JP2009020093A - 小型化表面プラズマ共振感知チップ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化表面プラズマ共振感知チップを提供する。
【解決手段】主に小型化表面プラズマ共振感知チップはその有機光電材料を利用し誘電発光の方式により平面光源を製作し、表面プラズマ共振波を誘発し、感知チップ表面の表面生物分子の結合状況が引き起こす信号変動を観察し、微流道を対応させ、より精確で小型化された検査測定部品を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は一種の小型化表面プラズマ共振感知チップに関する。特に一種の有機光電材料は誘電発光の方式により平面光源を製作し、表面プラズマ共振波を誘発し、感知チップ表面の表面生物分子を観察する小型化表面プラズマ共振感知チップに係る。

現在、蛋白質体の研究は様々な受容体、ホルモン等蛋白質レベルにおいて大規模な研究を進め、疾病メカニズム、細胞作動メカニズム及び細胞ネットワーク情報等の重要機能を完全に理解することに重点が置かれている。これら作業は新薬の開発に対して、特に細胞内蛋白質に作用する薬物に対してプラスとなる。しかし、この種の作業のボトルネックは大量の人材が必要で時間がかかることで、また敏感度の向上と小型化により現地における測定への応用のニーズも高まっている。

生物チップの感知技術における検査測定の方法は、一般には光学方式によるものが高い敏感度を備えるため、特に蛍光方法は広く応用されている。しかし、表面プラズマ共振子(SPR)は標示が不要で、即時測定が可能との特性があるため、重要な検査測定方式となりつつある。

図１は、公知のレーザー光により誘発する金属表面に発生する表面プラズマ共振システムを示す。図１に示すように、その感知原理はレーザー入射光により金属表面の感知変化を誘発するが、それは光路校正システムが必要であるため、操作が比較的煩雑で時間と労力を費やすという欠点がある。

他にはOLEDのセンサーへの応用があるが、これは多くはその発光源を蛍光感知の基礎とする。この種の感知方式は生物検体に対して染色を行い、感知区において信号は誘発され、生物検体の化学試験測定を直接、即時に行うことができないため、染色動作が生物サンプル体そのものの活性を破壊する恐れがあるという欠点がある。

よって、いかにして小型化表面プラズマ共振感知チップを開発するかが本発明の研究開発の課題である。これにより有機光電材料を利用し誘電発光の方式により平面光源を製作し、表面プラズマ共振波を誘発し、感知チップ表面の表面生物分子の結合状況が引き起こす信号変動を観察し、微流道を対応させる。

上記公知構造の理想への未達成に鑑み、本発明人は当業界における多年にわたる従事経験を以ってたゆまぬ研究改良を行い、小型化表面プラズマ共振感知チップを開発した。該構造は有機光電材料を利用し誘電発光の方式により平面光源を製作し、表面プラズマ共振波を誘発し、感知チップ表面の表面生物分子を観察する目的を達成する。

上記課題を解決するため、本発明は下記の提供する。

本発明の小型化表面プラズマ共振感知チップは微流道モジュール層、透光層、金属リング、少なくとも１個の陽極端、光センサー、電洞伝送層、発光材料層を含み、該微流道モジュール層はその上に少なくとも１個の微流槽を備え、該透光層は該微流道モジュール層の該微流槽を備える片側面を覆い、少なくとも１個の微流道を形成し、該金属リングは該微流道に設置し、しかも該金属リングの片側面は該透光層の片側面に接触し、該金属リングの反対面には該微流道を流れる生物分子を塗布し、該少なくとも１個の陽極端は発光部と電気的に連接し、内、該陽極端及び該発光部は該透光層の反対面に設置し、しかも該金属リングは該発光部内に相対する区域に位置し、該光センサーは該透光層の反対面に設置し、しかも該金属リング内の区域に相対し、該電洞伝送層は該透光層を覆い、これにより該陽極端及び該発光部は該電洞伝送層及び該透光層の間に設置され、該発光材料層は金属層及び該電洞伝送層の間に設置し、該金属層は該小型化表面プラズマ共振感知チップの陰極端とし、これにより、有機光電材料を利用し誘電発光の方式により平面光源を製作し、表面プラズマ共振波を誘発し、感知チップ表面の表面生物分子を観察する目的を達成する小型化表面プラズマ共振感知チップを提供する。

上記のように、本発明は小型化表面プラズマ共振感知チップを提供し、それは有機光電材料を利用し誘電発光の方式により平面光源を製作し、表面プラズマ共振波を誘発し、感知チップ表面の表面生物分子を観察する目的を達成する。よって、本発明は新規性と進歩性を備え、市場では高い産業上の利用性を備える。

本発明の目的、特徴及び機能と効果を説明するため、以下に具体的実施例に図式を対応させ、本発明について詳細に説明する。

図２〜４はそれぞれ本発明第一最適具体的実施例の側面断面図、立体図及び透視図である。図２〜４に示すように、本発明の小型化表面プラズマ共振感知チップ1は微流道モジュール層2、透光層3、金属リング5、少なくとも１個の陽極端6、光センサー8、電洞伝送層9、発光材料層10を含む。

該微流道モジュール層2はその上に少なくとも１個の微流槽21を備える。

該透光層3(ガラス或いは透光材質など)は該微流道モジュール層2の該微流槽21を備える片側面を覆い、少なくとも１個の微流道4を形成する。

該金属リング5(金リング、しかしこれに限定しない)は該微流道4に設置し、しかも該金属リング5の片側面は該透光層3の片側面に接触する。該金属リング5の反対面には該微流道4を流れる生物分子を塗布し、しかも該微流道4は該金属リング5位置において環状を呈する。内、該生物分子はDNA、RNA、蛋白質、脂質、炭水化合物或いはホルモンにより構成するグループから選択する。

該少なくとも１個の陽極端6の材質は酸化インジウムスズで、それは環状発光部7と電気的に連接する。内、該陽極端6及び該発光部7は該透光層3の反対面に設置し、しかも該金属リング5は該発光部7内に相対する区域に位置する。

該光センサー8は該透光層3の反対面に設置し、しかも該金属リング5内の円心位置に相対する。

該電洞伝送層9は該透光層3を覆い、これにより該陽極端6及び該発光部7は該電洞伝送層9及び該透光層3の間に設置される。

該発光材料層10は金属層11及び該電洞伝送層9の間に設置し、該発光材料層10は少なくとも１個の有機発光材料層或いは少なくとも１個の高分子発光材料層により構成する。該金属層11は該小型化表面プラズマ共振感知チップ1の陰極端とする。

図５、６はそれぞれ本発明第二最適具体的実施例及び第三最適具体的実施例の透視図で、第一最適具体的実施例との差異は該発光部7が弧状及び点光源である点である。

図７は本発明第四最適具体的実施例の透視図で、第一最適具体的実施例との差異は該光センサー8が該金属層11に設置し、しかも該金属リング5の円心位置に相対する点である。

上記の第四最適具体的実施例の該光センサー8設置の位置は本発明の第二最適具体的実施例及び第三最適具体的実施例にも適用可能であるため、ここでは詳述しない。

本発明表面プラズマ波を応用する公式理論及び変動探知分析法について以下に説明する。

（表面プラズマ波）
金属中の自由電子と正電荷の行為はプラズマ（plasma）を用い表現することができる。そのプラズマ周波数ε_pは(eq.1)に示す。内、Nは電荷密度、ｑ_eは電荷数、ｍ_eは電子質量、ε₀は自由空間の誘電常数である。

平面電磁波の誘電質中の誘電常数ε_pと周波数ωの相関は(eq.2)に示す。その周波数がω_pである時、ε_pは負値で、折射係数

は複数で、この時は非放射（non-radiative）の暫減波（evanescent wave）である。すなわち、金属誘電質は電磁波を吸収し、表面電荷オシレーションを起こす時、金属と誘電質境境界面上には最大電場強度を有し、両側に向かい電場強度の指数は衰減する。そのスキン深度y（skin depth）は(eq.3)に示す。内、αは衰減係数（attenuation coefficient）で、k は消光係数である。

電磁波周波数はω_pより大きければ、金属中において伝達（radiative）可能である。

表面プラズマ（surface plasmon）は表面電荷密度のオシレーションにより電磁波を金属ε₂と誘電質ε₁の境境界面に局限し伝達する電磁モード形式である（図８参照）。表面電荷σ_kωにより形成される表面ポテンシャル（surface potential）Ｖ_kωは(eq.4)に示すように、辺界条件（eq.5）の制限において、表面プラズマはε₁・ε₂＜０の境境界面上に存在する必要があることが分かる（eq.6）。すなわち、金属と誘電質の境境界面上である。表面プラズマ波（surface plasmon wave, SPW）は電場が境境界面に垂直な電磁波（よって、TM waveを使用しなければ辺界条件を満たし、SPWを誘発することはできない）で、表面において電荷密度変化のオシレーションを引き起こす。なぜなら表面に垂直な電場は境境界面において不連続現象を呈し、しかも誘電質の誘電係数はゼロ以上で、金属の誘電係数はゼロ以下である。そのため、電場の反向を招き、よって表面電荷の発生を引き起こす。

表面プラズマがZ方向において伝播するスキン深度は（eq.7）、（eq.8）に示す。通常z₁ はz₂より大きく、つまり表面プラズマは誘電質中においてより長い距離を伝達することができる（図９参照）。

その色散関係（dispersion relation）は、(eq.9)に示すようにマックスウェル方程式に辺界条件を加え導くことができる。内、ｋ_xはウェーブベクターのx分量である。

一般的には、金属は吸光特性を備えるため、ε₂＝ε′₂＋ε゛₂で、 (eq.9)を代入し(eq.10)、(eq.11)を得ることができる。

金属に対してはε′₂＜０で、もし｜ε′₂｜＞ε₁であるならｋ′_xは実数で、しかも

色散関係による。図１０は表面プラズマと光子の境境界面における色散関係図である。図１０に示すように、光の空気中における色散関係（左側直線）は表面プラズマ色散関係（右側曲線）の左方に位置し、２本の線には交差点がなく、これは表面プラズマの周波数が非常に高いことを示す。空気中において伝播する光は十分大きい運動量（或いはｋ_x）を提供し表面プラズマを誘発することができない。つまり両者の運動量（横軸）とエネルギー（縦軸）は不変ではない。

（表面プラズマ共振の誘発）
表面プラズマ波共振（surface plasmon resonance, SPR）の特性を利用し表面変化の光学測定を行うために、光の全体誘電質（bulk material）における波動エネルギーを共振を通して表面プラズマ波に転移し、或いは両者境境界面の波動に相同の運動量と運動エネルギーを備えさせる。(eq.12)のＰ_x は運動量で、ｈはプランク常数であるため、表面プラズマ共振を誘発するため、ウェーブベクターマッチング（wave vector matching）の条件(eq.13)を満たす必要があり、光子境境界面においてのウェーブベクター(eq.14)と表面プラズマ境境界面においてのウェーブベクター(eq.15)は相同である。

内、θは光入射角で、ε_d、ε_mはそれぞれ誘電質と金属の誘電常数で、ｋ₀は自由空間下でのウェーブベクターである。

本発明は主に、表面プラズマ波の物理現象を基礎とし、organic light-emitting diode(OLED)或いはpolymer light-emitting diode(PLED)を利用し、平面光源をチップ表面に構成する。並びにチップ反対面において金膜を製作し、生物分子を接合する。

平面光源の誘発光は各種異なる入射角で金膜表面に照射し、異なる強度の反射光を搭載して戻り、金膜上のSPR信号をチップの表面において展開する（図１１参照）。金膜と光センサー位置の調整により、単点式及び多点式の測定を行うことができ、金膜境界面上の光学性質の改変を測定し、直接生物検体の化学試験を行うことができる。光源の形状は単点発光、連続多点式測定で、こうして各反射角上の強度を測定する（図１２参照）。或いは多点式、弧状、環状光源により発光し、幾何対焦、単点式測定により、信号変異度を増加し、その他の無関係の信号の受信を排除する（図１３参照）。

このような設計により、チップ基材(誘電層)と金膜を波向量の接合として直接使用し、プリズム(prism)の使用を省くことができる。OLEDとPLEDは共に特定範囲波長を発する光源材料で、伝統的なSPR検査測定が使用するレーザー或いは白熱灯にフィルター(filter)を取り付けた光源システムに取って代わることができる。この他、LEDは液晶基を高分子側チェーンに導入する方式により方向性排列を備える液晶相重合物を発生し、偏極化光を放射し、伝統的なSPR検査測定中の極化片(polarizer)を省くことができる。

本発明はそれぞれ異なる光源及び金膜形状の幾何上の特性を利用し、無関係な信号のろ過を達成可能であるため、伝統的なSPR検査測定中で必要であった部品を大量に省くことができる。また高精度のマイクロマシーン面型加工製造工程により光路照準を完成し、チップ基材の厚みは1.1 mmの状況下で、数十ミクロン線幅で発光区を製作するため、その光路照準精度は0.05度に達する。しかも、部品サイズが発生する信号重なり誤差を0.25度以下にまで縮小することができ、微流道システムにより流式を確立し検査測定サンプルの注入を提供し、幾何特性により自動光路照準を達成する。

公知のレーザー光により誘発する金属表面に発生する表面プラズマ共振システムを示すである。 本発明第一最適具体的実施例の側面断面図である。 本発明第一最適具体的実施例の立体図である。 本発明第一最適具体的実施例の透視図である。 本発明第二最適具体的実施例の透視図である。 本発明第三最適具体的実施例の透視図である。 本発明第四最適具体的実施例の透視図である。 金属と誘電質の表面プラズマ分布指示図である。 表面プラズマのｚ方向におけるの伝播指示図である。 表面プラズマと光子の境界面における色散関係図である。 各種異なる角度の入射光がSPR信号をチップ表面に展開する指示図である。 単点式発光と連続多点測定SPR信号の指示図である。 多点式発光と単点式測定SPR信号の指示図である。

符号の説明

１ 小型化表面プラズマ共振感知チップ
２ 微流道モジュール層
２１ 微流槽
３ 透光層
４ 微流道
５ 金属リング
６ 陽極端
７ 発光部
８ 光センサー
９ 電洞伝送層
１０ 発光材料層
１１ 金属層

Claims (13)

1. 主に小型化表面プラズマ共振感知チップは微流道モジュール層、透光層、金属リング、少なくとも１個の陽極端、光センサー、電洞伝送層、発光材料層を含み、
   該微流道モジュール層はその上に少なくとも１個の微流槽を備え、
   該透光層は該微流道モジュール層の該微流槽を備える片側面を覆い、少なくとも１個の微流道を形成し、
   該金属リングは該微流道に設置し、しかも該金属リングの片側面は該透光層の片側面に接触し、該金属リングの反対面には該微流道を流れる生物分子を塗布し、
   該少なくとも１個の陽極端は発光部と電気的に連接し、内、該陽極端及び該発光部は該透光層の反対面に設置し、しかも該金属リングは該発光部内に相対する区域に位置し、
   該光センサーは該透光層の反対面に設置し、しかも該金属リング内の区域に相対し、
   電洞伝送層は該透光層を覆い、これにより該陽極端及び該発光部は該電洞伝送層及び該透光層の間に設置され、
   発光材料層は金属層及び該電洞伝送層の間に設置し、該金属層は該小型化表面プラズマ共振感知チップの陰極端とすることを特徴とする小型化表面プラズマ共振感知チップ。
2. 前記光センサーは該透光層の反対面に設置し、しかも該金属リングの円心位置に相対することを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
3. 前記光センサーは該金属層に設置し、しかも該金属リングの円心位置に相対することを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
4. 前記透光層はガラスであることを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
5. 前記透光層は透明誘電質であることを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
6. 前記金属リングは金リングであることを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
7. 前記陽極端の材質は酸化インジウムスズ(ITO)であることを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
8. 前記発光部は環状であることを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
9. 前記発光部は弧状であることを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
10. 前記発光部は点光源であることを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
11. 前記発光材料層は少なくとも１個の有機発光材料層により構成することを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
12. 前記発光材料層は少なくとも１個の高分子発光材料層により構成することを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。
13. 前記生物分子はDNA、RNA、蛋白質、脂質、炭水化合物或いはホルモンにより構成するグループから選択することを特徴とする請求項１記載の小型化表面プラズマ共振感知チップ。

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