CN100570336C - 表面等离子共振传感用芯片、其制造方法以及测定方法 - Google Patents

表面等离子共振传感用芯片、其制造方法以及测定方法 Download PDF

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Abstract

一种表面等离子共振传感器，包括：具有基板(102)和金属层(103)的芯片、棱镜(104)、作为光源的光学系统(105)、和光检测器(106)，其中，金属层(103)由形成为薄膜状的平坦部(109)、和相互隔开间隔配置的由金属微粒(110)等形成的凸部构成。在向这种结构的金属层(103)入射光时，可以得到分别由平坦部(109)和凸部引起的共振角。根据该共振角可以检测金属层所接触的介质的折射率变化。

Description

表面等离子共振传感器用芯片、其制造方法以及测定方法
技术领域
本发明涉及表面等离子共振(SPR：surface plasmon resonance)传感器，更具体讲涉及适合于检测蛋白质和DNA这种活体分子的相互作用的表面等离子共振传感器。
背景技术
近年来，作为用于检测活体分子的相互作用的有无或程度的传感器，使用表面等离子共振传感器。
图1表示以往的表面等离子共振传感器1。表面等离子共振传感器1具有：由玻璃等构成的基板2；形成于基板2上的金属薄膜3；配置在基板2的没有形成金属薄膜3的一侧的棱镜4；能够以各种角度向金属薄膜3和基板2的界面入射光的光学系统5；测定在金属薄膜3和基板2的界面反射的光的强度的光检测器6。金属薄膜3与试料溶液接触，试料溶液中的抗原等配体8，与被固定在金属薄膜3的表面上的抗体等受体7相互作用。
将来自光学系统5的光入射到棱镜4上，以在金属薄膜3和基板2的界面全反射时，在金属薄膜3的表面产生具有电场分布的衰减波(evanescent-wave)。在衰减光的波数和频率与表面等离子的波数和频率一致时，两者共振，入射光的能量转入表面等离子中，所以反射光减少。
此处，用于引起共振的入射角度(共振角)取决于金属薄膜3的表面的折射率。在被固定在金属薄膜3上的受体7与试料溶液中的配体8相互作用时，表面的折射率发生变化，所以共振角发生变化。通过测定其角度变化，检测活体分子的相互作用。图2表示在受体7与配体8的反应前后利用表面等离子共振传感器1测定的反射率的变化的示例。
另外，还提出局域等离子共振传感器，其向不是固定金属薄膜而将金属微粒固定成膜状的基板照射光，测定透过金属微粒的光的吸光度，由此检测金属微粒表面附近的折射率的变化(专利文献1)。
专利文献1日本特许第3452837号公报
但是，在图1所示的表面等离子共振传感器1中，受距金属薄膜约200nm的折射率变化影响，所以存在以下问题：不仅对于基于被固定在金属薄膜上的活体分子的相互作用的折射率的变化，而且对于基于溶液部的浓度、pH、温度等变化的折射率的变化，也作为噪声而检测。
并且，专利文献1公开的局域等离子共振传感器，通过使用金属微粒膜代替金属薄膜，使将要产生的电场在金属微粒表面附近局域化，减小溶液部的折射率的变化的影响，但是并未排除溶液部的影响，而存在不知道溶液部的变化对测定结果的影响有多大的问题。
发明内容
本发明就是鉴于上述技术课题而提出的，其目的在于，分别检测金属表面上的基于分子的相互作用的折射率变化、和基于溶剂部的变化的折射率变化。
本发明的表面等离子共振传感器用芯片的特征在于，具有透光性基板和金属层，该金属层形成为在表面具有凹部或凸部、及位于所述凹部或凸部之间的平坦部，并覆盖所述基板的表面。
本发明的表面等离子共振传感器用芯片的某实施方式的特征在于，所述基板是具有平坦的表面的基板，所述凸部是在所述平坦部即金属薄膜上相互隔开间隔固定的多个金属微粒。
本发明的表面等离子共振传感器用芯片的另一实施方式的特征在于，所述基板是具有平坦的表面的基板，所述凹部或凸部是在所述金属层即金属薄膜上相互隔开间隔形成的多个微小的凹部或凸部，所述凹部不贯通所述金属薄膜。
本发明的表面等离子共振传感器用芯片的又一实施方式的特征在于，在所述基板的一侧表面上隔开间隔形成有多个微小凸部或微小凹部，所述金属层形成于所述基板的一侧表面上，以反映所述微小凸部或微小凹部的形状。
本发明的表面等离子共振传感器用芯片的另一实施方式的特征在于，所述金属层的材质是金或银。
本发明的表面等离子共振传感器用芯片的制造方法的特征在于，包括：通过溅射或蒸镀在基板的一侧表面形成金属薄膜的步骤；对所述金属薄膜的表面进行化学修饰的步骤；以及将所述化学修饰后的基板浸渍于金属微粒溶液中的步骤。
本发明的表面等离子共振传感器用芯片的制造方法的特征在于，包括：将基板的一侧表面浸渍于氨硅烷耦合剂溶液中的步骤；将所述基板浸渍于金属微粒溶液中的步骤；清洗所述基板的步骤；以及通过溅射或蒸镀在所述一侧表面形成金属薄膜的步骤。
本发明的表面等离子共振传感器的特征在于，具有：本发明的表面等离子共振传感器用芯片；配置在所述芯片的没有形成所述金属层的一侧的棱镜；通过所述棱镜向所述芯片照射光的光源；以及测定所述金属层的光的反射率的光检测器。
本发明的活体分子的测定方法，从光学系统向本发明的表面等离子共振传感器用芯片照射光，使光在所述芯片的金属层和基板的界面上全反射，利用光检测器测定反射光的强度，其特征在于，根据所述反射光的强度相对于所述照射光的频率变化的变化，测定活体分子的相互作用的有无或程度。
本发明的折射率变化的检测方法，从光学系统向本发明的表面等离子共振传感器用芯片照射光，使光在所述芯片的金属层和基板的界面上全反射，利用光检测器测定反射光的强度，其特征在于，通过测定所述反射光的共振角的变化，分别检测所述金属层表面上的基于分子的相互作用的折射率变化、和所述金属层附近的基于与溶剂的相互作用的折射率变化。
本发明的表面等离子共振传感器中，形成于棱镜的一面的金属层包括：形成为薄膜状的平坦部；和相互隔开间隔配置的由金属微粒等构成的凸部，在向这种结构的金属层入射光时，可以得到分别因平坦部和凸部引起的共振角。通过利用该特征，可以分别检测金属表面上的基于分子的相互作用的折射率变化、和基于溶剂部的变化的折射率变化。
附图说明
图1是以往的表面等离子共振传感器的概要侧视图。
图2是表示以往的表面等离子共振传感器的入射光的入射角度和反射率的关系的曲线图。
图3是本发明的第1实施方式的表面等离子共振传感器的概要侧视图。
图4是概念地表示产生于金属层表面的电场的图。
图5是表示表面等离子和入射光的方差关系的曲线图。
图6是表示混合模式的表面等离子和入射光的方差关系的曲线图。
图7是表示在本发明的实施方式中测定的反射率的测定结果的曲线图。
图8是将图3的表面等离子共振传感器的一部分放大的图。
图9是本发明的第2实施方式的表面等离子共振传感器的概要侧视图。
图10是本发明的第3实施方式的表面等离子共振传感器的概要侧视图。
符号说明
1、101、201、301表面等离子共振传感器；2、102基板；3、103金属层；4、104棱镜；5、105光学系统；6、106光检测器；7、107受体；8、108配体；109平坦部；110金属微粒；111试料溶液
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的优选实施方式。
(实施例1)
图3是本发明的第1实施方式的表面等离子共振传感器101的概要侧视图。表面等离子共振传感器101具有：由玻璃等构成的基板102；形成于基板102上的金属层103；配置在基板102的没有形成金属层103的一侧的棱镜104；向金属层103和基板102的界面入射光的光学系统105；测定在金属层103和基板102的界面反射的光的强度的光检测器106。光学系统105可以是以各种入射角度入射某种波长的光的结构，也可以是以一定的入射角度入射各种波长的光的结构。
在本实施方式中金属层103由形成为薄膜状的平坦部109、和相互隔开间隔配置的金属微粒110构成，平坦部109露出于相邻的金属微粒110之间。平坦部109的厚度优选20～60nm，金属微粒110的直径优选20～150nm。代表性地，金属层103由金或银构成，但不限于此。在金属层103的表面固定有抗体等受体107。金属层103与包括抗原等配体108的试料溶液111接触，配体108与金属层103表面的受体107相互作用。
在这种结构中，将来自光学系统105的光入射到棱镜104上，以在金属层103和基板102的界面全反射时，在金属层103的表面产生衰减波。在衰减光的波数和频率与表面等离子的波数和频率一致时，两者共振，反射光减少。利用光检测器106测定该反射光的反射率。
此处，说明在金属层103的表面激励的表面等离子的电场。图4是概念性地表示利用双箭头表示产生于金属层103表面的电场状态的图。图4(a)表示局域化到金属微粒110的表面附近(约为金属微粒的半径(几十微米)范围)的电场(局域模式)。图4(b)表示存在于距平坦部109的表面约几百nm范围内的电场(传播模式)。即，局域模式是由金属微粒110引起的，传播模式是由平坦部109引起的，在图4(a)(b)中分别表示两个模式，但两个模式同时生成并混合。图5是表示表面等离子的各个模式和入射光的关系的曲线图，纵轴表示角频率(ω)，横轴表示波数(k＝2π/λ，其中，λ为波长)。图5(a)表示局域模式的表面等离子和入射光的关系，图5(b)表示传播模式的表面等离子和入射光的关系，可知两种模式均在一点与入射光共振。
像本实施方式这样混合局域模式和传播模式时，表面等离子的模式成为图5(c)所示的利用方差函数表示的混合模式(a-d、c-d)。其中，在图5(c)中，Q表示局域模式和传播模式的交点，c-Q-d是局域模式，a-P-Q-b是传播模式。图6表示这种混合模式和入射光的关系的曲线图。根据图6可知，形成混合模式的表面等离子在两点(A、B)与入射光共振。其中，在把基板102的折射率设为n，把光在真空中的速度设为c时，入射光利用ω＝(c/n)k表示，在基板102的入射角度一定的情况下，入射到基板102的光的波长是对应于A点的较短侧的共振波长时，在金属微粒110的附近产生局域型的共振，在入射到基板102的光的波长是对应于B点的较长侧的共振波长时，在平坦部109产生传播型的共振。
但是，在以一定入射角度入射各种波长的光并测定反射率时，如图7(a)所示，可以得到两个共振峰(A、B)。虚线表示受体107和配体108反应之前的测定结果，实线表示反应后的测定结果。峰A是由局域模式的电场引起的，对应于图6中的点A处的共振。峰B是由传播模式的电场引起的，对应于图6中的点B处的共振。
并且，在以各种入射角度入射不同的两个波长的光并测定反射率时，如图7(b)所示，分别可以得到一个共振峰(A、B)。虚线表示受体107和配体108反应之前的测定结果，实线表示反应后的测定结果。较短的波长(波长λ1)的峰A是由局域模式的电场引起的，对应于图6中的点A处的共振。较长的波长(波长λ2)的峰B是由传播模式的电场引起的，对应于图6中的点B处的共振。
如图8所示，在以一定入射角度入射各种波长的光并在反应前后测定反射率的变化时(图7(a))得到的共振峰的变化(Δλ1、Δλ2)，分别受到金属层103表面的基于受体107和配体108的相互作用的折射率变化(Δn1)、和溶剂部(试料溶液111)的折射率变化(Δn2)双方的影响。如果把Δλ1和Δλ2分别作为Δn1、Δn2的函数求解，则通过求解两个式可以算出Δn1和Δn2。因此，可以严密地只测定将溶剂部变化排除后的金属层表面的变化。
具体讲，共振峰的变化Δλ1由金属膜附近的折射率变化Δn1和溶剂部的折射率变化Δn2来确定，所以如果已知金属微粒层的厚度，则可以利用下述函数表示。
Δλ1＝F(Δn1、Δn2)    …(1)
同样，共振峰的变化Δλ2也由折射率变化Δn1和Δn2来确定，所以可以利用下述函数表示。
Δλ2＝G(Δn1、Δn2)    …(2)
其中，函数F和G可以预先通过实验求出。在混合模式中，可以测定这两种波长变化Δλ1、Δλ2，所以通过求解上述式(1)、式(2)，可以从波长变化Δλ1、Δλ2求出折射率变化Δn1、Δn2。
下面，说明在本实施方式中使用的金属层103的制造方法。
第1制造方法包括：清洗由玻璃或树脂构成的基板的步骤；通过蒸镀或溅射在该基板上形成金属薄膜的步骤；在该金属薄膜上形成二醇(例如，1，10-癸二醇)的单分子层的步骤；将该基板浸渍于金属微粒溶液中的步骤。根据该制造方法，可以通过二醇将金微粒固定在金薄膜上。
第2制造方法包括：清洗由玻璃或树脂构成的基板的步骤；将该基板的一侧表面浸渍于氨硅烷耦合剂(例如，3-氨丙基三甲氧基硅烷)溶液中的步骤；将该一侧表面浸渍于金微粒溶液中的步骤；清洗该基板的步骤；通过溅射或蒸镀在该一侧表面上形成金属薄膜的步骤。在该制造方法中，首先将金颗粒固定在基板上，然后在金颗粒之间形成由金薄膜构成的平坦部109。
(实施例2)
图9是本发明的第2实施方式的表面等离子共振传感器201的概要侧视图。本实施方式的金属层103的结构与第1实施方式不同。本实施方式的金属层103在基板102的平坦的面上形成金属薄膜，通过蚀刻等在该金属薄膜上形成微小凹凸。其中，凹部形成为不贯通金属薄膜。在使用这种金属层103的情况下，电场局域化于凹部或凸部附近，所以能够获得与第1实施方式相同的效果。
另外，微小凹凸的形状和配置间隔不限于图9所示方式，可以适当选择。
(实施例3)
图10是本发明的第3实施方式的表面等离子共振传感器301的概要侧视图。本实施方式的基板102和金属层103的结构与第1实施方式不同。在本实施方式中，在基板102的表面隔开间隔形成多个微小凸部或微小凹部，在基板102上形成金属层103，以反映该微小凸部或微小凹部的形状。在使用这种金属层103的情况下，电场也仍局域化于凹部或凸部附近，所以能够获得与第1实施方式相同的效果。
在本实施方式中使用的表面形成有微小凹凸的基板102，可以通过获取金属微粒或蛋白质等的活体分子的模型来作成和复制。
产业上的可利用性
基于本发明的表面等离子共振传感器，对抗原抗体反应中的相互作用的有无和程度的检测是很有用的，不仅如此，当然可以应用于各种生化反应的分析中。

Claims (6)

1.一种表面等离子共振传感器用芯片，具有表面平坦的透光性基板和金属层，该金属层由在所述基板上形成的金属的薄膜状的平坦部、及在所述平坦部的正上方相隔间隔配置且由与所述平坦部相同的材料构成的直径为大于等于20nm且小于等于150nm的多个金属微粒构成。
2.根据权利要求1所述的表面等离子共振传感器用芯片，其中，所述金属层的材质是金或银。
3.一种制造权利要求1所述的表面等离子共振传感器用芯片的制造方法，包括：
通过溅射或蒸镀在基板的一侧表面形成金属薄膜的步骤；
在该金属薄膜上形成二醇的单分子层的步骤；以及
将形成了二醇的单分子层后的基板浸渍于金属微粒的溶液中的步骤。
4.一种表面等离子共振传感器，具有：权利要求1或2所述的表面等离子共振传感器用芯片；配置在所述芯片的没有形成所述金属层的一侧的棱镜；通过所述棱镜向所述芯片照射光的光源；以及测定所述金属层的光的反射率的光检测器。
5.一种测定方法，使用了权利要求1或2所述的表面等离子共振传感器用芯片，其特征在于，包括：
使试料溶液接触到所述传感器用芯片的所述金属层侧的步骤；
从光学系统向所述芯片照射光的步骤，该光是从所述芯片的没有形成金属层的一侧照射的，且频率或入射角度不同；
利用光检测器检测在所述金属层和所述基板的界面上全反射的光的步骤；
根据由所述光检测器检测出的全反射光的强度求出两个共振频率或共振角的步骤；以及
根据所述两个共振频率或共振角的变化，测定在所述金属微粒的附近、从所述金属微粒的表面到所述金属微粒的半径左右的距离的试料溶液的折射率的变化，并且，测定在从所述平坦部的表面到几百nm左右的距离的试料溶液的折射率的变化的步骤。
6.根据权利要求5所述的测定方法，其特征在于，
所述试料溶液包含配体，
所述测定方法还包括在所述传感器用芯片的所述金属层上固定受体的步骤，
所述测定方法根据在所述金属微粒的附近、从所述金属微粒的表面到所述金属微粒的半径左右的距离的试料溶液的折射率的变化，求出所述配体和所述受体的相互作用的有无或程度。
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