JP7093727B2 - 光学式検体検出システムにおけるセンサーチップの位置検出方法及び位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）現象を応用した表面プラズモン共鳴装置や、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ：Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）の原理に基づいた表面プラズモン励起増強蛍光測定装置などを用いてセンサーチップ内に含まれる測定対象物質の検出を行う光学式検体検出システムにおいて、センサーチップの位置を検出するための位置検出方法及び位置検出装置に関する。

従来、極微少な物質の検出を行う場合において、物質の物理的現象を応用することでこのような物質の検出を可能とした様々な検体検出装置が用いられている。
このような検体検出装置の一つとして、ナノメートルレベルなどの微細領域中で電子と光が共鳴することにより、高い光出力を得る現象（表面プラズモン現象（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）現象）を応用し、例えば、生体内の極微少なアナライトの検出を行うようにした表面プラズモン共鳴装置（以下、「ＳＰＲ装置」と言う）が挙げられる。

また、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象を応用した、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ：Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）の原理に基づき、ＳＰＲ装置よりもさらに高精度にアナライト検出を行えるようにした表面プラズモン励起増強蛍光分光測定装置（以下、「ＳＰＦＳ装置」と言う）も、このような検体検出装置の一つである。

この表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）は、光源より照射したレーザー光などの励起光が、金属膜表面で全反射減衰（ＡＴＲ：Attenuated Total Reflectance）する条件において、金属膜表面に表面プラズモン光（疎密波）を発生させることによって、光源より照射した励起光が有するフォトン量を数十倍～数百倍に増やして、表面プラズモン光の電場増強効果を得るようになっている。

このようなＳＰＦＳ装置において、高感度かつ高精度な検出を行うためには、センサーチップの位置を高い精度で合わせる必要がある。アナライトの量を正確に検出するためには、励起光の入射角を高精度に調整することが必要であるが、センサーチップの位置がずれていると、励起光の入射角を高精度に調整することができない。

また、アナライトを高感度に検出するためには、励起光の照射スポットの形状及び位置と、金属膜上の反応場の形状及び位置とが一致することが好ましいが、センサーチップの位置がずれていると、励起光の照射スポットの形状及び位置を高精度に調整することができない。

一方で、ユーザーにセンサーチップの位置を高い精度で合わせることを要求することは、ユーザビリティの観点から好ましくない。

特許文献１（国際公開第２０１５／０６４７０４号）では、センサーチップに励起光を照射し、この励起光の反射光又は透過光を検出することにより、センサーチップの位置情報を取得する方法が開示されている。

特許文献１に開示されるように、励起光の反射光又は透過光が所定方向に反射又は透過しているか否かや、反射光又は透過光の光量の変化に基づいて、センサーチップのプリズムや流路蓋の位置を検出することができる。

国際公開第２０１５／０６４７０４号

しかしながら、特許文献１に開示された位置検出方法は、プリズム上に流路が形成された流路チップタイプと言われるセンサーチップについて、位置検出を行うものであった。
センサーチップには、プリズム上にウェル部材が設けられたウェルチップタイプと言われるものがある。ウェルチップタイプのセンサーチップは、検体検査を行う際に、ユーザーがウェル部材とプリズムを貼り合わせて使用される。

このため、ウェル部材とプリズムとの相対的位置関係が、検体検査毎にずれてしまうことがある。プリズムに対してウェル部材が所定の範囲に存在するか否かを把握することは、最適な検体検査やセンサーチップの品質を担保する上で極めて重要なことである。

本発明では、プリズム上にウェル部材が設けられたウェルチップタイプのセンサーチップについて、センサーチップの位置検出とともに、ウェル部材とプリズムとの相対的な位置情報を取得するための位置検出方法及び位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、前述したような従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した光学式検体検出システムにおける位置検出方法は、
誘電体部材と、
前記誘電体部材の上面に隣接する金属膜と、
前記金属膜の上面に配置される試料溶液保持部材と、を備えたセンサーチップに対して、励起光を照射することで検体の検出を行う光学式検体検出システムにおいて、前記誘電体部材と前記試料溶液保持部材との相対的位置を検出する位置検出方法であって、
前記センサーチップと測定光照射ユニットとの距離を変化させながら、前記センサーチップに対して測定光を照射するとともに、前記測定光が前記センサーチップに反射することで生じた反射光のうち、所定の方向に進む反射光を検出する工程と、
検出した前記反射光の強度の変化において、前記反射光の強度が一時的に増大する極大点が現れる位置を、前記試料溶液保持部材の底面と側面との境界面の位置とする工程と、
前記試料溶液保持部材の前記境界面の位置の情報を使い、前記試料溶液保持部材と前記誘電体部材とのズレが所定の範囲に収まっているか否かを判断して、前記誘電体部材と前記試料溶液保持部材との相対的位置を検出する工程とを含む。

また、本発明の一側面を反映した光学式検体検出システムにおける位置検出装置は、
誘電体部材と、
前記誘電体部材の上面に隣接する金属膜と、
前記金属膜の上面に配置される試料溶液保持部材と、を備えたセンサーチップに対して、励起光を照射することで検体の検出を行う光学式検体検出システムにおいて、前記誘電体部材と前記試料溶液保持部材との相対的位置を検出する位置検出装置であって、
前記センサーチップに対して測定光を照射する測定光照射ユニットと、
前記測定光が前記センサーチップに反射することで生じた反射光のうち、所定の方向に進む反射光を検出する測定光検出ユニットと、
前記センサーチップと前記励起光照射ユニットとの距離を変化させる搬送ユニットと、
前記測定光検出ユニットにより検出された前記反射光の強度の変化において、前記反射光の強度が一時的に増大する極大点が現れる位置を、前記試料溶液保持部材の底面と側面との境界面の位置とし、前記試料溶液保持部材の前記境界面の位置の情報を使い、前記試料溶液保持部材と前記誘電体部材とのズレが所定の範囲に収まっているか否かを判断して、前記誘電体部材と前記試料溶液保持部材との相対的位置を検出する制御部と、を備える。

本発明によれば、検体検出を行う前に、誘電体部材（プリズム）と試料溶液保持部材とのズレを把握することができ、センサーチップの品質を担保することでき、高感度かつ高精度な検体検査を行うことができる。

さらに、ユーザーの手を煩われることなく、センサーチップを高い精度で位置合わせすることができ、ユーザビリティの低下を防ぎつつ、高感度かつ高精度な検体検査を行うことができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る位置検出装置を含む表面プラズモン励起増強蛍光分光測定装置（ＳＰＦＳ装置）の構成を説明するための模式図である。 図２は、ウェル部材の変形例を説明するための模式図である。 図３は、図１に示すＳＰＦＳ装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。 図４は、図３に示される位置検出及び位置調整工程内の工程を示すフローチャートである。 図５は、センサーチップの位置情報及びウェル部材と誘電体部材との相対的位置情報を得る工程（Ｓ１４０）を説明するための模式図である。 図６は、受光センサーによる反射光βの検出結果の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいて、より詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る位置検出装置を含む表面プラズモン励起増強蛍光分光測定装置（ＳＰＦＳ装置）の構成を説明するための模式図である。

図１に示すように、ＳＰＦＳ装置１０は、励起光照射ユニット２０、励起光検出ユニット３０、蛍光検出ユニット４０、搬送ユニット５０及び制御部６０を有している。

ＳＰＦＳ装置１０は、搬送ユニット５０のチップホルダー５４にセンサーチップ７０を装着した状態で使用される。
センサーチップ７０は、入射面７２ａ、成膜面７２ｂ及び出射面７２ｃを有する誘電体部材７２と、成膜面７２ｂに形成された金属膜７４と、成膜面７２ｂまたは金属膜７４上に固着された試料溶液保持部材であるウェル部材７６とを有する。通常、センサーチップ７０は、検体検査毎に交換されるものである。

センサーチップ７０は、好ましくは各辺の長さが数ｍｍ～数ｃｍ程度の構造物であるが、「チップ」の範疇に含まれないようなより小型の構造物又はより大型の構造物であっても構わない。

誘電体部材７２は、励起光αに対して透明な誘電体からなるプリズムとすることができる。誘電体部材７２の入射面７２ａは、励起光照射ユニット２０から照射される励起光αが誘電体部材７２の内部に入射される面である。また、成膜面７２ｂ上には、金属膜７４が形成されている。誘電体部材７２の内部に入射した励起光αは、この金属膜７４と誘電体部材７２の成膜面７２ｂとの界面（以下、便宜上「金属膜７４の裏面」という）において反射され、出射面７２ｃを介して、励起光αは誘電体部材７２の外部に出射される。

誘電体部材７２の形状は特に限定されるものではなく、図１に示す誘電体部材７２は、鉛直断面形状が略台形の六面体（截頭四角錐形状）からなるプリズムであるが、例えば、鉛直断面形状を三角形（いわゆる、三角プリズム）、半円形、半楕円形としたプリズムとすることもできる。

入射面７２ａは、励起光αが励起光照射ユニット２０に戻らないように形成される。励起光αの光源が、例えば、レーザーダイオード（以下、「ＬＤ」ともいう）である場合、励起光αがＬＤに戻ると、ＬＤの励起状態が乱れてしまい、励起光αの波長や出力が変動してしまう。

このため、理想的な増強角を中心とする走査範囲において、励起光αが入射面７２ａに対して垂直に入射しないように、入射面７２ａの角度が設定される。本実施形態においては、入射面７２ａと成膜面７２ｂとの角度、及び、出射面７２ｃと成膜面７２ｂとの角度は、いずれも、約８０°である。

なお、センサーチップ７０の設計により、共鳴角（及びその極近傍にある増強角）が概ね決定される。設計要素は、誘電体部材７２の屈折率、金属膜７４の屈折率、金属膜７４の膜厚、金属膜７４の消衰係数、励起光αの波長などである。金属膜７４上に固定化されたアナライトによって共鳴角及び増強角がシフトするが、その量は数度未満である。

誘電体部材７２は、複屈折特性を少なからず有する。誘電体部材７２の材料は、例えば、ガラス、セラミックスなどの各種の無機物、天然ポリマー、合成ポリマーなどが含まれ、化学的安定性、製造安定性、光学的透明性の観点から、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）または二酸化チタン（ＴｉＯ₂）を含むものが好ましい。

また、誘電体部材７２の材質は、少なくとも励起光αに対して光学的に透明な材料から形成されていれば、その材質は、上記のように特に限定されないが、安価で取り扱い性に優れるセンサーチップ７０を提供する上で、例えば、樹脂材料から形成されていることが好ましい。

誘電体部材７２を樹脂材料から形成する場合、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン類、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）などのポリ環状オレフィン類、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのビニル系樹脂、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド、ポリイミド、アクリル樹脂、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）などを用いることができる。

金属膜７４は、誘電体部材７２の成膜面７２ｂ上に形成される。これにより、成膜面７２ｂに全反射条件で入射した励起光αの光子と、金属膜７４中の自由電子との間で相互作用（表面プラズモン共鳴）が生じ、金属膜７４の表面上に局在場光を生じさせることができる。

金属膜７４の材料は、表面プラズモン共鳴を生じさせうる金属であれば、特に限定されるものではなく、例えば、金、銀、アルミニウム、銅、および白金からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属からなり、より好ましくは金からなり、さらに、これら金属の合金から構成してもよい。このような金属は、酸化に対して安定であり、かつ、表面プラズモン光による電場増強が大きくなるため、金属膜７４として好適である。

また、金属膜７４の形成方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、スパッタリング法、蒸着法（抵抗加熱蒸着法、電子線蒸着法など）、電解メッキ、無電解メッキ法などが挙げられる。好ましくは、スパッタリング法、蒸着法を使用するのが、金属膜形成条件の調整が容易であるので望ましい。

金属膜７４の厚さとしては、特に限定されるものではないが、好ましくは、５～５００ｎｍの範囲内とするのが好ましく、電場増強効果の観点から、より好ましくは、金、銀、銅、白金の場合には２０～７０ｎｍ、アルミニウムの場合には、１０～５０ｎｍ、これらの合金の場合には１０～７０ｎｍの範囲内であることが好ましい。

金属膜７４の厚さが上記範囲内であれば、表面プラズモン光が発生し易く好適である。また、このような厚さを有する金属膜７４であれば、大きさ（縦×横）の寸法、形状は、特に限定されない。

また、ウェル部材７６の材質としては、特に限定されるものではなく、例えば、合成樹脂、金属、セラミックスなど種々の材料から作製することができる。
ウェル部材７６の製造方法も、特に限定されるものではない。例えば、極一般的に行われる樹脂成形法、打ち抜きなどで作製することができる。

なお、本実施形態において、ウェル部材７６の底面と側面との境界面７６ａは、Ｒ面となっている。境界面７６ａの形状はこれに限らず、後述するように、境界面７６ａに反射した励起光α（反射光β）が、励起光検出ユニット３０の受光センサー３１に入射するような角度をなした面を有していればよく、例えば、図２に示すように、誘電体部材７２の入射面７２ａと略同一の角度の境界面７６ａを形成することもできる。

このように作製されたウェル部材７６は、誘電体部材７２と略同一の屈折率を有する接着剤、マッチングオイル、透明な粘着シートなどを用いて、誘電体部材７２に固着させることができる。

また、図１では図示しないが、金属膜７４の誘電体部材７２と対向しない面（以下、便宜上「金属膜７４の表面」という）には、アナライトを捕捉するためのリガンドが固定化されている。リガンドを固定化することで、アナライトを選択的に検出することが可能となる。

本実施形態では、金属膜７４上の所定の領域（反応場）に、リガンドが均一に固定化されている。リガンドの種類は、アナライトを捕捉することができれば特に限定されない。本実施形態では、リガンドは、アナライトに特異的な抗体またはその断片である。

このように構成されるセンサーチップ７０は、図１に示すように、ＳＰＦＳ装置１０の搬送ユニット５０のチップホルダー５４に装着され、ＳＰＦＳ装置１０によって検体検出が行われる。

次に、ＳＰＦＳ装置１０の各構成要素について説明する。前述するように、ＳＰＦＳ装置１０は、励起光照射ユニット２０、励起光検出ユニット３０、蛍光検出ユニット４０、搬送ユニット５０及び制御部６０を有する。

励起光照射ユニット２０は、チップホルダー５４に保持されたセンサーチップ７０に励起光αを照射する。後述するように、蛍光γの測定時には、励起光照射ユニット２０は、金属膜７４に対する入射角が表面プラズモン共鳴を生じさせる角度となるように、金属膜７４に対するＰ波のみを入射面７２ａに向けて出射する。

ここで「励起光」とは、蛍光物質を直接または間接的に励起させる光である。例えば、励起光αは、誘電体部材７２を介して金属膜７４に表面プラズモン共鳴が生じる角度で照射されたときに、蛍光物質を励起させる局在場光を金属膜７４の表面上に生じさせる光である。本実施形態におけるＳＰＦＳ装置１０では、励起光αを、センサーチップ７０の位置検出及び位置調整のための測定光として使用する。このような、測定光としての励起光αの波長は、特に限定されるものではないが、可視広域から近赤外光域の波長とすることが好ましい。

なお、図示しないが、励起光照射ユニット２０とは別に、測定光を照射するための測定光照射ユニットを設け、励起光と測定光を別のユニットから照射するように構成することも可能である。

励起光照射ユニット２０は、励起光αを誘電体部材７２に向けて出射するための構成と、金属膜７４の裏面に対する励起光αの入射角度を走査するための構成とを含む。本実施形態では、励起光照射ユニット２０は、光源ユニット２１、角度調整機構２２及び光源制御部２３を含む。

光源ユニット２１は、コリメートされ、かつ波長及び光量が一定の励起光αを、金属膜７４裏面に対して照射スポットの形状が略円形となるように照射する。光源ユニット２１は、例えば、励起光αの光源、ビーム整形光学系、ＡＰＣ（Automatic Power-Control）機構及び温度調整機構（いずれも不図示）を含む。

光源の種類は、特に限定されるものではなく、例えば、レーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード、水銀灯、その他のレーザー光源が含まれる。光源から照射される光がビームでない場合には、光源から照射される光は、レンズや鏡、スリットなどによりビームに変換される。また、光源から照射される光が単色光でない場合には、光源から照射される光は、回折格子などにより単色光に変換される。さらに、光源から照射される光が直線偏光でない場合には、光源から照射される光は、偏光子などにより直線偏光の光に変換される。

ビーム整形光学系は、例えば、コリメーターやバンドパスフィルター、直線偏光フィルター、半波長板、スリット、ズーム手段などを含む。ビーム整形光学系は、これらの全てを含んでいてもよいし、一部のみを含んでいてもよい。

コリメーターは、光源から照射された励起光αをコリメートする。バンドパスフィルターは、光源から照射された励起光αを中心波長のみの狭帯域光にする。光源からの励起光αは、若干の波長分布幅を有しているためである。

直線偏光フィルターは、光源から照射された励起光αを完全な直線偏光の光にする。半波長板は、金属膜７４にＰ波成分が入射するように励起光αの偏光方向を調整する。スリット及びズーム手段は、金属膜７４裏面における照射スポットの形状が所定サイズの円形となるように、励起光αのビーム径や輪郭形状などを調整する。

ＡＰＣ機構は、光源の出力が一定となるように光源を制御する。より具体的には、ＡＰＣ機構は、励起光αから分岐させた光の光量を不図示のフォトダイオードなどで検出する。そして、ＡＰＣ機構は、回帰回路で投入エネルギーを制御することで、光源の出力を一定に制御する。

温度調整機構は、例えば、ヒーターやペルチェ素子などである。光源の出射光の波長及びエネルギーは、温度によって変動することがある。このため、温度調整機構で光源の温度を一定に保つことにより、光源の出射光の波長及びエネルギーを一定に制御する。

角度調整機構２２は、金属膜７４への励起光αの入射角を調整する。角度調整機構２２は、誘電体部材７２を介して金属膜７４の所定の位置に向けて所定の入射角で励起光αを照射するために、励起光αの光軸とチップホルダー５４とを相対的に回転させる。

例えば、角度調整機構２２は、光源ユニット２１を励起光αの光軸と直交する軸（図１の紙面に対して垂直な軸）を中心として回動させる。このとき、入射角を走査しても金属膜７４上での照射スポットの位置がほとんど変化しないように、回転軸の位置を設定する。回転中心の位置を、入射角の走査範囲の両端における２つの励起光αの光軸の交点近傍（成膜面７２ｂ上の照射位置と入射面７２ａとの間）に設定することで、照射位置のズレを極小化することができる。

金属膜７４に対する励起光αの入射角のうち、プラズモン散乱光の最大光量を得られる角度が増強角である。増強角またはその近傍の角度に励起光αの入射角を設定することで、高強度の蛍光γを測定することが可能となる。

なお、センサーチップ７０の誘電体部材７２の材料及び形状、金属膜７４の膜厚、ウェル部材７６内の試料溶液の屈折率などにより、励起光αの基本的な入射条件が決定されるが、ウェル部材７６内のアナライトの種類及び量、誘電体部材７２の形状誤差などにより、最適な入射条件はわずかに変動する。このため、検体検査毎に最適な増強角を求めることが好ましい。本実施形態では、金属膜７４の法線（図１におけるｚ軸方向の直線）に対する励起光αの好適な出射角は、約７０°である。

光源制御部２３は、光源ユニット２１に含まれる各種機器を制御して、光源ユニット２１の励起光αの照射を制御する。光源制御部２３は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置及び出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどによって構成される。

励起光検出ユニット３０は、光学測定（例えば、増強角の検出や光学ブランク値の測定、蛍光γの検出など）を行う際のセンサーチップ７０の位置決めのために、センサーチップ７０への励起光αの照射によって生じた反射光βを検出する。好ましくは、励起光検出ユニット３０は、最初の光学測定を行う前に、センサーチップ７０の位置決めのために反射光βを検出する。多くの場合、最初の光学測定は、増強角の検出であることから、増強角の検出の前に反射光βを検出することが好ましい。増強角の検出を実施しない場合は、光学ブランクの測定前に反射光βを検出する。増強角の検出及び光学ブランクの測定の両方を実施しない場合は、蛍光γの検出前に反射光βを検出する。本実施形態では、励起光検出ユニット３０は、励起光αの反射光βを検出する。励起光検出ユニット３０は、受光センサー３１及びセンサー制御部３２を含む。

受光センサー３１は、励起光αの反射光βを検出する。受光センサー３１の種類は、励起光αの反射光βを検出可能であれば、特に限定されるものではなく、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）を用いることができる。

受光センサー３１の受光面の大きさは、励起光αのビーム径よりも大きいことが好ましい。例えば、励起光αのビーム径が１～１．５ｍｍ程度の場合、受光センサー３１の受光面の１辺の長さは３ｍｍ以上であることが好ましい。

受光センサー３１は、励起光αの反射光βが入射する位置に配置される。本実施形態では、受光センサー３１は、誘電体部材７２の入射面７２ａからの反射光βやウェル部材７６の境界面７６ａからの反射光βが入射する位置に配置される。好ましくは、受光センサー３１は、蛍光γの検出時と同じかまたはそれに近い角度で出射された励起光αの反射光βが入射する位置に配置される。

励起光αの照射位置は、入射角の変化によりわずかに変化するため、センサーチップ７０の位置決め時と蛍光γの測定時とで励起光αの入射角を同じかまたはそれに近い角度にすることで、蛍光γの検出時の位置決め精度をより高くすることが可能となる。

本実施形態では、金属膜７４の法線（図１におけるｚ軸方向の直線）に対する励起光αの出射角が約７０°である場合、入射面７２ａからの反射光βは、搬送ステージ５２の進行方向（図１におけるｘ軸方向）にほぼ水平に進む。したがって、受光センサー３１は、この水平方向に進む反射光βが入射する位置に配置される。

センサー制御部３２は、受光センサー３１の出力値の検出や、検出した出力値による受光センサー３１の感度の管理、適切な出力値を得るための受光センサー３１の感度の変更などを制御する。センサー制御部３２は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置及び出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどによって構成される。

蛍光検出ユニット４０は、金属膜７４への励起光αの照射により励起された蛍光物質から生じる蛍光γを検出する。また、必要に応じて、蛍光検出ユニット４０は、金属膜７４への励起光αの照射によって生じたプラズモン散乱光も検出する。蛍光検出ユニット４０は、例えば、受光ユニット４１、位置切替機構４７及びセンサー制御部４８を含む。

受光ユニット４１は、センサーチップ７０の金属膜７４の法線方向（図１におけるｚ軸方向）に配置される。受光ユニット４１は、第１レンズ４２、光学フィルター４３、第２レンズ４４及び受光センサー４５を含む。

第１レンズ４２は、例えば、集光レンズであり、金属膜７４上から生じる光を集光する。第２レンズ４４は、例えば、結像レンズであり、第１レンズ４２で集光された光を受光センサー４５の受光面に結像させる。両レンズ４２，４４の間の光路は、略平行な光路となっている。光学フィルター４３は、両レンズ４２，４４の間に配置されている。

光学フィルター４３は、蛍光成分のみを受光センサー４５に導き、高いＳ／Ｎで蛍光γを検出するために、励起光成分（プラズモン散乱光）を除去する。光学フィルター４３は、例えば、励起光反射フィルター、短波長カットフィルター及びバンドパスフィルターが含まれる。光学フィルター４３は、例えば、所定の光成分を反射する多層膜を含むフィルターであるが、所定の光成分を吸収する色ガラスフィルターであってもよい。

受光センサー４５は、蛍光γを検出する。受光センサー４５は、微少量のアナライトを標識した蛍光物質からの微弱な蛍光γを検出することが可能な、高い感度を有するものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、光電子倍増管（ＰＭＴ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などを用いることができる。

位置切替機構４７は、光学フィルター４３の位置を、受光ユニット４１における光路上または光路外に切り替える。具体的には、受光センサー４５が蛍光γを検出する時には、光学フィルター４３を受光ユニット４１の光路上に配置し、受光センサー４５がプラズモン散乱光を検出する時には、光学フィルター４３を受光ユニット４１の光路外に配置する。位置切替機構４７は、例えば、回転駆動部と、回転運動を利用して光学フィルター４３を水平方向に移動させる公知の機構（ターンテーブルやラックアンドピニオンなど）とによって構成される。

センサー制御部４８は、受光センサー４５の出力値の検出や、検出した出力値による受光センサー４５の感度の管理、適切な出力値を得るための受光センサー４５の感度の変更などを制御する。センサー制御部４８は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置及び出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどによって構成される。

搬送ユニット５０は、ユーザーによりチップホルダー５４に装着されたセンサーチップ７０を測定位置に搬送し、固定する。ここで「測定位置」とは、励起光照射ユニット２０がセンサーチップ７０に励起光αを照射し、それに伴い発生する蛍光γを蛍光検出ユニット４０が検出する位置である。

なお、搬送ユニット５０は、後述する位置検出及び位置調整工程において、センサーチップ７０と励起光照射ユニット２０の光源ユニット２１との距離を変化させるためにも用いられる。

搬送ユニット５０は、搬送ステージ５２及びチップホルダー５４を含む。チップホルダー５４は、搬送ステージ５２に固定されており、センサーチップ７０を着脱可能に保持する。チップホルダー５４の形状は、センサーチップ７０を保持することが可能であり、かつ、励起光α、反射光β及び蛍光γの光路を妨げない形状であれば、特に限定されるものではない。例えば、チップホルダー５４には、励起光α、反射光β及び蛍光γが通過するための開口が設けられている。

搬送ステージ５２は、チップホルダー５４を一方向（図１におけるｘ軸方向）及びその逆方向に移動可能に構成される。搬送ステージ５２は、例えば、ステッピングモーターなどにより駆動される。

制御部６０は、角度調整機構２２、光源制御部２３、位置切替機構４７、センサー制御部４８及び搬送ステージ５２を制御する。また、制御部６０は、励起光検出ユニット３０の検出結果に基づいて、チップホルダー５４に保持されたセンサーチップ７０の位置を特定するとともに、搬送ステージ５２によりチップホルダー５４を移動させて、センサーチップ７０を適切な測定位置に移動させる位置調整部としても機能する。制御部６０は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置及び出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどによって構成される。

以下、ＳＰＦＳ装置１０を用いた検体検出の流れについて説明する。図３は、ＳＰＦＳ装置１０の動作手順の一例を示すフローチャート、図４は、図３に示される位置検出及び位置調整工程内の工程を示すフローチャートである。

先ずユーザーは、検出対象となるアナライトと特異的に結合するリガンドを含む試料溶液をウェル部材７６に注入し、金属膜７４上にリガンドを固定化（１次反応）した後、ウェル部材７６を洗浄し、リガンドに捕捉されなかった物質を除去する（Ｓ１００）。

なお、ここで用いられる試料溶液は、検体を用いて調製された溶液であり、例えば、検体と試薬とを混合して検体中に含有されるアナライトに蛍光物質を結合させるための処理をしたものが挙げられる。
このような検体としては、例えば、血液、血清、血漿、尿、鼻孔液、唾液、便、体腔液（髄液、腹水、胸水等）などが挙げられる。

また、検体中に含有されるアナライトは、例えば、核酸（一本鎖であっても二本鎖であってもよいＤＮＡ、ＲＮＡ、ポリヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、ＰＮＡ（ペプチド核酸）等、またはヌクレオシド、ヌクレオチドおよびそれらの修飾分子）、タンパク質（ポリペプチド、オリゴペプチド等）、アミノ酸（修飾アミノ酸も含む。）、糖質（オリゴ糖、多糖類、糖鎖等）、脂質、またはこれらの修飾分子、複合体などが挙げられ、具体的には、ＡＦＰ（αフェトプロテイン）等のがん胎児性抗原や腫瘍マーカー、シグナル伝達物質、ホルモンなどであってもよく、特に限定されない。

このように準備されたセンサーチップ７０を、着脱位置にある搬送ユニット５０のチップホルダー５４に装着する（Ｓ１１０）。チップホルダー５４に装着されたセンサーチップ７０は、搬送ユニット５０によって、測定位置の近くまで搬送される（Ｓ１２０）。

この時、制御部６０は、励起光照射ユニット２０、励起光検出ユニット３０及び搬送ステージ５２を操作して、センサーチップ７０の位置情報及びウェル部材７６と誘電体部材７２との相対的位置情報を得るとともに、得られた位置情報に基づいてセンサーチップ７０の位置を調整する（Ｓ１３０）。

図４に示すように、センサーチップの位置情報及びウェル部材７６と誘電体部材７２との相対的位置情報を取得し（Ｓ１３１）、この相対的位置情報に基づき、ウェル部材７６と誘電体部材７２とのズレが所定の範囲内であるか否かを判断する（Ｓ１３２）。所定の範囲よりもズレが大きい場合には、精度の高い検体検査を行うことができないために、検体検査を中止する。この時、検体検査が中止されたことを、例えば、音、光、画面表示などによりユーザーに対して報知するようにすることが望ましい。

検体検査が中止された場合には、ユーザーは、センサーチップ７０のウェル部材７６からアナライトを含む試料溶液を回収し、新しいセンサーチップ７０を用いて再検査を行うことができ、試料溶液の無駄を減らすことができる。

一方で、ウェル部材７６と誘電体部材７２とのズレが所定の範囲内である場合には、センサーチップ７０の位置情報に基づき、測定位置からのセンサーチップ７０の位置ズレの程度を特定する（Ｓ１３３）。次いで、得られた位置情報及び位置ズレの程度に基づき、搬送ステージ５２によりチップホルダー５４を移動させて、センサーチップ７０を適切な測定位置に配置する（Ｓ１３４）。

図５は、センサーチップ７０の位置情報及びウェル部材７６と誘電体部材７２との相対的位置情報を得る工程（Ｓ１３０）を説明するための模式図である。
まず、図５（Ａ）に示すように、センサーチップ７０が光源ユニット２１から離れた位置にある場合、光源ユニット２１が励起光αを照射すると、励起光αはウェル部材７６の側面で反射して、上方に向かう。したがって、励起光検出ユニット３０の受光センサー３１は、センサーチップ７０からの反射光βは入射しない。

この状態でセンサーチップ７０を光源ユニット２１に近づけていくと、光源ユニット２１からの励起光αは、ウェル部材７６の底面と側面との境界面７６ａに到達する。この場合、図５（Ｂ）に示すように、境界面７６ａで反射した励起光α（反射光β）が受光センサー３１に入射する。本実施形態においては、ウェル部材７６の境界面７６ａがＲ面をなしているため、センサーチップ７０を光源ユニット２１に近づけるにつれ、徐々に受光センサー３１に入射する反射光βの光量は増す。

さらにセンサーチップ７０を光源ユニット２１に近づけると、光源ユニット２１からの励起光αは、ウェル部材７６の底面で反射されることになり、反射光βは下方へ向かう。このため、受光センサー３１に入射する反射光βの光量は徐々に減少し、励起光αがウェル部材７６の底面のみに照射されることになると、受光センサー３１は反射光βに入射しなくなる。

さらにセンサーチップ７０を光源ユニット２１に近づけると、光源ユニット２１からの励起光αは、ウェル部材７６と誘電体部材７２との境界部（以下「エッジ部」という）に到達する。この場合、図５（Ｃ）に示されるように、ウェル部材７６の底面で反射した励起光α（反射光β）は受光センサー３１に入射しないが、誘電体部材７２の入射面７２ａで反射した励起光α（反射光β）は受光センサー３１に入射する。したがって、受光センサー３１には、センサーチップ７０からの反射光βの一部が入射することになる。

さらにセンサーチップ７０を光源ユニット２１に近づけていくと、光源ユニット２１からの励起光αは、すべて誘電体部材７２の入射面７２ａに到達する。したがって、図５（Ｄ）に示すように、受光センサー３１には、センサーチップ７０からの反射光βのすべてが入射することになる。

図６は、受光センサー３１による反射光βの検出結果の例を示すグラフである。この例では、搬送ステージ５２によりセンサーチップ７０を光源ユニット２１の方へ移動させながら、受光センサー３１により反射光βの強度を測定した。励起光αのビーム径は１～１．５ｍｍ程度である。

図６に示すように、センサーチップ７０を光源ユニット２１に近づけていくと、反射光βの光量が一時的に増大する極大点が現れる。これは、図５（Ｂ）に示したように、光源ユニット２１からの励起光αがウェル部材７６の底面と側面の境界面７６ａに反射した反射光βが受光センサー３１に入射していることを意味する。この極大点の位置Ａの情報をウェル部材境界面位置情報とする。

さらにセンサーチップ７０を光源ユニット２１に近づけていくと、位置Ｂから受光センサー３１に入射する反射光βの光量が徐々に増加する。これは、図５（Ｃ）に示したように、励起光αの一部が入射面７２ａで反射して、受光センサー３１に入射するためである。

そして、センサーチップ７０が位置Ｃを越えると、受光センサー３１に入射する反射光βの光量が略一定となる。これは、図５（Ｄ）に示したように、励起光αのすべてが誘電体部材７２の入射面７２ａに反射して、反射光βのすべてが受光センサー３１に入射するためである。

したがって、図６に示す位置Ｂから位置Ｃの間の傾斜部が、励起光αがエッジ部を通過したタイミングに一致する。なお、傾斜部の幅は、励起光αのｘ軸方向のビーム径（１～１．５ｍｍ程度）に対応している。

ここで、位置Ｂと位置Ｃの中点である位置Ｍが、エッジ部、すなわち、誘電体部材７２の端部の位置であると特定することができる。なお、位置Ｍは、単に位置Ｂと位置Ｃの中点とすることができる。また、位置Ｍは、図６に示すグラフにおいて、反射光βの光量の最小値（位置Ｂにおける光量に対応する）と、反射光βの光量の最大値（位置Ｃにおける光量に対応する）を求め、これらの平均値を算出し、傾斜部においてこの平均値となる位置を検出することで特定することで、より正確にエッジ部の位置を特定することもできる。この位置Ｍの位置情報をエッジ部位置情報とする。

制御部６０は、ウェル部材境界面位置情報と、エッジ部位置情報とから、ウェル部材７６と誘電体部材７２との相対的な位置情報を算出することができる。具体的には、ウェル部材７６の境界面７６ａの位置Ａとエッジ部の位置Ｍとの差分を取ることにより、ウェル部材７６の境界面７６ａとエッジ部との距離を算出することができる。

ウェル部材７６の境界面７６ａとエッジ部との距離が所定の範囲内であれば、ウェル部材７６と誘電体部材７２とのズレが所定の範囲内に収まっていると判断し、検体検査を継続する。一方で、ウェル部材７６の境界面７６ａとエッジ部との距離が所定の範囲外であれば、ウェル部材７６と誘電体部材７２とのズレが所定の範囲内に収まっていないと判断し、検体検査を中止する。

また、エッジ部位置情報により、センサーチップ７０の位置を特定することができ、センサーチップ７０が正確に測定位置に配置されているか否かを検出することができる。
センサーチップ７０が測定位置に配置されていない場合には、搬送ステージ５２を動作させて、センサーチップ７０を測定位置に移動させる。通常、エッジ部の位置と金属膜７４裏面の励起光αを照射すべき領域（反応場の裏側の領域）との距離は決まっているため、搬送ステージ５２によってチップホルダー５４をエッジ部の位置から所定距離だけ移動させることで、センサーチップ７０を適切な測定位置に配置することができる。

なお、センサーチップ７０が高さ方向（ｚ軸方向）にずれて配置されていた場合（例えば、センサーチップ７０とチップホルダー５４との間に異物が挟まっていた場合）も、チップホルダー５４をエッジ部の位置から所定距離だけｘ軸方向に移動させることで、センサーチップ７０を適切な測定位置に配置することができる。なお、制御部６０は、適切な測定位置を記憶する。

このように、センサーチップ７０を適切な測定位置に配置した状態で、制御部６０は、励起光照射ユニット２０及び蛍光検出ユニット４０を操作して、センサーチップ７０に励起光αを照射するとともに、励起光αと同一波長のプラズモン散乱光を検出して、増強角を検出する（Ｓ１４０）。

具体的には、制御部６０は、励起光照射ユニット２０を操作して、金属膜７４に対する励起光αの入射角を走査しつつ、蛍光検出ユニット４０を操作してプラズモン散乱光を検出する。この時、制御部６０は、位置切替機構４７を操作して、光学フィルター４３を受光ユニット４１の光路外に配置する。そして、制御部６０は、プラズモン散乱光の光量が最大の時の励起光αの入射角を増強角として決定する。

次いで、制御部６０は、励起光照射ユニット２０及び蛍光検出ユニット４０を操作して、適切な測定位置に配置されたセンサーチップ７０に励起光αを照射するとともに、受光センサー４５の出力値（光学ブランク値）を記録する（Ｓ１５０）。

この時、制御部６０は、角度調整機構２２を操作して、励起光αの入射角を増強角に設定する。また、制御部６０は、位置切替機構４７を操作して、光学フィルター４３を受光ユニット４１の光路内に配置する。

次いで、制御部６０は、搬送ステージ５２を操作して、センサーチップ７０を着脱位置に移動させ、ユーザーはセンサーチップ７０をチップホルダー５４から取り外す（Ｓ１６０）。
そして、ユーザーは、蛍光物質で標識された２次抗体を含む液体（標識液）をウェル部材７６内に導入する（Ｓ１７０）。ウェル部材７６内では、抗原抗体反応（２次反応）によって、金属膜７４上に捕捉されているアナライトが蛍光物質で標識される。この後、ウェル部材７６内を洗浄し、遊離の蛍光物質などを除去する。

そして、ユーザーは再度、着脱位置にあるチップホルダー５４にセンサーチップ７０を装着する（Ｓ１８０）。チップホルダー５４に装着されたセンサーチップ７０は、搬送ユニット５０によって、制御部６０に記憶された適切な測定位置まで搬送される（Ｓ１９０）。

なお、この時、制御部６０に記憶された適切な測定位置の情報を用いずに、上述する工程Ｓ１４０と同様に制御して、センサーチップ７０を適切な測定位置に配置するように構成することもできる。

次いで、制御部６０は、励起光照射ユニット２０及び蛍光検出ユニット４０を操作して、適切な測定位置に配置されたセンサーチップ７０に励起光αを照射するとともに、リガンドに捕捉されているアナライトを標識する蛍光物質から放出された蛍光γを検出する（Ｓ２００）。検出された蛍光γの強度に基づき、必要に応じて、アナライトの量や濃度などに換算することができる。

以上の手順により、試料溶液中のアナライトの存在またはその量を検出することができる。
なお、１次反応（Ｓ１００）の前に、位置検出及び位置調整（Ｓ１３０及びＳ１４０）、増強角検出（Ｓ１５０）、光学ブランク値測定（Ｓ１６０）を実施するようにしてもよい。

また、励起光αの入射角があらかじめ決まっている場合は、増強角の検出（Ｓ１５０）を省略してもよい。この場合、センサーチップ７０の位置検出及び位置調整（Ｓ１３０及びＳ１４０）は、光学ブランク値測定（Ｓ１６０）の前に実施される。このように、センサーチップ７０の位置検出及び位置調整（Ｓ１３０及びＳ１４０）は、光学測定（増強角の検出、光学ブランク値の測定、蛍光の検出）を初めて実施する前に実施されることが好ましい。

また、上記の説明では、アナライトとリガンドとを反応させる１次反応（Ｓ１００）の後に、アナライトを蛍光物質で標識する２次反応（Ｓ１８０）を行っている（２工程方式）。しかしながら、アナライトを蛍光物質で標識するタイミングは、特に限定されるものではない。

例えば、ウェル部材７６内に試料溶液を導入する前に、試料溶液に標識液を添加してアナライトを予め蛍光物質で標識しておくこともできる。また、ウェル部材７６内に試料溶液と標識液を同時に注入することで、蛍光物質で標識されたアナライトがリガンドに捕捉されることとなる。この場合、アナライトが蛍光物質で標識されるとともに、アナライトがリガンドに捕捉される。

いずれの場合も、ウェル部材７６内に試料溶液を導入することで、１次反応及び２次反応の両方を完了することができる（１工程方式）。このように１工程方式を採用する場合は、抗原抗体反応の前に増強角検出（Ｓ１５０）が実施され、さらにその前に、センサーチップの位置検出及び位置調整（Ｓ１３０及びＳ１４０）が実施される。

以上、本発明の好ましい実施の態様を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、上記実施形態ではＳＰＦＳ装置について説明したが、本発明に係る位置検出方法及び位置検出装置は、ＳＰＲ装置などのＳＰＦＳ装置以外の光学式検体検出システムにも適用されうる。

さらに、上記実施形態では、試料溶液保持部材としてウェル部材である場合について説明したが、上述するように、境界面に反射した励起光αが、励起光検出ユニット３０の受光センサー３１に入射するような境界面を有する試料溶液保持部材であれば、特に限定されるものではなく、例えば、流路チップタイプのセンサーチップにおける流路蓋であってもよいなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１０ ＳＰＦＳ装置
２０ 励起光照射ユニット
２１ 光源ユニット
２２ 角度調整機構
２３ 光源制御部
３０ 励起光検出ユニット
３１ 受光センサー
３２ センサー制御部
４０ 蛍光検出ユニット
４１ 受光ユニット
４２ 第１レンズ
４３ 光学フィルター
４４ 第２レンズ
４５ 受光センサー
４７ 位置切替機構
４８ センサー制御部
５０ 搬送ユニット
５２ 搬送ステージ
５４ チップホルダー
６０ 制御部
７０ センサーチップ
７２ 誘電体部材
７２ａ 入射面
７２ｂ 成膜面
７２ｃ 出射面
７４ 金属膜
７６ ウェル部材
７６ａ 境界面
α 測定光（励起光）
β 反射光
γ 蛍光

Claims (16)

1. 誘電体部材と、
   前記誘電体部材の上面に隣接する金属膜と、
   前記金属膜の上面に配置される試料溶液保持部材と、を備えたセンサーチップに対して、励起光を照射することで検体の検出を行う光学式検体検出システムにおいて、前記誘電体部材と前記試料溶液保持部材との相対的位置を検出する位置検出方法であって、
   前記センサーチップと測定光照射ユニットとの距離を変化させながら、前記センサーチップに対して測定光を照射するとともに、前記測定光が前記センサーチップに反射することで生じた反射光のうち、所定の方向に進む反射光を検出する工程と、
   検出した前記反射光の強度の変化において、前記反射光の強度が一時的に増大する極大点が現れる位置を、前記試料溶液保持部材の底面と側面との境界面の位置とする工程と、
   前記試料溶液保持部材の前記境界面の位置の情報を使い、前記試料溶液保持部材と前記誘電体部材とのズレが所定の範囲に収まっているか否かを判断して、前記誘電体部材と前記試料溶液保持部材との相対的位置を検出する工程とを含む、位置検出方法。
2. 前記測定光が前記試料溶液保持部材と前記誘電体部材との境界部に反射して生じた反射光に基づき、前記誘電体部材の端部の位置を特定する、請求項１に記載の位置検出方法。
3. 前記反射光の強度の変化において、前記反射光の強度の最小値と、前記反射光の強度の最大値とから、これらの平均値となる位置を、前記誘電体部材の端部の位置とする、請求項２に記載の位置検出方法。
4. 前記試料溶液保持部材の境界面位置と、前記誘電体部材の端部の位置とに基づき、前記試料溶液保持部材と前記誘電体部材との相対的位置を特定する、請求項２または３に記載の位置検出方法。
5. 前記測定光が、所定のビーム径を有するビームである、請求項１から４のいずれかに記載の位置検出方法。
6. 前記所定のビーム径が、前記誘電体部材のうち前記励起光が入射する入射面よりも小さく、かつ、前記試料溶液保持部材の底面と側面との境界面と、前記試料溶液保持部材と前記誘電体部材との境界部との距離よりも小さい、請求項５に記載の位置検出方法。
7. 前記測定光の波長が、可視光域から近赤外光域の波長である、請求項１から６のいずれかに記載の位置検出方法。
8. 前記測定光が、前記励起光である、請求項１から７のいずれかに記載の位置検出方法。
9. 誘電体部材と、
   前記誘電体部材の上面に隣接する金属膜と、
   前記金属膜の上面に配置される試料溶液保持部材と、を備えたセンサーチップに対して、励起光を照射することで検体の検出を行う光学式検体検出システムにおいて、前記誘電体部材と前記試料溶液保持部材との相対的位置を検出する位置検出装置であって、
   前記センサーチップに対して測定光を照射する測定光照射ユニットと、
   前記測定光が前記センサーチップに反射することで生じた反射光のうち、所定の方向に進む反射光を検出する測定光検出ユニットと、
   前記センサーチップと前記励起光照射ユニットとの距離を変化させる搬送ユニットと、
   前記測定光検出ユニットにより検出された前記反射光の強度の変化において、前記反射光の強度が一時的に増大する極大点が現れる位置を、前記試料溶液保持部材の底面と側面との境界面の位置とし、前記試料溶液保持部材の前記境界面の位置の情報を使い、前記試料溶液保持部材と前記誘電体部材とのズレが所定の範囲に収まっているか否かを判断して、前記誘電体部材と前記試料溶液保持部材との相対的位置を検出する制御部と、を備える、位置検出装置。
10. 前記制御部が、
    前記測定光が前記試料溶液保持部材と前記誘電体部材との境界部に反射して生じた反射光に基づき、前記誘電体部材の端部の位置を特定するように構成される、請求項９に記載の位置検出装置。
11. 前記制御部が、
    前記反射光の強度の変化において、前記反射光の強度の最小値と、前記反射光の強度の最大値とから、これらの平均値となる位置を、前記誘電体部材の端部の位置とするように構成される、請求項１０に記載の位置検出装置。
12. 前記測定光が、所定のビーム径を有するビームである、請求項９から１１のいずれかに記載の位置検出装置。
13. 前記所定のビーム径が、前記誘電体部材のうち前記励起光が入射する入射面よりも小さく、かつ、前記試料溶液保持部材の底面と側面との境界面と、前記試料溶液保持部材と前記誘電体部材との境界部との距離よりも小さい、請求項１２に記載の位置検出装置。
14. 前記測定光の波長が、可視光域から近赤外光域の波長である、請求項９から１３のいずれかに記載の位置検出装置。
15. 前記測定光が、前記励起光であり、
    前記測定光照射ユニットが、励起光照射ユニットである、請求項９から１４のいずれかに記載の位置検出装置。
16. 前記測定光検出ユニットの受光センサーが、フォトダイオードである、請求項９から１５のいずれかに記載の位置検出装置。

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