JP3076604B2 - 表面プラズモン共鳴装置 - Google Patents
表面プラズモン共鳴装置Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
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- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、化学種の検出のためのセンサ、特に表面プ
ラズモン共鳴（SPR）の技術による溶液中の分析物の検
出のためのセンサに関する。
ラズモン共鳴（SPR）の技術による溶液中の分析物の検
出のためのセンサに関する。
SPRは化学種の検出では周知である。SPRはTM偏光（即
ち、ｐ−偏光された）の光線が例えばガラスのような誘
電媒体と金属薄層との間の界面で全内反射される時に発
生するエバネッセント波を使って達成され得る。放射線
のいかなるTE偏光（即ち、ｓ−偏光された）成分も、全
内反射のプロセスによってSPRを励起することは不可能
でありかつ従来のSPRにおいてこの種の成分は用いられ
ない。この技術は、「センサ及びアクチュエータ」
（“Sensor and Actuators"），４,299において、リー
バーグ（Lieberg）らによって記載されている。
ち、ｐ−偏光された）の光線が例えばガラスのような誘
電媒体と金属薄層との間の界面で全内反射される時に発
生するエバネッセント波を使って達成され得る。放射線
のいかなるTE偏光（即ち、ｓ−偏光された）成分も、全
内反射のプロセスによってSPRを励起することは不可能
でありかつ従来のSPRにおいてこの種の成分は用いられ
ない。この技術は、「センサ及びアクチュエータ」
（“Sensor and Actuators"），４,299において、リー
バーグ（Lieberg）らによって記載されている。
SPRをセンシングへ適用することは、金属−誘電体境
界に存在する自由電子の表面プラズマの発振が、金属表
面に隣接する材料の屈折率によって影響される事実に基
づく。共鳴は、放射線の入射角が特定値を有するときに
生じ、かつこの値は金属に隣接する材料の屈折率に依存
する。それゆえ、屈折率が変わると、共鳴が生じる角度
に変化をもたらす。
界に存在する自由電子の表面プラズマの発振が、金属表
面に隣接する材料の屈折率によって影響される事実に基
づく。共鳴は、放射線の入射角が特定値を有するときに
生じ、かつこの値は金属に隣接する材料の屈折率に依存
する。それゆえ、屈折率が変わると、共鳴が生じる角度
に変化をもたらす。
公知のSPR装置に生じる問題は、共鳴が、反射光の強
度において「減少」として検出されることにある。これ
は、検出器の電子的利得、又は光源からの光のレベル
を、電子的飽和を共鳴から防止するために、明るい背景
に対して調整できるにすぎないことを意味する。共鳴時
のわずかな強度変化を独立して増幅して測定することは
困難である。
度において「減少」として検出されることにある。これ
は、検出器の電子的利得、又は光源からの光のレベル
を、電子的飽和を共鳴から防止するために、明るい背景
に対して調整できるにすぎないことを意味する。共鳴時
のわずかな強度変化を独立して増幅して測定することは
困難である。
われわれは、共鳴が光の強度において「増加」として
検出されるSPR装置を発明した。これにより、検出器の
電子的利得を、共鳴の強度に適合させるように設定する
ことができ、これに付随して感度及び測定精度を改良す
ることができる。
検出されるSPR装置を発明した。これにより、検出器の
電子的利得を、共鳴の強度に適合させるように設定する
ことができ、これに付随して感度及び測定精度を改良す
ることができる。
本発明によれば、ａ）SPR装置と、ｂ）放射線を前記
装置へ向けることができる電磁放射線源と、ｃ）前記SP
R装置から反射される放射線の強度を測定するための検
出器とを備えるSPRセンサにおいて、電磁放射線がTE偏
光及びTM偏光成分を含み、かつ共鳴を起こす角度からは
ずれた角度では、殆ど又は全く光が前記検出器に到達し
ないように、検光子が前記装置と前記検出器の間に介在
されていることを特徴とするSPRセンサが提供される。
装置へ向けることができる電磁放射線源と、ｃ）前記SP
R装置から反射される放射線の強度を測定するための検
出器とを備えるSPRセンサにおいて、電磁放射線がTE偏
光及びTM偏光成分を含み、かつ共鳴を起こす角度からは
ずれた角度では、殆ど又は全く光が前記検出器に到達し
ないように、検光子が前記装置と前記検出器の間に介在
されていることを特徴とするSPRセンサが提供される。
本発明の好ましい態様によれば、生物学的、生化学的
又は化学的分析物の定性及び／又は定量を行うためのSP
Rセンサにおいて、ａ）ブロック状の材料の形態を成すS
PR装置であって、前記ブロックが、該ブロックの第１の
表面の少なくとも一部へ塗布された金属材料層を有し、
かつ前記金属材料層が、前記金属材料層に塗布される分
析物に感応する材料層を有するSPR装置と、ｂ）放射線
を、前記表面の前記部分から反射させるように、前記ブ
ロックへ向ける電磁放射線源と、ｃ）前記反射された放
射線の強度を測定するための検出器とを備え、電磁放射
線が、TE偏光及びTM偏光成分を含み、かつ共鳴を起こす
角度からはずれた角度では、殆ど又は全く光が前記検出
器に到達しないように、検光子が前記装置と前記検出器
の間に介在されていることを特徴とするSPRセンサが提
供される。
又は化学的分析物の定性及び／又は定量を行うためのSP
Rセンサにおいて、ａ）ブロック状の材料の形態を成すS
PR装置であって、前記ブロックが、該ブロックの第１の
表面の少なくとも一部へ塗布された金属材料層を有し、
かつ前記金属材料層が、前記金属材料層に塗布される分
析物に感応する材料層を有するSPR装置と、ｂ）放射線
を、前記表面の前記部分から反射させるように、前記ブ
ロックへ向ける電磁放射線源と、ｃ）前記反射された放
射線の強度を測定するための検出器とを備え、電磁放射
線が、TE偏光及びTM偏光成分を含み、かつ共鳴を起こす
角度からはずれた角度では、殆ど又は全く光が前記検出
器に到達しないように、検光子が前記装置と前記検出器
の間に介在されていることを特徴とするSPRセンサが提
供される。
検光子は、例えば、偏光子の透過軸が前記反射光線に
より偏光に直交するように配置された偏光子を有するこ
ともある。
より偏光に直交するように配置された偏光子を有するこ
ともある。
最適な結果を生むには、入射放射線が、ほぼ等しい量
のTE偏光とTM偏光成分を含むのがよい。共鳴角から離れ
ると、両成分の位相は、角度が変化するに従って同じ様
に振る舞う。これによって、共鳴角からはずれた角度で
は、偏光された反射光が、検出器に到達することを実質
的に阻止するように、好適な検光子を配置することがで
きる。
のTE偏光とTM偏光成分を含むのがよい。共鳴角から離れ
ると、両成分の位相は、角度が変化するに従って同じ様
に振る舞う。これによって、共鳴角からはずれた角度で
は、偏光された反射光が、検出器に到達することを実質
的に阻止するように、好適な検光子を配置することがで
きる。
しかしながら、SPRが励起される領域にわたって（即
ち、放射線の入射角が変化するにつれて）、TM成分の位
相は変化するが、TE成分の位相は実質的に変化しないま
まである。TM成分はまた、SPRの効果によっていくらか
の損失を受けるが、これにもかかわらず、反射された光
線により生じる偏光は、検光子を通ることができる成分
を有しており、それゆえ信号が検出器によって検出され
る。この透過された成分の大きさ、従って、その信号
は、SPRの励起によるTM成分の位相変化が、共鳴の中心
でπになるまで大きくなる。この位相変化は２πまで増
大するので、偏光はもう一度透過軸に対して垂直とな
り、信号は再度ゼロに下がる。
ち、放射線の入射角が変化するにつれて）、TM成分の位
相は変化するが、TE成分の位相は実質的に変化しないま
まである。TM成分はまた、SPRの効果によっていくらか
の損失を受けるが、これにもかかわらず、反射された光
線により生じる偏光は、検光子を通ることができる成分
を有しており、それゆえ信号が検出器によって検出され
る。この透過された成分の大きさ、従って、その信号
は、SPRの励起によるTM成分の位相変化が、共鳴の中心
でπになるまで大きくなる。この位相変化は２πまで増
大するので、偏光はもう一度透過軸に対して垂直とな
り、信号は再度ゼロに下がる。
光は、従来の手段、即ちプリズム又は回折格子、を用
いてSPR装置に入射し得る。
いてSPR装置に入射し得る。
本発明によるセンサは、共鳴時に、偏光子を透過した
光が増大する点において有利である。光の強度における
この増大は、SPR測定で通常は検出される光の強度にお
ける減少よりも、もっと簡単に検出され、いくつかの実
験的な構成において一層簡単で、かつより低コストの検
出器の使用を可能とすると共に、一層簡単な測定を可能
とすることができる。これによって、定量精度及び感度
を改良することができる。さらに、その装置のパラメー
タ、特に金属層の厚さはあまり重要ではない。
光が増大する点において有利である。光の強度における
この増大は、SPR測定で通常は検出される光の強度にお
ける減少よりも、もっと簡単に検出され、いくつかの実
験的な構成において一層簡単で、かつより低コストの検
出器の使用を可能とすると共に、一層簡単な測定を可能
とすることができる。これによって、定量精度及び感度
を改良することができる。さらに、その装置のパラメー
タ、特に金属層の厚さはあまり重要ではない。
実際上、たとえ共鳴から離れても、全内反射の後のTE
及びTM成分の位相変化はやや異なる。これは楕円偏光の
反射光線を生じ、それは適当な位相補償板によって補償
することができる。好適な補償板は当業者に明確であ
り、バビネ補償板及びソレイユ補償板を含む。補償板
は、光源と偏光子との間の任意の位置に配置し得る。
及びTM成分の位相変化はやや異なる。これは楕円偏光の
反射光線を生じ、それは適当な位相補償板によって補償
することができる。好適な補償板は当業者に明確であ
り、バビネ補償板及びソレイユ補償板を含む。補償板
は、光源と偏光子との間の任意の位置に配置し得る。
共鳴条件は、ある波長範囲において、入射角度を連続
して変化させるか、或いは一時に照射させるかのいずれ
かにより、光源からの放射線の入射角度を変えることに
よって検出される。
して変化させるか、或いは一時に照射させるかのいずれ
かにより、光源からの放射線の入射角度を変えることに
よって検出される。
コーティングされたブロックの性質、電磁放射線源、
及び検出器は、従来のSPR装置に精通している当業者に
とって明白である。例えば、この種の装置を開示してい
る（アマーシャム（Amersham）による）欧州特許出願第
0305109号を参照されたい。要約すると、 − ブロックは、例えば、ガラススライド状のガラスが
好ましい。
及び検出器は、従来のSPR装置に精通している当業者に
とって明白である。例えば、この種の装置を開示してい
る（アマーシャム（Amersham）による）欧州特許出願第
0305109号を参照されたい。要約すると、 − ブロックは、例えば、ガラススライド状のガラスが
好ましい。
− 金属コーティングは、銀が最も好ましい。
− 感応層は、一般にその上に好適な生体分子（例え
ば、試験の分析物又はこの分析物に類似するものに対し
て特異的な結合パートナー）を固定化することによって
感応化され、ここに、これらの分子の固定化に好適なこ
の種の生体分子及び方法は当業者にとって明白である。
ば、試験の分析物又はこの分析物に類似するものに対し
て特異的な結合パートナー）を固定化することによって
感応化され、ここに、これらの分子の固定化に好適なこ
の種の生体分子及び方法は当業者にとって明白である。
− 光源は、例えば、レーザのような、スペクトル幅の
小さい、好適なコヒーレンスを有する任意の光源であ
る。
小さい、好適なコヒーレンスを有する任意の光源であ
る。
− 検出器は、従来用いられてきたいずれの検出器でも
よく、例えば、光電子増培管及び電荷結合素子（CCD）
にし得る。
よく、例えば、光電子増培管及び電荷結合素子（CCD）
にし得る。
本発明の装置によって測定されるのは、光透過が最少
ではなく最大になる位置であるので、角度範囲で一時に
照射する時には、従来のSPR装置に必要とされるよりも
はるかに簡単な（従って安価な）検出器を使用すること
が可能である。一つの例としては、例えば、電荷結合素
子よりもはるかに低価格の位置感知器である。これは本
発明の他の有効な利点である。
ではなく最大になる位置であるので、角度範囲で一時に
照射する時には、従来のSPR装置に必要とされるよりも
はるかに簡単な（従って安価な）検出器を使用すること
が可能である。一つの例としては、例えば、電荷結合素
子よりもはるかに低価格の位置感知器である。これは本
発明の他の有効な利点である。
ここに、本発明の実施例を添付図面を参照して説明す
るが、それは例示にすぎない。
るが、それは例示にすぎない。
図１は、本発明によるセンサの略図である。
図２は、図１のセンサを構成する検出部によって測定
される信号を示す図である。
される信号を示す図である。
図３は、共鳴時に生じるTM成分の位相変化を示すベク
トル図である。
トル図である。
図４は、本発明によるセンサのための入射角に対する
信号の強度の理論プロットである。
信号の強度の理論プロットである。
図５は、本発明によるセンサを使って得られた実際の
実験的データを示す図である。
実験的データを示す図である。
図１を参照すると、体液のサンプル中の抗原の定量の
ためのバイオセンサが、銀の薄層（２）によってコーテ
ィンッグされたガラススライド（１）を備えており、こ
の銀の薄層（２）は、その表面の一部が、試験下の抗原
に対する抗体を固定化した層（３）によってコーティン
グされている。レーザ光源（４）からの光は、半円筒形
のプリズム（５）と屈折率整合流体層（６）とによって
スライド内へ結合される。この光は、殆ど等しい大きさ
を有するTM偏光及びTM偏光成分の両方を含む。
ためのバイオセンサが、銀の薄層（２）によってコーテ
ィンッグされたガラススライド（１）を備えており、こ
の銀の薄層（２）は、その表面の一部が、試験下の抗原
に対する抗体を固定化した層（３）によってコーティン
グされている。レーザ光源（４）からの光は、半円筒形
のプリズム（５）と屈折率整合流体層（６）とによって
スライド内へ結合される。この光は、殆ど等しい大きさ
を有するTM偏光及びTM偏光成分の両方を含む。
全内反射は、ガラスと銀の界面で発生し、かつこの反
射光線は、整合流体（６）及びプリズム（５）を通っ
て、スライド（１）の外へ出る。TEとTM成分の位相のず
れの差は、補償板（７）によって補正される。
射光線は、整合流体（６）及びプリズム（５）を通っ
て、スライド（１）の外へ出る。TEとTM成分の位相のず
れの差は、補償板（７）によって補正される。
偏光子（８）は、補償板（７）と位置感知器（９）の
間に配置される。偏光子（８）の透過軸は、この装置が
共鳴範囲外にある時、反射光線の偏光に垂直になるよう
に配置される。
間に配置される。偏光子（８）の透過軸は、この装置が
共鳴範囲外にある時、反射光線の偏光に垂直になるよう
に配置される。
レーザ（４）からの光の入射角θは、共鳴が生じる角
度の範囲を通して変化し得る。共鳴からかなり離間され
ると、反射光線は殆ど又は全く偏光子（８）を通らない
し、従って信号も全く検出されない。共鳴が近づくと、
偏光子（８）の透過軸に沿った反射光線の成分は増加
し、引き続いて共鳴条件を過ぎると、反射光線の当該成
分は減少する。測定された光の強度におけるピークが観
測される（図２参照）。試験下の抗原を含むサンプルが
固定化された抗体の層（３）と接触する時、感応層の屈
折率を変え、これによって、図２の点線によって示され
ているように、共鳴の位置を変える錯化が生じることに
なる。
度の範囲を通して変化し得る。共鳴からかなり離間され
ると、反射光線は殆ど又は全く偏光子（８）を通らない
し、従って信号も全く検出されない。共鳴が近づくと、
偏光子（８）の透過軸に沿った反射光線の成分は増加
し、引き続いて共鳴条件を過ぎると、反射光線の当該成
分は減少する。測定された光の強度におけるピークが観
測される（図２参照）。試験下の抗原を含むサンプルが
固定化された抗体の層（３）と接触する時、感応層の屈
折率を変え、これによって、図２の点線によって示され
ているように、共鳴の位置を変える錯化が生じることに
なる。
TEとTM成分の位相に関する共鳴の効果は、図３に示さ
れている。共鳴から離れて、偏光子（８）の透過軸は、
図3aに示されているように、得られる偏光（TEとTM成分
の和）に垂直である。共鳴の中心では、TM成分は、位相
がシフトされ（典型的にはπラジアンだけ）、またその
大きさが幾らかの損失を受ける（図3b参照）。この点に
おいて、得られる偏光は、透過軸に沿った成分を有し、
いくらか透過する。共鳴条件を超えると、TM成分の位相
のずれは、２πに増加し、系を図3aに示されている状態
へ戻す。
れている。共鳴から離れて、偏光子（８）の透過軸は、
図3aに示されているように、得られる偏光（TEとTM成分
の和）に垂直である。共鳴の中心では、TM成分は、位相
がシフトされ（典型的にはπラジアンだけ）、またその
大きさが幾らかの損失を受ける（図3b参照）。この点に
おいて、得られる偏光は、透過軸に沿った成分を有し、
いくらか透過する。共鳴条件を超えると、TM成分の位相
のずれは、２πに増加し、系を図3aに示されている状態
へ戻す。
二つの異なる厚さを有する銀に対して、BK7基板上に
水と接触してシルバー層を備えるSPR装置を用いて、そ
の入射角θの関数として測定した強度Ｉと入射強度IOの
比の理論プロットを図４に示す。図５は、入射角θに対
して検出された信号強度Ｉ（任意の単位における）の回
折格子型SPR装置を用いて得られた実験的データを示
し、図5aは、TEとTM成分の位相変化における差による反
射光線の楕円偏光を補償した場合であり、図5bは、偏光
の補償をしない場合である。
水と接触してシルバー層を備えるSPR装置を用いて、そ
の入射角θの関数として測定した強度Ｉと入射強度IOの
比の理論プロットを図４に示す。図５は、入射角θに対
して検出された信号強度Ｉ（任意の単位における）の回
折格子型SPR装置を用いて得られた実験的データを示
し、図5aは、TEとTM成分の位相変化における差による反
射光線の楕円偏光を補償した場合であり、図5bは、偏光
の補償をしない場合である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−143729（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−53642（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−138443（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−308946（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−118247（ＪＰ，Ｕ) 特表 平４−506998（ＪＰ，Ａ) 特表 平４−501462（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/74 G01N 21/77 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ)
Claims (11)
- 【請求項１】ａ） SPR装置と、 ｂ） 放射線を前記装置に向けることができる電磁放射
線源と、 ｃ） 前記SPR装置から反射された放射線の強度を測定
するための検出器と、 を備えるSPRセンサにおいて、電磁放射線がTE偏光及びT
M偏光成分を含み、かつ共鳴を起こす角度からはずれた
角度では、光が殆ど又は全く前記検出器に到達しないよ
うに、検光子が前記装置と前記検出器との間に介在され
ていることを特徴とするSPRセンサ。 - 【請求項２】ａ） ブロック状の材料の形態を成すSPR
装置であって、前記ブロックが、該ブロックの第１の表
面の少なくとも一部へ塗布された金属材料層を有し、か
つ前記金属材料層が、前記金属材料層に塗布される分析
物に感応する材料層を有するSPR装置と、 ｂ） 放射線を、前記表面の前記部分から反射させるよ
うに、前記ブロックへ向ける電磁放射線源と、 ｃ） 前記反射された放射線の強度を測定するための検
出器と、 を備える、生物学的、生化学的又は化学的分析物の定性
及び／又は定量を行うためのSPRセンサにおいて、 電磁放射線が、TE偏光及びTM偏光成分を含み、かつ共鳴
を起こす角度からはずれた角度では、殆ど又は全く光が
前記検出器に到達しないように、検光子が前記装置と前
記検出器の間に介在されていることを特徴とするSPRセ
ンサ。 - 【請求項３】前記検光子が、透過軸が前記反射光線によ
り生じる偏光に直交するように配置された偏光子を備え
る請求の範囲１又は２に記載のセンサ。 - 【請求項４】前記入射放射線がほぼ等しい量の前記TE及
び前記TM偏光成分を含んでいる請求の範囲１〜３のいず
れか一項に記載のセンサ。 - 【請求項５】前記光源と前記検光子の間に位置する位相
補償板をさらに備える請求の範囲１〜４のいずれか一項
に記載のセンサ。 - 【請求項６】前記ブロックがガラスからなる請求の範囲
１〜５のいずれか一項に記載のセンサ。 - 【請求項７】金属コーティングが銀からなる請求の範囲
１〜６のいずれかに一項に記載のセンサ。 - 【請求項８】前記感応層が前記金属層上に固定化された
生体分子の層である請求の範囲１〜７のいずれか一項に
記載のセンサ。 - 【請求項９】電磁放射線の光源がレーザである請求の範
囲１〜８のいずれか一項に記載のセンサ。 - 【請求項１０】前記検出器が位置感応検出器である請求
の範囲１〜９いずれか一項に記載のセンサ。 - 【請求項１１】サンプル内の生物学的、生化学的又は化
学的分析物の定性及び／又は定量を行うための方法であ
って、 ａ） 前記サンプルをブロック状の材料の形態を成すSP
R装置の感応領域と接触させる工程であって、前記ブロ
ックが、該ブロックの第１の表面の少なくとも一部に塗
布される金属材料層を有し、前記感応領域が、前記金属
層上にコーティングされる分析物に感応する材料層であ
る工程と、 ｂ） 電磁放射線を前記表面の前記部分から反射させる
ように、前記放射線を、前記ブロック内へ向ける工程で
あって、前記放射線がTE偏光及びTM偏光成分の両方を含
んでいる工程と、 ｃ） 前記SPR装置から反射し、かつ前記装置と前記検
出器の間に介在された検光子を通る放射線の強度を検出
器によって測定する工程と、 を備える方法。
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