JP2003287493A

JP2003287493A - 測定装置

Info

Publication number: JP2003287493A
Application number: JP2002088822A
Authority: JP
Inventors: Toshihito Kimura; 俊仁木村
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】全反射光を利用した測定装置において、スク
リーニングのスループットを向上させる。【解決手段】複数の測定ユニットを光ビーム30に対し
て直列な関係とする反射光学系35を備える。ウェル51と
該ウェルの底面に形成された金属膜12および該ウェルの
下方に突出した誘電体ブロック部52からなる測定ユニッ
トが２次元状に複数配列されてなる測定プレート50のQ1
列のＰ方向に並んだ複数のウェル51の界面に、光源10か
ら出射された光ビーム30入射手段20により分岐し並列的
に入射させ、該Q1列のウェル51の界面で反射した光ビー
ム30を反射光学系35の凹面鏡31により反射してQ2列のウ
ェル51の界面に入射させ、さらに、該界面で反射した光
ビーム30を凹面鏡32により反射してQ3列のウェル51の界
面に入射させ、該界面で反射した光ビームを光検出手段
27ａ〜ｅにより検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面プラズモンの
発生を利用して物質の特性を分析する表面プラズモン測
定装置等の全反射光によるエバネッセント波の発生を利
用した測定装置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液体試
料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、ｃを真空中の光速、ε_m とε_s をそれぞ
れ金属、被測定物質の誘電率とすると、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
_s、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、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。

【００１０】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。

【００１１】なお、表面プラズモン共鳴測定装置もしく
は漏洩モード測定装置等の全反射を利用した測定装置と
しては、光を界面に全反射条件が得られる入射角で入射
させ、その光によるエバネッセント波の発生により、界
面で全反射した光の状態の変化を測定することにより被
測定物質の特性分析等を行うに際して、前述の全反射減
衰を生じる特定入射角の測定をする装置のほか、複数の
波長の光ビームを界面に入射させ、角波長毎の全反射減
衰の程度を検出する装置、あるいは、光ビームを界面に
入射させるとともに、この光ビームの一部を、界面入射
前に分割し、この分割した光ビームを界面で反射した光
ビームと干渉させて、該干渉の状態を測定する装置等種
々のタイプがある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来提供さ
れている上記表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード
センサー等の全反射光を利用した測定装置においては、
多数の試料について測定する場合、測定に長時間を要す
るという問題が認められる。特に、例えば抗原抗体反応
や化学反応等に伴う変化を検出するために１つの試料に
ついて時間間隔をおいて何回か測定を行なう場合には、
その１つの試料に関する測定が終了しなければ新しい試
料の測定に入れず、試料全体の測定に非常に長い時間を
要してしまう。

【００１３】そこで、多数の試料についての測定を短時
間で行なうことができるようにするため、複数の光ビー
ムを並列的に並べられた複数の誘電体ブロックにそれぞ
れ入射させ、各誘電体ブロックの界面で反射された互い
に平行な光路を伝播するそれぞれの反射光ビームを、各
誘電体ブロックそれぞれに対応させて、並列的に並べら
れた複数の受光手段で個別に受光して全反射光の状態を
検出する測定装置も検討されている。このような測定装
置であれば、同時に複数の検体について測定を行うこと
ができるため、スループットの向上を図ることができ
る。

【００１４】しかしながら、１回の測定でＮ検体同時に
測定可能な測定装置としても、１回の測定にかかる時間
が１０分とし、例えば１万検体の測定に要する時間は１
００００×１０／Ｎ（分）である。光検出手段の数を増
加させることにより、同時に測定する検体数を増やすこ
とはできるが装置の肥大化を伴うため限界がある。すな
わち、従来のＮ検体同時に測定可能な測定装置とは、Ｎ
個の光検出手段を備えたものであり、同時に測定可能な
検体数を光検出手段の数より多くすることができないた
め、スクリーニングに要する時間の短縮化には限界があ
る。

【００１５】一方、スクリーニングにおける検体のヒッ
ト数は０．０１〜０．１％程度であり、同時に測定可能
なＮ検体中に１検体もヒットがない場合もある。したが
って、９８穴のマルチタイタプレート様の測定用プレー
トについて、１枚の測定用プレートの９８検体中にヒッ
トが１検体もない場合もある。したがって、このような
測定用プレートに時間をかけて高精度の測定をする必要
はない。

【００１６】本発明は上記の事情に鑑みて、より高速に
簡易なスクリーニングを行うことができる測定装置を提
供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の測定装置は、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上面に形成さ
れた薄膜層、およびこの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複数の測定ユニットと、前
記光ビームを、前記複数の測定ユニットの第１の測定ユ
ニットの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
ームを反射して、第２から第（２＋ｎ）の測定ユニット
の前記誘電体ブロックに対して、順次、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
で入射させる反射光学系と、前記第（２＋ｎ）の測定ユ
ニットの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ことを特徴とするものであ
る。

【００１８】すなわち、本発明の測定装置は、１つの光
検出手段において、光ビームに対して直列的に並べられ
た複数の測定ユニットにおける全反射光の状態が反映さ
れた光ビームを検出することを特徴とするものである。

【００１９】なお、光検出手段を複数備え、各光検出手
段毎に複数の測定ユニットにおける全反射光の状態が反
映された光ビームを検出するようにしてもよい。

【００２０】ここで、ｎは自然数（０，１，２，・・
・）である。

【００２１】上記測定装置は、上記薄膜層を、金属膜か
らなるものとし、前述の表面プラズモン共鳴による効果
を利用して測定を行なうように構成されたものとしても
よい。

【００２２】また、上記測定装置は、上記薄膜層を、誘
電体ブロックの前記上面に形成されたクラッド層と該ク
ラッド層上に形成された光導波層からなるものとし、該
光導波層における導波モードの励起による効果を利用し
て測定を行なうように構成されたものとしてもよい。

【００２３】またさらに、本発明による測定装置におい
ては、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.jo
hansen,C.-F.Mandenius, Porous Gold in Surface Plas
mon 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を検出するこ
とにより試料分析を行ってもよい。

【００２４】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。

【００２５】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、全反射減衰により発生した
暗線の位置（角度）を検出する測定装置の場合、前記反
射光学系は、反射機能と光収束機能を備えた１つもしく
は複数の光学素子により構成することができる。具体的
にはそれぞれ光収束機能、反射機能を有する、凹面とミ
ラーを備えてなるものであってもよいし、反射素子とし
てミラーを、光収束素子として凸レンズを備えてなるも
のであってもよい。光収束機能を有する凹面と反射機能
を有するミラーを備えてなるものとしては、両機能を同
時に有する凹面ミラーを備えた構成であってもよいし、
また、反射機能を有する反射素子としてミラーを備え、
測定ユニットの界面を凹面とすることにより該界面に光
収束機能を備えてなる構成としてもよい。なお、反射光
学系は、測定ユニットの一部に設けてもよいし、測定ユ
ニットとは別個に設けてもよい。

【００２６】また、光ビームを一定の入射角で入射さ
せ、光ビームの波長もしくは位相を利用した測定装置の
場合、前記反射光学系は、反射素子のみで構成すること
ができ、光収束機能は必ずしも必要でない。この場合
も、反射光学系は、測定ユニットの一部に設けてもよい
し、測定ユニットとは別個に設けてもよい。

【００２７】また、誘電体ブロックは、前記光ビームの
入射面および出射面と、前記薄膜層が形成される面とを
全て有する１つのブロックとして形成されたものであっ
てもよいし、前記光ビームの入射面および出射面を有す
る部分と、前記薄膜層が形成される面を有する部分の２
つが、屈折率マッチング手段を介して接合されてなるも
のであってもよい。

【００２８】複数の測定ユニットは、１次元配列、２次
元配列、３次元配列のいかなる配列であってもよく、反
射光学系を該配列に応じた構成とすればよい。

【００２９】複数の測定ユニットは、１個ずつ個別に形
成されたものであってもよいし、１次元もしくは二次元
に配列され一体的に形成されていてもよい。また、測定
ユニットが、薄膜層の表面上に試料を連続的に供給する
と共に、この供給された試料を連続的に排出する試料給
排手段を備えていてもよい。

【００３０】光検出手段により反射光の強度測定を行
い、反射光の状態を確認する。時間に伴い反射光の状態
の変化により、測定対象となった複数の測定ユニット中
におけるヒットの有無を得る。測定対象となった複数の
測定ユニットのいずれかがヒットした可能性が確認され
た場合、いずれの測定ユニットの検体がヒットしたかに
ついては、個々の測定ユニットの界面へ光ビームを入射
させ該界面からの反射光を測定する測定精度の高い従来
の測定装置を用いて測定を行うことにより特定すればよ
い。なお、本発明の測定装置が、従来の測定装置の機能
を有するものであってもよい。

【００３１】なお、特に、本発明の測定装置が、全反射
減衰が生じる入射角度に基づいた測定を行う測定装置で
ある場合には、前記複数の測定ユニットの薄膜層の厚み
をそれぞれ異なるものとする、誘電体ブロックの屈折率
を異なるものとする、各測定ユニットに分注するバッフ
ァーの屈折率を異なるものとする、あるいは、前記反射
光学系の、測定ユニット数に応じて配される複数の反射
素子の角度をそれぞれ異なるものとする等により、複数
の測定ユニットによって生じる暗線が分離して現れるよ
うにしてもよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明の測定装置は、反射光学系を備え
たことにより、複数の測定ユニットを１本の光ビームに
対して直列的に配置し、該複数の測定ユニットの界面で
入射および反射を繰り返してきた光ビームの強度を光検
出手段により測定するので、１つの光検出手段で複数の
測定ユニットにおける全反射光の状態を検出することが
できる。したがって、従来の測定装置と比較してスルー
プットを向上させることができる。

【００３３】例えば、Ｎ個の光検出手段を備えた測定装
置の場合、従来はＮ個の測定ユニットのみ同時に測定す
るものであったが、本発明のように、１本の光ビームに
対して複数の測定ユニットを直列に配置することによ
り、１つの光検出手段につきＭ個の測定ユニットを経た
光ビームを受光するようにしたとすると、同時にＮ×Ｍ
個の被検体についての測定を行うことができ、従来のＭ
倍の速度で被検体の測定を行うことができる。これは例
えば、数万個単位の被検体について特定のセンシング物
質との結合の有無を測定するスクリーニングのような場
合には、時間短縮の効果が顕著である。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。本発明の実施の形態の全反射光を
利用したセンサーは、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
スクリーニングを行うための装置であり、高速簡易スク
リーニングに用いられるものであり、複数の誘電体ブロ
ックに光ビームを並列的に入射させ、さらに直列的に並
べられた複数の測定ユニットへの入反射を経た光ビーム
の強度を光検出手段により測定して、複数の測定ユニッ
トの全反射減衰の状態を同時に検出する表面プラズモン
共鳴を利用した表面プラズモンセンサーである。図１は
本発明の第１の実施の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であり、図２はこの表面プラズモ
ンセンサーの側面形状を示すものである。

【００３５】本表面プラズモンセンサー１においては、
試料15を保持する複数のウェル（液溜め）51を有する測
定用プレート50が備えられており、複数の試料15につい
ての測定を短時間で効率よく行うことができる。該測定
用プレート50は、例えば透明樹脂等からなり、図３に拡
大して示す通り、上面に円錐の一部を切り取った形状の
複数のウェル51が設けられ、ウェル51の底面上に、金属
膜12およびセンシング物質14がこの順に固定されてい
る。また上記ウェル51の各々の下方に突出した誘電体ブ
ロック部52が形成され、この誘電体ブロック部52と上記
金属膜12との界面に測定用光ビーム30が入射されるよう
になっている。すなわち、１つのウェル51、ウェル底面
の金属膜12および誘電体ブロック52により１つの測定ユ
ニットが構成されており、測定用プレート50は、複数の
測定ユニットが２次元的に配列されてなる集合体とみな
すことができる。上記ウェル51は、図２に示されるよう
に横方向（矢印Ｐ方向）、縦方向（矢印Ｑ方向）にそれ
ぞれ複数並べて形成されており、この測定用プレート50
は、測定ユニット支持台60上にセットされた状態で測定
に供される。

【００３６】本表面プラズモンセンサーは光ビーム30を
出射するレーザ光源10と、該光源10から出射された光ビ
ーム30をプレート50において矢印Ｑ方向１列目（以後、
単にQ１列という）の矢印Ｐ方向に並んだ複数（本例で
は５個）のウェル51の底面に、並列的に入射させる入射
光学系20と、該Q１列のウェル51の界面で反射した光ビ
ーム30を、それぞれ同一行の矢印Ｑ方向２列目（以後、
Q2列という）のウェル51に入射させ、さらに該Q2列のウ
ェル51の界面で反射した光ビーム30を、矢印Ｑ方向３列
目（以後、Q3列という）のウェル51に入射させる反射光
学系35と、Q3列のウェル51の界面で反射した光ビーム30
をそれぞれ受光する矢印Ｐ方向のウェル数と同数の５個
の光検出手段27ａ〜ｅを備えてなる。

【００３７】入射光学系20は、レーザ光源10から発散光
状態で発せられた光ビーム30を平行光とするコリメータ
レンズ21、光ビーム30を分岐するハーフミラー22ａ〜ｄ
およびミラー23、分岐された光ビーム30を図２で示され
る面内のみで径を拡大するシリンドリカルビームエキス
パンダ24ａ〜ｅ、光ビーム30を反射するミラー25ａ〜
ｅ、該ミラー25ａ〜ｅで反射された光ビーム30を、図２
に示される面内のみで集光するシリンドリカルレンズ26
ａ〜ｅとを備えてなる。

【００３８】反射光学系35は、測定用プレート50を支持
する測定ユニット支持台60の一部に固設された凹面鏡3
1、32からなるものであり、図３に示すように、Q1列の
ウェル51の界面で反射した光ビーム30を、凹面鏡31によ
り反射し、Q2列のウェル51の界面でQ1列のウェル51の界
面での入射と略同一の入射角度範囲で入射するように収
束させ、さらに、Q2列のウェル51の界面で反射した光ビ
ーム30を、凹面鏡32により反射して同様にQ3列のウェル
51の界面に入射させるものである。この反射光学系35に
より、Ｑ方向に並んだ３つのウェル51は、光ビーム30に
対して直列な関係となっている。

【００３９】光検出手段27ａ〜ｅの各々は、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。

【００４０】１つのレーザ光源20から発散光状態で発せ
られた光ビーム30はコリメーターレンズ21で平行光とさ
れた後、ハーフミラー22ａ〜ｄとミラー23とによって５
本に分岐され、分岐された５本の光ビーム30が各々ウェ
ル51の底面、つまり誘電体ブロック部52と金属膜12との
界面に入射する。

【００４１】このとき、分岐された各光ビーム30は、そ
れぞれシリンドリカルビームエキスパンダ24ａ〜ｅによ
り図２に示される面内のみで径が拡大され、それぞれミ
ラー25ａ〜ｅで反射して進行方向を変えた後、それぞれ
シリンドリカルレンズ26ａ〜ｅにより図２に示される面
内のみで集光される。それにより各光ビーム30は、それ
ぞれ誘電体ブロック部52と金属膜12との界面に対して、
種々の入射角成分を持った状態で入射する。なおレーザ
光源20は、直線偏光である光ビーム30がｐ偏光状態で上
記界面に入射するようになる向きに配設されている。そ
の他、光ビーム30を界面に対してｐ偏光で入射させるに
は波長板で光ビーム30の偏光の向きを制御するようにし
てもよい。

【００４２】光ビーム30は、上述のように集光されるの
で、界面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、界面で全反射した反射光ビーム
30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20は、光ビーム30を界
面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、界面上の
より広い領域において光ビーム30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解消
角の測定精度を高めることができる。

【００４３】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。

【００４４】図２に示す通り、レーザ光源10から射出さ
れた光ビーム30は、入射光学系20を通して、Q1列のウェ
ル51の誘電体ブロック52と金属膜12との界面上に収束さ
れる。界面上に収束され、この界面で全反射された反射
光ビーム30は、次のQ2列のウェル51の界面に入射され、
該界面で反射され、さらに次のQ3列のウェル51の界面に
入射され反射される。Q3列のウェル51の界面で反射され
た反射光ビームが光検出手段27ａ〜ｅによって検出され
る。光検出手段27ａ〜ｅは、複数の受光素子であるフォ
トダイオードが１列に並設されてなるフォトダイオード
アレイである。したがって、上記界面において種々の反
射角で全反射された反射光ビーム30の各成分を、それぞ
れ異なるフォトダイオードが受光することになる。そし
て、受光手段27ａ〜ｅは、各フォトダイオードによって
検出された上記反射光ビーム30の強度分布を示す信号を
出力する。

【００４５】界面に特定入射角θ_ＳＰで入射した上記光
ビーム30の成分は、金属膜12と液体試料15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_ＳＰが
全反射解消角であり、この角度θ_ＳＰ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、
反射光ビーム30中の暗線として観察される。ウェル底面
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、それに応じて光強度極小領域（暗線位置）
が左右方向に変動する。

【００４６】本実施形態の場合、光ビーム30は、３つの
ウェル51の界面での入反射を繰返しているため、各界面
においてそれぞれ反射光に暗線が生じるはずであるが、
ここでは光ビームを各界面に同一入射角度範囲で入射さ
せているため、試料滴下前には暗線位置は略一致してお
り、光ビーム30の界面への入射角θと光検出手段で受光
した光ビームの光強度Ｉとの関係は、図４（ａ）に示す
ように、θ₀のみに極小値を有するプロファイルを示し
す。試料液を滴下後、光ビームのプロファイルをモニタ
し、暗線の変化を観察する。所定時間経過後、例えば図
４（ｂ）に示すように、極小値がθ_１とθ_２に分離して
現れた場合、すなわち一致していた暗線位置にずれを生
じたことを意味し、３つのウェルのうちいずれかのウェ
ル中の検体がセンシング物質14と結合した（ヒットし
た）と判断される。一方、暗線が分離することなく特異
な変化をするものがなければいずれのウェル中の検体も
ヒットしていないと判断される。したがって、いずれも
ヒットしていないと判断されたウェルのグループについ
ては従来の３倍の速度のスループットで処理を行うこと
ができる。結合が生じたもの、すなわちヒットがあった
ウェルのグループについては各ウェル毎に従来の装置を
用いて暗線位置の変化測定を行うことにより、いずれの
ウェルにおいてヒットがあったかを特定する。前述の通
り、創薬研究の分野におけるスクリーニングは、ヒット
数が０．０１％〜０．１％であることから、本実施形態
のように、複数のウェルを光ビームに対して直列配置し
同時に測定することにより、精度よく測定すべきウェル
数を大幅に減少させることができるため、結果としてス
ループットを向上し高速化を図ることができる。

【００４７】なお、上述の表面プラズモンセンサーにお
いて、測定ユニットの一部の構成を変更することにより
漏洩モードセンサーとすることができる。以下、図面を
用いて本発明の測定装置を漏洩モードセンサーとした場
合の実施形態について説明する。

【００４８】図５は、漏洩モードセンサーの測定ユニッ
トの一例を示す図である。なおこの図５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。

【００４９】漏洩モードセンサーは測定ユニットとし
て、上記と同様の複数のウェル51を備えた測定用プレー
ト50’を備えている。ただし、図５に示すようにウェル
51の底面に金属膜にかえて、クラッド層40が形成され、
さらにその上には光導波層41が形成されてなる。それ以
外の構成は上述の表面プラズモンセンサーと同一であ
る。

【００５０】測定用プレート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40は、該プレート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ＰＭ
ＭＡから形成する場合で７００ｎｍ程度とされる。

【００５１】上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、
レーザ光源10から射出された光ビーム30を誘電体ブロッ
ク部52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30の多くの成分が誘電
体ブロック部52とクラッド層40との界面で全反射する
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。光導波層41における導波光の波数は、該光導波
層41上の液体試料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である全反射解消角の変動を
知ることによって、特定物質の有無を得ることができ
る。

【００５２】漏洩モードセンサーにおいても測定ユニッ
ト支持台60に反射光学系35を備えており、複数のウェル
51の界面に順次入射させ、該界面で反射した光ビーム30
の強度を測定することにより、直列に配置した複数のウ
ェル51におけるヒットの有無を得ることができるため、
スループットの向上を図ることができる。

【００５３】上記実施形態においては、反射光学系が測
定ユニット支持台に設けられた形態としたが、図６に測
定ユニットおよび反射光学系の断面図を示すように、測
定ユニットの集合体である測定用プレートと反射光学系
が一体的に構成されていてもよい。図６に示す測定用プ
レート70は、図１で示した測定用プレート50と同様に矢
印Ｐ方向およびＱ方向に２次元的に配列された複数のウ
ェル71を備えている。一方、個々のウェル毎に誘電体ブ
ロック部が突出するように形成されているのではなく、
矢印Ｑ方向に並んだウェルの下部に該Ｑ方向に延びて形
成された誘電体ブロック部72を備えている。なお、誘電
体ブロック部72の底面の一部が凹面73、74とされるとと
もに、該凹面73、74が鏡面とされて光収束機能と反射機
能とを備えた凹面ミラーとして機能する反射光学系75を
構成している。

【００５４】誘電体ブロック部72の一面72ａから光ビー
ム30がQ1列のウェル71の界面に向けて入射され、該界面
で反射した光ビーム30が誘電体ブロック部72の一部に形
成された凹面73で反射され、Q2列のウェル71の界面に対
して該界面で収束するように入射され、さらに該界面で
反射された光ビーム30が凹面74で反射されてQ3列のウェ
ル71の界面に対して該界面で収束するように入射され
る。該Q3列のウェル71の界面で反射された光ビーム30は
誘電体ブロック部72の他面72ｂから出射され、光検出手
段で受光される。

【００５５】図７は、さらに別の測定ユニットおよび反
射光学系の断面図を示す。図７に示す測定ユニットの集
合体である測定用プレート80は、図６で示した測定用プ
レート50と同様に矢印Ｐ方向およびＱ方向に２次元的に
配列された複数のウェル81を備え、矢印Ｑ方向に並んだ
ウェルの下部に該Ｑ方向に延びて形成された誘電体ブロ
ック部82を備えている。ただし、誘電体ブロック部82の
底面は平面でありそのの一部に鏡面84が設けられてい
る。また、本測定用プレート80は、ウェル81の底面81ａ
が凹面とされており、すなわち誘電体ブロックと金属膜
12との界面が凹面であり、該凹面81ａと前記鏡面82とに
より光収束機能と反射機能とを備えた凹面とミラーから
なる反射光学系が構成されている。なお、この凹面状の
界面へ光ビームを入射させる際には、界面上で点状に集
光させるのではなく、デフォーカス状態で入射させ、該
界面での反射光が鏡面82で収束するように構成する。

【００５６】誘電体ブロック部82の一面82ａから光ビー
ム30がQ1列のウェル81の界面に向けて入射され、該界面
で反射した光ビーム30が誘電体ブロック部82の底面の一
部に形成された鏡面84で反射されQ2列のウェル81の界面
に入射され、さらに該界面で反射された光ビーム30がさ
らに鏡面84で反射されてQ3列のウェル81の界面に入射さ
れる。該Q3列のウェル81の界面で反射された光ビーム30
は誘電体ブロック部82の他面82ｂから出射され、光検出
手段で受光される。

【００５７】図６および図７の測定ユニットおよび反射
光学系の場合、光ビーム30は、各界面に対して略同一の
角度範囲で入射するため、試料液滴下前には、図４
（ａ）に示したように１本の暗線として観察され、その
後、時間の経過と共に、図４（ｂ）のように暗線が分離
する等のプロファイルの変化を観察することにより、ヒ
ットの有無を得ることができる。

【００５８】但し、上記の場合には、直列に並べた複数
のウェルのうちいずれのウェルがヒットしたかを特定す
ることはできず、その後、各ウェル毎の測定を行うこと
によりヒットしたウェルを特定する必要がある。

【００５９】図８は、さらに別の測定ユニットおよび反
射光学系の断面図を示す。図８において測定ユニットの
集合体である測定用プレート50は、図１で示した測定用
プレート50と同一のものである。一方、反射光学系95
は、測定ユニット支持台60に凹面鏡が備えられている点
では図３と同様であるが、２つの凹面鏡91、92の傾きが
互いに異なるように配置されている。

【００６０】光ビーム30がQ1列のウェル51の界面に最大
入射角θ１で入射され、該界面で反射した光ビーム30が
凹面鏡91により反射されQ2列のウェル51の界面に該界面
で収束するように入射される。このとき、光ビーム30の
最大入射角はθ２である。さらに、Q2列のウェル51の界
面で反射された光ビーム30は、凹面鏡92で反射されQ3列
のウェル51の界面で収束するように入射される。このと
きの光ビーム30の最大入射角はθ３（θ１＜θ２＜θ
３）である。該Q3列のウェル51の界面で反射された光ビ
ーム30が光検出手段で受光される。このように、凹面鏡
91、92により各界面に対して少しづつ異なる角度範囲で
光ビーム30が入射されるようにしておくと、試料滴下前
の光ビームプロファイルには図９（ａ）に示すように、
光検出手段上の異なる位置ｘ１、ｘ２、ｘ３に暗線が観
測される。試料滴下後、時間経過と共に暗線位置はずれ
るが、３本の暗線の間隔の変化によりヒットの有無を得
ることができる。例えば、試料滴下前の光ビームプロフ
ァイルが図９（ａ）で示されるようなものであり、試料
滴下して所定時間経過後、図９（ｂ）に示すように、３
本の暗線の間隔が変化したとする。この場合、ｘ２から
ｘ２’へ移動した暗線の位置変化は他の２本の暗線の変
化より大きく、このｘ２（ｘ２’）で表された暗線を発
生させたウェルの検体がヒットした可能性が大きいこと
を意味する。このようにウェル毎で発生する暗線の光検
出器上における位置がずれるようにすれば、いずれのウ
ェルがヒットしたかも同時に特定することができる。但
し、より多数のウェルを直列に配置して測定を行う場合
には、互いのウェル毎で暗線位置がずれるように設定し
ておいてもウェルと暗線位置を特定することが困難な場
合もあり、その場合には、光検出手段により検出された
光ビームプロファイルの変化により、ヒットしたものが
あると判断された場合に、個々のウェルの測定を行うこ
とができる測定装置により測定すればよい。

【００６１】図１０は、さらに別の測定ユニットおよび
反射光学系の断面図を示す。図１０に示す測定ユニット
100は、個々にチップ状に形成されたものである。測定
ユニットとしての測定チップ100は、例えば透明樹脂等
により形成された倒立截頭四角錐形状を有し、この測定
チップ100上部に、断面円形の検体保持穴113ａが形成さ
れて試料保持部113が構成されており、検体保持穴113ａ
の底面に金属膜12が被着されている。また、さらに金属
膜12上にはセンシング物質14が固着されている。この測
定チップ100の試料保持部113の下部が誘電体ブロック部
111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111ａ、光出射端面111ｂとされてい
る。測定チップ10は測定ユニット支持台120のＰ方向お
よびＱ方向に２次元状の配置で複数設けられたチップ保
持孔121に１個ずつ嵌合固定されている。なお、光ビー
ム30に対して直列的に（矢印Ｑ方向に）配置される複数
の測定チップ（ここでは３つの測定チップ）の検体保持
穴113ａの底面に形成されている金属膜12の厚みｔ１〜
ｔ３は互いに異なるものとされている。本実施形態の反
射光学系130は、測定チップ100の下方に配置された鏡面
131と該鏡面131上に配置された２つの凸レンズ132、133
とから構成されている。

【００６２】Q1列の測定チップ100の界面に対して光ビ
ーム30が入射され、該界面で反射した光ビーム30が、鏡
面131で反射され、凸レンズ132の作用によりQ2列の測定
チップ100の界面で収束するように入射され、さらに該
界面で反射された光ビーム30が、再び鏡面131で反射さ
れ、凸レンズ133の作用によりQ3列の測定チップ100の界
面で収束するように入射される。該Q3列の測定チップ10
0の界面で反射された光ビーム30が光検出手段で受光さ
れる。光ビームの界面への入射角度と金属膜12上の物質
の屈折率との関係は金属膜12の厚み毎で異なるため、光
検出手段で受光された光ビームのプロファイルには３本
の暗線がずれて観測される。試料滴下前、および試料滴
下後の所定時間、光ビームのプロファイルをモニタし、
３本の暗線の間隔の変化等によりヒットの有無を得るこ
とができる。例えば、３本の暗線の間隔等に顕著な変化
があれば、いずれかの測定チップの検体がヒットしたと
判断される。

【００６３】なお、各界面で生じる暗線の光検出手段上
での位置をずらせる方法としては、前述のように反射光
学手段の傾きを変える、金属膜の厚みをそれぞれ異なる
ものとするほか、各試料液のバッファーの屈折率を異な
るものとする、測定ユニットをチップ状のものとして構
成し、互いに異なる屈折率の誘電体ブロックを備えたも
のとする等種々の方法が考えられる。

【００６４】なお、上記実施形態においては、１次元に
並べられた測定ユニット（ウェル）を光ビームに対して
直列としたが、２次元、３次元的に配置された測定ユニ
ットを光ビームに対して直列とするように反射光学系を
構成してもよい。

【００６５】図１１は、本発明の測定装置の第２の実施
形態の表面プラズモンセンサーの概略を示す平面図であ
る。本実施形態の表面プラズモンセンサーにおいても図
１と同様の測定用プレート50を備えている。但し、測定
用プレート50に対して、入射光学系20'および光検出手
段27ａをそれぞれ１組のみ備え、図示しない反射光学系
により、光ビーム30が測定用プレート50の全てのウェル
51の界面に順次入反射するように構成されている。光ビ
ーム30は図中点線矢印で示す順に全てのウェル51を経て
光検出手段27ａで検出される。このように、反射光学系
により、２次元的に配列された複数の測定ユニットを光
ビーム30に対して直列なものとし、１つの光検出手段に
より、さらに多くの測定ユニットの界面での反射光の状
態を含む光ビームを検出することができ、光ビームに対
して直列的に並べられた複数の測定ユニット中における
ヒットの有無を得ることができる。

【００６６】なお、上述の各実施形態の測定装置は、光
源からの光ビームを界面に対して種々の角度で入射さ
せ、該界面からの反射光を測定し暗線となる入射角度の
変化から全反射減衰の状態を測定して被検体とセンシン
グ物質との結合状態を得るものであるが、光ビームの入
射角度を界面で全反射条件を満たす所定の角度とし、種
々の波長を有する光ビームを入射させる、もしくは入射
させる光ビームの波長を変化させ、界面からの反射光を
測定し、各波長毎の全反射減衰の状態により被検体とセ
ンシング物質との結合状態を得るようにしてもよい。

【００６７】また、本発明の測定装置の第３の実施形態
の表面プラズモンセンサーである光の位相を利用した測
定装置を図１２に示し、以下に説明する。図１２は光の
位相を利用した測定装置の概略断面図である。

【００６８】本実施の形態による表面プラズモンセンサ
ーにおいては、測定ユニットの集合体である測定用プレ
ート140として、図７に示した測定用プレート80と略同
様であるが、各ウェル141の底面141aが平面であるもの
を備えている。また、上記実施形態に用いたものと同様
に、Ｐ方向に並べられた５つのウェル141に対して並行
して光ビームを入射させるよう構成されている。また、
測定用プレと140の誘電体ブロック部142の底面の一部に
鏡面145が形成された反射光学系を構成している。な
お、本実施形態においては反射光学系に収束機能を備え
ていない。

【００６９】図１２に側面形状を示すように、本実施の
形態の表面プラズモンセンサーは、測定用プレート140
の誘電体ブロック142の光ビーム入射面142a側および出
射面142b側にそれぞれ、複数の光源334ａ〜ｅとＣＣＤ3
60ａ〜ｅとが配設されており、これら光源334ａ〜ｅと
ＣＣＤ360ａ〜ｅとの間には、コリメータレンズ350ａ〜
ｅ、干渉光学系、集光レンズ355ａ〜ｅおよびアパーチ
ャー356ａ〜ｅが配設されている。

【００７０】上記干渉光学系は、偏光フィルタ351ａ〜
ｅ、ハーフミラー352ａ〜ｅ、ハーフミラー353ａ〜ｅお
よびミラー354ａ〜ｅにより構成されている。

【００７１】さらに、ＣＣＤ360ａ〜ｅは信号処理部361
に接続されており、信号処理部361は表示部362に接続さ
れている。

【００７２】以下、本実施の形態の表面プラズモンセン
サーにおける試料の測定について説明する。なおここで
は、測定用プレート140のウェル141のうち、光源34ａお
よびＣＣＤ360ａに整合する状態とされたＰ方向１行の
ウェル141を例に取って説明を行なうが、その他のウェ
ルにおいても測定は同様になされる。

【００７３】光源334ａが駆動されて光ビーム330が発散
光の状態で出射される。この光ビーム330はコリメータ
レンズ350ａにより平行光化されて偏光フィルタ351ａに
入射する。偏光フィルタ351ａを透過して界面141ａに対
してｐ偏光で入射するようにされた光ビーム330は、ハ
ーフミラー352ａにより一部がレファレンス光ビーム330
Ｒとして分割され、ハーフミラー352ａを透過した残り
の光ビーム330ＳはQ1列のウェル141の界面141ａに入射
する。該界面141ａで全反射した光ビーム330Ｓは、鏡面
145で反射されてQ2列のウェル141の界面141ａに入射さ
れ、さらに該界面で反射された光ビーム330Ｓが、再び
鏡面145で反射されてQ3列のウェル141の界面に入射され
る。該Q3列のウェルの界面で反射された光ビーム330
Ｓ、およびミラー354ａで反射したレファレンス光ビー
ム330Ｒはハーフミラー353ａに入射して合成される。合
成された光ビーム330´は集光レンズ355ａにより集光さ
れ、アパーチャー356ａを通過してＣＣＤ360ａによって
検出される。このとき、ＣＣＤ360ａで検出される光ビ
ーム330´は、光ビーム330Ｓとレファレンス光ビーム33
0Ｒとの干渉の状態に応じて干渉縞を発生させる。

【００７４】特定物質とセンシング物質との結合状態に
応じてセンシング物質14の屈折率が変化すると、界面で
全反射した光ビームとリファレンス光ビームとの干渉状
態が変化するため、干渉縞の変化に応じて結合を有無を
検出することができる。本実施形態においては、複数の
ウェル141を光ビーム330に対して直列的に配しているの
で、直列に配された複数のウェル141のいずれかのウェ
ル中の検体がセンシング物質と結合すれば、干渉縞の変
化が検出される。

【００７５】信号処理部361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362に表示
される。本測定により、直列に配された複数のウェル14
1のいずれかのウェルの検体にヒットが認められた場合
には、個々のウェル毎の測定が可能な測定装置において
ヒットしたウェルの特定を行う。

【００７６】以上の測定操作はＰ方向の他の４行のウェ
ル141に対しても並行して同様になされる。

【００７７】なお信号処理部361は、５個のＣＣＤ360ａ
〜ｅに対してそれぞれ専用のものを設けてもよいし、あ
るいは５個のＣＣＤ360ａ〜ｅに対して共用のものを１
個だけ設けて、それらのＣＣＤ360ａ〜ｅが出力した光
量検出信号Ｓを順次処理するようにしても構わない。

【００７８】なお、この表面プラズモンセンサーの構成
を上記と同様に漏洩モードセンサに利用することができ
ることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態による表面プラズモンセンサ
ーの平面図

【図２】図１の表面プラズモンセンサーの側断面図

【図３】図２の表面プラズモンセンサーの測定用プレー
トおよび反射光学系の拡大図

【図４】暗線位置の変化を示す図

【図５】本発明の実施形態による漏洩モードセンサーの
一部側断面図

【図６】本発明の測定装置における別の測定ユニットお
よび反射光学系を示す側断面図

【図７】本発明の測定装置における別の測定ユニットお
よび反射光学系を示す側断面図

【図８】本発明の測定装置における別の測定ユニットお
よび反射光学系を示す側断面図

【図９】図８に示した測定ユニットおよび反射光学系を
備えた測定装置を利用した場合の暗線位置の変化を示す
図

【図１０】本発明の測定装置における別の測定ユニット
および反射光学系を示す側断面図

【図１１】本発明の第２の実施形態による表面プラズモ
ンセンサーの側面図

【図１２】本発明の第３の実施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】

10 光源 12 金属膜 14 センシング物質 20 入射光学系 27a〜e 光検出手段 30 光ビーム 31、32 凹面鏡 35 反射光学系 50 測定用プレート 51 ウェル 52 誘電体ブロック部 60 測定ユニット支持台

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G057 AA02 AB04 AB07 AC01 BA01 BB01 BB06 2G059 AA01 BB04 BB12 CC16 DD13 DD16 EE02 EE05 EE09 GG01 GG04 JJ11 JJ13 JJ14 JJ19 JJ22 KK04 MM01 MM03 MM09 MM11 PP04

Claims

【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
体ブロックの上面に形成された薄膜層、およびこの薄膜
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
複数の測定ユニットと、前記光ビームを、前記複数の測定ユニットの第１の測定
ユニットの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を反射して、第２から第
（２＋ｎ）の測定ユニットの界面に対して、順次、該界
面で全反射条件が得られる入射角で入射させる反射光学
系と、前記第（２＋ｎ）の測定ユニットの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
ことを特徴とする測定装置。
【請求項２】前記反射光学系が凹面とミラーからなる
ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項３】前記反射光学系がミラーと凸レンズから
なることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項４】前記複数の測定ユニットが一次元もしく
は二次元に配列され一体的に形成されていることを特徴
とする請求項１から３いずれか１項記載の測定装置。
【請求項５】前記複数の測定ユニットの前記薄膜層の
厚みがそれぞれ異なることを特徴とする請求項１から４
いずれか１項記載の測定装置。