WO2011111472A1 - 表面プラズモン増強蛍光測定装置及びチップ構造体 - Google Patents

表面プラズモン増強蛍光測定装置及びチップ構造体 Download PDF

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WO2011111472A1
WO2011111472A1 PCT/JP2011/052993 JP2011052993W WO2011111472A1 WO 2011111472 A1 WO2011111472 A1 WO 2011111472A1 JP 2011052993 W JP2011052993 W JP 2011052993W WO 2011111472 A1 WO2011111472 A1 WO 2011111472A1
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light
thin film
metal thin
chip structure
shielding portion
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PCT/JP2011/052993
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正貴 松尾
英隆 二宮
賢治 石田
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コニカミノルタホールディングス株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/648—Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence

Definitions

  • the present invention relates to a surface plasmon enhanced fluorescence measuring device and a chip structure based on the principle of surface plasmon excitation enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS; Surface plasmon-field Fluorescence Spectroscopy).
  • SPFS surface plasmon excitation enhanced fluorescence spectroscopy
  • SPFS surface plasmon excitation enhanced fluorescence spectroscopy
  • Patent Document 1 discloses the technology thereof.
  • Patent Document 2 for the purpose of obtaining a plasmon resonance angle curve with a large dynamic range, a reflected light intensity is first detected by a CCD in a relatively wide reflection angle range, and then a light shielding plate provided immediately before the CCD. As a result, the light receiving area of the CCD is reduced and the amount of light from the light source is increased to increase the amount of light incident on the CCD.
  • JP 2006-208069 A JP-A-10-170430
  • excitation light passing through a chip structure formed with a metal thin film when irradiated with excitation light is scattered within the chip structure or generates autofluorescence from the material of the chip structure.
  • the analyte is detected by measuring the fluorescence generated from the fluorescent label applied to the analysis target.
  • the scattered light and autofluorescence described above are inherently difficult to separate from the fluorescence caused by the analysis target. There is a problem that the ratio deteriorates.
  • the aforementioned scattered light and autofluorescence cause the fluorescent label to shine, and the S / N ratio also deteriorates due to such a phenomenon.
  • the object of the present invention is to provide a surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus capable of improving the S / N ratio by reducing noise caused by scattered light and autofluorescence as described above, and a chip structure. To do.
  • the fluorescent substance in the reaction field formed on the other surface of the metal thin film is excited.
  • a surface plasmon enhanced fluorescence measuring device adapted to detect fluorescence enhanced thereby by a light detection means,
  • the chip structure is provided with a light-shielding portion that shields light having the same wavelength as the fluorescence excited from the fluorescent material on the one or the other surface side of the metal thin film. Plasmon enhanced fluorescence measurement device.
  • the surface plasmon enhanced fluorescence measurement device according to any one of claims 1 to 3, wherein the light shielding portion is provided on a wall surface of the flow path and facing the metal thin film.
  • a chip structure used in a surface plasmon enhanced fluorescence measuring device is at least A metal thin film that is irradiated with excitation light on one surface; A reaction field formed on the other surface of the metal thin film; A light-shielding portion provided on the one or other surface side of the metal thin film;
  • a chip structure comprising:
  • the light shielding portion is provided on a wall surface of the flow path and facing the metal thin film.
  • the said light-shielding part can also shield the light of the wavelength of excitation light, It is provided in the position which shields at least one part of an excitation light irradiation area
  • the present invention by providing a light-shielding portion that shields at least a part of the region other than the reaction field on the surface in the vicinity of the metal thin film and parallel to the layer on which the metal thin film is formed, It becomes possible to provide a surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus and a chip structure capable of improving the S / N ratio by reducing noise due to autofluorescence.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the periphery of a reaction field 104 of a chip structure 108 It is an enlarged view of the reaction field 104 periphery in a 1st modification. It is an enlarged view of the reaction field 104 periphery in a 2nd modification. It is an enlarged view of the reaction field 104 periphery in a 3rd modification. It is an enlarged view of the reaction field 104 periphery in a 4th modification. It is the graph which showed the output change of the light quantity with respect to the position of a X direction. It is an enlarged view of the reaction field 104 periphery in a 5th modification. It is an enlarged view of the reaction field 104 periphery in the 6th, 7th modification.
  • FIG. 1 and 2 are schematic views of a surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus using a microchip liquid feeding system according to an embodiment.
  • Surface plasmon-enhanced fluorescence measurement device accurately detects the fluorescence generated by the excited fluorescent material by irradiating a metal thin film with excitation light to generate a rough wave (surface plasmon), and it is extremely accurate even if the detection sensitivity is increased. It is possible to detect fluorescence.
  • reaction field is a region where the primary antibody is attached to the metal thin film 102, and the analyte and the fluorescent label attached to the analyte are reacted by reacting the primary antibody with the analyte.
  • the area to be captured is a region where the primary antibody is attached to the metal thin film 102, and the analyte and the fluorescent label attached to the analyte are reacted by reacting the primary antibody with the analyte. The area to be captured.
  • the “excitation light irradiation region” is a region irradiated with excitation light on the surface of the metal thin film 102. Unless otherwise specified, the irradiation angle of the excitation light to the metal thin film 102 is a specific incident angle (resonance angle ⁇ 1).
  • Electric field enhancement region is a region where electric field enhancement occurs. That is, the region on the metal thin film 102 and irradiated with excitation light. However, when the light shielding portion 103 (described later) is provided on one or the other surface of the metal thin film 102, the electric field does not increase, so the region corresponding to the light shielding portion 103 of the metal thin film 102 is the electric field enhancement region. It will not be.
  • the “detection region” is an electric field enhancement region and the whole or a part of the reaction field. Fluorescence generated from a fluorescent label (fluorescent substance) captured in the reaction field in the electric field enhancement region is detected.
  • the reaction field 104 and the detection region coincide with each other. Therefore, unless otherwise specified, both are explained as being the same.
  • a surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus 10 As shown in FIG. 1, a surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus 10 according to the present invention includes a metal thin film 102, a reaction field 104 formed on one surface of the metal thin film 102, and a dielectric formed on the other surface side. A chip structure 108 having a body member 106. A light shielding portion 103 is provided in the vicinity of the metal thin film 102. The light shielding unit 103 shields at least light having the same wavelength as the fluorescence excited from the fluorescent material. Thereby, autofluorescence generated from the dielectric member 106 having the same wavelength as the fluorescence excited from the fluorescent substance can be shielded.
  • the light shielding portion 103 is a surface parallel to the metal thin film 102 (and the reaction field 104) (when the detection region is viewed from the light receiving surface of the light detection unit 120) so as to cover the reaction field 104 (detection region). It is provided around.
  • a light source 112 that functions as a “light emitting unit” that enters the dielectric member 106 and irradiates the excitation light b 1 toward the metal thin film 102 is provided.
  • Light receiving means 116 for receiving the reflected light b2 irradiated from and reflected by the metal thin film 102.
  • the excitation light b1 emitted from the light source 112 is preferably a laser beam, and a gas laser or a solid-state laser having a wavelength of 200 to 1000 nm and a semiconductor laser having a wavelength of 385 to 800 nm are preferable.
  • a light detection unit 120 that functions as a light detection unit that receives the fluorescence b3 generated in the reaction field 104 is provided.
  • the light detection unit 120 it is preferable to use an ultrasensitive photomultiplier tube or a CCD image sensor capable of multipoint measurement.
  • any condensing system may be used as long as it aims at efficiently condensing the fluorescence signal on the light detection unit 120.
  • a simple condensing system a commercially available objective lens used in a microscope or the like may be used.
  • the magnification of the objective lens is preferably 10 to 100 times.
  • the filter 124 an optical filter, a cut filter, or the like can be used.
  • the optical filter include a neutral density (ND) filter and a diaphragm lens.
  • the cut filter includes external light (illumination light outside the device), excitation light (excitation light transmission component), stray light (excitation light scattering component in various places), and plasmon scattering light (excitation light originated from plasmon A filter that removes various types of noise light such as scattered light generated by the influence of structures or deposits on the surface of the excitation sensor) and autofluorescence of the enzyme fluorescent substrate, such as an interference filter and a color filter.
  • a SAM film (Self-Assembled Monolayer: a primary antibody is bound on the surface of the metal thin film 102 in contact with the reaction field 104. (Also referred to as “self-assembled monolayer”) or a polymer material film.
  • the primary antibody is bound to one surface of the SAM film or the polymer material film, and the other surface of the SAM film or the polymer material film is directly or indirectly fixed to the surface of the metal thin film 102.
  • SAM film examples include a film formed of a substituted aliphatic thiol such as HOOC— (CH 2 ) 11 —SH, and examples of the polymer material include polyethylene glycol and MPC polymer. This may be prepared at the time of use, or a substrate on which these are bonded in advance may be used. Alternatively, a polymer having a reactive group for the primary antibody (or a functional group that can be converted into a reactive group) may be directly immobilized on the substrate, and the primary antibody may be immobilized thereon. When an antibody or a polymer is bound using various reactive groups, an amidation condensation reaction through succinimidylation, an addition reaction through maleimidation, or the like is common.
  • a substituted aliphatic thiol such as HOOC— (CH 2 ) 11 —SH
  • the polymer material examples include polyethylene glycol and MPC polymer. This may be prepared at the time of use, or a substrate on which these are bonded in advance may be used. Alternatively,
  • a solution (hereinafter also referred to as a specimen liquid) containing an analyte (also referred to as a specimen) antigen as a target substance and a reagent liquid containing a secondary antibody are fed to the reaction field 104 thus configured.
  • Antigen can be captured by the immobilized primary antibody.
  • the captured antigen is labeled by the action of a reagent solution containing a secondary antibody labeled with a fluorescent substance.
  • the detection of the analyte labeled with the fluorescent substance is performed by irradiating the dielectric member 106 with the excitation light b1 from the light source 112 to the reaction field 104 where the analyte is captured, and the excitation light b1 is specific to the metal thin film 102.
  • the metal thin film 102 By entering the metal thin film 102 at an incident angle (resonance angle ⁇ 1), a dense wave (surface plasmon) is generated on the metal thin film 102.
  • the excitation light b1 and the electronic vibration in the metal thin film 102 are coupled, and the signal of the reflected light b2 changes (the amount of light decreases). Therefore, in order to set the incident angle (resonance angle ⁇ 1) of the excitation light b1 with respect to the metal thin film 102, if a point where the signal of the reflected light b2 received by the light receiving means 116 changes (the amount of light decreases) is found. good.
  • the fluorescent material generated in the reaction field 104 on the metal thin film 102 is efficiently excited, thereby increasing the amount of fluorescent b3 emitted from the fluorescent material, and condensing this fluorescent b3.
  • the light detection unit 120 By receiving light at the light detection unit 120 via the member 122 and the filter 124, it is possible to detect an extremely small amount and / or extremely low concentration of the analyte.
  • the material of the metal thin film 102 of the chip structure 108 is preferably made of at least one metal selected from the group consisting of gold, silver, aluminum, copper, and platinum, more preferably made of gold. It consists of a metal alloy.
  • Such a metal is suitable for the metal thin film 102 because it is stable against oxidation and the electric field enhancement due to dense wave (surface plasmon) becomes large.
  • examples of the method for forming the metal thin film 102 include sputtering, vapor deposition (resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition, etc.), electrolytic plating, electroless plating, and the like.
  • the sputtering method and the vapor deposition method are preferable because the thin film formation conditions can be easily adjusted.
  • the thickness of the metal thin film 102 at least in the reaction field 104 and its periphery includes: gold: 5 to 500 nm, silver: 5 to 500 nm, aluminum: 5 to 500 nm, copper: 5 to 500 nm, platinum: 5 to 500 nm, and those Alloy: preferably in the range of 5 to 500 nm.
  • the thickness of the metal thin film 102 is within the above range, close-packed waves (surface plasmons) are easily generated, which is preferable.
  • the size (length ⁇ width) of the surface is not particularly limited.
  • the light shielding portion 103 may be formed by applying a light shielding film of another material to the metal thin film 102.
  • the same material as the metal thin film 102 is used to form a two-stage thick metal film, and only the region corresponding to the reaction field 104 is formed of a thin metal film to function as the metal thin film 102, Otherwise, the light shielding portion 103 may be made to function by forming a thick metal film.
  • the former shading film will be described.
  • the absorption type light-shielding film has higher efficiency.
  • absorption and reflection have different characteristics and problems, it is possible to combine both as necessary.
  • the problem is how to increase the light shielding efficiency with a thin film thickness.
  • the absorption type when a strong light hits, there is a possibility that the temperature rises and the measurement system is adversely affected or the chip structure is deteriorated.
  • the reflection type the reflected light may have a bad influence on the measurement system as stray light or scattered light.
  • the light-shielding film can be easily formed by generally removing the mask material after forming a light-shielding film by vapor deposition, plating, coating, etc. while distinguishing the light-shielding portion and the non-light-shielding portion with a mask material.
  • a method of forming a light-shielding film on the entire surface, applying a reverse mask after forming the film, and then chemically or physically etching to remove unnecessary portions can be used.
  • an apparatus capable of directly drawing a complicated pattern without a mask, such as an ink jet is also known, and the formation of a coating-type light-shielding film is an effective forming method even in the present invention.
  • Metal films having low light transmittance such as chromium, titanium, molybdenum, tin, iron oxide, cadmium oxide, cadmium sulfide and the like can be mentioned.
  • metal film that has been subjected to blackening treatment include blackened aluminum, blackened copper, and blackened zinc.
  • metal silicides such as aluminum nitride, silicon film, and molybdenum silicide are also known.
  • a light-shielding film in which a light absorber is dispersed in a dielectric material such as glass or polymer is widely used in addition to optical members because of its good moldability.
  • the dielectric is a polymer
  • a light-shielding film can be formed by coating. Therefore, a resin chip is preferable because it can be easily formed without heating.
  • the light-absorbing material include carbon black as an organic material and titanium black as an inorganic material.
  • Various dyes and pigments having wavelength selectivity can be used, but care must be taken when selecting them because they may become new sources of fluorescence.
  • the interference filter is a spectroscopic element that can take out an arbitrary wavelength by coating a dielectric multilayer film and a metal film and utilizing the interference action of light, and can also be used as a light shielding film.
  • the film formation is not easy and the cost is likely to increase.
  • Silver, aluminum, rhodium, and alloys thereof are well known as highly reflective film materials. Nickel, copper, gold, etc. can also be used although they reflect only a specific wavelength. Silver, aluminum, copper, and gold are known as plasmon-generating metals.
  • a metal different from the metal thin film 102 or a different thickness is used under the same conditions (plasmon in the metal thin film 102). It is necessary to prevent plasmons from being generated in the light shielding film. From the above viewpoint, it is preferable to form a light-shielding film by vapor deposition and plating of rhodium or its silver-rhodium or aluminum-rhodium alloy.
  • the multilayer film reflection mirror is a reflection film in which materials having different refractive indexes are combined.
  • the multilayer film reflection mirror is formed of a dielectric multilayer film in addition to a metal material such as a Mo / Si multilayer film.
  • the thickness of the metal film of the light shielding portion 103 needs to be a thickness that does not cause the electric field enhancement effect even when the excitation light b1 is irradiated, and needs to be sufficiently thicker than the thickness of the metal thin film 102 in the reaction field 104 of 5 to 500 nm.
  • the thickness of the metal film functioning as the light shielding portion 103 is preferably 1000 nm or more.
  • a prism having an angle of 60 degrees made of a high refractive index material can be used.
  • various optically transparent inorganic substances, natural polymers, and synthetic polymers can be used. From the viewpoint of chemical stability, production stability, and optical transparency, silicon dioxide (SiO 2 ). , Titanium dioxide (TiO 2 ), polycarbonate (PC), cycloolefin polymer (COP), optical polyester (OKP: manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd.), and the like can be used.
  • such a surface plasmon enhanced fluorescence measurement apparatus 10 adjusts the optimum angle (resonance angle ⁇ 1) of surface plasmon resonance by the excitation light b1 irradiated from the light source 112 to the metal thin film 102, so that an angle variable unit (not shown). Z).
  • the angle variable unit is controlled by a control unit (both not shown), and in the “resonance angle scanning process”, the light receiving means 116 and the light source are used to obtain the total reflection attenuation (ATR) condition by the servo motor of the angle variable unit. Synchronize with 112 and rotate around the irradiation area, and the angle can be changed in the range of 45 to 85 °. The resolution is preferably higher than 0.01 °.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the periphery of the reaction field 104 of the chip structure 108
  • FIG. 2A and FIG. 2C are cross-sectional views of the chip structure 108
  • FIG. FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 2B
  • FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the line BB.
  • a resin substrate 142 is attached to the dielectric member 106 provided with the metal thin film 102 and the light shielding portion 103.
  • the periphery of the resin substrate 142 is supported by a fixture 161 and is fixed to the dielectric member 106 without a gap.
  • the resin substrate 142 transmits the fluorescent light b ⁇ b> 3 generated around the reaction field 104.
  • a fine flow path 143 and openings 144a and 144b are provided in the resin substrate 142 by microfabrication, and one of the openings 144a and 144b serves as an insertion port and the other serves as a discharge port.
  • the aforementioned reaction field 104 is provided in the path of the fine channel 143.
  • the width of the fine channel 143 (the length in the BB cross-sectional direction) is 1 mm to 3 mm, the height is 50 ⁇ m to 500 ⁇ m, the width of the reaction field 104 is equal to the width of the fine channel 143, and the length (A The length in the -A cross-sectional direction is set to 1 mm to 3 mm. However, it is not necessarily limited to this length.
  • the resin substrate 142 is fixed by the fixing device 161, but other fixing methods may be fixing by bonding or fixing by an adhesive.
  • the reaction field 104 when the reaction field 104 is viewed from the upper surface (the light receiving surface side of the light detection unit 120), surrounding regions other than the reaction field 104 (detection region) are covered by the light shielding unit 103.
  • the positional relationship of the light shielding unit 103 is set.
  • the diameter of the excitation light irradiation region of the excitation light b1 on the surface of the metal thin film 102 (and the light shielding portion 103) is Db.
  • the light shielding portion 103 is provided on the surface of the metal thin film 102 on the irradiation surface side (one surface side) of the excitation light b1.
  • a light shielding part 104 is provided around the reaction part 104, and the size of the opening not covered by the light shielding part 103 is matched with the size of the reaction field 104.
  • the excitation light b1 is not irradiated to areas other than the reaction field 104 (strictly, other than the region of the metal thin film 102 corresponding to the reaction field 104).
  • the light shielding unit 103 can also shield light having the wavelength of the excitation light. For this reason, it is not necessary to consider the influence of the excitation light b1 irradiated outside the reaction field 104, and the beam quality is increased by increasing the beam diameter without considering the irradiation of the excitation light b1 other than the reaction field 104. It becomes possible to improve.
  • the light shielding portion 103 is provided on the surface of the metal thin film 102 on the irradiation surface side (one surface side) of the excitation light b1, thereby shielding the excitation light b1 that irradiates the region other than the reaction field 104. Therefore, it is possible to minimize the occurrence of unnecessary scattering on the gold film surface, and to block the scattered light generated from the excitation light path in the dielectric and the autofluorescence of the dielectric. Since only the fluorescence generated by the fluorescent label applied to can be received, it is possible to obtain a surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus and a chip structure capable of improving the S / N ratio. In particular, in a configuration in which a light shielding unit and a filter are provided between the light detection unit 120 and the outside of the chip structure 108, the fluorescence generated from the fluorescent label may be lost. In this embodiment, such a loss does not occur.
  • FIGS. 3 to 6 are enlarged views around the reaction field 104 of the chip structure 108, and correspond to FIG. 2 (a). Since other configurations are the same as those in FIG.
  • FIG. 3 shows a “first modified example” in which the light shielding portion 103 is provided on the surface of the metal thin film 102 on the side opposite to the irradiation surface of the excitation light b1 (the other surface side).
  • the light shielding portion 103 can be provided on the surface of the metal thin film 102 opposite to the dielectric member 106, the metal thin film 102 is formed on the dielectric member 106 and the light shielding portion 103 is applied on the upper surface thereof. This is a suitable form.
  • the metal thin film 102 in contact with the light shielding portion 103 does not enhance the electric field and does not scatter on the gold film, and is excited. Since scattered light and dielectric autofluorescence generated from the optical path can be shielded, it is possible to obtain a surface plasmon enhanced fluorescence measuring apparatus and a chip structure capable of improving the S / N ratio. .
  • FIG. 4 shows a “second modification” in which the light shielding portion 103 is provided on the same surface as the surface on which the metal thin film 102 is formed.
  • the metal thin film 102 is formed only in the region corresponding to the reaction field 104.
  • a light shielding portion 103 is provided in the other periphery.
  • the light shielding portion 103 is also integrally provided with the same material as the metal thin film 102, and the portion of the metal thin film 102 corresponding to the reaction field 104 is formed of a thin metal by etching, and the periphery thereof is formed of a thick metal.
  • the second embodiment it is possible to obtain the same effect as that of the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a “third modification”.
  • the light shielding portion 103 is provided on the resin substrate 142 side (see FIG. 5A), and the light shielding portion 103 of the resin substrate 142 and the reaction field 104 formed on the metal thin film 102 are aligned. This is an example of forming the chip structure 108 (see FIG. 5B).
  • FIG. 6 shows a “fourth modification”.
  • the fourth modified example is an example in which the opening length La of the light shielding portion 103 is larger than the length Lc of the reaction field 104, and a gap is formed without matching the boundary.
  • the center of the reaction field 104 coincides with the center of the opening of the light shielding portion 103, and a gap of length Lb is formed on each side.
  • the formation position of the light shielding portion 103 corresponds to the embodiment of FIG. 2, but may be applied to the respective modifications shown in FIGS. The influence of the gap will be described based on the fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing the output change of the light quantity with respect to the position in the X direction.
  • the plus on the X-axis represents the irradiation side of the excitation light b1, and the minus represents the reflection side (left in FIG. 1: the light receiving means 116 side).
  • the vertical axis shows the ratio of the fluorescence derived from the fluorescent label when the X-axis is zero and the background light output as 1.
  • the background light component that becomes noise has a large X-axis value and becomes stronger toward the irradiation side.
  • Table 1 shows the background signal and the fluorescence signal when the gap Lb is changed by changing the size La of the opening of the light shielding portion 103 in the chip structure 108 shown in FIG. 6, and the S / N based on these values. The ratio is shown.
  • the diameter Db in the X direction on the irradiation surface of the excitation light b1 is 3.0 mm, and the length Lc of the reaction field 104 is 1.0 mm.
  • data when the light shielding portion 103 is not provided is also displayed.
  • the S / N ratio is the highest.
  • the background signal can be reduced, so the S / N ratio can be reduced compared to the comparative example. It turns out that the effect is acquired.
  • FIG. 8 shows a “fifth modification”.
  • the fifth modified example is an example in which the light shielding part 103 is provided only on the irradiation side without providing the light shielding part 103 on the reflection side with respect to the fourth modification example illustrated in FIG. 6.
  • the background signal that becomes noise is larger on the irradiation side, and if it is provided on one side, it is more effective to reduce the noise on the irradiation side than on the reflection side.
  • Table 2 shows the background signal and the fluorescence signal when the gap Lb is changed by changing the distance from the center of the reaction field 104 of the light shielding portion 103 in the chip structure 108 shown in FIG.
  • the S / N ratio is shown. Similar to the conditions in Table 1, the diameter Db in the X direction on the irradiation surface of the excitation light b1 is 3.0 mm, and the length Lc of the reaction field 104 is 1.0 mm.
  • FIG. 9 shows “sixth and seventh modifications”.
  • the sixth and seventh modification examples correspond to the fourth and fifth modification examples, respectively.
  • the fourth point is that the light shielding portion 103 is provided in the vicinity of the metal thin film 102 and on the wall surface (143h) facing the reaction field 104 (metal thin film 102) of the fine channel 143 in which the reaction field 104 is provided. This is different from the fifth modification.
  • the gap Lb is not provided in the example shown in FIG. 9, the gap Lb may be provided as long as it is within an appropriate range as shown in Tables 1 and 2.
  • the position of the light shielding portion 103 is in the vicinity of the metal thin film 102 as compared with the fourth modification, but is separated from the formation surface of the metal thin film. Although it is inferior in that the fluorescence signal that is inherently generated is lost by providing it on the surface where it is present, it is effective in that the S / N ratio is improved as compared with the comparative example in which the light shielding portion is not provided.
  • the loss of the fluorescence signal can be suppressed compared to the sixth modified example by providing the light shielding portion 103 only on the irradiation side (the right side in the drawing).
  • the improvement effect of S / N ratio can be expected.

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Abstract

　チップ構造体１０８に設けられた金属薄膜１０２の一方の面に励起光を照射し、金属薄膜上１０２の電場を増強させることにより、金属薄膜１０２の他方の面に形成された反応場の蛍光物質を励起させ、これにより増強された蛍光を光検出手段にて検出するようにした表面プラズモン増強蛍光測定装置であって、チップ構造体１０８には、金属薄膜１０２の一方若しくは他方の面側に、蛍光物質から励起された蛍光と同じ波長の光を遮光する遮光部１０３が設けられている。　これにより散乱光や自家蛍光によるノイズを低減させることによりＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。

Description

表面プラズモン増強蛍光測定装置及びチップ構造体
　本発明は、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増強蛍光測定装置及びチップ構造体に関する。
　従来より、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）の原理に基づき、例えば生体内の極微少なアナライトの検出が行われている。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光（励起光）が金属薄膜表面で全反射減衰（ＡＴＲ；attenuated total reflectance）する条件において、金属薄膜表面に粗密波（表面プラズモン）を発生させることによって、光源より照射したレーザ光（励起光）が有するフォトン量を数十倍～数百倍に増やし（表面プラズモンの電場増強効果）、これにより金属薄膜近傍の蛍光物質を効率良く励起させることによって、極微量および／または極低濃度のアナライトを検出する方法である。
　近年、このような表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）の原理に基づいた表面プラズモン増強蛍光測定装置の開発が進められており、例えば特許文献１にその技術開示がなされている。
　また、特許文献２では、これによってダイナミックレンジの大きいプラズモン共振角カーブを得る目的で、最初は比較的広い反射角範囲で反射光強度をＣＣＤにより検出し、その後にＣＣＤの直前に設けた遮光板によりＣＣＤの受光面積を狭くするとともに光源の光量を増加させてＣＣＤに入射する光量を増加させている。
特開２００６－２０８０６９号公報 特開平１０－１７０４３０号公報
　表面プラズモン増強蛍光測定装置による測定では、励起光を照射させた際に金属薄膜を形成したチップ構造体を通過する励起光がチップ構造体内で散乱したりチップ構造体の材料からの自家蛍光を発生させたりする。アナライトの検出は、分析対象に付与した蛍光標識から発生する蛍光を測定することにより行うが、前述の散乱光や自家蛍光は、本来的に分析対象に起因する蛍光と分離しづらくＳ／Ｎ比が悪化してしまうという問題がある。また前述の散乱光や自家蛍光が、蛍光標識を光らせてしまい、このような現象によってもＳ／Ｎ比が悪化する。
　本願発明は、上記問題のように散乱光や自家蛍光によるノイズを低減させることによりＳ／Ｎ比を向上させることが可能な表面プラズモン増強蛍光測定装置、及びチップ構造体を提供することを目的とする。
　上記の目的は、下記に記載する発明により達成される。
　１．チップ構造体に設けられた金属薄膜の一方の面に励起光を照射し、前記金属薄膜上の電場を増強させることにより、前記金属薄膜の他方の面に形成された反応場の蛍光物質を励起させ、これにより増強された蛍光を光検出手段にて検出するようにした表面プラズモン増強蛍光測定装置であって、
　前記チップ構造体には、前記金属薄膜の前記一方若しくは前記他方の面側に、前記蛍光物質から励起された蛍光と同じ波長の光を遮光する遮光部が設けられていることを特徴とする表面プラズモン増強蛍光測定装置。
　２．前記遮光部は、前記光検出手段で蛍光を検出する検出領域の周囲に設けられていることを特徴とする前記１に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
　３．前記遮光部は、励起光の波長の光も遮光可能であり、励起光照射領域の少なくとも一部を遮光する位置に設けられていることを特徴とする前記１又は２に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
　４．前記遮光部は、前記金属薄膜の前記一方の表面若しくは他方の表面に設けられていることを特徴とする前記１から３のいずれか一項に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
　５．前記反応場へ検体液及び蛍光物資が含まれる試薬液を送液する流路を有し、
　前記遮光部は、前記流路の壁面であって、前記金属薄膜に対向する面に設けられていることを特徴とする前記１から３のいずれか一項に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
　６．表面プラズモン増強蛍光測定装置に用いられるチップ構造体であって、
　前記チップ構造体は少なくとも、
　一方の面に励起光が照射される金属薄膜と、
　前記金属薄膜の他方の面に形成された反応場と、
　前記金属薄膜の前記一方若しくは前記他方の面側に設けられた遮光部と、
　を有することを特徴とするチップ構造体。
　７．前記遮光部は、前記金属薄膜の前記一方の表面若しくは他方の表面に設けられていることを特徴とする前記６に記載のチップ構造体。
　８．前記反応場へ検体液及び蛍光物資が含まれる試薬液を送液する流路を有し、
　前記遮光部は、前記流路の壁面であって、前記金属薄膜に対向する面に設けられていることを特徴とする前記６に記載のチップ構造体。
　９．前記遮光部は、前記反応場の蛍光物質から励起された蛍光と同じ波長の光を遮光することを特徴とする前記６から８のいずれか一項に記載のチップ構造体。
　１０．前記遮光部は、励起光の波長の光も遮光可能であり、励起光照射領域の少なくとも一部を遮光する位置に設けられていることを特徴とする前記６から９のいずれか一項に記載のチップ構造体。
　本願発明によれば、金属薄膜の近傍であって該金属薄膜が形成されている層と平行な面に、反応場以外の少なくとも一部の領域を遮光する遮光部を設けることにより、散乱光や自家蛍光によるノイズを低減させることによりＳ／Ｎ比を向上させることが可能な表面プラズモン増強蛍光測定装置、及びチップ構造体を提供することが可能となる。
実施形態に係るマイクロチップ送液システムを用いた表面プラズモン増強蛍光測定装置の概略図である。 チップ構造体１０８の反応場１０４周辺の拡大図である。 第１の変形例における反応場１０４周辺の拡大図である。 第２の変形例における反応場１０４周辺の拡大図である。 第３の変形例における反応場１０４周辺の拡大図である。 第４の変形例における反応場１０４周辺の拡大図である。 Ｘ方向の位置に対する光量の出力変化を示したグラフである。 第５の変形例における反応場１０４周辺の拡大図である。 第６、第７の変形例における反応場１０４周辺の拡大図である。
　本発明を実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。
　図１、図２は、実施形態に係るマイクロチップ送液システムを用いた表面プラズモン増強蛍光測定装置の概略図である。
　表面プラズモン増強蛍光測定装置は、励起光を金属薄膜に照射して粗密波（表面プラズモン）を生じさせて励起された蛍光物質が生ずる蛍光を正確に検出し、検出感度を上げても超高精度に蛍光検出を行うことを可能とするものである。
　本稿において「反応場」とは、金属薄膜１０２に１次抗体を付着させている領域であり、当該１次抗体にアナライトを反応させることにより、アナライト及び当該アナライトに付与した蛍光標識が捕捉される領域である。
　「励起光照射領域」とは、金属薄膜１０２の面において、励起光が照射された領域のことである。特に断りがなければ、金属薄膜１０２への励起光の照射角度は特定の入射角度（共鳴角θ１）である。
　「電場増強領域」とは電場増強を生じさせる領域である。つまり金属薄膜１０２上であって励起光が照射された領域である。但し（後述する）遮光部１０３が金属薄膜１０２の一方若しくは他方の面上に設けられている場合には、電場増強は生じないので当該金属薄膜１０２の遮光部１０３に対応する領域は電場増強領域とはならない。
　「検出領域」とは、電場増強領域であって、且つ、反応場の全部又は一部である。電場増強領域内にある反応場に捕捉されている蛍光標識（蛍光物質）から生じる蛍光を検出する。なお本稿においては反応場１０４と検出領域とは一致しているので、特に断りがなければ両者は同一のものとして説明する。
　［表面プラズモン増強蛍光測定装置１０］
　本発明の表面プラズモン増強蛍光測定装置１０は、図１に示すように、まず金属薄膜１０２と、金属薄膜１０２の一方の面に形成された反応場１０４と、他方の面側に形成された誘電体部材１０６と、を有するチップ構造体１０８を備えている。金属薄膜１０２の近傍には遮光部１０３が設けられている。遮光部１０３は少なくとも蛍光物質から励起された蛍光と同じ波長の光を遮光する。これにより、蛍光物質から励起される蛍光と同じ波長の誘電体部材１０６等から生じる自家蛍光を、遮光することが可能となっている。また遮光部１０３は金属薄膜１０２（及び反応場１０４）と平行な面で（光検出部１２０の受光面から検出領域を見た際に）反応場１０４（検出領域）の回りを覆うようにその周囲に設けられている。
　そしてチップ構造体１０８の誘電体部材１０６側には、誘電体部材１０６内に入射され、金属薄膜１０２に向かって励起光ｂ１を照射する「発光部」として機能する光源１１２を備え、さらに光源１１２から照射され金属薄膜１０２に反射した反射光ｂ２を受光する受光手段１１６を備えている。
　ここで光源１１２から照射される励起光ｂ１としてはレーザ光が好ましく、波長２００～１０００ｎｍのガスレーザまたは固体レーザ、波長３８５～８００ｎｍの半導体レーザが好適である。
　一方、チップ構造体１０８の反応場１０４側には、反応場１０４で生じた蛍光ｂ３を受光する光検出手段として機能する光検出部１２０が設けられている。
　光検出部１２０としては、超高感度の光電子増倍管、または多点計測が可能なＣＣＤイメージセンサを用いることが好ましい。
　なお、チップ構造体１０８の反応場１０４と光検出部１２０との間には、光を効率よく集光するための集光部材１２２と、光の内で蛍光ｂ３とは異なる波長の光の透過を低減して蛍光ｂ３を選択的に透過するように形成されたフィルタ１２４が設けられている。
　集光部材１２２としては、光検出部１２０に蛍光シグナルを効率よく集光することを目的とするものであれば、任意の集光系で良い。簡易な集光系としては、顕微鏡などで使用されている市販の対物レンズを転用してもよい。対物レンズの倍率としては、１０～１００倍が好ましい。
　一方、フィルタ１２４としては、光学フィルタ、カットフィルタなどを用いることができる。光学フィルタとしては、減光（ＮＤ）フィルタ、ダイアフラムレンズなどが挙げられる。さらにカットフィルタとしては、外光（装置外の照明光）、励起光（励起光の透過成分）、迷光（各所での励起光の散乱成分）、プラズモンの散乱光（励起光を起源とし、プラズモン励起センサ表面上の構造体または付着物などの影響で発生する散乱光）、酵素蛍光基質の自家蛍光などの各種ノイズ光を除去するフィルタであって、例えば干渉フィルタ、色フィルタなどが挙げられる。
　そして、このような表面プラズモン増強蛍光測定装置１０を用いたアナライト検出方法では、反応場１０４に接する側の金属薄膜１０２表面上には１次抗体を結合させたＳＡＭ膜（Self-Assembled Monolayer：「自己組織化単分子膜」ともいう）あるいは高分子材料膜が設けられている。１次抗体はＳＡＭ膜あるいは高分子材料膜の一方の面に結合されており、ＳＡＭ膜あるいは高分子材料膜の他方の面は、直接若しくは間接に金属薄膜１０２表面に固定されている。ＳＡＭ膜としては例えばＨＯＯＣ－（ＣＨ２）１１－ＳＨなどの置換脂肪族チオールで形成された膜、高分子材料としては例えばポリエチレングリコール（polyethylene glycol）やＭＰＣポリマー等が挙げられる。これは使用時に調製しても、予めこれらを結合させた基板を用いてもよい。また、１次抗体に対する反応性基（または反応性基に変換可能な官能基）を備えたポリマーを直接基板上に固定化し、その上に１次抗体を固定化してもよい。各種反応性基を利用して抗体やポリマーを結合させる際には、スクシンイミジル化を経たアミド化縮合反応や、マレイミド化を経た付加反応等が一般的である。
　このようにして構成した反応場１０４に標的物質としてのアナライト（検体ともいう）の抗原を含む溶液（以下、検体液ともいう）と、２次抗体を含む試薬液の送液を行う。固定化した１次抗体によって抗原を捕捉することが可能である。これに対しさらに蛍光物質で標識した２次抗体を含む試薬液を作用させることで捕捉された抗原を標識している。なお予め抗原と２次抗体とを反応させておいてから１次抗体に作用させてもよい。
　蛍光物質で標識されたアナライトの検出は、アナライトが捕捉された反応場１０４に光源１１２より誘電体部材１０６に励起光ｂ１を照射し、この励起光ｂ１が金属薄膜１０２に対して特定の入射角度（共鳴角θ１）で金属薄膜１０２に入射することで、金属薄膜１０２上に粗密波（表面プラズモン）を生ずるようになる。
　なお、金属薄膜１０２上に粗密波（表面プラズモン）が生ずる際には、励起光ｂ１と金属薄膜１０２中の電子振動とがカップリングし、反射光ｂ２のシグナルが変化（光量が減少）することとなるため、励起光ｂ１の金属薄膜１０２に対する入射角度（共鳴角θ１）を設定するためには、受光手段１１６で受光される反射光ｂ２のシグナルが変化（光量が減少）する地点を見つければ良い。
　そして、この粗密波（表面プラズモン）により、金属薄膜１０２上の反応場１０４で生じた蛍光物質が効率良く励起され、これにより蛍光物質が発する蛍光ｂ３の光量が増大し、この蛍光ｂ３を集光部材１２２およびフィルタ１２４を介して光検出部１２０で受光することで、極微量および／または極低濃度のアナライトを検出することができる。
　なお、チップ構造体１０８の金属薄膜１０２の材質としては、好ましくは金、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成ることである。
　このような金属は、酸化に対して安定であり、かつ粗密波（表面プラズモン）による電場増強が大きくなることから金属薄膜１０２に好適である。
　また、金属薄膜１０２の形成方法としては、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。中でもスパッタリング法、蒸着法は、薄膜形成条件の調整が容易であるため好ましい。
　さらに少なくとも反応場１０４及びその周辺における金属薄膜１０２の厚さとしては、金：５～５００ｎｍ、銀：５～５００ｎｍ、アルミニウム：５～５００ｎｍ、銅：５～５００ｎｍ、白金：５～５００ｎｍ、およびそれらの合金：５～５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。
　電場増強効果の観点からは、金：２０～７０ｎｍ、銀：２０～７０ｎｍ、アルミニウム：１０～５０ｎｍ、銅：２０～７０ｎｍ、白金：２０～７０ｎｍ、およびそれらの合金：１０～７０ｎｍの範囲内であることがより好ましい。
　金属薄膜１０２の厚さが上記範囲内であれば、粗密波（表面プラズモン）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薄膜１０２であれば、面の大きさ（縦×横）は特に限定されないものである。
　遮光部１０３は、金属薄膜１０２に対して他の材料の遮光膜を塗布することにより形成してもよい。または、金属薄膜１０２と同じ材料を使用して一体として２段の厚みの金属膜を形成し、反応場１０４に対応する領域のみを薄肉の金属膜で形成することにより金属薄膜１０２として機能させ、それ以外を厚肉の金属膜で形成することにより遮光部１０３として機能させてもよい。
　前者の遮光膜について説明する。遮光膜により光を吸収（吸収型遮光膜）させるか、または光を反射（反射型遮光膜）させることで、望ましくない光の金属薄膜１０２への入射光量を抑えることができる。一般的に、吸収型の遮光膜の方が効率は高いが、吸収と反射ではそれぞれ特性と課題が異なるので必要に応じて両者を組み合わせることも可能である。課題としては、いかに薄い膜厚で遮光効率を上げるかが大きい。その他の課題としては、例えば吸収型では、強い光が当たると、温度上昇で測定系に悪影響を与えたり、チップ構造体の劣化を引き起こしたりする可能性がある。反射型では反射光が迷光、散乱光として測定系に悪影響を及ぼす恐れがある。遮光膜は可視光領域全般を遮光するものと波長選択性を有するものがあるが、必要に応じて選択可能とすることができる。
　遮光膜の形成は、一般的にはマスク材で遮光部分と非遮光部分とを区別して蒸着、メッキ、塗布等で遮光被膜を形成した後、マスク材を除去することで容易に形成できる。別法として、全面に遮光被膜を形成しておいて、被膜形成後、逆マスクを施した後、化学的または物理的にエッチングを行って不要部分を取り除く方法も利用できる。最近では、インクジェットのように複雑なパターンをマスクなしで直接描画できる装置も知られており、本発明でも特に塗布型の遮光被膜の形成は有効な形成方法である。
　（１）吸収型遮光膜の例
　光透過性の低い金属被膜、例えばクロム、チタン、モリブデン、スズ、酸化鉄、酸化カドミウム、硫化カドミウム等が挙げられる。金属膜の黒化処理を行ったもの、例えば黒化アルミニウム、黒化銅、黒化亜鉛が挙げられる。その他窒化アルミニウム、シリコン膜、更にモリブデンシリサイドのような金属シリサイドも知られている。ガラス、ポリマー等の誘電体に光吸収剤を分散させた遮光膜は成型性が良好なことから光学部材以外にも広く使われている。誘電体がポリマーの場合は、塗布で遮光膜を形成可能なため、樹脂チップの場合特に加熱することなく容易に成膜可能で好ましい。光吸収性の材料としては、有機物としてはカーボンブラック、無機物としてはチタンブラックが代表的である。波長選択性のある各種染料、顔料も利用可能であるが、新たな蛍光の発生源になる可能性も有るので選択するに際しては注意が必要である。干渉フィルタは誘電体多層膜と金属膜をコーティングし、光の干渉作用を利用することで任意の波長を取り出すことのできる分光素子であり、遮光膜としても利用可能である。但し、被膜形成が容易ではなくコストアップになりやすい課題がある。
　（２）反射型遮光膜の例
　反射率の高い膜材料としては銀、アルミニウム、ロジウム、及びそれらの合金が良く知られている。ニッケル、銅、金等も特定の波長しか反射しないが利用することも可能である。銀、アルミニウム、銅、金はプラズモンを発生する金属として知られており、遮光膜として用いるには金属薄膜１０２と異なる金属を用いたり、異なる厚さにしたりして同一条件（金属薄膜１０２でプラズモンが発生する条件）では遮光膜にプラズモンが発生しないようにする必要がある。上記観点からロジウムあるいはその銀－ロジウム、アルミ－ロジウム合金等を蒸着、メッキで遮光膜を形成するのが好ましい。多層膜反射ミラーは異なる屈折率の材料を組み合わせた反射膜であり例えば、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜のような金属材料のほか、誘電体多層膜から構成されることが知られている。
　次に遮光部を金属薄膜１０２と同じ材料の厚肉の金属膜により形成する後者の例について説明する。遮光部１０３の金属膜の厚みとしては、励起光ｂ１の照射によっても電場増強効果が発生しない厚みにする必要があり、反応場１０４での金属薄膜１０２の厚み５～５００ｎｍよりも十分厚くする必要がある。例えば遮光部１０３として機能する金属膜の厚みを１０００ｎｍ以上とすることが好ましい。また、このような薄肉部と厚肉部からなる金属膜を形成するにあたってはエッチング法により形成することが好ましい。
　また、誘電体部材１０６としては、高屈折率材料の角度６０度等のプリズムを用いることができる。高屈折率の材料としては光学的に透明な各種の無機物、天然ポリマー、合成ポリマーを用いることができ、化学的安定性、製造安定性および光学的透明性の観点から、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、光学用ポリエステル（ＯＫＰ：大阪ガスケミカル（株）製）等を用いることができる。
　さらに、このような表面プラズモン増強蛍光測定装置１０は、光源１１２から金属薄膜１０２に照射される励起光ｂ１による表面プラズモン共鳴の最適角（共鳴角θ１）を調整するため、角度可変部（図示せず）を有している。
　ここで、角度可変部は制御部（いずれも不図示）により制御され、「共鳴角スキャン工程」においては角度可変部のサーボモータで全反射減衰（ＡＴＲ）条件を求めるために受光手段１１６と光源１１２とを同期して、照射領域を中心として回動し、４５～８５°の範囲で角度変更を可能としている。また分解能は０．０１°よりも高いことが好ましい。
　図２はチップ構造体１０８の反応場１０４周辺の拡大図であり図２（ａ）、図２（ｃ）はチップ構造体１０８の断面図であり、図２（ｂ）はその一部の上面図である。図２（ａ）は図２（ｂ）に示すＡ－Ａ断面図であり、図２（ｃ）は同Ｂ－Ｂ断面図である。
　図２（ａ）では、金属薄膜１０２及び遮光部１０３を設けた誘電体部材１０６に樹脂基板１４２を取り付けている。樹脂基板１４２はその周囲を固定具１６１により支持されており誘電体部材１０６と隙間なく固定されている。樹脂基板１４２は、反応場１０４の周辺で発生する蛍光ｂ３を透過する。樹脂基板１４２には微細加工により微細流路１４３及びその両端に開口１４４ａ、１４４ｂが設けられており、開口１４４ａ、１４４ｂの一方は挿入口となり他方は排出口となる。微細流路１４３ではアナライトを溶媒に溶かした検体液及び蛍光物質を溶媒に溶かした試薬液を送液する。なお同図においては開口１４４ａ、１４４ｂに接続する接続機構及び送液を行うポンプの記載は省略している。微細流路１４３の経路中には、前述の反応場１０４が設けられている。微細流路１４３の幅（Ｂ－Ｂ断面図方向の長さ）は１ｍｍ～３ｍｍ、高さは５０μｍ～５００μｍ、反応場１０４の幅は微細流路１４３の幅と同等であり、長さ（Ａ－Ａ断面方向の長さ）は１ｍｍ～３ｍｍとしている。但し必ずしもこの長さに限定されるものではない。
　また、図２に示す例では、固定具１６１により樹脂基板１４２の固定を行っているが、その他の固定方法として、接合による固定や接着剤による固定であってもよい。
　同図に示すように、反応場１０４を上面（光検出部１２０の受光面側）から見た場合には、反応場１０４（検出領域）以外の周辺の領域を遮光部１０３により覆うように、遮光部１０３の位置関係が設定されている。図２（ａ）に示すように励起光ｂ１の金属薄膜１０２（及び遮光部１０３）表面での励起光照射領域の直径はＤｂである。
　なお図２に示す例では、遮光部１０３を金属薄膜１０２の表面であって励起光ｂ１の照射面側（一方の面側）に設けた例である。反応部１０４の周囲に遮光部１０４を設けており、かつ、遮光部１０３で覆われていない開口の大きさと反応場１０４の大きさとは一致させている。このようにすることにより、たとえ励起光ｂ１のビーム径が大きく、その励起光照射領域が反応場１０４（検出領域）よりも大きい場合であっても、遮光部１０３が励起光照射領域の一部を遮光するので、反応場１０４以外（厳密には反応場１０４に対応する金属薄膜１０２の領域以外）には励起光ｂ１は照射されないことになる。なお遮光部１０３は励起光の波長の光も遮光可能である。このようなことから反応場１０４以外に照射された励起光ｂ１の影響を考えなくてよく、励起光ｂ１の反応場１０４以外への照射を考慮せずにビーム径を大きくして、ビーム品質を向上させることが可能となる。
　本実施形態のように遮光部１０３を金属薄膜１０２の表面であって励起光ｂ１の照射面側（一方の面側）に設けることにより、反応場１０４以外の領域に照射する励起光ｂ１を遮光することになり、金膜面での不要な散乱の発生を最小限に抑え、かつ誘電体内の励起光光路上から発生する散乱光や誘電体の自家蛍光を遮光することが可能となり、アナライトに付与した蛍光標識により発生した蛍光のみを受光することができるので、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能な表面プラズモン増強蛍光測定装置、及びチップ構造体を得ることが可能となる。特に、チップ構造体１０８の外側であって光検出部１２０との間に遮光部やフィルタを設けた構成においては、前記蛍光標識から発生する蛍光もロスしてしまう場合があることに比べて、本実施形態ではそのようなロスは生じない。
　［チップ構造体１０８の変形例］
　図３から図６に基づいて変形例について説明する。図３から図６はチップ構造体１０８の反応場１０４周辺の拡大図であり、図２（ａ）に対応する。他の構成に関しては図１と共通するので説明は省略する。
　図３は「第１の変形例」で、遮光部１０３を金属薄膜１０２の表面であって励起光ｂ１の照射面とは反対側（他方の面側）に設けた例である。同図に示す例では金属薄膜１０２の誘電体部材１０６とは反対側の面に遮光部１０３を設けることができるので、誘電体部材１０６に金属薄膜１０２を形成しその上面に遮光部１０３を塗布するような場合に好適な形態である。
　このような実施形態によれば、図２に実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。特に第１の変形例では遮光部１０３を金属薄膜１０２の他方の面側に設けることにより、遮光部１０３に接する金属薄膜１０２では電場増強せず金膜上での散乱が発生せず、また励起光光路上から発生する散乱光や誘電体自家蛍光を遮光することができるので、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能な表面プラズモン増強蛍光測定装置、及びチップ構造体を得ることが可能となる。
　図４は「第２の変形例」で、金属薄膜１０２が形成される面と同じ面に遮光部１０３を設けた例であり、金属薄膜１０２は反応場１０４に対応する領域のみ形成しており、それ以外の周辺に遮光部１０３を設けた例である。例えば遮光部１０３も金属薄膜１０２と同じ材料で一体して設け、エッチング法により反応場１０４に対応する金属薄膜１０２の部分を薄肉の金属で形成し、その周辺を厚肉の金属で形成するような場合に好適な例である。第２の実施形態においても、図２に示す実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
　図５は「第３の変形例」である。第３の変形例では、樹脂基板１４２側に遮光部１０３を設け（図５（ａ）参照）、樹脂基板１４２の遮光部１０３と、金属薄膜１０２に形成された反応場１０４とを位置合わせすることによりチップ構造体１０８を形成する例である（図５（ｂ）参照）。
　図６は「第４の変形例」である。第４の変形例では、反応場１０４の長さＬｃよりも遮光部１０３の開口の長さＬａが大きく、境界が一致せずに隙間が形成された例である。同図においては、反応場１０４の中心と遮光部１０３の開口の中心とは一致しており、両側にそれぞれ長さＬｂの隙間が形成されている。同図に示す例では遮光部１０３の形成位置は、図２の実施形態に対応させたものであるが、図３から図５の示したそれぞれの変形例に適用してもよい。第４の実施形態に基づいて隙間の影響について説明する。
　図７はＸ方向の位置に対する光量の出力変化を示したグラフである。図１、図２に示した表面プラズモン増強蛍光測定装置の構成で、遮光部１０３を設けない場合での反応場１０４の中心をゼロとして、Ｘ方向に光検出部を移動させた時の出力変化を示したものである。Ｘ軸のプラスは励起光ｂ１の照射側、マイナスは反射側（図１の左：受光手段１１６側）を示す。縦軸は、Ｘ軸がゼロの際の蛍光標識に由来する蛍光と、バックグランドの光の出力を１としてその比率を示している。
　同図に示すようにノイズとなるバックグランドの光成分は、Ｘ軸の数値が大きく、照射側に行くほど強くなっていることがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１は、図６に示すチップ構造体１０８で遮光部１０３の開口の大きさＬａを異ならせることにより隙間Ｌｂを変更した際のバックグランドのシグナルと蛍光シグナル、及びこれらの値によるＳ／Ｎ比を示している。励起光ｂ１の照射面におけるＸ方向の直径Ｄｂは３．０ｍｍであり、反応場１０４の長さＬｃは１．０ｍｍである。また比較例として遮光部１０３を設けない場合のデータも合わせて表示している。
　隙間Ｌｂがゼロ（つまり図２と同じ構成）の場合がＳ／Ｎ比が最も高いが、隙間Ｌｂがあっても、バックグランドのシグナルを低減できるので比較例にくらべるとＳ／Ｎ比低減の効果が得られていることがわかる。
　図８は、「第５の変形例」である。第５の変形例は、図６に示す第４の変形例に対して反射側に遮光部１０３を設けずに、照射側にのみ遮光部１０３を設けた例である。図７に示したようにノイズとなるバックグランドのシグナルは照射側の方が大きく、片側に設けるのであれば反射側に設けるよりも照射側に設ける方がノイズの低減への効果は高い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２は、図８に示すチップ構造体１０８で遮光部１０３の反応場１０４の中心からの距離を異ならせることにより隙間Ｌｂを変更した際のバックグランドのシグナルと蛍光シグナル、及びこれらの値によるＳ／Ｎ比を示している。表１の条件と同様に励起光ｂ１の照射面におけるＸ方向の直径Ｄｂは３．０ｍｍであり、反応場１０４の長さＬｃは１．０ｍｍである。
　表１と比較では、Ｓ／Ｎ比は低下しているが、照射側の片側にのみ遮光部１０３を設けた場合であってもＳ／Ｎ比低減の効果が得られていることがわかる。
　図９は、「第６、第７の変形例」である。第６、第７の変形例はそれぞれ第４、第５の変形例に対応するものである。遮光部１０３を金属薄膜１０２の近傍であって、反応場１０４が設けられている微細流路１４３の反応場１０４（金属薄膜１０２）に対向する壁面（１４３ｈ）に設けている点で、第４、第５の変形例とは異なっている。なお、図９に示す例では隙間Ｌｂを設けていないが、表１、表２に示すような適切な範囲内であれば隙間Ｌｂを設けた構成としてもよい。
　図９（ａ）に示す第６の変形例は、第４の変形例に比較して、遮光部１０３の位置は、金属薄膜１０２の近傍ではあるが、金属薄膜の形成面とは離間している面に設けることで、本来的に発生する蛍光シグナルをロスすることになる点で劣るが、遮光部を設けない比較例に比べるとＳ／Ｎ比は向上する点で効果がある。
　図９（ｂ）に示す第７の変形例では、照射側（図示の右側）にのみ遮光部１０３を設けることにより、第６の変形例に比べて蛍光シグナルのロスを抑えることができるので、Ｓ／Ｎ比の向上効果が期待できる。
　１０　表面プラズモン増強蛍光測定装置
　ｂ１　励起光
　ｂ２　反射光
　ｂ３　蛍光
　１０２　金属薄膜
　１０３　遮光部
　１０４　反応場
　１０６　誘電体部材
　１０８　チップ構造体
　１１２　光源
　１１６　受光手段
　１２０　光検出部
　１２２　集光部材
　１２４　フィルタ
　１４２　樹脂基板
　１４３　微細流路
　１６１　固定具

Claims (10)

  1. 　チップ構造体に設けられた金属薄膜の一方の面に励起光を照射し、前記金属薄膜上の電場を増強させることにより、前記金属薄膜の他方の面に形成された反応場の蛍光物質を励起させ、これにより増強された蛍光を光検出手段にて検出するようにした表面プラズモン増強蛍光測定装置であって、
    　前記チップ構造体には、前記金属薄膜の前記一方若しくは前記他方の面側に、前記蛍光物質から励起された蛍光と同じ波長の光を遮光する遮光部が設けられていることを特徴とする表面プラズモン増強蛍光測定装置。
  2. 　前記遮光部は、前記光検出手段で蛍光を検出する検出領域の周囲に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
  3. 　前記遮光部は、励起光の波長の光も遮光可能であり、励起光照射領域の少なくとも一部を遮光する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
  4. 　前記遮光部は、前記金属薄膜の前記一方の表面若しくは他方の表面に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
  5. 　前記反応場へ検体液及び蛍光物資が含まれる試薬液を送液する流路を有し、
    　前記遮光部は、前記流路の壁面であって、前記金属薄膜に対向する面に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の表面プラズモン増強蛍光測定装置。
  6. 　表面プラズモン増強蛍光測定装置に用いられるチップ構造体であって、
    　前記チップ構造体は少なくとも、
    　一方の面に励起光が照射される金属薄膜と、
    　前記金属薄膜の他方の面に形成された反応場と、
    　前記金属薄膜の前記一方若しくは前記他方の面側に設けられた遮光部と、
    　を有することを特徴とするチップ構造体。
  7. 　前記遮光部は、前記金属薄膜の前記一方の表面若しくは他方の表面に設けられていることを特徴とする請求項６に記載のチップ構造体。
  8. 　前記反応場へ検体液及び蛍光物資が含まれる試薬液を送液する流路を有し、
    　前記遮光部は、前記流路の壁面であって、前記金属薄膜に対向する面に設けられていることを特徴とする請求項６に記載のチップ構造体。
  9. 　前記遮光部は、前記反応場の蛍光物質から励起された蛍光と同じ波長の光を遮光することを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載のチップ構造体。
  10. 　前記遮光部は、励起光の波長の光も遮光可能であり、励起光照射領域の少なくとも一部を遮光する位置に設けられていることを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載のチップ構造体。
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