JP7398639B2 - 金属微細構造体および検出装置 - Google Patents

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Description

本開示は、例えば表面増強蛍光など光検出に用いる金属微細構造体および当該金属微細構造体を用いたウイルス検出装置に関する。
空気中を浮遊するウイルスを補集し、光学計測する技術としては、表面増強ラマン分光法および表面増強蛍光法などを利用した光検出法が知られている。
表面増強蛍光を利用したセンサデバイスには、金属微細構造体を有するプラズモニック基板が用いられる。その作製には金属微細突起部を基板上に周期的に配置することにより構成されるもの（例えば、特許文献１）や、金属球を基板上に配置するもの（例えば、特許文献２）、凹部を周期的に配置するもの（例えば、特許文献３）が開示されている。特許文献４は、表面増強ラマン散乱素子およびその製造方法を開示している。
特開２００８－１９６８９８号公報 特開２０１６－２０８８７号公報 特開２０１４－１６００２１号公報 特開２０１５－０１４５４５号公報
しかしながら、上述した従来の金属微細構造体では、構造上の問題で、低濃度の被検出物質を検出できない場合がある。
そこで、本開示は、低濃度の被検出物質を高感度に検出することができる金属微細構造体および当該金属微細構造体を用いた検出装置を提供する。
本開示の一態様に係る金属微細構造体は、所定の間隔で配置された複数の突起部を有する基材と、前記基材を被覆している金属膜から構成され、光が照射されることによって表面プラズモンを生じさせる複数の凸状構造体と、を備え、前記複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間の底部に位置する前記金属膜の膜厚は、前記複数の突起部の高さより大きく、かつ、前記複数の突起部の頂部上に堆積された前記金属膜の膜厚の９０％以上１００％以下の厚みであり、前記金属膜は、金により構成され、前記複数の突起部の高さは、それぞれ１６０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であり、前記複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間に位置する前記金属膜の膜厚は、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。
本開示によれば、低濃度の被検出物質を高感度に検出することができる。
図１は、実施の形態における検出システムの一例を示す概略構成図である。 図２は、実施の形態に係る検出装置の一例を示す概略構成図である。 図３Ａは、実施の形態におけるセンサ基板の一例を示す斜視図である。 図３Ｂは、実施の形態に係る金属微細構造体の一例を示す拡大断面図である。 実施の形態におけるリンカー材料を説明するための図である。 図５は、実施の形態におけるセンサ基板を用いた被検出物質の検出方法の一例を示すフローチャートである。 図６は、実施の形態におけるセンサ基板の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図７Ａは、実施例１に係る金属微細構造体の断面ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像である。 図７Ｂは、比較例１に係る金属微細構造体の断面ＳＥＭ像である。 図７Ｃは、比較例２に係る金属微細構造体の断面ＳＥＭ像である。 図８Ａは、実施例１および比較例１に係るセンサ基板のセンサ感度を示す図である。 図８Ｂは、比較例２に係るセンサ基板のセンサ感度を示す図である。 図９は、他の実施の形態に係るセンサ基板の一例を示す概略平面図である。
本開示の一態様の概要は、以下のとおりである。
本開示の一態様に係る金属微細構造体は、所定の間隔で配置された複数の突起部を有する基材と、前記基材を被覆している金属膜から構成され、光が照射されることによって表面プラズモンを生じさせる複数の凸状構造体と、を備え、前記複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間の底部に位置する前記金属膜の膜厚は、前記複数の突起部の高さより大きく、かつ、前記複数の突起部の頂部上に堆積された前記金属膜の膜厚の９０％以上１００％以下の厚みである。
これにより、複数の突起部の頂部上に堆積された金属膜の膜厚が複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間の底部に位置する金属膜の膜厚よりも厚くなるため、当該隙間の深さが深くなる。当該隙間では、表面プラズモンが増強されるため、当該隙間の深さが深くなると、表面プラズモンが生じる領域が増加する。そのため、本開示の一態様に係る金属微細構造体は、表面プラズモンが生じる領域に被検出物質と発光体との結合体をより多く留めることができる。したがって、本開示の一態様に係る金属微細構造体によれば、低濃度の被検出物質を高感度に検出することができる。また、複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間の底部に位置する金属膜の膜厚が複数の突起部の高さよりも大きいため、複数の突起部は完全に金属膜で被覆される。また、当該隙間の底部に位置する金属膜の膜厚も確保される。これにより、膜厚が最も薄くなりがちな箇所において、基材の影響を受けにくくなり、安定した光電場増強効果を奏する、つまり、安定したプラズモン特性を有することができる。したがって、本開示の一態様に係る金属微細構造体によれば、低濃度の被検出物質を高感度に検出することができる。
例えば、本開示の一態様に係る金属微細構造体は、前記複数の凸状構造体のそれぞれの縦断面形状は、順テーパ状であってもよい。
これにより、複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間は、凸状構造体の頂部側が広くなるため、被検出物質と発光体との結合体が当該隙間に入りやすくなる。そのため、間隙に入る結合体の割合を増やすことができる。また、複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間は、当該隙間の底部に向かって狭くなる。例えば、当該隙間の底部における隙間の幅が最も小さくなる場合、当該隙間の底部において光電場増強効果が最も強くなる。結合体は、当該隙間が当該隙間の底部に向かって狭くなるため、当該隙間の底部に入り込みやすくなり、より多くの結合体が当該隙間の底部に保持されやすくなる。つまり、光電場増強効果が最も高くなる領域に、より多くの結合体を保持することができる。したがって、本開示の一態様に係る金属微細構造体によれば、低濃度の被検出物質をさらに高感度に検出することができる。
例えば、本開示の一態様に係る金属微細構造体では、前記基材は、樹脂で構成されており、前記複数の突起部のそれぞれの形状は、円柱型であり、前記複数の突起部は、平面視
において正三角形格子に配置され、前記複数の突起部の太さは、それぞれ１８４ｎｍ以上２７６ｎｍ以下であり、前記複数の突起部のうち隣り合う突起部の間隔は、それぞれ１８４ｎｍ以上２７６ｎｍ以下であってもよい。
このように、基材が樹脂で構成されることにより、複数の突起部を所望の形状および間隔に容易に形成することができる。また、複数の突起部の形状が円柱型であり、平面視において正三角形格子に配置されることにより、複数の突起部を金属膜で被覆した場合に、一様な格子周期を有する複数の凸状構造体を形成することができる。また、複数の突起部の太さ及び複数の突起部のうち隣り合う突起部の間隔が上記範囲内であることにより、複数の突起部を金属膜で被覆した場合に、均一な金属微細構造体を得ることができる。
また、本開示の一態様に係る金属微細構造体では、前記複数の突起部の高さは、それぞれ１６０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であり、前記複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間の底部に位置する前記金属膜の膜厚は、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であってもよい。
これにより、複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間の底部に位置する金属膜の膜厚が複数の突起部の高さよりも大きくなるため、複数の突起部は完全に金属膜で被覆される。また、当該隙間の底部に位置する金属膜の膜厚も確保される。これにより、膜厚が最も薄くなりがちな箇所において、基材の影響を受けにくくなり、安定した光電場増強効果を得ることができる。
また、本開示の一態様に係る金属微細構造体では、前記複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の間隔は、それぞれの凸状構造体の平面視における中心を通る断面であって、前記基板に対して垂直な断面において、凸状構造体の頂部側では４０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、かつ、前記凸状構造体の底部側では１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であってもよい。
これにより、複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間は、凸状構造体の頂部側が広くなるため、被検出物質と発光体との結合体が当該隙間に入りやすくなる。そのため、当該間隙に入る結合体の割合を増やすことができる。また、複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間は、凸状構造体の底部側、つまり、当該隙間の底部側に向かって狭くなる。例えば、当該隙間の底部における隙間の幅が最も小さくなる場合、当該隙間の底部において光電場増強効果が最も強くなる。結合体は、当該隙間が当該隙間の底部側に向かって狭くなるため、当該隙間の底部に入り込みやすくなり、より多くの結合体が当該隙間の底部に保持されやすくなる。つまり、電場増強効果が最も高くなる領域に、より多くの結合体を保持することができる。例えば、被検出物質と、被検出物質と特異的に結合するＶＨＨ抗体に蛍光物質を修飾した標識化抗体とを結合させて結合体を形成した場合、当該結合体の長さは、１０ｎｍより小さい。当該隙間は、凸状構造体の底部側では１０ｎｍ以上であるため、上記の場合においても、光電場増強効果が最も高くなる領域である当該隙間の底部に、より多くの結合体を留めることができる。したがって、本開示の一態様に係る金属微細構造体によれば、低濃度の被検出物質をさらに高感度に検出することができる。
例えば、本開示の一態様に係る金属微細構造体では、前記金属膜は、金、銀、銅、アルミニウム、または、これらのいずれかの金属を主成分として含む合金により構成されてもよい。
これにより、表面プラズモン共鳴の共鳴波長を所望の波長域の波長に制御することができる。より具体的には、金属の種類により表面プラズモン共鳴の共鳴波長が異なるため、
被検出物質の検出に使用する発光体、例えば蛍光物質が有する蛍光波長に合わせて上記の金属膜の構成材料から所望の材料を選択して金属膜を形成することができる。
また、本開示の一態様に係る検出装置は、上記の金属微細構造体と、被検出物質を含み得る試料と発光体とを前記金属微細構造体に導入する導入部と、前記金属微細構造体および前記被検出物質と前記発光体との結合体に光を照射する照射部と、前記照射部によって照射された光により励起された前記発光体が発する光を検出する光検出部と、を備える。
上記構成を有することにより、本開示の一態様に係る検出装置は、被検出物質と発光体との結合体を金属微細構造体に導入し、金属微細構造体および金属微細構造体に導入された当該結合体に光を照射し、照射された光により励起された発光体が発する光を検出する。そのため、本開示の一態様に係る検出装置は、当該発光体が発する光を検出することにより、被検出物質を検出し、かつ、定量することができる。
また、本開示の一態様に係る検出装置は、さらに、ウイルスまたは前記ウイルスの構成成分である被検出物質と特異的に結合する性質を有し、前記金属微細構造体上に固定化された第一の抗体と、前記第一の抗体に特異的に結合された前記被検出物質と特異的に結合する性質を有し、前記発光体で標識された第二の抗体と、を備えてもよい。
これにより、被検出物質が金属微細構造体上に固定化された第一の抗体と特異的に結合するため、第一の抗体を介して、金属微細構造体上に被検出物質を保持することができる。これにより、被検出物質をより確実に金属微細構造体上に保持することができる。また、発光体で標識された第二の抗体が当該被検出物質に特異的に結合するため、金属微細構造体上に保持された被検出物質に第二の抗体を介して発光体を結合させることができる。これにより、発光体をより確実に被検出物質に結合させることができる。したがって、本開示の一態様に係る検出装置によれば、ウイルスまたはウイルスの構成成分である被検出物質を高感度に検出することができる。
また、本開示の一態様に係る検出装置は、前記照射部が照射する光の波長および前記光検出部で検出される光の波長は、それぞれ４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下であってもよい。
これにより、発光体が例えば蛍光物質である場合、蛍光物質が吸収する光の波長が４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の範囲内にあり、かつ、蛍光物質が発する蛍光の波長が４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の範囲内にある蛍光物質を使用することができる。これにより、被検出物質に含まれる物質、例えば、ＶＨＨ抗体の自家蛍光を抑制して検出感度を高めることができる。したがって、上記構成によれば、微量の被検出物質を高感度に検出することができる。
以下、本開示の実施の形態に関して図面を参照しながら説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
なお、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。
また、以下の実施の形態の説明に用いられる図面において、座標軸が示される場合がある。座標軸におけるＺ方向は、センサ基板の主面に垂直な方向である。Ｘ方向及びＹ方向は、Ｚ方向に垂直な平面状において互いに直交する方向である。Ｘ－Ｙ平面は、センサ基板の主面に平行な平面である。例えば、以下の実施の形態において、「平面視」とは、Ｚ方向から見ることを意味する。
また、本明細書において、平行などの要素間の関係性を示す用語、および、矩形などの要素の形状を示す用語、並びに、数値、および、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。
（実施の形態）
［検出システムの概要］
本実施の形態に係る金属微細構造体および検出装置は、例えば、以下で説明する検出システムの一構成であってもよい。図１は、実施の形態における検出システム１０の一例を示す概略構成図である。検出システム１０は、人が出入りする部屋の室内に設置されている。検出システム１０は、例えば、空気中の浮遊するウイルス等の被検出物質を含み得る微粒子を捕集し、微粒子に含まれる被検出物質の濃度を検出する。なお、本実施の形態では、被検出物質がウイルスまたはウイルスの構成成分（以下、単に、ウイルスという）である場合について説明する。ウイルスの構成成分は、例えば、ウイルスを構成するタンパク質または核酸などである。ウイルスの種類は特に限定されず、一般にウイルスと分類されるものであればよい。また、被検出物質は、ウイルスでなくてもよく、例えば、細菌であってもよく、花粉などのアレルゲンであってもよい。
図１に示すように、検出システム１０は、捕集装置１００と、検出装置２００と、コントローラ３００とを備える。以下に、捕集装置１００、検出装置２００およびコントローラ３００の詳細について説明する。
［捕集装置の構成］
捕集装置１００は、空気中の被検出物質を含み得る微粒子を捕集して捕集液に混合する。より具体的には、捕集装置１００は、空気吸入口１０５から周辺の雰囲気空気を吸入し、空気中のウイルス等を含み得る微粒子を捕集して捕集液に混合することにより、空気中のウイルスを捕集する。図１に示すように、捕集装置１００は、吸引器１０１と、捕集液タンク１０２と、ポンプ１０３と、サイクロン１０４と、空気吸入口１０５と、洗浄液タンク１０６と、ポンプ１０７と、洗浄液タンク１０８と、ポンプ１０９と、廃液タンク１１０と、液体流路１１１と、を備える。以下に、捕集装置１００の各構成要素について説明する。
吸引器１０１は、空気吸入口１０５から周辺の雰囲気空気を吸入する。これにより、周辺の雰囲気空気中を浮遊するウイルスを含み得る微粒子は、空気とともに空気吸入口１０５よりサイクロン１０４に吸入される。吸引器１０１は、サイクロン１０４に接続されており、サイクロン１０４を動作させるために駆動される。
捕集液タンク１０２は、空気中のウイルスを捕集するための捕集液を保持するための容器である。
ポンプ１０３は、捕集液タンク１０２内の捕集液をサイクロン１０４に供給する。
サイクロン１０４は、空気吸入口１０５及び捕集液タンク１０２に接続されており、吸引器１０１により空気吸入口１０５から吸入された空気中のウイルスを含み得る微粒子と
、ポンプ１０３により捕集液タンク１０２から供給された捕集液とを混合する。すなわち、サイクロン１０４は、吸入した空気中のウイルスを含み得る微粒子を捕集液に混合する。つまり、サイクロン１０４は、吸気中の微粒子と捕集液とを混合することにより、微粒子が混合された捕集液（以下、試料）を調製する。サイクロン１０４は、液体流路１１１を介して検出装置２００に接続されている。試料は、サイクロン１０４から液体流路１１１を介して検出装置２００に供給される。
洗浄液タンク１０６は、サイクロン１０４および液体流路１１１を洗浄するための洗浄液を保持するための容器である。洗浄液タンク１０６は、サイクロン１０４に接続されており、洗浄液タンク１０６内の洗浄液は、ポンプ１０７によってサイクロン１０４に供給される。
洗浄液タンク１０８は、液体流路１１１を洗浄するための洗浄液を保持するための容器である。洗浄液タンク１０８は、液体流路１１１に接続されており、洗浄液タンク１０８内の洗浄液は、ポンプ１０９によって液体流路１１１に供給される。
廃液タンク１１０は、不要な液体を貯蔵するための容器である。廃液タンク１１０は、例えば、サイクロン１０４および液体流路１１１を洗浄した後の洗浄液等を貯蔵する。
液体流路１１１は、サイクロン１０４から排出された試料を検出装置２００に導くための経路である。液体流路１１１は、検出装置２００の導入部２０３に接続されている。
［検出装置の構成］
次に、検出装置２００について、図１および図２を参照しながら具体的に説明する。図２は、本実施の形態に係る検出装置２００の一例を示す概略構成図である。
実施の形態に係る検出装置２００は、金属微細構造体２０２１と、ウイルスを含み得る試料と発光体とを金属微細構造体２０２１に導入する導入部２０３と、金属微細構造体２０２１、および、ウイルスと発光体との結合体に光を照射する照射部２０４と、照射部２０４によって照射された光により励起された発光体が発する光を検出する光検出部２０７と、を備える。発光体は、所定の波長を有する光が照射されることにより励起されて光を発する物質であり、例えば、蛍光物質である。以下、発光体が蛍光物質である場合について説明する。
検出装置２００は、捕集装置１００によって微粒子が混合された捕集液からウイルスを検出する。図１および図２に示すように、検出装置２００は、センサデバイス２０１と、導入部２０３と、照射部２０４と、レンズ２０６と、ビームスプリッタ２０５と、光検出部２０７と、を備えている。以下に、検出装置２００の各構成要素について説明する。
センサデバイス２０１は、センサセル２０２を備える。なお、図１では、センサデバイス２０１は、単一のセンサセル２０２を備えているが、これに限られない。例えば、センサデバイス２０１は、複数のセンサセル２０２を備えてもよい。また、センサデバイス２０１の形状は、特に限定されず、例えば、矩形状であってもよく、ディスク形状であってもよい。
本実施の形態では、センサデバイス２０１は、例えば、被検出物質がウイルスまたはウイルスの構成成分である場合、所定体積（例えば１ｍｌ）のサンプル液体２０３１中のウイルスの個数（例えば１０３～１０６個）の範囲を測定することができる。また、例えば、被検出物質が酵素および免疫抗体などの生体物質である場合、センサデバイス２０１は、所定の体積のサンプル液体２０３１中の生体物質の濃度を測定することができる。なお
、本実施の形態に係る検出装置２００では、被検出物質を光学的に検出するために、表面増強蛍光法を利用する。
図２に示すように、センサセル２０２は、流路２０２ａと、センサ基板２０２ｂと、を備える。
流路２０２ａは、導入部２０３から滴下されたサンプル液体２０３１を検出領域２０２ｃに導くための経路である。流路２０２ａは、流路２０２ａ内にサンプル液体２０３１を供給するための供給孔と、流路２０２ａ内のサンプル液体２０３１をセンサセル２０２の外に排出する排出孔とを有する。つまり、センサセル２０２では、供給孔及び排出孔のセットは、対応する１つの流路２０２ａに連通する。
図３Ａは、本実施の形態におけるセンサ基板２０２ｂの一例を示す斜視図である。図２および図３Ａに示すように、センサ基板２０２ｂは、検出領域２０２ｃを有する。検出領域２０２ｃは、表面プラズモンを利用してウイルスを光学的に検出するための領域である。検出領域２０２ｃには、金属微細構造体２０２１が配置されている。照射部２０４によって検出領域２０２ｃに励起光が照射されると、金属微細構造体２０２１を構成する金属粒子が励起され、金属微細構造体２０２１の金属膜の表面に表面プラズモンが生じる。これにより、ウイルスに結合した蛍光物質から発せられた光（以下、蛍光）は、光強度が増強される。例えば、検出領域２０２ｃにサンプル液体２０３１が導入され、照射部２０４によって金属微細構造体２０２１およびウイルスと蛍光物質との結合体に光が照射されると、照射部２０４によって照射された光により蛍光物質が励起されて蛍光を発する。蛍光物質から発せられた蛍光は、表面プラズモン共鳴により蛍光強度が増強される。したがって、センサセル２０２は、上記構成を有することにより、ウイルスなどの被検出物質を高感度に検出することができる。
なお、図２では、センサ基板２０２ｂは、センサセル２０２の流路２０２ａの底面に配置されているが、流路２０２ａと一体に形成されてもよい。センサ基板２０２ｂは、例えばオレフィンなどの樹脂で構成され、検出領域２０２ｃに複数の突起部を有する。複数の突起部の一部は、金属膜で被覆されることにより、金属微細構造体２０２１を構成する。金属微細構造体２０２１上には、第一の抗体が固定されている。第一の抗体は、被検出物質であるウイルスに特異的に結合する固定化抗体である。
なお、図３Ａでは、センサ基板２０２ｂは、平面視において矩形状であり、複数の検出領域２０２ｃを有するが、センサ基板２０２ｂの形状および検出領域２０２ｃの個数は、設計に応じて適宜決定されてもよい。金属微細構造体２０２１の詳細については、後述する。
導入部２０３は、試料と蛍光物質とをセンサセル２０２に導入する。具体的には、導入部２０３は、試料と蛍光物質とを含むサンプル液体２０３１をセンサセル２０２に滴下する。なお、サンプル液体２０３１は、試料と、蛍光物質で標識された第二の抗体（以下、標識化抗体ともいう）とを含んでもよい。第二の抗体は、第一の抗体に特異的に結合されたウイルスと特異的に結合する性質を有する。試料は、ウイルスなどの被検出物質を含み得る液体である。本実施の形態では、試料は、ウイルスを含み得る微粒子と混合された捕集液である。試料は、サイクロン１０４から排出され、液体流路１１１を介して検出装置２００に送液される。
試料にウイルスが含まれている場合、当該ウイルスは、第一の抗体を介して金属微細構造体２０２１に結合する。このとき、ウイルスは、蛍光物質で標識された第二の抗体とも結合している。つまり、金属微細構造体に、第一の抗体、ウイルス、第二の抗体及び蛍光
物質の複合体が結合される。この状態で金属微細構造体２０２１に光が照射されると、ウイルスと間接的に結合している蛍光物質から蛍光が発せられ、当該蛍光が表面プラズモンによって増強される。以降において、表面プラズモンによって増強された蛍光を表面増強蛍光と呼ぶ。
光源は、検出領域２０２ｃに励起光を照射する照射部２０４の一例である。光源としては、公知の技術を特に限定することなく利用することができる。例えば、半導体レーザ、ガスレーザ等のレーザを光源２０４として利用することができる。なお、照射部２０４としては、ウイルスなどの被検出物質に含まれる物質と相互作用が小さい波長の励起光を照射する光源を利用してもよい。励起光の波長は、例えば、４００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲の波長であってもよく、水、又は、ウイルスの構成物質と相互作用が小さい波長であってもよい。さらには、励起光の波長は、半導体レーザが利用できる波長である６００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の範囲の波長（例えば、６５０ｎｍ、７８５ｎｍ、８３０ｎｍ）であってもよい。
ビームスプリッタ２０５は、照射部２０４から照射された励起光から検出領域２０２ｃで発生した表面増強蛍光を分離する。具体的には、ビームスプリッタ２０５は、照射部２０４からの励起光を通過させ、検出領域２０２ｃで発生した表面増強蛍光を分離して光検出部２０７に導く。
レンズ２０６は、ビームスプリッタ２０５を通過した照射部２０４からの励起光を検出領域２０２ｃに集光する。レンズ２０６は、公知の技術を特に限定無く利用することができる。
光検出部２０７は、ビームスプリッタ２０５により導かれた表面増強蛍光を分光し、特定の波長帯の光を検知することにより、試料中のウイルスの量に相当する電気信号を出力する。
光検出部２０７は、特定の波長帯の光を分光し、検出できるものであれば公知の技術を特に限定無く利用することができる。例えば、光検出部２０７として、光を分光するために特定の波長帯を透過させる干渉フィルター、回折格子を用いて分光するツェルニーターナ―型分光器、および、エシェル型分光器等を利用することができる。さらには、光検出部２０７は、当該光検出部２０７に光を導入する前に照射部２０４からの励起光を除去するためのノッチフィルター、あるいは、照射部２０４からの励起光を透過させず、かつ、検出領域２０２ｃで発生した表面増強蛍光を透過させることができるロングパスフィルタを有してもよい。また、光検出部２０７には、簡単のため、光を分光するための装置に関しては図示していない。
［コントローラの構成］
コントローラ３００は、検出システム１０全体の動作を制御する。具体的には、コントローラ３００は、捕集装置１００および検出装置２００を制御する。
コントローラ３００は、例えば、空気中を浮遊するウイルスの測定の開始を制御する。具体的には、コントローラ３００は、吸引器１０１を駆動させて空気吸入口１０５の周辺の雰囲気空気を吸引させ、かつ、ポンプ１０３に、捕集液タンク１０２内の捕集液をサイクロン１０４に供給させる。このとき、サイクロン１０４は吸引器１０１が駆動することにより動作する。次いで、コントローラ３００は、サイクロン１０４に、吸入された空気中のウイルスを含み得る微粒子と捕集液とを混合させることにより、試料を調製させる。次いで、コントローラ３００は、サイクロン１０４に、液体流路１１１を介して検出装置２００に試料を供給させる。なお、コントローラ３００は、試料が検出装置２００に到達
するまでに、試料と蛍光物質（または、蛍光物質で標識された第二の抗体）とを混合させることにより、サンプル液体２０３１を調製させてもよい。また、コントローラ３００は、導入部２０３にサンプル液体２０３１をセンサデバイス２０１に供給させてもよく、試料と蛍光物質（または、蛍光物質で標識された第二の抗体）とをこの順にセンサデバイス２０１に供給させてもよい。さらには、コントローラ３００は、照射部２０４に光を出射させて検出領域２０２ｃに光を照射させ、光検出部２０７に、検出領域２０２ｃで発生した表面増強蛍光を検出させる制御を行う。
例えば、コントローラ３００は、各種入力パラメーターに基づいて、予め設定された条件で、各ポンプを制御してもよい。これにより、所定体積のサンプル液体２０３１が検出装置２００のセンサデバイス２０１に供給される。さらに、コントローラ３００は、例えば、計時機能を有しており、各動作に要した時間情報を生成し記憶してもよい。また、コントローラ３００は、検出装置２００から計測値を取得して、当該計測値と時間情報とに基づいて、空気中を浮遊するウイルスの濃度の経時的変化を算出する機能を有していてもよい。
なお、コントローラ３００は、例えば１以上の専用の電子回路によって実現される。１以上の専用の電子回路は、１個のチップ上に集積されてもよいし、複数のチップ上に個別に形成されてもよい。また、コントローラ３００は、１以上の専用の電子回路の代わりに、汎用のプロセッサ（図示せず）と、ソフトウェアプログラム又はインストラクションが格納されたメモリ（図示せず）とによって実現されてもよい。この場合、ソフトウェアプログラム又はインストラクションが実行されたときに、プロセッサは、コントローラ３００として機能する。
［金属微細構造体の構成］
ここで、金属微細構造体２０２１の詳細な構成について、図３Ａおよび図３Ｂを参照しながら具体的に説明する。
図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ切断線における、金属微細構造体２０２１の拡大断面図である。
図３Ａに示すように、センサ基板２０２ｂの検出領域２０２ｃには、表面プラズモン共鳴を発生するためのナノスケールの金属微細構造体２０２１が設けられている。金属微細構造体２０２１は、検出領域２０２ｃ上の金属膜で被覆された領域であり、オレフィン等の樹脂で構成された基材２０２２と金属膜２０２３とを備える。
基材２０２２は、ナノインプリントまたは射出成形により一方の主面（Ｚ軸プラス側の面）に形成されたナノ構造体を有する。図３Ｂに示すように、ナノ構造体は、複数の突起部２０２２ａを有する。複数の突起部２０２２ａは、所定の間隔で配置されており、本実施の形態では、平面視において、正三角格子に配置されている。正三角格子は、六角格子とも呼ばれる。この複数の突起部２０２２ａの形状は、特に限定されないが、例えば、円柱型である。この複数の突起部２０２２ａにおいて、高さｔ３とピッチｄ３のサイズの比率は、１：１～１：３であってもよい。本実施の形態では、複数の突起部２０２２ａのそれぞれにおいて、例えば高さｔ３は１６０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であり、太さ（円形型の場合は、直径）ｄ１は１８４ｎｍ以上２７６ｎｍ以下であり、隣り合う突起部２０２２ａ間の間隔（以下、ギャップ）ｄ２は１８４ｎｍ以上２７６ｎｍ以下であり、ピッチｄ３は３６８ｎｍ以上５５２ｎｍ以下である。なお、基材２０２２のナノ構造体は、これに限定されるものではなく、複数の突起部２０２２ａの代わりに、複数の半球体を有してもよい。なお、基材２０２２は、所定の間隔で配置された複数の突起部２０２２ａを有する基材の一例である。また、基材は、樹脂基剤に限定されず、例えば、セラミック基材などで
あってもよい。
本開示では、励起光の波長および蛍光の波長は、４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下である。なお、励起光は、照射部２０４が照射する光である。蛍光は、検出領域２０２ｃの金属微細構造体２０２１で生じる表面プラズモンにより増強された蛍光物質が発する蛍光、つまり、表面増強蛍光であり、光検出部２０７で検出される。
本実施の形態では、励起光の波長および蛍光の波長は、例えば、７５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下である。この場合、複数の突起部のそれぞれにおいて、例えば、高さｔ３は２００ｎｍであり、太さｄ１は２３０ｎｍであり、ギャップｄ２は２３０ｎｍであり、ピッチｄ３は４６０ｎｍである。本実施の形態では、これらの条件が満たされることにより、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの波長帯において共鳴波長を有する表面プラズモンを発生させることができた。
金属膜２０２３は、基材２０２２に金属を成膜することにより形成される。金属膜２０２３は、基材２０２２上に成膜された第一の金属膜２０２４と、第一の金属膜２０２４上に成膜された第二の金属膜２０２５とを有する。第二の金属膜２０２５は、例えば、第一の金属膜２０２４より表面粗さが小さい金属膜であってもよい。金属膜２０２３の形成方法の一例については、センサ基板の製造方法の項にて後述する。
金属膜２０２３には、基材２０２２の複数の突起部２０２２ａに対応する複数の凸状構造体２０２３ａが形成されている。励起光の波長および蛍光の波長が７５０ｎｍ～８５０ｎｍである場合は、金属膜２０２３の膜厚は、例えば、約４００ｎｍである。
複数の凸状構造体は、基材２０２２を被覆している金属膜２０２３から構成され、光が照射されることによって表面プラズモンを生じさせる。ここで、光は、金属膜２０２３を構成する金属材料を励起させる波長を有する光、すなわち、励起光である。複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間の底部に位置する金属膜２０２３の膜厚ｔ２は、複数の突起部２０２２ａの高さｔ３より大きく、かつ、複数の突起部２０２２ａの頂部上に堆積された膜厚ｔ１の９０％以上１００％以下の厚みである。ここで、膜厚ｔ１、膜厚ｔ２および高さｔ３は、Ｚ軸に平行な方向の長さである。また、膜厚ｔ１および膜厚ｔ２は、平均膜厚であってもよく、高さｔ３は、平均高さであってもよい。
また、複数の凸状構造体２０２３ａのそれぞれの縦断面形状は、順テーパ状である。ここで、縦断面形状とは、基材２０２２に対して垂直な面（ＺＸ平面）で金属微細構造体２０２１を切断し、断面をＹ軸側から見た形状である。順テーパ状とは、基材２０２２表面に対して平行な断面積が凸状構造体２０２３ａの基部から頂部に向かって減少するように形成されている形状をいう。凸状構造体２０２３ａの基部とは、隣り合う凸状構造体２０２３ａの間の隙間の底部と同じ高さに位置する部分をいう。凸状構造体２０２３ａの頂部とは、凸状構造体２０２３ａの基部からの高さが最も高い部分をいう。複数の凸状構造体のそれぞれの形状は、例えば、おわん型、半球、截頭円錐体などであってもよい。
複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の間隔は、それぞれの凸状構造体の平面視における中心を通り、基板に対して垂直な面で隣り合う凸状構造体を切断した場合、凸状構造体の頂部側における間隔ｄ４は、例えば、４０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、凸状構造体の底部側における間隔ｄ５は、例えば、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
また、複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの間の隙間ｄ５は、少なくとも被検出物質が入ることができる大きさであり、被検出物質と発光体との
結合体が入ることができる大きさであるとよい。隙間ｄ５は、例えば、結合体の長さの１００％～２００％である。なお、結合体には、被検出物質と発光体とを結合させる連結物質を含んでもよい。連結物質とは、被検出物質に特異的に結合する性質を有する物質であり、例えば、抗体であってもよい。
金属膜２０２３の材料は、特に限定される必要はなく、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、もしくは、アルミニウム（Ａｌ）、または、これらのいずれかの金属を主成分として含む合金であってもよい。本実施の形態では、金属膜２０２３の材料は、金である。
［リンカー材料の構成］
ここで、第一の抗体を金属微細構造体２０２１に固定化するためのリンカー材料について、図４を参照しながら具体的に説明する。図４は、実施の形態におけるリンカー材料２０２６を説明するための図である。
図４に示すように、金属微細構造体２０２１の表面は、リンカー材料２０２６で覆われている。リンカー材料２０２６は、例えば、リンカー分子２０２６ａおよび非リンカー分子２０２６ｂを含む自己組織化単分子膜（以下、ＳＡＭともいう）である。第一の抗体２０２７は、リンカー分子２０２６ａを介して金属微細構造体２０２１に固定される。
リンカー分子２０２６ａは、一方の末端にチオール基を、他方の末端にカルボキシル基を有する。チオール基は、金属微細構造体２０２１の表面と結合する。カルボキシル基は、第一の抗体２０２７とペプチド結合する。
さらに、リンカー分子２０２６ａは、チオール基とカルボキシル基との間に、炭素数が１０以上のアルキル鎖２０２６ｃと、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）鎖とを含む。具体的には、アルキル鎖２０２６ｃは、チオール基およびポリエチレングリコール鎖２０２６ｄに接続されており、ポリエチレングリコール鎖２０２６ｄは、アルキル鎖２０２６ｃおよびカルボキシル基に接続されている。
非リンカー分子２０２６ｂは、一方の末端にチオール基を、他方の末端にヒドロキシル基を有する。チオール基は、金属微細構造体２０２１の表面と結合する。ヒドロキシル基は、親水性であるため、第二の抗体２０２９および蛍光物質２０３０（発光体とも記載する）の非特異吸着を抑制する。
さらに、非リンカー分子２０２６ｂは、チオール基とヒドロキシル基との間に、炭素数が１０以上のアルキル鎖２０２６ｃと、ポリエチレングリコール鎖２０２６ｄとを含む。具体的には、アルキル鎖２０２６ｃは、チオール基およびポリエチレングリコール鎖２０２６ｄに接続されており、ポリエチレングリコール鎖２０２６ｄは、アルキル鎖２０２６ｃおよびヒドロキシル基に接続されている。
本実施の形態では、リンカー材料２０２６に含まれるリンカー分子２０２６ａは、非リンカー分子２０２６ｂよりも少ない。
サンプル液体２０３１中にウイルス（被検出物質）２０２８が含まれる場合、そのウイルス２０２８は、金属微細構造体２０２１に固定された第一の抗体２０２７に結合する。ウイルス２０２８には、蛍光物質２０３０で標識された第二の抗体２０２９も結合されている。
このような金属微細構造体２０２１に励起光が照射されると、蛍光物質２０３０から蛍光が発せられ、金属微細構造体２０２１に生じた表面プラズモンによって当該蛍光が増強
される。つまり、ウイルス２０２８の量に対応する表面増強蛍光が発せられる。
なお、第一の抗体２０２７および第二の抗体２０２９は共に、被検出物質に特異的に結合する性質を有する抗体であり、例えばＶＨＨ抗体である。なお、第一の抗体２０２７および第二の抗体２０２９は、ＶＨＨ抗体に限定されず、ＩｇＧ抗体であってもよい。
［検出装置の動作］
以上のように構成された検出装置２００の動作について、図５を参照しながら説明する。図５は、実施の形態におけるセンサ基板２０２ｂを用いた被検出物質の検出方法の一例を示すフローチャートである。
まず、導入部２０３は、ウイルスを含み得る微粒子と蛍光物質（ここでは、蛍光物質で標識された第二の抗体）とを含むサンプル液体２０３１（以下、試料ともいう）をセンサセル２０２に導入する（Ｓ１０２）。次いで、照射部２０４は、試料が導入されたセンサセル２０２の検出領域２０２ｃに励起光を照射する（Ｓ１０４）。このとき、励起光は、金属微細構造体２０２１、および、ウイルスと蛍光物質との結合体に照射される。次いで、光検出部２０７は、励起光の照射により蛍光物質から生じる蛍光であって、表面プラズモンによって増強された蛍光である表面増強蛍光を計測することにより、試料中のウイルスを検出する（Ｓ１０６）。
［センサ基板の製造方法］
続いて、センサ基板２０２ｂの製造方法について、図６を参照しながら説明する。図６は、本実施の形態におけるセンサ基板２０２ｂの製造方法の一例を示すフローチャートである。
まず、一方の主面に複数の突起部２０２２ａが所定の間隔で形成された基材２０２２を準備する（Ｓ１０）。複数の突起部２０２２ａの形成方法は、特に限定されないが、例えば、ナノインプリント、または、射出成型などであってもよい。複数の突起部２０２２ａは、基材２０２２の一方の主面の全面に形成されてもよく、検出領域２０２ｃ（図３Ａ参照）に対応する位置にのみ形成されてもよい。
次いで、基材２０２２上に第一の金属膜２０２４を形成する（Ｓ２０）。より具体的には、検出領域２０２ｃに対応する位置にパターニングして第一の金属膜２０２４を形成する。第一の金属膜２０２４の形成方法は、ステップＳ３０における第二の金属膜２０２５の形成方法に比べて、金属材料の堆積方向が基材２０２２の平面に垂直な方向（図３Ｂでは、Ｚ軸方向）に大きくなる方法であればよく、特に限定されないが、例えば、蒸着法であってもよい。蒸着法は、例えば、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法、抵抗加熱式蒸着法、高周波誘導式蒸着法、または、レーザ式蒸着法などであってもよい。中でも、製造方法の汎用性向上の観点から、より一般的に使用されているＥＢ蒸着法、または、抵抗加熱式蒸着法であってもよい。本実施の形態では、ＥＢ蒸着法により、第一の金属膜２０２４が形成される。これにより、ステップＳ２０において、基材２０２２の面内で均一な厚みの第一の金属膜２０２４が形成される。
次いで、第一の金属膜２０２４上に第二の金属膜２０２５を形成する（Ｓ３０）。第二の金属膜２０２５の形成方法は、第一の金属膜２０２４の形成方法に比べて、金属材料の堆積方向が横方向（図３Ｂでは、Ｙ軸方向）に大きくなる方法であればよく、特に限定されないが、例えば、スパッタリング法であってもよい。スパッタリング法は、例えば、ＤＣ（直流）スパッタリング法、ＲＦ（高周波）スパッタリング法、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、ＲＦマグネトロンスパッタリグ法、または、イオンビームスパッタリング法などであってもよい。中でも、製造方法の汎用性向上の観点から、より一般的に使用さ
れているＤＣスパッタリング法、または、ＲＦスパッタリング法であってもよい。第二の金属膜２０２５がスパッタリング法により形成されることにより、第一の金属膜２０２４の表面の凹凸を第二の金属膜２０２５で吸収することができる。以上により、表面が平滑な金属膜２０２３が得られる。
図示していないが、次いで、上記のステップＳ１０～Ｓ３０により得られた金属微細構造体２０２１をリンカー材料２０２６で被覆する。例えば、センサ基板２０２ｂ（図３Ａ参照）をＳＡＭ（Ｓｅｌｆ－Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）溶液に浸漬することで金属膜２０２３の表面のみにＳＡＭが形成される。
次いで、第一の抗体２０２７をリンカー材料２０２６を介して金属膜２０２３に固定化する。例えば、ＶＨＨ抗体をＳＡＭにペプチド結合させる。これにより、第一の抗体２０２７は、金属微細構造体２０２１上に固定化される。なお、金属膜２０２３が形成されていない領域にはＳＡＭが形成されないため、抗体も固定化されない。なお、ステップＳ３０において、第二の金属膜２０２５は、第二の金属膜２０２５の膜厚（Ｚ軸方向における厚みの最大値）が、第一の金属膜２０２４の膜厚（Ｚ軸方向における厚みの最大値）よりも薄くなるように形成されてもよい。電子ビーム蒸着法で形成された第一の金属膜２０２４のセンサ基板２０２ｂ面内における厚みの均一性を確保したまま、金属微細構造体２０２１の表面平滑性を高めることが可能となる。これにより、プラズモン特性が基板面内で安定するため、高い発光増強度を有し、かつ、非特異吸着を低減できるセンサ基板２０２ｂが得られる。そのため、センサ基板２０２ｂを用いたセンサデバイス２０１では、非特異吸着が低減するためノイズ信号が小さく、かつ、発光増強度が高いため微小な発光を検出することができる。したがって、高いＳ／Ｎを確保することができるため、検出感度を向上される。
［効果等］
以上のように、本実施の形態に係る金属微細構造体２０２１は、所定の間隔で配置された複数の突起部２０２２ａを有する基材２０２２と、基材２０２２を被覆している金属膜２０２３から構成され、光が照射されることによって表面プラズモンを生じさせる複数の凸状構造体２０２３ａと、を備える。複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間の底部に位置する金属膜２０２３の膜厚ｔ２は、複数の突起部２０２２ａの高さｔ３より大きく、かつ、複数の突起部２０２２ａの頂部上に堆積された金属膜２０２３の膜厚ｔ１の９０％以上１００％以下の厚みである。
金属微細構造体２０２１は、複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間の底部に位置する金属膜２０２３の膜厚ｔ２が複数の突起部２０２２ａの高さｔ１よりも大きいため、複数の突起部２０２２ａは完全に金属膜２０２３で被覆される。また、当該隙間の底部に位置する金属膜２０２３の膜厚ｔ２も確保される。これにより、膜厚が最も薄くなりがちな箇所において、基材２０２２の影響を受けにくくなる。そのため、例えば図３Ａに示すように、複数の検出領域２０２ｃが離散的に配置されたとしても、センサ基板２０２ｂの面内において、いずれの検出領域２０２ｃにおいても金属微細構造体２０２１は、安定した光電場増強効果を奏する、つまり、安定したプラズモン特性を有することができる。
また、金属微細構造体２０２１は、複数の突起部２０２２ａの頂部上に堆積された金属膜２０２３の膜厚ｔ１が複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間の底部に位置する金属膜２０２３の膜厚よりも厚くなるため、当該隙間の深さが深くなる。当該隙間の深さが深くなると、表面プラズモンが生じる領域が増加する。また、表面プラズモンが生じる領域に被検出物質と発光体との結合体をより多く留めることができる。また、当該隙間の深さが深いと、隙間の幅を所望の大きさに設計しやすい。例え
ば、隙間の幅が小さい領域の割合が多くなるように設計してもよく、当該隙間の底部における隙間の幅が最も小さくなるように設計してもよい。
したがって、上記構成を有することにより、本実施の形態に係る金属微細構造体２０２１は、低濃度の被検出物質を高感度に検出することができる。
本実施の形態に係る金属微細構造体２０２１は、複数の凸状構造体２０２３ａのそれぞれの縦断面形状は、順テーパ状である。
これにより、複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間は、凸状構造体２０２３ａの頂部側が広くなるため、被検出物質と発光体との結合体が当該隙間に入りやすくなる。そのため、当該間隙に入る結合体の割合を増やすことができる。また、複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間は、当該隙間の底部に向かって狭くなる。例えば、当該隙間の底部における隙間の幅が最も小さくなる場合、当該隙間の底部において光電場増強効果が最も強くなる。結合体は、当該隙間が当該隙間の底部に向かって狭くなるため、当該隙間の底部に入り込みやすくなり、より多くの結合体が当該隙間の底部に保持されやすくなる。つまり、光電場増強効果が最も高くなる領域に、より多くの結合体を保持することができる。したがって、本実施の形態に係る金属微細構造体２０２１によれば、低濃度の被検出物質をさらに高感度に検出することができる。
本実施の形態に係る金属微細構造体２０２１では、基材２０２２は、樹脂で構成されており、複数の突起部２０２２ａのそれぞれの形状は、円柱型であり、複数の突起部２０２２ａは、平面視において正三角形格子に配置され、複数の突起部２０２２ａの太さｄ１（図３Ｂ参照）は、それぞれ１８４ｎｍ以上２７６ｎｍ以下であり、複数の突起部２０２２ａのうち隣り合う突起部２０２２ａの間隔ｄ２（図３Ｂ参照）は、それぞれ１８４ｎｍ以上２７６ｎｍ以下である。
このように、基材２０２２が樹脂で構成されることにより、複数の突起部２０２２ａを所望の形状および間隔に容易に形成することができる。また、複数の突起部２０２２ａの形状が円柱型であり、平面視において正三角形格子に配置されることにより、複数の突起部２０２２ａを金属膜２０２３で被覆した場合に、一様な格子周期を有する複数の凸状構造体２０２３ａを形成することができる。また、複数の突起部２０２２ａの太さｄ１、および、複数の突起部２０２２ａのうち隣り合う突起部２０２２ａの間隔ｄ２が上記範囲内であることにより、複数の突起部２０２２ａを金属膜２０２３で被覆した場合に、センサ基板２０２ｂの基板面内において均一な金属微細構造体２０２１を得ることができる。
本実施の形態に係る金属微細構造体２０２１では、複数の突起部２０２２ａの高さｔ３（図３Ｂ参照）は、それぞれ１６０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であり、複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間の底部に位置する金属膜２０２３の膜厚ｔ２（図３Ｂ参照）は、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であってもよい。
これにより、複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間の底部に位置する金属膜２０２３の膜厚ｔ２が複数の突起部２０２２ａの高さｔ３よりも大きくなるため、複数の突起部２０２２ａは完全に金属膜２０２３で被覆される。また、当該隙間の底部に位置する金属膜２０２３の膜厚ｔ２も確保される。これにより、膜厚が最も薄くなりがちな箇所において、基材２０２２の影響を受けにくくなり、安定した光電場増強効果を奏する、つまり、安定したプラズモン特性を得ることができる。
本実施の形態に係る金属微細構造体２０２１では、複数の凸状構造体２０２３ａのうち
隣り合う凸状構造体２０２３ａの間隔は、それぞれの凸状構造体２０２３ａの平面視における中心を通る断面であって、基材２０２２に対して垂直な断面（図３ＢのＺＸ平面）において、凸状構造体２０２３ａの頂部側（図３ＢのＺ軸プラス側）では４０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、かつ、凸状構造体２０２３ａの底部側（図３ＢのＺ軸マイナス側）では１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
これにより、複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間は、凸状構造体２０２３ａの頂部側が広くなるため、被検出物質と発光体との結合体が当該隙間に入りやすくなる。そのため、当該間隙に入る結合体の割合を増やすことができる。また、複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間は、凸状構造体２０２３ａの底部側、つまり、当該隙間の底部側に向かって狭くなる。例えば、当該隙間の底部における隙間の幅が最も小さくなる場合、当該隙間の底部において光電場増強効果が最も強くなる。結合体は、当該隙間が当該隙間の底部側に向かって狭くなるため、当該隙間の底部に入り込みやすくなり、より多くの結合体が当該隙間の底部に保持されやすくなる。つまり、電場増強効果が最も高くなる領域に、より多くの結合体を保持することができる。例えば、被検出物質と、被検出物質と特異的に結合する抗体に蛍光物質を修飾した標識化抗体とを結合させて結合体を形成した場合、当該結合体の長さは、１０ｎｍより小さい。当該隙間は、凸状構造体２０２３ａの底部側では１０ｎｍ以上であるため、上記の場合においても、光電場増強効果が最も高くなる領域である当該隙間の底部に、より多くの結合体を留めることができる。また、当該隙間は、凸状構造体２０２３ａの底部側では、表面プラズモンによる電場増強効果を向上させる観点から、４０ｎｍ以下であるとよい。したがって、本実施の形態に係る金属微細構造体２０２１によれば、低濃度の被検出物質をさらに高感度に検出することができる。
本実施の形態に係る金属微細構造体２０２１では、金属膜２０２３は、金、銀、銅、アルミニウム、または、これらのいずれかの金属を主成分として含む合金により構成される。
これにより、表面プラズモン共鳴の共鳴波長を所望の波長域の波長に制御することができる。より具体的には、金属の種類により表面プラズモン共鳴の共鳴波長が異なるため、被検出物質の検出に使用する発光体（例えば蛍光物質）が有する蛍光波長に合わせて上記の金属膜２０２３の構成材料から所望の材料を選択して金属膜２０２３を形成することができる。
また、本実施の形態に係る検出装置２００は、金属微細構造体２０２１と、被検出物質を含み得る試料と発光体とを金属微細構造体２０２１に導入する導入部２０３と、金属微細構造体２０２１、および、被検出物質と発光体との結合体に光を照射する照射部２０４と、照射部２０４によって照射された光により励起された発光体が発する光を検出する光検出部２０７と、を備える。
上記構成を有することにより、検出装置２００は、被検出物質と発光体との結合体を金属微細構造体２０２１に導入し、金属微細構造体２０２１および金属微細構造体２０２１に導入された当該結合体に光を照射し、照射された光により励起された発光体が発する光を検出する。そのため、本実施の形態に係る検出装置２００は、当該発光体が発する光を検出することにより、被検出物質を検出し、かつ、定量することができる。
また、本実施の形態に係る検出装置２００は、さらに、ウイルスまたはウイルスの構成成分である被検出物質２０２８と特異的に結合する性質を有し、金属微細構造体２０２１上に固定化された第一の抗体２０２７と、第一の抗体２０２７に特異的に結合された被検出物質２０２８と特異的に結合する性質を有し、発光体（例えば、蛍光物質２０３０）で
標識された第二の抗体２０２９と、を備えてもよい。
これにより、被検出物質２０２８が金属微細構造体２０２１上に固定化された第一の抗体２０２７と特異的に結合するため、第一の抗体２０２７を介して、金属微細構造体２０２１上に被検出物質２０２８を保持することができる。これにより、被検出物質２０２８をより確実に金属微細構造体２０２１上に保持することができる。また、例えば、蛍光物質２０３０で標識された第二の抗体２０２９が当該被検出物質２０２８に特異的に結合するため、金属微細構造体２０２１上に保持された被検出物質２０２８に第二の抗体２０２９を介して蛍光物質２０３０を結合させることができる。これにより、蛍光物質２０３０をより確実に被検出物質２０２８に結合させることができる。したがって、本実施の形態に係る検出装置２００によれば、ウイルスまたはウイルスの構成成分である被検出物質２０２８を高感度に検出することができる。
また、本実施の形態に係る検出装置２００は、照射部２０４が照射する光の波長および光検出部２０７で検出される光の波長は、それぞれ４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下であってもよい。
これにより、発光体が例えば蛍光物質である場合、蛍光物質２０３０が吸収する光の波長が４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の範囲内にあり、かつ、蛍光物質２０３０が発する蛍光の波長が４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の範囲内にある蛍光物質２０３０を使用することができる。これにより、被検出物質２０２８に含まれる物質、例えば、ＶＨＨ抗体の自家蛍光を抑制して検出感度を高めることができる。したがって、上記構成によれば、微量の被検出物質２０２８を高感度に検出することができる。
以下、実施例を挙げて本開示をより具体的に説明するが、これら実施例は、本開示を何ら制限するものではない。
以下の実施例および比較例では、基材として、複数のピラー（円柱型の突起部）を有するナノ構造体がナノインプリントにより一方の主面に形成された樹脂基板を用いた。ピラー高さは２００ｎｍ、ピラー直径は２３０ｎｍ、ピラーピッチは４６０ｎｍであった。
（実施例１）
上記の樹脂基板に、電子ビーム蒸着法により、金を３００ｎｍの厚さで成膜し、次いで、スパッタリング法により、金を１００ｎｍの厚さで成膜した。得られた金属微細構造体の断面ＳＥＭ像を図７Ａに示す。
（実施例２）
上記の樹脂基板に、電子ビーム蒸着法により、金を３００ｎｍの厚さで成膜し、次いで、スパッタリング法により、金を３００ｎｍの厚さで成膜した。得られた金属微細構造体の断面ＳＥＭ像は図７Ａと同様であったので図示を省略する。
センサ基板は、上記の金属微細構造体を備える。このセンサ基板を、４０℃のインキュベータ内でＳＡＭ溶液に浸漬することにより、金属微細構造体上にＳＡＭを形成した。
なお、ＳＡＭ溶液は以下の手順で調製した。まず、Ｃａｒｂｏｘｙ－ＥＧ６－ｕｎｄｅｃａｎｅｔｈｉｏｌと、Ｈｙｄｒｏｘｙ－ＥＧ３－ｕｎｄｅｃａｎｅｔｈｉｏｌと、をそれぞれ１ｍＭ（１０－３ｍｏｌ／Ｌ）になるようにエタノールで希釈し混合した。その後、この混合液をエタノールで５倍希釈することでＳＡＭ溶液を作製した。
その後、ＳＡＭのカルボキシル基末端と、第一の抗体（以下、第一のＶＨＨ抗体）のアミノ基末端とを、ＥＤＣ（エチル（ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド）－ＮＨＳ（エチル（ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド）反応によりペプチド結合させ、第一のＶＨＨ抗体をＳＡＭに固定化した。
以上により、実施例２に係る金属微細構造体の金属膜の表面に第一のＶＨＨ抗体が固定化されたセンサ基板が得られた。
得られたセンサ基板に、被検出物質であるインフルエンザウイルスの核タンパク（ＮＰ：Ｎｕｃｌｅｏｐｒｏｔｅｉｎ）と、蛍光物質である有機蛍光色素（発光波長：８００ｎｍ）で標識化した第二の抗体(以下、第二のＶＨＨ抗体)と、を混合したサンプル液体を導入した。つまり、金属微細構造体に固定化された第一のＶＨＨ抗体に、被検出物質であるＮＰを結合させ、さらに蛍光物質で標識化した第二のＶＨＨ抗体をＮＰと結合させることでサンドイッチＡｓｓａｙを行った。サンドイッチＡｓｓａｙにより形成された複合体（第一のＶＨＨ抗体／ＮＰ／蛍光物質で標識化した第二の抗体）に、７８５ｎｍのレーザ光を照射し、有機蛍光色素を励起し、その蛍光物質が発する８００ｎｍの波長を有する蛍光の強度を測定した。結果を図８Ａに示す。
（比較例１）
比較例１に係るセンサ基板は、スパッタリング法のみにより生成された金属膜を有する金属微細構造体を備える点以外は、実施例１および実施例２と同様に作製され、サンドイッチＡｓｓａｙも実施例２と同様に行われた。具体的には、上記の樹脂基板上に、スパッタリング法により金を４００ｎｍの厚さで成膜した。得られた金属微細構造体の断面ＳＥＭ像を図７Ｂに示す。また、比較例１に係るセンサ基板のセンサ感度、つまり、蛍光物質が発する蛍光強度を測定した結果を図８Ａに示す。
（比較例２）
比較例２に係るセンサ基板は、ＥＢ蒸着法のみにより生成された金属膜を有する金属微細構造体を備える点以外は、実施例１および実施例２と同様に作製され、サンドイッチＡｓｓａｙも実施例２と同様に行われた。具体的には、上記の樹脂基板上に、電子ビーム蒸着法により金を３００ｎｍの厚さで成膜した。得られた金属微細構造体の断面ＳＥＭ像を図７Ｃに示す。また、比較例２に係るセンサ基板のセンサ感度、つまり、蛍光物質が発する蛍光強度を測定した結果を図７Ｂに示す。
（結果）
実施例１、比較例１および比較例２に係る金属微細構造体の断面構造について、図７Ａ～図７Ｃを参照しながら説明する。なお、図７Ａ～図７Ｃにおいて、樹脂基板上の複数の突起部２０２２ａの高さは、いずれも同じ高さであり、ｔ３で表される。
図７Ａは、実施例１に係る金属微細構造体の断面ＳＥＭ像である。図７Ａに示すように複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間の底部に位置する金属膜の膜厚ｔ２は、樹脂基板の複数の突起部２０２２ａの高さｔ３より大きかった。さらに、当該膜厚ｔ２は、複数の突起部２０２２ａの頂部上に堆積された金属膜の膜厚ｔ１の９０％以上１００％以下の厚みであった。
なお、図示していないが、実施例２に係る金属微細構造体の断面構造について、実施例１と同様に、複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間の底部に位置する金属膜の膜厚は、樹脂基板の複数の突起部２０２２ａの高さｔ３よりも大きく、かつ、複数の突起部２０２２ａの頂部上に堆積された金属膜の膜厚の９０％以上１００％以下の厚みであった。
図７Ｂは、比較例１に係る金属微細構造体の断面ＳＥＭ像である。図７Ｂに示すように、複数の凸状構造体２０２３ｂのうち隣り合う凸状構造体２０２３ｂの隙間の底部に位置する金属膜の膜厚ｔ５は、樹脂基板の複数の突起部２０２２ａの高さｔ３よりも小さかった。しかしながら、当該膜厚ｔ５は、複数の突起部２０２２ａの頂部上に堆積された金属膜の膜厚ｔ４の５０％以下の厚みであった。
図７Ｃは、比較例２に係る金属微細構造体の断面ＳＥＭ像である。図７Ｃに示すように、複数の凸状構造体２０２３ｃのうち隣り合う凸状構造体２０２３ｃの隙間の底部に位置する金属膜の膜厚ｔ７は、樹脂基板の複数の突起部２０２２ａの高さｔ３よりも大きかった。しかしながら、当該膜厚ｔ７は、複数の突起部２０２２ａの頂部上に堆積された金属膜の膜厚ｔ６よりも大きかった。
続いて、実施例２、比較例１および比較例２に係るセンサ基板のセンサ感度について、図８Ａおよび図８Ｂを参照して説明する。
図８Ａは、実施例２および比較例１に係るセンサ基板のセンサ感度を示す図である。図８Ｂは、比較例２に係るセンサ基板のセンサ感度を示す図である。
被検出物質には、インフルエンザウイルスの核タンパク質（ＮＰ）を使用した。ＮＰの濃度は、０ｐＭ、１０ｐＭ、１００ｐＭ、１０００ｐＭ、１００００ｐＭであった。
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、比較例２に係るセンサ基板は、ノイズレベルが高かった。また、ＮＰの濃度に対して検出強度が弱かった。一方、実施例２および比較例１に係るセンサ基板は、いずれもノイズレベルが低かった。また、ＮＰの濃度に対して線形な検出強度の応答を示した。しかしながら、実施例２および比較例１に係るセンサ基板について、同じＮＰ濃度対する検出強度を比較すると、実施例２に係るセンサ基板の方が検出強度が高かった。
以上により、実施例１および実施例２によれば、隙間の底部における金属膜の膜厚ｔ２が突起部２０２２ａの高さｔ３より大きく、かつ、当該膜厚ｔ２が突起部２０２２ａの頂部における金属膜の膜厚ｔ１の９０％以上１００％以下である金属微細構造体を得ることができた。さらに、実施例２に係る金属微細構造体を備えるセンサ基板は、良好な検出感度を有することが確認できた。したがって、複数の凸状構造体２０２３ａのうち隣り合う凸状構造体２０２３ａの隙間の底部に位置する金属膜の膜厚ｔ２が、樹脂基板の複数の突起部２０２２ａの高さｔ３より大きく、かつ、複数の突起部２０２２ａの頂部上に堆積された金属膜の膜厚ｔ１の９０％以上１００％以下の厚みであることにより、金属微細構造体は、低濃度の被検出物質を高感度で検出できることが確認できた。
（その他の実施の形態）
以上、本開示の１つまたは複数の態様に係る金属微細構造体および検出装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものも、本開示の１つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
例えば、上記実施の形態では、局在化表面プラズモン共鳴による蛍光の増強効果を利用した計測方法に、金属微細構造体を有するセンサ基板が用いられる例を示したが、局在化表面プラズモン共鳴スペクトルの屈折率シフトを利用した計測方法にも当該センサ基板を応用できる。
また、上記実施の形態では、センサ基板の形状は、平面視において矩形状である例について説明したが、これに限定されない。例えば、図９に示すセンサ基板３２０２ｂのように、基板の形状は、ディスク型の基板であってもよい。図９は、他の実施の形態に係るセンサ基板３２０２ｂの一例を示す概略平面図である。センサ基板３２０２ｂは、当該センサ基板３２０２ｂの周方向３２１１～３２１３それぞれに沿って配置された複数の検出領域３２０２ｃを有し、当該検出領域３２０２ｃのそれぞれに、金属微細構造体３０２１を有する構成であってもよい。また、センサ基板は、多角形であってもよい。
また、上記実施の形態では、固定化抗体は、金属薄膜にリンカー分子２０２６ａを介して固定化されていたが、直接的に固定化されてもよい。例えば、固定化抗体は、ぺプチド結合などによる化学的な結合、または、分子間力などによる物理的な吸着によって、金属薄膜に固定化されてもよい。
また、上記実施の形態では、蒸着法及びスパッタリング法のそれぞれにおける成膜時に、成膜条件の変更を行わない例について説明したが、これに限定されない。
その他、実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
上記の開示内容から導出される発明は以下のとおりである。
（項目１）
金属微細構造体であって、
第１突起部および第２突起部を含む複数の突起部を有する基材、および
前記基材を被覆している金属膜、
を具備し、
ここで、
前記金属膜は、前記金属微細構造体の断面視において、
前記第１突起部の表面上に位置する第１凸部、
前記第２突起部の表面上に位置する第２凸部、および
前記金属膜は、前記第１凸部および前記第２凸部を含む複数の凸状構造体を含み、
前記第１凸部および前記第２凸部の間に位置する（望ましくは、かつその裏面が基材の凹部の表面と接している）平坦部
を具備し（望ましくは、から構成され）
前記金属膜（の表面）に光が照射された際に表面プラズモンが発生し、
前記平坦部は、前記第１突起部および前記第２突起部よりも厚く、
以下の数式（Ｉ）
０．９≦ｔ２／ｔ１≦１．０ （Ｉ）
ここで、
ｔ１は、前記第１凸部の高さであり、かつ
ｔ２は、前記平坦部の厚みである、
が充足される、
金属微細構造体。
本開示は、例えば発光増強蛍光などを用いるセンサ基板に利用することができる。例えば、ウイルスセンサなどに用いれば部屋に滞在している人へのウイルスの感染リスクを低減するために、部屋の空気中の浮遊するウイルス濃度を高感度に計測するためのセンサ基板に用いられる。
１０ 検出システム
１００ 捕集装置
１０１ 吸引器
１０２ 捕集液タンク
１０３、１０７、１０９ ポンプ
１０４ サイクロン
１０５ 空気吸入口
１０６、１０８ 洗浄液タンク
１１０ 廃液タンク
１１１ 液体流路
２００ 検出装置
２０１ センサデバイス
２０２ センサセル
２０２ａ 流路
２０２ｂ、３２０２ｂ センサ基板
２０２ｃ、３２０２ｃ 検出領域
２０３ 導入部
２０４ 照射部
２０５ ビームスプリッタ
２０６ レンズ
２０７ 光検出部
３００ コントローラ
２０２１、３０２１ 金属微細構造体
２０２２ 基材
２０２２ａ 突起部
２０２３ 金属膜
２０２３ａ 凸状構造体
２０２４ 第一の金属膜
２０２５ 第二の金属膜
２０２６ リンカー材料
２０２６ａ リンカー分子
２０２６ｂ 非リンカー分子
２０２６ｃ アルキル鎖
２０２６ｄ ポリエチレングリコール鎖
２０２７ 第一の抗体
２０２８ ウイルス（被検出物質）
２０２９ 第二の抗体
２０３０ 蛍光物質
２０３１ サンプル液体

Claims (7)

  1. 所定の間隔で配置された複数の突起部を有する基材と、
    前記基材を被覆している金属膜から構成され、光が照射されることによって表面プラズモンを生じさせる複数の凸状構造体と、
    を備え、
    前記複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間の底部に位置する前記金属膜の膜厚は、前記複数の突起部の高さより大きく、かつ、前記複数の突起部の頂部上に堆積された前記金属膜の膜厚の９０％以上１００％以下の厚みであり、
    前記金属膜は、金により構成され、
    前記複数の突起部の高さは、それぞれ１６０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であり、
    前記複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の隙間に位置する前記金属膜の膜厚は、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である、
    金属微細構造体。
  2. 前記複数の凸状構造体のそれぞれの縦断面形状は、順テーパ状である、
    請求項１に記載の金属微細構造体。
  3. 前記基材は、樹脂で構成されており、
    前記複数の突起部のそれぞれの形状は、円柱型であり、
    前記複数の突起部は、平面視において正三角形格子に配置され、
    前記複数の突起部の太さは、それぞれ１８４ｎｍ以上２７６ｎｍ以下であり、
    前記複数の突起部のうち隣り合う突起部の間隔は、それぞれ１８４ｎｍ以上２７６ｎｍ以下である、
    請求項１または２に記載の金属微細構造体。
  4. 前記複数の凸状構造体のうち隣り合う凸状構造体の間隔は、それぞれの凸状構造体の平面視における中心を通る断面であって、前記基材に対して垂直な断面において、凸状構造体の頂部側では４０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、
    かつ、前記凸状構造体の底部側では１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の金属微細構造体。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の金属微細構造体と、
    被検出物質を含み得る試料と発光体とを前記金属微細構造体に導入する導入部と、
    前記金属微細構造体、および、前記被検出物質と前記発光体との結合体に光を照射する照射部と、
    前記照射部によって照射された光により励起された前記発光体が発する光を検出する光検出部と、
    を備える、
    検出装置。
  6. さらに、
    ウイルスまたは前記ウイルスの構成成分である被検出物質と特異的に結合する性質を有し、前記金属微細構造体上に固定された第一の抗体と、
    前記第一の抗体に特異的に結合された前記被検出物質と特異的に結合する性質を有し、前記発光体で標識された第二の抗体と、
    を備える、
    請求項５に記載の検出装置。
  7. 前記照射部が照射する光の波長および前記光検出部で検出される光の波長は、それぞれ４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下である、
    請求項５または６に記載の検出装置。
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