JP2015064205A - Localized plasmon resonance chip and localized plasmon resonance biosensor using the same - Google Patents

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邦彦 片野
Kunihiko Katano
邦彦 片野
智文 山室
Tomofumi Yamamuro
智文 山室
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a localized plasmon resonance chip that solely requires a small number of measurements and increases the detection accuracy.SOLUTION: The localized plasmon resonance biosensor 10 is divided into a plurality of square primary measurement regions S of several hundreds nm to several μm and a plurality of reference measurement regions R. In each primary measurement region S undergoing an antibody antigen reaction, a non-tabular gold (Au) layer GS of a nanometer order for generating a strong plasmon resonance in the X direction is formed along the X direction. In each reference measurement region R that does not undergo an antibody antigen reaction, a non-tabular gold (Au) layer GR of a nanometer order for generating a strong plasmon resonance in the Y direction is formed along the Y direction.

Description

本発明は医療診断、健康診断、食品検査等に用いられる局在プラズモン共鳴(LPR)チップ及びこれを用いた局在プラズモン共鳴バイオセンサに関する。   The present invention relates to a localized plasmon resonance (LPR) chip used for medical diagnosis, medical examination, food inspection, and the like, and a localized plasmon resonance biosensor using the same.

近年、医療診断、健康診断、食品検査等においては、小型、低コストで高速のセンシングのバイオセンサとしてプリズムを用いたクレッチマン(Kretschmann)配置の表面プラズモン共鳴(SPR)バイオセンサが開発されている。   In recent years, surface plasmon resonance (SPR) biosensors with a Kretschmann arrangement using prisms have been developed as small-sized, low-cost, high-speed sensing biosensors in medical diagnosis, medical examination, food inspection, and the like.

さらに、最近では、高感度センシングのバイオセンサとしてプリズムを用いない局在プラズモン共鳴(LPR)バイオセンサが注目されている。従来の局在プラズモン共鳴バイオセンサとして図8、図9に示す透過型、図10、図11に示す反射型がある。   Furthermore, recently, a localized plasmon resonance (LPR) biosensor not using a prism has been attracting attention as a biosensor for high-sensitivity sensing. Conventional localized plasmon resonance biosensors include a transmission type shown in FIGS. 8 and 9, and a reflection type shown in FIGS.

図8において、101は光源、102はコリメータレンズ、103は表面プラズモン共鳴部103aを有する局在プラズモン共鳴チップ、104は分光器、マルチチャネルアナライザを含み、マイクロコンピュータにより構成される測定装置である。この場合、光源101からの光L1はコリメータレンズ102によって平行光とされて局在プラズモン共鳴チップ103を垂直に透過し、測定装置104において局在プラズモン共鳴チップ103を透過した光L1から局在プラズモン共鳴チップ103の吸光スペクトルを測定する。つまり、図9に示す吸光スペクトルS1の吸収ピーク波長のシフト量dS1により、局在プラズモン共鳴チップ103の表面プラズモン共鳴部103a近傍の媒体の屈折率(誘電率)変化を高精度に検出することができる(参照:特許文献1の図2、非特許文献1のFig.1)。   In FIG. 8, 101 is a light source, 102 is a collimator lens, 103 is a localized plasmon resonance chip having a surface plasmon resonance unit 103a, 104 is a measuring device including a spectroscope and a multi-channel analyzer and configured by a microcomputer. In this case, the light L1 from the light source 101 is converted into parallel light by the collimator lens 102 and vertically transmitted through the localized plasmon resonance chip 103, and the measurement apparatus 104 transmits the localized plasmon from the light L1 transmitted through the localized plasmon resonance chip 103. The absorption spectrum of the resonance chip 103 is measured. That is, the refractive index (dielectric constant) change of the medium in the vicinity of the surface plasmon resonance portion 103a of the localized plasmon resonance chip 103 can be detected with high accuracy by the shift amount dS1 of the absorption peak wavelength of the absorption spectrum S1 shown in FIG. (Reference: Fig. 2 of Patent Document 1, Fig. 1 of Non-Patent Document 1).

他方、図10において、201は光源、202はコリメータレンズ、203はビームスプリッタ、204は表面プラズモン共鳴部204aを有する局在プラズモン共鳴チップ、205は分光器、マルチチャネルアナライザを含み、マイクロコンピュータにより構成される測定装置である。この場合、光源201からの光L2はコリメータレンズ202によって平行光とされてビームスプリッタ203を透過して局在プラズモン共鳴チップ204で反射し、さらにビームスプリッタ203で反射して測定装置205に入射する。測定装置205において、局在プラズモン共鳴チップ204で反射した光L2から局在プラズモン共鳴チップ204の反射光スペクトルを測定する。つまり、図11に示す反射光スペクトルS2の反射ディップ波長のシフト量dS2により、局在プラズモン共鳴チップ204の表面プラズモン共鳴部204a近傍の媒体の屈折率(誘電率)変化を高精度に検出できる(参照:特許文献1の図1)。   On the other hand, in FIG. 10, 201 is a light source, 202 is a collimator lens, 203 is a beam splitter, 204 is a localized plasmon resonance chip having a surface plasmon resonance part 204a, 205 includes a spectroscope and a multichannel analyzer, and is constituted by a microcomputer. Measuring device. In this case, the light L2 from the light source 201 is converted into parallel light by the collimator lens 202, is transmitted through the beam splitter 203, is reflected by the localized plasmon resonance chip 204, is further reflected by the beam splitter 203, and enters the measuring device 205. . In the measuring device 205, the reflected light spectrum of the localized plasmon resonance chip 204 is measured from the light L2 reflected by the localized plasmon resonance chip 204. That is, the change in the refractive index (dielectric constant) of the medium in the vicinity of the surface plasmon resonance portion 204a of the localized plasmon resonance chip 204 can be detected with high accuracy by the shift amount dS2 of the reflection dip wavelength of the reflected light spectrum S2 shown in FIG. Reference: FIG. 1 of Patent Document 1).

上述の表面プラズモン共鳴部103a、204a近傍の媒体は、初期的には、目的物質たとえば抗原に特異的に結合するセンサ物質たとえば抗体であり、予め、センサ物質が表面プラズモン共鳴部103a、204aに固定されている。目的物質のセンサ物質への結合後には、上記媒体は、センサ物質プラス目的物質となり、従って、結合前後で媒体の屈折率(誘電率)が変化する。この結果、媒体の屈折率(誘電率)変化を高精度に検出することにより目的物質を高精度に定量的に検出できる。   The medium in the vicinity of the surface plasmon resonance parts 103a and 204a is initially a sensor substance such as an antibody that specifically binds to a target substance such as an antigen, and the sensor substance is fixed to the surface plasmon resonance parts 103a and 204a in advance. Has been. After the target substance is bonded to the sensor substance, the medium becomes the sensor substance plus the target substance. Therefore, the refractive index (dielectric constant) of the medium changes before and after the bonding. As a result, the target substance can be quantitatively detected with high accuracy by detecting the change in the refractive index (dielectric constant) of the medium with high accuracy.

図8、図10の局在プラズモン共鳴バイオセンサのいずれにおいても、光L1、L2は局在プラズモン共鳴チップ103、204の表面プラズモン共鳴部103a、204aに対して垂直に直接入射する。尚、表面プラズモン共鳴バイオセンサにおいては、光はプリズムの底面に斜めに入射する。従って、局在プラズモン共鳴バイオセンサは表面プラズモン共鳴バイオセンサより小型化の点でも優れている。   In any of the localized plasmon resonance biosensors of FIGS. 8 and 10, the lights L1 and L2 are directly incident perpendicularly to the surface plasmon resonance portions 103a and 204a of the localized plasmon resonance chips 103 and 204. In the surface plasmon resonance biosensor, light is incident obliquely on the bottom surface of the prism. Therefore, the localized plasmon resonance biosensor is superior to the surface plasmon resonance biosensor in terms of miniaturization.

図8、図10の局在プラズモン共鳴チップ103、204の表面プラズモン共鳴部103a、204aはAu、Ag、Cu、Al等の金属よりなる金属ナノ薄膜層あるいは金属ナノ粒子層よりなる。たとえば、金属ナノ薄膜層は透明基板上にナノインプリント技術あるいはリソグラフィー技術を用いて貫通孔を有する金属薄膜を形成することにより製造される(参照:特許文献2)。また、金属ナノ粒子層は電気泳動堆積(EPD)法によって平滑なガラス基板上にシランカップリング剤等の誘電体を介して分散堆積され、この場合、金属ナノ粒子層の各粒子は球状、ロッド状、三角状、その他の多角形などでもよい(参照:非特許文献2)。また、セラミックスナノ粒子を金層上に単層で形成し、セラミックスナノ粒子を金でキャップ状に被覆する(参照:非特許文献3)。さらに、特殊な材料を用いてサブミクロンオーダの構造を形成し、この構造上に金を蒸着させる(参照:特許文献1)。   The surface plasmon resonance portions 103a and 204a of the localized plasmon resonance chips 103 and 204 shown in FIGS. 8 and 10 are made of a metal nano thin film layer or a metal nano particle layer made of a metal such as Au, Ag, Cu, or Al. For example, the metal nano thin film layer is manufactured by forming a metal thin film having a through hole on a transparent substrate by using a nanoimprint technique or a lithography technique (see Patent Document 2). In addition, the metal nanoparticle layer is dispersed and deposited on a smooth glass substrate via a dielectric such as a silane coupling agent by electrophoretic deposition (EPD) method. In this case, each particle of the metal nanoparticle layer is spherical and rod-shaped. Shape, triangular shape, and other polygonal shapes (see Non-Patent Document 2). Further, the ceramic nanoparticles are formed as a single layer on the gold layer, and the ceramic nanoparticles are coated in a cap shape with gold (see Non-Patent Document 3). Furthermore, a submicron-order structure is formed using a special material, and gold is deposited on the structure (see Patent Document 1).

WO2011/121857A1WO2011 / 121857A1 特開2003−270132号公報JP 2003-270132 A

都丸雄一他、“ポーラスアルミナ基板を用いる局在プラズモンセンサ”、Fujifilm Research & Development、No.53-2008、pp.34-37Yuichi Tomaru et al., “Localized plasmon sensor using porous alumina substrate”, Fujifilm Research & Development, No.53-2008, pp.34-37 栗田昌昭、“局在プラズモン共鳴バイオセンサーに利用される貴金属とその応用”、表面技術、Vol.62、No.6、2011、pp.28-30Masaaki Kurita, “Precious Metals Used in Localized Plasmon Resonance Biosensors and Their Applications”, Surface Technology, Vol.62, No.6, 2011, pp.28-30 Anal. Chem. 78、pp.6415-6475、2006Anal. Chem. 78, pp. 6415-6475, 2006

しかしながら、上述の従来の局在プラズモン共鳴チップは、基準測定用及び本測定用を兼ねているので、次のごとき課題がある。   However, since the above-mentioned conventional localized plasmon resonance chip serves both as a reference measurement and a main measurement, there are the following problems.

第1に、抗体等のセンサ物質が固定された局在プラズモン共鳴チップを図8もしくは図10の局在プラズモン共鳴バイオセンサに設定して基準用吸収ピーク波長もしくは反射ディップ波長を測定(基準測定という)した後に、局在プラズモン共鳴チップを局在プラズモン共鳴センサから外し、目的物質であるウィルス等の抗原を局在プラズモン共鳴チップに付着させて洗浄した上で局在プラズモン共鳴センサに再設定して本測定用吸収ピーク波長もしくは反射ディップ波長を測定(本測定という)する。これにより、シフト量を得る。従って、測定回数が2回と多く作業時間が長くなるという課題がある。   First, a local plasmon resonance chip to which a sensor substance such as an antibody is fixed is set as the local plasmon resonance biosensor of FIG. 8 or FIG. 10, and a reference absorption peak wavelength or reflection dip wavelength is measured (referred to as reference measurement). ), Remove the localized plasmon resonance chip from the localized plasmon resonance sensor, attach an antigen such as a virus, which is the target substance, to the localized plasmon resonance chip, wash it, and reset it to the localized plasmon resonance sensor. Measure the absorption peak wavelength or reflection dip wavelength for main measurement (referred to as main measurement). Thereby, the shift amount is obtained. Therefore, there is a problem that the number of times of measurement is two and the working time is long.

第2に、基準測定時の局在プラズモン共鳴チップの設定位置と本測定時の局在プラズモン共鳴チップの設定位置とが不一致となると、基準用吸収ピーク波長もしくは反射ディップ波長に対する本測定用吸収ピーク波長もしくは反射ディップ波長の測定誤差が大きくなり、この結果、これらの差つまりシフト量で表す目的物質の検出精度が低下するという課題もある。また、図8、図10の光源101、201としてハロゲンランプ、発光ダイオード(LED)素子を用いるが、光源101、201が安定しない場合、周囲の温度環境が変化した場合等においては、上述のごとく、基準測定時と本測定時とが異なるために、光源101、201の発光スペクトル自体が変化し、従って、やはり、上述の測定誤差が大きくなり、この結果、これらの差つまりシフト量で表す目的物質の検出精度が低下するという課題がある。   Second, if the setting position of the local plasmon resonance chip at the time of the reference measurement and the setting position of the local plasmon resonance chip at the time of the main measurement do not match, the absorption peak for the main measurement with respect to the reference absorption peak wavelength or the reflection dip wavelength The measurement error of the wavelength or the reflection dip wavelength becomes large, and as a result, there is a problem that the detection accuracy of the target substance expressed by the difference, that is, the shift amount is lowered. 8 and FIG. 10, halogen lamps and light emitting diode (LED) elements are used as the light sources 101 and 201. If the light sources 101 and 201 are not stable, the ambient temperature environment changes, etc., as described above. Since the reference measurement and the main measurement are different, the emission spectra of the light sources 101 and 201 themselves change, so that the measurement error described above also increases, and as a result, the difference, that is, the shift amount is expressed as a result. There exists a subject that the detection accuracy of a substance falls.

上述の課題を解決するために、本発明に係る局在プラズモン共鳴バイオセンサは、本測定領域と基準測定領域とに分割された基板と、基板の本測定領域上に形成され、第1の方向に強いプラズモン共鳴を発生させるためのナノメートルオーダの第1の非平板状金属層と、第1の非平板状金属層上に形成されたセンサ物質層と、基板の基準測定領域上に形成され、第1の方向と異なる第2の方向に強いプラズモン共鳴を発生させるためのナノメートルオーダの第2の非平板状金属層と、第2の非平板状金属層上に設けられ、センサ物質層の誘電率を補償するためのマスキング層とを具備するものである。これにより、本測定領域では、目的物質結合前(たとえば抗原抗体反応前)の媒体はセンサ物質層であり、目的物質結合後(たとえば抗原抗体反応後)の媒体はセンサ物質層プラス目的物質であり、従って、本測定領域の媒体の屈折率(誘電率)は変化する。これに対し、基準測定領域では、目的物質結合前(たとえば抗原抗体反応前)の媒体はマスキング層であり、目的物質結合後(たとえば抗原抗体反応後)の媒体もマスキング層であり、従って、基準測定領域の媒体の屈折率(誘電率)は変化しない。また、本測定領域の透過光あるいは反射光の偏光方向は第1の方向となり、基準測定領域の透過光あるいは反射光の偏光方向は第2の方向となり、これらの両者はたとえば偏光ビームスプリッタを用いることにより識別可能である。   In order to solve the above-mentioned problem, a localized plasmon resonance biosensor according to the present invention is formed on a substrate divided into a main measurement region and a reference measurement region, and on the main measurement region of the substrate, in a first direction. A first non-planar metal layer of nanometer order for generating strong plasmon resonance, a sensor material layer formed on the first non-plate metal layer, and a reference measurement region of the substrate. A nanometer-order second non-plate-like metal layer for generating strong plasmon resonance in a second direction different from the first direction, and a sensor material layer provided on the second non-plate-like metal layer And a masking layer for compensating the dielectric constant. Thus, in this measurement region, the medium before the target substance binding (for example, before the antigen-antibody reaction) is the sensor substance layer, and the medium after the target substance binding (for example after the antigen-antibody reaction) is the sensor substance layer plus the target substance. Therefore, the refractive index (dielectric constant) of the medium in this measurement region changes. On the other hand, in the reference measurement region, the medium before binding of the target substance (for example, before the antigen-antibody reaction) is a masking layer, and the medium after binding of the target substance (for example, after the antigen-antibody reaction) is also a masking layer. The refractive index (dielectric constant) of the medium in the measurement region does not change. In addition, the polarization direction of the transmitted light or reflected light in the main measurement region is the first direction, and the polarization direction of the transmitted light or reflected light in the reference measurement region is the second direction. Both of these use, for example, a polarization beam splitter. Can be identified.

また、本発明に係る透過型局在プラズモン共鳴センサは、光源と、光源からの光を受けるための上述の局在プラズモン共鳴チップと、局在プラズモン共鳴チップを透過した第1の方向の偏光及び第1の方向と異なる第2の方向の偏光を分けるための偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタからの第1の方向の偏光の吸光スペクトルの吸光ピーク波長と第2の方向の偏光の吸光スペクトルの吸光ピーク波長とのシフト量により局在プラズモン共鳴チップの目的物質を定量的に測定する測定装置とを具備するものである。   A transmission type localized plasmon resonance sensor according to the present invention includes a light source, the above-described localized plasmon resonance chip for receiving light from the light source, polarized light in a first direction transmitted through the localized plasmon resonance chip, and A polarization beam splitter for separating polarized light in a second direction different from the first direction, an absorption peak wavelength of an absorption spectrum of polarized light in the first direction from the polarization beam splitter, and an absorption spectrum of polarized light in the second direction. And a measuring device that quantitatively measures the target substance of the localized plasmon resonance chip based on the shift amount with respect to the absorption peak wavelength.

さらに、本発明に係る反射型局在プラズモン共鳴センサは、光源と、光源からの光を受けるための上述の局在プラズモン共鳴チップと、局在プラズモン共鳴チップを反射した第1の方向の偏光及び第1の方向と異なる第2の方向の偏光を分けるための偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタからの第1の方向の偏光の反射光スペクトルの反射ディップ波長と第2の方向の偏光の反射光スペクトルの反射ディップ波長とのシフト量により局在プラズモン共鳴チップの媒体の目的物質を定量的に測定する測定装置とを具備するものである。   Further, the reflective localized plasmon resonance sensor according to the present invention includes a light source, the above-described localized plasmon resonance chip for receiving light from the light source, polarized light in a first direction reflected from the localized plasmon resonance chip, and A polarization beam splitter for separating polarized light in a second direction different from the first direction, a reflected dip wavelength of reflected light spectrum of polarized light in the first direction from the polarized beam splitter, and reflected light of polarized light in the second direction And a measuring device that quantitatively measures the target substance of the medium of the localized plasmon resonance chip by the shift amount of the reflection dip wavelength of the spectrum.

本発明によれば、目的物質の結合前後で、本測定領域の媒体の屈折率(誘電率)が変化し、従って、吸光スペクトルの吸光ピーク波長あるいは反射光スペクトルの反射ディップ波長にシフト量が発生する。これに対し、目的物質の結合前後で、基準測定領域の媒体の屈折率(誘電率)が変化せず、従って、吸光スペクトルの吸光ピーク波長あるいは反射光スペクトルの反射ディップ波長にシフト量が発生しない。この結果、目的物質の結合後の1回の測定により、本測定領域の吸光スペクトルの吸光ピーク波長もしくは反射光スペクトルの反射ディップ波長と、基準測定領域の吸光スペクトルの吸光ピーク波長もしくは反射光スペクトルの反射ディップ波長とを得、この差であるシフト量を演算すれば、目的物質を高精度に定量的に検出できる。つまり、1回の測定で目的物質を高精度に定量的に検出でき、作業効率を向上できる。   According to the present invention, the refractive index (dielectric constant) of the medium in the measurement region changes before and after the binding of the target substance, and thus a shift amount occurs in the absorption peak wavelength of the absorption spectrum or the reflection dip wavelength of the reflected light spectrum. To do. In contrast, the refractive index (dielectric constant) of the medium in the reference measurement region does not change before and after the target substance is bonded, and therefore no shift occurs in the absorption peak wavelength of the absorption spectrum or the reflection dip wavelength of the reflected light spectrum. . As a result, the measurement of the absorption peak wavelength or reflected dip wavelength of the absorption spectrum in the main measurement region and the absorption peak wavelength or reflected light spectrum of the absorption spectrum in the reference measurement region is performed by one measurement after binding of the target substance. By obtaining the reflection dip wavelength and calculating the shift amount which is the difference, the target substance can be detected quantitatively with high accuracy. In other words, the target substance can be detected quantitatively with high accuracy in one measurement, and work efficiency can be improved.

また、基準測定と本測定とが同時に行われるので、基準用吸収ピーク波長もしくは反射ディップ波長に対する本測定用吸収ピーク波長もしくは反射ディップ波長の測定誤差はなくなり、この結果、これらの差で表す目的物質の検出精度を向上できる。   In addition, since the reference measurement and the main measurement are performed at the same time, there is no measurement error of the main absorption peak wavelength or the reflection dip wavelength with respect to the reference absorption peak wavelength or the reflection dip wavelength. Detection accuracy can be improved.

本発明に係る局在プラズモン共鳴チップの第1の実施の形態を示す上面図である。1 is a top view showing a first embodiment of a localized plasmon resonance chip according to the present invention. 図1の局在プラズモン共鳴チップの第1の例を示す図1のI-I線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 1 showing a first example of the localized plasmon resonance chip of FIG. 図1の局在プラズモン共鳴チップの第2の例を示す図1のI-I線断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 1 showing a second example of the localized plasmon resonance chip of FIG. 本発明に係る局在プラズモン共鳴チップの第2の実施の形態を示す上面図である。It is a top view which shows 2nd Embodiment of the localized plasmon resonance chip | tip concerning this invention. 図4の局在プラズモン共鳴チップの例を示す図4のV-V線断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV of FIG. 4 illustrating an example of the localized plasmon resonance chip of FIG. 本発明に係る透過型局在プラズモン共鳴バイオセンサを示す図である。It is a figure which shows the transmission type local plasmon resonance biosensor which concerns on this invention. 本発明に係る反射型局在プラズモン共鳴バイオセンサを示す図である。It is a figure which shows the reflection type localized plasmon resonance biosensor which concerns on this invention. 従来の透過型局在プラズモン共鳴バイオセンサを示す図である。It is a figure which shows the conventional transmission type | mold local plasmon resonance biosensor. 図8の測定装置で得られる吸光スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the absorption spectrum obtained with the measuring apparatus of FIG. 従来の反射型局在プラズモン共鳴バイオセンサを示す図である。It is a figure which shows the conventional reflection type localized plasmon resonance biosensor. 図10の測定装置で得られる反射光スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the reflected light spectrum obtained with the measuring apparatus of FIG.

図1は本発明に係る局在プラズモン共鳴チップの第1の実施の形態を示す上面図である。   FIG. 1 is a top view showing a first embodiment of a localized plasmon resonance chip according to the present invention.

図1においては、局在プラズモン共鳴バイオセンサ10は数100nm〜数μmの正方形の複数の本測定(センシング)領域S及び複数の基準測定(リファレンス)領域Rに分割されている。この場合、好ましくは、本測定領域S及び基準測定領域Rは交互に配置され、複数の本測定領域S及び基準測定領域Rが1つの直径3mm×数10mmの光測定スポットによって同時に照射されるようにする。また、本測定領域S(基準測定領域R)の各辺は目的物質のサイズたとえばインフルエンザウイルスのサイズ90〜120nmの2倍以上に設定される。   In FIG. 1, the localized plasmon resonance biosensor 10 is divided into a plurality of square main measurement (sensing) regions S and a plurality of reference measurement (reference) regions R of several 100 nm to several μm. In this case, preferably, the main measurement areas S and the reference measurement areas R are alternately arranged so that a plurality of main measurement areas S and reference measurement areas R are simultaneously irradiated by one light measurement spot having a diameter of 3 mm × several tens of mm. To. Each side of the main measurement region S (reference measurement region R) is set to be twice or more the size of the target substance, for example, the size of influenza virus of 90 to 120 nm.

各本測定領域Sには、X方向に強いプラズモン共鳴を発生させるためのナノメートルオーダの非平板状金(Au)層GSがX方向に沿って形成されている。また、図1に図示しないが非平板状Au層GS上には、後述の抗体がセンサ物質層として塗布されている。   In each main measurement region S, a nanometer-order non-tabular gold (Au) layer GS for generating strong plasmon resonance in the X direction is formed along the X direction. Although not shown in FIG. 1, an antibody described later is applied as a sensor substance layer on the non-planar Au layer GS.

他方、各基準測定領域Rには、Y方向に強いプラズモン共鳴を発生させるためのナノメートルオーダの非平板状金(Au)層GRがY方向に沿って形成されている。また、図1に図示しないが非平板状Au層GR上には、後述の抗体の誘電率と同等の誘電率を有するマスキング層が形成されている。マスキング層は抗体の役目をしないたとえば酸化シリコン(SiO2)、有機物、無機物層よりなる。 On the other hand, in each reference measurement region R, a non-tabular gold (Au) layer GR of nanometer order for generating strong plasmon resonance in the Y direction is formed along the Y direction. Although not shown in FIG. 1, a masking layer having a dielectric constant equivalent to that of an antibody described later is formed on the non-planar Au layer GR. The masking layer is made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), an organic material, or an inorganic material that does not serve as an antibody.

尚、非平板状Au層GS、GRは、後述のごとく、厚さ10〜100nmのAuナノ薄膜層もしくは球径10〜200nmのAu粒子層である。   The non-planar Au layers GS and GR are Au nano thin film layers having a thickness of 10 to 100 nm or Au particle layers having a spherical diameter of 10 to 200 nm, as will be described later.

以下に、図1の局在プラズモン共鳴バイオセンサの例を説明する。   Hereinafter, an example of the localized plasmon resonance biosensor of FIG. 1 will be described.

図2は図1の局在プラズモン共鳴センサの第1の例を示す図1のI-I線断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 1 showing a first example of the localized plasmon resonance sensor of FIG.

図2の(A)においては、ガラス、ポリエチレン・テレフタレート(PET)等よりなる基板1上に、厚さ10nm〜100nmの金(Au)ナノ薄膜層2を形成し、その上に、球径10nm〜200nmの粒子よりなる誘電体ナノ粒子層3を配置し、その上に、非平板状Au層GS、GRとしての厚さ10nm〜100nmの金(Au)ナノ薄膜層4を形成する。さらに、本測定領域SのAuナノ薄膜層4上には、抗体5がセンサ物質層として塗布され、他方、基準測定領域RのAuナノ薄膜層4上には、抗体5の誘電率に相当する誘電率を有するマスキング層6が形成されている。尚、7は抗体5に結合した目的物質としての抗原である。つまり、本測定領域Sは抗原抗体反応を受ける領域であり、基準測定領域Rは抗原抗体反応を受けない領域である。   In FIG. 2A, a gold (Au) nano thin film layer 2 having a thickness of 10 nm to 100 nm is formed on a substrate 1 made of glass, polyethylene terephthalate (PET) or the like, and a spherical diameter of 10 nm is formed thereon. A dielectric nanoparticle layer 3 composed of particles of ˜200 nm is arranged, and a gold (Au) nano thin film layer 4 having a thickness of 10 nm to 100 nm as a non-tabular Au layer GS, GR is formed thereon. Furthermore, the antibody 5 is applied as a sensor material layer on the Au nano thin film layer 4 in the measurement region S, while the antibody 5 has a dielectric constant corresponding to the dielectric constant of the antibody 5 on the Au nano thin film layer 4 in the reference measurement region R. A masking layer 6 having a dielectric constant is formed. Reference numeral 7 denotes an antigen as a target substance bound to the antibody 5. That is, the main measurement region S is a region that receives an antigen-antibody reaction, and the reference measurement region R is a region that does not receive an antigen-antibody reaction.

本測定領域Sにおける誘電体ナノ粒子層3の各粒子はX方向に沿って間隙数nm以下で近接して配置され、Y方向では誘電体ナノ粒子層3の粒子の直径と同等もしくはそれ以上の間隙で配置されている。また、基準測定領域Rにおける誘電体ナノ粒子層3の各粒子はY方向に沿って間隙数nm以下で近接して配置され、X方向では誘電体ナノ粒子層3の粒子の直径と同等もしくはそれ以上の間隙で配置されている。   The respective particles of the dielectric nanoparticle layer 3 in the measurement region S are arranged close to each other with a gap number of nm or less along the X direction, and in the Y direction, are equal to or larger than the diameter of the particles of the dielectric nanoparticle layer 3. It is arranged with a gap. In addition, the particles of the dielectric nanoparticle layer 3 in the reference measurement region R are arranged close to each other with a gap number of nm or less along the Y direction, and the diameter of the dielectric nanoparticle layer 3 is equal to or smaller than that of the dielectric nanoparticle layer 3 in the X direction. It arrange | positions with the above clearance gap.

図2の(A)においては、誘電体ナノ粒子層3の存在のために、Auナノ薄膜層4は非平板状、つまりX方向もしくはY方向で凹凸形状となり、局在プラズモン共鳴を起こす。また、Auナノ薄膜層2は平板状であるが、誘電体ナノ粒子層3を介してAuナノ薄膜層4の局在プラズモン共鳴と相互作用して局在プラズモン共鳴を起こす。   In FIG. 2A, due to the presence of the dielectric nanoparticle layer 3, the Au nano thin film layer 4 has a non-plate shape, that is, an uneven shape in the X direction or the Y direction, and causes localized plasmon resonance. Further, although the Au nano thin film layer 2 has a flat plate shape, it interacts with the localized plasmon resonance of the Au nano thin film layer 4 through the dielectric nanoparticle layer 3 to cause localized plasmon resonance.

図2の(B)においては、図2の(A)のAuナノ薄膜層2を削除し、基板1上に、直接、誘電体ナノ粒子層3を配置する。   In FIG. 2B, the Au nano thin film layer 2 in FIG. 2A is deleted, and the dielectric nanoparticle layer 3 is directly disposed on the substrate 1.

図2の(A)、(B)における誘電体ナノ粒子層3は表面プラズモン共鳴によって発生する電場を増幅させる作用をもし、従って、発現した吸光スペクトルの吸収ピークもしくは反射光スペクトルの反射ディップを大きくできる。   The dielectric nanoparticle layer 3 in FIGS. 2A and 2B has an action of amplifying the electric field generated by surface plasmon resonance, and therefore increases the absorption peak of the developed absorption spectrum or the reflection dip of the reflected light spectrum. it can.

図2の(A)、(B)においては、Auナノ薄膜層2及びAuナノ薄膜層4が紫外から近赤外域の光と表面プラズモン共鳴を起こす。この場合、これらのAuナノ薄膜層は1種類の金属つまりAuよりなるので、後述のごとく、吸光スペクトルに1つの吸収ピーク波長を発現させ、あるいは反射光スペクトルに1つの反射ディップ波長を発現させる。   2A and 2B, the Au nano thin film layer 2 and the Au nano thin film layer 4 cause surface plasmon resonance with light in the ultraviolet to near infrared region. In this case, since these Au nano thin film layers are made of one kind of metal, that is, Au, as described later, one absorption peak wavelength is expressed in the absorption spectrum, or one reflection dip wavelength is expressed in the reflected light spectrum.

また、図2の(B)においても、表面プラズモン共鳴を起こすAuナノ薄膜層4は1種類の金属つまりAuよりなるので、やはり、吸光スペクトルに1つの吸収ピーク波長を発現させ、あるいは反射光スペクトルに1つの反射ディップ波長を発現させる。但し、Auナノ薄膜層2が存在しない分、発現する吸収ピークあるいは反射ディップは少し小さくなる。   Also in FIG. 2B, the Au nano thin film layer 4 causing surface plasmon resonance is made of one kind of metal, that is, Au, so that one absorption peak wavelength is expressed in the absorption spectrum or the reflected light spectrum. To develop one reflection dip wavelength. However, since the Au nano thin film layer 2 does not exist, the absorption peak or reflection dip that appears is slightly reduced.

図3は図1の局在プラズモン共鳴チップの第2の例を示す図1のI-I線断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 1 showing a second example of the localized plasmon resonance chip of FIG.

図3の(A)においては、基板1上に、厚さ10nm〜100nmの金(Au)ナノ薄膜層2を形成し、その上に、球径10nm〜200nmの粒子よりなる非平板状Au層GS、GRとしての金(Au)ナノ粒子層3’を配置する。さらに、図2の(A)と同様に、本測定領域SのAuナノ粒子層3’上には、抗体5がセンサ物質層として塗布され、他方、基準測定領域RのAuナノ粒子層3’上には、抗体5の誘電率に相当する誘電率を有するマスキング層6を形成する。尚、7は抗体5に結合した目的物質としての抗原である。つまり、この場合も、本測定領域Sは抗原抗体反応を受ける領域であり、基準測定領域Rは抗原抗体反応を受けない領域である。   In FIG. 3A, a gold (Au) nano thin film layer 2 having a thickness of 10 nm to 100 nm is formed on a substrate 1, and a non-tabular Au layer made of particles having a spherical diameter of 10 nm to 200 nm is formed thereon. A gold (Au) nanoparticle layer 3 ′ as GS and GR is disposed. Further, as in FIG. 2A, the antibody 5 is applied as a sensor material layer on the Au nanoparticle layer 3 ′ in the measurement region S, while the Au nanoparticle layer 3 ′ in the reference measurement region R is applied. A masking layer 6 having a dielectric constant corresponding to the dielectric constant of the antibody 5 is formed thereon. Reference numeral 7 denotes an antigen as a target substance bound to the antibody 5. That is, also in this case, the main measurement region S is a region that receives an antigen-antibody reaction, and the reference measurement region R is a region that does not receive an antigen-antibody reaction.

本測定領域SにおけるAuナノ粒子層3’の各粒子はX方向に沿って間隙数nm以下で近接して配置され、Y方向ではAuナノ粒子層3’の粒子の直径と同等もしくはそれ以上の間隙で配置されている。また、基準測定領域RにおけるAuナノ粒子層3’の各粒子はY方向に沿って間隙数nm以下で近接して配置され、X方向ではAuナノ粒子層3’の粒子の直径と同等もしくはそれ以上の間隙で配置されている。   The particles of the Au nanoparticle layer 3 ′ in the measurement region S are arranged close to each other with a gap number of nm or less along the X direction, and the diameter of the Au nanoparticle layer 3 ′ is equal to or larger than the diameter of the Au nanoparticle layer 3 ′ in the Y direction. It is arranged with a gap. Further, each particle of the Au nanoparticle layer 3 ′ in the reference measurement region R is arranged close to the gap number of nm or less along the Y direction, and the diameter of the Au nanoparticle layer 3 ′ is equal to or equal to the diameter of the Au nanoparticle layer 3 ′ in the X direction. It arrange | positions with the above clearance gap.

図3の(A)においては、Auナノ粒子層3’は非平板状であり、従って、局在プラズモン共鳴を起こす。また、Auナノ薄膜層2は平板状であるが、Auナノ粒子層3’と相互作用して局在プラズモン共鳴を起こす。   In FIG. 3A, the Au nanoparticle layer 3 'is non-planar, and therefore causes localized plasmon resonance. Further, although the Au nano thin film layer 2 has a flat plate shape, it interacts with the Au nano particle layer 3 'to cause localized plasmon resonance.

図3の(A)の変更例を示す図3の(B)においては、図3の(A)のAuナノ薄膜層2を削除し、基板1上に、直接、Auナノ粒子層3’を配置する。   In FIG. 3 (B) showing a modified example of FIG. 3 (A), the Au nano thin film layer 2 of FIG. 3 (A) is deleted, and the Au nano particle layer 3 ′ is directly formed on the substrate 1. Deploy.

図3の(A)、(B)においては、Auナノ薄膜層2及びAuナノ粒子層3’が紫外から近赤外域の光と表面プラズモン共鳴を起こす。この場合、これらのナノ薄膜層及びナノ粒子層は1種類の金属つまりAuよりなるので、後述のごとく、吸光スペクトルに1つの吸収ピーク波長を発現させ、あるいは反射光スペクトルに1つの反射ディップ波長を発現させる。   3A and 3B, the Au nano thin film layer 2 and the Au nano particle layer 3 'cause surface plasmon resonance with light in the ultraviolet to near infrared region. In this case, since these nano thin film layer and nano particle layer are made of one kind of metal, that is, Au, as described later, one absorption peak wavelength is expressed in the absorption spectrum, or one reflection dip wavelength is set in the reflected light spectrum. To express.

また、図3の(B)においても、表面プラズモン共鳴を起こすAuナノ粒子層3’は1種類の金属つまりAuよりなるので、やはり、吸光スペクトルに1つの吸収ピーク波長を発現させ、あるいは反射光スペクトルに1つの反射ディップ波長を発現させる。但し、Auナノ薄膜層2が存在しない分、発現する吸収ピークあるいは反射ディップは少し小さくなる。   Also in FIG. 3B, since the Au nanoparticle layer 3 ′ causing surface plasmon resonance is made of one kind of metal, that is, Au, one absorption peak wavelength is also expressed in the absorption spectrum, or reflected light. Develop one reflection dip wavelength in the spectrum. However, since the Au nano thin film layer 2 does not exist, the absorption peak or reflection dip that appears is slightly reduced.

尚、上述の第1の実施の形態においては、ナノ薄膜層2、4はAu以外でもよく、たとえばAg、Cu、Alでもよい。また、誘電体ナノ粒子層3、Auナノ粒子層3’の各粒子は完全に密接している必要がなく、上述のごとく、数nm離れていてもよい。さらに、誘電体ナノ粒子層3、Auナノ粒子層3’は球状以外のロッド状、三角状、その他の多角形などでもよい。   In the first embodiment described above, the nano thin film layers 2 and 4 may be other than Au, for example, Ag, Cu, or Al. Further, the particles of the dielectric nanoparticle layer 3 and the Au nanoparticle layer 3 ′ do not need to be in close contact with each other, and may be several nm apart as described above. Furthermore, the dielectric nanoparticle layer 3 and the Au nanoparticle layer 3 ′ may have a rod shape other than a spherical shape, a triangular shape, or other polygonal shapes.

図4は本発明に係る局在プラズモン共鳴チップの第2の実施の形態を示す上面図である。   FIG. 4 is a top view showing a second embodiment of the localized plasmon resonance chip according to the present invention.

図4においては、図1の局在プラズモン共鳴バイオセンサ10と同様に、局在プラズモン共鳴バイオセンサ20は数100nm〜数μmの正方形の複数の本測定領域S及び複数の基準測定領域Rに分割されている。この場合も、好ましくは、本測定領域S及び基準測定領域Rは交互に配置され、複数の本測定領域S及び基準測定領域Rが1つの直径3mm〜数10mmの光測定スポットによって同時に照射されるようにする。また、本測定領域S(基準測定領域R)の各辺は目的物質のサイズの2倍以上に設定される。   In FIG. 4, the localized plasmon resonance biosensor 20 is divided into a plurality of square main measurement regions S and a plurality of reference measurement regions R, which are several hundred nm to several μm in the same manner as the localized plasmon resonance biosensor 10 of FIG. 1. Has been. Also in this case, preferably, the main measurement areas S and the reference measurement areas R are alternately arranged, and a plurality of main measurement areas S and reference measurement areas R are simultaneously irradiated by a single light measurement spot having a diameter of 3 mm to several tens of mm. Like that. In addition, each side of the main measurement region S (reference measurement region R) is set to at least twice the size of the target substance.

各本測定領域Sには、X方向に沿って強いプラズモン共鳴を発生させるための深さ数10〜数100nm、直径10〜200nmの複数の凹部1aSがX方向に沿って間隙数nm以下で近接して形成されている。この場合、各凹部1aSは、Y方向では凹部1aSの直径同等もしくはそれ以上の間隙で形成されている。   In each measurement region S, a plurality of recesses 1aS having a depth of 10 to several hundreds of nm and a diameter of 10 to 200 nm for generating strong plasmon resonance along the X direction are close to each other with a gap of several nm or less along the X direction. Is formed. In this case, each recess 1aS is formed with a gap equal to or larger than the diameter of the recess 1aS in the Y direction.

他方、各基準測定領域Rには、Y方向に沿って強いプラズモン共鳴を発生させるための深さ数10〜数100nm、直径10〜200nmの複数の凹部1aRがY方向に沿って間隙数nm以下で近接して形成されている。この場合、各凹部1aRは、X方向では凹部1aRの直径同等もしくはそれ以上の間隙で形成されている。   On the other hand, in each reference measurement region R, a plurality of recesses 1aR having a depth of 10 to several 100 nm and a diameter of 10 to 200 nm for generating strong plasmon resonance along the Y direction have a gap number of nm or less along the Y direction. Are formed in close proximity. In this case, each recess 1aR is formed with a gap equal to or larger than the diameter of the recess 1aR in the X direction.

図5は図4の局在プラズモン共鳴センサの詳細を示す図4のV-V線断面図である。   5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 4 showing details of the localized plasmon resonance sensor in FIG.

図5の(A)に示すように、凹部1aS、1aRの側壁に厚さ10〜100nmのAuナノ薄膜層4’が形成されている。   As shown in FIG. 5A, an Au nano thin film layer 4 'having a thickness of 10 to 100 nm is formed on the sidewalls of the recesses 1aS and 1aR.

さらに、本測定領域SのAuナノ薄膜層4’上には、抗体5がセンサ物質層として塗布され、他方、基準測定領域RのAuナノ薄膜層4’上には、抗体5の誘電率に相当する誘電率を有するマスキング層6が形成されている。尚、7は抗体5に結合した目的物質としての抗原である。つまり、この場合も、本測定領域Sは抗原抗体反応を受ける領域であり、基準測定領域Rは抗原抗体反応を受けない領域である。   Further, the antibody 5 is applied as a sensor material layer on the Au nano thin film layer 4 ′ in the measurement region S, while the dielectric constant of the antibody 5 is applied on the Au nano thin film layer 4 ′ in the reference measurement region R. A masking layer 6 having a corresponding dielectric constant is formed. Reference numeral 7 denotes an antigen as a target substance bound to the antibody 5. That is, also in this case, the main measurement region S is a region that receives an antigen-antibody reaction, and the reference measurement region R is a region that does not receive an antigen-antibody reaction.

図5の(A)においては、凹部1aS、1aRの存在のために、Auナノ薄膜層4’は非平板状、つまりX方向もしくはY方向凹凸形状となり、局在プラズモン共鳴を起こす。   In FIG. 5A, due to the presence of the recesses 1aS and 1aR, the Au nano thin film layer 4 'has a non-plate shape, that is, an uneven shape in the X direction or the Y direction, and causes localized plasmon resonance.

図5の(B)においては、図5の(A)のAuナノ薄膜層4’が凹部1aS、1aRの底部にも形成されている。この場合も、Auナノ薄膜層4’は図5の(A)の場合と同様に作用し、何ら問題ない。   In FIG. 5B, the Au nano thin film layer 4 'shown in FIG. 5A is also formed at the bottom of the recesses 1aS and 1aR. Also in this case, the Au nano thin film layer 4 'operates in the same manner as in the case of FIG. 5A, and there is no problem.

尚、図5の(A)、(B)における凹部1aS、1aRは電子線照射技術、ナノインプリント技術等を用いて形成される。   Note that the recesses 1aS and 1aR in FIGS. 5A and 5B are formed using an electron beam irradiation technique, a nanoimprint technique, or the like.

また、図5においても、表面プラズモン共鳴を起こすAuナノ薄膜層4’は1種類の金属つまりAuよりなるので、やはり、吸光スペクトルに1つの吸収ピーク波長を発現させ、あるいは反射光スペクトルに1つの反射ディップ波長を発現させる。   Also in FIG. 5, the Au nano thin film layer 4 ′ causing surface plasmon resonance is made of one kind of metal, that is, Au, so that one absorption peak wavelength is developed in the absorption spectrum or one in the reflected light spectrum. A reflection dip wavelength is developed.

図6は図1、図4の局在プラズモン共鳴チップを用いた透過型局在プラズモン共鳴バイオセンサを示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing a transmission type localized plasmon resonance biosensor using the localized plasmon resonance chip of FIGS.

図6においては、図8において、局在プラズモン共鳴チップ103の代りに、図1(図4)の局在プラズモン共鳴チップ10(20)を採用し、局在プラズモン共鳴チップ10(20)と測定装置104との間に偏光ビームスプリッタ105を設けている。偏光ビームスプリッタ105はその入射ビームに対して平行なp偏光ビーム及び直交するs偏光ビームを出射するものである。   6, the localized plasmon resonance chip 10 (20) of FIG. 1 (FIG. 4) is adopted instead of the localized plasmon resonance chip 103 in FIG. 8, and measurement is performed with the localized plasmon resonance chip 10 (20). A polarizing beam splitter 105 is provided between the apparatus 104 and the apparatus 104. The polarizing beam splitter 105 emits a p-polarized beam parallel to the incident beam and an s-polarized beam orthogonal thereto.

図6においては、光源101からの光L1はコリメータレンズ102によって平行光とされて局在プラズモン共鳴チップ10(20)に垂直に入射する。このとき、局在プラズモン共鳴チップ10(20)の本測定領域SはX方向(縦方向)に強いプラズモン共鳴を発生させてX方向(縦方向)の光ビームつまりp偏光ビームを出射すると同時に、局在プラズモン共鳴チップ10(20)の基準測定領域RはY方向(横方向)に強いプラズモン共鳴を発生させてY方向(横方向)の光ビームつまりs偏光ビームを出射する。従って、偏光ビームスプリッタ105は局在プラズモン共鳴チップ10(20)からのp偏光ビームを平行なp偏光ビームとして測定装置104に出射すると共に、局在プラズモン共鳴チップ10(20)からのs偏光ビームを直交するs偏光ビームとして測定装置104に出射する。この結果、測定装置104はp偏光ビームの透過光スペクトルの吸光ピーク波長からs偏光ビームの透過光スペクトルの吸光ピーク波長を減算することによりシフト量を演算し、局在プラズモン共鳴チップ10(20)の媒体の屈折率(誘電率)変化を高精度に検出することができる。   In FIG. 6, the light L1 from the light source 101 is collimated by the collimator lens 102 and enters the localized plasmon resonance chip 10 (20) perpendicularly. At this time, the main measurement region S of the localized plasmon resonance chip 10 (20) generates strong plasmon resonance in the X direction (longitudinal direction) and emits a light beam in the X direction (vertical direction), that is, a p-polarized beam. The reference measurement region R of the localized plasmon resonance chip 10 (20) generates strong plasmon resonance in the Y direction (lateral direction) and emits a light beam in the Y direction (lateral direction), that is, an s-polarized beam. Accordingly, the polarization beam splitter 105 emits the p-polarized beam from the localized plasmon resonance chip 10 (20) to the measuring device 104 as a parallel p-polarized beam, and the s-polarized beam from the localized plasmon resonance chip 10 (20). Are output to the measuring device 104 as orthogonal s-polarized beams. As a result, the measuring device 104 calculates the shift amount by subtracting the absorption peak wavelength of the transmitted light spectrum of the s-polarized beam from the absorption peak wavelength of the transmitted light spectrum of the p-polarized beam, and the localized plasmon resonance chip 10 (20). The change in the refractive index (dielectric constant) of the medium can be detected with high accuracy.

このように、図6の透過型局在プラズモン共鳴センサにおいては、図1(図4)の局在プラズモン共鳴チップ10(20)を1回設定しただけで、媒体の屈折率(誘電率)変化つまり目的物質たとえば抗原を高精度に定量的に検出できる。   As described above, in the transmission type local plasmon resonance sensor of FIG. 6, the refractive index (dielectric constant) of the medium changes only by setting the local plasmon resonance chip 10 (20) of FIG. 1 (FIG. 4) once. In other words, a target substance such as an antigen can be detected quantitatively with high accuracy.

図7は図1、図4の局在プラズモン共鳴チップを用いた反射型局在プラズモン共鳴バイオセンサを示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing a reflective localized plasmon resonance biosensor using the localized plasmon resonance chip of FIGS.

図7においては、図10において、局在プラズモン共鳴チップ204の代りに、図1(図4)の局在プラズモン共鳴チップ10(20)を採用し、また、ビームスプリッタ203の代りに、局在プラズモン共鳴チップ10(20)と測定装置205との間に偏光ビームスプリッタ206を設けている。偏光ビームスプリッタ206はその入射ビームに対して平行なp偏光ビーム及び直交するs偏光ビームを出射するものである。   7, the localized plasmon resonance chip 10 (20) of FIG. 1 (FIG. 4) is adopted instead of the localized plasmon resonance chip 204 in FIG. 10, and the localization is replaced with the beam splitter 203. A polarizing beam splitter 206 is provided between the plasmon resonance chip 10 (20) and the measuring device 205. The polarization beam splitter 206 emits a p-polarized beam parallel to the incident beam and an s-polarized beam orthogonal thereto.

図7においては、光源201からの光L2はコリメータレンズ102によって平行光とされて局在プラズモン共鳴チップ10(20)に斜めに入射する。このとき、局在プラズモン共鳴チップ10(20)の本測定領域SはX方向(縦方向)に強いプラズモン共鳴を発生させてX方向(縦方向)の光ビームつまりp偏光ビームを出射すると同時に、局在プラズモン共鳴チップ10(20)の基準測定領域RはY方向(横方向)に強いプラズモン共鳴を発生させてY方向(横方向)の光ビームつまりs偏光ビームを出射する。従って、偏光ビームスプリッタ206は局在プラズモン共鳴チップ10(20)からのp偏光ビームを平行なp偏光ビームとして測定装置205に出射すると共に、局在プラズモン共鳴チップ10(20)からのs偏光ビームを直交するs偏光ビームとして測定装置205に出射する。この結果、測定装置205はp偏光ビームの反射光スペクトルの反射ディップ波長からs偏光ビームの反射光スペクトルの反射ディップ波長を減算することによりシフト量を演算し、局在プラズモン共鳴チップ10(20)の媒体の屈折率(誘電率)変化を高精度に検出することができる。   In FIG. 7, the light L2 from the light source 201 is collimated by the collimator lens 102 and is incident on the localized plasmon resonance chip 10 (20) obliquely. At this time, the main measurement region S of the localized plasmon resonance chip 10 (20) generates strong plasmon resonance in the X direction (longitudinal direction) and emits a light beam in the X direction (vertical direction), that is, a p-polarized beam. The reference measurement region R of the localized plasmon resonance chip 10 (20) generates strong plasmon resonance in the Y direction (lateral direction) and emits a light beam in the Y direction (lateral direction), that is, an s-polarized beam. Therefore, the polarization beam splitter 206 emits the p-polarized beam from the localized plasmon resonance chip 10 (20) to the measuring device 205 as a parallel p-polarized beam, and the s-polarized beam from the localized plasmon resonance chip 10 (20). Are output to the measuring device 205 as orthogonal s-polarized beams. As a result, the measuring device 205 calculates the shift amount by subtracting the reflection dip wavelength of the reflected light spectrum of the s-polarized beam from the reflection dip wavelength of the reflected light spectrum of the p-polarized beam, and the localized plasmon resonance chip 10 (20). The change in the refractive index (dielectric constant) of the medium can be detected with high accuracy.

このように、図7の反射型局在プラズモン共鳴センサにおいても、図1(図4)の局在プラズモン共鳴チップ10(20)を1回設定しただけで、媒体の屈折率(誘電率)変化つまり目的物質たとえば抗原を高精度に定量的に検出できる。   As described above, also in the reflection type localized plasmon resonance sensor of FIG. 7, the refractive index (dielectric constant) of the medium changes only by setting the localized plasmon resonance chip 10 (20) of FIG. 1 (FIG. 4) once. In other words, a target substance such as an antigen can be detected quantitatively with high accuracy.

尚、上述の実施の形態におけるX方向とY方向とは必ずしも直交している必要はなく、X方向とY方向とは本測定領域Sからの偏光と基準測定領域Rからの偏光とが区別できる程度の角度で交差すればよい。   Note that the X direction and the Y direction in the above-described embodiment are not necessarily orthogonal to each other, and the X direction and the Y direction can distinguish the polarization from the main measurement region S and the polarization from the reference measurement region R. It only has to intersect at an angle of about.

上述の局在プラズモン共鳴チップは、リソグラフィ技術、電子線照射技術、ナノインプリント技術等で製造される外、ポーラスアルミナのセルフアライメント機能(参照:非特許文献1等)によっても製造できる。   The above-mentioned localized plasmon resonance chip can be manufactured not only by a lithography technique, an electron beam irradiation technique, a nanoimprint technique, etc., but also by a self-alignment function of porous alumina (refer to Non-Patent Document 1, etc.).

尚、本発明におけるナノメートルオーダは、薄膜層の場合、厚さ10nm〜100nmを意味し、粒子の場合、球径、ロッドの長辺の長さもしくは三角の高さの長さ10nm〜200nmを意味する。   The nanometer order in the present invention means a thickness of 10 nm to 100 nm in the case of a thin film layer, and in the case of particles, a sphere diameter, a length of a long side of a rod or a length of a triangle of 10 nm to 200 nm. means.

尚、本発明は上述の第1、第2の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更も適用し得る。   It should be noted that the present invention can be applied to any modifications within the obvious range of the first and second embodiments described above.

本発明に係る局在プラズモン共鳴チップを有する局在プラズモン共鳴バイオセンサは上述の医療診断、健康診断、食品検査等以外にセキュリティ(爆薬、麻薬)にも利用できる。また、抗原抗体反応における目的物質である抗原の定量以外に、DNA等の選択的結合における特定物質の定量に利用できる。   The localized plasmon resonance biosensor having the localized plasmon resonance chip according to the present invention can be used for security (explosives, narcotics) in addition to the above-described medical diagnosis, health check, food inspection, and the like. Further, in addition to the quantification of the target substance in the antigen-antibody reaction, it can be used for quantification of a specific substance in selective binding of DNA or the like.

1:基板
1a:凹部
2:Auナノ薄膜層
3:誘電体ナノ粒子層
3’:Auナノ粒子層
4、4’:Auナノ薄膜層
10、20:局在プラズモン共鳴チップ
S:本測定領域
R:基準測定領域
GS;GR:非平板状金(Au)層
101:光源
102:コリメータレンズ
103:局在プラズモン共鳴チップ
103a:表面プラズモン共鳴部
104:測定装置
105:偏光ビームスプリッタ
201:光源
202:コリメータレンズ
203:ビームスプリッタ
204:局在プラズモン共鳴チップ
204a:表面プラズモン共鳴部
205:測定装置
206:偏光ビームスプリッタ
S0:光源スペクトル
S1: 吸光スペクトル
S2:反射光スペクトル
L1、L2:光
1: Substrate 1a: Recess 2: Au nano thin film layer 3: Dielectric nano particle layer 3 ′: Au nano particle layer 4, 4 ′: Au nano thin film layer 10, 20: Localized plasmon resonance chip
S: Main measurement area
R: Reference measurement area
GS; GR: non-planar gold (Au) layer 101: light source 102: collimator lens 103: localized plasmon resonance chip 103a: surface plasmon resonance unit 104: measuring device 105: polarization beam splitter 201: light source 202: collimator lens 203: Beam splitter 204: Localized plasmon resonance chip 204a: Surface plasmon resonance unit 205: Measuring device 206: Polarizing beam splitter
S0: Light source spectrum
S1: Absorption spectrum
S2: Reflected light spectrum
L1, L2: Light

Claims (10)

本測定領域と基準測定領域とに分割された基板と、
該基板の前記本測定領域上に形成され、第1の方向に強いプラズモン共鳴を発生させるためのナノメートルオーダの第1の非平板状金属層と、
該第1の非平板状金属層上に形成されたセンサ物質層と、
前記基板の前記基準測定領域上に形成され、第1の方向と異なる第2の方向に強いプラズモン共鳴を発生させるためのナノメートルオーダの第2の非平板状金属層と、
該第2の非平板状金属層上に設けられ、前記センサ物質層の誘電率を補償するためのマスキング層と
を具備する局在プラズモン共鳴チップ。
A substrate divided into a main measurement area and a reference measurement area;
A first non-planar metal layer on the order of nanometers formed on the main measurement region of the substrate for generating strong plasmon resonance in a first direction;
A sensor material layer formed on the first non-planar metal layer;
A second non-planar metal layer on the order of nanometers formed on the reference measurement region of the substrate for generating strong plasmon resonance in a second direction different from the first direction;
A localized plasmon resonance chip comprising: a masking layer provided on the second non-planar metal layer for compensating the dielectric constant of the sensor material layer.
前記本測定領域と前記基準測定領域とは交互に配置された請求項1に記載の局在プラズモン共鳴チップ。   The localized plasmon resonance chip according to claim 1, wherein the main measurement region and the reference measurement region are alternately arranged. 前記第1、第2の非平板状金属層は金属薄膜層を具備し、
さらに、前記基板と前記金属薄膜層との間に配置されたナノメートルオーダの誘電体粒子層を具備し、
前記本測定領域の前記誘電体粒子層の各粒子は前記第1の方向に沿って近接して配置され、
前記基準測定領域の前記誘電体粒子層の各粒子は前記第2の方向に沿って近接して配置された請求項1もしくは2に記載の局在プラズモン共鳴チップ。
The first and second non-planar metal layers include a metal thin film layer,
Furthermore, comprising a dielectric particle layer of nanometer order disposed between the substrate and the metal thin film layer,
Each particle of the dielectric particle layer in the main measurement region is disposed close to the first direction,
3. The localized plasmon resonance chip according to claim 1, wherein each particle of the dielectric particle layer in the reference measurement region is disposed adjacently along the second direction.
さらに、前記基板と前記誘電体粒子層との間に配置されたナノメートルオーダの平板状金属薄膜層を具備する請求項3に記載の局在プラズモン共鳴チップ。   The localized plasmon resonance chip according to claim 3, further comprising a nanometer-order flat metal thin film layer disposed between the substrate and the dielectric particle layer. 前記第1、第2の非平板状金属層はナノメートルオーダの金属粒子層であり、
前記本測定領域の前記金属粒子層の各粒子は前記第1の方向に沿って近接して配置され、
前記基準測定領域の前記金属粒子層の各粒子は前記第2の方向に沿って近接して配置された請求項1もしくは2に記載の局在プラズモン共鳴チップ。
The first and second non-planar metal layers are nanometer-order metal particle layers;
Each particle of the metal particle layer in the main measurement region is disposed close to the first direction,
3. The localized plasmon resonance chip according to claim 1, wherein each particle of the metal particle layer in the reference measurement region is disposed adjacently along the second direction.
さらに、前記基板と前記金属粒子層との間に配置されたナノメートルオーダの平板状金属薄膜層を具備する請求項5に記載の局在プラズモン共鳴チップ。   The localized plasmon resonance chip according to claim 5, further comprising a nanometer-order flat metal thin film layer disposed between the substrate and the metal particle layer. 前記基板には深さ数10〜数100nmで凹部が形成され、
前記第1、第2の非平板状金属層は該基板の前記凹部の側壁に形成された金属薄膜層を具備し、
前記本測定領域の前記基板の前記凹部は前記第1の方向に沿って近接して配置され、
前記基準測定領域の前記基板の前記凹部は前記第2の方向に沿って近接して配置された請求項1もしくは2に記載の局在プラズモン共鳴チップ。
A recess is formed in the substrate at a depth of several tens to several hundreds of nanometers,
The first and second non-planar metal layers comprise a metal thin film layer formed on the side wall of the recess of the substrate,
The recesses of the substrate in the main measurement region are arranged close to each other along the first direction;
3. The localized plasmon resonance chip according to claim 1, wherein the concave portion of the substrate in the reference measurement region is disposed adjacently along the second direction.
前記金属薄膜層はさらに前記基板の前記凹部の底部に形成された請求項8に記載の局在プラズモン共鳴チップ。   The localized plasmon resonance chip according to claim 8, wherein the metal thin film layer is further formed at a bottom of the concave portion of the substrate. 光源と、
該光源からの光を受けるための請求項1〜8のいずれかに記載の局在プラズモン共鳴チップと、
該局在プラズモン共鳴チップを透過した第1の方向の偏光及び該第1の方向と異なる第2の方向の偏光を分けるための偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタからの前記第1の方向の偏光の吸光スペクトルの吸光ピーク波長と前記第2の方向の偏光の吸光スペクトルの吸光ピーク波長とのシフト量により前記局在プラズモン共鳴チップの目的物質を定量的に測定する測定装置と
を具備する透過型局在プラズモン共鳴センサ。
A light source;
The localized plasmon resonance chip according to claim 1 for receiving light from the light source;
A polarization beam splitter for separating polarized light in a first direction transmitted through the localized plasmon resonance chip and polarized light in a second direction different from the first direction;
The target substance of the localized plasmon resonance chip is determined by the shift amount between the absorption peak wavelength of the absorption spectrum of the polarized light in the first direction and the absorption peak wavelength of the polarized light spectrum in the second direction from the polarizing beam splitter. A transmission type local plasmon resonance sensor comprising: a measurement device for quantitative measurement.
光源と、
該光源からの光を受けるための請求項1〜8のいずれかに記載の局在プラズモン共鳴チップと、
該局在プラズモン共鳴チップを反射した第1の方向の偏光及び該第1の方向と異なる第2の方向の偏光を分けるための偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタからの前記第1の方向の偏光の反射光スペクトルの反射ディップ波長と前記第2の方向の偏光の反射光スペクトルの反射ディップ波長とのシフト量により前記局在プラズモン共鳴チップの媒体の目的物質を定量的に検出する測定装置とを具備する反射型局在プラズモン共鳴センサ。

A light source;
The localized plasmon resonance chip according to claim 1 for receiving light from the light source;
A polarization beam splitter for separating polarized light in a first direction reflected from the localized plasmon resonance chip and polarized light in a second direction different from the first direction;
The medium of the localized plasmon resonance chip according to the shift amount of the reflected dip wavelength of the reflected light spectrum of the polarized light in the first direction from the polarized beam splitter and the reflected dip wavelength of the reflected light spectrum of the polarized light in the second direction. A reflection type local plasmon resonance sensor comprising a measuring device for quantitatively detecting a target substance.

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