JP2005181296A - Localized surface plasmon sensor, sensing apparatus, and sensing method - Google Patents

Localized surface plasmon sensor, sensing apparatus, and sensing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor microminiaturized so as to have a measuring range of the order of μm, easily manufactured, and sensitively detecting an interaction such as a reaction between an antigen and an antibody in situ without a label such as a fluorescent dye. <P>SOLUTION: The localized surface plasmon sensor is formed with a metal particulate layer 4 having a dimension for exciting a localized surface plasmon resonance on an end face of an optical fiber 2. A molecular layer of molecules 6 complementary to detected molecules 5 is formed on a surface of the metal particulate layer 4. The detected molecules 5 adsorbed or bonded to the complementary molecules 6 are detected by using a change of a light inputted to the optical fiber 2 due to the surface plasmon resonance localized in the metal particulate layer 4. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はセンサに関する。詳しくは、微小領域に存在する検出対象分子を検出する局在化表面プラズモンセンサ、センシング装置およびこれらを用いたセンシング方法に関する。   The present invention relates to a sensor. More specifically, the present invention relates to a localized surface plasmon sensor, a sensing device, and a sensing method using them, which detect a detection target molecule present in a minute region.

遺伝子工学や生命科学の急速な発展により得られた知見を医療や薬学、工学などに応用するためには、タンパク質やDNAの相互作用、抗原−抗体反応を高感度かつ高スループットでセンシングする技術の開発が求められている。既存のセンシング装置では、蛍光ラベルを用いた手法や全反射減衰法を用いた表面プラズモン共鳴測定を利用した手法、水晶振動子を利用したセンシング手法(水晶振動子上に吸着する分子量を発振周波数の変化として読み取る手法)等が用いられている。これらのセンシング手法は優れた方法であるが、プローブ構造の制限が大きく、DNAのハイブリッド化を検出できるような高い感度を保ったまま、ミクロンサイズあるいはそれ以下のサイズへ微小化することは難しい。   In order to apply the knowledge gained from the rapid development of genetic engineering and life sciences to medicine, pharmacy, engineering, etc., it is necessary to develop technology for sensing protein and DNA interactions and antigen-antibody reactions with high sensitivity and high throughput. Development is required. In existing sensing devices, a method using a fluorescent label, a method using surface plasmon resonance measurement using a total reflection attenuation method, a sensing method using a crystal resonator (the molecular weight adsorbed on the crystal resonator A method of reading as a change) is used. Although these sensing methods are excellent methods, it is difficult to miniaturize to a micron size or smaller size while maintaining a high sensitivity that can detect hybridization of DNA because the probe structure is greatly limited.

図13は表面プラズモン共鳴を用いたセンシングの原理を説明するための図である。101は表面プラズモンセンサである。基板102の端面103にトランスジューサとしての金属微粒子層104(例えば金微粒子からなる)を形成する。次に検出対象分子105a,b(analyte:アナライト)に相補的な(親和性の強い)分子106a,b(ligand:リガンド)の分子層(例えば単分子層)を金属微粒子層104の表面に構築する。ここでトランスジューサは相補的な分子の吸着や結合、屈折率変化などを反射光強度、散乱光強度、共鳴波長などの光信号に変換する。このセンサを搭載した基板102を試料溶液中に浸した際に、アナライト105a,bがあれば、それぞれ、その相互作用(親和力)により選択的にリガンド106a,bに吸着又は結合する。アナライト105a,bとリガンド106a,bは互いに相補的であるため鍵と鍵穴のような関係になっており、相補的な物質同士(例えば105aと105b)の相互作用は大変強力であるが、相補的でない物質同士(例えば105aと106b)の相互作用は非常に弱い。吸着又は結合したアナライト105の量をリアルタイムでセンシングできれば、即座に試料溶液の分析や分子間の相互作用についての議論を行うことができる。たとえば、リガンド106としてオリゴヌクレオチドを用いれば、相補的な塩基配列を持つオリゴDNAがハイブリダイゼーションを起し、その検出ができる。ハイブリダイゼーションの速度論的な議論を行えば、塩基のミスマッチの議論が可能である。また、リガンドとして抗体を用いた実験では、対象となる抗体を高感度に検出することが可能である。同様の原理で、脂質−タンパク質、糖−タンパク質の相互作用の検出も可能であり、この手法の汎用性は高い。   FIG. 13 is a diagram for explaining the principle of sensing using surface plasmon resonance. Reference numeral 101 denotes a surface plasmon sensor. A metal fine particle layer 104 (made of, for example, gold fine particles) as a transducer is formed on the end surface 103 of the substrate 102. Next, a molecular layer (for example, a monomolecular layer) of molecules 106 a and b (ligand) complementary (strong affinity) to the detection target molecules 105 a and b (analyte) is formed on the surface of the metal fine particle layer 104. To construct. Here, the transducer converts the adsorption and binding of complementary molecules, the change in refractive index, and the like into optical signals such as reflected light intensity, scattered light intensity, and resonance wavelength. When the substrate 102 on which this sensor is mounted is immersed in the sample solution, if there are analytes 105a and 105b, they are selectively adsorbed or bound to the ligands 106a and 106b by their interaction (affinity). Since the analytes 105a and 105b and the ligands 106a and 106b are complementary to each other, they have a relationship like a key and a keyhole, and the interaction between complementary substances (for example, 105a and 105b) is very strong. The interaction between non-complementary substances (eg 105a and 106b) is very weak. If the amount of the adsorbed or bound analyte 105 can be sensed in real time, it is possible to immediately analyze the sample solution and discuss the interaction between molecules. For example, when an oligonucleotide is used as the ligand 106, an oligo DNA having a complementary base sequence is hybridized and can be detected. By discussing the kinetics of hybridization, it is possible to discuss base mismatches. Further, in an experiment using an antibody as a ligand, the target antibody can be detected with high sensitivity. Based on the same principle, it is possible to detect lipid-protein and sugar-protein interactions, and the versatility of this technique is high.

このような生体分子間の相互作用を追跡する手段に求められることは、(a)数nm程度の単分子層の吸着又は結合が検出できる高い感度、(b)溶液中でのリアルタイム検出が可能であること、(c)簡単な装置で検出が可能であること、である。局在プラズモン共鳴は、光の波長に比べて十分に小さい(数nmから100nm程度の)金属粒子中に光のエネルギーを閉じ込めたり伝播できる、金属微細構造近傍には電場強度の著しい増強が起こる、共鳴条件は表面近傍の状態に敏感であり、物質の吸着・結合や脱離により共鳴条件が大きく変化する、という特徴を持つ。したがって、局在プラズモン共鳴を使ったバイオセンシングは、生体分子の相互作用を蛍光標識を用いることなく検出できることに加えて、ナノメートルサイズの金属微粒子を用いるため、センシング部分のマイクロメートルあるいはナノメートルサイズの微小化が期待される。   What is required of a means for tracking such interactions between biomolecules is (a) high sensitivity capable of detecting adsorption or binding of monomolecular layers of several nanometers, and (b) real-time detection in solution. (C) It is possible to detect with a simple device. Local plasmon resonance is capable of confining or propagating light energy in metal particles that are sufficiently small (several nm to 100 nm) compared to the wavelength of light. The resonance condition is sensitive to the state near the surface, and has a feature that the resonance condition changes greatly due to adsorption / bonding or desorption of a substance. Therefore, biosensing using localized plasmon resonance can detect the interaction of biomolecules without using fluorescent labels, and uses nanometer-sized metal microparticles. The miniaturization is expected.

図14に従来の表面プラズモンセンサ111の構成例を示す(非特許文献1参照)。プリズム112がマッチングオイル113により第1のガラス基板114の一面に密着されている。第1のガラス基板114のプリズム112と反対側の面に金薄膜115(約50nm厚)が堆積されている。第1のガラス基板114の金薄膜115が堆積された側に第2のガラス基板116がスペーサ117を介して配置され、第1、第2のガラス基板114、116とスペーサ117の間の空間に、試料容器118から検出対象分子(アナライト)を含む試料119を注入する。プリズム112に第1のガラス基板114の面に対する法線から入射角θ(全反射が起こる条件)で入射光120を入射する。表面プラズモン共鳴により、入射角θが共鳴角の近傍の場合、入射光のエネルギーが吸収され、反射光121の反射率が減少する。反射光121を光検出器で検出する。   FIG. 14 shows a configuration example of a conventional surface plasmon sensor 111 (see Non-Patent Document 1). The prism 112 is closely attached to one surface of the first glass substrate 114 by the matching oil 113. A gold thin film 115 (about 50 nm thick) is deposited on the surface of the first glass substrate 114 opposite to the prism 112. A second glass substrate 116 is disposed on the side of the first glass substrate 114 on which the gold thin film 115 is deposited via a spacer 117, and is formed in a space between the first and second glass substrates 114, 116 and the spacer 117. The sample 119 containing the detection target molecule (analyte) is injected from the sample container 118. Incident light 120 is incident on the prism 112 from the normal to the surface of the first glass substrate 114 at an incident angle θ (a condition where total reflection occurs). Due to surface plasmon resonance, when the incident angle θ is in the vicinity of the resonance angle, the energy of the incident light is absorbed and the reflectance of the reflected light 121 decreases. The reflected light 121 is detected by a photodetector.

表面プラズモン共鳴の分散関係はその表面状態に敏感であり、表面に吸着した物質の高感度な検出を可能にする。例えば屈折率が1.5で厚さが1nmの超薄膜が表面に吸着することにより、共鳴角は高角度側へ約0.2度シフトし、反射率に差ΔRが生じる。この表面プラズモンセンサ111を用いて、超薄膜試料が蛍光色素などのラベルを持たなくても単分子層以下の感度で吸着や脱離を観測可能である。しかしながら、金薄膜115は第1のガラス基板114の広い面に修飾される必要があり、また、生体内などの微小領域に挿入できるほど小型化されてはいない。   The dispersion relation of surface plasmon resonance is sensitive to the surface state, and enables highly sensitive detection of substances adsorbed on the surface. For example, when an ultra-thin film having a refractive index of 1.5 and a thickness of 1 nm is adsorbed on the surface, the resonance angle is shifted by about 0.2 degrees to the high angle side, and a difference ΔR occurs in the reflectance. Using this surface plasmon sensor 111, adsorption and desorption can be observed with a sensitivity equal to or lower than that of a monomolecular layer even if the ultra-thin sample does not have a label such as a fluorescent dye. However, the gold thin film 115 needs to be modified on a wide surface of the first glass substrate 114, and is not miniaturized so as to be inserted into a minute region such as a living body.

図15に従来の局在化表面プラズモンセンサ131の構成例を示す(非特許文献2参照)。セル132の内壁に金微粒子133を付着させ、セル132の中に検出対象分子(アナライト)を含む試料135を注入してセル132に光(入射光I)を入射し(図15(a))、又は基板上の金微粒子133の表面をPMMAフィルム134で覆って光(入射光I)を入射し(図15(b))、透過光Iを検出することにより、表面プラズモン共鳴による光の吸収を測定できる。金微粒子133を用いているため局在化表面プラズモンが励起される。 FIG. 15 shows a configuration example of a conventional localized surface plasmon sensor 131 (see Non-Patent Document 2). Gold fine particles 133 are attached to the inner wall of the cell 132, a sample 135 containing a molecule to be detected (analyte) is injected into the cell 132, and light (incident light I 0 ) enters the cell 132 (FIG. 15A )), Or the surface of the gold fine particle 133 on the substrate is covered with the PMMA film 134 and incident light (incident light I 0 ) is incident (FIG. 15B), and the transmitted light I is detected, thereby causing surface plasmon resonance. Light absorption can be measured. Since the gold fine particle 133 is used, the localized surface plasmon is excited.

この局在化表面プラズモンセンサ131を用いて、金微粒子133の吸収スペクトルのピークが浸漬した試料135の屈折率又は表面を覆った高分子誘電体(PMMAフィルム等)134の膜厚に依存すること、膜厚に対してピークシフトが指数関数的になることが示されている。この結果は直接生体由来分子の検出をした例ではないが、局在プラズモン共鳴におけるバイオセンシングが高感度に実現できること、定量性が高いことを示唆している。しかしながら、金微粒子133はセル132内壁等の比較的広い面に修飾される必要があり、また、生体内などの微小領域に挿入できるほど小型化されてはいない。   Using this localized surface plasmon sensor 131, the peak of the absorption spectrum of the gold fine particles 133 depends on the refractive index of the sample 135 immersed or the film thickness of the polymer dielectric (PMMA film or the like) 134 covering the surface. It is shown that the peak shift becomes exponential with respect to the film thickness. This result is not an example of direct detection of a biological molecule, but suggests that biosensing in localized plasmon resonance can be realized with high sensitivity and has high quantitativeness. However, the gold fine particles 133 need to be modified on a relatively wide surface such as the inner wall of the cell 132, and are not miniaturized so that they can be inserted into a minute region such as a living body.

図16に従来の別の局在化表面プラズモンセンサ141の構成例及び、そのセンサを用いたセンシング装置140の構成例を示す(非特許文献3参照)。タングステン−ハロゲン光源142で発光した光は、コリメータレンズ143、光ァイバカプラ144を介して、単層の金粒子145を修飾した光ファイバのコア146を有するセンサ141に入射される。金粒子145は光ファイバのコア146の側面および先端に修飾される。単層の金粒子145で修飾された光ファイバのコア146を、検出対象分子(アナライト)を含む試料147を注入したセル148の中に浸漬し、光ファイバのコア146を透過した光をファイバオプティックスペクトロメータ149で検出し、検出信号はコンピュータ150に送信され処理される。蔗糖濃度を変えた屈折率が異なる試料147を用いて、透過光の強度の変化が測定されている。この変化は検出対象分子(アナライト)の結合によるもので、局在表面プラズモン共鳴によるものとされている。   FIG. 16 shows a configuration example of another conventional localized surface plasmon sensor 141 and a configuration example of a sensing device 140 using the sensor (see Non-Patent Document 3). Light emitted from the tungsten-halogen light source 142 is incident on a sensor 141 having an optical fiber core 146 in which a single-layer gold particle 145 is modified, via a collimator lens 143 and an optical fiber coupler 144. Gold particles 145 are modified on the side and tip of the optical fiber core 146. An optical fiber core 146 modified with a single layer of gold particles 145 is immersed in a cell 148 into which a sample 147 containing a molecule to be detected (analyte) is injected, and the light transmitted through the optical fiber core 146 is passed through the fiber. Detected by the optical spectrometer 149, the detection signal is transmitted to the computer 150 for processing. A change in the intensity of transmitted light is measured using a sample 147 having a different refractive index with a different sucrose concentration. This change is due to the binding of the molecule to be detected (analyte) and is attributed to localized surface plasmon resonance.

このセンサは光ファイバを用いており、前2例に比べて小型化されている。しかしながら、金微粒子145は光ファイバ146の側面も修飾しており、この部分におけるエバネッセント光で励起された局在化プラズモン共鳴を主に利用している。そのため、ミクロンオーダ以下の微小立体領域を測定することはできない。また、透過光を測定するので、光ファイバ先端を測定したいところに挿入するような処理ができない。   This sensor uses an optical fiber and is smaller than the previous two examples. However, the gold fine particle 145 also modifies the side surface of the optical fiber 146, and mainly uses localized plasmon resonance excited by evanescent light in this portion. For this reason, it is not possible to measure a micro three-dimensional region below a micron order. Further, since the transmitted light is measured, it is not possible to perform processing such as inserting the tip of the optical fiber into the place where measurement is desired.

図17に従来の別の表面プラズモンセンサ151の構成例を示す(特許文献1参照)。光ファイバ152の端面153において、クラッド154の端面を基準面としてコア155の部分のみに尖鋭化した円錐状の凸部156(または凹部)を設ける。凸部156(または凹部)の尖鋭化した円錐面に金属薄膜157を固着し、SPR(Surface Plasmon Resonance:表面プラズモン共鳴)測定面158とする。円錐状の凸部156(または凹部)に光ファイバ152のコア155から光を入射すると、入射光159が円錐面となす角度が共鳴角となる場合に、表面プラズモン波160が発生し、反射光161を検出することにより、表面プラズモン共鳴を検出できる。なお、図17中でDは光ファイバ径、dはそのコア径を示す。   FIG. 17 shows a configuration example of another conventional surface plasmon sensor 151 (see Patent Document 1). On the end surface 153 of the optical fiber 152, a conical convex portion 156 (or a concave portion) that is sharpened only at the core 155 portion with the end surface of the clad 154 as a reference surface is provided. A metal thin film 157 is fixed to the sharpened conical surface of the convex portion 156 (or the concave portion) to obtain a surface plasmon resonance (SPR) measurement surface 158. When light is incident on the conical convex portion 156 (or concave portion) from the core 155 of the optical fiber 152, the surface plasmon wave 160 is generated when the angle formed by the incident light 159 and the conical surface is the resonance angle, and the reflected light is reflected. By detecting 161, surface plasmon resonance can be detected. In FIG. 17, D indicates the optical fiber diameter, and d indicates the core diameter.

光ファイバ152の端面153に金属薄膜157を固着して、コア155の端面部分を検出部分とするので、微小部位における測定や微小量の試料に対する測定が可能となる。また、表面プラズモン共鳴の測定面の位置を自由に設定でき、生体内の物質間の相互作用等をリアルタイムに測定可能である。しかしながら、端面153に尖鋭化された円錐状の凸部156(または凹部)を形成する必要があり、その分、角度の調整を含め製造プロセスが煩雑になる。また、平坦な金属膜を用いているため、局在化表面プラズモンが起こったとしてもその部分は、凸部や凹部の頂点部分に限られると考えられ、必ずしも高感度である局在化表面プラズモンを用いているとはいえない。   Since the metal thin film 157 is fixed to the end face 153 of the optical fiber 152 and the end face portion of the core 155 is used as the detection portion, measurement at a minute portion or measurement for a minute amount of sample is possible. In addition, the position of the surface plasmon resonance measurement surface can be freely set, and interactions between substances in the living body can be measured in real time. However, it is necessary to form a sharp conical convex portion 156 (or concave portion) on the end face 153, and the manufacturing process including the adjustment of the angle becomes complicated accordingly. In addition, since a flat metal film is used, even if localized surface plasmon occurs, it is considered that the portion is limited to the convex portion or the apex portion of the concave portion, and the localized surface plasmon is always highly sensitive. It cannot be said that is used.

特開2001−165852 (段落0017−0030、図1−8)JP 2001-165852 (paragraphs 0017-0030, FIG. 1-8) 「有機超薄膜の表面プラズモン共鳴測定」 梶川浩太郎 表面科学Vol.21,No.10,pp630−634,2000“Surface plasmon resonance measurement of ultra-thin organic films” Kotaro Kajikawa Surface Science Vol. 21, no. 10, pp630-634, 2000 「Local plasmon sensor with gold colloid monolayers deposited upon glass substrates」 Takayuki Okamoto and Ichirou Yamaguchi, Optical Letters Vol.25,No.6,pp372−374,March 15,2000“Local Plasmon sensor with gold colloid monolayers deposited up glass substrates” Takayuki Okamoto and Ichirou Yamaguchi, OpticalL et al. 25, no. 6, pp 372-374, March 15,2000 「Colloidal Gold−Modified Optical Fiber for Chemical and Biochemical Sensing」 Shu−Fang Cheng and Lai−Kwan Chau, Anal. Chem. 2003, 75, 16−21“Colloidal Gold-Modified Optical Fiber for Chemical and Biochemical Sensing” Shu-Fang Cheng and Lai-Kwan Chau, Anal. Chem. 2003, 75, 16-21

高感度センサ、特に生体分子間の相互作用を追跡する手段に求められることは、(a)数nm程度の単分子層の吸着又は結合が検出できる高い感度、(b)溶液中でのリアルタイム検出が可能であること、(c)簡単な装置で検出が可能であること、である。局在化したプラズモン共鳴の利用はこれらの条件を満たす手法である。しかし、いずれの既存の手法も(図17のセンサを除く)、μmオーダーの超小型化が困難である。   What is required of a high-sensitivity sensor, particularly means for tracking the interaction between biomolecules, is (a) high sensitivity capable of detecting adsorption or binding of a monomolecular layer of about several nm, and (b) real-time detection in a solution. (C) The detection is possible with a simple device. The use of localized plasmon resonance is a technique that satisfies these conditions. However, any of the existing methods (except for the sensor of FIG. 17) is difficult to reduce to the micrometer order.

そこで、従来の表面プラズモン共鳴を用いずに、局在化した表面プラズモンを用い、かつ、光ファイバの端面に検出部分を形成してセンシングプローブ(またセンサヘッド)を小型化すると共に、光ファイバカプラを用いて光学系の小型化を追求することとした。また、端面に尖鋭化された凸部(または凹部)を形成することや角度の調整を必要とせず、製造が容易で安価なセンサを追求することとした。   Therefore, using the localized surface plasmon without using the conventional surface plasmon resonance, and forming the detection portion on the end face of the optical fiber to reduce the size of the sensing probe (or sensor head), and the optical fiber coupler We decided to pursue miniaturization of the optical system using In addition, it was decided to pursue a sensor that is easy to manufacture and inexpensive, without forming a sharpened convex part (or concave part) on the end face or adjusting the angle.

本発明は、(1)測定領域がμmオーダー(200μm以下を目標)の超小型化を行なえること、(2)製造が容易で安価であること、特にセンサヘッドにおける金属を固着する面の角度の調整を要しないこと、(3)蛍光色素などでラベルすることなく、抗原−抗体反応、DNAやタンパク質などの相互作用を高感度にその場で検出できること、(4)センサヘッドに光ファイバを用いて微小領域へ導入できること、また、携帯可能とし、測定可能な範囲を広げられること、また、大きな光学系を必要としないこと、(5)センサヘッドは使い捨てにできるように安価であり、また、その取替えが容易であること、(6)生体に有害な試薬や材料を使わないこと、光源を肉眼で直視しても安全であること、の条件を満たすセンサ及びセンシング装置を提供することを目的とする。   In the present invention, (1) the measurement area can be reduced to the micrometer order (target of 200 μm or less), (2) it is easy and inexpensive to manufacture, and in particular, the angle of the surface on which the metal is fixed in the sensor head. (3) It is possible to detect antigen-antibody reaction and interactions such as DNA and protein with high sensitivity on the spot without labeling with fluorescent dye, etc. (4) An optical fiber is attached to the sensor head. That it can be used to introduce into a microscopic area, that it can be carried and can expand the measurable range, and that a large optical system is not required. (5) The sensor head is inexpensive enough to be disposable. Sensors and sensors that satisfy the following conditions: (6) Do not use reagents and materials that are harmful to living organisms, and be safe even if the light source is viewed directly with the naked eye It is an object to provide an operating device.

また、本発明は、金微粒子中の局在化表面プラズモンに基づいて、蛋白質溶液のように少量の試料の検出が要望される場合においても、高感度で検出できる局在化表面プラズモンセンサの実現を目的とする。また、測定の効率化と、データのより高い信頼性を確保するため、広範囲の光スペクトルを一時に測定できるようにすることを目的とする。   In addition, the present invention realizes a localized surface plasmon sensor capable of detecting with high sensitivity even when detection of a small amount of sample such as a protein solution is required based on the localized surface plasmon in gold fine particles. With the goal. Another object of the present invention is to make it possible to measure a wide range of light spectrum at a time in order to increase the efficiency of measurement and to ensure higher reliability of data.

上記課題を解決するために、請求項1に記載の局在化表面プラズモンセンサは、例えば図1に示すように、光ファイバ2の端面3に、局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法の金属微粒子層4を形成し、金属微粒子層4の表面に検出対象分子5に相補的な分子6の分子層を形成し、金属微粒子層4内に局在化した表面プラズモン共鳴による光ファイバ2に入力された光の変化を用いて、相補的な分子6に吸着又は結合した検出対象分子5を検出する。   In order to solve the above-mentioned problem, the localized surface plasmon sensor according to claim 1 has a dimension in which localized surface plasmon resonance is excited on the end face 3 of the optical fiber 2 as shown in FIG. And a molecular layer of molecules 6 complementary to the detection target molecule 5 on the surface of the metal fine particle layer 4, and the optical fiber 2 by surface plasmon resonance localized in the metal fine particle layer 4. The detection target molecule 5 adsorbed or bound to the complementary molecule 6 is detected using the change in the light input to.

ここにおいて、相補的とは親和力が強力であることを意味する。また、吸着は物理吸着を、結合は化学結合を意味する。また、局在化した表面プラズモン共鳴は金属の微小な構造中(例えば1nm〜1μm、一般的には数10nm〜100nm程度)に励起される局在した電子の波であり、金属微粒子や荒い金属表面で起こる。金属微粒子では粒径が波長程度以下であれば励起される。   Here, complementary means that the affinity is strong. Adsorption means physical adsorption, and bond means chemical bond. Localized surface plasmon resonance is a wave of localized electrons excited in a fine structure of metal (for example, 1 nm to 1 μm, generally about several tens of nm to 100 nm). Happens on the surface. The metal fine particles are excited if the particle diameter is about the wavelength or less.

このように構成すると、測定領域(検出部分)がμmオーダーの超小型化が行なえる、センサヘッドにおける金属微粒子を固着するための円錐状の凸部や凹部を形成する必要や、円錐の傾斜角を調整する必要がなく、製造が容易で安価である、蛍光色素などでラベルすることなく、抗原−抗体反応、DNAやタンパク質などの相互作用を高感度にその場で検出できるなどの効果を得られる。   With this configuration, the measurement region (detection portion) can be reduced to the micrometer order, and it is necessary to form conical protrusions and recesses for fixing metal fine particles in the sensor head, and the inclination angle of the cone It is easy to manufacture and inexpensive, and can be used to detect antigen-antibody reactions and interactions such as DNA and proteins with high sensitivity on the spot without labeling with fluorescent dyes. It is done.

また、請求項2に記載の局在化表面プラズモンセンサは、光ファイバ2の端面3に局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法に、検出対象分子5に相補的な分子6の機能を有する金属微粒子層4を形成し、金属微粒子層4内に局在化した表面プラズモン共鳴による光ファイバ2に入力された光の変化を用いて、相補的な分子6に吸着又は結合した検出対象分子5を検出する。   Further, the localized surface plasmon sensor according to claim 2 has a function of the molecule 6 complementary to the detection target molecule 5 to a dimension that excites the surface plasmon resonance localized on the end face 3 of the optical fiber 2. A molecule to be detected which is adsorbed or bonded to a complementary molecule 6 using a change in light input to the optical fiber 2 by surface plasmon resonance localized in the metal fine particle layer 4. 5 is detected.

このように構成すると、請求項1の場合と同様に、測定領域(検出部分)がμmオーダーの超小型化が行なえる、センサヘッドにおける金属微粒子を固着するための円錐状の凸部や凹部を形成する必要や、円錐の傾斜角を調整する必要がなく、製造が容易で安価である、蛍光色素などでラベルすることなく、抗原−抗体反応、DNAやタンパク質などの相互作用を高感度にその場で検出できるなどの効果を得られる。   When configured in this manner, as in the case of claim 1, the measurement region (detection portion) can be miniaturized on the order of μm, and the conical convex portion or concave portion for fixing the metal fine particles in the sensor head is provided. It is not necessary to form or adjust the angle of inclination of the cone, and it is easy and inexpensive to manufacture. It is highly sensitive to interactions such as antigen-antibody reactions and DNA and proteins without labeling with fluorescent dyes. The effect that it can be detected in the field is obtained.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の局在化表面プラズモンセンサにおいて、金属微粒子層4が貴金属を主成分とする。このように構成すると、局在化表面プラズモンを得るのに好適である。特に、金および銀を用いると高感度の測定が可能である。   According to a third aspect of the present invention, in the localized surface plasmon sensor according to the first or second aspect, the metal fine particle layer 4 contains a noble metal as a main component. Such a configuration is suitable for obtaining localized surface plasmons. In particular, when gold and silver are used, highly sensitive measurement is possible.

また、請求項4に記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサにおいて、金属微粒子層4の厚さが1nmから1μmである。このように構成すると、局在化表面プラズモンを得るのに好適である。このうち、厚さが1nmから100nm位がさらに好適である。   According to a fourth aspect of the present invention, in the localized surface plasmon sensor according to any one of the first to third aspects, the thickness of the metal fine particle layer 4 is 1 nm to 1 μm. Such a configuration is suitable for obtaining localized surface plasmons. Of these, a thickness of about 1 nm to 100 nm is more preferable.

また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサにおいて、光ファイバの端面3における検出部分の径が5mm以下である。このうち、200μm以下が微細領域を検出できて好ましく、100μm以下がさらに微細領域を検出できて好適である。また、コア径5μmの光ファイバが存在することから、検出部分の径1μmまで微小化の可能性があり、1μm以上が好ましい。   According to a fifth aspect of the present invention, in the localized surface plasmon sensor according to any one of the first to fourth aspects, the diameter of the detection portion on the end face 3 of the optical fiber is 5 mm or less. Of these, 200 μm or less is preferable because a fine region can be detected, and 100 μm or less is preferable because a fine region can be further detected. Further, since an optical fiber having a core diameter of 5 μm exists, there is a possibility of miniaturization up to a diameter of 1 μm of the detection portion, and 1 μm or more is preferable.

また、請求項6に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置は、例えば図2に示すように、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサ1(当該局在化表面プラズモンセンサ1を構成する光ファイバを第1の光ファイバ2とする)と、前記表面プラズモン共鳴を励起する光を発光する光源8と、光を検出する光検出器9と、入力した光を分割して出力できる光ファイバカプラ10と、光源8で発光した光を光ファイバカプラ10に導く第2の光ファイバ11と、第1の光ファイバ2と光ファイバカプラ10とを接続して、光源8で発光した光を光ファイバカプラ10から局在化表面プラズモンセンサ1の第1の光ファイバ2の端面3(当該端面を第1の端面とする)に導き、第1の端面3から反射又は散乱された光を光ファイバカプラ10に導く第3の光ファイバ12と、第1の端面3から反射された光を光ファイバカプラ10から光検出器9に導く第4の光ファイバ15とを備える。   Further, the localized surface plasmon sensing device according to claim 6 is a localized surface plasmon sensor 1 according to any one of claims 1 to 5 (for example, as shown in FIG. 2). An optical fiber constituting the surface plasmon sensor 1 is defined as a first optical fiber 2), a light source 8 that emits light that excites the surface plasmon resonance, and a photodetector 9 that detects light. An optical fiber coupler 10 that can divide and output light, a second optical fiber 11 that guides the light emitted from the light source 8 to the optical fiber coupler 10, and a first optical fiber 2 and an optical fiber coupler 10 are connected. The light emitted from the light source 8 is guided from the optical fiber coupler 10 to the end face 3 of the first optical fiber 2 of the localized surface plasmon sensor 1 (the end face is defined as the first end face), and from the first end face 3 Reflected or scattered It comprises a third optical fiber 12 for guiding light to the optical fiber coupler 10, and a fourth optical fiber 15 for guiding the light reflected from the first end surface 3 from the optical fiber coupler 10 to a photodetector 9.

ここにおいて第1の端面3から散乱された光とは、第1の端面3を通って金属微粒子層4内に入り、励起された局在化表面プラズモン共鳴により散乱され、第1の端面3を通って第1の光ファイバに戻った光をいう。また、第1の端面3から反射された光には、第1の端面3を通って金属微粒子層4に照射され、反射された後に、第1の端面3を通って第1の光ファイバ2に戻った光も含むものとする。   Here, the light scattered from the first end face 3 enters the metal fine particle layer 4 through the first end face 3, is scattered by the excited localized surface plasmon resonance, and passes through the first end face 3. Light that passes through and returns to the first optical fiber. Further, the light reflected from the first end face 3 is irradiated to the metal fine particle layer 4 through the first end face 3 and reflected, and then passes through the first end face 3 and passes through the first optical fiber 2. It also includes the light returned to.

このように構成すると、光ファイバ2を用いたμmオーダーの超小型化センシングプローブ1(先端にセンサヘッドを有する)を取り付けて使用でき、さらに光学系を小型化することが可能になる。また、センシングプローブ1(即ちその先端のセンサヘッド)を微小領域へ導入でき、微小部位における測定や微小量の試料に対する測定が可能である。さらに、センシングプローブ1を携帯可能であるため測定可能な範囲が広くなる。また、生体内の物質間の相互作用等をリアルタイムに測定可能である。   With this configuration, it is possible to attach and use an ultra-compact sensing probe 1 (having a sensor head at the tip) of the order of μm using the optical fiber 2 and further downsize the optical system. Moreover, the sensing probe 1 (that is, the sensor head at the tip thereof) can be introduced into a minute region, and measurement at a minute part or measurement of a minute amount of sample is possible. Furthermore, since the sensing probe 1 is portable, the measurable range is widened. It is also possible to measure interactions between substances in the living body in real time.

また、請求項7に記載の発明は、例えば図2に示すように、請求項6に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置7において、局在化表面プラズモンセンサ1と第3の光ファイバ12とを、着脱可能なようにスプライサ18で接続する。このように構成すると、スプライサ18を用いてセンシングプローブ1(センサヘッドを有する)を交換でき、また、センシングプローブ1の取り替え時にアライメントをする必要がほとんどなく、取替えが容易である。   Further, in the localized surface plasmon sensing device 7 according to claim 6, for example, the localized surface plasmon sensor 1, the third optical fiber 12, and the like as shown in FIG. Are connected by a splicer 18 so as to be detachable. If comprised in this way, the sensing probe 1 (with a sensor head) can be replaced | exchanged using the splicer 18, and it is hardly necessary to align at the time of replacement | exchange of the sensing probe 1, and replacement | exchange is easy.

また、請求項8に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置は、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサ1(当該局在化表面プラズモンセンサ1を構成する光ファイバを第1の光ファイバ2とする)と、表面プラズモン共鳴を励起する光を発光する光源8と、光を検出する光検出器9と、入力した光を分割して出力できる光ファイバカプラ10と、光源8で発光した光を光ファイバカプラ10に導く第2の光ファイバ11と、局在化表面プラズモンセンサ1からの光を光ファイバカプラ10から光検出器9に導く第4の光ファイバ15とを備え、第1の光ファイバ2は光ファイバカプラ10と接続されて、光源8で発光した光を光ファイバカプラ10から局在化表面プラズモンセンサ1の第1の光ファイバ2の端面3(当該端面を第1の端面とする)に導き、第1の端面3から反射又は散乱された光を光ファイバカプラ10に導き、第4の光ファイバ15は第1の端面3から反射又は散乱された光を光ファイバカプラ10から光検出器9に導く。このように構成すると、光ファイバ2を用いたμmオーダーの超小型化センシングプローブ1によるセンシングが可能になると共に、スプライサ18を用いずに、センサプローブ1を構成できる。   A localized surface plasmon sensing device according to claim 8 is a localized surface plasmon sensor 1 according to any one of claims 1 to 5 (which constitutes the localized surface plasmon sensor 1). A first optical fiber 2), a light source 8 that emits light that excites surface plasmon resonance, a photodetector 9 that detects light, and an optical fiber that can divide and output input light. The coupler 10, the second optical fiber 11 that guides the light emitted from the light source 8 to the optical fiber coupler 10, and the fourth that guides the light from the localized surface plasmon sensor 1 to the photodetector 9 from the optical fiber coupler 10. The first optical fiber 2 is connected to the optical fiber coupler 10, and the light emitted from the light source 8 is transmitted from the optical fiber coupler 10 to the first optical fiber of the localized surface plasmon sensor 1. 2 to the end face 3 (the end face is the first end face), the light reflected or scattered from the first end face 3 is guided to the optical fiber coupler 10, and the fourth optical fiber 15 is the first end face 3. The light reflected or scattered from the light is guided from the optical fiber coupler 10 to the photodetector 9. With this configuration, sensing with the microminiature sensing probe 1 of the order of μm using the optical fiber 2 becomes possible, and the sensor probe 1 can be configured without using the splicer 18.

また、請求項9に記載の発明は、例えば図2に示すように、請求項6乃至請求項8のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置において、光検出器9で検出される反射又は散乱された光信号の強度、位相又は前記局在化した表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量から検出対象分子5の膜厚、吸着量若しくは結合量、又は局在化表面プラズモンセンサ1周囲の相補的な分子6を含む物質の屈折率を算定する演算装置20を備える。このように構成すると、検出された光信号に基づいて定量的な検出が可能になる。また、局在化した表面プラズモン共鳴波長は周囲の気体・液体等の屈折率により変化するので、局在化表面プラズモンセンサ1は屈折率センサとしても機能する。   Further, the invention according to claim 9 is detected by the photodetector 9 in the localized surface plasmon sensing device according to any one of claims 6 to 8, for example, as shown in FIG. From the intensity, phase, or amount of resonance wavelength of the localized surface plasmon resonance, the film thickness, adsorption amount or binding amount of the detection target molecule 5 or the localized surface plasmon sensor 1 A computing device 20 is provided for calculating the refractive index of a substance containing surrounding complementary molecules 6. If comprised in this way, based on the detected optical signal, quantitative detection will be attained. In addition, since the localized surface plasmon resonance wavelength varies depending on the refractive index of the surrounding gas, liquid, etc., the localized surface plasmon sensor 1 also functions as a refractive index sensor.

また、請求項10に記載の発明は、例えば図2に示すように、請求項9に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置において、光検出器9から出力される信号をロックイン検出するロックインアンプ19を備え、演算装置20はロックインアンプ19を経由して光検出器9から出力される信号を取得する。このように構成すると、ロックインアンプ19を用いて感度を向上でき、微量検出に好適である。   Further, in the localized surface plasmon sensing device according to claim 9, for example, as shown in FIG. 2, the invention described in claim 10 is a lock-in detection that locks in a signal output from the photodetector 9. An amplifier 19 is provided, and the arithmetic unit 20 acquires a signal output from the photodetector 9 via the lock-in amplifier 19. If comprised in this way, a sensitivity can be improved using the lock-in amplifier 19, and it is suitable for trace amount detection.

また、請求項11に記載の発明は、請求項6乃至請求項10のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置において、光源8は波長範囲550nm乃至740nm内のいずれかの波長の光を発光する。光源としては、発光ダイオード(LED)、レーザー等を単独で用いても良く、スーパールミネッセンスダイオード、ハロゲンランプ等をフィルターや分光器と組み合わせて単色化して用いても良い。このように構成すると、センサの感度を高くすることができる。   The invention according to claim 11 is the localized surface plasmon sensing device according to any one of claims 6 to 10, wherein the light source 8 has a wavelength in the wavelength range of 550 nm to 740 nm. Emits light. As the light source, a light emitting diode (LED), a laser, or the like may be used alone, or a superluminescent diode, a halogen lamp, or the like may be used in combination with a filter or a spectroscope. If comprised in this way, the sensitivity of a sensor can be made high.

また、請求項12に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置7Aは、例えば図9に示すように、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサ1(当該局在化表面プラズモンセンサ1を構成する光ファイバを第1の光ファイバ2とする)と、表面プラズモン共鳴を励起する所定の波長範囲を含む光を発光する光源21と、所定の波長範囲を含む光の光スペクトルを検出する分光計22と、入力した光を分割して出力できる光ファイバカプラ10と、所定の波長範囲を含む光を光源21から光ファイバカプラ10に導く第2の光ファイバ11と、第1の光ファイバ2と光ファイバカプラ10とを接続して、所定の波長範囲を含む光を光ファイバカプラ10から局在化表面プラズモンセンサ1の第1の光ファイバ2の端面3(当該端面を第1の端面とする)に導き、第1の端面3から反射又は散乱された所定の波長範囲を含む光を光ファイバカプラ10に導く第3の光ファイバ12と、第1の端面3から反射された所定の波長範囲を含む光を光ファイバカプラ10から分光計22に導く第4の光ファイバ15とを備える。   In addition, the localized surface plasmon sensing device 7A according to claim 12 includes a localized surface plasmon sensor 1 according to any one of claims 1 to 5, as shown in FIG. An optical fiber constituting the localized surface plasmon sensor 1 is defined as a first optical fiber 2), a light source 21 that emits light including a predetermined wavelength range that excites surface plasmon resonance, and a predetermined wavelength range. A spectrometer 22 that detects an optical spectrum of light, an optical fiber coupler 10 that can divide and output input light, and a second optical fiber 11 that guides light including a predetermined wavelength range from the light source 21 to the optical fiber coupler 10. And the first optical fiber 2 and the optical fiber coupler 10 are connected, and light including a predetermined wavelength range is transmitted from the optical fiber coupler 10 to the first optical fiber of the localized surface plasmon sensor 1. A third optical fiber 12 that guides the light including a predetermined wavelength range reflected or scattered from the first end surface 3 to the optical fiber coupler 10; And a fourth optical fiber 15 that guides light including a predetermined wavelength range reflected from the first end face 3 from the optical fiber coupler 10 to the spectrometer 22.

このように構成すると、光ファイバ2を用いたμmオーダーの超小型化センシングプローブ1によるセンシングが可能になると共に、広範囲の波長にわたる光スペクトルデータを一時に測定できる。また、生体内の物質間の相互作用等を高感度でリアルタイムに測定可能である。   If comprised in this way, the sensing by the microminiaturized sensing probe 1 of the micrometer order using the optical fiber 2 will be attained, and the optical spectrum data over a wide range of wavelengths can be measured at a time. In addition, it is possible to measure the interaction between substances in the living body with high sensitivity in real time.

また、請求項13に記載の発明は、例えば図9に示すように、請求項12に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置において、局在化表面プラズモンセンサ1と第3の光ファイバ12とを、着脱可能なようにスプライサ18で接続する。このように構成すると、スプライサ18を用いてセンサヘッドを交換でき、また、センサヘッドの取り替え時にアライメントをする必要がほとんどなく、取替えが容易である。   Further, the invention according to claim 13 is the localized surface plasmon sensing device according to claim 12, for example, as shown in FIG. 9, wherein the localized surface plasmon sensor 1 and the third optical fiber 12 are connected. The splicer 18 is connected so as to be detachable. If comprised in this way, a sensor head can be replaced | exchanged using the splicer 18, and it is hardly necessary to align at the time of replacement | exchange of a sensor head, and replacement | exchange is easy.

また、請求項14に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置は、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサ1(当該局在化表面プラズモンセンサ1を構成する光ファイバを第1の光ファイバ2とする)と、表面プラズモン共鳴を励起する所定の波長範囲を含む光を発光する光源21と、所定の波長範囲を含む光の光スペクトルを検出する分光計22と、入力した光を分割して出力できる光ファイバカプラ10と、所定の波長範囲を含む光を光源21から光ファイバカプラ10に導く第2の光ファイバ11と、局在化表面プラズモンセンサ1からの光を光ファイバカプラ10から分光計22に導く第4の光ファイバ15とを備え、第1の光ファイバ2は光ファイバカプラ10と接続されて、所定の波長範囲を含む光を光ファイバカプラ10から局在化表面プラズモンセンサ1の第1の光ファイバ2の端面3(当該端面を第1の端面とする)に導き、第1の端面3から反射又は散乱された所定の波長範囲を含む光を光ファイバカプラ10に導き、第4の光ファイバ15は第1の端面3から反射又は散乱された所定の波長範囲を含む光を光ファイバカプラ10から分光計22に導く。このように構成すると、光ファイバ2を用いたμmオーダーの超小型化センシングプローブ1によるセンシングが可能になると共に、スプライサ18を用いずに、センサプローブ1を構成できる。また、広範囲の波長にわたる光スペクトルデータを一時に測定できる。また、生体内の物質間の相互作用等を高感度でリアルタイムに測定可能である。   A localized surface plasmon sensing device according to claim 14 is a localized surface plasmon sensor 1 according to any one of claims 1 to 5 (which constitutes the localized surface plasmon sensor 1). A first optical fiber 2), a light source 21 that emits light including a predetermined wavelength range that excites surface plasmon resonance, and a spectrometer that detects an optical spectrum of light including the predetermined wavelength range. 22, an optical fiber coupler 10 that can divide and output input light, a second optical fiber 11 that guides light including a predetermined wavelength range from the light source 21 to the optical fiber coupler 10, and a localized surface plasmon sensor 1. And a fourth optical fiber 15 for guiding the light from the optical fiber coupler 10 to the spectrometer 22, and the first optical fiber 2 is connected to the optical fiber coupler 10 and has a predetermined wavelength range. The contained light is guided from the optical fiber coupler 10 to the end face 3 of the first optical fiber 2 of the localized surface plasmon sensor 1 (the end face is defined as the first end face) and reflected or scattered from the first end face 3. Light including a predetermined wavelength range is guided to the optical fiber coupler 10, and the fourth optical fiber 15 transmits light including the predetermined wavelength range reflected or scattered from the first end surface 3 from the optical fiber coupler 10 to the spectrometer 22. Lead. With this configuration, sensing with the microminiature sensing probe 1 of the order of μm using the optical fiber 2 becomes possible, and the sensor probe 1 can be configured without using the splicer 18. Moreover, optical spectrum data over a wide range of wavelengths can be measured at a time. In addition, it is possible to measure the interaction between substances in the living body with high sensitivity in real time.

また、請求項15に記載の発明は、請求項12乃至請求項14に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置において、所定の波長範囲は波長550nm乃至740nmである。このように構成すると、センサの感度を高くすることができる。   In the localized surface plasmon sensing device according to any one of claims 12 to 14, the predetermined wavelength range is a wavelength of 550 nm to 740 nm. If comprised in this way, the sensitivity of a sensor can be made high.

また、請求項16に記載の局在化表面プラズモンセンサを用いたセンシング方法は、光ファイバ2の端面3に、局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法の金属微粒子層4を形成し、金属微粒子層4の表面に検出対象分子5に相補的な分子6の分子層を形成した局在化表面プラズモンセンサ1を準備する工程と、光ファイバ2の端面に、表面プラズモン共鳴を励起する光を導入する工程と、局在化表面プラズモンセンサ1の金属微粒子4内に表面プラズモン共鳴を励起する光に基く局在化した表面プラズモン共鳴を励起し、光ファイバ2の端面3からの反射光又は散乱光を検出する工程と、局在化表面プラズモンセンサ1の光ファイバ2の端面3を、検出対象分子5を含む試料17内に浸漬して、相補的な分子6に検出対象分子5を吸着又は結合させる工程と、試料17内に浸漬された局在化表面プラズモンセンサ1の金属微粒子4内に表面プラズモン共鳴を励起する光に基く局在化した表面プラズモン共鳴を励起し、光ファイバ2の端面3からの反射光又は散乱光を検出する工程と、光ファイバ2の端面3が試料17内に浸漬されていない時の反射光又は散乱光と、光ファイバ2の端面3が試料17内に浸漬されている時の反射光又は散乱光とを比較して、検出対象分子5を検出する工程とを備える。   Further, in the sensing method using the localized surface plasmon sensor according to claim 16, the metal fine particle layer 4 having a size capable of exciting the localized surface plasmon resonance is formed on the end face 3 of the optical fiber 2, A step of preparing a localized surface plasmon sensor 1 in which a molecular layer of a molecule 6 complementary to a detection target molecule 5 is formed on the surface of the metal fine particle layer 4 and light for exciting surface plasmon resonance on the end face of the optical fiber 2 And the localized surface plasmon resonance based on the light that excites the surface plasmon resonance in the metal fine particles 4 of the localized surface plasmon sensor 1, and the reflected light from the end face 3 of the optical fiber 2 or The step of detecting the scattered light and the end face 3 of the optical fiber 2 of the localized surface plasmon sensor 1 are immersed in the sample 17 including the detection target molecule 5, and the detection target molecule 5 is absorbed by the complementary molecule 6. Alternatively, the localized surface plasmon resonance based on the light that excites the surface plasmon resonance is excited in the metal fine particle 4 of the localized surface plasmon sensor 1 immersed in the sample 17, and the step of coupling is performed. The step of detecting reflected light or scattered light from the end face 3, reflected light or scattered light when the end face 3 of the optical fiber 2 is not immersed in the sample 17, and the end face 3 of the optical fiber 2 in the sample 17 A step of detecting the detection target molecule 5 by comparing the reflected light or the scattered light when immersed.

このように構成すると、μmオーダーの超小型化センシングプローブ1(先端にセンサヘッドを有する)を用いて、蛍光色素などでラベルすることなく、抗原−抗体反応、DNAやタンパク質などの相互作用を高感度にその場で検出できる。なお、反射光および散乱光については、請求項6と同様に解されるものとする。   When configured in this way, the microminiature sensing probe 1 (having a sensor head at the tip) of the micrometer order can be used to enhance the antigen-antibody reaction and the interaction between DNA and protein without labeling with a fluorescent dye or the like. Sensitivity can be detected on the spot. The reflected light and scattered light are understood in the same manner as in the sixth aspect.

また、請求項17に記載の発明は、請求項16項に記載の局在化表面プラズモンを用いたセンシング方法において、表面プラズモン共鳴を励起する光の波長が波長範囲550nm乃至740nm内のいずれかの波長である。このように構成すると、センサの感度を高くすることができる。   The invention according to claim 17 is the sensing method using the localized surface plasmon according to claim 16, wherein the wavelength of the light that excites the surface plasmon resonance is in the wavelength range of 550 nm to 740 nm. Is the wavelength. If comprised in this way, the sensitivity of a sensor can be made high.

また、請求項18に記載の局在化表面プラズモンセンサを用いたセンシング方法は、光ファイバ2の端面3に、局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法の金属微粒子層4を形成し、金属微粒子層4の表面に検出対象分子5に相補的な分子6の分子層を形成した局在化表面プラズモンセンサ1を準備する工程と、光ファイバ2の端面3に、所定の波長範囲を含む光を導入する工程と、局在化表面プラズモンセンサ1の金属微粒子4内に所定の波長範囲を含む光に基く局在化した表面プラズモン共鳴を励起し、光ファイバ2の端面3からの反射光又は散乱光のスペクトルを検出する工程と、局在化表面プラズモンセンサ1の光ファイバ22の端面3を、検出対象分子5を含む試料17内に浸漬して、相補的な分子5に検出対象分子5を吸着又は結合させる工程と、試料17内に浸漬された局在化表面プラズモンセンサ1の金属微粒子4内に所定の波長範囲を含む光に基く局在化した表面プラズモン共鳴を励起し、光ファイバ2の端面3からの反射光又は散乱光のスペクトルを検出する工程と、光ファイバ2の端面3が試料17内に浸漬されていない時の反射光又は散乱光のスペクトルと、光ファイバ2の端面3が試料17内に浸漬されている時の反射光又は散乱光のスペクトルとを比較して、検出対象分子5を検出する工程とを備える。
このように構成すると、光ファイバ2を用いたμmオーダーの超小型化センシングプローブ1によるセンシングが可能になると共に、広範囲の波長にわたる光スペクトルデータを一時に測定できる。
In addition, the sensing method using the localized surface plasmon sensor according to claim 18 forms the metal fine particle layer 4 having a dimension capable of exciting the localized surface plasmon resonance on the end face 3 of the optical fiber 2, A step of preparing a localized surface plasmon sensor 1 in which a molecular layer of a molecule 6 complementary to a molecule to be detected 5 is formed on the surface of the metal fine particle layer 4, and the end face 3 of the optical fiber 2 includes a predetermined wavelength range. The step of introducing light, the localized surface plasmon resonance based on the light including a predetermined wavelength range is excited in the metal fine particles 4 of the localized surface plasmon sensor 1, and the reflected light from the end face 3 of the optical fiber 2 Alternatively, the step of detecting the spectrum of the scattered light and the end surface 3 of the optical fiber 22 of the localized surface plasmon sensor 1 are immersed in the sample 17 including the detection target molecule 5, and the detection target molecule is complemented by the complementary molecule 5. Suck 5 Alternatively, the step of coupling and exciting the localized surface plasmon resonance based on the light including a predetermined wavelength range in the metal fine particles 4 of the localized surface plasmon sensor 1 immersed in the sample 17, The step of detecting the spectrum of reflected light or scattered light from the end face 3, the spectrum of reflected light or scattered light when the end face 3 of the optical fiber 2 is not immersed in the sample 17, and the end face 3 of the optical fiber 2 are A step of detecting the detection target molecule 5 by comparing the spectrum of reflected light or scattered light when immersed in the sample 17.
If comprised in this way, the sensing by the microminiaturized sensing probe 1 of the micrometer order using the optical fiber 2 will be attained, and the optical spectrum data over a wide range of wavelengths can be measured at a time.

また、請求項19に記載の発明は、請求項18に記載の局在化表面プラズモンセンサを用いたセンシング方法において、所定の波長範囲は波長550nm乃至740nmである。このように構成すると、センサの感度を高くすることができる。   According to a nineteenth aspect of the present invention, in the sensing method using the localized surface plasmon sensor according to the eighteenth aspect, the predetermined wavelength range is a wavelength of 550 nm to 740 nm. If comprised in this way, the sensitivity of a sensor can be made high.

以上説明したように、本発明(各請求項の発明を含む)による局在化表面プラズモンセンサおよびセンシング装置は次の効果を有する。(1)μmオーダーの超小型化が行なえる、例えば、検出部分(ほぼ光ファイバ端面のコア部分に相当)が直径200μm以下のセンサヘッドを作製することができる。(2)センサヘッドにおける金属微粒子を固着するための円錐状の凸部や凹部を形成する必要や、円錐の傾斜角を調整する必要がなく、製造が容易で安価である。(3)蛍光色素などでラベルすることなく、抗原−抗体反応、DNAやタンパク質などの相互作用を高感度にその場で検出できる。(4)センサヘッドに光ファイバを用いることにより、センサヘッドを微小領域へ導入できる。また、携帯可能であり、このため測定可能な範囲を広げられる。また、光学系を小さく作ることが可能になる。(5)スプライサを用いてセンサヘッドを交換でき、また、センサヘッドの取り替え時にアライメントをする必要がほとんどなく、取替えが容易である。(6)生体に有害な試薬や材料を使わない。また、光源は発光ダイオードを用いる場合には、生体への安全性が高い。このうち、(1)から(4)の第1文までが本発明に係る効果であり、(4)の第2文以下は本発明の好ましい態様による効果である。   As described above, the localized surface plasmon sensor and sensing device according to the present invention (including the invention of each claim) have the following effects. (1) A sensor head having a diameter of 200 μm or less can be produced, for example, with a detection portion (corresponding to the core portion of the end face of the optical fiber) that can be miniaturized on the order of μm. (2) There is no need to form conical convex portions or concave portions for fixing metal fine particles in the sensor head, and there is no need to adjust the inclination angle of the cone, and the manufacturing is easy and inexpensive. (3) Without labeling with a fluorescent dye or the like, antigen-antibody reaction and interaction of DNA, protein, etc. can be detected in situ with high sensitivity. (4) By using an optical fiber for the sensor head, the sensor head can be introduced into a minute region. Moreover, it is portable, so that the measurable range can be expanded. In addition, the optical system can be made small. (5) The sensor head can be replaced using a splicer, and there is almost no need for alignment when replacing the sensor head, and replacement is easy. (6) Do not use reagents and materials that are harmful to the body. In addition, when a light-emitting diode is used as the light source, safety to the living body is high. Among these, the first sentence of (1) to (4) is the effect according to the present invention, and the second sentence and the following of (4) are the effect of the preferred embodiment of the present invention.

また、本発明によれば、金微粒子中の局在化表面プラズモンに基づいて、蛋白質溶液のように少量の試料の検出が要望される場合においても、少量の試料の検出が可能であり、かつ従来の表面プラズモンセンサ(大量の試料が必要)と同等の高感度な局在化表面プラズモンセンサを提供できる。また、本発明の好ましい態様によれば、広範囲の光スペクトルを一時に測定できる。   Further, according to the present invention, even when detection of a small amount of sample such as a protein solution is desired based on the localized surface plasmon in the gold fine particles, a small amount of sample can be detected, and A highly sensitive localized surface plasmon sensor equivalent to a conventional surface plasmon sensor (which requires a large amount of sample) can be provided. Moreover, according to the preferable aspect of this invention, a wide optical spectrum can be measured at once.

なお、局在プラズモン共鳴を使ったバイオセンシングは、ナノメートルサイズの金属微粒子を用いるためセンシング部分のマイクロメートル、あるいはナノメートルサイズの微小化が期待される。さらに、局在プラズモン共鳴を利用したバイオセンシングは、単純な光学系で高い感度が得られるため、検出部分のサブミクロンサイズへの超小型化やそれを2次元的に並べた超高密度バイオチップアレイの構築が期待される。このチップを利用した超並列測定システムが実現できれば、小さなバイオチップ上で既存のDNAチップ等に比べて大量の情報解析が期待される。これらは、バイオインフォマテックスなどの大量のDNA情報が必要な分野での新しいツールとなるであろうし、また、オーダーメイド医薬などの分野に大きな貢献をすることが期待される。   Biosensing using localized plasmon resonance uses nanometer-sized metal microparticles, so the micrometer of the sensing portion or nanometer-sized miniaturization is expected. Furthermore, since biosensing using localized plasmon resonance can achieve high sensitivity with a simple optical system, the detection part is sub-micron-sized, and the super-high-density biochip is two-dimensionally arranged. The construction of an array is expected. If a massively parallel measurement system using this chip can be realized, a large amount of information analysis can be expected on a small biochip compared to an existing DNA chip or the like. These will be new tools in fields that require a large amount of DNA information such as bioinformatics, and are expected to make a significant contribution to fields such as custom-made medicines.

以下に、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1に第1の実施の形態における局在化表面プラズモンセンサの構成を示す。1は局在化表面プラズモンセンサ(センシングプローブ)である。光ファイバ2(第1の光ファイバ)の端面3(第1の端面)にトランスジューサとしての金属微粒子層4を形成し、金属微粒子層4上に検出対象分子5(analyte:アナライト)に相補的な(親和性の強い)分子6(ligand:リガンド)の分子層を形成する。典型的には、金属微粒子として、金の微粒子を使用し、リガンド6は単分子層とする。例えば、抗原−抗体反応のモデルとして、リガンド6としてその表面をビオチン単分子膜で修飾したセンシングプローブ1を用いて、アナライトであるアビジン5を検出する例が挙げられる。ビオチンとアビジンとは相補的な抗原−抗体であり、相互作用は強力である。   FIG. 1 shows the configuration of a localized surface plasmon sensor according to the first embodiment. Reference numeral 1 denotes a localized surface plasmon sensor (sensing probe). A metal fine particle layer 4 as a transducer is formed on the end face 3 (first end face) of the optical fiber 2 (first optical fiber), and is complementary to the detection target molecule 5 (analyte) on the metal fine particle layer 4. A molecular layer of molecules 6 (ligands) is formed. Typically, gold fine particles are used as the metal fine particles, and the ligand 6 is a monomolecular layer. For example, as a model of an antigen-antibody reaction, an example in which avidin 5 as an analyte is detected using a sensing probe 1 whose surface is modified with a biotin monolayer as a ligand 6 can be mentioned. Biotin and avidin are complementary antigen-antibodies, and the interaction is strong.

図2に第1の実施の形態における局在化表面プラズモンセンシング装置7の構成を示す。局在化表面プラズモンセンサを作成するにあたり、センシングプローブ1の検出部分を直径200μm以下のサイズに小型化すること、簡単な光学系で検出できることを目的にした。ここでは、図2のような簡単な光学系を作製して、局在化表面プラズモンを用いた光ファイバ型センシングプローブによる検出を行った。   FIG. 2 shows the configuration of the localized surface plasmon sensing device 7 in the first embodiment. In creating a localized surface plasmon sensor, the detection portion of the sensing probe 1 was miniaturized to a size of 200 μm or less, and the object was to enable detection with a simple optical system. Here, a simple optical system as shown in FIG. 2 was prepared, and detection was performed using an optical fiber sensing probe using localized surface plasmons.

7は局在化表面プラズモンセンシング装置である。光源8には、波長が実際の共鳴波長に近い520nmの緑色の発光ダイオード(LED)を用いた。その理由は、レーザに比べて、容易に安定度を向上でき、生体への安全性が高く、また、低コストで実用化に向いているからである。LEDには適当な発振器を用いて1.087kHzの変調をかけた。センシングプローブ1の検出部分(ほぼ光ファイバ端面のコア部分に相当)を直径50μmとした。   Reference numeral 7 denotes a localized surface plasmon sensing device. As the light source 8, a green light emitting diode (LED) having a wavelength of 520 nm close to the actual resonance wavelength was used. The reason is that the stability can be easily improved as compared with the laser, the safety to the living body is high, and it is suitable for practical use at a low cost. The LED was modulated at 1.087 kHz using a suitable oscillator. The detection part of the sensing probe 1 (corresponding to the core part of the end face of the optical fiber) was 50 μm in diameter.

局在化表面プラズモンセンシング装置7は、表面プラズモン共鳴を励起する光を発光する光源8と、光を検出する光検出器としての光電子増倍管9と、入力した光を分割して出力する光ファイバカプラ10と、光源8で発光した光を光ファイバカプラ10に導く第2の光ファイバ11と、第1の光ファイバ2と光ファイバカプラ10とを接続して、光源8で発光した光を光ファイバカプラ10から局在化表面プラズモンセンサ1の第1の光ファイバ2の端面3(第1の端面)に導き、第1の端面3から反射された光を光ファイバカプラ10に導く第3の光ファイバ12と、反射光を少なくするよう処理された第2の端面13を有し、他方を光ファイバカプラ10に接続された第5の光ファイバ14と、第1の端面3から反射された光を光ファイバカプラ10から光検出器9に導く第4の光ファイバ15とを備える。なお、第5の光ファイバ14はなくても良い。   The localized surface plasmon sensing device 7 includes a light source 8 that emits light that excites surface plasmon resonance, a photomultiplier tube 9 that functions as a photodetector that detects light, and light that divides input light and outputs the light. The fiber coupler 10, the second optical fiber 11 that guides the light emitted from the light source 8 to the optical fiber coupler 10, the first optical fiber 2 and the optical fiber coupler 10 are connected, and the light emitted from the light source 8 is A third light guides from the optical fiber coupler 10 to the end face 3 (first end face) of the first optical fiber 2 of the localized surface plasmon sensor 1 and guides the light reflected from the first end face 3 to the optical fiber coupler 10. And the second end face 13 treated to reduce the reflected light, and the other is reflected from the first end face 3 and the fifth optical fiber 14 connected to the optical fiber coupler 10. Light And a fourth optical fiber 15 leading from Bakapura 10 to the photodetector 9. Note that the fifth optical fiber 14 may be omitted.

ここにおいて、センシングプローブ1の第1の光ファイバ2の第1の端面3側は、セル16に収容された検出対象分子5等を含む試料17内に浸漬でき、第1の光ファイバ2は他方の端面側で第3の光ファイバ12とスプライサ18により着脱可能に接続される。また、光検出器としての光電子増倍管9はロックインアンプ19を介して、光電子増倍管9で検出された光信号の分析を行う演算装置20に接続される。   Here, the first end face 3 side of the first optical fiber 2 of the sensing probe 1 can be immersed in the sample 17 containing the detection target molecule 5 and the like housed in the cell 16, and the first optical fiber 2 is the other side. The third optical fiber 12 and the splicer 18 are detachably connected on the end face side. The photomultiplier tube 9 as a photodetector is connected via a lock-in amplifier 19 to an arithmetic unit 20 that analyzes an optical signal detected by the photomultiplier tube 9.

すなわち、発光ダイオード(LED)8からの出射光は第2の光ファイバ11に入射され、光ファイバカプラ10(F−CPL−M22855、Newport社製)に導入される。光ファイバカプラ10を用いて入射光を分割した後に、一方の光は第3の光ファイバ12、メカニカルスプライサ18を介して接続された局在化表面プラズモンセンサ1(センシングプローブ)に導入され、リガンド6で修飾された第1の光ファイバ2の第1の端面3に到る。他方の光は第5の光ファイバ14の端面13(第2の端面)に到る。第2の端面13での反射光は測定に重大な影響を及ぼすために、マッチングオイルを用いることにより、第2の端面13で光を散乱させ、そこからの反射光を最小限に抑えた。   That is, the light emitted from the light emitting diode (LED) 8 enters the second optical fiber 11 and is introduced into the optical fiber coupler 10 (F-CPL-M22855, manufactured by Newport). After splitting the incident light using the optical fiber coupler 10, one light is introduced into the localized surface plasmon sensor 1 (sensing probe) connected via the third optical fiber 12 and the mechanical splicer 18, It reaches the first end face 3 of the first optical fiber 2 modified with the ligand 6. The other light reaches the end face 13 (second end face) of the fifth optical fiber 14. Since the reflected light from the second end face 13 has a significant effect on the measurement, the matching oil was used to scatter the light at the second end face 13 and minimize the reflected light therefrom.

センシングプローブ1の第1の端面3側で散乱、反射された信号光は、メカニカルスプライサ18を介して接続された第2の光ファイバ11から光ファイバカプラ10に戻る。光ファイバカプラ10では、信号光が第5の光ファイバ14の第2の端面13から戻った光(微量光)と合成され、差分が光検出器としての光電子増倍管9で検出される。検出された信号は光電子増倍管9で増幅され、S/N比を高くするためにロックインアンプ19(SR80,Stanford Research System社製)を用いて検出され、演算装置20で、A/D変換ボード(図示せず)を用いてデジタル信号に変換され、コンピュータ処理される。演算装置20では、光電子増倍管9で検出される光信号の強度、位相又は前記局在化した表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量から検出対象分子6の膜厚、吸着量若しくは結合量、又は局在化表面プラズモンセンサ周囲の相補的な分子5を含む物質の屈折率を算定する。   The signal light scattered and reflected on the first end face 3 side of the sensing probe 1 returns from the second optical fiber 11 connected through the mechanical splicer 18 to the optical fiber coupler 10. In the optical fiber coupler 10, the signal light is combined with the light (trace light) returned from the second end face 13 of the fifth optical fiber 14, and the difference is detected by the photomultiplier tube 9 as a photodetector. The detected signal is amplified by the photomultiplier tube 9 and detected by using a lock-in amplifier 19 (SR80, Stanford Research System) in order to increase the S / N ratio. It is converted into a digital signal using a conversion board (not shown) and processed by a computer. In the arithmetic unit 20, the film thickness, the amount of adsorption or the amount of binding of the detection target molecule 6 from the intensity, phase, or amount of resonance wavelength of the localized surface plasmon resonance detected by the photomultiplier tube 9, Alternatively, the refractive index of a substance containing complementary molecules 5 around the localized surface plasmon sensor is calculated.

局在プラズモン共鳴は金属の微小な構造中(例えば1nm〜1μm、一般的には数10nm〜100nm程度の領域)に励起される局在した電子の波であり、金属微粒子や荒い金属表面で起こる。金属微粒子では粒径が概ね波長の1/4以下であれば励起される。また、金属薄膜でも波長程度の表面粗さがあれば励起される。たとえば、金のコロイド粒子が水中でワインレッド色を呈するのは、金微粒子(コロイド)中に局在プラズモンが励起されているためである。局在プラズモン共鳴について、多くの場合球体および回転楕円体に近似した解析が行なわれる。ここでは光の波長に比べて十分小さい金属微小球の光学応答について考えてみる。複素誘電率ε1(λ)を持つ半径aの微小な球状の金属粒子が誘電率ε2(λ)の媒質中に置かれている。ε1(λ)は波長λに強く依存することに注意する。実際のセンサでは多数の金属微粒子を用いているが、微粒子間距離が大きい時には相互作用が無視できるため一つの微粒子の光学応答を考えればよい。   Local plasmon resonance is a wave of localized electrons excited in a minute structure of a metal (for example, a region of about 1 nm to 1 μm, generally several tens of nm to 100 nm), and occurs on a metal fine particle or a rough metal surface. . The metal fine particles are excited when the particle diameter is approximately 1/4 or less of the wavelength. Further, even a metal thin film is excited if the surface roughness is about the wavelength. For example, the reason why gold colloid particles exhibit a wine red color in water is that localized plasmons are excited in gold fine particles (colloid). In many cases, local plasmon resonance is analyzed to approximate a sphere and a spheroid. Consider the optical response of a metal microsphere that is sufficiently small compared to the wavelength of light. Fine spherical metal particles with a radius a having a complex dielectric constant ε1 (λ) are placed in a medium having a dielectric constant ε2 (λ). Note that ε1 (λ) is strongly dependent on wavelength λ. An actual sensor uses a large number of fine metal particles, but when the distance between the fine particles is large, the interaction can be ignored, so the optical response of one fine particle can be considered.

金属微粒子の分極率αは、

Figure 2005181296
と書くことができる。 The polarizability α of the metal fine particles is
Figure 2005181296
Can be written.

(式1)の分母の絶対値が最小となる波長λにおいて局在プラズモンが共鳴状態となり分極率の大きさが最大となる。相互作用が無視できると金の微粒子の光散乱断面積と粒子の数から散乱光強度が求まる。   At a wavelength λ where the absolute value of the denominator of (Expression 1) is minimum, the localized plasmon becomes a resonance state, and the magnitude of the polarizability becomes maximum. If the interaction is negligible, the scattered light intensity can be obtained from the light scattering cross section of the gold fine particles and the number of particles.

図3は、散乱光強度の共鳴波長依存性を説明するための図である。図中の実線は水中における直径15nmの金属粒子の散乱光強度を波長λに対してプロットしたものである。波長λ=420nmに共鳴に起因するピークが見られる。共鳴波長が実測値(λ=490〜520nm)と若干異なるが、用いたモデル(Drude−Lorentzモデル)が金の誘電率を完全に再現できていないことによるものと解される。   FIG. 3 is a diagram for explaining the resonance wavelength dependence of the scattered light intensity. The solid line in the figure plots the scattered light intensity of metal particles having a diameter of 15 nm in water against the wavelength λ. A peak due to resonance is seen at the wavelength λ = 420 nm. Although the resonance wavelength is slightly different from the actually measured value (λ = 490 to 520 nm), it is understood that the model used (Drude-Lorentz model) cannot completely reproduce the dielectric constant of gold.

本実施の形態におけるセンサではリガンド分子が誘電体層として金属微小球を覆う構造となっている。また、相互作用によりアナライトがリガンド上に吸着することは、等価的に誘電体層の膜厚が増加することに対応する。このような誘電体層が金属微小球を覆った構造(シェル型構造)の場合も全体としての分極率α(λ)を解析的に求めることができる。図3中の破線は屈折率1.5の5nm厚の誘電体層が金の微粒子を覆った際の散乱光強度を示す。誘電体の吸着によりその散乱光スペクトルは大きく変化することが解る。   In the sensor according to the present embodiment, the ligand molecule covers the metal microsphere as a dielectric layer. Further, the adsorption of the analyte on the ligand by the interaction corresponds to an increase in the thickness of the dielectric layer equivalently. Even in the case where such a dielectric layer covers a metal microsphere (shell type structure), the polarizability α (λ) as a whole can be analytically determined. The broken line in FIG. 3 shows the intensity of scattered light when a 5 nm thick dielectric layer having a refractive index of 1.5 covers gold fine particles. It can be seen that the scattered light spectrum changes greatly due to the adsorption of the dielectric.

図4は散乱光強度の誘電体(検出対象物)膜厚依存性を説明するための図である。共鳴波長λ=420nmに光源の波長を固定した場合の散乱光強度を膜厚dに対して求め、誘電体層がない場合の散乱光強度に対する変化の割合としてプロットしたものである。1nmの誘電体の吸着により散乱光強度が5%変化する。このように波長を固定して散乱光強度の変化を観測することにより表面への物質の吸着を高感度にモニタすることができるため、局在プラズモン共鳴をセンサに応用できるのである。   FIG. 4 is a diagram for explaining the dependence of scattered light intensity on the dielectric (detection target) film thickness. The scattered light intensity when the wavelength of the light source is fixed at the resonance wavelength λ = 420 nm is obtained with respect to the film thickness d, and is plotted as a ratio of change with respect to the scattered light intensity when there is no dielectric layer. Scattered light intensity changes by 5% due to adsorption of a 1 nm dielectric. By observing changes in the intensity of scattered light while fixing the wavelength in this way, it is possible to monitor the adsorption of a substance on the surface with high sensitivity, so that localized plasmon resonance can be applied to a sensor.

図5に本実施の形態における局在化表面プラズモンセンシング装置7を用いてアビジンを検出した検出結果の例を示す。バイオセンシングの検出例として、抗原−抗体反応のモデル分子系であるビオチン分子で修飾した表面への蛋白質の一種であるストレプトアビジンの相互作用を追跡した。すなわち、アビジン5と、強い相互作用を持つビオチン6との相互作用の追跡結果を示すものである。光ファイバ端面3にシランカップリング剤を修飾して堆積した金微粒子4表面にリガンドとしてビオチン6単分子膜で修飾したセンシングプローブ1を、アナライトであるアビジン5のホウ酸緩衝液(1.5μM)に浸漬して、その吸着過程を測定した。縦軸は信号(散乱光)強度(arb.unit)、横軸は時間(sec)を示す。   FIG. 5 shows an example of a detection result obtained by detecting avidin using the localized surface plasmon sensing device 7 in the present embodiment. As an example of biosensing detection, the interaction of streptavidin, a kind of protein, on the surface modified with a biotin molecule, which is a model molecular system for antigen-antibody reaction, was traced. That is, the results of tracking the interaction between avidin 5 and biotin 6 having a strong interaction are shown. A sensing probe 1 modified with a biotin 6 monomolecular film as a ligand on the surface of a gold fine particle 4 deposited by modifying a silane coupling agent on the optical fiber end face 3 is used as a borate buffer solution (1.5 μM of avidin 5 as an analyte). ) And the adsorption process was measured. The vertical axis represents signal (scattered light) intensity (arb. Unit), and the horizontal axis represents time (sec).

まず、バックグラウンド測定のためにセル16に溶媒を入れて信号が安定するのを確認した後、試料溶液17をセル16に注入して(図5中に矢印Aで示す)信号を観察すると、すぐに散乱光強度が増加して、数分で一定値になり、アビジン5のビオチン6への吸着反応が終了したことがわかる(図5中に矢印Bで示す)。アビジン5のサイズは約5nmであるが、実際には約4nmの誘電体層として働くことが知られており、後述するオクタデカンチオール分子に比べて得られる信号の変化量も大きい。この吸着過程の測定結果から、十分な感度とS/N比で分子間の相互作用が捉えられていることがわかる。   First, after confirming that the signal is stabilized by adding a solvent to the cell 16 for background measurement, the sample solution 17 is injected into the cell 16 (indicated by an arrow A in FIG. 5), and the signal is observed. The scattered light intensity immediately increased and reached a constant value within a few minutes, indicating that the adsorption reaction of avidin 5 to biotin 6 was completed (indicated by arrow B in FIG. 5). Although the size of avidin 5 is about 5 nm, it is known to actually act as a dielectric layer of about 4 nm, and the amount of change in signal obtained is larger than that of octadecanethiol molecules described later. From the measurement result of this adsorption process, it can be seen that the interaction between molecules is captured with sufficient sensitivity and S / N ratio.

アナライトとリガンドとの組み合わせについては、アビジンとビオチンに限られず、DNA−DNA、DNA−RNA(リボ核酸)、DNA−タンパク質、DNA−糖、DNA−有機化合物、タンパク質−タンパク質、脂質−タンパク質、糖−タンパク質、タンパク質−有機化合物等の相互作用の検出も可能である。   The combination of the analyte and the ligand is not limited to avidin and biotin, but DNA-DNA, DNA-RNA (ribonucleic acid), DNA-protein, DNA-sugar, DNA-organic compound, protein-protein, lipid-protein, It is also possible to detect interactions such as sugar-protein and protein-organic compounds.

第2の実施の形態は、金属微粒子が相補的な分子6(ligand:リガンド)を兼ねる形態である。この場合、局在化表面プラズモンセンサの構成を示す図1において、金属微粒子層4が検出対象分子5(analyte:アナライト)に相補的な(親和性の強い)分子6(ligand:リガンド)の分子層を兼ねる(或いは含む)ことになる。例えば、金属微粒子として金を使用し、検出対象分子(analyte:アナライト)として、オクタデカンチオール5(Octadecanethiol:ODT)を用いる場合には、ODTは高い密度で金表面に吸着して自己組織化単分子膜を形成する。そのため、この場合では光ファイバ端面3に堆積した金微粒子表面自身をリガンド6とみなすことができる。そこで、バイオセンサとしての性能を評価するために、良く規定された試料としてODTを用いて、センシングプローブ1への吸着反応を検出した。   In the second embodiment, the metal fine particle also serves as a complementary molecule 6 (ligand). In this case, in FIG. 1 showing the configuration of the localized surface plasmon sensor, the metal fine particle layer 4 has a molecule 6 (ligand) complementary to the molecule to be detected 5 (analyte) and having a high affinity. It also serves as (or includes) a molecular layer. For example, when gold is used as the metal fine particle and octadecanethiol (ODT) is used as the molecule to be detected (analyte), the ODT is adsorbed on the gold surface at a high density and is self-assembled. A molecular film is formed. Therefore, in this case, the gold fine particle surface itself deposited on the optical fiber end face 3 can be regarded as the ligand 6. Therefore, in order to evaluate the performance as a biosensor, the adsorption reaction to the sensing probe 1 was detected using ODT as a well-defined sample.

図6に本実施の形態における局在化表面プラズモンセンシング装置7(図2参照)を用いてオクタデカンチオールを検出した検出結果の例を示す。縦軸は信号(散乱光)強度(arb.unit)、横軸は時間(sec)を示す。まず、バックグラウンド測定のためにセル16に溶媒を入れて信号が安定するのを確認した後、試料溶液17をセル16に注入して(図6中に矢印Aで示す)信号を観察すると、すぐに散乱光強度が増加して、約1分で一定値になり、吸着が終了したことがわかる(図6中に矢印Bで示す)。走査型電子顕微鏡(SEM)による金微粒子の吸着密度の結果等を参考にしてあらかじめ測定しておいた検量線との比較により、得られた信号の変化量とノイズ、金微粒子上のODT分子5の量から、このセンシング装置(システム)の感度は10pg/mmと見積もることができた。すなわち、全反射減衰法を用いた市販の表面プラズモン共鳴を使ったバイオセンサとほぼ同じ程度の感度を得た。 FIG. 6 shows an example of detection results obtained by detecting octadecanethiol using the localized surface plasmon sensing device 7 (see FIG. 2) in the present embodiment. The vertical axis represents signal (scattered light) intensity (arb. Unit), and the horizontal axis represents time (sec). First, after confirming that the signal is stabilized by adding a solvent to the cell 16 for background measurement, the sample solution 17 is injected into the cell 16 (indicated by an arrow A in FIG. 6) and the signal is observed. The scattered light intensity immediately increased and reached a constant value in about 1 minute, indicating that the adsorption was completed (indicated by arrow B in FIG. 6). By comparison with a calibration curve measured in advance with reference to the result of the adsorption density of gold fine particles by a scanning electron microscope (SEM), the amount of change in signal and noise obtained, and the ODT molecule 5 on the gold fine particles 5 From this amount, the sensitivity of this sensing device (system) could be estimated as 10 pg / mm 2 . That is, the sensitivity was almost the same as that of a biosensor using a commercially available surface plasmon resonance using the total reflection attenuation method.

ODT以外にも金属表面に相補的な(親和力が強い)アナライトがある。例えば、金に対しては、チオールやジスルフィド基を持つ有機硫黄化合物、アミノ基を持つ1級アミン、2級アミン、3級アミン化合物が相互作用し、銀に対しては、これらの化合物のほか、カルボキシル基を持つ化合物が相互作用する。   In addition to ODT, there are analytes that are complementary (strong affinity) to the metal surface. For example, for gold, organic sulfur compounds with thiol and disulfide groups, primary amines with amino groups, secondary amines, tertiary amine compounds interact, and for silver, in addition to these compounds , Compounds with carboxyl groups interact.

次に、第3の実施の形態について説明する。本実施の形態の局在化表面プラズモンセンシング装置7Aは、光源8として赤色発光ダイオード(LED)を用いるものであるが、その他の構成は第1の実施の形態(図2参照)と同じである。   Next, a third embodiment will be described. The localized surface plasmon sensing device 7A of the present embodiment uses a red light emitting diode (LED) as the light source 8, but the other configuration is the same as that of the first embodiment (see FIG. 2). .

孤立した金属小球を用いたシミュレーションでは局在プラズモン共鳴の共鳴波長は420nm近くになっているが、これは前述のように金の誘電体モデルとして単純化したドルーデ・ロレンツモデルを用いており、実際の金の誘電率を正確に再現できていないためである。金の誘電率の実測値を入れて計算すると局在プラズモン共鳴の共鳴波長は520nm付近に現れる。この金の表面に誘電体が形成されると共鳴波長は長波長側にシフトし、長波長側の散乱光強度も増加する。このことは、以下の実施の形態で説明する実験データにも裏付けられている(図10参照)。したがって、光源として例えば赤色LED(λ=623nm)が好適であり、第1の実施の形態よりもセンサの感度を高くでき、検出が容易になる。   In the simulation using isolated metal spheres, the resonance wavelength of localized plasmon resonance is close to 420 nm, but this uses the simplified Drude-Lorentz model as a dielectric model of gold as described above. This is because the actual dielectric constant of gold cannot be accurately reproduced. When calculation is performed with the measured value of the dielectric constant of gold, the resonance wavelength of localized plasmon resonance appears in the vicinity of 520 nm. When a dielectric is formed on the gold surface, the resonance wavelength shifts to the longer wavelength side, and the scattered light intensity on the longer wavelength side also increases. This is supported by the experimental data described in the following embodiment (see FIG. 10). Therefore, for example, a red LED (λ = 623 nm) is suitable as the light source, and the sensitivity of the sensor can be made higher than that of the first embodiment, and detection is facilitated.

次にセンシングプローブの作成について説明する。これは第1、第3の実施の形態にも共通に適用できる。金微粒子層4のファイバ2の端面3への固定については、第2の実施の形態にも適用できる。金微粒子は、例えばNaAuClの還元により合成できる。0.254mM(100mL)のNaAuClの水溶液を水槽内で95℃に保持し、2.5mLのクエン酸水溶液(33.3mM)を添加、攪拌すると、1分以内に溶液の色がルビーレッドに変化した。溶液をさらに10分攪拌後に室温に冷却すると、例えば平均直径約20nmの金微粒子が得られた。平均直径は透過型電子顕微鏡で測定した。清浄に割られた光ファイバ2の端面3は、N−(2−アミノエチル)3−アミノプロピル−トリメタオキシシランのエタノール溶液に5vol%酢酸を添加した溶液中に室温で10min保持され、120℃オーブン中でシランカップリング剤を付着され、次いで上記金微粒子水溶液に浸漬され、金微粒子層4が光ファイバ2の端面3に固定された。かかる処理手順により80%以上の再現率でファイバの端面の約20%以上が金微粒子で覆われた(実験用としてはこれで十分である)。 Next, creation of a sensing probe will be described. This can be applied in common to the first and third embodiments. The fixing of the gold fine particle layer 4 to the end face 3 of the fiber 2 can also be applied to the second embodiment. Gold fine particles can be synthesized, for example, by reduction of NaAuCl 4 . Keeping an aqueous solution of 0.254 mM (100 mL) NaAuCl 4 at 95 ° C. in a water bath, adding 2.5 mL of an aqueous citric acid solution (33.3 mM) and stirring, the color of the solution changes to ruby red within 1 minute. changed. When the solution was further stirred for 10 minutes and then cooled to room temperature, for example, gold fine particles having an average diameter of about 20 nm were obtained. The average diameter was measured with a transmission electron microscope. The end face 3 of the optical fiber 2 cracked cleanly is held at room temperature for 10 minutes in a solution obtained by adding 5 vol% acetic acid to an ethanol solution of N- (2-aminoethyl) 3-aminopropyl-trimetaoxysilane, and 120 A silane coupling agent was attached in an oven at 0 ° C., and then immersed in the gold fine particle aqueous solution, and the gold fine particle layer 4 was fixed to the end face 3 of the optical fiber 2. With such a procedure, about 20% or more of the end face of the fiber was covered with gold fine particles with a reproducibility of 80% or more (this is sufficient for experimental use).

アビジンとビオチン間の親和力を測定するためには、センシングプローブ1の金微粒子層4表面をビオチンで修飾する必要がある。センシングプローブ1は濃度1mMの11−アミノ−1−アンデカンチオールハイドロクロライドのエタノール溶液に10min浸漬され、エタノールでリンスされ、サルフォサクシニミデル−D−ビオチンに10min間浸漬され、緩衝溶液でリンスされた。これにより、センシングプローブ1の金微粒子層4表面をリガンドとしての末端をビオチンでラベルしたチオール層6で修飾できた。他方、アナライトとしてのアビジン5をテトラボレート緩衝溶液に溶解し、濃度20μg/mL溶液をキュベットに用意した。   In order to measure the affinity between avidin and biotin, the surface of the gold fine particle layer 4 of the sensing probe 1 needs to be modified with biotin. The sensing probe 1 is immersed in an ethanol solution of 11-amino-1-andecanethiol hydrochloride having a concentration of 1 mM for 10 minutes, rinsed with ethanol, immersed in Sulfosuccinimidel-D-biotin for 10 minutes, and rinsed with a buffer solution. It was done. As a result, the surface of the gold fine particle layer 4 of the sensing probe 1 could be modified with the thiol layer 6 labeled with biotin at the end as a ligand. On the other hand, avidin 5 as an analyte was dissolved in a tetraborate buffer solution, and a 20 μg / mL solution was prepared in a cuvette.

図7に、センサの感度を求めるために、周辺媒体(グリセロルと水の混合体)の屈折率を変化させて戻り光強度(詳しくは反射光と散乱光を含む戻り光の強度)を測定した結果を示す。センシングプローブ1は金微粒子層4で覆ったものを用いた。周辺媒体の屈折率は水にグリセロルを0〜2.5wt%加えることで変化させられる。図7(a)は、グリセロル濃度を0.5wt%ずつ段階的(AからFまで)に増加した場合のセンサの反応を示す。縦軸に戻り光強度を、横軸に時間を示す。図7(b)は、戻り光強度(縦軸)を周辺媒体の屈折率(横軸)に対してプロットしたものである。図7(b)における各プロットは図7(a)で示した各ステップの屈折率変化の5.5×10−4に相当する。各屈折率で1秒間に1回の測定を60回繰り返した測定値の標準偏差の値は6×10−4である。戻り光強度信号はほぼ屈折率に比例しており、その傾きは29.9RIU−1である。6×10−4を29.9で割ると屈折率分解能2×10−5が得られ、これは一般的な誘電体層の吸着量20pg/mmに相当する。これにより、感度は全反射減衰法やグレーティングを用いた従来の伝播型表面プラズモンを利用したセンサと同等であることがわかる。しかるに、本センサがバイオセンサに応用できる十分な性能を有すると結論できる。従来の伝播型プラズモンを利用したセンサにおける実際の測定では、溶液セル中に試料を入れたり、流路などを形成しそこに試料を流したりしなければならず、相当量の試料を準備しなければならなかったが、本表面プラズモンセンサでは、溶液が直径数μm〜1mm程度の検出面に暴露されれば良く、数μL以下の試料でも検出が可能である。 In FIG. 7, in order to obtain the sensitivity of the sensor, the return light intensity (specifically, the intensity of the return light including reflected light and scattered light) was measured by changing the refractive index of the surrounding medium (a mixture of glycerol and water). Results are shown. The sensing probe 1 used was covered with a gold fine particle layer 4. The refractive index of the surrounding medium can be changed by adding 0 to 2.5 wt% of glycerol to water. FIG. 7A shows the response of the sensor when the glycerol concentration is increased stepwise (from A to F) by 0.5 wt%. The vertical axis represents the light intensity, and the horizontal axis represents time. FIG. 7B is a plot of the return light intensity (vertical axis) against the refractive index (horizontal axis) of the surrounding medium. Each plot in FIG. 7B corresponds to a refractive index change of 5.5 × 10 −4 at each step shown in FIG. The standard deviation of the measurement value obtained by repeating the measurement once per second at each refractive index 60 times is 6 × 10 −4 . The return light intensity signal is substantially proportional to the refractive index, and its slope is 29.9 RIU- 1 . Dividing 6 × 10 −4 by 29.9 gives a refractive index resolution of 2 × 10 −5 , which corresponds to a general dielectric layer adsorption of 20 pg / mm 2 . Thus, it can be seen that the sensitivity is equivalent to that of a sensor using a conventional propagation surface plasmon using a total reflection attenuation method or a grating. However, it can be concluded that the present sensor has sufficient performance that can be applied to a biosensor. In actual measurement with a sensor using a conventional propagation type plasmon, a sample must be put in a solution cell, a flow path, etc. must be formed and the sample must flow therethrough, and a considerable amount of sample must be prepared. However, in this surface plasmon sensor, it is sufficient that the solution is exposed to a detection surface having a diameter of about several μm to 1 mm, and even a sample of several μL or less can be detected.

図8に、ビオチンへのアビジンの親和力の測定結果を示す。縦軸に戻り光強度(詳しくは反射光と散乱光を含む戻り光の強度)を、横軸に時間を示す。光ファイバ2の端面3を末端をビオチンでラベルしたチオール単層6で覆われた金微粒子層4で修飾したセンシングプローブ1を使用した。アビジン溶液の注入前に、センシングプローブ1を数分間テトラボレート緩衝溶液に浸漬して戻り光強度の安定性を確認した。次に、濃度1mg/mLのアビジン溶液20.4μLをテトラボレート緩衝溶液1mLに添加して、濃度20μg/mLのアビジン溶液とした。図8より、アビジン5の注入により戻り光強度信号が急激に増加し、ビオチンとアビジンの親和力を示す明確な反応が得られた。戻り光強度信号は時間が約2000sで殆ど一定になり、ビオチンとアビジンの結合後の信号増加割合は結合前に比して15.6%である。   FIG. 8 shows the measurement results of the affinity of avidin for biotin. The vertical axis represents return light intensity (specifically, the intensity of return light including reflected light and scattered light), and the horizontal axis represents time. The sensing probe 1 in which the end face 3 of the optical fiber 2 was modified with a gold fine particle layer 4 covered with a thiol monolayer 6 labeled with biotin at the end was used. Before injecting the avidin solution, the sensing probe 1 was immersed in a tetraborate buffer solution for several minutes to confirm the stability of the return light intensity. Next, 20.4 μL of an avidin solution having a concentration of 1 mg / mL was added to 1 mL of a tetraborate buffer solution to obtain an avidin solution having a concentration of 20 μg / mL. From FIG. 8, the return light intensity signal rapidly increased by the injection of avidin 5, and a clear reaction indicating the affinity between biotin and avidin was obtained. The return light intensity signal becomes almost constant at a time of about 2000 s, and the signal increase rate after binding of biotin and avidin is 15.6% as compared to before binding.

図9に第4の実施の形態における局在化表面プラズモンセンシング装置7Aの構成を示す。第1の実施の形態における光源をハロゲンランプ21に代え、光検出器として光電子増倍管9に代えて分光計22(USB−2000:Ocean Optics Inc.社製)を用い、ロックインアンプ19を除去した。さらに、本質的ではないが、光ファイバカプラ10を2×2カプラから2×1カプラに代え、第5の光ファイバ14を除去した。その他の構成は第1の実施の形態と同様である。この構成を用いると、所定の波長範囲にわたる反射光又は散乱光のスペクトルを検出できる。   FIG. 9 shows the configuration of a localized surface plasmon sensing device 7A according to the fourth embodiment. The light source in the first embodiment is replaced with a halogen lamp 21, and a spectrometer 22 (USB-2000: manufactured by Ocean Optics Inc.) is used instead of the photomultiplier tube 9 as a photodetector. Removed. Further, although not essential, the fifth optical fiber 14 is removed by replacing the optical fiber coupler 10 from a 2 × 2 coupler to a 2 × 1 coupler. Other configurations are the same as those of the first embodiment. When this configuration is used, the spectrum of reflected light or scattered light over a predetermined wavelength range can be detected.

図10に本実施の形態における局在化表面プラズモンセンシング装置7Aを用い、波長400〜700nmで戻り光(詳しくは反射光と散乱光を含む戻り光)のスペクトルを測定した例を示す。縦軸は戻り光強度を示し、横軸は波長を示す。実線は光ファイバ端面3に金微粒子4を堆積したセンシングプローブ1を水中に浸した場合の戻り光のスペクトルである。ベースライン(横軸)は光ファイバ端面3に金微粒子4を堆積していないセンシングプローブ1を水中に浸した場合の戻り光のスペクトルであり、図10のスペクトルはベースラインにより規格化したものである。波長約550nmに強い局在プラズモン共鳴が見られるが、周囲の水の屈折率のために空中での測定の場合に比して30nm赤色側(長波長側)にシフトしている。破線は光ファイバ端面3の金微粒子層4を末端をビオチンでラベルしたチオール6で修飾したときのスペクトルで、ビオチン単分子層6が非常に薄い(1.6nm厚さ)誘電体層であるために、戻り光強度が僅かに変化している。点線はアビジン5を検出した結果で、金微粒子4はアナライトであるアビジン5で完全に覆われたときのスペクトルである。波長範囲550〜680nmの範囲にわたって戻り光強度に大きな変化が見られる。この測定結果のプロフィルは擬似状態近似に基く理論的シミュレーションと良く一致する。この結果から、バイオセンシングには波長範囲550〜680nmが最適であり、光源として例えば赤色LED(λ=623nm)が好適であることがわかる。   FIG. 10 shows an example in which the spectrum of return light (specifically, return light including reflected light and scattered light) is measured at a wavelength of 400 to 700 nm using the localized surface plasmon sensing device 7A in the present embodiment. The vertical axis represents the return light intensity, and the horizontal axis represents the wavelength. The solid line is the spectrum of the return light when the sensing probe 1 in which the gold fine particles 4 are deposited on the optical fiber end face 3 is immersed in water. The baseline (horizontal axis) is the spectrum of the return light when the sensing probe 1 in which the gold fine particles 4 are not deposited on the optical fiber end face 3 is immersed in water. The spectrum of FIG. 10 is normalized by the baseline. is there. Although strong localized plasmon resonance is observed at a wavelength of about 550 nm, it is shifted to the red side (long wavelength side) by 30 nm as compared with the case of measurement in the air due to the refractive index of the surrounding water. A broken line is a spectrum when the gold fine particle layer 4 on the end face 3 of the optical fiber is modified with thiol 6 whose end is labeled with biotin, and the biotin monomolecular layer 6 is a very thin dielectric layer (1.6 nm thickness). In addition, the return light intensity is slightly changed. A dotted line is a result of detecting avidin 5, and is a spectrum when gold fine particles 4 are completely covered with avidin 5 which is an analyte. A large change is seen in the return light intensity over the wavelength range of 550 to 680 nm. The profile of the measurement results agrees well with the theoretical simulation based on pseudo-state approximation. From this result, it is understood that the wavelength range of 550 to 680 nm is optimal for biosensing, and a red LED (λ = 623 nm) is suitable as the light source.

図11は、図10に基づいて、光の波長に対して戻り光強度の変化量をプロットした図である。縦軸に変化量を、横軸に波長を示す。図中○は光ファイバ端面3に金微粒子4を堆積していないセンシングプローブ1を水中に浸した場合であり、□は光ファイバ端面3の金微粒子4をリガンドとしての末端をビオチンでラベルしたチオール6で修飾した場合であり、◇は金微粒子層4及び末端をビオチンでラベルしたチオール6がアナライトとしてのアビジン5で完全に覆われた場合のデータである。波長範囲550〜680nmにわたって、チオール6で修飾したデータには少し変化が見られ、ビオチンとアビジンが結合したデータでは変化量が約1.2倍以上と大きな変化が見られ、さらに、波長範囲590〜640nmでは変化量が約1.3倍以上と一層大きな変化が見られる。又波長約610nmで最大変化量が得られている。   FIG. 11 is a diagram in which the amount of change in return light intensity is plotted against the wavelength of light based on FIG. The vertical axis indicates the amount of change, and the horizontal axis indicates the wavelength. In the figure, ○ indicates a case where the sensing probe 1 in which the gold fine particles 4 are not deposited on the optical fiber end surface 3 is immersed in water, and □ indicates a thiol in which the gold fine particles 4 on the optical fiber end surface 3 are labeled with biotin. ◇ indicates data when the gold fine particle layer 4 and the thiol 6 labeled with biotin at the end are completely covered with avidin 5 as an analyte. There is a slight change in the data modified with thiol 6 over the wavelength range of 550 to 680 nm, and in the data in which biotin and avidin are bound, the change amount is about 1.2 times or more, and further, the wavelength range is 590. At ˜640 nm, the change is about 1.3 times or more, and a larger change is observed. The maximum change amount is obtained at a wavelength of about 610 nm.

図12は、光ファイバ端面3に堆積した金微粒子表面自身がリガンド6であり、アナライトとして、オクタデカンチオール5を用いた場合の、光の波長に対して戻り光強度の変化量をプロットした図である。プロットデータの差異はアナライト注入からの時間的変化によるものであり、○は注入時、□は0.8sec後、◇は10.4sec後、×は126sec後、+は1032sec後のデータである。波長範囲550〜740nmにわたって、10.4sec後のデータには少し変化が見られ、126secより後のデータでは変化量が大きくなっている。波長範囲590〜690nmでは、126secより後のデータで約1.2倍以上と大きな変化が見られる。又波長約630nmで最大変化量を示し、変化量約1.5倍以上が得られている。   FIG. 12 is a graph plotting the amount of change in return light intensity against the wavelength of light when the gold fine particle surface itself deposited on the optical fiber end face 3 is the ligand 6 and octadecanthiol 5 is used as the analyte. It is. The difference in plot data is due to the temporal change from the injection of the analyte. ○ is the data at the time of injection, □ is the data after 0.8 sec, ◇ is after 10.4 sec, x is after 126 sec, and + is the data after 1032 sec. . There is a slight change in the data after 10.4 sec over the wavelength range of 550 to 740 nm, and the amount of change is large in the data after 126 sec. In the wavelength range of 590 to 690 nm, a large change of about 1.2 times or more is observed in the data after 126 sec. Further, the maximum change amount is shown at a wavelength of about 630 nm, and the change amount is about 1.5 times or more.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、実施の形態は以上の例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更を加え得ることは明白である。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the embodiment is not limited to the above example, and it is obvious that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

例えば、上記実施の形態では、光ファイバの端面について特に言及しなかったが、光ファイバの端面はファイバの軸に直交して形成されても傾いて形成されても良く、また平坦である必要はない。傾いて形成されても、平坦にしなくても(凹凸があっても良い)、又先鋭化した円錐面がなくても、光ファイバの端面を金属微粒子で修飾すれば、プラズモンの共鳴角の傾斜面を持つ金属の表面が多数存在し、共鳴が生じ得ると考えられるからである。また、金属微粒子の形状や寸法が様々であっても、プラズモンの共鳴角の傾斜面を持つ金属の表面が多数存在すれば良い。   For example, in the above-described embodiment, the end face of the optical fiber is not particularly referred to. However, the end face of the optical fiber may be formed perpendicularly to the axis of the fiber, or may be formed inclined, and needs to be flat. Absent. Even if it is formed inclined, it may not be flat (may have irregularities), or it may have no sharp conical surface, if the end face of the optical fiber is modified with metal fine particles, the inclination of the plasmon resonance angle This is because there are many metal surfaces having a plane, and it is considered that resonance can occur. Further, even if the shape and size of the metal fine particles are various, it is sufficient that there are a large number of metal surfaces having an inclined surface with a plasmon resonance angle.

また、上記実施の形態では、金属微粒子が金の場合を説明したが、その他の金属微粒子を用いても良い。金属のうち貴金属が好ましく、特に、金は化学的安定性に優れ、銀は表面プラズモンの伝播長が大きく鋭い共鳴吸収プロファイルが得られ、好ましい。   In the above embodiment, the case where the metal fine particles are gold has been described. However, other metal fine particles may be used. Among metals, noble metals are preferable, and gold is particularly preferable because gold has excellent chemical stability and silver has a large propagation length of surface plasmons and a sharp resonance absorption profile.

また、光ファイバの端面に形成される金属微粒子層は、単層でも良く、多層でも良い。また、金属微粒子間の隙間を誘電体で埋めても良い(このとき金属粒子層の表面は覆わない)。金属粒子層の表面にリガンドを修飾できる金属があれば、誘電体媒質中でも(式1)のモデルが成立し、局在表面プラズモンが励起されるからである。   Further, the metal fine particle layer formed on the end face of the optical fiber may be a single layer or a multilayer. Further, the gap between the metal fine particles may be filled with a dielectric (at this time, the surface of the metal particle layer is not covered). This is because if there is a metal capable of modifying the ligand on the surface of the metal particle layer, the model of (Equation 1) is established even in the dielectric medium, and the localized surface plasmon is excited.

光ファイバの端面における検出部分の寸法についても広い範囲で使用可能である。光ファイバで200μm以下、プラスチックファイバで1mm以下を実現可能であり、このうち、光ファイバで100μm以下がさらに微細領域を検出でき好適である。   The size of the detection portion on the end face of the optical fiber can also be used in a wide range. It is possible to realize 200 μm or less with an optical fiber and 1 mm or less with a plastic fiber.

上記実施の形態では光源の波長は550nm乃至740nmが好適であるが、表面プラズモンの共鳴波長は、周辺媒体や金属微粒子およびアナライトとリガンドとの組み合わせにより変化し得るのでこの範囲に限られるものではない。なお、センシングに伴い共鳴波長は長波長側にシフトし、かつ、戻り光の強度は長波長側で変化が大きい。
光源と検出系の組み合わせについては、光源を単色光とし光電子増倍管等の光検出器で検出する、光源をスペクトル光とし分光計で検出する組み合わせの他に、光源をスペクトル光とし光電子増倍管等の光検出器で検出する、光源を単色光とし分光計で検出する組み合わせも可能である。
In the above embodiment, the wavelength of the light source is preferably 550 nm to 740 nm. However, the resonance wavelength of the surface plasmon can be changed by the combination of the peripheral medium, the metal fine particles, the analyte and the ligand, and is not limited to this range. Absent. It should be noted that the resonance wavelength shifts to the long wavelength side with sensing, and the intensity of the return light varies greatly on the long wavelength side.
As for the combination of the light source and the detection system, in addition to the combination of detecting the light source as a monochromatic light with a photodetector such as a photomultiplier tube and detecting the light source as a spectral light with a spectrometer, the light source as a spectral light and photomultiplier A combination of detecting with a photodetector such as a tube and using a spectrometer with a monochromatic light as the light source is also possible.

また、局在化表面プラズモンセンシング装置について、第5の光ファイバからの反射光を最小にする場合について説明したが、その反射光が、センサの先端を試料液に浸漬しない状態の反射光と同じになるように調整し、両反射光又は散乱光の差信号のみを光検出器に送信しても良い。この場合には、例えば第5の光ファイバにもスプライサを介して同じセンサを接続すれば良い。また、反射減衰量を測定しても良い。また、第5の光ファイバは無くても良い。また検出光は反射光でも散乱光でも良く、これらがミックスしたものでも良い。   Further, the localized surface plasmon sensing device has been described with respect to the case where the reflected light from the fifth optical fiber is minimized, but the reflected light is the same as the reflected light in a state where the tip of the sensor is not immersed in the sample liquid. And only the difference signal between the reflected light and scattered light may be transmitted to the photodetector. In this case, for example, the same sensor may be connected to the fifth optical fiber via a splicer. Further, the return loss may be measured. Further, the fifth optical fiber may not be provided. The detection light may be reflected light or scattered light, or a mixture of these.

アナライトとリガンドとの組み合わせについては、既に説明したように、アビジンとビオチン、ODTと金に限られず、DNA−DNA、DNA−RNA(リボ核酸)、DNA−タンパク質、DNA−糖、DNA−有機化合物、タンパク質−タンパク質、脂質−タンパク質、糖−タンパク質、タンパク質−有機化合物等の相互作用の検出、金、銀−チオールやジスルフィド基を持つ有機硫黄化合物、アミノ基を持つ1級アミン、2級アミン、3級アミン化合物等の相互作用の検出も可能である。また、一般的なタンパク質のサイズは数nmから10nm程度であるが、得られる信号の変化量はアナライトとリガンドの結合の平衡定数にも依存する。そのため、センサの感度はシステムだけでなく選択したリガンドにも依存する。したがって、アナライトとリガンドの組み合わせに応じた光源や光検出器を選択すべきである。   As described above, the combination of the analyte and the ligand is not limited to avidin and biotin, ODT and gold, but DNA-DNA, DNA-RNA (ribonucleic acid), DNA-protein, DNA-sugar, DNA-organic. Compound, protein-protein, lipid-protein, sugar-protein, protein-organic compound interaction detection, gold, silver-thiol and organosulfur compounds with disulfide groups, primary amines with amino groups, secondary amines It is also possible to detect the interaction of a tertiary amine compound or the like. The general protein size is about several nm to 10 nm, but the amount of change in the signal obtained also depends on the equilibrium constant of the binding between the analyte and the ligand. Therefore, the sensitivity of the sensor depends not only on the system but also on the selected ligand. Therefore, a light source or a light detector corresponding to the combination of the analyte and the ligand should be selected.

なお、本実施の形態に係る局在化表面プラズモンセンサは、アナライト検出用センサの他に、屈折率のセンサ(糖濃度の変化の検出、燃料電池のメタノール/水の比の変化の検出など)としても有用である。また、気体中の湿度に反応して屈折率や吸光係数が変化したり、その体積が変化する物質を塗布すれば、湿度センサにもなる。同様に特定のガスに暴露されたとき屈折率や吸光係数が変化したり、その体積が変化する物質を塗布すれば、ガスセンサとしても有用である。   The localized surface plasmon sensor according to the present embodiment is not limited to an analyte detection sensor, but also a refractive index sensor (detection of a change in sugar concentration, detection of a change in methanol / water ratio of a fuel cell, etc. ) Is also useful. In addition, if a material whose refractive index or extinction coefficient changes in response to humidity in the gas or whose volume changes is applied, it can also be a humidity sensor. Similarly, if a substance whose refractive index or extinction coefficient changes or its volume changes is applied when exposed to a specific gas, it is also useful as a gas sensor.

第1の実施の形態における局在化表面プラズモンセンサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the localized surface plasmon sensor in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における局在化表面プラズモンセンシング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the localized surface plasmon sensing apparatus in 1st Embodiment. 散乱光強度の共鳴波長依存性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the resonant wavelength dependence of scattered light intensity | strength. 散乱光強度の誘電体(検出対象物)膜厚依存性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the dielectric material (detection target) film thickness dependence of scattered light intensity. 第1の実施の形態における局在化表面プラズモンセンシング装置を用いてアビジンを検出した検出結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the detection result which detected the avidin using the localized surface plasmon sensing apparatus in 1st Embodiment. 第2の実施の形態における局在化表面プラズモンセンシング装置を用いてオクタデカンチオールを検出した検出結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the detection result which detected the octadecane thiol using the localized surface plasmon sensing apparatus in 2nd Embodiment. 周辺媒体の屈折率を変化させて戻り光強度を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the return light intensity by changing the refractive index of a surrounding medium. ビオチンへのアビジンの親和力の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the affinity of avidin with biotin. 第3の実施の形態における局在化表面プラズモンセンシング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the localized surface plasmon sensing apparatus in 3rd Embodiment. 第4の実施の形態において戻り光のスペクトルを測定した例を示す図である。It is a figure which shows the example which measured the spectrum of the return light in 4th Embodiment. 第4実施の形態における、ビオチンをリガンド、アビジンをアナライトとしたときの、光の波長に対して戻り光強度の変化量を示す図である。It is a figure which shows the variation | change_quantity of return light intensity with respect to the wavelength of light when biotin is used as a ligand and avidin is used as analyte in the fourth embodiment. 第4実施の形態における、金微粒子表面自身をリガンドとし、アナライトとしてオクタデカンチオールを用いた場合の、光の波長に対して戻り光強度の変化量を示す図である。It is a figure which shows the variation | change_quantity of a return light intensity with respect to the wavelength of light in the case of using gold decane surface itself as a ligand and using octadecanethiol as an analyte in 4th Embodiment. 表面プラズモン共鳴を用いたセンシングの原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of sensing using surface plasmon resonance. 従来の表面プラズモンセンサの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the conventional surface plasmon sensor. 従来の局在化表面プラズモンセンサの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the conventional localized surface plasmon sensor. 従来の別の局在化表面プラズモンセンサ及びセンシング装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of another conventional localized surface plasmon sensor and sensing apparatus. 従来の別の表面プラズモンセンサの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of another conventional surface plasmon sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 局在化表面プラズモンセンサ(センシングプローブ)
2 第1の光ファイバ
3 第1の光ファイバの端面(第1の端面)
4 金属微粒子層
5 検出対象分子(アナライト)
6 相補的な分子(リガンド)
7、7A 局在化表面プラズモンセンシング装置
8 光源(LED)
9 光検出器(光電子増倍管)
10 光ファイバカプラ
11 第2の光ファイバ
12 第3の光ファイバ
13 第5の光ファイバの端面(第2の端面)
14 第5の光ファイバ
15 第4の光ファイバ
16 セル
17 試料
18 スプライサ
19 ロックインアンプ
20 演算装置
21 光源(ハロゲンランプ)
22 分光計(スペクトロメータ)
101 表面プラズモンセンサ
102 基板
103 基板の端面
104 金属微粒子層
105、105a、105b 検出対象分子(アナライト)
106、106a、106b 検出対象分子に相補的な分子(リガンド)
111 表面プラズモンセンサ
112 プリズム
113 マッチングオイル
114 第1のガラス基板
115 金薄膜
116 第2のガラス基板
117 スペーサ
118 試料容器
119 試料
120 入射光
131 局在化表面プラズモンセンサ
132 セル
133 金微粒子
134 PMMAフィルム。
135 試料
140 局在化表面プラズモンセンシング装置
141 局在化表面プラズモンセンサ
142 光源
143 コリメータレンズ
144 光ファイバカプラ
145 金粒子
146 光ファイバのコア
147 試料
148 セル
149 ファイバオプティックスペクトロメータ
150 コンピュータ
151 表面プラズモンセンサ
152 光ファイバ
153 光ファイバの端面
154 クラッド
155 コア
156 凸部(または凹部)
157 金属薄膜
158 SPR測定面
159 入射光
160 表面プラズモン波
161 反射光
1 Localized surface plasmon sensor (sensing probe)
2 First optical fiber 3 End face (first end face) of the first optical fiber
4 Metal fine particle layer 5 Detection target molecule (analyte)
6 Complementary molecules (ligands)
7, 7A Localized surface plasmon sensing device 8 Light source (LED)
9 Photodetector (photomultiplier tube)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical fiber coupler 11 2nd optical fiber 12 3rd optical fiber 13 End surface (2nd end surface) of 5th optical fiber
14 fifth optical fiber 15 fourth optical fiber 16 cell 17 sample 18 splicer 19 lock-in amplifier 20 arithmetic unit 21 light source (halogen lamp)
22 Spectrometer
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Surface plasmon sensor 102 Substrate 103 End face 104 of substrate Metal fine particle layer 105, 105a, 105b Detection target molecule (analyte)
106, 106a, 106b A molecule (ligand) complementary to the molecule to be detected
111 Surface plasmon sensor 112 Prism 113 Matching oil 114 First glass substrate 115 Gold thin film 116 Second glass substrate 117 Spacer 118 Sample container 119 Sample 120 Incident light 131 Localized surface plasmon sensor 132 Cell 133 Gold fine particle 134 PMMA film.
135 Sample 140 Localized surface plasmon sensing device 141 Localized surface plasmon sensor 142 Light source 143 Collimator lens 144 Optical fiber coupler 145 Gold particle 146 Optical fiber core 147 Sample 148 Cell 149 Fiber optic spectrometer 150 Computer 151 Surface plasmon sensor 152 Optical fiber 153 End face 154 of optical fiber Clad 155 Core 156 Convex part (or concave part)
157 Metal thin film 158 SPR measurement surface 159 Incident light 160 Surface plasmon wave 161 Reflected light

Claims (19)

光ファイバの端面に、局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法の金属微粒子層を形成し、前記金属微粒子層の表面に検出対象分子に相補的な分子の分子層を形成し、前記金属微粒子層内に局在化した表面プラズモン共鳴による前記光ファイバに入力された光の変化を用いて、前記相補的な分子に吸着又は結合した検出対象分子を検出する局在化表面プラズモンセンサ。   A metal fine particle layer having a size capable of exciting localized surface plasmon resonance is formed on the end face of the optical fiber, and a molecular layer of a molecule complementary to the molecule to be detected is formed on the surface of the metal fine particle layer. A localized surface plasmon sensor that detects a detection target molecule adsorbed or bound to the complementary molecule using a change in light input to the optical fiber due to surface plasmon resonance localized in a fine particle layer. 光ファイバの端面に局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法に、検出対象分子に相補的な分子の機能を有する金属微粒子層を形成し、前記金属微粒子層内に局在化した表面プラズモン共鳴による前記光ファイバに入力された光の変化を用いて、前記相補的な分子に吸着又は結合した検出対象分子を検出する局在化表面プラズモンセンサ。   A metal fine particle layer having a function of a molecule complementary to the molecule to be detected is formed to a size that excites the surface plasmon resonance localized on the end face of the optical fiber, and the surface plasmon localized in the metal fine particle layer is formed. A localized surface plasmon sensor that detects a detection target molecule adsorbed or bound to the complementary molecule using a change in light input to the optical fiber due to resonance. 前記金属微粒子層が貴金属を主成分とする請求項1又は請求項2に記載の局在化表面プラズモンセンサ。   The localized surface plasmon sensor according to claim 1, wherein the metal fine particle layer contains a precious metal as a main component. 前記金属微粒子層の厚さが1nmから1μmである請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサ。   The localized surface plasmon sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal fine particle layer has a thickness of 1 nm to 1 µm. 前記光ファイバの端面における検出部分の径が5mm以下である請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサ。   The localized surface plasmon sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein a diameter of a detection portion at an end face of the optical fiber is 5 mm or less. 請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサ(当該局在化表面プラズモンセンサを構成する光ファイバを第1の光ファイバとする)と、前記表面プラズモン共鳴を励起する光を発光する光源と、光を検出する光検出器と、入力した光を分割して出力できる光ファイバカプラと、前記光源で発光した光を前記光ファイバカプラに導く第2の光ファイバと、前記第1の光ファイバと前記光ファイバカプラとを接続して、前記光源で発光した光を前記光ファイバカプラから前記局在化表面プラズモンセンサの前記第1の光ファイバの端面(当該端面を第1の端面とする)に導き、前記第1の端面から反射又は散乱された光を前記光ファイバカプラに導く第3の光ファイバと、前記第1の端面から反射又は散乱された光を前記光ファイバカプラから前記光検出器に導く第4の光ファイバとを備える;
局在化表面プラズモンセンシング装置。
The localized surface plasmon sensor according to any one of claims 1 to 5 (an optical fiber constituting the localized surface plasmon sensor is a first optical fiber) and the surface plasmon resonance A light source that emits light to be excited, a photodetector that detects light, an optical fiber coupler that can divide and output input light, and a second optical fiber that guides light emitted from the light source to the optical fiber coupler And connecting the first optical fiber and the optical fiber coupler to transmit light emitted from the light source from the optical fiber coupler to the end surface of the first optical fiber of the localized surface plasmon sensor (the end surface). A first end face), a third optical fiber for guiding light reflected or scattered from the first end face to the optical fiber coupler, and light reflected or scattered from the first end face And a fourth optical fiber guiding the light detector from the optical fiber coupler;
Localized surface plasmon sensing device.
前記局在化表面プラズモンセンサと前記第3の光ファイバとを、着脱可能なようにスプライサで接続する請求項6に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置。   The localized surface plasmon sensing device according to claim 6, wherein the localized surface plasmon sensor and the third optical fiber are connected by a splicer so as to be detachable. 請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサ(当該局在化表面プラズモンセンサを構成する光ファイバを第1の光ファイバとする)と、前記表面プラズモン共鳴を励起する光を発光する光源と、光を検出する光検出器と、入力した光を分割して出力できる光ファイバカプラと、前記光源で発光した光を前記光ファイバカプラに導く第2の光ファイバと、局在化表面プラズモンセンサからの光を前記光ファイバカプラから前記光検出器に導く第4の光ファイバとを備え;
前記第1の光ファイバは前記光ファイバカプラと接続されて、前記光源で発光した光を前記光ファイバカプラから前記局在化表面プラズモンセンサの前記第1の光ファイバの端面(当該端面を第1の端面とする)に導き、前記第1の端面から反射又は散乱された光を前記光ファイバカプラに導き、前記第4の光ファイバは前記第1の端面から反射又は散乱された光を前記光ファイバカプラから前記光検出器に導く;
局在化表面プラズモンセンシング装置。
The localized surface plasmon sensor according to any one of claims 1 to 5 (an optical fiber constituting the localized surface plasmon sensor is a first optical fiber) and the surface plasmon resonance A light source that emits light to be excited, a photodetector that detects light, an optical fiber coupler that can divide and output input light, and a second optical fiber that guides light emitted from the light source to the optical fiber coupler And a fourth optical fiber for guiding light from the localized surface plasmon sensor from the optical fiber coupler to the photodetector;
The first optical fiber is connected to the optical fiber coupler, and the light emitted from the light source is transmitted from the optical fiber coupler to the end face of the first optical fiber of the localized surface plasmon sensor (the end face is defined as the first end face). And the light reflected or scattered from the first end face is guided to the optical fiber coupler, and the fourth optical fiber takes the light reflected or scattered from the first end face as the light. Leading from a fiber coupler to the photodetector;
Localized surface plasmon sensing device.
前記光検出器で検出される反射又は散乱された光信号の強度、位相又は前記局在化した表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量から前記検出対象分子の膜厚、吸着量若しくは結合量、又は前記局在化表面プラズモンセンサ周囲の前記相補的な分子を含む物質の屈折率を算定する演算装置を備える請求項6乃至請求項8のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置。   From the intensity, phase, or amount of resonance wavelength of the localized surface plasmon resonance detected by the photodetector, the film thickness, adsorption amount or binding amount of the molecule to be detected, or The localized surface plasmon sensing device according to any one of claims 6 to 8, further comprising an arithmetic unit that calculates a refractive index of a substance including the complementary molecule around the localized surface plasmon sensor. 前記光検出器から出力される信号をロックイン検出するロックインアンプを備え、前記演算装置は前記ロックインアンプを経由して前記光検出器から出力される信号を取得する請求項9に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置。   10. The apparatus according to claim 9, further comprising: a lock-in amplifier that detects lock-in of a signal output from the photodetector, wherein the arithmetic device acquires a signal output from the photodetector via the lock-in amplifier. Localized surface plasmon sensing device. 前記光源は波長範囲550nm乃至740nm内のいずれかの波長の光を発光する請求項6乃至請求項10のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置。   The localized surface plasmon sensing device according to any one of claims 6 to 10, wherein the light source emits light of any wavelength within a wavelength range of 550 nm to 740 nm. 請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサ(当該局在化表面プラズモンセンサを構成する光ファイバを第1の光ファイバとする)と、前記表面プラズモン共鳴を励起する所定の波長範囲を含む光を発光する光源と、前記所定の波長範囲を含む光の光スペクトルを検出する分光計と、入力した光を分割して出力できる光ファイバカプラと、前記所定の波長範囲を含む光を前記光源から前記光ファイバカプラに導く第2の光ファイバと、前記第1の光ファイバと前記光ファイバカプラとを接続して、前記所定の波長範囲を含む光を前記光ファイバカプラから前記局在化表面プラズモンセンサの前記第1の光ファイバの端面(当該端面を第1の端面とする)に導き、前記第1の端面から反射又は散乱された前記所定の波長範囲を含む光を前記光ファイバカプラに導く第3の光ファイバと、前記第1の端面から反射又は散乱された前記所定の波長範囲を含む光を前記光ファイバカプラから前記分光計に導く第4の光ファイバとを備える;
局在化表面プラズモンセンシング装置。
The localized surface plasmon sensor according to any one of claims 1 to 5 (an optical fiber constituting the localized surface plasmon sensor is a first optical fiber) and the surface plasmon resonance A light source that emits light including a predetermined wavelength range to be excited, a spectrometer that detects an optical spectrum of light including the predetermined wavelength range, an optical fiber coupler that can divide and output input light, and the predetermined A second optical fiber that guides light including a wavelength range from the light source to the optical fiber coupler, and the first optical fiber and the optical fiber coupler are connected, and the light including the predetermined wavelength range is transmitted to the light. The predetermined surface that is guided from a fiber coupler to an end face of the first optical fiber of the localized surface plasmon sensor (the end face is a first end face) and is reflected or scattered from the first end face. A third optical fiber for guiding light including a wavelength range to the optical fiber coupler; and a second optical fiber for guiding light including the predetermined wavelength range reflected or scattered from the first end face to the spectrometer from the optical fiber coupler. 4 optical fibers;
Localized surface plasmon sensing device.
前記局在化表面プラズモンセンサと前記第3の光ファイバとを、着脱可能なようにスプライサで接続する請求項12に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置。   The localized surface plasmon sensing device according to claim 12, wherein the localized surface plasmon sensor and the third optical fiber are connected by a splicer so as to be detachable. 請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の局在化表面プラズモンセンサ(当該局在化表面プラズモンセンサを構成する光ファイバを第1の光ファイバとする)と、前記表面プラズモン共鳴を励起する所定の波長範囲を含む光を発光する光源と、前記所定の波長範囲を含む光の光スペクトルを検出する分光計と、入力した光を分割して出力できる光ファイバカプラと、前記所定の波長範囲を含む光を前記光源から前記光ファイバカプラに導く第2の光ファイバと、局在化表面プラズモンセンサからの光を前記光ファイバカプラから前記分光計に導く第4の光ファイバとを備え;
前記第1の光ファイバは前記光ファイバカプラと接続されて、前記所定の波長範囲を含む光を前記光ファイバカプラから前記局在化表面プラズモンセンサの前記第1の光ファイバの端面(当該端面を第1の端面とする)に導き、前記第1の端面から反射又は散乱された前記所定の波長範囲を含む光を前記光ファイバカプラに導き、前記第4の光ファイバは前記第1の端面から反射又は散乱された前記所定の波長範囲を含む光を前記光ファイバカプラから前記分光計に導く;
局在化表面プラズモンセンシング装置。
The localized surface plasmon sensor according to any one of claims 1 to 5 (an optical fiber constituting the localized surface plasmon sensor is a first optical fiber) and the surface plasmon resonance A light source that emits light including a predetermined wavelength range to be excited, a spectrometer that detects an optical spectrum of light including the predetermined wavelength range, an optical fiber coupler that can divide and output input light, and the predetermined A second optical fiber for guiding light including a wavelength range from the light source to the optical fiber coupler; and a fourth optical fiber for guiding light from a localized surface plasmon sensor from the optical fiber coupler to the spectrometer. ;
The first optical fiber is connected to the optical fiber coupler, and transmits light including the predetermined wavelength range from the optical fiber coupler to the end surface of the first optical fiber of the localized surface plasmon sensor. The first end face), the light including the predetermined wavelength range reflected or scattered from the first end face is guided to the optical fiber coupler, and the fourth optical fiber is guided from the first end face. Directing reflected or scattered light including the predetermined wavelength range from the fiber optic coupler to the spectrometer;
Localized surface plasmon sensing device.
前記所定の波長範囲は波長550nm乃至740nmである請求項12乃至請求項14に記載の局在化表面プラズモンセンシング装置。   The localized surface plasmon sensing device according to claim 12, wherein the predetermined wavelength range is a wavelength of 550 nm to 740 nm. 光ファイバの端面に、局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法の金属微粒子層を形成し、前記金属微粒子層の表面に検出対象分子に相補的な分子の分子層を形成した局在化表面プラズモンセンサを準備する工程と、
前記光ファイバの端面に、前記表面プラズモン共鳴を励起する光を導入する工程と、
前記局在化表面プラズモンセンサの前記金属微粒子内に前記表面プラズモン共鳴を励起する光に基く局在化した表面プラズモン共鳴を励起し、前記光ファイバの端面からの反射光又は散乱光を検出する工程と、
前記局在化表面プラズモンセンサの前記光ファイバの端面を、前記検出対象分子を含む試料内に浸漬して、前記相補的な分子に前記検出対象分子を吸着又は結合させる工程と、
前記試料内に浸漬された前記局在化表面プラズモンセンサの前記金属微粒子内に前記表面プラズモン共鳴を励起する光に基く局在化した表面プラズモン共鳴を励起し、前記光ファイバの端面からの反射光又は散乱光を検出する工程と、
前記光ファイバの端面が試料内に浸漬されていない時の反射光又は散乱光と、前記光ファイバの端面が試料内に浸漬されている時の反射光又は散乱光とを比較して、前記検出対象分子を検出する工程とを備える;
局在化表面プラズモンセンサを用いたセンシング方法。
Localization by forming a metal particle layer of a size capable of exciting localized surface plasmon resonance on the end face of the optical fiber, and forming a molecular layer complementary to the molecule to be detected on the surface of the metal particle layer Preparing a surface plasmon sensor;
Introducing light that excites the surface plasmon resonance into the end face of the optical fiber;
Exciting the localized surface plasmon resonance based on the light that excites the surface plasmon resonance in the metal fine particles of the localized surface plasmon sensor, and detecting reflected light or scattered light from the end face of the optical fiber When,
Immersing an end face of the optical fiber of the localized surface plasmon sensor in a sample containing the molecule to be detected to adsorb or bind the molecule to be detected to the complementary molecule;
Reflected light from the end face of the optical fiber by exciting the localized surface plasmon resonance based on the light that excites the surface plasmon resonance in the metal fine particles of the localized surface plasmon sensor immersed in the sample Or detecting scattered light;
The detection is performed by comparing reflected light or scattered light when the end face of the optical fiber is not immersed in the sample with reflected light or scattered light when the end face of the optical fiber is immersed in the sample. Detecting the molecule of interest;
Sensing method using localized surface plasmon sensor.
前記表面プラズモン共鳴を励起する光の波長が波長範囲550nm乃至740nm内のいずれかの波長である請求項16項に記載の局在化表面プラズモンセンサを用いたセンシング方法。   The sensing method using the localized surface plasmon sensor according to claim 16, wherein the wavelength of the light that excites the surface plasmon resonance is any wavelength within a wavelength range of 550 nm to 740 nm. 光ファイバの端面に、局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法の金属微粒子層を形成し、前記金属微粒子層の表面に検出対象分子に相補的な分子の分子層を形成した局在化表面プラズモンセンサを準備する工程と、
前記光ファイバの端面に、所定の波長範囲を含む光を導入する工程と、
前記局在化表面プラズモンセンサの前記金属微粒子内に前記所定の波長範囲を含む光に基く局在化した表面プラズモン共鳴を励起し、前記光ファイバの端面からの反射光又は散乱光のスペクトルを検出する工程と、
前記局在化表面プラズモンセンサの前記光ファイバの端面を、前記検出対象分子を含む試料内に浸漬して、前記相補的な分子に前記検出対象分子を吸着又は結合させる工程と、
前記試料内に浸漬された前記局在化表面プラズモンセンサの前記金属微粒子内に前記所定の波長範囲を含む光に基く局在化した表面プラズモン共鳴を励起し、前記光ファイバの端面からの反射光又は散乱光のスペクトルを検出する工程と、
前記光ファイバの端面が試料内に浸漬されていない時の反射光又は散乱光のスペクトルと、前記光ファイバの端面が試料内に浸漬されている時の反射光又は散乱光のスペクトルとを比較して、前記検出対象分子を検出する工程とを備える;
局在化表面プラズモンセンサを用いたセンシング方法。
Localization by forming a metal particle layer of a size capable of exciting localized surface plasmon resonance on the end face of the optical fiber, and forming a molecular layer complementary to the molecule to be detected on the surface of the metal particle layer Preparing a surface plasmon sensor;
Introducing light including a predetermined wavelength range into the end face of the optical fiber;
The localized surface plasmon sensor of the localized surface plasmon sensor excites localized surface plasmon resonance based on light including the predetermined wavelength range in the metal fine particles, and detects a spectrum of reflected light or scattered light from the end face of the optical fiber. And a process of
Immersing an end face of the optical fiber of the localized surface plasmon sensor in a sample containing the molecule to be detected to adsorb or bind the molecule to be detected to the complementary molecule;
The localized surface plasmon sensor immersed in the sample excites localized surface plasmon resonance based on light including the predetermined wavelength range in the metal fine particles, and the reflected light from the end face of the optical fiber Or detecting a spectrum of scattered light;
The spectrum of reflected or scattered light when the end face of the optical fiber is not immersed in the sample is compared with the spectrum of reflected or scattered light when the end face of the optical fiber is immersed in the sample. And detecting the molecule to be detected;
Sensing method using localized surface plasmon sensor.
前記所定の波長範囲は波長550nm乃至740nmである;
請求項18に記載の局在化表面プラズモンセンサを用いたセンシング方法。

The predetermined wavelength range is a wavelength of 550 nm to 740 nm;
A sensing method using the localized surface plasmon sensor according to claim 18.

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