JP2013510301A - ナノホールアレイバイオセンサ - Google Patents

Abstract

バイオセンサは、光学要素に光を透過させるために光学要素の向かい合う面の間で延在しならびに該向かい合う面で終端し、および並んで結合されている複数の光ファイバを含む光透過性光学要素（１８）を含む。金膜（２０）は、光学要素の一方の面に被覆されており、複数のナノホールアレイが金膜に形成されている。

Description

本発明は、ナノホールアレイバイオセンサ、およびこのようなセンサを含むバイオセンシング装置に関する。

Ｗ．Ｌ． Ｂａｒｎｅｓ、Ａ． Ｄｅｒｅｕｘ、Ｔ．Ｗ． Ｅｂｂｅｓｅｎ、Ｎａｔｕｒｅ ２４ （２００３） ８２４〜８３０は、サブ波長開口部を通過する異常光透過（ＥＯＴ）を開示しており、可視光、通常はサブ波長ナノホールの周期的アレイを含む金属膜への入射光は、これまで予測されてきた値よりも大きな桁のピーク透過強度を示す。ナノホールアレイは、集束イオンビームミリングを用いて、ガラス基板に堆積した金の光学厚膜に作製された。

ナノホールの短い規則的アレイは、入射光が特徴的周波数の表面プラズモンモードを励起できるようにする周期格子と同様に機能し、該特徴的周波数は、金属の誘電関数、ホールアレイの周期および金属膜表面上の媒質の誘電関数に依存する。光がホールを通過して移動するプロセスは、金属膜の厚さに依存する。

厚みが大き過ぎて、膜の両面の間でプラズモン同士がカップリングできない光学厚膜のため、プロセスは、例えば、Ａ． Ｋｉｓｈｎｉｈａｎ、Ｔ． Ｔｈｉｏ、ＴＪ． Ｋｉｍａ、Ｈ．Ｊ． Ｌｅｚｅｃ、Ｔ．Ｗ． Ｅｂｂｅｓｅｎ、Ｐ．Ａ． Ｗｏｌｆｆ、Ｊ． Ｐｅｎｄｒｙ、Ｌ． Ｍａｒｔｉｎ Ｍｏｒｅｎｏ、Ｆ．Ｊ． Ｇａｒｃｉａ−Ｖｉｄａｌ、Ｏｐｔ． Ｃｏｍｍｕｎ ２００（２００１） １〜７に開示されているように、開口部壁を通過するエバネッセント波を含み、放出面でわずかな光増幅が生じる。この点で、プラズモンは、反対面の金属膜と再結合し、これらの関連した領域は光伝搬が生じるのを妨げる。

プラズモン同士の大きなオーバーラップがある金属光学薄膜のため、光放出は大幅に増加される。

Ｐ．Ｒ．Ｈ． Ｓｔｒａｒｋ、Ａ．Ｅ． Ｈａｌｌｅｃｋ、Ｄ．Ｎ． Ｌａｒｓｏｎ、Ｍｅｔｈｏｄｓ ３７ （２００５） ３７〜４７は、バイオセンシング分野におけるナノホールプラズモンの応用を開示する。このことは、金膜に作製されたナノホール構造を透過する光の強度変化による屈折率変化を検出するセンシング方法を含む。ナノホール構造は、５００ｎｍの周期を有するホールアレイを作り出すように集束イオンビームを用いて光学厚膜に作製された。

別に、Ａ． Ｄａｈｌｉｎｍ、Ｍ． Ｚａｃｈ、Ｔ． Ｒｉｎｄｚｅｖｉｃｉｕｓ、Ｍ． Ｋａｌｌ、Ｄ．Ｓ． Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ、Ｆ． Ｈｏｏｋ、Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １２７（２００５） ５０４３〜５０４８は、バイオセンシングのためのＥＯＴの適切性を開示する。彼らの試験では、ナノホールは、金の光学薄膜に無作為に作製され、ビオチン/ニュートラアビジン免疫分析の概念が実証された。両方の場合において、バイオセンサは、標準顕微鏡のガラススライドに作製されたナノホールの周期的アレイを通過する光透過に基づいた。

Ｊ．Ｃ． Ｙａｎｇ、Ｊ． Ｊｉ、Ｊ．Ｍ． Ｈｏｇｌｅ、Ｄ．Ｎ． Ｌａｒｓｏｎ、Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２４ （２００９），２３３４〜２３３８は、多重化されたプラズモンセンシングのために、単一基板上に、６０μｍ×５０μｍの面積内に異なる周期性を有する２５個以下の独立したナノホールアレイを構成することを開示する。

Ａ． Ｄｈａｗａｎ、Ｊ．Ｆ． ＭｕｔｈのＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ： Ｂ， １４９（３），（２００８），２３７〜２４１は、シングルモードおよびマルチモード光ファイバの各々の先端に構成されたナノホールアレイを開示し、および光ファイバセンシングのためのこれらの実現可能性を実証した。

表面プラズモン（ＳＰ’ｓ）は、金属表面で発生する高屈折率感度の電荷密度振動である。プラズモン分散関係を満たすように、入射光の運動量を増加させる適切なカップリングメカニズムにより好都合に光に刺激されるので、表面プラズモンは、化学的および生物化学的相互作用を調査する方法として多くの商業機器に首尾よく展開されている。米国特許公報第６，４４１，９０４号および米国公開特許公報第２００６/０１８２１９号に開示されているように、これらの機器は、一般的に、プリズム、導波路またはグレーティングを用いて、誘電体媒質として機能する受容性分子層を含む連続的な金属表面上の入射光の運動量を増加させている。金属と誘電体との界面付近の屈折率変化に対するこれらの感受性は、光の、角度分布、反射スペクトルまたは反射強度の変化をもたらす。これらの測定は、化学的および生物化学的分析のためのリガンド受容体結合のラベルフリー分析を提供する。

プラズモン共鳴を検出するこれらの方法は、多くの別個の分析が一度に記録されるハイスループットスクリーニング用途には容易に使用できない。

本発明は、
光学要素に光を透過させるために光学要素の向かい合う面の間で延在しならびに該向かい合う面で終端し、および並んで結合されている複数の光ファイバを含む光透過性光学要素と、
光学要素の一方の面の少なくとも部分に被覆されている金属膜と、
金属膜に形成されている複数のナノホールアレイと、
を含むバイオセンサを提供する。

好ましくは、光学要素の一方の面が、複数の凹部を有して形成され、個々の金属膜ナノホールアレイが、少なくともいくつかの凹部内に形成されている。

本発明は、
光学要素に光を透過させるために光学要素の向かい合う面の間で延在しならびに該向かい合う面で終端し、および並んで結合されている複数の光ファイバを含む光透過性光学要素を準備し、
光学要素の一方の面の少なくとも部分に金属膜を被覆し、
金属膜に複数のナノホールアレイを形成する、
ことを含む、バイオセンサの製造方法を更に提供する。

本発明は、
上記で特定したようなバイオセンサと、
ナノホールアレイを照射するための所定波長の単色光の光源と、
光センシングアレイからの信号出力を処理するための処理手段と、
を含み、
ナノホールが、サブ波長寸法を有し、金属膜が、超波長寸法を有する少なくとも１つのホールを有するバイオセンシング装置を更に提供する。

本発明の実施形態は例示として添付図面を参照して説明される。

図１は、ＥＯＴを測定するための従来の構成配置を示す概略図である。 図２は、本発明に係るバイオセンサの実施形態を示す概略側面図である。 図３は、図２に示すようなバイオセンサを組み込んだバイオセンシング装置を示す概略図である。

図１は、ＥＯＴを測定するための従来のナノホールアレイバイオセンシング装置を示す。複数のサブ波長ナノホールアレイが、ガラススライド１２に被覆された金膜１０に形成されている。金膜１０に単色光が照射されており、スライド１２を透過した光が、油浸レンズ１６によってＣＣＤ検出器（光センシングアレイ）１４に焦点が合わされている。使用する際、少量の生物検体が、各々のナノホールアレイに配置され、ＣＣＤ検出器により感知される各々のナノホールアレイについての光強度が、試料に関する情報を提供するように既知の様式で分析される。この装置の欠点は、ナノホール膜とガラススライドとの界面における光分散がＣＣＤ検出器への光伝送効率を低減させることである。

図２は、本発明に係るバイオセンサの実施形態を示す。バイオセンサは、例えば、アメリカ合衆国ニューヨーク州１０５２３エルムスロードの株式会社Ｓｃｈｏｔｔ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａにより製造される型の光ファイバ面プレート１８を含む。面プレート１８が、並んで結合されている複数の平行な光ファイバを含み、該ファイバは、光透過性プレートを形成するように、面プレートの向かい合う平行な主表面の間で垂直に延在しおよび該主表面で終端して、プレートの一方の主表面から他方の主表面への１対１の光伝送を可能にしている。好ましくは、各々の光ファイバは、６ミクロンよりも大きいコア直径を有し、結合される面プレートは、好ましくは１ｃｍ^２よりも大きい面積、最も好ましくは従来のマイクロウェルプレートの寸法に相当する１５ｃｍ×１５ｃｍ以下の寸法、である。

第１の実施形態では、面プレート１８の各々の主表面は、一方の主表面に形成されているナノホールアレイ以外に付加的な構造を備えずに平坦かつ平滑に研磨されている。

第２の実施形態では、面プレート１８の一方の主表面にナノホールアレイおよび使用時の試験用被検体を収容するマトリックス状の円形凹部またはウェルが設けられている。好ましくは、一連のウェルが、例えばオランダ アイントホーフェンのＡｎｔｅｒｙｏｎ ＢＶにより提供されているような粉体吹き付けを用いて作製されている。面プレート１８は、長方形のマトリックス内に１５３６個以下の別個のウェルを含むことができ、各々のウェルは、１ｍｌ以下の液体を収容することができる。例えば、各々のウェルは、深さが２ｍｍ以下および面積が０．５ｃｍ^２以下である。

面プレート１８の一方の主表面が、少なくとも部分的に金膜２０により被覆されている。膜２０は、１００ｎｍ未満の厚さ、好ましくは８０ｎｍ未満の厚さ、および最も好ましくは１０ｎｍ〜１４ｎｍの厚さを有する。上述したように、１００ｎｍよりも厚い層は、光学的に厚く、ＥＯＴを示さない。面プレート１８に一方の主表面にウェルが設けられ、金膜は、少なくともウェル内において一方の主表面に堆積されている。

複数の長方形ナノホールアレイが、金膜２０に形成されている。面プレート１８がウェルを有する主表面において、ナノホールアレイは、ウェル内の金属膜上に形成されており、少なくとも大部分のウェルは、別個のセンサとして機能する個々のアレイを含む（説明するように、いくつかのウェルは、より大きなホールを含んでよい）。ナノホールアレイは、「Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｎａｎｏｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」, Ｍ Ａ Ｗｏｏｄ、Ｊ Ｒ Ｓｏｃ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ （２００７） ４, １〜１７, ２３ Ａｕｇｕｓｔ ２００６に記載されているように、電子ビームまたはソフトコロイドリソグラフィ技術により製造されてよい。

ナノホールは、好ましくは円形であり、好ましくは５００ｎｍ以下、典型的には８０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲のサブ波長直径を有する。「サブ波長（sub-wavelength）」は、ナノホール直径が使用中にアレイを照射するのに用いられる光の波長よりも小さいということを意味する。各々のアレイは、ナノホールの直径の整数倍である周期Ｐを有する：

Ｐ ＝ｄ（１＋ｎ）

［式中、ｄは、ナノホール直径であり、ｎは、好ましくは０〜４の間の整数値を有する。］。ナノホールの周期は、好ましくは２．５ミクロン以下である。

上述した要件を満たすことを前提とすると、全てのアレイは、同じナノホール直径またはアレイ周期を有する必要はなく、全てのアレイは、長方形のアレイである必要はないがしかし規則的である必要はある。また、ナノホールは、円形である必要はなく、この場合には、上述したｄは、ナノホールの最大寸法のことを言う。

サブ波長ナノホールに加えて、いくつかの超波長ホールが、金膜の少なくともいくつかのウェル（ウェルが存在する場所）内に形成され、超波長ホールは、ナノホールよりも少なくとも１０倍大きい、典型的には１．６ミクロンよりも大きい、直径または最大寸法を有する。面プレート１８は、これらの超波長ホールに直接光を通過させているので、これらは、隣接したナノホールに対する入射光強度を測定するように使用できるブランク（blank）として機能して、センシング回路が、隣接したナノホールを透過する光のベースラインを求め、後の処理でノイズに対する信号の比率（Ｓ／Ｎ比）を改善できるようにしている。

金膜とは反対側の面プレート１８の主表面が、ＣＣＤ検出器に接合されている光ファイバテーパ２４を介してＣＣＤ検出器２２に連結されている。ＣＣＤ検出器は、２０ｍｍ×２０ｍｍ〜１００ｍｍ×１００ｍｍの面積であってよく、８１９２ピクセル×８１９２ピクセル以下を含むことができる；テーパ２４は、面プレート１８と検出器との間の面積差を補償するように、検出器２２から面プレート１８まで拡大または縮小可能である。このテーパは、センサから直接ＣＣＤピクセルに光を伝送する導波路として機能する。Ｅ２Ｖ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｐｌｃ（在、ｃｈｅｌｍｓｆｏｒｄ、Ｅｓｓｅｘ ＣＭ１ ２ＱＵ、Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ）は、光ファイバテーパを取り付けたＣＣＤセンサを提供している。結合されるファイバ面プレート１８は、オプティカルゲルを介してＣＣＤ/テーパ組立品とインターフェース形成でき、次いで一体にばね連結することができる。

光ファイバ面プレート１８は、伝送される光を直接集光するために高開口数を有し、この開口数は、ＣＣＤテーパと光ファイバ面プレートとの両方のために１に近い。 超ピクセルを形成する、別個のピクセルのビニングまたは併合は、実際のセンサを形成している単一セットのセンサアレイからの光を集光するのに十分な寸法の光検出器を作り出す。

好ましくは、図３の単色光分光器２６からの単一波長の光は、面プレート１８の金膜２０に直接に集中される。透過スペクトルが、各々のナノホールアレイのためのＣＣＤ検出器２２によって記録される。この場合、ピーク透過波長が、ＣＣＤ検出器からの信号出力を処理する処理回路２８によって求められる。ピーク透過波長は、以下の等式に従って、ナノホールアレイの周期、金膜の誘電関数および金膜に接触した検体の誘電関数に関係する：

［式中、ｖは、回折次数であり、Ｐは、格子の周期である。］。

別の配列は、広帯域放射をセンサに直接当てることができる。この場合、伝送される信号の振幅変化が測定される。

他の実施形態では、面プレート１８は、面プレート１８の領域とＣＣＤ検出器２２の領域が適合する場合に、ＣＣＤ検出器２２に光学的に直接連結され（すなわち、テーパ２４が省略され）てよく、面プレート自体はわずかなテーパを組み込んでよい。あるいは、金膜２０およびナノホールアレイは、面プレート１８を省略してテーパ２４に直接形成されてよい。

上記の実施形態では膜２０は金から作られているが、銀、プラチナおよびパラジウムのような他の金属膜が用いられてもよい。

本発明は、本明細書に記載された実施形態に制限されず、本発明は、本発明の特許請求の範囲の技術的範囲から逸脱せずに改良または変更されてよい。

Claims (18)

1. 光学要素に光を透過させるために光学要素の向かい合う面の間で延在しならびに該向かい合う面で終端し、および並んで結合されている複数の光ファイバを含む光透過性光学要素と、
   光学要素の一方の面の少なくとも部分に被覆されている金属膜と、
   金属膜に形成されている複数のナノホールアレイと、
   を含むバイオセンサ。
2. 光ファイバが、光学要素の向かい合う面の間で実質的に互いに平行に延在している請求項１に記載のバイオセンサ。
3. 光ファイバが、光学要素の向かい合う面の間で集合している請求項１に記載のバイオセンサ。
4. 要素が、プレートの向かい合いかつ実質的に平行な表面である向かい合う面を備えたプレートである請求項１、２または３に記載のバイオセンサ。
5. ナノホールの最大寸法ｄが、５００ｎｍよりも小さい、好ましくは８０ｎｍ〜２００ｎｍである請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
6. 各々のアレイが、ｄ（１+ｎ）の周期［式中、ｄは、ナノホールの最大寸法であり、ｎは、０〜４の値を有する。］を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
7. 金属層の厚さが、１００ｎｍ未満、好ましくは８０ｎｍ未満、最も好ましくは１０ｎｍ〜１４ｎｍ、である請求項１〜６のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
8. 金属層が、ナノホールの最大寸法の少なくとも１０倍の最大寸法を有する少なくとも１つのホールを有する請求項１〜７のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
9. 光学要素の一方の面が、複数の凹部を有して形成され、個々の金属膜ナノホールアレイが、少なくともいくつかの凹部内に形成されている請求項１〜８のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
10. 各々の凹部が、深さが２ｍｍ以下である請求項９に記載のバイオセンサ。
11. 各々の凹部が、面積が０．５ｃｍ^２以下である請求項９または１０に記載のバイオセンサ。
12. 金属膜が、金を含む請求項１〜１１のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
13. 光学要素の他方の面が、光センシングアレイに光学的に連結されている請求項１〜１２のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
14. 他方の面が、光センシングアレイに直接的に連結されている請求項１３に記載のバイオセンサ。
15. 他方の面が、他方の面とセンシングアレイの領域との間の面積差を少なくとも部分的に補償するように光ファイバテーパを介して光センシングアレイに間接的に連結されている請求項１３に記載のバイオセンサ。
16. 要素に光を透過させるために要素の向かい合う面の間で延在しならびに該向かい合う面で終端し、および並んで結合されている複数の光ファイバを含む光透過性光学要素を準備し、
    光学要素の一方の面の少なくとも部分に金属膜を被覆し、
    金属膜に複数のナノホールアレイを形成する、
    ことを含む、バイオセンサの製造方法。
17. 光学要素の一方の面が、複数の凹部を有して形成され、個々の金属膜ナノアレイが、少なくともいくつかの凹部内に形成されている請求項１６に記載の方法。
18. 請求項１３、１４または１５のいずれか１項に記載のバイオセンサと、
    ナノホールアレイを照射するための所定波長の単色光の光源と、
    光センシングアレイからの信号出力を処理するための処理手段と、
    を含み、
    ナノホールが、サブ波長寸法を有し、金属膜が、超波長寸法を有する少なくとも１つのホールを有するバイオセンシング装置。

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