JP2014202574A - Optical sensor and method for manufacturing sensor - Google Patents

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達郎 遠藤
Tatsuro Endo
達郎 遠藤
翔馬 安藝
Shoma Aki
翔馬 安藝
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a problem that a sensor using a photonic crystal that immobilizes a recognition element to a surface to measure a refractive index variation caused by binding/dissociation with respect to a specimen has a small variation, thus making it difficult to detect a low-molecular specimen.SOLUTION: The photonic crystal is prepared using a material with molecular recognition ability. Extraction of a specimen to the interior of the photonic crystal and a change in physical properties of the material are used for detection and quantitative determination so as to detect and quantitatively determine the specimen such as ion.

Description

本発明は、光学センサー及び該光学センサーの作製方法に関する。   The present invention relates to an optical sensor and a method for manufacturing the optical sensor.

(バイオセンサー)
医療機関、研究機関、環境分析機関において遺伝子解析、臨床診断、有害物質検出等の目的で使用される様々なバイオセンサーが開発されている。
(Biosensor)
Various biosensors used for the purpose of gene analysis, clinical diagnosis, detection of harmful substances, etc. have been developed in medical institutions, research institutions, and environmental analysis institutions.

(フォトニック結晶)
フォトニック結晶(Photonic Crystal: PhC)は、ナノメートルサイズの誘電体周期構造であり、周期・サイズに依存して特定波長の光を反射する。その反射特性は、PhC 周囲の屈折率に依存して鋭敏に変化するため、センサー応用が期待されている。
(Photonic crystal)
Photonic crystal (PhC) is a nanometer-sized dielectric periodic structure that reflects light of a specific wavelength depending on the period and size. Its reflection characteristics change sharply depending on the refractive index around the PhC, so it is expected to be applied to sensors.

(PhCを使用したセンサー)
PhCを使用した光学センサーとして、以下が報告されている。
特開2007-271609(特許文献1)は、「水性媒体に不溶である固体物質(M)からなる周期構造体(N)から構成されるフォトニック結晶(C)を主要構成素子とし、周期構造体(N)の表面に特異的結合物質(X)を固定化されたか、又は周期構造体(N)の構成単位(L) の表面に特異的結合物質(X)が固定化されたことを特徴とするバイオセンサー(S)」を開示している。
しかし、該バイオセンサーは、本発明の光学センサーとは異なり、周期構造体(N)の表面に特異的結合物質(X)を固定化している。
(Sensor using PhC)
The following are reported as optical sensors using PhC.
Japanese Patent Laid-Open No. 2007-271609 (Patent Document 1) states that “a photonic crystal (C) composed of a periodic structure (N) composed of a solid substance (M) that is insoluble in an aqueous medium is a main constituent element, and a periodic structure The specific binding substance (X) is immobilized on the surface of the body (N) or the specific binding substance (X) is immobilized on the surface of the structural unit (L) of the periodic structure (N). Disclosed is a featured biosensor (S).
However, unlike the optical sensor of the present invention, the biosensor has a specific binding substance (X) immobilized on the surface of the periodic structure (N).

WO2010/044274(特許文献2)は、「所定の被検出物を検出するための光学式センサーであって、所定の形状が二次元的に周期配列されフォトニック結晶として機能する凹凸構造と、前記凹凸構造の表面に形成され局在表面プラズモン共鳴を励起可能な金属層と、を具備することを特徴とする光学式センサー」を開示している。
しかし、該バイオセンサーは、本発明の光学センサーとは測定原理自体が異なり、さらにフォトニック結晶として機能する凹凸構造の表面に金属層が形成されている。
WO2010 / 044274 (Patent Document 2) is “an optical sensor for detecting a predetermined object to be detected, in which a predetermined shape is periodically arranged two-dimensionally and functions as a photonic crystal; An optical sensor comprising: a metal layer formed on the surface of an uneven structure and capable of exciting localized surface plasmon resonance ”is disclosed.
However, the biosensor has a measurement principle different from that of the optical sensor of the present invention, and a metal layer is formed on the surface of the concavo-convex structure that functions as a photonic crystal.

特開2011-80848(特許文献3)は、「周期的に配置されている粒子から構成されるフォトニック結晶(C)と、ターゲット物質と特異的に結合あるいは反応する特異的結合物質(X)を含み、前記ターゲット物質と前記特異的結合物質とが結合あるいは反応することによって体積変化する刺激応答性高分子材料(M)と、を備え、前記フォトニック結晶は、前記刺激応答性高分子材料に内包されている、バイオセンサ(S)」を開示している。
しかし、該バイオセンサーは、本発明の光学センサーとは異なり、フォトニック結晶はシリカ等により粒子化されており、多層構造になっている。該構造のために、周期構造を再現良く(均一的)に作製することは困難である。
JP 2011-80848 (Patent Document 3) states that “a photonic crystal (C) composed of periodically arranged particles and a specific binding substance (X) that specifically binds or reacts with a target substance. A stimulus-responsive polymer material (M) that changes in volume when the target substance and the specific binding substance bind or react with each other, and the photonic crystal comprises the stimulus-responsive polymer material The biosensor (S) ”is included.
However, in the biosensor, unlike the optical sensor of the present invention, the photonic crystal is made into particles by silica or the like and has a multilayer structure. Due to this structure, it is difficult to produce a periodic structure with good reproducibility (uniformly).

特開2007-271609JP2007-271609 WO2010/044274WO2010 / 044274 特開2011-80848JP2011-80848

報告されているPhCを用いたセンサーは、表面へ認識素子を固定化し、被検物質との結合・解離に起因する屈折率変化を測定しているため、変化量が小さく、低分子の被検物質検出が困難である並びに使用するPhC自体もSi、TiO2等の金属酸化物を電子線描画装置、エッチング等の手法で作製しているため、ひとつのセンサーをシステムとして稼動させるために多大な費用がかかり及びセンサーの構造が複雑になり作製が困難であるといった問題があった。 The reported sensor using PhC immobilizes the recognition element on the surface and measures the change in refractive index caused by binding / dissociation with the test substance, so the change is small and low molecular weight test is performed. It is difficult to detect substances, and the PhC itself used is made of metal oxides such as Si and TiO 2 by techniques such as electron beam lithography and etching. There is a problem that the cost is high and the structure of the sensor is complicated and difficult to manufacture.

本発明者らは、上記課題を解決するために、分子認識能を有する材料を用いてPhCを作製し、PhC内部への被検物質の抽出及び該材料の物性変化を検出・定量に利用することで、イオン等の被検物質を検出・定量が可能となり、上記課題を解決できることを確認した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors create PhC using a material having molecular recognition ability, and use extraction of a test substance into PhC and change in physical properties of the material for detection and quantification. As a result, it was confirmed that analytes such as ions can be detected and quantified, and the above problems can be solved.

すなわち、本発明は以下の通りである。
1.被検物質を検出するための光学センサーであって、
フォトニック結晶として機能する凹凸構造を有する検出部位を有し、
該検出部位は、認識素子を包含していることを特徴とする、
光学センサー。
2.前記検出部位は、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン(グリコール)ジアクリレート(PEGDA)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、アクリルアミド、アガロース、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、コラーゲン、ゼラチン、セルロース、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリエステル(PET)、及び/又は、ポリエチレングリコールから構成されている前項1に記載の光学センサー。
3.前記認識素子は、イオノフォア、キレート、酵素、DNA、RNA、糖鎖、及び/又は、タンパク質である前項1又は2に記載の光学センサー。
4.前記検出部位の膜厚が、0.1μm 〜8.0μmである前項1〜3のいずれか1に記載の光学センサー。
5.下記の工程を含む前項1〜4のいずれか1に記載の光学センサーの作製方法、
(1)樹脂、可塑剤、認識素子を溶媒に溶解して可塑化樹脂溶液を作製する工程、
(2)該溶液を、アレイモールドを使用して、認識素子を含みかつフォトニック結晶として機能する凹凸構造を有する可塑化樹脂からなる検出部位を作製する工程。
6.前記アレイモールドが、PVA製ピラーアレイモールドである前項5に記載の光学センサーの作製方法。
7.フォトニック結晶として機能する凹凸構造を有する可塑化ポリ塩化ビニルで構成している光学センサー用基板。
8.下記の工程を含む前項7に記載の光学センサー用基板の作製方法、
(1)ポリ塩化ビニル、可塑剤を溶媒に溶解して可塑化ポリ塩化ビニル溶液を作製する工程、
(2)該溶液を、アレイモールドを使用して、凹凸構造を有する可塑化ポリ塩化ビニルを作製する工程。
9.前記アレイモールドが、PVA製ピラーアレイモールドである前項8に記載の光学センサー用基板の作製方法。
That is, the present invention is as follows.
1. An optical sensor for detecting a test substance,
It has a detection site with a concavo-convex structure that functions as a photonic crystal,
The detection site includes a recognition element,
Optical sensor.
2. The detection sites are polyvinyl chloride (PVC), polymethyl methacrylate, polyethylene (glycol) diacrylate (PEGDA), polyvinylidene chloride (PVDC), acrylamide, agarose, polystyrene, polypropylene, polyethylene, collagen, gelatin, cellulose, poly 2. The optical sensor according to item 1, which is composed of dimethylsiloxane (PDMS), polyester (PET), and / or polyethylene glycol.
3. 3. The optical sensor according to item 1 or 2, wherein the recognition element is an ionophore, a chelate, an enzyme, DNA, RNA, a sugar chain, and / or a protein.
4). 4. The optical sensor according to any one of items 1 to 3, wherein a film thickness of the detection site is 0.1 μm to 8.0 μm.
5. The manufacturing method of the optical sensor of any one of preceding clauses 1-4 including the following processes,
(1) A step of preparing a plasticized resin solution by dissolving a resin, a plasticizer, and a recognition element in a solvent,
(2) The process of producing the detection site | part which consists of plasticizing resin which has an uneven structure which contains a recognition element and functions as a photonic crystal using this solution using an array mold.
6). 6. The method for producing an optical sensor according to item 5 above, wherein the array mold is a PVA pillar array mold.
7). An optical sensor substrate made of plasticized polyvinyl chloride having a concavo-convex structure that functions as a photonic crystal.
8). The manufacturing method of the board | substrate for optical sensors of preceding clause 7 including the following processes,
(1) A step of preparing a plasticized polyvinyl chloride solution by dissolving polyvinyl chloride and a plasticizer in a solvent;
(2) A step of producing plasticized polyvinyl chloride having an uneven structure from the solution using an array mold.
9. 9. The method for producing a substrate for an optical sensor according to 8 above, wherein the array mold is a PVA pillar array mold.

本発明の光学センサーは、従来のPhCセンサーと比較して、(1)多層構造を作製する必要がなく、周期構造を再現良く(均一)に再現することができ、(2)被検物質を高感度かつ特異的に検出することができ、(3)安価な樹脂材料によりPhCを作製することができ、かつ(4)ナノインプリントリソグラフィーを使用して簡単に作製することができる。   Compared with the conventional PhC sensor, the optical sensor of the present invention can reproduce (1) the periodic structure with good reproducibility (uniformly) without the need to produce a multilayer structure, and (2) It can be detected with high sensitivity and specificity, (3) PhC can be produced with an inexpensive resin material, and (4) it can be easily produced using nanoimprint lithography.

可塑化樹脂(PVC製)ホールアレイPhC作製工程。Plasticized resin (PVC) hole array PhC fabrication process. PVA製ピラーアレイモールドの外観図。External view of PVA pillar array mold. (a)作製したモールドとして使用したCOP製PhCのSEM像、(b)PVA製ピラーアレイモールドのSEM像。(A) SEM image of COP-made PhC used as the produced mold, (b) SEM image of PVA-made pillar array mold. (a)作製した可塑化PVC製PhCの鉛直方向からの外観写真、(b)鉛直方向から30度の方向からの外観写真。(A) Appearance photograph of the produced plasticized PVC PhC from the vertical direction, (b) Appearance photograph from the direction of 30 degrees from the vertical direction. 作製した可塑化PVC製PhCの表面のSEM像。SEM image of the surface of the plasticized PVC-made PhC. 可塑化PVC製PhC及び可塑化PVC製平滑フィルムの反射スペクトル。Reflection spectra of plasticized PVC PhC and plasticized PVC smooth film. PVC製PhCの厚みと反射スペクトル強度の関係。Relationship between thickness of PVC PhC and reflection spectrum intensity. PPシートで作製した測定用フローセル{(a)フローセル用PPシート、(b)測定中のフローセル断面図}。A flow cell for measurement produced with a PP sheet {(a) PP sheet for flow cell, (b) Flow cell cross section during measurement}. イオン応答性可塑化PVC製PhCの応答測定結果。Response measurement results of ion-responsive plasticized PVC PhC. 10 mM KOH/100 mM HCl導入に対する応答速度の測定結果。Measurement results of response speed to 10 mM KOH / 100 mM HCl introduction. イオン応答性可塑化PVC製PhCのイオン選択性の測定結果。Measurement results of ion selectivity of ion-responsive plasticized PVC PhC. イオン応答性可塑化PVC製PhCの応答変化量とイオン応答性可塑化PVCフィルムの応答変化量の比較結果。Comparison result of response change of ion-responsive plasticized PVC PhC and response change of ion-responsive plasticized PVC film. 本発明の光学センサーの概念図。The conceptual diagram of the optical sensor of this invention.

本発明の光学センサー(参照:図13)は、フォトニック結晶(PhC)として機能する凹凸構造を有する検出部位を有し、該検出部位は認識素子を包含していることを特徴とする。   The optical sensor of the present invention (see FIG. 13) has a detection part having an uneven structure that functions as a photonic crystal (PhC), and the detection part includes a recognition element.

(PhC)
フォトニック結晶(PhC)は、一定の規則性、即ち、周期性を有する構造体であって、その周期構造としては、結晶性無機固体と同様の結晶構造である六方最密充填構造、立方最密充填構造、体心立方充填構造、ログパイル構造、ダイヤモンド構造、ウッドパイル構造等が挙げられる。なお、これらの周期構造のうちでは、六方最密充填構造が好ましい。
(PhC)
A photonic crystal (PhC) is a structure having a certain regularity, that is, a periodicity. As the periodic structure, a hexagonal close-packed structure, which is a crystal structure similar to that of a crystalline inorganic solid, a cubic structure is used. Examples thereof include a closely packed structure, a body-centered cubic packed structure, a log pile structure, a diamond structure, and a wood pile structure. Of these periodic structures, a hexagonal close-packed structure is preferable.

(PhCとして機能する凹凸構造)
本発明におけるPhCとして機能する凹凸構造は、PhCとして機能し、かつ下記で述べる認識素子を包含できる材料であれば特に限定されない。例えば、樹脂系の材料として、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン(グリコール)ジアクリレート(PEGDA)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、アクリルアミド、アガロース、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、コラーゲン、ゼラチン、セルロース、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリエステル(PET等)、ポリエチレングリコール等が挙げられるが、特に好ましいのがポリ塩化ビニル(PVC)である。
(Uneven structure that functions as PhC)
The concavo-convex structure functioning as PhC in the present invention is not particularly limited as long as it is a material that functions as PhC and can include the recognition element described below. For example, resin-based materials include polyvinyl chloride (PVC), polymethyl methacrylate, polyethylene (glycol) diacrylate (PEGDA), polyvinylidene chloride (PVDC), acrylamide, agarose, polystyrene, polypropylene, polyethylene, collagen, gelatin, Cellulose, polydimethylsiloxane (PDMS), polyester (PET, etc.), polyethylene glycol and the like can be mentioned, with polyvinyl chloride (PVC) being particularly preferred.

(認識素子)
本発明における認識素子は、イオン検出用イオノフォア(バリノマイシン、CCCP、FCCP、イオノマイシン、グラミシジンA、ナイジェリシン、モネンシン等)、重金属類検出キレート(EDTA、NTA、DTPA、GLDA、HEDTA、GEDTA、TTHA、HIDA、DHEG等)、疾病マーカー検出用酵素(グルコースオキシダーゼ等)、DNA、RNA、糖鎖、タンパク質等が挙げられるが特に限定されない。
(Recognition element)
The recognition element in the present invention is an ionophore for ion detection (valinomycin, CCCP, FCCP, ionomycin, gramicidin A, nigericin, monensin, etc.), heavy metal detection chelate (EDTA, NTA, DTPA, GLDA, HEDTA, GEDTA, TTHA, HIDA, DHEG and the like), disease marker detection enzymes (glucose oxidase and the like), DNA, RNA, sugar chains, proteins and the like, but are not particularly limited.

(検出部位)
本発明における検出部位は、少なくとも被検物質と接触する表面に、PhCとして機能する凹凸構造を有し、さらに認識素子を包含している。
検出部位の厚み(膜厚)は、光学センサーとしての必要な強度を維持し、かつ下記実施例1により、0.1μm〜8.0μm、好ましくは0.15μm〜7.0μm、より好ましくは0.2μm 〜3.0μm、最も好ましくは0.3μm〜1.5μmである。
(Detection site)
The detection site in the present invention has a concavo-convex structure functioning as PhC on at least the surface in contact with the test substance, and further includes a recognition element.
The thickness (film thickness) of the detection site maintains the necessary strength as an optical sensor, and is 0.1 μm to 8.0 μm, preferably 0.15 μm to 7.0 μm, more preferably 0.2 μm to 3.0 μm according to Example 1 below. Most preferably, it is 0.3 μm to 1.5 μm.

(被検物質)
本発明における被検物質は、認識素子に認識される物質であれば特に限定されない。例えば、イオン、重金属、疾病マーカーとなるタンパク質、DNA、RNA、糖鎖等が挙げられる。
(Test substance)
The test substance in the present invention is not particularly limited as long as it is a substance recognized by the recognition element. For example, ions, heavy metals, proteins serving as disease markers, DNA, RNA, sugar chains and the like can be mentioned.

(光学センサーの作製方法)
本発明の光学センサーは、下記の工程で例示しているように、好ましくはナノインプリント法を使用する。ナノインプリント法は、微細な構造を精密かつ容易に加工することができるため、作製コストが低く、非常に高感度かつ信頼性の高いセンサーを提供することが可能なためである。
また、従来のPhCを使用した光学センサーは、再現性が低く、作製されたセンサー同士の誤差が非常に大きいため、異なる光学センサー間で光学特性の比較をするということは困難であった。しかしながら、ナノインプリント技術で形成された本発明の光学センサーは、同一のものを再現性良く、安価にかつ大量生産できるため、異なる光学センサー間であっても光学特性を比較することができる。
(Optical sensor manufacturing method)
The optical sensor of the present invention preferably uses a nanoimprint method as exemplified in the following steps. This is because the nanoimprint method can process a minute structure precisely and easily, so that a manufacturing cost is low, and a sensor with extremely high sensitivity and high reliability can be provided.
In addition, the conventional optical sensor using PhC has low reproducibility, and the error between the produced sensors is very large. Therefore, it is difficult to compare optical characteristics between different optical sensors. However, since the same optical sensor of the present invention formed by nanoimprint technology can be mass-produced with good reproducibility at low cost, the optical characteristics can be compared even between different optical sensors.

(アレイモールドの作製)
(1)ピラーアレイ型PhC又はホールアレイ型PhCを、エタノール等で表面を洗浄した後、スピンコーターに設置し、スピンさせることにより乾燥させる。
(2)PVA水溶液又はPVP水溶液を、パスツールピペットを用いて、ナノ周期構造を有する面を上に向けてスピンコーターに設置したピラーアレイ型PhC又はホールアレイ型PhCに滴下し、スピンして、コーティングをする。
(3)PVA水溶液又はPVP水溶液でコーティングしたピラーアレイ型PhC又はホールアレイ型PhCを乾燥させる。
(4)ピラーアレイ型PhC又はホールアレイ型PhC上にコーティングされたフィルム状のPVAを離型用支持体(PETフィルム上に水溶性両面テープを設置している)に設置、ピンセットを用いてピラーアレイ型PhC又はホールアレイ型PhCを端から機械的に引き剥がすことで離型する。
必要に応じて、離型したPVAフィルム又はPVPフィルムには、PhCのナノ周期構造が転写されていることを、走査型電子線顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)を用いて確認する。
なお、本発明の好ましいアレイモールドは、PVA製ピラーアレイモールドである。
(Production of array mold)
(1) After cleaning the surface of the pillar array type PhC or the hole array type PhC with ethanol or the like, it is placed on a spin coater and dried by spinning.
(2) Using a Pasteur pipette, drop the PVA aqueous solution or PVP aqueous solution onto the pillar array type PhC or hole array type PhC placed on the spin coater with the surface with the nano-periodic structure facing up, spin and coat do.
(3) Dry pillar array type PhC or hole array type PhC coated with PVA aqueous solution or PVP aqueous solution.
(4) Pillar array type PhC or hole array type PhC coated film-like PVA is placed on a mold release support (water-soluble double-sided tape is placed on a PET film), and pillar array type using tweezers Release PhC or hole array type PhC by mechanical peeling from the edge.
If necessary, it is confirmed using a scanning electron microscope (SEM) that the PhC nano-periodic structure is transferred to the released PVA film or PVP film.
A preferred array mold of the present invention is a PVA pillar array mold.

{認識素子を含みかつ凹凸構造を有する可塑化樹脂からなる検出部位(認識素子を含む可塑化樹脂製ホールアレイ)の作製}
(1)樹脂、可塑剤、認識素子を溶媒に溶解して、可塑化樹脂溶液を作製する。
(2)上記で作製したPVA製ピラーアレイモールド、PVA製ホールアレイモールド、PVP製ピラーアレイモールド又はPVP製ホールアレイモールドをスピンコーターに設置し、(1)の可塑化樹脂溶液をパスツールピペットで該モールド上に滴下し、スピンすることによってフィルム状に成型させて、乾燥させる。
(3)PET製支持体を設置し、水溶性両面テープごと離型用支持体から剥離し、蒸留水に浸漬することでモールドを水に溶解・離型させる。
(4)浸漬した後、認識素子を含む可塑化樹脂フィルムを水中から引き上げ、蒸留水で洗浄し、もう一方の面にもPET製支持体を設置する。
必要に応じて、離型した認識素子を含む可塑化樹脂フィルムを、SEMによって表面にナノ周期構造が転写されていることを確認する。
本発明で用いる「可塑剤」は、NPOE(2-Nitro phenyl octyl ether、2-ニトロ フェニル オクチル エーテル)、DOP(Dioctyl phthalate、フタル酸ジオクチル)、DOS(Dioctyl sebacate、セバシン酸ジ2-エチルヘキシル)、DOA(Dioctyl adipate、アジピン酸ジオクチル)、DOPP(Di-n-octyl phenylphosphonate、ジオクチルフェニルフォスフォネート)、トリメリット酸ジオクチル、クエン酸トリエステル等が挙げられるが特に限定されない。
本発明で用いる「溶媒」は、樹脂を溶解しかつ揮発性が高い溶媒であれば、特に限定されない。例えば、THF、シクロヘキサン、酢酸エチル等が挙げられる。
{Preparation of a detection site (a plastic array hole array including a recognition element) including a recognition element and including a concavo-convex structure}
(1) A resin, a plasticizer, and a recognition element are dissolved in a solvent to prepare a plasticized resin solution.
(2) Place the PVA pillar array mold, PVA hole array mold, PVP pillar array mold, or PVP hole array mold prepared above in a spin coater, and paste the plasticizing resin solution of (1) with a Pasteur pipette. The solution is dropped on the mold and spun to form a film and dried.
(3) A PET support is installed, the water-soluble double-sided tape is peeled off from the release support, and the mold is dissolved and released in water by immersing in distilled water.
(4) After dipping, the plasticized resin film containing the recognition element is pulled up from the water, washed with distilled water, and a PET support is placed on the other surface.
If necessary, confirm that the nano-periodic structure is transferred to the surface of the plasticized resin film containing the released recognition element by SEM.
The “plasticizer” used in the present invention includes NPOE (2-Nitro phenyl octyl ether), DOP (Dioctyl phthalate, dioctyl phthalate), DOS (Dioctyl sebacate, di-2-ethylhexyl sebacate), Examples include, but are not limited to, DOA (Dioctyl adipate), DOPP (Di-n-octyl phenylphosphonate), dioctyl trimellitic acid, and citric acid triester.
The “solvent” used in the present invention is not particularly limited as long as it is a solvent that dissolves the resin and has high volatility. For example, THF, cyclohexane, ethyl acetate and the like can be mentioned.

(PhCとして機能する凹凸構造を有する可塑化ポリ塩化ビニルで構成させた光学センサー用基板)
本発明では、「PhCとして機能する凹凸構造を有する可塑化ポリ塩化ビニルで構成させた光学センサー用基板」も対象とする。
従来の方法では、PhCとして機能する凹凸構造を有する可塑化ポリ塩化ビニルで構成させた光学センサー用基板を作製することができなかった。しかし、本発明では、下記の方法により、該基板を作製することができた。なお、該基板は、通常のバイオセンサー用基板として利用することができる。
(Optical sensor substrate composed of plasticized polyvinyl chloride with concavo-convex structure that functions as PhC)
In the present invention, “a substrate for an optical sensor composed of plasticized polyvinyl chloride having an uneven structure functioning as PhC” is also an object.
In the conventional method, an optical sensor substrate made of plasticized polyvinyl chloride having a concavo-convex structure functioning as PhC could not be produced. However, in the present invention, the substrate could be produced by the following method. The substrate can be used as a normal biosensor substrate.

(PhCとして機能する凹凸構造を有する可塑化ポリ塩化ビニルで構成させた光学センサー用基板の作製方法)
PhCとして機能する凹凸構造を有する可塑化ポリ塩化ビニルで構成した光学センサー用基板の作製方法は、以下の工程を含む。
(1)ポリ塩化ビニル、可塑剤を溶媒に溶解して可塑化ポリ塩化ビニル溶液を作製する工程。
(2)該溶液を、PVA製ピラーアレイモールド、PVA製ホールアレイモールド、PVP製ピラーアレイモールド又はPVP製ホールアレイモールドを使用して、PhCとして機能する凹凸構造を有する可塑化ポリ塩化ビニルを作製する工程。
(Manufacturing method of optical sensor substrate composed of plasticized polyvinyl chloride with concavo-convex structure functioning as PhC)
A method for manufacturing a substrate for an optical sensor composed of plasticized polyvinyl chloride having a concavo-convex structure functioning as PhC includes the following steps.
(1) A step of preparing a plasticized polyvinyl chloride solution by dissolving polyvinyl chloride and a plasticizer in a solvent.
(2) Using this solution, PVA pillar array mold, PVA hole array mold, PVP pillar array mold or PVP hole array mold is used to produce plasticized polyvinyl chloride having a concavo-convex structure that functions as PhC. Process.

(本発明の光学センサーの使用方法)
本発明の光学センサーの使用方法を下記で例示する。
(1)被検物質等が含まれていない試料を、本発明の光学センサーの凹凸構造上に接触させて、光を照射し、反射光の光学特性、特に、反射光のピーク波長や強度に関する情報を取得する。光源としてはどのようなものでも良いが、例えば、タングステン・ハロゲン光源や発光ダイオード、LED、重水素ランプ、有機EL、レーザー等を用いれば良い。また、反射光を検出する光検出手段には、例えば、マルチチャンネル分光器やCCDイメージセンサー、CMOSセンサー等を用いることができる。
(2)次に、被検物質が含まれる試料を、本発明の光学センサーの凹凸構造上に接触させた後、同様に反射光の光学特性に関する情報を取得する。
(3)最後に、上記(2)の反射光の光学特性を、上記(1)の光学特性と比較することにより、試料中に含まれる被検物質の有無や量を検出する。
(Method of using the optical sensor of the present invention)
The method for using the optical sensor of the present invention is exemplified below.
(1) A sample not containing a test substance or the like is brought into contact with the concavo-convex structure of the optical sensor of the present invention, irradiated with light, and the optical characteristics of the reflected light, particularly the peak wavelength and intensity of the reflected light. Get information. Any light source may be used. For example, a tungsten / halogen light source, a light emitting diode, an LED, a deuterium lamp, an organic EL, or a laser may be used. In addition, for example, a multichannel spectroscope, a CCD image sensor, a CMOS sensor, or the like can be used as the light detection means for detecting the reflected light.
(2) Next, after the sample containing the test substance is brought into contact with the concavo-convex structure of the optical sensor of the present invention, information on the optical characteristics of the reflected light is obtained in the same manner.
(3) Finally, the presence / absence or amount of the test substance contained in the sample is detected by comparing the optical characteristic of the reflected light of (2) with the optical characteristic of (1).

なお、予め試料に含まれる被検物質等の濃度等を変化させた際の反射光の光学特性を光学センサーで検出してデーターベース化し、このデータと試料を接触させた後の光学センサーから反射される光の光学特性とを比較することにより、試料中に含まれる被検物質の有無や量を検出しても良い。   The optical characteristics of the reflected light when the concentration of the test substance contained in the sample is changed in advance are detected by an optical sensor, converted into a database, and reflected from the optical sensor after contacting this data with the sample. The presence / absence or amount of the test substance contained in the sample may be detected by comparing the optical characteristics of the light.

また、光学センサーに光を照射し、透過光の光学特性に関する情報を利用しても良い。この場合、下記のように使用すれば良い。
(1)被検物質等が含まれていない試料を、光学センサー1の凹凸構造上に接触させて、光を照射し、透過光の光学特性、特に、反射光のピーク波長や強度に関する情報を取得する。
(2)次に、被検物質が含まれる試料を、本発明の光学センサーの凹凸構造上に接触させた後、同様に透過光の光学特性に関する情報を取得する。
(3)最後に、上記(2)の透過光の光学特性を、上記(1)の透過光の光学特性と比較することにより、試料中に含まれる被検物質の有無や量を検出する。
In addition, information on optical characteristics of transmitted light may be used by irradiating the optical sensor with light. In this case, it may be used as follows.
(1) A sample not containing a test substance or the like is brought into contact with the concavo-convex structure of the optical sensor 1, irradiated with light, and information on the optical characteristics of transmitted light, particularly on the peak wavelength and intensity of reflected light. get.
(2) Next, after the sample containing the test substance is brought into contact with the concavo-convex structure of the optical sensor of the present invention, information on the optical characteristics of the transmitted light is obtained in the same manner.
(3) Finally, the presence / absence or amount of the test substance contained in the sample is detected by comparing the optical characteristics of the transmitted light of (2) with the optical characteristics of the transmitted light of (1).

以下に具体例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with specific examples, but the present invention is not limited to these examples.

(可塑化樹脂製PhCの作製と特性評価)
可塑化樹脂製PhCを作製するにあたって、PhC側、オプトードメンブレン側からの要求に応える必要がある。すなわち、PhCとして十分な性能を発揮するためにナノ周期構造を支える基材部分は薄くする必要があると同時にオプトードメンブレンとして応答速度を迅速にするためには薄いほうが好ましい。
したがって、本実施例では、数百ナノメートルオーダーのフィルムの上にナノ周期構造(PhC)を作製した。
ナノ周期構造を作製する方法としてはインプリント法を選択した。この方法であればエッチングなどの複雑な工程をえることなく、モールド上に可塑化樹脂{本実施例では、樹脂の一例としてポリ塩化ビニル(PVC)を使用した}をスピンコートすることで容易にナノ周期構造の作製が可能であった。
今回はモールドを溶解させることで離型する方法を選択した。可塑化PVCを溶解させている有機溶媒には不溶であり、可塑化PVCが不溶な溶液には可溶な材料でモールドを作製することで、フィルム状の可塑化PVCに機械的な負荷をかけることなく離型が可能であった。
さらに、可塑化PVC製PhCの作製にあたって、PhC性能、イオンセンサー性能の両方に大きく寄与する膜厚についての検討を行った。なお、膜厚については、可塑化PVCポリマー溶液の溶媒希釈率を変化させることで粘度を調整することによって条件検討をおこなった。詳細は、以下の通りである。
(Production and characterization of plasticized PhC)
In producing PhC made of plasticized resin, it is necessary to meet the requirements from the PhC side and the optode membrane side. That is, in order to exhibit sufficient performance as PhC, it is necessary to make the base material portion supporting the nano-periodic structure thin, and at the same time, it is preferable to make it thin in order to speed up the response as an optode membrane.
Therefore, in this example, a nano-periodic structure (PhC) was produced on a film of the order of several hundred nanometers.
The imprint method was selected as a method for producing the nano-periodic structure. With this method, it is easy to spin-coat a plasticizing resin {in this embodiment, using polyvinyl chloride (PVC) as an example of the resin} on the mold without complicated steps such as etching. Fabrication of nano-periodic structures was possible.
This time, the mold release method was selected by dissolving the mold. Making a mold with a material that is insoluble in the organic solvent in which the plasticized PVC is dissolved, and insoluble in the plasticized PVC, puts a mechanical load on the film-like plasticized PVC. Mold release was possible without any problems.
Furthermore, in the production of plasticized PVC PhC, the film thickness that greatly contributes to both PhC performance and ion sensor performance was investigated. In addition, about film thickness, conditions were examined by adjusting a viscosity by changing the solvent dilution rate of a plasticized PVC polymer solution. Details are as follows.

(ナノインプリント法による可塑化樹脂製PhCの作製)
下記の工程により、可塑化樹脂ホールアレイPhCを作製した(参照:図1)。
(Production of plasticized plastic PhC by nanoimprint method)
A plasticized resin hole array PhC was produced by the following steps (see FIG. 1).

1.PVA(ポリビニルアルコール)製ピラーアレイモールドの作成
シクロオレフィンポリマー(COP)製ホールアレイ型PhC(ホールサイズ230 nm、格子定数400 nm、ホール深さ200 nm、SCIVAX株式会社より提供)を、ポンチを用いて直径12 mmに切り出した。
切り出したCOP製PhCは、エタノールで表面を洗浄した後スピンコーターに設置し、8000 rpmで10秒スピンすることにより、十分に乾燥させた。
水溶性ポリマー溶液として、10%(w/w)PVA水溶液を調製した。調製の際には、PVA(165-17915、和光純薬工業社製) 10 g及び蒸留水90 gを秤量し、110 mLスクリュー菅に入れよく混和させた後、送風定温恒温機で90℃に加熱し完全に溶解させた後、室温まで放冷した。
調製したPVA水溶液(約1 mL )を、パスツールピペットを用いて、ナノ周期構造を有する面を上に向けてスピンコーターに設置したCOP製PhCに滴下し、速やかに8000 rpmで3秒間スピンし、コーティングした。
PVA水溶液でコーティングしたCOP製PhCを送風定温恒温機で70℃、10分間乾燥した。その後、送風定温恒温機から取り出し、室温まで放冷した。
20 mm四方に裁断したPETフィルム(Black & White copier Transparency Film、3M社製)上に水溶性両面テープを設置した離型用支持体を用意し、COP製PhC上にコーティングされたフィルム状のPVAを離型用支持体に設置、ピンセットを用いてCOP製PhCを端から機械的に引き剥がすことで離型した。
離型したPVAフィルムには、COP製PhCのナノ周期構造が転写されていることをSEMにより確認した。
1. Creation of PVA (polyvinyl alcohol) pillar array mold Cycloolefin polymer (COP) hole array type PhC (hole size 230 nm, lattice constant 400 nm, hole depth 200 nm, provided by SCIVAX Corporation) using punch And cut out to a diameter of 12 mm.
The cut COP PhC was sufficiently dried by washing the surface with ethanol, placing it on a spin coater, and spinning for 10 seconds at 8000 rpm.
A 10% (w / w) PVA aqueous solution was prepared as a water-soluble polymer solution. When preparing, weigh 10 g of PVA (165-17915, manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 90 g of distilled water, mix well in a 110 mL screw jar, and mix at 90 ° C with a constant-temperature oven. After heating and complete dissolution, the mixture was allowed to cool to room temperature.
Using a Pasteur pipette, drop the prepared aqueous PVA solution (about 1 mL) dropwise onto COP PhC placed on a spin coater with the surface with the nano-periodic structure facing up, and quickly spin at 8000 rpm for 3 seconds. Coated.
COP-made PhC coated with an aqueous PVA solution was dried at 70 ° C. for 10 minutes by a constant air constant temperature oven. Then, it took out from the ventilation constant temperature thermostat, and stood to cool to room temperature.
Prepared release support with water-soluble double-sided tape on PET film (Black & White copier Transparency Film, manufactured by 3M) cut into 20 mm squares, and PVA in film form coated on COP PhC Was placed on the mold release support, and the mold was released by mechanically peeling the COP PhC from the end using tweezers.
It was confirmed by SEM that the nanoperiodic structure of COP-made PhC was transferred to the released PVA film.

2.可塑化PVC製ホールアレイPhCの作製
可塑化PVCポリマー溶液として、PVC(high molecular weight 81387、Fluka社製) 40 mg、可塑剤として2-Nitro phenyl octyl ether(NPOE、S038、東京化成工業社製) 80 mg、Tetrahydrofuran(THF) 1080 mgを秤量し、スクリュー管内で攪拌した。THFは、480 mg、280 mgを秤量した溶液をそれぞれ別個に調製した。
上記で作製したPVA製ピラーアレイモールドをスピンコーターに設置し、可塑化PVCポリマー溶液(約1 mL)を、パスツールピペットで該モールド上に滴下し、速やかに1500 rpm、10秒でスピンすることによってフィルム状に成型した。1分間の乾燥の後、PET製支持体を設置し、水溶性両面テープごと離型用支持体から剥離し、蒸留水に約2時間浸漬することでモールドを水に溶解・離型した。
2時間浸漬した後、可塑化PVCフィルムを水中から引き上げ、蒸留水で洗浄し、もう一方の面にもPET製支持体を設置した。
離型した可塑化PVCフィルムは、乾燥後SEMによって表面にナノ周期構造が転写されていることを確認した。
さらに、可動ステージにプラスチックシャーレ製のサンプルホルダを設置し、水中での反射スペクトルを測定した。
最後に、調製した可塑化PVC溶液を同条件でSi基板{N(100)、ニラコ社製}上にスピンコートし、超深度顕微鏡を用いて可塑化PVC膜厚を測定した。
2. Production of plasticized PVC hole array PhC As plasticized PVC polymer solution, PVC (high molecular weight 81387, manufactured by Fluka) 40 mg, as plasticizer 2-Nitro phenyl octyl ether (NPOE, S038, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 80 mg and Tetrahydrofuran (THF) 1080 mg were weighed and stirred in a screw tube. THF was prepared separately by weighing 480 mg and 280 mg.
Place the PVA pillar array mold prepared above on a spin coater, drop the plasticized PVC polymer solution (about 1 mL) onto the mold with a Pasteur pipette, and quickly spin at 1500 rpm for 10 seconds. To form a film. After drying for 1 minute, a PET support was placed, the water-soluble double-sided tape was peeled off from the release support, and the mold was dissolved and released in water by immersing in distilled water for about 2 hours.
After soaking for 2 hours, the plasticized PVC film was pulled up from the water, washed with distilled water, and a PET support was placed on the other side.
The demolded plasticized PVC film was confirmed to have a nano-periodic structure transferred to the surface by SEM after drying.
Furthermore, a plastic petri dish sample holder was installed on the movable stage, and the reflection spectrum in water was measured.
Finally, the prepared plasticized PVC solution was spin-coated on a Si substrate {N (100), manufactured by Niraco) under the same conditions, and the plasticized PVC film thickness was measured using an ultra-deep microscope.

3.PVA製ピラーアレイモールド評価
作製したPVA製ピラーアレイモールドの外観を図2に示す。図2(a)は、光源を垂直から照射したもの、図2(b)は30度方向から光源を照射したものである。斜めから光を照射することで、表面のナノ周期構造が反射型回折格子として働くことによって生じる構造色が確認できた。
作製したモールドとして使用したCOP製PhC 及びPVA製ピラーアレイモールドのSEM像を図3に示す。図3(a)はモールドとして使用したCOP製PhCの表面SEM像、図3(b)はPVA製ピラーアレイモールドの表面SEM像である。
図3(b)のSEM像から明らかなように、作製したPVAモールドが直径230 nmのピラーが規則的に並んだ構造を有していることを確認した。これは、疎水性のCOP上であってもPVA溶液が表面構造に沿って密着していたことを示している。さらに、転写が不完全な部分も確認できなかった。
以上により、PVA製ピラーアレイモールドが作製できたことを確認した。
3. Evaluation of PVA Pillar Array Mold The appearance of the manufactured PVA pillar array mold is shown in FIG. FIG. 2A shows the light source irradiated from the vertical direction, and FIG. 2B shows the light source irradiated from the 30 degree direction. By irradiating light obliquely, the structural color produced by the surface nano-periodic structure acting as a reflective diffraction grating was confirmed.
FIG. 3 shows SEM images of COP-made PhC and PVA-made pillar array molds used as the produced mold. FIG. 3A is a surface SEM image of COP PhC used as a mold, and FIG. 3B is a surface SEM image of a PVA pillar array mold.
As apparent from the SEM image of FIG. 3B, it was confirmed that the manufactured PVA mold had a structure in which pillars having a diameter of 230 nm were regularly arranged. This indicates that the PVA solution was adhered along the surface structure even on the hydrophobic COP. Furthermore, incompletely transcribed portions could not be confirmed.
From the above, it was confirmed that a PVA pillar array mold could be produced.

4.可塑化PVC製PhC評価
作製した可塑化PVC製PhCの外観を図4に示す。図4(a)は、光源を鉛直方向から、図4(b)はPhC面から斜め30度方向から照射した際の画像である。PhC表面のナノ周期構造が反射方回折格子として振舞うことによる構造色が確認できた。
作製した可塑化PVC製PhCの表面のSEM像を図5に示す。
図5のSEM像より、ホール径約230 nmの周期構造が転写されていることを確認した。さらに、PVAの残留や、周期構造の崩れがないことも確認した。
以上により、PVA製モールドが水に対して完全に溶解したこと、可塑化PVC溶液溶媒であるTHFに対して耐性があったことを示した。
なお、今回使用したPVAはけん化率80%であったが、けん化率95%に変更するとPVA中の疎水性部分である酢酸ビニルが減少するため、さらにTHFに対する耐性が増し、良好な転写性能が得られる。
4). Evaluation of plasticized PVC-made PhC Fig. 4 shows the appearance of the plasticized PVC-made PhC. 4A is an image when the light source is irradiated from the vertical direction, and FIG. 4B is an image when irradiated obliquely from the direction of 30 degrees from the PhC plane. The structural color due to the behavior of the nanoperiodic structure on the PhC surface as a reflective diffraction grating was confirmed.
FIG. 5 shows an SEM image of the surface of the plasticized PVC-made PhC.
From the SEM image in FIG. 5, it was confirmed that a periodic structure having a hole diameter of about 230 nm was transferred. It was also confirmed that there was no residual PVA and no disruption of the periodic structure.
From the above, it was shown that the PVA mold was completely dissolved in water and was resistant to THF, which is a plasticized PVC solution solvent.
The PVA used this time had a saponification rate of 80%, but when the saponification rate was changed to 95%, the vinyl acetate, which is a hydrophobic part in the PVA, decreased, so the resistance to THF further increased and good transfer performance was achieved. can get.

(可塑化PVC製PhCの水中での反射スペクトルの評価)
可塑化PVC製PhCの水中での反射スペクトルを評価した。
可塑化PVC製PhCを、ポリイミドテープを用いてプラスチック製シャーレに固定し、蒸留水を該PhCが完全に水に浸かるまで加えた状態で測定を行った。比較用に、表面にナノ周期構造を持たない可塑化PVC製平滑フィルムの反射スペクトルも同時に測定した。
測定結果を図6に示す。
図6から明らかなように、作製した可塑化PVC製PhCは、570 nmに大きなピークを持つ反射スペクトルを確認した。一方、平滑フィルムの反射スペクトル強度は弱く、光源のスペクトル分布を強く反映したものとなった。なお、平滑フィルムの反射スペクトルはフレネル反射によるものと考えられる。可塑化PVC製PhCの反射スペクトルが、ナノ周期構造形成面と、その裏側である平滑な面のフレネル反射の合算であるとすると、可塑化PVC製PhCの反射強度は平滑フィルムを大きく越えるものとならない。
したがって、可塑化PVC製PhCの反射スペクトルは、ナノ周期構造で光が散乱され、逆側の平滑面との間で光が導波し、回折放射によって取り出されたものであることを確認した。
(Evaluation of reflection spectrum of plasticized PVC PhC in water)
The reflection spectrum of plasticized PVC PhC in water was evaluated.
The measurement was performed in a state where PhC made of plasticized PVC was fixed to a plastic petri dish using polyimide tape and distilled water was added until the PhC was completely immersed in water. For comparison, the reflection spectrum of a smooth film made of plasticized PVC having no nano-periodic structure on the surface was also measured.
The measurement results are shown in FIG.
As is apparent from FIG. 6, the produced plasticized PVC PhC confirmed a reflection spectrum having a large peak at 570 nm. On the other hand, the reflection spectrum intensity of the smooth film was weak and strongly reflected the spectrum distribution of the light source. The reflection spectrum of the smooth film is considered to be due to Fresnel reflection. Assuming that the reflection spectrum of plasticized PVC PhC is the sum of the Fresnel reflection of the nano-periodic structure forming surface and the smooth surface behind it, the reflection intensity of plasticized PVC PhC greatly exceeds that of a smooth film. Don't be.
Therefore, it was confirmed that the reflection spectrum of plasticized PVC PhC was extracted by diffractive radiation after light was scattered by the nano-periodic structure and guided to the opposite smooth surface.

(可塑化PVC製PhCの厚みの相違による反射スペクトル強度の評価)
可塑化PVC製PhCの厚みの相違による反射スペクトル強度を評価した。
最初に、可塑化PVCポリマー溶液のTHF量と可塑化PVC製PhCの膜厚の関係について確認した。確認結果を下記表1に示す。
下記表1から明らかなように、THFの重量比が増えるにしたがってポリマー溶液の粘度が低下し、それに伴って膜厚も小さくなっていることがわかる。
(Evaluation of reflection spectrum intensity by difference in thickness of plasticized PVC PhC)
The reflection spectrum intensity due to the difference in thickness of plasticized PVC PhC was evaluated.
First, the relationship between the amount of THF in the plasticized PVC polymer solution and the film thickness of the plasticized PVC PhC was confirmed. The confirmation results are shown in Table 1 below.
As apparent from Table 1 below, it can be seen that as the weight ratio of THF increases, the viscosity of the polymer solution decreases and the film thickness decreases accordingly.

さらに、異なる厚みを有する可塑化PVC製PhCの反射スペクトル強度の測定結果を図7に示す。
図7の測定結果から明らかなように、PhCの厚みが小さくなるにしたがって反射強度が大きくなることが観察された。これは、PhC厚みが小さくなるにしたがってPhC平面方向に導波する光の回折が大きくなり、それに伴って回折放射による光取り出し効率が上昇したことによる。
Furthermore, the measurement results of the reflection spectrum intensity of plasticized PVC PhC having different thicknesses are shown in FIG.
As is clear from the measurement results of FIG. 7, it was observed that the reflection intensity increased as the PhC thickness decreased. This is because the diffraction of the light guided in the PhC plane direction increases as the PhC thickness decreases, and the light extraction efficiency by diffracted radiation increases accordingly.

本実施例の結果から、PVA製モールドを介する可塑化PVC製PhCが作製できたことを確認した。
より詳しくは、作製した可塑化PVC製PhCは、1次モールドとして利用したCOP製ホールアレイPhCの構造(ホール径230 nm、格子定数400 nm)を正確に転写出来ていることを確認した。これは、PVAモールドを介するインプリント法が有用であることを示した。
2次モールドとして利用したPVAは、多くの疎水性材料と接着性が低いため、COP以外のシリコン、ガラス、金属素材、テフロン(登録商標)の材料で作製されたモールドからも作製可能である。
さらに、作製した可塑化PVC製PhCの反射スペクトル測定結果から、凹凸構造のポリマー製PhCに光を照射した場合、反射型回折格子として機能するのではなく、グレーティングカプラとして機能することを確認した。
以上により、可塑化PVC製PhCをオプトードメンブレン型イオンセンサーとして用いた場合、厚みを薄くすることによって応答速度と応答変化量を両立できる。
From the results of this example, it was confirmed that PhC made of plasticized PVC through a PVA mold could be produced.
More specifically, it was confirmed that the plasticized PVC PhC produced was able to accurately transfer the structure (hole diameter 230 nm, lattice constant 400 nm) of the COP hole array PhC used as the primary mold. This indicated that the imprint method via PVA mold is useful.
Since PVA used as a secondary mold has low adhesiveness with many hydrophobic materials, it can be produced from a mold made of silicon, glass, metal material, or Teflon (registered trademark) other than COP.
Furthermore, from the reflection spectrum measurement result of the plasticized PVC-made PhC, it was confirmed that when the polymer-made PhC having a concavo-convex structure was irradiated with light, it did not function as a reflective diffraction grating but functioned as a grating coupler.
As described above, when the plasticized PVC-made PhC is used as an optode membrane ion sensor, both the response speed and the response change amount can be achieved by reducing the thickness.

(結論)
ゴム状弾性を持つ軟質材料である可塑化PVCへのナノ周期構造形成は、PVAモールドを介するインプリント法によって実現できた。
本実施例では、COP製ホールアレイモールドに、PVA水溶液をスピンコートとすることによって作製したPVA製ピラーアレイモールドに、PVC、可塑剤、イオン認識素子、色素をTHFに溶解した可塑化PVCポリマー溶液をスピンコートすることで成膜し、モールドを水に溶解させて離型することで、可塑化PVC製PhCの作製ができた。
該PhCでは、厚み0.35 μmの薄膜上にホール径230 nmのナノ周期構造を作製することに成功した。
(Conclusion)
Formation of nano-periodic structure on plasticized PVC, which is a soft material with rubber-like elasticity, has been realized by imprinting via PVA mold.
In this example, a plasticized PVC polymer solution in which PVC, a plasticizer, an ion recognition element, and a dye are dissolved in THF in a PVA pillar array mold prepared by spin coating a PVA aqueous solution into a COP hole array mold. The film was formed by spin-coating, and the mold was dissolved in water and released to produce PhC made of plasticized PVC.
The PhC succeeded in producing a nano-periodic structure with a hole diameter of 230 nm on a thin film having a thickness of 0.35 μm.

(被検物質の検出可能な可塑化PVC製PhCの作製及び評価)
実施例1で作製した可塑化PVC製PhCに、イオン認識素子、脂溶性色素を添加することで被検物質の検出可能(イオン応答性を有する)PhCを作製した。
今回、イオン認識素子としてはバリノマイシン(カリウムイオンに対して高い選択性を持つイオノフォア)を、脂溶性色素としてはメロシアニン型色素であるKD-M11を、また対イオンとしては酸性の溶液中にあっても分解しない脂溶性アニオンであるTFPB{(Tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate, sodium salt)}を用いた。
イオン応答性の評価は、pH一定で様々な濃度のカリウム、ナトリウムを含む溶液を導入した際に測定される可塑化PVC製PhCの反射スペクトルによって行った。色素の吸収は溶液中の水素イオン/カリウム・ナトリウムイオンの比で決定されるため、pH一定条件下で各イオンに対する応答からイオンに対する選択性も同時に評価した。詳細は、以下の通りである。
(Production and evaluation of plasticized PVC PhC capable of detecting test substances)
By adding an ion recognition element and a fat-soluble dye to the plasticized PVC PhC produced in Example 1, a PhC capable of detecting a test substance (having ion responsiveness) was produced.
This time, we used valinomycin (ionophore with high selectivity for potassium ion) as an ion recognition element, KD-M11, a merocyanine type dye as a fat-soluble dye, and an acidic solution as a counter ion. TFPB {(Tetrakis [3,5-bis (trifluoromethyl) phenyl] borate, sodium salt)}, which is a fat-soluble anion that does not decompose even, was used.
Ion responsiveness was evaluated by the reflection spectrum of plasticized PVC PhC measured when a solution containing various concentrations of potassium and sodium at a constant pH was introduced. Since the absorption of the dye is determined by the ratio of hydrogen ions / potassium / sodium ions in the solution, the selectivity to ions was also evaluated from the response to each ion under a constant pH condition. Details are as follows.

(イオン応答性可塑化PVC製PhCの作製)
実施例1のPVC製PhC作製法に従ってイオン応答性可塑化PVC製PhCを作製した。
PVC(40 mg)、NPOE(80 mg)、THF(1174.77 mg)、バリノマイシ(4.51 mg、和光純薬工業社製)、KD-M11{1-(dodecyl)-4-[(3',5'-dibromo-4'-oxocyclohexa-2', 5'-dienylidene)ethylidene]-1,4-dihydroquinoline、2.28 mg、参照:Analytica Chimica Acta 373 (1998) 271-289}、TFPB(3.74 mg、東京化成工業社製)を秤量し、スクリュー管内でよく振り混ぜた。
バリノマイシン、KD-M11及びTFPBは必要量が少量であり、そのままでは正確な秤量が難しいため5倍量を秤量し、10 mLのTHFに完全に溶解させた後、2 mLずつ分注し完全にTHFを蒸発させたものを用いた、使用の際には再度THFに溶解させた。
また、比較用に、同様の方法でナノ周期構造を持たない平滑な可塑化PVCフィルム併せて作製した。作製したイオン応答性可塑化PVC製PhC及び平滑フィルムは100 mM 塩酸に浸漬して保存した。
(Production of ion-responsive plasticized PVC PhC)
According to the PVC PhC manufacturing method of Example 1, ion-responsive plasticized PVC PhC was manufactured.
PVC (40 mg), NPOE (80 mg), THF (1174.77 mg), valinomycin (4.51 mg, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), KD-M11 {1- (dodecyl) -4-[(3 ', 5'-dibromo-4'-oxocyclohexa-2',5'-dienylidene) ethylidene] -1,4-dihydroquinoline, 2.28 mg, see Analytica Chimica Acta 373 (1998) 271-289}, TFPB (3.74 mg, Tokyo Chemical Industry) (Manufactured by Kogyo Co., Ltd.) and weighed well in a screw tube.
Since valinomycin, KD-M11, and TFPB are in small quantities and accurate weighing is difficult as they are, weigh 5 times, dissolve completely in 10 mL of THF, and dispense 2 mL. When THF was evaporated, it was redissolved in THF when used.
For comparison, a smooth plasticized PVC film having no nano-periodic structure was also prepared by the same method. The produced ion-responsive plasticized PVC PhC and smooth film were immersed in 100 mM hydrochloric acid and stored.

(イオン応答性評価用溶液の調整)
グリシン(0.7507 g)を秤量し、1 Lの蒸留水に溶解させ、10 mM グリシン水溶液を調製した。この10 mM グリシン水溶液に対して、pHメーターでpHを測定しながら6 M HClを滴下し、pH 2.5に合わせた。このようにして調製したpH 2.5 グリシン/HCl Bufferは冷蔵保存し、測定前に室温に戻した。
約30 mL のpH 2.5 グリシン/HCl Bufferに秤量した塩化カリウム745.5 mg を完全に溶解し、100 mLメスフラスコを用いてpH 2.5 グリシン/HCl Bufferでメスアップし、pH2.5 10-1 M KCl 溶液を調製した。
次に、pH2.5 10-1 M KCl 溶液を10mL計り取り、100 mLメスフラスコを用いてpH 2.5 グリシン/HCl Bufferでメスアップし10倍に希釈することでpH2.5 10-2 M KCl 溶液を調製した。同様の手順でpH2.5 10-3 M KCl 〜 pH2.5 10-6 M KCl 溶液を調製した。
さらに、pH 2.5 グリシン/HCl Bufferに秤量した塩化ナトリウム584.4 mg を完全に溶解し、これも同様の手順でpH2.5 10-1 M NaCl 〜 pH2.5 10-6 M NaCl 溶液を調製した。
(Preparation of ion response evaluation solution)
Glycine (0.7507 g) was weighed and dissolved in 1 L of distilled water to prepare a 10 mM glycine aqueous solution. 6 M HCl was added dropwise to this 10 mM glycine aqueous solution while measuring the pH with a pH meter to adjust the pH to 2.5. The pH 2.5 glycine / HCl buffer thus prepared was stored refrigerated and returned to room temperature before measurement.
Potassium chloride 745.5 mg were weighed into pH 2.5 glycine / HCl Buffer of about 30 mL was completely dissolved, up to volume with pH 2.5 glycine / HCl Buffer with 100 mL volumetric flask, pH 2.5 10 -1 M KCl solution Was prepared.
Next, weigh 10 mL of the pH2.5 10 -1 M KCl solution, and use a 100 mL volumetric flask to make up with pH 2.5 glycine / HCl buffer and dilute 10 times to obtain a pH2.5 10 -2 M KCl solution. Was prepared. A pH 2.5 10 −3 M KCl to pH 2.5 10 −6 M KCl solution was prepared in the same procedure.
Furthermore, 584.4 mg of sodium chloride weighed in pH 2.5 glycine / HCl buffer was completely dissolved, and a pH 2.5 10 −1 M NaCl to pH 2.5 10 −6 M NaCl solution was prepared in the same procedure.

(イオン応答性評価方法)
イオン応答性可塑化PVC製PhCをPPシートで作製した測定用フローセル(参照:図8)に設置した。
導入する溶液は、前記したpH 2.5 10-1 M 〜 pH 2.5 10-6 M KCl・NaCl溶液と100 mM HCl、10 mM KOH 溶液である。
測定の際には各種の溶液5 mLをピペットで計り取り導入した後、その溶液をピペットを用いて取り除いてから再度ピペットを用いて5 mL溶液を導入した。
また、反射スペクトルの測定は、溶液導入後30秒後のスペクトルを測定した。
(Ion responsiveness evaluation method)
An ion-responsive plasticized PVC PhC was placed in a measurement flow cell made of a PP sheet (see FIG. 8).
The solution to be introduced is the above-described pH 2.5 10 −1 M to pH 2.5 10 −6 M KCl / NaCl solution, 100 mM HCl, and 10 mM KOH solution.
When measuring, 5 mL of various solutions were measured and introduced with a pipette, the solution was removed using a pipette, and then the 5 mL solution was introduced again using a pipette.
The reflection spectrum was measured 30 seconds after introduction of the solution.

(イオン応答性評価)
イオン応答性可塑化PVC製PhC を100 mM HCl、10 mM KOHに浸漬した際のスペクトル変化を図9に示す。
図9の結果から明らかなように、100 mM HCl導入時は590 nm付近に反射ピークを有し、10 mM KOHを導入することで反射強度は40%低下し、反射ピークは580 nm付近へシフトした。反射強度の変化は、色素の吸収によるものであり、反射ピークシフトは、色素を添加していない可塑化PVC製PhCの反射ピークとKD-M11の極大吸収波長が合致しておらず、KD-M11の極大吸収波長がPhCの反射ピークより長波長側にあるため、シフトが起こったと考えられる。
また、反射スペクトル変化の要因としては、可塑化PVC製PhC中に含まれる色素の吸収波長変化以外にもカリウムイオンを抽出したことによる屈折率変化があると考えられる。この応答の結果から、屈折率による変化よりも色素の吸収による変化が支配的であることがわかる。
(Ion response evaluation)
FIG. 9 shows changes in spectrum when ion-responsive plasticized PVC PhC is immersed in 100 mM HCl and 10 mM KOH.
As is clear from the results in FIG. 9, when 100 mM HCl is introduced, there is a reflection peak around 590 nm, and when 10 mM KOH is introduced, the reflection intensity decreases by 40%, and the reflection peak shifts to around 580 nm. did. The change in the reflection intensity is due to the absorption of the dye, and the reflection peak shift does not match the reflection peak of plasticized PVC PhC with no dye added and the maximum absorption wavelength of KD-M11. Since the maximum absorption wavelength of M11 is longer than the reflection peak of PhC, the shift is considered to have occurred.
In addition to the change in the absorption wavelength of the dye contained in the plasticized PVC PhC, it is considered that the change in the reflection spectrum is caused by the extraction of potassium ions. From the result of this response, it can be seen that the change due to the absorption of the dye is more dominant than the change due to the refractive index.

応答速度について測定を行った結果を図10に示す。
図10の結果から明らかなように、K+が可塑化PVC製PhC中に抽出される過程(KOH導入)、K+が可塑化PVCから水相に抽出される過程(HCI導入)のいずれも10秒以内に完了することを確認した。すなわち、本発明の光学センサーは非常に応答速度が非常に速いことを確認した。
この非常に速い応答速度は、膜厚が0.35μm薄いためであると考えられる。また、繰り返し溶液を交換しても同じ溶液であれば同じ反射強度変化を示すことから、応答が可逆的に行えることを確認した。
The result of measuring the response speed is shown in FIG.
As is clear from the results of FIG. 10, both the process of extracting K + into plasticized PVC PhC (KOH introduction) and the process of extracting K + from the plasticized PVC into the aqueous phase (HCI introduction) Confirmed to complete within 10 seconds. That is, it was confirmed that the optical sensor of the present invention has a very fast response speed.
This very fast response speed is considered to be due to the thin film thickness of 0.35 μm. In addition, even if the solution was repeatedly exchanged, the same reflection intensity change was exhibited with the same solution, so it was confirmed that the response could be performed reversibly.

イオン選択性の測定結果を図11に示す。
図11の結果から明らかなように、導入した溶液中のカリウムイオン濃度が増加すると、イオン抽出に伴う色素の吸収波長変化によって反射強度が低下するが、ナトリウムイオン濃度が増加してもイオン抽出が生じないため反射強度の変化は小さかった。
すなわち、本発明の光学センサーは、被検物質を特異的に認識することができる。
The measurement result of ion selectivity is shown in FIG.
As is clear from the results of FIG. 11, when the potassium ion concentration in the introduced solution increases, the reflection intensity decreases due to the change in the absorption wavelength of the dye accompanying ion extraction. Since it did not occur, the change in reflection intensity was small.
That is, the optical sensor of the present invention can specifically recognize a test substance.

イオン応答性可塑化PVC製PhCの応答変化量とイオン応答性可塑化PVCフィルムの応答変化量の比較結果を図12に示す。
図12の結果から明らかなように、表面にナノ周期構造を有する可塑化PVC製PhCはナノ周期構造の無い平滑フィルムに比べ変化量が20倍(40/2)大きいことがわかった。
PhCと平滑フィルムの組成は同じであるので、色素の応答に違いは生じない。したがって、この変化量の差は光路長が変化しているからである。
FIG. 12 shows a comparison result between the response variation of the ion-responsive plasticized PVC PhC and the response variation of the ion-responsive plasticized PVC film.
As is clear from the results of FIG. 12, it was found that the amount of change in plasticized PVC PhC having a nano-periodic structure on the surface was 20 times (40/2) larger than that of a smooth film having no nano-periodic structure.
Since the composition of PhC and smooth film is the same, there is no difference in the response of the dye. Therefore, the difference in the amount of change is because the optical path length has changed.

(結論)
本実施例の結果により、COP製ホールアレイモールドに、PVA水溶液をスピンコートとすることによって作製したPVA製ピラーアレイモールドに、PVC、可塑剤、イオン認識素子、色素をTHFに溶解した可塑化PVCポリマー溶液をスピンコートすることで成膜し、モールドを水に溶解させて離型することで、本発明の光学センサーの作製ができた。
本発明の光学センサーが被検物質を高感度かつ特異的に検出できることを確認した。該センサーはイオン抽出に伴う色素の吸収波長変化による反射スペクトル変化が観察できた。また、この変化には、イオン抽出に伴う可塑化PVCの屈折率変化、溶液の屈折率変化に伴うスペクトル変化も含まれていることを確認した。
加えて、本実施例で作製したイオン応答性可塑化PVC製PhC は、添加したイオノフォア、バリノマイシンのイオン選択性に由来する選択性を有することを確認した。
さらに、ナノ周期構造を有する可塑化PVC製PhCとナノ周期構造を持たない可塑化PVC製平滑フィルムとの応答変化量の比較を行ったところ、PhCは平滑フィルムに対して20倍の応答変化量を持つことが判明した。
以上により、本発明の光学センサーは、従来のPhCを用いたセンサーと比較して、被検物質を特異的かつ約20倍の高感度で検出できる。
(Conclusion)
According to the result of this example, a plasticized PVC in which PVC, a plasticizer, an ion recognition element, and a dye are dissolved in THF in a PVA pillar array mold prepared by using a PVA aqueous solution as a spin coat on a COP hole array mold. A film was formed by spin-coating a polymer solution, and the mold was dissolved in water and released, whereby the optical sensor of the present invention could be produced.
It was confirmed that the optical sensor of the present invention can detect a test substance with high sensitivity and specificity. The sensor was able to observe a change in the reflection spectrum due to a change in the absorption wavelength of the dye accompanying ion extraction. It was also confirmed that this change included a change in the refractive index of plasticized PVC accompanying ion extraction and a change in the spectrum accompanying a change in the refractive index of the solution.
In addition, it was confirmed that the ion-responsive plasticized PVC PhC produced in this example had selectivity derived from the ion selectivity of the added ionophore and valinomycin.
Furthermore, when comparing the amount of response change between plasticized PVC PhC with nano-periodic structure and plasticized PVC smooth film without nano-periodic structure, PhC is 20 times the amount of response change with respect to smooth film. Turned out to have.
As described above, the optical sensor of the present invention can detect a test substance specifically and about 20 times more sensitively than a conventional sensor using PhC.

新規な光学バイオセンサーを提供できる。   A new optical biosensor can be provided.

Claims (9)

被検物質を検出するための光学センサーであって、
フォトニック結晶として機能する凹凸構造を有する検出部位を有し、
該検出部位は、認識素子を包含していることを特徴とする、
光学センサー。
An optical sensor for detecting a test substance,
It has a detection site with a concavo-convex structure that functions as a photonic crystal,
The detection site includes a recognition element,
Optical sensor.
前記検出部位は、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン(グリコール)ジアクリレート(PEGDA)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、アクリルアミド、アガロース、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、コラーゲン、ゼラチン、セルロース、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリエステル(PET)、及び/又は、ポリエチレングリコールから構成されている請求項1に記載の光学センサー。
The detection sites are polyvinyl chloride (PVC), polymethyl methacrylate, polyethylene (glycol) diacrylate (PEGDA), polyvinylidene chloride (PVDC), acrylamide, agarose, polystyrene, polypropylene, polyethylene, collagen, gelatin, cellulose, poly The optical sensor according to claim 1, comprising dimethylsiloxane (PDMS), polyester (PET), and / or polyethylene glycol.
前記認識素子は、イオノフォア、キレート、酵素、DNA、RNA、糖鎖、及び/又は、タンパク質である請求項1又は2に記載の光学センサー。
The optical sensor according to claim 1, wherein the recognition element is an ionophore, a chelate, an enzyme, DNA, RNA, a sugar chain, and / or a protein.
前記検出部位の膜厚が、0.1μm 〜8.0μmである請求項1〜3のいずれか1に記載の光学センサー。
The optical sensor according to claim 1, wherein a film thickness of the detection site is 0.1 μm to 8.0 μm.
下記の工程を含む請求項1〜4のいずれか1に記載の光学センサーの作製方法、
(1)樹脂、可塑剤、認識素子を溶媒に溶解して可塑化樹脂溶液を作製する工程、
(2)該溶液を、アレイモールドを使用して、認識素子を含みかつフォトニック結晶として機能する凹凸構造を有する可塑化樹脂からなる検出部位を作製する工程。
The manufacturing method of the optical sensor of any one of Claims 1-4 including the following process,
(1) A step of preparing a plasticized resin solution by dissolving a resin, a plasticizer, and a recognition element in a solvent,
(2) The process of producing the detection site | part which consists of plasticizing resin which has an uneven structure which contains a recognition element and functions as a photonic crystal using this solution using an array mold.
前記アレイモールドが、PVA製ピラーアレイモールドである請求項5に記載の光学センサーの作製方法。
The method for producing an optical sensor according to claim 5, wherein the array mold is a PVA pillar array mold.
フォトニック結晶として機能する凹凸構造を有する可塑化ポリ塩化ビニルで構成している光学センサー用基板。
An optical sensor substrate made of plasticized polyvinyl chloride having a concavo-convex structure that functions as a photonic crystal.
下記の工程を含む請求項7に記載の光学センサー用基板の作製方法、
(1)ポリ塩化ビニル、可塑剤を溶媒に溶解して可塑化ポリ塩化ビニル溶液を作製する工程、
(2)該溶液を、アレイモールドを使用して、凹凸構造を有する可塑化ポリ塩化ビニルを作製する工程。
The method for producing a substrate for an optical sensor according to claim 7, comprising the following steps:
(1) A step of preparing a plasticized polyvinyl chloride solution by dissolving polyvinyl chloride and a plasticizer in a solvent;
(2) A step of producing plasticized polyvinyl chloride having an uneven structure from the solution using an array mold.
前記アレイモールドが、PVA製ピラーアレイモールドである請求項8に記載の光学センサー用基板の作製方法。   The method for producing a substrate for an optical sensor according to claim 8, wherein the array mold is a PVA pillar array mold.
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