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JP2003329580A - 測定装置および測定チップ - Google Patents

測定装置および測定チップ

Info

Publication number
JP2003329580A
JP2003329580A JP2002136516A JP2002136516A JP2003329580A JP 2003329580 A JP2003329580 A JP 2003329580A JP 2002136516 A JP2002136516 A JP 2002136516A JP 2002136516 A JP2002136516 A JP 2002136516A JP 2003329580 A JP2003329580 A JP 2003329580A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light beam
measuring
dielectric block
light
incident
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002136516A
Other languages
English (en)
Inventor
Katsumi Hayashi
克巳 林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Photo Film Co Ltd filed Critical Fuji Photo Film Co Ltd
Priority to JP2002136516A priority Critical patent/JP2003329580A/ja
Publication of JP2003329580A publication Critical patent/JP2003329580A/ja
Pending legal-status Critical Current

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エバネッセント波を利用した測定装置におい
て、測定チップに対して略一様に温度調整を行う。 【解決手段】 測定チップ9、測定チップ9を保持する
ホルダー80、光ビーム13を発生する光源であるレー
ザ光源14、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、測定チップ9の界面10b
で反射された光ビーム13を受光して光強度を検出する
光検出器17等からなる測定装置において、ホルダー8
0を熱伝導率の高い部材により構成し、これにさらに温
調手段を設ける。また、ホルダー80の内壁を測定チッ
プ9(シース70)の側面および底面と面接触するよう
にし、測定チップ9の全体から一様に熱を伝導させる。

Description

【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およびこの装置に
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ε 、ε とすると、以下の関
係がある。
【0008】
【数1】 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
ε、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20
00−398309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θ
SP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2001−3
30560号公報により提案している。
【0018】また、本出願人は、特願2001−397
411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を
用いる場合において、例えば、創薬研究分野等において
酵素反応を測定するような場合については、創薬に用い
られる酵素は最終的には人体で用いられるものであり、
また、一般に酵素反応は35〜40℃で反応が活発にな
るため、センシング物質および試料液の温度を人体に近
い温度である35〜40℃に管理して測定を行うことが
望ましい。
【0020】このように、一般的に各物質毎に測定する
のに最適な温度環境というものがあり、通常4〜40℃
程度の範囲で温度調整が行えることが望ましいが、現状
では上記測定装置は室温にて運用されており、温度調整
等も行われていないため最適な測定環境とは言えなかっ
た。
【0021】また、センシング物質および試料液は、温
度により屈折率が変化する。そのため、センシング物質
上に温度の異なる試料液を滴下すると、両者の温度差に
伴う屈折率の差により全反射減衰角θSPを測定する際
に測定誤差を生じてしまう。
【0022】上述のように、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は、セン
シング物質および試料液を受容した測定チップの温度
が、測定結果に大きく影響を与える。
【0023】そのため、測定チップに対して温度調整す
ることが望ましいが、一般的に測定チップの誘電体ブロ
ックは透明樹脂またはガラスにより成型されるため、測
定チップの周囲にヒーター等の温調手段を配しても、測
定チップ全体に対して一様に温度調整することができず
に測定チップ内において温度勾配が発生してしまうとい
う問題があった。
【0024】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、測定チップに対して略一様に温度調整すること
が可能な測定装置およびこの装置に用いる測定チップを
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】本発明による第1の測定
装置は、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
試料保持機構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
る測定装置において、誘電体ブロックと面接触して測定
チップを保持する、誘電体ブロックよりも熱伝導率の高
い部材により構成されたホルダーを備え、このホルダー
が、少なくとも光ビームの光路上に配される光学窓と、
ホルダーを介して測定チップの温度を調節する温調手段
とを備えたものであることを特徴とするものである。
【0026】また、本発明による第2の測定装置は、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機
構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
において、測定チップを外部と空間的に隔離する包囲部
材を備え、この包囲部材が、少なくとも光ビームの光路
上に配される光学窓と、包囲部材内の温度を調節する温
調手段とを備えたものであることを特徴とするものであ
る。
【0027】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。
【0028】本発明によ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.Ma
ndenius, 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。
【0029】また、P.I.Nikitin,A.N.Grigorenko,A.A.B
eloglazov,M.V.Valeiko,A.I.Savchuk,O.A.Savchuk, Sur
face Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Ar
rayBiosensing, 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。
【0030】上記第2の測定装置において包囲部材は、
樹脂やガラス等の断熱性の高い部材により構成されるこ
とが望ましい。
【0031】本発明による測定チップは、上記本発明に
よる測定装置に用いられる測定チップであって、誘電体
ブロックの外面に、誘電体ブロックよりも熱容量の大き
い部材により構成されるシースが設けられていることを
特徴とするものである。
【0032】
【発明の効果】本発明による第1の測定装置において
は、誘電体ブロックと面接触して測定チップを保持す
る、誘電体ブロックよりも熱伝導率の高い部材により構
成されたホルダーを設け、このホルダーに備えられる温
調手段によってホルダーを介して測定チップの温度調整
を行うことにより、測定チップの広範囲の領域から測定
チップに対して一様に熱を伝導させることができるた
め、測定チップ全体を略一様に温度調整することが可能
である。
【0033】また、本発明による第2の測定装置におい
ては、測定チップを外部と空間的に隔離する包囲部材を
備え、この包囲部材に備えられる温調手段によって包囲
部材内の温度調整を行うことにより、測定チップの広範
囲の領域から測定チップに対して一様に熱を伝導させる
ことができるため、測定チップ全体を略一様に温度調整
することが可能である。
【0034】さらに、本発明による測定チップは、上記
の測定装置に用いる測定チップであって、誘電体ブロッ
クの外面に、この誘電体ブロックよりも熱容量の大きい
部材により構成されるシースを設け、測定チップ全体の
熱容量を大きくしたので、測定チップの温度変動を小さ
くすることができる。
【0035】
【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。本発明の第1の実
施の形態の測定装置は、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
り、図1は本実施の形態の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。
【0036】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101
A、101B、101C…により構成されている。
【0037】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、この測定チ
ップ9を保持するホルダー80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1
3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1
9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。
【0038】測定チップ9の誘電体ブロック10は透明
樹脂からなるものであり、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101A、1
01B、101C…の測定チップの誘電体ブロックと一
体的に構成されている。この誘電体ブロック10の上面
10aには、各表面プラズモン測定ユニット101A、
101B、101C…に対応する複数の位置に試料液1
1を貯える試料保持機構として機能する凹部10cが設
けられている。
【0039】各凹部10cの底部には、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が
設けられている。なお、さらに金属膜12の上に後述す
るセンシング媒体30を設けてもよい。
【0040】また、誘電体ブロック10の外面には、誘
電体ブロック10よりも熱容量の大きい例えば金属等の
部材により構成されるシース70が設けられている。こ
のシース70の内壁は誘電体ブロック10の側面および
底面と面接触している。またシース70の側壁には、上
記光ビーム13の光路に対応する位置に開口部70aが
設けられている。このシース70を設けることにより測
定チップ9全体の熱容量が大きくなるため、測定チップ
9の温度変動を小さくすることができる。そのため、外
部の図示しないインキュベータ等により温度調整された
測定チップ9を測定装置にセットするために持ち運ぶ際
に、温度調整された温度を維持したまま運ぶことができ
る。
【0041】ホルダー80は、熱伝導率の高い例えばA
lやBs等の部材により構成されている。このホルダー
80の内壁は測定チップ9(シース70)の側面および
底面と面接触している。またホルダー80の側壁には、
上記光ビーム13の光路に対応する位置に開口部80a
が設けられている。さらに、ホルダー80の底面には温
調手段としてペルチェ素子81が設けられている。
【0042】ペルチェ素子81の下面にはヒートシンク
82が固着されている。さらにペルチェ素子81はコン
トローラ83と接続されており、このコントローラ83
により制御される。
【0043】ホルダー80をこのような構成とすること
により、測定チップ9の広範囲の領域から測定チップ9
に対して一様に熱を伝導させることができるため、測定
チップ9全体を略一様に温度調整することが可能であ
る。
【0044】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。
【0045】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。
【0046】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10
bに対してp偏光で入射させるには波長板で光ビーム1
3の偏光の向きを制御するようにしてもよい。
【0047】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。
【0048】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。
【0049】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。
【0050】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1
6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17
a、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1
3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。
【0051】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1
2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θ 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。
【0052】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。
【0053】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18
a、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。
【0054】上記フォトダイオード17a、17b、1
7c…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18
a、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。
【0055】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、22
b、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18
a、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。
【0056】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。
【0057】また図5の(2)は、フォトダイオード1
7a、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、17
b、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。
【0058】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。
【0059】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18
a、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θ
SP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
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θ SPを算出し、測定開
始時からの角度変化量を求め表示手段21に表示する。
【0060】上述のように、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、金属膜12に接している物質
の屈折率変化を調べることができる。
【0061】なお金属膜12の上に、試料液11の中の
特定物質と結合するセンシング媒体30を固定した場
合、試料液11とセンシング媒体30との結合状態に応
じてセンシング媒体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、この結合状態の
変化の様子を調べることができる。つまりこの場合は、
試料液11およびセンシング媒体30の双方が、分析対
象の試料となる。そのような特定物質とセンシング媒体
30との組合せとしては、例えば抗原と抗体等が挙げら
れる。
【0062】本実施の形態において、ホルダーは図6に
示すような構成としてもよい。図6に示すホルダー85
は、上記のホルダー80と比べて温調手段をペルチェ素
子81からヒートパイプ86に変更したものである。
【0063】このホルダー85の内部にはヒートパイプ
86が設けられており、このヒートパイプ86は熱源8
7に接続されている。また、熱源87はコントローラ8
8と接続されており、このコントローラ88により制御
される。このような態様でも、上記と同様の効果を得る
ことができる。
【0064】次に、本発明の第2の実施の形態について
説明する。第2の実施の形態の測定装置は、第1の実施
の形態の測定装置と同様の表面プラズモン測定装置であ
り、図7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。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。
【0065】本実施の形態の表面プラズモン測定装置1
02は、上記第1の実施の形態の表面プラズモン測定装
置101と比べ、ホルダーにより測定チップを保持する
代わりに、包囲部材内に測定チップを保持するようにし
た点が異なる。それ以外の構成は、図2に示した表面プ
ラズモン測定装置101と基本的に同様である。
【0066】この表面プラズモン測定装置102の各測
定ユニットは、測定チップ9と、この測定チップ9を外
部と空間的に隔離する包囲部材90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1
3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。また、表面プラズモン測定装
置102は、各測定ユニットの信号処理部20A、20
B、20C…に接続された1つの表示手段21を備えて
いる。
【0067】包囲部材90は断熱性の高い例えば樹脂や
ガラス等の部材により構成されている。包囲部材90の
内部には測定チップ9を保持するための保持部90cが
設けられている。また、包囲部材90の上面には測定チ
ップ9を出し入れするための蓋90bが設けられてお
り、側面には温調手段としてペルチェ素子91が設けら
れている。さらに、包囲部材90の側壁の上記光ビーム
13の光路に対応する位置には光ビーム13を透過させ
る光学窓90aが設けられている。
【0068】ペルチェ素子91の側面にはヒートシンク
92が固着されている。さらにペルチェ素子91はコン
トローラ93と接続されており、このコントローラ93
により制御される。
【0069】包囲部材90をこのような構成とすること
により、測定チップ9を外気から遮断して、測定チップ
9の広範囲の領域から測定チップ9に対して一様に熱を
伝導させることができるため、測定チップ9全体を略一
様に温度調整することが可能である。
【0070】本実施の形態において、包囲部材は図8に
示すような構成としてもよい。図8に示す包囲部材95
は、上記の包囲部材90と比べて温調手段をペルチェ素
子91からヒートパイプ96に変更したものである。
【0071】この包囲部材95の底面にはヒートパイプ
96が設けられており、このヒートパイプ96は熱源9
7に接続されている。また、熱源97はコントローラ9
8と接続されており、このコントローラ98により制御
される。このような態様でも、上記と同様の効果を得る
ことができる。
【0072】上記第1および第2の実施の形態で説明し
た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。
【0073】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。
【0074】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5
0に変更したものである。
【0075】レーザ光源14から射出された光ビーム1
3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13
R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1
3Rとの干渉の状態に応じて干渉縞を発生させる。
【0076】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。
【0077】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。
【0078】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。
【0079】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。
【0080】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10
b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。
【0081】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】本発明の実施の形態による表面プラズモン測定
装置の概略構成を示す平面図
【図2】第1の実施の形態の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】第1の実施の形態の別の表面プラズモン測定装
置の側面形状を示す図
【図7】第2の実施の形態の表面プラズモン測定装置の
側面形状を示す図
【図8】第2の実施の形態の別の表面プラズモン測定装
置の側面形状を示す図
【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 シース 80、85 ホルダー 90、95 包囲部材 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

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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機構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おいて、 前記誘電体ブロックと面接触して前記測定チップを保持
    する、前記誘電体ブロックよりも熱伝導率の高い部材に
    より構成されたホルダーを備え、 該ホルダーが、少なくとも前記光ビームの光路上に配さ
    れる光学窓と、 前記ホルダーを介して前記測定チップの温度を調節する
    温調手段とを備えたものであることを特徴とする測定装
    置。
  2. 【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機構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おいて、 前記測定チップを外部と空間的に隔離する包囲部材を備
    え、 該包囲部材が、少なくとも前記光ビームの光路上に配さ
    れる光学窓と、 該包囲部材内の温度を調節する温調手段とを備えたもの
    であることを特徴とする測定装置。
  3. 【請求項3】 請求項1および2記載の測定装置に用い
    られる測定チップであって、 前記誘電体ブロックの外面に、該誘電体ブロックよりも
    熱容量の大きい部材により構成されるシースが設けられ
    ていることを特徴とする測定チップ。
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