JP2008203133A - センシング方法及びセンシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオセンシング等の分野において利用可能であり、高感度かつ高性能に標的物質の濃度を検出できる手法を提供する。
【解決手段】局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を誘起し得る導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在する場合の光学スペクトル信号（光学スペクトル２０４）と、導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在しない場合の光学スペクトル信号（光学スペクトル２０４）との減算信号を取得し、減算信号である差分スペクトル１０６における最大値２０７と最小値２０８の差から標的物質の濃度を検知する。
【選択図】図２

Description

本発明は、標的物質の濃度をセンシングする方法及び装置に関し、特に、生体分子の濃度の検出に適したセンシング方法及びセンシング装置に関する。

微小な導電性構造体には局在プラズモン共鳴（Localized Surface Plasmon Resonance：以下、ＬＳＰＲと呼ぶ）が誘起されることが知られている。ＬＳＰＲの共鳴条件は、微小な導電性構造体の周囲の誘電率により決定する。したがって、その導電性構造体の周囲の誘電率変化をＬＳＰＲにおける共鳴条件の変化として検出することができる。そして、ＬＳＰＲによる共鳴が発生すると、その導電性構造体を透過する光のスペクトルが変化するから、ＬＳＰＲでの共鳴条件の変化は、導電性構造体に光を照射、透過させ、その光学スペクトルの変化を測定することで検出できる。

ＬＳＰＲは、導電性構造体の周囲の誘電率変化に敏感であり、この現象をバイオセンサなどに応用することで高感度なセンシングが可能となり、医療分野や食品、環境等の分野への幅広い応用が期待されている。例えば、導電性構造体の周囲で抗原抗体反応を起こさせれば、ＬＳＰＲの共鳴条件の変化から、それらの抗原抗体反応を検知することができる。例として、Richard P. Van Duyneらが、NANO LETTERS、２００４年、Vol. 4, No. 6, pp. 1029-1034で報告したものである。この論文において、Duyneらは、導電性薄膜構造体として、平滑な基板上に形成された微小な銀（Ａｇ）薄膜微粒子構造を用いている。そして彼らは、この構造の周囲に抗体が付着している場合と、この抗体にさらに抗原が結合している状態との光学スペクトルの変化から、抗原濃度を測定している。またこの他にも酵素と基質の複合体や、ＤＮＡのハイブリダイゼーションによる相補的な塩基対形成やなども同様に検知できる。
Richard P. Van Duyne et al., NANO LETTERS, Vol. 4, No. 6, 1029-1034 (2004)

ところで、上述のようにＬＳＰＲを用いた光学スペクトルの変化によって、金属構造体周囲の誘電率変化を検出する場合、従来は、光学スペクトルの変化をＬＳＰＲの吸収ピーク波長の変化として検知していた。この場合、例えばスペクトルの変化が波長方向及び透過率の両方に対して生じる場合、従来技術では波長方向の変化しか捕らえていないため、外乱に対して検出感度向上が困難であるという課題があった。さらに言えば、ＬＳＰＲにスペクトル変化が透過率変化にのみ生じる場合には、従来の検出方法では、信号値を取り出すことができなかった。

上記の事情により、ＬＳＰＲを用いた高感度なセンシングのための新たな光学スペクトル評価法が望まれていた。

そこで本発明の目的は、ＬＳＰＲを用いた高感度なセンシングのための新たなセンシング方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、ＬＳＰＲを用いた高感度なセンシングのためのセンシング装置を提供することにある。

本発明のセンシング方法は、標的物質を検知するセンシング方法であって、局在プラズモンを誘起し得る導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在する場合の光学スペクトル信号と、前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在しない場合の光学スペクトル信号との減算信号を取得し、該減算信号における最大値と最小値の差から前記標的物質の濃度を検知することを特徴とする。

本発明のセンシング方法では、導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在する場合の測定対象の全波長域の光学スペクトル信号を一括して取得し、かつ導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在しない場合の測定対象の全波長域の光学スペクトル信号を一括して取得してもよい。あるいは本発明のセンシング方法では、導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在する場合の光学スペクトル信号及び導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在しない場合の光学スペクトル信号を、各々の光学スペクトル信号の同じ測定波長に対して同時に得るようにしてもよい。あるいは本発明のセンシング方法では、導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在する場合の全測定波長域にわたる光学スペクトル信号及び導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在しない場合の全測定波長域にわたる光学スペクトル信号を同時に得るようにしてもよい。

このような本発明のセンシング方法では、導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在する場合の光学スペクトル信号及び導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在しない場合の光学スペクトル信号を、同一の導電性微細構造体を用いて測定するようにしてもよい。導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在する場合の光学スペクトル及び導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在しない場合の光学スペクトルの差信号を、それぞれ電圧信号に変換する工程、電圧信号の値の差分を演算する工程、及び差分の最大値と最小値を検出する工程とを設けるようにしてもよい。

さらに本発明のセンシング方法では、減算信号の時間変化を取得するようにしてもよい。

本発明のセンシング装置は、標的物質の濃度を検知するセンシング装置において、局在プラズモンを誘起し得る導電性微細構造体と、前記導電性微細構造体に光を照射する光源と、前記導電性微細構造体からの光を検出する光検出器と、前記導電性微細構造体からの光の光学スペクトルを求める分光測定装置と、前記光学スペクトルに対して減算処理を行う減算処理装置と、を有することを特徴とする。

本発明のセンシング方法により、標的物質の濃度を高感度かつ高精度に検出できるようになる。

本発明のセンシング装置は、本発明のセンシング方法を用いることで、標的物質の濃度を高感度かつ高精度に検出できるようになる。

本発明では、局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を誘起し得る導電性微細構造体の光学スペクトルの変化によって、標的物質の存在を評価する際に、変化後の光学スペクトルと変化前の光学スペクトルとを減算処理して信号を取得する。そして、その最大値と最小値の差をもって標的物質の濃度を求める。以下に例を用いて本発明の実施の形態を説明するが、これらの説明は、本発明を何ら限定するものではない。

例として抗原抗体反応を考える。この場合、標的物質を抗原とする。標的物質を導電性微細構造体の近傍に配置し、抗原抗体反応による誘電率変化を生じさせ、ＬＳＰＲの共鳴条件の変化として濃度検知する。ここでいう導電性微細構造体の近傍とは、導電性微細構造体で発生するＬＳＰＲの共鳴条件に対して変化を及ぼすことができる領域のことを指している。また導電性微細構造体としては金（Ａｕ）からなるものを使用し、この構造体が石英基板上に支持されているものとする。

図１に例示するように、ＬＳＰＲ光学スペクトル（反応前）１０１は、抗原抗体反応後に、ＬＳＰＲ光学スペクトル（反応後）１０２に変化する。この変化から標的物質の濃度を検知するのが本発明の技術である。

まず、図２（ａ）に示すような、抗体２０１で修飾済みでありかつ抗原抗体反応前の状態の測定チップ２０２を用意する。この測定チップ２０２では、石英基板上に、ドットアレイ構造のものとして、Ａｕからなる導電性微細構造体が支持されている。そして測定チップ２０２に光を照射し、測定チップ２０２の透過スペクトル（光学スペクトル（ａ）２０４）を取得する。次に、図２（ｂ）に示すように、測定チップ２０２上において抗原２０３と抗体２０１との間で抗原抗体反応を生じさせ、抗原濃度に依存した抗原抗体間の結合を生じさせる。図２（ｃ）に示すように、この状態でもう一度、測定チップ２０２の透過スペクトル（光学スペクトル（ｂ）２０５）を測定する。以上の工程で測定した光学スペクトル（ｂ）２０５から光学スペクトル（ａ）２０４を差し引いて、差分グラフ２０６を得る。そしてこの差分グラフ２０６の最大値２０７と最小値２０８の差を以って抗原濃度を求める。その場合、あらかじめ既知の濃度の試料を用いてその濃度と差分グラフでの最大値と最小値の差の値との関係を図１４に示すような検量線として求めておく必要がある。そしてこの検量線１４０１に対して、未知の濃度の試料における差分グラフの最大値と最小値の差の値Δから濃度ｄ０を決定する。

本発明の測定法では、最終的に得られる信号には、波長方向のスペクトル変化の成分と透過率方向のスペクトル変化の両方の成分を含んでいる。したがってこの方法では、従来の測定法のように波長方向のスペクトル変化のみを検知する方法と比較して、スペクトル変化を鋭敏に検知可能となっている。

また、例えば図３（ａ）に示すようにスペクトル変化３０１が透過率変化にだけ生じる場合を考える。この場合、従来技術の方法によりＬＳＰＲ吸収ピーク波長位置の変化として標的物質の濃度を捕らえていた場合には、信号値が検出されないのに対し、本発明の測定法によれば、図３（ｂ）に示すように。信号値を検出できる。

また本発明の測定法では、毎回の透過率スペクトル測定の際に、波長に依存しないノイズが乗ってくる場合（図３（ｃ））、そのノイズ成分がバイアス成分３０２として現れるので、このノイズ成分を信号と区別、除去することも容易である（図３（ｄ））。

上述の例では、ＬＳＰＲを誘起しうる導電性微細構造体は、Ａｕからなるものとしたたが、本発明において導電性微細構造体に使用できる材料は、これに限られない。例えば、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属が好適であるが、この他の金属を用いてもよく、また、半導体を用いてもよい、また導電性微細構造体は石英基板上に支持されているとしたが、このような構造に限られるものではない。導電性微細構造体の構造は、ドットアレイであるとしたが、これに限られるものではなく、ホールアレイやその他の微細構造であってもよい。支持基板は、上述のような透過測定系である場合には、測定波長に対して透明な誘電体であれば、任意のものを使用することができる。

さらに、上述の例では。バイオ反応（抗原抗体反応）前のスペクトルと反応後のスペクトルを同測定一チップで測定したが、これに限るものではない。同じ構造の複数のチップを用いて、それぞれを反応前、反応後の状態にしておき。これらを同時測定する方法でもよい。

以下では実施例をもって本発明を説明するが、これらは本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図４は、本発明に基づくセンシング方法の第１の例を説明するものである。ここでは、最も基本的な測定法として、１サンプルずつ分光器でスキャンすることにより、同一サンプルについての反応前と反応後の光学スペクトルを取得する場合を説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、導電性微細構造体を支持するための誘電体基板４０１として、厚さ約０．５ｍｍの石英基板を使用し、この誘電体基板４０１上に、厚さ約２０ｎｍのＡｕ薄膜を導電性微細構造体４０２として設ける。ただし、導電性微細構造体４０２の厚さはこれに限るものではなく、導電性微細構造体４０２を構成する材料もＡｕに限られるものではない。Ａｕの代わりに使用できる材料としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの誘電損失が小さい金属が好ましい。また半導体などその他の導電性物質でも良い。また、誘電体基板４０１も石英に限るものではない。本実施例で以下に述べるように、基板は、透過スペクトルを測定する手法を用いる場合は、使用波長に対して透過率が高い物質であることが好ましい。このような導電性微細構造体４０２を、図４（ｂ）に示すように、誘電体基板４０１上で一辺約２００ｎｍの正方形に形成し、隙間を７０ｎｍ空けて正方格子状に配置したものをあらかじめ用意しておく。

次に、導電性微細構造体４０２の表面を抗体で修飾する。

例えば抗体として、抗ＡＦＰ（α−フェトプロテイン(α-fetoprotein)）抗体を使用して、この抗体を導電性微細構造体４０２のＡｕ表面に固定化するものとする。この場合、チオール基を有する１１−メルカプトウンデカン酸(11-Mercaptoundecanoic acid)のエタノール溶液をスポッタ等で滴下することにより、構造体表面にカルボキシル基が露出される。ここに、Ｎ−ヒドロキシスルホサクシニミド(N-Hydroxysulfosuccinimide)水溶液及び塩酸１−エチル−３−［３−ジメチルアミノ］プロピルカルボジイミド（1-Ethyl-3-[3-dimethylamino]propyl carbodiimide hydrochloride）水溶液を同様にスポッタ等で反応領域に滴下することで、構造体表面にスクシンイミド基が露出される。ここに、ストレプトアビジンを反応させ、構造体表面をストレプトアビジンで修飾する。そしてこの構造体に、ビオチン化した抗ＡＦＰ抗体を固定させる。その結果、導電性微細構造体は、図４（ｃ）に示すように、抗体４０３で修飾された状態になる。

抗原抗体反応及び光学スペクトル測定は、概略、図５に示すような構成で行なう。

まず、図５（ａ）に示されるように、反応ウェル５０３内に配置されるように、基板５０７上に本発明の導電性微細構造体５０５を作製する。そして、この導電性微細構造体５０５に対し、ＡＦＰを含んだ検体を注入口５０２より注入し、ＡＦＰを導電性微細構造体５０５に捕捉させる。その後、検体を排出口５０４より排出し、リン酸緩衝液を注入口５０２より注入し、反応ウェル５０３の内部を洗浄する。最後に、リン酸緩衝液を反応ウェル５０３内に充填して、この状態で、導電性微細構造体５０５の光学スペクトルを、光源５０１からの光を照射し、透過光を分光器５０６にて分光し、分光器からの各波長ごとの光を光検出器５０９で検出、測定する。光源５０１としては、例えばタングステンランプが用いられるが、光源の種類はこれに限られるものではない。

反応開始前の光学スペクトル１ ５０８と反応後の光学スペクトル２ ５０９とを取得し、両者のスペクトル間で減算処理を行うと、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、差分スペクトル５１０を得ることができる。差分スペクトル５１０のグラフからその最大値５１１と最小値５１２の差を読み取り、それを信号値５１３とする。このとき、予め濃度が既知のＡＦＰ溶液を用いて信号値と濃度との関係を求めておくことで、すなわち検量線を求めておくことで、被測定検体の濃度を求めることが出来る。

このように、反応前後での光学スペクトルを減算処理し信号を抽出することで、高感度な標的物質検出が可能となる。

なお、本実施例では、分光器の測定波長をスキャンしていき、波長ごとの信号を逐次取り込んでいるが、これに限るものではなく、センサアレイ等を用い全測定波長域の信号を同時に取得する手法を用いてもよい。その場合には、測定された個々の光学スペクトルの測定データから、光源などに起因する光量やノイズの時間的な変化の成分を除去できる。

また本実施例では導電性微細構造体の構造は正方形の薄膜であるとしたが、これに限るものではない。ＬＳＰＲを起こす構造であれば、任意の形状の導電性微細構造体を用いることができる。また本実施例では、光源５０１においてその偏光を特には制御していないが、例えば導電性微細構造体においてＬＳＰＲを誘起する効率に偏光依存性がある場合などには、偏光を制御しておくことが好ましい。光源５０１として、定電流制御されたＬＥＤ（発光ダイオード）などの出力が安定した光源を用いる場合には、光源波長が本実施例での吸収ピーク付近にありかつ吸収ピークの幅程度以上の波長帯域があるものを用いることが好ましい。その他、本実施例で用いている素子の共鳴スペクトルのピーク波長近傍を含む発光波長帯域を有する光源を用いてもよい。

また、本実施例では、導電性微細構造体の光学スペクトルを透過測定したが、光学スペクトルの測定方法はこれに限るものではなく、反射スペクトルなどを測定してよい。なお、反射測定を行う場合には、基板の反射率は、測定波長において高い方が好ましい。

図６は、本発明に基づくセンシング方法の第２の例を説明するものである。この例は、反応前の光学スペクトル取得の対象となるサンプルと反応後の光学スペクトル取得の対象となるサンプルとが異なる場合のものである。

まず、図６（ａ）に示すように、導電性微細構造体を支持するための誘電体基板６０１として、厚さ約０．５ｍｍの石英基板を使用し、この誘電体基板６０１上に、厚さ約２０ｎｍのＡｕ薄膜を導電性微細構造体６０２として設ける。ただし、導電性微細構造体６０２の厚さはこれに限るものではなく、導電性微細構造体６０２を構成する材料もＡｕに限られるものではない。Ａｕの代わりに使用できる材料としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの誘電損失が小さい金属が好ましい。また半導体などその他の導電性物質でも良い。また、誘電体基板６０１も石英に限るものではない。本実施例で以下に述べるように、基板は、透過スペクトルを測定する手法を用いる場合は、使用波長に対して透過率が高い物質であることが好ましい。このような導電性微細構造体６０２を、図６（ｂ）に示すように、誘電体基板６０１上で一辺約２００ｎｍの正方形に形成し、隙間を７０ｎｍ空けて正方格子状に配置したものをあらかじめ用意しておく。

次に、導電性微細構造体６０２の表面を抗体で修飾する。

例えば抗体として、抗ＡＦＰ(α-fetoprotein)抗体を使用して、この抗体を導電性微細構造体６０２のＡｕ表面に固定化するものとする。この場合、チオール基を有する１１−メルカプトウンデカン酸のエタノール溶液をスポッタ等で滴下することにより、構造体表面にカルボキシル基が露出される。ここに、Ｎ−ヒドロキシスルホサクシニミド水溶液及び塩酸１−エチル−３−［３−ジメチルアミノ］プロピルカルボジイミド水溶液を同様にスポッタ等で反応領域に滴下することで、構造体表面にスクシンイミド基が露出される。ここに、ストレプトアビジンを反応させ、構造体表面をストレプトアビジンで修飾する。そしてこの構造体に、ビオチン化した抗ＡＦＰ抗体を固定させる。その結果、導電性微細構造体は、図６（ｃ）に示すように、抗体６０３で修飾された状態になる。

抗原抗体反応及び光学スペクトル測定は、概略、図７に示すような構成で行なう。

まず、図７（ａ）に示されるように、本実施例の導電性微細構造体Ａ ７０１及び導電性微細構造体Ｂ ７０２を用意しておき、両構造体７０１，７０２を組み込んだ基板７０３を作製する。ここで導電性微細構造体Ａ ７０１は、反応ウェルＡ ７０５内に配置されるようにする。その後、導電性微細構造体Ａ ７０１に対し、ＡＦＰ（α−フェトプロテイン）を含んだ検体を注入口Ａ ７０４より注入し、ＡＦＰを導電性微細構造体Ａ ７０１に捕捉させる。その後、検体を排出口Ａ ７１７より排出し、リン酸緩衝液を注入口Ａ ７０４より注入し、反応ウェルＡ ７０５の内部を洗浄する。最後にリン酸緩衝液を反応ウェルＡ ７０５内に充填する。

次に、光源７０６からの光を両方の導電性微細構造体７０１，７０２に照射し、構造体７０１，７０２からの透過光をそれぞれ分光器Ａ ７０７及び分光器Ｂ ７０８にて分光する。そして、両分光器７０７，７０８からの各波長ごとの光を光検出器Ａ ７０９及び光検出器Ｂ ７１０でそれぞれ検出、測定する。光検出器Ａ ７０９で得られる光学スペクトルＡ ７１１は抗原抗体反応後のスペクトルであり、光検出器Ｂ ７１０で得られる光学スペクトルＢ ７１２は反応前のスペクトルである。光源７０６としては例えばタングステンランプが用いられるが、これに限定されるものではない。

光検出器Ａ ７０９で測定した光学スペクトルＡ ７１１と光検出器Ｂ ７１０で測定した光学スペクトルＢ ７１２との間で減算処理を行うと、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示すように、差分スペクトル７１３を得ることができる。差分スペクトル７１３のグラフから最大値７１４と最小値７１５との差を読み取ることで、信号値７１６とする。このとき、予め濃度が既知のＡＦＰ溶液を用いて信号値と濃度との関係を求めておくことで、被測定検体の濃度を求めることができる。

このように、本実施例においても、反応前後での光学スペクトルを減算処理し信号を抽出することで、高感度な標的物質検出が可能となる。

光源５０１として、定電流制御されたＬＥＤ（発光ダイオード）などの出力が安定した光源を用いる場合には、光源波長が本実施例での吸収ピーク付近にありかつ吸収ピークの幅程度以上の波長帯域があるものを用いることが好ましい。その他、本実施例で用いている素子の共鳴スペクトルのピーク波長近傍を含む発光波長帯域を有する光源を用いてもよい。

本実施例のように、反応後と反応前にそれぞれ対応する２つの構造体Ａ，Ｂについて、同一波長域を略同一のタイミングでそれらの光学スペクトルを測定することにより、両者の光学スペクトルの同一波長域の測定データ間での測定装置系のノイズ等を除去できる。

なお、本実施例では、分光器の測定波長をスキャンしていき、波長ごとの信号を逐次取り込んでいるが、これに限るものではなく、センサアレイ等を用い全測定波長域の信号を同時に取得する手法を用いてもよい。その場合には、測定された個々の光学スペクトルの測定データから、光源などに起因する光量やノイズの時間的な変化の成分を除去できる。また、上述のような二つのサンプルの全波長域のスペクトルを同時に得るのが困難な場合には、それぞれのサンプルに対する全波長域のスペクトルの一括取得を各々のサンプルに対して順次行う方法でもよい。

また本実施例では導電性微細構造体の構造は正方形の薄膜であるとしたが、これに限るものではない。ＬＳＰＲを起こす構造であれば、任意の形状の導電性微細構造体を用いることができる。また本実施例では、光源５０１においてその偏光を特には制御していないが、例えば導電性微細構造体においてＬＳＰＲを誘起する効率に偏光依存性がある場合などには、偏光を制御しておくことが好ましい。偏光制御を行う場合には、当然のことであるが、ＬＳＰＲが効率よく生じるような向きの偏光にしておくことで、より高感度な測定が可能となる。

また、本実施例では、導電性微細構造体の光学スペクトルを透過測定したが、光学スペクトルの測定方法はこれに限るものではなく、反射スペクトルなどを測定してよい。なお、反射測定を行う場合には、基板の反射率は、測定波長において高い方が好ましい。

図８は、実施例３におけるセンシング装置の構成を示している。

基板８０３上に、流路Ａ ８１９と流路Ｂ ８０２が形成されている。流路Ａ ８１９の一端に送液ポンプＡ ８１５が配置し、他端に廃液リザーバＡ ８１６が配置されている。流路Ａ ８１９では、送液ポンプＡ ８１５と廃液リザーバＡ ８１６との間に、注入口Ａ ８０４、反応ウェルＡ ８０５、排出口Ａ ８０６がこの順で配置し、導電性微細構造体Ａ ８０１が反応ウェルＡ ８０５内に配置されている。流路Ｂ ８０２の一端に送液ポンプＢ ８１７が配置し、他端に廃液リザーバＢ ８１８が配置している。流路Ｂ ８０２では、送液ポンプＢ ８１７と廃液リザーバＢ ８１８との間に、注入口Ｂ ８０７、反応ウェルＢ ８０９、排出口Ｂ ８１０がこの順で配置し、導電性微細構造体Ｂ ８０８が反応ウェルＢ ８０９内に配置されている。このような流路８１９，８０２に対し、参照液（リファレンス液）及び検体液をそれぞれ流すものとする。

導電性微細構造体Ａ ８０１及び導電性微細構造体Ｂ ８０８の光学スペクトルを測定するために、光源ユニット８１４が設けられている。光源ユニット８１４からの光は、導電性微細構造体Ａ ８０１及び導電性微細構造体Ｂ ８０８に照射され、それらの透過光がスペクトルアナライザ８１１に導かれるようになっている。スペクトルアナライザ８１１は、両方の透過光の分光測定を実行するものである。スペクトルアナライザ８１１では、測定対象とする波長領域の全体にわたるスペクトルを一括してすなわち一時に取得することができる。スペクトルアナライザ８１１からのデータが供給される中央演算装置８１２が設けられている。中央演算装置８１２は、導電性微細構造体Ａ ８０１及び導電性微細構造体Ｂ ８０８の光学スペクトル信号の減算信号を取得し、減算信号における最大値と最小値との差の値を評価するためのものである。中央演算装置８１２は、計測結果を表示ユニット８１３に表示させると同時に、光源ユニット８１４への制御信号を発生する。光源ユニット８１４は例えばＬＥＤによって構成されるが、ＬＥＤ以外のものを用いてもよい。光源ユニット８１４としては、測定波長域に発光波長がある光源であればどのようなものも使用でき、例えばハロゲンランプなどを用いてもよい。また基板８０３は、例えば石英から構成されるが、これに限られない。基板８０３は、測定波長に対して透過率が高い材質であることが好ましい。

本実施例のセンシング装置は、導電性微細構造体の光学スペクトルを透過測定する構成のものであるが、本発明のセンシング装置はこれに限られるものではなく、例えば、反射スペクトル等を測定するものであってもよい。

また本実施例では、光源ユニット８１４において特にその偏光を制御していないが、例えば導電性微細構造体においてＬＳＰＲを誘起する効率に偏光依存性がある場合などには、偏光を制御しておくことが好ましい。

本発明のセンシング方法を用いたセンシング装置をこのように構成することにより、高感度なセンシング、例えば屈折率センシングやバイオセンシングを行なうことができる。

図９は、実施例４におけるセンシング装置の構成を示している。このセンシング装置は、導電性微細構造体からの透過光における波長ごとの強度を得るために、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いたものである。以下の説明において使用されるバンドパスフィルタとしては、干渉フィルタが好ましく使用される。

図８に示したものと同様に、基板９０３上に、流路Ａ ９１９と流路Ｂ ９０３が形成されている。流路Ａ ９１９は、送液ポンプＡ ９１５、注入口Ａ ９０４、導電性微細構造体Ａ ９０１、反応ウェルＡ ９０５、排出口Ａ ９０６、廃液リザーバＡ ９１６からなる。流路Ｂ ９２０は、送液ポンプＢ ９１７、注入口Ｂ ９０７、導電性微細構造体Ｂ ９０８、反応ウェルＢ ９０９、排出口Ｂ ９１０、廃液リザーバＢ ９１８からなる。このような流路Ａ９１９及び流路Ｂ ９２０に対し、参照液及び検体液をそれぞれ流すものとする。

導電性微細構造体Ａ ９０１及び導電性微細構造体Ｂ ９０８に対する測定を行うために、光源ユニット９１４が設けられている。光源ユニット９１４からの光は、導電性微細構造体Ａ ９０１及び導電性微細構造体Ｂ ９０８に照射され、それらの透過光がそれぞれビームスプリッタＡ ９１１及びビームスプリッタＢ ９２３に導かれるようになっている。ビームスプリッタＡ ９１１は、導電性微細構造体Ａ ９０１を透過した光を２つに分割し、一方をバンドパスフィルタＡ１ ９１２を通してフォトディテクタＡ１ ９１３に入射させ、フォトディテクタＡ１ ９１３において電流信号に変換させる。またビームスプリッタＡ ９１１は、分割した他方の光をバンドパスフィルタＡ２ ９２１を通してフォトディテクタＡ２ ９２２に入射させ、フォトディテクタＡ２ ９２２において同様に電流信号に変換させる。フォトディテクタ９１３，９２２の出力にはそれぞれ負荷抵抗Ａ１ ９２９及び負荷抵抗Ａ２ ９２８が設けられており、フォトディテクタ９１３，９２２の出力電流は電圧信号に変換される。そして、両方の電圧信号の間の減算信号を生成する減算器１ ９３０が設けられている。

ここでバンドパスフィルタＡ１ ９１２及びバンドパスフィルタＡ２ ９２１の透過波長領域をそれぞれ透過帯域Ａ１ １００２、透過帯域Ａ２ １００３とする。このとき、図１０に示すように、導電性微細構造体Ａ ９０１が示す光学スペクトル１００１の微分が最小になる波長である微分最小波長１００４を含むように、透過帯域Ａ１ １００２を設定する。同様に、微分が最大になる波長である微分最大波長１００５を含むように、透過帯域Ａ２ １００３を設定しておく。

一方、ビームスプリッタＢ ９２３は、導電性微細構造体Ｂ ９０８を透過した光を２つに分割し、一方をバンドパスフィルタＢ１ ９２４を通してフォトディテクタＢ１ ９２５に入射させ、このフォトディテクタＢ１ ９２５において電流信号に変換させる。またビームスプリッタＢ ２０３は、分割した他方の光をバンドパスフィルタＢ２ ９２６を通してフォトディテクタＢ２ ９２７に入射させ、フォトディテクタＢ２ ９２７において同様に電流信号に変換させる。フォトディテクタ９２５，９２７の出力にはそれぞれ負荷抵抗Ｂ１ ９０２及び負荷抵抗Ｂ２ ９３３が設けられており、フォトディテクタ９２５，９２７の出力電流は電圧信号に変換される。そして、両方の電圧信号の間の減算信号を生成する減算器２ ９３１が設けられている。ここでバンドパスフィルタＢ１ ９２４及びバンドパスフィルタＢ２ ９２６の透過波長領域は、それぞれ、上述の透過帯域Ａ１ １００２及び透過帯域Ａ２ １００３と同じ波長帯域に設定しておく。

減算器１ ９３０の出力及び減算器２ ９３１の出力が入力する減算器３ ９３２が設けられている。減算器３ ９３２は、減算器１ ９３０からの電圧信号を減算器２ ９３１からの電圧信号から減算することによって、両方の電圧信号の間の減算信号を生成する。ここで各バンドパスフィルタの帯域を十分狭くしておくことで、導電性微細構造体Ａ ９０１の光学スペクトルと導電性微細構造体Ｂ ９０８の光学スペクトルの差信号における最大値と最小値の差を精度良く評価可能することが可能になる。

光源ユニット９１４は、例えばタングステンランプによって構成されるが、タングステンランプ以外のものを用いてもよい。光源ユニット９１４としては、測定波長域に発光波長がある光源であればどのようなものも使用でき、例えばＬＥＤなどを用いてもよい。また基板９０３は、例えば石英から構成されるが、これに限られない。基板９０３は、測定波長に対して透過率が高い材質であることが好ましい。

また本実施例では、光源ユニット９１４において特にその偏光を制御していないが、例えば導電性微細構造体においてＬＳＰＲを誘起する効率に偏光依存性がある場合などには、偏光を制御しておくことが好ましい。

本実施例のセンシング装置は、導電性微細構造体に対して透過測定を行う構成のものであるが、本発明のセンシング装置はこれに限られるものではなく、例えば、反射測定を行うものであってもよい。

本発明のセンシング方法を用いたセンシング装置をこのように構成することにより、高感度なセンシング、例えば屈折率センシングやバイオセンシングを行なうことができる。

図１１は、実施例５におけるセンシング装置の構成を示している。このセンシング装置は、導電性微細構造体からの透過光における波長ごとの強度を得るために、２色光源、すなわち２つの波長の光を同時に発生する光源を用いたものである。

図８に示したものと同様に、基板１１１９上に、流路Ａ １１１０と流路Ｂ １１１６が形成されている。流路Ａ １１１０は、送液ポンプＡ １１０５、注入口Ａ １１０６、導電性微細構造体Ａ １１０７、反応ウェルＡ １１０８、排出口Ａ １１０９、廃液リザーバＡ １１１１からなる。流路Ｂ １１１６は、送液ポンプＢ １１１２、注入口Ｂ １１１３、導電性微細構造体Ｂ １１１５、反応ウェルＢ １１１４、排出口Ｂ １１１７、廃液リザーバＢ １１１８からなる。このような流路Ａ １１１０及び流路Ｂ １１１６に対し、参照液及び検体液をそれぞれ流すものとする。

導電性微細構造体Ａ １１０７及び導電性微細構造体Ｂ １１１５に対する測定を行うために、二色光源である光源ユニット１１０１が設けられている。光源ユニット１１０１は、導電性微細構造体Ａ １１０７及び導電性微細構造体Ｂ １１１５に対し、波長が異なる２種類の光を照射する。これらの２種類の光の波長をそれぞれ波長Ａ １１０３、波長Ｂ １１０４とする。導電性微細構造体Ａ １１０７及び導電性微細構造体Ｂ １１１５を透過した光は、それぞれ、ビームスプリッタＡ １１２０及びビームスプリッタＢ １１２８に導かれるようになっている。ビームスプリッタＡ １１２０は、導電性微細構造体Ａ １１０７の透過光を２つに分割し、一方をバンドパスフィルタＡ１ １１２１を通して一方の波長のみにした後、フォトディテクタＡ１ １１２２で電流信号に変換させる。ビームスプリッタＡ １１２０で分割された他方の光は、バンドパスフィルタＡ２ １１２３を通して他方の波長のみとされた後、フォトディテクタＡ２ １１２４により電流信号に変換される。

同様に、ビームスプリッタＢ １１２８は、導電性微細構造体Ｂ １１１５を透過した光を２つに分割し、一方をバンドパスフィルタＢ１ １１２９を通して一方の波長のみにした後、フォトディテクタＢ１ １１３０で電流信号に変換させる。ビームスプリッタＢ １１２８で分割された他方の光は、バンドパスフィルタＢ２ １１３１を通して他方の波長のみとされた後、フォトディテクタＢ２ １１３２により電流信号に変換される。

フォトディテクタＡ１ １１２２からの信号及びフォトディテクタＡ２ １１２４からの信号は、実施例４の場合と同様に、それぞれ、負荷抵抗Ａ１ １１２６、負荷抵抗Ａ２ １１２５により電圧信号に変換され、減算器１ １１２７にて減算処理される。またフォトディテクタＢ１ １１３０からの信号及びフォトディテクタＢ２ １１３２からの信号も、それぞれ、負荷抵抗Ｂ１ １１３４、負荷抵抗Ｂ２ １１３３により電圧信号に変換され、減算器２ １１３５にて減算処理される。

減算器１ １１２７及び減算器２ １１３５からの信号を減算器３ １１０２にて減算処理することで、導電性微細構造体Ａ １１０７及び導電性微細構造体Ｂ １１１５の光学スペクトルの差信号における最大値と最小値の差を精度良く評価できる。

ここで波長Ａ １１０３の波長は、図１２に示すように、導電性微細構造体Ａ １１０７または導電性微細構造体Ｂ １１１５が示す光学スペクトル１２０１の微分が最小になる波長である微分最小波長１２０４の近傍に設定しておく。同様に、波長Ｂ １１０４の波長は、導電性微細構造体Ａ １１０７または導電性微細構造体Ｂ １１１５が示す光学スペクトル１２０１の微分が最大になる波長である微分最大波長１２０５の近傍に設定しておく。

二色光源である光源ユニット１１０１は、例えば半導体レーザーによって構成されるが、半導体レーザー以外のものを用いてもよい。光源ユニット１１０１としては、測定波長域に発光波長がある光源であれば使用することができ、例えばＬＥＤなどを用いてもよい。また基板１１１９は、例えば石英から構成されるが、これに限られない。基板１１０９は、測定波長に対して透過率が高い材質であることが好ましい。

また本実施例では、光源ユニット１１０１において特にその偏光を制御していないが、例えば導電性微細構造体においてＬＳＰＲを誘起する効率に偏光依存性がある場合などには、偏光を制御しておくことが好ましい。

本実施例のセンシング装置は、導電性微細構造体に対して透過測定を行う構成のものであるが、本発明のセンシング装置はこれに限られるものではなく、例えば、反射測定を行うものであってもよい。

本発明のセンシング方法を用いたセンシング装置をこのように構成することにより、高感度なセンシングを行なうことができる。

図１３は、実施例５におけるセンシング装置の構成を示している。

基板１３１０に対し、送液ポンプ１３０３、注入口１３０４、導電性微細構造体１３０５、反応ウェル１３０６、排出口１３０７及び廃液リザーバ１３０９からなる流路１３０８が形成されている。この流路１３０８に対して参照液及び検体液が流されるようになっている。

導電性微細構造体１３０５に光を照射するための光源ユニット１３０１と、光源ユニット１３０１から導電性微細構造体１３０５を透過してきた光の分光測定を行うスペクトルアナライザ１３１１とが設けられている。また、スペクトルアナライザ１３１１からのデータが供給される中央演算装置１３１２が設けられている。中央演算装置１３１２は、スペクトルアナライザ１３１１からの光学スペクトル信号に対して演算処理を行うとともに、計測結果を表示ユニット１３０２に表示させ、光源ユニット１３０１への制御信号を発生する。

このようなセンシング装置では、反応ウェル１３０６に対して一定濃度の検体液を流し始め、標的物質が導電性微細構造体１３０５に捕捉されていく過程を光学スペクトルの経時変化として検知する。導電性微細構造体１３０５の光学スペクトルの測定は、光源ユニット１３０１からの光を導電性微細構造体１３０５に照射し、透過光をスペクトルアナライザ１３１１で分光測定することで行う。この中央演算装置１３１２は、導電性微細構造体１３０５の光学スペクトル信号の経時変化を記録する。具体的には中央演算装置１３１２は、まず、導電性微細構造体１３０５に標的物質が捕捉される前の光学スペクトル信号を取得する。そして、標的物質が捕捉され始めてからの光学スペクトル信号を逐次取得し、これらの信号と標的物質が捕捉される前の各光学スペクトル信号との減算信号を生成し、その減算信号における最大値と最小値との差の経時変化を記録する。これにより、このセンシング装置によれば、導電性微細構造体１３０５に標的物質が捕捉されていく過程を時間変化として検知することが可能となる。

光源ユニット１３０１は、例えばタングステンランプによって構成されるが、タングステンランプ以外のものを用いてもよい。光源ユニット１３０１としては、測定波長域に発光波長がある光源であればどのようなものも使用でき、例えばＬＥＤなどを用いてもよい。また基板１３１０は、例えば石英から構成されるが、これに限られない。基板１３１０は、測定波長に対して透過率が高い材質であることが好ましい。

本実施例のセンシング装置は、導電性微細構造体に対して透過測定を行う構成のものであるが、本発明のセンシング装置はこれに限られるものではなく、例えば、反射測定を行うものであってもよい。

本発明のセンシング方法を用いたセンシング装置をこのように構成することにより、高感度なセンシングを行なうことができる。

本実施例では、導電性微細構造体の光学スペクトルの時間変化として、全波長域での光学スペクトルの経時変化を記録したが、この方法に限られるものではない。例えば、実施例５における手法と同様に、導電性微細構造体の光学スペクトルの微分が最大になる波長と最小になる波長との２つの波長で透過率変化を検知し、両者の波長での透過率の差の経時変化を記録することができる。このような手法によっても、、導電性微細構造体に標的物質が捕捉されていく過程を時間変化として検知することが可能である。

本発明に基づくセンシング方法の原理を説明するグラフである。 本発明に基づくセンシング方法の原理を説明する図である。 本発明に基づくセンシング方法を説明するグラフである。 実施例１における導電性微細構造体を示す図である。 実施例１におけるセンシング方法を説明する図である。 実施例２における導電性微細構造体を示す図である。 実施例２におけるセンシング方法を説明する図である。 実施例３におけるセンシング装置を説明する図である。 実施例４におけるセンシング装置を説明する図である。 実施例４での測定原理を説明するグラフである。 実施例５におけるセンシング装置を説明する図である。 実施例５での測定原理を説明するグラフである。 実施例６におけるセンシング装置を説明する図である。 本発明に基づくセンシング方法の原理を説明するグラフである。

符号の説明

１０１ ＬＳＰＲ光学スペクトル（反応前）
１０２ ＬＳＰＲ光学スペクトル（反応後）
２０１，４０３，６０３ 抗体
２０２ 測定チップ
２０３ 抗原
２０４，２０５，５０８，５０９，７１１，７１２，１００１，１３０１ 光学スペクトル
２０６，５１０，７１３ 差分スペクトル
２０７，５１１，７１４ 最大値
２０８，５１２，７１５ 最小値
３０１ スペクトル変化
３０２ バイアス成分
４０１，６０１ 誘電体基板
４０２，５０５，６０２，７０１，７０２，８０１，８０８，９０１，９０８，１１０７，１１１５，１２０５ 導電性微細構造体
５０１，７０６ 光源
５０２，７０４，８０４，８０７，９０４，９０７，１１０６，１１１３，１３０４ 注入口
５０３，７０５，８０５，８０９，９０５，９０９，１１０８，１１１４，１３０６ 反応ウェル
５０４，８０６，８１０，９０６，９１０，１１０９，１１１７，１３０７ 排出口
５０６，７０７，７０８ 分光器
５０９，７０９，７１０ 光検出器
５１３，７１６ 信号値
７０３，８０３，９０３，１１１９，１３１０ 基板
８０２，８１９，９１９，９２０，１１１０，１１１６，１３０８ 流路
８１１，１３１１ スペクトルアナライザ
８１２，１３１２ 中央演算装置
８１３，１３０２ 表示ユニット
８１４，９１４，１１０１，１３０１ 光源ユニット
８１５，８１７，９１５，９１７，１１０５，１１１２，１３０３ 送液ポンプ
８１６，８１８，９１６，９１８，１１１１，１１１８，１３０９ 廃液リザーバ
９０２，９２８，９２９，９３３，１１２５，１１２６，１１３３，１１３４ 負荷抵抗
９１１，９２３，１１２０，１１２８ ビームスプリッタ
９１２，９２１，９２４，９２６，１１２１，１１２３，１１２９，１１３１ バンドパスフィルタ
９１３，９２２，９２５，９２７，１１２２，１１２４，１１３０，１１３２ フォトディテクタ
９３０，９３１，９３２，１１０２，１１２７，１１３５ 減算器
１００２，１００３ 透過帯域
１００４，１２０４ 微分最小波長
１００５，１２０５ 微分最大波長
１１０３，１１０４ 波長
１４０１ 検量線

Claims (12)

1. 標的物質を検知するセンシング方法において、
   局在プラズモンを誘起し得る導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在する場合の光学スペクトル信号と、前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在しない場合の光学スペクトル信号との減算信号を取得し、
   該減算信号における最大値と最小値の差から前記標的物質の濃度を検知する、
   ことを特徴とするセンシング方法。
2. 請求項１に記載のセンシング方法であって、
   前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在する場合の測定対象の全波長域の光学スペクトル信号を一括して取得し、かつ前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在しない場合の測定対象の全波長域の光学スペクトル信号を一括して取得することを特徴とするセンシング方法。
3. 請求項１に記載のセンシング方法であって、
   前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在する場合の光学スペクトル信号及び前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在しない場合の光学スペクトル信号を、各々の光学スペクトル信号の同じ測定波長に対して同時に得ることを特徴とするセンシング方法。
4. 請求項１に記載のセンシング方法であって、
   前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在する場合の全測定波長域にわたる光学スペクトル信号及び前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在しない場合の全測定波長域にわたる光学スペクトル信号を同時に得ることを特徴とするセンシング方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンシング方法であって、
   前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在する場合の光学スペクトル信号及び前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在しない場合の光学スペクトル信号を、同一の前記導電性微細構造体を用いて測定することを特徴とするセンシング方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンシング方法であって、
   前記導電性微細構造体の近傍に前記標的物質が存在する場合の光学スペクトル及び前記導電性微細構造体の近傍に標的物質が存在しない場合の光学スペクトルの差信号を、それぞれ電圧信号に変換する工程、前記電圧信号の値の差分を演算する工程、及び該差分の最大値と最小値を検出する工程を有することを特徴とするセンシング方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンシング方法であって、前記減算信号の時間変化を取得することを特徴とするセンシング方法。
8. 標的物質の濃度を検知するセンシング装置において、
   局在プラズモンを誘起し得る導電性微細構造体と、
   前記導電性微細構造体に光を照射する光源と、
   前記導電性微細構造体からの光を検出する光検出器と、
   前記導電性微細構造体からの光の光学スペクトルを求める分光測定装置と、
   前記光学スペクトルに対して減算処理を行う減算処理装置と、
   を有することを特徴とするセンシング装置。
9. 請求項８に記載のセンシング装置であって、前記光源が発光ダイオードであること特徴とするセンシング装置。
10. 請求項８に記載のセンシング装置であって、前記光源が半導体レーザーであること特徴とするセンシング装置。
11. 請求項８または９に記載のセンシング装置であって、前記分光測定装置に分光器を含むことを特徴とするセンシング装置。
12. 請求項８また９に記載のセンシング装置であって、前記分光測定装置に干渉フィルタを含むことを特徴とするセンシング装置。

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