(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリズムと、
このプリズムの一面に形成されて、試料に接触させられる金属膜と、
光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームを前記プリズムに通し、該プリズムと金属膜との界面に対して、表面プラズモンを発生させる入射角で入射させる光学系と、
前記表面プラズモンの電場が乱されることにより生じる散乱光を検出する散乱光検出手段とを備えてなる表面プラズモンセンサー。
【請求項２】
プリズムと、
このプリズムの一面に形成されて、試料に接触させられる金属膜と、
光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームを前記プリズムに通し、該プリズムと金属膜との界面に対して、表面プラズモンを発生させる入射角を含む種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、
前記表面プラズモンの電場が乱されることにより生じる散乱光を検出する散乱光検出手段と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を、前記種々の入射角毎に検出可能な反射光検出手段とを備えてなる表面プラズモンセンサー。
【請求項３】
試料中の物質が前記表面プラズモンにより励起されて発した蛍光を検出する蛍光検出手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の表面プラズモンセンサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモンの発生を利用して試料中の物質を分析する表面プラズモンセンサーに関するものであり、さらに詳しくは、表面プラズモンの散乱を利用して試料中に疎に存在する物質を分析する表面プラズモンセンサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属中においては、自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。
【０００３】
従来より、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料中の物質を定量分析する表面プラズモンセンサーが種々提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、  Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。
【０００４】
上記の系を用いる表面プラズモンセンサーは基本的に、プリズムと、このプリズムの一面に形成されて試料に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームをプリズムに通し、該プリズムと金属膜との界面に対して種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、上記の界面で全反射した光ビームの強度を種々の入射角毎に検出可能な光検出手段とを備えてなるものである。
【０００５】
なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを偏向させて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面で集束するように入射させてもよい。前者の場合は、光ビームの偏向にともなって出射角が変化する光ビームを、光ビームの偏向に同期移動する小さな光検出器によって検出したり、出射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサーによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の出射角で出射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサーによって検出することができる。
【０００６】
上記構成の表面プラズモンセンサーにおいて、Ｐ偏光（センサー面に垂直な偏光成分）の光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角θＳＰで入射させると、該金属膜に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立すると、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、プリズムと金属膜との界面で全反射する光の強度が鋭く低下する。
【０００７】
この現象が生じる入射角θＳＰより表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、εｍ  とεｓ  をそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【０００８】
【数１】
0003562912.tif 000002
【０００９】
試料の誘電率εｓ  が分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上記反射光強度が低下する入射角（全反射解消角）θＳＰを知ることにより、試料中の特定物質を定量分析することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上説明した従来の表面プラズモンセンサーにおいては、分析対象物質がセンサー面（金属膜）に密に吸着している必要があり、例えば大腸菌のように、試料液中において疎に分布する物質の検出は難しいという問題が認められていた。
【００１１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、試料液中において疎に分布する物質を良好に分析可能な表面プラズモンセンサーを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の表面プラズモンセンサーは、請求項１に記載の通り、前述したようなプリズムと、金属膜と、光ビームを発生させる光源とに加えて、上記光ビームを上記プリズムに通し、該プリズムと金属膜との界面に対して、表面プラズモンを発生させる入射角で入射させる光学系と、表面プラズモンの電場が乱されることにより生じる散乱光を検出する散乱光検出手段とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明による第２の表面プラズモンセンサーは、従来からなされている全反射解消角θSPの検出による試料分析も行なえるようにしたものであり、具体的には請求項２に記載の通り、前述したようなプリズムと、金属膜と、光ビームを発生させる光源とに加えて、上記光ビームを上記プリズムに通し、該プリズムと金属膜との界面に対して、表面プラズモンを発生させる入射角を含む種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、表面プラズモンの電場が乱されることにより生じる散乱光を検出する散乱光検出手段と、上記界面で全反射した光ビームの強度を、上記種々の入射角毎に検出可能な光検出手段とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明による第３の表面プラズモンセンサーは請求項３に記載の通り、上記第１または２の表面プラズモンセンサーにおいて、試料中の物質が表面プラズモンにより励起されて発した蛍光を検出する蛍光検出手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の効果】
上記構成を有する本発明の各表面プラズモンセンサーにおいて、表面プラズモンが励起されると、金属膜の表面には強い電場が発生する。この電場内に前述した大腸菌等の分析対象物質が存在していると、それが表面プラズモンの電場を乱して、散乱光が生じる。この散乱は、分析対象物質が単独で１個だけ存在している場合にも生じる。そこでこの散乱光を検出すれば、大腸菌等のように金属膜近辺に非常に疎に存在する物質も検出可能である。
【００１６】
なお、上記大腸菌等の分析対象物質の量が少ない場合は、散乱光の強度と分析対象物質の量との間に相関が存在する。そこでこの場合は、散乱光の強度を測定することにより、分析対象物質を定量的に分析することもできる。
【００１７】
また、特に本発明による第２の表面プラズモンセンサーは、光ビームをプリズムと金属膜との界面に対して種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を種々の入射角毎に検出可能な光検出手段とを備えたことにより、従来からなされている全反射解消角θＳＰの検出による試料分析も行なうことができる。
【００１８】
さらに、本発明による第３の表面プラズモンセンサーは、試料中の物質が表面プラズモンにより励起されて発した蛍光を検出する蛍光検出手段を備えているから、この第３の表面プラズモンセンサーによれば、分析対象物質を蛍光色素等で標識しておき、上記蛍光を検出することによって免疫反応等を分析することも可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態である表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものである。図示されるようにこの表面プラズモンセンサーは、断面三角形のプリズム１０と、このプリズム１０の一面（図中の上面）に形成された、例えば金、銀等からなる金属膜１２と、この金属膜１２の上に形成されて分析対象物質３０を抗原・抗体反応によりトラップする機能薄膜２０と、１本の光ビーム１３を発生させる半導体レーザー等からなる光源１４とを有している。
【００２０】
例えば大腸菌等の分析対象物質３０を含む試料液１１は、上記機能薄膜２０に接触する状態でフローセル２１内を流通する。このフローセル２１の上方には、後述のようにして生じる散乱光２２を集光する集光レンズ２３と、集光されたこの散乱光２２を検出する散乱光検出器２４とが配設されている。
【００２１】
上記光源１４は光ビーム１３を、プリズム１０と金属膜１２との界面１０ａに対して、金属膜１２と試料液１１との界面に表面プラズモンを励起させる特定の入射角（全反射解消角）θＳＰで入射させるように配設されている。このようにして表面プラズモンが励起されると、金属膜１２の表面には強い電場が発生する。この電場内に大腸菌等の分析対象物質３０が存在していると、それが表面プラズモンの電場を乱して、散乱光２２が生じる。
【００２２】
したがって、散乱光検出器２４が出力する散乱光検出信号Ｓｄは、試料液１１中に分析対象物質３０が含まれる場合は所定値以上の値を取るようになり、そこで、この散乱光検出信号Ｓｄに基づいて分析対象物質３０を検出可能となる。なお上記の散乱は、分析対象物質３０が機能薄膜２０上に単独で１個だけ存在している場合にも生じる。したがって、分析対象物質３０が大腸菌等のように非常に疎に存在するものであっても、それを良好に検出可能となっている。
【００２３】
また、分析対象物質３０の量が少ない場合は、散乱光２２の強度と分析対象物質３０の量との間に相関が存在する。そこでこの場合は、散乱光２２の強度を測定することにより、分析対象物質３０を定量的に分析することもできる。
【００２４】
なおこの実施形態においては、光源１４の光学系が、光ビーム１３を界面１０ａに対して表面プラズモンを励起させる入射角θＳＰで入射させる光学系を構成しているが、このような光学系を光源１４とは全く別体に構成しても構わない。
【００２５】
次に図２を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。なおこの図２において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重複した説明は省略する。
【００２６】
この第２の実施形態の表面プラズモンセンサーは、光ビーム１３をプリズム１０と金属膜１２との界面１０ａに対して、全反射解消角θＳＰを含む種々の入射角が得られるように入射させる光学系１５と、プリズム１０と金属膜１２との界面１０ａで全反射した光ビーム１３の強度を検出する光検出手段１６とを備えている。上記光学系１５は、光源１４から発せられた光ビーム１３を発散させるレンズ１５ａと、発散光となった光ビーム１３を平行光化するコリメーターレンズ１５ｂと、平行光となった光ビーム１３をプリズム１０の長さ方向に垂直な面（紙面に平行な面）内のみで集束させるシリンドリカルレンズ１５ｃとから構成されている。
【００２７】
光ビーム１３は、シリンドリカルレンズ１５ｃの作用で上述のように集束するので、図中に最小入射角θ１  と最大入射角θ２  とを例示するように、界面１０ａに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム１３は界面１０ａで全反射し、この反射した光ビーム１３には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００２８】
光検出手段１６としては、上記のように種々の反射角で反射した全部の光ビーム１３を受光できる方向に受光部が延びる、例えばＣＣＤラインセンサ等が用いられている。そこで、この光検出手段１６の各受光素子毎に出力される光検出信号Ｓは、上記種々の反射角毎に（つまり、種々の入射角毎に）光ビーム１３の強度を示すものとなる。
【００２９】
以下、上記構成の表面プラズモンセンサーによる試料分析について説明する。試料分析に際しては、シリンドリカルレンズ１５の作用で上述のように集束する光ビーム１３が、金属膜１２に向けて照射される。この金属膜１２とプリズム１０との界面１０ａで全反射した光ビーム１３は、光検出手段１６によって検出される。
【００３０】
前述した通り、光検出手段１６の各受光素子毎に出力される光検出信号Ｓは、全反射した光ビーム１３の強度Ｉを入射角θ毎に示すものとなる。そしてこの反射光強度Ｉと入射角θとの関係は、概ね図３に示すようなものとなる。
【００３１】
ここで、ある特定の入射角θＳＰで入射した光は、金属膜１２と試料液１１との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。光検出手段１６の各受光素子毎に出力される光検出信号Ｓを用いれば上記入射角θＳＰが分かり、このθＳＰの値に基づいて試料液１１中の物質３０を定量分析することができる。その理由は、先に詳しく説明した通りである。
【００３２】
また光ビーム１３には、プリズム１０と金属膜１２との界面１０ａに対して、全反射解消角θＳＰで入射する成分が含まれるから、この場合も第１実施形態と同様に、散乱光２２の検出信号Ｓｄに基づいて、疎に存在する分析対象物質３０も検出することができる。
【００３３】
なお、以上説明した散乱光２２の検出に基づく分析と、反射光強度Ｉの検出に基づく分析とは、時間的に互いに分離させて行なってもよいし、あるいは相並行して行なってもよい。
【００３４】
また、上記の実施形態においては、種々の入射角θを得るために、比較的太い光ビーム１３を界面１０ａで集束するように入射させているが、比較的細い光ビームを偏向させることによって種々の入射角θを得るようにしてもよい。
【００３５】
さらに、分析対象物質３０を抗原・抗体反応により機能薄膜２０にトラップさせることは必ずしも必要ではなく、本発明の表面プラズモンセンサーは、この抗原・抗体反応を示すものではない物質の分析にも用いられ得るものである。
【００３６】
また、図１や図２の構成において、試料液１１を間に挟んで金属膜１２と対面する電極や、あるいはプリズム１０上において金属膜１２と互いに離間する電極を設け、その電極と金属膜１２との間に電圧を印加して、試料液１１中で帯電している分析対象物質を電着効果により金属膜１２側に引き寄せるようにしてもよい。そのようにすれば、試料液１１の金属膜１２に近接する部分では分析対象物質３０の濃度が高くなるので、全反射解消角θＳＰが短時間で大きく変化し、そこで、分析対象物質３０を高感度で短時間内に分析可能となる。
【００３７】
さらに、試料中の物質が表面プラズモンにより励起されて発した蛍光を検出する蛍光検出手段を付加しておけば、分析対象物質を蛍光色素等で標識しておき、上記蛍光を検出することによって免疫反応等を分析することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である表面プラズモンセンサーの側面図
【図２】本発明の第２の実施形態である表面プラズモンセンサーの側面図
【図３】表面プラズモンセンサーにおける、プリズムへの光ビーム入射角と全反射光強度との概略関係を示すグラフ
【符号の説明】
１０    プリズム
１０ａ  プリズムと金属膜との界面
１１    試料液
１２    金属膜
１３    光ビーム
１４    光源
１５ｃ  シリンドリカルレンズ
１６    光検出手段
２０    機能薄膜
２１    フローセル
２２    散乱光
２３    集光レンズ
２４    散乱光検出器
３０    分析対象物質
【図１】
0003562912.tif 000003
【図２】
0003562912.tif 000004
【図３】
0003562912.tif 000005