JP2004361256A

JP2004361256A - Surface plasmon resonance sensor and surface plasmon resonance measuring apparatus

Info

Publication number: JP2004361256A
Application number: JP2003160234A
Authority: JP
Inventors: Yuji Iwata; 裕司岩田; Isao Shimoyama; 下山　　勲; Kiyoshi Matsumoto; 松本　　潔; Tsuneo Chinzei; 恒雄鎮西; Hidemoto Nakagawa; 英元中川
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact surface plasmon resonance sensor. <P>SOLUTION: The surface plasmon resonance sensor 10, in which incident light 19 from a light source is reflected by a surface plasmon resonance detecting plane 16 composed of a sensitive film 21 and a metallic film 20; and the reflected light is received by a light receiving means 22 which outputs the intensity of the reflected light, is provided with a light deflecting means 15 which deflects an optical path so that the incident light 19 projected by the light source is reflected at a prescribed angle by the surface plasmon resonance detecting plane 16 and received by the light receiving means 22. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検知対象物質であるターゲットの定性及び定量を行うコンパクトな表面プラズモン共鳴センサー及び、その表面プラズモン共鳴センサーを使用する表面プラズモン共鳴測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体分子間の相互作用を標識なしでリアルタイムにモニターすることができる装置として、従来から表面プラズモン共鳴（以下、「ＳＰＲ」という。）を測定原理とする表面プラズモン共鳴測定装置（以下、「ＳＰＲ測定装置」とする）がある。
【０００３】
このＳＰＲ測定装置では、生体分子の相互作用を分子レベルで測定するため、相互作用を起こす生体分子の一方がセンサーチップ面に固定され、これに作用する分子を含んだサンプル液がマイクロ流路等を介してセンサーチップ表面に流される。そして、２分子間の結合・解離に伴うセンサーチップ面近傍での微量な屈折率変化がＳＰＲシグナルとして検出され、このシグナルの経時変化がセンサーグラムと呼ばれるグラフとして表示される。そして、センサーチップ表面での分子の相互作用をリアルタイムにモニターすることにより、このセンサーチップに対して特異的に認識するターゲット（微量物質）を検出することが可能である。
【０００４】
こうしたＳＰＲ測定装置には、光学系の配置の違いなどからいくつかの方式がある。これらについては「生体物質相互作用のリアルタイム解析実験方法（永田和宏、半田宏、編集シュプリンガーフェアラーク東京（株）発行）」に記載されている。
【０００５】
ところでＳＰＲ測定装置には、作業能率を高めるため、多項目計測や複数のサンプル液の分析を一度にまとめて行いたいという要求がある。
そうした要求に対して特開平９−２９２３３３号公報には、多数のサンプル液についての分析を一度にまとめて行い、高い分析精度を得ることができる表面プラズモン共鳴センサー（以下「ＳＰＲセンサー」とする）が提案されている。ここで図１０及び図１１は、それぞれ同公報に記載されたＳＰＲセンサーの平面形状、側面形状を示した図である。
【０００６】
このＳＰＲセンサー２００では、５本の光ビーム２４０が、入射側シリンドリカルレンズ２２１から、平面視状態で平行光にする入射側シリンドリカルレンズ２２２を介し、更に入射側シリンドリカルレンズ２２３によって集光させてプリズム２３０と５個の金属膜２１０との界面に同時に照射される。
一方、金属膜２１０とプリズム２３０との界面２３１で全反射した光ビーム２４０は、平行光化する出射側シリンドリカルレンズ２２４と集光する出射側シリンドリカルレンズ２２５を介して光検出手段２５０によって検出される。
【０００７】
そして、光検出手段２５０の各受光素子列毎に出力される光検出信号Ｓｍは、全反射した光ビーム２４０の強度Ｉを入射角θ毎に示すものとなる。また、特定の入射角θＳＰで入射した光は、金属膜２１０とサンプル液２６０との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。
そのため光検出手段２５０の各受光素子毎に出力される光検出信号Ｓを用いれば上記入射角θＳＰが分かり、このθＳＰの時間的変化からサンプル液２６０中の特定物質の定量性や親和性を分析することができる。
【０００８】
また、５つの金属膜２１０に向けてそれぞれ光ビーム２４０が照射されるので、光検出手段２５０の各受光素子列毎に光検出信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５が出力され、各金属膜２１０に接触している５個のサンプル液２６０の分析を同時に行うことができ、複数のサンプル液２６０について短い時間間隔で一度にまとめて行なえる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−２９２３３３号公報（第２−３頁、第１図）
【非特許文献１】
生体物質相互作用のリアルタイム解析実験方法（永田和宏、半田宏、編集シュプリンガーフェアラーク東京（株）発行）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載するような従来のＳＰＲセンサー２００では、光ビーム２４０の進行方向である図面の左右にかけて、半導体レーザーアレイ２２０、プリズム２３０、シリンドリカルレンズ２２１〜２２５及び光検出手段２５０が一方向に並べられて配置されている。そのため、測定位置である金属膜２１０を挟んでＳＰＲセンサー２００の構成部品が広く配置された構成になってしまい、ＳＰＲセンサー２００を大型化させていた。このことは、ＳＰＲセンサー２００を利用した表面プラズモン共鳴測定装置が大型化して設置スペースが広くなる欠点にもなっていた。
【００１１】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、コンパクトな表面プラズモン共鳴センサー及び表面プラズモン共鳴測定装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーは、感応膜と金属膜とから構成される表面プラズモン共鳴検知面を備える透明のチップ基板と、そのチップ基板に重ねられ、光源からの照射光を前記チップ基板へ案内する開口部が穿設されたセンサー基板と、前記センサー基板のチップ基板側に配置され、光源からの入射光を前記表面プラズモン共鳴検知面に反射させた反射光の強度を出力する受光手段と、前記チップ基板に対してセンサー基板の反対側に取り付けられた前記表面プラズモン共鳴検知面に、前記センサー基板の開口部からの入射光を所定角度で反射させて前記受光手段へ受光させるように、前記センサー基板とチップ基板との界面から前記表面プラズモン共鳴検知面との間に設けられた光路偏向手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
よって本発明は、表面プラズモン共鳴検知面への入射角を固定し、サンプル液内のターゲットが表面プラズモン共鳴検知面に相互作用している場合の反射光強度の変化から微量物質の定性及び定量を測定するようにしたものである。その構成として、光源からの照射光を光路偏向手段によって偏向させて入射し、その入射光を表面プラズモン共鳴検知面に対して反射させて受光手段まで送るようにしたので、可動装置を用いることなく、さらに前述した特許文献１に記載されているように光学レンズ系を複雑にする必要がない。またそうした光学レンズ系の配置スペースが必要なくなってセンサー全体をコンパクトにすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーは、入射光を前記表面プラズモン共鳴検知面へ所定の角度で入射させるための入射側光路偏向手段に回折格子、ミラー、プリズムを用い、前記表面プラズモン共鳴検知面を反射した反射光を前記受光手段に受光させるための受光側光路偏向手段として必要な場合に回折格子、ミラー、プリズムを用いたことを特徴とする。
よって、本発明によれば、光路偏向手段を用いることによって、センサーをコンパクトに抑えることができた。また、その構成も回折格子、ミラー、プリズムを利用することで極めて簡単に達成することができた。
【００１５】
また、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーで、前記光源の照射方向に対して直交する向きに表面プラズモン共鳴検知面が配置される場合には、入射光側の光路偏向手段において２方向に光路を分けて２箇所に配置された前記表面プラズモン共鳴検知面へ所定の角度で入射させるようにすることが可能でチャンネル数を高集積化できることを特徴とする。
よって、本発明によれば、一つの入射光から２箇所の表面プラズモン共鳴検知面へ光を反射させるようにして、サンプル液を一度に２箇所で測定することができ、しかも一つの入射光を利用しているのでセンサーをコンパクトにすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーで、前記光路偏向手段に回折格子を用いた場合に、等間隔又は不等間隔で形成されたものであることを特徴とする。
よって、本発明によれば、回折格子を等間隔以外に不等間隔にすることによって、表面プラズモン共鳴検知面の各位置に異なる角度で光が入射し、そして反射したその光から反射光強度を測定することができる。
【００１７】
また、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーは、前記チップ基板の前記センサー基板との界面及び前記表面プラズモン共鳴検知面が取り付けられた面であって、前記光路偏向手段及び表面プラズモン共鳴検知面を除く部分に、反射防止膜が設けられたものであることを特徴とする。
よって、本発明によれば、反射防止膜によってチップ基板内において迷光の発生を防ぐことができる。
【００１８】
また、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーは、前記チップ基板のすべてあるいは表面プラズモン共鳴検知面を含んだ前記チップ基板の一部が分割され、前記センサー基板側から分離可能なものであることを特徴とする。
よって、本発明によれば、サンプル液を変える場合には、チップ基板を分離して取り外し、新たな表面プラズモン共鳴検知面を備えたチップ基板を装着することによって効率よく、またコンタミを低減して多種類のサンプル液について測定を行うことができる。
【００１９】
また、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーは、センサー基板に対して直交して光が入射する場合において、前記表面プラズモン共鳴検知面と受光手段とが、前記開口部を挟んでそれぞれ対称的な位置に配置されたものであって、前記入射側光路偏光手段は、入射光を２方向に光路を分けて２箇所に配置された前記表面プラズモン共鳴検知面へ所定の角度で入射させるようにしたものであることを特徴とする。
よって、本発明によれば、開口部を通る一つの入射光から２箇所の表面プラズモン共鳴検知面へ光を反射させるようにして、サンプル液を一度に２箇所で測定することができ、しかも一つの入射光を利用しているので表面プラズモン共鳴センサーをコンパクトにすることができる。
【００２０】
また、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサーは、前記表面プラズモン共鳴検知面、光路偏向手段及び受光手段を有する測定部を複数設け、１個以上の光源から照射された光を平行光にしてかつＰ偏光に変換して、それぞれの測定部に入射するようにしたものであることを特徴とする。
よって、本発明によれば、一度に複数のサンプル液やあるいは多項目について測定することができるため、センサー全体をコンパクトにすることができる。
【００２１】
本発明に係る表面プラズモン共鳴測定装置は、前記請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載する表面プラズモン共鳴センサーと、その表面プラズモン共鳴センサーから出力された反射光強度信号から反射光強度の変化に基づいてサンプル液内のターゲットについて定性及び定量を解析する演算処理装置とを有することを特徴とする。
【００２２】
よって本発明は、表面プラズモン共鳴検知面への入射角を固定し、サンプル液内のターゲットが表面プラズモン共鳴検知面と相互作用している場合に、シフトした反射光強度の変化から微量物質の定性及び定量を測定するようにしたものである。そして、そのための構成として表面プラズモン共鳴検知面を光源の照射方向に対してある角度に固定し、光路偏向手段によって光路を偏向させて入射光を受光手段まで送るようにしたので、従来のように表面プラズモン共鳴検知面や光源、受光部を動かす高い分解能をもつ可動装置が必要でなく、また前述した特許文献１に記載するもののように光学レンズ系を複雑にする必要がないため、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサー及び、表面プラズモン共鳴測定装置の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。
先ず、表面プラズモン共鳴センサーの検出原理について簡単に説明する。図１は表面プラズモン共鳴センサーを簡略化して示した図である（特に、検出部を示している）。この表面プラズモン共鳴センサー（以下、「ＳＰＲセンサー」とする）１００は、ガラスなどのチップ基板１１１の一面に金膜１１２が４５ｎｍ程度成膜されている。その上に検出対象であるターゲットと相互作用を選択的に起こす感応膜１１３が成膜されている。このようなＳＰＲセンサー１００では、図示するようにある角度θで入射光１１４が与えられると、チップ基板１１１と金膜１１２との境界面で反射した反射光１１５の強度が測定できる。
【００２４】
次に図２は、ＳＰＲセンサー１００の感応膜１１３について詳細に示した拡大断面図である。前述したようにチップ基板１１１の一方の面に金膜１１２が形成されている。表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）させるには、金や銀などのある種の金属が必要だからである。そして。化学的不活性、ＳＰＲシグナルの発生効率の良さなどの理由から一般的には金が用いられる。金膜１１２の表面には、リンカー層１１６を形成し、その上にターゲット１１８と相互作用をするリガント１１７を固定する。ここで前述の感応膜１１３は、リンカー層１１６とリガント１１７と定義する。この状態でターゲット１１８を含んだサンプル液を感応膜１１３の表面に流すことによって、目的のターゲット１１８がリガント１１７と相互作用を起こすように構成されている。
【００２５】
そこで、表面プラズモン共鳴測定装置では、レーザーダイオードや発光ダイオードなどの光源から、図１に示すようにＳＰＲセンサー１００に入射光１１４を入射されると、全反射した反射光１１５を不図示のフォトダイオードアレイなどの受光手段によって反射光１１５の強度を検出する。このとき、チップ基板１１１と金膜１１２との界面で全反射するように光が照射され、金膜１１２側にエバネッセント波と呼ばれるエネルギー波が生じる。エバネッセント波では金膜１１２の自由電子がプラズモンの共鳴に使われるため、反射光１１５の強度が特定の入射角度において、エネルギーの消失がみられる。
【００２６】
図３は、表面プラズモン共鳴センサーによって検出される反射光強度の入射角度依存性を示したＳＰＲ曲線である。図示するように反射光強度の入射角度依存性を測定すると、ある特定の角度において反射光１１５の強度が減衰した「光の谷」が認められる。この光学現象がＳＰＲである。そして、図２に示すようにリガント１１７とターゲット１１８が相互作用を起こすと、金膜１１２表面の屈折率が変化し、図３に示すようにＡからＢのように共鳴角がシフトする。従って、このシフト量の時間的変化を検出すれば、リガント１１７と相互作用したサンプル液内のターゲット１１８について、その定性情報及び定量情報を得ることができる。
【００２７】
本実施形態の表面プラズモン共鳴センサーは、例えば図３において入射角をθ１に固定し、シフトした反射光強度の変化ΔＩからターゲットの定性及び定量を測定するようにしたものである。
そこで次に、こうした測定方法を実行するためのＳＰＲセンサー及び、そのＳＰＲセンサーを利用した表面プラズモン共鳴測定装置（以下、「ＳＰＲ測定装置」とする）について具体的に説明する。
【００２８】
図４は、本実施形態のＳＰＲ測定装置を示した概念図である。本実施形態のＳＰＲ測定装置１は、感応膜が成膜されたチップ基板２とセンサー基板３からなるＳＰＲセンサー１０、そのセンサー基板３へ光を照射するレーザーダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源４、それにその光源４からの光をセンサー部に向けて平行光にするためのコリメーションレンズ５及び、表面プラズモンを共鳴させることができるＰ偏光のみを通過させるための偏光板６が配置されている。ＳＰＲセンサー１０は、その感応膜がターゲットを含んだサンプル液が流されるマイクロ流路７内に面するように配置される。
【００２９】
続いて、ＳＰＲ測定装置１を構成するＳＰＲセンサー１０の構造について具体的に説明する。図５は、ＳＰＲセンサーを示した断面図である。このＳＰＲセンサー１０は、シリコン基板などで作られたセンサー基板１１、反射防止膜１２、それにガラスなどの透明なチップ基板１３、そして反射防止膜１４が層状に重ねられている。そして、反射防止膜１２の層には光路偏向手段として等間隔の回折格子１５が設けられ、もう一方の反射防止膜１４の層にはマイクロ流路７内（図４参照）に位置することとなるプラズモン共鳴検知面１６が設けられている。
【００３０】
センサー基板１１は、チップ基板１３へ光を誘導する円形、多角形或いは切りかき等の開口部１７が穿設されており、偏光板６（図４参照）を介して照射された光からある決まった角度の直進光のみを取り出すため、迷光をカットするアパーチャ１８をその入口に取り付けることもできる。
【００３１】
こうしてＳＰＲセンサー１０への入射光１９は、開口部１７を通ってチップ基板１３へと導かれるが、開口部１７の出口にあたるセンサー基板１１とチップ基板１３との界面に光路偏向手段として回折格子１５が設けられている。回折格子１５は、入射光１９がチップ基板１３中を所望の角度で回折できるように形成されており、具体的には、プラズモン共鳴検知面１６への入射角が図３に示すθ１になるように形成されている。チップ基板１３は、この回折格子１５による回折角度からその材質（屈折率）が決定される。
【００３２】
ところで、共鳴角は測定するターゲットによって角度が異なるため、それぞれに適した角度で入射光及び反射光が得られるように設計製作が行われる。本実施形態では、その適切な範囲で、図３で示すように反射光強度の変化ΔＩをとるための共鳴角（入射角）を固定するが、変化ΔＩが大きくなるように入射角θ１が設定される。
【００３３】
次に、回折格子１５によって回折した入射光１９の照射先にはプラズモン共鳴検知面１６が設けられている。プラズモン共鳴検知面１６は、金膜２０と感応膜２１とが重ねて構成されたものであり、感応膜２１は、図２を示して説明したようにリンカー層１１６上にリガント１１７を結合させて形成されている。そして、その感応膜２１は、ターゲットに対して特異的に結合するものであって、その感応膜２１上を流れるサンプル液内のターゲットと相互作用が発生するようになっている。
更に、ＳＰＲセンサー１０には、このプラズモン共鳴検知面１６を挟んだ入射側の回折格子１５と対称的な位置であって、センサー基板１１とチップ基板１３との界面に、受光手段としてフォトダイオード２２が配置されている。
【００３４】
ところで、チップ基板１３の上下両面には回折格子１５やプラズモン共鳴検知面１６以外の部分が反射防止膜１２，１４によって覆われているが、これはチップ基板１３内において迷光の発生を防ぐためである。そして、このＳＰＲセンサー１０は、センサー基板１１とチップ基板１３とが分離可能な構成になっており、使用に際しては、マイクロ流路７を流れる検出対象物質を含んだ液体などと直接触れるプラズモン共鳴検知面１６の取り替えが可能な構成になっている。また図示はしていないが、プラズモン共鳴検知面１６を包含したチップ基板１３の一部を分割して、その分割されたプラズモン共鳴検知面１６側のみを取り替えることも可能な構成としてもよい。その場合には、分割面の界面にマッチングオイルなどを介して光学的整合を取る。
【００３５】
次に、図６は、図４に示したＳＰＲ測定装置１の構成をより具体的に示した外観斜視図である。
ＳＰＲ測定装置１は、流路システム３１にＳＰＲセンサー１０が装着され、図示するように下方から光源４によって光が照射されるようになっている。流路システム３１には複数のサンプル注入穴３２，３２…が形成されており、そこから注入されたサンプル液が流路システム３１内に連通する複数のマイクロ流路７（図４参照）を通るよう構成されている。
【００３６】
図５に示したＳＰＲセンサー１０は、一つのマイクロ流路７に対する一つの測定部を示しているが、実際には図５の紙面を貫く方向と横方向に複数の測定部が連設されている。そのため、図６に示すように流路システム３１にＳＰＲセンサー１０を装着した状態で、複数あるマイクロ流路７のそれぞれに図５で示す測定構造が構成されるようになっており、ＳＰＲ測定装置１は、一度に複数のサンプル液について測定可能なマルチチャンネルである。
【００３７】
ところで、サンプル注入穴３２に注入されたサンプル液は、マイクロ流路７を流れてＳＰＲセンサー１０のプラズモン共鳴検知面１６へ到達するように送らなければならない。そのための送液手段には、例えば毛細管現象を利用したものや、あるいは強制的にマイクロポンプなどで液を送り込むようにした構成がとられている。
【００３８】
流路システム３１に装着されたＳＰＲセンサー１０は、前述したように上下の層で２分割できるようになっており、図５に示すセンサー基板１１及びチップ基板１３が、偏光板６と一体になって流路システム３１の底面に固定されている。一方、センサー基板１１と分離可能なチップ基板１３は、流路システム３１に対してスライドして取り出すことができる着脱可能なものとなっている。なお、具体的には図示しないが、プラズモン共鳴検知面１６を含む部分でチップ基板１３を分割できるようにし、その分割部分を流路システム３１に対してスライドして取り出すことができる着脱可能なものとしてもよい。
そして、こうした流路システム３１に装着されたＳＰＲセンサー１０に対し、流路システム３１の下方から光を照射する光源４及び照射光を平行光にするコリメーションレンズ５が配置されている。
【００３９】
更に、ＳＰＲ測定装置１は、ＳＰＲセンサー１０のセンサー基板１１にインターフェース３３が取り付けられ、センサー基板１１内のフォトダイオード２２と信号ラインによって接続されている。そして、このインターフェース３３には不図示のパーソナル・コンピューター等が接続され、検出された情報をパーソナル・コンピューター等の演算装置で解析できるようになっている。また、パーソナル・コンピューター等は光源４側にも接続され、照射の制御も行えるようになっている。
一方、流路システム３１の上方には温調器３４が設けられている。この温調器３４は、サンプル液とプラズモン共鳴検知面１６の温度を一定に保つためのものであり、例えばペルチェなどの冷却素子が用いられる。
【００４０】
続いて、以上のような構成によるＳＰＲセンサー１０及びＳＰＲ測定装置１の作用について以下に説明する。
先ず、図４及び図６に示すように光源４から照射された光は、コリメーションレンズ５を介して平行光となり、更に偏光板６でＰ偏光のみがＳＰＲセンサー１０へ入射する。ＳＰＲセンサー１０への入射光は、図５に示すようにアパーチャ１８を介して、光学系の配置で決まった角度の直進光のみが開口部１７に入り、そこを通ってセンサー基板１１とチップ基板１３との界面に設けられた回折格子１５によって回折する。
【００４１】
回折格子１５により回析した入射光は、チップ基板１３内を所定の角度で進む。そして、所定の角度で入った入射光はプラズモン共鳴検知面１６を反射し、その反射光が、入射側の回折格子１５と同一平面にある受光側のフォトダイオード２２へ入る。このとき、回折格子１５、プラズモン共鳴検知面１６及びフォトダイオード２２以外の面は反射防止膜１２．１４によって迷光の発生が防止されている。
【００４２】
一方、ＳＰＲ測定装置１では、流路システム３１のサンプル注入穴３２，…からはサンプル液が注入され、マイクロ流路７を通ってＳＰＲセンサー１０に沿ってサンプル液が流れる（図４参照）。このとき、図５に示すプラズモン共鳴検知面１６のうちマイクロ流路７側にある感応膜２１は、サンプル液に含まれたターゲットと選択的に、生体分子等による相互作用を起こす場を提供し、その表面で起こる分子の化学反応に起因する屈折率変化をＳＰＲシグナルに変換するシグナルトランスデューサーの役目を果たしている。
【００４３】
そして、ＳＰＲセンサー１０への入射光は、表面プラズモン共鳴角が検出できる角度になるように回折格子１５で回折されて照射されているため、チップ基板１３と境界面となる金膜２０で光が反射するが、プラズモン共鳴検知面１６ではターゲットが感応膜２１と相互作用することによって表面に屈折率の変化が生じる。表面プラズモン共鳴を発生させた反射光は、その後フォトダイオード２２で受光され、フォトダイオード２２では反射光の強度に比例した出力電圧が生ずる。そしてフォトダイオード２２から出力されたその測定信号がインターフェース３３を介してパーソナル・コンピューターへと送信される。パーソナル・コンピューターでは、この測定信号に基づいてターゲットに関する定性及び定量情報が反射光強度の変化ΔＩに基づいて解析される。
【００４４】
すなわち本実施形態では、図３に示すようにθ１の入射角が入射光角度と回折格子１５によって設定されており、その角度における反射光強度の情報が得られる。そのため、感応膜２１におけるターゲットの有無により屈折率が変化して共鳴角がΔθだけシフトすることで、共鳴角θ１における反射光強度にもΔＩの変化が生じることになる。従って、この差を測定信号によって検出することができ、その結果ターゲットの定性及び定量が情報として得られる。
【００４５】
よって、本実施形態では、表面プラズモン共鳴検知面１６への入射角をθ１に固定し、サンプル液内のターゲットが表面プラズモン共鳴検知面１６と相互作用している場合に、シフトした反射光強度の変化ΔＩからターゲットの定性及び定量を測定するようにしたものであり、そのための構成として表面プラズモン共鳴検知面１６に所定の角度で光を入射するためＳＰＲセンサー１０への入射光の角度を、回折格子１５による光路偏向によって設定するようにしたので、従来のように表面プラズモン共鳴検知面や光源、受光部を動かす高い分解能をもつ可動装置が不要となり、また前述した特許文献１に記載するもののように光学レンズ系を複雑にする必要がないため、ＳＰＲセンサー１０を小型にして、センサー全体をコンパクトにすることができた。
【００４６】
以上、ＳＰＲセンサー及びＳＰＲ測定装置について一実施形態を説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、ＳＰＲセンサーに関し図７乃至図９に記載するような変形例を挙げることができる。なお、前記実施形態のものと同じ構成要素については同じ符号を付して説明する。
【００４７】
図７に示すＳＰＲセンサー４０は、シリコンからなるセンサー基板１１とガラスなどの透明なチップ基板１３とが一体になり、そのチップ基板１３に形成された両端の傾斜部分に入射側ミラー４１と反射側ミラー４２とが取り付けられている。そのチップ基板１３には、金膜２０と感応膜２１とが重ねられた表面プラズモン共鳴検知面１６が設けられ、更に反射防止膜１２，１４を備え、反射光検出用のフォトダイオード２２がセンサー基板１１との界面近傍に設置されている。このように、本例において前記実施形態と大きく異なるのは、光路偏向手段に入射側ミラー４１及び反射側ミラー４２を用いて、光をプラズモン共鳴検知面１６で反射させてフォトダイオード２２へ受光させるようにした点である。
【００４８】
すなわち、その入射側ミラー４１及び反射側ミラー４２は、入射光が通る開口部１７部分とフォトダイオード２２の配置された部分とに、それぞれ所定の傾きをもって配置され、表面プラズモン共鳴検知面１６に所定の角度で光が入射し、そこで反射した光がフォトダイオード２２に受光されるよう構成されている。
よって、本例のように、光路偏向手段に入射側ミラー４１及び反射側ミラー４２を利用することによっても、前記実施形態のものと同様にＳＰＲセンサー４０を小型にして、センサー全体をコンパクトにすることができる。
【００４９】
次に、図８に示すＳＰＲセンサー５０は、シリコン等からなるセンサー基板１１と反射防止膜１２、それにガラスなどのチップ基板１３、そして反射防止膜１４が層状に重ねられている。反射防止膜１２の層には入射光が通る開口部１７部分と、フォトダイオードアレー５１が配置され、もう一方の反射防止膜１４の層にはマイクロ流路７内（図４参照）に配置されるようになるプラズモン共鳴検知面１６が設けられている。
本例において前記実施形態と大きく異なるのは、回折格子が等間隔であったのに対し、不等間隔回折格子５２になっている点であり、特にプラズモン共鳴検知面１６に対して入射光が収束するように形成されている点である。
【００５０】
こうした図８に示すＳＰＲセンサー５０でも、前記実施形態のものと同様に小型化が可能となり、全体をコンパクトにすることができた。更に、本例では、不等間隔回折格子５２とフォトダイオードアレー５１を用いることにより、従来用いられていた可動装置を用いることなく複数の角度で反射させた反射光強度を測定することができるようになった。
【００５１】
図９に示すＳＰＲセンサー６０では、さらにチャンネル数を高集積にするために、表面プラズモン共鳴検知面１６，１６とフォトダイオード２２，２２とをともに光源の照射方向に対して直交する向きに配置し、開口部１７を通った一つの入射光を回折格子６１によって２方向に偏向させ、２箇所の表面プラズモン共鳴検知面１６，１６へ光を所定角度で反射させるようにしている。
これにより本例では、サンプル液を一度に２箇所で測定することができるようになり、一つの入射光によって２箇所の感応膜で検出が可能になり、より高集積化が期待でき、コンパクトにすることができた。
【００５２】
更に、前記実施形態などでは、光路偏向手段として回折格子やミラーを用いることにより、プラズモン共鳴検知面１６に対する光の入射角を制御していた。しかし、これに対して例えば、表面弾性波を用いて周波数でプラズモン共鳴検知面１６への光の入射角を制御するような機構を、センサー基板１１とチップ基板１３の界面近傍に設置し、これを光路偏向手段として同様な効果を持たせることも可能である。
【００５３】
【発明の効果】
本発明は、感応膜と金属膜とから構成される表面プラズモン共鳴検知面に光源からの入射光を反射させ、その反射光を受光した受光手段から反射光強度を出力するものであって、前記光源から照射された入射光を当該表面プラズモン共鳴検知面に所定の角度で反射させて前記受光手段に受光させるように光路を偏向する光路偏向手段を有する構成としたので、コンパクトな表面プラズモン共鳴センサーを提供することが可能となった。
【００５４】
また、本発明は、感応膜と金属膜とから構成される表面プラズモン共鳴検知面と、光源からの入射光をその表面プラズモン共鳴検知面に反射させた反射光から反射光強度を出力する受光手段とを有するものであって、センサー基板とチップ基板とが重ねられ、センサー基板は、光源からの照射光を前記チップ基板へ案内する開口部が穿設され、前記チップ基板側でチップ基板との界面に前記受光手段を備えるものであり、チップ基板は、センサー基板の反対側に前記表面プラズモン共鳴検知面が取り付けられ、前記センサー基板の開口部からの入射光を所定角度で前記表面プラズモン共鳴検知面に反射させて前記受光手段へ受光させるように、開口部から前記表面プラズモン共鳴検知面の間の位置に回折格子やミラー等の光路偏向手段を設けた構成としたので、表面プラズモン共鳴センサーを小型化してコンパクトな表面プラズモン共鳴センサーを提供することが可能となった。
【００５５】
また、表面プラズモン共鳴検知面が、前記光源の照射方向に対してある角度でセンサー基板に入射するように固定され、前記光源から照射された入射光を当該表面プラズモン共鳴検知面に所定の角度で反射させて前記受光手段に受光させるように光路を偏向する光路偏向手段を有する表面プラズモン共鳴センサーであって、その表面プラズモン共鳴センサーから出力された反射光強度信号から反射光強度の変化に基づいてサンプル液内のターゲットについて定性及び定量を解析する演算処理装置を有する構成としたので、表面プラズモン共鳴センサーが小型になることで、装置全体のコンパクト化を図ることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面プラズモン共鳴センサーの検出部を簡略化して示した図である。
【図２】表面プラズモン共鳴センサーの感応膜について詳細に示した拡大断面を示した図である。
【図３】表面プラズモン共鳴センサーによって検出される反射光強度の入射角度依存性を示したＳＰＲ曲線である。
【図４】表面プラズモン共鳴測定装置の一実施形態を示した概念図である。
【図５】表面プラズモン共鳴センサーを示した断面図である。
【図６】表面プラズモン共鳴測定装置を示した外観斜視図である。
【図７】表面プラズモン共鳴センサーの第１変形例を示した断面図である。
【図８】表面プラズモン共鳴センサーの第２変形例を示した断面図である。
【図９】表面プラズモン共鳴センサーの第３変形例を示した断面図である。
【図１０】従来の表面プラズモン共鳴センサーを示した平面図である。
【図１１】従来の表面プラズモン共鳴センサーを示した側面図である。
【符号の説明】
１表面プラズモン共鳴測定装置
２チップ基板
３センサー基板
４光源
５コリメーションレンズ
６偏光板
７マイクロ流路
１０表面プラズモン共鳴センサー
１１センサー基板
１２，１４反射防止膜
１３チップ基板
１５回折格子
１６プラズモン共鳴検知面
１８アパーチャ
１９入射光
２０金膜
２１感応膜
２２フォトダイオード
３１流路システム
３２サンプル注入穴
３３インターフェース
３４温調器
４０ＳＰＲセンサー
４１入射側ミラー
４２反射側ミラー
５０ＳＰＲセンサー
５１フォトダイオードアレー
５２不等間隔回折格子
６０ＳＰＲセンサー
６１回折格子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a compact surface plasmon resonance sensor for qualitatively and quantitatively determining a target as a detection target substance, and a surface plasmon resonance measurement device using the surface plasmon resonance sensor.
[0002]
[Prior art]
As a device capable of monitoring the interaction between biomolecules in real time without a label, a surface plasmon resonance measurement device (hereinafter, referred to as “SPR measurement”) that uses surface plasmon resonance (hereinafter, referred to as “SPR”) as a measurement principle has been conventionally used. Device).
[0003]
In this SPR measurement device, one of the biomolecules causing the interaction is immobilized on the sensor chip surface, and the sample liquid containing the molecule acting on the biomolecule is transferred to a microchannel or the like. Through the sensor chip surface. Then, a slight change in the refractive index near the sensor chip surface due to the binding / dissociation between the two molecules is detected as an SPR signal, and the change over time of this signal is displayed as a graph called a sensorgram. By monitoring the interaction of molecules on the surface of the sensor chip in real time, it is possible to detect a target (a trace substance) that specifically recognizes the sensor chip.
[0004]
There are several types of such SPR measurement devices due to differences in the arrangement of optical systems and the like. These are described in "Experimental method for real-time analysis of biological material interaction (published by Kazuhiro Nagata, Hiroshi Handa, edited by Springer Verlag Tokyo Co., Ltd.)".
[0005]
By the way, there is a demand for the SPR measurement device to perform a multi-item measurement and an analysis of a plurality of sample liquids at one time in order to improve work efficiency.
In response to such a demand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-292333 discloses a surface plasmon resonance sensor (hereinafter, referred to as an “SPR sensor”) capable of simultaneously analyzing a large number of sample liquids and obtaining high analysis accuracy. Has been proposed. Here, FIG. 10 and FIG. 11 are diagrams showing a planar shape and a side surface shape of the SPR sensor described in the publication, respectively.
[0006]
In the SPR sensor 200, five light beams 240 are condensed from the incident-side cylindrical lens 221 via the incident-side cylindrical lens 222 that makes parallel light in a plan view state, and further condensed by the incident-side cylindrical lens 223, thereby forming a prism 230. And the five metal films 210 at the same time.
On the other hand, the light beam 240 totally reflected at the interface 231 between the metal film 210 and the prism 230 is detected by the light detection means 250 via the exit-side cylindrical lens 224 for parallelizing the light and the exit-side cylindrical lens 225 for condensing. .
[0007]
The light detection signal Sm output for each light receiving element array of the light detection means 250 indicates the intensity I of the totally reflected light beam 240 for each incident angle θ. Further, light incident at a specific incident angle θSP excites surface plasmons at the interface between the metal film 210 and the sample liquid 260, and therefore, the reflected light intensity I of this light sharply decreases.
Therefore, the incident angle θSP can be determined by using the light detection signal S output for each light receiving element of the light detection means 250, and the quantitative property and affinity of the specific substance in the sample liquid 260 can be analyzed from the temporal change of the θSP. can do.
[0008]
In addition, since the light beam 240 is irradiated to each of the five metal films 210, the light detection signals S1, S2, S3, S4, and S5 are output for each light receiving element row of the light detection means 250, and each metal film The analysis of five sample liquids 260 in contact with 210 can be performed simultaneously, and a plurality of sample liquids 260 can be collectively performed at short time intervals.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-9-292333 (page 2-3, FIG. 1)
[Non-patent document 1]
Experimental method for real-time analysis of biological material interaction (published by Kazuhiro Nagata, Hiroshi Handa, edited by Springer Verlag Tokyo Co., Ltd.)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional SPR sensor 200 described in Patent Literature 1, the semiconductor laser array 220, the prism 230, the cylindrical lenses 221 to 225, and the light detecting means 250 are arranged in the right and left directions of the drawing, which is the traveling direction of the light beam 240. Are arranged side by side. For this reason, the components of the SPR sensor 200 are widely arranged with the metal film 210 at the measurement position interposed therebetween, and the SPR sensor 200 is enlarged. This has also been a disadvantage that the surface plasmon resonance measurement device using the SPR sensor 200 becomes large and the installation space becomes large.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to provide a compact surface plasmon resonance sensor and a surface plasmon resonance measurement device in order to solve such a problem.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A surface plasmon resonance sensor according to the present invention has a transparent chip substrate having a surface plasmon resonance detection surface composed of a sensitive film and a metal film, and is superimposed on the chip substrate, and emits light from a light source to the chip substrate. A sensor substrate having an opening for guiding, and a light receiving unit that is disposed on the chip substrate side of the sensor substrate and outputs the intensity of reflected light that reflects incident light from a light source to the surface plasmon resonance detection surface; On the surface plasmon resonance detection surface attached to the opposite side of the sensor substrate with respect to the chip substrate, so that the incident light from the opening of the sensor substrate is reflected at a predetermined angle and received by the light receiving means, An optical path deflecting means provided between the interface between the sensor substrate and the chip substrate and the surface plasmon resonance detection surface is provided.
[0013]
Therefore, the present invention fixes the angle of incidence on the surface plasmon resonance detection surface, and determines the qualitative and quantitative determination of the trace substance from the change in the reflected light intensity when the target in the sample liquid interacts with the surface plasmon resonance detection surface. It is intended to be measured. As the configuration, the irradiation light from the light source is deflected by the optical path deflecting means and incident, and the incident light is reflected on the surface plasmon resonance detection surface and sent to the light receiving means, so that the movable device is not used. Further, there is no need to complicate the optical lens system as described in Patent Document 1 mentioned above. Further, the space for disposing the optical lens system is not required, and the whole sensor can be made compact.
[0014]
Further, the surface plasmon resonance sensor according to the present invention uses a diffraction grating, a mirror, and a prism as an incident-side optical path deflecting unit for causing incident light to enter the surface plasmon resonance detection surface at a predetermined angle, and performs the surface plasmon resonance detection. A diffraction grating, a mirror, and a prism are used when necessary as light receiving side light path deflecting means for allowing the light receiving means to receive the light reflected by the surface.
Therefore, according to the present invention, the use of the optical path deflecting means makes it possible to reduce the size of the sensor. Also, the configuration could be achieved very easily by using a diffraction grating, a mirror, and a prism.
[0015]
Further, in the surface plasmon resonance sensor according to the present invention, when the surface plasmon resonance detection surface is arranged in a direction orthogonal to the irradiation direction of the light source, the optical path is deflected in two directions by the optical path deflecting means on the incident light side. The surface plasmon resonance detection surfaces separately arranged at two positions can be incident at a predetermined angle, and the number of channels can be highly integrated.
Therefore, according to the present invention, the sample liquid can be measured at two places at a time by reflecting light from one incident light to two surface plasmon resonance detection surfaces, and one incident light can be measured at one time. Since it is used, the sensor can be made compact.
[0016]
Further, in the surface plasmon resonance sensor according to the present invention, when a diffraction grating is used for the optical path deflecting unit, the sensor is formed at regular intervals or irregular intervals.
Therefore, according to the present invention, by making the diffraction grating non-equidistant other than the equidistant, light enters each position of the surface plasmon resonance detection surface at a different angle, and the reflected light intensity is calculated from the reflected light. Can be measured.
[0017]
Also, the surface plasmon resonance sensor according to the present invention is a surface on which the interface of the chip substrate with the sensor substrate and the surface plasmon resonance detection surface are attached, excluding the optical path deflecting means and the surface plasmon resonance detection surface. An antireflection film is provided on a portion.
Therefore, according to the present invention, the generation of stray light in the chip substrate can be prevented by the antireflection film.
[0018]
Further, the surface plasmon resonance sensor according to the present invention is characterized in that the entire chip substrate or a part of the chip substrate including the surface plasmon resonance detection surface is divided and separable from the sensor substrate side. And
Therefore, according to the present invention, when changing the sample liquid, the chip substrate is separated and removed, and a chip substrate having a new surface plasmon resonance detection surface is efficiently attached and the contamination is reduced. Measurement can be performed for various types of sample liquids.
[0019]
Further, in the surface plasmon resonance sensor according to the present invention, when light is orthogonally incident on the sensor substrate, the surface plasmon resonance detection surface and the light receiving unit are symmetrically positioned with respect to the opening. Wherein the incident side optical path polarizing means divides an optical path in two directions and makes the incident light incident on the surface plasmon resonance detection surfaces arranged at two positions at a predetermined angle. It is characterized by being.
Therefore, according to the present invention, the sample liquid can be measured at two places at a time by reflecting light from one incident light passing through the opening to two surface plasmon resonance detection surfaces. Since two incident lights are used, the surface plasmon resonance sensor can be made compact.
[0020]
Further, the surface plasmon resonance sensor according to the present invention is provided with a plurality of measurement units each having the surface plasmon resonance detection surface, an optical path deflecting unit, and a light receiving unit, and converts light emitted from one or more light sources into parallel light, It is characterized in that the light is converted into polarized light and is incident on each measuring part.
Therefore, according to the present invention, it is possible to measure a plurality of sample liquids or multiple items at a time, so that the entire sensor can be made compact.
[0021]
A surface plasmon resonance measuring apparatus according to the present invention includes a surface plasmon resonance sensor according to any one of claims 1 to 10, and a change in reflected light intensity from a reflected light intensity signal output from the surface plasmon resonance sensor. And an arithmetic processing unit for analyzing qualitative and quantitative information on the target in the sample liquid based on the above.
[0022]
Therefore, according to the present invention, when the angle of incidence on the surface plasmon resonance detection surface is fixed, and when the target in the sample liquid interacts with the surface plasmon resonance detection surface, And quantitative measurement. As a configuration for this, the surface plasmon resonance detection surface is fixed at a certain angle with respect to the irradiation direction of the light source, and the optical path is deflected by the optical path deflecting means so that the incident light is sent to the light receiving means. A movable device having a high resolution for moving the surface plasmon resonance detection surface, the light source, and the light receiving unit is not required, and the optical lens system does not need to be complicated as described in Patent Document 1 described above. It can be compact.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of a surface plasmon resonance sensor and a surface plasmon resonance measurement device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, the detection principle of the surface plasmon resonance sensor will be briefly described. FIG. 1 is a simplified view of a surface plasmon resonance sensor (in particular, a detection unit is shown). In this surface plasmon resonance sensor (hereinafter, referred to as “SPR sensor”) 100, a gold film 112 having a thickness of about 45 nm is formed on one surface of a chip substrate 111 such as glass. A sensitive film 113 that selectively interacts with a target to be detected is formed thereon. In such an SPR sensor 100, when the incident light 114 is given at a certain angle θ as shown in the figure, the intensity of the reflected light 115 reflected on the boundary surface between the chip substrate 111 and the gold film 112 can be measured.
[0024]
Next, FIG. 2 is an enlarged sectional view showing the sensitive film 113 of the SPR sensor 100 in detail. As described above, the gold film 112 is formed on one surface of the chip substrate 111. This is because surface plasmon resonance (SPR) requires certain metals such as gold and silver. And. Gold is generally used for reasons such as chemical inertness and good SPR signal generation efficiency. A linker layer 116 is formed on the surface of the gold film 112, and a ligand 117 interacting with the target 118 is fixed thereon. Here, the above-mentioned sensitive film 113 is defined as a linker layer 116 and a ligand 117. In this state, a target liquid containing the target 118 is caused to flow on the surface of the sensitive film 113 so that the target 118 interacts with the ligand 117.
[0025]
Therefore, in the surface plasmon resonance measuring apparatus, when the incident light 114 is incident on the SPR sensor 100 from a light source such as a laser diode or a light emitting diode as shown in FIG. The intensity of the reflected light 115 is detected by light receiving means such as an array. At this time, light is irradiated so as to be totally reflected at the interface between the chip substrate 111 and the gold film 112, and an energy wave called an evanescent wave is generated on the gold film 112 side. In the evanescent wave, free electrons of the gold film 112 are used for plasmon resonance, so that the energy of the reflected light 115 disappears at a specific incident angle.
[0026]
FIG. 3 is an SPR curve showing the incident angle dependency of the reflected light intensity detected by the surface plasmon resonance sensor. As shown in the figure, when the incident angle dependence of the reflected light intensity is measured, a “light valley” in which the intensity of the reflected light 115 is attenuated at a specific angle is recognized. This optical phenomenon is SPR. Then, when the ligand 117 and the target 118 interact as shown in FIG. 2, the refractive index of the surface of the gold film 112 changes, and the resonance angle shifts from A to B as shown in FIG. Therefore, by detecting the temporal change of the shift amount, qualitative information and quantitative information on the target 118 in the sample liquid interacting with the ligand 117 can be obtained.
[0027]
In the surface plasmon resonance sensor of the present embodiment, for example, the incident angle is fixed to θ1 in FIG. 3, and qualitative and quantitative measurements of the target are measured from the shift ΔI of the reflected light intensity shifted.
Therefore, an SPR sensor for executing such a measurement method and a surface plasmon resonance measurement device (hereinafter, referred to as “SPR measurement device”) using the SPR sensor will be specifically described.
[0028]
FIG. 4 is a conceptual diagram showing the SPR measurement device of the present embodiment. The SPR measurement apparatus 1 of the present embodiment includes an SPR sensor 10 including a chip substrate 2 on which a sensitive film is formed and a sensor substrate 3, and a laser diode (LD) or a light emitting diode (LED) for irradiating the sensor substrate 3 with light. And a collimating lens 5 for converting light from the light source 4 into parallel light toward the sensor unit and a polarizing plate 6 for passing only P-polarized light capable of resonating surface plasmons. Have been. The SPR sensor 10 is arranged so that its sensitive membrane faces the inside of the microchannel 7 through which the sample liquid containing the target flows.
[0029]
Subsequently, the structure of the SPR sensor 10 constituting the SPR measurement device 1 will be specifically described. FIG. 5 is a sectional view showing the SPR sensor. The SPR sensor 10 includes a sensor substrate 11 made of a silicon substrate or the like, an antireflection film 12, a transparent chip substrate 13 made of glass or the like, and an antireflection film 14 stacked in layers. The layer of the anti-reflection film 12 is provided with diffraction gratings 15 at equal intervals as an optical path deflecting means, and the other layer of the anti-reflection film 14 is located in the micro channel 7 (see FIG. 4). A plasmon resonance detection surface 16 is provided.
[0030]
The sensor substrate 11 is provided with an opening 17 such as a circle, a polygon, or a cutout for guiding light to the chip substrate 13. The sensor 17 has a predetermined shape based on light irradiated through the polarizing plate 6 (see FIG. 4). In order to extract only the straight traveling light at an angle, an aperture 18 for cutting stray light can be attached to the entrance.
[0031]
In this way, the incident light 19 to the SPR sensor 10 is guided to the chip substrate 13 through the opening 17, and the diffraction grating 15 as an optical path deflecting means is provided at the interface between the sensor substrate 11 and the chip substrate 13 at the exit of the opening 17. Is provided. The diffraction grating 15 is formed so that the incident light 19 can be diffracted in the chip substrate 13 at a desired angle. Specifically, the angle of incidence on the plasmon resonance detection surface 16 becomes θ1 shown in FIG. Is formed. The material (refractive index) of the chip substrate 13 is determined from the angle of diffraction by the diffraction grating 15.
[0032]
By the way, since the resonance angle varies depending on the target to be measured, design and manufacture are performed so that incident light and reflected light can be obtained at angles suitable for each target. In the present embodiment, the resonance angle (incident angle) for obtaining the change ΔI in the reflected light intensity is fixed within an appropriate range as shown in FIG. 3, but the incident angle θ1 is set so that the change ΔI becomes large. Is done.
[0033]
Next, a plasmon resonance detection surface 16 is provided at an irradiation destination of the incident light 19 diffracted by the diffraction grating 15. The plasmon resonance detection surface 16 is formed by stacking a gold film 20 and a sensitive film 21. The sensitive film 21 is formed by bonding a ligand 117 to the linker layer 116 as described with reference to FIG. Is formed. The sensitive film 21 specifically binds to the target, and interacts with the target in the sample liquid flowing on the sensitive film 21.
Further, the SPR sensor 10 has a photodiode 22 as a light receiving means at a position symmetrical to the diffraction grating 15 on the incident side with the plasmon resonance detection surface 16 interposed therebetween and at the interface between the sensor substrate 11 and the chip substrate 13. Is arranged.
[0034]
By the way, the portions other than the diffraction grating 15 and the plasmon resonance detection surface 16 are covered with the antireflection films 12 and 14 on the upper and lower surfaces of the chip substrate 13 in order to prevent the generation of stray light in the chip substrate 13. is there. The SPR sensor 10 has a configuration in which the sensor substrate 11 and the chip substrate 13 can be separated. When used, plasmon resonance detection directly contacts a liquid containing a substance to be detected flowing through the microchannel 7. The surface 16 can be replaced. Although not shown, a configuration in which a part of the chip substrate 13 including the plasmon resonance detection surface 16 is divided and only the divided plasmon resonance detection surface 16 side may be replaced may be adopted. In this case, optical matching is achieved with the interface between the divided surfaces via a matching oil or the like.
[0035]
Next, FIG. 6 is an external perspective view more specifically showing the configuration of the SPR measurement device 1 shown in FIG.
In the SPR measurement device 1, an SPR sensor 10 is mounted on a flow path system 31, and light is emitted from a light source 4 from below as illustrated. A plurality of sample injection holes 32, 32,... Are formed in the flow path system 31, and the sample liquid injected therefrom passes through a plurality of micro flow paths 7 (see FIG. 4) communicating with the flow path system 31. It is configured as follows.
[0036]
Although the SPR sensor 10 shown in FIG. 5 shows one measuring unit for one micro flow path 7, in practice, a plurality of measuring units are continuously provided in a direction penetrating the paper of FIG. 5 and a lateral direction. I have. Therefore, the measurement structure shown in FIG. 5 is configured for each of the plurality of microchannels 7 with the SPR sensor 10 mounted on the channel system 31 as shown in FIG. Reference numeral 1 denotes a multi-channel capable of measuring a plurality of sample liquids at a time.
[0037]
Incidentally, the sample liquid injected into the sample injection hole 32 must be sent so as to flow through the microchannel 7 and reach the plasmon resonance detection surface 16 of the SPR sensor 10. For this purpose, for example, a liquid feeding means using a capillary phenomenon or a structure in which a liquid is forcibly fed by a micropump is used.
[0038]
As described above, the SPR sensor 10 mounted on the flow path system 31 can be divided into two by the upper and lower layers, and the sensor substrate 11 and the chip substrate 13 shown in FIG. And is fixed to the bottom surface of the flow path system 31. On the other hand, the chip substrate 13 that can be separated from the sensor substrate 11 is detachable so that it can be slid out of the channel system 31 and taken out. Although not specifically shown, the chip substrate 13 can be divided at a portion including the plasmon resonance detection surface 16, and the detachable portion can be slid to and removed from the flow path system 31. It may be.
Further, a light source 4 for irradiating light from below the flow path system 31 and a collimation lens 5 for making the irradiation light parallel to the SPR sensor 10 mounted on the flow path system 31 are arranged.
[0039]
Further, in the SPR measurement device 1, an interface 33 is attached to the sensor substrate 11 of the SPR sensor 10, and is connected to the photodiode 22 in the sensor substrate 11 by a signal line. A personal computer or the like (not shown) is connected to the interface 33 so that the detected information can be analyzed by an arithmetic device such as a personal computer. Further, a personal computer or the like is also connected to the light source 4 side so that irradiation control can be performed.
On the other hand, a temperature controller 34 is provided above the flow path system 31. The temperature controller 34 is for keeping the temperature of the sample liquid and the plasmon resonance detecting surface 16 constant, and uses a cooling element such as a Peltier, for example.
[0040]
Next, the operation of the SPR sensor 10 and the SPR measurement device 1 having the above-described configurations will be described below.
First, as shown in FIGS. 4 and 6, light emitted from the light source 4 becomes parallel light via the collimation lens 5, and only P-polarized light is incident on the SPR sensor 10 by the polarizing plate 6. As shown in FIG. 5, only the straight light having an angle determined by the arrangement of the optical system enters the opening 17 through the aperture 18 as shown in FIG. The light is diffracted by a diffraction grating 15 provided at the interface with the diffraction grating 13.
[0041]
The incident light diffracted by the diffraction grating 15 travels inside the chip substrate 13 at a predetermined angle. The incident light entering at a predetermined angle is reflected on the plasmon resonance detection surface 16 and the reflected light enters the photodiode 22 on the light receiving side which is on the same plane as the diffraction grating 15 on the incident side. At this time, the surface other than the diffraction grating 15, the plasmon resonance detection surface 16, and the photodiode 22 is prevented from generating stray light by the antireflection film 12.14.
[0042]
On the other hand, in the SPR measurement device 1, the sample liquid is injected from the sample injection holes 32,... Of the flow path system 31, and the sample liquid flows along the SPR sensor 10 through the micro flow path 7 (see FIG. 4). At this time, the sensitive film 21 on the microchannel 7 side of the plasmon resonance detection surface 16 shown in FIG. 5 provides a field for selectively interacting with a target contained in the sample solution by a biomolecule or the like. And serves as a signal transducer that converts a change in refractive index due to a chemical reaction of a molecule occurring on the surface into an SPR signal.
[0043]
The light incident on the SPR sensor 10 is irradiated by being diffracted by the diffraction grating 15 so that the surface plasmon resonance angle can be detected. Although the light is reflected, the target interacts with the sensitive film 21 on the plasmon resonance detection surface 16 to cause a change in the refractive index on the surface. The reflected light that has caused the surface plasmon resonance is subsequently received by the photodiode 22, and the photodiode 22 generates an output voltage proportional to the intensity of the reflected light. Then, the measurement signal output from the photodiode 22 is transmitted to the personal computer via the interface 33. In the personal computer, qualitative and quantitative information on the target is analyzed based on the change ΔI of the reflected light intensity based on the measurement signal.
[0044]
That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the incident angle of θ1 is set by the incident light angle and the diffraction grating 15, and information on the reflected light intensity at that angle is obtained. Therefore, when the refractive index changes depending on the presence or absence of the target in the sensitive film 21 and the resonance angle shifts by Δθ, the reflected light intensity at the resonance angle θ1 also changes by ΔI. Therefore, this difference can be detected by the measurement signal, so that the qualitative and quantitative amounts of the target can be obtained as information.
[0045]
Therefore, in the present embodiment, the angle of incidence on the surface plasmon resonance detection surface 16 is fixed to θ1, and when the target in the sample liquid interacts with the surface plasmon resonance detection surface 16, the shifted reflected light intensity The qualitative and quantitative measurements of the target are measured from the change ΔI. For this purpose, light is incident on the surface plasmon resonance detection surface 16 at a predetermined angle. Since the setting is performed by the optical path deflection by the grating 15, a movable device having a high resolution for moving the surface plasmon resonance detection surface, the light source, and the light receiving unit as in the related art is unnecessary, and as described in the above-mentioned Patent Document 1. Since the optical lens system does not need to be complicated, the size of the SPR sensor 10 must be reduced to make the entire sensor compact. Was completed.
[0046]
As described above, one embodiment of the SPR sensor and the SPR measurement device has been described, but the present invention is not limited to such an embodiment, and various changes can be made without departing from the gist of the embodiment.
For example, modifications of the SPR sensor as shown in FIGS. 7 to 9 can be given. Note that the same components as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and described.
[0047]
The SPR sensor 40 shown in FIG. 7 has a sensor substrate 11 made of silicon and a transparent chip substrate 13 made of glass or the like integrated with each other. A mirror 42 is attached. The chip substrate 13 is provided with a surface plasmon resonance detection surface 16 on which a gold film 20 and a sensitive film 21 are superimposed, further provided with antireflection films 12 and 14, and a photodiode 22 for detecting reflected light is provided on the sensor substrate. 11 is provided in the vicinity of the interface. As described above, this embodiment is significantly different from the above-described embodiment in that the light is reflected by the plasmon resonance detection surface 16 and received by the photodiode 22 by using the incident side mirror 41 and the reflection side mirror 42 as the optical path deflecting means. It is the point that it did.
[0048]
That is, the incident-side mirror 41 and the reflective-side mirror 42 are arranged at predetermined inclinations in the portion of the opening 17 through which the incident light passes and in the portion where the photodiode 22 is arranged, and are arranged on the surface plasmon resonance detection surface 16 at a predetermined inclination. And the light reflected therefrom is received by the photodiode 22.
Therefore, as in the present embodiment, by using the incident side mirror 41 and the reflection side mirror 42 as the optical path deflecting unit, the SPR sensor 40 is made small in size and the whole sensor is made compact as in the above embodiment. be able to.
[0049]
Next, in the SPR sensor 50 shown in FIG. 8, a sensor substrate 11 made of silicon or the like, an anti-reflection film 12, a chip substrate 13 made of glass or the like, and an anti-reflection film 14 are layered. The portion of the opening 17 through which incident light passes and the photodiode array 51 are arranged in the layer of the anti-reflection film 12, and the other layer of the anti-reflection film 14 is arranged in the microchannel 7 (see FIG. 4). A plasmon resonance detection surface 16 is provided.
In this example, the difference from the above-described embodiment is that the diffraction gratings are irregularly spaced, whereas the diffraction gratings are equally spaced. The point is that they are formed so as to converge.
[0050]
The SPR sensor 50 shown in FIG. 8 can also be reduced in size as in the above-described embodiment, and can be made compact as a whole. Further, in this example, by using the unequally-spaced diffraction grating 52 and the photodiode array 51, it is possible to measure the reflected light intensity reflected at a plurality of angles without using a conventionally used movable device. Became.
[0051]
In the SPR sensor 60 shown in FIG. 9, in order to further increase the number of channels, the surface plasmon resonance detection surfaces 16, 16 and the photodiodes 22, 22 are arranged in a direction orthogonal to the irradiation direction of the light source. One incident light passing through the opening 17 is deflected in two directions by the diffraction grating 61 so that the light is reflected at two positions on the surface plasmon resonance detection surfaces 16 at a predetermined angle.
As a result, in this example, the sample liquid can be measured at two places at a time, and detection can be performed with two sensitive films by one incident light, so that higher integration can be expected and compactness can be achieved. We were able to.
[0052]
Further, in the above-described embodiment and the like, the incident angle of light on the plasmon resonance detection surface 16 is controlled by using a diffraction grating or a mirror as the optical path deflecting unit. However, on the other hand, for example, a mechanism that controls the incident angle of light on the plasmon resonance detection surface 16 by frequency using surface acoustic waves is installed near the interface between the sensor substrate 11 and the chip substrate 13. Can have the same effect as an optical path deflecting means.
[0053]
【The invention's effect】
The present invention reflects incident light from a light source on a surface plasmon resonance detection surface composed of a sensitive film and a metal film, and outputs reflected light intensity from a light receiving unit that receives the reflected light, Since the apparatus has an optical path deflecting means for deflecting an optical path so that incident light emitted from a light source is reflected at a predetermined angle on the surface plasmon resonance detecting surface and received by the light receiving means, a compact surface plasmon resonance sensor is provided. It became possible to provide.
[0054]
Further, the present invention provides a surface plasmon resonance detecting surface composed of a sensitive film and a metal film, and a light receiving means for outputting reflected light intensity from reflected light obtained by reflecting incident light from a light source on the surface plasmon resonance detecting surface. Wherein the sensor substrate and the chip substrate are overlapped, the sensor substrate is provided with an opening for guiding irradiation light from a light source to the chip substrate, and the sensor substrate and the chip substrate are connected to each other. The chip substrate has the surface plasmon resonance detecting surface attached to the opposite side of the sensor substrate, and detects incident light from an opening of the sensor substrate at a predetermined angle at the interface. An optical path deflecting means such as a diffraction grating or a mirror is provided at a position between the opening and the surface plasmon resonance detection surface so that the light is reflected by the surface and received by the light receiving means. Since a configuration, the surface plasmon resonance sensor has become possible to provide a compact surface plasmon resonance sensor is miniaturized.
[0055]
Further, the surface plasmon resonance detection surface is fixed so as to be incident on the sensor substrate at a certain angle with respect to the irradiation direction of the light source, and the incident light emitted from the light source is incident on the surface plasmon resonance detection surface at a predetermined angle. A surface plasmon resonance sensor having an optical path deflecting unit that deflects an optical path so that the light is reflected and received by the light receiving unit, based on a change in reflected light intensity from a reflected light intensity signal output from the surface plasmon resonance sensor. Since the apparatus has an arithmetic processing unit for analyzing qualitative and quantitative amounts of the target in the sample liquid, the size of the surface plasmon resonance sensor can be reduced, so that the entire apparatus can be made more compact.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a simplified view of a detection unit of a surface plasmon resonance sensor.
FIG. 2 is an enlarged sectional view showing a sensitive film of the surface plasmon resonance sensor in detail.
FIG. 3 is an SPR curve showing the incident angle dependence of the intensity of reflected light detected by a surface plasmon resonance sensor.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an embodiment of a surface plasmon resonance measurement device.
FIG. 5 is a sectional view showing a surface plasmon resonance sensor.
FIG. 6 is an external perspective view showing a surface plasmon resonance measurement device.
FIG. 7 is a sectional view showing a first modification of the surface plasmon resonance sensor.
FIG. 8 is a sectional view showing a second modification of the surface plasmon resonance sensor.
FIG. 9 is a sectional view showing a third modification of the surface plasmon resonance sensor.
FIG. 10 is a plan view showing a conventional surface plasmon resonance sensor.
FIG. 11 is a side view showing a conventional surface plasmon resonance sensor.
[Explanation of symbols]
1 Surface plasmon resonance measurement device
2 Chip substrate
3 Sensor board
4 Light source
5 Collimation lens
6 Polarizing plate
7 Micro channel
10. Surface plasmon resonance sensor
11 Sensor board
12,14 Anti-reflective coating
13 Chip substrate
15 Diffraction grating
16 Plasmon resonance detection surface
18 Aperture
19 Incident light
20 Gold film
21 Sensitive membrane
22 Photodiode
31 Channel system
32 sample injection hole
33 Interface
34 Temperature controller
40 SPR sensor
41 Entry side mirror
42 Reflection side mirror
50 SPR sensor
51 Photodiode array
52 Irregularly spaced diffraction grating
60 SPR sensor
61 diffraction grating

Claims

A transparent chip substrate having a surface plasmon resonance detection surface composed of a sensitive film and a metal film,
A sensor substrate, which is superimposed on the chip substrate and has an opening for guiding irradiation light from a light source to the chip substrate,
Light receiving means disposed on the chip substrate side of the sensor substrate and outputting the intensity of reflected light that reflects incident light from a light source to the surface plasmon resonance detection surface,
On the surface plasmon resonance detection surface attached to the opposite side of the sensor substrate with respect to the chip substrate, so that light incident from an opening of the sensor substrate is reflected at a predetermined angle and received by the light receiving means, A surface plasmon resonance sensor comprising: an optical path deflecting unit provided between an interface between a sensor substrate and a chip substrate and the surface plasmon resonance detection surface.

2. The surface plasmon resonance sensor according to claim 1, wherein the optical path deflecting means on the incident light side is a diffraction grating, a mirror or a prism.

The surface plasmon resonance sensor according to claim 1 or 2,
A surface plasmon resonance sensor having an optical path deflecting unit for deflecting the reflected light from the surface plasmon surface detecting surface to the light receiving unit, wherein the optical path deflecting unit is a diffraction grating, a mirror or a prism.

The surface plasmon resonance sensor according to claim 2 or claim 3,
A surface plasmon resonance sensor characterized in that at least one of the optical path deflecting means is used on the incident side, and at least one of the optical path deflecting means is used as necessary on the light receiving side.

The surface plasmon resonance sensor according to any one of claims 1 to 4,
A surface plasmon resonance sensor, wherein the optical path deflecting means on the incident side is a diffraction grating formed at equal or unequal intervals.

The surface plasmon resonance sensor according to any one of claims 1 to 5,
The chip substrate is provided with an anti-reflection film at an interface with the sensor substrate and a surface to which the surface plasmon resonance detection surface is attached, except for the optical path deflecting unit and the surface plasmon resonance detection surface. A surface plasmon resonance sensor characterized in that:

The surface plasmon resonance sensor according to any one of claims 1 to 6,
The surface plasmon resonance sensor, wherein the chip substrate is separable from the sensor substrate side, or a part including a surface plasmon resonance detection surface can be separated and separated.

The surface plasmon resonance sensor according to any one of claims 1 to 7,
A surface plasmon resonance sensor comprising a plurality of measurement units each having the surface plasmon resonance detection surface, an optical path deflecting unit, and a light receiving unit.

The surface plasmon resonance sensor according to any one of claims 1 to 8,
The surface plasmon resonance detection surface and light receiving means are arranged at symmetrical positions with respect to the opening,
The optical path deflecting means on the incident side deflects an irradiation light emitted from a light source in a direction orthogonal to the surface plasmon resonance detection surface in two directions, thereby arranging the surface plasmon resonance light arranged in two places. A surface plasmon resonance sensor characterized by being incident on a detection surface at a predetermined angle.

The surface plasmon resonance sensor according to any one of claims 1 to 9,
A plurality of measurement units each having the surface plasmon resonance detection surface, an optical path deflecting unit, and a light receiving unit are provided, and a mechanism for converting light emitted from at least one or more light sources into parallel light and converting the light into P-polarized light is provided. A surface plasmon resonance sensor characterized by being incident on an opening.

A surface plasmon resonance sensor according to any one of claims 1 to 10,
A surface plasmon resonance measuring apparatus, comprising: an arithmetic processing unit for analyzing qualitative and quantitative amounts of a target in a sample liquid based on a change in reflected light intensity from a reflected light intensity signal output from the surface plasmon resonance sensor. .