WO2017006679A1 - 測定用チップ、測定装置、および測定方法 - Google Patents

測定用チップ、測定装置、および測定方法 Download PDF

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measuring
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measurement
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啓二 多田
潤 山林
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古野電気株式会社
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    • G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
    • G01N2021/7779—Measurement method of reaction-produced change in sensor interferometric

Definitions

  • the present invention relates to a measuring chip, a measuring device, and a measuring method.
  • Patent Document 1 Conventionally, for example, a measuring apparatus as disclosed in Patent Document 1 has been proposed as a measuring apparatus that performs genetic analysis, clinical diagnosis, or detection of harmful substances.
  • the measuring device of Patent Document 1 is a measuring device using surface plasmon resonance, and measures a change in refractive index due to the presence or absence of adsorption of an object to be detected.
  • An object of the present invention is to provide a measuring chip, a measuring apparatus, and a measuring method that enable simpler and more accurate measurement than before.
  • the present invention includes an introduction part into which light is introduced, a propagation part through which the light is propagated, a derivation part from which the light is derived, and a reactive substance that reacts with a substance to be detected. And a reaction unit that changes a complex amplitude distribution in a direction orthogonal to the light propagation direction.
  • the reaction unit changes a complex amplitude distribution in a direction orthogonal to the light propagation direction by a change in a complex refractive index around the propagation unit due to a reaction between the target substance and the reactant.
  • a reactive substance that reacts with the substance to be detected (such as a ligand or a substrate that is decomposed by an enzyme) is disposed in a region having a different density along the orthogonal direction (for example, the reactants are arranged in a striped manner (partially), and a region having a high density of reactants and a region having a low density (or a region where reactants are formed and a reactant are formed.
  • the change for example, the amount of phase shift and the amount of amplitude change) of the complex amplitude distribution at the time of reflection is different.
  • the beam pattern of the light emitted from the derivation unit changes (for example, in the far field).
  • the beam pattern of the light emitted from the derivation unit changes (for example, in the far field).
  • the beam pattern of the light emitted from the derivation unit changes (for example, in the far field).
  • a Gaussian beam is introduced into the introduction part, diffracted light appears in the light emitted from the derivation part.
  • a to-be-detected substance adsorb
  • the intensity of the first-order diffracted light with respect to the intensity of the zero-order diffracted light in the far field is increased. Therefore, the measuring apparatus can detect the presence or absence of the substance to be detected or quantify the substance to be detected by detecting a change in the beam pattern of the derived light.
  • the reaction part is comprised by the reactive substance formed periodically along the said orthogonal direction, for example.
  • the reactive substance is patterned on the main surface of the propagation part.
  • a reaction part is comprised by the unevenness
  • the phase shift amount due to the adsorption of the detection substance is larger in the region where the unevenness exists than in the region where the unevenness does not exist, and the beam pattern changes.
  • the reaction unit is formed along a light propagation direction, and the change of the complex amplitude distribution is accumulated by reflecting the light propagating through the propagation unit a plurality of times along the propagation direction.
  • reaction parts are arranged in a stripe shape with a period of at least 5 times the wavelength of light.
  • the period of the reaction part is sufficiently larger than the wavelength of light, infinite diffracted light is generated, so that diffracted light can appropriately appear.
  • reaction part may be formed on one side of the measurement chip (propagation part) or may be formed on both sides.
  • the present invention it is possible to provide a measuring chip, a measuring apparatus, and a measuring method that enable simpler and more accurate measurement than before.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of a measuring device 15.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a measuring device 15.
  • FIG. 1 is a view showing a structure of a chip 1.
  • FIG. It is a figure which shows the relationship between the intensity
  • 7A is a perspective view of the chip 1A according to the application example 1
  • FIG. 7B is a perspective view of the chip 1B according to the application example 2.
  • FIG. 8A is a perspective view of the chip 1C
  • FIG. 8B is a perspective view of the chip 1D. It is a figure which shows the chip
  • FIG. It is a figure which shows the example which forms a ligand in both main surfaces.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a measuring device 15 including a chip of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the measuring device 15.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the structure of the chip 1.
  • the measuring device 15 includes a chip (measurement chip) 1, a light source 10, a light receiving unit 30, a measuring unit 31, and a control unit (comparing unit) 32.
  • the measurement unit 31 and the control unit 32 may be dedicated hardware, but may be implemented by software installed in an information processing apparatus such as a personal computer.
  • the light source 10 is a light source that emits visible light of about 650 nm, for example.
  • the light is applied to the introduction part 11 of the chip 1.
  • the light emitted from the light source 10 is preferably a Gaussian beam.
  • the Gaussian beam is suitable for detecting a change in the beam shape because the beam shape does not change during the propagation process.
  • the light emitted from the light source 10 is preferably a continuous wave (CW wave). By using a continuous wave, observation is facilitated and the cost of the light source can be reduced.
  • the Gaussian beam need not be two-dimensionally Gaussian, but may be Gaussian in the X direction shown in FIG.
  • the light emitted from the light source 10 is not limited to visible light. However, when using visible light, a relatively expensive light source such as infrared light or ultraviolet light or a measurement unit is not used. It is possible to reduce the cost as a measuring device.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of the chip 1
  • FIGS. 3B and 3C are perspective views showing the structure of the chip 1.
  • the chip 1 is composed of a flat propagation layer 101.
  • the propagation layer 101 uses an acrylic resin having a refractive index of about 1.5.
  • the propagation layer 101 may be made of other dielectric materials such as glass, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, silicone resin, or polystyrene.
  • the propagation layer 101 has a thickness of 0.1 mm, a length in the Y direction of 15 mm, and a length in the X direction of about 2 mm.
  • leading-out part 17 are provided in the lower surface side among the main surfaces of the propagation layer 101.
  • FIG. The introduction part 11 and the lead-out part 17 are made of a diffraction grating.
  • the diffraction grating is created by, for example, a nanoimprint method.
  • the nanoimprint method is a method in which a template made of metal or the like having a patterned stripe structure is prepared and the pattern is transferred to the propagation layer 101.
  • the introduction part 11 and the lead-out part 17 can be provided by a prism.
  • the light introduced into the introduction part 11 is totally reflected on the upper and lower surfaces of the propagation layer 101.
  • this totally reflecting region is referred to as a propagation unit 13.
  • the light propagated through the propagation unit 13 is emitted from the deriving unit 17.
  • a ligand 102 is formed on the upper surface side of the main surface of the propagation layer 101.
  • the ligand 102 is a substance that specifically adsorbs the analyte (detected substance) 201 in the specimen.
  • a plurality of ligands 102 are periodically formed along a direction (X direction) orthogonal to the light propagation direction (Y direction).
  • Each ligand 102 is formed entirely along the Y direction.
  • the ligand 102 is disposed by, for example, applying a surface treatment agent for adsorbing the ligand after patterning the resist and removing the resist.
  • the width (length in the X direction) of the ligand 102 is about 0.1 mm, and the thickness is about 5 nm.
  • the ligand 102 arranged in this way is transmitted in the X direction by the change of the complex refractive index around the propagation layer 101 (in this embodiment, the upper surface of the propagation layer 101) due to the reaction between the analyte and the ligand. It functions as a reaction part that changes the complex amplitude distribution (for example, phase distribution, amplitude distribution, or both). However, for the sake of simplification of description, in the present embodiment, it is assumed that the reaction unit has a function of changing only the phase distribution of light in the X direction.
  • FIG. 4 is a diagram showing the amplitude and phase of light.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating the amplitude (intensity) and phase of light introduced into the introduction unit 11.
  • the light introduced into the introducing portion 11 is a Gaussian beam
  • the phases in the X direction are substantially equal
  • the beam shape does not change during the propagation process.
  • the light introduced into the introduction unit 11 propagates while totally reflecting through the propagation unit 13 of the propagation layer 101.
  • the refractive index (for example, about 1.5) of the ligand 102 is different from the surrounding refractive index (for example, a specimen having a refractive index of 1.33 or air having a refractive index of 1).
  • the amount of phase shift during total reflection depends on the refractive index of the propagation unit 13 and the size of the surrounding refractive index in contact with the propagation unit 13. Therefore, the phase shift amount at the time of total reflection differs between the region where the ligand 102 is formed and the region where the ligand 102 is not formed. That is, FIG.
  • FIG. 3B shows a region where the surrounding refractive index is constant and structurally, as shown in FIG. 3D, the ligand 102 is formed in the propagation layer 101. Is equivalent to the propagation layer 101 having a convex shape on the upper surface in that the phase distribution is changed.
  • the light propagating through the propagation unit 13 changes the phase distribution in the X direction.
  • changes in the phase distribution are accumulated and the amount of phase shift increases.
  • the period (pitch) in which each ligand 102 is formed is sufficiently longer than the wavelength of light (for example, 5 times or more), the light is emitted from the derivation unit 17 as shown in FIG. For example, many diffracted lights appear in the far field.
  • the chip 1 can be manufactured relatively easily.
  • the phase shift amount at the time of reflection is as shown in FIG. 4C. It becomes larger than before the analyte 201 is attached. That is, the size of the surrounding refractive index is constant, and the structure is equivalent to a state in which the convex portion on the upper surface is raised as shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 4E, the beam pattern of the light output from the derivation unit 17 changes.
  • the intensity of the first-order diffracted light is larger than the intensity of the zero-order diffracted light. Therefore, the measuring device 15 receives the light emitted from the deriving unit 17 by the light receiving unit 30 in the far field (or through the Fourier transform lens) before and after contacting (attaching) the chip 1 to the specimen.
  • the measurement unit 31 measures the intensity of the 0th-order diffracted light and the intensity of the 1st-order diffracted light.
  • the intensity measured by the measurement unit 31 is input to the control unit 32 and recorded in a memory (not shown).
  • the measuring unit 31 calculates the intensity of the first-order diffracted light with respect to the intensity of the 0th-order diffracted light, and if the intensity of the first-order diffracted light with respect to the intensity of the 0th-order diffracted light has changed by a predetermined value or more, judge. Alternatively, the measurement unit 31 quantifies the analyte based on a change in the intensity of the first-order diffracted light with respect to the intensity of the zero-order diffracted light.
  • the measuring device 15 functions as an inspection device for inspecting the presence or concentration of an analyte (for example, an antigen such as influenza virus).
  • an analyte for example, an antigen such as influenza virus.
  • FIG. 5 is a flowchart of the measurement method.
  • the measurement device 15 first measures the intensity of the reference in a state where the analyte 201 is not adsorbed by the ligand 102 (s11: corresponding to the first measurement step).
  • the reference measurement may be performed, for example, after the chip 1 is washed with a cleaning liquid (for example, pure water) and dried, or may be performed with the cleaning liquid attached to the upper surface of the chip 1. .
  • a cleaning liquid for example, pure water
  • the measuring device 15 is configured such that the chip 1 is installed at a predetermined location, and the light from the light source 10 is introduced into the introducing portion 11 from the lower surface of the chip 1. .
  • the light receiving unit 30 receives the light emitted from the derivation unit 11 and includes light receiving elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
  • the measuring unit 31 acquires intensity information of light received by each light receiving element of the light receiving unit 30 and outputs the information to the control unit 32.
  • the control unit 32 records the intensity information of each light receiving element acquired by the measuring unit 31 as a beam pattern in a built-in memory (not shown).
  • the measuring device 15 introduces light into the introduction unit 11 of the chip 1 with the specimen attached, and measures the beam pattern of the light emitted from the deriving unit 17 (s13: in the second measurement step). Equivalent to).
  • the control unit 32 compares the reference beam pattern recorded in the memory with the beam pattern in a state after the specimen comes into contact (s14: corresponding to a detection step). For example, the control unit 32 calculates the intensity of the first-order diffracted light with respect to the intensity of the 0th-order diffracted light, and there is an analyte when the intensity of the first-order diffracted light with respect to the intensity of the 0th-order diffracted light changes by a predetermined value or more. Is determined. Or the control part 32 quantifies an analyte by the variation
  • the measuring device 15 can detect or quantify the presence or absence of an analyte.
  • the number of reflections can be adjusted and the sensitivity can be changed by changing the length of the chip 1 in the Y direction.
  • the sensitivity of the chip 1 is improved because the number of reflections increases as the length in the Y direction increases.
  • the measurement method shown in the present embodiment can be performed without washing and drying the specimen, it is possible to realize a quick test and perform a test even in an environment without a cleaning liquid. .
  • the measurement method shown in the present embodiment does not require an advanced angle detector or temperature controller, and can realize a simple and highly accurate inspection.
  • FIG. 3 shows an example in which three ligands 102 are periodically formed as an example of arranging a high density region and a low density region of the ligand. It is not limited to three.
  • FIG. 6 in the simplest manner, it is possible to configure a region where the ligand 102 is formed and a region where the ligand 102 is not formed, with the center of the beam as a boundary. .
  • the ligand 102 functions as a reaction unit that changes the phase distribution of the propagated light in the X direction, so that it is possible to detect a change in the beam pattern.
  • FIG. 7A is a perspective view of a chip 1A according to Application Example 1.
  • a plurality of fine convex columnar structures 501 are periodically arranged at a predetermined pitch on the upper surface of the propagation layer 101.
  • These cylindrical structures 501 are created by, for example, a nanoimprint method.
  • the columnar structures 501 are periodically arranged at a pitch of about 100 nm, for example. Since the arrangement pitch of the cylindrical structure 501 is sufficiently smaller than the wavelength of light (for example, 650 nm), the propagating light is not diffracted by the periodic arrangement of the cylindrical structure.
  • the chip 1A is provided with such a fine periodic structure, the surface area of the propagation layer 101 and the surface area of the ligand 102 are increased as compared with the chip 1. Therefore, the amount of phase shift when the analyte 201 is attached increases, and the sensitivity is improved.
  • FIG. 7B is a perspective view of the chip 1B according to the application example 2.
  • FIG. 7B In the chip 1 ⁇ / b> B, the ligand 102 is applied to the entire upper surface of the propagation layer 101.
  • cylindrical structures 501 are periodically arranged on the upper surface of the propagation layer 101 at a predetermined pitch. However, a region where the columnar structure 501 is provided and a region where the columnar structure 501 is not provided periodically exist on the upper surface of the propagation layer 101 along the X direction.
  • the columnar structure 501 Since the area where the columnar structure 501 is provided has a larger surface area than the area where the columnar structure 501 is not provided, the amount of phase shift when the analyte 201 is attached increases. That is, in this example, the columnar structure 501 partially formed on the surface of the propagation unit 13 along the X direction functions as a reaction unit that changes the phase distribution of the propagated light in the X direction. Therefore, the beam pattern can be changed even when the ligand 102 is applied to the entire surface.
  • 7A and 7B show a convex cylindrical structure on the upper surface of the propagation layer 101 as a fine periodic structure, it is also possible to provide a concave cylindrical structure.
  • fine grooves 502 that are long in the X direction and short in the Y direction (with a width sufficiently smaller than the wavelength of light) are periodically formed along the Y direction.
  • the surface area can be increased and the sensitivity can be improved.
  • fine grooves 503 that are long in the Y direction and short in the X direction are periodically arranged at a predetermined pitch. It is also possible to do. In this case, a region where the groove 503 is provided and a region where the groove 503 is not provided periodically exist on the upper surface of the propagation layer 101 along the X direction. In this example, the region where the groove 503 is provided and the region where the groove 503 is not provided are formed in the light propagation direction and function as a reaction unit that changes the phase distribution in the X direction of the propagated light. .
  • FIGS. 9A and 9B are a cross-sectional view and a perspective view of the chip 1E according to the application example 3, respectively.
  • a propagation layer 109 is formed on an upper surface of a base material 105 such as glass with an intermediate layer 107 interposed therebetween.
  • a material having a refractive index comparable to that of the specimen for example, a fluororesin material having a refractive index of about 1.34 is used.
  • a ligand 102 is formed on the upper surface of the propagation layer 109. The formation mode of the ligand 102 is the same as that of the chip 1.
  • the thickness of the propagation layer 109 is thinner than that of the propagation layer 101. Since the shape of the propagation layer 109 is held by the base material 105 having a thickness of about 0.1 mm, the propagation layer 109 can be thinned to a thickness of about several ⁇ m, for example.
  • the propagation layer has a longer length in the Y direction and a shorter length in the Z direction, the number of reflections increases, so the sensitivity is improved.
  • the length in the Y direction is increased, a large amount of specimen is required to be attached to the chip. Therefore, in the chip 1E of the application example 3, an aspect in which a certain degree of sensitivity can be ensured even when the length in the Y direction is shortened (for example, 1 mm or less) by reducing the total reflection region to several ⁇ m. It is said.
  • the intermediate layer 107 is not essential, but in the absence of the intermediate layer 107, the refractive index of the glass is high (for example, about 1.5 to 1.6), so that the incident angle becomes shallow and the number of reflections becomes small. In addition, the amount of phase shift during reflection is reduced.
  • the intermediate layer 107 having the same refractive index (for example, 1.34) as the refractive index of the specimen (for example, 1.33) is disposed on the lower surface side of the propagation layer 109, so that a deep incident angle is obtained.
  • total reflection is appropriately performed also on the lower surface side of the propagation layer 109.
  • FIGS. 10A and 10B an example in which a ligand is formed on the upper surface of the propagation layer has been shown.
  • the upper surface and the lower surface can be a chip in which the ligand 102 is formed in a region other than the introduction part 11 and the lead-out part 17.
  • the reactive substance is composed of a ligand.
  • the present invention is not limited to this, and it may be a substrate that is degraded by an enzyme. Also in this case, it goes without saying that the phase shift amount at the time of total reflection is different between the region where the substrate is formed and the region where the substrate is not formed.
  • the reaction unit has a function of changing only the phase distribution in the direction orthogonal to the light propagation direction in the propagation unit.
  • the structure may have a function of changing only the amplitude distribution in the direction orthogonal to the light propagation direction in the propagation unit, or the reaction unit may have a phase distribution in a direction orthogonal to the light propagation direction in the propagation unit and It may be configured to have a function of changing both amplitude distributions.

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Abstract

【課題】従来よりも簡易かつ高精度な測定を可能とする測定用チップ、測定装置、および測定方法を提供する。 【解決手段】導入部１１に導入された光は、伝搬層１０１の伝搬部１３の中を全反射しながら伝搬する。伝搬層１０１の上面のうちリガンド１０２が形成されている領域と、リガンド１０２が形成されていない領域とで、全反射時の位相シフト量が異なる。アナライト２０１がリガンド１０２に吸着すると、反射時の位相シフト量がアナライト２０１の付着前よりも大きくなる。その結果、導出部１７から出力される光のビームパターンが変化することになる。

Description

測定用チップ、測定装置、および測定方法
　この発明は、測定用チップ、測定装置、および測定方法に関するものである。
　従来、遺伝子解析、臨床診断、あるいは有害物質検出等を行う測定装置として、例えば特許文献１のような測定装置が提案されている。
　特許文献１の測定装置は、表面プラズモン共鳴を用いた測定装置であり、被検出物の吸着の有無による屈折率の変化を測定する。
特開２００８－１４７３２
　しかし、表面プラズモン共鳴を用いた測定では、微量の角度変化（例えば１／１０００度）を検出する必要があるため、光の導入角度や導出角度の精密な調整が必要である。また、周囲温度の変化により共鳴角（または共鳴波長）が変化するため、精密な温度制御が必要である。したがって、高度な角度検出器や温度制御器が必要となり、装置としても非常に高額なものとなる。
　この発明は、従来よりも簡易かつ高精度な測定を可能とする測定用チップ、測定装置、および測定方法を提供することを目的とする。
　この発明は、光が導入される導入部と、前記光が伝搬される伝搬部と、前記光が導出される導出部と、被検出物質と反応する反応物質を有し、前記伝搬部における前記光の伝搬方向に直交する方向の複素振幅分布を変化させる反応部と、を備えたことを特徴とする。
　導入部に導入された光は、測定用チップ内を全反射しながら伝搬する。反応部は、前記被検出物質と前記反応物質との反応による前記伝搬部の周辺における複素屈折率の変化により、光の伝搬方向と直交する方向の複素振幅分布を変化させる。例えば、測定用チップの上面に、前記被検出物質（アナライト）と反応する反応物質（リガンドや酵素により分解される基質等）を前記直交する方向に沿って異なる密度を有する領域に配置する（例えば、反応物質をストライプ状に（部分的に）配置する）と、反応物質の密度の大きな領域と密度の小さな領域とで（または、反応物質が形成されている領域と反応物質が形成されていない領域とで）、反射時の複素振幅分布の変化（例えば、位相シフト量や振幅変化量）が異なることになる。
　このように、例えば位相分布が変化すると、導出部から出射される光のビームパターンが（例えばファーフィールドにて）変化する。例えば、ガウスビームが導入部に導入された場合に、導出部から出射される光には回折光が出現する。そして、反応物質に被検出物質が吸着すると、反射時の位相シフト量が変化する。例えば、ファーフィールドでの０次回折光の強度に対する１次回折光の強度が大きくなる。したがって、測定装置は、導出される光のビームパターンの変化を検出することで、被検出物質の有無を検出したり、被検出物質を定量化したりすることができる。
　なお、反応部は、例えば、前記直交する方向に沿って周期的に形成された反応物質により構成される。この場合、前記伝搬部の主面に反応物質をパターニングする。あるいは、反応部は、前記伝搬部の主面に前記直交する方向に沿って形成された凹凸により構成される。この場合、全面に反応物質を形成したとしても、凹凸が部分的に存在する領域は、凹凸が存在しない部分よりも表面積が増大するため、被検出物質の吸着量が増大する。したがって、凹凸が存在する領域は、凹凸が存在しない領域よりも被検出物質の吸着による例えば位相シフト量が大きくなり、ビームパターンが変化する。
　また、反応部は、光の伝搬方向に沿って形成され、伝搬部を伝搬する前記光を前記伝搬方向に沿って複数回反射させることで、前記複素振幅分布の変化を蓄積させることが好ましい。反射回数が多いほど、複素振幅分布の変化量が大きくなるため、感度が向上する。
　また、反応部は、光の波長の少なくとも５倍以上の周期でストライプ状に配置されていることが好ましい。反応部の周期が光の波長よりも十分に大きい場合、無数の回折光が生じるため、適切に回折光を出現させることができる。
　また、反応部は、測定用チップ（伝搬部）の片面に形成されている態様であってもよいし、両面に形成されている態様であってもよい。
　この発明によれば、従来よりも簡易かつ高精度な測定を可能とする測定用チップ、測定装置、および測定方法を提供することができる。
測定装置１５の概略構成を示す図である。 測定装置１５の構成を示すブロック図である。 チップ１の構造を示す図である。 光の強度と位相の関係を示す図である。 測定方法を示すフローチャートである。 リガンドを１領域だけ形成する場合のチップ１の構造を示す図である。 図７（Ａ）は、応用例１に係るチップ１Ａの斜視図であり、図７（Ｂ）は、応用例２に係るチップ１Ｂの斜視図である。 図８（Ａ）は、チップ１Ｃの斜視図であり、図８（Ｂ）は、チップ１Ｄの斜視図である。 応用例３に係るチップ１Ｅを示す図である。 両主面にリガンドを形成する例を示す図である。
　図１は、本発明のチップを含む測定装置１５の概略構成を示す図である。図２は、測定装置１５の構成を示すブロック図である。図３は、チップ１の構造を示す図である。
　図１に示すように、測定装置１５は、チップ（測定用チップ）１、光源１０、受光部３０、測定部３１、および制御部（比較部）３２を備えている。測定部３１および制御部３２は、専用のハードウェアであってもよいが、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置に搭載されたソフトウェアにより実現される態様であってもよい。
　光源１０は、例えば６５０ｎｍ程度の可視光を放射する光源である。当該光は、チップ１の導入部１１に照射される。光源１０が放射する光は、ガウスビームであることが好ましい。ガウスビームは、伝搬の過程でビーム形状が変化しないため、ビーム形状の変化を検出するためには好適である。また、光源１０が放射する光は、連続波（ＣＷ波：Continuous Wave）であることが好ましい。連続波とすることで、観測が容易になるとともに、光源のコストも低減できる。なお、本ガウスビームは２次元にガウス分布である必要はなく、図３に示すＸ方向にガウス分布であればよい。また、光源１０が放射する光は、可視光に限るものではないが、特に可視光を利用する場合、赤外光や紫外光等の相対的に高価な光源や測定部を用いることがないため、測定装置としてのコストを抑えることが可能である。
　図３（Ａ）は、チップ１の断面図であり、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、チップ１の構造を示す斜視図である。この例では、チップ１の上面方向（厚み方向）をＺ、光の伝搬方向（長さ方向）をＹ、光の伝搬する方向に直交する幅方向をＸとする。
　チップ１は、平板状の伝搬層１０１からなる。伝搬層１０１は、屈折率が１．５程度のアクリル樹脂を用いる。ただし、伝搬層１０１は、他にもガラス、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂、またはポリスチレン等の誘電体を用いることが可能である。
　一例として、伝搬層１０１の厚みは０．１ｍｍ、Ｙ方向の長さは１５ｍｍ、Ｘ方向の長さは２ｍｍ程度である。
　伝搬層１０１の主面のうち下面側には、導入部１１および導出部１７が設けられている。導入部１１および導出部１７は、回折格子からなる。例えば回折格子は、例えばナノインプリント方式により作成される。ナノインプリント方式とは、ストライプ状の構造がパターニングされた金属等の鋳型を用意し、当該パターンを伝搬層１０１に転写する方式である。他にもプリズムにより導入部１１および導出部１７を設けることが可能である。
　導入部１１に導入された光は、伝搬層１０１の上面および下面で全反射する。伝搬層１０１のうち、この全反射する領域を伝搬部１３と称する。伝搬部１３を伝搬した光は、導出部１７から出射される。
　図３（Ｂ）に示すように、伝搬層１０１の主面のうち上面側には、リガンド１０２が形成されている。リガンド１０２は、図３（Ｃ）に示すように、検体中のアナライト（被検出物質）２０１を特異的に吸着する物質である。この例では、リガンド１０２は、光の伝搬方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）に沿って周期的に複数形成されている。また、各リガンド１０２は、Ｙ方向に沿って全体に形成されている。リガンド１０２は、例えばレジストをパターニングした後にリガンドを吸着させるための表面処理剤を塗布し、レジストを取り除くことで配置される。一例として、リガンド１０２の幅（Ｘ方向の長さ）は、０．１ｍｍ程度であり、厚みは５ｎｍ程度となっている。
　この様に配置されたリガンド１０２は、アナライトとリガンドとの反応による伝搬層１０１の周辺（本実施形態では、伝搬層１０１の上面）における複素屈折率の変化により、伝搬される光のＸ方向の複素振幅分布（例えば、位相分布、振幅分布、またはその両方）を変化させる反応部として機能する。ただし、説明の簡略化の為、本実施形態では、反応部が光のＸ方向の位相分布のみを変化させる機能を有するとして説明する。図４は、光の振幅と位相を示す図である。図４（Ａ）は、導入部１１に導入される光の振幅（強度）と位相を示す図である。この例では、導入部１１に導入される光は、ガウスビームであり、Ｘ方向の位相がほぼ等しく、伝搬過程でビーム形状が変化しない。
　導入部１１に導入された光は、伝搬層１０１の伝搬部１３の中を全反射しながら伝搬する。ここで、リガンド１０２の屈折率（例えば１．５程度）は、周囲の屈折率（例えば屈折率１．３３の検体または屈折率１の空気）と異なる。全反射時の位相シフト量は、伝搬部１３の屈折率と、伝搬部１３に接する周囲の屈折率の大きさに依存する。そのため、リガンド１０２が形成されている領域と、リガンド１０２が形成されていない領域と、で全反射時の位相シフト量が異なることになる。つまり、図３（Ｂ）は、周囲の屈折率の大きさが一定であり、かつ構造的には、図３（Ｄ）に示すように、伝搬層１０１のうちリガンド１０２が形成されている領域が上面に凸となった形状の伝搬層１０１と、位相分布の変化を与える点で等価となる。
　これにより、図４（Ｂ）に示すように、伝搬部１３を伝搬する光は、Ｘ方向の位相分布が変化する。反射回数が多くなるほど、位相分布の変化が蓄積され、位相のシフト量が大きくなる。
　そして、各リガンド１０２が形成されている周期（ピッチ）が、光の波長よりも十分に長い場合（例えば５倍以上である場合）、図４（Ｄ）に示すように、導出部１７から出射される光は、例えばファーフィールドにて多数の回折光が出現する。当該周期を５倍以上とすることにより、チップ１は、比較的容易に製作することが可能である。
　ここで、図３（Ｃ）に示すように、リガンド１０２と同程度の屈折率を有するアナライト２０１がリガンド１０２に吸着すると、図４（Ｃ）に示すように、反射時の位相シフト量がアナライト２０１の付着前よりも大きくなる。すなわち、周囲の屈折率の大きさが一定であり、かつ構造的に、図３（Ｅ）に示すように、上面の凸部分が高くなった状態と等価となる。その結果、図４（Ｅ）に示すように、導出部１７から出力される光のビームパターンが変化することになる。
　この例では、０次回折光の強度に対する１次回折光の強度が大きくなっている。したがって、測定装置１５は、チップ１を検体に接触（付着）させる前と後とで、それぞれ受光部３０で導出部１７から出射される光をファーフィールドにて（またはフーリエ変換レンズを通して）受光し、測定部３１で０次回折光の強度および１次回折光の強度を測定する。測定部３１で測定した強度は、制御部３２に入力され、メモリ（不図示）に記録される。測定部３１は、０次回折光の強度に対する１次回折光の強度を算出し、０次回折光の強度に対する１次回折光の強度が所定値以上変化していた場合に、アナライトが有ったものと判定する。あるいは、測定部３１は、０次回折光の強度に対する１次回折光の強度の変化により、アナライトを定量化する。
　このようにして、測定装置１５は、アナライト（例えばインフルエンザウイルス等の抗原）の有無、あるいは濃度を検査する検査装置として機能する。
　次に、図５は、測定方法のフローチャートである。測定装置１５は、まずアナライト２０１がリガンド１０２に吸着されていない状態であるリファレンスの強度を測定する（ｓ１１：第１測定ステップに相当する）。リファレンスの測定は、例えば、チップ１を洗浄液（例えば純水等）で洗浄し、乾燥させた後の状態で行ってもよいし、チップ１の上面に洗浄液を付着させた状態で行ってもよい。
　測定装置１５は、図１に示したように、所定の場所にチップ１が設置されるようになっていて、チップ１の下面から光源１０の光を導入部１１に導入させるようになっている。受光部３０は、導出部１１から出射された光を受光するものであり、１次元または２次元配置された受光素子からなる。測定部３１は、受光部３０の各受光素子で受光した光の強度情報を取得し、制御部３２に出力する。制御部３２は、受光部３０で受光される光のビームパターンを分析するため、測定部３１で取得した各受光素子の強度情報をビームパターンとして内蔵メモリ（不図示）に記録する。
　その後、チップ１の上面に、検査対象となるアナライトが含まれた検体が付着される（ｓ１２：接触ステップに相当する）。そして、測定装置１５は、検体が付着された状態のまま、チップ１の導入部１１に光を導入させ、導出部１７から出射される光のビームパターンを測定する（ｓ１３：第２測定ステップに相当する）。
　その後、制御部３２は、メモリに記録したリファレンスのビームパターンと、検体が接触した後の状態のビームパターンと、を比較する（ｓ１４：検出ステップに相当する）。制御部３２は、例えば０次回折光の強度に対する１次回折光の強度を算出し、０次回折光の強度に対する１次回折光の強度が所定値以上変化していた場合に、アナライトが有ったものと判定する。あるいは、制御部３２は、０次回折光の強度に対する１次回折光の強度の変化量により、アナライトを定量化する。
　このようにして、測定装置１５は、アナライトの有無を検出する、あるいは定量化することが可能である。
　本実施形態で示した測定手法では、チップ１のＹ方向の長さを変更することで、反射回数を調整することができ、感度を変化させることができる。例えば、チップ１は、Ｙ方向の長さを長くするほど反射回数が増えるため、感度が向上する。
　また、本実施形態で示した測定の手法は、検体を洗浄して乾燥させなくても可能であるため、迅速な検査を実現することができ、洗浄液がない環境においても検査を行うことができる。
　また、仮に光源の振幅が変化したとしても、０次回折光の強度と１次回折光の強度の比は、変化することがないため、安定した測定が可能となる。さらに、全反射時の位相シフト量は、温度変化の影響をほとんど受けない上に、入射角度の変化に対する変化も微量である。したがって、本実施形態で示した測定手法は、高度な角度検出器や温度制御器が不要となり、簡易かつ高精度な検査を実現することができる。
　なお、図３においては、リガンドの密度の大きな領域と密度の小さな領域とを配置する例として、３つのリガンド１０２が周期的に形成されている例を示したが、リガンド１０２の形成数は、３つに限るものではない。例えば、最も簡易的には、図６に示すように、ビームの中心を境に、リガンド１０２が形成されている領域と、リガンド１０２が形成されていない領域と、を構成することも可能である。このような構造でも、リガンド１０２は、伝搬される光のＸ方向の位相分布を変化させる反応部として機能するため、ビームパターンの変化を検出することが可能である。
　次に、図７（Ａ）は、応用例１に係るチップ１Ａの斜視図である。チップ１Ａは、伝搬層１０１の上面に複数の微細な凸状の円柱構造５０１が所定のピッチで周期配置されている。これら円柱構造５０１は、例えばナノインプリント方式により作成される。円柱構造５０１は、例えば１００ｎｍ程度のピッチで周期配置されている。当該円柱構造５０１の配置ピッチは、光の波長（例えば６５０ｎｍ）よりも十分に小さいため、伝搬光が当該円柱構造の周期配置により回折することはない。
　チップ１Ａは、このような微細な周期構造が設けられていることで、チップ１に比べて、伝搬層１０１の表面積が大きくなり、リガンド１０２の表面積も大きくなる。したがって、アナライト２０１が付着した時の位相シフト量が大きくなり、感度が向上する。
　図７（Ｂ）は、応用例２に係るチップ１Ｂの斜視図である。チップ１Ｂは、リガンド１０２が伝搬層１０１の上面全てに塗布されている。
　チップ１Ｂは、伝搬層１０１の上面に円柱構造５０１が所定のピッチで周期配置されている。ただし、伝搬層１０１の上面には、円柱構造５０１が設けられている領域と、円柱構造５０１が設けられていない領域とが、Ｘ方向に沿って周期的に存在する。
　円柱構造５０１が設けられている領域は、円柱構造５０１が設けられていない領域よりも表面積が大きくなるため、アナライト２０１が付着した時の位相シフト量が大きくなる。すなわち、この例では、Ｘ方向に沿って伝搬部１３の表面に部分的に形成された円柱構造５０１は、伝搬される光のＸ方向の位相分布を変化させる反応部として機能する。よって、リガンド１０２が全面に塗布されている場合であっても、ビームパターンを変化させることができる。
　なお、図７（Ａ）および図７（Ｂ）では、微細な周期構造として、伝搬層１０１の上面に凸状の円柱構造を示したが、凹状の円柱構造を設けることも可能である。
　また、図８（Ａ）のチップ１Ｃに示すように、Ｘ方向に長くＹ方向に短い微細な（光の波長よりも十分小さい幅の）溝５０２を、Ｙ方向に沿って周期的に形成することでも表面積を大きくすることができ、感度を向上させることができる。
　また、図７（Ｂ）で示した円柱構造５０１に代えて、図８（Ｂ）のチップ１Ｄに示すように、Ｙ方向に長くＸ方向に短い微細な溝５０３を、所定のピッチで周期配置することも可能である。この場合、伝搬層１０１の上面には、溝５０３が設けられている領域と、溝５０３が設けられていない領域とが、Ｘ方向に沿って周期的に存在する。この例では、溝５０３が設けられている領域と溝５０３が設けられていない領域とが、光の伝搬方向に形成され、伝搬される光のＸ方向の位相分布を変化させる反応部として機能する。
　図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、応用例３に係るチップ１Ｅの断面図および斜視図である。チップ１Ｅは、ガラス等の基材１０５の上面に、中間層１０７を介して伝搬層１０９が形成されている。中間層１０７には、検体と同程度の屈折率を有する材料（例えば屈折率が１．３４程度のフッ素樹脂材料）が用いられる。伝搬層１０９の上面にはリガンド１０２が形成されている。リガンド１０２の形成態様は、チップ１と同様である。
　チップ１Ｅは、伝搬層１０９の厚みが伝搬層１０１よりも薄くなっている。伝搬層１０９は、厚さ０．１ｍｍ程度の基材１０５により形状が保持されているため、例えば数μｍ程度の厚さまで薄くすることが可能である。
　伝搬層は、Ｙ方向の長さを長く、Ｚ方向の長さを短くするほど反射回数が増えるため、感度が向上する。しかし、Ｙ方向の長さを長くするとチップに付着させる検体の量が多く必要となる。そこで、応用例３のチップ１Ｅでは、全反射させる領域を数μｍまで薄くすることで、Ｙ方向の長さを短く（例えば１ｍｍ以下に）した場合であっても、ある程度の感度を確保できる態様としている。
　また、中間層１０７は、必須ではないが、中間層１０７がない場合は、ガラスの屈折率が高い（例えば１．５乃至１．６程度である）ため、入射角が浅くなって反射回数が少なくなる上に、反射時の位相シフト量も小さくなる。
　そこで、応用例３では、検体の屈折率（例えば１．３３）と同じ程度の屈折率（例えば１．３４）を有する中間層１０７を伝搬層１０９の下面側に配置することで、深い入射角でも伝搬層１０９の下面側でも適切に全反射させるようになっている。
　なお、本実施形態では、伝搬層の上面にリガンドが形成される例を示したが、例えば図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように、伝搬層の上面および下面（ただし、下面は導入部１１および導出部１７以外の領域）にリガンド１０２が形成されたチップとすることも可能である。
　また、本実施形態では、反応物質は、リガンドからなっていたが、これに限定されるものではなく、酵素により分解される基質とすることも可能である。この場合も、基質が形成されている領域と、基質が形成されていない領域と、で全反射時の位相シフト量が異なることは言うまでもない。
また、本実施形態では、反応部が伝搬部における光の伝搬方向に直交する方向の位相分布のみを変化させる機能を有する構成となっていたが、これに限定されるものではなく、反応部が伝搬部における光の伝搬方向に直交する方向の振幅分布のみを変化させる機能を有する構成となっていてもよいし、または、反応部が伝搬部における光の伝搬方向に直交する方向の位相分布および振幅分布の両方を変化させる機能を有する構成となっていてもよい。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…チップ
１０…光源
１１…導入部
１３…伝搬部
１５…測定装置
１７…導出部
３０…受光部
３１…測定部
３２…制御部
１０１…伝搬層
１０２…リガンド
１０５…基材
１０７…中間層
１０９…伝搬層
２０１…被検出物質（アナライト）
５０１…円柱構造
５０２，５０３…溝

Claims (14)

  1. 　光が導入される導入部と、
    　前記光が伝搬される伝搬部と、
    　前記光が導出される導出部と、
    　被検出物質と反応する反応物質を有し、前記伝搬部における前記光の伝搬方向に直交する方向の複素振幅分布を変化させる反応部と、
    　を備えた測定用チップ。
  2. 　請求項１に記載の測定用チップであって、
    　前記反応部は、前記被検出物質と前記反応物質との反応による前記伝搬部の周辺における複素屈折率の変化により、前記光の伝搬方向に直交する方向の複素振幅分布を変化させることを特徴とする測定用チップ。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の測定用チップであって、
    　前記反応部は、前記直交する方向に沿って前記反応物質が異なる密度を有する領域を有することを特徴とする測定用チップ。
  4. 　請求項１または請求項２に記載の測定用チップであって、
    　前記反応部は、前記直交する方向に沿って前記反応物質が前記伝搬部の表面に部分的に形成されている領域を有することを特徴とする測定用チップ。
  5. 　請求項１または請求項２に記載の測定用チップであって、
    　前記反応部は、前記直交する方向に沿って凹凸が前記伝搬部の表面に部分的に形成されている領域を有することを特徴とする測定用チップ。
  6. 　請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の測定用チップであって、
    　前記反応部は、前記光の伝搬方向に沿って形成され、前記伝搬部を伝搬する光を前記伝搬方向に沿って複数回反射させて、前記複素振幅分布の変化を蓄積させることを特徴とする測定用チップ。
  7. 　請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の測定用チップであって、
    　前記反応部は、前記光の波長の少なくとも５倍以上の周期でストライプ状に配置されていることを特徴とする測定用チップ。
  8. 　請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の測定用チップであって、
    　前記反応部は、前記伝搬部を挟む両主面に形成されていることを特徴とする測定用チップ。
  9. 　請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の測定用チップが配置される測定装置であって、
    　前記測定用チップの前記導入部に前記光を導く光源と、
    　前記導出部から出射された光を受光する受光部と、
    　前記受光部で受光される光のビームパターンを分析する制御部と、
    　を備えた測定装置。
  10. 　請求項９に記載の測定装置であって、
    　前記光は、ガウスビームであることを特徴とする測定装置。
  11. 　請求項９または請求項１０に記載の測定装置であって、
    　前記制御部は、前記光のビームパターンの変化を検出する検出処理を行うことを特徴とする測定装置。
  12. 　請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載の測定装置であって、
    　前記制御部は、前記光のビームパターンの０次回折光の強度と１次回折光の強度とを検出する検出処理を行うことを特徴とする測定装置。
  13. 　請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の測定用チップを用いた測定方法であって、
    　前記導入部に光を導入し、前記導出部から出射される光のビームパターンを検出する第１測定ステップと、
    　被検出物質が含まれた検体を、前記測定用チップに接触させる接触ステップと、
    　前記被検出物質が含まれた検体を接触させた後、前記導出部から出射される光のビームパターンを検出する第２測定ステップと、
    　前記第１測定ステップで測定したビームパターンと、前記第２測定ステップで測定したビームパターンと、を比較し、これらビームパターンの変化を検出する検出ステップと、
    　を備えた測定方法。
  14. 　請求項１３に記載の測定方法であって、
    　前記検出ステップは、前記第１測定ステップおよび前記第２測定ステップでそれぞれ測定したビームパターンの０次回折光の強度と１次回折光の強度とを検出することを特徴とする測定方法。
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