JP2009085825A - 表面プラズモン共鳴チップ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光を透過する光透過性素材によって形成された基板2と、基板2表面に形成された金属膜3と、金属膜3の表面に形成された複数の突起4とを備えており、複数の突起4は、その先端から基板2表面までの距離が、金属膜3に対して基板2側から光を照射したときに発生するエバネッセント光の影響が及ぶ距離よりも長くなるように形成されている。複数の突起4間に物質が侵入し、エバネッセント光の影響が及ぶ領域に到達すると、表面プラズモン共鳴によってその物質の存在を検出することができる。複数の突起4間には、チップ1表面に特別な抗体等を設けなくても、複数の突起4間の距離を調整するだけで所望の検出対象M1を選んで検出することができる。
【選択図】図1
Description
表面プラズモン共鳴とは、金属薄膜を蒸着したプリズム等(以下、単にSPRチップという)において、SPRチップのプリズム側から金属薄膜に対して全反射条件にて入射光を照射したときに生じるエバネッセント波に起因して、金属薄膜に表面プラズモンが共鳴励起される現象である。
この共鳴現象の発生の有無は金属薄膜に入射される入射光の入射角に依存しており、一定の入射角のときに表面プラズモンが共鳴励起されるとともに、金属薄膜から反射される反射光強度が減少する。反射光強度が減少する理由は、金属薄膜に照射した光のエネルギーが表面プラズモンの励起に利用されるからである。
例えば、SPRチップにおける金属膜の表面に特定の細胞と結合する生理活性物質等を固定しておき、このチップの表面に検出対象となる試料を配置する。そして、金属薄膜に対して全反射条件にて入射光をその入射角度を変えながら照射する。試料中に目的とする細胞等が存在すれば、細胞等と生理活性物質等とが反応して金属薄膜表面の状態が変化する。すると、試料中に目的とする細胞等が存在しない場合に対して、反射光強度が減少する入射角が変化するので、目的とする細胞等の存在の有無を検出することができる。
しかし、SPRチップによって判別選択できる検出対象は、SPRチップに固定されている生理活性物質等に限定されるので、複数の検出対象の検査を行うには、各検出対象に適した生理活性物質等が金属層の表面に設けられた複数のチップをそれぞれ用意しなければならない。
しかし、かかる方法では、溶液の濃度や屈折率変化は分るが、溶液に含まれる対象物等をその大きさにより分別することはできない。
第2発明の表面プラズモン共鳴チップは、第1発明において、前記複数の突起は、隣接する突起間の距離が、前記金属膜に向かうに従って変化するように形成されていることを特徴とする。
第3発明の表面プラズモン共鳴チップは、第1または第2発明において、前記複数の突起は、隣接する突起間の距離が、前記金属膜に向かうに従って短くなるように形成されていることを特徴とする。
第4発明の表面プラズモン共鳴チップは、第1、2または第3発明において、特定の物質の通過を阻害する物質が、前記複数の突起間に設けられていることを特徴とする。
第2発明によれば、複数の突起間に侵入した物質が時間の経過によって大きさが変化する場合、突起間距離と物質の大きさに応じて、物質と金属膜との距離が変化するから、時間の経過に伴った物質の変化を確認することができる。
第3発明によれば、複数の突起間に侵入した物質が時間の経過によって大きさが変化する場合、突起間距離と物質の大きさに応じて、物質と金属膜との距離が変化するから、時間の経過に伴った物質の変化を確認することができる。
第4発明によれば、目的とする検出対象と近似した形状の大きさを有する物質であって、目的とする検出対象を検出する上で障害となる物質が突起間に侵入することを防ぐことができるので、検査精度を高めることができる。
図1は本実施形態のSPRチップ1の説明図であって、(A)は概略断面図であり、(B)は概略平面図である。同図に示すように、表面プラズモン共鳴チップ(以下、単にSPRチップ1で示す)は、基板2と、基板2の表面に形成された金属膜3と、この金属膜3の表面に形成された突起4とから構成されている。
なお、基板2は板状の部材に限られず、プリズムや光導波路等でもよい。
そして、本実施形態のSPRチップ1において、基板2表面から距離H2の範囲において金属膜3の部分を除いた空間、つまり、金属膜3より上方の空間であって基板2表面から距離H2の範囲に位置する空間が検査領域となる。
なお、表面プラズモン共鳴(SPR)現象を生じさせるためには、一般的に金属膜3の厚さは約50nm程度が望ましいとされており、このとき、距離H2は検出対象の屈折率や入射角度に依存するが、おおよそ数百nm程度となる。
各突起4は、その先端から前記基板1表面までの距離H1(以下、距離H1で示す)が前記距離H2よりも長くなるように形成されている。具体的には、距離H1が、約1〜3μmとなるように形成されている。
なお、距離H1は、上記範囲に限定されず、検出対象やこの検出対象を含む溶液の屈折率、突起間距離W等に応じて適宜調整することができる。
なお、図3において、符号RL1が、検出対象M1を含まない試料における入射光L1の入射角に対する反射光強度を示したものである。
一方、試料に含まれる他の物質、具体的には、突起間距離Wよりも大きい物質M2は、空間1h内に侵入することができない。つまり、試料に含まれる物質のうち、所望の検出対象M1のみが選択されて検査領域内に配置される。
なお、図3において、符号RL2が、検出対象M1を含む試料における入射光L1の入射角に対する反射光強度を示したものである。
しかも、共鳴角θ1と共鳴角θ2との差の度合いから、検出対象M1の存在の多寡を把握することもできる。
しかし、図2(B)に示すように、検出対象M1は透過できるが、物質M3は通過することができない通過阻害物質5(例えば、シート状フィルタ等)を空間1hを覆うように設けておけば、目的とする検出対象M1と近似した大きさを有しかつ検出対象M1の検出の障害となる物質M3が空間1hに侵入することを防ぐことができるので、検出対象M1の検査精度を高めることができる。
なお、物質M3が空間1hに侵入することを防止する方法は上記方法に限られず、SPRチップの1の表面に培養した細胞膜を付着させるなどの方法を採用することもできる。
例えば、図2おいて、物質M2が分泌物(検出対象M1)を放出する細胞である場合、細胞(物質M2)の幅よりは突起間距離Wが狭いが、この細胞(物質M2)が放出する分泌物(検出対象M1)の幅よりは突起間距離Wが広くなるように、複数の突起4を形成しておく。
すると、細胞(物質M2)が分泌物(検出対象M1)を放出すれば、分泌物(検出対象M1)のみが空間1h内に侵入する。すると、分泌物(検出対象M1)の存在により共鳴角θ2が共鳴角θ1からずれるので、細胞(物質M2)が分泌物(検出対象M1)を排出したことを確認することができる。
しかも、時間連続的に共鳴角θ2の変化を確認すれば、細胞(物質M2)が排出する分泌物(検出対象M1)の量の変化や、分泌のタイミングを時系列で測定することができる。
具体的には、SPRチップ1の突起間距離Wを酵母菌の直径よりも狭くしておく。分泌物は酵母菌よりも小さいので、酵母菌は空間1h内に侵入できないが、分泌物は空間1h内に侵入できる。すると、酵母菌の活性の低下や死滅に従って空間1h内に侵入する分泌物の量が増加すれば共鳴角θ2も変化するから、共鳴角θ2の時間変化に基づいて酵母菌の状況を時系列で把握することができる。
そして、衰弱が進行すると距離D1が距離H2よりも短くなり、検出対象M1の一部が検査領域に侵入する(図5(B))。すると、侵入した検出対象M1の影響により、共鳴角θ2が変化するので、検出対象M1の活性が低下衰弱していることを確認できる。
そして、複数の突起4を形成する方法はとくに限定されないが、例えば、金属膜3の表面に突起を形成する物質の層を設けその層をエッチングする等して形成すれば、複数の突起4を簡単かつ安価に形成することができるので、本発明のSPRチップ1も簡単かつ安価に製造することができるし、突起4の形状や配置、突起4,4間に形成される溝の形状や配置を自由に設定することができる。
実験は、純水を、本発明のSPRチップおよび従来の平面SPRチップ上に2mm程度の厚さとなるように添加または抽入した状態において、粒子(ポリスチレン球、直径1、10μm)を純水に投入したときにおける共鳴角の変化を確認した。
なお、純水は、各SPRチップ上に設けられるPDMS container内に添加または抽入した(図7参照)。
本発明のSPRチップは、ガラス基板(1.6cmx1.6cm、厚さ0.3mm)の表面に、チタン層(5nm)、金層(45nm)を形成し、かつ、金層の表面にクロムによって突起(高さ1.2μm、突起幅約3μm、突起間距離約3μm)を形成したものを使用した。
なお、従来の平面SPRチップおよび本発明のSPRチップにおいて、チタン層は、ガラス基板と金層の接着強度を向上させるために設けている。
図8(A)は従来のSPRチップ表面に添加または抽入された純水に対して直径1μmの粒子を純水に投入したときの実験結果である。
この実験では、約2300秒のところで直径1μmの粒子を純水に加えたが、表面が平面状のチップであるため、粒子を加えるとすぐに共鳴角が大きく変化(0.850deg.)していることが確認できる。
図8(B)は従来のSPRチップ表面に添加または抽入された純水に対して直径10μmの粒子を純水に投入したときの実験結果である。
この実験では、約1500秒のところで直径10μmの粒子を純水に加えたが、表面が平面状のチップであるため、粒子を加えるとすぐに共鳴角が変化(約0.051deg.)していることが確認できる。
この実験では、約600秒のところで直径1μmの粒子を純水に加えたが、従来のSPRチップと同様に、粒子を加えるとすぐに共鳴角が大きく変化(0.899deg.)していることが確認できる。直径1μmの粒子は突起間距離(約3μm)よりも十分小さいため、スムースに突起間に侵入できたためと考えられる。また、共鳴角の変化量が、従来のSPRチップに直径1μmの粒子を投入した場合と同程度であることから、突起間距離よりも小さい粒子であれば、従来のSPRチップと同程度の精度で粒子の検出ができると考えられる。
図9(B)は本発明のSPRチップ表面に添加または抽入された純水に対して直径10μmの粒子を純水に投入したときの実験結果である。
この実験では、約3000秒のところで直径10μmの粒子を純水に加えたが、時間が経過しても共鳴角の変化が生じていないことが確認できる。これは、本発明のSPRチップでは、その表面に突起が形成されておりかつ突起間距離が約3μmであるので、突起間距離よりも直径が大きい直径10μmの粒子が突起間に侵入できなかったためであると考えられる。
実験は、溶液(リン酸緩衝液)を、本発明のSPRチップおよび従来の平面SPRチップ上に2mm程度の厚さとなるように添加または抽入した状態において、酵母菌(直径10〜20μmの球径)の入った溶液を添加(抽入)したときにおける共鳴角の変化を確認した。
なお、溶液は、各SPRチップ上に設けられるPDMS container内に添加または抽入した(図7参照)。
従来のSPRチップでは、約1000秒のところで酵母菌を溶液に加えたが、図10(A)に示すように、表面が平面状のチップであるため、酵母菌を加えるとすぐに共鳴角が大きく変化していることが確認できる。
一方、本発明のSPRチップでは、約1600秒のところで酵母菌を溶液に加えたが、図10(B)に示すように、共鳴角の変化が生じていないことが確認できる。これは、本発明のSPRチップでは、その表面に突起が形成されておりかつ突起間距離が約3μmであるので、突起間距離よりも直径が大きい酵母菌は突起間に侵入できなかったからであると考えられる。
以上のごとく、SPRチップの表面に突起を設ければ、検出対象をその寸法の大小により区分けすることが可能であり、酵母菌等の生体等の検出にも有効であることが確認できた。
1h 空間
2 基板
3 金属膜
4 突起
5 透過阻害物質
M1 検出対象
Claims (4)
- 光を透過する光透過性素材によって形成された基板と、
該基板表面に形成された金属膜と、
該金属膜の表面に形成された複数の突起とを備えており、
該複数の突起は、
その先端から前記基板表面までの距離が、前記金属膜に対して前記基板側から光を照射したときに発生するエバネッセント光の影響が及ぶ距離よりも長くなるように形成されている
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴チップ。 - 前記複数の突起は、
隣接する突起間の距離が、前記金属膜に向かうに従って変化するように形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の表面プラズモン共鳴チップ。 - 前記複数の突起は、
隣接する突起間の距離が、前記金属膜に向かうに従って短くなるように形成されている
ことを特徴とする請求項1または2記載の表面プラズモン共鳴チップ。 - 特定の物質の通過を阻害する物質が、前記複数の突起間に設けられている
ことを特徴とする請求項1、2または3記載の表面プラズモン共鳴チップ。
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