JP2003185572A - 表面プラズモン共鳴センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、試料に吸着した反応種の種別を判
別することにより、試料における反応を高精度に検出
し、再現性良く把握することのできる表面プラズモン共
鳴センサ装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明による表面プラズモン共鳴センサ
装置は、一方の面に生化学反応測定用の試料が載置さ
れ、他方の面で反射面を構成して表面プラズモン共鳴を
生じさせる薄膜が形成された光学系と、前記薄膜の反射
面でプラズモン共鳴を生じさせるための複数の波長の光
を前記反射面に向けて照射する光源と、前記反射面での
反射光をそれぞれの波長毎に分割する光分割手段と、前
記光分割手段で分割された各波長の光の強度をそれぞれ
検出する複数の波長光検出手段とを備え、前記光検出手
段の検出結果に基づき前記試料に含まれる反応種の種別
を判別できる構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生化学計測の対象
となる液体試料の微少質量変化を検出するするために、
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、生化学反応の生じた試料の種
別を識別することのできる表面プラズモン共鳴センサ装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、生化学的反応の進行に伴う物
質の物理化学的な変化量を検出する方法として、表面プ
ラズモン共鳴現象を用いた表面プラズモン共鳴センサ装
置が知られている。これは、例えば、図４に示すよう
に、回折格子を備えた平行ガラス基板（またはガラスプ
リズム）１の表面に金や銀等の金属薄膜２を真空蒸着等
の成膜技術を用いて形成し、ガラス基板１の側から金属
薄膜２との界面に向かって全反射条件を満足する角度で
レーザ光３を照射すると、特定の入射角θの時に、金属
薄膜２に表面プラズモン共鳴が励起されるというもので
ある。

【０００３】表面プラズモン共鳴が励起されると、金属
薄膜２上のプラズモン波に光エネルギが吸収されるた
め、ガラス基板１と金属薄膜２との界面で全反射する反
射光５の強度が鋭く低下する。図５に、入射角θと反射
光５の強度との関係を示す。ここで、表面プラズモン共
鳴が生じる入射角θは、金属薄膜２と接触している測定
部４の試料溶液など媒質の密度（すなわち、金属薄膜表
面の質量）に依存するという関係がある。

【０００４】従って、この光学系から反射され反射光５
が特異的に低下する反射角を求めることにより、表面プ
ラズモン共鳴現象の有無、並びに、表面プラズモン共鳴
現象が生じている時の入射角θを求めることができ、結
果として媒質の密度、すなわち、金属薄膜表面の質量の
変化を求めることが可能となる。

【０００５】このように、金属薄膜表面の質量の微少変
化は、金属薄膜の表面プラズモン共鳴吸収による大きな
光量変化として鋭敏に検知することができるようにな
る。従って、この表面プラズモン共鳴現象を応用した計
測法では、非常に微少な量を対象として計測が可能とな
り、通常、１ピコグラムの質量変化をも検出できる。そ
れゆえ、一般的な計測方法では計測できない微少量を扱
う生化学計測にも応用されている。例えば、図５に示す
２つの特性のように、測定部４（図４参照）におけるＤ
ＮＡ結合の有無が、反射光５の強度が低下する入射角θ
の違いとなって現れるので、ＤＮＡの結合による質量の
微少変化を検知することができる。

【０００６】一般に、上述した表面プラズモン共鳴セン
サ装置は、一つの検出部位で行われる生化学反応を対象
として、個々に計測を行なうものであり、計測の作業効
率が悪いため、多数の試料を計測するための装置が開発
されている。例えば、特開２０００−６５７３０号公報
に記載されているように、多種類の試料成分の表面プラ
ズモン共鳴角を効率的に検出する装置が開発されてい
る。図６を用いて簡単に説明すると、この従来の装置
は、試料溶液が吸着される金属薄膜（図示せず）が成膜
されたガラス基板６を設けたセンサーチップ７に密着す
るプリズム８に対して光照射装置９からの光を所要の角
度で入射し、受光装置１０によりガラス基板６の金属薄
膜境界面からの反射光を受光してその強度が最小になる
共鳴角により試料溶液の成分を検出する。下面が開口し
た多数のセル１１ａが所要の間隔で配列されたセルプレ
ート１１の下面にガラス基板６を、各セル１１ａの開口
を閉鎖するように取り付けてセンサーチップ７を構成す
る。プリズム８を複数のセル１１ａに応じた大きさに形
成し、プリズム８に対して複数のセル１１ａに応じたガ
ラス基板６を選択的に密着させた状態で選択された各セ
ル１１ａにおけるガラス基板６の金属薄膜境界面に夫々
の光を所要の角度幅で照射する。各セル１１ａに対応す
るガラス基板６の金属薄膜境界面からの各反射光の強度
に基づいて選択された各セル１１ａ内に分注された試料
溶液の共鳴角を同時に検出可能にしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の装置は以上のよ
うに構成されていたため、次のような課題が存在してい
た。すなわち、従来の表面プラズモン共鳴センサ装置で
は、試料の質量変化を検出することにより、試料に生化
学反応が生じたか否かを判別することはできたが、試料
に吸着した反応種の種別を判別することはできなかっ
た。例えば、ＤＮＡで吸着反応が生じたのか、あるいは
ＤＮＡ以外のタンパク質で吸着反応が生じたのかを判別
することはできなかった。

【０００８】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたもので、特に、試料に吸着した反応種の種
別を判別することにより、試料における反応を高精度に
検出し、再現性良く把握することのできる表面プラズモ
ン共鳴センサ装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の表面プラズモン
共鳴センサ装置は、一方の面に生化学反応測定用の試料
が載置され、他方の面で反射面を構成して表面プラズモ
ン共鳴を生じさせる薄膜が形成された光学系と、前記薄
膜の反射面でプラズモン共鳴を生じさせるための複数の
波長の光を前記反射面に向けて照射する光源と、前記反
射面での反射光をそれぞれの波長毎に分割する光分割手
段と、前記光分割手段で分割された各波長の光の強度を
それぞれ検出する複数の波長光検出手段とを備え、前記
光検出手段の検出結果に基づき前記試料に含まれる反応
種の種別を判別できる構成であり、また、前記試料は前
記薄膜の一方の面に複数載置されると共に、前記光検出
手段は、前記複数の試料による表面プラズモン共鳴の発
生の有無を同時かつ個別的に検出できるように構成され
ている構成である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明による表
面プラズモン共鳴センサ装置の好適な実施の形態につい
て詳細に説明する。なお、従来装置と同一または同等部
分には同一符号を付し、その説明を省略する。

【００１１】実施の形態１．図１に示すように、本発明
の実施の形態１に係る表面プラズモン共鳴センサ装置に
おいて、波長２６０ｎｍ及び２８０ｎｍの２種類の光を
同時に照射できる光源である水銀ランプ１５から照射さ
れる光１５ａは、第１レンズ１６を介して収束され、断
面半円形の柱状の光学系であるプリズム１７に誘導され
る。前記プリズム１７の平面には金属薄膜２が形成され
ており、この金属薄膜２上に生化学反応検出用の試料が
塗布される。プリズム１７に入射した光１５ａは金属薄
膜２の前記試料が塗布された位置の裏側に照射され、反
射光１５ｂは第２レンズ１８を経て光分割手段であるビ
ームスプリッタ１９に入射し、２方向に分割される。

【００１２】ビームスプリッタ１９で反射された光１９
ａは、波長２８０ｎｍの光を透過する第１フィルタ２０
を経て第１光検出器２１に誘導される。一方、ビームス
プリッタ１９を透過した光１９ｂは、２６０ｎｍの光を
透過する第２フィルタ２２を透過して第２光検出器２３
に誘導される。それぞれの光１９ａ（波長２８０ｎｍ）
及び１９ｂ（波長２６０ｎｍ）は、光検出手段である第
１光検出器２１及び第２光検出器２３において反射率
（反射光強度）が求められる。

【００１３】水銀ランプ１５が波長２６０ｎｍと２８０
ｎｍの２種類の光を同時に照射できるようにしたのは、
一般にＤＮＡは波長２６０ｎｍに吸収ピークを持ち、一
方タンパク質は波長２８０ｎｍに吸収ピークを持つから
であり、このように光源である水銀ランプ１５に試料特
有の吸収波長の光を照射させることにより、質量変化に
加えて、反応種の種別判別が可能となる。

【００１４】例えば、ＤＮＡ間結合を検出する場合にお
いても、タンパク質等のＤＮＡ以外の物質の影響が生じ
るが、波長２６０ｎｍと２８０ｎｍの２波長を含む水銀
ランプ１５からの光１５ａを、それぞれの波長における
プラズモン共鳴角以上となる集光角を持つようにプリズ
ム１７ヘ入射させる。このときの入射角は、その共鳴角
付近とする。

【００１５】図２に示すように、予め測定しておいたタ
ンパク質のみの場合のプラズモン共鳴スペクトル（図２
の特性ａ：波長２８０ｎｍ）と、予め測定したＤＮＡの
みの場合の共鳴スペクトル（図２の特性ｃ：波長２６０
ｎｍ）とを用いて検量線を作成し、実際の試料の場合の
プラズモン共鳴スペクトル（図２の特性ｂ）を測定する
ことにより、１つの測量点におけるＤＮＡ以外のタンパ
ク質等の物質による影響を把握することができ、ＤＮＡ
間の吸着反応やＤＮＡ以外のタンパク質間における吸着
反応を高精度に検出し、再現性良く把握することが可能
となる。

【００１６】なお、以上の説明では、ＤＮＡが波長２６
０ｎｍに吸収ピークを持ち、一方タンパク質は波長２８
０ｎｍに吸収ピークを持つ場合について説明したが、Ｄ
ＮＡないしこれ以外のタンパク質が上述した波長領域以
外に吸収ピークを有する場合もある。このような場合
は、光源である水銀ランプ１５の照射光波長を変更する
と共に、第１フィルタ２０及び第２フィルタ２２の透過
波長帯域を変更すればよく、２つの波長の光を同時に照
射できる光源及びこれを別個に検出できる光学系を用い
れば、どのような波長に吸収ピークを有する試料であっ
ても反応種の種別判別が可能となる。

【００１７】また、３種類以上の波長の光を照射できる
光源を用いると共に、例えばビームスプリッタを複数段
設ける等の手法により多くの反応種の種別判別を可能と
する光学系を用いれば、より多くの反応種の種別判別が
可能な表面プラズモン共鳴センサ装置を提供することが
できる。さらに、金属薄膜２上に複数の試料を載置し、
第１光検出器２１及び第２光検出器２３として２次元ア
レイセンサを用いれば、複数点に載置された複数の試料
について同時に反応種の種別判別を行うことのできる表
面プラズモン共鳴センサ装置を提供することができる。

【００１８】実施の形態２．図３に示すように、本発明
の実施の形態２に係る表面プラズモン共鳴センサ装置
は、光源として２光子吸収過程を発生できる光強度を有
する短パルスレーザ２５を用いる。例えば、ＤＮＡを検
出する場合は、その吸収ピーク波長である２６０ｎｍの
倍となる波長５２０ｎｍが必要であり、同様に、タンパ
ク質を検出するためには、吸収ピーク波長２８０ｎｍの
倍波長の５６０ｎｍが必要となる。従って、５２０ｎｍ
及び５６０ｎｍの２種類の波長のレーザ光を照射できる
短パルスレーザ２５を光源として用いれば、実施の形態
１に係る表面プラズモン共鳴センサ装置と同様に、ＤＮ
Ａ間の吸着反応やＤＮＡ以外のタンパク質間における吸
着反応を高精度に検出し、再現性良く把握することが可
能となる。

【００１９】

【発明の効果】本発明の表面プラズモン共鳴センサ装置
は、一方の面に生化学反応測定用の試料が塗布され、他
方の面で反射面を構成して表面プラズモン共鳴を生じさ
せる薄膜が形成された光学系と、前記薄膜の反射面でプ
ラズモン共鳴を生じさせるための複数の波長の光を前記
反射面に向けて照射する光源と、前記反射面での反射光
をそれぞれの波長毎に分割する光分割手段と、前記光分
割手段で分割された各波長の光の強度をそれぞれ検出す
る複数の波長光検出手段とを備え、前記光検出手段の検
出結果に基づき前記試料に含まれる反応種の種別を判別
できるので、ＤＮＡ間の吸着反応やＤＮＡ以外のタンパ
ク質間における吸着反応を高精度に検出し、再現性良く
把握することが可能となる。また、前記試料は前記薄膜
の一方の面に複数載置されると共に、前記光検出手段
は、前記複数の試料による表面プラズモン共鳴の発生の
有無を同時かつ個別的に検出できるように構成されてい
るので、複数点に載置された複数の試料について同時に
反応種の種別判別を行うことのできる表面プラズモン共
鳴センサ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る表面プラズモン共
鳴センサ装置を概略的に示す構成図である。

【図２】各試料におけるプラズモン共鳴スペクトルを示
す特性図である。

【図３】本発明の実施の形態２に係る表面プラズモン共
鳴センサ装置を概略的に示す構成図である。

【図４】表面プラズモン共鳴を利用して質量変化を検出
するための検出原理を概念的に示す図である。

【図５】表面プラズモン共鳴を利用した質量変化の検出
における入射角θと反射光の強度との関係を示す特性図
である。

【図６】特開２０００−６５７３０号公報記載の多種類
の試料成分の表面プラズモン共鳴角を効率的に検出する
装置を示す構成図である。

【符号の説明】

２ 金属薄膜、１５ 水銀ランプ、１５ａ 光、１５ｂ
反射光、１６ 第１レンズ、１７ プリズム、１８
第２レンズ、１９ ビームスプリッタ、１９ａ光（波長
２８０ｎｍ）、１９ｂ 光（波長２６０ｎｍ）、２０
第１フィルタ、２１ 第１光検出器、２２ 第２フィル
タ、２３ 第２光検出器、２５ 短パルスレーザ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田原 諭 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者 中山 博之 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者 坂井 琢磨 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者 犬塚 博誠 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB04 BB12 CC16 EE02 EE11 EE12 GG01 GG08 GG10 HH02 HH03 HH06 JJ02 JJ11 JJ12 JJ22 KK03 KK04 MM12 4B029 AA07 BB15 BB20 CC02 FA10

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の面に生化学反応測定用の試料が載
   置され、他方の面で反射面を構成して表面プラズモン共
   鳴を生じさせる薄膜が形成された光学系と、 前記薄膜の反射面でプラズモン共鳴を生じさせるための
   複数の波長の光を前記反射面に向けて照射する光源と、 前記反射面での反射光をそれぞれの波長毎に分割する光
   分割手段と、 前記光分割手段で分割された各波長の光の強度をそれぞ
   れ検出する複数の波長光検出手段とを備え、前記光検出
   手段の検出結果に基づき前記試料に含まれる反応種の種
   別を判別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。
2. 【請求項２】 前記試料は前記薄膜の一方の面に複数載
   置されると共に、前記光検出手段は、前記複数の試料に
   よる表面プラズモン共鳴の発生の有無を同時かつ個別的
   に検出できるように構成されていることを特徴とする請
   求項１記載の表面プラズモン共鳴センサ装置。