JP2010175327A - Metal nanoparticle complex and method for manufacturing the same, and biochip and method for manufacturing the same - Google Patents

Metal nanoparticle complex and method for manufacturing the same, and biochip and method for manufacturing the same Download PDF

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Hiroshi Nakajima
寛 中島
Kazuaki Furukawa
一暁 古川
Yoichi Shinozaki
陽一 篠崎
Koji Sumitomo
弘二 住友
Keiichi Torimitsu
慶一 鳥光
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new metal nanoparticle complex useful as a biochip material and a method for manufacturing the same, and to provide a biochip using the metal nanoparticle complex and a method for manufacturing the complex. <P>SOLUTION: In the metal nanoparticle complex, a functional molecule is chemically bonded through a bridging linker part to metal nanoparticles whose surface is chemically modified with phospholipid molecules. The biochip has on a substrate, a complex arrangement part on which the metal nanoparticle complex is arranged. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、金属ナノ粒子複合体およびその製造方法、ならびに該金属ナノ粒子複合体を用いたバイオチップおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a metal nanoparticle composite and a production method thereof, and a biochip using the metal nanoparticle composite and a production method thereof.

ナノメートルレベルのサイズを有する金属ナノ粒子は、当該金属ナノ粒子の自由電子と入射光の振動電場とが共鳴振動することにより、局在表面プラズモン吸収と呼ばれる特異な光特性を発現することが知られている。また、金属ナノ粒子を組織化した構造体では、近接した金属ナノ粒子間の局所的な電場強度が非常に大きくなることが見出されている(非特許文献1参照)。
最近、金属ナノ粒子のこれらの特性を利用した機能材料の研究開発が盛んになっており、バイオセンシング、電子材料、太陽電池、非線形光学材料、プラズモニック導波路等、幅広い分野での応用が指向されている。特にバイオセンシング分野においては、金属ナノ粒子を用いることにより、大型の装置を必要とせず、簡易に、短時間で、しかも安価に溶液中の生体分子の検出・診断等を行うことが可能として、種々の検討がなされている。
その理由の1つとして、金属ナノ粒子を基板表面で規則性良く集積した場合、その形状、配向、構造次元性等に由来する特異的な物性の発現が期待できることが挙げられる。
たとえば上述したように、金属ナノ粒子を組織化した場合、近接した金属ナノ粒子間の局所的な電場強度が非常に大きくなることから、該金属ナノ粒子間の間隙に吸着した分子の分光計測を行うと、スペクトルの光信号強度が極度に増強する表面増強効果が発現する。この性質は、高感度化を達成する重要な技術要素となる。
また、金属ナノ粒子としてロッド状のもの(金属ナノロッド)を用いれば、そのアスペクト比([長軸方向の長さ]/[短軸方向の長さ(直径)]の比)を調節することにより、ターゲットとなる検出分子に応じて、局在表面プラズモン吸収波長を可視光から近赤外域まで自在に変化させることができる可変性を付与することができる。
これらの特性を利用することにより、金属ナノ粒子の吸収光、反射光、蛍光、赤外光、ラマン光、プラズモン共鳴等の簡単な分光学的手法から、検査対象とする目的物質を短時間で、高感度に定性・定量解析を行うことが可能となる。
It is known that metal nanoparticles having a nanometer-level size exhibit a unique optical property called localized surface plasmon absorption due to resonance oscillation between the free electrons of the metal nanoparticles and the oscillating electric field of incident light. It has been. Further, it has been found that in a structure in which metal nanoparticles are organized, the local electric field strength between adjacent metal nanoparticles is extremely large (see Non-Patent Document 1).
Recently, research and development of functional materials using these properties of metal nanoparticles has become active, and application in a wide range of fields such as biosensing, electronic materials, solar cells, nonlinear optical materials, plasmonic waveguides, etc. Has been. Especially in the biosensing field, by using metal nanoparticles, it is possible to detect and diagnose biomolecules in a solution easily, in a short time, and at low cost without the need for a large device. Various studies have been made.
One of the reasons is that, when metal nanoparticles are accumulated on the substrate surface with good regularity, the expression of specific physical properties derived from the shape, orientation, structural dimensionality, etc. can be expected.
For example, as described above, when metal nanoparticles are organized, the local electric field strength between adjacent metal nanoparticles becomes very large, so that the spectroscopic measurement of molecules adsorbed in the gaps between the metal nanoparticles can be performed. If it does, the surface enhancement effect which the optical signal intensity of a spectrum will increase extremely will express. This property is an important technical element for achieving high sensitivity.
Moreover, if a rod-shaped thing (metal nanorod) is used as a metal nanoparticle, by adjusting the aspect ratio (ratio of [length in the major axis] / [length in the minor axis (diameter)]) Depending on the target detection molecule, it is possible to impart variability that allows the localized surface plasmon absorption wavelength to be freely changed from visible light to the near infrared region.
By utilizing these characteristics, the target substance to be inspected can be obtained in a short time from simple spectroscopic methods such as absorbed light, reflected light, fluorescence, infrared light, Raman light, and plasmon resonance of metal nanoparticles. Qualitative and quantitative analysis can be performed with high sensitivity.

近年、上述のような金属ナノ粒子の性質を利用して、金属ナノ粒子を基板上に規則的に配置し、それによって形成される組織化構造が精密に制御された金属ナノ粒子薄膜の開発が試みられている。
該金属ナノ粒子薄膜上に抗体、酵素等の生体分子を修飾すれば、生体分子間反応を、単分子単位の高感度で検査・診断することができるバイオセンサーを提供できると考えられている。また、ナノデバイス開発の分野においても、組織化した金属ナノ粒子薄膜は、新たな光電子物性を発現する新規なナノ基盤材料となり得る。特に金属ナノロッドを用いる場合、そのアスペクト比に応じて吸収波長の可変性を有するため、バイオセンシングの用途において、所望のターゲット分子に応じてセンシング波長を変更することで、選択性を発現させることができる。また、金属ナノ粒子を規則的に配列することで、局在表面プラズモンカップリングによる光や電場の増強効果が増大するため、単分子レベルの高感度センシング機能を付与することができる。
In recent years, the development of metal nanoparticle thin films in which metal nanoparticles are regularly arranged on a substrate using the properties of metal nanoparticles as described above, and the organized structure formed thereby is precisely controlled has been developed. Has been tried.
By modifying biomolecules such as antibodies and enzymes on the metal nanoparticle thin film, it is considered that a biosensor capable of examining and diagnosing a biomolecular reaction with high sensitivity in a single molecule unit can be provided. Also in the field of nanodevice development, organized metal nanoparticle thin films can be a novel nano-based material that develops new optoelectronic properties. In particular, when metal nanorods are used, the absorption wavelength varies depending on the aspect ratio. Therefore, in biosensing applications, selectivity can be expressed by changing the sensing wavelength according to the desired target molecule. it can. Further, by regularly arranging the metal nanoparticles, the effect of enhancing the light or electric field by the localized surface plasmon coupling is increased, so that a high-sensitivity sensing function at a single molecule level can be provided.

金属ナノ粒子を利用したバイオセンシングの具体例としては、たとえば、2種類のデオキシリボ核酸(DNA)を別々に固定化した金属ナノ粒子と、その標的となるDNAとを混合すると、配列中の1塩基を、金属ナノ粒子のプラズモン吸収特性変化から簡単に見分けることができることが報告されている(非特許文献2参照)。また、1種類のDNA固定化金属ナノ粒子を用いた場合でも、その相補的なDNAと高濃度の塩化ナトリウム溶液とを添加することにより、金属ナノ粒子の凝集形成能を意図的に制御し、1塩基のミスマッチを「非架橋型凝集反応」により識別する手法も提案されている(非特許文献3参照)。
また、金属ナノ粒子を用いた糖鎖の識別法も考案されている(非特許文献4参照)。この手法では、ポリエチレングリコール(PEG)鎖で被覆した金属ナノ粒子にラクトース等の糖を結合させ、さらに該糖と特異的に結合するレクチンを加えることで、金属ナノ粒子の凝集・分散状態を変化させて糖鎖識別が行われる。該PEG鎖は、金属ナノ粒子の溶液中での分散安定性をもたらす分散安定化剤としての役割とともに、該レクチンの非特異的吸着を防ぐための吸着抑制剤としての役割も担うよう、高度な粒子表面設計がなされている。
また、蛍光を発する半導体ナノ粒子を用いたバイオセンシングシステムも開発されている。たとえばCdSナノ粒子の表面にビオチンを付加し、ビオチンを特異的に認識するストレプトアビジン(蛍光色素標識)を添加する。そしてCdSを励起すると、CdSナノ粒子表面に吸着したストレプトアビジンを標識する蛍光色素へのみ蛍光共鳴エネルギー移動(Fluorescent resonance energy transfer(FRET))が起こり、ビオチン−ストレプトアビジン間の反応が定量的に検出される(非特許文献5参照)。
As a specific example of biosensing using metal nanoparticles, for example, when metal nanoparticles on which two types of deoxyribonucleic acid (DNA) are separately immobilized and the target DNA are mixed, one base in the sequence Has been reported to be easily distinguishable from changes in the plasmon absorption characteristics of metal nanoparticles (see Non-Patent Document 2). In addition, even when one kind of DNA-immobilized metal nanoparticles is used, by adding the complementary DNA and a high concentration sodium chloride solution, the ability to form aggregates of metal nanoparticles is intentionally controlled, A method of discriminating a single base mismatch by “non-crosslinking type agglutination reaction” has also been proposed (see Non-Patent Document 3).
In addition, a sugar chain identification method using metal nanoparticles has been devised (see Non-Patent Document 4). In this method, by combining sugars such as lactose with metal nanoparticles coated with polyethylene glycol (PEG) chains, and adding lectins that specifically bind to the sugars, the state of aggregation and dispersion of the metal nanoparticles is changed. In this way, sugar chains are identified. The PEG chain has a role as a dispersion stabilizer that provides dispersion stability in the solution of the metal nanoparticles, and also has a sophisticated role to play a role as an adsorption inhibitor for preventing nonspecific adsorption of the lectin. Particle surface design is made.
Biosensing systems using semiconductor nanoparticles that emit fluorescence have also been developed. For example, biotin is added to the surface of CdS nanoparticles, and streptavidin (fluorescent dye label) that specifically recognizes biotin is added. When CdS is excited, fluorescence resonance energy transfer (Fluorescent resonance energy transfer (FRET)) occurs only to the fluorescent dye that labels the streptavidin adsorbed on the CdS nanoparticle surface, and the reaction between biotin and streptavidin is quantitatively detected. (See Non-Patent Document 5).

一方、バイオチップは、巨大な市場価値をもたらすことが期待され、上記のようなバイオセンシング技術とともに、世界レベルで競争的な研究開発が試みられている。
一般に、次世代のバイオチップには、(1)高選択性(分子識別能の向上)、(2)高感度(分子レベルの診断・検出、信号増幅)、(3)ハイスループット(分離・精製等のプロセスの簡素化・分析時間の短縮)、(4)診断装置の低価格化・軽量化・小型化、等の高度な技術要素が要求される。
従来のバイオチップに用いられている検出法としては、電気化学的手法、ELIZA(Enzyme−linked immunosorbent assay)法、表面プラズモン共鳴(Surface plasmon resonance(SPR))法、水晶振動子(Quartz crystal microbalance(QCM))法等が主流である。
これらのうち、電気化学的手法では、電極表面へ酵素や抗体、DNA等の生体分子を、目的物質を特異的に認識する認識部位として固定化し、そこへ目的物質が結合した際に生じる電気化学的なシグナル変化や、酵素等の標識物質による信号増幅を検出し、定量を行う。また、ELIZA法は、サンプル中に含まれる微量の目的物質を酵素標識または蛍光標識した抗体または抗原を用い、抗原抗体反応を利用して定量的に検出する方法である。
しかし、これらの検出法は、いずれも、生体分子への標識作業を必要とし、作業が繁雑である。また、標識によって、生体分子認識能の阻害を招くことから、目的物質の微量測定や高感度測定が困難である。
一方、金属薄膜表面に目的物質が吸着する際のプラズモン共鳴角のシフト量を検出するSPR法や、振動数変化を検出するQCM法は、生体分子に酵素や蛍光分子を標識することなく(非標識)、目的物質の検出や定量を行える利点がある。
しかし、SPR法は、感度向上のために大型の光学測定系や測定パラメータの最適化を必要とするなど、一連の検出操作が煩雑であるため、目的物質のオンサイトモニタリングには不適である。また、QCM法は、簡単な装置で簡単に測定できるが、ノイズが大きく、高感度測定が実現しない。
さらに、これら従来の検出法は、いずれも、分子認識反応が行われた巨視的表面に対して信号強度を上げて検出を容易にすることを目的としており、次世代のバイオチップに求められる技術要素を満足させることは難しい。
On the other hand, biochips are expected to bring huge market value, and competitive research and development at the world level has been attempted together with the above biosensing technologies.
In general, next-generation biochips include (1) high selectivity (improving molecular discrimination), (2) high sensitivity (molecular level diagnosis / detection, signal amplification), and (3) high throughput (separation / purification). Etc.) (4) Advanced technical elements such as cost reduction, weight reduction and downsizing of the diagnostic apparatus are required.
Examples of detection methods used in conventional biochips include electrochemical techniques, ELIZA (Enzyme-linked immunosorbent assay) methods, surface plasmon resonance (SPR) methods, and quartz crystal (quartz crystal microbial). QCM)) method is the mainstream.
Among these, the electrochemical method immobilizes biomolecules such as enzymes, antibodies, and DNA on the electrode surface as a recognition site that specifically recognizes the target substance, and the electrochemical reaction that occurs when the target substance binds to it. Quantification is performed by detecting a typical signal change and signal amplification by a labeling substance such as an enzyme. The ELIZA method is a method for quantitatively detecting a trace amount of a target substance contained in a sample by using an antigen-antibody reaction using an enzyme-labeled or fluorescent-labeled antibody or antigen.
However, all of these detection methods require labeling to biomolecules and are complicated. In addition, since the labeling causes inhibition of the ability to recognize biomolecules, it is difficult to measure the target substance in a trace amount or at high sensitivity.
On the other hand, the SPR method for detecting the shift amount of the plasmon resonance angle when the target substance is adsorbed on the surface of the metal thin film and the QCM method for detecting the change in the frequency are not labeled with enzymes or fluorescent molecules on the biomolecules (non- Label), and has the advantage of being able to detect and quantify the target substance.
However, the SPR method is unsuitable for on-site monitoring of a target substance because a series of detection operations is complicated, such as requiring a large optical measurement system and optimization of measurement parameters in order to improve sensitivity. Further, the QCM method can be easily measured with a simple apparatus, but the noise is large and high-sensitivity measurement cannot be realized.
Furthermore, all of these conventional detection methods are aimed at increasing the signal intensity on the macroscopic surface on which the molecular recognition reaction has been performed to facilitate detection, and are the technologies required for next-generation biochips. It is difficult to satisfy the elements.

山田淳監修、「プラズモンナノ材料の設計と応用技術」、第一刷、2006年、シーエムシー出版Supervised by Satoshi Yamada, “Design and application technology of plasmon nanomaterials”, first edition, 2006, CM Publishing エヌ・エル・ロシ(N.L.Rosi)ら、「ケミカル・レビュー(Chemical Review)」、第105巻、2005年、第1547−1562頁N.L. Rosi et al., “Chemical Review”, Vol. 105, 2005, pp. 1547-1562. ケイ・サトウ(K.Sato)ら、「ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー(Journal of American Chemical Society)」、第125巻、2003年、第8102−8103頁K. Sato et al., “Journal of American Chemical Society”, 125, 2003, pp. 8102-8103. エイチ・オオツカ(H.Otsuka)ら、「ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー」、第123巻、2001年、第8226−8230頁H. Otsuka et al., “Journal of American Chemical Society”, Vol. 123, 2001, pages 8226-8230. ワイ・ナガサキ(Y.Nagasaki)ら、「ラングミュア(Langmuir)」、第20巻、2004年、第6396−6400頁Y. Nagasaki et al., “Langmuir”, 20, 2004, 6396-6400.

金属ナノ粒子は、従来のバイオチップに用いられていた検出法における問題点を解決するバイオチップ材料として有望である。すなわち、上述したような特性を利用することにより、金属ナノ粒子の吸収光、反射光、蛍光、赤外光、ラマン光、プラズモン共鳴等の簡単な分光学的手法から、検査対象とする目的物質を、短時間で、高感度に定性・定量解析を行えるバイオチップを提供することが可能となる。また、基板上に、金属ナノ粒子を高密度に集積すれば、バイオチップ上の反応点も高密度に集積し、スループットの向上、バイオチップの小型化等が可能となる。
しかしながら、従来、バイオセンシング等への適用が検討されている金属ナノ粒子は、基板上への配置(金属ナノ粒子の並び方、配列構造の次元性、ナノメートルレベルでの粒子間隔等)の制御性が充分ではない。そのため、該金属ナノ粒子を基板上に高密度に集積させることは難しい。また、該金属ナノ粒子は、その表面が界面活性剤で被覆されるなど、生体分子の診断・検出等に用いるには生体適合性が低い問題もある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、バイオチップ材料として有用な新規な金属ナノ粒子複合体およびその製造方法、ならびに該金属ナノ粒子複合体を用いたバイオチップおよびその製造方法を提供することを目的とする。
Metal nanoparticles are promising as biochip materials that solve the problems in the detection methods used in conventional biochips. That is, by utilizing the characteristics as described above, the target substance to be inspected can be obtained from simple spectroscopic methods such as absorption light, reflection light, fluorescence, infrared light, Raman light, and plasmon resonance of metal nanoparticles. Therefore, it is possible to provide a biochip capable of performing qualitative and quantitative analysis with high sensitivity in a short time. In addition, if metal nanoparticles are integrated on a substrate at a high density, reaction points on the biochip can also be integrated at a high density, thereby improving throughput and reducing the size of the biochip.
However, metal nanoparticles that have been studied for application to biosensing, etc. have controllability on the substrate (arrangement of metal nanoparticles, dimensionality of array structure, particle spacing at nanometer level, etc.) Is not enough. Therefore, it is difficult to accumulate the metal nanoparticles on the substrate at a high density. In addition, the metal nanoparticles have a problem of low biocompatibility for use in diagnosis / detection of biomolecules such as the surface being coated with a surfactant.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a novel metal nanoparticle composite useful as a biochip material and a production method thereof, and a biochip using the metal nanoparticle composite and a production method thereof The purpose is to provide.

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
[1]表面がリン脂質分子で化学修飾された金属ナノ粒子に、機能性分子が、架橋リンカー部を介して化学結合していることを特徴とする金属ナノ粒子複合体。
[2]前記金属ナノ粒子が金属ナノロッドである[1]に記載の金属ナノ粒子複合体。
[3]前記機能性分子が、抗体、抗原、酵素、膜タンパク質、受容体型タンパク質、細胞骨格およびモータータンパク質からなる群から選択される少なくとも1種の機能性タンパク質である[1]または[2]に記載の金属ナノ粒子複合体。
[4][1]〜[3]のいずれか一項に記載の金属ナノ粒子複合体の製造方法であって、
表面がリン脂質分子で化学修飾された金属ナノ粒子と、機能性分子とを、架橋リンカー剤を用いて化学結合させる工程を含むことを特徴とする金属ナノ粒子複合体の製造方法。
[5]前記架橋リンカー剤が、置換基を有していてもよいスクシンイミジル基と、含硫黄有機置換基とを有する[4]に記載の金属ナノ粒子複合体の製造方法。
[6]基板上に、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の金属ナノ粒子複合体が配置された複合体配置部を有するバイオチップ。
[7]前記複合体配置部に、前記金属ナノ粒子複合体が1次元、2次元または3次元に配列した配列構造が形成されている[6]に記載のバイオチップ。
[8]前記複合体配置部を複数有し、該複数の複合体配置部における機能性分子の種類および濃度、または機能性分子の種類もしくは濃度がそれぞれ異なる[6]または[7]に記載のバイオチップ。
[9][6]〜[8]のいずれか一項に記載のバイオチップの製造方法であって、
基板上に、前記金属ナノ粒子複合体を構成する金属ナノ粒子を、その表面を化学修飾するリン脂質分子の自己組織化能を利用して展開させ、前記金属ナノ粒子複合体が1次元または2次元に配列した配列構造を形成する工程を含むことを特徴とするバイオチップの製造方法。
[10]前記金属ナノ粒子複合体が1次元または2次元に配列した配列構造を形成する工程を複数回繰り返すことにより、前記金属ナノ粒子複合体が3次元に配列した配列構造を形成する[9]に記載のバイオチップの製造方法。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following configuration.
[1] A metal nanoparticle composite characterized in that a functional molecule is chemically bonded to a metal nanoparticle whose surface is chemically modified with a phospholipid molecule via a crosslinking linker moiety.
[2] The metal nanoparticle composite according to [1], wherein the metal nanoparticles are metal nanorods.
[3] The functional molecule is at least one functional protein selected from the group consisting of an antibody, an antigen, an enzyme, a membrane protein, a receptor protein, a cytoskeleton, and a motor protein [1] or [2] The metal nanoparticle composite according to 1.
[4] A method for producing a metal nanoparticle composite according to any one of [1] to [3],
A method for producing a metal nanoparticle composite, comprising a step of chemically bonding a metal nanoparticle whose surface is chemically modified with a phospholipid molecule and a functional molecule using a crosslinking linker agent.
[5] The method for producing a metal nanoparticle composite according to [4], wherein the crosslinking linker agent has a succinimidyl group which may have a substituent and a sulfur-containing organic substituent.
[6] A biochip having a composite placement part in which the metal nanoparticle composite according to any one of [1] to [3] is placed on a substrate.
[7] The biochip according to [6], wherein an array structure in which the metal nanoparticle composites are arranged one-dimensionally, two-dimensionally, or three-dimensionally is formed in the composite placement part.
[8] The structure according to [6] or [7], including a plurality of the complex arrangement parts, wherein the types and concentrations of the functional molecules or the types or concentrations of the functional molecules in the plurality of complex arrangement parts are different. Biochip.
[9] A method for producing a biochip according to any one of [6] to [8],
On the substrate, the metal nanoparticles constituting the metal nanoparticle composite are developed using the self-organization ability of phospholipid molecules that chemically modify the surface thereof, and the metal nanoparticle composite is one-dimensional or two-dimensional. A biochip manufacturing method comprising a step of forming a three-dimensional array structure.
[10] The process of forming an array structure in which the metal nanoparticle composites are arranged one-dimensionally or two-dimensionally is repeated a plurality of times to form an array structure in which the metal nanoparticle composites are arrayed in three dimensions [9] ] The manufacturing method of the biochip of description.

本発明によれば、バイオチップ材料として有用な新規な金属ナノ粒子複合体およびその製造方法、ならびに該金属ナノ粒子複合体を用いたバイオチップおよびその製造方法を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the novel metal nanoparticle composite useful as a biochip material, its manufacturing method, the biochip using this metal nanoparticle composite, and its manufacturing method can be provided.

本発明の金属ナノ粒子複合体の一実施形態を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining one Embodiment of the metal nanoparticle composite_body | complex of this invention. 本発明の金属ナノ粒子複合体の製造方法の一実施形態を説明する図である。It is a figure explaining one Embodiment of the manufacturing method of the metal nanoparticle composite_body | complex of this invention. 本発明のバイオチップにおいて、金属ナノ粒子複合体が一次元に配列した配列構造が形成されている場合の一実施形態を示す模式図である。In the biochip of this invention, it is a schematic diagram which shows one Embodiment in case the arrangement | sequence structure where the metal nanoparticle composite_body | complex is arranged in one dimension is formed. 本発明のバイオチップにおいて、金属ナノ粒子複合体が二次元に配列した配列構造が形成されている場合の一実施形態を示す模式図である。In the biochip of this invention, it is a schematic diagram which shows one Embodiment in case the arrangement | sequence structure where the metal nanoparticle composite_body | complex is arranged in two dimensions is formed. 本発明のバイオチップにおいて、金属ナノ粒子複合体が二次元に配列した配列構造が形成されている場合の一実施形態を示す模式図である。In the biochip of this invention, it is a schematic diagram which shows one Embodiment in case the arrangement | sequence structure where the metal nanoparticle composite_body | complex is arranged in two dimensions is formed. 本発明のバイオチップにおいて、金属ナノ粒子複合体が三次元に配列した配列構造が形成されている場合の一実施形態を示す模式図である。In the biochip of this invention, it is a schematic diagram which shows one Embodiment in case the arrangement | sequence structure where the metal nanoparticle composite_body | complex is arranged in three dimensions is formed. 本発明のバイオチップにおいて、金属ナノ粒子複合体が三次元に配列した配列構造が形成されている場合の一実施形態を示す模式図である。In the biochip of this invention, it is a schematic diagram which shows one Embodiment in case the arrangement | sequence structure where the metal nanoparticle composite_body | complex is arranged in three dimensions is formed. 本発明のバイオチップにおいて、金属ナノ粒子複合体が三次元に配列した配列構造が形成されている場合の一実施形態を示す模式図である。In the biochip of this invention, it is a schematic diagram which shows one Embodiment in case the arrangement | sequence structure where the metal nanoparticle composite_body | complex is arranged in three dimensions is formed. 本発明のバイオチップがマイクロ流路型である場合の一実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one Embodiment in case the biochip of this invention is a microchannel type. 本発明のバイオチップがマルチアレイ型である場合の一実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one Embodiment in case the biochip of this invention is a multi-array type | mold. 製造例1、製造例2、実施例1において製造した、金ナノロッド、リン脂質修飾金ナノロッドおよび金ナノロッド複合体それぞれの水分散液、ならびに使用したアレクサラベル化抗IgG抗体原液の吸収スペクトルを示すグラフである。The graph which shows the absorption spectrum of each aqueous dispersion of the gold nanorod, the phospholipid modified gold nanorod and the gold nanorod complex produced in Production Example 1, Production Example 2 and Example 1, and the Alexa-labeled anti-IgG antibody stock solution used. It is. 製造例1、製造例2、実施例1において製造した、金ナノロッド、リン脂質修飾金ナノロッドおよび金ナノロッド複合体それぞれの水分散液、ならびに使用したアレクサラベル化抗IgG抗体原液の蛍光スペクトルを示すグラフである。The graph which shows the fluorescence spectrum of each aqueous dispersion of the gold nanorod, the phospholipid modified gold nanorod, and the gold nanorod complex produced in Production Example 1, Production Example 2 and Example 1, and the Alexa-labeled anti-IgG antibody stock solution used. It is. 製造例2、実施例1において製造した、リン脂質修飾金ナノロッドおよび金ナノロッド複合体それぞれの水分散液についてのフローサイトメトリー測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the flow cytometry measurement about the aqueous dispersion of each of the phospholipid modification gold | metal | money nanorod and gold | metal nanorod composite_body | complex manufactured in manufacture example 2 and Example 1. FIG. 実施例1において製造した金ナノロッド複合体の透過顕微鏡写真および蛍光顕微鏡写真である。2 is a transmission micrograph and a fluorescence micrograph of a gold nanorod composite produced in Example 1. FIG. 実施例1において製造した金ナノロッド複合体のレーザー蛍光顕微鏡写真である。2 is a laser fluorescence micrograph of a gold nanorod composite produced in Example 1. FIG. 試験例1において、生体分子間相互反応の検出を行った際に用いた測定系を説明する概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a measurement system used when detecting a biomolecular interaction in Test Example 1. 試験例1において、生体分子間相互反応の検出を行った際の全反射蛍光顕微鏡写真である。In Test Example 1, it is a total reflection fluorescence micrograph at the time of detecting the interaction between biomolecules. 試験例2において、生体分子間相互反応の時間変化観測を行った際の全反射蛍光顕微鏡写真である。In Experiment 2, it is a total reflection fluorescence micrograph at the time of observing the time change of interaction between biomolecules. 試験例2において、生体分子間相互反応の時間変化観測を行った際の、反応時間に対する白色輝点数を示すグラフである。In Test Example 2, it is a graph showing the number of white bright spots with respect to the reaction time when the time change observation of the interaction between biomolecules is performed. 試験例2において、生体分子間相互反応の時間変化観測を行った際の、白色輝点数に対する平均輝度のヒストグラムを示すグラフである。In Test Example 2, it is a graph showing a histogram of average luminance with respect to the number of white bright spots when time change observation of interaction between biomolecules is performed. 試験例3(比較試験)の結果を示す全反射蛍光顕微鏡写真である。It is a total reflection fluorescence micrograph which shows the result of Test Example 3 (comparative test).

<金属ナノ粒子複合体>
本発明の金属ナノ粒子複合体は、表面がリン脂質分子で化学修飾された金属ナノ粒子(以下、リン脂質修飾金属ナノ粒子ということがある。)に、機能性分子が、架橋リンカー部を介して化学結合しているものである。
ここで、本発明における「金属ナノ粒子」とは、粒子径が1〜999nmの範囲内の金属粒子をいう。また、化学修飾、化学結合は、共有結合、イオン結合または水素結合による結合を示す。
<Metal nanoparticle composite>
In the metal nanoparticle composite of the present invention, a functional molecule is bonded to a metal nanoparticle whose surface is chemically modified with a phospholipid molecule (hereinafter sometimes referred to as a phospholipid-modified metal nanoparticle) via a crosslinker linker moiety. Are chemically bonded.
Here, the “metal nanoparticles” in the present invention refer to metal particles having a particle diameter in the range of 1 to 999 nm. The chemical modification and chemical bond indicate a bond by a covalent bond, an ionic bond or a hydrogen bond.

[リン脂質修飾金属ナノ粒子]
リン脂質修飾金属ナノ粒子は、金属ナノ粒子の表面をリン脂質分子で化学修飾してなるものである。リン脂質分子でその表面が修飾されているため、リン脂質修飾金属ナノ粒子、および該リン脂質修飾金属ナノ粒子を有する金属ナノ粒子複合体は、水中または有機溶媒中での分散安定性が良好である。
[Phospholipid-modified metal nanoparticles]
The phospholipid-modified metal nanoparticles are obtained by chemically modifying the surface of the metal nanoparticles with phospholipid molecules. Since the surface is modified with phospholipid molecules, the phospholipid-modified metal nanoparticles and the metal nanoparticle composites having the phospholipid-modified metal nanoparticles have good dispersion stability in water or organic solvents. is there.

リン脂質修飾金属ナノ粒子を構成する金属ナノ粒子を構成する金属としては、局在プラズモン共鳴が生じ得るものが好ましく、かかる金属としては、金、銀、銅、および金、銀、銅のうちの2種以上を含む合金などが利用できる。また、種類の異なる金属を用いた金属ナノ粒子を併用してもよい。
また、金属ナノ粒子としては、ロッド状の形状のもの、すなわち金属ナノロッドが好ましい。金属ナノロッドでは、アスペクト比に応じて吸収特性が変化するため、高い波長選択性が発現する。したがって、金属ナノロッドの形状を変えることによって測定波長を選択することができる。さらに、金属ナノロッドの長軸面または短軸面の吸収波長の違いを利用した偏光特性を発揮させることもできる。
ただし本発明はこれに限定されず、金属ナノ粒子の形状は、略球状などであっても構わない。金属ナノロッド以外の金属ナノ粒子を用いた場合でも、上記と同様の効果を発揮する。
金属ナノロッドは、アスペクト比が1より大きいことが好ましい。特に、粒子のナノサイズ効果による光特性が顕著に発現することから、金ナノロッドのアスペクト比が1〜5であることが好ましい。
また、金属ナノロッドは、直径が数nm〜数十nm、長さが数nm〜数百nmのものが好ましい。
金属ナノロッドとしては、特に、上記効果に優れることから、金ナノロッドが好ましい。
The metal constituting the metal nanoparticle constituting the phospholipid-modified metal nanoparticle is preferably one that can cause localized plasmon resonance. Examples of the metal include gold, silver, copper, and gold, silver, and copper. An alloy containing two or more types can be used. Moreover, you may use together the metal nanoparticle using the metal from which a kind differs.
The metal nanoparticles are preferably rod-shaped, that is, metal nanorods. Metal nanorods exhibit high wavelength selectivity because their absorption characteristics change according to the aspect ratio. Therefore, the measurement wavelength can be selected by changing the shape of the metal nanorods. Furthermore, the polarization characteristic using the difference in absorption wavelength between the long axis surface and the short axis surface of the metal nanorods can be exhibited.
However, the present invention is not limited to this, and the shape of the metal nanoparticles may be substantially spherical. Even when metal nanoparticles other than metal nanorods are used, the same effect as described above is exhibited.
The metal nanorods preferably have an aspect ratio greater than 1. In particular, it is preferable that the gold nanorod has an aspect ratio of 1 to 5 because optical characteristics due to the nanosize effect of the particles are remarkably exhibited.
The metal nanorods preferably have a diameter of several nm to several tens of nm and a length of several nm to several hundred nm.
As the metal nanorods, gold nanorods are particularly preferable because of the excellent effects described above.

金属ナノ粒子は、公知の方法を利用して作製できる。
たとえば金ナノロッドは、(1)化学還元と光反応を組み合わせた方法(たとえばワイ・ニイドメ(Y.Niidome)ら、「ケミカル・コミュニケーションズ(Chemical Communications)」、2003年、第2376−2377頁を参照)、(2)化学還元で作製した金ナノシードをロッド状に成長させる化学合成法(たとえばティ・ケイ・ソウ(T.K.Sau)ら、「ラングミュア(Langmuir)」、第20巻、2004年、第6414−6420頁を参照)等により合成することができる。
特に、(1)の方法では、極めて短時間で、均一な形状の金ナノロッドを容易に合成でき、また、同じ合成条件下において高い再現性が得られることから好ましい。
The metal nanoparticles can be produced using a known method.
For example, gold nanorods are (1) a method that combines chemical reduction and photoreaction (see, for example, Y. Niidome et al., “Chemical Communications”, 2003, pages 2376-2377). (2) A chemical synthesis method in which a gold nanoseed produced by chemical reduction is grown in a rod shape (for example, TK Sau et al., “Langmuir”, Volume 20, 2004, (See pages 6414-6420).
In particular, the method (1) is preferable because a gold nanorod having a uniform shape can be easily synthesized in a very short time and high reproducibility can be obtained under the same synthesis conditions.

以下、(1)の方法についてより詳細に説明する。
この方法では、まず、金塩溶液を化学還元する。
出発原料である金塩溶液としては、例えば、ハロゲン化金水溶液やシアン化金水溶液などが挙げられる。金塩溶液の濃度は、1〜10mM程度が好ましい。
金塩溶液には、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミドなどの界面活性剤を含有させることが好ましい。界面活性剤の添加により、金ナノロッド11の表面に界面活性剤が吸着し、金ナノロッドの凝集を防ぎ、安定して水溶液中に分散させることができる。界面活性剤の濃度は、20〜100mMであることが好ましい。界面活性剤濃度が20mM未満であると、金ナノロッド11の分散安定性が不足して、凝集しやすくなる傾向にある。また、100mMを超えると、得られる溶液の粘性が高くなり、金ナノロッド成長反応速度の低下、成長粒子の不均一化、取り扱い性低下などが生じるおそれがある。
また、金塩溶液には、アセトンおよび/またはシクロヘキサンが含まれることが好ましい。アセトンは、光反応の開始剤の役割を担ってロッド成長反応を促進するとともに、光照射による金ナノロッド成長速度を調節できる。また、アセトンの添加量を適宜選択することにより、所望のアスペクト比を有する金ナノロッドの収量を変化させることができる。金塩溶液がシクロヘキサンを含む場合には、金ナノロッドの収率を高め、アスペクト比を均一化することができる。
上記金塩溶液の化学還元は、上記金塩溶液に還元剤を添加することにより実施できる。
還元剤としては、金クラスター(ナノ粒子の成長核)の生成割合が低いものが好ましく、具体的には、アスコルビン酸、クエン酸およびその塩などが好ましい。還元剤の添加量は、金塩が還元されるのに充分な量であればよい。
Hereinafter, the method (1) will be described in more detail.
In this method, first, a gold salt solution is chemically reduced.
Examples of the gold salt solution as a starting material include a gold halide aqueous solution and a gold cyanide aqueous solution. The concentration of the gold salt solution is preferably about 1 to 10 mM.
The gold salt solution preferably contains a surfactant such as hexadecyltrimethylammonium bromide. By the addition of the surfactant, the surfactant is adsorbed on the surface of the gold nanorods 11, preventing the gold nanorods from aggregating and stably dispersing in the aqueous solution. The concentration of the surfactant is preferably 20 to 100 mM. When the surfactant concentration is less than 20 mM, the dispersion stability of the gold nanorods 11 is insufficient and tends to aggregate. On the other hand, when the concentration exceeds 100 mM, the viscosity of the resulting solution increases, and there is a possibility that the gold nanorod growth reaction rate decreases, the growth particles become non-uniform, and the handling property decreases.
The gold salt solution preferably contains acetone and / or cyclohexane. Acetone serves as an initiator of the photoreaction to promote the rod growth reaction and can adjust the growth rate of the gold nanorods by light irradiation. Moreover, the yield of gold nanorods having a desired aspect ratio can be changed by appropriately selecting the amount of acetone added. When the gold salt solution contains cyclohexane, the yield of gold nanorods can be increased and the aspect ratio can be made uniform.
The chemical reduction of the gold salt solution can be performed by adding a reducing agent to the gold salt solution.
As the reducing agent, those having a low generation rate of gold clusters (nanoparticle growth nuclei) are preferable, and specifically, ascorbic acid, citric acid and salts thereof are preferable. The reducing agent may be added in an amount sufficient to reduce the gold salt.

上記化学還元後、光反応を行う。光反応は、還元剤を添加した金塩溶液に紫外線などの光を照射し、金ナノロッドを得る反応である。
ここで、光照射においては、金微粒子の成長反応が特定の結晶面に偏る現象を誘起する物質、すなわち金ナノロッド11の長軸方向の成長を促進する物質(以下、成長促進物質という。)を添加することが好ましい。成長促進物質としては、硝酸銀、塩化銀、臭化銀などの銀塩が好ましい。前記銀塩の添加濃度が高いほど長軸の長い金ナノロッドが得られるが、過剰の銀塩の添加は反応速度を低下させる傾向にある。このことから、銀塩の添加濃度は、1μM〜1mM程度であることが好ましい。
光反応においては、光照射時間、光照射強度、照射光波長を適宜選択して金ナノロッドの生成量と形状を制御することができる。照射光の波長は、金ナノロッド成長に効果的であることから、300nm以下の紫外線であることが好ましく、254nm付近の紫外線であることがより好ましい。光源としては、例えば、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプなどを利用できる。さらに、所望の波長帯の光(例えば254nm)のみを選択的に透過させるバンドパスフィルターを光源と試料の間に配置してもよい。バンドパスフィルターを光源と試料の間に配置して光照射すれば、金ナノロッド成長反応をより促進させることができる。
After the chemical reduction, a photoreaction is performed. The photoreaction is a reaction in which gold nanorods are obtained by irradiating a gold salt solution to which a reducing agent is added with light such as ultraviolet rays.
Here, in light irradiation, a substance that induces a phenomenon in which the growth reaction of gold fine particles is biased toward a specific crystal plane, that is, a substance that promotes growth in the long axis direction of the gold nanorod 11 (hereinafter referred to as a growth promoting substance). It is preferable to add. As the growth promoting substance, silver salts such as silver nitrate, silver chloride and silver bromide are preferable. A gold nanorod having a long major axis can be obtained as the concentration of the silver salt added increases, but the addition of an excess silver salt tends to lower the reaction rate. From this, it is preferable that the addition concentration of silver salt is about 1 μM to 1 mM.
In the photoreaction, the amount and shape of the gold nanorods can be controlled by appropriately selecting the light irradiation time, light irradiation intensity, and irradiation light wavelength. The wavelength of irradiation light is effective for gold nanorod growth, and is preferably 300 nm or less, more preferably 254 nm. As the light source, for example, a low-pressure mercury lamp, a high-pressure mercury lamp, an ultrahigh-pressure mercury lamp, a xenon lamp, or the like can be used. Furthermore, a band pass filter that selectively transmits only light in a desired wavelength band (for example, 254 nm) may be disposed between the light source and the sample. If a bandpass filter is disposed between the light source and the sample and irradiated with light, the gold nanorod growth reaction can be further promoted.

光反応後には、精製を行ってもよい。金塩溶液に界面活性剤を含有させた場合、上記の工程を経て得られた、金ナノロッドを含む水溶液は、過剰の界面活性剤を含んでおり、この後のリン脂質修飾金ナノロッドの形成を阻害することがある。したがって、精製によって過剰な界面活性剤を取り除けば、リン脂質修飾金ナノロッドの形成阻害を防止できる。
精製としては、遠心分離、上澄み除去、純水洗浄の操作を繰り返すことが好ましい。さらに、遠心分離操作は、5℃以上15℃未満、1分間当たり5000回転以上、10分間以上の条件で行うことが好ましい。このような条件では、遠心分離後、上澄み溶液中への金ナノロッドの浮遊量が抑えられ、金ナノロッドの回収量を高めることができる。ただし、この精製過程を3回以上繰り返し行うと、金ナノロッド表面にある界面活性剤が完全に剥がれ落ちて、金ナノロッドが水溶液中に安定に分散できなくなる傾向を示す。
Purification may be performed after the photoreaction. When a surfactant is contained in the gold salt solution, the aqueous solution containing gold nanorods obtained through the above steps contains an excess of surfactant, and the subsequent formation of phospholipid-modified gold nanorods. May interfere. Therefore, removal of excess surfactant by purification can prevent formation inhibition of phospholipid-modified gold nanorods.
As purification, it is preferable to repeat the operations of centrifugation, supernatant removal, and pure water washing. Furthermore, the centrifugation operation is preferably performed under conditions of 5 ° C. or more and less than 15 ° C., 5000 rpm or more per minute, and 10 minutes or more. Under such conditions, the amount of gold nanorods suspended in the supernatant solution after centrifugation is suppressed, and the amount of gold nanorods recovered can be increased. However, when this purification process is repeated three times or more, the surfactant on the gold nanorod surface is completely peeled off, and the gold nanorod tends to be unable to be stably dispersed in the aqueous solution.

[リン脂質修飾金属ナノ粒子の作製]
リン脂質修飾金属ナノ粒子は、特開2006−179395号公報や、エイチ・ナカシマ(H.Nakashima)ら、「ラングミュア(Langmuir)」、第24巻、2008年、第5654−5658頁に記載の方法を参照して作製できる。たとえば、上記(1)の方法で調製した金ナノロッドを含む水溶液と、リン脂質分子を任意の濃度で水または有機溶媒中に分散した分散液とを混合、撹絆することにより作製できる。
金ナノロッドを上記(1)の方法で調製した場合、該金ナノロッド表面には、調製時に添加したカチオン性の界面活性剤(ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド等)が静電的に配位しているが、金との化学結合力がより高いリン脂質分子を加えることにより、表面での配位子交換反応が起こる。このため、金ナノロッド表面を容易にリン脂質分子で化学修飾することができる。
リン脂質分子を有機溶媒中に分散させる場合、該有機溶媒としては、水と混和しない極性有機溶媒、例えば、クロロホルムや塩化メチレンなどのハロゲン系溶媒を用いることが好ましい。リン脂質分子やリン脂質修飾金ナノロッド13は、この種の有機溶媒中に容易に分散する。
[Production of phospholipid-modified metal nanoparticles]
Phospholipid-modified metal nanoparticles can be obtained by the method described in JP-A No. 2006-179395, H. Nakashima et al., “Langmuir”, Vol. 24, 2008, pages 5654-5658. It can produce with reference to. For example, it can be produced by mixing and stirring an aqueous solution containing gold nanorods prepared by the above method (1) and a dispersion in which phospholipid molecules are dispersed in water or an organic solvent at an arbitrary concentration.
When gold nanorods are prepared by the above method (1), a cationic surfactant (such as hexadecyltrimethylammonium bromide) added during preparation is electrostatically coordinated on the surface of the gold nanorods. By adding a phospholipid molecule having a higher chemical binding force with gold, a ligand exchange reaction on the surface occurs. For this reason, the gold nanorod surface can be easily chemically modified with phospholipid molecules.
When phospholipid molecules are dispersed in an organic solvent, it is preferable to use a polar organic solvent that is immiscible with water, for example, a halogen-based solvent such as chloroform or methylene chloride. Phospholipid molecules and phospholipid-modified gold nanorods 13 are easily dispersed in this type of organic solvent.

リン脂質修飾金属ナノ粒子の作製に用いるリン脂質分子としては、金属ナノ粒子表面に容易に化学修飾できることから、末端に、置換基として、金属ナノ粒子を構成する金属と反応し得る反応基を有するものが好ましい。
ここで、本明細書および特許請求の範囲において、「反応し得る」とは、化学結合を形成し得ることを意味する。
該反応基としては、金属ナノ粒子を構成する金属に応じて、従来、当該金属の表面処理等に用いられている化合物における反応基として用いられているものが利用できる。
たとえば金属ナノ粒子が金ナノ粒子である場合、金との化学結合力が高いことから、含硫黄有機置換基が好ましい。該含硫黄有機置換基としては、金と反応してAu−S結合を形成し得るものであればよく、特に限定されないが、反応性に優れることから、メルカプト基(−SH)を含む有機基、チオアセチル基、スルフィド基およびジスルフィド基からなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。これらの中でも、メルカプト基を含む有機基が好ましく、特に、メルカプトアルキル基が好ましい。
該リン脂質分子としては、特に、下記一般式(12−1)で表されるリン脂質分子が好ましい。該式(12−1)で表されるリン脂質分子は、末端の−SHが金と反応してAu−S結合を形成する。
The phospholipid molecule used for the production of phospholipid-modified metal nanoparticles has a reactive group capable of reacting with the metal constituting the metal nanoparticle as a substituent at the end because the surface of the metal nanoparticle can be easily chemically modified. Those are preferred.
Here, in the present specification and claims, “can react” means that a chemical bond can be formed.
As the reactive group, those used as a reactive group in a compound conventionally used for surface treatment of the metal can be used depending on the metal constituting the metal nanoparticle.
For example, when the metal nanoparticle is a gold nanoparticle, a sulfur-containing organic substituent is preferable because of its high chemical bond strength with gold. The sulfur-containing organic substituent is not particularly limited as long as it can react with gold to form an Au—S bond, but it is excellent in reactivity, and therefore an organic group containing a mercapto group (—SH). , At least one selected from the group consisting of a thioacetyl group, a sulfide group and a disulfide group is preferable. Among these, an organic group containing a mercapto group is preferable, and a mercaptoalkyl group is particularly preferable.
As the phospholipid molecule, a phospholipid molecule represented by the following general formula (12-1) is particularly preferable. In the phospholipid molecule represented by formula (12-1), terminal -SH reacts with gold to form an Au-S bond.

[式中、Rは含硫黄有機置換基であり、RおよびRはそれぞれ独立に直鎖状の脂肪族炭化水素基であり、Xはアルカリ金属または水素原子である。] [Wherein R s is a sulfur-containing organic substituent, R 1 and R 2 are each independently a linear aliphatic hydrocarbon group, and X 1 is an alkali metal or a hydrogen atom. ]

式(12−1)中、Rにおける含硫黄有機置換基としては前記と同様のものが挙げられる。Rとしては、メルカプト基を含む有機基が好ましく、メルカプトアルキル基がより好ましく、直鎖状のメルカプトアルキル基が好ましい。該メルカプトアルキル基としては、たとえば、HS−(CH−[式中、rは1〜20の整数である。]が挙げられる。
、Rにおける直鎖状の脂肪族炭化水素基は、飽和であってもよく、不飽和であってもよく、飽和の脂肪族炭化水素基、すなわちアルキル基が好ましい。該脂肪族炭化水素基の炭素数は、特に限定されないが、通常、8〜24が好ましく、14〜18がより好ましい。この脂肪族炭化水素基の炭素鎖の長さを調節することにより、本発明の金属ナノ粒子複合体を配列させて配列構造を形成する際、隣接する金属ナノ粒子複合体間の間隔を調節することができ、該炭素鎖が長いほど、隣接する金属ナノ粒子複合体間の間隔は広くなる。たとえば該炭素鎖について、炭素数8〜24の間で任意の長さを選択すると、配列構造中の前記金属ナノ粒子複合体間の間隔を1〜5nm程度に調節できる。
におけるアルカリ金属としては、ナトリウム、カリウム等が挙げられる。
式(12−1)で表されるリン脂質分子の具体例としては、たとえば、下記化学式で表される1,2−ジパルミトイル−sn−グリセロ−3−フォスフォチオエタノールのナトリウム塩が挙げられる。
In the formula (12-1), examples of the sulfur-containing organic substituent in R s include the same ones as described above. The R s, preferably an organic group containing a mercapto group, more preferably a mercaptoalkyl group, linear mercaptoalkyl group. Examples of the mercaptoalkyl group include HS— (CH 2 ) r — [wherein r is an integer of 1 to 20. ].
Aliphatic hydrocarbon radical straight in R 1, R 2, which may be saturated, may be unsaturated, saturated aliphatic hydrocarbon group, i.e., the alkyl group. Although carbon number of this aliphatic hydrocarbon group is not specifically limited, Usually, 8-24 are preferable and 14-18 are more preferable. By adjusting the length of the carbon chain of the aliphatic hydrocarbon group, when the metal nanoparticle composite of the present invention is arranged to form an array structure, the distance between adjacent metal nanoparticle composites is adjusted. The longer the carbon chain, the wider the spacing between adjacent metal nanoparticle composites. For example, when the carbon chain has an arbitrary length of 8 to 24 carbon atoms, the distance between the metal nanoparticle composites in the array structure can be adjusted to about 1 to 5 nm.
Examples of the alkali metal in X 1 include sodium and potassium.
Specific examples of the phospholipid molecule represented by the formula (12-1) include a sodium salt of 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphothioethanol represented by the following chemical formula. .

[機能性分子]
本発明において、機能性分子としては、当該機能分子との間に特異的に何らかの相互作用(たとえば化学結合の形成、吸着等)を生じる特異結合物質が存在し得るもの、すなわち、検体となる試料中の目的物質や候補目的物質(たとえば、生体に由来するタンパク質、ペプチド、低分子化合物等の生体分子)と特異的に結合または吸着できるものであり、且つリン脂質修飾金ナノ粒子に固定可能なものであれば、いかなる分子も利用できる。
機能性分子としては、生体分子間の特異的な結合能を活かしたバイオチップを開発できるという観点から、機能性タンパク質が好ましい。機能性タンパク質としては、抗体、抗原、酵素、膜タンパク質、受容体型タンパク質、細胞骨格およびモータータンパク質からなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。
ただし本発明において、機能性分子は機能性タンパク質に限定されず、上記のように、特異的に結合する特異結合物質が存在し得、且つリン脂質修飾金属ナノ粒子に固定可能なものであれば全ての分子が利用できる。タンパク質以外の機能性分子としては、たとえば糖鎖化合物、DNA、リボ核酸(RNA)等が挙げられる。
[Functional molecules]
In the present invention, as the functional molecule, a specific binding substance that causes some kind of interaction (for example, formation of a chemical bond, adsorption, etc.) specifically with the functional molecule may exist, that is, a sample serving as a specimen. It can specifically bind to or adsorb target substances and candidate target substances (for example, biomolecules such as proteins, peptides, and low molecular compounds derived from living bodies) and can be immobilized on phospholipid-modified gold nanoparticles. Any molecule can be used.
As the functional molecule, a functional protein is preferable from the viewpoint that a biochip utilizing a specific binding ability between biomolecules can be developed. The functional protein is preferably at least one selected from the group consisting of an antibody, an antigen, an enzyme, a membrane protein, a receptor protein, a cytoskeleton, and a motor protein.
However, in the present invention, the functional molecule is not limited to a functional protein, and as described above, a specific binding substance that specifically binds can be present and can be immobilized on phospholipid-modified metal nanoparticles. All molecules are available. Examples of functional molecules other than proteins include sugar chain compounds, DNA, and ribonucleic acid (RNA).

[架橋リンカー部]
架橋リンカー部は、架橋リンカー剤に由来する部分であり、架橋リンカー剤を、リン脂質修飾金属ナノ粒子および機能性分子と反応させることにより形成される。
架橋リンカー剤としては、機能性分子と反応し得る基(以下、反応基(P)という。)と、リン脂質修飾金属ナノ粒子と反応し得る基(以下、反応基(Q)という。)と、を有するものが用いられる。
[Crosslinked linker]
The crosslinked linker portion is a portion derived from a crosslinked linker agent, and is formed by reacting the crosslinked linker agent with phospholipid-modified metal nanoparticles and a functional molecule.
As the crosslinking linker agent, a group capable of reacting with a functional molecule (hereinafter referred to as a reactive group (P)) and a group capable of reacting with a phospholipid-modified metal nanoparticle (hereinafter referred to as a reactive group (Q)). The thing which has these is used.

反応基(P)は、化学結合させる機能性分子の構造に応じて適宜設定すればよい。たとえば、機能性分子として機能性タンパク質を用いる場合、従来、タンパク質の化学修飾等に用いられている化合物における反応基として用いられているものが利用できる。
本発明において、機能性分子として機能性タンパク質を用いる場合、反応基(P)としては、スクシンイミジル基が好ましい。スクシンイミジル基は、タンパク質の構造内のアミノ基、特にN末端のアミノ基と効率よくカップリング反応して共有結合を形成する。
該スクシンイミジル基は、スルホン酸(塩)基(−SO[Xはアルカリ金属または水素原子である。])等の置換基を有していてもよい。
反応基(P)としては、特に、スルホン酸(塩)基を有していてもよいスクシンイミジル基が好ましい。
The reactive group (P) may be appropriately set according to the structure of the functional molecule to be chemically bonded. For example, when a functional protein is used as the functional molecule, those that have been used as reactive groups in compounds conventionally used for chemical modification of proteins can be used.
In the present invention, when a functional protein is used as the functional molecule, the reactive group (P) is preferably a succinimidyl group. The succinimidyl group forms a covalent bond by efficiently coupling with an amino group in the protein structure, particularly an amino group at the N-terminus.
The succinimidyl group, a sulfonic acid (salt) group (-SO 3 X 2 [X 2 is an alkali metal or a hydrogen atom.]) May have a substituent such as.
As the reactive group (P), a succinimidyl group which may have a sulfonic acid (salt) group is particularly preferable.

反応基(Q)としては、前記リン脂質分子の説明で、金属ナノ粒子を構成する金属と反応し得る反応基として挙げたものと同様のものが挙げられる。金との化学結合力が高いことから、含硫黄有機置換基が好ましく、特に、メルカプト基を含む有機基、チオアセチル基、スルフィド基およびジスルフィド基からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。これらの中でも、メルカプト基を含む有機基またはジスルフィド基が好ましく、メルカプトアルキル基またはジスルフィド基がより好ましい。   Examples of the reactive group (Q) are the same as those mentioned as the reactive group capable of reacting with the metal constituting the metal nanoparticle in the description of the phospholipid molecule. A sulfur-containing organic substituent is preferable because of its high chemical bond strength with gold, and particularly preferably at least one selected from the group consisting of an organic group containing a mercapto group, a thioacetyl group, a sulfide group, and a disulfide group. . Among these, an organic group or a disulfide group containing a mercapto group is preferable, and a mercaptoalkyl group or a disulfide group is more preferable.

本発明において、架橋リンカー剤としては、置換基を有していてもよいスクシンイミジル基と、含硫黄有機置換基とを有するものが好ましく、スルホン酸(塩)基を有していてもよいスクシンイミジル基と、含硫黄有機置換基とを有するものがより好ましい。かかる架橋リンカー剤としては、たとえば、下記一般式(14−1)で表される化合物が挙げられる。   In the present invention, as the crosslinking linker agent, those having a succinimidyl group which may have a substituent and a sulfur-containing organic substituent are preferable, and a succinimidyl group which may have a sulfonic acid (salt) group. And those having a sulfur-containing organic substituent are more preferred. Examples of such a crosslinking linker agent include compounds represented by the following general formula (14-1).

[式中、Xはアルカリ金属または水素原子であり、mは1または0であり、Rは水素原子または−S−R(Rは1価の有機基である。)であり、Rは2価の有機基である。] [Wherein, X 2 is an alkali metal or a hydrogen atom, m is 1 or 0, R 3 is a hydrogen atom or —S—R 5 (R 5 is a monovalent organic group); R 4 is a divalent organic group. ]

におけるアルカリ金属としては、ナトリウム、カリウム等が挙げられ、ナトリウムが好ましい。
における2価の有機基としては、たとえば、アルキレン基が挙げられる。該アルキレン基は直鎖状であることが好ましい。該アルキレン基の炭素数は、水への溶解性を考慮すると、1〜12が好ましい。該アルキレン基においては、炭素鎖中に、−NH−C(=O)−等の、ヘテロ原子を含む2価の基が介在していてもよい。
における1価の有機基としては、特に限定されないが、末端に、含窒素環式基を有することが好ましい。含窒素環式基としては、たとえば、前記スクシンイミジル基、2−ピリジル基等が挙げられる。
Examples of the alkali metal in X 2 include sodium and potassium, and sodium is preferable.
Examples of the divalent organic group for R 4 include an alkylene group. The alkylene group is preferably linear. The number of carbon atoms of the alkylene group is preferably 1 to 12 in consideration of solubility in water. In the alkylene group, a divalent group containing a hetero atom such as —NH—C (═O) — may be interposed in the carbon chain.
The monovalent organic group represented by R 5, is not particularly limited, the terminal preferably has a nitrogen-containing cyclic group. Examples of the nitrogen-containing cyclic group include the succinimidyl group and 2-pyridyl group.

式(14−1)で表される化合物の具体例としては、たとえば、3,3’−ジチオビス(スルホスクシンイミジルプロピオネート)(下記化学式(14a)、以下、DTSSPという。)、ジチオビス(スクシンイミジルプロピオネート)(下記化学式(14b)、以下、DSPという。)、スルホスクシンイミジル 6−(3’−[2−ピリジルジチオ]プロピオンアミド)ヘキサノエート(下記化学式(14c)、以下、Sulfo−LC−SPDPという。)、スクシンイミジル 6−(3−[2−ピリジルジチオ]プロピオンアミド)ヘキサノエート(下記化学式(14d)、以下、LC−SPDPという。)、N−スクシンイミジル 3−(2−ピリジルジチオ)プロピオネート(下記化学式(14e)、以下、SPDPという。)、11−メルカプトウンデカン酸(11−MUA)とN−ヒドロキシスクシンイミド(NHS)との反応生成物(下記化学式(14f)、以下、MUA−NHSという。)等が挙げられる。MUA−NHSは、たとえば、11−MUAとNHSとを、1−エチル−3−(3−(ジメチルアミノ)プロピル)カルボジイミド(EDAC)触媒存在下でカップリング反応させることにより合成できる。
これらのうち、DTSSP、DSP、Sulfo−LC−SPDP、LC−SPDPまたはSPDPを架橋リンカー剤として使用する場合、任意に、硫黄含有還元剤でありクレランド試薬としても知られるジチオスレイトール(DTT)を用い、−S−S−部分を−SHに還元することが好ましい。これにより、より効率的に金表面に化学結合させることができる。DTTは、トレオ−1,4−ジメルカプト−2,3−ブタンジオールとも称され、化学式:HS−CH−CH(OH)−CH(OH)−CH−SHで表される。
架橋リンカー剤としては、水への溶解性や反応効率を考慮すると、DTSSPが好ましい。
Specific examples of the compound represented by the formula (14-1) include, for example, 3,3′-dithiobis (sulfosuccinimidylpropionate) (the following chemical formula (14a), hereinafter referred to as DTSSP), dithiobis. (Succinimidyl propionate) (the following chemical formula (14b), hereinafter referred to as DSP), sulfosuccinimidyl 6- (3 ′-[2-pyridyldithio] propionamide) hexanoate (the following chemical formula (14c) , Hereinafter referred to as Sulfo-LC-SPDP), succinimidyl 6- (3- [2-pyridyldithio] propionamide) hexanoate (the following chemical formula (14d), hereinafter referred to as LC-SPDP), N-succinimidyl 3- ( 2-pyridyldithio) propionate (the following chemical formula (14e), hereinafter referred to as SPDP), 1 - mercaptoundecanoic acid (11-MUA) and N- hydroxysuccinimide the reaction product of an imide (NHS) (. The following chemical formula (14f), hereinafter referred to MUA-NHS), and the like. MUA-NHS can be synthesized, for example, by coupling reaction of 11-MUA and NHS in the presence of 1-ethyl-3- (3- (dimethylamino) propyl) carbodiimide (EDAC) catalyst.
Among these, when DTSSP, DSP, Sulfo-LC-SPDP, LC-SPDP or SPDP is used as a crosslinking linker agent, dithiothreitol (DTT), which is a sulfur-containing reducing agent and also known as Cleland reagent, is optionally used. It is preferred to use and reduce the -S-S- moiety to -SH. Thereby, it can be chemically bonded to the gold surface more efficiently. DTT is also referred to as threo-1,4-dimercapto-2,3-butanediol, and is represented by the chemical formula: HS—CH 2 —CH (OH) —CH (OH) —CH 2 —SH.
As the crosslinking linker agent, DTSSP is preferable in consideration of solubility in water and reaction efficiency.

以下、本発明の金属ナノ粒子複合体の第一の実施形態を、図面を用いて説明する。本実施形態は、金属ナノ粒子複合体を構成する金属ナノ粒子が金ナノロッドであり、機能性分子が抗体である例である。
図1(a)に、本実施形態の金属ナノ粒子複合体(金ナノロッド複合体10)の模式図を示す。
金ナノロッド複合体10は、金ナノロッド11の表面をリン脂質分子12で化学修飾してなるリン脂質修飾金ナノロッド13に、架橋リンカー部14を介して、抗体15が化学結合してなる。
リン脂質分子12は、親水部(図中、大きい方の○)と、該親水部に結合した2本の直鎖状の疎水部と、前記親水部と金ナノロッド11表面とを連絡する連結部(図中、小さい方の○)とから構成される。図1(b)に、前記で挙げた1,2−ジパルミトイル−sn−グリセロ−3−フォスフォチオエタノールのナトリウム塩を用いた場合に形成されるリン脂質分子12の構造を示す。
抗体15は、折れ曲がった構造の2本の重鎖と、各重鎖に結合した2本の軽鎖とから構成されるY字型の構造を有し、抗体15の、軽鎖が結合している側の2つの末端の一方に架橋リンカー部14の一端が結合している。
Hereinafter, 1st embodiment of the metal nanoparticle composite_body | complex of this invention is described using drawing. In the present embodiment, the metal nanoparticles constituting the metal nanoparticle composite are gold nanorods, and the functional molecule is an antibody.
FIG. 1A shows a schematic diagram of a metal nanoparticle composite (gold nanorod composite 10) of the present embodiment.
The gold nanorod composite 10 is formed by chemically bonding an antibody 15 to a phospholipid-modified gold nanorod 13 obtained by chemically modifying the surface of a gold nanorod 11 with a phospholipid molecule 12 via a cross-linking linker portion 14.
The phospholipid molecule 12 includes a hydrophilic portion (larger circle in the figure), two linear hydrophobic portions bonded to the hydrophilic portion, and a connecting portion that connects the hydrophilic portion and the surface of the gold nanorod 11. (Smaller circle in the figure). FIG. 1 (b) shows the structure of the phospholipid molecule 12 formed when the sodium salt of 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphothioethanol mentioned above is used.
The antibody 15 has a Y-shaped structure composed of two heavy chains having a bent structure and two light chains bonded to each heavy chain. One end of the cross-linking linker portion 14 is bonded to one of the two ends on the side where the surface is present.

[金属ナノ粒子複合体の製造方法]
金属ナノ粒子複合体は、たとえば、リン脂質修飾金属ナノ粒子と、機能性分子とを、架橋リンカー剤を用いて化学結合させる工程を含む製造方法により製造できる。
上記工程は、たとえば、以下の(A)または(B)の手順で実施できる。
(A):機能性分子と架橋リンカー剤とを反応させ、その後、リン脂質修飾金属ナノ粒子と反応させる。
(B):リン脂質修飾金属ナノ粒子と架橋リンカー剤とを反応させ、その後、機能性分子と反応させる。
[Method for producing metal nanoparticle composite]
The metal nanoparticle composite can be produced, for example, by a production method including a step of chemically bonding a phospholipid-modified metal nanoparticle and a functional molecule using a crosslinking linker agent.
The said process can be implemented by the procedure of the following (A) or (B), for example.
(A): A functional molecule and a crosslinking linker agent are reacted, and then reacted with phospholipid-modified metal nanoparticles.
(B): A phospholipid-modified metal nanoparticle and a cross-linking linker agent are reacted, and then reacted with a functional molecule.

(A)の手順による金属ナノ粒子複合体の製造方法を、図2を用いて説明する。なお、以下に説明する図面において、前記図1に示した構成要素に対応する構成要素には、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
この例では、まず、抗体15’および架橋リンカー剤14’をそれぞれ任意の濃度で含む溶液(リン酸バッファー溶液等)を混合し、数時間、室温でインキュベートする。これにより反応が完了し、抗体15’の一端に架橋リンカー剤14’の一端が結合する。
そこに、任意の濃度のリン脂質修飾金ナノロッド13溶液を添加する。すると、抗体15’の末端に結合した架橋リンカー剤14’の他端がリン脂質修飾金ナノロッド13と反応し、金ナノロッド複合体10が形成される。
A method for producing a metal nanoparticle composite according to the procedure (A) will be described with reference to FIG. In the drawings described below, components corresponding to those shown in FIG. 1 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.
In this example, first, a solution containing the antibody 15 ′ and the cross-linking linker agent 14 ′ at an arbitrary concentration (such as a phosphate buffer solution) is mixed and incubated at room temperature for several hours. Thereby, the reaction is completed, and one end of the cross-linking linker agent 14 ′ is bonded to one end of the antibody 15 ′.
An arbitrary concentration of phospholipid-modified gold nanorod 13 solution is added thereto. Then, the other end of the crosslinking linker agent 14 ′ bonded to the end of the antibody 15 ′ reacts with the phospholipid-modified gold nanorod 13 to form the gold nanorod complex 10.

上記反応後、さらに、精製を行ってもよい。たとえば遠心分離、上澄み除去、バッファー溶液への再分散、純水洗浄等の操作を繰り返し行うことで、目的物質以外の未反応物質や不純物を除去することができる。   After the above reaction, further purification may be performed. For example, unreacted substances and impurities other than the target substance can be removed by repeatedly performing operations such as centrifugation, supernatant removal, redispersion in a buffer solution, and pure water washing.

<バイオチップ>
本発明のバイオチップは、基板上に、前記本発明の金属ナノ粒子複合体が配置された複合体配置部を有するものである。
基板としては、シリコン、ガラス、石英、サファイヤ、マイカ、ITO、金、白金、銅、シリコン窒化物、インジウムリン等の無機材料;ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリジメチルシロキサン等の有機材料など、様々な材料の固体基板を何ら制限なく利用することができる。また、ガラス基板等の無機基板の表面に撥水ポリマーコート等の表面処理が施されたものも利用できる。
当該バイオチップの使用時、倒立型顕微鏡を検出に用いる場合は、基板上部に試料を配し、基板下部から検出を行うため、白色光に対して透明な材質からなるものが好ましい。
また、基板は、加工性に優れた材料であることが好ましい。
また、基板は、直径約十nm程度の金ナノロッド複合体10を基板表面で精密に配向させるためには、ナノメートルスケールでの平坦性を有するものが好ましい。
基板の厚さは特に限定されないが、通常0.1〜20mm程度である。
<Biochip>
The biochip of the present invention has a composite arrangement part in which the metal nanoparticle composite of the present invention is arranged on a substrate.
Various substrates such as silicon, glass, quartz, sapphire, mica, ITO, gold, platinum, copper, silicon nitride, indium phosphide, etc .; organic materials such as polystyrene, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polydimethylsiloxane, etc. A solid substrate made of any material can be used without any limitation. In addition, a surface of an inorganic substrate such as a glass substrate that has been subjected to a surface treatment such as a water-repellent polymer coat can be used.
When the biochip is used, when an inverted microscope is used for detection, a sample is disposed on the upper part of the substrate and detection is performed from the lower part of the substrate.
Moreover, it is preferable that a board | substrate is a material excellent in workability.
Further, the substrate preferably has a nanometer-scale flatness in order to precisely orient the gold nanorod composite 10 having a diameter of about 10 nm on the substrate surface.
Although the thickness of a board | substrate is not specifically limited, Usually, it is about 0.1-20 mm.

基板上に複合体配置部を形成する方法は、特に限定されず、公知の方法が適用可能である。
本発明においては、リン脂質分子の自己組織化能を利用して、基板上に、前記リン脂質修飾金属ナノ粒子を展開させる方法が好適に用いられる。
このとき、基板上に展開させるリン脂質修飾金属ナノ粒子は、機能性分子が化学結合した状態であってもよく、化学結合していない状態であってもよい。つまり、下記方法(1)のように、機能性分子が化学結合したリン脂質修飾金属ナノ粒子、つまり本発明の金属ナノ粒子複合体を、基板上に展開させてもよく、下記方法(2)のように、機能性分子が化学結合していない状態のリン脂質修飾金属ナノ粒子を基板上に展開させた後、または該展開と同時に、該リン脂質修飾金属ナノ粒子に機能性分子を化学結合させ、金属ナノ粒子複合体としてもよい。
方法(1):基板上に、前記金属ナノ粒子複合体を、前記リン脂質分子の自己組織化能を利用して、基板上に展開させる工程を含む方法。
方法(2):基板上に、リン脂質修飾金属ナノ粒子を、前記リン脂質分子の自己組織化能を利用して展開させる工程(2−1)と、
前記リン脂質修飾金属ナノ粒子と、機能性分子とを、架橋リンカー剤を用いて化学結合させる工程(2−2)とを含む方法。
方法(2)において、工程(2−1)と工程(2−2)とは同時に行ってもよく、工程(2−1)を行った後、工程(2−2)を行ってもよい。
A method for forming the composite arrangement part on the substrate is not particularly limited, and a known method can be applied.
In the present invention, a method of developing the phospholipid-modified metal nanoparticles on a substrate using the self-assembly ability of phospholipid molecules is preferably used.
At this time, the phospholipid-modified metal nanoparticles developed on the substrate may be in a state in which the functional molecules are chemically bonded or in a state in which they are not chemically bonded. That is, as in the following method (1), phospholipid-modified metal nanoparticles having functional molecules chemically bonded thereto, that is, the metal nanoparticle composite of the present invention may be developed on a substrate. After the phospholipid-modified metal nanoparticles with no functional molecules chemically bonded thereto are spread on the substrate or simultaneously with the development, the functional molecules are chemically bonded to the phospholipid-modified metal nanoparticles. And may be a metal nanoparticle composite.
Method (1): A method comprising a step of spreading the metal nanoparticle complex on a substrate by utilizing the self-organization ability of the phospholipid molecule.
Method (2): a step (2-1) in which a phospholipid-modified metal nanoparticle is developed on a substrate using the self-organization ability of the phospholipid molecule;
A step (2-2) of chemically bonding the phospholipid-modified metal nanoparticles and the functional molecule with a crosslinking linker agent.
In the method (2), the step (2-1) and the step (2-2) may be performed at the same time, or after the step (2-1) is performed, the step (2-2) may be performed.

リン脂質分子の自己組織化能を利用した、金属ナノ粒子複合体またはリン脂質修飾金属ナノ粒子の展開は、たとえば、金属ナノ粒子複合体またはリン脂質修飾金属ナノ粒子を水等の分散媒に分散させ、該分散液を基板上に配し、乾燥させて分散媒を除去することにより実施できる。このようにして複合体配置部を形成した場合、該複合体配置部においては、乾燥過程において、リン脂質修飾金属ナノ粒子同士が、リン脂質分子の自己組織化(分子間相互作用)により連結し、集積化する。
分散液を基板上に配する方法としては、特に限定されず、公知の方法、たとえばキャスト法、スピンコート法、ラングミュアー・ブロジェット(LB)法などを用いることができる。
このとき、下記(a)〜(e)等の要件を調節することにより、基板上における該リン脂質修飾金属ナノ粒子の集積構造(配列方向や構造次元性)を精密に制御することができる。
(a)基板の表面特性(親水性、疎水性)。
(b)基板に対する分散媒の化学的親和力や表面張力。
(c)分散液の基板への展開方法(展開手法、展開回数、展開方向等)。
(d)分散液の乾燥条件(乾燥温度、乾燥速度等)。
(e)リン脂質分子の構造
The development of metal nanoparticle composites or phospholipid-modified metal nanoparticles using the self-organization ability of phospholipid molecules can be achieved by, for example, dispersing the metal nanoparticle composite or phospholipid-modified metal nanoparticles in a dispersion medium such as water. And the dispersion is placed on a substrate and dried to remove the dispersion medium. When the complex arrangement part is formed in this way, in the complex arrangement part, the phospholipid-modified metal nanoparticles are linked by the self-assembly (intermolecular interaction) of the phospholipid molecules in the drying process. , Integrate.
The method for arranging the dispersion on the substrate is not particularly limited, and a known method such as a casting method, a spin coating method, a Langmuir-Blodget (LB) method, or the like can be used.
At this time, by adjusting the following requirements (a) to (e) and the like, the integrated structure (array direction and structural dimensionality) of the phospholipid-modified metal nanoparticles on the substrate can be precisely controlled.
(A) Surface characteristics (hydrophilicity, hydrophobicity) of the substrate.
(B) Chemical affinity and surface tension of the dispersion medium with respect to the substrate.
(C) A method of developing the dispersion liquid on the substrate (developing method, number of times of development, direction of development, etc.).
(D) Drying conditions of the dispersion (drying temperature, drying speed, etc.).
(E) Structure of phospholipid molecule

たとえば、カバーガラスなどの親水基板表面では、金属ナノ粒子複合体またはリン脂質修飾金属ナノ粒子は、リン脂質分子の自己組織化能により、その表面に沿って展開し、金ナノロッド同士が重なり合うことなく単層の配列構造を形成する。
また、配列させる金属ナノ粒子複合体またはリン脂質修飾金属ナノ粒子の粒子間間隔は、金属ナノ粒子表面に修飾するリン脂質分子の炭化水素鎖長に応じて容易に制御可能である。
該配列構造中の前記金属ナノ粒子複合体間の間隔は、1〜5nmに調節されていることが好ましい。
For example, on the surface of a hydrophilic substrate such as a cover glass, the metal nanoparticle complex or phospholipid-modified metal nanoparticle expands along the surface due to the self-organization ability of phospholipid molecules, and gold nanorods do not overlap each other. A single layer array structure is formed.
In addition, the interparticle spacing of the metal nanoparticle complex or phospholipid-modified metal nanoparticle to be arranged can be easily controlled according to the hydrocarbon chain length of the phospholipid molecule modified on the surface of the metal nanoparticle.
The distance between the metal nanoparticle composites in the array structure is preferably adjusted to 1 to 5 nm.

また、スピンコート法を用いて分散液を展開させる場合、金属ナノ粒子複合体またはリン脂質修飾金属ナノ粒子は、比較的低密度で基板上に配置される。
この場合、金属ナノ粒子複合体が1次元に配列した配列構造を形成できる。ここで、「1次元に配列した配列構造」とは、基板上に、金属ナノ粒子複合体が1層1列に集積、配列した配列構造を示す。
図3に、本発明のバイオチップにおいて、金属ナノ粒子複合体が1次元に配列した配列構造が形成されている場合の一実施形態を示す。
本実施形態のバイオチップ31においては、基板21上の一部の領域に、複数のリン脂質修飾金ナノロッド13が、それぞれ基板21面に対して平行に、長軸面を接して一列に配列した1次元配列構造が形成され、他の領域に、複数のリン脂質修飾金ナノロッド13が、それぞれ基板21面に対して平行に、各短軸面を接して一列に配列した1次元配列構造が形成されている。各1次元配列構造においては、リン脂質修飾金ナノロッド13の一部または全部に、架橋リンカー部(図示せず)を介して抗体15が結合して金ナノロッド複合体10を形成している。
このように、リン脂質修飾金ナノロッド13の長軸面または短軸面のいずれかが接して連結された1次元配列構造を形成する場合、金ナノロッド11の長軸面または短軸面のいずれかに選択的にリン脂質分子12を導入しておくことにより、その連結方向を、縦あるいは横のいずれかに変化させることができる。
In addition, when the dispersion is developed using a spin coating method, the metal nanoparticle composite or the phospholipid-modified metal nanoparticles are disposed on the substrate at a relatively low density.
In this case, an array structure in which the metal nanoparticle composites are arranged one-dimensionally can be formed. Here, the “one-dimensional array structure” refers to an array structure in which metal nanoparticle composites are integrated and arrayed in one layer and one row on a substrate.
FIG. 3 shows an embodiment in which an array structure in which metal nanoparticle composites are arranged one-dimensionally is formed in the biochip of the present invention.
In the biochip 31 of the present embodiment, a plurality of phospholipid-modified gold nanorods 13 are arranged in a row in a partial region on the substrate 21 in parallel with the surface of the substrate 21 and in contact with the major axis surface. A one-dimensional array structure is formed, and in other regions, a one-dimensional array structure is formed in which a plurality of phospholipid-modified gold nanorods 13 are arranged in a row in parallel with the surface of the substrate 21 and in contact with each minor axis surface. Has been. In each one-dimensional array structure, the antibody 15 is bound to a part or all of the phospholipid-modified gold nanorods 13 via a cross-linking linker part (not shown) to form the gold nanorod complex 10.
Thus, in the case of forming a one-dimensional array structure in which either the long-axis surface or the short-axis surface of the phospholipid-modified gold nanorod 13 is in contact with each other, either the long-axis surface or the short-axis surface of the gold nanorod 11 is selected. By selectively introducing the phospholipid molecule 12 into this, the connecting direction can be changed to either the vertical or horizontal direction.

また、キャスト法やLB法を用いて分散液を展開させる場合、金属ナノ粒子複合体またはリン脂質修飾金属ナノ粒子は、比較的高密度で基板上に配置される。
この場合、金属ナノ粒子複合体が2次元に配列した配列構造を形成できる。ここで、「2次元に配列した配列構造」とは、基板上に、1層2列以上に集積、配列した配列構造を示す。
図4〜5に、本発明のバイオチップにおいて、金属ナノ粒子複合体が2次元に配列した配列構造が形成されている場合の一実施形態を示す。
図4に示すバイオチップ32においては、基板21上に、複数のリン脂質修飾金ナノロッド13が、それぞれ基板21面に対して平行に、1層、X方向に6列×Y方向に4列で配列した2次元横配列構造が形成されている。該2次元横配列構造においては、リン脂質修飾金ナノロッド13の一部または全部に、架橋リンカー部(図示せず)を介して抗体15が結合して金ナノロッド複合体10を形成している。
図5に示すバイオチップ33においては、基板21上に、複数のリン脂質修飾金ナノロッド13が、それぞれ基板21面に対して垂直に、1層、長軸面を接して集積した2次元縦配列構造が形成されている。該2次元縦配列構造においては、リン脂質修飾金ナノロッド13の一部または全部に、架橋リンカー部(図示せず)を介して抗体15が結合して金ナノロッド複合体10を形成している。
図4〜5に示すような、金属ナノロッド複合体10が基板21に対して垂直または平行に配向する配向構造は、主に、上記要件(a)と(b)とが主に影響するので、これらの要件を精密に制御することにより、所望の配向構造を選択的に作製することができる。たとえば、マイクロ流路またはナノ流路を用い、前記分散液を一定方向から流して堆積していくことで、各金属ナノロッド複合体10が、基板21に対して平行に、一定方向に配列した配向構造を形成することができる。
In addition, when the dispersion is developed using the cast method or the LB method, the metal nanoparticle composite or the phospholipid-modified metal nanoparticles are disposed on the substrate at a relatively high density.
In this case, an array structure in which metal nanoparticle composites are two-dimensionally arranged can be formed. Here, “a two-dimensional arrangement structure” indicates an arrangement structure that is integrated and arranged in two layers or more on a substrate.
4 to 5 show an embodiment in which an array structure in which metal nanoparticle composites are two-dimensionally arranged is formed in the biochip of the present invention.
In the biochip 32 shown in FIG. 4, on the substrate 21, a plurality of phospholipid-modified gold nanorods 13 are each in parallel with the surface of the substrate 21, one layer, 6 rows in the X direction × 4 rows in the Y direction. An arrayed two-dimensional horizontal array structure is formed. In the two-dimensional lateral arrangement structure, the antibody 15 is bonded to a part or all of the phospholipid-modified gold nanorods 13 via a crosslinker linker (not shown) to form the gold nanorod complex 10.
In the biochip 33 shown in FIG. 5, a two-dimensional longitudinal array in which a plurality of phospholipid-modified gold nanorods 13 are stacked on a substrate 21 so as to be perpendicular to the surface of the substrate 21 and in contact with one layer and a long axis surface. A structure is formed. In the two-dimensional longitudinal array structure, the antibody 15 is bound to a part or all of the phospholipid-modified gold nanorods 13 via a cross-linking linker part (not shown) to form the gold nanorod complex 10.
As shown in FIGS. 4 to 5, the above-described requirements (a) and (b) mainly affect the alignment structure in which the metal nanorod composite 10 is aligned perpendicularly or parallel to the substrate 21. By precisely controlling these requirements, a desired alignment structure can be selectively produced. For example, by using a micro-channel or a nano-channel and depositing the dispersion liquid from a certain direction, the metal nanorod composites 10 are aligned in parallel to the substrate 21 in a certain direction. A structure can be formed.

また、上記1次元または2次元に配列した配列構造を形成する工程を繰り返すことにより、金属ナノ粒子複合体が3次元に配列した配列構造を形成することができる。ここで、「3次元に配列した配列構造」とは、基板上に、2層以上に集積、配列した配列構造を示す。
図6〜8に、本発明のバイオチップにおいて、金属ナノ粒子複合体が3次元に配列した配列構造が形成されている場合の一実施形態を示す。
図6に示すバイオチップ34においては、基板21上に、複数のリン脂質修飾金ナノロッド13が、それぞれ基板21面に対して平行に、1層、5×4列に配列した2次元横配列構造が、いずれも同じ配列方向で4層積層された3次元配列構造が形成されている。該3次元横配列構造においては、リン脂質修飾金ナノロッド13の一部または全部に、架橋リンカー部(図示せず)を介して抗体15が結合して金ナノロッド複合体10を形成している。
図7に示すバイオチップ35においては、基板21上に、複数のリン脂質修飾金ナノロッド13が、それぞれ基板21面に対して垂直に、6×8列に配列した2次元縦配列構造が2層積層された3次元配列構造が形成されている。該3次元横配列構造においては、リン脂質修飾金ナノロッド13の一部または全部に、架橋リンカー部(図示せず)を介して抗体15が結合して金ナノロッド複合体10を形成している。
図8に示すバイオチップ36においては、基板21上に、複数のリン脂質修飾金ナノロッド13が、それぞれ基板21面に対して平行に、短軸面を接して配列した2次元横配列構造と、長軸面を接して配列した1次元または2次元配列構造とが、交互に6層積層された3次元配列構造(3次元いかだ構造)が形成されている。該3次元横配列構造においては、リン脂質修飾金ナノロッド13の一部または全部に、架橋リンカー部(図示せず)を介して抗体15が結合して金ナノロッド複合体10を形成している。
この際、より精密に配向構造を制御するために、マイクロ流路またはナノ流路を用い、前記分散液を一定方向から流して堆積していくことで、より精密に配向構造を制御することができる。たとえば、前記分散液を一定方向に流すことで1層目を形成し、その後、分散液を流す方向を90度変化させて2層目を形成し、これをさらに繰り返すことにより、図8に示すような、1層毎に縦列横列が交互に変化した3次元いかだ構造を構築することができる。
Further, by repeating the step of forming the one-dimensional or two-dimensional array structure, it is possible to form an array structure in which the metal nanoparticle composites are arrayed in three dimensions. Here, “a three-dimensional array structure” indicates an array structure that is integrated and arranged in two or more layers on a substrate.
FIGS. 6 to 8 show an embodiment in which an array structure in which metal nanoparticle composites are arranged three-dimensionally is formed in the biochip of the present invention.
In the biochip 34 shown in FIG. 6, a two-dimensional lateral arrangement structure in which a plurality of phospholipid-modified gold nanorods 13 are arranged in one layer and 5 × 4 rows on the substrate 21 in parallel with the surface of the substrate 21. However, all have a three-dimensional array structure in which four layers are stacked in the same array direction. In the three-dimensional lateral arrangement structure, the antibody 15 is bound to a part or all of the phospholipid-modified gold nanorods 13 via a cross-linking linker part (not shown) to form the gold nanorod complex 10.
In the biochip 35 shown in FIG. 7, a two-dimensional vertical array structure in which a plurality of phospholipid-modified gold nanorods 13 are arranged in 6 × 8 rows on the substrate 21 perpendicular to the surface of the substrate 21, respectively. A stacked three-dimensional array structure is formed. In the three-dimensional lateral arrangement structure, the antibody 15 is bound to a part or all of the phospholipid-modified gold nanorods 13 via a cross-linking linker part (not shown) to form the gold nanorod complex 10.
In the biochip 36 shown in FIG. 8, a two-dimensional lateral arrangement structure in which a plurality of phospholipid-modified gold nanorods 13 are arranged on the substrate 21 in parallel with the surface of the substrate 21 and in contact with the minor axis surface, A three-dimensional array structure (three-dimensional raft structure) is formed by alternately stacking six layers of one-dimensional or two-dimensional array structures arranged in contact with the major axis surface. In the three-dimensional lateral arrangement structure, the antibody 15 is bound to a part or all of the phospholipid-modified gold nanorods 13 via a cross-linking linker part (not shown) to form the gold nanorod complex 10.
At this time, in order to control the alignment structure more precisely, the alignment structure can be controlled more precisely by using microchannels or nanochannels and flowing and depositing the dispersion from a certain direction. it can. For example, the first layer is formed by flowing the dispersion in a certain direction, and then the second layer is formed by changing the flow direction of the dispersion by 90 degrees, and this is repeated further, as shown in FIG. Thus, it is possible to construct a three-dimensional raft structure in which columns and rows are alternately changed for each layer.

リン脂質は非常に流動的な分子であるため、上記のようにして金属ナノ粒子複合体を複合体配置部に配置した後、機能性分子が破壊されない程度の熱処理を行うことによって、金属ナノ粒子複合体を再配列化させることも可能である。   Since phospholipids are very fluid molecules, after placing the metal nanoparticle composite in the composite placement portion as described above, heat treatment is performed to such an extent that the functional molecules are not destroyed. It is also possible to rearrange the complex.

上記のように、複合体配置部において、前記金属ナノ粒子複合体が1次元、2次元または3次元に配列した配列構造が形成されているバイオチップは、金属ナノ粒子の配向構造が精密に制御されているため、隣接する金属ナノ粒子間において、表面プラズモンカップリング現象により局所的な強電場が発現する。この金ナノ粒子間に配した検体分子の分光信号、たとえばラマン分光、蛍光分光、赤外分光、反射光、近接場光、表面プラズモン分光等の光信号が飛躍的に増幅して観測される。このため、かかるバイオチップを用いれば、単分子スケールでの高感度観測が可能となる。
従来の手法では、試料分子そのものを検出する場合や、蛍光色素ラベル化した生体組織中の色素分子を検出する場合、1分子あたりの信号強度が微弱であり、しかも消光作用のため観測が不安定となり、1検出点をさほど縮小することはできなかった。
しかし本発明においては、単分子レベルの高感度化が期待できるため、単一生体分子の組織内での動的挙動の追跡や、単一分子あたりの生体分子間相互作用の検出、定量が可能となる。
上記のような、プラズモンカップリングによる光信号の増強効果が得られることから、本発明のバイオチップは、該増強効果を利用し、増強された光信号を検出することによりターゲット分子の診断・検出・定量等を行う光増強検出型のバイオチップとして使用することが好ましい。これにより、ターゲット分子の診断・検出・定量等を、単分子レベルの高感度で実施できる。
また、本発明のバイオチップにおいては、上記のような、プラズモンカップリングによる光信号の増強効果を考慮すると、前記配列構造中の前記金属ナノ粒子複合体間の間隔が1〜5nmに調節されていることが好ましい。該粒子間間隔は、上述したように、金属ナノ粒子表面に修飾するリン脂質分子の炭化水素鎖長に応じて容易に制御可能である。
As described above, in the biochip in which the array structure in which the metal nanoparticle composite is arranged one-dimensionally, two-dimensionally or three-dimensionally is formed in the composite placement portion, the orientation structure of the metal nanoparticles is precisely controlled. Therefore, a local strong electric field appears between adjacent metal nanoparticles due to the surface plasmon coupling phenomenon. The spectroscopic signals of the analyte molecules arranged between the gold nanoparticles, for example, optical signals such as Raman spectroscopy, fluorescence spectroscopy, infrared spectroscopy, reflected light, near-field light, and surface plasmon spectroscopy are dramatically amplified and observed. For this reason, if such a biochip is used, high-sensitivity observation on a single molecule scale becomes possible.
In conventional methods, when detecting sample molecules themselves or detecting dye molecules in biological tissues labeled with fluorescent dyes, the signal intensity per molecule is weak and observation is unstable due to quenching action. Thus, one detection point could not be reduced so much.
However, in the present invention, high sensitivity at the single molecule level can be expected, so it is possible to track the dynamic behavior of single biomolecules in tissues and to detect and quantify biomolecular interactions per single molecule. It becomes.
Since the optical signal enhancement effect by plasmon coupling as described above can be obtained, the biochip of the present invention utilizes the enhancement effect to detect and detect the target molecule by detecting the enhanced optical signal. -It is preferably used as a light-enhanced detection type biochip for quantitative determination. Thereby, diagnosis, detection, quantification, etc. of the target molecule can be carried out with high sensitivity at the single molecule level.
In the biochip of the present invention, in consideration of the optical signal enhancement effect by plasmon coupling as described above, the interval between the metal nanoparticle composites in the array structure is adjusted to 1 to 5 nm. Preferably it is. As described above, the interparticle spacing can be easily controlled according to the hydrocarbon chain length of the phospholipid molecule modified on the surface of the metal nanoparticle.

本発明のバイオチップは、複合体配置部を複数有することが好ましい。また、該複数の複合体配置部に、それぞれ、有する機能性分子の種類および濃度、または機能性分子の種類もしくは濃度が異なる金属ナノ粒子複合体が配置されていることが好ましい。
通常、生体分子を診断・検出する場合、試料中には多検体の分子が含まれる。そのため、バイオチップには、該多検体の分子を同時に、短時間で、分子選択的に判定、定量するために、素子構造化が望まれる。すなわち、バイオチップに、検体とする生体分子のハイスループットスクリーニング機能を付与することが望まれる。
本発明においては、複合体配置部を複数設け、該複数の複合体配置部に、それぞれ、有する機能性分子の種類および濃度、または機能性分子の種類もしくは濃度が異なる金属ナノ粒子複合体を配置することで、このようなハイスループットスクリーニング機能を付与することができる。
The biochip of the present invention preferably has a plurality of complex arrangement portions. In addition, it is preferable that metal nanoparticle complexes having different types and concentrations of functional molecules or different types or concentrations of functional molecules are arranged in the plurality of complex arrangement portions, respectively.
Usually, when diagnosing / detecting a biomolecule, a sample contains many analyte molecules. Therefore, the biochip is required to have a device structure in order to simultaneously determine and quantify the molecules of the multiple samples in a short time in a molecular selective manner. That is, it is desirable to provide a biochip with a high-throughput screening function for biomolecules as specimens.
In the present invention, a plurality of complex arrangement portions are provided, and the types and concentrations of functional molecules or metal nanoparticle complexes having different types or concentrations of functional molecules are arranged in the plurality of complex arrangement portions, respectively. By doing so, such a high-throughput screening function can be provided.

かかるバイオチップの素子構造としては、たとえば、マイクロ流路型、マルチアレイ型等が挙げられる。
マイクロ流路型の素子構造では、基板上に、複合体配置部のほか、試料を配置する試料配置部、該試料配置部と複合体配置部とを連絡するマイクロ流路とが設けられる。また、その他、必要に応じて、試薬を配する試薬配置部、配線等が設けられる。
図9に、本発明のバイオチップがマイクロ流路型の素子構造を有する場合の一実施形態を示す。本実施形態のバイオチップ37においては、基板21上に、3つの試料配置部22と、1つの試薬配置部23と、1つの検出部24(ドレイン)とが設けられ、検出部24内には、異なる種類の抗体a〜cがそれぞれリン脂質修飾金ナノロッド13に化学結合してなる金ナノロッド複合体が配置された複合体配置部25a〜25cが設けられている。
また、各試料配置部22と、試薬配置部23と、複合体配置部25とは、マイクロ流路26により連絡されている。ここで、「マイクロ流路」とは、マイクロメートルサイズの流路幅を有する流路を示す。該流路幅は、1〜100μm程度が好ましい。マイクロ流路26は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)等の材料を用いて既知の方法で容易に作製できる。
また、基板21上には、マイクロ流路26を横断して、配線27が設けられている。該配線27を介して、電圧印加装置を接続することにより、マイクロ流路26内を流通する試料に対し、電圧を印加し、それによる反応を生じさせることができる。
かかるマイクロ流路型のバイオチップ37を用いた診断・検出は、たとえば以下の手順で実施できる。まず、3つの試料配置部22にそれぞれ異なる試料A〜Cを配する。すると、各試料がマイクロ流路内に流入して混合される。この混合試料に対し、任意に電圧の印加、試薬の混合等を行い、該混合試料中の(不純物を除去した)反応生成物のみを分離し、これを複合体配置部25a〜25cに流入させる。このとき、試料中に、たとえば抗体aと反応するターゲット分子が存在すると、該ターゲット分子は、複合体配置部25a内の金ナノロッド複合体に結合する。そのため、各複合体配置部25a〜25cの分光測定を、オプティカルプローブ等を用いて行うと、複合体配置部25aにおいてのみ、表面増強効果による光強度の増大が観測される。
このようなマイクロ流路型のバイオチップを用いることにより、試料中に含まれるターゲット分子を、分子選択的に、高感度に同定・定量・診断することが可能となる。
Examples of the element structure of such a biochip include a microchannel type and a multi-array type.
In the micro-channel type element structure, in addition to the composite placement portion, a sample placement portion for placing a sample, and a micro-flow passage connecting the sample placement portion and the composite placement portion are provided on the substrate. In addition, a reagent arrangement section for arranging the reagent, wiring, and the like are provided as necessary.
FIG. 9 shows an embodiment in which the biochip of the present invention has a micro-channel device structure. In the biochip 37 of the present embodiment, three sample placement units 22, one reagent placement unit 23, and one detection unit 24 (drain) are provided on the substrate 21. In addition, composite arrangement portions 25a to 25c in which gold nanorod complexes formed by chemically bonding different types of antibodies a to c to the phospholipid-modified gold nanorods 13 are provided.
In addition, each sample placement unit 22, reagent placement unit 23, and complex placement unit 25 are connected to each other by a micro flow channel 26. Here, the “micro channel” indicates a channel having a channel width of micrometer size. The channel width is preferably about 1 to 100 μm. The microchannel 26 can be easily manufactured by a known method using a material such as polydimethylsiloxane (PDMS).
A wiring 27 is provided on the substrate 21 across the microchannel 26. By connecting a voltage application device via the wiring 27, it is possible to apply a voltage to the sample flowing through the microchannel 26 and cause a reaction thereby.
Diagnosis / detection using the microchannel biochip 37 can be performed, for example, by the following procedure. First, different samples A to C are arranged on the three sample placement portions 22, respectively. Then, each sample flows into the microchannel and is mixed. A voltage is arbitrarily applied to the mixed sample, a reagent is mixed, etc., and only the reaction product (with impurities removed) in the mixed sample is separated and allowed to flow into the complex arrangement portions 25a to 25c. . At this time, for example, when a target molecule that reacts with the antibody a is present in the sample, the target molecule is bound to the gold nanorod complex in the complex arrangement portion 25a. For this reason, when the spectroscopic measurement of each of the composite placement portions 25a to 25c is performed using an optical probe or the like, an increase in light intensity due to the surface enhancement effect is observed only in the composite placement portion 25a.
By using such a microchannel biochip, it is possible to identify, quantify, and diagnose target molecules contained in a sample in a molecular selective manner with high sensitivity.

マルチアレイ型の素子構造では、基板上に、それぞれ独立した複合体配置部が複数設けられる。
図10に、本発明のバイオチップがマルチアレイ型の素子構造を有する場合の一実施形態を示す。本実施形態のバイオチップ38においては、基板21上、短辺方向に8列×長辺方向3列ずつ、それぞれ異なる種類の抗体a〜eがリン脂質修飾金ナノロッド13に化学結合した金ナノロッド複合体が配置された、ドット形状の複合体配置部25a〜25eが形成されている。また、各複合体配置部25a〜25eにおいては、短辺方向で、各金ナノロッド複合体の配置数、つまり各複合体配置部中の抗体の濃度が段階的に変えられている。
かかるマルチアレイ型のバイオチップ38は、たとえば、それぞれ異なる抗体種が結合した金属ナノロッド複合体をそれぞれ異なる抗体濃度で有する分散液を基板上にスポッティングすることにより作製できる。
ここで用いる基板は特に限定されず、上述したような多種の材質の基板、たとえばカバーガラス、スライドガラス、撥水ポリマーコート化ガラス、シリコン基板等、のなかから適宜選択して使用できる。
スポッティングの手法は、特に限定されず、前記で分散液を基板上に配する方法として挙げた公知の手法が利用できる。たとえばキャスト法を利用したスポッティング方法としては、溶液吐出ディスペンサーを用いる方法、キャピラリー法(基板上に前記分散液を押しつけ、キャピラリー効果により塗布する方法)、インクジェット法等が挙げられる。
かかるマルチアレイ型のバイオチップ38を用いた診断・検出は、たとえば、各試料配置部にそれぞれ対象試料を配し、各複合体配置部について、上記と同様、オプティカルプローブを用いた分光測定を行うことにより実施できる。たとえば試料が、抗体aに対する二次抗体を蛍光標識したものを含む場合、該二次抗体は、抗体aがリン脂質修飾金ナノロッド13に化学結合した金ナノロッド複合体に結合するため、該複合体が配置された複合体配置部25aにおいて、表面増強効果による蛍光スペクトルの光強度の増大が観測される。
このようなマルチアレイ型のバイオチップを用いることにより、試料中に含まれる複数のターゲット分子を、同時に、高効率で、高感度にスクリーニング検出することが可能となる。
In the multi-array type element structure, a plurality of independent complex arrangement portions are provided on a substrate.
FIG. 10 shows an embodiment in which the biochip of the present invention has a multi-array element structure. In the biochip 38 of the present embodiment, a gold nanorod composite in which different types of antibodies a to e are chemically bonded to the phospholipid-modified gold nanorods 13 on the substrate 21 in 8 rows in the short side direction × 3 rows in the long side direction. The dot-shaped composite body arrangement | positioning parts 25a-25e by which the body was arrange | positioned are formed. Moreover, in each complex arrangement | positioning part 25a-25e, the arrangement | positioning number of each gold nanorod complex, ie, the density | concentration of the antibody in each complex arrangement | positioning part, is changed in steps in the short side direction.
Such a multi-array biochip 38 can be produced, for example, by spotting a dispersion liquid having metal nanorod complexes, to which different antibody species are bound, at different antibody concentrations, on a substrate.
The substrate used here is not particularly limited, and can be appropriately selected from substrates of various materials as described above, for example, a cover glass, a slide glass, a water-repellent polymer-coated glass, a silicon substrate, and the like.
The spotting method is not particularly limited, and the known methods mentioned above as the method of arranging the dispersion on the substrate can be used. For example, as a spotting method using a casting method, a method using a solution discharge dispenser, a capillary method (a method in which the dispersion is pressed onto a substrate and applied by a capillary effect), an ink jet method, and the like can be given.
In the diagnosis / detection using the multi-array biochip 38, for example, a target sample is arranged in each sample arrangement unit, and the spectral arrangement using the optical probe is performed on each complex arrangement unit in the same manner as described above. Can be implemented. For example, when the sample includes a fluorescently labeled secondary antibody against the antibody a, the secondary antibody binds to the gold nanorod complex in which the antibody a is chemically bonded to the phospholipid-modified gold nanorod 13. In the complex arrangement part 25a where is arranged, an increase in the light intensity of the fluorescence spectrum due to the surface enhancement effect is observed.
By using such a multi-array biochip, it becomes possible to simultaneously detect and detect a plurality of target molecules contained in a sample with high efficiency and high sensitivity.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例になんら限定されるものではない。
<製造例1(金ナノロッドの製造)>
塩化金(III)酸(2mM)およびヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(80mM)を溶解させた3mLの水溶液中に、アセトン(65μL)、シクロヘキサン(45μL)および成長促進物質である硝酸銀(10mM水溶液)を100μL滴下した。さらに、塩化金酸の還元剤であるアスコルビン酸(40mM水溶液)を200μL添加し、10分間室温で撹搾して透明な金塩溶液を得た。
次いで、この金塩溶液を、1cm石英セルに移し、撹拝しながらUV光源(UV LIGHT SOURCE,HOYA−SCHOTT,HLS 100UM)を用い10分間光照射した。その際、紫外透過フィルター(シグマ光機、UTVAF−50S−33U)を用いて可視領域の光をカットし、254nm付近の特定波長のみ照射した。これにより、金ナノロッドが分散した水分散液を得た。該金ナノロッドは、ロッド径10nm程度、ロッド長40nm程度(平均アスペクト比3.9)であった。
該金ナノロッドは、数日経過後も凝集することなく安定に水中に分散していた。これは、表面が界面活性剤であるヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミドで被覆されているためと推測される。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, this invention is not limited to these Examples at all.
<Production Example 1 (Production of gold nanorods)>
100 μL of acetone (65 μL), cyclohexane (45 μL) and silver nitrate (10 mM aqueous solution) as a growth promoting substance in 3 mL of an aqueous solution in which gold chloride (III) acid (2 mM) and hexadecyltrimethylammonium bromide (80 mM) were dissolved. It was dripped. Furthermore, 200 microliters of ascorbic acid (40 mM aqueous solution) which is a reducing agent of chloroauric acid was added, and it stirred for 10 minutes at room temperature, and obtained the transparent gold salt solution.
Next, this gold salt solution was transferred to a 1 cm quartz cell and irradiated with light for 10 minutes using a UV light source (UV LIGHT SOURCE, HOYA-SCHOTT, HLS 100UM) while stirring. At that time, light in the visible region was cut using an ultraviolet transmission filter (Sigma light machine, UTVAF-50S-33U), and only a specific wavelength near 254 nm was irradiated. As a result, an aqueous dispersion in which gold nanorods were dispersed was obtained. The gold nanorods had a rod diameter of about 10 nm and a rod length of about 40 nm (average aspect ratio of 3.9).
The gold nanorods were stably dispersed in water without aggregation even after several days. This is presumably because the surface is coated with a surfactant, hexadecyltrimethylammonium bromide.

<製造例2(リン脂質修飾金ナノロッドの製造)>
1,2−ジパルミトイル−sn−グリセロ−3−フォスフォチオエタノール(ナトリウム塩)に純水を添加し、超音波処理(室温、10〜15分)を施すことにより、リン脂質分子が分散した水分散液(リン脂質分子濃度1mM)を調製した。この水分散液100μLを、金ナノロッド含有液100μL中に滴下し、10〜15分間室温で撹絆して、リン脂質修飾金ナノロッドの水分散液を得た。
該リン脂質修飾金ナノロッドは、数日経過後も凝集することなく安定に水中に分散していた。これは、表面がリン脂質分子で被覆されているためと推測される。
なお、ここで使用した金ナノロッド含有液は、製造例1で得た金ナノロッド水分散液を、金表面を極力露出させて複合化反応の効率を高めるため、あらかじめ遠心分離(10000回転/分、15分、10℃)、上澄み液除去、純水中への再分散の処理を2度繰り返し行い、過剰な界面活性剤を除去・精製したものである。
<Production Example 2 (Production of Phospholipid-Modified Gold Nanorod)>
Phospholipid molecules were dispersed by adding pure water to 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphothioethanol (sodium salt) and subjecting to ultrasonic treatment (room temperature, 10 to 15 minutes). An aqueous dispersion (phospholipid molecule concentration 1 mM) was prepared. 100 μL of this aqueous dispersion was dropped into 100 μL of a gold nanorod-containing liquid and stirred at room temperature for 10 to 15 minutes to obtain an aqueous dispersion of phospholipid-modified gold nanorods.
The phospholipid-modified gold nanorods were stably dispersed in water without aggregation even after several days. This is presumed to be because the surface is coated with phospholipid molecules.
In addition, the gold nanorod-containing liquid used here was previously centrifuged (10000 rpm) in order to increase the efficiency of the complexing reaction by exposing the gold nanorod aqueous dispersion obtained in Production Example 1 as much as possible. 15 minutes, 10 ° C.), removal of the supernatant, and redispersion in pure water were repeated twice to remove and purify excess surfactant.

製造例1で得た金ナノロッドの水分散液および製造例2で得たリン脂質修飾金ナノロッドの水分散液それぞれについて、以下の評価を行った。
[吸収スペクトル測定]
各水溶液の吸収スペクトル(波長300〜900nm)を測定した。結果を図11に示す。
図11に示すように、金ナノロッドは、690.5nm、522.0nmに2つの吸収極大を示した。それらはそれぞれロッドの長軸、短軸に由来する局在表面プラズモン吸収に対応するピークである。
一方、リン脂質修飾金ナノロッドは、ロッドの長軸、短軸に対応するピークがそれぞれ694.0nm、529.5nmに観測され、金ナノロッドと比較して、各ピークが若干、長波長側にシフトしていた。また、ピークがブロード化しており、この結果から、水中において、凝集体が形成されていることが示唆された。すなわち、リン脂質修飾金ナノロッドの水分散液は、リン脂質分子の相互作用により、隣接するリン脂質修飾金ナノロッド同士が凝集した凝集粒子を含んでいると推測される。
なお、図11のグラフに示す吸光度は、各水溶液について測定された吸光度を、長波長側のピークトップで規格化した値である。
The following evaluation was performed for each of the aqueous dispersion of gold nanorods obtained in Production Example 1 and the aqueous dispersion of phospholipid-modified gold nanorods obtained in Production Example 2.
[Absorption spectrum measurement]
The absorption spectrum (wavelength 300 to 900 nm) of each aqueous solution was measured. The results are shown in FIG.
As shown in FIG. 11, the gold nanorods showed two absorption maxima at 690.5 nm and 522.0 nm. They are peaks corresponding to localized surface plasmon absorption derived from the major axis and minor axis of the rod, respectively.
On the other hand, in the phospholipid-modified gold nanorods, peaks corresponding to the major axis and minor axis of the rod are observed at 694.0 nm and 529.5 nm, respectively, and each peak is slightly shifted to the longer wavelength side compared to the gold nanorods. Was. Moreover, the peak was broadened, and this result suggested that aggregates were formed in water. That is, it is presumed that the aqueous dispersion of phospholipid-modified gold nanorods contains aggregated particles in which adjacent phospholipid-modified gold nanorods aggregate due to the interaction of phospholipid molecules.
In addition, the light absorbency shown in the graph of FIG. 11 is the value which normalized the light absorbency measured about each aqueous solution with the peak top of a long wavelength side.

[動的光散乱測定]
また、各水分散液について、動的光散乱測定を行い、各水溶液中の金ナノロッドおよびリン脂質修飾金ナノロッドそれぞれの粒径分布を観測した。
その結果、金ナノロッドの平均粒径は78.4nmであり、リン脂質修飾金ナノロッドの平均粒径は173.0nmであった。
動的光散乱測定による粒径分布測定では、実際の粒子径よりも若干大きな平均粒径値を示す傾向があるが、この点を鑑みても、リン脂質修飾金ナノロッドの平均粒径は、金ナノロッドに比して大幅に大きく、リン脂質修飾金ナノロッドが水中で凝集粒子を形成している可能性が示唆された。
[Dynamic light scattering measurement]
Moreover, about each water dispersion liquid, the dynamic light-scattering measurement was performed and the particle size distribution of each gold nanorod and each phospholipid modification gold nanorod in each aqueous solution was observed.
As a result, the average particle size of the gold nanorods was 78.4 nm, and the average particle size of the phospholipid-modified gold nanorods was 173.0 nm.
In the particle size distribution measurement by dynamic light scattering measurement, there is a tendency to show an average particle size value slightly larger than the actual particle size. However, in view of this point, the average particle size of the phospholipid-modified gold nanorod is It was significantly larger than the nanorods, suggesting that phospholipid-modified gold nanorods may form aggregated particles in water.

<実施例1(金ナノロッド複合体の製造)>
(1−1:架橋リンカー剤による抗体末端の修飾)
蛍光色素アレクサがラベル化された抗IgG抗体(アレクサラベル化抗IgG抗体)の原液(Alexa Flour 488 rabbit anti−mouse IgG(H+L),2.0mg/mL)を50μL分注し、150μLのリン酸緩衝液(PBSバッファー、0.1M、0.15M塩化ナトリウム、pH7.2)に溶解して、タンパク質濃度0.1mg/200μLの溶液を調製した。
また、架橋リンカー剤であるDTSSP(3,3’−ジチオビス(スルフォスクシンイミジルプロピオネート)を純水注に溶解し、10.0mMの溶液を調製した。
これら2つの溶液を混合した後、緩やかに振とうし、室温(23℃)で3時間インキュベートした。これにより、反応生成物として、架橋リンカー剤で末端が修飾された抗IgG抗体(架橋リンカー修飾抗IgG抗体)を含む溶液を得た。
<Example 1 (production of gold nanorod composite)>
(1-1: Modification of antibody ends with a crosslinking linker)
Dispense 50 μL of a stock solution (Alexa Floor 488 rabbit anti-mouse IgG (H + L), 2.0 mg / mL) of anti-IgG antibody labeled with fluorescent dye Alexa (Alexa-labeled anti-IgG antibody), and 150 μL of phosphoric acid A solution with a protein concentration of 0.1 mg / 200 μL was prepared by dissolving in a buffer solution (PBS buffer, 0.1 M, 0.15 M sodium chloride, pH 7.2).
Further, DTSSP (3,3′-dithiobis (sulfosuccinimidylpropionate)) as a crosslinking linker agent was dissolved in pure water to prepare a 10.0 mM solution.
After mixing these two solutions, they were gently shaken and incubated at room temperature (23 ° C.) for 3 hours. As a result, a solution containing an anti-IgG antibody whose end was modified with a crosslinking linker agent (crosslinking linker-modified anti-IgG antibody) was obtained as a reaction product.

(1−2:複合体化)
製造例2で得た金ナノロッド水分散液50μLと、上記(1−1)で得た溶液50μLとを混合した後、緩やかに振とうし、室温で終夜インキュベートした。その後、遠心分離(10000回転/分、15分、10℃)、上澄み液除去、リン酸緩衝液中への再分散の処理を数度繰り返し行い、未反応の抗IgG抗体や不純物を除去する精製を行うことで、金ナノロッド複合体の水分散液を得た。
(1-2: Complexation)
After mixing 50 μL of the gold nanorod aqueous dispersion obtained in Production Example 2 and 50 μL of the solution obtained in (1-1) above, the mixture was gently shaken and incubated overnight at room temperature. Thereafter, centrifugation (10,000 rotations / minute, 15 minutes, 10 ° C.), supernatant removal, and redispersion in phosphate buffer are repeated several times to purify the unreacted anti-IgG antibody and impurities. To obtain an aqueous dispersion of the gold nanorod composite.

得られた金ナノロッド複合体の水分散液について、以下の評価を行った。
[吸収スペクトル測定]
該水分散液の吸収スペクトル(波長300〜900nm)を測定した。結果を図11に示す。
図11に示すように、金ナノロッド複合体は、局在表面プラズモンに由来する吸収ピークが701.5nmと530.0nmに観測された。ピークの形状は製造例2で得たリン脂質修飾金ナノロッドと同様であった。
なお、図11のグラフに示す吸光度は、金ナノロッド、リン脂質修飾金ナノロッドおよび金ナノロッド複合体それぞれの水溶液について測定された吸光度を、長波長側のピークトップで規格化した値である。
また、この金ナノロッド複合体の製造に用いたアレクサラベル化抗IgG抗体原液は、494.5nmに吸収ピークを有していたが、金ナノロッド複合体の水分散液については、494.5nmに明確な吸収ピークは確認されなかった。これは、金ナノロッドに対して表面修飾されたアレクサラベル化抗IgG抗体の濃度が低いため、金ナノロッドの吸光度に隠れている可能性があり、明確にピークとして確認できないためではないかと推測される。
The following evaluation was performed about the aqueous dispersion liquid of the obtained gold nanorod composite.
[Absorption spectrum measurement]
The absorption spectrum (wavelength 300 to 900 nm) of the aqueous dispersion was measured. The results are shown in FIG.
As shown in FIG. 11, in the gold nanorod composite, absorption peaks derived from localized surface plasmons were observed at 701.5 nm and 530.0 nm. The shape of the peak was the same as that of the phospholipid-modified gold nanorod obtained in Production Example 2.
In addition, the light absorbency shown in the graph of FIG. 11 is the value which normalized the light absorbency measured about each aqueous solution of a gold | metal | money nanorod, a phospholipid modification gold | metal | money nanorod, and a gold | metal | money nanorod complex with the peak top on the long wavelength side.
In addition, the Alexa-labeled anti-IgG antibody stock solution used for the production of the gold nanorod composite had an absorption peak at 494.5 nm, but the aqueous dispersion of the gold nanorod composite was clearly shown at 494.5 nm. No absorption peak was confirmed. This is probably because the concentration of Alexa-labeled anti-IgG antibody surface-modified to gold nanorods is low, which may be hidden in the absorbance of gold nanorods and cannot be clearly identified as a peak. .

[蛍光強度測定]
該水分散液の蛍光スペクトル(波長450〜700nm)を測定した。また、参考として、金ナノロッド水分散液、リン脂質修飾金ナノロッド水分散液およびアレクサラベル化抗IgG抗体原液についても同様の測定を行った。結果を図12に示す。
図12に示すように、金ナノロッド複合体では、516.0nmに極大をもつ蛍光ピークが観測され、リン脂質修飾金ナノロッドにアレクサラベル化抗IgG抗体がカップリングされたことが確認された。
一方、金ナノロッドおよびリン脂質修飾金ナノロッドは蛍光特性を示さず、アレクサラベル化抗IgG抗体自体は、513nmに蛍光ピークを有していた。
なお、図12のグラフに示す蛍光強度は、金ナノロッド複合体水分散液およびアレクサラベル化抗IgG抗体の原液について測定された蛍光強度を、ピークトップで規格化した値である。
[Fluorescence intensity measurement]
The fluorescence spectrum (wavelength 450 to 700 nm) of the aqueous dispersion was measured. Further, as a reference, the same measurement was carried out for the gold nanorod aqueous dispersion, the phospholipid-modified gold nanorod aqueous dispersion, and the Alexa-labeled anti-IgG antibody stock solution. The results are shown in FIG.
As shown in FIG. 12, in the gold nanorod complex, a fluorescence peak having a maximum at 516.0 nm was observed, and it was confirmed that the Alexa-labeled anti-IgG antibody was coupled to the phospholipid-modified gold nanorod.
On the other hand, gold nanorods and phospholipid-modified gold nanorods did not exhibit fluorescence properties, and the Alexa-labeled anti-IgG antibody itself had a fluorescence peak at 513 nm.
The fluorescence intensity shown in the graph of FIG. 12 is a value obtained by standardizing the fluorescence intensity measured for the gold nanorod complex aqueous dispersion and the stock solution of Alexa-labeled anti-IgG antibody at the peak top.

[フローサイトメトリー測定]
該水分散液のフローサイトメトリー測定を行った。また、参考として、リン脂質修飾金ナノロッド水分散液についても同様の測定を行った。フローサイトメトリーでは、X軸に表記する前方散乱強度より、液中をフローする試料中の単粒子の粒径分布が観測され、また、Y軸に表記する蛍光強度より、各単粒子における蛍光分子成分の有無が観測される。
リン脂質修飾金ナノロッドの測定結果を図13(a)〜(b)、金ナノロッド複合体の測定結果を図13(c)〜(d)に示す。
これらの結果から、リン脂質修飾金ナノロッドでは、各粒子に対して蛍光成分は観測されなかったが、金ナノロッド複合体では、若干の粒径の増大とともに、蛍光成分を有するナノ粒子が観測され、リン脂質修飾金ナノロッドにアレクサラベル化抗IgG抗体がカップリングされたことが確認された。
[Flow cytometry measurement]
Flow cytometry measurement of the aqueous dispersion was performed. For reference, the same measurement was performed on an aqueous dispersion of phospholipid-modified gold nanorods. In flow cytometry, the particle size distribution of single particles in the sample flowing in the liquid is observed from the forward scattering intensity indicated on the X axis, and the fluorescent molecules in each single particle are determined from the fluorescence intensity indicated on the Y axis. The presence or absence of a component is observed.
The measurement results of the phospholipid-modified gold nanorods are shown in FIGS. 13 (a) to (b), and the measurement results of the gold nanorod composite are shown in FIGS. 13 (c) to (d).
From these results, in the phospholipid-modified gold nanorods, no fluorescent component was observed for each particle, but in the gold nanorod complex, as the particle size slightly increased, nanoparticles having a fluorescent component were observed, It was confirmed that Alexa-labeled anti-IgG antibody was coupled to phospholipid-modified gold nanorods.

[顕微鏡観測]
図14に、金ナノロッド複合体の透過顕微鏡写真(図14(a)、観測:白色光下、10倍対物レンズ使用)および蛍光顕微鏡写真(図14(b)、励起:水銀ランプ、観測:緑色領域の蛍光フィルターを使用、10倍対物レンズ使用)を示す。また、図15に、金ナノロッド複合体のレーザー蛍光顕微鏡写真(励起:488nmアルゴンレーザー、観測:505〜525nm領域観測用の蛍光フィルターを使用、図15(a)は10倍対物レンズ使用、図15(b)はその部分拡大像。)を示す。
各観測においては、5μLの金ナノロッド複合体水分散液をスライドガラス上に滴下し、乾燥させたものを試料として用いて観測を行った。
図14(a)の透過顕微鏡像では、縞状に乾燥した金ナノロッド複合体が観測され、図14(b)の蛍光顕微鏡像では、透過顕微鏡像で確認された、金ナノロッド複合体の乾燥縞に沿って、緑色の蛍光を発する像が観測された。このことからも、アレクサラベル化抗IgG抗体とリン脂質修飾金ナノロッドとのカップリングが実証された。また、図14(b)において、金ナノロッド複合体の乾燥縞以外の領域に蛍光成分が見られないことから、未反応のアレクサラベル化抗IgG抗体は水分散液中に混在せず、精製の過程でほぼ除去されていることが確認された。
同様に、図15(a)のレーザー蛍光顕微鏡像においても、より鮮明に、蛍光成分を有する金ナノロッド複合体の様子が観測された。図15(b)の部分拡大像では、大きなドット状の粒子が観測され、金ナノロッド複合体の凝集成分が存在することが示唆された。
[Microscopic observation]
FIG. 14 shows a transmission micrograph of the gold nanorod composite (FIG. 14A, observation: under white light, using a 10 × objective lens) and a fluorescence micrograph (FIG. 14B, excitation: mercury lamp, observation: green) Using a fluorescent filter in the region, using a 10 × objective lens). FIG. 15 shows a laser fluorescence micrograph of a gold nanorod composite (excitation: 488 nm argon laser, observation: using a fluorescent filter for 505-525 nm region observation, FIG. 15 (a) using a 10 × objective lens, FIG. (B) shows a partially enlarged image thereof).
In each observation, 5 μL of the gold nanorod composite aqueous dispersion was dropped on a slide glass and dried, and the observation was performed using the sample as a sample.
In the transmission microscope image of FIG. 14 (a), a gold nanorod composite dried in a stripe shape is observed, and in the fluorescence microscopic image of FIG. 14 (b), the dry stripe of the gold nanorod composite confirmed by the transmission microscope image. A green fluorescent image was observed along the line. This also demonstrated the coupling between Alexa-labeled anti-IgG antibody and phospholipid-modified gold nanorods. Further, in FIG. 14B, since no fluorescent component is seen in the region other than the dry stripes of the gold nanorod complex, the unreacted Alexa-labeled anti-IgG antibody is not mixed in the aqueous dispersion and purified. It was confirmed that it was almost removed during the process.
Similarly, also in the laser fluorescence microscope image of FIG. 15A, the state of the gold nanorod composite having a fluorescent component was observed more clearly. In the partially enlarged image of FIG. 15 (b), large dot-like particles were observed, suggesting the presence of aggregating components of the gold nanorod composite.

<実施例2(バイオチップの製造)>
製造例2で得たリン脂質修飾金ナノロッド水分散液5μLを、カバーガラス上に滴下し、室温・大気中にて乾燥処理を施し、溶媒を除去した。続いて、リン脂質修飾金ナノロッド水溶液を滴下した位置に、60〜100μLのリン酸緩衝液を滴下した後、そこに、架橋リンカーで末端を修飾したIgG(mouse−IgG、一次抗体)溶液5μLを添加し、30分〜1時間、室温にてインキュベートした。することにより、IgGがリン脂質修飾金ナノロッドに化学結合した金ナノロッド複合体が表面に配置されたバイオチップを作製した。この後、バイオチップ表面に対し、未反応の前記IgGを除去するため、数度、リン酸緩衝液を用いて洗浄操作を行った。
なお、ここで用いた、架橋リンカーで末端を修飾したIgG(mouse−IgG、一次抗体)溶液は、実施例1の(1−1)において、アレクサラベル化抗IgG抗体の代わりにIgG(mouse−IgG、一次抗体)を用いた以外は同様にして調製した。
カバーガラスなどの親水基板表面では、上述したように、リン脂質修飾金ナノロッドは、リン脂質分子の自己組織化能により、その表面に沿って展開し、金ナノロッド同士が重なり合うことなく単層の配列構造を形成する。そのため、上記のような処理を行うことで、リン脂質修飾金ナノロッドを2次元に、高密度に集積させることができる。
<Example 2 (Manufacture of biochip)>
5 μL of the phospholipid-modified gold nanorod aqueous dispersion obtained in Production Example 2 was dropped on a cover glass, dried at room temperature and in the atmosphere, and the solvent was removed. Subsequently, 60 to 100 μL of a phosphate buffer solution was dropped at the position where the phospholipid-modified gold nanorod aqueous solution was dropped, and then 5 μL of an IgG (mouse-IgG, primary antibody) solution whose end was modified with a crosslinking linker was added thereto. Added and incubated at room temperature for 30 minutes to 1 hour. By doing so, a biochip in which a gold nanorod complex in which IgG was chemically bonded to a phospholipid-modified gold nanorod was arranged on the surface was produced. Thereafter, in order to remove the unreacted IgG on the biochip surface, a washing operation was performed several times using a phosphate buffer.
In addition, the IgG (mouse-IgG, primary antibody) solution whose end was modified with a crosslinking linker used here was IgG (mouse-IgG) instead of Alexa-labeled anti-IgG antibody in (1-1) of Example 1. It was prepared in the same manner except that IgG, a primary antibody) was used.
On the surface of a hydrophilic substrate such as a cover glass, as described above, the phospholipid-modified gold nanorods expand along the surface due to the self-organization ability of the phospholipid molecules, and the gold nanorods do not overlap with each other. Form a structure. Therefore, phospholipid-modified gold nanorods can be two-dimensionally and densely integrated by performing the above treatment.

<実施例3(マルチアレイ型バイオチップの製造)>
アレクサラベル化抗IgG抗体原液の代わりに抗IgG抗体(二次抗体)溶液を用いた以外は実施例1と同様にして、リン脂質修飾金ナノロッドに抗IgG抗体がカップリングされた金ナノロッド複合体の水分散液を得た。
この水分散液を10nLずつ、溶液吐出ディスペンサーを用い、縦横1mmの間隔で基板(材質:スライドガラスまたはシリコン、長辺75mm×短辺25mm)上に吐出し、室温・大気中にて乾燥処理を施した。このとき、該水分散液は、基板の長辺方向に5スポット、短辺方向に10スポットずつ、計50スポット吐出した。乾燥後の各ドットはいずれも約200μm程度の直径を有していた。また、隣接するドットは重なり合うことなく、位置制御性良くマルチアレイ化されていた。
別途、抗IgG抗体を4種の異種抗体(抗IgA抗体、抗IgD抗体、抗IgE抗体、抗IgM抗体)に変更した以外は上記と同様にして、4種の金ナノロッド複合体の水分散液を得た。これらの水分散液を、それぞれ、上記基板上に、上記と同様に50スポットずつ吐出し、室温・大気中にて乾燥処理を施した。
これにより、基板上に、5種類の抗体がそれぞれ固定化されたスポットを50スポットずつ、計250スポット有するマルチアレイ型バイオチップを得た。
<Example 3 (Production of multi-array biochip)>
A gold nanorod complex in which an anti-IgG antibody is coupled to a phospholipid-modified gold nanorod in the same manner as in Example 1 except that an anti-IgG antibody (secondary antibody) solution is used instead of the Alexa-labeled anti-IgG antibody stock solution. An aqueous dispersion was obtained.
10 nL of this aqueous dispersion is discharged onto a substrate (material: slide glass or silicon, long side 75 mm × short side 25 mm) at intervals of 1 mm in length and width using a solution discharge dispenser, and dried at room temperature and in the atmosphere. gave. At this time, the aqueous dispersion was discharged in a total of 50 spots, 5 spots in the long side direction and 10 spots in the short side direction. Each dot after drying had a diameter of about 200 μm. In addition, adjacent dots did not overlap and were arranged in a multi-array with good position controllability.
Separately, an aqueous dispersion of 4 types of gold nanorod complexes was used in the same manner as above except that the anti-IgG antibody was changed to 4 types of heterologous antibodies (anti-IgA antibody, anti-IgD antibody, anti-IgE antibody, anti-IgM antibody). Got. Each of these aqueous dispersions was ejected onto the substrate in 50 spots in the same manner as described above, and dried at room temperature and in the atmosphere.
As a result, a multi-array biochip having a total of 250 spots each having 50 spots each having 5 types of antibodies immobilized thereon was obtained.

<試験例1(バイオチップを用いた生体分子間相互反応の検出)>
実施例2で作製したバイオチップを用い、図16に概略を示す全反射蛍光顕微鏡(TIRFM)を用いた測定系にて、以下の手順で、抗体間の生体分子間相互反応の検出を行った。
バイオチップ61上に、60〜100μLのリン酸緩衝液を滴下して液滴62を形成した。該液滴62に、アレクサラベル化抗IgG抗体の原液(実施例1で用いたものと同じ)を5μL滴下した。この滴下を行ってから0分後および30分後の液滴62を、TIRFMにて観察した(励起:488nmアルゴンレーザー、対物レンズ:150倍)。
図16に示す測定系においては、反射鏡としてダイクロイックミラー63を用い、油浸対物レンズによる落射照明で対物レンズ64の顕微鏡側の中心から外れた場所に励起光を入射させ、イマージョンオイル65とバイオチップ61の境界面で全反射を発生させる。すると、この境界面にエバネッセント場が形成され、液滴62側の所定の厚さの範囲にのみ励起光が照射される。そのため、該励起光が照射された範囲内で発生した蛍光を測定することができる。本実施例においては、液滴62内の、バイオチップ61との界面より100nm以内の領域(ナノ界面)の蛍光を測定した。
<Test Example 1 (Detection of interaction between biomolecules using a biochip)>
In the measurement system using the total reflection fluorescence microscope (TIRFM) schematically shown in FIG. 16 using the biochip produced in Example 2, biomolecular interaction between antibodies was detected by the following procedure. .
On the biochip 61, 60-100 μL of a phosphate buffer was dropped to form droplets 62. 5 μL of Alexa-labeled anti-IgG antibody stock solution (same as that used in Example 1) was dropped into the droplet 62. Droplets 62 after 0 and 30 minutes after the dropping were observed with TIRFM (excitation: 488 nm argon laser, objective lens: 150 times).
In the measurement system shown in FIG. 16, a dichroic mirror 63 is used as a reflecting mirror, and excitation light is incident on a place off the center of the objective lens 64 on the microscope side by epi-illumination by an oil immersion objective lens. Total reflection is generated at the boundary surface of the chip 61. Then, an evanescent field is formed on this boundary surface, and excitation light is irradiated only in a predetermined thickness range on the droplet 62 side. Therefore, the fluorescence generated within the range irradiated with the excitation light can be measured. In this example, fluorescence in a region (nanointerface) within 100 nm from the interface with the biochip 61 in the droplet 62 was measured.

結果を図17に示す。図17(a)、(c)はそれぞれ0分後、30分後のTIRFM写真を示す。各写真中において、黒色部分はバイオチップ61のカバーガラス表面、灰色部分は、IgG(一次抗体)が結合した金ナノロッド複合体、白色輝点部分は、アレクサラベル化抗IgG抗体(二次抗体)を示す。図17(b)、(d)はそれぞれ、0分後、30分後に得られたイメージング像中のコントラストに閾値を設け、白色輝点部分のみを抽出した像である。
図17(a)、(b)に示すように、反応開始時には白色輝点は全く確認されないが、図17(c)、(d)に示すように、反応開始から30分後には、バイオチップ上に、抗アレクサラベル化IgG抗体に由来する白色輝点が多数観測された。この白色輝点の大きさ、径の均一性、測定系の分解能から考えると、白色輝点の各点は、バイオチップ61表面において、単分子単位のアレクサラベル化抗IgG抗体が、IgGを有する金ナノロッド複合体にのみ選択的に吸着した様子を示しているものと思われる。
この結果から、上記バイオチップを用いれば、生体分子間反応の検出を、位置選択的に、且つ単分子レベルの高感度で行えることが示された。
The results are shown in FIG. FIGS. 17A and 17C show TIRFM photographs after 0 minutes and 30 minutes, respectively. In each photograph, the black part is the cover glass surface of the biochip 61, the gray part is a gold nanorod complex to which IgG (primary antibody) is bound, and the white bright spot part is an Alexa-labeled anti-IgG antibody (secondary antibody). Indicates. FIGS. 17B and 17D are images obtained by setting only a threshold value for contrast in an imaging image obtained after 0 minutes and 30 minutes and extracting only a white bright spot portion.
As shown in FIGS. 17 (a) and (b), no white bright spot is confirmed at the start of the reaction, but as shown in FIGS. 17 (c) and 17 (d), after 30 minutes from the start of the reaction, the biochip Above, many white bright spots derived from the anti-Alexa labeled IgG antibody were observed. Considering the size of the white bright spot, the uniformity of the diameter, and the resolution of the measurement system, each white bright spot has a single molecular unit Alexa-labeled anti-IgG antibody on the surface of the biochip 61. It seems to indicate that it is selectively adsorbed only on the gold nanorod composite.
From this result, it was shown that the detection of the reaction between biomolecules can be performed position-selectively and with high sensitivity at the single molecule level by using the biochip.

<試験例2(生体分子間相互反応の時間変化観測)>
試験例1において、アレクサラベル化抗IgG抗体の原液を滴下してから15分後、45分後、75分後および90分後の液滴62を、試験例1と同様に、TIRFMにて観察することにより、バイオチップ61表面へのアレクサラベル化抗IgG抗体の結合反応の経時的観測を行った。
図18(a)〜(d)はそれぞれ15分後、45分後、75分後および90分後に得られたイメージング像中のコントラストに閾値を設け、白色輝点部分のみを抽出した像である。各図中に白色輝点数を併記する。これらの結果に示すように、反応開始から時間が経過するにつれて、白色輝点数が増加することが確認された。
また、このとき計測された白色輝点の数から、反応時間に対する白色輝点数の変化をプロットしたグラフを図19に示す。該グラフから、上記バイオチップを用いた場合、時間経過とともに該バイオチップ表面に吸着する二次抗体数の変化を定量的に解析できることが明確である。
また、図20に、反応時間毎に、各白色輝点に対する平均輝度(輝度は、オリンパス社製TIRFM装置に搭載された画像解析ソフト「メタモルフ(MetaMorph)」により解析した。)のヒストグラムをグラフ化した図を示す。該グラフに示すように、反応時間が経過しても、各白色輝点はほぼ安定な輝度を示していた。
これらの結果から、本発明のバイオチップおよびこれを用いた測定系では、非接触の検出、診断、定量等が可能であり、そのため、生体分子の構造破壊や消光がなく、単一分子レベルの高感度な測定を、長時間、安定に行うことが可能であることが示された。
<Test Example 2 (observation of time-dependent change in interaction between biomolecules)>
In Test Example 1, the droplet 62 after 15 minutes, 45 minutes, 75 minutes, and 90 minutes after dropping the stock solution of Alexa-labeled anti-IgG antibody was observed with TIRFM as in Test Example 1. As a result, the binding reaction of the Alexa-labeled anti-IgG antibody to the surface of the biochip 61 was observed over time.
FIGS. 18A to 18D are images obtained by extracting only a white bright spot portion by setting a threshold value in contrast in imaging images obtained after 15 minutes, 45 minutes, 75 minutes, and 90 minutes, respectively. . The number of white bright spots is also shown in each figure. As shown in these results, it was confirmed that the number of white bright spots increased as time passed from the start of the reaction.
Further, FIG. 19 shows a graph in which the change in the number of white bright spots with respect to the reaction time is plotted from the number of white bright spots measured at this time. From this graph, it is clear that when the biochip is used, the change in the number of secondary antibodies adsorbed on the biochip surface with time can be quantitatively analyzed.
FIG. 20 is a graph of the histogram of the average luminance for each white luminescent spot (the luminance was analyzed by image analysis software “MetaMorph” mounted on the Olympus TIRFM apparatus) for each reaction time. The figure is shown. As shown in the graph, each white bright spot showed almost stable luminance even when the reaction time passed.
From these results, the biochip of the present invention and the measurement system using the same can perform non-contact detection, diagnosis, quantification, and the like. It was shown that high-sensitivity measurement can be performed stably for a long time.

<試験例3(比較試験)>
製造例2で得たリン脂質修飾金ナノロッド(抗体付与なし)のみの水分散液5μLを、カバーガラス上に滴下し、室温・大気中にて乾燥処理を施し、溶媒を除去した。
該カバーガラス表面上に、100μLのリン酸緩衝液を滴下して液滴を形成し、該液滴に、アレクサラベル化抗IgG抗体の原液(実施例1で用いたものと同じ)を5μL滴下した。この滴下を行ってから30分後の液滴を、試験例1と同様に、TIRFMにて観察した。その結果、図21(a)に示すように、反応開始から30分後においても、白色輝点はナノ界面に観測されなかった。
この結果から、リン脂質修飾金ナノロッドが抗体と複合体を形成していない場合、アレクサラベル化抗IgG抗体66を高感度に検出することができないことが確認された。これは、図21(b)に示すように、アレクサラベル化抗IgG抗体66がリン脂質修飾金ナノロッド13に結合しないため、表面増強効果による光強度の増大が生じないためと考えられる。
<Test Example 3 (Comparative Test)>
5 μL of an aqueous dispersion of only the phospholipid-modified gold nanorods (without antibody application) obtained in Production Example 2 was dropped on a cover glass, and dried at room temperature and in the atmosphere to remove the solvent.
On the surface of the cover glass, 100 μL of a phosphate buffer is dropped to form a droplet, and 5 μL of Alexa-labeled anti-IgG antibody stock solution (same as that used in Example 1) is dropped into the droplet. did. In the same manner as in Test Example 1, the droplet 30 minutes after the dropping was observed with TIRFM. As a result, as shown in FIG. 21A, no white bright spot was observed at the nanointerface even 30 minutes after the start of the reaction.
From this result, it was confirmed that Alexa-labeled anti-IgG antibody 66 could not be detected with high sensitivity when phospholipid-modified gold nanorods did not form a complex with the antibody. This is probably because the Alexa-labeled anti-IgG antibody 66 does not bind to the phospholipid-modified gold nanorod 13 as shown in FIG.

本発明の金属ナノ粒子複合体は、金属ナノ粒子表面がリン脂質分子で化学修飾されているため、生体適合性が高く、また、基板上への配置の制御性も高く、基板上に高密度に集積化させることが可能であるため、バイオチップ用として有用である。該バイオチップは、生体分子の診断・検査チップとして利用できる。
また、本発明の金属ナノ粒子複合体は、安定なナノ粒子であり、耐久性に優れ、たとえばレーザー照射後の退色が抑制される。そのため、ターゲットとする生体分子のバイオチップ上での動態を長時間、安定に観察することができる。
また、本発明によれば、分子認識部として抗体や酵素、膜タンパク質等の機能性タンパク質が固定化されたバイオチップを提供することができる。該バイオチップを用いることにより、抗体反応(抗体−抗体反応、抗原−抗体反応)、酵素反応等の生体反応を観察することができる。
また、本発明においては、金属ナノ粒子特有の性質である光電子信号の増強効果を活用し、単分子レベルの分解能を有する高感度バイオセンシング機能が付与されたバイオチップを提供できる。
また、本発明のバイオチップにおいては、上記機能性タンパク質のみならず、DNAや細胞を固定することもできる。
そのため、様々な生体分子間の相互作用や細胞代謝物質を検出するセンサーの役割と、生体分子の定量的解析を可能とするハイスループットスクリーニング素子としての機能とを兼ね備えたものとすることができる。
さらに、本発明の金属ナノ粒子複合体は、生体適合性が高いことから、細胞などの生体組織内に導入可能である。そのため、特定の細胞を非破壊で染色できる細胞ラベリング材料(生体マーカー)として利用できる。また、上記のように、耐久性に優れることから、ターゲットとする生体分子の細胞内動態を長時間、安定に観察することができる。そのため、本発明の金属ナノ粒子複合体を生体マーカーとして用いることにより、高感度バイオイメージング解析が可能となる。
The metal nanoparticle composite of the present invention has high biocompatibility because the surface of the metal nanoparticle is chemically modified with phospholipid molecules, and also has high controllability of arrangement on the substrate, and high density on the substrate. Therefore, it is useful as a biochip. The biochip can be used as a biomolecule diagnosis / test chip.
In addition, the metal nanoparticle composite of the present invention is a stable nanoparticle and has excellent durability, and for example, fading after laser irradiation is suppressed. Therefore, the dynamics of the target biomolecule on the biochip can be observed stably for a long time.
In addition, according to the present invention, it is possible to provide a biochip on which a functional protein such as an antibody, an enzyme, or a membrane protein is immobilized as a molecular recognition unit. By using the biochip, biological reactions such as antibody reaction (antibody-antibody reaction, antigen-antibody reaction), enzyme reaction and the like can be observed.
Further, in the present invention, a biochip provided with a high-sensitivity biosensing function having a single-molecule level resolution can be provided by utilizing the enhancement effect of the photoelectron signal, which is a characteristic unique to metal nanoparticles.
Moreover, in the biochip of the present invention, not only the functional protein but also DNA and cells can be immobilized.
Therefore, it is possible to combine the role of a sensor that detects interactions between various biomolecules and cellular metabolites, and the function as a high-throughput screening element that enables quantitative analysis of biomolecules.
Furthermore, since the metal nanoparticle composite of the present invention has high biocompatibility, it can be introduced into living tissues such as cells. Therefore, it can utilize as a cell labeling material (biomarker) which can stain | stain a specific cell nondestructively. Moreover, since it is excellent in durability as described above, the intracellular dynamics of the target biomolecule can be stably observed for a long time. Therefore, highly sensitive bioimaging analysis becomes possible by using the metal nanoparticle composite of the present invention as a biomarker.

10…金ナノロッド複合体、12…リン脂質分子、13…リン脂質修飾金ナノロッド、14…架橋リンカー部、15…抗体、21…基板、22…試料配置部、23…試薬配置部、24…検出部、25a〜25e…複合体配置部、26…マイクロ流路、27…配線、31〜38…バイオチップ、61…バイオチップ、62…液滴、63…ダイクロイックミラー、64…対物レンズ、65…イマージョンオイル、66…アレクサラベル化抗IgG抗体   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Gold nanorod complex, 12 ... Phospholipid molecule, 13 ... Phospholipid modification gold nanorod, 14 ... Crosslinking linker part, 15 ... Antibody, 21 ... Substrate, 22 ... Sample arrangement part, 23 ... Reagent arrangement part, 24 ... Detection Part, 25a to 25e ... complex arrangement part, 26 ... micro flow path, 27 ... wiring, 31-38 ... biochip, 61 ... biochip, 62 ... droplet, 63 ... dichroic mirror, 64 ... objective lens, 65 ... Immersion oil, 66 ... Alexa-labeled anti-IgG antibody

Claims (10)

表面がリン脂質分子で化学修飾された金属ナノ粒子に、機能性分子が、架橋リンカー部を介して化学結合していることを特徴とする金属ナノ粒子複合体。   A metal nanoparticle composite, wherein a functional molecule is chemically bonded to a metal nanoparticle whose surface is chemically modified with a phospholipid molecule via a cross-linking linker moiety. 前記金属ナノ粒子が金属ナノロッドである請求項1に記載の金属ナノ粒子複合体。   The metal nanoparticle composite according to claim 1, wherein the metal nanoparticles are metal nanorods. 前記機能性分子が、抗体、抗原、酵素、膜タンパク質、受容体型タンパク質、細胞骨格およびモータータンパク質からなる群から選択される少なくとも1種の機能性タンパク質である請求項1または2に記載の金属ナノ粒子複合体。   3. The metal nano of claim 1, wherein the functional molecule is at least one functional protein selected from the group consisting of an antibody, an antigen, an enzyme, a membrane protein, a receptor protein, a cytoskeleton, and a motor protein. Particle complex. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の金属ナノ粒子複合体の製造方法であって、
表面がリン脂質分子で化学修飾された金属ナノ粒子と、機能性分子とを、架橋リンカー剤を用いて化学結合させる工程を含むことを特徴とする金属ナノ粒子複合体の製造方法。
A method for producing a metal nanoparticle composite according to any one of claims 1 to 3,
A method for producing a metal nanoparticle composite, comprising a step of chemically bonding a metal nanoparticle whose surface is chemically modified with a phospholipid molecule and a functional molecule using a crosslinking linker agent.
前記架橋リンカー剤が、置換基を有していてもよいスクシンイミジル基と、含硫黄有機置換基とを有する請求項4に記載の金属ナノ粒子複合体の製造方法。   The manufacturing method of the metal nanoparticle composite_body | complex of Claim 4 in which the said crosslinking linker agent has the succinimidyl group which may have a substituent, and a sulfur-containing organic substituent. 基板上に、請求項1〜3のいずれか一項に記載の金属ナノ粒子複合体が配置された複合体配置部を有するバイオチップ。   The biochip which has a composite_body | complex arrangement | positioning part by which the metal nanoparticle composite_body | complex as described in any one of Claims 1-3 is arrange | positioned on a board | substrate. 前記複合体配置部に、前記金属ナノ粒子複合体が1次元、2次元または3次元に配列した配列構造が形成されている請求項6に記載のバイオチップ。   The biochip according to claim 6, wherein an array structure in which the metal nanoparticle composites are arranged one-dimensionally, two-dimensionally or three-dimensionally is formed in the complex arrangement part. 前記複合体配置部を複数有し、該複数の複合体配置部における機能性分子の種類および濃度、または機能性分子の種類もしくは濃度がそれぞれ異なる請求項6または7に記載のバイオチップ。   The biochip according to claim 6 or 7, wherein the biochip has a plurality of the complex arrangement parts, and the types and concentrations of the functional molecules or the types or concentrations of the functional molecules in the plurality of complex arrangement parts are different. 請求項6〜8のいずれか一項に記載のバイオチップの製造方法であって、
基板上に、前記金属ナノ粒子複合体を構成する金属ナノ粒子を、その表面を化学修飾するリン脂質分子の自己組織化能を利用して展開させ、前記金属ナノ粒子複合体が1次元または2次元に配列した配列構造を形成する工程を含むことを特徴とするバイオチップの製造方法。
It is the manufacturing method of the biochip as described in any one of Claims 6-8,
On the substrate, the metal nanoparticles constituting the metal nanoparticle composite are developed using the self-organization ability of phospholipid molecules that chemically modify the surface thereof, and the metal nanoparticle composite is one-dimensional or two-dimensional. A biochip manufacturing method comprising a step of forming a three-dimensional array structure.
前記金属ナノ粒子複合体が1次元または2次元に配列した配列構造を形成する工程を複数回繰り返すことにより、前記金属ナノ粒子複合体が3次元に配列した配列構造を形成する請求項9に記載のバイオチップの製造方法。   The metal nanoparticle composite is formed in an array structure in which the metal nanoparticle composite is arranged in three dimensions by repeating the step of forming an array structure in which the metal nanoparticle composite is arrayed in one or two dimensions a plurality of times. Biochip manufacturing method.
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