JP4999707B2

JP4999707B2 - 表面プラズモン共鳴センサにおける表面プラズモンの分光のための方法およびその使用のためのエレメント

Info

Publication number: JP4999707B2
Application number: JP2007555733A
Authority: JP
Inventors: ジリホモラ，; オルガテレジニコバ，; ヤクブドスタレク，
Original assignee: インスティチュートオブフォトニクスアンドエレクトロニクスエーエスシーアール，ブイ．ブイ．アイ．
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-01-12
Also published as: CZ299489B6; CZ200519A3; WO2007085913A3; CA2598118C; CN101175989A; US20080144027A1; US7973933B2; WO2007085913A2; JP2008527395A; CA2598118A1; EP1844319A2; CN101175989B

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴センサにおける表面プラズモンの分光のための方法およびその使用のためのエレメントに関する。

センサは、物理量、化学量および生物学量を測定する現代的なデバイスに属する。電気センサ、光学センサ、および機械センサのような現代的なセンサは、種々の方法に依存する。光学センサに使用されるアプローチのうちの１つは、表面プラズモンの分光である。表面プラズモンは電磁波であり、これは金属と誘電媒体との間のインタフェースで励起され得る（非特許文献１）。表面プラズモンの電磁場が、金属の表面で特定の場所に非常に集中させられるので、表面プラズモンは金属表面付近で発生する光学パラメータの変化に極端に感度が良い。光学センサにおいて、表面プラズモンは、通常は、可視スペクトルまたは近赤外スペクトルの電磁波によって光学的に励起される。電磁波による表面プラズモンの励起のための共鳴条件は、金属表面の近接における誘電体の屈折率に依存する。それゆえ、屈折率における変化が、電磁波と表面プラズモンとの間の相互作用の変化からモニタされ得る。表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサは、かなり感度の良い屈折計として使用され得、生体分子学およびそれらの相互作用の研究、ならびに化学的および生物学的化合物の検出の研究にも適用され得る。これらの適用において、ＳＰＲセンサは、生体認識エレメントに結合され、これは特にアナライト（例えば、抗体、酵素、ＤＮＡ）と相互作用する。センサ表面上の固定された生体認識エレメントと、液体サンプル内のアナライトとの間の相互作用は、センサの表面の近辺における屈折率を増加させる。この屈折率の変化は、光学的に励起された表面プラズモンによって検出され得る。

表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサの非常に多くの構成がある。これらはプリズムカップラー（非特許文献２；非特許文献３）、回折格子カップラー（非特許文献４）、光ファイバ（非特許文献５；非特許文献６）、および集積光導波管（非特許文献５；非特許文献６）を使用する構成を含む。回折格子ベースのＳＰＲセンサにおいて、電磁波と表面プラズモンとの間の相互作用は、回折格子カップラーから反射された電磁波の強度（非特許文献７）、角スペクトル（非特許文献８）、または波長スペクトル（非特許文献９）における変化を測定することにより検出される。複数の化学的または生物学的化合物の並行した検出あるいはそれらの相互作用の並行したモニタリングのために、マルチチャネルＳＰＲセンサが使用される。回折格子カップラーを用いるマルチチャネルＳＰＲセンサにおいて、電磁波と表面プラズモンとの間の共鳴相互作用は、角度をつけて反射されたスペクトルの空間的な分布において検出され得る（非特許文献８）。最近、プリズムカップラーおよび表面プラズモンの順次の励起に基づくマルチチャネルＳＰＲセンサのための方法が、チェコ国特許第２９１７２８号（Ｊ．Ｃｔｙｒｏｋｙ、Ｊ．Ｄｏｓｔａｌｅｋ、Ｊ．Ｈｏｍｏｌａ）に記載される。
Ｒａｅｔｈｅｒ著「Ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｓｏｎｓｍｏｏｔｈａｎｄｒｏｕｇｈｓｕｒｆａｃｅｓａｎｄｏｎｇｒａｔｉｎｇｓ」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ、１９９８年ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ、１９８３年、４、２９９−３０４ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、１９８８年、２３、１４６９−１４７０ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＢ、１９９２年、８、１５５−１６０ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＢ、１９９３年、１２、２１３−２２０ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ、１９９４年、６６、９６３−９７０Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ、１９８７／１９８８年、３、２１１−２２５ＡｍｅｒｉｃａｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ、２００１年、３３、３７−４０ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓａｎｄＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９５年、６、１１９３−１２００

本発明は、波長インタロゲーションおよび回折格子カップラーを有する表面プラズモン共鳴センサに関係する。本発明は、同時に起こる電磁波による表面プラズモンの励起と電磁波のスペクトルの分散とのためのＳＰＲセンサ方法に存在する。本方法において、電磁波は、回折格子に入射し、ここでこれは表面プラズモンと結合された回折である。同時に、電磁波の波長スペクトルは、格子上の回折により空間的に分散される。表面プラズモンの励起によって誘起された電磁波のスペクトルの変化は、分散された電磁波の強度のスペクトル分布を測定するシステムによって検出される。

この方法のために、電磁波は２つ以上の単色光源から、または１つの多色光源から放射される。電磁波は、回折格子によりセンサエレメントの表面に入射し、ここで電磁波は波長の狭帯域の範囲内の表面プラズモンを励起する。表面プラズモンの励起は、この波長帯の範囲内の回折された電磁波の強度の変化を伴う。異なる波長の放射は、異なる角度で、回折格子から離れるように回折される。それゆえ、電磁波の波長スペクトルの変化は、回折された電磁波の強度の空間的な分布における変化に変換される。これらの変化は、電磁放射の空間的な分布の測定を可能にするシステムにより検出される（このような検出システムは位置敏感検出器とさらに呼ばれる）。回折された電磁放射の強度分布の測定は、電磁波と表面プラズモンとの間の共鳴相互作用の発展のモニタリングを可能にし、結果としてセンサ応答を決定することを可能にする。

方法はセンサエレメントに基づいており、該センサエレメントは、カップリングエレメントおよび分散エレメントの両方として働く。このセンサエレメントは、回折格子を囲み、該回折格子上で、表面プラズモンは、センサエレメントの表面に入射する電磁波により励起され、電磁波の波長スペクトルは、異なる角度で分散される。この方法は、主に、波長インタロゲーションを用いる既存のＳＰＲセンサとは異なり、この方法においてセンサエレメントは、表面プラズモンの励起のためのみに役立ち、電磁波のスペクトル解析は、独立した分散エレメントを有する分光器を用いて別個に行われる。本明細書において記載された方法は、ＳＰＲセンサの構造を非常に単純化する。

ＳＰＲセンサ検出の方法は、センサエレメント１に依存する。このセンサエレメント１は、表面プラズモン２の励起および波形スペクトルの角分散を可能にし、以下のように実現され得る。可視スペクトルまたは近赤外線スペクトルの電磁波３は、媒体４を伝播し、入射角１０で、電磁波３は、回折格子６および金属層７を有するセンサ１に入射する。金属表面上には、誘電媒体５がある。レリーフ回折格子６上で、電磁波３の狭い波長帯は、金属７と誘電媒体５との間のインタフェースで表面プラズモン２と回折結合される。同時に、電磁波３は、発散ビーム８に回折される。発散ビーム８において、異なる波長の電磁放射は、異なる角度で、格子から離れるように伝播する。回折ビーム８の範囲内で、電磁放射の強度は、表面プラズモン２の励起に起因して狭い波長帯範囲内で変化される。発散ビーム８は、位置敏感検出器９上に入射し、該位置敏感検出器９は、電磁強度の空間的な分布を測定する。回折格子６上の表面プラズモン２の励起は、位置敏感検出器９により検出された回折電磁ビーム８の強度分布における変化として明らかにされる。

上記のセンサエレメント１を用いるＳＰＲセンサのための方法は、以下の実施形態によるマルチチャネルセンサ構成のために拡張され得る。

第１の実施形態において、電磁波３は、回折格子６を有する複数のセンシングエリア１２に同時に入射する。これらのセンサエリア１２は、表面プラズモン２の伝播方向に平行に配列されている。異なるセンシングエリア１２において、電磁波３は、センサエレメント１の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散電磁ビーム８に回折される。これらの電磁ビーム８は、位置敏感検出器９の異なるエリアに入射する。

第２の実施形態において、電磁波３は、回折格子６を有する複数のセンシングエリア１２に入射する。これらのセンサエリア１２は、表面プラズモンの伝播方向に垂直に配列されている。異なるセンシングエリア１２において、電磁波３は、センサエレメント１の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散光線８に回折される。これらの光線８は、位置敏感検出器９の異なるエリアに入射する。

第３の実施形態において、電磁波は、標準的に回折格子６を有する複数のセンシングエリア１２に垂直に入射する。異なるセンシングエリア１２において、異なる回折格子６は、位置敏感検出器９の中心に対して異なるように配向される。異なるセンシングエリア１２において、電磁波３は、センサエレメント１の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散電磁波ビーム８に回折される。異なるセンシングエリア１２における回折格子６の異なる配向によって、回折された発散電磁波ビーム８は、位置敏感検出器９の異なるエリア上に投影される。

センサエレメント１は、少なくとも１つのエリアにおいて、サンプル５内に存在する化学的または生物学的物質の相互作用の検出または研究のために分子を有する層１５によって被覆され得、該サンプルはセンサエレメント１の表面と接触している。

本明細書に示される方法のためのセンサエレメント１は、切断、ラッピング、研磨、エッチングのような方法によってガラスから製造され得る。さらに、該センサエレメント１は、射出形成またはホットエンボッシングのような方法によってポリマから製造され得る。表面プラズモンを支持する薄い金属層７（例えば、金、銀）および他の光学的な層は、真空蒸着またはスパッタリングのような方法によって準備され得る。位置敏感検出器９として、ＣＣＤ、ＰＤＡまたはＣＭＯＳのようなリニアまたは２次元検出器が使用され得る。電磁放射の供給源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、白熱電球または放電ランプが使用され得る。

（実施例１）
図１は、電磁波３の表面プラズモン２との回折結合および電磁波３の波長スペクトルの角分散を可能にする、回折格子６を有するセンサエレメント１を用いるＳＰＲセンサ検出のための方法の実施形態を示す。平行電磁波３が、光学媒体４から、センサエレメント１にて、角度１０で入射する。センサエレメント１の上部には、金属層７で被覆された周期的なレリーフ回折格子６がある。金属層７を有する回折格子６は、誘電媒体５と接触している。金属７と誘電体５との間のインタフェースにおいて、電磁波３は、波長の狭帯域の範囲内で第２の回折次数を介して表面プラズモン２を励起する。表面プラズモン２の励起は、これらの波長の電磁波３のエネルギの吸収を伴う。レリーフ回折格子６での入射と、同時に、電磁波３は、第１の回折次数に回折され、該第１の回折次数は、発散電磁ビーム８を形成する。この電磁ビーム８において、異なる波長の放射は、異なる角度でセンサエレメント１の表面から離れるように伝播する。分散波長スペクトルにおいて、強度変化は、電磁波３が表面プラズモン２に結合された波長において発生する。角分散波長スペクトルは、位置敏感検出器９を用いて測定され得る。

（実施例２）
図２は、電磁波３の表面プラズモン２への結合、および電磁波３の波長スペクトルの角分散を可能にする、回折格子６を有する複数のセンシングエリア１２を有するセンサエレメント１を用いるマルチチャネルＳＰＲセンサ検出のための方法の実施形態を示す。平行電磁波３は、表面プラズモンの伝播方向に平行に配列された複数のセンシングエリア１２に同時に入射する。回折格子６上の回折を通して、異なるセンシングエリア１２において、電磁波３は、空間的に分離した発散電磁ビーム８に結合される。回折ビーム８は、センサエレメント１の表面から離れるように伝播し、リニア位置敏感検出器１３の異なるエリアに入射する。各回折ビーム８において、異なる波長の電磁放射は、センサエレメント１の表面から、異なる角度で離れるように伝播する。回折ビーム８の空間的な分離は、各センサエリア１２における回折格子６の周期を変化させることによって達成され得る。

（実施例３）
図３は、電磁波３の表面プラズモン２との結合および電磁波３の波長スペクトルの角分散を可能にする、回折格子６を有する複数のセンシングエリア１２を有するセンサエレメント１を用いるマルチチャネルＳＰＲセンサ検出のための方法の実施形態を示す。平行電磁波３は、表面プラズモンの伝播方向に垂直に配列される複数のセンシングエリア１２に同時に入射する。回折格子６上の回折によって、異なるセンシングエリア１２において、電磁波３は、空間的に分離された発散電磁ビーム８と結合される。回折ビーム８は、センサエレメント１の表面から離れるように伝播し、２次元位置敏感検出器１４の異なるエリアに入射する。各回折ビーム８において、異なる波長の電磁放射は、異なる角度で、センサエレメント１の表面から離れるように伝播する。

（実施例４）
図４は、電磁波３の表面プラズモン２との結合および電磁波３の波長スペクトルの角分散を可能にする、回折格子６を有する複数のセンシングエリア１２を有するセンサエレメント１を用いるマルチチャネルＳＰＲセンサ検出のための方法の実施形態を示す。平行電磁波３は、複数のセンシングエリア１２に同時に入射する。異なるセンシングエリア１２において、回折格子は、２次元位置敏感検知器の中心に対して異なるように配向される。回折格子６上の回折を通して、異なるセンシングエリア１２において、電磁波は空間的に分離された発散電磁ビーム８に結合される。回折ビーム８は、センサエレメント１の表面から離れるように伝播し、２次元位置敏感検出器１４の異なるエリアに入射する。各回折ビーム８において、異なる波長の電磁放射は、異なる角度で、センサエレメント１の表面から離れるように伝播する。

（実施例５）
図５は、本明細書に記載されたＳＰＲセンサ方法のための方法のためのセンサエレメント１の実施形態を、センシングエリア１２のエリアを有する平面スライド１６の形態で描く。各センシングエリア１２に、電磁波３の表面プラズモン２との結合のための、かつ電磁波３の波長スペクトルの角分散のための回折格子がある。

本発明に従う方法は、医療診断（生物医学的マーカの検出）、医薬品産業（薬物開発）、食品産業（品質制御、有害汚染物質、食品伝染病原体および毒素の検出）、環境保護（水および大気の汚染のモニタリング）、戦争および安全保障（有害化合物の検出）のような非常に多くのエリアで使用され得る。

本発明は以下の図面において説明される。
図１は、レリーフ回折格子６が準備されているセンサエレメント１を用いるＳＰＲセンサ検出のための方法を描く。回折格子６上で、入射電磁波３は、表面プラズモン２と結合され、発散ビーム８に回折される。回折ビーム８において、異なる波長の電磁放射は、センサエレメント１の表面から異なる方向に伝播する。表面プラズモンの励起と電磁波３の発散ビーム８への分散とが、格子の異なる回折次数を介して現実化される。図２は、レリーフ回折格子６を有する複数のセンシングエリア１２を有するセンサエレメント１を用いるマルチチャネルＳＰＲセンサ検出のための方法を示す。異なるセンシングエリア１２において、電磁波３は、センサエレメント１の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散電磁ビーム８に回折される。これらの電磁ビーム８は、リニア位置敏感検出器１３の異なるエリアに入射する。図３は、回折格子６を有する複数のセンシングエリア１２を有するセンサエレメント１を用いるマルチチャネルＳＰＲセンサ検出のための方法を示す。異なるセンシングエリア１２において、電磁波３は、センサエレメント１の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散電磁ビーム８に回折される。これらの電磁ビーム８は、２次元位置敏感検出器１４の異なるエリアに入射する。図４は、回折格子６を有する複数のセンシングエリア１２を有するセンサエレメント１を用いるマルチチャネルＳＰＲセンサ検出のための方法を示す。異なるセンシングエリア１２において、回折格子６は異なって配向される。異なるセンシングエリアにおいて、電磁波３は、センサエレメント１の表面から離れるように伝播する、一連の空間的に分離された発散電磁ビーム８に回折される。異なるセンシングエリア１２に配置された回折格子６の異なる配向によって、回折発散電磁ビーム８は、２次元位置敏感検出器１４の異なるエリアに投影される。図５は、回折格子６のアレイを有する平面スライド１６としてセンサエレメント１を示す。

Claims

表面プラズモンの分光のための方法であって、
電磁波を回折格子に入射させることと、
回折により該表面プラズモンの励起と該電磁波の波長スペクトルの分散とを該回折格子上に同時に発生させることと、
リニアアレイ検出器または２次元アレイ検出器によって、１次およびそれよりも高い回折次数または−１次およびそれよりも低い回折次数に回折された該電磁波の強度の空間的な分布を測定することと、
該回折された電磁波の強度の該空間的な分布を測定することによって、該表面プラズモンに結合された該電磁波の波長スペクトルを、前記リニアアレイ検出器または２次元アレイ検出器によってさらに決定することと
を含む、方法。
前記電磁波は、複数の回折格子に、または該複数の回折格子のうちの１つの回折格子の中にある異なるエリアに同時に入射する、請求項１に記載の方法。
複数の単色源または少なくとも１つの多色源のうちの少なくとも１つ以上を含む電磁放射源から前記電磁波を放射することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記回折格子は、金属回折格子、金属層で完全に被覆された回折格子、金属層で部分的に被覆された回折格子のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
前記回折格子の表面上のエリアに、生体認識エレメントの完全な層または生体認識エレメントの部分的な層を少なくとも含む被覆を提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記リニアアレイの検出器および前記２次元アレイの検出器のそれぞれは、ＣＣＤ検出器、ＰＤＡ検出器、または、ＣＭＯＳ検出器である、請求項１に記載の方法。
前記回折格子を完全に被覆する前記金属層および前記回折格子を部分的に被覆する前記
金属層のそれぞれは、複数の層を含む、請求項４に記載の方法。
前記回折格子は、化学的および生物学的物質を検出するように表面プラズモン共鳴センサ上にセンシングエレメントを含む、請求項１に記載の方法。
表面プラズモンをスペクトル解析するシステムであって、
電磁放射モジュールから電磁波を受信する回折格子であって、該回折格子による回折により該表面プラズモンの励起と該電磁波の波長スペクトルの分散とを同時に発生させる回折格子と、
１次およびそれよりも高い回折次数または−１次およびそれよりも低い回折次数に回折された該電磁波の強度の空間的な分布を測定し、該表面プラズモンに結合された電磁波の該波長スペクトルを決定するリニアアレイ検出器または２次元アレイ検出器と
を含む、
システム。
前記電磁波は、複数の回折格子に、または該複数の回折格子のうちの１つの回折格子の中にある異なるエリアに同時に入射する、請求項９に記載のシステム。
前記システムは、電磁放射モジュールをさらに含み、該電磁放射モジュールは、前記電磁波を放射するために、複数の単色源または少なくとも１つの多色源のうちの１つ以上を含む、請求項９に記載のシステム。
前記リニアアレイの検出器および前記２次元アレイの検出器のそれぞれは、ＣＣＤ検出器、ＰＤＡ検出器、または、ＣＭＯＳ検出器である、請求項９に記載のシステム。
前記回折格子は、金属回折格子、金属層で完全に被覆された回折格子、金属層で部分的に被覆された回折格子のうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載のシステム。
前記回折格子を完全に被覆する前記金属層および前記回折格子を部分的に被覆する前記金属層のそれぞれは、複数の層を含む、請求項１３に記載のシステム。
被覆を有する前記回折格子の表面上のエリアをさらに含み、該被覆は、生体認識エレメントの完全な層または生体認識エレメントの部分的な層のうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載のシステム。
前記回折格子は、化学的および生物学的物質を検出するように表面プラズモン共鳴センサ上にセンシングエレメントを含む、請求項９に記載のシステム。