JP4878216B2 - 局在プラズモン共鳴センサおよび局在プラズモン共鳴センサによる検出方法 - Google Patents
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Description
この局在プラズモン共鳴センサは、金属中の伝導電子と光との相互作用により起こる局在プラズモン共鳴現象を利用するものである。
具体的には、金属構造体の表面近傍における数nm〜数十nmの微小な領域の変化を検知し、化学物質、化学反応、生体、あるいは遺伝子情報等を検出するようにしたものである。
例えば、特許文献1に示されているような、金属微粒子を用いた局在プラズモン共鳴センサが提案されている。
これは、金属微粒子を固定した基板に光を照射し、金属微粒子を透過した光の吸光度を分光器によって測定することにより、金属微粒子近傍の媒質の変化を検出することを可能としたものである。
図1の曲線501aは、屈折率1.333の媒体中に置かれた半径20nmの球状金ナノ粒子に、光を入射させた時の吸収スペクトルの解析結果を示しており、525nm付近に局在プラズモン共鳴ピークが存在することがわかる。
局在プラズモン共鳴は、金属と誘電体の界面が存在する際に生じる現象で、この時、共鳴条件は金属と誘電体の界面近傍の屈折率などの光学定数変化に伴い変動する。
図1の曲線501b、曲線501cは、金属ナノ粒子の周囲が、それぞれ10nm、20nmの膜厚で屈折率1.4のタンパク質膜により覆われた際の吸収スペクトルを示している。
タンパク質膜厚が増加することによる周囲の屈折率上昇に伴い、共鳴ピークが長波長側にシフトし、吸光度が変化することがわかる(共鳴ピークの長波長シフト)。
プラズモン共鳴センサは、この共鳴ピーク変化を観測することで、金属構造体の表面近傍における化学物質、化学反応、生体、あるいは遺伝子情報等を検出可能としたものである。
また、例えば、特許文献2での多層シェル構造など、より複雑な金属構造体を用いる局在プラズモン共鳴センサが提案されている。
そのため、局在プラズモン共鳴センサの感度を高めるには、局在プラズモン共鳴スペクトルの線幅(半値幅)に対し、共鳴周波数の長波長シフト量を大きくすることが必要である。
すなわち、図1における金粒子周囲に抗体のみが存在する状態での共鳴スペクトル501bと、更に抗原がついた状態での共鳴スペクトル501cとの間での共鳴周波数や共鳴強度の差は微量である。
そのため、センサのSN比を向上することが難しく、金属粒子の製造誤差や検出時の測定誤差の影響を受けやすいという課題がある。
また、上記、特許文献2等の従来技術では、SN比向上のために、局在プラズモン共鳴の共鳴周波数を長波長側に存在させ、共鳴ピークの長波長シフトを大きく発生させるような複雑なナノサイズの金属構造体の提案を行っている。
しかしながら、実際の局在プラズモン共鳴センサでは、金属構造体の集合体を用いるため、製造誤差による構造のばらつきにより、共鳴周波数の異なる多数の局在プラズモン共鳴スペクトルが交じり合うことになる。
その結果、金属構造体の集合体としての局在プラズモン共鳴スペクトルの線幅(半値幅)が広がってしまうという問題が生じる。特に、共鳴ピークの長波長シフトが大きい構造体ほど、構造のばらつきに伴う共鳴周波数のばらつきも大きくなる。
その結果、全体の共鳴スペクトルの線幅(半値幅)が大きく広がりやすいため、局在プラズモン共鳴センサのSN比を向上することが難しく、センサの製造誤差や検出時の測定誤差の影響を受けやすいという課題がある。
すなわち、本発明の局在プラズモン共鳴センサは、金属を有する構造体を用い、前記構造体の周囲の溶媒中の光学定数の変化を検知する局在プラズモン共鳴センサであって、
前記構造体は、誘電体からなるコアと、該コアが金属により所定の膜厚に被覆されたシェル構造を備え、
前記構造体への入射光に対する前記構造体の周囲の溶媒中における応答スペクトルに、少なくとも2つの共鳴ピークが存在し、前記2つの共鳴ピークのうちの少なくとも1つは前記光学定数の変化により長波長側にシフトし、少なくとも別の1つは短波長側にシフトするように構成され、
前記2つの共鳴ピークのうちの少なくとも一方は、前記溶媒の前記光学定数が大きくなると短波長側にシフトし、前記溶媒の前記光学定数が小さくなると長波長側にシフトすることを特徴としている。
また、本発明の局在プラズモン共鳴センサによる検出方法は、誘電体からなるコアに金属で所定の膜厚に被覆したシェル構造を含む構造体を用い、前記構造体の周囲の溶媒中の光学定数の変化を検知する局在プラズモン共鳴センサによる検出方法であって、
前記構造体の周囲の溶媒中の光学定数の変化を検知する際に、前記構造体への入射光に対する応答スペクトルのうち、少なくとも2つの共鳴ピークを検出する工程を含み、
前記2つの共鳴ピークのうちの少なくとも1つは前記光学定数の変化により長波長側にシフトし、少なくとも別の1つは短波長側にシフトするものであって、
前記2つの共鳴ピークのうちの少なくとも一方は、前記溶媒の前記光学定数が大きくなると短波長側にシフトし、前記溶媒の前記光学定数が小さくなると長波長側にシフトするものであることを特徴としている。
すなわち、本発明者が鋭意研究した結果、局在プラズモン共鳴センサに用いられる金属を有する構造体として、シェル構造の金属ナノ粒子を構成する。
そして、この金属ナノ粒子の構造を変化させた際に、吸収スペクトルに長波長シフトする共鳴ピークと短波長シフトする共鳴ピークとが対と現れる構造が存在することが見出された。
通常の局在プラズモン共鳴センサでは、長波長シフトする共鳴ピークと短波長シフトする共鳴ピークの対をセンサに用いることは行われていない。
図2(a)は、半径80nmの球状シリカを銀コーティングしたシェル構造を持つ銀ナノ粒子の屈折率1.333の媒体中における吸収スペクトルを、波長と銀膜厚の関数として図示したものであり、縦軸には銀膜厚を、横軸には入射光の波長を示す。
図2(a)中、301で示された白線部分が局在プラズモン共鳴ピークが発生する領域である。
302で示された波長2050nm付近、銀膜厚1.2nm付近に2つの共鳴ピークが1つの共鳴ピークに縮退する領域が存在している(以下、これを「縮退領域」と記す)。
逆に、上記縮退領域が存在する銀ナノ粒子の銀膜厚1.2nmよりも厚い1.3nm〜2.0nm領域では、膜厚が増えるにつれて上記縮退領域付近においては1つであった局在プラズモン共鳴ピークが、2つに分裂し、徐々に広がっていく。この結果を、図2(b)に模式的に示す。
このことから、共鳴ピークの縮退が解け、二つの共鳴ピークに分裂を起こす際、一方は長波長シフトを起こす共鳴ピークであり、別の一方は短波長シフトを起こす共鳴ピークとなることが理解される。
したがって、上記「縮退領域」近傍において、長波長シフトと短波長シフトを生じる局在プラズモン共鳴ピークが対で現れることが明らかとされた。
二つの局在プラズモン共鳴ピークが存在することがわかる。図2(d)中の曲線502b、曲線502cは、上記銀ナノ粒子の周囲が、それぞれ10nm、20nmの膜厚で屈折率1.4のタンパク質膜により覆われた際の吸収スペクトルを示している。
そして、1900nm〜2000nmの間に存在する共鳴ピークが長波長シフト(503b)を生じ、2200nm〜2300nmの間に存在する共鳴ピークが短波長シフト(503d)を生じることを示している。
ここで、説明のために、上記吸収スペクトルにおいて短波長側に位置する共鳴ピークを共鳴ピーク1、長波長側に位置する共鳴ピークを共鳴ピーク2と呼ぶ。
上記共鳴ピーク1が長波長シフト、上記共鳴ピーク2が短波長シフトする場合、上記吸収スペクトルは、第一の変化として、共鳴ピーク1の短波長側の吸収端が長波長シフト(図2中503a)する。そして、第二の変化として、共鳴ピーク1の共鳴周波数が長波長シフト(図2中503b)する。
そして、第三の変化として、共鳴ピーク1と共鳴ピーク2とから作られる吸収スペクトルの谷が上昇(図2中503c)する。
そして、第四の変化として、共鳴ピーク2の共鳴周波数が短波長シフト(図2中503d)する。そして、第五の変化として、共鳴ピーク2の長波長側の吸収端が短波長シフト(図2中503e)するという特徴を有することが明らかとされた。
上記共鳴ピーク1が短波長シフト、上記共鳴ピーク2が長波長シフトする場合、上記吸収スペクトルは、図2(d)の矢印503(a)〜503(e)と逆方向に変化する。そして、第一の変化として、共鳴ピーク1の短波長側の吸収端が短波長シフト(図2中503aの逆方向)する。
そして、第二の変化として、共鳴ピーク1の共鳴周波数が短波長シフト(図2中503bの逆方向)する。そして、第三の変化として、共鳴ピーク1と共鳴ピーク2とから作られる吸収スペクトルの谷が下降(図2中503cの逆方向)する。
そして、第四の変化として、共鳴ピーク2の共鳴周波数が長波長シフト(図2中503dの逆方向)する。そして、第五の変化としてに、共鳴ピーク2の長波長側の吸収端が長波長シフト(図2中503eの逆方向)するという特徴を有することが明らかとされた。(以下、これらを「第一の変化」から「第五の変化」と記す)。
このことから、シェル構造の銀ナノ粒子の銀膜厚分布が、上記「縮退領域」が存在する銀膜厚1.2nm付近よりもやや厚い部分1.2nmから3.0nm付近となるように作製された集合体の吸収スペクトルの変化に対しても同様の特徴を有する。
すなわち、上記「第一の変化」から「第五の変化」の特徴を有することが理解される。したがって、上記吸収スペクトルの変化において、「第一の変化」から「第五の変化」のいずれかにおいて、逆の変化が生じた場合、検出誤差である確率が高いと判断できることが理解される。
そして、上記吸収スペクトルの「第一の変化」から「第五の変化」のいずれか、もしくは複数の組み合わせを測定し、その変化の有無を検知する。
このような操作を行うことにより、局在プラズモン共鳴センサのSN比と検出感度が向上されることが明らかとされた。
本発明は、金属を有する構造体を用い、光学定数の変化を検知する局在プラズモン共鳴センサであって、前記構造体への入射光に対する応答スペクトルに、少なくとも2つの共鳴ピークが存在するものである。
そして、当該共鳴ピークの少なくとも1つは前記光学定数の変化により長波長側にシフトし、少なくとも別の1つの共鳴ピークは、短波長側にシフトすることを特徴とする局在プラズモン共鳴センサであればよい。
すなわち、誘電体であるコア部分の誘電率をεcore、金属であるシェル部分の誘電率をεmetal、ナノ粒子全体積に占めるコア部分の体積比をf、溶媒の誘電率をεmediumとする。そして準静電場近似を用いると、局在プラズモン共鳴条件は数式1で与えられ、局在プラズモン共鳴周波数ωLPRは数式2となる。
球対称なシェル構造ナノ粒子では、係数α、βは、それぞれ数式3、数式4で定義される。
更に、式7が成立する場合、式5右辺第二項の絶対値が第一項の絶対値より大きくなることから、一方が長波長シフトを、もう一方が短波長シフトを生じる。
式7は局在プラズモン共鳴の縮退領域近傍であることを示す条件である。よって、式6かつ式7の条件が成り立つ場合に、溶媒の変化に対して、一方が長波長シフトを、もう一方が短波長シフトを生じる2つの局在プラズモン共鳴ピークが存在するナノ粒子構造となることがわかる。
また、光学定数の変化が、上記解析例ではタンパク質膜の膜厚変化により規定されたが、本発明においてはこれに限られない。具体的には、化学反応、物理的相互作用、抗体−抗原反応、あるいは温度変化のいずれか、もしくはそれら複数の組み合わせによって規定されることが含まれる。
また、入射光に対する応答スペクトルとして、上記解析例では吸収スペクトルで説明したが、本発明においてはこのような吸収スペクトルに限られない。具体的には、透過スペクトル、反射スペクトル、消光スペクトル、散乱スペクトルのいづれか、若しくはこれらをそれぞれ固有モード展開した時の展開成分や偏光成分などが含まれる。
その際、前記構造体として金属を有する多層シェル構造を採ることができる。また、この多層シェル構造として、各層は同心円状に限られることはなく、各層の界面形状は、回転楕円体、多面体またはいづれかを変形させたもの、もしくはこれら複数の組み合わせた構成を採ることができる。
さらに、上記多層シェル構造において各層は完全に閉じた構造に限られることなく、多層半球型、多層円板型またはいづれかを変形させたもの、もしくはこれら複数を組み合わせた構成を採ることができる。
また、本発明では、上記金属を含む構造体において、該金属は単一の金属に限られることなく、複数種類の金属からなる合金であって、合金の組成を連続もしくは不連続に変化させた構成を採ることができる。
また、本発明においては、前記構造体の周辺部が、抗原もしくは抗体によって修飾した構成を採ることができる。
本実施例は、上記本発明の構成を適用して局在プラズモン共鳴センサ装置を形成する。
図3に本実施例の局在プラズモン共鳴センサ装置の構成を示す。図3(a)は本実施例のセンサ装置の概略構成を示す側面図であり、(b)は(a)に示されたセンサ装置の正面からの流路を示す図である。
図3において、201は光源、202は入射光、203は反射光、204は光検出器である。
205は球状シリカの回りをコーティングした銀、206は球状シリカによって形成された誘電体である。
207はガラス基板、208は抗原、209は抗体、210はマイクロ流路である。
つぎに、銀による膜厚分布の平均が、発明の実施の形態で述べたとおり「縮退領域」が存在する銀ナノ粒子の銀膜厚1.2nmよりもやや厚い部分1.2nm〜3.0nmとなるように、球状シリカの周りを銀205によりコーティングする。その際、1.21nm〜2.0nmにすることが望ましい。本実施例では銀によってのみコーティングするが、他の金属もしくは合金を用いても良い。また、複数の金属により多層にコーティングしても良い。
まず、銀ナノ粒子群に抗体209を修飾させ、ガラス基板207に固定させる。さらに、ガラス基板207との間にマイクロ流路210を形成する。その際、図3(a)に示すように、ガラス基板207に固定させた銀ナノ粒子群の近傍で、マイクロ流路210の流路幅を狭める構造を採ることが望ましい。
つぎに、このようにして構成された局在プラズモン共鳴センサ装置を用いて、つぎのように抗原−抗体反応の検出を行う。
まず、抗体−抗原反応による銀ナノ粒子群の表面近傍の屈折率変化を、吸収スペクトルの変化により測定する。具体的には、図3(a)のように、光源からの入射光をガラス基板の流路とは異なる方向からシェル構造銀ナノ粒子群が固定されている部分に入射し、その反射光もしくは透過光を光検出器により測定する。
光源の使用波長はおよそ3.0μmの赤外光からガラス基板を透過しなくなる紫外光の300nm程度が好ましい。その際、この光源の使用波長は、長波長シフトを生じる共鳴ピークと短波長シフトを生じる共鳴ピーク両方を測定可能な1.7μmから2.5μm程度がより望ましい。
ただし、光源として1.4μmから2.6μmの赤外光を用いる場合は、水による吸収が非常に大きいため、反射光の測定を用いるか、もしくは光学測定を行う流路の厚みを数μm以下に薄くすることで、水の吸収の影響を避けることが望ましい。
最後に、反応流路に検体を流し、上記抗体で修飾されている銀ナノ粒子群と接触させ、反射光もしくは透過光を光検出器により測定する。そして、発明の実施の形態で述べたとおり、吸収スペクトルの「第一の変化」から「第五の変化」のいづれか、もしくは複数の組み合わせを測定することにより、抗原−抗体反応の検出を行う。
また、これらをマイクロチップと組み合わせることで、化学物質やたんぱく質を分析するための小型で高性能なマイクロ分析システムとして利用することが可能となる。
102:銀
103:シリカ
104:タンパク質
201:光源
202:入射光
203:反射光
204:光検出器
205:金属
206:誘電体
207:透明基板
208:抗原
209:抗体
210:マイクロ流路
301:共鳴ピーク
302:共鳴ピークの縮退
303:吸収スペクトル
304:共鳴ピークシフト
401a:膜厚b−δb
401b:膜厚b
401c:膜厚b+δb
402a:共鳴ピークなし
402b:1つの共鳴ピーク
402c:2つの共鳴ピーク
501a:金粒子(半径20nm)の吸収スペクトル
501b:金粒子(半径20nm)+タンパク膜(膜厚10nm)の吸収スペクトル
501c:金粒子(半径20nm)+タンパク膜(膜厚20nm)の吸収スペクトル
502a:シリカ(半径80nm)+銀(1.26nm)の吸収スペクトル
502b:シリカ(半径80nm)+銀(1.26nm)+タンパク膜(膜厚10nm)の吸収スペクトル
502c:シリカ(半径80nm)+銀(1.26nm)+タンパク膜(膜厚20nm)の吸収スペクトル
503a:吸収端の長波長シフト
503b:共鳴ピークの長波長シフト
503c:吸収スペクトルの谷部分の吸収増加
503d:共鳴ピークの短波長シフト
503e:吸収端の短波長シフト
Claims (14)
- 金属を有する構造体を用い、前記構造体の周囲の溶媒中の光学定数の変化を検知する局在プラズモン共鳴センサであって、
前記構造体は、誘電体からなるコアと、該コアが金属により所定の膜厚に被覆されたシェル構造を備え、
前記構造体への入射光に対する前記構造体の周囲の溶媒中における応答スペクトルに、少なくとも2つの共鳴ピークが存在し、前記2つの共鳴ピークのうちの少なくとも1つは前記光学定数の変化により長波長側にシフトし、少なくとも別の1つは短波長側にシフトするように構成され、
前記2つの共鳴ピークのうちの少なくとも一方は、前記溶媒の前記光学定数が大きくなると短波長側にシフトし、前記溶媒の前記光学定数が小さくなると長波長側にシフトすることを特徴とする局在プラズモン共鳴センサ。 - 前記2つの共鳴ピークは、該2つの共鳴ピークのうちの短波長側の共鳴ピークが前記長波長側にシフトし、該2つの共鳴ピークのうちの長波長側のピークが短波長側にシフトすることを特徴とする請求項1に記載の局在プラズモン共鳴センサ。
- 前記光学定数が、屈折率、誘電率および透磁率のいずれか、もしくはそれらの複数の組み合わせであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の局在プラズモン共鳴センサ。
- 前記光学定数の該変化が、化学反応、物理的相互作用、抗体−抗原反応、あるいは温度変化のいずれか、もしくはそれら複数の組み合わせによって規定されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の局在プラズモン共鳴センサ。
- 前記応答スペクトルが、透過スペクトル、反射スペクトル、消光スペクトル、散乱スペクトル、あるいは吸収スペクトルのいずれかであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の局在プラズモン共鳴センサ。
- 前記構造体が、金属を有する多層シェル構造であることを特徴とする請求項6に記載の局在プラズモン共鳴センサ。
- 前記構造体が、流体を流す流路内に配置されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の局在プラズモン共鳴センサ。
- 前記構造体が、前記流路内での流路幅を狭くした領域近傍に配置されていることを特徴とする請求項8に記載の局在プラズモン共鳴センサ。
- 前記構造体の周辺部が、抗原もしくは抗体によって修飾されていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の局在プラズモン共鳴センサ。
- 誘電体からなるコアに金属で所定の膜厚に被覆したシェル構造を含む構造体を用い、前記構造体の周囲の溶媒中の光学定数の変化を検知する局在プラズモン共鳴センサによる検出方法であって、
前記構造体の周囲の溶媒中の光学定数の変化を検知する際に、前記構造体への入射光に対する応答スペクトルのうち、少なくとも2つの共鳴ピークを検出する工程を含み、
前記2つの共鳴ピークのうちの少なくとも1つは前記光学定数の変化により長波長側にシフトし、少なくとも別の1つは短波長側にシフトするものであって、
前記2つの共鳴ピークのうちの少なくとも一方は、前記溶媒の前記光学定数が大きくなると短波長側にシフトし、前記溶媒の前記光学定数が小さくなると長波長側にシフトするものであることを特徴とする局在プラズモン共鳴センサによる検出方法。 - 前記2つの共鳴ピークは、該2つの共鳴ピークのうちの短波長側の共鳴ピークが長波長側にシフトし、該2つの共鳴ピークのうちの長波長側のピークが短波長側にシフトすることを特徴とする請求項11に記載の局在プラズモン共鳴センサによる検出方法。
- 前記光学定数が、屈折率、誘電率および透磁率のいずれか、もしくはそれらの複数の組み合わせであることを特徴とする請求項11または請求項12に記載の局在プラズモン共鳴センサによる検出方法。
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JP2007010648A (ja) | 2007-01-18 |
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