JP2007292564A - Biosensor chip - Google Patents

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Hiroaki Misawa
弘明 三澤
Tsuguo Ueno
貢生 上野
Toshihiro Tanimura
敏博 谷村
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Hokkaido University NUC
Sanyo Chemical Industries Ltd
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Hokkaido University NUC
Sanyo Chemical Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a biosensor chip that has very high detection sensitivity, capable of detecting a trace amount of biological substance. <P>SOLUTION: In the biosensor chip that uses a fluorescent method as the principle of detection, a fixing part (A) of a specific bonding substance (X) and a photonic crystal (B) for covering a part of the fixing part (A) are installed. In the biosensor chip that employs a biological molecule detecting method, fluorescence is made to be reflected and amplified between the photonic crystals (B), and the amplified fluorescence is measured by a fluorescence analyzer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、バイオセンサーチップに関する。特に、臨床診断用途に使用できる検出感度の高いバイオセンサーチップに関する。   The present invention relates to a biosensor chip. In particular, the present invention relates to a biosensor chip with high detection sensitivity that can be used for clinical diagnostic applications.

今日、遺伝子解析や蛋白質の機能解明等の基礎研究、解析したデーターを利用する新薬開発、更には癌、ホルモン、心筋梗塞などの臨床診断などの目的でDNAチップ、蛋白チップ、免疫試薬等が様々な研究機関や医療機関において使用されている。
生体分子の検出原理としては、比濁法、凝集法、表面プラズモン法、蛍光法、発光法などが開発されているが、検出感度等の観点から、蛍光法、発光法が主流となっており、蛍光法、発光法いずれも血液等のサンプル中に含まれる極めて微量の生体物質まで検出することができる。
Today, there are various DNA chips, protein chips, immunoreagents, etc. for basic research such as genetic analysis and protein function elucidation, development of new drugs using the analyzed data, and clinical diagnosis of cancer, hormones, myocardial infarction, etc. Used in various research and medical institutions.
The turbidimetric method, the agglutination method, the surface plasmon method, the fluorescence method, and the luminescence method have been developed as the detection principle of biomolecules, but the fluorescence method and the luminescence method have become mainstream from the viewpoint of detection sensitivity. Both the fluorescence method and the luminescence method can detect even a very small amount of biological material contained in a sample such as blood.

蛍光法とは、蛍光色素等の蛍光物質を固定化した生体分子を標識として使用し、レーザーなどの励起光によって蛍光物質を蛍光発光させ、可視化又は蛍光強度から物理量を計測する手法である。検出感度は発光法よりやや劣るものの、試薬の安定性が高く、取扱いが容易であり、また、分析装置も比較的安価であることから広く使用されている方法である。   The fluorescence method is a technique in which a biomolecule on which a fluorescent substance such as a fluorescent dye is immobilized is used as a label, the fluorescent substance is fluorescently emitted by excitation light such as a laser, and a physical quantity is measured from visualization or fluorescence intensity. Although the detection sensitivity is slightly inferior to that of the luminescence method, it is a widely used method because the reagent is highly stable, easy to handle, and the analyzer is relatively inexpensive.

蛍光法、発光法の検出感度は、現状でも非常に高いものと言えるが、検出感度向上のニーズは未だに強い。検出感度が更に向上すれば、従来の方法では検出することができない超微量の生体分子の検出が可能となり、新たな診断マーカー等が発見されることが期待できるからである。また、大幅なサンプル量の減少や測定時間の短縮、測定精度の向上といった効果もある。特に、前述の優れた特徴を有する蛍光法に関して、検出感度の更なる向上が強く望まれている。   Although it can be said that the detection sensitivity of the fluorescence method and the luminescence method is very high at present, there is still a strong need for improving the detection sensitivity. This is because if the detection sensitivity is further improved, an extremely small amount of biomolecules that cannot be detected by the conventional method can be detected, and a new diagnostic marker or the like can be expected. In addition, there is an effect that the sample amount is greatly reduced, the measurement time is shortened and the measurement accuracy is improved. In particular, further improvement in detection sensitivity is strongly desired for the fluorescence method having the above-described excellent characteristics.

検出感度を向上させる方法として、例えば、固相を用いる抗体の免疫測定法に於いて、試料中の抗体に、固相用担体に固定化したビオチン化高分子物質にアビジンあるいはストレプトアビジンおよびそれらの誘導体を結合させてなる固相、ビオチン化ペプチド抗原および標識ペプチド抗原を同時に反応させることを特徴とする抗体の免疫測定方法(特許文献1)や、光導波路の表面において抗原抗体反応を観測する蛍光免疫測定方法であって、前記光導波路と検体を接触させ前記光導波路の表面に検体中の測定対象物を捕捉する捕捉工程と、該捕捉工程で捕捉された前記測定対象物に蛍光 性発色団を有する標識抗体を結合させる結合工程と、前記光導波路内に励起光を導入して内部全反射光とし、前記光導波路の表面にエバネッセント波を発生させ該蛍光 性発色団を励起する励起工程と、前記光導波路内を伝播して収集される光を観測する観測工程とから成る一連の工程を少なくとも2回繰り返し、前記光導波路と前記検体との接触時間に対する観測光量の変化率を測定することを特徴とする蛍光免疫測定方法が提案されている(特許文献2)。   As a method for improving detection sensitivity, for example, in an immunoassay method of an antibody using a solid phase, avidin or streptavidin and their biotinylated polymer substance immobilized on a solid phase carrier are immobilized on an antibody in a sample. An antibody immunoassay method (Patent Document 1) characterized by reacting a solid phase to which a derivative is bound, a biotinylated peptide antigen and a labeled peptide antigen simultaneously, and fluorescence for observing an antigen-antibody reaction on the surface of an optical waveguide An immunoassay method comprising: a capturing step of bringing the optical waveguide into contact with a specimen and capturing the measurement target in the specimen on the surface of the optical waveguide; and a fluorescent chromophore on the measurement target captured in the capturing step A binding step of binding a labeled antibody having a concentration, and an excitation light is introduced into the optical waveguide to form a total internal reflection light, and an evanescent wave is emitted on the surface of the optical waveguide. A series of steps consisting of an excitation step for exciting the fluorescent chromophore and an observation step for observing light collected by propagating through the optical waveguide, and is repeated at least twice. There has been proposed a fluorescence immunoassay method characterized by measuring the rate of change of the observed light quantity with respect to the contact time (Patent Document 2).

しかし、これらの方法は、いずれも蛍光シグナルを直接的に増強する方法ではなく、検出感度の大幅な向上は期待できない。
特開平9−178747 特開2004−205286
However, none of these methods is a method for directly enhancing the fluorescence signal, and a significant improvement in detection sensitivity cannot be expected.
JP 9-178747 A JP 2004-205286 A

即ち、本発明の目的は、従来の方法では検出することができない超微量の生体物質の検出を可能とする極めて検出感度の高いバイオセンサーチップを提供することである。   That is, an object of the present invention is to provide a biosensor chip with extremely high detection sensitivity that can detect an extremely small amount of biological material that cannot be detected by a conventional method.

本発明のバイオセンサーチップは、蛍光法を検出原理とするバイオセンサーチップであって、特異的結合物質(X)の固定部(A)、及び固定部(A)の一部を被覆するフォトニック結晶(B)を設置することを特徴とする。蛍光をフォトニック結晶(B)間において反射増幅させて、増強した蛍光を蛍光分析装置にて測定することを特徴とする生体物質の検出方法を採用したバイオセンサーチップである。
すなわち、本発明は、蛍光法を検出原理とするバイオセンサーチップであって、特異的結合物質(X)の固定部(A)を被覆するフォトニック結晶(B)を設置したバイオセンサーチップ、及び該バイオセンサーチップを使用した生体物質の検出方法である。
The biosensor chip of the present invention is a biosensor chip based on a detection method using a fluorescence method, and covers a fixed part (A) of a specific binding substance (X) and a part of the fixed part (A). It is characterized by installing a crystal (B). A biosensor chip employing a method for detecting a biological material, characterized in that fluorescence is reflected and amplified between photonic crystals (B) and the enhanced fluorescence is measured with a fluorescence analyzer.
That is, the present invention is a biosensor chip having a detection principle based on a fluorescence method, and a biosensor chip provided with a photonic crystal (B) that covers a fixing part (A) of a specific binding substance (X), and This is a method for detecting a biological substance using the biosensor chip.

本発明のバイオセンサーチップは、フォトニック結晶(B)により蛍光シグナルを直接的に増強することで、極めて検出感度が高く、従来の方法では検出することができない超微量の生体分子の検出を可能にする。蛍光分析装置を使用しないと定性分析できなかったものが可視化できるようになり、新規な診断マーカーも利用できるようになる等の優れた効果が期待できる。大幅なサンプル量の減少や測定時間の短縮、測定精度の向上も可能になる。
また、蛍光法を検出原理とするため、試薬の安定性が高く、取扱いが容易であり、分析装置も比較的安価といった蛍光法のメリットもある。
The biosensor chip of the present invention enhances the fluorescence signal directly by the photonic crystal (B), so it has extremely high detection sensitivity and can detect ultra-small amounts of biomolecules that cannot be detected by conventional methods. To. If a fluorescence analyzer is not used, it is possible to visualize those that could not be qualitatively analyzed, and excellent effects such as the ability to use new diagnostic markers can be expected. It is possible to greatly reduce the sample amount, shorten the measurement time, and improve the measurement accuracy.
In addition, since the fluorescence method is used as a detection principle, there are advantages of the fluorescence method that the reagent is highly stable, easy to handle, and the analyzer is relatively inexpensive.

本発明の蛍光法としては、一般的に行われている公知の蛍光法を適用することができ、蛍光物質を固定化した生体分子を標識として使用し、励起光によって蛍光物質を蛍光発光させ、可視化又は蛍光強度から物理量を計測する手法である。
蛍光物質としては、市販の蛍光物質を使用することができる。例えば、フルオレセイン、ローダミンBイソチオシアネート、リサミン-ローダミンBスルホニルクロライド、アニリノナフタレンスルホン酸、2-メトキシ2,4-ジフェニル3(2H)フラノン、メチルウンベリフェロン、ダンシルクロライド、ルシファーイエロー、エリスロシン、ピレン、テキサスレッド、エオシン、フルオレサミン、クロロフィルなどの蛍光色素が挙げられる。
As the fluorescence method of the present invention, a publicly-known known fluorescence method can be applied, using a biomolecule immobilized with a fluorescent substance as a label, causing the fluorescent substance to emit fluorescence with excitation light, This is a technique for measuring a physical quantity from visualization or fluorescence intensity.
A commercially available fluorescent material can be used as the fluorescent material. For example, fluorescein, rhodamine B isothiocyanate, lysamine-rhodamine B sulfonyl chloride, anilinonaphthalene sulfonic acid, 2-methoxy 2,4-diphenyl 3 (2H) furanone, methylumbelliferone, dansyl chloride, lucifer yellow, erythrosin, pyrene , Fluorescent dyes such as Texas Red, Eosin, Fluoresamine, and Chlorophyll.

標識に使用する生体物質は、ターゲット物質、即ち、後述の特異的結合物質(X)に特異的に結合する物質と特異的に結合する生体物質を使用する。
蛍光物質の前記生体物質への固定化は、公知の方法により行うことができる。
励起光としては、公知の励起光を使用することができ、キセノンランプや各種レーザー光を使用することができる。検出感度向上等の観点から、レーザー光を励起光として使用することが好ましい。
励起光の照射方法は、固定部(A)に照射できるのであれば、種々の方向から照射することが可能であるが、フォトニック結晶(B)により被覆されている面から照射することが好ましい。
The biological substance used for labeling is a target substance, that is, a biological substance that specifically binds to a substance that specifically binds to a specific binding substance (X) described later.
The fluorescent substance can be immobilized on the biological substance by a known method.
As the excitation light, known excitation light can be used, and a xenon lamp and various laser lights can be used. From the viewpoint of improving detection sensitivity, it is preferable to use laser light as excitation light.
The excitation light can be irradiated from various directions as long as the fixing part (A) can be irradiated, but it is preferable to irradiate from the surface covered with the photonic crystal (B). .

なお、後述のように、フォトニック結晶による反射増幅により蛍光シグナルを増強するため、励起光が反射されないように、蛍光物質の光吸収と蛍光の波長が近い場合には、2光子吸収により励起することが好ましい。2光子吸収とは、2つの光子を励起に利用する方法であり、フォトニック結晶(B)にて反射されない長波長の励起光を使用することができる。2光子吸収の他にも、後述するフォトニックバンドよりも低波長の励起光を使用する方法が挙げられる。
蛍光強度の測定は、市販の蛍光分析装置などを使用することができる。例えば、高感度蛍光分析装置(タイヨー電機社製)、分光蛍光光度計(日立ハイテク社製)などを使用することができる。
As will be described later, since the fluorescence signal is enhanced by reflection amplification by a photonic crystal, excitation is performed by two-photon absorption when the light absorption of the fluorescent substance is close to the fluorescence wavelength so that the excitation light is not reflected. It is preferable. Two-photon absorption is a method that uses two photons for excitation, and it is possible to use long-wavelength excitation light that is not reflected by the photonic crystal (B). In addition to two-photon absorption, a method using excitation light having a wavelength lower than that of the photonic band described later can be used.
A commercially available fluorescence analyzer etc. can be used for the measurement of fluorescence intensity. For example, a high-sensitivity fluorescence analyzer (manufactured by Taiyo Electric Co., Ltd.), a spectrofluorometer (manufactured by Hitachi High-Tech) can be used.

本発明において、特異的結合物質(X)は血液等のサンプル中に含まれるターゲット物質と特異的に結合する物質であれば制限なく使用でき、例えば免疫蛋白質、酵素、微生物、核酸、低分子有機化合物、非免疫蛋白質、免疫グロブリン結合性蛋白質、糖結合性蛋白質、糖を認識する糖鎖、脂肪酸もしくは脂肪酸エステル、あるいはリガンド結合能を有するポリペプチド若しくはオリゴペプチドなどが挙げられる。
ここで血液等のサンプルとしては、血液(血清、血漿)、尿、大便、喀痰、髄液等が挙げられる。
サンプル中に含まれる特異的結合物質(X)と特異的に結合するターゲット物質とは、特異的結合物質(X)と同様のものであって、例えば(X)が抗体の場合、ターゲット物質は、その抗体が認識する抗原であり、例えば(X)が糖鎖の場合、ターゲット物質は、レクチン、例えば(X)が遺伝子の場合、ターゲット物質は、相補的な遺伝子である。
In the present invention, the specific binding substance (X) can be used without limitation as long as it is a substance that specifically binds to a target substance contained in a sample such as blood, for example, an immune protein, an enzyme, a microorganism, a nucleic acid, a low molecular weight organic substance. Examples thereof include compounds, non-immune proteins, immunoglobulin-binding proteins, sugar-binding proteins, sugar chains that recognize sugars, fatty acids or fatty acid esters, or polypeptides or oligopeptides having ligand-binding ability.
Examples of the blood sample include blood (serum, plasma), urine, stool, sputum, cerebrospinal fluid and the like.
The target substance that specifically binds to the specific binding substance (X) contained in the sample is the same as the specific binding substance (X). For example, when (X) is an antibody, the target substance is The antigen recognized by the antibody, for example, when (X) is a sugar chain, the target substance is a lectin, for example, when (X) is a gene, the target substance is a complementary gene.

免疫蛋白質としては、抗原、抗体やハプテンを例示することができる。抗体としては、次の抗原に対する抗体が使用でき、該抗原としては、薬剤、低分子ホルモン、腫瘍マーカー、ウイルス、高分子ホルモン、サイトカイン、各種グロスファクター等が挙げられる。薬剤としては、例えば、テオフィリン、フェニトイン、バルプロ酸などが挙げられる。低分子ホルモンとしては、例えば、サイロキシン、エストロゲン、エストラジオールなどが挙げられる。腫瘍マーカーとしては、例えば、CEA、AFP、CA19−9などが挙げられる。ウイルスとしては、例えば、HIV、HCV、HBVなどが挙げられる。高分子ホルモンとしては、例えば、甲状腺刺激ホルモン、インシュリンなどが挙げられる。サイトカインとしては、例えば、IL−1、IL−2、IL−6などが挙げられる。各種グロスファクターとしては、例えば、EGF、PDGFなどが挙げられる。これらの抗体は、モノクローナル抗体またはポリクローナル抗体であってもよく、さらに抗体の分解物であるF(ab’)2、Fab’、Fabであってもよい。   Examples of immune proteins include antigens, antibodies and haptens. As the antibody, an antibody against the following antigen can be used, and examples of the antigen include drugs, low molecular hormones, tumor markers, viruses, high molecular hormones, cytokines, various growth factors and the like. Examples of the drug include theophylline, phenytoin, valproic acid and the like. Examples of the low molecular hormone include thyroxine, estrogen, and estradiol. Examples of tumor markers include CEA, AFP, and CA19-9. Examples of viruses include HIV, HCV, HBV and the like. Examples of the polymer hormone include thyroid stimulating hormone, insulin and the like. Examples of cytokines include IL-1, IL-2, and IL-6. Examples of various growth factors include EGF, PDGF, and the like. These antibodies may be monoclonal antibodies or polyclonal antibodies, and may be F (ab ') 2, Fab', Fab which are degradation products of antibodies.

酵素としては、酸化還元酵素、加水分解酵素、異性化酵素、脱離酵素、合成酵素等を使用することができる。具体的には、ターゲット物質がグルコースであれば、グルコースオキシダーゼを、ターゲット物質がコレステロールであれば、コレステロールオキシダーゼを使用することができる。また、農薬、殺虫剤、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌、抗生物質、麻薬、コカイン、ヘロイン、クラック等をターゲット物質とする場合には、それらから代謝される物質と特異的反応を示す、例えばアセチルコリンエステラーゼ、カテコールアミンエステラーゼ、ノルアドレナリンエステラーゼ、ドーパミンエステラーゼ等の酵素を使用することができる。
微生物としては、特に限定されることなく、大腸菌をはじめとする種々の微生物を使用することができる。
As an enzyme, an oxidoreductase, a hydrolase, an isomerase, a desorption enzyme, a synthetic enzyme, etc. can be used. Specifically, glucose oxidase can be used if the target substance is glucose, and cholesterol oxidase can be used if the target substance is cholesterol. In addition, when targeting pesticides, insecticides, methicillin-resistant Staphylococcus aureus, antibiotics, narcotics, cocaine, heroin, cracks, etc., target substances that are metabolized from them, such as acetylcholinesterase, Enzymes such as catecholamine esterase, noradrenaline esterase and dopamine esterase can be used.
The microorganism is not particularly limited, and various microorganisms including Escherichia coli can be used.

核酸としては、ターゲットとする核酸と相補的にハイブリダイズするものを使用することができる。核酸は、DNA(cDNAを含む)、RNAのいずれも使用できる。DNAの種類は特に限定されず、天然由来のDNA、遺伝子組換え技術により調製した組換えDNA、又は化学合成DNAの何れでもよい。DNA(cDNAを含む)、RNAの化学合成は、市販の合成装置を用いて行うことができるし、市販されているDNAプローブをそのまま使用することもできる。   As the nucleic acid, those that hybridize complementarily with the target nucleic acid can be used. As the nucleic acid, either DNA (including cDNA) or RNA can be used. The type of DNA is not particularly limited, and may be any of naturally derived DNA, recombinant DNA prepared by gene recombination technology, or chemically synthesized DNA. Chemical synthesis of DNA (including cDNA) and RNA can be performed using a commercially available synthesizer, or a commercially available DNA probe can be used as it is.

低分子有機化合物としては通常の有機化学合成の方法で合成することができる任意の化合物が挙げられる。
非免疫蛋白質としては、特に限定されることなく、例えばアビジン(ストレプトアビジン)、ビオチン又はレセプターなどを使用できる。
免疫グロブリン結合性蛋白質としては、例えばプロテインAあるいはプロテインG、リウマチ因子等を使用することができる。
糖結合性蛋白質としては、レクチン等が挙げられる。脂肪酸あるいは脂肪酸エステルとしては、ステアリン酸、アラキジン酸、ベヘン酸、ステアリン酸エチル、アラキジン酸エチル、ベヘン酸エチル等が挙げられる。
Examples of the low molecular weight organic compound include any compound that can be synthesized by an ordinary organic chemical synthesis method.
The non-immune protein is not particularly limited, and for example, avidin (streptavidin), biotin or a receptor can be used.
As the immunoglobulin-binding protein, for example, protein A or protein G, rheumatoid factor and the like can be used.
Examples of sugar-binding proteins include lectins. Examples of the fatty acid or fatty acid ester include stearic acid, arachidic acid, behenic acid, ethyl stearate, ethyl arachidate, and ethyl behenate.

特異的結合物質(X)は、固定部(A)に固定化されており、固定化する方法としては、化学的に結合する方法、物理吸着による方法など公知の方法が使用できる。
特異的結合物質(X)が免疫蛋白質や酵素等の蛋白質である場合、化学的に結合する方法としては、固定部(A)にアミノ基、スルフヒドリル基などの官能基を導入し、特異的結合物質(X)のアミノ基、スルフヒドリル基などの官能基をグルタルアルデヒド、サクシンアルデヒド、m−マレイミドベンゾイル−N−ヒドロサクシンイミドエステル、o−フェニレンビスマレイミドなどで架橋する方法が使用できる(例えば、米国特許第4280992号、米国特許第3652761号に記載されている。)。
他にも、固定部(A)にカルボキシル基を導入し、カルボジイミドを介して特異的結合物質(X)のアミノ基と結合する方法が挙げられる。固定部(A)の材料として、カルボキシル基を表面に有するポリスチレン樹脂を使用する場合について具体的に説明する。まず、カルボキシル基とカルボジイミドとを室温で約1時間反応させた後、未反応のカルボジイミドを十分に洗浄除去する。次に、AFP抗体等の蛋白質を加え、約2時間反応させた後、未反応の蛋白質を洗浄除去することにより、蛋白質を化学的に固定化することができる。
The specific binding substance (X) is immobilized on the immobilization part (A), and a known method such as a chemical binding method or a physical adsorption method can be used as the immobilization method.
When the specific binding substance (X) is a protein such as an immunity protein or enzyme, the chemical binding method is to introduce a functional group such as an amino group or a sulfhydryl group into the fixing part (A) and perform specific binding. A method of crosslinking a functional group such as an amino group and a sulfhydryl group of the substance (X) with glutaraldehyde, succinaldehyde, m-maleimidobenzoyl-N-hydrosuccinimide ester, o-phenylenebismaleimide, etc. can be used (for example, US No. 4,280,992 and US Pat. No. 3,565,761).
In addition, a method in which a carboxyl group is introduced into the fixing part (A) and bound to the amino group of the specific binding substance (X) through carbodiimide can be mentioned. The case where a polystyrene resin having a carboxyl group on the surface is used as the material of the fixing part (A) will be specifically described. First, after reacting a carboxyl group and carbodiimide at room temperature for about 1 hour, unreacted carbodiimide is sufficiently washed away. Next, after adding a protein such as an AFP antibody and reacting for about 2 hours, the protein can be chemically immobilized by washing away the unreacted protein.

物理吸着による方法としては、例えば、固定部(A)がポリスチレンの場合、特異的結合物質(X)を0.001〜0.04%(W/V)含む炭酸緩衝液(pH9.0)に固定部(A)を適当時間浸漬する方法が使用できる(例えば、バイオシム・バイオフィズ・アクタ、251巻、427頁、1971年に記載されている。)。
特異的結合物質(X)が核酸である場合、物理的に結合する方法としては、固定部(A)に正電荷を付与し、電気的引力により結合するものである。この方法は、DNA が負電荷を有していることを利用するものであり、ポリリジンを表面にコートする方法やアミノシランを固定部(A)に反応させアミノ基を導入する方法など、公知の方法を使用することができる。
固定化する方法としては、検出感度向上等の観点から、化学的に結合する方法が好ましい。
As a method by physical adsorption, for example, when the immobilization part (A) is polystyrene, a carbonate buffer solution (pH 9.0) containing 0.001 to 0.04% (W / V) of a specific binding substance (X) is used. A method of immersing the fixing part (A) for an appropriate time can be used (for example, described in BioSim Biophys Actor, Vol. 251, page 427, 1971).
When the specific binding substance (X) is a nucleic acid, a physical binding method is to impart a positive charge to the fixing part (A) and bind by electrical attraction. This method utilizes the fact that DNA has a negative charge, and is a known method such as a method of coating polylysine on the surface or a method of introducing an amino group by reacting aminosilane with the fixing part (A). Can be used.
As a method for immobilization, a chemical bonding method is preferable from the viewpoint of improving detection sensitivity.

特異的結合物質(X)が固定化される固定部(A)とは、ターゲット物質と特異的結合物質(X)との反応を行う部分であり、かつ、励起光が照射され、蛍光シグナルが発生する部分である。具体的には、固定部(A)では、次のような操作が行われる。まず、固定部(A)に、ターゲット物質を含有するサンプルを供給すると、ターゲット物質と固定化されている特異的結合物質(X)が反応し、ターゲット物質以外のものは、通過する又は洗浄操作により除去される。次に、蛍光物質を固定化したターゲット物質のみと特異的結合する蛍光標識物質を供給して、ターゲット物質の存在する場所のみに選択的に蛍光標識物質を結合させる。又は、蛍光標識物質とサンプルを予め反応させておいてもよい。結合した蛍光物質に励起光を照射することにより、蛍光シグナルが発生する。   The immobilization part (A) on which the specific binding substance (X) is immobilized is a part that reacts with the target substance and the specific binding substance (X), and is irradiated with excitation light, and the fluorescence signal is emitted. This is the part that occurs. Specifically, the following operation is performed in the fixing portion (A). First, when a sample containing a target substance is supplied to the fixing part (A), the target substance and the specific binding substance (X) immobilized are reacted, and other substances than the target substance pass through or are washed. Is removed. Next, a fluorescent labeling substance that specifically binds only to the target substance on which the fluorescent substance is immobilized is supplied, and the fluorescent labeling substance is selectively bound only to the location where the target substance exists. Alternatively, the fluorescent labeling substance and the sample may be reacted in advance. By irradiating the bound fluorescent substance with excitation light, a fluorescent signal is generated.

従って、固定部(A)には、前述の操作を行うことができる形態でなければならない。具体的には、固定部(A)は、液体状のサンプルが供給されるため、チューブや流路、微細な容器などを有する分析セル内に存在することが好ましい。ここで分析セルとは、サンプルの供給、ターゲット物質と特異的結合物質(X)との反応、サンプルの排出といった一連の分析操作を行うその内部で行うことができるセルを意味する。サンプルのろ過や濃縮といった操作が可能な分析セルも使用することができる。   Therefore, the fixing portion (A) must be configured to perform the above-described operation. Specifically, since the liquid sample is supplied, the fixing portion (A) is preferably present in an analysis cell having a tube, a flow path, a fine container, and the like. Here, the analysis cell means a cell that can be used in a series of analysis operations such as sample supply, reaction between the target substance and specific binding substance (X), and sample discharge. An analysis cell capable of operations such as sample filtration and concentration can also be used.

分析セルとしては、種々の形状、大きさのセルを使用することができるが、後述のフォトニック結晶(B)の被覆の観点から、平板状のセル(C)であることが好ましい。平板状セル(C)の大きさとしては、1辺が0.1〜10cm、厚みが0.1〜1000μmであることが好ましく、更に好ましくは、1辺が0.5〜5cm、厚みが0.3〜100μm、特に好ましくは、1辺が1〜3cm、厚みが0.5〜10μmである。
分析セルの内部形態としては、前述の薄膜構造に対応できる形態であり、かつ、サンプル量の減少、反応効率の向上といった観点から、流路の径が1000〜1μm程度のマイクロ流路(D)構造であることが好ましい。
マイクロ流路(D)は、ナノインプリント法等により作製することができる。
As the analysis cell, cells having various shapes and sizes can be used. From the viewpoint of coating a photonic crystal (B) described later, a flat cell (C) is preferable. The size of the flat cell (C) is preferably 0.1 to 10 cm on one side and 0.1 to 1000 μm in thickness, more preferably 0.5 to 5 cm on one side and 0.3 to 100 μm in thickness, particularly preferably , One side is 1 to 3 cm, and the thickness is 0.5 to 10 μm.
The internal form of the analysis cell is a form that can accommodate the above-mentioned thin film structure, and from the viewpoint of reducing the amount of sample and improving the reaction efficiency, a micro-channel (D) with a channel diameter of about 1000-1 μm A structure is preferred.
The microchannel (D) can be produced by a nanoimprint method or the like.

本発明のバイオセンサーチップは、固定部(A)を被覆するフォトニック結晶(B)を設置する構造であり、即ち、固定部(A)はフォトニック結晶(B)に被覆されていなければならない。
フォトニック結晶(B)は、蛍光シグナルの増幅の観点から、固定部(A)を広く被覆することが好ましく、分析セルの固定部(A)のみを被覆してもよいし、蛍光シグナルの取出口を確保した上で分析セルの全てを被覆してもよい。フォトニック結晶による被覆は、固定部(A)の特定の部分(面)及び固定部(A)を挟んでその特定の部分(面)と逆側にある部分(面)に対して行う必要があり、2個以上のフォトニック結晶を準備し、固定部(A)又は固定部(A)を含む分析セルを挟み込む方法(図1)、又は、フォトニック結晶(B)の中に固定部(A)を設置する方法などが挙げられる。
The biosensor chip of the present invention has a structure in which a photonic crystal (B) covering the fixing part (A) is installed, that is, the fixing part (A) must be covered with the photonic crystal (B). .
The photonic crystal (B) preferably covers the fixed part (A) widely from the viewpoint of amplification of the fluorescent signal, and may cover only the fixed part (A) of the analysis cell, or capture the fluorescent signal. You may coat | cover all the analysis cells, after ensuring an exit. Covering with a photonic crystal must be performed on a specific part (surface) of the fixed part (A) and a part (surface) opposite to the specific part (surface) across the fixed part (A). Yes, by preparing two or more photonic crystals and sandwiching the analysis cell containing the fixed part (A) or fixed part (A) (Fig. 1), or fixed part (in the photonic crystal (B) A) and the like are listed.

後者の方法では、フォトニック結晶中にレーザー加工技術等を使用して流路等の構造体を作製する必要がある。一方、前者の方法は、レーザー加工等を必要とせず、生産性が高く、より好ましい方法といえる。
2個以上のフォトニック結晶を準備し、固定部(A)又は固定部(A)を含む分析セルを挟み込む方法としては、後述の方法により作成した平板状又はフィルム状のフォトニック結晶(B)を、平板状のセル(C)を使用して、これを挟み込むように設置し、熱接着させる又は接着剤を使用して密着する。
In the latter method, it is necessary to produce a structure such as a flow path in the photonic crystal using a laser processing technique or the like. On the other hand, the former method does not require laser processing or the like, has high productivity, and can be said to be a more preferable method.
As a method of preparing two or more photonic crystals and sandwiching an analysis cell including a fixed part (A) or a fixed part (A), a plate-like or film-like photonic crystal (B) prepared by a method described later Is placed so as to sandwich the plate cell (C), and is heat-bonded or adhered using an adhesive.

本バイオセンサーチップは、フォトニック結晶により蛍光シグナルを反射増幅することにより、シグナル強度を増加させて検出感度を飛躍的に向上させることができる。ここでフォトニック結晶とは、光の波長程度の周期性があり、フォトニックバンドギャップという光の禁止帯を有する構造体である。
従って、蛍光シグナルの波長に対応する周期構造を有するフォトニック結晶を使用して、固定部(A)の特定の部分(面)及び固定部(A)を挟んでその特定の部分(面)と逆側にある部分(面)を被覆すれば、蛍光シグナルを反射させることが可能になり、反転分布・誘導放出・反射増幅という光増幅の条件を達成することができる。
This biosensor chip can dramatically improve the detection sensitivity by increasing the signal intensity by reflecting and amplifying the fluorescence signal with the photonic crystal. Here, the photonic crystal is a structure having a periodicity equivalent to the wavelength of light and having a light forbidden band called a photonic band gap.
Therefore, using a photonic crystal having a periodic structure corresponding to the wavelength of the fluorescence signal, the specific part (surface) of the fixed part (A) and the specific part (surface) across the fixed part (A) If the portion (surface) on the opposite side is covered, the fluorescence signal can be reflected, and the conditions of light amplification such as inversion distribution, stimulated emission, and reflection amplification can be achieved.

増強された蛍光シグナルは、固定部(A)のフォトニック結晶に被覆されていない部分から取出され、蛍光分析装置により測定される。
フォトニック結晶に被覆されていない部分を銀等の反射率が高い金属などの反射板を設置とすることにより、蛍光シグナルの取出し効率を更に高めることができる。この場合、全ての部分を被覆してしまうと蛍光シグナルが取り出せなくなるので、一部分は被覆しないことが重要である。具体的には、図1のような分析セルを上下からフォトニック結晶で被覆した場合には、残りの4面のうち、1面は反射板を設置しないことが好ましい。
金属などの被覆による反射板の設置は、バイオセンサーチップを形成後に、金属などを含有するフィルムを貼り付けること等により行うことができる。
また、これら反射板を、固定部(A)を挟んでフォトニック結晶の反対側に設置することもできる。この場合、フォトニック結晶(B)と反射板との間で、蛍光シグナルが増幅されることになる。
The enhanced fluorescence signal is taken out from the portion of the fixed part (A) that is not covered with the photonic crystal and measured by a fluorescence analyzer.
By setting a reflecting plate made of a metal such as silver having a high reflectance such as a portion not covered with the photonic crystal, the efficiency of extracting a fluorescent signal can be further increased. In this case, it is important not to cover a part, since the fluorescence signal cannot be taken out if all parts are covered. Specifically, when the analysis cell as shown in FIG. 1 is covered with a photonic crystal from above and below, it is preferable that one of the remaining four surfaces is not provided with a reflector.
The reflection plate can be installed by coating with metal or the like by attaching a film containing metal or the like after the biosensor chip is formed.
Moreover, these reflectors can also be installed on the opposite side of the photonic crystal with the fixed part (A) in between. In this case, a fluorescence signal is amplified between the photonic crystal (B) and the reflector.

フォトニック結晶の構造としては、六方最密充填構造、立方最密充填構造、体心立方充填構造、ログパイル構造、ダイヤモンド構造等が挙げられる。
これらの構造のうち、生産性等の観点から微粒子を構成単位として使用することができる、六方最密充填構造、立方最密充填構造が好ましい。
Examples of the structure of the photonic crystal include a hexagonal close-packed structure, a cubic close-packed structure, a body-centered cubic packed structure, a log pile structure, and a diamond structure.
Among these structures, a hexagonal close-packed structure and a cubic close-packed structure in which fine particles can be used as a structural unit from the viewpoint of productivity and the like are preferable.

微粒子としては、形状が真球状であり、数平均粒子径が100〜1000nmであることが好ましく、更に好ましくは150〜800nm、特に好ましくは200〜700nmである。平均粒子径がこの範囲内であると、蛍光シグナルを効率よく反射増幅することができる。
また、微粒子の粒度分布はシャープなものであることが好ましく、具体的には変動係数が10%以下であることが好ましく、7%以下が更に好ましく、5%以下が特に好ましい。粒度分布がこの範囲内であると、増幅効率の高いフォトニック結晶を作製することができる。ここで変動係数とは、標準偏差を平均値で除した値の百分率を意味する。不定形の粒子であったり、粒度分布がブロードであったりするとフォトニック結晶中に粒子が集積されていない欠陥が存在する等、高感度のバイオセンサーチップに適したフォトニック結晶を作製することができない。
The fine particles have a true spherical shape and a number average particle diameter of preferably 100 to 1000 nm, more preferably 150 to 800 nm, and particularly preferably 200 to 700 nm. When the average particle diameter is within this range, the fluorescent signal can be efficiently reflected and amplified.
The particle size distribution of the fine particles is preferably sharp, and specifically, the coefficient of variation is preferably 10% or less, more preferably 7% or less, and particularly preferably 5% or less. When the particle size distribution is within this range, a photonic crystal with high amplification efficiency can be produced. Here, the variation coefficient means a percentage of a value obtained by dividing the standard deviation by the average value. It is possible to produce a photonic crystal suitable for a highly sensitive biosensor chip, such as irregular particles or a broad particle size distribution, where there are defects in which particles are not accumulated in the photonic crystal. Can not.

微粒子の組成としては、スチレン、メチルメタクリレートを主要成分とするポリマーや金属酸化物が好ましく、これらの組成からなる微粒子は、公知の方法により合成することができる。例えば、スチレンを主要成分とする場合、乳化重合法、懸濁重合法、ソープフリー乳化重合法等が挙げられ、シリカの場合、ゾルゲル法等が挙げられる。これらの組成からなり、上記の好ましい平均粒子径及び粒度分布を有する微粒子は数多く市販されており、それらの市販品を使用することもできる。   The composition of the fine particles is preferably a polymer or metal oxide mainly composed of styrene and methyl methacrylate, and the fine particles having these compositions can be synthesized by a known method. For example, when styrene is the main component, an emulsion polymerization method, a suspension polymerization method, a soap-free emulsion polymerization method, and the like can be mentioned. In the case of silica, a sol-gel method and the like can be mentioned. Many fine particles having such a composition and having the above-mentioned preferable average particle diameter and particle size distribution are commercially available, and those commercially available products can also be used.

フォトニック結晶の作製方法としては、マイクロマニュピュレーター等を使用して構成単位を1個ずつ集積する方法や構成単位として微粒子を使用し、重力や遠心力、毛細管力、液架橋力等により集積する方法が挙げられる。
前者の方法としては、構成単位、具体的には、公知の微細加工技術(リソグラフィー及びエッチング、レーザー加工等)により作製した金属化合物や合成ポリマーからなる柱状体や板状体を電子顕微鏡等で確認しながら1個ずつ集積していく方法が挙げられる。この方法によれば、フォトニックバンドギャップを容易に得ることができるログパイル構造を作製することができる。
As a photonic crystal production method, a micromanipulator or the like is used to collect the structural units one by one, or microparticles are used as the structural unit, which are collected by gravity, centrifugal force, capillary force, liquid bridging force, etc. The method of doing is mentioned.
As the former method, a structural unit, specifically, a columnar body or a plate-like body made of a metal compound or a synthetic polymer prepared by a known fine processing technique (lithography and etching, laser processing, etc.) is confirmed with an electron microscope or the like. One way is to collect them one by one. According to this method, it is possible to produce a log pile structure capable of easily obtaining a photonic band gap.

一方、後者の方法は、電子顕微鏡等で確認しながら集積する必要がなく、集積ドライビングフォースを適切に選択すれば、極めて容易に大量生産することができるため前者の方法よりも好ましい。後者の方法によれば、フォトニック結晶の構造は六方最密充填構造及び/又は立方最密充填構造となる。後述のように、ある特定形状のテンプレートを使用する場合には、選択的に立方最密充填構造が得られる。
ここで立方最密充填構造及び六方最密充填構造とは、いずれも最密充填構造であって、充填率は74体積%である。
On the other hand, the latter method is preferable to the former method because it is not necessary to perform accumulation while confirming with an electron microscope or the like, and mass production can be performed very easily if the accumulation driving force is appropriately selected. According to the latter method, the photonic crystal has a hexagonal close-packed structure and / or a cubic close-packed structure. As will be described later, when a template having a specific shape is used, a cubic close-packed structure is selectively obtained.
Here, the cubic close-packed structure and the hexagonal close-packed structure are both close-packed structures, and the filling rate is 74% by volume.

立方最密充填構造は、面心立方格子構造とも呼ばれ、正四角形の単位格子の各頂点および各面の中心に粒子が位置し、最稠密面をABCABCABCの順に重ねた構造となっている。
六方最密充填構造は、単位格子を正六角柱で表し、この正六角柱の上面および底面の各角および中心と、六角柱の内部で高さ 1/2 のところに 3 つの粒子が存在する。底面の中心に位置する原子は、底面の角の 6 粒子および上下の各3粒子(計 12 粒子)と接しており、最稠密面をABABABの順に重ねた構造となっている。
また、構成単位を使用しない方法、即ち、一定の形態を有さない樹脂材料等をレーザーにより直接加工する方法もフォトニック結晶の作製方法として挙げることができる。具体的な方法としては、感光性レジストに短パルスレーザーを照射することによりレーザーを照射した部分のみを選択的に硬化させて周期構造を得る方法(特開2004-126312に記載の方法)などが挙げられる。
The cubic close-packed structure is also called a face-centered cubic lattice structure, and has a structure in which particles are positioned at the vertices of the regular tetragonal unit cell and the center of each surface, and the close-packed surfaces are stacked in the order ABCCABBC.
In the hexagonal close-packed structure, the unit cell is represented by a regular hexagonal column, and there are three particles at each corner and center of the top and bottom surfaces of this regular hexagonal column and at a height of 1/2 inside the hexagonal column. The atom located in the center of the bottom is in contact with the 6 particles at the corner of the bottom and 3 particles above and below (12 particles in total), and has the structure in which the most dense surfaces are stacked in the order of ABABAB.
In addition, a method that does not use a structural unit, that is, a method that directly processes a resin material or the like that does not have a certain form with a laser can also be mentioned as a method for producing a photonic crystal. As a specific method, there is a method of obtaining a periodic structure by selectively curing only a portion irradiated with a laser by irradiating a photosensitive resist with a short pulse laser (a method described in JP-A-2004-126312). Can be mentioned.

微粒子を使用し、重力や遠心力、毛細管力、液架橋力等により集積する方法では、何らかのテンプレート基板(Q)が必要である。テンプレートの機能を有する基板(Q)としては、微粒子を規則的に集積できる基板であれば種々の基板を使用することができ、凹凸のない平面基板、穴が形成された基板、溝が形成された基板等を使用することができる。これら基板の形状や大きさにより、得られるフォトニック結晶(B)の形状や大きさが決定されるため、精度良く穴や溝のサイズが揃った基板が必要であり、穴が形成された基板、溝が形成された基板等を使用することが好ましい。これらの基板(Q)を使用すれば、極めて欠陥の少なく規則性の高いフォトニック結晶を作製することができ、バイオセンサーチップの感度が更に良好なものとなる。
基板(Q)を構成する材料としては、シリコンやシリカ、酸化チタン等の無機化合物からなるものやアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂や感光性樹脂などの合成ポリマー等からなるものを使用することができる。
A template substrate (Q) is required in the method of using fine particles and accumulating by gravity, centrifugal force, capillary force, liquid bridging force and the like. As the substrate (Q) having a template function, various substrates can be used as long as they can regularly collect fine particles, and a flat substrate without irregularities, a substrate with holes, and grooves are formed. Substrate etc. can be used. Since the shape and size of the resulting photonic crystal (B) are determined by the shape and size of these substrates, a substrate with a uniform hole and groove size is required, and a substrate with holes formed It is preferable to use a substrate on which grooves are formed. By using these substrates (Q), a photonic crystal having very few defects and high regularity can be produced, and the sensitivity of the biosensor chip is further improved.
As a material constituting the substrate (Q), it is possible to use a material made of an inorganic compound such as silicon, silica, titanium oxide or a material made of a synthetic polymer such as an acrylic resin, an epoxy resin, a polyimide resin or a photosensitive resin. it can.

穴が形成された基板としては、図2のような基板が挙げられる。図2に示す穴の形状は基板表面に対して正確に54.7°の角度をなす逆ピラミッド型であり、このような極めて精度良くサイズの揃った穴を有する基板は、光や電子線を使用したリソグラフィー及びエッチング等の公知の微細加工技術により作製することができる。
例えば、図2に示す逆ピラミッド型基板は、電子線リソグラフィーと異方性エッチングにより作製することができる。具体的には、シリコン基板状に塗布したレジスト膜を電子線によりパターンニング(電子線リソグラフィー)した後、水酸化カリウム水溶液にて100面を選択的に溶解(異方性エッチング)することにより作製できる。逆ピラミッド型の穴を形成した基板を使用して、ピラミッドの先端部より順に微粒子を集積すれば、立方最密充填構造のみからなる周期構造を作製することもできる。
この方法を使用すれば、逆ピラミッド型の穴だけでなく、断面がV字型のアスペクト比が高い溝も精度良く作製することができるし、同様の微細加工技術を利用して、円柱型、柱状型の穴等も作製することができる。
An example of the substrate in which the hole is formed is a substrate as shown in FIG. The shape of the hole shown in Fig. 2 is an inverted pyramid type that forms an angle of 54.7 ° with respect to the surface of the substrate. The substrate with such a hole with a uniform size uses light or an electron beam. It can be produced by a known fine processing technique such as lithography and etching.
For example, the inverted pyramid type substrate shown in FIG. 2 can be produced by electron beam lithography and anisotropic etching. Specifically, a resist film coated on a silicon substrate is patterned by electron beam (electron beam lithography), and then 100 surfaces are selectively dissolved (anisotropic etching) with an aqueous potassium hydroxide solution. it can. By using a substrate having an inverted pyramid type hole and collecting fine particles in order from the tip of the pyramid, a periodic structure consisting only of a cubic close-packed structure can be produced.
If this method is used, not only inverted pyramid type holes, but also V-shaped cross-sections with high aspect ratio grooves can be accurately produced. Columnar holes and the like can also be produced.

その他、無機化合物等からなる平面基板に電子線リソグラフィー等により作製したレジスト膜のパターン自体を基板(Q)とすることもできるし、微細加工技術により金型基板を作製し、これを熱軟化点以上に加熱した熱可塑性樹脂等に押しつけパターンを転写する方法(ナノインプリント法)により作製した樹脂製の基板も使用することができる。
1つの穴の大きさ(μm)としては、直径が1〜1000であることが好ましく、更に好ましくは5〜500、特に好ましくは10〜100である。
In addition, the resist film pattern itself produced by electron beam lithography or the like on a flat substrate made of an inorganic compound or the like can be used as the substrate (Q), or a mold substrate can be produced by microfabrication technology, and the heat softening point can be obtained. A resin substrate produced by a method (nanoimprint method) of transferring a pressing pattern to a thermoplastic resin or the like heated as described above can also be used.
As the size (μm) of one hole, the diameter is preferably 1 to 1000, more preferably 5 to 500, and particularly preferably 10 to 100.

溝が形成された基板としては、図3のような基板が挙げられ、同様の微細加工技術により作製することができる。ここで溝とは穴よりもアスペクト比(長径/短径、短径とは基板表面の断面の直径)が高い線状のものを意味し、具体的には、アスペクト比が10倍以上のものである(アスペクト比が10倍未満のものを穴とする)。
溝の断面の形状としては、四角形や図3のようなV字型等が挙げられる。
1つの溝の大きさ(μm)としては、短径が1〜1000、長径が10〜50000であることが好ましく、更に好ましくは短径が5〜500、長径が50〜20000、特に好ましくは短径が10〜100、長径が100〜10000である。
これらの溝としては、溝の両端が切り出されているもの、即ち、基板の端部に溝の両端が存在するものや片端だけが切り出されているもの、又は両端とも切り出されていないものを使用することができる。
Examples of the substrate on which the groove is formed include a substrate as shown in FIG. 3 and can be manufactured by the same fine processing technique. Here, the groove means a linear shape having a higher aspect ratio (major axis / minor axis, where the minor axis is the diameter of the cross section of the substrate surface) than the hole. Specifically, the aspect ratio is 10 times or more. (A hole whose aspect ratio is less than 10 times is used as a hole).
Examples of the cross-sectional shape of the groove include a quadrangle and a V-shape as shown in FIG.
As the size (μm) of one groove, the minor axis is preferably 1 to 1000 and the major axis is preferably 10 to 50,000, more preferably the minor axis is 5 to 500, and the major axis is 50 to 20000, particularly preferably short. The diameter is 10-100 and the major axis is 100-10000.
As these grooves, those in which both ends of the groove are cut out, that is, those in which both ends of the groove are present at the end of the substrate, those in which only one end is cut out, or those in which both ends are not cut out are used. can do.

これらの基板(Q)に微粒子を重力や遠心力、毛細管力、液架橋力等により集積する方法としては公知の方法等を使用することができる。
重力による微粒子の集積方法は、自然沈降法とも呼ばれ、基板(Q)に微粒子のスラリーを滴下し、重力を集積ドライビングフォースとして微粒子を集積する方法である。ここで集積ドライビングフォースとは、微粒子を基板(Q)に集積させるために働かせる力を意味する。
液架橋力による微粒子の集積方法(液架橋力法)は、基板(Q)に微粒子のスラリーを滴下し、溶媒の蒸発によって発生する液架橋力を集積ドライビングフォースとして微粒子を集積する方法である。
As a method for accumulating fine particles on these substrates (Q) by gravity, centrifugal force, capillary force, liquid cross-linking force, etc., known methods can be used.
The method of collecting fine particles by gravity is also referred to as a natural sedimentation method, and is a method of collecting fine particles by dropping a slurry of fine particles on a substrate (Q) and using gravity as an integrated driving force. Here, the integrated driving force means a force that acts to accumulate fine particles on the substrate (Q).
The fine particle accumulation method by liquid cross-linking force (liquid cross-linking force method) is a method in which fine particle slurry is dropped onto a substrate (Q), and the fine particles are accumulated using the liquid cross-linking force generated by evaporation of the solvent as an integrated driving force.

遠心力を使用した集積方法は、集積ドライビングフォースとして遠心力を使用することにより、フォトニック結晶の生産効率を高め、更に従来の方法では作製することが困難である均一性の高い周期構造単位の小さなフォトニック結晶を作製することが可能な方法である。例えば、遠心力を10G加えると、集積速度が10倍となる。また、5000G程度の強い遠心力を加えると、粒子径が300nm程度の小さな粒子も容易に集積することが可能であり、バイオセンサーチップに適した構造単位の小さなフォトニック結晶を作製することができる。また、フォトニック結晶の均一性を向上させる方法として、集積条件の最適化が難しい液架橋力を働かせないことが好ましい。具体的な操作としては、集積処理中に溶媒の蒸発を行わないことが挙げられる。   The integration method using centrifugal force increases the production efficiency of the photonic crystal by using centrifugal force as the integrated driving force, and further improves the uniformity of periodic structural units that are difficult to produce by conventional methods. This is a method capable of producing a small photonic crystal. For example, when a centrifugal force of 10 G is applied, the accumulation speed becomes 10 times. In addition, when a strong centrifugal force of about 5000 G is applied, small particles with a particle size of about 300 nm can be easily collected, and a photonic crystal with a small structural unit suitable for a biosensor chip can be produced. . Further, as a method for improving the uniformity of the photonic crystal, it is preferable not to use the liquid crosslinking force, which makes it difficult to optimize the accumulation conditions. A specific operation includes not evaporating the solvent during the accumulation process.

遠心力とは、遠心力中心から外へと向かう方向の慣性力であり、次式で与えられる。
F = mrω
ここで、mは真球状粒子(P)の質量、rは遠心場の中心から真球状粒子(P)までの距離、ωは角速度(回転数×2π)である。rは、正確には遠心場の中心(遠心機の中心)から真球状粒子(P)までの距離であるが、粒子は常に移動するので、便宜上遠心機の中心から基板(Q)までの距離として扱う。
使用する遠心力の強さとしては、粒子径や粒子の比重により好ましい強さは異なるが、生産速度向上の観点からは強い方がよい。但し、規則性の高い均一な真球状粒子(P)の集積体を作製するためには、遠心力の強さだけでなく、処理時間、粒子スラリーの濃度、溶媒の蒸発速度等のパラメーターを最適化する必要がある。
Centrifugal force is an inertial force in the direction from the center of centrifugal force to the outside, and is given by the following equation.
F = mrω 2
Here, m is the mass of the true spherical particle (P), r is the distance from the center of the centrifugal field to the true spherical particle (P), and ω is the angular velocity (number of revolutions × 2π). To be precise, r is the distance from the center of the centrifuge field (centrifugal center) to the spherical particle (P), but since the particles always move, the distance from the center of the centrifuge to the substrate (Q) for convenience. Treat as.
The strength of the centrifugal force to be used varies depending on the particle diameter and the specific gravity of the particles, but it is better from the viewpoint of improving the production speed. However, in order to produce a highly regular and uniform aggregate of spherical particles (P), not only the strength of the centrifugal force but also parameters such as processing time, particle slurry concentration, and solvent evaporation rate are optimal. It is necessary to make it.

例えば、微粒子として数平均粒子径が500nmのポリスチレン粒子、基板(Q)として直径が10μmの正方形の穴径を有し、深さが12μmの図2に示す逆ピラミッド型の穴が形成された基板を使用した場合のこれらパラメーターの好ましい範囲は、生産効率及び得られるフォトニック結晶(B)の均一性等の観点から以下の通りである。
遠心力の強さとしては、10〜10000Gであることが好ましく、更に好ましくは100〜8000G、特に好ましくは500〜5000Gである。
処理時間としては、遠心力の強さによっても異なるが、5〜3600分であることが好ましく、更に好ましくは10〜1000分、特に好ましくは15〜120分である。
微粒子スラリーの濃度としては、粒子スラリーの量によっても異なるが、0.01〜20重量%であることが好ましく、更に好ましくは0.02〜15重量%、特に好ましくは0.05〜10重量%である。微粒子スラリーの調製方法としては、微粒子を水等に界面活性剤や超音波分散機を使用して分散することにより調整できるが、水中にて原料モノマー等からソープフリー乳化重合等により微粒子を合成して、そのまま微粒子スラリーとして用いることが好ましい。
溶媒の蒸発は、前述のように、集積処理中に行わないことが好ましい。
For example, a polystyrene particle having a number average particle diameter of 500 nm as a fine particle, and a substrate (Q) having a square hole diameter of 10 μm in diameter and having a depth of 12 μm and an inverted pyramid type hole shown in FIG. The preferable range of these parameters when using is as follows from the viewpoints of production efficiency and uniformity of the resulting photonic crystal (B).
The strength of the centrifugal force is preferably 10 to 10,000 G, more preferably 100 to 8000 G, and particularly preferably 500 to 5000 G.
The treatment time varies depending on the strength of the centrifugal force, but is preferably 5 to 3600 minutes, more preferably 10 to 1000 minutes, and particularly preferably 15 to 120 minutes.
The concentration of the fine particle slurry varies depending on the amount of the particle slurry, but is preferably 0.01 to 20% by weight, more preferably 0.02 to 15% by weight, and particularly preferably 0.05 to 10% by weight. The method for preparing the fine particle slurry can be adjusted by dispersing the fine particles in water using a surfactant or an ultrasonic disperser. The fine particles are synthesized from the raw material monomers by soap-free emulsion polymerization in water. Therefore, it is preferable to use it as a fine particle slurry as it is.
The evaporation of the solvent is preferably not performed during the accumulation process as described above.

具体的な製造方法としては、基板(Q)に形成した穴又は溝に、微粒子のスラリーを充填し、基板(Q)の表面に対して垂直に遠心力を加えて穴又は溝に微粒子を集積する方法である。
微粒子をそのまま使用するのではなく、溶媒に分散したスラリーとして使用するのは、粒子に機動性を持たせるためである。溶媒がない場合又は溶媒が蒸発してなくなった場合、粒子間や粒子と基板間において直ちに固着が起こり、粒子の機動性が無くなるため、均一性の高いフォトニック結晶(B)を作製することができない。
As a specific manufacturing method, holes or grooves formed in the substrate (Q) are filled with a slurry of fine particles, and centrifugal force is applied perpendicularly to the surface of the substrate (Q) to accumulate the fine particles in the holes or grooves. It is a method to do.
The reason why the fine particles are not used as they are but as a slurry dispersed in a solvent is to give the particles mobility. When there is no solvent or when the solvent ceases to evaporate, adhesion between the particles or between the particles and the substrate occurs immediately, and the mobility of the particles is lost, so a highly uniform photonic crystal (B) can be produced. Can not.

ここで溶媒とは、微粒子を溶解せず、分散させることができるものであれば発明の構成上特に限定されず、水やアルコール、アセトンやトルエンなどの有機溶剤等を使用することができる。クリーンプロセス等の観点から、溶媒として水、低級アルコール又はこれらの混合溶媒を使用することが好ましい。
粒子のブラウン運動は規則的な集積を促進するため、遠心力の強度を定期的に増減させる、温度を高くする、何らかの振動を与える等に粒子に更に機動性を付与する方法は、均一性の高いフォトニック結晶(B)を作製する方法として有効である。
基板(Q)の表面に対して垂直に遠心力を加えるとは、微粒子が 基板(Q)の表面、穴や溝が形成された基板であれば、穴や溝の底部に対して垂直な力によって集積されることを意味する。具体的な方法としては、遠心力の増加に伴って基板(Q)を設置した遠心管の角度が変化する、所謂、スイングローター型の遠心機を使用する方法(図4)や遠心力が強い場合であって、遠心力がかかる方向に対して垂直に基板(Q)を設置することができる遠心機を使用する方法等が挙げられる。後者の方法において、遠心力が強い場合とは大凡500G以上の遠心力を加える場合を意味する。遠心力が大きくなると重力の影響が無視できるからである。
Here, the solvent is not particularly limited in terms of the structure of the invention as long as the fine particles can be dispersed without being dissolved, and organic solvents such as water, alcohol, acetone and toluene can be used. From the viewpoint of a clean process or the like, it is preferable to use water, a lower alcohol or a mixed solvent thereof as a solvent.
Since the Brownian motion of the particles promotes regular accumulation, the method of adding more mobility to the particles such as periodically increasing / decreasing the strength of the centrifugal force, increasing the temperature, applying some vibration, etc. It is effective as a method for producing a high photonic crystal (B).
Applying a centrifugal force perpendicular to the surface of the substrate (Q) means that if the microparticles are a substrate with the surface of the substrate (Q) and holes or grooves formed, the force perpendicular to the bottom of the holes or grooves Means to be accumulated. Specifically, as the centrifugal force increases, the angle of the centrifuge tube on which the substrate (Q) is installed changes, using a so-called swing rotor type centrifuge (Fig. 4) or strong centrifugal force. In this case, a method using a centrifuge capable of installing the substrate (Q) perpendicular to the direction in which the centrifugal force is applied may be used. In the latter method, the case where the centrifugal force is strong means a case where a centrifugal force of about 500 G or more is applied. This is because the influence of gravity can be ignored when the centrifugal force increases.

これらの方法に使用できる遠心機としては、市販されている多くの遠心機を使用することができる。例えば、冷却高速遠心機H2600、H923,H2000B、小型卓上遠心機H11NA、H19FMR(コクサン社製)、高速冷却遠心機GRX250、SRX201(トミー精工社製)などを使用することができる。使用できるローター(遠心管)としては、前者の方法の場合は、RF109L、RF127(H19FMR用)やSH1(H2600用)などが使用でき、後者の方法の場合は、DWH1(H2600用)などが使用できる。   As a centrifuge that can be used in these methods, many commercially available centrifuges can be used. For example, cooling high-speed centrifuges H2600, H923, H2000B, small table centrifuges H11NA, H19FMR (manufactured by Kokusan), high-speed cooling centrifuges GRX250, SRX201 (manufactured by Tommy Seiko Co., Ltd.) and the like can be used. As the rotor (centrifuge tube) that can be used, RF109L, RF127 (for H19FMR) and SH1 (for H2600) can be used in the former method, and DWH1 (for H2600) is used in the latter method. it can.

遠心力を基板(Q)の表面に対して垂直ではなく平行にかける方法によってもフォトニック結晶(B)を作製することができる。
この方法は、基板(Q)に形成した溝に必要により上部カバーを設置し、遠心場の外側に位置する溝の片端又はその片端直上の上部カバーに液量調整部を設け、溝に微粒子のスラリーを充填した後、基板(Q)の表面に対して平行の方向に遠心力を加えて、必要により液量調整部を調整しながら、溝に微粒子を集積する方法である。この方法に使用する装置の概念図を図5に示す。
The photonic crystal (B) can also be produced by applying a centrifugal force parallel to the surface of the substrate (Q) rather than perpendicularly.
In this method, if necessary, an upper cover is installed in the groove formed in the substrate (Q), a liquid amount adjusting unit is provided on one end of the groove located outside the centrifugal field or on the upper cover just above the one end, and the groove contains fine particles. In this method, after the slurry is filled, fine particles are accumulated in the groove while applying a centrifugal force in a direction parallel to the surface of the substrate (Q) and adjusting the liquid amount adjusting unit as necessary. A conceptual diagram of an apparatus used in this method is shown in FIG.

上部カバーとは、微粒子のスラリーの排出を防止する目的で基板(Q)に形成した溝又は基板(Q)全面の上部に設置されるカバーであり、排出のおそれがある場合には設置することが好ましい。
遠心場の外側に位置する溝の片端又はその片端直上の上部カバーに設置した液量調整部とは、溶媒のみを排出し微粒子を透過させないフィルターや弁等であって、溶媒の排出速度を任意に調整できることが好ましい。微粒子が集積された後において、閉じていた弁を開き溶媒を排出してもよいし、フィルターや適当に開いた弁を使用して微粒子の集積過程において溶媒を排出してもよい。但し、フォトニック結晶の均一性向上等の観点から、微粒子の集積が完了するまで、溶媒を完全に排出しないことが好ましい。
溝に微粒子のスラリーを充填した後、基板(Q)の表面に対して平行の方向に遠心力を加えるとは、基板に形成した遠心場の外側に位置する溝の片端断面に対して垂直に遠心力をかけることを意味する。従って、微粒子は遠心場外側に位置する溝の片端より順に集積されることになる。
The top cover is a cover that is installed on the top of the groove formed on the substrate (Q) or the entire surface of the substrate (Q) for the purpose of preventing the discharge of the slurry of fine particles. Is preferred.
The liquid volume control unit installed on one end of the groove located outside the centrifuge field or on the top cover just above one end is a filter or valve that discharges only the solvent and does not allow the passage of fine particles. It is preferable that it can be adjusted. After the fine particles are collected, the solvent may be discharged by opening the closed valve, or the solvent may be discharged in the process of collecting the fine particles using a filter or an appropriately opened valve. However, from the viewpoint of improving the uniformity of the photonic crystal, it is preferable that the solvent is not completely discharged until the accumulation of the fine particles is completed.
Applying centrifugal force in a direction parallel to the surface of the substrate (Q) after filling the groove with fine particle slurry is perpendicular to the cross section of one end of the groove located outside the centrifuge field formed on the substrate. Means applying centrifugal force. Therefore, the fine particles are sequentially accumulated from one end of the groove located outside the centrifugal field.

前述の方法において、基板(Q)の表面に対して平行の方向に遠心力を加えた状態で、微粒子のスラリーを遠心場の内側の片端から充填することによりフォトニック結晶(B)を製造することもできる。この方法によれば生産効率が更に高くなり、連続的な製造方法として極めて有効である。
この方法に使用する装置の概念図を図6に示す。遠心中心に微粒子のスラリーを滴下し一時的に溜めておくための凹部(WP)があり、その周囲に基板(Q)を設置する。基板装着部(QS)は凹部の壁が除去されており、基板(Q)に形成された溝の底部とWPの底部が同じ高さとなるように設計及び設置することが好ましい。本発明の構成上、基板装着部(QS)の数に制限はなく、多数も受けることにより、更に生産性が向上する。
上部カバーを設置する場合には、遠心中心に微粒子スラリーの供給部(WI)を設けておき、ここから遠心中心にスラリーを滴下することができる。
In the above-described method, a photonic crystal (B) is produced by filling a slurry of fine particles from one end inside the centrifugal field with centrifugal force applied in a direction parallel to the surface of the substrate (Q). You can also. According to this method, the production efficiency is further increased and it is extremely effective as a continuous production method.
A conceptual diagram of an apparatus used in this method is shown in FIG. There is a recess (WP) for dripping a fine particle slurry in the center of the centrifuge and temporarily storing it, and a substrate (Q) is placed around it. The substrate mounting portion (QS) is preferably designed and installed such that the wall of the recess is removed, and the bottom of the groove formed in the substrate (Q) and the bottom of the WP are the same height. In the configuration of the present invention, the number of substrate mounting portions (QS) is not limited, and the productivity is further improved by receiving a large number.
When the upper cover is installed, a fine particle slurry supply unit (WI) is provided at the centrifugal center, and the slurry can be dropped onto the centrifugal center from here.

遠心力を基板(Q)の表面に対して平行にかける方法に使用できる遠心機としては、市販されているスピンコーター等を使用することができる。例えば、1Hシリーズ(ミカサ社製)、ACTシリーズ、ASSシリーズ(アクティブ社製)、K359シリーズ(共和理研社製)等が挙げられる。
スピンコーターの回転数としては、回転半径等によって好ましい回転数が異なるが、前述の強さの遠心力が加わるように調整することが好ましい。
A commercially available spin coater or the like can be used as a centrifuge that can be used in a method of applying a centrifugal force parallel to the surface of the substrate (Q). For example, 1H series (manufactured by Mikasa), ACT series, ASS series (manufactured by Active), K359 series (manufactured by Kyowa Riken) and the like can be mentioned.
As the rotation speed of the spin coater, a preferable rotation speed varies depending on the rotation radius or the like, but it is preferable to adjust so that the above-described strong centrifugal force is applied.

毛細管力を使用した集積方法としては、細い管の中の溶媒が管の中を上昇する現象(毛細管現象)を集積ドライビングフォースとして真球状粒子を集積する方法である。
溶媒が上昇する高さは、溶媒の表面張力、管の濡れ易さ、溶媒の密度等によって決まり、次式により計算することができる。
h= 2Tcosθ/pgr
ここでTは表面張力(N/m)、θは接触角、pは溶媒の密度(kg/m3)、gは重力加速度(m/s2)
、rは管の半径(m)である。
溶媒中に分散されている微粒子は溶媒の上昇により一緒に上昇し、管の上から順に集積されていく。微粒子の集積は、溶媒が蒸発することにより発生する液架橋力によって最終的に行われるが、通常の液架橋力とは異なり力がほぼ垂直方向のみに働く。溶媒の蒸発が管の上から順に起こるため、通常の液架橋力のように四方八方に力が働くものではない。この点で液架橋力とは区別され、非常に集積条件を制御しやすく、均一性の高いフォトニック結晶(B)を作製することが可能な方法である。
An accumulation method using capillary force is a method of accumulating true spherical particles using a phenomenon (capillary phenomenon) in which a solvent in a thin tube ascends in the tube as an accumulation driving force.
The height at which the solvent rises depends on the surface tension of the solvent, the ease of wetting of the tube, the density of the solvent, and the like, and can be calculated by the following equation.
h = 2Tcosθ / pgr
Where T is the surface tension (N / m), θ is the contact angle, p is the density of the solvent (kg / m 3 ), and g is the acceleration of gravity (m / s2)
, R is the radius (m) of the tube.
The fine particles dispersed in the solvent rise together with the rise of the solvent and accumulate in order from the top of the tube. Accumulation of fine particles is finally performed by the liquid crosslinking force generated by the evaporation of the solvent, but unlike the normal liquid crosslinking force, the force works only in the vertical direction. Since the evaporation of the solvent occurs in order from the top of the tube, the force does not work in all directions like the normal liquid bridging force. In this respect, it is distinguished from the liquid crosslinking force, and it is a method that makes it possible to produce a highly uniform photonic crystal (B) that is very easy to control the accumulation conditions.

この方法に使用できる基板(Q)としては、溝を形成した基板であって、溝の両端が切り出されているものに凹凸のない基板を設置したものや、2枚の基板の間に微小な空間を有するものなどを使用することができる。
具体的な方法としては、これらの基板を微粒子のスラリーに片端を浸漬するだけであるが、浸漬していない上部の片端から吸引する方法など生産効率の向上等を目的とした改良方法もある。また、基板表面の親疎水性を調整する等集積の条件を最適化することにより、更に均一性の高いフォトニック結晶(B)を作製することができる。
Substrate (Q) that can be used in this method is a substrate in which a groove is formed and a substrate with no unevenness is provided on both ends of the groove, or a minute between two substrates. The thing etc. which have space can be used.
A specific method is to immerse one end of these substrates in a slurry of fine particles, but there is also an improved method for the purpose of improving production efficiency, such as a method of sucking from one end of the upper portion not immersed. Furthermore, by optimizing the integration conditions such as adjusting the hydrophilicity / hydrophobicity of the substrate surface, a photonic crystal (B) with higher uniformity can be produced.

微粒子を使用し、重力や遠心力、毛細管力、液架橋力等により集積する方法としては、前述のように、公知の方法を使用することができるが、生産性を更に高め、かつ、バイオセンサーチップに適した欠陥のないフォトニック結晶(B)を作製する等の観点から、集積ドライビングフォースとして、遠心力、毛細管力を使用することが好ましい。   As a method of using fine particles and accumulating by gravity, centrifugal force, capillary force, liquid cross-linking force, etc., as described above, known methods can be used. From the viewpoint of producing a defect-free photonic crystal (B) suitable for a chip, it is preferable to use centrifugal force or capillary force as the integrated driving force.

これらの方法により作成されたフォトニック結晶(B)は、テンプレート基板(Q)に充填された状態でバイオセンサーチップに使用することが好ましい。従って、基板(Q)は励起光を透過する樹脂製やガラス製などであることが好ましい。
また、フォトニック結晶(B)の形状としては、固定部(A)又は分析セルを被覆する観点等から、平板状又はフィルム状であることが好ましい。
The photonic crystal (B) produced by these methods is preferably used for a biosensor chip in a state of being filled in the template substrate (Q). Accordingly, the substrate (Q) is preferably made of a resin or glass that transmits excitation light.
Moreover, as a shape of a photonic crystal (B), it is preferable that it is flat form or a film form from a viewpoint etc. which coat | cover a fixed part (A) or an analysis cell.

[実施例]
次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明は実施例に限定されるものではない。なお、特記しない限り部は重量部、%は重量%を意味する。
[Example]
EXAMPLES Next, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples without departing from the gist of the present invention. Unless otherwise specified, “part” means “part by weight” and “%” means “% by weight”.

<基板(Q)の作製>
外観;図2参照
穴の形状;逆ピラミッド型
穴のサイズ;一辺;10μmの正方形(断面)、深さ;12μm、ピラミッドの角度;54°
基板(Q)の大きさ;一辺1cmの正方形
作製方法;
一辺1cmのシリコン基板(基板(Q))を1000℃で1.5時間、大気中で加熱することにより酸化膜を形成した後、ピラニア液(硫酸と30%過酸化水素水を体積比1:9で混合したもの)にて洗浄して有機物を完全に除去した。
<Production of substrate (Q)>
Appearance; see Figure 2 Hole shape; inverted pyramid hole size; one side; 10μm square (cross section), depth; 12μm, pyramid angle; 54 °
Substrate (Q) size: 1cm square
After forming an oxide film by heating a silicon substrate (substrate (Q)) with a side of 1 cm at 1000 ° C for 1.5 hours in the atmosphere, piranha solution (sulfuric acid and 30% hydrogen peroxide water at a volume ratio of 1: 9) The organic matter was completely removed by washing with a mixture.

乾燥後、スピンコーターによりレジストを塗布し、約400nmの膜厚のレジスト膜をシリコン基板上に形成した(180℃で3分間プリベーク)。レジストはαメチルスチレン-αクロロアクリレート共重合体(ZEP520(ポジ型レジスト)、日本ゼオン社製)を使用した。
このレジスト膜に電子線描画装置にて上記の穴のサイズ等に対応するようにパターンを描画した後、現像液(ZEP-RD、日本ゼオン社製)に浸漬してマスクパターンを作製した。
BHF(フッ化アンモニウムとフッ酸を体積比1:9で混合したもの)に数分間浸漬して酸化膜のみを取り除いた後、水酸化カリウム(30%)とイソプロピルアルコール(12%)からなる水溶液に1時間浸漬して、異方性エッチングを行った。最後に、酸化膜をBHFにて取り除いて、ナノインプリント基板用の鋳型基板を作製した。
この鋳型基板を使用して、ニッケル製のナノインプリント基板を得た。厚みが20μmのポリスチレン薄膜をスピンコートにより作製し、インプリント基板により逆ピラミッド型の穴を一面に形成した後、1cm角に切断し、基板(Q)を得た。基板(Q)の端には、約8μmの高さの壁面が形成された。
After drying, a resist was applied by a spin coater to form a resist film having a thickness of about 400 nm on a silicon substrate (prebaked at 180 ° C. for 3 minutes). As the resist, α-methylstyrene-α-chloroacrylate copolymer (ZEP520 (positive resist), manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was used.
A pattern was drawn on the resist film with an electron beam drawing apparatus so as to correspond to the size of the hole and the like, and then immersed in a developer (ZEP-RD, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) to prepare a mask pattern.
An aqueous solution consisting of potassium hydroxide (30%) and isopropyl alcohol (12%) after being immersed in BHF (a mixture of ammonium fluoride and hydrofluoric acid at a volume ratio of 1: 9) for several minutes to remove only the oxide film. For 1 hour to perform anisotropic etching. Finally, the oxide film was removed with BHF to produce a template substrate for a nanoimprint substrate.
Using this template substrate, a nanoimprint substrate made of nickel was obtained. A polystyrene thin film having a thickness of 20 μm was prepared by spin coating, and an inverted pyramid type hole was formed on one surface by an imprint substrate, and then cut into 1 cm square to obtain a substrate (Q). A wall surface having a height of about 8 μm was formed at the edge of the substrate (Q).

<実施例1>
基板(Q)に、平均粒子径270nm、Cv値1.8%の微粒子のスラリー(モリテックス社製3269A)0.1gを滴下し、遠心機(H30R、コクサン社製)を使って、4000Gにて10分間、基板(Q)の表面に対して垂直に遠心力を加えて微粒子を集積した。遠心機には、基板(Q)の表面に対して垂直に遠心力が加わるように、スイングローター(RF121)に図7に示す遠心管を設置した。遠心集積後、基板(Q)を遠心管から取り外し、余分なスラリーを除去し、フォトニック結晶(B-1)を得た。フォトニック結晶(B-1)の外観は、基板(Q)に充填されたフィルム状であり、立方最密充填構造からなる単一結晶構造が基板(Q)全体に形成されていた。
<Example 1>
To the substrate (Q), 0.1 g of a fine particle slurry (Molytex 3269A) having an average particle size of 270 nm and a Cv value of 1.8% is dropped, and using a centrifuge (H30R, manufactured by Kokusan) at 4000G for 10 minutes. Fine particles were accumulated by applying a centrifugal force perpendicular to the surface of the substrate (Q). In the centrifuge, the centrifuge tube shown in FIG. 7 was installed on the swing rotor (RF121) so that a centrifugal force was applied perpendicularly to the surface of the substrate (Q). After centrifugation, the substrate (Q) was removed from the centrifuge tube, excess slurry was removed, and a photonic crystal (B-1) was obtained. The appearance of the photonic crystal (B-1) was a film filled in the substrate (Q), and a single crystal structure composed of a cubic close-packed structure was formed on the entire substrate (Q).

同じフォトニック結晶(B-1)フィルムを2個作製し、一方の背面にスピンコートにより、更に厚み1μmのカルボキシル基含有ポリメチルメタクリレート薄膜を形成し、ナノインプリントにより、流路径が500μmで、1μmの直径を有する円形ピラーが2μm間隔で形成されたマイクロ流路を作製した。このマイクロ流路を有する薄膜相が平板状のセルとなる。
平板状セルを挟み込むように他方のフォトニック結晶フィルムを設置し、80℃で10秒間熱処理することにより熱接着した。
マイクロ流路内に、0.2重量%の1-エチル-3ジメチルアミノプロピルカルボジイミド水溶液1μlを加え、室温で1時間反応させる。未反応の1-エチル-3ジメチルアミノプロピルカルボジイミドをリン酸緩衝液にて十分に洗浄除去した後、0.2重量%のAFP抗体を含有するリン酸緩衝液1μlを加えて室温で2時間反応させることによりカルボジイミドを介してAFP抗体をマイクロ流路の壁面及びビラーの表面に固定化した。未反応のAFP抗体をリン酸緩衝液にて十分に洗浄除去した後、マイクロ流路内にリン酸緩衝液を満たし、バイオセンサーチップ-1とした。バイオセンサーチップ-1の外観は、図-1のようである。AFP抗体(特定結合物質(X))の固定部(A)は、マイクロ流路全体であり、2個のフォトニック結晶フィルムにより、上下方向で完全に被覆されている。
Two identical photonic crystal (B-1) films were prepared, and spin coating was applied to the back of one of them, and a carboxyl group-containing polymethyl methacrylate thin film with a thickness of 1 μm was formed. Through nanoimprinting, the channel diameter was 500 μm and 1 μm A microchannel in which circular pillars having a diameter were formed at intervals of 2 μm was produced. The thin film phase having the microchannels becomes a flat cell.
The other photonic crystal film was placed so as to sandwich the flat cell, and heat-bonded by heat treatment at 80 ° C. for 10 seconds.
1 μl of 0.2% by weight 1-ethyl-3dimethylaminopropylcarbodiimide aqueous solution is added to the microchannel and allowed to react at room temperature for 1 hour. Thoroughly wash away unreacted 1-ethyl-3dimethylaminopropylcarbodiimide with phosphate buffer, add 1 μl of phosphate buffer containing 0.2% by weight of AFP antibody, and react at room temperature for 2 hours. The AFP antibody was immobilized on the wall surface of the microchannel and the surface of the biller via carbodiimide. Unreacted AFP antibody was sufficiently washed and removed with a phosphate buffer, and then the microchannel was filled with the phosphate buffer to obtain a biosensor chip-1. The appearance of biosensor chip-1 is as shown in Figure 1. The fixed part (A) of the AFP antibody (specific binding substance (X)) is the entire microchannel and is completely covered in the vertical direction by two photonic crystal films.

<実施例2>
2個のフォトニック結晶(B-1)フィルムの1個のフォトニック結晶フィルムを鏡面処理したシリコン基板に変更した以外は、同様の方法により、バイオセンサーチップ-2を作製した。
<Example 2>
Biosensor chip-2 was produced in the same manner except that one photonic crystal film of two photonic crystal (B-1) films was changed to a mirror-treated silicon substrate.

<実施例3>
ボランティア3名(b1、b2、b3)から採集した血液をそれぞれ遠心分離機にて10000rpmで15分間遠心処理して上澄みの血漿を採取し、これをサンプル(b1)、サンプル(b2)、サンプル(b3)とした。
サンプル(b1〜3)100μlに、AFP抗体濃度を20.0pg/mlに調整したリン酸緩衝液(AFP抗原リン酸緩衝液)100μlを添加混合して試験サンプル(AFPb1)、(AFPb2)、(AFPb3)を作製した。
<Example 3>
The blood collected from three volunteers (b1, b2, b3) was centrifuged at 10,000 rpm for 15 minutes in a centrifuge to collect supernatant plasma, which was sample (b1), sample (b2), sample ( b3).
Add 100 μl of phosphate buffer (AFP antigen phosphate buffer) with AFP antibody concentration adjusted to 20.0 pg / ml to 100 μl of sample (b1-3) and mix to test samples (AFPb1), (AFPb2), (AFPb3 ) Was produced.

バイオセンサーチップ-1を使用して以下の分析操作を行った。
試験サンプル(AFPb1)0.5μLをマイクロ流路に注入した後、リン酸緩衝液1μLを注入して洗浄した。次に、ローダミンBイソチオシアネートを固定化した標識抗体溶液を注入して、標識化を行った。
フォトニック結晶フィルムの面より、YAGレーザーを照射して、ローダミンBイソチオシアネートを励起し、蛍光シグナルを光電子増倍管(R2228、浜松ホトニクス社製)にて測定した。
測定値は、いずれの試験サンプルにおいても、15000〜15500カウント/秒(n=3で測定)であった。
AFP抗原リン酸緩衝液の濃度を減少させて、前述と同様の条件にて、検出下限濃度(pg/ml)を決定した。検出下限濃度は、蛍光シグナルが測定不可能になる濃度であり、ブランクシグナル(標識抗体溶液のみを注入した場合)と一致する濃度とした。
その結果、バイオセンサーチップ-1の検出下限濃度(pg/ml)は0.0005(0.5fg/mL )であった。
The following analysis operation was performed using Biosensor Chip-1.
After injecting 0.5 μL of the test sample (AFPb1) into the microchannel, 1 μL of phosphate buffer was injected and washed. Next, labeling was performed by injecting a labeled antibody solution in which rhodamine B isothiocyanate was immobilized.
From the surface of the photonic crystal film, YAG laser was irradiated to excite rhodamine B isothiocyanate, and the fluorescence signal was measured with a photomultiplier tube (R2228, manufactured by Hamamatsu Photonics).
The measured value was 15000 to 15500 counts / second (measured at n = 3) in any of the test samples.
The concentration of AFP antigen phosphate buffer was decreased, and the lower limit of detection (pg / ml) was determined under the same conditions as described above. The detection lower limit concentration was a concentration at which the fluorescence signal could not be measured, and was a concentration that coincided with the blank signal (when only the labeled antibody solution was injected).
As a result, the detection lower limit concentration (pg / ml) of Biosensor Chip-1 was 0.0005 (0.5 fg / mL).

<実施例4>
バイオセンサーチップ-2を使用して、実施例3と同様に検出下限濃度(pg/ml)を決定した。その結果、バイオセンサーチップ-1の検出下限濃度(pg/ml)は0.0003(0.3fg/mL )であった。
<Example 4>
Using Biosensor Chip-2, the lower detection limit concentration (pg / ml) was determined in the same manner as in Example 3. As a result, the detection lower limit concentration (pg / ml) of Biosensor Chip-1 was 0.0003 (0.3 fg / mL).

<比較例1>
バイオセンサーチップ-1のフォトニック結晶フィルムを1個だけ使用しない以外は、実施例1と同様にして、バイオセンサーチップを作製した。実施例3と同様に検出下限濃度(pg/ml)を決定した。その結果、このバイオセンサーチップの検出下限濃度(pg/ml)は10であった。
フォトニック結晶フィルムが1個存在せず、反射増幅機能が発揮できない通常のマイクロ流路型のバイオセンサーチップは、検出下限濃度(pg/ml)が10であった。一方、2個のフォトニック結晶により固定部(A)を挟み込んだサンドイッチ構造のバイオセンサーチップ-1は、極めて検出感度が高く、検出下限濃度(pg/ml)は0.0005(0.5fg/mL )であった。従って、フォトニック結晶による反射増幅効果が十分に機能していることが照明された。また、1個のフォトニック結晶フィルムの代わりに、シリコン製の反射板を用いたバイオセンサーチップ-2も同様の効果が得られた。
<Comparative Example 1>
A biosensor chip was produced in the same manner as in Example 1 except that only one photonic crystal film of biosensor chip-1 was not used. The lower detection limit concentration (pg / ml) was determined in the same manner as in Example 3. As a result, the detection lower limit concentration (pg / ml) of this biosensor chip was 10.
A normal microchannel biosensor chip that does not have one photonic crystal film and cannot exhibit the reflection amplification function has a detection limit concentration (pg / ml) of 10. On the other hand, the sandwich structure biosensor chip-1 sandwiched between two photonic crystals with a fixed part (A) has extremely high detection sensitivity, and the detection lower limit concentration (pg / ml) is 0.0005 (0.5 fg / mL). there were. Therefore, it was illuminated that the reflection amplification effect by the photonic crystal was functioning sufficiently. The same effect was also obtained with Biosensor Chip-2 using a silicon reflector instead of one photonic crystal film.

本発明のバイオセンサーチップは、極めて検出感度が高く、様々な用途に使用することができる。特に、蛋白質解析、遺伝子解析等の研究用途や、腫瘍検査、ウイルス検査等の臨床検査用途に好適である。   The biosensor chip of the present invention has extremely high detection sensitivity and can be used for various applications. It is particularly suitable for research use such as protein analysis and gene analysis, and clinical test use such as tumor test and virus test.

バイオセンサーチップの外観。マイクロ流路(D)を有する平板状セル(C)を2個の平板状フォトニック結晶(B)にて挟み込んだサンドイッチ構造Appearance of biosensor chip. Sandwich structure in which a flat cell (C) with a microchannel (D) is sandwiched between two flat photonic crystals (B) 穴が形成された基板(逆ピラミッド型基板)Substrate with holes (inverted pyramid type substrate) 溝が形成された基板(V字溝)Substrate with groove (V-shaped groove) スイングローター用遠心管Centrifugal tube for swing rotor 概念図Conceptual diagram 概念図Conceptual diagram

符号の説明Explanation of symbols

PC:フォトニック結晶
AC:分析セル
Q:基板(テンプレート)
C:上部カバー
SQ:スピンコーター基板
DI:溝部
PIN:固定用ビス
VA:液量調整部(調整弁)
QS:基板装着部
WI:粒子スラリー供給部
WP:粒子スラリー溜
CW:溶媒蒸発防止カバー
OR:オーリング
PC: Photonic crystal AC: Analysis cell Q: Substrate (template)
C: Upper cover SQ: Spin coater substrate DI: Groove PIN: Fixing screw VA: Liquid amount adjusting unit (regulating valve)
QS: substrate mounting part WI: particle slurry supply part WP: particle slurry reservoir CW: solvent evaporation prevention cover OR: O-ring

Claims (10)

蛍光法を検出原理とするバイオセンサーチップであって、特異的結合物質(X)の固定部(A)を被覆するフォトニック結晶(B)を設置したバイオセンサーチップ。 A biosensor chip that uses a fluorescence method as a detection principle, and is provided with a photonic crystal (B) that covers a fixed part (A) of a specific binding substance (X). 特異的結合物質(X)の固定部(A)が、平板状セル(C)内に存在する請求項1に記載のバイオセンサーチップ。 The biosensor chip according to claim 1, wherein the fixing part (A) of the specific binding substance (X) is present in the flat cell (C). 平板状セル(C)を、2個の平板状のフォトニック結晶(B)が挟み込んだサンドイッチ構造を有する請求項2に記載のバイオセンサーチップ。 3. The biosensor chip according to claim 2, which has a sandwich structure in which the flat cell (C) is sandwiched between two flat photonic crystals (B). 平板状セル(C)が、マイクロ流路(D)を有する請求項2又は3に記載のバイオセンサーチップ。 The biosensor chip according to claim 2 or 3, wherein the flat cell (C) has a microchannel (D). 特異的結合物質(X)の固定部(A)が、マイクロ流路(D)の流路内に存在する請求項4に記載のバイオセンサーチップ。 5. The biosensor chip according to claim 4, wherein the fixing part (A) of the specific binding substance (X) is present in the channel of the microchannel (D). 特異的結合物質(X)の固定部(A)の一部をフォトニック結晶(B)が被覆し、固定部(A)の一部を反射板が被覆した構造を有する請求項1〜5のいずれか1項に記載のバイオセンサーチップ。 6. The structure according to claim 1, wherein a part of the fixed part (A) of the specific binding substance (X) is covered with a photonic crystal (B) and a part of the fixed part (A) is covered with a reflector. The biosensor chip according to any one of the above. フォトニック結晶(B)が微粒子の集積体からなる請求項1〜6のいずれか1項に記載のバイオセンサーチップ。 The biosensor chip according to any one of claims 1 to 6, wherein the photonic crystal (B) comprises an aggregate of fine particles. 特異的結合物質(X)が免疫蛋白質である請求項1〜7のいずれか1項に記載のバイオセンサーチップ。 The biosensor chip according to any one of claims 1 to 7, wherein the specific binding substance (X) is an immune protein. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のバイオセンサーチップに励起光を照射して生体物質を検出する蛍光法であって、蛍光シグナルをフォトニック結晶(B)間において反射増幅させて、増強した蛍光シグナルを蛍光分析装置にて測定することを特徴とする生体物質の検出方法。 A fluorescence method for detecting a biological material by irradiating excitation light to the biosensor chip according to any one of claims 1 to 8, wherein a fluorescence signal is reflected and amplified between photonic crystals (B), A method for detecting a biological substance, comprising measuring an enhanced fluorescence signal with a fluorescence analyzer. 蛍光シグナルをフォトニック結晶(B)及び反射板間において反射増幅させる請求項9に記載の検出方法。

10. The detection method according to claim 9, wherein the fluorescence signal is reflected and amplified between the photonic crystal (B) and the reflector.

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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008241305A (en) * 2007-03-26 2008-10-09 Hokkaido Univ Method of amplifying fluorescence signal
CN102675531A (en) * 2011-03-07 2012-09-19 孟子晖 Molecularly-imprinted photonic crystal for detecting organophosphorus toxicants
CN103033542A (en) * 2012-10-23 2013-04-10 太原理工大学 High-sensitivity environmental compensation type capacitive surface stress biosensor
CN103267749A (en) * 2013-04-27 2013-08-28 东南大学 Photon encoding microsphere-based multielement biomarker assay kit-type chip
CN106092994A (en) * 2016-07-27 2016-11-09 福州大学 A kind of micro-array chip fluorescence detection method of great power LED
CN114308153A (en) * 2021-12-17 2022-04-12 华南农业大学 Solid-phase extraction micro-fluidic chip for detecting nafil substances and system for detecting nafil substances
CN114705869A (en) * 2022-06-08 2022-07-05 北京市心肺血管疾病研究所 Photonic crystal biochip and protein detection method thereof

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008241305A (en) * 2007-03-26 2008-10-09 Hokkaido Univ Method of amplifying fluorescence signal
CN102675531A (en) * 2011-03-07 2012-09-19 孟子晖 Molecularly-imprinted photonic crystal for detecting organophosphorus toxicants
CN103033542A (en) * 2012-10-23 2013-04-10 太原理工大学 High-sensitivity environmental compensation type capacitive surface stress biosensor
CN103267749A (en) * 2013-04-27 2013-08-28 东南大学 Photon encoding microsphere-based multielement biomarker assay kit-type chip
CN106092994A (en) * 2016-07-27 2016-11-09 福州大学 A kind of micro-array chip fluorescence detection method of great power LED
CN114308153A (en) * 2021-12-17 2022-04-12 华南农业大学 Solid-phase extraction micro-fluidic chip for detecting nafil substances and system for detecting nafil substances
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