JPH07502815A - 光散乱を利用した分析装置 - 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】 光散乱を利用した分析装置 本発明はセンサー、特にバイオセンサー、つまり生物から採取されたサンプルに 念まれる抗原および抗体のような生物学的な活性種を分析する際使用される装置 に関するものである。特に、本発明は共鳴光学現象、例えば表面ブラズモ／共鳴 、共鳴減衰全内部反射、または漏れ全内部反射、を利用したバイオセンサーに関 するものである。

近年、溶液中の生化学的分析スＪ染物を自動的に定量するための装置の開発が望 まれている。一般に、そのような装置（バイオセンサー）は、共鳴場の消失部に 配置されている感作性（ｓｅｎｓｉ口５ｅｄ）被膜層を具備している。分析対象 物の検出は、一般に、例えば表面プラズモノ共鳴（ＳＰＲ）のような光学技術を 利用しており、分析りｊ染物と上記感作性被膜層との相互作用を利用して、感作 性被膜層の厚さおよび／または屈折率を変化させる技術を採用している。これに より、例えば、共鳴の角位置が変化する。

他の光学バイオセンサーは、その中を光のビームが通過する導波管を備えている 。そのような装置の光学的特徴は、上記導波管の表面で起こる変化に影響を受け る。光学センサーの内の１種は、漏れ全反射を基礎として構成されている。この 漏れ全反射（ＦＴＲ）の原理は周知であり、例えば文献（ヂサノチーとオオール 、Ｂｏｓａｃｃｈｉ　ａｎｄ　０ｅｈｒｌｅ、　Ａｐｐｌｉｅｄ　０Ｐｔｉｃｓ 　（＋９８２）、　２１．２１６７−２１７３　）に開示■ れている。免疫学検定で使用されるＦＴＲはヨーａツバ出願明細書Ｎｏ、２２０ ５２３６Ａに開示されている。それによれば、上記ＦＴＰは、一方が測定すべき す／プルに、そして他方が基板上に設けられているスペーサー層に接するよう設 けられているキャビティ一層を備えている。上記基板−スペーサー層の界面には 、そこで全反射して、生した消失部がスペーサー層に浸透するような、単色放射 が照射される。上記スペーサー層の厚さが適切であり、入射平行波のベクトルが 共鳴モードの伝わり定数の内の一つと一致すると、全反射せず、上記キャビティ 一層まで放ｌｌＪが伝わる。このキャビティ一層は、スペーサー層よりも大きな 屈折率を有し、かつ入射する放射線の波長では透明である物質で形成されてぃな けれこの種の装置では、共鳴の位置は単色光がセンサー上に入射する時の角度を 走査することによりモニターしている。角度走査は、連続してまたは同時に行わ れている。つまり、平行ビームからなる光の入射角を変化させることにより、ま たは上記ヨーロッパ出願明細書Ｎｏ、２２０５２３６Ａに開示されているように （ＳＲＰＲと関連して）、扇状ビームからなる光を使用しである範囲をもった角 度で同時に照射することにより、行われている。前者の場合、ある範囲の角度を 機械的に走査できる／ングルーチャンネル検出器が従来より必要とされており、 さらに光源および検出器の動きを同期させる必要があった。後者の場合、ある範 囲を持った角度で同時に照射するので、かなり複雑な光学系を必要としていた。

そのような光学系を作るにはかなり大きな生産コストが必要であった。

このため、化学種または生化学種の検出用に、現在では共鳴光学センサーを使用 した装置が提案されている。この装置によれば、先に説明したような従来の問題 点の全て、あるいは幾つかを解決するごとができる。

本発明は化学種または生化学種を検出するための装置を提供するものである。

本発明の装置は、単色光の光源と光のいくつかの特性をモニターするため備えら れた検出器との間の光路に設けられた共鳴光学センサーと、上記光源とセンサー との間の光路に配置された光−散乱部材とから構成されている。

本発明の装置は、ある範囲を持った角度で同時に照射できるという利点を有して いる。また、その構造は比較的単純であり、製造する際にも大きな費用を必要と しない。これらは複合光学系を採用していないために得られる利点である。

従来から使用されている単色光の光源を使用することも可能であるが、レーザー を使用することがより好ましい。レーザーの選択はとりわけ使用するセンサーの ｆ！類に依存する。本明細書では、”光“とは可視光だけでなく、可視光より大 きい波長の光および小さい波長の光、つまり紫外線および赤外線をも意味するも のとする。

上記先−散乱部材としては、スペックルプレートまたは拡散スクリーンが好まし い。スペックルが出力側に移動してし、まうという問題を解決するには、上記ス ペックルプレートを即座に、つまり検出器が算出するよりすばやく、移動させた り、もしくは回転させたりする必要がある。

上記スペックルプレートは、部材が分離して形成されていても良いし、あるいは たとえば二枚のガラス／−１・でマイカ／−トが挟まれるという構造からなる半 ７Ｉｉ長プレートの出力面のように、他の部材と一体成形されていてもよい。

最も好ましい具体例では、上記光−散乱部材はセンサーの入力面上に形成されて いる。」二記セッサーは使い捨て用品として形成されている。この場合、センサ ーに対して、光源を非常に接近させて配置させることができる。これによって、 装置はコノバクトになり、レーザーダイオードのような安価な光源も使用できる ようになる。

モニターされている光の特性、たとえば反射放射相または時には強度は、共鳴し ている場所での特性を意味する。

上記センサーとしてはＦＴＲセッサーが好ましい。そのようなセンサーは、一般 に、 ａ）屈折率がｎ、である透明な誘電材料からなるキャビティ一層、ｂ）屈折率が ｎ、である誘電性基板、およびＣ）上記キャビティ一層と基板との間に配置され 、屈折率が０２である誘電性スペーサー層 からなる光学構造を有している。

実際使用するには、上記基板とスペーサー層との界面に、内部反射が起こるよう な光を照射する。すると、所定の波長で、特に入射の角度でキャビティ一層にお いてがイドモードの共鳴伝達が起こる。

共鳴効果が得られる波長は、センサー装置の屈折率、装置を構成する種々の層の 厚さなどの種々のパラメーターに依存している。一般に、キャビティ一層の屈折 率ｎ、と、基板の屈折率ｎ、とを、スペーサー層の屈折率ｎ２より共に大きく設 定することが予め必要である。また、共鳴させるには、キャビティーに少なくと も１つのモードを存在させねばならないので、キャビティ一層はある一定の厚さ よりも厚くなければならない。

上記キャビティ一層は、誘電材料からなる薄膜であることが好ましい。このキャ ビティ一層をなす好ましい物質としては、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などを例示できる。

キャビティ一層は、周知の技術、例えば真空蒸着、スパフタリング、化学気相蒸 着、または非拡散などの技術によって得ることができる。

上記誘電スペーサー層の屈折率は、上記キャビティ一層と基板との屈折率よりも 必ず小さくなければならない。例えば、フッ化マグネシウムを蒸着した層、また はスパッタリングした層を例示できる。その他の誘電スペーサー層をなす好まし い物質としては、フッ化リチウムや二酸化／リコ／を例示できる。また、先に説 明した、蒸着技術、スパッタリング技術の他に、基板上にゾル−ゲル法で積層し たり、または基板と化学反応させることによってスペーサー層を形成することも できる。

上記ゾル−ゲル法は、スペーサー層が二酸化／リコ／から形成されている場合に は特に好ましい方法である。

上記基板の屈折率（ｎ、）は、スペーサー層の屈折率（ｎ２）より大きくなけれ ばならないが、厚さに関しては一般に特に限定されない。

これにス」シて、キャビティ一層の厚さは、好ましいカップリング角範囲内で共 鳴が起こるように選択されなければならない。一般に、スペーサー層の厚さは数 百ナノメーターのオーダーであり、大体２００ｎｍから２０００ｎｍ、より好ま しくは５００ｎｍから１５００ｎｍ、例えば１１０００ｎがよい。他方、キャビ ティ一層の厚さは、一般に数十ナノメーター、大体１０ｎｍから２００ｎｍ、よ り好ましくは３０ｎｍから＋５０ｎｍ、例えば１１００ｎがよい。

特に、キャビティ一層が厚さが３０から１５０ｎｍの範囲にあり、二酸化ジルコ ニウム、二酸化チタン、酸化タンタル、または酸化アルミニウムから形成されて おり、スペーサー層が厚さが５００から１５００ｎｍの範囲にあり、フ、化マグ ネ／ウム、フッ化リチウム、または二酸化ノリコンから形成されており、スペー サー層の屈折率がキャビティ一層の屈折率より小さくなるように両者の材料が選 択されていることが好ましい。

キャビティ一層およびスペーサー層をなす好ましい物質は、それぞれ酸化タンタ ルと、二酸化ノリフンである。

共鳴では、入射光はＦＴＨによってキャビティ一層に伝わる。ついで、キャビテ ィ一層に沿っである距離伝わり、（またＦＴＨによって）取り出される。上記キ ャビティ一層に沿って伝わる距離は、装置の種々のパラメーターに依存するが、 一般に１．２ｍｍ程度である。

共鳴時に反射光が相変化したなら、それは検出される。

一般に、好ましい光学装置となすためには、共鳴しない反射光が検出器に到達す るのを防止する必要がある。このため、従来周知のＳＰＲ，または現在特許出願 中である国際特許出願Ｎｏ、ＰＣＴ／ＧＢ９１１０　＋　１６１に開示されてい るＦＴＲは使用できない。上記明細書によれば、本出願人の国際特許出願Ｎｏ、 ＰＣＴ／ＧＢ９１１０１４６６の中で述べられているような、好ましい光学系を 増やさない限り、キャビティ一層および／またはスペーサー層は共鳴時、吸収し てしまう。

生物化字種の検出に使用するには、センサーの表面、つまりＦＴＲセンづ−を使 用する場合にはキャビティ一層の表面は、一般に生物分子に対して感度を有して いる。例えば、分析対象物とある特定の結合を形成して、それを固定する。固定 される生化学種は、当業者が周知の方法で、センサー表面に共有結合する。

以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。その図面を以下に簡単に説 明する。

図１は、本発明の装置を示す概略図（スケールは正確ではない）である。

図２は、入射角に対する、検出された光強度の依存性を示す図である。

図３は、本発明の装置の第二具体例の一部分を示す概略図である。

まず、図１を参照して説明する。センサーは、ガラスプリズムｌを備えている。

このガラスプリズムｌの基部上は、フッ化マグネシウムからなる第１被ｌＩ２と 、二酸化チタンからなる第二被膜３とにより被覆されている。上記プリズム１１ 第１被膜２、および第２被ｌ１１３は共鳴光学構造を形成している。上記第１被 ＄２はスペーサー層として役割を果たし、第２彼！１ｌＩ３はキャビティ一層と しての役割を果たしている。上記第１被ｗＡ２の厚さは約１１０００ｎであり、 第２被膜３の厚さは約１１００ｎである。

上記第２被膜３の表面上に固定されているのは、固定生化学橿からなる層４であ り、それは分析対象物の特定の結合相手としての役割を果たす。

上記プリズムｌの基部と第１被Ｈ２との界面に、レーザー５カ）らの単色光のビ ームを照射する。レーザー５からの光を光学機械のレンズ６（こよって平行にし 、スペックルプレート７および偏光子８を通過させる。

」二記偏光子８は、２つの成分からなる直線的↓こ偏光された光を形成するため １こ配置されている。その２つの成分とは：トランスノ〈−スエレクト１ノブク （Ｔ　Ｅ）とトランスバースマグネテイブク（ＴＭ）である。上記偏光子８を上 Ｓ己ＴＥとＴＭとの伝達方向に対して４５＠に配置する。これ１こよって、ＴＥ 光と７Ｍ光との成分が等しくなる〇 レーザー５を、偏光子８を通過した光の強度力量最大限となるよう配置する。つ まり、偏光子８の偏光軸に対して直線に位置するよう配置する。

上記スペックルプレート７は、ある範囲の角度（共鳴力；起こる角度を含も゛） で、プリズムｌの基部と第１被Ｉ！３１２との間の界面の全長を横切るように、 光を存在させることができるという利点を有している。これは大きな利点であり 、この１１点によって、狭いビームの光を使用する際、表面にゴミがあつｔこり 、偶力５つ−）ていたりするという欠陥により発生するエラーを防止すること力 ９できる。

プリズム１の基部と第１被膜２との界面へ入射する光力；全で反射すると、ノ（ 鳴が反則光の相変化として検出される。

反射した光は補償器９を介して、偏波分析器１旧こ到達する。この補償器９１１ 従来公知の機器であり、反射することにより、また１ｊ光路の複屈折第１こより ＴＥ酸成分よびＴＭ酸成分侵入した位相差を除去するよう手動で調節されてＬす る。

共鳴角度から外れＩこ場合、反ｑ４によりＴＥ酸成分よびＴＭ成５）（こ発生し ｔこ祖変化の差異を許容するように上記補償器９を調節する。しｆ：　Ｍって、 およそ平面−偏光された先を１−記分析器１０に入ｑ１させ、検出器＋２１こズ １して透過力く０となるように調節する。これは共鳴付近を除くすべての角度に 対して適用できる。両成分の共鳴付近では、反射により生じた相シフトがすばや くその角度を変える。その結果、分析機器１０を共鳴して通過する光が最大量と なる。

上記分析器１０を通過した光は、検出器］２上に配置されたノリンダー状のレン ズ１１によって、焦点が合わせられる。このレンズＩ＋はテレセントリツクであ り、例えば、プリズムｌから、そして検出器１２からも焦点距離だけ離れた位置 に配置される。これによって、配置から生じる誤差を最小限に抑えることができ る。

実際、プリズム１の基部と第１被ＷＡ２との界面」二に、共鳴角を含むある範囲 の角度で同時に光が入射する。共鳴しない光度は検出器１２で検出されない。つ まり、共鳴が接近するので検出された光度が増加し、ついで減少する。

固定化された生化学種からなる層４は、テストすべき分析対象物を含有するサン プルと接している。上記生化学種と分析対象分子とが特別に結合すると、装置表 面の中央付近の屈折率が変化する。その結果、共鳴場が順に移動する。図２は、 角度を変化させて測定した／グナル強度をプロットしたグラフである。固定化さ れた生化学種と分析対象物とが複合体を形成する前と後（破線）とを示している 。

図３に示された具体例では、共鳴光学センサー（層２．３．４を備えている）は 、使い捨て用ガラスブロック３１」二に設けられている。そして、使い捨て用ガ ラスブロック３１には拡散スクリーンとして人力ウィンドー３２が形成されてい る。光源にはレーザーダイオード３３を使用している。このレーザーダイオード ３３は、使用する際には、上記スクリーン３２に非常に接近し、かつＴＥとＴＭ との伝達方向に対して大部分の偏光面が４５″に位置するよう配置されている。

補正書の翻訳文の提出書（特許法第１８４条の８）平成６年７月８日 １、国際出願番号　ＰＣＴ／ＧＢ　９３１０　ＯＯ２７２、発明の名称　光散乱 を利用した分析装置３、特許出願人 住　所　イギリス国　ＩＰＩ　ＩＱＨサフォークィビスウィッチ　プリンセス　 ストリートファイスン　ハウス　（番地なし） 名称　ファイスンズ　ビーエルシー 国　籍　イギリス国 ４、代理人 住　所　東京都新宿区高田馬場３丁］］２３番３号　ＯＲビル６、添付書類の目 録 （１）補正書の翻訳文　１通 ７、前記以外の代理人 住　所　東京都新宿区高田馬場３丁目２３番３号　ＯＲビル光散乱を利用した分 析装置 本発明はセッサー、特にバイオセンサー、つまり生物から採取されたサンプルに 含まれる抗原および抗体のような生物学的な活性種を分析する際使用される装置 に関するものである。特に、本発明は共鳴光学現象、例えば表面ブラズモノ共鳴 、共鳴減衰全内部反射、または漏れ全内部反射、を利用したバイオセンサーに関 するものである。

近年、溶液中の生化学的分析対象物を自動的に定量するための装置の開発が望ま れている。一般に、そのような装置ｉ（バイオセンサー）は、共鳴場の消失部に 配置されている感作性（ｓｅｎｓｉｒｉｓｅｄ）被膜層を具備している。分析対 象物の検出は、一般に、例えば表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）のような光学技術 を利用しており、分析対象物と上記感作性被膜層との相互作用を利用して、感作 性被膜層の厚さおよび、／′または屈折率を変化させる技術を採用している。こ れにより、例えば、共鳴の角位置が変化する。

他の光学バイオセンサーは、その中を光のビームが通過する導波管を備えている 。そのような装置の光学的特徴は、上記導波管の表面で起こる変化に影響を受け る。光学センサーの内の１種は、漏れ全反射を基礎として構成されている。この 漏れ全役１１４（ＦＴＲ）の原理は周知であり、例えば文献（ボサ１チーとオオ ール、Ｂｏｓａｃｃｈｉ　ａｎｄ　０ｅｈｒｌｅ、ＡｐＩ］１ｉｅｄ　０ＰＩｉ ｃｓ　（１９８２）、　２１．２１６７−２１７３　）に開示■ れている。免凌学検定で使用されるＦＴＲはヨーロッパ出願明細書Ｎｏ、０２０ ５２３６Ａに開示されている。それによれば、上記ＦＴＲは、一方が測定すべき サンプルに、そして他方が基板上に設けられているスペーサー層に接するよう設 けられているキャビティ一層を備えている。上記基板−スペーサー層の界面には 、そこで全反射して、生じた？ｒ４失場がスペーサー層に浸透するような、単色 放射が照射される。上記スペーサー層の厚さが適切であり、入射平行波のベクト ルが共鳴モードの伝わり定数の内の一つと一致すると、全反射ゼず、上記キャビ ティ一層まで放ＱＪＩＪ’（ｒ＝わる。

特許請求の範囲 ｉ、ｉ色光の光源（５）と光のいくつかの特性をモニターするための検出器（１ ２）との間の光路に配置された共鳴光学センサー（１−４）と、上記光源（５） とセンサー（１−４）との間の光路に配置されている光−散乱部材（７）とから なることを特徴とする、化学種または生化学橿を検出するための装置。

２、　前記単色光の光源（５）がレーザーであることを特徴とする請求項ｌ記載 の装置。

３、　前記光−散乱部材がスペックルプレート（７）であることを特徴とする請 求項１または請求項２記載の装置。

４、　前記光−散乱部材が拡散スクリーンであることを特徴とする請求項１また は請求項２記載の装置。

５、　前記スペックルプレート（７）が検出器が算出するよりもすばやく移動ま たは回転できることを特徴とする請求項３記載の装置。

６、　前記スペックルプレートが、２枚のガラスノートの間にマイカンートが挾 まれた構造からなる半波長プレートの出力側として形成されていることを特徴と する請求項３または請求項５に記載の装置。

７、前記光−散乱部材（３２）が、センサー（３１）の人力面上に設けられ、セ ンサー（３１）と一体成形されていることを特徴とする請求項Ｉから請求項５ま でのいずれか１項に記載の装置。

８、前記センサー（３１）が使い捨てタイプであることを特徴とする請求項７記 載の装置。

９　前記１１１色尤０光源がレーザーダイオード（３３）であることを特徴とす る請求項８記載の装置。

］０　市ＩＳ己セッサー（１−４）がＦＴＰ七７サーであり、ａ）屈折率がｎ、 である透明な誘電材料からなる牛ヤビティ一層（３）、ｂ）屈折率がｎ、である 誘電性基板（１）、およびＣ）上記キャビティ一層（３）と基板（＋）との間に 配置され、屈折率が０２である誘電性スペーサーＲ（２） から構成されていることを特徴とする請求項ｌから請求項９のいずれか１項に記 載の装置。

国際調査報告　ＤｒＴ／Ｌ：ｎ　Ｑ？／Ｉ’ｌｌ’ｌｌ’＋７７

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．単色光の光源（５）と光のいくつかの特性をモニターするための検出器（１ ２）との間の光路に配置された共鳴光学センサー（１−４）と、上記光源（５） とセンサー（１−４）との間の光路に配置されている光−散乱部材（７）とから なることを特徴とする、化学種または生化学種を検出するための装置。
2. ２．前記単色光の光源（５）がレーザーであることを特徴とする請求項１記載の 装置。
3. ３．前記光−散乱部材がスペックルプレート（７）であることを特徴とする請求 項１または請求項２記載の装置。
4. ４．前記光−散乱部材が拡散スクリーンであることを特徴とする請求項１または 請求項２記載の装置。
5. ５．前記スペックルプレート（７）が検出器が算出するよりもすばやく移動また は回転できることを特徴とする請求項３記載の装置。
6. ６．前記スペックルプレートが他の機器、例えば２枚のガラスシートの間にマイ カシートが挟まれた構造からなる半波長プレートの出力側、と一体化されて形成 されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の 装置。
7. ７．前記光−散乱部材（３２）が、センサー（３１）の入力面上に設けられてい ることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の装置。
8. ８．前記センサー（３１）が使い捨てタイプであることを特徴とする請求項７記 載の装置。
9. ９．前記単色光の光源がレーザーダイオード（３３）であることを特徴とする請 求項８記載の装置。
10. １０．前記センサー（１−４）がＦＴＲセンサーであり、ａ）屈折率がｎ３であ る透明な誘電材料からなるキャビティー層（３）、ｂ）屈折率がｎ１線ある誘電 性基板（１）、およびｃ）上記キャビティー層（３）と基板（１）との間に配置 され、屈折率がｎ２である誘電性スペーサー層（２） から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記 載の装置。