JPWO2015064757A1 - 検出装置、当該検出装置を用いた検出方法および当該検出装置に用いられる検出チップ - Google Patents

検出装置、当該検出装置を用いた検出方法および当該検出装置に用いられる検出チップ Download PDF

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Abstract

検出装置は、ホルダーおよび加熱部を有する。ホルダーは、入射面および成膜面を有するプリズムと、成膜面上に配置された金属膜と、金属膜の面上に配置された捕捉体と、金属膜の面上に配置され、金属膜と共に液体を貯留する液体貯留部を形成する基体と、を有する検出チップを保持する。また、加熱部は、接触状態または非接触状態で、基体、プリズムおよび金属膜のうち、少なくともいずれかを加熱する。また、加熱部は、励起光照射部から入射面までの励起光の光路を避けて配置されている。

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴を利用して、被検出物質を検出する検出装置、当該検出装置を用いた検出方法および当該検出装置に用いられる検出チップに関する。
臨床検査などにおいて、タンパク質やＤＮＡなどの微量の被検出物質を高感度かつ定量的に検出することができれば、患者の状態を迅速に把握して治療を行うことが可能となる。このため、微量の被検出物質を高感度かつ定量的に検出できる分析装置および分析方法が求められている。
被検出物質を高感度に検出できる方法として、表面プラズモン共鳴蛍光分析（表面プラズモン励起増強蛍光分光（Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）：以下「ＳＰＦＳ」と略記する）法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
特許文献１，２には、ＳＰＦＳ法を利用する分析装置および分析方法が開示されている。これらの分析装置および分析方法では、誘電体からなるプリズムと、プリズムの１面上に形成された金属膜と、金属膜上に固定された捕捉体（例えば抗体）とを有するセンサチップを使用する。金属膜上に被検出物質を含む検体を提供すると、被検出物質が捕捉体により捕捉される（１次反応）。捕捉された被検出物質は、さらに蛍光物質で標識される（２次反応）。この状態で、プリズムを介して表面プラズモン共鳴が生じる角度で励起光を金属膜に照射すると、金属膜表面上に局在場光を発生させることができる。この局在場光により、金属膜上に捕捉された被検出物質を標識する蛍光物質が選択的に励起され、蛍光物質から放出された蛍光が観察される。これらの分析装置および分析方法では、蛍光を検出して、被検出物質の存在またはその量を検出する。通常、この分析装置を用いた分析方法は、室温で行われる。
特開平１０−３０７１４１号公報 国際公開第２０１２／０４２８０５号
一般的に、１次反応および２次反応は、周囲の温度に依存して変化する。抗体を使用した場合、１次反応および２次反応は、室温より高い３７℃前後で最も促進される。また、蛍光物質から放出される蛍光の強度も、蛍光物質の周囲の温度に依存して変化する。
しかしながら、特許文献１，２に記載の分析装置および分析方法では、反応場の温度が管理されていないため、１次反応、２次反応および蛍光検出の時の反応場の温度は、分析装置の設置環境に依存してしまう。よって、特許文献１，２の分析装置および分析方法では、周囲の温度に応じて、１次反応において被検出物質が捕捉体に捕捉される割合や、２次反応において被検出物質が蛍光標識される割合、蛍光検出時の蛍光強度が変化してしまうおそれがある。したがって、特許文献１，２に記載の分析装置および分析方法では、検体に含まれる被検出物質を高感度かつ定量的に検出することができないおそれがある。
本発明の目的は、被検出物質を高感度かつ定量的に検出することができる、表面プラズモン共鳴を利用した検出装置を提供することである。また、本発明の別の目的は、この検出装置を用いた検出方法を提供することである。さらに、本発明の別の目的は、この検出装置に用いられる検出チップを提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の一実施の形態に係る検出装置は、表面プラズモン共鳴を利用して、検体に含まれる被検出物質の存在またはその量を検出するための検出装置であって、入射面および成膜面を有するプリズムと、前記成膜面上に配置された金属膜と、前記金属膜上に配置された捕捉体と、前記金属膜の前記捕捉体が配置された面と同じ面上に配置され、前記金属膜と共に液体を貯留する液体貯留部を形成する基体と、を有する検出チップを保持するためのホルダーと、前記入射面に向かって励起光を照射する励起光照射部と、接触状態または非接触状態で、前記基体、前記プリズムおよび前記金属膜のうち、少なくともいずれかを加熱する加熱部と、を有し、前記加熱部は、前記励起光照射部から前記入射面までの励起光の光路を避けて配置されている。
また、上記課題を解決するため、本発明の一実施の形態に係る検出方法は、表面プラズモン共鳴を利用して、検体に含まれる被検出物質の存在またはその量を検出するための検出方法であって、入射面および成膜面を有するプリズムと、前記成膜面上に配置された金属膜と、前記金属膜上に固定された捕捉体と、前記金属膜の前記捕捉体が配置された面と同じ面上に配置された、前記金属膜と共に前記検体を貯留する液体貯留部を形成する基体と、を有する検出部を含む検出チップを準備する工程と、前記検出チップの前記基体、前記プリズムおよび前記金属膜のうち、少なくともいずれかを加熱する工程と、前記検体を前記捕捉体に接触させて、前記検体に含まれる被検出物質と前記捕捉体とを結合させる工程と、前記プリズムと前記金属膜との界面において全反射するように、前記プリズム側から前記金属膜に励起光を照射する工程と、を有する。
さらに、上記課題を解決するため、本発明の一実施の形態に係る検出チップは、表面プラズモン共鳴を利用して、検体に含まれる被検出物質の存在またはその量を検出するための検出装置に用いられる検出チップであって、入射面および成膜面を有するプリズムと、前記成膜面の外側に延在するように配置された金属膜と、前記金属膜上に配置された捕捉体と、前記金属膜の前記捕捉体が配置された面と同じ面上に配置され、前記金属膜と共に液体を貯留する液体貯留部を形成する基体と、を有する。
本発明によれば、反応場の温度を毎回一定にできるため、高感度かつ定量的に被検出物質を検出することができる。
図１は、実施の形態１に係るＳＰＦＳ装置の模式図である。 図２Ａ，Ｂは、実施の形態１に係る検出チップの構成を示す図である。 図３は、実施の形態１に係るＳＰＦＳ装置の動作手順を示すフローチャートである。 図４Ａ〜Ｃは、実施の形態１に係る検出チップと変形例のヒートブロックとの位置関係を示す図である。 図５Ａ〜Ｃは、実施の形態１の変形例１に係る検出チップと、各ヒートブロックとの位置関係を示す図である。 図６は、実施の形態１の変形例２に係る検出チップの構成を示す図である。 図７は、実施の形態２に係るＳＰＦＳ装置の模式図である。 図８は、実施の形態２に係る検出チップの長辺方向の断面図である。 図９は、実施の形態２に係るＳＰＦＳ装置の動作手順を示すフローチャートである。 図１０は、実施の形態２の変形例に係る検出チップの長辺方向の断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明に係る検出装置であるＳＰＦＳ装置の一実施の形態について説明する。
まず、ＳＰＦＳ装置の概要について説明する。ＳＰＦＳ装置は、誘電体からなるプリズム上の金属膜に対して励起光を表面プラズモン共鳴が生じる角度で入射することで、金属膜表面上に局在場光（一般に「エバネッセント光」または「近接場光」とも呼ばれる）を発生させる。ＳＰＦＳ装置は、この局在場光により金属膜上に配置された被検出物質を標識する蛍光物質が選択的に励起され、蛍光物質から放出された蛍光の光量を検出することで、被検出物質の存在または量を検出する。
図１は、実施の形態１に係るＳＰＦＳ装置１００の構成を示す模式図である。図１に示されるように、ＳＰＦＳ装置１００は、励起光照射部１１０、光検出部１２０、加熱部１３０および制御部１４０を有する。ＳＰＦＳ装置１００は、被検出物質の検出では、ホルダー１５０ａに検出チップ１５０を装着した状態で使用される。そこで、検出チップ１５０について先に説明し、その後にＳＰＦＳ装置１００の各構成要素について説明する。
図２は、検出チップ１５０の構成を示す図である。図２Ａは、検出チップ１５０の斜視図であり、図２Ｂは、検出チップ１５０の長辺方向の断面図である。なお、図２Ａでは、後述のヒートブロック１３１を破線で示している。図１および図２に示されるように、検出チップ１５０は、プリズム１５１、金属膜１５２、反応部１５３および基体１５４を有する。通常、検出チップ１５０は、検出ごとに交換される。検出チップ１５０の大きさは、特に限定されず、各辺の長さが数ｍｍ〜数ｃｍ程度であることが好ましい。
プリズム１５１は、励起光αに対して透明な誘電体からなる。プリズム１５１は、入射面１６１、成膜面（反射面）１６２、出射面１６３および下面１６４を有する。入射面１６１は、励起光照射部１１０から出射された励起光αをプリズム１５１の内部に入射させる。成膜面１６２は、プリズム１５１の内部に入射した励起光αを反射させる。成膜面１６２で反射した励起光αは、反射光βとなる。この後説明するように、成膜面１６２上には、金属膜１５２が配置されている。出射面１６３は、反射光βをプリズム１５１の外部に出射させる。下面１６４は、成膜面１６２と対向して配置されている。
プリズム１５１の形状は、特に限定されない。本実施の形態では、プリズム１５１の形状は、台形を底面とする柱体である。この場合、台形の一方の底辺に対応する面が成膜面１６２であり、台形の他方の底辺に対応する面が下面１６４であり、一方の脚に対応する面が入射面１６１であり、他方の脚に対応する面が出射面１６３である。プリズム１５１の材料の例には、樹脂およびガラスが含まれる。プリズム１５１の材料は、屈折率が１.４〜１.６の範囲内であり、かつ複屈折が小さい樹脂であることが好ましい。
金属膜１５２は、プリズム１５１の成膜面１６２上に配置されている。これにより、成膜面１６２に全反射条件で入射した励起光αの光子と、金属膜１５２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１５２の表面上に局在場光を生じさせることができる。
金属膜１５２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ない。金属膜１５２の材料の例には、金、銀、銅、アルミ、これらの合金が含まれる。本実施の形態では、金属膜１５２は、金薄膜である。金属膜１５２の形成方法は、特に限定されない。金属膜１５２の形成方法の例には、スパッタリング、蒸着、メッキが含まれる。金属膜１５２の厚みは、特に限定されないが、３０〜７０ｎｍの範囲内が好ましい。
反応部１５３は、金属膜１５２の２つの面（表面および裏面）のうち、プリズム１５１が配置されていない面（表面）上に配置されている。反応部１５３は、被検出物質を捕捉するための１次抗体（捕捉体）を含み、被検出物質を捕捉する。１次抗体に捕捉された被検出物質は、蛍光物質で標識された２次抗体により蛍光標識される。このような状況において、反応部１５３は、金属膜１５２に励起光αが照射されることにより生じる局在場光により蛍光物質を励起して、蛍光γを放出させる。
基体１５４は、金属膜１５２のプリズム１５１が配置されていない面（表面）上に配置されている。基体１５４は、上面１６６、側面１６７および下面１６８を有する。本実施の形態では、基体１５４は、反応部１５３を覆うように配置され、かつプリズム１５１の成膜面１６２より大きく形成された略板状の透明部材である。基体１５４の金属膜１５２に対向する面（下面１６８）には、流路溝１７１が形成されている。基体１５４は、例えば、接着剤による接着や、レーザー溶着、超音波溶着、クランプ部材を用いた圧着などにより金属膜１５２またはプリズム１５１に接合される。本実施の形態では、基体１５４は、金属膜１５２に接合されることにより、金属膜１５２と共に液体貯留部１７３を有する流路１７２を形成する。
基体１５４は、流路溝１７１に加えて、流路溝１７１の一端に形成された第１貫通孔１７４と、流路溝１７１の他端に形成された第２貫通孔１７５とを有する。第１貫通孔１７４および第２貫通孔１７５は、それぞれ円柱形状である。流路溝１７１は、開口部が金属膜１５２により閉塞されることで流路１７２となる。また、第１貫通孔１７４および第２貫通孔１７５は、流路１７２の開口部が金属膜１５２により閉塞されることでそれぞれ流路１７２への注入口１７６および取出口１７７となる。注入口１７６には、送液部（図示省略）を接続することができる。
検体の種類は、特に限定されない。検体の例には、血液や血清、血漿、尿、鼻孔液、唾液、便、体腔液（髄液、腹水、胸水）、これらの希釈液などが含まれる。また、検体に含まれる被検出物質の例には、核酸（一本鎖もしくは二本鎖の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）、ヌクレオシド、ヌクレオチドまたはそれらの修飾分子）、タンパク質（ポリペプチドまたはオリゴペプチド）、アミノ酸（修飾アミノ酸を含む）、糖質（オリゴ糖、多糖類または糖鎖）、脂質、またはこれらの修飾分子、複合体などが含まれる。被検出物質は、具体的には、ＡＦＰ（αフェトプロテイン）などのがん胎児性抗原や、腫瘍マーカー、シグナル伝達物質、ホルモンなどである。
基体１５４の材料には、成形性（転写性、離型性）が良いこと、透明性が高いこと、紫外線および可視光に対する自家蛍光性が低いこと、熱伝導性が高いことなどが要求される。このため、基体１５４の材料は、透明樹脂が好ましい。基体１５４の材料として使用される樹脂の例には、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン６、ナイロン６６、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリイソプレン、ポリエチレン、ポリジメチルシロキサンおよび環状ポリオレフィンが含まれる。高屈折率の観点からは、ポリカーボネートが好ましい。また、基体１５４の製造方法は、特に限定されないが、製造コストの観点からは金型を用いた射出成形が好ましい。
図１に示されるように、励起光αは、入射面１６１からプリズム１５１内に入射する。プリズム１５１内に入射した励起光αは、金属膜１５２に全反射角度（表面プラズモン共鳴が生じる角度）で入射する。このように金属膜１５２に対して励起光αを表面プラズモン共鳴が生じる角度で照射することで、金属膜１５２上に局在場光を発生させることができる。この局在場光により、金属膜１５２上に存在する被検出物質を標識する蛍光物質が励起され、蛍光γが出射される。ＳＰＦＳ装置１００は、蛍光物質から放出された蛍光γの光量を検出することで、被検出物質の存在または量を検出する。
次に、ＳＰＦＳ装置１００の各構成要素について説明する。前述のとおり、ＳＰＦＳ装置１００は、励起光照射部１１０、光検出部１２０、加熱部１３０および制御部１４０を有する。なお、特に図示しないが、ＳＰＦＳ装置１００は、透明な筐体に覆われていてもよい。
励起光照射部１１０は、励起光αを検出チップ１５０の金属膜１５２に向かって照射する。励起光αは、金属膜１５２で全反射されて反射光βとなる。励起光照射部１１０は、光源を有する。光源は、検出チップ１５０内の所定の点を中心に回動可能であり、金属膜１５２に対する励起光αの入射角を変えることができる。光源の種類は、特に限定されない。光源の例には、ガスレーザー、固体レーザーおよび半導体レーザーが含まれる。たとえば、励起光αは、波長２００〜１０００ｎｍのガスレーザー光または固体レーザー光、あるいは波長３８５〜８００ｎｍの半導体レーザー光である。
光検出部１２０は、金属膜１５２上から放出される蛍光γを検出する。光検出部１２０は、ホルダー１５０ａに保持された検出チップ１５０の金属膜１５２のプリズム１５１と対向しない面に対向するように配置されている。光検出部１２０は、第１レンズ１２１、フィルター１２２、第２レンズ１２３および光センサー１２４を有する。
第１レンズ１２１および第２レンズ１２３は、迷光の影響を受けにくい共役光学系を構成する。第１レンズ１２１と第２レンズ１２３との間を進行する光は、略平行光となる。第１レンズ１２１および第２レンズ１２３は、金属膜１５２上から出射される蛍光γを光センサー１２４の受光面上に結像させる。
フィルター１２２は、第１レンズ１２１および第２レンズ１２３の間に配置されている。フィルター１２２は、光センサー１２４による蛍光検出の精度および感度の向上に寄与する。フィルター１２２は、例えば、光学フィルターやカットフィルターなどである。光学フィルターの例には、減光（ＮＤ）フィルターやダイアフラムレンズなどが含まれる。カットフィルターは、外光（装置外の照明光）や励起光αの透過成分、迷光（励起光αの散乱成分）、プラズモン散乱光（励起光αを起源とし、検出チップ１５０表面の付着物などの影響で発生する散乱光）、各部材の自家蛍光などのノイズ成分を除去する。カットフィルターの例には、干渉フィルターや色フィルターなどが含まれる。
光センサー１２４は、検出チップ１５０から放出され、フィルター１２２を透過した蛍光γを検出する。光センサー１２４は、例えば、超高感度の光電子増倍管や、多点計測が可能なＣＣＤイメージセンサなどである。
加熱部１３０は、基体１５４を介して液体貯留部１７３に貯留した反応場の液体を間接的に加熱する。加熱部１３０は、ヒートブロック１３１および熱源１３２を有する。ヒートブロック１３１は、基体１５４と接触状態または非接触状体で反応場の液体を後述する分析時の温度まで加熱する。本実施の形態では、ヒートブロック１３１は、直方体の形状であり、少なくとも加熱時において基体１５４に接触している。より具体的には、ヒートブロック１３１は、プリズム１５１を避けて基体１５４の下面１６８に接触しており、かつ流路１７２の幅方向の両端部に配置されている（図２Ａ参照）。また、ヒートブロック１３１は、励起光照射部１１０から出射される励起光αの光路を避けて配置されている。なお、ＳＰＦＳ装置１００は、温度センサーによって、反応場の液体の温度をモニターするようにしてもよい。
ヒートブロック１３１の材料は、基体１５４を加熱することができれば、特に限定されないが、熱伝導性のよい金属などであることが好ましい。ヒートブロック１３１の材料は、銅やアルミニウムなどである。ヒートブロック１３１の数や大きさは、特に限定されず、加熱する反応場の液体の量などによって、適宜設定すればよい。
これにより、ヒートブロック１３１は、ＳＰＦＳ装置１００の機能を阻害することがない。また、基体１５４の他面も加熱する場合（図４Ａ参照）と比較して、ユーザビリティー（火傷などの回避や検出チップ１５０の着脱など）を考慮した設計を簡単に行うことができる。また、ヒートブロック１３１が反応場に近接しないため、温度変化に伴う検出誤差が生じにくい。また、ヒートブロック１３１とプリズム１５１を接触させないため、プリズム１５１の内部応力、ひいては複屈折の発生を抑制して、良好な励起光偏光状態を維持することができる。
熱源１３２は、制御部１４０と接続されており、ヒートブロック１３１を加熱する。ヒートブロック１３１と同様に、熱源１３２も、励起光照射部１１０から出射される励起光αの光路を避けて配置されている。すなわち、加熱部１３０は、励起光照射部１１０から出射される励起光αの光路を避けて配置されている。熱源１３２の種類は、特に限定されず、カートリッジヒーター、ラバーヒーター、セラミックヒーターなどの赤外線ヒーター、ペルチェ素子などが含まれる。熱源１３２の温度は、液体貯留部１７３内の反応場の液体を３４〜４０℃の温度（分析時の温度）に加熱することができれば、特に限定されない。本実施の形態では、熱源１３２の温度は、４０〜５０℃である。
熱源１３２によって加熱されたヒートブロック１３１は、基体１５４を加熱する。そして、ヒートブロック１３１との接触位置（基体１５４の下面１６８）から伝導した熱は、基体１５４の全体に伝導される。このとき、基体１５４に伝わった熱は、流路１７２の液体貯留部１７３の液体に伝導される。これにより、加熱部１３０によって液体貯留部１７３内の反応場の液体が分析時の温度に加熱される。
制御部１４０は、励起光照射部１１０、光検出部１２０および加熱部１３０を統括的に制御する。制御部１４０は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置および出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどを有する。
次に、ＳＰＦＳ装置１００の検出動作（本発明の実施の形態１に係る検出方法）について説明する。図３は、ＳＰＦＳ装置１００の動作手順の一例を示すフローチャートである。
まず、ＳＰＦＳ装置１００のホルダー１５０ａに検出チップ１５０が設置される（Ｓ１００）。このとき、検出チップ１５０は、下面１６８に加熱部１３０のヒートブロック１３１が接触するように設置される。
次いで、制御部１４０は、熱源１３２を操作して、ヒートブロック１３１を加熱する（Ｓ１１０）。これにより、液体貯留部１７３内の反応場の液体を分析時の温度まで加熱する。本実施の形態では、分析時の反応場の液体の温度は、３７℃であり、１次反応および２次反応の至適温度でもある。
次いで、流路１７２に被検出物質を含む可能性がある検体を送液する（Ｓ１２０）。流路１７２内では、反応部１５３に固定されている捕捉体（１次抗体）に被検出物質を確実に捕捉させる（抗原抗体反応させる）ため、ポンプを駆動して検体を流路１７２内で往復させる。このとき、液体貯留部１７３内が分析時の温度と同じ温度に調整されているため、流路１７２（液体貯留部１７３）に送液された検体は、送液直後に分析時の温度まで加熱される。そして、検体に含まれる被検出物質は、確実に捕捉体（１次抗体）に捕捉される。この後、流路１７２内の検体は除去され、流路１７２内は洗浄液で洗浄される。
次いで、蛍光物質で標識された２次抗体を含む試薬を流路１７２にポンプによって送液する（Ｓ１３０）。この場合も、流路１７２に送液された試薬は、送液直後に分析時の温度まで加熱される。そして、試薬に含まれる蛍光物質で標識された２次抗体は、確実に被検出物質に結合する。なお、検体および試薬を事前に混合して、被検出物質と２次抗体を予め結合させた状態で、液体を流路に送液してもよい。これにより、被検出物質が蛍光物質で標識される。この後、流路１７２内の試薬（標識液）は除去され、流路１７２内は洗浄液で洗浄される。
次いで、励起光αが金属膜１５２に対して特定の入射角（図１参照）で入射するように、光源から検出チップ１５０に励起光αを照射する（Ｓ１４０）。そして、この局在場光により、反応部１５３上に捕捉された被検出物質を標識する蛍光物質が効率良く励起され、蛍光γが放出される。
以上の手順により、検体の被検出物質の存在またはその量を検出することができる。
（変形例）
実施の形態１の変形例に係るＳＰＦＳ装置は、ヒートブロックの構成が実施の形態１に係るＳＰＦＳ装置１００と異なる。そこで、主として実施の形態１に係るＳＰＦＳ装置１００と異なる部分について説明する。
図４は、検出チップ１５０と変形例のヒートブロックとの位置関係を示す図である。図４Ａは、検出チップ１５０と変形例１のヒートブロック１３１ａとの位置関係を示す図であり、図４Ｂは、検出チップ１５０と変形例２のヒートブロック１３１ｂとの位置関係を示す図であり、図４Ｃは、検出チップ１５０と変形例３のヒートブロック１３１ｃとの位置関係を示す図である。
図４Ａに示されるように、ヒートブロック１３１ａは、上面１６６、側面１６７および下面１６８から基体１５４を加熱するように構成されていてもよい。この場合、ヒートブロック１３１ａは、下側ヒートブロック片１３１ａ’および上側ヒートブロック片１３１ａ”に分割されている。下側ヒートブロック片１３１ａ’は、下面１６８および側面１６７から基体１５４を加熱する。上側ヒートブロック片１３１ａ”は、上面１６６から基体１５４を加熱する。このとき、下側ヒートブロック１３１ａ’および上側ヒートブロック１３１ａ”は、基体１５４を挟み込んで押圧しながら加熱する。これにより、実施の形態１に係るヒートブロック１３１と比較して、検出チップ１５０を効果的に加熱することができる。なお、特に図示しないが、ヒートブロック１３１は、側面１６７のみから基体１５４を押圧して加熱するように構成されていてもよいし、上面１６６のみから基体１５４を押圧して加熱するように構成してもよい。上面１６６のみから基体１５４を加熱するように構成されていている場合、ヒートブロック１３１は、蛍光の光路を避けるように配置される。
図４Ｂに示されるように、ヒートブロック１３１ｂは、検出チップ１５０の下側から加熱するようにしてもよい。この場合、ヒートブロック１３１ｂには、基体１５４の下面１６８、プリズム１５１の下面１６４、プリズム１５１の入射面１６１およびプリズム１５１の出射面１６３に接触する凹部１３３が形成されている。ヒートブロック１３１ｂは、取出口１７７側の第１ヒートブロック１３１ｂ’および注入口１７６側の第２ヒートブロック１３１ｂ”を有する。この変形例では、第１ヒートブロック１３１ｂ’および第２ヒートブロック１３１ｂ”は、同じ形に形成されており、励起光照射部１１０からの入射面１６１までの励起光αの光路を避けるように配置されている。また、図４Ｃに示されるように、ヒートブロック１３１ｃは、プリズム１５１の下面１６４を加熱するように構成されていてもよい。この場合、図４Ａに示されるヒートブロック１３１ａと比較して、ユーザビリティー（火傷などの回避や検出チップ１５０の着脱など）を考慮した設計を簡単に行うことができる。これにより、実施の形態１に係るヒートブロック１３１と比較して、検出チップ１５０を効果的に加熱することができる。また、プリズム１５１内の各点における温度差が小さくなるため、熱応力によるプリズム１５１の変形を回避しやすくなるとともに、光学特性の変化を回避しやすくなる。
（検出チップの変形例）
実施の形態１のＳＰＦＳ装置１００に使用される変形例に係る検出チップ１５０’、１５０”は、金属膜１５２’の大きさなどが実施の形態１に係る検出チップ１５０と異なる。そこで、主として実施の形態１に係る検出チップ１５０と異なる部分について説明する。
図５Ａは、変形例１の検出チップ１５０’と、ヒートブロック１３１との位置関係を示す図であり、図５Ｂは、変形例１の検出チップ１５０’と、変形例１のヒートブロック１３１ａとの位置関係を示す図であり、図５Ｃは、変形例１の検出チップ１５０’と、変形例２のヒートブロック１３１ｂとの位置関係を示す図である。図６は、実施の形態１の変形例２の検出チップ１５０”と変形例１のヒートブロック１３１ａとの位置関係を示す図である。
図５Ａに示されるように、変形例１の検出チップ１５０’の金属膜１５２’は、成膜面１６２の外側に延在するように配置されている。また、基体１５４は、金属膜１５２’を覆うように配置されている。本実施の形態では、基体１５４の下面１６８の外径と金属膜１５２’の外径は同じである。この場合、加熱部１３０が金属膜１５２’を加熱する。具体的には、加熱部１３０のヒートブロック１３１で、金属膜１５２’をプリズム１５１側（下側）から直接加熱する。これにより、液体貯留部１７３内の反応場の液体の加熱時間を短縮することができる。なお、加熱部１３０は、基体１５４に貫通孔を形成し、金属膜１５２’を上側から加熱してもよい。また、金属膜１５２’の外径は、基体１５４の下面１６８の外径より小さくてもよい。
図５Ｂに示されるように、変形例１の検出チップ１５０’を変形例１のヒートブロック１３１ａを有する加熱部１３０で加熱する場合、下側ヒートブロック片１３１ａ’は、金属膜１５２’および側面１６７から基体１５４を加熱する。また、上側ヒートブロック片１３１ａ”は、上面１６６から基体１５４を加熱する。
図５Ｃに示されるように、変形例１の検出チップ１５０’を変形例２のヒートブロック１３１ｂを有する加熱部１３０で加熱する場合、ヒートブロック１３１ｂは、金属膜１５２’、プリズム１５１の下面１６４、プリズム１５１の入射面１６１およびプリズム１５１の出射面１６３から加熱する。この場合、ヒートブロック１３１ｂは、取出口１７７側の第１ヒートブロック１３１ｂ’および注入口１７６側の第２ヒートブロック１３１ｂ”を有する。
図６に示されるように、変形例２の検出チップ１５０”は、少なくとも注入口１７６を覆うように透明導電膜（ＩＴＯ）、金属製やカーボン製の封止シール１７５ａが配置されている。このように封止シール１７５ａの素材は、熱伝導率が高い素材であることが好ましく、熱伝導率が２３０Ｗ・１／ｍ・１／Ｋ以上であることが好ましい。金属製の封止シールとして好ましい金属は、銅、金、アルミニウムなどである。本実施の形態では、封止シール１７５ａは、基体１５４の上面１６６の全体に配置されている。変形例２の検出チップ１５０”を変形例１のヒートブロック１３１ａを有する加熱部１３０で加熱する場合、下側ヒートブロック片１３１ａ’は、金属膜１５２’および側面１６７から基体１５４を加熱する。また、加熱部１３０（上側ヒートブロック片１３１ａ”）は、封止シール１７５ａを加熱することで基体１５４を加熱する。これにより、熱電導率が高い素材を加熱することで、液体貯留部１７３内の反応場の液体の加熱時間を短縮することができる。なお、封止シール１７５ａは、注入口１７６の近傍のみに配置されていてもよい。
以上のように、実施の形態１に係るＳＰＦＳ装置１００は、捕捉体および被検出物質の反応と、被検出物質および蛍光物質の反応と、蛍光が放出される蛍光物質の周囲の温度と、がそれぞれ一定に調整しているため、被検出物質を高精度にかつ高感度に検出することができる。
なお、実施の形態１では、各ヒートブロック１３１、１３１ａ、１３１ｂが接触状態で基体１５４を加熱した場合について説明したが、各ヒートブロック１３１、１３１ａ、１３１ｂは、非接触状態で基体１５４を加熱するようにしてもよい。この場合、各ヒートブロック１３１、１３１ａ、１３１ｂおよび基体１５４の距離は、各ヒートブロック１３１、１３１ａ、１３１ｂからの熱により基体１５４を加熱することができれば特に限定されないが、可能な限り短いことが好ましい。また、加熱部１３０は、誘導加熱（ＩＨ）によって金属膜１５２を加熱するようにしてもよい。この場合、各ヒートブロック１３１、１３１ａ、１３１ｂに変えて、ＩＨコイルを配置する。
（実施の形態２）
実施の形態２に係るＳＰＦＳ装置２００は、試薬保管部２５０を有する点、試薬保管部２５０を加熱する第２加熱部２３０を有する点などにおいて、実施の形態１に係るＳＰＦＳ装置１００と異なる。そこで、主として実施の形態１に係るＳＰＦＳ装置１００と異なる部分について説明する。
図７は、実施の形態２に係るＳＰＦＳ装置２００の構成を示す図である。図７に示されるように、実施の形態２に係るＳＰＦＳ装置２００は、励起光照射部１１０、光検出部１２０、第１加熱部１３０（実施の形態１における加熱部）、第２加熱部２３０、移動部２８０、送液部２９０および制御部２４０を有する。実施の形態１と同様に、ＳＰＦＳ装置２００は、被検出物質の検出では、ホルダー１５０ａに検出チップ３５０を装着した状態で使用される。そこで、検出チップ３５０について先に説明し、その後にＳＰＦＳ装置２００の各構成要素について説明する。
図８は、実施の形態２に係る検出チップ３５０の長辺方向の断面図である。なお、図８では、第１基体３５４および第２基体２５４のハッチングを省略している。図８に示されるように、実施の形態２に係る検出チップ３５０は、実施の形態１における検出チップ１５０の構成要素に加え、試薬保管部２５０を有する。
図８に示されるように、検出チップ３５０には、検出用ウェル２７３が配置されている。検出用ウェル２７３の底部には、反応部１５３が配置されている。試薬保管部２５０は、第２基体２５４および複数のウェル２５５を有する。第２基体２５４は、略板状の透明部材である。第２基体２５４は、第１基体３５４（実施の形態１の基体１５４）と一体として形成されている。
ウェル２５５は、上述した１次反応および２次反応に使用される検体や試薬を保管する。ウェル２５５は、第２基体２５４に形成されている。ウェル２５５の形状は、特に限定されない。ウェル２５５の形状は、保管する検体や試薬の量に応じて適宜設定されうる。
図７に示されるように、第２加熱部２３０は、第２基体２５４を介して試薬保管部２５０に保管された液体を間接的に加熱する。第２加熱部２３０は、第２ヒートブロック２３１および第２熱源２３２を有する。第２ヒートブロック２３１は、第２基体２５４と接触状態または非接触状態で液体を所定の温度まで加熱する。本実施の形態では、第２ヒートブロック２３１は、少なくとも加熱時に第２基体２５４に接触している。より具体的には、第２ヒートブロック２３１は、ウェル２５５の下側に配置されている。また、第２熱源２３２は、第１熱源１３２（実施の形態１における熱源）と同じものを使用することができる。検出用ウェル２７３内の液体の温度と、ウェル２５５内の液体の温度との関係は、特に限定されない。たとえば、検出用ウェル２７３内の液体の温度およびウェル２５５内の液体の温度が、いずれも３４〜４０℃であってもよい。また、検出用ウェル２７３内の液体の温度が、３４〜４０℃であり、ウェル２５５内の液体の温度が２０〜３０℃であってもよい。後者の場合、第２熱源２３２の温度は、２０〜３５℃である。また、ＳＰＦＳ装置２００が筐体に覆われている場合、筐体内の温度を安定化することができる。
移動部２８０は、ステージ２８１と、ステージ２８１を移動させる移動機構２８２を有する。ステージ２８１は、例えば、平板状に形成されている。ステージ２８１の上には、第１加熱部１３０の第１ヒートブロック１３１（実施の形態１におけるヒートブロック）および第２加熱部２３０の第２ヒートブロック２３１が配置されている。そして、第１ヒートブロック１３１および第２ヒートブロック２３１が配置されたステージ２８１の上に、検出チップ３５０を配置する。
移動部２８０は、検出チップ３５０を、測定位置（励起光照射部１１０によって励起光αが照射され、発生した蛍光γを光検出部１２０で検出する位置）と、送液位置（送液部２９０によって、検体または試薬を送液する位置）と、の間で移動させる。
送液部２９０は、試薬保管部２５０に保管された検体または試薬を検出チップ３５０の検出用ウェル２７３に供給する。送液部２９０は、例えば、ピペット２９１およびポンプ２９２を有する。ポンプ２９２を駆動することで、検体または試薬の吸引および排出が定量的に行われる。
制御部２４０は、励起光照射部１１０、光検出部１２０、第１加熱部１３０、第２加熱部２３０、移動部２８０および送液部２９０を統括的に制御する。
次に、ＳＰＦＳ装置２００の検出動作（本発明の実施の形態２に係る検出方法）について説明する。図９は、ＳＰＦＳ装置２００の動作手順の一例を示すフローチャートである。
まず、ＳＰＦＳ装置２００における検出チップ１５０の設置位置に位置するホルダー１５０ａに検出チップ３５０が設置される（工程Ｓ２００）。このとき、検出チップ３５０は、第１加熱部１３０の第１ヒートブロック１３１と、第２加熱部２３０の第２ヒートブロック２３１と接触するように設置される。
次いで、制御部２４０は、第１熱源１３２および第２熱源２３２の電源を操作して、第１ヒートブロック１３１および第２ヒートブロック２３１を加熱する（工程Ｓ２１０）。これにより、試薬保管部２５０および液体貯留部１７３内の温度を反応場の液体と同じ温度まで加熱する。本実施の形態では、反応場の液体の温度は、３７℃であり、１次反応および２次反応の至適温度でもある。
次いで、制御部２４０は、移動機構２８２を操作して、検出チップ３５０を送液位置に移動させる（工程Ｓ２２０）。
次いで、制御部２４０は、送液部２９０を操作して、試薬保管部２５０内の検体を検出チップ３５０の検出用ウェル２７３内に導入する（工程Ｓ２３０）。検出用ウェル２７３内では、反応部１５３に固定されている捕捉体（１次抗体）に被検出物質を確実に捕捉させる（抗原抗体反応）ため、ポンプ２９２を駆動して検体を検出用ウェル２７３内で攪拌させる。このとき、試薬保管部２５０および液体貯留部１７３内が分析温度と同じ温度に調整されているため、液体の温度が下がることなく、速やかに反応が進む。そして、検体に含まれる被検出物質は、確実に捕捉体（１次抗体）に捕捉される。この後、検出用ウェル２７３内の検体は除去され、検出用ウェル２７３内は洗浄液で洗浄される。
次いで、制御部２４０は、送液部２９０を操作して、蛍光物質で標識された２次抗体を含む試薬（標識液）を検出チップ３５０の検出用ウェル２７３内に導入する（工程Ｓ２４０）。この場合も、検出用ウェル２７３に送液された試薬は、予め２次抗体と被検出物質とが反応する分析時の温度に加熱されているため、温度が下がることがない。そして、試薬に含まれる蛍光物質で標識された２次抗体は、確実に被検出物質に結合する。これにより、被検出物質が蛍光物質で標識される。この後、検出用ウェル２７３内の標識液は除去され、流路内は洗浄液で洗浄される。
次いで、制御部２４０は、移動機構２８２を操作して、検出チップ３５０を送液位置から測定位置に移動させる（工程Ｓ２５０）。そして、励起光αが金属膜１５２に対して特定の入射角で入射するように、光源から検出チップ３５０に励起光αを照射する（工程Ｓ２６０）。
以上の手順により、検体の被検出物質の存在またはその量を検出することができる。
以上のように、実施の形態２に係るＳＰＦＳ装置２００は、試薬保管部２５０もさらに加熱しているため、実施の形態１に係るＳＰＦＳ装置１００と比較して、さらに被検出物質を高精度にかつ高感度に検出することができる。
なお、実施の形態２では、第１ヒートブロック１３１および第２ヒートブロック２３１が基体１５４および第２基体２５４にそれぞれ接触した状態で加熱した場合について説明したが、第１ヒートブロック１３１および第２ヒートブロック２３１は、基体１５４および第２基体２５４にそれぞれ非接触で加熱してもよい。この場合、第１ヒートブロック１３１および基体１５４の距離と、第２ヒートブロック２３１および第２基体２５４の距離とは、第１ヒートブロック１３１および第２ヒートブロック２３１からの熱により基体１５４および第２基体２５４をそれぞれ加熱することができれば特に限定されないが、可能な限り短いことが好ましい。
また、実施の形態２では、試薬保管部２５０は、第２加熱部２３０によって加熱されているが、加熱されていなくてもよい。すなわち、実施の形態２において、検出用ウェル２７３のみが加熱されていてもよい。この場合、検出チップ３５０における検出用ウェル２７３の占める割合が小さいため、検出用ウェル２７３に注入された試薬は、注入直後に昇温する。また、検出用ウェル２７３と試薬保管部２５０を加熱する実施の形態２と比較して、第２加熱部２３０が不要であるため、容易に設計することができる。また、実施の形態２に係る検出チップ３５０と比較して、検出用ウェル２７３を早く昇温させることができる。
また、実施の形態２では、第１ヒートブロック１３１および第２ヒートブロック２３１は、第１熱源１３２および第２熱源２３２によって個別に制御されているが、単一の加熱部によって制御されていてもよい。これにより、第１ヒートブロック１３１および第２ヒートブロック２３１の制御を簡単にすることができる。
（検出チップの変形例）
図１０は、実施の形態２の変形例の検出チップ３５０の長辺方向の断面図である。図１０に示されるように、実施の形態２の変形例の検出チップ３５０の金属膜１５２は、成膜面１６２の外側に延在するように配置されている。この場合、加熱部１３０のヒートブロック１３１が金属膜１５２を直接加熱することができるため、液体貯留部１７３内の反応場の液体の加熱時間を短縮することができる。
なお、図７に示される第１加熱部１３０および第２加熱部２３０は、誘導加熱（ＩＨ）によって金属膜１５２を加熱するようにしてもよい。この場合、各ヒートブロック１３１、２３１に変えて、ＩＨコイルを配置する。
また、実施の形態１および実施の形態２ではＳＰＦＳ装置について説明したが、本発明に係る検出装置はＳＰＦＳ装置に限定されない。たとえば、本発明に係る検出装置は、ＳＰＲ装置であってもよい。この場合、ＳＰＲ装置は、金属薄膜で反射され、出射面から出射された励起光を検出する光検出部を有する。
本出願は、２０１３年１０月３１日出願の特願２０１３−２２６９５２に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
本発明に係る表面プラズモン共鳴を利用した検出装置、検出方法およびこれらに用いられる検出チップは、被検出物質を高い信頼性で測定することができるため、例えば臨床検査などに有用である。
１００，２００ ＳＰＦＳ装置
１１０ 励起光照射部
１２０ 光検出部
１２１ 第１レンズ
１２２ フィルター
１２３ 第２レンズ
１２４ 光センサー
１３０ 加熱部（第１加熱部）
１３１ ヒートブロック（第１ヒートブロック）
１３２ 熱源（第１熱源）
１３３ 凹部
１４０，２４０ 制御部
１５０，３５０ 検出チップ（検出部）
１５０ａ ホルダー
１５１ プリズム
１５２ 金属膜
１５３ 反応部
１５４，３５４ 基体（第１基体）
１６１ プリズムの入射面
１６２ プリズムの成膜面
１６３ プリズムの出射面
１６４ プリズムの下面
１６６ 基体の上面
１６７ 基体の側面
１６８ 基体の下面
１７１ 流路溝
１７２ 流路
１７３ 液体貯留部
１７４ 第１貫通孔
１７５ 第２貫通孔
１７５ａ 封止シール
１７６ 注入口
１７７ 取出口
２３０ 第２加熱部
２３１ 第２ヒートブロック
２３２ 第２熱源
２５０ 試薬保管部
２５４ 第２基体
２５５ ウェル
２７３ 検出用ウェル
２８０ 移動部
２８１ ステージ
２８２ 移動機構
２９０ 送液部
２９１ ピペット
２９２ ポンプ

Claims (23)

  1. 表面プラズモン共鳴を利用して、検体に含まれる被検出物質の存在またはその量を検出するための検出装置であって、
    入射面および成膜面を有するプリズムと、前記成膜面上に配置された金属膜と、前記金属膜上に配置された捕捉体と、前記金属膜の前記捕捉体が配置された面と同じ面上に配置され、前記金属膜と共に液体を貯留する液体貯留部を形成する基体と、を有する検出チップを保持するためのホルダーと、
    前記入射面に向かって励起光を照射する励起光照射部と、
    接触状態または非接触状態で、前記基体、前記プリズムおよび前記金属膜のうち、少なくともいずれかを加熱する加熱部と、を有し、
    前記加熱部は、前記励起光照射部から前記入射面までの励起光の光路を避けて配置されている、
    検出装置。
  2. 前記加熱部は、前記基体の上面、側面および下面のうち、少なくともいずれかを加熱する、請求項１に記載の検出装置。
  3. 前記加熱部は、前記成膜面に対向する前記プリズムの下面を加熱する、請求項１に記載の検出装置。
  4. 前記加熱部は、前記基体の下面、前記プリズムの入射面、前記成膜面に対向する前記プリズムの下面、および前記プリズムの前記成膜面で反射した励起光を出射させる出射面を加熱する、請求項１に記載の検出装置。
  5. 前記検出チップは、前記液体貯留部に供給される検体または試薬を保管するための試薬保管部をさらに有し、
    前記加熱部は、接触状態または非接触状態で、前記試薬保管部をさらに加熱する、請求項１に記載の検出装置。
  6. 前記検出チップは、前記液体貯留部に供給される検体または試薬を保管するための試薬保管部をさらに有し、
    前記加熱部は、前記試薬保管部を加熱しない、
    請求項１に記載の検出装置。
  7. 前記加熱部は、誘導加熱によって前記金属膜を加熱する、請求項１に記載の検出装置。
  8. 前記金属膜の前記プリズムと対向しない面の近傍から出射される光を検出する光検出部をさらに有する、請求項１に記載の検出装置。
  9. 前記プリズムの前記成膜面で反射した励起光を検出する光検出部をさらに有する、請求項１に記載の検出装置。
  10. 前記金属膜は、前記成膜面の外側に延在するように配置されており、
    前記加熱部は、前記金属膜を加熱する、
    請求項１に記載の検出装置。
  11. 前記基体は、前記液体貯留部に前記検体を注入するための注入口を有し、
    前記注入口は、金属製またはカーボン製の封止シールで封止されており、
    前記加熱部は、前記封止シールを加熱することで前記基体を加熱する、
    請求項１に記載の検出装置。
  12. 表面プラズモン共鳴を利用して、検体に含まれる被検出物質の存在またはその量を検出するための検出方法であって、
    入射面および成膜面を有するプリズムと、前記成膜面上に配置された金属膜と、前記金属膜上に固定された捕捉体と、前記金属膜の前記捕捉体が配置された面と同じ面上に配置された、前記金属膜と共に前記検体を貯留する液体貯留部を形成する基体と、を有する検出部を含む検出チップを準備する工程と、
    前記検出チップの前記基体、前記プリズムおよび前記金属膜のうち、少なくともいずれかを加熱する工程と、
    前記検体を前記捕捉体に接触させて、前記検体に含まれる被検出物質と前記捕捉体とを結合させる工程と、
    前記プリズムと前記金属膜との界面において全反射するように、前記プリズム側から前記金属膜に励起光を照射する工程と、
    を有する、検出方法。
  13. 前記加熱する工程では、３４〜４０℃に加熱する、請求項１２に記載の検出方法。
  14. 前記加熱する工程では、前記基体の上面、側面および下面のうち、少なくともいずれかを加熱する、請求項１２に記載の検出方法。
  15. 前記加熱する工程では、前記成膜面に対向する前記プリズムの下面を加熱する、請求項１２に記載の検出方法。
  16. 前記加熱する工程では、前記基体の下面、前記プリズムの入射面、前記成膜面に対向する前記プリズムの下面、および前記成膜面で反射した励起光を出射させる出射面を加熱する、請求項１２に記載の検出方法。
  17. 前記検出チップは、前記液体貯留部に供給される検体または試料を保管するための試薬保管部をさらに有し、
    前記加熱する工程では、接触状態または非接触状態で、前記試薬保管部をさらに加熱する、
    請求項１２に記載の検出方法。
  18. 前記検出チップは、前記液体貯留部に供給される検体または試料を保管するための試薬保管部をさらに有し、
    前記加熱する工程では、前記検出部を３４〜４０℃に加熱するとともに、前記試薬保管部を前記検出部の温度未満の温度に、接触状態または非接触状態で加熱する、
    請求項１２に記載の検出方法。
  19. 前記検出チップは、前記液体貯留部に供給される検体または試料を保管するための試薬保管部をさらに有し、
    前記加熱する工程では、前記試薬保管部を加熱しない、
    請求項１２に記載の検出方法。
  20. 前記加熱部は、誘導加熱によって前記金属膜を加熱する、請求項１２に記載の検出方法。
  21. 前記金属膜の前記プリズムと対向しない面の近傍から出射される光を検出する工程をさらに有する、請求項１２に記載の検出方法。
  22. 前記プリズムの前記成膜面で反射した励起光を検出する工程をさらに有する、請求項１２に記載の検出方法。
  23. 表面プラズモン共鳴を利用して、検体に含まれる被検出物質の存在またはその量を検出するための検出装置に用いられる検出チップであって、
    入射面および成膜面を有するプリズムと、
    前記成膜面の外側に延在するように配置された金属膜と、
    前記金属膜上に配置された捕捉体と、
    前記金属膜の前記捕捉体が配置された面と同じ面上に配置され、前記金属膜と共に液体を貯留する液体貯留部を形成する基体と、を有する、
    検出チップ。
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