JP5673211B2 - 光学式検体検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ；Surface Plasmon Resonance）測定装置、及び、表面プラズモン共鳴現象を応用した表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ；Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）の原理に基づいた、表面プラズモン励起増強蛍光測定装置などの光学式検体検出装置に関する。
従来から、極微少な物質の検出を行う場合において、物質の物理的現象を応用することでこのような物質の検出を可能とした様々な検体検出装置が用いられている。
このような検体検出装置の一つとして、ナノメートルレベルなどの微細領域中で電子と光とが共鳴することにより、高い光出力を得る現象（表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ；Surface Plasmon Resonance）現象）を応用し、例えば、生体内の極微少なアナライトの検出を行うようにした表面プラズモン共鳴装置（以下、「ＳＰＲ装置」と言う）が挙げられる。
このような検体検出装置の一つとして、ナノメートルレベルなどの微細領域中で電子と光とが共鳴することにより、高い光出力を得る現象（表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ；Surface Plasmon Resonance）現象）を応用し、例えば、生体内の極微少なアナライトの検出を行うようにした表面プラズモン共鳴装置（以下、「ＳＰＲ装置」と言う）が挙げられる。
また、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象を応用した、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ；Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）の原理に基づき、ＳＰＲ装置よりもさらに高精度にアナライト検出を行えるようにした表面プラズモン増強蛍光分光測定装置（以下、「ＳＰＦＳ装置」と言う）も、このような検体検出装置の一つである。
この表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）は、光源より照射したレーザー光などの励起光が、金属薄膜表面で全反射減衰（ＡＴＲ；Attenuated Total Reflectance）する条件において、金属薄膜表面に表面プラズモン光（疎密波）を発生させることによって、光源より照射した励起光が有するフォトン量を数十倍〜数百倍に増やして、表面プラズモン光の電場増強効果を得るようになっている。
ところで、全反射減衰（ＡＴＲ）する条件は、金属薄膜表面に向かって光源より照射された励起光の金属薄膜表面に対する入射角を変えながら、金属薄膜表面で反射した反射光を受光部によって受光し、その反射光の光強度を測定したり、金属薄膜表面に発生した表面プラズモン光の光強度を測定したりすることによって求められる。
従来、金属薄膜表面に対する励起光の入射角を変えるためには、例えば、特許文献１（特開２００４−６１２８６号公報）や特許文献２（特開２００７−５０１３９３号公報）などに開示されているように、ステッピングモーターや歯車列などを用いて、光源を含む投光ユニットを回動させる方法が用いられている。
また、投光ユニットを回動させないで所定範囲の入射角度における反射光の光強度を測定する方法としては、例えば、図１４に示すように、光源１０２から照射される光として集光ビーム１０４を用いることで、同時に所定範囲の入射角度における反射光１０６の光強度を受光手段１０８で測定する方法も用いられている。
しかしながら、ステッピングモーターや歯車列などを用いて、投光ユニットを回動させる方法では、投光ユニット部の重量が大きくなるため、回動させること、特に鉛直方向に回動させることによって、重量負荷がかかり、振動ノイズなどが信号に混入してしまい、測定精度が低下する原因となる。
このため、投光ユニットを回動させる方法では、回転速度を遅くすることによって、振動ノイズの発生を抑制しているため、測定速度を速くすることが困難であった。
一方で、集光ビームを用いる方法では、同時に所定範囲の入射角度における反射光の光強度を測定することができるため、測定速度は速いが、受光部における１画素の受光素子が出力する受光信号は、所望の入射角度における反射光だけに起因する受光信号ではなく、所望の入射角度の前後の角度範囲における反射光までを含んだ平均的な受光信号であるため、測定精度が低かった。
一方で、集光ビームを用いる方法では、同時に所定範囲の入射角度における反射光の光強度を測定することができるため、測定速度は速いが、受光部における１画素の受光素子が出力する受光信号は、所望の入射角度における反射光だけに起因する受光信号ではなく、所望の入射角度の前後の角度範囲における反射光までを含んだ平均的な受光信号であるため、測定精度が低かった。
本発明では、このような現状に鑑み、投光ユニットを回転移動させることなく、ＳＰＲ装置やＳＰＦＳ装置のＡＴＲ条件を測定することができ、振動ノイズなどの影響がなく高精度の測定ができるとともに、迅速に測定を行うことができる光学式検体検出装置を提供する。
本発明は、前述したような従来技術における課題及び目的を達成するために発明されたものであって、本発明の光学式検体検出装置は、
誘電体部材上に形成された金属薄膜を有するセンサチップが装填され、励起光を照射することで検体の検出を行う光学式検体検出装置であって、
前記誘電体部材に入射させる励起光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの前側焦点距離に位置する投光位置から、前記集光レンズ及び前記誘電体部材を介して前記金属薄膜に励起光を照射する点光源と、を備え、
前記金属薄膜に対する励起光の入射角を変更する際に、前記点光源が、前記集光レンズの光軸に垂直な平面内で直線移動するように構成されるとともに、
前記点光源が、平行光束を照射する光源と、前記光源から照射された光を前記投光位置において点光源になるように制限するように構成された複数のアパーチャー孔が配列されたアパーチャー部材とを備え、前記複数のアパーチャー孔に対して垂直に前記光源からの平行光束が照射されるように構成されており、
前記複数のアパーチャー孔のうち一つのアパーチャー孔のみを開状態とするように開閉の切り替えが行えるように構成されるとともに、
前記アパーチャー孔の開閉を順次行うように構成されていることを特徴とする。
誘電体部材上に形成された金属薄膜を有するセンサチップが装填され、励起光を照射することで検体の検出を行う光学式検体検出装置であって、
前記誘電体部材に入射させる励起光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの前側焦点距離に位置する投光位置から、前記集光レンズ及び前記誘電体部材を介して前記金属薄膜に励起光を照射する点光源と、を備え、
前記金属薄膜に対する励起光の入射角を変更する際に、前記点光源が、前記集光レンズの光軸に垂直な平面内で直線移動するように構成されるとともに、
前記点光源が、平行光束を照射する光源と、前記光源から照射された光を前記投光位置において点光源になるように制限するように構成された複数のアパーチャー孔が配列されたアパーチャー部材とを備え、前記複数のアパーチャー孔に対して垂直に前記光源からの平行光束が照射されるように構成されており、
前記複数のアパーチャー孔のうち一つのアパーチャー孔のみを開状態とするように開閉の切り替えが行えるように構成されるとともに、
前記アパーチャー孔の開閉を順次行うように構成されていることを特徴とする。
このように構成することによって、光源を回転移動させることなく、金属薄膜に対する励起光の入射角度を逐次変更することが可能となるため、振動ノイズなどの影響がなく高精度の測定ができるとともに、点光源を直線移動させるため、光源の移動が速くなり、迅速に測定をすることができる。
また、投光位置に擬似的に点光源を作り出すことができ、
また、複数のアパーチャー孔の開閉だけを行えばよく、光源やアパーチャー部材の直線移動が必要なくなるため、振動ノイズなどの発生をより抑えることが可能となる。
また、投光位置に擬似的に点光源を作り出すことができ、
また、複数のアパーチャー孔の開閉だけを行えばよく、光源やアパーチャー部材の直線移動が必要なくなるため、振動ノイズなどの発生をより抑えることが可能となる。
また、本発明の光学式検体検出装置は、前記金属薄膜の励起光が入射される面側とは反対の面側から出射された光を検出する光検出手段が設けられるとともに、
前記金属薄膜上に、電場増強度測定用部材が配置され、
前記励起光を前記金属薄膜に照射した際に発生する表面プラズモン光によって、前記電場増強度測定用部材が励起され発生した光を、前記光検出手段によって測定するように構成されていることを特徴とする。
前記金属薄膜上に、電場増強度測定用部材が配置され、
前記励起光を前記金属薄膜に照射した際に発生する表面プラズモン光によって、前記電場増強度測定用部材が励起され発生した光を、前記光検出手段によって測定するように構成されていることを特徴とする。
このように構成することによって、本発明の光学式検体検出装置を、表面プラズモン増強蛍光分光測定装置として用いることが可能となる。
また、本発明の光学式検体検出装置は、前記電場増強度測定用部材が、蛍光物質であることを特徴とする。
また、本発明の光学式検体検出装置は、前記電場増強度測定用部材が、蛍光物質であることを特徴とする。
また、本発明の光学式検体検出装置は、前記電場増強度測定用部材が、光散乱物質であることを特徴とする。
このような電場増強度測定用部材を用いることによって、蛍光物質や光散乱物質が表面プラズモン光によって励起され、蛍光や散乱光として光を発生されるため、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの素子を用いた光検出手段によって蛍光や散乱光を測定することができる。
このような電場増強度測定用部材を用いることによって、蛍光物質や光散乱物質が表面プラズモン光によって励起され、蛍光や散乱光として光を発生されるため、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの素子を用いた光検出手段によって蛍光や散乱光を測定することができる。
また、本発明の光学式検体検出装置は、前記金属薄膜によって反射された励起光を受光する受光手段が設けられていることを特徴とする。
このように構成することによって、本発明の光学式検体検出装置を、表面プラズモン共鳴装置として用いることが可能となる。
このように構成することによって、本発明の光学式検体検出装置を、表面プラズモン共鳴装置として用いることが可能となる。
また、本発明の光学式検体検出装置は、前記誘電体部材と、前記集光レンズとを一体化した構造とすることを特徴とする。
このように構成することによって、投光位置を誘電体部材に近づけることができるため、光学式検体検出装置の小型化を図ることができる。
このように構成することによって、投光位置を誘電体部材に近づけることができるため、光学式検体検出装置の小型化を図ることができる。
本発明によれば、点光源や投光ユニットを回転移動させる必要がなく、回転移動にともなう振動ノイズなどの影響を受けないため、高精度の測定を行うことができる。
さらには、点光源や投光ユニットを直線移動させればいいので、点光源や投光ユニットの移動速度を向上させることができ、迅速に測定を行うことができる。
さらには、点光源や投光ユニットを直線移動させればいいので、点光源や投光ユニットの移動速度を向上させることができ、迅速に測定を行うことができる。
以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいて、より詳細に説明する。
１．投光位置に点光源を配置した実施例
図１は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＲ装置の概略を模式的に示す概略図、図２は、図１のＳＰＲ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
図１は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＲ装置の概略を模式的に示す概略図、図２は、図１のＳＰＲ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
１−１．ＳＰＲ装置の構成
本発明のＳＰＲ装置１０は、鉛直断面形状が略台形であるプリズム形状の誘電体部材１２と、この誘電体部材１２の水平な上面１２ａに形成された金属薄膜１４とからなるセンサチップ１６を備えており、このセンサチップ１６は、ＳＰＲ装置１０のセンサチップ装填部１８に装填されている。
本発明のＳＰＲ装置１０は、鉛直断面形状が略台形であるプリズム形状の誘電体部材１２と、この誘電体部材１２の水平な上面１２ａに形成された金属薄膜１４とからなるセンサチップ１６を備えており、このセンサチップ１６は、ＳＰＲ装置１０のセンサチップ装填部１８に装填されている。
また、誘電体部材１２の下方の一方の側面１２ｂの側には、図１に示すように、例えば、ＬＥＤやランプなどからなる点光源２０と、点光源２０から照射された光を平行光束とする集光レンズ２２が設けられている。
この集光レンズ２２を透過した励起光２４は、誘電体部材１２の外側下方から、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射して、誘電体部材１２を介して、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４に向かって照射されるようになっている。
符号１９は、点光源２０から照射される励起光２４の光束径を制限するためのマスクであり、このマスク１９によって、集光レンズ２２に照射される励起光２４が所望の光束径（入射ビーム径）となるように調整されている。なお、図面を明瞭にするために、図２ではマスク１９の記載を省略している。
また、点光源２０が後述するように移動する際には、マスク１９も点光源２０と同時に移動するように構成されている。なお、装置構成にもよるが、理想的には、金属薄膜１４の励起光入射面と共役な位置にマスク１９を配置するのが好ましい。
なお、点光源２０として、励起光２４の光束径を調整する機構を備えた光源を用いる場合には、マスク１９を設けなくとも構わない。
また、誘電体部材１２の下方の他方の側面１２ｃの側には、励起光２４が金属薄膜１４によって反射された金属薄膜反射光２６を受光する受光手段２８が備えられている。
また、誘電体部材１２の下方の他方の側面１２ｃの側には、励起光２４が金属薄膜１４によって反射された金属薄膜反射光２６を受光する受光手段２８が備えられている。
ここで、点光源２０が配置される投光位置２１は、集光レンズ２２の焦点距離ｆと一致しており、点光源２０は、この投光位置２１において、集光レンズ２２の光軸に垂直な平面内で直線移動ができるように構成されている。この直線移動の方向としては、集光レンズ２２の光軸に垂直な平面と、励起光２４が照射される際の金属薄膜１４の励起光入射面の法線を含み且つ集光レンズ２２の光軸を含む平面と、が交差する直線状であることが好ましい。なお、金属薄膜１４の励起光入射面は、誘電体部材１２の上面１２ａ（平面）と言い換えることもできる。
そして、点光源２０から照射された励起光２４の主光軸（すなわち、集光レンズ２２の光軸に対して平行に照射される励起光の光軸）が、誘電体部材１２の上面１２ａの集光位置に照射されるように、誘電体部材１２と集光レンズ２２との距離が調整されている。
このように構成された本発明のＳＰＲ装置では、点光源２０が投光位置２１において、集光レンズ２２の光軸に垂直な平面内で直線移動するとともに、受光手段２８が、金属薄膜反射光２６を受光するように、点光源２０の移動にあわせて直線移動もしくは回転移動するようになっている。
なお、点光源２０を直線移動させたり、受光手段２８を直線移動もしくは回転移動させる手段（図示せず）としては、例えば、ステッピングモーターやサーボモーターを使って制御したり、歯車列を使うこともできる。
本実施例において、点光源２０から照射される励起光としては、特に限定されるものではないが、波長２００〜９００ｎｍ、０．００１〜１，０００ｍＷの励起光が好ましく、更には、波長２３０〜８００ｎｍ、０．０１〜１００ｍＷの励起光が好ましい。
また、誘電体部材１２としては、特に限定されるものではないが、光学的に透明な、例えば、ガラス、セラミックスなどの各種の無機物、天然ポリマー、合成ポリマーを用いることができ、化学的安定性、製造安定性、光学的透明性の観点から、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または二酸化チタン（ＴｉＯ2）を含むものが好ましい。
また、この実施例では、鉛直断面形状が略台形であるプリズム形状の誘電体部材の誘電体部材１２を用いたが、鉛直断面形状を三角形（いわゆる三角プリズム）、半円形状、半楕円形状にするなど誘電体部材１２の形状は、適宜変更可能である。
また、この実施例では、集光レンズ２２を１枚のレンズとして構成しているが、複数のレンズを組み合わせて集光レンズ２２を構成してもよい。
また、金属薄膜１４の材質としては、特に限定されるものではないが、好ましくは、金、銀、アルミニウム、銅、および白金からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属からなり、より好ましくは、金からなり、さらに、これら金属の合金から構成してもよい。
また、金属薄膜１４の材質としては、特に限定されるものではないが、好ましくは、金、銀、アルミニウム、銅、および白金からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属からなり、より好ましくは、金からなり、さらに、これら金属の合金から構成してもよい。
すなわち、このような金属は、酸化に対して安定であり、かつ、後述するように、表面プラズモン光（疎密波）による電場増強が大きくなるので、金属薄膜１４として好適である。
また、金属薄膜１４の形成方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法、蒸着法（抵抗加熱蒸着法、電子線蒸着法など）、電解メッキ、無電解メッキ法などが挙げられる。好ましくは、スパッタリング法、蒸着法を使用するのが、薄膜形成条件の調整が容易であるので望ましい。
さらに、金属薄膜１４の厚さとしては、特に限定されるものではないが、好ましくは、金：５〜５００ｎｍ、銀：５〜５００ｎｍ、アルミニウム：５〜５００ｎｍ、銅：５〜５００ｎｍ、白金：５〜５００ｎｍ、および、それらの合金：５〜５００ｎｍの範囲内であるのが望ましい。
なお、後述する電場増強効果の観点からは、より好ましい金属薄膜１４の厚さとしては、金：２０〜７０ｎｍ、銀：２０〜７０ｎｍ、アルミニウム：１０〜５０ｎｍ、銅：２０〜７０ｎｍ、白金：２０〜７０ｎｍ、および、それらの合金：１０〜７０ｎｍの範囲内であるのが望ましい。
金属薄膜１４の厚さが上記範囲内であれば、後述する表面プラズモン光（疎密波）が発生し易く好適である。また、このような厚さを有する金属薄膜１４であれば、大きさ（縦×横）の寸法、形状は、特に限定されない。
１−２．ＡＴＲ条件の測定方法について
このように構成される本実施例のＳＰＲ装置１０を用いた、ＡＴＲ条件の測定方法について、以下に説明する。
このように構成される本実施例のＳＰＲ装置１０を用いた、ＡＴＲ条件の測定方法について、以下に説明する。
先ず、投光位置２１ａにおいて点光源２０から、励起光２４を照射して、集光レンズ２２を透過し、平行光束とされた励起光２４を、誘電体部材１２の外側下方から、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射させる。このとき、励起光２４は、誘電体部材１２を介して、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４に向かって、入射角α１で照射されることになる。
一方、金属薄膜１４表面で反射された金属薄膜反射光２６は、反射角α１で誘電体部材１２を介して、誘電体部材１２の他方の側面１２ｃから出射されて、受光手段２８によって受光し金属薄膜反射光２６の光強度が測定される。
点光源２０の投光位置を、投光位置２１ａから投光位置２１ｂまで、集光レンズ２２の光軸に垂直な平面内で直線移動させることによって、金属薄膜１４に対する励起光２４の入射角を入射角α１から入射角α２まで変化させながら、金属薄膜反射光２６を受光手段２８によって受光し、金属薄膜反射光２６の光強度を測定する。
すなわち、入射角α１から入射角α２までの範囲において、励起光２４の入射角と金属薄膜反射光２６の光強度の関係を測定することができ、ＡＴＲ条件の測定を行うことができる。
ＡＴＲ条件において、励起光２４を金属薄膜１４に照射すると、金属薄膜１４上に表面プラズモン光（疎密波）が生じる。このとき、励起光２４と金属薄膜１４中の電子振動とがカップリングし、金属薄膜反射光２６の光強度が変化（光量が減少）することとなるため、受光手段２８で受光される金属薄膜反射光２６の光強度が変化（例えば、光量が最も減少）する入射角を見つけることによってＡＴＲ条件の測定が可能となる。
２．投光位置で点光源に光を集束させる投光ユニットを用いた実施例
図３は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＲ装置の概略を模式的に示す概略図、図４は、図３のＳＰＲ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
図３は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＲ装置の概略を模式的に示す概略図、図４は、図３のＳＰＲ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
この実施例のＳＰＲ装置１０は、図１、図２に示したＳＰＲ装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。なお、図面を明瞭にするために、図４ではマスク１９の記載を省略している。
図１、図２に示した実施例１では、投光位置２１に点光源２０を配置していたが、この実施例では、投光位置２１で光が集束するように構成された投光ユニット３０が設けられている。
この投光ユニット３０は、光源となるＬＤチップ３２と集光レンズ３４とから構成されており、投光位置２１において光が集束するように、投光ユニット３０全体が集光レンズ２２に対して略平行に直線移動するように構成されている。
このように構成することによって、投光位置２１に擬似的な点光源３１を作り出すことができ、実施例１と同様に、投光位置２１ａから投光位置２１ｂまで擬似的な点光源３１を移動させることによって（すなわち、投光ユニット３０を集光レンズ２２の光軸に垂直な平面内で直線移動させることによって）、ＡＴＲ条件の測定を高い精度で、かつ、迅速に行うことができる。なお、本明細書において、「点光源」とは、この「擬似的な点光源」も含まれる。
また、本実施例では、光源としてＬＤチップ３２を用いているが、これに限らず、発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）やＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプ、ハロゲンランプなど様々な光源を用いることができる。
また、投光ユニット３０を直線移動させる手段（図示せず）は、特に限定されるものではなく、例えば、ステッピングモーターやサーボモーターを使って制御したり、歯車列を使うこともできる。
本実施例において、マスク１９は、測定精度に悪い影響を与える回折光を遮断する役割を有している。
３．投光位置にアパーチャー部材を設けた実施例
図５は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＲ装置の概略を模式的に示す概略図、図６は、図５のＳＰＲ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
図５は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＲ装置の概略を模式的に示す概略図、図６は、図５のＳＰＲ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
この実施例のＳＰＲ装置１０は、図１、図２に示したＳＰＲ装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。なお、図面を明瞭にするために、図６ではマスク１９の記載を省略している。
図１、図２に示した実施例１では、投光位置２１に点光源２０を配置していたが、この実施例では、投光位置２１で光を点光源化するためのアパーチャー孔３６ａを有するアパーチャー部材３６が設けられている。そして、平行光光源３８からアパーチャー部材３６に対して略垂直に平行光４０が照射されるように光源が設けられている。
ここで、アパーチャー部材３６は、投光位置２１において、集光レンズ２２に対して略平行に直線移動可能なように構成されている。そして、アパーチャー部材３６に照射された平行光４０は、アパーチャー孔３６ａによって絞られ、投光位置２１において、点光源２０としてみなすことができる。
このように構成することによって、投光位置２１に擬似的な点光源３１を作り出すことができ、実施例１と同様に、投光位置２１ａから投光位置２１ｂまで擬似的な点光源３１を移動させることによって（すなわち、アパーチャー部材３６を集光レンズ２２の光軸に垂直な平面内で直線移動させることによって）、ＡＴＲ条件の測定を高精度、かつ、迅速に行うことができる。
また、アパーチャー部材３６を直線移動させるだけで、光源自体を移動させる必要がないため、振動ノイズなどの発生をより抑えることができ、高精度、かつ、迅速にＡＴＲ条件の測定を行うことができる。
なお、アパーチャー部材３６を直線移動させる手段（図示せず）は、特に限定されるものではなく、例えば、ステッピングモーターやサーボモーターを使って制御したり、歯車列を使うこともできる。
また、本実施例では、一つのアパーチャー孔３６ａが設けられたアパーチャー部材３６を直線移動させているが、複数のアパーチャー孔３６ａが配列されたアパーチャー部材３６を投光位置２１に配置し、複数のアパーチャー孔３６ａのうち一つのアパーチャー孔３６ａを開状態とするように開閉の切り替えをすることによって、順次、アパーチャー孔の開閉を行って、擬似的にアパーチャー孔を直線移動させ、擬似的な点光源３１が移動可能なように構成してもよい。
このように構成することによって、複数のアパーチャー孔の開閉だけを行えばよく、光源やアパーチャー部材の直線移動が必要なくなるため、振動ノイズなどの発生をより抑えることができ、高精度、かつ、迅速にＡＴＲ条件の測定を行うことができる。
４．集光レンズと誘電体部材とを一体化した実施例
図７は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＲ装置の概略を模式的に示す概略図、図８は、図７のＳＰＲ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
図７は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＲ装置の概略を模式的に示す概略図、図８は、図７のＳＰＲ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
この実施例のＳＰＲ装置１０は、図１、図２に示したＳＰＲ装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
図１、図２に示した実施例１では、集光レンズ２２と誘電体部材１２が離間して配置されていたが、この実施例では、集光レンズ２２が誘電体部材１２の下方の一方の側面１２ｂに接着され、一体化構造となっている。
このように構成することによって、投光位置２１を誘電体部材１２に近づけることができ、ＳＰＲ装置１０の小型化を図ることができる。
なお、集光レンズ２２と誘電体部材１２とを一体化する手段としては、特に限定されるものではないが、例えば、光学的に透明な接着剤などを用いて集光レンズ２２と誘電体部材１２を接着すればよい。
なお、集光レンズ２２と誘電体部材１２とを一体化する手段としては、特に限定されるものではないが、例えば、光学的に透明な接着剤などを用いて集光レンズ２２と誘電体部材１２を接着すればよい。
この実施例の場合、集光レンズ２２と誘電体部材１２とは、異なる屈折率を有する素材によって形成されていることが必要となる。すなわち、集光レンズ２２と誘電体部材１２との界面２３において、界面２３に照射された励起光２４が屈折し、誘電体部材１２の上面１２ａに形成される金属薄膜１４の集光位置に構成されていなければならない。
このように構成したＳＰＲ装置１０においても、点光源２０を投光位置２１ａから投光位置２１ｂまで移動させることによって、金属薄膜１４に対する励起光２４の入射角を入射角α１から入射角α２まで変化させて、ＡＴＲ条件の測定を高い精度で、かつ、迅速に行うことができる。
なお、この実施例では実施例１と同様に、投光位置２１に点光源２０を配置しているが、実施例２のような投光ユニット３０を用いたり、実施例３のようなアパーチャー部材３６を設けたりして、擬似的な点光源３１を用いることもできる。
５．誘電体部材の下方の他方の側面側に反射光集光レンズを設けた実施例
図９は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＲ装置の概略を模式的に示す概略図、図１０は、図９のＳＰＦ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
図９は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＲ装置の概略を模式的に示す概略図、図１０は、図９のＳＰＦ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
この実施例のＳＰＲ装置１０は、図１、図２に示したＳＰＲ装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。なお、図面を明瞭にするために、図１０ではマスク１９の記載を省略している。
図１、図２に示した実施例１では、受光手段２８が、金属薄膜反射光２６を受光するように、点光源２０の移動にあわせて直線移動もしくは回転移動するように構成されていたが、この実施例では、誘電体部材１２の下方の他方の側面側で、誘電体部材１２と受光手段２８との間に、金属薄膜反射光２６を集光して、受光手段２８に照射するための反射光集光レンズ２９が設けられている。
このように構成することによって、反射光集光レンズ２９によって金属薄膜反射光２６が受光手段２８に集められるため、受光手段２８を動かす必要がなくなり、受光手段２８の移動にともなう振動ノイズなどを抑制することができ、高精度、かつ、迅速にＡＴＲ条件の測定を行うことができる。
６．ＳＰＦＳ装置とした場合の実施例
図１１は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＦＳ装置の概略を模式的に示す概略図、図１２は、図１１のＳＰＦＳ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
図１１は、本発明の光学式検体検出装置であるＳＰＦＳ装置の概略を模式的に示す概略図、図１２は、図１１のＳＰＦＳ装置において、金属薄膜表面で全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を探索する際の光の進行方向を模式的に表した模式図である。
６−１．ＳＰＦＳ装置の構成
この実施例のＳＰＦＳ装置５０は、図１、図２に示したＳＰＲ装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も基本的には同様であるので、同一の構成部材には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。なお、図面を明瞭にするために、図１２ではマスク１９の記載を省略している。
この実施例のＳＰＦＳ装置５０は、図１、図２に示したＳＰＲ装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も基本的には同様であるので、同一の構成部材には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。なお、図面を明瞭にするために、図１２ではマスク１９の記載を省略している。
ＳＰＦＳ装置５０では、金属薄膜１４上に発生した表面プラズモン光（疎密波）による電場増強度を測定するため、金属薄膜１４の上面に、電場増強度測定用部材として、蛍光物質層５２が形成されている。
そして、誘電体部材１２と、金属薄膜１４と、蛍光物質層５２とで、測定部材５４が構成されている。
なお、蛍光物質層５２を構成する蛍光物質としては、所定の励起光を照射するか、または電界効果を利用することで励起し、蛍光を発する物質であれば、特に限定されない。なお、本明細書において、「蛍光」とは、燐光など各種の発光も含まれる。
なお、蛍光物質層５２を構成する蛍光物質としては、所定の励起光を照射するか、または電界効果を利用することで励起し、蛍光を発する物質であれば、特に限定されない。なお、本明細書において、「蛍光」とは、燐光など各種の発光も含まれる。
また、測定部材５４の上方には、金属薄膜１４上に発生した表面プラズモン光（疎密波）によって励起された蛍光物質層５２から発生する蛍光５８を受光する光検出手段５６が設けられている。
光検出手段５６としては、特に限定されるものではないが、例えば、超高感度の光電子増倍管や、多点計測が可能なＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどを用いることができる。
６−２．ＡＴＲ条件の測定方法について
このように構成される本実施例のＳＰＦＳ装置５０を用いた、ＡＴＲ条件の測定方法について、以下に説明する。
このように構成される本実施例のＳＰＦＳ装置５０を用いた、ＡＴＲ条件の測定方法について、以下に説明する。
先ず、投光位置２１ａにおいて点光源２０から、励起光２４を照射して、集光レンズ２２を透過し、平行光束とされた励起光２４を、誘電体部材１２の外側下方から、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射させる。このとき、励起光２４は、誘電体部材１２を介して、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４に向かって、入射角α１で照射されることになる。
一方、金属薄膜１４表面で反射された金属薄膜反射光２６は、反射角α１で誘電体部材１２を介して、誘電体部材１２の他方の側面１２ｃから出射されて、受光手段２８によって受光し金属薄膜反射光２６の光強度が測定される。
点光源２０の投光位置を、投光位置２１ａから投光位置２１ｂまで、集光レンズ２２の光軸に垂直な平面内で直線移動させることによって、金属薄膜１４に対する励起光２４の入射角を入射角α１から入射角α２まで変化させながら、金属薄膜反射光２６を受光手段２８によって受光し、金属薄膜反射光２６の光強度を測定する。
同時に、光検出手段５６によって、蛍光物質層５２から発生する蛍光５８の光強度、すなわち、金属薄膜１４上に発生した表面プラズモン光（疎密波）の強度を測定する。
このように、点光源２０を投光位置２１ａから投光位置２１ｂまで移動させることによって、集光レンズ２２を透過して平行な光とされた励起光２４は、金属薄膜１４に向かって、入射角α１から入射角α２までの範囲で照射されることになる。
このように、点光源２０を投光位置２１ａから投光位置２１ｂまで移動させることによって、集光レンズ２２を透過して平行な光とされた励起光２４は、金属薄膜１４に向かって、入射角α１から入射角α２までの範囲で照射されることになる。
すなわち、入射角α１から入射角α２までの範囲において、励起光２４の入射角と金属薄膜反射光２６の光強度の関係、及び、励起光２４の入射角と蛍光５８の光強度の関係を測定することができ、ＡＴＲ条件の測定を行うことができる。
ＡＴＲ条件において、励起光２４を金属薄膜１４に照射すると、金属薄膜１４上に表面プラズモン光（疎密波）が生じる。このとき、励起光２４と金属薄膜１４中の電子振動とがカップリングし、金属薄膜反射光２６の光強度が変化（光量が減少）することとなるため、受光手段２８で受光される金属薄膜反射光２６の光強度が変化（例えば、光量が最も減少）する入射角を見つけることによってＡＴＲ条件の測定が可能となる。
もしくは、蛍光５８の光強度が変化（光量が増加）することとなるため、光検出手段５６で受光する蛍光５８の光強度が変化（例えば、光量が最も増加）する入射角を見つけることによってＡＴＲ条件の測定が可能となる。
なお、本実施例においては、金属薄膜反射光２６の光強度を測定するための受光手段２８を設けているが、受光手段２８を設けずに、光検出手段５６のみを設けて、蛍光５８の光強度のみを測定するように構成してもよい。
また、本実施例においては、蛍光物質層５２の蛍光物質が表面プラズモン光（疎密波）によって励起されて発生した蛍光５８を光検出手段５６によって測定しているが、蛍光物質層５２の代わりに、電場増強度測定用部材として光散乱物質層を設けることによって、散乱光を光検出手段５６によって測定するように構成してもよい。
この場合、光散乱物質層を構成する光散乱物質としては、例えば、金コロイド、酸化チタン、シリコン、ＳｉＯ2（ガラス）などの微粒子を用いることができる。
蛍光物質層５２の代わりに光散乱物質層を設ける場合であっても、同様に、点光源２０を投光位置２１ａから投光位置２１ｂまで移動させることによって、入射角α１から入射角α２までの範囲において、励起光２４の入射角と散乱光の光強度の関係を測定することができ、ＡＴＲ条件の測定を行うことができる。
蛍光物質層５２の代わりに光散乱物質層を設ける場合であっても、同様に、点光源２０を投光位置２１ａから投光位置２１ｂまで移動させることによって、入射角α１から入射角α２までの範囲において、励起光２４の入射角と散乱光の光強度の関係を測定することができ、ＡＴＲ条件の測定を行うことができる。
６−３．検体検出時の装置構成について
上述するように構成された本願発明のＳＰＦＳ装置５０を用いて、検体の検出を行う場合には、図１３に示すように、電場増強度測定用部材の代わりに反応層６０が形成され、この反応層６０で生じた蛍光５８を光検出手段５６によって受光して、その光強度を測定することになる。
上述するように構成された本願発明のＳＰＦＳ装置５０を用いて、検体の検出を行う場合には、図１３に示すように、電場増強度測定用部材の代わりに反応層６０が形成され、この反応層６０で生じた蛍光５８を光検出手段５６によって受光して、その光強度を測定することになる。
なお、反応層６０と光検出手段５６との間には、光を効率よく集光するための集光部材６２と、蛍光５８のみを選択的に透過するように形成された波長選択機能部材６４が設けられている。
集光部材６２としては、光検出手段５６に蛍光シグナルを効率よく集光することを目的とするものであれば、任意の集光系でよい。簡易な集光系としては、例えば、顕微鏡などで使用されている市販の対物レンズを転用してもよい。対物レンズの倍率としては、１０〜１００倍が好ましい。
一方、波長選択機能部材６４としては、光学フィルタ、カットフィルタなどを用いることができる。
光学フィルタとしては、減光（ＮＤ）フィルタ、ダイアフラムレンズなどが挙げられる。さらに、カットフィルタとしては、外光（装置外の照明光）、励起光（励起光の透過成分）、迷光（各所での励起光の散乱成分）、プラズモンの散乱光（励起光を起源とし、センサチップ表面上の構造体または付着物などの影響で発生する散乱光）、酸素蛍光基質の自家蛍光などの各種ノイズ光を除去するフィルタであって、例えば、干渉フィルタ、色フィルタなどが挙げられる。
光学フィルタとしては、減光（ＮＤ）フィルタ、ダイアフラムレンズなどが挙げられる。さらに、カットフィルタとしては、外光（装置外の照明光）、励起光（励起光の透過成分）、迷光（各所での励起光の散乱成分）、プラズモンの散乱光（励起光を起源とし、センサチップ表面上の構造体または付着物などの影響で発生する散乱光）、酸素蛍光基質の自家蛍光などの各種ノイズ光を除去するフィルタであって、例えば、干渉フィルタ、色フィルタなどが挙げられる。
そして、このようなＳＰＦＳ装置５０の使用時において、金属薄膜１４上に、例えば、あらかじめ蛍光物質で標識されたアナライトが捕捉された反応層６０を設け、この状態で、点光源２０より誘電体部材１２内に照射された励起光２４が、上述するようにして求められたＡＴＲ条件を満たす入射角（共鳴角）で、金属薄膜１４に入射することで、金属薄膜１４上に表面プラズモン光（疎密波）が発生することになる。
この表面プラズモン光（疎密波）により、金属薄膜１４上の反応層６０内の蛍光物質が効率よく励起され、これにより蛍光物質が発する蛍光５８の光量が増大し、この蛍光５８を集光部材６２および波長選択機能部材６４を介して光検出手段５６で受光することで、微細量および／または極低濃度のアナライトを検出することができる。
なお、反応層６０は、アナライトに蛍光物質を結合させたものを検体中に含有したものであり、このような検体としては、血液、血清、血漿、尿、鼻孔液、唾液、便、体腔液（髄液、腹水、胸水等）などが挙げられる。
また、検体中に含有されるアナライトは、例えば、核酸（一本鎖であっても二本鎖であってもよいＤＮＡ、ＲＮＡ、ポリヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、ＰＮＡ（ペプチド核酸）等、またはヌクレオシド、ヌクレオチドおよびそれらの修飾分子）、タンパク質（ポリペプチド、オリゴペプチド等）、アミノ酸（修飾アミノ酸も含む）、糖質（オリゴ糖、多糖類、糖鎖等）、脂質、またはこれらの修飾分子、複合体などが挙げられ、具体的には、ＡＦＰ（αフェトプロテイン）等のがん胎児性抗原や腫瘍マーカー、シグナル伝達物質、ホルモンなどであってもよく、特に限定されない。
以上、本発明の好ましい実施の態様を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、上記実施例では、全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を測定するために用いているが、光学式検体検出装置として、励起光の入射角を変える場合に用いることができ、さらには、ＳＰＲ装置やＳＰＦＳ装置に限らず、例えば、光学検査のような工業分野などにおいても使用可能であり、何ら分野を限定されず適用可能であり、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
本発明は、例えば、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）を用いた、血液検査などの臨床試験のような、高精度の検出が要求される分野において、全反射減衰する条件（ＡＴＲ条件）を満たした最適な励起光の入射角（共鳴角）を高精度かつ迅速に測定することができる。
１０ ＳＰＲ装置
１２ 誘電体部材
１２ａ 上面
１２ｂ 側面
１２ｃ 側面
１４ 金属薄膜
１６ センサチップ
１８ センサチップ装填部
１９ マスク
２０ 点光源
２１ 投光位置
２１ａ 投光位置
２１ｂ 投光位置
２２ 集光レンズ
２３ 界面
２４ 励起光
２６ 金属薄膜反射光
２８ 受光手段
２９ 反射光集光レンズ
３０ 投光ユニット
３１ 擬似的な点光源
３２ チップ
３４ 集光レンズ
３６ アパーチャー部材
３６ａ アパーチャー孔
３８ 平行光光源
４０ 平行光
５０ ＳＰＦＳ装置
５２ 蛍光物質層
５４ 測定部材
５６ 光検出手段
５８ 蛍光
６０ 反応層
６２ 集光部材
６４ 波長選択機能部材
１０２ 光源
１０４ 集光ビーム
１０６ 反射光
１０８ 受光手段
１２ 誘電体部材
１２ａ 上面
１２ｂ 側面
１２ｃ 側面
１４ 金属薄膜
１６ センサチップ
１８ センサチップ装填部
１９ マスク
２０ 点光源
２１ 投光位置
２１ａ 投光位置
２１ｂ 投光位置
２２ 集光レンズ
２３ 界面
２４ 励起光
２６ 金属薄膜反射光
２８ 受光手段
２９ 反射光集光レンズ
３０ 投光ユニット
３１ 擬似的な点光源
３２ チップ
３４ 集光レンズ
３６ アパーチャー部材
３６ａ アパーチャー孔
３８ 平行光光源
４０ 平行光
５０ ＳＰＦＳ装置
５２ 蛍光物質層
５４ 測定部材
５６ 光検出手段
５８ 蛍光
６０ 反応層
６２ 集光部材
６４ 波長選択機能部材
１０２ 光源
１０４ 集光ビーム
１０６ 反射光
１０８ 受光手段
Claims (6)
- 誘電体部材上に形成された金属薄膜を有するセンサチップが装填され、励起光を照射することで検体の検出を行う光学式検体検出装置であって、
前記誘電体部材に入射させる励起光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの前側焦点距離に位置する投光位置から、前記集光レンズ及び前記誘電体部材を介して前記金属薄膜に励起光を照射する点光源と、を備え、
前記金属薄膜に対する励起光の入射角を変更する際に、前記点光源が、前記集光レンズの光軸に垂直な平面内で直線移動するように構成されるとともに、
前記点光源が、平行光束を照射する光源と、前記光源から照射された光を前記投光位置において点光源になるように制限するように構成された複数のアパーチャー孔が配列されたアパーチャー部材とを備え、前記複数のアパーチャー孔に対して垂直に前記光源からの平行光束が照射されるように構成されており、
前記複数のアパーチャー孔のうち一つのアパーチャー孔のみを開状態とするように開閉の切り替えが行えるように構成されるとともに、
前記アパーチャー孔の開閉を順次行うように構成されていることを特徴とする光学式検体検出装置。 - 前記金属薄膜の励起光が入射される面側とは反対の面側から出射された光を検出する光検出手段が設けられるとともに、
前記金属薄膜上に、電場増強度測定用部材が配置され、
前記励起光を前記金属薄膜に照射した際に発生する表面プラズモン光によって、前記電場増強度測定用部材が励起され発生した光を、前記光検出手段によって測定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式検体検出装置。 - 前記電場増強度測定用部材が、蛍光物質であることを特徴とする請求項２に記載の光学式検体検出装置。
- 前記電場増強度測定用部材が、光散乱物質であることを特徴とする請求項２に記載の光学式検体検出装置。
- 前記金属薄膜によって反射された励起光を受光する受光手段が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光学式検体検出装置。
- 前記誘電体部材と、前記集光レンズとを一体化した構造とすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光学式検体検出装置。
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