(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、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光検出手段とを備えてなる表面プラズモンセンサーにおいて、
前記金属膜との間に試料液を挟んで該金属膜に対面するように配置された電極と、
この電極と前記金属膜との間に直流電圧を印加する手段と、
一面に、金属膜からなる前記電極が形成された第２のプリズムと、
第２の光ビームを発生させる第２の光源と、
前記第２の光ビームを前記第２のプリズムに通し、該プリズムと前記電極との界面に対して、種々の入射角が得られるように入射させる第２の光学系と、
前記界面で全反射した第２の光ビームの強度を、前記種々の入射角毎に検出可能な第２の光検出手段とが設けられたことを特徴とす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た金属膜と、
試料液中の分析対象物質と抗原・抗体反応する抗原または抗体が固定されてなり、前記金属膜の上に形成されて前記試料液に接触させられるセンサー膜と、
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、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光検出手段と、
前記金属膜との間に試料液を挟んで該金属膜に対面するように配置された電極と、
この電極と前記金属膜との間に直流電圧を印加する手段と、
一面に、金属膜からなる前記電極が形成された第２のプリズムと、
第２の光ビームを発生させる第２の光源と、
前記第２の光ビームを前記第２のプリズムに通し、該プリズムと前記電極との界面に対して、種々の入射角が得られるように入射させる第２の光学系と、
前記界面で全反射した第２の光ビームの強度を、前記種々の入射角毎に検出可能な第２の光検出手段とを備えてなる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定量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】
0003578188.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、試料液に微量含まれる物質を分析する際に、分析対象物質の検出感度が低く、またその分析に長い時間を要するという問題が認められる。
【００１１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、試料液中の物質を短時間で、高感度で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、光学系と、光検出手段とを備えてなる表面プラズモンセンサーにおいて、上記金属膜との間に試料液を挟んで該金属膜に対面するように配置された電極と、この電極と上記金属膜との間に直流電圧を印加する手段と、一面に、金属膜からなる前記電極が形成された第２のプリズムと、第２の光ビームを発生させる第２の光源と、前記第２の光ビームを前記第２のプリズムに通し、該プリズムと前記電極との界面に対して、種々の入射角が得られるように入射させる第２の光学系と、前記界面で全反射した第２の光ビームの強度を、前記種々の入射角毎に検出可能な第２の光検出手段とが設けられたことを特徴とするものである。
【００１５】
さらに本発明による第２の表面プラズモンセンサーは、請求項２に記載の通り、上記第１の表面プラズモンセンサーにおいて金属膜が直接試料液に接触するように構成したことに換えて、試料液中の分析対象物質と抗原・抗体反応する抗原または抗体が固定されてなるセンサー膜を金属膜の上に形成して、このセンサー膜が試料液に接触するように構成したことを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の効果】
本発明による第１の表面プラズモンセンサーは、間に試料液を挟んだ金属膜と電極との間に直流電圧が印加される構成となっているので、試料液中で電荷を持っている分析対象物質を金属膜に電着させることができる。なお電圧印加の極性は、分析対象物質が陽イオンであるか陰イオンであるか等に応じて選択しておけばよい。
【００１７】
この電着により、試料液の金属膜に接する部分では分析対象物質の濃度が高くなるので、全反射解消角が短時間で大きく変化し、そこで、分析対象物質を高感度で短時間内に分析可能となる。特に抗原・抗体反応を利用して試料液中の物質を検出する場合、つまり例えば金属膜上に抗原（あるいは抗体）を固定し、それに特異的に吸着する試料液中の抗体（あるいは抗原）を検出するような場合は、分析対象物質の濃度が高くなることによりこの反応も促進されるので、上記の効果がより顕著に得られるようになる。
【００１８】
さらにこの本発明による第１の表面プラズモンセンサーは、電圧印加用に設ける電極を金属膜から構成した上で、この電極に対してもプリズム、光源、光学系および光検出手段を設けて、該電極側でも試料分析を行なえるようにしたので、試料液中で正の電荷を持つ物質と、負の電荷を持つ物質の双方を同時に分析可能となる。
【００２０】
他方、本発明による第２の表面プラズモンセンサーにおいては、試料液中の分析対象物質と抗原・抗体反応する抗原または抗体が固定されてなるセンサー膜を金属膜の上に形成したことにより、試料液中の分析対象物質がこのセンサー膜に引き寄せられるようになる。そこで、このセンサー膜と金属膜とで構成されるセンサー部周辺の分析対象物質の濃度が高くなり、センサーシステムの感度が向上し、抗原・抗体反応の反応速度も高くなる。
【００２１】
【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。まず、本発明を説明するための参考例について説明する。図１は、本発明に対する第１の参考例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）に形成されて、試料液11に接触させられる例えば金、銀等からなる金属膜12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、この光源14から発散光状態で出射した光ビーム13をプリズム10の長軸に垂直な面（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。
【００２２】
また、上記金属膜１２と適当な間隔を置いて対面するように電極１７が配設されている。この電極１７は、図中上下方向に中心軸が延びる筒状の保持部材１８に保持されており、金属膜１２と電極１７との間の空間は、周囲をこの保持部材１８によって閉じられる状態となる。そして金属膜１２と電極１７にはそれぞれ、直流電源１９の正極、負極が接続されている。
【００２３】
光ビーム１３は、シリンドリカルレンズ１５の作用により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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。金属膜１２と電極１７との間の空間には、陰イオン化した分析対象物質３０を含む試料液１１が満たされる。また直流電源１９により、金属膜１２と電極１７との間に直流電圧が印加される。そして、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。
【００２６】
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２に示すようなものとなる。
【００２７】
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。
【００２８】
また、上述のように直流電源１９に接続された金属膜１２と電極１７との間に直流電圧が印加されるので、試料液１１中で陰イオン化している分析対象物質３０は金属膜１２に電着する。そこで、試料液１１の金属膜１２に接する部分では分析対象物質３０の濃度が高くなり、該分析対象物質３０を高感度で短時間内に分析可能となる。このように陰イオン化する分析対象物質３０としては、例えばＰＢＳに分散している抗原（α−ＦＰ）等が挙げられる。
【００２９】
なお、前述した抗原・抗体反応を利用して試料液１１中の物質３０を検出する際等は、反射光強度Ｉと入射角θとの関係を、抗原・抗体反応が進む中で時間を追ってリアルタイムで観測したい場合がある。本装置によれば、上述の通り分析対象物質３０を短時間内に検出可能であるから、このようなリアルタイムの観測も短時間内に済ますことができる。
【００３０】
この参考例においては、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。
【００３１】
次に図３を参照して、本発明の一実施形態について説明する。なおこの図３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（以下、同様）。
【００３２】
この図３の表面プラズモンセンサーは図１のものと比べると、基本的に、第２のプリズム２０、光ビーム２３を発生させる第２の光源２４、第２のシリンドリカルレンズ２５および第２の光検出手段２６が付加された点が異なるものである。またこの場合、電極１７としては、特に金、銀等の金属の膜が用いられている。
【００３３】
上述の付加された要素は、金属膜からなる電極１７を前記金属膜１２と同様に利用して、もう１つ別の表面プラズモンセンサーを構成する。つまり、これら第２のプリズム２０、第２の光源２４、第２のシリンドリカルレンズ２５および第２の光検出手段２６は、それぞれプリズム１０、光源１４、シリンドリカルレンズ１５および光検出手段１６と同様の作用を果たす。
【００３４】
この図３の表面プラズモンセンサーにおいて、試料液１１中で陰イオン化している物質３０の分析は前述と同様にしてなされる。本装置ではそれに加えて、試料液１１中で陽イオン化している分析対象物質３１が電極１７に電着する。そこで、上記第２のプリズム２０、第２の光源２４、第２のシリンドリカルレンズ２５および第２の光検出手段２６により、上記物質３１の分析が同様になされ得る。
【００３５】
そしてこの場合、試料液１１の電極１７に接する部分では分析対象物質３１の濃度が高くなり、該分析対象物質３１を高感度で短時間内に分析可能となる。
【００３６】
次に図４を参照して、本発明に対する第２の参考例について説明する。この図４の表面プラズモンセンサーは図１のものと比べると、基本的に、金属膜12の上にセンサー膜40が形成され、試料液11が直接的にはこのセンサー膜40に接触するように構成されている点が異なる。センサー膜40には、試料液11中の分析対象物質30と抗原・抗体反応する抗原または抗体が固定されている。この抗原または抗体の例としては、分析対象物質30が前述した抗原（α−ＦＰ）である場合のＩｇＧ等が挙げられる。
【００３７】
以上の構成においては、試料液１１中の分析対象物質３０が前述した電着効果により金属膜１２側に引き寄せられ、さらに抗原・抗体反応によりセンサー膜４０に引き寄せられるようになる。そこで、このセンサー膜４０と金属膜１２とで構成されるセンサー部周辺の分析対象物質３０の濃度が著しく高くなり、センサーシステムの感度が向上し、抗原・抗体反応の反応速度も高くなる。
【００３８】
次に図５を参照して、本発明に対する第３の参考例について説明する。この図５の表面プラズモンセンサーは図１のものと比べると、基本的に、金属膜12と電極17とが相対面する状態ではなく、ともにプリズム10の一面上に互いに離して形成されている点が異なる。なお図６には、これら金属膜12と電極17との平面形状を示してある。
【００３９】
以上の構成においても、直流電源１９により金属膜１２と電極１７との間に直流電圧を印加すると、試料液１１中で陰イオン化している分析対象物質３０が電着効果により、金属膜１２に引き寄せられる。そこで、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の濃度が高くなり、該分析対象物質３０を高感度で短時間内に分析可能となる。
【００４０】
なおこの第３の参考例においては、金属膜12の上に、図４の第２の参考例で用いられたものと同様のセンサー膜40が形成されている。そこでこの場合も、センサー膜40と金属膜12とで構成されるセンサー部周辺の分析対象物質30の濃度が著しく高くなり、センサーシステムの感度が向上し、抗原・抗体反応の反応速度も高くなる。
【００４１】
上述したように金属膜１２と電極１７とを、プリズム１０の一面上に互いに離して形成する場合、それらの平面形状は図６に示した形状に限定されるものではなく、例えば図７、図８に示すような形状を適宜採用することができる。
【００４２】
なお図８の形状を採用すると、いわゆるマルチ・チャンネル化が可能である。すなわちその場合は、金属膜１２の３つの櫛歯状部分にそれぞれ試料液１１中の分析対象物質３０を引き寄せることができるから、センサー部を３箇所として、それらにおいて相並行して分析可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に対する第１の参考例である表面プラズモンセンサーの側面図
【図２】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
【図３】本発明の一実施形態である表面プラズモンセンサーの側面図
【図４】本発明に対する第２の参考例である表面プラズモンセンサーの側面図
【図５】本発明に対する第３の参考例である表面プラズモンセンサーの側面図
【図６】図５の表面プラズモンセンサーにおける金属膜と電圧印加用電極の位置関係を示す平面図
【図７】本発明の参考例としての表面プラズモンセンサーにおける金属膜と電圧印加用電極の別の位置関係を示す平面図
【図８】本発明の参考例としての表面プラズモンセンサーにおける金属膜と電圧印加用電極のさらに別の位置関係を示す平面図
【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
１５    シリンドリカルレンズ
１６    光検出手段
１７    電極
１８    保持部材
１９    直流電源
２０    第２のプリズム
２３    第２の光ビーム
２４    第２の光源
２５    第２のシリンドリカルレンズ
２６    第２の光検出手段
３０、３１    分析対象物質
４０    センサー膜
【図１】
0003578188.tif 000003
【図２】
0003578188.tif 000004
【図３】
0003578188.tif 000005
【図４】
0003578188.tif 000006
【図５】
0003578188.tif 000007
【図６】
0003578188.tif 000008
【図７】
0003578188.tif 000009
【図８】
0003578188.tif 000010