JP5230149B2

JP5230149B2 - 表面プラズモン共鳴センサおよびバイオチップ

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Publication number: JP5230149B2
Application number: JP2007234289A
Authority: JP
Inventors: 大介丹羽; 大大西
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2027-09-10
Also published as: JP2009068846A; US7671996B2; US20090066962A1

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴現象を利用した表面プラズモン共鳴センサに関し、特に、小型の表面プラズモン共鳴センサに関する。また、該表面プラズモン共鳴センサを利用したバイオチップに関する。

現在、生化学および医療分野においては、高精度に生体内における生理活性分子等どうしの相関関係を解明することが必要になってきている。したがって、高精度に生理活性分子等の生化学的反応の進行等を測定でき、かつ小型であるセンサが望まれており、研究が進められている。該センサのなかでも、測定に光を用いた方法は、感度の面で優れており、これまでに比色法、蛍光法または発光法といった多くの手法が開発されている。しかし、これらの手法を用いたセンサは大型となり、さらに、色素退色による消光現象が起こる場合があることが報告されている。また、これらの手法による測定の感度については伸び悩みを見せている。さらに現在、主として用いられている該センサは、溶液中に測定サンプルを分散した状態で測定する形態が多く、該形態によると、センサは、一定以上の光路長が要求されるため、センサの小型化を困難としている。

そこで、最近では基板上に生体分子を固定し、基板表面もしくは表面近傍で生じる反応を測定するセンシング方法を利用したセンサが提案されている。特に表面プラズモン共鳴分光法を用いたセンサは、感度面が優れており、小型化も可能であるため、注目を集めている（たとえば、非特許文献１および非特許文献２参照）。ここで、図１０は、表面プラズモン共鳴現象を示す模式的な断面図である。図１０に基づいて以下説明する。

金属膜８４で被覆された誘電体基板８２に対して、プリズム８１を介して入射光λ１を入射させる。そして、入射光λ１が、誘電体基板８２を通り、金属膜８４で反射され、プリズム８１を介して出射光λ２が発生する。このとき入射光λ１と出射光λ２とに動作についてある一定の入射角と反射角とを設定すると、金属膜８４と誘電体基板８２との境界面に表面プラズモン共鳴が観測される。図１０に示す構成を備える表面プラズモン共鳴センサについては、現在開発が進められている（たとえば特許文献１および特許文献２参照）。

しかし、現行の表面プラズモン共鳴センサは、プリズム８１または石英などの透明基板を介して入射光λ１を入射させるために、ある一定の入射・反射角を有するようにチップと光学系を配置させる必要があり、大幅な小型化が困難である。さらに、入射光λ１はプリズム８１等を介して金属膜８４で被覆された誘電体基板８２に伝播するので、表面プラズモン共鳴の発生効率にロスが生じることが原理的に知られている。
特許第３７５９０６１号公報特開２００３−４２９４４号公報Ｋ．Ｋｕｒｉｈａｒａ他Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７４（３）：６９６−７０１（２００２）Ｓｈｕｍａｋｅｒ−ＰａｒｒｙＪＳ他ＡｎａｌＣｈｅｍ．７６（４）：９１８−９２９（２００４）

上述のように、現在生化学および医療分野において、小型でかつ測定の感度が高いセンサが求められている。

また、生化学および医療分野のみならず、嗅覚関連物質の簡便な高感度検出を行なうセンサについても研究が進められている。たとえば、現在においても、空港などにおける麻薬識別などでは主に犬の嗅覚に頼っている状況である。

上述の問題を鑑みて、本発明の目的は、測定の感度が高く、かつ小型化され、簡便に使用可能である表面プラズモン共鳴センサを提供することである。

本発明は、第１誘電体層と、第１誘電体層上に配置される金属層と、金属層を被覆する第２誘電体層とを有し、金属層における第２誘電体層側表面の一部を露出させ、測定サンプルと該表面とを接触させるための開口部を設けたセンサ本体と、金属層の一端から、金属層に対して水平に光を入射するための光源と、金属層の他端から出射される光を検出する検出部とを備える表面プラズモン共鳴センサに関する。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、金属層は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケルおよびクロムから選ばれるいずれかであることが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、金属層の厚みは、１ｎｍから１００ｎｍの範囲であることが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、第１誘電体層および第２誘電体層の屈折率は、１．０から４．０の範囲であることが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、センサ本体は、ＳｉＯ₂、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ガラス、石英、シリコーンおよびプラスチックから選ばれるいずれかからなる基板の上に設置されていることが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、光源は、レーザ光を入射することが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、測定サンプルは、液体状態または気体状態であることが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、金属層は、直線もしくは略Ｌ字状であることが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、第２誘電体層の開口部における金属層上には、生体分子が固定化されており、測定サンプルと生体分子とが接触することが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、第２誘電体層の開口部における金属層の表面は、生体分子を固定するための分子修飾処理が施されていることが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、測定サンプルに含まれ生体分子と反応するターゲット分子は、ナノ粒子で修飾されてなり、ナノ粒子は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケルおよびクロムの少なくとも１つを含み、平均粒径が１ｎｍから１μｍの範囲であることが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、生体分子と、ターゲット分子とからなる凝集体が、金属層の表面に固定化していることが好ましい。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、抗原抗体反応、遺伝子変異、遺伝子とタンパク質との相互作用、細胞・タンパク質機能、酵素反応、代謝物質を測定できることが好ましい。

また、本発明は、上述の表面プラズモン共鳴センサを備えたバイオチップに関する。

本発明の表面プラズモン共鳴センサは、金属層への直接光を入射することにより発生する表面プラズモン波を利用することにより、従来の表面プラズモン共鳴センサよりも数段高い感度での測定が可能である。したがって、生化学および医療分野において、本発明の表面プラズモン共鳴センサを用いることによって、抗原抗体反応、遺伝子変異、遺伝子・タンパク相互作用、細胞・タンパク質機能および代謝物質同定などの高精度な検出・診断が可能となる。また、該表面プラズモン共鳴センサは、薬物検査、食品の鮮度検査、有害物質濃度の測定など多岐にわたる応用が想定できる。

また、本発明の表面プラズモン共鳴センサは、光源とセンサ本体とを同一平面上に配置可能なため、測定システムの大幅な小型化が達成でき、これまで研究室内や大学病院レベルでしか行なうことができなかった高精度な測定が場所を選ばずに行なうことができる。

さらに、光源とセンサ本体と検出部とを一体化させたバイオチップの作製により、従来にない簡便なセンシングツールを提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明における一実施形態を示す模式的な斜視図である。図２は、本発明における金属層において生じる表面プラズモン波を示す模式的な断面図である。以下、図１に基づいて、本発明の表面プラズモン共鳴センサの基本的な構造について説明し、図２に基づいて、本発明の表面プラズモン共鳴センサにおける表面プラズモン波の発生について説明する。

≪構造≫
図１に示すように、本発明の表面プラズモン共鳴センサは、センサ本体５０と、光源としてのレーザ１０と、検出部２０とを備える。センサ本体５０は、少なくとも第１誘電体層２と第１誘電体層２の上に配置される金属層４と金属層４を被覆する第２誘電体層３とを有する。本実施の形態においては、センサ本体５０は、基板１の上に設置されている。そして、センサ本体５０は、金属層４における第２誘電体層３側表面の一部を露出させ、測定サンプルと該表面とを接触させるための開口部が設けられている。本実施の形態においては、該開口部における金属層４には、測定サンプルに含まれるターゲット分子と反応する生体分子としての抗体５が固定されている。レーザ１０は、レーザ光１１を発し、金属層４の一端から、金属層４に対して水平にレーザ光１１を入射する。レーザ光１１は、導波路としての役割を果たす金属層４の長手方向に進み、金属層４を介して、他端から出射される。検出部２０は、他端から出射される出射光２１を検出する。

該開口部に測定サンプルを接触させる前と接触させた後における金属層４の上面近傍の屈折率は、変化する。本発明においては、該屈折率の変化を出射光２１を検出する検出部２０で解析することによって、測定サンプルにおけるターゲット分子の測定を行なう。なお、金属層４は、該開口部以外の箇所では、第２誘電体層３で全て被覆されていることが好ましいが、一部被覆されない箇所があってもよい。

金属層４は、厚みが１ｎｍから１００ｎｍの範囲であることが好ましく、１０ｎｍから４０ｎｍの範囲であることが特に好ましい。金属層４の厚みが１ｎｍ未満である場合には、金属層４の形成が困難となる虞があり、金属層４の厚みが１００ｎｍを超える場合には、金属層４において表面プラズモン共鳴が生じない虞があるためである。また、金属層４の短手方向の長さは、１００ｎｍから１００μｍの範囲であることが好ましい。該長さが１００ｎｍ未満の場合には、金属層４において表面プラズモン共鳴が発生しない虞があり、該長さが１００μｍを超える場合には、使用しにくい高次の表面プラズモンが多く発生する虞があるためである。また、金属層４の長手方向の長さは、３０μｍから５ｍｍの範囲であることが好ましい。該長さが３０μｍ未満の場合には、十分な分解能（分析能）が得られない虞があり、該長さが５ｍｍを超える場合には、検出部２０が出射光２１を検出できないほど出射光２１の強度が低くなる虞があるためである。

そして、該開口部は、長手方向に１０μｍから５ｍｍの範囲で設けることが好ましい。１０μｍ未満の場合には、測定サンプルの接触量が不足する虞があり、５ｍｍを超える場合には、出射光２１を検出できないほど出射光２１の強度が低くなる虞があるためである。

また、第１誘電体層２および第２誘電体層３の屈折率は、１．０から４．０の範囲となるよう設定することが好ましい。また、第１誘電体層２の屈折率と第２誘電体層３の屈折率とは、同程度であることが好ましい。なお、第１誘電体層２および第２誘電体層３の厚さについては特に限定されないが、たとえば、双方とも１００ｎｍから１００μｍの範囲とすることができる。

そして、金属層４の材料は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケルおよびクロムから選ばれるいずれかであることが好ましい。これらの材料は、表面プラズモン波を発生しやすい性質を有するためである。

また、第１誘電体層２および第２誘電体層３の材料は、ＳｉＯ₂、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ガラス、石英、シリコーンおよびプラスチックから選ばれるいずれかであることが好ましい。これらの材料は、透光性が高く、レーザ１０からのレーザ光１１を吸収しにくいためである。

また、第２誘電体層３に設けられた開口部における金属層４上に固定化された生体分子としては、たとえば、抗体、酵素などのタンパク質およびＤＮＡ等を挙げることができる。そして、該生体分子と反応するターゲット分子としては、具体的に、該抗体と結合する抗原、該酵素と結合する補酵素、該ＤＮＡと結合するタンパク質やＤＮＡなどを挙げることができる。つまり、本発明の表面プラズモン共鳴センサとしては、通常のバイオセンサで汎用されているタンパク質相互作用、抗体抗原反応および遺伝子反応などを利用して、サンドイッチイムノアッセイ、アビジンービオチン反応系およびハイブリダイゼーションなどの技術を用いることが可能である。表面プラズモン共鳴センサは、該ターゲット分子が、測定サンプル中にどれだけ含まれているかを測定することができる。そして、該生体分子と、該ターゲット分子とからなる凝集体が、金属層４の表面に固定化した状態で検出部２０において出射光２１を検出することが好ましい。また、測定サンプルは、液体状態であっても、気体状態であっても良い。

また、特定の嗅覚対象の受容体を上述の生体分子として金属層４に固定してもよい。該嗅覚対象の受容体を固定したセンサ本体５０を備える表面プラズモン共鳴センサは、生体内反応とほぼ等効率な模倣生体として利用できる。該受容体は、遺伝子解析・操作技術を用いて、または、生体抽出することで得ることができる。本発明において、該受容体は精製された高純度なものを用いることが好ましい。該受容体を金属層４に固定する際に、同時に抗体などを用いても良い。

また、該生体分子を金属層４に固定するための該金属層４の表面に分子修飾処理を施すことが好ましい。たとえば、該分子修飾においては、アルキルシラン、アルカンチオールなどの分子やイオン性高分子などの分子を該表面に固定するような処理を施すことが好ましい。また、該分子は末端官能基として、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ₂、−ＣＦ₃、−ＣＨ₃、−ＣＮ，−ＳＯ₃Ｈなどを少なくとも１つ以上有することが好ましい。該分子修飾処理については、公知の技術を各種選択して用いる。

また、測定サンプルにおけるターゲット分子については、ナノ粒子で修飾されてなることが好ましい。そして、該ナノ粒子は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケルおよびクロムの少なくとも１つを含み、平均粒径が１ｎｍから１μｍの範囲であることが好ましい。該ターゲット分子と該ナノ粒子とが結合等することによって修飾されることで、金属層４において、測定サンプル中のターゲット分子は、より高精度に感知されるようになる。また、金属層４の材料と該ナノ粒子の材料とを異なるものとすることで表面プラズモン共鳴の増強を行なうことができる。なお、該ターゲット分子の該ナノ粒子による修飾は、公知の方法で行なうことができる。

基板１の材料は、ＳｉＯ₂、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ガラス、石英、シリコーンおよびプラスチックから選ばれるいずれかからなることが好ましい。該ガラスとしては、たとえば多孔質ガラス等を挙げることができ、該プラスチックとしては、ポリウレタンおよび多孔質スチレン等を挙げることができる。

また、光源１０としてのレーザとしては、半導体レーザおよび有機レーザ等を挙げることができる。有機レーザとは、たとえば、Ｈ．ＨａｊｉｍｅＮａｋａｎｏｎａｎｉら "Extremely low-threshold amplified spontaneous emission of 9,9’-spirobifluorene derivatives and electroluminescence from field-effect transistor structure" Adv. Funct. Mater.,(in press 2007)記載されたものを用いることができる。本実施の形態において、有機レーザを備える場合には、表面プラズモン共鳴センサを廃棄する際に環境を汚染しにくい。なお、光源１０は、レーザ以外のたとえば発光ダイオードなどであってもよい。また、該レーザが発するレーザ光の波長は４００ｎｍから１６００ｎｍの範囲であることが好ましい。また、本実施の形態において、該レーザが発するレーザ光１１の１割から４割は、金属層４に入射することなく、センサ本体５０の外部に放出される。したがって、該レーザ光１１の強度は、外部に放出されるロスを考慮して設定することが好ましい。

≪動作≫
以下、図１および図２に基づいて説明する。本発明の表面プラズモン共鳴センサにおいて、上述のように金属層４の一端からレーザ光１１を入射させると、該金属層４の両表面に表面プラズモン共鳴の一種である表面プラズモン波１５が生じる。つまり、直接、導波路としての役割を果たす金属層４にレーザ光１１を入射させる新規方式によって、金属層４表面における屈折率変化を経時的に測定することができる。屈折率変化の測定は、開口部において行なわれる。開口部の金属層４表面にて該表面に固定した生体分子とターゲット分子との反応が進むにつれて、第１誘電体層２の屈折率と金属層４の表面の屈折率との差が大きくなっていき、伝播ロスもそれに従って大きくなる。伝播ロスにより減衰した光の強度を測定し、初期状態の光量と比較することで金属層４の表面（上面近傍）の屈折率が分かり、そこから該生体分子と反応したターゲット分子の量、たとえば抗原抗体反応の量がわかる。また、測定サンプルにおけるターゲット分子をナノ粒子で修飾した場合には、同様の現象が増幅されて生じることから、該生体分子と反応したターゲット分子の量がより高感度に検知できる。

本発明の表面プラズモン共鳴センサは、金属層４の薄膜化により表面プラズモン波１５を生じさせることができ、該表面プラズモン波１５は、従来の表面プラズモン共鳴と比較して、共鳴感度に優れ、小型化しやすい。したがって、本発明の表面プラズモン共鳴センサは、さらなる感度の向上が見込まれる。

本実施の形態においては、抗原６が抗体５と結合する量が増加するに従って、該開口部における金属層３を通るレーザ光１１の屈折率が経時的に変化し、該金属層３で生じる表面プラズモン共鳴の強度も変化する。検出部２０は、導波路としての金属層３の端部から出射する出射光２１を経時的に解析し、測定サンプルにおける抗原６の量を算出することができる。

以下、上述したような構成要素を備えた別の実施の形態の表面プラズモン共鳴センサについて説明する。なお、以下の実施の形態において、上述した材料等を適宜選択することができる。

＜実施の形態２＞
図３は、本発明における表面プラズモン共鳴センサの別の一実施形態を示す上面図である。図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。以下、図３および図４に基づいて説明する。

図３および図４に示すように、本実施の形態においては，第２誘電体層３の上にカバー７が設けられている。カバー７は、注入口８と排出口９とを有する。測定サンプルは、注入口８から導入することができ、該測定サンプルは、カバー７によって形成された経路を通って開口部を通過し、排出口９から排出される。該測定サンプルは、第２誘電体層３における開口部の金属層４に固定された生体分子と接触する。該測定サンプルがカバー７の内部に導入され、内部から排出される速度（流速）は、適宜、測定サンプルの種類に応じて選択することができる。また、測定サンプルが気体状態であるか、液体状態であるか等の条件から、図４中の長さＬを設定することができる。

＜実施の形態３＞
図５は、本発明における表面プラズモン共鳴センサの別の一実施形態を示す斜視図である。以下、図５に基づいて説明する。

図５に示すように、レーザ１０から発する入射光１１が進む方向と、金属層４からの出射光２１が進む方向とが、同一方向でなくてもよい。たとえば、レーザ１０から発する入射光１１は、光ファイバ３０を介して金属層４に入射してもよい。また、金属層４は略Ｌ字状に形成されていてもよい。このとき図５における角度４０は、たとえば０度から９０度の範囲で調整することができる。表面プラズモン共鳴センサにおいて、入射光１１の進む方向と出射光２１が進む方向とが、一直線上にないことが好ましい。迷光を検出しないためである。

＜実施の形態４＞
実施の形態３で作製した表面プラズモン共鳴センサを備えたバイオチップを作製することができる。本発明の表面プラズモン共鳴センサは、従来のものと比較して極度に小型化することが可能であるため、該表面プラズモン共鳴センサを備えたバイオチップを作製することができる。表面プラズモン共鳴センサにおけるレーザ１０、センサ本体５０および検出部２０と、これらに電力等を供給するための装置などとを適宜１つのバイオチップ上に収まるように設定することができる。

該バイオチップは、レーザ１０にたとえば有機レーザを用い、第１誘電体層２および第２誘電体層３にシリコンを用いた場合には、廃棄する際に環境汚染を生じにくく、また、経済的に使い捨てできるバイオチップを提供することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１：抗原抗体反応を利用した表面プラズモン共鳴センサ＞
≪表面プラズモン共鳴センサの作製≫
図１に基づいて以下説明する。本実施例においては、シリコンからなる基板１の上に、ＳｉＯ₂からなる第１誘電体層２と金からなる金属層４と、ＳｉＯ₂からなる第２誘電体層３とからなるセンサ本体５０を設置した。金属層４は、厚みが１５ｎｍで、短手方向の長さが８μｍで、長手方向の長さが２ｍｍのものを用いた。また、第２誘電体層３に設けた開口部の長手方向の長さは１ｍｍとし、短手方向の長さは１０μｍとした。

ここで、図６は、本実施例における抗原抗体反応を示す模式図である。以下、図６に基づいて説明する。まず、図６（ａ）に示すように、金属層４の上に一次抗体５１（ＡｎｔｉｍｏｕｓｅＩｇＧ抗体）を固定した。一次抗体５１の固定化のプロセスは、以下の（１）から（３）の工程順で行なった。

（１）金属層の洗浄：１２０℃の硫酸：過酸化水素水混合液（４：１）で、金属層４の表面を１０分間洗浄洗浄した。その後、センサ本体５０を１０ｍｍｏｌ／ＬＭＵＡ（メルカプトウンデカン酸）のエタノール溶液に２４時間浸漬した。浸漬後、該センサ本体５０の金属層４の表面を純水で洗浄した後、該センサ本体５０をエタノール中で１０分間超音波洗浄した後、純水洗浄して、窒素雰囲気下で乾燥した。

（２）抗体を固定するための分子修飾処理：該センサ本体５０における金属層４の表面に分子修飾処理した。まず、工程（１）の後のセンサ本体５０を１００ｍｇ／ｍｌＮＨＳ（Ｎ−ヒドロキシコハク酸イミド）水溶液を１００ｍＬに浸漬させた。その後、さらにＮＨＳ水溶液に対して、１００ｍｇ／ｍｌＥＤＣ（Ｎ−（３−ジメチルアミノプロピル）−Ｎ’−エチルカルボジイミド）水溶液を１００ｍＬ加え、攪拌条件下で１時間放置した。そして、分子修飾された金属層４の表面を純水で洗浄後、０．１ｍｏｌ／Ｌトリス塩酸緩衝液（ＴＢＳ，ｐＨ８．０）で洗浄し、活性化した分子修飾処理後の金属層４の表面に９０μＬのトリス塩酸緩衝液を滴下した。

（３）抗体の固定化：工程（２）の１２０秒後、０．１ｍｏｌ／ＬＴＢＳで一次抗体５１を１／２５に希釈してなる抗体溶液１０μＬを金属層４の表面に滴下した。そして該滴下から３０分後、該表面をＴＢＳで洗浄後、該表面に０．１ｍｏｌ／ｌＴＢＳを１００μＬ滴下した。最後に一次抗体５１が固定化された金属層４の表面に１００μＬのエタノールアミン水溶液を滴下後、１時間放置した。該エタノールアミン水溶液によって、抗体が固定化されていない金属層４の表面を不活性とした。

次に、図６（ｂ）に示すように、二次抗体５２としてＡｎｔｉＦＬＡＧモノクロナル抗体を一次抗体５１に結合させ、該金属層４の表面に固定化した。二次抗体５２の固定化のプロセスは、以下の手順で行なった。

まず、一次抗体５１が固定化された金属層４の表面を純水で洗浄した後、ヘペス緩衝液（ＨＢＳ，ｐＨ７．４）でさらに洗浄し、該ヘペス緩衝液の送液用の流路パターン（シリコーン製）を金属層４の表面に配置した。そして、該流路パターン内に２５μｇ／ｍＬの二次抗体５２を１０分間送液した。かかる操作で金属層４の表面にＡｎｔｉＦＬＡＧ抗体が固定化された。

≪測定≫
最後に図６（ｃ）に示すように、二次抗体５２と抗原６１であるＦＬＡＧ−ＢＡＰ（コントロールタンパク質）を含む測定サンプルとを接触させ、該測定サンプルに含まれる抗原６１の量を測定した。まず、ＨＢＳを送液した後、上述した流路パターンにＨＢＳでＦＬＡＧ−ＢＡＰの濃度を２５μｇ／ｍｌに調整した測定サンプルを上述の流路パターン内に５分間送液した。測定サンプルを送液後、再びＨＢＳを送液した。このとき、光源１０には、波長１５００ｎｍの光を発する半導体レーザを用いた。

図７は、実施例１における表面プラズモン共鳴センサによる測定結果を示す図である。図７は、横軸に金属層４の上面近傍における屈折率の変化を示し、縦軸に入射光と出射光との強度および該入射光の移動距離から算出される伝播ロスの値を示す。図７に示すように、測定サンプルを送液する前、つまり、二次抗体５２を固定した直後は、伝播ロスは２．３ｄＢ／ｍｍであった。しかし、該測定サンプルを送液した後、言い換えると抗原抗体反応後は、伝播ロスは２２０ｄＢ／ｍｍであった。これにより、抗原６１と二次抗体５２とが結合することによって、該伝播ロスの大幅な変化が認められることが分かった。

結果の解釈として図７のように、金属層４の表面近傍の屈折率変化により、表面プラズモン共鳴センサにおけるレーザ光１１の伝播ロスは大幅に変化する。本実施例における抗原抗体反応において、該抗原抗体反応前後で金属層４の表面近傍の屈折率が変化することが知られている。したがって、該伝播ロスの変化を見ることで金属層４の表面に固定した生体分子と測定サンプルに含まれるターゲット分子との相互作用を、検出部２０で、モニタリングすることが可能である。

＜実施例２：嗅覚センサとしての表面プラズモン共鳴センサ＞
図８は、本実施例における反応を示す模式図である。以下、図８に基づいて説明する。

図８（ａ）に示すような金属層４の上に抗体５３（ＡｎｔｉＨｉｓ（ヒスチジン）抗体）を固定する工程は、実施例１における操作と同様にして行なった。

次に図８（ｂ）に示すように、抗体５３に受容体５４を結合させることで金属層４に受容体５４を固定した。このとき、受容体５４としてＨｉｓ（ヒスチジン）タグを有するにおい物質受容体を用いたほかは、実施例１における操作と同様にして行なった。

≪測定≫
最後に図８（ｃ）に示すように、受容体５４とにおい物質６２を含む測定サンプルとを接触させ、該測定サンプルに含まれるにおい物質６２の量を測定した。まず、ＨＢＳを送液後、上述した流路パターンにＨＢＳでにおい物質６２の濃度を１０μＭに調整した測定サンプルを上述の流路パターン内に２分間送液した。測定サンプルを送液後、再びＨＢＳを送液した。このとき、光源１０には、波長１５００ｎｍの光を発する半導体レーザを用いた。

図９は、実施例２における表面プラズモン共鳴センサによる測定結果を示す図である。図９は、横軸に金属層４の表面近傍における屈折率の変化を示し、縦軸に入射光と出射光との強度から算出される伝播ロスの値を示す。図９に示すように、測定サンプルを送液する前、つまり、受容体５４を固定した直後は、伝播ロスは２．５ｄＢ／ｍｍであった。しかし、該測定サンプルを送液した後、言い換えるとにおい物質反応後は、伝播ロスは２５０ｄＢ／ｍｍであった。これにより、におい物質６２と受容体５４とが結合することによって、該伝播ロスの大幅な変化が認められることが分かった。

結果の解釈として図９のように、金属層４の表面近傍の屈折率変化により、表面プラズモン共鳴センサにおけるレーザ光１１の伝播ロスは大幅に変化する。本実施例における抗原抗体反応において、該抗原抗体反応前後で金属層４の表面近傍の屈折率が変化することが知られている。したがって、該伝播ロスの変化を見ることで金属層４の表面に固定した生体分子と測定サンプルに含まれるターゲット分子との相互作用を、検出部２０で、モニタリングすることが可能である。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明における一実施形態を示す模式的な斜視図である。本発明における金属層において生じる表面プラズモン波を示す模式的な断面図である。本発明における表面プラズモン共鳴センサの別の一実施形態を示す上面図である。図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。本発明における表面プラズモン共鳴センサの別の一実施形態を示す斜視図である。実施例１における抗原抗体反応を示す模式図である。実施例１における表面プラズモン共鳴センサによる測定結果を示す図である。実施例２における反応を示す模式図である。実施例２における表面プラズモン共鳴センサによる測定結果を示す図である。表面プラズモン共鳴現象を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１基板、２第１誘電体層、３第２誘電体層、４金属層、５，５３抗体、６，６１抗原、７カバー、８注入口、９排出口、１０レーザ、１１レーザ光、１５表面プラズモン波、２０検出部、２１，λ２出射光、３０光ファイバ、４０角度、５０センサ本体、５１一次抗体、５２二次抗体、５４受容体、６２におい物質、８１プリズム、８２誘電体基板、８４金属膜、λ１入射光、Ｌ長さ。

Claims

第１誘電体層と、前記第１誘電体層上に配置される金属層と、前記金属層を被覆する第２誘電体層とを有し、
前記金属層における前記第２誘電体層側表面の一部を露出させ、測定サンプルと該表面とを接触させるための開口部を設けたセンサ本体と、
前記金属層の一端から、前記金属層に対して水平に光を入射するための光源と、
前記金属層の他端から出射される光を検出する検出部と、
を備える表面プラズモン共鳴センサ。
前記金属層は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケルおよびクロムから選ばれるいずれかである請求項１に記載の表面プラズモン共鳴センサ。
前記金属層の厚みは、１ｎｍから１００ｎｍの範囲である請求項１または２に記載の表面プラズモン共鳴センサ。
前記第１誘電体層および前記第２誘電体層の屈折率は、１．０から４．０の範囲である請求項１〜３のいずれかに記載の表面プラズモン共鳴センサ。
前記センサ本体は、ＳｉＯ₂、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ガラス、石英、シリコーンおよびプラスチックから選ばれるいずれかからなる基板の上に設けられた請求項１〜４のいずれかに記載の表面プラズモン共鳴センサ。
前記第２誘電体層の開口部における前記金属層上には、生体分子が固定化されており、前記測定サンプルと前記生体分子とが接触する請求項１〜５のいずれかに記載の表面プラズモン共鳴センサ。
前記測定サンプルに含まれ前記生体分子と反応するターゲット分子は、ナノ粒子で修飾されてなり、
前記ナノ粒子は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケルおよびクロムの少なくとも１つを含み、平均粒径が１ｎｍから１μｍの範囲である請求項６に記載の表面プラズモン共鳴センサ。
前記生体分子と、前記ターゲット分子とからなる凝集体が、前記金属層の表面に固定化した請求項６に記載の表面プラズモン共鳴センサ。
請求項１〜８のいずれかに記載の表面プラズモン共鳴センサを備えたバイオチップ。