３のＳＰＲセンサでは、図９のＳＰＲセンサ１００よりは測定精度の向上が望めるものの、光源を２つ設ける必要があるため、装置の製造コストが高くなる。安価で小型のＳＰＲセンサを実現するためには、光源を多重化することなく測定精度を向上させることが課題となる。

本発明の目的は、光源強度、光結合度、外的環境などの変動による影響を受けずに局在表面プラズモン共鳴による光の強度変化を検出可能なセンサ装置および測定方法を提供することである。また、本発明の目的は、より低コストかつ小型のセンサ装置を提供することである。

本発明のセンサ装置は、ＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源からの光を導波する光導波路と、光導波路のコアに接するように配置され、ＬＥＤ光源からの光により局在表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜と、光導波路からの出射光強度を検知する光センサと、ＬＥＤ光源の駆動電流を変化させ、複数の駆動電流値について光センサにより検知された出射光強度の測定値を取得し、駆動電流値と出射光強度の測定値の対応関係に基づいて、センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量する制御部とを有する。

上記のセンサ装置では、制御部は、互いに異なる複数の駆動電流値について光センサにより検知された出射光強度の測定値から、駆動電流と出射光強度の関係を記述する理論式のパラメータを決定することにより、センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量することが好ましい。

上記のセンサ装置では、制御部は、駆動電流と出射光強度の関係を記述する２次関数のパラメータを決定し、２次関数の係数の比に基づいて、センサ膜に滴下された溶液の濃度を決定することが好ましい。

また、本発明の測定方法は、ＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源からの光を導波する光導波路と、光導波路のコアに接するように配置され、ＬＥＤ光源からの光により局在表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜とを有するセンサ装置を用いた測定方法であって、ＬＥＤ光源の駆動電流を変化させてＬＥＤ光源から光導波路に光を入射させるステップと、光導波路からの出射光強度を検知するステップと、ＬＥＤ光源の複数の駆動電流値について検知された出射光強度の測定値を取得し、駆動電流値と出射光強度の測定値の対応関係に基づいて、センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量するステップとを有する。

上記のセンサ装置および測定方法によれば、光源強度、光結合度、外的環境などの変動による影響を受けずに局在表面プラズモン共鳴による光の強度変化を検出することが可能になる。また、本発明によれば、より低コストかつ小型のセンサ装置を提供することが可能になる。

センサ装置１の模式図である。 センサチップ２の模式図である。 ＬＥＤの発光強度Ｐ_ＬＥＤ（ｉ）と駆動電流ｉの関係を示すグラフである。 駆動電流ｉに応じたＬＥＤのピーク波長の変化を示すグラフである。 センサチップ２の透過スペクトルを示すグラフである。 サンプル溶液としてエチレングリコール溶液を使用したときのセンサチップ２の透過スペクトル、およびエチレングリコールの濃度ｃとＳＰＲ吸収のピーク波長λ_ＳＰＲ（ｃ）の関係を示すグラフである。 サンプル溶液の検量線の例を示すグラフである。 図７（Ａ）の検量線作成に使用したフィルタの透過スペクトルとＬＥＤ光源の発光スペクトルを示すグラフである。 従来の光導波路型のＳＰＲセンサ１００の模式図である。 センサチップの透過スペクトルを示すグラフ、および波長６６０ｎｍの入射光で測定されたサンプル溶液の屈折率ｎと透過率Ｔとの関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ、センサ装置および測定方法について説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態に限定されないことに留意されたい。

図１は、センサ装置１の模式図である。センサ装置１は、例えば、局在表面プラズモン共鳴を利用して被測定物質を定量するＳＰＲセンサである。センサ装置１は、センサチップ２と、ＬＥＤ光源５と、光センサ６と、光源駆動回路７と、制御部８とを有する。以下では、ＬＥＤ光源５から光センサ６に向かう方向をｙ方向とし、図１に示すようにｘ，ｙ，ｚ軸を定義する。

図２は、センサチップ２の模式図である。センサチップ２は、光導波路３と、検出部４とを有する。

光導波路３は、コア３０と、クラッド３１と、ベース基板３２とを有する。クラッド３１はベース基板３２の上に形成され、コア３０はクラッド３１の中に埋め込まれるように形成されている。コア３０の一部の上面は、クラッド３１の一部を取り除いて形成された凹部により露出している。コア３０は、クラッド３１の幅方向（ｘ方向）の中央でクラッド３１の長手方向（ｙ方向）に平行に配置されている。また、コア３０は、ｚｘ面に沿った断面が例えば長方形状を有する。

検出部４は、クラッド３１の一部を取り除いて形成されており、クラッド３１の凹部の上面と、コア３０の一部の上面とを覆うように配置されている。検出部４には、金属層４０とセンサ膜４１が形成されている。

金属層４０は、光が入射することで局在表面プラズモン共鳴が生じる層であり、エッチングなどにより形成されたクラッド３１の凹部において、露出したコア３０とクラッド３１の上に形成されている。金属層４０は、例えば、金、銀、白金、銅、アルミニウム、またはこれらの合金などの金属粒子により構成された層（金属粒子層）あるいは微細構造である。センサ膜４１は、被測定物質と特異的に結合する抗原、抗体、レセプターなどで形成された膜であり、金属層４０を構成する金属粒子の表面に形成される。検出部４では、金属層４０に含まれる微細な金属粒子や微細構造にて局在表面プラズモン共鳴が生じる。

なお、センサチップは、図９に示したような光ファイバを光導波路として用いたものでもよい。また、センサチップは、流入口および流出口付きのサンプル溶液保持部を有するフローセル型のものでもよい。

ＬＥＤ光源５は、例えば、波長が約６５０ｎｍの光を出射する発光ダイオードである。ＬＥＤ光源５には、複数個のＬＥＤを含める必要はなく、１個のＬＥＤでよい。ＬＥＤ光源５と光導波路３は、光の利用効率を上げるために間隔をできるだけ接近させることが好ましく、必要に応じて接触させてもよい。また、発光特性の安定のために、ＬＥＤ光源５は、例えばペルチェ素子で温調されていることが好ましい。また、ＬＥＤ光源の代わりにレーザダイオード光源を使用してもよい。

光センサ６は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）であり、光導波路３からの出射光強度を（すなわち、センサチップ２の透過率を）測定する。光センサ６としては、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサを使用してもよい。

光源駆動回路７は、制御部８による制御の下でＬＥＤ光源５を駆動する。

制御部８は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを有し、センサ装置１の動作を制御する。制御部８は、光センサ６により測定された光導波路３からの出射光強度に基づいて、後述する手順により、サンプル溶液中の被測定物質を定量する。定量とは、例えば、サンプル溶液中の被測定物質の濃度または屈折率を求めることである。制御部８で得られた測定結果は、例えば外部の表示装置に出力されて表示される。

以下では、センサ装置１を用いた測定方法の原理を説明する。

この測定方法では、制御部８が光源駆動回路７を制御して、ＬＥＤ光源５の駆動電流を変化させる。一般に、ＬＥＤの発光スペクトルは、駆動電流の大きさに応じてわずかに変化する。ＬＥＤのスペクトル幅を０に近似すると、ＬＥＤ光源５の波長がＳＰＲ吸収のピーク波長に対して変化したときに、センサチップ２の透過率はその変化量の１次関数で変化する。したがって、ＬＥＤ光源５の駆動電流の変化に起因するピーク波長の変化と、センサチップ２の透過率の変化との関係は、１次関数として表される。そこで、この測定方法では、ＬＥＤ光源５の駆動電流を変化させてセンサチップ２からの出射光強度を光センサ６で検知し、駆動電流と出射光強度の関係を表す理論式に測定値をフィッティングすることで、サンプル溶液中の被測定物質を定量する。これにより、リファレンスを測定することなく、ＬＥＤ１個で測定精度を向上させる。

駆動電流がｉ［ｍＡ］のときのＬＥＤ光源５の発光強度をＰ_ＬＥＤ（ｉ）［μＷ］、センサチップ２の透過スペクトルをＴ（λ）とおくと、光センサ６で検知される検知光強度Ｐ_ＰＤ（ｉ）［μＷ］は、次の（１）式で表される。
Ｐ_ＰＤ（ｉ）＝αＴ（λ）Ｐ_ＬＥＤ（ｉ） ・・・（１）
ここで、αはセンサ装置１の結合効率である。ＬＥＤ光源５からのセンサチップ２への結合効率をα_ｉ、センサチップ２内での光損失をα_ｓ、センサチップ２からの光センサ６への結合効率をα_ｏとおく（０＜α_ｉ，α_ｓ，α_ｏ＜１）と、αは次の（２）式で表される。
α＝α_ｉα_ｏ（１−α_ｓ） ・・・（２）
すなわち、ＬＥＤ光源５からの光は、結合効率α_ｉでセンサチップ２に入射され、センサチップ２内でＳＰＲ吸収などによりα_ｓ倍に減衰した後、結合効率α_ｏで光センサ６に結合されて検知される。

図３は、ＬＥＤの発光強度Ｐ_ＬＥＤ（ｉ）と駆動電流ｉの関係を示すグラフである。図３に示すように、発光強度Ｐ_ＬＥＤ（ｉ）は、駆動電流ｉに比例して増加するため、次の（３）式で表される。
Ｐ_ＬＥＤ（ｉ）＝βｉ ・・・（３）
ここで、β［μＷ／ｍＡ］はＬＥＤの発光効率であり、例えば図３の場合は、β＝４．３４８２［μＷ／ｍＡ］である。発光効率βは、ＬＥＤのＩ−Ｌカーブを１次関数で近似したときの傾きとして求められる。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、駆動電流ｉに応じたＬＥＤのピーク波長（発光強度が最大になる波長）の変化を示すグラフである。図４（Ａ）は、異なる駆動電流についてのＬＥＤの発光スペクトルを示し、図４（Ｂ）は、ＬＥＤのピーク波長λ_ＬＥＤ（ｉ）と駆動電流ｉの関係を示す。

図３〜図４（Ｂ）に示すように、ＬＥＤの駆動電流ｉを増加させると、発光強度Ｐ_ＬＥＤ（ｉ）が増加するとともに、ピーク波長λ_ＬＥＤ（ｉ）（発光強度が最大になる波長）がわずかに長波長側にシフトする（図４（Ａ）の矢印を参照）。ＬＥＤが単波長光源であると仮定すると、駆動電流ｉに対するピーク波長λ_ＬＥＤ（ｉ）は、次の（４）式で表される。
λ_ＬＥＤ（ｉ）＝λ_０＋γｉ ・・・（４）
ここで、λ_０［ｎｍ］は駆動電流ｉを０ｍＡに外挿したときのピーク波長であり、γ［ｎｍ／ｍＡ］は波長変化率である。

波長変化率γを求めるには、まず、駆動電流ｉを変化させて図４（Ａ）に示すＬＥＤの発光スペクトルを測定し、それぞれのピーク波長λ_ＬＥＤ（ｉ）を求める。γは、図４（Ｂ）に示すように横軸を駆動電流ｉ、縦軸をピーク波長λ_ＬＥＤ（ｉ）として各測定値をプロットしたときの傾きとして求められる。例えば、図４の場合はγ＝０．１２６［ｎｍ／ｍＡ］であり、ＬＥＤのピーク波長は１０ｍＡで約１ｎｍとわずかに変化する。

図５は、センサチップ２の透過スペクトルを示すグラフである。ＳＰＲ吸収による透過率の変化量が微小であれば、センサチップ２の透過スペクトルＴ（λ）は、次の（５）式のように１次関数で近似される。
Ｔ（λ）＝Ｔ_０＋δλ ・・・（５）
ここで、Ｔ_０はλを０に外挿したときの透過率であり、δ＝ｄＴ（λ）／ｄλ｜_λ＝λ０は透過率変化の傾きである。

透過率変化の傾きδを求めるには、まず、図４（Ｂ）のグラフから、適当な駆動電流の範囲（例えば４〜１５ｍＡ）における波長変化を求める。δは、図５に部分拡大図で示すように、その波長範囲における透過スペクトルを１次関数で近似したときの傾きとして求められる。例えば、図５の場合はδ＝０．０１８７［１／ｎｍ］である。

簡単のため、次の（６）式のように、駆動電流ｉが０ｍＡのときのピーク波長λ_０からの波長変化をΔλとする。
Δλ＝λ_ＬＥＤ（ｉ）−λ_０＝γｉ ・・（６）
Δλの関数として透過率を表すと、（５）式のＴ（λ）は次の（７）式のようになる。
Ｔ（Δλ）＝Ｔ_０’＋δΔλ＝Ｔ_０’＋δγｉ ・・（７）
ここで、Ｔ_０’は、Δλ＝０（すなわちｉ＝０）のときの透過率である。Ｔ_０’は、ｉ＝０のときのピーク波長λ_０における透過率Ｔ（λ_０）として、図５の透過スペクトルから求められる。

ＬＥＤ光源５を単波長光源と仮定すれば、（７）式により１次関数として透過率Ｔ（Δλ）を求めることができる。したがって、ＬＥＤ光源５としては、スペクトル幅が狭いＬＥＤを使用することが好ましい。あるいは、波長カットフィルタを用いてスペクトル幅を強制的に狭くしてもよい。

（３）〜（７）式から、（１）式の検知光強度Ｐ_ＰＤ（ｉ）は次の（８）式で表される。
Ｐ_ＰＤ（ｉ）＝α（Ｔ_０’＋δγｉ）βｉ
＝αＴ_０’βｉ＋αδγβｉ^２ ・・・（８）

図６（Ａ）は、サンプル溶液としてエチレングリコール溶液を使用したときのセンサチップ２の透過スペクトルを示すグラフである。また、図６（Ｂ）は、エチレングリコールの濃度ｃとＳＰＲ吸収のピーク波長λ_ＳＰＲ（ｃ）の関係を示すグラフである。ここで、サンプル溶液として例えばエチレングリコール溶液をセンサチップ２に滴下した場合を考える。

サンプル溶液をセンサチップ２に滴下すると、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、サンプル溶液の濃度ｃに比例して、ＳＰＲ吸収のピーク波長λ_ＳＰＲ（ｃ）が長波長側にシフトする（図６（Ａ）の矢印を参照）。このときの波長シフトΔλ_{ｓａｍｐｌｅ}は、次の（９）式で表される。
Δλ_{ｓａｍｐｌｅ}＝εｃ ・・・（９）
ここで、εは、濃度ｃに対するＳＰＲ吸収のピーク波長λ_ＳＰＲ（ｃ）の変化率である。

（９）式より、（８）式の検知光強度Ｐ_ＰＤ（ｉ）は次の（１０）式で表される。
Ｐ_ＰＤ（ｉ）＝α（Ｔ_０’＋δ（γｉ−Δλ_{ｓａｍｐｌｅ}））βｉ
＝α（Ｔ_０’＋δ（γｉ−εｃ））βｉ
＝α（Ｔ_０’−δεｃ）βｉ＋αδγβｉ^２ ・・・（１０）
ＳＰＲ吸収のピーク波長が長波長側にシフトすることは、ＬＥＤ光源５の波長が短くなることに相当するため、（１０）式において、δεｃの項の符号は負になっている。

（１０）式において、駆動電流ｉの１次の項は、サンプル溶液の濃度ｃに依存する（センサチップに起因する変化を表す）項であるのに対し、駆動電流ｉの２次の項は、濃度ｃに依存しない（センサ装置１の光学系とＬＥＤ光源５に起因する変化を表す）項である。そこで、以下では、ｉの１次の項をサンプル項、ｉの２次の項をＬＥＤ項と呼び、それぞれの係数をＴ_{ｓａｍｐｌｅ}、Ｔ_ＬＥＤと書く。すると、（１０）式は、次の（１１）〜（１３）式で表される。
Ｐ_ＰＤ（ｉ）＝Ｔ_{ｓａｍｐｌｅ}ｉ＋Ｔ_ＬＥＤｉ^２ ・・・（１１）
Ｔ_{ｓａｍｐｌｅ}＝α（Ｔ_０’−δεｃ）β ・・・（１２）
Ｔ_ＬＥＤ＝αδγβ ・・・（１３）

上記の通り、（１１）式により、センサチップ２からの出射光強度は、ＬＥＤ光源５の駆動電流ｉの２次関数で表される。したがって、ＬＥＤ光源５の駆動電流ｉを少なくとも３通りに変化させて光センサ６でセンサチップ２からの出射光強度を測定し、測定されたＰ_ＰＤ（ｉ）のカーブを（１１）式にフィッティングすれば、Ｔ_{ｓａｍｐｌｅ}とＴ_ＬＥＤの係数が求められる。そして、α，β，γ，δ，ε，Ｔ_０’の各パラメータの値が予めわかっていれば、これらの係数からサンプル溶液の濃度ｃが求められる。実際の測定では、制御部８による制御の下で、光源駆動回路７により駆動電流を変化させてＬＥＤ光源５を発光させる。そして、それぞれの駆動電流について、センサチップ２からの出射光強度を光センサ６で測定し、制御部８が各駆動電流値とそのときの出射光強度の測定値を検量線にフィッティングして、濃度ｃを求めればよい。なお、濃度ｃと屈折率ｎには既知の対応関係があるため、同様の方法でサンプル溶液の屈折率ｎを求めることも可能である。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、サンプル溶液の検量線の例を示すグラフである。図７（Ａ）は、異なる濃度ｃについて光センサ６での検知光強度Ｐ_ＰＤ（ｉ）と駆動電流ｉの関係を示したグラフであり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の結果を濃度ｃと検知光強度Ｐ_ＰＤ（ｉ）の関係として書き直したグラフである。

図８は、図７（Ａ）の検量線作成に使用したフィルタの透過スペクトルとＬＥＤ光源の発光スペクトルを示すグラフである。図７（Ａ）の検量線は、図８に示す透過スペクトルをもつフィルタで図１のセンサチップ２を置き換えた光学系について作成した。その際、サンプル溶液の濃度ｃに応じて、図８に矢印で示すようにフィルタの透過スペクトルが長波長側にシフトするものと仮定した。また、（１１）〜（１３）式の各パラメータとして、以下の値を使用した。
α＝１（α_ｓ＝０，α_ｉ＝１，α_ｏ＝１）
β＝４．３４８２［μＷ／ｍＡ］
γ＝０．１２６［ｎｍ／ｍＡ］
δ＝０．０１８７［１／ｎｍ］
ε＝６［ｎｍ／％］
Ｔ_０’＝０．０３５５５７
なお、結合効率αについては、反射などによる影響を無視し、フィルタ以外での損失はないと仮定した。

図７（Ａ）に示すように、検知光強度Ｐ_ＰＤ（ｉ）は、サンプル溶液の濃度ｃに応じて変化する。そこで、互いに異なる既知の濃度ｃのサンプル溶液を用意し、それぞれのサンプル溶液について、駆動電流ｉと検知光強度Ｐ_ＰＤ（ｉ）の関係を予め測定して、それらの結果を図７（Ａ）のようにプロットする。そして、実際の測定に使用する複数の駆動電流ｉの値について、図７（Ａ）の結果から、図７（Ｂ）のような濃度ｃと検知光強度Ｐ_ＰＤ（ｉ）の関係を示す検量線を作成しておく。図７（Ｂ）では、ｉ＝５，１０，１５，２０ｍＡの４通りについての検量線を示している。実際の測定時には、複数の駆動電流ｉの値について、測定により得られた検知光強度Ｐ_ＰＤ（ｉ）の値を図７（Ｂ）の検量線と比較することにより、サンプル溶液の濃度ｃが求められる。このように、測定値を複数の検量線と照らし合わせることで、測定精度を高めることが可能である。

なお、次の（１４）式のようにＴ_{ｓａｍｐｌｅ}とＴ_ＬＥＤの比Ｙ（ｃ）を計算すると、結合効率αとＬＥＤ光源５の発光効率βの変動が打ち消される。
Ｙ（ｃ）＝Ｔ_{ｓａｍｐｌｅ}／Ｔ_ＬＥＤ
＝（Ｔ_０’−δεｃ）／δγ ・・・（１４）
Ｔ_０’，γ，δ，εは定数なので、Ｔ_０’／δγ＝Ａ、ε／γ＝Ｂとおくと、（１４）式は次の（１５）式で表される。
Ｔ_{ｓａｍｐｌｅ}／Ｔ_ＬＥＤ＝Ａ−Ｂｃ ・・・（１５）
Ａはセンサチップによって決まるパラメータであるのに対し、Ｂはサンプル溶液の濃度依存性を表すパラメータである。これらのパラメータの値がわかっていれば、サンプル溶液の濃度ｃは、サンプル項とＬＥＤ項の測定値の比Ｙ（ｃ）から、次の（１６）式で求められる。
ｃ＝（Ａ−Ｙ（ｃ））／Ｂ ・・・（１６）

以上説明したように、センサ装置１では、ＬＥＤ光源５の駆動電流を変化させてセンサチップ２からの出射光強度を光センサ６で検知し、駆動電流と出射光強度の関係を表す（１１）式に測定値をフィッティングすることで、サンプル溶液中の被測定物質を定量する。その際、サンプル溶液の濃度に応じた光センサ６での検知光強度の変化を示す検量線と測定値を比較すれば、サンプル溶液を滴下する前の出射光強度をリファレンスとして測定しなくても、サンプル溶液の濃度を求めることができる。この検量線は、装置ごと、およびサンプル溶液の種類ごとに予め１回測定して用意しておけばよいため、センサ装置１を用いれば、測定のたびにリファレンスを測定する必要がなくなり、測定の手順が単純化される。また、センサ装置１では、光学系の結合効率、ＬＥＤ光源５の発光効率などによる影響が打ち消された測定結果が得られるため、測定精度を向上させることができる。さらに、センサ装置１には光源として１個のＬＥＤがあればよいため、複数のＬＥＤ光源を設ける必要がなく、装置の低コスト化と小型化を実現することも可能になる。

なお、光導波路３の長手方向（図１のｙ方向）に沿って光センサアレイを配置し、その光センサアレイで光導波路３からの散乱光を測定してもよい。この散乱光強度をリファレンスとして使用することで、さらに精度を向上させることも可能である。

１ センサ装置
２ センサチップ
３ 光導波路
４ 検出部
４０ 金属層
４１ センサ膜
５ ＬＥＤ光源
６ 光センサ
７ 光源駆動回路
８ 制御部

Claims (4)

1. ＬＥＤ光源と、
   前記ＬＥＤ光源からの光を導波する光導波路と、
   前記光導波路のコアに接するように配置され、前記ＬＥＤ光源からの光により局在表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、
   前記金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜と、
   前記光導波路からの出射光強度を検知する光センサと、
   前記ＬＥＤ光源の駆動電流を変化させ、複数の駆動電流値について前記光センサにより検知された出射光強度の測定値を取得し、当該駆動電流値と当該出射光強度の測定値の対応関係に基づいて、前記センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量する制御部と、
   を有するセンサ装置。
2. 前記制御部は、互いに異なる複数の駆動電流値について前記光センサにより検知された出射光強度の測定値から、前記駆動電流と前記出射光強度の関係を記述する理論式のパラメータを決定することにより、前記センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量する、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記制御部は、前記駆動電流と前記出射光強度の関係を記述する２次関数のパラメータを決定し、当該２次関数の係数の比に基づいて、前記センサ膜に滴下された溶液の濃度を決定する、請求項２に記載のセンサ装置。
4. ＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源からの光を導波する光導波路と、前記光導波路のコアに接するように配置され、前記ＬＥＤ光源からの光により局在表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、前記金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜とを有するセンサ装置を用いた測定方法であって、
   前記ＬＥＤ光源の駆動電流を変化させて前記ＬＥＤ光源から前記光導波路に光を入射させるステップと、
   前記光導波路からの出射光強度を検知するステップと、
   前記ＬＥＤ光源の複数の駆動電流値について検知された出射光強度の測定値を取得し、当該駆動電流値と当該出射光強度の測定値の対応関係に基づいて、前記センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量するステップと、
   を有する測定方法。

Images