專利名稱：表面等離子共振傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及表面等離子共振(SPRsurface plasmon resonance)傳感器，更具體講涉及適合于檢測蛋白質和DNA這種活體分子的相互作用的表面等離子共振傳感器。
背景技術：
近年來，作為用于檢測活體分子的相互作用的有無或程度的傳感器，使用表面等離子共振傳感器。
圖1表示以往的表面等離子共振傳感器1。表面等離子共振傳感器1具有由玻璃等構成的基板2；形成于基板2上的金屬薄膜3；配置在基板2的沒有形成金屬薄膜3的一側的棱鏡4；能夠以各種角度向金屬薄膜3和基板2的界面入射光的光學系統(tǒng)5；測定在金屬薄膜3和基板2的界面反射的光的強度的光檢測器6。金屬薄膜3與試料溶液接觸，試料溶液中的抗原等配體8，與被固定在金屬薄膜3的表面上的抗體等受體7相互作用。
將來自光學系統(tǒng)5的光入射到棱鏡4上，以在金屬薄膜3和基板2的界面全反射時，在金屬薄膜3的表面產生具有電場分布的衰減波(evanescent-wave)。在衰減光的波數(shù)和頻率與表面等離子的波數(shù)和頻率一致時，兩者共振，入射光的能量轉入表面等離子中，所以反射光減少。
此處，用于引起共振的入射角度(共振角)取決于金屬薄膜3的表面的折射率。在被固定在金屬薄膜3上的受體7與試料溶液中的配體8相互作用時，表面的折射率發(fā)生變化，所以共振角發(fā)生變化。通過測定其角度變化，檢測活體分子的相互作用。圖2表示在受體7與配體8的反應前后利用表面等離子共振傳感器1測定的反射率的變化的示例。
另外，還提出局域等離子共振傳感器，其向不是固定金屬薄膜而將金屬微粒固定成膜狀的基板照射光，測定透過金屬微粒的光的吸光度，由此檢測金屬微粒表面附近的折射率的變化(專利文獻1)。
專利文獻1日本特許第3452837號公報但是，在圖1所示的表面等離子共振傳感器1中，受距金屬薄膜約200nm的折射率變化影響，所以存在以下問題不僅對于基于被固定在金屬薄膜上的活體分子的相互作用的折射率的變化，而且對于基于溶液部的濃度、pH、溫度等變化的折射率的變化，也作為噪聲而檢測。
并且，專利文獻1公開的局域等離子共振傳感器，通過使用金屬微粒膜代替金屬薄膜，使將要產生的電場在金屬微粒表面附近局域化，減小溶液部的折射率的變化的影響，但是并未排除溶液部的影響，而存在不知道溶液部的變化對測定結果的影響有多大的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明就是鑒于上述技術課題而提出的，其目的在于，分別檢測金屬表面上的基于分子的相互作用的折射率變化、和基于溶劑部的變化的折射率變化。
本發(fā)明的表面等離子共振傳感器用芯片的特征在于，具有透光性基板和金屬層，該金屬層形成為在表面具有凹部或凸部、及位于所述凹部或凸部之間的平坦部，并覆蓋所述基板的表面。
本發(fā)明的表面等離子共振傳感器用芯片的某實施方式的特征在于，所述基板是具有平坦的表面的基板，所述凸部是在所述平坦部即金屬薄膜上相互隔開間隔固定的多個金屬微粒。
本發(fā)明的表面等離子共振傳感器用芯片的另一實施方式的特征在于，所述基板是具有平坦的表面的基板，所述凹部或凸部是在所述金屬層即金屬薄膜上相互隔開間隔形成的多個微小的凹部或凸部，所述凹部不貫通所述金屬薄膜。
本發(fā)明的表面等離子共振傳感器用芯片的又一實施方式的特征在于，在所述基板的一側表面上隔開間隔形成有多個微小凸部或微小凹部，所述金屬層形成于所述基板的一側表面上，以反映所述微小凸部或微小凹部的形狀。
本發(fā)明的表面等離子共振傳感器用芯片的另一實施方式的特征在于，所述金屬層的材質是金或銀。
本發(fā)明的表面等離子共振傳感器用芯片的制造方法的特征在于，包括通過濺射或蒸鍍在基板的一側表面形成金屬薄膜的步驟；對所述金屬薄膜的表面進行化學修飾的步驟；以及將所述化學修飾后的基板浸漬于金屬微粒溶液中的步驟。
本發(fā)明的表面等離子共振傳感器用芯片的制造方法的特征在于，包括將基板的一側表面浸漬于氨硅烷耦合劑溶液中的步驟；將所述基板浸漬于金屬微粒溶液中的步驟；清洗所述基板的步驟；以及通過濺射或蒸鍍在所述一側表面形成金屬薄膜的步驟。
本發(fā)明的表面等離子共振傳感器的特征在于，具有本發(fā)明的表面等離子共振傳感器用芯片；配置在所述芯片的沒有形成所述金屬層的一側的棱鏡；通過所述棱鏡向所述芯片照射光的光源；以及測定所述金屬層的光的反射率的光檢測器。
本發(fā)明的活體分子的測定方法，從光學系統(tǒng)向本發(fā)明的表面等離子共振傳感器芯片照射光，使光在所述芯片的金屬層和基板的界面上全反射，利用光檢測器測定反射光的強度，其特征在于，根據(jù)所述反射光的強度相對于所述照射光的頻率變化的變化，測定活體分子的相互作用的有無或程度。
本發(fā)明的折射率變化的檢測方法，從光學系統(tǒng)向本發(fā)明的表面等離子共振傳感器芯片照射光，使光在所述芯片的金屬層和基板的界面上全反射，利用光檢測器測定反射光的強度，其特征在于，通過測定所述反射光的共振角的變化，分別檢測所述金屬層表面上的基于分子的相互作用的折射率變化、和所述金屬層附近的基于與溶劑的相互作用的折射率變化。
本發(fā)明的表面等離子共振傳感器中，形成于棱鏡的一面的金屬層包括形成為薄膜狀的平坦部；和相互隔開間隔配置的由金屬微粒等構成的凸部，在向這種結構的金屬層入射光時，可以得到分別因平坦部和凸部引起的共振角。通過利用該特征，可以分別檢測金屬表面上的基于分子的相互作用的折射率變化、和基于溶劑部的變化的折射率變化。


圖1是以往的表面等離子共振傳感器的概要側視圖。
圖2是表示以往的表面等離子共振傳感器的入射光的入射角度和反射率的關系的曲線圖。
圖3是本發(fā)明的第1實施方式的表面等離子共振傳感器的概要側視圖。
圖4是概念地表示產生于金屬層表面的電場的圖。
圖5是表示表面等離子和入射光的方差關系的曲線圖。
圖6是表示混合模式的表面等離子和入射光的方差關系的曲線圖。
圖7是表示在本發(fā)明的實施方式中測定的反射率的測定結果的曲線圖。
圖8是將圖3的表面等離子共振傳感器的一部分放大的圖。
圖9是本發(fā)明的第2實施方式的表面等離子共振傳感器的概要側視圖。
圖10是本發(fā)明的第3實施方式的表面等離子共振傳感器的概要側視圖。
符號說明1、101、201、301表面等離子共振傳感器；2、102基板；3、103金屬層；4、104棱鏡；5、105光學系統(tǒng)；6、106光檢測器；7、107受體；8、108配體；109平坦部；110金屬微粒；111試料溶液具體實施方式
以下，參照

本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
(實施例1)圖3是本發(fā)明的第1實施方式的表面等離子共振傳感器101的概要側視圖。表面等離子共振傳感器101具有由玻璃等構成的基板102；形成于基板102上的金屬層103；配置在基板102的沒有形成金屬層103的一側的棱鏡104；向金屬層103和基板102的界面入射光的光學系統(tǒng)105；測定在金屬層103和基板102的界面反射的光的強度的光檢測器106。光學系統(tǒng)105可以是以各種入射角度入射某種波長的光的結構，也可以是以一定的入射角度入射各種波長的光的結構。
在本實施方式中金屬層103由形成為薄膜狀的平坦部109、和相互隔開間隔配置的金屬微粒110構成，平坦部109露出于相鄰的金屬微粒110之間。平坦部109的厚度優(yōu)選20～60nm，金屬微粒110的直徑優(yōu)選20～150nm。代表性地，金屬層103由金或銀構成，但不限于此。在金屬層103的表面固定有抗體等受體107。金屬層103與包括抗原等配體108的試料溶液111接觸，配體108與金屬層103表面的受體107相互作用。
在這種結構中，將來自光學系統(tǒng)105的光入射到棱鏡104上，以在金屬層103和基板102的界面全反射時，在金屬層103的表面產生衰減波。在衰減光的波數(shù)和頻率與表面等離子的波數(shù)和頻率一致時，兩者共振，反射光減少。利用光檢測器106測定該反射光的反射率。
此處，說明在金屬層103的表面激勵的表面等離子的電場。圖4是概念性地表示利用雙箭頭表示產生于金屬層103表面的電場狀態(tài)的圖。圖4(a)表示局域化到金屬微粒110的表面附近(約為金屬微粒的半徑(幾十微米)范圍)的電場(局域模式)。圖4(b)表示存在于距平坦部109的表面約幾百nm范圍內的電場(傳播模式)。即，局域模式是由金屬微粒110引起的，傳播模式是由平坦部109引起的，在圖4(a)(b)中分別表示兩個模式，但兩個模式同時生成并混合。圖5是表示表面等離子的各個模式和入射光的關系的曲線圖，縱軸表示角頻率(ω)，橫軸表示波數(shù)(k＝2π/λ，其中，λ為波長)。圖5(a)表示局域模式的表面等離子和入射光的關系，圖5(b)表示傳播模式的表面等離子和入射光的關系，可知兩種模式均在一點與入射光共振。
像本實施方式這樣混合局域模式和傳播模式時，表面等離子的模式成為圖5(c)所示的利用方差函數(shù)表示的混合模式(a-d、c-d)。其中，在圖5(c)中，Q表示局域模式和傳播模式的交點，c-Q-d是局域模式，a-P-Q-b是傳播模式。圖6表示這種混合模式和入射光的關系的曲線圖。根據(jù)圖6可知，形成混合模式的表面等離子在兩點(A、B)與入射光共振。其中，在把基板102的折射率設為n，把光在真空中的速度設為c時，入射光利用ω＝(c/n)k表示，在基板102的入射角度一定的情況下，入射到基板102的光的波長是對應于A點的較短側的共振波長時，在金屬微粒110的附近產生局域型的共振，在入射到基板102的光的波長是對應于B點的較長側的共振波長時，在平坦部109產生傳播型的共振。
但是，在以一定入射角度入射各種波長的光并測定反射率時，如圖7(a)所示，可以得到兩個共振峰(A、B)。虛線表示受體107和配體108反應之前的測定結果，實線表示反應后的測定結果。峰A是由局域模式的電場引起的，對應于圖6中的點A處的共振。峰B是由傳播模式的電場引起的，對應于圖6中的點B處的共振。
并且，在以各種入射角度入射不同的兩個波長的光并測定反射率時，如圖7(b)所示，分別可以得到一個共振峰(A、B)。虛線表示受體107和配體108反應之前的測定結果，實線表示反應后的測定結果。較短的波長(波長λ1)的峰A是由局域模式的電場引起的，對應于圖6中的點A處的共振。較長的波長(波長λ2)的峰B是由傳播模式的電場引起的，對應于圖6中的點B處的共振。
如圖8所示，在以一定入射角度入射各種波長的光并在反應前后測定反射率的變化時(圖7(a))得到的共振峰的變化(Δλ1、Δλ2)，分別受到金屬層103表面的基于受體107和配體108的相互作用的折射率變化(Δn1)、和溶劑部(試料溶液111)的折射率變化(Δn2)雙方的影響。如果把Δλ1和Δλ2分別作為Δn1、Δn2的函數(shù)求解，則通過求解兩個式可以算出Δn1和Δn2。因此，可以嚴密地只測定將溶劑部變化排除后的金屬層表面的變化。
具體講，共振峰的變化Δλ1由金屬膜附近的折射率變化Δn1和溶劑部的折射率變化Δn2來確定，所以如果已知金屬微粒層的厚度，則可以利用下述函數(shù)表示。
Δλ1＝F(Δn1、Δn2)…(1)同樣，共振峰的變化Δλ2也由折射率變化Δn1和Δn2來確定，所以可以利用下述函數(shù)表示。
Δλ2＝G(Δn1、Δn2)…(2)其中，函數(shù)F和G可以預先通過實驗求出。在混合模式中，可以測定這兩種波長變化Δλ1、Δλ2，所以通過求解上述式(1)、式(2)，可以從波長變化Δλ1、Δλ2求出折射率變化Δn1、Δn2。
下面，說明在本實施方式中使用的金屬層103的制造方法。
第1制造方法包括清洗由玻璃或樹脂構成的基板的步驟；通過蒸鍍或濺射在該基板上形成金屬薄膜的步驟；在該金屬薄膜上形成二醇(例如，1，10-癸二醇)的單分子層的步驟；將該基板浸漬于金屬微粒溶液中的步驟。根據(jù)該制造方法，可以通過二醇將金微粒固定在金薄膜上。
第2制造方法包括清洗由玻璃或樹脂構成的基板的步驟；將該基板的一側表面浸漬于氨硅烷耦合劑(例如，3-氨丙基三甲氧基硅烷)溶液中的步驟；將該一側表面浸漬于金微粒溶液中的步驟；清洗該基板的步驟；通過濺射或蒸鍍在該一側表面上形成金屬薄膜的步驟。在該制造方法中，首先將金顆粒固定在基板上，然后在金顆粒之間形成由金薄膜構成的平坦部109。
(實施例2)圖9是本發(fā)明的第2實施方式的表面等離子共振傳感器201的概要側視圖。本實施方式的金屬層103的結構與第1實施方式不同。本實施方式的金屬層103在基板102的平坦的面上形成金屬薄膜，通過蝕刻等在該金屬薄膜上形成微小凹凸。其中，凹部形成為不貫通金屬薄膜。在使用這種金屬層103的情況下，電場局域化于凹部或凸部附近，所以能夠獲得與第1實施方式相同的效果。
另外，微小凹凸的形狀和配置間隔不限于圖9所示方式，可以適當選擇。
(實施例3)圖10是本發(fā)明的第3實施方式的表面等離子共振傳感器301的概要側視圖。本實施方式的基板102和金屬層103的結構與第1實施方式不同。在本實施方式中，在基板102的表面隔開間隔形成多個微小凸部或微小凹部，在基板102上形成金屬層103，以反映該微小凸部或微小凹部的形狀。在使用這種金屬層103的情況下，電場也仍局域化于凹部或凸部附近，所以能夠獲得與第1實施方式相同的效果。
在本實施方式中使用的表面形成有微小凹凸的基板102，可以通過獲取金屬微?；虻鞍踪|等的活體分子的模型來作成和復制。
產業(yè)上的可利用性基于本發(fā)明的表面等離子共振傳感器，對抗原抗體反應中的相互作用的有無和程度的檢測是很有用的，不僅如此，當然可以應用于各種生化反應的分析中。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種表面等離子共振傳感器用芯片，具有透明性基板和金屬層，該金屬層形成為在表面具有凹部或凸部、及位于所述凹部或凸部之間的平坦部，并覆蓋所述基板的表面，所述凹部的深度和寬度、或者所述凸部的高度和寬度為大于等于20nm且小于等于150nm。
2.根據(jù)權利要求1所述的表面等離子共振傳感器用芯片，其特征在于，所述基板是具有平坦的表面的基板，所述凸部是在所述平坦部即金屬薄膜上相互隔開間隔固定的多個金屬微粒。
3.根據(jù)權利要求1所述的表面等離子共振傳感器用芯片，其特征在于，所述基板是具有平坦的表面的基板，所述凹部或凸部是在所述金屬層即金屬薄膜上相互隔開間隔形成的多個微小的凹部或凸部，所述凹部不貫通所述金屬薄膜。
4.根據(jù)權利要求1所述的表面等離子共振傳感器用芯片，其特征在于，在所述基板的一側表面上隔開間隔形成有多個微小凸部或微小凹部，所述金屬層形成于所述基板的一側表面上，以反映所述微小凸部或微小凹部的形狀。
5.根據(jù)權利要求1所述的表面等離子共振傳感器用芯片，其中，所述金屬層的材質是金或銀。
6.一種表面等離子共振傳感器用芯片的制造方法，包括通過濺射或蒸鍍在基板的一側表面形成金屬薄膜的步驟；對所述金屬薄膜的表面進行化學修飾的步驟；以及將所述化學修飾后的基板浸漬于金屬微粒的溶液中的步驟。
7.一種表面等離子共振傳感器用芯片的制造方法，包括將基板的一側表面浸漬于氨硅烷耦合劑溶液中的步驟；將所述基板浸漬于金屬微粒的溶液中的步驟；清洗所述基板的步驟；以及通過濺射或蒸鍍在所述一側表面形成金屬薄膜的步驟。
8.一種表面等離子共振傳感器，具有權利要求1～5中的任一項所述的表面等離子共振傳感器用芯片；配置在所述芯片的沒有形成所述金屬層的一側的棱鏡；通過所述棱鏡向所述芯片照射光的光源；以及測定所述金屬層的光的反射率的光檢測器。
9.一種測定方法，使用了權利要求1～5所述的表面等離子共振傳感器芯片，其特征在于，包括使試料溶液接觸到所述傳感器芯片的所述金屬層側的步驟；從光學系統(tǒng)向所述芯片照射光的步驟，該光是從所述芯片的沒有形成金屬層的一側照射的，且頻率或入射角度不同；利用光檢測器檢測在所述金屬層和所述基板的界面上全反射的光的步驟；根據(jù)由所述光檢測器檢測出的全反射光的強度求出至少兩個共振頻率或共振角的步驟；以及根據(jù)所述兩個共振頻率或共振角的變化，同時測定基于一個共振頻率或共振角的變化的所述金屬層的表面附近的試料溶液的折射率的變化、和基于另一個共振頻率或共振角的變化的所述金屬層的表面附近外的試料溶液的折射率的變化的步驟。
10.根據(jù)權利要求9所述的測定方法，其特征在于，所述試料溶液包含活體分子，所述測定方法還包括在所述傳感器芯片的所述金屬層上固定受體的步驟，所述測定方法基于所述金屬層的表面附近的試料溶液的折射率的變化，求出所述活體分子和所述受體的相互作用的有無或程度。
權利要求
1.一種表面等離子共振傳感器用芯片，具有透光性基板和金屬層，該金屬層形成為在表面具有凹部或凸部、及位于所述凹部或凸部之間的平坦部，并覆蓋所述基板的表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的表面等離子共振傳感器用芯片，其特征在于，所述基板是具有平坦的表面的基板，所述凸部是在所述平坦部即金屬薄膜上相互隔開間隔固定的多個金屬微粒。
3.根據(jù)權利要求1所述的表面等離子共振傳感器用芯片，其特征在于，所述基板是具有平坦的表面的基板，所述凹部或凸部是在所述金屬層即金屬薄膜上相互隔開間隔形成的多個微小的凹部或凸部，所述凹部不貫通所述金屬薄膜。
4.根據(jù)權利要求1所述的表面等離子共振傳感器用芯片，其特征在于，在所述基板的一側表面上隔開間隔形成有多個微小凸部或微小凹部，所述金屬層形成于所述基板的一側表面上，以反映所述微小凸部或微小凹部的形狀。
5.根據(jù)權利要求1所述的表面等離子共振傳感器用芯片，其中，所述金屬層的材質是金或銀。
6.一種表面等離子共振傳感器用芯片的制造方法，包括通過濺射或蒸鍍在基板的一側表面形成金屬薄膜的步驟；對所述金屬薄膜的表面進行化學修飾的步驟；以及將所述化學修飾后的基板浸漬于金屬微粒的溶液中的步驟。
7.一種表面等離子共振傳感器用芯片的制造方法，包括將基板的一側表面浸漬于氨硅烷耦合劑溶液中的步驟；將所述基板浸漬于金屬微粒的溶液中的步驟；清洗所述基板的步驟；以及通過濺射或蒸鍍在所述一側表面形成金屬薄膜的步驟。
8.一種表面等離子共振傳感器，具有權利要求1～5中的任一項所述的表面等離子共振傳感器用芯片；配置在所述芯片的沒有形成所述金屬層的一側的棱鏡；通過所述棱鏡向所述芯片照射光的光源；以及測定所述金屬層的光的反射率的光檢測器。
9.一種活體分子的測定方法，從光學系統(tǒng)向權利要求1～5所述的表面等離子共振傳感器芯片照射光，使光在所述芯片的金屬層和基板的界面上全反射，利用光檢測器測定反射光的強度，其特征在于，根據(jù)所述反射光的強度相對于所述照射光的頻率變化的變化，測定活體分子的相互作用的有無或程度。
10.一種折射率變化的檢測方法，從光學系統(tǒng)向權利要求1～5所述的表面等離子共振傳感器芯片照射光，使光在所述芯片的金屬層和基板的界面上全反射，利用光檢測器測定反射光的強度，其中，通過測定所述反射光的共振角的變化，分別檢測所述金屬層表面上的基于分子的相互作用的折射率的變化、和所述金屬層附近的基于與溶劑的相互作用的折射率的變化。
全文摘要
一種表面等離子共振傳感器，包括具有基板(102)和金屬層(103)的芯片、棱鏡(104)、作為光源的光學系統(tǒng)(105)、和光檢測器(106)，其中，金屬層(103)由形成為薄膜狀的平坦部(109)、和相互隔開間隔配置的由金屬微粒(110)等形成的凸部構成。在向這種結構的金屬層(103)入射光時，可以得到分別由平坦部(109)和凸部引起的共振角。根據(jù)該共振角可以檢測金屬層所接觸的介質的折射率變化。
文檔編號G01N21/27GK1918467SQ200580004749
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月10日 優(yōu)先權日2004年2月13日
發(fā)明者西川武男, 松下智彥, 青山茂, 乗岡茂巳, 和沢鐵一 申請人:歐姆龍株式會社