JP2008527395A - 表面プラズモン共鳴センサにおける表面プラズモンの分光のための方法およびその使用のためのエレメント - Google Patents

表面プラズモン共鳴センサにおける表面プラズモンの分光のための方法およびその使用のためのエレメント Download PDF

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Abstract

表面プラズモンの分光の方法は、電磁波が回折格子上に入射し、回折格子上で、表面プラズモン励起と電磁波の波長スペクトルの分散とが、回折により同時に行われるという点にある。表面プラズモンの励起に起因した、回折された電磁放射の波長スペクトルの強度の空間的な分布の変化が測定される。表面プラズモンの分光は、少なくとも2つの回折格子または単一の回折格子の異なるエリアで、少なくとも2つの電磁波または単一の電磁波の異なる部分を用いて同時に行われ得る。電磁波は、少なくとも2つの単色の電磁放射源または単一の多色の電磁放射源から放射され得る。波長分散された回折電磁放射の特性は、通常は、少なくとも2つの個別の検出器、検出器のリニアアレイ、または検出器の2次元アレイにより検出される。

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴センサにおける表面プラズモンの分光のための方法およびその使用のためのエレメントに関する。
センサは、物理量、化学量および生物学量を測定する現代的なデバイスに属する。電気センサ、光学センサ、および機械センサのような現代的なセンサは、種々の方法に依存する。光学センサに使用されるアプローチのうちの1つは、表面プラズモンの分光である。表面プラズモンは電磁波であり、これは金属と誘電媒体との間のインタフェースで励起され得る(非特許文献1)。表面プラズモンの電磁場が、金属の表面で特定の場所に非常に集中させられるので、表面プラズモンは金属表面付近で発生する光学パラメータの変化に極端に感度が良い。光学センサにおいて、表面プラズモンは、通常は、可視スペクトルまたは近赤外スペクトルの電磁波によって光学的に励起される。電磁波による表面プラズモンの励起のための共鳴条件は、金属表面の近接における誘電体の屈折率に依存する。それゆえ、屈折率における変化が、電磁波と表面プラズモンとの間の相互作用の変化からモニタされ得る。表面プラズモン共鳴(SPR)センサは、かなり感度の良い屈折計として使用され得、生体分子学およびそれらの相互作用の研究、ならびに化学的および生物学的化合物の検出の研究にも適用され得る。これらの適用において、SPRセンサは、生体認識エレメントに結合され、これは特にアナライト(例えば、抗体、酵素、DNA)と相互作用する。センサ表面上の固定された生体認識エレメントと、液体サンプル内のアナライトとの間の相互作用は、センサの表面の近辺における屈折率を増加させる。この屈折率の変化は、光学的に励起された表面プラズモンによって検出され得る。
表面プラズモン共鳴(SPR)センサの非常に多くの構成がある。これらはプリズムカップラー(非特許文献2;非特許文献3)、回折格子カップラー(非特許文献4)、光ファイバ(非特許文献5;非特許文献6)、および集積光導波管(非特許文献5;非特許文献6)を使用する構成を含む。回折格子ベースのSPRセンサにおいて、電磁波と表面プラズモンとの間の相互作用は、回折格子カップラーから反射された電磁波の強度(非特許文献7)、角スペクトル(非特許文献8)、または波長スペクトル(非特許文献9)における変化を測定することにより検出される。複数の化学的または生物学的化合物の並行した検出あるいはそれらの相互作用の並行したモニタリングのために、マルチチャネルSPRセンサが使用される。回折格子カップラーを用いるマルチチャネルSPRセンサにおいて、電磁波と表面プラズモンとの間の共鳴相互作用は、角度をつけて反射されたスペクトルの空間的な分布において検出され得る(非特許文献8)。最近、プリズムカップラーおよび表面プラズモンの順次の励起に基づくマルチチャネルSPRセンサのための方法が、 チェコ国特許第291728号(J.Ctyroky、J.Dostalek、J.Homola)に記載される。
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本発明は、波長インタロゲーションおよび回折格子カップラーを有する表面プラズモン共鳴センサに関係する。本発明は、同時に起こる電磁波による表面プラズモンの励起と電磁波のスペクトルの分散とのためのSPRセンサ方法に存在する。本方法において、電磁波は、回折格子に入射し、ここでこれは表面プラズモンと結合された回折である。同時に、電磁波の波長スペクトルは、格子上の回折により空間的に分散される。表面プラズモンの励起によって誘起された電磁波のスペクトルの変化は、分散された電磁波の強度のスペクトル分布を測定するシステムによって検出される。
この方法のために、電磁波は2つ以上の単色光源から、または1つの多色光源から放射される。電磁波は、回折格子によりセンサエレメントの表面に入射し、ここで電磁波は波長の狭帯域の範囲内の表面プラズモンを励起する。表面プラズモンの励起は、この波長帯の範囲内の回折された電磁波の強度の変化を伴う。異なる波長の放射は、異なる角度で、回折格子から離れるように回折される。それゆえ、電磁波の波長スペクトルの変化は、回折された電磁波の強度の空間的な分布における変化に変換される。これらの変化は、電磁放射の空間的な分布の測定を可能にするシステムにより検出される(このような検出システムは位置敏感検出器とさらに呼ばれる)。回折された電磁放射の強度分布の測定は、電磁波と表面プラズモンとの間の共鳴相互作用の発展のモニタリングを可能にし、結果としてセンサ応答を決定することを可能にする。
方法はセンサエレメントに基づいており、該センサエレメントは、カップリングエレメントおよび分散エレメントの両方として働く。このセンサエレメントは、回折格子を囲み、該回折格子上で、表面プラズモンは、センサエレメントの表面に入射する電磁波により励起され、電磁波の波長スペクトルは、異なる角度で分散される。この方法は、主に、波長インタロゲーションを用いる既存のSPRセンサとは異なり、この方法においてセンサエレメントは、表面プラズモンの励起のためのみに役立ち、電磁波のスペクトル解析は、独立した分散エレメントを有する分光器を用いて別個に行われる。本明細書において記載された方法は、SPRセンサの構造を非常に単純化する。
SPRセンサ検出の方法は、センサエレメント1に依存する。このセンサエレメント1は、表面プラズモン2の励起および波形スペクトルの角分散を可能にし、以下のように実現され得る。可視スペクトルまたは近赤外線スペクトルの電磁波3は、媒体4を伝播し、入射角10で、電磁波3は、回折格子6および金属層7を有するセンサ1に入射する。金属表面上には、誘電媒体5がある。レリーフ回折格子6上で、電磁波3の狭い波長帯は、金属7と誘電媒体5との間のインタフェースで表面プラズモン2と回折結合される。同時に、電磁波3は、発散ビーム8に回折される。発散ビーム8において、異なる波長の電磁放射は、異なる角度で、格子から離れるように伝播する。回折ビーム8の範囲内で、電磁放射の強度は、表面プラズモン2の励起に起因して狭い波長帯範囲内で変化される。発散ビーム8は、位置敏感検出器9上に入射し、該位置敏感検出器9は、電磁強度の空間的な分布を測定する。回折格子6上の表面プラズモン2の励起は、位置敏感検出器9により検出された回折電磁ビーム8の強度分布における変化として明らかにされる。
上記のセンサエレメント1を用いるSPRセンサのための方法は、以下の実施形態によるマルチチャネルセンサ構成のために拡張され得る。
第1の実施形態において、電磁波3は、回折格子6を有する複数のセンシングエリア12に同時に入射する。これらのセンサエリア12は、表面プラズモン2の伝播方向に平行に配列されている。異なるセンシングエリア12において、電磁波3は、センサエレメント1の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散電磁ビーム8に回折される。これらの電磁ビーム8は、位置敏感検出器9の異なるエリアに入射する。
第2の実施形態において、電磁波3は、回折格子6を有する複数のセンシングエリア12に入射する。これらのセンサエリア12は、表面プラズモンの伝播方向に垂直に配列されている。異なるセンシングエリア12において、電磁波3は、センサエレメント1の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散光線8に回折される。これらの光線8は、位置敏感検出器9の異なるエリアに入射する。
第3の実施形態において、電磁波は、標準的に回折格子6を有する複数のセンシングエリア12に垂直に入射する。異なるセンシングエリア12において、異なる回折格子6は、位置敏感検出器9の中心に対して異なるように配向される。異なるセンシングエリア12において、電磁波3は、センサエレメント1の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散電磁波ビーム8に回折される。異なるセンシングエリア12における回折格子6の異なる配向によって、回折された発散電磁波ビーム8は、位置敏感検出器9の異なるエリア上に投影される。
センサエレメント1は、少なくとも1つのエリアにおいて、サンプル5内に存在する化学的または生物学的物質の相互作用の検出または研究のために分子を有する層15によって被覆され得、該サンプルはセンサエレメント1の表面と接触している。
本明細書に示される方法のためのセンサエレメント1は、切断、ラッピング、研磨、エッチングのような方法によってガラスから製造され得る。さらに、該センサエレメント1は、射出形成またはホットエンボッシングのような方法によってポリマから製造され得る。表面プラズモンを支持する薄い金属層7(例えば、金、銀)および他の光学的な層は、真空蒸着またはスパッタリングのような方法によって準備され得る。位置敏感検出器9として、CCD、PDAまたはCMOSのようなリニアまたは2次元検出器が使用され得る。電磁放射の供給源として、発光ダイオード(LED)、白熱電球または放電ランプが使用され得る。
(実施例1)
図1は、電磁波3の表面プラズモン2との回折結合および電磁波3の波長スペクトルの角分散を可能にする、回折格子6を有するセンサエレメント1を用いるSPRセンサ検出のための方法の実施形態を示す。平行電磁波3が、光学媒体4から、センサエレメント1にて、角度10で入射する。センサエレメント1の上部には、金属層7で被覆された周期的なレリーフ回折格子6がある。金属層7を有する回折格子6は、誘電媒体5と接触している。金属7と誘電体5との間のインタフェースにおいて、電磁波3は、波長の狭帯域の範囲内で第2の回折次数を介して表面プラズモン2を励起する。表面プラズモン2の励起は、これらの波長の電磁波3のエネルギの吸収を伴う。レリーフ回折格子6での入射と、同時に、電磁波3は、第1の回折次数に回折され、該第1の回折次数は、発散電磁ビーム8を形成する。この電磁ビーム8において、異なる波長の放射は、異なる角度でセンサエレメント1の表面から離れるように伝播する。分散波長スペクトルにおいて、強度変化は、電磁波3が表面プラズモン2に結合された波長において発生する。角分散波長スペクトルは、位置敏感検出器9を用いて測定され得る。
(実施例2)
図2は、電磁波3の表面プラズモン2への結合、および電磁波3の波長スペクトルの角分散を可能にする、回折格子6を有する複数のセンシングエリア12を有するセンサエレメント1を用いるマルチチャネルSPRセンサ検出のための方法の実施形態を示す。平行電磁波3は、表面プラズモンの伝播方向に平行に配列された複数のセンシングエリア12に同時に入射する。回折格子6上の回折を通して、異なるセンシングエリア12において、電磁波3は、空間的に分離した発散電磁ビーム8に結合される。回折ビーム8は、センサエレメント1の表面から離れるように伝播し、リニア位置敏感検出器13の異なるエリアに入射する。各回折ビーム8において、異なる波長の電磁放射は、センサエレメント1の表面から、異なる角度で離れるように伝播する。回折ビーム8の空間的な分離は、各センサエリア12における回折格子6の周期を変化させることによって達成され得る。
(実施例3)
図3は、電磁波3の表面プラズモン2との結合および電磁波3の波長スペクトルの角分散を可能にする、回折格子6を有する複数のセンシングエリア12を有するセンサエレメント1を用いるマルチチャネルSPRセンサ検出のための方法の実施形態を示す。平行電磁波3は、表面プラズモンの伝播方向に垂直に配列される複数のセンシングエリア12に同時に入射する。回折格子6上の回折によって、異なるセンシングエリア12において、電磁波3は、空間的に分離された発散電磁ビーム8と結合される。回折ビーム8は、センサエレメント1の表面から離れるように伝播し、2次元位置敏感検出器14の異なるエリアに入射する。各回折ビーム8において、異なる波長の電磁放射は、異なる角度で、センサエレメント1の表面から離れるように伝播する。
(実施例4)
図4は、電磁波3の表面プラズモン2との結合および電磁波3の波長スペクトルの角分散を可能にする、回折格子6を有する複数のセンシングエリア12を有するセンサエレメント1を用いるマルチチャネルSPRセンサ検出のための方法の実施形態を示す。平行電磁波3は、複数のセンシングエリア12に同時に入射する。異なるセンシングエリア12において、回折格子は、2次元位置敏感検知器の中心に対して異なるように配向される。回折格子6上の回折を通して、異なるセンシングエリア12において、電磁波は空間的に分離された発散電磁ビーム8に結合される。回折ビーム8は、センサエレメント1の表面から離れるように伝播し、2次元位置敏感検出器14の異なるエリアに入射する。各回折ビーム8において、異なる波長の電磁放射は、異なる角度で、センサエレメント1の表面から離れるように伝播する。
(実施例5)
図5は、本明細書に記載されたSPRセンサ方法のための方法のためのセンサエレメント1の実施形態を、センシングエリア12のエリアを有する平面スライド16の形態で描く。各センシングエリア12に、電磁波3の表面プラズモン2との結合のための、かつ電磁波3の波長スペクトルの角分散のための回折格子がある。
本発明に従う方法は、医療診断(生物医学的マーカの検出)、医薬品産業(薬物開発)、食品産業(品質制御、有害汚染物質、食品伝染病原体および毒素の検出)、環境保護(水および大気の汚染のモニタリング)、戦争および安全保障(有害化合物の検出)のような非常に多くのエリアで使用され得る。
本発明は以下の図面において説明される。
図1は、レリーフ回折格子6が準備されているセンサエレメント1を用いるSPRセンサ検出のための方法を描く。回折格子6上で、入射電磁波3は、表面プラズモン2と結合され、発散ビーム8に回折される。回折ビーム8において、異なる波長の電磁放射は、センサエレメント1の表面から異なる方向に伝播する。表面プラズモンの励起と電磁波3の発散ビーム8への分散とが、格子の異なる回折次数を介して現実化される。 図2は、レリーフ回折格子6を有する複数のセンシングエリア12を有するセンサエレメント1を用いるマルチチャネルSPRセンサ検出のための方法を示す。異なるセンシングエリア12において、電磁波3は、センサエレメント1の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散電磁ビーム8に回折される。これらの電磁ビーム8は、リニア位置敏感検出器13の異なるエリアに入射する。 図3は、回折格子6を有する複数のセンシングエリア12を有するセンサエレメント1を用いるマルチチャネルSPRセンサ検出のための方法を示す。異なるセンシングエリア12において、電磁波3は、センサエレメント1の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散電磁ビーム8に回折される。これらの電磁ビーム8は、2次元位置敏感検出器14の異なるエリアに入射する。 図4は、回折格子6を有する複数のセンシングエリア12を有するセンサエレメント1を用いるマルチチャネルSPRセンサ検出のための方法を示す。異なるセンシングエリア12において、回折格子6は異なって配向される。異なるセンシングエリアにおいて、電磁波3は、センサエレメント1の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散電磁ビーム8に回折される。異なるセンシングエリア12に配置された回折格子6の異なる配向によって、回折発散電磁ビーム8は、2次元位置敏感検出器14の異なるエリアに投影される。 図5は、回折格子6のアレイを有する平面スライド16としてセンサエレメント1を示す。

Claims (6)

  1. 表面プラズモンの分光の方法であって、
    電磁波が回折格子に入射し、該回折格子上で表面プラズモン励起と該電磁波の波長スペクトルの分散とが、回折により同時に行われ、表面プラズモンの該励起に起因した、回折された電磁放射の波長スペクトルの強度の空間的な分布の変化が測定される、
    ことを特徴とする、方法。
  2. 前記表面プラズモンの分光は、少なくとも2つの回折格子または単一の回折格子の異なるエリアで、少なくとも2つの電磁波または単一の電磁波の異なる部分を用いて、同時に行われる、請求項1に記載の方法。
  3. 前記電磁波は、少なくとも2つの単色の電磁放射源または少なくとも1つの多色の電磁放射源から放射される、請求項1に記載の方法。
  4. 前記波長分散された回折電磁放射の特性は、少なくとも2つの個別の検出器、リニアアレイの検出器、または2次元アレイの検出器を用いて検出される、請求項1に記載の方法。
  5. マルチチャネルSPRセンサのセンサエレメント(1)は、1つまたは複数の回折格子を囲み、該1つまたは複数の回折格子は、表面プラズモン(2)の励起のために、金属層(7)で被覆され、または金属層(7)で部分的に被覆されている、請求項1に記載の方法。
  6. 前記センサエレメント(1)上の少なくとも1つのセンシングエリア(12)は、分子の研究および分子の相互作用のために、あるいは化学的または生物学的な物質の検出のために、選択された分子を含む層で、完全にまたは部分的に被覆されている、請求項5に記載のセンサエレメント(1)。
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