JP3786257B2

JP3786257B2 - Measuring device using total reflection attenuation

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Publication number: JP3786257B2
Application number: JP2001339511A
Authority: JP
Inventors: 厚史向井; 洋二岡崎
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-11-05
Also published as: JP2003139690A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモンセンサー等の、全反射減衰を利用した測定装置に関し、特に詳細には、複数の測定ユニットを順次測定するハイスループット化された全反射減衰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、試料中の物質を定量分析する表面プラズモンセンサー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センサーは基本的に、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、かつ表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じ得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え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したが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成分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センサーにおいて、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角θ_ＳＰで入射させると、該金属膜に接している試料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試料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。
【０００７】
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。
【０００８】
この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角θ_ＳＰから表面プラズモンの波数が分かると、試料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Ｋ_ＳＰ、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、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【０００９】
【数１】

試料の誘電率ε_Ｓが分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上記反射光強度が低下する入射角θ_ＳＰを知ることにより、試料の誘電率つまりは屈折率に関連する特性を求めることができる。
【００１０】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似のセンサーとして、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センサーも知られている。この漏洩モードセンサーは基本的に、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、かつ光導波層での導波モードの励起による全反射減衰が生じ得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。
【００１１】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、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試料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、試料の屈折率や、それに関連する試料の特性を分析することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したタイプの従来の表面プラズモンセンサーや漏洩モードセンサーにおいては、共鳴等により吸収された光の一部は熱に変換され、薄膜層上の液体や固定化物等の温度上昇を引き起こす。屈折率は温度の上昇に伴い変化するため、液体や固定化物の温度上昇に伴い共鳴条件等が変化することになる。すなわち、実際の測定値には、試料の特性（結合解離反応等）と温度依存性との影響が含まれている。したがって、温度が変化している最中に測定を行うと、温度変化に伴う屈折率の変化が生じるために屈折率が大きくずれてしまう。したがって、光ビーム照射開始からの時間に対するこの測定チップの薄膜層およびその上に配された試料の温度変化とそれに伴う全反射減衰角の温度変化は図８に示すようなものとなる。すなわち、光ビーム照射開始時t0から測定チップおよび試料が熱平衡状態に達するまでにはt1の時間を要し、精度よい測定値を得るためには、熱平衡状態に達するのを待ってから測定を行う必要がある。
【００１３】
しかし、誘電体ブロック、その一面に設けられた薄膜層と、該薄膜層上に試料を保持する試料保持機構とからなる測定ユニットを複数備え、複数の試料についての測定を行う装置においては、各測定ユニット毎に熱平衡状態に達するのを待って測定を行っていたのでは、高速化を図ることができない。
【００１４】
本発明は上記の事情に鑑みて、試料が熱平衡状態に達する時間を短縮し、複数の試料を効率よく測定することができる、全反射減衰を利用した測定装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の全反射減衰を利用した測定装置は、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一面に形成された薄膜層、およびこの薄膜層の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ように種々の入射角で入射させる光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検出する光検出手段と、
前記複数の測定ユニットの各誘電体ブロックに関して順次前記全反射条件および種々の入射角が得られるように、各測定ユニットを順次前記光学系および光検出手段に対して所定位置に配置する搬送手段とを備えてなる全反射減衰を利用した測定装置において、
前記測定ユニットを前記所定位置に搬送する前に、該測定ユニットおよび該測定ユニットが保持する試料を、前記所定位置に搬送された直後の前記測定ユニットおよび該測定ユニットが保持する試料の温度と、前記光ビームが入射されて熱平衡状態となる時の温度（以下、「熱平衡温度」という）とが略同一となるように加熱する予熱手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
ここで、「前記所定位置に搬送された直後の・・・とが略同一となるように加熱する」とは、搬送手段による搬送時の温度低下を見込んで加熱することを意味するものであり、搬送手段による搬送時間が短時間で温度低下が小さい場合には、熱平衡温度と略同一温度となるように加熱すればよく、搬送手段による搬送時間が長く温度低下が大きい場合には、熱平衡状態となる時の温度よりも高めの温度まで加熱しておけばよい。
【００１７】
なお、「測定ユニットおよび該ユニットが保持する試料の温度」は、全体が一様な温度である必要はなく、屈折率変動への影響が大きい、誘電体ブロックの光ビームが通過する部分、該ブロック上の薄膜層および試料の温度が、前述の熱平衡状態おけるそれらの温度と比較して略同一となっていればよい。
【００１８】
なお、ここで「略同一」とは、搬送直後の測定ユニットおよび試料の温度が、予熱手段による加熱前の初期温度と測定時の熱平衡状態となる時の熱平衡温度と比較して、十分に熱平衡温度に近いことを意味するが、特に搬送直後の温度と熱平衡温度との温度差が１℃以内であることが望ましい。
【００１９】
本発明による別の全反射減衰を利用した測定装置は、特に前述の表面プラズモンセンサーとして構成されたものであり、
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一面に形成された金属膜からなる薄膜層、およびこの薄膜層の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誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の入射角で入射させる光学系と、
前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に伴う全反射減衰の状態を検出する光検出手段と、
前記複数の測定ユニットの各誘電体ブロックに関して順次前記全反射条件および種々の入射角が得られるように、各測定ユニットを順次前記光学系および光検出手段に対して所定位置に配置する搬送手段とを備えてなる全反射減衰を利用した測定装置において、
前記測定ユニットを前記所定位置に搬送する前に、該測定ユニットおよび該測定ユニットが保持する試料を、前記所定位置に搬送された直後の前記測定ユニットおよび該測定ユニットが保持する試料の温度と、前記光ビームが入射されて熱平衡状態となる時の温度とが略同一となるように加熱する予熱手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明によるさらに別の全反射減衰を利用した測定装置は、特に前述の漏洩モードセンサーとして構成されたものであり、
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一面に形成されたクラッド層ならびに該クラッド層上に形成された光導波層とからなる薄膜層、およびこの薄膜層の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誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記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入射角で入射させる光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、前記光導波層における導波モードの励起に伴う全反射減衰の状態を検出する光検出手段と、
前記複数の測定ユニットの各誘電体ブロックに関して順次前記全反射条件および種々の入射角が得られるように、各測定ユニットを順次前記光学系および光検出手段に対して所定位置に配置する搬送手段とを備えてなる全反射減衰を利用した測定装置において、
前記測定ユニットを前記所定位置に搬送する前に、該測定ユニットおよび該測定ユニットが保持する試料を、前記所定位置に搬送された直後の前記測定ユニットおよび該測定ユニットが保持する試料の温度と、前記光ビームが入射されて熱平衡状態となる時の温度とが略同一となるように加熱する予熱手段を備えたことを特徴とするものである
なお、前記予熱手段としては、前記光ビームと略同一のパワー密度を有する光ビームを前記誘電体ブロックと薄膜層との界面に対して入射させる光源からなるものを用いることができる。また、その他の予熱手段として、ペルチェ素子、フリヂスタ素子等の電子冷却素子を用いてもよいし、さらに、水冷方式、ガス方式等の手段を用いてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の全反射減衰を利用した測定装置は、測定ユニットおよび該測定ユニットが保持する試料を加熱する予熱手段を備え、測定ユニットを所定位置に搬送する前に、所定位置に搬送された直後の前記測定ユニットおよび該測定ユニットが保持する試料の温度と、前記光ビームが入射されて熱平衡状態となる時の温度とが略同一となるように加熱するので、所定位置に搬送され、測定用の光ビームの照射をされて熱平衡状態となるまでに要する時間を従来と比較して短縮することができる。
【００２２】
特に、搬送直後の温度と熱平衡温度との温度差が１℃以内の場合、この温度差による屈折率変化への影響はノイズレベルとなるため、搬送後、直ちに測定を開始することができるため、さらに、測定に要する時間を短縮することができる。
【００２３】
複数の測定ユニット、および各測定ユニットを順次前記光学系および光検出手段に対して所定位置に配置する搬送手段を備えているので、一つの測定ユニットについての測定を行うと同時に、次に測定を行う測定ユニットを加熱することができるため、測定のハイスループット化を図ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による、全反射減衰を利用した測定装置の全体図を示すものである。この第１の実施形態の測定装置は前述の表面プラズモンセンサーとして構成されたものである。なお、図２はこの装置の測定部の側面形状、図３は予熱手段の側面形状をそれぞれ示すものである。
【００２５】
図１に示すように、この表面プラズモンセンサーは、測定ユニットとしての測定チップ10を複数保持する保持台であるターンテーブル20と、測定用の光ビーム（レーザビーム）30を発生させる半導体レーザ等のレーザ光源31と、入射光学系を構成する集光レンズ32と、光検出器40と、上記ターンテーブル20を間欠的に回動させる駆動手段50と、この駆動手段50の駆動を制御するとともに、上記光検出器40の出力信号Ｓを受けて後述の処理を行なうコントローラ60と、試料自動供給機構70と、測定前に測定チップ10および該チップ10が保持する試料15を加熱する予熱手段80を有している。ここで、予熱手段80は、測定用光ビーム30と同等のパワー密度の予熱用光ビーム83を出射するレーザ光源81と、集光レンズ32と同等の作用をする予熱用集光レンズ82とからなる。
【００２６】
上記測定チップ10は図２に示す通り、例えば透明樹脂等により形成された倒立截頭四角錘形状を有するものであり、上部には、上面から下方に向かって次第に径が縮小する、断面円形の試料保持穴11ａが形成されて液体試料を保持する容器11が構成されており、この容器11の底面内側（後述する誘電体ブロックの面）に薄膜層として金属膜12が被着されている。また、測定チップ10の下部が誘電体ブロック13を構成しており、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13b、光出射端面13cとされている。すなわち、この測定チップ10は、試料を保持する容器11と、光カップラーとしての誘電体ブロック13とが一体的に形成されたものであり、試料保持穴11ａの底面が誘電体ブロック13の一面を構成している。この測定チップ10は、ターンテーブル20に対して交換可能とされている。なお、金属膜12の上にセンシング媒体14が固定されているが、それについては後述する。
【００２７】
ターンテーブル20は複数（本例では１２個）の上記測定チップ10を、その回動軸20ａを中心とする円周上に等角度間隔で保持するように構成されている。駆動手段50はステッピングモータ等から構成され、ターンテーブル20を測定チップ10の配置角度と等しい角度ずつ間欠的に回動させる。すなわち、本実施形態においては、ターンテーブル20と駆動手段50とにより測定チップ10を搬送する搬送手段が構成されている。
【００２８】
集光レンズ32は図２に示す通り、光ビーム30を集光して収束光状態で誘電体ブロック13に通し、誘電体ブロック13と金属膜12との界面13ａに対して種々の入射角が得られるように入射させる。この入射角の範囲は、上記界面13ａにおいて光ビーム30の全反射条件が得られ、かつ、表面プラズモン共鳴が生じ得る角度範囲を含む範囲とされる。
【００２９】
なお光ビーム30は、界面13ａに対してｐ偏光で入射する。そのようにするためには、予めレーザ光源31をその偏光方向が所定方向となるように配設すればよい。その他、波長板や偏光板で光ビーム30の偏光の向きを制御してもよい。
【００３０】
光検出器40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。
【００３１】
一方コントローラ60は、支持体駆動手段50からその回動停止位置を示すアドレス信号Ａを受けるとともに、所定のシーケンスに基づいてこの支持体駆動手段50を作動させる駆動信号Ｄを出力する。またこのコントローラ60は、上記光検出器40の出力信号Ｓを受ける信号処理部61と、この信号処理部61からの出力を受ける表示部62とを備えている。
【００３２】
試料自動供給機構70は、例えば液体試料を所定量だけ吸引保持するピペット71と、このピペット71を移動させる手段72とから構成されたものであり、所定位置にセットされた試料容器73から試料をピペット71に吸引保持し、所定の停止位置にある測定チップ10の容器11内にその試料を滴下供給する。
【００３３】
予熱手段80は、図３に示すとおり、光源31と集光レンズ32とからなる測定部の入射光学系と略同一の構成をなすものであり、予熱用光源81から出射された予熱用光ビーム83を、予熱用集光レンズ82を通して誘電体ブロック13と金属膜12との界面13ａに、前述の光ビーム30の入射条件と略同一の入射条件で入射させる。
【００３４】
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。試料分析に際してターンテーブル20は、前述のように支持体駆動手段50によって間欠的に回動される。そして、ターンテーブル20が停止したとき所定位置に静止した測定チップ10の容器11に、上記試料自動供給機構70によって試料15が供給される。
【００３５】
その後ターンテーブル20が何回か回動されてから停止すると、試料15を保持している測定チップ10が、予熱手段80による加熱位置に静止する状態となる。ここで、コントローラー60からの指令で予熱用レーザ光源81が駆動され、そこから発せられた予熱用光ビーム83が、集光レンズ82の作用により誘電体ブロック13と金属膜12との界面13ａに入射される。なおこの入射角は、後述の光ビーム30による入射と同様に界面13ａで全反射する角度とする。この予熱用光ビーム83の界面13ａへの入射時に一部が熱に変換されて、測定チップ10および試料15の温度上昇が生じる。予熱用光ビーム83を一定時間照射することにより、測定チップおよび試料は熱平衡状態に達する。ここで用いられている予熱用光ビーム83は、測定用の光ビーム30と略同一のパワー密度を有するものであり、略同一の条件で界面13ａに対して照射されるため、予熱用光ビーム83の照射時の熱平衡状態は測定用の光ビーム30の照射時の熱平衡状態と略同じ状態となる。
【００３６】
その後ターンテーブル20が再び回動されて、予熱手段80により加熱された測定チップ10が、その誘電体ブロック13に入射用光ビーム30が入射する測定位置に静止する状態となる。なお、加熱された測定チップ10が測定位置に搬送されると同時に、次に測定に供される測定チップが予熱手段80による加熱位置に搬送され、予熱手段80により加熱される。一方、測定位置に測定チップ10が静止すると、コントローラ60からの指令でレーザ光源31が駆動され、そこから発せられた光ビーム30が前述のように収束する状態で、誘電体ブロック11と金属膜12との界面11ａに入射する。測定チップ10および試料の温度は、加熱位置からの搬送時にやや低下するが、この測定用の光ビーム30の入射により、再び測定チップ10および試料の温度は熱平衡温度まで上昇する。このとき熱平衡状態に達する時間は、予熱手段80による予熱用光ビーム80の照射時における熱平衡状態への到達時間と比較して短時間である。精度よい測定を行うため、熱平衡状態となった後に、光検出器40による全反射角の検出を行う。
【００３７】
光ビーム30は、上述の通り収束光状態で誘電体ブロック13に入射するので、上記界面13ａ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。そこで、光ビーム30は界面13ａで全反射し、この反射した光ビーム30には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。この界面11ａで全反射した光ビーム30は、光検出器40によって検出される。
【００３８】
光ビーム30が全反射するとき、界面13ａから金属膜12側にエバネッセント波がしみ出す。そして、光ビーム30が界面13ａに対してある特定の入射角θ_ＳＰで入射した場合は、このエバネッセント波が金属膜12の表面に励起する表面プラズモンと共鳴するので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。なお、図４は、この全反射減衰現象が生じた際の入射角θと反射光強度Ｉとの関係を概略的に示してある。
【００３９】
そこで、光検出器40が出力する光量検出信号Ｓから各受光素子毎の検出光量を調べ、暗線を検出した受光素子の位置に基づいて上記入射角（全反射減衰角）θ_ＳＰを求め、予め求めておいた反射光強度Ｉと入射角θとの関係曲線に基づけば、試料15中の特定物質を定量分析することができる。コントローラ60の信号処理部61は、以上の原理に基づいて試料15中の特定物質を定量分析し、その分析結果が表示部62に表示される。
【００４０】
以下、本実施形態の予熱手段80による加熱開始から、測定系による測定開始までの時間に対する測定チップ等の温度変化を図５を参照してより詳細に説明する。図５において、横軸は測定開始t0からの時間を示し、縦軸は、測定チップの金属膜表面温度、試料温度および表面プラズモン共鳴角度を示す。図に示すとおり、薄膜層表面温度、試料温度および共鳴角度の変化は同一である。Ｔ0は、測定用光ビーム照射時の熱平衡状態に到達した際の、金属膜表面温度、試料温度および共鳴角度である。
【００４１】
図５に示すように、時刻t0において、予熱手段80による予熱用光ビーム83を開始する。測定用光ビーム30による熱平衡状態への到達時間と同等の時間を経て時刻t1において熱平衡に達し、その後、時刻t2まで熱平衡状態を維持する。この時の熱平衡状態は、測定用光ビーム30の照射時の熱平衡状態と同等である。
【００４２】
次に、ターンテーブル20が回動されて、測定チップ10が所定の測定位置に搬送される。なおこの際同時に、次に測定に供される測定チップが加熱位置に搬送される。
【００４３】
ターンテーブルの回動による搬送時間はt3−t2であり、この搬送時に測定チップの温度は下降する。したがって、所定位置に配置された時刻t3における温度は、熱平衡温度よりやや低い温度となっている。時刻t3において、測定チップ10が所定の測定位置に静止した状態のとき、コントローラ60からの指令でレーザ光源31が駆動され、そこから発せられた光ビーム30が前述のように収束する状態で、誘電体ブロック11と金属膜12との界面13ａに入射する。測定用光ビーム30の照射により、再び測定チップ等の温度上昇が始まり、t4において熱平衡状態に達する。その後、全反射解消角の測定を行う。なお、搬送時の温度低下が１℃以内、すなわち、搬送直後t3における測定チップ等の温度と、熱平衡状態の熱平衡温度との温度差が１℃以内であれば、測定用光ビーム30の照射による熱平衡状態となるまで待つことなく測定してもよい。
【００４４】
複数の測定チップ10を保持するターンテーブル20を回動させて各測定チップ10を順次加熱位置、測定位置に配置するように構成されているから、複数の測定チップ10の各容器11に保持させた試料15を、ターンテーブル20の回動にともなって次々と予熱し、測定に供することができる。すなわち、予熱手段80を備え、測定位置に搬送される前に、測定チップおよび試料を加熱し、測定位置への搬送直後の温度が熱平衡状態と略同一となるようにしているため、測定用光ビームの照射開始から熱平衡状態となるまでの時間が短縮し、もしくは搬送後すぐに測定を開始することができるため、多数の試料についての測定を短時間で効率よく行うことが可能である。
【００４５】
なお金属膜12の表面に固定されているセンシング物質14は、試料15中の特定物質と結合するものである。このような特定物質とセンシング物質14との組合せとしては、例えば抗原と抗体とが挙げられる。その場合は、全反射減衰角θ_ＳＰに基づいて抗原抗体反応を検出することができる。
【００４６】
つまりこの場合は、上記特定物質とセンシング物質14との結合状態に応じてセンシング物質14の屈折率が変化して、図４の特性曲線が左右方向に移動する形に変化するので、全反射減衰角θ_ＳＰに応じて抗原抗体反応を検出することができる。なおこの場合は、試料15およびセンシング物質14の双方が、分析対象の試料となる。
【００４７】
以下、他の実施形態における予熱開始から測定開始時間に対する温度変化を図６に示して簡単に説明する。
【００４８】
図６（ａ）に示すように、例えば、測定用光ビームよりもパワー密度の高い光ビームを発振する光源を備えた、測定用光ビーム照射時の熱平衡状態よりも高い温度で熱平衡状態に達するような予熱手段を用い、時刻t0において測定チップ等を加熱を開始する。上述の実施形態の場合と同様に時刻t2まで熱平衡状態を維持した後、搬送手段により測定位置に搬送する。測定位置に配置された時刻t3で、測定チップ等の温度は測定用光ビーム照射時の熱平衡状態と同一温度まで低下する。この場合、搬送直後に測定が可能である。なお前述のとおり、搬送直後の温度が、測定用光ビーム照射時の熱平衡温度Ｔと１℃以内（グラフ中矢印で示す範囲）で一致するものであれば、搬送直後に測定を行っても差し支えない。
【００４９】
また図６（ｂ）に示すように、さらに予熱手段による加熱温度をさらに高い温度に設定し、その後、搬送時間t3'−t2を長く要する系とすることにより、搬送時のチップ等の温度低下を大きくするようにしてもよい。
【００５０】
さらに、図６（ｃ）に示すように、予熱手段による熱平衡状態に達する温度が、測定時熱平衡状態の温度よりも低めの温度であってもよく、この場合搬送時間t3"−t2を短くし、搬送時の温度低下を抑制するようにすればよい。
【００５１】
いずれの場合も、予熱手段を備えない従来の表面プラズモンセンサーと比較して、測定用光ビーム照射開始から熱平衡状態に達する時間までの時間をなくす、もしくは短縮することができるため、複数試料に対する測定を高速に効率よく行うことができる。
【００５２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態による、全反射減衰を利用した測定装置の測定部の側面形状を示すものである。なおこの図７において、図２中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００５３】
この第２実施形態の全反射減衰を利用した測定装置は、先に説明した漏洩モードセンサーであり、全体構成は図１に示した第１の実施形態の測定装置と略同一であり、容器11と誘電体ブロック13が一体的に形成された測定チップ10’を用いるように構成されている。ただし、この測定チップ10’は、金属膜の代りに、クラッド層41およびその上に形成された光導波層42を備えている。
【００５４】
この誘電体ブロック13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おり、クラッド層41は、誘電体ブロック13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42は、クラッド層41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41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42の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で700ｎｍ程度とされる。
【００５５】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、光源31から出射した光ビーム30を誘電体ブロック13を通してクラッド層41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が誘電体ブロック13とクラッド層40との界面13ａで全反射するが、クラッド層41を透過して光導波層42に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層42を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42に取り込まれるので、上記界面13ａ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。
【００５６】
光導波層42における導波光の波数は、該光導波層42の上の試料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を知ることによって、試料15の屈折率や、それに関連する試料15の特性を分析することができる。信号処理部61は、以上の原理に基づいて試料15中の特定物質を定量分析し、その分析結果が図示外の表示部に表示される。
【００５７】
本実施形態の漏洩モードセンサーも、複数の測定チップ10’をターンテーブル20に支持させ、このターンテーブル20を移動させて各測定チップ10’を順次測定位置に配置するように構成されているから、複数の測定チップ10’の各容器11に保持させた試料15を、ターンテーブル20の移動にともなって次々と測定に供することができる。それにより、この漏洩モードセンサーによれば、多数の試料15についての測定を短時間で行なうことが可能になる。
【００５８】
上記第２の実施形態の全反射減衰を利用した測定装置においても、第１の実施形態の場合と同様に、予熱手段80を備えて、測定チップの測定位置への搬送前に測定チップおよび試料を加熱しておくため、測定時に熱平衡状態に達する時間が短縮でき、多数の試料についての測定を効率よく高速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による表面プラズモンセンサーの全体図
【図２】図１の表面プラズモンセンサーの測定部を示す一部破断側面図
【図３】図１の表面プラズモンセンサーの予熱手段を示す一部破断側面図
【図４】測定チップ等の温度および全反射減衰角の時間変化を示すグラフ
【図５】表面プラズモンセンサーにおける光ビーム入射角と検出光強度との関係を示すグラフ
【図６】その他の実施形態における、測定チップ等の温度および全反射減衰角の時間変化を示すグラフ
【図７】本発明の第２の実施形態による漏洩モードセンサーの測定部を示す一部破断側面図
【図８】従来の全反射減衰を利用した測定装置における、測定チップ等の温度および全反射減衰角の時間変化を示すグラフ
【符号の説明】
10、10’ 測定チップ
11 容器
12 金属膜
13 誘電体ブロック
13ａ誘電体ブロックと金属膜との界面
14 センシング物質
15 試料
20 ターンテーブル
21 表示手段
30 光ビーム
31 レーザ光源
32 集光レンズ
40 光検出器
41 クラッド層
42 光導波層
50 支持体駆動手段
60 コントローラ
61 信号処理部
62 表示部
70 試料自動供給機構
80 予熱手段
81 第二のレーザ光源
82 第二の集光レンズ
83 第二の光ビーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a measurement apparatus using total reflection attenuation, such as a surface plasmon sensor, and more particularly to a measurement apparatus using total reflection attenuation which has been increased in throughput and sequentially measures a plurality of measurement units. .
[0002]
[Prior art]
In the metal, free electrons collectively vibrate to generate a dense wave called a plasma wave. A quantized version of this dense wave generated on the metal surface is called surface plasmon.
[0003]
Conventionally, various surface plasmon sensors that quantitatively analyze a substance in a sample using a phenomenon in which the surface plasmon is excited by a light wave have been proposed. Among them, one that uses a system called a Kretschmann arrangement is particularly well known (see, for example, JP-A-6-167443).
[0004]
A surface plasmon sensor using the above system basically includes, for example, a dielectric block formed in a prism shape, a metal film formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with a sample, and a light source that generates a light beam. The light beam is incident on the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the metal film, and total reflection attenuation due to surface plasmon resonance can occur. It comprises an optical system and light detecting means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the surface plasmon resonance state, that is, the state of total reflection attenuation.
[0005]
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 a component incident on the light beam at various angles is included. As described above, a relatively thick light beam may be incident on the interface in a convergent light state or a divergent light state. In the former case, a light beam whose reflection angle changes according to the change in the incident angle of the incident light beam is detected by a small photodetector that moves in synchronization with the change in the reflection angle, or the direction in which the reflection angle changes Can be detected by an area sensor extending along the line. On the other hand, the latter case can be detected by an area sensor extending in a direction in which all light beam components reflected at various reflection angles can be received.
[0006]
In the surface plasmon sensor having the above configuration, when a light beam is incident on the metal film at a specific incident angle θ _SP that is equal to or greater than the total reflection angle, an evanescent wave having an electric field distribution is generated in the sample in contact with the metal film, This evanescent wave excites surface plasmons at the interface between the metal film and the sample. When the wave number 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 the entire energy is transferred to the interface between the dielectric block and the metal film. The intensity of the reflected light decreases sharply. This decrease in light intensity is generally detected as a dark line by the light detection means.
[0007]
The resonance described above occurs only when the incident beam is p-polarized light. Therefore, it is necessary to set in advance so that the light beam is incident as p-polarized light.
[0008]
If the wave number of the surface plasmon from attenuated total reflection (ATR) incident angle theta _SP to occur is known, the dielectric constant of the sample can be determined. That is, when the wave number of surface plasmon is K _SP , the angular frequency of surface plasmon is ω, c is the speed of light in vacuum, ε _m and ε _S are metal, and the dielectric constant of the sample is as follows.
[0009]
[Expression 1]

If the dielectric constant ε _S of the sample is known, the concentration of the specific substance in the sample can be known based on a predetermined calibration curve or the like, so that the dielectric angle of the sample can be determined by knowing the incident angle θ _{SP at} which the reflected light intensity decreases. The characteristic relating to the refractive index or the refractive index can be obtained.
[0010]
Moreover, as a similar sensor using total reflection attenuation (ATR), for example, a leak mode sensor described in pages 21 to 23 and pages 26 to 27 of “Spectroscopy” Vol. 47 No. 1 (1998) is also available. Are known. This leakage mode sensor is basically a dielectric block formed in a prism shape, for example, a clad layer formed on one surface of the dielectric block, and formed on the clad layer to be brought into contact with a sample. An optical waveguide layer, a light source that generates a light beam, and a total reflection condition at the interface between the dielectric block and the cladding layer with respect to the dielectric block. An optical system that is incident at various angles so that total reflection attenuation due to wave mode excitation can occur, and the intensity of the light beam totally reflected at the interface is measured to determine the excitation state of the waveguide mode, that is, the total reflection attenuation state. And a light detecting means for detecting.
[0011]
In the leaky mode sensor having the above configuration, when a light beam is incident on the cladding layer through the dielectric block at an incident angle greater than the total reflection angle, the light waveguide layer transmits a specific wave number after passing through the cladding layer. Only light having a specific incident angle is propagated in the guided mode. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer, resulting in total reflection attenuation in which the intensity of light totally reflected at the interface is sharply reduced. Since the wave number of guided light depends on the refractive index of the sample on the optical waveguide layer, the refractive index of the sample and its related sample characteristics are analyzed by knowing the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs. be able to.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional surface plasmon sensor or leakage mode sensor of the type described above, part of the light absorbed by resonance or the like is converted into heat, which causes a rise in the temperature of the liquid or immobilized material on the thin film layer. Since the refractive index changes as the temperature rises, the resonance conditions and the like change as the temperature of the liquid or the immobilization material rises. That is, the actual measurement value includes the influence of the sample characteristics (bond dissociation reaction, etc.) and temperature dependence. Therefore, if the measurement is performed while the temperature is changing, the refractive index changes greatly due to the temperature change, so that the refractive index is greatly shifted. Therefore, the temperature change of the thin film layer of the measurement chip and the sample disposed thereon with respect to the time from the start of the light beam irradiation and the accompanying temperature change of the total reflection attenuation angle are as shown in FIG. That is, it takes time t1 from the time t0 when the light beam irradiation starts until the measurement chip and the sample reach the thermal equilibrium state, and in order to obtain a precise measurement value, the measurement is performed after waiting for the thermal equilibrium state to be reached. There is a need.
[0013]
However, in an apparatus that includes a plurality of measurement units each including a dielectric block, a thin film layer provided on one surface thereof, and a sample holding mechanism that holds a sample on the thin film layer, and performs measurement on a plurality of samples, If the measurement is performed after each measurement unit reaches the thermal equilibrium state, the speed cannot be increased.
[0014]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a measuring apparatus using total reflection attenuation that can shorten the time for a sample to reach a thermal equilibrium state and can efficiently measure a plurality of samples.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
A measuring apparatus using total reflection attenuation of the present invention includes a light source that generates a light beam,
A plurality of measurement units comprising a dielectric block transparent to the light beam, a thin film layer formed on one surface of the dielectric block, and a sample holding mechanism for holding a sample on the thin film layer;
An optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various incident angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the thin film layer;
A light detection means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the state of total reflection attenuation;
Conveying means for sequentially arranging each measurement unit at a predetermined position with respect to the optical system and the light detection means so that the total reflection condition and various incident angles can be obtained sequentially with respect to each dielectric block of the plurality of measurement units; In a measuring device using total reflection attenuation comprising:
Before transporting the measurement unit to the predetermined position, the measurement unit and the sample held by the measurement unit, the temperature of the measurement unit immediately after being transported to the predetermined position and the temperature of the sample held by the measurement unit, It is characterized by comprising preheating means for heating so that the temperature (hereinafter referred to as “thermal equilibrium temperature”) when the light beam is incident and brought into a thermal equilibrium state becomes substantially the same.
[0016]
Here, “to heat so that immediately after being transported to the predetermined position is substantially the same” means heating in anticipation of a temperature drop during transport by the transport means. When the transport time by the transport means is short and the temperature drop is small, heating may be performed so that the temperature is substantially the same as the thermal equilibrium temperature. When the transport time by the transport means is long and the temperature drop is large, the heat equilibrium state What is necessary is just to heat to temperature higher than the temperature when becoming.
[0017]
Note that the “temperature of the measurement unit and the sample held by the unit” does not have to be uniform throughout, and the portion where the light beam of the dielectric block has a large influence on the refractive index fluctuation, It is only necessary that the temperature of the thin film layer on the block and the sample are substantially the same as those in the above-described thermal equilibrium state.
[0018]
Here, “substantially the same” means that the temperature of the measurement unit and the sample immediately after transport is sufficiently higher than the initial temperature before heating by the preheating means and the thermal equilibrium temperature at the time of measurement to be in a thermal equilibrium state. This means that the temperature is close to the temperature, but it is desirable that the temperature difference between the temperature immediately after conveyance and the thermal equilibrium temperature is within 1 ° C.
[0019]
The measuring device using another total reflection attenuation according to the present invention is particularly configured as the aforementioned surface plasmon sensor,
A light source that generates a light beam;
A plurality of measurements comprising a dielectric block transparent to the light beam, a thin film layer made of a metal film formed on one surface of the dielectric block, and a sample holding mechanism for holding a sample on the thin film layer Unit,
An optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various incident angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the metal film;
A light detection means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the state of total reflection attenuation associated with surface plasmon resonance;
Conveying means for sequentially arranging each measurement unit at a predetermined position with respect to the optical system and the light detection means so that the total reflection condition and various incident angles can be obtained sequentially with respect to each dielectric block of the plurality of measurement units; In a measuring device using total reflection attenuation comprising:
Before transporting the measurement unit to the predetermined position, the measurement unit and the sample held by the measurement unit, the temperature of the measurement unit immediately after being transported to the predetermined position and the temperature of the sample held by the measurement unit, Preheating means is provided for heating so that the temperature at which the light beam is incident to be in a thermal equilibrium state is substantially the same.
[0020]
Further, the measuring device using still another total reflection attenuation according to the present invention is particularly configured as the above-described leakage mode sensor,
A light source that generates a light beam;
A thin film layer comprising a dielectric block transparent to the light beam, a clad layer formed on one surface of the dielectric block, and an optical waveguide layer formed on the clad layer, and a sample on the thin film layer A plurality of measurement units comprising a sample holding mechanism for holding
An optical system for making the light beam incident on the dielectric block at various incident angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the cladding layer;
A light detection means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the state of total reflection attenuation accompanying excitation of the waveguide mode in the optical waveguide layer;
Conveying means for sequentially arranging each measurement unit at a predetermined position with respect to the optical system and the light detection means so that the total reflection condition and various incident angles can be obtained sequentially with respect to each dielectric block of the plurality of measurement units; In a measuring device using total reflection attenuation comprising:
Before transporting the measurement unit to the predetermined position, the measurement unit and the sample held by the measurement unit, the temperature of the measurement unit immediately after being transported to the predetermined position and the temperature of the sample held by the measurement unit, It is characterized by comprising preheating means for heating so that the temperature at which the light beam is incident and in a thermal equilibrium state is substantially the same. The preheating means is substantially the same as the light beam. It is possible to use a light source that makes a light beam having the same power density incident on the interface between the dielectric block and the thin film layer. In addition, as other preheating means, an electronic cooling element such as a Peltier element or a ridge element may be used, and a water cooling method, a gas method, or the like may be used.
[0021]
【The invention's effect】
The measuring apparatus using total reflection attenuation of the present invention includes a measuring unit and a preheating means for heating a sample held by the measuring unit, and immediately after being transported to a predetermined position before transporting the measuring unit to a predetermined position. Since the measurement unit and the temperature of the sample held by the measurement unit are heated so that the temperature when the light beam is incident and in a thermal equilibrium state is substantially the same, the sample is transported to a predetermined position and used for measurement. The time required to reach the thermal equilibrium state after being irradiated with the light beam can be shortened as compared with the conventional case.
[0022]
In particular, when the temperature difference between the temperature immediately after transport and the thermal equilibrium temperature is within 1 ° C., the effect on the refractive index change due to this temperature difference is a noise level, so measurement can be started immediately after transport, Furthermore, the time required for measurement can be shortened.
[0023]
Since a plurality of measurement units and a conveyance unit that sequentially arranges each measurement unit at a predetermined position with respect to the optical system and the light detection unit are provided, measurement for one measurement unit is performed simultaneously with the next measurement. Since the measurement unit to be performed can be heated, high throughput of measurement can be achieved.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an overall view of a measuring apparatus using total reflection attenuation according to a first embodiment of the present invention. The measuring apparatus according to the first embodiment is configured as the aforementioned surface plasmon sensor. 2 shows the side shape of the measuring part of this apparatus, and FIG. 3 shows the side shape of the preheating means.
[0025]
As shown in FIG. 1, the surface plasmon sensor includes a turntable 20 that is a holding table for holding a plurality of measurement chips 10 as measurement units, and a semiconductor laser that generates a light beam (laser beam) 30 for measurement. While controlling the laser light source 31, the condensing lens 32 constituting the incident optical system, the photodetector 40, the driving means 50 for intermittently rotating the turntable 20, and the driving of the driving means 50, A controller 60 that receives the output signal S of the photodetector 40 and performs processing described later, an automatic sample supply mechanism 70, and a preheating means 80 that heats the measurement chip 10 and the sample 15 held by the chip 10 before measurement. Have. Here, the preheating means 80 includes a laser light source 81 that emits a preheating light beam 83 having a power density equivalent to that of the measurement light beam 30, and a preheating condensing lens 82 that operates in the same manner as the condensing lens 32. Become.
[0026]
As shown in FIG. 2, the measuring chip 10 has an inverted truncated quadrangular pyramid shape made of, for example, a transparent resin, and has a circular cross section with a diameter gradually decreasing from the upper surface downward. A sample holding hole 11a is formed to constitute a container 11 for holding a liquid sample, and a metal film 12 is deposited as a thin film layer inside the bottom surface of the container 11 (surface of a dielectric block described later). The lower part of the measuring chip 10 constitutes a dielectric block 13, and two of the four side surfaces facing each other are a light incident end surface 13b and a light emitting end surface 13c, respectively. That is, the measurement chip 10 is formed by integrally forming a container 11 for holding a sample and a dielectric block 13 as an optical coupler, and the bottom surface of the sample holding hole 11a covers one surface of the dielectric block 13. It is composed. The measurement chip 10 can be exchanged for the turntable 20. A sensing medium 14 is fixed on the metal film 12, which will be described later.
[0027]
The turntable 20 is configured to hold a plurality (12 in this example) of the measuring chips 10 at equiangular intervals on a circumference centered on the rotating shaft 20a. The driving means 50 is composed of a stepping motor or the like, and intermittently rotates the turntable 20 by an angle equal to the arrangement angle of the measurement chip 10. That is, in the present embodiment, the turntable 20 and the drive means 50 constitute a transfer means for transferring the measurement chip 10.
[0028]
As shown in FIG. 2, the condensing lens 32 condenses the light beam 30 and passes it through the dielectric block 13 in a convergent light state, and various incident angles with respect to the interface 13a between the dielectric block 13 and the metal film 12 are obtained. Incident light is obtained. The range of the incident angle is a range including an angle range in which the total reflection condition of the light beam 30 is obtained at the interface 13a and surface plasmon resonance can occur.
[0029]
The light beam 30 is incident on the interface 13a as p-polarized light. In order to do so, the laser light source 31 may be disposed in advance so that the polarization direction thereof is a predetermined direction. In addition, the direction of polarization of the light beam 30 may be controlled by a wave plate or a polarizing plate.
[0030]
The photodetector 40 is composed of a line sensor in which a large number of light receiving elements are arranged in a row, and the light receiving elements are arranged in the direction indicated by the arrow X in FIG.
[0031]
On the other hand, the controller 60 receives an address signal A indicating the rotation stop position from the support driving means 50 and outputs a drive signal D for operating the support driving means 50 based on a predetermined sequence. The controller 60 includes a signal processing unit 61 that receives the output signal S of the photodetector 40 and a display unit 62 that receives an output from the signal processing unit 61.
[0032]
The automatic sample supply mechanism 70 is composed of, for example, a pipette 71 that sucks and holds a predetermined amount of a liquid sample, and a means 72 that moves the pipette 71, and takes a sample from a sample container 73 set at a predetermined position. The sample is sucked and held by the pipette 71 and the sample is dropped and supplied into the container 11 of the measuring chip 10 at a predetermined stop position.
[0033]
As shown in FIG. 3, the preheating means 80 has substantially the same configuration as the incident optical system of the measuring unit including the light source 31 and the condenser lens 32, and the preheating light beam emitted from the preheating light source 81 is used. 83 is incident on the interface 13a between the dielectric block 13 and the metal film 12 through the preheating condenser lens 82 under the incident conditions substantially the same as the incident conditions of the light beam 30 described above.
[0034]
Hereinafter, sample analysis by the surface plasmon sensor having the above-described configuration will be described. During sample analysis, the turntable 20 is intermittently rotated by the support driving means 50 as described above. Then, the sample 15 is supplied by the automatic sample supply mechanism 70 to the container 11 of the measurement chip 10 which is stationary at a predetermined position when the turntable 20 is stopped.
[0035]
Thereafter, when the turntable 20 is stopped after being rotated several times, the measuring chip 10 holding the sample 15 is brought into a state of being stopped at the heating position by the preheating means 80. Here, the preheating laser light source 81 is driven by a command from the controller 60, and the preheating light beam 83 emitted from the laser light source 81 is generated on the interface 13a between the dielectric block 13 and the metal film 12 by the action of the condenser lens 82. Incident. The incident angle is an angle at which the light is totally reflected at the interface 13a as in the case of incident light beam 30 described later. When the preheating light beam 83 is incident on the interface 13a, part of it is converted into heat, and the temperature of the measurement chip 10 and the sample 15 rises. By irradiating the preheating light beam 83 for a predetermined time, the measurement chip and the sample reach a thermal equilibrium state. The preheating light beam 83 used here has substantially the same power density as the measurement light beam 30, and is irradiated to the interface 13a under substantially the same conditions. The thermal equilibrium state during irradiation of 83 is substantially the same as the thermal equilibrium state during irradiation of the measurement light beam 30.
[0036]
Thereafter, the turntable 20 is rotated again, and the measurement chip 10 heated by the preheating means 80 is brought into a state where the measurement chip 10 is stationary at the measurement position where the incident light beam 30 enters the dielectric block 13. At the same time as the heated measurement chip 10 is conveyed to the measurement position, the next measurement chip to be used for measurement is conveyed to the heating position by the preheating means 80 and heated by the preheating means 80. On the other hand, when the measurement chip 10 is stationary at the measurement position, the laser light source 31 is driven by a command from the controller 60, and the light block 30 emitted from the laser light source 31 converges as described above, and the dielectric block 11 and the metal film 12 is incident on the interface 11a. Although the temperature of the measurement chip 10 and the sample slightly decreases during conveyance from the heating position, the temperature of the measurement chip 10 and the sample again rises to the thermal equilibrium temperature due to the incidence of the measurement light beam 30. At this time, the time to reach the thermal equilibrium state is shorter than the time to reach the thermal equilibrium state when the preheating means 80 irradiates the preheating light beam 80. In order to perform accurate measurement, the total reflection angle is detected by the photodetector 40 after the thermal equilibrium state is reached.
[0037]
Since the light beam 30 is incident on the dielectric block 13 in a convergent light state as described above, the light beam 30 includes components that are incident on the interface 13a at various incident angles θ. In addition, this incident angle (theta) shall be an angle more than a total reflection angle. Therefore, the light beam 30 is totally reflected at the interface 13a, and the reflected light beam 30 includes components reflected at various reflection angles. The light beam 30 totally reflected by the interface 11a is detected by the photodetector 40.
[0038]
When the light beam 30 is totally reflected, an evanescent wave oozes out from the interface 13a to the metal film 12 side. When the light beam 30 is incident at a specific incidence angle theta _SP with respect to the interface 13a because the evanescent wave resonates with the surface plasmon excited on the surface of the metal film 12, the reflected light intensity for the light I decreases sharply. FIG. 4 schematically shows the relationship between the incident angle θ and the reflected light intensity I when the total reflection attenuation phenomenon occurs.
[0039]
Therefore, examine the quantity of detected light for each light receiving element from the light amount detection signal S photodetector 40 outputs, the angle of incidence on the basis of the position of the light receiving element detecting the dark line (total reflection attenuation angle) seeking theta _SP, previously Based on the obtained relationship curve between the reflected light intensity I and the incident angle θ, the specific substance in the sample 15 can be quantitatively analyzed. The signal processing unit 61 of the controller 60 quantitatively analyzes the specific substance in the sample 15 based on the above principle, and the analysis result is displayed on the display unit 62.
[0040]
Hereinafter, the temperature change of the measurement chip and the like with respect to the time from the start of heating by the preheating means 80 of the present embodiment to the start of measurement by the measurement system will be described in more detail with reference to FIG. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the time from the measurement start t0, and the vertical axis indicates the metal film surface temperature, sample temperature, and surface plasmon resonance angle of the measurement chip. As shown in the figure, the changes in the surface temperature of the thin film layer, the sample temperature, and the resonance angle are the same. T0 is the metal film surface temperature, the sample temperature, and the resonance angle when the thermal equilibrium state at the time of irradiation with the measurement light beam is reached.
[0041]
As shown in FIG. 5, the preheating light beam 83 by the preheating means 80 is started at time t0. After a time equivalent to the time to reach the thermal equilibrium state by the measurement light beam 30, the thermal equilibrium is reached at time t1, and then the thermal equilibrium state is maintained until time t2. The thermal equilibrium state at this time is equivalent to the thermal equilibrium state when the measurement light beam 30 is irradiated.
[0042]
Next, the turntable 20 is rotated, and the measurement chip 10 is conveyed to a predetermined measurement position. At the same time, the measurement chip to be used for the next measurement is transported to the heating position.
[0043]
The conveyance time due to the rotation of the turntable is t3−t2, and the temperature of the measurement chip decreases during this conveyance. Therefore, the temperature at time t3 arranged at the predetermined position is slightly lower than the thermal equilibrium temperature. At time t3, when the measurement chip 10 is stationary at a predetermined measurement position, the laser light source 31 is driven by a command from the controller 60, and the light beam 30 emitted therefrom converges as described above. The light enters the interface 13 a between the dielectric block 11 and the metal film 12. Due to the irradiation of the measurement light beam 30, the temperature of the measurement chip and the like starts to rise again and reaches a thermal equilibrium state at t4. Thereafter, the total reflection elimination angle is measured. If the temperature drop during transport is within 1 ° C., that is, if the temperature difference between the temperature of the measurement chip at t3 immediately after transport and the thermal equilibrium temperature in the thermal equilibrium state is within 1 ° C., the measurement light beam 30 is irradiated. The measurement may be performed without waiting for a thermal equilibrium state.
[0044]
The turntable 20 that holds the plurality of measurement chips 10 is rotated so that the measurement chips 10 are sequentially arranged at the heating position and the measurement position. The sample 15 can be preheated one after another as the turntable 20 rotates, and used for measurement. That is, since the preheating means 80 is provided and the measurement chip and the sample are heated before being transported to the measurement position so that the temperature immediately after transport to the measurement position is substantially the same as the thermal equilibrium state, the measurement light Since the time from the start of beam irradiation to the thermal equilibrium state can be shortened or the measurement can be started immediately after the transfer, it is possible to efficiently measure a large number of samples in a short time.
[0045]
The sensing substance 14 fixed on the surface of the metal film 12 is a substance that binds to a specific substance in the sample 15. Examples of the combination of the specific substance and the sensing substance 14 include an antigen and an antibody. In that case, it is possible to detect the antigen-antibody reaction based on the attenuated total reflection angle theta _SP.
[0046]
In other words, in this case, the refractive index of the sensing substance 14 changes according to the binding state of the specific substance and the sensing substance 14, and the characteristic curve in FIG. The antigen-antibody reaction can be detected according to the angle θ _SP . In this case, both the sample 15 and the sensing substance 14 are samples to be analyzed.
[0047]
Hereinafter, the temperature change with respect to the measurement start time from the start of preheating in another embodiment will be briefly described with reference to FIG.
[0048]
As shown in FIG. 6A, for example, a thermal equilibrium state is reached at a temperature higher than the thermal equilibrium state at the time of irradiation with the measurement light beam provided with a light source that oscillates a light beam having a higher power density than the measurement light beam. Using such preheating means, heating of the measuring chip and the like is started at time t0. As in the case of the above-described embodiment, the thermal equilibrium state is maintained until time t2, and then it is transported to the measurement position by the transport means. At time t3 at the measurement position, the temperature of the measurement chip or the like decreases to the same temperature as the thermal equilibrium state when the measurement light beam is irradiated. In this case, measurement can be performed immediately after conveyance. Note that, as described above, if the temperature immediately after the transfer is within 1 ° C. (range indicated by the arrow in the graph) with the thermal equilibrium temperature T when the measurement light beam is irradiated, the measurement may be performed immediately after the transfer. Absent.
[0049]
Further, as shown in FIG. 6 (b), the heating temperature by the preheating means is set to a higher temperature, and then a system that requires a longer transport time t3'-t2 is used, thereby lowering the temperature of the chips and the like during transport. You may make it enlarge.
[0050]
Further, as shown in FIG. 6 (c), the temperature reaching the thermal equilibrium state by the preheating means may be a temperature lower than the temperature in the thermal equilibrium state at the time of measurement. In this case, the transport time t3 "-t2 is shortened. What is necessary is just to suppress the temperature fall at the time of conveyance.
[0051]
In either case, compared to conventional surface plasmon sensors that do not have preheating means, the time from the start of measurement light beam irradiation to the time to reach the thermal equilibrium state can be eliminated or shortened. Can be performed efficiently at high speed.
[0052]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 shows a side shape of a measuring unit of a measuring apparatus using total reflection attenuation according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, the same elements as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless particularly necessary.
[0053]
The measuring device using the total reflection attenuation of the second embodiment is the leakage mode sensor described above, and the overall configuration is substantially the same as the measuring device of the first embodiment shown in FIG. And the measurement chip 10 ′ in which the dielectric block 13 is integrally formed. However, the measurement chip 10 ′ includes a clad layer 41 and an optical waveguide layer 42 formed thereon instead of the metal film.
[0054]
The dielectric block 13 is formed using, for example, an optical glass such as synthetic resin or BK7, and the cladding layer 41 is made of a dielectric having a lower refractive index than the dielectric block 13 or a metal such as gold. It is formed as a thin film. The optical waveguide layer 42 is also formed into a thin film using a dielectric having a higher refractive index than the cladding layer 41, such as PMMA. The film thickness of the clad layer 41 is, for example, 36.5 nm when formed from a gold thin film, and the film thickness of the optical waveguide layer 42 is, for example, about 700 nm when formed from PMMA.
[0055]
In the leakage mode sensor configured as described above, when the light beam 30 emitted from the light source 31 is incident on the cladding layer 41 through the dielectric block 13 at an incident angle equal to or greater than the total reflection angle, the light beam 30 and the dielectric block 13 Although light is totally reflected at the interface 13a with the clad layer 40, light of a specific wave number that is transmitted through the clad layer 41 and incident on the optical waveguide layer 42 at a specific incident angle propagates through the optical waveguide layer 42 in a waveguide mode. become. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer 42, resulting in total reflection attenuation in which the intensity of light totally reflected at the interface 13a sharply decreases.
[0056]
Since the wave number of guided light in the optical waveguide layer 42 depends on the refractive index of the sample 15 on the optical waveguide layer 42, knowing the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs, the refractive index of the sample 15, The associated properties of the sample 15 can be analyzed. The signal processing unit 61 quantitatively analyzes a specific substance in the sample 15 based on the above principle, and the analysis result is displayed on a display unit (not shown).
[0057]
The leakage mode sensor of the present embodiment is also configured to support a plurality of measurement chips 10 ′ on the turntable 20, and to move the turntable 20 to sequentially arrange the measurement chips 10 ′ at measurement positions. The samples 15 held in the containers 11 of the plurality of measurement chips 10 ′ can be used for measurement one after another as the turntable 20 moves. As a result, according to this leakage mode sensor, it is possible to measure a large number of samples 15 in a short time.
[0058]
Also in the measurement apparatus using the total reflection attenuation of the second embodiment, the preheating means 80 is provided as in the case of the first embodiment, and the measurement chip and the sample are transferred before the measurement chip is transferred to the measurement position. Since the sample is heated, the time to reach the thermal equilibrium state during measurement can be shortened, and the measurement of a large number of samples can be performed efficiently and at high speed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a surface plasmon sensor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partially broken side view showing a measurement unit of the surface plasmon sensor of FIG. FIG. 4 is a partially broken side view showing preheating means. FIG. 4 is a graph showing temporal changes in temperature and total reflection attenuation angle of a measuring chip and the like. FIG. 5 is a graph showing the relationship between a light beam incident angle and detected light intensity in a surface plasmon sensor. Graph FIG. 6 is a graph showing temporal changes in temperature and total reflection attenuation angle of a measurement chip and the like in other embodiments. FIG. 7 is a part showing a measurement unit of a leakage mode sensor according to a second embodiment of the present invention. Broken side view [Fig. 8] Graph showing the time variation of temperature and total reflection attenuation angle of the measuring chip, etc. in a conventional measuring device using total reflection attenuation [Explanation of symbols]
10, 10 'measuring chip
11 containers
12 Metal film
13 Dielectric block
13a Interface between dielectric block and metal film
14 Sensing substances
15 samples
20 Turntable
21 Display means
30 light beam
31 Laser light source
32 condenser lens
40 photodetector
41 Clad layer
42 Optical waveguide layer
50 Support drive means
60 controller
61 Signal processor
62 Display
70 Automatic sample supply mechanism
80 Preheating means
81 Second laser source
82 Second condenser lens
83 Second light beam

Claims

A light source that generates a light beam;
A plurality of measurement units comprising a dielectric block transparent to the light beam, a thin film layer formed on one surface of the dielectric block, and a sample holding mechanism for holding a sample on the thin film layer;
An optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various incident angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the thin film layer;
A light detection means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the state of total reflection attenuation;
Conveying means for sequentially arranging each measurement unit at a predetermined position with respect to the optical system and the light detection means so that the total reflection condition and various incident angles can be obtained sequentially with respect to each dielectric block of the plurality of measurement units; In a measuring device using total reflection attenuation comprising:
Before transporting the measurement unit to the predetermined position, the measurement unit and the sample held by the measurement unit, the temperature of the measurement unit immediately after being transported to the predetermined position and the temperature of the sample held by the measurement unit, A measuring apparatus using attenuated total reflection, comprising preheating means for heating so that the temperature at which the light beam is incident and in a thermal equilibrium state is substantially the same.

A light source that generates a light beam;
A plurality of measurements comprising a dielectric block transparent to the light beam, a thin film layer made of a metal film formed on one surface of the dielectric block, and a sample holding mechanism for holding a sample on the thin film layer Unit,
An optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various incident angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the metal film;
A light detection means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the state of total reflection attenuation associated with surface plasmon resonance;
Conveying means for sequentially arranging each measurement unit at a predetermined position with respect to the optical system and the light detection means so that the total reflection condition and various incident angles can be obtained sequentially with respect to each dielectric block of the plurality of measurement units; In a measuring device using total reflection attenuation comprising:
Before transporting the measurement unit to the predetermined position, the measurement unit and the sample held by the measurement unit, the temperature of the measurement unit immediately after being transported to the predetermined position and the temperature of the sample held by the measurement unit, A measuring apparatus using attenuated total reflection, comprising preheating means for heating so that the temperature at which the light beam is incident and in a thermal equilibrium state is substantially the same.

A light source that generates a light beam;
A thin film layer comprising a dielectric block transparent to the light beam, a clad layer formed on one surface of the dielectric block, and an optical waveguide layer formed on the clad layer, and a sample on the thin film layer A plurality of measurement units comprising a sample holding mechanism for holding
An optical system for making the light beam incident on the dielectric block at various incident angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the cladding layer;
A light detection means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the state of total reflection attenuation accompanying excitation of the waveguide mode in the optical waveguide layer;
Conveying means for sequentially arranging each measurement unit at a predetermined position with respect to the optical system and the light detection means so that the total reflection condition and various incident angles can be obtained sequentially with respect to each dielectric block of the plurality of measurement units; In a measuring device using total reflection attenuation comprising:
Before transporting the measurement unit to the predetermined position, the measurement unit and the sample held by the measurement unit, the temperature of the measurement unit immediately after being transported to the predetermined position and the temperature of the sample held by the measurement unit, A measuring apparatus using attenuated total reflection, comprising preheating means for heating so that the temperature at which the light beam is incident and in a thermal equilibrium state is substantially the same.

4. The preheating means comprises a light source that makes a light beam having substantially the same power density as that of the light beam incident on an interface between the dielectric block and the thin film layer. A measuring apparatus using the total reflection attenuation according to any one of the preceding claims.