JPH07502814A - 入射角度可変分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 入射角度可変分析装置 本発明は、センサーに関し、特にバイオセンサーと呼ばれるセンサー、すなわち 、生体を起源とする試料中の抗原および抗体のような生物学的活性種の分析のだ めの装置に関する。特に本発明は、例えば表面プラズモン共鳴や、共鳴減衰また は漏れ全反射のような、光学的共鳴現象に基づくバイオセンサーに関する。

近年、溶液中の生化学的分析物の自動決定のための装置が多く提案されている。

通常、そのような装置（バイオセンサー）は、共鳴場のエバネッセント領域に位 置する感受性被覆層を含む。分析物の検出は典型的には、例えば表面プラズモン 共鳴（ＳＰＲ）のような光学的手法を利用しており、該手法は、分析物と被覆層 との相互作用に起因する被覆層の厚みおよび／または屈折率の変化に基づいてい る。これは例えば共鳴の角度位置の変化を引き起こす。

他の光学的バイオセンサーは、光ビームが伝播する導波路を含む。該装置の光学 的特性は、導波路表面に起こる変化に影響される。光学的バイオセンサーの一形 態に、漏れ全反射に基づくものがある。漏れ全反射（ＦＴＰ）の原理はよく知ら れており、該手法は、例えばＢｏｓａｃｃｈｉと０ｅｈｒｌｅにより解説されて いる（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ、　１９８２．２１．２１６７−２１７３ ）　。免疫測定に用いるためのＦＴＲ装置が欧州特許出願第２２０５２３６Ａ号 に記載されており、該装置はキャビティ層を含み、該キャビティ層は１、一方で 供試体と境界を有し、他方でスペーサ層と境界を有する。該スペーサ層は基体上 にマウントされている。基体とスペーサ層の境界面は全反射が起こるように単色 波で照射され、これに関するエバネッセント場はスペーサ層へ浸透する。スペー サ層厚が適当で、入射平行波ベトルが共鳴モード伝播定数の一つと整合する場合 、全反射が漏れ、照射波はキャビティ層へ結合される。キャビティ層は、スペー サ層よりも高い屈折率を有し、入射波の波長で透明な材料から構成されなければ ならない。

この種の装置では、センサー上に入射される光の角度を変化させることで共鳴位 置かモニターされる。角度の走査は、逐次あるいは一斉のいづれか、すなはち、 光の平行ビームの入射角を変化させることて、逐次に行われてもよいし、または 、光の扇形ビームを用いである角度範囲を一斉照射することで、−斉に行われて もよい。後者は、欧州特許出願第０３０５＋０９Ａ号に（ＳＰＲとの関連で）記 載されている。前者の場合、従来のいくつかの提案は、ある角度範囲にわたり機 械的に走査されるシングルチャネル検出装置に係わっており、これは光源と検出 装置の動作の同期を必要とする。後者の場合、ある角度範囲が一斉に照射され、 このことは角度分解能を有するマルチチャネル検出装置の使用を必要とする。こ れは比較的高い製造コストをもたらすものとなる。

ここに、光学的共鳴センサーの使用に係わる化学種または生化学種の決定のため の装置が発明された。本発明による該装置は、上述の従来技術装置の欠点のうち のいくつか、またはすべてを克服もしくは実質的に軽減するものである。

本発明により、化学種または生化学種の決定のだめの装置が提供される。該装置 は光学的共鳴バイオセンサーを含み、該センサーは、枢動可能に設置された単色 光源と、光のいくつかの特性をモニターするのに適した定置された検出装置との 間の光路中に配置される。該装置において、センサーへの光の入射角を変化させ るために光源を枢動させる手段と、瞬時入射角をモニターするための手段が提ｆ 共される。

本発明による装置は、主に、比較的簡単な構造であること、およびシングルチャ ネル検出装置のみを使用している点で有利である。また、瞬時入射角をモニター するための手段は、光ビームの出力特性とその入射角との高隋度な相関を提供す る。

本発明による装置においては、任意の簡便な単色光源を使用し得る。光源の選択 は、とりわけ使用されるセンサーの特定な形感に依存する。本文中において、「 光Ｊは、可視光たけでなくこの範囲よりも長波長または短波長の、例えば紫外ま たは赤外のような波長を含んでもよい。

センサーへの光の入射角を変化させるための手段は、例えば光源およびこれに関 連する光学装置を支持する枢動部材に作用するステップモーターで駆動するのカ ム装置のような、機械的なものであってもよい。該入射角は、共鳴の起こる角度 範囲のみにわたり変化させられることが好ましい。

センサーへの光の瞬時入射角をモニターする手段は、前記カム装置を駆動するス テップモーターによって実行される動作ステップ数をモニターする手段を含んで もよい。該装置においては、カム位置と入射角との関係が判っているものとする 。ステップモーターが予期した通り動作することを確実なものとするため、非接 触上口位置表示装置が用いられてもよい。

モニターされる光の特性は、例えば反射波の位相や、時として強度のような、共 鳴で変化するいずれの特性であってもよい。

センサーは、ＦＴＰセンサーであることが好ましい。かかるセンサーは、ａ）屈 折率ｎ、の透明な誘電性材料のキャビティ一層と、ｂ）屈折率ｎ１の誘電性基体 と、 Ｃ）該キャビティ一層と該誘電性基体にはさまれた、屈折率ｎ２の誘電性スペー サ層と、 を含む光学的構造を一般に含む。

使用において基体とスペーサ層の境界面は、内部反射が起こるように光が照射さ れる。キャビティ一層における導波モードの共鳴伝播は、与えられた波長に対し 、励起波の特定の入射角で起こる。

共鳴効果の角度位置は、各層の屈折率および厚みのような、センサー装置の各パ ラメータに依存する。一般に、キャビティ一層の屈折率ｎ、および基体の屈折率 ｎｌは、いづれもスペーサ層の屈折率ｎ２を超えるべきことが必須である。また 、共鳴を起こすためにキャビティー内に少なくとも一つのモードが存在しなけれ ばならないため、キャビティ一層は所定の最小厚みを超えなければならない。

キャビティ一層は、誘電性材料の薄膜であることが好ましい。キャビティ一層に 適当な材料には、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、酸化アルミニウムおよび 酸化タンタルが含まれる。

キャビティ一層は、例えば真空蒸着、スパッタリング、化学蒸着または内部拡散 等の、知られた技術により形成されてもよい。

誘電性スペーサ層は、キャビティ一層および基体よりも低い屈折率を有していな ければならない。該層は、例えばフン化マグネシウムの蒸着またはスパッタ層を 含んてしよい。この場合、赤外光注入レーザが光源として使用されてもよい。

該光源からの光は１通常８００ｎｍ前後の波長を有する。他の適合材料としては 、フッ化リチウムおよび二酸化ケイ素が含まオ］る。前記真空蒸着およびスパッ タリング技術とは別に、スペーサ層は、ゾルゲル処理により基体上に堆積されて もよいし、または、基体との化学反応により形成されてもよい。ゾルゲル処理は 、スペーサ層が二酸化ケイ素から成る場合に特に好ましい。

基体の屈折率（旧）はスペーサ層の屈折率（ｎ２）より大きくなければならない が、基体の厚みは一般に重要でない。

対照的に、キャビティ一層の１７みは、適正な結合角の範囲内で共鳴が起こるよ うに選ばれなくてはならない。スペーサ層は、通常数百ｎｍ程の厚みを有してお り、例えば約２００ｎｍから２０００ｎｍ、より好ましくは５００ｎｍから１５ ００ｎｍ、例えば１１０００ｎである。キャビティ一層は、通常数十ｎｍの厚み を有しており、例えばＩＯｎｍから２００ｎｍ、より好ましくは３０ｎｍから１ ５０ｎｍ　、例えば１１００ｎである。

キャビティ一層は、３０ｎｍから＋５０ｎｍの厚みを有し、かつ二酸化ジルコニ ウム、二酸化チタン、酸化タンタルおよび酸化アルミニウムから選ばれた材料を 含むことが特に好ましく、また、スペーサ層は、５００ｎｍから１５００ｎｍの 厚みを有し、かつフッ化マグネシウム、フッ化リチウムおよび二酸化ケイ素から 選ばれた材料を含むことか特に好ましい。材料の選定は、スペーサ層の屈折率が キャビティ一層のそれより小さくなるように行われる。キャビティ一層とスペー サ層の材料は、それぞれ酸化タンタルおよび二酸化ケイ素が好ましい。

共鳴では、入射光はＦＴＰによりキャビティ一層に結合し、キャビティ一層に沿 って所定距離を伝播し、そして（またＦＴＲにより）入射側へ再結合する。該伝 播距離は各装置パラメータに依存するが、通常１ないし２ｍｍのオーダーとなっ ている。

共鳴に４ついて反射光は位相変化を受けることとなるが、該変化が検出されても よい。これに代わり、本出願人の同時継続している国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ ９１１０１１６１号に記述されているように、キャビティ一層および／または、 スペーサ層は、共鳴時に吸収を行ってもよく、これにより反射光の強度が減少す る。

生化学０種の決定のための使用に対し、センサー表面、すなわちＦＴＲセンサー の場合におけるキャビティ一層表面は、センサー上に固定化された、例えば供試 分析物に対する特異的結合相手であるような、生体高分子を有することで、一般 に感作する。固定化された生化学種は、当業者でよく知られた方法によりセンサ ー表面に共有結合され得る。

本発明を以下に添付の図面を参照して一層詳細に説明するが、それらは例示にす ぎず、本発明はそれらに限定されない。

図１は、本発明に従う装置の概略図（任意スケール）を示す。

図２は、検出光強度の入射角依存性の［略を示す。

図３は、本発明に従う装置の第二の具体例の一部平面図であり、該実施例ではセ ンサーの二つの領域か同時に照射される。

最初に図１を参照して説明を行う。バイオセンサーは、基部の一領域をフッ化マ グネシウムの第一被覆２、および二酸化チタンの第二被覆３て被覆されたガラス プリズムｌを含む。プリズムｌおよび第一被覆２、第二被覆３は、一体となって 光学的共鳴構造体を構成し、第一被覆２はスペーサ層として、第二被覆３はキャ ビティ一層として作用する。第一被覆２は約１１０００ｎ、第二被ｙ１．３は約 １１００ｎの厚みを有する。

生化学物質の層４が第二被覆３の表面上に固定化され、該生化学物質層は供試分 析物に対する特異的結合相手として働く。

プリズム１の基部と第一被覆２の境界面は、枢動アーム６上にマウントされたレ ーザ５からの単色光ビームで照射される。アーム６は、ステップモータ（図には 示されていない）で駆動されるカム７により、ある角度範囲にわたって動かされ る。

アーム６上にはまた、レーザ５とプリズム１の間にコリメータ８とポラライザ９ かマウントされる。ポラライザ９は、ＴＥ波およびＴＭ波の二成分を有する直線 偏光を生じるように設定される。該ポラライザは、ＴＥおよびＴＭ波透過軸に対 し４５°となるよう設置され、これにより等しいＴＥおよびＴＭ光成分を生じさ せる。

プリズム１の基部と第一被覆２の境界面に入射するすべての光は反射され、反射 光の位相変化として共鳴が検出される。

反射）しは補償！Ａ置１２を通って偏光分析装置１３へ入射する。補償装置１２ は、いずれの従来の形態であってもよく、反射の際にまたは光学経路中ての複屈 折によりＴＥおよびＴＭ酸成分導入される位相差を取り除くようマニュアル調整 される。

分析装置１３はポラライザ９に対し９０°となるよう設定される。ＴＥおよびＴ Ｍ酸成分該分析装置において干渉されて、その位相変化の検出を可能にする。

非共鳴状態において両成分は反射の際に同様の位相変移を受ける。分析装置１３ を透過する光がセロになるように、補償装置１２によって画成分間の相対位相を 調整する。これは共鳴付近を除くすべての角度に対し適用される。共鳴付近ては 、ＴＥおよびＴＭ成分間の位相変移が角度により急速に変化し、共鳴時の分析装 置１３を通る光の処理量（検出位相差）が最大となる。

分析装置１３を通過する光は、円筒集光レンズ系１４により検出装置１５上へ集 光さ第１る。集光レンズ系１４は、すべての入射角からの光を検出装置１５上へ 集光するよう配置される。これにより位置設定誤差の影響が最小となる。

使用においては、プリズムｌの基部と第一被覆２の境界面への入射光角度は、カ ム７の回転により変化させられる。そのため、入射光ビームは共鳴角を含む入射 角度範囲にわたり走査される。非共鳴状態においては検出装置１５で光強度は検 出されず、共鳴が近つくに従い検出光強度が増加し、その後再び低下する。強度 の増加は入射角と相関がとられ、これにより共鳴の角度位置の決定が可能となる 。ある瞬間の入射角はカム７のその瞬間の位置から決定されるが、このときカム 位置と入射角の関係は判っているものとする。

固定化されｔコ生化学物質の層４が、供試分析物を含む試料に接触される時、生 化学物質と分析物分子間に特異的結合が生し、結果として装置表面付近の屈折率 の変化を生しる。これか結果として共鳴位置の変移となる。図２は、固定された 生化学物質と分析物の結合前（実線）および後（点線）の、入射角に対して測定 された信号強度を示す。

図３に示す実施例においては、プリズム３３０表面上に、固定化された生化学物 質のバッチ３１．３２が個別に配置される。各パッチは、それぞれ個別の入射波 ビームにより照射され、前述のように入射角が走査される。

各反射ビームは、補償装置３４および偏光分析装置３５を通過し、円面集光レン ズ系３６により検出装置３７．３８上へそれぞれ集光される。レンズ系３６も、 先の実施例同様、すべての入射角からの光を対応する検出装置３７．３日上へそ れぞれ集光するよう配置される。レンズ系３６は一次元においてのみその倍率を 有し、これにより個別パッチ３１．３２からの反射光ビームの空間的分離を保持 するものとなる。

図３に示すように、反射ミラー３９がビームに対し配置され、装置３７．３８の 空間的分離を可能とする。

ｅ 補正書の翻訳文提出書く特許法第１８４条の８）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．化学的または生化学的種を決定する装置であって、光学的共鳴バイオセンサ ー（１−４）を、光のいくつかの特性をモニターするのに適した静置された検出 装置（１２）と枢動可能にマウントされた単色光源（５）との間の光路に配置し て含み、センサー（１−４）への光の入射角を変化させるために光源（５）を枢 動させるための手段（７）と、瞬時入射角をモニターするための手段が提供され る上記化学的または生化学的種の決定のための装置。
2. ２．上記センサーへの光の入射角を変化させるための手段が、光源（５）を支持 する枢動部材（６）に作用するカム装置（７）である請求項１の装置。
3. ３．センサー（１−４）への光の瞬時入射角をモニターするための手段が、カム 装置（７）を駆動するステップモーターによって実行されるステップ数をモニタ ーするための手段を含む請求項２の装置。
4. ４．さらに、カム装置（７）のために非接触ゼロ表示装置を含む請求項３の装置 。
5. ５．入射角が、共鳴の起こる角度範囲にわたってのみ可変である前記請求項１か ら４のいづれか一項の請求項の装置。
6. ６．光学的共鳴バイオセンサーが、 ａ）屈折率ｎ３の透明な誘電性材料のキャビティー層（３）と、ｂ）屈折率ｎ１ の誘電性基体（１）と、ｃ）キャビティー層（３）と誘電性基体（１）にはさま れた、屈折率ｎ２の誘電性スペーサ層（２）と、 を含むＦＴＲセンサーである前記請求項１から５のいづれか一項の請求項の装置 。