JP6946537B2 - 測定用チップ、測定装置、および測定方法 - Google Patents

測定用チップ、測定装置、および測定方法 Download PDF

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Description

この発明は、測定用チップ、測定装置、および測定方法に関するものである。
従来から、被検出物質（以下、アナライトと言う。）を検出するための、いくつかの手法が提案されている。例えば、非特許文献１には、表面プラズモン共鳴が開示されている。また、非特許文献２には、マッハツェンダが開示されている。非特許文献３には、アナライトである抗原を介して光導波路の膜表面に結合する抗体固定化ビーズを検出する手法が開示されている。
特許文献１には、伝搬層の上面にアナライトに反応する反応物質（以下、リガンドと言う。）がストライプ状に形成された測定用チップが開示されている。特許文献１の手法では、リガンドが固定化されている領域と、リガンドが固定化されていない領域とで、位相変化量が異なることを利用して、光のパターンの変化に基づき、アナライトの有無、あるいは濃度を推定する。
国際公開第２０１７／００６６７９号
表面プラズモン共鳴、［online］、［平成２９年８月２日検索］、インターネット〈URL：https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E3%83%97%E3%83%A9%E3%82%BA%E3%83%A2%E3%83%B3%E5%85%B1%E9%B3%B4〉 Xudong Fan, Ian M. White, Siyka I. Shopova, Hongying Zhu,Jonathan D. Suter, Yuze Sun、「Sensitive opticalbiosensors for unlabeled targets」、analytica chimica acta、2008年8月26日、P.7 東野 一郎、「光導波路を用いた小型臨床検査装置用の簡易定量検査技術」、東芝レビュー、2012年、Vol.67 No.5、p.61
しかし、非特許文献１で示した表面プラズモン共鳴は、原理上、感度が低くなる課題がある。したがって、表面プラズモン共鳴は、高価な測定装置が必要になる。
また、非特許文献２で示したマッハツェンダは、感度は大きいものの、３次元導波路が必要になるため、やはり高価となる。
非特許文献３で示した手法は、アナライトとして抗原を検出する場合、２次抗体（抗体固定化ビーズ）が必要になるという課題がある。
また、特許文献１の手法は、位相差が３６０°に達すると、０次回折光と１次回折光の強度比は、該位相差が０°とほぼ同じ状態となるため、位相差の絶対量を求めることが困難である。特許文献１においては、このような位相差が３６０°を超えた場合の課題点は認識されていない。他の先行技術文献においても同様に、位相変化に基づく測定手法において、位相差が３６０°を超えた場合の課題点は認識されていない。
この発明は、アナライト濃度を簡易かつ高精度に推定することができる測定用チップ、測定装置、および測定方法を提供することを目的とする。
測定用チップは、伝搬層と、導入部と、導出部と、リガンド層と、を備えている。伝搬層は、光が伝搬する。導入部は、前記伝搬層に前記光を導入する。導出部は、前記伝搬層から前記光を導出する。前記伝搬層の表面において、前記リガンド層の前記光の伝搬方向に直交する垂直方向の長さが前記伝搬方向に沿って増加または減少する前記リガンド層の領域が含まれる。
この発明によれば、アナライト濃度を簡易かつ高精度に推定することができる。
図１（Ａ）は、チップ１の断面図であり、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）は、チップ１の斜視図である。 測定装置１５の概略構成を示す図である。 測定装置１５の構成を示すブロック図である。 図４（Ａ）は、本実施形態において、導入部１１に導入される光の振幅および位相の分布を示す図であり、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）は、導出部１７から導出される光の振幅および位相の分布を示す図である。図４（Ｄ）および図４（Ｅ）は、ファーフィールドにおける光の振幅分布を示した図である。 図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、参考例において、導出部から導出される光の振幅および位相の分布を示す図であり、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）は、ファーフィールドにおける光の振幅分布を示した図である。 図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、本実施形態において、導出部１７から導出される光の振幅および位相の分布を示す図であり、図６（Ｃ）および図６（Ｄ）は、ファーフィールドにおける光の振幅分布を示した図である。 図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、参考例において、伝搬部１３における光の伝搬方向を示す平面図であり、図７（Ｃ）および図７（Ｄ）は、導出部１７から導出される光の振幅および位相の分布を示す図であり、図７（Ｅ）および図７（Ｆ）は、ファーフィールドにおける光の振幅分布を示した図である。 図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、本実施形態において、伝搬部１３における光の伝搬方向を示す平面図であり、図８（Ｃ）および図８（Ｄ）は、導出部１７から導出される光の振幅および位相の分布を示す図であり、図８（Ｅ）および図８（Ｆ）は、ファーフィールドにおける光の振幅分布を示した図である。 測定方法を示すフローチャートである。 図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）、および図１０（Ｄ）は、変形例に係るリガンド１０２のパターンを示す平面図である。 図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、変形例に係るリガンド１０２のパターンを示す平面図である。 図１２（Ａ）は、応用例に係るチップ１Ａの断面図であり、図１２（Ｂ）は、応用例に係るチップ１Ａの斜視図である。 図１３（Ａ）は、応用例に係るチップ１Ｂの断面図であり、図１３（Ｂ）は、応用例に係るチップ１Ｂの斜視図である。 図１４（Ａ）は、チップ１の上面および下面にリガンド１０２が形成されたチップ１の断面図であり、図１４（Ｂ）は、チップ１の斜視図である。
図１は、本発明の測定用チップの一例であるチップ１の構造を示す図である。図２は、測定用チップを含む測定装置１５の概略構成を示す図である。図３は、測定装置１５の構成を示すブロック図である。
図２および図３に示すように、測定装置１５は、測定用チップ（以下、チップと言う。）１、光源１０、受光部３０、測定部３１、および制御部（比較部）３２を備えている。測定部３１および制御部３２は、専用のハードウェアであってもよいが、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置に搭載されたソフトウェアにより実現される態様であってもよい。
光源１０は、例えば６５０ｎｍ程度の可視光を放射する光源である。当該光は、チップ１の導入部１１に照射される。光源１０が放射する光は、ガウスビームであることが好ましい。ガウスビームは、伝搬の過程で光のパターン（振幅分布）の概形が変化しないため、光のパターン（振幅分布）の変化を検出するためには好適である。また、光源１０が放射する光は、連続波（ＣＷ波：Continuous Wave）であることが好ましい。連続波とすることで、観測が容易になるとともに、光源のコストも低減できる。なお、本ガウスビームは２次元にガウス分布である必要はなく、図１に示すＸ方向にガウス分布であればよい。また、光源１０が放射する光は、可視光に限るものではないが、特に可視光を利用する場合、赤外光や紫外光等の相対的に高価な光源や測定部を用いることがないため、測定装置としてのコストを抑えることが可能である。
図１（Ａ）は、チップ１の断面図であり、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）は、チップ１の斜視図である。この例では、チップ１の上面方向（厚み方向）をＺ、光の伝搬方向をＹ、光の伝搬方向に直交する垂直方向をＸとする。なお、表面とは、特段の定めがない限り、上面と下面のどちらか一方を示し、両表面とは、上面と下面の両方を示すこととする。
チップ１は、平板状の伝搬層１０１からなる。伝搬層１０１は、屈折率が１．５程度のアクリル樹脂を用いる。ただし、伝搬層１０１は、他にもガラス、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂、またはポリスチレン等の誘電体を用いることが可能である。
一例として、伝搬層１０１のＺ方向の長さは０．１ｍｍ、Ｙ方向の長さは１５ｍｍ、Ｘ方向の長さは２ｍｍ程度である。
伝搬層１０１の下面には、導入部１１および導出部１７が設けられている。導入部１１および導出部１７は、例えば回折格子からなる。回折格子は、例えばナノインプリント方式により作成される。ナノインプリント方式とは、ストライプ状の構造がパターニングされた金属等の鋳型を用意し、当該パターンを伝搬層１０１に転写する方式である。他にもプリズムにより導入部１１および導出部１７を設けることが可能である。
導入部１１に導入された光は、伝搬層１０１の上面および下面で全反射する。伝搬層１０１のうち、この全反射する領域を伝搬部１３と称する。伝搬部１３を伝搬した光は、導出部１７から導出される。
図１（Ｂ）に示すように、伝搬層１０１の上面には、リガンド１０２が形成（特定のパターンで固定化）されている。リガンド１０２は、図１（Ｃ）に示すように、測定対象物（例えば検体）中の被検出物質であるアナライト２０１と特異的に反応（結合）する物質（反応物質）である。伝搬層１０１は、上面において、光の伝搬方向に所定の長さに亘って、リガンド１０２の含有量が光の伝搬方向に直交する垂直方向で単調に変化する領域を含む。リガンド１０２の含有量は、光の伝搬方向における単位長さあたりのリガンド１０２の含有密度に、前記所定の長さを乗じたものである。
この例では、リガンド１０２が固定化されている領域は、光の伝搬方向（Ｙ方向）の長さが、光の伝搬方向に直交する垂直方向（Ｘ方向）に沿って変化する。図１（Ｂ）では、一例として、リガンド１０２が固定化されている領域は、平面視して直角三角形状であり、Ｙ方向の長さが、Ｘ方向に沿って、連続的にかつ線形に長くなっている。
リガンド１０２の形成は、例えばゴムシート等で伝搬層１０１の上面を斜めにマスキングし、リガンド１０２を固定化させるための表面処理剤を用いて、リガンド１０２を固定化させることで実施される。一例として、固定化したリガンド１０２の厚みは５ｎｍ程度となっている。
この様にリガンド１０２が形成された伝搬層１０１の上面は、アナライト２０１とリガンド１０２との反応（結合）による伝搬層１０１の周辺（本実施形態では、伝搬層１０１の上面）における屈折率の変化により、伝搬される光のＸ方向の位相分布を変化させる反応部として機能する。
図４（Ａ）は、導入部１１に導入される光の振幅と位相の分布を示す図である。この例では、導入部１１に導入される光は、ガウスビームであり、Ｘ方向の位相がほぼ等しく、伝搬過程で光のパターン（振幅分布）の概形が変化しない。
導入部１１に導入された光は、伝搬層１０１の伝搬部１３の中を全反射しながら伝搬する。ここで、リガンド１０２の屈折率（例えば１．５程度）は、周囲の屈折率（例えば屈折率１．３３の検体または屈折率１の空気）と異なる。全反射時の位相シフト量は、伝搬部１３に接する周囲の屈折率の大きさに依存する。そのため、リガンド１０２が固定化されている領域と、リガンド１０２が固定化されていない領域と、で全反射時の位相シフト量が異なることになる。
これにより、伝搬部１３を伝搬する光は、Ｘ方向の位相分布が変化する。上述のように、リガンド１０２が固定化されている領域は、Ｙ方向の長さが、Ｘ方向に沿って、連続的にかつ線形に長くなっている。したがって、図４（Ｂ）に示す様に、導出部１７から導出される光の位相分布は、Ｘ方向に沿って傾斜することになる。すなわち、光の進行方向が変化する。
ここで、図１（Ｃ）に示すように、リガンド１０２と同程度の屈折率を有するアナライト２０１がリガンド１０２に結合すると、全反射時の位相シフト量がアナライト２０１の結合前に比べて変化する。その結果、図４（Ｃ）に示すように、導出部１７から導出される光の位相分布は、Ｘ方向に沿った傾きが大きくなる。すなわち、アナライト２０１の有無により、導出される光の進行方向が変化する。
したがって、測定装置１５は、チップ１を検体に接触させる前と後とで、それぞれ受光部３０で導出部１７から導出される光をファーフィールドにて（またはフーリエ変換レンズを通して）受光し、測定部３１でピーク角度の変化を測定する。測定部３１で測定したピーク角度の変化は、制御部３２に入力され、メモリ（不図示）に記録される。制御部３２は、ピーク角度の変化が所定値以上であった場合に、アナライト２０１が有ったものと推定する。あるいは、制御部３２は、ピーク角度の変化量により、アナライト２０１の濃度を推定する。このように、制御部３２は、光のパターンの変化を分析する分析処理を行う。また、制御部３２は、光の進行方向の変化を分析する分析処理を行う。
このようにして、測定装置１５は、アナライト２０１（例えばインフルエンザウイルス等の抗原）の有無、あるいは濃度を推定する測定装置として機能する。
図５乃至図８を参照して、本実施形態の測定用チップと、国際公開第２０１７／００６６７９号に開示された測定用チップ（参考例）と、の技術的思想の差異を説明する。図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、参考例における、導出部１７から導出される光の振幅および位相の分布を示す図であり、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）は、参考例における、ファーフィールドにおける光の振幅分布を示した図である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、本実施形態における、導出部１７から導出される光の振幅および位相の分布を示す図であり、図６（Ｃ）および図６（Ｄ）は、本実施形態における、ファーフィールドにおける光の振幅分布を示した図である。
図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示す様に、参考例においては、導出部１７から導出される光の、Ｘ軸上における、リガンド１０２が固定化されている部分とされていない部分の位相差が３６０°（α＋３６０°）に達した場合、０次回折光と１次回折光の強度比は、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）に示す様に、位相差が０°の状態と同じ状態（α＋０°≒α＋３６０°）となるため、位相差の絶対量を推定することが困難である。
これに対して、本実施形態の測定用チップでは、光の進行方向は、位相の傾きに応じて、ほぼ線形に変化する。つまり、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示す様に、仮に、導出部１７から導出される光の、Ｘ軸上における、両端の位相差が３６０°に達した場合でも、位相の傾きと共に、光の進行方向が変化し続ける。したがって、図６（Ｃ）および図６（Ｄ）に示す様に、導出部１７から導出される光の、Ｘ軸上における、両端の位相差が３６０°を超える場合でも、ファーフィールドで観測される光のピーク角度は、位相の傾きに応じて変化する。
これにより、検体接触前の（あるいは検体接触後、結合がほとんど起こっていない時点での）、リガンド１０２のみによるピーク角度の変化量（リガンド１０２を固定化した状態と固定化していない状態のピーク角度の差）を測定することにより、リガンド１０２の固定化量を推定することができる。ここで、リガンド１０２を固定化していない状態のピーク角度は、別の経路を伝搬した光（例えば基材と伝搬層が別の構成の測定用チップの場合には、基材を伝搬した光等）を参照すれば良い。
本実施形態で示す手法は、上述のように、リガンド１０２の固定化量を推定することができる。したがって、制御部３２では、ピーク角度の変化量により、リガンド１０２に対するアナライト２０１の結合割合を推定することができる。例えば、リガンド１０２を抗体、アナライト２０１を抗原としたとき、抗体の分子量が１５０ｋＤａ程度であり、抗原の分子量が１６ｋＤａであるとすると、全ての抗体１分子につき抗原２分子の結合（最大結合）があった場合には、理論上、２１．３％（１６×２／１５０）のピーク角度の変化が発生する。したがって、制御部３２は、ピーク角度の変化量により、抗原の結合割合を推定することができ、固定化した抗体量のばらつきに関わらず、抗原濃度を高精度に推定することができる。
次に、図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、参考例において、伝搬部１３における光の伝搬方向を示す平面図であり、図７（Ｃ）および図７（Ｄ）は、導出部１７から導出される光の振幅および位相の分布を示す図であり、図７（Ｅ）および図７（Ｆ）は、ファーフィールドにおける光の振幅分布を示した図である。図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、本実施形態において、伝搬部１３における光の伝搬方向を示す平面図であり、図８（Ｃ）および図８（Ｄ）は、導出部１７から導出される光の振幅および位相の分布を示す図であり、図８（Ｅ）および図８（Ｆ）は、ファーフィールドにおける光の振幅分布を示した図である。
図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示す様に、参考例においては、仮に光の伝搬方向が傾き、リガンド１０２が固定化された領域とリガンド１０２が固定化されていない領域とを伝搬する長さが同一になると、図７（Ｃ）および図７（Ｄ）に示す様に、導出部１７から導出される光の位相分布が直線に近くなる。したがって、参考例においては、１次回折光の強度が著しく低くなる可能性がある。
これに対して、本実施形態では、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示す様に、仮に光の伝搬方向が傾くと、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）に示す様に、導出部１７から導出される光のＸ軸上における位相の傾きの総変化量（リガンド１０２およびアナライト２０１がある場合とない場合の傾きの差）に、若干差異は生じるものの、参考例ほど著しい差異ではない。また、図８（Ｅ）および図８（Ｆ）に示す様に、光の伝搬方向が傾いたとしても、アナライト２０１によるピーク角度の変化量（リガンド１０２およびアナライト２０１がある場合とリガンド１０２のみがある場合のピーク角度の差）と、リガンド１０２のみによるピーク角度の変化量（リガンド１０２のみがある場合とリガンド１０２およびアナライト２０１がない場合のピーク角度の差）の比は、ほとんど差異がない。
一方、固定化したリガンド１０２に対する、アナライト２０１の結合割合は、当該アナライト２０１によるピーク角度の変化量と、リガンド１０２のみによるピーク角度の変化量の比から推定することができる。したがって上述のように、光の伝搬方向が傾いたとしても、当該比はほとんど差異がないため、本実施形態の手法は、伝搬部１３における光の伝搬方向のばらつきに関わらず、アナライト２０１の濃度を安定的に（ロバストに）推定することができる。
よって、本発明は、従来の方式よりも、アナライト２０１の濃度を簡易かつ高精度に推定することができる。
次に、図９は、測定方法のフローチャートである。測定装置１５は、まずアナライト２０１がリガンド１０２に結合されていない状態であるリファレンスのピーク角度を測定する（ｓ１１：第１測定ステップに相当する）。リファレンスの測定は、例えば、チップ１が乾燥している状態で行ってもよいし、チップ１の上面に緩衝液を接触させた状態で行ってもよい。
測定装置１５は、図２に示したように、所定の場所にチップ１が設置されるようになっていて、チップ１の下面から光源１０の光を導入部１１に導入させるようになっている。受光部３０は、導出部１７から導出された光を受光するものであり、１次元または２次元配置された受光素子からなる。測定部３１は、受光部３０の各受光素子で受光した光の強度情報を取得し、制御部３２に出力する。制御部３２は、受光部３０で受光される光のピーク角度の変化を分析するため、測定部３１で取得した各受光素子の光の強度情報を内蔵メモリ（不図示）に記録する。
その後、チップ１の上面に、測定対象となるアナライト２０１が含まれた検体を接触させる（ｓ１２：接触ステップに相当する）。そして、測定装置１５は、検体が接触した状態のまま、チップ１の導入部１１に光を導入させ、導出部１７から導出される光のピーク角度を測定する（ｓ１３：第２測定ステップに相当する）。
その後、制御部３２は、メモリに記録したリファレンスのピーク角度情報と、検体が接触した後の状態のピーク角度情報と、を比較する（ｓ１４：検出ステップに相当する）。制御部３２は、例えばピーク角度が所定値以上変化していた場合に、アナライト２０１が有ったものと推定する。あるいは、制御部３２は、ピーク角度の変化量により、アナライト２０１の濃度を推定する。
なお、本実施形態では、リファレンス測定を検体接触前に行っている。この場合、リファレンス測定時のチップ１上の媒質（空気または緩衝液）の屈折率と、検体の屈折率と、の差によるピーク角度の変化を後から補正する必要がある。一方、検体を接触させた後、結合がほとんど起こっていない時点でピーク角度を測定し、リファレンスとすることもできる。この場合、媒質の屈折率差は考慮する必要がない。ただし、検体を接触させてからリファレンスを測定するまでのわずかな結合による誤差が生じる可能性がある。
このようにして、測定装置１５は、アナライト２０１の有無あるいは濃度を推定することが可能である。
本実施形態で示した測定手法では、チップ１のＹ方向の長さを変更することで、反射回数を調整することができ、感度を変化させることができる。例えば、チップ１は、Ｙ方向の長さを長くするほど反射回数が増えるため、感度が向上する。
また、仮に光源１０の振幅が変化したとしても、ピーク角度の変化量が変わることがない。これより、光源が多少不安定な場合でも、安定した測定が可能となる。また、上述のように、リガンド１０２の固定化量のばらつきや、伝搬部１３における光の伝搬方向のばらつきに関わらず、アナライト２０１の濃度を安定的に推定することができる。したがって、本実施形態で示した測定手法は、簡易かつ高精度にアナライト２０１の濃度を推定することができる。
なお、図１においては、リガンド１０２が固定化されている領域は、平面視して直角三角形状であり、Ｙ方向の長さが、Ｘ方向に沿って、連続的にかつ線形に長くなる例を示した。この場合、リガンド１０２が固定化されている領域とされていない領域との境界は、平面視して１つの直線となるため、例えばゴムシート等で伝搬層１０１の上面を斜めにマスキングするだけで、リガンド１０２を形成することができ、参考例よりも測定用チップを容易に製造することができる。ただし、リガンド１０２のパターンは、光の伝搬方向に直交する垂直方向で単調に変化する領域を含むパターンであれば、図１に示す例に限るものではない。
図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）、図１０（Ｄ）、図１１（Ａ）、および図１１（Ｂ）は、変形例に係るリガンド１０２のパターンを示す平面図である。
図１０（Ａ）におけるリガンド１０２が固定化されている領域は、平面視して二等辺三角形状であり、光の伝搬方向（Ｙ方向）の長さが、光の伝搬方向に直交する垂直方向（Ｘ方向）に沿って連続的かつ線形に長くなっている。すなわち、図１０（Ａ）の例は、光の伝搬方向に所定の長さに亘って、反応物質の含有量が垂直方向で連続的かつ線形に変化する領域を含む。この場合は、導出部１７から導出される光の位相分布は、図８で示した例の場合とほぼ同じため、図８で示した例の場合とほとんど同じ効果が期待できる。
図１０（Ｂ）におけるリガンド１０２が固定化されている領域は、平面視して直角三角形が２つ並んだ形状であり、光の伝搬方向（Ｙ方向）の長さが、光の伝搬方向に直交する垂直方向（Ｘ方向）に沿って、連続的にかつ線形に長くなっている。すなわち、図１０（Ｂ）の例は、光の伝搬方向に所定の長さに亘って、反応物質の含有量が垂直方向で連続的かつ線形に変化する領域を含む。この場合は、導出部１７から導出される光の位相分布は、図８で示した例の場合とほぼ同じため、図８で示した例の場合とほとんど同じ効果が期待できる。
図１０（Ｃ）におけるリガンド１０２が固定化されている領域は、光の伝搬方向（Ｙ方向）の長さが、光の伝搬方向に直交する垂直方向（Ｘ方向）に沿って、連続的にかつ非線形に長くなっている。図１０（Ｃ）の例は、反応物質の含有密度が一定であって、かつ、所定の長さが垂直方向（Ｘ方向）で連続的に変化する。この場合は、光の進行方向が変化するとともに、光の広がり角も変化する。したがって、光の進行方向以外の要素も変化する。
図１０（Ｄ）におけるリガンド１０２が固定化されている領域は、平面視して階段状の形状であり、光の伝搬方向（Ｙ方向）の長さが、光の伝搬方向に直交する垂直方向（Ｘ方向）に沿って、非連続に変化している。この場合は、回折光が出現し、回折光の各次数の進行方向及び、強度比が変化する。
図１、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）、および図１０（Ｄ）の例は、反応物質の含有密度が一定であって、かつ、所定の長さが垂直方向で単調に変化する例である。図１、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、および図１０（Ｃ）の例は、反応物質の含有密度が一定であって、かつ、所定の長さが垂直方向で連続的に変化する例である。図１、図１０（Ａ）、および図１０（Ｂ）の例は、反応物質の含有密度が一定であって、かつ、所定の長さが垂直方向で線形に変化する例である。一方、図１１（Ａ）におけるリガンド１０２が固定化されている領域は、平面視して全面であるが、光の伝搬方向に直交する垂直方向（Ｘ方向）に沿って、密度（伝搬層１０１上面におけるリガンド１０２の含有密度）が線形に変化している。すなわち、図１１（Ａ）の例は、所定の長さが垂直方向で一定であり、かつ、反応物質の含有密度が垂直方向で単調に変化する。この場合も、光の進行方向が変化する。
図１１（Ｂ）におけるリガンド１０２が固定化されている領域は、平面視して二等辺三角形の外部であり、光の伝搬方向（Ｙ方向）の長さが、光の伝搬方向に直交する垂直方向に沿って（Ｘ方向）、連続的にかつ線形に短くなった後に、連続的かつ線形に長くなっている。この場合は、導出部１７から導出される光の、中央と両端の位相差が小さい場合は、当該位相差に応じて光の広がり角が変化し、当該位相差が大きい場合は、光が２本に分割され、当該位相差に応じてそれぞれの進行方向間の角度が変化する。分割された２本の光のピーク角度の差から当該位相差の絶対量を推定可能であり、参照光なしでリガンド１０２の固定化量及びアナライト２０１の濃度を推定できるというメリットがある。
なお、図８（Ａ）および図８（Ｂ）で示した本実施例のパターンおよび、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）、図１０（Ｄ）、図１１（Ａ）、および図１１（Ｂ）で示した、変形例に係るパターンはそれぞれ、Ｘ軸の反転、Ｙ軸の反転、リガンド１０２が固定化されている領域と固定化されてない領域の反転、およびこれらの、全ての通りの組み合わせにおいて、類似した効果が得られることは言うまでもない。
次に、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、応用例に係るチップ１Ａの断面図および斜視図である。チップ１Ａは、ガラス等の基材１０５の上面に、中間層１０７を介して伝搬層１０９が配置されている。中間層１０７には、検体と同程度の屈折率を有する材料（例えば屈折率が１．３４程度のフッ素樹脂材料）が用いられる。伝搬層１０９の上面にはリガンド１０２が形成されている。リガンド１０２のパターンは、チップ１と同様である。
チップ１Ａは、伝搬層１０９のＺ方向の長さ（厚み）が伝搬層１０１よりも短く（薄く）なっている。伝搬層１０９は、Ｚ方向の長さ０．１ｍｍ程度の基材１０５により形状が保持されているため、例えばＺ方向の長さを数十ｎｍ〜数百ｎｍ程度まで短くすることが可能である。
伝搬層は、Ｙ方向の長さを長く、Ｚ方向の長さを短くするほど反射回数が増えるため、感度が向上する。しかし、Ｙ方向の長さを長くすると測定用チップに接触させる検体の量が多く必要となる。そこで、応用例のチップ１Ａでは、Ｚ方向の長さを数十ｎｍ〜数百ｎｍまで短くすることで、Ｙ方向の長さを短く（例えば１ｍｍ以下に）した場合であっても、ある程度の感度を確保できる態様としている。
また、中間層１０７は、必須ではない。例えば、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示す様に、中間層１０７がないチップ１Ｂを構成することも可能である。この場合も、伝搬層１０９のＺ方向の長さは、数十ｎｍ〜数百ｎｍ程度まで短くすることが可能である。ただし、中間層１０７がある場合のほうが、Ｚ方向の長さを短く、また伝搬角を深くできるため、反射回数及び、反射時の位相シフト量を大きくすることができる。
なお、本実施形態では、伝搬層１０１の上面にリガンド１０２が形成される例を示したが、例えば図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示すように、伝搬層１０１の上面および下面にリガンド１０２が形成された測定用チップとすることも可能である。
また、本実施形態では、アナライト２０１の濃度を推定する例を示したが、これはアナライト２０１とリガンド１０２の親和性（解離定数あるいは、結合速度定数と解離速度定数）が既知で濃度が未知の場合である。逆に、アナライト２０１とリガンド１０２の親和性が未知で濃度が既知の場合、アナライト２０１とリガンド１０２の親和性を推定することも可能である。
また、本実施形態では、アナライト２０１とリガンド１０２の組み合わせとして抗原と抗体の例を示したが、これに限定されるものではなく、酵素と基質、ホルモンと受容体、ＤＮＡ相補対なども可能である。これらの場合も、リガンド１０２が固定化されている領域と、リガンド１０２が固定化されていない領域と、で全反射時の位相シフト量が異なり、アナライト２０１との結合によって、当該位相シフト量が変化することは言うまでもない。
また、本実施形態で示した手法は、生体分子の結合反応以外でも、屈折率変化を伴う反応であれば適用可能である。一例として、本実施形態で示した手法は、ガスセンサなどにも応用可能である。この場合、ガスをアナライト２０１とし、ガスと反応することで屈折率が変化する化学物質をリガンド１０２とすればよい。
１，１Ａ，１Ｂ…チップ
１０…光源
１１…導入部
１３…伝搬部
１５…測定装置
１７…導出部
３０…受光部
３１…測定部
３２…制御部
１０１…伝搬層
１０２…リガンド
１０５…基材
１０７…中間層
１０９…伝搬層
２０１…アナライト

Claims (18)

  1. 光が伝搬する伝搬層と、
    前記伝搬層に前記光を導入する導入部と、
    前記伝搬層から前記光を導出する導出部と、
    前記伝搬層の表面に形成され、測定対象物中のアナライトに反応するリガンド層と、を備え、
    前記伝搬層の表面において、前記リガンド層の前記光の伝搬方向に直交する垂直方向の長さが前記伝搬方向に沿って増加または減少する前記リガンド層の領域を含む
    ことを特徴とする測定用チップ。
  2. 請求項１に記載の測定用チップであって、
    前記リガンド層の領域は、前記リガンド層の前記垂直方向の長さが前記伝搬方向に沿って連続的に増加または減少する領域である
    ことを特徴とする測定用チップ。
  3. 請求項１または請求項２に記載の測定用チップであって、
    前記リガンド層の領域は、前記リガンド層の前記垂直方向の長さが前記伝搬方向に沿って線形に増加または減少する領域である
    ことを特徴とする測定用チップ。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の測定用チップであって、
    前記リガンド層の領域の形状は、前記伝搬層を平面視して三角形である
    ことを特徴とする測定用チップ。
  5. 請求項１乃至請求項４に記載の測定用チップであって、
    前記リガンド層の領域の形状は、前記伝搬層を平面視して直角三角形である
    ことを特徴とする測定用チップ。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の測定用チップであって、
    前記アナライトと前記リガンド層との反応による前記伝搬層の周辺における屈折率の変化により、前記光の位相分布が変化する
    ことを特徴とする測定用チップ。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の測定用チップであって、
    前記リガンド層の領域は、前記伝搬層を挟む両表面に形成されている
    ことを特徴とする測定用チップ。
  8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の測定用チップであって、
    前記光は、ガウスビームである
    ことを特徴とする測定用チップ。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の測定用チップであって、
    前記光は、可視光である
    ことを特徴とする測定用チップ。
  10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の測定用チップであって、
    前記伝搬層は、アクリル樹脂、ガラス、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂、およびポリスチレンのうちの１つからなる
    ことを特徴とする測定用チップ。
  11. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の測定用チップであって、
    前記導入部および／または前記導出部は、回折格子およびプリズムのうちのいずれかからなる
    ことを特徴とする測定用チップ。
  12. 請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の測定用チップが配置される測定装置であって、
    前記測定用チップの前記導入部に前記光を導く光源と、
    前記導出部から導出された光を受光する受光部と、
    前記測定用チップを前記測定対象物に接触させる前後での前記受光部で受光される光のパターンの変化を分析する制御部と、
    を備えた測定装置。
  13. 請求項１２に記載の測定装置であって、
    前記制御部は、前記光のピーク角度の変化を分析する分析処理を行うことを特徴とする測定装置。
  14. 請求項１２または請求項１３に記載の測定装置であって、
    前記制御部は、前記光の進行方向の変化を分析する分析処理を行うことを特徴とする測定装置。
  15. 伝搬層に光を導入し、
    測定対象物中のアナライトに反応するリガンド層が形成された前記伝搬層の表面において、前記リガンド層の前記光の伝搬方向に直交する垂直方向の長さが前記伝搬方向に沿って増加または減少する前記リガンド層の領域で前記光を全反射させ、
    前記伝搬層から前記光を導出する、
    ことを特徴とする測定方法。
  16. 請求項１５に記載の測定方法であって、
    測定用チップを前記測定対象物に接触させる前後での前記伝搬層から導出される前記光のパターンの変化を分析する、
    ことを特徴とする測定方法。
  17. 請求項１５または請求項１６に記載の測定方法であって、
    前記伝搬層から導出される前記光のピーク角度の変化を分析する
    ことを特徴とする測定方法。
  18. 請求項１５乃至請求項１７のいずれかに記載の測定方法であって、
    前記伝搬層から導出される前記光の進行方向の変化を分析する
    ことを特徴とする測定方法。
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