(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体ブロック、該誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、および該薄膜層の表面上に試料を保持する試料保持部を備えてなる測定チップと、
光ビームを発生させる光源と、
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入射角で入射させる入射光学系と、
前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を備えてなる測定装置に用いられる測定チップであって、
前記試料保持部内の環境因子の状態を測定する環境因子測定手段を備え、
該環境因子測定手段が、前記環境因子の状態に応じて電流-電圧特性の変化する機能性樹脂であり、前記試料保持部内の前記試料を保持する側面に配されたものであることを特徴とする測定チップ。
【請求項２】
誘電体ブロック、該誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、および該薄膜層の表面上に試料を保持する試料保持部を備えてなる測定チップと、
光ビームを発生させる光源と、
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入射角で入射させる入射光学系と、
前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を備えてなる測定装置に用いられる測定チップであって、
前記試料保持部内の環境因子の状態を測定する環境因子測定手段を備え、
該環境因子測定手段が、前記環境因子の状態に応じて電流-電圧特性の変化する機能性樹脂であり、前記誘電体ブロックの一部または全部を兼ねるものであることを特徴とする測定チップ。
【請求項３】
前記環境因子が、イオン濃度、温度、ｐＨ、光強度、放射線強度、バイオ物質濃度からなる群から選ばれた１つであることを特徴とする請求項１または２記載の測定チップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料に接した薄膜層と誘電体ブロックとの界面で光ビームを全反射させてエバネッセント波を発生させ、それにより全反射した光ビームの強度に表れる変化を測定して試料の分析を行うエバネッセント波を利用した測定装置に用いる測定チップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
従来より、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、被測定物質の特性を分析する表面プラズモン測定装置が種々提案されている。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（例えば特開平６−１６７４４３号公報参照）。
【０００４】
上記の系を用いる表面プラズモン測定装置は基本的に、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液などの被測定物質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測定して表面プラズモン共鳴の状態、つまり全反射減衰の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００５】
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によって検出することができる。
【０００６】
上記構成の表面プラズモン測定装置において、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角で入射させると、該金属膜に接している被測定物質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被測定物質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。なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。したがって、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。
【０００７】
この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角、すなわち全反射減衰角θＳＰより表面プラズモンの波数が分かると、被測定物質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、真空中の光速をｃ、金属、被測定物質の誘電率をそれぞれεｍ  、εｓ  とすると、以下の関係がある。
【０００８】
【数１】
0004030796.tif 000002
すなわち、上記反射光強度が低下する入射角である全反射減衰角θＳＰを知ることにより、被測定物質の誘電率εｓ、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】
なおこの種の表面プラズモン測定装置においては、全反射減衰角θＳＰを精度良く、しかも大きなダイナミックレンジで測定することを目的として、特開平１１−３２６１９４号公報に示されるように、アレイ状の光検出手段を用いることが考えられている。この光検出手段は、複数の受光素子が所定方向に配設されてなり、前記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそれぞれ異なる受光素子が受光する向きにして配設されたものである。
【００１０】
そしてその場合は、上記アレイ状の光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、該受光素子の配設方向に関して微分する微分手段が設けられ、この微分手段が出力する微分値に基づいて被測定物質の屈折率に関連する特性を求めることが多い。
【００１１】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似の測定装置として、例えば「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７頁に記載がある漏洩モード測定装置も知られている。この漏洩モード測定装置は基本的に、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、試料液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して導波モードの励起状態、つまり全反射減衰状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【００１２】
上記構成の漏洩モード測定装置において、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被測定物質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、被測定物質の屈折率や、それに関連する被測定物質の特性を分析することができる。
【００１３】
なおこの漏洩モード測定装置においても、全反射減衰によって反射光に生じる暗線の位置を検出するために、前述したアレイ状の光検出手段を用いることができ、またそれと併せて前述の微分手段が適用されることも多い。
【００１４】
また、上述した表面プラズモン測定装置や漏洩モード測定装置は、創薬研究分野等において、所望のセンシング物質に結合する特定物質を見いだすランダムスクリーニングへ使用されることがあり、この場合には前記薄膜層（表面プラズモン測定装置の場合は金属膜であり、漏洩モード測定装置の場合はクラッド層および光導波層）上に上記被測定物質としてセンシング物質を固定し、該センシング物質上に種々の被検体が溶媒に溶かされた試料液を添加し、所定時間が経過する毎に前述の全反射減衰角θＳＰの角度を測定している。
【００１５】
試料液中の被検体が、センシング物質と結合するものであれば、この結合によりセンシング物質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、該全反射減衰角θＳＰの角度に変化が生じているか否か測定することにより、被検体とセンシング物質の結合状態を測定し、その結果に基づいて被検体がセンシング物質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。このような特定物質とセンシング物質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る。具体的には、ウサギ抗ヒトＩｇＧ抗体をセンシング物質として薄膜層の表面に固定し、ヒトＩgＧ抗体を特定物質として用いることができる。
【００１６】
なお、被検体とセンシング物質の結合状態を測定するためには、全反射減衰角θＳＰの角度そのものを必ずしも検出する必要はない。例えばセンシング物質に試料液を添加し、その後の全反射減衰角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。前述したアレイ状の光検出手段と微分手段を全反射減衰を利用した測定装置に適用する場合であれば、微分値の変化量は、全反射減衰角θＳＰの角度変化量を反映しているため、微分値の変化量に基づいて、センシング物質と被検体との結合状態を測定することができる。（本出願人による特願２０００−３９８３０９号参照）
このような全反射減衰を利用した測定方法および装置においては、底面に予め形成された薄膜層上にセンシング物質が固定されたカップ状あるいはシャーレ状の測定チップに、溶媒と被検体からなる試料液を滴下供給して、上述した全反射減衰角θＳＰの角度変化量の測定を行っている。
【００１７】
なお本出願人は、ターンテーブル等に搭載された複数個の測定チップの測定を順次行うことにより、多数の試料についての測定を短時間で行うことができる全反射減衰を利用した測定装置を特開２００１−３３０５６０号公報により提案している。
【００１８】
また、本出願人は、特願２００１−３９７４１１号において、複数個の試料液保持部が設けられた測定チップを用いて測定を行う全反射減衰を利用した測定装置も提案している。このような構成の測定装置を用いれば、測定チップを移動させることなく多数の試料についての測定を同時に行うことができる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モードセンサー等の測定装置は、例えば、創薬研究分野等における酵素反応を測定するような場合にも用いられることがある。この創薬に用いられる酵素は最終的には人体（生体）内で用いられるものであり、この酵素の生体内での反応は、単に反応物質同士の存在によって決まるものではなく酵素などの他の物質の存在や、それら置かれる環境に大きく左右される。
【００２０】
このような反応に影響を及ぼす環境因子としては、温度、ｐＨ、イオン濃度（カリウム、カルシウム、水素、一酸化窒素など）、他物質（酵素など）の濃度などが挙げられる。例えば、胃の中での物質の反応は、主としてｐＨ、あるいは水素イオンの濃度に左右される。また、近年（１９９９年以降）の研究においては、神経伝達因子として、一酸化窒素による影響が注目されている。一方、ヘモグロビンや肺においては酸素や二酸化炭素のガス分圧が重要である。
【００２１】
このように、特に生体内の反応を想定した測定においては、試料周辺の環境因子の状態を測定することは非常に重要なことであるが、従来、このような環境因子の状態の測定は行われていないため、実際の生体内の反応と一概に比較することができなかった。
【００２２】
また、上記のような酵素反応に伴って、周囲の温度、ｐＨ、イオン濃度等が変化する場合もあるため、これらの環境因子の状態の変化を測定することによって、酵素反応、すなわち測定チップ内の試料液の結合状態の変化に伴って表れる種々の現象を確認することができるようになる。
【００２３】
上述ように、表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モードセンサー等の測定装置において、測定チップ内の試料周辺の環境因子の状態を測定することは非常に重要な意味を持つため、これら種々の環境因子が測定できることが望まれている。
【００２４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上述のような測定装置に用いられる測定チップ内の試料周辺の環境因子を測定することが可能な測定チップを提供することを目的とするものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明による測定チップは、誘電体ブロック、誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、および薄膜層の表面上に試料を保持する試料保持部を備えてなる測定チップと、光ビームを発生させる光源と、光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られる入射角で入射させる入射光学系と、前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を備えてなる測定装置に用いられる測定チップであって、試料保持部内の環境因子の状態を測定する環境因子測定手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２６】
上記のような測定装置としては、金属膜を上記薄膜層として用いる前述の表面プラズモン測定装置や、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た光導波層とからなる層を上記薄膜層として用いる前述の漏洩モード測定装置等がある。
【００２７】
本発明による測定チップを用いる測定装置において、光検出手段により前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して試料の分析を行うには種々の方法があり、例えば、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる種々の入射角で入射させ、各入射角に対応した位置毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰により発生した暗線の位置（角度）を検出することにより試料分析を行ってもよいし、D.V.Noort,K.johansen,C.-F.Mandenius, Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.585-588 に記載されているように、複数の波長の光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させ、各波長毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、各波長毎の全反射減衰の程度（暗線の位置および程度）を検出することにより試料分析を行ってもよい。
【００２８】
また、P.I.Nikitin,A.N.Grigorenko,A.A.Beloglazov,M.V.Valeiko,A.I.Savchuk,O.A.Savchuk, Surface Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Array Biosensing, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.235-238 に記載されているように、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させるとともに、この光ビームの一部を、この光ビームが前記界面に入射する前に分割し、この分割した光ビームを、前記界面で全反射した光ビームと干渉させて、その干渉後の光ビームの強度を測定することにより試料分析を行ってもよい。
【００２９】
本発明による測定チップにおいては、環境因子測定手段によりイオン濃度、温度、ｐＨ、光強度、放射線強度、バイオ物質濃度のいずれかの測定を行えることが望ましい。
【００３０】
また、環境因子測定手段は、試料保持部を構成する機能性樹脂により構成してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明による測定チップにおいては、環境因子測定手段を備えて、試料保持部内の環境因子の状態を測定できるようにしたので、測定装置による試料の屈折率の測定の他に、測定時における試料周囲の環境因子の状態や、試料の状態の変化に伴って表れる種々の環境因子の状態の変化を測定することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態による測定チップを用いた表面プラズモン測定装置の概略構成を示す平面図であり、図２はこの表面プラズモン測定装置の側面形状を示すものである。この表面プラズモン測定装置は、複数の誘電体ブロック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測定装置である。
【００３３】
上記表面プラズモン測定装置１０１は、同様の構成の複数の表面プラズモン測定ユニット１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…により構成されている。
【００３４】
各測定ユニットの構成について、個別の要素を表す符号であるＡ、Ｂ、Ｃ…の符号は省略して説明する。各測定ユニットは、測定チップ９と、光ビーム１３を発生する光源であるレーザ光源１４と、上記光ビーム１３を測定チップ９に対して入射させる入射光学系１５と、測定チップ９で反射された光ビーム１３を平行光化して光検出器１７に向けて射出するコリメーターレンズ１６と、コリメーターレンズ１６より出射された光ビーム１３を受光して光強度を検出する光検出器１７と、光検出器１７に接続された差動アンプアレイ１８と、差動アンプアレイ１８に接続されたドライバ１９と、ドライバ１９に接続されたコンピュータシステム等からなる信号処理部２０とからなる。
【００３５】
測定チップ９は、四角錐の４つの稜線が集まる頂角を含む一部分が切り取られ、かつこの四角錐の底面（図中上面１０ａ）に試料液１１を貯える試料保持機構として機能する凹部１０ｃが形成された形状の誘電体ブロック１０と、この誘電体ブロック１０の凹部１０ｃの底面に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる薄膜層である金属膜１２とからなる。この誘電体ブロック１０は、例えば透明樹脂等により形成することができる。
【００３６】
さらに測定チップ９の上面には凹部１０ｃを覆う蓋７２が設けられており、この蓋７２に環境因子測定手段としてのイオンセンサー７１が取り付けられている。イオンセンサー７１は測定部７０に接続されており、この測定部７０はイオンセンサー７１により検出された信号をＡ／Ｄ変換して信号処理部２０に対して出力する。
【００３７】
なお、測定チップ９の誘電体ブロック１０は、図３に示すように、互いに隣接する複数の表面プラズモン測定ユニットの測定チップの誘電体ブロックと一体的に構成されたものであってもよい。その場合、蓋７２は、一体的に構成してもよいし、個別に設けてもよい。
【００３８】
本実施の形態の測定装置においては、図６（Ａ）に模式図を示すように、測定チップの金属膜１２の上に、一部表面に膜タンパク３０ａが形成された生物細胞をセンシング物質３０として固定し、生物細胞（センシング物質３０）上にリガンド１１ａを含む試料液１１を滴下して、反応を測定するものとする。
【００３９】
入射光学系１５は、レーザ光源１４から射出された光ビーム１３を平行光化するコリメーターレンズ１５ａと、この平行光化された光ビーム１３を上記界面１０ｂに向けて収束させる集光レンズ１５ｂとから構成されている。
【００４０】
光ビーム１３は、集光レンズ１５ｂにより上述のように集光されるので、界面１０ｂ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。そのため、界面１０ｂで全反射した光ビーム１３には、種々の反射角で全反射された成分が含まれることになる。なお、上記入射光学系１５は、光ビーム１３を界面１０ｂ上に点状に集光させずにデフォーカス状態で入射させるように構成してもよい。そのようにすれば、界面１０ｂ上のより広い領域において光ビーム１３が全反射されるので、全反射減衰の状態の検出誤差が平均化されて全反射減衰角の測定精度を高めることができる。
【００４１】
なお光ビーム１３は、界面１０ｂ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をその偏光方向が上記所定の方向となるように配設すればよい。その他、光ビーム１３を界面１０ｂに対してｐ偏光で入射させるには波長板で光ビーム１３の偏光の向きを制御するようにしてもよい。
【００４２】
また、表面プラズモン測定装置１０１は、各測定ユニットの信号処理部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…に接続された１つの表示手段２１を備えている。
【００４３】
以下、上記構成の表面プラズモン測定装置による試料分析について説明する。
【００４４】
図２に示す通り、レーザ光源１４から射出された光ビーム１３は、入射光学系１５を通して、誘電体ブロック１０と金属膜１２との界面１０ｂ上に収束される。
【００４５】
界面１０ｂ上に収束され、この界面１０ｂで全反射された光ビーム１３は、コリメーターレンズ１６を通して光検出器１７によって検出される。光検出器１７は、複数の受光素子であるフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…が１列に並設されてなるフォトダイオードアレイであり、フォトダイオードの並設方向が図２の紙面に略平行となるように、かつコリメーターレンズ１６を通して平行光化されて入射される光ビーム１３の伝播方向に対して略直交するように配設されている。したがって、上記界面１０ｂにおいて種々の反射角で全反射された光ビーム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。そして、光検出器１７は、各フォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…によって検出された上記光ビーム１３の強度分布を示す信号を出力する。
【００４６】
界面１０ｂに特定入射角θＳＰで入射した上記光ビーム１３の成分は、金属膜１２とこの金属膜１２に接している物質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が鋭く低下する。つまり上記特定入射角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は極小値を示す。この反射光強度が低下する領域は、図２中に示すように、界面１０ｂで全反射された光ビーム１３中の暗線として観察される。
【００４７】
次に、光検出器１７から出力された光ビーム１３の強度分布を示す信号の処理について詳細に説明する。
【００４８】
図４は、この表面プラズモン測定装置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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
図５は、界面１０ｂで全反射された光ビーム１３の界面１０ｂへの入射角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１０ｂへの入射角θと上記反射された光ビーム１３の光強度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。
【００５２】
また図５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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、微分値として正の値を有し、かつ全反射減衰角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５（３）の例では差動アンプ１８ｅとなる）と、微分値として負の値を有し、かつ全反射減衰角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５（３）の例では差動アンプ１８ｄとなる）を選択し、それらの差動アンプが出力する微分値に基づいて、全反射減衰角θＳＰを算出する。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、そのときはその差動アンプに基づいて全反射減衰角θＳＰを算出する。以後、所定時間が経過する毎に上記と同様な動作を繰り返し、全反射減衰角θＳＰを算出し、測定開始時からの角度変化量を求める。
【００５５】
上述のように、測定チップの金属膜１２に接しているセンシング物質３０の誘電率つまりは屈折率が変化すると、それに応じて全反射減衰角θＳＰも変化するため、この全反射減衰角θＳＰの角度変化量を時間の経過とともに測定し続けることにより、センシング物質３０の反応の有無を調べることができる。
【００５６】
本例では、センシング物質３０として、一部表面に膜タンパク３０ａが形成された生物細胞を用い、この生物細胞上にリガンド１１ａを含む試料液１１を滴下して反応の有無を測定しているが、図６（Ｂ）に示すように、生物細胞の一部に形成されている膜タンパク３０ａとリガンド１１ａとが結合すると、生物細胞（センシング物質３０）の屈折率が変化するとともに、膜タンパク３０ａが細胞内のカルシウムイオン３０ｂを透過させるようになるため、試料液１１中のカルシウムイオン濃度が上昇する。
【００５７】
本実施の形態による測定チップ９は、イオンセンサー７１（環境因子測定手段）を備えているため、生物細胞（センシング物質３０）の屈折率の変化とともに、試料液１１中のカルシウムイオン濃度（環境因子の状態）の測定を行うことができる。図７に示すように、これらの測定結果は信号処理部２０により表示手段２１に表示される。
【００５８】
本発明による測定チップにおいて、環境因子測定手段は上記のようなイオンセンサーに限らず、温度、ｐＨ、光強度、放射線強度、バイオ物質濃度等のセンサーとしてもよい。また、センサーの配置位置も上記のような蓋に設ける態様に限らず、誘電体ブロックの側面に設ける等種々の態様としてもよい。
【００５９】
また、各種センサーは、イオン濃度、温度、ｐＨ、光強度、放射線強度、バイオ物質濃度等の環境因子に対してセンシング機能を有する機能性樹脂を配して、この機能性樹脂をセンサー（環境因子測定手段）としてもよい。その場合は、図８（Ａ）に示すように、凹部１０ｃの側面に機能性樹脂７５を配してもよい。
【００６０】
このような機能性樹脂の一例を以下に示す。イオン濃度センサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリピロール、ポリアニリン等があげられる。温度センサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリ（３−アルキルチオフェン）等があげられる。ｐＨセンサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリアニリン等があげられる。光強度センサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリピロール等の各種導電性樹脂があげられる。放射線強度センサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリチオフェンとトリフェニルヨードニウムパークロレートの複合体等があげられる。バイオ物質濃度センサーとすることが可能な機能性樹脂としては、ポリピロール、ポリアニリン等があげられる。
【００６１】
上記の機能性樹脂はいずれも、それらに対応した環境因子の状態によってそれらの電流−電圧特性が変化するため、図示しない電源、電流計および電圧計等により電流−電圧特性を測定することにより、各種センサーとして活用することができる。なお、用いる機能性樹脂が透明である場合は、誘電体ブロック全体をこの機能性樹脂により形成してもよい。
【００６２】
また、測定チップは、図８（Ｂ）に示すように、プリズム８１上に金属膜１２が蒸着されたガラス基板８０が設けられ、金属膜１２上に機能性樹脂により形成したウェル７６が設けられた態様としてもよく、このような態様とした場合は、機能性樹脂が十分に透明でなくても測定に支障を及ぼすことがない。
【００６３】
上記の表面プラズモン測定装置は、前記界面で反射した光ビームの暗線の位置を検出することにより試料分析を行うかわりに、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させるとともに、この光ビームの一部を、この光ビームが前記界面に入射する前に分割し、この分割した光ビームを、前記界面で全反射した光ビームと干渉させて、その干渉後の光ビームの強度を測定することにより試料分析を行うこともできる。
【００６４】
以下、図面を参照して説明する。図９はこの表面プラズモン測定装置１０１’の側面形状を示す図である。なお、この図においては、ホルダーまたは包囲部材、およびそれに付随する温調手段は省略している。
【００６５】
図９に示すように、この表面プラズモン共鳴測定装置１０１’は、上記表面プラズモン共鳴測定装置１０１から、入射光学系１５の代わりに干渉光学系５０に変更したものである。
【００６６】
レーザ光源１４から射出された光ビーム１３は、コリメータレンズ５０ａにより平行光化されて偏光フィルタ５０ｂに入射する。偏光フィルタ５０ｂを透過して界面１０ｂに対してｐ偏光で入射するようにされた光ビーム１３は、ハーフミラー５０ｃにより一部がレファレンス光ビーム１３Ｒとして分割され、ハーフミラー５０ｃを透過した残りの光ビーム１３Ｓは界面１０ｂに入射する。界面１０ｂで全反射した光ビーム１３Ｓおよびミラー５０ｅで反射したレファレンス光ビーム１３Ｒはハーフミラー５０ｄに入射して合成される。合成された光ビーム１３’は集光レンズ５０ｆにより集光され、アパーチャー５０ｇを通過してＣＣＤ６０によって検出される。このとき、ＣＣＤ６０で検出される光ビーム１３’は、光ビーム１３Ｓとレファレンス光ビーム１３Ｒとの干渉の状態に応じて干渉縞を発生させる。
【００６７】
つまりこの場合は、測定チップ９の金属膜１２に接している物質の誘電率つまりは屈折率が変化すると、界面１０ｂで全反射した光ビーム１３Ｓおよびレファレンス光ビーム１３Ｒがハーフミラー５０ｄにより合成される際に、干渉の状態が変化するため、上記干渉縞の変化に応じて金属膜１２に接している物質の屈折率変化を検出することができる。
【００６８】
さらに上述の表面プラズモン測定装置は、一部の構成を変更することにより漏洩モード測定装置とすることができる。図１０は、一例として上述の表面プラズモン測定装置１０１の一部を変更して構成した漏洩モード測定装置２０１の測定ユニットの側面図である。なおこの図１０において、図２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。
【００６９】
この漏洩モード測定装置も、上述の表面プラズモン測定装置と同様に測定チップ９を用いるように構成されている。この測定チップ９の上面に形成された凹部１０ｃの底面にはクラッド層４０が形成され、さらにその上には光導波層４１が形成されている。これらクラッド層４０と光導波層４１とによって薄膜層が形成されている。
【００７０】
誘電体ブロック１０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４０は、誘電体ブロック１０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４１は、クラッド層４０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４０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４１の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で７００ｎｍ程度とされる。
【００７１】
上記構成の漏洩モード測定装置において、レーザ光源１４から射出された光ビーム１３を誘電体ブロック１０を通してクラッド層４０に対して全反射角以上の入射角で入射させると、該光ビーム１３の多くの成分が誘電体ブロック１０とクラッド層４０との界面１０ｂで全反射するが、クラッド層４０を透過して光導波層４１に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層４１を導波モードで伝搬されるようになる。こうして導波モードが励起されると、特定入射角で入射した入射光のほとんどが光導波層４１に取り込まれるので、上記界面１０ｂに特定入射角で入射し、全反射された光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００７２】
光導波層４１における導波光の波数は、該光導波層４１上の試料液１１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である全反射減衰角を知ることによって、試料液１１の屈折率や、それに関連する試料液１１の特性を分析することができ、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による測定チップを用いた表面プラズモン測定装置の概略構成を示す平面図
【図２】上記表面プラズモン測定装置の側面形状を示す図
【図３】測定チップの概略構成図
【図４】表面プラズモン測定装置の電気的構成を示すブロック図
【図５】光ビームの界面への入射角と差動アンプの出力との関係を示す図
【図６】測定チップ内の模式図
【図７】ＳＰＲ信号およびイオン濃度の経時変化を示す図
【図８】本発明による測定チップの他の態様を示す図
【図９】表面プラズモン測定装置の側面形状を示す図
【図１０】漏洩モード測定装置の一例を示す図
【符号の説明】
９    測定チップ
１０    誘電体ブロック
１３    光ビーム
１４    レーザ光源
１５    入射光学系
１６    コリメータレンズ
１７    光検出器
１８    差動アンプアレイ
１９    ドライバ
２０    信号処理部
２１    表示手段
５０    干渉光学系
６０    ＣＣＤ
６１    信号処理部
７０    測定部
７１    イオンセンサー
７２    蓋
７５    機能性樹脂
７６    機能性樹脂製ウェル
８０    ガラス基板
８１    プリズム
１０１    表面プラズモン測定装置
１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ…    表面プラズモン測定ユニット
２０１    漏洩モード測定装置
【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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