JP2003042944A

JP2003042944A - 表面プラズモン共鳴センサ装置

Info

Publication number: JP2003042944A
Application number: JP2001232154A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nakayama; 博之中山; Takayuki Goto; 崇之後藤; Satoshi Tawara; 諭田原; Hiromasa Inuzuka; 博誠犬塚; Atsushi Uchiumi; 淳内海
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】多数の試料を連続して計測処理することので
きると共に、構成が単純で相対移動が容易であり、測定
精度が良く、安価である、表面プラズモン共鳴センサ装
置を提供する。【解決手段】表面プラズモン共鳴センサ装置は、表面
プラズモン共鳴を起こす薄膜２５と、該薄膜２５上に設
けられた試料２９に接触する生化学的反応検出部位２７
とを有する光反射面２３を備える第一光学系２０と、前
記光反射面２３に対して種々の入射角が得られるような
光ビーム３５を照射する光源部３１、及び前記光反射面
２３で反射された前記光ビーム３５の反射光３７を種々
の反射角毎に受光する光検出手段３３を有する第二光学
系３０とを備え、前記第一光学系２０と前記第二光学系
３０とが、非接触状態で相対移動することを特徴とす
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、生化学計測の対象
となる液体試料の微少質量変化を検出するするために、
表面プラズモン共鳴現象を利用した表面プラズモン共鳴
センサ装置に関し、特に、多数の試料を連続して計測処
理することのできる表面プラズモン共鳴センサ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、生化学的反応の進行に伴う物
質の物理化学的な変化量を検出する方法として、表面プ
ラズモン共鳴現象を用いた表面プラズモン共鳴センサ装
置が知られている。これは、例えば、図５に示すよう
に、回折格子を備えた平行ガラス基板（またはガラスプ
リズム）１の表面に金や銀等の金属薄膜２を真空蒸着等
の成膜技術を用いて形成し、ガラス基板１の側から金属
薄膜２との界面に向かって全反射条件を満足する角度で
レーザ光線３を照射すると、特定の入射角θの時に、金
属薄膜２に表面プラズモン共鳴が励起されるというもの
である。

【０００３】表面プラズモン共鳴が励起されると、金属
薄膜２上のプラズモン波に光エネルギが吸収されるた
め、平行ガラス基板１と金属薄膜２との界面で反射する
反射光５の強度が鋭く低下する。図６に、入射角θと反
射光５の強度との関係を示す。ここで、表面プラズモン
共鳴が生じる入射角θは、金属薄膜２と接触している測
定部４の試料溶液など媒質の密度（すなわち、金属薄膜
表面の質量）に依存するという関係がある。

【０００４】従って、この光学系から反射され反射光５
が特異的に低下する反射角を求めることにより、表面プ
ラズモン共鳴現象の有無、並びに、表面プラズモン共鳴
現象が生じている時の入射角θを求めることができ、結
果として媒質の密度、すなわち、金属薄膜表面の質量の
変化を求めることが可能となる。

【０００５】このように、金属薄膜表面の質量の微少変
化は、金属薄膜の表面プラズモン共鳴吸収による大きな
光量変化として鋭敏に検知することができるようにな
る。従って、この表面プラズモン共鳴現象を応用した計
測法では、非常に微少な量を対象として計測が可能とな
り、通常、１ピコグラムの質量変化をも検出できる。そ
れゆえ、一般的な計測方法では計測できない微少量を扱
う生化学分にも応用されている。例えば、図６のよう
に、測定部４（図５参照）におけるＤＮＡ結合の有無
が、反射光５の強度が低下する入射角θの違いとなって
現れるので、ＤＮＡの結合による質量の微少変化を検知
することができる。

【０００６】一般に、上述した表面プラズモン共鳴セン
サ装置は、一つの検出部位で行われる生化学反応を対象
として、個々に計測を行なうものであり、計測の作業効
率が悪いため、多数の試料を計測するための装置が開発
されている。例えば、特開２０００−６５７２９号公報
に記載されているように、多種類の試料成分の表面プラ
ズモン共鳴角を効率的に検出する装置が開発されてい
る。図７を用いて簡単に説明すると、この装置は、試料
溶液が吸着されるセンサーチップ１２に密着したプリズ
ム１１の入射側に所要角度幅の光を光源１３から照射し
て、センサーチップ１２からの反射光の強度を受光装置
１４で検出する光学系を備えている。

【０００７】ここで、プリズム１１は、取付ブロック１
０に、上面が面一状になるように取付けられている。ま
た、多検体用のセンサーチップ１２は、下面が開口１６
ｂした列方向及び行方向へマトリクス状に配列された多
数のセル１６ａを設けたセルプレート１６の下面に、上
面に金属薄膜が成膜されたガラス基板１５を各セル１６
ａの開口１６ｂを閉鎖するように取付けて構成されてい
る。

【０００８】このように構成された装置を用いて多種類
の試料成分の表面プラズモン共鳴角を検出する手順を説
明すると、まず、センサーチップ１２の所望のセル１６
ａをプリズム１１の上面の所定位置に配置して、上記の
光学系を用いて当該セル１６ａにおける共鳴角を検出す
る。その後、取付ブロック１０に固定されたプリズム１
１の上面に対して、センサーチップ１２を行方向及び列
方向の二次元方向へ選択的に移動することにより、順次
所望のセル１６ａをプリズム１１の上面の所定位置に配
置させ、その共鳴角を検出するようになっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マトリ
クス状に配列された任意のセル１６ａにおける共鳴角の
検出精度を一定に保つには、接触しながら相対的に移動
するセンサーチップ１２を構成するガラス基板１５の下
面とプリズム１１の上面との間を、光学的に密な結合状
態に維持したまま、両者を機械的に移動させなければな
らない。光学的な結合を維持するためには、ガラス基板
１５とプリズム１１との間に、屈折率がプリズム１１及
びガラス基板１５とほぼ等しいマッチングオイル或いは
シリコンゴムシートを介在させ、気泡の混入がない状態
で密着させる必要があり、そのため、構成が複雑になる
と共に、相対移動が非常に困難であるという問題点があ
った。

【００１０】また、ガラス基板１５をプリズム１１に対
して、接触させながら移動させるため、多数試料の総合
的な分析速度も遅く、測定精度も劣るという欠点があっ
た。さらに、試料毎にセル１６ａが必要であり、且つこ
のセル１６ａは各々分離独立しているので、センサーチ
ップ１２が大型化し、多数試料を取扱うことが現実的で
はないという不具合があった。

【００１１】従って、本発明は、上述した従来の技術の
問題を解決するためになされたもので、多数の試料を連
続して計測処理することのできると共に、構成が単純で
相対移動が容易であり、測定精度が良く、安価である、
表面プラズモン共鳴センサ装置を提供することを主な目
的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、請求項１に記載の本発明に係る表面プラズモン共鳴
センサ装置は、表面プラズモン共鳴を起こす薄膜と、該
薄膜上に設けられた試料に接触する生化学的反応検出部
位とを有する光反射面を備える第一光学系と、前記光反
射面に対して種々の入射角が得られるような光ビームを
照射する光源部、及び前記光反射面で反射された前記光
ビームの反射光を種々の反射角毎に受光する光検出手段
を有する第二光学系とを備え、前記第一光学系と前記第
二光学系とが、非接触状態で相対移動することを特徴と
する。

【００１３】前記第一光学系の前記薄膜上には、複数個
の前記生化学的反応検出部位が一列状に設けられてお
り、前記第一光学系と前記第二光学系とは、一列状に配
列された複数個の前記生化学反応検出部位の長手方向に
相対移動することが好ましい。また、前記薄膜を、前記
第一光学系の平坦面上に形成することも望ましい。な
お、前記薄膜は、金属薄膜や半導体薄膜から形成するこ
とができる。

【００１４】より好ましい態様では、前記第一光学系
は、シリンドリカルレンズであり、前記第二光学系の前
記光源部は、比較的太い光ビームを前記光反射面で集束
させるレンズをさらに備えると共に、前記光検出手段
は、種々の反射角で出射した各光ビームを総て受光し検
出できる方向に延びるアレイセンサである。

【００１５】また別の態様としては、前記第一光学系
は、プリズムであり、前記第二光学系の前記光源は、比
較的細い光ビームを偏向させて前記光反射面に入射させ
るように構成されており、前記光検出手段は、前記光ビ
ームの前記偏向に同期移動する光検出器である。なお、
該光検出手段は、前記反射光の前記反射角の変化方向に
沿って延びるアレイセンサにすることもできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な実施の形態
を、添付図面を参照しながら説明するが、図中、同一符
号は、同一又は対応部分を示すものとする。

【００１７】まず、図１から図３を用いて、本発明に係
る表面プラズモン共鳴センサ装置の第一の実施の形態を
説明する。表面プラズモン共鳴センサ装置は、シリンド
リカルレンズ２１を有する第一光学系２０と、光源３１
及びアレイセンサ３３を有する第二光学系３０とを備え
ている。

【００１８】これらを詳述するに、第一光学系２０のシ
リンドリカルレンズ２１は、半円形断面状の筒状部材で
あり、その平坦面２３に金や銀などの金属薄膜２５が、
例えば、イオンプレーティング法、スパッタ法、蒸着法
等の周知の方法を用いて成膜されている。なお、薄膜と
しては、金属だけでなく、例えばシリコンからなるよう
な半導体薄膜を使用することもできる。

【００１９】金属薄膜２５の上側、すなわち開放面側に
は、計測対象の液体の試料２９と接触する生化学的反応
検出部位２７が、シリンドリカルレンズ２１の長手方向
に亙って、複数個、本実施形態では４個、一列状に設け
られている。生化学的反応検出部位２７は、金属薄膜２
５の上に、特定の物質（試薬）を付着することにより形
成される。また、シリンドリカルレンズ２１の平坦面２
３に形成されているため、一列状に配置された生化学的
反応検出部位２７の隣接する部位同士の間隔を、１０μ
ｍ〜１ｃｍ程度の任意の間隔で、非常に近接して配置さ
せることができる。また、複数の生化学的反応検出部位
２７を近接して配置することがでいるため、計測対象で
ある液体の試料２９が少量で足りる。さらに、各生化学
的反応検出部位２７と試料２９との接触条件の均一化が
容易になると共に、温度条件の均一化も容易になる。

【００２０】なお、生化学的反応検出部位２７に予め付
着させておく物質としては、抗体や酵素等のタンパク
質、ＤＮＡ等の生体由来物質、あるいは、その他の物質
を選択的に吸着あるいは物体と反応する様々な物質が考
えられる。また、生化学的反応検出部位２７は、直接金
属薄膜２５の上に塗布することもできるし、金属薄膜２
５の上に試料２９を配置させた後に、試薬を滴下させる
ことによっても形成することができる。

【００２１】一方、金属薄膜２５が蒸着したシリンドリ
カルレンズ２１の平坦面２３は、光源３１から照射され
る光ビーム３５の光反射面として機能する。そして、特
定に入射角を有する光ビーム３５の時に、表面プラズモ
ン共鳴現象が励起される。

【００２２】次に、第二光学系３０を詳述する。第二光
学系３０は、シリンドリカルレンズ２１の光反射面２３
に対して種々の入射角が得られるような光ビーム３５を
照射する光源３１を備えている。この実施形態において
は、光源３１として比較的太い光ビーム３５を照射する
光源３１を用いている。そして、光反射面２３に形成さ
れた生化学的反応検出部位２７の試料に向けてこの光ビ
ーム３５を集束させるために、レンズ３２を配設する。
従って、光源３１とレンズ３２とで、光源部を構成して
いる。

【００２３】第二光学系３０は、さらに、光反射面２３
において反射された光ビームの反射光３７を受光する光
検出手段たるアレイセンサ３３を備えている。アレイセ
ンサ３３は、光反射面２３で反射された光ビームの反射
光３７を種々の反射角毎に受光できる方向に延びて配設
されている。また、この実施手形態においては、アレイ
センサ３３の手前にレンズ３４が配設されており、所定
の角度幅を有する反射光３７の広がりを平行ビームにし
てアレイセンサ３３に入射するようにしている。

【００２４】なお、光源３１及びアレイセンサ３３は、
図示しない計測部、演算部等へ電気的に接続されてお
り、アレイセンサ３３で検出された表面プラズモン共鳴
角が生じた位置３８の位相のずれを解析することによ
り、試料２９の中にＤＮＡの特定の成分が存在するか否
かを識別することができるようになっている。

【００２５】本発明に係る表面プラズモン共鳴センサ装
置のさらなる特徴を説明すると、上述した第一光学系２
０と第二光学系３０とが、非接触状態で相対移動するこ
とである。図３からよく分かるように、第一光学系２０
のシリンドリカルレンズ２１は、支持台４２に着脱自在
に載置されている。一方、光源３１やアレイセンサ３３
を含む第二光学系３０は、可動台４０に取付けられてい
る。可動台４０は、支持台４２の長手方向（図３の矢印
方向）に対して既存の手段で移動し得るように構成され
ている。それゆえ、可動台４０に取付けられた第二光学
系３０は、シリンドリカルレンズ２１の長手方向に沿っ
て一列状に配設された複数個の生化学的反応検出部位２
７に亙って移動可能となっている。

【００２６】ここで、可動台４０は、支持台４２に対し
て定位置で移動するため、所定位置に第一光学系２０の
シリンドリカルレンズ２１を載置することにより、総て
の生化学的反応検出部位２７において、光源３１から照
射された光ビーム３５を光反射面２３において反射させ
ることができる。

【００２７】次に、上述したように構成された本発明に
係る表面プラズモン共鳴センサ装置を用いた計測方法を
説明する。先ず最初に、一番端の試料２９ａについて、
所定の計測を行なう。そのために、第二光学系３０を備
えた可動台４０を支持台４２に対して試料２９ａの計測
が行える位置に移動させる。次に、光源３１から光ビー
ム３５を照射し、レンズ３２を通過した光ビーム３５
を、試料２９ａが載せられた生化学的反応検出部位２７
の下側の光反射面２３で反射させる。そして、反射して
レンズ３４を通過した反射光３７をアレイセンサ３３で
受光する。そして、受光した反射光３７の強度が著しく
低下する部分３８を検出することにより、表面プラズモ
ン共鳴が生じた入射角θ（図５参照）を算出する。この
表面プラズモン共鳴が生じる入射角θの位相のずれか
ら、金属薄膜２５の上の物質の微小質量変化を検出す
る。これにより、生化学的反応検出部位２７に付着した
試薬に反応したＤＮＡの特定の成分が、試料２９の中に
存在したか否かを識別する。

【００２８】次に、第二光学系３０を備えた可動台４０
を第二番目の試料２９ｂの計測が行える位置に移動さ
せ、表面プラズモン共鳴角を検出するための所定の処理
を行う。そして、順次、第三番目２９ｃ、第四番目の試
料２９ｄと連続して計測を行なう。

【００２９】以上のように、本発明に係る表面プラズモ
ン共鳴センサ装置においては、第一光学系２０と第二光
学系３０とが非接触で相対移動するので、両光学系の間
の光学的な結合を維持するのが容易であり、移動速度も
速くすることができるので、多数試料の総合的な分析速
度も非常に早くなる。

【００３０】また、計測対象である試料２９は、独立し
た試料用セルに入れられるのではなく、シリンドリカル
レンズ２１の平坦面２３の上に形成された生化学的反応
検出部位２７に載置されるので、構成が容易であると共
に、シリンドリカルレンズ２１を手で容易に扱い得る大
きさに形成することが可能となる。また、ハンディタイ
プであるため、

【００３１】本実施形態においては、生化学的反応検出
部位２７に付着した試薬に反応したＤＮＡの特定の成分
が、試料２９の中に存在したか否かを識別したが、上述
したように、生化学的反応検出部位２７に付着させた物
質（試薬）の種類により、タンパク質や核酸のハイブリ
ダイゼーション、抗体アッセイ、ＤＮＡチップ（あるい
はＤＮＡアレイ）を検出することができる。

【００３２】また、本実施形態においては、第一光学系
２０に対して第二光学系３０を移動させたが、これとは
反対に、第一光学系２０を第二光学系３０に対して移動
させても良いし、あるいは、第一光学系２０及び第二光
学系３０が各々可動するように構成し、双方移動させる
こともできる。そのように双方移動させて相対位置を移
動させれば、さらに移動速度が速まり、多数計測の総合
的な分析速度が速くなく。

【００３３】さらに、図４に示すように、第一光学系２
０’をプリズム５０から構成し、第二光学系の光源部５
１を比較的細い光ビームを偏向させて光反射面に入射さ
せるような構成とし、さらに、光検出手段を光ビームの
偏向に同期移動する光検出器５２とすることもできる。
また、光検出手段を、反射光の反射角の変化方向に沿っ
て延びるアレイセンサとすることもできる。

【００３４】

【発明の効果】本発明に係る表面プラズモン共鳴センサ
装置は、表面プラズモン共鳴を起こす薄膜と、該薄膜上
に設けられた生化学的反応検出部位とを有する光反射面
を備える第一光学系と、光源部及び光検出手段を有する
第二光学系とが、非接触状態で相対移動するため、光学
的に密な結合状態を維持する必要がなく、容易に多数の
試料を連続して計測処理することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る表面プラズモン共
鳴を用いた表面プラズモン共鳴センサ装置の要部斜視図
である。

【図２】図１の正面概要図である。

【図３】図１の側面概要図である。

【図４】本発明の他の実施形態に係る表面プラズモン
共鳴を用いた表面プラズモン共鳴センサ装置の要部概要
図である。

【図５】表面プラズモン共鳴を利用した検出原理の概
要図である。

【図６】図５における表面プラズモン共鳴における光
入射角と反射光強度との関係を示す特性図である。

【図７】従来の多種類の試料成分の表面プラズモン共
鳴角を検出する装置の概要図である。

【符号の説明】

１…ガラス基板、２…金属薄膜、３…レーザ光線、４…
測定部、５…反射光、１０…取付ブロック、１１…プリ
ズム、１２…センサーチップ、１３…光源、１４…受光
装置、１５…ガラス基板、１６…セルプレート、１６ａ
…セル、１６ｂ…開口、２０，２０’…第一光学系、２
１…シリンドリカルレンズ、２３…平坦面（光反射
面）、２５…金属薄膜、２７…生化学的反応検出部位、
２９…試料、３０，３０’…第二光学系、３１…光源、
３２…レンズ、３３…アレイセンサ、３４…レンズ、３
５…光ビーム、３７…反射光、３８…表面プラズモン共
鳴位置、４０…可動台、４２…支持台、５０…プリズ
ム、５１…光源部、５２…光検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田原諭神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者犬塚博誠神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者内海淳神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社基盤技術研究所内Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB12 CC16 EE02 FF11 GG01 JJ11 KK01 KK04 PP01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面プラズモン共鳴を起こす薄膜と、該
薄膜上に設けられた試料に接触する生化学的反応検出部
位とを有する光反射面を備える第一光学系と、前記光反射面に対して種々の入射角が得られるような光
ビームを照射する光源部、及び前記光反射面で反射され
た前記光ビームの反射光を種々の反射角毎に受光する光
検出手段を有する第二光学系とを備え、前記第一光学系と前記第二光学系とが、非接触状態で相
対移動する表面プラズモン共鳴センサ装置。
【請求項２】前記第一光学系の前記薄膜上には、複数
個の前記生化学的反応検出部位が一列状に設けられてお
り、前記第一光学系と前記第二光学系とは、一列状に配
列された複数個の前記生化学反応検出部位の長手方向に
相対移動する請求項１記載の表面プラズモン共鳴センサ
装置。
【請求項３】前記薄膜は、前記第一光学系の平坦面上
に形成されている請求項１または２記載の表面プラズモ
ン共鳴センサ装置。
【請求項４】前記薄膜は、金属薄膜である請求項１乃
至３の内のいずれか１項記載の表面プラズモン共鳴セン
サ装置。
【請求項５】前記薄膜は、半導体薄膜である請求項１
乃至３の内のいずれか１項記載の表面プラズモン共鳴セ
ンサ装置。
【請求項６】前記第一光学系は、シリンドリカルレン
ズであり、前記第二光学系の前記光源部は、比較的太い
光ビームを前記光反射面で集束させるレンズをさらに備
えると共に、前記光検出手段は、種々の反射角で出射し
た各光ビームを総て受光し検出できる方向に延びるアレ
イセンサである請求項１乃至５の内のいずれか１項記載
の表面プラズモン共鳴センサ装置。
【請求項７】前記第一光学系は、プリズムであり、前
記第二光学系の前記光源は、比較的細い光ビームを偏向
させて前記光反射面に入射させるように構成されてお
り、前記光検出手段は、前記光ビームの前記偏向に同期
移動する光検出器である請求項１乃至５の内のいずれか
１項記載の表面プラズモン共鳴センサ装置。
【請求項８】前記第一光学系は、プリズムであり、前
記第二光学系の前記光源部は、比較的細い光ビームを偏
向させて前記光反射面に入射させるように構成されてお
り、前記光検出手段は、前記反射光の前記反射角の変化
方向に沿って延びるアレイセンサである請求項１乃至５
の内のいずれか１項記載の表面プラズモン共鳴センサ装
置。