JP4759732B2 - DNA detection method, DNA detection metal structure and DNA detection apparatus - Google Patents

DNA detection method, DNA detection metal structure and DNA detection apparatus Download PDF

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Description

本発明は、センシング方法およびセンシング装置に関し、特に、医療診断、遺伝子解析および環境分析に供するセンシング方法およびセンシング装置に関する。   The present invention relates to a sensing method and a sensing device, and more particularly to a sensing method and a sensing device used for medical diagnosis, genetic analysis, and environmental analysis.

近年、医療診断、遺伝子解析および環境分析を迅速、高効率、かつ簡便に行うために、ごく微量の生体関連物質または環境有害物質を高感度で検出する技術が重要になっている。   In recent years, in order to perform medical diagnosis, genetic analysis, and environmental analysis quickly, efficiently, and simply, a technology for detecting a very small amount of biologically relevant substances or environmental harmful substances with high sensitivity has become important.

上記生体関連物質または環境有害物質を検出する技術の原理として大きく期待されているものの一つに、「局在(表面)プラズモン共鳴」と呼ばれる特殊な光学応答現象を利用したものがある。局在プラズモン共鳴とは、微細な金属構造体、例えば、ナノスケールの表面構造を有する金属またはナノメートルサイズの金属微粒子の間に、ある特定の共鳴波長の照射光を入射すると、その形状やサイズに応じた波長領域に局所電場が形成される光学応答である。局在プラズモン共鳴により形成された局所電場は、金属構造体表面に固定されている光応答分子のみを効率よく励起する。   One of the most promising principles of the technology for detecting the above-mentioned biologically relevant substances or environmental harmful substances is to use a special optical response phenomenon called “localized (surface) plasmon resonance”. Localized plasmon resonance refers to the shape and size of a fine metal structure, such as a metal having a nanoscale surface structure or a nanometer-sized metal fine particle, when irradiated with light having a specific resonance wavelength. This is an optical response in which a local electric field is formed in a wavelength region corresponding to. The local electric field formed by the localized plasmon resonance efficiently excites only the photoresponsive molecule fixed on the surface of the metal structure.

金属構造体を構成する金属の種類としては、金や銀、白金等の貴金属が用いられることが多いが、金属の種類が同じでも、形状またはサイズが異なれば局在プラズモン共鳴の吸収スペクトル波長が異なる。また、局在プラズモン共鳴を示す金属上に吸着した分子の光学応答(発光またはラマン分光)の強度は、分子とプラズモンとの相互作用により著しく増強される。すなわち、局在プラズモン共鳴を示す金属構造体は、分子系に対する高感度センサ用デバイスとして機能する。   As the type of metal constituting the metal structure, noble metals such as gold, silver, and platinum are often used, but even if the type of metal is the same, if the shape or size is different, the absorption spectrum wavelength of localized plasmon resonance will be increased. Different. In addition, the intensity of the optical response (luminescence or Raman spectroscopy) of the molecule adsorbed on the metal exhibiting localized plasmon resonance is remarkably enhanced by the interaction between the molecule and plasmon. That is, the metal structure exhibiting localized plasmon resonance functions as a highly sensitive sensor device for a molecular system.

上記原理を利用した医療診断、遺伝子解析および環境分析としては、例えば、DNAチップを用いたDNA分析およびイムノアッセイチップを用いた抗原抗体診断がある。   Examples of medical diagnosis, gene analysis, and environmental analysis using the above principle include DNA analysis using a DNA chip and antigen-antibody diagnosis using an immunoassay chip.

DNA分析とは、塩基配列が異なる複数のプローブDNA(一本鎖)を固定したDNAチップ上に、検出対象の検体DNA溶液を導入して、検体DNAと相補関係にある塩基配列を有するプローブ分子との2本鎖を形成させ(以下「ハイブリダイゼーション」という)、各プローブDNAについてハイブリダイゼーションの有無を読み出すことにより、検体DNAの検出を行うものである。   DNA analysis is a probe molecule having a base sequence complementary to a sample DNA by introducing a sample DNA solution to be detected onto a DNA chip on which a plurality of probe DNAs (single strands) having different base sequences are fixed. Sample DNA is detected by reading the presence or absence of hybridization for each probe DNA (hereinafter referred to as “hybridization”).

一方、抗原抗体診断とは、検出対象物質を抗原として動物に作らせた抗体を固定したイムノアッセイチップ上に、検体溶液を導入して、検体溶液中の抗原とイムノアッセイチップ上の抗体とが選択的に形成する複合体を検出することにより、抗原の検出を行うものである。   On the other hand, in antigen-antibody diagnosis, a specimen solution is introduced onto an immunoassay chip on which an antibody made by an animal using the detection target substance as an antigen is immobilized, and the antigen in the specimen solution and the antibody on the immunoassay chip are selectively used. The antigen is detected by detecting the complex formed in the cell.

このようなDNA分析および抗原抗体診断においては、蛍光性分子で標識した試料に励起光を照射し、励起された蛍光の量を検出することにより検出対象物質をセンシング(蛍光センシング)することが提案されている。   In such DNA analysis and antigen-antibody diagnosis, it is proposed to sense the detection target substance (fluorescence sensing) by irradiating a sample labeled with a fluorescent molecule with excitation light and detecting the amount of excited fluorescence. Has been.

しかし、蛍光センシングにおいては、検出対象物質のみならず、試料内の蛍光性不純物(妨害物質)も同時に蛍光されてしまい、センシングの感度および精度を低下させてしまうという深刻な問題がある。   However, in fluorescence sensing, there is a serious problem that not only a detection target substance but also a fluorescent impurity (interfering substance) in a sample is simultaneously fluorescent, and the sensitivity and accuracy of sensing are lowered.

そこで、局在プラズモン共鳴を示す金属構造体を利用しつつも蛍光センシングを用いない他のセンサとして、光反射(散乱)を用いて検出対象物質をセンシングするものが提案されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。   Thus, another sensor that uses a metal structure exhibiting localized plasmon resonance but does not use fluorescence sensing has been proposed that senses a detection target substance using light reflection (scattering) (for example, a patent). Reference 1 and Patent Document 2).

特許文献1記載の表面プラズモン共鳴センサは、次のようなセンサである。すなわち、上下に平行な面を有するプリズム(半導体シリコン)の一方の面に光源(有機EL素子)および検知器(フォトダイオード)が設けられ、他方の面に金属薄膜(金膜)が設けられ、また、内部に光吸収部材(光吸収ブロック)が設けられている。そして、光吸収部材が、光源から所定の角度で照射された光が金属薄膜に入射し全反射して検知器に到達するように光源から他の角度で照射された光を遮断し、検知器が、反射光の強度を検知するようにしている。   The surface plasmon resonance sensor described in Patent Document 1 is the following sensor. That is, a light source (organic EL element) and a detector (photodiode) are provided on one surface of a prism (semiconductor silicon) having surfaces parallel to the top and bottom, and a metal thin film (gold film) is provided on the other surface, A light absorbing member (light absorbing block) is provided inside. The light absorbing member blocks the light emitted from other angles from the light source so that the light emitted from the light source at a predetermined angle is incident on the metal thin film and totally reflected to reach the detector. However, the intensity of reflected light is detected.

また、特許文献2記載の局在化表面プラズモンセンシング装置は、次のような装置である。すなわち、光ファイバの端面に局在化した表面プラズモン共鳴が励起される寸法の金属微粒子層を形成し、また、金属微粒子層の表面に検出対象分子に相補的な分子の分子層を形成する。そして、金属微粒子層内に局在化した表面プラズモン共鳴による光ファイバに入力された光の変化を用いて、相補的な分子に吸着または結合した検出対象分子を検出するようにしている。
特開2005−156415号公報 特開2005−181296号公報
Further, the localized surface plasmon sensing device described in Patent Document 2 is the following device. That is, a metal fine particle layer having a size capable of exciting the surface plasmon resonance localized on the end face of the optical fiber is formed, and a molecular layer of a molecule complementary to the molecule to be detected is formed on the surface of the metal fine particle layer. Then, using a change in light input to the optical fiber by surface plasmon resonance localized in the metal fine particle layer, detection target molecules adsorbed or bonded to complementary molecules are detected.
JP 2005-156415 A JP 2005-181296 A

しかしながら、特許文献1記載の表面プラズモン共鳴センサにおいては、光軸を含む光学配置のズレ/ブレ、プリズムの傷、プリズムの歪み、または、鏡面の汚れ等の要因により、検知器が検知する反射光の強度が変動する。従って、検知する反射光の強度は、検出しようとする状態の固有の物理量ではなく、測定感度および測定精度が低下するという問題がある。   However, in the surface plasmon resonance sensor described in Patent Document 1, the reflected light detected by the detector due to factors such as deviation / blur of the optical arrangement including the optical axis, scratches on the prism, distortion of the prism, or dirt on the mirror surface. The intensity of fluctuates. Therefore, there is a problem that the intensity of reflected light to be detected is not an inherent physical quantity in a state to be detected, but measurement sensitivity and measurement accuracy are lowered.

さらに、特許文献2記載の局在化表面プラズモンセンシング装置においても、反射光の強度を検知して検出対象分子を検出するため、検出対象分子の検出は、定性的な検出であり、定量的な検出が困難であるという問題がある。   Furthermore, also in the localized surface plasmon sensing device described in Patent Document 2, the detection target molecule is detected by detecting the intensity of the reflected light, so that the detection of the detection target molecule is a qualitative detection. There is a problem that it is difficult to detect.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、蛍光センシングや反射光を用いることなく、高精度かつ定量的に検出対象物質を検出することができるセンシング方法およびセンシング装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and provides a sensing method and a sensing device capable of detecting a detection target substance with high accuracy and quantitatively without using fluorescence sensing or reflected light. Objective.

本発明に係るセンシング方法は、局在プラズモン共鳴を示す金属構造体に誘起される局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを用いて、前記金属構造体に付着した検出対象物質を検出するようにした。   In the sensing method according to the present invention, a detection target substance attached to the metal structure is detected using an absorption spectrum of the localized plasmon resonance induced in the metal structure exhibiting localized plasmon resonance.

また、本発明に係るセンシング方法は、局在プラズモン共鳴を示す金属構造体に誘起される局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを測定する測定ステップと、前記金属構造体上に検出対象物質と相補的な物質の一端を固定した状態で測定した局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルと、前記金属構造体上に前記相補的な物質を固定しかつ前記検出対象物質を含む試料を導入した状態で測定した局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルとを比較して、前記吸収スペクトルのシフト量を算出する算出ステップと、算出したシフト量に基づいて、前記試料に含まれる検出対象物質を検出する検出ステップと、を有するようにした。   In addition, the sensing method according to the present invention includes a measurement step of measuring an absorption spectrum of localized plasmon resonance induced in a metal structure exhibiting localized plasmon resonance, and a complementary to the detection target substance on the metal structure. Absorption spectrum of localized plasmon resonance measured with one end of the substance fixed, and localization measured with a sample containing the substance to be detected fixed to the complementary structure on the metal structure A calculation step of comparing the absorption spectrum of plasmon resonance and calculating a shift amount of the absorption spectrum; and a detection step of detecting a detection target substance contained in the sample based on the calculated shift amount. I made it.

また、本発明に係るセンシング装置は、局在プラズモン共鳴を示す金属構造体と、前記金属構造体に誘起される局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを測定する測定手段と、前記金属構造体上に検出対象物質と相補的な物質の一端を固定した状態で測定された局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルと、前記金属構造体上に前記相補的な物質を固定しかつ前記検出対象物質を含む試料を導入した状態で測定された局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルとを比較して、前記吸収スペクトルのシフト量を算出する算出手段と、算出されたシフト量に基づいて、前記試料に含まれる検出対象物質を検出する検出手段と、を有する構成を採る。   In addition, the sensing device according to the present invention includes a metal structure that exhibits localized plasmon resonance, a measurement unit that measures an absorption spectrum of the localized plasmon resonance induced in the metal structure, and a detection on the metal structure. Absorption spectrum of localized plasmon resonance measured with one end of a substance complementary to the target substance fixed, and a sample containing the target substance to be detected fixed to the complementary substance on the metal structure And comparing with the absorption spectrum of the localized plasmon resonance measured in the state, and calculating the shift amount of the absorption spectrum, and based on the calculated shift amount, the detection target substance contained in the sample And a detecting means for detecting.

本発明によれば、蛍光センシングや光反射を用いることなく、高精度かつ定量的に検出対象物質を検出することができる。   According to the present invention, a detection target substance can be detected with high accuracy and quantitativeness without using fluorescence sensing or light reflection.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施の形態1)
本発明者は、蛍光センシングや光反射を用いることなく、高精度かつ定量的に検出対象物質を検出するためには、検出しようとする状態の固有の物理量を用いてセンシングを行う必要があることを見出した。また、検出しようとする状態の固有の物理量を用いてセンシングを行うためには、局在プラズモン共鳴を示す金属構造体上に検出対象物質が付着した状態で測定した局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを用いる必要があることを見出した。
(Embodiment 1)
The present inventor needs to perform sensing using a specific physical quantity in a state to be detected in order to detect a detection target substance with high accuracy and quantitatively without using fluorescence sensing or light reflection. I found. In addition, in order to perform sensing using the specific physical quantity of the state to be detected, the absorption spectrum of the localized plasmon resonance measured with the detection target substance attached on the metal structure showing the localized plasmon resonance is obtained. It was found that it was necessary to use.

本発明は、半導体微細加工技術を応用することにより、ガラスなどの固体透明基板上に、金属ナノ構造体(例えば、金属ナノロッドまたは金属ナノブロック)を多数集積化した金属構造体デバイス(金属ナノロッドアレイまたは金属ナノブロックアレイ)を構築し、当該金属構造体デバイス上に検出対象物質と当該検出対象物質と相補的な物質(以下「相補的物質」と略記する)を固定し、金属構造体に誘起される局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量を測定することにより、金属構造体上における検出対象物質と相補的物質との結合を検出することによって、金属構造体に付着した検出対象物質を検出するものである。   The present invention is a metal structure device (metal nanorod array) in which a large number of metal nanostructures (for example, metal nanorods or metal nanoblocks) are integrated on a solid transparent substrate such as glass by applying semiconductor microfabrication technology. Alternatively, a metal nanoblock array is constructed, and a detection target substance and a substance complementary to the detection target substance (hereinafter abbreviated as “complementary substance”) are fixed on the metal structure device and induced in the metal structure. By detecting the amount of shift in the absorption spectrum of the localized plasmon resonance, the detection target substance attached to the metal structure is detected by detecting the binding between the target substance and the complementary substance on the metal structure. To do.

ここで、吸収スペクトルのシフト量は非常に小さいため、測定誤差が生じやすい。従って、同一条件における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量を大きくすることにより、測定精度を向上させることができる。   Here, since the shift amount of the absorption spectrum is very small, a measurement error is likely to occur. Therefore, the measurement accuracy can be improved by increasing the shift amount of the absorption spectrum of the localized plasmon resonance under the same conditions.

本発明者は、さらに、同一条件における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量を大きくするためには、局在プラズモン共鳴を示す金属構造体を構成する金属ナノ構造体のサイズ、形状および方向性、ならびに金属ナノ構造体間の距離をそれぞれそろえて、精密に規則正しく配列させることが必要であることを見出した。   In order to further increase the shift amount of the absorption spectrum of localized plasmon resonance under the same conditions, the present inventor has determined the size, shape and directionality of the metal nanostructure constituting the metal structure exhibiting localized plasmon resonance. As well as the distance between the metal nanostructures, it has been found that it is necessary to arrange them precisely and regularly.

なお、本明細書において、「相補的」とは、ある物質が特定の物質と特異的に結合する関係を意味する。   In the present specification, “complementary” means a relationship in which a certain substance specifically binds to a specific substance.

また、本明細書において、「金属構造体」とは、狭義では、金属ナノロッドおよび金属ナノブロックのような、ある金属集合体の構成要素を意味し、広義では、金属ナノロッドアレイおよび金属ナノブロックアレイのような、狭義の金属構造体の集合体を意味する。さらに、最広義では、広義の金属構造体が構築された基板をも含めた金属構造体を意味する。   In the present specification, the “metal structure” means, in a narrow sense, a component of a certain metal assembly such as a metal nanorod and a metal nanoblock, and in a broad sense, a metal nanorod array and a metal nanoblock array. It means an aggregate of metal structures in a narrow sense. Furthermore, in the broadest sense, it means a metal structure including a substrate on which a broad sense metal structure is constructed.

なお、以下では、適宜、金属ナノロッドおよび/または金属ナノブロックを「金属ナノロッド(ブロック)」と略記し、金属ナノロッドアレイおよび/または金属ナノブロックアレイを「金属ナノロッド(ブロック)アレイ」と略記する。   Hereinafter, metal nanorods and / or metal nanoblocks are abbreviated as “metal nanorods (blocks)”, and metal nanorod arrays and / or metal nanoblock arrays are abbreviated as “metal nanorods (blocks) arrays” as appropriate.

また、本明細書において、「アスペクト比」とは、金属ナノロッド(ブロック)の長軸の長さと短軸の長さの比率を意味する。例えば、短軸の平均長さ10nm、長軸の平均長さ100nmの異方的形状を有する金属ナノロッド(ブロック)のアスペクト比は、10である。   In the present specification, the “aspect ratio” means the ratio of the length of the major axis to the length of the minor axis of the metal nanorod (block). For example, the aspect ratio of a metal nanorod (block) having an anisotropic shape with an average length of the short axis of 10 nm and an average length of the long axis of 100 nm is 10.

図1は、本発明の実施の形態1に係るセンシング装置の全体構成を示す図である。また、図2は、図1に示すセンシング装置の構成を示すブロック図である。   FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a sensing device according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the sensing device shown in FIG.

本実施の形態に係るセンシング装置100は、大別して、金属構造体110、基板転送装置120、ステージ130、吸収スペクトル測定装置140、コンピュータ部150、入力部160および出力部170を有する。   The sensing device 100 according to the present embodiment broadly includes a metal structure 110, a substrate transfer device 120, a stage 130, an absorption spectrum measuring device 140, a computer unit 150, an input unit 160, and an output unit 170.

金属構造体110は、固体透明基板上に、サイズ、形状および方向性、ならびに金属ナノ構造体間の距離を精密に制御した金属ナノ構造体(例えば、金や白金、銀等)を集積化したものである。金属構造体110の表面には、相補的物質の一端が固定され、検出対象物質を含む試料の導入後、基板転送装置120に装填される。なお、金属構造体110の製造方法は、後で詳細に説明する。   The metal structure 110 is obtained by integrating metal nanostructures (for example, gold, platinum, silver, etc.) with precisely controlled sizes, shapes and orientations, and distances between the metal nanostructures, on a solid transparent substrate. Is. One end of a complementary material is fixed on the surface of the metal structure 110, and after the sample containing the detection target material is introduced, the substrate transfer device 120 is loaded. In addition, the manufacturing method of the metal structure 110 is demonstrated in detail later.

上記のように、相補的物質とは、検出対象物質と特異的に結合する物質である。例えば、抗原抗体反応においては、検出対象物質が抗原であり、相補的物質が抗体である。また、DNAのハイブリダイゼーションにおいては、検出対象物質が検体DNAであり、相補的物質がプローブDNAである。また、検出対象物質が抗原である場合には、金属構造体110は、いわゆるイムノアッセイチップとなり、検出対象物質がDNAである場合には、金属構造体110は、いわゆるDNAチップとなる。   As described above, the complementary substance is a substance that specifically binds to the detection target substance. For example, in the antigen-antibody reaction, the substance to be detected is an antigen, and the complementary substance is an antibody. In DNA hybridization, the detection target substance is sample DNA, and the complementary substance is probe DNA. Further, when the detection target substance is an antigen, the metal structure 110 becomes a so-called immunoassay chip, and when the detection target substance is DNA, the metal structure 110 becomes a so-called DNA chip.

イムノアッセイチップには、例えば、複数の異なる抗体102の一端を固定することができる(図3(A)参照)。また、導入された抗原104が、固定された抗体102と抗原抗体反応を起こすと、抗原104および抗体102は、選択的に複合体を形成する(図3(B)参照)。   For example, one end of a plurality of different antibodies 102 can be fixed to the immunoassay chip (see FIG. 3A). Further, when the introduced antigen 104 causes an antigen-antibody reaction with the immobilized antibody 102, the antigen 104 and the antibody 102 selectively form a complex (see FIG. 3B).

DNAチップには、例えば、複数の異なる塩基配列のプローブDNA106の一端を固定することができる(図4(A)参照)。また、導入された検体DNA108が、固定されたプローブDNA106とハイブリダイゼーションを起こすと、複合体(2本鎖)の鎖長が短くなる(L>L)ことが分かっている(図4(B)参照)。ここで、Lは、プローブDNAの鎖長、Lは、ハイブリダイゼーションにより得られる複合体(2本鎖)の鎖長である。 For example, one end of a plurality of probe DNAs 106 having different base sequences can be immobilized on the DNA chip (see FIG. 4A). Further, it is known that when the introduced sample DNA 108 is hybridized with the immobilized probe DNA 106, the chain length of the complex (double strand) is shortened (L 1 > L 2 ) (FIG. 4 ( B)). Here, L 1 is the chain length of the probe DNA, and L 2 is the chain length of the complex (double strand) obtained by hybridization.

基板転送装置120は、金属構造体110を装填し、制御部152からの指示により、装填した金属構造体110をステージ130上に転送する。また、基板転送装置120は、多検体多項目のセンシングを実現するために、複数の金属構造体110を同時に装填することができる。   The substrate transfer device 120 loads the metal structure 110, and transfers the loaded metal structure 110 onto the stage 130 according to an instruction from the control unit 152. In addition, the substrate transfer apparatus 120 can be loaded with a plurality of metal structures 110 at the same time in order to realize multi-analyte multi-item sensing.

ステージ130は、基板転送装置120から転送された金属構造体110を載置する。また、ステージ130は、ステージ駆動装置132により、吸収スペクトル測定装置140内で発せられたプローブ光の光軸に垂直な平面上を駆動する。   The stage 130 places the metal structure 110 transferred from the substrate transfer device 120. The stage 130 is driven by a stage driving device 132 on a plane perpendicular to the optical axis of the probe light emitted in the absorption spectrum measuring device 140.

吸収スペクトル測定装置140は、大別して、光源コントローラ141、電源142、光源143、レンズ144、干渉計145、検出部146および吸収スペクトル算出部147を有する。吸収スペクトル測定装置140は、例えば、顕微フーリエ変換型赤外吸収スペクトル波長測定装置(顕微FT−IR測定装置)である。   The absorption spectrum measuring apparatus 140 roughly includes a light source controller 141, a power source 142, a light source 143, a lens 144, an interferometer 145, a detection unit 146, and an absorption spectrum calculation unit 147. The absorption spectrum measuring apparatus 140 is, for example, a microscopic Fourier transform infrared absorption spectrum wavelength measuring apparatus (microscopic FT-IR measuring apparatus).

光源コントローラ141は、電源142に接続され、電源142の出力電圧を制御することにより、光源143が照射するプローブ光の強度を調整する。   The light source controller 141 is connected to the power source 142 and controls the output voltage of the power source 142 to adjust the intensity of the probe light emitted from the light source 143.

電源142は、光源143に電圧を供給する。   The power source 142 supplies a voltage to the light source 143.

光源143は、金属構造体110上の所定の位置に向けてプローブ光を照射する。光源143が照射するプローブ光は、例えば、赤外プローブ光である。   The light source 143 emits probe light toward a predetermined position on the metal structure 110. The probe light emitted by the light source 143 is, for example, infrared probe light.

レンズ144は、光源143から照射されたプローブ光を絞り込む。   The lens 144 narrows down the probe light emitted from the light source 143.

干渉計145は、レンズ144により絞り込まれたプローブ光から干渉波を形成する。   The interferometer 145 forms an interference wave from the probe light narrowed down by the lens 144.

検出部146は、金属構造体110を透過した干渉波の情報を検出する。   The detection unit 146 detects information on the interference wave that has passed through the metal structure 110.

吸収スペクトル算出部147は、検出部146により検出された透過干渉波の情報を電気信号に変換してフーリエ変換し、金属構造体110上の局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを算出する。   The absorption spectrum calculation unit 147 converts the information of the transmission interference wave detected by the detection unit 146 into an electric signal and performs Fourier transform, and calculates an absorption spectrum of localized plasmon resonance on the metal structure 110.

コンピュータ部150は、制御部152、シフト量算出部154および解析部156を有する。   The computer unit 150 includes a control unit 152, a shift amount calculation unit 154, and an analysis unit 156.

制御部152は、基板転送装置120、ステージ駆動装置132および吸収スペクトル測定装置140を統括的に制御する。   The control unit 152 comprehensively controls the substrate transfer device 120, the stage driving device 132, and the absorption spectrum measuring device 140.

シフト量算出部154は、金属構造体110上に相補的物質の一端を固定した状態で測定された局在プラズモン共鳴の吸収スペクトル(以下「基準スペクトル」という)と、金属構造体110上に相補的物質を固定しかつ検出対象物質を含む試料を導入した状態で測定された局在プラズモン共鳴の吸収スペクトル(以下「センシングスペクトル」という)とを比較して、吸収スペクトルのシフト量(Δλ)を算出する。具体的には、例えば、シフト量(Δλ)は、基準スペクトルの極大波長とセンシングスペクトルの極大波長との差である。また、基準スペクトルは、例えば、予め測定され、図示しない記憶装置に格納されている。   The shift amount calculation unit 154 complements the absorption spectrum of the localized plasmon resonance (hereinafter referred to as “reference spectrum”) measured in a state where one end of the complementary substance is fixed on the metal structure 110 and the metal structure 110. Compared to the absorption spectrum of the localized plasmon resonance (hereinafter referred to as “sensing spectrum”) measured with the target substance fixed and the sample containing the detection target substance introduced, the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum is calculated. calculate. Specifically, for example, the shift amount (Δλ) is the difference between the maximum wavelength of the reference spectrum and the maximum wavelength of the sensing spectrum. Further, the reference spectrum is measured in advance and stored in a storage device (not shown), for example.

解析部156は、シフト量算出部154により算出されたシフト量(Δλ)を用いて、試料に含まれる検出対象物質を解析する。具体的には、例えば、解析部156は、吸収スペクトルのシフト量(Δλ)と検出対象物質の量との関係を示す検量線を用いて、吸収スペクトルのシフト量(Δλ)を検出対象物質の量に換算することにより、検出対象物質の量を解析する。検量線は、予め作成されて図示しない記憶装置に格納されている。   The analysis unit 156 analyzes the detection target substance included in the sample using the shift amount (Δλ) calculated by the shift amount calculation unit 154. Specifically, for example, the analysis unit 156 uses the calibration curve indicating the relationship between the amount of shift of the absorption spectrum (Δλ) and the amount of the detection target substance to determine the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum of the detection target substance. The amount of the detection target substance is analyzed by converting it into the amount. The calibration curve is created in advance and stored in a storage device (not shown).

また、吸収スペクトルのシフト量(Δλ)と検出対象物質の量との関係は、検出対象物質および相補的物質によって異なるが、概ね、比例関係にあることが知られている。従って、検出しようとする状態(検出対象物質と相補的物質の結合体)の固有の物理量であるシフト量(Δλ)を用いた検量線を作成し、定量的なセンシングを実現することができる。   In addition, the relationship between the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum and the amount of the detection target substance varies depending on the detection target substance and the complementary substance, but is generally known to be proportional. Therefore, it is possible to create a calibration curve using a shift amount (Δλ) that is a unique physical quantity of a state to be detected (a conjugate of a substance to be detected and a complementary substance), thereby realizing quantitative sensing.

入力部160は、コンピュータ部150のインターフェースとしての機能を有し、ユーザによる操作信号をコンピュータ部150が処理可能なデータ形式に変換する。   The input unit 160 has a function as an interface of the computer unit 150 and converts an operation signal from the user into a data format that can be processed by the computer unit 150.

出力部170は、例えば、ディスプレイおよびプリンタであり、解析部156により解析された試料に含まれる検出対象物質を示す情報を出力する。   The output unit 170 is, for example, a display and a printer, and outputs information indicating the detection target substance contained in the sample analyzed by the analysis unit 156.

次に、金属構造体110の製造方法を図5および図6を用いて説明する。図5は、金属構造体の製造手順を説明するためのフローチャートである。また、図6は、金属構造体の製造手順を説明するための工程別断面図である。   Next, the manufacturing method of the metal structure 110 is demonstrated using FIG. 5 and FIG. FIG. 5 is a flowchart for explaining the manufacturing procedure of the metal structure. Moreover, FIG. 6 is sectional drawing according to process for demonstrating the manufacturing procedure of a metal structure.

上記のように、金属構造体110を構成する金属ナノ構造体のサイズ、形状および方向性、ならびに金属ナノ構造体間の距離をそれぞれそろえて、精密に規則正しく配列させることにより、同一条件における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量を大きくすることができる。この結果、センシングの精度が向上する。   As described above, the size, shape and direction of the metal nanostructures constituting the metal structure 110, and the distance between the metal nanostructures are aligned, and are arranged in a precise and regular manner. The shift amount of the absorption spectrum of plasmon resonance can be increased. As a result, sensing accuracy is improved.

ここで、金属構造体を形成する基板としては、光応答デバイスとして動作させるために可視領域から近赤外領域に光吸収を有しない固体材料であることが好ましく、具体的には、例えば、ガラスや石英、サファイア等が好ましい。   Here, the substrate on which the metal structure is formed is preferably a solid material that does not absorb light from the visible region to the near infrared region in order to operate as a light-responsive device. Of these, quartz, sapphire and the like are preferable.

まず、ステップS1000では、固体透明基板112(例えば、ガラス基板)を洗浄・乾燥する(図6(A)参照)。固体透明基板112の表面を十分に清浄にしなければ、後の工程で固体透明基板112上に形成する金属ナノ構造体である金属ナノロッド(ブロック)が固体透明基板112から剥離するおそれが生じるため、固体透明基板112の洗浄・乾燥は十分に行う。   First, in step S1000, the solid transparent substrate 112 (for example, a glass substrate) is cleaned and dried (see FIG. 6A). If the surface of the solid transparent substrate 112 is not sufficiently cleaned, metal nanorods (blocks), which are metal nanostructures formed on the solid transparent substrate 112 in a later step, may be peeled off from the solid transparent substrate 112. The solid transparent substrate 112 is sufficiently cleaned and dried.

そして、ステップS1100では、ステップS1000で清浄にした固体透明基板112の表面にポジ型電子リソグラフィ用レジスト溶液をスピンコート(回転塗布)した後、ベイキング(加熱)を行ってレジスト溶液を除去し、レジスト薄膜114を固体透明基板112上に形成する(図6(B)参照)。   In step S1100, a positive electron lithography resist solution is spin-coated on the surface of the solid transparent substrate 112 cleaned in step S1000, and then baked (heated) to remove the resist solution. A thin film 114 is formed over the solid transparent substrate 112 (see FIG. 6B).

このとき、後の工程で形成する金属ナノロッド(ブロック)の微細化を実現するためには、固体透明基板112上に形成するレジスト薄膜114の膜厚は、マイクロメートル以下であることが好ましく、具体的には、例えば、200nm以下であることが好ましい。本発明者は、このような薄い膜厚のレジスト薄膜114を形成するためには、市販のレジストを専用溶媒で2倍程度に希釈したレジスト溶液をスピンコートに用いればよいことを見出した。   At this time, in order to realize miniaturization of metal nanorods (blocks) formed in a later step, the thickness of the resist thin film 114 formed on the solid transparent substrate 112 is preferably less than or equal to micrometers. Specifically, for example, it is preferably 200 nm or less. The present inventor has found that in order to form such a thin resist film 114, a resist solution obtained by diluting a commercially available resist with a dedicated solvent to about 2 times may be used for spin coating.

ここで、金属ナノロッド(ブロック)の微細化を実現するためにレジスト薄膜114の膜圧を200nm以下にする理由は、次の通りである。レジストの膜圧を200nmより大きくすると、後の工程で電子ビームにより描画露光を行う際に、厚いレジスト膜全体を電子線で露光しなければならず、電子線の加速電圧を極端に高くする必要が生じる。一般に、描画の空間分解能は電子ビームの加速電圧の増大に従って向上させることができるが、そのように極端に高い加速電圧では、描画の空間分解能がかえって低下してしまう。従って、本発明が想定するサイズの金属ナノ構造体を精密に描画する空間分解能を達成するためには、電子ビームの加速電圧を極端に高くする必要はなく、この場合に必要とされる加速電圧では、200nm以下の膜圧が適当となる。   Here, the reason why the film pressure of the resist thin film 114 is set to 200 nm or less in order to realize miniaturization of the metal nanorod (block) is as follows. If the resist film pressure is larger than 200 nm, the entire thick resist film must be exposed with an electron beam when drawing exposure is performed with an electron beam in a later step, and the acceleration voltage of the electron beam needs to be extremely increased. Occurs. In general, the spatial resolution of drawing can be improved as the acceleration voltage of the electron beam increases. However, with such an extremely high acceleration voltage, the spatial resolution of the drawing is rather lowered. Therefore, it is not necessary to extremely increase the acceleration voltage of the electron beam in order to achieve the spatial resolution for accurately drawing the metal nanostructure of the size assumed by the present invention, and the acceleration voltage required in this case Then, a film pressure of 200 nm or less is appropriate.

そして、ステップS1200では、ステップS1100で形成したレジスト薄膜114に、例えば、電子ビーム露光装置(図示せず)で所定のパターンを描画し、現像、リンス、乾燥する(図6(C)参照)。ここで、所定のパターンとは、所望する金属ナノロッド(ブロック)アレイの集積配置図をトレースしたものである。   In step S1200, a predetermined pattern is drawn on the resist thin film 114 formed in step S1100 by, for example, an electron beam exposure apparatus (not shown), developed, rinsed, and dried (see FIG. 6C). Here, the predetermined pattern is obtained by tracing an integrated layout of a desired metal nanorod (block) array.

このとき、後の工程で所定の金属ナノロッド(ブロック)の微細化形成(長軸方向と短軸方向の長さが共に100nm以下)を達成するためには、この電子ビーム露光工程の露光条件の最適化が極めて重要になる。本発明者は、詳細な実験を重ねた結果、次のような最適化条件を見出した。すなわち、露光の最適化条件としては、電子ビームの加速電圧を大きくし、露光のドーズレートを大幅に小さくすることが好ましい。具体的には、例えば、電子ビームの加速電圧を100kV〜200kVにし、かつ、露光のドーズレートを2μC/cm以下にすることが好ましい。このような露光条件にすることにより、微細金属構造体を形成することができる。特筆すべきは、著しく低いドーズレートの条件であり、例えば、一つの目安として、1μC/cmのドーズレートは、市販のレジストで推奨されているドーズレートの100分の1程度である。 At this time, in order to achieve the formation of a predetermined metal nanorod (block) in a later step (both the length in the major axis direction and the minor axis direction is 100 nm or less), the exposure condition of this electron beam exposure step is Optimization becomes extremely important. As a result of repeated detailed experiments, the present inventor has found the following optimization conditions. That is, as an optimization condition for exposure, it is preferable to increase the acceleration voltage of the electron beam and to significantly reduce the exposure dose rate. Specifically, for example, the acceleration voltage of the electron beam is preferably set to 100 kV to 200 kV, and the exposure dose rate is preferably set to 2 μC / cm 2 or less. By setting such exposure conditions, a fine metal structure can be formed. What should be noted is the condition of a significantly low dose rate. For example, as a guideline, the dose rate of 1 μC / cm 2 is about 1/100 of the dose rate recommended for commercially available resists.

ここで、露光の最適化条件として、電子ビームの加速電圧を大きくし、露光のドーズレートを大幅に小さくする理由は、次の通りである。上記のように、加工(描画)の空間分解能は、電子ビームの加速電圧を大きくすることにより向上する。これは、電子ビームの加速電圧を大きくすれば、電子ビームの速度が上がり、電子のドブロイ波長が短くなることによる。一方、露光のドーズレートを大きくすることは、露光時間を長くすることに対応する。露光時間を長くすると、露光中の試料自身の振動(例えば、実験室の空調ノイズや装置自身の極めて微細な振動ノイズ等)を無視できなくなり、加工形状端の「ぼやけ」などが発生し、加工分解能が低下してしまう。従って、露光の最適化条件として、電子ビームの加速電圧を大きくし、露光のドーズレートを大幅に小さくすることが適当となる。   Here, the reason why the acceleration voltage of the electron beam is increased and the exposure dose rate is significantly reduced as the optimization condition for exposure is as follows. As described above, the spatial resolution of processing (drawing) is improved by increasing the acceleration voltage of the electron beam. This is because if the acceleration voltage of the electron beam is increased, the speed of the electron beam is increased and the de Broglie wavelength of the electrons is shortened. On the other hand, increasing the exposure dose rate corresponds to increasing the exposure time. If the exposure time is lengthened, the vibration of the sample itself during exposure (for example, air conditioning noise in the laboratory or extremely fine vibration noise of the apparatus itself) cannot be ignored, and the “blurring” of the processed shape occurs, which causes processing. The resolution will be reduced. Therefore, it is appropriate to increase the acceleration voltage of the electron beam and significantly reduce the exposure dose rate as the optimization conditions for exposure.

また、本製造方法においては、現像の時間も重要なパラメータである。露光のドーズレートを大幅に小さくすることに対応して、現像時間は標準的な時間よりも長い方が好ましい。具体的には、例えば、30分程度であることが好ましい。   In this manufacturing method, the development time is also an important parameter. Corresponding to significantly reducing the exposure dose rate, the development time is preferably longer than the standard time. Specifically, for example, it is preferably about 30 minutes.

そして、ステップS1300では、ステップS1200で加工した固体透明基板112上に、クロム、金を順にスパッタリングにより成膜形成し、金属膜116を形成する(図6(D)参照)。なお、クロム上に成膜形成する金属には、白金または銀を用いてもよい。   In step S1300, chromium and gold are sequentially formed by sputtering on the solid transparent substrate 112 processed in step S1200 to form the metal film 116 (see FIG. 6D). Note that platinum or silver may be used as a metal to be formed over chromium.

ここで、クロム層は、固体透明基板112と金との付着性を高めるために形成するものであり、その膜厚は、2nm程度であることが好ましい。また、金は、プラズモン共鳴応答を示す材料であり、金層の膜厚は、10nm〜100nmであることが好ましい。この膜厚は、金属構造体110の完成時の金属ナノロッド(ブロック)の厚さに相当する。   Here, the chromium layer is formed in order to enhance the adhesion between the solid transparent substrate 112 and gold, and the film thickness is preferably about 2 nm. Gold is a material that exhibits a plasmon resonance response, and the thickness of the gold layer is preferably 10 nm to 100 nm. This film thickness corresponds to the thickness of the metal nanorod (block) when the metal structure 110 is completed.

そして、ステップS1400では、金属ナノロッド(ブロック)アレイを形成する最後の段階として、ステップS1300で加工した固体透明基板112から余分なレジスト材料を除去(剥離)することにより、金属ナノロッド(ブロック)アレイ118を完成させる(図6(E)参照)。本工程におけるレジスト除去は、例えば、ステップS1300で加工した固体透明基板112をレジストリムーバと呼ばれる薬液に浸透させ、超音波洗浄することにより行う(リフトオフ)。   In step S1400, as a final step of forming the metal nanorod (block) array, the metal nanorod (block) array 118 is removed by removing (peeling) the excess resist material from the solid transparent substrate 112 processed in step S1300. Is completed (see FIG. 6E). The resist removal in this step is performed, for example, by penetrating the solid transparent substrate 112 processed in step S1300 into a chemical solution called a registry mover and ultrasonically cleaning (lift-off).

このとき、常温(室温)で超音波洗浄を行っても、余分なレジストを除去しきれない。本発明者は、固体透明基板112およびレジストリムーバを65℃〜70℃に加熱しながら超音波洗浄を行うことにより、余分なレジストを完全に除去できることを見出した。すなわち、本発明者は、リフトオフ工程において余分なレジストを除去するためには、超音波洗浄に加えて加熱を行う必要があることを見出した。ここで、超音波洗浄に加えて加熱を行うことによりレジストの除去効率が向上する理由は、レジスト材料が溶剤により溶けやすくなることである。   At this time, even if ultrasonic cleaning is performed at room temperature (room temperature), excess resist cannot be removed. The present inventor has found that excess resist can be completely removed by performing ultrasonic cleaning while heating the solid transparent substrate 112 and the registry mover to 65 ° C. to 70 ° C. That is, the present inventor has found that it is necessary to perform heating in addition to ultrasonic cleaning in order to remove excess resist in the lift-off process. Here, the reason why the resist removal efficiency is improved by heating in addition to ultrasonic cleaning is that the resist material is easily dissolved by the solvent.

そして、ステップS1500では、ステップS1400で完成した金属ナノロッド(ブロック)アレイ118に対して、電子顕微鏡および光学計測による評価を行う。具体的には、電子顕微鏡により、完成した金属ナノロッド(ブロック)アレイ118の微細構造を明らかにし、光学顕微鏡を用いた吸収スペクトルの測定により、完成した金属ナノロッド(ブロック)アレイ118に対するプラズモン共鳴吸収応答を評価する。さらに、レーザを励起光源として、多光子吸収の効率も評価する。   In step S1500, the metal nanorod (block) array 118 completed in step S1400 is evaluated by an electron microscope and optical measurement. Specifically, the microstructure of the completed metal nanorod (block) array 118 is clarified by an electron microscope, and the plasmon resonance absorption response to the completed metal nanorod (block) array 118 is measured by measuring an absorption spectrum using an optical microscope. To evaluate. Furthermore, the efficiency of multiphoton absorption is also evaluated using a laser as an excitation light source.

ステップS1500における実際の評価結果をまとめると、構造的には、本実施の形態に係る金属構造体の製造方法によれば、作製した金属ナノロッド(ブロック)のサイズ(長軸方向/短軸方向の長さ、厚さ)をナノメートルスケールで極めて良好に制御し、当該サイズの変動性をそれぞれ5%以下に抑制することができる。また、作製した金属ナノロッド(ブロック)アレイにおいて、隣接する金属ナノロッド(ブロック)間の距離を50nm以下にまで小さくし、当該距離の変動性を5%以下に抑制することができる。さらに、各金属ナノロッド(ブロック)の長軸または短軸を一つの軸方向に沿って整列させることができる。また、金属ナノロッド(ブロック)のデザイン(サイズ、形状、方向性、間隔)は、電子線露光描画のパターンニングにより任意に制御することができる。   Summarizing the actual evaluation results in step S1500, structurally, according to the manufacturing method of the metal structure according to the present embodiment, the size of the manufactured metal nanorod (block) (major axis direction / minor axis direction). (Length, thickness) can be controlled very well on a nanometer scale, and the size variability can be suppressed to 5% or less, respectively. Moreover, in the produced metal nanorod (block) array, the distance between adjacent metal nanorods (blocks) can be reduced to 50 nm or less, and the variability of the distance can be suppressed to 5% or less. Furthermore, the major axis or minor axis of each metal nanorod (block) can be aligned along one axial direction. Further, the design (size, shape, directionality, interval) of the metal nanorods (blocks) can be arbitrarily controlled by patterning of electron beam exposure drawing.

また、機能的には、上記製造方法により作製した金属ナノロッド(ブロック)アレイは、金属ナノロッド(ブロック)のサイズ、および、隣接する金属ナノロッド(ブロック)間の距離に大きく依存するプラズモン吸収特性(吸収波長位置)を有する機能(光学応答の波長選択性)を発現することができる。   Functionally, the metal nanorod (block) array produced by the above manufacturing method has a plasmon absorption characteristic (absorption) that greatly depends on the size of the metal nanorod (block) and the distance between adjacent metal nanorods (block). (Wavelength position) function (wavelength selectivity of optical response) can be expressed.

本製造方法によれば、金属ナノロッド(ブロック)のサイズ、形状および方向性、ならびに金属ナノロッド(ブロック)間の距離をそれぞれそろえて多数集積化した金属ナノロッド(ブロック)アレイを作製することができる。   According to this manufacturing method, it is possible to produce a metal nanorod (block) array in which a large number of metal nanorods (blocks) are integrated by aligning the size, shape and orientation of the metal nanorods (blocks) and the distance between the metal nanorods (blocks).

次に、センシング装置100を用いた検出手順を、図7を用いて説明する。図7は、本発明の実施の形態1に係るセンシング装置を用いた検出手順を説明するためのフローチャートである。   Next, a detection procedure using the sensing device 100 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a flowchart for explaining a detection procedure using the sensing device according to Embodiment 1 of the present invention.

まず、ステップS2000では、金属構造体110の表面に、相補的物質の一端を固定する。このとき、相補的物質の一端を金属構造体110の表面に化学的に吸着して固定することが好ましく、より好ましくは、共有結合を用いて強固に固定する。例えば、金属構造体110が金であれば、相補的物質の一端にチオール基(−SH)を結合させておき、金属構造体110の表面とチオール基との化学反応で生ずる金原子−硫黄原子の共有結合により、金属構造体110の表面に、相補的物質の一端を固定する。このとき、相補的物質の分子間相互作用、および、相補的物質と金属構造体110との相互作用により、相補的物質は、自己組織化と呼ばれる集合体形成により密に固定される。つまり、金属構造体110の表面に金原子−硫黄原子の共有結合を誘起して相補的な物質を固定し、さらに、自己組織化を誘起することにより、密に固定を行うことが好ましい。   First, in step S2000, one end of a complementary substance is fixed to the surface of the metal structure 110. At this time, it is preferable that one end of the complementary substance is chemically adsorbed and fixed to the surface of the metal structure 110, and more preferably, it is firmly fixed using a covalent bond. For example, if the metal structure 110 is gold, a thiol group (—SH) is bonded to one end of the complementary substance, and a gold atom-sulfur atom generated by a chemical reaction between the surface of the metal structure 110 and the thiol group. One end of the complementary substance is fixed to the surface of the metal structure 110 by the covalent bond. At this time, due to the intermolecular interaction of the complementary substance and the interaction between the complementary substance and the metal structure 110, the complementary substance is closely fixed by the formation of an assembly called self-assembly. That is, it is preferable to fix the densely by inducing a covalent bond of a gold atom-sulfur atom on the surface of the metal structure 110 to fix a complementary substance and further inducing self-organization.

そして、ステップS2100では、相補的物質が固定された金属構造体110上に、検出対象物質を含む試料を導入する。試料が導入された金属構造体110は、基板転送装置120に装填される。   In step S2100, a sample containing the detection target substance is introduced onto the metal structure 110 on which the complementary substance is fixed. The metal structure 110 into which the sample is introduced is loaded into the substrate transfer device 120.

そして、ステップS2200では、金属構造体110をステージ130上に載置する。具体的には、基板転送装置120で、制御部152からの指示により、装填された金属構造体110をステージ130上に転送することにより載置を行う。また、上記のように、基板転送装置120は、多検体多項目のセンシングを実現するために、複数の金属構造体110を同時に装填し、ステージ130上に転送することができる。   In step S <b> 2200, the metal structure 110 is placed on the stage 130. Specifically, the substrate transfer device 120 performs placement by transferring the loaded metal structure 110 onto the stage 130 according to an instruction from the control unit 152. Further, as described above, the substrate transfer apparatus 120 can simultaneously load a plurality of metal structures 110 and transfer them onto the stage 130 in order to realize multi-sample multi-item sensing.

そして、ステップS2300では、光源143から、金属構造体110上の所定の位置に向けてプローブ光が照射される。光源143から照射されたプローブ光は、レンズ144により絞り込まれ、干渉計145を介して干渉波になる。このとき、光源143から照射されるプローブ光の偏光特性を直線偏光にすることが好ましい。換言すれば、プローブ光の偏光方向を金属ナノ構造体の長軸方向に平行になるように調整することが好ましい。   In step S <b> 2300, probe light is emitted from the light source 143 toward a predetermined position on the metal structure 110. The probe light emitted from the light source 143 is narrowed down by the lens 144 and becomes an interference wave via the interferometer 145. At this time, it is preferable that the polarization characteristic of the probe light emitted from the light source 143 is linearly polarized light. In other words, it is preferable to adjust the polarization direction of the probe light so as to be parallel to the major axis direction of the metal nanostructure.

そして、ステップS2400では、検出部146で、金属構造体110を透過した干渉波の情報を検出する。   In step S <b> 2400, the detection unit 146 detects information on interference waves that have passed through the metal structure 110.

そして、ステップS2500では、吸収スペクトル算出部147で、検出部146で検出された透過干渉波の情報を電気信号に変換してフーリエ変換し、金属構造体110上の局在プラズモン共鳴のスペクトルを算出する。   In step S2500, the absorption spectrum calculation unit 147 converts the information of the transmission interference wave detected by the detection unit 146 into an electrical signal and performs Fourier transform, thereby calculating the spectrum of localized plasmon resonance on the metal structure 110. To do.

そして、ステップS2600では、シフト量算出部154で、基準スペクトルと、センシングスペクトルとを比較して、吸収スペクトルのシフト量(Δλ)を算出する。上記のように、シフト量(Δλ)は、基準スペクトルの極大波長とセンシングスペクトルの極大波長との差である。また、基準スペクトルは、例えば、予め測定され、図示しない記憶装置に格納されている。   In step S2600, the shift amount calculation unit 154 compares the reference spectrum and the sensing spectrum to calculate the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum. As described above, the shift amount (Δλ) is the difference between the maximum wavelength of the reference spectrum and the maximum wavelength of the sensing spectrum. Further, the reference spectrum is measured in advance and stored in a storage device (not shown), for example.

そして、ステップS2700では、解析部156で、シフト量算出部154で算出されたシフト量(Δλ)を用いて、試料に含まれる検出対象物質の量を解析する。具体的には、例えば、上記のように、シフト量(Δλ)と検出対象物質の量との関係を示す検量線を用いて、シフト量(Δλ)を検出対象物質の量に換算することにより、検出対象物質の量を解析する。検量線は、予め作成されて図示しない記憶装置に格納されている。   In step S2700, the analysis unit 156 analyzes the amount of the detection target substance included in the sample using the shift amount (Δλ) calculated by the shift amount calculation unit 154. Specifically, for example, as described above, by using the calibration curve indicating the relationship between the shift amount (Δλ) and the amount of the detection target substance, the shift amount (Δλ) is converted into the amount of the detection target substance. , Analyze the amount of detection target substance. The calibration curve is created in advance and stored in a storage device (not shown).

ここで、上記のように、シフト量(Δλ)と検出対象物質の量との関係は、検出対象物質および相補的物質によって異なるが、概ね、比例関係にあることが知られている。従って、検出しようとする状態の固有の物理量であるシフト量(Δλ)を用いた検量線を作成し、定量的なセンシングを実現することができる。また、検出対象物質の量が大きい程、シフト量(Δλ)が大きくなる。   Here, as described above, the relationship between the shift amount (Δλ) and the amount of the detection target substance varies depending on the detection target substance and the complementary substance, but is generally known to be proportional. Therefore, it is possible to create a calibration curve using the shift amount (Δλ), which is a specific physical quantity of the state to be detected, and realize quantitative sensing. Further, the shift amount (Δλ) increases as the amount of the detection target substance increases.

ここで、検出対象物質の量が大きい程シフト量(Δλ)が大きくなる理由は、次の通りである。検出対象物質と相補的物質とが結合すると、これらの結合物質の近傍の誘電率(屈折率)が変化し、この誘電率変化に伴って局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルがシフトする。このとき、検出対象物質の量が大きい程、誘電率変化が大きくなるため、シフト量(Δλ)が大きくなるのである。なお、このように誘電率変化とシフト量(Δλ)との関係も、比例関係にある。   Here, the reason why the shift amount (Δλ) increases as the amount of the detection target substance increases is as follows. When the detection target substance and the complementary substance are combined, the dielectric constant (refractive index) in the vicinity of these combined substances is changed, and the absorption spectrum of the localized plasmon resonance is shifted in accordance with the change in the dielectric constant. At this time, the larger the amount of the detection target substance, the larger the change in the dielectric constant, so the shift amount (Δλ) increases. Note that the relationship between the change in dielectric constant and the shift amount (Δλ) is also proportional.

なお、本実施の形態において、検出対象物質および相補的物質は、抗原抗体反応における抗原および抗体やDNAのハイブリダイゼーションにおける検体DNAおよびプローブDNAであるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、いわゆるホスト−ゲスト化合物を、検出対象物質および相補的物質として、本発明に適用することができる。例えば、各金属イオンの認識能に優れたクラウンエーテル化合物をプローブ(ホスト)として金属構造体110に固定することにより、金属イオン(ゲスト)を検出することができる。また、シクロデキストリン類をプローブ(ホスト)として金属構造体110に固定することにより、多種多様な有機分子群を検出することができる。   In the present embodiment, the detection target substance and the complementary substance are the antigen in the antigen-antibody reaction and the sample DNA and the probe DNA in the hybridization of the antibody or DNA, but the present invention is not limited to this. For example, a so-called host-guest compound can be applied to the present invention as a detection target substance and a complementary substance. For example, a metal ion (guest) can be detected by immobilizing a crown ether compound having excellent ability to recognize each metal ion to the metal structure 110 as a probe (host). In addition, by fixing cyclodextrins as probes (hosts) to the metal structure 110, a wide variety of organic molecule groups can be detected.

このように、本実施の形態によれば、検出しようとする状態の固有の物理量である局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを用いてセンシングを行うため、検出対象物質を高精度かつ定量的に検出することができる。   As described above, according to the present embodiment, sensing is performed using the absorption spectrum of localized plasmon resonance, which is an intrinsic physical quantity of the state to be detected, and thus the detection target substance is detected with high accuracy and quantitatively. be able to.

(実施の形態2)
本発明者は、さらに、検出対象物質がプローブDNAであり、相補的物質が検体DNAである場合において、一端が金属構造体に固定されたプローブDNAの他端に金属ナノ粒子を結合することにより、ハイブリダイゼーション時に、金属構造体、複合体(2本鎖)および金属ナノ粒子の間の電磁気学的相互作用が大きくなり、さらに顕著な誘電率変化が誘起されることを見出した。本知見により、同一条件における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)をさらに大きくすることができる。
(Embodiment 2)
The present inventor further binds the metal nanoparticles to the other end of the probe DNA, one end of which is fixed to the metal structure, when the detection target substance is the probe DNA and the complementary substance is the sample DNA. The inventors have found that upon hybridization, the electromagnetic interaction between the metal structure, the composite (double-stranded) and the metal nanoparticles is increased, and a further significant change in dielectric constant is induced. With this knowledge, the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum of localized plasmon resonance under the same condition can be further increased.

本実施の形態に係るセンシング装置200は、実施の形態1に係るセンシング装置100において、金属ナノ粒子210をさらに有する。また、本実施の形態においては、相補的物質はプローブDNA106であり、検出対象物質は検体DNA108であるものとする。   Sensing device 200 according to the present embodiment further includes metal nanoparticles 210 in sensing device 100 according to the first embodiment. In the present embodiment, it is assumed that the complementary substance is the probe DNA 106 and the detection target substance is the sample DNA 108.

金属ナノ粒子210は、ナノオーダーの粒径を有する金属(例えば、金や白金、銀等)であり、金属構造体110に一端が固定されたプローブDNA106の他端に結合される(図8(A)参照)。なお、金属ナノ粒子210とプローブDNA106とは、化学的に結合されていることが好ましい。   The metal nanoparticle 210 is a metal (for example, gold, platinum, silver, etc.) having a nano-order particle size, and is bonded to the other end of the probe DNA 106 having one end fixed to the metal structure 110 (FIG. 8 ( A)). The metal nanoparticles 210 and the probe DNA 106 are preferably chemically bonded.

プローブDNA106および検体DNA108がハイブリダイゼーションすると、結合後のDNA鎖長が短くなるため、金属構造体110の表面と金属ナノ粒子210の距離が短くなり、金属構造体110、複合体(2本鎖)および金属ナノ粒子210の間の電磁気学的相互作用が大きくなることから、実施の形態1の場合よりも顕著な誘電率変化を誘起する(図8(B)参照)。従って、同一条件における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)をさらに大きくすることができる。   When the probe DNA 106 and the sample DNA 108 are hybridized, the DNA chain length after the binding is shortened, so that the distance between the surface of the metal structure 110 and the metal nanoparticles 210 is shortened, and the metal structure 110 and the complex (double strand). In addition, since the electromagnetic interaction between the metal nanoparticles 210 and the metal nanoparticles 210 is increased, a more remarkable change in dielectric constant is induced than in the first embodiment (see FIG. 8B). Therefore, the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum of localized plasmon resonance under the same condition can be further increased.

このように、本実施の形態によれば、一端が金属構造体に固定されたプローブDNAの他端に金属ナノ粒子を結合するため、ハイブリダイゼーション時に、金属構造体、複合体(2本鎖)および金属ナノ粒子の間の電磁気学的相互作用が大きくなり、さらに顕著な誘電率変化が誘起され、同一条件における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)をさらに大きくすることができる。その結果、検出対象物質を実施の形態1の場合よりもさらに高精度に検出することができる。   Thus, according to the present embodiment, the metal nanoparticle is bound to the other end of the probe DNA, one end of which is fixed to the metal structure. Therefore, during the hybridization, the metal structure and the complex (double strand) Electromagnetic interaction between the metal nanoparticles and the metal nanoparticles is increased, and a remarkable change in dielectric constant is induced. The shift amount (Δλ) of the absorption spectrum of the localized plasmon resonance under the same condition can be further increased. As a result, the detection target substance can be detected with higher accuracy than in the first embodiment.

本発明者は、本発明の効果を実証するために詳細な実験を行った。以下では、本発明のより具体的な実施の形態(実施例)について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定して解釈されるものではない。   The inventor conducted detailed experiments in order to demonstrate the effects of the present invention. Hereinafter, more specific embodiments (examples) of the present invention will be described. In addition, this invention is limited to a following example and is not interpreted.

実施例1においては、ガラス基板(Matsunami Glass : 24 mm × 24 mm)上に電子線リソグラフィ/リフトオフにより、アスペクト比がそれぞれ異なる金属ナノブロックを作製することにより金属構造体を作製し、検出対象物質のセンシング機能を試験した。   In Example 1, a metal structure is produced by producing metal nanoblocks having different aspect ratios by electron beam lithography / lift-off on a glass substrate (Matsunami Glass: 24 mm × 24 mm), and a detection target substance The sensing function of was tested.

具体的には、まず、ガラス基板を、アセトン、メタノール、超純水を順に用いて超音波洗浄した。次に、ガラス基板上にポジ型電子リソグラフィ用レジスト(日本ゼオン株式会社製のZEP−520A、専用シンナで2倍に希釈)をスピンコート(初期:1000rpmで10sec、メイン:4000rpmで90sec)し、ホットプレート上でプリベイク(180℃で3分間)を行った。次に、加速電圧100kVの電子ビーム露光装置により、1.2μC/cmのドーズレートで所定のパターンを描画した後、現像(30分間)、リンス、乾燥させた。次に、ガラス基板上に、クロム、金を順にスパッタリング成膜形成し、金属膜を形成した。次に、65℃〜70℃に加熱したレジストリムーバ(ジメチルフォルムアミド)溶液中に浸透させ、超音波洗浄(5分間)した。 Specifically, first, the glass substrate was ultrasonically cleaned using acetone, methanol, and ultrapure water in this order. Next, a positive electron resist (ZEP-520A manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd., diluted twice with a dedicated thinner) is spin-coated on a glass substrate (initial: 1000 rpm for 10 sec, main: 4000 rpm for 90 sec), Pre-baking (3 minutes at 180 ° C.) was performed on a hot plate. Next, after drawing a predetermined pattern at a dose rate of 1.2 μC / cm 2 using an electron beam exposure apparatus with an acceleration voltage of 100 kV, development (30 minutes), rinsing and drying were performed. Next, chromium and gold were sequentially formed on the glass substrate by sputtering to form a metal film. Next, it was infiltrated into a registry mover (dimethylformamide) solution heated to 65 ° C. to 70 ° C. and subjected to ultrasonic cleaning (5 minutes).

上記のようにして製造した金属構造体のサイズは、長軸方向の長さ、短軸方向の長さおよび厚さを、それぞれ、数10nm〜数100nmのオーダーのスケールで制御することができた。   As for the size of the metal structure manufactured as described above, the length in the major axis direction, the length in the minor axis direction, and the thickness could be controlled on a scale of the order of several tens nm to several hundreds nm, respectively. .

次に、作製した金属構造体を用いたセンシング装置の検出機能を試験した。   Next, the detection function of the sensing device using the produced metal structure was tested.

具体的には、屈折率が異なる(1.0〜1.7程度)有機溶媒を、アスペクト比が異なる(1〜9)金属ナノブロックにより構成された金属構造体上に導入して、局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)を測定した。測定には、フーリエ変換型顕微赤外分光光度計を用いた。   Specifically, an organic solvent having a different refractive index (about 1.0 to 1.7) is introduced onto a metal structure composed of metal nanoblocks having a different aspect ratio (1 to 9), and localized. The shift amount (Δλ) of the absorption spectrum of plasmon resonance was measured. For the measurement, a Fourier transform type micro infrared spectrophotometer was used.

図9(A)は、有機溶媒の屈折率と局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)との関係を示す図である。なお、アスペクト比が、それぞれ、1、3、5、7、9である5種類の金属ナノブロック(長軸の長さが100nm以上かつ短軸の長さが100nm以下)により構成された金属構造体を用いて実験を行った。また、図9(B)は、金属ナノブロックのアスペクト比とシフト量Δλ/屈折率nとの関係を示す図である。   FIG. 9A is a diagram showing the relationship between the refractive index of an organic solvent and the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum of localized plasmon resonance. In addition, a metal structure composed of five types of metal nanoblocks (major axis length of 100 nm or more and minor axis length of 100 nm or less) having aspect ratios of 1, 3, 5, 7, and 9, respectively. The experiment was conducted using the body. FIG. 9B is a diagram showing the relationship between the aspect ratio of the metal nanoblock and the shift amount Δλ / refractive index n.

図9(A)より、いずれのアスペクト比の金属ナノブロックにより構成された金属構造体を用いても、有機溶媒の屈折率と局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)とは比例関係を有していることが分かる。例えば、アスペクト比が9の金ナノブロックにより構成された金属構造体の測定においては、屈折率変化Δn=0.01が、シフト量(Δλ)=4(nm)に相当する。また、図9(B)より、金ナノブロックのアスペクト比が高い程、大きなシフト量(Δλ)を示し、高精度な検出が実現されていることが分かる。   From FIG. 9 (A), the refractive index of the organic solvent and the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum of the localized plasmon resonance are proportional to each other regardless of the metal structure composed of the metal nanoblock of any aspect ratio. It can be seen that For example, in the measurement of a metal structure composed of gold nanoblocks with an aspect ratio of 9, a refractive index change Δn = 0.01 corresponds to a shift amount (Δλ) = 4 (nm). FIG. 9B shows that the higher the aspect ratio of the gold nanoblock is, the larger the shift amount (Δλ) is, and the highly accurate detection is realized.

上記のように、検出対象物質と相補的物質が結合すると、これらの結合物質の近傍の屈折率が変化し、この屈折率変化に伴って局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルがシフトする。本実施例では、検出対象物質と相補的物質が結合することによる屈折率の変化は、有機溶媒の屈折率の違いに相当する。従って、有機溶媒を用いて実験を行った本実施例により、本発明の効果を実証することができる。   As described above, when a substance to be detected and a complementary substance are bound to each other, the refractive index in the vicinity of these bound substances is changed, and the absorption spectrum of the localized plasmon resonance is shifted with the change in the refractive index. In this embodiment, the change in the refractive index due to the binding between the detection target substance and the complementary substance corresponds to the difference in the refractive index of the organic solvent. Therefore, the effect of the present invention can be demonstrated by this example in which an experiment was performed using an organic solvent.

次に、上記のように作成した金属構造体にプローブDNAの一端を固定し、かつ、プローブDNAの他端に金属ナノ粒子を結合して、検出対象物質のセンシング機能を試験した。なお、金属ナノ粒子は、金を用いた。   Next, one end of the probe DNA was fixed to the metal structure prepared as described above, and metal nanoparticles were bound to the other end of the probe DNA to test the sensing function of the detection target substance. In addition, gold was used for the metal nanoparticles.

具体的には、まず、金属構造体を濃硝酸溶液に浸漬(3分間)して、50℃に加熱した洗浄液(ドデシル硫酸ナトリウム溶液)中で攪拌(5分×3回)しながら洗浄した。次に、金属構造体上に、3’末端にチオール基を結合し5’末端基にビオチンを結合した合成ヌクレオチド(40塩基)を、チオール結合(37℃、10時間)により固定化してプローブDNAとした。次に、金属構造体上にメルカプト酢酸溶液を滴下して金属構造体表面を陰性荷電し、分散溶液を添加して浸漬(4時間)することにより、表面にストレプトアビジンをコートした金ナノ粒子(直径10nm)とプローブDNAの5’末端とをビオチン−ストレプトアビジンの相互作用により結合させた。   Specifically, first, the metal structure was immersed in a concentrated nitric acid solution (for 3 minutes) and washed in a cleaning solution (sodium dodecyl sulfate solution) heated to 50 ° C. with stirring (5 minutes × 3 times). Next, a synthetic nucleotide (40 bases) in which a thiol group is bonded to the 3 ′ end and biotin is bonded to the 5 ′ end group is immobilized on the metal structure by thiol bonding (37 ° C., 10 hours) to probe DNA. It was. Next, by dropping a mercaptoacetic acid solution onto the metal structure to negatively charge the surface of the metal structure, and adding and immersing the dispersion solution (4 hours), gold nanoparticles having a surface coated with streptavidin ( 10 nm in diameter) and the 5 ′ end of the probe DNA were bound by biotin-streptavidin interaction.

このようにして、プローブDNAの一端を金属構造体上に固定し、プローブDNAの他端を金ナノ粒子と結合させた。このとき、金属構造体上の金属ナノブロックの表面は、被覆率約30%で1本鎖プローブDNAの単分子膜に被覆されていた。   In this way, one end of the probe DNA was fixed on the metal structure, and the other end of the probe DNA was bonded to the gold nanoparticles. At this time, the surface of the metal nanoblock on the metal structure was covered with a monomolecular film of single-stranded probe DNA at a coverage of about 30%.

また、作製した試料の電子顕微鏡による観察を行った。図10(A)は、プローブDNAの一端を金属構造体(アスペクト比=1(100nm×100nm)の金ナノブロックにより構成)上に固定し、他端を金ナノ粒子と結合した試料を示す電子顕微鏡写真である。図10(B)は、プローブDNAの一端を金属構造体(アスペクト比=6(50nm×300nm)の金ナノブロックにより構成)上に固定し、他端を金ナノ粒子と結合した試料を示す電子顕微鏡写真である。   In addition, the produced sample was observed with an electron microscope. FIG. 10A is an electron showing a sample in which one end of the probe DNA is fixed on a metal structure (configured by a gold nanoblock having an aspect ratio = 1 (100 nm × 100 nm)) and the other end is bonded to a gold nanoparticle. It is a micrograph. FIG. 10 (B) is an electron showing a sample in which one end of the probe DNA is fixed on a metal structure (configured by a gold nanoblock having an aspect ratio = 6 (50 nm × 300 nm)) and the other end is bonded to a gold nanoparticle. It is a micrograph.

図10(A)および図10(B)より、金ナノブロックのアスペクト比にかかわらず、プローブDNAの他端に結合した多数の金ナノ粒子(直径10nm)が観測された。   10A and 10B, a large number of gold nanoparticles (diameter 10 nm) bound to the other end of the probe DNA were observed regardless of the aspect ratio of the gold nanoblock.

次に、作製した金属構造体を用いたセンシング装置の検出機能を試験した。   Next, the detection function of the sensing device using the produced metal structure was tested.

具体的には、作製した金属構造体に、プローブDNAと相補関係を有する検体DNAを含有する溶液を導入してハイブリダイゼーションを誘起させ、フーリエ変換型顕微赤外分光光度計を用いて試料上の所定の位置における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを測定した。また、プローブDNAの他端に金ナノ粒子を結合させることの優位性を実証するため、プローブDNAに金ナノ粒子を結合しない金属構造体においても同様の実験を行った。また、測定には、アスペクト比が、それぞれ、1、5、9である3種類の金属ナノブロックにより構成された金属構造体を用いて実験を行った。   Specifically, a solution containing a sample DNA having a complementary relationship with the probe DNA is introduced into the prepared metal structure to induce hybridization, and a Fourier transform type micro-infrared spectrophotometer is used on the sample. The absorption spectrum of localized plasmon resonance at a predetermined position was measured. Further, in order to demonstrate the superiority of bonding gold nanoparticles to the other end of the probe DNA, a similar experiment was also performed on a metal structure that does not bind gold nanoparticles to the probe DNA. For the measurement, an experiment was performed using a metal structure composed of three kinds of metal nanoblocks having aspect ratios of 1, 5, and 9, respectively.

図11(A)は、プローブDNAの他端に金ナノ粒子を結合しない金属構造体上の所定の位置における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを示す図である。また、図11(B)は、プローブDNAの他端に金ナノ粒子を結合した金属構造体上の所定の位置における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを示す図である。また、図11(C)は、図11(A)および図11(B)における金ナノブロックのアスペクト比と局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)との関係を示す図である。なお、図11(A)〜(B)は、アスペクト比=9の金属ナノブロックにより構成された金属構造体を用いて行ったものである。   FIG. 11A is a diagram showing an absorption spectrum of localized plasmon resonance at a predetermined position on a metal structure that does not bind gold nanoparticles to the other end of the probe DNA. FIG. 11B is a diagram showing an absorption spectrum of localized plasmon resonance at a predetermined position on a metal structure in which gold nanoparticles are bonded to the other end of the probe DNA. FIG. 11C is a diagram showing the relationship between the aspect ratio of the gold nanoblocks in FIG. 11A and FIG. 11B and the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum of the localized plasmon resonance. Note that FIGS. 11A to 11B are obtained by using a metal structure including metal nanoblocks having an aspect ratio = 9.

また、図11(A)において、スペクトルPは、金属構造体上にプローブDNAおよび検体DNAのいずれも固定しない場合の局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルであり、スペクトルQは、金属構造体上にプローブDNAのみを固定した場合の局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルであり、スペクトルRは、プローブDNAが固定された金属構造体上に検体DNAを含む試料を導入した場合の局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルである。従って、図11(A)におけるシフト量(Δλ)は、スペクトルQの極大波長とスペクトルRの極大波長との差である。   In FIG. 11A, spectrum P is an absorption spectrum of localized plasmon resonance when neither probe DNA nor sample DNA is immobilized on the metal structure, and spectrum Q is a probe on the metal structure. This is an absorption spectrum of localized plasmon resonance when only DNA is immobilized, and spectrum R is an absorption spectrum of localized plasmon resonance when a sample containing sample DNA is introduced onto a metal structure on which probe DNA is immobilized. is there. Therefore, the shift amount (Δλ) in FIG. 11A is the difference between the maximum wavelength of the spectrum Q and the maximum wavelength of the spectrum R.

また、図11(B)において、スペクトルP’は、金属構造体上にプローブDNAおよび検体DNAのいずれも固定しない場合の局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルであり、スペクトルQ’は、金属構造体上にプローブDNAのみを固定した場合の局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルであり、スペクトルR’は、プローブDNAが固定された金属構造体上に検体DNAを含む試料を導入した場合の局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルである。従って、図11(B)におけるシフト量(Δλ)は、スペクトルQ’の極大波長とスペクトルR’の極大波長との差である。   In FIG. 11B, spectrum P ′ is an absorption spectrum of localized plasmon resonance when neither probe DNA nor sample DNA is immobilized on the metal structure, and spectrum Q ′ is on the metal structure. Is the absorption spectrum of localized plasmon resonance when only the probe DNA is immobilized, and the spectrum R ′ is the spectrum of localized plasmon resonance when the sample containing the sample DNA is introduced onto the metal structure on which the probe DNA is immobilized. It is an absorption spectrum. Therefore, the shift amount (Δλ) in FIG. 11B is the difference between the maximum wavelength of the spectrum Q ′ and the maximum wavelength of the spectrum R ′.

図11(A)および図11(B)より、ハイブリダイゼーションによりプラズモン共鳴の吸収スペクトルがシフトしていることが分かった。また、プローブDNAの他端に金ナノ粒子を結合させることにより、同一条件における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)を大きくできることが分かった。例えば、図11(B)におけるシフト量(Δλ)は、最大40nmであった。さらに、図11(C)より、金ナノブロックのアスペクト比が高い程(アスペクト比=9)、同一条件における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)を大きくできることが分かった。   From FIG. 11 (A) and FIG. 11 (B), it was found that the absorption spectrum of plasmon resonance was shifted by hybridization. It was also found that the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum of localized plasmon resonance under the same conditions can be increased by bonding gold nanoparticles to the other end of the probe DNA. For example, the maximum shift amount (Δλ) in FIG. 11B was 40 nm. Furthermore, FIG. 11C shows that the shift amount (Δλ) of the absorption spectrum of localized plasmon resonance under the same conditions can be increased as the aspect ratio of the gold nanoblock is higher (aspect ratio = 9).

このとき、図11(A)においては、屈折率変化Δn=0.025が、シフト量(Δλ)=10(nm)に相当する。また、検体DNA自身の屈折率が1.46、金ナノブロックの表面被覆率が30%であったため、ハイブリダイゼーションしたDNAの割合は18%であると見積もられた。   At this time, in FIG. 11A, the refractive index change Δn = 0.025 corresponds to the shift amount (Δλ) = 10 (nm). In addition, since the refractive index of the sample DNA itself was 1.46 and the surface coverage of the gold nanoblock was 30%, the proportion of the hybridized DNA was estimated to be 18%.

本発明に係るセンシング方法およびセンシング装置は、蛍光センシングや光反射を用いることなく、高精度かつ定量的に検出対象物質を検出することができるため、医療診断、遺伝子解析および環境分析に供するセンシング方法およびセンシング装置として有用である。   Since the sensing method and the sensing device according to the present invention can detect a detection target substance with high accuracy and quantity without using fluorescence sensing or light reflection, a sensing method used for medical diagnosis, genetic analysis, and environmental analysis And it is useful as a sensing device.

本発明の実施の形態1に係るセンシング装置の全体構成を示す図The figure which shows the whole structure of the sensing apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1に示すセンシング装置の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the sensing apparatus shown in FIG. (A)イムノアッセイチップ上に抗体の一端が固定された状態を示す図、(B)イムノアッセイチップ上に固定された抗体と導入された抗原とが選択的に複合体を形成した状態を示す図(A) The figure which shows the state by which the end of the antibody was fixed on the immunoassay chip, (B) The figure which shows the state in which the antibody fixed on the immunoassay chip and the introduced antigen selectively formed a complex. (A)DNAチップ上にプローブDNAの一端が固定された状態を示す図、(B)DNAチップ上に固定されたプローブDNAと導入された検体DNAとが複合体を形成した状態を示す図(A) A diagram showing a state in which one end of the probe DNA is fixed on the DNA chip, (B) a diagram showing a state in which the probe DNA fixed on the DNA chip and the introduced sample DNA form a complex. 金属構造体の製造手順を説明するためのフローチャートFlow chart for explaining the manufacturing procedure of the metal structure 金属構造体の製造手順を説明するための工程別断面図Sectional drawing according to process for demonstrating the manufacturing procedure of a metal structure 図1および図2に示すセンシング装置を用いた検出手順を説明するためのフローチャートThe flowchart for demonstrating the detection procedure using the sensing apparatus shown in FIG. 1 and FIG. (A)プローブDNAの他端に金属ナノ粒子が結合した状態を示す図、(B)(A)のプローブDNAが検体DNAとハイブリダイゼーションした状態を示す図(A) The figure which shows the state which the metal nanoparticle couple | bonded with the other end of probe DNA, (B) The figure which shows the state which probe DNA of (A) hybridized with sample DNA (A)有機溶媒の屈折率と局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)との関係を示す図、(B)金属ナノブロックのアスペクト比とシフト量Δλ/屈折率nとの関係を示す図(A) The figure which shows the relationship between the refractive index of an organic solvent, and the shift amount ((DELTA) (lambda)) of the absorption spectrum of a local plasmon resonance, (B) The relationship between the aspect-ratio of metal nanoblock and shift amount (DELTA) (lambda) / refractive index n. Illustration (A)プローブDNAの一端を金属構造体(アスペクト比=1(100nm×100nm)の金ナノブロックにより構成)上に固定し、他端を金ナノ粒子と結合した試料を示す電子顕微鏡写真、(B)プローブDNAの一端を金属構造体(アスペクト比=6(50nm×300nm)の金ナノブロックにより構成)上に固定し、他端を金ナノ粒子と結合した試料を示す電子顕微鏡写真(A) An electron micrograph showing a sample in which one end of the probe DNA is fixed on a metal structure (configured by gold nanoblocks having an aspect ratio = 1 (100 nm × 100 nm)) and the other end is bonded to gold nanoparticles; B) Electron micrograph showing a sample in which one end of the probe DNA is fixed on a metal structure (configured with gold nanoblocks having an aspect ratio of 6 (50 nm × 300 nm)) and the other end is bonded to gold nanoparticles. (A)プローブDNAの他端に金ナノ粒子を結合しない金属構造体(アスペクト比=9の金ナノブロックにより構成)上の所定の位置における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを示す図、(B)プローブDNAの他端に金ナノ粒子を結合した金属構造体(アスペクト比=9の金ナノブロックにより構成)上の所定の位置における局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを示す図、(C)図11(A)および図11(B)における金ナノブロックのアスペクト比と局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルのシフト量(Δλ)との関係を示す図(A) A diagram showing an absorption spectrum of localized plasmon resonance at a predetermined position on a metal structure (configured by gold nanoblocks having an aspect ratio of 9) that does not bind gold nanoparticles to the other end of the probe DNA. FIG. 11C shows an absorption spectrum of localized plasmon resonance at a predetermined position on a metal structure (configured by gold nanoblocks having an aspect ratio = 9) in which gold nanoparticles are bonded to the other end of the probe DNA. The figure which shows the relationship between the aspect-ratio of a gold nanoblock in FIG. 11 (A) and FIG. 11 (B), and the shift amount ((DELTA) (lambda)) of the absorption spectrum of a localized plasmon resonance.

符号の説明Explanation of symbols

100、200 センシング装置
102 抗体
104 抗原
106 プローブDNA
108 検体DNA
110 金属構造体
112 固体透明基板
114 レジスト薄膜
116 金属膜
118 金属ナノロッド(ブロック)アレイ
120 基板転送装置
130 ステージ
132 ステージ駆動装置
140 吸収スペクトル測定装置
141 光源コントローラ
142 電源
143 光源
144 レンズ
145 干渉計
146 検出部
147 吸収スペクトル算出部
150 コンピュータ部
152 制御部
154 シフト量算出部
156 解析部
160 入力部
170 出力部
210 金属ナノ粒子
100, 200 Sensing device 102 Antibody 104 Antigen 106 Probe DNA
108 Sample DNA
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Metal structure 112 Solid transparent substrate 114 Resist thin film 116 Metal film 118 Metal nanorod (block) array 120 Substrate transfer device 130 Stage 132 Stage drive device 140 Absorption spectrum measuring device 141 Light source controller 142 Power source 143 Light source 144 Lens 145 Interferometer 146 Detection Unit 147 absorption spectrum calculation unit 150 computer unit 152 control unit 154 shift amount calculation unit 156 analysis unit 160 input unit 170 output unit 210 metal nanoparticles

Claims (5)

検出対象のDNAにハイブリダイゼーションしうるプローブDNAがその表面に固定化されている、局在プラズモン共鳴を示す複数の金属ナノ構造体を、透明基板上に配置した金属構造体を準備するステップと、
前記金属構造体表面の前記複数の金属ナノ構造体が配置された領域に、試料液を提供するステップと、
前記試料液を提供された前記金属構造体にプローブ光を照射して、透過光を検出するステップと、
前記透過光の吸収スペクトルの極大波長のシフト量から、前記試料液に含まれる検出対象のDNAを検出するステップと、を有するDNAの検出方法であって、
前記複数の金属ナノ構造体は、アスペクト比が5以上の同一形状であり、かつそれぞれの長軸が平行になるように前記透明基板上に一定の間隔で規則的に配列されており、
前記プローブDNAは、一方の端部が前記金属ナノ構造体の表面に固定されており、他方の端部には金属ナノ粒子が結合されている、
DNAの検出方法。
Preparing a metal structure in which a plurality of metal nanostructures exhibiting localized plasmon resonance, on which probe DNA capable of hybridizing to DNA to be detected is immobilized, are arranged on a transparent substrate;
Providing a sample solution to a region where the plurality of metal nanostructures are disposed on the surface of the metal structure;
Irradiating the metal structure provided with the sample liquid with probe light and detecting transmitted light;
Detecting the DNA to be detected contained in the sample liquid from the shift amount of the maximum wavelength of the absorption spectrum of the transmitted light, and a method for detecting DNA comprising:
The plurality of metal nanostructures have the same shape with an aspect ratio of 5 or more, and are regularly arranged on the transparent substrate at regular intervals so that their long axes are parallel to each other,
The probe DNA has one end fixed to the surface of the metal nanostructure, and the other end is bonded with metal nanoparticles.
DNA detection method.
前記プローブ光は、直線偏光であり、The probe light is linearly polarized light,
前記プローブ光の偏光方向は、前記複数の金属ナノ構造体の長軸方向に平行である、The polarization direction of the probe light is parallel to the major axis direction of the plurality of metal nanostructures,
請求項1に記載のDNAの検出方法。The method for detecting DNA according to claim 1.
透明基板と、
前記透明基板上に配置された、局在プラズモン共鳴を示す複数の金属ナノ構造体と、
前記金属ナノ構造体の表面に固定化された、検出対象のDNAにハイブリダイゼーションしうるプローブDNAと、を有するDNA検出用の金属構造体であって、
前記複数の金属ナノ構造体は、アスペクト比が5以上の同一形状であり、かつそれぞれの長軸が平行になるように前記透明基板上に一定の間隔で規則的に配列されており、
前記プローブDNAは、一方の端部が前記金属ナノ構造体の表面に固定されており、他方の端部には金属ナノ粒子が結合されている、
DNA検出用の金属構造体。
A transparent substrate;
A plurality of metal nanostructures disposed on the transparent substrate and exhibiting localized plasmon resonance;
A metal structure for DNA detection, comprising probe DNA immobilized on the surface of the metal nanostructure and capable of hybridizing to DNA to be detected;
The plurality of metal nanostructures have the same shape with an aspect ratio of 5 or more, and are regularly arranged on the transparent substrate at regular intervals so that their long axes are parallel to each other,
The probe DNA has one end fixed to the surface of the metal nanostructure, and the other end is bonded with metal nanoparticles.
Metal structure for DNA detection.
その表面に試料液を提供される、請求項3に記載の金属構造体と、
前記金属構造体にプローブ光を照射する光照射部と、
前記金属構造体を透過した透過光を検出する透過光検出部と、
前記透過光の吸収スペクトルの極大波長のシフト量から、前記試料液に含まれる検出対象のDNAを検出する解析部と、
を有する、DNAの検出装置。
The metal structure according to claim 3, wherein a sample liquid is provided on the surface;
A light irradiation unit for irradiating the metal structure with probe light; and
A transmitted light detector that detects transmitted light transmitted through the metal structure;
From the amount of shift of the maximum wavelength of the absorption spectrum of the transmitted light, an analysis unit for detecting the DNA to be detected contained in the sample solution;
An apparatus for detecting DNA.
前記プローブ光は、直線偏光であり、The probe light is linearly polarized light,
前記プローブ光の偏光方向は、前記複数の金属ナノ構造体の長軸方向に平行である、The polarization direction of the probe light is parallel to the major axis direction of the plurality of metal nanostructures,
請求項4に記載のDNAの検出装置。The DNA detection apparatus according to claim 4.
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