JPS6375542A - 化学感応表面プラズモン共鳴装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は化学センサに関し、特に化学感応表面プラズモ
ン共鳴装置に関する。

表面プラズモン共鳴（ｓｕｒｆａｃ、ｅ　ｐｌａｓｍｏ
ｎ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）（ＳＰＲ）は、光子の運動量
が金属内の電子ガスに結合されて、それによりプラズモ
ンとして知られている集団縦振動を励起するような条件
下において誘電体／金属境界面で光子が反射される場合
に生しうる。

図面中筒１図は、「クレソシ、マンの構体１（Ｋ　ｒｅ
ｔｓｃｈｍａｎｎ’　ｓ　　Ａ　ｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ
）と呼ばれている公知のＳＰＲ構成を示しており、これ
はガラスプリズム１よりなり、このプリズムの１つの而
に薄い金属層が付着されている。共鳴条件が得られるか
どうかは多数の動作上および構造−トのパラメータに依
存する。−例では、金属層２は厚さが３０ｎｍであり、
銀で作成されており、プリズムは屈折率が１．５］、７
である。空気中での動作の場合には、波長が６３３ｎｍ
の光（ずなわちＨｅ　−Ｎｅレーザ光）が４３°の角度
θ、でガラス／金属境界面に入射すると、表面プラズモ
ンが金属層内で励起される。

第２図に示されているように、金属層２内でのプラズモ
ンの励起による共鳴吸収は、入射角の関数としての境界
面で反射される光の強度の急激な落ち込みとして観察さ
れうる。この落ち込みの形状および角位置は、金属層２
の露呈面に近接した、すなわちプリズムから遠隔の媒体
の絶縁特性に対して極端に感応することが認められてお
り、この事実が化学センサで利用されている。

「センサーズ・アンド・アクチュエークズ」（Ｓｅｎｓ
ｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ）　　１９８２年
第７巻、第７９頁においてナイランダ（Ｎｙｌａｎｄｅ
ｒ）、リードハーグ（Ｌ　ｉ　ｅｄｂｅｒｇ）およびリ
ント（■、１ｎｄ）によって記述された実験では、ハロ
ゲン化炭化水素ガス、すなわちハロタンを検知するため
にクレソシュマンの構成が用いられた。シリコーン・グ
リコール共重合体、すなわちハロタンを可逆的に吸収す
る油の薄い層が金属層２の露呈面に適用された。そのガ
スの吸収により、上記油の絶縁特性に変化が生じ、その
変化により、共鳴吸収の角度位置に検知可能な変位（ｓ
ｈｉｆｔ）が生じた。なお、この場合、その変位の程度
は、少なくとも限定された濃度範囲では、吸収されたガ
スの濃度に対して直線的な関係を有していた。

同様に、クレソシュマンの構成に基づいた装置は免疫セ
ンサ（ｉｍｍｕｎｏｓｅｎｓｏｒ）　として使用するこ
とができ、１つの例では、免疫性の特定タンパク質（ヒ
オチン）は、（＝ｊ着助長剤として作用する二酸化ケイ
素の中間被覆による金属層２の露呈面でのシラン結合に
よって固定化された。次に、その固定化された層は、共
鳴吸収曲線に検知可能な変位を生しる溶液（アビジン）
内の適当な目標分子で培養された。この変位が第３図に
示されている。

従って、適当な化学感応膜を添着することによって、気
相中および溶液中の両方におｌ−する広い範囲の検体の
存在および／または濃度をモニタすることが可能である
ごとが明らかであろう。

実際には、一定の入射角で反射率をモニタするのが便利
である。しかしながら、共鳴吸収の形状および角度位置
はプリズムに被着された材料の特徴（例えば厚さ、組成
等）に決定的に依存するので、ト述したＶＪ頬のセンサ
は多分基（Ｖのものに対して注意深く較正される必要が
あり、そして入射角は各新しい測定の前に再調節される
必要がありうる。これらの手法は両方とも、レーザに関
してプリズムを回転させるようになされたある種の機械
的な運動機構と、検知器を必要とし、これが装置の機械
的複雑性とコストを増大させ、しかも全体の信頼性と使
用」二の容易性を低下さゼることになる。

本発明の目的は、−ト述した装置の較正および調節に関
連した問題点を少なくとも軽減しかつ大規模な商業的生
産に適応しうる信頼性のある製造技術に適合したＳＰＲ
技術に基づいた化学センサを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、一面が平坦でそれの反対
側の面に複数の形成物を有する透光性材料のスラブと、
このスラブの前記一面子に形成された金属層と、この金
属層」−またはその近傍に形成された化学感Ｊｊ５材料
の層よりなり、使用時に、０１■記形成物に入射した白
色光は前記一面と前記金属層の境界面において反射を受
け、そして反射した後に、その光が前記反対側の面を出
るときに分１１女を受け、かつ）Ｉ：＋１弓状態におい
て、前記化学感応材料が検体に露呈したことにより、反
射光の波長の関数として、プラズモン共鳴吸収の検知可
能な変化を生ずるようになされている化学感応表面プラ
ズモン共鳴装置が提供される。

入射角の関数として反則率の変化を摺する従来装置とは
対照的に、本発明による装置は反射率の変化を波長の関
数として示す。白色光（ずなわらスペクトルの可視光部
分におりる範囲の波長を含む光）のコリメートされた光
が、共鳴条件にほぼ適合した角度で前記境界面に入射す
るようにすることにより、最大共鳴吸収条件に戯密に適
合した波長を分散ビーム内に見出すことが常に可能とな
る。この波長は分散ビームを結像面に集束させかつ適当
な検知装置の応答特性をスペクトル的に分散した像に対
して走査することによって識別されうる。このような走
査は、例えば電荷結合される装置のアレイの出力に呼掛
けることにより、装置の較正または共鳴条件の識別のい
ずれかの目的のためのプリズムの機械移動の必要をなく
すことによって実施されうる。

本発明の他の態様によれば、」二連した本発明の第１の
態様による化学感応表面プラズモン共鳴装置と、前記反
対側の面に入射する白色光のコリメートされたビームを
発生ずる光源と、前記反対側の面から出て来た分散ビー
ムを結像面に集束させる手段と、前記結像面に対して電
気的に走査されうる応答特性を有する検知手段を具備し
た化学感応表面プラズモン共鳴装置が提供される。

本発明による装置の化学的構成要素を構成するスラブは
市販されている多数の光学品質材料のうちの任意のもの
で作成されうるちのであり、この装置は平面処理技術を
用いることによって安価に量産することができる。金属
層と必要に応して化学感応層が、複数の光学的構成要素
を含む前記光学品質の材料の適当に成形されたシート上
に、適当な沈積技術によって、形成されうるものであり
、そのシートは分割されて別々の装置となされる。

以下図面を参照して本発明の実施例につき説明しよう。

第４図を参照すると、化学感応表面プラズモン共鳴装置
が示されており、これは、全体としＣ１０で示された化
学感応表面プラズモン共鳴装置と、この装置に入射する
コリメートされたビーＪ−，Ｂを発生ずるようになされ
たレンズ系２１および分散したビームＤを結像平面Ｉに
集束させるようになされた他のレンズ系２２と組合せた
白色光源２０を具備している。

第５図を参照すると、装置１０は、適当な光学品質の成
形可能な材料の一般的に矩形状のスラブ１１よりなって
いる。使用される材料は均一な等方性の組成を有し、プ
ラズモン共鳴条件を確立するのに適した適当な屈折率を
有し、かつ製造が容易なものでなければならない。適当
な材料としては、例えば、熱可塑性材料、バースベクス
、冷加硫樹脂、およびガラス等がある。このスラブは一
例が平坦で、それとは反対側の面には多数の平行で等間
隔の隆起１３が形成されている。この実施例では、これ
らの隆起は断面が一般的に三角形状をなしており、それ
ぞれ一対の平坦で互いに傾斜した面（例えばＳで示され
ているような）によって画成されている。隆起の各辺間
の角度α、β、γは特定の用途に応した所望の程度の屈
折または分散を生じさせるように選定されうる。

典型的には、隆起のピソヂｄは０．１曹■、深さり。

は０．１ｍｍ、そしてスラブの深さｈ２は約］　ａｍで
ありうる。しかしながら、分散を得るのに適した異なる
寸法を用いてもよく、また隆起はかならずしも互いに等
距離だけ離間されていることも、厳密に三角形状である
ことも必要ないことが理解されるであろう。

スラブの面１２は、表面プラズモンが励起されるべき適
当な金属（例えばＡｇ）の薄い反射層１４を担持してお
り、かつこの層のスラブとは反対側の面上には化学感応
材料の層１５が沈積されうる。

その化学的感応性材料は、第４図に示されているように
セル２３を通過するようになされた所望の検体に応答す
るように選定される。化学的感応性材料の応答特性が、
層１４に隣接した環境の絶縁特性、および屈折率の変化
を生しさせ、そして前述のように、この変化が反射光の
波長の関数としての最大共鳴吸収の位置に検知可能な変
位を生じさせる。

検体がガスまたは蒸気である場合には、層１５は適当な
化学吸着性、吸収性または吸着性の被覆で構成しうる。

検体が溶液中のイオンよりなるものである場合には、層
１５は、例えばガラス、ＰＶＣ／ハリノミシン（Ｋ”イ
オンの場合）のような電気活性膜で形成されうる。ある
いは、この装置が免疫センサとして用いられる場合には
、適当な抗体／抗原の免疫学的活性分子が二酸化ケイ素
のような適当な付着助長剤によって層１４上に固定化さ
れる。他の構成では、層１５は、検体が通過しうるセル
２３内の狭いヂャンネルを画成するようにセル２３の壁
２５上の酵素基板２６として形成されうる。この場合、
その酵素は、最大共鳴吸収の位置の変化として検知可能
な検体溶液のバルク屈折率の変化を生じさせる生成物に
検体を変換するために選択される。

他の適当な化学感応材料の多くの例が当業者には容易に
明らかであろう。

第４図を参照すると、コリメートされたビームＢが隆起
１３の各平行面に直角に入射する。そのビームはスラブ
１ｊと金属層１４の境界面で反射され、そしてスラブか
ら出るときに分散されて分散ビームＤとなり、この分散
ビームが結像面Ｉで集束される。図示の便宜上、第４図
には２つの波長しか示されていない。共鳴条件にほぼ適
合した角度でビームＢが上記境界面に入射するようにす
ることにより、最大共鳴吸収条件を得るのに厳密に適合
した分散ビームにおける１つの波長を見つＩＪることか
原理的には常に可能である。この波長は検知装置２４の
応答特性を、結像面に形成される光源２０のスペクトル
的に分散された像に関して走査して共＋ｊ％吸収の最大
値を検知することによって識別されうる。このような走
査は、例えばＣＣＤフォトダイオード・アレイやビジコ
ン管等の多数の公知検知装置のうちの任意のものを用い
て電気的に行うことができる。従って、前述の従来装置
では必要とされた機械的調節を行うことなしに、センサ
を任意所望の基準に対して較正することができる。さら
に、検知装置により走査される反射スペクトルは、適当
な処理回路を用いて、数値的に分析され、それによって
、検査中の検体に化学的感応性材料を露呈させることに
より生しる共鳴吸収曲線の形状および／または位置の変
化をモニタすることができる。この目的は層１４の半分
だけを化学感応材料で処理することにより第２の基準反
射スペクトルを発生ずることによって助長されうる。

分散機能とはまったく別であるが、装置１０は低コスト
で量産することが容易であるという利点を有する。最初
に、多数の装置が、従来の方法によって、例えば熱可塑
性材料の場合には熱間成形によりあるいはパースベクス
の場合には形成体」−での溶液鋳造によって面積が２５
０ｍｍＸ２５０ｍｍまでの一枚のシートとじて作成され
うる。そのシートには必要に応して適当な平面処理技術
によって金属および化学感応層が添着され、そしてこの
シートが区分されてそれぞれ例えば５ｍｍＸ５１１〜２
０　＊＊　Ｘ　２０　ｍｍの寸法範囲の個々の装置が得
られる。このようにして、２５００個もの個々の装置が
同時に処理されうる。

本発明の装置は第６図に概略的に示されている「連続」
法によって製造され・うる。この場合には、可撓性を有
する化学品質の材料のストリップがリール３０から適当
な形状の加熱されたローラ３１を通じて供給され、隆起
（第１５図に１３で示されている）のパターンをつけら
れる。次に、そのストリップの平面側に例えば蒸着によ
って金属層が沈積され、そして必要に応じてそれに続い
て、例えばスパッタリングによって付着助長剤（例えば
ＳｉＯ□）が沈積される。処理済みのストリップは、前
述のように個々の装置に区分けされる前に、必要に応し
て、シラン化剤（抗体結合を促進するための）を含有し
た浴３２中を通過される。

本発明による装置は、化学感応材料を適当に選定するこ
とにより、イオン活動度および濃度、酵素、基板、抗体
、抗原、ハブテン、ホルモンおよび還元ガスの存在およ
び濃度、および気相およびｉ８液中の種々の化学および
生化学物質のうちの任意のものの存在、濃度および活動
度を含む広範な化学的特性をモニタするために用いるこ
とができる。さらに、検体は光ビームから遠隔のところ
にあり、このことは反射率測定の妨げとなる血液のよう
な不透明な溶液の場合に有益でありうる。

【図面の簡単な説明】

第１図はクレソシュマンの構成として公知のＳＰＲ装置
を示す図、第２図は第１図の装置を用いて得られた反射
率と入射角の関係を示すグラフ、第３図は第１図の装置
に基づいた免疫センヅを用いて得られた反射率と入射角
の関係を有すグラフ、第４図は本発明による化学的感応
性装置を示す図、第５図は第４図に用いられている１つ
の装置の断面図、第６図は本発明による装置を製造する
ための方法の一例を示す図である。 図面において、１０は化学感応表面プラズモン共鳴装置
、１１はスラブ、１３は隆起、１４は金属層、Ｉ５は化
学感応材料層、２０は光源、２１．２２はレンズ系、２
３はセルをそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一面が平坦でそれの反対側の面に複数の形成物を有
   する透光性材料のスラブと、このスラブの前記一面上に
   形成された金属層と、この金属層上またはその近傍に形
   成された化学感応材料の層よりなり、 使用時に、前記形成物に入射した白色光は前記一面と前
   記金属層の境界面において反射を受け、そして反射した
   後に、その光が前記反対側の面を出るときに分散を受け
   、かつ共鳴状態において、前記化学感応材料が検体に露
   呈したことにより、反射光の波長の関数として、プラズ
   モン共鳴吸収の検知可能な変化を生ずるようになされて
   いる化学感応表面プラズモン共鳴装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記形
   成物がそれぞれ一対の平坦で互いに傾斜した面によって
   画成された平行な隆起よりなる前記装置。 ３、特許請求の範囲第１または２項記載の装置において
   、前記スラブが成形可能な光学品質の材料で形成されて
   いる前記装置。 ４、特許請求の範囲第１〜３項のうちの１つに記載され
   た装置において、前記検体を含有するためのセルを具備
   しており、前記化学感応材料の装置がこのセルの１つの
   壁上に形成されていて前記検体に接触するようになされ
   た前記装置。 ５、特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記金
   属層と前記化学感応材料の層が前記セルの異なる壁上に
   形成されている前記装置。 ６、特許請求の範囲第５項記載の装置において、前記化
   学感応材料が酵素基体である前記装置。 ７、特許請求の範囲第４〜６項のうちの１つに記載され
   た装置において、前記セルがフロースルーセルである前
   記装置。 ８、特許請求の範囲第１〜７項のうちの１つに記載され
   た化学感応表面プラズモン共鳴装置を具備した化学感応
   表面プラズモン共鳴装置において、前記反対側の面に入
   射する白色光のコリメートされたビームを発生する光源
   と、前記反対側の面から出て来た分散されたビームを結
   像平面に集束させる手段と、前記結像平面に対して電気
   的に走査されうる応答特性を有する検知手段を具備した
   前記装置。 ９、特許請求の範囲第８項記載の方式において、前記金
   属層の一部分だけが前記化学感応材料で処理されて基準
   分散ビームを形成しうるようになされた前記装置。 １０、一面が平坦で反対側の面に複数の形成物を有する
   透光性材料よりなる複数のスラブよりなるシートを作成
   し、このシート上に金属層を形成して各スラブの前記一
   面を少なくとも部分的に被い、前記シートを別々の装置
   に区分し、この区分の前または後に化学感応材料の層を
   前記金属層上またはその近傍に設けることよりなる化学
   感応表面プラズモン共鳴装置の製造方法。