JPH1194734A - Sensor element, its manufacture, and sensor apparatus using the same - Google Patents

Sensor element, its manufacture, and sensor apparatus using the same

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JPH1194734A
JPH1194734A JP20516398A JP20516398A JPH1194734A JP H1194734 A JPH1194734 A JP H1194734A JP 20516398 A JP20516398 A JP 20516398A JP 20516398 A JP20516398 A JP 20516398A JP H1194734 A JPH1194734 A JP H1194734A
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JP
Japan
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sensor element
layer
mixed layer
support
metal
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JP20516398A
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Japanese (ja)
Inventor
生 ▲ルイ▼昌
Shiyousei Rui
Ariyoshi Ogami
神 有 美 大
Hitoshi Ohara
原 仁 大
Shinichi Yagi
木 晋 一 八
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Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a sensor element utilizing a surface plasmon resonance(SPR) of good characteristics, by forming on a light-transmitting supporting body a mixed layer containing both a metal having free electrons and an inorganic or organic substance. SOLUTION: A sensor element 1 utilizing the SPR has a light-transmitting supporting body 2, and a mixed layer 3 formed on the supporting body 2 and containing both a metal having free electrons and an inorganic or organic substance. For instance, the mixed layer 3 has a gradient composition with a content of the metal reduced in proportion to a distance from the supporting body 2. A part of a depth α1 of the mixed layer 3 from an interface 4 to the supporting body 2 having a large content of metal functions substantially as a metallic thin film. On the other hand, a part of a depth β1 of the mixed layer 3 from an upper face 21 functions substantially as a protecting layer or intermediate layer. When a substance to be tested comes in touch with the upper face 21, a distance from the face 21 to the metallic thin film is practically shortened, with the same result as when the substance to be tested is brought close to the metallic thin film. Accordingly measurement sensitivity is improved.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の背景】発明の分野 本発明は、表面プラズモン共鳴(SPR)を利用したセ
ンサ素子、それの製造法、さらにはそれを利用したセン
サ装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor element using surface plasmon resonance (SPR), a method for manufacturing the same, and a sensor device using the same.

【0002】背景技術 最近、表面プラズモン共鳴(SPR)センサと呼ばれる
センサ装置が提案されている(例えば、特表平4−50
1605号、特表平3−502604号、蛋白質核酸酵
素 Vol37,No.15(1992)など)。このSPRセンサは、金
属薄膜表面での光の全反射によって発生するエバッセン
ト波と、金属膜の表面で生じる表面プラズモン(SP)
との共鳴を利用するセンサである。
2. Description of the Related Art Recently, a sensor device called a surface plasmon resonance (SPR) sensor has been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 4-50).
No. 1605, Japanese Translation of PCT International Publication No. Hei 3-502604, Protein Nucleic Acid Enzyme Vol. 37, No. 15 (1992), etc.). This SPR sensor is composed of an evanescent wave generated by total reflection of light on the surface of the metal thin film and a surface plasmon (SP) generated on the surface of the metal film.
This is a sensor that utilizes resonance with the sensor.

【0003】このセンサの原理を簡単に述べれば次の通
りである。屈折率の高い層例えばガラス層を進む光があ
り、その入射角が外部との界面で全反射するようなもの
であるとすると、光はガラスの外には出ずに反射され
る。ここで、その反射面に金属の薄膜を接触させると、
全反射するように入射した光のうち、ある角度で入射し
たものは吸収されてしまう、すなわちある角度の反射光
の強度が減少してしまう現象が観察される。このような
現象は、次のような二つの波の共鳴に起因している。ま
ず、光が界面で全反射するとき、その界面にはエバネッ
セント波と呼ばれる表面だけを伝わる波がごくわずかに
じみ出す。一方で、金属の薄膜には、表面プラズモンと
呼ばれる表面波が生じうる。この二つの表面波の波長が
一致すると共鳴が起こり、光のエネルギーの一部がSP
Rを励起するために使われ、反射光として戻る分が減少
する。このときの金属薄膜のエバッセント波とSPとの
共鳴点は、光の入射角と、金属薄膜と接する媒質の屈折
率によって変化することから、光の入射角を一定として
おけば、金属薄膜と接する媒質の屈折率の変化を、ある
角度の反射光の強度の現象として知ることができるので
ある。媒質の屈折率は、媒質に含まれる溶質の濃度によ
り変化するから、金属薄膜と接触する媒質中の溶質の濃
度変化を知ることができることとなる。
[0003] The principle of this sensor is briefly described as follows. If there is light traveling through a layer having a high refractive index, for example, a glass layer, and its incident angle is such that it is totally reflected at an interface with the outside, the light is reflected without exiting the glass. Here, when a metal thin film is brought into contact with the reflecting surface,
A phenomenon is observed in which the light incident at a certain angle among the lights incident so as to be totally reflected is absorbed, that is, the intensity of the reflected light at a certain angle decreases. Such a phenomenon is caused by resonance of the following two waves. First, when light is totally reflected at an interface, a very small wave called an evanescent wave that propagates only on the surface oozes at the interface. On the other hand, a surface wave called surface plasmon may be generated on a thin metal film. When the wavelengths of these two surface waves coincide, resonance occurs, and a part of the light energy is converted to SP.
It is used to excite R, reducing the amount returned as reflected light. At this time, the resonance point between the evanescent wave and the SP of the metal thin film changes depending on the incident angle of light and the refractive index of the medium in contact with the metal thin film. The change in the refractive index of the medium can be known as a phenomenon of the intensity of the reflected light at a certain angle. Since the refractive index of the medium changes according to the concentration of the solute contained in the medium, the change in the concentration of the solute in the medium that comes into contact with the metal thin film can be known.

【0004】さらに、金属薄膜に特定の標的物質に親和
性を有する物質を担持し、この標的物質を金属薄膜表面
近傍に捕捉すると、これは金属薄膜に接触する媒質中の
溶質の濃度変化を生じさせたと実質的に同じ意味を有す
る。すなわち、標的物質に親和性を有する物質を担持さ
せた金属表面のSPRを利用すると、標的物質の定性お
よび定量が可能となる。
Further, when a substance having an affinity for a specific target substance is carried on a metal thin film and this target substance is captured near the surface of the metal thin film, this causes a change in the concentration of a solute in a medium in contact with the metal thin film. Has substantially the same meaning as In other words, qualitative and quantitative determination of the target substance becomes possible by using the SPR of the metal surface carrying a substance having an affinity for the target substance.

【0005】このようなSPRを利用したセンサに要求
される特性として、(a)十分シャープな共鳴カーブが
取れること、(b)測定対象がエバネッセント波とSP
波の波及フィールド内にあること、が挙げられる。上記
(a)は金属薄膜の厚みに深く関係する。つまり、エバ
ネッセント波のエネルギー分布は境界から鉛直方向に指
数的に減衰するので、膜が厚いとエバネッセント波が弱
すぎて(言い換えれば、エバネッセント波が金属表面へ
滲み出せなくなって)共鳴が発生しなくなる。この意味
から膜は薄い方が好ましいことになる。しかし膜が薄す
ぎるとSPが発生しにくくなる。
[0005] The characteristics required for such a sensor using SPR include (a) a sufficiently sharp resonance curve can be obtained, and (b) an evanescent wave and an SP can be measured.
Being in the ripple field of the wave. The above (a) is closely related to the thickness of the metal thin film. In other words, the energy distribution of the evanescent wave exponentially attenuates in the vertical direction from the boundary, so that if the film is thick, the evanescent wave is too weak (in other words, the evanescent wave cannot ooze to the metal surface) and no resonance occurs. . In this sense, the thinner the film, the better. However, if the film is too thin, SP is unlikely to occur.

【0006】一般に、金属薄膜の厚さが100nm程度
を超えると、共鳴カーブが得られないことから、エバネ
ッセント波フィールドの広さは境界から金属膜を含めて
100nm程度と考えられている。また、二つの波の共
鳴強度は金属薄膜の厚さが約50nm程度において最大
となる。よって、金属薄膜の厚さを50nmとしたと
き、金属薄膜の表面から50nm以内に被験物質がおか
れなければ測定ができないことが明らかになった。しか
し、エバネッセント波は指数関数的に減少することか
ら、ある程度の測定感度を確保するためには、金属薄膜
と被験物質との距離は、極めて限定された範囲におかれ
る必要がある。
In general, if the thickness of the metal thin film exceeds about 100 nm, a resonance curve cannot be obtained. Therefore, it is considered that the width of the evanescent wave field is about 100 nm including the metal film from the boundary. Further, the resonance intensity of the two waves becomes maximum when the thickness of the metal thin film is about 50 nm. Therefore, when the thickness of the metal thin film was set to 50 nm, it became clear that the measurement could not be performed unless the test substance was placed within 50 nm from the surface of the metal thin film. However, since the evanescent wave decreases exponentially, the distance between the metal thin film and the test substance needs to be within a very limited range in order to secure a certain level of measurement sensitivity.

【0007】さらに、金属薄膜の腐食などを防止するた
めに、溶液などの被験物質と金属薄膜が直接接触しない
よう保護層を設けることが一般には必要になる。また、
上記の様に標的物質を捕捉する物質を金属表面に安定に
担持させるため何らかの中間層を介在させることが必要
となる。物質を安定に担持させるためには中間層にはあ
る程度の厚さが求められる。しかし、これらの保護層ま
たは中間層は、被験物質または標的物質との反応を金属
表面から離してしまうこととなり、測定感度の低下、ま
たは測定不能を招いてしまうおそれがある。
Furthermore, in order to prevent corrosion of the metal thin film, it is generally necessary to provide a protective layer so that the test substance such as a solution does not come into direct contact with the metal thin film. Also,
As described above, it is necessary to interpose some kind of intermediate layer in order to stably support the substance capturing the target substance on the metal surface. In order to stably support the substance, the intermediate layer needs to have a certain thickness. However, these protective layers or intermediate layers separate the reaction with the test substance or the target substance from the metal surface, and may lower the measurement sensitivity or cause the measurement to be impossible.

【0008】さらに、上記の様な保護膜または中間層に
ついては、保護層または中間層が厚いほどまたはそれら
層の屈折率が高いほど、共鳴点は高入射角側へシフトす
る。一方、エバネッセント波は入射角が高いほどその波
及フィールドが狭くなる(滲み出しにくくなる)性質が
ある。その結果、保護層または中間層の存在によって、
測定感度がさらに低下してしまうおそれがあることが明
らかとなった。
Further, with respect to the above protective film or intermediate layer, the resonance point shifts to a higher incident angle side as the protective layer or the intermediate layer is thicker or the refractive index of the layer is higher. On the other hand, the evanescent wave has such a property that the higher the incident angle is, the narrower its spreading field becomes (the less it spreads out). As a result, the presence of a protective or intermediate layer
It became clear that the measurement sensitivity might be further reduced.

【0009】SPRを利用したセンサ素子は、エバネッ
セント波フィールドの広さの観点からは金属薄膜を薄く
する必要があり、一方、二つの波の共鳴強度の観点から
はある程度の厚さが必要とされ、さらに保護層または中
間層には金属薄膜表面から被験物質または薄くすること
が求められる。
A sensor element using SPR requires a thin metal film from the viewpoint of the evanescent wave field width, while a certain thickness is required from the viewpoint of the resonance intensity of the two waves. In addition, the protective layer or the intermediate layer is required to have a test substance or thinner from the surface of the metal thin film.

【0010】このようにSPRを利用したセンサ素子に
は、金属薄膜ならびに保護層および中間層の厚さに互い
に矛盾する要請があり、これらを満たす膜厚または層厚
は極めて限定された範囲におかれる。このような限定
は、保護層または中間層の種類、中間層に担持され感応
層を形成する物質を限定し、ひいてはSPRを利用した
センサの利用範囲を限定してしまう。
As described above, in the sensor element using the SPR, there is a demand that the thickness of the metal thin film and the thicknesses of the protective layer and the intermediate layer contradict each other, and the film thickness or the layer thickness satisfying these requirements is within a very limited range. I will Such a limitation limits the kind of the protective layer or the intermediate layer, the substance supported on the intermediate layer to form the sensitive layer, and further limits the use range of the sensor using the SPR.

【0011】[0011]

【発明の概要】本発明者らは、今般、SPRを利用した
センサ素子において、自由電子を有する金属と無機物ま
たは有機物とを共に含んでなる混合層を用いることで、
SPRを利用したセンサ素子の高感度化が実現できると
の知見を得た。具体的には、金属薄膜の機能と保護層ま
たは中間層の機能とを、混合層という一つの層に併せ持
たせることで、SPRを利用したセンサ素子に求められ
る合い矛盾した要請を高い次元で満たすことができ、よ
り具体的には保護層または中間層の感度への影響を小さ
くできるとの知見を得た。本発明はかかる知見に基づく
ものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventors have recently developed a sensor element using SPR by using a mixed layer containing both a metal having free electrons and an inorganic or organic substance.
It has been found that high sensitivity of a sensor element using SPR can be realized. Specifically, by combining the function of a metal thin film and the function of a protective layer or an intermediate layer into one layer, which is a mixed layer, the inconsistent demands required for sensor elements using SPR are taken at a high level. It has been found that the above-mentioned conditions can be satisfied, and more specifically, the influence on the sensitivity of the protective layer or the intermediate layer can be reduced. The present invention is based on this finding.

【0012】よって、本発明は良好な特性の、SPRを
利用したセンサ素子の提供をその目的としている。
Therefore, an object of the present invention is to provide a sensor element using SPR having good characteristics.

【0013】そして、本発明によるSPRを利用したセ
ンサ素子は、光透過性の支持体と、該支持体上に形成さ
れた、(a)自由電子を有する金属と、(b)無機物ま
たは有機物とを共に含んでなる混合層とを有してなるも
のである。
The sensor element using the SPR according to the present invention comprises a light-transmitting support, (a) a metal having free electrons, and (b) an inorganic or organic substance formed on the support. And a mixed layer containing both.

【0014】本発明によれば、この混合層は、一面では
金属薄膜と実質的に同じ機能を有し、また一面では保護
層または中間層の機能を有する。すなわち、この混合層
は、良好な共鳴が得られる厚さの金属薄膜として機能し
ながら、同時に保護層または中間層として機能して金属
薄膜に近い場所に被験物質または標的物質との反応を置
く。その結果、本発明によるセンサ素子は、高い測定度
を有することとなる。
According to the present invention, the mixed layer has, on one side, substantially the same function as the metal thin film, and on the other side, has the function of a protective layer or an intermediate layer. That is, the mixed layer functions as a metal thin film having a thickness to obtain a good resonance, and at the same time, functions as a protective layer or an intermediate layer to place a reaction with the test substance or the target substance near the metal thin film. As a result, the sensor element according to the invention has a high degree of measurement.

【0015】[0015]

【発明の具体的説明】SPRを利用したセンサの基本原理 本発明によるセンサ素子が用いられるセンサ装置の概念
を図1に示す。図1において、本発明によるセンサ素子
1は、支持体2およびその上に設けられた混合層3とか
ら構成されてなる。この混合層3は、SPRを生じさせ
る金属薄膜の機能と、それを保護する保護膜またはその
上に感応層を形成しうる中間層の機能とを併せ持つもの
である。このセンサ素子1の支持体2と混合層3との界
面4に、光源11から光を照射する。プリズム5によっ
て入射角θ1からθ2の種々の光6が集められ、界面4
において全反射し、反射光7として出て行く。ここで、
センサ素子1の混合層3側の面9に接触する物質の屈折
率に依存してある入射角で入った光の強度を減少させ
る。図中では、10で示された光が強度を下げて出てき
たことを示す。これを測定手段12によって読みとる。
面9に接触する物質の屈折率と、強度を低下させる光の
入射角について検量線を予め作成し、それに基づいて面
9に接触する物質の屈折率を知ることができる。なお、
本明細書において、強度が低下した光の入射角を「共振
角」という場合がある。
The concept of the sensor element is a sensor device used according to the basic principle the present invention of the sensor using the SPR DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG 1. In FIG. 1, a sensor element 1 according to the present invention comprises a support 2 and a mixed layer 3 provided thereon. The mixed layer 3 has both the function of a metal thin film that causes SPR and the function of a protective film that protects it or an intermediate layer that can form a sensitive layer thereon. Light from a light source 11 is applied to the interface 4 between the support 2 and the mixed layer 3 of the sensor element 1. The prism 5 collects various lights 6 having incident angles θ1 to θ2,
, And exits as reflected light 7. here,
The intensity of light entering at a certain angle of incidence is reduced depending on the refractive index of the substance in contact with the surface 9 on the mixed layer 3 side of the sensor element 1. In the drawing, it is shown that the light indicated by 10 comes out with decreasing intensity. This is read by the measuring means 12.
A calibration curve is prepared in advance for the refractive index of the substance in contact with the surface 9 and the incident angle of light for reducing the intensity, and the refractive index of the substance in contact with the surface 9 can be known based on the calibration curve. In addition,
In this specification, the angle of incidence of light with reduced intensity may be referred to as “resonance angle”.

【0016】この図の態様においては、種々の入射角の
光をプリズムで集めて界面4に到達させたが、入射角θ
1からθ2に徐々に変化させながら光を界面4に照射
し、いずれの入射角の光がその強度を低下させるかを測
定することも無論可能である。しかし、測定効率の観点
からは、種々の入射光の光を一度に照射させることので
きるプリズムの利用が極めて好ましいことは明らかであ
る。
In the embodiment shown in FIG. 1, light having various incident angles is collected by the prism and reaches the interface 4;
It is of course possible to irradiate the interface 4 with light while gradually changing from 1 to θ2, and to measure which incident angle of the light reduces the intensity. However, from the viewpoint of measurement efficiency, it is clear that it is extremely preferable to use a prism capable of irradiating various kinds of incident light at a time.

【0017】センサ素子 本発明によるセンサ素子は、支持体とその上に形成され
た混合層とから基本的に構成される。そして、本発明に
おいてこの混合層は、(a)自由電子を有する金属と、
(b)無機物または有機物とを共に含んでなる。本発明
において、”共に含んでなる”とは、(a)金属と、
(b)無機物または有機物成分とがそれぞれ果たす機能
を発揮する態様に共に混合層中に存在していることを意
味する。混合層は、後記するように金属薄膜として機能
すると同時に、保護層または中間層としても機能する。
よって、本発明においては、これら(a)金属と、
(b)無機物または有機物成分とが、それぞれ金属薄膜
または保護層もしくは中間層として機能する限りにおい
てその存在形態は限定されないことを意味する。そのよ
うな存在形態の好ましい具体例は、両者が化学的に結合
することなく、物理的に混合されて存在する態様であ
る。また、その他好ましい存在形態の例としては、両者
の粒子の接触面においてイオン結合、共有結合等によっ
て部分的に化合して存在する態様が挙げられる。
Sensor Element The sensor element according to the present invention basically comprises a support and a mixed layer formed thereon. In the present invention, the mixed layer comprises (a) a metal having free electrons;
(B) Both inorganic and organic substances are included. In the present invention, “comprising together” means (a) a metal,
(B) It means that both exist in the mixed layer in a mode in which the function of each of the inorganic substance and the organic substance is exhibited. The mixed layer functions as a metal thin film as described later, and also functions as a protective layer or an intermediate layer.
Therefore, in the present invention, these (a) metals
(B) As long as the inorganic or organic component functions as a metal thin film, a protective layer, or an intermediate layer, the existence form is not limited. A preferred specific example of such a form is a form in which both are physically mixed without being chemically bonded. Further, as another preferable example of the existence form, there is an embodiment in which the particles are partially combined at the contact surface of both particles by ionic bond, covalent bond, or the like.

【0018】本発明の第一の好ましい態様によれば、こ
の混合層は、支持体2からの距離に比例して金属の含有
率が小さくなる、傾斜組成を有する。このような混合層
3を有したセンサ素子1の模式図を図2として示す。こ
の混合層3は、金属含有率の大きな、支持体2との界面
4から深さα1部分が実質的に金属薄膜として機能す
る。一方、混合層の上面21から深さβ1部分が実質的
に保護層または中間層として機能し得る。厚さα1の金
属薄膜および厚さβ1の保護層または中間層を別々に支
持体2上に形成した場合のセンサ素子の構造は図3に示
されるとおりとなる。被験物質が混合層の上面21側に
接触したとすると、図3の構成にあっては、金属薄膜ま
でその距離はβ1となってしまう。一方、本発明による
センサ素子にあっては、混合層の上面21に被験物質が
接触したとすると、面21から金属薄膜までの距離はβ
1よりも実質的に短くなる。よって、本発明によるセン
サ素子を用いれば、被験物質を実質的により金属薄膜に
近づけたと同じ効果を得ることができ、測定感度を上げ
ることができるとの利点を享受することができる。
According to the first preferred embodiment of the present invention, the mixed layer has a gradient composition in which the metal content decreases in proportion to the distance from the support 2. FIG. 2 shows a schematic diagram of the sensor element 1 having such a mixed layer 3. The mixed layer 3 has a large metal content, and a portion at a depth α1 from the interface 4 with the support 2 substantially functions as a metal thin film. On the other hand, a portion of depth β1 from the upper surface 21 of the mixed layer can substantially function as a protective layer or an intermediate layer. The structure of the sensor element when the metal thin film having the thickness α1 and the protective layer or the intermediate layer having the thickness β1 are separately formed on the support 2 is as shown in FIG. Assuming that the test substance comes into contact with the upper surface 21 side of the mixed layer, in the configuration of FIG. 3, the distance to the metal thin film is β1. On the other hand, in the sensor element according to the present invention, if the test substance comes into contact with the upper surface 21 of the mixed layer, the distance from the surface 21 to the metal thin film is β
It is substantially shorter than 1. Therefore, when the sensor element according to the present invention is used, the same effect as when the test substance is substantially brought closer to the metal thin film can be obtained, and the advantage that the measurement sensitivity can be increased can be enjoyed.

【0019】本発明の好ましい態様によれば、混合層3
の支持体2から最も離れた部分すなわち面21における
金属の含有率は50%以下であることが好ましく、より
好ましくは20%以下である。
According to a preferred embodiment of the present invention, the mixed layer 3
Is preferably 50% or less, more preferably 20% or less.

【0020】また、混合層は図2に示されるように連続
的に金属の含有率を変化させる態様の外に、例えば図4
に示されるように複数の層41〜47を有し、一つひと
つの層内において金属の含有率は一定であるが、合い隣
り合う層同士で金属の含有率を変化させる態様であって
もよい。
Further, in addition to the embodiment in which the content of the metal is continuously changed as shown in FIG.
Has a plurality of layers 41 to 47, and the metal content in each layer is constant, but the metal content may be changed between adjacent layers.

【0021】この態様において、混合層3の厚さは、種
々の条件を勘案して適宜決定されてよいが、その下限は
10nm程度が好ましく、より好ましくは20nm程度
であり、最も好ましくは30nm程度である。また、そ
の上限は、100nm程度が好ましく、より好ましくは
80nm程度であり、最も好ましくは70nm程度であ
る。
In this embodiment, the thickness of the mixed layer 3 may be appropriately determined in consideration of various conditions, but the lower limit is preferably about 10 nm, more preferably about 20 nm, and most preferably about 30 nm. It is. The upper limit is preferably about 100 nm, more preferably about 80 nm, and most preferably about 70 nm.

【0022】本発明の第二の態様によれば、この混合層
を実質的に均質な組成としてもよい。このような混合層
3を有したセンサ素子を図5(a)として示す。この態
様において、混合層3は、自由電子を有する金属および
無機物または有機物の組成比が層全体を通じて同一とさ
れる。この混合層3は、実質的にある厚さの金属薄膜と
同一の金属薄膜として機能し、また同時にある厚さの保
護層または中間層として機能する。ここで、この混合層
3と実質的に同一の機能を有する金属薄膜の厚さをα2
とし、またこの混合層3と実質的に同一の機能を有する
保護層または中間層の厚さをβ2とすると、α2とβ2
の和は、図に示される混合層3よりも厚くなる。すなわ
ち、本発明によれば、ある厚さの金属薄膜とある厚さの
保護層または中間層と同一の機能を、それらの厚さの和
よりも薄い混合層3によって実現するものである。その
結果、上記の本発明による第一の態様による場合と同様
に、被験物質を実質的により金属薄膜に近づけたと同じ
効果を得ることができ、測定感度を上げることができる
との利点を享受することができる。
According to a second aspect of the present invention, the mixed layer may have a substantially homogeneous composition. FIG. 5A shows a sensor element having such a mixed layer 3. In this embodiment, the mixed layer 3 has the same composition ratio of the metal having free electrons and the inorganic or organic substance throughout the entire layer. This mixed layer 3 functions as a metal thin film having substantially the same thickness as a metal thin film having a certain thickness, and at the same time functions as a protective layer or an intermediate layer having a certain thickness. Here, the thickness of the metal thin film having substantially the same function as that of the mixed layer 3 is α2
When the thickness of a protective layer or an intermediate layer having substantially the same function as that of the mixed layer 3 is β2, α2 and β2
Are thicker than the mixed layer 3 shown in the figure. That is, according to the present invention, the same function as a metal thin film having a certain thickness and a protective layer or an intermediate layer having a certain thickness is realized by the mixed layer 3 which is thinner than the sum of the thicknesses. As a result, as in the case of the first aspect according to the present invention, the same effect as when the test substance is substantially brought closer to the metal thin film can be obtained, and the advantage that the measurement sensitivity can be increased is enjoyed. be able to.

【0023】本発明の第二の態様において、混合層にお
ける自由電子を有する金属と、無機物または有機物との
混合の形態は、本発明による効果が得られる限り特に限
定されない。例えば混合の形態として、金属原子と無機
物または有機物の分子とが原子および分子レベルで混じ
り合った形態、金属の粒子と無機物または有機物の粒子
とが均質に混じり合った形態などが考えられ、いずれも
本発明に包含される。後者の場合、その形態を模式的に
表せば図6に示される通りである。図6は、図5に示さ
れた混合層3の上面21付近の断面を模式的に表したも
のである。図に示された混合層3は、自由電子を有する
金属の粒子61と、無機物または有機物の粒子62とが
混在してなる。この態様にあっては、上面21は、金属
の粒子61と無機物または有機物の粒子62とが一定の
混合比をもって二次元的に配列してなる構成をとる。
In the second embodiment of the present invention, the form of mixing the metal having free electrons and the inorganic or organic substance in the mixed layer is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. For example, as a form of mixing, a form in which metal atoms and inorganic or organic molecules are mixed at an atomic and molecular level, a form in which metal particles and inorganic or organic particles are homogeneously mixed, and the like are all possible. Included in the present invention. In the latter case, the form is schematically shown in FIG. FIG. 6 schematically shows a cross section near the upper surface 21 of the mixed layer 3 shown in FIG. In the mixed layer 3 shown in the figure, metal particles 61 having free electrons and inorganic or organic particles 62 are mixed. In this embodiment, the upper surface 21 has a configuration in which metal particles 61 and inorganic or organic particles 62 are two-dimensionally arranged with a certain mixing ratio.

【0024】本発明の第三の態様によれば、図7に示さ
れるように、自由電子を有する金属と、無機物または有
機物とが、それぞれ混合層の深さ方向に平行な薄膜の積
層体または柱状体の集合体の形態にある混合層が提供さ
れる。図7(a)は、この本発明の第三の態様による混
合層の上面21付近の断面を模式的に表したものであ
る。図7(a)に示された混合層3は、自由電子を有す
る金属の相71と、無機物または有機物の相72とが混
合層の深さ方向に平行に集合してなるものである。この
相71および72がそれぞれ薄膜である場合、その上面
21から見た混合層3は図7(b)に示される構造を有
する。すなわち、混合層3は、薄膜71および72が積
層された構成を有する。また、この相71および72が
柱状体である場合、その上面21から見た混合層3は図
7(c)に示される構造を有する。すなわち、混合層3
は、自由電子を有する金属の柱状体71と、無機物また
は有機物の柱状体72とが集合した構造を有する。この
ような薄膜が積層または柱状体が集合した態様にあって
も混合層は金属薄膜として機能すると同時に、保護層ま
たは中間層としても機能する。従って、本発明におい
て、”共に含んでなる”とは、本発明の第一および第二
の態様の場合のように二つの成分が同一の層中に物理的
に混合されて含まれる態様のみならず、この本発明の第
三の態様の場合のように二つの成分がそれぞれ薄膜の積
層体または柱状体の集合体をも意味するものである。
According to the third aspect of the present invention, as shown in FIG. 7, a metal having free electrons and an inorganic or organic substance are each formed of a thin film laminate or a thin film parallel to a depth direction of a mixed layer. A mixed layer in the form of an aggregate of columns is provided. FIG. 7 (a) schematically shows a cross section near the upper surface 21 of the mixed layer according to the third embodiment of the present invention. The mixed layer 3 shown in FIG. 7A is formed by assembling a metal phase 71 having free electrons and an inorganic or organic phase 72 in parallel in the depth direction of the mixed layer. When each of the phases 71 and 72 is a thin film, the mixed layer 3 viewed from the upper surface 21 has a structure shown in FIG. That is, the mixed layer 3 has a configuration in which the thin films 71 and 72 are stacked. When the phases 71 and 72 are columnar, the mixed layer 3 viewed from the upper surface 21 has the structure shown in FIG. That is, the mixed layer 3
Has a structure in which a metal column 71 having free electrons and an inorganic or organic column 72 are assembled. Even when such a thin film is in a laminated or columnar form, the mixed layer functions not only as a metal thin film but also as a protective layer or an intermediate layer. Therefore, in the present invention, the term “comprising both” refers only to an embodiment in which two components are physically mixed and contained in the same layer as in the first and second embodiments of the present invention. However, as in the case of the third embodiment of the present invention, each of the two components also means a laminated body of thin films or an aggregate of columnar bodies.

【0025】この態様において、混合層3の厚さは、種
々の条件を勘案して適宜決定されてよいが、その下限は
10nm程度が好ましく、より好ましくは20nm程度
であり、最も好ましくは30nm程度である。また、そ
の上限は、100nm程度が好ましく、より好ましくは
80nm程度であり、最も好ましくは70nm程度であ
る。
In this embodiment, the thickness of the mixed layer 3 may be appropriately determined in consideration of various conditions, but the lower limit is preferably about 10 nm, more preferably about 20 nm, and most preferably about 30 nm. It is. The upper limit is preferably about 100 nm, more preferably about 80 nm, and most preferably about 70 nm.

【0026】さらに本発明の別の態様によれば、混合層
と、支持体との間に自由電子を有する金属の層を設けて
もよい。この態様のセンサ素子を図8および図9として
示す。これらの図に示される態様において、支持体2上
に自由電子を有する金属の層81または91を設ける。
そして、その上に混合層3を設ける。図8の態様にあっ
ては、この混合層3は上記本発明の第一の態様による混
合層とする。すなわち、支持体2からの距離に比例して
金属の含有率が小さくなる、傾斜組成を有するものとさ
れる。また、図9の態様にあっては、この混合層3は上
記本発明の第二の態様による混合層とする。すなわち、
混合層3は、自由電子を有する金属および無機物または
有機物の組成比が層全体を通じて同一とされる。
According to still another aspect of the present invention, a metal layer having free electrons may be provided between the mixed layer and the support. The sensor element of this embodiment is shown in FIGS. In the embodiments shown in these figures, a metal layer 81 or 91 having free electrons is provided on a support 2.
Then, the mixed layer 3 is provided thereon. In the embodiment of FIG. 8, the mixed layer 3 is the mixed layer according to the first embodiment of the present invention. That is, the metal has a gradient composition in which the metal content decreases in proportion to the distance from the support 2. In the embodiment shown in FIG. 9, the mixed layer 3 is the mixed layer according to the second embodiment of the present invention. That is,
In the mixed layer 3, the composition ratio of the metal having free electrons and the inorganic or organic substance is the same throughout the entire layer.

【0027】この図8および図9の態様における金属層
81または91は、金属薄膜として機能し、また、同時
にその上にある混合層3も金属薄膜として機能する。従
って、この金属層81および91は、混合層3が果たす
金属薄膜の機能の一部を担うことになる。その結果、混
合層3をより薄いものとすることができる。そしてさら
に、この混合層3が薄くできた結果、被験物質をより金
属薄膜に近づけることができることから、測定感度をよ
り上げることができるとの利点を享受することができ
る。
The metal layer 81 or 91 in the embodiment shown in FIGS. 8 and 9 functions as a metal thin film, and at the same time, the mixed layer 3 thereon also functions as a metal thin film. Therefore, the metal layers 81 and 91 play a part of the function of the metal thin film performed by the mixed layer 3. As a result, the mixed layer 3 can be made thinner. Further, since the mixed layer 3 can be made thinner, the test substance can be brought closer to the metal thin film, so that the advantage that the measurement sensitivity can be further increased can be enjoyed.

【0028】この態様において、金属層81または91
の厚さは、種々の条件、特に表面プラズモン共鳴の励起
に使用する金属種、を勘案して適宜決定されてよいが、
その下限は10nm程度が好ましく、より好ましくは2
0nm程度であり、最も好ましくは30nm程度であ
る。また、その上限は、100nm程度が好ましく、よ
り好ましくは80nm程度であり、最も好ましくは70
nm程度である。
In this embodiment, the metal layer 81 or 91
The thickness of may be appropriately determined in consideration of various conditions, particularly the metal species used for exciting surface plasmon resonance,
The lower limit is preferably about 10 nm, more preferably 2 nm.
It is about 0 nm, most preferably about 30 nm. The upper limit is preferably about 100 nm, more preferably about 80 nm, and most preferably about 70 nm.
nm.

【0029】また、図8の態様において、混合層3の厚
さは、種々の条件を勘案して適宜決定されてよいが、そ
の下限は0.2nm程度が好ましく、より好ましくは
0.5nm程度であり、最も好ましくは1nm程度であ
る。また、その上限は、100nm程度が好ましく、よ
り好ましくは70nm程度であり、最も好ましくは60
nm程度である。
In the embodiment shown in FIG. 8, the thickness of the mixed layer 3 may be appropriately determined in consideration of various conditions, but the lower limit is preferably about 0.2 nm, more preferably about 0.5 nm. And most preferably about 1 nm. The upper limit is preferably about 100 nm, more preferably about 70 nm, and most preferably 60 nm.
nm.

【0030】さらに、図9の態様において、混合層3の
厚さは、種々の条件を勘案して適宜決定されてよいが、
その下限は0.1nm程度が好ましく、より好ましくは
0.3nm程度であり、最も好ましくは0.5nm程度
である。また、その上限は、100nm程度が好まし
く、より好ましくは70nm程度であり、最も好ましく
は60nm程度である。
Further, in the embodiment shown in FIG. 9, the thickness of the mixed layer 3 may be appropriately determined in consideration of various conditions.
The lower limit is preferably about 0.1 nm, more preferably about 0.3 nm, and most preferably about 0.5 nm. The upper limit is preferably about 100 nm, more preferably about 70 nm, and most preferably about 60 nm.

【0031】本発明において、混合層3を構成する金属
は、いわゆる自由電子を有する金属であれば特に限定さ
れないが、好ましい例としては、金、銀、銅、アルミニ
ウム、および白金からなる群から選択されるものが挙げ
られる。
In the present invention, the metal constituting the mixed layer 3 is not particularly limited as long as it has a so-called free electron, but is preferably selected from the group consisting of gold, silver, copper, aluminum and platinum. Are included.

【0032】また、無機物または有機物は、後記する様
に、その存在目的、すなわち前記金属を保護する成分で
あるか、感応層を担持する成分であるか、さらには感応
層を担持するための担持補助層を担持する成分である
か、に従って適宜決定されてよい。一方で、本発明にあ
っては、この無機物または有機物は、混合層中において
前記金属と共存しなければならないものであることか
ら、金属との関係も考慮されなければならない。この無
機物の一般的に好ましい成分を挙げれば、硅素、チタ
ン、アルミニウム、およびタンタルからなる群から選択
される物質、その酸化物、窒化物、もしくはフッ化物、
またはフッ化マグネシウムが挙げられる。本発明の最も
好ましい態様によれば、混合層に含まれる金属が金また
は銀であり、混合層に含まれる無機物が硅素酸化物また
はチタン酸化物であるものが挙げられる。
As described later, the inorganic substance or the organic substance is used for its purpose, that is, whether it is a component for protecting the metal, a component for supporting the sensitive layer, or a support for supporting the sensitive layer. It may be appropriately determined according to whether or not the component carries the auxiliary layer. On the other hand, in the present invention, since the inorganic substance or the organic substance must coexist with the metal in the mixed layer, the relationship with the metal must be considered. Generally preferred components of this inorganic material include a material selected from the group consisting of silicon, titanium, aluminum, and tantalum, its oxide, nitride, or fluoride;
Or magnesium fluoride. According to the most preferred embodiment of the present invention, the metal contained in the mixed layer is gold or silver, and the inorganic substance contained in the mixed layer is silicon oxide or titanium oxide.

【0033】また支持体は、上記の混合層または金属層
と付着性を有し、かつ光透過性を有するものであれば特
に限定されない。但し、この支持体の屈折率は、面21
側に接触する被験物質の媒質の屈折率よりも大きなもの
でなければならない。この支持体は、好ましくは、ガラ
ス、プラスチック、各種ガラス、アクリル系、ポリカー
ボネート系、ポリスチレン系、ノルボルネン系等のプラ
スチック、イオン結晶、分子性結晶などにより構成され
る。また、この支持体の厚さは適宜決定されてよいが、
その下限は好ましくは100μm程度であり、より好ま
しくは200μm程度であり、最も好ましくは300μ
m程度である。また、その上限は好ましくは2mm程度
であり、より好ましくは1mm程度であり、最も好まし
くは0.8mm程度である。
The support is not particularly limited as long as it has an adhesive property to the mixed layer or the metal layer and has a light transmitting property. However, the refractive index of this support is
It must be greater than the refractive index of the medium of the test substance in contact with the side. The support is preferably made of glass, plastic, various glasses, plastics such as acrylic, polycarbonate, polystyrene, norbornene, and the like, ionic crystals, molecular crystals, and the like. Further, the thickness of the support may be appropriately determined,
The lower limit is preferably about 100 μm, more preferably about 200 μm, and most preferably about 300 μm.
m. The upper limit is preferably about 2 mm, more preferably about 1 mm, and most preferably about 0.8 mm.

【0034】また、支持体は、プリズム5、回折格子、
光ファイバー等と一体成型されたものであってもよい。
Further, the support is a prism 5, a diffraction grating,
It may be formed integrally with an optical fiber or the like.

【0035】センサ素子の利用態様 本発明によるセンサ素子は、次のように利用される。 Usage of Sensor Element The sensor element according to the present invention is used as follows.

【0036】まず、その第一は、センサ素子1をその混
合層の上面21にさらに層を設けず利用する態様であ
る。この態様にあっては、混合層は金属薄膜とそれを保
護する保護層との機能を兼ね備えたものとなる。具体的
には、図1に示される様な態様で混合層の面9に被験物
質を接触させる。ここで、被験物質とは媒体と媒質とか
らなり、媒質は液体、気体、ゲル状物のいずれであって
もよい。典型的な被験物質の例は、溶液、混合ガスであ
る。面9に接触する被験物質の屈折率に依存して、ある
入射角の強度が減少する。また、被験物質の屈折率は被
験物質の物性または組成、例えば溶質の濃度に依存して
変化する。よって、所定の溶質の濃度と、強度が減少す
る入射角との関係を示す検量線を予め作成し、それに基
づいて面9に接触する物質の屈折率、すなわちある溶質
の濃度を知ることができることとなる。
First, the first mode is one in which the sensor element 1 is used without providing another layer on the upper surface 21 of the mixed layer. In this embodiment, the mixed layer has both functions of a metal thin film and a protective layer for protecting the metal thin film. Specifically, the test substance is brought into contact with the surface 9 of the mixed layer in a manner as shown in FIG. Here, the test substance includes a medium and a medium, and the medium may be any of a liquid, a gas, and a gel. Examples of typical test substances are solutions, gas mixtures. Depending on the refractive index of the test substance in contact with the surface 9, the intensity at certain angles of incidence decreases. Further, the refractive index of the test substance changes depending on the physical properties or composition of the test substance, for example, the concentration of the solute. Therefore, a calibration curve indicating the relationship between the concentration of a predetermined solute and the incident angle at which the intensity decreases is created in advance, and the refractive index of a substance in contact with the surface 9, that is, the concentration of a certain solute can be known based on the calibration curve. Becomes

【0037】この態様にあって混合層は保護層を兼ねる
ものであるから、無機物または有機物は金属を保護する
成分となる。その具体例としては、硅素、チタン、アル
ミニウム、タンタル等の単体、その酸化物、窒化物、フ
ッ化物、あるいはフッ化マグネシウム、テフロン、ポリ
カーボネート、PVC、ポリスチレン、ノルボルネン系
等の有機ポリマー、セルロース誘導体等に代表される多
糖類が挙げられる。
In this embodiment, since the mixed layer also serves as a protective layer, an inorganic or organic substance is a component for protecting a metal. Specific examples thereof include simple substances such as silicon, titanium, aluminum, and tantalum; oxides, nitrides, and fluorides thereof; magnesium fluoride, Teflon, polycarbonate, PVC, polystyrene, organic polymers such as norbornene, and cellulose derivatives. And polysaccharides represented by

【0038】本発明によるセンサ素子の利用態様の第二
は、この混合層上にさらに、標的物質に親和性を有する
捕捉物質を含んでなる感応層を担持させて利用する態様
である。この態様に用いられるセンサ素子の構造を模式
的に示せば図10の通りである。図中、中間層3上に
は、感応層101が設けられてなる。この感応層は、混
合層3の面9の表面に存在する無機物または有機物に、
捕捉物質を物理的または化学的に担持させて形成され
る。この感応層101の表面102に標的物質を含んだ
試料を接触させる。試料中に標的物質が存在すると、感
応層中のこの標的物質に親和性を有する物質に捕捉され
る。この捕捉の程度は、両者の親和性と、試料中の標的
物質の濃度に比例すること。よって、感応層101に捕
捉される標的物質の量は、試料中の標的物質の濃度に依
存する。標的物質が感応層101に捕捉されると、混合
層3の面9近傍に標的物質が存在することとなるから、
その存在量に依存して、ある入射角の強度が減少する。
よって、標的物質について、所定の濃度と、強度が減少
する入射角との関係を示す検量線を予め作成し、それに
基づいて面9に接触する試料中の標的物質の濃度を知る
ことができることとなる。
The second mode of use of the sensor element according to the present invention is that a sensitive layer comprising a capture substance having an affinity for a target substance is further carried on the mixed layer. The structure of the sensor element used in this embodiment is schematically shown in FIG. In the figure, a sensitive layer 101 is provided on an intermediate layer 3. This sensitive layer is made of an inorganic or organic substance existing on the surface 9 of the mixed layer 3.
It is formed by carrying a capture substance physically or chemically. A sample containing a target substance is brought into contact with the surface 102 of the sensitive layer 101. When the target substance is present in the sample, it is captured by a substance having an affinity for the target substance in the sensitive layer. The degree of this capture should be proportional to the affinity between the two and the concentration of the target substance in the sample. Therefore, the amount of the target substance captured in the sensitive layer 101 depends on the concentration of the target substance in the sample. When the target substance is captured by the sensitive layer 101, the target substance is present in the vicinity of the surface 9 of the mixed layer 3;
Depending on its abundance, the intensity at certain angles of incidence decreases.
Therefore, for the target substance, a calibration curve indicating the relationship between the predetermined concentration and the incident angle at which the intensity decreases is created in advance, and the concentration of the target substance in the sample that comes into contact with the surface 9 can be known based on the calibration curve. Become.

【0039】ここで、標的物質と親和性を有する捕捉物
質の具体例としては、蛋白質、ペブチド、抗生物質、色
素、核酸、農薬、微生物、ホルモン、もしくはウイル
ス、またはそれらの構成成分の抗原;これらの抗原を認
識するポリクローナル、モノクローナル、もしくは組み
換え抗体;または活性部位を破壊し結合部位の機能のみ
を有する酵素、レクチン、核酸、もしくは生体内のシグ
ナル電達に関わるレセプターリガンドなどの生体関連物
質が挙げられる。このような生体関連物質を利用するこ
とで、本発明によるセンサ素子は、例えば、臨床試料を
対象とする場合、蛋白質であればアルブミン、ヘモグロ
ビン等が、ホルモンであればhCG、LH等の測定が可
能となる。また、環境試料を対象とする場合、水、食品
中の残留農薬、抗生物質等の検出や表面抗原と認識する
ことでサルモネラ菌、病原大腸菌等に代表される病原微
生物の検出が可能となるバイオセンサとして利用でき
る。
Here, specific examples of the capture substance having an affinity for the target substance include proteins, peptides, antibiotics, dyes, nucleic acids, pesticides, microorganisms, hormones, or viruses, or antigens of their components; Polyclonal, monoclonal, or recombinant antibodies that recognize an antigen; or biologically-related substances such as enzymes, lectins, nucleic acids, or receptor ligands involved in signal transmission in vivo, which destroy the active site and function only as a binding site. Can be By using such a bio-related substance, the sensor element according to the present invention can measure, for example, albumin and hemoglobin if it is a protein, and hCG and LH if it is a hormone, for a clinical sample. It becomes possible. Also, when targeting environmental samples, biosensors that can detect pathogenic microorganisms represented by Salmonella, pathogenic E. coli, etc. by detecting water, pesticide residues in foods, antibiotics, etc., and recognizing surface antigens Available as

【0040】また、この捕捉物質は混合層中の無機物ま
たは有機物に担持されるが、それは物理的担持または化
学的担持のいずれであってもよい。すなわち、捕捉物質
は混合層の無機物または有機物に物理的に吸着されたも
のであってもよく、また化学結合を介して化学的結合さ
れたものであってもよい。化学結合による場合、無機物
または有機物が有する官能基と、捕捉物質が有する官能
基とを利用して結合されてもよく、また例えばシランカ
ップリング剤などを介して無機物または有機物に結合さ
れてもよい。
The trapping substance is carried on an inorganic or organic substance in the mixed layer, and it may be either physically carried or chemically carried. That is, the trapping substance may be physically adsorbed to an inorganic or organic substance in the mixed layer, or may be chemically bonded via a chemical bond. In the case of a chemical bond, the functional group of the inorganic or organic substance may be bonded to the functional group of the capturing substance using the functional group, or may be bonded to the inorganic or organic substance via, for example, a silane coupling agent. .

【0041】この態様にあって混合層中の無機物または
有機物の具体例としては、シリコン、チタン、タンタ
ル、アルミニウムなどの単体、その酸化物、窒化物、フ
ッ化物、あるいはフッ化マグネシウム、さらにテフロ
ン、ポリカーボネート、PVC、ポリスチレン、ノルボ
ルネン系等の有機ポリマー、セルロース誘導体等に代表
される多糖類などが挙げられる。とりわけシリコン酸化
物の利用が、金属との混合物質を形成しやすい、屈
折率が低い(二酸化シリコンの屈折率1.5−1.6
は、二酸化チタンの屈折率2.6−2.8よりずっと低
い)、材料が安定である、シラン化などの周知の方
法で簡単に活性化させ感応層を形成できるなどの理由か
ら好ましい。
In this embodiment, specific examples of the inorganic or organic substance in the mixed layer include simple substances such as silicon, titanium, tantalum, and aluminum, oxides, nitrides, fluorides, or magnesium fluorides thereof, and further, Teflon, Examples thereof include organic polymers such as polycarbonate, PVC, polystyrene, and norbornene, and polysaccharides represented by cellulose derivatives. In particular, the use of silicon oxide makes it easy to form a mixed substance with a metal and has a low refractive index (the refractive index of silicon dioxide is 1.5 to 1.6).
Is much lower than the refractive index of titanium dioxide (2.6-2.8), the material is stable, and it can be easily activated by a known method such as silanization to form a sensitive layer.

【0042】さらに本発明の好ましい態様によれば、上
記第二の利用態様における感応層と混合層との間にさら
に層を設け、混合層の感応層の担持をより確実かつ安定
なものとされてもよい。具体的には、混合層を構成する
無機物または有機物として、担持補助層を物理的または
化学的に担持可能なものを選択し、混合層を構成する。
同時に、この担持補助層を、標的物質に親和性を有する
捕捉物質を物理的または化学的に担持可能なものから構
成する。その結果、混合層上に、担持補助層を介して、
標的物質に親和性を有する捕捉物質を含んでなる感応層
を担持することが可能となる。
Further, according to a preferred embodiment of the present invention, an additional layer is provided between the sensitive layer and the mixed layer in the second mode of use, so that the sensitive layer of the mixed layer can be supported more reliably and stably. You may. Specifically, a material capable of physically or chemically supporting the supporting auxiliary layer is selected as an inorganic or organic material constituting the mixed layer, and the mixed layer is formed.
At the same time, the supporting auxiliary layer is formed of a material capable of physically or chemically supporting a capturing substance having an affinity for the target substance. As a result, on the mixed layer, via the supporting auxiliary layer,
It becomes possible to carry a sensitive layer comprising a capture substance having an affinity for the target substance.

【0043】このような担持補助層を構成する物質とし
ては、ヒドロキシル、カルボキシル、アミノ、アルデヒ
ド、カルボニル、エポキシ、およびビニル基からなる群
から選択される基を含んでなる多糖類もしくは有機ポリ
マー、または前記基を含んでなるモノマーからなるコポ
リマーが挙げられる。さらにこれらの具体例としては、
カルボキシメチル化デキストラン、誘導化などによりヒ
ドロキシル、カルボキシル、アミノ、アルデヒド、カル
ボニル、エポキシ、ビニル基のいずれかを含むデキスト
ラン、アガロース、カラギーナン、アルギン酸、でん
粉、ポリガラクチュロン酸、セルロース等の多糖類、ポ
リビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリメタクリル
酸、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド等の
有機ポリマー、およびこれらポリマーを構成するモノマ
ーのコポリマーなどが挙げられる。また、このような担
持補助層を担持可能な無機物または有機物の好ましい具
体例としては、硅素、チタン、タンタル、アルミニウム
等の単体、その酸化物、窒化物、フッ化物、あるいはフ
ッ化マグネシウムのような無機物、テフロン、ポリカー
ボネート、PVC、ポリスチレン、ノルボルネン系等の
プラスチック、シランカップリンク剤のような有機物が
挙げられる。
The substance constituting such a supporting auxiliary layer includes a polysaccharide or an organic polymer containing a group selected from the group consisting of hydroxyl, carboxyl, amino, aldehyde, carbonyl, epoxy, and vinyl groups, or Copolymers consisting of monomers comprising the groups are mentioned. Further examples of these include:
Carboxymethylated dextran, hydroxyl, carboxyl, amino, aldehyde, carbonyl, epoxy, dextran containing any of vinyl groups by derivatization, agarose, carrageenan, alginic acid, starch, polygalacturonic acid, polysaccharides such as cellulose, Examples thereof include organic polymers such as polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyethylene glycol, and polyacrylamide, and copolymers of monomers constituting these polymers. Preferred specific examples of inorganic or organic substances capable of supporting such a supporting auxiliary layer include simple substances such as silicon, titanium, tantalum, and aluminum, and oxides, nitrides, fluorides, and magnesium fluorides thereof. Inorganic substances, plastics such as Teflon, polycarbonate, PVC, polystyrene, norbornene and the like, and organic substances such as silane coupling agents.

【0044】この担持補助層は、その存在がセンサ感度
に影響を与えない程度の厚さとされるのが好ましく、具
体的には実際に使用される状態において、5nm〜20
0nm程度の厚さが好ましく、より好ましくは10nm
〜100nm程度である。
The thickness of the supporting auxiliary layer is preferably such that its existence does not affect the sensitivity of the sensor.
The thickness is preferably about 0 nm, more preferably 10 nm.
About 100 nm.

【0045】この担持補助層の捕捉物質の担持は、その
表面のみならず、担持補助層の内部においてなされてい
てもよく、またその態様は好ましいものと考えられる。
標的物質は、この担持補助層中を拡散して混合層表面近
傍に達することができる場合、混合層により近い場所で
標的物質と捕捉物質との反応を生じさせることができ、
より感度の高い測定が可能となるからである。
The supporting substance of the supporting auxiliary layer may be supported not only on the surface thereof but also inside the supporting auxiliary layer, and this embodiment is considered to be preferable.
When the target substance can diffuse in the supporting auxiliary layer and reach near the mixed layer surface, a reaction between the target substance and the capture substance can be caused in a place closer to the mixed layer,
This is because measurement with higher sensitivity becomes possible.

【0046】上記第二および第三の利用態様のいずれに
あっても、標的物質と親和性を有する捕捉物質は、使用
者が選択し、使用に先立ち混合層に担持させることがで
きる。すなわち、センサ素子は捕捉物質を担持させない
態様で使用者に供給され、使用者が適宜捕捉物質を選択
し、担持させて使用することができる。
In any of the second and third modes of use, the capture substance having an affinity for the target substance can be selected by the user and carried on the mixed layer prior to use. That is, the sensor element is supplied to the user in a state in which the capture substance is not supported, and the user can select the capture substance as appropriate and use the capture element.

【0047】本発明によるセンサ素子は、以上の様な態
様で利用されるが、別の観点からすれば、本発明によれ
ば、このセンサ素子を利用した測定方法およびセンサ装
置が提供される。
The sensor element according to the present invention is used in the manner described above. From another viewpoint, according to the present invention, a measuring method and a sensor device using the sensor element are provided.

【0048】まず、上記第一の使用態様に対応して、本
発明によれば、被験試料の物性または組成の変化を測定
可能なセンサ装置が提供される。この装置は、本発明に
よるセンサ素子と、センサ素子の混合層と試料とを接触
させる手段と、センサ素子の支持体と混合層または金属
層との界面に、支持体を透過させて光を照射可能な光照
射手段と、センサ素子の支持体と混合層または金属層と
の界面で反射した反射光にあって、強度変化が生じた光
の反射角を測定する手段とを備えてなる。
First, corresponding to the first mode of use, according to the present invention, there is provided a sensor device capable of measuring a change in the physical property or composition of a test sample. This device irradiates the sensor element according to the present invention, the means for bringing the mixed layer of the sensor element into contact with the sample, and the interface between the support of the sensor element and the mixed layer or the metal layer through the support to irradiate light. Possible light irradiation means and means for measuring a reflection angle of light whose intensity has changed in reflected light reflected at the interface between the support of the sensor element and the mixed layer or the metal layer are provided.

【0049】また、上記第一の使用態様に対応して、本
発明によれば、被験試料の物性または組成の変化を測定
する方法が提供される。この方法は、本発明によるセン
サ素子の混合層と試料とを接触させる工程と、センサ素
子の支持体と混合層または金属層との界面に、支持体を
透過させて光を照射する工程と、センサ素子の支持体と
混合層または金属層との界面で反射した反射光にあっ
て、強度変化が生じた光の反射角を測定する工程とを含
んでなる。
According to the present invention, corresponding to the first mode of use, a method for measuring a change in the physical properties or composition of a test sample is provided. This method comprises the steps of: contacting the sample with the mixed layer of the sensor element according to the present invention; and irradiating light through the support at the interface between the support and the mixed layer or the metal layer of the sensor element, Measuring the angle of reflection of the light reflected by the interface between the support of the sensor element and the mixed layer or the metal layer, the intensity of which has changed.

【0050】さらに、上記第二の使用態様に対応して、
本発明によれば、試料中の標的物質の定量が可能なセン
サ装置が提供される。この装置は、本発明によるセンサ
素子の混合層上に場合によって担持補助層を介して感応
層を形成したセンサ素子と、センサ素子の感応層と試料
とを接触させる手段と、センサ素子の支持体と混合層ま
たは金属層との界面に、支持体を透過させて光を照射可
能な光照射手段と、センサ素子の支持体と混合層または
金属層との界面で反射した反射光にあって、強度変化が
生じた光の反射角を測定する手段とを備えてなる。
Further, corresponding to the second mode of use,
According to the present invention, a sensor device capable of quantifying a target substance in a sample is provided. This device comprises a sensor element having a sensitive layer formed on a mixed layer of the sensor element according to the present invention, optionally via a supporting auxiliary layer, a means for bringing the sensitive layer of the sensor element into contact with a sample, and a support for the sensor element. And at the interface between the mixed layer and the metal layer, the light irradiating means capable of irradiating light by passing through the support, and the reflected light reflected at the interface between the support of the sensor element and the mixed layer or the metal layer, Means for measuring a reflection angle of light having a change in intensity.

【0051】また、上記第二の使用態様に対応して、本
発明によれば、試料中の標的物質を定量する方法であっ
て、本発明によるセンサ素子の混合層上に場合によって
担持補助層を介して感応層を形成したセンサ素子の感応
層と試料とを接触させる工程と、センサ素子の支持体と
混合層または金属層との界面に、支持体を透過させて光
を照射する工程と、センサ素子の支持体と混合層または
金属層との界面で反射した反射光にあって、強度変化が
生じた光の反射角を測定する工程とを含んでなる。
According to the present invention, there is provided a method for quantifying a target substance in a sample according to the second aspect of the present invention, wherein a supporting auxiliary layer is optionally provided on the mixed layer of the sensor element according to the present invention. Contacting the sample with the sensitive layer of the sensor element having a sensitive layer formed therethrough, and irradiating light to the interface between the support and the mixed layer or the metal layer of the sensor element through the support. Measuring the angle of reflection of the light reflected at the interface between the support of the sensor element and the mixed layer or the metal layer, the intensity of which has changed.

【0052】本発明による上記第二の使用態様におい
て、センサ素子表面には標的物質が捕捉物質に捕捉され
て残る。この捕捉された標的物質は適当な条件で脱離さ
せることができる。例えば、抗原抗体反応を利用してい
る場合、pHがある範囲にある緩衝液で洗浄する、また
は酸で洗浄することで、抗原および抗体を互いに引き離
すことができる。このような方法によって標的物質がそ
の表面から除かれたセンサ素子は、再度測定に利用する
ことができる。
In the second mode of use according to the present invention, the target substance remains on the sensor element surface after being captured by the capture substance. The captured target substance can be eliminated under appropriate conditions. For example, when an antigen-antibody reaction is used, the antigen and the antibody can be separated from each other by washing with a buffer having a certain pH range or with an acid. The sensor element from which the target substance has been removed from the surface by such a method can be used again for measurement.

【0053】センサ素子の製造 本発明によるセンサ素子は好ましくは次のように製造さ
れる。
Manufacture of the sensor element The sensor element according to the invention is preferably manufactured as follows.

【0054】まず、支持体を用意する。この支持体の表
面は、製造前に洗浄操作に付されるのが好ましい。洗浄
方法は支持体の材質によって適宜選択されてよいが、ガ
ラスの場合、酸、洗剤、プラニハソリュウションを用い
ることができ、また超音波洗浄を併用してもよい。
First, a support is prepared. The surface of the support is preferably subjected to a washing operation before production. The washing method may be appropriately selected depending on the material of the support. In the case of glass, an acid, a detergent, a planisolution may be used, and ultrasonic cleaning may be used together.

【0055】表面が清浄された支持体上に混合層を形成
する。混合層の形成は、金属層と無機物または有機物か
らなる層をそれぞれ単独で形成した後、両者を混合する
方法、または金属と無機物または有機物とを共蒸着させ
る方法のいずれかの方法により好ましく実施できる。
A mixed layer is formed on a support whose surface has been cleaned. The formation of the mixed layer can be preferably carried out by a method in which a metal layer and a layer made of an inorganic substance or an organic substance are individually formed, and then a method of mixing the two or a method of co-evaporating a metal and an inorganic substance or an organic substance. .

【0056】前者の場合、無機物を利用する場合には熱
アニーリングが好ましく、有機物を利用する場合、プラ
ズマ処理が好ましい。また、電圧、圧力等を印加するこ
とによっても混合層を形成することもできる。より具体
的には次の通りである。
In the former case, when an inorganic substance is used, thermal annealing is preferable, and when an organic substance is used, plasma treatment is preferable. Alternatively, the mixed layer can be formed by applying a voltage, a pressure, or the like. More specifically, it is as follows.

【0057】熱アニーリングの場合、まず、支持体上
に、自由電子を有する金属を積層し、その上に無機物ま
たは有機物と積層する。得られた積層体を加熱すると、
金属層および無機物または有機物層とが互いの層中に侵
入し、最終的に金属と無機物または有機物とを共に含む
混合層となる。熱アニーリング条件は、金属の種類およ
び厚さ、また無機物または有機物の種類および厚さを勘
案して適宜決定されてよいが、好ましい条件としては1
00℃〜800℃で1分間〜24時間加熱するのが好ま
しく、より好ましくは150℃〜500℃で3分間〜2
時間加熱する。
In the case of thermal annealing, first, a metal having free electrons is laminated on a support, and an inorganic or organic substance is laminated thereon. When heating the obtained laminate,
The metal layer and the inorganic or organic layer penetrate into each other, and eventually become a mixed layer containing both the metal and the inorganic or organic substance. The thermal annealing condition may be appropriately determined in consideration of the type and thickness of the metal and the type and thickness of the inorganic or organic substance.
It is preferable to heat at 00 ° C to 800 ° C for 1 minute to 24 hours, more preferably at 150 ° C to 500 ° C for 3 minutes to 2 hours.
Heat for hours.

【0058】また、プラズマ処理の場合、まず熱アニー
リングの場合と同様に積層体を作成し、この積層体にコ
ロナ放電またはグロー放電等を行う。これにより金属層
の最上部を含む領域がプラズマ状態となり、物質の再配
置が行われ、金属と無機物または有機物とを共に含む混
合層となる。この場合、真空度、雰囲気ガス種類、温度
放電強度及び時間等の条件は金属の種類および厚さ、ま
た無機物または有機物の種類および厚さを勘乗して適宜
決定されてよいが、過度のエッチングの起こらない条件
であることが好ましい。
In the case of plasma treatment, a laminate is first prepared in the same manner as in the case of thermal annealing, and corona discharge or glow discharge is performed on the laminate. As a result, a region including the uppermost portion of the metal layer is brought into a plasma state, the material is rearranged, and a mixed layer containing both a metal and an inorganic or organic material is obtained. In this case, the conditions such as the degree of vacuum, the type of atmospheric gas, the temperature discharge intensity, and the time may be appropriately determined in consideration of the type and thickness of the metal, and the type and thickness of the inorganic or organic substance. Is preferable.

【0059】また、共蒸着は、例えばマルチターゲット
スパッタリング、マルチターゲットCVDを用いて実施
できる。すなわち、それぞれの成分の蒸着スピードを独
立制御することによって、混合層の組成を制御する。
The co-evaporation can be performed by using, for example, multi-target sputtering or multi-target CVD. That is, the composition of the mixed layer is controlled by independently controlling the deposition speed of each component.

【0060】また、金属と無機物または有機物が均一な
組成の場合には、予め金属と無機物または有機物を混合
し、その混合物をターゲットとして蒸着することも可能
である。
When the metal and the inorganic or organic substance have a uniform composition, the metal and the inorganic or organic substance can be mixed in advance, and the mixture can be used as a target for vapor deposition.

【0061】さらに、支持体と混合層との間に金属層を
形成する場合には、金属層の形成は、周知の薄膜形成方
法、例えば真空蒸着、スパッタリング蒸着により実施す
ることができる。さらに、金属と支持体の間の接着性が
悪い場合には、常法に従い蒸着前に接着層を設けること
が好ましい。
When a metal layer is formed between the support and the mixed layer, the metal layer can be formed by a known thin film forming method, for example, vacuum evaporation or sputtering evaporation. Further, when the adhesiveness between the metal and the support is poor, it is preferable to provide an adhesive layer before vapor deposition according to a conventional method.

【0062】[0062]

【実施例】本発明を以下の実施例によってさらに詳細に
説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるもので
はない。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0063】実施例1 アニーリングによる傾斜混合物
質の形成 支持体としてのカバーガラス(サイズ2×4cm)を用
意し、希硝酸、中性洗剤、および超純水の順で超音波洗
浄した。この支持体上にマグネトロンスパッタリング法
によって、2nm厚のCr接着層を付し、その後で50
nm厚の金薄膜を蒸着した。続いて、同様のマグネトロ
ンスパッタリング法により、2nm厚のシリコン膜を形
成した。シリコンの酸化を防ぐためにアニーリングまで
アルゴン雰囲気中で保存した。
Example 1 Formation of Gradient Mixed Substance by Annealing A cover glass (size 2 × 4 cm) as a support was prepared and ultrasonically cleaned in the order of dilute nitric acid, a neutral detergent, and ultrapure water. A 2 nm thick Cr adhesive layer was applied on this support by magnetron sputtering,
A gold thin film having a thickness of nm was deposited. Subsequently, a silicon film having a thickness of 2 nm was formed by the same magnetron sputtering method. It was stored in an argon atmosphere until annealing to prevent silicon oxidation.

【0064】次ぎに、上記で得た基板を電気炉に入れ、
窒素雰囲気中で200℃、10分間アニーリングして、
傾斜構造を有する混合物質を形成した。その後素子を酸
素含有雰囲気中に1日保存して表層シリコンをシリカに
酸化させる。
Next, the substrate obtained above was placed in an electric furnace,
Annealing at 200 ° C for 10 minutes in a nitrogen atmosphere,
A mixed substance having a gradient structure was formed. Thereafter, the device is stored in an oxygen-containing atmosphere for one day to oxidize the surface silicon to silica.

【0065】実施例2 共蒸着よる傾斜混合物質の形成 実施例1と同様に洗浄したカバーガラス(サイズ2×4
cm)を支持体として用意し、希硝酸、中性洗剤、およ
び超純水の順で超音波洗浄した。この支持体上に、マル
チターゲットスパッタリング装置に銀と二酸化シリコン
との2つのターゲットを装着して、まず銀ターゲットで
45nm厚の銀薄膜を蒸着した。続いて、試料側を回転
し、銀と二酸化シリコンを予め決めたそれぞれの速度で
同時スパッタリングした。スパッタリング進行中、銀タ
ーゲットのスパッタリング速度を徐々に落とすと同時
に、二酸化シリコンターゲットのスパッタリング速度を
徐々に上げた。この結果、銀がほとんど表面に露出しな
い傾斜構造を有する膜厚5〜10nmの混合層を形成す
ることができた。
Example 2 Formation of a gradient mixed substance by co-evaporation A cover glass washed in the same manner as in Example 1 (size 2 × 4
cm) as a support, and ultrasonic cleaning was performed in the order of diluted nitric acid, a neutral detergent, and ultrapure water. On this support, two targets, silver and silicon dioxide, were mounted in a multi-target sputtering apparatus, and a silver thin film having a thickness of 45 nm was first deposited with a silver target. Subsequently, the sample side was rotated, and silver and silicon dioxide were co-sputtered at predetermined rates. During the progress of sputtering, the sputtering speed of the silver target was gradually decreased while the sputtering speed of the silicon dioxide target was gradually increased. As a result, a mixed layer with a thickness of 5 to 10 nm having a tilted structure in which silver was hardly exposed on the surface could be formed.

【0066】実施例3 アルブミン測定用免疫センサの
製造(その1) 実施例1または実施例2で作成した基板を0.5(v/
v)%のグリシドキシプロピルトリメトキシ−シラン溶
液(溶媒イソプロピルアルコール)に入れて、室温で5
分間表面をシラン化させた。その後、水で洗浄した。シ
ラン化した基板を、23(w/v)%のデキストラン
(分子量500,000)溶液中で20時間振とうし
て、デキストランゲル層を形成し、その後大量の水で洗
浄した。固定化されたデキストラン層を、1Mヨード酢
酸中48時間振とうし、デキストランをカルボキシメチ
ル化(CM化)し、その後大量の水で洗浄した。
Example 3 Production of Immunosensor for Measurement of Albumin (Part 1) The substrate prepared in Example 1 or Example 2 was treated with 0.5 (v /
v) 5% glycidoxypropyltrimethoxy-silane solution (solvent isopropyl alcohol) at room temperature
The surface was silanized for minutes. Then, it was washed with water. The silanized substrate was shaken in a 23% (w / v)% dextran (molecular weight 500,000) solution for 20 hours to form a dextran gel layer, and then washed with a large amount of water. The immobilized dextran layer was shaken in 1M iodoacetic acid for 48 hours, dextran was carboxymethylated (CM), and then washed with a large amount of water.

【0067】CM化デキストランゲルを0.1MのN−
ヒドロキシスクシンイミドおよびジメチルアミノプロピ
ルカルボジイミド(EDC)で活性化した後、アルブミ
ン抗体を固定化した。
The CM-dextran gel was added to 0.1 M N-
After activation with hydroxysuccinimide and dimethylaminopropylcarbodiimide (EDC), the albumin antibody was immobilized.

【0068】得られた抗体固定化ガラス板を7×7mm
のサイズに切って、センサ素子とした。
The obtained antibody-immobilized glass plate was 7 × 7 mm
To obtain a sensor element.

【0069】実施例4 アルブミン測定用免疫センサの
製造(その2) 実施例3とは異なる方法で、CM化デキストランゲル層
を形成した。まず、1Mのブロモ酢酸と2NのNaOH
とを含む溶液を調整した。この溶液30mlにデキスト
ラン(分子量500,000)10gを添加し、溶解し
た後、室温で20時間攪拌してデキストランをCM化し
た。その後、溶液を中和して大量の水で透析精製し、凍
結乾燥して、使用直前まで保存した。
Example 4 Production of Immunosensor for Measurement of Albumin (Part 2) A dextran gel layer was formed by a method different from that of Example 3. First, 1M bromoacetic acid and 2N NaOH
Was prepared. To 30 ml of this solution, 10 g of dextran (molecular weight 500,000) was added and dissolved, followed by stirring at room temperature for 20 hours to convert the dextran into CM. Thereafter, the solution was neutralized, purified by dialysis with a large amount of water, freeze-dried, and stored until immediately before use.

【0070】実施例1または実施例2で作成した基板
を、0.5(v/v)%のグリシドキシプロピルトリメ
トキシ−シラン溶液(溶媒イソプロピルアルコール)に
入れて、室温で5分間表面をシラン化させた後、水で洗
浄した。
The substrate prepared in Example 1 or 2 was placed in a 0.5% (v / v)% glycidoxypropyltrimethoxy-silane solution (solvent: isopropyl alcohol), and the surface was treated at room temperature for 5 minutes. After silanization, it was washed with water.

【0071】シラン化した基板を、23(w/v)%の
上で調製したCM化デキストラン溶液中で20時間振と
うして、基板上にCM化デキストランゲル層を形成し
た。その後、大量の水で洗浄した。
The silanized substrate was shaken for 20 hours in a dextran CM solution prepared above at 23 (w / v)% to form a CM dextran gel layer on the substrate. Then, it was washed with a large amount of water.

【0072】実施例5 ヒト血清アルブミン(HSA)
の検出 実施例3によって作製したヒト血清アルブミン(HS
A)抗体を固定化したセンサ素子を、図1に示される装
置に装着し、HSAの測定を行った。
Example 5 Human Serum Albumin (HSA)
Detection of human serum albumin (HS
A) The sensor element on which the antibody was immobilized was mounted on the device shown in FIG. 1 and HSA was measured.

【0073】まず、適当な緩衝液を検出表面へ通液し、
その時の共振角を測定し、ベースラインとした。
First, an appropriate buffer is passed through the detection surface.
The resonance angle at that time was measured and set as a baseline.

【0074】次にHSA溶液をセンサ素子表面に一定時
間接触させ、素子表面上のHSA抗体とHSAを結合さ
せた。その後、適当な緩衝液を用いて余剰のHSAを洗
い流して共振角を測定した。この共振角とベースライン
での共振角の差が、センサ素子表面の抗体に結合したH
SA量に起因する共振角変化となる。抗体に結合したH
SAは適当な溶出液(pH3.0以下の希塩酸またはグ
リシン緩衝液)によって解離させることができ、検出表
面の再使用を可能にした。
Next, the HSA solution was brought into contact with the sensor element surface for a certain period of time to bind the HSA antibody and HSA on the element surface. Then, the excess HSA was washed out using an appropriate buffer solution, and the resonance angle was measured. The difference between this resonance angle and the resonance angle at the baseline is the amount of H bound to the antibody on the sensor element surface.
The resonance angle changes due to the SA amount. H bound to the antibody
SA could be dissociated with a suitable eluate (dilute hydrochloric acid or glycine buffer below pH 3.0), allowing reuse of the detection surface.

【0075】以上の操作においける共振角の変化は図1
1に示されるとおりであった。
The change in the resonance angle in the above operation is shown in FIG.
1 as shown.

【0076】また、いくつかのHSA濃度が既知の試料
を用いて、HSA濃度と共振角とを測定した。その結果
は図12に示される通りであった。これを検量線として
用いることで、濃度未知のHSA測定を行うことができ
る。
Further, the HSA concentration and the resonance angle were measured using several samples having known HSA concentrations. The result was as shown in FIG. By using this as a calibration curve, HSA measurement with unknown concentration can be performed.

【0077】実施例6 共蒸着よる均質混合物質の形成 実施例1と同様に洗浄したカバーガラス(サイズ2×4
cm)を支持体として用意し、希硝酸、中性洗剤、およ
び超純水の順で超音波洗浄する。この支持体上に、マル
チターゲットスパッタリング装置に金と二酸化シリコン
との2つのターゲットを装着して、まず金ターゲットで
45nm厚の金薄膜を蒸着する。続いて、金と二酸化シ
リコンのそれぞれのターゲットのスパッタリング速度を
調節して、金:二酸化シリコンの比が7:3である混合
層を、5nm形成する。こうして得られた混合層は、図
5(b)に示されるような、金粒子とシリカ粒子とが混
在してなり、その表面は金粒子とシリカ粒子とが7:3
の混合比をもって二次元的に配列してなる構成をとる。
ここで、スパッタリングによって得られる金粒子および
シリカ粒子の大きさはナノメータ程度であると考えられ
る。
Example 6 Formation of Homogeneous Mixed Substance by Co-Evaporation A cover glass washed in the same manner as in Example 1 (size 2 × 4
cm) as a support, and ultrasonically wash in the order of dilute nitric acid, a neutral detergent, and ultrapure water. On this support, two targets of gold and silicon dioxide are mounted on a multi-target sputtering apparatus, and a gold thin film having a thickness of 45 nm is first deposited by a gold target. Subsequently, the sputtering rate of each target of gold and silicon dioxide is adjusted to form a mixed layer having a ratio of gold: silicon dioxide of 7: 3 to 5 nm. As shown in FIG. 5 (b), the mixed layer obtained in this way is a mixture of gold particles and silica particles, and the surface thereof is composed of gold particles and silica particles of 7: 3.
Are arranged two-dimensionally with a mixing ratio of
Here, it is considered that the size of the gold particles and the silica particles obtained by sputtering is on the order of nanometers.

【0078】上記のようにして得られた基板は、実施例
3または4に従って、アルブミン測定用免疫センサとす
ることができる。
The substrate obtained as described above can be used as an immunosensor for albumin measurement according to Example 3 or 4.

【0079】参考例 表面プラズモン共鳴に対する金属
単層厚みの影響 支持体上の金単層を、その厚みを30、35、40、4
5、50、55、60、65、および70nmと変化さ
せて、センサ素子を作製した。
REFERENCE EXAMPLE Influence of Metal Monolayer Thickness on Surface Plasmon Resonance
The sensor element was manufactured by changing to 5, 50, 55, 60, 65, and 70 nm.

【0080】これらセンサ素子を図1に示される装置に
装着し、被験試料として水を用意し、全反射強度に対す
る共振角における反射強度の比を求めた。そして、セン
サ素子の金属層の厚みと、共振角における反射強度の比
との関係、すなわち共振カーブを作製した。その結果は
図13に示されるとおりであった。その結果、30〜7
0nmの金属単層では反射率は約0.5以下であること
が明らかにされた。
These sensor elements were mounted on the apparatus shown in FIG. 1, water was prepared as a test sample, and the ratio of the reflection intensity at the resonance angle to the total reflection intensity was determined. Then, a relationship between the thickness of the metal layer of the sensor element and the ratio of the reflection intensity at the resonance angle, that is, a resonance curve was prepared. The result was as shown in FIG. As a result, 30-7
It was revealed that the reflectance was about 0.5 or less in the case of the metal monolayer of 0 nm.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明によるセンサ素子が用いられる表面プラ
ズモン共鳴法を利用したセンサ装置の図である。
FIG. 1 is a diagram of a sensor device using a surface plasmon resonance method using a sensor element according to the present invention.

【図2】本発明によるセンサ素子1の好ましい例を示す
図である。この図の態様において、センサ素子1は支持
体2とその上に形成された混合層3とから構成される。
さらにこの混合層3は、支持体2からの距離に比例して
金属の含有率が小さくなる、傾斜組成を有する。
FIG. 2 is a view showing a preferred example of a sensor element 1 according to the present invention. In the embodiment of this figure, the sensor element 1 is composed of a support 2 and a mixed layer 3 formed thereon.
Further, the mixed layer 3 has a gradient composition in which the metal content decreases in proportion to the distance from the support 2.

【図3】支持体2上に、金属層31と、その上に保護層
または中間層32が独立して設けられたセンサ素子を示
す図である。
FIG. 3 is a view showing a sensor element in which a metal layer 31 and a protective layer or an intermediate layer 32 are independently provided on a support 2;

【図4】本発明によるセンサ素子の別の好ましい例を示
す図である。この図の態様において、混合層3は複数の
層41〜47からなり、この一つひとつの層内において
金属の含有率は一定であるが、合い隣り合う層同士では
金属の含有率は異なるものとされ、全体として支持体2
からの距離に比例して金属の含有率が小さくなるよう構
成されている。
FIG. 4 shows another preferred example of a sensor element according to the present invention. In the embodiment of this figure, the mixed layer 3 is composed of a plurality of layers 41 to 47, and the metal content is constant in each of these layers, but the metal content is different between adjacent layers. , The support 2 as a whole
It is configured such that the content of metal decreases in proportion to the distance from the object.

【図5】本発明によるセンサ素子の別の好ましい例を示
す図である。この図は、金属および無機物または有機物
の組成比が層全体を通じて同一とされてなる混合層3を
示すものである。
FIG. 5 is a diagram showing another preferred example of the sensor element according to the present invention. This figure shows a mixed layer 3 in which the composition ratio of a metal and an inorganic or organic substance is the same throughout the entire layer.

【図6】図5に示された混合層3の上面21付近の断面
を模式的に表した図である。混合層3は、金属の粒子5
1と無機物または有機物の粒子52とが均質に混じり合
った構成を有する。
6 is a diagram schematically showing a cross section near the upper surface 21 of the mixed layer 3 shown in FIG. The mixed layer 3 includes metal particles 5
1 and inorganic or organic particles 52 are homogeneously mixed.

【図7】本発明によるセンサ素子の別の好ましい例を示
す図である。図7(a)は、この態様による混合層の上
面21付近の断面を模式的に表したものである。混合層
3は、自由電子を有する金属の相71と、無機物または
有機物の相72とが混合層の深さ方向に平行に集合して
なる。図7(b)は、この相71および72がそれぞれ
薄膜である場合を示す図である。図7(c)は、この相
71および72がそれぞれ柱状体である場合を示す図で
ある。
FIG. 7 is a diagram showing another preferred example of the sensor element according to the present invention. FIG. 7A schematically shows a cross section near the upper surface 21 of the mixed layer according to this embodiment. The mixed layer 3 is composed of a metal phase 71 having free electrons and an inorganic or organic phase 72 gathered in parallel in the depth direction of the mixed layer. FIG. 7B is a diagram showing a case where each of the phases 71 and 72 is a thin film. FIG. 7C is a diagram showing a case where each of the phases 71 and 72 is a columnar body.

【図8】図4のセンサ素子において、支持体2と混合層
3との間に金属層81が設けられた態様を示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing an embodiment in which a metal layer 81 is provided between a support 2 and a mixed layer 3 in the sensor element of FIG.

【図9】図5のセンサ素子において、支持体2と混合層
3との間に金属層91が設けられた態様を示す図であ
る。
9 is a diagram showing an embodiment in which a metal layer 91 is provided between the support 2 and the mixed layer 3 in the sensor element of FIG.

【図10】本発明によるセンサ素子の一つの使用態様を
示す図である。この図の態様において、中間層3上には
感応層101が設けられてなる。
FIG. 10 is a diagram showing one use mode of the sensor element according to the present invention. In the embodiment shown in the figure, a sensitive layer 101 is provided on the intermediate layer 3.

【図11】実施例5において実施された、本発明による
センサ素子に、HSA溶液、洗浄液、または溶出液を接
触させたときの共振角の変化を示す図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating a change in resonance angle when an HSA solution, a cleaning solution, or an eluent is brought into contact with a sensor element according to the present invention, implemented in Example 5.

【図12】実施例5において実施した、いくつかのHS
A濃度が既知の試料を用いて、HSA濃度と共振角とを
測定した結果を示す図である。これを検量線として用い
ることで、濃度未知のHSA測定を行うことができる。
FIG. 12 shows some HS performed in Example 5.
It is a figure which shows the result of having measured the HSA density | concentration and the resonance angle using the sample whose A density | concentration is known. By using this as a calibration curve, HSA measurement with unknown concentration can be performed.

【図13】表面プラズモン共鳴を利用したセンサ素子の
共振カーブを示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a resonance curve of a sensor element using surface plasmon resonance.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大 原 仁 福岡県北九州市小倉北区中島二丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 八 木 晋 一 福岡県北九州市小倉北区中島二丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Jin Ohara 2-1-1 Nakajima, Kokurakita-ku, Kitakyushu-shi, Fukuoka Tochiki Kiki Co., Ltd. 2-1-1 Nakajima, Ward Totoki Co., Ltd.

Claims (28)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】光透過性の支持体と、 該支持体上に形成された、(a)自由電子を有する金属
と(b)無機物または有機物とを共に含んでなる混合層
とを有してなる、表面プラズモン共鳴を利用した、セン
サ素子。
1. A light-transmissive support, comprising: a mixed layer formed on the support and containing both (a) a metal having free electrons and (b) an inorganic or organic substance. A sensor element utilizing surface plasmon resonance.
【請求項2】前記無機物または有機物が、前記金属を保
護する成分である、請求項1に記載のセンサ素子。
2. The sensor element according to claim 1, wherein said inorganic substance or organic substance is a component for protecting said metal.
【請求項3】前記無機物または有機物が、標的物質に親
和性を有する捕捉物質を物理的または化学的に担持可能
なものであり、その結果、前記混合層が、標的物質に親
和性を有する捕捉物質を含んでなる感応層を担持可能な
ものとされてなる、請求項1に記載のセンサ素子。
3. The method according to claim 1, wherein the inorganic substance or the organic substance is capable of physically or chemically supporting a capture substance having an affinity for the target substance. As a result, the mixed layer has a capture substance having an affinity for the target substance. The sensor element according to claim 1, wherein the sensor element can support a sensitive layer containing a substance.
【請求項4】前記無機物または有機物が、担持補助層を
物理的または化学的に担持可能なものであり、さらに該
担持補助層が標的物質に親和性を有する捕捉物質を物理
的または化学的に担持可能なものであり、その結果、前
記混合層上に担持補助層を介して標的物質に親和性を有
する捕捉物質を含んでなる感応層を担持可能なものとさ
れてなる、請求項1に記載のセンサ素子。
4. The method according to claim 1, wherein the inorganic or organic substance is capable of physically or chemically supporting the supporting auxiliary layer, and the supporting auxiliary layer physically or chemically supports a capturing substance having an affinity for a target substance. 2. The method according to claim 1, wherein the support layer is capable of supporting, and as a result, a sensitive layer including a capture substance having an affinity for a target substance can be supported on the mixed layer via a support auxiliary layer. The sensor element according to any one of the preceding claims.
【請求項5】前記混合層が、支持体からの距離に比例し
て前記金属の含有率が小さくなる、傾斜組成を有するも
のである、請求項1〜4のいずれか一項に記載のセンサ
素子。
5. The sensor according to claim 1, wherein the mixed layer has a gradient composition in which the content of the metal decreases in proportion to the distance from the support. element.
【請求項6】前記混合層の支持体から最も離れた部分に
おける金属の含有率が50%以下である、請求項5に記
載のセンサ素子。
6. The sensor element according to claim 5, wherein the content of the metal in a portion of the mixed layer farthest from the support is 50% or less.
【請求項7】前記混合層が、実質的に均質な組成を有す
るものである、請求項1〜6のいずれか一項に記載のセ
ンサ素子。
7. The sensor element according to claim 1, wherein the mixed layer has a substantially homogeneous composition.
【請求項8】前記支持体と前記混合層との間に、自由電
子を有する金属層が設けられてなる、請求項1〜7のい
ずれか一項に記載のセンサ素子。
8. The sensor element according to claim 1, wherein a metal layer having free electrons is provided between said support and said mixed layer.
【請求項9】前記混合層の厚さが100nm以下であ
る、請求項8に記載のセンサ素子。
9. The sensor element according to claim 8, wherein said mixed layer has a thickness of 100 nm or less.
【請求項10】前記金属層の厚さが10nm以上100
nm以下である、請求項9に記載のセンサ素子。
10. The method according to claim 1, wherein said metal layer has a thickness of 10 nm or more and 100
The sensor element according to claim 9, which is equal to or less than nm.
【請求項11】前記混合層に含まれる金属が、金、銀、
銅、アルミニウム、および白金からなる群から選択され
るものである、請求項1〜10いずれか一項に記載のセ
ンサ素子。
11. The metal contained in the mixed layer is gold, silver,
The sensor element according to any one of claims 1 to 10, wherein the sensor element is selected from the group consisting of copper, aluminum, and platinum.
【請求項12】前記混合層に含まれる無機物が、硅素、
チタン、アルミニウム、およびタンタルからなる群から
選択される物質、またはその酸化物、窒化物、もしくは
フッ化物、またはフッ化マグネシウムである、請求項1
〜11のいずれか一項に記載のセンサ素子。
12. The inorganic material contained in the mixed layer is silicon,
2. A material selected from the group consisting of titanium, aluminum, and tantalum, or an oxide, nitride, or fluoride thereof, or magnesium fluoride.
The sensor element according to any one of claims 11 to 11.
【請求項13】前記混合層に含まれる金属が金または銀
であり、前記混合層に含まれる無機物が硅素酸化物また
はチタン酸化物である、請求項1〜12のいずれか一項
に記載のセンサ素子。
13. The method according to claim 1, wherein the metal contained in the mixed layer is gold or silver, and the inorganic substance contained in the mixed layer is silicon oxide or titanium oxide. Sensor element.
【請求項14】前記支持体の屈折率が、前記標的物質を
含む媒質の屈折率よりも大きなものである、請求項1〜
13のいずれか一項に記載のセンサ素子。
14. The method according to claim 1, wherein a refractive index of said support is larger than a refractive index of a medium containing said target substance.
14. The sensor element according to claim 13.
【請求項15】前記混合層に接触する被験試料の物性ま
たは組成の変化が、前記支持体と接する前記混合層また
は前記金属層の表面の光学的性質の変化として表れる、
請求項1、2、5〜14のいずれか一項に記載のセンサ
素子。
15. A change in physical properties or composition of a test sample in contact with the mixed layer appears as a change in optical properties of the surface of the mixed layer or the metal layer in contact with the support.
The sensor element according to claim 1, 2, 5 to 14.
【請求項16】標的物質と、前記混合層上に担持された
捕捉物質との反応の有無が、前記支持体と接する前記混
合層または前記金属層の表面の光学的性質の変化として
表れる、請求項1、3〜14のいずれか一項に記載のセ
ンサ素子。
16. The method according to claim 1, wherein the presence or absence of a reaction between the target substance and the capturing substance carried on the mixed layer is represented as a change in the optical properties of the surface of the mixed layer or the metal layer in contact with the support. Item 15. The sensor element according to any one of Items 1, 3 to 14.
【請求項17】請求項1、3〜16のいずれか一項に記
載のセンサ素子の混合層上に、標的物質に親和性を有す
る捕捉物質を含んでなる感応層がさらに設けられてな
る、センサ素子。
17. A sensitive layer comprising a capture substance having an affinity for a target substance is further provided on the mixed layer of the sensor element according to any one of claims 1, 3 to 16, Sensor element.
【請求項18】請求項1、3〜15のいずれか一項に記
載のセンサ素子の混合層上に、担持補助層が設けられて
なり、さらに該担持補助層上に標的物質に親和性を有す
る捕捉物質を含んでなる感応層がさらに設けられてな
る、センサ素子。
18. A support auxiliary layer is provided on the mixed layer of the sensor element according to any one of claims 1, 3 to 15, and further has an affinity for a target substance on the support auxiliary layer. A sensor element, further comprising a sensitive layer containing a capturing substance.
【請求項19】担持補助層が、ヒドロキシル、カルボキ
シル、アミノ、アルデヒド、カルボニル、エポキシ、お
よびビニル基からなる群から選択される基を含んでなる
多糖類もしくは有機ポリマー、または前記基を含んでな
るモノマーからなるコポリマーである、請求項18に記
載のセンサ素子。
19. The supporting auxiliary layer comprises a polysaccharide or an organic polymer comprising a group selected from the group consisting of hydroxyl, carboxyl, amino, aldehyde, carbonyl, epoxy and vinyl groups, or said group. 19. The sensor element according to claim 18, which is a copolymer composed of a monomer.
【請求項20】前記捕捉物質が、蛋白質、ペブチド、抗
生物質、色素、核酸、農薬、微生物、ホルモン、もしく
はウイルス、またそれらの構成成分の抗原;これらの抗
原を認識するポリクローナル、モノクローナル、もしく
は組み換え抗体;または活性部位を破壊し結合部位の機
能のみを有する酵素、レクチン、核酸、もしくは生体内
のシグナル電達に関わるレセプターリガンドである、請
求項16〜19のいずれか一項に記載のセンサ素子。
20. The capturing substance may be a protein, a peptide, an antibiotic, a dye, a nucleic acid, a pesticide, a microorganism, a hormone, or a virus, or an antigen of a component thereof; a polyclonal, monoclonal, or recombinant that recognizes these antigens. The sensor element according to any one of claims 16 to 19, wherein the sensor element is an antibody; or an enzyme, a lectin, a nucleic acid, or a receptor ligand involved in signal transmission in a living body, which destroys an active site and has only a binding site function. .
【請求項21】請求項1〜15のいずれか一項に記載の
センサ素子の製造法であって、 支持体上に、自由電子を有する金属を積層し、その上に
無機物または有機物からなる層と積層し、その後熱アニ
ーリングに付し、前記金属と前記無機物または有機物と
を共に含む混合層とする工程を含んでなる、方法。
21. The method for manufacturing a sensor element according to claim 1, wherein a metal having free electrons is laminated on a support, and a layer made of an inorganic substance or an organic substance is formed thereon. And then subjecting to thermal annealing to form a mixed layer containing both the metal and the inorganic or organic material.
【請求項22】請求項1〜15のいずれか一項に記載の
センサ素子の製造法であって、 支持体上に、自由電子を有する金属を積層し、その上に
無機物または有機物からなる層と積層し、その後両層を
プラズマ処理により混合し、前記金属と前記無機物また
は有機物とを共に含む混合層とする工程を含んでなる、
方法。
22. The method for manufacturing a sensor element according to claim 1, wherein a metal having free electrons is laminated on a support, and a layer made of an inorganic substance or an organic substance is formed thereon. And then mixing both layers by a plasma treatment to form a mixed layer containing both the metal and the inorganic or organic substance.
Method.
【請求項23】請求項1〜15のいずれか一項に記載の
センサ素子の製造法であって、 支持体上に、自由電子を有する金属と、無機物または有
機物とを共蒸着させ、前記金属と前記無機物または有機
物とを共に含む混合層を形成する工程を含んでなる、方
法。
23. The method for manufacturing a sensor element according to claim 1, wherein a metal having free electrons and an inorganic or organic substance are co-deposited on a support, and And a step of forming a mixed layer containing both the inorganic and organic substances.
【請求項24】支持体上に混合層を形成する工程に先立
ち支持体上に自由電子を有する金属からなる層を形成
し、該金属層上に混合層を形成する、請求項21〜23
のいずれか一項に記載の方法。
24. A layer comprising a metal having free electrons is formed on a support prior to the step of forming a mixed layer on a support, and the mixed layer is formed on the metal layer.
The method according to any one of the preceding claims.
【請求項25】被験試料の物性または組成の変化を測定
可能なセンサ装置であって、 請求項1〜15のいずれか一項に記載のセンサ素子と、 前記センサ素子の混合層と前記試料とを接触させる手段
と、 前記センサ素子の支持体と混合層または金属層との界面
に、支持体を透過させて光を照射可能な光照射手段と、 前記センサ素子の支持体と混合層または金属層との界面
で反射した反射光にあって、強度変化が生じた光の反射
角を測定する手段とを備えてなる、センサ装置。
25. A sensor device capable of measuring a change in physical property or composition of a test sample, wherein: the sensor element according to claim 1; a mixed layer of the sensor element and the sample; A light irradiating means capable of irradiating the interface between the support of the sensor element and the mixed layer or the metal layer and transmitting light through the support; and a support and the mixed layer or metal of the sensor element. A means for measuring a reflection angle of light having a change in intensity in reflected light reflected at an interface with the layer.
【請求項26】試料中の標的物質の定量が可能なセンサ
装置であって、 請求項16〜20のいずれか一項に記載のセンサ素子
と、 前記センサ素子の感応層と前記試料とを接触させる手段
と、 前記センサ素子の支持体と混合層または金属層との界面
に、支持体を透過させて光を照射可能な光照射手段と、 前記センサ素子の支持体と混合層または金属層との界面
で反射した反射光にあって、強度変化が生じた光の反射
角を測定する手段とを備えてなる、センサ装置。
26. A sensor device capable of quantifying a target substance in a sample, wherein the sensor element according to claim 16 is in contact with a sensitive layer of the sensor element and the sample. Means for causing, at the interface between the support of the sensor element and the mixed layer or the metal layer, light irradiating means capable of irradiating light by passing through the support, and the support of the sensor element and the mixed layer or the metal layer; A means for measuring the angle of reflection of the light whose intensity has changed in the light reflected at the interface.
【請求項27】被験試料の物性または組成の変化を測定
する方法であって、 請求項1〜15のいずれか一項に記載のセンサ素子の混
合層と前記試料とを接触させる工程と、 前記センサ素子の支持体と混合層または金属層との界面
に、支持体を透過させて光を照射する工程と、 前記センサ素子の支持体と混合層または金属層との界面
で反射した反射光にあって、強度変化が生じた光の反射
角を測定する工程とを含んでなる、方法。
27. A method for measuring a change in physical properties or composition of a test sample, comprising: contacting the mixed layer of the sensor element according to any one of claims 1 to 15 with the sample; A step of irradiating the interface between the support of the sensor element and the mixed layer or the metal layer with light passing through the support, and reflecting light reflected at the interface between the support of the sensor element and the mixed layer or the metal layer; Measuring the angle of reflection of the light that has undergone a change in intensity.
【請求項28】試料中の標的物質を定量する方法であっ
て、 請求項16〜20のいずれか一項に記載のセンサ素子の
感応層と前記試料とを接触させる工程と、 前記センサ素子の支持体と混合層または金属層との界面
に、支持体を透過させて光を照射する工程と、 前記センサ素子の支持体と混合層または金属層との界面
で反射した反射光にあって、強度変化が生じた光の反射
角を測定する工程とを含んでなる、方法。
28. A method for quantifying a target substance in a sample, comprising: contacting the sample with the sensitive layer of the sensor element according to claim 16; At the interface between the support and the mixed layer or the metal layer, the step of irradiating light by passing through the support, and in the reflected light reflected at the interface between the support and the mixed layer or the metal layer of the sensor element, Measuring the angle of reflection of the light that has undergone the change in intensity.
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