JP2005337939A - 表面プラズモン共鳴装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化が可能で感度の良い表面プラズモン共鳴装置を提供すること。
【解決手段】 金属薄膜４に対して光源からの光Ｐを所定の角度で照射し、その金属薄膜４で全反射した反射光を光検出器６によって受光させ、情報処理手段がその光検出器６からの測定信号を受けて測定試料の状態を反射光強度の変化に基づいて解析するものであって、平行光にして照射された光源からの入射光Ｐを一部透過させるハーフミラー１と、そのハーフミラー１を透過した入射光を金属薄膜４に収束させる集光レンズ２と、金属薄膜４が一平面に形成された透過材料体３と、その透過材料体３との界面にて金属薄膜４を反射した反射光Ｐが同じ光路を通って金属薄膜４に再度反射して戻るようにする反射ミラー５とを有し、光検出器６は、金属薄膜４を２度反射して戻った反射光Ｐがハーフミラー１で反射する位置に配置された表面プラズモン共鳴装置１０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、検知対象物質であるターゲットの定性及び定量測定を行うものであって、特に感度の良い表面プラズモン共鳴装置に関する。

生体分子間の相互作用を標識なしでリアルタイムにモニターすることができる装置として、従来から表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を測定原理とする表面プラズモン共鳴装置（以下、「ＳＰＲ装置」とする）がある。
ＳＰＲ装置では、生体分子の相互作用を分子レベルで測定するため、相互作用を起こす生体分子の一方がセンサーチップ面に固定され、例えばこれに作用する分子を含んだサンプル液がマイクロ流路等を介してセンサーチップ表面に流される。そして、２分子間の結合・解離に伴うセンサーチップ面近傍での微量な屈折率変化がＳＰＲシグナルとして検出され、このシグナルの経時変化がグラフとして表示される。センサーチップ表面での分子の相互作用をモニターすることにより、このセンサーチップに対して特異的に認識するターゲット（微量物質）を検出することが可能である。

こうしたＳＰＲ装置を用いた表面プラズモン共鳴測定には、光学系の配置の違いなどからいくつかの方式があり、「生体物質相互作用のリアルタイム解析実験方法（永田和宏、半田宏、編集シュプリンガーフェアラーク東京（株）発行）」に記載されている。表面プラズモン共鳴測定には、例えば角度検出法、波長検出法そして強度検出法などを採用した各種測定方法がある。そうした中で角度検出法を採用したＳＰＲ装置としては、例えば特開平９−２９２３３３号公報に記載されている。ここで図３は、同公報に記載されたＳＰＲ装置の側面形状を示した図である。

このＳＰＲ装置２００では、レーザ光照射手段２２０から発振されたレーザ光２４０が、入射側シリンドリカルレンズ２２１によって平行光になり、入射側シリンドリカルレンズ２２２を介し、更に入射側シリンドリカルレンズ２２３によって収束させてプリズム２３０と金属薄膜２１０との界面に照射される。一方、金属薄膜２１０とプリズム２３０との界面２３１で全反射したレーザ光２４０は、平行光とする出射側シリンドリカルレンズ２２４と更に出射側シリンドリカルレンズ２２５を介して光検出手段２５０に受光される。

そして、光検出手段２５０の各受光素子列毎に出力される光検出信号は、全反射したレーザ光２４０の強度Ｉを入射角θ毎に示すものとなる（図２参照）。また、特定の入射角θで入射した光は、金属薄膜２１０とサンプル液２６０との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。そのため光検出手段２５０の各受光素子毎に出力される光検出信号Ｓを用いれば上記入射角θが分かり、この入射角θの時間的変化からサンプル液２６０中の特定物質の定量性や親和性を分析することができる。
特開平９−２９２３３３号公報（第２−３頁、第１図）

しかしながら、こうした従来のＳＰＲ装置２００は、感知部を挟んで発光部と受光部とが左右対称に配置されており、レーザ光照射手段２２０から光検出手段２５０の距離が遠いものであったために大型化してしまう問題があった。すなわち、図３に示すように従来のＳＰＲ装置２００は、金属薄膜２１０とプリズム２３０の左側にはレーザ光照射装置２２０、入射側シリンドリカルレンズ２２１、入射側シリンドリカルレンズ２２２及び入射側シリンドリカルレンズ２２３が、そして右側には出射側シリンドリカルレンズ２２４、出射側シリンドリカルレンズ２２５及び光検出手段２５０が横並びに配置され、レーザ光照射装置２２０から光検出手段２５０までの距離が長くなってしまっていた。
更に、こうした従来のＳＰＲ装置２００は、光検出手段２５０の感度が十分でない場合があり、測定精度が落ちることがあった。これは、ＣＣＤカメラなどによる光検出手段２５０の各受光素子間で検出された光量の差が十分でないことが原因として生じ得る。

よって、本発明は、かかる課題を解決すべく、小型化が可能で感度の良い表面プラズモン共鳴装置を提供することを目的とする。

本発明の表面プラズモン共鳴装置は、測定試料を保持する金属薄膜に対して光源からの光を照射し、その金属薄膜で全反射した反射光を光検出器によって受光させ、情報処理手段がその光検出器からの測定信号を受けて測定試料の状態を前記反射光の強度に基づいて解析するものであって、平行光にして照射された前記光源からの入射光を一部透過させるハーフミラーと、そのハーフミラーを透過した入射光を前記金属薄膜に収束させる集光レンズと、前記金属薄膜が一平面に形成された透過材料体と、その透過材料体との界面にて前記金属薄膜を反射した光が同じ光路を通って前記金属薄膜に再度反射して戻るようにする反射ミラーとを有し、前記光検出器は、前記金属薄膜を２度反射して戻った反射光が前記ハーフミラーで反射する位置に配置されたものであることを特徴とする。

また、本発明の表面プラズモン共鳴装置は、前記透過材料体が集光レンズによって収束される光が直交する曲率の球面で形成され、前記反射ミラーは、同じ曲率の湾曲面で形成され当該透過材料体表面に取り付けられたものであることを特徴とする。
また、本発明の表面プラズモン共鳴装置は、前記光源から透過材料体までの光路上に、光の偏光状態をＰ偏光のみに規制するための偏光部材が設置されたものであることを特徴とする。

本発明の表面プラズモン共鳴装置では、光源から出力された光がレンズを介して平行光となってハーフミラーへと照射される。ハーフミラーでは、光の一部が透過し、その透過した光は集光レンズによって収束され透過材料体に形成された金属薄膜に対して所定の角度範囲で照射される。金属薄膜では照射された光は表面プラズモン共鳴現象を起こす。その反射光が更に反射ミラーで反射して同じ入射角で逆向きに金属薄膜に照射され、再び共鳴現象を起こす。そして、金属薄膜を２度反射した光が集光レンズを通ってハーフミラーで反射し、光検出器に照射され受光される。

よって、本発明の表面プラズモン共鳴装置では、反射ミラーを使用して金属薄膜を反射した光を光源側に戻すようにしたので、光源と光検出器とを近づけることで装置全体をコンパクトにすることができる。
また、本発明の表面プラズモン共鳴装置では、反射ミラーによって光を往復させて金属薄膜を２度反射させるようにしたので、表面プラズモン共鳴現象を発生させる角度で照射された光と、そうでない角度で照射された光の光量差を大きくして感度を上げることができる。

次に、本発明に係る表面プラズモン共鳴装置の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、一実施形態の表面プラズモン共鳴装置を示した図である。本実施形態の表面プラズモン共鳴装置（以下、「ＳＰＲ装置」とする）１０は、不図示の光照射装置から発振された光Ｐがコリメーションレンズによって平行光になり、その先に図示するハーフミラー１が傾けて配置されている。ハーフミラー１は、光Ｐの５０パーセントが反射し、残る５０パーセントが透過するものである。なお、矢印Ｆ方向に反射する光は省略している。ハーフミラー１を透過した光Ｐの照射先には集光レンズ２が配置されている。この集光レンズ２によって、光Ｐが図示するように感知部に収束されるようになっている。

感知部には、光Ｐが透過する半球形状のプリズム３が配置され、その平面部の中心位置周辺に金属薄膜４が４５ｎｍ程度の厚さで成膜されている。表面プラズモン共鳴させるには、金や銀などのある種の金属が必要で、一般的には化学的不活性や表面プラズモン共鳴シグナルの発生効率の良さなどの理由から金が用いられている。ここでも金属薄膜４には金が使用されている。なお、金属薄膜４上には、特定の検出種と相互作用して特異的に結合する結合物質(リガンド、分子認識素子)が形成される。

ところで、この金属薄膜４に照射される光Ｐは、所定の角度範囲で入射するように設定されている。ここで所定の角度範囲とは、表面プラズモン共鳴角が検出できる角度範囲であるが、共鳴角が測定するターゲットによって異なるため、適した角度で光Ｐが金属薄膜４に照射されるように設計する必要がある。特に本実施形態では、図２で示す表面プラズモン共鳴曲線（以下「ＳＰＲ曲線」とする）において、２つの極小角θＡ，θＢを含む角度で照射するように金属薄膜４に光Ｐを収束させる。

次に、本実施形態ではプリズム３の球面に反射ミラー５が貼り付けられている。この反射ミラー５は、照射された光Ｐが同じ光路をたどって往復し、金属薄膜４の反射を２度行うようにしたものである。従って、本実施形態では光の干渉が起きないように、光照射装置には干渉性のない光を発する発光ダイオードが使用される。
プリズム３の球面は集光レンズ２によって収束される光Ｐが直交する曲率で形成されており、同じ曲率の反射ミラー５にも直交方向に照射される。こうした反射ミラー５で反射した光Ｐは再び同じ光路を逆向きにたどり、金属薄膜４で反射してハーフミラー１に到達するようになっている。そして、ハーフミラー１によって光Ｐが反射する位置にＣＣＤカメラなどの光検出アレイ６が配置され、その光検出アレイ６にはインターフェースを介して情報処理手段が接続されている。

続いて、以上のような構成からなるＳＰＲ装置１０の作用について以下に説明する。
先ず、不図示の光照射装置から発振された光Ｐは、不図示のコリメーションレンズなどを通り平行光となってハーフミラー１へと照射される。ハーフミラー１では、光Ｐの５０パーセントが矢印Ｆで示す方向に反射し、残る５０パーセントが透過する。ハーフミラー１を透過した光Ｐは、集光レンズ２によって収束されプリズム３へ入射する。そして、その平面部に設けられた金属薄膜４に対して所定の角度範囲で照射される。なお、図示していないが、平行光の光Ｐがハーフミラー１へ照射される前に偏光フィルタを配置してＰ偏光のみを通過させるようにするのが好ましい。

金属薄膜４は、サンプル液に浸けられるなどしている。そして、プリズム３に入射した光Ｐは金属薄膜４のプラズモン共鳴検知面を所定の角度範囲で反射し、その反射した光Ｐがプリズム３から出ることなく、その球面に沿って貼り付けられた反射ミラー５で反射する。光Ｐは、反射ミラー５に対して直交方向に進んで照射されるので、１８０゜方向を反転させて同じ光路を戻ることになる。そのため、光Ｐは再び同じ角度で金属薄膜４に照射される。そして、再度金属薄膜４のプラズモン共鳴検知面を反射した光Ｐは、プリズム３から集光レンズ２へと進む。

集光レンズ２を通った光Ｐは平行光になって再びハーフミラー１へと照射され、その５０パーセントが反射して光検出アレイ６へと照射される。本実施形態では、こうしてプリズム３内を往復して金属薄膜４を２度反射した光Ｐが光検出アレイ６へと受光される。光検出アレイ６では光Ｐの強度に比例した出力電圧が生ずる。そして、光検出アレイ６から出力された測定信号は、図示していないインターフェースを介して処理装置へと送信され、この測定信号に基づいてターゲットに関する定性及び定量情報が反射光強度、具体的には、反射光強度からわかる共鳴角度の変化Δθ（図２）に基づいて解析される。

ところで、所定の角度で照射された光Ｐは、プリズム３と金属薄膜４との界面で全反射するためエバネッセント波が励起される。その入射角においてエバネッセント波の振動周期と金属薄膜４表面に発生する表面プラズモン波の周期が等しくなり、共鳴現象により表面プラズモンが励起される。その結果、入射光のエネルギが表面プラズモン共鳴に使われるため、金属薄膜４を反射した反射光の強度が低下する。本実施形態では、更に反射ミラー５を反射して同じ入射角で金属薄膜４に光Ｐが照射され、同じ光が２度にわたって金属薄膜４を全反射する。これにより２度にわたり共鳴現象が起こる結果、入射光のエネルギがより多く表面プラズモン共鳴に使われるため反射光強度の低下が顕著になる。

ここで図２は、表面プラズモン共鳴センサによって検出される反射光強度の入射角度依存性を示した表面プラズモン共鳴曲線であるが、図示するように反射光強度の入射角度依存性を測定すると、ある特定の角度において反射光の強度が減衰した「光の谷」が認められる。この光学現象が表面プラズモン共鳴である。表面プラズモン共鳴は入射光の波長及び角度に依存しており、励起されると特定の入射角又は特定の波長を有する光成分の光エネルギーが表面プラズモン波へ移行し、対応する入射角又は波長を有する反射光が減少する。

また、表面プラズモン共鳴は金属層の表面におけるサンプル液の屈折率にも依存しており、サンプル液の屈折率が変化すれば波長一定の場合には共鳴角が変化し、入射角度一定の場合には共鳴波長が変化する。従って、反射光の強度に基づき共鳴角或いは共鳴波長を調べることにより、金属層の表面におけるサンプル液の屈折率を分析することができる。金属薄膜４表面近傍の屈折率が変化し、図２に示すようにθＡからθＢのように共鳴角がシフトした場合、このシフト量の時間的変化を検出すれば、サンプル液などについてその定性情報及び定量情報を得ることができる。

よって、本実施形態のＳＰＲ装置１０によれば、反射ミラー５を使用したことにより金属薄膜４を反射した光Ｐを戻し、不図示の光照射装置と光検出アレイ６とを近づけることができた。そのため、図３に示す従来装置では、レーザ光照射装置２２０と光検出アレイ２５０とが金属薄膜２１０などの感知部を挟んで左右に配置されていたが、本実施形態のＳＰＲ装置１０では、前述したように感知部に対して一方に配置させているので、装置全体をコンパクトにすることができる。
また、本実施形態のＳＰＲ装置１０では、反射ミラー５によって金属薄膜４を２度反射した光Ｐが光検出アレイ６へと受光させているので、ＳＰＲ現象を発生させる角度で照射された光と、そうでない角度で照射された光の光量差が非常に大きくなって感度を上げることができた。そのため、サンプル液中のターゲットの定性及び定量をより正確に測定することができる。

以上、本発明の表面プラズモン共鳴装置の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態では、半球形状に形したプリズム３に反射ミラー５を貼設したが、プリズム３は半球形状に限られず、また反射ミラー５は必ずしもプリズムに貼設しなければならないものではない。

第１実施形態の表面プラズモン共鳴装置を示した図である。 表面プラズモン共鳴装置によって検出される反射光強度の入射角度依存性を示したＳＰＲ曲線である。 従来の表面プラズモン共鳴装置を示した図である。

符号の説明

１ ハーフミラー
２ 集光レンズ
３ プリズム
４ 金属薄膜
５ 反射ミラー
６ 光検出アレイ
１０ 表面プラズモン共鳴装置
Ｐ 光

Claims (3)

1. 測定試料を保持する金属薄膜に対して光源からの光を照射し、その金属薄膜で全反射した反射光を光検出器によって受光させ、情報処理手段がその光検出器からの測定信号を受けて測定試料の状態を前記反射光の強度に基づいて解析する表面プラズモン共鳴測定装置において、
   平行光にして照射された前記光源からの入射光を一部透過させるハーフミラーと、
   そのハーフミラーを透過した入射光を前記金属薄膜に収束させる集光レンズと、
   前記金属薄膜が一平面に形成された透過材料体と、
   その透過材料体との界面にて前記金属薄膜を反射した反射光が同じ光路を通って前記金属薄膜に再度反射して戻るようにする反射ミラーとを有し、
   前記光検出器は、前記金属薄膜を２度反射して戻った反射光が前記ハーフミラーで反射する位置に配置されたものであることを特徴とする表面プラズモン共鳴装置。
2. 請求項１に記載する表面プラズモン共鳴装置において、
   前記透過材料体は、集光レンズによって収束される光が直交する曲率の球面で形成され、前記反射ミラーは、同じ曲率の湾曲面で形成され当該透過材料体表面に取り付けられたものであることを特徴とする表面プラズモン共鳴装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載する表面プラズモン共鳴装置において、
   前記光源から透過材料体までの光路上に、光の偏光状態をＰ偏光のみに規制するための偏光部材が設置されたものであることを特徴とする表面プラズモン共鳴装置。

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