(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを発生させる光源と、
該光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この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上に試料を保持する試料保持機構を備えた測定チップと、
前記測定チップを所定位置に保持する保持台を有するチップ保持機構と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックを通して、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種々の角度で入射させる光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーであって、
前記誘電体ブロックが、前記光ビームの入射端面、出射端面および前記薄膜層が形成される一面の全てを含む１つのブロックであり、
前記測定チップが、前記誘電体ブロック、前記薄膜層および前記試料保持機構が一体として形成された、上方に向かって次第に大きくなるテーパ形状の外形を有するものであり、
前記チップ保持機構が、吸引手段と、前記保持台に設けられた、上方に向かって次第に大きくなるテーパ状の内壁を有し、前記測定チップが上方から挿し込まれ該測定チップの下部が前記保持台の下面から突出するように係止される測定チップ保持孔と、前記測定チップの一面と当接する、前記内壁の一部に設けられた、吸引孔を有する当接面と、該吸引孔から前記吸引手段に繋がる排気管とを備え、前記吸引手段により前記吸引孔から吸引を行って前記測定チップの一面を前記当接面に当接させて位置決め保持するものであり、
前記光学系と前記光検出手段とが、前記測定チップの下部から前記光ビームを前記界面に入射させ、該測定チップの下部から射出された、前記界面で全反射した光ビームを検出するように、前記保持台の下方に配置されていることを特徴とする全反射減衰を利用したセンサー。
【請求項２】
光ビームを発生させる光源と、
該光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成された金属膜からなる薄膜層および該薄膜層上に試料を保持する試料保持機構を備えた測定チップと、
前記測定チップを所定位置に保持する保持台を有するチップ保持機構と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックを通して、該誘電体ブロックと前記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、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる、表面プラズモン共鳴に伴う全反射減衰を利用したセンサーであって、
前記誘電体ブロックが、前記光ビームの入射端面、出射端面および前記薄膜層が形成される一面の全てを含む１つのブロックとして形成され、
前記測定チップが、前記誘電体ブロック、前記薄膜層および前記試料保持機構が一体として形成された、上方に向かって次第に大きくなるテーパ形状の外形を有するものであり、
前記チップ保持機構が、吸引手段と、前記保持台に設けられた、上方に向かって次第に大きくなるテーパ状の内壁を有し、前記測定チップが上方から挿し込まれ該測定チップの下部が前記保持台の下面から突出するように係止される測定チップ保持孔と、前記測定チップの一面と当接する、前記内壁の一部に設けられた、吸引孔を有する当接面と、該吸引孔から前記吸引手段に繋がる排気管とを備え、前記吸引手段により前記吸引孔から吸引を行って前記測定チップの一面を前記当接面に当接させて位置決め保持するものであり、
前記光学系と前記光検出手段とが、前記測定チップの下部から前記光ビームを前記界面に入射させ、該測定チップの下部から射出された、前記界面で全反射した光ビームを検出するように、前記保持台の下方に配置されていることを特徴とする全反射減衰を利用したセンサー。
【請求項３】
光ビームを発生させる光源と、
該光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層とその上に形成された光導波層とからなる薄膜層、および該薄膜層上に試料を保持する試料保持機構を備えた測定チップと、
前記測定チップを所定位置に保持する保持台を有するチップ保持機構と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックを通して、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種々の角度で入射させる光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる、前記光導波層における導波モードの励起に伴う全反射減衰を利用したセンサーであって、
前記誘電体ブロックが、前記光ビームの入射端面、出射端面および前記薄膜層が形成される一面の全てを含む１つのブロックとして形成され、
前記測定チップが、前記誘電体ブロック、前記薄膜層および前記試料保持機構が一体として形成された、上方に向かって次第に大きくなるテーパ形状の外形を有するものであり、
前記チップ保持機構が、吸引手段と、前記保持台に設けられた、上方に向かって次第に大きくなるテーパ状の内壁を有し、前記測定チップが上方から挿し込まれ該測定チップの下部が前記保持台の下面から突出するように係止される測定チップ保持孔と、前記測定チップの一面と当接する、前記内壁の一部に設けられた、吸引孔を有する当接面と、該吸引孔から前記吸引手段に繋がる排気管とを備え、前記吸引手段により前記吸引孔から吸引を行って前記測定チップの一面を前記当接面に当接させて位置決め保持するものであり、
前記光学系と前記光検出手段とが、前記測定チップの下部から前記光ビームを前記界面に入射させ、該測定チップの下部から射出された、前記界面で全反射した光ビームを検出するように、前記保持台の下方に配置されていることを特徴とする全反射減衰を利用したセンサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモンの発生を利用して試料中の物質を定量分析する表面プラズモンセンサー等の、全反射減衰を利用したセンサーおよび該センサーに用いられ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、試料中の物質を定量分析する表面プラズモンセンサー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号参照）。
【０００４】
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、かつ表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じ得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え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したが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成分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。
【０００７】
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。
【０００８】
この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角θＳＰから表面プラズモンの波数が分かると、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。
【０００９】
【数１】
0004053246.tif 000002
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中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上記反射光強度が低下する入射角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。
【００１０】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似のセンサーとして、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センサーも知られている。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、かつ光導波層での導波モードの励起による全反射減衰が生じ得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。
【００１１】
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、全反射減衰が生じる上記特定入射角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。
【００１２】
上記の系を用いる従来の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、実用上は、試料に接触させる薄膜層を測定毎に交換する必要がある。そこで従来は、この薄膜層を平坦な板状の誘電体ブロックに固定し、それとは別に前記全反射を生じさせるための光カップラーとしてのプリズム状誘電体ブロックを設け、この後者の誘電体ブロックの一面に前者の誘電体ブロックを一体化するという手法が採用されていた。そのようにすれば、後者の誘電体ブロックは光学系に対して固定としておき、前者の薄膜層が固定された平板状誘電体ブロックを測定チップとして、この測定チップのみを試料毎に交換することが可能となる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この交換可能とされた従来の測定チップを用いる場合は、平板状誘電体ブロックとプリズム状誘電体ブロックとの間に空隙が生じて屈折率が不連続となることを防止するため、それら両誘電体ブロックを屈折率マッチング液を介して一体化する必要が生じる。そのようにして両誘電体ブロックを一体化する作業は非常に煩雑であり、そのため、この従来の測定チップは、測定に際しての取扱い性が良くない。特に、測定チップをターレット等の上に自動装填し、このターレットを回転させることにより、測定チップを光ビームを受ける測定位置に自動供給して測定を自動化するような場合は、測定チップの装填、取外しに手間取り、それが自動測定の能率向上を妨げる原因となりやすい。
【００１４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、屈折率マッチング液を使用する必要がなく、測定用光学系に対して簡単に交換することができる全反射減衰を利用したセンサーおよび測定チップを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の全反射減衰を利用したセンサーは、光ビームを発生させる光源と、
該光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この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上に試料を保持する試料保持機構を備えた測定チップと、
前記測定チップを所定位置に保持するチップ保持機構と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックを通して、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種々の角度で入射させる光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーであって、
前記誘電体ブロックが、前記光ビームの入射端面、出射端面および前記薄膜層が形成される一面の全てを含む１つのブロックであり、
前記測定チップが、前記誘電体ブロック、前記薄膜層および前記試料保持機構が一体として形成されたものであり、
前記チップ保持機構が、吸引手段を備え、この吸引手段により前記測定カップを吸引して前記所定位置に保持するものであることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による別の全反射減衰を利用したセンサーは、特に前述の表面プラズモンセンサーとして構成されたものであり、
光ビームを発生させる光源と、
該光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成された金属膜からなる薄膜層および該薄膜層上に試料を保持する試料保持機構を備えた測定チップと、
前記測定チップを所定位置に保持する保持台と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックを通して、該誘電体ブロックと前記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、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる、表面プラズモン共鳴に伴う全反射減衰を利用したセンサーであって、
前記誘電体ブロックが、前記光ビームの入射端面、出射端面および前記薄膜層が形成される一面の全てを含む１つのブロックとして形成され、
前記測定チップが、前記誘電体ブロック、前記薄膜層および前記試料保持機構が一体的に形成されたものであり、
前記チップ保持機構が、吸引手段を備え、この吸引手段により前記測定カップを吸引して前記所定位置に保持するものであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明によるさらに別の全反射減衰を利用したセンサーは、特に前述の漏洩モードセンサーとして構成されたものであり、
光ビームを発生させる光源と、
該光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層とその上に形成された光導波層とからなる薄膜層、および該薄膜層上に試料を保持する試料保持機構を備えた測定チップと、
前記測定チップを所定位置に保持する保持台と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックを通して、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種々の角度で入射させる光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる、前記光導波層における導波モードの励起に伴う全反射減衰を利用したセンサーであって、
前記誘電体ブロックが、前記光ビームの入射端面、出射端面および前記薄膜層が形成される一面の全てを含む１つのブロックとして形成され、
前記測定チップが、前記誘電体ブロック、前記薄膜層および前記試料保持機構が一体的に形成されたものであり、
前記チップ保持機構が、吸引手段を備え、この吸引手段により前記測定カップを吸引して前記所定位置に保持するものであることを特徴とする。
【００１８】
上記各全反射減衰を利用したセンサーにおいては、前記チップ保持機構を、前記測定チップの一面と当接して該測定チップの位置決めをする、吸引孔を備えた当接面を有し、該吸引孔から空気を吸引して前記測定チップを該当接面に当接させて位置決め保持するものとしてもよいし、あるいは、前記測定チップを受承する、吸入孔と該測定チップの表面の一部に当接して該測定チップの位置決めをする当接面とを備えた受承部を有し、該受承部に前記測定チップが挿入された状態で、前記吸入孔から空気を吸引して前記測定チップを前記当接面に当接させて位置決め保持するものとしてもよい。
【００１９】
【発明の効果】
本発明による全反射減衰を利用したセンサーは、誘電体ブロックが、光ビームの入射面、出射面および金属膜が形成される一面の全てを含む１つのブロック（これは、上述の通り光ビームの入射面および出射面を備えているので、光カップラーとしても機能するものである）として形成され、測定チップとして、この誘電体ブロック、その一面に形成された薄膜層、およびこの薄膜層上に試料を保持する試料保持機構とが一体的に形成されたものを用いているので、この測定チップを光学系に対して装脱するだけで簡単に交換可能となる。
【００２０】
すなわち、従来技術におけるように、光学系に対して固定した光カップラー単体としての誘電体ブロックに別の誘電体ブロックを一体化する構成ではないので、両誘電体ブロックを屈折率マッチング液を介して一体化する必要がなく、この屈折率マッチング液を用いることによる取扱い性の悪さを解消することができる。
【００２１】
また、チップ保持機構が吸引手段を備え、測定チップを吸引して保持するので、測定時に測定チップの位置ずれ等を生じることなく、安定した測定を行うことができる。
【００２２】
さらに、チップ保持機構が測定チップの位置決めをする当接面を備え、吸引によりこの当接面に測定チップを当接させるようにして測定チップを保持する構成であれば、より正確な位置決めを容易に行うことができ、また、より精度良く安定して測定チップの保持を行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による、全反射減衰を利用したセンサーの全体図を示すものである。この第１の実施形態のセンサーは前述の表面プラズモンセンサーとして構成されたものである。なお、図２はこの装置の要部の側面形状を示し、図３は測定チップ10およびその保持台の一部の斜視形状を示している。
【００２４】
図１に示すように、この表面プラズモンセンサーは、複数の測定チップ10を保持する保持台であるターンテーブル20と、測定用の光ビーム（レーザビーム）30を発生させる半導体レーザ等のレーザ光源31と、入射光学系を構成する集光レンズ32と、光検出器40と、上記ターンテーブル20を間欠的に回動させる駆動手段50と、この駆動手段50の駆動を制御するとともに、上記光検出器40の出力信号Ｓを受けて後述の処理を行なうコントローラ60と、試料自動供給機構70と、ターンテーブル20に設けられた後述の吸引孔および排気管を通して測定チップ10を吸引するための吸引手段である真空ポンプ80を有している。
【００２５】
上記測定チップ10は図２および図３に示す通り、例えば透明樹脂等を用いて形成された概略、四角錘の一部を切り取った形状をしたものであり、上方（図示のように使用状態に配した場合の上方。以下、同様）に向かって次第に大きくなるテーパ状の外形部分を備えたものとなっている。この測定チップ10の上部には上面から下方に向かって次第に径が縮小する、断面円形の試料保持穴13ａが形成されて試料保持部13が構成されており、この試料保持穴13ａの底面には、金属膜12が形成されている。またこの測定チップ10の試料保持部13の下部が誘電体ブロック11であり、その４つの側面のうちの対面する２面がそれぞれ光入射端面11ｂ、光出射端面11ｃとされている。これらの光入射端面11ｂおよび光出射端面11ｃは、全体的に透明に形成されてもよいし、光ビームが通過する一部領域のみ透明に形成されてもよい。残りの２つの側面は、両端面11ｂ、11ｃと同様に形成されてもよいし、あるいは半透明に形成されてもよい。すなわち、この測定チップ10は、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金属膜12が形成される面11ａ、光ビームの入射端面11ｂおよび出射端面11ｃを含む一つのブロックからなる誘電体ブロック11と、金属膜12と、この金属膜12上に試料を保持するための容器状の試料保持部13とが一体として構成されて、ターンテーブル20に対して交換可能とされている。特に、誘電体ブロック11と容器状の試料保持部13は前述の通り、樹脂等により一体的に成形されたものである。この測定チップ10の材料である透明樹脂の好ましいものとしては、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、非晶性ポリオレフィン、シクロオレフィン等を挙げることができる。その他の材料として、ガラスも好適である。また誘電体ブロック11を形成する材料として一般には、屈折率が1.45〜2.5程度の範囲内にあるものを用いるのが望ましい。その理由は、この屈折率範囲で実用的なＳＰＲ共鳴角が得られるからである。なお、試料保持部13の中には、後述のようにして例えば液体の試料15が貯えられる。また本例では、金属膜12の上にセンシング媒体14が固定されているが、それについては後述する。
【００２６】
ターンテーブル20は複数（本例では１２個）の上記測定チップ10を、その回動軸20ａを中心とする円周上に等角度間隔で支持するように構成されている。駆動手段50はステッピングモータ等から構成され、ターンテーブル20を測定チップ10の配置角度と等しい角度ずつ間欠的に回動させる。また、ターンテーブル20は、図３に示すように四角形のチップ保持孔21を有しており、このチップ保持孔21は、測定チップ10の外形に合わせて、上方に向かって断面形状が次第に大きくなるテーパ状とされている。さらに、ターンテーブル20の内部には真空ポンプ80に繋がる排気管22が備えられており、保持孔21の断面のうちの一面には排気管口である吸引孔23が設けられている。
【００２７】
測定チップ10は、上記チップ保持孔21に上方から挿し込み、嵌合させる。こうして、四角形のチップ保持孔21と断面四角形の測定チップ10とを嵌合させるのであれば、測定チップ10はその上下方向に垂直な面内で（つまりターンテーブル20の表面と平行な水平面内で）自ずと所定の向きにセットされるので、水平面内での位置決めが極めて容易になされ得る。また、測定チップ10はチップ保持孔21と嵌合する高さ位置で自ずと止まって保持されるから、この測定チップ10の高さ方向の位置決めも極めて容易になされ得る。さらに、測定チップ10が保持孔21に挿入された状態で真空ポンプ80を駆動させて吸引を行い、測定チップ10を吸引孔23を備えた断面（当接面）24に当接させて位置決め保持する。保持孔23および測定チップ10の形状は作製工程の問題等により多少のガタが生じる場合があるが、このように吸引によりチップ側面を保持孔20ｗの一断面24に当接させれば、測定チップ10を当接面24で正確に位置決めすることができると共に、安定して保持することができるため、測定精度も向上する。
【００２８】
集光レンズ32は図２に示す通り、光ビーム30を集光して収束光状態で誘電体ブロック11に通し、誘電体ブロック11と金属膜12との界面11ａに対して種々の入射角が得られるように入射させる。この入射角の範囲は、上記界面11ａにおいて光ビーム30の全反射条件が得られ、かつ、表面プラズモン共鳴が生じ得る角度範囲とされる。なお、集光レンズ32等の光学系は、光ビーム30を界面11ａにデフォーカス状態で入射させるように構成されてもよい。そのようにすれば、表面プラズモン共鳴の状態検出（例えば前記暗線の位置測定）の誤差が平均化されて、測定精度が高められる。
【００２９】
なお、光ビーム30は、界面11ａに対してｐ偏光で入射する。そのようにするためには、予めレーザ光源31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、波長板や偏光板で光ビーム30の偏光の向きを制御してもよい。
【００３０】
光検出器40は、多数の受光素子が１列に配されてなるラインセンサーから構成されており、受光素子の並び方向が図２中の矢印Ｘ方向となるように配されている。
【００３１】
一方コントローラ60は、駆動手段50からその回動停止位置を示すアドレス信号Ａを受けるとともに、所定のシーケンスに基づいてこの駆動手段50を作動させる駆動信号Ｄを出力する。またこのコントローラ60は、上記光検出器40の出力信号Ｓを受ける信号処理部61と、この信号処理部61からの出力を受ける表示部62とを備えている。
【００３２】
試料自動供給機構70は、例えば液体試料を所定量だけ吸引保持するピペット71と、このピペット71を移動させる手段72とから構成されたものであり、所定位置にセットされた試料容器73から試料をピペット71に吸引保持し、所定の停止位置にある測定チップ10の試料保持部13内にその試料を滴下供給する。
【００３３】
以下、上記構成の表面プラズモンセンサーによる試料分析について説明する。試料分析に際してターンテーブル20は、前述のように支持体駆動手段50によって間欠的に回動される。そして、ターンテーブル20が停止したとき所定位置に静止した測定チップ10の試料保持部13に、上記試料自動供給機構70によって試料15が供給される。
【００３４】
その後ターンテーブル20が何回か回動されてから停止すると、試料保持部13に試料15を保持している測定チップ10が、その誘電体ブロック11に前記光ビーム30が入射する測定位置（図２中の右側の測定チップ10の位置）に静止する状態となる。この状態のとき、コントローラ60からの指令でレーザ光源31が駆動され、そこから発せられた光ビーム30が前述のように収束する状態で、誘電体ブロック11と金属膜12との界面11ａに入射する。この界面11ａで全反射した光ビーム30は、光検出器40によって検出される。
【００３５】
光ビーム30は界面11ａに対して種々の入射角が得られるように入射され、該界面11ａで反射されるため、この反射した光ビーム30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。
【００３６】
上述のように光ビーム30が全反射するとき、界面11ａから金属膜12側にエバネッセント波がしみ出す。そして、光ビーム30が界面11ａに対してある特定の入射角θＳＰで入射した場合は、このエバネッセント波が金属膜12の表面に励起する表面プラズモンと共鳴するので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。なお図４には、この全反射減衰現象が生じた際の入射角θと反射光強度Ｉとの関係を概略的に示してある。
【００３７】
そこで、光検出器40が出力する光量検出信号Ｓから各受光素子毎の検出光量を調べ、暗線を検出した受光素子の位置に基づいて上記入射角（全反射減衰角）θＳＰを求め、予め求めておいた反射光強度Ｉと入射角θとの関係曲線に基づけば、試料15中の特定物質を定量分析することができる。コントローラ60の信号処理部61は、以上の原理に基づいて試料15中の特定物質を定量分析し、その分析結果が表示部62に表示される。
【００３８】
測定を１つの試料15に対して１回だけ行なう場合は、以上の操作で測定が完了するので、測定を終えた測定チップ10をターンテーブル20から手操作により、あるいは自動排出手段を用いて排出すればよい。一方、１つの試料15に対して測定を複数回行なう場合は、測定終了後も測定チップ10をそのままターンテーブル20に支持させておけば、ターンテーブル20の１回転後に、その測定チップ10に保持されている試料15を再度測定にかけることができる。
【００３９】
以上説明した通り、この表面プラズモンセンサーは、複数の測定チップ10をターンテーブル20に支持させ、このターンテーブル20を移動させて各測定チップ10を順次測定位置に配置するように構成されているから、複数の測定チップ10の各試料保持部13に保持させた試料15を、ターンテーブル20の移動にともなって次々と測定に供することができる。それにより、この表面プラズモンセンサーによれば、多数の試料15についての測定を短時間で行なうことが可能になる。
【００４０】
また本例では、誘電体ブロック11、金属膜12および試料保持部13を一体化して測定チップ10を構成し、この測定チップ10をターンテーブル20に対して交換可能としているので、測定が終了した試料15を保持している測定チップ10をターンテーブル20から取り外して新しい測定チップ10を該ターンテーブル20に支持させることにより、新しい試料15を次々と測定に供することができ、多数の試料15についての測定をより一層短時間で行なうことが可能になる。
【００４１】
この測定チップ10は、従来なされていたように金属膜が設けられる誘電体ブロックを屈折率マッチング液を介して光カップラーとなる他の誘電体ブロックと光学的に結合させるような必要がないため、取扱い性が良く、交換時の利便性が高い。また、測定チップは吸引により当接面に位置決め保持されているので、正確な位置決めがなされるとともに、測定時に位置ズレ等を生じることもなく安定性が高い。特に、ターンテーブル20を複数回回動させて同一試料について複数回の測定を行うような場合にも測定チップ10の位置ズレが生じないため信頼性の高い測定が可能となる。
【００４２】
なお金属膜12の表面に固定されているセンシング媒体14は、試料15中の特定物質と結合するものである。このような特定物質とセンシング媒体14との組合せとしては、例えば抗原と抗体とが挙げられる。その場合は、全反射減衰角θＳＰに基づいて抗原抗体反応を検出することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、測定チップを保持する保持台として回動するターンテーブル20が用いられているが、保持台の形状や移動方式はこれに限られるものではない。例えば、複数の測定チップを保持した保持台を往復直線移動するように構成し、その移動にともなって複数の測定チップを順次測定部にセットするようにしても構わない。
【００４４】
その場合、１つの試料に対して複数回の測定を行なう必要があるときは、光ビームを測定チップに照射する光学系と光検出手段とを備えてなる測定部を複数設けておけば、保持台の移動にともなって測定チップが順次測定部にセットされ、各測定部で測定を行なえるようになる。あるいは、そのような測定部を１つだけ設け、保持台を一方向に移動させて測定チップを測定部にセットし、測定を行なった後、保持台を逆方向に移動させてその測定チップを再度測定部にセットし、測定を行なうようにしてもよい。
【００４５】
このように保持台を正、逆方向に移動させる方式は、上述のターンテーブル20を用いる場合にも適用可能である。またこのターンテーブル20を用いる場合に、測定部を複数設けて、ターンテーブル20が１回転する間に１つの測定チップに関して複数回測定を行なうように構成することも可能である。
【００４６】
さらに、測定チップの自動供給、排出手段が備えられた場合の本実施形態の表面プラズモンセンサーについて図５および図６を参照して説明する。図５と図６はそれぞれ、この表面プラズモンセンサーの全体側面形状と全体平面形状を示している。
【００４７】
図５および図６に示される通りこの表面プラズモンセンサーにおいては、ターンテーブル20に３０°の角度間隔で１２個の測定チップ10が支持され、ターンテーブル20は３０°ずつ間欠的に矢印Ｙ方向に回動するようになっている。そしてターンテーブル20が停止したとき、該ターンテーブル20の４つの測定チップ保持部が、図６にそれぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４で示す測定チップ供給位置、試料供給位置、測定位置および測定チップ排出位置で順次静止する。
【００４８】
測定チップ供給位置Ｐ１に静止した測定チップ保持部に対しては、測定チップ10を複数収納したカセット75から、チップ供給手段76によって取り出された測定チップ10が供給される。なおチップ供給手段76は、公知のエアサクションカップと、それを移動させる機構等から構成されたものであり、例えばカセット75の底部に設けられた取り出し口から１つずつ測定チップ10を吸着して取り出し、それを移動させて上記測定チップ保持部に供給可能とされている。
【００４９】
試料供給位置Ｐ２に静止した測定チップ保持部に保持されている測定チップ10に対しては、試料自動供給機構70を用いて試料が供給される。
【００５０】
また、測定位置Ｐ３に静止した測定チップ保持部に保持されている測定チップ10に対して、該測定チップ10が保持している試料について分析がなされる。この試料分析は先に説明した通りである。
【００５１】
また、測定チップ排出位置Ｐ４に静止した測定チップ保持部に支持されている測定チップ10は、チップ排出手段78によってターンテーブル20から排出される。このようにして空になった測定チップ保持部は、次にターンテーブル20が３回回動すると上記測定チップ供給位置Ｐ１に静止し、以後は上述したのと同様の処理が繰り返される。
【００５２】
このように、測定チップの自動供給、排出手段を備えれば、多数の試料についての測定を簡便に効率よく行うことができる。
【００５３】
次に、図７を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図７は本発明の第２の実施形態による表面プラズモンセンサーの要部側面形状を示すものである。なお、この図７において図２中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００５４】
この第２の実施形態による表面プラズモンセンサーは、第１の実施形態の装置と比較して、測定チップ10の試料保持孔13ａの底面（誘電体ブロックの一面11ａ）に配された金属膜12上のセンシング媒体が除かれている点のみが異なるものである。したがってこの場合、試料15中の特定物質とセンシング媒体14との結合はなされず、試料15の被測定物質について通常に定量分析がなされる。
【００５５】
上述の点以外はすべて第１の実施形態による表面プラズモンセンサーと同様の構成を有する。
【００５６】
次に、図８を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。この第４実施形態の全反射減衰を利用したセンサーは、先に説明した漏洩モードセンサーであり、上述の表面プラズモンセンサーの場合と同様に一体型の測定チップ10’を用いる。但し、本実施形態においては、測定チップ10’の試料保持孔13ａの底面（誘電体ブロック11の一面11ａ）にはクラッド層42が形成され、さらにその上には光導波層43が形成されている。
【００５７】
この測定チップ10’は、上述の第１の実施形態の場合と同様に、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42は、誘電体ブロック11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43は、クラッド層42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42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43の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で700ｎｍ程度とする。
【００５８】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、光源31から出射した光ビーム30を誘電体ブロック11を通してクラッド層42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30が誘電体ブロック11とクラッド層42との界面11ａで全反射するが、クラッド層42を透過して光導波層43に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層43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43に取り込まれるので、上記界面11ａ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。
【００５９】
光導波層43における導波光の波数は、該光導波層43の上の試料15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、試料15の屈折率や、それに関連する試料15の特性を分析することができる。
【００６０】
この場合も、第１の実施形態の場合と同様に測定チップ10’を吸引により当接面へ当接させて位置決め保持しているため同様の効果を得ることができる。なお、光導波層43上に試料15中の特定物質と結合するセンシング媒体を配してもよい。
【００６１】
次に、図９を参照して本発明の第４の実施形態について説明する。この第４実施形態の全反射減衰を利用したセンサーは、第１の実施形態と同様に表面プラズモンセンサーとして構成されたものである。
【００６２】
本実施形態の表面プラズモンセンサーは、概略四角柱状の形状をした測定チップ110を用い、該測定チップがターンテーブル120上の保持溝121に保持される形態である。この測定チップ110も上部が試料保持部113であり下部が誘電体ブロック111であり、試料保持部113の底面と誘電体ブロック111の金属膜112が形成される面111aとが共通となっている。
【００６３】
また、本実施形態の表面プラズモンセンサーは図９に示すように、上述の第１の実施形態の装置と異なり、光源31および光検出手段40がターンテーブル120の下方に配されているのではなく、上方に配されたものである。したがって、光源31からの光ビーム30を測定チップ110下部の誘電体ブロック111の入射端面111bから界面111aに入射させるために、入射光学系にミラー91を備え、光源31から発せられた光ビーム30は集光レンズ32で集光されミラー91で反射して界面11ａに入射する。また、光検出器40側の光学系には、ミラー92およびコリメータレンズ93を備え、界面で全反射した光ビーム30は誘電体ブロック111の出射端面111cから出射されて光ミラー92で反射し、コリメータレンズ93で平行光化されて光検出器40に受光される。この光検出器40の出力信号Ｓは、コントローラ60（図６参照）の信号処理部61に入力され、試料分析のために供される。この出力信号Ｓに基づく試料分析は、第１実施形態で説明したものと同様にしてなされる。
【００６４】
一方、ターンテーブル120は内部122が空洞とされて自身がサクションボックスとして作用するものであり、測定チップ110の保持部に保持溝121を有し、その保持溝121に複数の吸引孔123を有している。この吸引孔123が設けられた保持溝121の面124が測定チップ110 の底面との当接面となり、この吸引孔123から排気することにより測定チップ110の底面を保持溝の面124に固定保持する。保持溝121は測定チップ110の底部と略同等の形状をしているが、測定チップ110の供給および排出を容易に行うためにチップ底部よりもやや大きめとされている。しかし、測定チップ110 は、吸引により固定されているため、位置ずれすることなく安定に支持され、信頼性の高い測定が可能となる。
【００６５】
また、測定チップを吸引により保持して測定を行う、全反射減衰を利用したセンサーとして、図１０に示すように、測定チップ10の上面を吸引により保持する形態をとることもできる。図１０に示すセンサーは、上述の第１の実施形態と同様の測定チップ10を、該測定チップ10の上面側で吸引させて固定するものである。ターンテーブル130は、測定チップ10を保持する箇所に試料注入のための開口132を備え、この開口132の周辺の測定チップ10の上面との当接面134に吸引孔133を有し、排気管131から吸引する構成である。この場合にも当接面134で測定チップ10は位置決めされ、吸引により固定されているため位置ずれすることなく信頼性の高い測定が可能となる。
【００６６】
さらに、測定チップを保持するための他の形態を図１１および１２に示す。
【００６７】
図１１に示す測定チップ10は第１の実施形態と同様のものである。一方、ターンテーブル140の測定チップ保持部には測定チップ10を受承する受承部としての保持溝141が設けられている。この保持溝141は、測定チップ10の底部外形に合わせて、下方に向かって断面形状が次第に小さくなるテーパ状とされている。図示ように、測定チップ10は保持溝141に挿入され、該測定チップ10が迎合する深さにセットされる。この保持溝141の溝面と測定チップ10の底面との間には密閉空間141aが生じ、この密閉空間141aを構成する面の一部に排気管142の口となる吸引孔143が設けられており、この密閉空間141aの空気を図示しない真空ポンプにより吸引することにより、測定チップ10を保持する。即ち、測定チップ10は保持溝141のテーパ状の断面144に当接されて位置決め保持される。
【００６８】
図１２に示すターンテーブル140は図１１に示したものと同様のものである。一方、測定チップ150は、四角柱状の試料保持部153と誘電体ブロック151を備え、さらに誘電体ブロック151の下方にターンテーブル140の保持溝141に迎合するテーパ部155を備え、さらにテーパ部155と四角柱状部分との間に外形に段差が生じるように形成された鍔部156が設けられている。測定チップ10のテーパ部155がターンテーブル140の保持溝141に挿入され、この鍔部156がターンテーブル140の表面に引っかかるようにして位置決めされる。すなわち、ターンテーブル140のテーパ状の保持溝141と測定チップ150のテーパ部の外形とが迎合すると共に、この鍔部156により位置決めされるため、より精度よい位置決めが可能となる。測定チップ150は図１１の場合と同様にして保持溝141の溝面と測定チップ150の底面との間に生じる密閉空間141a内の空気を吸引することにより、ターンテーブル140表面のおよび保持溝141のテーパ状断面と測定チップ10とを当接させて安定に保持される。
【図面の簡単な説明】
【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全体構成を示す斜視図
【図２】図１の表面プラズモンセンサーの要部を示す一部破断側面図
【図３】図１の表面プラズモンセンサーに用いられた測定チップおよび支持台の一部を示す斜視図
【図４】表面プラズモンセンサーにおける光ビーム入射角と、光検出器による検出光強度との概略関係を示すグラフ
【図５】測定チップ自動供給、排出手段を備えた表面プラズモンセンサーの全体構成を示す概略側面図
【図６】図５の表面プラズモンセンサーの全体構成を示す平面図
【図７】本発明の別の実施形態による表面プラズモンセンサーの要部を示す一部破断側面図
【図８】本発明のさらに別の実施形態による漏洩モードセンサーの要部を示す一部破断側面図
【図９】本発明のさらに別の実施形態による表面プラズモンセンサーの要部を示す一部破断側面図
【図１０】測定チップおよびその支持部を示す破断側面図
【図１１】別の形態による測定チップおよびその支持部を示す破断側面図
【図１２】さらに別の形態による測定チップおよびその支持部を示す破断側面図
【符号の説明】
10、10’、110    測定チップ
11、11’、111    誘電体ブロック
11ａ  誘電体ブロックと金属膜との界面
12    金属膜
13、113    試料保持部
14    センシング媒体
15    試料
20、120    ターンテーブル
21    チップ保持孔
22    排気管
23    吸引孔
24    当接面
30    光ビーム
31    レーザ光源
32    集光レンズ
40    光検出器
45    クラッド層
46    光導波層
50    支持体駆動手段
60    コントローラ
61    信号処理部
62    表示部
70    試料自動供給機構
75    カセット
76    チップ供給手段
77    表面プラズモン共鳴測定手段
78    チップ排出手段
【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】
0004053246.tif 000009
【図８】
0004053246.tif 000010
【図９】
0004053246.tif 000011
【図１０】
0004053246.tif 000012
【図１１】
0004053246.tif 000013
【図１２】
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