JP2003294615A - 表面プラズモン素子及びこれを用いた物質検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】出射光が高精度の表面プラズモン素子を提供す
る。化学物質を感度良く検査できる物質検査装置を提供
する。 【解決手段】物質検査装置は、基材１１０と、基材１１
０を周回する周回表面１１１と、周回表面１１１の上に
設けられている金属膜１２０と、光透過部材１４０とを
備えている。光透過部材１４０は金属膜１２０に対向す
る対向表面１４２と、光が入射される入射部１４３と、
光が外部に出射される出射部１４４とを有している。入
射部に入射し、対向表面に導かれた光は、金属膜の表面
を周回表面に沿って周回する表面プラズモンを励起す
る。表面プラズモンと対向表面に導かれた光とは干渉す
る。出射部から出射する光の状態は表面プラズモンの状
態に応じて変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面プラズモン素
子及びこれを用いた物質検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、表面プラズモンを利用した表面プ
ラズモン素子が盛んに使用されている。表面プラズモン
素子は、しばしば化学物質を検査する物質検査装置に用
いられている。特開平１０−２６７９３０には、平坦な
金属膜を有する表面プラズモン素子と、これを用いて免
疫反応を検査する物質検査装置が開示されている。図６
は表面プラズモン素子の概略的な断面図である。平坦な
透明基板５４０上には金属膜５２０が設けられている。
金属膜５２０の上には有機珪素膜５６０を介して抗体５
３０が固定されている。

【０００３】透明基板５４０に光を入射すると、光は透
明基板５４０の金属膜５２０側で反射する。金属膜５２
０の表面近傍にはこの表面に沿ってエバネッセント波が
形成される。このとき、金属膜５２０の表面には表面波
である表面プラズモンが励起される。励起される表面プ
ラズモンの波数は金属膜５２０の表面の状態により変化
する。エバネッセント波の金属膜表面方向の波数と表面
プラズモンの波数が一致すると、いわゆる表面プラズモ
ン共鳴が起こり、光のエネルギーの多くが表面プラズモ
ンを励起するのに使われる。この結果、光の反射強度が
低下する。

【０００４】光の入射角度を変化させると、エバネッセ
ント波の金属膜膜表面方向の波数が変化するので、表面
プラズモンを励起するのに用いられる光のエネルギーが
変化する。即ち、反射強度が変化する。図７は入射角度
に対する反射強度のグラフである。グラフは谷をもつ。
反射強度が谷の底である、即ち反射強度が極小であると
き、表面プラズモン共鳴が起こっている。

【０００５】このような表面プラズモン素子は物質検査
装置に取り付けられる。物質検査装置は、入射角度を変
えながらこの素子に光を照射する光源と、素子で反射し
た光の強度を検出する光検出器とを備えている。抗体５
３０は抗原を含んだ液体に浸される。抗体５３０に抗原
が結合すると、金属膜５２０の表面の状態が変化する。
この結果、励起し得る表面プラズモンの波数が変化する
ので、表面プラズモン共鳴が起こる入射角度が変化す
る。即ち、反射強度の谷の底がずれる。この谷の底のず
れを検出すれば、液体中の抗原の濃度が分かる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】平坦な金属膜を用いた
場合、反射強度の谷は比較的大きい半値幅をもつことが
多い。ＳＮが悪い場合には谷の底を特定することが困難
である。

【０００７】本発明は上記問題を鑑みてなされたもので
あり、本発明の目的は、感度が高い入射角度依存性と、
波長依存性をもつ表面プラズモン素子を提供することで
ある。本発明のもう１つの目的は、化学物質を感度良く
検査できる物質検査装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に係わる表面プラズモン素子は、
金属で形成された金属表面を有している金属部材と、前
記金属表面に含まれており、金属部材を周回する周回表
面と、光を透過させる光透過部材と、この光透過部材の
表面に含まれており、前記周回表面に対向する対向表面
と、前記光透過部材に設けられており、光が入射される
入射部であって、この入射部に入射された光は前記光透
過部材を透過して前記対向表面に導かれる入射部と、前
記光透過部材に設けられており、光が外部に出射される
出射部であって、前記対向表面で反射した光が前記光透
過部材を透過し、この出射部から出射する出射部と、を
備えており、前記入射部に入射し、前記対向表面に導か
れた光は、前記周回表面を周回する表面プラズモンを励
起し、この周回する表面プラズモンと前記対向表面に導
かれた光とは干渉し、前記出射部から出射する光の状態
は前記周回する表面プラズモンの状態に応じて変化す
る。

【０００９】本発明の請求項２に係わる表面プラズモン
素子では、前記金属部材の金属表面の少なくとも一部は
球面であり、前記周回表面はこの球面に含まれている。

【００１０】本発明の請求項３に係わる表面プラズモン
素子では、前記金属部材の形状は筒状であり、前記周回
表面は、金属部材の長さ方向と交差する方向に沿って延
びている。

【００１１】本発明の請求項４に係わる表面プラズモン
素子では、前記光透過部材の対向表面は、前記金属部材
の周回表面に沿って延びており、前記光透過部材の入射
部は、入射部から対向表面に導かれた光が前記対向表面
にわたって等しい入射角度で入射するよう、入射部に入
射した光を屈折する。

【００１２】本発明の請求項５に係わる表面プラズモン
素子は、前記光透過部材の前記入射部に光を照射する光
照射手段であって、照射された光は、光透過部材を透過
して、前記対向表面に全反射角よりも大きい入射角度で
入射し、光照射手段はこの入射角度を変えることが可能
である光照射手段と、前記光透過部材の前記対向表面か
ら広がる光の内、所定の入射角度で対向表面に入射し対
向表面で所定の反射角度で反射する光のみを取得する光
取得手段と、をさらに備えている。

【００１３】本発明の請求項６に係わる表面プラズモン
素子は、金属で形成された金属表面をそれぞれ有してい
る１以上の金属部材と、前記それぞれの金属表面に含ま
れており、金属部材を周回する周回表面と、前記それぞ
れの周回表面の上に取り付けられており、それぞれが少
なくとも２つの状態をとる反応物質と、光を透過させる
光透過部材と、この光透過部材の表面に含まれており、
前記それぞれの周回表面に対向する１以上の対向表面
と、前記光透過部材に設けられており、光が入射される
１以上の入射部であって、入射部に入射されたそれぞれ
の光は前記光透過部材をそれぞれ透過して前記１以上の
対向表面にそれぞれ導かれる複数の入射部と、前記光透
過部材に設けられており、光が外部に出射される１以上
の出射部であって、前記１以上の対向表面で反射したそ
れぞれの光が前記光透過部材を透過し、それぞれの出射
部からそれぞれ出射する１以上の出射部と、前記出射部
から出射した光を取得し、それぞれの光の状態を検出す
る光検出部と、光検出部で検出された光の状態に基づい
て前記反応物質の状態を判断する判断部と、を備えてお
り、前記入射部に入射し、前記対向表面に導かれた光
は、前記周回表面を周回する表面プラズモンを励起し、
この周回する表面プラズモンは前記反応物質の状態に応
じた状態をとり、この周回する表面プラズモンと前記対
向表面に導かれた光とは干渉し、前記出射部から出射す
る光の状態は前記反応物質の状態に応じて変化する。

【００１４】本発明の請求項７に係わる物質検査装置で
は、前記複数の金属部材のそれぞれの周回表面にそれぞ
れ取り付けられたそれぞれの反応物質は、それぞれの反
応物質に被検体が結合した状態と、それぞれの反応物質
に被検体が結合していない状態とをとる。

【００１５】本発明の請求項８に係わる物質検査装置で
は、前記被検体は、リガンド、レセプタ、タンパク質、
核酸及び核酸の化合物からなる群から選択される物質で
ある。

【００１６】本発明の請求項９に係わる物質検査装置
は、前記光透過部材の前記それぞれの入射部に光を照射
する光照射手段であって、照射されたそれぞれの光は、
光透過部材を透過して、前記それぞれの対向表面に全反
射角よりも大きい入射角度でそれぞれ入射し、光照射手
段は、それぞれの入射角度を変えることが可能である光
照射手段をさらに備えており、光検出部は、前記光透過
部材の前記それぞれの対向表面から広がるそれぞれの光
の内、所定の入射角度でそれぞれの対向表面に入射しそ
れぞれの対向表面で反射してそれぞれの対向表面から広
がるそれぞれの光を取得する。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１〜図５を参照して、本発明の
実施の形態に係わる表面プラズモン素子及び物質検査装
置を説明する。先ず、図１、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）
を参照して本発明の第１の実施の形態の表面プラズモン
素子とこの表面プラズモン素子を有する物質検査装置を
説明する。図１は、表面プラズモン素子の概略的な側面
図である。球状の基材１１０の表面には金で形成された
金属膜１２０が設けられている。図１では金属膜１２０
の一部が切りかかれている。本実施の形態では金属膜１
２０は金で形成されているが、金属膜は他の金属で形成
しても良い。基材１１０はガラスで形成されている。基
材１１０をその他の材料で形成しても良い。基材１１０
と金属膜１２０とは金属部材を形成している。金属部材
は金属で形成された金属表面を有している。

【００１８】金属部材は金属の球で形成されていても良
い。また、この金属の球の内部には空洞があっても良
い。また、金属表面の少なくとも一部が球面であって良
い。例えば、金属部材の形状が、一部が切り欠かれた球
の形状であっても良い。球面を有するリング状であって
もよい。

【００１９】基材１１０は光を透過させる平板状の光透
過部材１４０に対向している。図１では光透過部材１４
０は厚さ方向に切断されている。光透過部材１４０の一
面が基材１１０に向けられている。この面には基材１１
０と光透過部材１４０の間の間隔を適切に設定するため
の膜状のスペーサ１４１が設けられている。スペーサ１
４１は基材１１０と光透過部材１４０を可能な限り接近
させる。基材１１０と光透過部材１４０の最近接距離は
この表面プラズモン素子で用いる光の波長より短いこと
が望ましい。スペーサ１４１は光を吸収する材料で形成
されていても良い。

【００２０】スペーサ１４１の一部は切りかかれてお
り、光透過部材１４０の表面が露出している。露出した
表面は金属膜１２０に対向している。この表面を対向表
面１４２として用いる。ここで、「対向する」とは、
「接する」ことと、「間隔をおいている」こととを含
む。本実施の形態では、対向表面１４２は金属膜１２０
と対向している。対向表面１４２は平面である。

【００２１】金属表面には金属部材を周回する周回表面
が含まれている。対向表面１４２に対向する基材１１０
の部分と基材１１０の中心とを含む平面を考える。図１
ではこの平面が紙面に平行にされている。この平面と基
材１１０の表面との交線に沿って基材１１０を周回する
金属膜１２０の表面を周回表面１１１として用いる。上
述したスペーサ１４１は周回表面１１１とは接触せず
に、周回表面１１１以外の金属膜１２０の表面と接触し
ている。

【００２２】基材１１０とは反対側の光透過部材１４０
の面に、矢印Ｉの方向に沿って光が入射すると、光は光
透過部材１４０を透過して対向表面１４２に導かれ、こ
こに入射する。この光の入射角度をθとする。光が入射
する光透過部材１４０の部分は入射部１４３として用い
られている。光は対向表面１４２で反射し、光透過部材
１４０を透過して基材１１０とは反対側の光透過部材１
４０の面から出射する。光が出射する光透過部材１４０
の部分は出射部１４４として用いられている。図１に示
された光の光路は紙面に平行である。

【００２３】対向表面１４２の近傍には、対向表面１４
２から離れる方向については虚数の波数をもつエバネッ
セント波が形成される。対向表面１４２に接する金属膜
１２０の表面の部分（励起表面）１２１には、このエバ
ネッセント波の対向表面１４２の面に沿った方向の、波
数と等しい周期をもつ表面プラズモンが励起される。対
向表面１４２に導かれなかった光はスペーサ１４１に吸
収される。この表面プラズモンは周回表面１１１を矢印
Ｐの向きに進む。上述のように配置された周回表面１１
１を周回する表面プラズモンは周回する。周回表面１１
１を周回した表面プラズモンは励起表面１２１に到達す
る。

【００２４】対向表面１４２に導かれた光は、励起表面
１２１上の表面プラズモンと干渉し、この後出射部１４
４から出射する。平坦な金属膜に表面プラズモンを励起
する従来の表面プラズモン素子のように、出射部１４４
から出射した光の強度（反射強度）は入射角度θに依存
する。図２（Ａ）は入射角度θに対する反射強度のグラ
フである。このとき、入射部１４３に入射する光の入射
波長は一定である。周回表面１１１の状態に応じた谷が
現れる。また、反射強度は入射波長にも依存する。図２
（Ｂ）は入射波長に対する反射強度のグラフである。こ
のとき、入射角度θは一定である。複数の鋭い谷が現れ
る。これは表面プラズモンの周期に起因にしている。
尚、出射部１４４から出射する光の位相も、反射強度と
同様に、入射角度θと入射波長に依存する。入射角度θ
及び入射波長の変化に応じて位相も変化する。

【００２５】光と表面プラズモンが干渉することによ
り、出射部１４４から出射する光は、周回する表面プラ
ズモンの状態に応じた状態、即ち強度と位相をもつ。表
面プラズモンの状態が変化すると、図２（Ａ）及び図２
（Ｂ）のグラフのそれぞれの谷がずれる。この谷のずれ
量から表面プラズモンの状態を判断できる。

【００２６】次に、本実施の形態の表面プラズモン素子
を用いた物質検査装置を説明する。物質検査装置は、入
射部１４３に光を照射する光源１５０と、出射部１４４
から出射した光の状態、即ち反射強度及び／又は位相を
検出する光検出器１６０とを備えている。光源１５０は
入射角度θと入射波長を変えることができる。光源１５
０は対向表面１４２に全反射角よりも大きい入射角度で
光を入射させる。光検出器１６０は対向表面１４２から
広がる光の内、所定の入射角度で対向表面１４２に入射
し、対向表面１４２で反射して対向表面１４２から広が
る光を取得する。光源１５０は対向表面１４２への入射
角度を変えることができる光照射手段として用いられて
いる。光検出器１６０は光取得手段として用いられてい
る。

【００２７】物質検査装置は様々な用途に使用すること
ができる。金属膜１２０に液体を接触させると、液体
の、例えば誘電率や混合物の濃度に応じて表面プラズモ
ンの状態が変化する。これを利用すれば、液体の特性を
決定することができる。液体中の溶解物質の濃度が変化
すると、金属膜１２０の表面の表面プラズモンの状態が
変化する。この結果、反射強度と位相が変化する。即
ち、反射強度と位相の少なくとも一方の変化、即ち谷の
ずれが分かると、液体中の溶解物質の濃度が分かる。入
射角度θ又は入射波長を変えながら検出された反射強度
と位相は、光検出器１６０に接続された処理部１６１に
渡される。処理部１６１は、谷のずれから濃度を決定す
る。

【００２８】平坦な金属膜を用いた従来の表面プラズモ
ン素子とは異なり、特に波長に依存した反射強度又は位
相の谷は鋭いので谷の底を感度良く特定できるので、金
属膜１２０周りにある物質を感度良く検査できる。

【００２９】本実施の形態では基材１１０の形状は球で
あるが、球の一部を切り欠いた形状であっても良い。

【００３０】本実施の形態では金属膜１２０は対向表面
１４２と間隔をおいているが、接していても良い。この
間隔は光の波長の数分の１以下に短いことが好ましい。

【００３１】次に、図３を参照して本発明の第２の実施
の形態の表面プラズモン素子を説明する。図３は、表面
プラズモン素子の概略的な側面図である。本実施の形態
において、第１の実施の形態の図１（Ａ）及び図１
（Ｂ）を参照して説明した構成部材と実質的に同一の構
成部材は、第１の実施の形態の対応する構成部材を指示
していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を
省略する。

【００３２】本実施の形態の表面プラズモン素子は第１
の実施の形態と同じものである、金属膜１２０が設けら
れた球状の基材１１０を有している。光透過部材２４０
が基材１１０に対向している。図３では光透過部材２４
０の断面が示されている。光透過部材２４０の基材１１
０側には球面をなす金属膜１２０の表面の一部と間隔を
おいている対向表面２４２が広がっている。対向表面２
４２は金属膜１２０の表面に沿って延びている。対向表
面２４２の周りの光透過部材２４０の表面には、光透過
部材２４０と金属膜１２０の間に間隔をおくためのスペ
ーサ２４１が設けられている。

【００３３】光透過部材２４０の基材１１０とは反対側
には光が入射される。この部分には光を屈折させるため
の所定の形状の曲面が形成されている。この部分を入射
部２４３として用いる。入射部２４３は、入射部２４３
から対向表面２４２に導かれた光が対向表面２４２にわ
たって等しい入射角度で入射するよう、入射部２４３に
入射した光を屈折する。入射部２４３には平行光が入射
される。

【００３４】この平行光に含まれる光線２０１，２０
２，２０３を考える。光線２０１，２０２，２０３は入
射部２４３で屈折され、対向表面２４２にそれぞれ導か
れる。光線２０１，２０２，２０３はそれぞれ対向表面
２４２に等しい入射角度θで入射する。それぞれの入射
角度は、球面である対向表面２４２に接する接平面の法
線と、それぞれの光線２０１，２０２，２０３とのなす
角度である。入射角度θが、表面プラズモン共鳴が起き
る角度であれば、入射部２４３に入射する光は表面プラ
ズモンの励起に寄与できる。さらに、形状が球面の一部
である対向表面２４２に沿って金属膜１２０が延びてい
るので、金属膜１２０に及んだエバネッセント波の周期
と厳密に同じ周期をもつ表面プラズモンを金属膜１２０
の表面に励起できる。

【００３５】対向表面２４２で反射したそれぞれの光線
２０１，２０２，２０３は、互いに離間しながら光透過
部材２４０を透過し、光透過部材２４０から外部に出射
する。光が出射する光透過部材２４０の部分には光を屈
折させるための所定の形状の曲面が形成されている。こ
の部分を出射部２４４として用いる。光線２０１，２０
２，２０３は出射部２４４で屈折され、互いに平行にさ
れる。対向表面２４２で反射し拡散する光を平行にする
ことができる。図３に示された光線２０１，２０２，２
０３は紙面に平行である。

【００３６】本実施の形態の表面プラズモン素子も第１
の実施の形態の表面プラズモン素子と同様の物質検査装
置に取り付けることができ、同様の用途に用いることが
できる。物質検査装置は、第１の実施の形態と同様に、
対向表面２４２への入射角度を変えることができる光照
射手段と、対向表面２４２から広がる光の内、所定の入
射角度で対向表面２４２に入射し、対向表面２４２で反
射して対向表面２４２から広がる光を取得する光取得手
段とを備えている。光照射手段は入射部２４３を含んで
いる。光取得手段は出射部２４４を含んでいる。

【００３７】次に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照し
て本発明の第３の実施の形態の表面プラズモン素子を説
明する。図４（Ａ）は表面プラズモン素子３００の斜視
図である。光を透過する平板状の光透過部材３４０の一
面上には光吸収膜３４１が設けられている。光透過部材
３４０の光吸収膜３４１側には球状の複数の基材１１０
ａ，１１０ｂ，１１０ｃが対向している。図４には代表
的な３つの基材に符号１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃが
付されている。複数の基材を特定することを容易にする
ために、これらの基材は配列されている。基材１１０
ａ，１１０ｂ，１１０ｃの表面にはそれぞれ金属膜１２
０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが設けられている。その他の
基材も同様である。

【００３８】基材１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃにそれ
ぞれ対向する光吸収膜３４１の部分は切りかかれてお
り、光透過部材３４０の表面の複数の部分が露出してい
る。これらの部分を対向表面３４２ａ，３４２ｂ，３４
２ｃとして用いる。対向表面３４２ａ，３４２ｂ，３４
２ｃは平面である。対向表面３４２ａ，３４２ｂ，３４
２ｃは金属膜１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃと間隔をお
いており、光の波長の数分の１以下の距離に接近してい
る。その他の基材に対向する光吸収膜３４１の部分にも
同様に対向表面が設けられている。

【００３９】光透過部材３４０のこれらの対向表面に光
を所定の角度で入射すると、第１の実施の形態と同様
に、基材を周回する表面プラズモンがそれぞれ励起され
る。それぞれの表面プラズモンの状態の変化に応じてそ
れぞれの対向表面で反射するそれぞれの光の状態が変化
する。

【００４０】本実施の形態の表面プラズモン素子３００
は第１の実施の形態と同様の物質検査装置に取り付ける
ことができる。それぞれの金属膜の表面にはそれぞれ反
応物質が固定されている。反応物質は少なくとも２つの
状態をとることができる。それぞれの基材を周回するそ
れぞれの弾性表面波は反応物質の状態に応じた状態をと
る。

【００４１】図４（Ｂ）は物質検査装置の概略図であ
る。光源３５０はそれぞれの対向表面に光を等しい入射
角度で入射する。光源３５０には光源３５０の向きを変
えてこの入射角度を変えることができる入射角度可変部
３５１が取り付けられている。光源３５０と入射角度可
変部３５１とはそれぞれの対向表面への入射角度を変え
ることができる光照射手段を形成している。光照射手段
は入射角度可変部３５１の代わりに、ミラーなどを用い
て光の入射角度を変える光学系を有していても良い。光
検出部３６０はＣＣＤを備えている。光検出部３６０は
それぞれの対向表面から広がるそれぞれの光の内、所定
の入射角度でそれぞれの対向表面に入射しそれぞれの対
向表面で反射してそれぞれの対向表面から広がるそれぞ
れの光を取得する。光検出部３６０は、特定の波長の光
のみを取得するフィルタや分光器を備えていても良い。

【００４２】光検出部３６０は光透過部材３４０の基材
とは反対側の画像を取得することで、それぞれの対向表
面で反射したそれぞれの光の反射強度を検出する。それ
ぞれの反射強度は判断部３６１に渡される。判断部３６
１はそれぞれの反射強度に基づいてそれぞれの反応物質
の状態を判断する。本実施の形態では、光検出部３６０
は反射強度を検出しているが、位相を検出しても良い。
また、光の状態にかかわるその他の物理量を検出しても
良い。

【００４３】タンパク質が結合した状態と、タンパク質
が結合していない状態とをとる反応物質を用いた物質検
査装置の例を説明する。タンパク質としては、例えば抗
原が用いられる。この場合反応物質としてはこの抗原に
結合する抗体が用いられる。それぞれの反応物質はそれ
ぞれ別の種類のタンパク質に結合する。この物質検査装
置は１以上の種類のタンパク質を含んだ液体を検査する
ことができる。基材を全てこの液体に浸す。

【００４４】ある反応物質が、これにタンパク質が結合
した状態（結合状態）をとるときに、光の波長を一定に
した状態で入射角度を変えながら反射強度を検出する
と、特定の入射角度で表面プラズモン共鳴が起こり、反
射強度が極小になる。この角度を共鳴角度と呼ぶことに
する。光検出部３６０で取得された画像を観察すると、
共鳴角度で対向表面は暗くなる。

【００４５】同様に、ある反応物質が、これにタンパク
質が結合していない状態（非結合状態）をとるときに
も、対向表面が暗くなる共鳴角度が存在する。結合状態
の共鳴角度と非結合状態の共鳴角度は異なる。

【００４６】種類の異なる複数の反応物質の結合状態及
び非結合状態の共鳴角度は互いに異なる。金属膜１２０
ａと金属膜１２０ｂに固定された反応物質Ａ，Ｂにそれ
ぞれ別のタンパク質が結合し、金属膜１２０ｃに固定さ
れた反応物質Ｃにはタンパク質が結合しないと仮定す
る。結合状態にある反応物質Ａの共鳴角度θ_Ａ、結合状
態にある反応物質Ｂの共鳴角度θ_Ｂ及び非結合状態にあ
る反応物質Ｃの共鳴角度θ_Ｃは互いに異なる。種類の異
なる複数の反応物質の結合状態又は非結合状態の共鳴範
囲は重なりにくい。

【００４７】従って、入射角度を変えながら、光検出部
３６０で取得された画像を観察すると、ある対向表面が
暗くなった後に、この対向表面が明るくなり、別の対向
表面が暗くなる。即ち、入射角度の変化に応じて暗い位
置が移り変わっていく。θ_Ｂ＜θ_Ａ＜θ_Ｃであるとすれ
ば、入射角度を増加させると、入射角度がθ_Ｂになった
ときに対向表面３４２ｂが暗くなる。その後、再び明る
くなる。続いて、入射角度がθ_Ａになったときに対向表
面３４２ａが暗くなり、再び明るくなる。さらに、入射
角度がθ_Ｃになったときに対向表面３４２ｃが暗くな
り、再び明るくなる。

【００４８】入射角度の変化に応じて暗い位置が変わる
このような画像は判断部３６１に渡される。このような
画像はそれぞれの入射角度毎に複数ある。それぞれの画
像には入射角度が割り当てられている。これらの画像は
公知の画像処理の技術を用いて処理される。画像処理の
技術を用いれば、上記のようなタンパク質を含んだ液体
の検査を短時間で行うことができる。判断部３６１は結
合状態にある全ての反応物質の共鳴角度を記憶してい
る。判断部３６１は、渡された複数の画像から、割り当
てられた入射角度がこのような共鳴角度に等しい画像を
抽出する。例えば、入射角度がθ_Ａ，θ_Ｂに等しい画像
が取り出される。一方、入射角度がθ_Ｃに等しい画像は
取り出されない。

【００４９】次に、入射角度を一定にして波長を変えた
ときの反射光の強度を用いることもできる。上記例と同
様であるが、この場合は、光検出部３６０に設けられた
分光器を用いる。それぞれの基材に対向するそれぞれの
対向表面が光の波長に応じて明るくなったり暗くなった
りする。

【００５０】波長に応じて暗くなる位置が変わる。この
ような画像は判断部３６１に渡される。判断部３６１は
記憶している波長に依存した画像パターンの過去の例か
ら最も類似したパターンを選び出し、それに応じた結合
物質の種類と濃度を判断する。

【００５１】抽出した画像のそれぞれから暗い位置を取
得する。暗い位置は、結合状態にある反応物質が固定さ
れた金属膜の位置である。即ち、暗い位置は、基材を液
体に浸したときにタンパク質と結合した反応物質の種類
に対応している。判断部３６１は、抽出した画像の暗い
位置に基づいてタンパク質と結合した反応物質の種類を
特定する。結合した反応物質の種類が分かれば液体に含
まれたタンパク質の種類が分かる。尚、タンパク質と結
合した反応物質の種類が特定されれば、それぞれの反応
物質が結合状態にあるか、非結合状態にあるかが分か
る。

【００５２】一般に、タンパク質の検査には極めて多く
の種類の反応物質を用いる。本実施の形態の物質検査装
置を用いれば、このような検査を短時間で行うことがで
きる。また、反応物質の種類毎に検査を行う必要がな
い。１回の検査で極めて多くの種類の反応物質の状態を
判断できる。

【００５３】反応物質には特定のタンパク質と結合する
物質の代わりに、特定の核酸又はその化合物と結合する
物質を用いても良い。この反応物質を用いれば、上記の
例と同様に、液体に含まれた１以上の核酸等の種類を特
定できる。

【００５４】本実施の形態の表面プラズモン素子の光透
過部材には、第２の実施の形態の表面プラズモン素子と
同様の、基材に沿って延びる対向表面と、光を屈折させ
る入射部及び出射部を設けても良い。また、光照射手段
としてＬＥＤなどの発光素子を用い、光検出手段として
受光素子を用い、これらを光透過部材３４０に貼り付け
ても良い。この場合、発光素子と受光素子が貼り付けら
れた光透過部材３４０の部分が入射部、出射部としてそ
れぞれ用いられる。

【００５５】次に、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を参照し
て本発明の第４の実施の形態の表面プラズモン素子を説
明する。図５（Ａ）は表面プラズモン素子の斜視図であ
る。筒状の基材４１０の表面には金属膜４２０が設けら
れている。基材４１０と金属膜４２０は金属部材を形成
している。基材４１０の横断面の形状は円である。金属
膜４２０の表面は、基材４１０の長さ方向と交差する方
向に沿って延び、基材４１０を周回する複数の周回表面
４１１を含んでいる。本実施の形態では、周回表面４１
１は円筒の中心軸に垂直な平面と基材４１０の表面と交
線に沿って延びている。

【００５６】それぞれの周回表面４１１上には、それぞ
れ別の種類のタンパク質に結合する複数の反応物質４４
２ａ，４４２ｂ，４４２ｃが取り付けられている。

【００５７】金属膜４２０には光を透過する平板状の光
透過部材４４０が対向している。光透過部材４４０の金
属膜４２０側には光を吸収する光吸収部材４４１が設け
られている。光吸収部材４４１の金属膜４２０に対向す
る部分は切りかかれており、光透過部材４４０の表面が
露出している。この部分は対向表面４４２として用いら
れる。対向表面４４２は平面であり、金属膜４２０と間
隔をおいており、光の波長の数分の１以下の距離に近接
している。

【００５８】光は、円筒の中心軸と直角に進み、対向表
面４４２に向かうよう、矢印Ｉに沿って光透過部材４４
０に入射される。光透過部材４４０を透過した光は対向
表面４４２に所定の入射角度で入射する。対向表面４４
２で反射した光は光透過部材４４０から出射し、矢印Ｏ
に沿って進む。

【００５９】本実施の形態の表面プラズモン素子を第３
の実施の形態の表面プラズモン素子が取り付けられた物
質検査装置と同様のものに取り付ければ、１回の検査で
極めて多くの種類の反応物質の状態を判断できるので、
短時間でタンパク質の種類を特定できる。反応物質には
特定のタンパク質と結合する物質の代わりに、特定の核
酸又はその化合物と結合する物質を用いても良い。この
反応物質を用いれば、液体に含まれた１以上の核酸の種
類も特定できる。

【００６０】本実施の形態では、基材４１０は筒状であ
り、基材４１０の横断面の形状は円であるが、本発明は
これに限定されない。基材４１０の横断面の形状は、例
えば長円、特に楕円であっても良い。図５（Ｂ）は、本
実施の形態の表面プラズモン素子の変形例の断面図であ
る。筒状の基材４１０ｂが平板状の光透過部材４４０ｂ
に対向している。基材４１０ｂの表面には金属膜４２０
ｂが設けられている。図５（Ｂ）では基材４１０ｂの横
断面が示されている。基材４１０ｂの横断面の形状は、
光透過部材４４０ｂ側の基材４１０ｂの表面が光透過部
材４４０ｂに沿って広がっている。基材４１０ｂ横断面
の周は角のない滑らかな曲線を描く。これにより、金属
膜４２０ｂの広い面積にわたって光透過部材４４０ｂが
対向するので、効率よく表面プラズモンを励起できる。

【００６１】尚、本発明は上述した実施の形態に限定さ
れるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内にお
いて種々の変形や応用が可能であることは勿論である。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述したことから明らかなように、
本発明に従った表面プラズモン素子は、表面プラズモン
の影響を受けて、光が入射角度依存性と、鋭い波長依存
性をもつ。本発明に従った物質検査装置を用いれば、化
学物質を感度良く検査できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における表面プラズ
モン素子とこの素子が取り付けられた物質検査装置の概
略的な側面図。

【図２】（Ａ）は入射角度に対する反射強度のグラフ。
（Ｂ）は入射波長に対する反射強度のグラフ。

【図３】本発明の第２の実施の形態における表面プラズ
モン素子の概略的な側面図。

【図４】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態における表
面プラズモン素子の斜視図。（Ｂ）は（Ａ）の表面プラ
ズモン素子が取り付けられた物質検査装置の概略図。

【図５】（Ａ）は本発明の第４の実施の形態における表
面プラズモン素子の斜視図。（Ｂ）は第４の実施の形態
の表面プラズモン素子の変形例の断面図。

【図６】従来の表面プラズモン素子の概略的な断面図。

【図７】従来の表面プラズモン素子の入射角度に対する
反射強度のグラフ。

【符号の説明】

１１０ 基材 １１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ 基材 １１１ 周回表面 １２０ 金属膜 １２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ 金属膜 １２１ 励起表面 １４０ 光透過部材 １４２ 対向表面 １４３ 入射部 １４４ 出射部 １５０ 光源（光照射手段） １６０ 光検出器（光取得手段） １６１ 処理部 ２０１，２０２，２０３ 光線 ２４０ 光透過部材 ２４２ 対向表面 ２４３ 入射部 ２４４ 出射部 ３００ 表面プラズモン素子 ３４０ 光透過部材 ３４２ａ，３４２ｂ，３４２ｃ 対向表面 ３５０ 光源（光照射手段） ３５１ 入射角度可変部（光照射手段） ３６０ 光検出部 ３６１ 判断部 ４１０ 基材 ４１０ｂ 基材 ４１１ 周回表面 ４２０ 金属膜 ４２０ｂ 金属膜 ４４０ 光透過部材 ４４０ｂ 光透過部材 ４４２ａ，４４２ｂ，４４２ｃ 反応物質 ４４２ 対向表面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 33/566 Ｇ０１Ｎ 33/566 (72)発明者 高瀬 一郎 東京都台東区台東１丁目５番１号 凸版印 刷株式会社内 Ｆターム(参考） 2G057 AA02 AB07 AC01 BA01 BB01 2G059 AA01 AA05 BB04 BB12 CC16 EE02 EE09 GG02 GG10 JJ01 JJ02 JJ13 KK01 KK04 MM10

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属で形成された金属表面を有している
   金属部材と、 前記金属表面に含まれており、金属部材を周回する周回
   表面と、 光を透過させる光透過部材と、 この光透過部材の表面に含まれており、前記周回表面に
   対向する対向表面と、 前記光透過部材に設けられており、光が入射される入射
   部であって、この入射部に入射された光は前記光透過部
   材を透過して前記対向表面に導かれる入射部と、 前記光透過部材に設けられており、光が外部に出射され
   る出射部であって、前記対向表面で反射した光が前記光
   透過部材を透過し、この出射部から出射する出射部と、 を備えており、 前記入射部に入射し、前記対向表面に導かれた光は、前
   記周回表面を周回する表面プラズモンを励起し、 この周回する表面プラズモンと前記対向表面に導かれた
   光とは干渉し、前記出射部から出射する光の状態は前記
   周回する表面プラズモンの状態に応じて変化することを
   特徴とする表面プラズモン素子。
2. 【請求項２】 前記金属部材の金属表面の少なくとも一
   部は球面であり、前記周回表面はこの球面に含まれてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン素
   子。
3. 【請求項３】 前記金属部材の形状は筒状であり、前記
   周回表面は、金属部材の長さ方向と交差する方向に沿っ
   て延びていることを特徴とする請求項１に記載の表面プ
   ラズモン素子。
4. 【請求項４】 前記光透過部材の対向表面は、前記金属
   部材の周回表面に沿って延びており、 前記光透過部材の入射部は、入射部から対向表面に導か
   れた光が前記対向表面にわたって等しい入射角度で入射
   するよう、入射部に入射した光を屈折することを特徴と
   する請求項１乃至３いずれか１項に記載の表面プラズモ
   ン素子。
5. 【請求項５】 前記光透過部材の前記入射部に光を照射
   する光照射手段であって、照射された光は、光透過部材
   を透過して、前記対向表面に全反射角よりも大きい入射
   角度で入射し、光照射手段はこの入射角度を変えること
   が可能である光照射手段と、 前記光透過部材の前記対向表面から広がる光の内、所定
   の入射角度で対向表面に入射し対向表面で所定の反射角
   度で反射する光のみを取得する光取得手段と、 をさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至４い
   ずれか１項に記載の表面プラズモン素子。
6. 【請求項６】 金属で形成された金属表面をそれぞれ有
   している１以上の金属部材と、 前記それぞれの金属表面に含まれており、金属部材を周
   回する周回表面と、 前記それぞれの周回表面の上に取り付けられており、そ
   れぞれが少なくとも２つの状態をとる反応物質と、 光を透過させる光透過部材と、 この光透過部材の表面に含まれており、前記それぞれの
   周回表面に対向する１以上の対向表面と、 前記光透過部材に設けられており、光が入射される１以
   上の入射部であって、入射部に入射されたそれぞれの光
   は前記光透過部材をそれぞれ透過して前記１以上の対向
   表面にそれぞれ導かれる複数の入射部と、 前記光透過部材に設けられており、光が外部に出射され
   る１以上の出射部であって、前記１以上の対向表面で反
   射したそれぞれの光が前記光透過部材を透過し、それぞ
   れの出射部からそれぞれ出射する１以上の出射部と、 前記出射部から出射した光を取得し、それぞれの光の状
   態を検出する光検出部と、 光検出部で検出された光の状態に基づいて前記反応物質
   の状態を判断する判断部と、 を備えており、 前記入射部に入射し、前記対向表面に導かれた光は、前
   記周回表面を周回する表面プラズモンを励起し、 この周回する表面プラズモンは前記反応物質の状態に応
   じた状態をとり、 この周回する表面プラズモンと前記対向表面に導かれた
   光とは干渉し、前記出射部から出射する光の状態は前記
   反応物質の状態に応じて変化することを特徴とする物質
   検査装置。
7. 【請求項７】 前記複数の金属部材のそれぞれの周回表
   面にそれぞれ取り付けられたそれぞれの反応物質は、そ
   れぞれの反応物質に被検体が結合した状態と、それぞれ
   の反応物質に被検体が結合していない状態とをとること
   を特徴とする請求項６に記載の物質検査装置。
8. 【請求項８】 前記被検体は、リガンド、レセプタ、タ
   ンパク質、核酸及び核酸の化合物からなる群から選択さ
   れる物質であることを特徴とする請求項７に記載の物質
   検査装置。
9. 【請求項９】 前記光透過部材の前記それぞれの入射部
   に光を照射する光照射手段であって、照射されたそれぞ
   れの光は、光透過部材を透過して、前記それぞれの対向
   表面に全反射角よりも大きい入射角度でそれぞれ入射
   し、光照射手段は、それぞれの入射角度を変えることが
   可能である光照射手段をさらに備えており、 光検出部は、前記光透過部材の前記それぞれの対向表面
   から広がるそれぞれの光の内、所定の入射角度でそれぞ
   れの対向表面に入射し対向表面で所定の反射角度で反射
   するそれぞれの光のみを取得することを特徴とする請求
   項６乃至８のいずれか１項に記載の物質検査装置。