JP3578187B2 - エバネッセントエリプソセンサー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリズムに入射させた光ビームを該プリズムと試料との界面で全反射させ、この全反射による光ビームの偏光状態の変化を検出して、試料中の物質を分析するエバネッセントエリプソセンサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
第１媒質中を進行する光ビームが、該第１媒質とそれよりも低屈折率の第２媒質との界面で全反射するとき、第２媒質側にエバネッセント波と呼ばれる光が漏れ出ることが知られている。上記界面に光ビームを入射させた際には、全反射の前と後とで光の電場は位相が変化し、そしてそれはｐ成分（反射界面に垂直）とｓ成分（反射界面に平行）とで異なる変化をする。そしてこの偏光状態の変化は、上記エバネッセント波と相互作用する第２媒質に応じた固有のものとなる。
【０００３】
従来より、この現象を利用して、例えばＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ．５７，Ｎｏ．２４，１５ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９８６ ｐｐ．３０６５ 〜３０６８に記載されているように、試料とプリズムとの界面で光ビームを全反射させる構成に、位相差の変化つまり偏光状態の変化を検出する技術（エリプソメトリー）を適用して、試料中の物質を分析するエバネッセントエリプソセンサーが公知となっている。このエバネッセントエリプソセンサーは、上記第１媒質としてプリズムを用い、その一面に上記第２媒質としての試料を密着させておき、それらの界面で光ビームを全反射させ、この全反射による偏光状態の変化を検出して、試料中の物質の物性や総量を測定するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のエバネッセントエリプソセンサーにおいては、試料液に微量含まれる物質を分析する際に、分析対象物質の検出感度が低く、またその分析に長い時間を要するという問題が認められる。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、試料液中の物質を短時間で、かつ高感度で分析可能なエバネッセントエリプソセンサーを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるエバネッセントエリプソセンサーは、請求項１に記載の通り、
第１のプリズムと、
この第１のプリズムの一面に形成されて、試料液に接触させられる第１の透明電極と、
所定の偏光状態とした第１の光ビームを、試料液と第１の透明電極との界面で全反射するように、第１のプリズム側から入射させる第１のビーム照射系と、
上記第１の光ビームの、上記全反射による偏光状態の変化を検出する手段と、
第２のプリズムと、
上記第１の透明電極との間に試料液を挟んで該第１の透明電極に対面する状態に配置して、上記第２のプリズムの一面に形成された第２の透明電極と、
所定の偏光状態とした第２の光ビームを、試料液と第２の透明電極との界面で全反射するように、第２のプリズム側から入射させる第２のビーム照射系と、
上記第２の光ビームの、上記全反射による偏光状態の変化を検出する手段と、
上記第２の透明電極と上記第１の透明電極との間に直流電圧を印加する手段とからなることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の効果】
本発明のエバネッセントエリプソセンサーは、間に試料液を挟んだ第１、第２の透明電極の間に直流電圧が印加される構成となっているので、試料液中で電荷を持っている分析対象物質を透明電極に電着させることができる。なお電圧印加の極性は、分析対象物質が陽イオンであるか陰イオンであるか等に応じて選択しておけばよい。
【０００９】
この電着により、試料液の透明電極に接する部分では分析対象物質の濃度が高くなるので、分析対象物質を高感度で分析可能となる。特に抗原・抗体反応を利用して試料液中の物質を検出する場合、つまり例えば透明電極上に抗原（あるいは抗体）を固定し、それに特異的に吸着する試料液中の抗体（あるいは抗原）を検出するような場合は、分析対象物質の濃度が高くなることにより、質量作用の法則によってこの反応も促進されるので、高感度かつ短時間での分析が可能となる。
【００１０】
なお、プリズムの一面に形成された電圧印加用の電極は透明電極であるので、この電極が形成されていない従来装置におけるのと同様にエバネッセント波が試料液中に漏れ出す。したがって、試料分析はこの電極に妨げられることなく行なわれ得る。
【００１１】
上記透明電極とプリズムは、光ビームを全反射させるために試料液よりも高屈折率の材料から形成する必要があり、そしてプリズムと電極との界面での反射、電極膜中での多重反射干渉を防ぐという点から、透明電極とプリズムは屈折率が互いに等しい材料から形成されるのが望ましい。
【００１２】
また本発明によるエバネッセントエリプソセンサーは、第１の透明電極に対面する対向電極を透明電極（第２の透明電極）とした上で、この対向電極に対してもプリズム、ビーム照射系および偏光状態の変化を検出する手段を設けて、該対向電極側でも試料分析を行なえるようにしたので、試料液中で生の電荷を持っている物質と、負の電荷を持っている物質の双方を同時に分析可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に対する参考例であるエバネッセントエリプソセンサーの側面形状を示すものである。
【００１４】
図示されるようにこのエバネッセントエリプソセンサーは、断面三角形のプリズム１０と、このプリズム１０の一面（図中の上面）に形成されて、試料液１１に接触させられる透明電極１２と、１本の光ビーム１３を発生させるレーザー光源１４と、この光源１４から出射した光ビーム１３の偏光状態を制御する偏光子１５およびλ／４板１６と、プリズム１０と透明電極１２との界面１０ａで全反射した光ビーム１３の光路に配された検光子１７と、この検光子１７を通過した光ビーム１３の強度を検出する光検出手段１８とを備えている。
【００１５】
また、上記透明電極１２と適当な間隔をおいて対面するように対向電極１９が配設されている。この対向電極１９は、図中上下方向に中心軸が延びる筒状の保持部材２０に保持されており、透明電極１２と対向電極１９との間の空間は、周囲をこの保持部材２０によって閉じられる状態となる。そして透明電極１２と対向電極１９にはそれぞれ、直流電源２１の正極、負極が接続されている。
【００１６】
レーザー光源１４、偏光子１５およびλ／４板１６からなるビーム照射系は、光ビーム１３が上記界面１０ａに全反射角以上の入射角で入射するように配置されている。また偏光子１５およびλ／４板１６は光ビーム１３を、界面１０ａで全反射後に直線偏光となるような楕円偏光とする。また検光子１７は光軸周りに回転されるようになっている。
【００１７】
以下、上記構成のエバネッセントエリプソセンサーによる試料分析について説明する。透明電極１２と対向電極１９との間の空間には、陰イオン化した分析対象物質３０を含む試料液１１が満たされる。また直流電源２１により、透明電極１２と対向電極１９との間に直流電圧が印加される。そして、上述のような楕円偏光とされた光ビーム１３が、透明電極１２に向けて照射される。この透明電極１２とプリズム１０との界面１０ａで全反射した光ビーム１３は、光検出手段１８によって検出される。
【００１８】
上記のように光ビーム１３が界面１０ａで全反射するとき、入射光と反射光とでは、そのｐ偏光成分（界面１０ａに平行な振動面を有する偏光成分）とｓ偏光成分（界面１０ａに垂直な振動面を有する偏光成分）との位相差が異なる。この全反射による位相差の変化つまり偏光状態の変化は、前述した通り、透明電極１２に付着している分析対象物質３０の物性および総量を反映したものとなる。そこで、光検出手段１８の出力Ｓが最小となるように検光子１７を回転させ、そのときの回転角から、全反射による偏光状態の変化、つまりは分析対象物質３０の物性および総量を求めることができる。
【００１９】
また、上述のように直流電源２１に接続された透明電極１２と対向電極１９との間に直流電圧が印加されるので、試料液１１中で陰イオン化している分析対象物質３０は透明電極１２に電着する。そこで、試料液１１の透明電極１２に接する部分では分析対象物質３０の濃度が高くなり、該分析対象物質３０を高感度で短時間内に分析可能となる。このように陰イオン化する分析対象物質３０としては、例えば水酸化ナトリウムに溶解しているヒト血清トランスフェリン等が挙げられる。
【００２０】
なお、前述した抗原・抗体反応を利用して試料液１１中の物質３０を検出する際等は、光ビーム１３の偏光状態の変化を、抗原・抗体反応が進む中で時間を追ってリアルタイムで観測したい場合がある。本装置によれば、上述の通り分析対象物質３０を短時間内に検出可能であるから、このようなリアルタイムの観測も短時間内に済ますことができる。
【００２１】
以上の実施形態においては、光ビーム１３の全反射による偏光状態の変化を、回転する検光子１７と光検出手段１８とによって検出しているが、この偏光状態の変化はその他の公知の手法、例えばＰＥＭ（ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いる方法等によって検出することも可能である。
【００２２】
次に図２を参照して、本発明の一つの実施形態について説明する。なおこの図２において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重複した説明は省略する。
【００２３】
この図２のエバネッセントエリプソセンサーは図１のものと比べると、基本的に、第２のプリズム４０、第２の光ビーム４３を発生させる第２の光源４４、第２の偏光子４５、第２のλ／４板４６、第２の検光子４７および第２の光検出手段４８が付加された点が異なるものである。またこの場合、対向電極１９としては、特に透明電極が用いられている。
【００２４】
上述の付加された要素は、透明電極からなる対向電極１９を前記透明電極１２と同様に利用して、もう１つ別のエバネッセントエリプソセンサーを構成する。つまり、これら第２のプリズム４０、第２の光源４４、第２の偏光子４５、第２のλ／４板４６、第２の検光子４７および第２の光検出手段４８は、それぞれプリズム１０、光源１４、偏光子１５、λ／４板１６、検光子１７および光検出手段１８と同様の作用を果たす。この図２のエバネッセントエリプソセンサーにおいて、試料液１１中で陰イオン化している物質３０の分析は前述と同様にしてなされる。本装置ではそれに加えて、試料液１１中で陽イオン化している分析対象物質３１が対向電極１９に電着する。そこで、上記第２のプリズム４０、第２の光源４４、第２の偏光子４５、第２のλ／４板４６、第２の検光子４７および第２の光検出手段４８により、上記物質３１の分析が同様になされ得る。
【００２５】
そしてこの場合、試料液１１の対向電極１９に接する部分では分析対象物質３１の濃度が高くなり、該分析対象物質３１を高感度で短時間内に分析可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に対する参考例であるエバネッセントエリプソセンサーの側面図
【図２】本発明の一実施形態であるエバネッセントエリプソセンサーの側面図

Claims (1)

1. 第１のプリズムと、
   この第１のプリズムの一面に形成されて、試料液に接触させられる第１の透明電極と、
   所定の偏光状態とした第１の光ビームを、前記試料液と第１の透明電極との界面で全反射するように、第１のプリズム側から入射させる第１のビーム照射系と、
   前記第１の光ビームの、前記全反射による偏光状態の変化を検出する手段と、
   第２のプリズムと、
   前記第１の透明電極との間に試料液を挟んで該第１の透明電極に対面する状態に配置して、前記第２のプリズムの一面に形成された第２の透明電極と、
   所定の偏光状態とした第２の光ビームを、前記試料液と第２の透明電極との界面で全反射するように、第２のプリズム側から入射させる第２のビーム照射系と、
   前記第２の光ビームの、前記全反射による偏光状態の変化を検出する手段と、
   前記第２の透明電極と前記第１の透明電極との間に直流電圧を印加する手段とからなるエバネッセントエリプソセンサー。

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