JP6343203B2 - Optical multiple reflection measuring apparatus and optical multiple reflection measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、高速測定可能な光学多重反射測定装置および光学多重反射測定方法に関する。 The present invention relates to an optical multiple reflection measurement apparatus and an optical multiple reflection measurement method capable of high-speed measurement.
表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance 以下、「SPR」という)を利用したSPRセンサーは、分子間の相互作用をリアルタイムでモニタリングできる点に大きなメリットがあり、医薬生化学領域や、食品・環境分析の分野において幅広く利用されている。 The SPR sensor using surface plasmon resonance (hereinafter referred to as “SPR”) has a great merit in that the interaction between molecules can be monitored in real time, and the field of pharmaceutical biochemistry and food / environment analysis. Widely used in
表面プラズモンは、金属表面を伝播するプラズマ波であり、表面プラズモン共鳴は、この表面プラズモンと光波との共鳴によって生じる現象である。光によって表面プラズモンを生じさせるためには、伝播速度が遅い光であるエバネッセント波が用いられる。エバネッセント波は、光が全反射するときに、反射面の反対側に生じる表面波である。 Surface plasmon is a plasma wave propagating on a metal surface, and surface plasmon resonance is a phenomenon caused by resonance between this surface plasmon and a light wave. In order to generate surface plasmons by light, evanescent waves, which are light having a low propagation speed, are used. The evanescent wave is a surface wave that is generated on the opposite side of the reflecting surface when light is totally reflected.
SPRセンサーで多く用いられる光学系は、金属薄膜がコーティングされたプリズムを用いており、このプリズム表面に光を照射した際に、金属薄膜を通りぬけてその反対側にしみ出したエバネッセント波が金属表面の表面プラズモンを励起する。表面プラズモン共鳴が起こると光のエネルギーは表面プラズモンに移り、反射光強度は減衰するため、光の入射角に対して反射光強度をプロットすると、反射光のある特定の角度で反射光強度が減衰する。この角度をSPR角度といい、SPR角度は、金属薄膜表面近傍の媒質の屈折率に依存して変動する。計測対象となる分子(アナライト)を認識するための分子(リガンド)をセンサーチップ上に固定化し、これにアナライトを含む試料を注入すると、リガンドとアナライトの結合に伴って、センサーチップ表面の質量が増大する。これにより、センサーチップ表面の屈折率が増大し、SPR角度が変化する。このSPR角度の変化を検出することにより、センサーチップ表面における分子間相互作用をリアルタイムに計測することができる。 The optical system often used in the SPR sensor uses a prism coated with a metal thin film. When light is applied to the surface of the prism, the evanescent wave that has passed through the metal thin film and oozed out to the other side is a metal. Excites surface plasmons on the surface. When surface plasmon resonance occurs, the energy of light shifts to surface plasmon and the reflected light intensity attenuates. Therefore, when the reflected light intensity is plotted against the incident angle of light, the reflected light intensity is attenuated at a specific angle of the reflected light. To do. This angle is referred to as an SPR angle, and the SPR angle varies depending on the refractive index of the medium in the vicinity of the metal thin film surface. When a molecule (ligand) for recognizing the molecule to be measured (analyte) is immobilized on the sensor chip and a sample containing the analyte is injected into this, the surface of the sensor chip is accompanied by the binding between the ligand and the analyte. The mass of increases. As a result, the refractive index of the sensor chip surface increases and the SPR angle changes. By detecting the change in the SPR angle, the intermolecular interaction on the surface of the sensor chip can be measured in real time.
図2に、従来の表面プラズモン共鳴の測定系の一例を示す。図2において、光源1から照射された光は、分析対象試料3が搭載されたプリズム2によって反射され、受光素子4に受光されるが、入射光の入射角に応じて反射光の受光角度も機械的に合わせる必要があり、この操作を行うためには、ゴニオメータ等の複雑な機構が必要となる。そのため、装置が複雑で大型化するという問題点がある。また、入射角を繰り返し変化させるために、光源1と受光素子4をそれぞれ図2に示すように往復運動させると、光源1と受光素子4は加速、定速、減速を繰り返すことになるため、高速化が困難であり、連続で観測する場合、高速測定を行うことができなかった。そのため、高分子材料等の濡れ性変化等のように、ミリ秒単位やそれ以下で性状が変化するものを正確に評価することができなかった。
FIG. 2 shows an example of a conventional surface plasmon resonance measurement system. In FIG. 2, the light emitted from the
特許文献1には、可変光照射装置に微小回動装置を連結し、微小回動装置の駆動に伴って可変光照射装置を所要の角度にて往復回動させて、センサーチップに対する光の入射角度を可変する表面プラズモン共鳴角検出装置が記載されている。
In
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、高速で性状が変化するものを測定対象としても、正確に高速測定を行うことが可能な光学多重反射測定装置と光学多重反射測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an optical multiple reflection measuring apparatus and an optical multiplexing capable of accurately performing high-speed measurement even when a subject whose properties change at high speed are to be measured. An object is to provide a reflection measurement method.
以上の課題を解決するために、本発明の光学多重反射測定装置は、センサーチップが配置され分析対象試料を搭載したプリズムに対して光を照射する光源と、前記プリズムによって反射された光を受光する受光素子と、前記プリズムへの入射光の焦点を中心として前記光源を連続的に回転させる機構部とを備え、前記光源の回転に伴って前記プリズムへの入射光の入射角を変化させて、前記プリズムからの反射光の強度を測定することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the optical multiple reflection measuring apparatus of the present invention receives a light source that irradiates light to a prism on which a sensor chip is arranged and a sample to be analyzed is mounted, and light reflected by the prism. And a mechanism for continuously rotating the light source around the focal point of the incident light on the prism, and changing the incident angle of the incident light on the prism as the light source rotates. The intensity of reflected light from the prism is measured.
また、本発明の光学多重反射測定方法は、センサーチップが配置され分析対象試料を搭載したプリズムに対して光を照射する光源を、前記プリズムへの入射光の焦点を中心として連続的に回転して前記プリズムへの入射光の入射角を変化させ、前記プリズムによって反射された光を受光素子で受光して前記プリズムからの反射光の強度を測定することを特徴とする。 In the optical multiple reflection measurement method of the present invention, a light source that irradiates light to a prism on which a sensor chip is arranged and a sample to be analyzed is continuously rotated about a focal point of incident light on the prism. The incident angle of the incident light to the prism is changed, the light reflected by the prism is received by a light receiving element, and the intensity of the reflected light from the prism is measured.
プリズムへの入射光の焦点を中心として光源を回転させることにより、光源を往復運動させるときのように光源を減速させる必要がなく、一定速度で高速に動かすことができる。そのため、分析対象試料を搭載したプリズムに対して、高速で入射角を変化させて光を投入することができる。これにより、分析対象試料の表面の過渡変化をミリ秒オーダーで観測することが可能となる。 By rotating the light source around the focal point of the incident light to the prism, it is not necessary to decelerate the light source as in the case of reciprocating the light source, and can be moved at a high speed at a constant speed. Therefore, it is possible to inject light with changing the incident angle at a high speed to the prism on which the sample to be analyzed is mounted. Thereby, it becomes possible to observe the transient change of the surface of the sample to be analyzed on the order of milliseconds.
本発明の光学多重反射測定装置においては、前記受光素子は、設置位置を変えることなく反射光を受光することが可能な受光面積を有する大面積型フォトダイオードである。
また、本発明の光学多重反射測定方法においては、前記受光素子は、設置位置を変えることなく反射光を受光することが可能な受光面積を有する大面積型フォトダイオードである。
In the optical multiple reflection measuring apparatus of the present invention, the light receiving element is a large area photodiode having a light receiving area capable of receiving reflected light without changing an installation position.
In the optical multiple reflection measurement method of the present invention, the light receiving element is a large-area photodiode having a light receiving area capable of receiving reflected light without changing an installation position.
受光素子として大面積型フォトダイオードを用いることにより、一つの受光素子で設置位置や角度を変えることなく反射光を受光することができ、角度による光強度の補正をすることで、受光側を固定して表面プラズモンの共鳴角を観測することができる。 By using a large-area photodiode as the light receiving element, reflected light can be received by one light receiving element without changing the installation position and angle, and the light receiving side is fixed by correcting the light intensity according to the angle. Thus, the resonance angle of the surface plasmon can be observed.
また、入射光の焦点を中心として光源を回転させるため、プリズムへの入射光の入射角を大きな範囲で変化させることができる。そのため、表面プラズモン共鳴が起こる全反射角よりも小さい入射角での反射光強度も高速で計測することができる。 Further, since the light source is rotated around the focal point of the incident light, the incident angle of the incident light to the prism can be changed within a large range. Therefore, the reflected light intensity at an incident angle smaller than the total reflection angle at which surface plasmon resonance occurs can be measured at high speed.
本発明によると、高速で性状が変化するものを測定対象としても、正確に高速測定を行うことが可能な光学多重反射測定装置と光学多重反射測定方法を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize an optical multiple reflection measurement apparatus and an optical multiple reflection measurement method capable of accurately performing high-speed measurement even when an object whose properties change at high speed is a measurement target.
以下に、本発明の光学多重反射測定装置と光学多重反射測定方法を、その実施形態に基づいて説明する。
図1に、本発明の実施形態に係る光学多重反射測定装置を示す。
光学多重反射測定装置は、分析対象試料3を搭載したプリズム2に対して光を照射する光源1と、プリズム2によって反射された光を受光する受光素子4を備えている。光源1は機構部によって、プリズム2への入射光の焦点を中心として、連続的に回転する。光源1の回転により、プリズム2への入射光の入射角を変化させて、プリズム2からの反射光の強度を測定する。断面が半円状のプリズム2の平面側上部にはセンサーチップ6が配置されており、センサーチップ6上に分析対象試料3が搭載されている。分析対象試料3上には気体液体試料用管7が配置される。光源1からプリズム2に入射した光は、センサーチップ6が配置され分析対象試料3が搭載されている、プリズム2の平面側上部にて反射して、反射光が受光素子4に受光される。
Hereinafter, an optical multiple reflection measurement apparatus and an optical multiple reflection measurement method of the present invention will be described based on the embodiments.
FIG. 1 shows an optical multiple reflection measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
The optical multiple reflection measuring apparatus includes a
センサーチップ6は、数十nmの厚さの金属膜をガラス等の光透過体に形成させた板状のものであり、金属膜として通常はAu膜が使用される。センサーチップ6はプリズム2と別部材として形成してもよく、樹脂成型によりプリズム2と一体として形成することもできる。このセンサーチップ6の金属表面側に分析対象試料3の薄膜を設置してその密度を測定する。センサーチップ6はセンサーセルで固定される。
The
光源1として、特定波長のレーザー光源等を用い、その波長特性を有する受光素子4を組み合わせて使用する。受光素子4は所定の角度で固定する。光源1側の光学系の回転は、機構部に備えられたモータにより行い、光源1側の光学系を所定の速度で一方向へ連続回転させ、回転速度を安定させる。
A laser light source having a specific wavelength is used as the
受光素子4として、設置位置を変えることなく反射光を受光することが可能な受光面積を有する大面積型フォトダイオードを用いており、一つの受光素子4で設置位置や角度を変えることなく反射光を受光することができ、角度による光強度の補正をすることで、受光側を固定して表面プラズモンの共鳴角を観測することができる。
As the
分析対象試料3を囲むフローセル5を用いることにより、温度、圧力、雰囲気ガス等の環境を制御することが可能である。そのため、これらの環境変化による材料の変化も観測することができ、従来観測できなかった材料特性を調べることができる。ピペットによる手動操作またはポンプ等の送液装置により各種の液体や気体を接触させ、その前後のデータを連続して取得する。
By using the
測定結果のデータ処理は、測定値とリファレンス値との差分を採るため、光源1側の光学系を通してセンサーチップ6の裏面へ照射した光の反射光と、リファレンス光の差分をとってレーザー光そのものの変動を相殺し、分析対象試料3の変性による応答の変化を捉える。
Since the data processing of the measurement result takes the difference between the measurement value and the reference value, the difference between the reflected light of the light irradiated to the back surface of the
プリズム2に対する入射光の投入角度に応じて反射光も変化するが、大面積フォトダイオードである受光素子4は所定の角度で固定されているため、受光素子4への入射角が大きくなるにつれて受光強度が低減する。このため、受光角度に応じて補正するプログラムを備えることにより、反射角による受光強度の補正を行う。
Although the reflected light also changes according to the incident angle of incident light to the
上述した測定方法は、単層膜に対して適用されるばかりでなく、多層膜に対してもスネル法則を利用することにより各膜の密度を知ることができるため、多層膜に対しても適用することができ、単層膜、多層膜の区別なく適用対象を広く設定できる。 The measurement method described above is not only applied to single-layer films, but can also be applied to multilayer films because the density of each film can be determined by using Snell's law for multilayer films. The application object can be set widely without distinction of a single layer film and a multilayer film.
本発明においては、光源1を機構部により回転させることにより、光源1を一定速度で高速に動かすことが可能である。そのため、分析対象試料3を搭載したプリズム2に対して、高速で入射角を変化させて光を投入することができ、分析対象試料3の表面の過渡変化をミリ秒オーダーで観測することが可能となる。このようにして、表面プラズモン共鳴の高速な変化を捉えることができるため、高分子材料等の濡れ性の変化など、ミリ秒単位以下で性状が変化するものの評価に用いることができる。具体的な測定対象として、印刷物(紙、インク、塗料等)、タイヤゴム、化粧品等を挙げることができる。
In the present invention, it is possible to move the
また、プリズム2への入射光の焦点を中心として光源1を回転させるため、プリズム2への入射光の入射角を大きな範囲で変化させることができ、表面プラズモン共鳴が起こる全反射角よりも小さい入射角での反射光強度も高速で計測することができる。そのため、表面プラズモン共鳴に限らず、反射光強度の計測から得られる分析対象試料3の情報を広く採取することが可能な光学多重反射測定装置と光学多重反射測定方法として機能する。
Further, since the
本発明は、高速で性状が変化するものを測定対象としても、正確に高速測定を行うことが可能な光学多重反射測定装置と光学多重反射測定方法として広く利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be widely used as an optical multiple reflection measurement apparatus and an optical multiple reflection measurement method capable of accurately performing high-speed measurement even when a subject whose properties change at high speed is a measurement target.
1 光源
2 プリズム
3 分析対象試料
4 受光素子
5 フローセル
6 センサーチップ
7 気体液体試料用管
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