JP4109022B2 - 測定装置および該測定装置の使用方法 - Google Patents
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- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモンの発生を利用して物質の特性を分析する表面プラズモン測定装置等の全反射光によるエバネッセント波の発生を利用した測定装置およびその使用方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属中においては、自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。
【０００３】
従来より、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、被測定物質の特性を分析する表面プラズモン測定装置が種々提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。
【０００４】
上記の系を用いる表面プラズモン測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて液体試料などの被測定物質に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態、つまり全反射減衰の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００５】
なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを入射角を変化させて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。前者の場合は、入射した光ビームの入射角の変化に従って、反射角が変化する光ビームを、上記反射角の変化に同期して移動する小さな光検出器によって検出したり、反射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサによって検出することができる。
【０００６】
上記構成の表面プラズモン測定装置において、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角で入射させると、該金属膜に接している被測定物質中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と被測定物質との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。したがって、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。
【０００７】
この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角、すなわち全反射減衰角θspより表面プラズモンの波数が分かると、被測定物質の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫsp、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、εm とεs をそれぞれ金属、被測定物質の誘電率とすると、以下の関係がある。
【０００８】
【数１】
すなわち、上記反射光強度が低下する入射角である全反射減衰角θspを知ることにより、被測定物質の誘電率εs 、つまりは屈折率に関連する特性を求めることができる。
【０００９】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似の測定装置として、例えば「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７頁に記載がある漏洩モード測定装置も知られている。この漏洩モード測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、液体試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して導波モードの励起状態、つまり全反射減衰状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【００１０】
上記構成の漏洩モード測定装置において、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の被測定物質の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、被測定物質の屈折率や、それに関連する被測定物質の特性を分析することができる。
【００１１】
なお、表面プラズモン共鳴測定装置もしくは漏洩モード測定装置等の全反射を利用した測定装置としては、光を界面に全反射条件が得られる入射角で入射させ、その光によるエバネッセント波の発生により、界面で全反射した光の状態の変化を測定することにより被測定物質の特性分析等を行うに際して、前述の全反射減衰を生じる特定入射角の測定をする装置のほか、複数の波長の光ビームを界面に入射させ、角波長毎の全反射減衰の程度を検出する装置、あるいは、光ビームを界面に入射させるとともに、この光ビームの一部を、界面入射前に分割し、この分割した光ビームを界面で反射した光ビームと干渉させて、該干渉の状態を測定する装置等種々のタイプがある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来提供されている上記表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置等の全反射光を利用した測定装置においては、多数の試料について測定する場合、測定に長時間を要するという問題が認められる。特に、例えば抗原抗体反応や化学反応等に伴う変化を検出するために１つの試料について時間間隔をおいて何回か測定を行なう場合には、その１つの試料に関する測定が終了しなければ新しい試料の測定に入れず、試料全体の測定に非常に長い時間を要してしまう。特に、創薬研究分野等において、所望のセンシング物質に結合する特定物質を見いだすランダムスクリーニングへ使用される場合、数万検体についての測定を要するため、ハイスループット化が望まれている。
【００１３】
創薬研究においては、目標とする生態物質（主にタンパク）に結合し作用するような化合物の探索が行われている。通常は室温による実験が中心であるが、実用化の面から見れば、実際の体内の環境を考え体温（〜３７℃）での反応を測定するのが望ましい。そこで本出願人は、特願２００１−２９３７０２において、測定環境温度を制御可能とした測定装置を提案した。
【００１４】
また、生体内の反応は、単に反応物質同士の存在によって決まるものではなく酵素などの他の物質の存在や、それら置かれる環境に大きく左右される。環境を構成する環境因子としては、温度のみならず、ｐＨ、イオン濃度（カリウム、カルシウム、水素、一酸化窒素など）、電界強度、ガス分圧（酸素、二酸化炭素など）、他物質（酵素など）の濃度などが挙げられる。例えば、胃の中での物質の反応は、主としてｐＨ、あるいは水素イオンの濃度に左右される。また、近年（１９９９年以降）の研究においては、神経伝達因子として、一酸化窒素による影響が注目されている。一方、ヘモグロビンや肺においては酸素や二酸化炭素のガス分圧が重要である。このように生体内の反応の研究においては、種々の環境子の制御が重要と考えられる。
【００１５】
従来の装置においては、環境因子を経時的に変化させることしかできないため、様々な環境での測定を行うためには相当の時間を要する。
【００１６】
本発明は上記の事情に鑑みて、環境因子を変化させた種々の環境における試料の状態の変化等を高速に測定可能とした測定装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の測定装置は、光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、およびこの薄膜層の表面上に試料を保持する試料保持部を備えてなる測定ユニットと、
前記光ビームを、前記測定ユニットの前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られる入射角で入射させる入射光学系と、
前記測定ユニットの前記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段とを備えてなることを特徴とする測定装置において、
前記試料保持部内の環境因子の、前記薄膜層の表面に沿った１次元もしくは２次元的な分布状態を制御し、前記環境因子の分布に勾配を発生させる環境因子制御手段を備え、
前記入射光学系が、前記環境因子の分布状態が異なる複数の領域に対応する、前記界面の複数の箇所に、前記光ビームを入射させるように構成され、
前記光検出手段が、前記複数の箇所でそれぞれ反射された前記光ビームを各箇所毎に個別に検出するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
前記環境因子としては、ｐＨ、光度、温度、イオン濃度、ガス分圧、バイオ物質濃度、電気的信号からなる群から選ばれた１つであることが望ましい。
【００１９】
また、前記環境因子制御手段が、前記環境因子の前記２次元的な分布状態を制御するものである場合には、前記環境因子が、ｐＨ、光度、温度、イオン濃度、ガス分圧、バイオ物質濃度、電気的信号からなる群から選ばれたいずれか２つの組合せであることが望ましい。
【００２０】
上記測定装置は、上記薄膜層を、金属膜からなるものとし、前述の表面プラズモン共鳴による効果を利用して測定を行なうように構成されたものとしてもよい。
【００２１】
また、上記測定装置は、上記薄膜層を、誘電体ブロックの前記上面に形成されたクラッド層と該クラッド層上に形成された光導波層からなるものとし、該光導波層における導波モードの励起による効果を利用して測定を行なうように構成されたものとしてもよい。
【００２２】
またさらに、本発明による測定装置においては、光検出手段により前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して試料の分析を行うには種々の方法があり、例えば、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる種々の入射角で入射させ、各入射角に対応した位置毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰により発生した暗線の位置（角度）を検出することにより試料分析を行ってもよいし、D.V.Noort,K.johansen,C.-F.Mandenius, Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.585-588 に記載されているように、複数の波長の光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させ、各波長毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、各波長毎の全反射減衰の程度を検出することにより試料分析を行ってもよい。
【００２３】
また、P.I.Nikitin,A.N.Grigorenko,A.A.Beloglazov,M.V.Valeiko,A.I.Savchuk,O.A.Savchuk, Surface Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Array Biosensing, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.235-238 に記載されているように、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させるとともに、この光ビームの一部を、この光ビームが前記界面に入射する前に分割し、この分割した光ビームを、前記界面で全反射した光ビームと干渉させて、その干渉後の光ビームの強度を測定することにより試料分析を行ってもよい。
【００２４】
本発明の測定装置の第１の使用方法は、上記本発明の測定装置を使用する方法であって、
前記薄膜層上に特定の物質と結合するセンシング物質を固定し、
前記センシング物質上に液体状の試料を注入し、
前記環境因子制御手段により前記環境因子の分布に勾配を発生させ、
前記試料中の物質を前記センシング物質と結合させ、
前記環境因子の分布状態による、前記試料中の物質の前記センシング物質との結合状態の変化を測定することを特徴とするものである。
【００２５】
本発明の測定装置の第２の使用方法は、上記本発明の測定装置を使用する方法であって、
前記薄膜層上に固定化物質を配し、
該固定化物質上に液体状の夾雑物試料を注入し、
前記環境因子制御手段により前記環境因子の分布に勾配を発生させて、前記夾雑物試料中の複数の物質を該環境因子の分布の前記勾配により分離して、前記固定化物質上の前記環境因子の分布状態が互いに異なる場所に、互いに異なる物質を固定化し、
該固定化された前記夾雑物試料中の前記複数の物質上に新たな試料を注入して該新たな試料中の物質を前記互いに異なる物質に結合させ、
該試料の前記異なる物質への結合状態を測定することを特徴とするものである。
【００２６】
なお、上記測定装置の使用方法の、「前記試料中の物質を前記センシング物質と結合させ」という工程においては、試料中にセンシング物質と結合する特定物質がある場合には、結合が生じるが、特定物質がない場合には結合は生じない。同様に、別の使用方法の「該新たな試料中の物質を前記互いに異なる物質に結合させ」という工程においては、試料中に前記互いに異なる物質のいずれかと結合する特定物質がある場合には、結合が生じ、特定物質がない場合には結合は生じない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の測定装置は、環境因子の１次元もしくは２次元的分布を制御する環境因子制御手段を備えたことにより、試料保持部内の環境因子の分布に勾配を発生させることができ、入射光学系が、前記環境因子の分布状態が異なる複数の領域に対応する、前記界面の複数の箇所に、前記光ビームを入射させるように構成され、光検出手段が、前記複数の箇所でそれぞれ反射された前記光ビームを各箇所毎に個別に検出するように構成されているので、該環境因子の変化による試料の状態を同時に測定することができ、測定の高速化を図ることができる。
【００２８】
本発明の測定装置の第１の使用方法によれば、薄膜層上に特定の物質と結合するセンシング物質を固定し、環境因子の分布に勾配を発生させているため、環境因子の分布状態による、試料中の物質の前記センシング物質との結合状態の変化を同時に効率よく測定することができる。
【００２９】
本発明の測定装置の第２の使用方法によれば、薄膜層上に固定化物質を配し、環境因子の分布に勾配を発生させているため、夾雑物中の異なる物質を異なる箇所に固定化することができ、さらに、新たな試料を注入することにより、夾雑物中の個々の物質の同定も可能となる。この第２の使用方法によれば、センシング物質を固定するためにの従来のような単離精製が不要となり、実験の高速化、簡易化、さらに低コスト化が図れると共に、単離精製がされていない未知物質の機能解析も可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本発明の第１の実施の形態の測定装置は、誘電体ブロックに光ビームを並列的に入射させて全反射減衰の状態を検出する表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモンセンサーであり、図１は本発明の実施の形態の表面プラズモンセンサーの概略構成を示す平面図であり、図２はこの表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものである。また、図３は本表面プラズモンセンサーの測定ユニットおよび後述の環境制御手段とを示す図である。
【００３１】
本実施形態の表面プラズモンセンサー１０１は、誘電体ブロック部１０ａ、該誘電体ブロック部１０ａの一面に形成された金属膜１２および該金属膜１２上に保持する試料保持部１０ｃを備えてなる測定ユニット１０と、該測定ユニット１０の試料保持部１０ｃ内に挿入され、液体試料１１のｐＨ分布に図中矢印Ｐ方向の勾配を発生させるためのポリピロールからなる制御素子３および該制御素子３に対して直流電圧を印加する直流電源４を備えてなる環境因子制御手段５とを備えている。
【００３２】
図１および２に示すように、測定ユニット１０は、例えば、透明樹脂等により形成された図中矢印Ｐ方向に延びた誘電体バーの上部に凹部が形成され、該凹部の底面に、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる薄膜層である金属膜１２が被着されてなるものである。上部に形態された凹部１０ｃもユニット外形に沿ってＰ方向に延びた形状であり、この凹部が試料保持部１０ｃを構成しており該凹部の下部が誘電体ブロック部１０ｃを構成する。なお図１および図２に示す例では、金属膜１２の上にセンシング物質３０が固定されている。
【００３３】
環境因子制御手段５の制御素子３を構成するポリピロールは、印加される電位差に応じてＨ＋イオンの吸着および脱着を行う性質があり、図３（ａ）に示すように制御素子３の両端部から電圧を印加することにより、ポリピロール自体の抵抗により制御素子３の１次元方向の各部分において電位差が生じ、電位の低い部分ではＨ＋を吸着し、電位の高い部分ではＨ＋を脱着する。これに伴い、図３（ｂ）に示すように液体試料１１中のｐＨの矢印Ｐ方向の分布に勾配が生じる。ここでは、電位の最も低い箇所でｐＨ５程度、電位の最も高い箇所でｐＨ１０程度となるように制御している。なお、電位差の分布を生じさせにくい場合は、制御素子を複数に分割し、それぞれに段階的な電圧を加えるようにしてもよい。
【００３４】
さらに、表面プラズモンセンサー１０１は、光ビーム１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ…を発生する光源であるレーザ光源１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ…と、上記光ビーム１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ…を測定ユニット１０の誘電体ブロック部１０ａと金属膜１２との界面１０ｂの、矢印Ｐ方向に異なる複数の箇所１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…に対して、並列的に入射させる光学系である入射光学系１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ…と、界面１０ｂの各箇所１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…で反射されたそれぞれの反射光ビーム１３′Ａ、１３′Ｂ、１３′Ｃ…を、それぞれ受光手段１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ…で個別に受光して全反射減衰の状態を検出する光検出手段５０と、界面で反射された反射光ビーム１３′Ａ、１３′Ｂ、１３′Ｃ…を入射してこの光ビーム１３′Ａ、１３′Ｂ、１３′Ｃ…を各光検出器１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ…１７に向けて射出するコリメーターレンズ１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ…と、各受光手段１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ…に接続された差動アンプアレイ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ…と、ドライバ１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ…と、コンピュータシステム等からなる信号処理部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…と、この信号処理部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…に接続された１つの表示手段２１とを備えている。
【００３５】
上記界面１０ｂの各箇所１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…の１つの測定箇所、例えば第１の測定箇所１０Ａにおける全反射減衰の状態の測定は、レーザ光源１４Ａ、入射光学系１５Ａ、誘電体ブロック１０Ａ、コリメーターレンズ１６Ａ、受光手段１７Ａ、差動アンプアレイ１８Ａ，ドライバ１９Ａ、信号処理部２０Ａ等から構成される表面プラズモンセンサーユニット１０１Ａによって行なわれる。
【００３６】
以下、表面プラズモンセンサー１０１を構成する複数のセンサーユニットのうち、表面プラズモンセンサーユニット１０１Ａについて詳しく説明する。なお、以下の表面プラズモンセンサーユニット１０１Ａに関する説明については、個別の要素を表す符号である、Ａ、Ｂ、Ｃ…の符号は省略する。また、表面プラズモンセンサーユニット１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ…の構成は、表面プラズモンセンサーユニット１０１Ａの構成と同等であるので説明を省略する。
【００３７】
表面プラズモンセンサーユニット１０１は、光ビーム１３を発生する半導体レーザ等からなるレーザ光源１４と、上記光ビーム１３を誘電体ブロック１０に対して、誘電体ブロック１０と金属膜１２との界面１０ｂで全反射条件が得られるように種々の入射角で入射させる光学系である入射光学系１５と、上記界面１０ｂで種々の反射角で全反射されたそれぞれの反射光ビーム１３′を入射してこの反射光ビーム１３′を後述する受光手段１７に向けて射出するコリメーターレンズ１６と、上記それぞれの反射光ビーム１３′をコリメーターレンズ１６を通して個別に受光する複数の受光素子からなる受光手段１７と、上記差動アンプアレイ１８、ドライバ１９、信号処理部２０、および表示手段２１とを備えている。
【００３８】
入射光学系１５は、レーザ光源１４から射出された光ビーム１３を平行光化するコリメーターレンズ１５ａと、この平行光化された光ビーム１３を上記界面１０ｂに向けて収束させる集光レンズ１５ｂとから構成されている。
【００３９】
光ビーム１３は、集光レンズ１５ｂにより上述のように集光されるので、界面１０ｂに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なお、この入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そのため、界面１０ｂで全反射した反射光ビーム１３′には、種々の反射角で全反射された成分が含まれることになる。なお、上記入射光学系１５は、光ビーム１３を界面１０ｂ上に点状に集光させずにデフォーカス状態で入射させるように構成してもよい。そのようにすれば、界面１０ｂ上のより広い領域において光ビーム１３が全反射されるので、全反射減衰の状態の検出誤差が平均化されて全反射減衰角の測定精度を高めることができる。
【００４０】
なお光ビーム１３は、界面１０ｂに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ光源１４をその偏光方向が上記所定の方向となるように配設すればよい。その他、光ビーム１３を界面１０ｂに対してｐ偏光で入射させるには波長板で光ビーム１３の偏光の向きを制御するようにしてもよい。
【００４１】
次に、界面１０ｂにおける各測定箇所１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…での個々の全反射減衰の状態の測定について、表面プラズモンセンサーユニット１０１Ａによる測定を例に説明する。
【００４２】
図２に示す通り、レーザ光源１４から射出された光ビーム１３は、入射光学系１５を通して、誘電体ブロック１０と金属膜１２との界面１０ｂ上に収束される。
【００４３】
界面１０ｂ上に収束され、この界面１０ｂで全反射された反射光ビーム１３′は、コリメーターレンズ１６を通して受光手段１７によって検出される。受光手段１７は、複数の受光素子であるフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…が１列に並設されてなるフォトダイオードアレイを有し、このフォトダイオードの並設方向が、図２の紙面に略平行となるように、かつコリメーターレンズ１６を通して平行光化されて入射される反射光ビーム１３′の伝播方向に対して略直交するように配設されている。したがって、上記界面１０ｂにおいて種々の反射角で全反射された反射光ビーム１３′の各成分を、それぞれ異なるフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…が受光することになる。そして、受光手段１７は、各フォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…によって検出された上記反射光ビーム１３′の強度分布を示す信号を出力する。
【００４４】
界面１０ｂに特定入射角θＳＰで入射した上記光ビーム１３の成分は、金属膜１２と金属膜上の試料（センシング媒体３０が配されている場合にはセンシング媒体３０）との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度が鋭く低下する。つまり上記特定入射角θＳＰが全反射減衰角であり、この角度θＳＰにおいて反射光強度は極小値を示す。この反射光強度が低下する領域は、図２にＤで示すように、反射光ビーム１３′中の暗線として観察される。
【００４５】
次に、受光手段１７から出力された上記反射光ビーム１３′の強度分布を示す信号の処理について詳細に説明する。
【００４６】
図４は、この表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドライバ１９は、差動アンプアレイ１８の各差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…、これらのサンプルホールド回路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…の各出力が入力されるマルチプレクサ２３、このマルチプレクサ２３の出力をデジタル化して信号処理部２０に入力するＡ／Ｄ変換器２４、マルチプレクサ２３とサンプルホールド回路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…とを駆動する駆動回路２５、および信号処理部２０からの指示に基づいて駆動回路２５の動作を制御するコントローラ２６から構成されている。
【００４７】
上記フォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…の各出力は、差動アンプアレイ１８の各差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…に入力される。この際、互いに隣接する２つのフォトダイオードの出力が、共通の差動アンプに入力される。したがって各差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力は、複数のフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…が出力する光検出信号を、それらの並設方向に関して微分したものと考えることができる。
【００４８】
各差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力は、それぞれサンプルホールド回路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…により所定のタイミングでサンプルホールドされ、マルチプレクサ２３に入力される。マルチプレクサ２３は、サンプルホールドされた各差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力を、所定の順序に従ってＡ／Ｄ変換器２４に入力する。Ａ／Ｄ変換器２４はこれらの出力をデジタル化して信号処理部２０に入力する。
【００４９】
図５は、界面１０ｂで全反射された反射光ビーム１３′の上記界面１０ｂへの入射角θ毎の光強度と、差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力との関係を説明するものである。ここで、光ビーム１３の界面１０ｂへの入射角θと上記反射光ビーム１３′の光強度Ｉとの関係は、同図（ａ）のグラフに示すようなものであるとする。
【００５０】
すなわち、界面１０ｂに特定入射角θＳＰで入射した光は、金属膜１２と該金属膜１２上の試料との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。つまりθＳＰが全反射減衰角である。
【００５１】
また図５の（ｂ）は、フォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…の並設方向を示しており、先に説明した通り、これらのフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…の並設方向位置は上記入射角θと一義的に対応している。
【００５２】
そしてフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…の並設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力Ｉ’（反射光強度Ｉの微分値）との関係は、同図（ｃ）に示すようなものとなる。
【００５３】
信号処理部２０は、Ａ／Ｄ変換器２４から入力された微分値Ｉ’の値に基づいて、差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の中から、特定入射角θＳＰに対応する微分値Ｉ’＝０に最も近い出力が得られているもの（図５（ｃ）の例では差動アンプ１８ｄとなる）を選択し、それが出力する微分値Ｉ’に所定の補正処理を施してから、その値を表示手段２１に表示させる。なお、場合によっては微分値Ｉ’＝０を出力している差動アンプが存在することもあり、そのときは当然その差動アンプが選択される。
【００５４】
以後、所定時間が経過する毎に上記選択された差動アンプ１８ｄが出力する微分値Ｉ’が、所定の補正処理を受けてから表示手段２１に表示される。この微分値Ｉ’は、測定チップの金属膜１２に接している物質の誘電率つまりは屈折率が変化して、図５（ａ）の曲線部によって示される光強度極小領域が左右方向に移動すると、それに応じて変動する。したがって、この微分値Ｉ’を時間の経過とともに測定し続けることにより、金属膜１２に接している物質の屈折率変化、つまりは特性の変化を調べることができる。
【００５５】
図１および図２に示すように、金属膜１２に、液体試料１１の中の特定物質と結合するセンシング物質３０を固定している場合には、それらの結合状態に応じてセンシング物質３０の屈折率が変化するので、上記微分値Ｉ’を測定し続けることにより、この結合状態の変化の様子を調べることができる。つまりこの場合は、液体試料１１およびセンシング物質３０の双方が、分析対象の試料となる。そのような特定物質とセンシング物質３０との組合せとしては、例えば抗原と抗体等が挙げられる。
【００５６】
なお、液体試料１１の中の特定物質とセンシング物質３０との結合状態の変化の様子を時間経過とともに調べるためには、所定時間が経過する毎の微分値Ｉ’を求めて表示するほか、最初に計測した微分値Ｉ’（０）と所定時間経過時に計測した微分値Ｉ’（ｔ）との差ΔＩ’を求めて表示してもよい。
【００５７】
上記のようにして、各測定箇所についての全反射減衰の状態をそれぞれ検出することができる。
【００５８】
以下、上記構成の表面プラズモンセンサーの第１の使用方法について説明する。
【００５９】
本使用方法においては、まず、図１および図２に示すように測定ユニット１０の金属膜１２上にセンシング物質３０を固定する。
【００６０】
その後、測定ユニット１０の試料保持部１０ｃ中、すなわちセンシング物質３０上に液体試料１１を注入する。ここでは、試料の溶媒（バッファー溶液）としてＫＣｌを用いる。液体試料１１中に制御素子３を挿入し、制御素子３の両端に電圧を印加し、これにより、液体試料１１中のｐＨ分布に図３（ｂ）に示すような勾配を発生させる。液体試料１１中にセンシング物質３０と結合する特定物質が含まれている場合、該特定物質がセンシング物質３０に対してｐＨに応じた結合を示す。
【００６１】
各センサーユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…により界面のｐ方向に異なる箇所における全反射減衰の状態を測定する。試料保持部１０ｃにおいて矢印Ｐ方向のｐＨ分布に勾配が生じているため、各センサーユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…は、異なるｐＨ値における特定物質とセンシング物質３０との結合状態を測定する。従って、ｐＨ値の違いによる結合状態の違いを測定することができる。例えば、特定物質がＤＮＡである場合、ｐＨに依存したハイブリダイゼーションを観測することができる。
【００６２】
本表面プラズモンセンサー１０１は、環境因子制御手段５を備えているので、測定ユニット１０の金属膜１２上のｐＨの該金属膜１２に沿った一次元方向の分布に勾配を発生させることができ、また、複数のセンサーユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…を備えているので、ｐＨの異なる複数の箇所に対応する界面における全反射減衰の状態を同時に検出することができる。
【００６３】
次に、上記構成の表面プラズモンセンサーの第２の使用方法について説明する。図６は、第２の使用方法の工程を説明するための図であり、測定ユニットの側断面図を示す。
【００６４】
本使用方法においては、まず、図６に示すように測定ユニット１０の金属膜１２上に固定化物質としてゲル６０を配する。
【００６５】
この測定ユニット１０の試料保持部１０ｃ内のゲル６０上に血液等の夾雑物６１を注入し、該夾雑物６１中に制御素子３を挿入して該制御素子３に電圧を印加して、夾雑物６１中のｐＨの分布に勾配を発生させる（図６（ａ）参照）。ここでは、低電位側のｐＨが３、高電位側のｐＨが１１程度となるように制御する。これにより、夾雑物６１中の種々の成分６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…が等電点の違いにより分離されてそれぞれの等電点（ｐＨ）に対応するゲル６０上に固定化される。すなわち、図６（ｂ）に示すように、等電点が互いに異なる物質（ここでは抗原）６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…を分離しながら固定することができる。
【００６６】
ゲル６０上に異なる複数の抗原６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…が固定化された後、図６（ｃ）に示すように、さらに、新たな試料（抗体）６５を加える。抗体６５は特定の抗原と結合するものであり、複数の抗原６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…に該特定の抗原があればそれと結合する。
【００６７】
各センサーユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…により界面のＰ方向に異なる箇所における全反射減衰の状態を測定する。試料保持部１０ｃにおいて矢印Ｐ方向に互いに異なる複数の抗原６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…が固定化されているため、各センサーユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…は、各抗原と抗体６５との結合状態を測定する。このように、分離した複数の抗原６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…と抗体６５との結合状態を測定することにより、分離した抗原の機能を同定することができる。
【００６８】
この第２の使用方法のように、夾雑物中の物質をそれぞれの等電点毎に分離して固定化することにより、従来のようなセンシング物質の単離精製が不要となり、実験の高速化、簡易化、さらに低コスト化が図れると共に、単離精製がされていない未知物質の機能解析も可能である。
【００６９】
なお、上記表面プラズモンセンサーにおいては、各センサーユニット毎に光源および入射光学系を設けたが、光源はセンサーユニット毎に設ける必要はなく、ハーフミラーやミラーを用いて光ビームを分岐して複数箇所に入射するように構成してもよい。さらには、Ｐ方向に扁平な１本の光ビームとして界面のＰ方向に一様な光ビームを入射させるようにしてもよい。
【００７０】
なお、上述の表面プラズモンセンサーにおいて、測定ユニットの一部の構成を変更することにより漏洩モードセンサーとすることができる。以下、図面を用いて本発明の測定装置の第２の実施形態である漏洩モードセンサーについて説明する。
【００７１】
図７は、本実施形態の漏洩モードセンサーの側面図である。なおこの図７において、図２中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００７２】
本漏洩モードセンサーは測定ユニット１０’として、第１の実施形態の測定ユニットと同様の、誘電体ブロック１０ａと試料保持部１０ｃが一体的に形成された誘電体バーを備えてなるものであるが、試料保持部１０ｃの底面には、金属膜にかえて、クラッド層４０が形成され、さらにその上には光導波層４１が形成されている。環境因子制御手段５および複数のセンサーユニット（ここでは漏洩モードセンサーユニット）１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…の構成については上述の表面プラズモンセンサーと同一であり、試料保持部１０ｃ内に保持される液体試料のｐＨの図中Ｐ方向の分布に勾配を発生させ、異なるｐＨとなる複数の箇所に対応する誘電体ブロック部１０ａとクラッド層４０との界面に対してそれぞれ光ビームを入射させ、該界面における液体試料中の特定物質と光導波層４１上に配されたセンシング物質３０との結合状態を個別に検出するように構成されている。
【００７３】
測定ユニットは１０’は、例えば合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラッド層４０は、該測定ユニット１０’よりも低屈折率の誘電体や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層４１は、クラッド層４０よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いてこれも薄膜状に形成されている。クラッド層４０の膜厚は、例えば金薄膜から形成する場合で３６．５ｎｍ、光導波層４１の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で７００ｎｍ程度とされる。
【００７４】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、レーザ光源１４から射出された光ビーム３０を誘電体ブロック部１０ａを通してクラッド層４０に対して全反射角以上の入射角で入射させると、該光ビーム３０の多くの成分が誘電体ブロック部１０ａとクラッド層４０との界面で全反射するが、クラッド層４０を透過して光導波層４１に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層４１を導波モードで伝搬されるようになる。こうして導波モードが励起されると、特定入射角で入射した入射光のほとんどが光導波層４１に取り込まれるので、上記界面に特定入射角で入射し、全反射された光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。光導波層４１における導波光の波数は、該光導波層４１上の液体試料１５の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角である全反射減衰角の変動を知ることによって、液体試料の屈折率や、それに関連する特性を分析することができ第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
なお、上記各実施形態においては、環境因子制御手段５として、ｐＨの分布勾配を制御するものを例に挙げて説明したが、環境因子は、試料の測定環境を左右するものであればいかなるものであってもよく、例えばｐＨ以外に、光度、温度、イオン濃度、ガス分圧、バイオ物質濃度、電気的信号など種々のものが挙げられ、これらのいずれかを制御する制御手段を備えるようにしてもよい。
【００７６】
また、上記実施形態においては、環境因子制御手段５の制御素子３として、ポリピロールからなる制御素子３を外部から試料保持部１０ｃ内の液体試料１１中に挿入するものとしたが、図８（ａ）に制御素子を備えた測定ユニットの斜視図および同図（ｂ）にＭ−Ｍ’断面図を示すように、測定ユニット１０の試料保持部１０ｃ内の側壁にポリピロールの平板３’を予め備えつけ、これを制御素子として用いるようにしてもよい。また、図９（ａ）に制御素子を兼ねた測定ユニット５０の斜視図および同図（ｂ）にＮ−Ｎ’断面図を示すように、測定ユニット５０を、試料保持部の側面を構成する部分５１と、金属膜１２が形成される面を有するガラス基板５２と、該ガラス基板５２の下部に備えられた誘電体ブロックである半円柱状のプリズム５３とのそれぞれ別体の部品からなるものとし、側面を構成する部分５１が金属膜１２を備えたガラス基板５２上に押しつけられた状態で試料保持部を構成し、側面を構成する部分５１自体をポリピロールで構成し、これを制御素子として用いるようにしてもよい。すなわち、測定ユニット５０の一部が制御素子を兼ねるように構成してもよい。図９に示すように、試料保持部の側面部分５１、ガラス基板５２、プリズム５３が別体であれば、試料保持部の側面部分５１は光透過素材を用いる必要がないため、この側面部の材料選択の自由度が広がり、この側面部自体を制御素子化することも容易となる。
【００７７】
なお、上記各実施形態の測定装置の測定ユニットの一部にペルチェ素子等の温度制御手段を備え、ｐＨの空間分布を制御すると共に、経時的に温度を変化させるようにすれば、結合状態のｐＨ依存性と温度依存性とを効率良く測定することができる。なお、測定ユニットとして、Ｐ方向にのみならず、これに直交する方向にも広がりを有する試料保持部を有するプレート状のものとし、界面に沿ったＰ方向においてｐＨの空間分布を制御し、界面に沿った、かつＰ方向に直交する方向に温度の空間分布を制御可能として、ｐＨと温度の２つの環境因子の分布を同時に制御することもできる。この場合、２次元状に広がりを有する界面の複数の箇所の全反射減衰の状態を測定することができるように複数のセンサーユニットを配置すれば効率的な測定が可能となる。なお、２つの環境因子を組み合わせる場合には、ｐＨと温度の組合せのみならず、ｐＨ、光度、温度、イオン濃度、ガス分圧、バイオ物質濃度、電気的信号等のなかから所望の２つの環境因子を組み合わせればよい。２次元状に２つの環境因子を組み合わせた分布を測定する装置においては、電気泳動ゲル中に試料を注入し、２次元電気泳動させ、この試料の２次元分布の状態を測定するものとすることもできる。
【００７８】
２次元に２つの環境因子の分布勾配を制御可能とした測定装置を、第３の実施形態の表面プラズモンセンサーとして説明する。図１０は本実施形態の表面プラズモンセンサーの概略構成を示す断面図である。
【００７９】
本実施形態の測定装置においては、測定ユニットとして、図１０に示すように、Ｐ方向にのみならず、これに直交するＱ方向にも広がりを有する試料保持部１１０ｃを有する測定プレート１１０を備え、２つの環境因子の分布勾配を制御するために、界面に沿ったＰ方向（１次元目方向）においてｐＨの空間分布を制御する第１の環境因子制御手段１０５と、界面に沿った、かつＰ方向に直交するＱ方向（２次元目方向）において光量の空間分布を制御する第２の環境因子制御手段１２５とを備えている。
【００８０】
さらに、２次元状に広がりを有する界面の複数箇所に対して同時に全反射条件で光ビームを入射させる、２次元状に配置された複数個の光源、ここでは、２次元状に配置されたＬＤ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ…からなる２次元アレイＬＤ１１４と、該光源から出射されて界面１１０ｂで反射される反射光を検出する、光源の数と同数の光検出器、ここでは、２次元状に検出エリア１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ…が分割されてなる２次元アレイ分割ＰＤ１１９とを備えている。
【００８１】
測定用プレート１１０は、試料保持部１１０ｃ底面に金属膜１２が配されており、さらに、底面と金属膜１２との界面１１０ｂに光ビームを入射させるとともに、該界面１１０ｂで反射した光ビームを出射するために、ストライプ状の誘電体ブロック部１１０ａを備えてなる。図１０において、誘電体ブロック部１１０ａはＰ方向に延びて形成されている。
【００８２】
第１の環境因子制御手段１０５は、第１の実施形態における環境因子制御手段５と略同一の構成であり、測定用プレート１１０の試料保持部１１０ｃ内に挿入され、液体試料１１のｐＨ分布に図中矢印Ｐ方向に勾配を発生させるためのポリピロールからなる制御素子１０３および該制御素子１０３に対して直流電圧を印加する図示しない直流電源を備えてなるものである。制御素子１０３は、Ｐ方向に延びた形状であり、複数個がＱ方向に並列に配置されている。
【００８３】
第２の環境因子制御手段１２５は、白色光源１２１と、透過量がＱ方向に徐々に変化する透過量分布フィルター１２２とから構成されている。
【００８４】
まず、図６の場合と同様に、測定用プレート１１０の金属膜１２上に固定化物質としてゲル６０を配する。次に、第１の環境因子制御手段１０５により図中矢印Ｐ方向のｐＨ分布に勾配を発生させる。
【００８５】
この測定ユニット１０の試料保持部１０ｃ内のゲル６０上に植物の葉緑体を含む溶液１６１を注入し、該溶液中に制御素子１０３を挿入して該制御素子１０３に電圧を印加して、溶液中のｐＨの分布に勾配を発生させる。これにより、図６の場合と同様に、溶液中の種々の成分、詳細には葉緑体内の種々の物質が等電点の違いにより分離されてそれぞれの等電点（ｐＨ）に対応するゲル６０上に固定化される。
【００８６】
ゲル６０上に、葉緑体内の異なる複数の物質が固定化された後、さらに、新たな試料、ここではイオン酵素などのタンパク質等の信号因子を加える。その後、第２の環境因子制御手段により図中矢印Ｑ方向の光量分布に勾配を発生させる。詳細には、白色光源１２１の電源をＯＮとして、白色光をフィルタ１２２を介して測定用プレート１１１０上に照射することにより、照射される光量の分布に勾配を生じさせる。
【００８７】
このようにして、Ｑ方向の光量分布に勾配を発生させ、アレイＬＤ１１４およびアレイ分割ＰＤ１１９により、全反射減衰の状態の変化を測定する、すなわち、ｐＨにより分離された葉緑体内の各物質と信号因子との結合状態を測定することにより、光合成に関与する各物質の光量依存性を容易に得ることができる。このように、本測定装置によれば、葉緑体内の複数の物質の光量依存性を同時に効率的に測定できる。
【００８８】
なお、上記透過量分布フィルタに代えて、透過する波長帯がＱ方向に変化する波長分布フィルタを備えた装置とすれば、葉緑体内の光合成に関与する各物質の波長依存性を得ることができる。
【００８９】
なお、上述の各実施形態の測定装置は、光源からの光ビームを界面に対して種々の角度で入射させ、該界面からの反射光を測定し暗線となる入射角度の変化から全反射減衰の状態を測定して被検体とセンシング物質との結合状態を得るものであるが、光ビームの入射角度を界面で全反射条件を満たす所定の角度とし、種々の波長を有する光ビームを入射させる、もしくは入射させる光ビームの波長を変化させ、界面からの反射光を測定し、各波長毎の全反射減衰の状態により被検体とセンシング物質との結合状態を得るようにしてもよい。
【００９０】
また、本発明の測定装置の第４の実施形態の表面プラズモンセンサーである光の位相を利用した測定装置を図１１に示し、以下に説明する。図１１は光の位相を利用した測定装置の概略断面図である。
【００９１】
本実施の形態による表面プラズモンセンサーにおいては、第１の実施形態と同様の測定ユニット１０および環境因子制御手段５を備えており、試料保持部１０ｃ内に保持される液体試料のｐＨの図中Ｐ方向の分布に勾配を発生させ、異なるｐＨとなる複数の箇所に対応する、誘電体ブロック部１０ａと金属膜１２との界面１０ｂの異なる複数の箇所における試料の状態を検出する複数のセンサーユニット３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃ…が備えられている。図１１においては、５つのセンサーユニットが紙面奥行き方向に配設されている。
【００９２】
図１１に側面形状を示すように、本実施の形態の表面プラズモンセンサーは、測定ユニット１０の誘電体ブロック部１０ａを挟むように、それぞれ複数の光源３３４ａ〜ｅとＣＣＤ３６０ａ〜ｅとが配設されており、これら光源３３４ａ〜ｅとＣＣＤ３６０ａ〜ｅとの間には、コリメータレンズ３５０ａ〜ｅ、干渉光学系、集光レンズ３５５ａ〜ｅおよびアパーチャー３５６ａ〜ｅが配設されている。
【００９３】
上記干渉光学系は、偏光フィルタ３５１ａ〜ｅ、ハーフミラー３５２ａ〜ｅ、ハーフミラー３５３ａ〜ｅおよびミラー３５４ａ〜ｅにより構成されている。
【００９４】
さらに、ＣＣＤ３６０ａ〜ｅは信号処理部３６１に接続されており、信号処理部３６１は表示部３６２に接続されている。
【００９５】
例えばセンサーユニット３０１Ａは、光源３３４ａ、ＣＣＤ３６０ａ、コリメータレンズ３５０ａ、偏光フィルタ３５１ａ、ハーフミラー３５２ａ、ハーフミラー３５３ａ、ミラー３５４ａ、集光レンズ３５５ａおよびアパーチャー３５６ａから構成される。
【００９６】
以下、本実施の形態の表面プラズモンセンサーにおける試料の測定について説明する。なおここでは、センサーユニット３０１Ａを例に取って説明を行なうが、その他のセンサーユニット３０１Ａも同様の測定を行う。
【００９７】
光源３３４ａが駆動されて光ビーム３３０が発散光の状態で出射される。この光ビーム３３０はコリメータレンズ３５０ａにより平行光化されて偏光フィルタ３５１ａに入射する。偏光フィルタ３５１ａを透過して界面１０ｂに対してｐ偏光で入射するようにされた光ビーム３３０は、ハーフミラー３５２ａにより一部がレファレンス光ビーム３３０Ｒとして分割され、ハーフミラー３５２ａを透過した残りの光ビーム３３０Ｓは界面１０ｂに入射する。該界面１０ｂで全反射した光ビーム330Ｓおよびミラー３５４ａで反射したレファレンス光ビーム３３０Ｒはハーフミラー３５３ａに入射して合成される。合成された光ビーム３３０´は集光レンズ３５５ａにより集光され、アパーチャー３５６ａを通過してＣＣＤ３６０ａによって検出される。このとき、ＣＣＤ３６０ａで検出される光ビーム３３０´は、光ビーム３３０Ｓとレファレンス光ビーム３３０Ｒとの干渉の状態に応じて干渉縞を発生させる。
【００９８】
例えば、特定物質とセンシング物質３０との結合状態に応じて金属膜１２上の試料（ここでは特定物質とセンシング物質３０）の屈折率が変化すると、界面で全反射した光ビームとリファレンス光ビームとの干渉状態が変化するため、干渉縞の変化に応じて結合を有無を検出することができる。
【００９９】
信号処理部361は、以上の原理に基づいて上記反応の有無を検出し、その結果が表示部362に表示される。
【０１００】
なお信号処理部361は、５個のＣＣＤ360ａ〜ｅに対してそれぞれ専用のものを設けてもよいし、あるいは５個のＣＣＤ360ａ〜ｅに対して共用のものを１個だけ設けて、それらのＣＣＤ360ａ〜ｅが出力した光量検出信号Ｓを順次処理するようにしても構わない。
【０１０１】
本実施形態の測定装置も第１の実施形態の場合の使用方法で使用することができる。例えば、図１１に示すように金属膜１２上にまずセンシング物質３０を固定させておき、ここに液体試料１１を注入する。環境因子制御手段５において、制御素子３に所定の直流電圧を印加し、液体試料中のｐＨの分布に勾配を発生させる。液体試料１１中にセンシング物質３０と結合する特定物質が含まれている場合、該特定物質がセンシング物質３０に対してｐＨに応じた結合を示す。
【０１０２】
各センサーユニット３０１Ａ、３０１Ｂ、３０１Ｃ…により界面のｐ方向に異なる箇所における全反射光とリファレンス光との干渉状態を測定する。試料保持部１０ｃにおいて矢印Ｐ方向のｐＨ分布に勾配が生じているため、各センサーユニット３０１Ａ、３０１Ｂ、３０１Ｃ…は、異なるｐＨ値における特定物質とセンシング物質３０との結合状態を測定する。従って、ｐＨ値の違いによる結合状態の違いを同じに検出することができる。
【０１０３】
なお、この表面プラズモンセンサーの構成を上記と同様に漏洩モードセンサに利用することができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による表面プラズモンセンサーの平面図
【図２】図１の表面プラズモンセンサーの側断面図
【図３】図２の表面プラズモンセンサーの測定ユニットおよび環境因子制御手段を示す断面図
【図４】表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図
【図５】光ビームの入射角度の光強度分布と作動アンプの出力とを示す図
【図６】第１の実施形態の表面プラズモンセンサーの第２の使用方法を説明するための図
【図７】本発明の第２の実施形態による漏洩モードセンサーの側断面図
【図８】他の例の測定ユニットと環境制御素子を示す図
【図９】他の例の測定ユニットと環境制御素子を示す図
【図１０】本発明の第３の実施形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【図１１】本発明の第４の実施形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【符号の説明】
３ 環境因子制御素子
４ 直流電源
５ 環境因子制御手段
10 測定ユニット
10ａ 誘電体ブロック部
10ｂ 界面
10ｃ 試料保持部
11 液体試料
12 金属膜
13 光ビーム
14 光源
15 入射光学系
16 コリメーターレンズ
17 光検出手段
18 作動アンプアレイ
19 ドライバ
20 信号処理部
21 表示手段
101 表面プラズモンセンサー
101A、101B、101C… 表面プラズモンセンサーユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモンの発生を利用して物質の特性を分析する表面プラズモン測定装置等の全反射光によるエバネッセント波の発生を利用した測定装置およびその使用方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属中においては、自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。
【０００３】
従来より、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、被測定物質の特性を分析する表面プラズモン測定装置が種々提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。
【０００４】
上記の系を用いる表面プラズモン測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて液体試料などの被測定物質に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態、つまり全反射減衰の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００５】
なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを入射角を変化させて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。前者の場合は、入射した光ビームの入射角の変化に従って、反射角が変化する光ビームを、上記反射角の変化に同期して移動する小さな光検出器によって検出したり、反射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサによって検出することができる。
【０００６】
上記構成の表面プラズモン測定装置において、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角で入射させると、該金属膜に接している被測定物質中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と被測定物質との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。したがって、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。
【０００７】
この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角、すなわち全反射減衰角θspより表面プラズモンの波数が分かると、被測定物質の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫsp、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、εm とεs をそれぞれ金属、被測定物質の誘電率とすると、以下の関係がある。
【０００８】
【数１】
【０００９】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似の測定装置として、例えば「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７頁に記載がある漏洩モード測定装置も知られている。この漏洩モード測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、液体試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して導波モードの励起状態、つまり全反射減衰状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【００１０】
上記構成の漏洩モード測定装置において、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の被測定物質の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、被測定物質の屈折率や、それに関連する被測定物質の特性を分析することができる。
【００１１】
なお、表面プラズモン共鳴測定装置もしくは漏洩モード測定装置等の全反射を利用した測定装置としては、光を界面に全反射条件が得られる入射角で入射させ、その光によるエバネッセント波の発生により、界面で全反射した光の状態の変化を測定することにより被測定物質の特性分析等を行うに際して、前述の全反射減衰を生じる特定入射角の測定をする装置のほか、複数の波長の光ビームを界面に入射させ、角波長毎の全反射減衰の程度を検出する装置、あるいは、光ビームを界面に入射させるとともに、この光ビームの一部を、界面入射前に分割し、この分割した光ビームを界面で反射した光ビームと干渉させて、該干渉の状態を測定する装置等種々のタイプがある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来提供されている上記表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置等の全反射光を利用した測定装置においては、多数の試料について測定する場合、測定に長時間を要するという問題が認められる。特に、例えば抗原抗体反応や化学反応等に伴う変化を検出するために１つの試料について時間間隔をおいて何回か測定を行なう場合には、その１つの試料に関する測定が終了しなければ新しい試料の測定に入れず、試料全体の測定に非常に長い時間を要してしまう。特に、創薬研究分野等において、所望のセンシング物質に結合する特定物質を見いだすランダムスクリーニングへ使用される場合、数万検体についての測定を要するため、ハイスループット化が望まれている。
【００１３】
創薬研究においては、目標とする生態物質（主にタンパク）に結合し作用するような化合物の探索が行われている。通常は室温による実験が中心であるが、実用化の面から見れば、実際の体内の環境を考え体温（〜３７℃）での反応を測定するのが望ましい。そこで本出願人は、特願２００１−２９３７０２において、測定環境温度を制御可能とした測定装置を提案した。
【００１４】
また、生体内の反応は、単に反応物質同士の存在によって決まるものではなく酵素などの他の物質の存在や、それら置かれる環境に大きく左右される。環境を構成する環境因子としては、温度のみならず、ｐＨ、イオン濃度（カリウム、カルシウム、水素、一酸化窒素など）、電界強度、ガス分圧（酸素、二酸化炭素など）、他物質（酵素など）の濃度などが挙げられる。例えば、胃の中での物質の反応は、主としてｐＨ、あるいは水素イオンの濃度に左右される。また、近年（１９９９年以降）の研究においては、神経伝達因子として、一酸化窒素による影響が注目されている。一方、ヘモグロビンや肺においては酸素や二酸化炭素のガス分圧が重要である。このように生体内の反応の研究においては、種々の環境子の制御が重要と考えられる。
【００１５】
従来の装置においては、環境因子を経時的に変化させることしかできないため、様々な環境での測定を行うためには相当の時間を要する。
【００１６】
本発明は上記の事情に鑑みて、環境因子を変化させた種々の環境における試料の状態の変化等を高速に測定可能とした測定装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の測定装置は、光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、およびこの薄膜層の表面上に試料を保持する試料保持部を備えてなる測定ユニットと、
前記光ビームを、前記測定ユニットの前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られる入射角で入射させる入射光学系と、
前記測定ユニットの前記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段とを備えてなることを特徴とする測定装置において、
前記試料保持部内の環境因子の、前記薄膜層の表面に沿った１次元もしくは２次元的な分布状態を制御し、前記環境因子の分布に勾配を発生させる環境因子制御手段を備え、
前記入射光学系が、前記環境因子の分布状態が異なる複数の領域に対応する、前記界面の複数の箇所に、前記光ビームを入射させるように構成され、
前記光検出手段が、前記複数の箇所でそれぞれ反射された前記光ビームを各箇所毎に個別に検出するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
前記環境因子としては、ｐＨ、光度、温度、イオン濃度、ガス分圧、バイオ物質濃度、電気的信号からなる群から選ばれた１つであることが望ましい。
【００１９】
また、前記環境因子制御手段が、前記環境因子の前記２次元的な分布状態を制御するものである場合には、前記環境因子が、ｐＨ、光度、温度、イオン濃度、ガス分圧、バイオ物質濃度、電気的信号からなる群から選ばれたいずれか２つの組合せであることが望ましい。
【００２０】
上記測定装置は、上記薄膜層を、金属膜からなるものとし、前述の表面プラズモン共鳴による効果を利用して測定を行なうように構成されたものとしてもよい。
【００２１】
また、上記測定装置は、上記薄膜層を、誘電体ブロックの前記上面に形成されたクラッド層と該クラッド層上に形成された光導波層からなるものとし、該光導波層における導波モードの励起による効果を利用して測定を行なうように構成されたものとしてもよい。
【００２２】
またさらに、本発明による測定装置においては、光検出手段により前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して試料の分析を行うには種々の方法があり、例えば、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる種々の入射角で入射させ、各入射角に対応した位置毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰により発生した暗線の位置（角度）を検出することにより試料分析を行ってもよいし、D.V.Noort,K.johansen,C.-F.Mandenius, Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.585-588 に記載されているように、複数の波長の光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させ、各波長毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、各波長毎の全反射減衰の程度を検出することにより試料分析を行ってもよい。
【００２３】
また、P.I.Nikitin,A.N.Grigorenko,A.A.Beloglazov,M.V.Valeiko,A.I.Savchuk,O.A.Savchuk, Surface Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Array Biosensing, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.235-238 に記載されているように、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させるとともに、この光ビームの一部を、この光ビームが前記界面に入射する前に分割し、この分割した光ビームを、前記界面で全反射した光ビームと干渉させて、その干渉後の光ビームの強度を測定することにより試料分析を行ってもよい。
【００２４】
本発明の測定装置の第１の使用方法は、上記本発明の測定装置を使用する方法であって、
前記薄膜層上に特定の物質と結合するセンシング物質を固定し、
前記センシング物質上に液体状の試料を注入し、
前記環境因子制御手段により前記環境因子の分布に勾配を発生させ、
前記試料中の物質を前記センシング物質と結合させ、
前記環境因子の分布状態による、前記試料中の物質の前記センシング物質との結合状態の変化を測定することを特徴とするものである。
【００２５】
本発明の測定装置の第２の使用方法は、上記本発明の測定装置を使用する方法であって、
前記薄膜層上に固定化物質を配し、
該固定化物質上に液体状の夾雑物試料を注入し、
前記環境因子制御手段により前記環境因子の分布に勾配を発生させて、前記夾雑物試料中の複数の物質を該環境因子の分布の前記勾配により分離して、前記固定化物質上の前記環境因子の分布状態が互いに異なる場所に、互いに異なる物質を固定化し、
該固定化された前記夾雑物試料中の前記複数の物質上に新たな試料を注入して該新たな試料中の物質を前記互いに異なる物質に結合させ、
該試料の前記異なる物質への結合状態を測定することを特徴とするものである。
【００２６】
なお、上記測定装置の使用方法の、「前記試料中の物質を前記センシング物質と結合させ」という工程においては、試料中にセンシング物質と結合する特定物質がある場合には、結合が生じるが、特定物質がない場合には結合は生じない。同様に、別の使用方法の「該新たな試料中の物質を前記互いに異なる物質に結合させ」という工程においては、試料中に前記互いに異なる物質のいずれかと結合する特定物質がある場合には、結合が生じ、特定物質がない場合には結合は生じない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の測定装置は、環境因子の１次元もしくは２次元的分布を制御する環境因子制御手段を備えたことにより、試料保持部内の環境因子の分布に勾配を発生させることができ、入射光学系が、前記環境因子の分布状態が異なる複数の領域に対応する、前記界面の複数の箇所に、前記光ビームを入射させるように構成され、光検出手段が、前記複数の箇所でそれぞれ反射された前記光ビームを各箇所毎に個別に検出するように構成されているので、該環境因子の変化による試料の状態を同時に測定することができ、測定の高速化を図ることができる。
【００２８】
本発明の測定装置の第１の使用方法によれば、薄膜層上に特定の物質と結合するセンシング物質を固定し、環境因子の分布に勾配を発生させているため、環境因子の分布状態による、試料中の物質の前記センシング物質との結合状態の変化を同時に効率よく測定することができる。
【００２９】
本発明の測定装置の第２の使用方法によれば、薄膜層上に固定化物質を配し、環境因子の分布に勾配を発生させているため、夾雑物中の異なる物質を異なる箇所に固定化することができ、さらに、新たな試料を注入することにより、夾雑物中の個々の物質の同定も可能となる。この第２の使用方法によれば、センシング物質を固定するためにの従来のような単離精製が不要となり、実験の高速化、簡易化、さらに低コスト化が図れると共に、単離精製がされていない未知物質の機能解析も可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本発明の第１の実施の形態の測定装置は、誘電体ブロックに光ビームを並列的に入射させて全反射減衰の状態を検出する表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモンセンサーであり、図１は本発明の実施の形態の表面プラズモンセンサーの概略構成を示す平面図であり、図２はこの表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものである。また、図３は本表面プラズモンセンサーの測定ユニットおよび後述の環境制御手段とを示す図である。
【００３１】
本実施形態の表面プラズモンセンサー１０１は、誘電体ブロック部１０ａ、該誘電体ブロック部１０ａの一面に形成された金属膜１２および該金属膜１２上に保持する試料保持部１０ｃを備えてなる測定ユニット１０と、該測定ユニット１０の試料保持部１０ｃ内に挿入され、液体試料１１のｐＨ分布に図中矢印Ｐ方向の勾配を発生させるためのポリピロールからなる制御素子３および該制御素子３に対して直流電圧を印加する直流電源４を備えてなる環境因子制御手段５とを備えている。
【００３２】
図１および２に示すように、測定ユニット１０は、例えば、透明樹脂等により形成された図中矢印Ｐ方向に延びた誘電体バーの上部に凹部が形成され、該凹部の底面に、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる薄膜層である金属膜１２が被着されてなるものである。上部に形態された凹部１０ｃもユニット外形に沿ってＰ方向に延びた形状であり、この凹部が試料保持部１０ｃを構成しており該凹部の下部が誘電体ブロック部１０ｃを構成する。なお図１および図２に示す例では、金属膜１２の上にセンシング物質３０が固定されている。
【００３３】
環境因子制御手段５の制御素子３を構成するポリピロールは、印加される電位差に応じてＨ＋イオンの吸着および脱着を行う性質があり、図３（ａ）に示すように制御素子３の両端部から電圧を印加することにより、ポリピロール自体の抵抗により制御素子３の１次元方向の各部分において電位差が生じ、電位の低い部分ではＨ＋を吸着し、電位の高い部分ではＨ＋を脱着する。これに伴い、図３（ｂ）に示すように液体試料１１中のｐＨの矢印Ｐ方向の分布に勾配が生じる。ここでは、電位の最も低い箇所でｐＨ５程度、電位の最も高い箇所でｐＨ１０程度となるように制御している。なお、電位差の分布を生じさせにくい場合は、制御素子を複数に分割し、それぞれに段階的な電圧を加えるようにしてもよい。
【００３４】
さらに、表面プラズモンセンサー１０１は、光ビーム１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ…を発生する光源であるレーザ光源１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ…と、上記光ビーム１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ…を測定ユニット１０の誘電体ブロック部１０ａと金属膜１２との界面１０ｂの、矢印Ｐ方向に異なる複数の箇所１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…に対して、並列的に入射させる光学系である入射光学系１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ…と、界面１０ｂの各箇所１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…で反射されたそれぞれの反射光ビーム１３′Ａ、１３′Ｂ、１３′Ｃ…を、それぞれ受光手段１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ…で個別に受光して全反射減衰の状態を検出する光検出手段５０と、界面で反射された反射光ビーム１３′Ａ、１３′Ｂ、１３′Ｃ…を入射してこの光ビーム１３′Ａ、１３′Ｂ、１３′Ｃ…を各光検出器１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ…１７に向けて射出するコリメーターレンズ１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ…と、各受光手段１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ…に接続された差動アンプアレイ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ…と、ドライバ１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ…と、コンピュータシステム等からなる信号処理部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…と、この信号処理部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…に接続された１つの表示手段２１とを備えている。
【００３５】
上記界面１０ｂの各箇所１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…の１つの測定箇所、例えば第１の測定箇所１０Ａにおける全反射減衰の状態の測定は、レーザ光源１４Ａ、入射光学系１５Ａ、誘電体ブロック１０Ａ、コリメーターレンズ１６Ａ、受光手段１７Ａ、差動アンプアレイ１８Ａ，ドライバ１９Ａ、信号処理部２０Ａ等から構成される表面プラズモンセンサーユニット１０１Ａによって行なわれる。
【００３６】
以下、表面プラズモンセンサー１０１を構成する複数のセンサーユニットのうち、表面プラズモンセンサーユニット１０１Ａについて詳しく説明する。なお、以下の表面プラズモンセンサーユニット１０１Ａに関する説明については、個別の要素を表す符号である、Ａ、Ｂ、Ｃ…の符号は省略する。また、表面プラズモンセンサーユニット１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ…の構成は、表面プラズモンセンサーユニット１０１Ａの構成と同等であるので説明を省略する。
【００３７】
表面プラズモンセンサーユニット１０１は、光ビーム１３を発生する半導体レーザ等からなるレーザ光源１４と、上記光ビーム１３を誘電体ブロック１０に対して、誘電体ブロック１０と金属膜１２との界面１０ｂで全反射条件が得られるように種々の入射角で入射させる光学系である入射光学系１５と、上記界面１０ｂで種々の反射角で全反射されたそれぞれの反射光ビーム１３′を入射してこの反射光ビーム１３′を後述する受光手段１７に向けて射出するコリメーターレンズ１６と、上記それぞれの反射光ビーム１３′をコリメーターレンズ１６を通して個別に受光する複数の受光素子からなる受光手段１７と、上記差動アンプアレイ１８、ドライバ１９、信号処理部２０、および表示手段２１とを備えている。
【００３８】
入射光学系１５は、レーザ光源１４から射出された光ビーム１３を平行光化するコリメーターレンズ１５ａと、この平行光化された光ビーム１３を上記界面１０ｂに向けて収束させる集光レンズ１５ｂとから構成されている。
【００３９】
光ビーム１３は、集光レンズ１５ｂにより上述のように集光されるので、界面１０ｂに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なお、この入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そのため、界面１０ｂで全反射した反射光ビーム１３′には、種々の反射角で全反射された成分が含まれることになる。なお、上記入射光学系１５は、光ビーム１３を界面１０ｂ上に点状に集光させずにデフォーカス状態で入射させるように構成してもよい。そのようにすれば、界面１０ｂ上のより広い領域において光ビーム１３が全反射されるので、全反射減衰の状態の検出誤差が平均化されて全反射減衰角の測定精度を高めることができる。
【００４０】
なお光ビーム１３は、界面１０ｂに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ光源１４をその偏光方向が上記所定の方向となるように配設すればよい。その他、光ビーム１３を界面１０ｂに対してｐ偏光で入射させるには波長板で光ビーム１３の偏光の向きを制御するようにしてもよい。
【００４１】
次に、界面１０ｂにおける各測定箇所１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…での個々の全反射減衰の状態の測定について、表面プラズモンセンサーユニット１０１Ａによる測定を例に説明する。
【００４２】
図２に示す通り、レーザ光源１４から射出された光ビーム１３は、入射光学系１５を通して、誘電体ブロック１０と金属膜１２との界面１０ｂ上に収束される。
【００４３】
界面１０ｂ上に収束され、この界面１０ｂで全反射された反射光ビーム１３′は、コリメーターレンズ１６を通して受光手段１７によって検出される。受光手段１７は、複数の受光素子であるフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…が１列に並設されてなるフォトダイオードアレイを有し、このフォトダイオードの並設方向が、図２の紙面に略平行となるように、かつコリメーターレンズ１６を通して平行光化されて入射される反射光ビーム１３′の伝播方向に対して略直交するように配設されている。したがって、上記界面１０ｂにおいて種々の反射角で全反射された反射光ビーム１３′の各成分を、それぞれ異なるフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…が受光することになる。そして、受光手段１７は、各フォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…によって検出された上記反射光ビーム１３′の強度分布を示す信号を出力する。
【００４４】
界面１０ｂに特定入射角θＳＰで入射した上記光ビーム１３の成分は、金属膜１２と金属膜上の試料（センシング媒体３０が配されている場合にはセンシング媒体３０）との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度が鋭く低下する。つまり上記特定入射角θＳＰが全反射減衰角であり、この角度θＳＰにおいて反射光強度は極小値を示す。この反射光強度が低下する領域は、図２にＤで示すように、反射光ビーム１３′中の暗線として観察される。
【００４５】
次に、受光手段１７から出力された上記反射光ビーム１３′の強度分布を示す信号の処理について詳細に説明する。
【００４６】
図４は、この表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドライバ１９は、差動アンプアレイ１８の各差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…、これらのサンプルホールド回路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…の各出力が入力されるマルチプレクサ２３、このマルチプレクサ２３の出力をデジタル化して信号処理部２０に入力するＡ／Ｄ変換器２４、マルチプレクサ２３とサンプルホールド回路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…とを駆動する駆動回路２５、および信号処理部２０からの指示に基づいて駆動回路２５の動作を制御するコントローラ２６から構成されている。
【００４７】
上記フォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…の各出力は、差動アンプアレイ１８の各差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…に入力される。この際、互いに隣接する２つのフォトダイオードの出力が、共通の差動アンプに入力される。したがって各差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力は、複数のフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…が出力する光検出信号を、それらの並設方向に関して微分したものと考えることができる。
【００４８】
各差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力は、それぞれサンプルホールド回路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…により所定のタイミングでサンプルホールドされ、マルチプレクサ２３に入力される。マルチプレクサ２３は、サンプルホールドされた各差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力を、所定の順序に従ってＡ／Ｄ変換器２４に入力する。Ａ／Ｄ変換器２４はこれらの出力をデジタル化して信号処理部２０に入力する。
【００４９】
図５は、界面１０ｂで全反射された反射光ビーム１３′の上記界面１０ｂへの入射角θ毎の光強度と、差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力との関係を説明するものである。ここで、光ビーム１３の界面１０ｂへの入射角θと上記反射光ビーム１３′の光強度Ｉとの関係は、同図（ａ）のグラフに示すようなものであるとする。
【００５０】
すなわち、界面１０ｂに特定入射角θＳＰで入射した光は、金属膜１２と該金属膜１２上の試料との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。つまりθＳＰが全反射減衰角である。
【００５１】
また図５の（ｂ）は、フォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…の並設方向を示しており、先に説明した通り、これらのフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…の並設方向位置は上記入射角θと一義的に対応している。
【００５２】
そしてフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…の並設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の出力Ｉ’（反射光強度Ｉの微分値）との関係は、同図（ｃ）に示すようなものとなる。
【００５３】
信号処理部２０は、Ａ／Ｄ変換器２４から入力された微分値Ｉ’の値に基づいて、差動アンプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…の中から、特定入射角θＳＰに対応する微分値Ｉ’＝０に最も近い出力が得られているもの（図５（ｃ）の例では差動アンプ１８ｄとなる）を選択し、それが出力する微分値Ｉ’に所定の補正処理を施してから、その値を表示手段２１に表示させる。なお、場合によっては微分値Ｉ’＝０を出力している差動アンプが存在することもあり、そのときは当然その差動アンプが選択される。
【００５４】
以後、所定時間が経過する毎に上記選択された差動アンプ１８ｄが出力する微分値Ｉ’が、所定の補正処理を受けてから表示手段２１に表示される。この微分値Ｉ’は、測定チップの金属膜１２に接している物質の誘電率つまりは屈折率が変化して、図５（ａ）の曲線部によって示される光強度極小領域が左右方向に移動すると、それに応じて変動する。したがって、この微分値Ｉ’を時間の経過とともに測定し続けることにより、金属膜１２に接している物質の屈折率変化、つまりは特性の変化を調べることができる。
【００５５】
図１および図２に示すように、金属膜１２に、液体試料１１の中の特定物質と結合するセンシング物質３０を固定している場合には、それらの結合状態に応じてセンシング物質３０の屈折率が変化するので、上記微分値Ｉ’を測定し続けることにより、この結合状態の変化の様子を調べることができる。つまりこの場合は、液体試料１１およびセンシング物質３０の双方が、分析対象の試料となる。そのような特定物質とセンシング物質３０との組合せとしては、例えば抗原と抗体等が挙げられる。
【００５６】
なお、液体試料１１の中の特定物質とセンシング物質３０との結合状態の変化の様子を時間経過とともに調べるためには、所定時間が経過する毎の微分値Ｉ’を求めて表示するほか、最初に計測した微分値Ｉ’（０）と所定時間経過時に計測した微分値Ｉ’（ｔ）との差ΔＩ’を求めて表示してもよい。
【００５７】
上記のようにして、各測定箇所についての全反射減衰の状態をそれぞれ検出することができる。
【００５８】
以下、上記構成の表面プラズモンセンサーの第１の使用方法について説明する。
【００５９】
本使用方法においては、まず、図１および図２に示すように測定ユニット１０の金属膜１２上にセンシング物質３０を固定する。
【００６０】
その後、測定ユニット１０の試料保持部１０ｃ中、すなわちセンシング物質３０上に液体試料１１を注入する。ここでは、試料の溶媒（バッファー溶液）としてＫＣｌを用いる。液体試料１１中に制御素子３を挿入し、制御素子３の両端に電圧を印加し、これにより、液体試料１１中のｐＨ分布に図３（ｂ）に示すような勾配を発生させる。液体試料１１中にセンシング物質３０と結合する特定物質が含まれている場合、該特定物質がセンシング物質３０に対してｐＨに応じた結合を示す。
【００６１】
各センサーユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…により界面のｐ方向に異なる箇所における全反射減衰の状態を測定する。試料保持部１０ｃにおいて矢印Ｐ方向のｐＨ分布に勾配が生じているため、各センサーユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…は、異なるｐＨ値における特定物質とセンシング物質３０との結合状態を測定する。従って、ｐＨ値の違いによる結合状態の違いを測定することができる。例えば、特定物質がＤＮＡである場合、ｐＨに依存したハイブリダイゼーションを観測することができる。
【００６２】
本表面プラズモンセンサー１０１は、環境因子制御手段５を備えているので、測定ユニット１０の金属膜１２上のｐＨの該金属膜１２に沿った一次元方向の分布に勾配を発生させることができ、また、複数のセンサーユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…を備えているので、ｐＨの異なる複数の箇所に対応する界面における全反射減衰の状態を同時に検出することができる。
【００６３】
次に、上記構成の表面プラズモンセンサーの第２の使用方法について説明する。図６は、第２の使用方法の工程を説明するための図であり、測定ユニットの側断面図を示す。
【００６４】
本使用方法においては、まず、図６に示すように測定ユニット１０の金属膜１２上に固定化物質としてゲル６０を配する。
【００６５】
この測定ユニット１０の試料保持部１０ｃ内のゲル６０上に血液等の夾雑物６１を注入し、該夾雑物６１中に制御素子３を挿入して該制御素子３に電圧を印加して、夾雑物６１中のｐＨの分布に勾配を発生させる（図６（ａ）参照）。ここでは、低電位側のｐＨが３、高電位側のｐＨが１１程度となるように制御する。これにより、夾雑物６１中の種々の成分６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…が等電点の違いにより分離されてそれぞれの等電点（ｐＨ）に対応するゲル６０上に固定化される。すなわち、図６（ｂ）に示すように、等電点が互いに異なる物質（ここでは抗原）６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…を分離しながら固定することができる。
【００６６】
ゲル６０上に異なる複数の抗原６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…が固定化された後、図６（ｃ）に示すように、さらに、新たな試料（抗体）６５を加える。抗体６５は特定の抗原と結合するものであり、複数の抗原６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…に該特定の抗原があればそれと結合する。
【００６７】
各センサーユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…により界面のＰ方向に異なる箇所における全反射減衰の状態を測定する。試料保持部１０ｃにおいて矢印Ｐ方向に互いに異なる複数の抗原６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…が固定化されているため、各センサーユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…は、各抗原と抗体６５との結合状態を測定する。このように、分離した複数の抗原６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…と抗体６５との結合状態を測定することにより、分離した抗原の機能を同定することができる。
【００６８】
この第２の使用方法のように、夾雑物中の物質をそれぞれの等電点毎に分離して固定化することにより、従来のようなセンシング物質の単離精製が不要となり、実験の高速化、簡易化、さらに低コスト化が図れると共に、単離精製がされていない未知物質の機能解析も可能である。
【００６９】
なお、上記表面プラズモンセンサーにおいては、各センサーユニット毎に光源および入射光学系を設けたが、光源はセンサーユニット毎に設ける必要はなく、ハーフミラーやミラーを用いて光ビームを分岐して複数箇所に入射するように構成してもよい。さらには、Ｐ方向に扁平な１本の光ビームとして界面のＰ方向に一様な光ビームを入射させるようにしてもよい。
【００７０】
なお、上述の表面プラズモンセンサーにおいて、測定ユニットの一部の構成を変更することにより漏洩モードセンサーとすることができる。以下、図面を用いて本発明の測定装置の第２の実施形態である漏洩モードセンサーについて説明する。
【００７１】
図７は、本実施形態の漏洩モードセンサーの側面図である。なおこの図７において、図２中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００７２】
本漏洩モードセンサーは測定ユニット１０’として、第１の実施形態の測定ユニットと同様の、誘電体ブロック１０ａと試料保持部１０ｃが一体的に形成された誘電体バーを備えてなるものであるが、試料保持部１０ｃの底面には、金属膜にかえて、クラッド層４０が形成され、さらにその上には光導波層４１が形成されている。環境因子制御手段５および複数のセンサーユニット（ここでは漏洩モードセンサーユニット）１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…の構成については上述の表面プラズモンセンサーと同一であり、試料保持部１０ｃ内に保持される液体試料のｐＨの図中Ｐ方向の分布に勾配を発生させ、異なるｐＨとなる複数の箇所に対応する誘電体ブロック部１０ａとクラッド層４０との界面に対してそれぞれ光ビームを入射させ、該界面における液体試料中の特定物質と光導波層４１上に配されたセンシング物質３０との結合状態を個別に検出するように構成されている。
【００７３】
測定ユニットは１０’は、例えば合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラッド層４０は、該測定ユニット１０’よりも低屈折率の誘電体や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層４１は、クラッド層４０よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いてこれも薄膜状に形成されている。クラッド層４０の膜厚は、例えば金薄膜から形成する場合で３６．５ｎｍ、光導波層４１の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で７００ｎｍ程度とされる。
【００７４】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、レーザ光源１４から射出された光ビーム３０を誘電体ブロック部１０ａを通してクラッド層４０に対して全反射角以上の入射角で入射させると、該光ビーム３０の多くの成分が誘電体ブロック部１０ａとクラッド層４０との界面で全反射するが、クラッド層４０を透過して光導波層４１に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層４１を導波モードで伝搬されるようになる。こうして導波モードが励起されると、特定入射角で入射した入射光のほとんどが光導波層４１に取り込まれるので、上記界面に特定入射角で入射し、全反射された光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。光導波層４１における導波光の波数は、該光導波層４１上の液体試料１５の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角である全反射減衰角の変動を知ることによって、液体試料の屈折率や、それに関連する特性を分析することができ第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
なお、上記各実施形態においては、環境因子制御手段５として、ｐＨの分布勾配を制御するものを例に挙げて説明したが、環境因子は、試料の測定環境を左右するものであればいかなるものであってもよく、例えばｐＨ以外に、光度、温度、イオン濃度、ガス分圧、バイオ物質濃度、電気的信号など種々のものが挙げられ、これらのいずれかを制御する制御手段を備えるようにしてもよい。
【００７６】
また、上記実施形態においては、環境因子制御手段５の制御素子３として、ポリピロールからなる制御素子３を外部から試料保持部１０ｃ内の液体試料１１中に挿入するものとしたが、図８（ａ）に制御素子を備えた測定ユニットの斜視図および同図（ｂ）にＭ−Ｍ’断面図を示すように、測定ユニット１０の試料保持部１０ｃ内の側壁にポリピロールの平板３’を予め備えつけ、これを制御素子として用いるようにしてもよい。また、図９（ａ）に制御素子を兼ねた測定ユニット５０の斜視図および同図（ｂ）にＮ−Ｎ’断面図を示すように、測定ユニット５０を、試料保持部の側面を構成する部分５１と、金属膜１２が形成される面を有するガラス基板５２と、該ガラス基板５２の下部に備えられた誘電体ブロックである半円柱状のプリズム５３とのそれぞれ別体の部品からなるものとし、側面を構成する部分５１が金属膜１２を備えたガラス基板５２上に押しつけられた状態で試料保持部を構成し、側面を構成する部分５１自体をポリピロールで構成し、これを制御素子として用いるようにしてもよい。すなわち、測定ユニット５０の一部が制御素子を兼ねるように構成してもよい。図９に示すように、試料保持部の側面部分５１、ガラス基板５２、プリズム５３が別体であれば、試料保持部の側面部分５１は光透過素材を用いる必要がないため、この側面部の材料選択の自由度が広がり、この側面部自体を制御素子化することも容易となる。
【００７７】
なお、上記各実施形態の測定装置の測定ユニットの一部にペルチェ素子等の温度制御手段を備え、ｐＨの空間分布を制御すると共に、経時的に温度を変化させるようにすれば、結合状態のｐＨ依存性と温度依存性とを効率良く測定することができる。なお、測定ユニットとして、Ｐ方向にのみならず、これに直交する方向にも広がりを有する試料保持部を有するプレート状のものとし、界面に沿ったＰ方向においてｐＨの空間分布を制御し、界面に沿った、かつＰ方向に直交する方向に温度の空間分布を制御可能として、ｐＨと温度の２つの環境因子の分布を同時に制御することもできる。この場合、２次元状に広がりを有する界面の複数の箇所の全反射減衰の状態を測定することができるように複数のセンサーユニットを配置すれば効率的な測定が可能となる。なお、２つの環境因子を組み合わせる場合には、ｐＨと温度の組合せのみならず、ｐＨ、光度、温度、イオン濃度、ガス分圧、バイオ物質濃度、電気的信号等のなかから所望の２つの環境因子を組み合わせればよい。２次元状に２つの環境因子を組み合わせた分布を測定する装置においては、電気泳動ゲル中に試料を注入し、２次元電気泳動させ、この試料の２次元分布の状態を測定するものとすることもできる。
【００７８】
２次元に２つの環境因子の分布勾配を制御可能とした測定装置を、第３の実施形態の表面プラズモンセンサーとして説明する。図１０は本実施形態の表面プラズモンセンサーの概略構成を示す断面図である。
【００７９】
本実施形態の測定装置においては、測定ユニットとして、図１０に示すように、Ｐ方向にのみならず、これに直交するＱ方向にも広がりを有する試料保持部１１０ｃを有する測定プレート１１０を備え、２つの環境因子の分布勾配を制御するために、界面に沿ったＰ方向（１次元目方向）においてｐＨの空間分布を制御する第１の環境因子制御手段１０５と、界面に沿った、かつＰ方向に直交するＱ方向（２次元目方向）において光量の空間分布を制御する第２の環境因子制御手段１２５とを備えている。
【００８０】
さらに、２次元状に広がりを有する界面の複数箇所に対して同時に全反射条件で光ビームを入射させる、２次元状に配置された複数個の光源、ここでは、２次元状に配置されたＬＤ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ…からなる２次元アレイＬＤ１１４と、該光源から出射されて界面１１０ｂで反射される反射光を検出する、光源の数と同数の光検出器、ここでは、２次元状に検出エリア１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ…が分割されてなる２次元アレイ分割ＰＤ１１９とを備えている。
【００８１】
測定用プレート１１０は、試料保持部１１０ｃ底面に金属膜１２が配されており、さらに、底面と金属膜１２との界面１１０ｂに光ビームを入射させるとともに、該界面１１０ｂで反射した光ビームを出射するために、ストライプ状の誘電体ブロック部１１０ａを備えてなる。図１０において、誘電体ブロック部１１０ａはＰ方向に延びて形成されている。
【００８２】
第１の環境因子制御手段１０５は、第１の実施形態における環境因子制御手段５と略同一の構成であり、測定用プレート１１０の試料保持部１１０ｃ内に挿入され、液体試料１１のｐＨ分布に図中矢印Ｐ方向に勾配を発生させるためのポリピロールからなる制御素子１０３および該制御素子１０３に対して直流電圧を印加する図示しない直流電源を備えてなるものである。制御素子１０３は、Ｐ方向に延びた形状であり、複数個がＱ方向に並列に配置されている。
【００８３】
第２の環境因子制御手段１２５は、白色光源１２１と、透過量がＱ方向に徐々に変化する透過量分布フィルター１２２とから構成されている。
【００８４】
まず、図６の場合と同様に、測定用プレート１１０の金属膜１２上に固定化物質としてゲル６０を配する。次に、第１の環境因子制御手段１０５により図中矢印Ｐ方向のｐＨ分布に勾配を発生させる。
【００８５】
この測定ユニット１０の試料保持部１０ｃ内のゲル６０上に植物の葉緑体を含む溶液１６１を注入し、該溶液中に制御素子１０３を挿入して該制御素子１０３に電圧を印加して、溶液中のｐＨの分布に勾配を発生させる。これにより、図６の場合と同様に、溶液中の種々の成分、詳細には葉緑体内の種々の物質が等電点の違いにより分離されてそれぞれの等電点（ｐＨ）に対応するゲル６０上に固定化される。
【００８６】
ゲル６０上に、葉緑体内の異なる複数の物質が固定化された後、さらに、新たな試料、ここではイオン酵素などのタンパク質等の信号因子を加える。その後、第２の環境因子制御手段により図中矢印Ｑ方向の光量分布に勾配を発生させる。詳細には、白色光源１２１の電源をＯＮとして、白色光をフィルタ１２２を介して測定用プレート１１１０上に照射することにより、照射される光量の分布に勾配を生じさせる。
【００８７】
このようにして、Ｑ方向の光量分布に勾配を発生させ、アレイＬＤ１１４およびアレイ分割ＰＤ１１９により、全反射減衰の状態の変化を測定する、すなわち、ｐＨにより分離された葉緑体内の各物質と信号因子との結合状態を測定することにより、光合成に関与する各物質の光量依存性を容易に得ることができる。このように、本測定装置によれば、葉緑体内の複数の物質の光量依存性を同時に効率的に測定できる。
【００８８】
なお、上記透過量分布フィルタに代えて、透過する波長帯がＱ方向に変化する波長分布フィルタを備えた装置とすれば、葉緑体内の光合成に関与する各物質の波長依存性を得ることができる。
【００８９】
なお、上述の各実施形態の測定装置は、光源からの光ビームを界面に対して種々の角度で入射させ、該界面からの反射光を測定し暗線となる入射角度の変化から全反射減衰の状態を測定して被検体とセンシング物質との結合状態を得るものであるが、光ビームの入射角度を界面で全反射条件を満たす所定の角度とし、種々の波長を有する光ビームを入射させる、もしくは入射させる光ビームの波長を変化させ、界面からの反射光を測定し、各波長毎の全反射減衰の状態により被検体とセンシング物質との結合状態を得るようにしてもよい。
【００９０】
また、本発明の測定装置の第４の実施形態の表面プラズモンセンサーである光の位相を利用した測定装置を図１１に示し、以下に説明する。図１１は光の位相を利用した測定装置の概略断面図である。
【００９１】
本実施の形態による表面プラズモンセンサーにおいては、第１の実施形態と同様の測定ユニット１０および環境因子制御手段５を備えており、試料保持部１０ｃ内に保持される液体試料のｐＨの図中Ｐ方向の分布に勾配を発生させ、異なるｐＨとなる複数の箇所に対応する、誘電体ブロック部１０ａと金属膜１２との界面１０ｂの異なる複数の箇所における試料の状態を検出する複数のセンサーユニット３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃ…が備えられている。図１１においては、５つのセンサーユニットが紙面奥行き方向に配設されている。
【００９２】
図１１に側面形状を示すように、本実施の形態の表面プラズモンセンサーは、測定ユニット１０の誘電体ブロック部１０ａを挟むように、それぞれ複数の光源３３４ａ〜ｅとＣＣＤ３６０ａ〜ｅとが配設されており、これら光源３３４ａ〜ｅとＣＣＤ３６０ａ〜ｅとの間には、コリメータレンズ３５０ａ〜ｅ、干渉光学系、集光レンズ３５５ａ〜ｅおよびアパーチャー３５６ａ〜ｅが配設されている。
【００９３】
上記干渉光学系は、偏光フィルタ３５１ａ〜ｅ、ハーフミラー３５２ａ〜ｅ、ハーフミラー３５３ａ〜ｅおよびミラー３５４ａ〜ｅにより構成されている。
【００９４】
さらに、ＣＣＤ３６０ａ〜ｅは信号処理部３６１に接続されており、信号処理部３６１は表示部３６２に接続されている。
【００９５】
例えばセンサーユニット３０１Ａは、光源３３４ａ、ＣＣＤ３６０ａ、コリメータレンズ３５０ａ、偏光フィルタ３５１ａ、ハーフミラー３５２ａ、ハーフミラー３５３ａ、ミラー３５４ａ、集光レンズ３５５ａおよびアパーチャー３５６ａから構成される。
【００９６】
以下、本実施の形態の表面プラズモンセンサーにおける試料の測定について説明する。なおここでは、センサーユニット３０１Ａを例に取って説明を行なうが、その他のセンサーユニット３０１Ａも同様の測定を行う。
【００９７】
光源３３４ａが駆動されて光ビーム３３０が発散光の状態で出射される。この光ビーム３３０はコリメータレンズ３５０ａにより平行光化されて偏光フィルタ３５１ａに入射する。偏光フィルタ３５１ａを透過して界面１０ｂに対してｐ偏光で入射するようにされた光ビーム３３０は、ハーフミラー３５２ａにより一部がレファレンス光ビーム３３０Ｒとして分割され、ハーフミラー３５２ａを透過した残りの光ビーム３３０Ｓは界面１０ｂに入射する。該界面１０ｂで全反射した光ビーム330Ｓおよびミラー３５４ａで反射したレファレンス光ビーム３３０Ｒはハーフミラー３５３ａに入射して合成される。合成された光ビーム３３０´は集光レンズ３５５ａにより集光され、アパーチャー３５６ａを通過してＣＣＤ３６０ａによって検出される。このとき、ＣＣＤ３６０ａで検出される光ビーム３３０´は、光ビーム３３０Ｓとレファレンス光ビーム３３０Ｒとの干渉の状態に応じて干渉縞を発生させる。
【００９８】
例えば、特定物質とセンシング物質３０との結合状態に応じて金属膜１２上の試料（ここでは特定物質とセンシング物質３０）の屈折率が変化すると、界面で全反射した光ビームとリファレンス光ビームとの干渉状態が変化するため、干渉縞の変化に応じて結合を有無を検出することができる。
【００９９】
信号処理部361は、以上の原理に基づいて上記反応の有無を検出し、その結果が表示部362に表示される。
【０１００】
なお信号処理部361は、５個のＣＣＤ360ａ〜ｅに対してそれぞれ専用のものを設けてもよいし、あるいは５個のＣＣＤ360ａ〜ｅに対して共用のものを１個だけ設けて、それらのＣＣＤ360ａ〜ｅが出力した光量検出信号Ｓを順次処理するようにしても構わない。
【０１０１】
本実施形態の測定装置も第１の実施形態の場合の使用方法で使用することができる。例えば、図１１に示すように金属膜１２上にまずセンシング物質３０を固定させておき、ここに液体試料１１を注入する。環境因子制御手段５において、制御素子３に所定の直流電圧を印加し、液体試料中のｐＨの分布に勾配を発生させる。液体試料１１中にセンシング物質３０と結合する特定物質が含まれている場合、該特定物質がセンシング物質３０に対してｐＨに応じた結合を示す。
【０１０２】
各センサーユニット３０１Ａ、３０１Ｂ、３０１Ｃ…により界面のｐ方向に異なる箇所における全反射光とリファレンス光との干渉状態を測定する。試料保持部１０ｃにおいて矢印Ｐ方向のｐＨ分布に勾配が生じているため、各センサーユニット３０１Ａ、３０１Ｂ、３０１Ｃ…は、異なるｐＨ値における特定物質とセンシング物質３０との結合状態を測定する。従って、ｐＨ値の違いによる結合状態の違いを同じに検出することができる。
【０１０３】
なお、この表面プラズモンセンサーの構成を上記と同様に漏洩モードセンサに利用することができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による表面プラズモンセンサーの平面図
【図２】図１の表面プラズモンセンサーの側断面図
【図３】図２の表面プラズモンセンサーの測定ユニットおよび環境因子制御手段を示す断面図
【図４】表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図
【図５】光ビームの入射角度の光強度分布と作動アンプの出力とを示す図
【図６】第１の実施形態の表面プラズモンセンサーの第２の使用方法を説明するための図
【図７】本発明の第２の実施形態による漏洩モードセンサーの側断面図
【図８】他の例の測定ユニットと環境制御素子を示す図
【図９】他の例の測定ユニットと環境制御素子を示す図
【図１０】本発明の第３の実施形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【図１１】本発明の第４の実施形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【符号の説明】
３ 環境因子制御素子
４ 直流電源
５ 環境因子制御手段
10 測定ユニット
10ａ 誘電体ブロック部
10ｂ 界面
10ｃ 試料保持部
11 液体試料
12 金属膜
13 光ビーム
14 光源
15 入射光学系
16 コリメーターレンズ
17 光検出手段
18 作動アンプアレイ
19 ドライバ
20 信号処理部
21 表示手段
101 表面プラズモンセンサー
101A、101B、101C… 表面プラズモンセンサーユニット
Claims (5)
- 光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、およびこの薄膜層の表面上に液体状の試料を保持する試料保持部を備えてなる測定ユニットと、
前記光ビームを、前記測定ユニットの前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られる入射角で入射させる入射光学系と、
前記測定ユニットの前記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段とを備えてなることを特徴とする測定装置において、
前記試料保持部内に保持された前記液体状の試料全体に作用するように前記測定ユニットの外部から前記液体状の試料に刺激を与えて、該試料中の環境因子の、前記薄膜層の表面に沿った１次元もしくは２次元的な分布状態を制御し、前記試料全体に亘って前記環境因子の分布に勾配を発生させる前記測定ユニットとは物理的に分離して設けられた環境因子制御手段を備え、
前記入射光学系が、前記環境因子の分布状態が前記勾配に応じて順次異なる複数の領域に対応する、前記界面の複数の箇所に、前記光ビームを入射させるように構成され、
前記光検出手段が、前記界面の複数の箇所でそれぞれ反射された前記光ビームを各箇所毎に個別に検出するように構成されていることを特徴とする測定装置。 - 前記環境因子が、ｐＨ、光度、温度、イオン濃度、ガス分圧、バイオ物質濃度、電気的信号からなる群から選ばれた１つであることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
- 前記環境因子制御手段が、前記環境因子の前記２次元的な分布状態を制御するものであって、
前記環境因子が、ｐＨ、光度、温度、イオン濃度、ガス分圧、バイオ物質濃度、電気的信号からなる群から選ばれたいずれか２つの組合せであることを特徴とする請求項１記載の測定装置。 - 請求項１から３いずれか１項記載の測定装置の使用方法であって、
前記薄膜層上に特定の物質と結合するセンシング物質を固定し、
前記センシング物質上に液体状の試料を注入し、
前記環境因子制御手段により前記試料中における前記環境因子の分布に勾配を発生させ、
前記試料中の物質を前記センシング物質と結合させ、
前記環境因子の分布状態による、前記試料中の物質の前記センシング物質との結合状態の変化を測定することを特徴とする測定装置の使用方法。 - 請求項１から３いずれか１項記載の測定装置の使用方法であって、
前記薄膜層上に固定化物質を配し、
該固定化物質上に液体状の夾雑物試料を注入し、
前記環境因子制御手段により前記夾雑物試料中における前記環境因子の分布に勾配を発生させて、前記夾雑物試料中の複数の物質を該環境因子の分布の前記勾配により分離して、前記固定化物質上の前記環境因子の分布状態が順次異なる複数の場所に、互いに異なる物質を固定化し、
該固定化された前記夾雑物試料中の前記複数の物質上に新たな試料を注入して該新たな試料中の物質を前記互いに異なる物質に結合させ、
該試料の前記異なる物質への結合状態を測定することを特徴とする測定装置の使用方法。
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2002
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