JP2011257216A - 表面プラズモン増強蛍光センサおよび表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことのできる表面プラズモン増強蛍光センサを提供すること。
【解決手段】金属薄膜１２に向かって光源２２より励起光を照射し、前記金属薄膜上の電場を増強させて、前記金属薄膜の上面に形成された反応層の反応領域４０に保持された蛍光物質を励起させ、これにより増強された蛍光を検出するようにした表面プラズモン増強蛍光センサ１０に用いられるチップ構造体ユニットであって、前記チップ構造体ユニット３６は、前記金属薄膜１２と、前記金属薄膜の下面に形成された誘電体部材１６と、前記金属薄膜の上面に形成され反応領域４０を有する前記反応層と、から構成されるチップ構造体３６と、前記チップ構造体３６の反応層と光検出手段３０との間に配設され、この蛍光を全反射条件で前記光検出手段に到達させる全反射機能部材３２からなる集光部材３４と、から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ；Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）の原理に基づいた表面プラズモン増強蛍光センサおよびこの表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットに関する。

従来より、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）の原理に基づき、例えば生体内の極微少なアナライトの検出が行われている。

表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）は、光源より照射したレーザ光（励起光）が金属薄膜表面で全反射減衰（ＡＴＲ；attenuated total reflectance）する条件において、金属薄膜表面に粗密波（表面プラズモン）を発生させることによって、光源より照射したレーザ光（励起光）が有するフォトン量を数十倍〜数百倍に増やし（表面プラズモンの電場増強効果）、これにより金属薄膜近傍の蛍光物質を効率良く励起させることによって、極微量および／または極低濃度のアナライトを検出する方法である。

近年、このような表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）の原理に基づいた表面プラズモン増強蛍光センサの開発が進められており、例えば特許文献１から特許文献３などにその技術開示がなされている。

このような表面プラズモン増強蛍光センサ１００は、図８に示したように基本的な構造において、まず金属薄膜１０２と、金属薄膜１０２の下面に形成された誘電体部材１０６と、金属薄膜１０２の上面に形成された反応層１０４と、を有するチップ構造体１０８を備えている。

なお反応層１０４は、金属薄膜１０２上に形成された反応領域１２８に検出対象となるアナライトを含有してなる試料溶液を流すための流路１３４を構成するため、流路１３４用の凹部が設けられた反応領域構成部材１３０を金属薄膜１０２上面に配設してなるものである。

そして、チップ構造体１０８の誘電体部材１０６側には、誘電体部材１０６内に入射され、金属薄膜１０２に向かって励起光１１０を照射する光源１１２を備え、さらに光源１１２から照射され金属薄膜１０２で反射した金属薄膜反射光１１４を受光する受光手段１１６が備えられている。

一方、チップ構造体１０８の反応層１０４側には、反応層１０４の反応領域１２８で保持されたアナライトを標識した蛍光物質が発する蛍光１１８を、検出領域１３２で受光する光検出手段１２０が設けられている。

なお、反応層１０４と光検出手段１２０との間には、蛍光１１８を効率よく集光するための蛍光集光部材１２２と、蛍光１１８以外に含まれる光を除去し、必要な蛍光１１８のみを選択する波長選択機能部材１２４が設けられている。

そして、表面プラズモン増強蛍光センサ１００の使用においては、まず流路１３４内にあらかじめ蛍光物質で標識されたアナライトを含有した試料溶液を流し、これにより金属薄膜１０２上の反応領域１２８において蛍光物質で標識されたアナライトが保持された状
態とする。

そして、この状態で光源１１２より誘電体部材１０６内に励起光１１０を照射し、この励起光１１０が特定の角度（共鳴角）１２６で金属薄膜１０２に入射することで、金属薄膜１０２上に粗密波（表面プラズモン）を生ずることとなる。

なお、金属薄膜１０２上に粗密波（表面プラズモン）が生ずる際には、励起光１１０と金属薄膜１０２中の電子振動とがカップリングし、金属薄膜反射光１１４の光量減少という現象が生ずる。

このため、受光手段１１６で受光される金属薄膜反射光１１４のシグナルが変化（光量が減少）する地点を見つければ、粗密波（表面プラズモン）が生ずる共鳴角１２６を得ることができる。

そして、この粗密波（表面プラズモン）を生ずる現象により、金属薄膜１０２上の反応領域１２８の蛍光物質が効率良く励起され、これにより蛍光物質が発する蛍光１１８の光量が増大することとなる。

この増大した蛍光１１８を、蛍光集光部材１２２および波長選択機能部材１２４を介して光検出手段１２０の検出領域１３２で受光することで、極微量および／または極低濃度のアナライトを検出することができるようになっている。

このように、表面プラズモン増強蛍光センサ１００は、特に生体分子間などの微細な分子活動を観察可能とする高感度計測センサである。

ところで、上述したような表面プラズモン増強蛍光センサ１００では、蛍光集光部材１２２および波長選択機能部材１２４の両部材を用いて、増強された蛍光１１８を光検出手段１２０で検出するようになっているため、場合によっては反応層１０４と光検出手段１２０との間が広くなってしまい、これにより蛍光１１８の集光効率が落ちてＳ／Ｎの値が低下する場合があった。

また、このような蛍光集光部材１２２には通常レンズが用いられているが、レンズは非常に高価であるとともに焦点合わせが非常に大変なものであった。

さらにレンズでは十分な集光効率が確保できず、やはりＳ／Ｎの値が低くなってしまう場合もあった。

そこで、本出願人は、図９に示したように、蛍光集光部材１２２の替わりに、光検出手段１２０と反応層１０４との間に、全反射機能部材１３６から構成される集光部材１３８を配設することで、蛍光１１８の集光効率を上げ、Ｓ／Ｎの値を向上させるようにした表面プラズモン増強蛍光センサ１００を既に開発している（特許文献３）。

なお、波長選択機能部材１２４は、集光部材１３８とは別に設けても、また図９に示したように集光部材１３８に波長選択機能部材１２４の機能を持たせた構成としても良いものである。

特許第３２９４６０５号公報 特開２００６−２０８０６９号公報 特願２００９−０４９３３９号

しかしながら、上記した集光部材１３８を用いた表面プラズモン増強蛍光センサ１００であっても、極微量のアナライトであると、蛍光１１８の光量が非常に少なく集光効率が落ちてしまい、検出精度が落ちてしまう場合があった。

本発明はこのような現状に鑑みなされたものであって、蛍光の集光効率を高めてＳ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことのできる表面プラズモン増強蛍光センサおよび表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットを提供することを目的とする。

本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決するために発明されたものであって、
本発明のチップ構造体ユニットは、
金属薄膜の下面に形成された誘電体部材の外側から、前記金属薄膜に向かって光源より励起光を照射し、前記金属薄膜上の電場を増強させて、前記金属薄膜の上面に形成された反応層の反応領域に保持された蛍光物質を励起させ、これにより増強された蛍光を光検出手段にて検出するようにした表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットであって、
前記チップ構造体ユニットは、
前記金属薄膜と、前記金属薄膜の下面に形成された誘電体部材と、前記金属薄膜の上面に形成され反応領域を有する前記反応層と、から少なくとも構成されるチップ構造体と、
前記チップ構造体の反応層と前記光検出手段との間に配設され、前記励起された蛍光を集光し、この蛍光を全反射条件で前記光検出手段に到達させる全反射機能部材からなる集光部材と、
から構成され、
前記集光部材は、
前記集光部材の上面が光検出手段の検出領域と対向し、下面が前記反応層の反応領域と対向するようになっており、
少なくとも前記集光部材の下面の面積と、前記反応層の反応領域の面積とが、略同面積となるように構成されていることを特徴とする。

このように集光部材の下面の面積と反応層の反応領域の面積とが略同面積であれば、反応領域で生じた蛍光をロス無く集光できるため、Ｓ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体ユニットは、
前記集光部材の上面の面積と、前記光検出手段の検出領域の面積とが、略同面積となるように構成されていることを特徴とする。

このように集光部材の上面の面積と光検出手段の検出領域の面積とが略同面積であれば、集光部材で集光した蛍光を、ロス無く検出領域で検出できるため、Ｓ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体ユニットは、
前記反応層の反応領域の面積が前記集光部材の下面の面積以下であり、
且つ前記集光部材の上面の面積に対する前記光検出手段の検出領域の面積の比率が、１
．０〜１．５であることを特徴とする。

このように設定すれば、反応領域で生じた蛍光をロス無く集光部材に導き、検出領域で検出できるため、Ｓ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体ユニットは、
金属薄膜の下面に形成された誘電体部材の外側から、前記金属薄膜に向かって光源より励起光を照射し、前記金属薄膜上の電場を増強させて、前記金属薄膜の上面に形成された反応層の反応領域に保持された蛍光物質を励起させ、これにより増強された蛍光を光検出手段にて検出するようにした表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットであって、
前記チップ構造体ユニットは、
前記金属薄膜と、前記金属薄膜の下面に形成された誘電体部材と、前記金属薄膜の上面に形成され反応領域を有する前記反応層と、から少なくとも構成されるチップ構造体と、
前記チップ構造体の反応層と前記光検出手段との間に配設され、前記励起された蛍光を集光し、この蛍光を全反射条件で前記光検出手段に到達させる全反射機能部材からなる集光部材と、
から構成され、
前記チップ構造体の反応層の反応領域を構成する反応領域構成部材および前記集光部材の屈折率が、略同値であることを特徴とする。

このようにチップ構造体の反応層の反応領域構成部材と集光部材の屈折率が略同値であれば、反応領域で生じた蛍光をロス無く集光部材で集光できるため、Ｓ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体ユニットは、
前記チップ構造体の反応層の反応領域を構成する反応領域構成部材と、前記集光部材の屈折率との差が、５％以内であることを特徴とする。

このように屈折率の差が５％以内であれば、反応領域で生じた蛍光をロス無く集光可能である。したがってＳ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体ユニットは、
前記反応層において、少なくとも前記反応領域の上方に位置する反応領域構成部材の肉厚が、１００〜５０００μｍの範囲内であることを特徴とする。

このように反応領域の上方に位置する反応領域構成部材の肉厚を設定すれば、反応領域で生じた蛍光をロス無く集光可能であるため、Ｓ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体ユニットは、
前記反応領域構成部材の反応領域の上方に位置する部位と、前記集光部材の下面とが、当接されていることを特徴とする。

このように反応領域構成部材の反応領域の上方に位置する部位と集光部材の下面とが当接していれば、蛍光を確実に集光部材側に導くことができるため、Ｓ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体ユニットは、
前記チップ構造体の反応層に形成された反応領域を構成する反応領域構成部材において、前記反応領域の上方が薄肉となるように構成された凹部を備え、
前記凹部内に、前記集光部材の下面側が挿入されるよう構成されていることを特徴とする。

このように凹部内に集光部材の下面側が挿入されるようになっていれば、反応領域と集光部材との距離が縮まるため、ロス無く効率的に蛍光を集光することができる。

また、本発明のチップ構造体ユニットは、
前記反応層の前記反応領域の上方に構成された凹部の立側面と、
前記凹部内に挿入された前記集光部材の外側面との間に、隙間が設けられていることを特徴とする。

このように隙間が設けられていれば、反応領域で生じた蛍光が反応領域構成部材側に伝播してしまうことを防止できるため、集光部材側へロス無く蛍光を導くことができ、Ｓ／Ｎの値を向上させて超高精度にアナライトの検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体ユニットは、
前記反応層の前記反応領域の上方に構成された凹部の立側面と、前記凹部内に挿入された前記集光部材の外側面との間に形成された隙間量が、０．１〜５ｍｍの範囲内であることを特徴とする。

このように隙間量を設定すれば、反応領域で生じた蛍光が反応領域構成部材側に伝播してしまうことを確実に防止できる。
したがってＳ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことができる。

また、本発明のチップ構造体ユニットは、
前記チップ構造体の反応層の反応領域を構成する反応領域構成部材において、
前記反応領域を囲うように流路が形成されており、
前記流路を構成する壁面のうち、前記集光部材の下面と対向する天面を除いた部分に、蛍光反射層を有することを特徴とする。

このように流路の壁面に蛍光反射層を設ければ、反応領域で生じた蛍光をロス無く集光部材へ導くことができ、Ｓ／Ｎの値を向上させて超高精度にアナライトの検出を行うことができる。

また、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサは、
上記のいずれかに記載のチップ構造体ユニットを配設してなることを特徴とする。

このように上記したチップ構造体ユニットを配設してなる表面プラズモン増強蛍光センサであれば、Ｓ／Ｎの値を向上させることのできる構造であるため、超高精度な蛍光検出を行うことができる。

本発明によれば、チップ構造体ユニットが上記したような特徴的な構成を有しているため、従来のように集光効率が落ちてＳ／Ｎの値が低下することがなく、超高精度に蛍光検出を行うことのできる表面プラズモン増強蛍光センサおよび表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットを提供することができる。

図１は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサの概略図である。 図２は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットの第１の実施例を説明するための概略図である。 図３（ａ）は中実柱状の集光部材の上面図およびＡ−Ａ断面図、図３（ｂ）は筒状の集光部材の上面図およびＢ−Ｂ断面図である。 図４は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットの第２の実施例を説明するための概略図である。 図５は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットの第３の実施例を説明するための概略図である。 図６は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットの第４の実施例を説明するための概略図である。 図７は、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットの第１から第４の実施例を組み合わせた構成を説明するための概略図である。 図８は、従来の表面プラズモン増強蛍光センサの概略図である。 図９は、従来の表面プラズモン増強蛍光センサの概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
本発明の表面プラズモン増強蛍光センサおよび表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットは、集光効率を高めてＳ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライトの検出を行うことができるものである。

＜表面プラズモン増強蛍光センサ１０＞
本発明の表面プラズモン増強蛍光センサ１０は、図１に示したように、まず金属薄膜１２と、金属薄膜１２の下面に形成された誘電体部材１６と、上面に形成された反応層１４と、を有するチップ構造体１８を備えている。

ここで反応層１４は、金属薄膜１２上に形成された反応領域４０に検出対象となるアナライトを含有してなる試料溶液を流すための流路５８を構成するため、流路５８用の凹部が設けられた反応領域構成部材４２を金属薄膜１２上面に配設してなるものである。

そして、チップ構造体１８の誘電体部材１６側には、誘電体部材１６内に入射され、金属薄膜１２に向かって励起光２０を照射する光源２２を備え、さらに光源２２から照射され金属薄膜１２に反射した金属薄膜反射光２４を受光する受光手段２６が備えられている。

光源２２から照射される励起光２０としてはレーザ光が好ましく、波長２００〜９００ｎｍ、０．００１〜１，０００ｍＷのＬＤレーザ、または波長２３０〜８００ｎｍ、０．０１〜１００ｍＷの半導体レーザが好適である。

一方、チップ構造体１８の反応層１４側には、反応層１４の反応領域４０で生じた蛍光２８を検出領域４４で受光する光検出手段３０が設けられている。

光検出手段３０としては、超高感度の光電子増倍管、または多点計測が可能なＣＣＤイメージセンサを用いることが好ましい。

なお、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサ１０においては、チップ構造体１８の反応層１４と光検出手段３０との間に、全反射機能部材３２から構成される集光部材３４が配設されている。

このような集光部材３４は、蛍光２８を集光し、この蛍光２８を全反射条件で光検出手段３０に到達させるように構成されたものである。

このような集光部材３４とチップ構造体１８とからなるユニットを、本明細書中ではチップ構造体ユニット３６としている。

そして、このような表面プラズモン増強蛍光センサ１０の使用においては、まず金属薄膜１２上の反応領域４０に蛍光物質が保持された状態とする。例えば、流路５８内にあらかじめ蛍光物質で標識されたアナライトを含有した試料溶液を流し、これにより金属薄膜１２上の反応領域４０において蛍光物質で標識されたアナライトが捕捉された状態とする。

ここで用いられる試料溶液は、検体を用いて調製された溶液であり、例えば検体と試薬とを混合して検体中に含有されるアナライトに蛍光物質を結合させるための処理をしたものが挙げられる。

このような検体としては、血液，血清，血漿，尿，鼻孔液，唾液，便，体腔液（髄液，腹水，胸水等）などが挙げられる。

また、検体中に含有されるアナライトは、例えば、核酸（一本鎖であっても二本鎖であってもよいＤＮＡ，ＲＮＡ，ポリヌクレオチド，オリゴヌクレオチド，ＰＮＡ（ペプチド核酸）等、またはヌクレオシド，ヌクレオチドおよびそれらの修飾分子），タンパク質（ポリペプチド、オリゴペプチド等），アミノ酸（修飾アミノ酸も含む。），糖質（オリゴ糖，多糖類，糖鎖等），脂質，またはこれらの修飾分子，複合体などが挙げられ、具体的には、ＡＦＰ（αフェトプロテイン）等のがん胎児性抗原や腫瘍マーカー，シグナル伝達物質，ホルモンなどであってもよく、特に限定されない。

さらに蛍光物質としては、所定の励起光２０を照射するか、または電界効果を利用することで励起し、蛍光２８を発する物質であれば特に限定されないものである。なお本明細書でいう蛍光２８とは、燐光など各種の発光も含まれるものである。

そして、この状態で光源２２より誘電体部材１６内に励起光２０を照射し、この励起光２０が特定の角度（共鳴角３８）で金属薄膜１２に入射することで、金属薄膜１２上に粗密波（表面プラズモン）を生ずるようにすることができる。

なお、金属薄膜１２上に粗密波（表面プラズモン）が生ずる際には、励起光２０と金属薄膜１２中の電子振動とがカップリングし、金属薄膜反射光２４のシグナルが変化（光量が減少）することとなるため、受光手段２６で受光される金属薄膜反射光２４のシグナルが変化（光量が減少）する地点を見つければ良い。

そして、この粗密波（表面プラズモン）により、金属薄膜１２上の反応層１４の蛍光物質が効率良く励起され、これにより蛍光物質が発する蛍光２８の光量が増大し、この蛍光２８を、集光部材３４を介して光検出手段３０の検出領域４４で収集することで、極微量および／または極低濃度のアナライトを検出することができる。

なお、チップ構造体１８の金属薄膜１２の材質としては、好ましくは金，銀，アルミニウム，銅，および白金からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属からなり、より好ましくは金からなり、さらにこれら金属の合金からなることである。

このような金属は、酸化に対して安定であり、かつ粗密波（表面プラズモン）による電場増強が大きくなることから金属薄膜１２に好適である。

また、金属薄膜１２の形成方法としては、例えばスパッタリング法，蒸着法（抵抗加熱蒸着法，電子線蒸着法等），電解メッキ，無電解メッキ法などが挙げられる。中でもスパッタリング法，蒸着法は、薄膜形成条件の調整が容易であるため好ましい。

さらに金属薄膜１２の厚さとしては、金：５〜５００ｎｍ、銀：５〜５００ｎｍ、アルミニウム：５〜５００ｎｍ、銅：５〜５００ｎｍ、白金：５〜５００ｎｍ、およびそれらの合金：５〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。

電場増強効果の観点からは、金：２０〜７０ｎｍ、銀：２０〜７０ｎｍ、アルミニウム：１０〜５０ｎｍ、銅：２０〜７０ｎｍ、白金：２０〜７０ｎｍ、およびそれらの合金：１０〜７０ｎｍの範囲内であることがより好ましい。

金属薄膜１２の厚さが上記範囲内であれば、粗密波（表面プラズモン）が発生し易く好適である。また、このような厚さを有する金属薄膜１２であれば、大きさ（縦×横）は特に限定されないものである。

また、誘電体部材１６としては、光学的に透明な各種の無機物，天然ポリマー，合成ポリマーを用いることができ、化学的安定性，製造安定性および光学的透明性の観点から、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または二酸化チタン（ＴｉＯ２）を含むことが好ましい。

さらに、このような表面プラズモン増強蛍光センサ１０は、光源２２から金属薄膜１２に照射される励起光２０による表面プラズモン共鳴の最適角（共鳴角３８）を調整するため、角度可変部（図示せず）や、受光手段２６および／または光検出手段３０に入力された情報を処理するためのコンピュータ（図示せず）などを有しても良いものである。

ここで、角度可変部（図示せず）は、サーボモータで全反射減衰（ＡＴＲ）条件を求めるために受光手段２６と光源２２とを同期し、４５〜８５°の角度変更を可能とし、分解能が０．０１°以上であることが好ましい。

このような構成を有する本発明の表面プラズモン増強蛍光センサ１０は、上記したようにチップ構造体１８と集光部材３４からなるチップ構造体ユニット３６が特徴的な構造を有している。

以下、このようなチップ構造体ユニット３６について詳細に説明する。
＜チップ構造体ユニット３６＞
［実施例１］
本発明の第１の実施例におけるチップ構造体ユニット３６では、図２に示したように集光部材３４の上面４８と下面４６の面積が、それぞれ反応領域４０と検出領域４４の大きさに合わせて設定されている。

先に本出願人により出願された特許文献３（特願２００９−０４９３３９号）に記載の集光部材１３８では、蛍光１１８を多く取り込むため、集光部材１３８の径が、反応領域１２８よりも大径の中実円柱状または円筒状となっていた。

しかしながら、集光部材１３８の光検出手段１２０と対向する側では、径の大きさが光検出手段１２０の検出領域１３２よりも遥かに大きくなるため、取り込んだ蛍光１１８の一部が検出領域１３２には入らず、集光ロスが生じることとなり、集光効率が落ちてＳ／
Ｎの値が低下する場合があることが確認された。

このため、本発明の第１の実施例におけるチップ構造体ユニット３６では、集光部材３４の下面４６の面積を、反応層１４の反応領域４０の面積と略同面積となるように設定し、さらに集光部材３４の上面４８の面積を、光検出手段３０の検出領域４４の面積と略同面積となるように設定することにより、反応領域４０で生じた蛍光２８をロス無く集光でき、これを光検出手段３０の検出領域４４に導き、Ｓ／Ｎの値を向上させ、超高精度に蛍光検出を行うことができるようにしている。

ここで、集光部材３４の下面４６の面積を反応層１４の反応領域４０の面積と略同面積になるように設定するとは、集光部材３４の下面４６の面積が反応層１４の反応領域４０の面積に対して−２０％以上＋５０％以下の範囲内であることが、蛍光シグナルの減少を抑えつつノイズの増加を防止する上で好ましい。

また、集光部材３４の上面４８の面積を光検出手段３０の検出領域４４の面積と略同面積になるように設定するとは、光検出手段３０の検出領域４４の面積が集光部材３４の上面４８の面積に対して−２０％以上＋５０％以下の範囲内であることが、同様に蛍光シグナルの減少を抑えつつノイズの増加を防止する上で好ましい。

さらに反応層１４の反応領域４０の面積が集光部材３４の下面４６の面積以下であり、且つ集光部材３４の上面４８の面積に対する光検出手段３０の検出領域４４の面積の比率が、１．０〜１．５であることが好ましい。

このように設定すれば、反応領域４０で生じた蛍光２８をロス無く集光部材３４に導き、光検出手段３０の検出領域４４で検出することができる。

なお、集光部材３４の上面４８および下面４６の形状は、検出領域４４および反応領域４０の形状と同様の形状であることが好ましいが、場合によっては、反応領域４０の形状が矩形（例えば長方形）や楕円形であるのに対して、集光部材３４の下面４６の形状が円形であるなど、形状の組み合わせについては特に限定されないものである。

また、集光部材３４そのものの形状についても、図３（ａ）に示したように中実柱状であっても図３（ｂ）に示したように筒状であっても良いものである。

さらに、集光部材３４の断面形状についても、円形，楕円形，矩形など、どのような形状であっても良く、さらに上面４８および下面４６の形状が同じであっても異なっていても良く、適宜設定が可能なものである。

また、特許文献３（特願２００９−０４９３３９号）にも開示されているように、集光部材３４の上面４８および下面４６に、凹面形状部（図示せず）を形成したり、波長選択機能部材（図示せず）をそれぞれ設けることで、さらに蛍光２８の集光効率を高めるようにしても良いことは当然のことである。

このように、本発明の第１の実施例によるチップ構造体ユニット３６は、上記したように集光部材３４の上面４８，下面４６の面積を、検出領域４４，反応領域４０の面積と略同面積とすることで、従来よりもさらに効率よく蛍光の集光が可能であり、これにより超高精度にアナライトの検出を行うことができるようになっている。

［実施例２］
図４に示したチップ構造体ユニット３６は、第１の実施例のチップ構造体ユニットと基
本的には同じ構成であるので、同じ構成部材には同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。

第２の実施例におけるチップ構造体ユニット３６では、まず反応領域４０を有する反応領域構成部材４２と集光部材３４の屈折率が、略同値に設定されている。

このように屈折率を略同値にした場合、両部材間の界面反射を抑えることができるため、反応領域４０で生じた蛍光２８を効率的に集光部材３４で集光することができ、Ｓ／Ｎの値を向上させることができる。

なお、反応領域構成部材４２と集光部材３４の屈折率の差が好ましくは５％以内、より好ましくは１％以内であれば、両部材間における界面反射を確実に抑えることができ好ましい。

また、反応領域４０の上方に位置する反応領域構成部材４２の肉厚ｔ１は１００〜５０００μｍの範囲内に設定することが好ましい。

このような肉厚ｔ１に設定すれば、反応領域４０で生じた蛍光２８をロス無く集光可能であるため、Ｓ／Ｎの値を向上させ、超高精度にアナライト検出を行うことができる。

またこのとき、反応領域構成部材４２の反応領域４０の上方に位置する部位と、集光部材３４の下面４６とを当接させることで、特に両部材間の界面反射を抑えることができる。

集光部材３４と反応領域構成部材４２とを当接させる際には、当接面を有機溶剤またはプラズマ処理などで表面処理した後、加熱、加圧することで行うことが好ましい。しかしながら、これにより限定されるものではなく、例えば両部材と同様の屈折率を有する光学接着剤を介して接着することも可能である。このとき光学接着剤としては、公知の屈折液やエポキシ系，アクリル系の接着剤を用いることが好ましい。

［実施例３］
図５に示したチップ構造体ユニット３６は、第１の実施例のチップ構造体ユニットと基本的には同じ構成であるので、同じ構成部材には同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。

第３の実施例におけるチップ構造体ユニット３６では、図５に示したように集光部材３４が、反応領域構成部材４２において、反応領域４０の上方が薄肉（薄肉部分５４）となるように構成された凹部５０内に、集光部材３４の下面４６側が挿入された形態であることが好ましい。

また、反応領域４０の上方に構成された凹部５０の立側面６０と、集光部材３４の外側面６２との間に、隙間５２を設けることが好ましい。

この隙間５２は、反応領域４０で生じた蛍光２８が、集光部材３４側ではなく、反応領域構成部材４２側に伝播してしまい、集光ロスを生ずることを防止するためのものであり、この隙間５２により蛍光２８を確実に集光部材３４側に伝播させることができるようになっている。

ここで隙間量ｔ２は、０．１〜５ｍｍの範囲内に設定することが好ましく、このような隙間量ｔ２であれば、反応領域４０で生じた蛍光２８が反応領域構成部材４２側に伝播し
てしまうことを確実に防止できる。なお隙間量ｔ２の下限値は、一般的な機械加工の際の最小寸法公差の値であり、上限値はこの部位において強度を保持するのに必要な値である。

［実施例４］
図６に示したチップ構造体ユニット３６は、第３の実施例のチップ構造体ユニットと基本的には同じ構成であるので、同じ構成部材には同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。

本発明の第４の実施例におけるチップ構造体ユニット３６では、実施例３の構成に加え、図６に示したように、反応領域４０を構成する反応領域構成部材４２において、反応領域４０を囲うように流路５８が形成されており、この流路５８を構成する壁面のうち、集光部材３４の下面４６と対向する天面を除いた部分に、蛍光反射層５６が形成されている。

このように蛍光反射層５６が設けられていれば、反応領域４０で生じた蛍光２８を、さらに確実に集光部材３４側に導くことができるため、Ｓ／Ｎの値を向上させることができる。

なお、このような蛍光反射層５６としては、公知の反射材を用いることができ、中でも金属および半導体材料などの高い反射率を持つ材料、またはこれらの合金を用いることができ、特にアルミニウムや銀を用いることが好ましい。

以上、本発明における表面プラズモン増強蛍光センサ１０およびこれに用いられるチップ構造体ユニット３６の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではないものである。

例えば、図７に示したように実施例１から実施例４の構成を組み合わせ、反応領域４０で生じた蛍光２８を効率良く集光部材３４側に導き、またこの蛍光２８を光検出手段３０の検出領域４４に確実に導くことができる構造としても良いものである。

さらに、実施例１において、集光部材３４と反応領域構成部材４２の屈折率を略同値にすることで、より蛍光２８のＳ／Ｎの値を向上させるようにするなど、要は上記した実施例を適宜組み合わせた形態であっても良いものである。

また、本発明の表面プラズモン増強蛍光センサ１０では、集光部材３４で集光された蛍光２８は直接検出領域４４に導かれるよう構成されているが、場合によってはさらに蛍光集光部材（図示せず）や波長選択機能部材（図示せず）を配設しても良いものである。

さらに波長選択機能部材は、集光部材３４とは別に設けても、また集光部材３４に波長選択機能部材の機能を持たせた構成としても良いものであるなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能なものである。

１０・・・表面プラズモン増強蛍光センサ
１２・・・金属薄膜
１４・・・反応層
１６・・・誘電体部材
１８・・・チップ構造体
２０・・・励起光
２２・・・光源
２４・・・金属薄膜反射光
２６・・・受光手段
２８・・・蛍光
３０・・・光検出手段
３２・・・全反射機能部材
３４・・・集光部材
３６・・・チップ構造体ユニット
３８・・・共鳴角
４０・・・反応領域
４２・・・反応領域構成部材
４４・・・検出領域
４６・・・下面
４８・・・上面
５０・・・凹部
５２・・・隙間
５４・・・薄肉部分
５６・・・蛍光反射層
５８・・・流路
６０・・・立側面
６２・・・外側面
ｔ１・・肉厚
ｔ２・・隙間量
１００・・・表面プラズモン増強蛍光センサ
１０２・・・金属薄膜
１０４・・・反応層
１０６・・・誘電体部材
１０８・・・チップ構造体
１１０・・・励起光
１１２・・・光源
１１４・・・金属薄膜反射光
１１６・・・受光手段
１１８・・・蛍光
１２０・・・光検出手段
１２２・・・蛍光集光部材
１２４・・・波長選択機能部材
１２６・・・共鳴角
１２８・・・反応領域
１３０・・・反応領域構成部材
１３２・・・検出領域
１３４・・・流路
１３６・・・全反射機能部材
１３８・・・集光部材

Claims (8)

1. 金属薄膜の下面に形成された誘電体部材の外側から、前記金属薄膜に向かって光源より励起光を照射し、前記金属薄膜上の電場を増強させて、前記金属薄膜の上面に形成された反応層の反応領域に保持された蛍光物質を励起させ、これにより増強された蛍光を光検出手段にて検出するようにした表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットであって、
   前記チップ構造体ユニットは、
   前記金属薄膜と、前記金属薄膜の下面に形成された誘電体部材と、前記金属薄膜の上面に形成され反応領域を有する前記反応層と、から少なくとも構成されるチップ構造体と、
   前記チップ構造体の反応層と前記光検出手段との間に配設され、前記励起された蛍光を集光し、この蛍光を全反射条件で前記光検出手段に到達させる全反射機能部材からなる集光部材と、
   から構成され、
   前記集光部材は、
   前記集光部材の上面が光検出手段の検出領域と対向し、下面が前記反応層の反応領域と対向するようになっており、
   少なくとも前記集光部材の下面の面積と、前記反応層の反応領域の面積とが、略同面積となるように構成されていることを特徴とするチップ構造体ユニット。
2. 前記集光部材の上面の面積と、前記光検出手段の検出領域の面積とが、略同面積となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のチップ構造体ユニット。
3. 金属薄膜の下面に形成された誘電体部材の外側から、前記金属薄膜に向かって光源より励起光を照射し、前記金属薄膜上の電場を増強させて、前記金属薄膜の上面に形成された反応層の反応領域に保持された蛍光物質を励起させ、これにより増強された蛍光を光検出手段にて検出するようにした表面プラズモン増強蛍光センサに用いられるチップ構造体ユニットであって、
   前記チップ構造体ユニットは、
   前記金属薄膜と、前記金属薄膜の下面に形成された誘電体部材と、前記金属薄膜の上面に形成され反応領域を有する前記反応層と、から少なくとも構成されるチップ構造体と、
   前記チップ構造体の反応層と前記光検出手段との間に配設され、前記励起された蛍光を集光し、この蛍光を全反射条件で前記光検出手段に到達させる全反射機能部材からなる集光部材と、
   から構成され、
   前記チップ構造体の反応層の反応領域を構成する反応領域構成部材および前記集光部材の屈折率が、略同値であることを特徴とするチップ構造体ユニット。
4. 前記反応領域構成部材の反応領域の上方に位置する部位と、前記集光部材の下面とが、当接されていることを特徴とする請求項３に記載のチップ構造体ユニット。
5. 前記チップ構造体の反応層に形成された反応領域を構成する反応領域構成部材において、前記反応領域の上方が薄肉となるように構成された凹部を備え、
   前記凹部内に、前記集光部材の下面側が挿入されるよう構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載のチップ構造体ユニット。
6. 前記反応層の前記反応領域の上方に構成された凹部の立側面と、
   前記凹部内に挿入された前記集光部材の外側面との間に、隙間が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のチップ構造体ユニット。
7. 前記チップ構造体の反応層の反応領域を構成する反応領域構成部材において、
   前記反応領域を囲うように流路が形成されており、
   前記流路を構成する壁面のうち、前記集光部材の下面と対向する天面を除いた部分に、蛍光反射層を有することを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載のチップ構造体ユニット。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のチップ構造体ユニットを配設してなることを特徴とする表面プラズモン増強蛍光センサ。

Images