JP5895965B2 - 表面プラズモン増強蛍光センサおよび表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体 - Google Patents

Description

本発明は、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ；Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）の原理に基づいた表面プラズモン増強蛍光センサおよびこの表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体に関する。

従来より、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）の原理に基づき、例えば生体内の極微少なアナライトの検出が行われている。
表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）は、光源より照射したレーザ光（励起光）が金属薄膜表面で全反射減衰（ＡＴＲ；attenuated total reflectance）する条件において、金属薄膜表面に粗密波（表面プラズモン）を発生させることによって、光源より照射したレーザ光（励起光）が有するフォトン量を数十倍〜数百倍に増やし（表面プラズモンの電場増強効果）、これにより金属薄膜近傍の蛍光物質を効率良く励起させることによって、極微量および／または極低濃度のアナライトを検出する方法である。

近年、このような表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）の原理に基づいた表面プラズモン増強蛍光センサの開発が進められており、例えば特許文献１や特許文献２などにその技術開示がなされている。

このような表面プラズモン増強蛍光センサ１００は、図６に示したように基本的な構造において、まず金属薄膜１０２と、金属薄膜１０２の一方側面に形成された反応層１０４と、他方側面に形成された誘電体部材１０６と、を有するチップ構造体１０８を備えている。

そして、チップ構造体１０８の誘電体部材１０６側には、誘電体部材１０６内に入射され、金属薄膜１０２に向かってp偏光である励起光１１０を照射する光源１１２を備え、さらに光源１１２から照射され金属薄膜１０２で反射した金属薄膜反射光１１４を受光する受光手段１１６が備えられている。

一方、チップ構造体１０８の反応層１０４側には、反応層１０４で捕捉されたアナライトを標識した蛍光物質が発する蛍光１１８を受光する光検出手段１２０が設けられている。

なお、反応層１０４と光検出手段１２０との間には、蛍光１１８を効率よく集光するための集光部材１２２と、蛍光１１８以外に含まれる光を除去し、必要な蛍光のみを選択する波長選択機能部材１２４が設けられている。

そして、表面プラズモン増強蛍光センサ１００の使用においては、金属薄膜１０２上に、あらかじめ蛍光物質で標識されたアナライトが捕捉された反応層１０４を形成しておき、この状態で光源１１２より誘電体部材１０６内に励起光１１０を照射し、この励起光１１０が特定の角度（共鳴角）θ１で金属薄膜１０２に入射することで、金属薄膜１０２上に粗密波（表面プラズモン）を生ずるようになっている。

なお、金属薄膜１０２上に粗密波（表面プラズモン）が生ずる際には、励起光１１０と金属薄膜１０２中の電子振動とがカップリングし、金属薄膜反射光１１４の光量減少という現象が生ずる。

このため、受光手段１１６で受光される金属薄膜反射光１１４のシグナルが変化（光量が減少）する地点を見つければ、粗密波（表面プラズモン）が生ずる共鳴角を得ることができる。

そして、この粗密波（表面プラズモン）を生ずる現象により、金属薄膜１０２上の反応層１０４の蛍光物質が効率良く励起され、これにより蛍光物質が発する蛍光１１８の光量が増大することとなる。

この増大した蛍光１１８を、集光部材１２２および波長選択機能部材１２４を介して光検出手段１２０で受光することで、極微量および／または極低濃度のアナライトを検出することができるようになっている。

このように、表面プラズモン増強蛍光センサ１００は、特に生体分子間などの微細な分子活動を観察可能とする高感度計測センサである。

特許第３２９４６０５号公報 特開２００６−２０８０６９号公報

しかしながら、上述したような従来の表面プラズモン増強蛍光センサ１００では、図７に示したように、金属薄膜１０２上に粗密波（表面プラズモン）を生じさせる際において、光源１１２より照射された励起光１１０が、誘電体部材１０６の入射面１２６で一部が反射光（入射面反射光１２８）となってしまう場合があった。

また、励起光１１０は共鳴角θ１で金属薄膜１０２に入射することで金属薄膜１０２上に表面プラズモンを発生させるが、共鳴に寄与しなかった励起光１１０は、金属薄膜反射光１１４として誘電体部材１０６の出射面１３０に向かい、この出射面１３０でも一部が反射光（出射面反射光１３２）として誘電体部材１０６内に留まってしまう。

このため、光検出手段１２０で金属薄膜１０２上の反応層１０４からの蛍光１１８を検出する際には、この入射面反射光１２８や出射面反射光１３２などがノイズ成分となってしまい、蛍光検出測定におけるグラウンドをあげ、ダイナミックレンジを狭めてしまう場合が生じていた。

表面プラズモン増強蛍光センサは、非常に高精度が求められる高感度計測センサであるため、極僅かなノイズ成分であっても、蛍光検出の正確性を損ねる要因となってしまう。
そこで、これら蛍光検出の正確性を損ねるノイズ成分を除去し、従来よりもさらに高精度の蛍光検出が可能な表面プラズモン増強蛍光センサが求められている。

本発明はこのような現状に鑑みなされたものであって、励起光を金属薄膜に照射して粗密波（表面プラズモン）を生じさせる際において、ノイズ成分となり得る迷光の発生を抑え、超高精度な蛍光検出を可能とする表面プラズモン増強蛍光センサおよび表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体を提供することを目的とする。

本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決するために発明されたものであって、
本発明のチップ構造体は、
表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体であって、
前記チップ構造体は、
金属薄膜と、
前記金属薄膜の一方側面に形成された反応層と、
前記金属薄膜の他方側面に形成された誘電体部材と、
から少なくとも構成され、
前記誘電体部材の外側から前記金属薄膜に励起光を照射して前記金属薄膜上の電場を増強させる際において、
前記誘電体部材が、
前記金属薄膜に反射した金属薄膜反射光が出射する出射面近傍に、前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の成分を低減させる出射面側反射光低減部を有し、
さらに前記出射面側反射光低減部が、前記誘電体部材の前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の光路を有する部分であって、
前記金属薄膜反射光の光路を有する部分が、光吸収材料から成る光吸収部であり、
前記光吸収部が、前記誘電体部材の内部に設けられてなることを特徴とする。

このような光吸収部であれば、金属薄膜反射光の成分を吸収し低減できるため、特に出射面反射光などが低減されることとなり、超高精度な蛍光検出が可能となり、また、部品点数を増やすことがなく、金属薄膜反射光の成分を低減できるため、製造コストを抑えつつ、超高精度な蛍光検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記出射面側反射光低減部が、
前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の進行方向とブリュースター角の関係を持つように構成された出射面構造であることを特徴とする。

このように、出射面が金属薄膜からの金属薄膜反射光の進行方向とブリュースター角の関係を持つように、出射面の傾斜角度を設定しておけば、出射面についてそのほとんどがp偏光成分である励起光の出射面反射光を生じ難くすることができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記誘電体部材の前記出射面に、出射面側反射防止膜が設けられていることを特徴とする。

このように構成されていれば、出射面反射光を出射面側反射防止膜で除去することができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記誘電体部材が、
前記励起光が入射する入射面近傍に、入射面で反射する入射面反射光を低減させる入射面側反射光低減部を有することを特徴とする。

このように構成されていれば、そのほとんどがp偏光成分である励起光の入射面反射光を生じ難くすることができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記入射面側反射光低減部が、
前記励起光の進行方向とブリュースター角の関係を持つように構成された入射面構造であることを特徴とする。

このように、入射面が励起光の進行方向とブリュースター角の関係を持つように入射面の傾斜角度を設定しておけば、そのほとんどがp偏光成分である励起光の入射面反射光を生じ難くすることができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記入射面側反射光低減部が、
前記入射面に設けられた入射面側反射防止膜であることを特徴とする。

このように入射面側反射防止膜が設けられていれば、誘電体部材の入射面で励起光が反射する入射面反射光を生じ難くすることができる。

また、本発明のチップ構造体は、
前記出射面側反射防止膜および入射面側反射防止膜が、
二酸化珪素，酸化アルミニウム，二酸化チタン、フッ化ナトリウム，フッ化マグネシウム，フッ化リチウムのいずれかを含有してなることを特徴とする。

このように構成されていれば、誘電体部材に入射された励起光の入射面反射光や出射面反射光などによるノイズの発生を抑え、超高精度な蛍光検出ができる。
また、本発明のチップ構造体は、
前記光吸収部を構成する前記光吸収材料が、検出波長域で非蛍光性な添加剤をドープした誘電体であることを特徴とする。
このように構成されていれば、金属薄膜反射光の成分を吸収し低減できるため、特に出射面反射光などが低減されることとなり、超高精度な蛍光検出が可能となる。

また、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサは、
上記のいずれかに記載のチップ構造体を配設してなることを特徴とする。
このように上記したチップ構造体を配設してなる表面プラズモン増強蛍光センサであれば、チップ構造体の誘電体部材の構造により、反射光が生じ難くなっているため、蛍光検出におけるグラウンドをあげ、ダイナミックレンジを狭めてしまうことがなく、超高精度な蛍光検出をすることができる。

本発明によれば、チップ構造体の誘電体部材が上記したような特徴的な構成を有することにより、励起光を金属薄膜に照射して粗密波（表面プラズモン）を生じさせる際において、ノイズ成分となり得る迷光の発生を抑え、超高精度な蛍光検出を可能とする表面プラズモン増強蛍光センサおよび表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体を提供することができる。

図１は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサの概略図である。 図２は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられる第１の実施例におけるチップ構造体の概略図である。 図３は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられる第２の実施例におけるチップ構造体の概略図である。 図４は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられる第３の実施例におけるチップ構造体の概略図である。 図５は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられる第３の実施例におけるチップ構造体の概略図である。 図６は、従来の表面プラズモン増強蛍光センサの概略図である。 図７は、従来の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体の概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
図１は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサの概略図、図２〜図５は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体の実施例１〜実施例３における概略図である。

本発明の表面プラズモン増強蛍光センサおよび表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体は、誘電体部材の入射面に反射した入射面反射光や金属薄膜に反射した金属薄膜反射光などの迷光の発生を抑え、従来よりもさらに超高精度な蛍光検出を可能とするものである。

なお、本明細書中で言う「ブリュースター角」とは、厳密に一点の角度を指すものではなく、ブリュースター角を中心としてプラスマイナス５°程度の角度も包含したもの、望ましくはプラスマイナス２°程度の角度も包含したものである。

＜表面プラズモン増強蛍光センサ１０＞
本発明の表面プラズモン増強蛍光センサ１０は、図１に示したように、まず金属薄膜１２と、金属薄膜１２の一方側面に形成された反応層１４と、他方側面に形成された誘電体部材１６と、を有するチップ構造体１８を備えている。

そして、チップ構造体１８の誘電体部材１６側には、誘電体部材１６内に入射され、金属薄膜１２に向かって励起光２０を照射する光源２２を備え、さらに光源２２から照射され金属薄膜１２に反射した金属薄膜反射光２４を受光する受光手段２６を備えている。

ここで光源２２から照射される励起光２０としてはレーザ光が好ましく、波長２００〜９００ｎｍ、０．００１〜１，０００ｍＷのＬＤレーザ、または波長２３０〜８００ｎｍ、０．０１〜１００ｍＷの半導体レーザが好適である。

一方、チップ構造体１８の反応層１４側には、反応層１４で生じた蛍光２８を受講する高検出手段３０が設けられている。
光検出手段３０としては、超高感度の光電子増倍管、または多点計測が可能なＣＣＤイメージセンサを用いることが好ましい。

なお、チップ構造体１８の反応層１４と光検出手段３０との間には、光を効率よく集光するための集光部材３２と、光の内で蛍光２８のみを選択するように形成された波長選択機能部材３４が設けられている。

集光部材３２としては、光検出手段３０に蛍光シグナルを効率よく集光することを目的とするものであれば、任意の集光系で良い。簡易な集光系としては、顕微鏡などで使用されている市販の対物レンズを転用してもよい。対物レンズの倍率としては、１０〜１００倍が好ましい。

一方、波長選択機能部材３４としては、光学フィルタ，カットフィルタなどを用いることができる。
光学フィルタとしては、減光（ＮＤ）フィルタ，ダイアフラムレンズなどが挙げられる。

さらにカットフィルタとしては、外光（装置外の照明光），励起光（励起光の透過成分），迷光（各所での励起光の散乱成分），プラズモンの散乱光（励起光を起源とし、プラズモン励起センサ表面上の構造体または付着物などの影響で発生する散乱光），酵素蛍光基質の自家蛍光などの各種ノイズ光を除去するフィルタであって、例えば干渉フィルタ，色フィルタなどが挙げられる。

そして、このような表面プラズモン増強蛍光センサ１０の使用においては、金属薄膜１２上に、例えばあらかじめ蛍光物質で標識されたアナライトが捕捉された反応層１４を設け、この状態で、光源２２より誘電体部材１６内に励起光２０を照射し、この励起光２０が特定の角度（共鳴角（電場増強時に励起光２０と金属薄膜１２の垂線とから成る角度）θ１）で金属薄膜１２に入射することで、金属薄膜１２上に粗密波（表面プラズモン）を生ずるようになる。

なお、金属薄膜１２上に粗密波（表面プラズモン）が生ずる際には、励起光２０と金属薄膜１２中の電子振動とがカップリングし、金属薄膜反射光２４のシグナルが変化（光量が減少）することとなるため、受光手段２６で受光される金属薄膜反射光２４のシグナルが変化（光量が減少）する地点を見つければ良い。

そして、この粗密波（表面プラズモン）により、金属薄膜１２上の反応層１４で生じた蛍光物質が効率良く励起され、これにより蛍光物質が発する蛍光２８の光量が増大し、この蛍光２８を集光部材３２および波長選択機能部材３４を介して光検出手段３０で受光することで、極微量および／または極低濃度のアナライトを検出することができる。

なお、チップ構造体１８の金属薄膜１２の材質としては、好ましくは金，銀，アルミニウム，銅，および白金からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属からなり、より好ましくは金からなり、さらにこれら金属の合金から成ることである。

このような金属は、酸化に対して安定であり、かつ粗密波（表面プラズモン）による電場増強が大きくなることから金属薄膜１２に好適である。
また、金属薄膜１２の形成方法としては、例えばスパッタリング法，蒸着法（抵抗加熱蒸着法，電子線蒸着法など），電解メッキ，無電解メッキ法などが挙げられる。中でもスパッタリング法，蒸着法は、薄膜形成条件の調整が容易であるため好ましい。

さらに金属薄膜１２の厚さとしては、金：５〜５００ｎｍ、銀：５〜５００ｎｍ、アルミニウム：５〜５００ｎｍ、銅：５〜５００ｎｍ、白金：５〜５００ｎｍ、およびそれらの合金：５〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。

電場増強効果の観点からは、金：２０〜７０ｎｍ、銀：２０〜７０ｎｍ、アルミニウム：１０〜５０ｎｍ、銅：２０〜７０ｎｍ、白金：２０〜７０ｎｍ、およびそれらの合金：１０〜７０ｎｍの範囲内であることがより好ましい。

金属薄膜１２の厚さが上記範囲内であれば、粗密波（表面プラズモン）が発生し易く好適である。また、このような厚さを有する金属薄膜１２であれば、大きさ（縦×横）は特に限定されないものである。

一方、反応層１４は、アナライトに蛍光物質を結合させたものを検体中に含有したものであり、このような検体としては、血液，血清，血漿，尿，鼻孔液，唾液，便，体腔液（髄液，腹水，胸水等）などが挙げられる。

また、検体中に含有されるアナライトは、例えば、核酸（一本鎖であっても二本鎖であってもよいＤＮＡ，ＲＮＡ，ポリヌクレオチド，オリゴヌクレオチド，ＰＮＡ（ペプチド核酸）等、またはヌクレオシド，ヌクレオチドおよびそれらの修飾分子），タンパク質（ポリペプチド、オリゴペプチド等），アミノ酸（修飾アミノ酸も含む。），糖質（オリゴ糖，多糖類，糖鎖等），脂質，またはこれらの修飾分子，複合体などが挙げられ、具体的には、ＡＦＰ（αフェトプロテイン）等のがん胎児性抗原や腫瘍マーカー，シグナル伝達物質，ホルモンなどであってもよく、特に限定されない。

さらに蛍光物質としては、所定の励起光２０を照射するか、または電界効果を利用することで励起し、蛍光２８を発する物質であれば特に限定されないものである。なお本明細書でいう蛍光２８とは、燐光など各種の発光も含まれるものである。

また、誘電体部材１６としては、光学的に透明な各種の無機物，天然ポリマー，合成ポリマーを用いることができ、化学的安定性，製造安定性および光学的透明性の観点から、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）または二酸化チタン（ＴｉＯ₂）を含むことが好ましい。

さらに、このような表面プラズモン増強蛍光センサ１０は、光源２２から金属薄膜１２に照射される励起光２０による表面プラズモン共鳴の最適角（共鳴角θ１）を調整するため、角度可変部（図示せず）や、光検出手段３０に入力された情報を処理するためのコンピュータ（図示せず）などを有しても良いものである。

ここで、角度可変部（図示せず）は、サーボモータで全反射減衰（ＡＴＲ）条件を求めるために受光手段２６と光源２２とを同期し、４５〜８５°の角度変更を可能とし、分解能が０．０１°以上であることが好ましい。

上記した構成を有する本発明の表面プラズモン増強蛍光センサ１０は、特にチップ構造体１８の誘電体部材１６において特徴的な構造を有している。
このような誘電体部材１６には、励起光２０が入射する入射面３６近傍に、入射面３６からの入射面反射光を低減させる入射面側反射光低減部および／または金属薄膜１２からの金属薄膜反射光が誘電体部材１６から出射する出射面４０近傍に、金属薄膜１２からの金属薄膜反射光の成分を低減させる出射面側反射光低減部が設けられている。

以下、このような構造の誘電体部材１６を有するチップ構造体１８の実施例について説明する。

＜チップ構造体１８＞
図２に示した第１の実施例であるチップ構造体１８は、励起光２０が入射する誘電体部材１６ａの入射面３６が、入射面３６に反射する入射面反射光を低減させる入射面側反射光低減部として、励起光２０の進行方向とブリュースター角（偏位角）θ２の関係を持つ入射面３６構造となっている。

なお、誘電体部材１６ａの入射面３６の傾斜角度θ３については、反応層１４の検体の屈折率，金属薄膜１２の材質・膜厚・屈折率，誘電体部材１６ａの材質・屈折率,光源２２から照射される励起光２０の波長などにより決定されるものであり、これらの条件に合わせて設定することができる。

ここで誘電体部材１６ａの入射面３６の傾斜角度θ３は、
入射面３６の傾斜角度θ３＝共鳴角θ１＋空気から誘電体部材１６ａ内へ励起光２０が入射するときのブリュースター角θ２−９０°・・・数式（１）、
または、
入射面３６の傾斜角度θ３＝共鳴角θ１−空気から誘電体部材１６ａ内へ励起光２０が入射するときのブリュースター角θ２＋９０°・・・数式（２）、
のいずれかの数式より求めることができる。

このように、入射面３６が励起光２０の進行方向とブリュースター角（偏位角）θ２の関係を持つように入射面３６の傾斜角度θ３を設定しておけば、そのほとんどがp偏光成分である励起光２０の入射面反射光を生じ難くすることができる。

一方、金属薄膜１２に反射する金属薄膜反射光２４が誘電体部材１６ａから出射する出射面４０が、金属薄膜１２からの金属薄膜反射光２４の成分を低減する出射面側反射光低減部として、金属薄膜１２からの金属薄膜反射光２４の進行方向とブリュースター角（偏位角）θ５の関係を持つ出射面４０構造となっている。

なお、誘電体部材１６ａの出射面４０の傾斜角度θ６については、上記したのと同様、反応層１４の検体の屈折率，金属薄膜１２の材質・膜厚・屈折率，誘電体部材１６ａの材質・屈折率,光源２２から照射される励起光２０の波長などにより決定されるものであり、これらの条件に合わせて設定することができる。

ここで誘電体部材１６ａの出射面４０の傾斜角度θ６は、
出射面４０の傾斜角度θ６＝電場増強時に金属薄膜反射光２４の角度と金属薄膜１２からの垂線とから成る角度θ４＋誘電体部材１６ａから空気へ金属薄膜反射光２４が出射するときのブリュースター角θ５・・・数式（３）、
または、
出射面４０の傾斜角度θ６＝電場増強時に金属薄膜反射光２４の角度と金属薄膜１２からの垂線とから成る角度θ４−誘電体部材１６ａから空気へ金属薄膜反射光２４が出射するときのブリュースター角θ５・・・数式（４）、
のいずれかの数式より求めることができる。

このように、出射面４０が金属薄膜１２からの金属薄膜反射光２４の進行方向とブリュースター角（偏位角）θ５の関係を持つように出射面４０の傾斜角度θ６を設定しておけば、出射面４０についてもそのほとんどがp偏光成分である励起光２０の出射面反射光を生じ難くすることができる。

このため、入射面３６の傾斜角度θ３および出射面４０の傾斜角度θ６を規定した第１の実施例におけるチップ構造体１８を表面プラズモン増強蛍光センサ１０に配設すれば、誘電体部材１６ａに入射された励起光２０の反射光など蛍光検出時にノイズと成りうる光の発生を抑え、超高精度な蛍光検出を行うことができる。

次に、図３に示したチップ構造体１８は、第２の実施例における概略図である。
図３に示したチップ構造体１８は、図２に示した第１の実施例のチップ構造体１８と基本的には同じ構成であるので、同じ構成部材には同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。

図３に示したチップ構造体１８は、誘電体部材１６ｂの励起光２０が入射する入射面３６に、入射面３６からの入射面反射光を低減させる入射面側反射光低減部としての入射面側反射防止膜４２ａが配設されている。

また、金属薄膜１２からの金属薄膜反射光２４が誘電体部材１６ｂから出射する出射面４０には、金属薄膜反射光２４の成分を低減する出射面側反射光低減部としての出射面側反射防止膜４２ｂが配設されている。

このような誘電体部材１６ｂであれば、入射面反射光や出射面反射光を、入射面側反射防止膜４２ａや出射面側反射防止膜４２ｂで除去することができる。
なお、入射面側反射防止膜４２ａと出射面側反射防止膜４２ｂの材質については、例えば酸化物やフッ化物などを用いることができ、酸化物としては例えば二酸化珪素（ＳｉＯ₂），酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃），二酸化チタン（ＴｉＯ₂）などを用いることができ、フッ化物としては例えばフッ化ナトリウム（ＮａＦ），フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂），フッ化リチウム（ＬｉＦ）などを用いることができ、特に限定されるものではない。

このため、第２の実施例における誘電体部材１６ｂのように、入射面側反射防止膜４２ａおよび出射面側反射防止膜４２ｂが設けられた誘電体部材１６ｂを有するチップ構造体１８を、表面プラズモン増強蛍光センサ１０に配設すれば、誘電体部材１６ｂに入射された励起光２０の入射面反射光や出射面反射光などによるノイズの発生を抑え、超高精度な蛍光検出ができる。

次に、図４および図５に示したチップ構造体１８は、第３の実施例における概略図である。
図４および図５に示したチップ構造体１８は、図２に示した第１の実施例のチップ構造体１８と基本的には同じ構成であるので、同じ構成部材には同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。

まず図４に示したチップ構造体１８は、誘電体部材１６ｃにおいて、金属薄膜１２からの金属薄膜反射光２４の成分を低減する出射面側反射光低減部として、金属薄膜１２からの金属薄膜反射光２４の光路を有する部分が、光吸収材料からなる光吸収部４６で構成されている。

このように光吸収部４６であれば、金属薄膜反射光２４の成分を吸収し低減できるため、特に出射面反射光などが低減されることとなり、超高精度な蛍光検出が可能となる。
なお、光吸収部４６の位置は、図５に示したように、金属薄膜１２と対向するような位置に設けても良く、金属薄膜反射光２４の反射の向きや誘電体部材１６ｄの形状などによって適宜位置を決定すれば良いものである。

このような、光吸収部４６を構成する光吸収材料としては、例えば検出波長域で非蛍光性な添加剤をドープした誘電体を用いることができ、例えば酸化コバルトや酸化クロムをドープした誘電体材料を用いることができる。

また、このような光吸収部４６が設けられた誘電体部材１６ｃ，１６ｄを製造する方法としては、２色成形法などの樹脂成形方法を用いることが好ましい。
このように、光吸収部４６が設けられた誘電体部材１６ｃ，１６ｄであれば、部品点数を増やすことがなく、金属薄膜反射光２４の成分を低減できるため、製造コストを抑えつつ、超高精度な蛍光検出を行うことができる。

以上、本発明における表面プラズモン増強蛍光センサ１０およびこれに用いられるチップ構造体１８の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではないものである。

例えば実施例１〜実施例３を適宜組み合わせるなど、如何なる組み合わせであっても良く、特に限定されないものである。
また、実施例１〜実施例３における誘電体部材１６を有するチップ構造体１８は、励起光２０の入射面３６側と出射面４０側の両側において反射光低減部が設けられているが、いずれか一方のみにのみ設けられていても良いものであり、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能なものである。

［実施例１］
誘電体部材１６の条件
＜入射面３６側＞
・励起光の波長 ６３３ｎｍ
・検体の屈折率 ｎ＝１．３３５
・金属薄膜１２の材質 金（Ａｕ）
・金属薄膜１２の屈折率 ｎ＝０．１７２６＋３．４２１８ｉ
・金属薄膜１２の膜厚 ５０ｎｍ
・誘電体部材１６の材質 ＢＫ７（ＳＣＨＯＴＴ社）
・誘電体部材１６の屈折率 ｎ＝１．５１５
＜出射面４０側＞
・励起光２０の波長 ６３３ｎｍ
・検体の屈折率 ｎ＝１．３３５
・金属薄膜１２の材質 金（Ａｕ）
・金属薄膜１２の屈折率 ｎ＝０．１７２６＋３．４２１８ｉ
・金属薄膜１２の膜厚 ５０ｎｍ
・誘電体部材１６の材質 ＢＫ７（ＳＣＨＯＴＴ社）
・誘電体部材１６の屈折率 ｎ＝１．５１５

表面プラズモン増強蛍光センサ１０に用いられるチップ構造体１８の誘電体部材１６において、あらかじめ上記の条件から粗密波（表面プラズモン）が生ずる共鳴角θ１およびθ４、さらにブリュースター角（偏光角）θ２およびθ５を導き出し、これらの値を、上記した数式（１）〜数式（４）に代入して、入射面３６の傾斜角度θ３および出射面４０の傾斜角度θ６を求めた。

結果、入射面３６の傾斜角度θ３は３８．８０度または１０５．６５度であった。
また、同様に誘電体部材１６の出射面４０と出射される金属薄膜１２からの金属薄膜反射光２４とが、ブリュースター角（偏光角）θ５となるような出射面４０の傾斜角度θ６を得た。出射面４０の傾斜角度θ６は３８．８０度または１０５．６５度であった。

入射面３６の傾斜角度θ３が３８．８０度，出射面４０の傾斜角度θ６が３８．８０度である誘電体部材１６、および入射面３６の傾斜角度θ３が１０５．６５度，出射面４０の傾斜角度θ６が１０５．６５度である誘電体部材１６をそれぞれ作成し、これを表面プラズモン増強蛍光センサ１０にセットして、アナライトの蛍光検出を行ったところ、光検出手段３０では、いずれも超高精度な蛍光検出をすることができた。

［比較例１］
実施例１における誘電体部材１６の替わりに、従来より用いられている入射面１２６および出射面１３０の傾斜角度が予め決められた６０度分散プリズム（誘電体部材１０６）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてアナライトの蛍光検出を行った。

なお、６０度分散プリズム（誘電体部材１０６）の入射面１２６に励起光１１０が入射した際には、入射面反射光１２８が生じ、さらに金属薄膜１０２に反射した励起光１１０の金属薄膜反射光１１４は、出射面１３０にて６０度分散プリズム（誘電体部材１０６）内に反射する出射面反射光１３２となり、これらの光が迷光として生じた。

この状態で光検出手段１２０にて、蛍光検出を行ったところ、迷光によるノイズが生じ、Ｓ／Ｎの値が小さくなる現象が生じ、超高精度な蛍光検出ができなかった。

１０・・・表面プラズモン増強蛍光センサ
１２・・・金属薄膜
１４・・・反応層
１６・・・誘電体部材
１６ａ・・誘電体部材
１６ｂ・・誘電体部材
１６ｃ・・誘電体部材
１６ｄ・・誘電体部材
１８・・・チップ構造体
２０・・・励起光
２２・・・光源
２４・・・金属薄膜反射光
２６・・・受光手段
２８・・・蛍光
３０・・・光検出手段
３２・・・集光部材
３４・・・波長選択機能部材
３６・・・入射面
４０・・・出射面
４２ａ・・入射面側反射防止膜
４２ｂ・・出射面側反射防止膜
４６・・・光吸収部
θ１・・共鳴角（電場増強時に励起光と金属薄膜の垂線とから成る角度）
θ２・・ブリュースター角（偏位角）
θ３・・誘電体部材の入射面の傾斜角度
θ４・・金属薄膜反射光の角度と金属薄膜からの垂線とから成る角度
θ５・・ブリュースター角（偏位角）
θ６・・誘電体部材の出射面の傾斜角度
１００・・・表面プラズモン増強蛍光センサ
１０２・・・金属薄膜
１０４・・・反応層
１０６・・・誘電体部材
１０８・・・チップ構造体
１１０・・・励起光
１１２・・・光源
１１４・・・金属薄膜反射光
１１６・・・受光手段
１１８・・・蛍光
１２０・・・光検出手段
１２２・・・集光部材
１２４・・・波長選択機能部材
１２６・・・入射面
１２８・・・入射面反射光
１３０・・・出射面
１３２・・・出射面反射光

Claims (9)

1. 表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体であって、
   前記チップ構造体は、
   金属薄膜と、
   前記金属薄膜の一方側面に形成された反応層と、
   前記金属薄膜の他方側面に形成された誘電体部材と、
   から少なくとも構成され、
   前記誘電体部材の外側から前記金属薄膜に励起光を照射して前記金属薄膜上の電場を増強させる際において、
   前記誘電体部材が、
   前記金属薄膜に反射した金属薄膜反射光が出射する出射面近傍に、前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の成分を低減させる出射面側反射光低減部を有し、
   さらに前記出射面側反射光低減部が、前記誘電体部材の前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の光路を有する部分であって、
   前記金属薄膜反射光の光路を有する部分が、光吸収材料から成る光吸収部であり、
   前記光吸収部が、前記誘電体部材の内部に設けられてなることを特徴とする表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。
2. 前記出射面側反射光低減部が、
   前記金属薄膜からの金属薄膜反射光の進行方向とブリュースター角の関係を持つように構成された出射面構造であることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。
3. 前記誘電体部材の前記出射面に、出射面側反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。
4. 前記誘電体部材が、
   前記励起光が入射する入射面近傍に、入射面で反射する入射面反射光を低減させる入射面側反射光低減部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。
5. 前記入射面側反射光低減部が、
   前記励起光の進行方向とブリュースター角の関係を持つように構成された入射面構造であることを特徴とする請求項４に記載の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。
6. 前記入射面側反射光低減部が、
   前記入射面に設けられた入射面側反射防止膜であることを特徴とする請求項４または５に記載の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。
7. 前記出射面側反射防止膜および入射面側反射防止膜が、
   二酸化珪素，酸化アルミニウム，二酸化チタン、フッ化ナトリウム，フッ化マグネシウム，フッ化リチウムのいずれかを含有してなることを特徴とする請求項３または６に記載のチップ構造体。
8. 前記光吸収材料が、検出波長域で非蛍光性な添加剤をドープした誘電体であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載のチップ構造体を配設してなることを特徴とする表面プラズモン増強蛍光センサ。

Images