JP2014215285A - 標的物質捕捉装置及び標的物質捕捉装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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捕捉装置及び標的物質捕捉装置の製造方法を提供する。
【解決手段】標的物質捕捉装置は、一面の表面に周期的な凹部又は凸部を有する反射面を有し、標的物質捕捉構造体と、反射面の少なくとも一部を被覆する金属膜とを含み、標的物質捕捉構造体の少なくとも反射面側は、ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂である。
【選択図】図１０

Description

本発明は、標的物質を検出する標的物質捕捉装置及び標的物質捕捉装置の製造方法に関する。

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、標的物質の検出や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

微細構造であるフォトニック結晶基板を作製することは容易ではなく、少しの欠陥が反射光の波長スペクトルに大きな影響を及ぼす可能性がある。そこで、精度の高いフォトニック結晶の反射面を形成するには、熱ナノインプリント技術が有用である。しかしながら、熱ナノインプリント技術によっても、フォトニック結晶は、成形時の熱収縮によってフォトニック結晶の反射面の寸法精度が低下する可能性がある。

本発明は、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捕捉装置及び標的物質捕捉装置の製造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、標的物質捕捉装置は、一面の表面に周期的な凹部又は凸部を有する反射面を有し、標的物質捕捉構造体と、前記反射面の少なくとも一部を被覆する金属膜とを含み、前記標的物質捕捉構造体の少なくとも反射面側は、ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂であることを特徴とする。

この構造により、成形加熱時の温度を低くすることができる。このため、加熱から冷却までの温度差が小さくなり熱収縮率を低減することができる。そして、凹部又は凸部の周囲の輪郭が欠陥となる可能性を低減できる。その結果、標的物質捕捉装置は、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、前記ガラス転移温度よりも３０℃以上５０℃以下で加熱する熱ナノインプリントにより前記凹部又は前記凸部が加工されている。このため、成形加熱時の温度を低くすることができる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、標的物質捕捉装置の製造方法は、ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂であって、シート状のシート状樹脂を準備する工程と、所定のパターンを有する金型を前記ガラス転移温度よりも３０℃以上５０℃以下で加熱し、かつ前記シート状樹脂に押圧する工程と、前記金型を離型した前記シート状樹脂に転写された周期的な凹部又は凸部に金属膜を成膜する工程と、を含むことを特徴とする。

この製造方法により、成形加熱時の温度を低くすることができる。このため、加熱から冷却までの温度差が小さくなり熱収縮率を低減することができる。そして、凹部又は凸部の周囲の輪郭が欠陥となる可能性を低減できる。その結果、標的物質捕捉装置は、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捕捉装置及び標的物質捕捉装置の製造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、標的物質捕捉装置の斜視図である。 図３は、標的物質捕捉装置の平面図である。 図４は、図３におけるＡ−Ａ断面を示す図である。 図５は、標的物質捕捉装置の凹部の壁面の部分拡大図である。 図６は、標的物質捕捉装置の他の凹部の壁面の部分拡大図である。 図７は、実施例１のピーク波長（スペクトル）に対する反射率を示す図である。 図８は、実施例２のピーク波長（スペクトル）に対する反射率を示す図である。 図９は、実施例１及び実施例２の時間とピーク波長（スペクトル）との関係を示す図である。 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、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。 図１３は、比較例に係る標的物質捕捉装置の平面図である。 図１４は、図１３におけるＢ−Ｂ断面を示す図である。 図１５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１６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１７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１８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１９は、フォトニック結晶バイオセンサーを説明する図である。 図２０は、フォトニック結晶バイオセンサー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を説明する図である。 図２２は、フォトニック結晶バイオセンサー固定手段を説明する図である。 図２３は、フォトニック結晶バイオセンサー固定手段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別の形態を説明する図である。 図２５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２６は、標的物質検出装置の光検出部が有する測定プローブの構造を示す図である。 図２７は、標的物質検出装置の光検出部の評価条件を示す図である。 図２８は、標的物質検出方法のフローチャートである。 図２９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３０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３１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３２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３３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。

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装置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。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（標的物質捕捉装置）１１と、光検出部１２と、処理部１３とを含む。

［フォトニック結晶バイオセンサー］
まず、フォトニック結晶バイオセンサー１１について説明する。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とを含む。上部プレート２２は、開口部２４が設けられている。本実施形態においては、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、上部プレート２２と下部プレート２３とにより標的物質捕捉装置２１を挟む構造である。なお、本実施形態においては、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、上部プレート２２及び下部プレート２３を含んで形成されているが、これに限定されるものではなく、標的物質捕捉装置２１のみで形成されていてもよい。

（標的物質捕捉装置）
図２は、標的物質捕捉装置２１の斜視図である。図３は、標的物質捕捉装置２１の平面図である。図４は、図３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。後述する図５、図６も同様である。なお、図２〜図６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２〜図４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２〜図４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、四角の格子、六角の格子などでもよい。凹部２８Ａは、三角形、四角、六角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２〜図４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。

標的物質捕捉構造体２５は、少なくとも反射面側がガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂である。標的物質捕捉構造体２５の全ての材料は、ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂であってもよい。標的物質捕捉構造体２５を作成するに当たり一度その樹脂のガラス転移点以上に温度を上げる必要がある。そのため、冷却固化時の容積変化が少なく寸法精度が出しやすい。ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂としては、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：Polyvinyl Chloride）、ポリスチレン（ＰＳ：Polystyrene）、ＡＳ樹脂（ＳＡＮ：Styrene AcryloNitrile copolymer）、ＡＢＳ樹脂、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ：Polymethylmethacrylate）、ポリカーボネート（ＰＣ：Polycarbonate）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍＰＰＥ：modified-Polyphenyleneether）、ポリアリレート（ＰＡＲ：Polyarylate−PAR）、ポリスルホン（ＰＳＵ：polysulfone）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ：Polyethersulfone）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ：Polyamidimide）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ：Polyetherimide）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ：Cycloolefin Polymer）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ：Cycloolefin Copolymer）のいずれか１つである。

ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂は、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ：Cycloolefin Polymer）またはシクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ：Cycloolefin Copolymer）のポリシクロオレフィン系合成樹脂（ポリシクロオレフィン系ポリマー）がより好ましい。

ポリシクロオレフィン系合成樹脂は、プラスチックの中でも最小の吸水性（０．０１％未満）である。ポリシクロオレフィン系合成樹脂は、高湿度下でも寸法安定性に優れている。通常、合成樹脂には、その合成過程において様々な不純物が微量に含まれている。ポリシクロオレフィン系合成樹脂は、不純物が少ないので被検出溶液を汚染することが少ない。またポリシクロオレフィン系合成樹脂は、耐熱性にすぐれ、成形品の反り、変形がほとんどないため、精密成形に優れ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４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）のうちのいずれか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）のうちのいずれか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。

凹部２８Ｂは、凹部２８Ｂの壁面２８ａが凹部２８Ｂの底面２８ｂに所定の角度を有して形成されている。図５は、凹部２８Ｂの壁面２８ａの部分拡大図である。また、後述する図６も同様である。なお、図５では、説明の便宜上、標的物質捕捉構造体２５の表面２７に設けられる金属膜２６は省略する。図５に示すように、凹部２８Ｂの壁面２８ａは、凹部２８Ｂの平坦となる底面２８ｂに所定の角度を有している。凹部２８Ｂの底面２８ｂの重心を通る断面において、凹部２８Ｂの壁面２８ａと底面２８ｂとの境界を第１境界部３１とする。表面２７と凹部２８Ｂの壁面２８ａとの境界を第２境界部３２とする。底面２８ｂに対して垂直方向に第１境界部３１を通る直線と、底面２８ｂに対して水平方向に第２境界部３２を通る直線との交点を交点Ａとする。第１境界部３１と第２境界部３２とを直線で結ぶ距離をＬ１とする。第１境界部３１と交点Ａとを直線で結ぶ距離をＬ２とする。第２境界部３２と交点Ａとを直線で結ぶ距離をＬ３とする。Ｌ１とＬ２とが成す角度をθとする。このとき、凹部２８Ｂは、下記式（１）、（２）を満たすようにＬ１とＬ２とが成す角度θが形成されている。
ｔａｎθ＝Ｌ３／Ｌ２ ・・・（１）
０≦ｔａｎθ≦１．０ ・・・（２）

凹状の穴（ホール）が周期的に配列して設けられた構造を有する金属の表面に光を照射したとき、反射光の波長スペクトルにピークが観察される。反射光の波長に対する反射率が最大となる波長（ピーク波長）は、一般的に下記式（i）で求めることができる。式（i）中、λ_peakは、ピーク波長であり、a₀は、ホールの周期であり、ｉ、ｊは、回折次数であり、ε_mは、金属の誘電率であり、ε_dは、環境の誘電率である。

上記式（i）によれば、凹部２８Ｂが配置される周期を与えられればピーク波長が求まる。ピーク波長のスペクトルを観察する場合、ピーク波長のスペクトルの幅が小さい方が容易にピーク波長の位置を特定することができる。よって、凹部２８Ｂの配置される周期が明確に与えられることで、ピーク波長のスペクトルの幅は小さくなり、ピーク波長の位置が特定し易くなる。

標的物質捕捉装置２１は、凹部２８Ｂが反射面２９に周期的に形成された周期構造を有するものである。凹部２８Ｂの壁面２８ａが、上記式（１）、（２）を満たすように反射面２９に形成されることにより、反射光の波長スペクトルの形状は幅が狭くなり、反射光のピーク波長を容易に特定することができる。これにより、標的物質を精度よく検出することができる。この結果、フォトニック結晶バイオセンサー１１のセンサ感度を高めることができる。なお、反射光の波長スペクトルの形状の幅は、半値幅などである。

また、凹部２８Ｂは、下記式（２）’を満たすように形成されていることが好ましい。凹部２８Ｂの壁面２８ａが、上記式（１）、下記式（２）’を満たすように形成されることにより、反射光の波長スペクトルの形状はさらに幅が狭くなり、反射光のピーク波長をさらに容易に特定することができる。この結果、標的物質をさらに精度よく検出することができる。
０≦ｔａｎθ≦０．７・・・（２）’

式（２）及び（２）’から、θは０度以上となる。θ＝０度である場合、標的物質捕捉装置２１の表面２７と凹部２８Ｂの壁面２８ａとの接続部分Ｋが略９０度になる。接続部分Ｋが略９０度になると、標的物質捕捉装置２１の形状の制御、特に凹部２８Ｂの形状の制御が難しくなる。すなわち、凹部２８Ｂの所期の形状を得ることが難しくなる。ｔａｎθ＞０、すなわちθを０よりも大きくすることにより、特に凹部２８Ｂの所期の形状を得やすくなるので好ましい。例えば、標的物質捕捉構造体２５を射出成形型またはインプリント等で作る場合は、抜き勾配も確保できるため、好ましい。また、標的物質捕捉装置２１は、比較的圧力の高い水で洗浄されるが、接続部分Ｋの角度が略９０度になると、角が取れやすくなる。その結果、凹部２８Ｂは所期の形状を有さなくなる可能性がある。ｔａｎθ＞０、すなわちθを０よりも大きくすることにより、接続部分Ｋの角が取れる可能性を低減できるので、凹部２８Ｂは、洗浄後においても所期の形状を有するようになるので好ましい。さらに、ｔａｎθ＞０、すなわちθを０よりも大きくすることにより、凹部２８Ｂ内に水が入りやすくなるので、標的物質を確実に凹部２８Ｂに捕捉することができる。

図５に示す標的物質捕捉装置２１を用いて波長スペクトルを測定した結果を実施例１とする。図６は、標的物質捕捉装置２１の他の凹部２８Ｂの壁面２８ａの部分拡大図である。図６に示す標的物質捕捉装置２１を用いて波長スペクトルを測定した結果を実施例２とする。図７は、実施例１の反射光の波長に対する反射率を示す図である。図８は、実施例２の反射光の波長に対する反射率を示す図である。図９は、実施例１及び実施例２の時間とピーク波長との関係を示す図である。なお、実施例１では、ｔａｎθを約０．３１とし、実施例２では、ｔａｎθを約０．７１とした。また、図６中、第１境界部３１と第２境界部３２とを直線で結ぶ距離をＬ１とする。第１境界部３１と交点Ａとを直線で結ぶ距離をＬ２とする。第２境界部３２と交点Ａとを直線で結ぶ距離をＬ３とする。また、図７、図８中、波長幅は、２００ｎｍとした。図７〜図９中、照射する光は白色光を用いた。反射率は、標準物質（アルミニウム板）の反射光強度に対する比率である。

図７、図８に示すように、実施例１の方が実施例２よりもピーク波長の形状は幅が狭く、反射光のピーク波長を容易に特定することができる。また、図９に示すように、実施例１の方が実施例２よりもピーク波長の波長幅のぶれは小さく、ノイズが少ない。よって、実施例２のように、ｔａｎθが大きいと、反射面２９における凹部２８Ｂの周期が不明瞭となり易くなるため、ピーク波長のスペクトルの幅が大きくなり、ピーク波長の位置が特定し難くなると共に、ノイズの発生源となりやすいことがいえる。これに対し、実施例１のように、ｔａｎθが小さいと、反射面２９における凹部２８Ｂの周期がより明確となるため、ピーク波長のスペクトルの幅が小さくなり、ピーク波長の位置が特定し易くなると共に、ノイズを減少することができるといえる。このことから、反射光の波長スペクトルの形状の幅が狭く、反射光のピーク波長を容易に特定することができるようにするためには、反射面２９の表面２７における凹部２８Ｂの周期が明確であることが重要であるといえる。そして、凹部２８Ｂの周期を明確にすることは、凹部２８Ｂの壁面２８ａが底面２８ｂに対して形成される角度に依存するといえる。

標的物質捕捉装置２１の表面は、凹部２８Ｂの壁面２８ａが上記式（１）、（２）を満たすように形成されている。そのため、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に光を照射すると、反射光の波長スペクトルの形状は幅が狭くなり、反射光のピーク波長を容易に特定することができる。これにより、標的物質を精度よく検出することができ、フォトニック結晶バイオセンサー１１のセンサ感度を高めることができる。

（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１０、図１１及び図１２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に示すように、まず、ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂であるシート状のシート状樹脂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１１に示すように、製造装置は、加熱した金型ＤＩをシート状のシート状樹脂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シート状樹脂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。実施形態１に係るシート状樹脂Ｐは、上述の通り非晶性樹脂である。このため、シート状樹脂Ｐのガラス転移温度よりも少し高い所定温度で加熱すれば、成形が可能である。また、非晶性樹脂の場合、冷却過程において再結晶化が起こらないので、精度の高い成形品である標的物質捕捉構造体２５が得られる。

シート状樹脂Ｐがシクロオレフィン系ポリマーの場合には、金型ＤＩをシート状樹脂Ｐのガラス転移温度よりも３０℃以上５０℃以下まで加熱し、約１２ＭＰａの圧力で所定時間押圧し、シート状樹脂Ｐのガラス転移温度よりも低い金型ＤＩの温度、例えば６０℃程度まで冷却する。その後、金型ＤＩがシート状樹脂Ｐから離型する。例えば、シクロオレフィン系ポリマーがシクロオレフィンポリマーである場合、シート状樹脂Ｐのガラス転移温度は、１３６℃である。シクロオレフィン系ポリマーがシクロオレフィンコポリマーである場合、シート状樹脂Ｐのガラス転移温度は、１３４℃である。シクロオレフィン系ポリマーは、炭素数３〜１０で構成する環状構造をもつシクロオレフィン系ポリマーが好ましく、その中でも炭素数４〜６で構成する環状構造をもつシクロオレフィン系ポリマーがより好ましい。

標的物質捕捉構造体２５を作製した後、図１２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）。

図１３は、比較例に係る標的物質捕捉装置の平面図である。図１４は、図１３におけるＢ−Ｂ断面を示す図である。図１３は、比較例のシート状樹脂が、結晶性樹脂であるポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ：Polyethylene terephthalate）である場合、金型ＤＩの形状に応じて凹部２８Ｂａが周期的に並ぶ。結晶性樹脂であるポリエチレンテレフタラートは、ガラス転移温度が６９℃であるが、ガラス転移温度よりもかなり温度の高い融点温度２６４℃で結晶が溶ける樹脂である。

シート状樹脂Ｐが結晶性樹脂の場合、図１３に示すように、比較例の凹部２８Ｂａの凹みにあった樹脂が周囲の輪郭部分７１にはみ出してしまう可能性がある。比較例の結晶性樹脂の場合、上述した工程２において、製造装置は、金型ＤＩを融点程度まで加熱しないと、シート樹脂Ｐを成形することが難しい。結晶性樹脂は、融点程度まで加熱した後冷却の過程で再結晶化する。非結晶樹脂は、再結晶化に伴って、体積収縮が大きくなり、歪みが生じる可能性がある。その結果、図１４に示すように、輪郭部分７１は、凹部２８Ｂａの周囲に均一に形成されず、輪郭部分７２と、輪郭部分７３とのように高低差が生じる可能性もある。輪郭部分７２と、輪郭部分７３との高低差は、反射光の波長スペクトルに大きな影響を及ぼす可能性がある。このとき、凹部２８Ｂａは、上述した式（１）、（２）を満たすようにＬ１とＬ２とが成す角度θが形成されにくくなる。

（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４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の反射面２９に滴下し、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１５〜図１８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１５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１６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１７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１８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に示す処理部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。この構造については後述する。

（フォトニック結晶バイオセンサーの作製方法）
次に、図１に示すフォトニック結晶バイオセンサー１１の作製の一例について説明する。図１９、図２０及び図２１は、フォトニック結晶バイオセンサー１１の説明図である。図１９に示すように、標的物質捕捉装置２１を下部プレート２３に設置した後、図２０に示すように、上部プレート２２を下部プレート２３の上に設置して、標的物質捕捉装置２１を、下部プレート２３と上部プレート２２とにより挟むことにより、フォトニック結晶バイオセンサー１１が作製される。開口部２４の下部プレート２３側における端部は、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９により閉塞される。このような構造により、上部プレート２２は、開口部２４側の内壁と反射面２９とで囲まれて形成される、一定容積の液滴保持部３８を有する。開口部２４側の内壁とは、上部プレート２２と開口部２４との境界面である、上部プレート２２の内壁をいう。

図２１は、液滴保持部３８に所定の溶液を滴下した状態を示す。この場合、液滴保持部３８が液滴保持機能を発揮するため、開口部２４から溶液が流出するのを抑制する。また、溶液の量としては、液滴保持部３８に広がる程度の量があれば、標的物質の十分な検出・測定が可能となる。

開口部２４の形状は、円柱形に限らず、開口部２４の内部に液滴を保持することができれば、他の形状としてもよい。また、開口部２４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。開口部２４の直径は、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、０．５ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは、２ｍｍ〜６ｍｍである。

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。ただし、上部プレート２２及び下部プレート２３の表面の清浄度などを考慮すると、ステンレス鋼、ポリシクロオレフィン系樹脂、シリカなどを用いて形成されることが好ましい。

次に、フォトニック結晶バイオセンサー１１の別の形態について説明する。上部プレート２２は、疎水性の材料で形成してもよい。特に、唾液などのいわゆる親水性の溶液の検出・測定を行う場合に、上部プレート２２が疎水性の材料で形成されていれば、液滴保持部３８に的確に溶液を集めることができる。また、脂質などのいわゆる親油性の溶液の検出・測定を行う場合、上部プレート２２が疎水性の材料で形成されていれば、液滴保持部３８に的確に溶液を集めることができる。

さらに、上部プレート２２は、撥水性若しくは撥油性または撥水撥油性のある材料で形成してもよい。すなわち、疎水性、親油性、親水性、撥水性、撥油性を発揮する表面処理またはコーティングを溶液の性質に合わせて上部プレート２２に施してもよい。このようにすることで、液滴保持部３８に的確に溶液を集めることができる。

フォトニック結晶バイオセンサー１１は、フォトニック結晶バイオセンサー１１の下部に、図１に示す光検出部１２に対してフォトニック結晶バイオセンサー１１の位置を定めて、フォトニック結晶バイオセンサー１１を固定するための固定材（標的物質捕捉部固定手段、フォトニック結晶バイオセンサー固定手段）を装着することが好ましい。固定材としては、マグネットシート、両面テープ、接着剤などが使用できる。また、フォトニック結晶バイオセンサー１１を固定するために、固定材ではなく、固定機構として真空チャックまたは静電チャックを用いてもよい。フォトニック結晶バイオセンサー１１を固定しておくことにより、検出・測定時の振動などによる測定位置のずれを減少することが可能となる。その結果、より正確な検出・測定ができる。

図２２、図２３は、フォトニック結晶バイオセンサー固定手段を説明する図である。図２２は、マグネットシート３９の取付け前の状態を示し、図２３は、マグネットシート３９の取付け後の状態を示す。フォトニック結晶バイオセンサー１１は、フォトニック結晶バイオセンサー１１の下部側にマグネットシート３９が取り付けられている。マグネットシート３９は、フォトニック結晶バイオセンサー固定手段として機能する。

フォトニック結晶バイオセンサー１１は、熱ナノインプリントなどにより均一に作製されている。標的物質検出装置１０がより正確に反射光の検出ができるようにするため、フォトニック結晶バイオセンサー１１に照射される光の入射部位、反射部位を正確に位置決めすることが好ましい。

すなわち、フォトニック結晶バイオセンサー１１と後で説明する測定プローブとの測定時の位置関係は、抗原抗体反応の前後で同一であることが好ましく、同一の部分を測定することが好ましい。したがって、測定プローブとフォトニック結晶バイオセンサー１１の反射面２９との距離は、抗原抗体反応の前後で同一であることが好ましく、５０μｍ〜５００μｍに固定することが好ましい。フォトニック結晶バイオセンサー１１は、上部プレート２２を含むことで、上部プレート２２がスペーサとして機能し、測定プローブとフォトニック結晶バイオセンサー１１の反射面２９との距離を一定にすることができる。

また、フォトニック結晶バイオセンサー１１に、反射面２９における特定の位置を表示する、位置決め用のマーカーによってマークを付けるようにしてもよい。マーカーは、フォトリソグラフィー、スパッタリング、蒸着、これらを利用したリフトオフプロセス、インクなどによる印刷またはインプリントによるパターン形成などによって付けることができる。マーカーは、その位置を読み取ることができればフォトニック結晶バイオセンサー１１の表面（反射面２９側）または裏面（反射面２９の反対側）のどちらに付けてもよい。また、標的物質捕捉構造体２５の測定部分を外して標的物質捕捉構造体２５自体にマーカーを付けてもよい。さらに、マーカーを上部プレート２２、下部プレート２３に付けてもよい。

次に、フォトニック結晶バイオセンサー１１のさらに別の形態について説明する。図２４は、フォトニック結晶バイオセンサー１１の別の形態を説明する図である。図２４に示すように、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、開口部２４を塞ぐ部材を含む。開口部２４を塞ぐ部材は、孔付カバー４１とシート４２とを含む。孔付カバー４１は、開口部４３を有する板状部材であり、孔付カバー４１は、フォトニック結晶バイオセンサー１１の表面（反射面２９側）に設けられる。シート４２は、孔付カバー４１のフォトニック結晶バイオセンサー１１とは反対側（光の入射側）に設けられる。シート４２は、被覆部材として機能する。フォトニック結晶バイオセンサー１１は、孔付カバー４１とシート４２とにより開口部２４、４３が塞がれる。

孔付カバー４１の開口部４３側の内壁と、開口部２４側の内壁と、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９とで囲まれた空間が、一定容積の液滴保持部４４となる。開口部４３側の内壁とは、孔付カバー４１と開口部４３との境界面である、孔付カバー４１の内壁をいう。開口部４３は、液滴保持部４４に標的物質が配置された後、シート４２により覆われる。これにより、液滴保持部４４はシート４２により塞がれる。

フォトニック結晶バイオセンサー１１は、孔付カバー４１及びシート４２を備えることで、フォトニック結晶バイオセンサー１１の開口部２４に滴下された溶液の蒸発を抑制することができる。このため、抗原抗体反応時の蒸発などによる溶液の濃度が変化するのを抑制することができる。また、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、孔付カバー４１及びシート４２を備えることで、外部から溶液へ異物が混入することを防止することができる。

さらに、液滴保持部４４に溶液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。この場合、シート４２は透明な材料であることが好ましく、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、シート４２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。

［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。

図２５は、光検出部１２がフォトニック結晶バイオセンサー１１に光を照射する例を示す図である。図１に示す第１光ファイバー５４は、図１に示す光源５１からの光を測定プローブ５２に導き、測定プローブ５２からフォトニック結晶バイオセンサー１１が有する標的物質捕捉装置２１の反射面２９へ照射する。コリメートレンズ５６は、第１光ファイバー５４から出射し、測定プローブ５２から照射された光を平行光にしてから、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９へ入射光ＬＩとして照射する。第２光ファイバー５５は、標的物質捕捉装置２１の反射面２９で反射した光を反射光ＬＲとして受光し、図１に示す光検出装置５３へ導く。コリメートレンズ５６の種類は特に限定されないが、例えば、ナノストラクチャーを持つ反射防止フィルムを用いることができる。光検出装置５３は、例えば、フォトトランジスタまたはＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの受光素子を備えた、光を検出するための装置である。

図２６は、図１に示す光検出部１２が有する測定プローブ５２の構造を示す図である。測定プローブ５２は、第１光ファイバー５４と第２光ファイバー５５とが接合される。そして、測定プローブ５２は、第１光ファイバー５４の光の出射面６１と、第２光ファイバー５５の反射光ＬＲの入射面６２とが同一の面（入出射面）６３上に配置される。このように、測定プローブ５２は、第１光ファイバー５４と第２光ファイバー５５とが、第１光ファイバー５４の出射側（出射面６１側）と第２光ファイバー５５の入射側（入射面６２側）とで一体となっている。そして、測定プローブ５２は、第１光ファイバー５４と第２光ファイバー５５とを用いて光を入射し、反射光ＬＲを検出する。

測定プローブ５２は、このような構造としているため、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９に照射する入射光ＬＩと、反射面２９からの反射光ＬＲとをほぼ同一の位置から出射し、入射させることができる。測定プローブ５２を上述したような構造にするとともに、コリメートレンズ５６を用いて測定プローブ５２からの光を平行光にすることで、光検出部１２は、反射面２９に平行光の入射光ＬＩを垂直に入射することができる。それとともに、反射面２９から垂直に反射した反射光ＬＲを受光することができる。このようにすることで、測定プローブ５２は、反射光強度の低下を最小限に抑えることができるとともに、主として反射光ＬＲの０次光成分を検出することができる。これにより、処理部１３は、標的物質捕捉装置２１の反射面２９の正確な情報を得ることができるため、標的物質の検出精度及び濃度の計測精度が向上する。なお、反射光ＬＲを検出する手法は、上述したような測定プローブ５２に限定されない。例えば、コリメートレンズ５６と反射面２９との間にハーフミラーを配置し、ハーフミラーによって反射光ＬＲを分離して第２光ファイバー５５から光検出装置５３に導いてもよい。

次に、光検出部１２の評価条件を説明する。図２７は、本実施形態に係る標的物質検出装置１０の光検出部１２の評価条件を示す図である。図２７に示すように、光検出部１２は、測定プローブ５２の入出射面６３と標的物質捕捉装置２１の反射面２９との間にコリメートレンズ５６を配置する。コリメートレンズ５６と反射面２９との距離（計測距離）をｈ、コリメートレンズ５６から出射した平行光の反射面２９における直径をｄ１、標的物質捕捉構造体２５の反射面２９が露出する開口部２４の直径をｄ２とする。本評価では、ｈを１５ｍｍまたは４０ｍｍとし、ｄ１を３．５ｍｍ、ｄ２を５ｍｍとした。反射面２９に照射される光の光軸ＺＬ及び反射面２９で反射された反射光の光軸ＺＬは、いずれも反射面２９に対して直交している。測定プローブ５２の直径は２００μｍである。照射する光は白色光を用いた。反射率は、標準物質（アルミニウム板）の反射光強度に対する比率である。

［処理部］
次に、図１に示す処理部１３について説明する。処理部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。処理部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１７、図１８などに示す抗原３６）の有無を検出する。処理部１３は、例えば、マイクロコンピュータである。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、処理部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。

（標的物質を検出する方法）
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２８は、本実施形態に係る標的物質検出方法の一例を示すフローチャートである。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〜５０μｇ／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、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、処理部１３は、反射光ＬＲを計測する。処理部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、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〜５０μＬをフォトニック結晶バイオセンサー１１に滴下する。

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Ｓ１５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。

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。また、波長シフト量から唾液中のコルチゾールの濃度を求めることができる。

ステップＳ２０では、処理部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（波長シフト量）を求める。波長シフト量は、例えば、反射面２９に標的物質が捕捉された後における波長λ２と、反射面２９に標的物質が捕捉されていないときにおける反射光強度（または反射率）の極値（最小値）に対応する波長λ１との差分λ２−λ１である。

ステップＳ２１で、処理部１３は、例えば、所定量以上の波長シフト量がある場合、唾液中にコルチゾールが存在すると判定する。また、処理部１３は、波長シフト量に基づき、例えば、波長シフト量とコルチゾールの濃度との関係式を用いてコルチゾールの濃度を決定する。このとき、前記関係式は予め求めておき、処理部１３の記憶部に保存しておく。

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。そして、選定された極値について、波長λ１及び波長λ２を求める。

このように、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、反射面２９に凹部２８Ｂを周期的に複数設けた標的物質捕捉装置２１を含む。凹部２８Ｂ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標的物質捕捉装置２１の反射面２９に形成されている。これにより、凹部２８Ｂの周期が明確になり、反射光ＬＲの波長のスペクトルの形状の幅（例えば、半値幅）が小さくなるため、ピーク波長を容易に特定することができる。したがって、標的物質検出装置１０は、少なくとも溶液中から標的物質（この例では、コルチゾール）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。

［実施形態２］
実施形態２に係る標的物質捕捉装置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装置は、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２９〜図３３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２９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３１、図３２参照）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３０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λ１とする。

次に、図３１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と既知量の抗体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。抗体３４は、抗体３４の既知量を試料Ｓに含まれる抗原３６の結合する部位の量よりも多くすることにより、混合物Ｍ中に抗原３６と反応せずに残ったものである。混合物Ｍを、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に接触させる。これにより、図３２に示すように、反射面２９に固定された抗原３６と抗体３４とで複合体６５を反射面２９に形成させる。その後、図３３に示すように、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に、例えば３００ｎｍ以上２０００ｎｍ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の反射光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λ２とする。

光の反射率が極値となる波長の波長シフト量は、λ２−λ１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、波長シフト量は変化する。この波長シフト量に基づいて、抗原３６の検出及び定量を行う。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。

本実施形態は、標的物質捕捉装置２１に抗原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。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。また、本実施形態では、凹部２８Ｂ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標的物質捕捉装置２１の反射面２９に形成されているため、ピーク波長を容易に特定することができる。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、抗原３６の濃度の測定方法を説明する。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。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。

混合物Ｍ中のすべての抗体３４が反射面２９の抗原３６と抗原抗体反応すると、複合体６５の量はＣ−Ｘになる。混合物Ｍを反射面２９に接触させる前後において計測した波長λ１、λ２から求めた波長シフト量Δλは、反射面２９に固定された複合体６５の量に相当する。したがって、Δλ＝ｋ×（Ｃ−Ｘ）となる。ｋは、波長シフト量Δλを複合体６５の量に変換するための定数である。反射面２９に固定された複合体６５の量と波長シフト量Δλとの関係は、予め求めておく。上記関係式から、抗原３６の量Ｘは、Ｃ−Δλ／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。

また、本実施形態では、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、例えば、複合体６５と特異的に反応する二次抗体を、複合体結合物質として、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に固定された複合体６５と反応させるようにしてもよい。二次抗体は、複合体６５よりも過剰な量を、標的物質捕捉装置２１の反射面２９に接触させる。そして、全ての複合体６５に二次抗体を付加させて第二複合体とする。このようにすることで、標的物質捕捉装置２１の表面状態の変化がさらに大きくなる。この結果、フォトニック結晶バイオセンサー１１の感度がさらに上昇する。二次抗体は、そのまま使用することもできるし、他の物質を付加して使用してもよい。二次抗体が大きいほど標的物質捕捉装置２１の表面状態の変化が大きくなるため、二次抗体に他の物質を付加した後、複合体６５と反応させることで、フォトニック結晶バイオセンサー１１の感度がさらに大きくなる。

反射面２９に、第二複合体を形成させる場合は、第二複合体を形成させた後の反射面２９に光を照射する。その結果得られる反射光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λ２とする。極値が複数ある場合には、着目する極値を適宜選定する。選定された任意の極値について、波長λ１及び波長λ２を求める。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、反射面２９における表面状態の変化に相関し、反射面２９に固定された第２複合体の量と相関する。これにより、第２複合体を検出及び定量する。第２複合体の量は、複合体６５の量と同一であるから、複合体６５を定量することができる。

上述した標的物質捕捉装置は、標的物質捕捉構造体２５を、凹部の代わりに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
１２ 光検出部
１３ 処理部
２１ 標的物質捕捉装置
２２ 上部プレート
２３ 下部プレート
２４、４３ 開口部
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
３１ 第１境界部
３２ 第２境界部
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
３８、４４ 液滴保持部
３９ マグネットシート
４１ 孔付カバー
４２ シート
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
６１ 出射面
６２ 入射面
６３ 同一の面（入出射面）
８２、９３ 最深部
Ａ 交点
Ｍ 混合物
ＬＩ 入射光
ＬＲ 反射光

Claims (3)

1. 一面の表面に周期的な凹部又は凸部を有する反射面を有し、標的物質捕捉構造体と、前記反射面の少なくとも一部を被覆する金属膜とを含み、
   前記標的物質捕捉構造体の少なくとも反射面側は、ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂であることを特徴とする標的物質捕捉装置。
2. 前記ガラス転移温度よりも３０℃以上５０℃以下で加熱する熱ナノインプリントにより前記凹部又は前記凸部が加工されている請求項１に記載の標的物質捕捉装置。
3. ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂であって、シート状のシート状樹脂を準備する工程と、
   所定のパターンを有する金型を前記ガラス転移温度よりも３０℃以上５０℃以下で加熱し、かつ前記シート状樹脂に押圧する工程と、
   前記金型を離型した前記シート状樹脂に転写された周期的な凹部又は凸部に金属膜を成膜する工程と、
   を含むことを特徴とする標的物質捕捉装置の製造方法。

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