JP2002357537A - 分析素子の製造方法及び分析素子、並びにそれを用いた試料の分析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を利用した試
料分析のための分析素子の製造方法に関し、エバネッセ
ント波を誘起する光学構造として回折格子の構造制御及
び試料と接触する表面の性状制御を容易にする。 【解決手段】 型２４に回折格子２５を形成しておき、
この型２４の回折格子２５が形成された側の面に金属膜
２３を積層し、さらに金属膜２３上に基板２２を積層す
ることによって、分析素子２１の製造工程における金属
膜２３表面への回折格子２５の形成時の操作から蒸着や
スパッタリングによる要素を排除する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面プラズモン共
鳴（ＳＰＲ）を利用した試料分析のための分析素子（表
面プラズモン共鳴センサチップ）の製造方法に関し、特
に、エバネッセント波を誘起する光学構造として回折格
子を備えた分析素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、生化学や医療検査等の分野におけ
る固相表面における被分析物の分析方法として、表面プ
ラズモン共鳴（ＳＰＲ）を利用した分析方法が知られて
いる。表面プラズモン共鳴とは、金属表面に光が入射し
た場合に金属表面の自由電子の粗密波（表面プラズモン
波）が入射光により生成されたエバネッセント波に共鳴
して励起される現象であり、表面プラズモン共鳴が励起
されたときには反射光が減少する特徴がある。表面プラ
ズモン共鳴は入射光の波長及び角度、並びに金属表面の
媒質の屈折率に依存しており、媒質の屈折率が変化すれ
ば波長一定の場合には共鳴角が変化し、また、入射角度
一定の場合には共鳴波長が変化する。したがって、反射
光の強度に基づき共鳴角或いは共鳴波長を調べることで
金属表面の媒質の屈折率を分析することができる。そし
て、金属表面の近傍に被分析物が存在する場合には、金
属表面の媒質の屈折率の変化は被分析物の物質量の変化
に対応していることから、共鳴角或いは共鳴波長を調べ
ることで被分析物の分析が可能になる。

【０００３】表面プラズモン共鳴を起こすには二つの要
素が必要である。一つは特定の表面プラズモン波を有す
る金属であり、もう一つはその表面プラズモン波と共鳴
する光波、すなわちエバネッセント波を誘起する光学構
造である。エバネッセント波を誘起する光学構造として
は現在二つの構造が知られている。一つはプリズムの全
反射を利用した光学構造であり、もう一つは回折格子を
利用した光学構造である。なお、上記の金属にこれらの
光学構造を組み合わせた分析素子は一般に表面プラズモ
ン共鳴センサチップ（ＳＰＲ用分析素子）と呼ばれてい
る。

【０００４】回折格子を備えた分析素子としては特許１
９０３１９５号に開示されたものや特許２５０２２２２
号に開示されたものがある。図１０はその従来の回折格
子を備えたセンサチップの構造を示した模式図である
が、図１０に示すようにこの従来の分析素子１００は金
属膜（例えば金）１０１の表面に回折格子１０２（図中
に太線で強調して示している）を備えている。この回折
格子１０２は基板１０３の表面に周期的な凹凸１０４を
形成し、凹凸１０４が形成された基板１０３表面に金属
を塗布することによって金属膜１０１の表面に現されて
いる。金属膜１０１の膜厚は入射光が透過しない程度の
厚さに設定されている。分析素子１００の使用時には金
属膜１０１の表面に被分析物１０６を捕捉するための抗
体（結合物質）１０５が固定化される。抗体１０５は特
定の物質と特異的に結合する性質を備えたものであり、
捕捉すべき被分析物１０６に応じたものが選択されてい
る。

【０００５】このような構成により、分析素子１００に
金属膜１０１の抗体１０５が固定化された側から光を照
射すると金属膜１０１表面の回折格子１０２において入
射光が回折し、行き場を失った高次の回折光が平面波化
してエバネッセント波となる。仮に単色光のように一定
波長の光を照射する場合、入射角が特定の入射角となっ
たときにエバネッセント波と金属膜１０１表面の表面プ
ラズモン波とが共鳴して強い吸収が生じ、反射光が減少
する。抗体１０５に被分析物１０６が捕捉されていると
きにはその物質量に応じて共鳴角が変化するので、共鳴
角の変化量を測定することにより試料中の被分析物１０
６の濃度等を分析することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の分析素子１００
は金属膜１０１表面の回折格子１０２で回折現象を起こ
させているため、金属膜１０１表面の形状は厳密に制御
される必要がある。しかしながら、上記のように凹凸１
０４が形成された基板１０３表面に金属を塗布する場
合、凹部には金属がたくさん塗れるかわりに凸部には金
属が少ししか塗れないため、従来の分析素子１００では
金属膜１０１表面の形状を厳密に制御することは難しか
った。また、このように金属膜１０１表面の形状が回折
格子１０２を形成する条件で最適化されなければならな
いことから、金属膜１０１表面の形状は必ずしもその後
の化学修飾等の表面処理に有利な状態であるとはいえな
かった。

【０００７】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、回折格子の構造制御を容易にした、分析素子
の製造方法及び分析素子、並びにそれを用いた試料の分
析方法を提供することを目的とする。また、試料と接触
する表面の性状制御を容易にした、分析素子の製造方法
及び分析素子、並びにそれを用いた試料の分析方法を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決すべく
鋭意検討した結果、発明者らは、回折格子形成時の操作
から蒸着やスパッタリングによる要素を排除すること
で、回折格子の構造制御が容易になることを見出し、本
発明を完成した。すなわち、本発明の分析素子の製造方
法（第１の製造方法）は、型に回折格子を形成するステ
ップと、上記型の上記回折格子が形成された側の面に金
属膜を積層するステップと、上記金属膜上に基板を積層
するステップとを備えたことを特徴としている。これに
より、基板上に金属膜が積層され、その表面に蒸着やス
パッタリングによることなく回折格子が形成された分析
素子が製造される。また、上記の製造方法において、上
記型を樹脂等で形成してそのまま分析素子の表層を形成
する表層膜として用いてもよい。この場合には試料と接
触する表面の性状制御を容易にすることができる。

【０００９】上記の製造方法に製造された分析素子は、
励起光の照射により上記回折格子において生じるエバネ
ッセント波と上記金属膜の表面に生じる表面プラズモン
波との共鳴現象（表面プラズモン共鳴）を利用して試料
の定量的及び／又は定性的な分析を行うためのＳＰＲ用
分析素子として用いられる。

【００１０】そして、この分析素子を試料の定量的及び
／又は定性的な分析に用いる場合には、上記金属膜の表
面に、或いは、上記型としての表層膜が表層を形成して
いる場合には上記表層膜（この場合の表層膜は励起光に
対して透過性を有するものとする）の表面に、特定の物
質と特異的に結合しうる結合物質を固定化しておき、上
記分析素子の上記結合物質が固定化された側の表面に試
料を接触させるステップ、上記分析素子に対し上記結合
物質が固定化された側から励起光を照射するステップ、
上記分析素子からの反射光を検出するステップ、検出し
た反射光の強度に基づき試料の定量的及び／又は定性的
な分析を行うステップを実行する。なお、これらの各ス
テップは、記載順に実行してもよく、同時に実行しても
よい。特に、各ステップを同時に実行する場合には、試
料中の被分析物が上記結合物質に結合していく様子をリ
アルタイムでモニタすることができる。

【００１１】さらに、上記金属膜及び上記基板が励起光
に対して透過性を有する場合には、上記金属膜或いは上
記表層膜の表面に結合物質を固定化した後、上記分析素
子の上記結合物質が固定化された側の表面に試料溶液を
接触させるステップ、上記分析素子に対し上記基板側か
ら励起光を照射するステップ、上記分析素子からの反射
光を検出するステップ、検出した反射光の強度に基づき
試料の定量的及び／又は定性的な分析を行うステップを
実行することができる。このように励起光を分析素子の
基板側から照射することで高精度の分析が可能になる。
なお、上記各ステップは、記載順に実行してもよく、同
時に実行してもよい。

【００１２】また、上記の第１の製造方法とは別に、本
発明の分析素子の第２の製造方法は、基板上に金属膜を
積層するステップと、上記金属膜の表面を加工して回折
格子を形成するステップとを備えたことを特徴としてい
る。この製造方法によっても金属膜の表面に蒸着やスパ
ッタリングによることなく回折格子が形成された分析素
子が製造される。また、上記の製造方法において、上記
金属膜の表面に樹脂等からなる表層膜を積層するステッ
プをさらに備えてもよい。このように表層に樹脂等から
なる表層膜を形成することで試料と接触する表面の性状
制御を容易にすることができるようになる。

【００１３】上記の製造方法に製造された分析素子は、
励起光の照射により上記回折格子において生じるエバネ
ッセント波と上記金属膜の表面に生じる表面プラズモン
波との共鳴現象（表面プラズモン共鳴）を利用して試料
の定量的及び／又は定性的な分析を行うためのＳＰＲ用
分析素子として用いられる。

【００１４】そして、この分析素子を試料の定量的及び
／又は定性的な分析に用いる場合には、上記金属膜の表
面に、或いは、表層に樹脂等からなる表層膜が積層され
ている場合には上記表層膜（この場合の表層膜は励起光
に対して透過性を有するものとする）の表面に、特定の
物質と特異的に結合しうる結合物質を固定化しておき、
上記分析素子の上記結合物質が固定化された側の表面に
試料を接触させるステップ、上記分析素子に対し上記結
合物質が固定化された側から励起光を照射するステッ
プ、上記分析素子からの反射光を検出するステップ、検
出した反射光の強度に基づき試料の定量的及び／又は定
性的な分析を行うステップを実行する。なお、これらの
各ステップは、記載順に実行してもよく、同時に実行し
てもよい。

【００１５】さらに、上記金属膜及び上記基板が励起光
に対して透過性を有する場合には、上記金属膜或いは上
記表層膜の表面に結合物質を固定化した後、上記分析素
子の上記結合物質が固定化された側の表面に試料溶液を
接触させるステップ、上記分析素子に対し上記基板側か
ら励起光を照射するステップ、上記分析素子からの反射
光を検出するステップ、検出した反射光の強度に基づき
試料の定量的及び／又は定性的な分析を行うステップを
実行することができる。このように励起光を分析素子の
基板側から照射することで高精度の分析が可能になる。
なお、上記各ステップは、記載順に実行してもよく、同
時に実行してもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。 （Ａ）第１実施形態 まず、図１〜図３を用いて本発明の第１実施形態につい
て説明する。図１は本実施形態にかかる分析素子の製造
方法を示す図である。本実施形態では、従来のように基
板に形成した凹凸形状の上に金属をスパッタリング等し
て回折格子を形成するのではなく、金属膜の表面を直接
加工して回折格子を形成することを特徴としている。

【００１７】具体的には、まず、図１（ａ）に示すよう
に基板２の表面に金属膜３を積層する。金属膜３の基板
２上への積層方法としては、基板２と金属膜３とが十分
に強く結合できる方法ならば、その方法に限定はない。
代表的には、蒸着，スパッタリング，めっき等により基
板２上に金属を塗布することによって金属膜３を積層し
ていく方法がある。その際の金属膜３の膜厚は、次の工
程でその表面に回折格子を形成できる限りは任意の厚さ
に設定することができる。また、金属膜３と基板２との
間にさらに何らかの別の物質を例えば接着性を向上させ
る等の目的で使用することは勿論可能である。この場合
は、その物質も本発明にかかる基板の一部としてみなす
ことができる。

【００１８】なお、基板２の材質は金属膜３を保持でき
る機械的強度が十分であるならばその材質に限定はな
い。例えば無機材料としてガラス，石英，シリコン，各
種金属等があり、有機材料としてはポリメタクリル酸メ
チル，ポリカーボネート，ポリスチレン等の樹脂が挙げ
られる。また、金属膜３の材質は表面プラズモン波を誘
起されうるものであればその種類に限定はない。例え
ば、金，銀，アルミニウム等を用いることができる。

【００１９】次に、図１（ｂ）に示すように金属膜３の
表面を加工して回折格子５を形成する。この場合の金属
膜３の加工には、射出成型（スタンプ），エッチング等
の種々の加工方法を用いることができる。なお、形成す
る回折格子５の形状は、励起光が回折現象を起こしてエ
バネッセント波を生じせしめることのできる形状であれ
ばその形状に限定はない。例えば図１（ｂ）に示すよう
な正弦波状の他、矩形波状や鋸歯状等の形状であっても
よい。

【００２０】上記の製造方法の具体的な実施例を挙げる
と次のようになる。まず、ポリカーボネートの平板
（基板）２にクロムを蒸着する。次に、クロムが蒸着
された基板２の表面に金を蒸着して金属膜３を積層す
る。そして、スタンプにより回折格子の形状を転写し
て金属膜３の表面に回折格子５を形成する。これによ
り、ポリカーボネートの基板２上に金からなる金属膜３
が積層され、その表面に回折格子５が形成された分析素
子１が製造される。

【００２１】このように、本実施形態にかかる製造方法
によれば、金属膜３の表面を加工して回折格子５を形成
し、回折格子５の形成時の操作から蒸着やスパッタリン
グによる要素を排除しているので、従来のように金属膜
の塗布後の形状を考慮して基板に凹凸を形成する必要が
なく、また、回折格子として最適な形状になるように金
属膜の塗布を厳密に制御する必要もない。つまり、本実
施形態にかかる製造方法によれば、回折格子５の構造制
御が容易になるという利点がある。

【００２２】なお、以上の方法によって製造された分析
素子１の構造によれば、分析素子１に対しその金属膜３
側から照射された励起光は金属膜３の表面に形成された
回折格子５の回折作用によってエバネッセント波を生じ
せしめる。このエバネッセント波が金属膜３に作用する
ことにより金属膜３の表面に表面プラズモン波が発生
し、特定の波長及び入射角の励起光が照射されたときに
エバネッセント波と表面プラズモン波とが共鳴して表面
プラズモン共鳴（ＳＰＲ）が起きる。このような作用に
より、分析素子１は、表面プラズモン共鳴センサチップ
（ＳＰＲ用分析素子）として用いることができる。

【００２３】次に、上記の製造方法によって製造された
分析素子１の使用方法について説明する。分析素子１を
被分析物の分析に用いる際には、まず、図２に示すよう
に金属膜３の表面に抗体６を固定化する。この抗体６は
特定の物質（抗原）と特異的に結合しうる性質を備えた
結合物質であり、分析すべき被分析物に応じた抗体６が
選択される。抗体６の金属膜３への固定は例えばチオー
ル基とカルボン酸とを有する物質をまず金属膜３の表面
に吸着させ、そのカルボン酸をカルボジイミドなどで活
性化し、そこに抗体６をアミノ酸を介して結合させるこ
とにより行うことができる。なお、抗体６を固定化する
前に、金属膜３の表面に保護膜や活性化膜等の何らかの
コーティングを行うことにより、金属膜３の表面に何ら
かの機能を保有させるようにしてもよい。

【００２４】そして、このように抗体６が固定化された
分析素子１を図３に示す構成の分析装置１０にセットし
て分析を行う。この分析装置１０は分析素子１を固定す
るためのホルダ１１，光源１２，ＣＣＤカメラ１３及び
分析部１４から主に構成されている。ホルダ１１には被
分析物１６を含む試料溶液が通過する流路１１ａが形成
されている。分析素子１はその金属膜３側の表面が流路
１１ａを流れる試料に接するように配置されて固定され
る。

【００２５】光源１２は分析素子１に金属膜３側から励
起光を照射するように分析素子１に対して流路１１ａを
挟んで配置されている。なお、光源１２から照射される
励起光は単色光でもよく或いは白色光等の多成分の光で
もよく、また、コヒーレントな光でもコヒーレントな光
でなくともよい。光源１２の分析素子１に対する励起光
の入射角度は一定でもよく可変でもよい。また、図３で
は一つの光源１２のみを設けているが複数の光源を設け
て同時に異なる角度から入射できるようにしてもよい。

【００２６】ＣＣＤカメラ１３は分析素子１からの反射
光を検出する検出器であり、光源１２同様に分析素子１
に対して流路１１ａを挟んで配置され励起光が回折して
生じる０次の回折光の方向に向けられている。したがっ
て、光源１２の入射角度が変わる場合にはＣＣＤカメラ
１３の分析素子１に対する角度もそれに合わせて変化す
るようになっている。

【００２７】なお、図中では省略しているが、光源１２
と分析素子１との間、または分析素子１とＣＣＤカメラ
１３との間には、光源１２からの励起光、或いは分析素
子１からの反射光を偏光するための偏光子を設置する
（好ましくは、光源１２と分析素子１との間に設置す
る）。この偏光子によって、励起光或いは反射光の反射
光の測定精度を向上させることができる。

【００２８】分析部１４はＣＣＤカメラ１３からの検出
情報を処理する装置である。具体的には、特定波長の光
の強度に関するデータの測定、光強度の波長に対する分
布に関するデータの測定、或いは、光強度の角度に対す
る分布に関するデータの測定等、ＣＣＤカメラ１３から
の検出情報に基づいた種々のデータ測定が可能である。
そして、これらの測定データに基づき表面プラズモン共
鳴による吸収が最大になる、すなわち反射光の強度が最
小になる励起光の入射角度或いは波長を算出する機能も
有している。また、分析部１４には既知の濃度の試料溶
液を測定して作成した検量線が記憶されている。この検
量線は濃度と共鳴波長及び共鳴角度との関係を記したも
のであり、表面プラズモン共鳴が起きた時の共鳴波長及
び共鳴角度をこの検量線に照らし合わせることで試料溶
液中の被分析物１６の濃度を測定できる。

【００２９】上記構成の分析装置１０を用いて試料の濃
度分析を行う場合、まず、分析素子１をホルダ１１にセ
ットして分析素子１の金属膜３表面を試料に接触させる
（ステップＡ１）。これにより金属膜３表面に固定され
た抗体６に試料溶液中の被分析物１６が特異的に結合す
る。そして、抗体６に結合した被分析物１６の物質量に
応じて金属膜３表面近傍の媒質の屈折率が変化し、金属
膜３表面における表面プラズモン波の共鳴条件が変化す
る。

【００３０】次に、光源１２から金属膜３表面に向けて
励起光を照射する（ステップＡ２）。照射された励起光
はホルダ１１の流路１１ａを通って金属膜３表面に達
し、金属膜３表面に形成された回折格子５において回折
光を生じさせる。このうち０次の回折光（反射光）をＣ
ＣＤカメラ１３によって検出する（ステップＡ３）。光
源１２から照射する励起光が単色光、すなわち単一波長
の光の場合、光源１２を移動させて励起光の分析素子１
に対する入射角度を変化させていく。ＣＣＤカメラ１３
で検出される反射光の強度は励起光の入射角度に応じて
変化し、ある入射角度において最小になる。この反射光
の強度が最小となる入射角度を分析部１４において測定
し、測定した角度と励起光の波長とを検量線に対応させ
て試料溶液中の被分析物の濃度を算出する（ステップＡ
４−１）。

【００３１】一方、光源１２から照射する励起光が白色
光の場合は励起光の分析素子１に対する入射角度は一定
にする。この場合、分析素子１からの反射光には多成分
の光が含まれる。この反射光を分光器（図示略）で波長
毎に分光し、これをＣＣＤカメラ１３で検出する。ＣＣ
Ｄカメラ１３で検出される反射光の強度は各成分の波長
毎に異なる。このうち強度が最小である成分の波長を分
析部１４において測定し、測定した波長と入射角度とを
検量線に対応させて、試料溶液中の被分析物の濃度を算
出する（ステップＡ４−２）。

【００３２】なお、本実施形態にかかる分析素子１のよ
うな表面プラズモン共鳴センサチップ（ＳＰＲ用分析素
子）を用いて分析を行う場合、各ステップＡ１〜Ａ３，
及びＡ４−１或いはＡ４−２を上述のように順に実行す
る他に同時に実行することも可能である。各ステップを
同時実行する場合には、試料中の被分析物が抗体６に結
合していく様子をリアルタイムでモニタすることができ
る。

【００３３】（Ｂ）第２実施形態 次に、図４，図５を用いて本発明の第２実施形態につい
て説明する。図４は本実施形態にかかる分析素子の製造
方法を示す図である。本実施形態では、予め型に回折格
子の形状を形成しておき、その上に金属膜を積層するこ
とで金属膜の表面に回折格子を形成することを特徴とし
ている。

【００３４】具体的には、まず、図４（ａ）に示すよう
に支持板２８上に型としての膜（表層膜）２４を積層す
る。この表層膜２４の材質としては、励起光に対して透
過性を有するとともに、後の工程で積層する金属との接
着性が高く、且つ後述する抗体を固定化しやすい材質、
例えば樹脂が好ましいが、少なくとも励起光に対して透
過性を有していればよい。また、表層膜２４の膜厚は、
少なくとも次工程で回折格子を形成できる程度の厚さに
設定する。

【００３５】そして、図４（ｂ）に示すように型として
の表層膜２４に回折格子２５を形成する。表層膜２４へ
の回折格子２５の形成方法としては、射出成型，レーザ
加工，ＵＶ硬化等の種々の加工方法を用いることができ
る。なお、形成する回折格子２５の形状は、励起光が回
折現象を起こしてエバネッセント波を生じせしめること
のできる形状であれば第１実施形態と同様に限定はな
い。

【００３６】次に、図４（ｃ）に示すように回折格子２
５が形成された表層膜２４上に金属膜２３を積層する。
金属膜２３の材質は表面プラズモン波を誘起されうるも
のであればその種類に限定はなく、例えば金，銀，アル
ミニウム等を用いることができる。金属膜２３の表層膜
２４上への積層方法としては、表層膜２４と金属膜２３
とが十分に強く結合できる方法ならば、その方法に限定
はない。代表的には、蒸着，スパッタリング，めっき等
により表層膜２４上に金属を塗布することによって金属
膜２３を積層していく方法がある。なお、図４（ｃ）中
では、次工程で基板２２を積層しやすいように金属膜２
３の裏面（回折格子２５が形成されていない側の面）を
平面状に整形しているが、必ずしもこのような形状に整
形する必要はなく、回折格子２５の形状がそのまま裏面
に現れていてもよい。

【００３７】次に、図４（ｄ）に示すように金属膜２３
上に基板２２を積層する。基板２２の材質は分析素子の
機械的強度を確保できる限りその材質に限定はない。無
機材料としてガラス，石英，シリコン，各種金属等、有
機材料としてはポリメタクリル酸メチル，ポリカーボネ
ート，ポリスチレン等の樹脂が挙げられる。また、金属
膜２３への基板２２の積層方法は、基板２２と金属膜２
３とが十分に強く結合でき機械的強度を確保できる方法
ならばその方法に限定はない。代表的には樹脂の溶液を
スピンコートする方法等が挙げられる。なお、金属膜２
３と基板２２との間にさらに何らかの別の物質を例えば
接着性を向上させる等の目的で使用することは勿論可能
である。この場合は、その物質も本発明にかかる基板の
一部としてみなすことができる。

【００３８】最後に、図４（ｅ）に示すように表層膜２
４を支えている支持板２８を除去する。支持板２８の素
材とその除去方法は表層膜２４，金属膜２３及び基板２
２を損なわない限りは任意の素材や除去方法を適用する
ことができる。例えば樹脂でつくった支持板２８を溶剤
で除去するようにしてもよい。上記の製造方法の具体的
な実施例を挙げると次のようになる。

【００３９】まず、ＡＢＳ樹脂（支持板）２８にポリ
プロピレンをスピンコートして表層膜２４を形成する。
そして、その表面に射出成型により回折格子２５を形
成する。次に、回折格子２５が形成された表層膜２４
の表面にクロムを蒸着し、その上に金を蒸着して金属
膜２３を積層する。さらに、金属膜２３上にポリプロ
ピレンをスピンコートして基板２２を積層する。そして
最後に、ＡＢＳ樹脂の支持板２８をアセトンで除去す
る。これにより、ポリプロピレンの基板２２上に金から
なる金属膜２３とポリプロピレンからなる表層膜２４が
積層され、金属膜２３と表層膜２４との境界面に回折格
子２５が形成された分析素子２１が製造される。

【００４０】このように、本実施形態にかかる製造方法
によれば、型（表層膜）２４に形成された回折格子２５
の形状を金属膜２３の表面に転写することによって、回
折格子２５の形成時の操作から蒸着やスパッタリングに
よる要素を排除しているので、従来のように金属膜の塗
布後の形状を考慮して基板に凹凸を形成する必要がな
く、また、回折格子として最適な形状になるように金属
膜の塗布を厳密に制御する必要もない。つまり、本実施
形態にかかる製造方法によれば、回折格子２５の構造制
御が容易になるという利点がある。

【００４１】なお、以上の方法によって製造された分析
素子２１の構造によれば、分析素子１に対しその表層膜
２４側から照射された励起光は金属膜２３の表面（金属
膜２３と表層膜２４との境界面）に形成された回折格子
２５の回折作用によってエバネッセント波を生じせしめ
る。このエバネッセント波が金属膜２３に作用すること
により金属膜２３の表面に表面プラズモン波が発生し、
特定の波長及び入射角の励起光が照射されたときにエバ
ネッセント波と表面プラズモン波とが共鳴して表面プラ
ズモン共鳴が起きる。このような作用により、分析素子
２１は、表面プラズモン共鳴センサチップ（ＳＰＲ用分
析素子）として用いることができる。

【００４２】次に、上記の製造方法によって製造された
分析素子２１の使用方法について説明する。分析素子２
１を被分析物の分析に用いる際には、まず、図５に示す
ように表層膜２４の表面に抗体２６を固定化する。抗体
２６の表層膜２４への固定は例えば物理吸着等により行
うことができる。本実施形態にかかる分析素子２１によ
れば、金属膜２３の上に表層膜２４を備えることによっ
て試料と接触する表面が表面プラズモン波を有効に誘起
しうる金属に限定されないので、表面性状の制御に適し
た材質を広く選択することができる。なお、抗体２６を
固定化する前に、表層膜２４の表面に保護膜や活性化膜
等の何らかのコーティングを行うことにより、表層膜２
４の表面に何らかの機能を保有させるようにしてもよ
い。

【００４３】そして、本実施形態では上記のように抗体
２６が固定化された分析素子２１を第１実施形態と同構
成の分析装置（図３参照）にセットして分析を行う。こ
こでは第１実施形態の分析装置１０を用いて分析を行う
ものとし、図３を参照しながら本実施形態にかかる分析
素子２１を用いた試料の分析方法について説明する。ま
ず、図３に示す分析装置１０のホルダ１１に分析素子２
１をセットして分析素子２１の表層膜２４表面を試料に
接触させる（ステップＢ１）。これにより表層膜２４表
面に固定された抗体２６に試料溶液中の被分析物１６が
特異的に結合する。そして、抗体２６に結合した被分析
物１６の物質量に応じて金属膜２３表面近傍の媒質の屈
折率が変化し、金属膜２３表面における表面プラズモン
波の共鳴条件が変化する。

【００４４】次に、光源１２から表層膜２４表面に向け
て励起光を照射する（ステップＢ２）。照射された励起
光はホルダ１１の流路１１ａを通って表層膜２４に達
し、さらに表層膜２４を通って金属膜２３の表面（表層
膜２４と金属膜２３との境界面）に形成された回折格子
２５において回折光を生じさせる。このうち０次の回折
光（反射光）をＣＣＤカメラ１３によって検出する（ス
テップＢ３）。そして、ＣＣＤカメラ１３からの検出情
報に基づき、第１実施形態と同様の方法により試料溶液
中の被分析物の濃度を算出する（ステップＢ４）。な
お、本実施形態でも、各ステップＢ１〜Ｂ４は上述のよ
うに順に実行する他に同時に実行することも可能であ
る。

【００４５】（Ｃ）第３実施形態 次に、図６〜図８を用いて本発明の第２実施形態につい
て説明する。図６は本実施形態にかかる分析素子の製造
方法を示す図である。本実施形態では、第２実施形態と
同様に予め型に回折格子の形状を形成しておき、その上
に金属膜を積層することで金属膜の表面に回折格子を形
成することを特徴としている。

【００４６】具体的には、まず、図６（ａ）に示すよう
に支持板３８上に型としての膜（表層膜）３４を積層す
る。この表層膜３４の材質としては、後の工程で積層す
る金属との接着性が高く、且つ後述する抗体を固定化し
やすい材質、例えば樹脂が好ましいが、必ずしもそれに
限定されるものではない。表層膜３４の膜厚は、少なく
とも次工程で回折格子を形成できる程度の厚さに設定す
る。

【００４７】そして、図６（ｂ）に示すように型として
の表層膜３４に回折格子３５を形成する。表層膜３４へ
の回折格子３５の形成方法としては、射出成型，レーザ
加工，ＵＶ硬化等の種々の加工方法を用いることができ
る。なお、形成する回折格子３５の形状は、励起光が回
折現象を起こしてエバネッセント波を生じせしめること
のできる形状であれば第１実施形態と同様に限定はな
い。

【００４８】次に、図６（ｃ）に示すように回折格子３
５が形成された表層膜３４上に金属膜３３を積層する。
金属膜３３の材質は表面プラズモン波を誘起されうるも
のであればその種類に限定はなく、例えば金，銀，アル
ミニウム等を用いることができる。金属膜３３の表層膜
３４上への積層方法としては、蒸着，スパッタリング，
めっき等が挙げられる。なお、本実施形態では、金属膜
３３の裏面側（回折格子３５が形成されていない側の
面）から回折格子３５が形成されている面へ励起光が届
くようにする必要があるので、金属膜３３の膜厚は励起
光に対して透過性を確保できる程度の薄さとする。した
がって、回折格子３５の形状がそのまま金属膜３３の裏
面に現れていてもよい。回折格子３５の構造制御は金属
膜３３と表層膜３４との境界面で行われるので従来のよ
うに金属膜の厳密な制御は必要なく、このように極めて
自由な形状を採用することができる。このことは第２実
施形態についても同様である。

【００４９】次に、図６（ｄ）に示すように金属膜３３
上に基板３２を積層する。基板３２の材質は励起光に対
して透過性を有し（好ましくは十分に透明であり）、且
つ、分析素子の機械的強度を確保できる限りその材質に
限定はない。無機材料としてガラス，石英，シリコン
等、有機材料としてはポリメタクリル酸メチル，ポリカ
ーボネート，ポリスチレン等の樹脂が挙げられる。ま
た、金属膜３３への基板３２の積層方法は、基板３２と
金属膜３３とが十分に強く結合でき機械的強度を確保で
きる方法ならばその方法に限定はない。なお、本実施形
態でも金属膜３３と基板３２との間にさらに何らかの別
の物質を例えば接着性を向上させる等の目的で使用可能
である。最後に、図６（ｅ）に示すように表層膜３４を
支えている支持板３８を除去する。支持板３８の素材と
その除去方法については第２実施形態と同様である。

【００５０】このように、本実施形態にかかる製造方法
によれば、型（表層膜）３４に形成された回折格子３５
の形状を金属膜３３の表面に転写することによって、回
折格子３５の形成時の操作から蒸着やスパッタリングに
よる要素を排除しているので、従来のように金属膜の塗
布後の形状を考慮して基板に凹凸を形成する必要がな
く、また、回折格子として最適な形状になるように金属
膜の塗布を厳密に制御する必要もない。つまり、本実施
形態にかかる製造方法によれば、回折格子３５の構造制
御が容易になるという利点がある。

【００５１】なお、以上の方法によって製造された分析
素子３１の構造によれば、分析素子３１に対しその基板
３２側から励起光が照射されると励起光は基板３２及び
金属膜３３を通過して金属膜３３の表面（金属膜３３と
表層膜３４との境界面）に達し、金属膜３３の表面に形
成された回折格子３５で回折する。この回折現象により
生じたエバネッセント波が金属膜３３に作用することに
より金属膜３３の表面に表面プラズモン波が発生し、特
定の波長及び入射角の励起光が照射されたときにエバネ
ッセント波と表面プラズモン波とが共鳴し、表面プラズ
モン共鳴が起きる。このような作用により、分析素子３
１は、表面プラズモン共鳴センサチップ（ＳＰＲ用分析
素子）として用いることができる。

【００５２】次に、上記の製造方法によって製造された
分析素子３１の使用方法について説明する。分析素子３
１を被分析物の分析に用いる際には、まず、図７に示す
ように表層膜３４の表面に抗体３６を固定化する。抗体
３６の表層膜３４への固定は例えば物理吸着等により行
うことができる。本実施形態にかかる分析素子３１も第
２実施形態と同様に試料と接触する表面が表面プラズモ
ン波を有効に誘起しうる金属に限定されないので、第２
実施形態と同様、表面性状の制御に適した材質を広く選
択することができる。なお、抗体３６を固定化する前
に、表層膜３４の表面に保護膜や活性化膜等の何らかの
コーティングを行うことにより、表層膜３４の表面に何
らかの機能を保有させるようにしてもよい。

【００５３】そして、本実施形態では上記のように抗体
３６が固定化された分析素子３１を図８に示す構成の分
析装置２０にセットして分析を行う。この分析装置２０
は第１実施形態と同様に分析素子３１を固定するための
ホルダ１１，光源１２，ＣＣＤカメラ１３及び分析部１
４から主に構成されている。各構成機器１１〜１４の機
能は第１実施形態と同様であるが、本実施形態では、分
析素子３１に基板３２側から励起光を照射してその反射
光を検出するように、分析素子３１に対し流路１１ａと
反対側に光源１２とＣＣＤカメラ１３を配置したことを
特徴としている。

【００５４】上記構成の分析装置２０を用いて試料の濃
度分析を行う場合、まず、分析素子３１をホルダ１１に
セットして分析素子３１の表層膜３４表面を試料に接触
させる（ステップＣ１）。これにより表層膜３４表面に
固定された抗体３６に試料溶液中の被分析物１６が特異
的に結合する。そして、抗体３６に結合した被分析物１
６の物質量に応じて表層膜３４表面近傍の媒質の屈折率
が変化し、表層膜３４表面における表面プラズモン波の
共鳴条件が変化する。

【００５５】次に、光源１２から基板３２表面（分析素
子３１の裏面）に向けて励起光を照射する（ステップＣ
２）。照射された励起光は基板３２及び金属膜３３を通
過して金属膜３３と表層膜３４の境界面に達し、この境
界面に形成された回折格子３５において回折光を生じさ
せる。このうち０次の回折光（反射光）をＣＣＤカメラ
１３によって検出する（ステップＣ３）。そして、ＣＣ
Ｄカメラ１３からの検出情報に基づき、第１実施形態と
同様の方法により試料溶液中の被分析物の濃度を算出す
る（ステップＣ４）。なお、本実施形態でも、各ステッ
プＣ１〜Ｃ４は上述のように順に実行する他に同時に実
行することも可能である。

【００５６】このように本実施形態では励起光は分析素
子３１に対し基板３２側から照射される。従来の分析素
子や第１〜第２実施形態では、抗体が不透明である場合
や抗体を金属に結合させるための固定化剤が不透明であ
る場合、或いは試料溶液が励起光付近に散乱や吸収を有
する物質の溶液である場合には得られる反射光の減少に
より正確な表面プラズモン共鳴の測定が難しいが、本実
施形態のように基板３２側から励起光を照射する場合に
はそのような不具合はない。つまり、本実施形態にかか
る分析素子３１を用いた分析方法によれば、抗体や試料
溶液の性状の影響を受けることなく常に正確な分析が可
能になるという利点がある。

【００５７】（Ｄ）その他 以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明
は上述の実施の形態に限定されるものではなく本発明の
趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することがで
きる。例えば、第１実施形態では励起光を金属膜３側か
ら照射しているが、基板２を励起光に対して透過性のあ
る材質にするとともに、金属膜３の膜厚を励起光に対し
て透過性を確保できる程度の薄さにして、第３実施形態
のように基板２側から励起光を照射するようにしてもよ
い。

【００５８】また、第１実施形態にかかる分析素子にお
いて金属膜３の表面にさらに樹脂等からなる表層膜を積
層し、この表層膜の表面に抗体を固定するようにしても
よい。また、第１実施形態にかかる分析素子において基
板２の上に金属膜３を積層するのではなく、図９に示す
分析素子１′のように金属膜３の膜厚を厚くして金属膜
３自体に機械的強度を持たせるようにしてもよい。この
場合も第１実施形態と同様の方法で回折格子５を形成す
ることができる。

【００５９】さらに、第２，第３実施形態では回折格子
２５，３５を予め形成しておく型をそのまま分析素子の
表層膜として用いているが、基板２２，３２の形成後に
型から金属膜２３，３３の表面を取り外して基板２２，
３２と金属膜２３，３３とからなる分析素子として用い
ることも勿論可能である。

【００６０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の分析素子
の製造方法（第１の製造方法）によれば、予め型に回折
格子の形状を形成しておき、その上に金属膜を積層する
ことによって金属膜の表面に回折格子を形成するので、
回折格子の形成時の操作から蒸着やスパッタリングによ
る要素を排除することができ、回折格子の構造制御が容
易になるという利点がある。特に、上記型をそのまま分
析素子の表層を形成する表層膜として用いる場合には、
表面性状の制御に適した材質を広く選択することがで
き、試料と接触する表面の性状制御が容易になるという
利点がある。

【００６１】また、本発明の分析素子の製造方法（第２
の製造方法）によれば、金属膜の表面を直接加工して回
折格子を形成するので、回折格子の形成時の操作から蒸
着やスパッタリングによる要素を排除することができ、
回折格子の構造制御が容易になるという利点がある。さ
らに、上記の各製造方法において製造される分析素子を
ＳＰＲ用分析素子として構成する場合において、基板及
び金属板を励起光に対して透過性を有するものにして、
その基板側から励起光を照射して試料の分析を行う場合
には、表面プラズモン共鳴の測定に表面の結合物質や試
料の性状の影響を受けることなく、常に正確な分析が可
能になるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる分析素子の製造
方法を示す図であり、（ａ），（ｂ）の順に製造手順を
示している。

【図２】第１実施形態にかかる製造方法により製造され
た分析素子に抗体を固定化した状態を示す模式的断面図
である。

【図３】本発明の第１実施形態にかかる分析装置の構成
を示す模式図である。

【図４】本発明の第２実施形態にかかる分析素子の製造
方法を示す図であり、（ａ）〜（ｅ）の順に製造手順を
示している。

【図５】第２実施形態にかかる製造方法により製造され
た分析素子に抗体を固定化した状態を示す模式的断面図
である。

【図６】本発明の第３実施形態にかかる分析素子の製造
方法を示す図であり、（ａ）〜（ｅ）の順に製造手順を
示している。

【図７】第３実施形態にかかる製造方法により製造され
た分析素子に抗体を固定化した状態を示す模式的断面図
である。

【図８】本発明の第３実施形態にかかる分析装置の構成
を示す模式図である。

【図９】本発明の第１実施形態にかかる分析素子の変形
例を示す模式的断面図である。

【図１０】従来の分析素子の構成を示す模式的断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 分析素子（ＳＰＲ用分析素子） ２ 基板 ３ 金属膜 ４ 表層膜 ５ 回折格子 ６ 抗体（結合物質） ２８ 支持板 １０，２０ 分析装置 １１ ホルダ（固定手段） １２ 光源 １３ ＣＣＤカメラ（検出手段） １４ 分析部（分析手段） ２１，３１ 分析素子（ＳＰＲ用分析素子） ２２，３２ 基板 ２３，３３ 金属膜 ２４，３４ 表層膜 ２５，３５ 回折格子 ２６，３６ 抗体（結合物質） ２８ 支持板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大平落 嘉寛 神奈川県横浜市青葉区鴨志田町1000番地 三菱化学株式会社内 Ｆターム(参考） 2G059 BB04 BB12 EE02 GG01 GG03 GG04 HH02 JJ19 KK04

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 型に回折格子を形成するステップと、 上記型の上記回折格子が形成された側の面に金属膜を積
   層するステップと、 上記金属膜上に基板を積層するステップとを備えたこと
   を特徴とする、分析素子の製造方法。
2. 【請求項２】 上記型が分析素子の表層を形成する表層
   膜であることを特徴とする、請求項１記載の分析素子の
   製造方法。
3. 【請求項３】 基板上に金属膜を積層するステップと、 上記金属膜の表面を加工して回折格子を形成するステッ
   プとを備えたことを特徴とする、分析素子の製造方法。
4. 【請求項４】 上記金属膜の表面に表層を形成する表層
   膜を積層するステップをさらに備えたことを特徴とす
   る、請求項３記載の分析素子の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１又は３記載の分析素子の製造方
   法により製造された分析素子であって、 励起光の照射により上記回折格子において生じるエバネ
   ッセント波と上記金属膜の表面に生じる表面プラズモン
   波との共鳴現象を利用して試料の定量的及び／又は定性
   的な分析を行うためのＳＰＲ用分析素子として構成され
   ていることを特徴とする、分析素子。
6. 【請求項６】 上記金属膜の表面に特定の物質と特異的
   に結合しうる結合物質が固定化されていることを特徴と
   する、請求項５記載の分析素子。
7. 【請求項７】 請求項２又は４記載の分析素子の製造方
   法により製造された分析素子であって、 励起光の照射により上記回折格子において生じるエバネ
   ッセント波と上記金属膜の表面に生じる表面プラズモン
   波との共鳴現象を利用して試料の定量的及び／又は定性
   的な分析を行うためのＳＰＲ用分析素子として構成され
   ていることを特徴とする、分析素子。
8. 【請求項８】 上記表層膜の表面に特定の物質と特異的
   に結合しうる結合物質が固定化されていることを特徴と
   する、請求項７記載の分析素子。
9. 【請求項９】 上記表層膜が励起光に対して透過性を有
   することを特徴とする、請求項８記載の分析素子。
10. 【請求項１０】 請求項６又は９記載の分析素子を用い
    て試料の定量的及び／又は定性的な分析を行う方法であ
    って、 上記分析素子の上記結合物質が固定化された側の表面に
    試料を接触させるステップと、 上記分析素子に対し上記結合物質が固定化された側から
    励起光を照射するステップと、 上記分析素子からの反射光を検出するステップと、 検出した反射光の強度に基づき試料の定量的及び／又は
    定性的な分析を行うステップとを備えたことを特徴とす
    る、分析方法。
11. 【請求項１１】 上記金属膜及び上記基板が励起光に対
    して透過性を有することを特徴とする、請求項６又は８
    記載の分析素子。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の分析素子を用いて試
    料の定量的及び／又は定性的な分析を行う方法であっ
    て、 上記分析素子の上記結合物質が固定化された側の表面に
    試料溶液を接触させるステップと、 上記分析素子に対し上記基板側から励起光を照射するス
    テップと、 上記分析素子からの反射光を検出するステップと、 検出した反射光の強度に基づき試料の定量的及び／又は
    定性的な分析を行うステップとを備えたことを特徴とす
    る、分析方法。