JP2002090291A - イオン濃度の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、イオンなどの低分子物質を直接、検
出及び定量することのできる表面プラズモン共鳴（ＳＰ
Ｒ）センサー、そのための処理がなされたＳＰＲセンサ
ー用のセンサーチップを提供するものである。 【解決手段】本発明は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）
センサーにおける金属薄膜の表面に、ナトリウムイオン
や水素イオンなどのような低分子物質を補足することに
より光吸収特性が変化する物質、例えばオプトードのよ
うな材料を含有してなるセンシング層を設けたＳＰＲセ
ンサー測定用センサーチップを用いて、ＳＰＲセンサー
により低分子物質を測定する方法に関する。また、本発
明は、ＳＰＲセンサーにおける金属薄膜の表面に低分子
物質を補足することにより光吸収特性が変化する物質を
含有してなるセンシング層を設けたことを特徴とするＳ
ＰＲセンサーによる低分子物質の測定用センサーチップ
に関する。さらに、本発明は、前記した低分子物質の測
定用センサーチップを設けてなる低分子物質の測定用の
ＳＰＲセンサー装置に関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオンなどの低分
子物質の測定ができる表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）セ
ンサーに関する。より詳細には、本発明は、表面プラズ
モン共鳴センサーにおける金属薄膜の表面に低分子物質
を補足することにより光吸収特性が変化する物質を含有
してなるセンシング層を設けた表面プラズモン共鳴セン
サー測定用センサーチップを用いて、表面プラズモン共
鳴センサーにより低分子物質を測定する方法、それに用
いるセンサーチップ、及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサー
は、金属表面の測定面から数百ナノメートル範囲の屈折
率変化を、表面プラズモンの光共鳴現象を利用して当該
金属表面の反対側から測定するものである。金属表面に
固定化した物質（リガンド）を測定面に固定化し、被検
体物質（アナライト）を外部より供給し、リガンドとア
ナライトとの間の分子間相互作用を金属表面上で起こ
す。その結果起こる屈折率変化を表面プラズモン共鳴
（以下、単にＳＰＲとも言う。）現象を使って検出す
る。表面プラズモンは、金属中の自由電子によるプラズ
マ振動と結合した光であるため、屈折率変化に敏感に応
答を示し、また金属表面を伝播する波であるために、測
定面上の数百ナノメートルという狭い範囲の屈折率変化
に応答を示す。

【０００３】現在の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）セン
サーは、特に生体物質についてのバイオセンサーとして
の応用が主流である。これは、ＳＰＲセンサーがリアル
タイムの測定が可能で、かつ従来のバイオセンサーのよ
うなラベル化が不要である、という大きなメリットを持
っているためである。したがって、金属表面への被検体
物質（アナライト）の結合量を測定するような単なる定
量だけでなく、反応速度論的解析やアフィニティーセン
サーといった生体分子間相互作用を測定するのに非常に
有用とされている。しかし、この方法ではアナライトが
高分子量であることが求められ、低分子物質の検出は一
般的に困難とされている。低分子物質を測定しようとす
る場合には高分子量の物質との競争反応などを利用して
間接的に測定する方法が必要になってくる。

【０００４】このように通常はＳＰＲによる直接的な測
定を行うにはアナライトの分子量が数万程度でなくては
ならず、Ｎａ^＋のような分子量の小さな物質を直接的に
検出することは不可能である。しかし、目的物質濃度に
応じて誘電率が劇的に変化するようなセンシング層を金
属表面に構築すれば、誘電率変化に依存したＳＰＲシグ
ナル変化が得られる可能性がある。このような光学特性
を利用したＳＰＲセンサーとしては、バルク溶液に色素
を一定量溶解させておき、ショ糖濃度を測定している例
（Hanning,A., et al., Sensors and Actuators B, 199
9, 25-36）や、銀薄膜上にべタイン色素のLangmuir-Blo
dgett単分子膜を形成させ、アンモニアガスを測定した
例（Ashwell,G.J., et al., Collids and Surfaces A,
1999, 155, 43-46）などが報告されている。前者ではフ
ァイバー型ＳＰＲプローブを用いており、反射光はスペ
クトルとして検出されるが、色素をバルクに溶解させて
おくと、色素の屈折率の波長依存性のためにＳＰＲスペ
クトル変化が増幅され、感度の向上に成功している。バ
ルクの屈折率変化については約４倍、表面へのタンパク
質の結合については通常の約２倍の感度が得られてい
る。しかしこの場合、サンプルに色素を加えるという前
処理が必要になるとともに、サンプル自身が着色してい
た場合に問題が生じる可能性も考えられる。また後者で
は、ベタイン色素がプロトン脱着するときの光吸収特性
変化により、ＳＰＲシグナルの反射率が変化することを
利用し、アンモニアガスの検出を行っている。しかしこ
の例ではアンモニアの定量を行うまでには至っていな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、イオンなど
の低分子物質を直接、検出及び定量することのできるＳ
ＰＲセンサー、そのための処理がなされたＳＰＲセンサ
ー用のセンサーチップを提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、表面プラズモ
ン共鳴センサーにおける金属薄膜の表面に低分子物質を
補足することにより光吸収特性が変化する物質を含有し
てなるセンシング層を設けた表面プラズモン共鳴センサ
ー測定用センサーチップを用いて、表面プラズモン共鳴
センサーにより低分子物質を測定する方法に関する。ま
た、本発明は、表面プラズモン共鳴センサーにおける金
属薄膜の表面に低分子物質を補足することにより光吸収
特性が変化する物質を含有してなるセンシング層を設け
たことを特徴とする表面プラズモン共鳴センサーによる
低分子物質の測定用のセンサーチップに関する。さら
に、本発明は、前記した低分子物質の測定用センサーチ
ップを設けてなる低分子物質の測定用の表面プラズモン
共鳴センサー装置に関する。

【０００７】ＳＰＲセンサーは、リアルタイムの測定が
可能で、かつ測定にあたって試料のラベル化が不要であ
るという大きなメリットを持っているが、ＳＰＲセンサ
ーはアナライトが高分子量であることが必要であり、低
分子物質の検出は一般的に困難とされていた。そこで本
発明者らは、ＳＰＲセンサーによる低分子物質の測定方
法を開発するために、低分子物質としてＮａ^＋イオンの
ＳＰＲセンサーによる検出を試みたところ、ナトリウム
イオンの検出のために、ナトリウムイオンを選択的に取
り込むことができる中性イオノフォアとカチオン性色素
に基づくポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）オプトード膜をセン
ジング層としてＳＰＲに応用すると、ＳＰＲセンサーに
よりＮａ^＋イオンの検出ができることを見出した。この
結果、低分子物質を補足することにより光吸収特性が変
化する物質を含有してなるセンシング層を設けることに
より、ＳＰＲセンサーで低分子物質を測定することがで
きることがわかった。

【０００８】ＰＶＣオプトード膜などのセンシング層を
ＳＰＲセンサーの金属膜に設けることにより、試料溶液
はエバネッセント波のしみこみ深さ以上に金属表面から
離れたところで金属膜に接しているため、バルクに着色
成分などの不純物が含まれていたとしてもその影響を受
けることはない。この点は従来のＳＰＲセンサーと比較
して優れているばかりでなく、吸光光度測定などの透過
光測定と比較しても大きな利点であると言える。またこ
のような原理のセンサーにおいては、ホスト分子さえ変
えてやれば他の様々な化学種についても応用可能である
ため、ＳＰＲの測定対象を大幅に広げることができる。

【０００９】次に、本発明のＳＰＲセンサーによる低分
子物質の測定方法を、低分子物質としてナトリウムイオ
ンを例にして、イオン抽出にともなうＳＰＲシグナルの
変化の実験結果とシミュレーションとの比較、光源の波
長による影響等についてより具体的に説明する。以下の
実験においては、ＳＰＲ装置として、ＤＫＫ（電気化学
計器）社製ＳＰＲ−２０を用いた。実験に用いたＳＰＲ
センサー装置の概要を図１に示し、その試料部の拡大図
を図２に示す。ＬＥＤ２１から光を発射し、レンズ２２
で集光して、プリズム２３に入射させ、センサーチップ
の金チップ２４で反射させる。金チップ２４の裏面には
試料セル２５が設けられている。金チップ２４で反射し
た光は、レンズを通り偏光板２６で偏光させた後、ＣＣ
Ｄカメラ２７で観測される。金チップ２４での反射角θ
を計測するために、入射光側の筒は反射面を中心にして
可動自在になっている。図２は試料セル２５部分を拡大
したものである。図２の上部発明試料セル部分の概要を
示したものであり、図２の下部は試料セルを装着したと
きの断面図を示している。プリズム２３にガラス基板２
８に金チップ２４を蒸着させた金属膜をマッチングオイ
ル３０を塗布して密着させる。金チップ２４にスペーサ
ー２９を挟んで試料セル２５を固着する。試料は試料セ
ル２５の一方から流入し、スペーサー２９を介して金チ
ップ２８に接触した後、スペーサー２９の他方の口から
流出し、試料セル２５の他方の口から排出される。

【００１０】このセンサーの光源部には６６０ｎｍのＬ
ＥＤ２１（発光ダイオード）、受光部にはＣＣＤカメラ
２７を用いている。また、入射光はレンズにより１０°
の角度幅でプリズムに入射するため、可動ステージ（入
射光側の筒）の角度を決めれば、常に１０°の角度範囲
内での光の強度分布２チャンネル同時にをモニターする
ことができる。可動ステージとプリズムテーブルは連動
して動くようになっており、さまざまな入射角度が得ら
れるので、測定対象の選択の幅が広いという特徴を持っ
ている。さらにこの装置は比較的サイズが大きいため、
角度分解能にすぐれている。本実験では屈折率の高いＰ
ＶＣ膜を測定するため、高屈折率プリズム（ｎ＝１．７
９）とｎ＝１．７９のマッチングオイルを用いた。ま
た、光源の波長による感度の違いなどを調べる際には、
６３０ｎｍのＬＥＤを光源部にとりつけて測定を行っ
た。金チップは、高屈折率ガラスの基盤上にＣｒを５ｎ
ｍ及びＡｕを４５ｎｍを蒸着したものを用いた。

【００１１】本発明の特徴は、従来のＳＰＲセンサーの
ように金チップをそのまま使用するのではなく、金チッ
プの表面に低分子物質を補足することにより光吸収特性
が変化する物質を含有してなるセンシング層を設けたこ
とにより、低分子物質を測定することができるＳＰＲセ
ンサーを提供することである。このような本発明の特徴
を例示するために、ナトリウムイオンの検出を例にして
本発明のシステムの概要を図３に示す。図３はＳＰＲセ
ンサーの試料部分を示すもので、ＬＥＤから発射された
光はプリズム１に入射光５として入射し、プリズム１に
接する金属膜２で反射して反射光６としてＳＰＲセンサ
ーの受光装置に達する。本発明のセンサーチップは金属
膜２とセンシング層３とからなるものであり、センシン
グ層３は試料４と接している。試料４中のナトリウムイ
オンがセンシング層３に抽出され、センシング層３に存
在するイオノフォア（図３中では丸い形で示されてい
る。）に取り込まれ、そしてその結果、センシング層３
中に存在しているカチオン性色素の脱プロトン化が起こ
り、センシング層３における光吸収特性の変化が発生
し、ＳＰＲセンサーによりこの変化が測定されることに
なる。

【００１２】この実験で用いたナトリウムイオノフォア
のＤＤ１６Ｃ５は、立体的にかさ高く堅い環構造を保持
することのできるダブルデカリノ基を１６−Ｃｒｏｗｎ
−５に導入しており、Ｋ^＋のようなイオン径の大きいイ
オンとのサンドイッチ錯体や、リチウムのような小さい
イオンとのラッピング錯体の形成が効果的に抑制され、
ナトリウムイオンが選択的に取り込むことができる。ま
た、カチオン性色素のＫＤ−Ｍ１１はベタイン型色素で
あるが、ここではＨ^＋付加型でプラスの電荷を持つ脂溶
性カチオン性色素として用いた。この色素はＨ^＋付加型
で４２０ｎｍに吸収極大を持ち、Ｈ^＋脱離型で６４０ｎ
ｍの吸収極大が現れ黄色から青色へ変色する。また、色
素として前記のＫＤ−Ｍ１１に代えてＥＴＨ５２９４を
用いて同様な実験を行った。このようなカチオン性色素
を用いる場合には膜のチャージバランスを保つためにア
ニオン添加剤を加える必要がある。このようなバルクオ
プトードの応答についてはこれまでに理論が確立されて
いる。この実験に用いた脂溶性カチオン性色素ＫＤ−Ｍ
１１及びＥＴＨ５２９４、ナトリウムイオノフォアＤＤ
１６Ｃ５、アニオン添加剤テトラモス［３，５−ビス
（トリフルオロメチル）−フェニル］ボレイト，ナトリ
ウム塩，２水和物（ＴＦＰＢ）、並びに膜溶媒２−ニト
ロフェニルオクチルエーテル（ＮＰＯＥ）の構造式を次
に示す。

【００１３】

【化１】

【００１４】この例のようにナトリウムイオンの検出の
ために用いたセンシング層としてのＰＶＣオプトード膜
では、目的イオンが膜中へ抽出されると同時に色素が脱
ブロトン化し、このとき吸収スペクトル変化が起こり、
このセンシング層の光吸収特性は誘電率（あるいは屈折
率）と密接な関係があるため、イオン濃度に応じたシグ
ナル変化をＳＰＲセンサーにより測定することができる
ものと考えられる。

【００１５】ここで、ＳＰＲセンサーによる測定の理論
を簡単に説明しておく。ＳＰＲセンサー自体の理論的な
説明は非常に複雑であるが、ここでは、金チップ、セン
シング層、及びプリズムから成るクレッチマン（Kretch
mann）配置のＳＰＲセンサーの３層モデル、およびこれ
に試料層を加えた４層モデルに基づく理論を簡単に説明
する。表面プラズモン波は表面に垂直な振動電界成分を
持つ波であり、この方向（ｚ方向とする）の振動電界成
分をもつｐ偏光の光によってのみ励起され、表面に平行
なｓ偏光（ｘ方向）とは結合できない。入射光のｐ偏光
成分の一部は、金チップ、センシング層にも透過して表
面プラズモンの励起のために吸収され、残りが反射され
るが、このときの反射光強度は振幅の２乗であるため、
反射率Ｒは次式（４−１）で表される。

【００１６】

【数１】

【００１７】ここでγ_３１はガラスから金属へ光が入射
する際の電場の反射率、γ_１２は金属からセンシング層
へ入射する際の反射率であり、ｄは金属薄膜の厚さであ
る。γ_３１、γ_１２はｐ偏光に関するフレネルの反射の
式より次式（４−２）及び（４−３）

【００１８】

【数２】

【００１９】と表される。ここでε_１、ε_２、ε_３は各
媒質の誘電率である。ｋ_１ｚ、ｋ_２ｚ、ｋ_３ｚは各媒質
中の波数の垂直成分であるので、ｃを光速、ωを周波数
とすると入射光の波数の水平成分ｋ_ｘを除いた成分とし
て次式（４−４）、（４−５）及び（４−６）で表され
る。

【００２０】

【数３】

【００２１】ωは入射光の波長λを用いて ω＝２πｃ／λ と表される。また、プリズムの屈折率ｎを、入射角をθ
とするとｋ_ｘは次の式（４−８）

【００２２】

【数４】

【００２３】金属の誘電率は通常波長依存性を持ってお
り、金の場合は次の（４−９）式のようになる。

【００２４】

【数５】

【００２５】プリズムの誘電率は波長依存性、吸収とも
に無視できるとし、 ε_３＝ｎ^２ ＰＶＣ膜の誘電率は、半導体や絶縁体の誘電関数と良く
一致するとされるローレンツモデルにより、次式（４−
１１）で記述される。

【００２６】

【数６】

【００２７】ここで、入射光のエネルギーを吸収するセ
ンシング層中の物質、例えば脱プロトン型色素分子（λ
max＝６４２ｎｍ）内で、電子励起に関与する電子を調
和振動子と見立てと、単位体積中の調和振動子数Ｎは、
センシング層中の物質（例えば、脱プロトン型色素分
子）の数としてセンシング層中の全物質濃度Ｃ
^ｔｏｔ（ｍｏｌ／１）およびオプトードの理論応答式か
ら算出され、次式（４−１２）のように表される。

【００２８】

【数７】

【００２９】ここでＮ_Ａはアボガドロ数、αは脱プロト
ン化度、ｍ_ｅは電子の質量、ｅは電子の電気量、ε_０は
真空中の誘電率である。また、

【００３０】

【数８】

【００３１】Γ（ガンマ）は減衰定数と呼ばれ、吸収ス
ペクトルの半幅値Δωで与えられる。ω＝２πｃ／λで
あるため、これを両辺を微分することにより、

【００３２】

【数９】

【００３３】センシング層としてポリ塩化ビニル（ＰＶ
Ｃ）膜を用いた場合には、センシング層の主成分はポリ
塩化ビニル（ＰＶＣ）およびその溶剤（可塑剤）の２−
ニトロフェニルオクチルエーテル（ＮＰＯＥ）であり、
それぞれの単一成分の屈折率は１．５４および１．５０
８であるから、物質の屈折率はその密度と非常に密接な
関係があり、混合物の屈折率は次式（４−１５）のよう
になる。

【００３４】

【数１０】

【００３５】ここでａ、ｂは各成分、ｐは各物質の密
度、ｃは物質ｂの重量分率を示している。ＰＶＣ膜の屈
折率はこの式によりｎ_２＝１．４８と計算された。この
ようにして（４‐１）式の反射率を求めることにより、
反射光のディップ（ｄｉｐ）の形状や位置を調べること
ができる。また、実験で用いたＬＥＤ光源は完全な単色
光ではなく、波長幅を持っている。この効果を考慮に入
れるため、光源の強度分布をローレンツモデルとして近
似し、反射率に各波長での強度をかけてλ±５０δの波
長範囲で積分したのち、光源のスペクトルの総面積によ
り正規化するという方法をとる。ここでδは光源のスペ
クトルの半値半幅であり、各パラメーターは次の式（４
−１６）、（４−１７）及び（４−１８）で表されるこ
とになる。

【００３６】

【数１１】

【００３７】これらの理論計算式に基づいて、光源の波
長が６６０ｎｍ、６３０ｎｍの場合のＳＰＲセンサーの
シグナルの変化のシミュレーションを行った。ここでＰ
ＣＶ膜中の全色素濃度は、スピンキャストせずに乾燥さ
せた可塑化ＰＶＣの体積を測定することで求めた。一
方、オプトードの理論応答式は次式（２‐３６）

【００３８】

【数１２】

【００３９】で示されることから、この式（２−３６）
に次の

【００４０】

【数１３】

【００４１】の値を代入して各Ｎａ^＋濃度におけるαを
求め、全色素濃度Ｃ^ｔｏｔとαより膜中の脱プロトン型
色素分子濃度を算出してシミュレーションに用いた。Ｋ
_{ｅｘｃ ｈ} ^Ｎａの値は吸光スペクトル測定の結果より求め
た。また、シミュレーションは、マセマチカ（Mathemat
ica）によりシミュレーションの計算プログラムを作成
した。

【００４２】この実験においては、前述した脂溶性カチ
オン性色素ＫＤ−Ｍ１１、ナトリウムイオノフォアＤＤ
１６Ｃ５、及びアニオン添加剤ＴＦＰＢを、次の表１に
示す各種の濃度にしたポリ塩化ビニル（ＰＣＶ）膜を用
いた。

【００４３】

【表１】

【００４４】組成（１）は３．７４重量％の濃度であ
り、組成（２）は２．５２重量％の濃度であり、組成
（３）は１．９０重量％の濃度であり、組成（４）は
１．２７重量％の濃度である。色素としてＥＴＨ５２９
４を用いた場合には、膜溶媒（可塑剤）としてセバシン
酸ジ（２−エチルヘキシル）エステル（ＤＯＳ）を使用
した。ＥＴＨ５２９４を４．０６μモル、ＰＣＶを４０
ｍｇ、ＤＯＳを８０ｍｇ、これにイオノフォアＤＤ１６
Ｃ５、及びアニオン添加剤ＴＦＰＢを加えて組成（５）
のＰＣＶ膜を作成した。また、比較のため、色素を含ま
ずＤＤ１６５Ｃ（１．８３ｍｇ）、ＴＥＰＢ（３．７４
ｍｇ）、ＮＰＯＥ（４０ｍｇ）、及びＰＶＣ（２０ｍ
ｇ）のみから構成されるＰＣＶ膜を同様に作製した。こ
れらのＰＣＶ膜組成を無水ＴＨＦに溶解して、金チップ
上にスピンコーティングした。

【００４５】スピンコーティングされたＰＣＶ膜の膜厚
は、金チップを白いテフロン（登録商標）板上に置いて
この部分の反射スペクトルをカラートロン（Colortro
n）により、膜厚をｄとすれば光路長（１＋２^１／２）
ｄの透過光として測定し、６４０ｎｍの反射率からＡ＝
−ｌｏｇＲの関係による吸光度を求め、これをランベル
ト−ベールの法則（Lambert-Beer's law）より算出し
た。

【００４６】金チップ上にコーティングされたＰＣＶ膜
は、オプトードの応答特性のメカニズムに基づき、測定
に先だって０．１Ｍ ＨＣｌに浸してアニオン添加剤の
カウンターカチオン（Ｎａ^＋）を膜から追い出すと同時
に、色素を完全にプロトン化させた。さらに、試料溶液
成分の膜内への浸透により測定中に膜の屈折率が変化す
るのを避けるため、０．０２Ｍ ＨＥＰＥＳ／ＴＭＡＯ
Ｈ バッファー（ｐＨ７．０）に５時間浸してコンディ
ショニングを行った。図２に示すように、この金チップ
の裏面にマッチングオイル３０を塗布してプリズムに密
着させ、ＰＶＣ膜をコーティングした面にはスペーサー
２９をはさんでフローセル２５をとりつけた。フローセ
ル２５への試料溶液の導入はポンプを用いて０．２ｍｌ
／ｍｉｎで行い、バッファー溶液は同じくｐＨ７ ＨＥ
ＰＥＳ バッファーを用いた。測定の際には試料溶液を
８分間インジェクトしてＳＰＲシグナルの応答がほぼ平
衡に達したところでｐ偏光の反射光強度を測定し、その
後バッファー溶液を数分間流して応答前の状態に戻し
た。同様の手順で低濃度のサンプルから順次インジェク
トして測定を行い、光源の強度分布を考慮してｐ偏光で
の反射光強度をｓ偏光での強度で割って反射率を得た。
また一連の測定中において、反射率の極小点の角度変化
をセンサーグラム（Sensorgram）として測定した。光源
は膜組成として表１の（３）を用いた実験以外では６６
０ｎｍのＬＥＤを用いた。

【００４７】また、測定にあたって、まず、色素を含ま
ない膜のＳＰＲ測定を行ったところ、角度および反射率
ともに全く変化が見られず、ＳＰＲシグナルがバルクに
よる影響を受けないことを確かめた。

【００４８】次に、表１の（３）の組成の膜を用い、光
源の波長が６６０ｎｍおよび６３０ｎｍのときについ
て、各種のＮａ^＋濃度の試料溶液に対する応答を調べ
た。光源の波長が６６０ｎｍ、６３０ｎｍの場合の、Ｓ
ＰＲ吸収変化（反射率のｄｉｐ）のようすをそれぞれ図
４及び図５に、６６０ｎｍのときのセンサーグラムの例
を図６に示した。図４及び図５における横軸は、反射角
度（゜）を示し、縦軸は反射率を示す。Ｎａ^＋の濃度
は、各図の右端の上からそれぞれ、１０^−１Ｍ、１０
^−２Ｍ、１０^−３Ｍ、１０^−４Ｍ、６×１０^−５Ｍ、３
×１０^−５Ｍ、１０^−５Ｍ、６×１０^−６Ｍ、１０^−６
Ｍであり、その下は緩衝液、塩酸（ＨＣｌ）溶液であ
る。図６の横軸は時間（秒）を示し、縦軸は反射角度
（゜）を示す。Ｎａ^＋の濃度は、図６の右から１０^−１
Ｍ、１０^−２Ｍ、１０^−３Ｍ、１０^−４Ｍ、６×１０
^−５Ｍ、３×１０^−５Ｍ、１０^−５Ｍ、６×１０
^−６Ｍ、１０^−６Ｍである。

【００４９】この反射率の極小点における反射率および
反射角度をｌｏｇＣ_Ｎａ＋に対してプロットした応答曲
線を図７及び図８に示した。図７の横軸はＮａ^＋の濃度
の対数値（ｌｏｇＣ_Ｎａ＋）であり、縦軸は反射率を示
す。図８の横軸は同じくＮａ ^＋の濃度の対数値（ｌｏｇ
Ｃ_Ｎａ＋）であり、縦軸は反射角度（゜）を示す。図７
及び図８における黒四角印（■）は波長が６６０ｎｍの
場合を示し、黒丸印（●）は波長が６３０ｎｍの場合を
示す。また、前述した理論式に基づいてシュミュレーシ
ョンした場合の同様のグラフを図９〜図１２に示す。図
９は図４に対応するシュミュレーションの結果であり、
図１０は図５に対応するシュミュレーションの結果であ
り、図１１は図７に対応するシュミュレーションの結果
であり、図１２は図８に対応するシュミュレーションの
結果である。さらに、これらの結果と吸収スペクトルと
の相関を調べるため、表１の組成（１）の膜をＯＨＰシ
ート上にスピンキャストし、Ｎａ^＋に対する吸光スペク
トル変化を測定したものを図１３に、その応答曲線を図
１４に示す。図１３の横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸
は吸収を示す。図１３のＮａ^＋の濃度は、図の上からそ
れぞれ、１０^−１Ｍ、１０^−２Ｍ、１０^−３Ｍ、１０
^−４Ｍ、１０^−５Ｍ、１０^−６Ｍであり、その下は緩衝
液、塩酸（ＨＣｌ）溶液である。図１４の横軸はＮａ^＋
の濃度の対数値（ｌｏｇＣ_Ｎａ＋）であり、縦軸は正規
化された吸収率を示す。

【００５０】図４及び図５から明らかなように、Ｎａ^＋
濃度の増加にともない、６３０ｎｍ、６６０ｎｍいずれ
の光源においてもディップ（ｄｉｐ）がブロードとな
り、その結果反射率が増加している。この時の応答曲線
は、吸光度についての応答曲線と同様にＳ字カーブとな
った（図７参照）。また両者の反射率変化を比較する
と、６３０ｎｍにおける感度が６６０ｎｍの場合の１．
２倍と優れていることがわかった。一方、反射角度変化
については６６０ｎｍでトータル０．８７７°もの大き
な角度変化が見られたのに対し、６３０ｎｍではほとん
ど角度変化が起こっていない。これらの傾向はシミュレ
ーションで得られた結果とほぼ一致している。角度や反
射角の変化量については実測値と異なっている場合もあ
るが、これはＰＶＣ膜の体積の測定誤差が原因と考えら
れる。しかしながら、この一致は、本発明の方法が理論
的にも正しいものであることを物語っている。

【００５１】このような傾向の定性的な説明を得るため
に、ＰＶＣ膜の屈折率変化をクラメルズ−クローニッヒ
（Kramers-kronig）の関係式を用いて吸光スペクトルデ
ータより算出した。クラマース−クローニッヒ（Kramer
s-Kronig）の関係式は、誘電率の虚部（光吸収）の波長
依存性と誘電率の実部（屈折率）の波長依存性を結びつ
ける関係式であり、どちらか一方がわかっていれば他方
を計算により求めることができる。通常はエネルギーの
関数として表されるが、これを波長について書き直すと
次式（４−１９）のようになる。

【００５２】

【数１４】

【００５３】ここで、Δｎ、ΔＡはそれぞれ色素を含む
膜と含まない膜の屈折率差、および吸光度差であり、λ
は光路長（膜厚）である。ある波長λにおけるΔｎは全
波長領域におけるΔＡのデータから算出される。一般的
には０〜∞の波長範囲について記述された式であるが、
ここでは可視領域以外は無視し、図１３のデータと色素
を含まない膜の吸光スペクトルデータから、３５０〜８
００ｎｍの範囲で計算を行った。計算された屈折率の波
長依存性を図１５に示した。図１５の横軸は波長（ｎ
ｍ）であり、縦軸は屈折率（Δｎ）である。図１５の波
長６８８ｎｍの箇所の上から、Ｎａ^＋の濃度が、１０
^−１Ｍから１０^−６Ｍに変化させた場合であり、その下
は塩酸（ＨＣｌ）溶液の場合である。

【００５４】図１３の結果からこのＰＶＣ膜の最大吸収
波長は６４２ｎｍであり、また図１５の結果から屈折率
変化が最大になるのは６８８ｎｍ、変化の起こらない等
吸収点に相当するのが６３７ｎｍであることがわかっ
た。膜の屈折率変化は表面プラズモン共鳴の起こる反射
角のシフトを引き起こすため、６６０ｎｍのＬＥＤの場
合にはＮａ^＋濃度の増加にともなう屈折率変化により角
度がシフトしたが、６３０ｎｍのＬＥＤではちょうど屈
折率変化の起こらない波長であったために角度シフトが
見られなかったものと考えられる。なお、図１３と図１
５を比較すると、屈折率の極大点・極小点は吸光スペク
トルの変曲点とほぼ一致しており、また吸光スペクトル
の極大点と屈折率の変曲点（ここでは等吸収点のように
なっている点）が一致している。このような特性は、絶
縁体の誘電関数を記述するローレンツモデルにもみられ
ることであり、このような吸収変化に伴う屈折率変化を
利用した光センサーの開発例も報告されている。この方
法は、バルクオプトード型のＰＶＣ膜とウエイブガイド
（waveguide）を組み合わせてＣａ^２＋濃度を屈折率変
化により測定するというものである（Freiner, D., et
al., Sensors and Actuators B, 1995, 277-285）。

【００５５】本発明の方法における前記してきた実験に
おいて、ナトリウムイオンのような低分子物質において
も６６０ｎｍでトータル０．８７７°もの大きな角度変
化が見られたということは驚くべきことである。そし
て、この角度変化が、センシング層における色素の吸光
度変化に関係する屈折率変化により引き起こされている
ことが初めて見出され、ＳＰＲセンサーによる低分子物
質の測定の可能性を示したものである。このような角度
変化がいかに大きなものであるかということは、分子量
１５０，０００のアビジンを従来のＳＰＲバイオセンサ
ーで測定した場合と比較することによりよくわかる。例
えば、金属表面にビオチンを有するモノレイヤーを形成
させ、仮にこの表面にアビジンが隙間なく単層で結合し
たとすると、アビジン一分子あたりの占める面積が約２
５００平方オングストロームであるから、約１０ｎｇ／
ｍｍ^２のアビジンが結合することになる。これはｎ＝
１．５の低屈折率プリズムを用いた場合に１．０°の角
度変化に相当するものである。したがって、プリズムの
違いによる感度の差を考慮に入れたとしても、この実験
で得られた０．８７７°（１０^−６〜１０^−ｌＭ Ｎａ
^＋）という角度変化は、非常に大きなものであり、従来
の高分子物質の測定で得られていたとほぼ同じ程度の角
度変化を本発明の方法により得ることができることを示
している。

【００５６】従来のＳＰＲセンサーのように、誘電率の
虚部が一定で実部（屈折率）のみが変化するような場
合、ＳＰＲセンサーのディップ（ｄｉｐ）は角度のみが
シフトし、反射率には変化が現れない。しかし、この実
験においてはＮａ^＋濃度の増加につれて反射率の増加が
観測されており、これは明らかに誘電率の虚部（光吸
収）の変化によるものである。誘電率の虚部は物質中を
透過する電磁波の減衰を表すものであるが、Ｎａ^＋の抽
出によって色素が脱プロトン化し、電磁波の減衰に寄与
する調和振動子数が多くなると、表面プラズモンの波数
が不確定になり、センシング層にしみ出たエバネッセン
ト波の波数と一致しなくなり、表面プラズモンを励起で
きなくなる。表面プラズモンを励起できないということ
はすなわちＳＰＲセンサーによる吸収ディップ（ｄｉ
ｐ）が消失するのであるから、そのために反射率が増大
したと考えられる。また、このメカニズムでは、光源の
波長と色素の吸収波長が近いほどエバネッセント波の減
衰も起こりやすくなり、反射率の変化が大きいと考えら
れる。このために６３０ｎｍの光源を用いた場合に感度
が向上したものと思われる。シミュレーションの結果で
は、６３０ｎｍでの感度は６６０ｎｍの１．１８倍であ
った。

【００５７】図４及び図５に示される色素ＫＤ−Ｍ１１
を用いたＳＰＲセンサーによる測定結果から、色素ＫＤ
−Ｍ１１を用いた場合には、イオンの濃度が高くなるに
つれて、ディップ（ｄｉｐ）が浅くなり、同時に反射角
度が大きいほうへシフトすることがわかる。また、入射
光の波長により反射角度が大きくシフトすることがわか
る。このような反射角度のシフトや反射率の変化を利用
することにより、試料中のイオン濃度をＳＰＲセンサー
により定量することができることがこれらの実験から示
された。

【００５８】同様の実験を色素ＥＴＨ５２９４を含有す
る組成（５）のＰＣＶ膜からなるセンシング層を用いて
行った。前記の色素ＫＤ−Ｍ１１の場合と同様にして、
組成（５）の膜のＮａ^＋に対する吸光スペクトル変化を
測定したものを図１６に、その応答曲線を図１７に示
す。図１６の横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は吸収を
示す。図１６のＮａ^＋の濃度は、図の下からそれぞれ、
１Ｍ、１０^−１Ｍ、１０^−２Ｍ、１０^−３Ｍ、１０ ^−４
Ｍ、１０^−５Ｍ、１０^−６Ｍであり、その上は緩衝液、
塩酸（ＨＣｌ）溶液である。図１７の横軸はＮａ^＋の濃
度の対数値（ｌｏｇＣ）であり、縦軸は正規化された吸
収率を示す。このことから、ＫＤ−Ｍ１１を含む膜では
ブロトン脱離により６３０ｎｍの吸収が増加するのに対
して、ＥＴＨ５２９４ではプロトン脱離により６６０ｎ
ｍの吸収が減少していることがわかる。そして、６２０
〜６３０ｎｍの吸収が多くなればなるほどＳＰＲシグナ
ルの深さは浅くなるので、ＫＤ−Ｍ１１を含む膜ではＮ
ａ^＋濃度が高くなるほどディップは浅くなり、逆にＥＴ
Ｈ５２９４を含む膜では深くなっていくのではないかと
予想された。

【００５９】そこで、組成（５）の膜を用いたＳＰＲセ
ンサーによる測定を行った。その結果を図１８に示す。
図１８における横軸は、反射角度（゜）を示し、縦軸は
反射率を示す。Ｎａ^＋の濃度は、図１８の反射角度６１
゜付近の下から、１０^−１Ｍから１０^−６Ｍへと薄い場
合を示している。この結果は、予想どうりＮａ^＋濃度が
高くなるにつれてディッブが深くなっていくことを示し
た。また、色素としてＥＴＨ５２９４を用いた場合に
は、Ｎａ^＋濃度の変化による反射角度の変化はほとんど
見られず、ディップの深さのみが変化していることがわ
かる。反射角度の変化が起こらずに反射率変化のみでの
測定が行えるということは、入射角を固定したままでイ
オンの濃度測定が可能であるということであり、イオン
ノウドを定量するための装置が簡単になるということの
ほか、色素の最大吸収波長と重なっているため、色素に
よる吸収の効果が大きく、感度をあげることができると
いう利点である。

【００６０】次に、センシング層の膜厚について検討し
た。表１の（３）の膜組成で、膜溶液の希釈度とスピン
キャスト時の回転速度、時間の異なる膜を３種類作成し
た。これらの膜について膜厚測定を行った結果それぞれ
０．７７、１．２５、１．４８μｍであった。これらの
Ｎａ^＋に対する応答を調べた。このときのＮａ^＋に対す
る反射率変化を図１９に示す。図１９の横軸はＮａ^＋の
濃度の対数値（ｌｏｇＣ_Ｎａ＋）であり、縦軸は反射率
を示す。図１９における黒四角印（■）は膜厚が１．４
８μｍの場合を示し、黒三角印（▲）は膜厚が１．２５
μｍの場合を示し、黒丸印（●）は膜厚が０．７７μｍ
の場合を示す。この結果、Ｎａ^＋の濃度が１０^−６〜ｌ
０^−１Ｍにわたる反射率変化はそれぞれ０．１３３、
０．１２８、０．１１９となり、膜厚による大きな差は
この実験では見られなかった。

【００６１】そこで、膜厚が、０．１、０．２、０．
５、０．７７、１．２５、１．４８μｍの６種類の場合
についてＳＰＲシグナル変化のシミュレーンョンを行っ
たところ、０．１μｍ、０．２μｍのような薄い膜では
膜厚が厚くなるにつれてディップ（ｄｉｐ）が広角度側
へシフトし、またシグナル変化も大きくなっていった。
しかし、膜厚が０．２μｍを越えるとほとんど膜厚によ
る違いは見られなくなった。これは、エバネッセント波
のしみこみ深さはおよそ０．２μｍであることが知られ
ており、膜厚が０．２μｍ以上では全てのエバネッセン
ト波が膜の中に有り膜厚の影響を無視することができる
からである。一方、０．２μｍ未満の薄い膜では、エバ
ネッセント波は膜を越えてしまうのでエバネッセント波
の電場をすべて活用することができないので、感度が低
下し、また、この場合にはエバネッセント波がバルクま
で到達してしまうため、バルクの影響が現れることにな
る。前記の実験ではいずれも０．２μｍ以上の膜を使用
したために、膜厚による大きな差を観察することができ
なったのである。これらの結果より、センシング層があ
る膜厚以上であれば、ＳＰＲセンサーにより常に一定の
感度が得られ、かつ試料の影響も受けないことがわかっ
た。そのため、試料として血液のような着色成分多量に
含有するものや、測定対象外の成分を多量に含有するも
のを使用したとしても、本発明の方法によるＳＰＲセン
サーでの測定が可能でることがわかった。

【００６２】次に、センシング層における色素の濃度に
ついて検討した。表１に示した組成（１）、組成
（２）、及び組成（４）の各色素含有量の膜についてＮ
ａ^＋に対する応答を調べ、感度の比較を行った。この結
果の応答曲線を図２０に示す。図２０の横軸はＮａ^＋の
濃度の対数値（ｌｏｇＣ_Ｎａ＋）であり、縦軸は反射率
を示す。図２０における黒三角印（▲）は色素濃度が
１．２７重量％の場合を示し、黒丸印（●）は色素濃度
が２．５２重量％の場合を示し、黒四角印（■）は色素
濃度が３．７４重量％の場合を示す。この結果、色素濃
度が増加すると反射率は大きくなり、特に１０^−５〜１
０^{− ４}Ｍ付近の低濃度における感度が著しく向上するこ
とがわかった。このことからも、反射率変化が誘電率の
虚部の変化を反映しているものであることがわかる。
３．７４ｗｔ％よりも濃度を高くした場合、さらに感度
の向上は期待できるが、濃度が高すぎる場合には色素の
会合が起こる可能性があり、また反射率変化が飽和に達
するのも早くなると考えられるので、充分な感度が得ら
れれば必要以上に濃度を高くすることはない。

【００６３】次に、試料中のイオンの選択性について検
討した。表１の組成（３）の膜を用いてＮａ^＋以外のイ
オンであるＫ^＋及びＢａ^＋に対する応答を調べ、ナトリ
ウムイオンの選択性について検討した。Ｋ^＋及びＢａ^＋
に対するＳＰＲシグナル変化を、前記してきたＮａ^＋の
場合と同様の方法で測定し、この結果に基づいてＮ
ａ^＋、Ｋ^＋、及びＢａ^＋についての角度変化の応答曲線
を図２１示す。図２１の横軸は各イオンの濃度の対数値
（ｌｏｇＣ）であり、縦軸は反射角度の変化（Δ゜）を
示す。図２１における黒三角印（▲）はＢａ^＋イオンの
場合を示し、黒四角印（■）はＫ^＋イオンの場合を示
し、黒菱形印（◆）はＮａ^＋イオンの場合を示す。ＩＳ
Ｅのデータによると、ＰＶＣ、ＮＰＯＥ、ＴＥＨＰを用
いた場合のイオノフォアＤＤ１６Ｃ５のＮａ^＋の選択係
数は、Ｋ^＋に対して約１６０倍、Ｂａ^＋に対して約１０
０００倍である。仮にオプトードの応答曲線の距離に基
づいて、ＳＰＲセンサーの応答曲線を予測できるとすれ
ば、前記の選択係数による応答曲線が得られることにな
る。図２１に示される実験結果からは、Ｂａ^＋について
は１０^−２Ｍまで応答せず、Ｋ^＋に対しては１０^−２Ｍ
の時点で約１０００倍の応答を示した。このことから
ＫＤ−Ｍ１１、ＤＤ１６Ｃ５を含むポリマー混合膜はナ
トリウムに対して優れた選択性を示すことがわかった。

【００６４】さらに、表１の組成（３）の膜を用いてｐ
Ｈ７の緩衝液と１０^−５Ｍ Ｎａ^＋溶液を６分ずつ交互
に接触させ、センサーグラムによる５回の測定の再現性
を調べた。緩衝液と１０^−５Ｍ Ｎａ^＋溶液を交互に流
したときのセンサーグラム（Sensorgram）を図２２に示
す。反射角度について緩衝液と１０^−５ＭＮａ^＋溶液の
間の平均の変化量に対する標準偏差の割合を求めると、
緩衝液、１０^−５ＭＮａ^＋溶液ではそれぞれ１１．０
％、１２．４％であった。反射率について同様に変化量
に対する標準偏差の割合を求めると、１０．０％、８．
２％となった。この結果、いずれの場合についても良好
な再現性が得られた。また、緩衝液、１０^−５ＭＮａ^＋
溶液のいずれの場合もほぼ３分程度で応答が安定した。

【００６５】以上の実験においては、ナトリウムイオン
の測定の例であったが、次に同様な方法により水素イオ
ン濃度（ｐＨ）のＳＰＲセンサーによる測定の例を説明
する。分子内に共役系を介してＮ^＋基とＯ⁻基を有する
メロシアニン骨格のベタイン型色素は、ｐＨ指示薬と同
様なプロトン脱着にともなう吸光度変化だけでなく、周
囲の極性変化にともない最大吸収波長がシフトするソル
バトクロミズムも示すため、ｐＨセンシング、イオンセ
ンシング、有機溶媒中の水分測定などさまざまな応用が
試みられてきた。これらは脂溶性ポリマー膜に包括させ
るための脂溶性側鎖を導入したものと、モノマーとの共
重合によりポリマーに固定化する目的でオレフィン部位
を導入したものの２つのタイプがあり、またベンゼン環
に電子吸引性、供与性の置換基を系統的に導入すること
によって、ｐＫａやソルバトクロミック特性を制御する
ことができる。これらの色素ＫＤ−Ｍ１〜ＫＤ−Ｍ１６
及びＫＤ−Ｍ２４の構造式を次に示す。

【００６６】

【化２】

【００６７】これらの色素のうちオレフィン部位を導入
した色素分子については、メタクリル酸２−ヒドロキシ
エチルエステル（ＨＥＭＡ（2-Hydroxyethyl methacryl
ate））やメタクリル酸ジエチレングリコールモノメチ
ルエーテルエステル（ＤＥＧＭＭＡ（diethylene glyco
l monomethyl ether methacrylate））と共に光共重合
させて塊状重合膜を作製し、ｐＨセンサーや各種溶媒測
定、水分測定に応用されている。イオン選択性バルクオ
プトードでは、イオン交換反応あるいは共抽出によって
色素のプロトン脱着に基づく吸光度変化が起こるという
メカニズムであるが、ｐＨオプトードの場合、Ｈ^＋はも
っとも表面電荷密度が高いためにイオン交換反応では抽
出されず、また脂溶性ポリマー膜に固定化されてしまう
とＨ^＋が単独では膜中へ浸透して行けない。そのため、
不溶化した親水性ポリマーに色素を共重合により固定化
する方法が一般的である。ＨＥＭＡの塊状重合膜はＯＨ
基どうしの水素結合によるゲル化が進んでいるために水
に不溶であり、耐久性にすぐれるが、重合後に成形を行
うことはできない。そこで本実験では、ＨＥＭＡとオレ
フィン側鎖をもつ前記のＫＤ系の色素を溶液重合により
共重合させ、ポリマー溶液を金チップ上にスピンキャス
トすることでＳＰＲセンサーへの応用を試みた。

【００６８】まず、色素を加えずＨＥＭＡのみで重合さ
せたポリマーからセンシング層を作製し、ｐＨ７〜１２
でのＳＰＲセンサーの測定を行ったところ、ほぼ一定の
角度となっており、ｐＨ応答は示さなかった。次にＫＤ
−Ｍ３とＨＥＭＡとの共重合体から薄膜（ＫＤ−Ｍ３／
ＨＥＭＡ共重合膜）を作成しこれをセンシング層とした
ＳＰＲ応答を調べた。

【００６９】まず、光共重合により作製した塊状重合膜
ＫＤ−Ｍ３／ＨＥＭＡ膜の吸光光度測定を行い、ｐＨに
対する応答曲線を得た。ＫＤ−Ｍ３／ＨＥＭＡのｐＨに
対する吸光スペクトル変化、およびスペクトルデータか
らクラマース−クロニッヒ（Kramers-Kronig）の式より
算出した屈折率変化を、それぞれ図２３、図２４に示
す。図２３の横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は吸収を
示す。図２３の波長５７０ｎｍの箇所における上からｐ
Ｈ１２．１、ｐＨ１１．０、ｐＨ１０．０、ｐＨ８．
９、及びｐＨ２．５〜８の場合がそれぞれ示されてい
る。図２４の横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は屈折率
変化（Δ゜）を示す。図２４の波長６２０ｎｍの箇所に
おける上からｐＨ１２、ｐＨ１１、ｐＨ１０、ｐＨ８．
９、及びｐＨ８の場合がそれぞれ示されている。最大吸
収波長は５７０ｎｍ、また屈折率変化は６２０ｎｍで最
大となるため、６３０ｎｍの光源を用いた場合に共鳴
角、反射率の極小値がともにｐＨに応じて変化すると予
想された。

【００７０】実際に６３０ｎｍの光源でのＳＰＲシグナ
ル変化を測定した結果を図２５に、比較のため６６０ｎ
ｍでのシグナル変化を図２６に示す。図２５及び図２６
の横軸は反射角度を示し、縦軸は反射率を示す。図２５
及び図２６の反射角度６０゜付近の箇所における上から
ｐＨ１２、ｐＨ１１、ｐＨ１０、ｐＨ９．５、ｐＨ９、
ｐＨ８、及びｐＨ７の場合がそれぞれ示されている。ま
た、両者の共鳴角変化、および反射率変化についての応
答曲線をそれぞれ図２７、図２８に示す。図２７の横軸
はｐＨを示し、縦軸は反射角度を示す。図２８の横軸は
ｐＨを示し、縦軸は反射率を示す。図２７及び図２８に
おける黒四角印（■）は波長６６０ｎｍの場合を示し、
黒丸印（●）は波長６３０ｎｍの場合を示す。この測定
の結果、吸光スペクトルと屈折率変化から予想された通
り、反射率、共鳴角ともに６３０ｎｍの光源の場合に６
６０ｎｍよりも良好な感度が得られた。図２５に示され
る測定結果より、ｐＨが上がるにつれて、反射角度が増
加の方向にシフトし、またディップが浅くなるなどの応
答がみられることがわかる。ｐＨ７〜ｐＨ１２までにお
ける角度の変化は１．４２゜と極めて大きな値を示し
た。したがって、ＰＶＣ膜を利用したＳＰＲセンサーと
同様、色素の光吸収特性を利用することで、Ｈ^＋の検
出、すなわちｐＨセンシングが、本発明の方法によるＳ
ＰＲセンサーにより測定可能であることがわかった。

【００７１】以上の実験の結果から、色素とイオノフォ
アに基づくオプトード膜をＳＰＲに応用することによ
り、目的イオン濃度に対するＳＰＲシグナルの応答が得
られ、これまで困難とされてきたＳＰＲによる低分子
（イオン）の検出が可能となった。この場合、イオン抽
出にともなう色素の光吸収特性の変化が膜の誘電率の実
部（屈折率）および虚部（光吸収）の変化を引き起こ
し、これらはそれぞれＳＰＲ共鳴角および反射率の変化
として反映される。この変化は従来のＳＰＲバイオセン
サーにおける、金属表面へのタンパク質の吸着に起因す
るシグナル変化と同等、あるいはそれを上回るほどドラ
スティックなものであり、色素の吸収を利用した信号増
幅が非常に有効であることが示された。また、光源の波
長あるいは適当な吸収波長の色素を選択することによ
り、感度の最適化や共鳴角・反射率の両方向からのセン
シングが可能となる。このようなＳＰＲセンシングの手
法においてはセンシング膜の作製が容易であり、Ｎａ^＋
や水素イオンの外の多くの低分子物質に適用することが
可能となる。

【００７２】

【発明の実施の形態】以上の実験においてはナトリウム
イオンや水素イオンを例にして説明してきたが、本発明
はこれらの例示に限定されるものではなく、ＳＰＲセン
サーの金属膜部分に低分子物質を補足することにより光
吸収特性が変化する物質を含有してなるセンシング層を
設けることにより、従来測定が困難とされていたＳＰＲ
センサーによる低分子物質の測定を可能としたことを特
徴とするものである。したがって、本発明は、前記セン
シング層を設けたセンサーチップを用いるＳＰＲセンサ
ーによる測定方法及びその装置を広く包含するものであ
る。本発明の測定方法は、試料中の目的物質を検出、同
定及び／又は定量するいずれの方法をも包含している。
本発明の測定方法は、ＳＰＲセンサーにおける実部の測
定、虚部の測定、及びこれらの両方の測定のいずれの方
法によることもできる。これらの測定はＳＰＲセンサー
の反射角度の測定や反射率などの測定を包含している。

【００７３】本発明のセンシング層としては、前記の実
験で使用されたポリ塩化ビニル（ＰＣＶ）、メタクリル
酸２−ヒドロキシエチルエステル（ＨＥＭＡ）、メタク
リル酸ジエチレングリコールモノメチルエーテルエステ
ル（ＤＥＧＭＭＡ）に限定されるものではなく、ポリ塩
化ビニル、ポリウレタン、ポリエステル、ポリアミド、
ポリエーテルなどのポリマーからなる薄膜や、可塑剤と
しての性質を示すエステル体及びエーテル体、又はこれ
らの誘導体を含有してなる脂溶性液膜などの液膜を薄膜
などが挙げられる。さらに、これらのポリマーからなる
薄膜や液膜に限定されるものではなくＳＰＲセンサーの
金属膜に固着することができ、測定時に安定した性質を
維持できるものであればよい。好ましくは、測定の対象
となる低分子物質との親和性が良い樹脂材料がよい。本
発明はＳＰＲセンサーにおけるセンサーチップとして金
属膜に前記したセンシング層を設けることにより、そし
て好ましくは当該センシング層における光吸収特性の変
化を利用して、ＳＰＲセンサーの測定対象物の範囲を拡
大できることを特徴のひとつとするものであり、係る特
徴を利用をするものは全て本発明に包含されるものであ
る。本発明のセンシング層の膜厚としては、特に制限は
無いが、好ましくはエバネッセント波のしみこみの深さ
以上の膜厚さを有するものがよい。より詳細には０．１
μｍ以上、又は０．２μｍ以上の膜厚を有するのが好ま
しい。通常のスピンコーティングなどの方法により形成
される膜厚を有するもので充分であり、余り厚くなると
感度の低下となるので５０μｍ以下、又は１０μｍ以下
のものが好ましい。

【００７４】本発明のセンシング層に含有される「低分
子物質を補足することにより光吸収特性が変化する物
質」としては、測定対象となる低分子物質に応じて種々
の物質を使用することができる。測定対象となる低分子
物質を補足することにより、誘電率や屈折率などのＳＰ
Ｒセンサーで測定することのできるに光吸収特性が変化
する物質であれば本発明の「低分子物質を補足すること
により光吸収特性が変化する物質」として使用すること
ができる。このような物質としては、単一の物質であっ
てもよいが、２種以上の物質を組み合わせて光吸収特性
を変化させる物質として使用することもできる。例え
ば、前記した例のように目的のイオンを取り込む物質と
目的のイオンを取り込むことにより光吸収特性が変化す
る物質とを組み合わせて使用することもできる。また、
低分子物質を補足又は取り込む際に、目的の低分子物質
に対する選択性の高い物質を使用するのが好ましい。前
記の実験例では、ＤＤ１６Ｃ５というナトリウムイオン
に対する選択性の高いイオノフォアを用いたことによ
り、ナトリウムイオンを選択的に測定することができ
る。このような選択性は低分子物質を補足又は取り込む
物質だけによってもよいが、センシング層の材質や他の
物質との組み合わせによりこのような選択性を発現させ
てもよい。

【００７５】本発明の「低分子物質を補足することによ
り光吸収特性が変化する物質」として、前記の実験に使
用してきたようにオプトードを用いるのが好ましいひと
つの態様である。オプトードは、測定対象となる物質の
存在により光特性が主として可視領域において変化する
ものであり、通常のＳＰＲセンサーの光源の領域にも近
く、またセンシング層に含有させることも容易である。
本発明における「低分子物質を補足することにより光吸
収特性が変化する物質」をセンシング層に含有させる方
法としては、センシング層の材料に物理的に混合しても
良いし、前記した例のように共重合体として重合体の骨
格に組み込ませてもよい。いずれの方法によっても、セ
ンシング層の中で所期の機能を発揮できる状態で存在す
ることができれば、本発明でいうセンシング層に含有さ
れた状態である。

【００７６】本発明の測定対象となる低分子物質として
は、オプトードに対する感受性を有するイオン性の物質
が好ましいが、これに限定されるものではない。非イオ
ン性の物質であっても、本発明の「低分子物質を補足す
ることにより光吸収特性が変化する物質」との組み合わ
せにより、センシング層での光吸収特性を変化させるこ
とができれば、本発明の方法に包含されるものである。
また、イオン性の物質としては、ナトリウムイオンや水
素イオンのような無機性のイオンのみならず、カルボン
酸塩やアミン塩のような有機性のイオンであってもよ
い。本発明の方法においては、イオノフォアの使用は必
須ではないが、イオンをセンシング層に取り込む効率を
上げたり、また取り込みの選択性を向上させるためにイ
オノフォアを使用することも本発明の好ましい態様のひ
とつである。使用できるイオノフォアとしては、ＤＤ１
６Ｃ５のようなクラウンエーテル類又はその誘導体が挙
げられるが、これに限定されるものではない。

【００７７】前述してきたように、本発明はＳＰＲセン
サーの金属膜部分に低分子物質を補足することにより光
吸収特性が変化する物質を含有してなるセンシング層を
設けることにより、従来測定が困難とされていたＳＰＲ
センサーによる低分子物質の測定を可能としたことを特
徴とするものであり、したがって本発明は、表面プラズ
モン共鳴センサーにおける金属薄膜の表面に低分子物質
を補足することにより光吸収特性が変化する物質を含有
してなるセンシング層を設けたことを特徴とする表面プ
ラズモン共鳴センサーによる低分子物質の測定用センサ
ーチップを提供するものである。本発明のセンサーチッ
プは、従来のＳＰＲセンサーの金属膜の表面に前記した
本発明のセンシング層を設けたものである。本発明のセ
ンサーチップは、従来の金属膜にセンシング層をそのま
ま又はその溶液を、塗布、スピンコーティング法などに
より固着又は密着させることにより製造することができ
る。本発明のセンサーチップはこれを単独でＳＰＲセン
サー用の部品とすることもできるが、試料セルやスペー
サーと共にして試料キットとしてＳＰＲセンサー用の部
品とすることもできる。

【００７８】また、本発明は、前記した本発明のセンサ
ーチップを設けてなる低分子物質の測定用の表面プラズ
モン共鳴センサー装置を提供するものである。本発明の
ＳＰＲセンサー装置は、前記した本発明のセンサーチッ
プを装着していることを特徴とするものである。本発明
のＳＰＲセンサー装置としては、従来のＳＰＲセンサー
装置に本発明のセンサーチップを装着することにより製
造することができる。本発明のＳＰＲセンサー装置とし
ては、種々の従来のＳＰＲセンサー装置を用いることが
できるが、好ましくはクレッチマン配置のＳＰＲセンサ
ー装置が挙げられる。また、本発明のＳＰＲセンサー装
置は、光吸収に関する虚数部の測定を行うことができる
ものも好ましい。

【００７９】

【実施例】次に実施例により本発明をより詳細に説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。

【００８０】実施例１ ＰＣＶ膜の製造 脂溶性カチオン性色素ＫＤ−Ｍ１１、ナトリウムイオノ
フォアダブルデカリノ−１６−クラウン−５（ＤＤ１６
Ｃ５）（同仁化学社製）、アニオン添加剤テトラモス
［３，５−ビス（トリフルオロメチル）−フェニル］ボ
レイト，ナトリウム塩，２水和物（ＴＦＰＢ）（同仁化
学社製）を、前記「表１」に記載した組成になるように
調製し、これを無水ＴＨＦに溶解させ、全量を膜構成成
分の全量の６倍となるようにした。次にスピンコーター
に高屈折率ガラスの基盤上にＣｒを５ｎｍ及びＡｕを４
５ｎｍを蒸着した金チップを固定し、得られたＴＨＦ溶
液を約０．２ｍｌを滴下し、４０００ｒｐｍで５秒間回
転させて薄膜を作製した。これを約１時間真空乾燥さ
せ、冷凍庫内にて保存した。また比較のため、色素を含
まずＤＤ１６５Ｃ（１．８３ｍｇ）、ＴＥＰＢ（３．７
４ｍｇ）、ＮＰＯＥ（４０ｍｇ）、ＰＶＣ（２０ｍｇ）
のみから構成される膜を同様に作製した。

【００８１】実施例２ ＳＰＲセンサーによる測定 （１）ＳＰＲセンサー装置 ＳＰＲ装置として、ＤＫＫ（電気化学計器）社製ＳＰＲ
−２０を用いた。装置の概要を図２及び図３に示す。こ
のＳＰＲセンサーの光源部には６６０ｎｍのＬＥＤ２１
（発光ダイオード）、受光部にはＣＣＤ２７カメラを用
いている。また、入射光はレンズにより１０°の角度幅
でプリズムに入射するため、一度可動ステージの角度を
決めれば、常に１０°の角度範囲内での光の強度分布２
チャンネル同時にをモニターすることができる。可動ス
テージとプリズムテーブルは連動して動くようになって
おり、さまざまな入射角度が得られるので、測定対象の
選択の幅が広いという特徴を持っている。さらにこの装
置は比較的サイズが大きいため、角度分解能にすぐれて
いる。本実験では屈折率の高いＰＶＣ膜を測定するた
め、高屈折率プリズム（ｎ＝１．７９）とｎ＝１．７９
のマッチングオイルを用いた。また、光源の波長による
感度の違いなどを調べる際には、６３０ｎｍのＬＥＤを
光源部にとりつけて測定を行った。金チップは、高屈折
率ガラスの基盤上にＣｒを５ｎｍ及びＡｕを４５ｎｍを
蒸着したものを用いた。

【００８２】（２）センシング層の前処理 測定に先だって、オプトードの応答特性のメカニズムに
基づき、ＰＶＣ膜を０．１Ｍ ＨＣｌに浸してアニオン
添加剤のカウンターカチオン（Ｎａ^＋）を膜から追い出
すと同時に、色素を完全にプロトン化した。つづいて、
試料溶液成分の膜内への浸透により測定中に膜の屈折率
が変化するのを避けるため、０．０２ＭＨＥＰＥＳ／Ｔ
ＭＡＯＨ バッファー（ｐＨ７．０）に５時間浸してコ
ンディショニングを行った。図３に示すように、この金
チップの裏面にマッチングオイル３０を塗布してプリズ
ムに密着させ、ＰＶＣ膜をコーティングした面にはスペ
ーサー２９をはさんでフローセル２５をとりつけた。フ
ローセル２５への試料溶液の導入はポンプを用いて０．
２ｍｌ／ｍｉｎで行い、バッファー溶液は同じくｐＨ７
ＨＥＰＥＳ バッファーを用いた。測定の際には試料
溶液を８分間インジェクトしてＳＰＲシグナルの応答が
ほぼ平衡に達したところでｐ偏光の反射光強度を測定
し、その後バッファー溶液を数分間流して応答前の状態
に戻した。同様の手順で低濃度のサンプルから順次イン
ジェクトして測定を行い、光源の強度分布を考慮してｐ
偏光での反射光強度をｓ偏光での強度で割って反射率を
得た。また一連の測定中において、反射率の極小点の角
度変化をセンサーグラム（Sensorgram）として測定し
た。光源は膜組成として表１の（３）を用いた実験以外
では６６０ｎｍのＬＥＤを用いた。

【００８３】（３）試料の測定 表１の（３）の組成の膜を用い、光源の波長が６６０ｎ
ｍおよび６３０ｎｍのときについて、各種Ｎａ^＋濃度の
試料溶液に対する応答を調べた。結果を図４及び図５に
示す。表１の（３）の膜組成で、膜溶液の希釈度とスピ
ンキャスト時の回転速度、時間の異なる膜を３種類用意
した。これらの膜についてそれぞれ膜厚測定を行い、Ｎ
ａ^＋に対する応答を調べた。結果を図１９に示す。表１
に示した（１）、（２）、（４）の各色素含有量の膜に
ついてＮａ^＋に対する応答を調べ、感度の比較を行っ
た。結果を図２０に示す。また、表１の組成（３）の膜
を用いてＫ^＋、Ｂａ^＋に対する応答を調べ、ナトリウム
イオンの選択性について検討した。結果を図２１に示
す。さらに、表１の組成（３）の膜を用いてｐＨ７の緩
衝液と１０^−５Ｍ Ｎａ^＋溶液を６分ずつ交互に接触さ
せ、センサーグラムにより５回の測定の再現性を調べ
た。結果を図２２に示す。

【００８４】実施例３ センシング層の膜厚の測定 膜の吸光度とLambert-Beer則より、ＰＶＣ膜の膜厚を見
積もった。金チップに膜をコーティングする際に、金薄
膜の蒸着されていない部分のガラス基盤にも膜がキャス
トされるので、金チップを白いテフロン板上に置いてこ
の部分の反射スペクトルをカラートロン（Colortron）
により測定した。カラートロン（Colortron）の内部光
源からの光が４５°方向から膜を透過してテフロン板で
反射され、再び膜を垂直方向に透過したのち検出される
ため、膜厚をｄとすれば光路長（１＋２^１／２）ｄの透
過光測定とみなすことができる。したがって６４０ｎｍ
の反射率からＡ＝−ｌｏｇＲの関係により吸光度を求
め、さらにランベルト−ベールの法則（Lambert-Beer's
law）より膜厚を算出した。

【００８５】実施例４ 色素ＥＴＨ５２９４を含有する
ＰＣＶ膜の製造 ＥＴＨ５２９４（λｍａｘ＝６６０ｎｍ）を４．０６μ
モル、ＰＣＶを４０ｍｇ、ＤＯＳを８０ｍｇ、これにイ
オノフォアＤＤ１６Ｃ５、及びアニオン添加剤ＴＦＰＢ
を加えて組成（５）とし、実施例１と同様の方法により
ＰＣＶ膜を作成した。得られたセンサーチップを用いて
実施例２と同様な方法によりＳＰＲセンサーによる測定
を行った。結果を図１８に示す。

【００８６】実施例５ ＨＥＭＡ−色素共重合ポリマー
の合成 １００ｍｌの２つ口フラスコにジムロート、窒素導入
管、ポンプをとりつけ、窒素置換を行った。ＨＥＭＡ
１．５６ｇ（１２．０ｍｍｏｌ）とＫＤ−Ｍ３０．０６
２４ｇ（０．１６ｍｍｏｌ）を乾燥ＤＭＦ３．６ｍｌに
溶解させたものをフラスコに投入し、窒素雰囲気下にお
いて７０℃で１時間撹拝した。次にＡＩＢＮ ５．９ｍ
ｇ（０．０３６ｍｍｏｌ）をＤＭＦ ０．４ｍｌに溶解
させたものを加え、窒素雰囲気下において反応液を２２
０ｒｐｍで撹拝しながら７０℃で７時間反応させた。重
合反応終了後、反応液を氷冷した蒸留水５０ｍｌ中に注
いでポリマーを析出させ、減圧ろ過、洗浄を行った。次
にこのポリマーの精製を行うため、ポリマーをＴＨＦ２
５ｍｌに溶解させ、ヘキサン／エーテル＝３／１の混合
溶媒１００ｍｌ中に注いで再びポリマーを析出させた。
これを減圧ろ過、洗浄し、同じ精製の操作を再び行っ
た。精製後、デシケータで真空乾燥させ、共重合ポリマ
ーを得た。ＫＤ−Ｍ２４とＨＥＭＡの共重合ポリマーに
ついても同様に合成を行った。

【００８７】実施例６ ＨＥＭＡ膜の製造 実施例５で製造したポリマー７０ｍｇをメタノールに溶
解させ、全量を０．４２７ｇとした。これをスピンコー
ター上に固定した金チップ上に約０．２ｍｌ滴下し、４
０００ｒｐｍで５秒間回転させてセンサーチップを製造
した。

【００８８】実施例７ ＳＰＲセンサーによる測定 金チップの裏面にマッチングオイルを塗布して高屈折率
プリズム（ｎ＝１．７９）に密着させ、ＨＥＭＡ膜にセ
ルロースの透析膜を平らにはりつけ、この上にフローセ
ルをとりつけた。フローセルへの試料溶液の導入はポン
プを用いて０．２ｍｌ／ｍｉｎで行い、緩衝液はＫＤ−
Ｍ３／ＨＥＭＡ膜についてはｐＨ７の緩衝液を用いた。
各種ｐＨ溶液のインジェクトは１０分間行い、実施例２
と同様な方法により測定を行った。結果を図２５〜図２
８に示す。

【００８９】

【発明の効果】本発明は従来ＳＰＲセンサーによる測定
方法では困難とされていた低分子物質の測定を、簡便な
方法で行えることを開示するものである。本発明の方法
によりナトリウムイオンなどの低分子物質をＳＰＲセン
サーにより簡便に検出、同定又は定量することができ
る。本発明は、従来のＳＰＲセンサー用の金属膜の表面
に低分子物質を補足することにより光吸収特性が変化す
る物質を含有してなるセンシング層を設けるという簡便
な手段により、低分子物質を測定することができるＳＰ
Ｒセンサー用のセンサーチップ、及びそれを用いたＳＰ
Ｒセンサー装置を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例において使用したＳＰ
Ｒセンサー装置の概要を示す。し、その試料部の拡大図
を図２に示す。

【図２】図２は、本発明の実施例において使用したＳＰ
Ｒセンサー装置の試料部の拡大図を示す。図２の上部発
明試料セル部分の概要を示したものであり、図２の下部
は試料セルを装着したときの断面図を示している。

【図３】図３は、本発明のセンサーチップの構造と作用
とを例示するために、ナトリウムイオンの測定を例にし
て本発明のシステムの概要を示す。

【図４】図４は、表１の（３）の組成の膜を用い、光源
の波長が６６０ｎｍのときについて、各種のＮａ^＋濃度
の試料溶液に対する応答を調べた結果を示すＳＰＲセン
サーのチャートである。図４における横軸は反射角度
（゜）を示し、縦軸は反射率を示す。Ｎａ^＋の濃度は、
図の右端の上からそれぞれ、１０^−１Ｍ、１０^−２Ｍ、
１０^−３Ｍ、１０^−４Ｍ、６×１０^−５Ｍ、３×１０
^−５Ｍ、１０^−５Ｍ、６×１０^−６Ｍ、１０^−６Ｍであ
り、その下は緩衝液、塩酸（ＨＣｌ）溶液である。

【図５】図５は、表１の（３）の組成の膜を用い、光源
の波長が６３０ｎｍのときについて、各種のＮａ^＋濃度
の試料溶液に対する応答を調べた結果を示すＳＰＲセン
サーのチャートである。図５における横軸は反射角度
（゜）を示し、縦軸は反射率を示す。Ｎａ^＋の濃度は、
図の右端の上からそれぞれ、１０^−１Ｍ、１０^−２Ｍ、
１０^−３Ｍ、１０^−４Ｍ、６×１０^−５Ｍ、３×１０
^−５Ｍ、１０^−５Ｍ、６×１０^−６Ｍ、１０^−６Ｍであ
り、その下は緩衝液、塩酸（ＨＣｌ）溶液である。

【図６】図６は、表１の（３）の組成の膜を用い、光源
の波長が６６０ｎｍのときについて、各種のＮａ^＋濃度
の試料溶液に対する応答を調べた結果を示すセンサーグ
ラムである。図６の横軸は時間（秒）を示し、縦軸は反
射角度（゜）を示す。Ｎａ^＋の濃度は、図６の右から１
０^−１Ｍ、１０^−２Ｍ、１０^−３Ｍ、１０^−４Ｍ、６×
１０^−５Ｍ、３×１０^−５Ｍ、１０^−５Ｍ、６×１０
^−６Ｍ、１０^−６Ｍである。

【図７】図７は、表１の（３）の組成の膜を用い、各種
のＮａ^＋濃度の試料溶液に対する反射率をｌｏｇＣ
_Ｎａ＋に対してプロットした応答曲線を示す。図７の横
軸はＮａ^＋の濃度の対数値（ｌｏｇＣ_Ｎａ＋）であり、
縦軸は反射率を示す。図７における黒四角印（■）は波
長が６６０ｎｍの場合を示し、黒丸印（●）は波長が６
３０ｎｍの場合を示す。

【図８】図８は、表１の（３）の組成の膜を用い、各種
のＮａ^＋濃度の試料溶液に対する反射角度をｌｏｇＣ
_Ｎａ＋に対してプロットした応答曲線を示す。図８の横
軸はＮａ^＋の濃度の対数値（ｌｏｇＣ_Ｎａ＋）であり、
縦軸は反射角度（゜）を示す。図８における黒四角印
（■）は波長が６６０ｎｍの場合を示し、黒丸印（●）
は波長が６３０ｎｍの場合を示す。

【図９】図９は、理論式に基づいてシュミュレーション
した場合の図４に対応するグラフを示す。

【図１０】図１０は、理論式に基づいてシュミュレーシ
ョンした場合の図５に対応するグラフを示す。

【図１１】図１１は、理論式に基づいてシュミュレーシ
ョンした場合の図７に対応するグラフを示す。

【図１２】図１２は、理論式に基づいてシュミュレーシ
ョンした場合の図８に対応するグラフを示す。

【図１３】図１３は、表１の組成（１）の膜を用いて、
Ｎａ^＋に対する吸光スペクトル変化を測定した結果を示
すものである。図１３の横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦
軸は吸収を示す。図１３のＮａ^＋の濃度は、図の上から
それぞれ、１０^−１Ｍ、１０^−２Ｍ、１０^−３Ｍ、１０
^−４Ｍ、１０^−５Ｍ、１０^−６Ｍであり、その下は緩衝
液、塩酸（ＨＣｌ）溶液である。

【図１４】図１４は、表１の組成（１）の膜を用いて、
Ｎａ^＋に対する吸光スペクトル変化を測定した結果に基
づいて作成した応答曲線を示す。図１４の横軸はＮａ^＋
の濃度の対数値（ｌｏｇＣ_Ｎａ＋）であり、縦軸は正規
化された吸収率を示す。

【図１５】図１５は、表１の（３）の組成の膜における
計算された屈折率の波長依存性を示したものである。図
１５の横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は屈折率（Δ
ｎ）である。図１５の波長６８８ｎｍの箇所の上から、
Ｎａ^＋の濃度が、１０^−１Ｍから１０^−６Ｍに変化させ
た場合であり、その下は塩酸（ＨＣｌ）溶液の場合であ
る。

【図１６】図１６は、色素ＥＴＨ５２９４を含有するＰ
ＣＶ膜からなるセンシング層を用いた場合の吸光スペク
トル変化を測定した結果を示すものである。図１６の横
軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は吸収を示す。図１６の
Ｎａ^＋の濃度は、図の下からそれぞれ、１Ｍ、１０^−１
Ｍ、１０^−２Ｍ、１０^−３Ｍ、１０^−４Ｍ、１０
^{− ５}Ｍ、１０^−６Ｍであり、その上は緩衝液、塩酸（Ｈ
Ｃｌ）溶液である。

【図１７】図１７は、色素ＥＴＨ５２９４を含有するＰ
ＣＶ膜からなるセンシング層を用いた場合の応答曲線を
示す。図１７の横軸はＮａ^＋の濃度の対数値（ｌｏｇ
Ｃ）であり、縦軸は正規化された吸収率を示す。

【図１８】図１８は、色素ＥＴＨ５２９４を含有する組
成（５）の膜を用いたＳＰＲセンサーによる測定の結果
を示す。図１８における横軸は、反射角度（゜）を示
し、縦軸は反射率を示す。Ｎａ^＋の濃度は、図１８の反
射角度６１゜付近の下から、１０^−１Ｍから１０^−６Ｍ
へと薄い場合を示している。

【図１９】図１９は、表１の（３）の膜組成をもちい
て、膜厚の異なるセンシング層によるＮａ^＋に対する反
射率変化を示す。図１９の横軸はＮａ^＋の濃度の対数値
（ｌｏｇＣ_Ｎａ＋）であり、縦軸は反射率を示す。図１
９における黒四角印（■）は膜厚が１．４８μｍの場合
を示し、黒三角印（▲）は膜厚が１．２５μｍの場合を
示し、黒丸印（●）は膜厚が０．７７μｍの場合を示
す。

【図２０】図２０は、表１に示した組成（１）、組成
（２）、及び組成（４）の各色素含有量の膜についてＮ
ａ^＋に対する感度の比較を行った結果の応答曲線を示
す。図２０の横軸はＮａ^＋の濃度の対数値（ｌｏｇＣ
_Ｎａ＋）であり、縦軸は反射率を示す。図２０における
黒三角印（▲）は色素濃度が１．２７重量％の場合を示
し、黒丸印（●）は色素濃度が２．５２重量％の場合を
示し、黒四角印（■）は色素濃度が３．７４重量％の場
合を示す。

【図２１】図２１は、Ｋ^＋及びＢａ^＋に対するＳＰＲシ
グナル変化を、Ｎａ^＋の場合と同様の方法で測定した結
果に基づく各イオンの角度変化の応答曲線を示す。図２
１の横軸は各イオンの濃度の対数値（ｌｏｇＣ）であ
り、縦軸は反射角度の変化（Δ゜）を示す。図２１にお
ける黒三角印（▲）はＢａ^＋イオンの場合を示し、黒四
角印（■）はＫ^＋イオンの場合を示し、黒菱形印（◆）
はＮａ^＋イオンの場合を示す。

【図２２】図２２は、表１の組成（３）の膜を用いてｐ
Ｈ７の緩衝液と１０^−５Ｍ Ｎａ ^＋溶液を６分ずつ交互
に接触させたときのセンサーグラム（Sensorgram）を示
す。

【図２３】図２３は、ＫＤ−Ｍ３／ＨＥＭＡのｐＨに対
する吸光スペクトル変化を示す。図２３の横軸は波長
（ｎｍ）を示し、縦軸は吸収を示す。図２３の波長５７
０ｎｍの箇所における上からｐＨ１２．１、ｐＨ１１．
０、ｐＨ１０．０、ｐＨ８．９、及びｐＨ２．５〜８の
場合がそれぞれ示されている。

【図２４】図２４は、ＫＤ−Ｍ３／ＨＥＭＡのｐＨに対
する吸光スペクトル変化のデータから算出した屈折率変
化を示す。図２４の横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は
屈折率変化（Δ゜）を示す。図２４の波長６２０ｎｍの
箇所における上からｐＨ１２、ｐＨ１１、ｐＨ１０、ｐ
Ｈ８．９、及びｐＨ８の場合がそれぞれ示されている。

【図２５】図２５は、ＫＤ−Ｍ３／ＨＥＭＡを用い、６
３０ｎｍの光源でのＳＰＲシグナル変化を測定した結果
を示す。図２５の横軸は反射角度を示し、縦軸は反射率
を示す。図２５の反射角度６０゜付近の箇所における上
からｐＨ１２、ｐＨ１１、ｐＨ１０、ｐＨ９．５、ｐＨ
９、ｐＨ８、及びｐＨ７の場合がそれぞれ示されてい
る。

【図２６】図２６、ＫＤ−Ｍ３／ＨＥＭＡを用い、６６
０ｎｍの光源でのＳＰＲシグナル変化を測定した結果を
示す。図２５の横軸は反射角度を示し、縦軸は反射率を
示す。図２５の反射角度６０゜付近の箇所における上か
らｐＨ１２、ｐＨ１１、ｐＨ１０、ｐＨ９．５、ｐＨ
９、ｐＨ８、及びｐＨ７の場合がそれぞれ示されてい
る。

【図２７】図２７は、ＫＤ−Ｍ３／ＨＥＭＡを用いた場
合の共鳴角変化を示す。図２７の横軸はｐＨを示し、縦
軸は反射角度を示す。図２７における黒四角印（■）は
波長６６０ｎｍの場合を示し、黒丸印（●）は波長６３
０ｎｍの場合を示す。

【図２８】図２８は、ＫＤ−Ｍ３／ＨＥＭＡを用いた場
合の応答曲線を示す。図２８の横軸はｐＨを示し、縦軸
は反射率を示す。図２８における黒四角印（■）は波長
６６０ｎｍの場合を示し、黒丸印（●）は波長６３０ｎ
ｍの場合を示す。

【符号の説明】

１ プリズム ２ 金属膜 ３ センシング層 ４ 試料 ５ 入射光 ６ 反射光 ２１ ＬＥＤ ２２ レンズ ２３ プリズム ２４ 金チップ ２５ 試料セル ２６ 偏光板 ２７ ＣＣＤカメラ ２８ ガラス基板 ２９ スペーサー ３０ マッチングオイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栗原 一嘉 神奈川県川崎市中原区井田杉山町13−22 みやこ荘202 Ｆターム(参考） 2G057 AA20 AB01 AC01 BA05 DC07 HA03 2G059 AA01 CC02 DD12 DD13 EE04 FF03 GG02 HH02 JJ11 JJ12 JJ19 KK04 MM01

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面プラズモン共鳴センサーにおける金
   属薄膜の表面に低分子物質を補足することにより光吸収
   特性が変化する物質を含有してなるセンシング層を設け
   た表面プラズモン共鳴センサー測定用センサーチップを
   用いて、表面プラズモン共鳴センサーにより低分子物質
   を測定する方法。
2. 【請求項２】 低分子物質を補足することにより光吸収
   特性が変化する物質がオプトードである請求項１に記載
   の測定方法。
3. 【請求項３】 低分子物質がイオンである請求項１又は
   ２に記載の測定方法。
4. 【請求項４】 センシング層がさらにイオノフォアを含
   有してなる請求項３に記載の測定方法。
5. 【請求項５】 センシング層が、ポリマー又は脂溶性液
   膜からなる薄膜である請求項１〜４のいずれかに記載の
   測定方法。
6. 【請求項６】 センシング層の膜厚が、エバネッセント
   波のしみこみの深さ以上である請求項１〜５のいずれか
   に記載の測定方法。
7. 【請求項７】 センシング層がオプトード膜である請求
   項１〜６のいずれかに記載の測定方法。
8. 【請求項８】 光吸収に関する虚数部を測定する請求項
   １〜７のいずれかに記載の測定方法。
9. 【請求項９】 表面プラズモン共鳴センサーにおける金
   属薄膜の表面に低分子物質を補足することにより光吸収
   特性が変化する物質を含有してなるセンシング層を設け
   たことを特徴とする表面プラズモン共鳴センサーによる
   低分子物質のセンサーチップ。
10. 【請求項１０】 低分子物質がイオンである請求項９に
    記載のセンサーチップ。
11. 【請求項１１】 センシング層がさらにイオノフォアを
    含有してなる請求項９又は１０に記載のセンサーチッ
    プ。
12. 【請求項１２】 センシング層が、ポリマー（ポリ塩化
    ビニル、ポリウレタン、ポリエステル、ポリアミド、ポ
    リエーテル）、又は、脂溶性液膜（可塑剤としての性質
    を示すエステル体及びエーテル体）からなる薄膜である
    請求項９〜１１のいずれかに記載のセンサーチップ。
13. 【請求項１３】 請求項９〜１２のいずれかに記載のセ
    ンサーチップを設けてなる低分子物質の測定用の表面プ
    ラズモン共鳴センサー装置。
14. 【請求項１４】 光吸収に関する虚数部の測定を行うこ
    とができる請求項１３に記載の表面プラズモン共鳴セン
    サー装置。