JPH09257806A

JPH09257806A - 表面プラズモン共鳴センサ装置

Info

Publication number: JPH09257806A
Application number: JP6356596A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Uchiyama; 兼一内山; Taiji Osada; 泰二長田
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】バイオセンサ等として用いられ表面プラズモ
ン共鳴センサにおいて、センサチップの交換を容易に
し、かつ、試料をセンサチップに導くための配管を短く
する。【解決手段】表面プラズモン共鳴センサ装置Ａのオー
トサンプラ装置１は、昇降自在なヘッド３と、ＳＰＲ測
定ユニット２と、試料皿６をセットするテーブル５とを
備える。ヘッド３には、試料皿６から試料溶液を吸い上
げるための中空針４が着脱自在に取付けられ、この中空
針４はＳＰＲ測定ユニット２に挿通されている。針４の
プリズムの光反射面には表面プラズモン共鳴を起こすた
めの金属薄膜が蒸着されている。針４内に試料溶液を吸
い上げた状態で検査が行なわれる。各検査毎に針４を交
換することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面プラズモン共
鳴現象を利用して試料の物質状態を検出する表面プラズ
モン共鳴センサ装置に関し、特に臨床検査装置などに好
適な表面プラズモン共鳴センサ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高屈折率をもつ光透過媒体の金属薄膜に
接した表面での光の全反射に伴う表面プラズモン共鳴現
象を利用して、媒体外部で金属薄膜に接している溶液や
ガスなどの試料の屈折率やその変動を測定する表面プラ
ズモン共鳴センサが知られている。試料の屈折率はその
試料中の物質量を反映しているから、例えば、生化学や
分子生物学や医療検査等の分野で用いられるバイオセン
サとして、表面プラズモン共鳴センサが利用されてい
る。

【０００３】表面プラズモン共鳴センサは、一般に、光
源と、金属薄膜を有した光反射面を持つ高屈折率の光透
過媒体と、光検出器とを備える。光透過媒体は、一般
に、ガラスやアクリルといった高屈折率材料で作られて
おり、センサチップと呼ばれる。このセンサチップの光
反射面に形成された金属薄膜の外表面に血液や尿等の試
料を接触させた状態で、光線をセンサチップを通してそ
の光反斜面へ全反射角で入射し、その反射光を光検出器
で受光して、表面プラズモン共鳴に起因する減光が生じ
る入射角を測定することにより、試料の物質状態を検査
する。

【０００４】このような表面プラズモン共鳴センサを利
用した臨床検査用の従来のセンサ装置では、上述した光
源、センサチップ及び光検出器などの構成要素は、ＳＰ
Ｒ（表面プラズモン共鳴）測定ユニットと呼ばれるユニ
ットに纏められており、このユニットは、試料を自動サ
ンプルするためのオートサンプラ装置内に格納されてい
る。オートサンプラ装置は、血液や尿のような試料を外
部の試料皿から吸引するための針を有している。この吸
引針から装置内のＳＰＲ測定ユニットへ長い配管が延び
ており、針により吸引された試料はこの配管を通ってユ
ニット内のセンサチップの金属薄膜外表面へと導かれ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の表面プ
ラズモン共鳴センサ装置は、以下のような問題を有す
る。

【０００６】（１）血液や尿等の試料を特別に処理をし
ないまま測定する場合には、配管内で血栓などを生じて
配管を詰まらせることがある。

【０００７】（２）試料内のウィルスや細菌への対策と
して、配管内を殺菌するための薬剤が必要になる。

【０００８】（３）配管を通すため試料の量がその配管
長分だけ余分に必要であり、また、洗浄液や殺菌剤の量
も同様に余分に必要である。

【０００９】（４）センサチップが装置内部に位置する
ため、その交換作業を自動化しにくく、また自動化した
場合も、装置が大型化したり、配管の切り替えバルブの
数が増加したりするため、コスト高となる。

【００１０】従って、本発明の目的は、表面プラズモン
共鳴センサ装置において、試料をセンサチップへ導くた
めの配管を短くすることにある。

【００１１】本発明の目的は、表面プラズモン共鳴セン
サ装置において、センサチップの交換を容易にすること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の表面プラズモン
共鳴センサ装置は、外部の試料を自動サンプルするオー
トサンプラ装置と、サンプルされた試料と接して表面プ
ラズモン共鳴を起こすための金属薄膜を有した光反射面
をもつセンサチップと、このセンサチップに光を入射す
る光源ユニットと、センサチップからの反射光を受光す
る光検出器とを備える。そして、オートサンプラ装置に
は、試料を吸引するための中空針が、外部から着脱可能
な状態で取付けられる。この中空針は、試料の通る流路
と、この流路内に光反射面が臨んでいるセンサチップと
を有している。

【００１３】中空針は、例えば、センサチップとしての
円柱形又は角柱形のプリズムと、このプリズムの光反射
面に沿って形成された流路とから構成され、プリズムの
光反射面上の適当箇所に金属薄膜が形成されていて、流
路中に試料が満たされると金属薄膜の表面が試料で覆わ
れる。

【００１４】中空針に試料を吸引して針内に試料を保持
した状態で、光源ユニットから針のセンサチップに光を
入射させ、センサチップからの反射光を光検出器で受光
することにより、検査を行なうことができる。中空針
は、各検査毎に使い捨てるようにしてもよいし、再使用
するようにしてもよい。針を交換するだけで、容易にセ
ンサチップが交換できる。針内にのみ試料を入れれば測
定が行なえ、長い配管を通して装置内部まで試料を導く
必要がない。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１６】図１は、本発明の一実施形態に係る臨床検
査用の表面プラズモン共鳴センサ装置Ａの全体斜視図で
ある。

【００１７】この装置Ａは、オートサンプラ装置１とＳ
ＰＲ測定ユニット２を備える。オートサンプラ装置１
は、起立部１ａと基台１ｂとを有する。起立部１ａの前
面中央には昇降自在のヘッド３が備えてある。ＳＰＲ測
定ユニット２は、起立部１ａの前面の、ヘッド３より下
方の位置に固定されている。ヘッド３には下方へ向け
て、透明の中空針４が保持されており、この中空針４は
ＳＰＲ測定ユニット２を貫通している。中空針４は後に
詳述するように、センサチップとして機能する部分を有
している。起立部１ａ内には後述する吸引ポンプがあ
り、その吸引ポンプはヘッド３内の配管を通じて中空針
４に繋がっている。ＳＰＲ測定ユニット２内には、光源
ユニットと、光検出器と、光検出器からの信号を処理す
る回路とが収容されている。光源ユニットは中空針４の
センサチップ部分へ光を入射させ、光検出器は中空針４
のセンサチップ部分からの反射光を受光するように配置
されている。

【００１８】基台１ｂ上には、水平に回転するリング状
のテーブル５が設けられている。テーブル５上には、等
間隔で複数個の試料皿６をセットすることができる。各
試料皿６は、テーブル５が回転することで順次に中空針
４の真下に位置する。ヘッド３が降下すると、中空針４
の先端が試料皿６中の試料溶液中に差込まれる。吸引ポ
ンプが作動すると、試料溶液が中空針４内に吸引され
る。中空針４内に試料が吸引されるとヘッド３が上昇す
る。中空針４は内部に試料を保持した状態で所定の高さ
まで持ち上げられる。中空針４が所定の高さまで持上が
ると、中空針４のセンサチップ部分がちょうどＳＰＲ測
定ユニット２内の光源ユニットの光軸上の焦点に位置す
る。このとき、ＳＰＲ測定ユニット２が作動して測定を
行う。

【００１９】なお、ヘッド３を上下させる代わりに、テ
ーブル５を上下させ、ヘッド３の位置は固定にしてもよ
い。またテーブル５を回転させる代わりに、Ｘ、Ｙ軸方
向に動かすようにしてもよい。

【００２０】図２は、中空針４の詳細を示す斜視図であ
り、（ａ）は２つに分解した状態を示し、（ｂ）は完成
した状態を示す。

【００２１】図２（ａ）に示すように、中空針４は、半
円筒状の容器部２１と、半円柱状のプリズム部２２から
構成されている。容器部２１とプリズム部２２とを貼り
合わせることにより、図５（ｂ）に示すように、断面が
半円形の流路２３を有した中空針４が完成する。試料溶
液は流路２３内に吸込まれ、測定中はここに保持され
る。

【００２２】プリズム部２２は、ガラスやアクリルなど
透明な材料で形成されており、円柱プリズム又は円柱レ
ンズとして機能する。プリズム部２２の平坦面の適宜箇
所には、表面プラズモン共鳴を起こすための膜厚約５０
ｎｍの銀または金の薄膜が蒸着により形成されている。
この金属薄膜２４は流路２３に面しているから、試料溶
液は金属薄膜２４の外表面に接することになる。

【００２３】この中空針４は全て透明であってもよい
が、光が通過する部分（つまり、プリズム部２２の金属
薄膜２４への入反射光が通る部分）以外の部分の表面
は、補強と遮光のために金属や樹脂などで覆うことが望
ましい。また、ヘッド３に固定される針４の端の方の部
分には固定を容易にするための凹凸を表面に設けてもよ
い。また、図示のように容器部２１とプリズム部２２と
を貼り合わせる方法以外に、透明なチューブと、その内
径に合わせた外径をもつ円柱プリズムとを用意し、チュ
ーブ内にプリズムを挿入して接着する方法によっても針
４を作成することができる。

【００２４】図３は、中空針４を用いたＳＰＲユニット
２内での測定の態様を示す。

【００２５】中空針４の流路２３中には試料溶液が保持
されており、試料溶液は金属薄膜２４に接している。金
属薄膜２４の外表面上には、試料溶液中の検出すべきウ
ィルスや病原体と反応する抗体が固定されている。試料
溶液中に目的のウィルス等が存在すれば、抗原抗体反応
が金属膜外表面上で生じる。光源ユニット２５は、プリ
ズム部２２の外周面から金属薄膜２４上の焦点にくさび
型の光線束を入射し、その焦点からの反射光線束をアレ
ー型の光検出器２６で受ける。表面プラズモン共鳴によ
り減光が生じた入射角（プラズモン共振角）を測定する
ことにより、抗原抗体反応の状態が分り、よって、試料
溶液中に存在する目的のウィルス等が検出できる。

【００２６】図４は、起立部１ａとヘッド３の内部に設
けられた、試料吸引のための配管系の概略構成を示す。

【００２７】中空針４はヘッド３の下端のチャック７に
把持される。チャック７に把持された中空針４は配管８
の一端に繋がる。この配管８の他端は、切り替えバルブ
９によって、吸引ポンプ１０と洗浄液タンク１１に選択
的に接続される。吸引ポンプ１０の出口は試料の排出口
へ接続されている。

【００２８】検査は次の手順により行なわれる。

【００２９】（１）中空針４をチャック部７に固定し、
中空針４をＳＰＲ測定ユニット２に対する測定位置の高
さにセットする。

【００３０】（２）配管８に洗浄液タンク１１を接続
し、洗浄液タンク１１から中空針４へ洗浄液を吐出し
て、中空針４内に洗浄液を満たす。

【００３１】（３）抗原抗体反応前のプラズモン共振角
をＳＰＲ測定ユニット２により測定する。

【００３２】（４）配管８にポンプ１０を接続し、ヘッ
ド３を降下して中空針４を試料皿６中の試料溶液に浸
す。そしてポンプ１０を駆動して針４内に試料溶液を吸
引する。このとき、試料溶液が針４内の金属薄膜２４よ
り高い位置までは昇るが、針４の上端は越えないよう
に、ポンプ１０の動作が制御される。

【００３３】（５）抗原抗体反応が生じる時間だけ待
つ。

【００３４】（６）ポンプ１０を駆動して針４から試料
溶液を抜き取り試料溶液を排出する。

【００３５】（７）配管８に洗浄液タンク１１を接続
し、洗浄液を吐出して針４内から反応しなかったものを
除去する。

【００３６】（８）ヘッド３を引き上げて針４を測定位
置の高さにセットし、抗原抗体反応後のプラズモン共振
角を測定する。

【００３７】（９）共振角変化量から反応量を算出す
る。

【００３８】（１０）針４をチャック部７から外し廃棄
する。

【００３９】以上説明した実施形態によれば、試料を吸
い上げる中空針４がセンサチップの役割を果たしている
ため、試料をセンサチップに導くための配管長は極めて
短く、測定に必要な試料溶液の量が少なくて済むなど、
前述した従来技術のもつ配管に関わる問題が解決され
る。また、センサチップとしての針４が装置外部にある
ため、交換が容易で交換を自動化するのも容易である。
例えば、ドリルのチャック機構など従来の産業機械の構
造をそのまま利用できる。さらに、装置の構成が簡単
で、切り替えバルブの数も少ないので、低コストでコン
パクトな装置が実現できる。また、針４は使い捨てにで
きるので、次の検査のために針４を洗浄する面倒が無
い。

【００４０】図５は、本発明の第２の実施形態の配管系
の構成を示す。

【００４１】この実施形態は、オートサンプラ装置が２
個のヘッド３ａ、３ｂを備え、そこに２本の中空針４
ａ、４ｂを装着し、同時に２つの試料皿６ａ、６ｂ中の
試料溶液を検査できる。２本の中空針４ａ、４ｂの洗浄
や試料の吸引などを順次に行なうために、２個のヘッド
３ａ、３ｂが切り替えバルブ１２を介して選択的に配管
８に接続される。

【００４２】図６は、この第２の実施形態のＳＰＲ測定
ユニット２の構成図である。

【００４３】ＳＰＲ測定ユニット２は、遮光のケーシン
グ（暗箱）３０を有し、そこに２本の中空針４ａ、４ｂ
が平行に挿通される。ＳＰＲ測定ユニット２の暗箱３０
内には、第１の針４ａの金属薄膜２４ａに焦点を合わさ
れた第１の光源ユニット２５ａと第１の光検出器２６ａ
のセットと、第２の針４ｂの金属薄膜２４ａに焦点を合
わされた第２の光源ユニット２５ｂと第２の光検出器２
６ａのセットとが設けられている。ヘッド３ａ、３ｂ
は、それぞれの針４ａ、４ｂをＳＰＲ測定ユニット２の
それぞれの測定位置の高さにセットするように自動制御
される。

【００４４】このように複数の検査ユニットをもつこと
により、複数の試料を同時に検査したり、同一試料に対
する異なる目的の検査を同時に行なったりすることがで
きるので、検査の効率が向上する。

【００４５】図７は、本発明の第３の実施形態の配管系
を示す。

【００４６】前述の実施形態は原則的に針４を使い捨て
ることを前提としていたが、この実施形態は、針４を再
使用することを前提としている。針４に繋がった配管８
は、切り替えバルブ９を介して、吸引ポンプ１０と洗浄
液タンク１１と解離液タンク１３とに選択的に接続され
るようになっている。解離液タンク１３内の解離液は、
針４の金属薄膜２４上の抗体からこれと反応した抗原を
引き離す作用をもつ。

【００４７】検査の手順は次の通りである。

【００４８】（１）中空針４をチャック部７に固定し、
中空針４をＳＰＲ測定ユニット２に対する測定位置の高
さにセットする。

【００４９】（２）配管８に洗浄液タンク１１を接続
し、洗浄液タンク１１から中空針４へ洗浄液を吐出し
て、中空針４内に洗浄液を満たす。

【００５０】（３）抗原抗体反応前のプラズモン共振角
を測定する。

【００５１】（４）配管８にポンプ１０を接続し、針４
内に試料溶液を吸引する。

【００５２】（５）抗原抗体反応が生じる時間だけ待
つ。

【００５３】（６）ポンプ１０を駆動して針４から試料
溶液を抜き取り試料溶液を排出する。

【００５４】（７）配管８に洗浄液タンク１１を接続
し、洗浄液を吐出して針４内から反応しなかったものを
除去する。

【００５５】（８）針４を測定位置の高さに引き上げ、
反応後のプラズモン共振角を測定する。

【００５６】（９）配管８に解離タンク１１を接続し、
解離液を針４に吐出してセンサチップを再生する（金属
薄膜上の抗体から抗原を解離する）。

【００５７】（１０）配管８に洗浄液タンク１１を接続
し、洗浄液を吐出して針４から解離液及び解離した抗原
を除去する。

【００５８】（１１）共振角変化量から反応量を算出す
る。

【００５９】図８は、以上紹介したような本発明の実施
形態で用いることができる針４の別の構成例を示す斜視
図である。この針４は２つの金属薄膜２４ａ、２４ｂを
有している。この２つの金属薄膜２４ａ、２４ｂ上に異
なる抗原に反応する抗体を固定しておけば、一度の検査
で２項目の測定が行なえる。或いは、一方の金属薄膜２
４ａ上に活性の抗体を固定し、他方の金属薄膜２４ａ上
に不活性の抗体を固定しておき、後者の金属薄膜２４ａ
でのプラズモン共振角を参照基準として用いて、前者の
金属薄膜２４ａでのプラズモン共振角に対する温度補償
を行なうこともできる。尚、３個以上の金属薄膜を一つ
の針内に設けてもよい。

【００６０】図９は針４の更に別の構成例を示す斜視図
である。この針４は全体的に四角柱形であり、プリズム
部２２は三角プリズムとして機能する。針４の全体は四
角柱に限らず、より多角な角柱としてもよい。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、試料を吸引するための
針にセンサチップの部分を設けたので、針を交換するこ
とで容易にセンサチップが交換でき、しかも、試料をセ
ンサチップに導くための配管も非常に短い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る表面プラズモン
共鳴センサ装置の全体を示す斜視図である。

【図２】中空針の構成を示す斜視図である。

【図３】中空針を用いた測定態様を示す針の断面図であ
る。

【図４】第１実施形態の配管系を示す概略構成図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施形態の配管系を示す概略構
成図である。

【図７】図１に示すバイオセンサ装置の配管系の第３の
例の概略構成図である。

【図６】第２実施形態のＳＰＲ測定ユニットの構成を示
す断面図である。

【図８】針の別の構成例を示す斜視図である。

【図９】針の更に別の構成例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１オートサンプラ装置２ＳＰＲ測定ユニット３ヘッド４中空針５テーブル６試料皿２１容器部２２プリズム部２４金属薄膜２５光源ユニット２６光検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部の試料を自動的にサンプルするオー
トサンプラ装置と、サンプルされた試料と接して表面プ
ラズモン共鳴を起こすための金属薄膜を有した光反射面
をもつセンサチップと、このセンサチップに光を入射す
る光源ユニットと、センサチップからの反射光を受光す
る光検出器とを備えた表面プラズモン共鳴センサ装置に
おいて、前記オートサンプラ装置に外部から着脱可能に取付けら
れた、前記試料を吸引するための中空針を備え、この中
空針が、試料の通る流路と、この流路内に前記光反射面
が臨んでいる前記センサチップとを有することを特徴と
する表面プラズモン共鳴センサ装置。
【請求項２】請求項１記載の装置において、前記センサチップが、円柱形又は角柱形のプリズムと、
このプリズムの光反射面上に形成された前記金属薄膜と
を有し、前記プリズムの光反射面に沿って前記流路が形
成されていることを特徴とする表面プラズモン共鳴セン
サ装置。
【請求項３】請求項１記載の装置において、前記中空針を保持するヘッドと、前記光源ユニットと前記光検出器とを有する測定ユニッ
トと、試料が置かれるテーブルと、前記ヘッドに保持された中空針に配管を介して接続さ
れ、前記中空針内に前記試料を吸引するためのポンプと
を備えたことを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装
置。
【請求項４】請求項３記載の装置において、前記ヘッ
ドが、前記中空針を着脱可能にするためのチャックを有
することを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
【請求項５】請求項３記載の装置において、前記ヘッ
ドに保持された中空針を、前記テーブル上の試料を吸引
するための位置、及び前記測定ユニットにより測定を行
なうための位置へそれぞれセットできるように、前記ヘ
ッドが移動可能であることを特徴とする表面プラズモン
共鳴センサ装置。
【請求項６】請求項３記載の装置において、前記テー
ブル上の試料を前記ヘッドに保持された中空針に吸引す
るための位置へセットできるように、前記テーブルが移
動可能であることを特徴とする表面プラズモン共鳴セン
サ装置。
【請求項７】請求項３記載の装置において、前記ヘッ
ドを複数備えることを特徴とする表面プラズモン共鳴セ
ンサ装置。
【請求項８】請求項３記載の装置において、試料を前
記中空針に吸引するとき、前記試料が前記中空針内の前
記金属薄膜の位置を越えた位置に達したところで吸引を
停止するよう前記ポンプが制御されることを特徴とする
表面プラズモン共鳴センサ装置。
【請求項９】外部の試料を自動的にサンプルするオー
トサンプラ装置を備えた表面プラズモン共鳴センサ装置
の前記オートサンプラ装置に外部から着脱可能に取付け
られる、試料を吸引するための中空針において、試料の通る流路と、この流路内に臨んだ金属薄膜を有し
た光反射面をもつセンサチップとを備えたことを特徴と
する試料を吸引するための中空針。
【請求項１０】請求項９記載の中空針において、前記センサチップが、円柱形又は角柱形のプリズムと、
このプリズムの光反射面上に形成された前記金属薄膜と
を有し、前記プリズムの光反射面に沿って前記流路が形
成されていることを特徴とする試料を吸引するための中
空針。
【請求項１１】請求項９記載の中空針において、複数の前記金属薄膜を有することを特徴とする試料を吸
引するための中空針。
【請求項１２】請求項９記載の中空針において、前記センサチップの光の通過する部分を含む一部分を除
いた残りの部分の表面が、遮光材料で覆われていること
を特徴とする試料を吸引するための中空針。