JPH06505794A - 表面プラズモン共鳴装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、化学種の検出のためのセンサ、特に表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）の 技術による溶液中の分析物の検出のためのセンサに関する。

ＳＰＲは化学種の検出では周知である。ＳＰＲは７Ｍ偏光（即ち、ｐ−偏光され た）の光線が例えばガラスのような誘電媒体と金属薄層との間の界面で全肉反射 される時に発生するエバネッセント波を使って達成され得る。放射線のいかなる ＴＥ偏光（即ち、Ｓ−偏光された）成分も、全肉反射のプロセスによってＳＰＲ を励起することは不可能でありかつ従来のＳＰＲにおいてこの種の成分は用いら れない。この技術は、［センサ及びアクチュエータ」　（”５ｅｎｓｏｒ　ａｎ ｄ　ＡｃｔｕａｔｏｒＳ“）９±、２９９において、リーバーグ（Ｌｉｅｂｅｒ ｇ　）らによって記載されている。

ＳＰＲをセンシングへ適用することは、金属−誘電体境界に存在する自由電子の 表面プラズマの発振が、金属表面に隣接する材料の屈折率によって影響される事 実に基づく。共鳴は、放射線の入射角が特定値を有するときに生じ、かつこの値 は金属に隣接する材料の屈折率に依存する。それゆえ、屈折率が変わると、共鳴 が生じる角度に変化をもたらす。

公知のＳＰＲ装置に生しる問題は、共鳴が、反射光の強度において「減少」とし て検出されることにある。これは、検出器の電子的利得、又は光源からの光のレ ベルを、電子的飽和を共鳴から防止するために、明るい背景に対して調整できる にすぎないことを意味する。共鳴時のわずかな強度変化を独立して増幅して測定 することは困難である。

われわれは、共鳴が光の強度において「増加」として検出されるＳＰＲ装置を発 明した。これにより、検出器の電子的利得を、共鳴の強度に適合させるように設 定することができ、これに付随して感度及び測定精度を改良することができる。

本発明によれば、ａ）ＳＰＲ装置と、ｂ）放射線を前記装置へ向けることができ る電磁放射線源と、Ｃ）前記ＳＰＲ装置から反射される放射線の強度を測定する ための検出器とを備えるＳＰＲセンサにおいて、電磁放射線がＴＥ偏光及びＴＭ 偏光成分を含み、かつ共鳴を起こす角度からはずれた角度では、殆ど又：よ全く 光が前記検出器に到達しないように、検光子が前記装置と前記検出器の間（こ介 在されていることを特徴とするＳＰＲセンサが提供される。

本発明の好ましい態様によれば、生物学的、生化学的又は化学的分析物の定性及 び／又は定量を行うためのＳＰＲセンサにおいて、ａ）ブロック状の材料の形態 を成すＳＰＲ装置であって、前記ブロックが、該ブロックの第１の表面の少な料 層に塗布される分析物に感応する材料層を有するＳＰＲ装置と、ｂ）放射線を、 前記表面の前記部分から反射させるように、前記プロ・ンクへ向ける電磁放射線 源と、Ｃ）前記反射された放射線の強度を測定するための検出器とを備え、電磁 放射線が、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光成分を含み、かつ共鳴を起こす角度か萌よずれ た角度では、殆ど又は全く光が前記検出器に到達しないように、検光子が前記装 置と前記検出器の間に介在されていることを特徴とするＳＰＲセンサが提供され る。

検光子は、例えば、偏光子の透過軸が前記反射光線により偏光に直交するように 配置された偏光子を有することもある。

最適な結果を生むには、入射放射線が、はぼ等しい量のＴＥ偏光とＴＭ偏光成分 を含むのがよい。共鳴角から離れると、両成分の位相は、角度が変化する（こ従 って同じ様に振る舞う。これによって、共鳴角からはずれた角度では、偏光され た反射光が、検出器に到達することを実質的に阻止するように、好適な検光子を 配置することができる。

しかしながら、ＳＰＲが励起される領域にわたって（即ち、放射線の入射角が変 化するにつれて）、ＴＭ酸成分位相は変化するが、ＴＥ酸成分位相は実質的（こ 変化しないままである。ＴＭ酸成分また、ＳＰＲの効果によっていくらかの損失 を受けるが、これにもかかわらず、反射された光線により生じる偏光は、検光子 を通ることができる成分を有しており、それゆえ信号が検出器によって検出され る。この透過された成分の大きさ、従って、その信号は、ＳＰＲの励起によるＴ Ｍ酸成分位相変化が、共鳴の中心でπになるまで大きくなる。この位相変化は２ πまで増大するので、偏光はもう一度透過軸に対して垂直となり、信号は再度ゼ ロに下がる。

光は、従来の手段、即ちプリズム又は回折格子、を用いてＳＰＲ装置に入射し得 る。

本発明によるセンサは、共鳴時に、偏光子を透過した光が増大する点において有 利である。光の強度におけるこの増大は、ＳＰＲ測定で通常は検出される光の強 度における減少よりも、もっと簡単に検出され、い（つかの実験的な構成におい て一層簡単で、かつより低コストの検出器の使用を可能とすると共に、一層簡単 な測定を可能とすることができる。これによって、定量精度及び感度を改良する ことができる。さらに、この装置のパラメータ、特に金属層の厚さはあまり重要 ではない。

実際上、たとえ共鳴から離れても、全白反射の後のＴＥ及びＴＭ酸成分位相変化 はやや異なる。これは楕円偏光の反射光線を生じ、それは適当な位相補償板によ って補償することができる。好適な補償板は当業者に明確であり、バビネ補償板 及びソレイユ補償板を含む。補償板は、光源と偏光子との間の任意の位置に配置 し得る。

共鳴条件は、ある波長範囲において、入射角度を連続して変化させるか、或いは 一時に照射させるかのいずれかにより、光源からの放射線の入射角度を変えるこ とによって検出される。

コーティングされたブロックの性質、電磁放射線源、及び検出器はミ従来のＳＰ Ｒ装置に精通している当業者にとって明白である。例えば、この種の装置を開示 している（アマ−ジャム（Ａｍｅｒｓｈａｍ）による）欧州特許出願第０３０５ １０９号を参照されたい。要約すると、 −ブロックは、例えば、ガラススライド状のガラスが好ましい。

−金属コーティングは、銀が最も好ましい。

−感Ｉ２；ｍは、一般にその上に好適な生体分子（例えば、試験下の分析物又は この分析物に類似するものに対して特異的な結合パートナ−）を固定化すること によって感応化され、ここに、これらの分子の固定化に好適なこの種の生体分子 及び方法は当業者にとって明白である。

−光源は、例えば、レーザのような、スペクトル幅の小さい、好適なコヒーレン スを有する任意の光源である。

−検出器は、従来用いられてきたいずれの検出器でもよく、例えば、光電子増倍 管及び電荷結合素子（ＣＣＤ）にし得る。

本発明の装置によって測定されるのは、光透過が最少ではなく最大になる位置で あるので、角度範囲で一時に照射する時には、従来のＳＰＲ装置に必要とされる よりもはるかに簡単な（従って安価な）検出器を使用することが可能である。

一つの例としては、例えば、電荷結合素子よりもはるかに低価格の位置感知器で ある。これは本発明の他の有効な利点である。

ここに、本発明の実施例を添付図面を参照して説明するが、それらは例示にすぎ ない。

図１は、本発明によるセンサの略図である。

図２は、図１のセンサを構成する検出部によって測定される信号を示す図である 。

図３は、共鳴時に生じるＴＭ酸成分位相変化を示すベクトル図である。

図４は、本発明によるセンサのための入射角に対する信号の強度の理論プロット である。

図５は、本発明によるセンサを使って得られた実際の実験的データを示す図であ る。

図１を参照すると、体液のサンプル中の抗原の定量のためのバイオセンサが、銀 の薄層（２）によってコーティングされたガラススライド（１）を備えており、 この銀の薄層（２）は、その表面の一部が、試験下の抗原に対する抗体を固定化 半円筒形のプリズム（５）と屈折率整合流体層（６）とによってスライド内へ結 合される。この光は、殆ど等しい大きさを有するＴＥ偏光及びＴＭ偏光成分の両 方を含む。

全白反射は、ガラスと銀の界面で発生し、かつこの反射光線は、整合流体（６） 及びプリズム（５）を通って、スライド（１）の外へ出る。ＴＥとＴＭ酸成分位 相のずれの差は、補償板（７）によって補正される。

偏光子（８）は、補償板（７）と位置感知器（９）の間に配置される。偏光子（ ８）の透過軸は、この装置が共鳴範囲外にある時、反射光線の偏光に垂直になう ように配置される。

レーザ（４）からの光の入射角θは、共鳴が生じる角度の範囲を通して変化し得 る。共鳴からかなり離間されると、反射光線は殆ど又は全（偏光子（８）を通ら ないし、従って信号も全く検出されない。共鳴が近づくと、偏光子（８）の透過 軸に沿った反射光線の成分は増加し、引き続いて共鳴条件を過ぎると、２反射光 線の当該成分は減少する。測定された光の強度におけるピークが観測される（図 ２参照）。試験下の抗原を含むサンプルが固定化された抗体の層（３）と接触す る時、感応層の屈折率を変え、これによって、図２の点線によって示されている ように、共鳴の位置を変える錯化が生じることになる。

ＴＥとＴＭ酸成分位相に関する共鳴の効果は、図３に示されている。共鳴から離 れて、偏光子（８）の透過軸は、図３ａに示されているように、得られる偏光（ ＴＥとＴＭ酸成分和）に垂直である。共鳴の中心では、ＴＭ酸成分、位相がシフ トされ（典型的にはπラジアンだけ）、またその大きさが幾らかの損失を受ける （図３ｂ参照）。この点において、得られる偏光は、透過軸に沿った成分を有し 、いくらか透過する。共鳴条件を超えると、ＴＭ酸成分位相のずれは、２πに増 加し、系を図３ａに示されている秋態へ戻す。

二つの異なる厚さを有する銀に対して、ＢＫ７基板上に水と接触してシルバ一層 を備えるＳＰＲ装置を用いて、その入射角θの関数として測定した強度■と入射 強度ｌ。の比の理論プロットを図４に示す。図５は、入射角θに対して検出され た信号強度■（任意の単位における）の回折格子型ＳＰＲ装置を用いて得られた 実験的データを示し、図５ａは、ＴＥとＴＭ酸成分位相変化における差による反 射光線の楕円偏光を補償した場合であり、図５ｂは、偏光の補償をしない場合で ある。

θ 国際調査報告 −−ｍｌ陶６＾−１ｃａ１１−駄ＰＣＴ／叩９１１０１４６６国際調査報告 ＰＣＴ／ＧＢ　９１１０１４６６

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．ａ）ＳＰＲ装置と、 ｂ）放射線を前記装置に向けることができる電磁放射線源と、ｃ）前記ＳＰＲ装 置から反射された放射線の強度を測定するための検出器と、を備えるＳＰＲセン サにおいて、電磁放射線がＴＥ偏光及びＴＭ偏光成分を含み、かつ共鳴を起こす 角度からはずれた角度では、光が殆ど又は全く前記検出器に到達しないように、 検光子が前記装置と前記検出器との間に介在されていることを特徴とするＳＰＲ センサ。
2. ２．ａ）ブロック状の材料の形態を成すＳＰＲ装置であって、前記ブロックが、 該ブロックの第１の表面の少なくとも一部へ塗布された金属材料層を有し、かつ 前記金属材料層が、前記金属材料層に塗布される分析物に感応する材料層を有す るＳＰＲ装置と、 ｂ）放射線を、前記表面の前記部分から反射させるように、前記ブロックへ向け る電磁放射線源と、 ｃ）前記反射された放射線の強度を測定するための検出器と、を備える、生物 学的、生化学的又は化学的分析物の定性及び／又は定量を行うためのＳＰＲセン サにおいて、 電磁放射線が、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光成分を含み、かつ共鳴を起こす角度からは ずれた角度では、殆ど又は全く光が前記検出器に到達しないように、検光子が前 記装置と前記検出器の間に介在されていることを特徴とするＳＰＲセンサ。
3. ３．前記検光子が、透過軸が前記反射光線により生じる偏光に直交するように配 置された偏光子を備える請求の範囲１又は２に記載のセンサ。
4. ４．前記入射放射線がほぼ等しい量の前記ＴＥ及び前記ＴＭ偏光成分を含んでい る請求の範囲１〜３のいずれか一項に記載のセンサ。
5. ５．前記光源と前記検光子の間に位置する位相補償板をさらに備える請求の範囲 １〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
6. ６．前記ブロックがガラスからなる請求の範囲１〜５のいずれか一項に記載のセ ンサ。
7. ７．金属コーティングが銀からなる請求の範囲１〜６のいずれか一項に記載のセ ンサ。
8. ８．前記感応層が前記金属層上に固定化された生体分子の層である請求の範囲１ 〜７のいずれか一項に記載のセンサ。
9. ９．電磁放射線の光源がレーザである請求の範囲１〜８のいずれか一項に記載の センサ。
10. １０．前記検出器が位置感応検出器である請求の範囲１〜９のいずれか一項に記 載のセンサ。
11. １１．サンプル内の生物学的、生化学的又は化学的分析物の定性及び／又は定量 を行うための方法であって、 ａ）前記サンプルをブロック状の材料の形態を成すＳＰＲ装置の感応領域と接触 させる工程であって、前記ブロックが、該ブロックの第１の表面の少なくとも一 部に塗布される金属材料層を有し、前記感応領域が、前記金属層上にコーティン グされる分析物に感応する材料層である工程と、ｂ）電磁放射線を前記表面の前 記部分から反射させるように、前記放射線を、前記ブロック内へ向ける工程であ って、前記放射線がＴＥ偏光及びＴＭ偏光成分の両方を含んでいる工程と、 ｃ）前記ＳＰＲ装置から反射し、かつ前記装置と前記検出器の間に介在された検 光子を通る放射線の強度を検出器によって測定する工程と、を備える方法。