JP3999292B2

JP3999292B2 - Surface plasmon sensor

Info

Publication number: JP3999292B2
Application number: JP23386696A
Authority: JP
Inventors: 昌之納谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2016-09-04
Also published as: JPH1078393A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモンの発生を利用して試料中の物質を定量分析する表面プラズモンセンサーに関し、特に詳細には、電気泳動により分離された物質を分析する表面プラズモンセンサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属中においては、自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。
【０００３】
従来より、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料中の物質を定量分析する表面プラズモンセンサーが種々提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。
【０００４】
上記の系を用いる表面プラズモンセンサーは基本的に、プリズムと、このプリズムの一面に形成されて試料に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームをプリズムに通し、該プリズムと金属膜との界面に対して種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、上記の界面で全反射した光ビームの強度を種々の入射角毎に検出可能な光検出手段とを備えてなるものである。
【０００５】
なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを偏向させて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面で集束するように入射させてもよい。前者の場合は、光ビームの偏向にともなって出射角が変化する光ビームを、光ビームの偏向に同期移動する小さな光検出器によって検出したり、出射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の出射角で出射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサによって検出することができる。
【０００６】
上記構成の表面プラズモンセンサーにおいて、Ｐ偏光（センサー面に垂直な偏光成分）の光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角θ_SPで入射させると、該金属膜に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立すると、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、プリズムと金属膜との界面で全反射する光の強度が鋭く低下する。
【０００７】
この現象が生じる入射角θ_SPより表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫ_SP、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、ε_mとε_sをそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【０００８】
【数１】

【０００９】
試料の誘電率ε_sが分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上記反射光強度が低下する入射角（全反射解消角）θ_SPを知ることにより、試料中の特定物質を定量分析することができる。
【００１０】
他方、試料中の分析対象物質を分離検出するための装置として、従来より、電気泳動装置が知られている。この電気泳動装置は、ゲルシート等の電気泳動媒体に試料を含ませ、該電気泳動媒体の両端間に電圧を印加することにより、試料に含まれる分析対象物質を電気泳動させて、複数の分析対象物質を電気泳動速度の違いにより電気泳動媒体上で分離させるものである。
【００１１】
このようにして分離される分析対象物質は、予め放射性同位元素や色素によって標識しておくことにより、放射線フィルムに放射線露光して検出したり、あるいは直接観察することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のように分析対象物質を放射性同位元素によって標識する場合は、放射性同位元素の人体への影響が大きいことから、その取扱いが難しいという問題が認められている。一方、分析対象物質を色素によって標識する場合は、染色に長時間を要するという問題が認められている。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、分析対象物質を放射性同位元素や色素等によって標識しなくても、電気泳動媒体上で分離された分析対象物質を分析することができるセンサーを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によるセンサーは、先に説明した表面プラズモンセンサーを、電気泳動媒体上で分離された分析対象物質を検出できるように構成したものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明による表面プラズモンセンサーは、請求項１に記載の通り、プリズムと、このプリズムの一面に形成された金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームをプリズムに通し、該プリズムと金属膜との界面に入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を検出する光検出手段とを備えてなる表面プラズモンセンサーにおいて、一表面と平行な方向を泳動方向とする電気泳動により分離された分析対象物質を含んで、前記一表面側から前記金属膜の上に載置された電気泳動媒体を間に挟んで、該金属膜に対面するように配置された電極と、この電極と上記金属膜との間に直流電圧を印加して、上記分析対象物質を該金属膜に転写させる手段と、上記光ビームを電気泳動媒体の泳動方向に走査させる手段とが設けられたことを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の表面プラズモンセンサーは、間に試料液を挟んだ金属膜と電極との間に直流電圧が印加される構成となっているので、電気泳動媒体中で電荷を持っている分析対象物質を金属膜に引き付け、転写することができる。なお電圧印加の極性は、分析対象物質が陽イオンであるか陰イオンであるか等に応じて選択しておけばよい。
【００１８】
このようにして分析対象物質が金属膜に転写されれば、先に説明した表面プラズモンセンサーの分析の仕組みをそのまま利用して、全反射解消角θ_SPに基づいて、電気泳動媒体中の特定物質を定量分析することができる。
【００１９】
その上さらに、本発明による表面プラズモンセンサーは、光ビームが電気泳動媒体の泳動方向に走査可能となっているので、電気泳動媒体上で分離された分析対象物質の分布状態も検出することができる。
【００２０】
以上説明の通り本発明の表面プラズモンセンサーは、分析対象物質を放射性同位元素や色素によって標識することなく、電気泳動媒体上で分離された分析対象物質を検出することができるので、標識に要する手間および時間を省いて、分析作業の簡素化、高速化を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態である表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものであり、また図２はその分解斜視図である。図示されるようにこの表面プラズモンセンサーは、断面三角形のプリズム10と、このプリズム10の一面（図中の上面）に形成されて、電気泳動媒体11に接触させられる例えば金、銀等からなる金属膜12と、１本の光ビーム13を発生させる半導体レーザー等からなる光源14と、この光源14から出射した光ビーム13をプリズム10と金属膜12との界面10ａで収束させる集光レンズ15と、上記界面10ａで全反射した光ビーム13の強度を検出する光検出手段16とを備えている。
【００２２】
上記光源14および集光レンズ15は、図示しない駆動手段により、ガイドロッド17に沿ってプリズム10の長軸方向（Ｘ方向）に定速で移動可能となっている。また光検出手段16も、ガイドロッド18に沿ってＸ方向に移動可能とされている。そして光源14および集光レンズ15が上述のように移動すると、図示しない連結手段によりそれらと連結されている光検出手段16も等速で移動する。
【００２３】
電気泳動媒体11は、図示外の電気泳動装置において電気泳動に用いられたものであり、それにより該電気泳動媒体11においては、何種類かの分析対象物質30が電気泳動の方向（図２の左右方向）に分離されている。この電気泳動媒体11は、電気泳動の方向がプリズム10の長軸方向（Ｘ方向）と一致する向きにして、金属膜12の上に載置される。
【００２４】
その後電気泳動媒体11の上には、電極19が配設される。それにより電気泳動媒体11は、この電極19と金属膜12との間に挟まれた状態となる。そしてこれらの金属膜12と電極19にはそれぞれ、直流電源20の正極、負極が接続される。
【００２５】
試料分析に際しては、直流電源20により、金属膜12と電極19との間に直流電圧が印加される。そして、集光レンズ15の作用で上述のように収束する光ビーム13（Ｐ偏光）が、金属膜12に向けて照射される。この金属膜12とプリズム10との界面10ａで全反射した光ビーム13は、光検出手段16によって検出される。
【００２６】
上記の電圧印加がなされると、図３に示すように、電気泳動媒体11中で負の電荷を持っている分析対象物質30が金属膜12に引き付けられ、そこに転写される。そこで、この金属膜12とプリズム10との界面10ａで全反射した光ビーム13の強度を光検出手段16で測定することにより、分析対象物質30を検出、分析することができる。
【００２７】
本実施形態では具体的に、以下のようにして分析がなされる。光ビーム13の界面10ａに対する入射角θと、光検出手段16が出力する光検出信号Ｓの強度（全反射した光ビーム13の強度）との関係は、概ね図４に示すようなものとなる。つまり、ある特定の入射角θ_SPで入射した光ビーム13は、金属膜12と電気泳動媒体11との界面に表面プラズモンを励起させるので、このときは反射光強度が鋭く低下する。この入射角（全反射解消角）θ_SPが分かれば、それに基づいて電気泳動媒体11中の物質30を定量分析することができるが、本例ではこの全反射解消角θ_SPを間接的に求めるようにしている。
【００２８】
すなわちここでは、光ビーム13の入射角θが、上記全反射解消角θ_SPよりも小さい一定の角度θ_Sに設定されている。そして入射角がθ_Sであるときの光検出信号Ｓの強度Ｉ_Sは、全反射解消角θ_SPの値に応じて変化するから、この信号強度Ｉ_Sに基づいて全反射解消角θ_SPを知り、電気泳動媒体11中の物質30を定量分析することができる。
【００２９】
また本実施形態では、光源14および集光レンズ15と光検出手段16とをＸ方向に移動させることにより、光ビーム13を電気泳動媒体11の泳動方向に走査させることができる。この走査を行ない、その際に光検出手段16から連続的に出力される光検出信号Ｓを用いれば、電気泳動媒体11上で泳動方向に分離している分析対象物質30の分布状態も知ることができる。
【００３０】
なお光ビーム13を走査させるためには、上述のようにする他、光源14、集光レンズ15および光検出手段16は固定しておいて、プリズム10側を移動させるようにしてもよい。さらには図５に示す第２実施形態のように、ガルバノミラー等の光偏向器31に加えて、レンズ32と、光ビーム13を紙面に交わる面内のみで収束させるシリンドリカルレンズ33と、レンズ34とで構成される走査光学系を設けて、光ビーム13を偏向走査するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である表面プラズモンセンサーの側面図
【図２】上記表面プラズモンセンサーの分解斜視図
【図３】上記表面プラズモンセンサーにおける分析対象物質の移動を説明する概略図
【図４】表面プラズモンセンサーにおける、プリズムへの光ビーム入射角と全反射光強度との概略関係を示すグラフ
【図５】本発明の第２の実施形態における走査光学系を示す平面図
【符号の説明】
10 プリズム
10ａプリズムと金属膜との界面
11 電気泳動媒体
12 金属膜
13 光ビーム
14 光源
15 集光レンズ
16 光検出手段
17、18 ガイドロッド
19 電極
20 直流電源
30 分析対象物質
31 光偏向器
32、34 レンズ
33 シリンドリカルレンズ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface plasmon sensor that quantitatively analyzes a substance in a sample using generation of surface plasmons, and more particularly to a surface plasmon sensor that analyzes a substance separated by electrophoresis.
[0002]
[Prior art]
In the metal, free electrons collectively vibrate to generate a dense wave called a plasma wave. A quantized version of this dense wave generated on the metal surface is called surface plasmon.
[0003]
Conventionally, various surface plasmon sensors that quantitatively analyze a substance in a sample using a phenomenon in which the surface plasmon is excited by a light wave have been proposed. Among them, one that uses a system called a Kretschmann arrangement is particularly well known (see, for example, JP-A-6-167443).
[0004]
A surface plasmon sensor using the above system basically includes a prism, a metal film formed on one surface of the prism and brought into contact with a sample, a light source for generating a light beam, and passing the light beam through the prism. An optical system for making the incident angle so that various incident angles can be obtained with respect to the interface between the prism and the metal film; and a light detecting means capable of detecting the intensity of the light beam totally reflected at the above-mentioned interface at each incident angle. Is provided.
[0005]
In order to obtain various incident angles as described above, a relatively thin light beam may be deflected and incident on the interface, or a component that is incident on the light beam at various angles may be included. A relatively thick light beam may be incident so as to be focused at the interface. In the former case, a light beam whose emission angle changes with the deflection of the light beam is detected by a small photodetector that moves synchronously with the deflection of the light beam, or by an area sensor that extends along the direction of change of the emission angle. Can be detected. On the other hand, in the latter case, it can be detected by an area sensor extending in a direction in which each light beam emitted at various emission angles can be received.
[0006]
In the surface plasmon sensor having the above configuration, when a light beam of P-polarized light (polarized component perpendicular to the sensor surface) is incident on the metal film at a specific incident angle θ _SP that is equal to or greater than the total reflection angle, the surface plasmon sensor contacts the metal film. An evanescent wave having an electric field distribution is generated in the sample, and surface plasmons are excited at the interface between the metal film and the sample by the evanescent wave. When the wave number vector of the evanescent light is equal to the wave number of the surface plasmon and the wave number matching is established, both are in a resonance state, and the light energy is transferred to the surface plasmon. Decreases sharply.
[0007]
If the wave number of the surface plasmon is known from the incident angle θ _{SP at} which this phenomenon occurs, the dielectric constant of the sample can be obtained. That is, when the wave number of surface plasmon is K _SP , the angular frequency of surface plasmon is ω, c is the speed of light in vacuum, ε _m and ε _s are metal, and the dielectric constant of the sample is as follows.
[0008]
[Expression 1]

[0009]
If the dielectric constant ε _s of the sample is known, the concentration of a specific substance in the sample can be known based on a predetermined calibration curve or the like, so that the incident angle (total reflection elimination angle) θ _{SP at} which the reflected light intensity decreases is known. Thus, the specific substance in the sample can be quantitatively analyzed.
[0010]
On the other hand, an electrophoresis apparatus is conventionally known as an apparatus for separating and detecting a substance to be analyzed in a sample. This electrophoresis apparatus includes a sample in an electrophoresis medium such as a gel sheet, and applies a voltage between both ends of the electrophoresis medium to cause electrophoresis of an analysis target substance contained in the sample, so that a plurality of analysis objects can be electrophoresed. Substances are separated on the electrophoresis medium by the difference in electrophoresis speed.
[0011]
The substance to be analyzed separated in this way can be detected by direct exposure to a radiation film by direct labeling with a radioisotope or a dye, or can be directly observed.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the analysis target substance is labeled with a radioisotope as described above, there is a problem that it is difficult to handle the radioisotope because it has a great influence on the human body. On the other hand, in the case where the analysis target substance is labeled with a dye, there is a problem that it takes a long time for staining.
[0013]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a sensor capable of analyzing an analysis target substance separated on an electrophoresis medium without labeling the analysis target substance with a radioisotope or a dye. The purpose is to provide.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The sensor according to the present invention is configured such that the above-described surface plasmon sensor can detect a substance to be analyzed separated on an electrophoresis medium.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
That is, the surface plasmon sensor according to the present invention is, as described in claim 1, a prism, a metal film formed on one surface of the prism, a light source that generates a light beam, and the light beam passing through the prism, In a surface plasmon sensor comprising an optical system incident on an interface between a prism and a metal film, and a light detection means for detecting the intensity of a light beam totally reflected at the interface, a direction parallel to one surface is defined as a migration direction. Electrodes that are separated by electrophoresis and that are arranged so as to face the metal film with an electrophoresis medium placed on the metal film sandwiched from the one surface side If, by applying a DC voltage between the electrode and the metal film, the analyte and means to transfer to the metal layer, and means for scanning the light beam in the direction of electrophoresis in the electrophoresis medium It is characterized in that provided.
[0017]
【The invention's effect】
Since the surface plasmon sensor of the present invention is configured such that a direct current voltage is applied between the electrode and the metal film with the sample solution sandwiched therebetween, the substance to be analyzed having an electric charge in the electrophoresis medium can be obtained. It can be attracted and transferred to a metal film. The polarity of voltage application may be selected according to whether the substance to be analyzed is a cation or an anion.
[0018]
When the analysis target substance is transferred to the metal film in this way, the specific substance in the electrophoresis medium is determined based on the total reflection elimination angle θ _SP using the surface plasmon sensor analysis mechanism described above as it is. Can be quantitatively analyzed.
[0019]
Still further, the front surface plasmon sensor that by the present invention, since the light beam is enabled scanning in the direction of electrophoresis of the electrophoretic medium, also detects the distribution of analyte separated on an electrophoretic medium be able to.
[0020]
As described above, the surface plasmon sensor of the present invention can detect an analyte to be separated on an electrophoresis medium without labeling the analyte with a radioisotope or a dye, so that labor required for labeling is eliminated. This saves time and simplifies and speeds up analysis work.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a side shape of a surface plasmon sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view thereof. As shown in the figure, this surface plasmon sensor is formed of a prism 10 having a triangular cross section and a metal made of, for example, gold, silver or the like, which is formed on one surface (upper surface in the drawing) of the prism 10 and brought into contact with the electrophoresis medium 11. A film 12, a light source 14 composed of a semiconductor laser or the like that generates one light beam 13, and a condensing lens 15 that converges the light beam 13 emitted from the light source 14 at an interface 10a between the prism 10 and the metal film 12. And a light detecting means 16 for detecting the intensity of the light beam 13 totally reflected by the interface 10a.
[0022]
The light source 14 and the condenser lens 15 can be moved at a constant speed in the major axis direction (X direction) of the prism 10 along the guide rod 17 by a driving means (not shown). The light detection means 16 is also movable in the X direction along the guide rod 18. When the light source 14 and the condensing lens 15 move as described above, the light detection means 16 connected to them by a connection means (not shown) also moves at a constant speed.
[0023]
The electrophoretic medium 11 is used for electrophoresis in an electrophoretic apparatus (not shown). As a result, in the electrophoretic medium 11, several types of analytes 30 are moved in the direction of electrophoresis (see FIG. 2). Left and right direction). The electrophoresis medium 11 is placed on the metal film 12 with the direction of electrophoresis coinciding with the major axis direction (X direction) of the prism 10.
[0024]
Thereafter, an electrode 19 is disposed on the electrophoresis medium 11. As a result, the electrophoresis medium 11 is sandwiched between the electrode 19 and the metal film 12. These metal film 12 and electrode 19 are connected to the positive electrode and the negative electrode of DC power supply 20, respectively.
[0025]
In sample analysis, a DC voltage is applied between the metal film 12 and the electrode 19 by the DC power source 20. Then, the light beam 13 (P-polarized light) converged as described above by the action of the condenser lens 15 is irradiated toward the metal film 12. The light beam 13 totally reflected at the interface 10 a between the metal film 12 and the prism 10 is detected by the light detection means 16.
[0026]
When the voltage is applied, as shown in FIG. 3, the analyte 30 having a negative charge in the electrophoresis medium 11 is attracted to the metal film 12 and transferred thereto. Therefore, by measuring the intensity of the light beam 13 totally reflected at the interface 10a between the metal film 12 and the prism 10 by the light detection means 16, the analysis target substance 30 can be detected and analyzed.
[0027]
Specifically, in this embodiment, analysis is performed as follows. The relationship between the incident angle θ of the light beam 13 with respect to the interface 10a and the intensity of the light detection signal S output from the light detection means 16 (the intensity of the totally reflected light beam 13) is as shown in FIG. . That is, the light beam 13 incident at a specific incident angle θ _SP excites surface plasmons at the interface between the metal film 12 and the electrophoretic medium 11, and at this time, the reflected light intensity sharply decreases. If the incident angle (total reflection elimination angle) θ _SP is known, the substance 30 in the electrophoretic medium 11 can be quantitatively analyzed based on the incident angle (total reflection elimination angle) θ _SP . In this example, the total reflection elimination angle θ _SP is obtained indirectly. I am doing so.
[0028]
That is, here, the incident angle θ of the light beam 13 is set to a constant angle θ _S smaller than the total reflection elimination angle θ _SP . The intensity I _S of the light detection signal S when the incident angle is theta _S, since changes in accordance with the value of total reflection eliminated angle theta _SP, the total reflection eliminate angle theta _SP on the basis of the signal intensity I _S Knowing, the substance 30 in the electrophoresis medium 11 can be quantitatively analyzed.
[0029]
Further, in this embodiment, the light beam 13 can be scanned in the migration direction of the electrophoresis medium 11 by moving the light source 14, the condenser lens 15, and the light detection means 16 in the X direction. By performing this scanning and using the light detection signal S continuously output from the light detection means 16 at that time, the distribution state of the analysis target substance 30 separated in the migration direction on the electrophoresis medium 11 can also be known. Can do.
[0030]
In order to scan the light beam 13, in addition to the above, the light source 14, the condenser lens 15, and the light detection means 16 may be fixed and the prism 10 side may be moved. Further, as in the second embodiment shown in FIG. 5, in addition to the optical deflector 31 such as a galvanometer mirror, a lens 32, a cylindrical lens 33 for converging the light beam 13 only in a plane intersecting the paper surface, and a lens 34 The optical beam 13 may be provided to perform deflection scanning.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a surface plasmon sensor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an exploded perspective view of the surface plasmon sensor. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating movement of an analysis target substance in the surface plasmon sensor. FIG. 4 is a graph showing a schematic relationship between a light beam incident angle to a prism and total reflected light intensity in a surface plasmon sensor. FIG. 5 is a plan view showing a scanning optical system in a second embodiment of the invention. Explanation of symbols]
10 Prism
10a Interface between prism and metal film
11 Electrophoresis media
12 Metal film
13 Light beam
14 Light source
15 Condensing lens
16 Light detection means
17, 18 Guide rod
19 electrodes
20 DC power supply
30 Substances to be analyzed
31 Optical deflector
32, 34 lenses
33 Cylindrical lens

Claims

Prism,
A metal film formed on one surface of the prism;
A light source that generates a light beam;
An optical system for passing the light beam through the prism and entering the interface between the prism and the metal film;
Light detecting means for detecting the intensity of the light beam totally reflected at the interface;
An analysis target substance separated by electrophoresis having a direction parallel to one surface as a migration direction, and an electrophoretic medium placed on the metal film from the one surface side, sandwiched between the metal Electrodes arranged to face the membrane;
Means for applying a DC voltage between the electrode and the metal film to transfer the substance to be analyzed to the metal film ;
A surface plasmon sensor comprising: a means for scanning the light beam in a migration direction of the electrophoresis medium.