JP5067143B2 - 表面プラズモン共鳴蛍光分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance：ＳＰＲ）によって生じたエバネッセント波を用い、検体に含まれる蛍光物質を発光させ、この蛍光を検出することで検体を測定する表面プラズモン共鳴蛍光分析装置に関する。

従来から、表面プラズモン共鳴蛍光分析装置としては、特許文献１に記載されたものが知られている。

この分析装置は、金属薄膜が形成された分析素子ブロックと、この分析素子ブロックに光を照射するための光源と、前記金属薄膜で生じたエバネッセント波によって励起された蛍光を検出するための蛍光検出手段と、を備える。

前記分析素子ブロックは三角プリズムで構成されており、頂角に対向する面上に前記金属薄膜が形成されている。この金属薄膜の表面（前記プリズムと接している面と反対側の面）上には検体（試料溶液）が当該金属薄膜の表面（おもて面）と接しつつ流れる流路が設けられている。前記光源は、照射した光が前記プリズムの一方の斜面（入射面）から前記プリズム内に入射し、この入射した光が前記金属薄膜の裏面（反射面）に表面プラズモン共鳴角で入射するように配置されている。前記蛍光検出手段は、前記金属薄膜に対して前記流路を挟んで対向する位置に配置されている。

このような装置では、前記流路に蛍光物質を含む検体が流され、前記光源から前記金属薄膜の反射面に光が照射されることで前記金属薄膜に表面プラズモン共鳴が生じ、前記金属薄膜の表面側、即ち、流路側の面にエバネッセント波が発生する。このエバネッセント波によって前記金属薄膜表面近傍にある前記検体中の蛍光物質が励起されて蛍光を発し、この蛍光を前記蛍光検出手段によって検出することにより前記検体の定量分析等が行われる。
特開２００６−２０８０６９号公報

前記の装置では、金属薄膜の裏面に光を照射し、表面側で発生したエバネッセント波で励起される蛍光物質の蛍光を検出しなければならないため、前記分析素子ブロックを挟んでその両側、即ち、前記金属薄膜に対し反射面（裏面）側と流路（表面）側とにそれぞれ光学系（前記光源又は蛍光検出手段）が配置される。そのため、装置が大型化するといった問題が生じていた。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、装置の小型化を図った表面プラズモン共鳴蛍光分析装置を提供することを課題とする。

そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係る表面プラズモン共鳴蛍光分析装置は、検体に含まれる蛍光物質が金属薄膜で生じたエバネッセント波で励起されて発した蛍光を測定する表面プラズモン共鳴蛍光分析装置であって、内部に入射した光を前記金属薄膜に案内する光導波路部、前記検体が流れる流路、及び、一方の面が前記光導波路部に面すると共に他方の面が前記流路内に露出するように設けられた前記金属薄膜を備え、且つ、前記光導波路部が、外部から照射された光が内部に入射する入射面、前記入射面から入射した光を前記金属薄膜の一方の面に向けて全反条件で折り返す第１反射部、及び、前記第１反射部からの光を前記金属薄膜の一方の面での全反射後に外部に射出する射出面をその表面に有する分析素子チップと、前記分析素子チップの入射面と対向する位置に配置され、前記入射面に対して光を照射するための光源と、前記分析素子チップの金属薄膜に対して前記流路を挟んで対向する位置に配置され、前記金属薄膜で生じたエバネッセント波によって励起された蛍光を検出するための蛍光検出手段と、を備える。そして、前記入射面は、当該入射面への光の入射方向と前記金属薄膜の一方の面とが同一方向を向いて平行若しくは略平行になるような位置に配置されると共に、前記第１反射部は、前記入射面及び金属薄膜の一方の面を望むような位置に配置され、前記光源と前記蛍光検出手段とは、同一基板上に配置されることを特徴とする。

かかる構成によれば、前記分析素子チップに対し入射面側の同一基板上に前記光源及び前記蛍光検出手段の２つの光学系を配置でき、分析素子チップを挟んで両側に光学系を配置する従来の装置に比べて小型化を図ることができる。具体的には以下の通りである。
前記分析素子チップにおいて、前記入射面に対して光が照射されることで、内部に入射した光が前記入射面を望む位置に配置された第１反射部において全反射条件で折り返され、前記金属薄膜の一方の面に対して表面プラズモン共鳴角で入射するように案内される。

このように前記金属薄膜の一方の面に入射した光が案内されることで、前記流路内部に露出した金属薄膜の他方の面で表面プラズモン共鳴が生じ、当該金属薄膜の他方の面近傍にエバネッセント波が発生する。このエバネッセント波により前記金属薄膜の他方の面近傍の検体に含まれる蛍光物質が励起されて蛍光を発する。

この蛍光は、前記金属薄膜の他方の面側、即ち、入射面に対して光が入射してくる方向側から検出可能である。そのため、前記構成の分析素子チップを用いることで、表面プラズモン共鳴蛍光分析装置においては、当該分析素子チップの入射面側に設けられる同一基板上に前記光源及び蛍光検出手段といった光学系を全て配置することが可能となる。

その結果、前記構成の分析素子チップを用いることで、分析素子チップを挟んで両側に光学系を配置していた従来の表面プラズモン共鳴蛍光分析装置よりも装置の小型化を図ることが可能となる。
また、前記分析素子チップに対して前記入射面と反対側に光学系を配置する必要がないため、当該装置において前記分析素子チップに対して入射面と反対側に空間が確保し易くなり、この空間を確保することで分析素子チップを交換する場合の交換作業が行い易くなる。

尚、前記第１反射部は、複数の全反射面を備え、これら複数の全反射面は、前記入射面側から前記金属薄膜側に向かって連続又は間隔をおいて並び、隣り合う前記全反射面同士のなす角が前記入射面からの光を前記金属薄膜側の全反射面に向かって順に全反射し且つ最も金属薄膜側の前記全反射面で全反射された光が前記金属薄膜の一方の面に向かうようにそれぞれ配置されてもよく、また、前記第１反射部は、１つの反射面で構成され、この反射面には光を全反射する反射膜が設けられてもよい。

また、反射面に反射膜が設けられる場合には、前記反射膜は、多層膜で構成されることが好ましい。

このように構成されることで、前記第１反射部では前記金属薄膜での表面プラズモン共鳴に用いられる所定の波長の光だけを金属薄膜の一方の面に向けて全反射条件で折り返すことができる。即ち、前記入射面から入射した光に含まれる種々の波長のうち、必要な波長の光を選択して折り返すことができる。そのため、当該分析素子チップを用いることで、表面プラズモン共鳴蛍光分析装置においては、光源が照射する光に種々の波長が含まれていてもよく、光源の選択性が向上する。

本発明に係る表面プラズモン共鳴蛍光分析装置の分析素子チップにおいては、前記入射面が前記金属薄膜に対して傾斜すると共に、前記外部から照射される光に対しても傾斜するように配置される構成であってもよい。

かかる構成によれば、前記入射面に照射された光のうち、当該入射面で僅かに反射された反射光が光源に入射するのを防ぐことができる。そのため、当該分析素子チップを用いることで、表面プラズモン共鳴蛍光分析装置においては、前記反射光が前記光源に入射することで照射する光が不安定になることを抑制でき、光源が安定して光を照射し続けることが可能となる。

また、上記課題を解消すべく、本発明に係る表面プラズモン共鳴蛍光分析装置は、検体に含まれる蛍光物質が金属薄膜で生じたエバネッセント波で励起されて発した蛍光を測定する表面プラズモン共鳴蛍光分析装置であって、内部に入射した光を前記金属薄膜に案内する光導波路部、前記検体が流れる流路、及び、一方の面が前記光導波路部に面すると共に他方の面が前記流路内に露出するように設けられた前記金属薄膜を備え、且つ、前記光導波路部が、外部から照射された光が内部に入射する入射面、前記入射した光を前記金属薄膜の一方の面での全反射後に外部に射出する射出面、前記入射面から入射した光を前記金属薄膜の一方の面に向けて全反条件で折り返す第１反射部、及び、前記金属薄膜の一方の面で全反射された光を前記射出面に向けて全反射条件で折り返す第２反射部をその表面に有する分析素子チップと、前記分析素子チップの入射面と対向する位置に配置され、前記入射面に対して光を照射するための光源と、前記分析素子チップの金属薄膜に対して前記流路を挟んで対向する位置に配置され、前記金属薄膜で生じたエバネッセント波によって励起された蛍光を検出するための蛍光検出手段と、前記分析素子チップの射出面と対向する位置に配置され、前記射出面から射出される光を検出するための射出光検出手段と、を備える。そして、前記入射面は、当該入射面への光の入射方向と前記金属薄膜の一方の面とが同一方向を向いて平行若しくは略平行になるような位置に配置されると共に、前記第１反射部は、前記入射面及び金属薄膜の一方の面を望むような位置に配置され、並びに、前記射出面は、当該射出面からの光の射出方向と前記金属薄膜の他方の面とが同一方向を向いて平行若しくは略平行になるような位置に配置されると共に、前記第２反射部は、前記金属薄膜の一方の面及び射出面を望むような位置に配置され、前記光源と前記蛍光検出手段と前記射出光検出手段とが同一基板上に配置されることを特徴とする。

かかる構成によれば、前記分析素子チップにおいて、前記入射面と金属薄膜と射出面とが平行若しくは略平行となり、且つ前記入射面と射出面とが同一方向を向く。そのため、内部に入射した光は、第１反射部において全反射条件で折り返されて前記金属薄膜に到達し、当該金属薄膜の一方の面で全反射した後、この金属薄膜の一方の面を望む位置に配置された第２反射部において全反射条件で折り返され、射出面から外部に射出される。即ち、入射する光と射出される光とが平行若しくは略平行となる。

従って、前記入射面に対して光を照射する光源と前記射出面から射出される光を検出するための射出光検出手段とを当該分析素子チップに対して同一側に配置することができる。そのため、当該分析素子チップを用いることで、表面プラズモン共鳴蛍光分析装置においては、当該分析素子チップの入射面側に設けられる同一基板上に前記光源、蛍光検出手段及び射出光検出手段といった光学系を全て配置することが可能となる。

その結果、当該分析素子チップを用いることで、前記３つの光学系を有する表面プラズモン共鳴蛍光分析装置であっても、従来のように分析素子チップを挟んで両側に光学系を配置する装置に比べて小型化を図ることが可能となる。
しかも、前記射出面から射出される光を検出することで、前記光源から照射されて前記光導波路板の内部に入射し、前記金属薄膜に案内された光が当該金属薄膜に対して表面プラズモン共鳴角で入射しているか否かの検出が容易になる。
また、前記分析素子チップに対して前記入射面と反対側に光学系を配置する必要がないため、当該装置において前記分析素子チップに対して入射面と反対側に空間が確保し易くなり、この空間を確保することで分析素子チップを交換する場合の交換作業が行い易くなる。

尚、前記第２反射部は、複数の全反射面又は１つの反射面で構成され、前記複数の全反射面は、前記金属薄膜側から前記射出面側に向かって連続又は間隔をおいて並び、隣り合う前記全反射面同士のなす角が前記金属薄膜からの光を前記射出面側の全反射面に向かって順に全反射し且つ最も射出面側の前記全反射面で全反射された光が前記射出面に向かうようにそれぞれ配置され、前記反射面には光を全反射する反射膜が設けられる。

また、照射した光が前記分析素子チップの入射面に対して斜めから入射するように光源を前記基板上に配置する構成であってもよい。

かかる構成によれば、前記入射面に照射された光のうち、当該入射面で僅かに反射された反射光が光源に入射するのを防ぐことができる。そのため、前記反射光が前記光源に入射することで照射する光が不安定になることを抑制でき、光源が安定して光を照射し続けることができる。

また、前記光源と蛍光検出手段との間に遮光部材が配置され、この遮光部材は、前記分析素子チップを当該表面プラズモン共鳴蛍光分析装置に設置した際の前記分析素子チップと基板との間隔よりも長く、且つ前記間隔方向に弾性変形可能に構成され構成であってもよい。

かかる構成によれば、前記光源から前記光導波路部内へ入射せずに前記蛍光検出手段へ侵入する迷光を遮断でき、前記蛍光の検出精度が向上する。また、前記分析素子チップと基板との間隔よりも長く、且つ前記間隔方向に弾性変形可能であるため、前記分析素子チップを表面プラズモン共鳴蛍光分析装置に設置した際、前記遮光部材と分析素子チップ及び前記遮光部材と基板とがそれぞれ密着し、より前記迷光の遮断効果が向上する。

以上より、本発明によれば、装置の小型化を図った表面プラズモン共鳴蛍光分析装置を提供する。

以下、本発明の第１実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係る表面プラズモン共鳴蛍光分析装置（以下、単に「第１蛍光分析装置」とも称する。）は、図１に示されるように、分析素子チップ１０と、分析素子チップ１０に光を照射するための光源（第１の光学系）３０と、エバネッセント波によって励起された蛍光を検出するための蛍光検出手段（第２の光学系）４０と、分析素子チップ１０から射出される光を検出するための射出光検出手段（第３の光学系）５０と、を備える。

これら光源３０と蛍光検出手段４０と射出光検出手段５０とは、同一の基板Ｂ上に配置され、この基板Ｂ上の光源３０と蛍光検出手段４０との間には遮光部材Ｓが配置されている。また、蛍光検出手段４０と射出光検出手段５０には、さらに各検出手段４０又は５０で検出した検出光を分析するための演算部６０が接続され、この演算部６０には当該演算部６０が演算した結果を示すための表示手段７０が接続されている。

分析素子チップ１０は、図２乃至図３（ｂ）にも示されるように、反射部材１２と流路部材２０とで構成される。

反射部材１２は、一対の平行な面（一方の面と他方の面）１２ａ，１２ｂを有する透明な板状に形成され、一方の面（図３（ａ）においては下側の面）１２ａに金属薄膜１４が設けられている。この反射部材１２は、後述する流路２２の測定部２４を横断する方向において、両端部（図３（ａ）においては左右両端部）に第１及び第２反射部１１０，１２０を有し、これら第１及び第２反射部１１０，１２０は、反射部材１２の内部に入射した光を全反射する部位である。

具体的には、反射部材１２は、透明な矩形の板状に形成されている。本実施形態において、反射部材１２は、例えば、縦（図２における上下方向の長さ）が１２ｍｍ、横（図２における左右方向の長さ）が２０ｍｍ、厚さが２ｍｍの板状に形成されている。また、反射部材１２は、透明な樹脂で形成されているがこれに限定されず光学系のガラス等であってもよい。この反射部材１２の測定部２４を横断する方向の両端部（図２及び図３（ａ）においては左右両端部）にはそれぞれ斜面１１２，１２４が形成され、この斜面１１２，１２４は、第１及び第２反射部１１０，１２０の一部を構成する。即ち、測定部２４を横断する方向に沿った断面（横断面）は、等脚台形となる（図３（ａ）参照）ように形成されている。また、流路２２の両端部に対応する位置には、他方の面１２ｂから一方の面１２ａに向かって流路に連通する貫通孔１８ａ，１８ｂがそれぞれ形成されている。

流路部材２０は、反射部材１２の一方の面１２ａ側に設けられ、透明な樹脂で形成されており、検体が流れる流路２２を有する。具体的には、流路部材２０は、矩形の板状に形成され、反射部材１２に取り付けられた際、一方の面１２ａと対向する面にこの一方の面１２ａと共に流路２２を形成する流路用溝２２ａが形成されている。この流路用溝２２ａは、反射部材１２側から反対側に向けて凹設された溝であり、その一部に測定部用溝２４ａを含む。

詳細には、本実施形態において、流路用溝２２ａは、流路部材２０の中央部で真っ直ぐ延びる測定部用溝２４ａと、その両端側で互いに逆方向に延び且つ測定部用溝２４ａと直交する方向に延びる端部用溝２６ａ，２８ａと、で構成されている。このように形成される流路用溝２２ａは、例えば、前記横断面においては、幅が５００μｍ、深さが３００μｍの溝である。

この流路用溝２２ａは、流路部材２０が反射部材１２に熱融着、接着剤、プラズマ接合等によって接合された際、当該流路用溝２２ａの上端が一方の面１２ａによって塞がれることで流路２２が形成される。このとき、測定部用溝２４ａは、一方の面１２ａの金属薄膜１４が設けられた部位で上端を塞がれるため、内部に金属薄膜１４の露出面１４ａが露出した状態で測定部２４を形成する。そして、この流路２２は、前記のように、両端部が反射部材１２に形成された貫通孔１８ａ，１８ｂを介して外部と連通している。

このような反射部材１２と流路部材２０とが前記のように熱融着等で互いに接合されることで、分析素子チップ１０が構成される。この分析素子チップ１０は、内部に入射した光を金属薄膜１４に案内する光導波路部１００と、前記の流路２２と、一方の面（反射面）１４ｂが光導波路部１００に面すると共に他方の面（露出面）１４ａが流路２２内、詳細には流路２２の測定部２４内に露出するように設けられた金属薄膜１４と、を備える。

光導波路部１００は、外部（光源３０）から照射された光が内部に入射する入射面１０２と、入射面１０２から入射した光を金属薄膜１４の反射面１４ｂに向けて全反射条件で折り返す第１反射部１１０と、金属薄膜１４の反射面１４ｂで全反射した後の光を外部に射出する射出面１０４と、金属薄膜１４の反射面１４ｂで全反射された光を射出面に向けて全反射条件で折り返す第２反射部１２０と、をその表面に有する。

入射面１０２は、当該入射面１０２への光の入射方向と金属薄膜１４の反射面１４ｂとが同一方向を向いて平行となるような位置に配置されている。具体的には、流路部材２０の流路用溝２２ａが凹設された面と反対側の面、即ち、分析素子チップ１０の下面で、測定部２４を横断する方向において、一方側端部（図３（ａ）において右端部）に形成されている。

第１反射部１１０は、入射面１０２及び金属薄膜１４の反射面１４ｂを望むような位置に配置され、複数（２つ以上）の全反射面１１２，１１４，…を備えている。これら複数の全反射面１１２，１１４，…は、入射面１０２側から金属薄膜１４側、即ち、測定部２４を横断する方向において、一方側から他方側に向かって（図３（ａ）においては右から左に向かって）連続して並び、隣り合う全反射面同士のなす角が入射面１０２からの光を金属薄膜１４側の全反射面に向かって順に全反射し且つ最も金属薄膜１４側の全反射面で全反射された光が金属薄膜１４の反射面１４ｂに向かうようにそれぞれ配置される。

詳細には、本実施形態においては、第１反射部１１０は、第１及び第２の２つの全反射面１１２，１１４で構成されている。第１全反射面１１２は、反射部材１２の一方側端部に形成された斜面で構成され、第２全反射面１１４は、反射部材１２の他方の面１２ｂの端部（一部）で構成されている。この第１全反射面１１２と第２全反射面１１４とのなす角は、入射面１０２から入射した光が第１全反射面１１２で全反射して第２全反射面１１４に向かい、この光が第２全反射面１１４で全反射して金属薄膜１４の反射面１４ｂが設けられた部位に対して全反射条件且つ金属薄膜１４の反射面１４ｂに対して表面プラズモン共鳴角θで入射するような角度である。即ち、入射面１０２（流路部材２０の下面端部）から入射した光が第１及び第２全反射面１１２，１１４で順に全反射されることで折り返され、入射面１０２と平行に配置されている金属薄膜１４の反射面１４ｂに向かう。本実施形態においては、第１全反射面１１２と第２全反射面１１４とのなす角は、１１９°である。

尚、表面プラズモン共鳴角θとは、一方の面１２ａの金属薄膜１４が設けられた前記部位で光が全反射した際に生じるエバネッセント波が金属薄膜１４で表面プラズモン共鳴を起こすような前記光の入射角である。この共鳴角のとき励起エネルギが強く効率的である。しかしながら角度の精度も要求される。従って、エネルギ効率は落ちるがプラズモン共鳴のピークを外す設定であってもエバネッセント波が出る角度であれば本件の目的は達成できる。また、本実施形態においては、第１反射部１１０は２つの全反射面１１２，１１４が連続して並んでいるが、隣り合う全反射面１１２，１１４間に他の面を挟むように、即ち、隣り合う全反射面１１２，１１４が間隔をおいて並んでもよい。このように全反射面が連続して並ばなくても、光が全反射面のみで順に全反射されて金属薄膜１４に案内されるように配置されていればよい。このように全反射面だけで全反射され金属薄膜１４に到達することで、入射光に対して光のエネルギのロスが少なく効率よく金属薄膜１４まで案内される。

射出面１０４は、当該射出面１０４からの光の射出方向と金属薄膜１４の露出面１４ａとが同一方向を向いて平行となるような位置に配置されている。具体的には、流路部材２０の流路用溝２２ａが凹設された面と反対側の面、即ち、分析素子チップ１０の下面（入射面１０２が設けられた面と同一の面）で、測定部２４を横断する方向において、他方側端部（図３（ａ）において左端部）に形成されている。

第２反射部１２０は、金属薄膜１４の反射面１４ｂ及び射出面１０４を望むような位置に配置され、第１反射部１１０同様、複数の全反射面を備えている。これら複数の全反射面は、金属薄膜１４側から射出面１０４側、即ち、測定部２４を横断する方向において、一方側から他方側に向かって連続に並び、隣り合う全反射面同士のなす角が金属薄膜１４からの光を射出面１０４側の全反射面に向かって順に全反射し且つ最も射出面１０４側の全反射面で全反射された光が射出面１０４に向かうようにそれぞれ配置される。

詳細には、本実施形態においては、第２反射部１２０は、第３及び第４の２つの全反射面１２２，１２４で構成されている。第３全反射面１２２は、反射部材１２の他方の面１２ｂの端部で構成され、第４全反射面１２４は、反射部材１２の端部に形成された斜面で構成されている。この第３全反射面１２２と第４全反射面１２４とのなす角は、金属薄膜１４の反射面１４ｂからの光が第３全反射面１２２で全反射して第４全反射面１２４に向かい、この光が第４全反射面１２４で全反射して射出面１０４に向かい、射出面１０４から外部に射出されるような角度である。即ち、金属薄膜１４の反射面１４ｂからの光が第３及び第４全反射面１２２，１２４で順に全反射されることで折り返され、金属薄膜１４と平行に配置された射出面１０４に向かう。本実施形態においては、第３全反射面１２２と第４全反射面１２４とのなす角は、１１９°である。

以上のような第１反射部１１０及び第２反射部１２０を光導波路部１００が備えることで、当該光導波路部１００に入射した光源３０からの光は、第１反射部１１０において全反射条件で折り返され、金属薄膜１４の基板Ｂと反対側の面（反射面）１４ｂで全反射され、さらに第２反射部１２０において全反射条件で折り返された後、射出面１０４から射出される。このように光が反射されることで、光導波路部１００に入射する光と射出される光とが平行若しくは略平行となる。また、前記入射した光は、金属薄膜１４の基板Ｂと反対側の面１４ｂに入射するため、後述するように金属薄膜１４の基板Ｂ側に蛍光が励起される。そのため、基板Ｂ上に光源３０、蛍光検出手段４０及び射出光検出手段５０を全て配置することが可能となる。

金属薄膜１４は、本実施形態においては、例えば金で形成されているが、銀、銅、アルミ等の金属（合金を含む）で形成されてもよい。この金属薄膜１４は、反射部材１２の一方の面１２ａにおいて、光導波路部１００に入射した光が第１反射部１１０で折り返されて、表面プラズモン共鳴角で到達するような部位で、且つ流路２２の測定部２４と対応する部位に蒸着等によって形成（成膜）されている。

また、この金属薄膜１４の流路２２側の露出面１４ａには、特定の抗原を捕捉するための捕捉体が固定されている。この捕捉体は、金属薄膜１４の露出面１４ａに表面処理によって固定されている。

尚、本実施形態においては、反射部材１２と流路部材２０との界面での光の全反射は、測定部２４に対応する位置のみである。そのため、一方の面１２ａに形成される金属薄膜１４の位置は、測定部２４に対応する位置のみに限定される必要はなく、当該位置を含んでいれば、より広い範囲でもよく、一方の面１２ａ全面（但し、入射面１０２及び射出面１０４対応する位置を除く）でもよい。このように、極めて細い流路２２の測定部２４に対応する位置のみでなく、より広い範囲に金属薄膜１４を形成することで、成膜作業が容易になる。

光源（第１の光学系）３０は、光導波路部１００の入射面１０２に対して光を照射するためのものであり、半導体レーザやＬＥＤ等の発光素子３２と光学系３４とで構成されている。本実施形態においては、発光素子３２として半導体レーザが用いられ、当該半導体レーザ自身のＰ偏光の偏光面が光導波路部１００内部で反射するように半導体レーザが配置されているため偏光板を設ける必要がない。しかし、Ｐ偏光の偏光面を有しない発光素子を用いる場合には、発光素子３２と入射面１０２との間に偏光板３６が配置される（図４参照）。この偏光板３６は、Ｐ偏光の偏光面が光導波路部１００の第１反射部１１０で反射するように発光素子３２から照射された光を偏光するものである。

光学系３４は、発光素子３２から照射された光を平行射出又は金属薄膜１４の反射面１４ｂ上で集光するように構成された１又は複数のレンズやミラー等で構成されている。

このように構成される光源３０は、光導波路部１００の入射面１０２と対向し、分析素子チップ１０と平行に配置された基板Ｂ上に設けられている。詳細には、光源３０は、分析素子チップ１０の下方から光導波路部１００の入射面１０２に対して法線方向から光を照射し、且つ光導波路部１００内部に入射した前記光が第１反射部１１０において全反射条件で折り返され、斜め方向（表面プラズモン共鳴角θ）から金属薄膜１４の反射面１４ｂに入射するような位置及び照射角度で基板Ｂ上に配置されている。

蛍光検出手段（第２の光学系）４０は、金属薄膜１４の露出面１４ａ側で生じたエバネッセント波によって励起された蛍光を検出するためのものであり、レンズ等の光学系４２とＣＣＤ等の受光素子４４とで構成されている。このように構成される蛍光検出手段４０は、分析素子チップ１０の金属薄膜１４に対して流路２２（測定部２４）を挟んで対向する位置、即ち、分析素子チップ１０の下方に配置された基板Ｂ上に配置される。

射出光検出手段（第３の光学系）５０は、光導波路部１００から射出される光を検出するためのものであり、ＣＣＤやフォトダイオード等の受光素子５２及びレンズ等の光学系５４とで構成されている。この射出光検出手段５０は、射出された光を受光できるように光導波路部１００の射出面１０４と対向し、光源３０や蛍光検出手段４０が配置されている共通の基板Ｂ上に配置されている。

このように本実施形態に係る第１蛍光分析装置では、第１乃至第３の３つの光学系３０，４０，５０は、全て分析素子チップ１０に対して入射面１０２側に設けられる同一基板Ｂ上に配置されている。そのため分析素子チップを挟んで両側に光学系を配置する従来の装置に比べて小型化を図ることができる。

また、分析素子チップ１０に対して入射面１０２と反対側（本実施形態においては上方）に光学系を配置する必要がないため、当該分析素子チップ１０の入射面１０２と反対側に空間が確保し易くなり、この空間を確保することで分析素子チップ１０を交換する場合の作業空間が確保され、交換作業が行い易くなる。

遮光部材Ｓは、分析素子チップ１０を第１蛍光分析装置に設置した際の当該分析素子チップ１０と基板Ｂとの間隔よりも長く、且つ前記間隔方向に弾性変形可能に構成された壁であり、蛍光検出手段４０の周囲を囲うように形成されている。そのため、分析素子チップ１０を第１蛍光分析装置に設置した際、遮光部材Ｓは、分析素子チップ１０と基板Ｂとで挟まれて弾性変形するため、遮光部材Ｓの一方の端部と分析素子チップ１０及び遮光部材Ｓの他方の端部と基板Ｂとがそれぞれ密着し、光源３０から蛍光検出手段４０に侵入する迷光を遮断することができる。

尚、基板Ｂに、遮光部材Ｓと共に基板Ｂから所定距離に当り面を有する位置決め部材（図示せず）、及び押さえ手段（図示せず）を設け、分析素子チップ１０を設置する際に、当該分析素子チップ１０と基板Ｂとの距離を、分析素子チップ１０を当り面に当接させることで規定し、この状態で押さえ手段によって分析素子チップ１０を押えることで位置決めさせてもよい。このとき、当り面と基板Ｂとの前記所定距離を遮光部材Ｓの前記長さよりも短くすることで、容易に位置決めできると共に遮光部材Ｓと分析素子チップ１０及び基板Ｂとを密着させて遮光性を確保することができる。

演算部６０は、蛍光検出手段４０及び射出光検出手段５０から送られてきた出力信号を演算して各検出手段４０又は５０で検出された検出光に関する分析を行うためのものである。具体的には、例えば、蛍光検出手段４０で検出した単位面積あたりの蛍光の数のカウントや時間の経過に伴う蛍光の増加量を算出したり、射出光検出手段５０で検出した射出光の強度や強度変化を算出したりする。このようにして演算部６０で演算された結果は、この演算部６０に接続された表示手段７０に出力され、当該表示手段７０が表示する。尚、演算部６０は、本実施形態のように１つである必要はなく、蛍光検出手段４０と射出光検出手段５０とにそれぞれ設けられてもよい。また、表示手段７０は、モニター等のように結果を画面に表示するものだけでなく、プリンター等のように結果をプリントアウトするもの等であってもよい。

本実施形態に係る第１蛍光分析装置は、以上の構成からなり、次に、この第１蛍光分析装置の動作及び作用について説明する。

第１蛍光分析装置に設置された分析素子チップ１０に検体（試料溶液）が流される。この検体には抗原と蛍光標識とが含まれ、これら抗原と蛍光標識とは複合体を形成する。具体的には、分析素子チップ１０は、反射部材１２の他方の面１２ｂが上側を向いて水平となるよう第１蛍光分析装置に設置される。この分析素子チップ１０は、検体毎に交換可能な交換チップとして使用される。

交換チップとして使用される場合には、複数の分析素子チップ１０を積み重ねることが可能なため持ち運びが容易である。即ち、分析素子チップ１０を構成する反射部材１２及び流路部材２０が共に板状に形成されているため、分析素子チップ１０の上面及び下面に凹凸等がなく、複数の分析素子チップ１０を容易に積み重ねることが可能となる。

次に、反射部材１２に形成された一対の貫通孔１８ａ，１８ｂの一方の貫通孔１８ａから検体が注入され、流路２２を経て他方の貫通孔１８ｂから排出される。その際、流路２２の測定部２４の内部には、表面に捕捉体が固定された金属薄膜１４の露出面１４ａが露出しているため、検体はこの露出面１４ａに接しつつ流路２２（測定部２４）を流れる。その際、蛍光標識と複合体を形成している抗原が露出面１４ａに固定された捕捉体に捉えられて金属薄膜１４上に留まる。

一方、光源３０から分析素子チップ１０の光導波路部１００の入射面１０２に対して光が照射される。この光は、入射面１０２に対して法線方向から光導波路部１００の内部に入射し、入射面１０２と金属薄膜１４の反射面１４ｂを望む位置に配置された第１反射部１１０において全反射条件で折り返され、金属薄膜１４の反射面１４ｂに対して表面プラズモン共鳴角θで入射するように案内される。詳細には、前記のように、入射面１０２から入射した光は、第１全反射面１１２で隣り合う第２全反射面１１４に向かって全反射され、この全反射された光が第２全反射面１１４で全反射された後、金属薄膜１４の反射面１４ｂに対して表面プラズモン共鳴角θで入射する。

このように金属薄膜１４の反射面１４ｂに前記入射した光が案内されることで、流路２２（測定部２４）内部に露出した金属薄膜１４の露出面１４ａで表面プラズモン共鳴が生じ、当該金属薄膜１４の露出面１４ａ近傍にエバネッセント波が発生する。このエバネッセント波により金属薄膜１４の露出面１４ａに固定された捕捉体により捉えられた前記複合体の蛍光標識（蛍光物質）が励起されて蛍光を発する。即ち、金属薄膜１４において、光源３０からの光が入射した面（反射面１４ｂ）と反対の面（露出面１４ａ）側で蛍光が励起される。この蛍光は、流路部材２０が透明であるため金属薄膜１４に対して流路２２（測定部２４）を挟んで対向する位置に配置された基板Ｂ上の蛍光検出手段４０によって検出される。

この蛍光を検出する際、検体を流路２２に流しながら光源３０から光を照射し、時間の経過に伴う蛍光点の数の変化や、検体を流す前後での蛍光点の数の変化を測定してもよい。また、検体を流し終えた後、洗浄剤で流路２２内を洗浄し、その後に光源３０から光を照射して捕捉体に捉えられた複合体からの蛍光を検出するようにしてもよい。

金属薄膜１４の反射面１４ｂに表面プラズモン共鳴角θで入射した光は、当該反射面１４ｂで全反射されて第２反射部１２０に向かい、この光が第２反射部１２０において全反射条件で折り返され、射出面１０４から外部に射出される。詳細には、前記のように、金属薄膜１４の反射面１４ｂで全反射された光は、第３全反射面１２２で隣り合う第４全反射面１２４に向かって全反射され、この光が第４全反射面１２４で全反射された後、再度光導波路部１００の内部側へ全反射されることなく射出面１０４から外部に射出される。

この射出される光は、本実施形態においては射出面１０４に対して法線方向に射出される。このように、内部に入射した光は、金属薄膜１４の反射面１４ｂで全反射した後、射出面１０４から外部に射出されるため、光導波路部１００内部で乱反射して再び金属薄膜１４に入射することがない。そのため、乱反射した光による蛍光物質の励起が抑制でき、前記蛍光の検出におけるノイズを抑制することができる。

射出面１０４から光導波路部１００の外部に射出された光は、射出光検出手段５０で検出される。この検出された射出光を分析することで、入射面１０２から入射した光が金属薄膜１４の反射面１４ｂに表面プラズモン共鳴角θで入射しているか否かが容易に判断される。この判断に基づいて、光源３０の光軸や分析素子チップ１０の設置角度を調整することで、金属薄膜１４の反射面１４ｂでの表面プラズモン共鳴状態を保つことができ、蛍光検出手段４０において、検出に十分な蛍光の強度を保つことができる。若しくは、前記判断に基づき、演算部６０において蛍光検出手段４０からの検出光の情報に対して補正が行われ、検体の分析精度が向上する。

このようにして各検出手段４０，５０で検出された検出光の情報は、演算部６０に送られ、各種演算が行われる。そして、その結果が表示手段７０に送られ、当該表示手段７０によって表示される。

次に、本発明の第２実施形態について図４乃至６（ｂ）を参照しつつ説明するが、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。

本実施形態に係る表面プラズモン共鳴蛍光分析装置（以下、単に「第２蛍光分析装置」とも称する。）は、第１蛍光分析装置同様、分析素子チップ１０と、分析素子チップ１０に光を照射するための光源（第１の光学系）４０と、エバネッセント波によって励起された蛍光を検出するための蛍光検出手段（第３の光学系）８０と、を備える。

分析素子チップ１０の第１及び第２反射部１１０，１２０は、それぞれ１つの反射面１１６，１２６で構成され、各反射面１１６，１２６には、光を全反射する反射膜ｆが設けられている。この反射膜ｆは、反射部材１２の外側の面に形成された膜であり、本実施形態においては、多層膜（具体的には、例えば、アルミニウム、銀のような膜である）で構成されている。このように反射膜ｆを多層膜とすることで、金属薄膜１４での表面プラズモン共鳴に用いられる所定の波長の光だけを全反射条件で折り返すことができる。即ち、第１反射部１１０において、入射面１０２から入射した光に含まれる種々の波長のうち、必要な（前記所定の）波長の光を選択して金属薄膜１４に向けて全反射条件で折り返すことができる。そのため、第１反射部１１０に当該多層膜ｆを用いることで、光源３０の照射する光に、表面プラズモン共鳴に必要な波長が含まれていれば他に種々の波長が含まれていてもよいため、第２蛍光分析装置における光源３０の選択性が向上する。

このように構成される分析素子チップ１０に対して、光源３０から入射面１０２に対して光を照射する。この光源３０にはＰ偏光の偏光面が金属薄膜１４の反射面１４ｂで反射するように発光素子３２から照射された光を偏光する偏光板３６が発光素子３２と入射面１０２との間に設けられている。

前記照射された光は入射面１０２から光導波路部１００内部に入射し、多層膜ｆが設けられた第１反射面１１６に到達する。そして、入射面１０２と平行に配置された金属薄膜１４の反射面１４ｂに向けて全反射条件で折り返され、金属薄膜１４の反射面１４ｂで全反射され、多層膜ｆが設けられた第２反射面１２６に到達する。さらに、この光は、第２反射面１２６において全反射条件で折り返され、射出面１０４から射出される。

このように、反射膜ｆを設けることで、第１又は第２反射部１１０，１２０を１つの面で構成することが可能となる。

尚、本実施形態及び第１実施形態においては、第１反射部１１０と第２反射部１２０とが同じ構成となっているが、これに限定される必要はなく異なっていてもよい。即ち、第１反射部１１０が複数の全反射面１１２，１１４で構成され、第２反射部１２０が反射膜ｆを有する１つの反射面１２６で構成されてもよく、又、その逆であってもよい。

この分析素子チップ１０は、一方の端部が分岐した流路２２を有する（図５参照）。即ち、流路２２における一方の端部流路２６から支流路２７が分岐し、他方の端部流路２８は分岐せずに１本の流路を形成している。流路部材２０において、これら支流路２７及び端部流路２６，２８の端部に対応する部位には支流路２７及び端部流路２６，２８の内部と連通する貫通孔１９ｂ，１９ａ，１９ｃが形成されている。

このような流路（分岐した流路）２２を有する分析素子チップ１０に検体が注入される。その際、貫通孔１９ａ，１９ｂからは異なる検体が注入され、支流路２７が端部流路２６に合流することでこれら２種類の検体が混合された後、測定部２４を経て貫通孔１９ｃから排出される。測定部２４の内部には、表面に捕捉体が固定された金属薄膜１４の露出面１４ａが露出しているため、混合された検体はこの露出面１４ａに接しつつ測定部２４を流れる。その際、検体に含まれる特定の抗原が露出面１４ａに固定された捕捉体に捉えられて金属薄膜１４上に留まる。

尚、本発明の分析素子チップ及び表面プラズモン共鳴蛍光分析装置は、上記第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、図７に示されるように、光導波路部１００の入射面１０６及び射出面１０８が金属薄膜１４に対して傾斜すると共に外部から照射される光及び内部から射出される光に対しても傾斜するように構成されてもよい。このように構成することで、光源３０から照射された光のうち、入射面１０６で僅かに反射された反射光が光源３０に入射することを防ぐことができる（図７の光源３０側の点線参照）。そのため、光源３０において反射光が入射することで照射する光が不安定になることを抑制することができる。一方、射出面１０８から射出された光のうち、射出光検出手段５０の受光部で僅かに反射された反射光が射出面１０８から再度光導波路部１００に入射することを抑制できる（図７の射出光検出手段５０側の点線参照）。そのため、前記反射光が光導波路部１００に入射して内部で乱反射し、金属薄膜１４に再度入射することが抑制され、その結果、蛍光検出手段４０において検出ノイズの発生が抑制される。

また、図８（ａ）に示されるように、光軸が入射面１０２に対して傾斜するように光源３０を基板Ｂ上で傾斜するように配置し、前記入射面１０２での反射光が光源３０に入射するのを防止してもよい。この場合、光導波路部１００が測定部２４を中心に対称に形成されていれば射出光検出手段５０の受光部には、光源３０の傾斜に対応した傾斜角で射出光が入射する。そのため、射出光検出手段５０での反射による射出光の光導波路部１００への再入射が抑制され、前記同様、光導波路部１００内での光の乱反射による検出ノイズも抑制される。

また、図８（ｂ）に示されるように、光導波路部１００を測定部２４を中心に非対称に形成することで、前記光源３０への前記反射光の入射、及び射出光検出手段５０での反射光の光導波路部１００への再入射を防止してもよい。即ち、光導波路部１００を、第１反射部１１０を構成する第１全反射面１１２と第２全反射面１１４とのなす角と、第２反射部１２０を構成する第３全反射面１２２と第４全反射面１２４とのなす角と、が異なるように形成してもよい。このように形成されることでも光源３０への前記反射光の入射、及び射出光検出手段５０での反射光の光導波路部１００への射出面１０４からの再入射を防止することができる。

また、図８（ｃ）に示されるように、黒い布等の光を吸収する部材Ｃを射出光検出手段５０の周囲に設けることで、前記射出光検出手段５０での反射光による迷光を抑制でき、より検出精度が向上する。尚、光を吸収する部材Ｃを光源３０の周囲にも設けてもよい。このようにすることで入射面１０２での反射光による迷光を抑制できる。

第１実施形態に係る表面プラズモン共鳴分析装置の概略構成を示すブロック図である。 同実施形態に係る分析素子チップの平面図である。 同実施形態に係る分析素子チップの（ａ）は図２におけるＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は図２におけるＢ−Ｂ断面図である。 第２実施形態に係る表面プラズモン共鳴分析装置の概略構成を示すブロック図である。 同実施形態に係る分析素子チップの平面図である。 同実施形態に係る分析素子チップの（ａ）は図５におけるＣ−Ｃ断面図であり、（ｂ）は図５におけるＤ−Ｄ断面図である。 入射面と射出面とが傾斜した他実施形態に係る表面プラズモン共鳴分析装置の概略構成を示すブロック図である。 他実施形態に係る表面プラズモン共鳴分析装置の概略構成を示すブロック図であって、（ａ）は光源を傾斜配置した装置であり、（ｂ）は反射部材を非対称に形成した装置であり、（ｃ）は光源を傾斜させ、光吸収部材を配置した装置である。

符号の説明

１０ 分析素子チップ
１４ 金属薄膜
１４ａ 露出面（他方の面）
１４ｂ 反射面（一方の面）
２２ 流路
２４ 測定部
１００ 光導波路部
１０２ 入射面
１０４ 射出面
１１０ 第１反射部
１２０ 第２反射部

Claims (9)

1. 検体に含まれる蛍光物質が金属薄膜で生じたエバネッセント波で励起されて発した蛍光を測定する表面プラズモン共鳴蛍光分析装置であって、
   内部に入射した光を前記金属薄膜に案内する光導波路部、前記検体が流れる流路、及び、一方の面が前記光導波路部に面すると共に他方の面が前記流路内に露出するように設けられた前記金属薄膜を備え、且つ、前記光導波路部が、外部から照射された光が内部に入射する入射面、前記入射面から入射した光を前記金属薄膜の一方の面に向けて全反条件で折り返す第１反射部、及び、前記第１反射部からの光を前記金属薄膜の一方の面での全反射後に外部に射出する射出面をその表面に有する分析素子チップと、
   前記分析素子チップの入射面と対向する位置に配置され、前記入射面に対して光を照射するための光源と、
   前記分析素子チップの金属薄膜に対して前記流路を挟んで対向する位置に配置され、前記金属薄膜で生じたエバネッセント波によって励起された蛍光を検出するための蛍光検出手段と、を備え、
   前記入射面は、当該入射面への光の入射方向と前記金属薄膜の一方の面とが同一方向を向いて平行若しくは略平行になるような位置に配置されると共に、前記第１反射部は、前記入射面及び金属薄膜の一方の面を望むような位置に配置され、
   前記光源と前記蛍光検出手段とは、同一基板上に配置されることを特徴とする表面プラズモン共鳴蛍光分析装置。
2. 前記第１反射部は、複数の全反射面を備え、
   これら複数の全反射面は、前記入射面側から前記金属薄膜側に向かって連続又は間隔をおいて並び、隣り合う前記全反射面同士のなす角が前記入射面からの光を前記金属薄膜側の全反射面に向かって順に全反射し且つ最も金属薄膜側の前記全反射面で全反射された光が前記金属薄膜の一方の面に向かうようにそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン共鳴蛍光分析装置。
3. 前記第１反射部は、１つの反射面で構成され、
   この反射面には光を全反射する反射膜が設けられることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン共鳴蛍光分析装置。
4. 前記反射膜は、多層膜で構成されることを特徴とする請求項３に記載の表面プラズモン共鳴蛍光分析装置。
5. 前記入射面が前記金属薄膜に対して傾斜すると共に、前記外部から照射される光に対しても傾斜するように配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴蛍光分析装置。
6. 検体に含まれる蛍光物質が金属薄膜で生じたエバネッセント波で励起されて発した蛍光を測定する表面プラズモン共鳴蛍光分析装置であって、
   内部に入射した光を前記金属薄膜に案内する光導波路部、前記検体が流れる流路、及び、一方の面が前記光導波路部に面すると共に他方の面が前記流路内に露出するように設けられた前記金属薄膜を備え、且つ、前記光導波路部が、外部から照射された光が内部に入射する入射面、前記入射した光を前記金属薄膜の一方の面での全反射後に外部に射出する射出面、前記入射面から入射した光を前記金属薄膜の一方の面に向けて全反条件で折り返す第１反射部、及び、前記金属薄膜の一方の面で全反射された光を前記射出面に向けて全反射条件で折り返す第２反射部をその表面に有する分析素子チップと、
   前記分析素子チップの入射面と対向する位置に配置され、前記入射面に対して光を照射するための光源と、
   前記分析素子チップの金属薄膜に対して前記流路を挟んで対向する位置に配置され、前記金属薄膜で生じたエバネッセント波によって励起された蛍光を検出するための蛍光検出手段と、
   前記分析素子チップの射出面と対向する位置に配置され、前記射出面から射出される光を検出するための射出光検出手段と、を備え、
   前記入射面は、当該入射面への光の入射方向と前記金属薄膜の一方の面とが同一方向を向いて平行若しくは略平行になるような位置に配置されると共に、前記第１反射部は、前記入射面及び金属薄膜の一方の面を望むような位置に配置され、並びに、前記射出面は、当該射出面からの光の射出方向と前記金属薄膜の他方の面とが同一方向を向いて平行若しくは略平行になるような位置に配置されると共に、前記第２反射部は、前記金属薄膜の一方の面及び射出面を望むような位置に配置され、
   前記光源と前記蛍光検出手段と前記射出光検出手段とが同一基板上に配置されることを特徴とする表面プラズモン共鳴蛍光分析装置。
7. 前記第２反射部は、複数の全反射面又は１つの反射面で構成され、
   前記複数の全反射面は、前記金属薄膜側から前記射出面側に向かって連続又は間隔をおいて並び、隣り合う前記全反射面同士のなす角が前記金属薄膜からの光を前記射出面側の全反射面に向かって順に全反射し且つ最も射出面側の前記全反射面で全反射された光が前記射出面に向かうようにそれぞれ配置され、
   前記反射面には光を全反射する反射膜が設けられることを特徴とする請求項６に記載の表面プラズモン共鳴蛍光分析装置。
8. 前記光源は、照射した光が前記分析素子チップの入射面に対して斜めから入射するように前記基板上に配置されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴蛍光分析装置。
9. 前記光源と蛍光検出手段との間に遮光部材が配置され、
   この遮光部材は、前記分析素子チップを当該表面プラズモン共鳴蛍光分析装置に設置した際の前記分析素子チップと基板との間隔よりも長く、且つ前記間隔方向に弾性変形可能に構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴蛍光分析装置。

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