JP2003329579A - Measurement chip - Google Patents
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Landscapes
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- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
【0001】[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に用いる測定チッ
プに関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to the total reflection of a light beam at the interface between a thin film layer in contact with a sample and a dielectric block to generate an evanescent wave, which causes changes in the intensity of the totally reflected light beam. The present invention relates to a measuring chip used in a measuring device using an evanescent wave that measures a value to analyze a sample.
【0002】[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。2. Description of the Related Art In a metal, free electrons oscillate collectively to generate compression waves called plasma waves. And, the quantized compression wave generated on the metal surface is
It is called surface plasmon.
【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)。Conventionally, various surface plasmon measuring devices have been proposed which analyze the characteristics of a substance to be measured by utilizing the phenomenon that the surface plasmon is excited by a light wave.
Among them, one that is particularly well known is one that uses a system called Kretschmann arrangement (see, for example, JP-A-6-167443).
【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。A surface plasmon measuring apparatus using the above system is basically a dielectric block formed in a prism shape, for example, and is contacted with a substance to be measured such as a sample liquid formed on one surface of the dielectric block. A metal film, a light source that generates a light beam, and an optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various angles so that total reflection conditions can be obtained at the interface between the dielectric block and the metal film. When,
The light detecting means is provided for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface to detect the state of surface plasmon resonance, that is, the state of attenuation of total reflection.
【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。In order to obtain various incident angles as described above, a relatively thin light beam may be incident on the interface by changing the incident angle, or may be incident on the light beam at various angles. A relatively thick light beam may be incident on the interface in a convergent light state or a divergent light state so as to include the component. In the former case, the light beam whose reflection angle changes according to the change of the incident angle of the incident light beam is detected by a small photodetector that moves in synchronization with the change of the reflection angle, or the direction of change of the reflection angle. It can be detected by an area sensor extending along. On the other hand, in the latter case, each light beam reflected at various reflection angles can be detected by an area sensor extending in a direction in which all the light beams can be received.
【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。In the surface plasmon measuring device having the above structure, when a light beam is incident on the metal film at a specific incident angle of a total reflection angle or more, an evanescent light having an electric field distribution in the substance to be measured in contact with the metal film. A wave is generated, and the surface plasmon is excited at the interface between the metal film and the substance to be measured by this evanescent wave. When the wave vector of the evanescent light is equal to the wave number of the surface plasmon and the wave number matching is established, both are in a resonance state and the energy of the light is transferred to the surface plasmon, so that at the interface between the dielectric block and the metal film. The intensity of the reflected light sharply decreases. This decrease in light intensity is generally detected as a dark line by the light detecting means. Note that the above resonance occurs only when the incident beam is p-polarized. Therefore, it is necessary to set in advance that the light beam is incident as p-polarized light.
【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εm 、εs とすると、以下の関
係がある。If the wave number of the surface plasmon is known from the incident angle at which the attenuated total reflection (ATR) occurs, that is, the attenuated total reflection angle θ SP , the permittivity of the substance to be measured can be obtained. That is, assuming that the wave number of the surface plasmon is K SP , the angular frequency of the surface plasmon is ω, the speed of light in vacuum is c, and the dielectric constants of the metal and the substance to be measured are ε m and ε s , respectively, the following relationships are established.
【0008】[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
εs、つまりは屈折率に関連する特性を求めることがで
きる。[Equation 1] That is, by knowing the attenuated total reflection angle θ SP , which is the incident angle at which the intensity of the reflected light decreases, it is possible to obtain the characteristic relating to the dielectric constant ε s of the substance to be measured, that is, the refractive index.
【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。In this type of surface plasmon measuring device, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-326194, an array is disclosed for the purpose of measuring the attenuated total reflection angle θ SP with high accuracy and a large dynamic range. It has been considered to use a light detection means in the shape of a circle. The light detecting means is formed by arranging a plurality of light receiving elements in a predetermined direction, and is arranged so that different light receiving elements receive the components of the light beam totally reflected at various reflection angles at the interface. It is a thing.
【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。In that case, there is provided a differentiating means for differentiating the photodetection signal output by each light receiving element of the array of light detecting means with respect to the arrangement direction of the light receiving element, and the differentiating means outputs this differentiating means. A property related to the refractive index of the substance to be measured is often obtained based on the value.
【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。Further, as a similar measuring device utilizing the attenuated total reflection (ATR), for example, "Spectroscopic Research" Vol. 47, No. 1 (1998), pages 21 to 23 and 26 to 27.
Leakage mode measuring devices described on the page are also known. This leak mode measuring device is basically a dielectric block formed, for example, in a prism shape, a clad layer formed on one surface of the dielectric block, and a clad layer formed on the clad layer for contact with a sample solution. An optical waveguide layer, a light source for generating a light beam, and the light beam at various angles with respect to the dielectric block so that total reflection conditions can be obtained at the interface between the dielectric block and the cladding layer. The optical system is configured to be incident, and a light detection unit that measures the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detects the excited state of the guided mode, that is, the attenuated total reflection state.
【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。In the leak mode measuring device having the above structure,
When a light beam is incident on the cladding layer through the dielectric block at an angle of incidence equal to or more than the total reflection angle, only light with a specific incident angle having a specific wave number is transmitted in the optical waveguide layer after passing through the cladding layer. It propagates in the guided mode. When the guided mode is excited in this manner, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer, so that the total reflection attenuation occurs in which the intensity of the light totally reflected at the interface sharply decreases.
Since the wave number of the guided light depends on the refractive index of the substance to be measured on the optical waveguide layer, the refractive index of the substance to be measured and the related measured substance to be measured can be obtained by knowing the specific incident angle at which attenuation of total reflection occurs. The properties of the substance can be analyzed.
【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。In this leak mode measuring device as well,
In order to detect the position of the dark line generated in the reflected light due to the attenuation of the total reflection, the above-mentioned array-shaped light detecting means can be used, and in addition to that, the differentiating means is often applied.
【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。The surface plasmon measuring device and the leak mode measuring device described above are sometimes used in random screening to find a specific substance that binds to a desired sensing substance in the field of drug discovery research and the like. A sensing substance is fixed as the substance to be measured on the thin film layer (a metal film in the case of a surface plasmon measuring device, a clad layer and an optical waveguide layer in the case of a leaky mode measuring device), and various sensing substances are fixed on the sensing substance. A sample solution in which a test object is dissolved in a solvent is added, and the angle of the above-described attenuated total reflection angle θ SP is measured every predetermined time.
【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。If the analyte in the sample solution binds to the sensing substance, this binding causes the refractive index of the sensing substance to change over time. Therefore, the attenuated total reflection angle theta SP was measured every predetermined time, and it is determined whether or not a change in the attenuated total reflection angle theta SP occurs, measure a binding state between a test substance and a sensing substance Then, based on the result, it can be determined whether or not the analyte is a specific substance that binds to the sensing substance.
Examples of such a combination of the specific substance and the sensing substance include an antigen and an antibody, or an antibody and an antibody. Specifically, a rabbit anti-human IgG antibody can be immobilized on the surface of the thin film layer as a sensing substance, and a human IgG antibody can be used as the specific substance.
【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。It should be noted that the angle itself of the attenuated total reflection angle θ SP does not necessarily have to be detected in order to measure the binding state between the analyte and the sensing substance. For example, it is also possible to add a sample solution to the sensing substance, measure the angle change amount of the total reflection attenuation angle θ SP after that, and measure the binding state based on the magnitude of the angle change amount. In the case of applying the above-mentioned array-shaped light detecting means and the differentiating means to the measuring apparatus using the attenuated total reflection, the variation amount of the differential value reflects the angular variation amount of the attenuated total reflection angle θ SP . Therefore, the binding state between the sensing substance and the analyte can be measured based on the amount of change in the differential value. (Patent application 20 by the applicant
No. 00-398309) In such a measurement method and apparatus using attenuation of total reflection, a cup-shaped or petri dish-shaped measurement chip in which a sensing substance is fixed on a thin film layer formed in advance on the bottom surface is used as a solvent. A sample liquid consisting of the subject is dropped and supplied, and the above-described attenuated total reflection angle θ
The angle change amount of SP is measured.
【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。The applicant of the present invention makes it possible to measure a large number of samples in a short time by sequentially measuring a plurality of measuring chips mounted on a turntable or the like. Device as Japanese Patent Laid-Open No. 2001-3
It is proposed by Japanese Patent No. 30560.
【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。The applicant of the present invention filed Japanese Patent Application No. 2001-397.
No. 411 also proposes a measuring device using attenuated total reflection that performs measurement using a measuring chip provided with a plurality of sample liquid holding portions. By using the measuring device having such a configuration, it is possible to simultaneously measure many samples without moving the measuring chip.
【0019】[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
は、例えば、創薬研究分野等における酵素反応を測定す
るような場合にも用いられることがある。この創薬に用
いられる酵素は最終的には人体(生体)内で用いられる
ものであり、この酵素の生体内での反応は、単に反応物
質同士の存在によって決まるものではなく酵素などの他
の物質の存在や、それら置かれる環境に大きく左右され
る。By the way, a measuring device such as a surface plasmon resonance measuring device or a leak mode sensor may be used, for example, in the case of measuring an enzymatic reaction in the field of drug discovery. The enzyme used for this drug discovery is ultimately used in the human body (living body), and the reaction of this enzyme in the living body is not simply determined by the presence of the reactants, but other enzymes such as enzymes. It greatly depends on the existence of substances and the environment in which they are placed.
【0020】このような反応に影響を及ぼす環境因子と
しては、温度、pH、イオン濃度(カリウム、カルシウ
ム、水素、一酸化窒素など)、他物質(酵素など)の濃
度などが挙げられる。例えば、胃の中での物質の反応
は、主としてpH、あるいは水素イオンの濃度に左右さ
れる。また、近年(1999年以降)の研究において
は、神経伝達因子として、一酸化窒素による影響が注目
されている。一方、ヘモグロビンや肺においては酸素や
二酸化炭素のガス分圧が重要である。Environmental factors that influence such reactions include temperature, pH, ion concentration (potassium, calcium, hydrogen, nitric oxide, etc.), concentration of other substances (enzyme, etc.), and the like. For example, the reaction of substances in the stomach depends mainly on pH or the concentration of hydrogen ions. Further, in recent years (1999 and after), the influence of nitric oxide has attracted attention as a neurotransmitter. On the other hand, the partial pressures of oxygen and carbon dioxide are important in hemoglobin and lungs.
【0021】このように、特に生体内の反応を想定した
測定においては、試料周辺の環境因子の状態を測定する
ことは非常に重要なことであるが、従来、このような環
境因子の状態の測定は行われていないため、実際の生体
内の反応と一概に比較することができなかった。As described above, it is very important to measure the state of the environmental factors around the sample, especially in the measurement in which the reaction in the living body is assumed. Since the measurement was not performed, it was not possible to make a general comparison with the actual in vivo reaction.
【0022】また、上記のような酵素反応に伴って、周
囲の温度、pH、イオン濃度等が変化する場合もあるた
め、これらの環境因子の状態の変化を測定することによ
って、酵素反応、すなわち測定チップ内の試料液の結合
状態の変化に伴って表れる種々の現象を確認することが
できるようになる。In addition, since the ambient temperature, pH, ion concentration, etc. may change due to the enzyme reaction as described above, the enzyme reaction, that is, the It becomes possible to confirm various phenomena that appear with changes in the binding state of the sample liquid in the measurement chip.
【0023】上述ように、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、測定チッ
プ内の試料周辺の環境因子の状態を測定することは非常
に重要な意味を持つため、これら種々の環境因子が測定
できることが望まれている。As described above, in a measuring device such as a surface plasmon resonance measuring device or a leaky mode sensor, it is very important to measure the state of environmental factors around the sample in the measuring chip. It is desired to be able to measure environmental factors.
【0024】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、上述のような測定装置に用いられる測定チップ
内の試料周辺の環境因子を測定することが可能な測定チ
ップを提供することを目的とするものである。The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a measuring chip capable of measuring environmental factors around a sample in a measuring chip used in the above-described measuring apparatus. It is intended.
【0025】[0025]
【課題を解決するための手段】本発明による測定チップ
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
保持部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
装置に用いられる測定チップであって、試料保持部内の
環境因子の状態を測定する環境因子測定手段を備えたこ
とを特徴とするものである。A measuring chip according to the present invention comprises a dielectric block, a thin film layer formed on one surface of the dielectric block, and a sample holder for holding a sample on the surface of the thin film layer. A measuring chip, a light source that generates a light beam, an incident optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at an incident angle at which the total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the thin film layer, and the interface. A measuring chip used in a measuring device comprising a light detecting means for measuring the intensity of the light beam totally reflected by the measuring instrument, comprising an environmental factor measuring means for measuring the state of environmental factors in the sample holder. It is a feature.
【0026】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。As the above-mentioned measuring device, the above-mentioned surface plasmon measuring device using a metal film as the above-mentioned thin film layer, a clad layer formed on one surface of the dielectric block,
There is the above-mentioned leaky mode measuring device which uses a layer composed of an optical waveguide layer formed on the clad layer as the thin film layer.
【0027】本発明による測定チップを用いる測定装置
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.Noor
t,K.johansen,C.-F.Mandenius, Porous Gold inSurface
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。In the measuring device using the measuring chip according to the present invention, there are various methods for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface by the light detecting means to analyze the sample. The intensity of the light beam totally reflected at the interface is measured for each position corresponding to each incident angle by making the light incident at various incident angles at which the total reflection condition is obtained at the interface, and the position of the dark line generated by the attenuated total reflection is measured. Sample analysis may be performed by detecting (angle), DVNoor
t, K.johansen, C.-F.Mandenius, Porous Gold in Surface
Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII,
As described in 1999, pp.585-588, a light beam having a plurality of wavelengths is made incident at an incident angle at which total reflection conditions are obtained at the interface, and the light beam totally reflected at the interface for each wavelength is The sample analysis may be performed by measuring the intensity and detecting the degree of total reflection attenuation (position and degree of dark line) for each wavelength.
【0028】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。Also, PINikitin, ANGrigorenko, AAB
eloglazov, MVValeiko, AISavchuk, OASavchuk, Sur
face Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Ar
rayBiosensing, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.235-238
The light beam is incident at an angle of incidence such that total internal reflection conditions are obtained at the interface, and a portion of the light beam is split before the light beam enters the interface; The sample analysis may be performed by causing the divided light beam to interfere with the light beam totally reflected at the interface and measuring the intensity of the light beam after the interference.
【0029】本発明による測定チップにおいては、環境
因子測定手段によりイオン濃度、温度、pH、光強度、
放射線強度、バイオ物質濃度のいずれかの測定を行える
ことが望ましい。In the measuring chip according to the present invention, the ion concentration, temperature, pH, light intensity,
It is desirable to be able to measure either radiation intensity or biosubstance concentration.
【0030】また、環境因子測定手段は、試料保持部を
構成する機能性樹脂により構成してもよい。The environmental factor measuring means may be composed of a functional resin that constitutes the sample holding portion.
【0031】[0031]
【発明の効果】本発明による測定チップにおいては、環
境因子測定手段を備えて、試料保持部内の環境因子の状
態を測定できるようにしたので、測定装置による試料の
屈折率の測定の他に、測定時における試料周囲の環境因
子の状態や、試料の状態の変化に伴って表れる種々の環
境因子の状態の変化を測定することができる。The measuring chip according to the present invention is provided with the environmental factor measuring means so that the state of the environmental factor in the sample holder can be measured. Therefore, in addition to the measurement of the refractive index of the sample by the measuring device, It is possible to measure the state of environmental factors around the sample at the time of measurement, and the changes in the states of various environmental factors that appear with changes in the state of the sample.
【0032】[0032]
【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。図1は本発明の一
実施の形態による測定チップを用いた表面プラズモン測
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。この
表面プラズモン測定装置は、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
ある。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a surface plasmon measuring device using a measuring chip according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a side surface shape of the surface plasmon measuring device. This surface plasmon measuring device is a surface plasmon measuring device capable of simultaneously analyzing a plurality of samples by making light beams incident on a plurality of dielectric blocks in parallel.
【0033】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。The surface plasmon measuring device 101 is composed of a plurality of surface plasmon measuring units 101 having the same structure.
A, 101B, 101C ...
【0034】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、光ビーム1
3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1
5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。The configuration of each measuring unit will be described by omitting the symbols A, B, C ... Representing the individual elements. Each measuring unit comprises a measuring tip 9 and a light beam 1.
A laser light source 14 which is a light source for generating 3 and an incident optical system 1 for making the light beam 13 incident on the measuring chip 9.
5, a collimator lens 16 that collimates the light beam 13 reflected by the measuring chip 9 and emits the collimator lens 16 toward the photodetector 17, and a light intensity of the light beam 13 emitted from the collimator lens 16 A photodetector 17 for detecting
It includes a differential amplifier array 18 connected to the photodetector 17, a driver 19 connected to the differential amplifier array 18, and a signal processing unit 20 connected to the driver 19 such as a computer system.
【0035】測定チップ9は、四角錐の4つの稜線が集
まる頂角を含む一部分が切り取られ、かつこの四角錐の
底面(図中上面10a)に試料液11を貯える試料保持
機構として機能する凹部10cが形成された形状の誘電
体ブロック10と、この誘電体ブロック10の凹部10
cの底面に形成された、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とからなる。この
誘電体ブロック10は、例えば透明樹脂等により形成す
ることができる。A part of the measuring chip 9 including the apex angle at which the four ridges of the quadrangular pyramid are gathered is cut out, and the bottom surface of the quadrangular pyramid (the upper surface 10a in the figure) functions as a sample holding mechanism for storing the sample solution 11. A dielectric block 10 having a shape in which 10c is formed, and a recess 10 of the dielectric block 10.
and a metal film 12 which is a thin film layer made of, for example, gold, silver, copper, aluminum or the like, formed on the bottom surface of c. The dielectric block 10 can be formed of, for example, a transparent resin or the like.
【0036】さらに測定チップ9の上面には凹部10c
を覆う蓋72が設けられており、この蓋72に環境因子
測定手段としてのイオンセンサー71が取り付けられて
いる。イオンセンサー71は測定部70に接続されてお
り、この測定部70はイオンセンサー71により検出さ
れた信号をA/D変換して信号処理部20に対して出力
する。Further, a concave portion 10c is formed on the upper surface of the measuring chip 9.
Is provided with an ion sensor 71 as an environmental factor measuring means. The ion sensor 71 is connected to the measurement unit 70, and the measurement unit 70 A / D converts the signal detected by the ion sensor 71 and outputs the signal to the signal processing unit 20.
【0037】なお、測定チップ9の誘電体ブロック10
は、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の測定チップの誘電体ブロックと一
体的に構成されたものであってもよい。その場合、蓋7
2は、一体的に構成してもよいし、個別に設けてもよ
い。The dielectric block 10 of the measuring chip 9
As shown in FIG. 3, may be integrally formed with the dielectric block of the measurement chip of the plurality of surface plasmon measurement units adjacent to each other. In that case, the lid 7
2 may be integrally configured or may be individually provided.
【0038】本実施の形態の測定装置においては、図6
(A)に模式図を示すように、測定チップの金属膜12
の上に、一部表面に膜タンパク30aが形成された生物
細胞をセンシング物質30として固定し、生物細胞(セ
ンシング物質30)上にリガンド11aを含む試料液1
1を滴下して、反応を測定するものとする。In the measuring device of the present embodiment, FIG.
As shown in the schematic view of FIG.
A biological solution having a membrane protein 30a formed on its surface is immobilized as a sensing substance 30, and a sample solution 1 containing the ligand 11a on the biological cell (sensing substance 30)
1 shall be dropped and the reaction shall be measured.
【0039】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。The incident optical system 15 has a collimator lens 15a for collimating the light beam 13 emitted from the laser light source 14, and a condenser for converging the collimated light beam 13 toward the interface 10b. It is composed of a lens 15b.
【0040】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。Since the light beam 13 is condensed by the condensing lens 15b as described above, it contains components that are incident on the interface 10b at various incident angles θ. The incident angle θ is set to an angle equal to or larger than the total reflection angle. Therefore, the light beam 13 totally reflected at the interface 10b contains components totally reflected at various reflection angles. The incident optical system 15 directs the light beam 13 into the interface 10b.
The light may be incident in a defocused state without being condensed in a point shape. By doing so, the interface 10b
Since the light beam 13 is totally reflected in the wider area above, the detection error of the attenuated total reflection state is averaged, and the measurement accuracy of the attenuated total reflection angle can be improved.
【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。The light beam 13 is incident on the interface 10b as p-polarized light. In order to do so, the laser light source 14 may be arranged in advance so that the polarization direction thereof is the above predetermined direction. In addition, the light beam 13 is applied to the interface 10
To make p-polarized light incident on b, use a wave plate 1
The direction of the polarized light of No. 3 may be controlled.
【0042】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。Further, the surface plasmon measuring device 101 is
Signal processing units 20A, 20B, 20C of each measurement unit ...
It has one display means 21 connected to.
【0043】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。The sample analysis by the surface plasmon measuring device having the above structure will be described below.
【0044】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。As shown in FIG. 2, the light beam 13 emitted from the laser light source 14 is focused on the interface 10b between the dielectric block 10 and the metal film 12 through the incident optical system 15.
【0045】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。It converges on the interface 10b, and this interface 10b
The light beam 13 totally reflected by the collimator lens 1
It is detected by the photodetector 17 through 6. The photodetector 17 is a photodiode 17 which is a plurality of light receiving elements.
is a photodiode array in which a, 17b, 17c ... Are arranged side by side in a row, and the parallel arrangement of the photodiodes is performed through the collimator lens 16 such that the parallel arrangement direction of the photodiodes is substantially parallel to the paper surface of FIG. Incident light beam 1
It is arranged so as to be substantially orthogonal to the propagation direction of 3. Therefore, the different photodiodes 17a, 17b, 17c, ... Receive the respective components of the light beam 13 totally reflected at various reflection angles at the interface 10b. Then, the photodetector 17 outputs a signal indicating the intensity distribution of the light beam 13 detected by the photodiodes 17a, 17b, 17c ...
【0046】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θS P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。The component of the light beam 13 incident on the interface 10b at the specific incident angle θ SP is the metal film 12 and the metal film 1.
Since surface plasmons are excited at the interface with the substance in contact with 2, the reflected light intensity sharply decreases for this light. That the specific incident angle theta S P is attenuated total reflection angle, the reflected light intensity at the angle theta SP indicates a minimum value. The region where the reflected light intensity decreases is observed as a dark line in the light beam 13 totally reflected at the interface 10b, as shown in FIG.
【0047】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。Next, the processing of the signal indicating the intensity distribution of the light beam 13 output from the photodetector 17 will be described in detail.
【0048】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。FIG. 4 is a block diagram showing the electrical configuration of this surface plasmon measuring device. As shown in the figure, the driver 19 is provided for each differential amplifier 18 of the differential amplifier array 18.
The sample-hold circuits 22a, 22b, 22c, which sample and hold the outputs of a, 18b, 18c ..., the multiplexer 23 to which the outputs of these sample-hold circuits 22a, 22b, 22c. A / D converter 24 which is converted to be input to the signal processing unit 20, a driving circuit 25 which drives the multiplexer 23 and the sample and hold circuits 22a, 22b, 22c ..., And a driving circuit 25 based on an instruction from the signal processing unit 20. It is composed of a controller 26 for controlling the operation of.
【0049】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。The photodiodes 17a, 17b, 1
.. of the differential amplifier array 18 are input to the differential amplifiers 18a, 18b, 18c. At this time, the outputs of two photodiodes adjacent to each other are input to a common differential amplifier. Therefore, each differential amplifier 18
The outputs of a, 18b, 18c ... Are the photodetection signals output by the plurality of photodiodes 17a, 17b, 17c.
It can be considered that they are differentiated with respect to their juxtaposition direction.
【0050】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。The outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c ... Are sample and hold circuits 22a, 22 respectively.
.. are sample-held at a predetermined timing by b, 22c, ... And inputted to the multiplexer 23. The multiplexer 23 uses the sample-and-hold differential amplifiers 18
Outputs a, 18b, 18c, ...
Input to the / D converter 24. The A / D converter 24 digitizes these outputs and inputs them to the signal processing unit 20.
【0051】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。FIG. 5 illustrates the relationship between the light intensity of the light beam 13 totally reflected at the interface 10b for each incident angle θ on the interface 10b and the outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c. is there. Here, it is assumed that the relationship between the incident angle θ of the light beam 13 on the interface 10b and the light intensity I of the reflected light beam 13 is as shown in the graph of FIG.
【0052】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。Further, FIG. 5B shows the photodiode 1
7a, 17b, 17c, ... Are shown in parallel, and as described above, these photodiodes 17a, 17b are provided.
The positions of b, 17c, ... Arranged in parallel are uniquely corresponding to the incident angle θ.
【0053】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。Then, the photodiodes 17a, 17b,
The relation between the positions of the 17c in parallel, that is, the incident angle θ, and the output I ′ (differential value of the reflected light intensity I) of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c, ... Is as shown in FIG. It will be
【0054】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を
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る。The signal processing unit 20 outputs from the A / D converter 24.
Based on the input differential value I ′, the differential amplifier 18
From a, 18b, 18c ...
Attenuation angle θSPThe differential value I '=
An output that is closest to 0 is obtained (example in Fig. 5 (3))
Then it becomes a differential amplifier 18e) and a negative value as a differential value
And the total reflection attenuation angle θSPDifferential value I'corresponding to
Output that is closest to = 0 (see (3) in FIG.
Select the difference amplifier 18d in the example), and select the difference between them.
The total reflection attenuation angle θ based on the differential value output from the dynamic amplifier
SPTo calculate. In some cases, the differential value I ′ = 0
There may be a differential amplifier that outputs
Then the total reflection attenuation angle θ based on the differential amplifierSPTo
calculate. After that, every time a predetermined time elapses, the same as above
Repeated operation, attenuated total reflection angle θ SPTo calculate the measurement
Find the amount of angle change from the beginning.
【0055】上述のように、測定チップの金属膜12に
接しているセンシング物質30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、センシング物
質30の反応の有無を調べることができる。As described above, when the permittivity of the sensing substance 30 in contact with the metal film 12 of the measuring chip, that is, the refractive index, changes, the attenuated total reflection angle θ SP also changes accordingly. By continuously measuring the amount of change in the angle θ SP over time, it is possible to check whether or not the sensing substance 30 has reacted.
【0056】本例では、センシング物質30として、一
部表面に膜タンパク30aが形成された生物細胞を用
い、この生物細胞上にリガンド11aを含む試料液11
を滴下して反応の有無を測定しているが、図6(B)に
示すように、生物細胞の一部に形成されている膜タンパ
ク30aとリガンド11aとが結合すると、生物細胞
(センシング物質30)の屈折率が変化するとともに、
膜タンパク30aが細胞内のカルシウムイオン30bを
透過させるようになるため、試料液11中のカルシウム
イオン濃度が上昇する。In this example, as the sensing substance 30, a biological cell having a membrane protein 30a partially formed on its surface is used, and the sample solution 11 containing the ligand 11a on the biological cell is used.
Although the presence or absence of the reaction is measured by dripping, as shown in FIG. 6 (B), when the membrane protein 30a formed in a part of the biological cell is bound to the ligand 11a, the biological cell (sensing substance) is detected. As the refractive index of 30) changes,
Since the membrane protein 30a becomes permeable to intracellular calcium ions 30b, the calcium ion concentration in the sample solution 11 increases.
【0057】本実施の形態による測定チップ9は、イオ
ンセンサー71(環境因子測定手段)を備えているた
め、生物細胞(センシング物質30)の屈折率の変化と
ともに、試料液11中のカルシウムイオン濃度(環境因
子の状態)の測定を行うことができる。図7に示すよう
に、これらの測定結果は信号処理部20により表示手段
21に表示される。Since the measuring chip 9 according to this embodiment is equipped with the ion sensor 71 (environmental factor measuring means), the calcium ion concentration in the sample solution 11 changes as the refractive index of biological cells (sensing substance 30) changes. (State of environmental factors) can be measured. As shown in FIG. 7, these measurement results are displayed on the display means 21 by the signal processing unit 20.
【0058】本発明による測定チップにおいて、環境因
子測定手段は上記のようなイオンセンサーに限らず、温
度、pH、光強度、放射線強度、バイオ物質濃度等のセ
ンサーとしてもよい。また、センサーの配置位置も上記
のような蓋に設ける態様に限らず、誘電体ブロックの側
面に設ける等種々の態様としてもよい。In the measuring chip according to the present invention, the environmental factor measuring means is not limited to the ion sensor as described above, but may be a sensor for temperature, pH, light intensity, radiation intensity, bio substance concentration, or the like. Further, the arrangement position of the sensor is not limited to the above-mentioned mode of being provided on the lid, but may be various modes such as being provided on the side surface of the dielectric block.
【0059】また、各種センサーは、イオン濃度、温
度、pH、光強度、放射線強度、バイオ物質濃度等の環
境因子に対してセンシング機能を有する機能性樹脂を配
して、この機能性樹脂をセンサー(環境因子測定手段)
としてもよい。その場合は、図8(A)に示すように、
凹部10cの側面に機能性樹脂75を配してもよい。Further, various sensors are provided with a functional resin having a sensing function with respect to environmental factors such as ion concentration, temperature, pH, light intensity, radiation intensity and bio substance concentration, and the functional resin is used as a sensor. (Means for measuring environmental factors)
May be In that case, as shown in FIG.
The functional resin 75 may be provided on the side surface of the recess 10c.
【0060】このような機能性樹脂の一例を以下に示
す。イオン濃度センサーとすることが可能な機能性樹脂
としては、ポリピロール、ポリアニリン等があげられ
る。温度センサーとすることが可能な機能性樹脂として
は、ポリ(3−アルキルチオフェン)等があげられる。
pHセンサーとすることが可能な機能性樹脂としては、
ポリアニリン等があげられる。光強度センサーとするこ
とが可能な機能性樹脂としては、ポリピロール等の各種
導電性樹脂があげられる。放射線強度センサーとするこ
とが可能な機能性樹脂としては、ポリチオフェンとトリ
フェニルヨードニウムパークロレートの複合体等があげ
られる。バイオ物質濃度センサーとすることが可能な機
能性樹脂としては、ポリピロール、ポリアニリン等があ
げられる。An example of such a functional resin is shown below. Examples of the functional resin that can be used as the ion concentration sensor include polypyrrole and polyaniline. Examples of the functional resin that can be used as the temperature sensor include poly (3-alkylthiophene).
As a functional resin that can be used as a pH sensor,
Examples include polyaniline. Examples of the functional resin that can be used as the light intensity sensor include various conductive resins such as polypyrrole. Examples of the functional resin that can be used as the radiation intensity sensor include a complex of polythiophene and triphenyliodonium perchlorate. Examples of the functional resin that can be used as the biosubstance concentration sensor include polypyrrole and polyaniline.
【0061】上記の機能性樹脂はいずれも、それらに対
応した環境因子の状態によってそれらの電流−電圧特性
が変化するため、図示しない電源、電流計および電圧計
等により電流−電圧特性を測定することにより、各種セ
ンサーとして活用することができる。なお、用いる機能
性樹脂が透明である場合は、誘電体ブロック全体をこの
機能性樹脂により形成してもよい。Since the current-voltage characteristics of any of the above-mentioned functional resins change depending on the state of environmental factors corresponding to them, the current-voltage characteristics are measured by a power supply, an ammeter, a voltmeter, etc. not shown. Therefore, it can be used as various sensors. When the functional resin used is transparent, the entire dielectric block may be formed of this functional resin.
【0062】また、測定チップは、図8(B)に示すよ
うに、プリズム81上に金属膜12が蒸着されたガラス
基板80が設けられ、金属膜12上に機能性樹脂により
形成したウェル76が設けられた態様としてもよく、こ
のような態様とした場合は、機能性樹脂が十分に透明で
なくても測定に支障を及ぼすことがない。As shown in FIG. 8B, the measuring chip is provided with a glass substrate 80 having a metal film 12 deposited on a prism 81, and a well 76 formed of a functional resin on the metal film 12. May be provided, and in such a case, even if the functional resin is not sufficiently transparent, it does not affect the measurement.
【0063】上記の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。In the surface plasmon measuring device, instead of performing the sample analysis by detecting the position of the dark line of the light beam reflected by the interface, the light beam is incident on the interface at an incident angle at which the total reflection condition is obtained. In addition, a part of the light beam is split before the light beam is incident on the interface, the split light beam is caused to interfere with the light beam totally reflected at the interface, and the light after the interference is generated. Sample analysis can also be performed by measuring the intensity of the beam.
【0064】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。A description will be given below with reference to the drawings. FIG. 9 is a view showing a side surface shape of the surface plasmon measuring device 101 ′. Note that, in this figure, the holder or the surrounding member, and the temperature adjusting means associated therewith are omitted.
【0065】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。As shown in FIG. 9, this surface plasmon resonance measuring apparatus 101 ′ has an interference optical system 5 instead of the incident optical system 15 from the surface plasmon resonance measuring apparatus 101.
It is changed to 0.
【0066】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。Light beam 1 emitted from laser light source 14
3 is collimated by the collimator lens 50a and enters the polarization filter 50b. The light beam 13 transmitted through the polarization filter 50b and incident on the interface 10b as p-polarized light is partially split as a reference light beam 13R by the half mirror 50c, and the remaining light that has passed through the half mirror 50c. Beam 13S is interface 10b
Incident on. The light beam 13S totally reflected by the interface 10b and the reference light beam 13 reflected by the mirror 50e
R enters the half mirror 50d and is synthesized. The combined light beam 13 'is condensed by the condenser lens 50f, passes through the aperture 50g, and is detected by the CCD 60. At this time, the light beam 13 'detected by the CCD 60 is the light beam 13S and the reference light beam 1
Interference fringes are generated according to the state of interference with 3R.
【0067】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。That is, in this case, when the permittivity, that is, the refractive index of the substance in contact with the metal film 12 of the measuring chip 9 changes, the light beam 13S and the reference light beam 13R totally reflected at the interface 10b are reflected by the half mirror 50d. Since the state of interference changes when they are combined, it is possible to detect a change in the refractive index of the substance in contact with the metal film 12 according to the change in the interference fringes.
【0068】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。Further, the above-mentioned surface plasmon measuring device is
A leaky mode measuring device can be obtained by changing a part of the configuration. FIG. 10 is a side view of a measurement unit of a leaky mode measuring device 201 configured by partially modifying the surface plasmon measuring device 101 described above as an example.
Note that, in FIG. 10, elements that are the same as the elements in FIG. 2 are given the same numbers, and descriptions thereof are omitted unless necessary.
【0069】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。This leaky mode measuring apparatus is also configured to use the measuring chip 9 similarly to the above-mentioned surface plasmon measuring apparatus. A clad layer 40 is formed on the bottom surface of the recess 10c formed on the upper surface of the measurement chip 9, and an optical waveguide layer 41 is further formed on the clad layer 40. The clad layer 40 and the optical waveguide layer 41 form a thin film layer.
【0070】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。The dielectric block 10 is made of, for example, synthetic resin or optical glass such as BK7. On the other hand, the clad layer 40 is formed into a thin film using a dielectric material having a lower refractive index than the dielectric block 10 or a metal such as gold. The optical waveguide layer 41 is also formed in a thin film using a dielectric material having a higher refractive index than the cladding layer 40, for example, PMMA. The film thickness of the clad layer 40 is, for example, 36.5 nm when it is formed of a gold thin film, and the film thickness of the optical waveguide layer 41 is approximately 700 nm when it is formed of PMMA.
【0071】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。In the leaky mode measuring device having the above structure,
When the light beam 13 emitted from the laser light source 14 is incident on the cladding layer 40 through the dielectric block 10 at an angle of incidence equal to or more than the total reflection angle, many components of the light beam 13 are included in the dielectric block 10 and the cladding layer. Interface 10 with 40
Light having a specific wave number, which is totally reflected by b but is transmitted through the cladding layer 40 and is incident on the optical waveguide layer 41 at a specific incident angle, is propagated in the optical waveguide layer 41 in a waveguide mode. When the guided mode is excited in this way, most of the incident light that has entered at the specific incident angle is taken into the optical waveguide layer 41, so that the intensity of the light that is incident on the interface 10b at the specific incident angle and totally reflected is sharp. Decreasing total internal reflection attenuation occurs.
【0072】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。Since the wave number of guided light in the optical waveguide layer 41 depends on the refractive index of the sample liquid 11 on the optical waveguide layer 41,
By knowing the attenuated total reflection angle, which is the specific incident angle at which the attenuated total reflection occurs, the refractive index of the sample liquid 11 and the characteristics of the sample liquid 11 related thereto can be analyzed. The effect can be obtained.
【図1】本発明の一実施の形態による測定チップを用い
た表面プラズモン測定装置の概略構成を示す平面図FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a surface plasmon measuring device using a measuring chip according to an embodiment of the present invention.
【図2】上記表面プラズモン測定装置の側面形状を示す
図FIG. 2 is a diagram showing a side surface shape of the surface plasmon measuring device.
【図3】測定チップの概略構成図FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a measurement chip.
【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FIG. 4 is a block diagram showing an electrical configuration of a surface plasmon measuring device.
【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FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an incident angle of a light beam on an interface and an output of a differential amplifier.
【図6】測定チップ内の模式図FIG. 6 is a schematic diagram of the inside of a measurement chip.
【図7】SPR信号およびイオン濃度の経時変化を示す
図FIG. 7 is a diagram showing changes over time in SPR signals and ion concentrations.
【図8】本発明による測定チップの他の態様を示す図FIG. 8 is a diagram showing another embodiment of the measuring chip according to the present invention.
【図9】表面プラズモン測定装置の側面形状を示す図FIG. 9 is a view showing a side surface shape of a surface plasmon measuring device.
【図10】漏洩モード測定装置の一例を示す図FIG. 10 is a diagram showing an example of a leak mode measuring apparatus.
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 測定部
71 イオンセンサー
72 蓋
75 機能性樹脂
76 機能性樹脂製ウェル
80 ガラス基板
81 プリズム
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9 measuring chip 10 dielectric block 13 light beam 14 laser light source 15 incident optical system 16 collimator lens 17 photodetector 18 differential amplifier array 19 driver 20 signal processing unit 21 display means 50 interference optical system 60 CCD 61 signal processing unit 70 measurement Part 71 Ion sensor 72 Lid 75 Functional resin 76 Well made of functional resin 80 Glass substrate 81 Prism 101 Surface plasmon measuring device 101A, 101B, 101C ... Surface plasmon measuring unit 201 Leakage mode measuring device
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G057 AA02 AB07 AC01 BA01 BB01 BB06 2G059 AA01 BB04 BB12 CC16 DD13 EE02 EE05 EE09 FF04 FF08 GG01 GG04 JJ11 JJ12 JJ13 JJ19 JJ22 KK04 MM01 MM03 MM09 MM11 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F term (reference) 2G057 AA02 AB07 AC01 BA01 BB01 BB06 2G059 AA01 BB04 BB12 CC16 DD13 EE02 EE05 EE09 FF04 FF08 GG01 GG04 JJ11 JJ12 JJ13 JJ19 JJ22 KK04 MM01 MM03 MM09 MM11
Claims (3)
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部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用いられる測定チップで
あって、 前記試料保持部内の環境因子の状態を測定する環境因子
測定手段を備えたことを特徴とする測定チップ。1. A measuring chip comprising a dielectric block, a thin film layer formed on one surface of the dielectric block, and a sample holder for holding a sample on the surface of the thin film layer, and a light beam is generated. A light source, an incident optical system that causes the light beam to be incident on the dielectric block at an incident angle such that total reflection conditions are obtained at an interface between the dielectric block and the thin film layer, and light totally reflected at the interface A measuring chip used in a measuring device comprising a light detecting means for measuring the intensity of a beam, the measuring chip comprising an environmental factor measuring means for measuring a state of an environmental factor in the sample holder. Chips.
H、光強度、放射線強度、バイオ物質濃度からなる群か
ら選ばれた1つであることを特徴とする請求項1記載の
測定チップ。2. The environmental factors are ion concentration, temperature, p
The measuring chip according to claim 1, wherein the measuring chip is one selected from the group consisting of H, light intensity, radiation intensity, and biosubstance concentration.
部を構成する機能性樹脂により構成されていることを特
徴とする請求項1または2記載の測定チップ。3. The measuring chip according to claim 1, wherein the environmental factor measuring means is composed of a functional resin that constitutes the sample holding section.
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