JPH09257702A - 表面プラズモン共鳴センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料溶液中の蛋白分子の濃度が低い場合でも
確実に蛋白分子を検知できるよう感度を高めた表面プラ
ズモン共鳴センサ装置を提供する。 【解決手段】 表面プラズモン共鳴センサ装置のセンサ
チップ１のガラス板４上には、表面プラズモン共鳴を起
こす金属薄膜４が形成されいる。この金属薄膜４は試料
容器５の底に配置され、容器５内の試料溶液と接触す
る。容器５内にはまた、対向電極６が設けられており、
やはり試料溶液と接触する。対向電極６と金属薄膜４と
の間に所定の直流電圧が印加され、対向電極６が陰極、
金属薄膜４が陽極となる。試料溶液中の蛋白分子は負に
帯電しているため、陽極たる金属薄膜４に引き寄せられ
て、金属薄膜４近傍での分子濃度が高まり、蛋白の検出
感度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面プラズモン共
鳴現象を利用した表面プラズモン共鳴センサ装置に関
し、特に金属薄膜と高屈折率の光透過媒体を有するセン
サ部の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】表面プラズモン共鳴現象を利用して溶液
などの屈折率やその変動を測定する表面プラズモン共鳴
センサが知られている。ここで、溶液の屈折率の変動は
その溶液中の物質量の変動を反映しているから、例え
ば、生化学や分子生物学や医療検査等の分野で用いられ
るバイオセンサとして、この表面プラズモン共鳴センサ
は利用されている。

【０００３】表面プラズモン共鳴センサは、基本的に、
光源と、金属薄膜を有した光反射面を持つ高屈折率の光
透過媒体と、光検出器とを備える。光透過媒体は、一般
に、ガラスやアクリルといった高屈折率材料で作られて
おり、センサチップと呼ばれる。このセンサチップの光
反射面に形成された金属薄膜の外表面に血液や尿等の試
料を接触させた状態で、光源からセンサチップを通して
その光反射面へ光線を全反射角で入射し、その反射光を
光検出器で受光する。

【０００４】光反射面への入射光のうち、特定の入射角
で入ったものは金属薄膜表面で表面プラズモン共鳴を生
じ、それによりエネルギーを奪われて反射光強度が低下
する。この減光の生じた入射角（プラズモン共振角）を
測定することにより、金属薄膜表面上の屈折率が判明す
る。この原理により、試料中の物質状態を検査すること
ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光反射面での光の挙動
を微視的に観察すると、入射光は金属薄膜に入って薄膜
の外表面から試料空間へ滲み出てから再び金属薄膜に入
り反射光となる。薄膜の外表面から滲み出た光はエバネ
ッセント波と呼ばれ、このエバネッセント波が表面プラ
ズモン共鳴を引き起こす。

【０００６】ここで、エバネッセント波が金属薄膜表面
から滲み出る高さは約１００ｎｍ以下である。従って、
表面プラズモン共鳴センサ装置は、金属薄膜の表面から
高さ約１００ｎｍまでの範囲だけを検知していることに
なる。しかし、例えば溶液に分散している分子を測定し
たい場合、特にその濃度が低い場合には、溶液中ではそ
の分子が上記の検知範囲に拡散してくる確率が低いの
で、分子の検出が困難である。

【０００７】従って本発明は、試料内に存在する対象物
の濃度が低い場合でも対象を検知できるように感度を向
上させた表面プラズモン共鳴センサ装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の表面プラズモン
共鳴センサ装置では、試料と接触する場所に対向電極が
設けられており、この対向電極とセンサチップ上の金属
薄膜との間に直流電圧が印加され得る。試料内の検知対
象物には帯電しているものが多い。例えば、表面プラズ
モン共鳴センサ装置が好んで用いられる代表的な検出対
象の一つである蛋白分子は、溶液中でマイナスに帯電し
ている。このように対象物が帯電している場合、対向電
極と金属薄膜との間に適切な極性の直流電圧を印加すれ
ば、その帯電した対象物を金属薄膜に静電的に引き寄せ
て、金属薄膜表面上の対象物濃度を高めることができ
る。よって、検出感度が向上する。

【０００９】金属薄膜と対向電極との間に電圧を印加し
たとき、電気力線が金属薄膜の少なくとも一部分に集中
するように、金属薄膜の形状が選定されていることが望
ましい。例えば、金属薄膜が対向電極に比較して明らか
に細かったり小さかったりすると、金属薄膜に電気力線
が集中する。あるいは、金属薄膜が鋭い頂点を有してお
り、その頂点が対向電極に向いていると、その頂点に電
気力線が集中する。電気力線が集中した金属薄膜の部分
の表面近傍は不平等電界が形成されるため、中性粒子で
あっても不平衡な分極を生じ、その電気力線が集中した
金属薄膜部分に引き寄せられる。従って、対象物が帯電
していない場合であっても引き寄せ効果が期待できる
し、帯電している場合は引き寄せ効果の一層の向上が望
める。

【００１０】共振角の測定後に、金属薄膜と対向電極と
の間に、対象物を引き寄せた時とは逆極性の電圧を印加
するようにしてもよい。これにより、測定後の対象物を
金属薄膜から解離させる作用が得られる。また、金属薄
膜と対向電極との間に交流電圧を印加して試料のインピ
ーダンス測定できるようにしてもよい。

【００１１】対向電極の他に補助的な別の電極を設ける
こともできる。これにより、電荷を帯びた粒子の移動度
の差を利用して、粒子を分類することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１３】図１は本発明の一実施形態を示す構成図で
ある。表面プラズモン共鳴センサ装置は、光源とセンサ
チップと光検出器とを備えるが、図１ではセンサチップ
及びその周辺の部分のみを示している。

【００１４】センサチップ１は、ガラス又はアクリルの
透明基板３と、この基板３の光反射面上に蒸着された金
属薄膜４からなり、基板３と同じ屈折率をもつ三角プリ
ズム（他の形状のプリズムでもよい）２の上にマッチン
グオイルを介して接合されている。尚、透明基板３を省
略して、三角プリズム２の表面に直接金属薄膜４を形成
してもよい。金属薄膜４の材料は金または銀であり、厚
さは約５０ｎｍである。図示しない光源からの光がプリ
ズム２を通って基板３の光反射面に入射し、ここで反射
して再びプリズム２を通り、図示しない光検出器に受光
される。光反射面では、入射光は金属薄膜４の外表面上
の高さ約１００ｎｍまでの範囲にエバネッセント波とし
て滲み出て、それから再び金属薄膜４内に入り反射光と
なる。

【００１５】プリズム２は、試料（溶液）を入れるため
のセル（容器）５の底部に取り付けられており、センサ
チップ１の金属薄膜４はセル５内に臨んでいる。また、
セル５の天板７の下面には、センサチップ１の金属薄膜
４に対向して電極６が設置されている。この対向電極６
とセンサチップ１の金属薄膜４との間には、所定の直流
電圧が印加され得る。電圧極性は、例えば対向電極６が
陰極で金属薄膜４が陽極である。

【００１６】このセンサ装置の用途は例えば、血液や尿
のような試料溶液から特定の蛋白分子を検出することで
ある。金属薄膜４の外表面には、その蛋白分子を特異的
に吸着する抗体が固定されている。試料溶液がセル５内
に入れられると、試料溶液は金属薄膜４と対向電極６の
双方に接する。試料溶液内の蛋白分子は一般に知られて
いるようにマイナスの電荷を持っている。金属薄膜４と
対向電極６間に上記極性の電圧を印加すると両電極４、
６間の電界のクーロン力により、マイナス帯電の蛋白分
子は陽極たる金属薄膜４側に引き寄せられる。この結
果、金属薄膜４の近傍の蛋白分子の濃度が増加し、金属
薄膜４上の抗体に蛋白分子が良好に吸着される。従っ
て、蛋白分子を検出する感度が向上する。

【００１７】なお、試料溶液の電気伝導率が高い場合に
は、対向電極６の表面を絶縁膜（誘電体膜）で覆っても
よい。また、検知対象が試料中でプラスに帯電している
ものである場合は、電極４、６間に印加する電圧極性を
上記と逆にする。

【００１８】図２は、本発明の第２の実施形態における
電極構成を示す斜視図である。センサチップ１の透明基
板３上に、表面プラズモン共振を起こす金属薄膜４と、
対向電極６とが並列に配置されており、両者間に所定極
性の直流電圧が印加され得る。金属薄膜４の表面と対向
電極６の表面とを円弧状に結ぶように電気力線ができ、
その電界によって検出対象の分子が金属薄膜４に引き寄
せられる。

【００１９】図３は、第３の実施形態における電極構成
を示す斜視図である。

【００２０】均一でない電界中では電界強度の傾きのた
めに、中性粒子にも不平衡な分極が生じ、電界の強い方
に粒子が引き寄せられる現象が知られている。この引き
寄せ力はグラディエント力と呼ばれ、粒子の帯電の有無
に関わらず働く。

【００２１】本実施形態では、セル天面７上の対向電極
６に比較して、透明基板３上の金属薄膜４は顕著に幅の
狭い形状にしている。これにより、幅広の対向電極６か
ら幅狭の金属薄膜４へ電気力線が集中するように出来る
ので、金属薄膜４の表面では不均一の強い電界が形成さ
れて、グラディエント力が働く。従って、検知対象が中
性粒子であっても、金属薄膜４に引き寄せることができ
る。

【００２２】図４は、第４の実施形態の電極構成を示
す。図２に示した実施形態と同様に透明基板３上に金属
薄膜４と対向電極６とが並列に配置されているが、対向
電極６が方形であるのに対し、金属薄膜４は三角形状で
ありその頂点４ａは対向電極６へ向いている。金属薄膜
４と対向電極６間へ電圧を印加すると、金属薄膜４の頂
点４ａに電気力線が集中するのでグラディエント力が働
き、中性粒子であってもこれを頂点４ａに引き寄せる。
この頂点４ａの部分に光が入射されて、プラズモン共振
角の測定が行われる。

【００２３】図５は、第５の実施形態における電極構成
を示す。透明基板３の光反射面上に三角形の金属薄膜４
と方形の対向電極６とが形成され、一方、セル５の天板
７上には方形の補助電極８が形成されている。また、図
６は、第６の実施形態における電極構成を示し、透明基
板３上に、三角形の金属薄膜４と、方形の対向電極６
と、両者を両側から挟むような一対の方形の補助電極
８、８とが配置されている。

【００２４】図５、図６に示した電極構成では、補助電
極８を次のように利用することができる。例えば、補助
電極８を例えば塩化銀で形成し、基準電極として利用す
ることができる。あるいは、最初に補助電極８と対向電
極６の間で電界を形成して（金属薄膜４には電圧をかけ
ない）イオンなど移動度が高い物質を対向電極６と補助
電極８に捕捉し、その後、金属薄膜４にも電圧をかけ、
検出対象たる分子を金属薄膜４に引き寄せて表面プラズ
モンの共振角を測定するという利用形態もある。

【００２５】上述した複数の実施形態によれば、検出対
象分子を金属薄膜４に引き寄せて検出感度を上げること
ができる。また、次の様な使い方により更に別の利点も
得られる。例えば、対象分子を金属薄膜４の抗体に集め
て共振角を測定した後、集めたときとは逆極性の直流電
圧を電極４、６に印加することにより、対象分子を金属
薄膜４上の抗体から解離しやすくすることができる。ま
た、例えば、電極４、６間に交流電圧を印加して溶液の
インピーダンスを測定することによって、溶液の電気伝
導度を知ることもできる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、表面プラズモン共鳴セ
ンサ装置の感度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のセンサチップ近傍部
分の基本構成を示す断面図である。

【図２】第２の実施形態における電極構成を示す平面図
である。

【図３】第３の実施形態における電極構成を示す斜視図
である。

【図４】第４の実施形態における電極構成を示す平面図
である。

【図５】第５の実施形態における電極構成を示す斜視図
である。

【図６】第６の実施形態における電極構成を示す平面図
である。

【符号の説明】

１ センサチップ ４ 金属薄膜 ６ 対向電極 ８ 補助電極

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面プラズモン共鳴を生じるための金属
   薄膜を有した光反射面を持つセンサチップを備えた、前
   記金属薄膜と接触している試料を検査するための表面プ
   ラズモン共鳴センサ装置において、 前記試料と接触する場所に設置された対向電極と、 前記金属薄膜と前記対向電極との間に直流電圧を印加す
   る手段とを備えたことを特徴とする表面プラズモン共鳴
   センサ装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、前記対向
   電極が前記センサチップから離れた場所に配置されてい
   ることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の装置において、前記対向
   電極が前記センサチップ上に配置されていることを特徴
   とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の装置において、前記対向
   電極が誘電体で被覆されていることを特徴とする表面プ
   ラズモン共鳴センサ装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の装置において、前記金属
   薄膜が、電気力線の集中する部分を有することを特徴と
   する表面プラズモン共鳴センサ装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の装置において、前記金属
   薄膜の電気力線の集中する部分に光源からの光が入射す
   ることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
7. 【請求項７】 請求項１記載の装置において、前記直流
   電圧を印加する手段が、前記直流電圧の極性を変更でき
   ることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
8. 【請求項８】 請求項１記載の装置において、前記金属
   薄膜と前記対向電極との間に交流電圧を印加して前記試
   料のインピーダンスを測定するための手段を更に備えた
   ことを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
9. 【請求項９】 請求項１記載の装置において、前記試料
   と接触する別の場所に設置された補助電極をさらに備え
   たことを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の装置において、前記補
    助電極と前記対向電極との間に別の直流電圧を印加する
    手段とをさらに備えたことを特徴とする表面プラズモン
    共鳴センサ装置。
11. 【請求項１１】 表面プラズモン共鳴センサ装置で用い
    られる、試料と接触して表面プラズモン共鳴を生じるた
    めの金属薄膜を有した光反射面を持つセンサチップにお
    いて、 前記試料と接触する場所に、前記金属薄膜との間で電界
    を形成するための対向電極を備えたことを特徴とする表
    面プラズモン共鳴センサ装置用のセンサチップ。