JP2007248284A - 検知素子、該検知素子を用いた標的物質検知装置及び標的物質を検知する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズモン共鳴を利用して標的物質を検知する検知装置の感度を向上させ得る検知装置に適用可能な検知素子を提供すること。
【解決手段】 プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質を検知する検知装置に用いられる検知素子であって、基板と該基板上に配された金属部材の複数を有し、該金属部材が柱状の構造体をなし、該柱状構造体が長軸方向に配向して配されている検知素子。
【選択図】 図４

Description

本発明は、プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質を検知する検知装置に用いられる検知素子、検知素子、及び標的物質を検知する方法に関する。

バイオセンサは生体や生体分子の持つ、優れた分子認識能を活用した計測デバイスである。生体内には、互いに親和性のある物質の組み合わせとして例えば酵素−基質、抗原−抗体、ＤＮＡ−ＤＮＡ等があり、バイオセンサはこれらの組み合わせの一方を基材に固定化もしくは担持し、用いることによって、もう一方の物質を選択的に計測できるという原理を利用している。近年では、バイオセンサは医療分野のみならず、環境や食料品等への幅広い応用が期待され、その使用領域を広げるためにも、あらゆる場所に設置あるいは持ち運び可能な小型、軽量、高感度なバイオセンサが望まれている。

そして、現在、高感度センシング方式のひとつとして、金属表面や金属微粒子の存在するプラズモンと光の相互作用を利用したプラズモンセンサの研究が盛んに進められている。

従来の表面プラズモン共鳴を用いたセンサ（ＳＰＲ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）センサ）は、金属薄膜表面に光を入射させた時に、ある特定の角度から入射した光のみが金属表面プラズモンと共鳴して吸収される現象を利用している。この吸収の起こる角度は、金属薄膜の表面状態（屈折率）に敏感であり、入射角を変えながら反射光の強度を測定することによって、金属表面でおきる反応（例えば、抗原−抗体反応）等を測定することができる。

しかし、このＳＰＲセンサは、構成上プリズムが必要であり、光学系が複雑であった。そのため、小型化に限界があるとされている。

こうした中、特許文献１では、金属微粒子による局在プラズモン共鳴を利用したセンサが開示されている。特許文献１に記載されているセンサは、基板表面に膜状に固定された金属微粒子を透過した光の吸光度を測定することにより金属微粒子近傍の媒質の屈折率を検出する局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ））センサである。このセンサユニットは、プリズムが不要で、狭隘な場所に配置可能であり、曲面形状の基板にも適用可能であるとされている。

また、非特許文献１では、金を用いてナノロッドを作成し、該ナノロッドについて局在プラズモン共鳴に基くスペクトルを開示すると共に、ナノロッドのアスペクト比とスペクトルの関係について検討している。
特開２０００−３５６８５号公報 Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ，１０３巻，３０７３頁（１９９９）

特許文献１では、表面処理された基板を、直径約２０ｎｍの金コロイド溶液に漬けることにより、基板上に金微粒子を固定しており、金微粒子の形状は略球状のものである考えられる。そしてこの単に金微粒子を用いたプラズモンセンサでは、必ずしも十分な、感度が得られていないのが実状である。

また、非特許文献１では、金をロッド状（柱状）に形成し、金ロッドのアスペクト比を変化させることで最大吸収波長が変化することを開示している。しかし非特許文献１においては、金ロッドの配向については何等開示しておらず、感度向上について更なる改善が望まれる。

本発明により提供される検知素子は、プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質を検知する検知装置に用いられる検知素子であって、基板と該基板上に配された金属部材の複数を有し、該金属部材が柱状の構造体をなし、該柱状構造体が長軸方向に配向して配されていることを特徴とする。

本発明により提供される検知装置は、プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質を検知する検知装置であって、検体と接触させることで検体中の標的物質に関する情報を得る検知素子と、該検知素子に光を照射する光源と、前記光源より照射された光を前記検知素子を介して受光する受光素子と、を備え、前記検知素子が本発明で規定した検知素子であることを特徴とする。

本発明により提供される標的物質を検知する方法は、プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質を検知する方法であって、本発明で規定した検知素子を検体と接触させる工程、前記検知素子に光を照射する工程、及び前記検知素子を介して得られる光を受光する工程、を有することを特徴する。

本発明によれば、柱状の金属構造体をなす金属部材の複数をその長軸方法に配向させて配したことにより、長軸方向の共鳴を効率良く利用でき、プラズモン共鳴ピークの波長シフト量が増す。これにより、プラズモン共鳴を利用した標的物質検知の際の感度が向上する。

本発明の検知素子は、プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質を検知する検知装置に用いられる検知素子であって、基板と該基板上に配された金属部材の複数を有し、該金属部材が柱状の構造体をなし、該柱状構造体が長軸方向に配向して配されていることを特徴とする。以下、本発明の好ましい態様について詳細に説明する。

（柱状構造体）
本発明における柱状構造体は、図１に示す短軸方向と長軸方向の長さの異なる柱状形状を有する。この柱状構造体は、通常金属微粒子で構成される。球状の金属粒子とは異なり、金属粒子で構成した柱状構造体は、短軸方向と長軸方向のプラズモン共鳴周波数が異なり、図２のような吸光スペクトルが得られる。このスペクトルにおける短波長側の吸収は、柱状構造体の短軸方向のプラズモン共鳴、そして、長波長側の吸収は柱状構造体の長軸方向のプラズモン共鳴によるものである。この長波長側の吸収ピークは金属構造体近傍の屈折率変化の影響を受けやすく、屈折率変化時のシフト量が大きい。本発明は、この現象を利用するものであり、検知素子に光を照射し、検知素子から反射もしくは透過した光の特性を検出することで、金属構造体近傍の特性（屈折率）変化を高感度に検出可能とする検知素子を提供するものである。つまり、本発明による検知素子においては、短軸方向、長軸方向を有する柱状構造体が用いられ、上述の長軸方向の共鳴を効果的に利用することにより、検知素子として充分な感度を得ることが可能となる。

尚、柱状の金属構造体は、ロッド状構造体とも呼ぶことができる。

柱状構造体を構成する材料は、プラズモン共鳴現象を生じうる金属が含まれていればよくこのような金属としては、金、銀、銅が好ましい。特に銀は、耐食性が弱いものの、感度が高く、好適に用いられる。また、金は、耐食性が高く安定な検知素子を作製することができる、チオール等用いた表面修飾が容易であるといった利点を有し、好適に用いられる。

柱状構造体を構成する金属粒子は塩化金酸等金属源を含んだ溶液に界面活性剤等の添加剤やｐＨ調整剤等を混合し、還元することにより作製することが可能で、本発明に適用することも可能である。また、本発明にいう柱状構造体は、金属膜を形成した後、パターニングを行って形成することも可能である。

柱状構造体の形状については、一般的には円柱状あるいは長軸方向に垂直な短軸方向に平行な面の形状が四角形の柱状を挙げることができるがこれに限定されるものではない。

柱状構造体の大きさは、短軸方向の直径または一辺の長さを一般的には１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲とすることができ、好ましくは、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。また、柱状構造体の長軸方向の長さは一般的には、２０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の範囲とすることができ、好ましくは、４０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすることができる。また、短軸方向の長さをａ、長軸方向の長さをｂとしてｂ／ａが２以上１０以下の範囲とすることがプラズモン共鳴波長の吸収ピーク及びシフト量を考慮すると好ましい。

（柱状構造体の配向）
前述のように、金属部材を用いた柱状構造体の長軸方向の共鳴を効果的に利用すれば、検知素子の感度を向上させることが可能となる。本発明においては、柱状構造体を基板上に配向性を持たせて配する。

以下、本発明にいう配向性について、図を用いて説明する。図３は仮想面を用いた説明図であり、図３において３１は柱状構造体であり、３２は仮想面である。まず、図３に示したように仮想面に対して、金属粒子の長軸方向が一軸方向に配向している必要がある。そして、光が仮想面に対して垂直に照射される成分を有し、この金属粒子に入射する測定光（入射光）が、柱状構造体の長軸方向に対して平行な成分を有していれば、柱状構造体の長軸方向の共鳴を効果的に利用することが可能となる。また、入射光の偏光方向を柱状構造体の長軸方向に揃えることにより、さらに高効率化が図れる。

次に、柱状構造体が配向性を持って配された基板を有する検知素子について説明する。

図４、図５は柱状構造体が選択配向性を有した配列を持って基板上に保持されている例を示した模式図である。これらの図において、４１は柱状構造体、４２は基板を示す。図４は、柱状構造体の長軸方向を一軸配向させた例である。この配向は基板に柱状構造体を固定化する溝を設けるといった方法により可能となる。また、金属膜をパターニングすることでも配向して柱状構造体を形成し得る。

図５は基板に対して略垂直に選択配向した例である。この配列は、後述の製造方法において説明するが、基板上に鋳型となる多孔質体を接触させて柱状構造体を作製することにより、形成可能である。但し、図５（ｂ）のような配列であっても、柱状構造体の長軸方向は平行であり、一軸に配向しているため効果を得ることが可能である。また、図５（ｃ）のような配向であっても、大方、柱状構造体は、長軸方向に配向しており、効果を得ることができる。

尚、基板は柱状構造体を好適に保持することが出来れば、形状、材質等限定されるものではなく、樹脂、ガラス、シリコン等の無機材料、金属、金属酸化物等の一般的な基板を用いる事が可能である。但し、柱状構造体を透過し、さらに基板を透過した光を検知素子からの透過光として検出に用いる場合は、基板は、入射光及び、検出を行う光の波長に対して、透明な材質が好ましい。また、柱状構造体を透過した後に基板により反射した光を検知素子からの反射光として検出に用いることも可能であり、この場合基板は、入射光及び、検出を行う光の波長に対して反射する材質を用いることが好ましい。

また、金属からなる柱状構造体を強固に保持するために、基板表面にアミノ基やチオール基といった、金属と親和性の高い官能基が形成されていることが好ましい。

（捕捉体成分）
本発明における検知素子は、金属からなる柱状構造体の表面に検体中の標的物質を捕捉する捕捉体成分を有していることが好ましい。

使用する捕捉体成分は、検体中の標的物質の選択に係わる物質である。例えば、検体中の標的物質と選択的に直接反応する物質（いわゆるレセプター）、標的物質の反応に係わる物質（例えば、標的物質の反応に選択的に触媒作用をもたらす物質）、検体中の標的物質以外の物質を不活性化する物質等である。また、この捕捉体成分は、検出の有無や程度の表示に係わる機能、例えば、レセプターが放出する物質や残余の物質と反応し発色する機能等を兼ねるものであってもよい。本発明に使用される捕捉体成分には、酵素、糖鎖、触媒、抗体、抗原、遺伝子、呈色試薬、などが挙げられるがこれに限る物ではない。

次に、これら捕捉体成分の金属構造体表面への固定又は担持について説明する。

上述の捕捉体成分は、例えば、共有結合、イオン結合、吸着などによって、金属構造体表面に固定又は担持されるが、これらの成分が良好に固定又は担持されれば方法はこれに限らない。

結合による方式では、金属構造体表面に直接作用できる反応基を持った捕捉体成分を直接反応させて結合させてもよいし、金属構造体表面に直接作用出来る架橋材料を反応させて、さらに前記架橋材料に捕捉体成分を反応させて、結合させても構わない。例えば、金属構造体が金、もしくは、銀、もしくは銅を含む場合は、チオール基やアミノ基等を有する捕捉体成分を直接固定化させることができる。また、このこれらチオール基やアミノ基等を有するシランカップリング剤等の架橋材料を反応させて、さらにこのシランカップリング剤に捕捉体成分を結合させることで担持することもできる。

吸着による方式では捕捉体成分と、金属構造体の材質との組み合わせにおいて、適当な親和性を有する組み合わせを選択すればよい。また、金属構造体表面をいったん表面修飾することで、適当な親和性を有する表面を形成し、捕捉体成分を固定化することも可能である。

（検知装置）
次に、本発明による検知装置について説明する。
本発明の検知装置は、プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質を検知する検知装置であって、検体と接触させることで検体中の標的物質に関する情報を得る検知素子と、該検知素子に光を照射する光源と、前記光源より照射された光を前記検知素子を介して受光する受光素子と、を備え、検知素子として本発明の検知素子を用いたものである。

前述のように、本発明の検知素子においては、金属部材が柱状の構造体をなし、柱状構造体が長軸方向に配向して配されている。よって、前記柱状構造体の長軸方向に対して平行な成分を有する光を検知素子に照射することで、柱状構造体の長軸方向によるプラズモン共鳴を起こすことが可能と成る。光源から照射される光は、柱状構造体の長軸方向に対して電界の振幅方向が平行な成分のみの偏光として、検知素子に照射することが、長軸方向の共鳴を主に利用することができ、好ましい。しかし、電界の振幅方向が平行な成分を含んでいる光であれば、偏光されていない光であっても、用いる事ができる。

受光素子は検知素子から反射、もしくは透過した光の特性を検出する。よって、これらの光を好適に検出できる位置に配置される。

（検知方法）
本発明の検知方法は、本発明の検知素子に標的物質を含む検体を接触させる工程により、金属の柱状構造体近傍の特性を変化させる。特に、検知素子が捕捉体成分を有している場合は、捕捉体成分と標的物質との特異的な反応が検知素子表面で起こり、柱状構造体近傍の特性が変化することになる。そして、柱状構造体を長軸方向に配置して構成した検知素子に光を照射する。この工程は、柱状構造体の長軸方向に対して平行な成分を有する光を柱状構造体に照射する工程を包含する。更に、検知素子から透過もしくは反射した光を受光して、金属構造体近傍の特性変化を検知することが可能と成る。特に本発明では、柱状構造体の長軸方向に対して平行な成分を有する光を照射することにより、柱状構造体の長軸方向の共鳴を効果的に利用し、高感度な検出を行うことが可能と成る。

尚、本発明の検知素子、検知装置、検知方法の測定対象は、直接捕捉体成分が反応する標的物質である必要は無く、間接的に測定できるものでもよい。例えば、測定対象に特異的に存在する標的物質を検出することで測定が可能となる。よって、測定対象は生体物質に限るものではなく、またそのサイズも限定されるものではない。ただし、標的物質は糖、蛋白質、アミノ酸、抗体、抗原や疑似抗原、ビタミン、遺伝子などの生物に含有される生体物質、及び、その関連物質や人工的に合成された擬似生体物質であることが望ましい。

また、前記捕捉体成分を複合して使用することも可能であり、例えば、複合酵素センサ、抗体−酵素センサ、酵素−微生物ハイブリッドセンサ、などの検出装置を構成することも可能である。

次に本発明の検知素子を製造する方法について説明する。
例えば、以下の工程（Ａ）〜工程（Ｄ）を行うことより、検知素子を作製することが出来る。

工程（Ａ） 柱状の細孔を有する多孔質体を用意する工程
本工程では、柱状の細孔を有する多孔質体を用意する。
多孔質体はその細孔が金属粒子形成の鋳型となり得れば、材質、大きさ、形状等、限定されるものではなく、例えば、任意の基板や膜にエッチング等の加工処理によって細孔を設けたものを用いることが可能である。他にも、アルミニウムを酸性電解液中で陽極酸化処理することによりアルミニウム表面に形成される陽極酸化アルミナは、柱状の細孔を有しており、好適に用いられる。尚、陽極酸化アルミナは、細孔径、細孔深さを比較的自由に制御できるため、金属粒子の形状やサイズ制御を行う上で好適である。また、ポリカーボネート製メンブレンフィルターも柱状の細孔を有しており、一般的にも市販されているため、簡便に用いる事ができる。

工程（Ｂ） 前記多孔質体の細孔に金属を導入する工程
本工程では、前記多孔質体を鋳型とし、細孔内に金属粒子の材料を導入する。
金属粒子材料の多孔質体細孔への導入は、蒸着、スパッタ、めっき等により行えるが、多孔質体の細孔内に金属粒子材料を導入することができれば、これらの方法に限るものではない。尚、めっき法は処理時間により金属粒子材料の導入量を制御することが出来、好適に用いられる。処理時間を長くすると図６（ａ）のように、金属材料が細孔内に充填され、後述する工程（ｃ）を経る事で、金属の柱状構造体が形成される。

工程（Ｃ） 多孔質体を除去し、柱状構造体を作製する工程
多孔質体を選択的に除去し、柱状構造体を得る事ができれば、多孔質体の除去方法は限定されるものではない。本発明においては、エッチング法が簡便であり、多くの材料に対して適用可能であるため好適に用いられる。たとえば、多孔質体に陽極酸化アルミナを用いた場合は、フッ酸や、硫酸、リン酸とクロム酸の混合溶液等でエッチングすることにより、アルミナを除去することができる。このように多孔質体を選択的に除去することで、図１の模式図に示したような金属の柱状構造体を作製する事ができる。

尚、前述の工程（ｂ）において、図６に示したように多孔質体表面に金属材料層が形成された場合、多孔質体のエッチングの効率を上げるため及び形成される金属形状の均一性を上げるため、金属材料層を研磨等で除去したあとに、エッチング処理を施してもよい。

工程（Ｄ） 柱状構造体を選択配向性を有する配列で基板上に担持させる工程
前記工程（Ａ）〜（Ｃ）によって作製された柱状構造体を溶液に分散させて分散溶液を作製し、基板を分散溶液に浸漬、もしくは基板に分散溶液を塗布する。ここで、基板に溝を一軸配向した配列で形成しておけば、柱状構造体も一軸配向した配列で担持されることになる。こうして図４に示すように基板上に金属構造体の長軸方向を一軸配向させて担持させることができる。塗布方法にディップコート法を用い、基板の引き上げ方向と溝の方向を同方向にして塗布を行うと、より一軸配向性の高い配列で柱状構造体を担持させることができる。尚、柱状構造体を強固に保持するために、事前に基板に対して表面処理を行い、柱状構造体と基板表面との親和性を向上させておくことが望ましい。例えば、柱状構造体が金を含む場合は、基板表面にアミノ基やチオール基等の官能基を形成しておくことが望ましい。また、溶媒等で基板を洗浄し、余分な柱状構造体を取り除いてもよい。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すような選択配向性を持った配列で柱状構造体を配列させる場合は、多孔質体を基板上に固定化させて柱状構造体を作製することができる。

前述の工程（Ａ）により用意した多孔質体を図７のように基板上に固定化し、その後、工程（Ｂ）、工程（Ｃ）を行うことで、図５に示す選択配向性を有する配列の金属構造体を基板上に配列させることができる。尚。用いる多孔質体の細孔形状や基板への多孔質体の固定位置、角度等を変える事で、図５（ａ）に示す基板対して略垂直な選択配向した配列や図５（ｂ）、図５（ｃ）に示す配列等所望の配列で形成することが可能となる。

以上の工程（Ａ）〜工程（Ｄ）を行うことより、本発明の検知素子を作製することが出来る。この方法の他に、金属膜をパターニングして柱状構造体を形成することもできる。

以下、実施例を用いてさらに詳細に本発明を説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、材料、組成条件、反応条件等、同様な機能、効果を有する検知素子、検出装置が得られる範囲で自由に変えることができる。

（実施例１及び比較例１）
本実施例は金からなる柱状構造体を作製し、基板と、柱状構造体の長軸方向が略一軸方向に選択配向した配列を持って基板上に保持し、検知素子を作製した例である。さらに、前記検知素子を備えた検知装置を作製し、標的物質の検知を行った例である。

本例のように、金属からなる柱状構造体を一軸方向に選択配向させて基板上に保持させた場合、光源から照射される光を柱状構造体の長軸方向に対して電界成分の振幅方向が平行な偏光とすることができる。これを用いると図２における短波長側吸収ピークを小さくすることができ、長波長側吸収ピークをより明確に検出することができる。

まず、アルミニウム基板を用意し、純水、およびイソプロピルアルコールによる洗浄を行った。洗浄後のアルミニウム基板に対してシュウ酸０．３Ｍ溶液中で、４０Ｖで陽極酸化を行うと、アルミニウム表面がアルミナに酸化されるのと同時に柱状の細孔が形成され、多孔質体とすることができる。多孔質体は５ｗｔ％リン酸に所定の時間浸漬することで、細孔の径を拡大し、所望の細孔サイズの多孔質体を得ることができる。また、陽極酸化時に用いる酸の種類を変える事で、細孔間隔を変えることも可能である。条件を制御することで例えば、直径４０ｎｍで長さが１２０ｎｍの柱状細孔を形成できる。

次に、この多孔質体の細孔内に、無電解めっき法により金を導入する。その後、５ｗｔ％リン酸に浸漬し、多孔質体を選択的に溶解、除去し、柱状構造体を作製する。溶液から遠心分離法を用いて柱状構造体を分離し、洗浄する。こうして得られる柱状構造体は、直径４０ｎｍで長さが１２０ｎｍ程度のものである。得られた柱状構造体を分散剤が入った溶液中に分散させ、柱状構造体を分散させた分散液を得る。

次に、検知素子に用いる基板として石英基板を用意し、フォトリソグラフィーの手法を用いて、基板表面にライン状の複数の溝を形成する。溝の幅は１００ｎｍ程度である。そして、この基板表面に、アミノシランカップリング剤を用いて、アミノ基を形成する。次にこの石英基板に、上記の柱状構造体を分散させた分散液をディップコート法により塗布する。

尚、基板の引き上げ方向と溝の方向は同方向にするとよい。

以上の操作を経て、石英基板上に、図４に示すような柱状構造体を長軸方向に配向させた基板を得ることができる。

次に、金からなる柱状構造体の表面に捕捉体成分として、抗体を固定化する。本例では、抗体として抗ＡＦＰ（ａ−ｆｅｔｏｐｒｏｔｅｉｎ）抗体を用いる。

まず、１１−Ｍｅｒｃａｐｔｏｕｎｄｅｃａｎｏｉｃ ａｃｉｄを用い、柱状構造体を表面修飾し、表面にカルボキシル基を形成する。次に、Ｎ−Ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ（同仁化学研究所社製）水溶液と１−Ｅｔｈｙｌ−３−［３−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ］ｐｒｏｐｙｌ］ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ（同仁化学研究所社製）水溶液を塗布することで、柱状構造体表面にスクシンイミド基が露出される。さらに、ストレプトアビジンを結合させることにより、柱状構造体表面がストレプトアビジンで修飾される。次いで、この柱状構造体にビオチン化した抗ＡＦＰ抗体を固定化する。

以上の操作を経て、捕捉体成分として、抗ＡＦＰ抗体を有する検知素子を作製することができる。

次に、以上の操作で作製した検知素子を備えた検知装置の例を説明する。尚、本例は検知素子を透過した光を用いて検知を行う例である。

図８（ａ）は本例による検知装置を模式的に示した図である。検知装置は、検知素子８５に対して、光源８３と受光素子８４を備える。光源８３には図示しない偏光器が備えられており、この偏光器により偏光された測定光の電界成分の振幅方向と検知素子８５内の柱状構造体８１の長軸方向が平行になるように、光源、及び偏光器を配置する。受光素子の位置は検知素子を透過した測定光の特性を検出しうる位置である。尚、この他に、図示しない分光検出器が受光素子に備えられていても構わない。さらには、図示しないが、検出した特性変化を演算する演算装置、検出結果を表示する表示手段等が備えられていることが好ましい。

ここでは、透過型の検知装置を説明したが、図８（ｂ）に示すように光源８３と受光素子８４の位置を図８（ａ）に示したものとは変えて、検知素子８５により反射させた光を受光素子８４で受光する反射型の検知装置とすることも可能である。

次に、作製した検知装置を用いた検知方法の例を説明する。

まず、標的物質検知時の位置関係に検知素子、光源、受光素子を配置し、スペクトルを測定する。その後、基板上に標的物質としてＡＦＰが含まれたリン酸緩衝溶液からなる検体を付与し、検体を検知素子に接触、捕捉体成分と反応させる。この反応後、リン酸緩衝溶液で洗浄するとよい。その後再び、上記検知時と同様な位置関係に検知素子、光源、受光素子を配置し、スペクトルを測定する。検体付与前後のスペクトル変化は、柱状構造体の局在プラズモン共鳴状態の変化に由来するものであり、検知素子上で抗原抗体反応が起こり、捕捉体成分により標的物質が捕捉されたことを意味する。

また、ここでスペクトルの変化と標的物質濃度の関係については、あらかじめ、既知の複数濃度の標準検体を用いて、スペクトル変化と濃度の関係を取得しておき、この関係をもとに検量線を求めスペクトル変化と濃度の関数を求めておけば、この関数を用いて、実際の計測時のスペクトル変化から標的物質濃度を求めることができる。

尚、ここではスペクトルの変化と記載したが、このスペクトル変化は、最大値をもつ波長でのスペクトルピークの変化でもよいし、スペクトルピークの波形の半値幅等ピーク形状の変化をもちいてもよい。さらには、一つあるいは、複数の波長点での光強度をもちいても構わない。

基板表面に形成した溝に沿って柱状構造体の長軸方向を配向させた本例の検知素子と、照射する光として偏光を用いた場合と、基板表面に溝を形成せずランダムに柱状構造体を配したもの（ランダム配置）とを比較すると、以下の通りであった。即ち、本例の方は、長波長側共鳴波長吸収ピーク強度がランダム配置したものの約１．５倍となり、吸収ピーク自体も急峻で非常に確認しやすいものとなった。また、本例の検知素子を用いて、偏光を用いた場合と非偏光光を用いた場合とを比較すると、偏光を用いたものに比べて非偏光光を用いたものは長波長側の吸収ピーク強度が落ちたが、共鳴ピークシフトの確認には支障は無かった。

以上のように、本発明により、検体中の標的物質を充分な感度で検知することが可能と成る。

（実施例２）
本実施例は、金からなる柱状構造体を作製し、基板と、柱状構造体の長軸方向が略垂直になるように配向させ、基板を流路中に配して検知素子を作製した例である。この検知素子を用いて構成した検知装置及び、これを用いた連続的は標的物質の検知についても説明する。

本発明は流路中を流れる標的物質の検知にも適用できるため、検出装置のマイクロチップ化も可能である。また、柱状構造体が流路中に多数配することで、捕捉体成分と標的物質の反応効率を上げることが可能と成る。

まず、実施例１と同様な方法で多孔質体を作製する。次にこの多孔質体をガラス基板上の後に流路となる領域に密着、固定化させる。そして、後に反応領域となる領域以外をマスクし、反応領域上の多孔質体の細孔内に、無電解めっき法により金を導入する。その後、５ｗｔ％硫酸に浸漬し、多孔質体を溶解、除去し、基板上に図５（ａ）に示したように金からなる柱状構造体を作製する。

次に溝を設けた樹脂のカバーをガラス基板上に固定化し、流路を作製する。このとき図９（ａ）に示すように流路１０４内に金属構造体１０９が形成された反応領域１０３が配置されるようにカバー１０２と基板１０１、反応領域を配置し、検知素子を作製する。

次に、柱状構造体表面に捕捉体成分として、抗体を固定化する。本例では、抗体としてウサギ抗マウスＩｇＧ抗体を用いる。固定化方法は、１１−Ｍｅｒｃａｐｔｏｕｎｄｅｃａｎｏｉｃ ａｃｉｄエタノール溶液、Ｎ−Ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ、１−Ｅｔｈｙｌ−３−［３−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ］ｐｒｏｐｙｌ］ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ水溶液、ウサギ抗マウスＩｇＧ抗体／トリス−塩酸緩衝液を順次、流路内に流すことで行う。

以上の操作を経る事で、捕捉体成分として、ウサギ抗マウスＩｇＧ抗体を有した検知素子を作製することができる。

次に、以上の操作で作製した検知素子を備えた検知装置について説明する。尚、本実施例は検知素子を透過した光により検出を行う例である。

図９は本例による検知装置を模式的に示した図であり、図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）は断面図である。検知装置は、検知素子に対して、光源１０５と受光素子１０６を備える。よって、検知時の光源の位置は、図９に模式的に示すように、検知素子内の柱状構造体の長軸方向に対して、平行な成分を有する測定光を照射しえる位置である。受光素子の位置は検知素子を透過した測定光の特性を検出しうる位置である。尚、この他に、図示しない分光検出器が受光素子１０６に備えられていても構わない。さらには、図示しないが、検出した特性変化を演算する演算装置、検出結果を表示する表示手段、ポンプ等流路内への検体送液手段等が備えられていることが好ましい。

次に、作製した検知装置を用いた検知方法の例を説明する。
まず、上記検出時の検知関係に検知素子、光源、受光素子を配置し、スペクトルを検出する。その後、マウスＩｇＧが含まれたリン酸緩衝溶液からなる検体を流路内に導入して送液し、検体を検知素子に接触、捕捉体成分と反応させる。その後再び、上記検知時と同様な位置関係に検知素子、光源、受光素子を配置し、スペクトルを検出する。検体付与前後のスペクトル変化は、柱状構造体のプラズモン共鳴状態の変化に由来するものであり、検知素子上で抗原抗体反応が起こり、捕捉体成分により標的物質が捕捉されたことを意味する。

尚、実施例１で説明した検量線を求める事で、標的物質濃度を求めることも可能である。
また、実施例１と同様に、スペクトル変化は、スペクトルピーク波長の変化でもよいし、スペクトルピークの形状の変化をもちいてもよく、さらには、一つあるいは、複数の波長点での光強度を用いても構わない。

また、本発明は流路中に検知素子を設けた構成であるため、送液しながら検知し続けることで、経時変化や反応量の変化を検知することも可能である。

以上のように、本発明により、検体中の標的物質を充分な感度で検知することが可能と成る。

本発明における柱状構造体の形状を示す模式図である。 短軸方向と長軸方向を有する柱状構造体の吸光スペクトルの例を示した模式図である。 選択配向性を有した配列の例を示す模式図である。 基板に対して柱状構造体の長軸方向が一軸配向した例を示す模式図である。 柱状構造体が、選択配向性を有した配列を持って基板上に保持されている例を示す断面模式図である。 柱状構造体を形成する様子を示した模式図である。 基板上に固定化された多孔質体の例を示す模式図である。 本発明の検知装置の例を示す模式図である。 本発明の検出装置の例を示す模式図である。

符号の説明

１１ 長軸方向
１２ 短軸方向
２１ 短波長側吸収ピーク
２２ 長波長側吸収ピーク
３１ 柱状構造体
３２ 仮想面
４１ 基板
４２ 柱状構造体
５１ 基板
５２ 柱状構造体
６１多孔質体
６２ 細孔
６３ 金属構造体材料
６４ 多孔質体表面に形成された金属構造体材料層
７１ 基板
７２ 多孔質体
７３ 細孔
８１ 柱状構造体
８２ 基板
８３ 光源
８４ 受光素子
８５ 検知素子
８６ 測定光
８７ 測定光（検知素子透過後）
８８ 測定光（検知素子反射後）
１０１ 基板
１０２ カバー
１０３ 反応領域
１０４ 流路
１０５ 光源
１０６ 受光素子
１０７ 測定光
１０８ 測定光（検知素子透過後）
１０９ 柱状構造体

Claims (10)

1. プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質を検知する検知装置に用いられる検知素子であって、基板と該基板上に配された金属部材の複数を有し、該金属部材が柱状の構造体をなし、該柱状構造体が長軸方向に配向して配されていることを特徴とする検知素子。
2. 前記配向は、前記柱状構造体の長軸方向と該柱状構造体が配された前記基板の面とが平行であることを特徴とする請求項１に記載の検知素子。
3. 前記配向は、前記柱状構造体の長軸方向と該柱状構造体が配された前記基板の面とが垂直であることを特徴とする請求項１に記載の検知素子。
4. 前記柱状構造体の短軸方向の長さをａ、長軸方向の長さをｂとしてｂ／ａが、２以上１０以下の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の検出素子。
5. 前記柱状構造体の直径または一辺の長さは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の検出素子。
6. 前記柱状構造体が、その表面に前記検体中の標的物質を捕捉する捕捉体を有していることを特徴とする請求項１に記載の検知素子。
7. プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質を検知する検知装置であって、検体と接触させることで検体中の標的物質に関する情報を得る検知素子と、該検知素子に光を照射する光源と、前記光源より照射された光を前記検知素子を介して受光する受光素子と、を備え、前記検知素子が請求項１に記載の検知素子であることを特徴とする標的物質検知装置。
8. プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質を検知する方法であって、
   請求項１に記載の検知素子を検体と接触させる工程、
   前記検知素子に光を照射する工程、及び
   前記検知素子を介して得られる光を受光する工程、を有することを特徴する標的物質を検知する方法。
9. 前記光を照射する工程は、偏光を照射する請求項８に記載の標的物質を検知する方法。
10. 前記偏光は、前記柱状構造体の長軸方向に電界成分の振幅方向が平行な偏光である請求項８に記載の標的物質を検知する方法。
    

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