JP7102485B2 - 検出方法及び流体成分の存在を検出するためのデバイスを動作させる方法 - Google Patents
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Description
film of metal)」、「金属薄膜(metallic thin-film)」、「金属層(metal layer)」、「金属層(metallic layer)」という用語は、交換可能に使用される。
Cappoらによる米国特許第7,395,103号明細書は、涙液膜内の成分を測定するためのプローブとして使用されるポータブル手持ち式SPRデバイスについて説明する。他の人が、その人たちがそうすることを意図していなかった場合でも、小型SPRシステムの寸法に単に基づいてポータビリティに寄与する、小型SPRシステムについて説明している。
SPRにおいて使用される測定技術は、主に、参照液またはバッファ溶液と比較して実行される。言い換えると、卓上SPRデバイスにより実験室内において測定を実施するとき、流体は、配管を通してポンプ搬送され、小さな流路を通して検出面に直接接触する。このチャンネルは、漏れを防ぐ適切な封止材を含む(配位子が結合された金属薄膜の上側として規定された)センサー表面をまたぐ、フローセルと呼ばれる組立体の一部である。したがって、典型的な測定は、センサー表面上でバッファ溶液を通ることをともない、測定される流体が後に続く。データ記録は、時間の関数として実行され、まず、バッファに対して信号が取得され、次に、試験される流体に対する信号の変化が取得される。センサー表面に注入された後続の測定は、同様の組成をもつが濃度の高い流体に対して実行された場合、各々が濃度に比例した信号の変化を示す。処理されたデータの信号の変化は、SPR角の変化を表す。測定された各溶液の濃度が知られていた場合、濃度の関数としてSPR応答が記録され得、同じ条件下で未知の濃度が測定されたとき、その濃度が特定され得る。
手持ち式SPRシステムが、採取された液体を試験するためにフィールドにおいて利便性高く使用されるために、手持ち式の先端を液体内に浸漬することができることが好ましい。米国特許第7,395,103号明細書においてCappoらにより説明されるSPRプローブは、接触型プローブであり、すなわち、センサー表面が濡れた表面に一時的に接触することが意図され、接触時に測定が行われる。例えば、試料が液体で満たされたビーカーであるとき、接触プローブは困難さをともなう。SPRセンサー表面は典型的には平面であり、SPRが発生する適切な角度に入来光を方向付けする何らかの種類の反射ファセット面がSPRセンサー表面に隣接している。’103特許は、センサーに光を伝達してディテクターに光を反射する鏡面として、全反射において使用される2つの傾斜面を含むセンサー表面について説明している。試料ビーカー内にこの検出面が浸漬される場合、液体とセンサー表面との接触のみが発生しなければならず、液体がファセット面に接触した場合、そのことが全反射を損ない、光はもはや検出面またはディテクターに反射されない。さらには、これらの傾斜面が反射薄膜によりコーティングされている(例えば、アルミニウム堆積されている)場合、コンポーネントの寸法が小さく、密接して取り付けられるので、ファセット面またはセンサープリズムの側部に触れた液体が毛細管現象によりデバイス内に流出して、機器に壊滅的な損傷をもたらし得る。
ここまでに述べたように、化学実験室は多くの場合、異なる技術を使用して同じ結果を生成し得る補完機器のホストを含む。場合によっては、結果が重複するか、または、1つの機器が他の機器がもたない情報を提供し得る。任意の分析機器を使用するとき、結果の信頼性を保証するために、異なる技術を利用した他の機器にアクセス可能であることが有用である。非常に低い濃度を測定し得る多くの異なる機器が存在する。しかし、場合によっては、別の機器を使用して測定値を確認することが必要とされるか、または、目的に応じて機器の工程の確認部分が生じる。
率R1の光学基材706上の金薄膜709で反射してSPR信号ビーム708を生成する入力ビーム707とともに示される。ファセット面をもつSPRプリズムが708に示される。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
[1] 化学種濃度を特定するための、および少なくとも表面プラズモン共鳴を利用するための検出装置のための光学システムであって、前記装置が、筐体を含み、前記システムが、前記筐体内または前記筐体上に配置され、前記システムが、
平面金属層を含むセンサー部材であって、前記センサー部材が、前記筐体に取り外し可能に搭載可能な、センサー部材と、
前記筐体内に配置され、前記層に対する法線に対する所定の角度範囲で前記金属層の裏側に向けて少なくとも1つの入射ビームを方向付けするように構成された、第1の光学要素と、
前記筐体内に配置された少なくとも1つの光電変換器と、
前記筐体内に配置され、前記金属層から前記少なくとも1つの光電変換器に、前記少なくとも1つの入射ビームに対応する、少なくとも1つの反射されたビームを案内するように構成された、第2の光学要素と、
を備え、
前記少なくとも1つの光電変換器が、表面プラズモン共鳴角を検出するために、前記筐体内に配置されて前記少なくとも1つの光電変換器に動作可能に接続された信号プロセッサへの送信のために、入来電磁放射を電気信号に変換し、前記第1の光学要素が、前記少なくとも1つの入射ビームが少なくとも約20°にわたって広がるように構成された、
光学システム。
[2] 前記少なくとも1つの光電変換器が、前記筐体内において互いに離間した2つの光電変換器デバイスを含む、[1]に記載の光学システム。
[3] 前記少なくとも1つの反射されたビームが、互いに離間したそれぞれの反射角範囲をもつ反射されたビーム部分のペアを含み、前記第2の光学要素が、前記反射されたビーム部分のうちの第1の反射されたビーム部分を、前記光電デバイスのうちの1つに、および、前記反射されたビーム部分のうちの第2の反射されたビーム部分を、前記光電デバイスのうちの別の1つに方向付けするように構成された、[2]に記載の光学システム。
[4] 前記光電デバイスの下流に配置されたマルチプレクサーをさらに備える、[2]に記載の光学システム。
[5] 前記第1の光学要素が、プリズムを含み、前記金属層が、前記プリズムの表面上に配置され、前記プリズムが、互いに対して第1の角度に配向された2つの第1の表面を含み、前記第1の表面が、各々、前記金属層に対してそれぞれの第2の角度で配向された、[1]に記載の光学システム。
[6] 前記2つの第1の表面が、前記金属層の入力または上流側に位置し、前記プリズムが、前記金属層の出力または下流側に位置して互いに対して前記第1の角度で配向された2つの第2の表面をさらに含み、前記第2の表面が、各々、前記金属層に対して前記第2の角度のうちのそれぞれの角度で配向された、[5]に記載の光学システム。
[7] 前記第1の光学要素が、走査器を備える、[1]に記載の光学システム。
[8] 前記入射ビームが、複数の波長をもつ、[1]に記載の光学システム。
[9] 前記第2の光学要素が、ビーム結合器を備え、前記少なくとも1つの光電変換器が、少なくとも1つの電気光学変換器デバイスを構成する、[1]に記載の光学システム。
[10] 前記第1の光学要素が、それぞれの光学ビーム路内に配置された、および、前記金属層上においてそれぞれの焦線に収束するそれぞれのビームを生成する、複数のマイクロレンズを含み、前記第2の光学要素が、それぞれの光学ビーム路内に配置された、および、前記それぞれの焦線から発散するそれぞれのビームをコリメートする、類似した複数のマイクロレンズを含む、[1]に記載の光学システム。
[11] 前記システムが、1つまたは複数の非表面プラズモン共鳴検出システムをさらに備える、[1]に記載の光学システム。
[12] 前記非プラズモン共鳴検出システムが、蛍光分光、赤外分光、紫外・可視分光、インピーダンス分光、反射分光、および/またはサイクリックボルタンメトリーを利用する、[11]に記載の光学システム。
[13] 前記システムが、キャップをさらに備え、前記キャップが、金属センサー表面を備えるセンサー部を含み、前記キャップが、前記センサー部と流体密封状態で接触しながら前記センサー部にかぶせて挿入されるように適応された本体部材を含み、前記本体部材が、マイクロ流体入口孔と、前記入口孔に連通した、前記金属表面に並置して配置可能なマイクロ流体チャンバと、前記チャンバに連通したマイクロ流体排出または流通チャンネルとを含む少なくとも1つの毛細管回路を含む、[1]に記載の光学システム。
[14] 試験流体内における対象の生物学的または化学成分の存在および/または量を検出する方法であって、対象の生物学的または化学成分の存在および/または量を検出するのに十分な条件下で、[1]に記載のシステムに参照流体および前記試験流体を適用することを含む、方法。
[15] 筐体を含む表面プラズモン共鳴デバイスを提供することと、
前記筐体に交換可能モジュール式センサー部を装着することであって、前記センサー部が、第1の平面金属層を含む、装着することと、
前記第1の平面金属層に接触するように参照流体を配置することと、
続いて、前記参照流体に対する第1の表面プラズモン参照角度を特定するように前記デバイスを動作させることと、
前記第1の平面金属層に接触するように試験流体を配置することと、
続いて、前記試験流体に対する第2の表面プラズモン参照角度を特定するように前記デバイスを動作させることと、
前記第1の表面プラズモン共鳴角と前記第2の表面プラズモン共鳴角とから、前記試験流体内における対象の生物学的または化学成分の存在と任意選択的に濃度とを特定するように信号プロセッサを動作させることと、
前記筐体から前記センサー部を除去することと、
前記筐体に異なるモジュール式センサー部を装着することであって、前記異なるモジュール式センサー部が、第2の平面金属層を含む、装着することと、を含む、検出方法。
[16] 前記参照流体が、空気である、[15]に記載の方法。
[17] 非表面プラズモン共鳴デバイスを提供することと、前記試験流体内における対象の生物学的または化学成分の前記存在と任意選択的に前記濃度とを特定することと、をさらに含む、[15]に記載の方法。
[18] 前記参照流体が、液体であり、前記方法が、交換モジュール式キャップが前記交換可能モジュール式センサー部に流体密封状態で接触するように、前記交換可能モジュール式センサー部にかぶせて、前記筐体に前記交換モジュール式キャップを装着することをさらに含み、前記金属層に接触するように前記参照流体を前記配置することが、前記第1の表面プラズモン参照角度を特定するための前記デバイスの前記動作前に、前記参照流体を前記キャップ内の容器から前記第1の金属層に流すことを含み、前記第1の金属層に接触するように前記試験流体を前記配置することが、前記キャップ内の毛細管またはマイクロ流体チャンネルを通して前記第1の金属層に前記試験流体を引き込むことを含む、[15]に記載の方法。
[19] 非表面プラズモン共鳴デバイスを提供することと、前記試験流体内における対象の生物学的または化学成分の前記存在と任意選択的に前記濃度とを独立して特定することと、をさらに含む、[15]に記載の方法。
[20] 流体成分の存在を検出するために動作させる方法であって、デバイスが、筐体と、電磁放射源を含む前記筐体内に配置された第1の光学要素とを備え、前記デバイスが、前記筐体内に配置されて少なくとも1つの光電変換器を含む第2の光学要素をさらに備え、前記デバイスが、前記筐体内に配置されて前記少なくとも1つの光電変換器に動作可能に接続された信号プロセッサをさらに含み、方法が、
前記筐体にセンサー部を装着することであって、前記センサー部が、平面金属層を含む、装着することと、
前記金属層に接触するように参照流体を配置することと、
続いて、前記層に対する法線に対する所定の角度範囲で、前記金属層の裏側に向けて少なくとも1つの入射ビームを方向付けするように、前記第1の光学要素を動作させることと、
前記参照流体に対する反射角度の関数として反射強度を検出するように、前記少なくとも1つの光電変換器を含む前記第2の光学要素を動作させることと、
前記参照流体に対する前記反射強度を符号化する第1の電気信号を生成することと、
前記参照流体に対する第1の表面プラズモン共鳴角を前記第1の電気信号から検出するように前記信号プロセッサを動作させることと、
前記第1の共鳴角を記憶することと、前記金属層に接触するように試験流体を配置することと、
続いて、前記層に対する前記法線に対する前記所定の角度範囲で、前記金属層の裏側に向けて少なくとも1つの入射ビームを方向付けするように、前記第1の光学要素を動作させることと、
前記試験流体に対する反射角度の関数として反射強度を検出するように、前記少なくとも1つの光電変換器を含む前記第2の光学要素を動作させることと、
前記試験流体に対する前記反射強度を符号化する第2の電気信号を生成することと、
前記試験流体に対する第2の表面プラズモン共鳴角を前記第2の電気信号から検出するように、前記信号プロセッサを動作させることと、
前記第1の表面プラズモン共鳴角と前記第2の表面プラズモン共鳴角とから、前記試験流体内における対象の生物学的または化学成分の存在を特定するように、前記信号プロセッサをさらに動作させることと、を含む、流体成分の存在を検出するために動作させる方法。
[21] 前記金属層の前側に向けて前記入射ビームをさらに方向付けするように、前記第1の光学要素を動作させることをさらに含む、[20]に記載の方法。
[22] 蛍光が測定される、[20]に記載の方法。
[23] 金属センサー表面を備えるセンサー部を含む表面プラズモン共鳴検出デバイスのためのキャップであって、前記キャップが、前記センサー部と流体密封状態で接触しながら前記センサー部にかぶせて挿入されるように適応された本体部材を含み、前記本体部材が、マイクロ流体入口孔と、前記入口孔に連通した、前記金属表面に並置して配置可能なマイクロ流体チャンバと、前記チャンバに連通したマイクロ流体排出または流通チャンネルとを含む少なくとも1つの毛細管回路を含む、キャップ。
[24] 前記毛細管回路が、第1の毛細管回路であり、前記本体部材が、第2の毛細管回路を含んで形成され、前記第2の毛細管回路が、入口チャンネルと、前記入口チャンネルに連通した、前記金属表面に並置して配置可能な追加的なマイクロ流体チャンバと、前記追加的なマイクロ流体チャンバに連通した追加的な排出または流通チャンネルとを含み、前記追加的なマイクロ流体チャンバの反対側で、前記入口チャンネルの上流端部に配置されたマイクロ流体容器をさらに備え、前記容器が、所定のSPR特性の参照液を収容する、[23]に記載のキャップ。
[24] 容器が、前記容器から前記入口チャンネルへの前記参照液の移送を可能にするための有効化要素と、前記追加的なマイクロ流体チャンバとを備える、[23]に記載のキャップ。
[25] 前記入口孔および前記排出または流通チャンネルが周辺環境に連通するように、前記本体部材が、前記センサー部に結合するように適応された、[23]に記載のキャップ。
[26] [23]に記載のキャップのマイクロ流体孔の長さを調節する方法であって、
前記マイクロ流体孔が、毛細管孔であり、方法が、前記毛細管孔の表面の性質を変えることを含む、方法。
[27] 前記毛細管孔の表面の性質が、1つまたは複数の界面活性剤、または外部刺激の適用により前記毛細管孔の内壁をコーティングすることにより変更される、[27]に記載の方法。
[28] 前記毛細管孔の前記表面の性質が、電圧、電磁放射、および音波からなる群から選択された外部刺激の適用により変更される、[28]に記載の方法。
12 収束入射ビーム、収束ビーム
14 裏面、背部または下側、後側
16 金属の薄膜、金属薄膜層、金属薄膜、金属表面
17 光学基材、ガラス
18 反射されたビーム
20 出力光学素子
22 光電変換器、ディテクター
24 金属薄膜側
110 センサー部
112 筐体
114 センサー表面、検出面、検出層
116 レーザー源
118 入力光学システム、入力光学素子
120 出力光学システム、出力光学素子
122 温度センサー、温度センサーおよびTE冷却器
124 信号処理ユニット、信号プロセッサ
126 メモリ
128 送信器
130 ディスプレイ
300 システム
302 二重ディテクター、二次元像センサーまたはディテクター
304 二重ディテクター、二次元像センサーまたはディテクター
306 マルチプレクサー
308 入力光学素子
310 出力光学素子
312 円柱レンズ
314 円柱レンズ
316 入力ビーム
317 光学基材
318 金属薄膜、センサー表面
320 発散出力ビーム
350 システム
352 像ディテクター
354 光学ビーム結合器、光学ビーム結合器キューブ(ビームスプリッター)
356 多要素入力光学素子
358 収束入力ビーム
360 下側
362 金属薄膜、金属表面
364 発散出力ビーム
366 多要素出力光学素子
368 平行ビーム
406 センサープリズム
402 表面、入力ファセット、ファセット面
404 表面、入力ファセット、プリズムファセット面
408 入力ビーム
410 金属薄膜
412 第1の部分、ビーム部分
414 第2の部分、ビーム部分
416 出力ファセット面
418 出力ファセット面
420 ディテクターアレイ
422 SPR信号
424 SPR信号
426 距離
428 光源ビーム、光ビーム
432 第1の光源、光源1参照ビーム
434 別の光源、光源2試験ビーム
430 光源ビーム、光ビーム
450 入力レンズ状マイクロレンズアレイ、レンズ状アレイ、レンズ要素
452 出力レンズ状マイクロレンズアレイ、レンズ状アレイ、レンズ要素
454 金属薄膜表面
456 光
458 収束するビーム
460 収束するビーム
462 収束するビーム
464 発散ビーム
466 発散ビーム
468 発散ビーム
476 ディテクター
476 試験試料
478 試験試料
480 SPR参照信号
482 試験試料信号
484 試験試料信号
502 キャップ、キャップ部材
504 SPRプリズム、センサープリズム
506 マイクロ流体経路
508 薄膜金属表面
510 筐体
512 チャンバ
514 マイクロ流体経路
516 熱電冷却器
520 ノーズコーン型キャップ部材
522 バイアル瓶
524 プランジャ
526 毛細管孔
528 チャンバ
530 金属薄膜表面
532 チャンバ
601 収束入力ビーム、SPR入力ビーム
602 光学基材
603 試験される試料
604 金薄膜
605 共鳴角SPR(θ)
606 UV LED
607 UV励起および広帯域蛍光スペクトル
607 UV LED
608 UV励起ビーム
608 二重帯域通過フィルタ、青色、緑色、およびUV遮蔽体
609 光学くさび
610 CMOSディテクター
701 キャップ
702 毛細管孔
703 UV LED
704 検出アーム
705 配位子/分析対象ペア
706 光学基材
707 入力ビーム
708 SPR信号ビーム
709 金薄膜
Claims (17)
- 検出方法であって、
表面プラズモン共鳴(SPR)デバイスに第1の平面金属層を含む交換可能モジュール式センサーを装着することと、ここにおいて、前記SPRデバイスは、
筐体と、
第1の入力反射ファセット面及び第2の入力反射ファセット面を備える入力光学システムと、
第1の出力反射ファセット面及び第2の出力反射ファセット面、並びに反射された光ビームを光電センサーに方向付ける像形成光学素子を備える出力光学システムと、
前記出力光学システムからイメージ信号を受けるように構成され、2つの独立したSPR信号を検出するように構成された信号処理ユニットと、を備え、ここで、前記2つの独立したSPR信号の各々は、入射光ビームに対するSPR角最小値に対応するものであり、
前記第1の平面金属層を参照流体に接触させることと、
前記第1の入力反射ファセット面と前記第1の出力反射ファセット面を用いて、前記参照流体に対するSPR角最小値を決定するように前記SPRデバイスを動作させることと、
前記第1の平面金属層を試験流体に接触させることと、
前記第2の入力反射ファセット面と前記第2の出力反射ファセット面を用いて、前記試験流体に対するSPR角最小値を決定するように前記SPRデバイスを動作させることと、
ディテクターアレイの視野に、前記参照流体に対する前記SPR角最小値と前記試験流体に対する前記SPR角最小値を同時に表示することと、
前記ディテクターアレイの視野で、前記参照流体に対する前記SPR角最小値と前記試験流体に対する前記SPR角最小値との識別可能な差を測定することと、
を備える検出方法。 - 前記SPRデバイスから前記交換可能モジュール式センサーを除去することと、
前記SPRデバイスに異なる交換可能モジュール式センサーを装着することと、をさらに備える、請求項1に記載の検出方法。 - 分析対象が溶質粒子である、請求項1に記載の検出方法。
- 前記試験流体内の分析対象の濃度を決定することをさらに備える、請求項3に記載の検出方法。
- 前記参照流体が空気である、請求項1に記載の検出方法。
- 前記ディテクターアレイの視野における前記参照流体に対するSPR角最小値と前記試験流体に対するSPR角最小値との識別可能な差と、較正データセットとを比較することをさらに備える、請求項1に記載の検出方法。
- 前記SPRデバイスを動作させることは、前記参照流体に対するSPR角最小値と前記試験流体に対するSPR角最小値とをカバーする角度範囲にわたって入射光ビームを走査することを含む、請求項1に記載の検出方法。
- 前記角度範囲が28度にわたって広がる、請求項7に記載の検出方法。
- 前記入射光ビームは2以上の異なる波長の光を含む、請求項7に記載の検出方法。
- 流体成分の存在を検出するためのデバイスを動作させる方法であって、前記デバイスが、筐体と、電磁放射源を含む前記筐体内に配置された第1の光学要素とを備え、前記デバイスが、前記筐体内に配置されて少なくとも1つの光電変換器を含む第2の光学要素をさらに備え、前記デバイスが、前記筐体内に配置されて前記少なくとも1つの光電変換器に動作可能に接続された信号プロセッサも備え、該方法が、
前記筐体にセンサーを装着することと、ここで、前記センサーが、平面金属層と、第1の入力反射ファセット面及び第2の入力反射ファセット面と、第1の出力反射ファセット面及び第2の出力反射ファセット面とを含み、
前記平面金属層に接触するように参照流体を配置することと、
前記第1の入力反射ファセット面を用いて、前記平面金属層の法線に対する所定の角度範囲で、前記平面金属層の裏側に向けて少なくとも1つの入射ビームを方向付けするように前記第1の光学要素を動作させることと、
前記第1の出力反射ファセット面を用いて、前記参照流体に対する反射角度に応じて反射強度を検出するように前記少なくとも1つの光電変換器を含む前記第2の光学要素を動作させることと、
前記参照流体に対する前記反射強度を符号化する第1の電気信号を生成することと、
前記参照流体に対するSPR角最小値を前記第1の電気信号から検出するように前記信号プロセッサを動作させることと、
前記平面金属層に接触するように試験流体を配置することと、
前記第2の入力反射ファセット面を用いて、前記所定の角度範囲で、前記平面金属層の裏側に向けて少なくとも1つの入射ビームを方向付けするように前記第1の光学要素を動作させることと、
前記第2の出力反射ファセット面を用いて、前記試験流体に対する反射角度に応じて反射強度を検出するように前記少なくとも1つの光電変換器を含む前記第2の光学要素を動作させることと、
前記試験流体に対する前記反射強度を符号化する第2の電気信号を生成することと、
前記第2の電気信号から前記試験流体に対するSPR角最小値を検出するように前記信号プロセッサを動作させることと、
ディテクターアレイの視野に、前記参照流体に対する前記SPR角最小値と前記試験流体に対する前記SPR角最小値を同時に表示することと、
前記ディテクターアレイの視野で、前記参照流体に対する前記SPR角最小値と前記試験流体に対する前記SPR角最小値との識別可能な差を測定することと、
を備える方法。 - 分析対象が溶質粒子である、請求項10に記載の方法。
- 前記試験流体内の分析対象の濃度を決定することをさらに備える、請求項11に記載の方法。
- 前記参照流体が空気である、請求項10に記載の方法。
- 前記ディテクターアレイの視野における前記参照流体に対するSPR角最小値と前記試験流体に対するSPR角最小値との識別可能な差と、較正データセットとを比較することをさらに備える、請求項10に記載の方法。
- 前記所定の角度範囲は、前記参照流体に対するSPR角最小値と前記試験流体に対するSPR角最小値をカバーする、請求項10に記載の方法。
- 前記所定の角度範囲は28度にわたって広がる、請求項15に記載の方法。
- 入射光ビームが2以上の異なる波長の光を含む、請求項15に記載の方法。
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