JP5822239B2 - 金属ナノ粒子集積構造体を利用した被検出物質の検出装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属ナノ粒子集積構造体を利用して被検出物質を検出するための装置および方法に関する。

近年、体外診断方法では、金コロイドの局在表面プラズモン共鳴による発色を利用した診断方法が提案されている。たとえばイムノクロマト法において、金コロイドに抗体を固定した標識粒子を用いる方法が提案されている。この方法によれば、被検出物質である抗原が試料に含まれる場合に、その抗原と標識粒子とが結合した複合体が形成される。複合体は移動層を展開して判定部位の抗体に捕捉される。これにより判定部位が赤く発色する。判定部位において発色が見られるかどうかを確認することによって、抗原の有無を確認することができる。

たとえば特開２００９−２１０５０５号公報（特許文献１）は、上記のイムノクロマト法への適用を目的とした免疫学的測定キットを開示している。たとえば特表２００５−５３３２４６号公報（特許文献２）は、標的分子の識別に使用される表面増強共鳴ラマン散乱（ＳＥＲＲＳ）活性ビーズを開示する。このビーズは、ポリマーシェル内にカプセル化された凝集金属コロイドおよび少なくとも１つのＳＥＲＲＳ活性染料を含む。

特開２００９−２１０５０５号公報 特表２００５−５３３２４６号公報

被検出物質の検出感度を高める技術、言い換えれば微量の被検出物質を検出可能な技術に対する要望が常に存在する。特開２００９−２１０５０５号公報（特許文献１）に開示の方法によれば、判定部位の発色を確認することによって抗原の有無を簡易に確認することが可能となる。しかし、発色の有無を目視によって確認するためには、試料中の被検出物質の濃度がある程度高く、大量の被検出物質が必要になると考えられる。

本発明の目的は、微量の被検出物質を検出可能な装置および方法を提供し、上記課題の解決に資することである。

本発明のある局面に従う被検出物質の検出装置は、試料に含まれる可能性がある被検出物質の検出装置である。検出装置は、被検出物質を特異的に付着可能な第１のホスト分子で修飾された金属ナノ粒子が集積されることにより形成された、金属ナノ粒子集積構造体と、被検出物質を特異的に付着可能な第２のホスト分子で修飾された金属ナノ構造体とを備える。

好ましくは、検出装置は、金属ナノ粒子集積構造体を固定するための基板をさらに備える。

好ましくは、検出装置は、試料に金属ナノ粒子集積構造体と金属ナノ構造体とが導入された状態において試料を照射するための第１の光源と、試料のスペクトルを測定するための分光器と、分光器で測定されたスペクトルに基づいて、被検出物質を検出する検出器とをさらに備える。

好ましくは、第１の光源は、白色光を発する。
好ましくは、第１の光源は、金属ナノ粒子集積構造体または金属ナノ構造体の局在表面プラズモン共鳴のピークの半値全幅の２倍に対応する、１またはいくつかの領域に係る、実質的に単色の光を発する。

好ましくは、検出装置は、試料に偏光を照射する第２の光源をさらに備える。
好ましくは、分光器により測定されるスペクトルは、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルである。消衰スペクトルとは、散乱スペクトルと吸収スペクトルとを足し合わせたものである。

好ましくは、分光器により測定されるスペクトルは、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）スペクトルである。

好ましくは、金属ナノ粒子集積構造体は、金属ナノ粒子が固定された表面を有するビーズを含む。金属ナノ構造体は、金属ナノロッドである。

好ましくは、金属ナノロッドの短軸の長さは１ｎｍ以上である。金属ナノロッドのアスペクト比を短軸の長さに対する金属ナノロッドの長軸の比と定義すると、アスペクト比は、１よりも大きい値である。

好ましくは、金属ナノ粒子集積構造体の金属ナノ粒子と金属ナノロッドとは、同じ種類の金属により形成される。

好ましくは、金属ナノ粒子集積構造体の金属ナノ粒子と金属ナノロッドとは、互いに異なる種類の金属により形成される。

好ましくは、被検出対象物質は、抗原である。第１および第２のホスト分子は、抗原と抗原抗体反応を起こす抗体である。

本発明の他の局面に従う被検出物質の検出方法は、試料に含まれる可能性がある被検出物質の検出方法である。検出方法は、試料に金属ナノ粒子集積構造体と金属ナノ構造体とを導入するステップを備える。金属ナノ粒子集積構造体は、金属ナノ粒子が集積されることにより形成される。金属ナノ粒子は、被検出物質を特異的に付着可能な第１のホスト分子で修飾される。金属ナノ構造体は、被検出物質を特異的に付着可能な第２のホスト分子で修飾される。検出方法は、試料に光を照射するステップと、試料のスペクトルを測定するステップと、スペクトルに基づいて、被検出物質を検出するステップとをさらに備える。

好ましくは、光を照射するステップは、試料に偏光を照射して金属ナノ粒子集積構造体および金属ナノ構造体を集めるステップを含む。

好ましくは、光を照射するステップは、試料に白色光を照射するステップを含む。
好ましくは、光を照射するステップは、試料に、金属ナノ粒子集積構造体または金属ナノ構造体の局在表面プラズモン共鳴のピークの半値全幅の２倍に対応する、１またはいくつかの領域に係る、実質的に単色の光を照射するステップを含む。

好ましくは、スペクトルは、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルである。
好ましくは、スペクトルは、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）スペクトルである。

本発明のさらに他の局面に従う被検出物質の検出方法は、金属ナノ粒子が固定された表面を有するビーズに被検出物質を特異的に付着させて、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルを測定する、被検出物質の検出方法である。

本発明のさらに他の局面に従う被検出物質の検出方法は、金属ナノ粒子が固定された表面を有するビーズに被検出物質を特異的に付着させて、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）スペクトルを測定する、被検出物質の検出方法である。

本発明によれば、微量の被検出物質を検出可能な装置および方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に用いられる金属ナノ粒子集積構造体の模式的構造を示した図である。 金属ナノ粒子集積構造体の一例の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 本発明の実施の形態に係る金属ナノ粒子集積構造体１０の消衰スペクトルの測定結果と、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルの計算結果とを示した図である。 局在表面プラズモン共鳴の消衰、散乱および吸収スペクトルを計算するための二次元モデルを示した図である。 図４に示された二次元モデルの粒子の個数Ｎを９６に設定した場合における、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトル、散乱スペクトルおよび吸収スペクトルを計算した結果を示した図である。 図４に示された二次元モデルの粒子の個数Ｎを２８８に設定した場合における、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトル、散乱スペクトルおよび吸収スペクトルを計算した結果を示した図である。 図４に示された二次元モデルの粒子の個数Ｎを５７６に設定した場合における、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトル、散乱スペクトルおよび吸収スペクトルを計算した結果を示した図である。 本発明の実施の形態に係る被検出物質の検出方法を模式的に説明した図である。 金属ナノロッド結合体の消衰スペクトルを計算するための二次元モデルを示した図である。 図９に示した金属ナノロッド結合体のモデルを用いて消衰スペクトルを計算した結果を示した図である。 金属ナノ粒子集積構造体１０のサイズが大きい場合の計算モデルを示した図である。 図１１に示した金属ナノロッド結合体のモデルを用いて消衰スペクトルを計算した結果を示した図である。 相対的に大きな半径を有する金属ナノ粒子集積構造体に金属ナノロッドが結合した状態を模式的に示した図である。 相対的に小さな半径を有する金属ナノ粒子集積構造体（ビーズ）に金属ナノロッドが結合した状態を模式的に示した図である。 金ナノロッドの消衰スペクトルの測定結果を示した図である。 消衰スペクトルの測定に使用した金ナノロッドの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 図１６に示された金ナノロッドの三次元モデル（円柱状）を示した図である。 図１７に示された金ナノロッドの三次元モデルを用いて消衰スペクトルを計算した結果を示した図である。 金属ナノ粒子が固定化されたビーズの三次元モデルを説明するための図である。 銀ナノ粒子固定化ビーズの電子顕微鏡写真である。 図２０に示した銀ナノ粒子固定化ビーズの計算モデルを示した図である。 銀ナノ粒子固定化ビーズの消衰スペクトルの計算結果と、金ナノロッドの消衰スペクトルの計算結果とを示した図である。 本発明の１つの実施の形態に係る検出装置の概略的構成を示したブロック図である。 キットに固定された金属ナノ粒子集積構造体の模式図である。 本発明の１つの実施の形態に係る被検出物質の検出方法を説明したフローチャートである。 本発明の１つの実施形態に係る検出装置の構成を示した図である。 図２６に示した光プローブ１０７を用いた、物質の検出を説明するための模式図である。 金属ナノ粒子集積構造体を固定する基板を保持するためのホルダの１つの例を示した分解図である。 図２８に示したベース１２０Ａと押さえ部材１２０Ｂとによって基板２１を保持した状態を示した図である。 図２９に示されたホルダ１２０の開口部付近の概略を示した拡大図である。 光誘起力によって２つの金属ナノ粒子の間に作用する引力を説明するための図である。 光誘起力によって２つの金属ナノ粒子の間に作用する斥力を説明するための図である。 偏光による４つのナノ粒子の配列を模擬した結果を示した図である。 本発明の他の実施の形態に従う検出装置を示した図である。 図１９に示されたモデルを用いた消衰スペクトルの計算結果を示した図である。 銀ナノ粒子固定化ビーズによる電場増強の効果を説明するための図である。 金属ナノ粒子集積構造体によって金属ナノロッド１６が固定化された三次元モデルを説明するための図である。 図３７に示したモデルの拡大図である。 図３７および図３８に示されたモデルにより増強された光電場の強度を計算した結果を示した図である。 入射光のみによる光電場の強度を計算した結果を示した図である。 銀ナノ粒子固定化ビーズに結合する金ナノロッドの個数による消衰スペクトルのピークの変化を示した図である。 銀ナノ粒子固定化ビーズと金ナノロッドとの結合体の組を暗視野顕微鏡で観測することにより得られた消衰スペクトルを示した図である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

本発明およびその実施の形態において、「金属ナノ粒子集積構造体」とは、複数の金属ナノ粒子が集積することによって形成された構造体である。「金属ナノ粒子」とは、ナノメートルのオーダーのサイズを有する金属粒子である。「ナノメートルのオーダー」とは１から数百ナノメートルの範囲を含み、典型的には１〜１００ｎｍの範囲であり、好ましくは、１〜５０ｎｍの範囲である。

本発明およびその実施の形態において、「金属ナノ構造体」とは、ナノメートルのオーダーのサイズを有する金属の構造体である。金属ナノ粒子が集積することによって形成された構造体も金属ナノ構造体に含みうる。

本発明およびその実施の形態において「ホスト分子」とは、被検出物質を特異的に付着させることができる分子である。被検出物質を特異的に付着させることのできるホスト分子と被検出物質との組み合わせについては、例えば、抗原と抗体、糖鎖とタンパク質、脂質とタンパク質、低分子化合物（リガンド）とタンパク質、タンパク質とタンパク質、一本鎖ＤＮＡと一本鎖ＤＮＡなどが挙げられる。これらの特異的親和性を有する両者のうちいずれか一方が被検出物質である場合に、他方をホスト分子として用いることができる。すなわち、抗原が被検出物質である場合は、ホスト分子として抗体を用いることができる。逆に抗体が被検出物質である場合には、ホスト分子として抗原を用いることができる。また、ＤＮＡのハイブリダイゼーションにおいては、被検出物質が検体ＤＮＡであり、ホスト分子がプローブＤＮＡである。また、「抗原」は、アレルゲン、ウィルスを含みうる。また、本発明およびその実施の形態によれば、抗体の種類を変えることによって、検出可能なアレルゲンあるいはウィルスの種類を変えることもできる。したがって本発明およびその実施の形態により検出可能なアレルゲンあるいはウィルスの種類は特に限定されるものではない。

さらに、本発明およびその実施の形態において、被検出物質は、生体分子に限定されない有機分子であってもよい。

さらに、本発明およびその実施の形態において、被検出物質は重金属イオンであってもよい。この場合には、重金属イオンを捕集可能な分子をホスト分子に利用することができる。

「第１のホスト分子」および「第２のホスト分子」は、被検出物質の異なる部位に特異的に付着しうるホスト分子である。たとえば抗原が被検出物質である場合、第１のホスト分子は一次抗体であり、第２のホスト分子は二次抗体である。

本発明およびその実施の形態において、「白色光」との用語は、可視域を含む紫外域〜近赤外域の波長範囲（たとえば２００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲）を有する連続光、またはパルス光を意味する。

本発明およびその実施の形態において、「単色光」との用語は、金属ナノ粒子集積構造体または金属ナノ構造体の局在表面プラズモン共鳴のピークの半値全幅の２倍に対応する領域内の波長を有する光である。局在表面プラズモン共鳴のピークの半値全幅の２倍に対応する領域の数は１つでもよく、複数でもよい。

本発明およびその実施の形態において、「偏光」との用語は、光電磁波の伝播方向に垂直な電場ベクトルを意味する。

本発明およびその実施の形態において、「試料」とは被検出物質を含む物質または被検出物質を含む可能性がある物質を意味する。試料は、たとえば動物（たとえばヒト、ウシ、ウマ、ブタ、ヤギ、ニワトリ、ラット、マウスなど）からの生体試料でありうる。生体試料は、たとえば、血液、組織、細胞、分泌液、体液等を含みうる。なお、「試料」はそれらの希釈物を含んでもよい。

本発明およびその実施の形態において、「媒質」とは金属ナノ粒子集積構造体の存在する環境を意味する。

＜金属ナノ粒子集積構造体＞
図１は、本発明の実施の形態に用いられる金属ナノ粒子集積構造体の模式的構造を示した図である。図２は、金属ナノ粒子集積構造体の一例の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

図１および図２を参照して、金属ナノ粒子集積構造体１０は、ビーズ１１および金属ナノ粒子１２を有する。金属ナノ粒子１２はビーズ１１の表面を覆い、かつビーズ１１の表面に固定化される。これにより、金属ナノ粒子１２の集積構造体が形成される。

ビーズの平均粒径は、サブマイクロオーダーあるいはマイクロオーダーであり、たとえば０．１〜１００μｍ、より好ましくは、０．１〜１０μｍである。

ビーズ１１は、樹脂粒子である。所望の粒径を有する粒子を形成可能であれば、ビーズ１１の材料は特に限定されない。ビーズ１１に使用される材料は、たとえばアクリル、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどの樹脂であるがこれらに限定されない。

樹脂を微粒子化する方法は、当該分野において使用されうる任意の方法が使用可能であり、たとえば、モノマーキャスティング、懸濁重合、溶融スピンコート、超遠心、超音波などの方法が樹脂の種類に応じて適宜選択される。

金属ナノ粒子は、局在表面プラズモン共鳴を起こしうる金属ナノ粒子である。金属ナノ粒子としてたとえば金ナノ粒子が挙げられる。後に詳細に説明するように、金ナノ粒子に可視〜近赤外域の光を照射した場合、金ナノ粒子の表面では局在表面プラズモン共鳴が誘起される。局在表面プラズモン共鳴を起こしうる金属ナノ粒子であれば、金ナノ粒子以外の金属ナノ粒子も本発明に適用できる。そのような金属ナノ粒子の１つの他の例は、たとえば銀ナノ粒子である。この実施の形態では、これら金ナノ粒子および銀ナノ粒子を採用する。

金属ナノ粒子の平均粒径は、サブナノオーダー〜ナノオーダー（約２ｎｍ〜１０００ｎｍ）であり、たとえば２〜５００ｎｍ、好ましくは、２〜１００ｎｍ、より好ましくは、５〜５０ｎｍでありうる。

ビーズ１１の表面への金属ナノ粒子の固定は、ビーズ１１表面に存在する金属ナノ粒子と相互作用し得る部位を介し得る。「相互作用」とは、化学結合、ファンデルワールス力、静電的相互作用、疎水性相互作用および吸着力などをいう。金属ナノ粒子が金ナノ粒子である場合には、金と相互作用し得る部位（基）としては、たとえばチオール基が挙げられるがこれに限定されるものではない。相互作用部位は、たとえばビーズ１１の表面に予め形成させてもよく、金コロイドの表面に予め形成させてもよい。

金属ナノ粒子をビーズの表面に固定化するための方法として、種々の公知の方法を用いることができる。たとえば金ナノ粒子をビーズの表面に固定化する場合には、ビーズを金ナノ粒子分散液に混合し、その金ナノ粒子分散液を攪拌または静置してもよい。金ナノ粒子分散液は、任意選択的に有機バインダを含んでいてもよい。固定反応温度は、反応期間中に分散液が完全に凍結または蒸発しない温度であれば任意の温度でありうる。好ましくは、固定反応温度は、室温付近（たとえば１０〜３５℃）である。

金ナノ粒子分散液は、市販品を用いてもよく、金イオン（金錯体イオン）含有溶液および還元剤を用いて溶液内還元反応によって製造してもよい。たとえば、塩化金酸溶液にクエン酸を加えてもよい。

金属ナノ粒子集積構造体は基板上に固定されることが好ましい。ただし、金属ナノ粒子集積構造体は媒質（たとえば液体）中に分散してもよい。

図３は、本発明の実施の形態に係る金属ナノ粒子集積構造体１０の消衰スペクトルの測定結果と、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルの計算結果とを示した図である。

図３を参照して、「実験」と示されたグラフは、金属ナノ粒子集積構造体の消衰スペクトルの測定結果を示す。この測定結果は、直径６μｍのビーズに固定された金ナノ粒子に誘起された局在表面プラズモン共鳴によるものである。このグラフに示されるように、消衰スペクトルのピーク波長は約６５０ｎｍである。

「計算」と示されたグラフは、局在表面プラズモン共鳴の消衰および吸収スペクトルの計算結果を示す。図４は、局在表面プラズモン共鳴の消衰、散乱および吸収スペクトルを計算するための二次元モデルを示した図である。

図４を参照して、平面上に円環状に配列されたＮ個の粒子を計算モデルに用いた。ρは、Ｎ個の粒子を円環状に配列することで形成された円の半径であり、ビーズ１１の半径に相当する。

計算モデルでは、金属ナノ粒子の直径を３０ｎｍとし、隣接する２つの金属ナノ粒子の中心間距離を３２．７ｎｍとした。図４は、一例としてＮ＝４８に設定したモデルを示しているが、Ｎ＝９６、Ｎ＝２８８およびＮ＝５７６のモデルについて、消衰スペクトルおよび吸収スペクトルを計算した。Ｎ＝９６の場合における円の半径ρは５００ｎｍであり、Ｎ＝２８８の場合における円の半径ρは１５００ｎｍであり、Ｎ＝５７６の場合における円の半径ρは３０００ｎｍである。

この計算モデルを用いて、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式を離散化積分方程式として解くことで、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルおよび吸収スペクトルを計算できる。光吸収（Ｃ_abs）は、電流Ｊ、電場Ｅ、および感受率χによって、以下の式（１）に従って表わされる。

消衰スペクトルは、系全体に加わる光の伝播方向の散逸力から換算される。この散逸力は、光散乱および吸収に比例する（T. Iida, H. Ishihara "Nano-Optical Manipulation Using Resonant Radiation Force" Progress in Nano-Electro-Optics VI, M. Ohtsu 編集、Springer, Berlin 2008）。

図５は、図４に示された二次元モデルの粒子の個数Ｎを９６に設定した場合における、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトル、散乱スペクトルおよび吸収スペクトルを計算した結果を示した図である。図６は、図４に示された二次元モデルの粒子の個数Ｎを２８８に設定した場合における、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトル、散乱スペクトルおよび吸収スペクトルを計算した結果を示した図である。図７は、図４に示された二次元モデルの粒子の個数Ｎを５７６に設定した場合における、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトル、散乱スペクトルおよび吸収スペクトルを計算した結果を示した図である。

図５〜図７を参照して、消衰スペクトル、吸収スペクトルおよび散乱スペクトルの各々のピークの位置は、ビーズの直径が変化してもほとんど変化しないことが分かる。したがって、消衰スペクトル、吸収スペクトルおよび散乱スペクトルのいずれを検出してもよい。なお、図５〜図７に示した散乱スペクトルは、（消衰）＝（吸収）＋（散乱）の関係に従って計算されたものである。

図３、図５〜図７の計算結果からも分かるように、局在表面プラズモンのスペクトル上のピーク位置は、消衰スペクトル、散乱スペクトル、吸収スペクトルのいずれにおいてもほぼ同じであるので、本発明では、消衰スペクトル、散乱スペクトル、吸収スペクトルのうち、いずれのスペクトルを検出してもよい。

金属ナノ粒子は球状セルであると仮定する。応答光電場は、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式の積分形として表現できる。電場Ｅ_ｉは以下の式（２）に従って表わされる。

ｉ，ｊは球状セルの粒子番号である。Ｍ，Ｌは自己相互作用に関連する量である。
個々の金属構造体の内部での感受率および電場分布は平坦であるとする。誘起分極Ｐ_iは以下の式（３）に従って表わされる（O. J. F. Martin, N. B. Piller, Phys. Rev. E 58 3909 (1998)）。

個々の球状金属ナノ粒子内での感受率および電場分布は平坦であるとする。上記式（２）および式（３）を連立して、自己無撞着方程式を数値的に解いて得られる応答光電場および誘起分極の関数として、局在表面プラズモン共鳴の消衰、散乱および吸収のスペクトルが求められる。なお、感受率χにはＤｒｕｄｅモデルが適用される。感受率χは以下の式（４）に従って表わされる。

χ_ｂは背景（非共鳴部分）の感受率を表わし、ω_ｐはプラズマエネルギーを表わし、γは非輻射緩和定数を示し、Ｖ_ｆはフェルミ面上における電子速度を示す。非輻射緩和定数は励起された電子から光以外（たとえば熱）への緩和を示す値である。また、ａは粒子の半径を示す。

計算では、ビーズ１１および周囲の媒質の屈折率を、水の屈折率に近い１．３３とした。また、非共鳴部分の比誘電率を１１とした。プラズマエネルギーω_pを８．９５８（ｅＶ）とした。非輻射緩和率γを７２．３（ｍｅＶ）とした。フェルミ面上での電子速度Ｖ_fを０．９２２（ｎｍ・ｅＶ）とした。粒子の半径ａを３０（ｎｍ）とした。

図３、図５〜図７に戻り、Ｎ＝９６、Ｎ＝２８８およびＮ＝５７６のいずれの場合においても、「計算」と示されたグラフにおける吸収スペクトルおよび消衰スペクトルのピーク波長は、約６５０ｎｍである。このことは上記理論および計算に基づく結果が実験結果をよく再現していることを示している。

また、この計算結果から、粒子間距離が一定であれば、ビーズ１１の粒径（すなわち金属ナノ粒子集積構造体１０のサイズ）が変化しても、消衰スペクトルおよび吸収スペクトルの両方のピーク波長がほとんど変化しないことが分かる。一方で、後で述べるように、粒子間距離（粒子密度）が狭まれば長波長シフトが大きくなり、粒子間距離が広がれば長波長シフトが小さくなる。

なお、計算結果では、波長６５０ｎｍ付近だけでなく波長５００ｎｍ付近にも消衰スペクトルおよび吸収スペクトルのピークが生じているが、実験結果では、波長５００ｎｍ付近には消衰スペクトルのピークは見られない。この理由は、金ナノ粒子がさまざまな粒子間距離で固定化されることによって、波長５００ｎｍ付近から６５０ｎｍ付近までの様々な波長での消衰スペクトルのピークが重なりあったためと推測される。

図８は、本発明の実施の形態に係る被検出物質の検出方法を模式的に説明した図である。図８を参照して、本発明の実施の形態では、ホスト分子１３で修飾された金属ナノ粒子集積構造体１０と、ホスト分子１７で修飾された金属ナノロッド１６とを用いて被検出物質１８を検出する。金属ナノロッド１６は、金属ナノ構造体に相当する。図示の都合上、図８では、一部の金属ナノ粒子１２がホスト分子１３で修飾され、金属ナノロッド１６の一部がホスト分子１７で修飾されている。しかし、ホスト分子１３は金属ナノ粒子集積構造体１０の表面の全体を修飾してもよく、ホスト分子１７も同様に金属ナノロッド１６の表面の全体を修飾してもよい。

被検出物質１８は、たとえばウィルスあるいはＤＮＡである。ホスト分子１３は一次抗体であり、ホスト分子１７は二次抗体である。ウィルスと抗体との反応によって金属ナノ粒子集積構造体１０と金属ナノロッド１６とが結合される。これにより、消衰スペクトルの変化が生じる。したがって消衰スペクトルを測定することにより被検出物質１８を検出することができる。

上記の通り、被検出物質１８を介在してホスト分子１３およびホスト分子１７が結合される。この実施の形態によれば、ホスト分子１３，１７を適切に選択することによって様々な物質が検出可能である。一例では、被検出物質１８は生体分子に限定されない有機分子である。別の例では、被検出物質１８は、重金属イオンであり、ホスト分子１３，１７は、たとえば錯体分子のような、重金属イオンを捕集可能な分子である。

なお、以下の説明では、便宜上、被検出物質１８によって結合された金属ナノ粒子集積構造体１０および金属ナノロッド１６を「金属ナノロッド結合体」と呼ぶことにする。

図９は、金属ナノロッド結合体の消衰スペクトルを計算するための二次元モデルを示した図である。図９を参照して、金属ナノロッド１６は、一方向に配列された複数個の金属ナノ粒子１２として表わされる。金属ナノロッド１６の長軸方向の長さはＬ１であり、金属ナノロッド１６の短軸方向の長さはＬ２である。

金属ナノロッド１６のアスペクト比を、金属ナノロッド１６の短軸方向の長さＬ２に対する金属ナノロッド１６の長軸方向の長さＬ１の比と定義する。Ｌ１＞Ｌ２であるので、アスペクト比（Ｌ１／Ｌ２）は１よりも大きい。

金属ナノロッド１６は、被検出物質１８（たとえばウィルスあるいはＤＮＡ）によって金属ナノ粒子集積構造体１０に結合される。この状態における金属ナノロッド１６の長軸方向および短軸方向をそれぞれｘ方向およびｙ方向とする。ｄは金属ナノ粒子集積構造体１０と金属ナノロッド１６との間の距離である。

このモデルに基づいて消衰スペクトルを計算した。消衰スペクトルの計算において、金属ナノ粒子１２を金ナノ粒子とし、１個の金ナノ粒子の直径を３０ｎｍとした。金属ナノ粒子集積構造体１０を形成する金属ナノ粒子１２（金ナノ粒子）の個数Ｎを４８とした。金属ナノ粒子集積構造体１０の半径ρを３６５ｎｍとした。この場合、金属ナノ粒子集積構造体１０の隣接する２つの金属ナノ粒子１２の間の中心間距離は４７．８ｎｍであり、それら隣接する２つの金属ナノ粒子１２の間の表面間の最短距離は１７．８ｎｍである。

一方、金属ナノロッド１６を形成する金属ナノ粒子１２（金ナノ粒子）の個数を４とした。したがってＬ１は１２０ｎｍであり、Ｌ２は３０ｎｍである。また、ｄ＝２ｎｍとした。また、偏光５の偏光方向はｘ方向であり、偏光５の伝播方向は紙面に垂直の方向である。

図１０は、図９に示した金属ナノロッド結合体のモデルを用いて消衰スペクトルを計算した結果を示した図である。図９および図１０を参照して、金属ナノロッド１６がない場合、すなわち金属ナノロッドが金属ナノ粒子集積構造体１０に結合されていない場合には、波長５５０ｎｍ付近のみにピークが現れる。図３とピーク位置が異なる理由は、上記のように、粒子間距離が異なるためである。一方、金属ナノロッド１６が金属ナノ粒子集積構造体１０に結合することによって、波長５５０ｎｍ付近だけでなく波長６５０ｎｍ付近にもピークが現れる。波長６５０ｎｍ付近におけるピークは、金属ナノロッドが金属ナノ粒子集積構造体１０に結合することによって発生した、金属ナノロッド結合体の長軸モードに対応するスペクトルの成分である。

金属ナノ粒子集積構造体１０に結合される金属ナノロッドの個数が１個の場合、波長５５０ｎｍでのピークと波長６５０ｎｍでのピークとの比は、ピーク強度比（シグナル強度比）では約３：１と見積もられた。金属ナノ粒子集積構造体の体積の総和と１個の金属ナノロッドの体積との比は約１２：１である。金属ナノ粒子集積構造体１０に結合される金属ナノロッドの個数が１個から２個に増えるに従い、約６５０ｎｍ付近のピークが大きくなることが確認された。

すなわち図１０に示した結果は、金属ナノロッド結合体の長軸モードに対応したピーク（図１０の例では波長６５０ｎｍ付近のピーク）を消衰スペクトル中から検出することで、被検出物質１８の検出が可能であることを示している。また、そのピークの大きさが、金属ナノ粒子集積構造体１０に結合される金属ナノロッドの個数に依存することを表わす。金属ナノ粒子集積構造体１０に結合される金属ナノロッドの個数は、試料に含まれる被検出物質の量に依存する。したがって、試料中の被検出物質の濃度が高いほど、金属ナノロッド結合体の長軸モードに対応したピークが大きくなる。

しかしながら、被検出物質の検出感度がより高いことが望まれる。このため、本実施の形態では、金属ナノ粒子集積構造体１０を小さくすることが好ましい。金属ナノ粒子を固定化するためのビーズが小さいほど、そのビーズに固定化される金属ナノ粒子が少なくなる。したがって、少ない数（たとえば１個あるいは２個）の金属ナノロッドが金属ナノ粒子集積構造体１０に結合するだけでも、金属ナノロッド自体の局在表面プラズモンによる消衰スペクトルのピークを明確に測定することが可能になる。すなわち、微量の被検出物質を検出できる。この点について以下に詳細に説明する。

図１１は、金属ナノ粒子集積構造体１０のサイズが大きい場合の計算モデルを示した図である。図１１を参照して、金属ナノ粒子集積構造体１０を構成する金属ナノ粒子１２の個数Ｎを９６とし、金属ナノ粒子集積構造体１０の半径ρを７３０ｎｍとした。図１１に示した二次元モデルと図９に示した二次元モデルとは、金属ナノ粒子１２の密度（粒子間距離）が同じである。なお、図９と同様に、偏光５の偏光方向はｘ方向であり、偏光５の伝播方向は紙面に垂直方向である。

図１２は、図１１に示した金属ナノロッド結合体のモデルを用いて消衰スペクトルを計算した結果を示した図である。図１０および図１２を参照して、金属ナノ粒子集積構造体１０のサイズが大きくなると、波長５５０ｎｍでのピークに対する波長６５０ｎｍでのピークの比が低下する。図１２に示した結果から、１個の金属ナノロッドが金属ナノ粒子集積構造体に結合した場合のときのシグナル強度比が約４．４：１となる。金属ナノ粒子集積構造体の体積の総和と１個の金属ナノロッドの体積との比は２４：１である。

図１０および図１２に示した結果から、金属ナノ粒子集積構造体１０のサイズが小さいほど検出効率が高められることがわかる。

図１３は、相対的に大きな半径を有する金属ナノ粒子集積構造体に金属ナノロッドが結合した状態を模式的に示した図である。図１４は、相対的に小さな半径を有する金属ナノ粒子集積構造体（ビーズ）に金属ナノロッドが結合した状態を模式的に示した図である。

図１３に示した例では、４つの金属ナノロッド１６が単一の金属ナノ粒子集積構造体１０に結合される。金属ナノ粒子集積構造体１０を球体と仮定し、その球体の半径をｒ（たとえばｒ＝４μｍ）とする。金属ナノ粒子集積構造体１０の表面積は、４πｒ²であり、金属ナノ粒子集積構造体１０の体積は（４／３）πｒ³である。

図１４に示した例では、１６個の金属ナノ粒子集積構造体１０が４行４列に配置される。各金属ナノ粒子集積構造体１０の半径はｒ／４（１μｍ）である。中央に位置する４個（２×２）の金属ナノ粒子集積構造体１０の各々に、１つの金属ナノロッド１６が結合される。１６個の金属ナノ粒子集積構造体１０の表面積の合計は、１６×４π×（ｒ／４）²＝４πｒ²となり、図１１に示した金属ナノ粒子集積構造体１０の表面積に等しい。一方、１６個の金属ナノ粒子集積構造体１０の体積の合計は、１６×（４／３）π×（ｒ／４）³＝１／３πｒ³となり、図１３に示した金属ナノ粒子集積構造体１０の体積の１／４に等しい。

図１３および図１４に示されるように、小さなサイズの金属ナノ粒子集積構造体１０を密に配置することによって、金属ナノロッドが固定化される面積を保ちつつ金属ナノ粒子集積構造体１０によって示される体積を小さくできる。したがって材料コストの節約を図ることができる。

さらに、図１４に示すように、検出光のスポット６が、金属ナノロッドが結合された４つの金属ナノ粒子集積構造体１０の領域をカバーしている。金属ナノ粒子の密度が同じであれば、金属ナノ粒子集積構造体１０のサイズが大きいほど、消衰スペクトルにおいて当該金属ナノ粒子集積構造体１０によるピークが支配的となる。したがって、金属ナノ粒子集積構造体１０に結合された金属ナノロッドの数が同じであっても、金属ナノロッドによるピークが観測しにくくなる（図１２を参照）。スポット６のサイズが同じであれば、金属ナノ粒子集積構造体１０のサイズを小さくすることによって金属ナノロッドによるスペクトルのピークを明瞭に確認できる。

図１５は、金ナノロッドの消衰スペクトルの測定結果を示した図である。図１６は、消衰スペクトルの測定に使用した金ナノロッドの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。図１５および図１６を参照して、ＴＥＭ写真から、金ナノロッドの長軸の長さが約３０ｎｍであり、短軸の長さが約１０ｎｍであると見積もられた。消衰スペクトルのピークは、約８００ｎｍである。

図１７は、図１６に示された金ナノロッドの三次元モデル（円柱状）を示した図である。図１７を参照して、このモデルでは、金ナノロッドの短軸の長さを１０ｎｍとした。さらに金ナノロッドの長軸の長さを３０ｎｍ，３２ｎｍ，３５ｎｍと変化させた。金ナノロッドの長軸の長さを変化させる理由は、実験的に作製された金ナノロッド（図１６を参照）の長軸あるいは短軸の長さに、ばらつきが存在するためである。さらに、金ナノロッドのモデルを構成するクラスターの直径を１．５ｎｍとし、球状クラスター間の間隙を補完して均一な結晶を表現するため、最密充填ファクターを考慮した。

図１８は、図１７に示された金ナノロッドの三次元モデルを用いて消衰スペクトルを計算した結果を示した図である。図１８を参照して、短軸が１０ｎｍ、長軸が３５ｎｍである金ナノロッドの消衰スペクトルは、８００ｎｍの付近の波長においてピークを有する。図１８に示した破線は、このピークの位置を示す。図１５に示した破線は、図１８中の破線によって示された波長の位置を示す。図１８に示されたピーク波長は、図１５に示されたピーク波長をよく再現している。このことは、図１８に示された計算結果が図１５に示された実験結果をよく再現していることを意味する。

図１９は、金属ナノ粒子が固定化されたビーズの三次元モデルを説明するための図である。図１９を参照して、Ｄ_bは金属ナノ粒子集積構造体の直径である。Ｄ_cは、クラスター１２Ａの直径である。ａ_pはクラスター１２Ａを構成する金属ナノ粒子（金属ナノ粒子１２）の直径である。ｄ_pは、クラスター１２Ａの間隔である。

図２０は、銀ナノ粒子固定化ビーズの電子顕微鏡写真である。１個の銀ナノ粒子固定化ビーズには約２０万個の銀ナノ粒子が固定化されている。図２１は、図２０に示した銀ナノ粒子固定化ビーズの計算モデルを示した図である。図２０および図２１を参照して、計算モデルでは、銀ナノ粒子の集合体をクラスターとして取り扱う（クラスターＤＤＡ（離散双極子近似）法）。図２１に示したモデルの場合、クラスターの個数は３４５７個である。さらに、ｄ_p＝２．０１ｎｍであり、Ｄ_b＝４００ｎｍであり、Ｄ_c＝１０ｎｍであり、ａ_p＝２．５ｎｍである。

図２２は、銀ナノ粒子固定化ビーズの消衰スペクトルの計算結果と、金ナノロッドの消衰スペクトルの計算結果とを示した図である。図２２を参照して、銀ナノ粒子固定化ビーズ（ＡｇＮＰＦＢ）の消衰スペクトルと、金ナノロッド（ＡｕＮＲ）の消衰スペクトルを２００倍して得られるスペクトルと、銀ナノ粒子（Ｓｉｎｇｌｅ ＡｇＮＰ）の消衰スペクトルを１０⁵倍して得られるスペクトルとが示される。ビーズの消衰スペクトルの計算において、図２１に示されるように、ビーズの直径Ｄ_bを４００ｎｍとした。このモデルでは、１つのクラスターは、直径ａ_pが２．５ｎｍである銀ナノ粒子を約６４個（体積比）含む。クラスターの直径Ｄ_cは１０ｎｍである。これらのパラメータから、図２０と同様に図２１のモデルでは銀ナノ粒子固定化ビーズには約２０万個の銀ナノ粒子が固定化されている。

金ナノロッドの消衰スペクトルの計算において、金ナノロッドの短軸を１０ｎｍとし、長軸を３０ｎｍとした。１個の金ナノロッドの消衰スペクトルを２００倍したときのピークの高さは、銀ナノ粒子固定化ビーズの消衰スペクトルのピークの高さとほぼ同じである。さらに銀ナノ粒子固定化ビーズの消衰スペクトルのピークの高さは、単一の銀ナノ粒子（Ｓｉｎｇｌｅ ＡｇＮＰ）の消衰スペクトルを１０⁵倍して得られるスペクトルのピークと同等の高さである。図２２および図４１から、１個の銀ナノ粒子固定化ビーズに少なくとも５０個のオーダーの金ナノロッドが被検出物質１８を介して結合されれば、金ナノロッドの消衰スペクトルが検出できると予想される。

本発明の１つの実施の形態によれば、局在表面プラズモンの消衰スペクトルを測定することで、微量の被検出物質を検出できる。消衰スペクトルは、散乱スペクトルと吸収スペクトルとを足し合わせたものである。したがって消衰スペクトルを測定することは、ピークの位置を議論する際には、散乱スペクトルを測定すること、または吸収スペクトルを測定することと実質的に同等である。いずれの場合においても局在表面プラズモンのスペクトル上のピーク位置はほぼ同じである。なお、散乱スペクトルを測定してもよく、吸収スペクトルを測定してもよい。以下、本発明の実施の形態に係る検出装置および検出方法を詳細に説明する。

＜検出装置および方法＞
図２３は、本発明の１つの実施の形態に係る検出装置の概略的構成を示したブロック図である。図２３を参照して、検出装置１００は、光源１０１と、キット２０と、分光器１０５と、演算部１０６とを備える。

光源１０１は、たとえば白色光を発する光源であり、たとえばハロゲンランプである。光源１０１にレーザ光源を用いることも可能である。ただし白色光源を光源１０１に用いることによって検出装置１００を低コストで実現できる。光源１０１からの光（たとえば白色光）は、キット２０に照射される。

光源１０１は、実質的に単色の光を発する光源であってもよい。単色光の波長は、サンプル３０に導入された金属ナノ粒子集積構造体および金属ナノ構造体に誘起される局在表面プラズモン共鳴のピークの波長に対応する。ピークの半値全幅の２倍以内の波長領域内に単色光の波長が位置すればよく、単色光自体の線幅は特に限定されない。単色光源には、たとえばレーザ光源を用いてもよい。

分光器１０５は、サンプル３０に導入された金属ナノ粒子集積構造体および金属ナノ構造体に誘起される局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルを測定することによって、金属ナノ粒子集積構造体へ金属ナノロッドが結合する際の、金属ナノ粒子集積構造体の消衰スペクトルの変化を追跡するものである。分光器１０５は、その測定結果を示す信号を出力する。分光器１０５は、紫外域〜近赤外域（たとえば２００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲）でスペクトルを測定可能な分光器であることが好ましい。また、分光器１０５の波長分解能は、より小さいほど好ましい。たとえば分光器１０５の波長分解能は、１０ｎｍ以下、５ｎｍ以下、２ｎｍ以下、または１ｎｍ以下であるが、これに限定されない。単一の金属ナノ粒子集積構造および金属ナノ構造体の結合体の観測には、暗視野顕微鏡を用いることができる。

演算部１０６は、たとえばマイクロコンピュータあるいはパーソナルコンピュータ等によって実現される。演算部１０６は、分光器１０５からの信号（たとえば分光器１０５で検出された光の強度を示す信号）を受ける。演算部１０６は、消衰スペクトルから、金属ナノロッド結合体の短軸モードのピーク強度（たとえば図１０、図１２に示した波長５５０ｎｍにおけるピーク強度）および金属ナノロッド結合体の長軸モードの波長（波長６５０ｎｍにおけるピーク強度）を取得する。演算部１０６は、それらのピーク強度比に基づいて被検出物質の有無および／または被検出物質の濃度を検出する。

図２３に示した構成では、キット２０の上方に光源１０１が配置され、キット２０の下方に分光器１０５が配置されているが、光源１０１と、分光器１０５および演算部１０６との配置が図２３に示した配置と逆であってもよい。

また、図２３には示されていないが、光源１０１からの白色光あるいは単色光をキット２０に導くための光学部品（たとえばミラー、レンズ、光ファイバなど）が追加的に用いられてもよい。図２６および図２７のように、同じく、キット２０からの反射光を分光器に導くための光学部品（光ファイバなど）が追加的に用いられてもよい。

１つの実施の形態では、金属ナノ粒子集積構造体は、金ナノ粒子が固定化されたビーズである。基板と、基板に固定された金属ナノ粒子集積構造体１０とによって、キット２０が構成される。

図２４は、キットに固定された金属ナノ粒子集積構造体の模式図である。図２４を参照して、キット２０の基板２１には溝構造が形成される。たとえば基板２１はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）膜である。ＰＤＭＳは、シリコーンゴムの一種であり、型取りなどの手法によって、マイクロ構造を容易に形成可能である。したがって、図２４に示すように、金属ナノ粒子集積構造体１０の粒径に適した溝構造がＰＤＭＳ膜に形成されて、その溝の中に金属ナノ粒子集積構造体１０が配置される。

また、キット２０の基板２１を、単一のガラス板のように、白色光に対して透明な材料で作成してもよい。好ましくは、基板２１に用いられる材料は、たとえばシリコン、石英のように、局在表面プラズモン共鳴に影響を与えないとともに偏光に対して異方性を示さない材料である。単一のガラス板を基板２１として用いる場合には、シランカップリング剤を利用してメルカプト基またはアミノ基を導入する。これにより、金属ナノ粒子集積構造体１０（ビーズ）が化学的または静電的に基板２１上に捕捉される。

金ナノ粒子は、たとえば以下の方法によってビーズに固定化される。まず、金ナノ粒子分散液およびビーズをバインダ液中に投入する。バインダ液は、たとえばアルキルチオールの水またはエタノール溶液である。この溶液を室温中で攪拌する。溶液の色は当初は赤色であるが、攪拌するにつれて透明（無色）に変化する。溶液が透明になった後も、所定の時間、攪拌を続ける。これにより、金ナノ粒子集積構造体が生成される。

金ナノ粒子固定化ビーズをホスト分子で修飾するための方法として、たとえば以下の方法を用いることができる。

たとえばホスト分子がアビジン（Avidin）である場合、まず金ナノ粒子固定化ビーズをリン酸バッファ（２０ｍＭ，ｐＨ７．４）中へ分散させる。１ｍＭのジチオジプロピオン酸（ＤＤＡ）を当該バッファに混合してバッファを１時間攪拌する。次に、バッファに１−エチル−３（３−ジメチルアミノプロピル）カルボイミド（ＥＤＣ）を混合して１時間攪拌する。続いて、バッファに１００ｍＭのＮ−ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）を混合して１時間攪拌する。続いて、バッファにストレプトアビジン（１００μｇ／ｍＬ）を混合して１時間攪拌する（たとえばAnalytical Chemistry, Vol.77, No. 21, November 1, 2005, p6976-p6984）。

また、ホスト分子がＤＮＡである場合には、たとえば以下の方法を適用できる。まず、金ナノ粒子固定化ビーズを分散した液に３．６１μＭのチオール化ＤＮＡを添加して、その液をたとえば１６時間放置する。上記溶液へ塩化ナトリウムとリン酸バッファ（ｐＨ７．０）とを０．１Ｍ，１０ｍＭになるように添加して、その液をたとえば４０時間放置する。遠心分離によってナノ粒子を沈殿させて洗浄を行なう。

また、金ナノロッドは、たとえば以下の方法により作成される。まず、ＣＴＡＢ（Cetyltrimethylammonium Bromide）の水溶液（０．２Ｍ）５０ｍＬを調製する。次に金ナノロッドのグロース（Growth）溶液の調製を行なう。具体的には、ＣＴＡＢ溶液５ｍＬに、硝酸銀水溶液（たとえば０．０１Ｍ １００μＬ）、HAuCl₄（０．０１Ｍ ５００μＬ）、アスコルビン酸水溶液（０．１Ｍ，５５μＬ）をこの順に混合し、アスコルビン酸の還元によって金を析出させる。次に金ナノロッドのシード溶液を調製する。具体的には、たとえばＣＴＡＢ溶液（５ｍＬ）に、HAuCl₄溶液（０．０１Ｍ ５００μＬ）、十分に冷却したNaBH₄水溶液（３００μＬ、０．０１Ｍ）を混合する。シード溶液（１２μＬ）をグロース溶液と混合することで金ナノロッドを成長させる。このとき、できるだけ攪拌しないことが好ましい。ナノロッドの大きさは、成長時間にほぼ比例する。所定時間の経過の後、溶液を洗い流すことによって、金ナノロッドの成長を止める。

金ナノロッドのアスペクト比は、１より大きければ特に限定されるものではない。また、金ナノロッドの短軸の長さも特に限定されるものではない。たとえば金ナノロッドの作成を容易にする観点から、金ナノロッドの短軸の長さは１０ｎｍ以上であることが好ましい。

また、金ナノロッドをホスト分子で修飾する方法は、金ナノ粒子固定化ビーズをホスト分子で修飾する方法と同じ方法を採用できる。このため、金ナノロッドをホスト分子で修飾する方法については詳細な説明を繰り返さない。上記のように、キット２０にサンプル３０および金属ナノロッド分散液２２を滴下することによって、サンプル３０に金属ナノ粒子集積構造体および金属ナノロッドが導入される。

図２５は、本発明の１つの実施の形態に係る被検出物質の検出方法を説明したフローチャートである。図２３および図２５を参照して、ステップＳ１において、光源１０１からの光（白色光あるいは単色光）をキット２０に照射する。ステップＳ２において、分光器１０５が、金属ナノ粒子集積構造体１０および金属ナノロッドの局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルを測定する。金属ナノロッド結合体が形成されていれば、消衰スペクトルにおいて、金属ナノロッド結合体の長軸モードによる成分と、金属ナノロッド結合体の短軸モードによる成分とが現れる。

ステップＳ３において、演算部１０６は、消衰スペクトルのピーク波長における強度に基づいて、被検出物質を検出する。たとえば予備的実験によって、サンプル中の被検出物質の濃度と、消衰スペクトルにおけるシグナル強度比との関係が測定される。演算部１０６は、この関係を、たとえばテーブルとして予め記憶する。演算部１０６は、分光器１０５の測定結果からシグナル強度比を算出する。演算部１０６は、算出されたシグナル強度比が、ある基準値を超えた場合に被検出物質を検出する。その基準値は、上記テーブルに従って予め設定される。

なお、演算部１０６は、上記テーブルに定義された関係と、分光器１０５の測定結果から得られるシグナル強度比とを用いて、被検出物質の濃度を算出してもよい。また、予備的実験の結果に基づいて、シグナル強度比から被検出物質の濃度を導くための関数を決定し、演算部１０６は、その関数と、分光器１０５によって測定されたシグナルの強度によって被検出物質の濃度を算出してもよい。

図２６は、本発明の１つの実施形態に係る検出装置の構成を示した図である。図２６を参照して、光源１０１からの光は光プローブ１０７によってキットに照射される。キットからの反射光は光プローブ１０７によって分光器１０５へと導かれる。演算部１０６は、パーソナルコンピュータによって実現される。パーソナルコンピュータは分光器１０５からの信号を処理する。分光器１０５は、ポータブルタイプの分光器である。たとえばＯｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ．Ｉｎｃの製品ＵＳＢ４０００を分光器１０５として用いることができる。

図２７は、図２６に示した光プローブ１０７を用いた、物質の検出を説明するための模式図である。図２７を参照して、光プローブ１０７は、光ファイバ１０７Ａ，１０７Ｂを含む。光ファイバ１０７Ａは、金属ナノ粒子集積構造体１０への入射光を光源１０１から伝達する。光ファイバ１０７Ｂは、金属ナノ粒子集積構造体１０からの反射光を分光器１０５へと伝達する。

基板２１上には、複数の金属ナノ粒子集積構造体１０が配置される。たとえば各々の金属ナノ粒子集積構造体１０には、別々の検体が与えられる。図示が煩雑になることを避けるために図２７には金ナノロッドは示されていない。たとえば、光プローブ１０７あるいはキット２０をスキャンすることにより、１つの金属ナノ粒子集積構造体１０に光源からの光を照射して、その金属ナノ粒子集積構造体１０からの反射光を取得する。これにより、検体ごとに被検出物質の検出が可能となる。

図２８は、金属ナノ粒子集積構造体を固定する基板を保持するためのホルダの１つの例を示した分解図である。図２８を参照して、ホルダ１２０は、ベース１２０Ａと、押さえ部材１２０Ｂとを備える。開口部１２１Ａおよび凹部１２２Ａがベース１２０Ａに形成される。開口部１２１Ｂおよび凸部１２２Ｂが押さえ部材１２０Ｂに形成される。ベース１２０Ａと、押さえ部材１２０Ｂとは、金属（たとえばステンレスなど）によって形成される。

図２９は、図２８に示したベース１２０Ａと押さえ部材１２０Ｂとによって基板２１を保持した状態を示した図である。図３０は、図２９に示されたホルダ１２０の開口部付近の概略を示した拡大図である。図２９および図３０を参照して、基板２１はベース１２０Ａの開口部１２１Ａに装着される。カバーガラス２４は、押さえ部材１２０Ｂの開口部１２１Ｂに装着される。カバーガラス２４と基板２１との間の隙間にサンプル３０が導入される。サンプル３０の漏出を防ぐために、カバーガラス２４と基板２１との間にパッキン１２３が設けられる。押さえ部材１２０Ｂの凸部１２２Ｂがベース１２０Ａの凹部１２２Ａに挿入される。凸部１２２Ｂの先端には磁石１２４が設置される。磁石１２４とベース１２０Ａとが引き寄せあうことによって押さえ部材１２０Ｂが固定される。

このように本発明の１つの実施の形態によれば、金属ナノ粒子集積構造体と金属ナノロッドとが被検出物質によって結合された場合に生じる、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルのピークに基づいて被検出物質を検出する。被検出物質の量が少なくても、金属ナノロッドが金属ナノ粒子集積構造体に結合すれば、消衰スペクトルにおいて金属ナノロッドによるピークが現れる。このため、被検出物質が微量でも、当該被検出物質を検出できる。したがって、本実施の形態に係る検出装置および方法によれば、微量の被検出物質を検出できる。

さらに、金属ナノ粒子集積構造体のサイズを小さくすることで、被検出物質の検出効率を高めることができる。加えて検出装置のコストを低減することができる。

微量の被検出物質を検出するためには、できるだけ効率よく金属ナノロッドを金属ナノ粒子集積構造体に結合させることが好ましい。一方、コストの観点からは、金属ナノ粒子集積構造体のサイズを小さくするとともに、金属ナノ粒子集積構造体および金属ナノロッドの量をできるだけ少なくすることが好ましい。このような課題を解決するため、たとえば特願２０１０−２２７６２７号に記載された、偏光によって金属ナノ粒子を配列する方法を応用して金属ナノ粒子集積構造体および金属ナノロッドを集めてもよい。以下では、特願２０１０−２２７６２７号に記載された方法の概要を説明する。

図３１は、光誘起力によって２つの金属ナノ粒子の間に作用する引力を説明するための図である。図３１を参照して、ｙ方向に沿って粒子１，２が配列される。軸Ａｘは、粒子１，２の中心を結ぶ軸を示す。

粒子１，２に偏光５が入射される。偏光５の偏光方向はｙ方向である。すなわち、偏光５の偏光の方向は、粒子１，２の中心を結ぶ軸Ａｘと平行な方向である。この場合、粒子１，２の各々には、偏光５の偏光方向に平行な方向に沿って分極が生じる。粒子１には負の力が作用する一方で、粒子２には正の力が作用する。このため粒子１，２の間に引力が作用する。

図３２は、光誘起力によって２つの金属ナノ粒子の間に作用する斥力を説明するための図である。図３２を参照して、軸Ａｘの方向と垂直な方向に偏光した偏光５が、粒子１，２に入射される。粒子１，２の各々には、偏光５の偏光方向に平行な方向に沿って分極が生じる。すなわち分極の方向は、粒子１，２の軸Ａｘの方向と垂直である。粒子１および粒子２の分極の向きが互いに等しいため粒子１，２の間に斥力が生じる。

このように、偏光方向を制御することによって、２つの金属ナノ粒子間に生じる力（引力および斥力）を制御することができる。この引力あるいは斥力を利用して、金属ナノ粒子を配列することができる。

図３３は、偏光による４つのナノ粒子の配列を模擬した結果を示した図である。なお金属ナノ粒子を金ナノ粒子とし、粒子の直径を４０（ｎｍ）とした。さらに金ナノ粒子は常温の水に存在するものとした。光強度を６００（ｍＷ）とし、励起波長を、非共鳴の波長である１０６４（ｎｍ）とした。また、スポットの直径を１０００（ｎｍ）とし、レーザ光の照射時間を０．０２（ｓ）とし、ステップ数を１００００００（ステップ）とした（描画の都合上、１０００ステップに相当する２０μｓごとにナノ粒子の軌跡をプロットしている）。図３３では、偏光方向と平行な方向に沿って４個の粒子を配列できることが示される。

以上説明したような金属ナノ粒子間に作用する引力あるいは斥力を利用することで、金属ナノ粒子集積構造体１０および金属ナノロッド１６を局所的に集めてもよい。

図３４は、本発明の他の実施の形態に従う検出装置を示した図である。図３４を参照して、検出装置１１０は、偏光を発する光源１０２をさらに備える。光源１０２は偏光方向を切替可能であることが好ましい。なお偏光の種類は直線偏光に限定されず、たとえば円偏光でもよく、さらには軸対称偏光であってもよい。なお、キット２０の表面は、金属ナノ粒子集積構造体１０の動きを妨げないように形成されていることが好ましい。金属ナノ粒子集積構造体が分散する液が基板の表面に滴下されていてもよい。このような基板をキット２０として用いることができる。

金属ナノ粒子集積構造体は基板に固定されずに自由に移動可能である。したがって金属ナノ粒子集積構造体および金属ナノロッドが導入された試料に偏光を照射することによって、金属ナノ粒子集積構造体および金属ナノロッドを集めることができる。これにより、金属ナノ粒子集積構造体および金属ナノロッドの濃度を局所的に高くすることができるので、微量の被検出物質を効率よく検出できる。また、少ない量の金属ナノ粒子集積構造体および金属ナノロッドを用いて被検出物質を検出することができるので、材料コストの低減を図ることができる。これにより低コストの検出装置を実現できる。

別の実施の形態では、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）スペクトルが測定される。本発明の実施の形態に係るキット２０をＳＥＲＳ用基板として利用することができる。ＳＥＲＳスペクトルを測定するための構成は、図２３、図２６あるいは図３４に示された構成と同じである。キット２０の構成は、たとえば図２４あるいは図２７に示された構成を適用することができる。

図８に示されるように、金属ナノ粒子１２と金属ナノロッド１６とが被検出物質１８に結合された状態で光が照射される。金属ナノ粒子１２と金属ナノロッド１６との間の間隙において、局在表面プラズモン共鳴が増強される。つまり、金属ナノ粒子１２と金属ナノロッド１６との間の間隙では、電場が増強される。ラマン散乱は一般的には３次の非線形光学過程であるので、ラマン散乱光の強度は電場強度の３乗に比例する。電場が増強されることによって、ラマン散乱光の強度が著しく増大する。この実施の形態では、分光器１０５によって増大されたラマン散乱光が検出される。これにより被検出物質１８が検出される。

金属ナノ粒子１２と金属ナノロッド１６とは、同種の金属により形成されてもよい。たとえば金属ナノ粒子１２と金属ナノロッド１６とは、金によって形成される。金属ナノ粒子１２と金属ナノロッド１６とは、異なる種類の金属により形成されてもよい。たとえば金属ナノ粒子１２は銀ナノ粒子であり、金属ナノロッド１６は金ナノロッドである。銀ナノ粒子を用いることによって、同サイズの金ナノ粒子よりも電場増強が大きいため、ラマン増幅率を高めることができる。以下に説明される実施の形態において、金属ナノ粒子１２は銀ナノ粒子であり、金属ナノロッド１６は金ナノロッドである。

図３５は、図１９に示されたモデルを用いた消衰スペクトルの計算結果を示した図である。図３５を参照して、単一の銀ナノ粒子固定化ビーズ（ＡｇＮＰＦＢ）の消衰スペクトルと、単一の銀ナノ粒子（Ｓｉｎｇｌｅ ＡｇＮＰ）の消衰スペクトルを５０倍して得られるスペクトルとが示される。この計算では、単一の銀ナノ粒子固定化ビーズのモデルを次のように設定した。Ｄ_b＝４００ｎｍであり、Ｄ_c＝ａ_p＝２０ｎｍである。すなわち１つのクラスターを１つの銀ナノ粒子とする。クラスターの数は１０２４個であり、ｄ_p＝２ｎｍである。

さらに銀ナノ粒子固定化ビーズのコア内部での電場増強の効果を計算により検証した。クラスターの数が０の場合と、クラスターの数が１０２４の場合とで、波長６００ｎｍでのコア内外の電場強度を比較した。計算結果によれば、クラスター数が１０２４の場合にはクラスター数が０の場合に比べて１０００倍以上に電場が増強される場所がクラスター表面近傍に現れる。このことは、ビーズに固定された銀ナノ粒子の全体によって、電場が増強されることを示している。電場が増強されることによって、ラマン散乱光が大幅に増強される。したがって銀ナノ粒子固定化ビーズが固定された基板をＳＥＲＳ基板として利用できる。

図３６は、銀ナノ粒子固定化ビーズによる電場増強の効果を説明するための図である。図３６（ａ）は、入射電場のみの場合（クラスター数＝０）のコアの電場強度を示す。図３６（ｂ）は、ｄ_p＝２ｎｍとし、クラスター数を１０２４とした場合のコアの電場強度を示す。図３６では、波長λ＝６００ｎｍとし、ビーズの中心を原点としたｘ−ｙ平面の電場強度分布の拡大図を示している。

図３６によって、金属ナノ粒子間の間隙（ナノギャップ）により、電場強度が１００万倍近く増強されることが示される。このことは、上述した電場強度の増強の原理により、ＳＥＲＳの強度がナノギャップによって１０¹⁸倍近く増強されることを意味する。ナノギャップより小さな検体であれば、高感度の検出が可能である。

次に、ビーズ表面の銀ナノ粒子と金ナノロッドとの間の間隙が１０ナノメートルのオーダーである場合にも電場増強の効果が得られることを説明する。

図３７は、金属ナノ粒子集積構造体によって金属ナノロッド１６が固定化された三次元モデルを説明するための図である。図３８は、図３７に示したモデルの拡大図である。図３７および図３８を参照して、金属ナノ粒子集積構造体１０Ａは、銀ナノ粒子の集合体からなるクラスター１２Ａが固定された表面を有するビーズである。ｄ_p＝２．０１ｎｍであり、Ｄ_b＝４００ｎｍであり、Ｄ_c＝１０ｎｍであり、ａ_p＝２．５ｎｍである。クラスターの数は３４５７個である。クラスター１２Ａの形状は球形である。金ナノロッド１６Ａは、図１７に示した金ナノロッドである。このモデルでは、金ナノロッドの長軸の長さを３０ｎｍとし、金ナノロッドの短軸の長さを１０ｎｍとした。金ナノロッドを構成するクラスターの直径は１．５ｎｍである。また、図１７、図１８における計算と同様に、最密充填ファクターを考慮した。クラスターの個数は９１９個である。金ナノロッド１６Ａとクラスター１２Ａとの間の距離は、この実施の形態では１０ｎｍとしているが、抗原、抗体および検体のサイズに依存し、最短距離は２ｎｍである。

図３９は、図３７および図３８に示されたモデルにより増強された光電場の強度を計算した結果を示した図である。図４０は、入射光のみによる光電場の強度を計算した結果を示した図である。図３９および図４０では、励起波長は金属ナノロッドのピークに近い８００ｎｍである。入射光は、ロッドの長軸方向（ｙ方向）に偏光し、紙面に垂直な方向（ｚ方向）に進行するガウスビームである。なお、入射光のスポットの半径を５００ｎｍとした。図３９および図４０は、ｘ−ｙ平面内（ｚ＝０）での光電場の強度を示している。

図３９に示されるように、金ナノロッド１６Ａと銀ナノ粒子のクラスター１２Ａとの間の間隙、すなわちナノギャップでは、電場の強度は５×１０⁷程度である。これに対して、入射光のみの場合、ナノギャップと同じｙ座標（破線により示される）における電場の強度は約４５０である。したがって、金ナノロッド１６Ａおよびクラスター１２Ａの間では、入射光の光電場強度が約１０００００倍に増強される。このことは、金ナノロッド１６Ａおよびクラスター１２Ａの間に被検出物質が存在する場合に、その物質からのラマン散乱光が１０¹⁵倍以上に増強されることを意味する。

図４１は、銀ナノ粒子固定化ビーズに結合する金ナノロッドの個数による消衰スペクトルのピークの変化を示した図である。消衰スペクトルは、図３７〜図３９に示されたモデルを使用して計算した。図４１を参照して、「金ナノロッド無し」は銀ナノ粒子固定化ビーズのみのスペクトルを指す。「金ナノロッド×５０（１００，２００）」は、金ナノロッドの部分の消衰スペクトルのみを、それぞれ、５０倍、１００倍、および２００倍したものである。これらのスペクトルは、銀ナノ粒子固定化ビーズの上面（基板と反対側）に金ナノロッドが、抗原−抗体反応によって結合したモデル（図３７を参照）のスペクトルに対応する。銀ナノ粒子固定化ビーズに結合する金ナノロッドの個数が増えるに従って、７００ｎｍ〜８００ｎｍ付近の波長領域におけるピークが増大する。

図４２は、銀ナノ粒子固定化ビーズと金ナノロッドとの結合体の組を暗視野顕微鏡で観測することにより得られた消衰スペクトルを示した図である。銀ナノ粒子固定化ビーズと金ナノロッドとは、ＤＮＡにより結合されている。図４２を参照して、複数の金ナノロッドが銀ナノ粒子固定化ビーズに結合されることにより、７００ｎｍ〜８００ｎｍ付近の波長領域におけるピークが増大している。図４２は、消衰スペクトルの増大したピークが検出されたこと、すなわち、検出対象の物質（ここではＤＮＡ）が実際に検出されたことを示す。本実施例では、金ナノロッド１個の円形の端面がそれぞれ約７．６個のホストＤＮＡで修飾されていると見積もられ、銀ナノ粒子固定化ビーズ１個の表面が３，０７０万個のホストＤＮＡで修飾されていると見積もられる。さらに、図４１と図４２の６００〜９００ｎｍでの波長領域における理論と実験との比較から、５０〜１００個の金ナノロッドが銀ナノ粒子固定化ビーズ１個に結合していると見積もられる。このことから、ターゲットＤＮＡ（被検出物質）が金ナノロッド端面上の全てのホストＤＮＡ（第２のホスト分子）に特異的に付着された状態で銀ナノ粒子固定化ビーズ上のホストＤＮＡ（第１のホスト分子）にも特異的に付着したとすると、３８０〜７６０個のターゲットＤＮＡが検出されたことになる。

この実施の形態では、銀ナノ粒子固定化ビーズおよび金ナノロッドはホスト分子により修飾される。ホスト分子が被検出物質と結合することにより、銀ナノ粒子ビーズおよび金ナノロッドの間にナノギャップを生じさせることができる。したがって、この実施の形態によれば、ＳＥＲＳを検出することによって被検出物質を検出することができる。

この実施の形態では、銀ナノ粒子固定化ビーズは、基板に固定される。したがって、その基板をＳＥＲＳ基板として使用することができる。

さらに、この実施の形態では、白色光を発する光源、実質的に単色の光を発する光源のいずれも適用可能である。１つの例として、上記の計算に用いた８００ｎｍ付近の波長を発する、市販のラマン散乱用光源（たとえばＰＤ−ＬＤ Ｉｎｃ．の製品ＬｕｘｘＭａｓｔｅｒ（登録商標） ＣＯＭＰＡＣＴ ＲＡＭＡＮ ＢＯＸＸ（登録商標））を用いることができる。

銀ナノ粒子固定化ビーズは基板に固定されているものと限定されない。たとえば、銀ナノ粒子固定化ビーズが分散した液を準備してもよい。

さらに、この実施の形態で説明したＳＥＲＳは、表面増強共鳴ラマン散乱（ＳＥＲＲＳ）を含みうる。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。

１，２ 粒子、５ 偏光、６ スポット、１０，１０Ａ 金属ナノ粒子集積構造体、１１ ビーズ、１２ 金属ナノ粒子、１２Ａ クラスター、１３，１７ ホスト分子、１６ 金属ナノロッド、１６Ａ 金ナノロッド、１８ 被検出物質、２０ キット、２２ 金属ナノロッド分散液、２４ カバーガラス、３０ サンプル、１００，１１０ 検出装置、１０１，１０２ 光源、１０５ 分光器、１０７ 光プローブ、１０７Ａ，１０７Ｂ 光ファイバ、１２１Ａ，１２１Ｂ 開口部、１２２Ａ 凹部、１２２Ｂ 凸部、１２３ パッキン、１２４ 磁石、Ａｘ 軸。

Claims (21)

1. 試料に含まれる可能性がある被検出物質の検出装置であって、
   ビーズと、相互作用部位を介して前記ビーズの表面に固定され、前記被検出物質を特異的に付着可能な第１のホスト分子で修飾された複数の金属ナノ粒子とを含む金属ナノ粒子集積構造体と、
   前記被検出物質を特異的に付着可能な第２のホスト分子で修飾された金属ナノ構造体とを備え、
   前記金属ナノ粒子集積構造体において、前記複数の金属ナノ粒子は、互いに隙間を設けて、前記金属ナノ粒子の直径以下の間隔で配置される、被検出物質の検出装置。
2. 前記金属ナノ粒子集積構造体を固定するための基板をさらに備える、請求項１に記載の被検出物質の検出装置。
3. 前記試料に前記金属ナノ粒子集積構造体と前記金属ナノ構造体とが導入された状態において前記試料を照射するための第１の光源と、
   前記試料のスペクトルを測定するための分光器と、
   前記分光器で測定された前記スペクトルに基づいて、前記被検出物質を検出する検出器とをさらに備える、請求項１に記載の被検出物質の検出装置。
4. 前記第１の光源は、白色光を発する、請求項３に記載の被検出物質の検出装置。
5. 前記第１の光源は、前記金属ナノ粒子集積構造体または前記金属ナノ構造体の局在表面プラズモン共鳴のピークの半値全幅の２倍に対応する、１またはいくつかの領域に係る、実質的に単色の光を発する、請求項３に記載の被検出物質の検出装置。
6. 前記試料に偏光を照射する第２の光源をさらに備える、請求項３に記載の被検出物質の検出装置。
7. 前記分光器により測定される前記スペクトルは、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルである、請求項３に記載の被検出物質の検出装置。
8. 前記分光器により測定される前記スペクトルは、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）スペクトルである、請求項３に記載の被検出物質の検出装置。
9. 前記金属ナノ構造体は、金属ナノロッドである、請求項１に記載の被検出物質の検出装置。
10. 前記金属ナノロッドの短軸の長さは１ｎｍ以上であり、
    前記金属ナノロッドのアスペクト比を前記短軸の長さに対する前記金属ナノロッドの長軸の比と定義すると、前記アスペクト比は、１よりも大きい値である、請求項９に記載の被検出物質の検出装置。
11. 前記金属ナノ粒子集積構造体の前記金属ナノ粒子と前記金属ナノロッドとは、同じ種類の金属により形成される、請求項９に記載の被検出物質の検出装置。
12. 前記金属ナノ粒子集積構造体の前記金属ナノ粒子と前記金属ナノロッドとは、互いに異なる種類の金属により形成される、請求項９に記載の被検出物質の検出装置。
13. 前記被検出対象物質は、抗原であり、
    前記第１および第２のホスト分子は、前記抗原と抗原抗体反応を起こす抗体である、請求項１に記載の被検出物質の検出装置。
14. 試料に含まれる可能性がある被検出物質の検出方法であって、
    前記試料に金属ナノ粒子集積構造体と金属ナノ構造体とを導入するステップを備え、
    前記金属ナノ粒子集積構造体は、ビーズと、相互作用部位を介して前記ビーズの表面に固定された複数の金属ナノ粒子とを含み、
    前記複数の金属ナノ粒子は、前記被検出物質を特異的に付着可能な第１のホスト分子で修飾され、かつ、互いに隙間を設けて前記金属ナノ粒子の直径以下の間隔で配置され、
    前記金属ナノ構造体は、前記被検出物質を特異的に付着可能な第２のホスト分子で修飾され、
    前記試料に光を照射するステップと、
    前記試料のスペクトルを測定するステップと、
    前記スペクトルに基づいて、前記被検出物質を検出するステップとをさらに備える、被検出物質の検出方法。
15. 前記光を照射するステップは、
    前記試料に偏光を照射して前記金属ナノ粒子集積構造体および前記金属ナノ構造体を集めるステップを含む、請求項１４に記載の被検出物質の検出方法。
16. 前記光を照射するステップは、前記試料に白色光を照射するステップを含む、請求項１４に記載の被検出物質の検出方法。
17. 前記光を照射するステップは、前記試料に、前記金属ナノ粒子集積構造体または前記金属ナノ構造体の局在表面プラズモン共鳴のピークの半値全幅の２倍に対応する、１またはいくつかの領域に係る、実質的に単色の光を照射するステップを含む、請求項１４に記載の被検出物質の検出方法。
18. 前記スペクトルは、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルである、請求項１４に記載の被検出物質の検出方法。
19. 前記スペクトルは、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）スペクトルである、請求項１４に記載の被検出物質の検出方法。
20. ビーズと、相互作用部位を介して前記ビーズの表面に固定された複数の金属ナノ粒子とを含み、前記複数の金属ナノ粒子が、互いに隙間を設けて、前記金属ナノ粒子の直径以下の間隔で配置された、金属ナノ粒子集積構造体に被検出物質を特異的に付着させて、局在表面プラズモン共鳴の消衰スペクトルを測定する、被検出物質の検出方法。
21. ビーズと、相互作用部位を介して前記ビーズの表面に固定された複数の金属ナノ粒子とを含み、前記複数の金属ナノ粒子が、互いに隙間を設けて、前記金属ナノ粒子の直径以下の間隔で配置された、金属ナノ粒子集積構造体に被検出物質を特異的に付着させて、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）スペクトルを測定する、被検出物質の検出方法。