JP4156567B2 - SPR sensor and refractive index measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、医療診断や環境分析、菌・ウィルス検査、創薬スクリーニングを行うセンサーにおいて、抗原抗体反応を用いる抗原やホルモンを検出するセンサー、またはDNAの配列を識別するセンサー、および酵素と基質の結合を利用し、対象分子の濃度を測定する表面プラズモン共鳴(SPR)センサー及びそのSPRセンサーを使用した屈折率測定方法に関する。 The present invention relates to a sensor for performing medical diagnosis, environmental analysis, bacteria / virus testing, drug discovery screening, a sensor for detecting an antigen or hormone using an antigen-antibody reaction, a sensor for identifying a DNA sequence, and an enzyme and a substrate. The present invention relates to a surface plasmon resonance (SPR) sensor that measures the concentration of a target molecule using binding, and a refractive index measurement method using the SPR sensor.
(免疫測定法)
抗体の抗原分子認識機能を使った免疫測定法は、複雑な生体分子を分離操作することなく検出できるため臨床検査、環境汚染物質の測定、生化学分野での測定で広く使われている。比較的感度の低い測定では、簡便な測定法が開発され、例えば、個人で行なうことのできる妊娠検査などに使われている。
(Immunoassay)
Immunoassays that use the antigen molecule recognition function of antibodies are widely used in clinical tests, environmental pollutant measurements, and biochemical measurements because complex biomolecules can be detected without separation. For measurements with relatively low sensitivity, simple measurement methods have been developed and used, for example, for pregnancy tests that can be performed by individuals.
また、特に低濃度の抗原が測定できることから、高感度測定が必要なインシュリン、BNP(Brain Neutrius Peptide)、カテコールアミン、サイトカインなどの疾病マーカ、環境ホルモン、ウィルス・病原菌の測定に利用される。測定対象の分子に対する特異的抗体は安価に人工的に産生することができるので、多くの天然分子や、環境ホルモンなど生体に影響のある非天然分子を測定できる対象分子の広い測定法である。 In addition, since a low concentration of antigen can be measured, it is used for measurement of insulin, BNP (Brain Neutral Peptide), catecholamine, cytokine and other disease markers, environmental hormones, viruses and pathogens that require high sensitivity measurement. Since a specific antibody against a molecule to be measured can be artificially produced at low cost, it is a wide measurement method for target molecules that can measure many natural molecules and non-natural molecules that affect the living body such as environmental hormones.
抗体と抗原の結合が極めて特異的で結合定数も大きいことから、測定対象が低濃度である場合にも抗体は抗原に高い割合で結合し、より高い濃度で存在する夾雑分子の影響を受けにくい。このような特徴から、免疫測定法は液体クロマトグラフィーなどの分離操作を必要としない、特定の分子を高感度に測定する方法である。 Because the binding between the antibody and antigen is very specific and the binding constant is large, the antibody binds to the antigen at a high rate even when the measurement target is at a low concentration, and is not easily affected by contaminant molecules present at a higher concentration. . Due to these characteristics, the immunoassay is a method for measuring a specific molecule with high sensitivity without requiring a separation operation such as liquid chromatography.
(ラベル化誘起蛍光法)
抗原抗体反応を使って特定の分子を高感度に測定する場合には、蛍光分子で抗原分子を標識し、基板に固定化した抗体と反応させ、洗浄後、誘起蛍光法で抗体と結合した抗原分子を検出する方法が一般的である。このような特異的結合を利用する生体分子の測定法としては、抗原抗体反応のほかに、相補する配列を持つDNA、酵素と基質、レセプター分子とリガンド分子があり、結合する組み合わせも、1対1だけではなく多数の分子の複合体を形成する場合もあり、免疫測定法と同様に、蛍光分子によるラベル化と誘起蛍光法で測定されている。
(Labeling induced fluorescence method)
When measuring a specific molecule with high sensitivity using the antigen-antibody reaction, the antigen molecule is labeled with a fluorescent molecule, reacted with the antibody immobilized on the substrate, washed, and then the antigen bound to the antibody by induced fluorescence A method for detecting molecules is common. As a method for measuring biomolecules utilizing such specific binding, in addition to the antigen-antibody reaction, there are DNA having a complementary sequence, enzyme and substrate, receptor molecule and ligand molecule. In some cases, a complex of not only one but also a large number of molecules may be formed, and it is measured by labeling with a fluorescent molecule and induced fluorescence as in the immunoassay.
高感度を測るためには、酵素免疫測定法(EIA)、Enzyme Linked Immunosorbentassay(ELISA法)があるが、結合反応を検出する方法では、誘起蛍光法が一般的である。ラベル化試薬を用いる場合は、煩雑なラベル化操作が必要である(非特許文献1)。 In order to measure high sensitivity, there are enzyme immunoassay (EIA) and Enzyme Linked Immunosorbent assay (ELISA), but induced fluorescence is a common method for detecting the binding reaction. When a labeling reagent is used, a complicated labeling operation is required (Non-Patent Document 1).
(SPR法)
そこで、ラベル化試薬を用いずに特異的反応を検出する方法が開発されている。この中で、表面プラズモン共鳴(SPR)を使った屈折率の測定から特異的結合を検出する方法は実用化され、広く使われている(非特許文献2)。
(SPR method)
Therefore, a method for detecting a specific reaction without using a labeling reagent has been developed. Among them, a method of detecting specific binding from refractive index measurement using surface plasmon resonance (SPR) has been put into practical use and widely used (Non-patent Document 2).
SPR法を利用する測定法では抗原または抗体を金薄膜に固定し、これと被測定分子が特異結合すると、金属薄膜表面の屈折率が大きくなるのを利用して検出する。SPR法では、金や銀などの基板表面から数百nmの範囲の屈折率変化を選択的に検出するので、金属薄膜表面に数百nm分子認識膜があると、その薄膜の屈折率を選択的に測定できる。また微小体積の測定でもバルク測定と同じ感度で測定できる利点がある。 In the measurement method using the SPR method, an antigen or antibody is immobilized on a gold thin film, and when this is specifically bound to a molecule to be measured, the detection is performed by utilizing the fact that the refractive index of the metal thin film surface increases. The SPR method selectively detects changes in the refractive index within a range of several hundreds of nanometers from the surface of a substrate such as gold or silver. If there is a molecular recognition film on the surface of a thin metal film, the refractive index of that thin film is selected. Can be measured automatically. In addition, there is an advantage that even a minute volume can be measured with the same sensitivity as a bulk measurement.
(簡易測定)
SPR法の光学系は、金薄膜を形成した高屈折率透明材料に単色光を照射し、全反射光を受光素子で測定する。光源からの強い全反射光を測定するので、安価な受光素子を用いることができる。単純な光学系で実現でき、光源には安価なLEDを、検出にはCCDカメラを使うことができる。このような特徴から、SPR法は小型の測定器にも適している。
(Simple measurement)
The optical system of the SPR method irradiates monochromatic light onto a high refractive index transparent material on which a gold thin film is formed, and measures total reflected light with a light receiving element. Since strong total reflection light from the light source is measured, an inexpensive light receiving element can be used. It can be realized with a simple optical system, and an inexpensive LED can be used as a light source, and a CCD camera can be used for detection. Because of these features, the SPR method is also suitable for small measuring instruments.
(SPRの感度)
SPR法では、金などの薄膜からのP偏光反射光強度の入射角度依存性から屈折率を求める。反射光の入射角度依存性と屈折率の関係は、フレネルの多層膜反射率式から、一意に求められる。したがって、高感度化を測るためには、ノイズの少ない、P偏光反射光強度の入射角度依存性を測定する必要がある。
(SPR sensitivity)
In the SPR method, the refractive index is obtained from the incident angle dependence of the P-polarized reflected light intensity from a thin film such as gold. The relationship between the incident angle dependency of the reflected light and the refractive index is uniquely obtained from the Fresnel multilayer film reflectance formula. Therefore, in order to measure high sensitivity, it is necessary to measure the incident angle dependence of P-polarized reflected light intensity with little noise.
もっとも広く使われているクレッチェマン光学系と楔形の入射光束とCCDのような2次元のイメージング素子を用いる装置系では、画像の強度データから反射率最小入射角度(SPR角度)を求め、SPR角度から屈折率を決定する。この場合、図8のように入射角度を表す軸と、反射面上で入射面に垂直な方向な線上の反射位置を表す軸が画素のX、Y方向にならび、反射強度が画素の値になる画像が得られる。高感度測定のためには、反射率が最小になる入射角度をこの画像から高精度に求める必要がある。しかし、光源、CCD、光学系のずれ、ごみによって生じるノイズがあるために、反射率が最小になる入射角度にもノイズが現れる。 In an apparatus system using the most widely used Kretschmann optical system, wedge-shaped incident light beam, and a two-dimensional imaging device such as a CCD, the minimum reflectance angle (SPR angle) is obtained from the intensity data of the image, and the SPR angle is calculated. Determine the refractive index. In this case, as shown in FIG. 8, the axis representing the incident angle and the axis representing the reflection position on a line perpendicular to the incident surface on the reflecting surface are aligned in the X and Y directions of the pixel, and the reflection intensity becomes the value of the pixel. An image is obtained. In order to perform high-sensitivity measurement, it is necessary to obtain an incident angle at which the reflectance is minimized from this image with high accuracy. However, since there is noise caused by the deviation of the light source, CCD, optical system, and dust, noise also appears at the incident angle at which the reflectance is minimized.
低ノイズ化を測るためには、フレームの異なる画像を加算し時間的に平均化するか、同じ屈折率を取ると考えられる反射点からのデータを加算し空間的に平均化する。CCDや、CMOSカメラ素子のひとつの画素は、ノイズを含むが、これを平均化すると、極めて安定した測定ができる。しかし、前者の場合には時間分解能が、後者の場合には空間分解能が低下する。また、SPR効果のないS偏光の反射光強度を測定し、P偏光を規格化することによってノイズを低減される。この場合は光学系が複雑になる。 In order to measure noise reduction, images with different frames are added and averaged over time, or data from reflection points considered to have the same refractive index is added and spatially averaged. One pixel of a CCD or CMOS camera element contains noise, but if this is averaged, extremely stable measurement can be performed. However, the temporal resolution decreases in the former case, and the spatial resolution decreases in the latter case. Also, noise is reduced by measuring the reflected light intensity of S-polarized light having no SPR effect and normalizing P-polarized light. In this case, the optical system becomes complicated.
しかし、図8のようにSPR角度に相当する画像データの部分は、画像の暗い部分であり、SPR角度の決定するに大きく寄与するのは、暗くダイナミックレンジの小さな部分である。また、SPR角度は、屈折率の変化に伴って画像の入射角度軸方向に平行移動するので、角度方向にはSPR角度の決定に寄与しない部分も測定する必要がある。さらに、フレネル反射式を使って高精度に反射率最小角度を求めるには、反射率の絶対値を測定する必要があり、このためにはできるだけ広い入射角範囲の反射率測定が必要で、角度方向の分解能と両立しない。 However, as shown in FIG. 8, the portion of the image data corresponding to the SPR angle is a dark portion of the image, and it is the dark portion having a small dynamic range that greatly contributes to the determination of the SPR angle. Further, since the SPR angle is translated in the incident angle axis direction of the image as the refractive index changes, it is necessary to measure a portion that does not contribute to the determination of the SPR angle in the angular direction. Furthermore, in order to obtain the minimum reflectance angle with high accuracy using the Fresnel reflection method, it is necessary to measure the absolute value of the reflectance. Not compatible with directional resolution.
(ナノドットSPR)
またナノサイズの金微粒子を含む溶液の吸収スペクトルが、金微粒子に付着する物質の屈折率によってシフトする効果を利用するセンサーが知られている。また、基板上に銀のパターンをリソグラフィーで形成し、この基板の透過スペクトルの測定から、同様な測定が可能である(非特許文献3)。この方法では、透過スペクトルを測定する代わりに、特定波長の透過強度を測定して、屈折率を測定することができるので、簡便な測定装置に用いることができる。
(Nanodot SPR)
In addition, a sensor is known that utilizes the effect of shifting the absorption spectrum of a solution containing nano-sized gold fine particles depending on the refractive index of a substance attached to the gold fine particles. Moreover, the same measurement can be performed by forming a silver pattern on the substrate by lithography and measuring the transmission spectrum of the substrate (Non-patent Document 3). In this method, since the refractive index can be measured by measuring the transmission intensity of a specific wavelength instead of measuring the transmission spectrum, it can be used for a simple measuring apparatus.
(位相検出SPR)
一方、SPR測定法として、SPR効果により屈折率の変化が反射光の位相を大きく変化させる現象を利用した測定法がある(非特許文献4,5)。この方法では、2方向に分割したコヒーレント光の一方を、プリズムまたは回折格子カップラーまたは、コアに金薄膜をつけた導波路を介して金薄膜に照射し、他方との干渉による光強度の変化から金薄膜からの反射波の位相差を測定する。この方法では、高精度に光を分割する素子や合波する光学系が必要になる。また、温度や、機械的変形による影響を受けやすく、ノイズを小さくするのに特別な装置や、構造を必要とする。
(Phase detection SPR)
On the other hand, as an SPR measurement method, there is a measurement method using a phenomenon in which a change in refractive index greatly changes the phase of reflected light due to the SPR effect (Non-Patent Documents 4 and 5). In this method, one of the two coherent lights divided in two directions is irradiated onto the gold thin film through a prism, a diffraction grating coupler, or a waveguide with a gold thin film on the core, and the change in light intensity due to interference with the other is detected. The phase difference of the reflected wave from the gold thin film is measured. This method requires an element that divides light with high accuracy and an optical system that multiplexes light. Moreover, it is easily affected by temperature and mechanical deformation, and a special device and structure are required to reduce noise.
(活性維持)
一方、特に免疫測定においては、固定化された抗体の活性の保持が感度と分子の特異性に影響する。抗体は、基板上に固定された場合、密集して固定化されると活性を失うことがあり、適当に分散させる必要がある。このために、
(1)基板上に形成した高分子の3次元網目構造に抗体を固定化し、相互の距離が大きくなるようにする、
(2)基板上に形成した白己集積膜に規則的に固定するなどの方法が知られている。
On the other hand, particularly in immunoassay, retention of immobilized antibody activity affects sensitivity and molecular specificity. When immobilized on a substrate, the antibody may lose its activity when immobilized densely and must be dispersed appropriately. For this,
(1) Immobilize antibodies in a polymer three-dimensional network structure formed on a substrate so that the mutual distance increases.
(2) A method of regularly fixing a white self-integrated film formed on a substrate is known.
(低ノイズ測定)
しかしながら、高い屈折率感度を必要とする低濃度の物質の測定や、検出反応のインキュベーションに時間を掛けられない迅速な測定を安価に行う必要がある場合には、簡単な装置でノイズレベルを低く抑える必要がある。すなわち、SPR現象を用いる、免疫、DNAファイブリダイゼーション、レセプター・リガンドの特異的結合反応用いるセンサー、およびEIA、ELISA、ウエスタンブロッティング法による免疫測定において、高感度化を図るために、小型装置で複雑化することなく測定ノイズを低減することが課題である。
(Low noise measurement)
However, when it is necessary to measure low concentrations of substances that require high refractive index sensitivity or to perform rapid measurements that do not require much time for incubation of the detection reaction at low cost, the noise level can be reduced with a simple device. It is necessary to suppress. In other words, in order to achieve high sensitivity in immunity, DNA hybridization, sensors that use receptor-ligand specific binding reactions, and immunoassays using EIA, ELISA, and Western blotting, the size of the device is complicated. The problem is to reduce the measurement noise without doing so.
(抗体の活性保持)
さらに、SPR測定で抗体による分子認識に用いる場合には、抗体の活性を保ったまま固定化する必要がある。しかし、SPR測定では、感度が基板表面から数百nmに限られているために、高分子膜を用いた場合には、必ずしも十分な密度の抗体を固定化できない問題があった。
(Retention of antibody activity)
Furthermore, when used for molecular recognition by an antibody in SPR measurement, it is necessary to immobilize while maintaining the activity of the antibody. However, in the SPR measurement, since the sensitivity is limited to several hundred nm from the substrate surface, there is a problem that an antibody having a sufficient density cannot always be immobilized when a polymer film is used.
上記課題を解決するため、本発明によるSPRセンサーは、表面プラズモン共鳴効果を有する金属薄膜の複数のドットを周期的に配置して形成したクラスターを透明基板に周期的に配置するとともに、前記クラスターの中心間距離である周期は前記ドットの中心間距離である最小周期より長周期であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an SPR sensor according to the present invention periodically arranges a cluster formed by periodically arranging a plurality of dots of a metal thin film having a surface plasmon resonance effect on a transparent substrate, and The period that is the distance between the centers is longer than the minimum period that is the distance between the centers of the dots.
また、本発明による屈折率の測定方法は、請求項1記載のSPRセンサーを使用し、前記ドットに測定すべき物質を接触させ、前記ドットの薄膜に単一波長の光を照射し該ドットからの反射回折光または、透過回折光を2次元アレイ状の受光素子で観測し、該ドット上の屈折率変化を、該ドットからの回折光の結像パターンから測定することを特徴とする。
In addition, the refractive index measurement method according to the present invention uses the SPR sensor according to
以上説明したように、本発明による生体分子相互作用測定に利用するSPRセンサー及び屈折率測定方法では、
(1)簡便な装置で、安定した屈折率の変化の測定ができる。
(2)表面プラズモン共鳴効果を持つドットの配列を最適化することにより、高感度な屈折率測定ができる。
(3)表面プラズモン共鳴効果を持つドットに固定された抗体の活性の維持を図ることができる、という効果を有する。
As described above, in the SPR sensor and the refractive index measurement method used for the biomolecule interaction measurement according to the present invention,
(1) A stable change in refractive index can be measured with a simple apparatus.
(2) By optimizing the arrangement of dots having a surface plasmon resonance effect, a highly sensitive refractive index can be measured.
(3) It has an effect that the activity of the antibody fixed to the dot having the surface plasmon resonance effect can be maintained.
本発明者らは、表面プラズモン共鳴(SPR)効果を有する薄膜の複数のドットを周期的に配置した繰り返しパターンを形成する。そしてこの繰り返しパターンの一単位をクラスターとする。 The inventors form a repetitive pattern in which a plurality of dots of a thin film having a surface plasmon resonance (SPR) effect are periodically arranged. One unit of this repetitive pattern is defined as a cluster.
図1に、このような構造のSPRセンサーを模式的に示す。図1(a)は前記ナノサイズのドット1が規則的に全体的に配列されたもので、単周期構造を示している。すなわち、前記ドット1が繰り返しパターンで配置された前記パターンの一単位であるクラスター2を備えていない。
FIG. 1 schematically shows an SPR sensor having such a structure. FIG. 1A shows a single-period structure in which the nano-
図1(b)は2重周期構造であり、ドット1が繰り返しパターンで配置された前記パターンの一単位であるクラスター2を備えている。そして前記クラスター2は正方格子状に所定間隔で周期的に配置された(繰り返しパターンで配置された)構造になっている(図2も参照)。
FIG. 1B shows a double periodic structure, which includes a
図1(c)は3重周期構造を示すものであり、クラスター2が繰り返しパターンで配置されたクラスター群21が形成されており、このクラスター群21が更に繰り返しパターンで配置された構造になっている。図1(d)は多重周期を示すものであり、クラスター2が複数の繰り返しパターンで配列された状態を示している。
FIG. 1 (c) shows a triple periodic structure, in which a
この場合、ドットの最小周期(ドットの中心間距離;図2におけるd1+a)よりクラスターの周期(クラスターの中心間距離;図2における(a+d1)n1−d1+d2))は大きく(より長周期)、クラスターの周期よりクラスター群(クラスター群の中心間距離)の周期は大きい(より長周期)。すなわち、ドットよりクラスター、クラスター群にかけて(2重、3重、多重周期にかけて)順次周期は大きくなる。 In this case, the cluster period (distance between centers of clusters; (a + d1) n1-d1 + d2) in FIG. 2) is larger (longer period) than the minimum dot period (distance between centers of dots; d1 + a in FIG. 2). The period of the cluster group (distance between the centers of the cluster groups) is larger (longer period) than the period of. That is, the period increases sequentially from dot to cluster and cluster group (double, triple, and multiple periods).
本発明者らは、このような構造において2重周期以上の周期を持つものが、特異的結合反応検出する測定法において、きわめて分解能の高い安定した測定が可能であることを見いだした。 The inventors of the present invention have found that a structure having a period of double cycles or more in such a structure can perform stable measurement with extremely high resolution in a measurement method for detecting a specific binding reaction.
本発明者らは、特異的結合反応検出する測定法において、SPR効果のある材料を、特に2重周期配列したナノサイズのドットで作製し、その透過光または反射光の像を画像処理して屈折率を求めると、きわめて分解能の高い安定した測定が可能であることを見いだした。より詳しくは、入射光を回折させるための周期のパターン(クラスターパターン)と、抗体などの分子を効率的に固定化するためのナノサイズのドットのドットパターンを組み合わせて作製すると、高感度な屈折率測定が可能であり、抗体が高い活性を保ったまま、固定化されることを見出し本発明にいたった。 In the measurement method for detecting a specific binding reaction, the present inventors made a material having an SPR effect, in particular, with nano-sized dots arranged in a double cycle, and processed the image of the transmitted or reflected light by image processing. When the refractive index was obtained, it was found that stable measurement with extremely high resolution was possible. More specifically, when combining a periodic pattern (cluster pattern) for diffracting incident light and a dot pattern of nano-sized dots to efficiently immobilize molecules such as antibodies, highly sensitive refraction It was possible to measure the rate, and found that the antibody was immobilized while maintaining high activity, and reached the present invention.
本発明による典型的な構造は、上述のように2重周期構造である。後述の図2を参照して説明すると、SPR効果を示す金属薄膜のドット1は正方格子状に所定間隔で(繰り返しパターンであるいは周期的配置で)ドットが形成されている。好ましくは、この繰り返しパターンの最小周期(ドットの中心間距離;図2におけるd1+a)は30〜110nmである。更に好ましくは、80〜110nmである。実施例1で示したように30μm未満であると作製が困難であり、一方最小周期が110nmを超えると、ドット間の距離が長くなりSPR効果が弱くなるからである。
A typical structure according to the present invention is a double periodic structure as described above. Referring to FIG. 2 to be described later, the
また、ドットの最大幅(図2のように正方形の場合、1辺の長さ;円形状、星形状などの場合などは最大外径を示す)aは、好ましくは60nm以下である。実施例2より明らかなように、60nm以下であると、繰り返しによる、回折パターンの回復が良好で、この条件が抗体の活性維持に好ましい条件であることがわかる。 Further, the maximum width of dots (in the case of a square as shown in FIG. 2, the length of one side; the maximum outer diameter in the case of a circular shape, a star shape, etc.) a is preferably 60 nm or less. As is clear from Example 2, when the thickness is 60 nm or less, the recovery of the diffraction pattern by repetition is good, and it is understood that this condition is a preferable condition for maintaining the activity of the antibody.
さらに、クラスター間隔d2は、好ましくは1600nm以下、400nm以上である。1600nm以下で回折強度が大きく、画像のコントラストが大きくなるからである。また400nm未満であるとクラスターを構成する最小周期のパターン個数が少なくなる(クラスターの周期よりドットの最小周期が小さいため)。すなわち2重周期性が失われる恐れを生じる。 Furthermore, the cluster interval d2 is preferably 1600 nm or less and 400 nm or more. This is because the diffraction intensity is large at 1600 nm or less, and the contrast of the image is increased. Further, if it is less than 400 nm, the number of minimum period patterns constituting the cluster is reduced (because the minimum dot period is smaller than the cluster period). That is, there is a risk that the double periodicity is lost.
本発明においては、SPR効果を発揮するドットに特異的結合反応を起こす生体分子を含む膜を修飾することができる。たとえば金ドットにカルボキシル基で終端された自己集積膜を介して抗IgGを修飾することができ、あるいはF(ab’)2または、Fabフラグメントを用いてスルフィド基で直接抗IgGを修飾することができる。 In the present invention, it is possible to modify a membrane containing a biomolecule that causes a specific binding reaction with a dot that exhibits the SPR effect. For example, anti-IgG can be modified through a self-assembled membrane terminated with a carboxyl group on a gold dot, or it can be modified directly with a sulfide group using F (ab ′) 2 or Fab fragments. it can.
さらに、従来のSPR測定では、SPRによる反射光の入射角度依存性を反射光束の一部を用いて測定していた。 Furthermore, in the conventional SPR measurement, the incident angle dependence of the reflected light by SPR is measured using a part of the reflected light beam.
これに対し、本発明では、前記ドットに測定すべき物質を接触させ、前記ドットの薄膜に単一波長の光を照射し該ドットからの反射回折光または、透過回折光を2次元アレイ状の受光素子で観測し、該ドット上の屈折率変化を、該ドットからの回折光の結像パターンから測定する。 On the other hand, in the present invention, a substance to be measured is brought into contact with the dot, the thin film of the dot is irradiated with light having a single wavelength, and reflected or transmitted diffracted light from the dot is two-dimensionally arrayed. Observation with a light receiving element, the refractive index change on the dot is measured from the imaging pattern of the diffracted light from the dot.
SPRよる反射または透過光の位相変化による回折像を用いることにより、被測定物の屈折率情報は、回折像全体に反映され、平均化の効果が大きく、安価な装置でも低いノイズで測定でき、高感度化を図ることができる。 By using the diffraction image due to the phase change of the reflected or transmitted light by the SPR, the refractive index information of the object to be measured is reflected in the entire diffraction image, has a large averaging effect, and can be measured with low noise even with an inexpensive device. High sensitivity can be achieved.
以下に図面を参照して本発明を実施例により詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited only to a following example.
図2のように、厚さ45nm、最大幅(図2のように正方形の場合、1辺の長さ;円形状、星形状などの場合などは最大外径を示す)anmの金薄膜のドット1が、間隔d1nmで正方格子状にn1×n1個並んだクラスター2を、間隔d2nmで正方格子状に並んだパターンをBK7の透明ガラス基板3上に作製し、SPRセンサーSとした。種々のa,d1,d2,n1の組み合わせのパターンを作製した。このSPRセンサーSは、電子線リソグラフィーとドライエッチング法で作製された。全クラスター2の占有部分は約1.4×1.4mmである。まず、この金ドット基板(SPRセンサー)の透過スペクトルを測定したところ、575nmに吸収が現れ、金ドット1が、表面プラズモン共鳴効果を示すことがわかった。
As shown in FIG. 2, a gold thin film dot having a thickness of 45 nm and a maximum width (in the case of a square as shown in FIG. 2, the length of one side; the maximum outer diameter is shown in the case of a circular shape, star shape, etc.) On the
次に、図3のような測定装置で、SPRセンサーSに半導体レーザ4より波長670nmのレーザを照射し、反射側で回折像をCCDカメラ5で撮影し、図4の像を得た。図4の縦縞は、空気に接する金ドット1のクラスター2がカメラの方向に回折したものである。この回折パターン(結像パターン)は、空気の屈折率(1.0004)に対応する。
Next, the SPR sensor S was irradiated with a laser having a wavelength of 670 nm from the semiconductor laser 4 with a measuring apparatus as shown in FIG. 3, and a diffraction image was taken with the CCD camera 5 on the reflection side to obtain the image of FIG. The vertical stripes in FIG. 4 are obtained by diffracting the
次に金ドット1のパターン面が水に接した状態で同様に回折パターンを測定し、別の回折パターンを得た。水の屈折率は、1.33なので、この屈折率差が、回折パターンに大きな変化を与えていることがわかる。この場合、回折パターンの縦縞の間隔と、位置が屈折率の変化に伴い移動することから、平均間隔と、回折パターンの重心計算する、などの方法で、回折パターンから、金ドット1に接する物質の屈折率を測定することができる。
Next, the diffraction pattern was measured in the same manner while the pattern surface of the
図4の様に、SPR現象による、金ドット1上の屈折率の情報は画像全体に現れ、この画像を時間的に加算するとひとつの画素の情報は安定した値をとることがわかった。また、縞の周期と位置を計算する場合に、すべての画素が同等の重みを持つので、屈折率を決定するために、画像の全情報を効率的に利用できる。
As shown in FIG. 4, the refractive index information on the
次に、ドット1及びクラスター2の正方格子状パターンの配置を決めるa,d1,d2,n1を変えて、前記パターンを作製する時間、SPRセンサーチップの収率、安価に入手できる波長のレーザを用いて屈折率変化で変化する回折パターンを得られるかを検討した。
Next, change the a, d1, d2, and n1 that determine the arrangement of the square lattice pattern of the
この結果を図5に示す。図5より明らかなように、前記ドット1の最小周期(ドットの中心距離)は作製の容易さから、30nm以上、好ましくは80nm以上が適している。30nm未満では、安定したドットパターンを形成するのが困難でドット欠けが発生するなど、ドットパターン収率が低かった。80nm以上では安定して作製することができた。
The result is shown in FIG. As is apparent from FIG. 5, the minimum period (dot center distance) of the
一方、最小周期の最大値については、最小周期110nmを超えると、ドット間の距離が長くなりSPR効果が弱くなった。また、ドットの占有面積を大きくすると、抗体の活性維特効果が弱くなり、適さなかった。 On the other hand, with respect to the maximum value of the minimum period, when the minimum period exceeded 110 nm, the distance between dots increased and the SPR effect was weakened. Moreover, when the area occupied by the dots was increased, the activity maintaining effect of the antibody was weakened, which was not suitable.
クラスター間隔d2(周期は(a+d1)n1−d1+d2))は、回折強度が大きく、画像のコントラストが大きくなる1600nm以下で、好ましくは800nm以下が適する。800nm以下では十分に大きなコントラストが得られた。一方、クラスター周期が短くなると、クラスターを構成する周期のパターンの個数が少なくなリ、2重周期性が無くなるので、400nm以上の周期である必要がある。 The cluster interval d2 (period is (a + d1) n1-d1 + d2)) is 1600 nm or less, preferably 800 nm or less, at which the diffraction intensity is large and the image contrast is increased. A sufficiently large contrast was obtained at 800 nm or less. On the other hand, when the cluster period is shortened, the number of period patterns constituting the cluster is small, and the double periodicity is lost. Therefore, the period must be 400 nm or more.
このような回折パターンの変化は、変化量を大きくするために、金ドットの配置をあらかじめ設計することができ、正方格子状以外の周期的配置でもよい。ドットの形状も任意の形状を用いることができる。 In order to increase the amount of change, the change in the diffraction pattern can be designed in advance, and the arrangement of the gold dots may be a periodic arrangement other than a square lattice pattern. Any shape can be used for the dot shape.
実施例1の金ドット1に図6のように、金にカルボキシル基で終端された自己集積化膜を作製し、この上に、シグマ社製抗IgGを共有結合で固定化した(特異的結合反応を起こす生体分子を含む膜)。抗体の固定化法ではF(ab’)2または、Fabフラグメントを用いて、スルフィド基で直接固定化してもよい。次に、この抗IgGで修飾した金ドットチップ(SPRセンサ)Sを、図7のように、金ドット1が形成された金ドットパターン面11が接触するようにマイクロ流路6に接着した。この流路6は、流路高さ0.02mmで、貫通する穴7があいている。
As shown in FIG. 6, a self-assembled film terminated with a carboxyl group on gold was prepared on the
次に、この金ドットチップ(SPRセンサ)付マイクロ流路6と、導入、排出用の溝81の開いたガラス基板8とを接着した。送液口82、排出口83に、パイプを接続して、送液口82から、シリンジポンプを使って、送液を行った。液は送液口82より溝81を通り、穴7よりマイクロ流路6に入り、前記SPRセンサーSの金ドットパターン面11に接触して、穴7、溝81を通り排出口83より排出されるようになっている。SPRセンサーSに半導体レーザよりレーザを照射し、反射側で回折像をCCDカメラ5撮影し回折を測定する。
Next, the micro flow channel 6 with a gold dot chip (SPR sensor) and the glass substrate 8 with the introduction and
まず、シグマ社製牛血清アルブミン(BSA)を含むリン酸バッファーを流し、金ドットパターン面11にリン酸バッファーが接するように送液しながら、金ドットパターン11からの回折を測定した。 First, a phosphoric acid buffer containing bovine serum albumin (BSA) manufactured by Sigma was flowed, and the diffraction from the gold dot pattern 11 was measured while feeding so that the phosphoric acid buffer was in contact with the gold dot pattern surface 11.
次に、抗IgGに対する、抗原である、シグマ社製IgGを含む溶液を送液すると、回折パターンの間隔と位置が連続して変化し、IgGの送液をやめ、BSAを含むリン酸バッファーの送液に切り替えると、回折パターンは一定となった。 Next, when a solution containing IgG produced by Sigma, which is an antigen against anti-IgG, is sent, the interval and position of the diffraction pattern change continuously, and the solution of IgG is stopped. When switched to liquid feeding, the diffraction pattern became constant.
さらに、pH5のグリシンバッファーを送液した後に、BSAを含むリン酸バッファーを送液したところ、最初の回折パターンが回復した。この実験をaの値が異なる金ドットパターンについて繰り返したところ、aが60nm以下のときに、繰り返しによる、回折パターンの回復が良好で、この条件が抗体の活性維持に好ましい条件であることがわかった。この実験は、抗IgGとIgGのような抗原抗体反応以外にも、相補する一本鎖DNA同士や、DNA−RNAの組み合わせでも、同様に作用し、DNAセンサーとしても利用できる。 Furthermore, when a glycine buffer having pH 5 was fed and then a phosphate buffer containing BSA was fed, the initial diffraction pattern was recovered. When this experiment was repeated for gold dot patterns having different values of a, it was found that when a was 60 nm or less, the recovery of the diffraction pattern was good by repetition, and this condition was a favorable condition for maintaining antibody activity. It was. In addition to the antigen-antibody reaction such as anti-IgG and IgG, this experiment works similarly with complementary single-stranded DNAs or DNA-RNA combinations, and can be used as a DNA sensor.
本発明は、特異的結合反応検出の際に、SPR効果のある材料を2重周期で配列したナノサイズのドット上に抗体などの分子を固定化し、その透過光や反射光の像を画像処理して屈折率を測ることにより、対象分子の濃度を測定する。このため、
(1)簡便な装置で、安定した屈折率の変化の測定ができる。
(2)表面プラズモン共鳴効果を持つドットの配列を最適化することにより、高感度な屈折率測定ができる。
(3)表面プラズモン共鳴効果を持つドットに固定された抗体の活性の維持を図ることができる、という利点がある。
In the present invention, when detecting a specific binding reaction, an antibody or other molecule is immobilized on a nano-sized dot in which a material having an SPR effect is arranged in a double cycle, and an image of the transmitted light or reflected light is image-processed. Then, the concentration of the target molecule is measured by measuring the refractive index. For this reason,
(1) A stable change in refractive index can be measured with a simple apparatus.
(2) By optimizing the arrangement of dots having a surface plasmon resonance effect, a highly sensitive refractive index can be measured.
(3) There is an advantage that the activity of the antibody fixed to the dot having the surface plasmon resonance effect can be maintained.
1 ドット
11 金ドットパターン面
2 クラスター
21 クラスター群
3 透明基板
4 半導体レーザ
5 CCDカメラ
6 マイクロ流路
7 穴
8 ガラス基板
81 溝
82 送液口
83 排出口
1 dot 11 gold
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