JP2014167479A - 表面プラズモン増強蛍光センサおよび表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体であって、前記チップ構造体は金属薄膜12、前記金属薄膜12の一方側面に形成された反応層14、前記金属薄膜12の他方側面に形成された誘電体部材16cとから少なくとも構成され、前記誘電体部材16cの外側から前記金属薄膜12に励起光20を照射し、金属薄膜反射光24が出射する出射面40近傍に金属薄膜反射光24の成分を低減させる出射面側反射光低減部を有し、さらに前記出射面側反射光低減部が前記誘電体部材16cの前記金属薄膜12からの金属薄膜反射光24の光路を有する部分であって、前記金属薄膜反射光24の光路を有する部分が光吸収材料から成る光吸収部46である。
【選択図】図4
Description
表面プラズモン励起増強蛍光分光法(SPFS)は、光源より照射したレーザ光(励起光)が金属薄膜表面で全反射減衰(ATR;attenuated total reflectance)する条件において、金属薄膜表面に粗密波(表面プラズモン)を発生させることによって、光源より照射したレーザ光(励起光)が有するフォトン量を数十倍〜数百倍に増やし(表面プラズモンの電場増強効果)、これにより金属薄膜近傍の蛍光物質を効率良く励起させることによって、極微量および/または極低濃度のアナライトを検出する方法である。
そこで、これら蛍光検出の正確性を損ねるノイズ成分を除去し、従来よりもさらに高精度の蛍光検出が可能な表面プラズモン増強蛍光センサが求められている。
本発明のチップ構造体は、
表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体であって、
前記チップ構造体は、
金属薄膜と、
前記金属薄膜の一方側面に形成された反応層と、
前記金属薄膜の他方側面に形成された誘電体部材と、
から少なくとも構成され、
前記誘電体部材の外側から前記金属薄膜に励起光を照射して前記金属薄膜上の電場を増強させる際において、
前記誘電体部材が、
前記金属薄膜に反射した金属薄膜反射光が出射する出射面近傍に、前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の成分を低減させる出射面側反射光低減部を有し、
さらに前記出射面側反射光低減部が、前記誘電体部材の前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の光路を有する部分であって、
前記金属薄膜反射光の光路を有する部分が、光吸収材料から成る光吸収部であることを特徴とする。
前記出射面側反射光低減部が、
前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の進行方向とブリュースター角の関係を持つように構成された出射面構造であることを特徴とする。
前記誘電体部材の前記出射面に、出射面側反射防止膜が設けられていることを特徴とする。
前記誘電体部材が、
前記励起光が入射する入射面近傍に、入射面で反射する入射面反射光を低減させる入射面側反射光低減部を有することを特徴とする。
前記入射面側反射光低減部が、
前記励起光の進行方向とブリュースター角の関係を持つように構成された入射面構造であることを特徴とする。
前記入射面側反射光低減部が、
前記入射面に設けられた入射面側反射防止膜であることを特徴とする。
前記出射面側反射防止膜および入射面側反射防止膜が、
二酸化珪素,酸化アルミニウム,二酸化チタン、フッ化ナトリウム,フッ化マグネシウム,フッ化リチウムのいずれかを含有してなることを特徴とする。
上記のいずれかに記載のチップ構造体を配設してなることを特徴とする。
このように上記したチップ構造体を配設してなる表面プラズモン増強蛍光センサであれば、チップ構造体の誘電体部材の構造により、反射光が生じ難くなっているため、蛍光検出におけるグラウンドをあげ、ダイナミックレンジを狭めてしまうことがなく、超高精度な蛍光検出をすることができる。
図1は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサの概略図、図2〜図5は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体の実施例1〜実施例3における概略図である。
本発明の表面プラズモン増強蛍光センサ10は、図1に示したように、まず金属薄膜12と、金属薄膜12の一方側面に形成された反応層14と、他方側面に形成された誘電体部材16と、を有するチップ構造体18を備えている。
光検出手段30としては、超高感度の光電子増倍管、または多点計測が可能なCCDイメージセンサを用いることが好ましい。
光学フィルタとしては、減光(ND)フィルタ,ダイアフラムレンズなどが挙げられる。
また、金属薄膜12の形成方法としては、例えばスパッタリング法,蒸着法(抵抗加熱蒸着法,電子線蒸着法など),電解メッキ,無電解メッキ法などが挙げられる。中でもスパッタリング法,蒸着法は、薄膜形成条件の調整が容易であるため好ましい。
このような誘電体部材16には、励起光20が入射する入射面36近傍に、入射面36からの入射面反射光を低減させる入射面側反射光低減部および/または金属薄膜12からの金属薄膜反射光が誘電体部材16から出射する出射面40近傍に、金属薄膜12からの金属薄膜反射光の成分を低減させる出射面側反射光低減部が設けられている。
図2に示した第1の実施例であるチップ構造体18は、励起光20が入射する誘電体部材16aの入射面36が、入射面36に反射する入射面反射光を低減させる入射面側反射光低減部として、励起光20の進行方向とブリュースター角(偏位角)θ2の関係を持つ入射面36構造となっている。
入射面36の傾斜角度θ3=共鳴角θ1+空気から誘電体部材16a内へ励起光20が入射するときのブリュースター角θ2−90°・・・数式(1)、
または、
入射面36の傾斜角度θ3=共鳴角θ1−空気から誘電体部材16a内へ励起光20が入射するときのブリュースター角θ2+90°・・・数式(2)、
のいずれかの数式より求めることができる。
出射面40の傾斜角度θ6=電場増強時に金属薄膜反射光24の角度と金属薄膜12からの垂線とから成る角度θ4+誘電体部材16aから空気へ金属薄膜反射光24が出射するときのブリュースター角θ5・・・数式(3)、
または、
出射面40の傾斜角度θ6=電場増強時に金属薄膜反射光24の角度と金属薄膜12からの垂線とから成る角度θ4−誘電体部材16aから空気へ金属薄膜反射光24が出射するときのブリュースター角θ5・・・数式(4)、
のいずれかの数式より求めることができる。
図3に示したチップ構造体18は、図2に示した第1の実施例のチップ構造体18と基本的には同じ構成であるので、同じ構成部材には同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。
なお、入射面側反射防止膜42aと出射面側反射防止膜42bの材質については、例えば酸化物やフッ化物などを用いることができ、酸化物としては例えば二酸化珪素(SiO2),酸化アルミニウム(Al2O3),二酸化チタン(TiO2)などを用いることができ、フッ化物としては例えばフッ化ナトリウム(NaF),フッ化マグネシウム(MgF2),フッ化リチウム(LiF)などを用いることができ、特に限定されるものではない。
図4および図5に示したチップ構造体18は、図2に示した第1の実施例のチップ構造体18と基本的には同じ構成であるので、同じ構成部材には同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。
なお、光吸収部46の位置は、図5に示したように、金属薄膜12と対向するような位置に設けても良く、金属薄膜反射光24の反射の向きや誘電体部材16dの形状などによって適宜位置を決定すれば良いものである。
このように、光吸収部46が設けられた誘電体部材16c,16dであれば、部品点数を増やすことがなく、金属薄膜反射光24の成分を低減できるため、製造コストを抑えつつ、超高精度な蛍光検出を行うことができる。
また、実施例1〜実施例3における誘電体部材16を有するチップ構造体18は、励起光20の入射面36側と出射面40側の両側において反射光低減部が設けられているが、いずれか一方のみにのみ設けられていても良いものであり、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能なものである。
誘電体部材16の条件
<入射面36側>
・励起光の波長 633nm
・検体の屈折率 n=1.335
・金属薄膜12の材質 金(Au)
・金属薄膜12の屈折率 n=0.1726+3.4218i
・金属薄膜12の膜厚 50nm
・誘電体部材16の材質 BK7(SCHOTT社)
・誘電体部材16の屈折率 n=1.515
<出射面40側>
・励起光20の波長 633nm
・検体の屈折率 n=1.335
・金属薄膜12の材質 金(Au)
・金属薄膜12の屈折率 n=0.1726+3.4218i
・金属薄膜12の膜厚 50nm
・誘電体部材16の材質 BK7(SCHOTT社)
・誘電体部材16の屈折率 n=1.515
また、同様に誘電体部材16の出射面40と出射される金属薄膜12からの金属薄膜反射光24とが、ブリュースター角(偏光角)θ5となるような出射面40の傾斜角度θ6を得た。出射面40の傾斜角度θ6は38.80度または105.65度であった。
実施例1における誘電体部材16の替わりに、従来より用いられている入射面126および出射面130の傾斜角度が予め決められた60度分散プリズム(誘電体部材106)を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてアナライトの蛍光検出を行った。
12・・・金属薄膜
14・・・反応層
16・・・誘電体部材
16a・・誘電体部材
16b・・誘電体部材
16c・・誘電体部材
16d・・誘電体部材
18・・・チップ構造体
20・・・励起光
22・・・光源
24・・・金属薄膜反射光
26・・・受光手段
28・・・蛍光
30・・・光検出手段
32・・・集光部材
34・・・波長選択機能部材
36・・・入射面
40・・・出射面
42a・・入射面側反射防止膜
42b・・出射面側反射防止膜
46・・・光吸収部
θ1・・共鳴角(電場増強時に励起光と金属薄膜の垂線とから成る角度)
θ2・・ブリュースター角(偏位角)
θ3・・誘電体部材の入射面の傾斜角度
θ4・・金属薄膜反射光の角度と金属薄膜からの垂線とから成る角度
θ5・・ブリュースター角(偏位角)
θ6・・誘電体部材の出射面の傾斜角度
100・・・表面プラズモン増強蛍光センサ
102・・・金属薄膜
104・・・反応層
106・・・誘電体部材
108・・・チップ構造体
110・・・励起光
112・・・光源
114・・・金属薄膜反射光
116・・・受光手段
118・・・蛍光
120・・・光検出手段
122・・・集光部材
124・・・波長選択機能部材
126・・・入射面
128・・・入射面反射光
130・・・出射面
132・・・出射面反射光
Claims (8)
- 表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体であって、
前記チップ構造体は、
金属薄膜と、
前記金属薄膜の一方側面に形成された反応層と、
前記金属薄膜の他方側面に形成された誘電体部材と、
から少なくとも構成され、
前記誘電体部材の外側から前記金属薄膜に励起光を照射して前記金属薄膜上の電場を増強させる際において、
前記誘電体部材が、
前記金属薄膜に反射した金属薄膜反射光が出射する出射面近傍に、前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の成分を低減させる出射面側反射光低減部を有し、
さらに前記出射面側反射光低減部が、前記誘電体部材の前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の光路を有する部分であって、
前記金属薄膜反射光の光路を有する部分が、光吸収材料から成る光吸収部であることを特徴とする表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。 - 前記出射面側反射光低減部が、
前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の進行方向とブリュースター角の関係を持つように構成された出射面構造であることを特徴とする請求項1に記載の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。 - 前記誘電体部材の前記出射面に、出射面側反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。
- 前記誘電体部材が、
前記励起光が入射する入射面近傍に、入射面で反射する入射面反射光を低減させる入射面側反射光低減部を有す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増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。 - 前記入射面側反射光低減部が、
前記励起光の進行方向とブリュースター角の関係を持つように構成された入射面構造であることを特徴とする請求項4に記載の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。 - 前記入射面側反射光低減部が、
前記入射面に設けられた入射面側反射防止膜であることを特徴とする請求項4または5に記載の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。 - 前記出射面側反射防止膜および入射面側反射防止膜が、
二酸化珪素,酸化アルミニウム,二酸化チタン、フッ化ナトリウム,フッ化マグネシウム,フッ化リチウムのいずれかを含有してなることを特徴とする請求項3または6に記載のチップ構造体。 - 請求項1〜7のいずれかに記載のチップ構造体を配設してなることを特徴とする表面プラズモン増強蛍光センサ。
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