(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、
前記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る薄膜層、この薄膜層の表面上に試料を保持可能に形成された試料保持機構を備えてなるウェル形状の測定チップと、
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、全反射減衰の状態を測定する測定手段とを備えてなるエバネッセント波を利用したセンサーにおいて、
前記誘電体ブロックおよび前記試料保持部とが、同素材により一体的に製造されたものであり、
前記測定チップに着脱可能に形成され、前記薄膜層の表面上に前記試料を連続的に供給するとともに、この供給された試料を連続的に排出する試料給排手段をさらに備えたことを特徴とするエバネッセント波を利用したセンサー。
【請求項２】
前記試料給排手段が、前記薄膜層の表面上に前記試料を供給する供給路と、前記表面上から前記試料を排出する排出路と、前記供給路と前記排出路を前記ウェル形状の測定チップに出入自在に保持する流路ホルダとを備えたものであることを特徴とする請求項１記載のエバネッセント波を利用したセンサー。
【請求項３】
前記流路ホルダが、該流路ホルダの下面に前記供給路の出口と、前記排出路の入口とを開口させて有し、かつ前記下面の前記薄膜層の表面と接する領域に、前記出口と前記入口を囲むシール手段を備えたものであることを特徴とする請求項２記載のエバネッセント波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、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センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エバネッセント波を利用したセンサーの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。
【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、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。
【０００８】
【数１】
0004173725.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の溶液（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を測定している。液体試料中の被検体が、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、全反射減衰角θＳＰ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が行われているか否か、すなわち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、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、センシング物質をウサギ抗ヒトＩｇＧ抗体とし、被検体であるヒト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、液体試料中の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、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。例えばセンシング物質に被検体が含まれた液体試料を添加し、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。
【００１３】
また、本発明者等は、使い勝手のよいウェル形状の測定チップを用いて、上記全反射減衰の状態の測定を行うセンサーを提案している。（例えば特許文献２参照）。このようなウェル形状の測定チップを用いることにより、例えば試料として液体試料を用いる場合であれば、測定チップ内に入る少量の液体試料を準備するのみで、測定を行うことができる。また測定チップを複数個保持可能なテーブルを用いることにより、短時間で容易に多種の試料の測定を行うことができる。
【００１４】
なお、エバネッセント波を利用したセンサーにおいて、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検出して、試料の特性を分析する方法としては種々の方法があり、例えば、前述したように、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検出して、全反射減衰により発生した暗線の位置（全反射減衰角θＳＰ）を検出することにより全反射減衰の状態を測定して、試料の特性を分析してもよいし、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検出して、各波長毎の全反射減衰の程度を検出することにより試料の特性を分析してもよい（例えば非特許文献２参照）。
【００１５】
また、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検出することにより試料の特性を分析してもよい。（例えば非特許文献３参照）。
【００１６】
【特許文献１】
特開平６−１６７４４３号公報
【００１７】
【特許文献２】
特開２００２−２９６１７２号公報
【００１８】
【非特許文献１】
「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）第２１〜２３頁および第２６〜２７頁
【００１９】
【非特許文献２】
D.V.Noort,K.johansen,C.-F.Mandenius, Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.585-588
【００２０】
【非特許文献３】
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
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
一方、上記のようなエバネッセント波を利用して試料の特性を分析するセンサーとしては、センシング物質が固定された平板上の測定チップ上に流路機構を用いて、液体試料を連続的に供給して測定を行うセンサーが知られている。この形態のセンサーを用いれば、センシング物質と特定物質との結合状態を測定する際に、常に新しい液体試料が測定チップ上に供給されるため、液体試料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、センシング物質と特定物質の結合状態を測定したのち、結合が行われている場合には、この結合体が固定されている測定チップ上に、特定物質が含まれていない液体試料（以後バッファ液と記載）を流すことより、センシング物質と特定物質との解離状態を測定することができる。さらに、例えば試料として気体を用いる場合、あるいは気体が溶在している液体試料を用いる場合に、流路機構を用いて、容易に測定チップ上に試料を供給することができる。
【００２２】
このように、試料を連続的に供給することにより、種々の効果が得られるが、一方で測定チップ上に連続的に試料を供給するために、多量の試料を準備しなければならない、あるいは多種の試料の測定を短時間で行うことが困難であるなどの欠点もある。このため、使用者は、ウェル形状の測定チップを用いたセンサーと、平板形状の測定チップと流路機構を備えたセンサーの両者を用意しないと、望ましい測定を行うことができないという問題がある。
【００２３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ウェル形状の測定チップを備えたエバネッセント波を利用したセンサーにおいて、測定チップ内に試料を溜めて行う通常の測定に加え、測定チップ内に試料を連続的に供給して行う測定も可能とすることを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１のエバネッセント波を利用したセンサーは、
光ビームを発生させる光源と、
前記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る薄膜層、この薄膜層の表面上に試料を保持可能に形成された試料保持機構を備えてなるウェル形状の測定チップと、
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、全反射減衰の状態を測定する測定手段とを備えてなるエバネッセント波を利用したセンサーにおいて、
前記測定チップに着脱可能に形成され、前記薄膜層の表面上に前記試料を連続的に供給するとともに、この供給された試料を連続的に排出する試料給排手段をさらに備えたことを特徴とするものである。
【００２５】
なお、上記各実施の形態においては、「供給された試料を連続的に排出する」際には、供給された試料を吸引等により排出してもよいし、あるいは単に排出路が接続された閉空間に試料を連続的に供給することにより、試料が排出路から排出されてもよい。
【００２６】
上記各エバネッセント波を利用したセンサーにおいては、前記試料給排手段として、前記薄膜層の表面上に前記試料を供給する供給路と、前記表面上から前記試料を排出する排出路と、前記供給路と前記排出路を前記ウェル形状の測定チップに出入自在に保持する流路ホルダとを備えたものを用いることができる。
【００２７】
また、前記流路ホルダとしては、該流路ホルダの下面に前記供給路の出口と、前記排出路の入口とを開口させて有し、かつ該下面の前記薄膜層の表面と接する領域に、前記出口と前記入口を囲むシール手段を備えたものを用いることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のエバネッセント波を利用したセンサーは、ウェル形状の測定チップに着脱可能に形成され、測定チップの薄膜層の表面上に試料を連続的に供給するとともに、この供給された試料を連続的に排出する試料給排手段を備えたことにより、測定チップ内に試料を溜めて行う通常の測定に加え、測定チップ内に試料を連続的に供給して行う測定も可能となる。
【００２９】
また、薄膜層上にセンシング物質を固定して、液体試料中の特定物質との結合状態を測定する場合であれば、連続的に新しい液体試料を供給することが可能であるため、測定中に液体試料に含まれる被検体の濃度を一定に保つことができ、結合状態を精度良く測定することができる。また、結合係数なども容易に求めることができる。さらに、センシング物質と特定物質の結合体が固定されている測定チップの薄膜上に、上記試料給排手段を用いて、バッファ液を連続的に供給することにより、センシング物質と特定物質との解離状態を精度良く測定することができる。また解離係数等も容易に求めることができる。
【００３０】
また、試料給排手段が測定チップに対して、着脱可能に形成されているため、測定目的に応じて、試料給排手段を測定チップに取り付けずに、試料を測定チップ内に保持した状態で行う測定と、試料給排手段を測定チップに取り付けて、試料を測定チップ内に連続的に供給した状態で行う測定のどちらかを選択することができる。
【００３１】
また、上記試料給排手段として、測定チップの薄膜層の表面上に前記試料を供給する供給路と、該表面上から前記試料を排出する排出路と、該供給路と排出路を前記ウェル形状の測定チップに出入自在に保持する流路ホルダとを備えたものを用いる場合には、測定チップに試料給排手段を簡単に着脱することができる。
【００３２】
上記流路ホルダが、該流路ホルダの下面に前記供給路の出口と、前記排出路の入口とを開口させて有し、かつ該下面の前記薄膜層の表面と接する領域に、前記出口と前記入口を囲むシール手段を備えたものである場合には、試料が試料給排手段から測定チップ内に漏れ出すことがなく、試料の種類を変更して測定を継続する際等に、測定精度の低下を防止することができる。
【００３３】
【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。本発明の第１の実施形態のエバネッセント波を利用したセンサーは、表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモンセンサーであり、図１は表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものであり、図２は、この表面プラズモンセンサーに用いられる流路ユニットの上面図および側面図である。
【００３４】
この表面プラズモンセンサーは、例えば概略四角錐の一部が切り取られた形状とされた誘電体ブロック10と、この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金属膜12とからなるウェル形状の測定チップ９を有している。
【００３５】
誘電体ブロック10は例えば透明樹脂等からなり、金属膜12が形成された部分の周囲が嵩上げされた形とされ、この嵩上げされた部分は液体試料11を貯える試料保持部10ａとして機能する。なお本例では、金属膜12の上にセンシング物質30が固定されるが、このセンシング物質30については後述する。
【００３６】
測定チップ９の試料保持部10ａ内には、金属膜12上に流路を形成するための流路ユニット50が取り付けられている。この流路ユニット50は、図２に示すように、概略四角錐の一部が切り取られた形状に形成されている流路ホルダ51に、液体試料を供給するための供給路52および液体試料を排出するための排出路53が取り付けられ、測定チップ９内に簡単に着脱することができる。流路ホルダ51の下部には、供給路52の出口と排出路53の入口が開口され、また流路ホルダ51の下面の金属膜12の表面と接する領域に、この供給路52の出口と排出路53の入口を囲むシール部54が設けられている。このため、この流路ユニット50を測定チップ９に取り付けた場合には、図１に示すように、金属膜12およびシール部54によりシールされた測定流路55が形成される。なお、シール部54は、流路ホルダ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、後付されたものであってもよく、例えばＯリング等を流路ホルダ51の下部部分に取り付けたものであってもよい。
【００３７】
流路ユニット50の供給路52には、ポンプ56が接続され、該ポンプ56には液溜部57が接続されている。流路ユニット50、ポンプ56および液溜部57が、発明の試料給排手段として機能する。液溜部57には予め被検体を含む液体試料11が準備されている。
【００３８】
本実施形態の表面プラズモンセンサーは、上記誘電体ブロック10に加えてさらに、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を誘電体ブロック10に通し、該誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂに対して、種々の入射角が得られるように入射させる光学系15と、上記界面10ｂで全反射した光ビーム13を平行光化する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を検出するフォトダイオードアレイ17と、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。
【００３９】
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を上記界面10ｂ上で収束させる集光レンズ15ｂとから構成されている。なお、光ビーム13は、集光レンズ15ｂにより流路エリア51内の界面10ｂに集光される。
【００４０】
光ビーム13は、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。そこで、光ビーム13は界面10ｂ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。なお、上記光学系15は、光ビーム13を界面10ｂ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の誤差が平均化されて、測定精度が高められる。
【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。
【００４２】
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。測定に先立ち、測定チップ９をテーブル31に設けられたチップ保持孔31ａに嵌合固定する。その後、流路ユニット50のシール部54が測定チップ９の金属膜12に密着するように、流路ユニット50を測定チップ９に取り付ける。ポンプ56を作動させ、液溜部57に準備されている液体試料11を流路ユニット50の供給路52を介して測定流路55へ供給する。測定を行っている間は、ポンプ56を作動させ続けるため、液体試料11は測定流路55に連続的に供給される。測定流路55はシール部54によりシールされているため、測定流路55に供給された液体試料11は順次排出路53を通って排出される。
【００４３】
測定流路55内に、液体試料11が供給された後、測定を開始する。なお、前述したように、測定を行っている間は、液体試料11は連続的に供給される。図１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、測定流路55の下の誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂ上で収束する。この際、光ビーム13は、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。そこで、光ビーム13は界面10ｂ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。
【００４４】
界面10ｂで全反射した後、コリメーターレンズ16によって平行光化された光ビーム13は、フォトダイオードアレイ17により検出される。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列に並設されてなり、図１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10ｂ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。
【００４５】
図３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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
図４は、界面10ｂ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10ｂ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。
【００４９】
界面10ｂにある特定の入射角θＳＰで入射した光は、金属膜12と液体試料11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１にＤで示すように、反射光中の暗線として観察される。
【００５０】
また図４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。
【００５１】
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。
【００５２】
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３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。
【００５３】
以後、所定時間が経過する毎に上記選択された差動アンプ18ｄ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12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４（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12に接しているセンシング物質30の屈折率変化を調べることができる。
【００５４】
特に本実施形態では液体試料11に含まれる被検体が、センシング物質30と結合する特定物質であれば、センシング物質30と被検体との結合状態に応じてセンシング物質30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、被検体がセンシング物質30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。
【００５５】
なお、本実施例においては、測定流路55に対する液体試料11の供給を測定終了まで継続する。このため、測定開始から測定終了までの間、液体試料11の中に含まれる被検体の濃度は一定に保たれる。
【００５６】
また、液体試料11の中の被検体とセンシング物質30とが結合する場合には、この測定の終了後に、被検体とセンシング物質30との解離状態の変化の様子を時間経過とともに調べる測定を行うことができる。この際には、被検体が結合しているセンシング物質30に対して、被検体が含まれていない液体試料であるバッファ液を連続的に供給し、測定を行う。センシング物質30と結合している被検体は、徐々にバッファ液中に解離し、それらの解離状態に応じてセンシング物質30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、この解離状態の変化の様子を精度良く調べることができる。また、新しいバッファ液が常時供給されるため、容易に解離係数を求めることができる。
【００５７】
以上の説明から明かなように本実施の形態によるエバネッセント波を利用したセンサーによれば、金属膜12上にセンシング物質30を固定して、液体試料11中の被検体との結合状態を測定する際に、流路ユニット50を介して、測定チップ９内に連続的に新しい液体試料11を供給することが可能であるため、測定中に液体試料11に含まれる被検体の濃度を一定に保つことができ、結合状態を精度良く測定することができる。また、結合係数なども容易に求めることができる。さらに、センシング物質30と被検体の結合体が固定されている測定チップ９の金属膜12上に、被検体が含まれていない液体試料であるバッファ液を連続的に供給することにより、センシング物質30と被検体との解離状態を精度良く測定することができる。また解離係数等も容易に求めることができる。
【００５８】
また、流路ユニット50が、測定チップ９に対して、着脱可能に形成されているため、測定目的に応じて、流路ユニット50を測定チップ９に取り付けずに、液体試料11を測定チップ９内に保持した状態で行う通常の測定と、流路ホルダ51を測定チップ９に取り付けて、液体試料11を測定チップ９内に連続的に供給する状態で行う測定のどちらかを適宜選択することができる。なお、流路ユニット50は、液体試料11を供給する供給路52と、液体試料11を排出する排出路53と、該供給路52および排出路53を保持する流路ホルダ51から形成されているため、容易に測定チップ９に着脱することができる。
【００５９】
また、流路ホルダ51が、シール部54を備えているため、液体試料11が測定流路55から測定チップ９内に漏れ出すことがなく、例えば上述したように、結合状態を測定後、引き続き解離状態を測定するような場合であっても、被検体が含まれていない液体試料11に、被検体が含まれている液体試料が測定チップ９内から混入することがないので、測定精度の低下を防止することができる。
【００６０】
なお、本実施の形態は、上述したように、センシング物質30と被検体との結合状態の測定に使用方法が限定されるものではない。例えば気体が溶在している液体試料を流路ユニット50を用いて、センシング物質30が固定されていない測定チップ９内に供給することにより、この液体試料の屈折率を精度良く測定することができる。
【００６１】
なお、液体試料11の中の特定物質とセンシング物質30との結合状態の変化の様子を時間経過とともに調べるためには、所定時間が経過する毎の微分値Ｉ’を求めて表示するほか、最初に計測した微分値Ｉ’(0)と所定時間経過時に計測した微分値Ｉ’(t)との差ΔＩ’を求めて表示してもよい。
【００６２】
また、本実施の形態の変型例として、図５の（ａ）にその上面図を示すような供給路および排出路を複数本備えた流路ユニット60を用いることもできる。この流路ユニット60は、概略四角錐の一部が切り取られた形状に形成されている流路ホルダ61に、液体試料を供給するための第１の供給路62、第２の供給路64および液体試料を排出するための第１の排出路63、第２の排出路65が取り付けられ、測定チップ９内に簡単に着脱することができる。流路ホルダ61の下部には、第１の供給路62の出口と第１の排出路63の入口が開口され、また第２の供給路64の出口と第２の排出路65の入口が開口され、流路ホルダ61の下面の金属膜12の表面と接する領域に、第１の供給路62の出口と第１の排出路63の入口および第２の供給路64の出口と第２の排出路65の入口を囲むシール部66が設けられている。このため、この流路ユニット60を測定チップ９に取り付けた場合には、図５の（ａ）に示すように、金属膜12およびシール部66によりシールされた測定流路67および測定流路68が形成される。
【００６３】
さらに、本実施の形態の他の変型例として、図５の（ｂ）にその上面図を示すような供給路、連結路および排出路を備えた流路ユニット70を用いることもできる。この流路ユニット70は、概略四角錐の一部が切り取られた形状に形成されている流路ホルダ71に、液体試料を供給するための供給路72、液体試料を排出するための排出路73および流路ホルダ71内で流路を連結する連結路74が取り付けられ、測定チップ９内に簡単に着脱することができる。流路ホルダ71の下部には、供給路73の出口と連結路74の入口が開口され、また連結路74の出口と排出路73の入口が開口され、流路ホルダ71の下面の金属膜12の表面と接する領域に、供給路72の出口と連結路74の入口および連結路74の出口と排出路73の入口を囲むシール部75が設けられている。このため、この流路ユニット70を測定チップ９に取り付けた場合には、図５の（ｂ）に示すように、金属膜12およびシール部75によりシールされた測定流路76および測定流路77が形成される。
【００６４】
例えば、金属膜12上の半分の領域にセンシング物質30が固定され、残りの領域にはセンシング物質30が固定されていない測定チップを作成し、各測定流路がそれぞれの領域上に形成されるように、測定ユニットを取り付け、２つの測定流路における測定値の差を求めることにより、液体試料の温度変化等の影響で生じる測定誤差を相殺した測定結果を得ることができる。
【００６５】
なお、上述のように、測定流路を複数個形成する流路ユニット60あるいは70を用いた場合には、レーザ光源14、光学系15、コリメータレンズ16およびフォトダイオードアレイ17から成る測定系を２組配設して、同時に２つの測定流路の測定を行ってもよいし、あるいは１組の測定系を用いて、この測定系あるいは測定チップ９を移動させて、時分割で測定を行ってもよい。
【００６６】
また、本実施の形態の他の変型例として、流路ホルダ51の下面を金属膜12上に接しないように、流路ユニット50を測定チップ９に取り付けて使用するものも考えられる。このような場合には、流路ホルダ51と測定チップ９の内壁の間にＯリング等を設けるか、あるいは排出路53側に吸引機能を付け加え、液体試料11の供給量と排出量を一致させればよい。
【００６７】
次に、図６を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。なおこの図６において、図１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。
【００６８】
この第２の実施の形態のエバネッセント波を利用したセンサーは、第１の実施の形態で説明した表面プラズモンセンサーを漏洩モードセンサーに変更したものであり、本例でも測定チップ化された誘電体ブロック10を用いるように構成されている。この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）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。
【００６９】
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。
【００７０】
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41に取り込まれるので、上記界面10ｂ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。
【００７１】
光導波層41における導波光の波数は、該光導波層41の上のセンシング物質30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、センシング物質30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’に基づいてセンシング物質30と液体試料11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。なお、液体試料11の中の被検体とセンシング物質30とが結合する場合には、この測定の終了後に、被検体が含まれていない液体試料11を連続的に供給し、センシング物質30と被検体の解離状態の変化の様子を調べることができる。また、上記第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７２】
次に図７を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、この図７において、図１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。本実施の形態のエバネッセント波を利用したセンサーは、表面プラズモンセンサーであり、上記第１の実施の形態の表面プラズモンセンサーと比べ測定方法を変更したものである。図７は、本実施の形態の表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものであり、本表面プラズモンセンサーの測定位置には、レーザ光源120 とＣＣＤ121 が配設されており、レーザ光源120 とＣＣＤ121 との間には、コリメータレンズ122 、干渉光学系123 、集光レンズ124 およびアパーチャー125 が配設されている。
【００７３】
上記干渉光学系123 は、偏光フィルタ131 、ハーフミラー132 、ハーフミラー133 およびミラー134 により構成されている。さらに、ＣＣＤ121 は測定手段135 に接続されており、測定手段135 は表示部21に接続されている。
【００７４】
以下、本実施の形態の表面プラズモンセンサーにおける測定動作について説明する。レーザ光源120 が駆動されて光ビーム140 が発散光の状態で出射される。この光ビーム140 はコリメータレンズ122 により平行光化されて偏光フィルタ131 に入射する。偏光フィルタ131 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140 は、ハーフミラー132 により一部がレファレンス光ビーム140Rとして分割され、ハーフミラー132 を透過した残りの光ビーム140Sは界面10ｂに入射する。界面10ｂで全反射した光ビーム140Sおよびミラー134 で反射したレファレンス光ビーム140Rはハーフミラー133 に入射して合成される。合成された光ビーム140'は集光レンズ124 により集光され、アパーチャー125 を通過してＣＣＤ121 によって検出される。このとき、ＣＣＤ121 で検出される光ビーム140'は、光ビーム140Sとレファレンス光ビーム140Rとの干渉の状態に応じて干渉縞を発生させる。
【００７５】
ここで、液体試料11中の被検体が金属膜12の表面に固定されているセンシング物質30と結合するか否かを、液体試料11を測定チップ９へ供給後、継続的に測定を行い、ＣＣＤ121 により検出される干渉縞の変化を検出することにより、判定することができる。
【００７６】
すなわち、上記液体試料11中の被検体とセンシング物質30との結合状態に応じてセンシング物質30の屈折率が変化するため、界面10ｂで全反射した光ビーム140Sおよびレファレンス光ビーム140Rがハーフミラー133 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結合反応の有無を検出することができる。測定手段135 は、以上の原理に基づいて上記反応の有無を検出し、その結果が表示部21に表示される。
【００７７】
なお、第１および第２に実施例と同様に、液体試料11の中の被検体とセンシング物質30とが結合する場合には、この測定の終了後に、被検体が含まれていない液体試料11を連続的に供給し、センシング物質30と被検体の解離状態の変化の様子を調べることができる。また、上記第３の実施の形態においても、第１の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】本発明の第１の実施の形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【図２】上記表面プラズモンセンサーに用いられる流路ユニットの構成図
【図３】上記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
【図４】上記表面プラズモンセンサー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５】上記表面プラズモンセンサーに用いられる他の流路ユニットの上面図
【図６】本発明の第２の実施の形態による漏洩モードセンサーの側面図
【図７】本発明の第３の実施の形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【符号の説明】
９    測定チップ
10    誘電体ブロック
10ａ  試料保持部
10ｂ  界面
11    液体試料
12    金属膜
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
30    センシング物質
31    テーブル
40    クラッド層
41    光導波層
50、60、70          流路ユニット
51、61、71          流路ホルダ
52、62、64、72      供給路
53、63、65、73      排出路
54、66、75          シール部
55、67、68、76、77  測定流路
56    ポンプ
57    液溜部
120   レーザ光源
121   ＣＣＤ
122   コリメータレンズ
123   干渉光学系
124   集光レンズ
125   アパーチャー
134   ミラー
135   測定手段
140   光ビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0004173725.tif 000006
【図５】
0004173725.tif 000007
【図６】
0004173725.tif 000008
【図７】
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