JP4920674B2 - 構造体、分離素子、分離装置、捕捉素子、検出装置、及びその製造方法、ならびに標的物質の分離方法及び検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、特定の物質を分離または捕捉するための構造体及びその製造方法、並びに、この構造体を用いた分離素子、捕捉素子、分離装置、検出装置等に関する。

微量のタンパク質や核酸を分析する場合には、従来から電気泳動や液体クロマトグラフが用いられており、その代表例としてキャピラリー電気泳動やキャピラリー液体クロマトグラフがある。これらの装置は内径が１００μｍ以下のガラスキャピラリー内に分離マトリクスを充填し、分析を行うものである。微小空間による分析により効率が高まった。また、このような背景のもと、近年では、数百μｍのオーダーの微小空間に対して、さらに小さな数十μｍ以下のオーダーの空間を適用しようという試みがなされている。

例えばこのような目的のために、基材として、ニトロセルロース膜、ナイロン膜などのミクロフィルター、紙、不織布、糸等の多孔質体を使用する方法や、反応器内にビーズを充填し多孔質体とする方法が知られている。これらの多孔質体は、実質表面積がみかけの表面積より非常に大きく、表面に多くの捕捉体成分や相互作用成分を固定化、又は担持することができる。

しかし、これらの基材には、その構造上、標的物質が到達できない閉塞した空間も多く存在していると思われる。このような空間は、基材の体積に対して反応に寄与できない無駄な空間となり、その分離素子としての分離能や捕捉素子としての効率を低下させていることになる。また、ビーズを充填する方法においては、微小流路に長時間もしくは多量に検査溶液を注入して圧力をかけた場合、ビーズ自体も移動し、目詰まりを起こしてしまうという問題や、充填方法によって充填構造が異なってしまい、再現性が低いという問題があった。

また、生体や生体分子の持つ、優れた生体分子認識能を活用した計測デバイスとしてバイオセンサ、バイオチップが研究されており、近年、医療分野のみならず、環境や食料品等への幅広い応用が期待されている。

一般的に、バイオセンサは測定対象とする物質（以下、標的物質）を認識、捕捉する捕捉素子、及びその時発生する物理的、化学的な変化を検知し、電気信号、光信号等の検出可能な信号へ変換する検知素子から構成される。生体内には、互いに親和性のある物質の組み合わせとして例えば酵素-基質、抗原-抗体、DNA-DNA等がある。バイオセンサはこれらの組み合わせの一方を基材に固定化もしくは担持し、捕捉体成分として用いることによって、もう一方の物質を選択的に計測できるという原理を利用している。また、検知素子としては、酸素電極、過酸化水素電極、イオン電極、ISFET（Ion Sensitive Field Effect Transistor）、光ファイバ、サーミスタなど様々な形式のものが提案されている。最近ではナノグラム程度の質量変化が検知できる水晶振動子やSAW(Surface Acoustic Wave)素子、プラズモン共鳴素子などが使われる場合もある。

近年では、このような化学分析システムを数センチ四方のガラスやプラスチックのような基板上に集積する研究、つまりマイクロ分析システムの研究が盛んになっている。例えば、チップ内部に反応物質を含む液体を流すために、内径数百μｍ程度のごく細い溝、つまり微小空間を作りこんだチップが研究されている。

この微小空間のもつ利点には、
（１）空間が狭く、物質拡散に要する時間を短縮できる、
（２）試料体積に対して比表面積が大きく界面を利用した化学プロセスを迅速に行うことができる、
（３）熱容量が小さく急速な温度切り替えが可能になる、
（４）分析に要する試料量、エネルギー量等が低減でき、システムの小型化も期待できる、
といったことが挙げられ、スケールを小さくすることで測定の短時間化、高精度化を図る試みがなされている。

バイオセンサにおいてもあらゆる場所に設置あるいは持ち運び可能な小型の装置で高性能な分析を短時間でできるものが期待されており、マイクロ分析システム化は重要な課題となっている。特に、捕捉素子においては、前述の微小空間の利用は重要であり、これらの効果は大きい。つまり捕捉体成分を基材に高濃度に固定又は担持し、この捕捉体成分と標的物質の接触、認識を円滑に行うことのできる微小空間を捕捉素子に適用できれば、さらに高感度、高精度なバイオセンサが実現できると考えられているのである。

こうした中、柱状体を基板上に配したものをクロマトグラフ用のカラムに用いることが検討されている。例えば、Analytical Chemistry、2003、75、p6244では、従来の充填型カラムを、多孔質柱状体を規則的に配列させて構成したカラムに置き換えた場合の理論解析をソフトウェアを用いて行っている。そして多孔質柱状体を規則的配列させたカラムを用いることで、カラムの小型化と低分離インピーダンスが得られるとしている。

これとは別にUS2004/0125266A1公報（特開2004-170935号公報の対応ＵＳ出願）では、分子フィルター、バイオチップ、光デバイス等に適用可能な機能性基板として、有機ポリマー製の柱状突起物群を有機ポリマー製の基板上に配した基板を提案している。当該公報によれば、柱状突起物群を有機ポリマーで構成するのでプレスを用いて機能性基板を安価に製造できるとしている。

更に、柱状体を用いるものではないが、核酸、タンパク質等の細胞内の化学物質の分析に適用可能な分離媒体として多孔質ゲルを用いたものが特開2004-99418号公報に開示されている。当該公報に開示の発明は、マクロ孔を有するゲル骨格上に分離したい化合物に適した酸化物層を被覆した材料を提供することを目的とするものである。

具体的には、層分離を伴うゾル−ゲル転移を用いて多孔質ゲルを作製し、該多孔質内に金属酸化物の前駆体となる物質を導入したのち、加水分解・重縮合反応により金属酸化物層を被覆する多孔質材料の製造方法を開示する。この公報に開示の発明によれば、充填カラムよりも低い圧力で通液することができる材料を製造できるとしている。

しかしながら、上述のAnalytical Chemistry、2003、75、p6244では単に理論的な解析を行っているのみで、具体的な多孔質柱状体の材料及び形成方法についての詳しい開示はない。

また、US2004/0125266A1公報においては、有機ポリマーを用いて柱状突起群を構成しており、腐食性成分を含む分子を柱状突起物に捕らえる場合には有機ポリマーの安定性が問題となり得る場合があった。また、有機ポリマー製柱状突起群を形成する基板は、柱状突起群を構成する有機ポリマーと同じ材料で構成されることから基板上へ柱状突起群を作製する上で制約となり、コスト上昇につながる懸念がある。

更に、特開2004-99418号公報では、多孔質ゲルを用いた分離媒体を開示するが、分離媒体は柱状の構造体を用いるものではなく、より流動抵抗が低い分離媒体の提供について改善の余地があるのが実状である。
US2004/0125266A1公報 特開2004-170935号公報 特開2004-99418号公報 Analytical Chemistry、2003、75、p6244

本発明の目的は、低い流動抵抗を有し特定の物質を安定して分離または捕捉し得る安価な構造体を提供することである。また、本発明の別の目的は、この方法で得られる構造体を用いた分離素子、分離装置、捕捉素子、検出装置を提供することである。さらに本発明の別の目的は、透光性に優れ、光学的検出に適用可能は、分離装置及び検出装置を提供することである。

本発明により提供される構造体は、内部空間に連通する開口部を有し、該開口部より導入された物質を分離または捕捉するための構造体であって、前記内部空間と前記開口部を有する部材と、前記内部空間内に互いに間隔を置いて配置された複数の柱状体を備え、前記柱状体は、無機酸化物を含有する材料であって、前記部材と組成が異なる材料から形成されていることを特徴とする。

本発明の分離素子は、内部空間に連通する開口部を有し、該開口部より導入された検体から、該検体中に含まれる標的物質を分離するための分離素子であって、本発明の構造体と、前記柱状体の表面に、前記標的物質と相互作用することで前記検体からの分離を可能とする分離用成分を更に有することを特徴とする。

本発明の標的物質の分離装置は、上記構成の分離素子と、分離素子の内部空間内での流体移動を生じさせるための流体移動手段と、を備えたことを特徴とする分離装置である。

本発明の捕捉素子は、内部空間に連通する開口部を有し、該開口部より導入された検体から、該検体中に含まれる標的物質を捕捉する捕捉素子であって、本発明の構造体と、前記柱状体の表面に、前記標的物質の捕捉体成分を更に有することを特徴とする。

本発明の標的物質検出装置は、上記構成の捕捉素子と、該捕捉素子に標的物質が捕捉されたことを検出するための検出手段とを備えたことを特徴とする標的物質検出装置である。

本発明の標的物質の分離方法は、外部より導入された検体から、該検体中に含まれる標的物質を分離する方法であって、前記検体と上記構成の分離素子を接触させる工程と、前記接触させる工程により生じる、前記分離素子と前記標的物質との物理的または化学的な相互作用を利用して前記標的物質を前記検体から分離する工程と、を有することを特徴とする。

本発明の標的物質の検出方法は、外部より導入された検体から、該検体中に含まれる標的物質を検出する方法であって、前記検体と上記構成の捕捉素子を接触させる工程と、前記検体中の標的物質が前記捕捉素子に捕捉されたことにより生じる物理的または化学的変化を検出する工程と、を有することを特徴とする。

本発明の構造体の製造方法は、内部空間を有する部材の前記内部空間内に柱状体を備えた構造体の製造方法において、無機酸化物前駆体が溶解し、前記柱状体を形成し得る組成に調整された反応溶液を用意する工程と、前記内部空間内に前記反応溶液を充填する工程と、前記空間内で相分離、及び、ゾル-ゲル転移を起こし、重力がかかる方向と平行な方向に柱状体を形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明による構造体は、クロマトグラフ用カラム等の分離素子に適用可能である。本発明の構造体は、内部空間を有する部材内に備えられた複数の柱状体は、無機酸化物を含有する材料で構成されていることから、腐食性を有する物質に対しても安定して分離または捕捉作用を有する。また、内部空間を有する部材と柱状体とを異なる組成の材料で構成することから、柱状体の強度等の特性を維持しつつ、内部空間を有する部材に安価な材料を採用することができ、多くの材料から構造体を構成し得る。

本発明によれば、低い流動抵抗を有し特定の物質を安定して分離または捕捉するための構造体を安価に提供することができる。また、本発明の構造体を用いて分離素子、分離装置、捕捉素子、検出装置を提供することができる。さらには、透光性に優れ、標的物質の検出に光学的手法を採用でき、高感度検出が可能な検出装置を提供できる。

本発明の構造体は、内部空間に連通する開口部を有し、該開口部より導入された物質を分離または捕捉するための構造体であって、前記内部空間と前記開口部を有する部材と、前記内部空間内に互いに間隔を置いて配置された複数の柱状体を備え、前記柱状体は、無機酸化物を含有する材料であって、前記部材と組成が異なる材料から形成されていることを特徴とする。

尚、前記無機酸化物は、シリカであることが好ましく、さらには、柱状体が炭素を含むことが好ましい。

本発明の構造体が物質の分離または捕捉のために用いられる対象物質は、特に限定されるものではないが、好適には有機化合物及びリン酸化合物から選択される物質である。このような物質としては、タンパク質や核酸、糖、ペプチド、アミノ酸、ビタミン、脂質などの生物に含有される生体物質、その関連物質、アレルゲン、バクテリア、ウイルス等の他、人工的に合成された擬似生体物質が挙げられる。更には、各種プラスチックス、繊維、塗料、トナー等を構成する物質、メッキ液やエッチング液等の水溶性試料、液晶、感光牲材料など機能性材料を構成する物質が挙げられる。

本発明の分離素子は検体中の標的物質を分離する分離素子であって、上記構造の構造体の柱状体表面に分離対象としての標的物質と物理的または化学的に相互作用する成分を配置したものである。この分離素子と、分離素子の多数の柱状体が配置された内部空間での流体移動を可能とする流体移動手段と、を少なくとも用いて標的物質の分離装置を構成することができる。この分離装置は、標的物質の分離状態を検出するための検出手段を更に有してもよく、この検出手段としては光学的検出手段であることが好ましい。

また、上記構成の構造体は、柱状体表面に標的物質捕捉用成分を配置することで、検体中の標的物質を捕捉する捕捉素子として好適に利用できる。この捕捉素子と、捕捉素子での検体中の標的物質の捕捉状態を検出するための検出手段と、を少なくとも用いて標的物質の検出装置を構成することができる。検出手段としては、光学的に検出するための手段であることが好ましい。なかでも、蛍光法、発光法、吸光法、屈折率法、熱伝導度法、熱レンズ法、化学ルミネッセンス法及びプラズモン共鳴法から選択される少なくとも一つの方法を利用した検出手段がより好ましい。

上記の分離素子を用いた標的物質の分離方法は、検体と分離素子を接触させる工程、この接触工程により生じる分離素子と標的物質との物理的または化学的な相互作用を利用して標的物質を分離する工程と、を少なくとも有する。

また、上記構成の捕捉素子を用いた標的物質の検出方法は、検体と捕捉素子とを接触させる工程、この接触工程により生じる物理的または化学的変化を検出する工程とを、少なくとも有する。

また、本発明にかかる構造体の製造方法は、溶媒に無機酸化物前駆体を溶解し反応溶液を作製する工程と、内部空間を有する部材の空間内に反応溶液を充填する工程と、空間内で相分離、及び、ゾル-ゲル転移を起こし、柱状体を形成する工程とを、少なくとも有する。この無機酸化物前駆体としては、好ましくは金属アルコキシド、より好ましくはシリコンアルコキシドが利用できる。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、更に詳細に説明する。

本発明の構造体の一例についての構造を図１に示す。図１に示す構造体は、内部空間を有する部材１１の内部に複数の柱状体１３を有する。以下、構造体の各構成部分について更に説明する。

(内部空間を有する部材)
本発明による構造体は、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のような内部空間２２を有する部材２１を備えた構造体であるが、本発明において採用される部材は、内部空間とこれに連通する開口部を有していれば、この形状に限るものではない。只、複数の柱状体をより平行に形成するためには、内部空間を有する部材の２つの面が平行なものの方が望ましい。図２に示した例でいえば、図２（a）及び（b）に示したものの方が、図２（c）及び（d）に示したものよりも平行な柱状体が得られやすい。尚、本発明においては、内部空間を取り囲む壁面が連続的に形成された一体型の部材を利用でき、好適に用いられるが、流路等に上部基板を接合させたり、側壁としてのスペーサーを介して下部基板と上部基板を接合することで、部材としても構わない。ただし、後述の製造方法において充填方法を説明するが、反応溶液を内部空間内に充填するための開口部を、少なくとも反応液の充填時に有していることが望ましい。例示すると、マイクロチューブ、ガラスキャピラリー等が挙げられるが、反応溶液を内部空間内に充填し、内部空間内に柱状体を形成できるものであれば、これに限定されるものではなく、材質や形状も適宜選択できる。なお、捕捉素子のように、標的物質を捕捉素子に捕捉した状態で検出する場合は、部材の少なくとも一部を標的物質の検出に用いる透光性の領域として形成することが、光学的な検出を利用する上で好ましい。例えば、部材全体をガラスのような透光性部材で形成すれば、光学的な検出手段での検出を可能とすることができる。

また、内部空間のサイズは、実用的な速度での液体の流通および、生成するピラー構造の均質性の観点から、100nm〜1mmであることが望ましい。100nmよりも小さい内部空間では相分離によるピラー構造の形成そのものが困難になり、1mm以上では重力の影響によるピラー構造の変形や不均質化を避けることが困難になる。例えば、構造体が、断面（例えば、流体の流れ方向に直交する断面）が円形の管状であれば、その内径を上記の範囲に設定することが好ましい。また、管状の構造体の断面が、三角形、四角形などの形状であれば、一番短い辺の長さや形成する柱状体の長軸方向の空間サイズが上記の範囲にあることが好ましい。

（柱状体）
本発明による構造体は、前述の内部空間内に、図１のように複数の柱状体を有する。各柱状体は部材１１の内壁面を基部として内部空間１２内に伸びており、その他端も内部空間の内壁に結合している。本発明の構造体は、その両端が上下の内壁に接合した構造の柱状体の多数を有するものであるが、一端のみが上又は下の内壁に固定され、他端が下又は上の内壁に届いていない構造の柱状体を有していてもよい。更に、柱状体は、内部空間内の一部に形成されていればよく、図３のように部材３１の内部空間３２内に柱状体３３と３次元網目状多孔質領域（３次元編目構造）３４が共存していても本発明による効果を損なうものではない。本発明による柱状体は直径が100nm〜1mmであり、100nm〜1mmの間隔をもって配置される。柱状体の高さは、前述の内部空間を有する部材のサイズに影響されるが、望ましくは100nm〜1mmの範囲とされる。柱状体の横断面の形状は、通常、円形、楕円形とされるが、これを変形した形状もとり得る。縦断面の形状は、通常、長方形、正方形であったり、長方形の上部または下部が中央部より長さが大きいものとなる場合もあり、これらを変形した形状も取り得る。また、柱状体が内部空間に占める体積割合は、製法上の観点からは94％以下である。ただし、分離素子、捕捉素子等に好適に利用しうるよう、高い比表面積と低い流動抵抗有するためには、体積割合は、50％以下であることが望ましく、さらには10％以上50％以下であることがより望ましい。柱状体の配置の仕方としては種々の配置が採用し得るが、流体の流動抵抗を低くするためには後述の図４に示される柱状体４０５のように複数の柱状体をほぼ行列状に配した規則的配置を採用することもできる。

このように微細な構造は、無機酸化物前駆体が加水分解、縮合反応を起こす過程で起きる、相分離、ゾル-ゲル転移を利用することで形成可能となる。

柱状体を構成する材料には、シリカやアルミナ、酸化チタン等の無機酸化物が含まれる。本発明において柱状体を構成する材料は、内部空間を有する部材を構成する材料と異なる組成のものであれば限定されるものではないが、耐薬品性、強度、後述する相互作用性分や捕捉体成分の担持のしやすさといった点から、特にシリカが含まれることが好ましい。

尚、本発明においては、柱状体を構成する材料と内部空間を有する部材とは材料の組成が異なるとしている。ここで、異なる組成とは、材料自体の構成元素が同じであって組成が異なるものの他、材料自体の構成元素が異なる場合、つまり異種の材料により内部空間を有する部材と、柱状体とが形成されている場合を含む意味である。また、柱状体形成時に構造を制御するために、柱状体がアルキル基のような炭素を含み形成されることが好ましい。

尚、本発明においては、後述の製造方法において説明するが、内部空間を有する部材と柱状体を異なる組成の材料で形成する。よって、柱状体の強度等の特性を維持しつつ、内部空間を有する部材に安価な材料を用いることも可能となる。外部空間と柱状体を有機ポリマー等の同一の材料で構成する場合に比べて製造上の制約が少なく、安価な構造体が提供される。

次に、本発明による分離素子について説明する。

（分離素子）
本発明による分離素子は、構造体が有する柱状体の表面に標的物質と物理的または化学的に相互作用する成分（以下、相互作用成分）を有していることを特徴とする。本発明による分離素子は例えば、クロマトグラフィー用キャピラリーカラムとして用いることが可能であり、この場合、柱状体表面はクロマトグラフィーにおける固定相となる。本発明による分離素子は、微細な間隔で配列した複数の微小な柱状体を有しているため、比表面積を大きくし、また、検体中の標的物質の固定相への拡散距離を短くすることができる。また、流動抵抗が小さいため、送液性を向上させることが可能となる。

（標的物質と相互作用する成分）
本発明における標的物質と物理的または化学的に相互作用する、標的物質分離用の成分としては、疎水性成分、親水性成分、吸着能を持った成分、イオン交換能を持った成分等が挙げられるがこれに限るものではない。これらの成分は、後述の製造方法において説明する無機酸化物前駆体にあらかじめ含まれることで、柱状体表面に担持されることが可能である。また、柱状体形成後、表面修飾剤を反応させることで導入することも可能である。例えば、無機酸化物にシリカを用いた場合、表面にはシラノールが露出しているため、このシラノールにシランカップリング剤等の標的物質と相互作用する成分を有した表面修飾剤を反応させることが可能である。表面修飾剤は、所望の表面特性（相互作用）を得るために適宜選ばれるが、例えば、オクタデシル基を有する成分を用いると、固定相の疎水性を上げることが出来る。また、不必要な相互作用を減らすために、余剰のシラノール基に対して、キャッピング処理を施してもよい。

次に、本発明による分離装置について説明する。

（分離装置）
本発明による分離装置は、前記分離素子と流体移動手段を備えることを特徴とする。一般に用いられているような、クロマトグラフィー用のキャピラリーカラムは、キャピラリー中に３次元的な網目構造を有し、その表面との物理的または化学的な相互作用の違いを利用して、物質の分離を行う。充填率が高いと、送液時の圧力が上昇し、高性能なポンプ系が必要になる。本発明による分離素子を用いた分離装置は、分離素子が２次元的な柱状構造を有するため、流動抵抗が低く、送液圧力も低下する。透過性も高いため、ＵＶ−ＶＩＳなどの光学的検出系を使用する場合でも、分離能を保ったまま、高感度検出、低送圧性が可能となる。

次に本発明における捕捉素子について説明する。

（捕捉素子）
本発明による捕捉素子は、構造体が有する柱状体の表面に標的物質を捕捉する捕捉体成分を有していることを特徴とする。本発明による捕捉素子は、微細な間隔で配列した複数の微小な柱状体を有しているため、表面積が大きく、多量の捕捉体成分を担持することが可能となる。また、検体中の標的物質の捕捉体成分への拡散距離を短くすることができ、反応場としての効率を上げることが可能となる。さらに、光透過性が高く、光学検出に適する。

（捕捉体成分）
本発明で使用する捕捉体成分は、検体中の標的物質の選択に係わる物質である。例えば、検体中の標的物質と選択的に直接反応する物質（いわゆるレセプターや抗体分子）、標的物質の反応に係わる物質（例えば、標的物質の反応に選択的に触媒作用をもたらす物質）、検体中の標的物質以外の物質を不活性化する物質等である。また、この捕捉体成分は、検出の有無や程度の表示に係わる機能、例えば、レセプターが放出する物質や残余の物質と反応し発色する機能等を兼ねるものであってもよい。本発明に使用される捕捉体成分には、特に制約はないが、例えば、酵素、糖鎖、触媒、抗体、抗原、核酸、遺伝子、呈色試薬、などが挙げられるがこれらに限る物ではない。

次に、本発明による、捕捉素子を備えた検出装置について説明する。

（検出装置）
前述のように、一般的に、バイオセンサは捕捉素子と検知素子から構成される。検知素子は、捕捉素子が特定しようとする標的物質を認識したときに起こる反応を、光量、電流、電圧、質量、熱量等の変化として検出して表示する。現在、検知素子として酸素電極、過酸化水素電極、ISFET、光ファイバ、SAW、サーミスタ等数多くの検知素子が提案されている。本発明の検出装置は高効率性の捕捉素子を用いることが特徴で有り、組み合わせる検知方式はこれらに限定されるものではない。ただし、本発明による捕捉素子は光透過性に優れているため、特に、蛍光法、発光法、吸光法、屈折率法、熱伝導度法、熱レンズ法、化学ルミネッセンス法及びプラズモン共鳴法といった光学的な検出方法の少なくとも１つを用いた光学検出用検知素子と組み合わせることが望ましい。尚、光学検出用検知素子と組み合わせる場合は、入射光、及び、検出する出射光は柱状構造体の長軸方向と略同一方向になるような光学系を構成することが好ましい。

また、前記捕捉体成分は、複合して使用することも可能であり、例えば、複合酵素センサ、抗体−酵素センサ、酵素−微生物ハイブリッドセンサ、などの検出装置を構成することも可能である。

本発明の検出装置の測定対象は、直接捕捉体成分が反応する標的物質である必要は無く、間接的に測定できるものでもよい。例えば、測定対象に特異的に存在する標的物質を検出することで測定が可能となる。よって、測定対象は生体物質に限るものではなく、またそのサイズも限定されるものではない。ただし、標的物質は糖、糖鎖、蛋白質、ペプチド、アミノ酸、抗体、抗原や疑似抗原、ビタミン、遺伝子、核酸、アレルゲン、バクテリア、ウイルスなどの生物に含有される生体物質、及び、その関連物質や人工的に合成された擬似生体物質であることが望ましい。

次に本発明における分離方法について説明する。

（分離方法）
次に本発明における分離方法を、シリカピラー構造体を用いた場合を用いて説明する。配列された柱状体を含むシリカピラー構造体は、３次元粒子充填カラムに対比して、平行平板間に円柱状粒子を配列した構造と理解される。しかしながら構造の保持は充填に依存せず、あらかじめ設計されたピラーの直径とその間隔によって、分離性能が決定する。分離は通常の液体クロマトグラフィーと同様に、移動相溶液に溶解した試料分子が固定相である柱状体の表面との間で分配を繰り返す（分配モード）、あるいは、柱状体の内部細孔へ分子量に依存した分子拡散を起こす（サイズ排除モード）ことにより実現される。柱状体の直径が小さいほど単位長さ当たりの理論段数は大きくなり、柱状体間隙が大きくなるほどカラムの流動抵抗は低くなる。理論段数は移動相の線流速に対して、通常のvan Deemter式に従って極大値を示す。したがってこの極大に対応する線流速付近で分離効率は最高となる。また分離対象となる分子の化学的な性質に対応して、ピラー表面の化学修飾が必要となる。

前記の配列された柱状体を含むシリカピラー構造体をカラムとして、液体クロマトグラフィー装置に組み付け、液体試料を流すことにより、試料中の物質を分離する。試料として、例えば、タンパク質や核酸、糖、ペプチド、アミノ酸、ビタミン、脂質などの生物に含有される生体物質、その関連物質や人工的に合成された擬似生体物質が挙げられる。この他、各種プラスチックスや繊維などの材料から、組成の複雑な塗料、トナー類、メッキ液やエッチング液等の水溶性試料、液晶、感光牲材料など機能性を有した材料などが挙げられる。

次に本発明における検出方法について説明する。

（検出方法）
検出はシリカピラー構造体の試料溶液の出口付近に検出窓を作る（オンカラム）、あるいはシリカピラー構造体の試料溶液出口に検出セルを連結することによって行う。検出原理は、蛍光法、発光法、吸光法、屈折率法、熱伝導度法、熱レンズ法、化学ルミネッセンス法及びプラズモン共鳴法などを用いることができるが、これらに限定されない。

次に本発明の構造体の製造方法について説明する。

（製造方法）
以下の工程（A）〜工程（C）により、図１のような構造体を作製することが出来る。

工程（A） 反応溶液の作製
本工程では、溶媒に無機酸化物前駆体を溶解し反応溶液を作製する。ここで反応溶液は、柱状体を形成し得る組成に調整する必要がある。柱状体を形成し得る組成は、ゾル−ゲル転移の結果、３次元網目構造の多孔質体を生じる組成に比べて、ゾル−ゲル転移が穏やかに進行する組成から選ぶことができる。無機酸化物前駆体としては、例えば、金属アルコキシド、金属塩化物が挙げられる。特に、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン等のシリコンアルコキシド、テトラクロロシラン等のシリコン塩化物は反応の制御が容易であることから好適に用いられる。また、後述する相分離の制御や反応途中のゲル相の粘性制御等のために、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、ジメトキシジメチルシラン等、アルキル鎖を有する３官能アルコキシドや２官能アルコキシドを用いることが好ましい。そして、これら種々の前駆体材料を複数混合して使用しても構わない。

溶媒には、メタノール、エタノール等のアルコールが適しているが、ホルムアミドや水、これらの混合溶媒等、無機酸化物の原料を溶解可能な液体であり、後述する相分離を誘起し、柱状体が形成できるかぎりにおいて、いかなるものでも使用可能である。尚、水は、無機酸化物前駆体の加水分解に必要であり、溶媒に含まれることが望ましい。また、相分離を誘起させるために、水溶性有機高分子や界面活性剤等添加剤を反応溶液に混合してもよい。さらに、反応溶液には触媒として、硝酸、塩酸等の酸を加えても良い。

これら、溶媒、無機酸化物前駆体、添加剤、触媒等の混合比を適宜変えることで、形成される柱状体の径、間隔、密度といった形状や３次元網目状多孔質領域の共存比率や、形状を制御することが可能となる。

また、反応溶液中の加水分解、縮合反応を制御するために、工程（B）に移行するまでの時間や温度を制御することが好ましい。

工程（B） 反応溶液の充填
本工程では、反応溶液を、内部空間を有する部材の内部空間内に充填する。内部空間内への充填は、前記部材の先端（内部空間に対する開放部分）を反応溶液に浸し、毛細管現象を利用することで容易に行うことが出来るが、内部空間内を加圧、もしくは減圧することにより強制的に反応溶液を充填するといった他の方法を用いても構わない。反応溶液が充填された内部空間は溶媒蒸発による反応溶液の組成変化を防ぐために、密閉されることが好ましい。密閉は、部材の開放部分を封止することで行ってもよいが、部材自体を別の容器内に保持し、この容器を密閉することで行っても構わない。尚、内部空間内の反応溶液の組成変化を防ぐために、この容器内に、残りの反応溶液とともに、反応溶液を充填した部材を保持することが好ましい。

工程（C） 相分離、及び、ゾル-ゲル転移
本工程では、前記内部空間内で相分離、及び、ゾル-ゲル転移を起こし、柱状体を形成する。適宜制御された反応条件下に、前記反応溶液を充填した部材を保持することで、前記無機酸化物前駆体が加水分解、縮合反応を起こし、その過程で相分離を引き起こすことが可能となる。この相分離と平行して起こるゾル-ゲル転移により、この相分離構造は凍結することができる。本発明における特徴は、反応溶液の組成や、反応条件を選択し、部材の内部空間内に柱状構造をなす相分離構造を形成し、ゾル-ゲル転移によりこの構造を凍結することにある。よって、工程（C）における、反応時間、反応温度といった反応条件は工程（A）における反応溶液の組成に合わせて適宜決定される。そして、これらの反応条件を変化させることによっても、形成される柱状体の径、間隔、密度といった形状や３次元網目状多孔質領域の共存比率、形状を制御することが可能となる。ただし、反応温度は、前記反応溶液の溶媒が凝固、もしくは気化しない範囲の温度が用いられ、好ましくは０℃〜１００℃である。

上記、操作のあとに、内部空間内から溶媒を除去してもよい。溶媒除去は、工程（B）において密閉した内部空間を開放し、溶媒を蒸発させることで行うことができる。尚、この蒸発の際に、加温し、溶媒蒸発を促進することが好ましい。また、さらに高温で加熱し、縮合反応を促進し、柱状体を強化することも可能である。

以上説明したように工程（A）から工程（C）を経ることで、内部空間を有する部材であって、前記空間内に複数の柱状体を有する構造体を形成することが可能となる。ここで、本発明の構造体では、柱状体を無機酸化物を含有する材料で、内部空間を有する部材とは異なる組成の材料で構成したので、外部空間と柱状体を有機ポリマー等の同一の材料で構成する場合に比べて製造上の制約が少なく、安価な構造体が提供される。

尚、柱状体は反応溶液を満たした部材を静置した際に重力の方向と平行な方向に形成されるので、柱状体を形成する方向を考慮して部材の形状や反応溶液を満たした部材を静置する方向を決めるが望ましい。また、本発明によれば、部材の組成は限定されるものではなく、反応溶液を内部空間内に充填し、内部空間内に柱状体を形成できるものであれば、適宜選択できるため、部材と柱状体とを異なる組成とすることが可能となり、柱状体の設計自由度を高くすることができる。

前記製造方法によって作製された構造体が有する柱状体表面に、標的物質と物理的または化学的に相互作用する相互作用成分、もしくは捕捉体成分を固定又は担持することで、分離素子、及び捕捉素子を作製することが出来る。

以下、これらの成分の固定、担持について説明する。

上述の相互作用成分、もしくは、捕捉体成分は、例えば、共有結合、イオン結合、吸着などによって、柱状体に固定又は担持されるが、これらの成分が良好に固定又は担持されれば方法はこれに限らない。

結合による方式では、柱状体表面に直接作用できる反応基を持った相互作用成分、もしくは、捕捉体成分を直接反応させて結合させてもよい。また、柱状体表面に直接作用出来る架橋材料を反応させて、さらに該架橋材料に相互作用成分、もしくは、捕捉体成分を反応させることで結合させても構わない。例えば、無機酸化物がシリカである場合は、表面に存在するシラノール基を利用し、直接相互作用成分、もしくは、捕捉体成分を結合させることができる。また、このシラノール基を利用し、シランカップリング剤等の架橋材料を反応させて、さらにこのシランカップリング剤に相互作用成分、もしくは、捕捉体成分を結合させることで担持することができる。

吸着による方式では相互作用成分、もしくは、捕捉体成分と、柱状体の材質との組み合わせにおいて、適当な親和性を有する組み合わせを選択すればよい。また、柱状体表面をいったん表面修飾することで、適当な親和性を有する表面を形成し、相互作用成分、もしくは、捕捉体成分を固定化することも可能である。

また、分離用成分、もしくは、捕捉体成分は、金属粒子、金属薄膜等を介して担持されていてもよく、検出に表面プラズモン共鳴を利用する場合には好適である。

以下、実施例を用いてさらに詳細に本発明を説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。材料、組成条件、反応条件等、同様な機能を有する構造体、分離素子、分離装置、捕捉素子、検出装置、が得られる範囲で自由に変えることが可能である。

（実施例１）
本実施例は、内部空間を有する部材としてガラスキャピラリーを用い、メタノール、メチルトリメトキシシラン、硝酸からなる反応溶液を用いて、内部空間内に複数の柱状体を形成し、構造体を作製した例である。

まず、メタノール1.56mlと1規定硝酸水溶液1.36mlを混合し、氷冷下、撹拌した。これにメチルトリメトキシシラン5.0mlを加え、さらに5分間氷冷下で撹拌し、反応溶液を用意した。この反応溶液を、密閉できる樹脂容器に移し、ガラスキャピラリーの先端を反応溶液に接触させて、キャピラリー内に反応溶液を充填した。尚、キャピラリー内径は、高さ100μm、幅1mm、長さ50mmである。その後、この反応溶液を充填したキャピラリーを樹脂容器内の反応溶液に浸漬し、樹脂容器を密閉した。この密閉した容器を40℃のオーブンに24時間静置し、その後、樹脂容器を開放し、さらに24時間、40℃のオーブン内に置いた。以上の操作の後に、ガラスキャピラリーを樹脂容器から取り出し、断面形状を電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）にて観察した。静置したガラスキャピラリーの内部空間に重力がかかる方向と平行な方向に多数の柱状体が形成されていることが確認された。

以上の操作を行うことで、メチルトリメトキシシランが加水分解、縮合反応を起こし、図３のようにガラスキャピラリー内にシリカを含む材料からなる柱状体を形成することができ、本発明による構造体を得ることができた。

（実施例２）
本実施例は、内部空間を有する部材としてガラスキャピラリーを用い、メタノール、メチルトリメトキシシラン、硝酸からなる反応溶液を用いて、内部空間内に複数の柱状体を形成し、構造体を作製した例である。尚、本実施例では、実施例１と比較して特にメタノールの量を変化させている。本実施例のように溶媒量を変化させることで、形成される柱状体の構造を変化させることが可能となる。

まず、メタノールと1規定硝酸水溶液1.36mlを混合し、氷冷下、撹拌する。メタノールの混合量は、1.49ml（溶液A）、1.56ml（溶液B）、1.59ml（溶液C）と変化させて、3種類の溶液を作製する。これらの溶液それぞれに、メチルトリメトキシシラン5.0mlを加え、さらに5分間氷冷下で撹拌し、それぞれ、反応溶液A、B、Cとする。これらの反応溶液それぞれを、密閉できる樹脂容器に移し、ガラスキャピラリーの先端を反応溶液に接触させて、キャピラリー内に反応溶液を充填する。尚、キャピラリー内径は、高さ100μm、幅1mm、長さ50mmである。その後、この反応溶液を充填したキャピラリーを樹脂容器内の反応溶液に浸漬し、樹脂容器を密閉する。この密閉した容器を40℃のオーブンに24時間静置し、その後、樹脂容器を開放し、さらに24時間、40℃のオーブン内に保持する。以上の操作の後に、ガラスキャピラリーを樹脂容器から取り出し、断面形状を電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）にて観察したところ、ガラスキャピラリーの内部空間に多数の柱状体が形成されていることが確認された。以上の操作を行うことで、メチルトリメトキシシランが加水分解、縮合反応を起こし、ガラスキャピラリー内にシリカを含む材料からなる柱状体を形成することができ、本発明による構造体とすることができる。

尚、反応溶液C＞B＞Aの順でキャピラリー内の柱状体の高さが増加し、反応溶液C＜B＜Aの順で、同時にキャピラリー内に形成される３次元網目状多孔質の領域が減少する。

以上のように溶媒量を変化させることで、形成される柱状体の構造を変化させることが可能となる。また、溶媒については、量だけでなく、極性の異なる溶媒などの他の溶媒を用いる、複数の溶媒を混合するというように、溶媒の種類を変えることでも、柱状体の構造を変化させることが可能となる。

（実施例３）
本実施例は、内部空間を有する部材としてガラスキャピラリーを用い、メタノール、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、硝酸からなる反応溶液を用いて、内部空間内に複数の柱状体を形成し、構造体を作製した例である。尚、本実施例では、2種類の無機酸化物前駆体を混合して用いている。本実施例のように無機酸化物前駆体の種類を変えることで、形成される柱状体の構造を変化させることが可能となる。

まず、メタノール0.74mlと1規定硝酸水溶液1.36mlを混合し、氷冷下、撹拌する。これにメチルトリメトキシシラン4.75mlとエチルトリメトキシシラン0.2791mlを加え、さらに5分間氷冷下で撹拌し、反応溶液とする。この反応溶液を、密閉できる樹脂容器に移し、ガラスキャピラリーの先端を反応溶液に接触させて、キャピラリー内に反応溶液を充填する。尚、キャピラリー内径は、高さ100μm、幅1mm、長さ100mmである。その後、この反応溶液を充填したキャピラリーを樹脂容器内の反応溶液に浸漬し、樹脂容器を密閉する。この密閉した容器を40℃のオーブンに24時間静置し、その後、樹脂容器を開放し、さらに24時間、40℃のオーブン内に保持する。以上の操作の後に、ガラスキャピラリーを樹脂容器から取り出し、断面形状を電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）にて観察したところ、ガラスキャピラリーの内部空間に多数の柱状体が形成されていることが確認された。

以上の操作を行うことで、メチルトリメトキシシランとエチルトリメトキシシランが加水分解、縮合反応を起こし、ガラスキャピラリー内にシリカを含む材料からなる柱状体を形成することができ、本発明による構造体とすることができる。

尚、実施例１と比較して、本実施例による柱状体は、径、及び、高さが増加する。よって、柱状体の強度増強という点において好適である。

以上ように、無機酸化物前駆体の種類を変える、あるいは、混合することで、形成される柱状体の構造を変化させることが可能となる。

（実施例４）
本実施例は、内部空間を有する部材としてガラスキャピラリーを用い、メタノール、メチルトリメトキシシラン、硝酸からなる反応溶液を用いて、内部空間内に複数の柱状体を形成し、構造体を作製した例である。尚、本実施例では、実施例１と比較して特に反応温度を低下させている。本実施例のように反応温度を変えることで、形成される柱状体の構造を変化させることが可能となる。

まず、メタノール0.88mlと1規定硝酸水溶液1.36mlを混合し、氷冷下、撹拌する。これにメチルトリメトキシシラン5.0mlを加え、さらに5分間氷冷下で撹拌し、反応溶液とする。

この反応溶液を、密閉できる樹脂容器に移し、ガラスキャピラリーの先端を反応溶液に接触させて、キャピラリー内に反応溶液を充填する。尚、キャピラリー内径は、高さ100μm、幅1mm、長さ50mmである。その後、この反応溶液を充填したキャピラリーを樹脂容器内の反応溶液に浸漬し、樹脂容器を密閉する。この密閉した容器を10℃のオーブンに48時間静置し、その後、樹脂容器を開放し、さらに24時間、40℃のオーブン内に保持する。以上の操作の後に、ガラスキャピラリーを樹脂容器から取り出し、断面形状を電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）にて観察したところ、ガラスキャピラリーの内部空間に多数の柱状体が形成されていることが確認された。

以上の操作を行うことで、メチルトリメトキシシランが加水分解、縮合反応を起こし、ガラスキャピラリー内にシリカを含む材料からなる柱状体を形成することができ、本発明による構造体とすることができる。

尚、実施例１と比較して、本実施例による柱状体は、径、及び、高さが増加する。よって、柱状体の強度増強という点において好適である。また、低温で反応を行うために、溶媒等の蒸発による反応溶液組成の変化が小さく、安定して構造体を形成することが可能である。

以上のように、反応温度を変えることで、形成される柱状体の構造を変化させることが可能となる。

（実施例５）
本実施例は、内部空間を有する部材としてガラスキャピラリーを用い、メタノール、メチルトリメトキシシラン、硝酸からなる反応溶液を用いて、内部空間内に複数の柱状体を形成し、構造体を作製した例である。尚、本実施例では、実施例４と比較して特に硝酸の量を減少させている。本実施例のように触媒となる酸や極性溶媒となる水の量を変えることで、形成される柱状体の構造を変化させることが可能となる。

まず、メタノール1.61mlと1規定硝酸水溶液1.10mlを混合し、氷冷下、撹拌する。これにメチルトリメトキシシラン5.0mlを加え、さらに5分間氷冷下で撹拌し、反応溶液とする。この反応溶液を、密閉できる樹脂容器に移し、ガラスキャピラリーの先端を反応溶液に接触させて、キャピラリー内に反応溶液を充填する。尚、キャピラリー内径は、高さ100μm、幅1mm、長さ100mmである。その後、この反応溶液を充填したキャピラリーを樹脂容器内の反応溶液に浸漬し、樹脂容器を密閉する。この密閉した容器を10℃のオーブンに48時間静置し、その後、樹脂容器を開放し、さらに24時間、40℃のオーブン内に保持する。以上の操作の後に、ガラスキャピラリーを樹脂容器から取り出し、断面形状を電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）にて観察したところ、ガラスキャピラリーの内部空間に多数の柱状体が形成されていることが確認された。

以上の操作を行うことで、メチルトリメトキシシランが加水分解、縮合反応を起こし、ガラスキャピラリー内にシリカを含む材料からなる柱状体を形成することができ、本発明による構造体とすることができる。

尚、実施例４と比較して、本実施例による柱状体は、径が小さくなり、単位体積あたりの柱状体の本数が増加する。よって、構造体の表面積増大という点において好適である。以上のように、触媒となる酸や極性溶媒となる水の量を変えることで、形成される柱状体の構造を変化させることが可能となる。

（実施例６）
本実施例は、実施例１で作製した構造体に標的物質と相互作用する成分としてオクタデシル基を固定化し、分離素子を作製した例である。

まず、実施例１で説明した構造体を逆相用カラム（分離素子）として用いるためにODS化（オクタデシルシラン修飾）した。ＯＤＳ化として、オクタデシルシランを含むトルエン溶液を構造体内に導入し、さらに６０℃で放置することで、柱状体表面をオクタデシル基で化学修飾する。溶液導入はポンプ等で加圧し行うことが望ましく、また、定圧で送液し続けても、一定量導入後静置しても、柱状体表面に対して、充分な量のオクタデシルシランが供給されればよい。反応後は洗浄により、構造体内の余分なオクタデシルシランを除去する。さらに、柱状体表面の非極性化を高めるために、常法に従い、残存する未反応のシラノール基をトリメチルクロロシランと反応させ、反応後洗浄する。（エンドキャッピング）
以上の操作によって、標的物質と相互作用する成分としてオクタデシル基を固定化し、分離素子であるところの液体クロマトグラフィー用カラムを作製することが可能となる。

（実施例７）
本実施例は、実施例６で作製した分離素子を用いて分離装置を作製し、タンパク質を分離した例である。

クロマトグラフィーのモードとしては、イオン交換クロマトグラフィー、ゲル濾過クロマトグラフィー、アフィニティクロマトグラフィー、逆相クロマトグラフィーなどの種々のクロマトグラフィーが利用可能である。ここでは、実施例６で作製した分離素子を液体クロマトグラフィーのカラムとして組み付ける。脱気した溶媒によりカラムを平衡化し、サンプルを展開溶媒と共に流す。本発明による分離素子の特徴として検出がシリカピラー構造体の試料溶液の出口付近に検出窓を作る（オンカラム）ことが可能であり、通常の分画操作を行う必要がない。該検出窓を通して、ＵＶ−ＶＩＳ法により溶出してきたタンパク質をオンラインモニターし、目的の成分が溶出された時点で、目的の成分を回収することが可能となる。

（実施例８）
本実施例は、実施例１で作製した構造体に捕捉体成分として抗トロポニン抗体を固定化し、捕捉素子を作製した例である。尚、本実施例では、プラズモン共鳴法により、標的物質の存在を検出する検知素子と好適に組み合わせるために、構造体に金微粒子を担持し、さらに金微粒子に捕捉体成分を固定化する例を説明する。

まず、実施例１で説明した構造体に金微粒子を担持するために表面をアミノ化した。アミノ化として、アミノシランを含むエタノール溶液を構造体内に導入し静置した。その後、さらに８０℃で放置することで、柱状体表面をアミノ基で化学修飾する。溶液導入はポンプ等で加圧し行うことが望ましく、また、定圧で送液し続けても、一定量導入後静置しても、柱状体表面に対して、充分な量のアミノシランが供給されればよい。反応後は洗浄により、構造体内の余分なアミノシランを除去する。以降の修飾反応操作についても反応溶液の導入に同様の手法を用いることが望ましい。

次に、粒径２０〜４０ｎｍの金微粒子溶液をキャピラリー中に導入し、アミノ基との相互作用により表面に金微粒子が固定化された柱状体を得る。次に、前記柱状体と金微粒子との複合体を金と親和性の高いチオール基を持つ、１１−Ｍｅｒｃａｐｔｏｕｎｄｅｃａｎｏｉｃ ａｃｉｄのエタノール溶液で金微粒子を表面修飾する。これにより、金微粒子表面にカルボキシル基が露出される。その状態で、Ｎ−Ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ水溶液と１−Ｅｔｈｙｌ−３−［３−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ］ｐｒｏｐｙｌ］ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ水溶液を導入する。これにより、金微粒子表面にスクシンイミド基が露出される。さらに、ストレプトアビジンを結合させることにより、金微粒子表面がストレプトアビジンで修飾される。この金微粒子表面にビオチン化抗トロポニン抗体を反応させ標的物質捕捉体である抗体を固定化する。

図４は本実施例にかかる検出装置の概念図である。タングステンランプ４０１、コリメータレンズ４０３、素子中の反応領域（キャピラリー流路）４０４および分光光度計４０８とからなっている。本実施例では、白色光を発生する、タングステンランプ４０１を用いているが、レーザー光を用いてもかまわない。タングステンランプ４０１の発する入射光４０２は、コリメータレンズ４０３により平行光になり、基板に複数の柱状構造体４０５が形成された捕捉素子中の反応領域４０４に入射される。 柱状構造体４０５の表面に金微粒子４０６が固定化されている。入射光４０２は、柱状構造体のある素子中の反応領域４０４を透過し、出射光４０７として素子中の反応領域４０４から出射される。この出射光４０７は、分光光度計４０８に入射される。インレット４０９とアウトレット４１０は、ポンプ等の送液装置と接続される。

実際の測定において、急性心筋梗塞のマーカーとして知られているトロポニンTについて検出を試みる。次の手順で抗原であるトロポニンTを特異的に結合させる。
（１）トロポニンT抗原溶液を図４におけるインレット４０９よりキャピラリー流路に導入し、５分間インキュベートする。
（２）抗原溶液を抜き取り、リン酸緩衝液で洗浄する。

図５に本捕捉素子を用いた検出装置および素子のブロック図を示している。このとき、分光光度計５０３と光源５０４との光軸上に反応領域が来るように捕捉素子の位置を調整する。この状態であらかじめ、反応前のスペクトルを、分光光度計５０３を用いて検出する。その後に送液ポンプ５０５を駆動し、インレット５０１から検体を既定量検出素子の反応領域５０６に供給し、抗原抗体反応により標的物質を、抗体を介して金微粒子に捕捉させる。反応後、分光光度計５０３により、スペクトルを測定する。この際のスペクトルと反応前のスペクトルを比較する。この差が、金微粒子近傍に標的物質が捉えられたことによる、金微粒子の局在プラズモン共鳴状態の変化となっている。スペクトルの変化度合いに応じた標的物質の濃度を求め、表示ユニット５０７に表示する。なお、図５において、溶液はアウトレット５０２から排出され、廃液リザーバ５０８に溜められる。

ここでスペクトルの変化と標的物質濃度の関係については、あらかじめ、既知の複数濃度の標準検体を用いて、スペクトル変化と濃度の関係を取得しておく。この関係をもとに検量線を求めスペクトル変化と濃度の関数を求めておく。この関数を用いて、実際の計測時には、スペクトル変化をもとに濃度が未知の標的物質の濃度をもとめることができる。なお、ここではスペクトルの変化と記載したが、このスペクトル変化は、最大値をもつ、波長での、スペクトルピークの変化でもよいし、スペクトルの波形のピークの半値幅等のピーク形状の変化をもちいてもよい。さらには、一つあるいは、複数の波長点での光強度変化を用いても構わない。

（実施例９）
本実施例は、実施例４で作製した捕捉素子を用いて検出装置を作製し、前立腺癌のマーカーとして知られているＰＳＡを検出した例である。尚、本実施例では、蛍光法により、標的物質の存在を検出する検知素子と好適に組み合わせる例を説明する。

実施例８にあるように柱状構造体の表面をアミノシランによるアミノ化を行う。次に、表面に出たアミノ基をさらに、２％グルタルアルデヒド溶液により３７℃で２時間程度反応させ、活性化させる。純水で洗浄後、抗ＰＳＡ抗体を含むリン酸緩衝液を導入し、３７℃で２時間放置し、柱状構造体表面の活性基と抗体に含まれるアミノ基とを共有結合し捕捉体成分である抗ＰＳＡ抗体６０５を固定化する。

実際の測定において、前立腺癌のマーカーとして知られているＰＳＡについて検出を試みる。次の手順で抗原であるＰＳＡを特異的に結合させる。検出のための光学系は図６に等しい。
（１）ＰＳＡ抗原溶液をインレット６１０より流路に導入し、５分間インキュベートする。
（２）抗原溶液を抜き取り、リン酸緩衝液で洗浄する。
（３）Ｃｙ５色素で蛍光標識した抗ＰＳＡ抗体を図６においてインレット６１０より流路に導入し、５分間インキュベートする。
（４）標識抗体を抜き取り、リン酸緩衝液で洗浄する。
（５）リン酸緩衝液を流路に充填する。

この工程を経て、前記反応領域６０４に対しレーザーダイオード光源６０１からコリメータレンズ６０２を介して励起光６０３を導入することにより、柱状構造体表面に捕捉された抗体からの蛍光が観測できる。この蛍光強度は蛍光色素の濃度により強度が異なるので、該蛍光強度を指標として、標的物質の濃度を定量することができる。なお、図６において、反応領域６０４から出射される蛍光（出射光６０６）は、コリメータレンズ６０７、フィルター６０８、光電子増倍管６０９を介して観測される。

（実施例１０）
本実施例は、センサ基板の金薄膜表面上に柱状体を形成し、さらに、柱状体を含む構造体に捕捉体成分として、抗トロポニン抗体を固定化し、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサを用いて標的物質の存在を検出する例である。

まず、実施例１と同様な処理により、内部空間に複数の柱状体を形成し、構造体を作製する。内部空間を有する部材は、図２（ａ）、（ｂ）にあるように、平面を有しているものが好適である。本部材は、1面を予め、ガラス基板７１１上に金薄膜７３０（膜厚５０ｎｍ）を蒸着してあり、蒸着後、1面がオープンなガラス製の流路７１０を接合することで、作製する（図７）。

柱状体を形成する工程では、ＳＰＲセンサの感度向上の観点から、部材の金薄膜を有する面を上面あるいは下面にして静置することが好ましい。こうすることにより金薄膜上に柱状体を有し、検体を流すための流路を作製することができる。

続けて、実施例８と同様に、アミノシランを含むエタノール溶液を構造体内に導入し
、柱状体表面をアミノ化する。２％グルタルアルデヒド溶液（３７℃、2時間）により活性化し、純水にて洗浄後、抗トロポニン抗体を含むリン酸緩衝液を導入し、３７℃で２時間放置する。これにより柱状構造体表面の活性基と抗体に含まれるアミノ基とを共有結合させ、捕捉体成分である抗トロポニン抗体を固定化する。

実際の測定において、トロポニンＴについて検出を試みる。次の手順で抗原であるトロポニンＴを特異的に結合させる。検出のための光学系は図８に示したクレッチマン配置によるＳＰＲの測定系である。図８において、８００はプリズム、８０２は入射光（偏光）、８０７は反射光です。７３０は図７で説明した金薄膜であり、８１３は柱状体であり、ここでは表面に捕捉体を固定化してある。８１１は内部構造を有する部材であり、該部材内に検体を通過させることにより、捕捉体を固定化した柱状体８１３の表面に検体中に含まれる標的物質８５０が捕捉される。

次いで、プリズム８００を介して入射光（偏光）８０２を金薄膜７３０に入射させ、反射光８０７に生じる暗線の角度（共鳴角）の変化をセンサーグラムとして記録する。

センサ表面の分子の結合または解離によって引き起こされる共鳴角の変化は結合分子の質量変化に比例しており、その変化をセンサーグラムとして記録し、これを指標として、標的物資の濃度を定量することができる。

本実施例のような柱状構造体は、ＳＰＲセンサの金薄膜に対して鉛直方向の検出可能領域（エバネセント領域）を考慮した場合、標的物質を内部空間内で効率的に捕捉・検出することができ、検出感度向上が可能となる。

本発明による構造体の断面を示す模式図である。 壁面に囲まれた微小な空間を有する構造体の例を示した模式図である。 微小空間内の一部に柱状体が形成された構造体の断面を示す模式図である。 実施例８による捕捉素子を示す模式図である。 実施例８よる捕捉素子を用いた装置のブロック図である。 実施例９による捕捉素子を示す模式図である。 実施例１０による捕捉素子を示す模式図である。 ＳＰＲセンサの光学系を示す模式図である。

Claims (18)

1. 内部空間に連通する開口部を有し、該開口部より導入された物質を分離または捕捉するための構造体であって、
   前記内部空間と前記開口部を有する部材と、
   前記内部空間内に互いに間隔を置いて配置された複数の柱状体を備え、
   前記柱状体は、無機酸化物を含有する材料であって、前記部材と組成が異なる材料から形成され、
   前記内部空間と前記開口部を有する部材が、前記内部空間を取り囲む壁面が連続的に形成された一体型の部材であることを特徴とする構造体。
2. 前記無機酸化物が、シリカである請求項１に記載の構造体。
3. 前記柱状体が炭素を含む請求項１に記載の構造体。
4. 内部空間に連通する開口部を有し、該開口部より導入された検体から、該検体中に含まれる標的物質を分離するための分離素子であって、
   請求項１に記載の構造体と、
   前記柱状体の表面に、前記標的物質と相互作用することで前記検体からの分離を可能とする分離用成分を更に有することを特徴とする分離素子。
5. 請求項４に記載の分離素子と、該分離素子の内部空間内での流体移動を生じさせるための流体移動手段と、を備えたことを特徴とする分離装置。
6. 前記標的物質の分離状態を検出するための検出手段を有する請求項５に記載の分離装置。
7. 前記検出手段が、前記標的物質を光学的に検出し得る検出手段である請求項６に記載の分離装置。
8. 内部空間に連通する開口部を有し、該開口部より導入された検体から、該検体中に含まれる標的物質を捕捉する捕捉素子であって、
   請求項１に記載の構造体と、
   前記柱状体の表面に、前記標的物質の捕捉体成分を更に有することを特徴とする捕捉素子。
9. 請求項８に記載の捕捉素子と、該捕捉素子に標的物質が捕捉されたことを検出するための検出手段とを備えたことを特徴とする標的物質の検出装置。
10. 前記検出手段が、前記標的物質が捕捉されたことを光学的に検出し得る検出手段である請求項９に記載の検出装置。
11. 前記光学的な検出手段が、蛍光法、発光法、吸光法、屈折率法、熱伝導度法、熱レンズ法、化学ルミネッセンス法及びプラズモン共鳴法から選択される少なくとも一つの方法を利用した検出手段である請求項９に記載の検出装置。
12. 外部より導入された検体から、該検体中に含まれる標的物質を分離する方法であって、
    前記検体と請求項４に記載の分離素子を接触させる工程と、
    前記接触させる工程により生じる、前記分離素子と前記標的物質との物理的または化学的な相互作用を利用して前記標的物質を前記検体から分離する工程と、
    を有することを特徴とする分離方法。
13. 前記物質が有機化合物及びリン酸化合物から選択される請求項１２に記載の分離方法。
14. 外部より導入された検体から、該検体中に含まれる標的物質を検出する方法であって、
    前記検体と請求項８に記載の捕捉素子を接触させる工程と、
    前記検体中の標的物質が前記捕捉素子に捕捉されたことにより生じる物理的または化学的変化を検出する工程と、
    を有することを特徴とする検出方法。
15. 前記物質が有機化合物及びリン酸化合物から選択される請求項１４に記載の分離方法。
16. 内部空間を有する部材の前記内部空間内に柱状体を備えた構造体の製造方法において、
    無機酸化物前駆体が溶解し、前記柱状体を形成し得る組成に調整された反応溶液を用意する工程と、
    前記内部空間内に前記反応溶液を充填する工程と、
    前記空間内で相分離、及び、ゾル-ゲル転移を起こし、重力がかかる方向と平行な方向に柱状体を形成する工程と、
    を有し、
    前記内部空間を有する部材が、前記内部空間を取り囲む壁面が連続的に形成された一体型の部材であることを特徴とする構造体の製造方法。
17. 前記反応溶液が前記無機酸化物前駆体として金属アルコキシドを含む請求項１６に記載の構造体の製造方法。
18. 前記金属アルコキシドがシリコンアルコキシドである請求項１７に記載の構造体の製造方法。

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