JPH09257701A

JPH09257701A - 表面プラズモン共鳴センサ

Info

Publication number: JPH09257701A
Application number: JP6401696A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Uchiyama; 兼一内山; Taiji Osada; 泰二長田
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】抗原抗体反応の検知に用いる表面プラズモン
共鳴センサにおいて、臨床検査などで多くの試料を短時
間で処理する用途に適するようにする。【解決手段】ガラスやアクリル製の直径１ｍｍ程度の
棒状体の先端面に、銀薄膜３３を厚さ５０ｎｍ程度に蒸
着し、この銀薄膜３３の表面上に抗体を固定したもの
を、使い捨ての検知ピース４１とする。この検知ピース
４１の銀薄膜３３の部分を試料溶液に浸して抗原抗体反
応を生じさせた後、この検知ピース４１を表面プラズモ
ン共鳴センサ装置のプリズム４５及び導光板４７などか
らなる光学系内に挿入して、励起光を当てて検査を行な
う。検査終了後、検知ピース４１は取り外され廃棄され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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わり、
特に、抗原抗体反応を検出するバイオセンサなどに好適
な表面プラズモン共鳴センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス等の表面に金属の薄膜を形成し、
ガラスを透してこの金属面にｐ偏光された励起光を全反
射条件で照射すると、特定の入射角のときに金属薄膜に
表面プラズモン共鳴が起きる。表面プラズモン共鳴が励
起されると、金属膜上のプラズモン波に光エネルギーが
吸収されるため、励起光の金属膜での反射率が低下す
る。反射率の極小点に対応する入射角はプラズモン共振
角と呼ばれる。プラズモン共振角は金属薄膜に接してい
る物質の誘電率によって変化するから、これを測定する
ことにより金属薄膜上の物質を検知することが出来る。
この原理を利用して試料内の特定物質を検出するセンサ
が表面プラズモン共鳴センサである。

【０００３】横軸に励起光の入射角、縦軸に反射率をプ
ロットした曲線は共振カーブと呼ばれる。共振カーブは
金属薄膜に用いる金属によって異なる。実用的な金属は
金又は銀であるが、金薄膜より銀薄膜の方がより鋭い極
小ピークをもつ共振カーブを得ることが出来る。鋭い極
小ピークの方がプラズモン共振角を決定しやすいから、
測定精度の点では金より銀の方が優れている。しかし、
耐腐食性の点では金の方が遥かに優れているから、従来
の表面プラズモン共鳴センサでは金が用いられる。

【０００４】表面プラズモン共鳴センサの典型的な用途
の一つは、生体物質を検出するためのバイオセンサであ
る。例えば、金属薄膜上に特定の抗体を固定して血液や
尿などの試料に接触させると、試料内に存在する特定の
抗原がその抗体に吸着され、金属膜上の誘電率が変化す
るので、プラズモン共振角が変化する。この変化を検出
して抗原の吸着量を算出することが出来る。

【０００５】図１は、従来からこの種の用途に用いられ
ている表面プラズモン共鳴センサの概略構造図である。
プリズム１と同じ屈折率をもつガラス板３の光反射面に
は、表面プラズモン共鳴を起こさせるために約５０ｎｍ
の厚さの金薄膜５が蒸着されている。金薄膜５の上には
ＬＢ膜等を介して、特定の抗原が特異的に吸着する抗体
が固定化されている。ガラス板３とプリズム１との界面
には光の反射を防ぐためにマッチングオイルが塗られ、
両者は機械的に押しつけて密着されている。

【０００６】さらに、ガラス板３の上には試料を流すた
めのセル７が固定されており、このセル７内に金薄膜５
が露出している。そして、矢印で示すように、試料溶液
がセル７内に送り込まれると、試料溶液中に分散してい
る特定の抗原が金薄膜５上の抗体と抗原抗体反応を起こ
して抗体上に吸着され、抗原の吸着に伴い金薄膜５表面
の誘電率が変化する。そこで、この抗原抗体反応の前と
後とに励起光を図示のようにガラス板３の光反射面に入
射し、それぞれの時のプラズモン共振角を測定すること
により、抗原抗体反応による共振角の変化が測定され抗
原の吸着量が算出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この従来装置では、金
薄膜５上の抗体に一旦吸着した抗原は、測定後に酸性溶
液などで洗浄されて抗体から解離され、それにより抗体
が再生され次の測定に再利用される。しかし、このよう
に測定毎に洗浄しなければならないため、短時間に多く
のサンプルを処理する様な用途には従来装置は適してい
ない。

【０００８】そこで、臨床検査の現場では、抗原抗体反
応を利用した測定法として免疫比濁法が好んで行われて
いる。これはラッテックスの微粒子や金コロイドの粒子
に抗体を付着させた試薬と試料溶液中の抗原とを反応さ
せることにより、微粒子同志が凝集して光が散乱する現
象を利用したものである。しかし、この免疫比濁法で
は、試薬と試料溶液を正確に計量し混合してその濁度を
測定する為、正確に溶液を計量するための付加機構が必
要である。

【０００９】また、前述したように、金薄膜よりも銀薄
膜を使用した方が鋭い極小ピークをもつ共振カーブが得
られて共振角の変化が測定しやすい。しかし、銀は洗浄
用の酸性液に弱いので使用することができず、よって、
銀より測定精度が劣り且つ高価な金を使用せざるを得な
い。

【００１０】更に、従来装置は試料溶液を流すためのセ
ルが不可欠である。しかも、セルの構成には試料溶液の
流し方等の微妙なノウハウが要求され、また、試料溶液
をセルまで送液するための付加機構も必要である。

【００１１】従って、本発明は、臨床検査などで多くの
サンプルを短時間に処理する用途に適した表面プラズモ
ン共鳴センサを提供することを目的とする。

【００１２】本発明はまた、測定精度において優れた銀
薄膜を使用することができる、表面プラズモン共鳴セン
サを提供することを目的とする。

【００１３】本発明は更に、試料溶液を流すための付加
機構が不要な表面プラズモン共鳴センサを提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の表面プラズモン
共鳴センサは、表面プラズモン共鳴を起こす金属薄膜を
光反射面に有した透明材料製の検知ピースを備え、この
検知ピースが交換可能なように取付けられていることを
特徴とする。

【００１５】各測定毎に検知ピースを交換できるので、
従来装置のような洗浄が必要なく、検査の能率が向上す
る。また、洗浄が必要ないため、金属薄膜には金でなく
銀の薄膜を用いることができるようになり、銀薄膜を用
いれば測定の精度が向上する。検知ピースは使い捨てに
できるので、細菌やウィルスを検査する用途には適して
いる。

【００１６】検知ピースは望ましくは棒状の形に作り、
その一端部又は両端部に光反射面を設ける。棒状のもの
は把持し易いので、センサ装置に装着したり取り外した
りする時の操作が容易である。また、端部に光反射面が
あれば、試料溶液と接触させる操作も、端部だけを試料
溶液に浸せばよいので容易である。

【００１７】棒状の検知ピースを交換容易な形態でセン
サに取付けるための構成には幾つものバリエーションが
あり得る。好適な一実施形態では、励起光を検知ピース
に導くためのプリズムに穴を設け、その穴に棒状の検知
ピースを挿入する。また、別の実施形態では、検知ピー
スをプリズムと導光板との間に挟み込む。これ以外にも
種々の態様が存在し得る。

【００１８】検知ピースは、円柱や角柱のような単純な
棒状体であってもよいし、これにプリズムを一体化した
ものでもよいし、更には、試料を入れる試料皿を付加し
てもよい。

【００１９】測定に必要な金属薄膜の面積は微小である
から、それに合せて検知ピースも小さく作ることが出来
る。例えば、マッチ棒やヨウジ程度のサイズ又はそれ以
下のサイズにすることができる。このような小サイズの
検知ピースは、そのコストは小さいから使い捨てに適し
ているし、また、装置の小型化にも貢献できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の表面プラズモン共
鳴センサの実施形態を図面を用いて詳細に説明する。

【００２１】図２は、本発明第１の実施形態の表面プラ
ズモン共鳴センサに使用する使い捨ての検知ピース２１
の側面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。図に示すよう
に、検知ピース２１は、ガラス又はアクリル等の透明材
料から成る円柱体１１の一方の端面に銀薄膜１３を形成
し、この薄膜１３上に図示しない特定の抗体を固定した
ものである。円柱体１１は直径が１ｍｍ程度の小さいも
のであり、形状の単純さとサイズの小ささから量産が容
易である。銀薄膜１３は膜厚５０ｎｍ程度に蒸着等によ
って形成される。

【００２２】尚、円柱体の代わりに断面形状が三角形や
多角形の角柱体を用いても良い。銀薄膜の代わりに金薄
膜や銅薄膜を用いることもできるが、金薄膜は共振カー
ブの極小ピークがやや鈍く、銅薄膜は極小ピークは鋭い
が空気中で酸化しやすい。検知ピース２１は個々の測定
毎に使い捨てられ測定後に洗浄する必要がないため、洗
浄液に強い金薄膜を用いる必要がなく、よって、共振カ
ーブの特性の良い銀薄膜を用いることが最も望ましい。
円柱体１１の両側の端面に銀薄膜１３を形成して、一本
の検知ピースを二回の測定に使用可能としてもよい。

【００２３】図３は、図１に示した検知ピース２１を用
いた表面プラズモン共鳴センサの概略構造を示す。検知
ピース２１は、あらかじめ銀薄膜１３の部分を一定時間
試料溶液に浸し、銀薄膜１３上に固定した抗体と試料溶
液中の抗原とで抗原抗体反応を起こさせて抗原を吸着さ
せた後、吸着した抗原以外の残余の試料溶液をバッファ
液などで洗浄して除去しておく。

【００２４】このように前準備がなされた検知ピース２
１が、その側面にマッチングオイルを塗られてから、図
示のように台形型のプリズム２５の中央部に設けれた貫
通穴に挿入される。貫通穴の形状は検知ピース２１にフ
ィットしており、プリズム２５の屈折率は検知ピース２
１のそれと全く同じである。従って、検知ピース２１と
プリズム２５とは光学的に一体化する。

【００２５】図示しない光源からの励起光がプリズム２
５を通して検知ピース２１に入射される。この励起光
は、図示のように、検知ピース２１の銀薄膜１３を有す
る端面（以下、光反射面という）に焦点を結ぶ「くさ
び」状の光線束であって、全反射する範囲内の入射角で
光反射面に入射する。この励起光は光反射面で反射し、
図示のように「逆くさび」状の反射光線束となって、プ
リズム２５を通して受光センサ２７に受け取られる。受
光センサ２７はラインＣＣＤセンサであって、その出力
信号は反光線束の入射角に応じた反射率分布つまり共振
カーブを表している。この受光センサ２７の出力信号か
ら、抗原吸着後のプラズモン共振角が決定される。

【００２６】検知ピース２１の品質ばらつきが少ない場
合は、抗原を吸着する前のプラズモン共振角が予め判明
しているので、抗原吸着後の共振角より抗原の吸着量を
算出することが出来る。一方、品質ばらつきがある場合
は、抗原吸着前にもプラズモン共振角を測定して、抗原
吸着前後間の共振角の変化を求めて、この変化から抗原
の吸着量を算出することができる。

【００２７】測定が終わった後、検知ピース２１はプリ
ズム２５より抜き取られて廃棄される。なお、両端面に
銀薄膜を設けた検知ピースは、方向を変えて２回目の測
定に用いることが出来る。いずれにしても、検知ピース
２１を洗浄する必要がなく、単純に交換するだけで次の
測定が行なえるので、作業能率が向上し、臨床現場にお
いて多くのサンプルを短時間に処理するのに好適であ
る。また、洗浄の必要がないことから共振カーブ特性に
優れた銀薄膜を使うことが出来るので、測定精度が高
い。また、検知ピースの廃棄場所を適切に管理しさえす
れば、検知ピースに付着した細菌やウイルスが環境に及
ぼす影響を配慮する必要がない。更に、従来装置に必要
なセルや、免疫比濁法で必要な精密な計量装置や試薬が
不要であるから、コストメリットがある。検知ピースは
小さく抗体の使用量が少ないので、使い捨てとしても、
コストメリットを損なわない。

【００２８】図４は、本発明の第２の実施形態の表面プ
ラズモン共鳴センサに使用する検知ピース４１の外観図
である。この検知ピース４１は、ガラス又はアクリル製
の一辺が１ｍｍ程度の四角柱体３１の一方の端面に、銀
薄膜３３を膜厚５０ｎｍ程度に蒸着し、銀薄膜３３表面
に特定の抗体を固定したものである。尚、両端面に銀薄
膜３３を形成しても良い。

【００２９】図５は、図４に示した検知ピース４１を用
いた表面プラズモン共鳴センサの概略構造図である。図
に示すように、検知ピース４１が、これと同じ屈折率を
もつ三角プリズム４５と導光板４７との間に挟み込まれ
る。プリズム４５と導光板４７は互いの間隔を広げたり
狭めたりするようにスライドでき、その間隔を広げた状
態で検知ピース４１を両者の間に入れ、そして、間隔を
狭めるように両者をスライドすることにより、図示のよ
うに検知ピース４１の両側面に密着される。プリズム４
５と検知ピース４１と導光板４７は、マッチングオイル
を介して密着されるので、光学的に一体化する。

【００３０】図示しない光源からの「くさび」状の励起
光線束が、プリズム４１を通過して検知ピース４１の光
反射面に全反射条件で入射する。そして、この励起光線
束は、銀薄膜３３で生じた表面プラズモン共鳴に伴う反
射率をもって反射し、「逆くさび」状に広がる反射光線
束となって導光板４７を通って受光センサ４９に受け取
られる。測定後は、プリズム４５と導光板４７がスライ
ドされてその間隔が開かれ、検知ピース４１が取り外さ
れて廃棄される。

【００３１】この実施形態の、プリズム４５と導光板４
７をスライドさせて検知ピース４１を挟み込むという動
きは、自動機の機構に採用するのに好適である。

【００３２】図６は、本発明の表面プラズモン共鳴セン
サの第３の実施形態を示す。この実施形態は、図５に示
した表面プラズモン共鳴センサを複数セット積層するよ
うに並べて密着させて、マルチチャネル型にしたもので
ある。図５に示した表面プラズモン共鳴センサが形状に
おいて薄板形であるため、図６に示すように、それと同
じものを複数セットを積層してマルチチャネル型として
も、全体としてコンパクトに纏まる。

【００３３】マルチチャネル型センサの用途の一つは、
複数の試料又は複数の検出対象の同時的な測定や比較検
査である。また、一方の銀薄膜３３Ａには活性のある抗
体を固定し、他方の銀薄膜３３Ｂには非活性な抗体を固
定することにより、非活性な方で測った共振角をリファ
レンス値として用いて、活性な方で測った共振角の温度
変動による誤差を補正することができる。

【００３４】図７は、本発明の第４の実施形態で用いる
使い捨ての検知ピースを示す。この検知ピースは、ガラ
スやアクリル等の透明材料を切削加工又はインジェクシ
ョン成形などの方法で、棒状部分７１とプリズム部分７
３とが一体化した形状体を作り、そのプリズム部分７３
の光反射面上に銀薄膜７５を蒸着したものである。測定
の際には、棒状部分７１が人の手や自動機のチャックに
よって把持され、そして、プリズム部分７３がセンサ内
の光源からの励起を受ける位置にセットされる。測定が
終わると、この検知ピースはセンサから取り外されて廃
棄される。尚、棒状部分７１は透明である必要はないの
で、プリズム部分７３とは別の材料でも構わない。

【００３５】図８は、本発明の第５の実施形態で用いる
使い捨ての検知ピースを示す。この検知ピースは、図７
に示したものと同様の棒状部分７１とプリズム部分７３
とが一体化した形状体を用意し、そのプリズム部分７３
の先端に試料を入れるための試料皿７７を接着し、この
試料皿７７の底面に銀薄膜７５を蒸着し、この銀薄膜７
５の表面に抗体を固定したものである。試料皿７７の少
なくともその底板部分は、プリズム部分７３と同じ透明
材料である。試料皿７７と棒状部分７１とプリズム部分
７３とを一体成形することもできる。また、図７に示し
た検知ピースを用意し、そのプリズム部分７３の光反射
面の周囲に囲い板を取付けることにより、試料皿７７を
形成することもできる。

【００３６】尚、上述の説明は、抗原を検知することを
前提にして行なったが、抗体を検知することも勿論可能
であり、その場合は抗原を銀薄膜に固定する。また、抗
原抗体反応だけでなく、他の種々の対象物の検知にも本
発明のセンサは利用可能である。また、本発明のセンサ
は検知ピースを使い捨てることができるが、必ずしも使
い捨てなければならないわけではない。金の薄膜を使用
した場合は、洗浄して再使用することもできる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の表面プラ
ズモン共鳴センサは、検知ピースを測定の都度交換でき
るので、臨床現場等で多量のサンプルを短時間で測定処
理する用途に適している。また、使い捨てとすれば、銀
薄膜を使用できるので、測定精度を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の表面プラズモン共鳴センサの概略構造を
示す図。

【図２】本発明の第１の実施形態の表面プラズモン共鳴
センサに使用する検知ピースを示す側面図（ａ）及び斜
視図（ｂ）。

【図３】図２に示した検知ピースを用いた第１の実施形
態の概略構造を示す斜視図。

【図４】本発明の第２の実施形態に使用する検知ピース
を示す斜視図。

【図５】図４に示した検知ピースを用いた第２の実施形
態の表面プラズモン共鳴センサの概略構造を示す斜視
図。

【図６】本発明の第３の実施形態のマルチチャネル型表
面プラズモン共鳴センサの概略構造を示す斜視図。

【図７】本発明の第４の実施形態で用いる検知ピースを
示す斜視図。

【図８】本発明の第５の実施形態で用いる検知ピースを
示す断面図。

【符号の説明】

２５、４５、５９、６１プリズム１１円柱体１３、３３、７５銀薄膜２１、４１、５１、５３検知ピース２７、４９、６７、６９受光センサ３１四角柱体４７、４７Ａ、４７Ｂ導光板７１棒状部分７３プリズム部分７７試料皿

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面プラズモン共鳴を起こすための金属
薄膜を有した光反射面をもつ検知ピースと、前記光反射面に励起光を送るための光源と、前記光反射面からの反射光を受けるための受光センサ
と、前記検知ピースを交換可能な状態で固定する固定手段
と、を備えたことを特徴とする表面プラズモン共鳴セン
サ。
【請求項２】請求項１記載の表面プラズモン共鳴セン
サにおいて、前記金属薄膜が銀薄膜であることを特徴とする表面プラ
ズモン共鳴センサ。
【請求項３】請求項１記載の表面プラズモン共鳴セン
サにおいて、前記検知ピースが棒状の全体形状を有し、この棒状の検
知ピースの少なくとも一つの端部に前記光反射面を有す
ることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。
【請求項４】請求項３記載の表面プラズモン共鳴セン
サにおいて、前記固定手段が、前記棒状の検知ピースが挿入されるた
めの穴をもつプリズムを有し、このプリズムが励起光を
前記検知ピースに導くことを特徴とする表面プラズモン
共鳴センサ。
【請求項５】請求項３記載の表面プラズモン共鳴セン
サにおいて、前記固定手段が、前記棒状の検知ピースを挟むためのプ
リズムと導光板とを有し、前記プリズムが励起光を前記
検知ピースに導き、前記導光板が反射光を伝送すること
を特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。
【請求項６】請求項５記載の表面プラズモン共鳴セン
サにおいて、前記プリズムと前記検知ピースと前記導光板の組合せを
複数セット備えることを特徴とするマルチチャネル型の
表面プラズモン共鳴センサ。
【請求項７】表面プラズモン共鳴センサで用いられ
る、表面プラズモン共鳴を起こすための金属薄膜を有し
た光反射面をもつ検知ピースにおいて、棒状の全体形状を有し、少なくとも一つの端部に前記光
反射面を有することを特徴とする表面プラズモン共鳴セ
ンサ用の検知ピース。
【請求項８】請求項７記載の検知ピースにおいて、前記金属薄膜が銀薄膜であることを特徴とする表面プラ
ズモン共鳴センサ用の検知ピース。
【請求項９】請求項７記載の検知ピースにおいて、前記金属薄膜を有する端部の近傍に、表面プラズモン波
を励起するための励起光を前記光反射面に導くためのプ
リズムを有することを特徴とする表面プラズモン共鳴セ
ンサ用の検知ピース。
【請求項１０】請求項７記載の検知ピースにおいて、前記金属薄膜を囲うような試料皿を有することを特徴と
する表面プラズモン共鳴センサ用の検知ピース。