JP2013167462A

JP2013167462A - センサ

Info

Publication number: JP2013167462A
Application number: JP2012029237A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Kitagawa; 雄介北川
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-08-29

Abstract

【課題】容易に水溶性の検体を中空領域へ挿入することができるセンサの実現。
【解決手段】上方より入射光が供給されるように構成された第１の金属層２と、第１の金属層２の下方に対向して配置された第２の金属層６と、第１の金属層２と第２の金属層６の距離を一定間隔に保つための間隔保持部と、第１の金属層２の下面と第２の金属層６の上面のうち少なくとも一方に酸化チタン膜３、５を備え、第１の金属層２と第２の金属層６の間に試料が充填されるように中空領域４が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば血液や唾液などの検体中に含まれるウイルスやその他たんぱく質を検出するためのセンサと、その製造方法、およびセンサに試料を挿入する方法に関するものである。

従来のセンサについて図４を用いて説明する。

図４は、特許文献１に記載された従来のセンサの断面図である。

図４において、センサ１００は、対面する基板１０１、１０７と、基板１０１の上面に形成された金属層１０２と、基板１０７に金属層１０２と対面するように形成された金属層１０６と、その金属層１０２、１０６間に形成された中空領域１０４とを有する。金属層１０２は、金属層１０２の上方より与えられる入射光を概ね透過する程度の厚みを有し、金属層１０６は、金属層１０６の上方より到来する光を概ね反射する程度の厚みを有している。

以上のように構成されたセンサ１００について、以下にその動作を説明する。

金属層１０２の上方から、金属層１０２上面に与えられた入射光は金属層１０２を透過して、中空領域１０４を通り金属層１０６の上面に達し、金属層１０６の上面にて反射される。これにより金属層１０２を透過した入射光と金属層１０６を反射した反射光とが中空領域１０４において干渉し、所定条件を満たせば中空領域１０４内で共振させる事もできる。このような共振現象が起こると、入射光のうち、共振現象に寄与している波長の光が中空領域１０４内に吸収される。このような共振現象の励起条件は、主に中空領域１０４の厚み、中空領域１０４内の屈折率、金属層１０２、１０６の厚み、金属層１０６の材質等によって制御可能である。

ここで、特異的検体を含むある溶液を中空領域１０４へ挿入すると、特異的検体の屈折率の違いにより励起条件が変わり、結果的に、吸収される光の波長が異なる。すなわち、屈折率の違いによって反射光の色が異なる。

例えば、タンパク質単体が分散している溶液と、そのタンパク質の抗体と結合した状態、すなわち抗原・抗体複合体を形成した場合では屈折率が異なるため、あらかじめ溶液に検出したいタンパク質の抗体を含有しておくことで、タンパク質の有無により、反射光の色が変わる。色の変化で、簡単にタンパク質を検出することが出来る。

このような構成のセンサ１００は、従来のＡＴＲ（Attenuated Total Reflection）式では必要であったプリズムが不要であるため、センサ１００の小型化が可能である。それゆえに、家庭用のバイオセンサとして適している。

国際公開第２０１１／１２２７７６号

しかしながら、上記従来の構成では、中空領域は撥水性である金属層で囲まれているため、中空領域へ水溶性の検体を導入するのには困難を伴うという問題を有していた。

そこで本発明は、容易に水溶性の検体を中空領域へ導入することができるセンサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、金薄膜上に酸化チタン膜もしくは微粒子を備える構成を有する。

本発明のセンサは、検体を挿入する中空領域に面して酸化チタンを備えたため、中空領域内を親水性とすることができる。よって、容易に水溶性の検体を中空領域内部へ挿入できるという効果を奏するものである。

本発明の実施例１におけるセンサの断面図本発明の実施例１におけるセンサの断面図本発明の実施例１におけるセンサの断面図従来のセンサの断面図

（実施例１）
以下、本発明の実施例１におけるセンサについて図面を参照しながら説明する。

図１および図２は本実施例におけるセンサの断面図である。

図１において、センサは基板１上に金属層２、金属層２上に酸化チタン膜３、中空領域４を介して酸化チタン膜５、その下に金属層６、基板７を有する。金属層２、６は、金、銀、アルミニウム等の金属で構成される。金属層２は入射光を透過する必要があるため、５ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚とすることが望ましい。金属層６は入射光を反射する必要があるため、１００ｎｍ以上の膜厚とすることが望ましい。中空領域４は検体を注入するための空間が形成されている。基板１は入射光および反射光を透過する必要があるため、プラスチック樹脂、ガラスや石英基板など、可視光に対する透過度が高い基板から構成される。

また、図２のように酸化チタン膜３、５の代わりに酸化チタン微粒子８ａ、８ｂを用いても良い。酸化チタン微粒子８ａ、８ｂを用いた場合は、入射基板（金属層２の形成された基板１）と反射基板（金属層６が形成された基板７）とを中空領域４を確保する為の柱状の間隔保持部（便宜上図示せず）を介して接合させた後に、中空領域４に面して酸化チタン微粒子８ａ、８ｂを配置させることが出来ること、および中空領域内に配置する前にあらかじめアクセプターを酸化チタン表面に結合した上で、中空領域４へ導入・配置出来ることなど、製造上有利な点が多い。

以上のように構成されたセンサについて、以下にその動作を説明する。

金属層２の上方から、金属層２上面に与えられた入射光は、ある一定割合の光が金属層２および酸化チタン膜３を透過して、中空領域４を通り、ある一定割合の光が酸化チタン膜５を透過して金属層６の上面に達し、金属層６の上面にて反射される。これにより金属層２を透過した入射光と金属層６を反射した反射光、また金属層２と金属層６間を複数回反射を繰り返した光とが中空領域４において干渉し、各光が下記(1)式の条件を満たしたときに強め合い、目に届く観察光が最大となる。

ｍλ＝２ｎｄ（ここで、ｍ：整数、λ：波長、ｄ：中空領域の厚み、ｎ：中空領域内の屈折率）・・・(1)
上記式を満たさない他の波長では、入射光と反射光、もしくは反射光同士で波の打ち消し合いが生じ、観察光の強度は減少する。

このような干渉条件は、主に中空領域４の厚み、中空領域４内の屈折率、金属層２、６の厚み、金属層２、６の材質等によって制御可能である。

ここで、特異的検体を含むある溶液を中空領域４へ挿入すると、検体の屈折率の違いにより励起条件が変わり、結果的に、吸収される光の波長が異なる。すなわち、屈折率の違いによって反射光の色が異なる。

中空領域４の厚みは、間隔保持部（便宜上図示せず）の高さで制御することが出来る。間隔保持部は、接合時に基板の特定箇所に負荷がかからないように、中空領域４を形成する場所に均等間隔で配置されることが望ましい。

本発明に係るセンサの一例を図３に示す。図３に示すセンサは、図１に示したセンサの中空領域４に面してアクセプター９を配置した構成である。ここで、アクセプター９とは、特異的検体１０と特異的に反応し、複合体を形成し得る捕捉体のことを指しており、例えば、抗体、受容体タンパク、アプタマー、ポルフィリン、モレキュラーインプリンティング技術により生成された高分子などを指す。特異的検体１０や非特異的検体１１を含んだ溶液を毛細管現象により中空領域４へ挿入すると、図３のように、その溶液の中に特異的検体１０が含まれると、基板上に固定されたアクセプター９と特異的検体１０とが複合体を形成する。一方、中空領域４に毛細管現象により挿入される溶液中に特異的検体１０が存在しないとき、複合体は形成しない。複合体が形成される場合と形成されない場合とでは、中空領域４内の屈折率が異なるため、上記光干渉の共鳴条件が変化する。そのため、吸収される光の波長が変化し、金属層２の上方へ放射される反射光の色等（正確には反射光の各周波数における振幅値）が変わることになる。

このとき、中空領域４へ注入する溶液（検体）の一例としては唾液、尿、血液などが考えられるが、そのいずれも水分を多く含んだ水溶性液体である。検体は、主に毛細管現象によって中空領域４内へ充填される。毛細管現象によって中空領域４内を流れて満たされるためには、検体と中空領域４壁面の接触角が十分に小さく親水的であることが必要で、接触角としては３０度以下、好ましくは２０度以下となることが望ましい。

酸化チタン膜または酸化チタン微粒子はＵＶを照射しなければ、接触角は３０度程度であるが、ＵＶ（紫外線）を照射することで接触角が２０度以下、照射時間によっては０度近くまで小さくなり親水化する。表面が親水的であれば、毛細管現象が強く働き、容易に中空領域４内へ検体を充填できる。

以上のように構成されたセンサについて、以下にその製造方法を説明する。

まず、基板１、７の表面のパーティクルや有機残渣等を除去するために、基板１、７の洗浄を行なう。洗浄方法には、アルカリ・酸洗浄液を用いた超音波洗浄、イソプロパノール洗浄がある。

次に、洗浄した基板１、７の表面に金属層２、６を成膜する。成膜する手法として、スパッタリング、蒸着法等がある。この際、基板１、７と金属層２、６間の密着性を向上させるために、チタンやクロムなどの密着層（図示せず）を導入しても良い。チタンやクロムは、蒸着やスパッタで成膜することが出来る。ただし、基板１に形成するチタンやクロムは、光が透過する際に大きな影響を与えないために、その膜厚を５ｎｍ以下と、十分薄くすることが望ましい。

金属層２、６の表面で且つ中空領域４に面する側に酸化チタン膜３、５を形成するには、スパッタリングや蒸着法を用いる。このとき、金属層２、６と酸化チタン膜３、５との密着性を向上するために、チタンやクロムなどの密着層を導入しても良いが、上記同様の理由により、その膜厚は５ｎｍ以下と十分に薄くすることが望ましい。

上記のようにして、入射光が最初に入射する入射基板（図１の酸化チタン膜３と金属層２とが形成された基板１）と、入射光が反射する反射基板（図１の酸化チタン膜５と金属層６とが形成された基板７）とを作成する。

次に、作成した入射基板と反射基板とを所定間隔を保持して接合し、中空領域４を形成する。このとき、中空領域４を確保するために、入射基板と反射基板の少なくとも一方には間隔保持部（図１から図３において便宜上図示せず）を形成しておく必要がある。間隔保持部の形状は、基板への負荷などの観点からスリッド形状、円柱形状が望ましい。接合方法は、入射基板と反射基板の両基板表面をアルゴンなどの不活性ガスにより活性化した後、真空中もしくは常圧中で、基板上面から圧力を負荷して接合する。温度を印加しながら、圧力を負荷しても良い。

一方、図２に示したような酸化チタン微粒子８ａ、８ｂを酸化チタン膜３、５の代わりに有したセンサの場合には、入射基板（図２の金属層２が形成された基板１）と反射基板（図２の金属層６が形成された基板７）とを間隔保持部を介して接合した後に、酸化チタン微粒子を含む懸濁液を中空領域４へ毛細管現象により注入し、乾燥させる。このときの乾燥方法としては、中空領域４内部に酸化チタン微粒子８ａ、８ｂを均一に配置するため、乾燥凍結法が望ましい。また、注入する酸化チタン微粒子８ａ、８ｂの懸濁液の濃度は、中空領域４内部に酸化チタン微粒子８ａ、８ｂを均一に配置するために、１０¹³個／ｍｌ以下が望ましい。更に、酸化チタン微粒子８ａ、８ｂ同士の凝集を防止するため、懸濁液に界面活性剤を含有させても良い。

以上のように本実施例によれば、酸化チタンを金属層２、６上に備えることにより、中空領域４表面を親水化することができるため、水溶性の検体を中空領域４内に容易に導入することができる。また、ユーザは本発明に係るセンサを使用する前（検体含有の溶液を中空領域に挿入する前）に金属層２の上方よりＵＶ（紫外線）を照射することで、中空領域４内に透過してきたＵＶにより酸化チタン膜３、５または酸化チタン微粒子８ａ、８ｂが活性化され、接触角を０度近くまで小さくすることも可能である。これにより溶液を中空領域４に容易に挿入する事ができる。

最後に、酸化チタン表面にアクセプターを結合する方法について説明する。

まず、酸化チタン表面に、ＳＡＭ（Self−Assembled−Monolayer）溶液を作用させ、その後十分に洗浄して未結合分子を除去する。このときＳＡＭ形成に用いる分子としては、チオール基やジスルフィド基が末端に、もう片方の末端にはカルボキシル基がついたものが望ましい。この反応では、チオール基やジスルフィド基が酸化チタン中のチタンと結合する。次に、アクセプターであるタンパク質（抗体）を含む溶液を作用させた後、未反応アクセプターを洗浄により除去する。この反応では、タンパク質中のアミノ基と、カルボキシル基が脱水縮合して、アクセプター分子とＳＡＭの間に結合が形成する。

こうした一連の反応により、酸化チタン上にアクセプターが配置される。

なお、ＳＡＭを用いずに、ポリスチレンビーズの凝集反応を用いても良い。ＳＡＭ表面への結合を用いるよりも、ビーズの凝集反応の方が屈折率変化が大きいというメリットがある。

なお、本発明において「金属層２（第１の金属層）の下面に酸化チタン膜３を備え」とは、金属層２（第１の金属層）の下面全面に酸化チタン膜３を備える構成だけでなく、金属層２（第１の金属層）の下面の一部領域のみに酸化チタン膜３を備える構成をも含む。

同様に、本発明において「金属層６（第２の金属層）の上面に酸化チタン膜５を備え」とは、金属層６（第２の金属層）の上面全面に酸化チタン膜５を備える構成だけでなく、金属層６（第２の金属層）の上面の一部領域のみに酸化チタン膜５を備える構成をも含む。このことは酸化チタン微粒子８ａ、８ｂでも同様である。

更に、ＡＴＲ方式の場合金属層表面（〜数十ｎｍ）が最も感度が高いため、酸化チタン膜をつけた場合に感度が低下するが、本方式の場合、中空領域内部の屈折率の差異を検出するため、酸化チタン膜の影響は少ない。

本発明のセンサは、家庭用バイオセンサとして有用である。

１基板
２金属層（第１の金属層）
３酸化チタン膜
４中空領域
５酸化チタン膜
６金属層（第２の金属層）
７基板
８酸化チタン微粒子
９アクセプター
１０特異的検体
１１非特異的検体

Claims

上方より入射光が供給されるように構成された第１の金属層と、
前記第１の金属層の下方に対向して配置された第２の金属層と、
前記第１の金属層と前記第２の金属層の距離を一定間隔に保つための間隔保持部と、
前記第１の金属層の下面と前記第２の金属層の上面のうち少なくとも一方に酸化チタン膜を備え、
前記第１の金属層と前記第２の金属層の間に試料が充填されるように中空領域が設けられているセンサ。
酸化チタン膜表面の水に対する接触角が２０度以下である請求項１に記載のセンサ。
酸化チタン膜表面に、ＳＡＭ膜を介してアクセプターが結合された請求項１に記載のセンサ。
上方より入射光が供給されるように構成された第１の金属層と、
前記第１の金属層の下方に対向して配置された第２の金属層と、
前記第１の金属層と前記第２の金属層の距離を一定間隔に保つための間隔保持部と、
前記第１の金属層の下面と前記第２の金属層の上面のうち少なくとも一方に酸化チタン微粒子を備え、
前記第１の金属層と前記第２の金属層の間に試料が充填されるように中空領域が設けられているセンサ。
酸化チタン微粒子表面の水に対する接触角が２０度以下である請求項４に記載のセンサ。
酸化チタン微粒子表面に、ＳＡＭ膜を介してアクセプターが結合された請求項４に記載のセンサ。