JP5268102B2 - 液滴形状を有するｓｐｒ計測用チップ - Google Patents

Description

本発明は、光学系を使用して被測定溶液中の特定物質を定量あるいは定性的に測定する表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance：ＳＰＲ）現象を利用した測定に使用するＳＰＲ計測用チップに関する。

表面プラズモン共鳴計測のためにはプリズムと、金属薄膜を有するプリズムと同じ屈折率を有する透明基板と、プリズムと透明基板を光学的に接着させる接着層とが必要である。接着層には通常、屈折率整合オイルが利用され、測定毎に透明基板を交換する。

上述した、従来のＳＰＲ光学系の構成例の断面図を図１に示す。
図１において、ＳＰＲ光学系１００は、光源１０１と、レンズ１０２と、プリズム１０３と、受光素子１０４と、マッチングオイル１０５と、金属薄膜を有する透明基板１０６とを備える。ＳＰＲ光学系１１０は、透明基板１０６をプリズム１０３にマッチングオイル１０５を介して張り合わせた状態を示す。

しかしながら、屈折率整合オイル１０５はプリズム上に残り、透明基板１０６を交換するたびにプリズム１０３を洗浄する手間が必要となる。こうした、手間を省くためにオイルの代わりに、屈折率を整合させたシートが利用されるが、密着時に気泡が入りやすく測定が困難になる。密着時に透明基板が安定しない、透明基板１０６がプリズム１０３と強く密着され交換に手間がかかるという欠点が生じる。

特許文献１には、屈折率整合オイルの代わりに屈折率整合透明フィルムを利用し、ガラス基板の交換時にプリズム上の洗浄の必要がないシステムが紹介されている。しかしながら、屈折率整合透明フィルムをガラス基板とプリズムの間に設置しなければならないことや、その際に気泡が入りやすいなどの問題があった。

また、特許文献２には、プリズムと計測チップの間に光学インターフェースプレートを設置する発明が記載されているが、部品点数が増えるばかりでなく、その形状が複雑であるという問題がある。

特許第３３５６２１２号公報 特許第３２９４６０５号公報

本発明は、ＳＰＲ光学系において、透明基板上に一体形成された屈折率整合シート形状を最適化すること、もしくは透明基板の形状も最適化することによって、上記問題点を解決し、容易にＳＰＲ計測チップを交換できる手法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の表面プラズモン共鳴計測用チップは、表面プラズモン共鳴計測用の金属薄膜を有する透明基板と、上記透明基板の上記金属薄膜とは反対側の面に、透明な弾性粘着シートをさらに備え、上記透明な弾性粘着シートは、シートの端から中央に向かって盛り上がった液滴形状を有し、かつ前記透明基板とは反対側の面の片面のみ液滴形状とされ、前記透明な弾性粘着シートは、前記透明基板の計測上必要な光路をカバーする複数の部分に分かれて設けられることを特徴とする。

また、上記透明な弾性粘着シートは、上記透明基板の上記金属薄膜とは反対側の面に設けられた窪みに形成されてもよい。

また、上記透明な弾性粘着シートは、上記透明基板を侵食しない自己硬化型材料であってもよい。

また、上記透明基板の上記透明な弾性粘着シート以外の部分に、上記プリズムと上記透明基板の距離を規定するスペーサを設けてもよい。

また、上記透明な弾性粘着シートには、使用前に保護剥離シートが装着されてもよい。

本発明によれば、ＳＰＲ光学系において、透明基板上に一体形成された屈折率整合シート形状を最適化すること、もしくは透明基板の形状も最適化することによって、透明基板が密着時に気泡が入りやすく測定が困難になる、密着時に透明基板が安定しないなどの従来の問題点を解決し、容易にＳＰＲ計測チップを交換できる手法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図２に、本発明の屈折率整合シートを使用するＳＰＲ光学系の構成例の断面図を示す。
図２において、ＳＰＲ光学系２００は、光源２０１と、レンズ２０２と、プリズム２０３と、受光素子２０４と、金属薄膜を有する透明基板２０５と、屈折率整合シート２０６とを備える。ＳＰＲ光学系２１０は、透明基板２０５をプリズム２０３に屈折率整合シート２０６を介して張り合わせた状態を示す。

金属薄膜を形成した透明基板２０５の裏側に、液滴形状をした屈折率整合シート２０６が形成されている。屈折率整合シート２０６は透明基板２０５に直接塗布され、液滴形状を有している。この液滴形状によって、透明基板２０５をプリズム２０３に密着するとき屈折率整合シート２０６の中央部から徐々に密着され、気泡が外部に押し出されるようになる。

さらに、屈折率整合シート２０６の材料は、シリコン高分子であり、ゴムもしくはゲルのような性状を有しており、密着を解除すると、元の形状に戻ろうとする。そのためにプリズム２０３との密着面が自然と小さくなり、容易に透明基板２０５の交換が可能となる。

屈折率整合シート２０６は、シートの材料を透明基板２０５に直接塗布され、その材料の透明基板２０５との親和性や表面張力、滴下量によって形状が決まる。透明基板２０５との親和性が低ければ、シート材料をはじくようになるため水玉のようになってしまう。よって、ある程度親和性の高い材料を選定する必要がある。透明基板２０５がガラスやプラスチック製の場合は、シリコン高分子が適している。

透明基板２０５にシート材料を滴下する量は、ＳＰＲ装置の設計に依存する。光源２０１からの光が透明基板２０５の表面で焦点を結ぶように設計されるため、焦点位置はプリズム２０３の上面から上方向に存在している。その距離が透明基板２０５と屈折率整合シート２０６の圧着時の厚みでなければならないため、その塗布量は正確に制御する必要がある。

また、最適な液滴形状を得るためには、塗布する面積と塗布量を制御しなければならない。塗布面積が小さすぎて、塗布量が多すぎれば半円状の形状となってしまうために、圧着時にプリズム２０３と接触している面積が小さくなってしまう。その状態で無理に圧着しようとすると、かなりの圧力で圧着しなければならない。ただし、上記の問題は精密ポンプを使用すれば正確な制御が可能であり、重要な問題とならない。

一番簡単な形状は、透明基板２０５全面に液滴形状を有する屈折率整合シート２０６が形成されているものである。ただし、この形状では密着時に透明基板２０５が傾いてしまう可能性がある。そこで、図３に示すＳＰＲ光学系３００のように塗布する部分を２箇所にする形状が考えられる。

図３に示す形状では、プリズム３０３との密着部は２箇所もしくはそれ以上に分かれており、透明基板３０５の密着時の傾きを抑えることが可能である。この場合は、屈折率整合シート３０６を塗布する２箇所は片方が透明基板３０５への入射光の光路であり、他方が出射光の光路にあたる。よって、塗布する形状は２つの光路をカバーするように設計しなければならない。

上述のような形状を有する屈折率整合シート３０６を作製するためには、透明基板３０５にマスクを用いて塗布する方法、スクリーン印刷を用いる方法などの様々な方法が考えられるが、その１つとして、図４に示すＳＰＲ計測チップ４００のように透明基板４０１の形状を変更することも考えられる。

図４において、透明基板４０１は、予めシート材料が塗布される部分の形状が窪ませてあり、シート材料がそれ以上に広がらない形状となっている。さらにこの形状の凸部は、透明基板４０１をプリズム３０３に密着させたときの屈折率整合シート４０２が圧着されてつぶれる際のスペーサの役目を担い、圧着されたときの厚みを制御する機能を持たせることも可能である。

なお、圧着時のシリコンゴムの厚みを制御するために、透明基板の屈折率整合シートがない部分に、別部品のスペーサを設置することも可能であり、また、計測前に屈折率整合シートに傷などが付くことを防止するために、使用前にはシート状の保護テープが貼られ、使用直前に保護テープを剥がすことにより、常に正常で傷のないシートをプリズム３０３に圧着できるようにすることも可能である。

ＳＰＲ光学系においてプリズム材質をＢＫ７（屈折率＝１．５１）ガラスとし、透明基板には１６×１６×０．５ｍｍのＢＫ７ガラスを採用した。透明基板の一方の面には蒸着にてチタンを接着層（２〜３ｎｍ）として金薄膜（４７ｎｍ）を形成した。

金薄膜とは反対側の面に、２液混合タイプで硬化後の屈折率が１．５２の透明シリコンゴムをピペットでスポットし、全体に延ばした。この屈折率整合シートの硬化後の厚みは０．５ｍｍとなるように樹脂量を調整した。樹脂は塗布した後は表面張力で液滴形状になっている。

シリコン樹脂塗布後の基板を室温放置もしくは加熱によって硬化させ、屈折率整合シート一体型ＳＰＲ計測チップを作製した。作製した屈折率整合シート一体型ＳＰＲ計測チップを図５に示すようなＳＰＲ光学系に設置、上から加重をかけることによって、プリズムに密着させ、ＳＰＲを計測した。

図５において、ＳＰＲ光学系５００は、光源５０１と、球面レンズＡ５０２と、円筒形レンズＡ５０３と、プリズム５０４と、円筒形レンズＢ５０５と、偏光子５０６と、球面レンズＢ５０７と、光検出器５０８と、屈折率整合シート５０９と、透明基板５１０と、金属薄膜５１１とを備える。

上述の条件によるＳＰＲ計測を確認する画像を図６に示す。金薄膜上にはサンプルとして水を滴下した。図６において、横軸はＳＰＲ角度方向に相当し、縦方向はチップ上の焦線方向に相当する。ＳＰＲ現象による反射光現象のため画像左側に暗線が確認でき、良好な計測が行えることが分かる。

プリズム材質をＢＫ７とし、透明基板に１６×１６×１ｍｍのＢＫ７ガラスを採用した。透明基板の一方の面にはスパッタにてチタンを接着層（２〜３ｎｍ）として金薄膜（４７ｎｍ）を形成した。

金薄膜とは反対側の面に、硬化後の屈折率が１．５１の透明シリコンゴムをドクターブレード法にて膜厚が０．１ｍｍになるように塗布した。その後、加熱によって硬化させ、屈折率整合シートを作製した。透明シリコンゲルの塗布形状は、図７に示す塗布形状７００のように設定した。

作製した屈折率整合シート一体型ＳＰＲ計測チップを実施例１と同じＳＰＲ光学系により計測した。この条件で水のＳＰＲを計測した画像を図８に示す。図８から、屈折率整合オイルを使用した場合と遜色なく、本発明のＳＰＲ計測用チップが利用できることがわかる。

プリズム材質をＢＫ７とし、透明基板を厚さ１ｍｍの環状ポリオレフィンを材料としたプラスチックを採用した。透明基板の一方の面には蒸着にてチタンを接着層（２〜３ｎｍ）として金薄膜（４７ｎｍ）を形成した。

金薄膜とは反対側の面に、２液混合タイプで硬化後の屈折率が１．５３の透明シリコンゴムをスポットし、全体に延ばした。この屈折率整合シートの硬化後の厚みは０．１ｍｍとなるように樹脂量を調整した。樹脂を塗布した形状は実施例２と同じである。

上記で作製したチップを実施例１と同じ光学系に設置し、ＳＰＲの確認を行った画像を図９に、グラフを図１０に示す。図９、１０から、屈折率整合オイルを使用した場合と遜色なく、本発明のＳＰＲ計測用チップが利用できることがわかる。

プリズム材質をＢＫ７とし、透明基板を厚さ１ｍｍの環状ポリオレフィンを材料としたプラスチックを採用した。透明基板の一方の面には蒸着にてチタンを接着層（２〜３ｎｍ）として金薄膜（４７ｎｍ）を形成した。

金薄膜とは反対側の面に、２液混合タイプで硬化後の屈折率が１．５３の透明シリコンゴムを滴下し、塗布した。この屈折率整合シートの硬化後の厚みは０．１ｍｍとなるようにした。作製したＳＰＲ計測チップを実施例１と同じＳＰＲ光学系に計測した。図１１は、水のＳＰＲ計測を確認する画像である。

さらに同じように作製された計測チップで抗原抗体反応の確認を行った。作製された屈折率整合シート一体型ＳＰＲ計測チップに２つのチャンネルを設け、片方にＡｎｔｉ−ＩｇＧを固定化・ＢＳＡブロッキングし、もう片方には参照チャンネルとして、ＢＳＡブロッキングのみを行った。そのチップをＳＰＲ光学系に設置し、サンプルとして１００ｎｇ／ｍｌのＩｇＧ溶液を流した。このときの測定結果を図１２に示す。図１２から、１０００ｓｅｃで１００ｎｇ／ｍｌのＩｇＧを流したところ、抗原抗体反応によって、シグナルの増加が確認された。

以上のように本発明のＳＰＲ計測用チップによれば、光学特性および実際の抗原抗体反応の計測などにおいてガラスとマッチングオイルの組み合わせで利用される方法と同等の性能を得ることができ、かつ、容易に基板を着脱できるものとすることができる。

従来のＳＰＲ測光学系の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるＳＰＲ計測用チップを使用したＳＰＲ光学系の構成を示す断面図である。 本発明の別の実施形態によるＳＰＲ計測用チップを使用したＳＰＲ光学系の構成を示す断面図である。 本発明の別の実施形態によるＳＰＲ計測用チップの断面図および上面図である。 本発明の実施例１に係るＳＰＲ計測用チップを使用したＳＰＲ光学系の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るＳＰＲ計測用チップを使用したＳＰＲ計測を確認する画像を示す図である。 本発明の実施例２に係るＳＰＲ計測用チップの透明シリコンゲルの塗布形状を示す図である。 本発明の実施例２に係るＳＰＲ計測用チップを使用したＳＰＲ計測を確認する画像を示す図である。 本発明の実施例３に係るＳＰＲ計測用チップを使用したＳＰＲ計測を確認する画像を示す図である。 本発明の実施例３に係るＳＰＲ計測用チップを使用したＳＰＲ計測を確認するグラフを示す図である。 本発明の実施例４に係るＳＰＲ計測用チップを使用したＳＰＲ計測を確認する画像を示す図である。 本発明の実施例４に係るＳＰＲ計測用チップを使用した抗体抗原反応を確認する画像を示す図である。

符号の説明

２００，２１０，３００，３１０ ＳＰＲ光学系
２０１，３０１，５０１ 光源
２０２，３０２ レンズ
２０３，３０３，５０４ プリズム
２０４，３０４，５０８ 受光素子
２０５，３０５，４０１，５１０，７０１ 透明基板
２０６，３０６，４０２，５０９，７０２ 屈折率整合シート
５０２ 球面レンズＡ
５０３ 円筒形レンズＡ
５０５ 円筒形レンズＢ
５０６ 偏光子
５０７ 球面レンズＢ
５１１ 金属薄膜

Claims (5)

1. 表面プラズモン共鳴計測用の金属薄膜を有する透明基板と、
   前記透明基板の前記金属薄膜とは反対側の面に、透明な弾性粘着シートとを備え、
   前記透明な弾性粘着シートは、シートの端から中央に向かって盛り上がった液滴形状を有し、かつ前記透明基板とは反対側の面の片面のみ液滴形状とされ、
   前記透明な弾性粘着シートは、前記透明基板の計測上必要な光路をカバーする複数の部分に分かれて設けられること
   を特徴とする表面プラズモン共鳴計測用チップ。
2. 前記透明な弾性粘着シートは、前記透明基板の前記金属薄膜とは反対側の面に設けられた窪みに形成さ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共鳴計測用チップ。
3. 前記透明な弾性粘着シートは、前記透明基板を侵食しない自己硬化型材料であることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン共鳴計測用チップ。
4. 前記透明基板の前記透明な弾性粘着シート以外の部分に、プリズムと前記透明基板の距離を規定するスペーサを設けることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン共鳴計測用チップ。
5. 前記透明な弾性粘着シートには、使用前に保護剥離シートが装着されていることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン共鳴計測用チップ。