JP2006349556A - 表面プラズモンセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 プリズムが測定系の一部として用いられる表面プラズモンセンサにおいて、測定精度の確保のためにプリズムの温度を一定に保つ機能を不要にする技術の開発。
【解決手段】 屈折率が負の温度係数を有するプリズムを採用した表面プラズモンセンサを提供する。
【選択図】 図１
【解決手段】 屈折率が負の温度係数を有するプリズムを採用した表面プラズモンセンサを提供する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、特定物質の定量的検出を行う表面プラズモンセンサに関し、特に、液体の溶媒に溶けた物質を定量する表面プラズモンセンサに関する。
光学センサの１つとして、表面プラズモンセンサがある（特許文献１−５参照）。
表面プラズモンセンサは、表面プラズモン共鳴（以下、ＳＰＲと記載する）を用いて金属薄膜上の物質の誘電率を測定するもので、検体（測定対象の物質が溶け込んでいる水溶液）が微量でも、検体中に溶けた物質の定量が可能であることから、バイオ、医療、ファインケミカルの分野での応用が可能である。
表面プラズモンセンサは、表面プラズモン共鳴（以下、ＳＰＲと記載する）を用いて金属薄膜上の物質の誘電率を測定するもので、検体（測定対象の物質が溶け込んでいる水溶液）が微量でも、検体中に溶けた物質の定量が可能であることから、バイオ、医療、ファインケミカルの分野での応用が可能である。
この表面プラズモンセンサ（以下、ＳＰＲセンサと記載する）は、金属薄膜上の物質の誘電率（または、屈折率）をモニタすることにより、この誘電率の変化で金属薄膜上の物質の量を測定する。ＳＰＲは、金属表面の電子の励振モードである。この励振モードと外部から入力した電磁波を既知の構成を用いて結合させ、その励振モードの波数変化を反射光の強度変化としてとらえる。
ＳＰＲセンサは、検体を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜が一面に設けられたプリズム（これをセンサチップとも言う）を用いる。
このＳＰＲセンサを用いて特定物質の量をセンシングする場合には、例えば、液状の検体（測定対象の物質が溶け込んだ水溶液）を、センサチップ上に流し込むなどして、金属薄膜に接触させる。そして、金属薄膜に対し、プリズム側から、その全反射角以上の角度で特定の波長の光を入射する。光の入射角を変え、入射角による反射率の変化を調べると、ある特定の入射角において金属薄膜での吸収が起こり、全反射を起こさなくなる。この特定の入射角は、金属とそれに接している物質の誘電率によって固有の値となる。ＳＰＲセンサは、この原理を用いて金属に接している物質の量を求めることができる。
特開平７−１５９３１９号公報
特開平１０−２６７８４１号公報
特開平１１−３４４４３７号公報
特開２００４−１１７０４８号公報
特開２００４−２１９４０１号公報
このＳＰＲセンサを用いて特定物質の量をセンシングする場合には、例えば、液状の検体（測定対象の物質が溶け込んだ水溶液）を、センサチップ上に流し込むなどして、金属薄膜に接触させる。そして、金属薄膜に対し、プリズム側から、その全反射角以上の角度で特定の波長の光を入射する。光の入射角を変え、入射角による反射率の変化を調べると、ある特定の入射角において金属薄膜での吸収が起こり、全反射を起こさなくなる。この特定の入射角は、金属とそれに接している物質の誘電率によって固有の値となる。ＳＰＲセンサは、この原理を用いて金属に接している物質の量を求めることができる。
ところで、従来、ＳＰＲセンサで使用されるプリズムはガラス製のものが一般的である。しかしながら、ガラスプリズムは、検体である水溶液と屈折率の温度依存性が異なるために、±０．１℃以下の厳密な温度管理が必要となる（例えば、河田聡、「表面プラズモンセンサー」、“O plus E”、発行所：株式会社新技術コミュニケーションズ、１９８９年３月、Ｎｏ．１１２、ｐ．１３３−１３９）。
これに鑑みて、研究レベルでは、差動式の温度補正が提案されている（例えば、特許文献１の段落０００３、００２３、特許文献２の段落００１０、特許文献３の段落００３１、特許文献４の請求項５、図５、特許文献５の段落００４３、図３等）。しかし、差動式の温度補正を実現するには、装置コストが高く付く。差動式温調装置を使用するとなると、高価な温度センサ（例えばペルチェ素子を利用したもの等）を要するなど、コストが高く付くといった問題がある。
さらに言えば、そもそも、±０．１℃以下の厳密な温度管理は現実的なものではなく、最終的には、研究者の判断による温度補正が必要となることが実情である（例えば、永田和宏、半田宏共編、“生体物質相互作用のリアルタイム実験方法”、発行所：シュプリンガー・フェアラーク東京、２００２年１０月１５日）。
これに鑑みて、研究レベルでは、差動式の温度補正が提案されている（例えば、特許文献１の段落０００３、００２３、特許文献２の段落００１０、特許文献３の段落００３１、特許文献４の請求項５、図５、特許文献５の段落００４３、図３等）。しかし、差動式の温度補正を実現するには、装置コストが高く付く。差動式温調装置を使用するとなると、高価な温度センサ（例えばペルチェ素子を利用したもの等）を要するなど、コストが高く付くといった問題がある。
さらに言えば、そもそも、±０．１℃以下の厳密な温度管理は現実的なものではなく、最終的には、研究者の判断による温度補正が必要となることが実情である（例えば、永田和宏、半田宏共編、“生体物質相互作用のリアルタイム実験方法”、発行所：シュプリンガー・フェアラーク東京、２００２年１０月１５日）。
本発明は、前記課題に鑑みて、プリズムの屈折率、及び、屈折率の依存性を適切に選択することにより、安価で、高精度の測定を可能にする、ＳＰＲセンサの提供を目的としている。
上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明では、プリズムが測定系の一部として用いられる表面プラズモンセンサにおいて、前記プリズムの屈折率が負の温度係数を有することを特徴とする表面プラズモンセンサを提供する。
請求項２に係る発明では、前記プリズムの屈折率が、１．４５〜１．７０であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項３に係る発明では、前記プリズムの屈折率の温度係数が、−１０−３（１／℃）〜−１０−４（１／℃）であることを特徴とする請求項１又は２記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項４に係る発明では、前記プリズムに、表面プラズモン共鳴を利用した測定用の金属薄膜を具備する測定用チップが着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項５に係る発明では、前記プリズムが、透明プラスチック製であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項６に係る発明では、前記透明プラスチックが、ＰＭＭＡであることを特徴とする請求項５記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項１に係る発明では、プリズムが測定系の一部として用いられる表面プラズモンセンサにおいて、前記プリズムの屈折率が負の温度係数を有することを特徴とする表面プラズモンセンサを提供する。
請求項２に係る発明では、前記プリズムの屈折率が、１．４５〜１．７０であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項３に係る発明では、前記プリズムの屈折率の温度係数が、−１０−３（１／℃）〜−１０−４（１／℃）であることを特徴とする請求項１又は２記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項４に係る発明では、前記プリズムに、表面プラズモン共鳴を利用した測定用の金属薄膜を具備する測定用チップが着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項５に係る発明では、前記プリズムが、透明プラスチック製であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項６に係る発明では、前記透明プラスチックが、ＰＭＭＡであることを特徴とする請求項５記載の表面プラズモンセンサを提供する。
本発明によれば、プリズムの屈折率、及び、屈折率の依存性を適切に選択することにより、ペルチェ素子を用いた高価な温調機能を設けるなどの対策を講じることなく、安価な装置で高精度の測定を実現できる。
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るＳＰＲセンサに用いられるプリズムを示す。
図１において、符号１はプリズム、２は金属薄膜、３は検体（被測定物質）である。
本発明に係るＳＰＲセンサは、プリズム１と、このプリズム１にＳＰＲ測定用のプローブ光を照射する測定光照射部４と、測定光照射部４からプリズム１に入射されて金属薄膜２から反射した反射光を受光する受光部５とを具備して構成されている。
図１において、符号１はプリズム、２は金属薄膜、３は検体（被測定物質）である。
本発明に係るＳＰＲセンサは、プリズム１と、このプリズム１にＳＰＲ測定用のプローブ光を照射する測定光照射部４と、測定光照射部４からプリズム１に入射されて金属薄膜２から反射した反射光を受光する受光部５とを具備して構成されている。
金属薄膜２は、例えば、プリズム１の一面に、直接、スパッタすること等により形成される。また、金属薄膜２は、プリズム１に着脱可能に取り付けた測定用チップに設けられたものであっても良い。
なお、スパッタ等による直接形成、測定用チップの取り付け等によって金属薄膜２が設けられたプリズム１を、以下、センサチップとも言う。
測定対象の検体３は、金属薄膜２において、プリズム１とは逆側の面に設けられる。
なお、スパッタ等による直接形成、測定用チップの取り付け等によって金属薄膜２が設けられたプリズム１を、以下、センサチップとも言う。
測定対象の検体３は、金属薄膜２において、プリズム１とは逆側の面に設けられる。
このＳＰＲセンサによる、検体３のＳＰＲ測定は、測定光照射部４からの出射光をプリズム１に入射させ、この入射光が金属薄膜２から反射した反射光を受光部５で受光する。そして、受光部５での受光データから、測定光照射部４からプリズム１への測定光が全反射を起こさなくなる入射角度θ（図１参照）を求める。
本発明に係るＳＰＲセンサのプリズム１は、屈折率の温度依存性が負の物質によって形成され、１．４５〜１．７０の屈折率を持つものを採用する。望ましくは、温度依存性（屈折率の温度係数）が、−１０−３（１／℃）〜−１０−４（１／℃）の範囲内にあるものが好ましい。
このプリズム１の形成物質としては、例えば、透明プラスチックを採用することが、低コスト化等の点で好ましい。採用できる透明プラスチックとしては、例えば、ＰＭＭＡなどがある。
このプリズム１の形成物質としては、例えば、透明プラスチックを採用することが、低コスト化等の点で好ましい。採用できる透明プラスチックとしては、例えば、ＰＭＭＡなどがある。
本発明に係るＳＰＲセンサでは、屈折率の温度依存性が負の物質によって形成されたプリズム１の採用により、温度変動によるＳＰＲピークのシフトを相殺できる。これにより、温調装置等を利用した温度補正を行うことなく、低コストで高精度の測定が可能となる。
表１は、水の屈折率が１％大きくなったときのＳＰＲ吸収ピーク角度（測定光の反射率が極小となる（測定光の全反射が無くなったと見られる）ときの入射角度θ）の変化（感度。（°／％））を、プリズムの屈折率毎に纏めて示したものである。
測定光の波長は６５６ｎｍ、金属薄膜の厚みは５０ｎｍとした。温度は３０℃とした。
また、プリズムの屈折率の温度依存性は、−１０−３／℃、−１０−４／℃、−１０−５／℃、１０−５／℃、１０−４／℃、１０−３／℃として計算した。プリズムの屈折率は、０℃での屈折率をそれぞれ１．４５〜１．７０とし、複数設定した各温度での屈折率温度依存性に、その温度を乗じて０℃の屈折率に加えたものとして計算した。
表１の感度（°／％）は、算出した水のＳＰＲ吸収ピーク角度と、水の屈折率が１％大きくなったときのＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量とから計算したものである。
また、プリズムの屈折率の温度依存性は、−１０−３／℃、−１０−４／℃、−１０−５／℃、１０−５／℃、１０−４／℃、１０−３／℃として計算した。プリズムの屈折率は、０℃での屈折率をそれぞれ１．４５〜１．７０とし、複数設定した各温度での屈折率温度依存性に、その温度を乗じて０℃の屈折率に加えたものとして計算した。
表１の感度（°／％）は、算出した水のＳＰＲ吸収ピーク角度と、水の屈折率が１％大きくなったときのＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量とから計算したものである。
ＳＰＲ吸収ピーク角度は、次式（Ａ）で算出した。
なお、この式（Ａ）は、栗原一嘉、鈴木孝治、「表面プラズモン共鳴センサーの光学測定原理」、“ぶんせき”、２００２ Ｎｏ．４、ｐ．１６１−１６７、等を参考にした。
なお、この式（Ａ）は、栗原一嘉、鈴木孝治、「表面プラズモン共鳴センサーの光学測定原理」、“ぶんせき”、２００２ Ｎｏ．４、ｐ．１６１−１６７、等を参考にした。
式中、λは測定光波長、Ｃは光速、εｍは金の誘電率である。
また、εｍ∞は９．７５、ωｐは１．４×１０１６（ｓ−１）、ωτは１．３５×１０１４（ｓ−１）である。これらの算出は、R.A. Lnnes,J.R.Sambles,J.Phys.F,17(1987)277を参考にした。
ｎｓ０は水の屈折率、ｎｓｄｉｖは水の温度依存係数である。このｎｓ０、ｎｓｄｉｖについては、社団法人日本化学会、化学便覧基礎編II、発行所：丸善株式会社、１９７５年６月２０日発行、ｐ．１２５６−１２５７を参考にして求めた。
ｎｐ０はプリズムの屈折率、ｎｐｄｉｖはプリズムの温度依存係数である。このｎｐ０、ｎｐｄｉｖについては、任意に選択した。
ここでは、選択した各ｎｐ０、ｎｐｄｉｖについて、反射率Ｒの角度依存性を計算して、反射率が極小となるＳＰＲ吸収ピーク角度を求めた。
また、εｍ∞は９．７５、ωｐは１．４×１０１６（ｓ−１）、ωτは１．３５×１０１４（ｓ−１）である。これらの算出は、R.A. Lnnes,J.R.Sambles,J.Phys.F,17(1987)277を参考にした。
ｎｓ０は水の屈折率、ｎｓｄｉｖは水の温度依存係数である。このｎｓ０、ｎｓｄｉｖについては、社団法人日本化学会、化学便覧基礎編II、発行所：丸善株式会社、１９７５年６月２０日発行、ｐ．１２５６−１２５７を参考にして求めた。
ｎｐ０はプリズムの屈折率、ｎｐｄｉｖはプリズムの温度依存係数である。このｎｐ０、ｎｐｄｉｖについては、任意に選択した。
ここでは、選択した各ｎｐ０、ｎｐｄｉｖについて、反射率Ｒの角度依存性を計算して、反射率が極小となるＳＰＲ吸収ピーク角度を求めた。
表１から、プリズムの屈折率が小さいほど、ＳＰＲ吸収ピーク角度が大きく動くことが明らかである。このことから、低屈折率のプリズムほど、感度が高いことが判る。
次に、温度が３０℃の場合と、４０℃の場合とについて、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量を計算した。この温度範囲は、生化学反応に適した温度として設定した。
図２は、プリズムの屈折率が１．４５の場合の計算結果を示す。
図２は、プリズムの屈折率が１．４５の場合の計算結果を示す。
プリズムの屈折率が１．５０、１．５５、１．７０の場合についても、プリズムの屈折率が１．４５の場合と同様に、温度が３０℃の場合と４０℃の場合とについてのＳＰＲ吸収ピークのシフト量を計算した。表２は、この計算結果に基づいて、プリズムの各温度係数でのＳＰＲ吸収ピーク角度の差（シフト量）を、プリズムの屈折率毎に纏めて示したものである。
但し、図２を参照して判るように、屈折率の温度依存性が−１０−３／℃のとき、４０℃の水のＳＰＲ吸収ピークは浅くブロードであり、計算上、ＳＰＲ吸収の極小値を求めることはできるものの、これをセンサで感知することは難しいため、この結果は検討から除外した。
但し、図２を参照して判るように、屈折率の温度依存性が−１０−３／℃のとき、４０℃の水のＳＰＲ吸収ピークは浅くブロードであり、計算上、ＳＰＲ吸収の極小値を求めることはできるものの、これをセンサで感知することは難しいため、この結果は検討から除外した。
表２から、ＳＰＲ角度の温度依存性が零になる領域が、−１０−３〜−１０−４／℃の範囲にあることが判る。
表３は、屈折率が１．４８で、屈折率の温度依存性が−１．７８×１０−４／℃のプリズムを用いた場合（第１例）と、屈折率が１．７０で、屈折率の温度依存性が−２．０５×１０−４／℃のプリズムを用いた場合（第２例）とについて、水のＳＰＲ吸収ピーク角度を温度毎に纏めて示したものである。
第１例については、表３から以下のことが判る。
（ａ）３４〜３５℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフトが見られない。
（ｂ）３２〜３７℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量が、１／１０００度の範囲内に収まっている。
（ｃ）３０〜４０℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量が、５／１０００度の範囲内に収まっている。
（ａ）３４〜３５℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフトが見られない。
（ｂ）３２〜３７℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量が、１／１０００度の範囲内に収まっている。
（ｃ）３０〜４０℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量が、５／１０００度の範囲内に収まっている。
第２例については、表３から以下のことが判る。
（ｄ）３４〜３５℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフトが見られない。
（ｅ）３１〜３７℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量が、１／１０００度の範囲内に収まっている。
（ｆ）３０〜４０℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量が、２／１０００度の範囲内に収まっている。
（ｄ）３４〜３５℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフトが見られない。
（ｅ）３１〜３７℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量が、１／１０００度の範囲内に収まっている。
（ｆ）３０〜４０℃の範囲では、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量が、２／１０００度の範囲内に収まっている。
なお、測定光波長は６５６ｎｍに限るものではなく、これより長波長であればよい。
ＳＰＲ吸収ピーク位置（角度）自体も、測定光波長によって異なるが、水溶液（検体）の温度依存性から、プリズムの屈折率に対して最適と思われる屈折率温度依存性を有するプリズムを用いたセンサチップを採用することで、検体の屈折率の温度依存性に起因して生じるＳＰＲ吸収ピーク角度のずれを補正することができる。
また、温度範囲が拡がると、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量が大きくなるが、必要とされる測定精度により、使用温度範囲を限定し、適切な屈折率及び屈折率温度依存性を採用することで、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量を抑制できる。
ＳＰＲ吸収ピーク位置（角度）自体も、測定光波長によって異なるが、水溶液（検体）の温度依存性から、プリズムの屈折率に対して最適と思われる屈折率温度依存性を有するプリズムを用いたセンサチップを採用することで、検体の屈折率の温度依存性に起因して生じるＳＰＲ吸収ピーク角度のずれを補正することができる。
また、温度範囲が拡がると、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量が大きくなるが、必要とされる測定精度により、使用温度範囲を限定し、適切な屈折率及び屈折率温度依存性を採用することで、ＳＰＲ吸収ピーク角度のシフト量を抑制できる。
本発明では、プリズムの屈折率、及び、屈折率の依存性を適切に選択することにより、センサチップの温度を一定に保つための温調機能を設けるなどの対策を講じることなく、安価な装置で高精度の測定を実現できる。また、温調機能の省略により、装置の小型化、低コスト化を容易に実現できるといった利点もある。
１…プリズム、２…金属薄膜、３…検体（被測定物質）、４…測定光照射部、５…受光部。
Claims (6)
- プリズムが測定系の一部として用いられる表面プラズモンセンサにおいて、
前記プリズムの屈折率が負の温度係数を有することを特徴とする表面プラズモンセンサ。 - 前記プリズムの屈折率が、１．４５〜１．７０であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモンセンサ。
- 前記プリズムの屈折率の温度係数が、−１０−３（１／℃）〜−１０−４（１／℃）であることを特徴とする請求項１又は２記載の表面プラズモンセンサ。
- 前記プリズムに、表面プラズモン共鳴を利用した測定用の金属薄膜を具備する測定用チップが着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面プラズモンセンサ。
- 前記プリズムが、透明プラスチック製であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面プラズモンセンサ。
- 前記透明プラスチックが、ＰＭＭＡであることを特徴とする請求項５記載の表面プラズモンセンサ。
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- 2005-06-17 JP JP2005177587A patent/JP2006349556A/ja active Pending
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