JP3249993B2 - 光学的測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光学的測定装置に関
し、さらに詳細に言えば、光導波路を通して測定光を導
波させることにより生じるエバネッセント波成分によっ
て光導波路の反応面近傍に存在している測定対象物の光
学的特性の測定を行なう光学的測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からスラブ型光導波路の反応面に予
め抗原、抗体またはハプテンを固定しておき、光導波路
から僅かにしみ出すエバネッセント波成分により光導波
路の反応面における抗原−抗体反応量の測定を行なう免
疫測定方法が知られており、この方法を具体化するため
に、図７に示すように、スラブ型光導波路６１の一面に
反応槽６２を一体形成し、レーザ光源６０から出射され
る測定光をダイクロイック・ミラー６３を通して光導波
路６１に導入し、標識蛍光体６８ａから放射される蛍光
を光導波路６１を通して出射させ、ダイクロイック・ミ
ラー６３により反射させ、さらに光学的フィルタ６４を
通して光検出器６５に入射させるようにしたものが提案
されている（スイス国特許出願明細書第２７９９／８５
−２号および特開昭６３−２７３０４２号公報参照）。

【０００３】上記の構成を採用した場合には、光導波路
６１の表面に予め抗体６６を固定しておき、この抗体６
６に被検液中の抗原６７を受容させ、さらに、受容され
た抗原６７に蛍光体で標識された蛍光標識抗体６８を受
容させる。即ち、受容される蛍光標識抗体６８の量は被
検液中の抗原６７の量に基づいて定まることになる。そ
して、光導波路６１に測定光を導入することにより生じ
るエバネッセント波成分により上記受容された蛍光標識
抗体６８の標識蛍光体６８ａのみが励起され蛍光を放射
するので、放射される蛍光の強度が被検液中の抗原６７
の量に比例することになる。また、この蛍光は信号光と
して光導波路６１を導波されることになる。

【０００４】したがって、光導波路６１を導波されてき
た蛍光のみをダイクロイック・ミラー６３により反射さ
せ、光学フィルタ６４を通して光検出器６５に入射させ
ることにより免疫反応の有無、免疫反応の程度を測定す
ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図７に示すような蛍光
免疫測定装置は、光導波路６１にビーム状の測定光を入
射させており、測定光は光導波路６１の表面の微小領域
で反射されながら光導波路６１内を導波させている。そ
して測定光の導波に伴って、測定光が反射される領域の
近傍にのみエバネッセント波が発生する。したがって、
光導波路６１の表面で受容されている蛍光標識抗体６８
の標識蛍光体６８ａのうち、一部の標識蛍光体６８ａの
みが励起されるため、光検出器６５で検出される蛍光の
強度を十分に高めることができず、免疫測定の感度向上
が困難であるという問題があった。

【０００６】上記問題に対して蛍光の強度を増加させる
簡単な方法としては、 （１）測定光の強度を増加させる。 （２）光導波路表面で全反射される際の入射角を小さく
する。 （３）測定光の幅を広くする。 の３つの方法が考えられるが、それぞれ次のような問題
があり、有効な対策とはなっていない。 （１）測定光の強度を増加させる方法の問題 測定光の強度を増加すると測定光の強度に比例して蛍光
の強度が増加するが、測定光の強度を増加し過ぎると標
識蛍光体６８ａが破壊されて蛍光の強度に経時変化が生
じ、免疫測定の精度が低下するため、測定光の強度増加
には限界がある。 （２）光導波路の表面で反射される際の入射角を小さく
する方法の問題 図８（Ａ）に示すように光導波路６１の表面での入射角
θを小さくすると、図８（Ｂ）に示すように入射角θが
大きい場合に比べて、同じ長さの光導波路６１でも反射
される回数が増えるため、光導波路６１の表面で受容さ
れている蛍光標識抗体６８の標識蛍光体６８ａの励起さ
れる割合が増え、蛍光量が増大する。しかし、入射角θ
が臨界角よりも小さくなると全反射されず透過して被検
溶液中に出てしまう測定光成分７０が生じることによ
り、導波する測定光が少なくなり、結果的に蛍光量が減
少する。また、全反射されず透過して被検溶液中に出て
しまう測定光成分７０により、光導波路６１の表面で受
容されている蛍光標識抗体６８以外の液中に浮遊してい
る蛍光標識抗体６８の標識蛍光体６８ａも励起されてし
まい、免疫反応に無関係な蛍光が発生して免疫測定の精
度が低下するため、入射角を小さくすることにも限界が
ある。 （３）測定光の幅を広くする方法の問題 測定光の幅Ｗを広くすれば、図９（Ａ）に示すように測
定光が光導波路６１の表面で反射される面積が増加する
ため、光導波路６１の表面に受容されている蛍光標識抗
体６８の標識蛍光体６８ａの中で励起される割合が増加
して蛍光の強度が増加する。しかし、測定光の幅Ｗを広
くし過ぎると、図９（Ｂ）に示すように一部の測定光成
分７１が光導波路６１内を導波せずに被検溶液中に入射
し、測定光の減少により蛍光量が少なくなるとともに、
光導波路６１の表面で受容されていない蛍光標識抗体６
８の標識蛍光体６８ａを励起するため、抗原−抗体反応
に無関係な蛍光が生じ、免疫測定の精度が低下する。し
たがって、測定光の幅Ｗの拡大にも限界がある。

【０００７】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、測定光のエバネッセント波成分による光
学的測定結果を示す信号光の信号強度を向上させること
のできる光学的測定装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項１の光学的測定装置は、光導波路の所定位置に
設けられた平面状入射面を有するプリズムを通して光導
波路内に測定光を屈折させて導入して複数回の全反射を
行わせながら伝搬させ、測定光のエバネッセント波成分
により光導波路の表面近傍の光学的測定を行い、光学的
測定結果を示す信号光を光導波路および前記プリズムを
通して出射させて光検出器に導く光学的測定装置であっ
て、光源から発せられた光を所定幅の平行光束にする光
学系と、所定幅の平行光束からなる測定光をプリズムの
入射面より前の位置で集光させる光学素子とを有してい
るものである。

【０００９】請求項２の光学的測定装置は、光導波路の
所定位置に設けられた平面状入射面を有するプリズムを
通して光導波路内に測定光を屈折させて導入して複数回
の全反射を行わせながら伝搬させ、測定光のエバネッセ
ント波成分により光導波路の表面近傍の光学的測定を行
い、光学的測定結果を示す信号光を光導波路および前記
プリズムを通して出射させて光検出器に導く光学的測定
装置であって、所定幅の平行光束からなる測定光をプリ
ズムの入射面より前の位置で集光させる光学素子を有
し、しかも光源と光導波路との間に測定光と信号光とを
分離するダイクロイック・ミラーを設けるとともに、ダ
イクロイック・ミラーとプリズムとの間に光学素子を設
けているものである。

【００１０】

【作用】請求項１の光学的測定装置であれば、光学素子
によって測定光は集光後、発散しながら光導波路内を導
波することにより光導波路表面で反射される面積が徐々
に増加するので、光学的測定を行うことのできる光導波
路表面を広げることができ、信号光の強度を上げること
ができる。したがって、光学的測定結果を示す信号光を
増大させて測定感度を向上させることができる。また、
集光位置を光導波路の入射面に入射する前に位置させて
いるので、光導波路表面での単位面積あたりの測定光の
強度は高くならず、例えば、信号光を発する物質が破壊
されて信号光の強度に経時変化が生じるという問題も抑
制することができる。さらに、光源から発せられる光が
ビーム光や、平行光束でない光（例えば、発散光）の場
合は、一度、所定幅の平行な光束とした後、光学素子に
よって集光するように構成することにより、光学素子の
設計と光学素子の集光位置の調整が簡単になるという利
点がある。

【００１１】請求項２の光学的測定装置であれば、光学
素子によって測定光は集光後、発散しながら光導波路内
を導波することにより光導波路表面で反射される面積が
徐々に増加するので、光学的測定を行うことのできる光
導波路表面を広げることができ、信号光の強度を上げる
ことができる。したがって、光学的測定結果を示す信号
光を増大させて測定感度を向上させることができる。ま
た、集光位置を光導波路の入射面に入射する前に位置さ
せているので、光導波路表面での単位面積あたりの測定
光の強度は高くならず、例えば、信号光を発する物質が
破壊されて信号光の強度に経時変化が生じるという問題
も抑制することができる。さらに、測定光をダイクロイ
ック・ミラーを介して光学素子を通した後、プリズムを
通して光導波路内に入射させ、測定光のエバネッセント
波成分により光導波路の表面近傍の光学的測定を行い、
光学的測定結果を示す信号光を光導波路およびプリズム
を通して出射させ、再び光学素子を通した後、ダイクロ
イック・ミラーを介して測定光光路と異なる光路で光検
出器に導く。このとき、ダイクロイック・ミラーとプリ
ズムの間に前記光学素子を設けているので、光学的測定
を行うことのできる光導波路表面を広げることができ信
号光の強度を上げる効果が得られるとともに、光学素子
がない場合に光検出器に受光できない方向の信号光も光
学素子が集めて光検出器に入射させることができるの
で、より一層、信号光の測定感度を向上させることがで
きる。

【００１２】

【実施例】以下、実施例を示す添付図面によって詳細に
説明する。図１はこの発明の光学的測定装置の一実施例
としての免疫測定装置の構成を示す概略図である。この
免疫測定装置は半導体レーザなどのレーザ光源１と、レ
ーザ光源１から出射されたビーム光の幅を広げた後、所
定位置で集光させる集光レンズ系２と、測定光と信号光
を分離する機能を有するダイクロイック・ミラー３と、
屈折型結合プリズム４を備えたスラブ型光導波路５と、
ダイクロイック・ミラー３で反射した光のうち所定波長
域の光をカットする光学フィルタ６と、信号光を高感度
で検出する光検出器７とを有している。

【００１３】集光レンズ系２はレーザ光源１から出射さ
れた測定光をダイクロイック・ミラー３を透過して屈折
型結合プリズム４の前で集光させるように焦点距離が設
定され、集光位置から発散した測定光が屈折型結合プリ
ズム４の入射面４ａから入射するように設定されてい
る。また、スラブ型光導波路５の少なくとも一面には反
応槽１０が形成され、反応槽１０に臨む面に抗体１１が
固定されている。

【００１４】上記構成の免疫測定装置の作用は次のとお
りである。まず、スラブ型光導波路５に固定した抗体１
１に被検液中の抗原１２を受容させ、受容された抗原１
２に標識蛍光体１３ａを有した蛍光標識抗体１３を受容
させる点は従来の免疫測定装置と同様である。レーザ光
源１から出射されるビーム光は集光レンズ系２によって
光の幅を広げられた後、収束光とされ、ダイクロイック
・ミラー３を透過してスラブ型光導波路５に設けられた
屈折型結合プリズム４の入射面４ａの前で集光する。そ
してその集光位置から発散する状態で入射面４ａから屈
折型結合プリズム４内に入射する。入射した測定光は屈
折型結合プリズム４の部分を発散しながら導波して、ス
ラブ型光導波路５に到達する。

【００１５】そしてスラブ型光導波路５内に導かれた測
定光はスラブ型光導波路５内で徐々に広がりながら全反
射を繰り返して導波し、そのエバネッセント波成分に依
存して表面近傍に拘束された標識蛍光体１３ａが蛍光を
発する。そしてその蛍光はスラブ型光導波路５内に導入
され、屈折型結合プリズム４から出射する。屈折型結合
プリズム４から出射した蛍光はダイクロイック・ミラー
３で反射され、蛍光のみを透過するように調整された光
学フィルタ６を通すことによりノイズ光を除去した後
で、光検出器７に入射する。

【００１６】ここで、集光レンズ系２を屈折型結合プリ
ズム４の入射面４ａの前で集光させ、光が発散する状態
で光導波路５の表面に入射させることにより、光導波路
５の表面で反射される面積が徐々に増加して、光導波路
５の表面に受容されている蛍光標識抗体１３の標識蛍光
体１３ａ中で励起される標識蛍光体１３ａの割合を増加
させることができ、信号光としての蛍光を増加させるこ
とができる。また、測定光は光導波路５の第１反射面と
なる領域Ｓでは既に十分に発散されているので、光導波
路５の表面で反射される際において測定光の単位面積あ
たりの強度は標識蛍光体１３ａを破壊するほど強くなら
ない。

【００１７】図２は上記単位面積あたりの測定光の強度
に関する比較例を示す免疫測定装置の構成を示す概略図
である。この比較例の場合においては、集光レンズ系２
によって測定光が集光される点は同じであるが、集光さ
れた位置が光導波路５の表面位置あるいは表面に近い位
置にあるため単位面積あたりの測定光の強度が高くな
り、標識蛍光体１３ａが破壊されることが起こる。した
がって、蛍光強度の経時変化が生じて免疫測定の精度が
低下するという問題が発生する。

【００１８】図３は比較例の構成において光検出器７で
検出される蛍光強度の経時変化を測定したデータを示す
図であり、横軸は時間、縦軸は蛍光強度（任意単位）を
取っている。また、図４はこの実施例に示すように測定
光の集光位置を屈折型結合プリズム４の入射面４ａの前
に設定した場合のデータを示す図である。図３と図４を
比較すれば初期状態（時間０の時）に同じ蛍光強度であ
ったものが、この実施例の構成を採用することにより、
蛍光強度の経時変化を抑制できることが理解できる。こ
れは蛍光に占める割合は光導波路５の屈折型結合プリズ
ム４に近い側の表面領域が遠い側の表面領域に比べて大
きく、この実施例の構成が屈折型結合プリズム４に近い
光導波路５の表面領域において単位面積あたりの測定光
強度を限度以上に強くすることがないようになっている
ことに起因していると思われる。

【００１９】以上をまとめると、比較例の構成は測定光
を集光させて光導波路５に入射させるので光導波路５内
で反射される面積が徐々に増加しながら光導波路を導波
することができるので信号光としての蛍光の強度を強く
することができるが、集光する位置が光導波路５の表面
近くに位置しているので測定光の単位面積あたりの強度
が強くなりすぎ、蛍光強度の経時変化が生じる問題があ
る。これに対してこの実施例は集光位置を屈折型結合プ
リズム４の入射面４ａの前としているので、上記面積が
増加することによる蛍光の強度を強くするという利点を
保持しつつ、標識蛍光体１３ａが破壊されることによる
蛍光強度の経時変化の問題を低減することができる。

【００２０】

【実施例２】図５はこの発明の光学的測定装置の他の実
施例としての免疫測定装置の構成を示す概略図である。
この実施例が前記実施例と異なるのは、レーザ光源１か
ら発せられたビーム光をビームエキスパンダー２０によ
って広げた後、集光レンズ２ａによって所定位置に集光
させるようにした点のみである。

【００２１】この実施例の構成においても前記実施例と
同様の効果があり、かつビーム光を一度広げて所定幅の
平行光束とした後、集光レンズ２ａによって集光させる
ように構成することにより、集光レンズ２ａ自体の設計
が簡単になるとともに、各光学的測定装置における測定
光の集光位置の調整作業が簡単に行なえるという利点が
ある。

【００２２】

【実施例３】図６はこの発明の光学的測定装置の他の実
施例としての免疫測定装置の構成を示す概略図である。
この実施例が前記第２実施例と異なるのは、集光レンズ
２ｂをダイクロイック・ミラー３と屈折型結合プリズム
４の間に設けて、ビームエキスパンダー２０によって所
定幅の平行化された光束をダイクロイック・ミラー３を
透過させた後、集光レンズ２ｂによって屈折型結合プリ
ズム４の入射面４ｂの前で集光させるようにした点のみ
である。このように構成することにより、前記第１実施
例と同様の効果が得られるとともに、集光レンズ２ｂに
よって屈折型結合プリズム４から出射する信号光として
の蛍光を広い範囲にわたって集めることが可能になり、
蛍光の集光性を向上させて測定精度を高めることができ
る利点がある。

【００２３】但し、ダイクロイック・ミラー３側の集光
レンズ面２ｂ１での測定光の反射を防ぐために、反射防
止膜を集光レンズ面２ｂ１に設けることが信号光のＳ／
Ｎ比向上のために好ましい。この発明は上記実施例に限
定されるものではなく、この発明の要旨を変更しない範
囲内において種々の設計変更を施すことが可能である。

【００２４】

【００２５】また、前記実施例では光源として半導体レ
ーザなどのレーザ光源１を使用した場合を例に取り説明
したが、ハロゲンランプ等の光源をフィルターによって
単色化するとともに、スリットにより光束を絞った状態
で光導波路５に入射させる光学系を採用した光学的測定
装置においても、同様にこの発明を適用できることは明
らかである。

【００２６】さらに、前記実施例では測定光を入射する
光軸と信号光を測定する光軸とが一致しており、測定光
と信号光とをダイクロイック・ミラー３によって分離す
る構成を説明したが、ダイクロイック・ミラー３を使用
せず、測定光を入射する光軸と信号光を測定する光軸と
が一致しない構成の光学的測定装置においても同様にこ
の発明を適用できる。

【００２７】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明は、測定光
をプリズムの入射面より前の位置で集光させる光学素子
を設けるという簡単な構成によって、測定光の強度を上
げた場合における標識抗体などの破壊、この破壊に伴う
信号光強度の経時変化を低減しながら、光導波路内にお
いて反射される面積が増加することによる信号光強度の
向上が得られ、しかも光学素子自体の設計と各光学的測
定装置において光学素子の集光位置の調整がそれぞれ簡
単になるという特有の効果を奏する。

【００２８】請求項２の発明は、測定光をプリズムの入
射面より前の位置で集光させる光学素子を設けるという
簡単な構成によって、測定光の強度を上げた場合におけ
る標識抗体などの破壊、この破壊に伴う信号光強度の経
時変化を低減しながら、光導波路内において反射される
面積が増加することによる信号光強度の向上が得られ、
しかもプリズムから出射される信号光を光学素子が集め
て光検出器に入射させるので、より一層、信号光強度を
向上させることができるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光学的測定装置の一実施例としての
免疫測定装置の構成を示す概略図である。

【図２】比較例の免疫測定装置の構成を示す概略図であ
る。

【図３】比較例の蛍光強度の経時変化を測定したデータ
を示す図である。

【図４】この発明の実施例における蛍光強度の経時変化
を測定したデータを示す図である。

【図５】この発明の光学的測定装置の他の実施例として
の免疫測定装置の構成を示す概略図である。

【図６】この発明の光学的測定装置の他の実施例として
の免疫測定装置の構成を示す概略図である。

【図７】従来の免疫測定装置の構成の一例を示す図であ
る。

【図８】光導波路の表面で反射される際の入射角を小さ
くする方法の問題点を説明するための図である。

【図９】測定光の幅を広くする方法の問題点を説明する
ための図である。

【符号の説明】

１ レーザ光源 ２ 集光レンズ系 ２ａ，２ｂ
集光レンズ ３ ダイクロイック・ミラー ４ 屈折型結合プリズ
ム ５ スラブ型光導波路 ７ 光検出器 ２０ ビー
ムエキスパンダー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−262244（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−26248（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−72262（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−506089（ＪＰ，Ａ) 特表 平１−502131（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光導波路（５）の所定位置に設けられた
   平面状入射面を有するプリズム（４）を通して光導波路
   （５）内に測定光を屈折させて導入して複数回の全反射
   を行わせながら伝搬させ、測定光のエバネッセント波成
   分により光導波路（５）の表面近傍の光学的測定を行
   い、光学的測定結果を示す信号光を光導波路（５）およ
   び前記プリズム（４）を通して出射させて光検出器
   （７）に導く光学的測定装置であって、光源（１）から
   発せられた光を所定幅の平行光束にする光学系（２０）
   と、所定幅の平行光束からなる測定光をプリズム（４）
   の入射面より前の位置で集光させる光学素子（２ａ）と
   を有していることを特徴とする光学的測定装置。
2. 【請求項２】 光導波路（５）の所定位置に設けられた
   平面状入射面を有するプリズム（４）を通して光導波路
   （５）内に測定光を屈折させて導入して複数回の全反射
   を行わせながら伝搬させ、測定光のエバネッセント波成
   分により光導波路（５）の表面近傍の光学的測定を行
   い、光学的測定結果を示す信号光を光導波路（５）およ
   び前記プリズム（４）を通して出射させて光検出器
   （７）に導く光学的測定装置であって、光源（１）から
   発せられた光を所定幅の平行光束にする光学系（２０）
   と、所定幅の平行光束からなる測定光をプリズム（４）
   の入射面より前の位置で集光させる光学素子（２ｂ）を
   有し、しかも光源（１）と光導波路（５）との間に測定
   光と信号光とを分離するダイクロイック・ミラー（３）
   を設けるとともに、ダイクロイック・ミラー（３）とプ
   リズム（４）との間に前記光学素子（２ｂ）を設けてい
   ることを特徴とする光学的測定装置。