JP5116362B2 - バイオセンサ - Google Patents
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Description
また、特許文献3では、表面に相補的な物質の一端が固定された金属構造体の局在プラズモン共鳴の吸収スペクトルを測定し、そのスペクトルのシフト量を算出することにより、試料に含まれる検討対象物質を解析している。
本発明を好適に実施した第1の実施形態について説明する。図1、図2に、本実施形態にかかるバイオセンサの構成を示す。光学的に平坦な基板1上に金属の微細構造物2が形成されている。このような金属微細構造パターンが形成された基板に対して光を照射すると、入射偏光に対して金属微細構造物が非対称に存在する場合には、各金属微細構造に生じる局在表面プラズモンの共鳴周波数に依存して、微細構造間に生じる近接場相互作用により、各金属微細構造間で位相差が生じる。そのため、各金属微細構造からの光が重畳された反射光又は透過光の偏光成分にも位相差が生まれ、出射光における偏光状態を変換できる。また、ドットの共鳴効果による偏光選択性を利用して、1偏光成分を取り出すことができる。また、ドット間の間隔を調整することで、出射光の位相や振幅を調整することが可能である。
ここで、検出対象物質と選択的に結合し得る官能基を有する物質3を金属の微細構造物2上に固定し、透過光の偏光状態の変化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これと選択的に吸着する物質との結合を検出することによって、金属微細構造に付着した検出対象物質を検出できる。
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、検出対象物質と選択的に吸着する物質が抗体である。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、検出対象物質と選択的に吸着する物質がプローブDNAである。また、検出対象物質が抗原である場合には、金属微細構造は、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、金属微細構造は、いわゆるDNAチップとなる。
イムノアッセイチップには、例えば、複数の異なる抗体の一端を金属微細構造に固定し、導入された抗原が、固定された工程と抗原抗体反応を起こすと、抗原及び抗体は、選択的に複合体を形成する。このことにより金属微小構造近傍の屈折率、吸収係数が変化し、その結果、出射光の位相や振幅が変化することにより、抗原を検出できる。
DNAチップでは、例えば、複数の異なる塩基配列のプローブDNAの一端を金属微細構造に固定し、導入された検体DNAが、固定されたプローブDNAとハイブリダイゼーションを起こし、その結果、このことにより金属微小構造近傍の屈折率、吸収係数が変化し、出射光の位相や振幅が変化することにより、DNAを検出できる。
以上のFDTD法によるシミュレーションの結果から、Au微小球の間隔を制御することにより、偏光面を回転させることができ、また、偏光状態を例えば直線偏光から楕円偏光へと変換できる。
図5に、入射光と出射光との偏光状態を示す。45度方向に入射した直線偏光が円偏光に変換されている。金属材料としてAg微小球を使用した場合にも同様の計算結果が得られるが、この場合、偏光状態に変化が生じる波長領域はAg微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長400nm近傍であった。
また、図6(a)に、真空中のAu構造の電界強度と共鳴波長との関係、図6(b)に、SiO2(n=1.5)中のAu構造の電界強度と共鳴波長との関係を示す。Au構造の周りが真空からSiO2(n=1.5)に変化することで、共鳴波長が500nm近傍から660nm近傍へとシフトし、強度が変化していることがわかる。このことから、微小金属構造の周囲の物質が変化することにより、屈折率、吸収係数が変わり、共鳴波長、強度等が変化し、それに伴って出射光の位相や振幅が変化する。
その変化の具合に応じて、検出対象物質を判別することが可能である。
本発明を好適に実施した第2の実施形態について説明する。本実施形態にかかるバイオセンサの構成を図16、17に示す。
光学的に平坦な基板1(S)上にL字構造を有する非対称な金属の微細構造体2(ST)が形成されている。このような金属の微細構造体2に光を照射すると、透過光が入射光の偏光面の向きに依存して異なる吸収スペクトルを示すため、各金属微細構造からの光が重畳された反射光又は透過光の偏光成分にも位相差が生まれ、出射光における偏光状態を変換できる。ここで、金属の微細構造体2上に検出対象物質と選択的に結合しうる官能基を有する物質3を固定し、透過光の偏光状態を測定することにより、金属構造体2上において、検出対象物質とこれと選択的に吸着する物質との結合を検出することによって、金属微細構造に付着した検出対象物を検出できる。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、これと選択的に吸着する物質が抗体である。また、DNA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、これと選択的に吸着する物質がプローブDNAである。また、検出対象物質が抗原である場合には、金属微細構造は、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、金属微細構造はいわゆるDNAチップとなる。イムノアッセイチップには、例えば、複数の異なる抗体の一端を金属微細構造に固定し、導入された抗原が、固定された抗体と抗原抗体反応を起こすと、抗原及び抗体は、選択的に複合体を形成する。このことにより、金属微小構造近傍の屈折率、吸収係数が変化し、その結果、出射光の位相や振幅が変化することにより、抗原を検出できる。DNAチップでは、例えば、複数の異なる塩基配列のプローブDNAの一端を金属微細構造に固定し、導入された健啖DNAが、固定されたプローブDNAとハイブリダイゼーションを起こし、その結果、このことにより金属微小構造近傍の屈折率、吸収係数が変化し、出射光の位相や振幅が変化することにより、DNAを検出できる。
ここで、金属微細構造上に検出対象物質と選択的に結合しうる官能基を有する物質を固定し、透過光の偏光状態の変化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これと選択的に吸着する物質との結合を検出することによって、金属微細構造に付着した検出対象物質を検出できる。
上記バイオセンサの単位配列パターンPiにおける微小金属構造STiの配置には種々の配置が許容されるが、L字型構造、凸字型配置、卍字型配置のいずれかであることが好ましい。
本発明を好適に実施した第3の実施形態について説明する。図21に、本実施形態にかかるバイオセンサの構成を示す。
金属微細構造が形成された面とは反対側の基板下面に、偏光子POが形成されている。バイオセンサBSと偏光子POとを一体にして形成することにより、特定の偏光成分の変化を抽出することが可能となる。偏光子POには、有機膜を用いた偏光子、方解石を用いた偏光子などを利用可能である。
特に、偏光子POにワイヤグリッド型偏光子を用いることにより、より偏光選択性を向上させられる。ワイヤグリッド型偏光子は入射波長よりも小さい周期からなる金属細線の格子であり、入射光の電場の振動方向が細線に垂直な場合は格子を通過し、平行な場合は反射される。したがって、上面から入射した光は、ワイヤグリッド型偏光子で細線と垂直な向きの偏光と平行な向きの偏光とに分離され、任意の方向の偏光を有する光を選択的に出射できる。偏光子31はワイヤグリッド型偏光子に限らず有機酸を用いた偏光子、方解石を用いた偏光子なども利用可能である。
本発明を好適に実施した第4の実施形態について説明する。図22に、本実施形態にかかるバイオセンサの構成を示す。
金属微細構造が形成された面とは反対側の基板下面に、偏光子POと波長を選択するための色フィルタCFとが形成されている。バイオセンサBSと色フィルタCF、偏光子POを一体にして形成することにより、特定の波長の特定の偏光成分の変化を抽出することが可能となる。色フィルタCFと偏光子POの配置は、バイオセンサBSの下面であれば、配置は任意である。
また、処理すべき光の波長:λに対し、サイズ:D(D<λ)を持つ微小な金属構造体STを複数個、間隔:d(<D)を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンpとし、この単位配列パターンpを2次元的に配列させた単位処理領域Sを光学基板上に複数形成し、該基板上に配置された金属構造体及びそれぞれの単位処理領域において異なる検出対象物質に選択的に結合しうる官能基を有する分子層を含むため、高感度かつ簡便に多種類の検出対象物質を検出できる。
また、金属構造体STの形状が、半球形状、円柱形状、半回転楕円体形状、楕円柱形状、多角柱形状、錐体形状のいずれかとすることにより、高感度かつ簡便に検出対象物質を検出できる。
また、単位配列パターンPにおける金属構造体STの配置が2個の金属構造体STの近接配置、又は、3個以上の金属構造体STによるV字型配置若しくはL字型配置、又は4個以上の金属構造体STによるT字型配置、又は5個以上の金属構造体による十字型配置のいずれかとすることにより、高感度かつ簡便に検出対象物質を検出できる。
また、処理すべき光の波長:λに対し、サイズ:D(D<λ)を持つ微小な金属構造体STを支持基板上に形成し、その金属構造体が非対称なL字構造、凸字、卍字を有しており、該金属構造体が基板上に作成され、2次元的に配列させた単位処理領域Sが光学基板上に形成され、該基板上に配置された金属構造体、及び、金属構造体上に検出対象物質に選択的に結合しうる分子層を含むため、高感度かつ簡便に検出対象物質を検出できる。
また、処理すべき光の波長:λに対し、サイズD:(D<λ)を持つ微小な金属構造体を支持基板上に形成し、該金属構造体を基板上に作成し、2次元的に配列させた単位処理領域Sを複数光学基板上に形成し、その金属構造体が非対称なL字構造、凸字構造、又は卍構造などの非対称構造のいずれかを有しており、該基板上に配置された金属構造体及び金属構造体上に検出対象物質に選択的に結合しうる分子層を含むため、高感度且つ簡便に多種類の検出対象物質を検出できる。
また、微小な金属構造体を、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)又は銅(Cu)のいずれか、又はこれらの組み合わせ、あるいはこれらの合金で構成することにより、高感度かつ簡便に検出対象物質を検出できる。
また、直線偏光のみを通過させる偏光子を備えることで、特定の偏光成分のみを選択的に検出でき、高感度且つ簡便に検出対象物質を検出できる。
また、偏光子がワイヤグリッド型であることにより、特定の偏光成分のみを高効率で選択的に検出でき、高感度かつ簡便に検査対象可能物を検出できる。
また、特定の波長のみを透過させる色フィルタを有することにより、特定の波長の偏光成分のみを選択的に検出で、高感度かつ簡便に検出対象物質を検出できる。
2 金属の微細構造体
3 検出対象物質と選択的に結合しうる官能基を有する物質
Claims (5)
- 処理すべき入射偏光の波長λよりも小さい外形寸法の金属構造体が複数個、外形寸法よりも小さい間隔で所定の配置で配列されてなる、前記入射偏光の偏光方向に対して非対称な単位配列パターンが2次元的に配列されることによって複数の単位処理領域が光学基板上に形成され、
前記各単位領域の前記金属構造体の上に、検出対象物質と選択的に結合しうる分子層を備え、
前記金属構造体が、半球形状、半楕円体形状、楕円柱形状、及び錐体形状のいずれかであり、
前記単位配列パターンにおける前記金属構造体の配置が、3個以上の金属構造体によるV字型、4個以上の金属構造体によるT字型又はL字型配置、若しくは5個以上の金属構造体による十字型配置のいずれかであり、前記入射偏光の前記光学基板の透過の前後における偏光状態の変化を測定することを特徴とするバイオセンサ。 - 前記金属構造体が、金、銀、アルミニウム、白金、ニッケル、クロム、及び銅のいずれか又はこれらの組み合わせ、若しくはこれらの合金で形成されていることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。
- 直線偏光のみを通過させる偏光子をさらに有することを特徴とする請求項1または2記載のバイオセンサ。
- 前記偏光子は、ワイヤグリッド型であることを特徴とする請求項3記載のバイオセンサ。
- 特定の波長の光のみを透過させるフィルタをさらに有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載のバイオセンサ。
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