JPWO2005078415A1 - 表面プラズモン共鳴センサー - Google Patents

Abstract

基板１０２および金属層１０３を備えたチップと、プリズム１０４と、光源となる光学系１０５、光検出器１０６とを備えた表面プラズモン共鳴センサーにおいて、金属層１０３を、薄膜状に形成された平坦部１０９と、互いに間隔を空けて配置された金属微粒子１１０などからなる凸部とから構成する。このような構成の金属層１０３に対して光を入射した場合、平坦部１０９および凸部の各々に起因した共鳴角が得られる。この共鳴角からは、金属層が接している媒質の屈折率変化を検出することができる。

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴（SPR：surface plasmon resonance）センサーに関し、より詳細には、タンパク質やＤＮＡといった生体分子の相互作用を検出するのに適した表面プラズモン共鳴センサーに関する。

近年、生体分子の相互作用の有無または程度を検出するためのセンサーとして、表面プラズモン共鳴センサーが用いられている。
図１に、従来の表面プラズモン共鳴センサー１を示す。表面プラズモン共鳴センサー１は、ガラスなどからなる基板２と、基板２上に形成された金属薄膜３と、基板２の金属薄膜３が形成されていない側に配置されたプリズム４と、金属薄膜３と基板２との界面に対して種々の角度で光を入射させることができる光学系５と、金属薄膜３と基板２との界面で反射した光の強度を測定する光検出器６とを備える。金属薄膜３は、試料溶液と接しており、試料溶液中の抗原などのリガンド８は、金属薄膜３の表面に固定化された抗体などの受容体７と相互作用する。

光学系５からの光を、金属薄膜３と基板２との界面で全反射するように、プリズム４に入射させると、金属薄膜３の表面に、電界分布をもつエバネッセント波が生じる。エバネッセント光の波数および周波数が、表面プラズモンの波数および周波数と一致するとき、両者は共鳴し、入射光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、反射光が減少する。
ここで、共鳴が起こるための入射角（共鳴角）は、金属薄膜３の表面の屈折率に依存する。金属薄膜３に固定された受容体７と試料溶液中のリガンド８とが相互作用した場合、表面の屈折率が変化するため、共鳴角が変化する。この角度変化を測定することで、生体分子の相互作用を検出する。図２に、表面プラズモン共鳴センサー１により受容体７とリガンド８との反応前後に測定した反射率の変化の例を示す。

一方で、金属薄膜ではなく金属微粒子を膜状に固定した基板に対して光を照射し、金属微粒子を透過した光の吸光度を測定することによって、金属微粒子表面近傍の屈折率の変化を検出するようにした局在プラズモン共鳴センサーも提案されている（特許文献１）。

特許第３４５２８３７号公報

しかしながら、図１に示す表面プラズモン共鳴センサー１においては、金属薄膜から２００ｎｍ程度の距離までの屈折率変化に影響されるため、金属薄膜に固定された生体分子の相互作用に基づく屈折率の変化のみならず、溶液部の濃度、ｐＨ、温度などの変化に基づく屈折率の変化もノイズとして検出されてしまうという問題点があった。
また、特許文献１に開示されている局在プラズモン共鳴センサーは、金属薄膜の代わりに金属微粒子膜を用いることで、発生する電場を金属微粒子表面近傍に局在化させ、溶液部における屈折率の変化の影響を小さくしているが、溶液部の影響を排除するものではなく、測定結果に対して溶液部の変化がどの程度影響しているのかが分からないという課題があった。

本発明は、上述のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、金属表面での分子の相互作用に基づく屈折率の変化および溶媒部での変化に基づく屈折率の変化をそれぞれ検出することを目的としている。

本発明に係る表面プラズモン共鳴センサー用チップは、透光性の基板と、表面に凹部又は凸部、及び前記凹部又は凸部間に位置する平坦部を有し、前記基板の表面を覆うように形成された金属層とを備えていることを特徴とする。

本発明に係る表面プラズモン共鳴センサー用チップのある実施態様は、前記基板が平坦な表面を有する基板であり、前記凸部が前記平坦部である金属薄膜の上に互いに間隔を空けて固定化された複数の金属微粒子であることを特徴とする。

本発明に係る表面プラズモン共鳴センサー用チップの別な実施態様は、前記基板は平坦な表面を有する基板であり、前記凹部又は凸部は前記金属層である金属薄膜に互いに間隔を空けて形成された複数の微小な凹部又は凸部であり、前記凹部は前記金属薄膜を貫通していないことを特徴とする。

本発明に係る表面プラズモン共鳴センサー用チップのさらに別な実施態様は、 前記基板の片側表面には、間隔を空けて複数の微小凸部または微小凹部が形成されており、前記金属層は、前記微小凸部または微小凹部の形状を反映するように、前記基板の片側表面上に形成されていることを特徴とする。

本発明に係る表面プラズモン共鳴センサー用チップのさらに別な実施態様は、前記金属層の材質が金または銀であることを特徴とする。

本発明に係る表面プラズモン共鳴センサー用チップの製造方法は、基板の片側表面にスパッタリングまたは蒸着により金属薄膜を形成する工程と、前記金属薄膜の表面を化学修飾する工程と、前記化学修飾した基板を金属微粒子の溶液に浸漬する工程とを含むことを特徴とする。

本発明に係る表面プラズモン共鳴センサー用チップの製造方法は、基板の片側表面をアミノシランカップリング剤の溶液に浸漬する工程と、前記基板を金属微粒子の溶液に浸漬する工程と、前記基板を洗浄する工程と、前記片側表面にスパッタリングまたは蒸着により金属薄膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーは、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサー用チップと、前記チップの前記金属層が形成されていない側に配置されたプリズムと、前記チップに前記プリズムを介して光を照射する光源と、前記金属層による光の反射率を測定する光検出器とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る生体分子の測定方法は、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーチップに対して光学系から光を照射し、前記チップの金属層と基板との界面で光を全反射させ、光検出器で反射光の強度を測定する生体分子の測定方法であって、前記照射光の周波数変化に対する前記反射光の強度の変化により、生体分子の相互作用の有無または程度を測定することを特徴とする。

本発明に係る屈折率変化の検出方法は、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーチップに対して光学系から光を照射し、前記チップの金属層と基板との界面で光を全反射させ、光検出器で反射光の強度を測定する屈折率変化の検出方法であって、前記反射光の共鳴角の変化を測定することにより、前記金属層表面での分子の相互作用に基づく屈折率の変化と、前記金属層近傍の溶媒との相互作用に基づく屈折率の変化をそれぞれ検出することを特徴とする。

本発明の表面プラズモン共鳴センサーは、プリズムの一面に形成される金属層が、薄膜状に形成された平坦部と、互いに間隔を空けて配置された金属微粒子などからなる凸部とからなっており、このような構成の金属層に対して光を入射した場合、平坦部および凸部の各々に起因した共鳴角が得られる。この特徴を利用することで、金属表面での分子の相互作用に基づく屈折率の変化および溶媒部での変化に基づく屈折率の変化を、それぞれ検出することができる。

図１は、従来の表面プラズモン共鳴センサーの概略側面図である。 図２は、従来の表面プラズモン共鳴センサーにおける、入射光の入射角度と反射率との関係を示すグラフである。 図３は、本発明の第１の実施形態にかかる表面プラズモン共鳴センサーの概略側面図である。 図４は、金属層の表面に生じる電場を概念的に示す図である。 図５は、表面プラズモンと入射光の分散関係を示すグラフである。 図６は、ハイブリッドモードの表面プラズモンと入射光の分散関係を示すグラフである。 図７は、本発明の実施形態において測定される反射率の測定結果を示すグラフである。 図８は、図３の表面プラズモン共鳴センサーの一部を拡大した図である。 図９は、本発明の第２の実施形態にかかる表面プラズモン共鳴センサーの概略側面図である。 図１０は、本発明の第３の実施形態にかかる表面プラズモン共鳴センサーの概略側面図である。

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１ 表面プラズモン共鳴センサー
２、１０２ 基板
３、１０３ 金属層
４、１０４ プリズム
５、１０５ 光学系
６、１０６ 光検出器
７、１０７ 受容体
８、１０８ リガンド
１０９ 平坦部
１１０ 金属微粒子
１１１ 試料溶液

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態による表面プラズモン共鳴センサー１０１の概略側面図を示す。表面プラズモン共鳴センサー１０１は、ガラスなどからなる基板１０２と、基板１０２上に形成された金属層１０３と、基板１０２の金属層１０３が形成されていない側に配置されたプリズム１０４と、金属層１０３と基板１０２との界面に対して光を入射させる光学系１０５と、金属層１０３と基板１０２との界面で反射した光の強度を測定する光検出器１０６とを備える。光学系１０５は、ある波長の光を種々の入射角度で入射させるものであっても良いし、種々の波長の光を一定の入射角度で入射させるものであっても良い。

金属層１０３は、本実施形態において、薄膜状に形成された平坦部１０９と、互いに間隔を空けて配置された金属微粒子１１０とから構成されており、平坦部１０９は隣接する金属微粒子１１０間に露出している。平坦部１０９の厚みは、好ましくは、２０〜６０ｎｍであり、金属微粒子１１０の径は、好ましくは、２０〜１５０ｎｍである。金属層１０３は、代表的に、金または銀からなるがこれらに限定されない。金属層１０３の表面には、抗体などの受容体１０７が固定化されている。金属層１０３は、抗原などのリガンド１０８を含む試料溶液１１１と接しており、リガンド１０８は、金属層１０３表面の受容体１０７と相互作用する。

このような構成において、光学系１０５からの光を、金属層１０３と基板１０２との界面で全反射するように、プリズム１０４に入射させると、金属層１０３の表面に、エバネッセント波が生じる。エバネッセント光の波数および周波数が、表面プラズモンの波数および周波数と一致するとき、両者は共鳴し、反射光が減少する。この反射光の反射率を光検出器１０６により測定する。

ここで、金属層１０３の表面で励起される表面プラズモンの電場について説明する。図４は、金属層１０３の表面に発生する電場の様子を両矢印により概念的に示す図である。図４（ａ）は、金属微粒子１１０の表面近傍（金属微粒子の半径（数十ｎｍ）程度の範囲）に局在化された電場（局在モード）を示す。図４（ｂ）は、平坦部１０９の表面から数百ｎｍ程度の範囲に存在する電場（伝播モード）を示す。すなわち、局在モードは金属微粒子１１０に起因し、伝播モードは平坦部１０９に起因するものであり、図４（ａ）（ｂ）では両モードを別々に表わしているが、両モードは同時に生成して混在している。図５は、表面プラズモンの各モードと入射光との関係を示すグラフであり、縦軸は角周波数（ω）、横軸は波数（ｋ＝２π／λ。ただし、λは波長）を示す。図５（ａ）は局在モードの表面プラズモンと入射光との関係を示し、図５（ｂ）は伝播モードの表面プラズモンと入射光との関係を示しており、両モードとも入射光と一点で共鳴することが分かる。

本実施形態のように、局在モードと伝播モードが混在する場合、表面プラズモンのモードは、図５（ｃ）に示すような分散関数で表わされるハイブリッドモード（ａ-ｄ、ｃ-ｂ）となる。ただし、図５（ｃ）においてＱは局在モードと伝播モードとの交点を表わしていて、ｃ-Ｑ-dは局在モード、a-Ｐ-Ｑ-bは伝播モードである。このようなハイブリッドモードと入射光との関係を表すグラフを図６に示す。図６から明らかなように、ハイブリッドモードを形成した表面プラズモンは、入射光と二点（Ａ、Ｂ）で共鳴する。ただし、入射光は、基板１０２の屈折率をｎ、光の真空中での速度をｃとするとき、ω＝（ｃ／ｎ）ｋで表わされるものであり、基板１０２への入射角が一定の場合、基板１０２に入射する光の波長がＡ点に対応する短い側の共鳴波長の場合には、金属微粒子１１０の近傍において局在型の共鳴が発生し、基板１０２に入射する光の波長がＢ点に対応する長い側の共鳴波長の場合には、平坦部１０９による伝播型の共鳴が発生する。

しかして、種々の波長の光を一定の入射角度で入射させて反射率を測定した場合、図７（ａ）に示すように、２つの共鳴ピーク（Ａ、Ｂ）が得られる。点線は、受容体１０７とリガンド１０８が反応する前の測定結果を、実線は、反応後の測定結果を示す。ピークＡは、局在モードの電場に起因するもので、図６の点Ａにおける共鳴に対応する。ピークＢは、伝播モードの電場に起因するもので、図６の点Ｂにおける共鳴に対応する。

また、異なる２つの波長の光を種々の入射角度で入射させて反射率を測定した場合は、図７（ｂ）に示すように、それぞれ１つの共鳴ピーク（Ａ、Ｂ）が得られる。点線は、受容体１０７とリガンド１０８が反応する前の測定結果を、実線は、反応後の測定結果を示す。短い波長（波長λ１）のピークＡは、局在モードの電場に起因するもので、図６の点Ａにおける共鳴に対応する。長い波長（波長λ２）のピークＢは、伝播モードの電場に起因するもので、図６の点Ｂにおける共鳴に対応する。

図８に示すように、種々の波長の光を一定の入射角度で入射させ、反応の前後で反射率の変化を測定した場合（図７（ａ））に得られる共鳴ピークの変化（Δλ１、Δλ２）は、それぞれ、金属層１０３表面における受容体１０７とリガンド１０８との相互作用に基づく屈折率の変化（Δｎ１）および溶媒部（試料溶液１１１）での屈折率の変化（Δｎ２）の両方に影響を受けている。Δλ１およびΔλ２を、それぞれΔｎ１、Δｎ２の関数として求めれば、二式を解くことでΔｎ１およびΔｎ２を算出することができる。よって、溶媒部の変化を除いた金属層表面のみの変化を厳密に測定することができる。

具体的にいうと、共鳴ピークの変化Δλ１は、金属膜近傍の屈折率変化Δｎ１と溶媒部の屈折率変化Δｎ２によって決まるので、金属微粒子層の厚みが既知であるとすれば、
Δλ１＝Ｆ（Δｎ１、Δｎ２） …(1)
という関数で表わされる。同様に、共鳴ピークの変化Δλ２も、屈折率変化Δｎ１及びΔｎ２によって決まるので、
Δλ２＝Ｇ（Δｎ１、Δｎ２） …(2)
という関数で表わされる。ここで、関数Ｆ及びＧは、予め実験的に求めておけばよい。ハイブリッドモードでは、この２つの波長変化Δλ１、Δλ２を測定することができるので、上記(1)式、(2)式を解くことによって、波長変化Δλ１、Δλ２から屈折率変化Δｎ１、Δｎ２を求めることができる。

続いて、本実施形態で用いられる金属層１０３の製法について説明する。
第１の製法は、ガラスや樹脂からなる基板を洗浄する工程、該基板上に蒸着またはスパッタリングにより金薄膜を形成する工程、該金属薄膜上にジチオール（例えば、１、１０-デカンジチオール）の単分子層を形成する工程、および該基板を金微粒子の溶液に浸漬する工程を含む。本製法によれば、ジチオールを介して金薄膜に金微粒子を固定化することができる。

第２の製法は、ガラスや樹脂からなる基板を洗浄する工程、該基板の片側表面をアミノシランカップリング剤（例えば、３-アミノプロピルトリメトキシシラン）の溶液に浸漬する工程、該片側表面を金微粒子の溶液に浸漬する工程、該基板を洗浄する工程と、該片側表面にスパッタリングまたは蒸着により金属薄膜を形成する工程を含む。本製法では、基板上にまず金粒子を固定化し、次いで金粒子の間に金薄膜からなる平坦部１０９を形成する。

図９は、本発明の第２の実施形態による表面プラズモン共鳴センサー２０１の概略側面図を示す。本実施形態は、金属層１０３の構造において第１の実施形態と異なる。本実施形態における金属層１０３は、基板１０２の平坦な面上に金属薄膜を形成し、該金属薄膜上にエッチングなどにより微小凹凸を形成したものである。ただし、凹部は金属薄膜を貫通しないように形成される。このような金属層１０３を用いた場合においても、凹部または凸部近傍に電場が局在化するので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、微小凹凸の形状および配置間隔は、図９に示されるものに限らず、適宜選択され得る。

図１０は、本発明の第３の実施形態による表面プラズモン共鳴センサー３０１の概略側面図を示す。本実施形態は、基板１０２および金属層１０３の構造において第１の実施形態と異なる。本実施形態においては、基板１０２の表面に、間隔を空けて複数の微小凸部または微小凹部が形成されており、該微小凸部または微小凹部の形状を反映するように、基板１０２の上に金属層１０３が形成されている。このような金属層１０３を用いた場合においても、凹部または凸部近傍に電場が局在化するので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本実施形態で用いられる、表面に微小凹凸が形成された基板１０２は、金属微粒子やタンパク質などの生体分子の型を取ることで作成および複製することができる。

本発明に従った表面プラズモン共鳴センサーは、抗原抗体反応における相互作用の有無および程度の検出に有用であることはもちろん、種々の生化学反応の分析に応用することが可能である。

Claims (10)

1. 透光性の基板と、
   表面に凹部又は凸部、及び前記凹部又は凸部間に位置する平坦部を有し、前記基板の表面を覆うように形成された金属層と
   を備えた、表面プラズモン共鳴センサー用チップ。
2. 前記基板は平坦な表面を有する基板であり、前記凸部は前記平坦部である金属薄膜の上に互いに間隔を空けて固定化された複数の金属微粒子であることを特徴とする、請求項１に記載の表面プラズモン共鳴センサー用チップ。
3. 前記基板は平坦な表面を有する基板であり、前記凹部又は凸部は前記金属層である金属薄膜に互いに間隔を空けて形成された複数の微小な凹部又は凸部であり、前記凹部は前記金属薄膜を貫通していないことを特徴とする、請求項１に記載の表面プラズモン共鳴センサー用チップ。
4. 前記基板の片側表面には、間隔を空けて複数の微小凸部または微小凹部が形成されており、前記金属層は、前記微小凸部または微小凹部の形状を反映するように、前記基板の片側表面上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の表面プラズモン共鳴センサー用チップ。
5. 前記金属層の材質が、金または銀である、請求項１に記載の表面プラズモン共鳴センサー用チップ。
6. 基板の片側表面にスパッタリングまたは蒸着により金属薄膜を形成する工程と、
   前記金属薄膜の表面を化学修飾する工程と、
   前記化学修飾した基板を金属微粒子の溶液に浸漬する工程と、
   を含む、表面プラズモン共鳴センサー用チップの製造方法。
7. 基板の片側表面をアミノシランカップリング剤の溶液に浸漬する工程と、
   前記基板を金属微粒子の溶液に浸漬する工程と、
   前記基板を洗浄する工程と、
   前記片側表面にスパッタリングまたは蒸着により金属薄膜を形成する工程と、
   を含む、表面プラズモン共鳴センサー用チップの製造方法。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴センサー用チップと、前記チップの前記金属層が形成されていない側に配置されたプリズムと、前記チップに前記プリズムを介して光を照射する光源と、前記金属層による光の反射率を測定する光検出器とを備えた表面プラズモン共鳴センサー。
9. 請求項１〜５に記載の表面プラズモン共鳴センサーチップに対して光学系から光を照射し、前記チップの金属層と基板との界面で光を全反射させ、光検出器で反射光の強度を測定する生体分子の測定方法であって、
   前記照射光の周波数変化に対する前記反射光の強度の変化により、生体分子の相互作用の有無または程度を測定することを特徴とする生体分子の測定方法。
10. 請求項１〜５に記載の表面プラズモン共鳴センサーチップに対して光学系から光を照射し、前記チップの金属層と基板との界面で光を全反射させ、光検出器で反射光の強度を測定する屈折率変化の検出方法であって、
    前記反射光の共鳴角の変化を測定することにより、前記金属層表面での分子の相互作用に基づく屈折率の変化と、前記金属層近傍の溶媒との相互作用に基づく屈折率の変化をそれぞれ検出する屈折率変化の検出方法。

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