(57)【要約】【課題】従来よりも高感度なセンシングが可能な表面プラズモンセンサを提供する。【解決手段】表面プラズモンセンサ１は、誘電体プリズム１０と金属膜２０とを備えてなり、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１で全反射する条件で測定光Ｌ１が入射されて、金属膜２０の表面で表面プラズモンが励起されるセンサである。表面プラズモンセンサ１において、金属膜２０の誘電体プリズム１０と反対側の表面Ｓ２に、特定の被検出物質Ｒのみが結合可能な表面修飾Ａ１が施されており、被検出物質Ｒが、被検出物質Ｒと選択的に結合する少なくとも表面が金属からなる金属粒子Ｍにて標識されてセンシングが行われる。表面プラズモンセンサ１においては、金属膜２０に被検出物質Ｒ及び金属粒子Ｍが結合されたときに、金属粒子Ｍの表面で発生する散乱光Ｌ３の光学特性が検出される。【選択図】図１Ａ
2008203187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体プリズムと、該誘電体プリズムの一面に成膜された金属膜とを備えてなり、
前記誘電体プリズムの他面から、前記誘電体プリズムと前記金属膜との界面で全反射する条件で測定光が入射されて、前記金属膜の表面で表面プラズモンが励起される表面プラズモンセンサにおいて、
前記金属膜の前記誘電体プリズムと反対側の表面に、特定の被検出物質のみが結合可能な表面修飾が施されており、
前記被検出物質が、該被検出物質と選択的に結合する少なくとも表面が金属からなる金属粒子にて標識されてセンシングが行われるものであり、
前記金属膜に前記被検出物質及び前記金属粒子が結合されたときに、該金属粒子の表面で発生する散乱光の光学特性が検出されるものであることを特徴とする表面プラズモンセンサ。
【請求項２】
前記散乱光には、前記金属粒子によって前記表面プラズモンが散乱されて発生する散乱光、及び／又は前記表面プラズモンの電場により励起されて前記金属粒子の周囲に発生する局在プラズモンにより発生する散乱光が含まれることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモンセンサ。
【請求項３】
前記測定光が前記誘電体プリズムと前記金属膜との界面で反射されて生じる反射光の光学特性が検出されるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面プラズモンセンサ。
【請求項４】
前記金属粒子として、表面に蛍光物質が固定された粒子を用いてセンシングが行われるものであり、
前記金属膜に前記被検出物質及び前記金属粒子が結合されたときに、前記金属粒子の周囲のプラズモン電場により、前記蛍光物質が励起されて生じる蛍光の光学特性が検出されるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面プラズモンセンサ。
【請求項５】
前記金属膜が銀を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面プラズモンセンサ。
【請求項６】
前記金属膜の前記誘電体プリズムと反対側の表面に酸化防止処理が施されていることを特徴とする請求項１〜５に記載の表面プラズモンセンサ。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の表面プラズモンセンサと、
前記表面プラズモンセンサに前記測定光を照射する測定光照射手段と、
前記散乱光の光学特性を検出する散乱光検出手段とを備えたことを特徴とするセンシング装置。
【請求項８】
請求項３に記載の表面プラズモンセンサと、
前記表面プラズモンセンサに前記測定光を照射する測定光照射手段と、
前記散乱光の光学特性を検出する散乱光検出手段と、
前記反射光の光学特性を検出する反射光検出手段とを備えたことを特徴とするセンシング装置。
【請求項９】
請求項４に記載の表面プラズモンセンサと、
前記表面プラズモンセンサに前記測定光を照射する測定光照射手段と、
前記散乱光の光学特性を検出する散乱光検出手段と、
前記蛍光の光学特性を検出する蛍光検出手段とを備えたことを特徴とするセンシング装置。
【請求項１０】
前記散乱光検出手段は、前記散乱光の光強度を検出するものであることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のセンシング装置。
【請求項１１】
前記測定光照射手段は、前記測定光として、前記誘電体プリズムと前記金属膜との界面に対する入射角が固定された単波長の直線ビーム、若しくは前記誘電体プリズムと前記金属膜との界面に対する入射角が固定された単波長の平行光束を照射するものであり、
前記反射光検出手段は、前記反射光の光強度を検出するものであることを特徴とする請求項８に記載のセンシング装置。
【請求項１２】
前記入射角は、前記金属膜に前記被検出物質が結合していない状態において前記金属膜の表面で表面プラズモン共鳴が起こる全反射解消角に設定されていることを特徴とする請求項１１に記載のセンシング装置。
【請求項１３】
前記測定光照射手段は、前記測定光として、前記誘電体プリズムと前記金属膜との界面に対する入射角の異なる複数のビーム成分を含む単波長の集束ビームを照射するものであることを特徴とする請求項８に記載のセンシング装置。
【請求項１４】
前記測定光照射手段は、前記測定光として、あるタイミングにおいて前記誘電体プリズムと前記金属膜との界面に対する入射角が１つである単波長の直線ビームを、前記誘電体プリズムと前記金属膜との界面に対する入射角を変えて照射するものであることを特徴とする請求項８に記載のセンシング装置。
【請求項１５】
前記反射光検出手段は、前記入射角の異なる複数のビーム成分の反射光強度を各々検出するものであることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のセンシング装置。
【請求項１６】
前記被検出物質の有無及び／又は量を分析するものであることを特徴とする請求項７〜１５のいずれかに記載のセンシング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモンの励起を利用してセンシングが行われる表面プラズモンセンサ、及びこれを用いたセンシング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Kretschmann型の表面プラズモンセンサは、誘電体プリズムとこの誘電体プリズムの一面に成膜された金属膜とを基本構成とするセンサである。かかる表面プラズモンセンサでは、誘電体プリズムと金属膜との界面に対して、表面プラズモンが励起される条件で測定光が入射され、誘電体プリズムと金属膜との界面で反射された反射光の光学特性が検出される。
【０００３】
Ｐ偏光の直線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、金属膜のプリズムと反対側に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の表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著しく低下する。表面プラズモンの波数ＫSPと、表面プラズモンの角周波数ωと、金属膜の誘電率εmと、金属膜の表面に付着させられた試料の誘電率εsとの間には、相関関係があることが知られている。したがって、例えば上記特定入射角θSP（全反射解消角）を測定することで試料の誘電率εsが求められ、試料中の被検出物質の有無あるいは量等を分析することができる。
【０００４】
特許文献１には、金属膜の誘電体プリズムと反対側の表面に、大腸菌等の被検出物質が特異結合可能な機能膜（２０）を積層したKretschmann型の表面プラズモンセンサが開示されている。かかるセンサでは、誘電体プリズムと金属膜との界面で反射された反射光の光学特性に合わせて、機能膜に被検出物質が結合されたときに、表面プラズモンの電場が乱されて生じる散乱光（２２）の光学特性を検出することができる。
【特許文献１】特開平10-78390号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来よりも高感度なセンシングが可能な表面プラズモンセンサ、及びこれを用いたセンシング装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の表面プラズモンセンサは、誘電体プリズムと、該誘電体プリズムの一面に成膜された金属膜とを備えてなり、前記誘電体プリズムの他面から、前記誘電体プリズムと前記金属膜との界面で全反射する条件で測定光が入射されて、前記金属膜の表面で表面プラズモンが励起される表面プラズモンセンサにおいて、
前記金属膜の前記誘電体プリズムと反対側の表面に、特定の被検出物質のみが結合可能な表面修飾が施されており、
前記被検出物質が、該被検出物質と選択的に結合する少なくとも表面が金属からなる金属粒子にて標識されてセンシングが行われるものであり、
前記金属膜に前記被検出物質及び前記金属粒子が結合されたときに、該金属粒子の表面で発生する散乱光の光学特性が検出されるものであることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の第１の表面プラズモンセンサにおいて、前記散乱光には、前記金属粒子によって前記表面プラズモンが散乱されて発生する散乱光、及び／又は前記表面プラズモンの電場により励起されて前記金属粒子の周囲に発生する局在プラズモンにより発生する散乱光が含まれる。
【０００８】
本発明の第２の表面プラズモンセンサは、上記本発明の第１の表面プラズモンセンサを基本構成とし、さらに、前記散乱光の光学特性に合わせて、前記測定光が前記誘電体プリズムと前記金属膜との界面で反射されて生じる反射光の光学特性が検出されるものであることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第３の表面プラズモンセンサは、上記本発明の第１の表面プラズモンセンサを基本構成とし、さらに、前記金属粒子として、表面に蛍光物質が固定された粒子を用いてセンシングが行われるものであり、前記金属膜に前記被検出物質及び前記金属粒子が結合されたときに、前記金属粒子の周囲のプラズモン電場により、前記蛍光物質が励起されて生じる蛍光の光学特性が検出されるものであることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の第１〜第３の表面プラズモンセンサにおいて、前記金属膜が銀を含むことが好ましい。前記金属膜が銀等の比較的酸化されやすい金属を含む場合、前記金属膜の前記誘電体プリズムと反対側の表面に酸化防止処理が施されていることが好ましい。
【００１１】
本発明の第１のセンシング装置は、上記本発明の第１の表面プラズモンセンサと、
前記表面プラズモンセンサに前記測定光を照射する測定光照射手段と、
前記散乱光の光学特性を検出する散乱光検出手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の第２のセンシング装置は、上記本発明の第２の表面プラズモンセンサと、
前記表面プラズモンセンサに前記測定光を照射する測定光照射手段と、
前記散乱光の光学特性を検出する散乱光検出手段と、
前記反射光の光学特性を検出する反射光検出手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の第３のセンシング装置は、上記本発明の第３の表面プラズモンセンサと、
前記表面プラズモンセンサに前記測定光を照射する測定光照射手段と、
前記散乱光の光学特性を検出する散乱光検出手段と、
前記蛍光の光学特性を検出する蛍光検出手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第１〜第３のセンシング装置を用いることで、前記被検出物質の有無及び／又は量を分析することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の表面プラズモンセンサは、誘電体プリズムと誘電体プリズムの一面に成膜された金属膜とを備えたKretschmann型の表面プラズモンセンサであり、金属膜の誘電体プリズムと反対側の表面に、特定の被検出物質のみが結合可能な表面修飾が施されたものである。本発明の表面プラズモンセンサは、被検出物質が、被検出物質と選択的に結合する少なくとも表面が金属からなる金属粒子にて標識されてセンシングが行われるものであり、金属膜に被検出物質及び金属粒子が結合されたときに、金属粒子の表面で発生する散乱光の光学特性が検出されるものである。
【００１６】
本発明の表面プラズモンセンサにおいて、上記散乱光には、金属粒子によって表面プラズモンが散乱されて発生する散乱光、及び／又は表面プラズモンの電場により励起されて金属粒子の周囲に発生する局在プラズモンにより発生する散乱光が含まれる。
【００１７】
「背景技術」の項で挙げた特許文献１では、大腸菌等の被検出物質を標識することなくセンサに結合させるのに対して、本発明では、被検出物質を金属粒子にて標識してセンサに結合させる。金属粒子を用いる本発明の系では、表面プラズモンの散乱がより強く起こる。また、金属粒子を用いる本発明の系では、表面プラズモンの電場により金属粒子の表面で局在プラズモンが励起され、局在プラズモンによる散乱光も強く発生する。
【００１８】
したがって、金属粒子によって表面プラズモンが散乱されて発生する散乱光、及び／又は表面プラズモンの電場により励起されて金属粒子の周囲に発生する局在プラズモンにより発生する散乱光の光学特性を検出することで、高感度なセンシングが可能となる。特に、測定光が誘電体プリズムと金属膜との界面で反射されて生じる反射光の光学特性を検出する通常の表面プラズモンセンサのセンシングに合わせて、上記散乱光の光学特性を検出するセンシングを行うことで、より高感度なセンシングが可能となる。本発明によれば、従来よりも高感度なセンシングが可能な表面プラズモンセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
「第１実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第１実施形態の表面プラズモンセンサ及びセンシング装置の構成について説明する。図１Ａは試料を接触させた表面プラズモンセンサの断面図、図１Ｂはセンシング装置の全体図である。各構成要素を視認しやすくするため、実際のものとは適宜縮尺を異ならせてある。
【００２０】
本実施形態の表面プラズモンセンサ１は、断面視三角形状の誘電体プリズム１０と、この誘電体プリズム１０の一面（図示上面）Ｓ１に成膜された金属膜２０とを備え、金属膜２０の誘電体プリズム１０と反対側の表面Ｓ２に、特定の被検出物質Ｒのみが結合可能な表面修飾Ａ１が施されたものである。
【００２１】
誘電体プリズム１０の構成材料としては特に制限なく、ガラス等が好ましい。  
金属膜２０の構成材料としては特に制限なく、表面プラズモンを効果的に励起することができ、化学的安定性（試料に対する安定性）にも優れることから、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）等が好ましい。表面プラズモンの励起効果が大きいことから、金属膜２０は銀等を含むことが特に好ましい。金属膜２０が比較的酸化されやすい銀等を含む場合、金属膜２０の表面Ｓ２に酸化防止処理が施されていることが好ましい。金属膜２０の酸化防止処理としては、酸化防止膜による被覆処理が挙げられる。酸化防止膜による被覆処理を行う場合、酸化防止膜の表面に特定の被検出物質Ｒのみが結合可能な表面修飾Ａ１を施せばよい。
【００２２】
酸化防止膜としては、特開2005-189198号公報に記載のレドックス膜、疎水性高分子膜、及び無機酸化物膜等が挙げられる。
【００２３】
酸化防止膜に用いる疎水性高分子としては、水に対する溶解度が２０質量％以下であるモノマーを５０質量％以上含むものが好ましい。  
疎水性高分子を形成するモノマーの２５℃の水に対する溶解度は、新実験化学講座基本操作１（丸善化学、１９７５）に記載されている方法で測定することができる。この方法で測定するとモノマーの２０℃の水に対する溶解度は、例えば２−エチルヘキシルメタクリレートで０．００質量％、スチレンで０．０３質量％、メチルメタクリレートで１．３５質量％、ブチルアクリレートで０．３２質量％、ブチルメタクリレートで０．０３質量％である。疎水性高分子膜としての水に対する溶解度の指標としては、１０質量％以下であることがより好ましく、１質量％以下であることが更に好ましい。
【００２４】
水に対する溶解度が２０質量％以下であるモノマーの具体例としては、ビニルエステル類、アクリル酸エステル類、メタクリル酸エステル類、オレフィン類、スチレン類、クロトン酸エステル類、イタコン酸ジエステル類、マレイン酸ジエステル類、フマル酸ジエステル類、アリル化合物類、ビニルエーテル類、ビニルケトン類等から任意に選ぶことができ、スチレン、メタクリル酸メチル、メタクリル酸ヘキサフルオロプロパン、酢酸ビニル、アクリロニトリルなどが好ましく用いられる。疎水性高分子としては、１種類のモノマーから成るホモポリマーでも、２種類以上のモノマーから成るコポリマーでもよい。
【００２５】
酸化防止膜に用いる疎水性高分子としては、前述の水に対する溶解度が２０質量％以下であるモノマーと共に、水に対する溶解度が２０質量％以上であるモノマーを共重合した高分子化合物を用いてもよい。水に対する溶解度が２０質量％以上であるモノマーの具体例としては、メタクリル酸２−ヒドロキシエチル、メタクリル酸、アクリル酸、及びアリルアルコール等が挙げられる。
【００２６】
酸化防止膜に用いる疎水性高分子としては、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステル、ポリエステル、及びポリスチレン等が好ましい。そうすることによって、膜形成が容易になりかつ表面に生理活性物質を固定化するための官能基を露出することも容易になる。例えばポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステル、あるいはポリエステルで形成された膜は表面を酸や塩基で加水分解することによって表面にカルボキシル基とヒドロキシル基を露出することが容易である。またポリスチレン膜はUV／オゾン処理などの酸化処理施すことによってカルボン酸を露出することが容易である。
【００２７】
酸化防止膜に用いる無機酸化物としては、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、フェライト、及びこれらの複合材料あるいは誘導体を選択することができる。
【００２８】
表面プラズモンセンサ１では、誘電体プリズム１０の他面から、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１で全反射する条件で測定光Ｌ１が入射されて、金属膜２０の表面で表面プラズモンが励起される。
【００２９】
本実施形態のセンシング装置２には、表面プラズモンセンサ１と、表面プラズモンセンサ１に対して、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１で全反射する条件で測定光Ｌ１を照射する測定光照射手段３０とが備えられている。
【００３０】
本実施形態では、被検出物質Ｒが、被検出物質Ｒと選択的に結合する少なくとも表面が金属からなる金属粒子Ｍにて標識されてセンシングが行われる。金属粒子Ｍには、被検出物質Ｒと選択的に結合可能な表面修飾Ａ２が施されている。
【００３１】
例えば被検出物質Ｒが抗原である場合、金属膜２０の表面Ｓ２は被検出物質Ｒと特異結合する第１の抗体により修飾し（表面修飾Ａ１）、標識物質Ｍは被検出物質Ｒと特異的に結合する第２の抗体により表面修飾しておけばよい（表面修飾Ａ２）。この場合、金属膜２０に表面修飾される第１の抗体と標識物質Ｍに表面修飾される第２の抗体とは、抗原である被検出物質Ｒに対して互いに別の部位に結合するものが用いられる。
【００３２】
被検出物質Ｒの金属粒子Ｍによる標識のタイミングは特に制限されず、被検出物質Ｒをセンサ１に結合させる前でも後でも構わない。すなわち、あらかじめ試料に金属粒子Ｍを添加しておいてもよいし、センサ１に試料を接触させた後、センサ１に金属粒子Ｍを接触させてもよい。いずれの手順を採るにせよ、試料中に被検出物質Ｒが存在している場合には、金属膜２０の表面Ｓ２に被検出物質Ｒと金属粒子Ｍとの結合体が結合される。後記検出手段４０，５０による光学検出を行う前にあらかじめ、金属膜２０の表面Ｓ２に結合されていないフリーの金属粒子Ｍは洗浄除去される。
【００３３】
試料中に被検出物質Ｒが存在しており、金属膜２０に被検出物質Ｒ及び金属粒子Ｍが結合されたときには、金属膜２０の表面Ｓ２に金属粒子Ｍの層が形成される。この金属粒子Ｍの層によって、散乱光Ｌ３が発生する。
【００３４】
散乱光Ｌ３には、金属粒子Ｍによって表面プラズモンが散乱されて発生する散乱光、及び／又は表面プラズモンの電場により励起されて金属粒子Ｍの周囲に発生する局在プラズモンにより発生する散乱光が含まれる。
【００３５】
特に局在プラズモン共鳴が起こる波長条件では、局在プラズモンによる散乱光が著しく増大する。局在プラズモン共鳴は、金属の自由電子が光の電場に共鳴して振動することで電場を生じる現象である。
【００３６】
金属粒子Ｍの構成金属としては特に制限なく、局在プラズモンを効果的に励起することができ、化学的安定性（試料に対する安定性）にも優れることから、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等が好ましい。金属粒子Ｍの形状は特に制限なく、球状及びロッド状等が挙げられる。金属粒子Ｍの粒子径（ここで言う粒子径は粒子の最大径を意味する。）は、局在プラズモンを効果的に励起することから、測定光Ｌ１の波長より小さいことが好ましく、１０〜２００ｎｍが特に好ましい。
【００３７】
本実施形態のセンシング装置２には、測定光Ｌ１が誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１で反射されて生じる反射光Ｌ２の光学特性を検出する反射光検出手段４０と、金属粒子Ｍの層によって生じる散乱光Ｌ３の光学特性を検出する散乱光検出手段５０とが備えられている。
【００３８】
すなわち、本実施形態では、測定光Ｌ１が誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１で反射されて生じる反射光Ｌ２の光学特性を検出する通常の表面プラズモンセンサのセンシングに合わせて、金属粒子Ｍの層によって生じる散乱光Ｌ３の光学特性を検出するセンシングが行われる。
【００３９】
本実施形態において、測定光Ｌ１は単波長光である。測定光照射手段３０は、半導体レーザ等の単波長光源３１、及び必要に応じて光源３１からの出射光をセンサ１に導光する導光光学系により構成されている。測定光照射手段３０はまた、測定光Ｌ１として、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対する入射角θが固定された直線ビームを照射するよう、構成されている。
【００４０】
本実施形態において、反射光検出手段４０は、反射光Ｌ２の光強度を検出するフォトダイオード等の光強度検出器４１により構成されている。
【００４１】
Ｐ偏光の直線ビームを金属膜２０に対して全反射角以上の特定入射角θSPで入射させると、金属膜２０のプリズム１０と反対側に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２０の表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１０と金属膜２０との界面Ｓ１で全反射する光の強度が著しく低下する。表面プラズモンの波数ＫSPと、表面プラズモンの角周波数ωと、金属膜２０の誘電率εmと、金属膜２０の表面に存在する試料の誘電率εsとの間には、下記のような相関関係があることが知られている。式中、ｃは真空中の光速を示している。  
【数１】
2008203187.tif 000003
【００４２】
本実施形態において、測定光Ｌ１の誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対する入射角θは、金属膜２０に被検出物質Ｒが結合していない状態において金属膜２０の表面で表面プラズモン共鳴が起こる上記特定入射角θSPに設定されることが好ましい。この特定入射角θSPは全反射解消角あるいは共鳴角と称される。
【００４３】
金属膜２０の表面Ｓ２に被検出物質Ｒ及び金属粒子Ｍが結合されると、これらの有無及び量によって、これらの層の誘電率が変わり、全反射解消角θSPがシフトする。同じ入射角条件であれば、反射光強度が変化することとなる。
【００４４】
したがって、測定光Ｌ１の誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対する入射角θを、金属膜２０に被検出物質Ｒが結合していない状態において金属膜２０の表面で表面プラズモン共鳴が起こる全反射解消角θSPに設定し、反射光検出手段４０によって反射光Ｌ２の光強度を検出することにより、試料中の被検出物質Ｒの有無及び／又は量を分析することができる。
【００４５】
本実施形態において、散乱光検出手段５０は、散乱光Ｌ３の光強度を検出するフォトダイオード等の光強度検出器５１により構成されている。散乱光Ｌ３の光強度の程度は、金属膜２０の表面Ｓ２に結合された被検出物質Ｒ及び金属粒子Ｍの有無及び量によって依存するので、散乱光検出手段５０によって散乱光Ｌ３の光強度を検出することにより、試料中の被検出物質Ｒの有無及び／又は量を分析することができる。
【００４６】
特に局在プラズモン共鳴が起こる波長条件では、局在プラズモンによる散乱光が著しく増大するので、測定光Ｌ１の波長を金属粒子Ｍの表面で局在プラズモン共鳴が起こる波長（共鳴ピーク波長）に合わせておくことが好ましい。
【００４７】
本実施形態の表面プラズモンセンサ１は、誘電体プリズム１０と誘電体プリズム１０の一面に成膜された金属膜２０とを備えたKretschmann型の表面プラズモンセンサであり、金属膜２０の誘電体プリズム１０と反対側の表面Ｓ２に、特定の被検出物質Ｒのみが結合可能な表面修飾Ａ１が施されたものである。本実施形態の表面プラズモンセンサ１は、被検出物質Ｒが、被検出物質Ｒと選択的に結合する少なくとも表面が金属からなる金属粒子Ｍにて標識されてセンシングが行われるものであり、金属膜２０に被検出物質Ｒ及び金属粒子Ｍが結合されたときに、金属粒子Ｍの表面で発生する散乱光Ｌ３の光学特性が検出されるものである。
【００４８】
本実施形態の表面プラズモンセンサ１において、散乱光Ｌ３には、金属粒子Ｍによって表面プラズモンが散乱されて発生する散乱光、及び／又は表面プラズモンの電場により励起されて金属粒子Ｍの周囲に発生する局在プラズモンにより発生する散乱光が含まれる。
【００４９】
「背景技術」の項で挙げた特許文献１では、大腸菌等の被検出物質を標識することなくセンサに結合させるのに対して、本実施形態では、被検出物質Ｒを金属粒子Ｍにて標識してセンサ１に結合させる。金属粒子Ｍを用いる本実施形態の系では、表面プラズモンの散乱がより強く起こる。また、金属粒子Ｍを用いる本実施形態の系では、表面プラズモンの電場により金属粒子Ｍの表面で局在プラズモンが励起され、局在プラズモンによる散乱光も強く発生する。
【００５０】
したがって、金属粒子Ｍによって表面プラズモンが散乱されて発生する散乱光、及び／又は表面プラズモンの電場により励起されて金属粒子Ｍの周囲に発生する局在プラズモンにより発生する散乱光の光学特性を検出することで、高感度なセンシングが可能となる。
【００５１】
本実施形態ではさらに、測定光Ｌ１が誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１で反射されて生じる反射光Ｌ２の光学特性を検出する通常の表面プラズモンセンサのセンシングに合わせて、上記散乱光Ｌ３の光学特性を検出するセンシングを行う構成としている。反射光Ｌ２の光学特性と散乱光Ｌ３の光学特性を両方検出することで、より高感度なセンシングが可能となる。本実施形態によれば、従来よりも高感度なセンシングが可能な表面プラズモンセンサ１及びセンシング装置２を提供することができる。
【００５２】
（第１実施形態の設計変更例）
図面を参照して、第１実施形態の設計変更例である表面プラズモンセンサ３及びセンシング装置４の構成について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、図１Ａ及び図１Ｂに対応する図である。第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付してある。
【００５３】
図２Ａに示すように、金属粒子Ｍとして、表面に蛍光物質Ｌｕが固定された粒子を用いてセンシングが行うことができる。ここでは、金属粒子Ｍの表面を蛍光物質Ｌｕの層で被覆し、蛍光物質Ｌｕの層の表面に表面修飾Ａ２を施した場合について図示してある。蛍光物質Ｌｕの固定箇所及び表面修飾Ａ２の修飾箇所は適宜設計できる。
【００５４】
この場合、金属膜２０に被検出物質Ｒ及び金属粒子Ｍが結合されたときに、金属粒子Ｍの周囲のプラズモン電場により、蛍光物質Ｌｕが励起されて蛍光Ｌ４が発せられる。ここで言う「プラズモン電場」は、金属膜２０の表面Ｓ２で発生する表面プラズモン電場、及び／又は金属粒子Ｍの周囲に発生する局在プラズモン電場である。
【００５５】
センシング装置４は、蛍光物質Ｌｕが励起されて生じる蛍光Ｌ４の光学特性を検出する蛍光検出手段を備える構成とすることができる。通常、散乱光Ｌ３の波長と蛍光Ｌ４の波長とは異なるので、例えば図２Ｂに示すように、センサ１の散乱光Ｌ３の出射側に、波長スペクトルを測定可能な分光器等の光検出手段６０（散乱光検出手段と蛍光検出手段とを兼ねた光検出手段）を設けることで、散乱光Ｌ３の光強度と蛍光Ｌ４の光強度を同時に検出することができる。かかる構成では、反射光Ｌ２と散乱光Ｌ３と蛍光Ｌ４とを検出することができるので、より高感度なセンシングが可能となる。
【００５６】
「第２実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第２実施形態のセンシング装置の構成について説明する。本実施形態のセンシング装置５は上記第１実施形態の表面プラズモンセンサ１を用いたものであり、第１実施形態と同様に、被検出物質Ｒが金属粒子Ｍにて標識されてセンシングを行われ、金属粒子Ｍの表面で発生する散乱光Ｌ３の光学特性が検出されるものである。本実施形態のセンシング装置５の構成は、測定光照射手段３０と反射光検出手段４０の構成が異なる以外は、第１実施形態と同様である。図３は第１実施形態の図１Ｂに対応する図である。第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明は省略する。
【００５７】
本実施形態のセンシング装置５においても測定光Ｌ１は単波長光であるが、測定光照射手段３０は、測定光Ｌ１として、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対する入射角θの異なる複数のビーム成分を含む集束ビームを照射する光学系により構成されている。
【００５８】
具体的には、測定光照射手段３０は、半導体レーザ等の単波長光源３１と、単波長光源３１から出射された直線ビームを発散させるレンズ３２と、レンズ３２から出射された発散光を平行光束化するコリメータレンズ３３と、コリメータレンズ３３から出射された平行光束を誘電体プリズム１０の長さ方向に垂直な面内のみで集束させる（図示奥行き方向には集束させない）シリンドリカルレンズ３４とから構成されている。かかる光学系により、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対する入射角θの異なる複数のビーム成分を含む集束ビームが生成される（最小入射角θ１〜最大入射角θ２）。
【００５９】
誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対して異なる入射角θで入射した上記複数のビーム成分は、それぞれ入射角θに応じた反射角で反射される。本実施形態において、反射光検出手段４０は、入射角θの異なる複数のビーム成分の反射光強度を各々検出するものである。具体的には、反射光検出手段４０は、複数のビーム成分に各々対応した複数の受光部を備えたＣＣＤラインセンサ等の光強度検出器４２により構成されている。
【００６０】
本実施形態では、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対する入射角θと反射光強度との関係が求められるので、金属膜２０の表面で表面プラズモン共鳴が起こる全反射解消角（共鳴角）θSPが求められる。金属膜２０の表面Ｓ２に結合された被検出物質Ｒ及び金属粒子Ｍの有無及び量によって、これらの層の誘電率が変わり、全反射解消角θSPがシフトするので、全反射解消角θSPから、試料中の被検出物質Ｒの有無及び／又は量を分析することができる。
【００６１】
測定光照射手段３０は、測定光Ｌ１として、あるタイミングにおいて誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対する入射角θが１つである単波長の直線ビームを、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対する入射角θを変えて光学走査する光学系により構成してもよい。光走査手段としては、ポリゴンミラーやガルバノミラー等の１種又は２種以上の可動ミラーが挙げられる。この場合、反射光検出手段４０は例えば、反射光Ｌ２の光強度を検出するフォトダイオード等の光強度検出器により構成し、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対する入射角θを変えるごとに、反射光強度を検出するようにすればよい。
【００６２】
散乱光検出手段５０は第１実施形態と同様である。本実施形態においても、第１実施形態と同様に、金属粒子Ｍによって表面プラズモンが散乱されて発生する散乱光、及び／又は表面プラズモンの電場により励起されて金属粒子Ｍの周囲に発生する局在プラズモンにより発生する散乱光の光学特性を検出することで、高感度なセンシングが可能である。
【００６３】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、反射光Ｌ２の光学特性と散乱光Ｌ３の光学特性を両方検出することができ、従来よりも高感度なセンシングが可能なセンシング装置５を提供することができる。
【００６４】
「第３実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第３実施形態のセンシング装置の構成について説明する。本実施形態のセンシング装置６は上記第１実施形態の表面プラズモンセンサ１を用いたものであり、第１実施形態と同様に、被検出物質Ｒが金属粒子Ｍにて標識されてセンシングを行われ、金属粒子Ｍの表面で発生する散乱光Ｌ３の光学特性が検出されるものである。本実施形態のセンシング装置６の構成は、測定光照射手段３０と反射光検出手段４０と散乱光検出手段５０の構成が異なる以外は、第１実施形態と同様である。図４は第１実施形態の図１Ｂに対応する図である。第１実施形態あるいは第２実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明は省略する。
【００６５】
本実施形態のセンシング装置６においても測定光Ｌ１は単波長光であるが、測定光照射手段３０は、測定光Ｌ１として、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ２に対して平行光束を照射する光学系により構成されている。具体的には、測定光照射手段３０は、半導体レーザ等の単波長光源３１と、単波長光源３１から出射された直線ビームを発散させるレンズ３２と、レンズ３２から出射された発散光を平行光束化するコリメータレンズ３３とから構成されている。
【００６６】
本実施形態では、測定光Ｌ１が平行光束であるので、反射光Ｌ２も平行光束となる。また、誘電体プリズム１０と金属膜２０との界面Ｓ１に対して比較的広範囲に測定光Ｌ１が照射されるので、金属膜２０の表面Ｓ２の比較的広範囲に散乱光Ｌ３が発生する。本実施形態では例えば、反射光検出手段４０は、比較的広範囲に広がる反射光Ｌ２の光強度を検出するエリアセンサ等の光強度検出器４３により構成し、散乱光検出手段５０は、比較的広範囲に広がる散乱光Ｌ３の光強度を検出するエリアセンサ等の光強度検出器５２により構成すればよい。
【００６７】
本実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、金属粒子Ｍによって表面プラズモンが散乱されて発生する散乱光、及び／又は表面プラズモンの電場により励起されて金属粒子Ｍの周囲に発生する局在プラズモンにより発生する散乱光の光学特性を検出することで、高感度なセンシングが可能である。
【００６８】
本実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、反射光Ｌ２の光学特性と散乱光Ｌ３の光学特性を両方検出することができ、従来よりも高感度なセンシングが可能なセンシング装置６を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の表面プラズモンセンサは、バイオセンサ等として好ましく利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１Ａ】本発明に係る第１実施形態の表面プラズモンセンサに試料を接触させた状態を示す断面図
【図１Ｂ】本発明に係る第１実施形態のセンシング装置の全体図
【図２Ａ】図１Ａの設計変更例を示す図
【図２Ｂ】図１Ｂの設計変更例を示す図
【図３】本発明に係る第２実施形態のセンシング装置の全体図
【図４】本発明に係る第３実施形態のセンシング装置の全体図
【符号の説明】
【００７１】
１，３  表面プラズモンセンサ
２，４，５，６  センシング装置
１０  誘電体プリズム
２０  金属膜
３０  測定光照射手段
４０  反射光検出手段
５０  散乱光検出手段
６０  散乱光検出手段と蛍光検出手段とを兼ねた光検出手段
Ｓ１  誘電体プリズムと金属膜との界面
Ｓ２  金属膜の誘電体プリズムと反対側の表面
Ｌ１  測定光
Ｌ２  反射光
Ｌ３  散乱光
Ｌ４  蛍光
Ａ１、Ａ２  表面修飾
Ｒ  被検出物質
Ｍ  金属粒子
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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