特開 2024-76618 測定用チップ、測定装置、および測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024076618

(43)【公開日】2024-06-06

(54)【発明の名称】測定用チップ、測定装置、および測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/41 20060101AFI20240530BHJP

【ＦＩ】

G01N21/41 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022188273

(22)【出願日】2022-11-25

(71)【出願人】

【識別番号】000166247

【氏名又は名称】古野電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】弁理士法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】多田 啓二

(72)【発明者】

【氏名】河尻 武士

(72)【発明者】

【氏名】梶 祥一朗

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059BB04

2G059CC17

2G059DD13

2G059EE04

2G059FF12

2G059GG01

2G059HH02

2G059KK04

2G059LL01

2G059NN06

(57)【要約】

【課題】測定の安定性をさらに向上させた光導波路型の測定用チップ、測定装置、および測定方法を提供する。
【解決手段】測定用チップ１は、光が伝搬する伝搬層２と、伝搬層２に光を導入する第１の回折格子を有する導入部３と、伝搬層２から光を導出する第２の回折格子を有する導出部４と、測定対象物中のアナライトに反応するリガンドを修飾可能な、伝搬層２の表面をベースとするリガンド修飾面と、を備え、第１の回折格子と第２の回折格子のどちらかにおいて設けられている複数の格子パターン３１の周期が、２つ以上の領域間で互いに異なっている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項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第１の回折格子を有する導入部と、
前記伝搬層から前記光を導出する第２の回折格子を有する導出部と、
測定対象物中のアナライトに反応するリガンドを修飾可能な、前記伝搬層の表面をベースとするリガンド修飾面と、
を備え、
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のどちらかにおいて設けられている複数の格子パターンの周期が、２つ以上の領域間で互いに異なっている、測定用チップ。

【請求項2】

前記第１の回折格子に設けられている複数の前記格子パターンの周期が、前記光の伝搬方向に沿って２つ以上の領域間で互いに異なっている、請求項１に記載の測定用チップ。

【請求項3】

前記第１の回折格子は、前記光の伝搬方向に沿って、前記格子パターンの周期が前記領域毎に増加または減少する、請求項１に記載の測定用チップ。

【請求項4】

前記第１の回折格子は、前記格子パターンの周期が、一定のデューティ比を保ちながら、前記光の伝搬方向に沿って前記領域毎に増加または減少する、請求項１に記載の測定用チップ。

【請求項5】

前記第２の回折格子に設けられている複数の格子パターンの周期は、前記光の伝搬方向に沿って一定である、請求項１に記載の測定用チップ。

【請求項6】

前記第１の回折格子と前記第２の回折格子との間において、格子パターンの周期の平均値が異なっている、請求項１に記載の測定用チップ。

【請求項7】

前記導入部と、前記伝搬層と、前記導出部と、前記リガンドが表面に修飾される前記リガンド修飾面とのセットが、一つの前記測定用チップ上に複数セット配置され、
前記第２の回折格子に設けられている複数の格子パターンの周期は、複数の前記セット間において異なっている、請求項１に記載の測定用チップ。

【請求項8】

前記第１の回折格子は、前記光の伝搬方向に対する垂直方向の両端に、結合効率が低下する前記格子パターンの平面形状を有している、請求項７に記載の測定用チップ。

【請求項9】

前記アナライトと前記リガンドとの反応により生じ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、請求項１に記載の測定用チップ。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか一項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、
前記測定用チップの前記導出部から導出された光を受光する受光部と、
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、
を備える測定装置。

【請求項11】

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、請求項１０に記載の測定装置。

【請求項12】

前記光源と前記導入部との間に配置され、前記光源から放射される前記光をコリメート光にして複数の前記導入部を照射するコリメートレンズをさらに備える、請求項１０に記載の測定装置。

【請求項13】

前記コリメートレンズは、コリメート条件から外れた光学系に配置される、請求項１２に記載の測定装置。

【請求項14】

請求項１から９のいずれか一項に記載の測定用チップを用いる測定方法であって、
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表面に形成された前記伝搬層において、前記光を全反射させ、
前記伝搬層から前記光を導出する、
測定方法。

【請求項15】

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、請求項１４に記載の測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光導波路型の測定用チップ、測定装置、および測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から様々な種類のバイオセンサが開発されており、例えば生体分子間の相互作用を解析するために利用されている。バイオセンサのタイプとしては、例えば特許文献１に例示するような光導波路を利用するタイプや、表面プラズモン共鳴を利用するタイプ、マッハ・ツェンダー干渉を利用するタイプ等がある。

【0003】

特許文献１に例示する、光導波路を利用するタイプのバイオセンサ（以下、光導波路型の測定用チップとも呼ぶ）では、被検出物質（以下、アナライトと呼ぶ）を検出するために、アナライトに反応する反応物質（以下、リガンドと呼ぶ）が、光が伝搬する伝搬層の表面に形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平９－６１３４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

以下に詳述するように、光導波路型の従来の測定用チップには、測定の安定性に関してさらなる性能向上が求められている。

【0006】

図１２は、光導波路型の従来の測定用チップの模式的な構造を示す図である。図１２（Ａ）は測定用チップの側面図である。図１２（Ｂ）は測定用チップの導入部に設けられている回折格子の平面図である。図１２（Ｃ）は導出部から導出される光の強度と光の入射角度との関係を示す図である。図１３は、光導波路型の従来の測定用チップを用いて複数の測定対象物を並列して測定する場合の測定装置の模式的な構成を示す図である。

【0007】

図１２（Ａ）に例示するように、光導波路型の従来の測定用チップ９１は、光が伝搬する伝搬層９２と、伝搬層９２に光を導入する導入部９３と、伝搬層９２から光を導出する導出部９４と、リガンド層９６とを備える。リガンド層９６は、測定用チップ９１を測定に使用する際、又は使用する前に、測定対象物（例えば検体）中のアナライト（例えば、抗原）に反応するリガンド（例えば、抗体）が伝搬層９２の表面に修飾されることにより形成される。伝搬層９２の下面に備えられている透明な基材９７は任意の構成である。

【0008】

測定用チップ９１を測定に使用する際、光８８は光源８１から放射され、導入部９３を通じて測定用チップ９１の下面から伝搬層９２の内部に導入される。導入部９３には、図１２（Ｂ）に示す格子パターンを有する回折格子が用いられている。伝搬層９２の内部を全反射した光は、導出部９４を通じて測定用チップ９１の下面から導出され、受光部８２により受光される。

【0009】

測定の安定性に関する第１の要望は、導入部９３に入射する光の入射角度θの許容範囲を拡大することである。従来の測定用チップ９１では、図１２（Ｃ）に示すように、導入部９３に入射する光８８の入射角度θの許容範囲（例示的には約０．６°）が狭く、光８８の入射角度θが最適な角度からずれると、導波効率が大きく低下するという問題がある。光８８の最適な入射角度θは、導波路を構成する伝搬層９２の厚さのばらつきや、光源８１から放射される光８８の波長のばらつきにより変化するため、伝搬層９２の厚さや光８８の波長に関するこれらの条件が変化すると、測定ができなくなるという問題がある。成膜時の工程条件のばらつきにより、例えば伝搬層９２の厚さが±約５ｎｍの範囲で変化すると、最適な入射角度θは±約１．２°のばらつきを有する。さらに例えば、光源８１として使用する半導体レーザの温度が５℃～４０℃の間で変化すると、光源８１から放射される波長は±約５．２５ｎｍの範囲で変化し、これに伴い伝搬層９２の厚さのばらつきも合わせると最適な入射角度θは±約２．０°のばらつきを有する。

【0010】

測定の安定性に関する第２の要望は、複数に分割される光軸８８Ａ，８８Ｂ，８８Ｃと測定用チップ９１との位置合わせの精度の問題を改善することである。図１３に示すように、光源８１から放射される光８８は、コリメートレンズ８５によりコリメート光にして出力された後、ビームスプリッタ８６により複数の光軸８８Ａ，８８Ｂ，８８Ｃに分割されて、測定用チップ９１のそれぞれの導入部９３に入射される。複数の測定対象物を並列して処理するために、１つの測定用チップ９１には、導入部９３と導出部９４とのセットが複数セット設けられている。分割されたそれぞれの光軸８８Ａ，８８Ｂ，８８Ｃに沿った方向の、導入部９３と伝搬層９２と導出部９４とリガンド層９６とのセットは、１つの測定用チップ９１上に複数のセンシングレーンを構成している。このように、複数の測定対象物を並列して処理するために、従来の測定装置１００では、光源８１からの光８８をビームスプリッタ８６により複数の光軸８８Ａ，８８Ｂ，８８Ｃに分割しているので、それぞれの光軸８８Ａ，８８Ｂ，８８Ｃについて、導入部９３との位置合わせに高い精度が求められるという問題がある。複数に分割される光軸８８Ａ，８８Ｂ，８８Ｃと測定用チップ９１との位置合わせの精度が低下すると、導出部９４から導出される光の強度が低下し、又はビーム形状が変形し、正確な測定ができなくなるという問題がある。

【0011】

このように、光導波路型の従来の測定用チップには、測定の安定性に関してさらなる性能向上が求められている。

【0012】

本発明の目的は、測定の安定性をさらに向上させた光導波路型の測定用チップ、測定装置、および測定方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。

【0014】

（項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第１の回折格子を有する導入部と、
前記伝搬層から前記光を導出する第２の回折格子を有する導出部と、
測定対象物中のアナライトに反応するリガンドを修飾可能な、前記伝搬層の表面をベースとするリガンド修飾面と、
を備え、
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のどちらかにおいて設けられている複数の格子パターンの周期が、２つ以上の領域間で互いに異なっている、測定用チップ。
（項２）
前記第１の回折格子に設けられている複数の前記格子パターンの周期が、前記光の伝搬方向に沿って２つ以上の領域間で互いに異なっている、項１に記載の測定用チップ。
（項３）
前記第１の回折格子は、前記光の伝搬方向に沿って、前記格子パターンの周期が前記領域毎に増加または減少する、項１または２に記載の測定用チップ。
（項４）
前記第１の回折格子は、前記格子パターンの周期が、一定のデューティ比を保ちながら、前記光の伝搬方向に沿って前記領域毎に増加または減少する、項１から３のいずれかに記載の測定用チップ。
（項５）
前記第２の回折格子に設けられている複数の格子パターンの周期は、前記光の伝搬方向に沿って一定である、項１から４のいずれか一項に記載の測定用チップ。
（項６）
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子との間において、格子パターンの周期の平均値が異なっている、項１から５のいずれか一項に記載の測定用チップ。
（項７）
前記導入部と、前記伝搬層と、前記導出部と、前記リガンドが表面に修飾される前記リガンド修飾面とのセットが、一つの前記測定用チップ上に複数セット配置され、
前記第２の回折格子に設けられている複数の格子パターンの周期は、複数の前記セット間において異なっている、項１から項６のいずれか一項に記載の測定用チップ。
（項８）
前記第１の回折格子は、前記光の伝搬方向に対する垂直方向の両端に、結合効率が低下する前記格子パターンの平面形状を有している、項７に記載の測定用チップ。
（項９）
前記アナライトと前記リガンドとの反応により生じ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、項１から８のいずれか一項に記載の測定用チップ。
（項１０）
項１から９のいずれか一項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、
前記測定用チップの前記導出部から導出された光を受光する受光部と、
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、
を備える測定装置。
（項１１）
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、項１０に記載の測定装置。
（項１２）
前記光源と前記導入部との間に配置され、前記光源から放射される前記光をコリメート光にして複数の前記導入部を照射するコリメートレンズをさらに備える、項１０または１１に記載の測定装置。
（項１３）
前記コリメートレンズは、コリメート条件から外れた光学系に配置される、項１２に記載の測定装置。
（項１４）
項１から９のいずれか一項に記載の測定用チップを用いる測定方法であって、
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表面に形成された前記伝搬層において、前記光を全反射させ、
前記伝搬層から前記光を導出する、
測定方法。
（項１５）
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、項１４に記載の測定方法。

【発明の効果】

【0015】

本発明によると、測定の再現性や測定の信頼性をさらに向上させた光導波路型の測定用チップ、測定装置、および測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１の実施形態に係る測定用チップの模式的な構造を示す図である。

【図2】第１の実施形態に係る測定用チップによる測定原理を説明するための模式的な図である。

【図3】第１の実施形態に係る測定装置の模式的な構成を示す図である。

【図4】第１の実施形態に係る測定方法を説明するためのフローチャートである。

【図5】第２の実施形態に係る測定用チップおよびこれを用いる測定装置の模式的な構造を示す図である。

【図6】第３の実施形態に係る測定用チップおよびこれを用いる測定装置の模式的な構造を示す図である。

【図7】第４の実施形態に係る測定用チップおよびこれを用いる測定装置の模式的な構造を示す図である。

【図8】第５の実施形態に係る測定装置の模式的な構造を示す図である。

【図9】測定用チップの導入部に設けられる回折格子のバリエーションを示す平面図である。

【図10】実施例１において、導入部に入射する光の入射角度θの許容範囲を測定したグラフである。

【図11】実施例１において、光の入射角度θのピーク角度のずれを説明するための測定用チップの模式的な構造を示す図である。

【図12】光導波路型の従来の測定用チップの模式的な構造を示す図である。

【図13】光導波路型の従来の測定用チップを用いて複数の測定対象物を並列して測定する場合の測定装置の模式的な構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。

【0018】

図中、測定用チップ１の上面方向（厚さ方向）をＺ軸方向とし、測定用チップ１における光の伝搬方向をＹ軸方向とし、光の伝搬方向に対する垂直方向をＸ軸方向とする。また、表面とは上面および下面のどちらか一方を示し、両表面とは上面および下面の両方を示すこととする。

【0019】

［第１の実施形態］
・測定用チップ
図１は、第１の実施形態に係る測定用チップの模式的な構造を示す図である。図１（Ａ）は測定用チップの側面図である。図１（Ｂ）は測定用チップの導入部に設けられている回折格子の平面図である。図１（Ｃ）は導出部から導出される光の強度と光の入射角度との関係を示す図である。

【0020】

図１を参照して、第１の実施形態に係る測定用チップ１の概要について説明する。図１（Ａ）に示すように、第１の実施形態に係る測定用チップ１は、光が伝搬する伝搬層２と、伝搬層２に光を導入する導入部３と、伝搬層２から光を導出する導出部４と、伝搬層２の表面をベースとするリガンド修飾面とを備える。リガンド修飾面には、測定対象物（例えば、検体）中のアナライト（例えば、抗原）に反応するリガンド（例えば、抗体）を修飾することが可能であり、リガンド層６は、測定用チップ１を測定に使用する際、又は使用する前に、リガンドが伝搬層２の表面のリガンド修飾面に修飾されることにより形成される。測定用チップ１を測定に使用する際、光１８は光源１１から放射され、導入部３を通じて測定用チップ１の下面から伝搬層２の内部に導入される。伝搬層２の内部を全反射した光は、導出部４を通じて測定用チップ１の下面から導出され、受光部１２により受光される。

【0021】

第１の実施形態に係る測定用チップ１では、図１（Ｂ）に例示するように、複数の格子パターン３１の図中Ｙ軸方向の周期が、２つ以上の領域間で互いに異なっている回折格子を導入部３に用いる。格子パターン３１の周期とは、図示する例では格子パターンの幅と格子パターンの間隔との和を意味する。図中Ｙ軸方向は、伝搬層２内を光が伝搬する方向である。図示する態様では、周期は領域毎に異なっている。このような回折格子を用いた場合の効果について以下説明する。

【0022】

光１８が回折格子に当たると、光の波長と周辺の屈折率、入射角及び回折格子の周期で決まる回折角で光が回折する。即ち、光が図１（Ｂ）の回折格子に照射されると、各領域で回折角が少しずつ異なる回折光が発生する。ここで、例えば光１８が入射角度θで導入部３の回折格子に照射され、図１（Ｂ）の領域２において高い効率で入射光１８が伝搬モードに結合したとする。このとき、領域２に隣接する領域１，３では伝搬モードへの結合効率は高くない。なぜなら、本実施形態のように伝搬層２が十分に薄い導波路（例えば約５０ｎｍ）では、伝搬光は光の波長と周辺の屈折率とで決まる特定の角度を中心として、非常に狭い角度範囲でしか存在できないためである。次に、入射角度θがずれてθ+Δθ（例えばΔθは０．６°）となった場合、領域２における伝搬モードへの結合効率は大きく低下するが、領域３における結合効率が増加するため、全体としての結合効率は大きく変化しない。これにより、第１の実施形態に係る測定用チップ１では、図１（Ｃ）に示すように、導入部３に入射する光１８の入射角度θの許容範囲を拡大（例示的には約４．０°）する。

【0023】

例えば伝搬層２の厚さが±約５ｎｍの範囲で変化すると、最適な入射角度θは±約１．２°のばらつきを有する。さらに例えば、光源１１として使用する半導体レーザの温度が５℃～４０℃の間で変化すると、光源８１から放射される波長は±約５．２５ｎｍの範囲で変化し、これに伴い伝搬層２の厚さのばらつきも合わせると最適な入射角度θは±約２．０°のばらつきを有する。しかし、第１の実施形態に係る測定用チップ１では上述した通り、入射角度θの許容範囲が例えば４．０°となっているため、これらのばらつきがあっても問題無く測定できる。

【0024】

図２は、第１の実施形態に係る測定用チップによる測定原理を説明するための模式的な図である。図２（Ａ）は測定用チップの上面図である。図２（Ｂ）は測定用チップの側面図である。

【0025】

測定に使用する際、又は使用する前に、測定用チップ１には、リガンド７２が伝搬層２の表面（リガンド修飾面）に修飾されて、伝搬層２の表面にリガンド層６が形成される。リガンド層６が形成された測定用チップ１の上面には流路が設けられる。流路には、測定対象物の溶液（単に、測定対象物とも呼ぶ）が流される。測定対象物中にはアナライトが含まれている。

【0026】

導入部３を通じて伝搬層２に導入された光１８は、伝搬層２内を図中Ｙ軸方向に伝搬し、導出部４を通じて伝搬層２から導出される。導出部４を通じて伝搬層２から導出される光１９は、ミラー１７等により光軸が適宜調整されて、受光部１２において受光される。ミラー１７は任意の構成である。

【0027】

光１８は、伝搬層２内を図中Ｙ軸方向に伝搬する間、流路を流れる測定対象物中のアナライト７５と、リガンド層６内のリガンド７２との反応による屈折率変化の影響を受ける。測定用チップ１では、伝搬層２の表面において、光の伝搬方向（Ｙ軸方向）のリガンド層６の長さが、伝搬方向に対する垂直方向（Ｘ軸方向）に沿って増加または減少するように、リガンド層６が形成されている。これにより、リガンド層６が形成されている伝搬層２の表面で、アナライト７５とリガンド７２との反応によって屈折率が変化すると、図中Ｙ軸方向に伝搬する光のＸ軸方向の位相分布が変化する。光の位相分布が変化すると、光の進行方向が変化する。

【0028】

よって、伝搬層２内を図中Ｙ軸方向に伝搬する光は、例えば伝搬層２の表面上にリガンド７２およびアナライト７５がどちらも存在しない場合は、図中に符号１９Ａで示す光路となる。例えばリガンド７２のみ存在する場合は、光路１９Ａから逸れて符号１９Ｂで示す光路となる。例えばリガンド７２およびアナライト７５の両方が存在する場合は、光路１９Ｂから逸れて符号１９Ｃで示す光路となる。

【0029】

このように、導出部４から導出される光の進行方向は、リガンド７２およびアナライト７５の反応による屈折率変化の影響により変化する。よって、光の進行方向の変化を分析する分析処理を行うことにより、測定対象物の溶液中のアナライトの有無や、アナライトの濃度、速度論的パラメータ（Kinetics）を推定することが可能となる。

【0030】

再び図１を参照して、第１の実施形態に係る測定用チップ１を構成する各部について説明する。

【0031】

伝搬層２は平板状である。光は導入部３から伝搬層２の内部に導入され、伝搬層２の上面および下面で全反射し、導出部４から導出される。本実施形態では、酸化チタン（ＴｉＯ_２）および酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等の金属酸化物を主成分とする蒸着膜（屈折率約２．０７、光の波長に応じて変化）を伝搬層２に用いる。伝搬層２の材料としては、このような蒸着膜以外にも、例えば、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、またはポリスチレン等の誘電体を用いることができる。例示的には、伝搬層２のＺ軸方向の厚さｄは約５０ｎｍ～約１００ｎｍ、Ｙ軸方向の長さは約４ｍｍ、Ｘ軸方向の長さは約２７０μｍ～約６００μｍである。なお、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、またはポリスチレン等の誘電体を伝搬層２の材料として用いる場合、伝搬層２自体を基材として機能させることができ、基材７を省略することができる。

【0032】

導入部３および導出部４は、伝搬層２に設けられている。本実施形態では、導入部３および導出部４には回折格子を用いる。回折格子には位相型と振幅型があり、位相型の回折格子は例えばナノインプリント方式により作製することができる。また、振幅型の回折格子は例えば電子線描画とクロム等の遮光材料の蒸着により作製することができる。本実施形態では位相型の回折格子を前提に記載するが、振幅型でも同様の効果が得られることは言うまでもない。例示的には、導入部３について、図中Ｙ軸方向の長さＬ３は約１００μｍであり、図中Ｘ軸方向の長さＷ３は約２７０μｍである。

【0033】

第１の実施形態に係る測定用チップ１では、図１（Ｂ）に例示するように、導入部３に設けられる回折格子は、複数の格子パターン３１の（図中Ｙ軸方向の）周期（幅ｄ３と間隔ｓ３との和）が、２つ以上の領域間で互いに異なっている。格子パターンの周期は、隣接する格子パターンの幅と格子パターンの間隔との和で表される。本実施形態では、回折格子は位相型であり、格子パターン３１は溝（groove）を用いて実現するが、他の実施形態では、回折格子は振幅型であり、格子パターンは遮光部を用いて実現することができる。格子パターン３１の周期とは、位相型回折格子の場合は溝の周期を、振幅型回折格子の場合は遮光部分の周期を意味する。周期は領域毎に異なっていてもよいし、さらにそれぞれの領域内において異なっていてもよい。好ましくは、導入部３に設けられている複数の格子パターン３１の周期が、光が伝搬する方向（Ｙ軸方向）に沿って２つ以上の領域間で互いに異なっている。より好ましくは、導入部３に設けられる回折格子は、複数の格子パターン３１の周期が、光が伝搬する方向（Ｙ軸方向）に沿って領域毎に増加または減少する。

【0034】

より好ましくは、導入部３に設けられる回折格子の周期は、デューティ比を保ちながら、光の伝搬方向に沿って前記領域毎に増加または減少する。デューティ比は長さの比率を表しており、格子パターン３１の幅ｄ３および格子パターン３１の間隔ｓ３を用いると、ｄ３／（ｄ３＋ｓ３）で表される。図示する例では、隣接する格子パターン３１の幅ｄ３および格子パターン３１の間隔ｓ３は同じ寸法であり、デューティ比は約０．５である。

【0035】

なお図示は省略するが、位相型の回折格子の場合、格子パターン３１、又は格子パターン１周期分（図１において隣接するｄ３及びｓ３を含めた部分）の断面形状は、例えばのこぎり形、矩形、三角形、台形および半円形等とすることができ、振幅型の回折格子の場合、遮光部分３１は、クロムなどの金属材料を一定以上の厚さ（例えば５０ｎｍ以上）に成膜した膜とすることができる。特に位相型の回折格子で、格子パターン１周期分の断面形状をのこぎり形にしたものは、ブレーズド回折格子と呼ばれ、回折効率が大きく向上することが一般的に知られている。格子パターン３１の断面形状が矩形の場合、格子パターン３１の幅ｄ３の長さは、例えば格子パターン３１の深さの略中央において規定することができる。格子パターン３１の好ましい深さは、格子パターン３１の幅ｄ３と同程度から約半分程度とすることができる。

【0036】

リガンド層６は、伝搬層２の表面のリガンド修飾面に修飾されることにより形成される。リガンドは、測定対象物中の被検出物質であるアナライトと特異的に反応または結合する物質である。リガンド層６の屈折率は、約１．３３である。

【0037】

本実施形態では、リガンド層６は、光の伝搬方向（図中Ｙ軸方向）のリガンド層の長さが伝搬方向に対する垂直方向（図中Ｘ軸方向）に沿って増加または減少するような平面形状（例えば、平面視で直角三角形）に形成されている。他の実施形態では、リガンド層６は、伝搬層２の表面にストライプ状に形成されている。

【0038】

伝搬層２の表面に位置する部分のリガンド層６では、光の伝搬方向（Ｙ軸方向）のリガンドの含有量が光の伝搬方向に対する垂直方向（Ｘ軸方向）に沿って単調に変化している。これにより、リガンド層６が形成された伝搬層２の表面で、アナライトとリガンドとの反応（結合）によって屈折率が変化すると、Ｙ軸方向に伝搬される光のＸ軸方向の位相分布が変化する。これにより、測定用チップ１は、アナライトの有無、濃度或いは速度論的パラメータを推定するための測定用チップとして機能する。なお、リガンドの含有量は、光の伝搬方向における単位長さ当たりのリガンドの含有密度と、光の伝搬方向に沿ったリガンド層６の長さとを乗算することにより算出することができる。

【0039】

透明な基材７は任意の構成であり、伝搬層２の下面に備えられる。基材７には例えばガラス（屈折率約１．４７～１．４８）を用いることができる。他の実施形態では、測定用チップ１は、伝搬層２の下面と透明な基材７との間に、フッ素樹脂等の中間層をさらに備えることができる。

【0040】

・測定装置
図３は、第１の実施形態に係る測定装置の模式的な構成を示す図である。

【0041】

一実施形態に係る測定装置１０は、測定用チップ１の導入部３に光を導く光源１１と、測定用チップ１の導出部４から導出された光を受光する受光部１２と、受光部１２で受光される光のパターンの変化を分析する制御部１３と、を備える。受光部１２で受光される光のパターンは、測定対象物が測定用チップ１に接触し、リガンドとアナライトとが反応することにより変化する。本実施形態では、測定装置１０は、受光部１２の各受光素子により受光した光の強度情報を取得する測定部１４をさらに備えている。

【0042】

なお制御部１３および測定部１４は、例えば専用の集積回路（IC: Integrated Circuit）を用いてハードウェア的に構成してもよいし、汎用コンピュータやスマートフォン、タブレット端末等の情報処理装置を用いてソフトウェア的に実現されてもよい。

【0043】

測定用チップ１は、測定装置１０内の所定の場所に配置される。光源１１から放射される光は、導入部３を通じて測定用チップ１の下面から伝搬層２の内部に導入される。伝搬層２の内部を全反射した光は、導出部４を通じて測定用チップ１の下面から導出され、受光部１２により受光される。

【0044】

光源１１は、例えば約６５０ｎｍ程度の可視光を放射する。光源１１が放射する光の波長の範囲は、例えば約４５０ｎｍ～２０００ｎｍとすることができる。好ましくは、光源が放射する光はガウスビームである。ガウスビームは、光が伝搬する過程において光のパターン（強度分布）の概形が変化しないので、光のパターン（強度分布）の変化を検出するためには好適である。好ましくは、光源が放射する光は連続波（Continuous Wave）である。なおガウスビームは、図１に示すＸ軸方向およびＺ軸方向の２次元にガウス分布である必要は無く、少なくともＸ軸方向にガウス分布であればよい。このような光源１１には、例えば半導体レーザ装置を用いることができる。

【0045】

受光部１２は、導出部４から導出される光を受光する。受光部１２は、１次元または２次元に配列された受光素子から構成されている。受光部１２には、例えばＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサ等の種々のイメージセンサを用いることができる。

【0046】

制御部１３は、受光部１２で受光される光の進行方向の変化を分析する。本実施形態では、制御部１３には、ＣＰＵ等の演算装置（図示せず）と、メモリ等の記憶装置（図示せず）とを備える、例えばRaspberry PiまたはArduino（登録商標）等のシングルボードコンピュータを用いる。

【0047】

測定部１４は、受光部１２の各受光素子により受光した光の強度情報を取得する。取得した強度情報は制御部１３に送信される。本実施形態では、測定部１４は専用の集積回路を用いて構成する。

【0048】

図３を参照して、測定装置１０の機能について説明する。光源１１から放射され測定用チップ１の導入部３に導入された光は、伝搬層２の内部を全反射しながら伝搬する。光が全反射する際の位相シフトの量は、伝搬層２に接する周辺の物質の屈折率の大きさに依存する。伝搬層２の表面には、リガンド層６が形成されている領域と、リガンド層６が形成されていない領域とが存在する。そのため、伝搬層２の表面において、リガンド層６が形成されている領域とリガンド層６が形成されていない領域とでは、光が全反射する際の位相シフトの量が異なる。

【0049】

これにより、導入部３と導出部４との間において伝搬層２の内部を図中Ｙ軸方向に伝搬する光は、図中Ｘ軸方向の位相分布が変化する。よって、導出部４から導出される光の位相分布は、Ｘ軸方向に沿って傾斜することになり、光の進行方向が偏向する。リガンド層中のリガンドと、測定対象物中のアナライトが反応すると、リガンド層６が形成されている領域での位相シフト量が変化するため、光の進行方向が変化する。

【0050】

したがって、測定装置１０は、受光部１２を用いて、導出部４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１４により、強度がピークとなる角度の変化を測定する。ピーク角度の変化は光の進行方向の変化と同じ現象であり、強度がピークとなる角度の変化は、光の進行方向の変化に対応する。測定部１４により測定したピーク角度の変化は、制御部１３に入力され、制御部１３内の記憶装置（メモリ）に適宜記録される。制御部１３は演算装置（ＣＰＵ）を備えており、ピーク角度の変化が例えば所定の閾値以上であった場合に、リガンド層６内のリガンドがアナライトと反応したと判定する。或いは制御部１３は、ピーク角度の変化量をプロットしたグラフ形状に基づいて、アナライトの濃度又は速度論的パラメータを推定する。このように、制御部１３は、光のパターンの変化を分析する分析処理を行う。

【0051】

・測定方法
図４は、第１の実施形態に係る測定方法を説明するためのフローチャートである。一実施形態に係る測定方法では、１つのセンシングレーンについて１つの測定用チップ１を用いる。測定に際し、例えば凹状の断面を有する部材を測定用チップ１の上面に覆い被せ、測定用チップ１の上面と部材との間に流路を設けておく。

【0052】

ステップＳ１では、ピーク角度の測定を開始して、ピーク角度をリアルタイムで取得しプロットする。伝搬層２の表面には、測定対象物中のアナライトに反応するリガンド層６が形成されている。ピーク角度の測定は、測定用チップ１の導入部３を通じて伝搬層２に光を導入し、伝搬層２において全反射されて導出部４を通じて伝搬層２から導出される光の強度のピーク角度を測定することにより行う。ここで、ピ―ク角度（光の進行方向）の変化量は、受光部１２上でのピーク位置の変化量から、測定用チップ１と受光部１２の間の距離を除した値と近似的に一致する。

【0053】

ステップＳ２では、測定対象物を測定用チップ１に接触させる。測定対象物の接触は、測定用チップ１の上面に、アナライトが含まれた測定対象物を接触させることにより行う。一般的には、測定対象物を接触させる前および後のタイミングでバッファを測定用チップ１に接触させる。測定対象物を接触させる前にバッファを接触させる理由は、バッファを接触させずに測定対象物を測定用チップ１に接触させると、溶液自体の屈折率の影響や、足場材料の体積変化などの影響が測定信号に反映されてしまうためである。測定対象物を接触させた後にバッファを接触させる理由は、解離の測定信号も取得した方が、その後の解析の精度が向上するためである。

【0054】

測定対象物が複数ある場合にはこのステップＳ２を複数回繰り返す。ステップＳ２を複数回繰り返す際に、任意の処理として再生処理を行う。再生処理は、測定用チップ１を例えばｐＨ３～１程度の酸性溶液に接触させることで、リガンドとアナライトとを短時間で解離させることにより行う。なお再生処理は、解離が速いアナライトであれば省略が可能である。

【0055】

ステップＳ３では、ピーク角度（光の進行方向）の測定およびプロットを終了し、ステップＳ４では、反応カーブ（ピ―ク角度の変化量をプロットしたグラフの形状）の解析を行う。解析では、例えばピ―ク角度の変化が所定の閾値以上であった場合に、リガンド層６内のリガンドがアナライトと反応した（すなわち、測定対象物中にアナライトが存在する）と判定することができる。或いは、ピ―ク角度の変化量をプロットしたグラフの形状に基づいて、アナライトの濃度又は速度論的パラメータを推定することができる。このように、一実施形態に係る測定方法によると、アナライトの有無を判定するまたはアナライトの濃度又は速度論的パラメータを推定することができる。

【0056】

なお、測定用チップ１を用いる測定では、測定用チップ１の図中Ｙ軸方向の長さを変化させることにより、伝搬層２内部において光が反射する回数を調整することができる。これにより、測定の感度を変化させることができる。例えば、図中Ｙ軸方向の長さを長くするほど、光が反射する回数は増大するので、測定の感度は向上する。

【0057】

また、測定用チップ１を用いる測定では、仮に光源１１の出力強度が変化したとしても、ピーク角度の変化量が変わることはない。これにより、測定用チップ１を用いる測定では、光源１１の動作が多少不安定な場合であっても、安定した測定が可能となる。

【0058】

以上、第１の実施形態に係る測定用チップ１によると、導入部３に入射する光１８の入射角度θの許容範囲を拡大することが可能となる。第１の実施形態に係る測定用チップ１を用いる測定装置および測定方法によると、導入部３に入射する光１８の入射角度θの許容範囲が拡大されるため、チップ作製プロセスのばらつきによる伝搬層の厚さばらつきや、光源の波長ばらつきがあったとしても測定を安定して行うことが可能となる。

【0059】

［第２の実施形態］
以下において説明する第２の実施形態～第５の実施形態に係る測定用チップおよび／または測定装置の構成は、特に言及しない限り、第１の実施形態に係る測定用チップおよび測定装置の構成と同様であるので、重複する説明は省略する。なお、技術的な矛盾が生じない限り、第１の実施形態～第５の実施形態に係る測定用チップおよび／または測定装置の構成は適宜組み合わせることが可能である。

【0060】

図５は、第２の実施形態に係る測定用チップおよびこれを用いる測定装置の模式的な構造を示す図である。図５（Ａ）は測定用チップの側面図である。図５（Ｂ）は、測定装置の模式的な構成を示す図である。図５（Ｃ）は、測定用チップの導入部および導出部に設けられている回折格子の平面図である。

【0061】

第２の実施形態に係る測定用チップ１には、導入部３と導出部４とのセットが複数セット設けられている。後述する実質的に複数に分割された光軸に沿った方向の、導入部３と伝搬層２と導出部４とリガンド層６との複数のセットは、測定用チップ１上に複数のセンシングレーンを構成している。第２の実施形態に係る測定装置１０には、光源１１から放射される光１８を幅広のコリメート光１８Ａにして出力するコリメートレンズ１５が、光源１１と測定用チップ１との間に配置されている。なお第２の実施形態では、光源１１が放射する光１８はガウスビームである必要は無い。

【0062】

第２の実施形態に係る測定用チップ１を用いる測定装置１０では、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に例示するように、光源１１から放射される光１８を、測定用チップ１に設けられている複数の導入部３の一部または全てを含むように幅広に照射する。これにより、それぞれの導入部３の回折格子を通じて伝搬層２内に導入された光のみが伝搬層２内を伝搬するので、光源１１から放射される光１８をビームスプリッタを用いて複数の光軸に分割することなく、実質的に複数の光軸を作成することが可能になる。また、幅広に照射される光１８の幅の寸法が、測定用チップ１上に一列に並べて配置された複数の導入部３の両端の寸法（一端から他端の寸法）よりも長い分だけ、光１８と測定用チップ１との位置合わせのずれを許容することができる。これにより、光１８と測定用チップ１との位置合わせの精度の問題を改善する。

【0063】

また、第２の実施形態に係る測定用チップ１では、図５（Ｃ）に例示するように、導入部３に設けられる回折格子と、導出部４に設けられる回折格子との間において、格子パターンの周期の平均値が異なっている。図示する例では、導入部３に設けられる回折格子の格子パターン３１の幅ｄ３は、導出部４に設けられる回折格子の格子パターン４１の幅ｄ４より大きく、導入部３に設けられる回折格子の格子パターン３１の間隔ｓ３は、導出部４に設けられる回折格子の格子パターン４１の間隔ｓ４より大きい。これにより、導出部４から導出される光と、チップ表面等で反射する光との受光部１２での干渉を防止する。

【0064】

導入部３に設けられる回折格子の格子パターン３１の周期（幅ｄ３と間隔ｓ３の和）と、導出部４に設けられる回折格子の格子パターン４１の周期（幅ｄ４と間隔ｓ４の和）は、干渉を十分に防止するために、光源の入射角と伝搬層からの出射光の出射角とがある程度異なるように設定される。例示的には、格子パターン３１の周期は約４７０ｎｍ、格子パターン４１の周期は約３２０ｎｍであり、このときの入射角度は約３０°、出射角度は約０°である（光源の波長を５２０ｎｍとして計算）。導入部３に設けられる回折格子のパターンには、図１（Ｂ）に例示するような、複数の格子パターン３１の図中Ｙ軸方向の周期が２つ以上の領域間で互いに異なっている回折格子を用いることができる。

【0065】

また、第２の実施形態に係る測定用チップ１では、図５（Ｃ）に例示するように、導出部４に設けられる回折格子は、複数の格子パターン４１の幅ｄ４および複数の格子パターン４１の間隔ｓ４が、光が伝搬する方向（Ｙ軸方向）に沿って一定である。例示的には、導出部４について、図中Ｙ軸方向の長さＬ４は約１００μｍであり、図中Ｘ軸方向の長さＷ４は約５５０μｍである。

【0066】

［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態に係る測定用チップおよびこれを用いる測定装置の模式的な構造を示す図である。図６（Ａ）は、測定装置の模式的な構成を示す図である。図６（Ｂ）は、測定用チップの導入部に設けられている回折格子の平面図である。

【0067】

第３の実施形態に係る測定用チップ１では、図６（Ｂ）に例示するように、導入部３に設けられる回折格子は、光の伝搬方向（図中Ｙ軸方向）に対する垂直方向（図中Ｘ軸方向）の両端に、結合効率が低下する格子パターン３１の平面形状を有している。これにより、導入部３から伝搬層２内に導入される光の複素振幅分布を制御する。

【0068】

図６（Ｂ）に示す例では、格子パターン３１の（図中Ｘ軸方向の）幅Ｗ３１は、導入部３の中央から両端に行くにつれて減少している。このような、両端において結合（カップリング）効率が低下する格子パターン３１の平面形状を回折格子が有していると、導入部３から伝搬層２内に導入される光は、矩形の振幅分布から両端が小さい振幅分布となる。光の振幅分布の両端が小さくなると、ファーフィールドでのサイドローブ強度が小さくなるので、受光部１２における干渉が低減される。

【0069】

なお、導入部３に設けられる回折格子のＸ軸方向に沿った形状が、図５（Ｃ）に例示するような単一の矩形である場合、受光部１２上での光の振幅分布はＳＩＮＣ関数となり、隣り合うセンシングレーン間の距離が近い場合にはそれらの間で干渉が発生する。

【0070】

［第４の実施形態］
図７は、第４の実施形態に係る測定用チップおよびこれを用いる測定装置の模式的な構造を示す図である。図７（Ａ）は、測定装置の模式的な構成を示す図である。図７（Ｂ）は、測定用チップの導出部に設けられている回折格子の平面図である。

【0071】

第４の実施形態に係る測定用チップ１では、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に例示するように、導出部４Ａ，４Ｂ，４Ｃに設けられる回折格子は、複数の格子パターン４１の（図中Ｙ軸方向の）幅ｄ４若しくは格子パターン４１の間隔ｓ４が、又は、幅ｄ４及び間隔ｓ４の両方が、複数のセンシングレーン間において異なっている。すなわち導出部４Ａ，４Ｂ，４Ｃに設けられる回折格子は、複数の格子パターン４１の周期が複数のセンシングレーン間（複数のセット間）において異なっている。これにより、第４の実施形態に係る測定用チップ１では、導出部４Ａ，４Ｂ，４Ｃから導出される光の、受光部１２上での位置（図中、Ｙ軸高さ方向）が互いに異なるため、受光部１２における干渉が低減する。

【0072】

［第５の実施形態］
図８は、第５の実施形態に係る測定装置の模式的な構造を示す図である。

【0073】

第５の実施形態に係る測定装置１０では、コリメートレンズ１５はコリメート条件から外れた光学系に配置されている。図８に示す例では、コリメート条件から外れた幅広の光１８Ｂが測定用チップ１の導入部３に照射されるように、コリメートレンズ１５の位置を光軸に沿って光源１１側に移動させて、光源１１とコリメートレンズ１５との間の距離が調整されている。これにより、第５の実施形態に係る測定装置１０では、導出部４から導出される光の光軸を逸らして受光部１２上での位置（図中、Ｘ軸横方向）をセンシングレーン間の距離以上に互いに離すことができ、受光部１２における干渉を低減する。逆にコリメートレンズ１５の位置を光軸に沿って測定用チップ１側に移動させると、導出部４から導出される光の光軸を互いに近づけることができ、より多くの出射光を同時に観測することができる。このように、第５の実施形態に係る測定装置１０によると、測定に使用する受光部１２のサイズに合わせて、隣り合うセンシングレーン間で光軸１９Ｂの位置を調整することが可能になる。

【0074】

コリメートレンズ１５をコリメート条件から外す他の方法としては、例えば、光軸に沿った光源１１とコリメートレンズ１５との間の位置関係はそのままで、コリメートレンズ１５の焦点距離を調整することが挙げられる。

【0075】

［その他の形態］
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。

【0076】

図９は、測定用チップの導入部に設けられる回折格子の平面図であり、図６（Ｂ）に例示する両端において結合効率が低下する格子パターン３１の平面形状のバリエーションを示している。

【0077】

上記した第３の実施形態では、導入部３から伝搬層２内に導入される光の複素振幅分布を制御するための、導入部３に設ける回折格子の平面形状として、図６（Ｂ）に示す平面形状を例示しているが、導入部３に設ける回折格子の平面形状は図６（Ｂ）に示す平面形状に限定されない。導入部３から伝搬層２内に導入される光の複素振幅分布を制御するための、光の伝搬方向（図中Ｙ軸方向）に対する垂直方向（図中Ｘ軸方向）の両端において、結合効率が低下する格子パターン３１の平面形状としては、図９（Ａ）に例示する平面形状や、図９（Ｂ）に例示する平面形状とすることもできる。

【0078】

上記実施形態では、アナライトおよびリガンドの組み合わせとして抗原と抗体の例を示したが、組み合わせはこれに限定されるものではない。アナライトおよびリガンドの組み合わせとしては、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。これらの場合においても、伝搬層２の表面において、リガンド層６が形成されている領域とリガンド層６が形成されていない領域とでは、光が全反射する際の位相シフトの量が異なり、アナライトとリガンドとの結合によってリガンド層６が形成されている領域における当該位相シフト量が変化することは言うまでもない。

【0079】

上記実施形態に係る測定用チップを用いた測定装置および測定方法では、生体分子の結合反応を一例としているが、例示する生体分子の結合反応以外であっても屈折率変化を伴う反応であれば、適用が可能である。一例として、上記実施形態に係る測定用チップを用いた測定装置および測定方法は、ガスセンサ等にも応用が可能である。この場合、ガスをアナライトとし、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とすればよい。

【0080】

上記実施形態では、複数の格子パターン３１の周期が２つ以上の領域で互いに異なる回折格子を、測定用チップ１の導入部３に設けているが、そのような回折格子を導出部４に設けてもよい。これにより、導出部から導出される光が広い角度範囲に渡って光の強度を保持し、ＣＣＤイメージセンサの位置合わせの精度の問題を改善できる。また、複数のセンシングレーンが構成された測定用チップ１において、或るセンシングレーンでは、格子パターンの周期が一定な回折格子を導入部３に設け、別のセンシングレーンでは、格子パターンの周期が増加または減少する回折格子を導出部４に設けてもよい。すなわち、測定用チップ１は、導入部３に設けられる回折格子と、導出部４に設けられる回折格子とのどちらかにおいて、各回折格子に設けられている複数の格子パターンの周期が２つ以上の領域間で互いに異なっていればよい。

【0081】

測定用チップ１の導入部３に入射する光１８について、図１（Ａ）でいうＺ軸方向に電場を持つ光をＰ偏光と定義し、Ｘ軸方向に電場を持つ光をＳ偏光と定義する。上記実施形態ではＰ偏光を導入部３に入射しているが、導入部３に入射する光１８は、Ｐ偏光およびＳ偏光のどちらでもよい。導入部３に入射する光１８の入射角度θの許容範囲を拡大することが可能になるという本願発明による効果は、入射光がＰ偏光およびＳ偏光のどちらの場合でも奏するものであるが、本願発明による効果は、入射光がＰ偏光の場合に一層際立つものとなる。その理由は、入射光がＰ偏光の場合は、入射角度θの許容範囲は従来技術に示したように約０．６°と非常に狭いところ、入射光がＳ偏光の場合は、許容範囲は約１．５°～２°でありＰ偏光の場合と比較して元から多少広いからである。なお、入射光がＰ偏光の場合の方がＳ偏光の場合よりも感度（ピーク角度の変化量／屈折率の変化量）が高く、伝搬層への結合（カップリング）効率も高いため、Ｐ偏光の実用性はＳ偏光と比較して高い。

【実施例0082】

実施例１では、導入部に入射する光の入射角度θの許容範囲を実測により検証した。検証は、光が伝搬する方向に沿って格子パターンの周期が領域毎に異なる回折格子を導入部に設けた測定用チップを複数作製し、作製した複数の測定用チップのそれぞれについて、導入部に入射する光の入射角度θを変化させながら、導出部から導出される光の強度を測定することにより行った。導入部には、測定用チップの厚さ方向（図１（Ａ）でいうＺ軸方向）に電場を持つ光を入射した。

【0083】

測定用チップの導入部に作製した回折格子のバリエーションを表１に示す。測定結果のグラフを図１０に示す。なお格子パターンの周期は、図１中に示す格子パターン３１のＹ軸方向の周期（ｄ３＋ｓ３）であり、光の入射角度θは図１中に示す角度θである。測定に用いた光源の波長は約５２０ｎｍであった。

【0084】

【表1】

【0085】

Ｙ軸方向の長さＬ３が約１００μｍでありＸ軸方向の長さＷ３が約２７０μｍである導入部の領域について、Ｙ軸方向の長さＬ３を表１に示す周期分割数で分割することにより、それぞれの周期部分を作成した。それぞれの周期部分の１周期分のＹ軸方向の寸法について、格子パターンの幅および格子パターンの間隔は同じ寸法とした。１周期分のＹ軸方向の寸法とは、Ｙ軸方向に沿って隣接する格子パターンの幅と格子パターンの間隔との和、即ち周期を意味する。例えばサンプル番号１の回折格子は、周期分割数が１、即ち１周期分のＹ軸方向の寸法が全て４７２．５ｎｍである単一周期の格子パターンであった。例えばサンプル番号２の測定用チップの場合、導入部に作製した回折格子は次のような格子パターンであった。

【0086】

・４６５．０ｎｍ周期部分のＹ軸方向の寸法が約１４．３μｍ
・４６７．５ｎｍ周期部分のＹ軸方向の寸法が約１４．３μｍ
・４７０．０ｎｍ周期部分のＹ軸方向の寸法が約１４．３μｍ
・４７２．５ｎｍ周期部分のＹ軸方向の寸法が約１４．３μｍ
・４７５．０ｎｍ周期部分のＹ軸方向の寸法が約１４．３μｍ
・４７７．５ｎｍ周期部分のＹ軸方向の寸法が約１４．３μｍ
・４８０．０ｎｍ周期部分のＹ軸方向の寸法が約１４．３μｍ

【0087】

図１０のグラフにおいて、グラフの横軸には入射角度θが示されており、入射角度θが０°の点は、図１に示す入射角度θが約３０°の点に対応する。グラフの縦軸には光の出射強度が示されており、ＣＣＤイメージセンサ等の受光部により測定が十分可能な光の最低強度のラインは、出射強度が約１２０（arbitrary unit）のラインに対応する。

【0088】

・測定が可能な入射角度θの範囲
図１０を参照して、測定が可能な入射角度θの範囲について考察した。サンプル番号１に関して破線で示すグラフのように、導入部に設けられる回折格子の格子パターンが単一周期の場合には、測定が可能な入射角度θの範囲は約０．６°（－０．４°～＋０．２°）であった。これに対し、サンプル番号２～サンプル番号４に示すように、導入部に設けられる回折格子が、光が伝搬する方向に沿って格子パターンの周期が領域毎に異なる場合には、サンプル番号２～サンプル番号４のいずれについても、測定が可能な入射角度θの範囲はサンプル番号１の範囲よりも拡大していた。

【0089】

例えば一点鎖線で示すグラフのように、サンプル番号３の測定用チップの場合には、測定が可能な入射角度θの範囲は約４．０°（－３．０°～＋１．０°）であった。また例えば破線で示すグラフのように、サンプル番号２の測定用チップの場合には、測定が可能な入射角度θの範囲は約２．６°（－１．８°～＋０．８°）であった。また例えば実線で示すグラフのように、サンプル番号４の測定用チップの場合には、測定が可能な入射角度θの範囲は約３．４°（－３．６°～－０．２°）であった。これにより、光が伝搬する方向に沿って格子パターンの周期が領域毎に異なる回折格子を導入部に設けると、測定が可能な入射角度θの範囲を拡大することができることが示された。

【0090】

表１に示すように、サンプル番号１～サンプル番号４のいずれについても、格子周期の中心値は４７２．５ｎｍであった。しかしながら図１０のグラフでは、サンプル番号２～サンプル番号４のいずれについても、出射強度がピークとなる入射角度θの値（入射角度θの中心）は０°からずれていた。

【0091】

・入射角度θのずれ
図１１は、測定用チップの模式的な構造を示す図である。図１１（Ａ）は側面図であり、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）において一点鎖線で囲む領域の部分拡大図である。

【0092】

図１０のグラフについて、入射角度θのピーク角度の値がずれる点に関して考察した。本発明者達によると、導入部に設けられている回折格子の光の伝搬方向に沿った寸法（本実施例では約１００μｍ）のうち、全ての領域の格子（格子パターン）が伝搬層との結合（カップリング）に均一に寄与しているわけではない、と考察された。また、導入部のうち、図１１（Ａ）に符号３９ｂで示す、光が取り出される導出部４に近い領域３９ｂの方が、伝搬層２への結合の寄与が大きい、と考察された。

【0093】

図１１（Ｂ）に示すように、光１８は導入部３に照射され、導入部３を通じて伝搬層２に導入されると、導波モードの光１８ｗとなって伝搬層２を伝搬してゆく。この際、いくつかの光１８ｗは導入部３の回折格子により再び放射モードの光１８ｒとなり、伝搬層２から放出される。よって、導入部３のうち、光が取り出される導出部４に近い領域３９ｂの方が、導入部３の回折格子と相互作用する距離が短い分、導波モードの光１８ｗが再び放射モードになる可能性は低い、と考察された。

【0094】

またこの考察から、それぞれの周期の領域を表１に示すように等間隔に分けるのではなく、伝搬層２への結合の寄与が小さい領域を広くし、伝搬層２への結合の寄与が大きい領域を狭くすると、測定が可能な入射角度θの範囲をより広範囲に広げることができる可能性があることが示された。例えば、表１のサンプル番号２の回折格子において、図１１（Ａ）に示す領域３９ａ側が４６５．０ｎｍであり、領域３９ｂ側が４８０．０ｎｍである場合、４６５．０ｎｍ周期部分のＹ軸方向の寸法を１４．３μｍよりも大きくし、４８０．０ｎｍ周期部分のＹ軸方向の寸法を１４．３μｍよりも小さくすれば良い。

【符号の説明】

【0095】

１ 測定用チップ
２ 伝搬層
３ 導入部
４（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ） 導出部
６ リガンド層
７ 基材
１０ 測定装置
１１ 光源
１２ 受光部
１３ 制御部
１４ 測定部
１５ コリメートレンズ
１７ ミラー
１８ 入射光
１９ 出射光
３１ 格子パターン
４１ 格子パターン
７２ リガンド
７５ アナライト
８１ 光源
８２ 受光部
８５ コリメートレンズ
８６ ビームスプリッタ
８７ ミラー
８８ 入射光
８９ 出射光
９１ 測定用チップ
９２ 伝搬層
９３ 導入部
９４ 導出部
９６ リガンド層
９７ 基材
１００ 測定装置

【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】