JP2008232719A - 標的物質検出のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、プラズモンセンサの高感度化に有用な構成を有する標的物質の検出装置及び検出方法を提供することにある。
【解決手段】局在プラズモン共鳴を利用したセンサの金属構造体として、フラクタル構造を有するものを用いる。
【選択図】図３

Description

本発明は化学物質やバイオ物質の検出に用いられる検出装置及び検出方法に関する。

近年、医療における診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速センシング、低コストな化学センサの開発が求められている。このため、電極やFETを用いた電気化学的な手法を利用した化学センサが半導体加工技術を応用し、作製されてきた。

しかしながら、さらなる集積化、低コスト、測定環境を選ばないセンサが求められ、局在プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたバイオセンサが有望視されている。現在、高感度なセンシングを目的として、さまざまな形状の局在プラズモン共鳴センサが提案されつつある（非特許文献１）。また、マイクロ波のアンテナにおいてはフラクタル構造が注目されつつある（非特許文献２）。
Shape effects in plasmon resonance of individual colloidal silver nanoparticles J.J.Mock et.al Journal of Chemical Physics vol.116 NO.15(2002) 6755-6759 Self-similarity and the geometric requirement for frequency independence in antennae Robert.G.Hohlefeld Nathan Cohen Fractals vol.7 NO.1(1999) 79-84

上記プラズモンセンサは、化学、バイオセンサ装置として応用が検討されている。特に免疫検査等の疾病診断においては、微量検出が求められている。正確な診断を行なうために、バイオセンサ装置のよりいっそうの高感度化が望まれている。本発明の目的は、プラズモンセンサの高感度化に有用な構成を有する標的物質の検出装置及び検出方法を提供することにある。

本発明の標的物質検出装置は、
検体中の標的物質を検出するための検出装置において、
標的物質検出素子と、
前記標的物質検出素子に光を照射するための光照射手段と、
前記標的物質検出素子からの光を検出するための光検出器と、
を有し、
前記標的物質検出素子が、局在表面プラズモン共鳴を生じる金属構造体を有し、該金属構造体が、空間的に広がるフラクタル構造を有する
ことを特徴とする検出装置である。

この装置は、標的物質検出素子の有する金属構造体に標的物質を捕捉する捕捉体を設けて、標的物質の検出に用いることができる。すなわち、本発明にかかる標的物質の検出方法は、
標的物質の検出方法において、
検体と検出装置の標的物質検出素子の有する捕捉体が設けられた金属構造体と、を接触させる工程と、
前記検体と接触させた金属構造体に光を照射し、該標的物質検出素子からの出射光を検出する工程と、
前記標的物質検出素子の有する捕捉体への標的物質の結合に伴う前記出射光の変化に基づいて前記検体における標的物質の有無または量を検出する工程と、
を有することを特徴とする標的物質の検出方法である。

本発明のフラクタル図形を用いた局在プラズモン共鳴を利用する検出装置を用いることにより、複数の局在プラズモン共鳴ピーク波長が得られる。複数の局在プラズモン共鳴ピークおよび急峻な局在プラズモン共鳴ピークの性質を使用して誘電率変化を検出することによって、標的物質の高感化学センシングが可能になった。更に、本発明のフラクタル図形を用いた局在プラズモン共鳴を利用する検出装置を用いることにより、複数の波長での検出が可能となり、以下の効果を得ることができる。
１）最も共鳴のピーク幅が細い波長で変化を測定することで信号が大きくなり、高感度に検出できる。
２）複数のピークを検出することによりノイズの影響が低減し、高感度な検出ができる。

本発明は、金属構造体の有するフラクタル構造が複数の共鳴ピークおよび急峻な共鳴ピークを持つことを利用したセンシング装置及び方法である。装置の全体構成の一例を図２に示す。光照射手段を構成する光源20１によって、基板204上のフラクタル構造を有する金属構造体形成部203を照明する。検出器205によって金属構造体形成部203からの出射光、透過光または反射光を受光し、信号処理によって吸収スペクトルを取得する。

金属構造体に適切な波長の電磁波を入射させると、局在プラズモン共鳴が励起される。局在プラズモン共鳴とは、光波長以下のスケール（大きさ）の金属ドットまたは開口に特徴的に生じる現象で、金属中の自由電子の存在と、金属の誘電分散の特性に起因している。そのため、白色光を入射させた場合の金属構造体形成部からの透過スペクトルには、該金属構造体の構造に起因した共鳴吸収ピークが現れる。局在プラズモン共鳴の吸収ピーク波長は、金属構造体近傍の誘電率によって変化する。この誘電率変化の応答を透過スペクトルから見積もることで、金属構造体近傍での誘電率（屈折率）のセンシングが可能になっている。このような局在プラズモン共鳴によりセンシングを可能とする大きさで、すなわち光波長以下のサイズで金属ドット及び／または開口を形成する。更に、金属構造体自体の大きさを光波長以下の大きさとしてもよい。

本発明では、図２に示す被検査物質である標的物質202の有無によってフラクタル構造を有する金属構造体の周囲の誘電率が変化しフラクタル構造での共鳴ピーク波長が変化することを検出することで化学センシングを行なう。

局在プラズモン共鳴を利用した化学センシングにおいて、センシングに適した共鳴ピークを得るために、現在さまざまな金属微粒子自体の形状あるいは多数の金属微粒子の配列態様について、種々の提案がなされている。本発明では、数学的な操作によって形成されるフラクタル図形からなる金属構造体を基板上に形成している。そのため、金属構造体は急峻な複数の共鳴ピークを示し、高感度センシングが可能になる。その理由を以下に述べる。

フラクタル図形とは数学者マンデルブロによって導入された概念で、図形の部分と全体が自己相似となっている図形の総称である。フラクタル図形の例を図３に示す。例えば、１つの金属構造体が図３に示す３つのフラクタル図形のうちいずれかの１つの図形のフラクタル構造をとることができる。フラクタル構造には、図４に示すような平面状に配置される場合だけでなく、例えば、図５に示すような空間的に配置される場合もある。フラクタル図形にはいくつかの興味深い性質がある。結晶の成長や海岸の浸食など、自然界の現象はフラクタル図形を形成することが多い。本発明に関連する電磁気学的分野においては、フラクタル図形は、１）図形の大きさに対して周長が極めて長い、２）図形の内部に特徴的な長さが複数ある、といった特徴に起因した性質が現れる。この２つの性質はマイクロ波アンテナの設計において実験的、理論的に検討が行なわれている。マイクロ波アンテナ設計の検討から知られていることは、フラクタル図形のアンテナは、上記１）の性質より、図形の大きさに対して周長が長いために同じ面積のアンテナでも共振周波数を低くできる。言い換えると、同じ共振周波数のアンテナを設計した場合、フラクタル図形のアンテナの場合は、他の種類のアンテナと比べて面積を小さくすることができる。

フラクタル図形については、ベンワー・マンデルブロ 著、広中平祐 監修、「フラクタル幾何学」、日経サイエンス社に記載される図形を参照して得ることもできる。

フラクタル構造を有する金属構造体の複数（多数）を用いて、１次元または２次元のアレイ状配列を基板上に形成してもよい。配列は平面内のみならず、曲面内に配列される場合も含まれる。金属構造体をアレイ配列させた場合に、アレイ配列の形態は素子の光学特性に影響を及ぼす。それぞれの金属構造体の配列間隔が狭い（密に配列している）ほど、吸収または反射スペクトルの信号強度が高くなり、S/Nのよい信号が得られる。一方で、配列間隔が狭くなりすぎると、金属構造体同士の相互作用により、ピークの応答性が鈍くなる。結果として、金属構造体同士の相互作用を積極的に用いる場合以外は、近接場領域で生じる相互作用の影響をとりのぞきつつ、なるべく狭い間隔で配列させることがのぞましい。この間隔はフラクタル構造やその次元によって異なるが、数十ｎｍ〜数μｍの範囲にある。

また、金属構造体の膜厚は、所望とする局在プラズモン共鳴を利用とした検出を行える範囲内で適宜選択でき、通常数十ｎｍ〜数μｍとすることが望ましい。

金属構造体、たとえば金属微粒子の局在プラズモンによる共鳴ピークは、金属構造体表面近傍の誘電率によって変化する。この誘電率に対する共鳴ピークの応答性は、共鳴ピーク波長が長波長にあるほど、応答性が高いことが知られている。しかしながら、長波長の共鳴ピークの形状はピーク幅が広くなる傾向がある。

図６に共鳴ピークが広がった局在プラズモン共鳴の透過スペクトルと共鳴ピークが急峻な局在プラズモン共鳴の透過スペクトルを示す。観測波長で透過率を測定する場合を想定すると、ピークの幅が狭いほど、ピークの移動量に対する透過光強度の変化量が大きく、高感度センシングが可能であることが分かる。

結局、単純に共鳴ピークが長波長に現れるような金属微粒子の形状にしても、ピークの幅が広がることで応答性の高さが相殺されてしまう。高感度センシングを実現するためには、長波長に急峻な共鳴ピークを持つ金属微粒子形状の考察が肝心である。

金属微粒子の局在プラズモンによる共鳴ピークが長波長に現れるようにするためには、金属微粒子のサイズを大きくすればよいことが知られている（非特許文献１）。上記の長波長側でピーク幅が広がってしまう原因は金属微粒子のスケールが大きくなることによって金属の誘電損失の影響がより顕在化してくるためだとも解釈できる。金属微粒子の形状がフラクタル図形であることによって、共鳴ピーク波長は長波長にあるが、金属微粒子の面積は小さいという状態を実現でき、共鳴ピークが急峻になることで高感度センシングが実現できる。

一方で、フラクタル図形の上述の２）の性質によって、金属構造体はフラクタルのステージに応じた複数の共鳴ピークを持つ。非特許文献２によれば、１つのフラクタル図形でも、対応するステージによって共鳴ピークの急峻さが異なることが明らかになっている。複数のピークのなかで、最も急峻な共鳴ピークをセンシングに利用することで、高感度センシングが可能になる。従って、本発明に用いられるフラクタル構造は、そこからの出射光（反射光あるいは透過光）において共鳴ピークの急峻化が可能となるように設計される。

更に、複数の共鳴ピークを与えるフラクタル構造が好ましい。そのようなフラクタル構造を用いることで、透過スペクトルの２つ以上のピークを検出し、この透過スペクトルの２つ以上のピークのうち、測定しやすい波長帯域で粗くスクリーニングを行い、その後にさらに感度の高いピークで定量を行なうことが可能となる。このような操作により、より確実な検出が可能となる。

また、単一の光検出器に代わって、前記標的物質検出素子からの出射部位近傍または検出のために設けた光学系の焦点面に、２次元のアレイ型検出器もしくは１次元ライン走査型検出器を配置し、透過光または反射光の２次元の画像情報を取得することで、異なる種類の標的検出物質の同時検出や、透過または反射スペクトルの経時変化の情報を得ることが可能となる。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。

（実施例１）
本実施例にかかる化学センサの構造を図１に示す。まず、光源101によって基板105上に形成された金属構造体104の設置部全体に白色光を照射する。この光学系は平行光を使用するものでも、顕微鏡を利用した集光光学系や暗視野の配置となっていてもよい。金属構造体の構成材料としてはAg、Au等のプラズモンを励起しやすい金属が適している。金属構造体は、基板上に設けた金属薄膜のリソグラフィーによるパターニングや、金属材料を用いたインプリント、FIB加工あるいは自己組織化法等の方法によって、金属材料をフラクタル形状にパターン形成することにより得ることができる。本実施例においては、３０１のSiepinski Triangleを用いた場合を説明する。化学センサからの出射光としては反射光や透過光が利用できる。透過光を利用する場合は、基板は光源の波長帯域内において透過光を利用するのに適した透明性を有するものがのぞましい。あるいは、図７に示すように保持体７０４によって直接金属構造体をフリースタンディングに保持することが可能であれば、基板はなくても良い。

金属構造体の表面には、標的物質102を捕捉するための捕捉体物質103が固定化されている。標的物質と捕捉体物質の組は例えば、抗原抗体反応の抗原と抗体の組がある。該基板上の金属構造体と捕捉体物質を、標的物質のセンシング対象である溶液に浸漬するかもしくは該溶液を流路によって該金属構造体の近傍まで輸送する。該溶液中に標的物質が微量でも存在した場合、標的物質は捕捉体物質によって捕らえられ、金属構造体の表面近傍に結合される。それにより、金属構造体近傍の誘電率が変化し、局在プラズモン共鳴によって生じる共鳴吸収ピーク波長が変化する。一方、該溶液中に標的物質が存在しなかった場合、捕捉体物質の状態は変化せず誘電率も変化しないため、共鳴吸収ピーク波長も変化しない。この2つの状態を判別するには、検出器106からの出力信号107を信号処理することによって吸収スペクトルを取得し、共鳴ピークのシフト量を調べることによって標的物質の有無を検出する。図６にピークシフト前の吸収スペクトルを実線で、ピークシフト後の吸収スペクトルを破線で示す。スペクトル全体を取得してピークシフト量を見積もることによっても、ピークのシフトによって透過光強度が変化する波長（観測波長）の強度変化量によっても標的物質の有無を検出できる。

（実施例２）
本発明の別の実施例を以下に述べる。スペクトルを取得する工程までは実施例１と同様である。１の工程に加えて、複数の共鳴ピーク波長を利用してセンシングを行なう。

本実施例によるフラクタル構造をもつ金属構造体の共鳴吸収ピークは図８に示すように、フラクタル図形のステージに対応した複数のピークある。ピークシフト前の吸収スペクトルを実線で、ピークシフト後の吸収スペクトルを破線で示してある。このスペクトルに含まれる２つ以上の共鳴ピークの、ピークシフト量もしくは観測波長での透過光強度変化量を比較することで、よりノイズや誤差が軽減され正確で感度の高い化学センシングを実現する。

（実施例３）
本発明の別の実施例を以下に述べる。スペクトルを取得する工程までは実施例１と同様である。本実施例によるフラクタル構造をもつ金属微粒子複合体の共鳴ピークは〔図８〕に示すように、フラクタル図形のステージに対応した複数のピークがある。複数のピークのうち、測定しやすいピーク（例えば可視光領域のピーク）のシフト量または観測波長での透過光強度変化量で粗く定性的なスクリーニングを行い、陽性が疑われるサンプルについては高感度測定が可能なピーク（例えば赤外域のピーク）のシフト量または観測波長での透過光強度変化量を利用して正確に定量を行なう。このことで、迅速でかつ正確な化学センシングを実現する。

本発明の捕捉体物質をそなえた化学センサ装置を示した平面図である。 本発明の化学センサ装置を示した平面図である。 フラクタル図形の例を示した平面図である。 平面的に配置されたフラクタル構造の例を示した説明図である。 空間的に配置さらたフラクタル構造の例を示した説明図である。 局在プラズモン共鳴ピークの広狭とセンシング感度の関係を図示した説明図である。 本発明のフリースタンディングに保持された化学センサ装置を示した平面図である。 本発明のフラクタル構造をもつ金属微粒子複合体の局在プラズモン共鳴ピークの該金属微粒子複合体の近傍の誘電率変化による共鳴ピークシフトを図示した説明図である。

符号の説明

101：光源
102：標的物質
103：補足体物質
104：金属微粒子複合体
105：基板
106：検出器
107：検出信号
201：光源
202：被検査物質
203：金属微粒子複合体
204：基板
205：検出器
206：検出信号
301：Siepinski Carpet
302：Siepinski Triangle
303：Purina Fractal
401：平面的に配置されたフラクタル構造
502：空間的に配置されたフラクタル構造
601：共鳴ピークの広い金属構造体の吸収スペクトル変化
602：共鳴ピークの狭い金属構造体の吸収スペクトル変化
701：光源
702：被検査物質
703：金属微粒子複合体
704：保持体
705：検出器
706：検出信号
801：フラクタル構造金属微粒子複合体の示す複数の局在プラズモン共鳴ピーク

Claims (13)

1. 検体中の標的物質を検出するための検出装置において、
   標的物質検出素子と、
   前記標的物質検出素子に光を照射するための光照射手段と、
   前記標的物質検出素子からの光を検出するための光検出器と、
   を有し、
   前記標的物質検出素子が、局在表面プラズモン共鳴を生じる金属構造体を有し、該金属構造体が、空間的に広がるフラクタル構造を有している
   ことを特徴とする検出装置。
2. 前記金属構造体の表面に標的物質を捕捉する捕捉体が設けられている請求項１記載の検出装置。
3. 前記フラクタル構造が、光照射手段からの光の波長に相当する構造を有する請求項１または２に記載の検出装置。
4. 前記金属構造体の１次元または２次元のアレイ状配列を有する請求項１ないし４のいずれかに記載の検出装置。
5. 前記光照射手段と前記金属構造体が暗視野照明の関係で配置されている請求項１乃至４のいずれかに記載の検出装置。
6. 前記捕捉体が、抗原または抗体である請求項１ないし５のいずれかに記載の検出装置。
7. 前記光検出器が、２つ以上の異なる波長帯域に対応する検出素子を備えている請求項１ないし６のいずれかに記載の検出装置。
8. 標的物質の検出方法において、
   検体と、請求項２ないし７のいずれかに記載の検出装置の金属構造体と、を接触させる工程と、
   前記検体と接触させた金属構造体に光を照射し、該標的物質検出素子からの出射光を検出する工程と、
   前記標的物質検出素子の有する捕捉体への標的物質の結合に伴う前記出射光の変化に基づいて前記検体における標的物質の有無または量を検出する工程と、
   を有することを特徴とする標的物質の検出方法。
9. 前記出射光が、透過光であり、前記出射光を検出する工程が、該透過光における透過スペクトル変化を検出する工程である請求項８に記載の検出方法。
10. 前記出射光が、反射光であり、前記出射光を検出する工程が、該反射光における反射スペクトル変化を検出する工程である請求項８に記載の検出方法。
11. 前記透過光を検出する工程が、前記透過スペクトル変化による２次元の画像情報を取得する工程を有する請求項９に記載の検出方法。
12. 前記透過光を検出する工程が、透過スペクトルの２つ以上のピークを検出することにより行われる請求項９または１０に記載の検出方法。
13. 前記透過スペクトルの２つ以上のピークのうち、測定しやすい波長帯域で粗くスクリーニングを行い、その後にさらに感度の高いピークで定量を行なう請求項１１に記載の検出方法。

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