(57)【要約】  【課題】  担体の一面にセンシング層を設け、光ビームを該センシング層で収束するように担体側面から入射させし、センシング層からの反射光を検出して各種測定を行う測定装置において、光ビームをセンシング層において十分小さく収束させる。  【解決手段】  光透過性の担体50と、この担体50の一面に形成されたセンシング層55と、光ビーム13を発生させる光源14と、前記担体50に対して前記光ビーム13を、前記一面とは別の側面を斜めに通過してセンシング層55で収束するように入射させる入射光学系15と、センシング層55で反射した光を検出する光検出手段17とを備えてなる測定装置において、担体50に入射する前の光ビーム13の光路に、該光ビーム13の、担体側面への斜め入射に起因する収差を補正する光学素子５を設ける。【選択図】          図３
2006292538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性の担体と、
この担体の一面に形成されたセンシング層と、
光ビームを発生させる光源と、
前記担体に対して前記光ビームを、前記一面とは別の側面を斜めに通過して前記センシング層で収束するように入射させる入射光学系と、
前記センシング層で反射した光を検出する光検出手段とを備えてなる測定装置において、
前記担体に入射する前の前記光ビームの光路に、該光ビームの前記側面への斜め入射に起因する収差を補正する光学素子が設けられたことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記光学素子が、くさび形の断面形状を有するプリズムであることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記担体が誘電体ブロックであり、
前記センシング層が、前記誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる、該誘電体ブロックよりも低屈折率の薄膜層であり、
前記入射光学系が、前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られるように入射させるものであることを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
【請求項４】
前記薄膜層が金属膜からなることを特徴とする請求項３記載の測定装置。
【請求項５】
前記薄膜層が、前記誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層および、さらにその上に形成された光導波層からなることを特徴とする請求項３記載の測定装置。
【請求項６】
前記薄膜層に接する状態で液体試料を流通させる流路機構をさらに備えたことを特徴とする請求項３から５いずれか１項記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は測定装置、より詳細には、光透過性の担体の一面にセンシング層を設け、該センシング層で収束するように光ビームを照射し、センシング層からの反射光を検出して各種測定を行う測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、エバネッセント波を利用した測定装置の１つとして、表面プラズモンセンサーが知られている。金属中においては、自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。表面プラズモンセンサーは、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料の特性を分析するものであり、種々のタイプのセンサーが提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
上記の系を用いる表面プラズモンセンサーは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を検出する光検出手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて表面プラズモン共鳴の状態を測定する測定手段とを備えてなるものである。
【０００４】
なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを入射角を変化させて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。前者の場合は、入射した光ビームの入射角の変化に従って、反射角が変化する光ビームを、上記反射角の変化に同期して移動する小さな光検出器によって検出したり、反射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサーによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサーによって検出することができる。
【０００５】
上記構成の表面プラズモンセンサーにおいて、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角θＳＰで入射させると、該金属膜に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。
【０００６】
なお上記の共鳴は、光ビームが上記界面にｐ偏光状態で入射するときにだけ生じるので、予めそのように光ビームの偏光状態を設定しておく必要がある。
【０００７】
この光強度の低下が生じる全反射角以上の特定入射角θＳＰ（以後全反射減衰角θＳＰと記載）より表面プラズモンの波数が解ると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、εｍとεｓをそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【数１】
2006292538.tif 000003
【０００８】
試料の誘電率εｓが分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料の屈折率等が分かるので、結局、全反射減衰角θＳＰを知ることにより、試料の誘電率つまりは屈折率に関連する特性を求めることができる。
【０００９】
また、エバネッセント波を利用した類似のセンサーとして、漏洩モードセンサーも知られている（例えば非特許文献１参照）。この漏洩モードセンサーは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて導波モードの励起状態を測定する測定手段とを備えてなるものである。
【００１０】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の試料の屈折率に依存するので、全反射減衰角θＳＰを知ることによって、試料の屈折率や、それに関連する試料の特性を分析することができる。
【００１１】
また、上述した表面プラズモンセンサーや漏洩モードセンサーは、創薬研究分野等において、所望のリガンドに結合するアナライトを見いだすランダムスクリーニングに適用することも考えられている。その場合には、前記薄膜層（表面プラズモンセンサーの場合は金属膜であり、漏洩モードセンサーの場合はクラッド層および光導波層）上にリガンドを固定し、該リガンド上に種々のアナライトを含有するバッファー（液体試料）を添加し、所定時間が経過する毎に前述の全反射減衰角θＳＰを測定するようにしている。つまり、バッファー中のアナライトがリガンドと結合するものであれば、この結合によりリガンドの屈折率が時間経過に伴って変化する。したがって、所定時間経過毎に上記全反射減衰角θＳＰを測定し、全反射減衰角θＳＰに変化が生じているか否かを検出することにより、アナライトとリガンドとの結合の有無、すなわちアナライトがリガンドと結合する特定物質であるか否かを判定することができる。このようなアナライトとリガンドとの組み合わせとしては、例えば抗原と抗体あるいは抗体と抗体が挙げられ、そのようなものに関する具体的な測定としては、一例として、リガンドをウサギ抗ヒトＩｇＧ抗体とし、アナライトであるヒトＩｇＧ抗体との結合の有無検出とその定量分析を行う測定が挙げられる。
【００１２】
なお、バッファー中のアナライトとリガンドの結合状態を測定するためには、必ずしも全反射減衰角θＳＰの角度そのものを検出する必要はない。例えば最初にアナライトを含まないバッファーを用いて基準となるベースラインを測定した後、リガンド上にアナライトが含まれたバッファーを添加した際の全反射減衰角θＳＰの角度変化量を測定して、その角度変化量の大小に基づいて結合状態を測定することもできる。
【００１３】
また、上記のような表面プラズモンセンサー等の測定装置においては、リガンドが固定された薄膜層上に流路機構を用いてバッファーを連続的に供給して測定を行うものも知られている。この形態の測定装置を用いれば、リガンドとアナライトとの結合状態を測定する際に、常に新しいバッファーが薄膜層上に供給されるため、バッファー中の被検体の濃度が変化せず、結合状態の測定を精度良く行うことができる。また、リガンドとアナライトの結合状態を測定したのち、結合がなされている場合には、この結合体が固定されている薄膜層上に、アナライトが含まれていないバッファーを流すことより、リガンドとアナライトとの解離状態を測定することができる。
【特許文献１】特開平6−167443号公報
【特許文献２】特開2000−065731号公報
【非特許文献１】「分光研究」第47巻 第１号（1998）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記表面プラズモンセンサー等の測定装置においては、多くの場合、誘電体ブロックの上面に薄膜層を形成し、光ビームは、薄膜層よりも下側に位置するブロック側面を斜めに通過（垂直入射ではない状態）して、薄膜層と誘電体ブロックとの界面で収束するように入射させている。すなわち、そのような構成とすることにより、薄膜層に対する試料の供給・排出がしやすくなり、また光ビームの入射光学系および光検出手段のレイアウトも容易化される。
【００１５】
ところが、光ビームを上述のような経路で薄膜層に照射する構成においては、光ビームが薄膜層において十分小さく収束しないという不具合が認められる。そうであると、薄膜層の微小な領域に試料を配して測定を行う場合、例えば、バッファー薄膜層上に連続供給する前述の流路機構が非常に狭小なものである場合等においては、薄膜層に到達すべき光ビームの一部がケラレて、測定が不安定になることがある。
【００１６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、前記誘電体ブロック等の担体の一面に薄膜層等のセンシング層を設け、光ビームを該センシング層で収束するように担体側面から入射させ、センシング層からの反射光を検出して各種測定を行う測定装置において、光ビームがセンシング層において十分小さく収束するようにして、安定した測定を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明による測定装置は、前述したように、
光透過性の担体と、
この担体の一面に形成されたセンシング層と、
光ビームを発生させる光源と、
前記担体に対して前記光ビームを、前記一面とは別の側面を斜めに通過して前記センシング層で収束するように入射させる入射光学系と、
前記センシング層で反射した光を検出する光検出手段とを備えてなる測定装置において、
前記担体に入射する前の前記光ビームの光路に、該光ビームの前記側面への斜め入射に起因する収差を補正する光学素子が設けられたことを特徴とするものである。
【００１８】
なお、先に説明した表面プラズモンセンサーや漏洩モードセンサーにおいて光ビームは、センシング層としての薄膜層と、担体としての誘電体ブロックとの界面で収束するように該誘電体ブロックに入射されるが、薄膜層に着目すれば、その表面において光ビームが収束するのであるから、そのような状態は光ビームが「センシング層で収束する」状態であると考える。さらに、センシング層の内部において光ビームが収束する状態も、光ビームが「センシング層で収束する」ことに含まれることとする。
【００１９】
また、上述の光学素子としては、例えば、楔形の断面形状を有するプリズム等を適用することができる。
【００２０】
また、上記構成の本発明による測定装置は、
前記担体を誘電体ブロックとし、
前記センシング層を、前記誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる、該誘電体ブロックよりも低屈折率の薄膜層とし、
前記入射光学系として、前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られるように入射させるものを適用することにより、前述の表面プラズモンセンサーあるいは漏洩モードセンサーとして構成することができる。すなわち、上記薄膜層を金属膜とすれば表面プラズモンセンサーとなり、該薄膜層を、誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層および、さらにその上に形成された光導波層から構成すれば漏洩モードセンサーとなる。
【００２１】
また、この本発明による測定装置が上記表面プラズモンセンサーあるいは漏洩モードセンサーとして構成される際には、薄膜層に接する状態で液体試料を流通させる流路機構をさらに備えている場合に本発明を適用することがより好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明者の研究によると、光ビームがセンシング層において十分小さく収束しないという従来装置の問題は、収束しつつある光ビームを担体の側面に斜め入射させることに起因していることが分かった。以下、この点について詳しく説明する。
【００２３】
一般的な光学系で集光されて収束しつつある光ビーム（収束光）においては、本来、そのビーム中心線から等距離離れた位置にある成分は、該中心線に対する角度が等しい関係を保って進行する。しかし、そのような光ビームが担体の側面を斜めに通過する場合は、上記成分のうちビーム中心線を挟んで上側に有る成分と下側にある成分とが、担体の側面に対して相異なる角度で入射することになるので、担体内に入射した後の光ビームにおいては上記の関係がくずれてしまう。そのようになると、上記２つの成分がビーム中心線に到達する位置が互いに光ビームの進行方向前後にずれる収差が発生するので、該光ビームは十分小さく収束し得ないのである。
【００２４】
本発明の測定装置は、上述の知見に基づいて、担体に入射する前の光ビームの光路に、該光ビームの担体側面への斜め入射に起因する収差を補正する光学素子を設けたものであり、該素子によって収差を補正することにより、光ビームをセンシング層において十分小さく収束させることができる。そこで本発明の測定装置によれば、前述したような光ビームのケラレを防止して、安定した測定を実現可能となる。
【００２５】
なお、前述したようにセンシング層としての薄膜層に接する状態で液体試料を流通させる流路機構を備えている測定装置においては、その流路機構が狭小であると、前述した光ビームのケラレが特に発生しやすくなる。そこで、このような構成の測定装置に本発明を適用すれば、ケラレ発生を防止する効果がより顕著なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
本発明の第１の実施形態による測定装置は、測定ユニットの複数の測定部に光ビームを並列的に入射させることにより複数の試料の分析を同時に行うことが可能な表面プラズモンセンサーであり、図１は本実施形態の表面プラズモンセンサーの概略構成を示す平面図、図２はこの表面プラズモンセンサーの測定系の平面図、図３はこの表面プラズモンセンサーの測定系の側面図、図８は図２中のVIII−VIII線に沿った断面を示す断面図である。
【００２８】
この表面プラズモンセンサー１は、図１に示すように、測定ユニット10に設けられた複数の測定部毎に光ビームを並列的に入射させることにより複数の試料の分析を同時に行うことが可能な表面プラズモンセンサーであり、同様の構成の複数の表面プラズモン測定系１Ａ、１Ｂ…により構成されている。各測定系の構成について、個別の要素を表す符号であるＡ、Ｂ…の符号は省略して説明する。
【００２９】
図２、図３および図８に示すように、各測定系は、１本の光ビーム13を発生させる半導体レーザ等からなる光源14（以下、レーザ光源14という）と、上記光ビーム13を測定ユニット10に通し、流路60（測定部）の下の誘電体ブロック50と金属膜55との２箇所の界面50ｄおよび50ｅに対して、種々の入射角が得られるようにそれぞれ収束光状態で並列的に入射させる光学系15と、上記界面50ｄおよび50ｅで全反射した光ビーム13を各々平行光化する２つのコリメーターレンズ16と、この平行光化された光ビーム13を各々検出する２つのフォトダイオードアレイ17と、２つのフォトダイオードアレイ17に接続された差動アンプアレイ18と、ドライバ19と、コンピュータシステム等からなる信号処理部20と、この信号処理部20に接続された表示部21とを備えている。
【００３０】
なお、光学系15と測定ユニット10との間の光ビーム13の光路には、該光ビーム13の収差を補正する光学素子であるプリズム５が挿入されているが、これについては後述する。また信号処理部20は、測定信号の中から所定の閾値を超える信号を検出する信号検出手段としても機能するものである。この信号検出手段の処理の詳細についても後述する。
【００３１】
まず、測定ユニット10について説明する。図４、５および６はそれぞれ、この測定ユニット10の斜視図、分解斜視図および上面図であり、図７は図６中のVII−VII線に沿った断面を示す断面図である。
【００３２】
測定ユニット10は光ビーム13に対して透明であり、平滑な上面50ａに薄膜層としての金属膜55が形成された誘電体ブロック50と、この誘電体ブロック50の金属膜55上に密接される流路部材（試料供給機構）51と、誘電体ブロック50と係合して、流路部材51を誘電体ブロック50の上面50ａ上に保持する保持部材52とから構成されている。
【００３３】
誘電体ブロック50は例えば透明樹脂等からなるものであり、その本体の、長手方向に直交する断面の形状は、上底よりも下底の方が短い台形状となっている。また、この誘電体ブロック50の本体の長手方向の両端部には、上面もしくは下面側から見たときの幅が本体よりも薄く形成された保持部50ｂが形成されている。そしてこの誘電体ブロック50の本体には、後述の光源から出射された光ビーム13を誘電体ブロック50と金属膜55との界面に入射させるとともに、この界面で全反射した光ビーム13を光検出手段に向けて出射させるプリズム部が一体的に形成されている。さらに、この誘電体ブロック50の本体の長手方向の両側面の各々には、後述の保持部材52に形成された係合孔52ｃに係合させるための係合凸部50ｃと、側面が垂直に形成された垂直凸部50ｄとが互いに対向するように形成されており、底面には長手方向に平行に延びる摺動溝50ｆが形成されている。
【００３４】
流路部材51には、入口61から測定部63に至る供給路62、および測定部63から出口65に至る排出路64から構成される流路60が、流路部材51の長手方向に渡って複数形成されており、これら複数の流路60は直線状に配置されている。
【００３５】
図７に示すように、流路部材51の下部部分には、供給路62の出口と排出路64の入口が開口され、また流路部材51の下面に位置する金属膜55の表面と接する領域に、この供給路62の出口と排出路64の入口を囲むシール部51ａが形成されており、このシール部51ａの内側が測定部63となる。このため、流路部材51を誘電体ブロック50の金属膜55上に密接させた場合に、このシール部51ａ内の測定部63が流路として機能するようになる。なおシール部51ａは、流路部材51の上部部分と一体形成されたものであってもよいし、上部部分とは異なる素材により形成されて後付されたものであってもよく、例えばＯリング等を流路部材51の下部部分に取り付けたものであってもよい。
【００３６】
本発明による表面プラズモンセンサー等の測定装置では、蛋白質を含む液体試料が使用されることが想定されるが、流路60内で液体試料中の蛋白質が固着してしまうと測定を正確に行うことが困難となってしまうため、流路部材51の材料としては蛋白質に対する非特異吸着性を有しないことが好ましく、具体的にはシリコン、ポリプロピレン等を用いるとよい。また、流路部材51をこのような弾性材料からなるものとすることにより、流路部材51を金属膜55上に確実に密接させることができるため、接触面からの液体試料の液漏れを防止することができる。
【００３７】
保持部材52はポリプロピレン等の弾性材料から形成されて、長手方向と直交する断面が下向きの「コ」字状をしている。この保持部材52の上板（保持板部）の、流路部材51の入口61および出口65と対向する位置には、流路部材51に向かって次第に狭くなるテーパー状のピペット挿入孔52ａが形成されている。また、保持部材52の上面に有る各ピペット挿入孔52ａの中間、および両端のピペット挿入孔52ａのさらに外側には、位置決め用のボス52ｂが形成されている。
【００３８】
また、この保持部材52の上面には、蒸発防止部材54が両面テープ（接着部材）53により貼付されている。図５に示すように両面テープ53の、上記ピペット挿入孔52ａと対向する位置にはピペット挿入用の孔53ａが形成され、ボス52ｂと対向する位置には位置決め用の孔53ｂが形成されている。同様に蒸発防止部材54の、ピペット挿入孔52ａと対向する位置にはスリット54ａが形成され、ボス52ｂと対向する位置には、位置決め用の孔54ｂが形成されている。そこで、ボス52ｂに両面テープ53の孔53ｂおよび蒸発防止部材54の孔54ｂを挿通した状態で、蒸発防止部材54を保持部材52の上面に貼付することにより、蒸発防止部材54のスリット54ａと流路部材51の入口61および出口65とが対向するようにな。
【００３９】
上記蒸発防止部材54は、スリット54ａからピペットを挿入できるように弾性材料から形成する必要があり、具体的にはシリコンまたはポリプロピレン等を用いるとよい。なお、上記の保持部材52と蒸発防止部材54とは一体的に形成してもよく、これに加えてさらに流路部材51も一体的に形成してもよい。
【００４０】
さらに保持部材52の長手方向に延びる側板には、誘電体ブロック50に形成された係合凸部50ｃに係合させるための係合孔52ｃが形成されている。そこで、この係合孔52ｃを係合凸部50ｃに係合させて保持部材52と誘電体ブロック50とを合わせた状態で、流路部材51が保持部材52と誘電体ブロック50とに挟持され、流路部材51が誘電体ブロック50の上面50ａ上に保持される。
【００４１】
図７に示すように、流路部材51が保持部材52と誘電体ブロック50とに挟持された状態では、流路部材51の入口61および出口65は、蒸発防止部材54のスリット54ａが形成された部分（該スリット54ａは閉じている）により外気から遮断され、それにより、流路60内に注入された液体試料の蒸発が防止される。
【００４２】
入射光学系15は、レーザ光源14から発散光状態で出射した光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ15ａと、該平行光化された光ビーム13を分割するハーフミラー15ｃと、ハーフミラー15ｃにより反射された光ビーム13を測定ユニット10方向に反射させるミラー15ｄと、ハーフミラー15ｃを透過した光ビーム13、およびミラー15ｄにより反射された光ビーム13を上記界面50ｄおよび50ｅ上で各々収束させる２つの集光レンズ15ｂとから構成されている。
【００４３】
なお光ビーム13は、界面50ｄおよび50ｅに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ光源14をその偏光方向が所定方向となるように配設すればよい。その他、波長板で光ビーム13の偏光の向きを制御してもよい。
【００４４】
図８に示すように、本実施形態において、測定ユニット10の各流路60の測定部63には２箇所の界面50ｄおよび50ｅに対して光ビーム13が並列的に入射されるが、このうち一方の界面50ｄ上の金属膜55上は何も固定していない参照領域とし、他方の界面50ｅ上の金属膜55上はリガンド73を固定した検出領域として、後述のリファレンス法による測定結果の校正を可能としている。
【００４５】
以下、上記構成の表面プラズモンセンサー１による試料分析について説明する。測定に先立ち、恒温室２からチップ保持部11上の測定位置へ向けて測定ユニット10が移動される。チップ保持部11には誘電体ブロック50に形成された摺動溝50ｆと係合するレール11ａが形成されており、測定ユニット10を移動させる際に高い位置精度を確保できるようになっている。さらに、測定ユニット10がチップ保持部11上に載置された後、誘電体ブロック50に形成された垂直凸部50ｄが不図示の固定機構により挟持されることにより、該測定ユニット10がチップ保持部11上の測定位置に固定される。
【００４６】
その後、図８に示すように流路部材51の入口61に液体試料供給用ピペットチップ70を挿入し、出口65に液体試料吸入用ピペットチップ71を挿入し、液体試料供給用ピペットチップ70から液体試料としてアナライトを含有するバッファー72を流路60の測定部63に供給した後、測定を開始する。
【００４７】
図３に示す通り、レーザ光源14から発散光状態で出射した光ビーム13は、光学系15の作用により、測定部63の下の誘電体ブロック50と金属膜55との界面50ｄおよび50ｅ上で収束する。この際、光ビーム13は、界面50ｄおよび50ｅに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム13は界面50ｄおよび50ｅで全反射し、この反射した光ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００４８】
界面50ｄおよび50ｅで全反射した後、２つのコリメーターレンズ16によって各々平行光化された２本の光ビーム13は、２つのフォトダイオードアレイ17により各々検出される。本例におけるフォトダイオードアレイ17は、複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなるものであり、図３の図示面内において、平行光化された光ビーム13の進行方向に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向きに配設されている。したがって、上記界面50ｄおよび50ｅにおいて種々の反射角で全反射した光ビーム13の各成分を、それぞれ異なるフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が受光することになる。
【００４９】
図９は、この表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドライバ19は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……、これらのサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……の各出力が入力されるマルチプレクサ23、このマルチプレクサ23の出力をデジタル化して信号処理部20に入力するＡ／Ｄ変換器24、マルチプレクサ23とサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……とを駆動する駆動回路25、および信号処理部20からの指示に基づいて駆動回路25の動作を制御するコントローラ26から構成されている。なお、差動アンプアレイ18、ドライバ19、信号処理部20は、２つのフォトダイオードアレイ17からの入力に対して、同様の処理を並列的に行うように構成されている。
【００５０】
上記フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出力は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……に入力される。この際、互いに隣接する２つのフォトダイオードの出力が、共通の差動アンプに入力される。したがって各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力は、複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が出力する光検出信号を、それらの並設方向に関して微分したものと考えることができる。
【００５１】
各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力は、それぞれサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……により所定のタイミングでサンプルホールドされ、マルチプレクサ23に入力される。マルチプレクサ23は、サンプルホールドされた各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力を、所定の順序に従ってＡ／Ｄ変換器24に入力する。Ａ／Ｄ変換器24はこれらの出力をデジタル化して信号処理部20に入力する。
【００５２】
図１０は、界面50ｄ（または50ｅ）で全反射した光ビーム13の入射角θ毎の光強度と、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力との関係を説明するものである。ここで、光ビーム13の界面50ｄ（または50ｅ）への入射角θと上記光強度Ｉとの関係は、同図（１）のグラフに示すようなものであるとする。
【００５３】
界面50ｄ（または50ｅ）にある特定の入射角θＳＰで入射した光は、金属膜55とバッファー72との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。つまりθＳＰが全反射減衰角であり、この角度θＳＰにおいて反射光強度Ｉは最小値を取る。この反射光強度Ｉの低下は、図３にＤで示すように、反射光中の暗線として観察される。
【００５４】
また図１０の（２）は、フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向を示しており、先に説明した通り、これらのフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向位置は上記入射角θと一義的に対応している。
【００５５】
そしてフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力Ｉ′（反射光強度Ｉの微分値）との関係は、同図（３）に示すようなものとなる。
【００５６】
信号処理部20は、Ａ／Ｄ変換器24から入力された微分値Ｉ′の値に基づいて、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の中から、全反射減衰角θＳＰに対応する微分値Ｉ′＝０に最も近い出力が得られているもの（図１０の例では差動アンプ18ｄとなる）を選択し、それが出力する微分値Ｉ′に所定の補正処理を施してから、その値を表示部21に表示させる。なお、場合によっては微分値Ｉ′＝０を出力している差動アンプが存在することもあり、そのときは当然その差動アンプが選択される。
【００５７】
以後、所定時間が経過する毎に上記のように選択された差動アンプのいずれかが出力する微分値Ｉ′が、所定の補正処理を受けてから表示部21に表示される。この微分値Ｉ′は、測定チップの金属膜55に接している物質の誘電率つまりは屈折率が変化し、全反射減衰角θＳＰが変化して、図１０（１）に示す曲線が左右方向に移動する形で変化すると、それに応じて上下する。したがって、この微分値Ｉ′を時間の経過とともに測定し続けることにより、金属膜55に接しているバッファー72（またはリガンド73）の屈折率変化を調べることができる。
【００５８】
特に本実施形態では検出領域において、バッファー72に含まれるアナライトがリガンド73と結合する特定物質であれば、リガンド73とアナライトとの結合状態に応じてリガンド73の屈折率が変化するので、上記微分値Ｉ′を測定し続けることにより、アナライトがリガンド73と結合する特定物質であるか否かを検出することができる。
【００５９】
さらに、本実施形態においては、リファレンス法を実行できるように検出領域と参照領域の２つの領域を設け、この２つの領域の測定を同時に行っているため、リガンド73の変形により生じた誤差を校正した結果に対して、さらにリファレンス法によりバッファー73の温度変化や、光源変動等の外乱による誤差を校正することができる。
【００６０】
上記のような測定の一例として、検出領域および参照領域の両方の系に基準バッファーを供給した後にアナライトを含むバッファーを供給し、再度基準バッファーを供給したときの上記微分値Ｉ′の変化を測定した結果を図１１に示す。なお、この図１１のグラフは、リファレンス法による校正後の測定結果を示すものであり、縦軸をＳＰＲ信号（微分値Ｉ′を示す信号）、横軸を時間としている。
【００６１】
このグラフに示す測定においては、本測定に先立ってキャリブレーション用のバッファーの測定を行っている。図１１中の期間ａは基準バッファーを供給している状態、期間ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ異なるキャリブレーション用のバッファーを供給している状態、期間ｅは再度基準バッファーを供給している状態である。これらの期間ではそれぞれバッファーの屈折率に応じたＳＰＲ信号が検出される。
【００６２】
この後、本測定としてアナライトを含むバッファーを供給して薄膜層上に固定したリガンドとアナライトとの結合の測定を行った後、基準バッファーを供給してリガンドとアナライトとの解離状態の測定を行っている。期間ｆはアナライトを含むバッファーを供給している状態、期間ｇは基準バッファーを供給している状態である。
【００６３】
ここで、流路内の詰まり等によって上記の各バッファーの供給が正常に行われなかった場合について一例を挙げて説明する。例えば期間ｇにおいて（すなわち薄膜層上に固定したリガンドとアナライトとが結合した後に）基準バッファーを供給してリガンドとアナライトとの解離状態の測定を行う際に、この基準バッファーが正常に供給されなかった場合には、期間ｇの測定信号は期間ｆの最後の状態、すなわちリガンドとアナライトとが結合して信号が飽和した状態から変化しないことになるが、この場合に基準バッファーが正常に供給されなかったのか、それとも基準バッファーは正常に供給されたがリガンドとアナライトとの解離が全く無かったのかは、測定信号からは判断できないため、測定が正常に行われたかを判断するのが困難である。
【００６４】
このような問題を解消するため、本実施形態においては、供給するバッファーを吸入した液体試料供給用ピペットチップ70の先端にさらにバッファーと特性の異なる供給確認用流体として空気74を吸入し、バッファーを流路60内に供給する際に、図８に示すように空気74をバッファーに先立って供給するようにしている。
【００６５】
これにより、上記の種々のバッファーを測定している図１１中の期間ａ〜ｇのそれぞれの間に、空気74を測定している期間Ｐ１〜Ｐ６が発生する。空気74は上記の種々のバッファーとは屈折率が大きく異なるものであり、空気74が検出された期間Ｐ１〜Ｐ６と、種々のバッファーが検出されている期間ａ〜ｇとでは測定信号が大きくかけ離れることになる。
【００６６】
そのため、信号検出手段により所定の閾値Ｓｔを下回る信号を検出することにより、測定部に新たなバッファーが供給されたことを確認することができ、そこで、試料の供給不良がなく測定が正常に行われたことを確実に判断可能となる。
【００６７】
次に、前述のプリズム５、およびそれが奏する効果について詳しく説明する。図１３および図１４は、このプリズム５および誘電体ブロック50の配置関係を説明するものである。まず図１３は、誘電体ブロック50の形状と、プリズム５が無い場合の光ビーム13の進行状態を示すものであり、光ビーム13の入射面（図示されている面）内において、誘電体ブロック50の金属膜55が形成される上面の幅は8.4ｍｍ（中心線から片側に4.2ｍｍずつ）、光ビーム13が入射するブロック側面50ｐの傾斜角は４°とされている。また、誘電体ブロック50の屈折率は1.5である。
【００６８】
光ビーム13は、このような誘電体ブロック50内において、収束角が９°で、そのビーム中心線が誘電体ブロック50の中心線と67°の角度をなして進行するように該誘電体ブロック50に入射される。なお光ビーム13のビーム径は、１／ｅ2径で規定する。そしてプリズム５は、図１４に示す通り、上述のようにして誘電体ブロック50に入射する前の光ビーム13の光路に挿入される。このプリズム５は、２つの光通過面が18°の角度をなす楔形の断面形状を有し、その屈折率は1.5である。
【００６９】
このようなプリズム５を光ビーム13の光路に挿入しない場合と、挿入する場合とについてそれぞれ、誘電体ブロック50内に入射した光ビーム13の対称性を評価した結果を、各々図１５と図１６に示す。なおこの評価は、光ビーム13について直接行ったものではなく、図１７に示すように、金属膜55が形成される前の誘電体ブロック50の上面、つまり後に金属膜55との界面50ｄあるいは50ｅ（図１３および図１４参照）となる面上の一点から該誘電体ブロック50の側面50ｐに向けて、発散角を９°（ビーム中心線から±4.5°）以内で種々に変更した測定光４を出射させ、この測定光４を利用して間接的に行った。
【００７０】
具体的には、測定光４の光路にプリズム５を挿入しない場合と、挿入した場合それぞれについて、上記側面50ｐから空気中に出射した測定光４のビーム中心線と上側のビーム縁とがなす角度αおよび、ビーム中心線と下側のビーム縁とがなす角度βを測定し、非対称性＝（｜α／β｜−１）×100と定義した非対称性を求めることで、対称性を評価した。なお測定光４のビーム縁は、１／ｅ2径で規定するビーム外径を連続的に示す直線である。また、測定光４の光路にプリズム５を挿入した場合は、該プリズム５を通過した後の測定光４について上記非対称性を求めた。
【００７１】
図１５と図１６においては、縦軸に上記の非対称性を示し、横軸に上記発散角の１／２となるビーム中心線から片側の光線角度を示しており、図１５がプリズム無しの場合の結果を、そして図１６がプリズム有りの場合の結果を示している。これらの図を比較して分かるように、測定光４の光路にプリズム５を挿入することにより、該測定光４の対称性が明らかに改善されている。そうであれば、プリズム５を光ビーム13の光路に挿入した上記実施形態においても、プリズム５を通過してから誘電体ブロック50内に入射した光ビーム13の対称性が改善され、つまりは前述したような収差が低減されて、界面50ｄあるいは50ｅの部分で光ビーム13を十分小さなスポットに収束させることが可能となる。
【００７２】
そこで本実施形態の測定装置によれば、各流路60の測定部63における界面50ｄおよび50ｅが狭小なものとなっていても、光ビーム13の一部がケラレてそれらの界面50ｄおよび50ｅに照射されないということが無くなり、安定した測定が可能となる。
【００７３】
なお、楔形の断面形状を有するプリズム５の厚み、つまり光通過長は、光ビーム13の対称性を改善する上で、特にその改善の程度を左右するものではない。また、このようなプリズム５の形状は、本実施形態における形状に限定されるものではなく、光ビーム13の収束角や、誘電体ブロック50の側面50ｐの傾斜角等に応じて、適宜その他の形状が採用されてもよい。
【００７４】
また本実施形態において、金属膜55上の参照領域には何も固定していないが、参照領域はバッファー72中のアナライトと結合しない機能を有している方が好ましい。そのような態様とするためには、例えばアルキルチオール、アミノアルコールまたはアミノエーテル等を金属膜55上に固定すればよい。また、リガンド固定機能のない有機膜や、測定に用いるアナライトと反応しないことが分かっているタンパク質を参照面として使ってもよい。
【００７５】
また、測定装置については、複数の表面プラズモン測定系により測定ユニットに設けられた全ての流路に対して同時に測定を行う態様に限定されるものではなく、一つの表面プラズモン測定系のみを備え、測定ユニットの位置を測定系に対して相対的に移動させることにより、測定ユニットに設けられた複数の流路の測定を順次行う態様としてもよい。
【００７６】
次に、図１２を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。なおこの図１２において、図３中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。この第２の実施形態の測定ユニットは漏洩モードセンサーに対応したものであり、測定系は第１の実施形態の表面プラズモンセンサーと同じ構成である。
【００７７】
この測定ユニット10′の誘電体ブロック50の一面（図中の上面）には薄膜層としてのクラッド層56および光導波層57が順に積層されている。誘電体ブロック50は、例えば合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラッド層56は、誘電体ブロック50よりも低屈折率の誘電体や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層57は、クラッド層56よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いてこれも薄膜状に形成されている。クラッド層56の膜厚は、例えば金薄膜から形成する場合で36.5ｎｍ、光導波層57の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で700ｎｍ程度とされる。
【００７８】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、レーザ光源14から出射した光ビーム13を誘電体ブロック50を通してクラッド層56に対して全反射角以上の入射角で入射させると、光ビーム13が誘電体ブロック50とクラッド層56との界面50ｄおよび50ｅで全反射するが、クラッド層56を透過して光導波層57に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層57を導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層57に取り込まれるので、上記界面50ｄおよび50ｅで全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００７９】
光導波層57における導波光の波数は、該光導波層57の上のバッファー72もしくはリガンド73の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、バッファー72もしくはリガンド73の屈折率を知ることができる。また、差動アンプアレイ18の各差動アンプが出力する微分値Ｉ′に基づいてリガンド73とバッファー72の中の被検体との結合状態の変化の様子を調べることができる。
【００８０】
この第２の実施形態においても、プリズム５を設けたことにより、第１の実施形態におけるものと同様の効果を得ることができる。
【００８１】
以上、表面プラズモンセンサーおよび漏洩モードセンサーに本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明はそのようなセンサーに限らず、光透過性の担体の一面にセンシング層を設け、光ビームを該センシング層で収束するように担体の側面から入射させ、そしてセンシング層からの反射光を検出して各種測定を行う測定装置全般に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１の実施形態による表面プラズモンセンサーの概略構成を示す平面図
【図２】上記表面プラズモンセンサーの測定系の平面図
【図３】上記表面プラズモンセンサーの測定系の側面図
【図４】上記表面プラズモンセンサーの測定ユニットの斜視図
【図５】上記測定ユニットの分解斜視図
【図６】上記測定ユニットの上面図
【図７】図６中のVII−VII線に沿った部分の断面図
【図８】図２中のVIII−VIII線に沿った部分の断面図
【図９】上記表面プラズモンセンサーの測定系の電気的構成を示すブロック図
【図１０】上記表面プラズモンセンサーの測定系における光ビーム入射角と検出光強度との関係、並びに光ビーム入射角と光強度検出信号の微分値との関係を示す概略図
【図１１】上記表面プラズモンセンサーが出力するＳＰＲ信号の波形の一例を示すグラフ
【図１２】本発明の第２の実施形態による漏洩モードセンサーの測定系の側面図
【図１３】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビームの光路を説明する概略図
【図１４】上記光ビームの光路と収差補正用光学素子の配置状態を説明する概略図
【図１５】本発明に対する比較例における光ビームの対称性を示すグラフ
【図１６】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビームの対称性を示すグラフ
【図１７】上記光ビームの対称性を測定する方法を説明する概略図
【符号の説明】
【００８３】
５    プリズム（収差補正用光学素子）
10    測定ユニット
13    光ビーム
14    レーザ光源
15    光学系
16    コリメーターレンズ
17    フォトダイオードアレイ
17ａ、17ｂ、17ｃ……    フォトダイオード
18    差動アンプアレイ
18ａ、18ｂ、18ｃ……    差動アンプ
19    ドライバ
20    信号処理部
21    表示部
22ａ、22ｂ、22ｃ……    サンプルホールド回路
23    マルチプレクサ
24    Ａ／Ｄ変換器
25    駆動回路
26    コントローラ
50    誘電体ブロック
51    流路部材
52    保持部材
53    両面テープ
54    蒸発防止部材
55    金属膜
56    クラッド層
57    光導波層
60    流路
70、71    ピペットチップ
72    液体試料
73    リガンド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2006292538.tif 000018
【図１６】
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【図１７】
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