JP2000356587A - 局在プラズモン共鳴センサー - Google Patents

局在プラズモン共鳴センサー

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JP2000356587A
JP2000356587A JP16754899A JP16754899A JP2000356587A JP 2000356587 A JP2000356587 A JP 2000356587A JP 16754899 A JP16754899 A JP 16754899A JP 16754899 A JP16754899 A JP 16754899A JP 2000356587 A JP2000356587 A JP 2000356587A
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隆之 岡本
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一郎 山口
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Abstract

(57)【要約】 【課題】狭隘な場所に配置することを可能とし、また、
曲面形状を含む任意の形状の試料に対して用いることを
可能とし、また、ガラス管などの管状体の内面において
構築することを可能とする。 【解決手段】ガラス製の基板１０ａと、基板１０ａの表
面に膜状に固定された金の微粒子１０ｂとを有して構成
されるセンサー・ユニット１０を有し、センサー・ユニ
ット１０に対して光を照射し、基板１０ａに固定された
金の微粒子１０ｂを透過した光の吸光度を測定すること
により、基板１０ａに固定された金の微粒子１０ｂの近
傍の媒質の屈折率を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、局在プラズモン共
鳴センサーに関し、さらに詳細には、例えば、抗原抗体
反応における抗原の吸着の有無などのように、物質の吸
着の有無を検出するアフィニティー・センサーなどとし
て用いて好適な局在プラズモン共鳴センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、抗原抗体反応における抗原の
吸着の有無などのように、物質の吸着の有無を検出する
ためのアフィニティー・センサーとして、例えば、表面
プラズモン共鳴センサーが用いられていた。
【０００３】一般に、この表面プラズモン共鳴センサー
は、プリズムと当該プリズムの一面に形成されて試料に
接触する金属膜とを有して構成されるセンサー・ユニッ
トと、このセンサー・ユニットのプリズムに入射するた
めの光ビームを発生する光源と、この光源により発生さ
れた光ビームをセンサー・ユニットのプリズムと金属膜
との界面に対して種々の入射角を得ることができるよう
にしてセンサー・ユニットに入射させる光学系手段と、
センサー・ユニットへの光源からの光ビームの入射によ
りプリズムと金属膜との界面で反射した全反射光の強度
を種々の入射角毎に検出する検出手段とを有して構成さ
れている。
【０００４】従って、上記したような表面プラズモン共
鳴センサーは、センサー・ユニットがプリズムをその構
成要素として必要としているために、プリズムを配置す
ることが困難な狭隘な場所にセンサー・ユニットを配置
することができないという問題点があった。
【０００５】また、表面プラズモン共鳴センサーにより
精度の高い検出結果を得るためには、センサー・ユニッ
トにおいて試料に接触する金属膜を形成するプリズムの
一面を、平滑な平坦面に形成する必要があり、このため
曲面形状の試料に対しては表面プラズモン共鳴センサー
を構築することができないという問題点があった。
【０００６】また、センサー・ユニットにおいてプリズ
ムの一面に形成される金属膜は、一般には真空蒸着法を
用いて形成されている。
【０００７】ところが、真空蒸着法によってはガラス管
などの管状体の内面などに金属膜を蒸着させることは困
難であり、従って、ガラス管などの管状体の内面におい
ては表面プラズモン共鳴センサーを構築することができ
ないという問題点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、狭隘な場所に配
置することを可能にした局在プラズモン共鳴センサーを
提供しようとするものである。
【０００９】また、本発明の目的とするところは、曲面
形状を含む任意の形状の試料に対して用いることを可能
にした局在プラズモン共鳴センサーを提供しようとする
ものである。
【００１０】さらに、本発明の目的とするところは、ガ
ラス管などの管状体の内面において構築することを可能
とした局在プラズモン共鳴センサーを提供しようとする
ものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、誘電体、金属または半導体などの任意の
材料の基板の表面に金属微粒子を膜状に固定したものを
センサー・ユニットとして用い、このセンサー・ユニッ
トに対して光を照射し、基板に固定した金属微粒子を透
過した光の吸光度を測定することにより、基板に固定し
た金属微粒子表面近傍、例えば、基板に固定した金属微
粒子の直径程度の距離までにある媒質の屈折率を検出す
るようにしたものであり、その結果、センサー・ユニッ
トの金属微粒子への物質の吸着や堆積を検出することが
できるようになる。
【００１２】また、本発明は、基板に固定した金属微粒
子表面近傍、例えば、基板に固定した金属微粒子の直径
程度の距離までにある媒質の屈折率を検出するようにし
たものであるので、センサー・ユニットを液体内に配置
した場合には、当該液体の屈折率を測定することもでき
る。
【００１３】ここで、基板の表面に金属微粒子を膜状に
形成する際には、金属微粒子を単層膜として形成し、し
かも、金属微粒子がほとんど凝集せずに、互いに離れた
状態で固定されていることが好ましい。
【００１４】図１には、上記した本発明による局在プラ
ズモン共鳴センサーの概念説明図が示されており、基板
２に金や銀などの金属微粒子３を固定してセンサー・ユ
ニット１を構成する。
【００１５】そして、このセンサー・ユニット１へ、基
板２に対して透明な波長の光を入射光として入射する。
そうすると、基板２を透過した入射光は金属微粒子３へ
入射され、金属微粒子３を透過した入射光は透過光とし
て外部に出射される。
【００１６】ここで、金や銀などの金属微粒子に光を入
射すると、局在プラズモン共鳴により、ある波長におい
て散乱光や吸収が増大し共鳴ピークが現出され、このと
き共鳴波長は周りの媒質の屈折率に依存する。そして、
金属微粒子の周りの媒質の屈折率が大きくなるに従っ
て、共鳴ピークの吸光度は大きくなり、長波長側へシフ
トするようになる。
【００１７】なお、孤立した金属微粒子における局在プ
ラズモン共鳴の条件を示すと、以下の通りである。
【００１８】まず、金属微粒子が球形であると仮定する
と、その分極率αは数式１で与えられる。
【数１】 ・・・数式１ ここで、ａは球の半径、εｍ、ε０は、それぞれ金属微
粒子および媒質の誘電率である。
【００１９】従って、
【数２】 ・・・数式２ のとき共鳴が生じ、微粒子の分極率は最大になる。
【００２０】一方、微粒子の消光断面積Ｃｅｘｔは、分
極率αを用いて次式（数式３）で与えられる。
【数３】 ・・・数式３ ここで、λは入射光の波長である。
【００２１】従って、数式２で与えられる共鳴条件にお
いて、微粒子の消光断面積Ｃｅｘｔは最大となり、次式
（数式４）で与えられる。
【数４】 ・・・数式４ 従って、金属微粒子３を透過した透過光の吸収スペクト
ルを分光光度計を用いて測定して、各波長に対する吸光
度を得ると、局在プラズモン現象により、図２に示すよ
うに、金属微粒子３の誘電率と周りの媒質の誘電率との
関係により、所定の波長において共鳴ピークが表れる
（図２における（ａ））。
【００２２】そして、この吸光度は、金属微粒子３に物
質が吸着や堆積していなくて当該金属微粒子３の周りの
媒質が空気の場合に比べて、金属微粒子３に空気より屈
折率の大きな物質が吸着したり堆積したりして当該物質
が当該金属微粒子３の周りの媒質として機能する場合に
は、共鳴ピークの吸光度は大きくなり、長波長側へシフ
トするようになる（図２における（ｂ））。
【００２３】従って、本発明においては、センサー・ユ
ニット１から出射される透過光の吸光度を測定すること
により、金属微粒子３の表面近傍、例えば、金属微粒子
３の直径程度の距離までにある媒質の屈折率を検出する
ことができるものであり、その結果、センサー・ユニッ
ト１の基板２に固定された金属微粒子３への物質の吸着
や堆積を検出することができるようになる。
【００２４】また、センサー・ユニット１を液体内に配
置した場合には、当該液体の屈折率を測定することもで
きることになる。
【００２５】そして、センサー・ユニット１は、プリズ
ムなどを必要とせずに、基板２に金属微粒子３を固定さ
せるだけでよいので、狭隘な場所に配置することができ
るものである。
【００２６】また、センサー・ユニット１の基板２は、
曲面形状を含む任意の形状に形成してもよいので、曲面
形状を含む任意の形状の試料に対して用いることができ
るものである。
【００２７】さらに、基板２への金属微粒子３の固定は
化学的に行うことができるので、ガラス管などの管状体
の内面において構築することができるものである。
【００２８】なお、本発明においては、基板と入射光と
の関係は、図１を参照しながら上記において説明したよ
うに、基板２に対して透明な波長の光を入射光として入
射するようにしてもよいが、図３に示すように、基板
２’に対して反射するような波長の光を、基板２’に固
定された金属微粒子３’側から入射するようにして、セ
ンサー・ユニット１’からの反射光、即ち、金属微粒子
３’を透過した透過光の吸光度を測定するようにしても
よい。
【００２９】上記したような観点において、本発明のう
ち請求項１に記載の発明は、任意の基板と、上記基板の
表面に膜状に固定された金属微粒子とを有して構成され
るセンサー・ユニットを有し、上記センサー・ユニット
に対して光を照射し、上記基板に固定された上記金属微
粒子を透過した光の吸光度を測定することにより、上記
基板に固定された上記金属微粒子近傍の媒質の屈折率を
検出するようにしたものである。
【００３０】また、本発明のうち請求項２に記載の発明
は、任意の基板と、上記基板の表面に膜状に固定された
金属微粒子とを有して構成されるセンサー・ユニットを
有し、上記センサー・ユニットに対して光を照射し、上
記基板に固定された上記金属微粒子を透過した光の吸光
度を測定することにより、上記基板に固定された上記金
属微粒子近傍の媒質の屈折率を検出し、該検出結果に応
じて、上記センサー・ユニットの上記基板に固定された
上記金属微粒子への物質の吸着または堆積を検出するよ
うにしたものである。
【００３１】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
は、任意の基板と、上記基板の表面に膜状に固定された
金属微粒子とを有して構成されるセンサー・ユニットを
有し、液体内に配置した上記センサー・ユニットに対し
て光を照射し、上記基板に固定された上記金属微粒子を
透過した光の吸光度を測定することにより、上記基板に
固定された上記金属微粒子近傍の媒質の屈折率を検出
し、該検出結果に応じて、上記センサー・ユニットが配
置された液体の屈折率を測定するようにしたものであ
る。
【００３２】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
は、本発明のうち請求項１、請求項２または請求項３の
いずれか１項に記載の発明において、上記センサー・ユ
ニットは、上記基板の表面に膜状に固定する金属微粒子
を凝集させずに互いに離隔した状態にある単層膜として
形成するようにしたものである。
【００３３】また、本発明のうち請求項５に記載の発明
は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３または
請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記セ
ンサー・ユニットにおける上記基板は、ガラス製の基板
であるようにしたものである。
【００３４】また、本発明のうち請求項６に記載の発明
は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求
項４または請求項５のいずれか１項に記載の発明におい
て、上記センサー・ユニットにおける上記金属微粒子
は、直径１０〜２０ｎｍの金の微粒子であるようにした
ものである。
【００３５】また、本発明のうち請求項７に記載の発明
は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３または
請求項４に記載の発明において、上記センサー・ユニッ
トは、上記ガラス製の基板の表面に上記金の微粒子を固
定して金コロイド単層膜を形成してなり、上記金コロイ
ド単層膜は、上記ガラス製の基板を３−ａｍｉｎｏｐｒ
ｏｐｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅの１０％メ
タノール溶液に１０分間浸けた後洗浄し、さらに、直径
約２０ｎｍの金コロイド溶液に２時間浸けることにより
作製されるものである。
【００３６】また、本発明のうち請求項８に記載の発明
は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求
項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１
項に記載の発明において、上記基板は、曲面形状を含む
任意の形状であるようにしたものである。
【００３７】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明による局在プラズモン共鳴センサーの実施の
形態の一例を詳細に説明する。
【００３８】図４には、本発明による局在プラズモン共
鳴センサーの実施の形態の一例の概念構成説明図が示さ
れている。
【００３９】即ち、局在プラズモン共鳴センサーは、セ
ンサー・ユニット１０と、センサー・ユニット１０に対
して光ビームを入射するレーザーなどの光源１２と、セ
ンサー・ユニット１０を透過した光の吸収スペクトルを
測定して吸光度を得るための分光光度計１４とを有して
構成されている。
【００４０】ここで、センサー・ユニット１０は、ガラ
ス製の基板１０ａに金属微粒子として直径約１０〜２０
ｎｍ、例えば、直径約２０ｎｍの金の微粒子１０ｂを多
数固定して構成されていて、ガラス製の基板１０ａの表
面には多数の金の微粒子１０ｂにより金コロイド単層膜
が形成されることになる。
【００４１】ここで、ガラス製の基板１０ａの表面に金
の微粒子１０ｂを多数固定して金コロイド単層膜を形成
するには、以下に示す手法を用いることができる。
【００４２】即ち、ガラス製の基板１０ａの表面に金の
微粒子１０ｂを固定して形成された金コロイド単層膜
は、ガラス製の基板１０ａを３−ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙ
ｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅの１０％メタノー
ル溶液に１０分間浸けた後洗浄し、さらに、直径約２０
ｎｍの金コロイド溶液に２時間浸けることにより作製さ
れる。
【００４３】図５には、ガラス製の基板１０ａの表面に
金の微粒子１０ｂを固定して形成された金コロイド単層
膜の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による像が示されてい
る。
【００４４】この図５に示す走査型電子顕微鏡による像
から明らかなように、金コロイド単層膜を形成する金の
微粒子１０ｂは、ほとんど凝集せずに、互いに離れた状
態で固定されている。
【００４５】そして、上記した手法によりガラス製の基
板１０ａの表面に形成された金コロイド単層膜は、水や
アルコールなどの有機物に対しても安定している。
【００４６】以上の構成において、金コロイド単層膜を
形成する金の微粒子１０ｂに物質が吸着あるいは堆積す
ると、透過光の吸光度が変化することになり、金の微粒
子１０ｂに物質が吸着あるいは堆積したことを検出する
ことがきる。
【００４７】即ち、このセンサー・ユニット１０に対し
て光源１２から光ビームを照射し、分光光度計１４によ
って基板１０ａに固定した金の微粒子１０ｂを透過した
光の吸収スペクトルを測定して吸光度を得ることによ
り、基板１０ａに固定した金の微粒子１０ｂの表面近傍
（具体的には、基板１０ａに固定した金の微粒子１０ｂ
の直径程度の距離まで）にある媒質の屈折率の変化を検
出することができるので、その結果、センサー・ユニッ
ト１０の基板１０ａに固定された金の微粒子１０ｂへの
物質の吸着や堆積を検出することができるようになる。
【００４８】例えば、図６に示すように基板１０ａに固
定された金の微粒子１０ｂにＰＭＭＡ薄膜１００が堆積
した場合には、図７に示すように堆積したＰＭＭＡ薄膜
１００の膜厚が厚くなるに従って、共鳴ピークの吸光度
は大きくなり、長波長側へシフトするようになる。
【００４９】従って、この場合には、センサー・ユニッ
ト１０から出射される透過光の吸光度の変化を検出する
ことにより、金の微粒子１０ｂにＰＭＭＡ薄膜１００が
堆積したか否か、さらには堆積したＰＭＭＡ薄膜１００
の厚さも検出することができるようになる。
【００５０】上記の例は、基板１０ａに固定された金の
微粒子１０ｂにＰＭＭＡ薄膜１００が堆積した場合であ
るが、他の物質が吸着したり堆積した場合も同様であ
る。
【００５１】なお、ガラス製の基板１０ａの表面に金の
微粒子１０ｂを固定して形成された金コロイド単層膜
は、ガラス製の基板１０ａを３−ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙ
ｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅの１０％メタノー
ル溶液に１０分間浸けた後洗浄し、さらに、直径約２０
ｎｍの金コロイド溶液に２時間浸けることにより作製す
ることができ、しかも、水やアルコールなどの有機物に
対しても安定しているので、図８に示すように所定の溶
媒を溶解した溶液を通過させる管体状にセンサー・ユニ
ット１０を構成したり、図９に示すように所定の溶媒を
溶解した溶液を収容する容器状にセンサー・ユニット１
０を構成することができ、この場合には、当該溶液の屈
折率を測定することができるとともに、金の微粒子１０
ｂへの所定の溶媒の吸着や堆積を検出することもでき
る。
【００５２】従って、上記した局在プラズモン共鳴セン
サーによれば、図１０に示すように、センサー・ユニッ
ト１０の基板１０ａに固定した金の微粒子１０ｂに所定
の受容体１０２を吸着させた場合には、センサー・ユニ
ット１０からの透過光の吸光度が変化するためその受容
体１０２の吸着を検出でき、また、受容体１０２に所定
の物質１０４が吸着した場合にも、センサー・ユニット
１０からの透過光の吸光度が変化するためその所定の物
質１０４の吸着も検出することができるので、抗原抗体
反応における抗原の吸着の有無を検出するアフィニティ
ー・センサーとして用いると効果的である。
【００５３】なお、この実施の形態においては、金属微
粒子として金の微粒子を用いたが、これに限られるもの
ではないことは勿論であり、銀やその他の金属微粒子を
用いることができる。
【００５４】ただし、金属微粒子として金の微粒子を用
いた場合には、金は安定した物質であるためにその取り
扱いが容易であり、また、金属微粒子として銀の微粒子
を用いた場合には、感度のよい測定を行うことができ
る。
【００５５】また、この実施の形態においては、基板と
してガラス製の基板を用いたが、これに限られるもので
はないことは勿論であり、ガラス以外の誘電体や金属ま
たは半導体などの任意の材料の基板を用いることができ
る。
【００５６】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、狭隘な場所に配置することを可能にした局
在プラズモン共鳴センサーを提供することができるとい
う優れた効果を奏する。
【００５７】また、本発明は、以上説明したように構成
されているので、曲面形状を含む任意の形状の試料に対
して用いることを可能にした局在プラズモン共鳴センサ
ーを提供することができるという優れた効果を奏する。
【００５８】さらに、本発明は、以上説明したように構
成されているので、ガラス管などの管状体の内面におい
て構築することを可能とした局在プラズモン共鳴センサ
ーを提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による局在プラズモン共鳴センサーの概
念説明図である。
【図２】本発明による局在プラズモン共鳴センサーの透
過光の吸光度を示すグラフである。
【図３】本発明による局在プラズモン共鳴センサーの概
念説明図である。
【図４】本発明による局在プラズモン共鳴センサーの実
施の形態の一例の概念構成説明図である。
【図５】ガラス製の基板の表面に金の微粒子を固定して
形成された金コロイド単層膜の走査型電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）による像である。
【図６】センサー・ユニットの金の微粒子にＰＭＭＡ薄
膜が堆積した状態を示す概念説明図である。
【図７】センサー・ユニットの金の微粒子にＰＭＭＡ薄
膜が堆積した局在プラズモン共鳴センサーの透過光の吸
光度を示すグラフである。
【図８】管体状に構成したセンサー・ユニットの概念説
明図である。
【図９】容器状に構成したセンサー・ユニットの概念説
明図である。
【図１０】本発明による局在プラズモン共鳴センサーを
アフィニティー・センサーとして用いた場合における概
念説明図である。
【符号の説明】
１，１’ センサー・ユニット ２、２’ 基板 ３、３’ 金属微粒子 １０ センサー・ユニット １０ａ ガラス製の基板 １０ｂ 金の微粒子 １２ 光源 １４ 分光光度計 １００ ＰＭＭＡ薄膜 １０２ 受容体 １０４ 物質

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 任意の基板と、前記基板の表面に膜状に
    固定された金属微粒子とを有して構成されるセンサー・
    ユニットを有し、 前記センサー・ユニットに対して光を照射し、前記基板
    に固定された前記金属微粒子を透過した光の吸光度を測
    定することにより、前記基板に固定された前記金属微粒
    子近傍の媒質の屈折率を検出するものである局在プラズ
    モン共鳴センサー。
  2. 【請求項２】 任意の基板と、前記基板の表面に膜状に
    固定された金属微粒子とを有して構成されるセンサー・
    ユニットを有し、 前記センサー・ユニットに対して光を照射し、前記基板
    に固定された前記金属微粒子を透過した光の吸光度を測
    定することにより、前記基板に固定された前記金属微粒
    子近傍の媒質の屈折率を検出し、該検出結果に応じて、
    前記センサー・ユニットの前記基板に固定された前記金
    属微粒子への物質の吸着または堆積を検出するものであ
    る局在プラズモン共鳴センサー。
  3. 【請求項３】 任意の基板と、前記基板の表面に膜状に
    固定された金属微粒子とを有して構成されるセンサー・
    ユニットを有し、 液体内に配置した前記センサー・ユニットに対して光を
    照射し、前記基板に固定された前記金属微粒子を透過し
    た光の吸光度を測定することにより、前記基板に固定さ
    れた前記金属微粒子近傍の媒質の屈折率を検出し、該検
    出結果に応じて、前記センサー・ユニットが配置された
    液体の屈折率を測定するものである局在プラズモン共鳴
    センサー。
  4. 【請求項４】 請求項１、請求項２または請求項３のい
    ずれか１項に記載の局在プラズモン共鳴センサーにおい
    て、 前記センサー・ユニットは、前記基板の表面に膜状に固
    定する金属微粒子を凝集させずに互いに離隔した状態に
    ある単層膜として形成するものである局在プラズモン共
    鳴センサー。
  5. 【請求項５】 請求項１、請求項２、請求項３または請
    求項４のいずれか１項に記載の局在プラズモン共鳴セン
    サーにおいて、 前記センサー・ユニットにおける前記基板は、ガラス製
    の基板であるものである局在プラズモン共鳴センサー。
  6. 【請求項６】 請求項１、請求項２、請求項３、請求項
    ４または請求項５のいずれか１項に記載の局在プラズモ
    ン共鳴センサーにおいて、 前記センサー・ユニットにおける前記金属微粒子は、直
    径１０〜２０ｎｍの金の微粒子であるものである局在プ
    ラズモン共鳴センサー。
  7. 【請求項７】 請求項１、請求項２、請求項３または請
    求項４に記載の局在プラズモン共鳴センサーにおいて、 前記センサー・ユニットは、前記ガラス製の基板の表面
    に前記金の微粒子を固定して金コロイド単層膜を形成し
    てなり、 前記金コロイド単層膜は、前記ガラス製の基板を３−ａ
    ｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎ
    ｅの１０％メタノール溶液に１０分間浸けた後洗浄し、
    さらに、直径約２０ｎｍの金コロイド溶液に２時間浸け
    ることにより作製されるものである局在プラズモン共鳴
    センサー。
  8. 【請求項８】 請求項１、請求項２、請求項３、請求項
    ４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項
    に記載の局在プラズモン共鳴センサーにおいて、 前記基板は、曲面形状を含む任意の形状であるものであ
    る局在プラズモン共鳴センサー。
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