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WO2021192735A1 - 検出装置 - Google Patents

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Publication number
WO2021192735A1
WO2021192735A1 PCT/JP2021/005651 JP2021005651W WO2021192735A1 WO 2021192735 A1 WO2021192735 A1 WO 2021192735A1 JP 2021005651 W JP2021005651 W JP 2021005651W WO 2021192735 A1 WO2021192735 A1 WO 2021192735A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
detection
metal film
chip
detection device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2021/005651
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
史生 長井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Konica Minolta Inc
Original Assignee
Konica Minolta Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Konica Minolta Inc filed Critical Konica Minolta Inc
Priority to US17/913,357 priority Critical patent/US12306106B2/en
Priority to EP21774908.4A priority patent/EP4130719A4/en
Priority to JP2022509403A priority patent/JP7546041B2/ja
Publication of WO2021192735A1 publication Critical patent/WO2021192735A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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    • G01N2201/121—Correction signals
    • G01N2201/1211—Correction signals for temperature

Definitions

  • the present invention relates to a detection device that detects the presence or amount of a substance to be detected by using an enhanced electric field based on surface plasmon resonance (SPR).
  • SPR surface plasmon resonance
  • the concentration and presence / absence of the substance to be detected are measured by irradiating the region on the metal film in which the trapping body for capturing the substance to be detected is immobilized with excitation light. Further, in the SPFS and SPR methods, it is necessary to irradiate the region on the metal film with excitation light at an angle near the resonance angle in order to cause plasmon enhancement. After signal measurement or scanning the angle to detect the optimum angle, the signal is measured by setting the angle.
  • the substance to be detected is detected by irradiating the excitation light with a prism having a semicircular cross section.
  • the scanning rotation center for swinging the angle of the excitation light and the center of the prism circle (solid phase center) to coincide with each other the excitation light can be scanned even when the angle is scanned.
  • the irradiation position can be determined accurately.
  • the substance to be detected is detected by irradiating the excitation light with a prism having a trapezoidal cross section.
  • the irradiation position of the excitation light is accurately determined by setting the excitation light to be irradiated to the position where the substance to be detected is captured in consideration of the refraction of the incident surface of the prism. Can be done.
  • the emission direction of the light emitted from the light projecting unit may change due to changes in the environment (temperature) or changes over time.
  • the light source portion (light emitting point) is eccentric with respect to the optical system due to a deviation due to a linear expansion difference or the like (held by being press-fitted into the holding member or bonded with an adhesive or the like).
  • the direction of the light emitted from the light projecting unit changes, the irradiation position of the excitation light on the metal film shifts, and the light cannot be irradiated to an appropriate position, which may deteriorate the detection accuracy.
  • the irradiation position shifts at a specific excitation light angle, but also the shift of the irradiation position increases for each angle when scanning the angle. For this reason, the measurement performance of the enhanced angle deteriorates in the angle scanning measurement (enhanced angle measurement) (in the worst case, the irradiation position deviates from the region where the capture body for capturing the detected substance is fixed. The wrong augmentation angle is measured), and the optimum angle of excitation light cannot be set when measuring a signal derived from the substance to be detected, which may make it impossible to detect the substance to be detected with high accuracy.
  • an object of the present invention is to provide a detection device capable of detecting a substance to be detected with high accuracy and high robustness against temperature changes and changes over time.
  • the detection device is a detection device that detects the presence or amount of a substance to be detected by utilizing an enhanced electric field based on surface plasmon resonance, and is fixed on a metal film and the metal film.
  • the surface of the chip holder is irradiated with excitation light to hold the detection chip having the capture body for capturing the material to be detected and the metal film of the detection chip held by the chip holder.
  • the light projecting unit for causing plasmon resonance and the metal film are irradiated with the excitation light to detect light caused by the presence or amount of the substance to be detected generated by the occurrence of surface plasmon resonance.
  • the light projecting unit includes a light source that emits the excitation light, a throttle for regulating the light beam emitted from the light source, an opening of the throttle, and the metal film. It has a conjugated optical system that optically conjugates a region irradiated with excitation light.
  • the detection method according to the embodiment of the present invention is a detection method using the above-mentioned detection device, and detects the reflected light or the transmitted light of the excitation light irradiated to the detection chip held in the chip holder.
  • the process includes a step of obtaining the position information of the detection chip and a step of adjusting the position of the detection chip based on the position information of the detection chip.
  • the present invention it is possible to provide a detection device that is highly robust against temperature changes and changes over time and can detect a substance to be detected with high accuracy.
  • FIG. 1 is a diagram showing a detection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A shows a case where the detection device according to the embodiment of the present invention has a mechanism for adjusting the output of the light source
  • FIG. 2B shows a case where the detection device according to the embodiment of the present invention has a mechanism for determining the position of the detection chip. Show the case.
  • FIG. 3A shows an example of an optical path in the detection device according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 3B shows an example of an optical path in the detection device for comparison.
  • FIG. 4A shows a case where the position of the light source is deviated in the detection device according to the embodiment of the present invention
  • FIG 4B shows a case where the position of the light source is deviated in the detection device for comparison.
  • 5A, B, and C show changes in the incident position of light when the angle of the light projecting unit is scanned in the detection device according to the embodiment of the present invention
  • FIGS. 5D, E, and F are in the detection device for comparison.
  • the change in the incident position of the light when the angle of the light projecting portion is scanned is shown.
  • 6A, B, and C show changes in the incident position of light when the angle of the light projecting portion is scanned after the detection chip is aligned in the detection device according to the embodiment of the present invention, and FIGS.
  • FIG. 7A, B, and C show changes in the incident position of light from the center of the visual field when the angle of the light projecting portion is scanned after the detection chip is aligned in the detection device according to the embodiment of the present invention.
  • 7D, E, and F show changes in the incident position of light from the center of the visual field when the angle of the light projecting portion is scanned after the detection chips are aligned in the detection device for comparison.
  • 8A is for explaining the relationship between the size W of the opening in the short axis direction in the diaphragm, the optical path length Z from the diaphragm to the irradiation surface of the metal film, the central wavelength ⁇ of the excitation light, and the spot distribution X. It is a figure. 8B and 8C show the case where the aperture of the diaphragm and the region irradiated with the excitation light of the metal film are optically conjugated when W 2 / ( ⁇ ⁇ Z) is 19.5 in the detection device. The case where it is not optically conjugated is shown.
  • FIG. 1 is a diagram showing a detection device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the detection device 100 includes a light projecting unit 120 for irradiating the detection chip 200 with the excitation light ⁇ , a light projecting unit angle adjusting unit 150, a fourth lens 141, a fifth lens 142, and an excitation light cut filter 143. It has a detection unit 140 for detecting the light (plasmon scattered light ⁇ or fluorescence ⁇ ) emitted from the detection chip 200, a chip holder 144, a detection chip position adjustment unit 145, and a control unit 160.
  • the detection device 100 is used together with the detection chip 200. Therefore, the detection chip 200 will be described first, and then each component of the detection device 100 will be described.
  • the detection chip 200 includes a prism 210 having an incident surface 211, a film forming surface 213, and an emitting surface 212, a metal film 31 arranged on the film forming surface 213 of the prism 210, and a metal film. It has a flow path lid 220 arranged on 31.
  • the prism 210 is made of a member that is transparent to the excitation light ⁇ .
  • the prism 210 has an incident surface 211, a film forming surface 213 on which the metal film 31 is formed, and an exit surface 212.
  • the incident surface 211 causes the excitation light ⁇ from the light projecting unit 120 to enter the inside of the prism 210.
  • a metal film 31 is formed on the film-forming surface 213.
  • the excitation light ⁇ incident on the inside of the prism 210 is reflected by the metal film 31. More specifically, it reflects at the interface (deposition surface 213) between the prism 210 and the metal film 31.
  • the exit surface 212 emits the excitation light ⁇ reflected by the metal film 31 to the outside of the prism 210.
  • the shape of the prism 210 is not particularly limited.
  • the shape of the prism 210 is a prism having a trapezoidal bottom surface.
  • the surface corresponding to one base of the trapezoid is the film forming surface 213, the surface corresponding to one leg is the incident surface 211, and the surface corresponding to the other leg is the exit surface 212.
  • the trapezoid to be the bottom surface is preferably an isosceles trapezoid.
  • the S-polarized light component is reflected by the metal film 31. Further, the incident surface 211 is formed so that the excitation light ⁇ does not return to the light projecting unit 120. This is because when the excitation light ⁇ returns to, for example, the light source 121 which is a laser diode in the light projecting unit 120, the excited state of the laser diode is disturbed and the wavelength and output of the excitation light ⁇ fluctuate. Therefore, the angle of the incident surface 211 is set so that the excitation light ⁇ is not incident perpendicularly to the incident surface 211 in the scanning range centered on the ideal enhancement angle.
  • the angle between the incident surface 211 and the film forming surface 213 and the angle between the film forming surface 213 and the emitting surface 212 are both about 80 °.
  • materials for prism 210 include resin and glass.
  • the material of the prism 210 is preferably a resin having a refractive index of 1.4 to 1.6 and a small birefringence.
  • the metal film 31 is formed on the film formation surface 213 of the prism 210.
  • an interaction surface plasmon resonance; SPR
  • SPR surface plasmon resonance
  • An enhanced electric field localized field light
  • the material of the metal film 31 is not particularly limited as long as it is a metal that causes surface plasmon resonance.
  • Examples of the material of the metal film 31 include gold, silver, copper, aluminum, and alloys thereof.
  • the metal constituting the metal film 31 is preferably gold from the viewpoint of suppressing non-specific adsorption of the substance in the sample.
  • the metal constituting the metal film 31 is gold.
  • the method for forming the metal film 31 is not particularly limited. Examples of methods for forming the metal film 31 include sputtering, vapor deposition, and plating.
  • the thickness of the metal film 31 is not particularly limited, but is preferably in the range of 30 to 70 nm.
  • a trapping body for capturing the substance to be detected is fixed on the surface of the metal film 31 that does not face the prism 210. By immobilizing the trap, it becomes possible to selectively detect the substance to be detected.
  • the trap is uniformly fixed in a predetermined region on the metal film 31.
  • the type of trap is not particularly limited as long as it can capture the substance to be detected.
  • a trap is an antibody or fragment thereof that is specific to the substance to be detected.
  • the flow path lid 220 is arranged so as to sandwich the flow path 39 on a surface of the metal film 31 that does not face the prism 210.
  • the flow path lid 220 is joined to the film forming surface 213 or the metal film 31 via the adhesive layer 35.
  • the flow path lid 220 is joined to the metal film 31 or the prism 210 by, for example, bonding with double-sided tape or an adhesive, laser welding, ultrasonic welding, crimping using a clamp member, or the like.
  • the flow path lid 220 may be arranged on the film forming surface 213 with the flow path 39 interposed therebetween.
  • the flow path lid 220 together with the metal film 31 and the adhesive layer 35, forms a flow path 39 through which liquids such as a sample, a fluorescent labeling liquid, and a cleaning liquid flow.
  • the trapped material is exposed in the flow path 39.
  • Both ends of the flow path 39 are connected to an injection port and an discharge port (both not shown) formed on the upper surface of the flow path lid 220, respectively.
  • the flow path lid 220 is made of a material that is transparent to the light (plasmon scattered light ⁇ and fluorescent ⁇ ) emitted from the surface of the metal film 31 that does not face the prism 210 and its vicinity. Examples of the material of the flow path lid 220 include a resin. A part of the flow path lid 220 may be made of an opaque material as long as these lights can be guided to the detection unit 140.
  • the excitation light ⁇ guided to the prism 210 is incident on the prism 210 from the incident surface 211.
  • the excitation light ⁇ incident on the prism 210 is incident on the interface (deposition surface 213) between the prism 210 and the metal film 31 so as to have a total reflection angle (an angle at which surface plasmon resonance occurs).
  • the reflected light from the interface is emitted from the exit surface 212 to the outside of the prism 210.
  • plasmon scattered light ⁇ and / or fluorescence ⁇ is emitted toward the detection unit 140 from the metal film 31 and its vicinity.
  • the detection device 100 includes a light projecting unit 120, a light projecting unit angle adjusting unit 150, a fourth lens 141, a fifth lens 142, an excitation light cut filter 143, a detecting unit 140, a chip holder 144, and a detection chip position adjustment. It has a unit 145 and a control unit 160.
  • the light projecting unit 120 irradiates the metal film 31 of the detection chip 200 held in the chip holder 144 with the excitation light ⁇ via the prism 210 to cause surface plasmon resonance.
  • the light projecting unit 120 includes a light source 121, an aperture 123, and a conjugate optical system 126. These will be described below.
  • the light source 121 emits the excitation light ⁇ .
  • the light projecting unit angle adjusting unit 150 controlled by the control unit 160 adjusts the position and orientation of the light projecting unit 120, so that the excitation light ⁇ is incident on the interface (deposition surface 213) between the prism 210 and the metal film 31. The corners are adjusted.
  • the metal film 31 is irradiated with the excitation light ⁇
  • the plasmon scattered light ⁇ having the same wavelength as the excitation light ⁇ , the fluorescent ⁇ emitted from the fluorescent substance, etc. are emitted from the surface of the metal film 31 that does not face the prism 210 and its vicinity. Is released upwards.
  • the excitation light ⁇ is reflected at the interface between the prism 210 and the metal film 31 and is emitted from the exit surface 212 to the outside of the prism 210.
  • the light source 121 is a laser diode (hereinafter abbreviated as “LD”), and emits excitation light ⁇ (single mode laser light) toward the incident surface 211 of the detection chip 200. More specifically, the light source 121 emits only P waves with respect to the interface (deposition surface 213) between the prism 210 of the detection chip 200 and the metal film 31 so that the excitation light ⁇ has a total reflection angle. It emits light toward the incident surface 211. Since the electric field enhancement of the surface plasmon depends on the incident angle of the excitation light ⁇ , it is preferable that the excitation light ⁇ is substantially collimated light. In the present embodiment, the excitation light ⁇ emitted from the light source 121 becomes substantially collimated light by the first lens 122.
  • the first lens 122 may be composed of a plurality of lenses.
  • the type of the light source 121 is not particularly limited and does not have to be LD.
  • Examples of the light source 121 include light emitting diodes, mercury lamps, and other laser light sources.
  • the light emitted from the light source 121 may be converted into a beam by a lens, a mirror, a pinhole, a slit, or the like.
  • the beam size of the excitation light ⁇ is preferably controlled to 0.5 to 2.0 mm on the metal film 31.
  • the light emitted from the light source 121 is not monochromatic light, the light emitted from the light source 121 is preferably converted into monochromatic light by a diffraction grating, a wavelength filter, or the like.
  • the light emitted from the light source 121 is not linearly polarized light, it is preferable that the light emitted from the light source 121 is converted into linearly polarized light by a polarizer or the like.
  • the diaphragm 123 has an opening and adjusts or regulates the amount of light and the beam size from the light source 121.
  • the diaphragm 123 is arranged between the first lens 122 and the second lens 124, which will be described later, and blocks a part of the excitation light ⁇ that has become collimated light by the first lens 122.
  • the amount of excitation light ⁇ entering the second lens 124 and the beam size are adjusted or regulated.
  • the opening size of the diaphragm 123 may be fixed, or the diaphragm 123 may be provided with a movable mechanism so that the size can be changed.
  • the shape of the opening of the aperture 123 is preferably elliptical or rectangular.
  • the conjugated optical system 126 described later the opening of the aperture 123 and the region on the metal film 31 irradiated with light are optically conjugated. Therefore, if the shape through which the light passes in the diaphragm 123 is an ellipse or a rectangle, it becomes easy to irradiate an appropriate region on the metal film 31 with the excitation light ⁇ .
  • the conjugate optical system 126 is an optical system for optically coupling the opening of the aperture 123 with the region on the metal film 31 on which the excitation light ⁇ is irradiated.
  • the configuration of the conjugated optical system 126 is not particularly limited as long as the opening of the diaphragm 123 and the region irradiated with the excitation light ⁇ on the metal film 31 can be optically conjugated, and the optical element to be used (for example, for example).
  • the type of lens, mirror, etc.), the combination of optical elements, the number of optical elements, the arrangement of the optical elements, and the like may be appropriately adjusted.
  • optically conjugated includes a case where the conjugate is substantially conjugated within a range in which the object of the present invention can be achieved.
  • the opening of the aperture 123 and the surface of the metal film 31 formed by the region irradiated with the excitation light ⁇ are optically coupled, but also the opening of the aperture 123 and the excitation light ⁇ on the metal film 31 are optically coupled. It also includes the case where the virtual surface inclined with respect to the metal film 31 including a part of the region to be irradiated with is optically conjugated.
  • the conjugated optical system 126 may be a reduced optical system that converts the luminous flux diameter so that the irradiation spot size of the excitation light ⁇ on the metal film 31 is smaller than the size of the opening of the aperture 123.
  • the size of the irradiation spot of the excitation light ⁇ on the metal film 31 is preferably smaller than the size of the region where the capture body is immobilized on the metal film 31. By doing so, it becomes easy to fit the irradiation spot in the region where the capture body is fixed on the metal film 31.
  • the irradiation spot size on the metal film 31 is preferably smaller than the visual field size of the detection unit 140. By doing so, it becomes easy to put the irradiation spot in the field of view of the detection unit 140.
  • the conjugated optical system 126 has a second lens 124 and a third lens 125 arranged between the aperture 123 and the prism 210.
  • the conjugated optical system 126 can optically couple the opening of the diaphragm 123 and the region on the metal film 31 on which the excitation light ⁇ is irradiated.
  • the detection device 100 detects a reflecting member 127 for reflecting a part of the light passing through the aperture 123 and the light reflected by the reflecting member 127.
  • the reflected light detection unit 128 and a feedback control unit 129 for adjusting the output of the light source 121 according to the amount of light detected by the reflected light detection unit 128 may be provided.
  • the control unit 160 may play the role of the feedback control unit 129.
  • the position of the light source 121 is eccentric, the amount of light passing through the opening of the aperture 123 changes, and the amount of light emitted from the light projecting unit 120 changes. I may end up doing it. Since the detection device 100 has the above configuration, the output of the light source 121 is increased when the light from the light projecting unit 120 is weakened, and the light source 121 is increased when the light from the light projecting unit 120 is strong. The output can be reduced. As a result, the amount of light incident on the metal film 31 on the prism 210 of the detection chip 200 can be stabilized, and the measurement accuracy can be improved.
  • the detection device 100 reflects or transmits the reflected light generated by the detection chip 200 when the detection chip 200 held in the chip holder 144 is irradiated with the excitation light ⁇ .
  • the chip optical signal detection unit 131 is composed of, for example, an image sensor, a photodiode, or the like.
  • the chip position detection unit 132 is composed of, for example, a known computer or microcomputer including an arithmetic unit, a control device, a storage device, an input device, and an output device.
  • a mechanism for moving the detection chip 200 to the measurement position for example, the mechanism disclosed in International Publication No. 2015/067044 is preferably used.
  • the detection device 100 has a mechanism for moving the detection chip 200 to the measurement position as described above, the position accuracy of the detection chip 200 is improved and the measurement accuracy is improved.
  • the control unit 160 may play the role of the chip position detection unit 132.
  • the fourth lens 141 and the fifth lens 142 form an image of plasmon scattered light ⁇ or fluorescence ⁇ emitted from the metal film 31 on the light receiving portion of the detection unit 140.
  • the fourth lens 141 is, for example, a condensing lens, which condenses light emitted from the metal film 31.
  • the fifth lens 142 is, for example, an imaging lens, and the light collected by the fourth lens 141 is imaged on the light receiving unit of the detection unit 140.
  • the optical path between the two lenses is a substantially parallel optical path. Further, when the detection unit 140 is a photodiode, a photomultiplier tube, or the like, it is not always necessary to form an image on the detection unit 140, and the light may be focused on the detection unit 140.
  • the excitation light cut filter 143 blocks the plasmon scattered light ⁇ , the stray light derived from the excitation light ⁇ , and the like, while transmitting the fluorescence ⁇ to prevent light other than the wavelength of the fluorescence ⁇ from reaching the detection unit 140. That is, the excitation light cut filter 143 removes the noise component from the light emitted from the metal film 31, and enables the detection unit 140 to detect the fluorescence ⁇ at a high S / N ratio.
  • the excitation light cut filter 143 is arranged between the fourth lens 141 and the fifth lens 142, but the excitation light cut filter 143 scatters plasmons when determining the enhancement angle. It is removed from the optical path so that light ⁇ can be detected.
  • the detection unit 140 irradiates the metal film with the excitation light ⁇ , and detects the light caused by the presence or amount of the substance to be detected generated by the occurrence of surface plasmon resonance.
  • the detection unit 140 is arranged so as to face a surface of the metal film 31 of the detection chip 200 that does not face the prism 210.
  • the detection unit 140 receives the light (plasmon scattered light ⁇ or fluorescence ⁇ ) emitted from the metal film 31.
  • the light receiving unit of the detection unit 140 is composed of, for example, an image sensor, a photoelectron doubling tube, a photodiode, or the like.
  • the fourth lens 141, the excitation light cut filter 143, the fifth lens 142, and the detection unit 140 are arranged in this order from the metal film 31 side so as to face the surface of the metal film 31.
  • the detection chip 200 is installed in the chip holder 144.
  • the chip holder 144 is not particularly limited as long as the detection chip 200 can be installed.
  • the shape of the chip holder 144 is such that the detection chip 200 can be installed and does not obstruct the optical path such as excitation light ⁇ , reflected light, and fluorescence ⁇ .
  • the chip holder 144 is provided with an opening through which these lights pass.
  • the detection chip position adjustment unit 145 moves the chip holder 144 based on the detection chip position detected by the chip position detection unit 132, for example.
  • the detection chip position adjusting unit 145 moves, for example, the chip holder 144 in one direction and vice versa.
  • the detection chip position adjusting unit 145 is, for example, a motor or the like.
  • the control unit 160 centrally controls the light projecting unit 120, the excitation light cut filter 143, the detection unit 140, and the detection chip position adjustment unit 145. Specifically, the control unit 160 controls the position, orientation, and position of the light projecting unit 120, and sets the angle of incidence of the excitation light ⁇ on the metal film 31 at a predetermined angle. It also controls the output (light intensity, ON / OFF) of the light source 121. Further, when determining the enhancement angle, the control unit 160 removes the excitation light cut filter 143 from the optical path so that the plasmon scattered light ⁇ reaches the detection unit 140.
  • control unit 160 when the control unit 160 receives the fluorescence ⁇ , the excitation light cut filter 143 is arranged on the optical path, and light having the same wavelength as the excitation light ⁇ (plasmon scattered light ⁇ , stray light derived from the excitation light ⁇ , etc.) is detected. Do not reach part 140. Further, the control unit 160 controls the detection chip position adjusting unit 145 and moves the chip holder 144 to change the detection range of the detection unit 140.
  • the control unit 160 is, for example, a computer that executes software.
  • the detection device 100 may be a lattice coupling (GC) -SPFS device. .. Further, the detection device 100 according to the embodiment of the present invention may be a prism coupling (PC) -SPR device or a lattice coupling (GC) -SPR device.
  • the detection chip 200 is installed at a predetermined position of the detection device 100.
  • the substance to be detected in the sample is reacted with the trapping substance (primary reaction). Specifically, the sample is injected into the flow path 39 to bring the sample into contact with the capture substance. If a substance to be detected is present in the sample, at least a part of the substance to be detected is captured by the capturing substance. After that, the inside of the flow path 39 is washed with a buffer solution or the like to remove substances that have not been captured by the trapped substances.
  • the type of sample is not particularly limited. Examples of specimens include body fluids such as blood, serum, plasma, urine, nasal fluid, saliva, semen and dilutions thereof.
  • the detection chip 200 may be arbitrarily aligned by the mechanism shown in FIG. 2B. Specifically, the excitation light ⁇ is irradiated from the light projecting unit 120 to the detection chip 200 held in the chip holder 144, and the reflected light or transmitted light of the irradiated excitation light ⁇ is detected by the chip light signal detection unit 131. .. Next, the chip position detection unit 132 detects the position of the chip according to the output value of the chip optical signal detection unit 131. In this way, the position information of the detection chip 200 can be obtained. Next, the detection chip position adjusting unit 145 adjusts the position of the detection chip 200 based on the position information of the detection chip 200.
  • the incident angle of the excitation light ⁇ on the metal film 31 (film-forming surface 213) is scanned to be optimal. Determine the angle of incidence. This is because the control unit 160 controls the light projecting unit 120 to irradiate the excitation light ⁇ at a predetermined position on the metal film 31 (film-forming surface 213) while exciting the metal film 31 (film-forming surface 213). This is done by scanning the incident angle of the light ⁇ .
  • control unit 160 controls the excitation light cut filter 143 so that it does not exist on the optical path, so that the detection unit 140 detects the plasmon scattered light ⁇ from the metal film 31 (the surface of the metal film 31 and its vicinity).
  • detection unit 140 is controlled.
  • the plasmon scattered light ⁇ from the metal film 31 (the surface of the metal film 31 and its vicinity) reaches the detection unit 140 via the fourth lens 141 and the fifth lens 142.
  • the control unit 160 obtains data including the relationship between the incident angle of the excitation light ⁇ and the intensity of the plasmon scattered light ⁇ .
  • the control unit 160 analyzes the data to determine the incident angle (enhanced angle) at which the intensity of the plasmon scattered light ⁇ is maximized.
  • the augmentation angle is basically determined by the material and shape of the prism 210, the thickness of the metal film 31, the refractive index of the liquid in the flow path 39, and the like, but the type and amount of the substance in the flow path 39 and the prism. It fluctuates slightly due to various factors such as the shape error of 210. Therefore, it is preferable to determine the augmentation angle each time the analysis is performed.
  • the augmentation angle is determined on the order of about 0.1 ° degrees.
  • the incident angle of the excitation light ⁇ with respect to the metal film 31 (deposition surface 213) is set to the enhancement angle determined in the previous step.
  • the control unit 160 controls the light projecting unit 120 to set the incident angle of the excitation light ⁇ with respect to the metal film 31 (deposition surface 213) to the enhancement angle.
  • the incident angle of the excitation light ⁇ with respect to the metal film 31 (deposition surface 213) remains the enhanced angle.
  • the substance to be detected captured by the trapping substance is labeled with a fluorescent substance (secondary reaction).
  • the fluorescent labeling liquid is injected into the flow path 39.
  • the fluorescent labeling solution is, for example, a buffer solution containing an antibody (secondary antibody) labeled with a fluorescent substance.
  • the fluorescent labeling liquid comes into contact with the substance to be detected, and the substance to be detected is labeled with the fluorescent substance.
  • the inside of the flow path 39 is washed with a buffer solution or the like to remove free fluorescent substances and the like.
  • the metal film 31 (deposition surface 213) is irradiated with the excitation light ⁇ to detect the fluorescent ⁇ emitted from the fluorescent substance on the metal film 31 (the surface of the metal film 31 and its vicinity).
  • the control unit 160 controls the light projecting unit 120 to emit the excitation light ⁇ .
  • the control unit 160 controls the detection unit 140 so that the detection unit 140 detects the fluorescence ⁇ emitted from the metal film 31 (metal film 31 and its vicinity).
  • control unit 160 moves the excitation light cut filter 143 so that the excitation light cut filter 143 exists on the optical path.
  • the excitation light cut filter 143 does not transmit the plasmon scattered light ⁇ , only the fluorescence ⁇ is detected by the detection unit 140.
  • FIG. 3A shows an example of an optical path in the detection device 100 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B shows an example of an optical path in the detection device 100'for comparison.
  • the light projecting unit 120 in the detection device 100 according to the embodiment of the present invention has a conjugated optical system 126
  • the comparative detection device 100' has a conjugated optical system 126. No.
  • the optical path from the light source 121 may differ as described below.
  • the light emitted from the light source 121 passes through the first lens 122 to become collimated light, and the beam size is regulated by the aperture 123.
  • the light that has passed through the diaphragm 123 passes through the conjugated optical system 126 including the second lens 124 and the third lens 125, and is applied to the metal film 31 on the prism 210.
  • the solid line indicates the case where the light is emitted from the light source 121 at a predetermined angle without eccentricity to the optical system
  • the broken line indicates the case where the light source 121 is eccentric, that is, the light from the light source 121. Is emitted at an angle different from the predetermined angle.
  • the broken line shows only the diaphragm 123 to the metal film 31, and is not shown before the diaphragm 123. As shown by the solid line, when the light is emitted at a predetermined angle, the light is irradiated to a predetermined position on the metal film 31 as predetermined.
  • the conjugate optical system 126 of the detection device 100 optically sets the aperture position where the light from the light source 121 passes through the aperture 123 and the position on the metal film 31 where the light is irradiated. This is because it is set to be conjugate with.
  • the comparative detection device 100' when the light is emitted at a predetermined angle as shown by the solid line, the light is positioned on the metal film 31 as predetermined. Irradiate to. However, as shown by the broken line, when the light is not emitted at a predetermined angle, the light irradiates the metal film 31 at a position significantly different from the predetermined position. This is because the comparative detector 100'does not have the conjugated optical system 126.
  • FIGS. 4A and 4B show the optical axis of the optical system in each of the detection device 100 and the detection device 100'for comparison according to the embodiment of the present invention, in which the position of the light source 121 of the light projecting unit 120 changes due to temperature change, time change, or the like.
  • the detection device 100 has a conjugated optical system 126 for optically coupling the opening of the aperture 123 and the region irradiated with the excitation light ⁇ of the metal film 31.
  • the detection device 100' has three lenses like the detection device 100, these lenses are for optically coupling the opening of the aperture 123 with the region irradiated with the excitation light of the metal film 31. It's not a thing.
  • the solid line shows the case where the light source 121 is at the set position and the ray path of the main ray ⁇ 'is as set.
  • the broken line indicates the case where the light source 121 is located at a position deviated from the setting and the ray path of the main ray ⁇ 'is deviated.
  • the scanning angle of the light projecting unit 120 is set to ⁇ 1.
  • the angle formed by the angle of the light emitted from the light projecting unit 120 and the direction perpendicular to the horizontal plane of the metal film 31 (gravity direction) is defined as the light projecting angle ⁇ 2 of the light projecting unit 120.
  • the angle at which the main ray ⁇ 'is incident on the metal film 31 is set to ⁇ 3.
  • L be the deviation from the predetermined position of the position where the main ray ⁇ 'is incident on the metal film 31. Note that, in FIGS. 4A and 4B, only the main ray ⁇ 'of the luminous flux is shown, and the main ray ⁇ 'is a ray of the excitation light ⁇ that passes through the center of the diaphragm 123.
  • the angles of ⁇ 2 and ⁇ 3 change as the light projecting unit 120 is scanned.
  • FIG. 5A, B, and C show the main light beam emitted from the light projecting unit 120 when the scanning angle ⁇ 1 of the light projecting unit 120 is scanned in the detection device 100 according to the embodiment of the present invention as shown in FIG. 4A.
  • the main ray ⁇ ' is the main ray of the excitation light ⁇ (a ray passing through the center of the diaphragm), and indicates a ray passing substantially the center of the beam cross section of the excitation light ⁇ .
  • FIG. 5A shows a case where the light source 121 is in a predetermined position without any deviation due to a temperature change or the like.
  • FIG. 5B shows a case where the light source 121 is deviated from a predetermined position in the direction perpendicular to the optical axis as shown by the broken line in FIG. 4A.
  • FIG. 5C shows a case where the light source 121 deviates from a predetermined position in the direction perpendicular to the optical axis in the direction opposite to that of FIG. 5B.
  • the amount of deviation of the light source 121 is 3.2 ⁇ m, respectively.
  • the combined focal length of the optical system of the entire light projecting unit is 1.86 mm.
  • the projection angle ⁇ 2 deviates by ⁇ 0.1 ° and + 0.1 °, respectively, from the predetermined values.
  • the position of the detection chip 200 is assumed to be installed at a predetermined position.
  • the measurement accuracy of the signal measurement is improved because the detection substance of the film 31 and the in-plane unevenness of the complement are less likely to be affected by the measurement variation, and the excitation light ⁇ is less likely to deviate from the region where the complement is immobilized. Further, with respect to the deviation of the position of the light source 121 due to the temperature change during the measurement, the deviation of the incident position with respect to the predetermined position of the excitation light ⁇ is reduced, so that the measurement accuracy is similarly improved.
  • the amount of change in the deviation amount L when the projection angle ⁇ 2 changes by scanning the angle of the projection unit 120 is small. That is, in the enhanced angle measurement, since the deviation of the incident position during the angle scanning of the light projecting unit 120 (during the enhanced angle measurement) is small, the in-plane unevenness of the substance to be detected of the metal film 31 and the supplement body is the same as described above. It is less susceptible to measurement variations, and the excitation light ⁇ is less likely to deviate from the region where the complement is immobilized, improving the measurement accuracy of the augmented angle. This is because the detection device 100 has a conjugated optical system 126.
  • FIGS. 5D, E, and F show the main light rays ⁇ emitted from the light projecting unit 120 when the scanning angle ⁇ 1 of the light projecting unit 120 is scanned by the comparative detection device 100'as shown in FIG. 4B.
  • FIG. 5D shows a case where the light source 121 is in a predetermined position without any deviation due to a temperature change or the like.
  • FIG. 5E shows when the light source 121 deviates from a predetermined position in the direction perpendicular to the optical axis, as shown by the broken line in FIG. 4B.
  • FIG. 5F shows a case where the light source 121 deviates from a predetermined position in the direction perpendicular to the optical axis in the direction opposite to that of FIG. 5E.
  • the amount of deviation of the light source 121 is 3.2 ⁇ m, respectively, as in FIGS. 5B and 5C. Further, in FIGS. 5D, E, and F, the combined focal length of the optical system of the entire light projecting unit is 1.86 mm.
  • the position of the detection chip 200 is set at a predetermined position.
  • the incident position deviates greatly from the predetermined position at the same projection angle ⁇ 2, and when the position of the light source 121 deviates due to temperature change, aging, etc., the excitation light with respect to the predetermined position
  • the irradiation position of ⁇ shifts greatly. Therefore, it is easily affected by measurement variation due to the substance to be detected of the metal film 31 and the in-plane unevenness of the complement, and the excitation light ⁇ is likely to deviate from the region where the complement is immobilized. Accuracy deteriorates.
  • the deviation of the incident position during the angle scanning of the light projecting unit 120 (during the enhancement angle measurement) is large, and similarly to the above, the measurement is performed by the substance to be detected of the metal film 31 and the in-plane unevenness of the supplement. Since the excitation light ⁇ is easily affected by the variation and the excitation light ⁇ is easily deviated from the region where the complement is fixed, the measurement accuracy of the augmentation angle is deteriorated. This is because the detection device 100'does not have the conjugate optical system 126.
  • FIGS. 4A and 4B are comparisons with the inspection apparatus 100 according to the embodiment of the present invention as shown in FIGS. 4A and 4B, similarly to the above FIGS. 5A to 5C and 5D to 5F, respectively.
  • the projection angle ⁇ 2 of the main ray ⁇ 'emitted from the projection unit 120 when the scanning angle ⁇ 1 of the projection unit 120 is scanned and the metal film 31 of the main ray ⁇ '
  • the detection chip 200 is subjected to a step of obtaining the position information of the detection chip 200 and a step of adjusting the position of the detection chip based on the position information of the detection chip by a mechanism as shown in FIG. 2B.
  • the position of the detection chip 200 is set by aligning the above. 6A and 6D show the case where the light source 121 is in a predetermined position, FIGS. 6B and E show that the light source 121 is displaced as in FIGS. 5B and E, and FIGS. 6C and F show the light source as in FIGS. 5C and F. 121 is displaced in the opposite direction.
  • the scanning angle ⁇ 1 of the light projecting unit 120 is set to 72 °, the excitation light ⁇ is irradiated to the detection chip 200, and the chip position is detected.
  • FIGS. 7A to 7C and 7D to 7F are a detection device 100 according to an embodiment of the present invention as shown in FIGS. 4A and 4B as in FIGS. 6A to 6C and 6D to 6F, and a detection device for comparison.
  • the case where the detection chip 200 is aligned by the mechanism as shown in FIG. 2B is shown.
  • FIGS. 7A to 7F the projection angle ⁇ 2 of the main ray ⁇ ′ emitted from the projection unit 120 when the scanning angle ⁇ 1 of the projection unit 120 is scanned, and the predetermined projection angle ⁇ 2 on the metal film 31 of the detection unit 140. It differs from FIGS.
  • FIGS. 7A and 7D show a case where the light source 121 is in a predetermined position as in FIGS. 6A and 6D
  • FIGS. 7B and E show that the light source 121 is displaced as in FIGS. 6B and E
  • the detection unit 140 it can be seen that the misalignment L'of the main ray ⁇ 'with respect to the predetermined center of the visual field is small. This is because the detection device 100 has the conjugated optical system 126, so that in the mechanism as shown in FIG. 2B, the deviation of the position where the excitation light ⁇ hits the detection chip 200 becomes small, and as a result, the detection defined by the design is reduced. This is because the deviation of the position of the detection chip 200 that has been aligned with respect to the predetermined position of the chip 200 becomes small.
  • the amount of deviation of the detection chip 200 with respect to the predetermined position is -6 ⁇ m and 6 ⁇ m in FIGS. 7B and 7C, respectively.
  • the detection unit 140 is mainly aligned with respect to the predetermined visual field center. It can be seen that the deviation L'of the ray ⁇ 'is large. This is because the detection device 100 does not have the conjugate optical system 126, so that in the mechanism as shown in FIG. 2B, the displacement of the position where the excitation light ⁇ hits the detection chip 200 becomes large, and as a result, it is determined by the design. This is because the displacement of the position of the detection chip 200 that has been aligned with respect to the predetermined position of the detection chip 200 becomes large.
  • the amount of deviation of the detection chip 200 with respect to the predetermined position is 163 ⁇ m and -169 ⁇ m in FIGS. 7E and 7F, respectively.
  • the deviation L' is small with respect to the visual field center of the detection unit 140 at the same projection angle ⁇ 2. Therefore, since there is little deviation between the spot position on the metal film 31 and the center position of the field of view of the detection unit 140, highly efficient and highly accurate signal measurement can be performed. Further, the spot of the excitation light ⁇ on the metal film 31 is less likely to deviate from the visual field range of the detection unit 140, and highly accurate signal measurement can be performed. Further, when the light projecting unit 120 is scanned at an angle, the deviation of the position of the detection unit 140 with respect to the center of the visual field is reduced, and the measurement accuracy of the enhanced angle is improved.
  • FIG. 8A shows the length W of the opening in the diaphragm 123 in the minor axis direction, the optical path length Z from the diaphragm 123 to the irradiated surface of the metal film 31, and the spread X of the excitation light ⁇ .
  • the minor axis direction is defined as the direction along the shortest opening width among the opening sizes. For example, in the case of a rectangular opening, the direction is the short side of the opening.
  • FIG. 8B shows the intensity distribution of light on the metal film 31 in the detection device 100 according to the embodiment of the present invention.
  • the position where X is 0 is a predetermined incident position on the optical axis of the excitation light ⁇ .
  • FIG. 8B shows a case where W 2 / ( ⁇ ⁇ Z) is 19.5 (20 or less) in the detection device 100 according to the embodiment of the present invention.
  • the hem of the spot can be almost eliminated, and the spot is less likely to deviate from the sample capture region or the field of view of the light receiving system due to the spot misalignment, so that robust measurement can be performed. It will be possible.
  • the light intensity distribution is constant and the detection accuracy is improved.
  • FIG. 8C shows the intensity distribution of light on the metal film 31 in the comparative detection device 100'.
  • W 2 / ( ⁇ ⁇ Z) is 19.5 (20 or less)
  • the hem of the spot is wider than the width of the aperture 123, and robust measurement can be performed with respect to the spot misalignment.
  • the light intensity distribution is scattered and the detection accuracy is deteriorated.
  • the position where the excitation light ⁇ is incident on the metal film 31 is unlikely to change even if the position of the light source 121 is displaced. Therefore, according to the detection device 100, the light can be accurately incident on the position on the metal film 31 on which the capture substance is fixed, and after scanning the angle of the light projecting unit 120 and determining the enhancement angle, Even if the position of the light source 121 shifts due to the heat of the light source 121 or the like during the detection of the substance to be measured, the incident position does not easily change in the detection device 100 according to the embodiment of the present invention. Therefore, the detection accuracy is high.
  • the light can be accurately incident on the position on the metal film 31 and the detection accuracy is high.
  • the light source 121 is eccentric is shown in the above example, the same effect can be obtained when the optical system of the first lens 122 or the light projecting unit is eccentric with respect to the light source 121.
  • the detection device according to the present invention is useful for, for example, clinical examination because the enhancement angle can be determined more accurately and the detection accuracy of the substance to be detected is improved.
  • Adhesive layer 39 Flow path 100, 100'Detector 120 Light projector 121 Light source 122 1st lens 123 Aperture 124 2nd lens 125 3rd lens 126 Coupling optical system 127 Reflective member 128 Reflected light detector 129 Feedback control Unit 131 Chip optical signal detection unit 132 Chip position detection unit 140 Detection unit 141 4th lens 142 5th lens 143 Excitation light cut filter 144 Chip holder 145 Detection chip position adjustment unit 150 Light projection unit Angle adjustment unit 160 Control unit 200 Detection chip 210 Prism 211 Incident surface 212 Exit surface 213 Film formation surface 220 Flow path lid ⁇ Excitation light ⁇ Plasmon scattered light ⁇ Fluorescence

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Abstract

本発明は、温度変化や経時変化にロバスト性が高く高精度に被検出物質を検出することができる検出装置を提供することに関する。本発明の検出装置は、表面プラズモン共鳴に基づく増強電場を利用して被検出物質の存在またはその量を検出する検出装置であって、チップホルダーに保持された検出チップの金属膜にプリズムを介して励起光を照射するための投光部を有する。前記投光部は、光源と、前記光源からの光の量を調整するための絞りと、前記絞りの開口部と前記金属膜上の前記励起光が照射される領域とを光学的に共役にするための共役光学系と、を有する。

Description

検出装置
　本発明は、表面プラズモン共鳴（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｌａｓｍｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＳＰＲ）に基づく増強電場を利用して、被検出物質の存在またはその量を検出する検出装置に関する。
　タンパク質やＤＮＡなどの生体物質を検出する測定において、微量の被検出物質を高感度かつ定量的に検出できれば、即時に患者の状態を把握し治療を行うことが可能となる。このため、微量の被検出物質に起因する微弱な光を、高感度かつ定量的に検出する検出方法および検出装置が求められている。被検出物質を高感度で検出する１つの方法としてはＳＰＦＳ（表面プラズモン励起増強蛍光分光法（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｌａｓｍｏｎ－ｆｉｅｌｄ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））やＳＰＲ法が知られている。
　ＳＰＦＳやＳＰＲ法では、被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定化された金属膜上の領域に励起光を照射することで被検出物質の濃度や存在の有無などを測定する。また、ＳＰＦＳやＳＰＲ法では、プラズモン増強を生じさせるために共鳴角付近の角度で上記の金属膜上の領域に励起光を照射する必要があるため、一般的には励起光の角度を振りながらシグナル測定、または角度を走査して最適な角度を検出した後に当該角度に設定してシグナル測定をする。
　ここで被検出物質の量や存在を精度よく検出するためには、シグナル測定において金属膜上の被検出物質が捕捉された位置に正確に光を照射することが重要である。
　たとえば、特許文献１では、断面が半円状のプリズムを用いて励起光を照射することで被検出物質を検出している。特許文献１の発明においては、励起光の角度を振るための走査回転中心と、プリズム円中心（固相中心）とが一致するように設定することで、角度走査した場合においても、励起光の照射位置を正確に定めることができている。
　特許文献２では、断面が台形状のプリズムを用いて励起光を照射することで被検出物質を検出している。特許文献２の発明では、プリズムの入射面の屈折も考慮して被検出物質が捕捉されている位置に励起光が照射されるように設定することで、励起光の照射位置を正確に定めることができる。
特開２０１６－０４２０４９号公報 特開２００９－２０４４７６号公報
　しかし、励起光の照射位置を正確に設定したとしても、環境（温度）変化や経時変化により、投光部から出射する光の出射方向が変化することがある。特に、光源部（レーザーダイオードや発光ダイオードなど）では光を発生させたときの発熱により光源部周辺で温度上昇し、この温度上昇により、光源部やレンズやこれらの保持部材（光源やレンズは、この保持部材へ圧入されたり、接着剤などで接着されたりすることで保持される）の線膨張差などによりずれが生じ、光学系に対して光源部（発光点）が偏芯してしまう。これにより、投光部から出射する光の方向（出射方向）が変わり、金属膜上の励起光の照射位置がずれてしまい、適切な位置に光照射できなくなり検出精度が悪化することがある。
　さらに、特定の励起光の角度において照射位置がずれるだけでなく、角度走査した際に角度毎に照射位置のずれが拡大してしまう。このため、角度走査測定（増強角測定）において増強角の測定性能が悪化し（最悪の場合、被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定化されている領域から照射位置が外れてしまい、間違った増強角を測定してしまう）、被検出物質由来のシグナル測定の際に最適な励起光の角度に設定できず、被検出物質の高精度な検出ができなくなることがある。
　本発明は上記課題に鑑み、温度変化や経時変化にロバスト性が高く高精度に被検出物質を検出することができる検出装置を提供することを目的とする。
　本発明の実施の形態に係る検出装置は、表面プラズモン共鳴に基づく増強電場を利用して被検出物質の存在またはその量を検出する検出装置であって、金属膜と、前記金属膜上に固定化された被検出物質を捕捉するための捕捉体とを有する検出チップを保持するためのチップホルダーと、前記チップホルダーに保持された前記検出チップの前記金属膜に励起光を照射し、前記表面プラズモン共鳴を生じさせるための投光部と、前記金属膜に前記励起光を照射し、前記表面プラズモン共鳴が生じたことにより発生する前記被検出物質の存在またはその量に起因する光を検出するための検出部と、を有し、前記投光部は、前記励起光を出射する光源と、前記光源から出射した光束を規制するための絞りと、前記絞りの開口部と前記金属膜の前記励起光が照射される領域とを光学的に共役にする共役光学系と、を有する。
　本発明の実施の形態に係る検出方法は、上記の検出装置を用いる検出方法であって、前記チップホルダーに保持された前記検出チップに照射された前記励起光の反射光または透過光を検出して、前記検出チップの位置情報を得る工程と、前記検出チップの位置情報に基づいて前記検出チップの位置を調整する工程と、を有する。
　本発明によれば、温度変化や経時変化にロバスト性が高く高精度に被検出物質を検出することができる検出装置を提供することができる。
図１は本発明の実施の形態に係る検出装置を示す図である。 図２Ａは本発明の実施の形態に係る検出装置が光源の出力を調整する機構を有する場合を示し、図２Ｂは本発明の実施の形態に係る検出装置が検出チップの位置を決める機構を有する場合を示す。 図３Ａは本発明の実施の形態に係る検出装置における光路の例を示し、図３Ｂは比較用の検出装置における光路の例を示す。 図４Ａは本発明の実施の形態に係る検出装置において光源の位置がずれた場合を示し、図４Ｂは比較用の検出装置において光源の位置がずれた場合を示す。 図５Ａ、Ｂ，Ｃは本発明の実施の形態に係る検出装置において投光部の角度を走査した場合の光の入射位置の変化を示し、図５Ｄ、Ｅ、Ｆは比較用の検出装置において投光部の角度を走査した場合の光の入射位置の変化を示す。 図６Ａ、Ｂ，Ｃは本発明の実施の形態に係る検出装置において検出チップの位置合わせをしてから投光部の角度を走査した場合の光の入射位置の変化を示し、図６Ｄ、Ｅ、Ｆは比較用の検出装置において検出チップの位置合わせをしてから投光部の角度を走査した場合の光の入射位置の変化を示す。 図７Ａ、Ｂ，Ｃは本発明の実施の形態に係る検出装置において検出チップの位置合わせをしてから投光部の角度を走査した場合の視野中心からの光の入射位置の変化を示し、図７Ｄ、Ｅ、Ｆは比較用の検出装置において検出チップの位置合わせをしてから投光部の角度を走査した場合の視野中心からの光の入射位置の変化を示す。 図８Ａは絞りにおいて開口部の短軸方向のサイズＷと、絞りから金属膜の照射面までの光路長Ｚと、励起光の中心波長λと、スポットの分布Ｘとの関係を説明するための図である。図８Ｂ、Ｃは検出装置においてＷ２／（λ×Ｚ）が１９．５である場合の絞りの開口部と金属膜の励起光が照射される領域とが光学的に共役である場合と、光学的に共役でない場合とをそれぞれ示す。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　［検出装置の構成］
　図１は、本発明の実施形態に係る検出装置１００を示す図である。
　検出装置１００は、検出チップ２００に励起光αを照射するための投光部１２０と、投光部角度調整部１５０と、第４レンズ１４１と、第５レンズ１４２と、励起光カットフィルター１４３と、検出チップ２００から放出された光（プラズモン散乱光βまたは蛍光γ）を検出するための検出部１４０と、チップホルダー１４４と、検出チップ位置調整部１４５と、制御部１６０とを有する。検出装置１００は、検出チップ２００とともに使用される。そこで、検出チップ２００について先に説明し、その後に検出装置１００の各構成要素について説明する。
　図１に示されるように、検出チップ２００は、入射面２１１、成膜面２１３および出射面２１２を有するプリズム２１０と、プリズム２１０の成膜面２１３上に配置された金属膜３１と、金属膜３１上に配置された流路蓋２２０とを有する。
　プリズム２１０は、励起光αに対して透明な部材からなる。プリズム２１０は、入射面２１１、金属膜３１が形成される成膜面２１３および出射面２１２を有する。入射面２１１は、投光部１２０からの励起光αをプリズム２１０の内部に入射させる。成膜面２１３の上には、金属膜３１が形成される。プリズム２１０の内部に入射した励起光αは、金属膜３１で反射する。より具体的には、プリズム２１０と金属膜３１との界面（成膜面２１３）で反射する。出射面２１２は、金属膜３１で反射した励起光αをプリズム２１０の外部に出射させる。プリズム２１０の形状は、特に限定されない。本実施の形態では、プリズム２１０の形状は、台形を底面とする柱体である。台形の一方の底辺に対応する面が成膜面２１３であり、一方の脚に対応する面が入射面２１１であり、他方の脚に対応する面が出射面２１２である。底面となる台形は、略等脚台形であることが好ましい。これにより、入射面２１１と出射面２１２とが略対称になり、励起光αのＳ偏光成分がプリズム２１０内で全反射することで滞留しにくくなる。なお、励起光αのＰ偏光成分のみがプラズモン共鳴に寄与するためＳ偏光成分は金属膜３１で反射することになる。また、入射面２１１は、励起光αが投光部１２０に戻らないように形成される。励起光αが、たとえば、投光部１２０内のレーザーダイオードである光源１２１に戻ると、レーザーダイオードの励起状態が乱れてしまい、励起光αの波長や出力が変動してしまうからである。そこで、理想的な増強角を中心とする走査範囲において、励起光αが入射面２１１に垂直に入射しないように、入射面２１１の角度が設定される。たとえば、入射面２１１と成膜面２１３との角度および成膜面２１３と出射面２１２との角度は、いずれも約８０°である。プリズム２１０の材料の例には、樹脂およびガラスが含まれる。プリズム２１０の材料は、好ましくは、屈折率が１．４～１．６であり、かつ複屈折が小さい樹脂である。
　金属膜３１は、プリズム２１０の成膜面２１３上に形成されている。金属膜３１を設けることで、成膜面２１３に全反射条件で入射した励起光αの光子と、金属膜３１中の自由電子との間で相互作用（表面プラズモン共鳴；ＳＰＲ）が生じ、金属膜３１の表面上に増強電場（局在場光）を生じさせることができる。金属膜３１の素材は、表面プラズモン共鳴を生じさせる金属であれば特に限定されない。金属膜３１の素材の例には、金、銀、銅、アルミニウム、これらの合金が含まれる。これらの中では、金属膜３１を構成する金属は、検体中の物質の非特異的吸着を抑制する観点からは、金であることが好ましい。本実施の形態では、金属膜３１を構成する金属は金である。金属膜３１の形成方法は、特に限定されない。金属膜３１の形成方法の例には、スパッタリング、蒸着、メッキが含まれる。金属膜３１の厚みは、特に限定されないが、３０～７０ｎｍの範囲内が好ましい。
　また、特に図示しないが、金属膜３１のプリズム２１０と対向しない面には、被検出物質を捕捉するための捕捉体が固定化されている。捕捉体を固定化することで、被検出物質を選択的に検出することが可能となる。本実施の形態では、金属膜３１上の所定の領域に、捕捉体が均一に固定化されている。捕捉体の種類は、被検出物質を捕捉することができれば特に限定されない。たとえば、捕捉体は、被検出物質に特異的な抗体またはその断片である。
　流路蓋２２０は、金属膜３１のプリズム２１０と対向しない面上に、流路３９を挟んで配置されている。本実施の形態では、流路蓋２２０は接着層３５を介して成膜面２１３または金属膜３１に接合される。具体的には、流路蓋２２０は、例えば両面テープまたは接着剤による接着や、レーザー溶着、超音波溶着、クランプ部材を用いた圧着などにより金属膜３１またはプリズム２１０に接合される。
　金属膜３１がプリズム２１０の成膜面２１３の一部にのみ形成されている場合は、流路蓋２２０は、流路３９を挟んで成膜面２１３上に配置されていてもよい。流路蓋２２０は、金属膜３１、接着層３５と共に、検体や蛍光標識液、洗浄液などの液体が流れる流路３９を形成する。捕捉物質は、流路３９内に露出している。流路３９の両端は、流路蓋２２０の上面に形成された注入口および排出口（いずれも図示省略）とそれぞれ接続されている。流路３９内へ液体が注入されると、流路３９内において、これらの液体は捕捉物質に接触する。
　流路蓋２２０は、金属膜３１のプリズム２１０と対向しない面およびその近傍から放出された光（プラズモン散乱光βおよび蛍光γ）に対して透明な材料からなる。流路蓋２２０の材料の例には、樹脂が含まれる。これらの光を検出部１４０に導くことができれば、流路蓋２２０の一部は、不透明な材料で形成されていてもよい。
　図１に示されるように、プリズム２１０へ導かれた励起光αは、入射面２１１からプリズム２１０内に入射する。プリズム２１０内に入射した励起光αは、プリズム２１０と金属膜３１との界面（成膜面２１３）に全反射角度（表面プラズモン共鳴が生じる角度）となるように入射する。界面からの反射光は、出射面２１２からプリズム２１０外に出射される。一方、表面プラズモン共鳴が生じる角度で励起光αが界面に入射することで、金属膜３１およびその近傍からは、プラズモン散乱光βおよび／または蛍光γが、検出部１４０の方向へ出射される。
　次に、検出装置１００の各構成要素について説明する。前述のとおり、検出装置１００は、投光部１２０、投光部角度調整部１５０、第４レンズ１４１、第５レンズ１４２、励起光カットフィルター１４３、検出部１４０、チップホルダー１４４、検出チップ位置調整部１４５および制御部１６０を有する。
　投光部１２０は、チップホルダー１４４に保持された検出チップ２００の金属膜３１にプリズム２１０を介して励起光αを照射し、表面プラズモン共鳴を生じさせる。
　投光部１２０は、光源１２１と、絞り１２３と、共役光学系１２６と、を有する。以下、これらについて説明する。
　光源１２１は励起光αを出射する。制御部１６０によって制御された投光部角度調整部１５０が投光部１２０の位置および向きを調整することで、プリズム２１０と金属膜３１との界面（成膜面２１３）に対する励起光αの入射角が調整される。励起光αが金属膜３１に照射されると、金属膜３１のプリズム２１０と対向しない面およびその近傍からは、励起光αと同一波長のプラズモン散乱光βや蛍光物質から放出された蛍光γなどが上方に放出される。また、励起光αは、プリズム２１０と金属膜３１との界面で反射して、出射面２１２からプリズム２１０の外部に出射される。
　本実施の形態では、光源１２１は、レーザーダイオード（以下「ＬＤ」と略記する）であり、検出チップ２００の入射面２１１に向けて励起光α（シングルモードレーザー光）を出射する。より具体的には、光源１２１は、検出チップ２００のプリズム２１０と金属膜３１との界面（成膜面２１３）に対して励起光αが全反射角度となるように、界面に対するＰ波のみを入射面２１１に向けて出射する。表面プラズモンの電場増強度は励起光αの入射角度依存性があるため、励起光αは略コリメート光であることが好ましい。本実施の形態では、光源１２１から出射された励起光αは、第１レンズ１２２によって略コリメート光となる。なお、第１レンズ１２２は複数枚のレンズで構成されていても良い。
　なお、光源１２１の種類は、特に限定されず、ＬＤでなくてもよい。光源１２１の例には、発光ダイオード、水銀灯、その他のレーザー光源が含まれる。光源１２１から出射される光がビームでない場合は、光源１２１から出射される光は、レンズや鏡、ピンホール、スリットなどによりビームに変換されてもよい。励起光αのビームサイズは金属膜３１上で０．５～２．０ｍｍに制御されることが好ましい。また、光源１２１から出射される光が単色光でない場合は、光源１２１から出射される光は、回折格子や波長フィルターなどにより単色光に変換されることが好ましい。さらに、光源１２１から出射される光が直線偏光でない場合は、光源１２１から出射される光は、偏光子などにより直線偏光の光に変換されることが好ましい。
　絞り１２３は、開口部を有し、光源１２１からの光の量やビームサイズを調整または規制する。本実施の形態において、絞り１２３は、第１レンズ１２２と、後述する第２レンズ１２４との間に配置され、第１レンズ１２２によってコリメート光となった励起光αの一部を遮断して、第２レンズ１２４に入る励起光αの光量およびビームサイズを調整または規制する。絞り１２３の開口サイズは固定されていてもよいし、サイズを変更できるように絞り１２３には可動機構が設けられていてもよい。
　絞り１２３の開口部の形状は楕円または長方形であることが好ましい。後述する共役光学系１２６によって、絞り１２３の開口部と、金属膜３１上の光が照射される領域とは光学的に共役になる。そのため、絞り１２３において光が通過する形状が楕円または長方形であると、金属膜３１上の適切な領域に励起光αを照射しやすくなる。
　共役光学系１２６は、絞り１２３の開口部と金属膜３１上の励起光αが照射される領域とを光学的に共役にするための光学系である。共役光学系１２６の構成は、絞り１２３の開口部と金属膜３１上の励起光αが照射される領域とを光学的に共役にすることができれば特に制限されず、用いられる光学素子（例えば、レンズ、ミラーなど）の種類、光学素子の組み合わせ、光学素子の数、光学素子の配置などは適宜調整されればよい。なお、ここで光学的に共役とは、本発明の目的を達成できる範囲においてほぼ共役になっている場合も含む。たとえば、絞り１２３の開口部と金属膜３１上の励起光αが照射される領域からなる面とが光学的に共役になるだけでなく、絞り１２３の開口部と金属膜３１上の励起光αが照射される領域の一部を含む、金属膜３１に対して傾斜している仮想面とが光学的に共役である場合も含まれる。
　共役光学系１２６は、絞り１２３の開口部のサイズよりも金属膜３１上の励起光αの照射スポットサイズが小さくなるように光束径を変換する縮小光学系であってもよい。金属膜３１上の励起光αの照射スポットのサイズは、金属膜３１上の捕捉体が固定化されている領域のサイズよりも小さいことが好ましい。このようにすることで照射スポットを捕捉体が金属膜３１上に固定された領域内に収めやすくなる。また、金属膜３１上の照射スポットサイズは、検出部１４０の視野サイズよりも小さいことが好ましい。このようにすることで照射スポットを検出部１４０の視野内に収めやすくなる。
　本実施の形態においては、共役光学系１２６は、絞り１２３とプリズム２１０との間に配置された、第２レンズ１２４と、第３レンズ１２５とを有する。これにより、共役光学系１２６は、絞り１２３の開口部と金属膜３１上の励起光αが照射される領域とを光学的に共役にすることができる。
　図２Ａに示されるように、本発明の実施の形態に係る検出装置１００は絞り１２３を通過した光の一部を反射させるための反射部材１２７と、反射部材１２７で反射した光を検出するための反射光検出部１２８と、反射光検出部１２８で検出した光量に応じて光源１２１の出力を調整するためのフィードバック制御部１２９とを有していてもよい。なお、フィードバック制御部１２９の役割を制御部１６０が担っていてもよい。
　検出装置１００においては、温度変化や経時変化した際に、光源１２１の位置が偏芯し、絞り１２３の開口部を通過する光量が変化して投光部１２０から出射される光の光量が変化してしまうことがある。検出装置１００が上記のような構成を有することにより、投光部１２０からの光が弱くなったときは光源１２１の出力を上げ、投光部１２０からの光が強くなったときは光源１２１の出力を下げることができる。これにより検出チップ２００のプリズム２１０上の金属膜３１に入射する光量を安定化することができ測定精度を上げることができる。
　図２Ｂに示されるように、本発明の実施の形態に係る検出装置１００は、チップホルダー１４４に保持された検出チップ２００に励起光αを照射したときに検出チップ２００で生じた反射光または透過光を検出するためのチップ光信号検出部１３１と、チップ光信号検出部１３１の出力値に応じて検出チップ２００の位置を検出するためのチップ位置検出部１３２と、チップ位置検出部１３２によって検出されたチップ位置に基づいて前記検出チップ２００を測定位置に移動するための検出チップ位置調整部１４５とを有してもよい。チップ光信号検出部１３１は、例えば、撮像素子やフォトダイオードなどにより構成されている。チップ位置検出部１３２は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置及び出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどによって構成される。このような検出チップ２００を測定位置に移動させるための機構としては、例えば、国際公開２０１５／０６４７０４号に開示されている機構が好適に用いられる。検出装置１００が上記のような検出チップ２００を測定位置に移動させるための機構を有することにより、検出チップ２００の位置精度がよくなり、測定精度が向上する。なお、チップ位置検出部１３２の役割を制御部１６０が担っていてもよい。
　第４レンズ１４１および第５レンズ１４２は、金属膜３１上から出射されるプラズモン散乱光βまたは蛍光γを検出部１４０の受光部上に結像させる。第４レンズ１４１は、例えば、集光レンズであり、金属膜３１上から出射される光を集光する。第５レンズ１４２は、例えば、結像レンズであり、第４レンズ１４１で集光された光を検出部１４０の受光部に結像させる。両レンズの間の光路は、略平行な光路になっている。また、検出部１４０がフォトダイオードや光電子倍増管などの場合には、必ずしも検出部１４０に結像させる必要はなく、検出部１４０に光が集光されていればよい。
　励起光カットフィルター１４３は、プラズモン散乱光βや励起光α由来の迷光等を遮断する一方で蛍光γを透過させることで、検出部１４０に蛍光γの波長以外の光が到達することを防ぐ。すなわち、励起光カットフィルター１４３は、金属膜３１上から出射された光からノイズ成分を除去し、検出部１４０が高いＳ／Ｎ比で蛍光γを検出できるようにする。本実施の形態を示す図１において、励起光カットフィルター１４３は、第４レンズ１４１、第５レンズ１４２の間に配置されているが、励起光カットフィルター１４３は、増強角を決定するときにはプラズモン散乱光βを検出できるように光路上から外される。
　検出部１４０は、金属膜に励起光αを照射し、表面プラズモン共鳴が生じることにより発生する被検出物質の存在またはその量に起因する光を検出する。本実施の形態において、検出部１４０は検出チップ２００の金属膜３１のプリズム２１０と対向しない面に対向するように配置されている。検出部１４０は、金属膜３１上から出射される光（プラズモン散乱光βまたは蛍光γ）を受光する。検出部１４０の受光部は、例えば撮像素子や光電子倍増菅やフォトダイオードなどにより構成される。第４レンズ１４１、励起光カットフィルター１４３、第５レンズ１４２および検出部１４０は、金属膜３１の表面と対向するように、金属膜３１側からこの順番で配置されている。
　チップホルダー１４４には検出チップ２００が設置される。チップホルダー１４４は検出チップ２００を設置することができるものであれば特に制限されない。チップホルダー１４４の形状は検出チップ２００を設置することが可能であり、励起光αや反射光、蛍光γなどの光路を妨げない形状である。たとえば、チップホルダー１４４には、これらの光が通過するための開口が設けられている。
　検出チップ位置調整部１４５は、例えば、チップ位置検出部１３２によって検出された検出チップ位置に基づいてチップホルダー１４４を移動させる。検出チップ位置調整部１４５は、例えば、チップホルダー１４４を一方向およびその逆方向に移動させる。検出チップ位置調整部１４５は、たとえば、モーターなどである。
　制御部１６０は、投光部１２０、励起光カットフィルター１４３、検出部１４０、検出チップ位置調整部１４５の制御を一元的に行う。具体的には、制御部１６０は、投光部１２０の位置および向きや位置を制御し、金属膜３１に対する励起光αの入射角を所定の角度に設定する。また、光源１２１の出力（光量、ＯＮ／ＯＦＦ）を制御する。また、制御部１６０は、増強角を決定するときには、励起光カットフィルター１４３を光路上から除去し、プラズモン散乱光βが検出部１４０に到達するようにする。また、制御部１６０は、蛍光γを受光するときには、励起光カットフィルター１４３を光路上に配置し、励起光αと同一波長の光（プラズモン散乱光βや励起光α由来の迷光等）が検出部１４０に到達しないようにする。また、制御部１６０は、検出チップ位置調整部１４５を制御し、チップホルダー１４４を移動させて、検出部１４０の検出範囲を変更する。制御部１６０は、たとえば、ソフトウェアを実行するコンピュータである。
　なお、上記では本発明の実施の形態に係る検出装置１００をプリズムカップリング（ＰＣ）－ＳＰＦＳ装置の場合で説明したが、検出装置１００は格子カップリング（ＧＣ）－ＳＰＦＳ装置であってもよい。また、本発明の実施の形態に係る検出装置１００はプリズムカップリング（ＰＣ）－ＳＰＲ装置または格子カップリング（ＧＣ）－ＳＰＲ装置であってもよい。
　［検出装置の動作］
　まず、検出の準備をする。具体的には、検出装置１００の所定の位置に検出チップ２００を設置する。
　次いで、検体中の被検出物質と捕捉物質とを反応させる（一次反応）。具体的には、流路３９内に検体を注入して、検体と捕捉物質とを接触させる。検体中に被検出物質が存在する場合は、被検出物質の少なくとも一部は捕捉物質により捕捉される。この後、流路３９内を緩衝液などで洗浄して、捕捉物質に捕捉されなかった物質を除去する。検体の種類は、特に限定されない。検体の例には、血液や血清、血漿、尿、鼻孔液、唾液、精液などの体液およびその希釈液が含まれる。
　次いで、図２Ｂに示されるような機構で検出チップ２００の位置合わせを任意で行ってもよい。具体的には、投光部１２０から励起光αをチップホルダー１４４に保持された検出チップ２００に照射し、照射された励起光αの反射光または透過光をチップ光信号検出部１３１で検出する。次に、チップ光信号検出部１３１の出力値に応じてチップ位置検出部１３２がチップの位置を検出する。このようにして検出チップ２００の位置情報を得ることができる。次に、検出チップ位置調整部１４５が検出チップ２００の位置情報に基づいて検出チップ２００の位置を調整する。
　次いで、増強角の測定を行う。具体的には、励起光αを金属膜３１（成膜面２１３）の所定の位置に照射しながら、金属膜３１（成膜面２１３）に対する励起光αの入射角を走査して、最適な入射角を決定する。これは、制御部１６０が、投光部１２０を制御して、励起光αを金属膜３１（成膜面２１３）の所定の位置に照射しながら、金属膜３１（成膜面２１３）に対する励起光αの入射角を走査することで行われる。また、制御部１６０は、励起光カットフィルター１４３を光路上に存在しないように制御し、検出部１４０が金属膜３１上（金属膜３１表面およびその近傍）からのプラズモン散乱光βを検出するように、検出部１４０を制御する。金属膜３１上（金属膜３１表面およびその近傍）からのプラズモン散乱光βは、第４レンズ１４１および第５レンズ１４２を介して検出部１４０に到達する。これにより、制御部１６０は、励起光αの入射角とプラズモン散乱光βの強度との関係を含むデータを得る。そして、制御部１６０は、データを解析して、プラズモン散乱光βの強度が最大となる入射角（増強角）を決定する。なお、増強角は、基本的には、プリズム２１０の素材および形状、金属膜３１の厚み、流路３９内の液体の屈折率などにより決まるが、流路３９内の物質の種類および量、プリズム２１０の形状誤差などの各種要因によりわずかに変動する。このため、分析を行うたびに増強角を決定することが好ましい。増強角は、０．１°度程度のオーダーで決定される。
　次いで、金属膜３１（成膜面２１３）に対する励起光αの入射角を、前の工程で決定した増強角に設定する。具体的には、制御部１６０は、投光部１２０を制御して、金属膜３１（成膜面２１３）に対する励起光αの入射角を増強角に設定する。以後の工程では、金属膜３１（成膜面２１３）に対する励起光αの入射角は、増強角のままである。
　次いで、捕捉物質に捕捉された被検出物質を蛍光物質で標識する（２次反応）。具体的には、流路３９内に蛍光標識液を注入する。蛍光標識液は、例えば、蛍光物質で標識された抗体（２次抗体）を含む緩衝液である。蛍光標識液が流路３９に注入されると、蛍光標識液が被検出物質に接触し、被検出物質が蛍光物質で標識される。この後、流路３９内を緩衝液などで洗浄し、遊離の蛍光物質などを除去する。
　次いで、励起光αを金属膜３１（成膜面２１３）に照射して、金属膜３１（金属膜３１表面およびその近傍）上の蛍光物質から放出される蛍光γを検出する。具体的には、制御部１６０は、投光部１２０を制御して、励起光αを出射させる。同時に、制御部１６０は、検出部１４０が金属膜３１（金属膜３１およびその近傍）上から放出される蛍光γを検出するように、検出部１４０を制御する。
　また、このとき、制御部１６０は励起光カットフィルター１４３が光路上に存在するように励起光カットフィルター１４３を移動させる。これにより、励起光カットフィルター１４３はプラズモン散乱光βを透過させないため、蛍光γのみが検出部１４０に検出される。
　［検出装置の光路］
　図３Ａは本発明の実施の形態に係る検出装置１００における光路の例を示す。一方、図３Ｂは比較用の検出装置１００’における光路の例を示す。図２Ａに示されるように、本発明の実施の形態に係る検出装置１００における投光部１２０は共役光学系１２６を有するのに対し、比較用の検出装置１００’は共役光学系１２６を有さない。これにより、光源１２１からの光路が以下に説明するように異なることがある。
　図３Ａに示されるように、光源１２１から出射された光は第１レンズ１２２を通ってコリメート光となり、絞り１２３によってビームサイズが規制される。次に絞り１２３を通った光は、第２レンズ１２４および第３レンズ１２５からなる共役光学系１２６を通り、プリズム２１０上の金属膜３１に照射される。
　ここで絞り１２３を通った光について、実線は光学系に偏芯なく光源１２１から光が所定通りの角度で出射された場合を示し、破線は光源１２１が偏芯したとき、つまり光源１２１から光が所定とは異なる角度で出射された場合を示す。破線は絞り１２３から金属膜３１までのみを図示しており、絞り１２３前は不図示である。実線で示されるように、光が所定通りの角度で出射された場合は、光は所定通りに金属膜３１上の所定位置に照射される。また、破線で示されるように、光源１２１が偏芯したとき、つまり光源１２１から光が所定とは異なる角度で出射された場合は、光は金属膜３１上の所定位置近傍に照射される。これは、本発明の実施の形態に係る検出装置１００の共役光学系１２６が、光源１２１からの光が絞り１２３を通過する絞り位置と光が照射される金属膜３１上の位置とを光学的に共役にするように設定されているためである。
　一方、図３Ｂに示されるように、比較用の検出装置１００’では、実線で示されるように、光が所定通りの角度で出射された場合は、光は所定通りに金属膜３１上の位置に照射する。しかし、破線で示されるように、光が所定通りの角度で出射されない場合、光は、金属膜３１上において所定とは大きく異なる位置に照射する。これは、比較用の検出装置１００’が共役光学系１２６を有さないためである。
　（角度走査時の光路のシミュレーション）
　図４Ａ、Ｂは本発明の実施の形態に係る検出装置１００、比較用の検出装置１００’のそれぞれにおいて、投光部１２０の光源１２１の位置が温度変化や経時変化などにより光学系の光軸に対し垂直な方向に偏芯してしまったときに、励起光αの主光線α’の光線経路および金属膜３１上に入射する角度が変わり、金属膜３１に照射される位置が変わる態様を示す。検出装置１００では絞り１２３の開口部と金属膜３１の励起光αが照射される領域とを光学的に共役にするための共役光学系１２６を有する。一方、検出装置１００’では検出装置１００と同様に３つのレンズを有するものの、これらのレンズは絞り１２３の開口部と金属膜３１の励起光が照射される領域とは光学的に共役するためのものではない。
　図４Ａ、Ｂにおいて実線は光源１２１が設定通りの位置にあり、主光線α’の光線経路が設定通りの場合を示す。一方、破線は光源１２１が設定からずれた位置にあり、主光線α’の光線経路がずれた場合を示している。ここで、投光部１２０の走査角度をθ１とする。投光部１２０から出射された光の角度と金属膜３１の水平面に対して垂直な方向（重力方向）とがなす角度を投光部１２０の投光角度θ２とする。また、主光線α’が金属膜３１上に入射する角度をθ３とする。また、主光線α’が金属膜３１上に入射する位置の所定位置からのずれをＬとする。なお、図４Ａ、Ｂにおいては光束の主光線α’のみを示しており、主光線α’は励起光αのうち絞り１２３の中心を通過する光線である。θ２およびθ３は投光部１２０が走査されることにより角度がかわる。
　図５Ａ、Ｂ、Ｃは図４Ａに示されるような本発明の実施の形態に係る検出装置１００において、投光部１２０の走査角度θ１が走査されたときの投光部１２０から出射する主光線α’の投光角度θ２と、主光線α’の金属膜３１上への所定入射位置（Ｌ＝０）からのずれＬとの関係を示す。なお、主光線α’は励起光αの主光線（絞りの中心を通過する光線）であり、励起光αのビーム断面のほぼ中心を通過する光線を示す。
　図５Ａは温度変化などによるずれがなく光源１２１が所定通りの位置にある場合を示している。図５Ｂは図４Ａの破線に示すように光源１２１が所定位置から光軸垂直方向にずれた場合を示す。図５Ｃは図５Ｂとは逆の方向に光源１２１が所定位置から光軸垂直方向にずれたときを示す。
　なお、図５Ｂ、Ｃにおいて、光源１２１のずれ量はそれぞれ３．２μｍである。また図５Ａ、Ｂ、Ｃにおいて、投光部全体の光学系の合成焦点距離は１．８６ｍｍである。光源１２１がずれた結果、投光角度θ２は所定よりそれぞれ－０．１°、＋０．１°ずれる。また、投光部１２０の走査角度θ１が６６°のときに主光線α’の入射位置が所定位置（Ｌ＝０）になるように設計されている。なお、検出チップ２００の位置は所定位置に設置されているものとした。
　図５Ａと図５Ｂ、Ｃとを比べると、本発明の実施の形態に係る検出装置１００では光源１２１の位置が所定位置からずれても、同一の投光角度θ２において金属膜３１上の所定位置（Ｌ＝０）からの入射位置のずれ量Ｌが小さいことがわかる。すなわち、本発明の実施の形態に係る検出装置１００では、温度変化や経時変化などにより光源１２１の位置がずれたとしても同一の投光角度θ２において所定位置に対する入射位置のずれが少ないため、金属膜３１の検出物質や補足体の面内むらによる測定ばらつきの影響を受けにくく、また補足体が固定化されている領域から励起光αが逸脱しにくくなり、シグナル測定の測定精度が向上する。また、測定中の温度変化による光源１２１の位置のずれに対しても、励起光αの所定位置に対する入射位置のずれが少なくなることにより、同様に測定精度が向上する。
　また、図５Ｂ、Ｃのそれぞれから、投光部１２０の角度を走査し、投光角度θ２が変化したときのずれ量Ｌの変化量が小さいことが分かる。すなわち、増強角測定において、投光部１２０の角度走査時（増強角測定時）の入射位置のずれが少ないため、上記と同様に、金属膜３１の被検出物質や補足体の面内むらによる測定ばらつきの影響を受けにくく、また補足体が固定化されている領域から励起光αが逸脱しにくくなり、増強角の測定精度が向上する。これらは、検出装置１００は共役光学系１２６を有するためである。
　一方、図５Ｄ、Ｅ、Ｆは、図４Ｂに示されるような比較用の検出装置１００’において、投光部１２０の走査角度θ１が走査されたときの投光部１２０から出射する主光線α’の投光角度θ２と、主光線α’の金属膜３１上への所定入射位置（Ｌ＝０）からのずれＬとの関係を示す。図５Ｄは温度変化などによるずれがなく光源１２１が所定通りの位置にある場合を示している。図５Ｅは図４Ｂの破線に示すように、光源１２１が所定位置から光軸垂直方向にずれたときを示す。図５Ｆは、図５Ｅとは逆の方向に光源１２１が所定位置から光軸垂直方向にずれたときを示す。
　なお、図５Ｅ、Ｆでは、図５Ｂ、Ｃと同様に、光源１２１のずれ量はそれぞれ３．２μｍである。また、図５Ｄ、Ｅ、Ｆでは投光部全体の光学系の合成焦点距離は１．８６ｍｍである。検出チップ２００の位置は所定位置に設置されている。
　図５Ｄと、図５Ｅ、Ｆとを比べると、比較用の検出装置１００’では光源１２１の位置が所定位置からずれると、同一の投光角度θ２において金属膜３１上の所定位置（Ｌ＝０）からの入射位置のずれ量Ｌが大きいだけでなく、投光部１２０の角度を走査したときのＬの変化量が大きいことが分かる。
　すなわち、比較用の検出装置１００’では同一の投光角度θ２において所定位置に対する入射位置のずれが大きく、温度変化や経時変化などにより光源１２１の位置がずれたときに所定位置に対して励起光αの照射位置が大きくずれる。よって、金属膜３１の被検出物質や補足体の面内むらによる測定ばらつきの影響を受けやすく、また補足体が固定化されている領域から励起光αが逸脱しやすくなるため、シグナル測定の測定精度が悪化する。
　さらに、増強角測定において、投光部１２０の角度走査時（増強角測定時）の入射位置のずれが大きく、上記と同様に、金属膜３１の被検出物質や補足体の面内むらによる測定ばらつきの影響を受けやすく、また補足体が固定化されている領域から励起光αが逸脱しやすくなるため、増強角の測定精度が悪化する。これらは、検出装置１００’は共役光学系１２６を有さないためである。
　図６Ａ～Ｃ、図６Ｄ～Ｆは、上記の図５Ａ～Ｃ、図５Ｄ～Ｆのそれぞれと同様に、図４Ａ、４Ｂに示されるような本発明の実施の形態に係る検査装置１００、比較用の検出装置１００’のそれぞれにおいて、投光部１２０の走査角度θ１が走査されたときの投光部１２０から出射する主光線α’の投光角度θ２と、主光線α’の金属膜３１上への所定入射位置（Ｌ＝０）からのずれＬとの関係を示している。
　さらに図６Ａ～Ｆでは、図２Ｂに示されるような機構で、検出チップ２００の位置情報を得る工程と、検出チップの位置情報に基づいて検出チップの位置を調整する工程とを経て検出チップ２００の位置合わせを行い、検出チップ２００の位置を設定している。なお、図６Ａ、Ｄでは光源１２１が所定位置にある場合を示し、図６Ｂ、Ｅでは図５Ｂ、Ｅと同様に光源１２１がずれており、図６Ｃ、Ｆでは図５Ｃ、Ｆと同様に光源１２１が逆方向にずれている。検出チップ２００の位置情報を得る工程において、投光部１２０の走査角度θ１を７２°に設定して励起光αを検出チップ２００に照射し、チップ位置検出を行っている。
　図６Ａと、図６Ｂ、Ｃとの比較から、本発明の実施の形態に係る検出装置１００では、光源１２１が所定位置からずれた状態で検出チップ２００の位置合わせを行っても、金属膜３１上の所定入射位置（Ｌ＝０）からのずれ量Ｌが小さいことがわかる。これは検出装置１００では共役光学系１２６を有するため、図２Ｂに示されるような機構において、励起光が検出チップ２００に当たる位置のずれが小さく、その結果、検出チップ２００を最適な位置に位置合わせしやすくなるためである。
　一方、図６Ｄと、Ｅ、Ｆとの比較から、検出装置１００’では、光源１２１が所定位置からずれた状態で検出チップの位置合わせを行うと、金属膜３１上の所定入射位置からのずれＬが大きいことがわかる。これは検出装置１００’では共役光学系１２６を有さないため、図２Ｂに示されるような機構において、励起光αが検出チップ２００に当たる位置のずれが大きく、その結果、検出チップ２００を最適な位置に位置合わせしにくくなるためである。
　図７Ａ～Ｃ、図７Ｄ～Ｆは、図６Ａ～Ｃ、図６Ｄ～Ｆと同様に図４Ａ、図４Ｂに示されるような本発明の実施の形態に係る検出装置１００、比較用の検出装置１００’のそれぞれにおいて、図２Ｂに示されるような機構によって検出チップ２００を位置合わせした場合を示す。なお、図７Ａ～Ｆでは、投光部１２０の走査角度θ１が走査されたときの投光部１２０から出射する主光線α’の投光角度θ２と、検出部１４０の金属膜３１上の所定の視野中心（Ｌ’＝０）に対する主光線α’の金属膜３１上の入射位置のずれＬ’との関係を表している点で図６Ａ～Ｆと異なる。また、投光部１２０の走査角度θ１が６６°のときに主光線α’の入射位置が所定位置（Ｌ’＝０）となるように設計されている。
　なお、図７Ａ、Ｄでは図６Ａ、Ｄと同様に光源１２１が所定位置にある場合を示し、図７Ｂ、Ｅでは図６Ｂ、Ｅと同様に光源１２１がずれており、図７Ｃ、Ｆでは図６Ｃ、Ｆと同様に光源が逆方向にずれている。
　図７Ａと、図７Ｂ、Ｃとの比較から、本発明の実施の形態に係る検出装置１００では、光源１２１が所定位置からずれた状態で検出チップの位置合わせを行っても、検出部１４０の所定の視野中心に対する主光線α’の位置ずれＬ’が小さいことがわかる。これは、検出装置１００が共役光学系１２６を有することで、図２Ｂに示されるような機構において、励起光αが検出チップ２００に当たる位置のずれが小さくなり、その結果、設計で定められた検出チップ２００の所定の位置に対して位置合わせを行った検出チップ２００の位置のずれが小さくなるためである。なお、検出チップ２００の所定位置に対するずれ量は図７Ｂ、Ｃそれぞれで、－６μｍ、６μｍとなる。
　一方、図７Ｄと、図７Ｅ、Ｆとの比較から、検出装置１００’では、光源１２１が所定位置からずれた状態で検出チップの位置合わせをおこなうと、検出部１４０の所定の視野中心に対する主光線α’のずれＬ’が大きいことがわかる。これは、検出装置１００が共役光学系１２６を有さないことで、図２Ｂに示されるような機構において、励起光αが検出チップ２００に当たる位置のずれが大きくなり、その結果、設計で定められた検出チップ２００の所定の位置に対して位置合わせを行った検出チップ２００の位置のずれが大きくなるためである。なお、検出チップ２００の所定位置に対するずれ量は図７Ｅ、Ｆそれぞれで、１６３μｍ、－１６９μｍとなる。
　上記のように、本発明の実施の形態に係る検出装置１００では検出部１４０の視野中心に対して、同一の投光角度θ２において、ずれＬ’が小さい。よって、金属膜３１上のスポット位置と検出部１４０の視野の中心位置とのずれが少ないため、高効率かつ高精度なシグナル測定ができる。また、金属膜３１上の励起光αのスポットが検出部１４０の視野範囲から逸脱することが少なくなり高精度なシグナル測定ができる。また、投光部１２０の角度走査時に検出部１４０の視野中心に対する位置のずれが少なくなり、増強角の測定精度が向上する。
　図８Ａは絞り１２３において開口部の短軸方向の長さＷと、絞り１２３から金属膜３１の被照射面までの光路長Ｚと、励起光αの広がりＸとを示す。ここで短軸方向とは、開口サイズのうち最も短い開口幅に沿った方向と定義する。例えば、矩形開口であれば開口の短辺方向となる。図８Ｂは本発明の実施の形態に係る検出装置１００における金属膜３１上の光の強度分布を示す。Ｘが０の位置は、励起光αの光軸の所定入射位置である。図８Ｂは、本発明の実施の形態に係る検出装置１００においてＷ２／（λ×Ｚ）が１９．５（２０以下）である場合を示す。この場合、図８Ｂに示されるようにスポットの裾をほぼなくすことができ、スポット位置ずれに対してスポットが検体補足領域から外れたり、受光系の視野から外れたりしにくくなり、ロバストな測定が可能になる。また光の強度分布が一定であり検出精度が良くなる。
　一方、図８Ｃは比較用の検出装置１００’における金属膜３１上の光の強度分布を示す。比較用の検出装置１００’ではＷ２／（λ×Ｚ）を１９．５（２０以下）とすると絞り１２３の幅以上にスポットの裾が拡がっておりスポット位置ずれに対してロバストな測定ができなくなり、また、光の強度分布がばらついており検出精度は悪くなる。
　（効果）
　本発明の実施の形態に係る検出装置１００によれば、光源１２１の位置がずれても励起光αが金属膜３１上に入射する位置が変化しにくい。このため検出装置１００によれば捕捉物質が固定化されている金属膜３１上の位置に正確に光を入射させることができ、投光部１２０の角度を走査し、増強角を決定した後に、被測定物質の検出中に光源１２１の熱などによって光源１２１の位置がずれたとしても、本発明の実施の形態に係る検出装置１００では入射位置が変化しにくい。このため検出の精度が高くなる。また、測定中にずれる場合だけでなく経時変化などにより測定開始時点で光源１２１がずれていたとしても、同様に金属膜３１上の位置に正確に光を入射させることができ、検出精度が高くなる。また、上記では光源１２１が偏芯した場合を実施例で示したが、光源１２１に対して第１レンズ１２２や投光部の光学系が偏芯した場合も同様の効果が得られる。
　本出願は、２０２０年３月２７日出願の特願２０２０－０５８６０８に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
　本発明に係る検出装置は、より正確に増強角を決定でき、被検出物質の検出精度がよくなることから、例えば臨床検査などに有用である。
　３１　金属膜
　３５　接着層
　３９　流路
　１００、１００’　検出装置
　１２０　投光部
　１２１　光源
　１２２　第１レンズ
　１２３　絞り
　１２４　第２レンズ
　１２５　第３レンズ
　１２６　共役光学系
　１２７　反射部材
　１２８　反射光検出部
　１２９　フィードバック制御部
　１３１　チップ光信号検出部
　１３２　チップ位置検出部
　１４０　検出部
　１４１　第４レンズ
　１４２　第５レンズ
　１４３　励起光カットフィルター
　１４４　チップホルダー
　１４５　検出チップ位置調整部
　１５０　投光部角度調整部
　１６０　制御部
　２００　検出チップ
　２１０　プリズム
　２１１　入射面
　２１２　出射面
　２１３　成膜面
　２２０　流路蓋
　α　励起光
　β　プラズモン散乱光
　γ　蛍光

Claims (11)

  1. 　表面プラズモン共鳴に基づく増強電場を利用して被検出物質の存在またはその量を検出する検出装置であって、
    　金属膜と、前記金属膜上に固定化された被検出物質を捕捉するための捕捉体とを有する検出チップを保持するためのチップホルダーと、
    　前記チップホルダーに保持された前記検出チップの前記金属膜に励起光を照射し、前記表面プラズモン共鳴を生じさせるための投光部と、
    　前記金属膜に前記励起光を照射し、前記表面プラズモン共鳴が生じることにより発生する前記被検出物質の存在またはその量に起因する光を検出するための検出部と、
    　を有し、
    　前記投光部は、
    　前記励起光を出射する光源と、
    　前記光源から出射した光束を規制するための絞りと、
    　前記絞りの開口部と前記金属膜の前記励起光が照射される領域とを光学的に共役にする共役光学系と、
    　を有する、
    　検出装置。
  2. 　前記投光部は、前記光源と前記絞りとの間に配置され、前記光源から出射した光を前記絞りに向けてコリメート光にするためのレンズをさらに有する、請求項１に記載の検出装置。
  3. 　前記投光部の角度を駆動して、前記金属膜への前記励起光の入射角度を変更するための投光部角度調整部をさらに有する、請求項１または２に記載の検出装置。
  4. 　前記共役光学系は、前記開口部の開口サイズよりも前記投光部から出射する前記励起光のビームサイズが小さくなるように光束径を変換する縮小光学系である、請求項１～３のいずれか一項に記載の検出装置。
  5. 　前記金属膜上の前記励起光の照射スポットサイズが、前記金属膜上の前記捕捉体が固定化されている領域のサイズよりも小さい、請求項１～４のいずれか一項に記載の検出装置。
  6. 　前記金属膜上の前記励起光の照射スポットサイズが、前記検出部の視野サイズよりも小さい、請求項１～５のいずれか一項に記載の検出装置。
  7. 　前記開口部の短軸方向の長さをＷとし、前記開口部から前記金属膜までの光路長をＺとし、前記励起光の波長をλとしたとき、Ｗ２／（λ×Ｚ）が２０以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載の検出装置。
  8. 　前記開口部の形状は楕円または長方形である、請求項１～７のいずれか一項に記載の検出装置。
  9. 　前記絞りを通過した前記励起光の一部を反射させるための反射部材と、
    　前記反射部材で反射した前記励起光を検出するための反射光検出部と、
    　前記反射光検出部で検出した光量に応じて前記光源の出力を調整するためのフィードバック制御部と、
    　を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の検出装置。
  10. 　前記チップホルダーに保持された前記検出チップに前記励起光を照射し、前記検出チップで生じた反射光または透過光を検出するためのチップ光信号検出部と、
    　前記チップ光信号検出部の出力値に応じて前記検出チップの位置を検出するためのチップ位置検出部と、
    　前記チップ位置検出部によって検出された検出チップ位置に基づいて前記検出チップを測定位置に移動するための検出チップ位置調整部と、
    　を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の検出装置。
  11. 　請求項１０に記載の検出装置を用いる検出方法であって、
    　前記チップホルダーに保持された前記検出チップに照射された前記励起光の反射光または透過光を検出して、前記検出チップの位置情報を得る工程と、
    　前記検出チップの位置情報に基づいて前記検出チップの位置を調整する工程と、
    　を有する、
    　検出方法。
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