表面プラズモン共鳴とクォーツクリスタルマイクロバランスセンサ
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるセンサチップアセンブリを提供する。このアセンブリは、第１の表面および該第１の表面に対向する第２の表面を有する透明圧電基板（１）を含む。さらに、アセンブリは、基板（１）の第１の表面および第２の表面にそれぞれ設けられた第１および第２の薄膜金属電極（２、３）を含む。第２の薄膜金属電極（３）は、光ビームが基板の第２の表面を透過するとともに第１の薄膜金属電極から反射可能であるように基板の第２の表面に位置している。また、アセンブリは、第２の薄膜金属電極（３）に隣接して配置される減衰全反射（ＡＴＲ）カプラー（１１）を更に含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、生物学的、生化学的、または化学的試料を検知するためのセンサに係り、より詳細には、本発明は、表面プラズモン共鳴および極微重量を検知する技術を用いて、生物学的、生化学的、または化学的試料を検知することが可能なセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
クォーツクリスタルマイクロバランス（ＱＣＭ（水晶振動子））などの表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ)および極微重量の検知技術は、生体中の結合反応のラベルフリーな検知および分析に好適な方法として独自に知られている。ＳＰＲまたはＱＣＭを用いたセンサは、生物学的、生化学的、および化学的な試料を検知するために使用されてきた。
【０００３】
ＱＣＭ装置は、ウエハの二つの表面に配置された二つの平らな金属電極を有するクォーツクリスタルウエハを含む。分析される試料は、複数の電極の一つの表面に吸着される。クォーツクリスタルにおける変化は、逆圧電効果による交流電界によって機械的な共鳴に励起され得る。共鳴周波数は、表面電極へ吸着された材料の質量に応じて変化する。例えば、共鳴周波数は、質量蓄積時には小さくなり、質量減少時には大きくなる。周波数における変化は、分析等式を用いて吸着質量に関連付けられ得る。約１ｎｇ（ナノグラム）／ｃｍ2台の質量負荷が検出され得る。
【０００４】
ＳＰＲは、金属薄膜の表面に発生する化学的な変化を検出するための公知の方法である。金属表面で分子を吸着することによって生じる光学的厚さの変化（即ち、屈折率）を測定する。ＳＰＲにおいて、減衰波（即ち、指数関数形減衰波）は、センサ表面に存在する。クレッチェマン幾何学として知られるものにおいては、入射光の全反射が、高屈折率物質および低屈折率物質からなる界面において、（即ち、プリズムのガラス−空気の界面において、）発生した時に、減衰波が生成される。金属薄膜（例えば、金または銀）が上記のような表面に配置された時、ある条件がそろえば、ＳＰＲが発生する。入射光が単色光である場合、金属の自由電子が振動し（即ち、表面プラズモンが励起され）、入射光の一定の角度に対応したエネルギーを吸収する。この角度がＳＰＲ角度と呼ばれる。ＳＰＲ信号は、反射光の強度を測定することによって検出される。ＳＰＲ角度において、表面プラズモンがエネルギーを吸収するときの強度の急激な低下、即ち、「ディップ」が測定される。
【０００５】
ＳＰＲの角度の位置は、分子が表面に結合した時点で変化する検知表面の屈折率によって変化する。これによって、ＳＰＲの角度は、該表面に結合された分子の量に応じて変化する。ＳＰＲの検出限度は、約１ｎｇ／ｃｍ2である。
【０００６】
ＳＰＲおよびＱＣＭの技術は、それぞれ特定の強みと弱み、またデータ収集及び解析に固有の前提条件を有する。従って、各技術は、薄膜試料の異なる特性に対して敏感である。
【０００７】
ＳＰＲおよびＱＣＭの両技術を利用する解析装置が知られている。ドイツ特許第10024366号は、格子カプラーを用いてＳＰＲとＱＣＭを組み合わせる解析装置を開示している。格子カプラーの使用によって、入射ビームがＳＰＲのための試料液を通過することが必要とされ、更に、フローセルおよび試料が光学的に透明であることが必要とされる。これは、結果的に、信号／ノイズの比率が低くなるという欠点を有する。さらに、プリズムカプラーのＳＰＲセンサに比べると、ＳＰＲの測定感度は低い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述された欠点のうちの一つ以上を克服するか、あるいは、少なくとも改良するセンサおよび分析技術を提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、
前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極と、
前記基板の前記第２の表面に、ビームが前記基板の前記第２の表面を透過して、前記第１の薄膜金属電極から反射可能となるように設けられた第２の薄膜金属電極と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接して配置された減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含むことを特徴とする、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるセンサチップアセンブリが提供される。
【００１０】
一つの実施の形態によれば、
第１の表面および該第１の表面の反対側の第２の表面を有する透明圧電基板と、
基板の第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極と、基板の第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極と、
第２の薄膜金属電極に隣接して配置される減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
ＡＴＲカプラーと基板の屈折率を実質的に整合させるためにＡＴＲカプラーと第２の薄膜金属電極との間に配置された光結合媒体と、を含むことを特徴とする、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるアセンブリが提供される。
【００１１】
本発明の第２の態様によれば、
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、
基板の第１の表面に設けられるとともに試料が戴置される第１の薄膜金属電極、および基板の第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極であって、両電極が、基板を共鳴させるべく、一つ以上の選択された周波数で電界を発振させる発振回路に結合可能である、第１の薄膜金属電極および第２の薄膜金属電極と、
第２の薄膜金属電極に隣接して配置され、励起時に表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させるために、複数の入射角で、光源から第１の薄膜金属電極にかけて、ビームを光学的に結合可能な減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、を含むことを特徴とするセンサが提供される。
【００１２】
一つの実施の形態において、上記センサは、ＡＴＲカプラーと基板の屈折率を実質的に整合させるために、ＡＴＲカプラーと第２の薄膜金属電極との間に配置された光結合媒体を更に含んでいてもよい。
【００１３】
本発明の第３の態様によれば、
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、
前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極および前記基板の前記第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含むセンサを用いた表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量分析検知方法であって、
前記第１の薄膜金属電極上に試料を配置し、
前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極を介して、一つ以上の選択された周波数で電界を発振させ、これによって前記基板を共鳴させ、
前記第１の薄膜金属電極から、ビームを複数の入射角で反射させて、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させる、
ことを含む表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量分析検知方法が提供される。
【００１４】
一つの実施の形態において、上記方法は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量分析検知方法が提供されており、ＡＴＲカプラーと基板の屈折率を実質的に整合させるために、ＡＴＲカプラーと第２の薄膜金属電極との間に光結合媒体を介在させることを更に含んでいてもよい。
【００１５】
本発明の第４の態様によれば、
透明圧電基板の第１の表面に第１の薄膜金属電極を蒸着させ、
ビームが前記基板の前記第２の表面を透過して前記第１の薄膜金属電極から反射することが可能であるように、前記基板の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に第２の薄膜金属電極を蒸着させ、
前記第２の薄膜金属電極に隣接するように減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーを取り付ける、
ことを含む、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるアセンブリを作製する方が提供される。
【００１６】
一つの実施の形態において、上記方法は、該減衰全反射カプラーと基板の屈折率を実質的に整合させるために、減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと第２の薄膜金属電極との間に光結合媒体を封入することを更に含んでいてもよい。
【００１７】
本発明の第５の態様によれば、
前記試料を収容するためのチャンバを有するハウジングと、
第１の表面および該第１の表面に対向する第２の表面を有する透明圧電透明基板と、
クォーツ基板の第１の表面に配置されるとともに前記チャンバと流体連通している第１の薄膜金属電極と、
前記クォーツ基板の第２の表面に配置された第２の薄膜金属電極と、
前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極に結合されて、前記基板が共鳴周波数で共鳴するように、一つ以上の選択された周波数で、電界を発振させるための発振回路と、
前記共鳴周波数を検出して、重量信号を検出できるようにする共鳴周波数検出器と、
複数の入射角でビームを生成する光源と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接して配置され、内部反射ビームが表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させる入射角で前記第１の薄膜金属電極から反射されるように、前記光源に光学的に結合する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
前記内部反射ビームを受けるとともに、前記試料と前記第１の薄膜金属電極との間の反応に依存するＳＰＲの性質を検出するための検出器と、
を含む、生物学的、生化学的または化学的な試料について表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量の検知を実施することが可能なセンサシステムが提供される。
【００１８】
一つの実施の形態において、センサシステムは、ＡＴＲカプラーと基板の屈折率を実質的に整合させるために、ＡＴＲカプラーと第２の薄膜金属電極との間に光結合媒体を含む。
【００１９】
本発明の第６の態様によれば、
第１の表面および該第１の表面に対向する第２の表面を有する透明圧電基板と、前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極および前記基板の前記第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極と、前記第２の薄膜金属電極に隣接する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含むセンサを用いた試液の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知するための方法であって、
（ａ）前記試液を前記第１の薄膜金属電極上に設置し、
（ｂ）前記第１の薄膜金属電極から光を反射させるために、前記ＡＴＲカプラーを介してビームを透過させ、
（ｃ）前記反射光の強度を検出してＳＰＲを検出し、
（ｄ）前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極を介して電界を印加し、
（ｅ）前記電界の共鳴周波数を測定する、
ことを含む、試液の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知するための方法が提供される。
【００２０】
透明圧電基板は、クォーツ、リチウムタンタル酸塩、及びリチウムニオブ酸塩からなる群より選択された材料を含み得る。
【００２１】
ＳＰＲの生成においては、特定の波長において光によって共鳴可能な任意の金属が薄膜金属電極として使用され得る。該薄膜金属電極の材料は、アルミニウム、クロム、コバルト、銅、金、インジウム、モリブデン、ニッケル、パラジウム、プラチナ、銀、錫、チタン、タングステン、および亜鉛からなる群より選択され得る。
【００２２】
光結合媒体は、１．５０〜１．６０、１．５１〜１．５９、１．５２〜１．５８、１．５２〜１．５７、１．５２〜１．５６、１．５２〜１．５５、および１．５３〜１．５５からなる群より選択される範囲の屈折率を有する任意の透明な液体であってよい。基板がクォーツである実施の形態において、光結合媒体は、波長６３２．８ｎｍにおいて約１．５４の屈折率を有し得る。
【００２３】
キャビティは、基板とＡＴＲカプラーの間に存在し得る。該キャビティは、屈折率整合媒体が充填され、封入される。基板からＡＴＲカプラーまでの距離は、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、０．７５ｍｍ〜２．２５ｍｍ、および１ｍｍ〜２ｍｍからなる群より選択される範囲内にあってもよい。光結合媒体は、水の濃度に対して低い濃度を有し、該濃度は、１．０５〜１．３、１．１〜１．２５、および１．１〜１．２からなる群より選択される範囲内にあってよい。
【００２４】
光結合媒体は、水性媒体または非水性媒体であってよい。一つの実施の形態において、光結合媒体は、１〜２５、２〜２０、３〜１８、４〜１５、５〜１２、および５〜１０からなる群より選択される範囲の炭素原子を有する炭化水素である。光結合媒体は、スチレン、トルエン、ベンジルアルコール、ブチルベンゼン、テトラヒドロナフタレン、アセトフェノン、ベンゾニトリル、ジブロモメタン、ベンジルアミン、３−ピリジンメタノール、２−メチルベンゼンメタンアミン、およびフェニルオキシランからなる群より選択され得る。
【００２５】
光結合媒体の水と比べた密度は、１．０５〜１．３、１．１〜１．２５、および１．１〜１．２からなる群より選択される範囲にあってよい。
【００２６】
一つの実施の形態において、第２の薄膜金属電極は、ビームを透過させるための少なくとも一つの開口を含んでもよい。第２の薄膜金属電極は、複数の開口を含んでもよい。開口は、複数のビームを通過させるとともに、該複数のビームを基板と第１の薄膜金属電極との界面で反射可能とする程に十分な大きさを有していてよい。
【００２７】
重量の検知は、クォーツクリスタルマイクロバランス検知、表面音波検知、及びバルク音波検知からなる群より選択され得る。
【００２８】
一つの実施の形態において、ＡＴＲカプラーは、略半球形、略矩形、略正方形、および略円筒形からなる群より選択される形状を有するプリズムであり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、最良の形態を含む本発明の限定されない実施例および比較例が、添付図面を参照して更に説明される。
【００３０】
図１Ａ、図１Ｂおよび１Ｂは、ＳＰＲおよびクォーツクリスタルマイクロバランス（ＱＣＭ）重量検知を組み合わせたものを使用することが可能なセンサシステムに使用可能な、矢印３０によって総合的に示されるセンサチップ配置を開示している。
【００３１】
センサチップ３０は、クォーツ基板１の形態の透明圧電基板を含む。電極２の形態の第１の薄膜金属電極が基板１の上に設けられている。電極３の形態の第２の薄膜金属電極が基板１の反対側に設けられている。電極３は、以下に更に説明される、基板１へレーザ光を透過させるための開口３２を具備している。
【００３２】
図１に示されるように、電極３は、クォーツ基板１の右縁部を包み込む金属鋼帯（ストリップ）４に接続されている。間隙（ギャップ）２Ａが基板１に設けられ、使用時に試料を基板１に接触させる。金属ストリップ４は、電極３の片側から電気的に接続されるのを可能とする。電極（２および３）およびクォーツ基板１は、ＱＣＭ検知が実行されるのを可能とする。図１Ｃに示されるように、電極３の中心における開口３２（または「窓」）は、ある特定の入射角において、ビームが全反射し、検知電極２の表面において表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）が励起されるように、入射光のビームにクォーツ基板１を通過させることによって、ＳＰＲ分析が実行されることを可能する。ここで、開口３２が、光を基板１上に直接通過させることが理解されよう。
【００３３】
図２は、ＳＰＲ解析のための減衰全反射（ＡＴＲ）プリズムカプラーを示す。図２の配置は、「クレッチェマン（Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ）配置」と称され、ベースに検知ディスク１６が取り付けられたプリズム１８を含み、検知ディスク１６は、プリズム１８と同じ屈折率を有する材料から作られている。検知ディスクとプリズム１８との間の空隙は、光結合のための一定量の屈折率整合流体１７によって充填される。クォーツ基板１とプリズム１８との間の屈折率整合流体１７は、特に、屈折作用により生成されたＳＰＲ信号に伴って発生するノイズを削減することによって、ＳＰＲの励起時に生成されるＳＰＲ信号の品質を向上させるために使用される。とりわけ、クォーツ基板１からプリズム１８までの距離を５ｎｍ〜１５ｎｍに増加させて空隙を形成すると、ＳＰＲ信号の振動が一段と大きくなり、これによって、信号の品質も一段と向上する。
【００３４】
検知ディスクの上面は、薄膜金属層１９（例えば、金）によって塗布されている。この層１９は、使用時に表面プラズモンを励起する導電性表面層となる。
【００３５】
図３は、ＳＰＲおよびＱＣＭ検知を実行するためのセンサシステム３６を示す断面図である。本実施の形態において、ＳＰＲおよびＱＣＭ検知が同時に実行される。図１のセンサチップ３０は、「クレッチェマン配置」のプリズム１１の形態の減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、試料８を収容するためのチャンバを含むセル５の形態の試料収容セルと、の間に固定された状態で示されている。セル５は、電極２に対して曝されている。セル５はまた、試料注入導管８ａおよび試料流出導管８ｂを含み、それぞれ、試料を注入または流出させる。本実施の形態において、試料は、液体分析試料８である。しかしながら、他の実施の形態において、試料は気体であってもよい。
【００３６】
センサチップ３０は、二つのＯリング（７、９）によって、プリズム１１およびセル５に固定されている。
【００３７】
プリズム１１と電極３の間には、キャビティが設けられている。このキャビティには、屈折率整合液１０の形態の光結合媒体が充填されている。
【００３８】
光は、レーザ１４の形態をとり、光源からプリズムアセンブリと向けられる。本実施の形態において、レーザ１４の出力波長の範囲は、５００ｎｍ〜９００ｎｍである。入射ビーム１５は、屈折率整合液１０およびクォーツ基板１を通過し、クォーツ基板１と電極３との界面で屈折する。反射ビーム１２は、検出器１３に向けて、再びプリズム１１を通過する。
【００３９】
ある条件において、光は、クォーツ基板１と電極３の界面で全反射し、これによってＳＰＲを生じる。従って、分析液８が検知電極３に曝されている間、該分析液８の吸着を観察することができる。
【００４０】
また、センサシステム３６は、ＱＣＭ解析の実行に使用される振動回路６および周波数カウンタ７を含む。ＡＣ（交流）電源の形態の電界（図示なし）が、回路６から電極（２、３）へとクォーツ基板１を覆って印加され、せん断モードの振動を誘導する。これによって、ＱＣＭ信号が得られるように、分析液８の吸着が引き起こされる。ここで、ＳＰＲ信号およびＱＣＭ信号は、同時に、または、非同期的に、得られ得ることを理解されたい。
【００４１】
図４Ａ〜図４Ｄは、センサチップ３０に光学的に結合された四つの異なるＡＴＲ（減衰全反射）結合型のＳＰＲ配置を示す。図４（ａ）には、ＡＴＲ結合型のＳＰＲ技術を用いた、ＳＰＲとＱＣＭの組合せが示されている。この配置は、扇形（例えば、半円筒形のレンズ）透明ブロック２０のプリズムを用いてビームの焦点を合わせ、屈折率整合液１０を介して、電極３を照射する。ＡＴＲに使用される扇形のプリズムについては、欧州特許Ａ１−０３０５１０９に全て開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【００４２】
図４Ｂには、台形の透明ブロック２１を用いてビームの焦点を合わせ、屈折率整合液１０を介して、電極３照射する配置が示されている。図４Ｃには、矩形の透明ブロック２２を用いてビームの焦点を合わせ、屈折率整合液１０を介して、電極３を照射する配置が示されている。図４Ｄには、円筒形の透明ブロック２３を用いてビームの焦点を合わせ、屈折率整合液１０を介して、電極３を照射する配置が示されている。
【００４３】
図５Ａは、コンパクトであり、浅厚のキャビティ１５を設けた支持スライド２４に連結されたセンサチップ３０’を含む、ディスク配置４０を示す断面図である。本実施の形態において、センサチップ３０’は、センサチップ３０に機能が類似している。このため、同様の要素には、後ろにプライム符号（’）がついた同様の参照番号が付されている。しかしながら、センサチップ３０とセンサチップ３０’には多少の構造上の違いがあることが認識されるであろう。例えば、本実施の形態は、傾斜をつけられた浅深のキャビティ１５ａ’を示す。傾斜角１５ｂ’を設けることによって、キャビティの表面をセンサディスクに平行とならないようにされており、このため、圧縮波共鳴によって生じる応答が最小化され、ＱＣＭ性能が高められる。
【００４４】
本実施の形態では、スライド２４’が、基板１とプリズム１１’との間に配置されている。スライド２４’は、波長６３２．８ｎｍ、屈折率１．５４のガラス製である。浅厚のキャビティ１５’には、低粘度かつ低密度の屈折率整合液１０’が充填されている。センサチップ３０は、スライド２４’にぴったりとくっつき、良好な封入が確実とされる。
【００４５】
図５Ｃは、上記図４Ａの実施の形態にて示した半球形のプリズム１１’に取り付けられたディスク配置４０’を示す。センサチップ３６’は、コンパクトなので、オランダ、ユトレヒト、エコケミ社（Ｅｃｏ Ｃｈｅｍｉｅ Ｂ．Ｖ．）製の「オートラブ（ＡｕｔｏＬａｂ）（登録商標）ＥＳＰＲ（ｅｌｅｃｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子化学表面プラズモン共鳴）」などの既存の市販されているＳＰＲ装置に有利に組み込むことができる。
【００４６】
本実施の形態において、支持スライド２４’は、厚さが０．８２ｍｍ、直径が２５．４ｍｍであり、ＢＫ７のガラスから作られている。スライド２４のキャビティ１５は、電極３’の表面に対して、傾斜角２５をなして、配置されている。これは、液深が〜１ｍｍと低いときに顕著となる圧縮波共鳴によって生じる応答を最小化するためである（図５のコンパクトなセンサディスク配置の場合）。
【００４７】
キャビティ１５ａ’は、スチレン溶液の形態の屈折率整合液によって充填され、センサチップ３０’によって被覆される。本実施の形態において、センサチップ３０’は、厚さ０．２７６ｍｍ、直径２０ｍｍを有する、６ＭＨｚのＳＰＲとＱＣＭセンサディスクとを組み合わせたものである。電極（２’、３’）の直径は１０ｍｍであり、電極（３’）は、内径５ｍｍの開口３２’を有する。
【００４８】
ディスク３０’の縁部は、接着剤などのシーラント（封入剤）によって封入される。ミネソタ採鉱＆製造会社（Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ Ｍｉｎｉｎｇ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ）（米国、ミネソタ州、メープルウッド）製の「３Ｍ（登録商標）オートガラス接着剤（Ａｕｔｏ Ｇｌａｓｓ Ａｄｈｅｓｉｖｅ）」は、好適な接着剤であるといえる。
【００４９】
ディスク配置４０’はコンパクトであり、「Ａｕｔｏｌａｂ（オートラブ）（登録商標）ＳＰＲマシン」などの既存のＳＰＲ測定器に使用することが可能である。
【００５０】
ディスク配置４０’は、屈折率整合オイル１７’の薄膜を塗布することによってプリズム１１’上に取り付けてもよい。ディスク配置４０’は、生物学的、生化学的、または化学的試料の測定するために使用可能である点から、バイオセンサとして使用することができる。
【００５１】
使用時、ＳＰＲおよびＱＣＭは、当該技術において知られているように、両電極（２’、３’）を振動器（例えば、図２に示される振動器６）および周波数カウンタ（例えば、図２に示される周波数カウンタ７）に接続してＱＣＭを実行することによって、同時に測定することができる。ＱＣＭの方法の例としては、本明細書中にその全体が参照によって組み込まれる、米国特許第6,156,578号と米国特許第5,201,215号に開示されているものが挙げられる。同時に、レーザは、電極３’の開口３２’を通って入射し、ＳＰＲを生じさせる。
【００５２】
図６は、コンパクトかつ使い捨て可能なディスク配置５０’’を示す断面図である。ディスク配置５０’’は、センサチップ３０’’を有する。本実施の形態においては、センサチップ３０’’は、センサチップ３０と機能的に類似しており、このため、同様の要素には、後ろに２個のプライム符号（’）がついた同様の参照番号が付されている。但し、センサチップ３０とセンサチップ３０’’には、構造に多少の違いがあることが認識されよう。例えば、本実施の形態においては、プリズム２６’’に浅厚のキャビティ２７’’が設けられている。
【００５３】
プリズム２６’’は、クォーツ基板１’’と整合するように約１．５４の屈折率を有する、成形されたプラスチックプリズム２６’’である。浅厚のキャビティ２７’’は、半球形のプリズム２６’’の基部の中心部分に設けられている。上述されたセンサチップ４０’と同様に、キャビティ２７’’は、低粘度かつ低密度の液体である屈折率整合液１０’’によって充填され、センサチップ５０’’によって被覆されている。
【００５４】
光学的整合液１０’’は、キャビティから漏洩または気化しないように、好適な封入剤によってキャビティ２７’’内に封入される。
【００５５】
図７は、センサチップ３０’’’を含む分析デバイス６０’’’の他の実施の形態を示す。本実施の形態において、センサチップ３０’’’は、センサチップ３０と機能的に同様であり、このため、同様の要素には、後ろに３個のプライム符号（’）がついた同様の参照番号が付されている。但し、本実施の形態では、導波路２８’’’が含まれている。
【００５６】
センサチップ３０’’’は、プリズム１1’’’の片側と、分析サンプル８’’’を満たしたセル５’’’の形態の試料収容セルとに取り付けられ、上記の図３を参照して述べられたシステム３６と同様に作用する。
【００５７】
このように、ディスク配置３０’’’は、ＳＰＲとＱＣＭとを組み合わせた解析技術に用いることが可能である。図７に示されているように、本実施の形態では、好適な導波路２８が検知電極２’’’の上に塗布されている。分析液８’’’は、導波路２６’’’に曝されており、これによってＡＴＲ誘導導波路型のＳＰＲ分析が行われる。導波路は、剛性固体膜の複数の層から形成されている。本実施の形態において、導波路の全体的な厚さは、１マイクロメートルから２マイクロメートルの範囲である。発明者の経験上、固体膜の場合、１０マイクロメートルまでのＱＣＭが検出可能である。
【００５８】
図８は、ＳＰＲとＱＣＭを組み合わせたセンサチップ３０＾を示す斜視図である。本実施の形態において、センサチップ３０＾は、機能的にはセンサチップ３０と同様であり、このため、同様の要素には、後ろに符号（＾）がついた同様の参照番号が付されている。センサチップ３０＾は、開口３２＾の寸法が、他に記載された実施の形態における他の電極（３、３’、３’’、および３’’’）の開口３２よりも大きいために、ＳＰＲ測定の複数の流路（チャネル）を受容することが可能である。開口３２＾は、複数のビームが通過するのに十分な大きさであり、これによって、複数流路（マルチチャネル）のＳＰＲ測定の実行が可能となり、電極２＾とクォーツクリスタル基板１＾との界面についてより詳しい情報を得ることができる。
【００５９】
図９Ａは、センサチップ３０＾＾の他の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態において、センサチップ３０＾＾はセンサチップ３０と機能的には同様であり、このため、同様の要素には、後ろに二つの（＾＾）符号がついた同様の参照番号が付される。ディスク配置３０＾＾は、クォーツ基板１＾＾に設けられた金属電極の配列を含む。クォーツ基板１＾＾は、電極（２＾＾、３＾＾）の配列を含む。
【００６０】
図９Ｂは、複数の電極２＾＾が設けられたクォーツ基板１＾＾の上面を示す平面図である。図９Ｃは、クォーツ基板１＾＾の底面に内部に開口３２＾＾を設けた電極３＾＾の配列を示す平面図である。
【００６１】
本明細書中に開示されているＳＰＲとＱＣＭとを組み合わせたセンサチップ（３０、３０’、３０’’、３０’’’、３０＾、３０＾＾）は、プリズム、焦点レンズ、または導波路に結合されたＡＴＲであってもよいことが理解されよう。センサチップ（３０、３０’、３０’’、３０’’’、３０＾、３０＾＾）は、単一または複数の入射ビームを受容することが可能であるため、単一モードであっても複数モードであってもよい。
【００６２】
本明細書中において使用され、開示されているセンサは、液体と気体の両方からの吸着を検出するために使用され得る。本発明の精神および範囲を逸脱しない限り、本明細書中に記載されている本発明に対して、さまざまな変形や変更を行うことが可能であることを当業者は容易に理解するであろう。従って、本発明の実施の形態は、全ての面において本発明の例示を目的とするものであって、本発明を限定することを意図するものではない。
センサチップアセンブリの作製
【００６３】
開示されているセンサチップアセンブリは、以下のようにして作製することができる。
【００６４】
クォーツクリスタル基板は、例えば、アメリカ合衆国、サンタフェスプリング、マックステック社（Ｍａｘｔｅｃ， Ｉｎｃ．）製のものが市販されている。クォーツクリスタル基板は、平面の円盤状である。クォーツクリスタル基板は、予めカットされたもの、あるいは、必要な寸法にカットしたものを用いることができる。
【００６５】
約５０ｎｍの金属が平面状のクリスタル基板の第１の面に蒸着され、第１の薄膜金属電極（２、２’、２’’、２’’’、２＾、２＾＾）を形成する。電極の反対側の第２の反対側の面に５０ｎｍの金属をさらに蒸着し、第２の薄膜金属電極（３、３’、３’’、３’’’、３＾、３＾＾）が形成される前に、円形のパッチを配置してもよい。次に、パッチが除去され、開口（３２、３２’、３２’’、３２’’’、３２＾、３２＾＾）が形成される。金属の層（４、４’、４’’、４’’’、４＾、４＾＾）は、基板１の片側に蒸着され、電極（２、２’、２’’、２’’’、２＾、２＾＾）と電極（３、３’、３’’、３’’’、３＾、３＾＾）とを互いに接続させる。
【００６６】
クレッチェマンのプリズム（１１、１１’、１１’’、１１’’’、１１＾、１１＾＾）は、エルマオプティック社（Ｈｅｌｌｍａ Ｏｐｔｉｋ）ＧＭＢＨ（ドイツ、イエナ）から市販されている。クレッチェマンプリズム（１１、１１’、１１’’、１１’’’、１１＾、１１＾＾）は、プリズムホルダーによって、電極（３、３’、３’’、３’’’、３＾、３＾＾）に結合される。光結合媒体（１０、１０’、１０’’、１０’’’、１０＾、１０＾＾）がクレッチェマンプリズム（１１、１１’、１１’’、１１’’’、１１＾、１１＾＾）と電極（３、３’、３’’、３’’’、３＾、３＾＾）の間に注入され、例えば、Ｏ−リングによって封入される。
屈折率整合液
【００６７】
液体試料から生成されたＱＣＭ信号の振動品質は、主に液体の粘度および密度によって決まる。ＱＣＭの吸着解析用として知られているセンサにおいては、基板の一面が試料液に曝され、他面が空気に曝される。多くの生物学的吸着解析において、例えば食塩加リン酸緩衝液（ＰＢＳ）はよく使用される媒体であって、この場合のＱＣＭ品質因子は、約２５，０００である（即ち、例えば、アメリカ合衆国、オクラホマシティ、インターナショナルクリスタルマニュファクチャリング会社（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ., Ｉｎｃ．）製の１０ＭＨｚのＱＣＭの場合）。この振動品質は、非常に安定しており、周波数測定の精度も高い。同じ１０ＭＨｚのＱＣＭにおいて、一つの面がＰＢＳに曝されて、他の面が屈折率整合オイルに曝された場合、Ｑは、５００未満へとひどく低下する。ＱＣＭ品質因子が５倍下がるということは、周波数のスペクトルが５倍に広がることを意味し、不可能とは言わないまでも、安定した振動及び高精度の周波数の測定が困難となる。さらに、ＱＣＭが高粘度の屈折率整合オイルを介してプリズム上に配置された場合は、大幅な減衰の影響により、振動の検知がほとんど不可能となる。
【００６８】
本実施の形態では、オイルではなく低粘度の液体が屈折率整合流体として使用される。表１は、本開示の実施の形態において光結合のために使用可能な、いくつかの有機溶剤の材料特性を示す。表１には、異なる暴露条件において測定されたＱＣＭ品質因子（１０ＭＨｚ ＩＣＭ ＱＣＭ）も含まれる。
【００６９】
【表１】
表中、「ＰＢＳ」は食塩加リン酸緩衝液であり、「ＩＭＯ」は屈折率整合オイルである。
【実施例１】
【００７０】
実施例１では、ＳＰＲおよびＱＣＭ測定値の生成は、図３を参照して述べたセンサシステムの配置と同じ配置を用いて行われた。従って、以下では、図３と同じ参照番号を用いて図３を参照することによって、本実施例のセンサシステム配置が説明される。
【００７１】
基板として、金が塗布されたクォーツ円盤を用いて、ＳＰＲおよびＱＣＭの同時測定値が得られた。ＡＴＲ ＳＰＲは、クォーツ基板１の第１の面上の電極２から生成された。ＱＣＭ振動は、電極（２、３）を介して、クォーツ基板１にＡＣ電圧を印加することによって、駆動された。ＡＴＲ ＳＰＲの励起の際には、屈折率整合液としての屈折率整合トルエン（１０）が、Ｏ−リング（７）間で封入されている。トルエンは、非導電性であり、水と比較して低粘度かつ低密度である。屈折率整合トルエンは、表面プラズモン共鳴の励起に対して、受動型光結合界面として作用する。
【００７２】
本実施例において、基板１は、厚さ０．２７６ｍｍおよび直径２５．４ｍｍを有する６ＭＨｚのＡＴカットのクォーツ板である。５ｎｍのＣｒ（クロム）接着層を有する４５ｎｍの金からなる層がクォーツ基板１に蒸着され、薄膜電極２を形成した。６．３５ｍｍの内径の開口を有する金電極層がクォーツ基板１の裏面に蒸着され、薄膜電極３を形成した。
【００７３】
プリズム１１は、ＢＫ７のガラスで作られ、電極３に隣接して配置されており、プリズム１１と電極３の間で、屈折率整合トルエン（１０）がＯ−リング７によって封入されている。
【００７４】
アメリカ合衆国、カリフォルニア州、カルズバッドのメルズグリオット（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）社製のｐ−偏光のヘリウム（Ｈｅ）−ネオン（Ｎｅ）レーザ（１４）（６３２．８ｎｍ）が、光源として使用された。レーザ１４からのビーム１５は、プリズム１１に入射する前に、ロックイン（閉込め）増幅器に結合されて、機械的に砕断された。金電極２とクォーツ基板１の界面で反射するビームの強度が、光ダイオード検出器によって検出され、「角度走査」測定に対する入射角の関数として記録された。
【００７５】
図１０（ａ）は、屈折率整合トルエン（１０）を用いて得られた角度走査曲線を示す。図１０ａの曲線は、４３．５度のＳＰＲ角度において、大きな強度損失を示す。入射角に対する滑らかな反射強度の変化は、センサシステム３６が屈折率整合トルエンと良好な光結合を達成することを示している。
【実施例２】
【００７６】
実施例２では、図５のセンサチップ３０’と同じものが、オランダ、ユトレヒト、エコケミ社（Ｅｃｏ Ｃｈｅｍｉｅ Ｂ．Ｖ．）から販売されている「オートラブエスピリット（ＡＵＴＯＬＡＢ ＥＳＰＩＲＩＴ）（登録商標）」測定器において使用された。従って、以下、本実施例におけるセンサチップ３０’は、図５と同様の参照番号を用い、図５を参照して説明される。
【００７７】
本実施例において、厚さ０．１６６ｍｍの１０ＭＨｚのクォーツ基板１’が、支持スライド２４’を含む半球形のプリズム１１’に配置されている。屈折率整合液１０’が支持スライド２４’のキャビティ１５ａ'に注入された。
【００７８】
図１０ｂは、Ａｕｔｏｌａｂ ＳＰＲ（オートラブ）ＳＰＲ測定器によって測定された、センサチップより得られた角度走査曲線を示す。Ａｕｔｏｌａｂ ＳＰＲ測定器は、波長６７０ｎｍのレーザダイオードおよび振動ミラーを使用し、ｐ−偏光の基板への入射角を調整する。ＳＰＲを生成する方法については、その全体が本明細書中に参照により組み込まれている、ワード（Ｗａｒｄ）他著、生化学分析（２０００年、２８５版、１７９ｐ）に開示されている。
【００７９】
トルエン、スチレン、ベンジルアルコールの、３つの異なる屈折率整合液１０’をそれぞれキャビティ１５ａ’へ注入することによって、３つの異なるＳＰＲ信号が生成された。図１０ｂには、この３つの屈折率整合液のＳＰＲスペクトルが示されている。従って、トルエン、スチレン、及びベンジルアルコールが、クォーツ基板／ＢＫ７のガラスプリズム配置を有するセンサチップ内の屈折率整合液となる見込みの高い溶液であることがわかる。これは、これら３つの液体の全てが、それぞれの共鳴周波数における反射最小点を明確に示しているためである。
【００８０】
図１０ｃは、Ａｕｔｏｌａｂ ＳＰＲによって測定されたＳＰＲ安定度を示す。標準のＡｕｔｏｌａｂシステムに対して、３０分間にわたる基準ＳＰＲ角度の安定度は、約±５ｍ°であった。屈折率整合液に有機溶剤を用いた含むセンサチップ３０’を用いた場合、基準安定度は、約±２ｍ°であった。これは、大半の界面解析にとって好適に受け入れられ得る。
【実施例３】
【００８１】
本実施例においては、クォーツ基板の一面が水性溶液に曝され、クォーツ基板の他の面が屈折率整合液に曝されたときのＱＣＭ振動挙動（振動品質及び安定度）を調べた。
【００８２】
アメリカ合衆国、オクラホマ州、オクラホマシティのインターナショナルクリスタルマニュファクチャラー社（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ Ｉｎｃ．）製の１０ＭＨｚ、ＡＴ−カット型、厚さ０．１６６ｍｍ、および直径１３．６６ｍｍのクォーツ基板を用いて、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）の吸着度のＱＣＭによる測定が行われた。クォーツの両面が、厚さ１００ｎｍの金電極で蒸着され、電極の直径は５ｍｍであった。いずれの電極にも開口は含まれていなかった。
【００８３】
液体中における原位置での周波数測定を行うにあたり、ＱＣＭクリスタルは、ネオプレン製のＯ−リングのシールによって二つのプレキシグラス（ｐｌｅｘｉｇｌａｓ）ブロックに固定された。クォーツの上面は、開口した液体セルの底面を形成し、下面は、閉じられた液体セルの底面を形成した。開口したセルは、１ｍＬまでの塗布液を受容可能とし、閉じられた液体セルにおいて、傾斜角度を設けた容積は、約７０μＬだった。このセットアップでは、クリスタルの上面は、ＰＢＳ（食塩加リン酸）バッファに曝されるが、下面は、空気あるいは非導電性、低粘度、および低密度の有機溶媒に曝される。周波数の応答は、アメリカ合衆国、ルイジアナ州、メタリーのユニバーサルセンサ社（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ， Ｉｎｃ．）製のＰｚツールハードウェア及びソフトウェアによって測定された。インピーダンス解析は、同じセットアップが、アメリカ合衆国、アリゾナ州、フェニックス、サンダースアンドアソシエーツ社（Ｓａｕｎｄｅｒｓ ＆ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．）製の「Ｓ＆Ａの２５０Ｂのネットワークアナライザ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｎａｌｉｚｅｒ」に接続され、ＱＣＭ品質因子を含む周波数スペクトル及びインピーダンスパラメータを記録した。ネットワークアナライザの周波数安定度は、４Ｈｚであった。
【００８４】
図１１は、ネットワークアナライザによって測定されるＰＢＳ／空気（図１１ａ）やＰＢＳ／トルエン（図１１ｂ）等の暴露に対してのＱＣＭの周波数および動的抵抗の同時応答を示す。下面が空気に曝されたクリスタルは、ノイズレベルが４Ｈｚであり、ＱＣＭ品質因子が２．５ｋ（図１１ａ）であった。一方、下面がトルエンに曝されたクリスタルは、ノイズレベルが１０Ｈｚであり、ＱＣＭ品質因子が１．３５ｋ（図１１ｂ）であった。Ｐｚツール測定器を用いた場合のノイズレベルは、それぞれ、１Ｈｚおよび３Ｈｚであった。
【実施例４】
【００８５】
実施例４では、実施例３において説明されたものと同じセンサシステム配置を用いて、ＳＰＲ測定値が生成された。
【００８６】
実施例４において、ＢＳＡ吸着反応について、センサチップ３６の径依存性（ｒａｄｉａｌ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）ＱＣＭ質量感度を調べた。本実施例において、ＢＳＡの吸着実験は、この暴露条件によるＱＣＭが、実際の界面解析に好適に適用することができることを示している。原位置での蛋白質の固定化を実行するために、まず、洗浄直後のＱＣＭクリスタルを１０ｍＭの１１−メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）溶液を用いて１２〜２４時間かけて処理する。ＥＤＣ（Ｎ−（３−ジメチルアミノプロピル）−Ｎ'−エチルカルボジイミド）／ＮＨＳ（Ｎ-ヒドロキシコハク酸イミド）化学を用いて、表面のＣＯＯＨ基を活性化させた後、センサは共有結合によるＢＳＡの付着が可能な状態となる。
【００８７】
厚さ０．１６６ｍｍ、直径１３．６６ｍｍを有する１０ＭＨｚ、ＡＴ−カット型のクォーツ基板１を使用した。４５ｎｍの金および５ｎｍのクロムが基板に蒸着され、電極（２、３）を形成した。電極３は、内径３．５ｍｍを有する開口３２を含んでいた。本明細書中にその全体が参照により組み込まれている、Ｐ．Ｊ．カンプソンおよびＭ．Ｐ．シーア著の「測定科学技術」（１９９０年、第１版、５４４〜５５５ｐｐ）（Ｐ．Ｊ．Ｃｕｍｐｓｏｎ ａｎｄ Ｍ．Ｐ． Ｓｅａｈ， Ｍｅａｓ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．）に記載されているドットインク較正（Ｄｏｔ−ｉｎｋ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）法を用いて、両面に電極２を有するＱＣＭ（Ｐ／Ｐ電極のＱＣＭ）と、電極（２，３）を有するＱＣＭ（Ｐ／Ｒ電極のＱＣＭ）の径依存性質量感度分布を調べた。（注記：Ｐ／Ｐは、プレート／プレートを意味し、プレート電極は開口を含まない中実電極である。Ｐ／Ｒは、プレート／リングを意味し、リング電極は開口を含む電極である。）これらのＱＣＭを用いて、ＢＳＡ吸着反応を観察した。ＢＳＡ吸着観察のための実験装置の構造は、実施例３に記載されている構造と同じであった。１１−メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）を用いて電極２が前処理された後、ＱＣＭは、プレキシグラスブロックの液体セル内に固定され、Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｎａｌｙｚｅｒ（ネットワークアナライザ）に接続された。ＱＣＭの電極２は、ＰＢＳバッファに曝され、ＢＳＡ塗布前に周波数基準が較正された。
【００８８】
図１２は、活性化されたＱＣＭの、上部電極のＰＢＳバッファからのＢＳＡ吸着に対する周波数応答を示す。矢印７０によって示されるＰＢＳ／空気、および矢印７２によって示されるＰＢＳ／トルエンの両方において、ＢＳＡ溶液（ＰＢＳに対して５ｍｇ／ｍＬ）の塗布によって、飽和状態における約１５０Ｈｚの安定した周波数の低下が生じる。これによって、経時的に、界面上の蛋白質分子の蓄積が示される。下面がトルエンに曝されたシステムは、下面が空気に曝されたシステムに比べてノイズレベルが高いが、ＢＳＡ吸着測定において十分な安定度と感度が達成されていることが、図１２よりわかる。
【００８９】
ＱＣＭを適切な有機溶媒に暴露することは、界面解析における振動品質に影響を与えないと結論することが可能である。
【００９０】
図１３は、これらのＱＣＭへの径依存性質量感度を示す。Ｐ／Ｐ電極のベル状の感度分布は、せん断モードの発振において、電極領域の中心部でより大きなエネルギーが捕捉されることを反映している。Ｐ／Ｒ電極のＱＣＭは、複雑な感度分布および全体的に下降した質量感度を有するが、実験によれば、これらのＱＣＭも適正な周波数応答を有する吸着反応の観察に使用可能であることが示されている。
【００９１】
図１４は、矢印７６によって示されるＰ／Ｐ、および矢印７４によって示されるＰ／Ｒからなる電極を有するＱＣＭのＢＳＡ吸着反応に対する周波数応答を示す。飽和周波数の低下は、Ｐ／ＰおよびＰ／ＲのＱＣＭ電極のそれぞれに対して、１４０Ｈｚ／１３０Ｈｚ（洗浄前／洗浄後）、および１２５Ｈｚ／１１０Ｈｚ（洗浄前／洗浄後）である。信号が低下（約１０％）しているものの、周波数応答は同様の傾向を示し、界面結合処理Ｂを良好に反映している。
【実施例５】
【００９２】
実施例５では、ＳＰＲ及びＱＣＭの測定値は、図３に記載したものと同じセンサシステムの配置を用いて得られた。従って、本実施例におけるセンサシステム配置は、図３を参照し、図３と同様の参照番号を用いて説明される。
【００９３】
基板として、金が塗布されたクォーツディスクを用いて、ＳＰＲおよびＱＣＭの同時測定値が得られた。ＡＴＲ（減衰全反射）ＳＰＲ（表面プラズモン共鳴）は、クォーツ基板１の第１の面上の電極２から生成された。ＱＣＭ発振は、例えば、アメリカ合衆国、サンタフェスプリング、マックステック社（Ｍａｘｔｅｃ， Ｉｎｃ．）製のＲＱＣＭ測定器を、電極（２、３）を介して、クォーツ基板１に用いることによって、駆動された。ＱＣＭの周波数応答は、ＲＱＣＭ測定器によっても記録された。
【００９４】
ＡＴＲ ＳＰＲを励起するために、屈折率整合液としての屈折率整合トルエン（１０）がＯ−リング（７）間で封入される。トルエンは、非導電性であり、水と比較して低粘度かつ低密度である。屈折率整合トルエンは、表面プラズモン共鳴を励起させる受動的光結合界面として作用する。
【００９５】
本実施例において、基板１は、厚さ０．２７６ｍｍ、直径２５．４ｍｍの、６ＭＨｚ、ＡＴカット型のクォーツプレートである。５ｎｍのＣｒ（クロム）接着層を有する４５ｎｍの金からなる層がクォーツ基板１に蒸着され、薄膜電極２を形成した。６．３５ｍｍの内径の開口を有する金電極層がクォーツ基板１の逆側の面に蒸着され、薄膜電極３を形成した。
【００９６】
プリズム１１は、電極３に隣接して配置され、屈折率整合トルエン（１０）がＯ−リング７によってプリズム１１と電極３の間に封入された。
【００９７】
アメリカ合衆国、カリフォルニア州、カルズバッドのメルズグリオット（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）社製のｐ−偏光ヘリウム（Ｈｅ）−ネオン（Ｎｅ）レーザ（１４）（６３２．８ｎｍ）が、光源として使用された。レーザ１４からのビーム１５は、プリズム１１に入射する前に、ロックイン（閉込め）増幅器と結合して、機械的に砕断された。金電極２とクォーツ基板１の界面で反射するビームの強度が、光ダイオード検出器によって検出され、「反応速度」測定のための時間関数として記録された。
【００９８】
図１５は、矢印７８によって示される、同時に記録されたＱＣＭ周波数によってプローブされたウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）の吸着、および矢印８０によって示されるＳＰＲ反射率を示す。基準周波数と反射率は、表面１の電極２が、食塩加リン酸緩衝液（ＰＢＳ）バッファに曝されている時に記録された。
【００９９】
安定化後、ＰＢＳバッファに代えて、ＢＳＡ（ＰＢＳ中、５ｇｍ／ｍＬ）が注入された。吸着の終了時に、セルがＰＢＳバッファによって洗浄され、不安定な吸着が除去された。
【０１００】
図１５を参照すると、周波数および反射率はともに経時による金表面の蛋白質分子の堆積／脱着を示していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本開示の実施の形態によるセンサは、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）およびクォーツクリスタルマイクロバランス（ＱＣＭ）の同時検知を行うバイオセンサ（生体感応装置）として使用することができる。実施の形態において、センサは、結合反応の原位置でのラベルフリーな分析に用いることができる。
【０１０２】
本開示の実施の形態によれば、二つの基本的に異なる測定技術を同時に用いることによって、界面現象をモニタすることが可能となる。組み合わされたデバイスによって得られる相補的なＳＰＲおよびＱＣＭの信号は、データ解析に内在するいくつかの前提条件の有効性を検証しつつ、検知技術の強みを利用することができる。
【０１０３】
本開示の実施の形態によるセンサにおいて、ＳＰＲ共鳴は、プリズムを介して、レーザビームをセンサチップの裏面へ入射することに基づいているため、試験対象の溶液中に光を透過させる必要がない。特定の物質の感度領域は、減衰波の延出長さ、即ち、検知する表面側から液体媒体へ透過される電磁波の深さに制限される。このため、特に結合した分析分子に関連する応答に対する非結合の試料分子からの影響は最小とされる。更に、上記したように、ＡＴＲプリズムカプラーに基づいたＳＰＲデバイスの感度は、格子カプラーを用いたＳＰＲセンサに比べて極めて高い。
【０１０４】
本開示の実施の形態によるセンサは、クォーツ基板に結合するための格子構造に依存しないことが理解されよう。これにより、本開示の実施の形態によるＳＰＲ測定は、試液を通るビームの入射に依存しない。従って、本開示の実施の形態においては、解析を受ける試料が光学的に透明である必要はない。
【０１０５】
本開示の実施の形態によるセンサは、格子カプラーよりも低い信号／ノイズ比を有するＳＰＲおよびＱＣＭの信号を生成する。
【０１０６】
電極（３０、３０’、３０’’、３０’’’、３０＾、３０＾＾）の開口を利用する本開示の実施の形態によるセンサは、光を基板に直接通過させる。これにより、本開示の実施の形態によるセンサは、必ずしも、レーザ光を透過させるために透明のインジウム酸化錫（ＩＴＯ）電極を使用することを必要としない。光の波長を６３２．８ｎｍとしてＩＴＯ膜を用いた場合、クォーツクリスタルおよびスパッタリング蒸着されたＩＴＯ薄膜のそれぞれの屈折率は、１．５４および１．９５である。ＩＴＯ膜は極薄（約１００ｎｍ）であるが、屈折率の不整合によって生じる屈折は顕著であり、これによって、信号／ノイズ比の低下がもたらされる。
【０１０７】
本開示の一つの実施の形態によれば、クォーツ基板は、一つの面に面状の金電極が塗布され、他の面に開口を含む電極が塗布される。窓が設けられた電極からレーザビームがクォーツ基板に入射し、表面プラズモン共鳴が励起される面状の金電極に到達する。
【０１０８】
以上の開示内容を読んでいただけた後には、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいて、本発明の他のさまざまな変更や適応が実行可能であることが当業者に明確となるであろう。更に、このような変更や適応は、全て、添付クレームの請求の範囲内において行われることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１Ａ】ＱＣＭおよびＳＰＲを同時に組み合わせることが可能なセンサチップを示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａのセンサチップを示す平面図である。
【図１Ｃ】図１Ａのセンサチップを示す底面図である。
【図２】ＳＰＲを解析するためのクレッチェマン配置によるＡＴＲ光学的結合の構成を示す略図である。
【図３】図１のセンサチップを利用して、ＱＣＭおよびＳＰＲの解析技術を実行するためのセンサ装置を示す断面図である。
【図４Ａ】ＡＴＲ光学的結合によるＳＰＲ配置を示す断面図である。
【図４Ｂ】ＡＴＲ光学的結合によるＳＰＲ配置を示す断面図である。
【図４Ｃ】ＡＴＲ光学的結合によるＳＰＲ配置を示す断面図である。
【図４Ｄ】ＡＴＲ光学的結合によるＳＰＲ配置を示す断面図である。
【図５Ａ】ＱＣＭおよびＳＰＲを同時に組み合わせることが可能であるセンサチップの他の実施の形態を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａのセンサチップを示す平面図である。
【図５Ｃ】図５Ａの構成のセンサチップを用いた、クレッチェマン配置のＡＴＲ光学的結合による構成の他の実施の形態を示す断面図である。
【図６Ａ】図５Ａのセンサチップ構成を用いた、使い捨て可能なクレッチェマン配置のＡＴＲ光学的結合による構成の他の実施の形態を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａのセンサチップおよびクレッチェマン配置のＡＴＲ光学的結合による構成を示す平面図である。
【図７】図１のセンサチップを用いた、ＱＣＭおよびＳＰＲ解析技術を実行するためのセンサ装置の他の実施の形態を示す断面図である。
【図８】ＱＣＭおよびＳＰＲ解析の複数モードの測定を実行するためのセンサ装置の他の実施の形態を示す断面図である。
【図９Ａ】クォーツ基板に設けられた金属電極の配列を開示する他の実施の形態を示す断面図である。
【図９Ｂ】クォーツ基板の上面に設けられた金属電極の配列を示す平面図である。
【図９Ｃ】開口を内部に有し、クォーツ基板の底面に設けられている金属電極の配列を示す底面図である。
【図１０Ａ】屈折率整合のためにトルエンを用いた場合に、図１のセンサチップから得られた角度走査曲線を示す図である。
【図１０ｂ】屈折率整合のために、トルエン、スチレン、およびベンジルアルコールのそれぞれを用いた場合に、図１のセンサチップから得られた３つの角走査曲線を示す図である。
【図１０ｃ】Ａｕｔｏｌａｂ（オートラブ）ＳＰＲ測定器によって測定されたＳＰＲ安定度を示す図である。
【図１１Ａ】クォーツクリスタルの下面が空気に曝された時のＱＣＭの周波数及び動抵抗の同時応答を示すグラフである。
【図１１Ｂ】クォーツクリスタルの下面がトルエンに曝された時のＱＣＭの周波数及び動抵抗の同時応答を示すグラフである。
【図１２】上部電極のＰＢＳバッファからのＢＳＡ吸着に対する活性化されたＱＣＭの周波数応答を示すグラフである。
【図１３】ＱＣＭに対する径依存性質量感度を示すグラフである。
【図１４】Ｐ／ＰおよびＰ／Ｒ電極のＱＣＭ周波数のＢＳＡ吸着反応に対する反応を示すグラフである。
【図１５】図３のセンサ装置のＳＰＲとＱＣＭの同時信号の周波数応答を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、生物学的、生化学的、または化学的試料を検知するためのセンサに係り、より詳細には、本発明は、表面プラズモン共鳴および極微重量を検知する技術を用いて、生物学的、生化学的、または化学的試料を検知することが可能なセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
クォーツクリスタルマイクロバランス（ＱＣＭ（水晶振動子））などの表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ)および極微重量の検知技術は、生体中の結合反応のラベルフリーな検知および分析に好適な方法として独自に知られている。ＳＰＲまたはＱＣＭを用いたセンサは、生物学的、生化学的、および化学的な試料を検知するために使用されてきた。
【０００３】
ＱＣＭ装置は、ウエハの二つの表面に配置された二つの平らな金属電極を有するクォーツクリスタルウエハを含む。分析される試料は、複数の電極の一つの表面に吸着される。クォーツクリスタルにおける変化は、逆圧電効果による交流電界によって機械的な共鳴に励起され得る。共鳴周波数は、表面電極へ吸着された材料の質量に応じて変化する。例えば、共鳴周波数は、質量蓄積時には小さくなり、質量減少時には大きくなる。周波数における変化は、分析等式を用いて吸着質量に関連付けられ得る。約１ｎｇ（ナノグラム）／ｃｍ2台の質量負荷が検出され得る。
【０００４】
ＳＰＲは、金属薄膜の表面に発生する化学的な変化を検出するための公知の方法である。金属表面で分子を吸着することによって生じる光学的厚さの変化（即ち、屈折率）を測定する。ＳＰＲにおいて、減衰波（即ち、指数関数形減衰波）は、センサ表面に存在する。クレッチェマン幾何学として知られるものにおいては、入射光の全反射が、高屈折率物質および低屈折率物質からなる界面において、（即ち、プリズムのガラス−空気の界面において、）発生した時に、減衰波が生成される。金属薄膜（例えば、金または銀）が上記のような表面に配置された時、ある条件がそろえば、ＳＰＲが発生する。入射光が単色光である場合、金属の自由電子が振動し（即ち、表面プラズモンが励起され）、入射光の一定の角度に対応したエネルギーを吸収する。この角度がＳＰＲ角度と呼ばれる。ＳＰＲ信号は、反射光の強度を測定することによって検出される。ＳＰＲ角度において、表面プラズモンがエネルギーを吸収するときの強度の急激な低下、即ち、「ディップ」が測定される。
【０００５】
ＳＰＲの角度の位置は、分子が表面に結合した時点で変化する検知表面の屈折率によって変化する。これによって、ＳＰＲの角度は、該表面に結合された分子の量に応じて変化する。ＳＰＲの検出限度は、約１ｎｇ／ｃｍ2である。
【０００６】
ＳＰＲおよびＱＣＭの技術は、それぞれ特定の強みと弱み、またデータ収集及び解析に固有の前提条件を有する。従って、各技術は、薄膜試料の異なる特性に対して敏感である。
【０００７】
ＳＰＲおよびＱＣＭの両技術を利用する解析装置が知られている。ドイツ特許第10024366号は、格子カプラーを用いてＳＰＲとＱＣＭを組み合わせる解析装置を開示している。格子カプラーの使用によって、入射ビームがＳＰＲのための試料液を通過することが必要とされ、更に、フローセルおよび試料が光学的に透明であることが必要とされる。これは、結果的に、信号／ノイズの比率が低くなるという欠点を有する。さらに、プリズムカプラーのＳＰＲセンサに比べると、ＳＰＲの測定感度は低い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述された欠点のうちの一つ以上を克服するか、あるいは、少なくとも改良するセンサおよび分析技術を提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、
前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極と、
前記基板の前記第２の表面に、ビームが前記基板の前記第２の表面を透過して、前記第１の薄膜金属電極から反射可能となるように設けられた第２の薄膜金属電極と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接して配置された減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含むことを特徴とする、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるセンサチップアセンブリが提供される。
【００１０】
一つの実施の形態によれば、
第１の表面および該第１の表面の反対側の第２の表面を有する透明圧電基板と、
基板の第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極と、基板の第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極と、
第２の薄膜金属電極に隣接して配置される減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
ＡＴＲカプラーと基板の屈折率を実質的に整合させるためにＡＴＲカプラーと第２の薄膜金属電極との間に配置された光結合媒体と、を含むことを特徴とする、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるアセンブリが提供される。
【００１１】
本発明の第２の態様によれば、
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、
基板の第１の表面に設けられるとともに試料が戴置される第１の薄膜金属電極、および基板の第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極であって、両電極が、基板を共鳴させるべく、一つ以上の選択された周波数で電界を発振させる発振回路に結合可能である、第１の薄膜金属電極および第２の薄膜金属電極と、
第２の薄膜金属電極に隣接して配置され、励起時に表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させるために、複数の入射角で、光源から第１の薄膜金属電極にかけて、ビームを光学的に結合可能な減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、を含むことを特徴とするセンサが提供される。
【００１２】
一つの実施の形態において、上記センサは、ＡＴＲカプラーと基板の屈折率を実質的に整合させるために、ＡＴＲカプラーと第２の薄膜金属電極との間に配置された光結合媒体を更に含んでいてもよい。
【００１３】
本発明の第３の態様によれば、
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、
前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極および前記基板の前記第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含むセンサを用いた表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量分析検知方法であって、
前記第１の薄膜金属電極上に試料を配置し、
前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極を介して、一つ以上の選択された周波数で電界を発振させ、これによって前記基板を共鳴させ、
前記第１の薄膜金属電極から、ビームを複数の入射角で反射させて、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させる、
ことを含む表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量分析検知方法が提供される。
【００１４】
一つの実施の形態において、上記方法は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量分析検知方法が提供されており、ＡＴＲカプラーと基板の屈折率を実質的に整合させるために、ＡＴＲカプラーと第２の薄膜金属電極との間に光結合媒体を介在させることを更に含んでいてもよい。
【００１５】
本発明の第４の態様によれば、
透明圧電基板の第１の表面に第１の薄膜金属電極を蒸着させ、
ビームが前記基板の前記第２の表面を透過して前記第１の薄膜金属電極から反射することが可能であるように、前記基板の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に第２の薄膜金属電極を蒸着させ、
前記第２の薄膜金属電極に隣接するように減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーを取り付ける、
ことを含む、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるアセンブリを作製する方が提供される。
【００１６】
一つの実施の形態において、上記方法は、該減衰全反射カプラーと基板の屈折率を実質的に整合させるために、減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと第２の薄膜金属電極との間に光結合媒体を封入することを更に含んでいてもよい。
【００１７】
本発明の第５の態様によれば、
前記試料を収容するためのチャンバを有するハウジングと、
第１の表面および該第１の表面に対向する第２の表面を有する透明圧電透明基板と、
クォーツ基板の第１の表面に配置されるとともに前記チャンバと流体連通している第１の薄膜金属電極と、
前記クォーツ基板の第２の表面に配置された第２の薄膜金属電極と、
前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極に結合されて、前記基板が共鳴周波数で共鳴するように、一つ以上の選択された周波数で、電界を発振させるための発振回路と、
前記共鳴周波数を検出して、重量信号を検出できるようにする共鳴周波数検出器と、
複数の入射角でビームを生成する光源と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接して配置され、内部反射ビームが表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させる入射角で前記第１の薄膜金属電極から反射されるように、前記光源に光学的に結合する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
前記内部反射ビームを受けるとともに、前記試料と前記第１の薄膜金属電極との間の反応に依存するＳＰＲの性質を検出するための検出器と、
を含む、生物学的、生化学的または化学的な試料について表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量の検知を実施することが可能なセンサシステムが提供される。
【００１８】
一つの実施の形態において、センサシステムは、ＡＴＲカプラーと基板の屈折率を実質的に整合させるために、ＡＴＲカプラーと第２の薄膜金属電極との間に光結合媒体を含む。
【００１９】
本発明の第６の態様によれば、
第１の表面および該第１の表面に対向する第２の表面を有する透明圧電基板と、前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極および前記基板の前記第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極と、前記第２の薄膜金属電極に隣接する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含むセンサを用いた試液の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知するための方法であって、
（ａ）前記試液を前記第１の薄膜金属電極上に設置し、
（ｂ）前記第１の薄膜金属電極から光を反射させるために、前記ＡＴＲカプラーを介してビームを透過させ、
（ｃ）前記反射光の強度を検出してＳＰＲを検出し、
（ｄ）前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極を介して電界を印加し、
（ｅ）前記電界の共鳴周波数を測定する、
ことを含む、試液の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知するための方法が提供される。
【００２０】
透明圧電基板は、クォーツ、リチウムタンタル酸塩、及びリチウムニオブ酸塩からなる群より選択された材料を含み得る。
【００２１】
ＳＰＲの生成においては、特定の波長において光によって共鳴可能な任意の金属が薄膜金属電極として使用され得る。該薄膜金属電極の材料は、アルミニウム、クロム、コバルト、銅、金、インジウム、モリブデン、ニッケル、パラジウム、プラチナ、銀、錫、チタン、タングステン、および亜鉛からなる群より選択され得る。
【００２２】
光結合媒体は、１．５０〜１．６０、１．５１〜１．５９、１．５２〜１．５８、１．５２〜１．５７、１．５２〜１．５６、１．５２〜１．５５、および１．５３〜１．５５からなる群より選択される範囲の屈折率を有する任意の透明な液体であってよい。基板がクォーツである実施の形態において、光結合媒体は、波長６３２．８ｎｍにおいて約１．５４の屈折率を有し得る。
【００２３】
キャビティは、基板とＡＴＲカプラーの間に存在し得る。該キャビティは、屈折率整合媒体が充填され、封入される。基板からＡＴＲカプラーまでの距離は、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、０．７５ｍｍ〜２．２５ｍｍ、および１ｍｍ〜２ｍｍからなる群より選択される範囲内にあってもよい。光結合媒体は、水の濃度に対して低い濃度を有し、該濃度は、１．０５〜１．３、１．１〜１．２５、および１．１〜１．２からなる群より選択される範囲内にあってよい。
【００２４】
光結合媒体は、水性媒体または非水性媒体であってよい。一つの実施の形態において、光結合媒体は、１〜２５、２〜２０、３〜１８、４〜１５、５〜１２、および５〜１０からなる群より選択される範囲の炭素原子を有する炭化水素である。光結合媒体は、スチレン、トルエン、ベンジルアルコール、ブチルベンゼン、テトラヒドロナフタレン、アセトフェノン、ベンゾニトリル、ジブロモメタン、ベンジルアミン、３−ピリジンメタノール、２−メチルベンゼンメタンアミン、およびフェニルオキシランからなる群より選択され得る。
【００２５】
光結合媒体の水と比べた密度は、１．０５〜１．３、１．１〜１．２５、および１．１〜１．２からなる群より選択される範囲にあってよい。
【００２６】
一つの実施の形態において、第２の薄膜金属電極は、ビームを透過させるための少なくとも一つの開口を含んでもよい。第２の薄膜金属電極は、複数の開口を含んでもよい。開口は、複数のビームを通過させるとともに、該複数のビームを基板と第１の薄膜金属電極との界面で反射可能とする程に十分な大きさを有していてよい。
【００２７】
重量の検知は、クォーツクリスタルマイクロバランス検知、表面音波検知、及びバルク音波検知からなる群より選択され得る。
【００２８】
一つの実施の形態において、ＡＴＲカプラーは、略半球形、略矩形、略正方形、および略円筒形からなる群より選択される形状を有するプリズムであり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、最良の形態を含む本発明の限定されない実施例および比較例が、添付図面を参照して更に説明される。
【００３０】
図１Ａ、図１Ｂおよび１Ｂは、ＳＰＲおよびクォーツクリスタルマイクロバランス（ＱＣＭ）重量検知を組み合わせたものを使用することが可能なセンサシステムに使用可能な、矢印３０によって総合的に示されるセンサチップ配置を開示している。
【００３１】
センサチップ３０は、クォーツ基板１の形態の透明圧電基板を含む。電極２の形態の第１の薄膜金属電極が基板１の上に設けられている。電極３の形態の第２の薄膜金属電極が基板１の反対側に設けられている。電極３は、以下に更に説明される、基板１へレーザ光を透過させるための開口３２を具備している。
【００３２】
図１に示されるように、電極３は、クォーツ基板１の右縁部を包み込む金属鋼帯（ストリップ）４に接続されている。間隙（ギャップ）２Ａが基板１に設けられ、使用時に試料を基板１に接触させる。金属ストリップ４は、電極３の片側から電気的に接続されるのを可能とする。電極（２および３）およびクォーツ基板１は、ＱＣＭ検知が実行されるのを可能とする。図１Ｃに示されるように、電極３の中心における開口３２（または「窓」）は、ある特定の入射角において、ビームが全反射し、検知電極２の表面において表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）が励起されるように、入射光のビームにクォーツ基板１を通過させることによって、ＳＰＲ分析が実行されることを可能する。ここで、開口３２が、光を基板１上に直接通過させることが理解されよう。
【００３３】
図２は、ＳＰＲ解析のための減衰全反射（ＡＴＲ）プリズムカプラーを示す。図２の配置は、「クレッチェマン（Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ）配置」と称され、ベースに検知ディスク１６が取り付けられたプリズム１８を含み、検知ディスク１６は、プリズム１８と同じ屈折率を有する材料から作られている。検知ディスクとプリズム１８との間の空隙は、光結合のための一定量の屈折率整合流体１７によって充填される。クォーツ基板１とプリズム１８との間の屈折率整合流体１７は、特に、屈折作用により生成されたＳＰＲ信号に伴って発生するノイズを削減することによって、ＳＰＲの励起時に生成されるＳＰＲ信号の品質を向上させるために使用される。とりわけ、クォーツ基板１からプリズム１８までの距離を５ｎｍ〜１５ｎｍに増加させて空隙を形成すると、ＳＰＲ信号の振動が一段と大きくなり、これによって、信号の品質も一段と向上する。
【００３４】
検知ディスクの上面は、薄膜金属層１９（例えば、金）によって塗布されている。この層１９は、使用時に表面プラズモンを励起する導電性表面層となる。
【００３５】
図３は、ＳＰＲおよびＱＣＭ検知を実行するためのセンサシステム３６を示す断面図である。本実施の形態において、ＳＰＲおよびＱＣＭ検知が同時に実行される。図１のセンサチップ３０は、「クレッチェマン配置」のプリズム１１の形態の減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、試料８を収容するためのチャンバを含むセル５の形態の試料収容セルと、の間に固定された状態で示されている。セル５は、電極２に対して曝されている。セル５はまた、試料注入導管８ａおよび試料流出導管８ｂを含み、それぞれ、試料を注入または流出させる。本実施の形態において、試料は、液体分析試料８である。しかしながら、他の実施の形態において、試料は気体であってもよい。
【００３６】
センサチップ３０は、二つのＯリング（７、９）によって、プリズム１１およびセル５に固定されている。
【００３７】
プリズム１１と電極３の間には、キャビティが設けられている。このキャビティには、屈折率整合液１０の形態の光結合媒体が充填されている。
【００３８】
光は、レーザ１４の形態をとり、光源からプリズムアセンブリと向けられる。本実施の形態において、レーザ１４の出力波長の範囲は、５００ｎｍ〜９００ｎｍである。入射ビーム１５は、屈折率整合液１０およびクォーツ基板１を通過し、クォーツ基板１と電極３との界面で屈折する。反射ビーム１２は、検出器１３に向けて、再びプリズム１１を通過する。
【００３９】
ある条件において、光は、クォーツ基板１と電極３の界面で全反射し、これによってＳＰＲを生じる。従って、分析液８が検知電極３に曝されている間、該分析液８の吸着を観察することができる。
【００４０】
また、センサシステム３６は、ＱＣＭ解析の実行に使用される振動回路６および周波数カウンタ７を含む。ＡＣ（交流）電源の形態の電界（図示なし）が、回路６から電極（２、３）へとクォーツ基板１を覆って印加され、せん断モードの振動を誘導する。これによって、ＱＣＭ信号が得られるように、分析液８の吸着が引き起こされる。ここで、ＳＰＲ信号およびＱＣＭ信号は、同時に、または、非同期的に、得られ得ることを理解されたい。
【００４１】
図４Ａ〜図４Ｄは、センサチップ３０に光学的に結合された四つの異なるＡＴＲ（減衰全反射）結合型のＳＰＲ配置を示す。図４（ａ）には、ＡＴＲ結合型のＳＰＲ技術を用いた、ＳＰＲとＱＣＭの組合せが示されている。この配置は、扇形（例えば、半円筒形のレンズ）透明ブロック２０のプリズムを用いてビームの焦点を合わせ、屈折率整合液１０を介して、電極３を照射する。ＡＴＲに使用される扇形のプリズムについては、欧州特許Ａ１−０３０５１０９に全て開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【００４２】
図４Ｂには、台形の透明ブロック２１を用いてビームの焦点を合わせ、屈折率整合液１０を介して、電極３照射する配置が示されている。図４Ｃには、矩形の透明ブロック２２を用いてビームの焦点を合わせ、屈折率整合液１０を介して、電極３を照射する配置が示されている。図４Ｄには、円筒形の透明ブロック２３を用いてビームの焦点を合わせ、屈折率整合液１０を介して、電極３を照射する配置が示されている。
【００４３】
図５Ａは、コンパクトであり、浅厚のキャビティ１５を設けた支持スライド２４に連結されたセンサチップ３０’を含む、ディスク配置４０を示す断面図である。本実施の形態において、センサチップ３０’は、センサチップ３０に機能が類似している。このため、同様の要素には、後ろにプライム符号（’）がついた同様の参照番号が付されている。しかしながら、センサチップ３０とセンサチップ３０’には多少の構造上の違いがあることが認識されるであろう。例えば、本実施の形態は、傾斜をつけられた浅深のキャビティ１５ａ’を示す。傾斜角１５ｂ’を設けることによって、キャビティの表面をセンサディスクに平行とならないようにされており、このため、圧縮波共鳴によって生じる応答が最小化され、ＱＣＭ性能が高められる。
【００４４】
本実施の形態では、スライド２４’が、基板１とプリズム１１’との間に配置されている。スライド２４’は、波長６３２．８ｎｍ、屈折率１．５４のガラス製である。浅厚のキャビティ１５’には、低粘度かつ低密度の屈折率整合液１０’が充填されている。センサチップ３０は、スライド２４’にぴったりとくっつき、良好な封入が確実とされる。
【００４５】
図５Ｃは、上記図４Ａの実施の形態にて示した半球形のプリズム１１’に取り付けられたディスク配置４０’を示す。センサチップ３６’は、コンパクトなので、オランダ、ユトレヒト、エコケミ社（Ｅｃｏ Ｃｈｅｍｉｅ Ｂ．Ｖ．）製の「オートラブ（ＡｕｔｏＬａｂ）（登録商標）ＥＳＰＲ（ｅｌｅｃｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子化学表面プラズモン共鳴）」などの既存の市販されているＳＰＲ装置に有利に組み込むことができる。
【００４６】
本実施の形態において、支持スライド２４’は、厚さが０．８２ｍｍ、直径が２５．４ｍｍであり、ＢＫ７のガラスから作られている。スライド２４のキャビティ１５は、電極３’の表面に対して、傾斜角２５をなして、配置されている。これは、液深が〜１ｍｍと低いときに顕著となる圧縮波共鳴によって生じる応答を最小化するためである（図５のコンパクトなセンサディスク配置の場合）。
【００４７】
キャビティ１５ａ’は、スチレン溶液の形態の屈折率整合液によって充填され、センサチップ３０’によって被覆される。本実施の形態において、センサチップ３０’は、厚さ０．２７６ｍｍ、直径２０ｍｍを有する、６ＭＨｚのＳＰＲとＱＣＭセンサディスクとを組み合わせたものである。電極（２’、３’）の直径は１０ｍｍであり、電極（３’）は、内径５ｍｍの開口３２’を有する。
【００４８】
ディスク３０’の縁部は、接着剤などのシーラント（封入剤）によって封入される。ミネソタ採鉱＆製造会社（Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ Ｍｉｎｉｎｇ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ）（米国、ミネソタ州、メープルウッド）製の「３Ｍ（登録商標）オートガラス接着剤（Ａｕｔｏ Ｇｌａｓｓ Ａｄｈｅｓｉｖｅ）」は、好適な接着剤であるといえる。
【００４９】
ディスク配置４０’はコンパクトであり、「Ａｕｔｏｌａｂ（オートラブ）（登録商標）ＳＰＲマシン」などの既存のＳＰＲ測定器に使用することが可能である。
【００５０】
ディスク配置４０’は、屈折率整合オイル１７’の薄膜を塗布することによってプリズム１１’上に取り付けてもよい。ディスク配置４０’は、生物学的、生化学的、または化学的試料の測定するために使用可能である点から、バイオセンサとして使用することができる。
【００５１】
使用時、ＳＰＲおよびＱＣＭは、当該技術において知られているように、両電極（２’、３’）を振動器（例えば、図２に示される振動器６）および周波数カウンタ（例えば、図２に示される周波数カウンタ７）に接続してＱＣＭを実行することによって、同時に測定することができる。ＱＣＭの方法の例としては、本明細書中にその全体が参照によって組み込まれる、米国特許第6,156,578号と米国特許第5,201,215号に開示されているものが挙げられる。同時に、レーザは、電極３’の開口３２’を通って入射し、ＳＰＲを生じさせる。
【００５２】
図６は、コンパクトかつ使い捨て可能なディスク配置５０’’を示す断面図である。ディスク配置５０’’は、センサチップ３０’’を有する。本実施の形態においては、センサチップ３０’’は、センサチップ３０と機能的に類似しており、このため、同様の要素には、後ろに２個のプライム符号（’）がついた同様の参照番号が付されている。但し、センサチップ３０とセンサチップ３０’’には、構造に多少の違いがあることが認識されよう。例えば、本実施の形態においては、プリズム２６’’に浅厚のキャビティ２７’’が設けられている。
【００５３】
プリズム２６’’は、クォーツ基板１’’と整合するように約１．５４の屈折率を有する、成形されたプラスチックプリズム２６’’である。浅厚のキャビティ２７’’は、半球形のプリズム２６’’の基部の中心部分に設けられている。上述されたセンサチップ４０’と同様に、キャビティ２７’’は、低粘度かつ低密度の液体である屈折率整合液１０’’によって充填され、センサチップ５０’’によって被覆されている。
【００５４】
光学的整合液１０’’は、キャビティから漏洩または気化しないように、好適な封入剤によってキャビティ２７’’内に封入される。
【００５５】
図７は、センサチップ３０’’’を含む分析デバイス６０’’’の他の実施の形態を示す。本実施の形態において、センサチップ３０’’’は、センサチップ３０と機能的に同様であり、このため、同様の要素には、後ろに３個のプライム符号（’）がついた同様の参照番号が付されている。但し、本実施の形態では、導波路２８’’’が含まれている。
【００５６】
センサチップ３０’’’は、プリズム１1’’’の片側と、分析サンプル８’’’を満たしたセル５’’’の形態の試料収容セルとに取り付けられ、上記の図３を参照して述べられたシステム３６と同様に作用する。
【００５７】
このように、ディスク配置３０’’’は、ＳＰＲとＱＣＭとを組み合わせた解析技術に用いることが可能である。図７に示されているように、本実施の形態では、好適な導波路２８が検知電極２’’’の上に塗布されている。分析液８’’’は、導波路２６’’’に曝されており、これによってＡＴＲ誘導導波路型のＳＰＲ分析が行われる。導波路は、剛性固体膜の複数の層から形成されている。本実施の形態において、導波路の全体的な厚さは、１マイクロメートルから２マイクロメートルの範囲である。発明者の経験上、固体膜の場合、１０マイクロメートルまでのＱＣＭが検出可能である。
【００５８】
図８は、ＳＰＲとＱＣＭを組み合わせたセンサチップ３０＾を示す斜視図である。本実施の形態において、センサチップ３０＾は、機能的にはセンサチップ３０と同様であり、このため、同様の要素には、後ろに符号（＾）がついた同様の参照番号が付されている。センサチップ３０＾は、開口３２＾の寸法が、他に記載された実施の形態における他の電極（３、３’、３’’、および３’’’）の開口３２よりも大きいために、ＳＰＲ測定の複数の流路（チャネル）を受容することが可能である。開口３２＾は、複数のビームが通過するのに十分な大きさであり、これによって、複数流路（マルチチャネル）のＳＰＲ測定の実行が可能となり、電極２＾とクォーツクリスタル基板１＾との界面についてより詳しい情報を得ることができる。
【００５９】
図９Ａは、センサチップ３０＾＾の他の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態において、センサチップ３０＾＾はセンサチップ３０と機能的には同様であり、このため、同様の要素には、後ろに二つの（＾＾）符号がついた同様の参照番号が付される。ディスク配置３０＾＾は、クォーツ基板１＾＾に設けられた金属電極の配列を含む。クォーツ基板１＾＾は、電極（２＾＾、３＾＾）の配列を含む。
【００６０】
図９Ｂは、複数の電極２＾＾が設けられたクォーツ基板１＾＾の上面を示す平面図である。図９Ｃは、クォーツ基板１＾＾の底面に内部に開口３２＾＾を設けた電極３＾＾の配列を示す平面図である。
【００６１】
本明細書中に開示されているＳＰＲとＱＣＭとを組み合わせたセンサチップ（３０、３０’、３０’’、３０’’’、３０＾、３０＾＾）は、プリズム、焦点レンズ、または導波路に結合されたＡＴＲであってもよいことが理解されよう。センサチップ（３０、３０’、３０’’、３０’’’、３０＾、３０＾＾）は、単一または複数の入射ビームを受容することが可能であるため、単一モードであっても複数モードであってもよい。
【００６２】
本明細書中において使用され、開示されているセンサは、液体と気体の両方からの吸着を検出するために使用され得る。本発明の精神および範囲を逸脱しない限り、本明細書中に記載されている本発明に対して、さまざまな変形や変更を行うことが可能であることを当業者は容易に理解するであろう。従って、本発明の実施の形態は、全ての面において本発明の例示を目的とするものであって、本発明を限定することを意図するものではない。
センサチップアセンブリの作製
【００６３】
開示されているセンサチップアセンブリは、以下のようにして作製することができる。
【００６４】
クォーツクリスタル基板は、例えば、アメリカ合衆国、サンタフェスプリング、マックステック社（Ｍａｘｔｅｃ， Ｉｎｃ．）製のものが市販されている。クォーツクリスタル基板は、平面の円盤状である。クォーツクリスタル基板は、予めカットされたもの、あるいは、必要な寸法にカットしたものを用いることができる。
【００６５】
約５０ｎｍの金属が平面状のクリスタル基板の第１の面に蒸着され、第１の薄膜金属電極（２、２’、２’’、２’’’、２＾、２＾＾）を形成する。電極の反対側の第２の反対側の面に５０ｎｍの金属をさらに蒸着し、第２の薄膜金属電極（３、３’、３’’、３’’’、３＾、３＾＾）が形成される前に、円形のパッチを配置してもよい。次に、パッチが除去され、開口（３２、３２’、３２’’、３２’’’、３２＾、３２＾＾）が形成される。金属の層（４、４’、４’’、４’’’、４＾、４＾＾）は、基板１の片側に蒸着され、電極（２、２’、２’’、２’’’、２＾、２＾＾）と電極（３、３’、３’’、３’’’、３＾、３＾＾）とを互いに接続させる。
【００６６】
クレッチェマンのプリズム（１１、１１’、１１’’、１１’’’、１１＾、１１＾＾）は、エルマオプティック社（Ｈｅｌｌｍａ Ｏｐｔｉｋ）ＧＭＢＨ（ドイツ、イエナ）から市販されている。クレッチェマンプリズム（１１、１１’、１１’’、１１’’’、１１＾、１１＾＾）は、プリズムホルダーによって、電極（３、３’、３’’、３’’’、３＾、３＾＾）に結合される。光結合媒体（１０、１０’、１０’’、１０’’’、１０＾、１０＾＾）がクレッチェマンプリズム（１１、１１’、１１’’、１１’’’、１１＾、１１＾＾）と電極（３、３’、３’’、３’’’、３＾、３＾＾）の間に注入され、例えば、Ｏ−リングによって封入される。
屈折率整合液
【００６７】
液体試料から生成されたＱＣＭ信号の振動品質は、主に液体の粘度および密度によって決まる。ＱＣＭの吸着解析用として知られているセンサにおいては、基板の一面が試料液に曝され、他面が空気に曝される。多くの生物学的吸着解析において、例えば食塩加リン酸緩衝液（ＰＢＳ）はよく使用される媒体であって、この場合のＱＣＭ品質因子は、約２５，０００である（即ち、例えば、アメリカ合衆国、オクラホマシティ、インターナショナルクリスタルマニュファクチャリング会社（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ., Ｉｎｃ．）製の１０ＭＨｚのＱＣＭの場合）。この振動品質は、非常に安定しており、周波数測定の精度も高い。同じ１０ＭＨｚのＱＣＭにおいて、一つの面がＰＢＳに曝されて、他の面が屈折率整合オイルに曝された場合、Ｑは、５００未満へとひどく低下する。ＱＣＭ品質因子が５倍下がるということは、周波数のスペクトルが５倍に広がることを意味し、不可能とは言わないまでも、安定した振動及び高精度の周波数の測定が困難となる。さらに、ＱＣＭが高粘度の屈折率整合オイルを介してプリズム上に配置された場合は、大幅な減衰の影響により、振動の検知がほとんど不可能となる。
【００６８】
本実施の形態では、オイルではなく低粘度の液体が屈折率整合流体として使用される。表１は、本開示の実施の形態において光結合のために使用可能な、いくつかの有機溶剤の材料特性を示す。表１には、異なる暴露条件において測定されたＱＣＭ品質因子（１０ＭＨｚ ＩＣＭ ＱＣＭ）も含まれる。
【００６９】
【表１】
表中、「ＰＢＳ」は食塩加リン酸緩衝液であり、「ＩＭＯ」は屈折率整合オイルである。
【実施例１】
【００７０】
実施例１では、ＳＰＲおよびＱＣＭ測定値の生成は、図３を参照して述べたセンサシステムの配置と同じ配置を用いて行われた。従って、以下では、図３と同じ参照番号を用いて図３を参照することによって、本実施例のセンサシステム配置が説明される。
【００７１】
基板として、金が塗布されたクォーツ円盤を用いて、ＳＰＲおよびＱＣＭの同時測定値が得られた。ＡＴＲ ＳＰＲは、クォーツ基板１の第１の面上の電極２から生成された。ＱＣＭ振動は、電極（２、３）を介して、クォーツ基板１にＡＣ電圧を印加することによって、駆動された。ＡＴＲ ＳＰＲの励起の際には、屈折率整合液としての屈折率整合トルエン（１０）が、Ｏ−リング（７）間で封入されている。トルエンは、非導電性であり、水と比較して低粘度かつ低密度である。屈折率整合トルエンは、表面プラズモン共鳴の励起に対して、受動型光結合界面として作用する。
【００７２】
本実施例において、基板１は、厚さ０．２７６ｍｍおよび直径２５．４ｍｍを有する６ＭＨｚのＡＴカットのクォーツ板である。５ｎｍのＣｒ（クロム）接着層を有する４５ｎｍの金からなる層がクォーツ基板１に蒸着され、薄膜電極２を形成した。６．３５ｍｍの内径の開口を有する金電極層がクォーツ基板１の裏面に蒸着され、薄膜電極３を形成した。
【００７３】
プリズム１１は、ＢＫ７のガラスで作られ、電極３に隣接して配置されており、プリズム１１と電極３の間で、屈折率整合トルエン（１０）がＯ−リング７によって封入されている。
【００７４】
アメリカ合衆国、カリフォルニア州、カルズバッドのメルズグリオット（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）社製のｐ−偏光のヘリウム（Ｈｅ）−ネオン（Ｎｅ）レーザ（１４）（６３２．８ｎｍ）が、光源として使用された。レーザ１４からのビーム１５は、プリズム１１に入射する前に、ロックイン（閉込め）増幅器に結合されて、機械的に砕断された。金電極２とクォーツ基板１の界面で反射するビームの強度が、光ダイオード検出器によって検出され、「角度走査」測定に対する入射角の関数として記録された。
【００７５】
図１０（ａ）は、屈折率整合トルエン（１０）を用いて得られた角度走査曲線を示す。図１０ａの曲線は、４３．５度のＳＰＲ角度において、大きな強度損失を示す。入射角に対する滑らかな反射強度の変化は、センサシステム３６が屈折率整合トルエンと良好な光結合を達成することを示している。
【実施例２】
【００７６】
実施例２では、図５のセンサチップ３０’と同じものが、オランダ、ユトレヒト、エコケミ社（Ｅｃｏ Ｃｈｅｍｉｅ Ｂ．Ｖ．）から販売されている「オートラブエスピリット（ＡＵＴＯＬＡＢ ＥＳＰＩＲＩＴ）（登録商標）」測定器において使用された。従って、以下、本実施例におけるセンサチップ３０’は、図５と同様の参照番号を用い、図５を参照して説明される。
【００７７】
本実施例において、厚さ０．１６６ｍｍの１０ＭＨｚのクォーツ基板１’が、支持スライド２４’を含む半球形のプリズム１１’に配置されている。屈折率整合液１０’が支持スライド２４’のキャビティ１５ａ'に注入された。
【００７８】
図１０ｂは、Ａｕｔｏｌａｂ ＳＰＲ（オートラブ）ＳＰＲ測定器によって測定された、センサチップより得られた角度走査曲線を示す。Ａｕｔｏｌａｂ ＳＰＲ測定器は、波長６７０ｎｍのレーザダイオードおよび振動ミラーを使用し、ｐ−偏光の基板への入射角を調整する。ＳＰＲを生成する方法については、その全体が本明細書中に参照により組み込まれている、ワード（Ｗａｒｄ）他著、生化学分析（２０００年、２８５版、１７９ｐ）に開示されている。
【００７９】
トルエン、スチレン、ベンジルアルコールの、３つの異なる屈折率整合液１０’をそれぞれキャビティ１５ａ’へ注入することによって、３つの異なるＳＰＲ信号が生成された。図１０ｂには、この３つの屈折率整合液のＳＰＲスペクトルが示されている。従って、トルエン、スチレン、及びベンジルアルコールが、クォーツ基板／ＢＫ７のガラスプリズム配置を有するセンサチップ内の屈折率整合液となる見込みの高い溶液であることがわかる。これは、これら３つの液体の全てが、それぞれの共鳴周波数における反射最小点を明確に示しているためである。
【００８０】
図１０ｃは、Ａｕｔｏｌａｂ ＳＰＲによって測定されたＳＰＲ安定度を示す。標準のＡｕｔｏｌａｂシステムに対して、３０分間にわたる基準ＳＰＲ角度の安定度は、約±５ｍ°であった。屈折率整合液に有機溶剤を用いた含むセンサチップ３０’を用いた場合、基準安定度は、約±２ｍ°であった。これは、大半の界面解析にとって好適に受け入れられ得る。
【実施例３】
【００８１】
本実施例においては、クォーツ基板の一面が水性溶液に曝され、クォーツ基板の他の面が屈折率整合液に曝されたときのＱＣＭ振動挙動（振動品質及び安定度）を調べた。
【００８２】
アメリカ合衆国、オクラホマ州、オクラホマシティのインターナショナルクリスタルマニュファクチャラー社（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ Ｉｎｃ．）製の１０ＭＨｚ、ＡＴ−カット型、厚さ０．１６６ｍｍ、および直径１３．６６ｍｍのクォーツ基板を用いて、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）の吸着度のＱＣＭによる測定が行われた。クォーツの両面が、厚さ１００ｎｍの金電極で蒸着され、電極の直径は５ｍｍであった。いずれの電極にも開口は含まれていなかった。
【００８３】
液体中における原位置での周波数測定を行うにあたり、ＱＣＭクリスタルは、ネオプレン製のＯ−リングのシールによって二つのプレキシグラス（ｐｌｅｘｉｇｌａｓ）ブロックに固定された。クォーツの上面は、開口した液体セルの底面を形成し、下面は、閉じられた液体セルの底面を形成した。開口したセルは、１ｍＬまでの塗布液を受容可能とし、閉じられた液体セルにおいて、傾斜角度を設けた容積は、約７０μＬだった。このセットアップでは、クリスタルの上面は、ＰＢＳ（食塩加リン酸）バッファに曝されるが、下面は、空気あるいは非導電性、低粘度、および低密度の有機溶媒に曝される。周波数の応答は、アメリカ合衆国、ルイジアナ州、メタリーのユニバーサルセンサ社（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ， Ｉｎｃ．）製のＰｚツールハードウェア及びソフトウェアによって測定された。インピーダンス解析は、同じセットアップが、アメリカ合衆国、アリゾナ州、フェニックス、サンダースアンドアソシエーツ社（Ｓａｕｎｄｅｒｓ ＆ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．）製の「Ｓ＆Ａの２５０Ｂのネットワークアナライザ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｎａｌｉｚｅｒ」に接続され、ＱＣＭ品質因子を含む周波数スペクトル及びインピーダンスパラメータを記録した。ネットワークアナライザの周波数安定度は、４Ｈｚであった。
【００８４】
図１１は、ネットワークアナライザによって測定されるＰＢＳ／空気（図１１ａ）やＰＢＳ／トルエン（図１１ｂ）等の暴露に対してのＱＣＭの周波数および動的抵抗の同時応答を示す。下面が空気に曝されたクリスタルは、ノイズレベルが４Ｈｚであり、ＱＣＭ品質因子が２．５ｋ（図１１ａ）であった。一方、下面がトルエンに曝されたクリスタルは、ノイズレベルが１０Ｈｚであり、ＱＣＭ品質因子が１．３５ｋ（図１１ｂ）であった。Ｐｚツール測定器を用いた場合のノイズレベルは、それぞれ、１Ｈｚおよび３Ｈｚであった。
【実施例４】
【００８５】
実施例４では、実施例３において説明されたものと同じセンサシステム配置を用いて、ＳＰＲ測定値が生成された。
【００８６】
実施例４において、ＢＳＡ吸着反応について、センサチップ３６の径依存性（ｒａｄｉａｌ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）ＱＣＭ質量感度を調べた。本実施例において、ＢＳＡの吸着実験は、この暴露条件によるＱＣＭが、実際の界面解析に好適に適用することができることを示している。原位置での蛋白質の固定化を実行するために、まず、洗浄直後のＱＣＭクリスタルを１０ｍＭの１１−メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）溶液を用いて１２〜２４時間かけて処理する。ＥＤＣ（Ｎ−（３−ジメチルアミノプロピル）−Ｎ'−エチルカルボジイミド）／ＮＨＳ（Ｎ-ヒドロキシコハク酸イミド）化学を用いて、表面のＣＯＯＨ基を活性化させた後、センサは共有結合によるＢＳＡの付着が可能な状態となる。
【００８７】
厚さ０．１６６ｍｍ、直径１３．６６ｍｍを有する１０ＭＨｚ、ＡＴ−カット型のクォーツ基板１を使用した。４５ｎｍの金および５ｎｍのクロムが基板に蒸着され、電極（２、３）を形成した。電極３は、内径３．５ｍｍを有する開口３２を含んでいた。本明細書中にその全体が参照により組み込まれている、Ｐ．Ｊ．カンプソンおよびＭ．Ｐ．シーア著の「測定科学技術」（１９９０年、第１版、５４４〜５５５ｐｐ）（Ｐ．Ｊ．Ｃｕｍｐｓｏｎ ａｎｄ Ｍ．Ｐ． Ｓｅａｈ， Ｍｅａｓ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．）に記載されているドットインク較正（Ｄｏｔ−ｉｎｋ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）法を用いて、両面に電極２を有するＱＣＭ（Ｐ／Ｐ電極のＱＣＭ）と、電極（２，３）を有するＱＣＭ（Ｐ／Ｒ電極のＱＣＭ）の径依存性質量感度分布を調べた。（注記：Ｐ／Ｐは、プレート／プレートを意味し、プレート電極は開口を含まない中実電極である。Ｐ／Ｒは、プレート／リングを意味し、リング電極は開口を含む電極である。）これらのＱＣＭを用いて、ＢＳＡ吸着反応を観察した。ＢＳＡ吸着観察のための実験装置の構造は、実施例３に記載されている構造と同じであった。１１−メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）を用いて電極２が前処理された後、ＱＣＭは、プレキシグラスブロックの液体セル内に固定され、Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｎａｌｙｚｅｒ（ネットワークアナライザ）に接続された。ＱＣＭの電極２は、ＰＢＳバッファに曝され、ＢＳＡ塗布前に周波数基準が較正された。
【００８８】
図１２は、活性化されたＱＣＭの、上部電極のＰＢＳバッファからのＢＳＡ吸着に対する周波数応答を示す。矢印７０によって示されるＰＢＳ／空気、および矢印７２によって示されるＰＢＳ／トルエンの両方において、ＢＳＡ溶液（ＰＢＳに対して５ｍｇ／ｍＬ）の塗布によって、飽和状態における約１５０Ｈｚの安定した周波数の低下が生じる。これによって、経時的に、界面上の蛋白質分子の蓄積が示される。下面がトルエンに曝されたシステムは、下面が空気に曝されたシステムに比べてノイズレベルが高いが、ＢＳＡ吸着測定において十分な安定度と感度が達成されていることが、図１２よりわかる。
【００８９】
ＱＣＭを適切な有機溶媒に暴露することは、界面解析における振動品質に影響を与えないと結論することが可能である。
【００９０】
図１３は、これらのＱＣＭへの径依存性質量感度を示す。Ｐ／Ｐ電極のベル状の感度分布は、せん断モードの発振において、電極領域の中心部でより大きなエネルギーが捕捉されることを反映している。Ｐ／Ｒ電極のＱＣＭは、複雑な感度分布および全体的に下降した質量感度を有するが、実験によれば、これらのＱＣＭも適正な周波数応答を有する吸着反応の観察に使用可能であることが示されている。
【００９１】
図１４は、矢印７６によって示されるＰ／Ｐ、および矢印７４によって示されるＰ／Ｒからなる電極を有するＱＣＭのＢＳＡ吸着反応に対する周波数応答を示す。飽和周波数の低下は、Ｐ／ＰおよびＰ／ＲのＱＣＭ電極のそれぞれに対して、１４０Ｈｚ／１３０Ｈｚ（洗浄前／洗浄後）、および１２５Ｈｚ／１１０Ｈｚ（洗浄前／洗浄後）である。信号が低下（約１０％）しているものの、周波数応答は同様の傾向を示し、界面結合処理Ｂを良好に反映している。
【実施例５】
【００９２】
実施例５では、ＳＰＲ及びＱＣＭの測定値は、図３に記載したものと同じセンサシステムの配置を用いて得られた。従って、本実施例におけるセンサシステム配置は、図３を参照し、図３と同様の参照番号を用いて説明される。
【００９３】
基板として、金が塗布されたクォーツディスクを用いて、ＳＰＲおよびＱＣＭの同時測定値が得られた。ＡＴＲ（減衰全反射）ＳＰＲ（表面プラズモン共鳴）は、クォーツ基板１の第１の面上の電極２から生成された。ＱＣＭ発振は、例えば、アメリカ合衆国、サンタフェスプリング、マックステック社（Ｍａｘｔｅｃ， Ｉｎｃ．）製のＲＱＣＭ測定器を、電極（２、３）を介して、クォーツ基板１に用いることによって、駆動された。ＱＣＭの周波数応答は、ＲＱＣＭ測定器によっても記録された。
【００９４】
ＡＴＲ ＳＰＲを励起するために、屈折率整合液としての屈折率整合トルエン（１０）がＯ−リング（７）間で封入される。トルエンは、非導電性であり、水と比較して低粘度かつ低密度である。屈折率整合トルエンは、表面プラズモン共鳴を励起させる受動的光結合界面として作用する。
【００９５】
本実施例において、基板１は、厚さ０．２７６ｍｍ、直径２５．４ｍｍの、６ＭＨｚ、ＡＴカット型のクォーツプレートである。５ｎｍのＣｒ（クロム）接着層を有する４５ｎｍの金からなる層がクォーツ基板１に蒸着され、薄膜電極２を形成した。６．３５ｍｍの内径の開口を有する金電極層がクォーツ基板１の逆側の面に蒸着され、薄膜電極３を形成した。
【００９６】
プリズム１１は、電極３に隣接して配置され、屈折率整合トルエン（１０）がＯ−リング７によってプリズム１１と電極３の間に封入された。
【００９７】
アメリカ合衆国、カリフォルニア州、カルズバッドのメルズグリオット（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）社製のｐ−偏光ヘリウム（Ｈｅ）−ネオン（Ｎｅ）レーザ（１４）（６３２．８ｎｍ）が、光源として使用された。レーザ１４からのビーム１５は、プリズム１１に入射する前に、ロックイン（閉込め）増幅器と結合して、機械的に砕断された。金電極２とクォーツ基板１の界面で反射するビームの強度が、光ダイオード検出器によって検出され、「反応速度」測定のための時間関数として記録された。
【００９８】
図１５は、矢印７８によって示される、同時に記録されたＱＣＭ周波数によってプローブされたウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）の吸着、および矢印８０によって示されるＳＰＲ反射率を示す。基準周波数と反射率は、表面１の電極２が、食塩加リン酸緩衝液（ＰＢＳ）バッファに曝されている時に記録された。
【００９９】
安定化後、ＰＢＳバッファに代えて、ＢＳＡ（ＰＢＳ中、５ｇｍ／ｍＬ）が注入された。吸着の終了時に、セルがＰＢＳバッファによって洗浄され、不安定な吸着が除去された。
【０１００】
図１５を参照すると、周波数および反射率はともに経時による金表面の蛋白質分子の堆積／脱着を示していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本開示の実施の形態によるセンサは、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）およびクォーツクリスタルマイクロバランス（ＱＣＭ）の同時検知を行うバイオセンサ（生体感応装置）として使用することができる。実施の形態において、センサは、結合反応の原位置でのラベルフリーな分析に用いることができる。
【０１０２】
本開示の実施の形態によれば、二つの基本的に異なる測定技術を同時に用いることによって、界面現象をモニタすることが可能となる。組み合わされたデバイスによって得られる相補的なＳＰＲおよびＱＣＭの信号は、データ解析に内在するいくつかの前提条件の有効性を検証しつつ、検知技術の強みを利用することができる。
【０１０３】
本開示の実施の形態によるセンサにおいて、ＳＰＲ共鳴は、プリズムを介して、レーザビームをセンサチップの裏面へ入射することに基づいているため、試験対象の溶液中に光を透過させる必要がない。特定の物質の感度領域は、減衰波の延出長さ、即ち、検知する表面側から液体媒体へ透過される電磁波の深さに制限される。このため、特に結合した分析分子に関連する応答に対する非結合の試料分子からの影響は最小とされる。更に、上記したように、ＡＴＲプリズムカプラーに基づいたＳＰＲデバイスの感度は、格子カプラーを用いたＳＰＲセンサに比べて極めて高い。
【０１０４】
本開示の実施の形態によるセンサは、クォーツ基板に結合するための格子構造に依存しないことが理解されよう。これにより、本開示の実施の形態によるＳＰＲ測定は、試液を通るビームの入射に依存しない。従って、本開示の実施の形態においては、解析を受ける試料が光学的に透明である必要はない。
【０１０５】
本開示の実施の形態によるセンサは、格子カプラーよりも低い信号／ノイズ比を有するＳＰＲおよびＱＣＭの信号を生成する。
【０１０６】
電極（３０、３０’、３０’’、３０’’’、３０＾、３０＾＾）の開口を利用する本開示の実施の形態によるセンサは、光を基板に直接通過させる。これにより、本開示の実施の形態によるセンサは、必ずしも、レーザ光を透過させるために透明のインジウム酸化錫（ＩＴＯ）電極を使用することを必要としない。光の波長を６３２．８ｎｍとしてＩＴＯ膜を用いた場合、クォーツクリスタルおよびスパッタリング蒸着されたＩＴＯ薄膜のそれぞれの屈折率は、１．５４および１．９５である。ＩＴＯ膜は極薄（約１００ｎｍ）であるが、屈折率の不整合によって生じる屈折は顕著であり、これによって、信号／ノイズ比の低下がもたらされる。
【０１０７】
本開示の一つの実施の形態によれば、クォーツ基板は、一つの面に面状の金電極が塗布され、他の面に開口を含む電極が塗布される。窓が設けられた電極からレーザビームがクォーツ基板に入射し、表面プラズモン共鳴が励起される面状の金電極に到達する。
【０１０８】
以上の開示内容を読んでいただけた後には、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいて、本発明の他のさまざまな変更や適応が実行可能であることが当業者に明確となるであろう。更に、このような変更や適応は、全て、添付クレームの請求の範囲内において行われることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１Ａ】ＱＣＭおよびＳＰＲを同時に組み合わせることが可能なセンサチップを示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａのセンサチップを示す平面図である。
【図１Ｃ】図１Ａのセンサチップを示す底面図である。
【図２】ＳＰＲを解析するためのクレッチェマン配置によるＡＴＲ光学的結合の構成を示す略図である。
【図３】図１のセンサチップを利用して、ＱＣＭおよびＳＰＲの解析技術を実行するためのセンサ装置を示す断面図である。
【図４Ａ】ＡＴＲ光学的結合によるＳＰＲ配置を示す断面図である。
【図４Ｂ】ＡＴＲ光学的結合によるＳＰＲ配置を示す断面図である。
【図４Ｃ】ＡＴＲ光学的結合によるＳＰＲ配置を示す断面図である。
【図４Ｄ】ＡＴＲ光学的結合によるＳＰＲ配置を示す断面図である。
【図５Ａ】ＱＣＭおよびＳＰＲを同時に組み合わせることが可能であるセンサチップの他の実施の形態を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａのセンサチップを示す平面図である。
【図５Ｃ】図５Ａの構成のセンサチップを用いた、クレッチェマン配置のＡＴＲ光学的結合による構成の他の実施の形態を示す断面図である。
【図６Ａ】図５Ａのセンサチップ構成を用いた、使い捨て可能なクレッチェマン配置のＡＴＲ光学的結合による構成の他の実施の形態を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａのセンサチップおよびクレッチェマン配置のＡＴＲ光学的結合による構成を示す平面図である。
【図７】図１のセンサチップを用いた、ＱＣＭおよびＳＰＲ解析技術を実行するためのセンサ装置の他の実施の形態を示す断面図である。
【図８】ＱＣＭおよびＳＰＲ解析の複数モードの測定を実行するためのセンサ装置の他の実施の形態を示す断面図である。
【図９Ａ】クォーツ基板に設けられた金属電極の配列を開示する他の実施の形態を示す断面図である。
【図９Ｂ】クォーツ基板の上面に設けられた金属電極の配列を示す平面図である。
【図９Ｃ】開口を内部に有し、クォーツ基板の底面に設けられている金属電極の配列を示す底面図である。
【図１０Ａ】屈折率整合のためにトルエンを用いた場合に、図１のセンサチップから得られた角度走査曲線を示す図である。
【図１０ｂ】屈折率整合のために、トルエン、スチレン、およびベンジルアルコールのそれぞれを用いた場合に、図１のセンサチップから得られた３つの角走査曲線を示す図である。
【図１０ｃ】Ａｕｔｏｌａｂ（オートラブ）ＳＰＲ測定器によって測定されたＳＰＲ安定度を示す図である。
【図１１Ａ】クォーツクリスタルの下面が空気に曝された時のＱＣＭの周波数及び動抵抗の同時応答を示すグラフである。
【図１１Ｂ】クォーツクリスタルの下面がトルエンに曝された時のＱＣＭの周波数及び動抵抗の同時応答を示すグラフである。
【図１２】上部電極のＰＢＳバッファからのＢＳＡ吸着に対する活性化されたＱＣＭの周波数応答を示すグラフである。
【図１３】ＱＣＭに対する径依存性質量感度を示すグラフである。
【図１４】Ｐ／ＰおよびＰ／Ｒ電極のＱＣＭ周波数のＢＳＡ吸着反応に対する反応を示すグラフである。
【図１５】図３のセンサ装置のＳＰＲとＱＣＭの同時信号の周波数応答を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるセンサチップアセンブリであって、
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、
前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極と、
前記基板の前記第２の表面に、ビームが前記基板の前記第２の表面を透過して、前記第１の薄膜金属電極から反射可能となるように設けられた第２の薄膜金属電極と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接して配置された減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含む、
センサチップアセンブリ。
【請求項２】
前記ＡＴＲカプラーと前記基板の屈折率を実質的に整合させるように、前記ＡＴＲカプラーと前記第２の薄膜金属電極の間に配置された光結合媒体を含む、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項３】
前記第２の薄膜金属電極が、ビームを通過させる開口を含む、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項４】
前記第２の薄膜金属電極の開口が、複数のビームを通過させるのに十分な大きさを有する、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項５】
複数の第１もしくは第２の薄膜金属電極、またはその両方の薄膜金属電極が、前記基板に配置されている、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項６】
前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極が互いに電気的に結合されている、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項７】
前記光結合媒体の屈折率が、１．５０〜１．６０、１．５１〜１．５９、１．５２〜１．５８、１．５２〜１．５７、１．５２〜１．５６、１．５２〜１．５５、および１．５３〜１．５５からなる群より選択される範囲にある、請求項２に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項８】
前記ＡＴＲカプラーと前記第２の薄膜金属電極との間に配置される透明ブロックを含み、該透明ブロックが、前記光結合媒体をその中に入れるための空洞（キャビティ）を有する、請求項２に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項９】
前記ＡＴＲカプラーはクレッチェマン配置におけるプリズムである、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項１０】
前記プリズムが、略半球形、略矩形、略正方形、及び略円筒形からなる群より選択される形状を有する、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項１１】
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、
前記基板の前記第１の表面に設けられるとともに試料が戴置される第１の薄膜金属電極、および前記基板の前記第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極であって、両電極が、前記基板を共鳴させるべく、一つ以上の選択された周波数で電界を発振させる発振回路に結合可能である、前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接して配置され、励起時に表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させるために、複数の入射角で、光源から前記第１の薄膜金属電極にかけて、ビームを光学的に結合可能な減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含むセンサ。
【請求項１２】
前記ＡＴＲカプラーと前記第２の薄膜金属電極との間に、前記ＡＴＲカプラーと前記基板の屈折率を実質的に整合させるために配置された光結合媒体を更に含む、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
センサを用いた表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量分析検知方法であって、
前記センサが、
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極および前記基板の前記第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極と、前記第２の薄膜金属電極に隣接する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーとを含み、
前記方法が、
前記第１の薄膜金属電極上に試料を配置し、
前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極を介して、一つ以上の選択された周波数で電界を発振させ、これによって前記基板を共鳴させ、
前記第１の薄膜金属電極から、ビームを複数の入射角で反射させて、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させる、
ことを含む、方法。
【請求項１４】
前記ＡＴＲカプラーと前記基板の屈折率を実質的に整合させるために、前記ＡＴＲカプラーと前記第２の薄膜金属電極の間に光結合媒体を介在させることを更に含む、請求項１３に記載の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量分析検知方法。
【請求項１５】
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるアセンブリを作製する方法であって、
透明圧電基板の第１の表面に第１の薄膜金属電極を蒸着させ、
ビームが前記基板の前記第２の表面を透過して前記第１の薄膜金属電極から反射することが可能であるように、前記基板の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に第２の薄膜金属電極を蒸着させ、
前記第２の薄膜金属電極に隣接するように減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーを取り付ける、
ことを含む方法。
【請求項１６】
該減衰全反射カプラーと前記基板の屈折率を実質的に整合させるために、前記減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと前記第２の薄膜金属電極との間に光結合媒体を封入することを更に含む、請求項１５に記載のアセンブリ作製方法。
【請求項１７】
生物学的、生化学的または化学的な試料について表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量の検知を実施することが可能なセンサシステムであって、
該センサシステムが、
前記試料を収容するためのチャンバを有するハウジングと、
第１の表面および該第１の表面に対向する第２の表面を有する透明圧電透明基板と、
クォーツ基板の第１の表面に配置されるとともに前記チャンバと流体連通している第１の薄膜金属電極と、
前記クォーツ基板の第２の表面に配置された第２の薄膜金属電極と、
前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極に結合されて、前記基板が共鳴周波数で共鳴するように、一つ以上の選択された周波数で、電界を発振させるための発振回路と、
前記共鳴周波数を検出して、重量信号を検出できるようにする共鳴周波数検出器と、
複数の入射角でビームを生成する光源と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接して配置され、内部反射ビームが表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させる入射角で前記第１の薄膜金属電極から反射されるように、前記光源に光学的に結合する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
前記内部反射ビームを受けるとともに、前記試料と前記第１の薄膜金属電極との間の反応に依存するＳＰＲの性質を検出するための検出器と、
を含む、センサシステム。
【請求項１８】
前記ＡＴＲカプラーと前記基板の屈折率を実質的に整合させるために、前記ＡＴＲカプラーと前記第２の薄膜金属電極との間に光結合媒体を更に含む、請求項１７に記載のセンサシステム。
【請求項１９】
前記第２の薄膜金属電極がビームを通過させる開口を含む、請求項１７に記載のセンサシステム。
【請求項２０】
複数の第１あるいは第２の薄膜金属電極または両薄膜金属電極が前記基板に配置される、請求項１７に記載のセンサ。
【請求項２１】
センサを用いて、試液の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知するための方法であって、
前記センサが、
第１の表面および該第１の表面に対向する第２の表面を有する透明圧電基板と、前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極および前記基板の前記第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極と、前記第２の薄膜金属電極に隣接する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含み、
前記方法が、
（ａ）前記試液を前記第１の薄膜金属電極上に設置し、
（ｂ）前記第１の薄膜金属電極から光を反射させるために、前記ＡＴＲカプラーを介してビームを透過させ、
（ｃ）前記反射光の強度を検出してＳＰＲを検出し、
（ｄ）前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極を介して電界を印加し、
（ｅ）前記電界の共鳴周波数を測定する、
ことを含む、方法。
【請求項１】
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるセンサチップアセンブリであって、
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、
前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極と、
前記基板の前記第２の表面に、ビームが前記基板の前記第２の表面を透過して、前記第１の薄膜金属電極から反射可能となるように設けられた第２の薄膜金属電極と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接して配置された減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含む、
センサチップアセンブリ。
【請求項２】
前記ＡＴＲカプラーと前記基板の屈折率を実質的に整合させるように、前記ＡＴＲカプラーと前記第２の薄膜金属電極の間に配置された光結合媒体を含む、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項３】
前記第２の薄膜金属電極が、ビームを通過させる開口を含む、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項４】
前記第２の薄膜金属電極の開口が、複数のビームを通過させるのに十分な大きさを有する、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項５】
複数の第１もしくは第２の薄膜金属電極、またはその両方の薄膜金属電極が、前記基板に配置されている、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項６】
前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極が互いに電気的に結合されている、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項７】
前記光結合媒体の屈折率が、１．５０〜１．６０、１．５１〜１．５９、１．５２〜１．５８、１．５２〜１．５７、１．５２〜１．５６、１．５２〜１．５５、および１．５３〜１．５５からなる群より選択される範囲にある、請求項２に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項８】
前記ＡＴＲカプラーと前記第２の薄膜金属電極との間に配置される透明ブロックを含み、該透明ブロックが、前記光結合媒体をその中に入れるための空洞（キャビティ）を有する、請求項２に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項９】
前記ＡＴＲカプラーはクレッチェマン配置におけるプリズムである、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項１０】
前記プリズムが、略半球形、略矩形、略正方形、及び略円筒形からなる群より選択される形状を有する、請求項１に記載のセンサチップアセンブリ。
【請求項１１】
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、
前記基板の前記第１の表面に設けられるとともに試料が戴置される第１の薄膜金属電極、および前記基板の前記第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極であって、両電極が、前記基板を共鳴させるべく、一つ以上の選択された周波数で電界を発振させる発振回路に結合可能である、前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接して配置され、励起時に表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させるために、複数の入射角で、光源から前記第１の薄膜金属電極にかけて、ビームを光学的に結合可能な減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含むセンサ。
【請求項１２】
前記ＡＴＲカプラーと前記第２の薄膜金属電極との間に、前記ＡＴＲカプラーと前記基板の屈折率を実質的に整合させるために配置された光結合媒体を更に含む、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
センサを用いた表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量分析検知方法であって、
前記センサが、
第１の表面および該第１の表面の反対側に設けられた第２の表面を有する透明圧電基板と、前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極および前記基板の前記第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極と、前記第２の薄膜金属電極に隣接する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーとを含み、
前記方法が、
前記第１の薄膜金属電極上に試料を配置し、
前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極を介して、一つ以上の選択された周波数で電界を発振させ、これによって前記基板を共鳴させ、
前記第１の薄膜金属電極から、ビームを複数の入射角で反射させて、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させる、
ことを含む、方法。
【請求項１４】
前記ＡＴＲカプラーと前記基板の屈折率を実質的に整合させるために、前記ＡＴＲカプラーと前記第２の薄膜金属電極の間に光結合媒体を介在させることを更に含む、請求項１３に記載の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量分析検知方法。
【請求項１５】
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知することが可能であるセンサに使用されるアセンブリを作製する方法であって、
透明圧電基板の第１の表面に第１の薄膜金属電極を蒸着させ、
ビームが前記基板の前記第２の表面を透過して前記第１の薄膜金属電極から反射することが可能であるように、前記基板の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に第２の薄膜金属電極を蒸着させ、
前記第２の薄膜金属電極に隣接するように減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーを取り付ける、
ことを含む方法。
【請求項１６】
該減衰全反射カプラーと前記基板の屈折率を実質的に整合させるために、前記減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと前記第２の薄膜金属電極との間に光結合媒体を封入することを更に含む、請求項１５に記載のアセンブリ作製方法。
【請求項１７】
生物学的、生化学的または化学的な試料について表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量の検知を実施することが可能なセンサシステムであって、
該センサシステムが、
前記試料を収容するためのチャンバを有するハウジングと、
第１の表面および該第１の表面に対向する第２の表面を有する透明圧電透明基板と、
クォーツ基板の第１の表面に配置されるとともに前記チャンバと流体連通している第１の薄膜金属電極と、
前記クォーツ基板の第２の表面に配置された第２の薄膜金属電極と、
前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極に結合されて、前記基板が共鳴周波数で共鳴するように、一つ以上の選択された周波数で、電界を発振させるための発振回路と、
前記共鳴周波数を検出して、重量信号を検出できるようにする共鳴周波数検出器と、
複数の入射角でビームを生成する光源と、
前記第２の薄膜金属電極に隣接して配置され、内部反射ビームが表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させる入射角で前記第１の薄膜金属電極から反射されるように、前記光源に光学的に結合する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
前記内部反射ビームを受けるとともに、前記試料と前記第１の薄膜金属電極との間の反応に依存するＳＰＲの性質を検出するための検出器と、
を含む、センサシステム。
【請求項１８】
前記ＡＴＲカプラーと前記基板の屈折率を実質的に整合させるために、前記ＡＴＲカプラーと前記第２の薄膜金属電極との間に光結合媒体を更に含む、請求項１７に記載のセンサシステム。
【請求項１９】
前記第２の薄膜金属電極がビームを通過させる開口を含む、請求項１７に記載のセンサシステム。
【請求項２０】
複数の第１あるいは第２の薄膜金属電極または両薄膜金属電極が前記基板に配置される、請求項１７に記載のセンサ。
【請求項２１】
センサを用いて、試液の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）および重量を検知するための方法であって、
前記センサが、
第１の表面および該第１の表面に対向する第２の表面を有する透明圧電基板と、前記基板の前記第１の表面に設けられた第１の薄膜金属電極および前記基板の前記第２の表面に設けられた第２の薄膜金属電極と、前記第２の薄膜金属電極に隣接する減衰全反射（ＡＴＲ）カプラーと、
を含み、
前記方法が、
（ａ）前記試液を前記第１の薄膜金属電極上に設置し、
（ｂ）前記第１の薄膜金属電極から光を反射させるために、前記ＡＴＲカプラーを介してビームを透過させ、
（ｃ）前記反射光の強度を検出してＳＰＲを検出し、
（ｄ）前記第１の薄膜金属電極および前記第２の薄膜金属電極を介して電界を印加し、
（ｅ）前記電界の共鳴周波数を測定する、
ことを含む、方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１０ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１０ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公表番号】特表２００８−５１３７７２（Ｐ２００８−５１３７７２Ａ）
【公表日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５３２２９２（Ｐ２００７−５３２２９２）
【出願日】平成１６年９月１５日（２００４．９．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＧ２００４／０００２９６
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０３１１９８
【国際公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【出願人】（５０４０５６５１０）エイジェンシー フォー サイエンス， テクノロジー アンド リサーチ (12)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＥＮＣＹ ＦＯＲ ＳＣＩＥＮＣＥ，ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
【出願人】（５００４４９３６３）マックス−プランク−ゲゼルシャフト ツール フェルデルンク デル ヴィッセンシャフテン エー．ファウ． (5)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１５日（２００４．９．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＧ２００４／０００２９６
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０３１１９８
【国際公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【出願人】（５０４０５６５１０）エイジェンシー フォー サイエンス， テクノロジー アンド リサーチ (12)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＥＮＣＹ ＦＯＲ ＳＣＩＥＮＣＥ，ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
【出願人】（５００４４９３６３）マックス−プランク−ゲゼルシャフト ツール フェルデルンク デル ヴィッセンシャフテン エー．ファウ． (5)
【Ｆターム（参考）】
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