JP2008241347A - 表面プラズモン共鳴センサおよび表面プラズモン共鳴センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低分子・低濃度の物質に対しても高精度に対象物質を検出することが可能な表面プラズモン共鳴センサを提供する。
【解決手段】表面プラズモン共鳴センサ１００は、半円柱形状に形成されたプリズム１０１を備えている。プリズム１０１の上面には、透明基板１０２を介して金により構成された金属膜１０３が５０ｎｍの厚さで形成されている。金属膜１０３の表面には、試料Ｓに含まれる検出対称物質である生体物質（抗原）に対して親和性を有する生理活性物質（抗体）によって構成された生体反応層１０５が１０ｎｍの厚さで形成されている。プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐは、生体反応層１０５と生態反応層１０５に接触する試料Ｓとを含む層の屈折率ｎ_ｅｆｆ（１.３６５）より大きく、かつ、生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖ（１.５）より小さい屈折率である１.４５６に設定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴現象を利用して流体状の試料中に含まれる検出物体の分析に用いられる表面プラズモン共鳴センサおよび表面プラズモン共鳴センサ装置に関する。

従来から、表面プラズモン共鳴現象を利用して流体状の試料中に含まれる特定の物質の検出を行う表面プラズモン共鳴センサが知られている。表面プラズモン共鳴現象は、プリズムの表面に金属の膜を形成しプリズムを介して金属膜にＰ偏光の光を全反射条件で照射した際に、金属膜に接している物質の誘電率（屈折率）に応じて特定の入射角（共鳴角）からの反射光の光強度が低下する現象である。表面プラズモン共鳴センサは、この原理を利用して試料中に含まれる特定の物質の定量分析に用いられるセンサである。

表面プラズモン共鳴センサの典型的な用途の一つとして、生体物質を検出するためのバイオセンサがある。バイオセンサは、例えば、下記特許文献１に示すように、上記金属膜上に特定の抗原を認識する抗体を固定して形成されている。そして、この金属膜に血液などの体液を含む試料を接触させると、試料内に含まれる特定の抗原が抗体に吸着されて金属膜上の誘電率、すなわち屈折率が減少する。このため、プリズムを介して照射される光の共鳴角が変化する。したがって、この共鳴角の変化を検出することにより試料中に含まれる抗原の吸着量などを算出することができる。
特開平１０−９０２７１号公報

しかしながら、このようなバイオセンサは、一般に、低分子・低濃度の物質に対する検出精度が低い。検出精度が低い理由の一つには、表面プラズモン共鳴現象を励起させるために金属膜に接する誘電体の屈折率よりも大きい屈折率のプリズムを用いていることがある。この場合、誘電体の屈折率とは金属膜上に固定された抗体の存在する層の屈折率である。屈折率の大きなプリズムは、光の入射角が小さい角度側に広がり測定範囲を広くすることができる一方で、入射角の分解能が低下する。したがって、共鳴角の変化量が小さい低分子・低濃度の物質の共鳴角の検出精度が低下する。

本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、低分子・低濃度の物質に対しても高精度に対象物質を検出することが可能な表面プラズモン共鳴センサおよび表面プラズモン共鳴センサ装置を提供することにある。

なお、上記特許文献１においては、検出精度を向上させるために試料と分子量を増大させた標準物質とを競合的に抗体と結合させることにより、抗原抗体反応前後の共鳴角の変化量を大きくしている。しかし、本発明は、これとは異なる手法によって低分子・低濃度の物質での検出精度を向上させることが可能な表面プラズモン共鳴センサおよび表面プラズモン共鳴センサ装置を提供するものである。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、プリズムと、プリズムに直接的または間接的に設けられた金属膜と、流体状の試料に含まれる検出物質が接触することにより物理的または化学的に変化する結合物質を前記金属膜上に固定した結合物質層とを備えた表面プラズモン共鳴センサにおいて、プリズムの屈折率は、結合物質層と同結合物質層に接する試料とを含む層の屈折率より大きく、かつ、前記結合物質層の屈折率より小さいことを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。

この場合、検出物質を、例えば、生物の体内に存在する生体物質とし、結合物質を、例えば、生体物質に対して物理的または化学的に変化する生理活性物質にするとよい。この場合、生体物質とは、生物の体内に存在する化学物質であり、具体的には、生体高分子（核酸、タンパク質、多糖、ＤＮＡなど）や細胞、または、これらの構成要素であるヌクレオチド、ヌクレオシド、アミノ酸、各種糖類、脂質、ビタミンまたはホルモンなどである。また、生理活性物質とは、生体物質であるか合成物質であるかを問わず、生物に対して生理作用または薬理作用を生じさせる物質または化合物である。例えば、検出物質を、抗原または抗体とし、結合物質を前記抗原または抗体と親和性を有する抗体または抗原とすることができる。

このように構成した本発明の特徴によれば、プリズムの屈折率を表面プラズモン共鳴現象が励起される金属膜に接する結合物質層と試料とを含む層の屈折率より大きく、かつ、同結合物質層の屈折率より小さい屈折率としている。この場合、試料の屈折率は、一般に結合物質層の屈折率より小さい。このため、金属膜に接する結合物質層の屈折率は、バックグランドに存在する試料の影響を受けて結合物質層固有の屈折率より実質的に低い屈折率となる。したがって、結合物質層を基準にプリズムの屈折率を決定する従来例に比べて、小さい屈折率のプリズムを用いることができる。これにより、プリズムへの光の入射角の分解能が向上する。この結果、低分子・低濃度の物質に対しても高精度に対象物質を検出することが可能になる。

また、本発明は表面プラズモン共鳴センサとして実施できるばかりでなく、表面プラズモン共鳴センサを備えた表面プラズモン共鳴センサ装置としても実施できるものである。

具体的には、前記表面プラズモン共鳴センサと、表面プラズモン共鳴センサにおけるプリズムに光を照射する光源部と、表面プラズモン共鳴センサにおけるプリズムからの反射光を受光する受光部とを備えるようにすればよい。

以下、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサの一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサ１００の構成を模式的に示す一部破断正面図である。また、図２は、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサ１００を備えた表面プラズモン共鳴センサ装置の構成の概略を示すブロック図である。なお、これらの図は模式図であり、本発明の理解を容易にするために一部の構成要素を誇張して表わすなど、各構成要素間の寸法や比率は異なっている。

この表面プラズモン共鳴センサ１００は、流体状の試料Ｓ中に含まれる生体物質を検出するためのセンサである。本実施形態においては、生体から取り出した血液などの体液にリン酸緩衝液（ＰＢＳ）を加えた液体を試料Ｓとして用いる。この表面プラズモン共鳴センサ１００は、所謂クレッチマン（Krctschmann）配置と称される系で構成された表面プラズモン共鳴センサであり、プリズム１０１を備えている。

プリズム１０１は、半円柱形状に形成されたガラス材で構成されており、入射した光を屈折・全反射させる光学素子である。このプリズム１０１は、平面部１０１ａを上側に向けた状態で配置されている。このプリズム１０１の屈折率については後述する。このプリズム１０１の平面部１０１ａ上には、透明基板１０２が設けられている。透明基板１０２は、プリズム１０１と同じガラス材を平板状に形成して構成されており、マッチングオイル１０２ａを介して平面部１０１ａ上に固着されている。マッチングオイル１０２ａは、プリズム１０１と透明基板１０２とを光学的に一体物として接着する接着剤である。

この透明基板１０２の上面には、金属膜１０３が形成されている。金属膜１０３は、厚さ５０ｎｍに形成された金（Ａｕ）の層であり、透明基板１０２の上面に蒸着されている。なお、この金属膜１０３を構成する金属は、導電性を有し２０〜９０ｎｍの厚さに形成できるものでれば、金に限定されるものではない。例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、またはアルミニウム（Ａｌ）などを単体、これらの合金、またはこれらを複層に重ねて用いることができる。

金属膜１０３上には、横断面が方形に形成された筒状のプール１０４が設けられている。プール１０４は、液体状の試料Ｓを金属膜１０３上に保持するための容器の一部を構成する部材である。具体的には、プール１０４は、一方の端部が金属膜１０３によって閉塞されるとともに、他方の端部が上方に向かって開放された状態で金属膜１０３上に固定されている。このプール１０４の内側における金属膜１０３上には、生体反応層１０５が形成されている。生体反応層１０５は、試料Ｓに含まれる特定の生体物質との相互作用により物理的または化学的に変化する生理活性物質（本実施形態においては抗体）を１０ｎｍの厚さで形成した層である。この生体反応層１０５が、本実施形態に係る結合物質層に相当する。

ここで、金属膜１０３上への生体反応層１０５の形成、すなわち、生体反応層１０５の固定化について簡単に説明する。この生体反応層１０５の固定化は、金属膜１０３の表面に生理活性物質（抗体）に対する親和性を持たせた状態で行う。具体的には、カルボキシル基を有する有機チオール化合物（ＳＨ基）をカップリング剤として用いて金属膜１０３上にカルボキシル基の官能基を固定化（自己組織化単分子膜）する。これにより、金属膜１０３の表面に生理活性物質（抗体）に対する親和性を持たせることができる。そして、カルボキシル基の官能基上にプロテインＡの膜を形成し、このプロテインＡ膜に生理活性物質（抗体）を結合させて生体反応層１０５を形成する。この場合、プロテインＡは、結合される生理活性物質（抗体）を一定の向きで固定するために用いられる。

この生体反応層１０５の光の屈折率ｎ_Ｖは、生理活性物質として抗体を用いた場合、通常１.４５〜１.５５（本実施形態においては１.５とする）である。また、プール１０４内に導入される試料Ｓの屈折率ｎ_Ｓは、リン酸緩衝液を用いた場合、通常１.３３〜１.３４（本実施形態においては１.３４とする）である。これら生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖおよび試料Ｓの屈折率ｎ_Ｓに基づいて、プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐを決定する。

このプリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐの決定について具体的に説明する。まず、プリズム１０１、金属膜１０３、生体反応層１０５および試料Ｓの各屈折率に基づいて、表面プラズモン共鳴センサ１００の共鳴角θ_ＳＰを計算する。具体的には、プリズム１０１に入射させる光の入射角θを変化させながら、各入射角θごとのプリズム１０１からの反射光の光強度を計算して最小の光強度における光の入射角θを共鳴角θ_ＳＰとする。この共鳴角θ_ＳＰの計算は、レーザ光の波長、プリズム１０１への光の入射角θ、プリズム１０１の仮の屈折率ｎ’_Ｐ、金属膜１０３の屈折率ｎ_Ｍ、生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖ、試料Ｓの屈折率ｎ_Ｓ、金属膜１０３の厚さおよび生体反応層１０５の厚さを用いて、光の反射に関するフレネルの方程式やスネルの方程式などの公知の公式により計算することができる。

この場合、プリズム１０１の仮の屈折率ｎ’_Ｐは、生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖが１.５である場合に一般的に用いられるプリズムの屈折率、具体的には、１.６を用いる。これは、下記数１に示す表面プラズモン波の励起条件式に基づく。すなわち、下記数１を満たすためには、プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐは屈折率ｎ_ｄより大きくなければならない。この場合、屈折率ｎ_ｄは、金属膜１０３に接する生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖである。したがって、プリズム１０１の仮の屈折率ｎ’_Ｐは、生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖである１.５より大きい１.６が一般的に設定される。なお、プリズム１０１の仮の屈折率ｎ’_Ｐは、生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖである１.５より大きければ１.６以外の数値を用いてもよい。

次に、計算した共鳴角θ_ＳＰを用いて金属膜１０３上にある層を１つの層として屈折率ｎ_ｅｆｆを計算する。この屈折率ｎ_ｅｆｆの計算は、金属膜１０３上にある層が生体反応層１０５と同生体反応層１０５上の試料Ｓとから構成される１つの層として、前記フレネルの方程式およびスネルの方程式を用いて計算（前記共鳴角θ_ＳＰの計算の逆算）することができる。本実施形態においては、屈折率ｎ_ｅｆｆは１.３６５と計算される。すなわち、金属膜１０３上の層を生体反応層１０５と同生体反応層１０５上の試料Ｓとから構成される１つの層と看做せば、同層の屈折率ｎ_ｅｆｆは前記生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖよりも小さくなる。これは、金属膜１０３上に形成される生体反応層１０５が極めて薄い層であるため、生体反応層１０５の誘電率に加えて生体反応層１０５のバックグランドにある試料Ｓの誘電率の影響により生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖが見掛け上、本来の屈折率ｎ_Ｖより小さくなったと考えられる。したがって、屈折率ｎ_ｅｆｆは生体反応層１０５の実質的な屈折率と考えることができる。そして、この実質的屈折率ｎ_ｅｆｆは、生体反応層１０５の厚さに応じて変化すると考えられる。

換言すれば、金属膜１０３に光を照射した際、プリズム１０１と金属膜１０３との界面で生じたエバネッセント波は水溶液など光学的に希薄な媒体（本実施形態においては試料Ｓ）に入り込む。このエバネッセント波の電界振幅は、界面において最大であり界面からの距離に応じて指数関数的に減衰する。すなわち、エバネッセント波が浸透する深度には限界がある。したがって、生体反応層１０５の層が薄い場合には、エバネッセント波の影響を受けて生体反応層１０５の実質的な屈折率ｎ_Ｖが小さくなると考えられる。そして、この実質的屈折率ｎ_ｅｆｆ（見掛けの屈折率ｎ_Ｖ）は、生体反応層１０５の厚さに応じて変化すると考えられる。

図３は、金属膜１０３上の層を１つの層と看做した場合における同層の実質的屈折率ｎ_ｅｆｆと、生体反応層１０５の厚さとの関係を表わしたグラフである。図において、生体反応層１０５の厚さが０ｎｍ、すなわち、生体反応層１０５が存在しない場合、実質的屈折率ｎ_ｅｆｆは試料Ｓの屈折率ｎ_Ｓである１.３４となる。一方、生体反応層１０５の厚さが３００ｎｍ以上の場合、実質的屈折率ｎ_ｅｆｆは略生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖである１.５となる。そして、生体反応層１０５の厚さが０ｎｍを超え約３００ｎｍまでの範囲においては、実質的屈折率ｎ_ｅｆｆは生体反応層１０５の厚さに応じて連続的に増加する。

すなわち、生体反応層１０５の厚さを０ｎｍを超え約３００ｎｍまでの範囲で形成した場合、生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖに試料Ｓの屈折率ｎ_Ｓを加味した実質的屈折率ｎ_ｅｆｆを金属膜１０３に接する層の屈折率として用いることができる。したがって、上記数１における屈折率ｎ_ｄをこの実質的屈折率ｎ_ｅｆｆとすれば、プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐを前記１.５より小さくすることができる。本実施形態においては、プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐを１.４５６とする。なお、図３に示すグラフは、本実施形態における実質的屈折率ｎ_ｅｆｆと生体反応層１０５の厚さとの関係を表わしたグラフであり、この関係は、金属膜１０３を形成する金属の種類や厚さ、生体反応層１０５を形成する物質の種類および試料Ｓを構成する物質の種類などに応じて異なるものである。

この表面プラズモン共鳴センサ１００は、図示しない表面プラズモン共鳴センサ装置の所定の支持装置に固定される。表面プラズモン共鳴センサ装置は、表面プラズモン共鳴センサ１００のプリズム１０１に対してレーザ光を照射するレーザ光源２０１を備えている。レーザ光源２０１は、６７０ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザで構成されており、レーザ駆動回路２０２によって作動が制御される。なお、レーザ光源２０１は、発光ダイオードなどの他の光源によって構成してもよいことは当然である。また、レーザ光の波長もプリズム１０１、金属膜１０３および試料Ｓなどの各種構成に応じて適当な波長を選定すればよい。

レーザ駆動回路２０２は、後述するパーソナルコンピュータ２１０からの指示に従ってレーザ光源２０１の作動のオン・オフ制御を行う。レーザ光源２０１と表面プラズモン共鳴センサ１００のプリズム１０１との間のレーザ光源２０１の光路（図において二点鎖線で示す）上には偏光子２０３が設けられている。偏光子２０３は、入射した光のうちＰ編光の偏光方向を有する光のみ透過させる光学素子である。すなわち、偏光子２０３は、レーザ光源２０１から出射されたレーザ光のうちＰ編光の偏光方向を有するレーザ光のみ透過させてプリズム１０１に導く。Ｐ偏向の偏光方向を有するレーザ光とは、直線偏光のうち入射面に対して平行に振動する光である。なお、プリズム１０１にレーザ光を導く他の光学系は、本発明に直接関らないためその説明は省略する。

表面プラズモン共鳴センサ１００を挟んでレーザ光源２０１と対称な位置にはフォトディテクタ２０４が設けられている。フォトディテクタ２０４は、プリズム１０１を介して導かれる反射光を受光して受光量に応じた電気信号をＡ／Ｄ変換器２０５に出力する光学素子でありＣＣＤ素子によって構成されている。Ａ／Ｄ変換器２０５は、フォトディテクタ２０４から出力された電気信号を二値化、すなわち、デジタル信号に変換してパーソナルコンピュータ２１０に出力する。

パーソナルコンピュータ２１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクなどからなるコンピュータ装置２１１、キーボードおよびマウスからなる入力装置２１２および液晶ディスプレイからなる表示装置２１３によって構成された所謂パソコンである。コンピュータ装置２１１は、入力装置２１２からの指示に従って図示しない所定のプログラムを実行することにより表面プラズモン共鳴センサ１００における共鳴角θ_ＳＰを計算することにより試料Ｓに含まれる生体物質の分析を行い、その結果を表示装置２１３に表示する。この場合、表面プラズモン共鳴センサ１００における共鳴角θ_ＳＰは、フォトディテクタ２０４から出力された電気信号の変化、すなわち、反射光の光強度の変化に基づいて計算される。

また、この表面プラズモン共鳴センサ装置には、プリズム１０１に照射するレーザ光の入射角θ、およびプリズム１０１からの反射光を受光する受光位置を変更するために、作業者による手動操作によりレーザ光源２０１（偏光子２０３を含む）およびフォトディテクタ２０４の位置をプリズム１０１の表面形状に沿って変更するための入射角変更装置（図示せず）が設けられている。入射角変更装置は、本発明に直接関わらないためその説明は省略する。

次に、上記のように構成した表面プラズモン共鳴センサ１００および表面プラズモン共鳴センサ装置の作動について説明する。まず、作業者は、金属膜１０３および生体反応層１０５などが形成された表面プラズモン共鳴センサ１００を表面プラズモン共鳴センサ装置の所定の位置にセットした後、表面プラズモン共鳴センサ１００のプール１０４内に生体物質が含まれていない試料Ｓ’、すなわち、リン酸緩衝液のみによって構成される試料Ｓ’を所定量（深さ５ｍｍ程度）投入する。そして、表面プラズモン共鳴センサ装置における図示しない電源を投入して、入力装置２１２を操作して基準となる共鳴角θ_ＳＰの計算をコンピュータ装置２１１に指示する。

この基準となる共鳴角θ_ＳＰは、生体物質が含まれていない試料Ｓ’に基づく共鳴角θ_ＳＰであり、生体物質が含まれた試料Ｓに基づく共鳴角θ_ＳＰに対する変化量の基準となる共鳴角である。具体的には、作業者は、パーソナルコンピュータ装置２１０の入力装置２１２を操作して共鳴角θ_ＳＰを計算するためのプログラムを実行させる。この基準となる共鳴角θ_ＳＰの計算は、プリズム１０１に入射するレーザ光の入射角θを変化させながら、各入射角θごとに反射光を受光して光強度が最小となる入射角θを求めることにより行われる。

作業者によりレーザ光源２０１およびフォトディテクタ２０４が所定の位置に位置決めされた後、パーソナルコンピュータ２１０のコンピュータ装置２１１は、レーザ駆動回路２０２の作動を制御してレーザ光源２０１からレーザ光を出射させる。レーザ光源２０１から出射されたレーザ光は、偏光子２０３によって偏光方向がＰ偏光の光のみが透過してプリズム１０１に導かれる。プリズム１０１に導かれたレーザ光は、プリズム１０１および透明基板１０２を介して金属膜１０３に到達する。この場合、プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐは１.４５６であり、金属膜１０３に接する生体反応層１０５の屈折率ｎ_ｖは１．５であるため上記数１に示す表面プラズモン波の励起条件を満たさない。

しかし、生体反応層１０５の実質的な屈折率ｎ_Ｖは前記したようにバックグランドに存在する試料Ｓ’によって１.３６５であるため表面プラズモン波の励起条件を満たすことになり、金属膜１０３にてエバネッセント波および表面プラズモン波が生じる。そして、金属膜１０３に到達したレーザ光は金属膜１０３によって反射されて透明基板１０２およびプリズム１０１を介してフォトディテクタ２０４に導かれる。したがって、レーザ光の入射角θが所定の角度の際には、表面プラズモン共鳴現象が励起されてプリズム１０１からの反射光の光強度が減少する。コンピュータ装置２１１は、レーザ光の入射角θごとに入力される反射光の光強度を測定しながら光強度が最小となった入射角θを基準の共鳴角θ_ＳＰとして検出する。

次に、作業者は、表面プラズモン共鳴センサ装置によって分析する試料Ｓを用意して試料Ｓの分析を行う。試料Ｓは、前記したように生体から取り出した血液などの体液にリン酸緩衝液（ＰＢＳ）を加えた液体である。作業者は、表面プラズモン共鳴センサ１００のプール１０４内に試料Ｓを投入して所定の時間経過させた後、パーソナルコンピュータ装置２１０の入力装置２１２を操作して試料Ｓを分析するためのプログラムを実行させる。この場合、試料Ｓをプール１０４内に投入して所定の時間経過させる理由は、生体反応層１０５とプール１０４内に投入された試料Ｓとの抗原抗体反応を完了させるためである。この試料Ｓの分析工程も、前記共鳴角θ_ＳＰの計算と同様に、プリズム１０１に入射するレーザ光の入射角θを変化させながら、各入射角θごとに反射光を受光して光強度が最小となる入射角θを求めることにより行われる。

すなわち、作業者によりレーザ光源２０１およびフォトディテクタ２０４が所定の位置に位置決めされた後、パーソナルコンピュータ２１０のコンピュータ装置２１１は、レーザ駆動回路２０２の作動を制御してレーザ光源２０１からレーザ光を出射させる。レーザ光源２０１から出射されたレーザ光は、前記と同様にして、偏光子２０３によって偏光方向がＰ偏光の光のみが透過してプリズム１０１に導かれる。プリズム１０１に導かれたレーザ光は、プリズム１０１および透明基板１０２を介して金属膜１０３に到達するとともに、同金属膜１０３によって反射されて透明基板１０２およびプリズム１０１を介してフォトディテクタ２０４に導かれる。この場合、前記と同様にして、金属膜１０３にてエバネッセント波および表面プラズモン波が生じる。そして、レーザ光の入射角θが所定の角度の際に表面プラズモン共鳴現象が励起されてプリズム１０１からの反射光の光強度が減少する。コンピュータ装置２１１は、レーザ光の入射角θごとに入力される反射光の光強度を測定しながら光強度が最小となった入射角θを共鳴角θ_ＳＰとして検出する。

表面プラズモン共鳴センサ１００の生体反応層１０５において抗原抗体反応が生じた場合には、生体反応層１０５の誘電率（すなわち、屈折率）や厚さが変化するため、検出される共鳴角θ_ＳＰは前記検出した基準となる共鳴角θ_ＳＰとは異なる角度となる。したがって、コンピュータ装置２１１は、検出した共鳴角θ_ＳＰの変化量に基づいて抗原抗体反応の様子や速度、試料Ｓに含まれる生体物質（抗体）の濃度などを測定・分析し、その結果を表示装置２１３に表示させる。作業者は、表示装置２１３に表示される測定結果（分析結果）に基づいて試料Ｓを評価する。

ここで、本実施形態においてプリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐを１.５９７（従来）とした場合と、同プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐを１.４５６（本発明）とした場合とにおける共鳴角θ_ＳＰの変化量の相違について説明しておく。図４（Ａ）は、本実施形態においてプリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐを１.５９７とした場合における反射光の光強度とレーザ光の入射角θとの関係を示している。また、図４（Ｂ）は、本実施形態においてプリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐを１.４５６とした場合における反射光の光強度とレーザ光の入射角θとの関係を示している。各図において、点線は表面プラズモン共鳴センサ１００の生体反応層１０５にプロテインＡの膜の設けた際における反射光の光強度の変化の様子を表わしたＳＰＲ（Surface Plasmon Resonance）曲線である。また、破線は生体反応層１０５に生理活性物質（抗体）を付着させた際における反射光の光強度の変化の様子を表わしたＳＰＲ曲線である。さらに、実線は生体反応層１０５において抗原抗体反応が生じた際における反射光の光強度の変化の様子を表わしたＳＰＲ曲線である。

これらの図から明らかなように、プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐが１.５９７の場合においては、各ＳＰＲ曲線における最小点、すなわち、共鳴角θ_ＳＰは６４°付近に集中しており、各ＳＰＲ曲線間における各共鳴角θ_ＳＰ間の距離（変化量）は極めて小さい。一方、プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐが１.４５６の場合においては、各ＳＰＲ曲線間における各共鳴角θ_ＳＰ間の距離（変化量）は前記プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐが１.５９７の場合に比べて大きい。すなわち、従来例に比べて本発明による表面プラズモン共鳴センサ１００は入射角θの分解能が高いことが確認できる。

上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐを表面プラズモン共鳴現象が励起される金属膜１０３に接する生体反応層１０５と試料Ｓとを含む層の屈折率_ｅｆｆ（１.３６５）より大きく、かつ、同生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｐ（１.５）より小さい屈折率（１.４５６）としている。この場合、試料Ｓの屈折率ｎ_Ｓは、一般に１.３３〜１.３４であり生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｐ（１.５）より小さい。このため、金属膜１０３に接する生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖは、バックグランドに存在する試料Ｓの影響を受けて生体反応層１０５固有の屈折率ｎ_Ｖより実質的に低い屈折率となる。したがって、生体反応層１０５を基準にプリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐを決定する従来例に比べて、小さい屈折率のプリズム１０１を用いることができる。これにより、プリズム１０１への光の入射角θの分解能が向上する。この結果、試料Ｓに含まれる生体物質が低分子・低濃度であっても高精度に検出することができる。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記実施形態においては、プリズム１０１と金属膜１０３との間に透明基板１０２を配置したが、透明基板１０２は必ずしも必要な部材ではない。すなわち、プリズム１０１の上面１０１ａ上に直接金属膜１０３を形成して表面プラズモン共鳴センサ１００を構成してもよい。これによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、液体状の試料Ｓを用いたが、気体状の試料Ｓを用いてもよい。この場合、一般に気体の屈折率は液体に比べて大きい。このため、気体状の試料Ｓを用いた場合には、液体状の試料Ｓを用いた場合に比べて生体反応層１０５の実質的な屈折率ｎ_Ｖ、すなわち、実質的屈折率_ｅｆｆは大きくなる。したがって、プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐも液体状の試料Ｓを用いた場合に比べて大きくなる。

また、上記実施形態においては、生理活性物質（抗体）により生体反応層１０５を形成したが、生体反応層１０５を形成する物質は試料Ｓに含まれる検出対象物によって特定されるものであり、これに限定されるものではない。すなわち、検出対象物に対して親和性を有する物質（換言すれば、分子識別能力を有する物質）であればよい。例えば、酵素に対して基質または補酵素、ホルモンに対してレセプターや核酸の相互作用など互いに親和性を有する物質の一方を用いて生体反応層１０５を形成すればよい。また、生体物質以外の物質、例えばトリニトロトルエン（ＴＮＴ）などの工業系化学物質を用いてもよい。これらによっても、上記実施形態と同様の作用効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、半円柱形状に形成されたプリズム１０１を用いたが、これに限定されるものではない。すなわち、プリズム１０１は半円柱形状以外の形状、例えば、三角柱状に形成されたプリズム１０１を用いてもよい。これによっても、上記実施形態と同様の作用効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、プリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐを１.４５６とした。しかし、本実施形態においてプリズム１０１の屈折率ｎ_Ｐは、生体反応層１０５の実質的屈折率ｎ_ｅｆｆである１．３６５より大きく、生体反応層１０５の屈折率ｎ_Ｖである１.５未満の屈折率を用いれば、これに限定されるものではない。この場合、上記範囲内においてより低い屈折率のプリズム１０１を用いることにより、入射角θの分解能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る表面プラズモン共鳴センサの構成を模式的に示す一部破断正面図である。 図１に示される表面プラズモン共鳴センサを備える表面プラズモン共鳴センサ装置の構成を概略的に示すブロック図である。 金属膜上の層を１つの層と看做した場合における同層の実質的屈折率ｎ_ｅｆｆと、生体反応層の厚さとの関係を表わしたグラフである。 （Ａ）はプリズムの屈折率ｎ_Ｐを１.５９７とした場合における反射光の光強度とレーザ光の入射角θとの関係を表わすグラフであり、（Ｂ）はプリズムの屈折率ｎ_Ｐを１.４５６とした場合における反射光の光強度とレーザ光の入射角θとの関係を表わすグラフである。

符号の説明

Ｓ…試料、１００…表面プラズモン共鳴センサ、１０１…プリズム、１０２…透明基板、１０３…金属膜、１０４…プール、１０５…生体反応層、２０１…レーザ光源、２０２…レーザ駆動回路、２０３…偏光子、２０４…フォトディテクタ、２０５…Ａ／Ｄ変換器、２１０…パーソナルコンピュータ、２１１…コンピュータ装置、２１２…入力装置、２１３…表示装置。

Claims (3)

1. プリズムと、
   前記プリズムに直接的または間接的に設けられた金属膜と、
   流体状の試料に含まれる検出物質が接触することにより物理的または化学的に変化する結合物質を前記金属膜上に固定した結合物質層とを備えた表面プラズモン共鳴センサにおいて、
   前記プリズムの屈折率は、前記結合物質層と同結合物質層に接する前記試料とを含む層の屈折率より大きく、かつ、前記結合物質層の屈折率より小さいことを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。
2. 請求項１に記載した表面プラズモン共鳴センサにおいて、
   前記検出物質は、生物の体内に存在する生体物質であり、
   前記結合物質は、前記生体物質に対して物理的または化学的に変化する生理活性物質である表面プラズモン共鳴センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載した表面プラズモン共鳴センサと、
   前記表面プラズモン共鳴センサにおける前記プリズムに光を照射する光源部と、
   前記表面プラズモン共鳴センサにおける前記プリズムからの反射光を受光する受光部とを備える表面プラズモン共鳴センサ装置。

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