JP2008122405A - 反応解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の偏光を利用した反応解析装置は、試料支持体上の微小の光学的変化を光量の変化として捉える際に、光量変化の程度が試料支持体の光透過性部分の膜厚、屈折率や入射光の入射角、波長、光量への依存について何ら開示されていない。
【解決手段】生物試料の一部に偏光を入射させる第１の光学素子と、生物試料の一部で反射された反射光のＰ偏光及びＳ偏光の偏光面をｎπ＋π／２（ｎ：０，１…整数）回転させて反射させる第２の光学素子と、からの反射光が第２の試料に入射され、検光子により消光させて生物試料の解析を行う反応解析方法であり、光不透過性層と光透過性層と生物試料に関する反応層とを有し、反応前と反応後に生物試料に関する反応層の層厚が変化する試料支持体を用いて、試料支持体への入射角におけるＳ偏光反射率が０．２５以下で、且つ光透過性層におけるＳ、Ｐ偏光の位相差の正負の反転による光量の変化を検出することにより反応結果を得る。
【選択図】図１６

Description

本発明は、試料支持体上に形成された反応層における正対試料の膜厚の変化を光量の変化として検出する反応解析法に関する。

一般に、偏光を利用した反応解析法は物体の表面で光が反射する際の偏光状態の変化を観測して、物体自体の光学定数、または その表面に付着した薄膜の厚みや光学定数を知る方法である。この偏光解析法は、生物物理分野へも応用されるようになり、抗原抗体反応に用いるタンパク質膜の厚さの測定、タンパク質の吸着膜の測定、固液界面における血漿タンパクの測定にも応用されるようになっている。

上記抗原抗体反応に用いるタンパク質の厚さを測定する技術としては、例えば、非特許文献１に開示されている。上記タンパク質の吸着膜の測定に関する技術としては、非特許文献２および非特許文献３に開示されている。また、固液界面における血漿タンパクの測定に関する技術としては、非特許文献４に開示されている技術が知られている。

ここで、偏光解析法について説明する。屈折率ｍ_０ の基板の上にｐ−１層の多層膜が付けてある場合その上の屈折率ｍ_Ｐ の媒質から光が入射した場合の反射光の振幅反射率を振幅反射率＝ｒ_Ｐ，０ として、このｍ_Ｐ の媒質の厚さをｄ_Ｐ とし、その上にさらにｍ_Ｐ＋１ の媒質を重ねて上方から光を入射させた時に、振幅反射率＝ｒ_{Ｐ＋１，０} の反射光になるとすれば、

で表される。ここで、屈折率ｍ_Ｐ は複素屈折率で表され、

ρ_{Ｐ＋１，Ｐ} はｐ＋１層とｐ層界面での振幅反射率でｒ_Ｐ，０ は、

で表されるので多層膜の反射率は順次階層的に値を代入して最終の反射率を求めることができる。Ｓ偏光、Ｐ偏光成分の反射率はρ_{Ｐ＋１，Ｐ} の項に各々Ｓ偏光の振幅反射率、Ｐ偏光の振幅反射率を適用することにより求まる。例えば、

偏光解析装置では試料によって反射されたＳ、Ｐ成分の偏光反射率比が測定され、Ｓ偏光の振幅反射率をＡ_ＳＳ、Ｐ偏光の振幅反射率をＡ_ＳＰとすると、

で与えられ、ｔａｎφ（振幅反射率比）とΔ（位相差）を上記の計算式に当てはめることにより屈折率、膜厚を求めている。

また、偏光解析を行なう場合、従来より種々の方法があるが、例えば図１５に示された偏光解析装置が用いられている。この装置はＦａｒａｄａｙ ｃｅｌｌを用いたＫｉｎｇの光電的偏光解析装置であり、入射角固定の測定法の配置状態を示している。この装置は偏光子および検光子がステッピングモータ等で±０．００２°に相当する精度で回転することができ、さらにファラディー効果により偏光状態に変調を加えて消光位置が探し易い機構になっている。

このように図１５に示した偏光解析装置を用いて消光条件を求めることにより、試料表面に付着した薄膜の厚みや光学定数を知ることができる。しかしながら、このような装置では、Ｆａｒａｄａｙ ｃｅｌｌを備えなければならない、あるいは偏光子、検光子の両方を精度良く回転させる機構を備える必要がある等、簡便性にかけるのが欠点であった。また、多層膜構造において最上層の膜の微小の光学的変化を精度良く求めるのが困難であった。

一方、偏光解析装置を抗原抗体反応などの分析装置として用いる場合には屈折率、膜厚などを測定することよりも抗原抗体反応の反応性が感度良く検出できれば良い。この目的のためには反応前の試料支持体を偏光解析装置に置いて消光させ、次に偏光子、検光子などの位置を固定したままで反応後の試料支持体を設置して光量の変化を測定し、抗原抗体反応を検出することができる。

この方法を応用して免疫支持体上の抗体、および抗原による膜厚の変化を偏光解析法で測定するに当り、本出願人は、小型で簡便な光学系を備えた偏光解析装置およびこの光学系に適した試料支持体の構造を特許文献１および特許文献２において提案した。
特開平５−２０３５６４号公報 特開平５−２０３５６５号公報 A.Rothen and C.Mathot.Helvetica Chimica Acta,Vol.54(1971), ImmunologicalReactions Carried out at a Liquid-solid Interface ULF Joensson,M.Malmqvist,Inger Roenberg,Jounalof Colloid and Interface Science,Vol.103,No.2(1985),Adsorption of Immunoglobulin G,Protein A and Fibronectin in the Submonolayer Regions Evaluated by a Combined Study of Ellipsometry and Radiotracer Techniqs A.Rothen and C.Mathot.Surface Chemistry of Biologicalsystems (1970),IMMUNOLOGICAL REACTIONS CARRIED OUTAT A LIQIUID-SOLID INTERFACE WITHTHE HELP OF A WEAK ELECTRIC CURRENT L.Vroman and A.L.Adams,SURFACESCIENCE 16(1969) FINDINGS WITH THERECORDING ELLIPSOMETER SUGGESTINGRAPID EXCHANGE OF SPECIFIC PLASMAPROTEINS AT LIQUID/SOLID INTERFACES

しかし前述した特許文献１および特許文献２においては、提案した装置や従来の偏光解析装置を用いて試料支持体上の微小の光学的変化を光量の変化としてとらえる際に、その光量の変化の程度が試料支持体の光透過性部分の膜厚、屈折率や入射光の入射角、波長、光量に依存しているが、それ等についての何ら記載されていなかった。

そこで本発明は、生物試料によって形成された多層膜構造上の微小な膜厚の変化による光量の変化を生物試料の反応結果として検出する偏光を利用した反応解析法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、生物試料の一部に偏光を入射させる第１の光学素子と、前記生物試料の前記一部で反射された反射光のＰ偏光及びＳ偏光の偏光面をｎπ＋π／２（ｎ：０，１，２，…整数）回転させて反射させる第２の光学素子と、からの反射光が第２の試料に入射され、前記検光子により消光させることにより前記生物試料の解析を行う反応解析方法であって、光不透過性層と光透過性層と前記生物試料に関する反応層とを有し、反応前と反応後に前記生物試料に関する反応層の層厚が変化する試料支持体を用いて、前記試料支持体への入射角におけるＳ偏光反射率が０．２５以下で、且つ前記光透過性層におけるＳ、Ｐ偏光の位相差に基づき光量の変化を検出することにより、前記反応結果を得る生物試料の反応解析方法を提供する。

本発明によれば、生物試料によって形成された多層膜構造上の微小な膜厚の変化による光量の変化を生物試料の反応結果として検出する反応解析法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
まず、試料に入射する楕円偏光を

で表わし、レファレンス試料で反射した後、消光操作によりＳ成分の振幅がＡ_ｆ、Ｐ成分の振幅がＡ_ｆ ｔａｎφ_ｒ の直線偏光になるものとし、両成分の振幅反射率をＡ_ｒｓ，Ａ_ｒｐ，位相差をΔ_ｒ とすれば、

従って、

次いで、２つ目の測定試料の振幅反射率をＡ_ＳＳ，Ａ_ＳＰ，位相差をΔ_Ｓ とすると測定試料で反射した後の楕円偏光は以下のようになる。

従って、検出する反射光量Ｉ_Ｓ は、

となる。

ａ．最適な装置設定を想定した場合、また、式（１）においてＡ_ｆ ^２ ｓｉｎ^２ φ_ｒ は装置の設定に関わる量で、

Ａ_ｐｓ ^２ ＋Ａ_ｏｐ ^２ ＝１より、Ａ₀ ^２ を消去し、微分により最適条件を求めると、

（１）式に代入してその値を式（４）（５）（８）に導入し、図３，図４，図５を得た。多層膜の反射率を求める際に用いた条件を以下に示す。従って、

入射波長 ６７００Åいずれの場合も入射角７０°でＳｉＯ_２ 膜厚４１００Å、入射角６５°でＳｉＯ_２ 膜厚４０００Å、入射角６０°でＳｉＯ_２ 膜厚３９００Å、入射角５０°でＳｉＯ_２ 膜厚３７００Å付近で最大の反射光量を与えることがわかる。また、それらの膜厚近傍でのＳ偏光反射率、Ｐ偏光反射率、偏光反射率比、位相差を図６，図７，図８，図９に示す。これ等の結果を見るとＰ偏光反射率はほとんど変化がないが、Ｓ偏光反射率は最大の反射光量を与えるＳｉＯ_２ 膜厚で反射率が最小となることがわかる。

従って、その時偏光反射率比｜Ａｐ／Ａｓ｜は最大値を示す。一方、位相差もそれらの膜厚付近で大きく変化することがわかる。すなわち、最大の反射光量はＳ偏光反射率が最小で偏光反射率比が最大、そして位相差も大きく変化するような試料および装置設定により得られることがわかる。また、最適な装置設定を行なった場合にはλ／４板を４５°に設定した場合に対し約２倍の反射光量が得られることがわかる。解析的な方法およびポアンカレ球を用いて計算した場合の結果はどちらも同じ結果が得られる。

なお、理論的には、Ｓ偏光反射率は、最小となる膜厚が最適であるが、実際にＳｉウエハにＳｉＯ_２ 膜を形成した場合に、膜厚は目標値に対して５〜１０％のばらつきを持っている。従って、図１６に示すように例えば、４０００Åの膜を形成し、反射率が最低になるようにセンサチップを製作して、使用する場合に反射率を０．２５以下であれば、実用上問題がなかった。従って、理論上ではＳ偏光反射率は最小であるが、実用上はＳ偏光反射率が０．２５以下が好適する反射率であるものとする。

次に、前述した第１実施例での計算結果を確認するための実験を行なった。実験は再現性のある任意の膜厚の薄膜が容易に作成できるＬＢ膜を模擬試料として用いた。図１０に示すように所定の膜厚のＳｉＯ_２ 膜にＬＢ膜をステップ状に順次積層し、ＳｉＯ_２ 膜のみのところで消光した後、種々の膜厚のＬＢ膜を累積した位置での反射光量を測定し、計算結果と比較した。実験装置はλ／４板を４５°の位置にセットしたものを用いたので計算式は（５）式または（８）式が使用可能であるが今回は（５）式を用いた。
ａ．確認実験のための計算計算結果を装置の出力に対応させるため光源の出力、受光素子の光電変換効率を以下のように付加した。

この式が最大の光量を与える装置設定を想定した場合の光量となる。
ｂ．λ／４板を４５度に設定した場合この設定は従来の偏光を利用した反応解析装置（以下、偏光解析装置と称する）に最も多く適用されている。

となるのでこれを（２）式に代入すると、

従って、

ｃ．ポアンカレ球を用いた解析 図１を参照して順を追って偏光の状態を記述すると、（１）Ｐ（ポーラライザ）で偏光された光が入射面に対し、４５°の角度で設置されたλ／４板を通過するとその光は４５°の直線偏光を含む大円上に位置する（Ｌ_０ ）。

（２）レファレンス試料をセットし、消光調整を行なうとレファレンス試料反射後の光は直線偏光になる（Ｒ）。この時の両成分の振幅反射率をＡ_ｒｓ，Ａ_ｒｐ及び位相差をΔ_ｒとする。

この時アナライザはＲの対心点Ａに位置する。
（３）配置を固定したままで測定試料を測定した時の反射光をＳとし、かつ両成分の振幅反射率をＡ_ｓｓ，Ａ_ｓｐ及び位相差をΔ_ｓ とする。

このときＡの位置で観測される相対光量Ｉは円弧ＲＳの長さをｃとすると、

球面上の３角形ＤＳＲに注目すると、

球面３角形の余弦定理、

より、

故に、

入射光量を１とすると全反射光量Ｉ_０は、

従って、アナライザＡの位置で観測される反射光量は以下の式で表される。

また、式（５）と（８）は等価のはずである。ここで、レファレンス試料、測定試料としては、図２に示すような、半導体基板１上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）２、シラン膜３、抗原抗体反応層４からなる多層構造を想定した。反射光量の算出はある膜厚のＳｉＯ_２ をレファレンス試料とし、そこから膜厚が２００Å増加したものを測定試料としてその時の反射光量を前述の式を用いて計算した。これを順次２００Åずつずらせてレファレンス試料、測定試料としてＳｉＯ_２の膜厚に対する反射光量の変化を得た。

また計算に用いた偏光反射率、位相差は先の従来技術で述べた多層膜の反射率式から求めた。出力（Ｐ）はＩ_０ （ＬＤ出力）が偏光プリズム通過後１／２に減少し、それがサンプルへの入射光となり反射光（Ｉ_Ｓ ）は受光素子の光電変換効率（Ｓ）で電気信号に変換されアンプ（増幅率１０^６ 倍）で増幅される。従って、

演算条件を以下に示す。

結果を図１１に示す。
ｂ．サンプルの作製および測定上に示した４種のＳｉＯ_２ 膜厚のＳｉウェハーを１０×７６ｍｍの大きさに切断し、その上にＬＢ膜を１０ｍｍ間隔のステップ状に累積した。ＬＢ膜材料及び累積条件を下表に示す。

作製したサンプルを上述したような装置にセットし、自動的に１０ｍｍずつ移動させながら反射光量を測定した。測定は始めにＬＢ膜の累積されていないＳｉＯ_２ 膜の部分でポーラライザー（Ｐ）とアナライザー（Ａ）を少しずつ回転させ消光位置を求める。次いでＰとＡの位置は固定したまま測定点にＬＢ膜を累積した部分を移動させ各々の膜厚における反射光量を測定した。

測定結果を図１２に示す。１枚のＳｉウェハー上でもＳｉＯ_２ 膜厚は数十Åのバラツキがあることや受光素子に１０ｍｍ角のフォトダイオードを用いているが実際の受光スポットは１ｍｍφ程度であるため素子のリニアリティが悪くなっていること、およびグラントムソンプリズムの消光比、λ／４板の透過率も理想状態に仮定していることなどから計算の結果と実測値は完全には一致していない。しかしながら、両者ともＳｉＯ_２ 膜４０００Åでの結果が最大の反射光量が得られることや相関係数からもわかるように反射光量とＬＢ膜の厚さの両対数が直線関係になることから計算による予測が実測定を反映することがわかる。

次に第３実施例について説明する。装置構成は前述したものと異なり、特許文献１及び特許文献２において提案した装置についても検討した。この装置は図１３に示すようにレファレンス試料で反射した光の偏光面（ＸおよびＹ）がλ／４板またはプリズムを用いてπ／２回転して測定試料に入射するようになっている。前述した第１実施例と同様に計算式をたてると以下のようになる。

Ａ_ｒｓ：レファレンス試料のＳ偏光反射率Ａ_ｒｐ：レファレンス試料のＰ偏光反射率Ａ_ＳＳ：測定試料のＳ偏光反射率Ａ_ｓｐ：測定試料のＰ偏光反射率Δ_Ｓ ：レファレンス試料のＳ、Ｐ偏光の位相差から測定試料のＳ、Ｐ偏光の位相差を引いた値φ：入射直線偏光のレファレンス試料のＳ軸に対しての傾きこの式からもわかるようにφはπ／４の時すなわち４５度の装置設定のとき値が最大になる。

前述した第１実施例で用いた偏光反射率および位相差を用いて計算を行なった。その結果を図１４に示す。これは第１実施例で得られた結果と同様に、入射角７０°でＳｉＯ_２ 膜厚４１００Å、入射角６５°でＳｉＯ_２ 膜厚４０００Å、入射角６０°でＳｉＯ_２ 膜厚３９００Å、入射角５０°でＳｉＯ_２ 膜厚３７００Å付近で最大の反射光量を与えることがわかる。

それらの膜厚近傍でのＳ偏光反射率、Ｐ偏光反射率、偏光反射率比、位相差を図６，７，８及び９に示す。これ等の結果を見るとＰ偏光反射率はほとんど変化がないが、Ｓ偏光反射率は最大の反射光量を与えるＳｉＯ_２ 膜厚で反射率が最小となることがわかる。従って、その時偏光反射率比｜Ａｐ／Ａｓ｜は最大値を示す。一方、位相差もそれらの膜厚付近で大きく変化することがわかる。すなわち、最大の反射光量はＳ偏光反射率が最小で偏光反射率比が最大、そして位相差も大きく変化するような試料および装置設定により得られることがわかる。

なお、説明した実施例においては、レファレンス試料、測定試料を光不透過性の反射基板としてシリコン基板、光透過性の透明薄膜としてＳｉＯ_２ 膜、シラン膜、抗原抗体反応をおこさせるためのタンパク膜や模擬試料としてＳｉＯ_２ 膜上にＬＢ膜を累積したものを用いたが、これらに限定されるものではない。

本発明の実施例の計算に適用できる材料は、例えば光不透過性の反射基板としては金、銀、アルミ等の金属やシリコン等の半導体など、光透過性の透明薄膜としてＳｉＯ_２ の替わりに酸化アルミ、酸化チタン、酸化タンタル等の単層または複合膜、シラン膜の替わりにチタネート、チオールなどの有機薄膜の単層または複合膜、さらに抗原抗体反応をおこさせるためのタンパク膜も反応層として抗原、抗体、レセプターなどの受容体が単独またはデキストラン、セルロース等との混合体を使用すれば、液，尿等の検液中の抗原、抗体等の特異的検出にも使用可能である。

また、これらの試料は多層膜を構成しているが、機能性デキストラン、セルロース等との混合体を用いることによりシラン膜等の有機薄膜を省略することも可能である。

尚、末端にアミノ基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基、チオール基、アリール基などを有するシラン膜の多層膜とし厚膜化することにより、ＳｉＯ_２膜を薄膜化したり、省略することも可能である。

本発明による計算結果を基にＳｉＯ_２ 膜の厚さを１１００Åから４０００Åに変更し、入射角６０度で測定を行なったところ約１０倍の測定感度を得ることができた。

以上のような構成の偏光解析装置における試料支持体及びその支持方法において、シミュレーションにより最適な測定条件を求め、さらにＬＢ（Langmuir-Blodgett）法により試料支持体上にＬＢ膜を形成し、標準試料を作成して確認を行なう。シミュレーションは始めに標準的な偏光解析装置の配置において行なう。標準的な偏光解析装置の配置は以下の配置とした。

光源 → Ｐ → Ｃ → Ｓ → ＡＰ：ポーラライザ、Ｃ：コンペンセータ、Ｓ：試料、Ａ：アナライザ試料は２つ用意し、１つはレファレンス試料とし、この試料を用いて消光させ、２つ目の測定試料で光量を測定することとする。従って、１つ目のレファレンス試料を反応前の試料、２つ目の試料を反応後の試料に対応させている。また、装置の条件は理想状態と仮定する。

次いで、その結果を実験により確認するために所定の膜厚のＳｉＯ_２ 膜にＬＢ膜をステップ状に順次積層し、ＳｉＯ_２ 膜のみのところで消光した後、種々の膜厚のＬＢ膜を累積した位置での反射光量を測定する。さらに、このシミュレーションを特許文献１及び特許文献２において提案した装置に適用する。

以上詳述したように本発明によれば、免疫支持体上の抗体、および抗原によって形成された多層膜構造上の微小な膜厚の変化を偏光解析法で光量の変化として測定するに当り、測定の最適条件が得られる偏光解析装置における試料支持方法を提供することができる。

本発明の試料支持方法を説明するための試料の設定による偏光の状態を示す図である。 本実施例の説明に用いる測定試料の構成例を示す図である。 装置設定を最適とした場合のＳｉＯ_２−２００Å変化に対する反射光量を示す図である。 λ／４板を４５°にした場合のＳｉＯ_２−２００Å変化に対する反射光量を示す図である。 λ／４板を４５°にした場合のポアンカレ球からのＳｉＯ_２−２００Å変化に対する反射光量を示す図である。 本実施例において、膜厚近傍でのＳ偏光反射率くＳ成分反射率）を示す図である。 本実施例において、膜厚近傍でのＰ偏光反射率（Ｐ成分反射率）を示す図である。 本実施例において、膜厚近傍での偏光反射率比を示す図である。 本実施例において、膜厚近傍での位相差を示す図である。 反射光量測定をするための測定試料の構成例を示す図である。 図２に示す測定試料を用いて行った測定に基づく演算結果（反射率計算値〉を示す図である。 図１０に示す測定試料を用いて行った測定に基づく測定結果（反射率実測値）を示す図である。 第２番目に示した装置構成例において測定試料に入射する反射光の状態を示す図である。 第１実施例で用いた偏光反射率および位相差を用いて、第２番目に示した装置構成例において算出した反射率を示す図である。 従来の偏光解析装置の概略的な構成を示す図である． 本実施例におけるＳ成分反射率において、ＳｉＯ_２ 膜厚に対する反射率の特性を示す図である。

符号の説明

１…半導体基板、２…シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、３…シラン膜、４…抗原抗体反応層。

Claims (2)

1. 生物試料の一部に偏光を入射させる第１の光学素子と、前記生物試料の前記一部で反射された反射光のＰ偏光及びＳ偏光の偏光面をｎπ＋π／２（ｎ：０，１，２，…整数）回転させて反射させる第２の光学素子と、からの反射光が第２の試料に入射され、前記検光子により消光させることにより前記生物試料の解析を行う反応解析方法であって、
   光不透過性層と光透過性層と前記生物試料に関する反応層とを有し、反応前と反応後に前記生物試料に関する反応層の層厚が変化する試料支持体を用いて、
   前記試料支持体への入射角におけるＳ偏光反射率が０．２５以下で、且つ前記光透過性層におけるＳ、Ｐ偏光の位相差に基づき光量の変化を検出することにより、前記反応結果を得ることを特徴とする生物試料の反応解析方法。
2. 前記反応解析方法において、
   前記偏光が前記生物試料のＳ軸に対して５０°乃至７０°の範囲内で該生物試料に入射することを特徴とする請求項１に記載の反応解析方法。

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