JP2003014622A - 表面プラズモン共鳴センサチップ及びそれを用いた試料の分析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回折格子型の表面プラズモン共鳴センサチッ
プに関し、測定点の面積を厳密に制御してばらつきのな
い均一なシグナルを得ることを可能にする。 【解決手段】 照射光を照射した時に表面プラズモン共
鳴現象が起きる共鳴領域６をセンサチップ１のセンサ面
１ａ内に部分的に形成しておき、この共鳴領域６を覆う
ように結合物質７をセンサ面１ａ上に塗布し、且つ、こ
の共鳴領域６の全体を照らすように照射光を照射するこ
とで、共鳴領域６の面積によって測定点の面積をコント
ロールする。

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センサチップ
（表面プラズモン共鳴センサチップ）の構造に関し、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
子を備えたセンサチップの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、生化学や医療検査等の分野におい
ては、化学種，生化学種又は生物種等の検出種を含む試
料流体の定量的及び／又は定性的な分析方法として、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は、金属層に光が入射し
た場合に金属表面に誘起される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
れる現象である。表面プラズモン共鳴は入射光の波長及
び角度に依存しており、表面プラズモン共鳴が励起され
たときには、特定の入射角又は特定の波長を有する光成
分の光エネルギーが表面プラズモン波へ移行することに
より、対応する入射角又は波長を有する反射光が減少す
るという特徴がある。

【０００３】表面プラズモン共鳴を起こすためには、特
定の表面プラズモン波を有する金属と、表面プラズモン
波と共鳴するエバネッセント波を誘起する光学構造とが
必要となる。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素子は一般に表面プラズモン
共鳴センサチップ（以下、単にセンサチップという）と
呼ばれている。

【０００４】通常、センサチップは基体に金属層を積層
した構造を有し、金属層上には、特定の検出種と相互作
用して特異的に結合する結合物質(リガンド、分子認識
素子)が塗布されて固定化される。このリガンドが固定
化された金属層の表面に試料を接触させることにより、
リガンドに試料中の検出種が捕捉される。表面プラズモ
ン共鳴は金属層の表面における媒質の屈折率にも依存し
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層の表面における
媒質の屈折率を分析することができる。この場合、金属
層の表面の媒質の屈折率の変化は、リガンドに捕捉され
る検出種の物質量、すなわち試料中の検出種の濃度の変
化に対応していることから、表面プラズモン共鳴が起き
る共鳴角或いは共鳴波長を調べることで、試料中の検出
種の濃度等を分析することができる。

【０００５】このようなセンサチップのうち、プリズム
型のセンサチップは、一般にセンサチップ本体(透明基
体上に金属層が積層されたもの)とプリズムとから構成
されている。センサチップは基本的には使い捨てである
が、プリズムは高価であるため、センサチップ本体だけ
でなくプリズムまでも使い捨てにすると測定コストが非
常に高くなってしまう。このため、この型のセンサチッ
プでは、一般にセンサチップ本体とプリズムが別で、使
用時にプリズムをセンサチップ本体に密着させてプリズ
ムに光を入射し、反射光を検出し測定するようになって
いる。

【０００６】このようにセンサチップ本体とプリズムと
が別の場合、使用時には、センサチップ本体とプリズム
との密着性を上げるためにマッチングオイルを間に挟ん
で密着させる場合が多い。しかし毎回同じ状態に密着さ
せるのは非常に困難で、測定の度に密着度合いのばらつ
きが大きく、したがって測定値のばらつきが大きいとい
う課題がある。この対策例として、特開２０００-１２
１５５１号公報に開示されているように補正用の標準液
を測定することでセンサチップ間の測定値のばらつきを
補正する方法が提案されている。しかしながら、この場
合、標準液を供給するための新たな送液系が必要にな
り、また、センサチップ本体も標準液の供給をうけるこ
とができるように特別な構造を必要とする。

【０００７】一方、回折格子型のセンサチップは、通
常、図１２に示すように表面に凹凸形状（グレーティン
グ）１０３を有する透明基体１０１上に金属層１０２を
積層された構造になっている。凹凸形状１０３上に金属
層１０２が積層されることで金属層１０２の表面にも凹
凸形状１０４が現れ、この金属層１０２の表面の凹凸形
状１０４が回折格子として機能する。この型のセンサチ
ップは、プリズム型のように高価なプリズムを使用しな
いため安価であり、使い捨てが可能である。また、プリ
ズム型のようにプリズムとセンサチップ本体を密着させ
る作業が不要のため、密着度合いのばらつきといった不
具合もなく測定値の再現性が良いという利点もある。

【０００８】また、プリズム型のセンサチップではプリ
ズムを入射光及び反射光の経路とするという構造上、ビ
ームの径やビームを照射できる領域に制約があるが、回
折格子型のセンサチップにはこのような制約はなく、大
径のビームを使用することができ、また任意の位置にビ
ームを照射することができる。したがって、回折格子型
によればプリズム型に比較して一度に大面積を検査する
ことができ、またセンサチップ上の任意の位置について
検査することができるという利点がある。

【０００９】今日では、分析処理の高速化のため、一つ
のセンサチップ上において多数の測定点(スポット)につ
いて測定を行う多項目測定が行われ、さらに、全スポッ
トについて同時に測定を行う多点同時測定が要望されて
いるが、このような要望に鑑みても、一度に大面積の検
査が可能であり、また、金属表面上の任意の位置につい
て検査が可能な回折格子型のセンサチップに対する期待
は今日ますます高まっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な多項目測定においては各スポットからのシグナルに基
づき各成分の分析が行われるが、従来のセンサチップ
（回折格子型のセンサチップ）はチップ全面からシグナ
ルを生じることが可能な構造であり、本来のスポット以
外の位置でも入射光が照射されればシグナルが生じる。
このため、反射光にバックグラウンドシグナルが含ま
れ、これが感度を低下させる可能性がある。

【００１１】バックグラウンドシグナルによる影響を防
止して、スポットからのシグナルだけを高感度に得られ
るようにする方法としては、スポットにだけ入射光を照
射する方法と、照射光は例えばチップ全面に当たるよう
な広い面積に照射して、反射光の検出時にソフトウェア
による処理によってスポットからのシグナルだけを抽出
する方法とが挙げられる。

【００１２】前者の場合、スポット毎のシグナルの均一
性を高めるには、一定面積(この場合、固定化面積≧照
射面積)にのみ入射光を照射するようにすればよい。光
源からの照射面積を一定にすることは比較的容易であ
る。しかしながら、この場合、照射面積以上の面積にリ
ガンドを固定化する必要から、それだけリガンドの塗布
量が増えてしまい測定コストが増加してしまう。また、
一つのスポットにおけるリガンドの面積が大きくなるの
で、一つのチップ上に形成できるスポットの総数が減少
してしまうという欠点もある。さらに、この場合は、全
スポットを順次測定することになるが、このような測定
方法では測定に時間がかかってしまい分析処理の高速化
の要求に十分にこたえることができない。

【００１３】一方、後者の方法は、いわゆる多点同時測
定による方法であるが、この方法によれば全スポットを
同時に測定できるので分析処理の高速化が可能であり、
また、例えばＣＣＤを検出器とする場合にはスポット毎
に画素数を揃えるという操作によってスポット毎のシグ
ナルの均一性を確保することができる。スポット毎に画
素数を揃えるためには、スポットの形状(面積等)自体の
均一性を高めることが重要であるが、これには一定面積
（この場合、照射面積≧固定化面積）にのみリガンドを
固定化するようにすればよい。

【００１４】しかしながら、回折格子型のセンサチップ
の検出原理を考慮すると金属層の表面（回折格子の表面
でもある）に傷をつけずにリガンドを固定化する必要が
あるが、このような制約のもとで既存の装置により一定
の面積でリガンドを固定化することは非常に難しい。こ
の場合には、いわゆるスポッターと呼ばれる分注機の中
でも非接触式の原理を有する装置が必要になり、このよ
うな装置としてはピエゾ素子などインクジェットプリン
ターの原理を応用した装置が知られているが、この装置
であっても高密度にリガンドを固定化する際には必要な
精度を得るには不十分であるか、或いは非常に高額な装
置でしか対応できない。つまり、通常、リガンドの固定
化面積にある程度のばらつきが生じることは避けられな
い。

【００１５】また、スポットよりも小さい面積の画素数
を用いることによってもスポット毎に画素数を揃えるこ
とも可能であるが、この場合には全スポットのうち最小
のスポットに画素数を合わせることになるため、一スポ
ットあたりの画素数が少なくなって測定精度が低下して
しまう可能性がある。また、この場合には、スポットの
位置（特にスポットの中心位置）を正確に検出する操作
も必要となるが、ＣＣＤの画像から全スポットの位置を
正確に検出することは難しい。

【００１６】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、測定点の面積を厳密に制御してばらつきのな
い均一なシグナルを得ることを可能にした、表面プラズ
モン共鳴センサチップ、及び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。

【００１７】

【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、照射光を照射した時に
表面プラズモン共鳴現象が起きる共鳴領域をセンサチッ
プのセンサ面内に部分的に形成しておき、この共鳴領域
を覆うように結合物質をセンサ面上に塗布し、且つ、こ
の共鳴領域の全体を照らすように照射光を照射すること
で、結合物質の塗布量によってではなく共鳴領域の面積
によって測定点の面積をコントロールすることができ、
ばらつきのない均一なシグナルを得ることができること
を見出し、本発明を完成した。

【００１８】すなわち、本発明の表面プラズモン共鳴セ
ンサチップ（第１のセンサチップ）は、回折格子型の表
面プラズモン共鳴センサチップにおいて、照射光の照射
により表面プラズモン波とエバネッセント波との共鳴現
象が生じうる共鳴領域が試料と接するセンサ面内に部分
的に形成されるとともに、試料中の検出種（化学種，生
化学種又は生物種等）と特異的に結合する結合物質（抗
原抗体反応、相補的ＤＮＡ結合、リセプター／リガンド
相互作用、酵素／基質相互作用等の相互作用によって検
出種を捕捉できる物質）が固定化された反応領域が共鳴
領域を覆うようにセンサ面上に設けられていることを特
徴としている。

【００１９】なお、共鳴領域は、表面プラズモン波を誘
起しうる金属層の近傍に照射光の照射によりエバネッセ
ント波を生じさせる回折格子を形成することで実現する
ことができ、特に、金属層が設けられた領域内に回折格
子を部分的に形成したり、逆に、回折格子が形成された
領域内に金属層を部分的に設けたりすることによって、
センサ面に対して部分的に形成することができる。ま
た、回折格子と金属層とが設けられた領域上にシール膜
を積層し、一部をシール膜から露出させることによって
その露出部分を共鳴領域としてもよい。好ましくはこの
ような共鳴領域をセンサ面内に複数個所設けるようにす
る。この場合、各共鳴領域の大きさ（形状）は均一に形
成するのがより好ましい。

【００２０】そして、この第１のセンサチップを用いて
試料の定量的及び／又は定性的な分析を行うには、セン
サ面に試料を接触させるステップ、共鳴領域の全体を照
らすように照射光を照射するステップ、センサチップか
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
テップを実行すればよい。これにより、結合物質の塗布
量によってではなく共鳴領域の面積によって測定点の面
積をコントロールすることが可能になり、ばらつきのな
い均一なシグナルを得ることが可能になる。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、試料中の検出種が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。

【００２１】特に、共鳴領域をセンサ面に沿って複数個
所設けたセンサチップを用いて試料の定量的及び／又は
定性的な分析を行う場合には、センサ面に試料を接触さ
せるステップ、複数の共鳴領域の全体を照らすように照
射光を照射するステップ、センサチップからの反射光を
検出するステップ、検出した反射光から各共鳴領域から
の反射光を抽出するステップ、抽出した各共鳴領域から
の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により、多点同時
測定が可能になる。なお、この場合も各ステップは記載
順に実行してもよく、同時に実行してもよい。

【００２２】また、特に、基体に形成された凹凸形状に
沿って表面プラズモン波を誘起しうる金属層が積層され
ることにより、照射光の照射によりエバネッセント波を
生じさせる回折格子が金属層の表面に現されるととも
に、金属層が積層された側の表面が試料と接するセンサ
面として機能しうるような構造の表面プラズモン共鳴セ
ンサチップについては、以下に示す第２〜第４のセンサ
チップのように構成することによって、多点同時測定用
のセンサチップとして使用することが可能になる。

【００２３】まず、第２のセンサチップは、凹凸形状が
基体の表面に複数個所部分的に形成されるとともに、こ
れら複数の凹凸形状を覆うように金属層が基体の表面に
積層されることにより、表面プラズモン波とエバネッセ
ント波との共鳴現象が生じうる共鳴領域がセンサ面内に
複数個所形成されていることを特徴としたものである。
凹凸形状を部分的に形成することは現在の微細加工技術
によれば容易であり、金属層は少なくとも凹凸形状を覆
うように積層すればよくスパッタリングや蒸着により基
体の表面全面に積層してもよいので、このような構成の
センサチップであれば、極めて容易に製作することがで
きる。また、凹凸形状の形成領域に金属層の積層領域を
一致させれば、共鳴領域以外の領域からの反射光を抑制
してノイズを低減することもできる。

【００２４】第３のセンサチップは、凹凸形状が基体の
表面全面或いは基体の一部表面に形成されるとともに、
この凹凸形状が形成された領域内に金属層が複数個所部
分的に積層されることにより、表面プラズモン波とエバ
ネッセント波との共鳴現象が生じうる共鳴領域がセンサ
面内に複数個所形成されていることを特徴としたもので
ある。金属層が形成されていない領域からは光が反射さ
れないので、このような構成のセンサチップであれば、
共鳴領域からのみシグナルを得ることができノイズを容
易に低減することができる。なお、この場合、マスク等
を用いて部分的に金属層を積層するようにしてもよく、
基体の表面全面にスパッタリングや蒸着によって金属を
積層した後に共鳴領域以外の場所の金属層を剥離するよ
うにしてもよい。

【００２５】そして、第４のセンサチップは、金属層上
にシール膜が積層されるとともに、金属膜の表面がシー
ル膜から露出する露出部分が複数個所形成され、少なく
とも露出部分に対応する基体の表面に凹凸形状が形成さ
れることにより、表面プラズモン波とエバネッセント波
との共鳴現象が生じうる共鳴領域がセンサ面内に複数個
所形成されていることを特徴としたものである。このよ
うな構成のセンサチップであれば、金属層上にシール膜
を貼り付けるだけで従来の一般的な回折格子型のセンサ
チップをそのまま流用することができ、極めて容易に且
つ低コストで実現することができる。

【００２６】これらのセンサチップを用いて試料の定量
的及び／又は定性的な分析を行う場合には、複数の共鳴
領域のそれぞれを覆うように試料中の検出種と特異的に
結合する結合物質をセンサ面に固定化しておき、センサ
面に試料を接触させるステップ、複数の共鳴領域の全体
を照らすように照射光を照射するステップ、センサチッ
プからの反射光を検出するステップ、検出した反射光か
ら各共鳴領域からの反射光を抽出するステップ、及び抽
出した各共鳴領域からの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れ
ばよい。これにより、高精度での多点同時測定が可能に
なる。この場合も、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。

【００２７】なお、回折格子型とは異なるプリズム型の
センサチップにおいて、以前、ＬＥＤランプの像よりも
金属層の形成領域を小さくすることで、コヒーレントで
ない光での測定精度を上げようとする試みがあった（特
開平９−２５７６９７号公報）。これに対して本発明
は、回折格子型のセンサチップにおいて試料中の検出種
と特異的に結合する結合物質を固定化する反応領域より
表面プラズモン共鳴が起きる共鳴領域を小さくすること
で、測定精度を向上させるとともに、多点同時測定も可
能にするという全く新しい効果を得るものである。

【００２８】

【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５を用いて本発明の第１実施形態につい
て説明する。図１に示すように本実施形態にかかるセン
サチップ（表面プラズモン共鳴センサチップ）１は、そ
の表面（センサ面）１ａを金属層３により被覆され、金
属層３上の複数箇所に回折格子５が部分的に形成されて
いる。本実施形態では、この回折格子５が部分的に形成
されている各領域が多点同時測定による分析時の測定点
（スポット）６となる。

【００２９】この構造によれば、照射光がセンサチップ
１のセンサ面１ａに照射されると、照射光はセンサ面１
ａ上の回折格子５が形成された各個所において回折し、
この回折現象によりエバネッセント波が生じる。また、
照射光が金属層３に作用することにより金属層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、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）が
起きる。すなわち、このセンサチップ１では、金属層３
上に回折格子５が部分的に形成されている各領域、すな
わち各スポット６がそれぞれ共鳴領域となっている。

【００３０】このセンサチップ１は、図２（ａ）に示す
基体２の表面に、まず、図２（ｂ）に示すようにレーザ
加工等により複数箇所に部分的に凹凸形状４を形成し、
次いで、図２（ｃ）に示すように基体２の表面全面にス
パッタリングや蒸着により金属層３を積層することで製
造することができる。凹凸形状４上に金属層３が積層さ
れることで金属層３の表面にも凹凸形状が現れ、この金
属層３の表面の凹凸形状が回折格子５として機能する。
なお、金属層３の厚みが小さい場合には、照射光が金属
層３を透過して基体２の表面に達し、照射光が基体２表
面の凹凸形状４により回折する場合もある。この場合は
凹凸形状４も回折格子として機能することになる。

【００３１】基体２の材質は、表面に凹凸形状４を形成
することができ、金属層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。凹凸形状４の形
成しやすさからは樹脂が好ましく、アクリル樹脂(ポリ
メタクリル酸メチルなど)、ポリエステル樹脂(ポリカー
ボネートなど)などが好適な材質として挙げられる。基
体２に形成する凹凸形状４は、金属層３を積層したとき
にその表面に所望の回折格子５が得られるように金属層
３の厚み等を考慮して形成する。形成方法としては、上
述のレーザ加工等の他、射出成型によって基体２ととも
に成型してもよい。凹凸形状４としては、矩形波形状，
正弦波形状，鋸歯状形状などがあり得るが、好ましくは
回折格子５の溝深さ(頂から谷底まで)が１０〜２００ｎ
ｍ（より好ましくは３０〜１２０ｎｍ）、ピッチ(周
期：凹凸の凸から隣接する凸までの距離)が４００〜１
２００ｎｍ(照射光の波長と関係する)となるような周期
的な凹凸形状とする。

【００３２】金属層３は、表面プラズモン波を誘起しう
るものであればその材質に限定はない。例えば、金，
銀，銅，アルミニウムやこれらを含む合金等、或いは
銀，銅，アルミニウムの酸化物等を用いることができ
る。感度や安価な点では銀が好ましいが、安定性の面で
は金が好ましい。なお、金属層３の厚みは、好ましくは
２０〜３００ｎｍとし、より好ましくは３０〜１６０ｎ
ｍとする。

【００３３】凹凸形状４が形成された各領域の形状、す
なわちスポット６の形状は、図１，図２に示すような矩
形の他、円形，多角形，楕円形等、種々の形状を選択す
ることができるが、スポット６間には形状及び大きさに
差がなく、均一なものであることが好ましい。面積に換
算した場合には、ばらつきが±１０％、好ましくは±２
％以内に収まるようにするのが好ましい。また、スポッ
ト６が大きすぎると後述するリガンドが均一に塗布しに
くく、且つ１チップ上に多くのスポットが形成できず集
積化ができないので、円形なら直径を５ｍｍ以下とする
のが好ましく、より好ましくは３ｍｍ以下とする。矩形
なら短辺を５ｍｍ以下とするのが好ましく、より好まし
くは３ｍｍ以下とする。逆にスポット６をあまり小さく
すると、リガンドを正確に微量塗布するのが技術的に難
しいので、直径または短辺は０．５μｍ以上とするのが
好ましく、より好ましくは２μｍ以上とする。スポット
６が多角形や楕円形等である場合の大きさも上記に準ず
るのが好ましい。また、スポット６の形成密度として
は、０．１〜１，０００，０００個/ｃｍ²が好ましく、
１〜１００，０００個/ｃｍ²がより好ましい。これによ
り、１チップあたり、１００万個或いは１千万個のスポ
ット６が形成可能になる。

【００３４】次に、本実施形態にかかるセンサチップ１
の使用方法について説明する。センサチップ１を試料の
分析に用いる際には、まず、図３に示すように各スポッ
ト６上にリガンド７を固定化する。このリガンド７が固
定化された領域が試料中の検出種（化学種，生化学種又
は生物種等）と反応する反応領域となる。リガンド７
は、抗原抗体反応、相補的ＤＮＡ結合、リセプター／リ
ガンド相互作用、酵素／基質相互作用等の相互作用によ
って特定の物質と特異的に結合しうる性質を備えた結合
物質であり、検出すべき検出種に応じたリガンド７が選
択される。試料中に複数の検出種が含まれる場合には、
各検出種に応じたリガンド７がそれぞれ選択されて、そ
れぞれ別々のスポット６に固定化される。ここで留意す
るのは、反応領域がスポット６全体を完全に覆うよう
に、すなわち、反応領域の面積がスポット６の面積以上
になるようにリガンド７を固定することである。リガン
ド７の固定は公知の一般的な装置を用いて行うことがで
きる。

【００３５】そして、このようにリガンド７が固定化さ
れたセンサチップ１を図４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はセンサチッ
プ１を固定するためのホルダ１１，光源１２，光検出器
１３及び分析部１４から主に構成されている。ホルダ１
１には検出種を含む試料流体が通過する流路１１ａが形
成されている。センサチップ１はそのセンサ面１ａ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。

【００３６】光源１２はセンサチップ１のセンサ面１ａ
に向けて照射光を照射するようにセンサチップ１に対し
て流路１１ａを挟んで配置されている。光源１２は分析
の方法に応じて選択され、共鳴角の変位に基づき分析を
行う場合には単色光を光源として用い、最大吸収波長
（共鳴波長）の変位に基づき分析を行う場合には白色光
を光源として用いる。単色光の光源としては、レーザ光
源、特に価格，大きさの点で半導体レーザが好ましく、
波長は３５０〜１３００ｎｍ程度とするのが好ましい。
また、ハロゲン・タングステンランプなどの白色光を干
渉フィルターや分光器等で分光して得た単色光を光源と
して用いることも可能である。一方、白色光の光源とし
ては、ハロゲン・タングステンランプ、キセノンランプ
等が好ましい。

【００３７】光検出器１３はセンサチップ１からの反射
光を検出する検出器であり、光源１２同様にセンサチッ
プ１に対して流路１１ａを挟んで配置され照射光が回折
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光検出器
１３のセンサチップ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。光検出器１３としては、例え
ばＣＣＤ素子を集積したもの、シリコンフォトダイオー
ドアレイ等が好ましい。なお、図中では省略している
が、Ｐ偏光のみが表面プラズモン波を共鳴させることが
できるため、光源１２とセンサチップ１との間、または
センサチップ１と光検出器１３との間には、光源１２か
らの照射光、或いはセンサチップ１からの反射光を偏光
するための偏光子を設置する。

【００３８】分析部１４は光検出器１３からの検出情報
に基づき分析処理を行う装置である。分析部１４は、少
なくとも、光検出器１３で検出された反射光から各スポ
ット６からのシグナルを抽出する機能と、各スポット６
において表面プラズモン共鳴による吸収が最大になる、
すなわち各スポット６からのシグナルの強度が最小にな
る照射光の入射角度或いは波長を算出する機能を有して
いる。

【００３９】また、分析部１４には検出種の濃度が既知
の試料流体を測定して作成した検量線が記憶されてい
る。この検量線は各検出種の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流体中の各検出種の濃度を測定でき
る。

【００４０】上記構成の分析装置１０を用いて試料中の
各検出種の濃度分析を行う場合、まず、センサチップ１
をホルダ１１にセットしてセンサチップ１のセンサ面１
ａを試料に接触させる（ステップＡ１）。これによりセ
ンサ面１ａの各スポット６に固定されたリガンド７に試
料流体中の検出種が特異的に結合する。そして、リガン
ド７に結合した検出種の物質量に応じて各スポット６の
金属層３表面近傍の媒質の屈折率が変化し、各スポット
６における表面プラズモン波の共鳴条件が変化する。

【００４１】次に、光源１２からセンサ面１ａに向けて
照射光を照射する（ステップＡ２）。このとき、図５に
示すように照射光が全てのスポット６を照らすように、
すなわち全スポット６が一本の照射光の照射範囲１６内
に含まれるように照射光の太さを調整する。センサ面１
ａに照射された照射光は各スポット６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）を光検出器１３によって検出する（ステ
ップＡ３）。

【００４２】光源１２から照射する照射光が単色光、す
なわち単一波長の光の場合、光源１２を移動させて励起
光のセンサチップ１に対する入射角度を変化させてい
く。同時に、光検出器１３により検出された反射光の情
報を分析部１４においてソフトウェアにより処理し、各
スポット６からのシグナルを抽出する。各スポット６か
らのシグナルの強度は照射光の入射角度に応じて変化
し、それぞれある入射角度において最小になる。このシ
グナルの強度が最小となる入射角度をスポット６毎に分
析部１４において測定し、測定した角度と照射光の波長
とを検量線に対応させて、各スポット６に対応する検出
種の濃度を算出する（ステップＡ４−１）。

【００４３】一方、光源１２から照射する照射光が白色
光の場合は励起光のセンサチップ１に対する入射角度は
一定にする。この場合、センサチップ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、これを光検出器１３で検出す
る。そして、分光された各成分の光の情報を分析部１４
においてソフトウェアにより処理し、各スポット６から
のシグナルを成分毎に抽出する。各スポット６からのシ
グナルの強度は波長毎に異なる。このうち強度が最小で
あるシグナルの波長をスポット６毎に分析部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、各スポット６に対応する検出種の濃度を算出する
（ステップＡ４−２）。

【００４４】なお、これらの各ステップＡ１〜Ａ３，及
びＡ４−１或いはＡ４−２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。各ステップを
同時実行する場合には、試料中の検出種がリガンド７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。以上のように、本実施形態のセンサチップ１によ
れば、あらかじめ回折格子５と金属層３とが設けられた
一定面積のスポット６、すなわち共鳴領域でしかシグナ
ルを生じないため、リガンド７の固定化面積と照射光の
照射範囲とをスポット６の面積よりも大きいものを与え
るだけで均一なシグナルを得ることができ、これにより
検出精度が上がり定量性が増すという利点がある。ま
た、リガンド７の固定化面積はスポット６を覆る以上で
あればよく、入射光の照射面積より小さくてよいので、
リガンド７の塗布量を減らすことができるという利点も
ある。

【００４５】さらに、本実施形態ではスポット６の形状
精度は、基体２への凹凸形状４の加工精度により決まる
が、現在の微細加工技術を応用することでリガンド７の
固定化等と比較して桁違いに高精度な加工が可能であ
る。また、各スポット６からのシグナルを抽出する際の
スポット位置の検出に関しても、チップ製造時に高精度
にスポット６の形成位置を制御できるため、簡便な探索
で反射光から各スポット６からのシグナルを抽出するこ
とができる。

【００４６】（Ｂ）第２実施形態 次に、図６〜図９を用いて本発明の第２実施形態につい
て説明する。図６に示すように本実施形態にかかるセン
サチップ（表面プラズモン共鳴センサチップ）２１は、
その表面（センサ面）２１ａの複数箇所を金属層２３に
より部分的に被覆されている。センサチップ２１の基体
２２の表面全面には凹凸形状２４が形成されており、こ
の凹凸形状２４上に金属層２３が積層されることで金属
層２３の表面にも凹凸形状が現れて回折格子２５を形成
している。本実施形態では、この金属層２３が部分的に
形成されている各領域が多点同時測定による分析時の測
定点（スポット）２６となる。

【００４７】この構造によれば、照射光がセンサチップ
２１のセンサ面２１ａに照射されると、照射光はセンサ
面２１ａ上の回折格子２５が形成された各個所、すなわ
ち各金属層２３の表面において回折する。この回折現象
によりエバネッセント波が生じるとともに、照射光が金
属層２３に作用することにより金属層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、表面プラズモン共鳴が起きる。すなわ
ち、このセンサチップ２１では、基体２２の凹凸形状２
４上に金属層２３が部分的に積層されている各領域、す
なわち各スポット２６がそれぞれ共鳴領域となってい
る。

【００４８】このセンサチップ２１は、図７（ａ）に示
すようにレーザ加工や射出成型により基体２２の表面全
面に凹凸形状２４を形成しておき、図７（ｂ）に示すよ
うに適宜の位置に開口２８ａを形成したマスク２８を基
体２２に載置した状態でスパッタリングや蒸着により金
属層２３を積層し、その後、図７（ｃ）に示すようにマ
スク２８を除去することで製造することができる。この
場合、マスク２８の開口部２８ａを通して積層された金
属層２３によりスポット６が形成される。

【００４９】また、図８（ａ）に示すようにレーザ加工
や射出成型により基体２２の表面全面に凹凸形状２４を
形成しておき、図８（ｂ）に示すように基体２２の表面
全面にスパッタリングや蒸着により金属層２３を積層し
た後、図８（ｃ）に示すようにエッチング等によりスポ
ット６以外の金属層２３を剥離することによっても、上
記のセンサチップ２１を製造することができる。

【００５０】なお、基体２２や金属層２３の材質は、第
１実施形態にかかる基体２や金属層３と同様の材質のも
のを用いることができる。回折格子２５の形状やスポッ
ト２６の形状及び面積等についても、第１実施形態と同
様の形状等とすることができる。本実施形態にかかるセ
ンサチップ２１の使用方法は、第１実施形態と同様であ
り、センサチップ２１を試料の分析に用いる際には、図
９に示すように各スポット２６上にリガンド２７を固定
化する。本実施形態でも試料中に複数の検出種が含まれ
る場合には、各検出種に応じたリガンド２７をそれぞれ
選択し、それぞれ別々のスポット２６に固定化する。ま
た、ここでも反応領域（リガンド２７が固定化される領
域）がスポット２６全体を完全に覆うように、すなわ
ち、反応領域の面積がスポット２６の面積以上になるよ
うにリガンド２７を固定することに留意する。

【００５１】そして、本実施形態でも、上記のようにリ
ガンド２７が各スポット２６に固定化されたセンサチッ
プ２１を第１実施形態と同構成の分析装置（図４参照）
にセットして分析を行う。この分析装置による分析方法
については第１実施形態と同様なので説明は省略する
が、ここでも多点同時測定を行う際には全てのスポット
２６を照らすように、すなわち全スポット２６が一本の
照射光の照射範囲内に含まれるように照射光の太さを調
整することに留意する。

【００５２】本実施形態のセンサチップ２１によれば、
あらかじめ回折格子２５と金属層２３とが設けられた一
定面積のスポット２６、すなわち共鳴領域でしかシグナ
ルを生じないため、リガンド２７の固定化面積と照射光
の照射範囲とをスポット２６の面積よりも大きいものを
与えるだけで均一なシグナルを得ることができる等、第
１実施形態と同様の利点がある。特に、本実施形態で
は、センサ面２１ａのスポット２６以外の面には金属層
２３が積層されていないので、スポット２６以外の部位
からの反射光を抑制してノイズを低減することができる
という利点がある。

【００５３】（Ｃ）第３実施形態 次に、図１０，図１１を用いて本発明の第３実施形態に
ついて説明する。図１０に示すように本実施形態にかか
るセンサチップ（表面プラズモン共鳴センサチップ）３
１は、その表面（センサ面）３１ａをシール膜３８によ
り覆われ、シール膜３８に形成された複数の開口部３８
ａから金属層３３の表面が部分的に露出している。金属
層３３は基体３２の表面全面に積層され、金属層３３の
表面全面には回折格子３５が形成されている。本実施形
態では、このシール膜３８の開口部３８ａから部分的に
露出している各領域が多点同時測定による分析時の測定
点（スポット）３６となる。

【００５４】この構造によれば、照射光がセンサチップ
３１のセンサ面３１ａに照射されると、照射光はシール
膜３８の開口部３８ａに露出している金属層３３の表面
において回折格子３５の作用によって回折する。この回
折現象によりエバネッセント波が生じるとともに、照射
光が金属層３３に作用することにより金属層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。す
なわち、このセンサチップ３１では、シール膜３８の開
口部３８ａから部分的に露出している各領域、すなわち
各スポット３６がそれぞれ共鳴領域となっている。

【００５５】このセンサチップ３１は、シール膜３８以
外の構成は従来の回折格子型センサチップ（図１２参
照）と同一構成であるので、従来の回折格子型センサチ
ップの表面に、適宜の位置に開口部３８ａを形成したシ
ール膜３８を貼り付けるだけで簡単に製造することがで
きる。開口部３８ａの形状や面積は、形成したいスポッ
ト３６の形状や面積に合わせて設定すればよい。なお、
シール膜３８としては、スポット３６以外の場所からの
反射を抑制してノイズを低減できるように、照射光に対
して透過性が低く、且つそれ自体における反射を抑制す
るための表面処理が施されているものが好ましい。

【００５６】本実施形態にかかるセンサチップ３１の使
用方法も第１，第２実施形態と同様であり、センサチッ
プ３１を試料の分析に用いる際には、図１１に示すよう
に各スポット３６上にリガンド３７を固定化する。本実
施形態でも試料中に複数の検出種が含まれる場合には、
各検出種に応じたリガンド３７をそれぞれ選択し、それ
ぞれ別々のスポット３６に固定化する。また、ここでも
反応領域（リガンド３７が固定化される領域）がスポッ
ト３６全体を完全に覆うようにリガンド３７を固定する
ことに留意する。

【００５７】そして、本実施形態でも、上記のようにリ
ガンド３７が各スポット３６に固定化されたセンサチッ
プ３１を第１実施形態と同構成の分析装置（図４参照）
にセットして分析を行う。この分析装置による分析方法
については第１実施形態と同様なので説明は省略する
が、ここでも多点同時測定を行う際には全てのスポット
３６を照らすように、すなわち全スポット３６が一本の
照射光の照射範囲内に含まれるように照射光の太さを調
整することに留意する。

【００５８】本実施形態のセンサチップ３１によれば、
シール膜３８から露出した一定面積のスポット３６、す
なわち共鳴領域でしかシグナルを生じないため、リガン
ド３７の固定化面積と照射光の照射範囲とをスポット３
６の面積よりも大きいものを与えるだけで均一なシグナ
ルを得ることができる等、第１，第２実施形態と同様の
利点がある。また、スポット３６以外の面はシール膜３
８により覆われているので、第２実施形態と同様にスポ
ット３６以外の部位からの反射光を抑制してノイズを低
減することができるという利点もある。

【００５９】（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、金属層３を基体２の
表面全面に積層しているが、凹凸形状４が形成された領
域にのみ限定して金属層３を積層するようにしてもよ
い。金属層３を部分的に積層する方法は、第２実施形態
で説明したような方法を用いることができる。これによ
りスポット６以外の領域からの反射をさらに抑制してノ
イズを極めて小さくすることが可能になる。

【００６０】また、各実施形態では、多点同時測定によ
る試料の分析方法について説明したが、勿論、スポット
毎に照射光を照射してスポット毎に順に測定するような
分析方法であってもよい。ただし、その場合もスポット
全体を照らすように照射光を照射する。また、各実施形
態では、センサチップに複数のスポットを設けている
が、単一のスポットのみを設けてもよい。この場合もス
ポットの全体を覆うようにリガンドを固定化し、また、
分析時にはスポット全体を照らすように照射光を照射す
る。

【００６１】さらに、各実施形態では、図１２に示すよ
うな従来の一般的な構造の回折格子型センサチップに本
発明を適用した場合について説明したが、本発明は他の
様々な構造の回折格子型センサチップにも適用しうるも
のである。すなわち、試料と接するセンサ面と、センサ
面の近傍に設けられ表面プラズモン波を誘起しうる金属
層と、センサ面の近傍に設けられ照射光の照射によりエ
バネッセント波を生じさせる回折格子とを備えたセンサ
チップであれば、照射光の照射により表面プラズモン波
とエバネッセント波との共鳴現象が生じうる共鳴領域を
センサ面の近傍に部分的に形成するとともに、試料中の
検出種と特異的に結合する結合物質が固定化された反応
領域を上記の共鳴領域を覆うようにセンサ面上に設けれ
ばよい。そして、分析時には、上記の共鳴領域の全体を
照らすように照射光を照射すればよい。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
表面プラズモン共鳴センサチップのセンサ面内に部分的
に形成された共鳴領域に限定して表面プラズモン共鳴現
象が起きるので、この共鳴領域を覆うように結合物質を
センサ面上に塗布して共鳴領域の全体を照らすように照
射光を照射することで、共鳴領域を測定点とすることが
できる。したがって、結合物質の塗布量によってではな
く共鳴領域の面積によって測定点の面積をコントロール
することが可能であり、測定点の面積を厳密に制御して
ばらつきのない均一なシグナルを得ることができるとい
う利点がある。そして、この共鳴領域を複数箇所設けて
測定点とすることで、各測定点からのシグナルの測定精
度が向上し、精度の高い多点同時測定も可能になるとい
う利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかるセンサチップの
構成を示す模式的な斜視図である。

【図２】図１のセンサチップの製造方法の一例を示す模
式的な斜視図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に製造手順を
示している。

【図３】図１のセンサチップにリガンドを固定化した状
態を示す模式的な斜視図である。

【図４】本発明の第１実施形態にかかる分析装置の構成
を示す模式的な模式図である。

【図５】多点同時測定における図３のセンサチップへの
照射光の照射方法を示す模式的な斜視図である。

【図６】本発明の第２実施形態にかかるセンサチップの
構成を示す模式的な斜視図である。

【図７】図６のセンサチップの製造方法の一例を示す模
式的な斜視図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に製造手順を
示している。

【図８】図６のセンサチップの製造方法の一例を示す模
式的な斜視図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に製造手順を
示している。

【図９】図６のセンサチップにリガンドを固定化した状
態を示す模式的な斜視図である。

【図１０】本発明の第３実施形態にかかるセンサチップ
の構成を示す模式的な斜視図である。

【図１１】図１０のセンサチップにリガンドを固定化し
た状態を示す模式的な斜視図である。

【図１２】従来のセンサチップの構成を示す模式的な斜
視図である。

【符号の説明】

１，２１，３１ センサチップ（表面プラズモン共鳴セ
ンサチップ） １ａ，２１ａ，３１ａ センサ面 ２，２２，３２ 基体 ３，２３，３３ 金属層 ４，２４，３４ 凹凸形状 ５，２５，３５ 回折格子 ６，２６，３６ スポット（共鳴領域） ７，２７，３７ リガンド（結合物質） １０ 分析装置 １１ ホルダ １１ａ 流路 １２ 光源 １３ 光検出器 １４ 分析部 １６ 照射範囲 ２８ マスク ３８ シール膜 ３８ａ 開口部

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料と接するセンサ面と、上記センサ面
   の近傍に設けられ表面プラズモン波を誘起しうる金属層
   と、上記センサ面の近傍に設けられ照射光の照射により
   エバネッセント波を生じさせる回折格子とを備えた表面
   プラズモン共鳴センサチップにおいて、 照射光の照射により上記表面プラズモン波と上記エバネ
   ッセント波との共鳴現象が生じうる共鳴領域が上記セン
   サ面内に部分的に形成されるとともに、試料中の検出種
   と特異的に結合する結合物質が固定化された反応領域が
   上記共鳴領域を覆うように上記センサ面内に設けられて
   いることを特徴とする、表面プラズモン共鳴センサチッ
   プ。
2. 【請求項２】 上記金属層が設けられた領域内に上記回
   折格子が部分的に形成されることによって上記共鳴領域
   が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の表
   面プラズモン共鳴センサチップ。
3. 【請求項３】 上記回折格子が形成された領域内に上記
   金属層が部分的に設けられることによって上記共鳴領域
   が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の表
   面プラズモン共鳴センサチップ。
4. 【請求項４】 上記回折格子と上記金属層とが設けられ
   た領域上にシール膜が積層され、上記シール膜から露出
   する露出部分によって上記共鳴領域が形成されているこ
   とを特徴とする、請求項１記載の表面プラズモン共鳴セ
   ンサチップ。
5. 【請求項５】 上記共鳴領域が上記センサ面内に複数個
   所設けられていることを特徴とする、請求項１〜４の何
   れかの項に記載の表面プラズモン共鳴センサチップ。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れかの項に記載の表面
   プラズモン共鳴センサチップを用いて試料の定量的及び
   ／又は定性的な分析を行うための分析方法であって、 上記センサ面に上記試料を接触させるステップと、 上記共鳴領域の全体を照らすように照射光を照射するス
   テップと、 上記表面プラズモン共鳴センサチップからの反射光を検
   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。
7. 【請求項７】 請求項５記載の表面プラズモン共鳴セン
   サチップを用いて試料の定量的及び／又は定性的な分析
   を行うための分析方法であって、 上記センサ面に上記試料を接触させるステップと、 上記複数の共鳴領域の全体を照らすように照射光を照射
   するステップと、 上記表面プラズモン共鳴センサチップからの反射光を検
   出するステップと、 検出した反射光から各共鳴領域からの反射光を抽出する
   ステップと、 抽出した各共鳴領域からの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。
8. 【請求項８】 基体に形成された凹凸形状に沿って表面
   プラズモン波を誘起しうる金属層が積層されることによ
   り、照射光の照射によりエバネッセント波を生じさせる
   回折格子が上記金属層の表面に現されるとともに、上記
   金属層が積層された側の表面が試料と接するセンサ面と
   して機能しうる表面プラズモン共鳴センサチップにおい
   て、 上記凹凸形状が上記基体の表面に複数個所部分的に形成
   されるとともに、上記複数の凹凸形状を覆うように上記
   金属層が上記基体の表面に積層されることにより、上記
   表面プラズモン波と上記エバネッセント波との共鳴現象
   が生じうる共鳴領域が上記センサ面内に複数個所形成さ
   れていることを特徴とする、表面プラズモン共鳴センサ
   チップ。
9. 【請求項９】 基体に形成された凹凸形状に沿って表面
   プラズモン波を誘起しうる金属層が積層されることによ
   り、照射光の照射によりエバネッセント波を生じさせる
   回折格子が上記金属層の表面に現されるとともに、上記
   金属層が積層された側の表面が試料と接するセンサ面と
   して機能しうる表面プラズモン共鳴センサチップにおい
   て、 上記凹凸形状が上記基体の表面全面或いは上記基体の一
   部表面に形成されるとともに、上記凹凸形状が形成され
   た領域内に上記金属層が複数個所部分的に積層されるこ
   とにより、上記表面プラズモン波と上記エバネッセント
   波との共鳴現象が生じうる共鳴領域が上記センサ面内に
   複数個所形成されていることを特徴とする、表面プラズ
   モン共鳴センサチップ。
10. 【請求項１０】 基体に形成された凹凸形状に沿って表
    面プラズモン波を誘起しうる金属層が積層されることに
    より、照射光の照射によりエバネッセント波を生じさせ
    る回折格子が上記金属層の表面に現されるとともに、上
    記金属層が積層された側の表面が試料と接するセンサ面
    として機能しうる表面プラズモン共鳴センサチップにお
    いて、 上記金属層上にシール膜が積層されるとともに、上記金
    属層の表面が上記シール膜から露出する露出部分が複数
    個所形成され、少なくとも上記基体の上記露出部分に対
    応する表面に上記凹凸形状が形成されることにより、上
    記表面プラズモン波と上記エバネッセント波との共鳴現
    象が生じうる共鳴領域が上記センサ面内に複数個所形成
    されていることを特徴とする、表面プラズモン共鳴セン
    サチップ。
11. 【請求項１１】 請求項８〜１０の何れかの項に記載の
    表面プラズモン共鳴センサチップを用いて試料の定量的
    及び／又は定性的な分析を行うための分析方法であっ
    て、 上記複数の共鳴領域のそれぞれを覆うように上記試料中
    の検出種と特異的に結合する結合物質を上記センサ面に
    固定化するステップと、 上記センサ面に上記試料を接触させるステップと、 上記複数の共鳴領域の全体を照らすように照射光を照射
    するステップと、 上記表面プラズモン共鳴センサチップからの反射光を検
    出するステップと、 検出した反射光から各共鳴領域からの反射光を抽出する
    ステップと、 抽出した各共鳴領域からの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。