表面プラズモン共鳴

表面プラズモン共鳴（SPR）は、薄い金属板内の電子が、特定の入射角で金属板に向けられた光によって励起され、金属板と平行に進むときに発生する現象です。光源の波長が一定で金属板が薄いと仮定すると、SPRをトリガーする入射角は材料の屈折率に関連し、屈折率の小さな変化でもSPRは観察されなくなります。このため、SPRは特定の物質（分析物）を検出するための技術として可能であり、さまざまな重要なバイオマーカーを検出するためにSPRバイオセンサーが開発されています。^[1]^[2]

説明

表面プラズモンポラリトンは、負の誘電率/誘電体界面に平行な方向に伝播する非放射性電磁表面波です。この波は導体と外部媒体（空気、水、真空など）の境界上にあるため、この振動は、導電性表面への分子の吸着など、この境界の変化に非常に敏感です。^[3]

表面プラズモンポラリトンの存在と特性を説明するには、さまざまなモデル（量子論、ドルーデモデルなど）から選択できます。この問題に取り組む最も簡単な方法は、各材料を、外部媒体と表面の間の周波数依存の相対誘電率によって説明される均質な連続体として扱うことです。この量は、以下では材料の「誘電関数」と呼ばれ、複素誘電率です。電子表面プラズモンを説明する項が存在するためには、導体の誘電率の実部が負で、その大きさが誘電体の誘電率よりも大きくなければなりません。この条件は、空気/金属および水/金属界面の赤外線可視波長領域で満たされます（金属の実誘電率は負で、空気または水の実誘電率は正です）。

LSPR（局在表面プラズモン共鳴）は、光によって励起された金属ナノ粒子内の集団電子電荷振動である。共鳴波長で増強された近接場振幅を示す。この場はナノ粒子に高度に局在し、ナノ粒子/誘電体界面から誘電体背景へと急速に減衰するが、粒子による遠方場散乱も共鳴によって増強される。光強度増強はLSPRの非常に重要な側面であり、局在化はLSPRが非常に高い空間分解能（サブ波長）を持ち、ナノ粒子のサイズによってのみ制限されることを意味する。増強された場振幅のため、磁気光学効果などの振幅に依存する効果もLSPRによって増強される。^[4]^[5]

実装

表面プラズモンポラリトンを共鳴的に励起するには、電子衝撃または入射光ビーム（可視光線と赤外線が一般的）を使用することができる。入射ビームは、その運動量をプラズモンの運動量と一致させる必要がある。^[6]p偏光（偏光は入射面と平行に発生する）の場合、光をガラスブロックに通して波数（および運動量）を増加させ、特定の波長と角度で共鳴を達成することによってこれが可能になります。s偏光（偏光は入射面と垂直に発生する）は、電子表面プラズモンを励起できません。電子および磁気表面プラズモンは、次の分散関係に従います。

k(\omega )={\frac {\omega }{c}}{\sqrt {\frac {\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}\mu _{1}\mu _{2 }}{\varepsilon _{1}\mu _{1}+\varepsilon _{2}\mu _{2}}}

ここでk( )は波数ベクトル、は比誘電率、は材料の比透磁率（1：ガラスブロック、2：金属膜）、は角周波数、は真空中の光速である。^[7] $\omega$ $\epsilon$ $\mu$ $\omega$ ${c}$

表面プラズモンをサポートする一般的な金属は銀と金ですが、銅、チタン、クロムなどの金属も使用されています。

光を使ってSP波を励起する場合、2つの構成がよく知られています。オットー構成では、光はガラスブロック（通常はプリズム）の壁を照らし、完全に内部反射します。薄い金属フィルム（たとえば金）をプリズムの壁に十分近づけて配置することで、エバネッセント波が表面のプラズマ波と相互作用し、プラズモンを励起することができます。^[8]

クレッチマン構成（クレッチマン・ラーザー構成とも呼ばれる）では、金属膜がガラスブロック上に蒸着される。光は再びガラスブロックを照らし、エバネッセント波が金属膜を透過する。プラズモンは膜の外側で励起される。この構成はほとんどの実用アプリケーションで使用されている。^[8]

SPR放出

表面プラズモン波が局所的な粒子や凹凸（粗い表面など）と相互作用すると、エネルギーの一部が光として再放射されます。この放射された光は、金属フィルムの後ろでさまざまな方向から検出できます。

分析実装

表面プラズモン共鳴は分析機器に実装できます。SPR 機器は、光源、入力スキーム、分析対象物インターフェイスを備えたプリズム、検出器、およびコンピューターで構成されています。

検出器

表面プラズモン共鳴で使用される検出器は、金属膜から反射された光子を電気信号に変換します。検出器としては、位置検出検出器（PSD）または電荷結合素子（CCD）が使用されることがあります。^[9]

アプリケーション

表面プラズモン共鳴を利用したセンサーの原理

表面プラズモンは、蛍光、ラマン散乱、第二高調波発生など、いくつかの分光測定の表面感度を高めるために使用されています。最も単純な形式では、SPR反射率測定を使用して、ポリマー、DNA、タンパク質などの分子吸着を検出できます。技術的には、最小反射角（最大吸収角）を測定するのが一般的です。この角度は、薄い（約nmの厚さ）フィルム吸着中に0.1°のオーダーで変化します。（例も参照してください。）他の場合には、吸収波長の変化が追跡されます。^[10]検出のメカニズムは、吸着分子が局所屈折率の変化を引き起こし、表面プラズモン波の共鳴条件を変えることに基づいています。同じ原理が、より鋭い共鳴（ブロッホ表面波）を持つ表面電磁波をサポートする、損失のない誘電体多層膜（ DBR ）に基づく最近開発された競合プラットフォームで利用されています。^[11]

表面がさまざまなバイオポリマーでパターン化されている場合、適切な光学系とイメージングセンサー (カメラなど) を使用すると、この技術を表面プラズモン共鳴イメージング(SPRI) に拡張できます。この方法は、分子の吸着量に基づいて画像のコントラストが高く、ブリュースター角顕微鏡法に似ています (後者は、ラングミュア・ブロジェットトラフと組み合わせて使用されることが最も一般的です)。

ナノ粒子の場合、局所的な表面プラズモン振動により、ナノ粒子を含む懸濁液やゾルの強い色が生じることがあります。貴金属のナノ粒子やナノワイヤは、紫外線から可視光領域で、バルク金属には存在しない強い吸収帯を示します。この並外れた吸収の増加は、金属ナノ粒子をセル表面に堆積させることにより、光電池の光吸収を高めるために利用されてきました。^[12]この吸収のエネルギー（色）は、光がナノワイヤに沿って偏光しているか、垂直に偏光しているかによって異なります。^[13]ナノ粒子への吸着による局所屈折率の変化によるこの共鳴のシフトは、DNAやタンパク質などの生体高分子の検出にも使用できます。関連する補完的な技術には、プラズモン導波路共鳴、QCM、異常光透過、および二重偏光干渉法があります。

SPR免疫測定

最初のSPR免疫測定法は、1983年に当時リンショーピング工科大学（スウェーデン）にいたLiedberg、Nylander、およびLundströmによって提案されました。^[15] 彼らはヒトIgGを600オングストロームの銀フィルムに吸着させ、そのアッセイを使用して水溶液中の抗ヒトIgGを検出しました。ELISAなどの他の多くの免疫測定法とは異なり、 SPR免疫測定法はラベルフリーであり、分析物の検出にラベル分子は必要ありません。 ^[16]^[17]^[14]さらに、SPRでの測定はリアルタイムで追跡できるため、連続した結合イベントの個々のステップをモニタリングすることができ、たとえばサンドイッチ複合体の評価に特に役立ちます。

材料特性評価

SPRの特殊な構成であるマルチパラメトリック表面プラズモン共鳴は、層および層のスタックの特性評価に使用できます。結合速度論に加えて、MP-SPRは、層の真の厚さと屈折率の観点から構造変化に関する情報も提供できます。MP-SPRは、脂質の標的化と破裂、^[18] CVD堆積グラフェンの単分子層（3.7Å）^[19]、およびマイクロメートル厚のポリマー^{[20]の測定に効果的に適用されています。}

データ解釈

最も一般的なデータ解釈はフレネルの公式に基づいており、形成された薄膜を無限の連続誘電体層として扱います。この解釈では、屈折率と厚さの値が複数得られる可能性があります。通常、妥当なデータ範囲内にあるのは 1 つの解だけです。マルチパラメトリック表面プラズモン共鳴では、2 つの異なる波長でさまざまな角度をスキャンすることによって 2 つの SPR 曲線が取得され、厚さと屈折率の両方に対して一意の解が得られます。

金属粒子プラズモンは通常、ミー散乱理論を使用してモデル化されます。

多くの場合、詳細なモデルは適用されませんが、センサーは特定のアプリケーションに合わせて校正され、校正曲線内で補間して使用されます。

新しいアプリケーション

SPR 機器の汎用性により、この技術は他のアプローチとうまく組み合わせることができ、生物医学や環境研究などのさまざまな分野で新しい用途につながります。

ナノテクノロジーと組み合わせると、SPRバイオセンサーはナノ粒子を治療用インプラントのキャリアとして使用することができます。例えば、アルツハイマー病の治療では、ナノ粒子を使用して治療用分子を標的に送達することができます。^[21]一般的に、SPRバイオセンシングは、ラベルフリー、低コスト、ポイントオブケア環境で適用可能、小規模な研究コホートでより迅速に結果を生成できるため、バイオメディカル分野の他のアプローチよりも優れていることが実証されています。

環境汚染物質の研究では、SPR 機器は以前のクロマトグラフィーベースの技術の代替として使用できます。現在の汚染研究では、時間の経過に伴う生態系の汚染の増加を監視するためにクロマトグラフィーに依存しています。クレッチマンプリズム構成の SPR 機器が新興汚染物質であるクロロフェンの検出に使用されたとき、SPR はクロマトグラフィー技術と同等の精度と正確さレベルを持つことが実証されました。^[22]さらに、SPR センシングは、高速で簡単な分析によりクロマトグラフィー技術を上回っています。

例

層ごとの自己組織化

高分子電解質の吸着中に測定された SPR 曲線、続いて粘土鉱物の自己組織化フィルムが薄い (約 38 ナノメートル) 金センサー上に吸着されます。

表面プラズモン共鳴分光法の最初の一般的な用途の 1 つは、金基板上に吸着された自己組織化ナノフィルムの厚さ (および屈折率) の測定でした。共鳴曲線は、吸着されたフィルムの厚さが増加するにつれて、より高い角度にシフトします。この例は、「静的 SPR」測定です。

より高速な観察が必要な場合は、共鳴点の真下の角度（反射率が最小となる角度）を選択し、その点における反射率の変化を測定します。これはいわゆる「動的 SPR」測定です。データの解釈では、測定中にフィルムの構造が大きく変化しないことを前提としています。

結合定数の決定

SPR は、分子相互作用のリアルタイムの速度論を研究するために使用できます。2 つのリガンド間の親和性を決定するには、積商の平衡値を表す平衡解離定数を確立する必要があります。この定数は、解離速度を結合速度で割って計算される動的 SPR パラメータを使用して決定できます。

$K_{\rm {D}}={\frac {k_{\text{d}}}{k_{\text{a}}}}$

このプロセスでは、リガンドがSPR 結晶のデキストラン表面に固定化されます。マイクロフローシステムを通じて、分析対象物を含む溶液がリガンドで覆われた表面に注入されます。分析対象物がリガンドに結合すると、SPR 信号が増加します (応答単位 RU で表されます)。結合時間後、分析対象物を含まない溶液 (通常はバッファー) がマイクロ流体に導入され、リガンドと分析対象物間の結合複合体の解離が開始されます。分析対象物がリガンドから解離すると、SPR 信号が減少します。これらの結合 (「オンレート」、 $k a$ ) と解離 (「オフレート」、 $k d$ ) から、平衡解離定数 (「結合定数」、 $K D$ ) を計算できます。

検出された SPR 信号は、入射光と金層の表面プラズモンとの電磁気的「結合」の結果です。この相互作用は、通常わずか数ナノメートルの厚さである金と溶液の界面の層の特性に特に敏感です。物質が表面に結合すると、光の反射方法が変わり、反射角が変化します。これは SPR 実験で信号として測定できます。一般的な用途の 1 つは、抗体と抗原の相互作用の速度を測定することです。

熱力学分析

SPR バイオセンサーはさまざまな温度での測定を容易にするため、熱力学分析を実行して、研究対象の相互作用をより深く理解することができます。さまざまな温度 (通常は 4 ～ 40 °C) で測定を実行すると、結合および解離速度定数を活性化エネルギーと関連付けることができ、結合エンタルピー、結合エントロピー、ギブス自由エネルギー、熱容量などの熱力学パラメータを取得できます。

ペアワイズエピトープマッピング

SPR ではリアルタイムのモニタリングが可能なので、サンドイッチ構成における抗体間の適合性を調査する際に、連続した結合イベントの個々のステップを徹底的に評価できます。さらに、重複するエピトープを持つ抗体は、同時に相互作用できる抗体に比べて減衰した信号に関連付けられるため、エピトープのマッピングが可能になります。

イノベーション

磁気プラズモン共鳴

最近、磁気表面プラズモンに注目が集まっています。これには大きな負の透磁率を持つ材料が必要ですが、この特性はメタマテリアルの構築によって最近になってようやく実現可能になりました。

グラフェン

金の上にグラフェンを重ねると、SPRセンサーの性能が向上することが示されています。 ^{[23]グラフェンは}電気伝導率が高いため、検出感度が向上します。グラフェンは表面積が大きいため、生体分子の固定化が容易で、屈折率が低いため干渉が最小限に抑えられます。グラフェンを他の材料と組み合わせることでSPR感度が向上すると、SPRセンサーの可能性が広がり、より幅広い用途で実用的になります。たとえば、グラフェンの感度の向上は銀SPRセンサーと組み合わせて使用でき、尿中のグルコースレベルを測定するための費用対効果の高い代替手段となります。^[24]

グラフェンはSPRセンサーの500℃までの高温アニールに対する耐性を向上させることも示されている。^[25]

光ファイバーSPR

最近のSPR技術の進歩により、SPRセンシングの範囲と適用性を高める新しい形式が生まれています。光ファイバーSPRでは、光ファイバーの端にSPRセンサーを統合し、分析対象物が中空のSPRコアを通過するときに光と表面プラズモンを直接結合できるようにします。^[26]この形式は感度が向上し、コンパクトなセンシングデバイスの開発が可能になるため、現場でのリモートセンシングが必要なアプリケーションに特に役立ちます。^{[27]また、分析対象物が}光ファイバーの内側のライニングに結合する表面積が増加します。

参照

参考文献

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さらに読む

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