JP2014232098A - Target substance capturing device and target substance detection apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、標的物質を検出する標的物質捕捉装置及びこれを備えた標的物質検出装置に関する。 The present invention relates to a target substance capturing apparatus that detects a target substance and a target substance detection apparatus including the target substance capturing apparatus.
タンパク質、細胞等の標的物質を検出したり濃度を測定したりする手段として、フォトニック結晶を用いたバイオセンサーが知られている(例えば、非特許文献1)。非特許文献1に記載されているバイオセンサーは、金薄膜を形成したフォトニック結晶基板に光を照射し、フォトニック結晶基板で反射された反射光の波長のピークの変化を測定することにより、標的物質の検出又は標的物質の濃度の計測等を行っている。
Biosensors using photonic crystals are known as means for detecting target substances such as proteins and cells and measuring concentrations (for example, Non-Patent Document 1). The biosensor described in Non-Patent
バイオセンサーを用いて標的物質を検出する場合、検出対象の液体を変更する等によってバイオセンサーを取り外した後に再度取り付けるような場合、取付け状態が異なる可能性がある。バイオセンサーの取付け状態が異なると、これに起因して標的物質の検出感度が低下する可能性がある。 When a target substance is detected using a biosensor, the attachment state may be different when the biosensor is attached after being removed by changing the liquid to be detected. If the attachment state of the biosensor is different, the detection sensitivity of the target substance may decrease due to this.
本発明は、標的物質の検出感度の低下を抑制することを目的とする。 An object of this invention is to suppress the fall of the detection sensitivity of a target substance.
本発明は、標的物質を捕捉する金属膜被覆構造体を載置して支持し、前記金属膜被覆構造体が載置される部分とは異なる部分に開口する少なくとも2つの孔を有する支持部材と、前記支持部材との間に前記金属膜被覆構造体を挟み込み、かつ前記支持部材の前記孔及び前記支持部材に載置された前記金属膜被覆構造体の前記標的物質を捕捉する部分が重なる開口部を有する保持部材と、透光性を有し、前記保持部材の前記開口部を覆う被覆部材と、を含む、標的物質捕捉装置である。このようにすることで、検出対象の液体を変更しても、金属膜被覆構造体を取り外す必要はないので、金属膜被覆構造体の取付け状態が異なることに起因する標的物質の検出感度の低下を抑制することができる。 The present invention provides a support member having a metal film covering structure that captures a target substance placed thereon and supported, and a support member having at least two holes opened in a portion different from the portion on which the metal film covering structure is placed. The metal film covering structure is sandwiched between the support member and the hole of the support member and the portion of the metal film covering structure placed on the support member that captures the target substance overlap. The target substance capturing device includes a holding member having a portion and a covering member that has translucency and covers the opening of the holding member. In this way, even if the liquid to be detected is changed, it is not necessary to remove the metal film covering structure, so that the detection sensitivity of the target substance is reduced due to different mounting states of the metal film covering structure. Can be suppressed.
前記孔は、前記被覆部材と前記開口部の内面と前記支持部材とで囲まれる空間に前記標的物質を含む液体を供給する供給孔と、前記空間から前記液体を排出する排出孔との2つであることが好ましい。このようにすれば、開口部に液体を供給し、開口部から液体を排出させることができる。 The hole includes two holes, a supply hole for supplying a liquid containing the target substance to a space surrounded by the covering member, the inner surface of the opening, and the support member, and a discharge hole for discharging the liquid from the space. It is preferable that If it does in this way, a liquid can be supplied to an opening part and a liquid can be discharged | emitted from an opening part.
前記保持部材は、前記金属膜被覆構造体と接する部分が少なくともシリコーンで形成されることが好ましく、ポリジメチルシロキサンで形成されることがより好ましい。このようにすれば、保持部材から金属膜被覆構造体を容易に取り外すことができる。 In the holding member, it is preferable that at least a portion in contact with the metal film covering structure is formed of silicone, and more preferably polydimethylsiloxane. In this way, the metal film covering structure can be easily removed from the holding member.
前記支持部材は、フッ素樹脂で形成されることが好ましい。このようにすれば、支持部材から金属膜被覆構造体を容易に取り外すことができる。 The support member is preferably formed of a fluororesin. In this way, the metal film covering structure can be easily detached from the support member.
前記支持部材は、透光性を有することが好ましい。このようにすれば、金属膜被覆構造体に照射された光の反射光のみならず、透過光も観測することができる。 The support member preferably has translucency. In this way, not only the reflected light of the light irradiated to the metal film covering structure but also the transmitted light can be observed.
前記支持部材は、前記金属膜被覆構造体を載置する側に、前記支持部材との間に前記金属膜被覆構造体を挟み込んだ前記保持部材と係り合う複数の爪を有することが好ましい。このようにすれば、保持部材及び被覆部材を容易に支持部材に取り付けたり、支持部材から保持部材及び被覆部材を容易に取り外したりすることができる。 Preferably, the support member has a plurality of claws engaged with the holding member sandwiching the metal film coating structure between the support member and the support member on a side on which the metal film coating structure is placed. In this way, the holding member and the covering member can be easily attached to the support member, and the holding member and the covering member can be easily detached from the support member.
前記被覆部材は、前記保持部材の前記開口部に嵌め込まれることが好ましい。このようにすれば、保持部材及び被覆部材を容易に支持部材に取り付けたり、支持部材から保持部材及び被覆部材を容易に取り外したりすることができる。 The covering member is preferably fitted into the opening of the holding member. In this way, the holding member and the covering member can be easily attached to the support member, and the holding member and the covering member can be easily detached from the support member.
本発明は、前述した標的物質捕捉装置と、前記開口部から前記標的物質を捕捉する部分に平行光を照射し、前記標的物質を捕捉する部分で反射された前記平行光の反射光を検出する光検出部と、前記光検出部が検出した前記反射光の極値の波長を求め、かつ求めた前記極値の波長のシフトに基づいて、少なくとも前記標的物質の有無を検出する処理部と、を含む、標的物質検出装置である。この標的物質検出装置は、前述した標的物質捕捉装置を備えるので、標的物質の検出感度の低下を抑制できる。 The present invention detects the reflected light of the parallel light reflected by the target substance capturing device and the part that captures the target substance from the opening and reflected by the part that captures the target substance. A light detection unit; and a processing unit that obtains the wavelength of the extreme value of the reflected light detected by the light detection unit, and detects at least the presence or absence of the target substance based on the obtained shift of the wavelength of the extreme value; Is a target substance detection device. Since this target substance detection device includes the target substance capturing device described above, it is possible to suppress a decrease in detection sensitivity of the target substance.
前記孔を介して前記空間に前記液体を供給し、前記孔を介して前記空間から前記液体を排出する液体送り装置を有することが好ましい。このようにすれば、保持部材の開口部へ液体を容易に供給でき、開口部から液体を容易に排出することができる。 It is preferable to have a liquid feeding device that supplies the liquid to the space through the hole and discharges the liquid from the space through the hole. If it does in this way, a liquid can be easily supplied to the opening part of a holding member, and a liquid can be easily discharged | emitted from an opening part.
前記光検出部は、第1分光器と、前記第1分光器よりも検出可能な光の波長の分解能が高い第2分光器とを備え、前記処理部は、前記第1分光器を用いて前記反射光の極値の波長を求めた後、前記第2分光器を用いて前記第1分光器によって求めた極値の波長の範囲内において、前記反射光の極値の波長を求めることが好ましい。このようにすれば、反射光の極値の波長を迅速に、かつ精度よく求めることができる。 The light detection unit includes a first spectrometer and a second spectrometer having a higher wavelength resolution of light that can be detected than the first spectrometer, and the processing unit uses the first spectrometer. After obtaining the wavelength of the extreme value of the reflected light, the wavelength of the extreme value of the reflected light is obtained within the range of the wavelength of the extreme value obtained by the first spectrometer using the second spectrometer. preferable. In this way, the extreme wavelength of the reflected light can be obtained quickly and accurately.
前記第1分光器の検出結果及び前記第2分光器の検出結果のうち少なくとも一方の検出結果を関数でフィッティングすることにより、前記反射光の極値の波長を求めることが好ましい。このようにすれば、分光器のピクセル分解能よりも高い分解能が実現できるので、極値における反射光の波長をより正確に求めることができる。 It is preferable to obtain the extreme wavelength of the reflected light by fitting at least one of the detection result of the first spectrometer and the detection result of the second spectrometer as a function. In this way, since the resolution higher than the pixel resolution of the spectroscope can be realized, the wavelength of the reflected light at the extreme value can be obtained more accurately.
前記光検出部を冷却する冷却部を有することが好ましい。このようにすれば、反射光のスペクトルを検出する際に、熱に起因するノイズを低減することができる。 It is preferable to have a cooling unit for cooling the light detection unit. In this way, noise due to heat can be reduced when detecting the spectrum of reflected light.
本発明は、標的物質の検出感度の低下を抑制することができる。 The present invention can suppress a decrease in detection sensitivity of a target substance.
以下、本発明を実施するための形態(以下、実施形態という)を、図面に基づいて詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, modes for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described in detail with reference to the drawings.
[実施形態1]
<標的物質検出装置>
図1は、実施形態1に係る標的物質捕捉装置を備えた標的物質検出装置を示す図である。標的物質検出装置10は、標的物質捕捉装置としてのフォトニック結晶バイオセンサー11と、光検出部12と、処理部13と、液体取扱部14と、を含む。まず、フォトニック結晶バイオセンサー11について説明する。
[Embodiment 1]
<Target substance detection device>
FIG. 1 is a diagram illustrating a target substance detection device including the target substance capturing device according to the first embodiment. The target
[フォトニック結晶バイオセンサー]
図2は、実施形態1に係るフォトニック結晶バイオセンサーの側面図である。図3は、実施形態1に係るフォトニック結晶バイオセンサーの斜視図である。図4は、実施形態1に係るフォトニック結晶バイオセンサーの平面図である。フォトニック結晶バイオセンサー11は、保持装置11Hと、金属膜被覆構造体としての金属膜被覆フォトニック結晶21とを含む。保持装置11Hは、金属膜被覆フォトニック結晶21を保持する。保持装置11Hは、被覆部材22と、保持部材23と、支持部材24とを含む。
[Photonic crystal biosensor]
FIG. 2 is a side view of the photonic crystal biosensor according to the first embodiment. FIG. 3 is a perspective view of the photonic crystal biosensor according to the first embodiment. FIG. 4 is a plan view of the photonic crystal biosensor according to the first embodiment. The
フォトニック結晶バイオセンサー11は、保持装置11Hが金属膜被覆フォトニック結晶21を保持する。保持装置11Hは、支持部材24に載置された金属膜被覆フォトニック結晶21を、保持部材23が支持部材24との間に挟み込んで保持する。被覆部材22は、支持部材24とは反対側における保持部材23の表面を覆う。図1及び図3に示すように、支持部材24、保持部材23及び被覆部材22は、板状の部材である。本実施形態において、支持部材24、保持部材23及び被覆部材22の形状は、これらの表面と直交する方向から見た場合、すなわち平面視が長方形(正方形を含む)となっている。支持部材24、保持部材23及び被覆部材22の形状は長方形に限定されるものではなく、六角形等の多角形又は円形等であってもよい。支持部材24、保持部材23及び被覆部材22の形状を長方形とすることにより、製造がしやすい、図3に示す取付治具27、28に保持装置11Hを取り付けやすい等の利点がある。
In the
支持部材24は、金属膜被覆フォトニック結晶21を載置して支持する。支持部材24は、図1から図4に示すように、金属膜被覆フォトニック結晶21が載置される部分とは異なる部分に開口する少なくとも2つの孔24HI、24HEを有する。保持部材23は、支持部材24との間に金属膜被覆フォトニック結晶21を挟み込んでいる。保持部材23は、開口部23Pを有している。開口部23Pは、図2に示すように、板状の部材である保持部材23の最も大きい対向する2つの平面23UP、23DP同士を貫通している。開口部23Pは、図1、図3及び図4に示すように、平面視が長方形形状あって、溝状の通路である。開口部23Pは、図4に示すように、支持部材24の孔24HI、24HE及び支持部材24に載置された金属膜被覆フォトニック結晶21の標的物質を捕捉する部分21Cと重なる。孔24HIは、開口部23P内に、標的物質捕捉物質を含んだ溶液等の液体を供給する。孔24HEは、開口部23Pから、標的物質捕捉物質を含んだ溶液等の液体を排出する。以下、孔24HIを適宜供給孔24HIと呼び、孔24HEを排出孔24HEと呼ぶ。
The
被覆部材22は、図1及び図2に示すように、保持部材23の開口部23Pを覆う。被覆部材22は、透光性を有している。これは、金属膜被覆フォトニック結晶21は、被覆部材22を介して光の照射を受け、金属膜被覆フォトニック結晶21が反射した反射光の波長のピークの変化が測定されることにより、標的物質が検出又は標的物質の濃度が計測されるためである。被覆部材22は、例えばガラス板、透明の樹脂の板又は透明の樹脂のフィルム等が用いられる。
The covering
被覆部材22と開口部23Pの内面と支持部材24とで囲まれる空間23SPには、標的物質捕捉物質を含んだ溶液等の液体が供給孔24HIから供給され、空間23SPに保持される。空間23SPに保持された液体は、金属膜被覆フォトニック結晶21の標的物質を捕捉する部分21Cに接触する。空間23SPに保持された液体は、標的物質検出装置10が標的物質を検出又は標的物質の濃度を計測する間、空間23SPに保持される。標的物質検出装置10が標的物質を検出等した後、空間23SPに保持された液体は、排出孔24HEから排出される。空間23SP内にフォトニック結晶バイオセンサー11の外部から液体を供給するため、フォトニック結晶バイオセンサー11には、液体供給管25が接続される。空間23SP内からフォトニック結晶バイオセンサー11の外部に液体を排出するため、フォトニック結晶バイオセンサー11には、液体排出管26が接続される。次に、液体供給管25及び液体排出管26が空間23SPに接続される構造の一例を説明する。液体供給管25及び液体排出管26は、例えば、シリコーンゴムの管等を用いることができるが、これに限定されるものではない。
In a space 23SP surrounded by the covering
図2に示すように、供給孔24HIを有する支持部材24は、金属膜被覆フォトニック結晶21が載置される面とは反対側の面に、孔24Hsi及び孔24Hseを有している。孔24Hsiは、供給孔24HIと接続している。24Hseは、排出孔24HEと接続している。本実施形態において、孔24Hsi、孔24Hse、供給孔24HI及び供給孔24HEは、断面が円形である。孔24Hsiの直径は、供給孔24HIの直径よりも大きい。孔24Hseの直径は、排出孔24HEの直径よりも大きい。孔24Hsiには、供給孔24HIと液体供給管25とを接続する接続部材25Sが取り付けられる。孔24Hseには、排出孔24HEと液体排出管26とを接続する接続部材26Sが取り付けられる。接続部材25S、26Sは、例えば、ゴム、樹脂又は金属である。接続部材25S、26Sは、それぞれ取付孔25SH、26SHを有している。液体供給管25は、取付孔25SHに差し込まれて接続部材25Sに取り付けられる。液体排出管26は、取付孔26SHに差し込まれて接続部材26Sに取り付けられる。このような構造により、液体供給管25は、接続部材25Sを介して支持部材24の孔24Hsiに取り付けられる。また、液体排出管26は、接続部材26Sを介して支持部材24の孔24Hseに取り付けられる。液体供給管25が取り付けられる孔24Hsiは供給孔24HIに接続し、液体排出管26が取り付けられる孔24Hseは排出孔24HEに接続している。このため、液体供給管25は、接続部材25S及び供給孔24HIを介して空間23SPに接続される。液体排出管26は、接続部材26S及び排出孔24HEを介して空間23SPに接続される。
As shown in FIG. 2, the
フォトニック結晶バイオセンサー11は、支持部材24と保持部材23とで金属膜被覆フォトニック結晶21を挟持する。取付治具27、28は、金属膜被覆フォトニック結晶21を挟持した支持部材24と保持部材23とを挟み込んだ状態で、図3に示すボルト29によって締結される。このような構造によって、フォトニック結晶バイオセンサー11は、保持部材23に被覆部材22を取り付けた状態で、図3に示す取付治具27、28に挟持されて支持される。取付治具27、28によって、支持部材24と保持部材23と金属膜被覆フォトニック結晶21とを一体とすることができるので、取り扱いが容易になる。また、取付治具27、28同士をボルト29によって締結することにより、フォトニック結晶バイオセンサー11の分解が容易になる。取付治具27、28同士の固定は、ボルト29による締結に限定されるものではない。
In the
本実施形態において、保持部材23は、金属膜被覆フォトニック結晶21と接する部分が少なくともシリコーン、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)で形成される。ポリジメチルシロキサンは、撥液性(撥水性)が高いため、金属膜被覆フォトニック結晶21と保持部材23との吸着を抑制できる。このため、金属膜被覆フォトニック結晶21を取り替える際に金属膜被覆フォトニック結晶21を保持部材23から容易に取り外すことができる。保持部材23の厚みは、100μm以上2mm以下が好ましい。このようにすると、金属膜被覆フォトニック結晶21を支持部材24と保持部材23との間に固定する際の取り扱いが容易になる。
In this embodiment, the holding
金属膜被覆フォトニック結晶21に液体を流すため、仮に、間隔保持部を設けてセンサ表面に液体が流れる空間を作ることが考えられる。間隔保持部の厚みはプラズモン共鳴の波長に依存するため、使用する波長帯によって厚みが限定される。このような構造とすると、間隔保持部の厚みは厳密な精度が必要となり、製作時に時間と製造コストとを要してしまう。本実施形態は、間隔保持部が不要になるので、フォトニック結晶バイオセンサー11の製造が簡単になり、時間及び製造コストを抑制できる。また、表面プラズモン(SPR)センサは、センサとプリズムとの固定が重要であり、わずかな隙間又は撓み等が生じるとセンサとして機能しなくなるという問題があるが、本実施形態の金属膜被覆フォトニック結晶21は、SPRセンサほどの厳密な固定は不要である。
In order to allow the liquid to flow through the metal film-covered
本実施形態において、支持部材24は、フッ素樹脂で形成されている。支持部材24の材質は、フッ素樹脂に限定されるものではないが、フッ素樹脂は撥液性(撥水性)が高いため、金属膜被覆フォトニック結晶21と支持部材24との吸着を抑制できる。このため、金属膜被覆フォトニック結晶21を取り替える際に金属膜被覆フォトニック結晶21を保持部材23から容易に取り外すことができる。支持部材24が透光性を有していてもよい。このようにすることで、金属膜被覆フォトニック結晶21に照射された光の透過光を観測することもできる。支持部材24が透光性を有する場合、支持部材24は、例えば、ガラス又は透明な樹脂を用いて製造される。支持部材24にガラスを用いる場合、ガラスの支持部材24とポリジメチルシロキサンの保持部材23との自己吸着、支持部材24と保持部材23との接着又はポリジメチルシロキサンの保持部材23を熱で溶融させることによる熱融着等の接合技術等によって、支持部材24と保持部材23との間に金属膜被覆フォトニック結晶21が固定される。次に、金属膜被覆フォトニック結晶21について説明する。
In the present embodiment, the
[金属膜被覆フォトニック結晶]
図5は、金属膜被覆フォトニック結晶の斜視図である。図6は、金属膜被覆フォトニック結晶の平面図である。図7は、図6のA−A断面を示す図である。図7は、フォトニック結晶の表面と直交する平面でフォトニック結晶を切ったときの断面を示している。後述する図8も同様である。なお、図5から図8は、模式的に示した図であるため、金属膜被覆フォトニック結晶21の各要素の厚み及び大きさ等は実際とは異なる。以下、同様である。金属膜被覆フォトニック結晶21は、標的物質を捕捉する。図5から図7に示すように、金属膜被覆フォトニック結晶21は、フォトニック結晶65及び金属膜66を含んでいる。金属膜被覆フォトニック結晶21は、フォトニック結晶65の表面67に断面が円形の凹部(以下、単に凹部という)68Aが周期的に形成された反射面69を金属膜66が被覆している。
[Metal film-coated photonic crystal]
FIG. 5 is a perspective view of a metal film-coated photonic crystal. FIG. 6 is a plan view of a metal film-coated photonic crystal. FIG. 7 is a view showing a cross section taken along line AA of FIG. FIG. 7 shows a cross section when the photonic crystal is cut along a plane orthogonal to the surface of the photonic crystal. The same applies to FIG. 8 described later. 5 to 8 are schematic diagrams, and therefore the thickness and size of each element of the metal film-covered
まず、フォトニック結晶65について説明する。フォトニック結晶は、表面に所定深さの凹部又は所定高さの凸部が周期的に形成された反射面を有し、前記反射面に特定波長の光(平行光)を照射すると、その反射光が得られる構造体である。表面に凹部又は凸部が周期的に形成された反射面に光を照射すると、特定波長の反射光が得られる構造体は、一般にフォトニック結晶と呼ばれる。
First, the
フォトニック結晶とは、サブ波長間隔の格子構造を有する構造体である。そして、それは構造体の表面(以後、反射面という)に広領域波長の光を照射すると、フォトニック結晶の表面状態に依存した特定の波長帯の光を、反射又は透過するものである。フォトニック結晶の表面状態は、例えばフォトニック結晶の形状及び材質に依存する。この反射光又は透過光の変化を読み取ることにより、フォトニック結晶の表面状態の変化を定量化することができる。フォトニック結晶の表面状態の変化としては、表面への物質の吸着、構造変化等が挙げられる。表面に金属薄膜が形成されたフォトニック結晶も、光が照射されると、光の反射率又は光の透過率に極値(極大値又は極小値)が現れる。この反射率又は透過率の極値は、金属の種類、金属の膜厚、フォトニック結晶の表面形状に依存するものである。この光の反射率又は光の透過率を読み取ることにより、フォトニック結晶の表面状態の変化を定量化することができる。金属薄膜については後述する。フォトニック結晶の表面状態の変化を反射光又は透過光の変化から定量化するには、次の方法を用いることができる。例えば、極値(極大値又は極小値)での反射率又は透過率の変化量、あるいは反射率又は透過率が極値となる波長のシフト量を求める等である。なお、反射率又は透過率の極値が複数ある場合には、任意の極値に着目する。そして、着目した極値について変化量を求めるか着目した極値となる波長のシフト量を求めることにより、フォトニック結晶の表面状態の変化を定量することができる。 A photonic crystal is a structure having a lattice structure with sub-wavelength intervals. And when it irradiates the surface of a structure (henceforth a reflective surface) with the light of a wide region wavelength, it reflects or permeate | transmits the light of the specific wavelength band depending on the surface state of a photonic crystal. The surface state of the photonic crystal depends on, for example, the shape and material of the photonic crystal. By reading the change in the reflected light or transmitted light, the change in the surface state of the photonic crystal can be quantified. Examples of changes in the surface state of the photonic crystal include adsorption of substances on the surface, structural changes, and the like. When a photonic crystal having a metal thin film formed on its surface is irradiated with light, an extreme value (maximum value or minimum value) appears in the light reflectance or light transmittance. This extreme value of reflectance or transmittance depends on the type of metal, the thickness of the metal, and the surface shape of the photonic crystal. The change in the surface state of the photonic crystal can be quantified by reading the light reflectance or light transmittance. The metal thin film will be described later. In order to quantify the change in the surface state of the photonic crystal from the change in reflected light or transmitted light, the following method can be used. For example, the amount of change in reflectance or transmittance at an extreme value (maximum value or minimum value) or the shift amount of a wavelength at which the reflectance or transmittance becomes an extreme value is obtained. Note that when there are a plurality of extreme values of reflectance or transmittance, attention is paid to arbitrary extreme values. Then, the change in the surface state of the photonic crystal can be quantified by obtaining the amount of change with respect to the extreme value of interest or by obtaining the amount of shift of the wavelength that is the extreme value of interest.
図5から図7に示すように、フォトニック結晶65は、表面67に凹部68Aが周期的に形成された反射面69を有している。この反射面69に光を照射すると、フォトニック結晶65の形状と材質に依存した特定波長の光が反射される。本実施形態において、凹部68Aは、平面視において、三角形の格子状に配置されている。また、凹部68Aの直径D1は、50nm以上1000nm以下であることが好ましく、より好ましくは、100nm以上500nm以下である。また、凹部68Aの中心間の距離C1は、100nm以上2000nm以下であることが好ましく、より好ましくは、200nm以上1000nm以下である。また、凹部68Aの深さをH1としたとき、凹部68Aのアスペクト比(H1/D1)は、0.1以上10以下であることが好ましく、より好ましくは、0.5以上5.0以下である。なお、凹部68Aの寸法は、上記のものに限定されない。
As shown in FIGS. 5 to 7, the
フォトニック結晶65の形状及び寸法は、図5から図7に示した形状に限定されることはない。例えば、矩形又は多角形の格子状のパターンが表面に形成されたもの、又は平行線状パターンや波型形状パターン等が表面に形成されたもの(詳しくは周期的にパターン等が形成されたもの)又はこれらのパターンの組合せであってもよい。フォトニック結晶65の材質としては、合成樹脂等の有機材料、金属・セラミック等の無機材料を使用することができる。
The shape and dimensions of the
合成樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリシクロオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、アクリル、ポリメタクリル酸エステル、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリテトラフルオロエチレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が使用することができる。 Synthetic resins include polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polycycloolefin, polyamide, polyimide, acrylic, polymethacrylic acid ester, polycarbonate, polyacetal, polytetrafluoroethylene, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polychlorinated Thermosetting resins such as vinylidene, polystyrene, polyphenylene sulfide, polyethersulfone, polyetheretherketone, and the like, and phenol resins, urea resins, and epoxy resins can be used.
セラミックとしては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、イットリア等のセラミックを好適に使用することができる。金属としては、鉄鋼材料をはじめとして各種合金が使用可能である。具体的には、ステンレス鋼、チタン又はチタン合金等を好適に使用することができる。 As the ceramic, ceramics such as silica, alumina, zirconia, titania, and yttria can be suitably used. As the metal, various alloys including steel materials can be used. Specifically, stainless steel, titanium, a titanium alloy, or the like can be preferably used.
上記した各種材料の中でも、光学特性、加工性、標的物質(ターゲットとなる物質)を含有する溶液に対する耐性、標的物質捕捉物質(特異的結合物質)の吸着性及び洗浄剤に対する耐性等を考慮すると、ポリシクロオレフィン系合成樹脂又はシリカ系のセラミックがより好ましい。この中でも、ポリシクロオレフィン系合成樹脂は、加工性に優れており最も好適である。 Among the above-mentioned various materials, considering optical properties, processability, resistance to a solution containing a target substance (target substance), adsorption of a target substance capturing substance (specific binding substance), resistance to a cleaning agent, etc. Polycycloolefin-based synthetic resins or silica-based ceramics are more preferable. Among these, the polycycloolefin synthetic resin is most suitable because of its excellent processability.
フォトニック結晶65は、前述した材料基板の表面に微細な加工を施すことにより作製される。加工方法としては、レーザー加工、熱ナノインプリント、光ナノインプリント、フォトマスクとエッチングの組合せ等が使用できる。特に、ポリシクロオレフィン系合成樹脂等の熱可塑性樹脂を材料とする場合には、熱ナノインプリントによる方法が好適である。
The
次に、金属膜66について説明する。本実施形態において、図7に示すように、フォトニック結晶65は、その反射面69が金属膜66で被覆されている。金属膜66は、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)又はアルミニウム(Al)のうちのいずれか1種類以上を用いて形成されることが好ましい。本実施形態において、金属膜66はAuで形成されている。Auは、安定性に優れるため、反射面69として好ましい。金属膜66に銀(Ag)又はアルミニウム(Al)のうちのいずれか1種類以上を用いる場合、金で表面を被覆することが好ましい。このようにすることで、金の使用量を低減してフォトニック結晶65の製造コストを抑制することができる。また、Ag、Alの酸化による機能の低下を抑制することができる。
Next, the
金属膜66の膜厚が小さいと、フォトニック結晶65への入射光の一部は金属膜66を透過することがある。その結果、反射光から得られる情報量の低下、回折光又はフォトニック結晶65の裏面からの反射光等、フォトニック結晶65からの反射光には不要な情報が多く含まれる可能性がある。金属膜66の膜厚を適度に大きくすることにより、フォトニック結晶65からの反射光に含まれる不要な情報を低減して、標的物質の検出精度及び濃度の計測精度を向上させることができる。また、金属膜66の膜厚が適度に小さいと、フォトニック結晶65の表面67に詳細なパターン形状を作製することが容易であるので好ましい。例えば、パターンの角がシャープになって、パターンの寸法を確保することが容易となる。このような観点から、本実施形態において、金属膜66の膜厚は、好ましくは30nm以上1000nm以下であり、より好ましくは150nm以上500nm以下であり、さらに好ましくは200nm以上400nm以下である。波長に対する反射率の変化は、金属膜66の膜厚が200nmを超えるとほぼ同様になるためである。
When the thickness of the
金属膜66は、スパッタリング又は蒸着装置等によってフォトニック結晶65の反射面69に形成することができる。金属膜66の最表面は、Auとすることが好ましい。金属膜66にAg、Pt、Alを用いた場合、それぞれの極値における反射光の波長は、Auを金属膜66として用いた場合に対して1.5倍となる。このように、Ag、Pt、Alは、Auよりも1.5倍の感度を有する。なお、Agは酸化されやすいので、フォトニック結晶65の反射面69にAgを形成した後、酸化されにくいAu又はSiO2等の酸化物薄膜を形成することが好ましい。この場合、200nmの厚みを有するAgの膜の表面に、5nmの厚みを有するAuの膜を形成することができる。200nmの厚みを有するAgの膜の表面に5nmの厚みを有するAuの膜を形成した場合、200nmの厚みを有するAuの膜に比べて、感度が1.5倍になる。また、5nmのAuの膜の有無で、感度の変化は見られなかった。AlもAgと同様に酸化されやすいので、フォトニック結晶65の表面67にAlの膜を形成した後、酸化されにくいAu又はSiO2等の酸化物薄膜を形成することが好ましい。抗体等で修飾するために、Ptも、Au又はSiO2等の酸化物薄膜を形成することが好ましい。
The
また、フォトニック結晶65の反射面69は、3-triethoxysilylpropylamine(APTES)等を用いて改質されることが好ましい。フォトニック結晶65の反射面69に、Au又はAgの金属膜66を形成させた場合には、APTESではなく、一端にチオール基を有し、他端にアミノ基やカルボキシル基等の官能基を有する炭素鎖を用いてフォトニック結晶65の反射面69を改質することが好ましい。Au又はAg以外の金属膜66をフォトニック結晶65の反射面69に形成させた場合は、一端に官能基を有するシラン系カップリング剤、例えばAPTESを使用して、フォトニック結晶65の反射面69を改質することが好ましい。
The
金属膜被覆フォトニック結晶21は、フォトニック結晶65の反射面69を金属膜66で被覆したものであるため、フォトニック結晶65の凹部68Aに対応して反射面69に金属膜被覆フォトニック結晶21の凹部68Bが周期的に形成されている。凹部68Bは、凹部68Aと同様、三角形の格子状に配置されている。また、凹部68Bの直径D2は、金属膜66の厚みにもよるが、50nm以上1000nm以下であることが好ましく、より好ましくは、100nm以上500nm以下である。また、凹部68Bの中心間の距離C2は、凹部68Aの中心間の距離C1と同様、100nm以上2000nm以下であることが好ましく、より好ましくは、200nm以上1000nm以下である。また、凹部68Bの深さをH2としたとき、凹部68Bのアスペクト比(H2/D2)は、0.1以上10以下であることが好ましく、より好ましくは、0.5以上5.0以下である。なお、凹部68Bの寸法は、上記のものに限定されない。
Since the metal film-coated
図8は、凹部の壁面の部分拡大図である。凹部68Bは、凹部68Bの壁面68Aが凹部68Bの底面68bに所定の角度を有して形成されている。なお、図8では、説明の便宜上、フォトニック結晶65の表面67に設けられる金属膜66は省略する。図6に示すように、凹部68Bの壁面68Aは、凹部68Bの平坦となる底面68bに所定の角度を有している。凹部68Bの底面68bの重心を通る断面において、凹部68Bの壁面68Aと底面68bとの境界を第1境界部71とする。表面67と凹部68Bの壁面68Aとの境界を第2境界部72とする。底面68bに対して垂直方向に第1境界部71を通る直線と、底面68bに対して水平方向に第2境界部72を通る直線との交点を交点Aとする。第1境界部71と第2境界部72とを直線で結ぶ距離をL1とする。第1境界部71と交点Aとを直線で結ぶ距離をL2とする。第2境界部72と交点Aとを直線で結ぶ距離をL3とする。L1とL2とが成す角度をθとする。このとき、凹部68Bは、下記の式(1)及び式(2)を満たすようにL1とL2とが成す角度θが形成されている。
tanθ=L3/L2・・・(1)
0≦tanθ≦1.0・・・(2)
FIG. 8 is a partially enlarged view of the wall surface of the recess. The
tan θ = L3 / L2 (1)
0 ≦ tan θ ≦ 1.0 (2)
凹状の穴(ホール)が周期的に配列して設けられた構造を有する金属の表面に光を照射したとき、反射光の波長スペクトルにピークが観察される。反射光の波長に対する反射率が最大となる波長(ピーク波長)は、一般的に下記の式(3)で求めることができる。式(3)中、λpeakは、ピーク波長であり、a0は、ホールの周期であり、i、jは、回折次数であり、εnは、金属の誘電率であり、εdは、環境の誘電率である。 When light is irradiated onto the surface of a metal having a structure in which concave holes (holes) are periodically arranged, a peak is observed in the wavelength spectrum of the reflected light. The wavelength (peak wavelength) at which the reflectance with respect to the wavelength of the reflected light is maximized can be generally obtained by the following equation (3). In equation (3), λ peak is the peak wavelength, a 0 is the hole period, i, j are the diffraction orders, ε n is the dielectric constant of the metal, and ε d is The dielectric constant of the environment.
前述した式(3)によれば、凹部68Bが配置される周期を与えられればピーク波長が求まる。ピーク波長のスペクトルを観察する場合、ピーク波長のスペクトルの幅が小さい方が容易にピーク波長の位置を特定することができる。よって、凹部68Bの配置される周期が明確に与えられることで、ピーク波長のスペクトルの幅は小さくなり、ピーク波長の位置が特定し易くなる。
According to the above-described formula (3), the peak wavelength can be obtained if the period in which the
金属膜被覆フォトニック結晶21は、凹部68Bが反射面69に周期的に形成された周期構造を有するものである。凹部68Bの壁面68Aが、前述した式(1)及び式(2)を満たすように反射面69に形成されることにより、反射光の波長スペクトルの形状は幅が狭くなり、反射光のピーク波長を容易に特定することができる。すると、標的物質を精度よく検出することができる。この結果、フォトニック結晶バイオセンサー11のセンサ感度を向上させることができる。なお、反射光の波長スペクトルの形状の幅は、半値幅等である。
The metal film-covered
凹部68Bは、下記の式(2)’を満たすように形成されていることが好ましい。凹部68Bの壁面68Aが、前述した式(1)及び下記の式(2)’を満たすように形成されることにより、反射光の波長スペクトルの形状はさらに幅が狭くなり、反射光のピーク波長をさらに容易に特定することができる。この結果、標的物質をさらに精度よく検出することができる。
0≦tanθ≦0.7・・・(2)’
The
0 ≦ tan θ ≦ 0.7 (2) ′
式(2)及び(2)’から、θは0度以上となる。θ=0度である場合、金属被膜フォトニック結晶21の表面67と凹部68Bの壁面68Aとの接続部分Kが略90度になる。接続部分Kが略90度になると、金属膜被覆フォトニック結晶21の形状の制御、特に凹部68Bの形状の制御が難しくなる。すなわち、凹部68Bの所期の形状を得ることが難しくなる。tanθ>0、すなわちθを0よりも大きくすることにより、特に凹部68Bの所期の形状を得やすくなるので好ましい。また、金属膜被覆フォトニック結晶21は、比較的圧力の高い水で洗浄されるが、接続部分Kの角度が略90度になると、角が取れやすくなる。その結果、凹部68Bは所期の形状を有さなくなる可能性がある。tanθ>0、すなわちθを0よりも大きくすることにより、接続部分Kの角が取れる可能性を低減できるので、凹部68Bは、洗浄後においても所期の形状を有するようになるので好ましい。さらに、tanθ>0、すなわちθを0よりも大きくすることにより、凹部68B内に水が入りやすくなるので、標的物質を確実に凹部29Bに捕捉することができる。
From Expressions (2) and (2) ′, θ is 0 degree or more. When θ = 0 degrees, the connection portion K between the
[フォトニック結晶の作製方法]
図9、図10及び図11は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。これらの図を参照して、熱ナノインプリントにより金属膜被覆フォトニック結晶21を作製する工程の一例を説明する。図9に示すように、熱ナノインプリントでは、ナノメートルレベルの微細構造、又はナノメートルレベルの周期構造のパターンを有する金型DIを用いる。そして、図10に示すように、加熱した金型DIをシート状の樹脂Pに押し付けて、所定圧力で所定時間押圧し、金型DIの表面温度が所定温度になったところで離型し、微細構造及び周期構造をシート状の樹脂Pに転写する。これにより、フォトニック結晶65が得られる。
[Method of producing photonic crystal]
9, 10, and 11 are diagrams illustrating a method for manufacturing a photonic crystal. With reference to these drawings, an example of a process for producing the metal film-covered
樹脂Pがシクロオレフィン系ポリマーの場合には、金型DIを160℃程度まで加熱し、約12MPaの圧力で所定時間押圧し、金型DIの表面温度が60℃程度になったところで離型することが好ましい。フォトニック結晶65が作製された後、図11に示すように、金型DIと接していた表面に、スパッタリング又は蒸着装置等によって金属膜66を形成して、金属膜被覆フォトニック結晶21が完成する。
When the resin P is a cycloolefin polymer, the mold DI is heated to about 160 ° C., pressed at a pressure of about 12 MPa for a predetermined time, and released when the surface temperature of the mold DI reaches about 60 ° C. It is preferable. After the
[標的物質捕捉物質]
次に、標的物質を捕捉する標的物質捕捉物質について説明する。標的物質とは、標的物質検出装置10が検出する対象物であって、タンパク質等の高分子、オリゴマー、低分子のいずれであってもよい。標的物質は、単分子に限定されず、複数の分子からなる複合体であってもよい。標的物質として、例えば、大気中の汚染物質、水中の有害物質、人体内のバイオマーカー(Biomarker)等が挙げられる。中でも、コルチゾール等が好ましい。コルチゾールは、分子量362g/molの低分子物質である。コルチゾールは、人間がストレスを感じると唾液中のコルチゾール濃度が増加するため、人間が感じているストレスの度合いを評価する物質として注目されている。コルチゾールを標的物質としてその濃度を測定すれば、例えば、ヒトの唾液中に含まれるコルチゾールの濃度を測定することで、ストレスの度合いを評価することができる。ストレスの度合いを評価すれば、被測定者がうつ病等の精神疾患につながるレベルのストレス状態にあるか否かを判断することができる。
[Target substance capture substance]
Next, the target substance capturing substance that captures the target substance will be described. The target substance is an object to be detected by the target
標的物質捕捉物質とは、標的物質と結合し、標的物質を捕捉する物質である。ここで、結合するとは、化学的に結合する場合の他、例えば物理吸着、ファンデルワールス力による結合のように、化学的結合によらない結合であってもよい。好ましくは、標的物質捕捉物質は、標的物質と特異的に反応して標的物質を捕捉するものであり、標的物質を抗原とした抗体であることが好ましい。特異的に反応するとは、選択的に標的物質と可逆的又は不可逆的な結合をして複合体を形成することを意味し、化学反応に限定されない。また、特異的に反応する物質が標的物質以外に存在していても構わない。試料中に標的物質の他に標的物質捕捉物質と反応する物質があっても、その親和性が標的物質と比較して非常に小さい場合は、標的物質を定量することができる。標的物質捕捉物質は、標的物質を抗原とした抗体、人工的に作製した抗体、アデニン、チミン、グアニン、シトシン等のDNAを構成する物質から構成される分子、ペプチド等を用いることができる。標的物質がコルチゾールである場合は、標的物質捕捉物質は、コルチゾール抗体であることが好ましい。 The target substance capturing substance is a substance that binds to the target substance and captures the target substance. Here, the term “bonded” refers to a bond that is not chemically bonded, such as a bond by chemical adsorption or van der Waals force, in addition to the case of chemically bonding. Preferably, the target substance capturing substance is a substance that specifically reacts with the target substance to capture the target substance, and is preferably an antibody having the target substance as an antigen. Specific reaction means selectively forming a complex by reversibly or irreversibly binding to a target substance, and is not limited to a chemical reaction. Further, a substance that reacts specifically may exist in addition to the target substance. Even if there is a substance that reacts with the target substance capturing substance in addition to the target substance in the sample, the target substance can be quantified if the affinity is very small compared to the target substance. As the target substance capturing substance, an antibody using the target substance as an antigen, an artificially prepared antibody, a molecule composed of a substance constituting a DNA such as adenine, thymine, guanine, and cytosine, a peptide, and the like can be used. When the target substance is cortisol, the target substance capturing substance is preferably a cortisol antibody.
標的物質捕捉物質を作製するには公知の方法を採用することができる。例えば、抗体は、血清法、ハイブリドーマ法、ファージディスプレイ法によって作製できる。DNAを構成する物質から構成される分子は、例えばSELEX法(Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment:試験管内人工進化法)により作製できる。ペプチドは、例えばファージディスプレイ法により作製できる。標的物質捕捉物質は、何らかの酵素・同位体により標識されている必要はない。しかし、酵素・同位体によって標識されていてもよい。 A known method can be employed to produce the target substance capturing substance. For example, the antibody can be produced by a serum method, a hybridoma method, or a phage display method. Molecules composed of substances constituting DNA can be prepared by, for example, the SELEX method (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment). The peptide can be prepared by, for example, a phage display method. The target substance capturing substance does not need to be labeled with any enzyme / isotope. However, it may be labeled with an enzyme / isotope.
本実施形態において、標的物質捕捉物質は、図7に示す金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69に固定される。標的物質捕捉物質を金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69に固定する手段として、共有結合、化学吸着、物理吸着等の化学的結合、物理的結合方法が挙げられる。これらの手段を、標的物質捕捉物質の性質に応じて適宜選択することができる。例えば、固定する手段として吸着を選択した場合、吸着の操作は以下のようなものである。例えば、標的物質捕捉物質を含んだ溶液を、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69に滴下し、金属膜被覆フォトニック結晶21を、所定の時間、室温で、又は必要に応じて冷却・加温して、標的物質捕捉物質を反射面69に吸着させる。
In the present embodiment, the target substance capturing substance is fixed to the
フォトニック結晶バイオセンサー11は、特定の抗原(例えばコルチゾール)とのみ結合する抗体(例えばコルチゾール抗体)を金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69の表面に予め吸着(固定)させておく。これにより、フォトニック結晶バイオセンサー11は、特定の抗原を検出することができる。これは、フォトニック結晶65の光学的特性と、フォトニック結晶65の表面又は表面近傍で起こる各種の生体・化学反応、例えば特定の抗原は特定の抗体とのみ反応するという抗原抗体反応とを利用するものである。
In the
フォトニック結晶バイオセンサー11は、標的物質捕捉物質である抗体が固定された反射面69に、ブロッキング剤(保護物質)が固定されたものであってもよい。ブロッキング剤は、標的物質がフォトニック結晶バイオセンサー11に接触させられる前に固定される。フォトニック結晶65の反射面69の表面は、一般的に超疎水性である。このため、疎水性相互作用によって標的物質捕捉物質である抗体以外の不純物が、反射面69に吸着してしまうおそれがある。さらに、フォトニック結晶65の光学特性は表面状態に大きく影響されるので、フォトニック結晶65の反射面69には、不純物が吸着されていないことが好ましい。フォトニック結晶65の反射面69にブロッキング剤が固定されることで、反射光の検出精度を向上させることができる。
The
したがって、標的物質捕捉物質である抗体がフォトニック結晶65の反射面69に吸着(固定)された部分以外の箇所には、不純物等が固定されないように、いわゆるブロッキング剤を予め固定させておくことが好ましい。ブロッキング剤を予め吸着させておくには、ブロッキング剤を、フォトニック結晶65の表面に接触させる。ブロッキング剤として、スキムミルク又はウシ血清アルブミン(BSA)等を使用することができる。
Therefore, a so-called blocking agent should be fixed in advance so that impurities and the like are not fixed to portions other than the portion where the antibody that is the target substance capturing substance is adsorbed (fixed) to the
図12から図15は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。これらの図を参照して、フォトニック結晶バイオセンサー11が標的物質である抗原及びその濃度を検出する基本的な原理を説明する。一般的に、フォトニック結晶バイオセンサー11は、フォトニック結晶65の光学的特性と、フォトニック結晶65の表面又は表面近傍で起こる各種生体・化学反応、例えば、特定の抗原は特定の抗体とのみ反応するという抗原抗体反応とを利用して、微量のタンパク質又は低分子物質を検出するものである。そして、フォトニック結晶バイオセンサー11は、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69に特定波長の光を照射したときの表面プラズモン共鳴現象及び/又は局在表面プラズモン共鳴現象による反射光の波長の極値がシフトする現象を利用する。
12 to 15 are diagrams for explaining the principle of the photonic crystal biosensor. With reference to these drawings, the basic principle by which the
図12に示すように、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69の表面には、抗体(標的物質捕捉物質)74が吸着により固定されている。次に、図13に示すように、反射面69の抗体74が吸着した部分以外の箇所、すなわち、抗体74が吸着した部分以外の反射面69に、ブロッキング剤(保護物質)75を予め吸着させる。これにより、反射面69の抗体74が吸着した部分以外の箇所に不純物等が吸着しないようにする。次に、図14に示すように、抗体74とブロッキング剤75とが吸着されているフォトニック結晶バイオセンサー11に抗原(標的物質)76を接触させ、抗原抗体反応を行う。抗体74に抗原76が捕捉された複合体77が、反射面69に固定される。
As shown in FIG. 12, an antibody (target substance capturing substance) 74 is fixed to the surface of the
次に、図1に示す光検出部12は、図15に示すように、抗原76がフォトニック結晶65の反射面69に捕捉されている状態で特定波長の光(入射光)LIを平行光で金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69に照射する。そして、図1に示す光検出部12は、反射面69で反射された反射光LRを検出し、反射光LRの極値の波長を求める。そして、図1に示す処理部13は、反射光LRの強度の極値における波長及び強度の極値における波長のシフト量を求めて、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69に捕捉された抗原76の有無を検出したり、抗原76の濃度を求めたりする。フォトニック結晶バイオセンサー11は、このような原理に基づき、抗体74及び抗原76の組合せの種類を変えることにより、検出対象の物質であるタンパク質等の各種生体物質又は低分子量物質の種類を変えることができる。
Next, as shown in FIG. 15, the
フォトニック結晶バイオセンサー11では、反射面69に固定された抗体74に抗原76が捕捉されることにより、反射面69の状態が変化し、反射光LRに変化が生じる。フォトニック結晶バイオセンサー11は、光学的な物理量を出力する。この物理量は、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69における表面状態の変化に相関し、反射面69に固定された抗体74に抗原76が捕捉されて形成される複合体77の量と相関する。光学的な物理量は、例えば、反射光LRの強度が極値となる波長のシフト量、光の反射率の変化量、光の反射率が極値となる波長のシフト量、反射光LRの強度又は反射光LRの強度の極値の変化量等である。本実施形態では、反射光LRの強度又は光の反射率が極値となる波長のシフト量を用いる。
In the
光学的な物理量を出力させるには、例えば次のようにして行う。金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69に対して垂直に光を入射し、反射光LRを検出する。金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69の垂線に対して角度をつけて光を入射し、反射光LRを検出することもできる。反射光LRを検出することにより、図1に示す標的物質検出装置10をコンパクトにすることができる。垂直に入射され、垂直に反射された光を検出する場合には、二股の光ファイバーを用いて光を入射し、反射光LRを検出することが好ましい。この構造については後述する。
To output an optical physical quantity, for example, it is performed as follows. Light is incident perpendicularly to the reflecting
図16は、反射光の極値の強度と波長との関係を示す図である。図16は、反射光の波長(スペクトル)に対する反射光強度を示している。図16のBは、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69が金属膜66に抗体74のみが吸着されている場合における反射光強度と波長との関係を示している。図16のAは、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69に固定された抗体74に抗原76が捕捉された場合における反射光強度と波長との関係を示している。いずれも、波長が500nmから550nmの間に反射光強度の極値(極小値)Pa、Pbをとる。そのときの波長は、λb、λa(λb<λa)である。図14に示すように、反射面69を形成する金属膜66の表面に固定された抗体74に抗原76が捕捉されると、金属膜66に抗体74のみが吸着されている場合よりも極値(極小値)Paの波長はより大きいλaにシフトする。本実施形態では、この波長のシフト量(波長シフト量)Δλ(λa−λb)を用いて、標的物質を検出する。
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the intensity of the extreme value of reflected light and the wavelength. FIG. 16 shows the reflected light intensity with respect to the wavelength (spectrum) of the reflected light. FIG. 16B shows the relationship between the reflected light intensity and the wavelength when only the
図17は、反射光の強度の極値における波長シフト量とフォトニック結晶の反射面にビオチンを用いて固定したアビジンの濃度との関係を示す図である。図17に示す結果は、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69にビオチンを標的物質捕捉物質として固定し、濃度の異なるアビジンを標的物質として滴下したときの反射光強度の極値(極小値)における波長シフト量Δλを求めた。波長シフト量Δλは、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69が金属膜66のみであるときの反射光強度の極値(極小値)における波長からの変化量(増加量)である。図17に示すように、標的物質としてのアビジンの濃度DNが増加するとともに、波長シフト量Δλも増加する。このように、波長シフト量Δλと、滴下する標的物質の濃度DNとは相関があることが分かる。両者の関係は、Δλ=a×DN+b(a、bは定数)の一次式で近似できる。本実施形態では、波長シフト量Δλを求めることにより、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69に捕捉された標的物質の濃度を求める。上述した例は、ビオチンを標的物質捕捉物質とし、アビジンを標的物質とした場合であるが、標的物質としてコルチゾールを用い、標的物質捕捉物質としてコルチゾール抗体を用いた場合も同様の結果である。
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the amount of wavelength shift at the extreme value of the intensity of reflected light and the concentration of avidin immobilized on the reflecting surface of the photonic crystal using biotin. The result shown in FIG. 17 is that the extreme value (minimum value) of reflected light intensity when biotin is immobilized as a target substance capturing substance on the
[光検出部]
次に、図1に示す光検出部12について説明する。図1に示す光検出部12は、光源51と、測定プローブ52と、光検出装置53と、第1光ファイバー54と、第2光ファイバー55と、コリメートレンズ56とを含む。光源51と測定プローブ52とは、第1光ファイバー54により光学的に接続されている。測定プローブ52と光検出装置53とは、第2光ファイバー55により光学的に接続されている。必要に応じて、光源51及び光検出装置53等に接続され、光源51の制御及び光検出装置53からの信号を処理する制御装置を設けてもよい。
[Photodetection section]
Next, the
図15に示すように、図1に示す第1光ファイバー54は、図1に示す光源51からの光を測定プローブ52に導き、測定プローブ52からフォトニック結晶バイオセンサー11が有する金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69へ照射する。コリメートレンズ56は、第1光ファイバー54から出射し、測定プローブ52から照射された光を平行光にしてから、フォトニック結晶65の反射面69へ入射光LIとして照射する。第2光ファイバー55は、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69で反射した光を反射光LRとして受光し、図1に示す光検出装置53へ導く。コリメートレンズ56の種類は特に限定されないが、例えば、ナノストラクチャーを持つ反射防止フィルムを用いることができる。光検出装置53は、例えば、フォトトランジスタ又はCCD(Charge Coupled Device)等の受光素子を備えた、光を検出するための装置である。
As shown in FIG. 15, the first
図18は、図1に示す光検出部が有する測定プローブの構造を示す図である。測定プローブ52は、第1光ファイバー54と第2光ファイバー55とが接合される。そして、測定プローブ52は、第1光ファイバー54の光の出射面54Pと、第2光ファイバー55の反射光LRの入射面55Pとが同一の面(入出射面)52P上に配置される。このように、測定プローブ52は、第1光ファイバー54と第2光ファイバー55とが、第1光ファイバー54の出射側(出射面54P側)と第2光ファイバー55の入射側(入射面55P側)とで一体となっている。そして、測定プローブ52は、第1光ファイバー54と第2光ファイバー55とを用いて光を入射し、反射光LRを検出する。
FIG. 18 is a diagram illustrating the structure of a measurement probe included in the light detection unit illustrated in FIG. 1. In the
測定プローブ52は、このような構造としているため、フォトニック結晶65の反射面69に照射する入射光LIと、反射面69からの反射光LRとを略同一の位置から出射し、入射させることができる。測定プローブ52を前述したような構造にするとともに、コリメートレンズ56を用いて測定プローブ52からの光を平行光にすることで、光検出部12は、反射面69に平行光の入射光LIを垂直に入射することができる。それとともに、反射面69から垂直に反射した反射光LRを受光することができる。このようにすることで、測定プローブ52は、反射光強度の低下を最小限に抑えることができるとともに、主として反射光LRの0次光成分を検出することができる。その結果、処理部13は、金属膜被覆フォトニック結晶21の反射面69の正確な情報を得ることができるため、標的物質の検出精度及び濃度の計測精度が向上する。反射光LRを検出する手法は、上述したような測定プローブ52に限定されない。例えば、コリメートレンズ56と反射面69との間にハーフミラーを配置し、ハーフミラーによって反射光LRを分離して第2光ファイバー55から光検出装置53に導いてもよい。コリメートレンズ56は反射防止膜付きでもよい。このようにすることで、コリメートレンズ56からの反射光の影響が低減されるので、測定時に発生するノイズを低減することができる。
Since the
図1に示す光検出装置53は、反射光LRの光スペクトルを検出する分光器を備える。分光器は、モノクロメータ又はマルチチャンネル分光器等がある。本実施形態においては、検出速度が速いという観点からマルチチャンネル分光器を採用している。マルチチャンネル分光器とは、入射した光をプリズム、グレーティング等を用いて複数の異なる波長領域に分散させ、アレイ状に配列された光検出素子によってスペクトルを検出する装置である。マルチチャンネル分光器は、アレイ状に配列された光検出素子のピクセル毎に特定の波長幅のピッチをもって測定結果を得ることができる。1個の分光器の測定レンジをピクセル数で除算したものをピクセル分解能というものとする。ピクセル分解能は、分光器が検出可能な光の波長の分解能である。 1 includes a spectroscope that detects the optical spectrum of the reflected light LR. The spectroscope includes a monochromator or a multi-channel spectroscope. In the present embodiment, a multi-channel spectroscope is adopted from the viewpoint of a high detection speed. A multi-channel spectroscope is a device that detects a spectrum by using photodetecting elements arranged in an array by dispersing incident light into a plurality of different wavelength regions using a prism, a grating, or the like. The multichannel spectrometer can obtain a measurement result with a pitch of a specific wavelength width for each pixel of the photodetecting elements arranged in an array. Pixel resolution is obtained by dividing the measurement range of one spectrometer by the number of pixels. Pixel resolution is the resolution of the wavelength of light that can be detected by the spectrometer.
光検出素子がアレイ状に配列されている分光器において、アレイ状に配列された光電検出素子から信号を読み出す方法は、CCD(Charge Coupled Device)方式とCMOS(Complimentary Metal Organic Semiconductor)方式とがある。本実施形態では、いずれの方式でもよい。光検出素子は、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード又は光電子倍増管等をアレイ状に配列してもよい。 In a spectroscope in which photodetecting elements are arranged in an array, methods for reading signals from the photoelectric detecting elements arranged in an array include a CCD (Charge Coupled Device) method and a CMOS (Complimentary Metal Organic Semiconductor) method. . In this embodiment, any method may be used. As the light detection element, a photodiode, an avalanche photodiode, a photomultiplier tube, or the like may be arranged in an array.
図19及び図20は、光検出装置が備える分光器のピクセルを示す図である。図19に示す分光器53SAは、5個のピクセルD1、D2、D3、D4、D5を有する。図20に示す分光器53SBも、5個のピクセルD11、D12、D13、D14、D114を有する。分光器53SAのピクセルD1、D2、D3、D4、D5は、それぞれ波長λ1、λ2、λ3、λ4、λ5(λ1<λ2<λ3<λ4<λ5)の光を検出する。分光器53SBのピクセルD1、D2、D3、D4、D5は、それぞれ波長λ11、λ12、λ13、λ14、λ15(λ11<λ12<λ13<λ14<λ15)の光を検出する。 19 and 20 are diagrams illustrating the pixels of the spectroscope provided in the photodetection device. The spectroscope 53SA shown in FIG. 19 has five pixels D1, D2, D3, D4, and D5. The spectroscope 53SB shown in FIG. 20 also includes five pixels D11, D12, D13, D14, and D114. Pixels D1, D2, D3, D4, and D5 of the spectroscope 53SA detect light having wavelengths λ1, λ2, λ3, λ4, and λ5 (λ1 <λ2 <λ3 <λ4 <λ5), respectively. Pixels D1, D2, D3, D4, and D5 of the spectroscope 53SB detect light having wavelengths λ11, λ12, λ13, λ14, and λ15 (λ11 <λ12 <λ13 <λ14 <λ15), respectively.
波長λ1、λ2、λ3、λ4、λ5は、この順に1μmずつ大きくなっており、波長λ11、λ12、λ13、λ14、λ15この順に0.1μmずつ大きくなっている。したがって、分光器53SAのピクセル分解能P1は1nmであり、分光器53SAのピクセル分解能P2は0.1nmである。分光器53SAと分光器53SBとで、ピクセルの数(ピクセル数)が同一である場合(図19及び図20に示す例ではピクセル数はいずれも5個で同一)、スペクトルのピーク位置を算出するためにはピクセル分解能P1、P2が0.1nmである高い分光器53SBの方が、スペクトルピークの形状を正確により計測できるので好ましい。したがって、ピクセル分解能は数値の小さい方が、分解能が高いと定義する。 The wavelengths λ1, λ2, λ3, λ4, and λ5 increase by 1 μm in this order, and the wavelengths λ11, λ12, λ13, λ14, and λ15 increase by 0.1 μm in this order. Therefore, the pixel resolution P1 of the spectroscope 53SA is 1 nm, and the pixel resolution P2 of the spectroscope 53SA is 0.1 nm. When the spectroscope 53SA and the spectroscope 53SB have the same number of pixels (the number of pixels) (in the example shown in FIGS. 19 and 20, the number of pixels is the same for all five), the peak position of the spectrum is calculated. Therefore, a high spectroscope 53SB having pixel resolutions P1 and P2 of 0.1 nm is preferable because the shape of the spectrum peak can be accurately measured. Therefore, the pixel resolution is defined to be higher when the numerical value is smaller.
図21は、図19に示す分光器が検出した反射光のスペクトルの一例を示す図である。図22は、図20に示す分光器が検出した反射光のスペクトルの一例を示す図である。図21及び図22は、横軸が波長λであり、縦軸が反射光強度である。図1に示す光検出装置53は、異なるピクセル分解能の分光器53SA、53SBを備えるか又はピクセル分解能が可変の分光器を備えてもよい。このようにすることで、広い測定レンジ(ピクセル分解能が低い)によっておおよそのピーク位置を割り出し、狭い測定レンジ(ピクセル分解能が高い)によって正確なピーク位置を検出する。光検出装置53が分光器53SAと分光器53SBとを備える場合、広い測定レンジ、すなわち相対的に低いピクセル分解能P1の分光器53SAによって、図21に示すようなおおよそのピーク位置を割り出す。狭い測定レンジ、すなわち相対的に高いピクセル分解能P2の分光器53SBによって、図22に示すような正確なピーク位置を検出する。図1に示す標的物質検出装置10では、処理部13は、第1分光器としての分光器53SAを用いて反射光の極値の波長を求めた後、第2分光器としての分光器53SBを用いて分光器53SAによって求めた極値の波長の範囲内において、反射光の極値の波長を求める。このようにすることで、広い測定レンジと正確なピーク位置検出とを両立することができる。
FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a spectrum of reflected light detected by the spectroscope illustrated in FIG. FIG. 22 is a diagram illustrating an example of a spectrum of reflected light detected by the spectroscope illustrated in FIG. In FIGS. 21 and 22, the horizontal axis represents the wavelength λ, and the vertical axis represents the reflected light intensity. The
図23−1は、分光器が備える光検出素子を冷却しないときにおける反射光のスペクトルの一例を示す図である。図23−2は、分光器が備える光検出素子を冷却したときにおける反射光のスペクトルの一例を示す図である。図23−1及び図23−2は、横軸が波長λであり、縦軸が反射光強度である。いずれの図も、点線STが実際の反射光のスペクトルであり、実線SGが分光器によって検出された反射光のスペクトルの検出結果である。分光器が備える光検出素子が発熱すると、図22の実線で示す検出結果SGのように、熱に起因するノイズが発生する。このノイズ除去するために、光検出素子を冷却することが好ましい。光検出素子を冷却することにより、図23の実線で示す検出結果SGのように、熱に起因するノイズを低減することができる。光検出素子を冷却するためには、例えば、ペルチェ素子等を用いることができる。 FIG. 23A is a diagram illustrating an example of a spectrum of reflected light when the light detection element included in the spectroscope is not cooled. FIG. 23-2 is a diagram illustrating an example of a spectrum of reflected light when the light detection element included in the spectroscope is cooled. In FIGS. 23A and 23B, the horizontal axis represents the wavelength λ, and the vertical axis represents the reflected light intensity. In both figures, the dotted line ST is the spectrum of the actual reflected light, and the solid line SG is the detection result of the spectrum of the reflected light detected by the spectrometer. When the photodetecting element included in the spectroscope generates heat, noise due to heat is generated as in the detection result SG indicated by the solid line in FIG. In order to remove this noise, it is preferable to cool the light detection element. By cooling the light detection element, noise caused by heat can be reduced as in the detection result SG indicated by the solid line in FIG. In order to cool the light detection element, for example, a Peltier element or the like can be used.
図24−1は、分光器が備える光検出素子が検出した反射光のスペクトルの一例を示す図である。図24−2は、図24−1に示した結果をデータフィッティングすることによりピーク位置を求める一例を説明する図である。図24−1及び図24−2は、いずれも縦軸が反射率、横軸が波長λである。図24−1に示すように、光検出装置53が反射光のピーク位置PKを検出する場合、図19、図20に示す分光器53SA、53SB等のピクセル分解能よりも分解能を高くすることはできない。このため、図24−2の点線に示すように、光検出装置53の検出結果に対して、任意の関数を用いたデータフィッティングを行うことにより、分光器53SA、53SB等のピクセル分解能よりも高い分解能でピーク位置PKを得ることができる。ピーク位置PKにおける反射光の波長が、極値における反射光の波長に相当する。すなわち、ピーク位置PKが極値の位置になる。ピーク位置PKを正確に求めることができれば、極値における反射光の波長も正確に求めることができる。任意の関数には、n次関数(nは2以上の自然数)、ローレンツ関数、ガウス関数、フォークト関数、ベータ関数等又はこれらの関数を複数組み合わせた関数を用いることができる。
FIG. 24-1 is a diagram illustrating an example of a spectrum of reflected light detected by a light detection element included in the spectroscope. FIG. 24-2 is a diagram illustrating an example of obtaining the peak position by data fitting the result shown in FIG. 24-1. In each of FIGS. 24-1 and 24-2, the vertical axis represents the reflectance and the horizontal axis represents the wavelength λ. As shown in FIG. 24-1, when the
図24−3及び図24−4は、光検出装置の検出結果から求めたピーク位置と、光検出装置の検出結果データフィッティングして求めたピーク位置とを示す図である。光検出装置53の検出結果は、図24−3及び図24−4の黒点で示してある。図24−3に示す例において、光検出装置53の検出結果から求めたピーク位置を求めると、位置PKr1となる。しかし、図24−3に示す例では、検出結果の変化から、位置PKr1と位置PKr2との間にピーク位置があると推測される。光検出装置53、本実施形態では分光器53SA、53SBの検出結果をフィッティング、本実施形態ではピークフィッティングすることによって得られたピーク位置PKfは、位置PKr1と位置PKr2との間に存在する。このように、検出結果をデータフィッティングすることにより、分光器53SA、53SB等のピクセル分解能よりも高い分解能が実現できるので、より確からしいピーク位置PKf、すなわち極値における反射光の波長を求めることができる。本実施形態においては、第1分光器としての分光器53SAの検出結果及び第2分光器分光器53SBの検出結果のうち少なくとも一方の検出結果を関数でフィッティングすることにより、反射光の極値の波長を求めればよい。
FIG. 24-3 and FIG. 24-4 are diagrams illustrating the peak position obtained from the detection result of the light detection device and the peak position obtained by fitting the detection result data of the light detection device. The detection result of the
図24−4に示す例において、光検出装置53の検出結果から求めたピーク位置を求めると、位置PKrとなる。しかし、図24−4に示す例では、検出結果の変化から、位置PKrは誤差を含んでいる可能性がある。検出結果をデータフィッティングすることにより、分光器53SA、53SB等のピクセル分解能よりも高い分解能が実現できるので、より確からしいピーク位置PKf、すなわち極値における反射光の波長を求めることができる。
In the example illustrated in FIG. 24D, when the peak position obtained from the detection result of the
図24−5は、光検出装置の検出結果から求めたピーク波長の時間変化を示す図である。図24−6は、光検出装置の検出結果をピークフィッティングして求めたピーク波長の時間変化を示す図である。これらの図に示すように、ピークフィッティングによって得られたピーク波長λpの時間変化は、光検出装置53の検出結果から求めたピーク波長λpの時間変化よりも滑らかになることが分かる。
FIG. 24-5 is a diagram illustrating a change with time of the peak wavelength obtained from the detection result of the light detection device. FIG. 24-6 is a diagram illustrating a temporal change in the peak wavelength obtained by peak fitting the detection result of the light detection device. As shown in these figures, it can be seen that the time change of the peak wavelength λp obtained by the peak fitting becomes smoother than the time change of the peak wavelength λp obtained from the detection result of the
図24−7は、ピークフィッティングの各処理を示すフローチャートである。ピークフィッティングは、図1に示す標的物質検出装置10の処理部13が実行する。ステップS1において、処理部13は、光検出装置53の検出結果を取得し、ボトムピーク周辺の検出結果群から最小値をとる検出結果を抽出する。次に、ステップS2において、処理部13は、最小値をとる検出結果を基準として、±n番目までの検出結果を抽出する。nは、1より大きい整数である。
FIG. 24-7 is a flowchart illustrating each process of peak fitting. The peak fitting is executed by the
ステップS3において、処理部13は、2×n+1個の検出結果を用いてピークフィッティングする。ピークフィッティングには、前述した任意の関数が用いられる。ステップS4に進み、処理部13は、ピークフィッティングによって得られた曲線と、光検出装置53の検出結果との残差を計算し、計算された残差が予め定められた設定値よりも小さい場合には(ステップS4、Yes)、処理をステップS5に進める。ステップS5において、処理部13は、フィッティング関数、すなわちピークフィッティングに用いられた関数から、ピーク位置を推定する。ステップS4において、計算された残差が予め定められた設定値以上である場合には(ステップS4、No)、処理がステップS6に進む。ステップS6において、処理部13は、フィッティング関数又は初期パラメータの少なくとも一方を変更して、ステップS3及びステップS4を実行する。フィッティング関数として例示した前述のn次関数(nは2以上の自然数)、ローレンツ関数、ガウス関数、フォークト関数、ベータ関数等に優劣はない。ピークフィッティングする対象の検出結果群に最も近い形状の関数、すなわち残差が最も少なくなる形状の関数が、そのケースにおいて最も適した関数となる。
In step S3, the
[液体取扱部]
次に、図1に示す液体取扱部14について説明する。図1に示す液体取扱部14は、標的物質捕捉物質を含んだ溶液等の液体Lを保持しておく第1容器30と、液体送り装置としてのポンプ31と、フォトニック結晶バイオセンサー11から排出された液体Lを溜めておく第2容器32とを含む。ポンプ31は、図1に示す処理部13によって制御される。第1容器30には、液体供給管25が差し込まれている。液体排出管26は、ポンプ31の入口に接続されている。ポンプ31の出口に接続された排出管33は、第2容器32に差し込まれている。ポンプ31は、液体排出管26から液体Lを吸引することにより、第1容器30内の液体Lをフォトニック結晶バイオセンサー11の開口部23P内に供給する。計測が終了したら、ポンプ31は、フォトニック結晶バイオセンサー11の開口部23P内の液体Lを吸引して、排出管33から第2容器32に排出する。このように、液体取扱部14は、ポンプ31によって、標的物質捕捉物質を含んだ溶液等の液体Lを、フォトニック結晶バイオセンサー11の開口部23P内に供給する。
[Liquid handling section]
Next, the
図25及び図26は、液体取扱部の変形例を示す図である。図25に示す液体取扱部14aは、第1容器30Aと、ポンプ31と、第2容器32と、三方弁34と、第3容器31Bとを含む。三方弁34の2つの入口である第1入口34Iと第2入口34I2とには、それぞれ第1液体供給管25Aと第2液体供給管25Bとが接続されている。第1液体供給管25Aは第1容器30A内に、第2液体供給管25Bは第2容器30B内に差し込まれている。三方弁34の出口34Eには、液体供給管25が接続されている。三方弁34は、第1入口34I1と出口34Eとを接続する第1の状態と、第2入口34I2と出口34Eとを接続する第2の状態とを切り替えることができる。本実施形態においては、図1に示す制御装置13が三方弁34を制御して、第1の状態と第2の状態とを切り替える。三方弁34が第1の状態でポンプ31が駆動されると、第1容器30A内の液体Lがフォトニック結晶バイオセンサー11の開口部23P内に供給される。三方弁34が第2の状態でポンプ31が駆動されると、第2容器30A内の液体Lがフォトニック結晶バイオセンサー11の開口部23P内に供給される。第1容器30Aと第3容器30Bとにそれぞれ異なる種類の液体Lを保持させておけば、三方弁34が切り替えられることにより、異なる液体Lをフォトニック結晶バイオセンサー11の開口部23P内に供給することができる。このように、液体取扱部14aは、複数の液体Lをフォトニック結晶バイオセンサー11の開口部23P内に供給する作業を簡単にすることができる。
25 and 26 are diagrams showing a modification of the liquid handling unit. The
図26に示す液体取扱部14bは、図1に示す液体取扱部14と同様であるが、液体取扱部14が負圧(陰圧)によって液体Lをフォトニック結晶バイオセンサー11の開口部23P内に供給しているのに対し、正圧(陽圧)によって供給する点が異なる。このため、ポンプ31の入口に接続されている吸引管35が第1容器30A内に差し込まれ、ポンプ31の出口に液体供給管25が接続されている。液体排出管26は、第2容器30B内に差し込まれている。ポンプ31が駆動されると、ポンプ31が第1容器30A内から吸引した液体Lは、ポンプ31の出口から吐出された後、液体供給管25を通ってフォトニック結晶バイオセンサー11の開口部23P内に供給される。
The
[フォトニック結晶バイオセンサーの変形例]
図27、図28及び図29は、フォトニック結晶バイオセンサーの第1変形例を示す図である。フォトニック結晶バイオセンサー11Aは、前述したフォトニック結晶バイオセンサー11と同様の構造であるが、支持部材24Aが、金属膜被覆フォトニック結晶21を載置する側に、支持部材24Aとの間に金属膜被覆フォトニック結晶21を挟み込んだ保持部材23と係り合う複数の爪41を有する点が異なる。他の構造は、前述したフォトニック結晶バイオセンサー11と同様である。図27及び図29に示すように、複数の爪41は、支持部材24Aの金属膜被覆フォトニック結晶21を載置する面、かつその外縁部に設けられた支持体40の先端部に設けられている。爪41は、図29に示すように、断面が三角形形状である。フォトニック結晶バイオセンサー11Aは、金属膜被覆フォトニック結晶21を支持部材24Aに載置した後、保持部材23及び被覆部材22をこの順で複数の爪41の間に嵌め込む。爪41は、被覆部材22の表面に係り合うことにより、被覆部材22及び保持部材23を介して、金属膜被覆フォトニック結晶21を保持部材23と支持部材24との間に挟み込む。フォトニック結晶バイオセンサー11Aは、図3に示す取付治具27、28を用いないで金属膜被覆フォトニック結晶21を固定できる。爪41は、図29に示すように、支持部材24Aから遠ざかるにしたがって、対向する爪41の間隔が大きくなっている。このようにすることで、金属膜被覆フォトニック結晶21が載置された支持部材24Aに、保持部材23及び被覆部材22を嵌め込みやすくなる。
[Modification of photonic crystal biosensor]
27, 28 and 29 are diagrams showing a first modification of the photonic crystal biosensor. The
図30及び図31は、フォトニック結晶バイオセンサーの第2変形例を示す図である。フォトニック結晶バイオセンサー11Bは、前述したフォトニック結晶バイオセンサー11と同様の構造であるが、支持部材24Bが、金属膜被覆フォトニック結晶21を載置する側に、保持部材23を保持し、かつ保持部材23を覆った被覆部材22とを嵌め込む部分を備える点が異なる。他の構造は、前述したフォトニック結晶バイオセンサー11と同様である。図30及び図31に示すように、支持部材24Aの金属膜被覆フォトニック結晶21を載置する面24P、かつその外縁部には、保持部材23を保持し、かつ被覆部材22が嵌め込まれる壁42が設けられる。壁42は、面24Pの外縁部から支持部材24の厚み方向に向かって立ち上がっている。壁24は、支持部材24Aの金属膜被覆フォトニック結晶21を載置する面24Pを取り囲んでいる。壁42によって囲まれる部分に、金属膜被覆フォトニック結晶21が載置される。壁24によって囲まれる部分に保持部材23が取り付けられることにより、保持部材23と支持部材24Bとの間に金属膜被覆フォトニック結晶21が挟み込まれる。この状態で、保持部材23の表面に被覆部材22を取り付ける。壁42によって囲まれる部分の寸法は、被覆部材22の外縁の寸法よりも小さくなっている。このため、被覆部材は、壁42に嵌め込まれることによって壁42に固定される。フォトニック結晶バイオセンサー11Bは、図3に示す取付治具27、28を用いないで金属膜被覆フォトニック結晶21を固定できる。
30 and 31 are diagrams showing a second modification of the photonic crystal biosensor. The
本実施形態及びその変形例は、フォトニック結晶バイオセンサー11等の保持部材23が有する開口部23Pに液体を導入する。このようにすることで、金属膜被覆フォトニック結晶21を支持部材24と保持部材23との間に挟持した状態で開口部23P内の液体を置換することができる。その結果、金属膜被覆フォトニック結晶21を取り付ける際の誤差に起因した測定ノイズを低減することができる。その結果、標的物質の検出感度が向上する。本実施形態及びその変形例の構成は、以下の実施形態においても適宜適用したり、組み合わせたりすることが可能である。
In this embodiment and its modification, a liquid is introduced into the
[実施形態2]
図32及び図33は、実施形態2に係るフォトニック結晶バイオセンサーを示す図である。実施形態2は、保持部材が複数の開口部を備える点が実施形態1及びその変形例とは異なる。他の構造は、実施形態1及びその変形例と同様であるので、同様の部分については必要に応じて説明を省略する。フォトニック結晶バイオセンサー11Cは、支持部材24Cと、保持部材23Cと、被覆部材22とを含む。保持部材23Cは、支持部材24Cに載置された金属膜被覆フォトニック結晶21の標的物質を捕捉する部分21Cと重なる複数の開口部23P1、23P2、23P3を有する。開口部23P1、23P2、23P3は、図33に示すように、板状の部材である保持部材23Cの最も大きい対向する2つの平面同士を貫通している。開口部23P1、23P2、23P3は、図33に示すように溝状となっており、金属膜被覆フォトニック結晶21の標的物質を捕捉する部分21Cに重なって開口している。複数の開口部23P1、23P2、23P3は、互いに交差していない。本実施形態において、それぞれの開口部23P1、23P2、23P3は、金属膜被覆フォトニック結晶21の標的物質を捕捉する部分21Cに並列して配置される。複数の開口部23P1、23P2、23P3は、互いに平行になっている必要はない。
[Embodiment 2]
32 and 33 are diagrams showing a photonic crystal biosensor according to the second embodiment. The second embodiment is different from the first embodiment and the modification thereof in that the holding member includes a plurality of openings. Since other structures are the same as those of the first embodiment and the modifications thereof, the description of the same parts is omitted as necessary. The
金属膜被覆フォトニック結晶21を載置する支持部材24Cは、複数の孔24I1、24I2、24I3、24E1、24E2、24E3を有する。開口部23P1、23P2、23P3は、支持部材24Cの孔24I1、24I2、24I3、24E1、24E2、24E3とも重なっている。孔24I1、24I2、24I3、24E1、24E2、24E3は、金属膜被覆フォトニック結晶21が保持部材23と支持部材24とに挟み込まれた状態で、複数の開口部23P1、23P2、23P3のうちの1つに対して2つがそれぞれの開口部23P1、23P2、23P3に対して開口する。具体的には、孔24I1と孔24E1とが開口部23P1に開口し、孔24I2と孔24E2とが開口部23P2に開口し、孔24I3と孔24E3とが開口部23P3に開口する。孔24I1は開口部23P1内に、孔24I2は開口部23P2内に、孔24I3は開口部23P3内に、標的物質捕捉物質を含んだ溶液等の液体を供給する。孔24E1は開口部23P1内から、孔24E2は開口部23P2内から、孔24E3は開口部23P3内から、標的物質捕捉物質を含んだ溶液等の液体を排出する。以下、孔24I1、24I2、24I3を適宜液体供給孔24I1、24I2、24I3と呼び、孔24E1、24E2、24E3を液体排出孔24E1、24E2、24E3と呼ぶ。このような構造により、フォトニック結晶バイオセンサー11Cは、それぞれの開口部23P1、23P2、23P3に液体を導入することができるので、1つの金属膜被覆フォトニック結晶21で異なる種類の液体を評価することもできる。
The support member 24C on which the metal film-coated
それぞれの開口部23P1、23P2、23P3に液体を導入するにあたり、液体排出孔24E1、24E2、24E3をポンプの入口に接続し、陰圧を利用して開口部23P1、23P2、23P3に液体を導入してもよい。この場合、ポンプはそれぞれの開口部23P1、23P2、23P3に対応して設けられてもよいし、1台のポンプでそれぞれの開口部23P1、23P2、23P3に液体を供給し、それぞれの開口部23P1、23P2、23P3から液体を排出させてもよい。また、液体供給孔24I1、24I2、24I3にポンプの出口を接続し、陽圧を利用して開口部23P1、23P2、23P3に液体を導入してもよい。この場合、ポンプはそれぞれの開口部23P1、23P2、23P3に対応して設けられる。 In introducing the liquid into each of the openings 23P1, 23P2, 23P3, the liquid discharge holes 24E1, 24E2, 24E3 are connected to the inlets of the pumps, and the liquid is introduced into the openings 23P1, 23P2, 23P3 using negative pressure. May be. In this case, a pump may be provided corresponding to each of the openings 23P1, 23P2, and 23P3, or a single pump supplies liquid to each of the openings 23P1, 23P2, and 23P3, and each of the openings 23P1. , 23P2 and 23P3 may discharge the liquid. Further, the pump outlet may be connected to the liquid supply holes 24I1, 24I2, and 24I3, and the liquid may be introduced into the openings 23P1, 23P2, and 23P3 using positive pressure. In this case, pumps are provided corresponding to the respective openings 23P1, 23P2, and 23P3.
金属膜被覆フォトニック結晶21は微細構造を有するため、同一の製造プロセスで製造しても、形状を精密に制御することが難しい。このため、金属膜被覆フォトニック結晶21毎にばらつきが存在する。フォトニック結晶バイオセンサー11Cは、それぞれの開口部23P1、23P2、23P3に液体を導入することができるので、検査と同時に金属膜被覆フォトニック結晶21を校正することができる。その結果、フォトニック結晶バイオセンサー11Cは、高精度な測定を実現できる。例えば、検査対象の溶液と性状(例えば濃度等)が既知の標準溶液とを同時に金属膜被覆フォトニック結晶21の標的物質を捕捉する部分21Cに導入する。標準溶液の濃度は予め分かっているため、標準溶液の検出結果と検査対象の溶液の検出結果とから検量線を求めることにより、検査と同時に金属膜被覆フォトニック結晶21を校正することができる。その結果、フォトニック結晶バイオセンサー11Cは、検査対象の溶液中に含まれる標的物質の濃度等を高精度に測定することができる。また、それぞれの開口部23P1、23P2、23P3と、支持部材24Cと被覆部材22とで囲まれる空間の体積は、実施形態1における開口部23Pと支持部材24と被覆部材22とで囲まれる空間の体積よりも小さいので、開口部23P1、23P2、23P3に供給する液体の量は少なくて済む。このため、高価な液体を用いる場合は特に好ましい。
Since the metal film-covered
保持部材23Cが2以上の開口部を有していれば、金属膜被覆フォトニック結晶21を校正することができる。このため、保持部材23Cは、2以上の開口部を有することが好ましい。また、金属膜被覆フォトニック結晶21をより正確に校正するためには、検査対象の溶液に加えて、標準溶液を複数導入することが好ましい。このため、保持部材23Cは、3以上の開口部を有するとより好ましい。
If the holding
図34は、実施形態2に係る光検出ユニットを示す斜視図である。図35及び図36は、実施形態2に係る光検出ユニットの分解図である。光検出ユニット50は、フォトニック結晶バイオセンサー11Cの保持部23Cが備える複数(本実施形態では3つ)の開口部23P1、23P2、23P3から金属膜被覆フォトニック結晶21の標的物質を捕捉する部分21Cに光を照射し、反射光を受光する。このため、光検出ユニット50は、図34及び図35に示すように、複数の測定プローブ52Cを備えている。
FIG. 34 is a perspective view showing a light detection unit according to the second embodiment. 35 and 36 are exploded views of the light detection unit according to the second embodiment. The
光検出ユニット50は、図34に示すように、筐体43内に、複数の測定プローブ52Cが格納される。筐体43は、第1筐体43Aと第2筐体43Bとに分割されている。図35に示すように、筐体43の内部には、複数の測定プローブ52Cを収納し、保持した保持ユニット44が取り付けられる。保持ユニット44は、第1部材44Aと第2部材44Bとに二分割されている。図35及び図36に示すように、第1部材44Aと第2部材44Bとの間に、複数の測定プローブ52Cが配置される。保持ユニット44の一端部には、金属膜被覆フォトニック結晶21の標的物質を捕捉する部分21Cに光を照射し、反射光を受光するための複数(本実施形態では3個)の開口46が設けられている。複数の開口46の間隔は、金属膜被覆フォトニック結晶21の標的物質を捕捉する部分21Cにおける複数の開口部23P1、23P2、23P3の間隔と同一である。測定プローブ52Cは、図14に示す測定プローブ52と同様に、第1光ファイバー54と第2光ファイバー55とが接合され、第1光ファイバー54の光の出射面と、第2光ファイバー55の入射面とが同一の入出射面52Pに配置される。
As shown in FIG. 34, the
図36に示すように、測定プローブ52の入出射面52Pと開口46との間には、コリメートレンズ56Cが配置される。開口46は、第1部材44Aの一端部に形成された切り欠き46Aと第2部材44Bの一端部に形成された切り欠き46Bとが組み合わされたものである。図36に示すように、第2部材44Bは、測定プローブ52Cを保持するための複数の溝45を有している。第1部材44Aも、第2部材44Bと同様に複数の溝45を有している。測定プローブ52Cは、第1部材44A及び第2部材44Bの溝45に挟み込まれて保持される。
As shown in FIG. 36, a
コリメートレンズ56Cは、球形のレンズである。図36に示すように、第2部材44Bは、コリメートレンズ56Cを保持するための複数の凹部47を有している。第1部材44Aも、第2部材44Bと同様に複数の凹部47を有している。測定プローブ52Cは、第1部材44A及び第2部材44Bの凹部47に挟み込まれて保持される。このような構造により、光検出ユニット50は、近接して隣り合った開口部23P1、23P2、23P3を介して、金属膜被覆フォトニック結晶21の標的物質を捕捉する部分21Cに光を照射し、反射光を受光することができる。
The
以上、本実施形態は、フォトニック結晶バイオセンサー11Cが備えるそれぞれの開口部23P1、23P2、23P3に液体を導入することができるので、検査と同時に金属膜被覆フォトニック結晶21を校正することができる。その結果、本実施形態は、高精度な測定を実現できる。また、それぞれの開口部23P1、23P2、23P3と、支持部材24Cと被覆部材22とで囲まれる空間の体積は小さいので、開口部23P1、23P2、23P3に供給する液体の量は少なくて済む。
As described above, according to the present embodiment, since the liquid can be introduced into the respective openings 23P1, 23P2, and 23P3 provided in the
前述した実施形態1及び実施形態の構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、上述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更を行うことができる。
The components of
10 標的物質検出装置
11 フォトニック結晶バイオセンサー(標的物質捕捉装置)
12 光検出部
13 処理部
LI 入射光
LR 反射光
10 Target
12
Claims (13)
前記支持部材との間に前記金属膜被覆構造体を挟み込み、かつ前記支持部材の前記孔及び前記支持部材に載置された前記金属膜被覆構造体の前記標的物質を捕捉する部分が重なる開口部を有する保持部材と、
透光性を有し、前記保持部材の前記開口部を覆う被覆部材と、
を含む、標的物質捕捉装置。 A support member having at least two holes that are open to a part different from a part on which the metal film covering structure is placed and supports the metal film covering structure for capturing the target substance;
An opening in which the metal film covering structure is sandwiched between the support member and the hole of the support member and the portion of the metal film covering structure placed on the support member that captures the target substance overlap. A holding member having
A covering member having translucency and covering the opening of the holding member;
A target substance capturing device.
前記開口部から前記標的物質を捕捉する部分に平行光を照射し、前記標的物質を捕捉する部分で反射された前記平行光の反射光を検出する光検出部と、
前記光検出部が検出した前記反射光の極値の波長を求め、かつ求めた前記極値の波長のシフトに基づいて、少なくとも前記標的物質の有無を検出する処理部と、
を含む、標的物質検出装置。 The target substance capturing device according to any one of claims 1 to 8,
A light detection unit configured to irradiate a portion that captures the target substance from the opening with parallel light, and to detect reflected light of the parallel light reflected by the part that captures the target substance;
A processing unit that obtains the wavelength of the extreme value of the reflected light detected by the light detection unit, and detects at least the presence or absence of the target substance based on the obtained shift of the wavelength of the extreme value;
A target substance detection device comprising:
前記処理部は、前記第1分光器を用いて前記反射光の極値の波長を求めた後、前記第2分光器を用いて前記第1分光器によって求めた極値の波長の範囲内において、前記反射光の極値の波長を求める請求項9又は請求項10に記載の標的物質検出装置。 The light detection unit includes a first spectrometer and a second spectrometer having a higher resolution of the wavelength of light that can be detected than the first spectrometer.
The processing unit obtains the wavelength of the extreme value of the reflected light using the first spectrometer, and then within the range of the wavelength of the extreme value obtained by the first spectrometer using the second spectrometer. The target substance detection device according to claim 9 or 10, wherein an extreme wavelength of the reflected light is obtained.
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