JP2003075337A - 集積型表面プラズモン共鳴センサ - Google Patents

集積型表面プラズモン共鳴センサ

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JP2003075337A
JP2003075337A JP2001265220A JP2001265220A JP2003075337A JP 2003075337 A JP2003075337 A JP 2003075337A JP 2001265220 A JP2001265220 A JP 2001265220A JP 2001265220 A JP2001265220 A JP 2001265220A JP 2003075337 A JP2003075337 A JP 2003075337A
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diffraction grating
optical element
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Hiromasa Inuzuka
博誠 犬塚
Atsushi Uchiumi
淳 内海
Satoshi Tawara
諭 田原
Takayuki Goto
崇之 後藤
Hiroyuki Nakayama
博之 中山
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection
    • G01N21/553Attenuated total reflection and using surface plasmons

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定精度が良く、複数の試料を効率よく高精
度に計測可能な微細光学素子を有する集積型表面プラズ
モン共鳴センサを提供すること。 【解決手段】 本発明の集積型表面プラズモン共鳴セン
サは、微細光学素子から出射されるレーザ光を回折格子
を介して透明基板内に入射させると共に金属薄膜の試料
搭載領域に照射し、回折格子に隣接する他の回折格子を
介して透明基板から出射される反射光の強度を微細光学
素子で検出することにより、透明基板とシリコン基板と
を相対移動させながら、複数の試料における生化学反応
の発生の有無を順次分析できる。

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、複数の試料を効率よく高精度に計
測可能な微細光学素子である小型SPR(Surfac
e Plasmon Resonance)センサチッ
プを有する集積型表面プラズモン共鳴センサに関する。
【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2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、ガラス基板1と金属薄膜2との界面で全反射する反
射光5の強度が鋭く低下する。図3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
う生化学計測にも応用されている。例えば、図3に示す
2つの特性のように、測定部4(図2参照)におけるD
NA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多点検出装
置が開発されている。例えば、図4に示すような表面プ
ラズモンセンサでは、均一な厚さの透明基板10の一表
面に金属膜11を形成する一方、この一表面と対面する
他表面上に、それぞれ2次元的に広がる回折格子等の光
入力手段12および光出力手段13を形成し、この光入
力手段12に入射する光ビーム14を光走査手段15に
より、該光入力手段12の広がり方向に2次元的に走査
させて各試料16に対応する領域の金属薄膜11に光ビ
ーム14を照射する。そして試料透明基板10と金属膜
11との界面10aで全反射して光出力手段13から透
明基板10外に出射した光ビーム17を、光検出手段1
8によって検出する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、回折格
子等からなる光入力手段12及び光出力手段13は比較
的サイズが大きく、また、これら光入力手段12及び光
出力手段13の間に複数の試料16が存在するため、各
試料16を分析するためには、光操作手段15及び光検
出手段18を図中左右方向及び紙面を貫通する方向に移
動したり、入射角度を変えるために光学系のアライメン
トを調整しなければならず、分析に手間が掛かり、分析
精度の観点からも簡便かつさらに高精度な装置が望まれ
ているという課題があった。
【0008】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、測定精度が良
く、複数の試料を効率よく高精度に計測可能な微細光学
素子(小型SPRセンサチップ)を有する集積型表面プ
ラズモン共鳴センサを提供することを目的とするもので
ある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の集積型表面プラ
ズモン共鳴センサは、生化学反応測定用の複数の試料を
搭載する金属薄膜と、第1面に前記金属薄膜が形成さ
れ、第2面に回折格子が形成される平行平板状の透明基
板と、前記透明基板を搭載すると共に、搭載面に微細光
学素子を有するシリコン基板とを備え、前記微細光学素
子から出射されるレーザ光を前記回折格子を介して前記
透明基板内に入射させると共に前記金属薄膜の試料搭載
領域に照射し、前記回折格子に隣接する他の回折格子を
介して前記透明基板から出射される反射光の強度を前記
微細光学素子で検出することにより、前記透明基板と前
記シリコン基板とを相対移動させながら、前記複数の試
料における生化学反応の発生の有無を順次分析できる構
成であり、また、前記微細光学素子は、数ミリ程度の大
きさである構成である。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明による多
点試料分析用SPR分析装置の好適な実施の形態につい
て詳細に説明する。
【0011】図1は、本発明の集積型表面プラズモンセ
ンサを概略的に示す構成図である。図1において、符号
21で示されるものは平行平板状の透明基板であるガラ
ス基板であり、このガラス基板21の第1面には、複数
箇所に金属薄膜22が形成されている。前記金属薄膜2
2は生化学反応測定用の試料23a〜23cを搭載する
表面22Aと、前記ガラス基板中を伝搬するレーザ光を
反射する反射面22Bとを備える。
【0012】また、ガラス基板21の第2面である裏面
21Aには、複数の回折格子21B 1〜21B4が形成さ
れており、相隣接する回折格子21B1と21B2、21
2と21B3、21B3と21B4の間に1つの試料23
a〜23cがそれぞれ位置するように構成されている。
なお、この回折格子21B1〜21B4は、ガラスエッチ
ング等により形成されるものであり、平行平板状のガラ
ス基板21内を伝搬するレーザ光が全反射する条件を満
たすために配設されるものである。
【0013】また、前記ガラス基板21が搭載されてい
るシリコン基板24は、シリコンの異方性を利用して、
微細アクチュエータ構造によるミラー25、レンズ2
6、光源27及び光検出器28等の微細光学素子からな
るSPRセンサ用の光学系がシリコン基板24の表面2
4A上の微小領域にエッチングにより形成されている。
【0014】なお、微細光学素子を構成する各素子(ミ
ラー25、レンズ26、光源27及び光検出器28)の
それぞれの大きさは、例えば100μm〜数100μm
程度であり、図1中における光源27から光検出器28
までの距離は例えば数mm程度であり、従って、相隣接
する回折格子21B1と21B2、21B2と21B3、2
1B3と21B4の間の距離はそれぞれ1mm〜数mm程
度となる。
【0015】このような集積型表面プラズモンセンサに
おいて、例えば、シリコン基板24とガラス基板21を
接触させ、相隣接する一対の回折格子21B2に光源2
7からレーザ光を照射すると、相隣接する回折格子21
2−21B3間に存在する1つの試料23bにレーザ光
が照射され、試料23bを搭載している金属薄膜22b
とガラス基板21との界面において表面プラズモン共鳴
を励起させることができる。
【0016】従って、試料23bに所定の試薬を滴下す
ることにより、試薬の滴下前後における各試料23a〜
23cに対応する金属薄膜22a〜22cとガラス基板
21との界面における表面プラズモン共鳴の励起の有無
を分析することにより、各試料23a〜23cでの生化
学反応の発生の有無を分析することができる。
【0017】また、ガラス基板21と光学系のシリコン
基板24をスライドさせることで複数の試料23a〜2
3cにおける屈折率変化を検出でき、複数の試料23a
〜23cでの生化学反応の発生の有無を簡単かつ高精度
に分析することができる。本発明では、単結晶シリコン
からなるシリコン基板24の表面24Aに異方性エッチ
ングによる微細光学素子(ミラー25〜光検出器28)
を設け、これらの微細な光学部品を用いて測定を行うの
で、金属薄膜22a〜22cからなるセンサを集積する
ことができ、このような微細光学素子である小型SPR
センサチップを有することにより、複数の試料23を効
率よく分析することができる集積型表面プラズモン共鳴
センサを提供することができる。
【0018】なお、以上の説明では、3分割された金属
薄膜22a〜22cを用いたが、分割されずに1つの薄
膜からなる金属薄膜をガラス基板上に形成しても良い。
また、以上の説明では3つの試料23a〜23cを分析
するばあいについて説明したが、試料の数は幾つであっ
ても良く、紙面左右方向のみならず、紙面を貫通する方
向に試料を並べて、2次元的に配置しても良い。このよ
うな場合でもガラス基板21とシリコン基板24を相対
移動すれば容易に分析が可能である。
【0019】
【発明の効果】本発明の集積型表面プラズモン共鳴セン
サによれば、微細光学素子から出射されるレーザ光を回
折格子を介して透明基板内に入射させると共に金属薄膜
の試料搭載領域に照射し、回折格子に隣接する他の回折
格子を介して透明基板から出射される反射光の強度を微
細光学素子で検出することにより、透明基板とシリコン
基板とを相対移動させながら、複数の試料における生化
学反応の発生の有無を順次分析できるので、測定精度が
良く、複数の試料を効率よく高精度に計測可能な微細光
学素子(小型SPRセンサチップ)を有する集積型表面
プラズモン共鳴センサを提供することができる。また、
前記微細光学素子は、数ミリ程度の大きさである構成で
あるので、安価かつ高精度な集積型表面プラズモン共鳴
センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の集積型表面プラズモンセンサを概略
的に示す構成図である。
【図2】 表面プラズモン共鳴を利用して質量変化を検
出するための検出原理を概念的に示す図である。
【図3】 表面プラズモン共鳴を利用した質量変化の検
出における入射角θと反射光の強度との関係を示す特性
図である。
【図4】 従来の表面プラズモンセンサのを概略的に示
す構成図である。
【符号の説明】
21 ガラス基板、21A 裏面、21B1〜21B4
回折格子、22 金属薄膜、22A 金属薄膜、22B
反射面、23 試料、24 シリコン基板、24A
表面、25 ミラー、26 レンズ、27 光源、28
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 後藤 崇之 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 中山 博之 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 BB04 BB12 CC16 EE02 FF11 FF12 GG01 JJ05 JJ11 JJ13 KK01 PP01

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 生化学反応測定用の複数の試料を搭載す
    る金属薄膜と、 第1面に前記金属薄膜が形成され、第2面に回折格子が
    形成される平行平板状の透明基板と、 前記透明基板を搭載すると共に、搭載面に微細光学素子
    を有するシリコン基板とを備え、 前記微細光学素子から出射されるレーザ光を前記回折格
    子を介して前記透明基板内に入射させると共に前記金属
    薄膜の試料搭載領域に照射し、前記回折格子に隣接する
    他の回折格子を介して前記透明基板から出射される反射
    光の強度を前記微細光学素子で検出することにより、前
    記透明基板と前記シリコン基板とを相対移動させなが
    ら、前記複数の試料における生化学反応の発生の有無を
    順次分析できることを特徴とする集積型表面プラズモン
    共鳴センサ。
  2. 【請求項2】 前記微細光学素子は、数ミリ程度の大き
    さであることを特徴とする請求項1記載の集積型表面プ
    ラズモン共鳴センサ。
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