JPH05504626A - 化学又は生化学試験に用いる試料セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 化学又は生化学試験に用いる試料セル 本発明は、溶液中の分析物の測定に用いる光学的バイオセンサーに係り、特に、 共振光学的バイオセンサーに関するものである。

溶液中の生化学的分析物の自動検出に用いられる多くの装置が、近年、提案され ている。一般に、そうした装置（バイオセンサー）は、共振場の工ヴアネッセン ト領域に位置した感受性の被覆層を組み込んでいる。分析物の検出には、通常、 例えば表面プラズモン共振のような光学的手法を利用し、その層と分析物との相 互作用による被覆層の厚み及び／又は屈折率の変化に基ついている。

これは、例えば共振の角位置の変化を引き起こす。

光学的バイオセンサーへの活用が提示されている手法の一つとして、フラストレ イテットトータルリフレクションかある。このフラストレイテッドトータルリフ レクション（ｆｒｕｓｔｒａｔｅｄ　ｔｏｔａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　：　 Ｆ　ＴＲ）の原理は周知であり、この手法は例えば、Ｂｏｓａｃｃｈｉと０ｅｈ ｒｌｅによるＣ　Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ、　（１９８２）、　２１．２ １６７−２１７３）に記述されている。免疫試験に利用されるＦＴＰ装置は、米 国特許第４，８５７．２７３号に記載されており、これは、一方の側か試験下の 試料で、他方の側が基板に取り付けられているスペーサー層で、固定された空洞 層を含んでいる。接合された工ヴアネッセント領域はスペーサー層を貫通するた め、基板どスペーサー層との界面は、全反射が起こるような単色放射線により照 射される。スペーサー層の厚みか適当で、入射平行波数ベクトルが特定の共振モ ードの伝搬定数に整合すれば、全反射は妨げられ、放射は空洞層中へ結合される 。この空洞層は、スペーサー層よりも高い屈折率を持ち、入射放射の波長で透過 性の物質で構成されなければならない。

ごく最近、空洞層か比較的高い屈折率の物質の薄膜であるＦＴＲバイオセンサー か記載されている（例えば、ＰＣＴ特許出願Ｗ０９０１０６５０３）、特にその ような場合に取扱いの簡便さを図るため、空洞層が基板、例えばガラスチップ又 はスライド、の上に支持されることか一般に好ましい。

この種の装置に見出される問題は、励起放射を基板内へ結合する必要に関するも のである。これは一般的に、油、水又はグリセロールのような屈折率整合結合剤 の適当な薄層を塗布した、ガラスプリズム又はレンズ上に基板を取り付けること （こより行われている。このような装置は、例えば英国特許出願第２１９７０６ ５号及び欧州特許出願第３０５１０９号に記載されている。明らかに、日常的な 使用の面において、所定の位置に基板を置く前に、プリズムの表面にこの液体を 塗布する必要性は、装置の誤使用を通して又は油の汚染の結果により、測定中に 生じる誤りの機会をかなり増加させ、そしてそのために間違った結果を得てしま うといった、大きな不都合となる。また、装置のオペレーターに要求されるレベ ルは、このようなことのないように高いものが要求されている。

我々は、上記のような不都合を解決する又は実質的に軽減する共振光学的バイオ センサーの改良型を、ここに発明した。

従って、本発明によれば、共振光学的バイオセンサーを収納する透過性のブロッ クと、その中で一体的に形成される光学的結合手段と、を有する、分析物の定性 的又は定量的測定に用いられる試料セルを提供することができる。

本発明の装置は、測定装置中の試料セルの位置決めが、油のような屈折率整合剤 の塗布を必要としない点について、特に、有効である。この装置の使用の簡便さ は、これにより飛躍的に大きくなり、誤使用により引き起こされるエラーの可能 性は、対応して減少する。また、屈折率整合剤の使用の必要性の排除は、この様 な物質か一般に有毒性である点においても有効である。

共振光学的バイオセンサーは、透過性ブロックの上部に収容され、光学的結合か ブロックの下部に一体的に形成されることか、好ましい。「収容」は、バイオセ ンサーかブロック内部に封入又はその中のウェル中に位置することを必ずしも意 味しない。即ち、バイオセンサーは、例えば一般にブロックの平坦な表面に形成 してもよい。

同様に、「試料セル」は、試験下にある試料を保持する容器又はウェルを必ずし も意味しない。即ち、セルは、例えば試料の一滴か滴下され、はぼ平坦な頂部表 面を備えていてもよい。

日常的使用のためには、試料セルは使い捨てユニットであり、セルを検出装置に 簡単に載せ、使用後に取り除き、かつ、捨てることも可能である。

透過性ブロックには、入射及び反射放射線に対して透過性、即ち、入射放射線の 波長（単数又は複数）に殆と又は全く吸収性を示さない適当な物質であればよい 。製造の簡便性から、透過性物質は透明なプラスチックか好ましい。好適なこの ようなプラスチック物質は当業者には容易に明らかであろう。

一般に、この共振光学的バイオセンサーは、ａ）屈折率ｎ３の透過誘電物質の空 洞層と、ｂ）屈折率ｎ１の誘電基板と、 Ｃ）空洞層と基板の間に挿入された、屈折率ｎ２の誘電スペーサー層と、 を含み、基板とスペーサー層間の界面が全反射を起こすように光で放射された時 、空洞層内の共振導波モードの伝搬によって全反射か妨げられるように構成され ている。

ここで、「光」とは可視光だけでなく、このｉｉより長波及び短波、例えば紫外 及び赤外の波長も、含むことができる。

与えられた波長において、ある励起放射線の特定の入射角で、空洞層中の導波モ ードの共振伝搬が起こる。従って、２つの基本的な測定方法が可能である。即ち 、一つは、固定波長の入射角の走査、また、もう一つは固定入射角での波長の走 査である。前者の方法は、単色放射線を使用するので、光学的規準の問題を単純 化するレーサー源の使用か可能となり、また分散の影響を回避し、よって結果の 解析を単純化てきるため、より好ましい。

共振効果の角位置は、種々の層の屈折率及び厚さといった、バイオセンサー装置 の様々の要因に依存している。

通常、空洞層の屈折率ｎ３と基板の屈折率ｎ１か共にスペーサー層の屈折率ｎ２ を越えることか必要条件である。

また、共振に達するために、少なくとも１つのモートか空洞層中に存在しなけれ ばならないので、空洞層は、ある最低限の厚み以上を有していなければならない 。

空洞層は、誘電物質の薄膜であることが好ましい。空洞層に好適な透過誘電物質 には、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、酸化アルミニウム及び酸化タンタル が含まれる。

空洞層は、公知の方法により調整される。例えば真空蒸着法、スパッタリング法 、化学蒸着法又はインディフュージョン（内部拡散）が挙げられる。

誘電スペーサー層は、また、好ましくは入射放射線に対し透過性であり、空洞層 及び基板の双方よりも低い屈折率を有することが必要である。このスペーサー層 には、例えばフッ化マグネシウムの蒸着又はスパッタリングされた層が含まれる 。この場合、赤外光注入型レーザーを光源として使用することができる。この様 な光源からの光は、一般に約８００ｎｍの波長のものである。他の好適な物質に はフッ化リチウム及び二酸化ケイ素が挙げられる。前記の蒸着及びスパッタリン グ方法とは別に、スペーサー層はゾルゲル法により基板上に付着させる又は基板 との化学反応によって形成されてもよい。

ゾルゲル法はスペーサー層が二酸化ケイ素の場合に、特に好ましい。

基板の屈折率（ｎ、）はスペーサー層の屈折率（ｎ２）よりも大きくなければな らないか、基板の厚みは、通常、この発明の性能には重要ではない。

対照的に、空洞層の厚みは結合角の好適な範囲内で共振か起こるように選ばれな ければならない。スペーサー層は、一般に数１１００ｎオーダーの厚みを有し、 約２００〜２０００ｎｍ、より好ましくは５００〜１５００ｎｍ、例えば１１０ ００ｎである。空洞層は、一般に数１０ｎｍの厚みを有し、１０〜２００ｎｍ、 より好ましくは３０〜１５０ｎｍ、例えば１１００ｎである。

空洞層は、３０〜１５０ｎｍの厚みを有すと共に二酸化ジルコニウム、二酸化チ タン、酸化タンタル及び酸化アルミニウムから選ばれた物質を含み、そして、ス ペーサー層は、５００〜１５００ｎｍの厚みを有すと共にフッ化マグネシウム、 フッ化リチウム及び二酸化ケイ素から選ばれた物質を含み、これらの物質の選択 は、スペーサー層の屈折率か空洞層の屈折率より小さくなるようにすることか、 特に好ましい。

空洞層及びスペーサー層に好適な物質は、夫々酸化タンタル及び二酸化ケイ素で ある。

空洞層は一般に、その上に固定された生体分子、例えば試験下の分析物に特異的 な結合物、を備えることによって感受性となる。好適なこの結合物及びそれらの 固定化方法は当業者には明らかであろう。各空洞層は一つより多くの感受性部を 備えていてもよく、個々の感受性部は、同一の分析物又は他の分析物に感受性を 有してもよい。

透過性ブロック内に一体的に形成され得る光学的結合手段の一つの形感は回折格 子である。

この回折格子は、スペーサー層に隣接している表面とは反対側の基板の表面又は この表面に結合された追加の部分に形成することかできる。例えば、この回折格 子を、反対表面に取り付けられる薄い粘着層内に形成することができる。この場 合、基板は透過性ブロックを構成するか又はこのブロックの一部でもよい。

また、この回折格子は、基板が取り付けられる分離している透過性ブロックの外 面に形成してもよい。この場合、この透過性ブロックは、例えばプラスチック物 質の成形品が好ましい。

また他の好ましい光学的結合手段の形状は、プリズムである。このプリズムは、 例えばプラスチックの形成島部分を形成することが好ましい。このプリズムは、 従来のとのような形感例えば三角形、台形、長方形又は半円筒形、でもよい。

透過性ブロック内に形成された試料ウェルは、計量室としての役割も果たすこと かできる。ダクトは、試料がダクトに沿って試料ウェルに入るように装置内に形 成してもよい。ウェル内への試料の流れは、適当な表面処理、例えば湿潤剤によ るコーティングによって促進することができる。

共振光学的バイオセンサーが成形品の内部又は上部において収納される場合、バ イオセンサーの基板が、例えばガラスのチップであってもよい。これは、屈折率 整合接着剤又は流体を用いて、成形品に、例えばその中に形成された試料ウェル のベースに、結合されることが好ましい。

他の方法としては、成形品はそれ自身か、成形品の表面に直接付着されるバイオ センサーの基板、スペーサー層及び空洞層を構成してもよい。この装置は、製造 の単純性及び潜在的に有害な屈折率整合剤の全ての必要性の完全な排障という慌 て、利点を有する。

共振光学的バイオセンサーの収納と同様に、この成形品は試料ウェルを画定する 特徴を含み、取扱いを容易にする好適な形をとることができる。

特に好ましい実施例では、試料セルは、共振光学的バイオセンサーのスペーサー 層及び空洞層か上に被覆される成形透過性ブロックとブロック取付（例えば、ス ナップ−フィツト）ハウジングとを含み、このハウジングには、試料の入口、ブ ロックとハウジング間に画定される試料室、又はダクトが形成されている。

スペーサー層及び空洞層により被覆されるブロック、例えばプリズム、は、エッ ヂでごく軽く接続された複数のこのようなブロックより成るウエノへ−として成 形されることが好ましい。好ましくは、スペーサー層及び空洞層はウェハーの表 面に塗布され、個々のブロックはその後分離される。

この発明のおける試料セルは、一般に、光源及び適当な検出手段よりなる装置の 一部を形成するか、又は装置に関連して使用される。この試料セルは、このよう な装置のハウジング内のアパチャー（孔）に配置してもよい。

試料セルの適当な位置決めを確保するために適当なキーイング方法が設けられて もよい。

入射光源として簡便な放射線源はどんなものでも使用することかできるが、前述 したように、単色放射源を使用することが好ましく、最も簡便な放射線源はレー ザーである。レーザーの選択は、すてに挙げてきた数例の種々の層に用いられる 物質に、特に、依存する。

角度の走査は、連続的でも同時でもよく、即ち、平行ヒームの光の入射角を変え たり、又は、欧州特許出願第０．３０５，１０９Ａ号に（表面プラズモン共振に 関連して）記載されているような扇形ビームの光を用いて角度の範囲にわたって 同時放射することにより行ってもよい。前者の場合、角度範囲にわたって機械的 に走査する単一チャンネル検出器を用いることができる。角度の範囲か同時に照 射される後者の場合、角度分解能を存するマルチチャンネル検出器を用いること が、一般に必要であろう。

共振では、入射光はＦＴＰにより空洞層内へ結合し、空洞層に沿って特定の距離 を伝搬し、そして外部へ結合してゆく（これもＦＴＰによる）。伝搬距離は種々 の装置パラメーターに依存するか、一般に、■又は２ｍｍオーダーである。

通常、共振では反射光は、位相の変化を引き起こし、そして、この位相変化か起 きた角位置か検出される。

空洞層の表面の変化、例えば、固定化抗体への抗原の結合は、固定化生化学物質 の層の厚さに変化を生じさせ、これにより、共振の角位置が変わる。

ある構成において、例えば固定化種か入射放射線の波長で吸収していると、また 反射光の強度の減少も起こり得る。この場合、強度のこの減少を、結合過程をモ ニターするために用いてもよい。

この発明は、例示にすぎないか、下記の図面を参照して、更に詳しく説明する。

図１は、この発明における試料セルの平面図である。

図２は、図１の試料セルの端面図である。

図３は、分析装置のハウジング内に置かれた試料セルを示した図１のＩＩＩ　− ＩＩＩにおける断面図である。

図４は、この発明における試料セルの第２の実施例の、図３と同様の断面図であ る。

図５は、第３実施例の、図３と同様の断面図である。

図６は、第４実施例の、図３と同様の断面図である。

図７は、第５実施例の断面図であり、ここで、共振光学的バイオセンサーは、ハ ウジングにスナップ−フィッティングした成形プリズムの表面に直接形成されて いる。

そして、 図８は、図７のプリズムの製造に使用するウェハーの斜視図である。

まず、図１から３までを説明すれば、溶液中の生化学的分析物の測定に使用する 使い捨て試料セルは、方形断面のウェル２を規定する成形されたプラスチックブ ロックｌより構成されている。ブロックｌは、取扱いの簡易化のために一端にハ ンドル３を備えている。図３に示すように、ウェル２の内部に位置し、屈折率整 合接着剤層又は流体層４によりウェル２の基底に結合されているのが、共振光学 的バイオセンサー５．６．７．８である。

バイオセンサーは、約１０’ｍｍ方形で約１ｍｍの厚みを有したガラスチップ５ を含んでいる。二酸化ケイ素のスペーサー層６は、ガラスチップ５の上部表面に 形成され、約７００ｎｍの厚みを有している。スペーサー層６上に形成されてい るのは、二酸化ジルコニウムの空洞層である（厚み約４０ｎｍ）。ラメラ構造体 は、固定化された生化学種の層により完成される。この種類は、行われる試験（ アッセイ）方法に依存する。種々の層の厚みは、一定の割合に応してはいないが 、各図に単に概略的に示されている。

図２及び３に見られるように、ブロック１の下部は、台形のプリズム９として形 成されている。

使用には、試料セルは図３に示すように、適当な照射と検出装置を含む分析２置 のハウジング１０中のアパチャーに置かれる。レーサー（図示していない）から の単色放射線のビームは、図３の矢Ａに沿って試料セルに入射線する。放射線は プリズム９によりノ＜イオセンサー内・＼結合され、ガラスチップ５とスペーサ ー層６間の界面で、全体的に内部に反射される。特定の入射角において、反射は 、空洞層７内への放射線の共振結合により妨げられる。この空洞層７は、その下 の層６及びその上の層８のどちらよりも高い屈折率を有し、そのため、共振空洞 として働く。この角度で反射放射線（図３中矢Ｂ）か位相変化を起こす。

反射放射線の位相は、好適な検出器（図示せず）により、角度の関数としてモニ ターされ、共振が起こる角度か検出される。試験される分析物を含んだ試料か固 定化生化学種の層８に接触した後、この層の厚み及び／又は屈折率が変化し、共 振の角位置が変化する。この変化の割合（速度）及び／又は範囲がモニターされ 、この試料内の分析物の存在の定性的及び定量的表示を提供する。

図４はプリズム４９か半円筒状である他の実施例を示す。

図５で示されている試料セルでは、入力回折格子５１及び出力回折格子５２によ り、放射線が試料セルの内外に結合される。この入力回折格子５１及び出力回折 格子５２は、透明ブロックの下表面に形成される。

図６は、バイオセンサーの内外に放射線を結合するための回折格子を用いるもう 一つの実施例である。この実施例は図５とは異なり、ここでは第１及び第２の回 折格子６１及び６２はブロックの裏面ではなくガラスチップ６４の裏面に固定さ れた薄膜６３の層に置かれている。

アパチャー６５及び６６は、放射の出入りかできるように、ガラスチップ６５の ブロック下方に備えられている。

図７における実施例では、台形型のプリズム７１は透明なプラスチック物質から 成形され、約７００ｎｍの厚みの二酸化ケイ素層７２、約４０ｎｍの厚みの二酸 化ジルコニウム層７３及び固定化生化学物質の層７４により被覆されている。層 ７２及び７３は、共振光学的バイオセンサーのスペーサー層及び空洞層を構成す る。

被覆されたプリズム７１は、プラスチックノ＼ウレング７６内に、スナップ式に 固定（５ｎａｐ−ｆ　ｉ　ｔ　ｔｅｄ）されており、このプラスチックハウジン グ７６には、被覆されたプリズム７１の上部表面とハウジング７６の下部表面の 間に形成された毛細管状のダクト７８に接続される試料注入ロア７か、形成され ている。この毛細管状のダクト７８は、試料トラップ７９か終端となっている。

空気放出口８０は、試料トラップ７９に形成されている。

使用の際に、組立ユニット７１及び７６は、適当な装置のハウシング内のアパチ ャーに置かれる。スペーサー層７２の下部表面は、レーサーからの単色放射線の ビームで照射され、全内部反射か起こる。共振の角度位置は、上記に説明したよ うに決定される。

患者の指先を刺し、−滴の血液を絞り出す。−滴の血液を内部に挿入するために 、指先を試料注入ロア７に差し込む。血液は被覆されたプリズム７１の表面を横 切り、投入口から毛細管現象によりダクト７８に沿って送り込まれ、過剰の試料 は試料トラップ７９に集められる。共振の角位置の変化の範囲及び／又は割合（ 速度）は既に述へたようにモニターされる。

図８は、図７のブロック７１の製造に用いられる透過性プリズムのウェハー８１ を示している。このウニ／％　−８１は、ウェハー８１の一表面８４か略平坦に なるように、比較的薄い接続部分８３により軽く接続された３×３の台形状プリ ズムの略方形状部品として成形されている。光学的バイオセンサーを形成する物 質の層７２．７３．７４は平面８４に連続して塗布され、各々のプリズムは、分 離されハウジング７６内に固定される。

要約 分析物の定性的及び定量的測定に用いる試料セルは、共振光学的バイオセンサー ７２．７３．７４を収納する透過性ブロック７１を含んでいる。この光学的結合 手段は、プリズムか好ましい。

この試料セルは、光源及び適当な検出手段を含む機器に関連して使用される使い 捨て単体であることが好ましい。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）凶 平成　４年　９月　１日

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．共振光学的バイオセンサーを収納する透過性ブロックを含み、その内部に一 体的に形成される光学的結合手段を有する、分析物の定性的及び定量的測定に用 いられる試料セル。
2. ２．光学的バイオセンサーが、該ブロックの上部に収納され、光学的結合手段が そのブロックの下部に一体的に形成される、請求項１記載の試料セル。
3. ３．使い捨てユニットである、請求項１及び２記載の試料セル。
4. ４．透過性ブロックが透明プラスチック物質である、請求項１乃至３の内の１項 に記載の試料セル。
5. ５．光学的バイオセンサーが誘電物質の薄膜空洞層を含む、請求項１乃至４の内 の１項に記載の試料セル。
6. ６．光学的結合手段がプリズムである、請求項１乃至５の内の１項に記載の試料 セル。
7. ７．光学的結合手段が回折格子である、請求項１乃至５の内の１項に記載の試料 セル。
8. ８．透過性ブロックが、全部又は一部が成形品である、請求項１乃至７の内の１ 項に記載の試料セル。
9. ９．成形品が光学的バイオセンサーの基板を構成する、請求項８記載の試料セル 。
10. １０．共振光学的バイオセンサーのスペーサー層及び空洞層が上に被覆される成 形透過性プラスチックブロックと、該ブロックを取り付けるハウジングとを含み 、該ハウジングは、試料注入口、ブロック及びハウジング間に画定される試料室 又はダクトを有する、請求項１乃至９の内の１項に記載の試料セル。
11. １１． ａ）端部でごく軽く接続された複数の透過性ブロックを含む屈折率ｎ１をウェハ ーのプラスチック物質から成形し、 ｂ）ウェハーの表面へ、厚さ２００〜２０００ｎｍの、ｎ１より小さい屈折率ｎ ２の誘電物質層を塗布し、ｃ）ウェハーと同一表面へ、ｎ２より大きい屈折率ｎ ３の誘電物質層を塗布し、 ｄ）個々の透過性ブロックを分離する、ことを含む、請求項１乃至１０の内の１ 項に記載の試料セルの製造方法。
12. １２．ブロックがプリズムの形状をとる、請求項１１記載の方法。