計測装置、光学プローブ、これらを備えた計測制御システム、及び光学プローブを用いた計測方法
【課題】反応ウェル内の流路を微小化せずに計測光の溶液内透過距離を安定可能な計測装置を提供する。
【解決手段】計測装置３００は、液体６０１を収容可能な収容手段２０９、標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子２１０、及び光源３２０からの光束を素子へ照射する光学プローブ１００を有する。計測装置は、光透過部１０１の端面１０２を透過して素子を透過した光束を受光し、光束のスペクトルピーク値から標的物質量を検出する検出手段３１０を有する。光透過部の周縁の光偏向部１０３、１０４、１０５は、光束を中心軸の方向へ偏向させる出射面１０９と、この光束が素子表面で反射され入射する入射面１１０とを含む先端領域１０８を有する。先端領域は液体中に配置され、入射面に入射した光束の位置及び幅から端面と表面間の距離を計測する計測手段３０５を計測装置は有し、計測手段による計測と検出手段による検出とは切り替えできる。
【解決手段】計測装置３００は、液体６０１を収容可能な収容手段２０９、標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子２１０、及び光源３２０からの光束を素子へ照射する光学プローブ１００を有する。計測装置は、光透過部１０１の端面１０２を透過して素子を透過した光束を受光し、光束のスペクトルピーク値から標的物質量を検出する検出手段３１０を有する。光透過部の周縁の光偏向部１０３、１０４、１０５は、光束を中心軸の方向へ偏向させる出射面１０９と、この光束が素子表面で反射され入射する入射面１１０とを含む先端領域１０８を有する。先端領域は液体中に配置され、入射面に入射した光束の位置及び幅から端面と表面間の距離を計測する計測手段３０５を計測装置は有し、計測手段による計測と検出手段による検出とは切り替えできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置、光学プローブ、これらを備えた計測制御システム、及び光学プローブを用いた計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、健康問題や環境問題、更には安全性の問題に対する意識の高まりとともに、これらの問題に関与する生物学的物質、化学的物質の微量検出法が望まれるようになってきている。この計測法として、検出対象物質である標的物質を含む液状の検体と試薬又はバイオセンサ素子との相互作用に起因する光学的特性の変化を計測するものが数多く提案されている。
【０００３】
後者のバイオセンサ素子による相互作用の計測については、近年、プラズモン共鳴を原理とする計測法が数多く提案されている。このプラズモン共鳴を原理とする計測法の中でも、金属微粒子で構成された表面層を検体と接触させて検体中の標的物質を検知し、その含有量を計測するという、局在表面プラズモン共鳴を原理とした計測法がある。
【０００４】
局在表面プラズモンとは、複数の自由電子が金属微粒子の表面に局在しているとともに、特定の振動数を有する電子密度波として一粒子のように運動する準粒子のことを指している。局在表面プラズモンが外部から照射される特定波長域の電磁波に共鳴するという物理現象が、局在表面プラズモン共鳴である。
【０００５】
局在表面プラズモン共鳴を利用した計測法とは概ね以下のようなものである。つまり、金属微粒子の局在表面プラズモンの共鳴に伴い、検体中の標的物質は電磁波（特に赤外線）を吸収する。更に、赤外線領域の波長に対する赤外線吸収スペクトルのピーク位置が、金属微粒子周辺の媒質の誘電率により変化する。そして、赤外線吸収スペクトルのこのピーク位置変化を光学プローブで検知し、標的物質の含有量を計測するという計測法である。実際の計測に際しては、バイオセンサ素子の基板上に標的物質の捕捉能を有している金属微粒子を固定しておく。このようにセットされたバイオセンサ素子を透過した光のスペクトルを測るだけで、金属微粒子表面上の標的物質の付着数量を知ることができる。すなわち、この計測法は、特定の標識体を用いるなどの煩雑な操作なく計測を行うことができるという特徴を有している。
【０００６】
局在表面プラズモン共鳴を用いた計測法は、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１で開示される計測法は、バイオセンサ素子に対して光を照射し、素子の基板表面に固定された金属微粒子を透過した光の吸光度を測定することにより、金属微粒子表面の近傍に在る媒質の屈折率を検出するものである。これによって、金属微粒子への標的物質の吸着や堆積が検出可能となっている。
【０００７】
また、標的物質の赤外線吸収スペクトルを計測する方法の一例が特許文献２に開示されている。特許文献２で開示される計測法は、主に血中のブドウ糖濃度を測定するためのバイオセンサ素子に関するものである。更に、この計測法は、標的物質のブドウ糖以外の物質（水、アラニン、アルブミン、ヘモグロビンなど）による赤外線吸収の影響を排除することを目的としている。この目的を達するために、当該計測法は、血液サンプルについて赤外線吸収度のベースラインを有する赤外線吸収スペクトルを提供するステップを包含する。また、このベースラインが選択した吸収波長範囲内で選択された赤外線吸収度とほぼ同等となるように、赤外線吸収スペクトルをシフトさせるステップを包含する。更に、赤外線吸収スペクトルから標的物質以外の物質の寄与を減算して、この寄与が実質的に含まれない補正済赤外線吸収スペクトルを提供するステップも包含する。
【特許文献１】特許第３４５２８３７号公報
【特許文献２】特表第２００５−５１７９２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に開示された方法をバイオセンサ素子を用いた、検体中の標的物質検出に具現化しようとした場合、標的物質の捕捉（つまり、反応）の前後において光物性の変化を感度よく検知して標的物質量を計測する必要が生じる光物性の変化は、バイオセンサ素子の表面と光学プローブの先端との間にある溶液の検出光の透過距離に依存してしまう。この依存関係を絶つには、毎回の計測の際、バイオセンサ素子の表面と光学プローブの先端との間の間隔を一定に保つことが必要となる。更に、一般的にバイオセンサ素子に固定された捕捉能を有する捕捉体は生物由来の物質であるため、捕捉体を備えたバイオセンサ素子は計測時でも溶液中にあることが望ましい。そのため、通常の反応ウェル構成のバイオセンサ素子に導入する検体量を制御する標的物質量検出の場合、空気中に配置された光学プローブと、溶液中に配置されたバイオセンサ素子とを用いて計測が行われる。この計測の際、溶液面が表面張力の影響で湾曲した形状であることにより、常に液面を安定させることは実質上、困難である。そのため、毎回の計測の際、前述のようにバイオセンサ素子の表面と光学プローブの先端との間の間隔を一定に保っていても、空気中の光学プローブから出射し溶液中のバイオセンサ素子へ向かう計測光は、湾曲形状の液面の影響を受けてしまう。そのため、計測光がバイオセンサ素子に達した後、バイオセンサ素子の表面で反射して光学プローブへ戻ってくる透過距離は計測毎に不安定なものとなってしまう。
【０００９】
一方、捕捉体を備えたバイオセンサ素子が計測時でも溶液中にあることが望ましい点に関し、次のような問題がある。それは、計測時の溶液の持つ光学特性に関するものであって、反応前後で溶液の光学特性に差異がある場合、赤外線吸収スペクトルに関する正しい定量データが取得できなくなってしまう。溶液自体の光学特性については、計測毎に同一溶液を導入することにより解決可能である。しかしながら、この解決策に関しては、計測前後での計測光が溶液を透過する距離の安定性、制御について未解決の問題となっている。
【００１０】
また、溶液内の計測光の透過距離を安定させることのできる別の技術として、反応ウェル内の流路を微小化するという方策もあるが、この微小化に伴って反応ウェルの作製コストが高くなってしまう。更に、この方策に関しては、標的物質である生体分子にダメージ無く反応ウェル内の流路を封止する技術に課題が残されている。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、反応ウェル内の流路を微小化せずに計測光の溶液内透過距離を安定可能な計測装置、光学プローブ、これらを備えた計測制御システム、及び光学プローブを用いた計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様の計測装置は、光源と、標的物質を含有する液体を収容可能な収容手段と、収容手段内に配され、標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子と、光源から発せられた光束をバイオセンサ素子に向かって照射する光学プローブであって、光束を光学プローブの中心軸に沿う方向に透過させる端面を備えた光透過部を有する光学プローブと、光透過部を透過し、バイオセンサ素子を透過した光束を受光し、光束のスペクトルのピーク値から標的物質の量を検出する検出手段と、を有し、光学プローブは、光透過部の周縁に設けられた光偏向部を有し、光偏向部は、光束を中心軸の方向へ偏向させる出射面と、出射面から出た光束がバイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を有し、先端領域は、液体中に配置されるようにされており、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測する計測手段を有し、計測手段による計測と検出手段による検出とは切り替え可能である。
【００１３】
本発明の一態様の計測制御システムは、上述の計測装置を備えている。
【００１４】
本発明の一態様の光学プローブは、光源から発せられた光束を、収容手段内に配され、収容手段内の液体中に含まれる標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子に向かって照射する光学プローブであって、光束を光学プローブの中心軸に沿う方向に透過させる端面を備えた光透過部と、光透過部の周縁に設けられた光偏向部であって、光束を中心軸の方向へ偏向させる出射面と、出射面から出た光束がバイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を備えた光偏向部と、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測し、検出手段による検出と切り替え可能な計測手段と、を有し、先端領域は、液体中に配置されるようにされている。
【００１５】
本発明の一態様の計測制御システムは、上述の光学プローブを備えている。
【００１６】
本発明の一態様の光学プローブを用いた計測方法は、光源から発せられた光束を透過させる端面を備えた光透過部と、光透過部の周縁に設けられた光偏向部と、を有する光学プローブであって、光偏向部は、光束を光学プローブの中心軸の方向へ偏向させる出射面と、出射面から出た光束がバイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を備え、先端領域はバイオセンサ素子が配置された収容手段内に収容可能な液体中に配置されるようにされている、光学プローブを用いた計測方法であって、光学プローブを介して、光源から発せられた光束を収容手段内の液体中に含まれる標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子に向かって照射するステップと、光透過部を透過し、バイオセンサ素子を透過した光束を受光し、光束のスペクトルのピーク値から標的物質の量を検出するステップと、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測するステップと、を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、収容手段である反応ウェルに着目して従来技術の課題の解決を図るのではなく、すなわち、反応ウェルの流路を微小化するといった方策を考慮するのではなく、光学プローブに着目して課題の解決が図られた。すなわち、本発明に係る光学プローブは、光束を透過する端面を備えた光透過部の周縁に設けられた光偏向部を有し、光偏向部は、光束を中心軸の方向へ偏向させる出射面と、出射面から出た光束がバイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を有する。この先端領域は、液体中に配置されるようにされている。更に、本発明に係る計測装置は、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測する計測手段を有し、計測手段による計測と検出手段による検出とは切り替え可能である。
【００１８】
これにより、液体中に計測光の出射面及び入射面を含む先端領域が配置された光学プローブから出射してバイオセンサ素子へ向かう計測光は、液面の影響を受けることがない。よって、従来の計測装置において問題であった、空気中の光学プローブから出射し溶液中のバイオセンサ素子へ向かう計測光が湾曲形状の液面の影響を受けてしまう現象を回避できる。そのため、液体内の計測光の透過距離を安定可能となる。更に、液体内に配された光学プローブの先端領域に設けられた光偏向部の存在により、光偏向部から出射した計測光は、バイオセンサ素子の表面で反射されて再び光学プローブに入射することになる。入射するこの光束の位置及び幅は、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測する計測手段によって計測され、この距離が一定であるように制御される。よって、液体内の計測光の透過距離を安定可能となる。
【００１９】
これにより、反応ウェル内の流路の微小化が必要ないことで、反応ウェルの作製コストの増大を抑制することができ、更に標的物質である生体分子にダメージ無く反応ウェル内の流路を封止する技術を考慮する必要もなくなる。
【００２０】
従って、反応ウェル内の流路を微小化せずに計測光の溶液内透過距離を安定可能な計測装置、光学プローブ、これらを備えた計測制御システム、及び光学プローブを用いた計測方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１及び２に本発明の第１の実施形態に係る計測装置の光学系の構成を示す。図１はバイオセンサ素子２１０と光学プローブとの間の距離計測時の計測装置の光学系であり、図２は標的物質量検出時の計測装置の光学系である。図３に本発明の第１の実施形態に係る光学プローブの立面図、下面図、及び側面図を示す。図４に本発明の第１の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図を示す。
【００２２】
計測装置３００は、光学プローブ１００と、反応ウェル２０９と、バイオセンサ素子２１０と、光学プローブチャック３０１と、アパチャーセレクタ３０２と、アパチャー３０４と、フォトダイオードアレイ３０５と、直角プリズム３０６と、光源側コリメートレンズ３０７と、受光側コリメートレンズ３０８と、光源側導光ファイバ３０９と、受光側導光ファイバ３１０と、光源３２０と、バッファ溶液または検体溶液６０１とで構成されている。
【００２３】
本実施形態の光学プローブ１００は、その先端領域１０８に光屈折部１０３の一部を構成する平面状の縁が設けられている形態である。先端領域１０８は、収容手段である反応ウェル２０９内に収容可能なバッファ溶液または検体溶液６０１内に配置されている。なお、本発明の各実施形態に係る光学プローブの素材としては、計測波長及び距離計測波長において、透明かつ成形可能な材料であればよく、誘電体で一体成型されているのが好ましい。誘電体の例として各種の光学ガラスや透明樹脂が利用可能である。ただし、安価に作製可能な、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル樹脂がより好ましく適用できる。
【００２４】
更に、光学プローブ１００は、光透過部１０１と光屈折部１０３とで構成されている。光透過部１０１は、光学プローブ１００の中心軸１０７に沿って円筒状に延びている。光透過部１０１の形状に関しては、円筒状に限らず多角柱状、多角錐状、又は円錐状であってもよい。更に、光透過部１０１は、光学プローブ１００の中心軸１０７に沿う形状を呈していることで光源３２０からの光束の一部を中心軸１０７に沿う方向に透過させる機能を有する（図２参照）。
【００２５】
このような光透過部１０１の構成により、図２に示す標的物質量検出時においては、光源３２０から発せられた光束は、光源側導光ファイバ３０９を通過して光源側コリメートレンズ３０７により平行光となる。この平行光はアパチャー３０４の開口部を通過して検出光２０３となって光学プローブチャック３０１により固定保持された光学プローブ１００に導かれる。なお、光学プローブ１００の保持機構である光学プローブチャック３０１は、光学プローブ１００の中心軸１０７がぶれることなく保持できれば特に構成上の制約はない。検出光２０３は光学プローブ１００の中心軸１０７と略平行に光学プローブ１００の光透過部１０１に入射する。光透過部１０１を透過した光束は、光学プローブ１００の先端領域１０８の一部を構成する端面１０２から出射してバイオセンサ素子２１０に入射する。この入射光は、バイオセンサ素子基板２０４とセンサ素子部２０５とで構成されたバイオセンサ素子２１０を透過する。そして、透過光は、受光側コリメートレンズ３０８により絞られ、受光側導光ファイバ３１０に導かれる。受光側導光ファイバ３１０は、検出手段として機能し、受光した光束のスペクトルのピーク値から標的物質の量を検出する。
【００２６】
光屈折部１０３は、光透過部１０１の周縁に光学プローブ１００の中心軸１０７に沿って円環状に延びている。更に、光屈折部１０３は、光学プローブ１００の先端領域１０８の一部を構成する平面状の出射面１０９及び入射面１１０を有する。出射面１０９及び入射面１１０は、光偏向手段として機能するように中心軸１０７に対して対称的な位置に中心軸１０７と相対的にある角度を為して端面１０２の周縁領域に設けられている。なお、図３に示す光屈折部１０３は、それぞれ１つの平面で構成された出射面１０９及び入射面１１０を備えている形態であるが、この数に限定されるものではない。すなわち、出射面１０９及び入射面１１０が光学プローブ１００の中心軸１０７に対して対称的に配置されている構成であれば、出射面１０９及び入射面１１０の各々は端面１０２の周縁領域に互いに所定の間隔で複数個設けられていてもよい。
【００２７】
このような光屈折部１０３の構成により、図１に示すバイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離計測時（上述の標的物質量検出時の光学系との差異は、アパチャー３０３が距離計測時の形態に変更されている点だけである。）においては、光源３２０から発せられた光束は、光源側導光ファイバ３０９を通過して光源側コリメートレンズ３０７により平行光となる。この平行光はアパチャー３０４の開口部を通過して計測光２０１となって光学プローブチャック３０１により固定保持された光学プローブ１００に導かれる。これにより、計測光２０１は光学プローブ１００の中心軸１０７と略平行に光学プローブ１００の光屈折部１０３に入射する。光屈折部１０３に入射した光束は、出射面１０９からバイオセンサ素子２１０へ向かって出射する際、中心軸１０７の方向へ屈折（偏向）する。この屈折光は、バイオセンサ素子２１０のバイオセンサ素子基板２０４の表面で反射される。なお、バイオセンサ素子２１０の表面での反射は乱反射の形態を含まない。以降の各実施形態におけるバイオセンサ素子２１０の表面での反射も同様に解するものとする。そして、反射光は、光屈折部１０３の入射面１１０に入射して中心軸１０７の方向に屈折（偏向）する。その後、屈折光は、光学プローブ１００の中心軸１０７に平行な平行光である戻り光２０２となる。戻り光２０２は、直角プリズム３０６により９０°偏向され、フォトダイオードアレイ３０５に入射する。フォトダイオードアレイ３０５は、標的物質量検出時の検出手段である受光側導光ファイバ３１０と切り替え可能な距離計測時の計測手段である。更に、フォトダイオードアレイ３０５は、光学プローブ１００の入射面１１０に入射した光束の位置及び幅から、入射面１１０とバイオセンサ素子２１０の表面との間の距離を計測する。ここで、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離が変化した場合には、バイオセンサ素子２１０で反射した戻り光２０２の位置が、光学プローブ１００が移動する方向と交差する横方向に変化する。戻り光２０２のこの位置を計測することにより、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離を制御することができる。
【００２８】
次に、図５〜９を用いて本発明を実施する際に用いるバイオセンサ素子２１０について詳細に説明する。図５は本発明に使用可能なバイオセンサ素子２１０の一実施形態を示す概念図である。バイオセンサ素子２１０は、バイオセンサ素子基板２０４とセンサ素子部２０５とで構成されている。
【００２９】
バイオセンサ素子基板２０４は、透過系で計測する場合には光学的に透明であり、生体試料に対する耐腐食性に課題がなければ特に制約はない。反射系で計測する場合には光学的に不透明であり、生体試料に対する耐腐食性に課題がなければ特に制約はない。センサ素子部２０５は、計測対象の標的物質の有無によって光物性が変化する。
【００３０】
図６は、本発明に使用可能なバイオセンサ素子２１０の別実施形態を示す概念図である。バイオセンサ素子基板２０４及びセンサ素子部２０５の構成は上述の実施形態と同様であるが、反応ウェル２０９をウェル形成部材２０８により形成している点が上述の実施形態とは異なる。本実施形態のバイオセンサ素子２１０では、ある程度大きな容積の検体溶液やバッファ溶液６０１を保持することができるように構成されている。
【００３１】
次に、センサ素子部２０５の詳細を図７〜９を用いて説明する。図７は、金属微粒子を用いた局在表面プラズモン共鳴センサの例の断面を示す概念図である。バイオセンサ素子２１０は、バイオセンサ素子基板２０４とセンサ素子部２０５とで構成されている。センサ素子部２０５は、金属微粒子２０６と捕捉体２０７とを有している。
【００３２】
金属微粒子２０６はバイオセンサ素子基板２０４上に配されている。金属微粒子２０６は表面プラズモン共鳴を起こす金属種であれば特に制約はないが、金又は銀が好適である。
【００３３】
捕捉体２０７は金属微粒子２０６上に設けられ標的物質を特異的に捕捉する。図７では、捕捉体２０７は抗体の形態で図示しているが、これに限定されるものではない。このセンサに利用可能な捕捉体には、標的物質に対して特異的な結合対を形成する任意の物質を適用できる。好適な標的物質と特異的な結合対との組み合わせには、抗原／抗体、相補的ＤＮＡ、リセプター／リガンド、酵素／基質が挙げられる。
【００３４】
図８及び９は、それぞれ金属薄膜パターンを用いた局在表面プラズモン共鳴を原理としたバイオセンサ素子２１０の断面図及び斜視図である。バイオセンサ素子２１０は、バイオセンサ素子基板２０４と、微小金属構造体２０６と、捕捉体２０７とで構成されている。
【００３５】
微小金属構造体２０６は薄膜状であって、バイオセンサ素子基板２０４上に設けられている。捕捉体２０７は微小金属構造体２０６上に設けられている。
【００３６】
微小金属構造体２０６は、図９において正方形状の薄膜パターンとして示されているが、この形状に限定されることない。すなわち、長方形、円形、又は楕円形の形状に適宜変更可能である。この形状については、微小金属構造体のプラズモン共鳴による波長特異的な吸収ピークがスペクトルに含まれていれば特に制限はない。
【００３７】
以上のように構成された本発明に係る光学プローブは、光透過部の周縁に設けられた光偏向部を有し、光偏向部は、光束を中心軸の方向へ偏向させる出射面と、出射面から出た光束がバイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を有する。この先端領域は、液体中に配置されるようにされている。更に、本発明に係る計測装置は、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とセンサ素子の表面との間の距離を計測する計測手段であるフォトダイオードアレイを有し、計測手段による計測と検出手段による検出とは切り替え可能である。
【００３８】
これにより、液体中に先端領域が配置された光学プローブから出射してバイオセンサ素子へ向かう計測光は、液面の影響を受けることがない。よって、従来の計測装置において問題であった、空気中の光学プローブから出射し溶液中のバイオセンサ素子へ向かう計測光が湾曲形状の液面の影響を受けてしまう現象を回避できる。そのため、液体内の計測光の透過距離を安定可能となる。更に、液体内に配された光学プローブの先端領域に設けられた光偏向部の存在により、光偏向部から出射した計測光は、バイオセンサ素子の表面で反射されて再び光学プローブに入射することになる。入射するこの光束の位置及び幅は、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測する計測手段によって計測され、この距離が一定であるように制御される。よって、液体内の計測光の透過距離を安定可能となる。
【００３９】
これにより、反応ウェル内の流路の微小化が必要ないことで、反応ウェルの作製コストの増大を抑制することができ、更に標的物質である生体分子にダメージ無く反応ウェル内の流路を封止する技術を考慮する必要もなくなる。
【００４０】
従って、反応ウェル内の流路を微小化せずに計測光の溶液内透過距離を安定可能な計測装置を提供することができる。
（第２の実施形態）
図１０及び１１に本発明の第２の実施形態に係る計測装置の光学系の構成を示す。以降、第１の実施形態と同一部分の説明は省略する。
【００４１】
図１０は、距離計測時の光学系構成図である。アパチャー３１２は距離計測時のものであり、輪帯状のアパチャーを用いている。距離計測用の計測光２０１は輪帯状のアパチャー３１２を透過し、光学プローブ１００の光集束部４を透過することで集束する。集束光はバイオセンサ素子２１０の表面で反射して戻り光２０２となり、光学プローブ１００を透過する。この透過光はビームスプリッタ３１１によって９０°偏向された後、計測手段であるＣＣＤ(Charge-Coupled Device)３１９に導かれる。
【００４２】
また、図１１に示す標的物質量検出時の光学構成は、図２に示す第１の実施形態の標的物質量検出時の光学構成と同様である。
【００４３】
本実施形態の光学プローブ１００は、その先端領域１０８に光集束部１０４の一部を構成する凸レンズ状の入射面及び出射面が設けられている形態である。図１２に本発明の第２の実施形態に係る光学プローブの立面図及び下面図を示す。本実施形態の光学プローブの構成は、第１の実施形態と光偏向部の構成のみが異なっている。そのため、以降では光偏向部の構成のみを記述することにする。
【００４４】
本実施形態の光偏向部は光集束部１０４で構成されている。光集束部１０４は、光透過部１０１の周縁を取り囲むように配置されている。更に、光集束部１０４は、光学プローブ１００の中心軸１０７に対して対称に凸レンズ状の入射面１１０及び出射面１０９を有する。図１０、１１、及び１２に示す入射面１１０及び出射面１０９は単一の凸レンズの曲面の一部として開示されているが、この形態に限定されるものではない。すなわち、光集束部１０４を出射してバイオセンサ素子２１０で反射した光が、再度、光集束部１０４に戻ってくる形態であれば、曲率が異なる複数の凸レンズの曲面の一部として入射面１１０及び出射面１０９が形成されていてもよい。
【００４５】
光集束部１０４は、光学プローブ１００から出射する光を光学プローブ１００の中心軸１０７方向に集束させて偏向させる機能を有する形態となっている。更に、光屈折部１０３は、光学プローブ１００から出射した後、バイオセンサ素子２１０で反射してきた光を中心軸１０７方向に集束させて偏向させる機能も有している。
【００４６】
図１３に第２の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図を示す。図１３を用いて実際の光学プローブを使用する際の光学構成イメージを説明する。
【００４７】
計測光２０１は距離計測用の光であり、平行光で光学プローブ１００に入射する。更に、計測光２０１は、光学プローブ１００の先端領域１０８に形成された光集束部１０４を透過し、光学プローブ１００の中心軸１０７方向に偏向して集束する。この集束光は、焦点位置でバイオセンサ素子２１０によって反射され、もう一方の光集束部１０４を透過して集束する。その後、集束光は、光学プローブ１００の中心軸１０７に平行な平行光である戻り光２０２となる。ここで、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離が変化した場合には、バイオセンサ素子２１０で反射した戻り光２０２の位置が、光学プローブ１００が移動する方向と交差する横方向に変化する。これと同時に、戻り光２０２の幅が変化する。これらの光位置及び光幅を計測することにより、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離を制御することができる。
【００４８】
従って、本実施形態においては前述の実施形態と光偏向作用を達成する構成が異なるのみであるため、前述の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
（第３の実施形態）
図１４に本発明の第３の実施形態に係る光学プローブの立面図及び下面図を示す。本実施形態の光学プローブの構成は第１の実施形態と光偏向部の構成のみが異なっている。そのため、以降では光偏向部の構成のみを記述することにする。
【００４９】
本実施形態の光偏向部は２つの平面状の入射面及び出射面を有する光回折部１０５で構成されている。入射面１１０及び出射面１０９は、それぞれ光学プローブ１００の中心軸１０７に対して対称的に先端領域１０８の周縁に配置されている。図１６では光回折部１０５が入射面１１０及び出射面１０９をそれぞれ１つずつ備えているが、この数に限定されるものではない。すなわち、光回折部１０５の入射面１１０及び出射面１０９が光学プローブ１００の中心軸１０７に対して対称的に配置される構成であれば、光回折部１０５の縁は先端領域１０８に互いに所定の間隔を置いて複数設けられていてもよい。
【００５０】
更に、図１４に示す光回折部１０５は、その端面が光透過部１０１の先端領域１０８の端面１０２と一致するように設けられている。しかし、光回折部１０５の構成はこの形態に限定されるものではない。つまり、一方の光回折部１０５を通りバイオセンサ素子２１０で反射した光が、もう一方の光回折部１０５に戻ってくる構成であれば、光透過部１０１の端面１０２と光回折部１０５の端面１０２とは一致していなくてもよい。なお、光回折部１０５は透過型の回折格子を加工したものである。
【００５１】
光回折部１０５は、光学プローブ１００から出射する光を光学プローブ１００の中心軸１０７方向に回折させて偏向させる機能を有する形態となっている。更に、光回折部１０５は、光学プローブ１００から出射した後、バイオセンサ素子２１０で反射してきた光を中心軸１０７方向に回折させて偏向させる機能も有している。
【００５２】
図１５に本発明の第３の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図を示す。図１５を用いて実際の使用時の光学構成イメージを説明する。
【００５３】
計測光２０１は距離計測用の光束であり、平行光で光学プローブ１００に入射する。更に、計測光２０１は、光学プローブ１００の先端領域１０８に形成された光回折部１０５を透過し、光学プローブ１００の中心軸１０７方向に偏向して回折する。この回折光は、バイオセンサ素子２１０によって反射され、反対側の光回折部１０５を透過して回折する。その後、回折光は、光学プローブ１００の中心軸１０７に平行な平行光である戻り光２０２となる。ここで、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離が変化した場合には、バイオセンサ素子２１０で反射した戻り光２０２の位置が、光学プローブ１００が移動する方向と交差する横方向に変化する。これと同時に、戻り光２０２の幅が変化する。これらの光位置及び光幅を計測することにより、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離を制御することができる。
【００５４】
従って、本実施形態においても前述の実施形態と光偏向作用を達成する構成が異なるのみであるため、前述の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
（第４の実施形態）
図１６及び１７に本発明の第４の実施形態に係る計測装置の光学系の構成を示す。図１６を用いて本実施形態の距離計測時の光学系の構成を説明する。光源側導光ファイバ３０９から出射する光は、ロータリーシャッタ３１７で遮られている。ここでは、近赤外光領域の波長を含むハロゲンランプが光源３２０として用いられている。距離計測のための光は半導体レーザ３１５から出射される。この出射光は、コリメートレンズ３１４によって平行光とされ、直角プリズム３１３により直角に偏向されて光学プローブ１００に入射する。第１の実施形態と同様に距離計測用の計測光２０１が、バイオセンサ素子２１０の表面で反射され戻り光２０２となる。戻り光２０２は直角プリズム３１３により直角に偏向された後、フォトダイオードアレイ３０５に入射する。
【００５５】
次に、図１７を用いて本実施形態の標的物質量検出時の光学系の構成を説明する。図１７の標的物質量検出時においては、ロータリーシャッタ３１７が開状態となっており、光源側導光ファイバ３０９から出射する光はコリメートレンズ３０７によって平行光にされている。平行光はアパチャー３０３によって絞られる。この光は光学プローブ１００の中空である中空部１０６を通り、光学プローブ１００を透過する。その後、バイオセンサ素子２１０の表面で反射した反射光が再度、光学プローブ１００を透過する。透過光はアパチャー３０３を通った後、ビームスプリッタ３１２によって直角に偏向される。この偏向光はコリメートレンズ３１６によって集光されて受光ファイバ３１８に導かれる。
【００５６】
図１８に本発明の第４の実施形態に係る光学プローブの立面図、下面図、及び側面図を示す。本実施形態の光学プローブの構成は、第１の実施形態と光透過部の構造のみが異なっている。そのため、以降では光透過部の構造のみを記述することにする。
【００５７】
本実施形態に係る光学プローブ１００の光透過部１０１内には、標的物質量の検出光が通る中空部１０６が設けられている。中空部１０６は光透過部１０１の中空空間を構成しており、この中空部１０６は光学プローブ１００の中心軸１０７に沿って光源３２０側の縁から先端領域１０８まで円筒状に延びている。光透過部１０１の一部に中空部１０６が設けられていることで、中空部１０６がない場合に比べ光透過部１０１の素材量が減少する。そのため、光透過部１０１を透過する計測光の透過距離が低減される。従って、近赤外領域の光を検出光に用いる場合で、かつ樹脂を光学プローブの素材に用いた場合に課題となる、樹脂による近赤外光の吸収によって引き起こされる検出光量の減少を抑制することができる。
【００５８】
また、本中空構造は、図１８に示す例だけでなく図３、１２及び１４に示した距離計測時の光学プローブの各実施形態と組み合わせることができる。このとき、距離計測の際の計測光は、近赤外光に限らず可視光を用いてもよい。
【００５９】
図１９に本発明の第４の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図を示す。図１９を用いて実際の使用時の光学構成イメージを説明する。
【００６０】
距離計測の際は、距離計測用の計測光２０１が照射される。計測光２０１は平行光で光学プローブ１００に入射する。この入射光は、光学プローブ１００の先端領域１０８の光偏手段で構成された部分の一方を透過し、光学プローブ１００の中心軸１０７方向に偏向（光学的には、屈折、集束、又は回折）する。この光がバイオセンサ素子２１０によって反射され、もう一方の光偏向手段で構成された部分を透過する。この透過光は、光学プローブ１００の中心軸１０７に平行な平行光である戻り光２０２となる。ここで、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離が変化した場合には、バイオセンサ素子２１０で反射した戻り光２０２の位置が、光学プローブ１００が移動する方向と交差する横方向に変化する。戻り光２０２のこの位置を計測することにより、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離を制御することができる。
【００６１】
一方、標的物質量の検出の際は、標的物質量の検出用の検出光２０３が照射される。この際には、図１８に示すように検出光２０３が光透過部１０１を透過する距離が低減されることで、光学プローブ１００の素材を透過する距離を減少させることができる構成となっている。
【００６２】
従って、本実施形態においても前述の実施形態と光偏向作用を達成する構成が異なるのみであるため、前述の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
【実施例】
【００６３】
以下では各実施例をもって本発明を説明するが、これらの実施例は、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
（第１の実施例）
ここでは、本発明の第１の実施例を説明する。
[光学プローブ作製]
本実施例の光学プローブの製法について説明する。本実施例では、光学プローブ５１９の材料として光学ガラス材料であるＳＦ１３を用いる。ＳＦ１３を研磨し、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍのロッドレンズ状に加工する。図１に示す光屈折部１０３のように、端面１０２における幅３ｍｍの領域を４５度で面取りするように２箇所研磨加工する。
[バイオセンサ素子作製]
本実施例のバイオセンサ素子２１０の製法について説明する。本実施例では、図６の形態のバイオセンサ素子２１０を用いる。
【００６４】
バイオセンサ素子５２０の基板２０４の材料として、信越化学工業（株）製のアミノシランカップリング処理済みの石英基板２０４を用いる。本石英基板２０４上にＰＤＭＳ(Polydiｍethylsiloxane)で形成されたウェルを貼り付ける。この状態にてウェル内にＢＢインターナショナル社製の１００ｎｍの金コロイド溶液ＥＭ．ＧＣ１００を導入し、２時間インキュベートする。この金コロイド溶液を除去し、純水で洗浄すると、石英基板２０４上に金コロイドが固定化された基板２０４が形成される。
【００６５】
次に、標的物質の捕捉体としてヒトＣ反応性タンパクを捕捉する抗体を検出部に固定化する。抗ヒトＣ反応性タンパクを特異的に認識し捕捉する、シグマアルドリッチ社製の抗ヒトＣＲＰ(C-reactive protein)ヤギ抗体をＰＢＳ(Phosphate Buffered Saline)溶液に溶解し、上記ウェルに導入する。物理吸着によって金コロイド表面上に抗体が固定される。本処理によりバイオセンサ素子５２０が作製される。
[計測装置構成]
本実施例を実現する計測装置の構成を説明する。図１及び２が本実施例の計測装置の光学系の概要図である。この光学系では、ハロゲンランプ光源が光源３２０として用いられている。ハロゲンランプ光源から発せられる光はマルチモードファイバ３０９により導光される。マルチモードファイバ３０９には、コアが２００μｍ径のものが用いられている。コリメートレンズ３０７は、ＢＫ７製の平凸レンズを用いている。ここでは単レンズを用いているが、当然ながら、複数枚のレンズを用いて単レンズより収差を補正したものでもよい。本レンズの焦点距離の位置（厳密には、ファイバの開口数に依存した、ファイバからの出射光の広がり中心）にファイバ端面が来るように設置する。アパチャーセレクタ３０２は、リボルバ状になっており、光束の形状を変化させるアパチャーを複数切り替えることができる。図１の距離計測時は、微小開口を持ったアパチャー３０４を用いている。ここでの開口は直径１．５ｍｍの円形状のものを用いる。図２の標的物質量検出時には、光軸の中心に円形状の開口を持ったアパチャー３０３を用いる。本実施例では、直径２．５ｍｍの円形状のアパチャー３０３、３０４を用いている。光学プローブチャック３０１は、上述した光学プローブ５１９を保持できるように構成されている。更に、光学プローブチャック３０１には、円筒状の光学プローブ５１９を平面方向の位置ずれ及び傾きなく保持できるような三つ爪のチャックが用いられている。また、ここでは不図示であるが、光学プローブチャック３０１は、上下方向に安定した、光学プローブチャック３０１を相対的に駆動可能なステージに固定されている。本実施例では、１μｍの分解能を持ったボールネジステージを用いている。直角プリズム３０６にはいわゆる４５°直角プリズムが用いられている。本実施例のフォトダイオードアレイ３０５には、画素ピッチ８μｍのＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)フォトダイオードアレイが用いられている。
【００６６】
本実施例の計測装置全体のイメージを図２０を用いて説明する。計測装置４００は、筐体４０１、インキュベータステージ４０２、センサインキュベータ４０３、検体４０４、搬送レーン４０５、バッファ試薬４０６、分注ロボティクス４０７、使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８、光学プローブラック４０９、及び暗箱エリア４１０で構成されている。
【００６７】
インキュベータステージ４０２は、バイオセンサ素子５２０を搭載してインキュベートさせる。ここでは、センサインキュベータ４０３は４連で搭載されており、４つのセンサを同時処理することができる。計測対象の検体４０４には、いわゆる、採血管、または分注された血清、血漿が入ったサンプルチューブがセットされる。搬送レーン４０５は、検体４０４を搬送する搬送手段であって、４つの検体を同時に懸架できる構成となっている。バッファ試薬４０６は洗浄及び計測用のものである。分注ロボティクス４０７は検体及び試薬を分注する。使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８は分注用のものである。光学プローブラック４０９には光学プローブ５１９が搭載される。必要に応じて、光学プローブラック４０９から計測用の暗箱エリア４１０に光学プローブ５１９が導入される。
【００６８】
特に暗箱エリア４１０内の概要を図２１及び２２を用いて説明する。センサインキュベータ４０３は暗箱エリア４１０の外側に位置している。ステージ４１１は計測用手段である。光学ヘッド４１２内には光源が配されている。
【００６９】
[計測装置制御システム]
図２３に本発明の第１の実施例に係る計測装置の制御システムを表すブロック図を示す。図２３を用いて本実施例の計測装置の制御システムについて説明する。
【００７０】
本実施例の制御システム５００は、中央演算処理装置５０１と、主記憶装置５０２と、固定ディスク装置５０３と、表示装置５０４と、キーボード５０５と、点灯制御回路５０６と、ハロゲン光源５０７と、アパチャーセレクタ５０８と、フォトダイオードアレイ５０９と、光学プローブチャック５１０と、Ｚ軸ステージ５１１と、伸縮ハンド５１２と、計測Ｚステージ５１３と、分光器５１４と、温調コントローラ５１５と、インキュベータＺステージ５１６と、Ｙステージ５１７と、光学系５１８と、光学プローブ５１９と、バイオセンサ素子５２０と、光学系５２１と、計測エリア５２２と、ロボットシステム５２３とで構成されている。
【００７１】
中央演算処理装置５０１は制御システム５００全体の制御を司る。主記憶装置５０２は、中央演算処理装置５０１と接続されており、ＲＡＭ（Random Access Memory）が好適である。固定ディスク装置５０３は中央演算処理装置５０１と接続されている。表示装置５０４は中央演算処理装置５０１と接続されている。キーボード５０５は、入力デバイスであって中央演算処理装置５０１と接続されている。点灯制御回路５０６は、計測系のハロゲン光源５０７の点灯を制御する手段である。アパチャーセレクタ５０８は、基板２０４と光学プローブ５１９との間の距離計測と標的物質量検出とを切り替える。フォトダイオードアレイ５０９は距離計測時のセンサである。光学プローブチャック５１０は、上述した光学プローブ５１９を保持する。Ｚ軸ステージ５１１は、光学プローブ５１９を上下させる。Ｚ軸ステージ５１１を駆動することによって、光学プローブ５１９とバイオセンサ素子５２０との間の距離を変化させることができる。伸縮ハンド５１２は、図２１、２２のセンサインキュベータ４０３と計測Ｚステージ５１３との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しするための手段である。計測Ｚステージ５１３は伸縮ハンド５１２とＺ軸ステージ５１１との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。分光器５１４は標的物質量を検出する際に用いる。温調コントローラ５１５は、インキュベータステージ５１６、５１７の温調制御を行う。インキュベータＺステージ５１６は、計測Ｚステージ５１３と同様に、伸縮ハンド５１２とインキュベータステージ５１６、５１７との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。Ｙステージ５１７は、複数のバイオセンサ素子５２０を処理する際にインキュベータステージ５１６、５１７を位置制御する。ロボットシステム５２３は分注用の手段である。光学系５１８は、制御系ではない、計測光照射のための光学系である。計測エリア５２２は、光学プローブ５１９及びバイオセンサ素子５２０を含んでいる。受光光学系５２１は、バイオセンサ素子５２０を透過した光束の受光用光学系である。
【００７２】
[計測プロセス]
図１、２、２０、及び２３を用いて計測時のフローを説明する。この計測方法は、光学プローブを介して、光源から発せられた光束を反応ウェル内のバッファ溶液または検体溶液中に含まれる標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子に向かって照射するステップを有する。更に、この計測方法は、光透過部を透過し、バイオセンサ素子を透過した光束を受光し、光束のスペクトルのピーク値から標的物質の量を検出するステップを有する。更には、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とバイオセンサ素子のバイオセンサ素子基板の表面との間の距離を計測するステップを有する。
【００７３】
オペレータによって、センサインキュベータ４０３上に上記バイオセンサ素子作製プロセスで作製したバイオセンサ素子５２０を載置する。計測対象の検体４０４をバイオセンサ素子５２０に載置する。載置後、図２３のキーボード５０５により計測開始指示を行う。まず、Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、光学プローブチャック５１０に、使い捨て可能な光学プローブ５１９を保持する。その後、反応前計測を行うために、分注ユニット５２３にバッファ試薬をバイオセンサ素子５２０内に分注するように指示を出す。バイオセンサ素子５２０上にバッファ試薬を分注後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、ウェル内に光学プローブ５１９の先端領域１０８を導入する。アパチャーセレクタ５０８を距離計測位置に駆動する（図１に示す状態）。この状態でフォトダイオードアレイ５０９にて、戻り光の位置が予め決めた位置になるようにＺ軸ステージ５１１を駆動する。本実施例の場合、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離が７．１５ｍｍとなるような位置を基準位置とする。この位置から実際の計測位置にＺ軸ステージ５１１を相対的に駆動させ、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離が０．２０ｍｍとなるようにする。この状態での光学プローブ５１９及び基板２０４は、図２６に示すイメージとなる。
【００７４】
この状態で、アパチャーセレクタ５０８を切り替え、図２の状態となるようにする。この状態で、分光器５１４からセンサ素子透過スペクトル計測値を読み込む。ここでは明示していないが、予め求めておいた、光学系のリファレンススペクトルとセンサ素子透過スペクトルとにより吸光スペクトルを求める。この際に吸光スペクトルの吸収ピーク位置を求めておく。
【００７５】
再度、バイオセンサ素子５２０を伸縮ハンド５１２により搬出し、インキュベータステージ５１６、５１７に受け渡す。分注ユニット５２３にバイオセンサ素子５２０のウェル中のバッファ溶液の排出を指示する。バッファ溶液排出後、検体をバイオセンサ素子５２０のウェル中に規定量分注する。分注後、インキュベータステージ５１６、５１７上でインキュベートする。反応後、再度ユニットによりバイオセンサ素子５２０のウェル中の検体溶液６０１（図２６又は２７参照）の排出を指示する。検体溶液排出後、バッファ溶液６０１（図２６又は２７参照）をバイオセンサ素子５２０のウェル中にて医療分注する。分注後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、ウェル内に光学プローブ５１９の先端領域１０８を導入する。アパチャーセレクタ５０８を距離計測位置に駆動する（図１に示す状態）。この状態でフォトダイオードアレイ５０９において戻り光の位置が予め決めた位置になるようにＺ軸ステージ５１１を駆動する。本実施例の場合、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離が７．１５ｍｍとなるような位置を基準位置とする。この位置から実際の計測位置にＺ軸ステージ５１１を相対的に駆動させ、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離を０．２０ｍｍとなるようにする。
【００７６】
この状態で、アパチャーセレクタ５０８を切り替え、図２の状態となるようにする。この状態で、分光器５１４からセンサ素子透過スペクトル計測値を読み込む。ここでは明示していないが、予め求めておいた、光学系のリファレンススペクトルとセンサ素子透過スペクトルとにより吸光スペクトルを求める。このときに求めた吸光スペクトルのピーク位置と計測前に求めたスペクトルのピーク位置との間の変化を求める。このピーク位置の変化量から、検体中に含まれている標的物質量を求める。
【００７７】
以上の処理により、計測前後において、バイオセンサ素子基板２０４と光学プローブとの間の距離を安定した状態で計測することができ、バッファ溶液の持つ吸光特性によるばらつきを防いで検体中の標的物質量が検出できる。
（第２の実施例）
ここでは本発明の第２の実施例を説明する。
[光学プローブ作製]
本実施例の光学プローブの製法について説明する。本実施例では、光学プローブの材料として、光学ガラス材料であるＢＫ７を用いる。ＢＫ７をロッド状に研磨し、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍのロッドレンズ状に加工する。図１２に示すように端面を幅３ｍｍの領域を凸レンズ状となるように２箇所研磨加工する。このときの曲率を、空気中にて、焦点距離１５ｍｍとなるように加工する。
[バイオセンサ素子作製]
本実施例のバイオセンサ素子２１０の製法について説明する。本実施例では、図５の形態のバイオセンサ素子２１０を用いる。
【００７８】
バイオセンサ素子５２０の基板２０４の材料としては、信越化学工業（株）製の４インチ石英基板２０４を用いる。本石英基板２０４上に電子線リソグラフィーを用いたリフトオフプロセスを用いて、金の微細構造パターンを作製する。このときに、微細構造のパターンは、図８、１３に示した構造とし、このときの金パターンのサイズは１５０ｎｍ角の正方形とし、厚みは３０ｎｍとし、パターン間の配置間隔は２５０ｎｍとする。
【００７９】
本石英基板２０４上にＰＤＭＳで形成されたウェルを貼り付ける。次に、計測部に標的物質の捕捉体としてヒトＣ反応性タンパクを捕捉する抗体を固定化する。抗ヒトＣ反応性タンパクを特異的に認識して捕捉する、シグマアルドリッチ社製の抗ヒトＣＲＰヤギ抗体をＰＢＳ溶液に溶解し、上記ウェルに導入する。物理吸着により、金コロイド表面に抗体が固定される。処理後、ＰＤＭＳ製ウェルを除去することによって、バイオセンサ素子５２０が作製される。
[計測装置構成]
本実施例を実現する装置構成を説明する。図１０及び１１が本実施例の装置光学系の概要図である。ここで使用する光源は、ハロゲンランプ光源を用いている。ハロゲンランプ光源をマルチモードファイバ３０９により導光している。このマルチモードファイバは、コア２００μｍ径のものを用いている。コリメートレンズ３０７は、ＢＫ7製の平凸レンズを用いている。ここでは単レンズを用いているが、当然ながら、複数枚のレンズを用いより収差を補正したものでも構わない。本レンズの焦点距離の位置（厳密には、ファイバの開口数に依存した、ファイバからの出射光の広がり中心）にファイバ端面が来るように設置する。アパチャーセレクタ３０２は、リボルバ状になっており、光束の形状を変化させるアパチャーを複数切り替えることができる。図１０の距離計測時は、輪帯状の開口を持ったアパチャー３１２を用いている。ここでの開口寸法は、外径８ｍｍ、内径６ｍｍの輪帯絞りを用いる。図１１の標的物質量検出時には、光軸中心に円形状の開口を持ったアパチャー３０３を用いる。本実施例では、直径２．５ｍｍの円形状のアパチャーを用いている。光学プローブチャック３０１は、上述した光学プローブ５１９を保持できるような構成となっている。ここでは、円筒状の光学プローブ５１９を平面方向の位置ずれ及び傾きなく保持できるような三つ爪のチャックを用いている。またここでは不図示であるが、チャック３０１を上下方向に安定した相対距離駆動可能なステージに固定している。本実施例では、1μｍの分解能を持ったボールネジステージを用いている。ビームスプリッタ３１１である。本実施例におけるＣＣＤ３１９には、画素ピッチ９μｍのＣＣＤイメージセンサが用いられている。
【００８０】
本実施例の計測装置全体のイメージを図２０を用いて説明する。計測装置４００は、筐体４０１、インキュベータステージ５１６、５１７、センサインキュベータ４０３、検体４０４、搬送レーン４０５、バッファ試薬４０６、分注ロボティクス４０７、使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８、光学プローブラック４０９、及び暗箱エリア４１０で構成されている。
【００８１】
インキュベータステージ５１６、５１７は、バイオセンサ素子５２０を搭載してインキュベートさせる。ここでは、センサインキュベータ４０３は４連で搭載されており、４つのセンサを同時処理することができる。計測対象の検体４０４には、いわゆる、採血管、または分注された血清、血漿が入ったサンプルチューブがセットされる。搬送レーン４０５は、検体４０４を搬送する搬送手段であって、４つの検体を同時に懸架できる構成となっている。バッファ試薬４０６は洗浄及び計測用のものである。分注ロボティクス４０７は検体及び試薬を分注する。使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８は分注用のものである。光学プローブラック４０９には光学プローブ５１９が搭載される。必要に応じて、光学プローブラック４０９から計測用の暗箱エリア４１０に光学プローブ５１９が導入される。
【００８２】
特に暗箱エリア４１０内の概要を図２１及び２２を用いて説明する。センサインキュベータ４０３は暗箱エリア４１０の外側に位置している。ステージ４１１は計測用手段である。光学ヘッド４１２内には光源が配されている。
【００８３】
[計測装置制御システム]
図２４に本発明の第２の実施例に係る計測装置の制御システムを表すブロック図を示す。図２４を用いて本実施例の計測装置の制御システムについて説明する。
【００８４】
本実施例の計測制御システム５００は、中央演算処理装置５０１と、主記憶装置５０２と、固定ディスク装置５０３と、表示装置５０４と、キーボード５０５と、点灯制御回路５０６と、ハロゲン光源５０７と、アパチャーセレクタ５０８と、フォトダイオードアレイ５０９と、光学プローブチャック５１０と、Ｚ軸ステージ５１１と、伸縮ハンド５１２と、計測Ｚステージ５１３と、分光器５１４と、温調コントローラ５１５と、インキュベータＺステージ５１６と、Ｙステージ５１７と、光学系５１８と、光学プローブ５１９と、バイオセンサ素子５２０と、光学系５２１と、計測エリア５２２と、ロボットシステム５２３とで構成されている。
【００８５】
中央演算処理装置５０１は計測制御システム５００全体の制御を司る。主記憶装置５０２は、中央演算処理装置５０１と接続されており、ＲＡＭ（Random Access Memory）が好適である。固定ディスク装置５０３は中央演算処理装置５０１と接続されている。表示装置５０４は中央演算処理装置５０１と接続されている。キーボード５０５は、入力デバイスであって中央演算処理装置５０１と接続されている。点灯制御回路５０６は、計測系のハロゲン光源５０７の点灯を制御する手段である。アパチャーセレクタ５０８は、基板２０４と光学プローブ５１９との間の距離計測と標的物質量検出とを切り替える。フォトダイオードアレイ５０９は距離計測時のセンサである。光学プローブチャック５１０は、上述した光学プローブ５１９を保持する。Ｚ軸ステージ５１１は、光学プローブ５１９を上下させる。Ｚ軸ステージ５１１を駆動することによって、光学プローブ５１９とバイオセンサ素子５２０との間の距離を変化させることができる。伸縮ハンド５１２は、図２１、２２のセンサインキュベータ４０３と計測Ｚステージ５１３との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しするための手段である。計測Ｚステージ５１３は伸縮ハンド５１２とＺ軸ステージ５１１との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。分光器５１４は標的物質量を検出する際に用いる。温調コントローラ５１５は、インキュベータステージ５１６、５１７の温調制御を行う。インキュベータＺステージ５１６は、計測Ｚステージ５１３と同様に、伸縮ハンド５１２とインキュベータステージ５１６、５１７との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。Ｙステージ５１７は、複数のバイオセンサ素子５２０を処理する際にインキュベータステージ５１６、５１７を位置制御する。ロボットシステム５２３は分注用の手段である。光学系５１８は、制御系ではない、計測光照射のための光学系である。計測エリア５２２は、光学プローブ５１９及びバイオセンサ素子５２０を含んでいる。受光光学系５２１は、バイオセンサ素子５２０を透過した光束の受光用光学系である。
【００８６】
[計測プロセス]
図１０、１１、２０、２３、及び２７を用いて計測時のフローを説明する。
【００８７】
オペレータによって、センサインキュベータ４０３上に上記バイオセンサ素子作製プロセスで作製したバイオセンサ素子５２０を載置する。計測対象の検体４０４をバイオセンサ素子５２０に載置する。載置後、図２３のキーボード５０５により計測開始指示を行う。まず、Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、光学プローブチャック５１０に、使い捨て可能な光学プローブ５１９を保持する。その後、反応前計測を行うために、分注ユニット５２３にバッファ試薬をバイオセンサ素子５２０のセンサ領域に滴下するように指示を出す。バイオセンサ素子５２０上にバッファ試薬を滴下後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。ここで、本発明は、空気中で距離を計測する、反応領域周辺部が光軸中心となるように計測Ｚステージ５１３を駆動し、その位置にて、アパチャーセレクタ５０８を距離計測位置に駆動する（図１０に示す状態）。この状態でフォトダイオードアレイ５０９において戻り光のＣＣＤ上での輪帯像が狭輪帯となる位置にＺ軸ステージ５１１及び不図示のチルトステージを駆動する。本実施例の場合、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離が１５．２６ｍｍとなるような位置を基準位置とする。この条件となる、Ｚ軸ステージ５１１制御位置及びチルトステージ制御位置を反応領域周辺部４箇所でそれぞれ求める。この制御位置データの平均値をもとに、光軸をセンサ領域の中心部に位置合せし、計測位置にＺ軸ステージ５１１を相対的に駆動させ、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離が０．２０ｍｍとなるようにする。この状態での光学プローブ５１９及び基板２０４のイメージは、図２７の状態となる。この状態で、アパチャーセレクタ５０８を切り替え、図２の状態となるようにする。この状態で、分光器５１４からセンサ素子透過スペクトル計測値を読み込む。ここでは明示していないが、予め求めておいた、光学系のリファレンススペクトルとセンサ素子透過スペクトルとにより吸光スペクトルを求める。この際に吸光スペクトルの吸収ピーク位置を求めておく。
【００８８】
再度、バイオセンサ素子５２０を伸縮ハンド５１２により搬出し、インキュベータステージ５１６、５１７に受け渡す。分注ユニット５２３にバイオセンサ素子５２０の上のバッファ溶液の排出を指示する。バッファ溶液排出後、検体をバイオセンサ素子５２０のウェル中に規定量分注する。分注後、インキュベータステージ５１６、５１７上でインキュベートする。反応後、再度ユニットによりバイオセンサ素子５２０上の検体溶液の排出を指示する。検体溶液排出後、バッファ溶液をバイオセンサ素子５２０のウェル中に規定量滴下する。分注後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。後の計測動作については反応前の処理と同様である。反応前後での吸光スペクトルからピーク位置の変化を求める。このピーク位置の変化量から、検体中に含まれている標的物質量を求める。
【００８９】
以上の処理により、計測前後において、バイオセンサ素子５２０と光学プローブとの間の距離を安定した状態で計測することができ、バッファ溶液の持つ吸光特性によるばらつきを防いで検体中の標的物質量が検出できる。
（第３の実施例）
ここでは本発明の第３の実施例を説明する。
[光学プローブ作製]
本実施例の光学プローブの製法について説明する。本実施例では、光学プローブの材料として、ＰＭＭＡ（polymethylmethacrylate）樹脂を射出成形により図３の形状に加工する。形状寸法は、直径１０ｍｍ、長さ２５ｍｍのロッドレンズ状であり、図３に示すように端面を幅３ｍｍの領域と幅４ｍｍの領域とが４５°傾斜した光屈折部を有する形状とする。
[バイオセンサ素子作製]
本実施例のバイオセンサ素子２１０の製法について説明する。本実施例では、図５の形態のバイオセンサ素子２１０を用いる。
【００９０】
バイオセンサ素子５２０の基板２０４の材料としては、信越化学工業（株）製の４インチ石英基板２０４を用いる。本石英基板２０４上に電子線リソグラフィーを用いたリフトオフプロセスを用いて、金の微細構造パターンを作製する。このときに、微細構造のパターンは、図８、１３に示した構造とする。このときの金パターンのサイズは、２００ｎｍ角の正方形とし、厚みは２０ｎｍとし、パターン間の配置間隔は３５０ｎｍとする。
【００９１】
本石英基板２０４上にＰＤＭＳで形成されたウェルを貼り付ける。次に、計測部に標的物質の捕捉体としてヒトＣ反応性タンパクを捕捉する抗体を固定化する。抗ヒトＣ反応性タンパクを特異的に認識して捕捉する、シグマアルドリッチ社製の抗ヒトＣＲＰヤギ抗体をＰＢＳ溶液に溶解し、上記ウェルに導入する。物理吸着により、金コロイド表面に抗体が固定される。本処理によって、バイオセンサ素子５２０が作製される。
[計測装置構成]
本実施例を実現する装置構成を説明する。図１６及び１７が本実施例の装置光学系の概要図である。ここで用いる光源は、距離計測用の光源として波長６３５ｎｍの半導体レーザ３１５を用い、標的物質量検出用としてハロゲンランプ光源を用いている。距離計測のためのレーザ光は、コリメートレンズ３１４により平行光となり、直角プリズム３１３により偏向され、光学プローブ５１９に導入される。光学プローブ５１９の先端領域１０８の光屈曲部によって偏向されてバイオセンサ素子５２０の基板２０４面にて反射し、光学プローブ５１９に再度戻ってくる。更に、この光は直角プリズム３１３で偏向されてフォトダイオードアレイ３０５に導入される。
【００９２】
標的物質量検出用の光源は、ハロゲンランプ光源をマルチモードファイバ３０９により導光している。このマルチモードファイバは、コア２００μｍ径のものを用いている。本実施例では、標的物質量を検出するために近赤外線の波長域を用いるため、ハロゲンランプ前面にロングパスフィルターを挿入している。ロータリーシャッタ３１７によって、距離計測時に計測用光源を遮断できるように構成されている。コリメートレンズ３０７は、ＢＫ7製の平凸レンズを用いている。ここでは単レンズを用いているが、当然ながら、複数枚のレンズを用いより収差を補正したものでも構わない。本レンズの焦点距離の位置（厳密には、ファイバの開口数に依存した、ファイバからの出射光の広がり中心）にファイバ端面が来るように設置する。標的物質量検出光を制限するためのアパチャー３０３を用いている。アパチャー３０３は、光軸を中心に円形状の開口を持ったアパチャーを用いている。本実施例では、直径２．５ｍｍの円形状のアパチャーを用いている。光学プローブチャック３０１は、上述した光学プローブ５１９を保持できるような構成となっている。ここでは、円筒状の光学プローブ５１９を平面方向の位置ずれ及び傾きなく保持できるような三つ爪のチャックを用いている。またここでは不図示であるが、チャック３０１を上下方向に安定した相対距離駆動可能なステージに固定している。本実施例では、1μｍの分解能を持ったボールネジステージを用いている。ビームスプリッタ３１１である。本実施例におけるＣＣＤ３１９は、画素ピッチ９μｍのＣＣＤイメージセンサを用いている。
【００９３】
本実施例の計測装置全体のイメージを図２０を用いて説明する。計測装置４００は、筐体４０１、インキュベータステージ５１６、５１７、センサインキュベータ４０３、検体４０４、搬送レーン４０５、バッファ試薬４０６、分注ロボティクス４０７、使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８、光学プローブラック４０９、及び暗箱エリア４１０で構成されている。
【００９４】
インキュベータステージ５１６、５１７は、バイオセンサ素子５２０を搭載してインキュベートさせる。ここでは、センサインキュベータ４０３は４連で搭載されており、４つのセンサを同時処理することができる。計測対象の検体４０４には、いわゆる、採血管、または分注された血清、血漿が入ったサンプルチューブがセットされる。搬送レーン４０５は、検体４０４を搬送する搬送手段であって、４つの検体を同時に懸架できる構成となっている。バッファ試薬４０６は洗浄及び計測用のものである。分注ロボティクス４０７は検体及び試薬を分注する。使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８は分注用のものである。光学プローブラック４０９には光学プローブ５１９が搭載される。必要に応じて、光学プローブラック４０９から計測用の暗箱エリア４１０に光学プローブ５１９が導入される。
【００９５】
特に暗箱エリア４１０内の概要を図２１及び２２を用いて説明する。センサインキュベータ４０３は暗箱エリア４１０の外側に位置している。ステージ４１１は計測用手段である。光学ヘッド４１２内には光源が配されている。
【００９６】
[計測装置制御システム]
図２５に本発明の第３の実施例に係る計測装置の制御システムを表すブロック図を示す。図２５を用いて本実施例の計測装置の制御システムについて説明する。
【００９７】
本実施例の制御システム５００は、中央演算処理装置５０１と、主記憶装置５０２と、固定ディスク装置５０３と、表示装置５０４と、キーボード５０５と、点灯制御回路５０６と、ハロゲン光源５０７と、アパチャーセレクタ５０８と、フォトダイオードアレイ５０９と、光学プローブチャック５１０と、Ｚ軸ステージ５１１と、伸縮ハンド５１２と、計測Ｚステージ５１３と、分光器５１４と、温調コントローラ５１５と、インキュベータＺステージ５１６と、Ｙステージ５１７と、光学系５１８と、光学プローブ５１９と、バイオセンサ素子５２０と、光学系５２１と、計測エリア５２２と、ロボットシステム５２３とで構成されている。
【００９８】
中央演算処理装置５０１は制御システム５００全体の制御を司る。主記憶装置５０２は、中央演算処理装置５０１と接続されており、ＲＡＭ（Random Access Memory）が好適である。固定ディスク装置５０３は中央演算処理装置５０１と接続されている。表示装置５０４は中央演算処理装置５０１と接続されている。キーボード５０５は、入力デバイスであって中央演算処理装置５０１と接続されている。点灯制御回路５０６は、計測系のハロゲン光源５０７の点灯を制御する手段である。アパチャーセレクタ５０８は、基板２０４と光学プローブ５１９との間の距離計測と標的物質量検出とを切り替える。フォトダイオードアレイ５０９は距離計測時のセンサである。光学プローブチャック５１０は、上述した光学プローブ５１９を保持する。Ｚ軸ステージ５１１は、光学プローブ５１９を上下させる。Ｚ軸ステージ５１１を駆動することによって、光学プローブ５１９とバイオセンサ素子５２０との間の距離を変化させることができる。伸縮ハンド５１２は、図２１、２２のセンサインキュベータ４０３と計測Ｚステージ５１３との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しするための手段である。計測Ｚステージ５１３は伸縮ハンド５１２とＺ軸ステージ５１１との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。分光器５１４は標的物質量を検出する際に用いる。温調コントローラ５１５は、インキュベータステージ５１６、５１７の温調制御を行う。インキュベータＺステージ５１６は、計測Ｚステージ５１３と同様に、伸縮ハンド５１２とインキュベータステージ５１６、５１７との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。Ｙステージ５１７は、複数のバイオセンサ素子５２０を処理する際にインキュベータステージ５１６、５１７を位置制御する。ロボットシステム５２３は分注用の手段である。光学系５１８は、制御系ではない、計測光照射のための光学系である。計測エリア５２２は、光学プローブ５１９及びバイオセンサ素子５２０を含んでいる。受光光学系５２１は、バイオセンサ素子５２０を透過した光束の受光用光学系である。
【００９９】
[計測プロセス]
図１６、１７、２０、及び２５を用いて計測時のフローを説明する。
【０１００】
オペレータによって、センサインキュベータ４０３上に上記バイオセンサ素子作製プロセスで作製したバイオセンサ素子５２０を載置する。計測対象の検体４０４をバイオセンサ素子５２０に載置する。載置後、図２３のキーボード５０５により計測開始指示を行う。まず、Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、光学プローブチャック５１０に、使い捨て可能な光学プローブ５１９を保持する。その後、反応前計測を行うために、分注ユニット５２３にバッファ試薬をバイオセンサ素子５２０内に分注するように指示を出す。バイオセンサ素子５２０上にバッファ試薬を分注後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、ウェル内に光学プローブ５１９の先端領域１０８を導入する。シャッター制御回路５２５を遮断位置に駆動する（図１６に示す状態）。この状態でフォトダイオードアレイ５０９において戻り光の位置が予め決めた位置になるようにＺ軸ステージ５１１を駆動する。本実施例の場合、光学プローブ５１９の端面１０２と基板２０４の表面との距離が１５．８ｍｍとなるような位置を基準位置とする。この位置から実際の計測位置にＺ軸ステージ５１１を相対的に駆動させ、光学プローブ５１９の端面１０２と基板２０４の表面との距離を０．０５ｍｍとなるようにする。この状態での光学プローブ５１９及び基板２０４は、図２６に示すイメージとなる。
【０１０１】
この状態でシャッター制御回路５２５を切り替え、図１７に示す状態となるようにする。この状態で、分光器５１４からセンサ素子透過スペクトル計測値を読み込む。ここでは明示していないが、予め求めておいた、光学系のリファレンススペクトルとセンサ素子透過スペクトルとにより吸光スペクトルを求める。この際に吸光スペクトルの吸収ピーク位置を求めておく。このときに、樹脂製の光学プローブを計測用の近赤外光が透過する距離が短くなることで、樹脂の吸収による影響を低減できる。
【０１０２】
再度、バイオセンサ素子５２０を伸縮ハンド５１２により搬出し、インキュベータステージ５１６、５１７に受け渡す。分注ユニット５２３にバイオセンサ素子５２０のウェル中のバッファ溶液の排出を指示する。バッファ溶液排出後、検体をバイオセンサ素子５２０のウェル中に規定量分注する。分注後、インキュベータステージ５１６、５１７上でインキュベートする。反応後、再度ユニットによりバイオセンサ素子５２０のウェル中の検体溶液の排出を指示する。検体溶液排出後、バッファ溶液をバイオセンサ素子５２０のウェル中に規定量分注する。分注後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、ウェル内に光学プローブ５１９の先端領域１０８を導入する。シャッター制御回路５２５を距離計測位置に駆動する（図１６に示す状態）。この状態でフォトダイオードアレイ５０９において戻り光の位置が予め決めた位置になるようにＺ軸ステージ５１１を駆動する。本実施例の場合、光学プローブ５１９の端面１０２と基板２０４の表面との距離が１５．８ｍｍとなるような位置を基準位置とする。この位置から実際の計測位置にＺ軸ステージ５１１を相対的に駆動させ、光学プローブ５１９の端面１０２と基板２０４の表面との距離が０．０５ｍｍとなるようにする。
【０１０３】
この状態でシャッター制御回路５２５を切り替え、図１７に示す状態となるようにする。この状態で、分光器５１４からセンサ素子透過スペクトル計測値を読み込む。ここでは明示していないが、予め求めておいた光学系のリファレンススペクトルとセンサ素子透過スペクトルとにより吸光スペクトルを求める。このときに求めた吸光スペクトルのピーク位置と計測前に求めたスペクトルのピーク位置との間の変化を求める。このピーク位置の変化量により、検体中に含まれている標的物質量を求める。
【０１０４】
以上の処理により、計測前後において、バイオセンサ素子基板と光学プローブとの間の距離を安定した状態で計測することができ、バッファ溶液の持つ吸光特性、主に近赤外線領域での水の吸収によるばらつきを防いで検体中の標的物質量が検出できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の距離計測時の光学系を示す概念図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の標的物質量検出時の光学系を示す概念図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブの立面図、下面図、及び側面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図である。
【図５】本発明に使用可能なバイオセンサ素子の一形態を示す概念図である。
【図６】本発明に使用可能なバイオセンサ素子の別形態を示す概念図である。
【図７】本発明に使用可能な金属微粒子を用いた局在表面プラズモン共鳴を原理としたバイオセンサ素子の例を示す断面図である。
【図８】金属薄膜パターンを用いた局在表面プラズモン共鳴を原理としたバイオセンサ素子の断面図である。
【図９】金属薄膜パターンを用いた局在表面プラズモン共鳴を原理としたバイオセンサ素子の斜視図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の距離計測時の光学系を示す概念図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の標的物質量検出時の光学系を示す概念図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る光学プローブの立面図及び下面図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る光学プローブの立面図及び下面図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る光学プローブの光学構成を示す概念図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の距離計測時の光学系を示す概念図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の標的物質量検出時の光学系を示す概念図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る光学プローブの立面図、下面図、及び側面図である。
【図１９】本発明の第４の実施形態に係る光学プローブの光学構成を示す概念図である。
【図２０】本発明に係る実施形態を用いた計測装置全体を示す概念図である。
【図２１】本発明に係る実施形態を用いた計測装置の暗箱内の概略を示す立面図である。
【図２２】本発明に係る実施形態を用いた計測装置の暗箱内の概略を示す側面図である。
【図２３】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブを備えた第１の実施例の計測装置の制御システムを示すブロック図である。
【図２４】本発明の第２の実施形態に係る光学プローブを備えた第２の実施例の計測装置の制御システムを示すブロック図である。
【図２５】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブを備えた計測装置の第３の実施例の制御システムを示すブロック図である。
【図２６】本発明の第１及び第３の実施例に係る光学プローブを示す部分拡大図である。
【図２７】本発明の第２の実施例に係る光学プローブを示す部分拡大図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１００ 光学プローブ
１０１ 光透過部
１０２ 端面
１０３ 光屈折部
１０４ 光集束部
１０５ 光回折部
１０６ 光透過部
１０７ 中心軸
１０８ 先端領域
１０９ 出射面
１１０ 入射面
２０１ 計測光
２０２ 戻り光
２０３ 検出光
２０４ バイオセンサ素子基板
２０５ センサ素子部
２０８ 捕捉体
２０９ 反応ウェル
２１０ バイオセンサ素子
３００ 計測装置
３０５ フォトダイオードアレイ
３１０ 受光側導光ファイバ
３１９ ＣＣＤ
３２０ 光源
４００ 計測装置
６０１ 検体溶液またはバッファ溶液
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置、光学プローブ、これらを備えた計測制御システム、及び光学プローブを用いた計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、健康問題や環境問題、更には安全性の問題に対する意識の高まりとともに、これらの問題に関与する生物学的物質、化学的物質の微量検出法が望まれるようになってきている。この計測法として、検出対象物質である標的物質を含む液状の検体と試薬又はバイオセンサ素子との相互作用に起因する光学的特性の変化を計測するものが数多く提案されている。
【０００３】
後者のバイオセンサ素子による相互作用の計測については、近年、プラズモン共鳴を原理とする計測法が数多く提案されている。このプラズモン共鳴を原理とする計測法の中でも、金属微粒子で構成された表面層を検体と接触させて検体中の標的物質を検知し、その含有量を計測するという、局在表面プラズモン共鳴を原理とした計測法がある。
【０００４】
局在表面プラズモンとは、複数の自由電子が金属微粒子の表面に局在しているとともに、特定の振動数を有する電子密度波として一粒子のように運動する準粒子のことを指している。局在表面プラズモンが外部から照射される特定波長域の電磁波に共鳴するという物理現象が、局在表面プラズモン共鳴である。
【０００５】
局在表面プラズモン共鳴を利用した計測法とは概ね以下のようなものである。つまり、金属微粒子の局在表面プラズモンの共鳴に伴い、検体中の標的物質は電磁波（特に赤外線）を吸収する。更に、赤外線領域の波長に対する赤外線吸収スペクトルのピーク位置が、金属微粒子周辺の媒質の誘電率により変化する。そして、赤外線吸収スペクトルのこのピーク位置変化を光学プローブで検知し、標的物質の含有量を計測するという計測法である。実際の計測に際しては、バイオセンサ素子の基板上に標的物質の捕捉能を有している金属微粒子を固定しておく。このようにセットされたバイオセンサ素子を透過した光のスペクトルを測るだけで、金属微粒子表面上の標的物質の付着数量を知ることができる。すなわち、この計測法は、特定の標識体を用いるなどの煩雑な操作なく計測を行うことができるという特徴を有している。
【０００６】
局在表面プラズモン共鳴を用いた計測法は、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１で開示される計測法は、バイオセンサ素子に対して光を照射し、素子の基板表面に固定された金属微粒子を透過した光の吸光度を測定することにより、金属微粒子表面の近傍に在る媒質の屈折率を検出するものである。これによって、金属微粒子への標的物質の吸着や堆積が検出可能となっている。
【０００７】
また、標的物質の赤外線吸収スペクトルを計測する方法の一例が特許文献２に開示されている。特許文献２で開示される計測法は、主に血中のブドウ糖濃度を測定するためのバイオセンサ素子に関するものである。更に、この計測法は、標的物質のブドウ糖以外の物質（水、アラニン、アルブミン、ヘモグロビンなど）による赤外線吸収の影響を排除することを目的としている。この目的を達するために、当該計測法は、血液サンプルについて赤外線吸収度のベースラインを有する赤外線吸収スペクトルを提供するステップを包含する。また、このベースラインが選択した吸収波長範囲内で選択された赤外線吸収度とほぼ同等となるように、赤外線吸収スペクトルをシフトさせるステップを包含する。更に、赤外線吸収スペクトルから標的物質以外の物質の寄与を減算して、この寄与が実質的に含まれない補正済赤外線吸収スペクトルを提供するステップも包含する。
【特許文献１】特許第３４５２８３７号公報
【特許文献２】特表第２００５−５１７９２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に開示された方法をバイオセンサ素子を用いた、検体中の標的物質検出に具現化しようとした場合、標的物質の捕捉（つまり、反応）の前後において光物性の変化を感度よく検知して標的物質量を計測する必要が生じる光物性の変化は、バイオセンサ素子の表面と光学プローブの先端との間にある溶液の検出光の透過距離に依存してしまう。この依存関係を絶つには、毎回の計測の際、バイオセンサ素子の表面と光学プローブの先端との間の間隔を一定に保つことが必要となる。更に、一般的にバイオセンサ素子に固定された捕捉能を有する捕捉体は生物由来の物質であるため、捕捉体を備えたバイオセンサ素子は計測時でも溶液中にあることが望ましい。そのため、通常の反応ウェル構成のバイオセンサ素子に導入する検体量を制御する標的物質量検出の場合、空気中に配置された光学プローブと、溶液中に配置されたバイオセンサ素子とを用いて計測が行われる。この計測の際、溶液面が表面張力の影響で湾曲した形状であることにより、常に液面を安定させることは実質上、困難である。そのため、毎回の計測の際、前述のようにバイオセンサ素子の表面と光学プローブの先端との間の間隔を一定に保っていても、空気中の光学プローブから出射し溶液中のバイオセンサ素子へ向かう計測光は、湾曲形状の液面の影響を受けてしまう。そのため、計測光がバイオセンサ素子に達した後、バイオセンサ素子の表面で反射して光学プローブへ戻ってくる透過距離は計測毎に不安定なものとなってしまう。
【０００９】
一方、捕捉体を備えたバイオセンサ素子が計測時でも溶液中にあることが望ましい点に関し、次のような問題がある。それは、計測時の溶液の持つ光学特性に関するものであって、反応前後で溶液の光学特性に差異がある場合、赤外線吸収スペクトルに関する正しい定量データが取得できなくなってしまう。溶液自体の光学特性については、計測毎に同一溶液を導入することにより解決可能である。しかしながら、この解決策に関しては、計測前後での計測光が溶液を透過する距離の安定性、制御について未解決の問題となっている。
【００１０】
また、溶液内の計測光の透過距離を安定させることのできる別の技術として、反応ウェル内の流路を微小化するという方策もあるが、この微小化に伴って反応ウェルの作製コストが高くなってしまう。更に、この方策に関しては、標的物質である生体分子にダメージ無く反応ウェル内の流路を封止する技術に課題が残されている。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、反応ウェル内の流路を微小化せずに計測光の溶液内透過距離を安定可能な計測装置、光学プローブ、これらを備えた計測制御システム、及び光学プローブを用いた計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様の計測装置は、光源と、標的物質を含有する液体を収容可能な収容手段と、収容手段内に配され、標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子と、光源から発せられた光束をバイオセンサ素子に向かって照射する光学プローブであって、光束を光学プローブの中心軸に沿う方向に透過させる端面を備えた光透過部を有する光学プローブと、光透過部を透過し、バイオセンサ素子を透過した光束を受光し、光束のスペクトルのピーク値から標的物質の量を検出する検出手段と、を有し、光学プローブは、光透過部の周縁に設けられた光偏向部を有し、光偏向部は、光束を中心軸の方向へ偏向させる出射面と、出射面から出た光束がバイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を有し、先端領域は、液体中に配置されるようにされており、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測する計測手段を有し、計測手段による計測と検出手段による検出とは切り替え可能である。
【００１３】
本発明の一態様の計測制御システムは、上述の計測装置を備えている。
【００１４】
本発明の一態様の光学プローブは、光源から発せられた光束を、収容手段内に配され、収容手段内の液体中に含まれる標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子に向かって照射する光学プローブであって、光束を光学プローブの中心軸に沿う方向に透過させる端面を備えた光透過部と、光透過部の周縁に設けられた光偏向部であって、光束を中心軸の方向へ偏向させる出射面と、出射面から出た光束がバイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を備えた光偏向部と、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測し、検出手段による検出と切り替え可能な計測手段と、を有し、先端領域は、液体中に配置されるようにされている。
【００１５】
本発明の一態様の計測制御システムは、上述の光学プローブを備えている。
【００１６】
本発明の一態様の光学プローブを用いた計測方法は、光源から発せられた光束を透過させる端面を備えた光透過部と、光透過部の周縁に設けられた光偏向部と、を有する光学プローブであって、光偏向部は、光束を光学プローブの中心軸の方向へ偏向させる出射面と、出射面から出た光束がバイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を備え、先端領域はバイオセンサ素子が配置された収容手段内に収容可能な液体中に配置されるようにされている、光学プローブを用いた計測方法であって、光学プローブを介して、光源から発せられた光束を収容手段内の液体中に含まれる標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子に向かって照射するステップと、光透過部を透過し、バイオセンサ素子を透過した光束を受光し、光束のスペクトルのピーク値から標的物質の量を検出するステップと、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測するステップと、を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、収容手段である反応ウェルに着目して従来技術の課題の解決を図るのではなく、すなわち、反応ウェルの流路を微小化するといった方策を考慮するのではなく、光学プローブに着目して課題の解決が図られた。すなわち、本発明に係る光学プローブは、光束を透過する端面を備えた光透過部の周縁に設けられた光偏向部を有し、光偏向部は、光束を中心軸の方向へ偏向させる出射面と、出射面から出た光束がバイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を有する。この先端領域は、液体中に配置されるようにされている。更に、本発明に係る計測装置は、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測する計測手段を有し、計測手段による計測と検出手段による検出とは切り替え可能である。
【００１８】
これにより、液体中に計測光の出射面及び入射面を含む先端領域が配置された光学プローブから出射してバイオセンサ素子へ向かう計測光は、液面の影響を受けることがない。よって、従来の計測装置において問題であった、空気中の光学プローブから出射し溶液中のバイオセンサ素子へ向かう計測光が湾曲形状の液面の影響を受けてしまう現象を回避できる。そのため、液体内の計測光の透過距離を安定可能となる。更に、液体内に配された光学プローブの先端領域に設けられた光偏向部の存在により、光偏向部から出射した計測光は、バイオセンサ素子の表面で反射されて再び光学プローブに入射することになる。入射するこの光束の位置及び幅は、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測する計測手段によって計測され、この距離が一定であるように制御される。よって、液体内の計測光の透過距離を安定可能となる。
【００１９】
これにより、反応ウェル内の流路の微小化が必要ないことで、反応ウェルの作製コストの増大を抑制することができ、更に標的物質である生体分子にダメージ無く反応ウェル内の流路を封止する技術を考慮する必要もなくなる。
【００２０】
従って、反応ウェル内の流路を微小化せずに計測光の溶液内透過距離を安定可能な計測装置、光学プローブ、これらを備えた計測制御システム、及び光学プローブを用いた計測方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１及び２に本発明の第１の実施形態に係る計測装置の光学系の構成を示す。図１はバイオセンサ素子２１０と光学プローブとの間の距離計測時の計測装置の光学系であり、図２は標的物質量検出時の計測装置の光学系である。図３に本発明の第１の実施形態に係る光学プローブの立面図、下面図、及び側面図を示す。図４に本発明の第１の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図を示す。
【００２２】
計測装置３００は、光学プローブ１００と、反応ウェル２０９と、バイオセンサ素子２１０と、光学プローブチャック３０１と、アパチャーセレクタ３０２と、アパチャー３０４と、フォトダイオードアレイ３０５と、直角プリズム３０６と、光源側コリメートレンズ３０７と、受光側コリメートレンズ３０８と、光源側導光ファイバ３０９と、受光側導光ファイバ３１０と、光源３２０と、バッファ溶液または検体溶液６０１とで構成されている。
【００２３】
本実施形態の光学プローブ１００は、その先端領域１０８に光屈折部１０３の一部を構成する平面状の縁が設けられている形態である。先端領域１０８は、収容手段である反応ウェル２０９内に収容可能なバッファ溶液または検体溶液６０１内に配置されている。なお、本発明の各実施形態に係る光学プローブの素材としては、計測波長及び距離計測波長において、透明かつ成形可能な材料であればよく、誘電体で一体成型されているのが好ましい。誘電体の例として各種の光学ガラスや透明樹脂が利用可能である。ただし、安価に作製可能な、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル樹脂がより好ましく適用できる。
【００２４】
更に、光学プローブ１００は、光透過部１０１と光屈折部１０３とで構成されている。光透過部１０１は、光学プローブ１００の中心軸１０７に沿って円筒状に延びている。光透過部１０１の形状に関しては、円筒状に限らず多角柱状、多角錐状、又は円錐状であってもよい。更に、光透過部１０１は、光学プローブ１００の中心軸１０７に沿う形状を呈していることで光源３２０からの光束の一部を中心軸１０７に沿う方向に透過させる機能を有する（図２参照）。
【００２５】
このような光透過部１０１の構成により、図２に示す標的物質量検出時においては、光源３２０から発せられた光束は、光源側導光ファイバ３０９を通過して光源側コリメートレンズ３０７により平行光となる。この平行光はアパチャー３０４の開口部を通過して検出光２０３となって光学プローブチャック３０１により固定保持された光学プローブ１００に導かれる。なお、光学プローブ１００の保持機構である光学プローブチャック３０１は、光学プローブ１００の中心軸１０７がぶれることなく保持できれば特に構成上の制約はない。検出光２０３は光学プローブ１００の中心軸１０７と略平行に光学プローブ１００の光透過部１０１に入射する。光透過部１０１を透過した光束は、光学プローブ１００の先端領域１０８の一部を構成する端面１０２から出射してバイオセンサ素子２１０に入射する。この入射光は、バイオセンサ素子基板２０４とセンサ素子部２０５とで構成されたバイオセンサ素子２１０を透過する。そして、透過光は、受光側コリメートレンズ３０８により絞られ、受光側導光ファイバ３１０に導かれる。受光側導光ファイバ３１０は、検出手段として機能し、受光した光束のスペクトルのピーク値から標的物質の量を検出する。
【００２６】
光屈折部１０３は、光透過部１０１の周縁に光学プローブ１００の中心軸１０７に沿って円環状に延びている。更に、光屈折部１０３は、光学プローブ１００の先端領域１０８の一部を構成する平面状の出射面１０９及び入射面１１０を有する。出射面１０９及び入射面１１０は、光偏向手段として機能するように中心軸１０７に対して対称的な位置に中心軸１０７と相対的にある角度を為して端面１０２の周縁領域に設けられている。なお、図３に示す光屈折部１０３は、それぞれ１つの平面で構成された出射面１０９及び入射面１１０を備えている形態であるが、この数に限定されるものではない。すなわち、出射面１０９及び入射面１１０が光学プローブ１００の中心軸１０７に対して対称的に配置されている構成であれば、出射面１０９及び入射面１１０の各々は端面１０２の周縁領域に互いに所定の間隔で複数個設けられていてもよい。
【００２７】
このような光屈折部１０３の構成により、図１に示すバイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離計測時（上述の標的物質量検出時の光学系との差異は、アパチャー３０３が距離計測時の形態に変更されている点だけである。）においては、光源３２０から発せられた光束は、光源側導光ファイバ３０９を通過して光源側コリメートレンズ３０７により平行光となる。この平行光はアパチャー３０４の開口部を通過して計測光２０１となって光学プローブチャック３０１により固定保持された光学プローブ１００に導かれる。これにより、計測光２０１は光学プローブ１００の中心軸１０７と略平行に光学プローブ１００の光屈折部１０３に入射する。光屈折部１０３に入射した光束は、出射面１０９からバイオセンサ素子２１０へ向かって出射する際、中心軸１０７の方向へ屈折（偏向）する。この屈折光は、バイオセンサ素子２１０のバイオセンサ素子基板２０４の表面で反射される。なお、バイオセンサ素子２１０の表面での反射は乱反射の形態を含まない。以降の各実施形態におけるバイオセンサ素子２１０の表面での反射も同様に解するものとする。そして、反射光は、光屈折部１０３の入射面１１０に入射して中心軸１０７の方向に屈折（偏向）する。その後、屈折光は、光学プローブ１００の中心軸１０７に平行な平行光である戻り光２０２となる。戻り光２０２は、直角プリズム３０６により９０°偏向され、フォトダイオードアレイ３０５に入射する。フォトダイオードアレイ３０５は、標的物質量検出時の検出手段である受光側導光ファイバ３１０と切り替え可能な距離計測時の計測手段である。更に、フォトダイオードアレイ３０５は、光学プローブ１００の入射面１１０に入射した光束の位置及び幅から、入射面１１０とバイオセンサ素子２１０の表面との間の距離を計測する。ここで、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離が変化した場合には、バイオセンサ素子２１０で反射した戻り光２０２の位置が、光学プローブ１００が移動する方向と交差する横方向に変化する。戻り光２０２のこの位置を計測することにより、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離を制御することができる。
【００２８】
次に、図５〜９を用いて本発明を実施する際に用いるバイオセンサ素子２１０について詳細に説明する。図５は本発明に使用可能なバイオセンサ素子２１０の一実施形態を示す概念図である。バイオセンサ素子２１０は、バイオセンサ素子基板２０４とセンサ素子部２０５とで構成されている。
【００２９】
バイオセンサ素子基板２０４は、透過系で計測する場合には光学的に透明であり、生体試料に対する耐腐食性に課題がなければ特に制約はない。反射系で計測する場合には光学的に不透明であり、生体試料に対する耐腐食性に課題がなければ特に制約はない。センサ素子部２０５は、計測対象の標的物質の有無によって光物性が変化する。
【００３０】
図６は、本発明に使用可能なバイオセンサ素子２１０の別実施形態を示す概念図である。バイオセンサ素子基板２０４及びセンサ素子部２０５の構成は上述の実施形態と同様であるが、反応ウェル２０９をウェル形成部材２０８により形成している点が上述の実施形態とは異なる。本実施形態のバイオセンサ素子２１０では、ある程度大きな容積の検体溶液やバッファ溶液６０１を保持することができるように構成されている。
【００３１】
次に、センサ素子部２０５の詳細を図７〜９を用いて説明する。図７は、金属微粒子を用いた局在表面プラズモン共鳴センサの例の断面を示す概念図である。バイオセンサ素子２１０は、バイオセンサ素子基板２０４とセンサ素子部２０５とで構成されている。センサ素子部２０５は、金属微粒子２０６と捕捉体２０７とを有している。
【００３２】
金属微粒子２０６はバイオセンサ素子基板２０４上に配されている。金属微粒子２０６は表面プラズモン共鳴を起こす金属種であれば特に制約はないが、金又は銀が好適である。
【００３３】
捕捉体２０７は金属微粒子２０６上に設けられ標的物質を特異的に捕捉する。図７では、捕捉体２０７は抗体の形態で図示しているが、これに限定されるものではない。このセンサに利用可能な捕捉体には、標的物質に対して特異的な結合対を形成する任意の物質を適用できる。好適な標的物質と特異的な結合対との組み合わせには、抗原／抗体、相補的ＤＮＡ、リセプター／リガンド、酵素／基質が挙げられる。
【００３４】
図８及び９は、それぞれ金属薄膜パターンを用いた局在表面プラズモン共鳴を原理としたバイオセンサ素子２１０の断面図及び斜視図である。バイオセンサ素子２１０は、バイオセンサ素子基板２０４と、微小金属構造体２０６と、捕捉体２０７とで構成されている。
【００３５】
微小金属構造体２０６は薄膜状であって、バイオセンサ素子基板２０４上に設けられている。捕捉体２０７は微小金属構造体２０６上に設けられている。
【００３６】
微小金属構造体２０６は、図９において正方形状の薄膜パターンとして示されているが、この形状に限定されることない。すなわち、長方形、円形、又は楕円形の形状に適宜変更可能である。この形状については、微小金属構造体のプラズモン共鳴による波長特異的な吸収ピークがスペクトルに含まれていれば特に制限はない。
【００３７】
以上のように構成された本発明に係る光学プローブは、光透過部の周縁に設けられた光偏向部を有し、光偏向部は、光束を中心軸の方向へ偏向させる出射面と、出射面から出た光束がバイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を有する。この先端領域は、液体中に配置されるようにされている。更に、本発明に係る計測装置は、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とセンサ素子の表面との間の距離を計測する計測手段であるフォトダイオードアレイを有し、計測手段による計測と検出手段による検出とは切り替え可能である。
【００３８】
これにより、液体中に先端領域が配置された光学プローブから出射してバイオセンサ素子へ向かう計測光は、液面の影響を受けることがない。よって、従来の計測装置において問題であった、空気中の光学プローブから出射し溶液中のバイオセンサ素子へ向かう計測光が湾曲形状の液面の影響を受けてしまう現象を回避できる。そのため、液体内の計測光の透過距離を安定可能となる。更に、液体内に配された光学プローブの先端領域に設けられた光偏向部の存在により、光偏向部から出射した計測光は、バイオセンサ素子の表面で反射されて再び光学プローブに入射することになる。入射するこの光束の位置及び幅は、光透過部の端面とバイオセンサ素子の表面との間の距離を計測する計測手段によって計測され、この距離が一定であるように制御される。よって、液体内の計測光の透過距離を安定可能となる。
【００３９】
これにより、反応ウェル内の流路の微小化が必要ないことで、反応ウェルの作製コストの増大を抑制することができ、更に標的物質である生体分子にダメージ無く反応ウェル内の流路を封止する技術を考慮する必要もなくなる。
【００４０】
従って、反応ウェル内の流路を微小化せずに計測光の溶液内透過距離を安定可能な計測装置を提供することができる。
（第２の実施形態）
図１０及び１１に本発明の第２の実施形態に係る計測装置の光学系の構成を示す。以降、第１の実施形態と同一部分の説明は省略する。
【００４１】
図１０は、距離計測時の光学系構成図である。アパチャー３１２は距離計測時のものであり、輪帯状のアパチャーを用いている。距離計測用の計測光２０１は輪帯状のアパチャー３１２を透過し、光学プローブ１００の光集束部４を透過することで集束する。集束光はバイオセンサ素子２１０の表面で反射して戻り光２０２となり、光学プローブ１００を透過する。この透過光はビームスプリッタ３１１によって９０°偏向された後、計測手段であるＣＣＤ(Charge-Coupled Device)３１９に導かれる。
【００４２】
また、図１１に示す標的物質量検出時の光学構成は、図２に示す第１の実施形態の標的物質量検出時の光学構成と同様である。
【００４３】
本実施形態の光学プローブ１００は、その先端領域１０８に光集束部１０４の一部を構成する凸レンズ状の入射面及び出射面が設けられている形態である。図１２に本発明の第２の実施形態に係る光学プローブの立面図及び下面図を示す。本実施形態の光学プローブの構成は、第１の実施形態と光偏向部の構成のみが異なっている。そのため、以降では光偏向部の構成のみを記述することにする。
【００４４】
本実施形態の光偏向部は光集束部１０４で構成されている。光集束部１０４は、光透過部１０１の周縁を取り囲むように配置されている。更に、光集束部１０４は、光学プローブ１００の中心軸１０７に対して対称に凸レンズ状の入射面１１０及び出射面１０９を有する。図１０、１１、及び１２に示す入射面１１０及び出射面１０９は単一の凸レンズの曲面の一部として開示されているが、この形態に限定されるものではない。すなわち、光集束部１０４を出射してバイオセンサ素子２１０で反射した光が、再度、光集束部１０４に戻ってくる形態であれば、曲率が異なる複数の凸レンズの曲面の一部として入射面１１０及び出射面１０９が形成されていてもよい。
【００４５】
光集束部１０４は、光学プローブ１００から出射する光を光学プローブ１００の中心軸１０７方向に集束させて偏向させる機能を有する形態となっている。更に、光屈折部１０３は、光学プローブ１００から出射した後、バイオセンサ素子２１０で反射してきた光を中心軸１０７方向に集束させて偏向させる機能も有している。
【００４６】
図１３に第２の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図を示す。図１３を用いて実際の光学プローブを使用する際の光学構成イメージを説明する。
【００４７】
計測光２０１は距離計測用の光であり、平行光で光学プローブ１００に入射する。更に、計測光２０１は、光学プローブ１００の先端領域１０８に形成された光集束部１０４を透過し、光学プローブ１００の中心軸１０７方向に偏向して集束する。この集束光は、焦点位置でバイオセンサ素子２１０によって反射され、もう一方の光集束部１０４を透過して集束する。その後、集束光は、光学プローブ１００の中心軸１０７に平行な平行光である戻り光２０２となる。ここで、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離が変化した場合には、バイオセンサ素子２１０で反射した戻り光２０２の位置が、光学プローブ１００が移動する方向と交差する横方向に変化する。これと同時に、戻り光２０２の幅が変化する。これらの光位置及び光幅を計測することにより、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離を制御することができる。
【００４８】
従って、本実施形態においては前述の実施形態と光偏向作用を達成する構成が異なるのみであるため、前述の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
（第３の実施形態）
図１４に本発明の第３の実施形態に係る光学プローブの立面図及び下面図を示す。本実施形態の光学プローブの構成は第１の実施形態と光偏向部の構成のみが異なっている。そのため、以降では光偏向部の構成のみを記述することにする。
【００４９】
本実施形態の光偏向部は２つの平面状の入射面及び出射面を有する光回折部１０５で構成されている。入射面１１０及び出射面１０９は、それぞれ光学プローブ１００の中心軸１０７に対して対称的に先端領域１０８の周縁に配置されている。図１６では光回折部１０５が入射面１１０及び出射面１０９をそれぞれ１つずつ備えているが、この数に限定されるものではない。すなわち、光回折部１０５の入射面１１０及び出射面１０９が光学プローブ１００の中心軸１０７に対して対称的に配置される構成であれば、光回折部１０５の縁は先端領域１０８に互いに所定の間隔を置いて複数設けられていてもよい。
【００５０】
更に、図１４に示す光回折部１０５は、その端面が光透過部１０１の先端領域１０８の端面１０２と一致するように設けられている。しかし、光回折部１０５の構成はこの形態に限定されるものではない。つまり、一方の光回折部１０５を通りバイオセンサ素子２１０で反射した光が、もう一方の光回折部１０５に戻ってくる構成であれば、光透過部１０１の端面１０２と光回折部１０５の端面１０２とは一致していなくてもよい。なお、光回折部１０５は透過型の回折格子を加工したものである。
【００５１】
光回折部１０５は、光学プローブ１００から出射する光を光学プローブ１００の中心軸１０７方向に回折させて偏向させる機能を有する形態となっている。更に、光回折部１０５は、光学プローブ１００から出射した後、バイオセンサ素子２１０で反射してきた光を中心軸１０７方向に回折させて偏向させる機能も有している。
【００５２】
図１５に本発明の第３の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図を示す。図１５を用いて実際の使用時の光学構成イメージを説明する。
【００５３】
計測光２０１は距離計測用の光束であり、平行光で光学プローブ１００に入射する。更に、計測光２０１は、光学プローブ１００の先端領域１０８に形成された光回折部１０５を透過し、光学プローブ１００の中心軸１０７方向に偏向して回折する。この回折光は、バイオセンサ素子２１０によって反射され、反対側の光回折部１０５を透過して回折する。その後、回折光は、光学プローブ１００の中心軸１０７に平行な平行光である戻り光２０２となる。ここで、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離が変化した場合には、バイオセンサ素子２１０で反射した戻り光２０２の位置が、光学プローブ１００が移動する方向と交差する横方向に変化する。これと同時に、戻り光２０２の幅が変化する。これらの光位置及び光幅を計測することにより、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離を制御することができる。
【００５４】
従って、本実施形態においても前述の実施形態と光偏向作用を達成する構成が異なるのみであるため、前述の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
（第４の実施形態）
図１６及び１７に本発明の第４の実施形態に係る計測装置の光学系の構成を示す。図１６を用いて本実施形態の距離計測時の光学系の構成を説明する。光源側導光ファイバ３０９から出射する光は、ロータリーシャッタ３１７で遮られている。ここでは、近赤外光領域の波長を含むハロゲンランプが光源３２０として用いられている。距離計測のための光は半導体レーザ３１５から出射される。この出射光は、コリメートレンズ３１４によって平行光とされ、直角プリズム３１３により直角に偏向されて光学プローブ１００に入射する。第１の実施形態と同様に距離計測用の計測光２０１が、バイオセンサ素子２１０の表面で反射され戻り光２０２となる。戻り光２０２は直角プリズム３１３により直角に偏向された後、フォトダイオードアレイ３０５に入射する。
【００５５】
次に、図１７を用いて本実施形態の標的物質量検出時の光学系の構成を説明する。図１７の標的物質量検出時においては、ロータリーシャッタ３１７が開状態となっており、光源側導光ファイバ３０９から出射する光はコリメートレンズ３０７によって平行光にされている。平行光はアパチャー３０３によって絞られる。この光は光学プローブ１００の中空である中空部１０６を通り、光学プローブ１００を透過する。その後、バイオセンサ素子２１０の表面で反射した反射光が再度、光学プローブ１００を透過する。透過光はアパチャー３０３を通った後、ビームスプリッタ３１２によって直角に偏向される。この偏向光はコリメートレンズ３１６によって集光されて受光ファイバ３１８に導かれる。
【００５６】
図１８に本発明の第４の実施形態に係る光学プローブの立面図、下面図、及び側面図を示す。本実施形態の光学プローブの構成は、第１の実施形態と光透過部の構造のみが異なっている。そのため、以降では光透過部の構造のみを記述することにする。
【００５７】
本実施形態に係る光学プローブ１００の光透過部１０１内には、標的物質量の検出光が通る中空部１０６が設けられている。中空部１０６は光透過部１０１の中空空間を構成しており、この中空部１０６は光学プローブ１００の中心軸１０７に沿って光源３２０側の縁から先端領域１０８まで円筒状に延びている。光透過部１０１の一部に中空部１０６が設けられていることで、中空部１０６がない場合に比べ光透過部１０１の素材量が減少する。そのため、光透過部１０１を透過する計測光の透過距離が低減される。従って、近赤外領域の光を検出光に用いる場合で、かつ樹脂を光学プローブの素材に用いた場合に課題となる、樹脂による近赤外光の吸収によって引き起こされる検出光量の減少を抑制することができる。
【００５８】
また、本中空構造は、図１８に示す例だけでなく図３、１２及び１４に示した距離計測時の光学プローブの各実施形態と組み合わせることができる。このとき、距離計測の際の計測光は、近赤外光に限らず可視光を用いてもよい。
【００５９】
図１９に本発明の第４の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図を示す。図１９を用いて実際の使用時の光学構成イメージを説明する。
【００６０】
距離計測の際は、距離計測用の計測光２０１が照射される。計測光２０１は平行光で光学プローブ１００に入射する。この入射光は、光学プローブ１００の先端領域１０８の光偏手段で構成された部分の一方を透過し、光学プローブ１００の中心軸１０７方向に偏向（光学的には、屈折、集束、又は回折）する。この光がバイオセンサ素子２１０によって反射され、もう一方の光偏向手段で構成された部分を透過する。この透過光は、光学プローブ１００の中心軸１０７に平行な平行光である戻り光２０２となる。ここで、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離が変化した場合には、バイオセンサ素子２１０で反射した戻り光２０２の位置が、光学プローブ１００が移動する方向と交差する横方向に変化する。戻り光２０２のこの位置を計測することにより、バイオセンサ素子２１０と光学プローブ１００との間の距離を制御することができる。
【００６１】
一方、標的物質量の検出の際は、標的物質量の検出用の検出光２０３が照射される。この際には、図１８に示すように検出光２０３が光透過部１０１を透過する距離が低減されることで、光学プローブ１００の素材を透過する距離を減少させることができる構成となっている。
【００６２】
従って、本実施形態においても前述の実施形態と光偏向作用を達成する構成が異なるのみであるため、前述の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
【実施例】
【００６３】
以下では各実施例をもって本発明を説明するが、これらの実施例は、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
（第１の実施例）
ここでは、本発明の第１の実施例を説明する。
[光学プローブ作製]
本実施例の光学プローブの製法について説明する。本実施例では、光学プローブ５１９の材料として光学ガラス材料であるＳＦ１３を用いる。ＳＦ１３を研磨し、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍのロッドレンズ状に加工する。図１に示す光屈折部１０３のように、端面１０２における幅３ｍｍの領域を４５度で面取りするように２箇所研磨加工する。
[バイオセンサ素子作製]
本実施例のバイオセンサ素子２１０の製法について説明する。本実施例では、図６の形態のバイオセンサ素子２１０を用いる。
【００６４】
バイオセンサ素子５２０の基板２０４の材料として、信越化学工業（株）製のアミノシランカップリング処理済みの石英基板２０４を用いる。本石英基板２０４上にＰＤＭＳ(Polydiｍethylsiloxane)で形成されたウェルを貼り付ける。この状態にてウェル内にＢＢインターナショナル社製の１００ｎｍの金コロイド溶液ＥＭ．ＧＣ１００を導入し、２時間インキュベートする。この金コロイド溶液を除去し、純水で洗浄すると、石英基板２０４上に金コロイドが固定化された基板２０４が形成される。
【００６５】
次に、標的物質の捕捉体としてヒトＣ反応性タンパクを捕捉する抗体を検出部に固定化する。抗ヒトＣ反応性タンパクを特異的に認識し捕捉する、シグマアルドリッチ社製の抗ヒトＣＲＰ(C-reactive protein)ヤギ抗体をＰＢＳ(Phosphate Buffered Saline)溶液に溶解し、上記ウェルに導入する。物理吸着によって金コロイド表面上に抗体が固定される。本処理によりバイオセンサ素子５２０が作製される。
[計測装置構成]
本実施例を実現する計測装置の構成を説明する。図１及び２が本実施例の計測装置の光学系の概要図である。この光学系では、ハロゲンランプ光源が光源３２０として用いられている。ハロゲンランプ光源から発せられる光はマルチモードファイバ３０９により導光される。マルチモードファイバ３０９には、コアが２００μｍ径のものが用いられている。コリメートレンズ３０７は、ＢＫ７製の平凸レンズを用いている。ここでは単レンズを用いているが、当然ながら、複数枚のレンズを用いて単レンズより収差を補正したものでもよい。本レンズの焦点距離の位置（厳密には、ファイバの開口数に依存した、ファイバからの出射光の広がり中心）にファイバ端面が来るように設置する。アパチャーセレクタ３０２は、リボルバ状になっており、光束の形状を変化させるアパチャーを複数切り替えることができる。図１の距離計測時は、微小開口を持ったアパチャー３０４を用いている。ここでの開口は直径１．５ｍｍの円形状のものを用いる。図２の標的物質量検出時には、光軸の中心に円形状の開口を持ったアパチャー３０３を用いる。本実施例では、直径２．５ｍｍの円形状のアパチャー３０３、３０４を用いている。光学プローブチャック３０１は、上述した光学プローブ５１９を保持できるように構成されている。更に、光学プローブチャック３０１には、円筒状の光学プローブ５１９を平面方向の位置ずれ及び傾きなく保持できるような三つ爪のチャックが用いられている。また、ここでは不図示であるが、光学プローブチャック３０１は、上下方向に安定した、光学プローブチャック３０１を相対的に駆動可能なステージに固定されている。本実施例では、１μｍの分解能を持ったボールネジステージを用いている。直角プリズム３０６にはいわゆる４５°直角プリズムが用いられている。本実施例のフォトダイオードアレイ３０５には、画素ピッチ８μｍのＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)フォトダイオードアレイが用いられている。
【００６６】
本実施例の計測装置全体のイメージを図２０を用いて説明する。計測装置４００は、筐体４０１、インキュベータステージ４０２、センサインキュベータ４０３、検体４０４、搬送レーン４０５、バッファ試薬４０６、分注ロボティクス４０７、使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８、光学プローブラック４０９、及び暗箱エリア４１０で構成されている。
【００６７】
インキュベータステージ４０２は、バイオセンサ素子５２０を搭載してインキュベートさせる。ここでは、センサインキュベータ４０３は４連で搭載されており、４つのセンサを同時処理することができる。計測対象の検体４０４には、いわゆる、採血管、または分注された血清、血漿が入ったサンプルチューブがセットされる。搬送レーン４０５は、検体４０４を搬送する搬送手段であって、４つの検体を同時に懸架できる構成となっている。バッファ試薬４０６は洗浄及び計測用のものである。分注ロボティクス４０７は検体及び試薬を分注する。使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８は分注用のものである。光学プローブラック４０９には光学プローブ５１９が搭載される。必要に応じて、光学プローブラック４０９から計測用の暗箱エリア４１０に光学プローブ５１９が導入される。
【００６８】
特に暗箱エリア４１０内の概要を図２１及び２２を用いて説明する。センサインキュベータ４０３は暗箱エリア４１０の外側に位置している。ステージ４１１は計測用手段である。光学ヘッド４１２内には光源が配されている。
【００６９】
[計測装置制御システム]
図２３に本発明の第１の実施例に係る計測装置の制御システムを表すブロック図を示す。図２３を用いて本実施例の計測装置の制御システムについて説明する。
【００７０】
本実施例の制御システム５００は、中央演算処理装置５０１と、主記憶装置５０２と、固定ディスク装置５０３と、表示装置５０４と、キーボード５０５と、点灯制御回路５０６と、ハロゲン光源５０７と、アパチャーセレクタ５０８と、フォトダイオードアレイ５０９と、光学プローブチャック５１０と、Ｚ軸ステージ５１１と、伸縮ハンド５１２と、計測Ｚステージ５１３と、分光器５１４と、温調コントローラ５１５と、インキュベータＺステージ５１６と、Ｙステージ５１７と、光学系５１８と、光学プローブ５１９と、バイオセンサ素子５２０と、光学系５２１と、計測エリア５２２と、ロボットシステム５２３とで構成されている。
【００７１】
中央演算処理装置５０１は制御システム５００全体の制御を司る。主記憶装置５０２は、中央演算処理装置５０１と接続されており、ＲＡＭ（Random Access Memory）が好適である。固定ディスク装置５０３は中央演算処理装置５０１と接続されている。表示装置５０４は中央演算処理装置５０１と接続されている。キーボード５０５は、入力デバイスであって中央演算処理装置５０１と接続されている。点灯制御回路５０６は、計測系のハロゲン光源５０７の点灯を制御する手段である。アパチャーセレクタ５０８は、基板２０４と光学プローブ５１９との間の距離計測と標的物質量検出とを切り替える。フォトダイオードアレイ５０９は距離計測時のセンサである。光学プローブチャック５１０は、上述した光学プローブ５１９を保持する。Ｚ軸ステージ５１１は、光学プローブ５１９を上下させる。Ｚ軸ステージ５１１を駆動することによって、光学プローブ５１９とバイオセンサ素子５２０との間の距離を変化させることができる。伸縮ハンド５１２は、図２１、２２のセンサインキュベータ４０３と計測Ｚステージ５１３との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しするための手段である。計測Ｚステージ５１３は伸縮ハンド５１２とＺ軸ステージ５１１との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。分光器５１４は標的物質量を検出する際に用いる。温調コントローラ５１５は、インキュベータステージ５１６、５１７の温調制御を行う。インキュベータＺステージ５１６は、計測Ｚステージ５１３と同様に、伸縮ハンド５１２とインキュベータステージ５１６、５１７との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。Ｙステージ５１７は、複数のバイオセンサ素子５２０を処理する際にインキュベータステージ５１６、５１７を位置制御する。ロボットシステム５２３は分注用の手段である。光学系５１８は、制御系ではない、計測光照射のための光学系である。計測エリア５２２は、光学プローブ５１９及びバイオセンサ素子５２０を含んでいる。受光光学系５２１は、バイオセンサ素子５２０を透過した光束の受光用光学系である。
【００７２】
[計測プロセス]
図１、２、２０、及び２３を用いて計測時のフローを説明する。この計測方法は、光学プローブを介して、光源から発せられた光束を反応ウェル内のバッファ溶液または検体溶液中に含まれる標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子に向かって照射するステップを有する。更に、この計測方法は、光透過部を透過し、バイオセンサ素子を透過した光束を受光し、光束のスペクトルのピーク値から標的物質の量を検出するステップを有する。更には、光学プローブの入射面に入射した光束の位置及び幅から、光透過部の端面とバイオセンサ素子のバイオセンサ素子基板の表面との間の距離を計測するステップを有する。
【００７３】
オペレータによって、センサインキュベータ４０３上に上記バイオセンサ素子作製プロセスで作製したバイオセンサ素子５２０を載置する。計測対象の検体４０４をバイオセンサ素子５２０に載置する。載置後、図２３のキーボード５０５により計測開始指示を行う。まず、Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、光学プローブチャック５１０に、使い捨て可能な光学プローブ５１９を保持する。その後、反応前計測を行うために、分注ユニット５２３にバッファ試薬をバイオセンサ素子５２０内に分注するように指示を出す。バイオセンサ素子５２０上にバッファ試薬を分注後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、ウェル内に光学プローブ５１９の先端領域１０８を導入する。アパチャーセレクタ５０８を距離計測位置に駆動する（図１に示す状態）。この状態でフォトダイオードアレイ５０９にて、戻り光の位置が予め決めた位置になるようにＺ軸ステージ５１１を駆動する。本実施例の場合、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離が７．１５ｍｍとなるような位置を基準位置とする。この位置から実際の計測位置にＺ軸ステージ５１１を相対的に駆動させ、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離が０．２０ｍｍとなるようにする。この状態での光学プローブ５１９及び基板２０４は、図２６に示すイメージとなる。
【００７４】
この状態で、アパチャーセレクタ５０８を切り替え、図２の状態となるようにする。この状態で、分光器５１４からセンサ素子透過スペクトル計測値を読み込む。ここでは明示していないが、予め求めておいた、光学系のリファレンススペクトルとセンサ素子透過スペクトルとにより吸光スペクトルを求める。この際に吸光スペクトルの吸収ピーク位置を求めておく。
【００７５】
再度、バイオセンサ素子５２０を伸縮ハンド５１２により搬出し、インキュベータステージ５１６、５１７に受け渡す。分注ユニット５２３にバイオセンサ素子５２０のウェル中のバッファ溶液の排出を指示する。バッファ溶液排出後、検体をバイオセンサ素子５２０のウェル中に規定量分注する。分注後、インキュベータステージ５１６、５１７上でインキュベートする。反応後、再度ユニットによりバイオセンサ素子５２０のウェル中の検体溶液６０１（図２６又は２７参照）の排出を指示する。検体溶液排出後、バッファ溶液６０１（図２６又は２７参照）をバイオセンサ素子５２０のウェル中にて医療分注する。分注後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、ウェル内に光学プローブ５１９の先端領域１０８を導入する。アパチャーセレクタ５０８を距離計測位置に駆動する（図１に示す状態）。この状態でフォトダイオードアレイ５０９において戻り光の位置が予め決めた位置になるようにＺ軸ステージ５１１を駆動する。本実施例の場合、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離が７．１５ｍｍとなるような位置を基準位置とする。この位置から実際の計測位置にＺ軸ステージ５１１を相対的に駆動させ、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離を０．２０ｍｍとなるようにする。
【００７６】
この状態で、アパチャーセレクタ５０８を切り替え、図２の状態となるようにする。この状態で、分光器５１４からセンサ素子透過スペクトル計測値を読み込む。ここでは明示していないが、予め求めておいた、光学系のリファレンススペクトルとセンサ素子透過スペクトルとにより吸光スペクトルを求める。このときに求めた吸光スペクトルのピーク位置と計測前に求めたスペクトルのピーク位置との間の変化を求める。このピーク位置の変化量から、検体中に含まれている標的物質量を求める。
【００７７】
以上の処理により、計測前後において、バイオセンサ素子基板２０４と光学プローブとの間の距離を安定した状態で計測することができ、バッファ溶液の持つ吸光特性によるばらつきを防いで検体中の標的物質量が検出できる。
（第２の実施例）
ここでは本発明の第２の実施例を説明する。
[光学プローブ作製]
本実施例の光学プローブの製法について説明する。本実施例では、光学プローブの材料として、光学ガラス材料であるＢＫ７を用いる。ＢＫ７をロッド状に研磨し、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍのロッドレンズ状に加工する。図１２に示すように端面を幅３ｍｍの領域を凸レンズ状となるように２箇所研磨加工する。このときの曲率を、空気中にて、焦点距離１５ｍｍとなるように加工する。
[バイオセンサ素子作製]
本実施例のバイオセンサ素子２１０の製法について説明する。本実施例では、図５の形態のバイオセンサ素子２１０を用いる。
【００７８】
バイオセンサ素子５２０の基板２０４の材料としては、信越化学工業（株）製の４インチ石英基板２０４を用いる。本石英基板２０４上に電子線リソグラフィーを用いたリフトオフプロセスを用いて、金の微細構造パターンを作製する。このときに、微細構造のパターンは、図８、１３に示した構造とし、このときの金パターンのサイズは１５０ｎｍ角の正方形とし、厚みは３０ｎｍとし、パターン間の配置間隔は２５０ｎｍとする。
【００７９】
本石英基板２０４上にＰＤＭＳで形成されたウェルを貼り付ける。次に、計測部に標的物質の捕捉体としてヒトＣ反応性タンパクを捕捉する抗体を固定化する。抗ヒトＣ反応性タンパクを特異的に認識して捕捉する、シグマアルドリッチ社製の抗ヒトＣＲＰヤギ抗体をＰＢＳ溶液に溶解し、上記ウェルに導入する。物理吸着により、金コロイド表面に抗体が固定される。処理後、ＰＤＭＳ製ウェルを除去することによって、バイオセンサ素子５２０が作製される。
[計測装置構成]
本実施例を実現する装置構成を説明する。図１０及び１１が本実施例の装置光学系の概要図である。ここで使用する光源は、ハロゲンランプ光源を用いている。ハロゲンランプ光源をマルチモードファイバ３０９により導光している。このマルチモードファイバは、コア２００μｍ径のものを用いている。コリメートレンズ３０７は、ＢＫ7製の平凸レンズを用いている。ここでは単レンズを用いているが、当然ながら、複数枚のレンズを用いより収差を補正したものでも構わない。本レンズの焦点距離の位置（厳密には、ファイバの開口数に依存した、ファイバからの出射光の広がり中心）にファイバ端面が来るように設置する。アパチャーセレクタ３０２は、リボルバ状になっており、光束の形状を変化させるアパチャーを複数切り替えることができる。図１０の距離計測時は、輪帯状の開口を持ったアパチャー３１２を用いている。ここでの開口寸法は、外径８ｍｍ、内径６ｍｍの輪帯絞りを用いる。図１１の標的物質量検出時には、光軸中心に円形状の開口を持ったアパチャー３０３を用いる。本実施例では、直径２．５ｍｍの円形状のアパチャーを用いている。光学プローブチャック３０１は、上述した光学プローブ５１９を保持できるような構成となっている。ここでは、円筒状の光学プローブ５１９を平面方向の位置ずれ及び傾きなく保持できるような三つ爪のチャックを用いている。またここでは不図示であるが、チャック３０１を上下方向に安定した相対距離駆動可能なステージに固定している。本実施例では、1μｍの分解能を持ったボールネジステージを用いている。ビームスプリッタ３１１である。本実施例におけるＣＣＤ３１９には、画素ピッチ９μｍのＣＣＤイメージセンサが用いられている。
【００８０】
本実施例の計測装置全体のイメージを図２０を用いて説明する。計測装置４００は、筐体４０１、インキュベータステージ５１６、５１７、センサインキュベータ４０３、検体４０４、搬送レーン４０５、バッファ試薬４０６、分注ロボティクス４０７、使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８、光学プローブラック４０９、及び暗箱エリア４１０で構成されている。
【００８１】
インキュベータステージ５１６、５１７は、バイオセンサ素子５２０を搭載してインキュベートさせる。ここでは、センサインキュベータ４０３は４連で搭載されており、４つのセンサを同時処理することができる。計測対象の検体４０４には、いわゆる、採血管、または分注された血清、血漿が入ったサンプルチューブがセットされる。搬送レーン４０５は、検体４０４を搬送する搬送手段であって、４つの検体を同時に懸架できる構成となっている。バッファ試薬４０６は洗浄及び計測用のものである。分注ロボティクス４０７は検体及び試薬を分注する。使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８は分注用のものである。光学プローブラック４０９には光学プローブ５１９が搭載される。必要に応じて、光学プローブラック４０９から計測用の暗箱エリア４１０に光学プローブ５１９が導入される。
【００８２】
特に暗箱エリア４１０内の概要を図２１及び２２を用いて説明する。センサインキュベータ４０３は暗箱エリア４１０の外側に位置している。ステージ４１１は計測用手段である。光学ヘッド４１２内には光源が配されている。
【００８３】
[計測装置制御システム]
図２４に本発明の第２の実施例に係る計測装置の制御システムを表すブロック図を示す。図２４を用いて本実施例の計測装置の制御システムについて説明する。
【００８４】
本実施例の計測制御システム５００は、中央演算処理装置５０１と、主記憶装置５０２と、固定ディスク装置５０３と、表示装置５０４と、キーボード５０５と、点灯制御回路５０６と、ハロゲン光源５０７と、アパチャーセレクタ５０８と、フォトダイオードアレイ５０９と、光学プローブチャック５１０と、Ｚ軸ステージ５１１と、伸縮ハンド５１２と、計測Ｚステージ５１３と、分光器５１４と、温調コントローラ５１５と、インキュベータＺステージ５１６と、Ｙステージ５１７と、光学系５１８と、光学プローブ５１９と、バイオセンサ素子５２０と、光学系５２１と、計測エリア５２２と、ロボットシステム５２３とで構成されている。
【００８５】
中央演算処理装置５０１は計測制御システム５００全体の制御を司る。主記憶装置５０２は、中央演算処理装置５０１と接続されており、ＲＡＭ（Random Access Memory）が好適である。固定ディスク装置５０３は中央演算処理装置５０１と接続されている。表示装置５０４は中央演算処理装置５０１と接続されている。キーボード５０５は、入力デバイスであって中央演算処理装置５０１と接続されている。点灯制御回路５０６は、計測系のハロゲン光源５０７の点灯を制御する手段である。アパチャーセレクタ５０８は、基板２０４と光学プローブ５１９との間の距離計測と標的物質量検出とを切り替える。フォトダイオードアレイ５０９は距離計測時のセンサである。光学プローブチャック５１０は、上述した光学プローブ５１９を保持する。Ｚ軸ステージ５１１は、光学プローブ５１９を上下させる。Ｚ軸ステージ５１１を駆動することによって、光学プローブ５１９とバイオセンサ素子５２０との間の距離を変化させることができる。伸縮ハンド５１２は、図２１、２２のセンサインキュベータ４０３と計測Ｚステージ５１３との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しするための手段である。計測Ｚステージ５１３は伸縮ハンド５１２とＺ軸ステージ５１１との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。分光器５１４は標的物質量を検出する際に用いる。温調コントローラ５１５は、インキュベータステージ５１６、５１７の温調制御を行う。インキュベータＺステージ５１６は、計測Ｚステージ５１３と同様に、伸縮ハンド５１２とインキュベータステージ５１６、５１７との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。Ｙステージ５１７は、複数のバイオセンサ素子５２０を処理する際にインキュベータステージ５１６、５１７を位置制御する。ロボットシステム５２３は分注用の手段である。光学系５１８は、制御系ではない、計測光照射のための光学系である。計測エリア５２２は、光学プローブ５１９及びバイオセンサ素子５２０を含んでいる。受光光学系５２１は、バイオセンサ素子５２０を透過した光束の受光用光学系である。
【００８６】
[計測プロセス]
図１０、１１、２０、２３、及び２７を用いて計測時のフローを説明する。
【００８７】
オペレータによって、センサインキュベータ４０３上に上記バイオセンサ素子作製プロセスで作製したバイオセンサ素子５２０を載置する。計測対象の検体４０４をバイオセンサ素子５２０に載置する。載置後、図２３のキーボード５０５により計測開始指示を行う。まず、Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、光学プローブチャック５１０に、使い捨て可能な光学プローブ５１９を保持する。その後、反応前計測を行うために、分注ユニット５２３にバッファ試薬をバイオセンサ素子５２０のセンサ領域に滴下するように指示を出す。バイオセンサ素子５２０上にバッファ試薬を滴下後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。ここで、本発明は、空気中で距離を計測する、反応領域周辺部が光軸中心となるように計測Ｚステージ５１３を駆動し、その位置にて、アパチャーセレクタ５０８を距離計測位置に駆動する（図１０に示す状態）。この状態でフォトダイオードアレイ５０９において戻り光のＣＣＤ上での輪帯像が狭輪帯となる位置にＺ軸ステージ５１１及び不図示のチルトステージを駆動する。本実施例の場合、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離が１５．２６ｍｍとなるような位置を基準位置とする。この条件となる、Ｚ軸ステージ５１１制御位置及びチルトステージ制御位置を反応領域周辺部４箇所でそれぞれ求める。この制御位置データの平均値をもとに、光軸をセンサ領域の中心部に位置合せし、計測位置にＺ軸ステージ５１１を相対的に駆動させ、光学プローブ５１９端面１０２と基板２０４の表面との距離が０．２０ｍｍとなるようにする。この状態での光学プローブ５１９及び基板２０４のイメージは、図２７の状態となる。この状態で、アパチャーセレクタ５０８を切り替え、図２の状態となるようにする。この状態で、分光器５１４からセンサ素子透過スペクトル計測値を読み込む。ここでは明示していないが、予め求めておいた、光学系のリファレンススペクトルとセンサ素子透過スペクトルとにより吸光スペクトルを求める。この際に吸光スペクトルの吸収ピーク位置を求めておく。
【００８８】
再度、バイオセンサ素子５２０を伸縮ハンド５１２により搬出し、インキュベータステージ５１６、５１７に受け渡す。分注ユニット５２３にバイオセンサ素子５２０の上のバッファ溶液の排出を指示する。バッファ溶液排出後、検体をバイオセンサ素子５２０のウェル中に規定量分注する。分注後、インキュベータステージ５１６、５１７上でインキュベートする。反応後、再度ユニットによりバイオセンサ素子５２０上の検体溶液の排出を指示する。検体溶液排出後、バッファ溶液をバイオセンサ素子５２０のウェル中に規定量滴下する。分注後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。後の計測動作については反応前の処理と同様である。反応前後での吸光スペクトルからピーク位置の変化を求める。このピーク位置の変化量から、検体中に含まれている標的物質量を求める。
【００８９】
以上の処理により、計測前後において、バイオセンサ素子５２０と光学プローブとの間の距離を安定した状態で計測することができ、バッファ溶液の持つ吸光特性によるばらつきを防いで検体中の標的物質量が検出できる。
（第３の実施例）
ここでは本発明の第３の実施例を説明する。
[光学プローブ作製]
本実施例の光学プローブの製法について説明する。本実施例では、光学プローブの材料として、ＰＭＭＡ（polymethylmethacrylate）樹脂を射出成形により図３の形状に加工する。形状寸法は、直径１０ｍｍ、長さ２５ｍｍのロッドレンズ状であり、図３に示すように端面を幅３ｍｍの領域と幅４ｍｍの領域とが４５°傾斜した光屈折部を有する形状とする。
[バイオセンサ素子作製]
本実施例のバイオセンサ素子２１０の製法について説明する。本実施例では、図５の形態のバイオセンサ素子２１０を用いる。
【００９０】
バイオセンサ素子５２０の基板２０４の材料としては、信越化学工業（株）製の４インチ石英基板２０４を用いる。本石英基板２０４上に電子線リソグラフィーを用いたリフトオフプロセスを用いて、金の微細構造パターンを作製する。このときに、微細構造のパターンは、図８、１３に示した構造とする。このときの金パターンのサイズは、２００ｎｍ角の正方形とし、厚みは２０ｎｍとし、パターン間の配置間隔は３５０ｎｍとする。
【００９１】
本石英基板２０４上にＰＤＭＳで形成されたウェルを貼り付ける。次に、計測部に標的物質の捕捉体としてヒトＣ反応性タンパクを捕捉する抗体を固定化する。抗ヒトＣ反応性タンパクを特異的に認識して捕捉する、シグマアルドリッチ社製の抗ヒトＣＲＰヤギ抗体をＰＢＳ溶液に溶解し、上記ウェルに導入する。物理吸着により、金コロイド表面に抗体が固定される。本処理によって、バイオセンサ素子５２０が作製される。
[計測装置構成]
本実施例を実現する装置構成を説明する。図１６及び１７が本実施例の装置光学系の概要図である。ここで用いる光源は、距離計測用の光源として波長６３５ｎｍの半導体レーザ３１５を用い、標的物質量検出用としてハロゲンランプ光源を用いている。距離計測のためのレーザ光は、コリメートレンズ３１４により平行光となり、直角プリズム３１３により偏向され、光学プローブ５１９に導入される。光学プローブ５１９の先端領域１０８の光屈曲部によって偏向されてバイオセンサ素子５２０の基板２０４面にて反射し、光学プローブ５１９に再度戻ってくる。更に、この光は直角プリズム３１３で偏向されてフォトダイオードアレイ３０５に導入される。
【００９２】
標的物質量検出用の光源は、ハロゲンランプ光源をマルチモードファイバ３０９により導光している。このマルチモードファイバは、コア２００μｍ径のものを用いている。本実施例では、標的物質量を検出するために近赤外線の波長域を用いるため、ハロゲンランプ前面にロングパスフィルターを挿入している。ロータリーシャッタ３１７によって、距離計測時に計測用光源を遮断できるように構成されている。コリメートレンズ３０７は、ＢＫ7製の平凸レンズを用いている。ここでは単レンズを用いているが、当然ながら、複数枚のレンズを用いより収差を補正したものでも構わない。本レンズの焦点距離の位置（厳密には、ファイバの開口数に依存した、ファイバからの出射光の広がり中心）にファイバ端面が来るように設置する。標的物質量検出光を制限するためのアパチャー３０３を用いている。アパチャー３０３は、光軸を中心に円形状の開口を持ったアパチャーを用いている。本実施例では、直径２．５ｍｍの円形状のアパチャーを用いている。光学プローブチャック３０１は、上述した光学プローブ５１９を保持できるような構成となっている。ここでは、円筒状の光学プローブ５１９を平面方向の位置ずれ及び傾きなく保持できるような三つ爪のチャックを用いている。またここでは不図示であるが、チャック３０１を上下方向に安定した相対距離駆動可能なステージに固定している。本実施例では、1μｍの分解能を持ったボールネジステージを用いている。ビームスプリッタ３１１である。本実施例におけるＣＣＤ３１９は、画素ピッチ９μｍのＣＣＤイメージセンサを用いている。
【００９３】
本実施例の計測装置全体のイメージを図２０を用いて説明する。計測装置４００は、筐体４０１、インキュベータステージ５１６、５１７、センサインキュベータ４０３、検体４０４、搬送レーン４０５、バッファ試薬４０６、分注ロボティクス４０７、使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８、光学プローブラック４０９、及び暗箱エリア４１０で構成されている。
【００９４】
インキュベータステージ５１６、５１７は、バイオセンサ素子５２０を搭載してインキュベートさせる。ここでは、センサインキュベータ４０３は４連で搭載されており、４つのセンサを同時処理することができる。計測対象の検体４０４には、いわゆる、採血管、または分注された血清、血漿が入ったサンプルチューブがセットされる。搬送レーン４０５は、検体４０４を搬送する搬送手段であって、４つの検体を同時に懸架できる構成となっている。バッファ試薬４０６は洗浄及び計測用のものである。分注ロボティクス４０７は検体及び試薬を分注する。使い捨て可能なバイオセンサ素子２１０カセット４０８は分注用のものである。光学プローブラック４０９には光学プローブ５１９が搭載される。必要に応じて、光学プローブラック４０９から計測用の暗箱エリア４１０に光学プローブ５１９が導入される。
【００９５】
特に暗箱エリア４１０内の概要を図２１及び２２を用いて説明する。センサインキュベータ４０３は暗箱エリア４１０の外側に位置している。ステージ４１１は計測用手段である。光学ヘッド４１２内には光源が配されている。
【００９６】
[計測装置制御システム]
図２５に本発明の第３の実施例に係る計測装置の制御システムを表すブロック図を示す。図２５を用いて本実施例の計測装置の制御システムについて説明する。
【００９７】
本実施例の制御システム５００は、中央演算処理装置５０１と、主記憶装置５０２と、固定ディスク装置５０３と、表示装置５０４と、キーボード５０５と、点灯制御回路５０６と、ハロゲン光源５０７と、アパチャーセレクタ５０８と、フォトダイオードアレイ５０９と、光学プローブチャック５１０と、Ｚ軸ステージ５１１と、伸縮ハンド５１２と、計測Ｚステージ５１３と、分光器５１４と、温調コントローラ５１５と、インキュベータＺステージ５１６と、Ｙステージ５１７と、光学系５１８と、光学プローブ５１９と、バイオセンサ素子５２０と、光学系５２１と、計測エリア５２２と、ロボットシステム５２３とで構成されている。
【００９８】
中央演算処理装置５０１は制御システム５００全体の制御を司る。主記憶装置５０２は、中央演算処理装置５０１と接続されており、ＲＡＭ（Random Access Memory）が好適である。固定ディスク装置５０３は中央演算処理装置５０１と接続されている。表示装置５０４は中央演算処理装置５０１と接続されている。キーボード５０５は、入力デバイスであって中央演算処理装置５０１と接続されている。点灯制御回路５０６は、計測系のハロゲン光源５０７の点灯を制御する手段である。アパチャーセレクタ５０８は、基板２０４と光学プローブ５１９との間の距離計測と標的物質量検出とを切り替える。フォトダイオードアレイ５０９は距離計測時のセンサである。光学プローブチャック５１０は、上述した光学プローブ５１９を保持する。Ｚ軸ステージ５１１は、光学プローブ５１９を上下させる。Ｚ軸ステージ５１１を駆動することによって、光学プローブ５１９とバイオセンサ素子５２０との間の距離を変化させることができる。伸縮ハンド５１２は、図２１、２２のセンサインキュベータ４０３と計測Ｚステージ５１３との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しするための手段である。計測Ｚステージ５１３は伸縮ハンド５１２とＺ軸ステージ５１１との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。分光器５１４は標的物質量を検出する際に用いる。温調コントローラ５１５は、インキュベータステージ５１６、５１７の温調制御を行う。インキュベータＺステージ５１６は、計測Ｚステージ５１３と同様に、伸縮ハンド５１２とインキュベータステージ５１６、５１７との間でバイオセンサ素子５２０を受け渡しする際に駆動する。Ｙステージ５１７は、複数のバイオセンサ素子５２０を処理する際にインキュベータステージ５１６、５１７を位置制御する。ロボットシステム５２３は分注用の手段である。光学系５１８は、制御系ではない、計測光照射のための光学系である。計測エリア５２２は、光学プローブ５１９及びバイオセンサ素子５２０を含んでいる。受光光学系５２１は、バイオセンサ素子５２０を透過した光束の受光用光学系である。
【００９９】
[計測プロセス]
図１６、１７、２０、及び２５を用いて計測時のフローを説明する。
【０１００】
オペレータによって、センサインキュベータ４０３上に上記バイオセンサ素子作製プロセスで作製したバイオセンサ素子５２０を載置する。計測対象の検体４０４をバイオセンサ素子５２０に載置する。載置後、図２３のキーボード５０５により計測開始指示を行う。まず、Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、光学プローブチャック５１０に、使い捨て可能な光学プローブ５１９を保持する。その後、反応前計測を行うために、分注ユニット５２３にバッファ試薬をバイオセンサ素子５２０内に分注するように指示を出す。バイオセンサ素子５２０上にバッファ試薬を分注後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、ウェル内に光学プローブ５１９の先端領域１０８を導入する。シャッター制御回路５２５を遮断位置に駆動する（図１６に示す状態）。この状態でフォトダイオードアレイ５０９において戻り光の位置が予め決めた位置になるようにＺ軸ステージ５１１を駆動する。本実施例の場合、光学プローブ５１９の端面１０２と基板２０４の表面との距離が１５．８ｍｍとなるような位置を基準位置とする。この位置から実際の計測位置にＺ軸ステージ５１１を相対的に駆動させ、光学プローブ５１９の端面１０２と基板２０４の表面との距離を０．０５ｍｍとなるようにする。この状態での光学プローブ５１９及び基板２０４は、図２６に示すイメージとなる。
【０１０１】
この状態でシャッター制御回路５２５を切り替え、図１７に示す状態となるようにする。この状態で、分光器５１４からセンサ素子透過スペクトル計測値を読み込む。ここでは明示していないが、予め求めておいた、光学系のリファレンススペクトルとセンサ素子透過スペクトルとにより吸光スペクトルを求める。この際に吸光スペクトルの吸収ピーク位置を求めておく。このときに、樹脂製の光学プローブを計測用の近赤外光が透過する距離が短くなることで、樹脂の吸収による影響を低減できる。
【０１０２】
再度、バイオセンサ素子５２０を伸縮ハンド５１２により搬出し、インキュベータステージ５１６、５１７に受け渡す。分注ユニット５２３にバイオセンサ素子５２０のウェル中のバッファ溶液の排出を指示する。バッファ溶液排出後、検体をバイオセンサ素子５２０のウェル中に規定量分注する。分注後、インキュベータステージ５１６、５１７上でインキュベートする。反応後、再度ユニットによりバイオセンサ素子５２０のウェル中の検体溶液の排出を指示する。検体溶液排出後、バッファ溶液をバイオセンサ素子５２０のウェル中に規定量分注する。分注後、伸縮ハンド５１２に指示を出し、計測Ｚステージ５１３にバイオセンサ素子５２０を導入する。Ｚ軸ステージ５１１を駆動し、ウェル内に光学プローブ５１９の先端領域１０８を導入する。シャッター制御回路５２５を距離計測位置に駆動する（図１６に示す状態）。この状態でフォトダイオードアレイ５０９において戻り光の位置が予め決めた位置になるようにＺ軸ステージ５１１を駆動する。本実施例の場合、光学プローブ５１９の端面１０２と基板２０４の表面との距離が１５．８ｍｍとなるような位置を基準位置とする。この位置から実際の計測位置にＺ軸ステージ５１１を相対的に駆動させ、光学プローブ５１９の端面１０２と基板２０４の表面との距離が０．０５ｍｍとなるようにする。
【０１０３】
この状態でシャッター制御回路５２５を切り替え、図１７に示す状態となるようにする。この状態で、分光器５１４からセンサ素子透過スペクトル計測値を読み込む。ここでは明示していないが、予め求めておいた光学系のリファレンススペクトルとセンサ素子透過スペクトルとにより吸光スペクトルを求める。このときに求めた吸光スペクトルのピーク位置と計測前に求めたスペクトルのピーク位置との間の変化を求める。このピーク位置の変化量により、検体中に含まれている標的物質量を求める。
【０１０４】
以上の処理により、計測前後において、バイオセンサ素子基板と光学プローブとの間の距離を安定した状態で計測することができ、バッファ溶液の持つ吸光特性、主に近赤外線領域での水の吸収によるばらつきを防いで検体中の標的物質量が検出できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の距離計測時の光学系を示す概念図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の標的物質量検出時の光学系を示す概念図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブの立面図、下面図、及び側面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図である。
【図５】本発明に使用可能なバイオセンサ素子の一形態を示す概念図である。
【図６】本発明に使用可能なバイオセンサ素子の別形態を示す概念図である。
【図７】本発明に使用可能な金属微粒子を用いた局在表面プラズモン共鳴を原理としたバイオセンサ素子の例を示す断面図である。
【図８】金属薄膜パターンを用いた局在表面プラズモン共鳴を原理としたバイオセンサ素子の断面図である。
【図９】金属薄膜パターンを用いた局在表面プラズモン共鳴を原理としたバイオセンサ素子の斜視図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の距離計測時の光学系を示す概念図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の標的物質量検出時の光学系を示す概念図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る光学プローブの立面図及び下面図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る光学プローブの光学構成の概念図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る光学プローブの立面図及び下面図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る光学プローブの光学構成を示す概念図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の距離計測時の光学系を示す概念図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る光学プローブを含む計測装置の標的物質量検出時の光学系を示す概念図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る光学プローブの立面図、下面図、及び側面図である。
【図１９】本発明の第４の実施形態に係る光学プローブの光学構成を示す概念図である。
【図２０】本発明に係る実施形態を用いた計測装置全体を示す概念図である。
【図２１】本発明に係る実施形態を用いた計測装置の暗箱内の概略を示す立面図である。
【図２２】本発明に係る実施形態を用いた計測装置の暗箱内の概略を示す側面図である。
【図２３】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブを備えた第１の実施例の計測装置の制御システムを示すブロック図である。
【図２４】本発明の第２の実施形態に係る光学プローブを備えた第２の実施例の計測装置の制御システムを示すブロック図である。
【図２５】本発明の第１の実施形態に係る光学プローブを備えた計測装置の第３の実施例の制御システムを示すブロック図である。
【図２６】本発明の第１及び第３の実施例に係る光学プローブを示す部分拡大図である。
【図２７】本発明の第２の実施例に係る光学プローブを示す部分拡大図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１００ 光学プローブ
１０１ 光透過部
１０２ 端面
１０３ 光屈折部
１０４ 光集束部
１０５ 光回折部
１０６ 光透過部
１０７ 中心軸
１０８ 先端領域
１０９ 出射面
１１０ 入射面
２０１ 計測光
２０２ 戻り光
２０３ 検出光
２０４ バイオセンサ素子基板
２０５ センサ素子部
２０８ 捕捉体
２０９ 反応ウェル
２１０ バイオセンサ素子
３００ 計測装置
３０５ フォトダイオードアレイ
３１０ 受光側導光ファイバ
３１９ ＣＣＤ
３２０ 光源
４００ 計測装置
６０１ 検体溶液またはバッファ溶液
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
標的物質を含有する液体を収容可能な収容手段と、
前記収容手段内に配され、前記標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子と、
前記光源から発せられた光束を前記バイオセンサ素子に向かって照射する光学プローブであって、該光束を該光学プローブの中心軸に沿う方向に透過させる端面を備えた光透過部を有する光学プローブと、
前記光透過部を透過し、前記バイオセンサ素子を透過した前記光束を受光し、該光束のスペクトルのピーク値から前記標的物質の量を検出する検出手段と、
を有し、
前記光学プローブは、前記光透過部の周縁に設けられた光偏向部を有し、該光偏向部は、前記光束を前記中心軸の方向へ偏向させる出射面と、該出射面から出た光束が前記バイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を有し、該先端領域は、前記液体中に配置されるようにされており、
前記光学プローブの前記入射面に入射した前記光束の位置及び幅から、前記光透過部の前記端面と前記バイオセンサ素子の前記表面との間の距離を計測する計測手段を有し、該計測手段による計測と前記検出手段による検出とは切り替え可能である、
計測装置。
【請求項２】
前記光偏向部は、前記光学プローブの前記中心軸に対して対称に配置された平面状の前記入射面及び前記出射面を有する光屈折部で構成されている、請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記光偏向部は、前記光学プローブの前記中心軸に対して対称に配置された凸レンズ状の前記入射面及び前記出射面を有する光集束部で構成されている、請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記光偏向部は、前記光学プローブの前記中心軸に対して対称に配置された平面状の前記入射面及び前記出射面を有する光回折部で構成されている、請求項１に記載の計測装置。
【請求項５】
前記光透過部は、前記中心軸に沿って前記光源側の縁から前記先端領域まで延びる中空部を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記光学プローブを保持する機構を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記光学プローブは誘電体で一体成型されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記バイオセンサ素子は、前記標的物質を捕捉する捕捉体を有し、
前記捕捉体は、抗体、相補的ＤＮＡ、リセプター、及び基質の少なくとも１つである、
請求項１から７のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の計測装置を備えた計測制御システム。
【請求項１０】
光源から発せられた光束を、収容手段内に配され、該収容手段内の液体中に含まれる標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子に向かって照射する光学プローブであって、
前記光束を前記光学プローブの中心軸に沿う方向に透過させる端面を備えた光透過部と、
前記光透過部の周縁に設けられた光偏向部であって、前記光束を前記中心軸の方向へ偏向させる出射面と、該出射面から出た光束が前記バイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を備えた光偏向部と、
前記光学プローブの前記入射面に入射した前記光束の位置及び幅から、前記光透過部の前記端面と前記バイオセンサ素子の前記表面との間の距離を計測し、前記検出手段による検出と切り替え可能な計測手段と、
を有し、
前記先端領域は、前記液体中に配置されるようにされている、
光学プローブ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光学プローブを備えた計測制御システム。
【請求項１２】
光源から発せられた光束を透過させる端面を備えた光透過部と、該光透過部の周縁に設けられた光偏向部と、を有する光学プローブであって、該光偏向部は、該光束を該光学プローブの中心軸の方向へ偏向させる出射面と、該出射面から出た光束が前記バイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を備え、該先端領域は該バイオセンサ素子が配置された収容手段内に収容可能な液体中に配置されるようにされている、光学プローブを用いた計測方法であって、
前記光学プローブを介して、前記光源から発せられた前記光束を該収容手段内の液体中に含まれる標的物質と接触することで光物性が変化する前記バイオセンサ素子に向かって照射するステップと、
前記光透過部を透過し、前記バイオセンサ素子を透過した前記光束を受光し、該光束のスペクトルのピーク値から前記標的物質の量を検出するステップと、
前記光学プローブの前記入射面に入射した前記光束の位置及び幅から、前記光透過部の前記端面と前記バイオセンサ素子の前記表面との間の距離を計測するステップと、
を有する、
光学プローブを用いた計測方法。
【請求項１】
光源と、
標的物質を含有する液体を収容可能な収容手段と、
前記収容手段内に配され、前記標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子と、
前記光源から発せられた光束を前記バイオセンサ素子に向かって照射する光学プローブであって、該光束を該光学プローブの中心軸に沿う方向に透過させる端面を備えた光透過部を有する光学プローブと、
前記光透過部を透過し、前記バイオセンサ素子を透過した前記光束を受光し、該光束のスペクトルのピーク値から前記標的物質の量を検出する検出手段と、
を有し、
前記光学プローブは、前記光透過部の周縁に設けられた光偏向部を有し、該光偏向部は、前記光束を前記中心軸の方向へ偏向させる出射面と、該出射面から出た光束が前記バイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を有し、該先端領域は、前記液体中に配置されるようにされており、
前記光学プローブの前記入射面に入射した前記光束の位置及び幅から、前記光透過部の前記端面と前記バイオセンサ素子の前記表面との間の距離を計測する計測手段を有し、該計測手段による計測と前記検出手段による検出とは切り替え可能である、
計測装置。
【請求項２】
前記光偏向部は、前記光学プローブの前記中心軸に対して対称に配置された平面状の前記入射面及び前記出射面を有する光屈折部で構成されている、請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記光偏向部は、前記光学プローブの前記中心軸に対して対称に配置された凸レンズ状の前記入射面及び前記出射面を有する光集束部で構成されている、請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記光偏向部は、前記光学プローブの前記中心軸に対して対称に配置された平面状の前記入射面及び前記出射面を有する光回折部で構成されている、請求項１に記載の計測装置。
【請求項５】
前記光透過部は、前記中心軸に沿って前記光源側の縁から前記先端領域まで延びる中空部を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記光学プローブを保持する機構を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記光学プローブは誘電体で一体成型されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記バイオセンサ素子は、前記標的物質を捕捉する捕捉体を有し、
前記捕捉体は、抗体、相補的ＤＮＡ、リセプター、及び基質の少なくとも１つである、
請求項１から７のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の計測装置を備えた計測制御システム。
【請求項１０】
光源から発せられた光束を、収容手段内に配され、該収容手段内の液体中に含まれる標的物質と接触することで光物性が変化するバイオセンサ素子に向かって照射する光学プローブであって、
前記光束を前記光学プローブの中心軸に沿う方向に透過させる端面を備えた光透過部と、
前記光透過部の周縁に設けられた光偏向部であって、前記光束を前記中心軸の方向へ偏向させる出射面と、該出射面から出た光束が前記バイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を備えた光偏向部と、
前記光学プローブの前記入射面に入射した前記光束の位置及び幅から、前記光透過部の前記端面と前記バイオセンサ素子の前記表面との間の距離を計測し、前記検出手段による検出と切り替え可能な計測手段と、
を有し、
前記先端領域は、前記液体中に配置されるようにされている、
光学プローブ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光学プローブを備えた計測制御システム。
【請求項１２】
光源から発せられた光束を透過させる端面を備えた光透過部と、該光透過部の周縁に設けられた光偏向部と、を有する光学プローブであって、該光偏向部は、該光束を該光学プローブの中心軸の方向へ偏向させる出射面と、該出射面から出た光束が前記バイオセンサ素子の表面で反射されて入射する入射面と、を含む先端領域を備え、該先端領域は該バイオセンサ素子が配置された収容手段内に収容可能な液体中に配置されるようにされている、光学プローブを用いた計測方法であって、
前記光学プローブを介して、前記光源から発せられた前記光束を該収容手段内の液体中に含まれる標的物質と接触することで光物性が変化する前記バイオセンサ素子に向かって照射するステップと、
前記光透過部を透過し、前記バイオセンサ素子を透過した前記光束を受光し、該光束のスペクトルのピーク値から前記標的物質の量を検出するステップと、
前記光学プローブの前記入射面に入射した前記光束の位置及び幅から、前記光透過部の前記端面と前記バイオセンサ素子の前記表面との間の距離を計測するステップと、
を有する、
光学プローブを用いた計測方法。
【図１７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１０−５４２７６（Ｐ２０１０−５４２７６Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１８１２４（Ｐ２００８−２１８１２４）
【出願日】平成２０年８月２７日（２００８．８．２７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２７日（２００８．８．２７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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