JP5268981B2

JP5268981B2 - 光学式センサ

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Publication number: JP5268981B2
Application number: JP2010068426A
Authority: JP
Inventors: 育生植松; 晋吾葛西; 一郎東野; 功縄田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: US20110236266A1; JP2011202997A; CN102200504A

Description

本発明は、光学式センサに関する。

血液等の検体の測定対象物質を検出する方法として、電気検出、光学検出、表面プラズモン検出が挙げられる。

光導波路構造をもつ光学式センサでは、光導波路層と検体との界面（センシング面）における光学的変化を検知することにより、測定対象物質および測定対象物質に起因する物質もしくは反応生成物を検出する。このような光学式センサでは、通常、検体を保持するために検体エリアを上向きにし、検体エリアの下方側に光導波路層を配置している。この検体エリアで検体を保ち、検体エリアの下側の表面であるセンシング面の測定対象物質および測定対象物質に起因する物質もしくは反応生成物を光学的変化として検出している。

特開２００９−１１５６６６号公報

しかしながら上述の技術では以下の問題がある。すなわち、検体中において自重で沈殿する沈殿物がある場合に、上述の上向きの検体エリアでは、検体エリア下面であるセンシング面に沈殿物が堆積してしまう。このため、この沈殿物によって物理的もしくは化学的に測定対象物質および測定対象物質に起因する物質もしくは反応生成物の検出が阻害される場合がある。

本発明は上記の事情に基づきなされたもので、その目的とするところは、検体の沈殿物の影響を回避することが出来る光学式センサを提供しようとするものである。

本発明の一形態に係る光学式センサは、検体を収容する検体エリアを形成する凹部を有するチャンバと、前記検体エリアを介して前記チャンバに対向配置されるセンサチップと、を備え、前記センサチップは、前記検体エリアを介して前記チャンバに対向する光導波路層と、前記光導波路層の前記検体エリア側の面に設けられ、前記検体と反応して測定対象物質量に応じた光学的変化を生じさせる反応試薬群と、前記光導波路層に接して設けられ、前記検体エリアに光を入射及び出射させる、一対のグレーティングと、前記グレーティングに対応する部分において光導波路層に隣接して形成され、前記光導波路層よりも低屈折率かつ試薬と反応しない材料で構成された保護膜と、を積層して有し、前記センサチップと前記チャンバとが遮光性の接着テープにより接合され、前記凹部と前記光導波路層に囲まれる前記検体エリアの内部において、一方側は前記光導波路層に隣接し前記光導波路層に光学的変化を生じるセンシングエリアとなり、前記検体エリアの他方側は前記検体の沈殿物が重力の作用で沈殿する沈殿エリアが形成されることを特徴とする。

本発明によれば、検体の沈殿物の影響を回避することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る光学式センサの断面図。同光学式センサの平面図。同光学式センサのセンサチップの下面図。同光学式センサの検体エリアを示す説明図。本発明の第２実施形態に係る光学式センサの断面図。本発明の第３実施形態に係る光学式センサの断面図。同光学式センサのセンサチップの下面図。本発明の第４実施形態に係る光学式センサの検体エリアの説明図。同実施形態における抗原抗体反応を示す説明図。同実施形態における抗原抗体反応を示す説明図。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態にかかる光学式センサ１について、図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光学式センサ１を示す断面図、図２は同平面図である。図３はセンサチップ１５の下面図、図４は検体エリア２０の説明図である。

光学式センサ１は、光導波路型バイオケミカルセンサチップであり、基板１１、光導波路層１２（光導波路部）、入射側及び出射側グレーティング１３ａ、１３ｂ、及び保護膜１４を有するセンサチップ１５と、このセンサチップ１５に対向するチャンバ１６と、を備え、これらのセンサチップ１５とチャンバ１６との間に検体エリア２０を構成している。

基板１１は、ガラス（例えば無アルカリガラス）または石英からなり、透光性を有する板状に構成されている。基板１１はチャンバ１６の凹部１６ａに配置される。

基板１１の下側の主面の両端部付近の領域には、基板１１に光を入射、出射させるための一対のグレーティング１３ａ、１３ｂが形成されている。入射側及び出射側のグレーティング１３ａ、１３ｂは光導波路層１２に接して互いに離間して設けられている。グレーティング１３ａ、１３ｂは、基板１１を構成する材料よりも高い屈折率を有する材料（例えば酸化チタン）で形成されている。

光導波路層１２は、例えば３〜３００μｍの範囲で設定される均一な厚さの膜体であり、グレーティング１３ａ、１３ｂが形成された基板１１の下面に密着するように隣接して形成されている。光導波路層１２は、基板１１より高屈折率の高分子樹脂からなり、例えば酸化シリコン、ガラス、酸化チタン、もしくは有機材料で構成される。

保護膜１４は、光導波路層１２を構成する材料よりも低屈折率で、かつセンサチップ１５に投入される全ての試薬と反応しない材料（例えばフッ素樹脂）で構成される。グレーティング１３ａ、１３ｂが形成されている領域に対応する光導波路層１２の両端部、つまりグレーティング１３ａ、１３ｂに対応する領域を覆うように、光導波路層１２の下面に隣接して形成されている。

これらの基板１１、光導波路層１２、グレーティング１３ａ、１３ｂ、及び保護膜１４が積層されて、センサチップ１５が形成されている。センサチップ１５は、チャンバ１６の凹部１６ａに設けられている。センサチップ１５の光導波路層１２とチャンバ１６の底面との間に検体エリア２０が形成される。

基板１１の裏面（図１中上面）の一端側及び他端側には、光源１８（例えばレーザダイオード）及び受光素子１９（例えばフォトダイオード）がそれぞれ配置される。

チャンバ１６は、例えばアクリル等から矩形の板状の外形を有し、光学式センサ１の外郭を構成している。チャンバ１６は、センサチップ１５の外周を囲む側壁部１６ｂと、センサチップ１５の下方に検体エリア２０を介して対向配置される底壁部１６ｃと、側壁部１６ｂの内側において検体エリア２０の周囲を囲む周壁部１７と、を一体に有して構成され、その上面中央にはセンサチップ１５を収容する凹部１６ａが形成されている。すなわち、凹部１６ａの下方に光導波路層１２との間に中空部分である検体エリア２０を構成し、この検体エリア２０を挟んで凹部１６ａ内上部にセンサチップ１５がセットされている。チャンバ１６は例えば全体が黒色の材質で構成され、遮光性を有して構成されている。底壁部１６ｃの上面が光導波路層１２と検体エリア２０を介して対向する対向面１６ｄとなる。チャンバ１６とセンサチップ１５とは、例えば遮光性の両面接着テープ（不図示）により、互いに固定されている。

チャンバ１６の側壁部１６ｂまたは底壁部１６ｃには、外部と検体エリア２０とを連通する送液路１６ｅが形成されている。この送液路１６ｅを通じて検体２７が検体エリア２０に導入される。また、チャンバ１６には、検体２７導入時に流体が逃げる逃げ部１６ｆが設けられている。逃げ部１６ｆは、例えばチャンバ１６の外部に通じる流路、穴、またスペース等として形成されている。

検体エリア２０は、光導波路層１２に隣接して設けられた中空状の空間である。検体エリア２０は例えばＺ方向寸法１〜１０ｍｍ程度に設定され、この内部に検体２７が充填され、保持される。検体２７は、測定対象物質、沈殿物２７ａ、及び溶媒等を含む検体溶液である。

図４に示すように、検体エリア２０の下面、すなわち対向面１６ｄは、自重により検体２７における血球などの沈殿物２７ａが沈殿する沈殿面２１（沈殿エリア）となる。

検体エリア２０にはセンシング膜２２（反応層）が設けられている。このセンシング膜２２における光導波路層１２との界面である上面が光学的変化を生じるセンシング面２３（センシングエリア）となる。

ここでは検体エリア２０を下向きとして、沈殿面２１は検体エリア２０の下面であるチャンバ１６の対向面１６ｄとなり、センシング面２３は検体エリア２０の上面である光導波路層１２との界面となる。すなわち、検体エリア２０の沈殿面２１とセンシング面２３とは互いに異なる位置に配され、上下に離間している。この配置によって、血球などの沈殿物２７ａがセンシング面２３にかからないようになっている。

センシング膜２２には、検体２７と反応する反応試薬群２５が設けられている。反応試薬群２５として、例えば検体２７と抗原抗体反応により結合する標識された抗体や、標識に反応して反応産物を生成する試薬、標識と試薬の反応を促進する触媒などが、薬品の種類に応じて適宜組み合わされ納められている。ここではセンシング膜２２は検体エリア２０の上側、すなわち光導波路層１２側の一部に形成されていてもよいし、検体エリア２０全体に形成されていてもよい。

センシング膜２２での検体２７の反応として、例えば抗原抗体反応、酵素反応などを含めた生体分子認識反応、もしくは生体分子認識反応から生じる反応生成物を利用した発色もしくは蛍光反応が挙げられる。

センシング膜２２は測定対象物をセンシング面２３に保持する保持構造２４を有している。保持構造２４としては、例えばビーズ、親水性の吸収膜である吸水シート、金コロイド、メッシュ構造の保持部材、多孔質構造の保持部材等が挙げられる。

例えばセンシング膜２２がグルコースセンシング膜である場合、センシング膜２２は反応試薬群２５としてグルコースの酸化酵素または還元酵素、この酵素による生成物と反応して発色剤を発色させる物質を発生する試薬、発色剤、膜形成高分子樹脂を備えるとともに、必要に応じて保持構造２４としてポリエチレングリコールのような透水性促進剤を含む。

検体エリア２０及びセンシング膜２２の上面であるセンシング面２３は、グレーティング１３ａ、１３ｂ間を結ぶ線分上の保護膜１４に挟まれた領域に位置し、光導波路層１２表面に密着するように隣接する面である。センシング面２３は、導入された検体２７における測定対象物の量または濃度に応じて光導波路層１２内を伝播する光の強度を変化させる等の光学的変化を生じさせる。

センシング面２３で生じる光学的変化として、例えば発色（反応）、蛍光（反応）、発光、吸収、散乱、屈折率変化が挙げられる。

さらに、光学式センサ１は、検体エリア２０内において検体２７及び反応試薬群２５を撹拌するための撹拌機構２６を備えている。撹拌機構２６は、例えば、チャンバ１６外に配置されるとともに検体エリア２０内に連通するポンプ等を有して構成され、検体エリア２０内に導入された検体２７や試薬群を撹拌し、分離しやすい状態とする。

以上のように構成された光学式センサ１における測定方法を説明する。なお、沈殿物２７ａがある場合には、検体導入し、攪拌し、沈殿物２７ａを沈殿させつつ光量変化測定を行う。

光源１８としてのレーザダイオードからレーザ光を基板１１上面側に入射すると、そのレーザ光は基板１１を通して入射側グレーティング１３ａと光導波路層１２の界面で屈折され、さらに光導波路層１２と基板１１およびセンシング層の界面であるセンシング面２３で複数回屈折しながら伝播する。光導波路層１２を伝播した光は、出射側のグレーティング１３ｂから基板１１の裏面から出射され、受光素子１９であるフォトダイオードで受光される。

この状態で、チャンバ１６の外部から送液路１６ｅを介して検体２７を注入する。検体２７は、送液路１６ｅを通って検体エリア２０に導入される。このときチャンバ１６に形成された逃げ部１６ｆより検体エリア２０内に存在していた空気や流体が抜けるため、送液をスムーズに行うことができる。

送液により検体２７を検体エリア２０に導入した直後に、撹拌機構２６により検体エリア２０内を撹拌し、撹拌後に所定時間放置する。撹拌及び放置により検体２７の測定対象物質と沈殿物２７ａとの分離が促される。また、撹拌により沈殿物２７ａを均一に堆積させ、一箇所に集中して沈殿することが防止される。分離した沈殿物２７ａは検体エリア２０の下面である沈殿面２１に堆積する。センシング面２３は検体エリア２０の上面であるため、この沈殿によってセンシング面２３から沈殿物２７ａが除去される。

この際、光導波路層１２で伝播する光のエバネッセント波はセンシング面２３での屈折時にそのセンシング膜２２における検体２７中の生体分子のバイオケミカル反応に基づく変化（例えば吸光度変化）に応じて吸収される。

光導波路層１２を伝播した光は、出射側のグレーティング１３ｂから基板１１の裏面から出射され、受光素子１９であるフォトダイオードで受光される。受光したレーザ光強度は、センシング膜２２が生体分子とバイオケミカル反応をなさない時に受光した光強度（初期光強度）に比べて低下した値になり、その低下率から生体分子の量を検出することが可能になる。

本実施形態に係る光学式センサ１によれば、以下のような効果を奏する。すなわち、センシング面２３と沈殿面２１とを異なる位置に配置させたことにより、沈殿物２７ａによる検出結果への影響を防止することが出来る。

例えば検体２７が血液である場合には、予め血液を血球分離することなく検体エリア２０に血液を導入することができるとともに、沈殿物２７ａである血球による影響を受けずに測定が可能となる。また、光学式センサ１の構造を複雑化することなく、検体エリア２０の向きを下向きにするだけの単純な構造で、沈殿物２７ａの影響を回避できる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る光学式センサ２について、図５を参照して説明する。なお、第２実施形態の光学式センサ２は、光学式センサ２の向き及び検体エリア２０の配置以外については上記第１実施形態の光学式センサ１と同様であるため共通する説明を省略する。

図５は本実施形態に係る光学式センサ２の断面図である。光学式センサ２は、横向きに配置されている。すなわち、基板１１、光導波路層１２、グレーティング１３ａ、１３ｂ、及び保護膜１４は横方向（Ｘ方向）に積層されてセンサチップ１５を構成し、このセンサチップ１５に対向してチャンバ１６が配置されている。

チャンバ１６のＸ方向一方側（図中左側）の側面に凹部１６ａが形成され、この凹部１６ａはＺ方向において中心よりも下方寄りに配置されている。チャンバ１６の底側壁とセンサチップ１５との間に検体エリア２０が形成されている。この検体エリア２０の下方において、光導波路層１２との間には保護膜１４が配置されている。この保護膜１４が隔壁部となる。本実施形態にかかる光学式センサ２において、検体エリア２０と光導波路層１２とはＸ方向において隣り合って配置され、検体エリア２０と光導波路層１２との境界部分の下方に、隔壁部となる保護膜１４が配置されている。すなわち、検体エリア２０は光導波路層１２に対して横方向に隣接して設けられるとともに、前記検体エリアの下部と前記光導波路層との間に隔壁部としての保護膜１４が形成されている。

このように構成された光学式センサ２において、検体エリア２０の光導波路層１２との界面であるＸ方向一方側の側面がセンシング面２３（センシングエリア）となり、検体エリア２０の下面が沈殿面２１となる。

すなわち、側面のセンシング面２３と、下面の沈殿面２１とは異なる位置に配置され、９０度傾いた異なる面に配置されている。さらに、この検体エリア２０内の下方の領域は保護膜１４によって光導波路層１２と隔てられている。したがって、検体エリア２０内において、沈殿物２７ａは下方の領域に堆積するが、その左側には保護膜１４が配置されているため、沈殿物２７ａがセンシング面２３にかかることはない。

以上のように構成された光学式センサ２では、第１実施形態と同様に、検体エリア２０に検体２７を導入した後、撹拌、放置を行うことで検体２７内の測定対象物質と沈殿物２７ａとの分離が促される。

沈殿物２７ａはその自重によって下方に移動し、隔壁部である保護膜１４によって光導波路層１２と隔てられた領域に移動する。このため、沈殿物２７ａはセンシング面２３から除去される。

本実施形態においても第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、センシング面２３と沈殿面２１を異なる位置及び異なる面に配置したことにより測定対象物質の検出に沈殿物２７ａが影響することを回避できる。さらに、本実施形態では保護膜１４が隔壁部として機能するため、沈殿物２７ａを確実にセンシング面２３から除去することが出来る。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態に係る光学式センサ３について、図６及び図７を参照して説明する。なお、第３実施形態の光学式センサ３は、ガラス導波路層とした点や側壁部１６ｂの構成以外については上記第１実施形態の光学式センサ１と同様であるため共通する説明を省略する。

光学式センサ３は、例えばガラス導波路層を用いた光導波路型バイオケミカルセンサチップであり、透光性を有する光導波路層１２と、光導波路層１２の下側の主面に形成される検体エリア２０と、検体エリア２０内に設けられるセンシング膜２２と、この検体エリア２０を挟むように両側部に配置される入射側及び出射側グレーティング１３ａ、１３ｂと、検体エリア２０を取り囲むように構成された撥水性樹脂性の周壁部１７と、検体エリア２０を囲む保護膜１４と、検体エリア２０を介し全反射層と対向配置される対向面１６ｄを有するチャンバ１６と、を備えている。光導波路層１２の裏面の一端側及び他端側には、光学的要素である光源１８（例えばレーザダイオード）及び受光素子１９（例えばフォトダイオード）がそれぞれ配置される。すなわち、上記第１実施形態においては光導波路層１２の検体エリア２０とは反対側に隣接して透光性の基板１１が設けられていたが、本実施形態においては光導波路層１２の上側に別途基板は設けられておらず、全反射層となる基板そのものが光導波路層１２として機能する。

光導波路層１２（全反射層）は、石英（酸化シリコン）がプレート状に成型された基板である。入射した光がこの光導波路層１２内を全反射しながら透過する。

互いに離間して設けられた入射側及び出射側グレーティング１３ａ、１３ｂは、光導波路層１２の下面側に接して形成されている。

グレーティング１３ａ、１３ｂは、光導波路層１２より高屈折率の材料からなる。例えば酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、ガリウム砒素、インジウム錫酸化物、ポリイミド、酸化タンタル等を化学蒸着法（ＣＶＤ）等により堆積させ、リソグラフィー技術とドライエッチング技術でパターニングすることにより形成される。

センシング膜２２は、検体エリア２０内に設けられ、光導波路層１２に接して、入射側グレーティング１３ａ及び出射側グレーティング１３ｂの間に設けられている。センシング膜２２は、反応試薬群２５として例えば酵素と発色試薬を含有するセンシング膜２２酵素と発色試薬を有し、これらの反応試薬群２５が保持構造２４としてのセルロース誘導体等によってゲル状に固定されて形成されている。検体エリア２０の上面すなわちセンシング膜２２の上面であって光導波路層１２との界面がセンシング面２３（センシングエリア）となる。一方検体エリア２０の下面が検体２７の沈殿物２７ａが沈殿する沈殿面２１となる。

周壁部１７は例えば撥水性の樹脂等から構成され、検体エリア２０を囲むように円環状に構成された壁部材を有して構成される。

保護膜１４は、センシング膜２２の周囲を囲み、入射側グレーティング１３ａ及び前記出射側グレーティング１３ｂを覆う。保護膜１４は、例えばフッ素系樹脂のような入射側グレーティング１３ａ及び前記出射側グレーティング１３ｂに比べて低屈折率の材料を塗布して形成される。

以上のように構成された光学式センサ３において、発光素子より入射された光は、入射側グレーティング１３ａで回折し、光導波路層１２内を全反射しながら透過していく。光導波路層１２とセンシング膜２２の境界面であるセンシング面２３で屈折する際に、エバネッセント波がセンシング膜２２の発色によって吸収される。したがって例えばセンシング膜２２の発色の度合い、すなわち測定対象物質の量に比例して光が吸収されることになる。最終的に出射側グレーティング１３ｂに到達した光は、光導波路層１２から受光素子１９に向けて出射される。そして、発光素子より放射した光量と、受光素子１９で受けとった光量との差から測定しようとする物質の量を算出することになる。

この実施形態においても、上記第１及び第２実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、センシング面２３を沈殿面２１と反対側に配置したことにより沈殿物２７ａがセンシング面２３にかかることを防止し、沈殿物２７ａの影響を回避できる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態として抗原抗体反応を用いた場合のセンシング膜２２における反応動作を図８乃至図１０を参照して説明する。

図８は検体エリア２０の拡大図であり、図９及び図１０は抗原抗体反応を示す説明図である。

測定対象物質は、例えば血液、血清、血漿、生体試料、食品等の中に含まれる蛋白質、ペプチド、遺伝子等が挙げられる。具体的には、インスリン、カゼイン、β―ラクトグロブリン、オボアルブミン、カルシトニン、Ｃ−ペプチド、レプチン、β−２−ミクログロブリン、レチノール結合タンパク、α−１−ミクログロブリン、α−フェトプロテイン、癌胎児性抗原、トロポニン−Ｉ、クルカゴン様ペプチド、インスリン様ペプチド、腫瘍増殖因子、繊維芽細胞増殖因子、血小板成長因子、上皮増殖因子、コルチゾール、トリヨードサイロニン、サイロキシン等のハプテンホルモン、ジゴキシン、テオフィリン等の薬物、細菌、ウイルス等の感染性物質、肝炎抗体、ＩｇＥの他、そばの主要タンパク質複合体、落花生のＡｒａｈ２を含む可溶性タンパク質等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

抗原抗体反応を用いる場合、光導波路層１２は、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂または無アルカリガラスから形成することができる。ここで用いる材料とは、所定の光の透過性を有する材料であって、特に、ポリスチレンを主たる構造とするエポキシ樹脂等であることが好ましい。

センシング膜２２には、反応試薬群２５として、検体２７の測定対象物質と特異的に反応する第１物質が固定化される。例えばシランカップリング剤等により疎水化処理した表面上に前記物質の疎水性相互作用により固定化する。第１物質は、例えば検体２７の測定対象物質が抗原の場合、抗体を用いることができる。

センシング膜２２における測定対象物質の保持構造２４としては、微粒子が光導波路表面にブロッキング層を介して分散される形態が挙げられる。ブロッキング層は、例えばポリビニルアルコール、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、ポリエチレングリコール、リン脂質ポリマー、ゼラチン、糖類（例えばスクロース、トレハロース）のような水溶性物質を含む。ブロッキング層は、さらにプロテーインヒビタを含んでもよい。

微粒子は、例えばポリスチレン製のラテックスビーズ（商品名）のような樹脂ビーズもしくは金コロイドのような金属コロイド、または酸化チタン粒子のような無機酸化物粒子を用いることができる。微粒子は、アルブミンのようなタンパク質、アガロースのような多糖類、シリカ粒子、カーボン粒子のような非金属粒子も用いることができる。特に、ラテックスビーズ、金属コロイドが好ましい。ラテックスビーズの中で、後述する光導波路を伝播させる光が赤色レーザの場合、青色ラテックスビーズが好ましい。微粒子は、５０ｎｍ〜１０μｍの径を有することが好ましい。

微粒子には、反応試薬群２５として、測定対象物質と特異的に反応する第２物質が固定化される。第２物質としては、例えば検体２７の測定対象物質が抗原の場合、微粒子に抗体が固定化される。

抗原抗体反応について説明する。図９に示すように、検体２７中に第１抗体１１１と微粒子１１３の第２抗体１１２と特異的に反応する抗原が存在しないと、微粒子１１３の第２抗体１１２は光導波路層１２表面の第１抗体１１１と結合することなく分散する。第２抗体１１２及び微粒子１１３が反応試薬群２５として機能する。

この状態で、光源１８から赤色レーザ光を入射側グレーティング１３ａから光導波路層１２に入射させ、その光導波路層１２を伝播させて表面（センシングエリア）付近にエバネッセント光を発生させても、検体エリア２０内の検体２７中の微粒子１１３が分散しているため、微粒子１１３がエバネッセント光領域に殆ど存在しなくなる。すなわち、微粒子１１３がエバネッセント光の吸収や散乱に殆ど関与しないため、エバネッセント光の強度の減衰が殆ど起きない。その結果、出射側グレーティング１３ｂから出射される赤色レーザ光をフォトダイオードで受光した際、そのレーザ光強度が殆ど変化しない。

一方、図１０に示すように、検体２７中に抗原１１５が存在すると、抗原１１５は光導波路層１２表面の第１抗体１１１と抗原抗体反応を生じて結合し、さらに微粒子１１３の第２抗体１１２は抗原１１５と抗原抗体反応を生じて結合する。つまり、光導波路層１２表面の第１抗体１１１と微粒子１１３の第２抗体１１２の間で抗原１１５を介して抗原抗体反応を生じるために、微粒子１１３が光導波路層１２表面に対して固定化される。

例えば光源１８として赤色レーザダイオードから赤色レーザ光を入射側グレーティング１３ａから光導波路層１２に入射させ、その光導波路層１２を伝播させてセンシング面２３付近にエバネッセント光を発生させると、微粒子１１３が光導波路層１２表面（センシング面２３）に対して固定化されているため、微粒子１１３がエバネッセント光領域に存在することになる。すなわち、微粒子１１３がエバネッセント光の吸収や散乱に関与するため、エバネッセント光の強度の減衰が起きる。その結果、出射側グレーティング１３ｂから出射されるレーザ光を受光素子１９であるフォトダイオードで受光した際、そのレーザ光強度が固定化された微粒子１１３の影響によって時間の経過に伴って低下する。

受光素子１９で受光したレーザ光強度の低下率は、光導波路層１２表面に対して固定化される微粒子１１３の量、つまり抗原抗体反応に関与する検体２７中の抗原濃度に比例する。したがって、抗原濃度が既知の検体２７において時間の経過に伴うレーザ光強度の低下曲線を作成し、この曲線の所定の時間でのレーザ光強度の低下率を求め、抗原濃度とレーザ光強度の低下率との関係を示す検量線を予め作成する。前記方法で測定した時間とレーザ光強度の低下曲線から所定の時間でのレーザ光強度の低下率を求め、このレーザ光強度の低下率を前記検量線と照合させることにより、検体２７中の抗原濃度を測定できる。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上記第１実施形態では光学式センサ１を下向きとし、第２実施形態では光学式センサ２を横向きとした場合を例示したがこれに限られるものではない。例えば斜めに傾斜して配置してもよい。例えば検体エリア２０が直方体であれば、上向き状態から９０以上２７０以下傾けることにより、異なる面に沈殿面２１とセンシング面２３を設定することが出来る。

また、上記実施形態においてはチャンバ１６全面を黒色とした場合を示したが、エバネッセント光の生じる面もしくは光が導波する層の上面に対向して位置する対向面１６ｄのみを黒色としてもよい。また、検体エリア２０外の箇所に黒色の両面遮光テープを用いてチャンバ１６とセンサチップ１５とを接合してもよい。

また、撹拌機構２６を実現するために、モータを有するポンプを例示したが、アクチエーター、磁性微粒子、ＳＡＷデバイス、ピエゾ素子等を利用してもよい。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１、２、３…光学式センサ、１１…基板、１２…光導波路層、
１３ａ…入射側グレーティング、１３ｂ…出射側グレーティング、
１４…保護膜、１５…センサチップ、１６…チャンバ、１６ａ…凹部、１６ｂ…側壁部、１６ｃ…底壁部、１６ｄ…対向面、１６ｅ…送液路、１６ｆ…逃げ部、１８…光源、
１９…受光素子、２０…検体エリア、２１…沈殿面（沈殿エリア）、２２…センシング膜、
２３…センシング面（センシングエリア）、２４…保持構造、２５…反応試薬群、
２６…撹拌機構、２７…検体、２７ａ…沈殿物。

Claims

検体を収容する検体エリアを形成する凹部を有するチャンバと、
前記検体エリアを介して前記チャンバに対向配置されるセンサチップと、を備え、
前記センサチップは、
前記検体エリアを介して前記チャンバに対向する光導波路層と、
前記光導波路層の前記検体エリア側の面に設けられ、前記検体と反応して測定対象物質量に応じた光学的変化を生じさせる反応試薬群と、
前記光導波路層に接して設けられ、前記検体エリアに光を入射及び出射させる、一対のグレーティングと、
前記グレーティングに対応する部分において光導波路層に隣接して形成され、前記光導波路層よりも低屈折率かつ試薬と反応しない材料で構成された保護膜と、
を積層して有し、
前記センサチップと前記チャンバとが遮光性の接着テープにより接合され、
前記凹部と前記光導波路層に囲まれる前記検体エリアの内部において、一方側は前記光導波路層に隣接し前記光導波路層に光学的変化を生じるセンシングエリアとなり、前記検体エリアの他方側は前記検体の沈殿物が重力の作用で沈殿する沈殿エリアが形成されることを特徴とする光学式センサ。
前記チャンバと前記センサチップとが組み付けられた状態において、前記検体エリアが前記光導波路層の横に隣接配置され、
前記検体エリアにおいて積層の方向と交差する方向における一端が下側に、他端が上側に配置された状態で、前記検体エリアの下側に前記沈殿エリアが形成され、前記検体エリアの上側において前記光導波路層に隣接する部分に前記反応試薬群が設けられて前記センシングエリアを構成し、前記沈殿エリアと前記光導波路層との間に配される前記保護膜により前記光導波路層と前記沈殿エリアとを分離する隔壁部が構成されることを特徴とする請求項１記載の光学式センサ。
前記検体エリア内の検体を撹拌する撹拌機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２記載の光学式センサ。
前記チャンバは、前記検体エリアに前記検体を導入する送液路と、前記検体エリアに前記検体が導入される際に前記検体エリア内の流体が逃げる逃げ部と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の光学式センサ。
前記光導波路層は透光性を有する基板であり、
一対の前記グレーティングは、前記光導波路層に隣接し、前記検体エリアを挟むように両側部に配置され、
前記保護膜は、前記光導波路層に隣接し、前記検体エリアを囲むように配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の光学式センサ。
前記測定対象物質は前記検体中の抗原であり、
前記センシングエリアに、前記反応試薬群として、前記検体中の抗原と反応する第１抗体が固定化され、
前記検体エリアに、測定対象物質と特異的に反応する第２抗体が固定化された微粒子が配され、
前記第１抗体と前記微粒子の前記第２抗体の間で前記抗原を介して抗原抗体反応を生じて前記微粒子が前記センシングエリアに固定化されることによる、前記センシングエリアにおける光学的変化に基づいて、前記検体中の抗原濃度が測定可能に構成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光学式センサ。
前記チャンバは、一方の面中央部には前記センサチップを収容する凹部が形成され、前記センサチップの外周を囲む側壁部と、前記センサチップの他方に前記検体エリアを介して対向配置される底壁部とを一体に有して構成され、
前記光導波路層と、前記保護膜と、前記グレーティングとを板状に積層して有するとともに前記光導波路層の他方側に前記反応試薬群が設けられた前記センサチップが、前記チャンバの凹部の内側に、前記検体エリアを介在して配置され、接合された状態で、前記センサチップの外周部は前記チャンバの側壁部に囲まれることを特徴とする請求項５に記載の光学式センサ。