JP2014215282A - 標的物質検出装置及び標的物質の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ個体差の影響を低減し、検出値の信頼性を高めることができる標的物質検出装置及び標的物質の検出方法を提供する。
【解決手段】標的物質検出装置は、標的物質を捕捉する反射面を有し、反射面に照射された光を反射する標的物質捕捉部と、反射面で反射された反射光を検出する光検出部と、標的物質の濃度を求める制御部と、を含み、制御部は、光検出部が検出する、被検出溶液の標的物質が捕捉された反射面で反射された反射光の検出値と、標的物質の濃度が既知である標準溶液の標的物質が捕捉された当該反射面で反射された反射光の検出値とに基づいて、被検出溶液が含む標的物質の濃度を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、標的物質を検出する標的物質検出装置及び標的物質の検出方法に関する。

タンパク質、細胞などの標的物質を検出したり濃度を測定したりする手段として、フォトニック結晶を用いたバイオセンサーが知られている（例えば、非特許文献１）。非特許文献１に記載されているバイオセンサーは、金薄膜を形成したフォトニック結晶基板に光を照射し、フォトニック結晶基板で反射された反射光の波長のピークの変化を測定することにより、標的物質の検出または標的物質の濃度の計測などを行っている。

「Investigation of Plasmon resonances in metal films with nanohole arrays for biosensing applications」：Takumi Sannomiya, Olivier Scholder, Konstantins Jefimovs, Christian Hafner, and Andreas B. Dahlin, Received 10th December 2010, Revised 1th February 2011

非特許文献１に記載の標的物質の検出値は、測定時の絶対値を用いて評価している。標的物質の検出値には、センサ個体差、基板上の分子数、基板上の分子または反応させる分子の活性個体差等の影響が含まれる。そこで、標的物質の検出値がバイオセンサー（標的物質捕捉部）毎にばらつき、標的物質の検出値の信頼性を確保することが望まれている。

本発明は、センサ個体差の影響を低減し、検出値の信頼性を高めることができる標的物質検出装置及び標的物質の検出方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、標的物質検出装置は、標的物質を捕捉する反射面を有し、前記反射面に照射された光を反射する標的物質捕捉部と、前記反射面で反射された反射光を検出する光検出部と、前記標的物質の濃度を求める制御部と、を含み、前記制御部は、前記光検出部が検出する、被検出溶液の前記標的物質が捕捉された反射面で反射された反射光の検出値と、前記標的物質の濃度が既知である標準溶液の前記標的物質が捕捉された当該反射面で反射された反射光の検出値とに基づいて、前記被検出溶液が含む前記標的物質の濃度を求めることを特徴とする。

これにより、標準溶液の濃度が既知であるので、標準溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、センサ個体差等の誤差を把握することができる。このため、被検出溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、誤差を相殺することにより、標的物質検出装置は、センサ個体差の影響を低減し、検出値の信頼性を高めることができる。その結果、標的物質検出装置は、標的物質を精度よく検出することができる。

本発明の望ましい態様として、前記光検出部は、前記被検出溶液の前記標的物質が捕捉された前記反射面で反射された反射光を検出した後に、前記標準溶液の前記標的物質が捕捉された当該反射面で反射された反射光を検出することが好ましい。このため、標的物質検出装置は、同じ基板を用いても測定毎にばらつく、基板上の分子数、基板上の分子または反応させる分子の活性個体差が、被検出溶液の検出と、標準溶液の検出とで相関がある。そして、標準溶液の濃度が既知であるので、標準溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、センサ個体差に加え、基板上の分子数、基板上の分子または反応させる分子の活性個体差等の誤差を把握することができる。その結果、被検出溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、誤差を相殺することにより、標的物質検出装置は、測定によるばらつきの影響を低減させ、検出値の信頼性を高めることができる。その結果、標的物質検出装置は、標的物質を精度よく検出することができる。

本発明の望ましい態様として、前記標準溶液が含む前記標的物質の濃度は、前記被検出溶液が含む前記標的物質の濃度よりも大きいことが好ましい。これにより、標的物質を捕捉する平衡状態を安定させることができ、検出値の信頼性を高めることができる。その結果、標的物質検出装置は、標的物質を精度よく検出することができる。

本発明の望ましい態様として、前記制御部は、前記標的物質が捕捉される前の前記反射光の極値の基準波長と前記被検出溶液が含む前記標的物質が捕捉された反射面で反射された反射光の極値の波長との差である第１シフト量と、前記基準波長と前記標準溶液の前記標的物質が捕捉された反射面で反射された反射光の極値の波長との差である第２シフト量とを演算し、前記第１シフト量を前記第２シフト量で除した値に基づいて、前記被検出溶液が含む前記標的物質の濃度として求めることが好ましい。

これにより、極値の波長のシフト量を把握することで、表面状態の変化を定量化しやすくなる。標的物質検出装置は、極値の波長のシフト量を把握することで、測定値を特定し測定によるばらつきを低減することで、検出値の信頼性を高めることができる。その結果、標的物質検出装置は、標的物質を精度よく検出することができる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、標的物質の検出方法は、反射面に光を照射し、前記反射面で反射された反射光を検出するステップと、被検出溶液が含む標的物質を捕捉させた反射面に光を照射し、前記反射面で反射された反射光を検出する被検出溶液の検出ステップと、前記標的物質の濃度が既知である標準溶液の前記標的物質を捕捉させた反射面に光を照射し、前記反射面で反射された反射光を検出する標準溶液の検出ステップと、前記被検出溶液の検出ステップで検出した検出値と、前記標準溶液の検出ステップで検出した検出値とに基づいて前記被検出溶液が含む前記標的物質の濃度を求める濃度演算ステップと、を含むことを特徴とする。

この検出方法により、標準溶液の濃度が既知であるので、標準溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、センサ個体差等の誤差を把握することができる。このため、被検出溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、誤差を相殺することにより、標的物質の検出方法は、センサ個体差の影響を低減し、検出値の信頼性を高めることができる。その結果、標的物質の検出方法は、標的物質を精度よく検出することができる。

本発明によれば、フォトニック結晶の反射面の寸法精度を向上させ、標的物質を精度よく検出することができる標的物質検出装置及び標的物質の検出方法を提供することができる。

図１は、標的物質検出装置を示す図である。 図２は、図１の標的物質検出装置において、検出する溶液を変更する態様を示す図である。 図３は、フォトニック結晶バイオセンサーを説明する分解斜視図である。 図４は、フォトニック結晶バイオセンサーの流路を説明する断面図である。 図５は、金属膜被覆フォトニック結晶の斜視図である。 図６は、金属膜被覆フォトニック結晶の平面図である。 図７は、図６におけるＡ−Ａ断面を示す図である。 図８は、図６におけるＡ−Ａ断面の他の例を示す図である。 図９は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。 図１０は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。 図１１は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。 図１２は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。 図１３は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。 図１４は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。 図１５は、標的物質検出装置の光検出部がフォトニック結晶バイオセンサーに光を照射する例を示す図である。 図１６は、実施形態１に係る標的物質の検出方法のフローチャートである。 図１７は、反射光の極値の強度と波長との関係を示す図である。 図１８は、反射光の強度の極値における波長シフト量Δλとフォトニック結晶の反射面にビオチンを用いて固定したアビジンの濃度ＤＮとの関係を示す図である。 図１９は、反射光の強度の極値における第１波長シフト量と第２波長シフト量との関係を示す図である。 図２０は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。 図２１は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。 図２２は、実施形態２に係る標的物質の検出方法のフローチャートである。 図２３は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。 図２４は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。 図２５は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。 図２６は、反射光の強度の極値における第１波長シフト量と第２波長シフト量との関係を示す図である。 図２７は、評価例のばらつきを示す図である。

以下、標的物質検出装置を実施するための形態（以下、実施形態という）を図面に基づいて詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

［実施形態１］
＜標的物質検出装置＞
実施形態１に係る標的物質捕捉部を備えた標的物質検出装置について説明する。図１は、標的物質検出装置を示す図である。図２は、図１の標的物質検出装置において、検出する溶液を変更する態様を示す図である。標的物質検出装置１０は、本実施形態に係るフォトニック結晶バイオセンサー（標的物質捕捉部）１１と、光検出部１２と、制御部１３と、ポンプ７１と、切換弁７２と、被検出溶液用タンク７３と、標準溶液用タンク７４と、廃液用タンク７５とを含む。図１に示すように、切換弁７２は、例えば、電磁弁であって、制御部１３の指令に応答するソレノイドにより、被検出溶液用タンク７３の入力ポートＣａを選択して、ポンプ７１に接続する出力ポートＣｂに被検出溶液Ｗｉを供給する。図２に示すように、切換弁７２は、制御部１３の指令に応答するソレノイドにより、標準溶液用タンク７４の入力ポートＣｓを選択して、ポンプ７１に接続する出力ポートＣｂに標準溶液Ｗｓを供給する。ポンプ７１は、切換弁７２により選択される被検出溶液用タンク７３及び標準溶液用タンク７４の一方から被検出溶液Ｗｉまたは標準溶液Ｗｓを吸引し、フォトニック結晶バイオセンサー１１の流入口２３Ｐへ吐出する。被検出溶液Ｗｉまたは標準溶液Ｗｓはフォトニック結晶バイオセンサー１１内の流路部２４ｆを通過し、流出口２３Ｑから排出路Ｃｃを通して廃液用タンク７５に排出され、排出溶液Ｗｗとなる。

［フォトニック結晶バイオセンサー］
図１、図３及び図４を参照して、フォトニック結晶バイオセンサー１１について説明する。図３は、フォトニック結晶バイオセンサーを説明する分解斜視図である。図４は、フォトニック結晶バイオセンサーの流路を説明する断面図である。フォトニック結晶バイオセンサー１１は、標的物質捕捉装置２１と、上部プレート２２と、下部プレート２３と、流路プレート２４とを含む。流路プレート２４は、上部プレート２２と下部プレート２３とに挟まれている。流路プレート２４は、流路プレート２４を貫通する流路部２４ｆが設けられている。フォトニック結晶バイオセンサー１１は、流路プレート２４と下部プレート２３とにより標的物質捕捉装置２１を挟み、標的物質捕捉装置２１の反射面が流路部２４ｆに露出する。なお、流路部２４ｆは、上部プレート２２、下部プレート２３及び流路プレート２４の内壁で密閉された空間である。下部プレート２３には、貫通する流入口２３Ｐ及び流出口２３Ｑが設けられている。この構造により、流入口２３Ｐから流路部２４ｆへ流入する溶液は、標的物質捕捉装置２１の後述する反射面を跨いで、通過し、流出口２３Ｑから排出される。

流路部２４ｆの形状は、円柱形に限らず、流路部２４ｆの内部に液体を保持することができれば、他の形状としてもよい。また、流路部２４ｆを円柱状とした場合、その直径などは、抗体３４及び抗原３６の組合せの種類、必要な測定精度または反射光の検出器の光学系に合わせて様々な直径とすることができる。流路部２４ｆは、上述した抗体３４に抗原３６を吸着させる際の操作、取扱いの利便性などを考慮し、長さ５ｍｍ〜５０ｍｍ、幅１ｍｍ〜１０ｍｍ、高さ０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。

上部プレート２２及び下部プレート２３の材質などは、特に限定されない。上部プレート２２は、流路部２４ｆを塞ぐカバー部材であり、光の入射側に設けられる。上部プレート２２は、より好ましくは、反射光の強度の極値における波長の光の吸収が少ないものが好ましい。例えば、上部プレート２２の材料は、可視光線領域から紫外線領域の反射光で測定する場合は石英（シリカ）などが好ましい。

さらに、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、流路部２４ｆに被検出溶液Ｗｉまたは標準溶液Ｗｓを充填することにより、溶液を充填した状態で反射光の測定をより正確に行うことも可能である。

［光検出部］
次に、図１に示す光検出部１２について説明する。図１に示す光検出部１２は、光源５１と、測定プローブ５２と、光検出装置５３と、第１光ファイバー５４と、第２光ファイバー５５と、コリメートレンズ５６とを含む。光源５１と測定プローブ５２とは、第１光ファイバー５４により光学的に接続されている。測定プローブ５２と光検出装置５３とは、第２光ファイバー５５により光学的に接続されている。必要に応じて、光源５１及び光検出装置５３などに接続され、光源５１の制御及び光検出装置５３からの信号を処理する制御装置を設けてもよい。

［制御部］
次に、図１に示す制御部１３について説明する。制御部１３は、光検出部１２が検出した反射光の極値の波長を求める。制御部１３は、それとともに、求めた極値の波長のシフト（波長シフト量）に基づいて、少なくとも標的物質（例えば、図１４、図１５などに示す抗原３６）の有無を検出する。制御部１３は、例えば、マイクロコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、記憶部と、を含む。ＣＰＵは、ＲＡＭをワークエリアとして使用しながらＲＯＭや記憶部に記憶されているプログラムを実行することにより、種々の演算機能を実現する。波長シフト量と標的物質捕捉装置２１の反射面２９に捕捉された標的物質の濃度とは相関がある。このため、制御部１３は、波長シフト量から反射面２９に捕捉された標的物質の濃度を求めることができる。

（金属膜被覆フォトニック結晶）
図５は、標的物質捕捉装置の斜視図である。図６は、標的物質捕捉装置の平面図である。図７は、図６におけるＡ−Ａ断面を示す図であり、フォトニック結晶の本体として標的物質捕捉構造体２５の表面２７と直交する平面で標的物質捕捉構造体２５を切ったときの断面を示す。図５〜図７は、模式的に示した図であるため、標的物質捕捉装置２１を構成する成分の厚さ、大きさ等は実際とは異なる。以下、本実施形態及び後述する他の実施形態においても同様である。図５〜図７に示すように、標的物質捕捉装置２１は、標的物質捕捉構造体２５及び金属膜２６を含んでいる。標的物質捕捉装置２１は、標的物質捕捉構造体２５の表面２７に円柱状の凹部（以下、単に凹部という）２８Ａが周期的に形成された反射面２９を金属膜２６で被覆している。

まず、標的物質捕捉構造体２５について説明する。フォトニック結晶は、表面に所定深さの凹部または所定高さの凸部が周期的に形成された反射面を有し、前記反射面に特定波長の光（平行光）を照射すると、その反射光が得られる構造体である。表面に凹部または凸部が周期的に形成された反射面に光を照射すると、特定波長の反射光が得られる構造体は、一般にフォトニック結晶と呼ばれる。

フォトニック結晶とは、サブ波長間隔の格子構造を有する構造体である。そして、それは構造体の表面（以後、反射面という）に広領域波長の光を照射すると、フォトニック結晶の表面状態に依存した特定の波長帯の光を、反射または透過するものである。フォトニック結晶の表面状態は、例えばフォトニック結晶の形状及び材質に依存する。この反射光または透過光の変化を読み取ることにより、フォトニック結晶の表面状態の変化を定量化することができる。フォトニック結晶の表面状態の変化としては、表面への物質の吸着、構造変化などが挙げられる。表面に金属薄膜が形成されたフォトニック結晶も、光が照射されると、光の反射率または光の透過率に極値（極大値または極小値）が現れる。この反射率または透過率の極値は、金属の種類、金属の膜厚、フォトニック結晶の表面形状に依存するものである。この光の反射率または光の透過率を読み取ることにより、フォトニック結晶の表面状態の変化を定量化することができる。金属薄膜については後述する。フォトニック結晶の表面状態の変化を反射光または透過光の変化から定量化するには、次の方法を用いることができる。例えば、極値（極大値または極小値）での反射率または透過率の変化量、あるいは反射率または透過率が極値となる波長のシフト量を求めるなどである。なお、反射率または透過率の極値が複数ある場合には、任意の極値に着目する。そして、着目した極値について変化量を求めるか着目した極値となる波長のシフト量を求めることにより、フォトニック結晶の表面状態の変化を定量することができる。

図５〜図７に示すように、標的物質捕捉構造体２５は、表面２７に凹部２８Ａが周期的に形成された反射面２９を有している。この反射面２９に光を照射すると、標的物質捕捉構造体２５の形状と材質に依存した特定波長の光が反射される。

本実施形態において、凹部２８Ａは、三角形の格子状に配置されている。また、凹部２８Ａの直径Ｄ１は、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。また、凹部２８Ａの中心間の距離Ｃ１は、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。また、凹部２８Ａの深さをＨ１としたとき、凹部２８Ａのアスペクト比（Ｈ１／Ｄ１）は、０．１以上１０以下であることが好ましく、より好ましくは、０．５以上５．０以下である。なお、凹部２８Ａの寸法は、上記のものに限定されず、凹部２８Ａは、四角形の格子、六角形の格子などでもよい。凹部２８Ａは、三角形、四角形、六角形が組み合わされて格子状になっていてもよい。

標的物質捕捉構造体２５の形状及び寸法は、図５〜図７に示した形状に限定されることはない。例えば、標的物質捕捉構造体２５の形状は、矩形または多角形の格子状のパターンが表面に形成されたもの、または平行線状パターンや波型形状パターンなどが表面に形成されたもの（詳しくは周期的にパターンなどが形成されたもの）、またはこれらのパターンの組合せであってもよい。図８は、図６におけるＡ−Ａ断面の他の例を示す図である。図８に示すように、上述した標的物質捕捉構造体２５は、凹部を表面に凸部が周期的に形成された反射面を備えるフォトニック結晶にしてもよい。

標的物質捕捉構造体２５の材質としては、合成樹脂などの有機材料、金属又はセラミックなどの無機材料を使用することができる。

合成樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリシクロオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、アクリル、ポリメタクリル酸エステル、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリテトラフルオロエチレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトンなどの熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。

セラミックとしては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、イットリアなどのセラミックを好適に使用することができる。

金属としては、鉄鋼材料をはじめとして各種合金が使用可能である。具体的には、ステンレス鋼、チタンまたはチタン合金などを好適に使用することができる。

上記した各種材料の中でも、光学特性、加工性、標的物質（ターゲットとなる物質）を含有する溶液に対する耐性、標的物質捕捉物質（特異的結合物質）の吸着性、洗浄剤に対する耐性などを考慮すると、ポリシクロオレフィン系合成樹脂若しくはシリカ系のセラミックがより好ましい。この中でも、ポリシクロオレフィン系合成樹脂は、加工性に優れており最も好適である。

標的物質捕捉構造体２５は、上記材料基板の表面に微細な加工を施すことにより作製される。加工方法としては、レーザー加工、熱ナノインプリント、光ナノインプリント、フォトマスクとエッチングの組合せなどが使用できる。特に、ポリシクロオレフィン系合成樹脂などの熱可塑性樹脂を材料とする場合には、熱ナノインプリントによる方法が好適である。

次に、金属膜２６について説明する。本実施形態において、図７に示すように、標的物質捕捉構造体２５は、その反射面２９が金属膜２６で被覆されている。金属膜２６は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）またはアルミニウム（Ａｌ）のうちの何れか１種類以上を用いて形成されることが好ましい。本実施形態において、金属膜２６はＡｕで形成されている。Ａｕは、安定性に優れるため、反射面２９として好ましい。金属膜２６に銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）のうちの何れか１種類以上を用いる場合、金で表面を被覆することが好ましい。このようにすることで、金の使用量を低減して標的物質捕捉構造体２５の製造コストを抑制することができる。

金属膜２６の膜厚が小さいと、標的物質捕捉構造体２５への入射光の一部は金属膜２６を透過することがある。その結果、反射光から得られる情報量の低下、回折光または標的物質捕捉構造体２５の裏面からの反射光など、標的物質捕捉構造体２５からの反射光には不要な情報が多く含まれる可能性がある。金属膜２６の膜厚を適度に大きくすることにより、標的物質捕捉構造体２５からの反射光に含まれる不要な情報を低減して、標的物質の検出精度及び濃度の計測精度を向上させることができる。また、金属膜２６の膜厚が適度に小さいと、標的物質捕捉構造体２５の表面２７に詳細なパターン形状を作製することが容易であるので好ましい。例えば、パターンの角がシャープになって、パターンの寸法を確保することが容易となる。このような観点から、本実施形態において、金属膜２６の膜厚は、好ましくは３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、より好ましくは１５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。波長に対する反射率の変化は、金属膜２６の膜厚が２００ｎｍを超えるとほぼ同様になるためである。

また、金属膜２６は、スパッタリングまたは蒸着装置などによって標的物質捕捉構造体２５の反射面２９に形成することができる。金属膜２６の最表面は、Ａｕとすることが好ましい。金属膜２６にＡｇ、Ｐｔ、Ａｌを用いた場合、それぞれの極値における反射光の波長は、Ａｕを金属膜２６として用いた場合に対して１．５倍となる。このように、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌは、Ａｕよりも１．５倍の感度を有する。なお、Ａｇは酸化されやすいので、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９にＡｇを形成した後、酸化されにくいＡｕまたはＳｉＯ_２などの酸化物薄膜を形成することが好ましい。この場合、２００ｎｍの厚さを有するＡｇの膜の表面に、５ｎｍの厚さを有するＡｕの膜を形成することができる。２００ｎｍの厚さを有するＡｇの膜の表面に５ｎｍの厚さを有するＡｕの膜を形成した場合、２００ｎｍの厚さを有するＡｕの膜に比べて、感度が１．５倍になる。また、５ｎｍのＡｕの膜の有無で、感度の変化は見られなかった。ＡｌもＡｇと同様に酸化されやすいので、標的物質捕捉構造体２５の表面２７にＡｌの膜を形成した後、酸化されにくいＡｕまたはＳｉＯ_２などの酸化物薄膜を形成することが好ましい。抗体などで修飾するために、Ｐｔも、ＡｕまたはＳｉＯ_２などの酸化物薄膜を形成することが好ましい。

また、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９は、3-triethoxysilylpropylamine（ＡＰＴＥＳ）などを用いて改質されることが好ましい。標的物質捕捉構造体２５の反射面２９に、ＡｕまたはＡｇの金属膜２６を形成させた場合には、ＡＰＴＥＳではなく、一端にチオール基を有し、他端にアミノ基やカルボキシル基などの官能基を有する炭素鎖を用いて標的物質捕捉構造体２５の反射面２９を改質することが好ましい。ＡｕまたはＡｇ以外の金属膜２６を標的物質捕捉構造体２５の反射面２９に形成させた場合は、一端に官能基を有するシラン系カップリング剤、例えばＡＰＴＥＳを使用して、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９を改質することが好ましい。

標的物質捕捉装置２１は、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９を金属膜２６で被覆したものであるため、標的物質捕捉構造体２５の凹部２８Ａに対応して反射面２９に標的物質捕捉装置２１の凹部２８Ｂが周期的に形成されている。凹部２８Ｂは、凹部２８Ａと同様、三角形の格子状に配置されている。また、凹部２８Ｂの直径Ｄ２は、金属膜２６の厚さにもよるが、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。また、凹部２８Ｂの中心間の距離Ｃ２は、凹部２８Ａの中心間の距離Ｃ１と同様、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。また、凹部２８Ｂの深さをＨ２としたとき、凹部２８Ｂのアスペクト比（Ｈ２／Ｄ２）は、０．１以上１０以下であることが好ましく、より好ましくは、０．５以上５．０以下である。なお、凹部２８Ｂの寸法は、上記のものに限定されない。

（フォトニック結晶の作製方法）
次に、熱ナノインプリントにより標的物質捕捉装置２１を作製する工程の一例を説明する。図９、図１０及び図１１は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。図９に示すように、まず、シート状の樹脂Ｐを準備する（工程１）。次に、熱ナノインプリントでは、ナノメートルレベルの微細構造、またはナノメートルレベルの周期構造のパターンを有する金型ＤＩを用いる。そして、図１０に示すように、製造装置は、加熱した金型ＤＩをシート状の樹脂Ｐに押し付けて、所定圧力で所定時間押圧する（工程２）。次に、製造装置は、金型ＤＩの温度が所定温度になったところで離型し、微細構造及び周期構造をシート状の樹脂Ｐに転写する（工程３）。これにより、上述した標的物質捕捉構造体２５が得られる。

樹脂Ｐがシクロオレフィン系ポリマーの場合には、金型ＤＩを１６０℃程度まで加熱し、約１２ＭＰａの圧力で所定時間押圧し、金型ＤＩの表面温度が６０℃程度になったところで離型する。

標的物質捕捉構造体２５を作製した後、図１１に示すように、金型ＤＩと接していた表面に、スパッタリングまたは蒸着装置などによって金属膜２６を形成して、標的物質捕捉装置２１が完成する（工程４）。

（標的物質捕捉物質）
次に、標的物質を捕捉する標的物質捕捉物質について説明する。標的物質とは、標的物質検出装置１０が検出する対象物であって、タンパク質などの高分子、オリゴマー、低分子のいずれであってもよい。標的物質は、単分子に限定されず、複数の分子からなる複合体であってもよい。標的物質として、例えば、大気中の汚染物質、水中の有害物質、人体内のバイオマーカー（Biomarker）などが挙げられる。中でも、コルチゾールなどが好ましい。コルチゾールは、分子量３６２ｇ／ｍｏｌの低分子物質である。コルチゾールは、人間がストレスを感じると唾液中のコルチゾール濃度が増加するため、人間が感じているストレスの度合いを評価する物質として注目されている。コルチゾールを標的物質としてその濃度を測定すれば、例えば、人間の唾液中に含まれるコルチゾールの濃度を測定することで、ストレスの度合いを評価することができる。ストレスの度合いを評価すれば、被測定者がうつ病などの精神疾患につながるレベルのストレス状態にあるか否かを判断することができる。

標的物質捕捉物質とは、標的物質と結合し、標的物質を捕捉する物質である。ここで、結合するとは、化学的に結合する場合の他、例えば物理吸着、ファンデルワールス力による結合のように、化学的結合によらない結合であってもよい。好ましくは、標的物質捕捉物質は、標的物質と特異的に反応して標的物質を捕捉するものであり、標的物質を抗原とした抗体であることが好ましい。特異的に反応するとは、選択的に標的物質と可逆的または不可逆的な結合をして複合体を形成することを意味し、化学反応に限定されない。また、特異的に反応する物質が標的物質以外に存在していても構わない。試料中に標的物質の他に標的物質捕捉物質と反応する物質があっても、その親和性が標的物質と比較して非常に小さい場合は、標的物質を定量することができる。標的物質捕捉物質は、標的物質を抗原とした抗体、人工的に作製した抗体、アデニン、チミン、グアニン、シトシンなどのＤＮＡを構成する物質から構成される分子、ペプチドなどを用いることができる。標的物質がコルチゾールである場合は、標的物質捕捉物質は、コルチゾール抗体であることが好ましい。

標的物質捕捉物質を作製するには公知の方法を採用することができる。例えば、抗体は、血清法、ハイブリドーマ法、ファージディスプレイ法によって作製できる。ＤＮＡを構成する物質から構成される分子は、例えばＳＥＬＥＸ法（Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment:試験管内人工進化法）により作製できる。ペプチドは、例えばファージディスプレイ法により作製できる。標的物質捕捉物質は、何らかの酵素・同位体により標識されている必要はない。しかし、酵素・同位体によって標識されていてもよい。

本実施形態において、標的物質捕捉物質は、図７に示す標的物質捕捉装置２１の反射面２９に固定される。標的物質捕捉物質を標的物質捕捉装置２１の反射面２９に固定する手段として、共有結合、化学吸着、物理吸着などの化学的結合、物理的結合方法が挙げられる。これらの手段を、標的物質捕捉物質の性質に応じて適宜選択することができる。例えば、固定する手段として吸着を選択した場合、吸着の操作は以下のようなものである。例えば、標的物質捕捉物質を含んだ溶液を、標的物質捕捉装置２１の流路部２４ｆ内に流通させ、標的物質捕捉装置２１を、所定の時間、室温で、または必要に応じて冷却・加温して、標的物質捕捉物質を反射面２９に吸着させる。

フォトニック結晶バイオセンサー１１は、特定の抗原（例えばコルチゾール）とのみ結合する抗体（例えばコルチゾール抗体）を標的物質捕捉装置２１の反射面２９の表面に予め吸着（固定）させておく。これにより、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、特定の抗原を検出することができる。これは、標的物質捕捉構造体２５の光学的特性と、標的物質捕捉構造体２５の表面または表面近傍で起こる各種の生体・化学反応、例えば特定の抗原は特定の抗体とのみ反応するという抗原抗体反応とを利用するものである。

フォトニック結晶バイオセンサー１１は、標的物質捕捉物質である抗体が固定された反射面２９に、ブロッキング剤（保護物質）が固定されたものであってもよい。ブロッキング剤は、標的物質がフォトニック結晶バイオセンサー１１に接触させられる前に固定される。標的物質捕捉構造体２５の反射面２９の表面は、一般的に超疎水性である。このため、疎水性相互作用によって標的物質捕捉物質である抗体以外の不純物が、反射面２９に吸着してしまうおそれがある。さらに、標的物質捕捉構造体２５の光学特性は表面状態に大きく影響されるので、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９には、不純物が吸着されていないことが好ましい。標的物質捕捉構造体２５の反射面２９にブロッキング剤が固定されることで、反射光の検出精度を向上させることができる。

したがって、標的物質捕捉物質である抗体が標的物質捕捉構造体２５の反射面２９に吸着（固定）された部分以外の箇所には、不純物などが固定されないように、いわゆるブロッキング剤を予め固定させておくことが好ましい。ブロッキング剤を予め吸着させておくには、ブロッキング剤を、標的物質捕捉構造体２５の表面に接触させる。ブロッキング剤として、スキムミルクやウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）などを使用することができる。

次に、フォトニック結晶バイオセンサー１１が標的物質である抗原及びその濃度を検出する基本的な原理を説明する。図１２〜図１５は、フォトニック結晶バイオセンサー１１の原理を説明する図である。一般的に、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、標的物質捕捉構造体２５の光学的特性と、標的物質捕捉構造体２５の表面または表面近傍で起こる各種生体・化学反応、例えば、特定の抗原は特定の抗体とのみ反応するという抗原抗体反応とを利用して、微量のタンパク質または低分子物質を検出するものである。そして、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に特定波長の光を照射したときの表面プラズモン共鳴現象及び／または局在表面プラズモン共鳴現象による反射光の波長の極値がシフトする現象を利用する。

図１２に示すように、標的物質捕捉装置２１の反射面２９の表面には、抗体（標的物質捕捉物質）３４が吸着により固定されている。

次に、図１３に示すように、反射面２９の抗体３４が吸着した部分以外の箇所、すなわち、抗体３４が吸着した部分以外の反射面２９に、ブロッキング剤（保護物質）３５を予め吸着させる。これにより、反射面２９の抗体３４が吸着した部分以外の箇所に不純物などが吸着しないようにする。

次に、図１４に示すように、抗体３４とブロッキング剤３５とが吸着されているフォトニック結晶バイオセンサー１１に抗原（標的物質）３６を接触させ、抗原抗体反応を行う。抗体３４に抗原３６が捕捉された複合体３７が、反射面２９に固定される。

次に、図１に示す光検出部１２は、図１５に示すように、抗原３６が標的物質捕捉構造体２５の反射面２９に捕捉されている状態で特定波長の光（入射光）ＬＩを平行光で標的物質捕捉装置２１の反射面２９に照射する。そして、図１に示す光検出部１２は、反射面２９で反射された反射光ＬＲを検出し、反射光ＬＲの極値の波長を求める。そして、図１に示す制御部１３は、反射光ＬＲの強度の極値における波長及び強度の極値における波長のシフト量を求めて、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に捕捉された抗原３６の有無を検出したり、抗原３６の濃度を求めたりする。

フォトニック結晶バイオセンサー１１は、上記原理に基づき、抗体３４及び抗原３６の組合せの種類を変えることにより、検出対象の物質であるタンパク質などの各種生体物質または低分子量物質の種類を変えることができる。

フォトニック結晶バイオセンサー１１では、反射面２９に固定された抗体３４に抗原３６が捕捉されることにより、反射面２９の状態が変化し、反射光ＬＲに変化が生じる。フォトニック結晶バイオセンサー１１は、光学的な物理量を出力する。この物理量は、標的物質捕捉装置２１の反射面２９における表面状態の変化に相関し、反射面２９に固定された抗体３４に抗原３６が捕捉されて形成される複合体３７の量と相関する。光学的な物理量は、例えば、反射光ＬＲの強度が極値となる波長のシフト量、光の反射率の変化量、光の反射率が極値となる波長のシフト量、反射光ＬＲの強度、反射光ＬＲの強度の極値の変化量などである。本実施形態では、反射光ＬＲの強度または光の反射率が極値となる波長のシフト量を用いる。

光学的な物理量を出力させるには、例えば以下のようにして行う。標的物質捕捉装置２１の反射面２９に対して垂直に光を入射し、反射光ＬＲを検出する。標的物質捕捉装置２１の反射面２９の垂線に対して角度をつけて光を入射し、反射光ＬＲを検出することもできる。反射光ＬＲを検出することにより、図１に示す標的物質検出装置１０をコンパクトにすることができる。垂直に入射され、垂直に反射された光を検出する場合には、二股の光ファイバーを用いて光を入射し、反射光ＬＲを検出することが好ましい。

（標的物質の検出方法）
次に、図１に示す標的物質検出装置１０を用いて標的物質を検出する方法（標的物質検出方法）を説明する。この例においては、標的物質捕捉装置２１の反射面２９にコルチゾール抗体を吸着させて、唾液中のコルチゾールを検出対象の標的物質として、検出・測定する場合を説明する。標的物質捕捉構造体２５としては、熱ナノインプリントにより所定の微細構造を表面に形成したシクロオレフィン系ポリマーのシートを所定の大きさに切断したものを用いている。

図１６は、実施形態１に係る標的物質の検出方法のフローチャートである。図１７は、反射光の極値の強度と波長との関係を示す図である。図１８は、反射光の強度の極値における波長シフト量Δλとフォトニック結晶の反射面にビオチンを用いて固定したアビジンの濃度ＤＮとの関係を示す図である。図１９は、反射光の強度の極値における第１波長シフト量と第２波長シフト量との関係を示す図である。

まず、ステップＳ１１では、コルチゾール抗体溶液（コルチゾール抗体濃度１μｇ／ｍｌ〜１０００μｇ／ｍｌ）を標的物質捕捉装置２１の反射面２９に滴下する。そして、所定の時間または必要であれば、フォトニック結晶バイオセンサー１１を所定の温度で所定の時間静置し、コルチゾール抗体を標的物質捕捉装置２１の反射面２９に吸着させる。

次に、ステップＳ１２では、リン酸緩衝液（ＰＢＳ：Phosphate buffered saline）を標的物質捕捉装置２１の反射面２９に滴下する。その後、遠心力などにより除去するリンス処理を複数回行う。

次に、ステップＳ１３では、ブロッキング剤３５としてスキムミルクを標的物質捕捉構造体２５の反射面２９に滴下し、フォトニック結晶バイオセンサー１１を所定の時間または必要であれば所定の温度で所定の時間静置し、スキムミルクを標的物質捕捉装置２１の反射面２９におけるコルチゾール抗体の非吸着部に吸着させる。

その後、ステップＳ１４では、リンス処理（ステップＳ１２）と同様に、リン酸緩衝液によりリンス処理を複数回行う。上述した操作により、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に所定の処理がなされ、フォトニック結晶バイオセンサー１１が形成される。

次に、ステップＳ１５では、光検出部１２は、ステップＳ１３においてコルチゾール抗体が吸着した反射面２９に光を照射したときの反射面２９からの反射光ＬＲを検出し、制御部１３は、反射光ＬＲを計測する。制御部１３は、例えば、反射光ＬＲの反射光強度のスペクトルを計測する。反射面２９に照射する光（入射光ＬＩ）の波長は、例えば３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。

次に、ステップＳ１６では、まず、被検出溶液用タンク７３の中にコルチゾールを含む溶液としての唾液の準備をする。唾液は、被検出溶液Ｗｉになる。唾液のサンプリング及び不純物の除去などの前処理は、例えば、市販の唾液採取キットを用いて行う。唾液の準備は、フォトニック結晶バイオセンサー１１に唾液を滴下する前であればいつ行ってもよい。例えば、フォトニック結晶バイオセンサー１１を形成する前に行ってもよく、フォトニック結晶バイオセンサー１１を形成するのと並行して行ってもよく、反射光強度を計測した後に行ってもよい。サンプリング及び前処理の終了した唾液１０μＬ〜２０００μＬをフォトニック結晶バイオセンサー１１に送出する。

次に、ステップＳ１７では、フォトニック結晶バイオセンサー１１を、所定の時間、または必要であれば所定の温度で所定の時間、静置して抗原抗体反応を行う。

その後、ステップＳ１８では、リンス処理（ステップＳ１５）と同様に、リン酸緩衝液によりリンス処理を複数回行う。

次に、ステップＳ１９では、標的物質検出装置１０を用いて、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に光を照射する。このときに照射する光は、ステップＳ１１で反射面２９に照射した光と同一である。そして、標的物質検出装置１０は、反射面２９からの反射光ＬＲ、例えば、反射光強度のスペクトルを計測する被検出溶液の検出ステップを行う。

フォトニック結晶バイオセンサー１１の反射光強度の極値における波長は、反射面２９または反射面２９の近傍での抗原抗体反応などにより影響を受けて変化する。このため、反応前後の反射光強度の極値における波長の差、すなわち波長シフト量から、唾液中のコルチゾールを検出できる。図１７は、反射光の波長（スペクトル）に対する反射光強度を示している。図１７のＧＢは、標的物質が捕捉される前の反射光であって、ステップＳ１３において抗体を吸着させた（固定された）反射面２９の反射光強度と波長との関係を示している。図１７のＧＡは、フォトニック結晶の反射面に固定された抗体に抗原が捕捉された場合における反射光強度と波長との関係を示している。いずれも、波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの間に反射光強度の極値（極小値）Ｐａ、Ｐｂをとる。そのときの波長は、λｂ、λａ（λｂ＜λａ）である。図４に示すように、反射面を形成する金属膜の表面に固定された抗体に抗原が捕捉されると、抗原が捕捉される前の抗体を吸着させた反射面２９のみの場合よりも極値（極小値）Ｐａの波長はより大きいλａにシフトする。本実施形態では、この波長のシフト量（波長シフト量）Δλ（λａ−λｂ）を第１シフト量とする。

図１８に示すように、標的物質としてのアビジンの濃度ＤＮが増加するとともに、波長シフト量Δλも増加する。このように、波長シフト量Δλと、滴下する標的物質の濃度ＤＮとは相関があることがわかる。両者の関係は、Δλ＝ａ×ＤＮ＋ｂ（ａ、ｂは定数）の一次式で近似できる。本実施形態では、波長シフト量Δλを求めることにより、反射面に捕捉された標的物質の濃度を求める。上述した例は、ビオチンを標的物質捕捉物質とし、アビジンを標的物質とした場合であるが、標的物質としてコルチゾールを用い、標的物質捕捉物質としてコルチゾール抗体を用いた場合も同様の結果である。

そこで、ステップＳ２０では、制御部１３は、ステップＳ１９で計測した反射光強度（または反射率）の極値（極小値）における波長のシフト（第１波長シフト量）を求める。第１波長シフト量は、例えば、図１９に示す反射面２９に標的物質が捕捉された後における波長λＢと、標的物質が捕捉される前の反射光であって、ステップＳ１１において抗原を吸着させた（固定された）反射面２９の反射光強度（または反射率）の極値（最小値）に対応する波長λＡ（基準波長）との差分λＢ−λＡである。

次に、ステップＳ２１では、まず、標準溶液用タンク７４の中に濃度が既知のコルチゾールを含む溶液（標準溶液Ｗｓ）の準備をする。標準溶液Ｗｓは、１０μＬ〜２０００μＬをフォトニック結晶バイオセンサー１１に送出される。

次に、ステップＳ２２では、フォトニック結晶バイオセンサー１１を、所定の時間、または必要であれば所定の温度で所定の時間、静置して抗原抗体反応を行う。

その後、ステップＳ２３では、リンス処理（ステップＳ１５）と同様に、リン酸緩衝液によりリンス処理を複数回行う。

次に、ステップＳ２４では、標的物質検出装置１０を用いて、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に光を照射する。このときに照射する光は、ステップＳ１１で反射面２９に照射した光と同一である。そして、標的物質検出装置１０は、反射面２９からの反射光ＬＲ、例えば、反射光強度のスペクトルを計測する標準溶液の検出ステップを行う。

ステップＳ２５では、制御部１３は、ステップＳ２４で計測した反射光強度（または反射率）の極値（極小値）における波長のシフト（第２波長シフト量）を求める。第２波長シフト量は、例えば、図１９に示す反射面２９に標的物質が捕捉された後における波長λＣと、標的物質が捕捉される前の反射光であって、ステップＳ１５において抗体を吸着させた（固定された）反射面２９の反射光強度（または反射率）の極値（最小値）に対応する波長λＡ（基準波長）との差分λＣ−λＡである。上述したように、標的物質検出装置１０は、図１９に示す時間（Ｔｉｍｅ）Ｔ１からステップＳ１５を処理する。そして、図１９に示す時間（Ｔｉｍｅ）ＴａからステップＳ１６を処理すると、反射光強度のスペクトルが変化する。そして、制御部１３は、図１９に示す時間（Ｔｉｍｅ）Ｔ２で、図１４に示す反射面２９の抗体３４に標的物質（抗原３６）が捕捉された後における波長λＢを記憶することができる。そして、図１９に示す時間（Ｔｉｍｅ）ＴｂからステップＳ２１を処理すると、反射光強度のスペクトルが変化する。また、制御部１３は、図１９に示す時間（Ｔｉｍｅ）Ｔ３において、反射面２９の抗体３４に既知の濃度が判明している抗原３６が捕捉された後における波長λＣを記憶することができる。

上述したように、標準溶液Ｗｓの標的物質の濃度が既知である場合、制御部１３は、記憶部に標的物質の濃度Ｌαを記憶しておく。ステップＳ２５において、制御部１３は、被検出溶液Ｗｉの標的物質の濃度Ｌβは、下記式で求めることができる。

Ｌβ＝Ｌα×（（λＢ−λＡ）／（λＣ−λＡ）） ・・・（１）

このように、制御部１３は、第１シフト量の（λＢ−λＡ）を第２シフト量の（λＣ−λＡ）で除した値（（λＢ−λＡ）／（λＣ−λＡ））と、標準溶液Ｗｓが含む標的物質の濃度Ｌαとの積を、被検出溶液Ｗｉが含む標的物質の濃度Ｌβとして求める。制御部１３は、第１シフト量の（λＢ−λＡ）を第２シフト量の（λＣ−λＡ）で除した値（（λＢ−λＡ）／（λＣ−λＡ））と、標準溶液Ｗｓが含む標的物質の濃度Ｌαとの関係を予め検量線で求めておき、値（（λＢ−λＡ）／（λＣ−λＡ））と検量線とから被検出溶液Ｗｉが含む標的物質の濃度Ｌβを求めてもよい。このように、制御部１３は、第１シフト量の（λＢ−λＡ）を第２シフト量の（λＣ−λＡ）で除した値（（λＢ−λＡ）／（λＣ−λＡ））に基づいて、被検出溶液Ｗｉが含む標的物質の濃度Ｌβを求めることができる。

上述した例では、標的物質が捕捉されていない状態の反射面２９における反射光強度の極値の波長を用いて波長シフト量を求めたが、これに限定されるものではない。また、ステップＳ１５、ステップＳ１９において、極値が複数ある場合には、着目する極値を適宜選定する。

標準溶液の濃度が既知であるので、標準溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、センサ個体差等の誤差を把握することができる。このため、被検出溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、誤差を補正により除去することにより、標的物質検出装置１０は、フォトニック結晶バイオセンサー１１の個体差を補正し、検出値の信頼性を高めることができる。その結果、標的物質検出装置は、標的物質を精度よく検出することができる。また、光検出装置５３は、被検出溶液の標的物質が捕捉された反射面で反射された反射光を検出した後に、標準溶液の標的物質が捕捉された当該反射面で反射された反射光を検出する。このため、標的物質検出装置は、同じ標的物質捕捉構造体２５を用いても測定毎にばらつく、反射面上の分子数、反射面上の分子または反応させる分子の活性個体差が、被検出溶液の検出と、標準溶液の検出とで相関がある。そして、標準溶液の濃度が既知であるので、標準溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、フォトニック結晶バイオセンサー１１の個体差に加え、反射面上の分子数、反射面上の分子または反応させる分子の活性個体差等の誤差を把握することができる。その結果、被検出溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、誤差を補正により除去することにより、標的物質検出装置１０は、測定によるばらつきを補正し、検出値の信頼性を高めることができる。その結果、標的物質検出装置１０は、標的物質を精度よく検出することができる。

また、標的物質検出装置１０は、平行光でフォトニック結晶バイオセンサー１１の反射面２９に対して垂直に光（入射光ＬＩ）を照射し、反射面２９で垂直に反射した反射光ＬＲを受光して、標的物質（例えば、コルチゾール）を検出したり、標的物質の濃度を求めたりする。そして、標的物質捕捉装置２１は、凹部２８Ｂの壁面２８ａが凹部２８Ｂの底面２８ｂに対して所定の角度を有するように反射面２９に形成されているため、反射光ＬＲのピーク波長の特定を容易に行うことができる。このため、標的物質の検出精度及び濃度の計測精度をさらに向上させることができる。また、コルチゾール抗体溶液、唾液、リンス液などの使用量を大幅に低減することができる。

なお、本実施形態では、標的物質捕捉装置２１は、反射面２９に抗体３４を固定しているが、これに限定されるものではなく、標的物質捕捉装置２１は、反射面２９に抗体３４を固定しないで用いてもよい。

（変形例）
実施形態１の変形例に係る標的物質捕捉部を備えた標的物質検出装置について説明する。本実施形態に係る標的物質捕捉部は、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に固定するものを抗原（標的物質）３６とし、この抗原３６に抗体３４を吸着させることに変更したこと以外は実施形態１と同様であるため、重複した説明は省略する。

図２０及び図２１は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。抗体３４と、抗原３６との特異的反応として、本実施形態では、抗原３６としてコルチゾールと、抗体３４として抗コルチゾール抗体とを用いて説明する。

まず、図２０に示すように、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に抗原３６を固定する手段として、抗体３４を反射面２９に固定する手段と同様に行うことができる。抗原３６を反射面２９に固定する手段としては、例えば、共有結合、化学吸着、物理吸着などの、化学的結合、物理的結合方法が挙げられる。これらの手段は、抗原３６の性質に応じて適宜選択することができる。

標的物質捕捉装置２１に固定される抗原３６の量は、一定量である。これにより、標的物質捕捉装置２１に固定される抗原３６に抗体３４が吸着して複合体６５（図２３、図２４参照）が形成された場合に、形成された複合体６５の量と相関する物理量を、フォトニック結晶バイオセンサー１１が出力できる。固定される抗原３６の一定量は、適宜変更してもよく、例えば、試料Ｓに含まれる抗原３６の量の範囲によって最適な量に設定することができる。

その後、図２１に示すように、ブロッキング剤３５を反射面２９の抗原３６の付着していない箇所に固定させる。

次に、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９に、例えば３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の光（入射光）ＬＩを平行光で、かつ光軸が反射面２９と直交するように照射する。このときの反射光ＬＲの強度または反射率が極値（この例では極小値）となる波長を光検出部１２が検出する。

［実施形態２］
実施形態２に係る標的物質捕捉部を備えた標的物質検出装置について説明する。実施形態１及び変形例と同様である構成の重複した説明は省略する。図２２は、実施形態２に係る標的物質の検出方法のフローチャートである。図２３〜２５は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。図２６は、反射光の強度の極値における第１波長シフト量と第２波長シフト量との関係を示す図である。実施形態２において、標的物質は、反射面２９に固定された抗原３６と反応する抗体３４であり、抗原３６としてコルチゾールと、抗体３４として抗コルチゾール抗体とを用いて説明する。

まず、ステップＳ３１では、コルチゾール溶液（コルチゾール濃度１μｇ／ｍｌ〜２０００μｇ／ｍｌ）を標的物質捕捉装置２１の反射面２９に滴下する。そして、所定の時間または必要であれば、フォトニック結晶バイオセンサー１１を所定の温度で所定の時間静置し、上述した上述した実施形態１の変形例と同様に、図２０に示す抗原３６としてコルチゾール抗体を標的物質捕捉装置２１の反射面２９に吸着させる。そして、図２１に示すように、ブロッキング剤３５を反射面２９の抗原３６の付着していない箇所に固定させる。反射面２９は、実施形態１と同様に適宜リンス処理をしてもよい。

次に、ステップＳ３２では、光検出部１２は、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９に光を照射したときの反射面２９からの反射光ＬＲを検出し、制御部１３は、反射光ＬＲを計測する。制御部１３は、例えば、反射光ＬＲの反射光強度のスペクトルを計測する。反射面２９に照射する光（入射光ＬＩ）の波長は、例えば３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。その結果、制御部１３は、図２６に示すような、標的物質が捕捉される前の反射光であって、ステップＳ３１において抗原を吸着させた（固定された）反射面２９の反射光強度（または反射率）の極値（最小値）に対応する波長λＡ（基準波長）を記憶することができる。

次に、ステップＳ３３では、図２３に示すように、抗原３６と抗体３４との複合体６５と、抗体３４とを含む混合物Ｍを準備する。混合物Ｍは、抗原３６を含む試料Ｓと既知濃度の抗体３４を含む溶液Ｇとを混合することで得られる。複合体６５は、抗原３６を含む試料Ｓと既知量の抗体３４を含む溶液Ｇとを混合することで、抗体３４と抗原３６とが反応して得られる。混合に際しては、溶液Ｇに含まれる抗体３４が有する抗原３６との結合部位の総量が試料Ｓに含まれる抗原３６の総量よりも多くなるよう、溶液Ｇの濃度を予め調整する。これにより、混合物Ｍに含まれる抗体３４の一部は、その結合部位が抗原３６と結合せずに残る。このように、混合物Ｍには、抗原未結合（コルチゾール未結合）であった抗体３４が存在している。そして、被検出溶液用タンク７３は、混合物Ｍを被検出溶液Ｗｉとして貯留して、供給の準備がされている。なお、ステップＳ３３は、後述するステップＳ３５の処理までに完了していれば、いつ処理されていてもよい。

次に、ステップＳ３４では、ステップＳ３３で製作した被検出溶液Ｗｉに含まれる抗体３４の濃度と同じ濃度であって、かつ抗原３６と結合してない抗体３４のみを含む標準溶液Ｗｓを準備する。そして、標準溶液用タンク７４は、標準溶液Ｗｓを供給する準備がされている。なお、ステップＳ３４は、後述するステップＳ３９の処理までに完了していれば、いつ処理されていてもよい。

次に、ステップＳ３５では、被検出溶液Ｗｉがフォトニック結晶バイオセンサー１１に送出される。そうすると、混合物Ｍが、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に接触する。

次に、ステップＳ３６では、フォトニック結晶バイオセンサー１１を、所定の時間、または必要であれば所定の温度で所定の時間、静置する抗原抗体反応を行う。これにより、図２４に示すように、混合物Ｍ中で抗原未結合（コルチゾール未結合）であった抗体３４と反射面２９に固定された抗原３６とは、複合体６５となり、この複合体６５が反射面２９に付着する。

次に、ステップＳ３７では、標的物質検出装置１０を用いて、図２５に示すように、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に光を照射する。このときに照射する光は、ステップＳ３１で反射面２９に照射した光と同一である。そして、標的物質検出装置１０は、反射面２９からの反射光ＬＲ、例えば、反射光強度のスペクトルを計測する被検出溶液の検出ステップを行う。その結果、制御部１３は、図２６に示すような、図２５に示す反射面２９に標的物質が捕捉された後における波長λＢを記憶することができる。

フォトニック結晶バイオセンサー１１の反射光強度の極値における波長は、反射面２９または反射面２９の近傍での抗原抗体反応などにより影響を受けて変化する。そこで、ステップＳ３８において、制御部１３は、ステップＳ３７で計測した反射光強度（または反射率）の極値（極小値）における波長のシフト（第１波長シフト量）を求める。第１波長シフト量は、例えば、図２５に示す反射面２９に標的物質が捕捉された後における波長λＢと、基準波長λＡとの差分λＢ−λＡである。標的物質捕捉装置２１の反射面２９における表面状態の変化に応じて、第１波長シフト量は変化する。このように、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、光学的な物理量を出力する。この物理量は、反射面２９における表面状態の変化に相関し、反射面２９に固定された抗原３６と抗体３４とで形成される複合体６５の量と相関する。

実施形態２に係る標的物質捕捉装置２１は、抗原３６であるコルチゾールを固定させて、抗体３４である抗コルチゾール抗体を反応させている。抗原３６であるコルチゾールの分子量は、抗体３４である抗コルチゾール抗体の分子量に比較して、非常に小さい。このため、ステップＳ３３において抗原未結合（コルチゾール未結合）の抗体３４が、ステップＳ３１で反射面２９に固定された抗原３６に結合した量は、波長のシフトとして捉えやすい。その結果、上記実施形態１のように、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に抗体３４を固定させた後、抗体３４に抗原３６を反応させる場合と比較して、本実施形態のように、標的物質捕捉装置２１の反射面２９にコルチゾールを固定させた後、コルチゾールに抗コルチゾール抗体を反応させる場合の方が、標的物質捕捉装置２１の表面状態の変化が大きくなり、フォトニック結晶バイオセンサー１１の感度が向上する。このため、本実施形態によれば、フォトニック結晶バイオセンサー１１の感度をさらに高くすることができる。

次に、ステップＳ３９では、まず、ポンプ７１が、標準溶液用タンク７４の中に濃度が既知の抗体３４である抗コルチゾール抗体を流路部２４ｆへ送出する。標準溶液Ｗｓは、１０μＬ〜２０００μＬがフォトニック結晶バイオセンサー１１に送出される。

次に、ステップＳ４０では、フォトニック結晶バイオセンサー１１を、所定の時間、または必要であれば所定の温度で所定の時間、静置して抗原抗体反応を行う。実施形態２に係る標的物質捕捉装置２１は、フォトニック結晶バイオセンサー１１が、例えば、標準溶液Ｗｓが含む抗体３４を、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に固定された抗原３６と反応させる。標準溶液Ｗｓと被検出溶液Ｗｉとに含まれる抗体３４の濃度は同じであるが、被検出溶液Ｗｉに含まれる抗体３４は、その結合部位の一部が抗原３６と結合しているため、標準溶液Ｗｓに含まれる抗体３４が有する抗原３６との結合部位の総量は、被検出溶液Ｗｉよりも多い。この結果、ステップＳ４０において、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に固定された抗原３６に結合した抗体３４の量は、ステップＳ３５のときよりも増加し、標的物質捕捉装置２１の表面状態はステップＳ３５のときよりもさらに大きく変化する。

次に、ステップＳ４１では、標的物質検出装置１０を用いて、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に光を照射する。このときに照射する光は、ステップＳ３１で反射面２９に照射した光と同一である。そして、標的物質検出装置１０は、反射面２９からの反射光ＬＲ、例えば、反射光強度のスペクトルを計測する標準溶液の検出ステップを行う。上述したように、標的物質検出装置１０は、図２６に示す時間（Ｔｉｍｅ）Ｔ１からステップＳ３２を処理する。そして、図２６に示す時間（Ｔｉｍｅ）ＴａからステップＳ３５を処理すると、反射光強度のスペクトルが変化する。そして、制御部１３は、図２６に示す時間（Ｔｉｍｅ）Ｔ２で、図２５に示す反射面２９に標的物質が捕捉された後における波長λＢを記憶することができる。そして、図２６に示す時間（Ｔｉｍｅ）ＴｂからステップＳ３９を処理すると、反射光強度のスペクトルが変化する。また、制御部１３は、図２６に示す時間（Ｔｉｍｅ）Ｔ３において、反射面２９の抗原３６に既知の濃度が判明している抗体３４が捕捉された後における波長λＣを記憶することができる。

ステップＳ４２では、制御部１３は、ステップＳ２４で計測した反射光強度（または反射率）の極値（極小値）における波長のシフト（第２波長シフト量）を求める。第２波長シフト量は、例えば、反射面２９の抗原３６に既知の濃度が判明している抗体３４が捕捉された後における波長λＣと、基準波長λＡとの差分λＣ−λＡである。

上述したように、標準溶液Ｗｓの標的物質である抗体の濃度が既知である場合、制御部１３は、記憶部に標的物質の濃度Ｌγを記憶しておく。試料Ｓに含まれる抗原３６の結合する部位の量をＸ、混合物Ｍ中の抗体３４の結合する部位の既知量をＣとする。このとき、ＸとＣとの関係は、ＸをＣよりも少なくする（Ｘ＜Ｃ）。混合物Ｍ中において、抗原３６と抗体３４とが抗原抗体反応して、複合体６５が形成される。ＸはＣよりも少ない（Ｘ＜Ｃ）ので、混合物Ｍ中の抗原未結合（コルチゾール未結合）の抗体３４の量は、Ｃ−Ｘとなる。そして、混合物Ｍを、一定量の抗原３６が固定された反射面２９に接触させると、混合物Ｍ中の抗体３４が反射面２９の抗原３６と抗原抗体反応して、複合体６５が形成される。ステップＳ３１において反射面２９に固定されている抗原３６の量は、混合物Ｍ中の抗体３４の量Ｃ−Ｘ以上である。ここで、フォトニック結晶バイオセンサー１１毎の標的物質の検出値は、ステップＳ３１において反射面２９に固定されている抗原３６の量、またはステップＳ３１において反射面２９に固定されている抗原３６が混合物Ｍ中の抗原未結合（コルチゾール未結合）の抗体３４に対して活性である活性個体の量の個体差の影響がある。そこで、標的物質の検出値がフォトニック結晶バイオセンサー１１毎にばらつき、標的物質の検出値の信頼性を確保することが望まれている。

標準溶液の検出ステップ（Ｓ４１）で検出した検出値は、被検出溶液の検出ステップ（ステップＳ３７）で検出した検出値と同程度に、ステップＳ３１において反射面２９に固定されている抗原３６の量、またはステップＳ３１において反射面２９に固定されている抗原３６が混合物Ｍ中の抗原未結合（コルチゾール未結合）の抗体３４に対して活性である活性個体の量の個体差の影響である誤差を含んでいる。このため、第２シフト量も第１シフト量と同程度に誤差を含んでいるので、第２シフト量及び第１シフト量が含む誤差は、それぞれの真の値に対して同じ比率又は傾向の相関がある。

制御部１３は、第１シフト量の（λＢ−λＡ）を第２シフト量の（λＣ−λＡ）で除した値（（λＢ−λＡ）／（λＣ−λＡ））を演算すると、値（（λＢ−λＡ）／（λＣ−λＡ））には誤差が相殺されることになる。第１波長シフト量Δλ１＝λＢ−λＡ、第２波長シフト量Δλ２とした場合、Δλ１は、（Ｃ−Ｘ）に比例し、Δλ２は、Ｃに比例する。従って、制御部１３は、下記式（２）を演算することができる。

（Δλ１／Δλ２）＝ｋ×（（Ｃ−Ｘ）／Ｃ） ・・・（２）

ここでｋは、（Δλ１／Δλ２）と（（Ｃ−Ｘ）／Ｃ）との相関を検量線などで実験的に求めた定数である。ステップＳ４３において、制御部１３は、上記式（２）を演算し、抗原３６の量Ｘは、Ｃ−（Δλ１／Δλ２）×（Ｃ／ｋ）で求めることができる。抗原３６の濃度は、抗原３６の量Ｘに基づいて求めることができる。その結果、制御部１３は、被検出溶液Ｗｉの抗原３６の濃度を求めることができる。このように、制御部１３は、第１シフト量Δλ１を第２シフト量Δλ２で除した値（Δλ１／Δλ２）に基づいて、被検出溶液Ｗｉが含む標的物質の濃度を求めることができる。

図２７は、評価例のばらつきを示す図である。図２７において、評価例は、実施形態２に係る標的物質捕捉装置２１である。図２７において、比較例は、ステップＳ３８における第１シフト量から、絶対量として被検出溶液Ｗｉの抗原３６の濃度を求めている。図２７に示すように、評価例は、比較例に比べ、縦軸のセンサ感度（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ（ａ．ｕ））を同じとした場合でも、ばらつきが小さくなる。

以上説明したように、標準溶液Ｗｓの抗体３４の濃度又は量が既知であるので、標準溶液Ｗｉが含む混合物Ｍ中の抗原未結合（コルチゾール未結合）の抗体３４の検出値に含まれる、センサ個体差等の誤差を把握することができる。このため、実施形態２に係る標的物質捕捉装置２１は、図２７に示すように、被検出溶液が含む標的物質の抗原の検出値に含まれる、誤差を相殺により除去することにより、標的物質検出装置１０は、フォトニック結晶バイオセンサー１１の個体差の影響を低減し、検出値の信頼性を高めることができる。その結果、実施形態２に係る標的物質検出装置２１は、標的物質を精度よく検出することができる。また、光検出装置５３は、被検出溶液Ｗｉの標的物質（抗原未結合（コルチゾール未結合）の抗体３４）が捕捉された反射面で反射された反射光を検出した後に、標準溶液Ｗｓの標的物質（抗体３４））が捕捉された当該反射面で反射された反射光を検出する。このため、標的物質検出装置は、同じ標的物質捕捉構造体２５を用いても測定毎にばらつく、反射面上の分子数、反射面上の分子または反応させる分子の活性個体差が、被検出溶液Ｗｉの検出と、標準溶液Ｗｓの検出とで相関がある。そして、標準溶液Ｗｓの抗体３４の濃度又は量が既知であるので、標準溶液Ｗｓが含む標的物質の検出値に含まれる、フォトニック結晶バイオセンサー１１の個体差に加え、反射面２９上の分子数、反射面２９上の分子または反応させる分子の活性個体差等の誤差を把握することができる。その結果、被検出溶液が含む標的物質の検出値に含まれる、誤差を相殺により除去することにより、標的物質検出装置１０は、測定によるばらつきを低減し、検出値の信頼性を高めることができる。その結果、標的物質検出装置１０は、標的物質を精度よく検出することができる。

上述した標的物質捕捉部は、標的物質捕捉構造体２５を、凹部を表面に凸部が周期的に形成された反射面を備えるフォトニック結晶にしてもよい。

１０ 標的物質検出装置
１１ フォトニック結晶バイオセンサー（標的物質捕捉部）
１２ 光検出部
１３ 制御部
２１ 標的物質捕捉装置
２２ 上部プレート
２３ 下部プレート
２４ 流路プレート
２５ 標的物質捕捉構造体
２６ 金属膜
２７ 表面
２８Ａ、２８Ｂ 円柱状の凹部（凹部）
２８ａ 壁面
２８ｂ 底面
２９ 反射面
３４ 抗体（標的物質捕捉物質）
３５ ブロッキング剤（保護物質）
３６ 抗原（標的物質）
３７、６５ 複合体
５１ 光源
５２ 測定プローブ
５３ 光検出装置
５４ 第１光ファイバー
５５ 第２光ファイバー
５６ コリメートレンズ
Ｍ 混合物
ＬＩ 入射光
ＬＲ 反射光

Claims (5)

1. 標的物質を捕捉する反射面を有し、前記反射面に照射された光を反射する標的物質捕捉部と、
   前記反射面で反射された反射光を検出する光検出部と、
   前記標的物質の濃度を求める制御部と、を含み、
   前記制御部は、前記光検出部が検出する、被検出溶液の前記標的物質が捕捉された反射面で反射された反射光の検出値と、前記標的物質の濃度が既知である標準溶液の前記標的物質が捕捉された当該反射面で反射された反射光の検出値とに基づいて、前記被検出溶液が含む前記標的物質の濃度を求めることを特徴とする標的物質検出装置。
2. 前記光検出部は、前記被検出溶液の前記標的物質が捕捉された前記反射面で反射された反射光を検出した後に、前記標準溶液の前記標的物質が捕捉された当該反射面で反射された反射光を検出する請求項１に記載の標的物質検出装置。
3. 前記標準溶液が含む前記標的物質の濃度は、前記被検出溶液が含む前記標的物質の濃度よりも大きい請求項１または２に記載の標的物質検出装置。
4. 前記制御部は、
   前記標的物質が捕捉される前の前記反射光の極値の基準波長と前記被検出溶液が含む前記標的物質が捕捉された反射面で反射された反射光の極値の波長との差である第１シフト量と、
   前記基準波長と前記標準溶液の前記標的物質が捕捉された反射面で反射された反射光の極値の波長との差である第２シフト量とを演算し、
   前記第１シフト量を前記第２シフト量で除した値に基づいて、前記被検出溶液が含む前記標的物質の濃度として求める請求項１から３のいずれか１項に記載の標的物質検出装置。
5. 反射面に光を照射し、前記反射面で反射された反射光を検出するステップと、
   被検出溶液が含む標的物質を捕捉させた反射面に光を照射し、前記反射面で反射された反射光を検出する被検出溶液の検出ステップと、
   前記標的物質の濃度が既知である標準溶液の前記標的物質を捕捉させた反射面に光を照射し、前記反射面で反射された反射光を検出する標準溶液の検出ステップと、
   前記被検出溶液の検出ステップで検出した検出値と、前記標準溶液の検出ステップで検出した検出値とに基づいて前記被検出溶液が含む前記標的物質の濃度を求める濃度演算ステップと、
   を含むことを特徴とする標的物質の検出方法。

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