JPWO2012046412A1

JPWO2012046412A1 - プラズモンセンサ

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Publication number: JPWO2012046412A1
Application number: JP2012537572A
Authority: JP
Inventors: 昌也田村; 加賀田　博司; 博司加賀田; 橋本谷　磨志; 磨志橋本谷
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2014-02-24
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Abstract

プラズモンセンサは、親水性を有する保持部と、保持部の下面に配置された第１金属層と、第１金属層の下面に対向する上面を有する第２金属層とを備える。第１金属層と第２金属層との間には媒質を含む試料が充填されるように構成された中空領域が設けられている。第１金属層の面積は保持部の下面の面積よりも小さい。保持部は中空領域に面して接する親水性の領域を有する。このプラズモンセンサは、小型で簡易な構成で実現することが出来る。

Description

本発明は、例えば、ウィルス等の検知に使用できる表面プラズモン共鳴を利用したプラズモンセンサに関する。

図１４は、例えば、ウィルス検知等に使用可能な従来のプラズモンセンサ１００の断面図である。プラズモンセンサ１００は、プリズム１０１と、プリズム１０１の下面に配置された表面の平坦な金属層１０２と、金属層１０２の下面に配置された表面の平坦な所定の誘電率を有する絶縁層１０３と、絶縁層１０３の下面に固定されたアクセプタ１０４とを有している。

金属層１０２と絶縁層１０３との界面には、電子の疎密波である表面プラズモン波が存在している。プリズム１０１側上方には光源１０５が配置され、光源１０５からプリズム１０１へＰ偏光された光を全反射条件で入射する。このとき、金属層１０２と絶縁層１０３との表面にはエバネセント波が生じている。金属層１０２において全反射された光は、検波部１０６において受光され、光の強度が検出される。

ここで、エバネセント波と表面プラズモン波との波数が一致する波数整合条件が満たされると、光源１０５から供給される光のエネルギーは表面プラズモン波の励起に利用され、反射光の強度が減少する。波数整合条件は、光源から供給される光の入射角に依存する。したがって、入射角を変化させて検波部１０６で反射光強度を検出すると、ある入射角において、反射光の強度が減少する。

反射光の強度が最小となる角度である共鳴角は、絶縁層１０３の誘電率に依存している。試料中の被測定物質であるアナライトとアクセプタ１０４とが特異的に結合して生成された特異的結合物が絶縁層１０３の下面に構成されると、絶縁層１０３の誘電率が変化し、これに応じて、共鳴角が変化する。したがって、共鳴角の変化をモニタリングすることにより、アナライトとアクセプタ１０４との特異的結合反応の結合の強さや結合の速さなどを検知することが可能となる。

プラズモンセンサ１００は、Ｐ偏光を供給できる光源１０５と金属層１０２の上面に配置されるプリズム１０１とを備えるので、サイズが大きく、複雑になる。

プラズモンセンサ１００に類似の従来のプラズモンセンサが特許文献１に記載されている。

特開２００５−１８１２９６号公報

プラズモンセンサは、保持部と、保持部の下面に配置された第１金属層と、第１金属層の下面に対向する上面を有する第２金属層とを備える。第１金属層と第２金属層との間には媒質を含む試料が充填されるように構成された中空領域が設けられている。第１金属層の面積は保持部の下面の面積よりも小さい。保持部は中空領域に面して接する親水性の領域を有する。

このプラズモンセンサは、小型で簡易な構成で実現することが出来る。

図１は本発明の実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。図２は実施の形態１におけるプラズモンセンサのアクセプタとアナライトの特異的結合を示す概念図である。図３Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。図３Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。図４Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサの電磁界シミュレーション解析モデルの概念図である。図４Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサの電磁界シミュレーション解析モデルの概念図である。図５は実施の形態１におけるプラズモンセンサの電磁気シミュレーションの解析結果を示す図である。図６は実施の形態１におけるプラズモンセンサの他の電磁気シミュレーション解析モデルの概念図である。図７は実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析の結果を示す図である。図８Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサのさらに他の電磁気シミュレーション解析モデルの概念図である。図８Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す図である。図９Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す図である。図９Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す図である。図１０Ａは実施の形態１における他のプラズモンセンサの断面図である。図１０Ｂは実施の形態１におけるさらに他のプラズモンセンサの断面図である。図１１は実施の形態１におけるさらに他のプラズモンセンサの断面図である。図１２は本発明の実施の形態２におけるプラズモンセンサの断面図である。図１３Ａは実施の形態２における他のプラズモンセンサの断面図である。図１３Ｂは実施の形態２におけるさらに他のプラズモンセンサの断面図である。図１４は従来のプラズモンセンサの断面図である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるプラズモンセンサ１の断面図である。プラズモンセンサ１は、金属層２と、中空領域４を介して金属層２に対向して金属層２の下方に配置された金属層３とを有する。金属層２の下面２Ｂは中空領域４を介して金属層３の上面３Ａに対向している。金属層２、３は金、銀等の金属で構成される。中空領域４にはプラズモンセンサ１を使用する際に液体である試料６２を充填することができ、実質的に金属層２、３で挟まれている。試料６２は、アナライト８と検体９と媒質６１とを含有する。媒質６１は親水性の液体、親水性のゲル等の親水性の流体よりなり、アナライト８と検体９とを運ぶ。

金属層２は概ね１００ｎｍ以下の厚みを有するので単体ではその形状を維持できない。金属層２の上面２Ａは保持部５の下面５Ｂに固定され、その形状が保持される。金属層３は保持部６の上面６Ａに固定されて保持される。

金属層２の上面２Ａから電磁波９１が入射する。電磁波９１が可視光である場合には、金属層２が金よりなる場合に３５ｎｍ〜４５ｎｍの範囲内の膜厚を有することが望ましい。この範囲外の膜厚では、表面プラズモン共鳴による電磁波９１の反射吸収量が少なくなる。

金属層３が金よりなる場合に、１００ｎｍ以上の膜厚を有することが望ましい。１００ｎｍ未満の膜厚では入射された電磁波９１（可視光）は金属層３を透過し、表面プラズモン共鳴による電磁波９１の反射吸収量が小さくなる。このように金属層２は金属層３よりも薄い構成となっている。

金属層２、３間の距離が一定に維持されるように、プラズモンセンサ１は金属層２、３を保持する柱または壁等の間隔保持部７１を有していてもよい。この構造により、プラズモンセンサ１は中空領域４を実現することができる。

金属層２の上面２Ａの上方、すなわち、金属層２について金属層３の反対の方向には電磁波源９２が配置されている。電磁波源９２は金属層２の上面２Ａ上方から金属層２へ電磁波９１を与える。実施の形態１では、電磁波源９２は保持部５の上面５Ａに照射されて、保持部５を介して金属層２の上面２Ａ上方から金属層２へ電磁波９１を与える。

以下、プラズモンセンサ１の動作について説明する。実施の形態１においては、電磁波９１は光であり、電磁波源９２は光源である。光源である電磁波源９２は、偏光板等の光の偏波を揃える装置を備えていない。図１４に示す従来のプラズモンセンサ１００と異なり、本発明のプラズモンセンサ１は、Ｐ偏光された光だけでなくＳ偏光された光でも表面プラズモン共鳴を励起させることが可能となる。

金属層２の上方から上面２Ａに与えられた電磁波９１は金属層２を透過して中空領域４に供給されて金属層３の上面３Ａに到達する。電磁波９１により金属層２の中空領域４の側である下面２Ｂに表面プラズモンが発生し、金属層３の中空領域４の側である上面３Ａに表面プラズモンが発生する。中空領域４に供給された電磁波９１の波数と金属層２の下面２Ｂに発生する表面プラズモンの波数とが一致した場合には、金属層２の下面２Ｂに表面プラズモン共鳴が励起される。また、電磁波９１と金属層３の上面３Ａに発生する表面プラズモンの波数とが一致した場合には、金属層３の上面３Ａに表面プラズモン共鳴が励起される。

表面プラズモン共鳴を発生させる周波数は、金属層２の形状の主に厚み、金属層３の形状の主に厚み、金属層２、３間の距離、金属層２の誘電率、金属層３の誘電率、金属層２、３間での媒質６１の誘電率と、媒質６１の誘電率の分布の少なくとも１つを調整することにより制御可能である。

金属層２の上面２Ａの上方には光等の電磁波９３を検知する検知部９４が配置される。電磁波源９２から与えられた電磁波９１をプラズモンセンサ１が受けた時にプラズモンセンサ１から反射又は輻射された光等の電磁波９３を受信する。

実施の形態１において、金属層２の厚みは概ね１００ｎｍ以下である。金属層２が１００ｎｍより厚い場合、電磁波（光）の中の表面プラズモン共鳴の生じる波長成分が、金属層２を透過しなくなるので、金属層２の下面２Ｂや金属層３の上面３Ａで表面プラズモン共鳴が励起されない。

金属層２は概ね１００ｎｍ以下の厚みを有するので、それ単体では形状を維持できない。保持部５は金属層２の上面２Ａに固定され、金属層２の形状を保持する。保持部５は電磁波９１を金属層２へ効率良く供給させる必要があるので、保持部５は電磁波９１を減衰させにくい材質で形成される。実施の形態１においては電磁波９１は光なので、光を効率的に透過させるガラスや透明プラスチック等の透明な材料で形成される。保持部５の厚みは機械強度的に許容できる範囲で、できるだけ薄い方が好ましい。

金属層３は概ね１００ｎｍ以上の厚みを有する。金属層３の厚みが１００ｎｍ未満の場合、金属層２を通過して中空領域４に供給された電磁波の一部が、金属層３を通過して中空領域４の外側へ漏れ出す場合がある。すなわち、本来、表面プラズモン共鳴の励起に利用されるべき電磁波のエネルギーの一部が中空領域４の外へ漏れ出るので、プラズモンセンサ１の感度が低くなる。したがって、金属層２を金属層３よりも薄くすることで、プラズモンセンサ１の感度を高くすることができる。

このような構造により、電磁波源９２から供給される光である電磁波９１を中空領域４に閉じ込めて表面プラズモン共鳴を励起することができる。表面プラズモン共鳴と共に、表面プラズモンと電磁波９１が結合することで表面プラズモンポラリトンが励起され、それにより供給された電磁波９１が吸収され、表面プラズモン共鳴の周波数の成分だけ電磁波９３として輻射されず、その成分の他の成分が電磁波９３として輻射される。

金属層３の下面３Ｂは保持部６の上面６Ａに固定され、その形状を保持される。

プラズモンセンサ１の感度を高くするためには、供給される光等の電磁波９１を金属層３に透過させないことが好ましい。したがって、保持部６は光等の電磁波９１を遮断する材料より形成されることが好ましい。例えば、保持部６は１００ｎｍ以上の厚みを有する金属や半導体より形成される。

保持部６の厚みは保持部５の厚みよりも大きいことが好ましい。これにより、プラズモンセンサ１自体の機械的強度を向上させることができ、プラズモンセンサ１の使用時に形状変形等が生じ、センシング特性が変化してしまうことを防止できる。

プラズモンセンサ１においては、金属層２の中空領域４の側である下面２Ｂに複数のアクセプタ７が配置されている。金属層３の中空領域４の側である上面３Ａにアクセプタ７と同様のアクセプタ７７が配置されていてもよい。もしくは、プラズモンセンサ１では、金属層２の下面２Ｂにアクセプタ７が配置されておらず、金属層２、３の下面２Ｂと上面３Ａのうちの金属層３の上面３Ａのみにアクセプタ７７が配置されていてもよい。

アナライト８を含有する試料６２がアクセプタ７に触れると、アクセプタ７とアナライト８とが特異的に結合する。図２はアクセプタ７とアナライト８の特異的結合を示す概念図である。試料６２は非特異的検体である検体９と特定的検体であるアナライト８とを含有している。アクセプタ７は非特異的検体９とは特異的に結合せず、アナライト８のみと選択的に特異的結合を起こす。

図３Ａと図３Ｂはプラズモンセンサ１の動作を示す断面図である。図３Ａに示すように、真空または空気が充填された中空領域４に、検体９とアナライト８とを含有する試料６２が毛細管現象で充填されると、中空領域４の状態、特に誘電率が変化する。これにより、プラズモンセンサ１の表面プラズモン共鳴が発生する周波数である共鳴周波数が変化する。

次に、図３Ｂに示すように、金属層２の下面２Ｂに配置されたアクセプタ７とアナライト８とが特異的に結合すると、金属層２の下面２Ｂの近傍の有機物の厚み及び比誘電率が変化するので、金属層２、３間の媒質６１の誘電率及び誘電率の分布が変化する。このように、プラズモンセンサ１の共鳴周波数がアクセプタ７とアナライト８との特異的結合の進行と共に変化する。したがって、共鳴周波数の変化を検知することにより、アクセプタ７とアナライト８との特異的結合の状態、具体的には、特異的結合の強さ、結合スピード等を検知することができる。

アクセプタ７とアナライト８との特異的結合によりプラズモンセンサ１の表面プラズモン共鳴を発生させる周波数の変化について、以下、電磁界シミュレーションを用いて説明する。図４Ａと図４Ｂはそれぞれプラズモンセンサ１の電磁界シミュレーションの解析モデル５０１、５０２の概念図である。

図４Ａに示す解析モデル５０１では、金属層２は銀により構成されて３０ｎｍの厚みを有する。金属層３は銀により構成されると共に１３０ｎｍの厚みを有する。金属層２、３間の距離が１６０ｎｍであり、中空領域４には比誘電率が１．０の空気が充填されている。金属層２の上面２Ａの上方と金属層３の下面３Ｂの下方は空気で充填されている。解析モデル５０１では、金属層２、３と中空領域４が無限に続いている。

図４Ｂに示す解析モデル５０２では、図４Ａに示す解析モデル５０１での金属層２の下面２Ｂにアナライト８が配置されている。アナライト８の厚みは１０ｎｍであり、比誘電率は３．０である。アナライト８と金属層３の上面３Ａとの間の距離は１５０ｎｍであり、中空領域４には比誘電率が１．０の空気が充填されている。金属層２の上面２Ａの上方と金属層３の下面３Ｂの下方は空気で充填されている。解析モデル５０２では、金属層２、３と中空領域４が無限に続いている。

金属層２、３を構成する銀の誘電関数は「ＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＯｐｔｉｃａｌＣｏｎｓｔａｎｔｓｏｆＳｏｌｉｄｓ」（Ｐａｌｉｋ，ＥｄｗａｒｄＤ．ｉｎ１９９８）に記載された屈折率の実験データを変換して作成できる。図４Ａと図４Ｂに示す解析モデル５０１、５０２においては、簡易にシミュレーション解析を行うために、アクセプタ７をモデル化していない。

解析モデル５０１、５０２の金属層２の上面２Ａの法線方向５０１Ｎに対して４５度の仰角ＡＮから電磁波５９１を与え、−４５度の仰角で金属層２の上面２Ａから輻射される電磁波５９３を検知することにより電磁界シミュレーション解析を行った。

図５は電磁界シミュレーションの結果を示す。図５において、横軸は電磁波５９１の波長を示し、縦軸は電磁波５９３の電力の電磁波５９１の電力に対する比である反射率を示す。図５は解析モデル５０１、５０２のそれぞれの反射率Ｒ５０１、Ｒ５０２を示す。

図５に示すように、反射率Ｒ５０１の値は電磁波５９１の波長が３４０ｎｍ付近で急激に局所的に小さくなる。反射率が小さくなる電磁波の波長である共鳴波長Ｌ５０１付近では、中空領域４に供給された電磁波の波数と金属層２の下面２Ｂに発生する表面プラズモンの波数とが一致しており、金属層２の下面２Ｂには表面プラズモン共鳴が励起さていれる。同様に、共鳴波長Ｌ５０１付近で、中空領域４に供給された電磁波５９１の波数と金属層３の上面３Ａに発生する表面プラズモンの波数とが一致するので、金属層３の上面３Ａには表面プラズモン共鳴が励起されている。

また、図５に示すように、図４Ｂに示す解析モデル５０２の反射率Ｒ５０２の値が局所的に小さくなる共鳴波長Ｌ５０２は解析モデル５０１の共鳴波長Ｌ５０１より約７０ｎｍ長い。図４Ｂに示す解析モデル５０２の金属層２の下面２Ｂに付加されたアナライト８の比誘電率の値により、金属層２の下面２Ｂで励起される表面プラズモン共鳴を発生させる共鳴周波数が低くなるように変化し、結果、共鳴波長が約７０ｎｍ長くなっている。

このように、図５に示すシミュレーション解析の結果は、金属層２の下面２Ｂで表面プラズモン共鳴が励起されることを示す。また、金属層２の下面２Ｂ近傍の媒質の状態の変化は、共鳴周波数（共鳴波長）の変化を測定することで検知可能である。

プラズモンセンサ１においては、共鳴周波数の変化だけでなく、反射率の変化も検知し、これら２つの指標を同時に使用して金属層２の下面２Ｂ近傍の媒質の状態の変化を検出でき、高い検出能力を発揮する事が可能である。中空領域４の媒質の状態とは、中空領域４の一部又は全部に充填されている物質（媒質）の状態、例えばその物質自体の組成や、物質の中空領域４での分布を指している。

プラズモンセンサ１において、アナライト８を含有する試料６２の媒質６１は液体であり、毛細管現象により中空領域４へ挿入される。しかし、例えば、保持部５の下面５Ｂのすべてが金属層２で覆われており、且つ、保持部６の上面６Ａのすべてが金属層３で覆われていると、金属層２、３は疎水性が強いので、試料６２が中空領域４に挿入し難い。実施の形態１におけるプラズモンセンサ１では、金属層２の面積が保持部５の下面５Ｂの面積よりも小さくなるように構成されている。保持部５は親水性を有する。これにより、図１に示すように、保持部５の下面５Ｂに金属層２が存在しない領域２Ｃができる。故に、領域２Ｃにおいて、親水性を有する保持部５の下面５Ｂの領域２Ｃが中空領域４に面して露出する為、試料６２を毛細管現象により挿入し易くできる。図１に示すように、親水性を有する保持部５が露出する領域２Ｃは、保持部５の下面５Ｂの端部の一部又は全領域に存在する。領域２Ｃから金属層２の下面２Ｂに向かう方向Ｄ１に試料６２を中空領域４に挿入することで試料６２が領域２Ｃに接触し易いので、毛細管現象によって試料６２をさらに容易に中空領域４に挿入できる。ただし、親水性を有する保持部５が露出する領域２Ｃが、保持部５の下面５Ｂ端部の一部又は全領域に存在しない構成、例えば、保持部５の下面５Ｂの中央部に領域２Ｃが存在する構成であっても、領域２Ｃが存在しない状態と比較すると、毛細管現象による試料６２の挿入容易性は向上できる。また、試料６２は方向Ｄ１以外の方向で中空領域４に挿入しても試料６２が領域２Ｃに接触することで毛細管現象によって試料６２を容易に中空領域４に挿入できる。なお、保持部６は親水性を有していなくてもよい。

実施の形態１において、「中空領域４」とは、試料６２を挿入可能な領域を指しており、「保持部５の下面５Ｂ」とは、中空領域４及び金属層２に接する面を指しており、「保持部６の上面６Ａ」とは、中空領域４及び金属層３に接する面を指している。

実施の形態１において、「親水性を有した保持部」とは、少なくとも中空領域に接する領域で親水性を有する保持部を指しており、保持部全体が親水性を有する材料で構成されていても良いし、疎水性の材料（例えば樹脂材料）で保持部の大部分が構成され、その保持部のうち、中空領域４に面して接する領域の少なくとも一部にだけ親水性の材料が形成されている構成であっても良い。具体的には、保持部の大部分が疎水性の樹脂で構成され、その樹脂製保持部のうち、中空領域４に接する領域の少なくとも一部にだけ親水性の材料の膜が塗布・形成されていてもよい。

図１に示すプラズモンセンサ１では、アクセプタ７が金属層２の下面２Ｂに配置されているが、これに限る必要は無く、アクセプタ７、７７が金属層２、３の表面に配置されていない構成としても良い。アクセプタ７（７７）が金属層２の下面２Ｂまたは金属層３の上面３Ａに配置されていない、すなわちアクセプタ７（７７）を備えていないプラズモンセンサ１の中空領域４に任意の液体を挿入し、共鳴周波数の変化、共鳴波長の変化、または共鳴周波数の絶対値を測定することで液体の種類や濃度を検知することができる。これにより、アクセプタ７（７７）を金属層２、３の表面に配置する工程を削除する事ができ、プラズモンセンサ１の製造効率の向上を図ることが可能となる。

尚、以下、金属層３の上面３Ａにアクセプタ７７が配置された場合についての解析結果を説明する。

図６は、プラズモンセンサ１の他の電磁気シミュレーション解析モデル５０３の概念図である。図６において、図４Ａと図４Ｂに示す解析モデル５０１、５０２と同じ部分には同じ参照番号を付す。モデル５０３では、アクセプタ７は金属層２の下面２Ｂには配置されておらず、金属層３の上面３Ａにアクセプタ７７が配置されている。したがって、アナライト８は金属層２の下面２Ｂには配置されておらず、金属層３の上面３Ａに配置されている。

図６に示す解析モデル５０３では、金属層３の上面３Ａに配置されたアナライト８は厚み１０ｎｍ、比誘電率３．０を有する。中空領域４の厚みは１５０ｎｍであり、比誘電率１．０を有する。

解析モデル５０３の金属層２の上面２Ａの法線方向５０１Ｎに対して４５度の仰角ＡＮから電磁波５９１を与え、−４５度の仰角で金属層２の上面２Ａから輻射される電磁波５９３を検知することにより電磁界シミュレーション解析を行った。

図７に図４Ａと図６に示す解析モデル５０１、５０３の電磁界シミュレーションの解析結果を示す。図７において、横軸は電磁波５９１の波長を示し、縦軸は電磁波５９３の電力の電磁波５９１の電力に対する比である反射率を示す。図７は解析モデル５０１、５０３のそれぞれの反射率Ｒ５０１、Ｒ５０３を示す。

図７に示すように、金属層３の上面３Ａにアナライト８が付着した場合にも共鳴波長の変化が生じている。このことは、金属層３の上面３Ａにおいても、表面プラズモン共鳴が発生していることを示している。したがって、アクセプタ７は金属層２の下面２Ｂには配置されておらず、金属層３の上面３Ａにアクセプタ７７が配置されていてもよく、プラズモンセンサ１の設計自由度を向上させることができる。

プラズモンセンサ１は、金属層２の下面２Ｂに配置されたアクセプタ７と、金属層３の上面３Ａに配置されたアクセプタ７７とを備えていてもよい。これにより、金属層２の下面２Ｂと金属層３の上面３Ａとで発生している表面プラズモン共鳴を共に利用し、より感度の高いプラズモンセンサ１を実現することが可能となる。

図８Ａはプラズモンセンサ１の電磁界シミュレーションの解析モデル５０４の概念図である。図８Ａにおける解析モデル５０４では、中空領域４の比誘電率が２．０である。図８Ｂは解析モデル５０４の解析結果を示す。図８Ｂにおいて、横軸は電磁波５９１の波長を示し、縦軸は電磁波５９３の電力の電磁波５９１の電力に対する比である反射率を示す。解析モデル５０４は反射率Ｒ５０４を有する。

図５および図７、図８Ｂに示すように、中空領域４が真空や空気の場合であっても、すなわち高い誘電率を有する固体の誘電体で充填されていない場合であっても、表面プラズモン共鳴が発生する。

プラズモンセンサ１では、金属層２、３間に設けられた中空領域４は固体の誘電体で充填されていない。これにより、アナライト８を含む試料６２を中空領域４に注入することでアクセプタ７（７７）とアナライト８とを接触させることが可能となる。

また、図８Ｂに示すように、中空領域４の媒質６１を空気または真空として比誘電率を低く設定すると、表面プラズモン共鳴の共鳴波長を短くすることができる。すなわち、同一の共鳴周波数を得るためには、中空領域４を空気または真空で充填したプラズモンセンサ１は、任意の誘電体を充填した中空領域を有するプラズモンセンサと比較して、金属層２、３間の間隔を大きくすることが可能となる。

故に、実施の形態１におけるプラズモンセンサ１のように、中空領域４を比誘電率が概ね１となる空気または真空、若しくは比誘電率の小さな気体で充填することにより、固体の誘電体等を金属層２、３間に充填するプラズモンセンサと比較して、金属層２、３間の間隔を広げることが可能となる。したがって、中空領域４の厚みを大きくすることができるので、アナライト８を含有する試料６２を中空領域４に容易に挿入することができる。

また、共鳴周波数において、金属層２、３間の電磁界強度が高次モードで分布していてもよい。すなわち、金属層２、３間に発生する電磁界強度が複数の箇所で局所的に大きくなっていてもよい。図４Ａに示す解析モデル５０１での中空領域４の厚みを１０μｍに設定した解析モデル５０５の電磁界シミュレーション結果を図９Ａと図９Ｂに示す。

図９Ａに示すモデルの共鳴波長は２８８３ｎｍであり、図９Ａは中空領域４の電界強度の分布を表わしている。図９Ａにおいては、説明の簡略化のために、中空領域４のすべての領域における電界分布は示しておらず、一部の領域９５のみでの電界分布を表わしている。

図９Ａにおいて、金属層２、３間に存在する電界強度は、金属層２から金属層３に向かう位置で周期的に局所的な変化を繰り返しており、金属層２、３の近傍の領域では電界強度は小さい。図９Ａでは、金属層２、３間の複数すなわち５つの領域で電界強度が局所的に大きく、基本モードより高い高次モードで電磁界強度が分布している。

金属層２、３間の電磁界強度が高次モードで分布することにより、金属層２、３の間隔を広げることができ、アナライト８が含有されている試料６２を中空領域４に容易に挿入することができる。

図９Ａに示す解析モデル５０５では中空領域４の比誘電率は１である。解析モデル５０５と、解析モデル５０５の中空領域の比誘電率が１．２である解析モデル５０６の電磁界シミュレーションの結果である反射率Ｒ５０５、Ｒ５０６を図９Ｂに示す。

図９Ｂに示すように、解析モデル５０５、５０６共に多数の共鳴波長で表面プラズモン共鳴が発生している。また、中空領域４の媒質６１の状態すなわち比誘電率を変えることで共鳴波長が変化する。

このように、中空領域４を厚くした場合に、金属層２、３間に高次モードの電磁界強度分布が発生し、表面プラズモン共鳴が高次の周波数で発生する。

プラズモンセンサ１は、高次モードの周波数で発生する表面プラズモン共鳴を利用して、中空領域４の媒質６１の状態の時間的変化を検知することもできる。これにより、金属層２、３間の間隔を広げられるので、アナライト８が含有された試料６２を中空領域４に挿入することが容易となる。

尚、実施の形態１における「金属層２の下面２Ｂの近傍の近傍領域（第１近傍領域）」とは、金属層２の下面２Ｂに面した領域又は金属層２の下面２Ｂから所定間隔（樹脂等のスペーサにより離間されたもの）だけ離間された領域を指しており、「金属層３の上面３Ａの近傍の近傍領域（第２近傍領域）」とは、金属層３の上面３Ａに面した領域又は金属層３の上面３Ａから所定間隔（樹脂等のスペーサにより離間されたもの）だけ離間された領域を指している。

尚、実施の形態１において「アクセプタ」とは、特定のアナライト等と特異的結合をする捕捉体を指しており、例えば、抗体、受容体タンパク、アプタマー、ポルフィリン、モレキュラーインプリンティング技術により生成された高分子などを指している。モレキュラーインプリンティング技術とは、テンプレート合成の概念及び技術の一つであり、テンプレート分子に対する相補的構造、および空間を高分子内に構築する事を目的とした技術を指している。高分子内に構築されたこの空間は、高分子合成の過程で、テンプレート分子に対して形状の点でテーラーメイド的に構築されるので、その選択的結合部位として働く事が期待できるものである。モレキュラーインプリンティング技術により生成された高分子とは、例えば、メタクリレート系樹脂やスチレンージビニルベンゼン系樹脂、並びに、アクリル酸あるいはメタクリル酸（機能性モノマー）、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（構造構築用モノマー）、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド（架橋剤）等を用いて構築した分子インプリントハイドロゲル等を指している。

受容体タンパクは、特定的結合のペアについてのデータベースが充実しているため、アクセプタとして受容体タンパクを用いた場合、ターゲット物質を検出するための受容体タンパクを容易に選択することができる。

アクセプタ７、７７としてポルフィリンを用いる事により、プラズモンセンサの感度を向上させられる。これは、ポルフィリン自体も、ターゲット物質と特異的に結合する事により吸収スペクトルのピーク波長や吸光度が変化するためである。

アクセプタ７、７７としてアプタマーを用いた場合、検出したいターゲット物質に対して特異的結合をするようにアプタマーを設計することができるため、所望のプラズモンセンサを容易に実現できる。また、アプタマーは長期間安定して存在しえるので、長期保存の容易なプラズモンセンサを実現する事ができる。

アクセプタ７、７７としてモレキュラーインプリンティング技術により生成された高分子を用いた場合、検出したいターゲット物質に対して特異的結合をするように高分子を容易に設計することができるため、プラズモンセンサの設計対応力を向上させることができる。更に、検出したいターゲット物質に対して特異的結合をする高分子は、アプタマー等に対してサイズを小さくする事ができるため、プラズモンセンサを設計する上で、プラズモン共鳴波長の選択の幅を広げる事ができる。

尚、図１に示すプラズモンセンサ１おいては、保持部５の下面５Ｂの面積が金属層２の面積よりも大きいが、これに限定する必要なく、金属層３の面積が保持部６の上面６Ａの面積よりも小さくなるように構成されていても、同様の効果が得られる。

図１０Ａは実施の形態１における他のプラズモンセンサ１００１の断面図である。図１０Ａにおいて、図１に示すプラズモンセンサ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１０Ａに示すプラズモンセンサ１００１では、保持部５の下面５Ｂの面積が金属層２の面積と同じであり、保持部５の下面５Ｂは中空領域４に面しても接してもいない。その代わり、プラズモンセンサ１００１では、金属層３の面積が保持部６の上面６Ａの面積よりも小さく、すなわち、保持部６の上面６Ａは中空領域４に面して接している領域３Ｃを有する。領域３Ｃは図１に示す領域２Ｃと同様に親水性を有し、同様の効果が得られる。なお、プラズモンセンサ１００１では、保持部５は親水性を有していなくてもよい。

図１０Ｂは実施の形態１におけるさらに他のプラズモンセンサ１００２の断面図である。図１０Ｂにおいて、図１０Ａに示すプラズモンセンサ１００１と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１０Ｂに示すプラズモンセンサ１００２では、保持部５の下面５Ｂの面積が金属層２の面積より大きく、保持部５の下面５Ｂは中空領域４に面して接している。さらに、金属層３の面積が保持部６の上面６Ａの面積よりも小さく、すなわち、保持部６の上面６Ａは中空領域４に面して接している領域３Ｃを有する。保持部５、６は親水性を有する。すなわち、領域３Ｃは図１に示す領域２Ｃと同様に親水性を有し、同様の効果が得られる。

図１に示すプラズモンセンサ１では、保持部５の下面５Ｂの面積と保持部６の上面６Ａの面積とが概ね同じであるが、これに限定する必要はなく、保持部５の下面５Ｂの面積と保持部６の上面６Ａの面積とが異なった構成であってもよい。これにより、中空領域４とそれ以外の領域との境界面を広げる事ができるため、試料６２を中空領域４に挿入し易くなる。

図１１は実施の形態１におけるさらに他のプラズモンセンサ１００３の断面図である。図１１において、図１に示すプラズモンセンサ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１１に示すプラズモンセンサ１００３では、保持部５の下面５Ｂの面積は保持部６の上面６Ａの面積より大きい、すなわち上面６Ａの面積と異なっている。具体的には、保持部５の下面５Ｂは領域２Ｃに繋がって下面５Ｂの端まで延びる領域２０２Ｃをさらに有する。領域２０２Ｃは領域２Ｃと同様に親水性を有する。領域２０２Ｃは金属層３に対向していない。試料６２を領域２０２Ｃに当接させることで、プラズモンセンサ１と試料６２との接触面積を増加させることができ、試料６２を方向Ｄ１でさらに容易に中空領域４に導入することができる。

保持部５、６が親水性を有する場合には、保持部５、６は、例えば、極性を持った官能基をその表面に有した材料よりなる。その官能基としてはＯＨ⁻やＮＨ_２ ⁻が挙げられる。表面に官能基ＯＨ⁻を有した材料としては、ガラス（ＳｉＯ_２）が挙げられる。

上述のように、保持部５、６のうちの一方は親水性を有する。保持部５が親水性を有する場合には金属層２の面積は保持部５の下面５Ｂの面積よりも小さい。保持部６が親水性を有する場合には金属層３の面積は保持部６の上面６Ａの面積よりも小さい。保持部５、６のうちの他方は親水性を有していなくてもよい。

すなわち、保持部５が親水性を有する場合には保持部５の下面５Ｂは中空領域４に面している領域２Ｃを有する。保持部６が親水性を有する場合には保持部６の上面６Ａは中空領域４に面している領域３Ｃを有する。

また、保持部５が親水性を有する場合には保持部５の下面５Ｂの領域２Ｃは保持部５の下面５Ｂの端部に位置してもよい。また、保持部６が親水性を有する場合には保持部６の上面６Ａの領域３Ｃは保持部６の上面６Ａの端部に位置してもよい。

また、保持部５、６のうちの他方は親水性を有してもよい。

（実施の形態２）
図１２は本発明の実施の形態２におけるプラズモンセンサ５１０の断面図である。図１２において、実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と同様の構成部位には同じ符号を付す。実施の形態２における実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と異なり、プラズモンセンサ５１０では、親水性を有する保持部５が露出する領域２Ｃが存在せず、すなわち金属層２の面積と保持部５の下面５Ｂの面積は同じであり、代わりに金属層２の下面２Ｂに親水性材料層２０が配置されている。

図１２において、実施の形態２に係るプラズモンセンサ５１０は、電磁波が供給されるように構成された上面２Ａと、下面２Ｂとを有する金属層２と、金属層２の下面２Ｂに対向する上面３Ａを有する金属層３と、金属層２の上面に配置された保持部５と、金属層３の下面に配置された保持部６と、金属層２と金属層３との距離を一定に維持する間隔保持部７１とを備えている。そして、金属層２と金属層３との間には、媒質を含有する試料６２で充填されるように構成された中空領域４が設けられている。

実施の形態２に係るプラズモンセンサ５１０では、金属層２の下面２Ｂに親水性材料層２０が配置されている。親水性材料層２０は親水性材料よりなる。例えば、親水性材料層２０は、極性を持った官能基をその表面に有した材料よりなる。その官能基としてはＯＨ⁻やＮＨ_２ ⁻が挙げられる。表面に官能基ＯＨ⁻を有した材料としては、ガラス（ＳｉＯ_２）が挙げられる。

親水性材料層２０により、実施の形態１のプラズモンセンサ１と同様に、毛細管現象により試料６２を中空領域４に容易に挿入することができる。

図１２に示すプラズモンセンサ５１０では、金属層２の下面２Ｂに親水性材料層２０を配置するが、金属層２の下面、保持部５の下面、金属層３の上面、保持部６の上面の内、少なくとも１つの面の一部領域に親水性材料層２０が配置されていることで、毛細管現象により試料６２を中空領域４に挿入し易い。

図１３Ａは実施の形態２における他のプラズモンセンサ５１１の断面図である。図１３Ａにおいて、図１２に示すプラズモンセンサ５１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１３Ａに示すプラズモンセンサ５１１は、図１２に示すプラズモンセンサ５１０の親水性材料層２０の代わりに、金属層３の上面３Ａの端部上に設けられた親水性材料よりなる親水性材料層７２０を備える。親水性材料層７２０により、プラズモンセンサ５１１は図１２に示すプラズモンセンサ５１０と同様の効果を有する。

図１３Ｂは実施の形態２におけるさらに他のプラズモンセンサ５１２の断面図である。図１３Ｂにおいて、図１２に示すプラズモンセンサ５１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１３Ｂに示すプラズモンセンサ５１２は、図１２に示すプラズモンセンサ５１０の親水性材料層２０に加えて、金属層３の上面３Ａの端部上に設けられた親水性材料よりなる親水性材料層７２０をさらに備える。親水性材料層７２０により、プラズモンセンサ５１２は図１２に示すプラズモンセンサ５１０と同様の効果を有する。

尚、親水性材料層２０は、図１２に示した金属層２の下面２Ｂに直接的に配置される構成に限る必要はなく、金属層２の下面２Ｂから一定距離だけ離れた下方領域に親水性材料層２０を配置してもよい。例えば、金属層２の下面２Ｂに親水性材料層２０を固着するための接着層を介して親水性材料層２０を配置してもよい。親水性材料層２０が、中空領域４に面した一部領域に配置されていることで、試料６２を中空領域４に毛細管現象により挿入し易くできる。親水性材料層２０が、保持部５の下方領域、金属層３の上方領域、保持部６の上方領域に配置された場合にも同様の効果が得られる。

同様に、親水性材料層７２０は、図１３Ａと図１３Ｂに示した金属層３の上面３Ａに直接的に配置される構成に限る必要はなく、金属層３の上面３Ａから一定距離だけ離れた上方領域に親水性材料層７２０を配置してもよい。例えば、金属層３の上面３Ａに親水性材料層７２０を固着するための接着層を介して親水性材料層７２０を配置してもよい。親水性材料層７２０が、中空領域４に面した一部領域に配置されていることで、試料６２を中空領域４に毛細管現象により挿入し易くできる。親水性材料層７２０が、保持部５の下方領域、金属層３の上方領域、保持部６の上方領域に配置された場合にも同様の効果が得られる。

尚、親水性材料層２０は、金属層２の下面２Ｂ端部の一部又は全領域に存在することで試料６２が接触し易い為、毛細管現象による試料の挿入容易性は向上される。ただし、親水性材料層２０が、金属層２の下面２Ｂ端部の一部又は全領域に存在しない構成であっても、親水性材料層２０が存在しない状態と比較すると、毛細管現象による試料の挿入容易性は向上できる。金属層３の上方、または、保持部５の下方、または保持部６の上方に親水性材料層２０が配置される場合も同様の効果が得られる。

同様に、親水性材料層７２０は、金属層３の上面３Ａ端部の一部又は全領域に存在することで試料６２が接触し易い為、毛細管現象による試料の挿入容易性は向上される。ただし、親水性材料層７２０が、金属層３の上面３Ａ端部の一部又は全領域に存在しない構成であっても、親水性材料層７２０が存在しない状態と比較すると、毛細管現象による試料の挿入容易性は向上できる。金属層２の下方、または、保持部５の下方、または保持部６の上方に親水性材料層２０が配置される場合も同様の効果が得られる。

実施の形態１、２において、「上面」「下面」「上方」「下方」等の方向を示す用語はプラズモンセンサの構成部品の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。

本発明におけるプラズモンセンサは小型で簡易な構造を有するので、小型で低コストのバイオセンサ等に利用する事ができる。

１プラズモンセンサ
２金属層（第１金属層）
２Ｃ領域（第１領域）
３金属層（第２金属層）
３Ｃ領域（第２領域）
４中空領域
５保持部（第１保持部）
６保持部（第２保持部）
７アクセプタ
８アナライト
２０親水性材料層

図１は本発明の実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。図２は実施の形態１におけるプラズモンセンサのアクセプタとアナライトの特異的結合を示す概念図である。図３Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。図３Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。図４Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサの電磁界シミュレーション解析モデルの概念図である。図４Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサの電磁界シミュレーション解析モデルの概念図である。図５は実施の形態１におけるプラズモンセンサの電磁界シミュレーションの解析結果を示す図である。図６は実施の形態１におけるプラズモンセンサの他の電磁界シミュレーション解析モデルの概念図である。図７は実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析の結果を示す図である。図８Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサのさらに他の電磁界シミュレーション解析モデルの概念図である。図８Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す図である。図９Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す図である。図９Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す図である。図１０Ａは実施の形態１における他のプラズモンセンサの断面図である。図１０Ｂは実施の形態１におけるさらに他のプラズモンセンサの断面図である。図１１は実施の形態１におけるさらに他のプラズモンセンサの断面図である。図１２は本発明の実施の形態２におけるプラズモンセンサの断面図である。図１３Ａは実施の形態２における他のプラズモンセンサの断面図である。図１３Ｂは実施の形態２におけるさらに他のプラズモンセンサの断面図である。図１４は従来のプラズモンセンサの断面図である。

図６は、プラズモンセンサ１の他の電磁界シミュレーション解析モデル５０３の概念図である。図６において、図４Ａと図４Ｂに示す解析モデル５０１、５０２と同じ部分には同じ参照番号を付す。モデル５０３では、アクセプタ７は金属層２の下面２Ｂには配置されておらず、金属層３の上面３Ａにアクセプタ７７が配置されている。したがって、アナライト８は金属層２の下面２Ｂには配置されておらず、金属層３の上面３Ａに配置されている

尚、図１に示すプラズモンセンサ１においては、保持部５の下面５Ｂの面積が金属層２の面積よりも大きいが、これに限定する必要なく、金属層３の面積が保持部６の上面６Ａの面積よりも小さくなるように構成されていても、同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図１２は本発明の実施の形態２におけるプラズモンセンサ５１０の断面図である。図１２において、実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と同様の構成部位には同じ符号を付す。実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と異なり、実施の形態２におけるプラズモンセンサ５１０では、親水性を有する保持部５が露出する領域２Ｃが存在せず、すなわち金属層２の面積と保持部５の下面５Ｂの面積は同じであり、代わりに金属層２の下面２Ｂに親水性材料層２０が配置されている。

同様に、親水性材料層７２０は、金属層３の上面３Ａ端部の一部又は全領域に存在することで試料６２が接触し易い為、毛細管現象による試料の挿入容易性は向上される。ただし、親水性材料層７２０が、金属層３の上面３Ａ端部の一部又は全領域に存在しない構成であっても、親水性材料層７２０が存在しない状態と比較すると、毛細管現象による試料の挿入容易性は向上できる。金属層２の下方、または、保持部５の下方、または保持部６の上方に親水性材料層７２０が配置される場合も同様の効果が得られる。

Claims

下面を有する第１保持部と、
上面を有する第２保持部と、
電磁波が供給されるように構成されかつ前記第１保持部の前記下面に配置された上面と、下面とを有する第１金属層と、
前記第１金属層の前記下面に対向する上面と、前記第２保持部の前記上面に配置された下面とを有する第２金属層と、
を備え、
前記第１金属層と前記第２金属層との間には媒質を含有する試料が充填されるように構成された中空領域が設けられており、
前記第１保持部と前記第２保持部のうちの一方は親水性を有し、
前記第１保持部が親水性を有する場合には前記第１金属層の面積は前記第１保持部の前記下面の面積よりも小さく、
前記第２保持部が親水性を有する場合には前記第２金属層の面積は前記第２保持部の前記上面の面積よりも小さい、プラズモンセンサ。
前記第１保持部が親水性を有する場合には前記第１保持部の前記下面は前記中空領域に面している第１領域を有し、
前記第２保持部が親水性を有する場合には前記第２保持部の前記上面は前記中空領域に面している第２領域を有する、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
前記第１保持部が親水性を有する場合には前記第１保持部の前記下面の前記第１領域は前記第１保持部の前記下面の端部に位置し、
前記第２保持部が親水性を有する場合には前記第２保持部の前記上面の前記第２領域は前記第２保持部の前記上面の端部に位置する、請求項２に記載のプラズモンセンサ。
前記第１保持部と前記第２保持部のうちの他方は親水性を有する、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
前記第１金属層の前記下面の近傍の第１近傍領域と、前記第２金属層の前記上面の近傍の第２近傍領域とのうちの少なくとも一方領域に設けられた複数のアクセプタをさらに備えた、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
前記第１保持部の前記下面の面積と前記第２保持部の前記上面の面積とが異なる、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
下面を有する第１保持部と、
上面を有する第２保持部と、
電磁波が供給されるように構成されかつ前記第１保持部の前記下面に配置された上面と、下面とを有する第１金属層と、
前記第１金属層の前記下面に対向する上面と、前記第２保持部の前記上面に配置された下面とを有する第２金属層と、
前記第１金属層の下方領域、及び、前記第１保持部の下方領域、及び、前記第２金属層の上方領域、及び、前記第２保持部の上方領域の内、少なくとも１つの領域に配置された親水性材料よりなる親水性材料層と、
を備え、
前記第１金属層と前記第２金属層との間には媒質を含有する試料で充填されるように構成された中空領域が設けられている、プラズモンセンサ。
前記第１金属層と前記第２金属層との距離を一定に維持する間隔保持部をさらに備えた、請求項７に記載のプラズモンセンサ。
下面を有する第１保持部と、
上面を有する第２保持部と、
電磁波が供給されるように構成されかつ前記第１保持部の前記下面に配置された上面と、下面とを有する第１金属層と、
前記第１金属層の前記下面に対向する上面と、前記第２保持部の前記上面に配置された下面とを有する第２金属層と、
を備え、
前記第１金属層と前記第２金属層との間には媒質を含有する試料が充填されるように構成された中空領域が設けられており、
前記第１保持部の前記下面と前記第２保持部の前記上面のうちの一方は前記中空領域に面している親水性を有する第１領域を有する、プラズモンセンサ。
前記第１保持部の前記下面と前記第２保持部の前記上面のうちの他方は前記中空領域に面している親水性を有する第２領域を有する、請求項９に記載のプラズモンセンサ。