JPWO2013161199A1 - 光学的センサとその製造方法、及びこれを用いた検出方法 - Google Patents

Abstract

光学的センサは被検出物質と特異的に結合する複数の捕捉体と共に用いられ、試料中での被検出物質の有無を検出する。その光学的センサは、互いに対向する第１と第２の金属層を備える。第１の金属層には電磁波が供給されるように構成されている。第１と第２の金属層は金よりなる。第１と第２の金属層との間には試料で充填されるように構成された中空領域が設けられている。複数の捕捉体は第１の金属層の下方側と第２の金属層の上方側の少なくとも一方側に物理吸着されている。第１の金属層の厚さが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。この光学的センサは小型で簡易な構成を有する。

Description

本発明は、例えば、ウィルス等の検知に使用できる光学的干渉現象を利用した光学的センサに関する。

図１０は、特許文献１に開示された従来の光学的センサ１００の断面図である。光学的センサ１００は、プリズム１０１と、プリズム１０１の下面に配置された金属層１０２と、金属層１０２の下面に配置された絶縁層１０３と、絶縁層１０３の下面に固定された捕捉体１０４と、を有する。捕捉体１０４は、例えば抗体からなる。

金属層１０２と絶縁層１０３との界面には、電子の疎密波である表面プラズモン波が存在している（図示しない）。光源１０５は、プリズム１０１上方に配置されている。Ｐ偏光された光は全反射条件で光源１０５からプリズム１０１へ入射される。このとき、エバネセント波が、金属層１０２と絶縁層１０３との表面に生じている。金属層１０２において全反射された光は、検波部１０６において受光される。その結果、光の強度が検出される。

ここで、エバネセント波と表面プラズモン波との波数が一致し、波数整合条件が満たされると、光源１０５から供給される光のエネルギーは、表面プラズモン波の励起に利用され、反射光の強度が減少する。波数整合条件は、光源１０５から供給される光の入射角に依存する。したがって、入射角を変化させて検波部１０６で反射光強度を検出すると、ある入射角において、反射光の強度が減少する。

反射光の強度が最小となる角度である共鳴角は、絶縁層１０３の誘電率に依存している。試料中の被検出物質であるアナライトと捕捉体１０４とが特異的に結合して生成された特異的結合物が、絶縁層１０３の下面に構成されると、絶縁層１０３の誘電率が変化し、これに応じて、共鳴角が変化する。したがって、共鳴角の変化をモニタリングすることにより、アナライトと捕捉体１０４との特異的結合反応の結合の強さや結合の速さなどを検知することが可能となる。

上記の光学的センサ１００は、Ｐ偏光を供給できる光源１０５と金属層１０２の上面に配置されるプリズム１０１とを備えるので、サイズが大きく、複雑な構成になる。

特許文献２は小型で簡易構成な他の従来の光学的センサを記載している。

図１１は、特許文献２に開示された従来の光学的センサ２０１の模式図である。光学的センサ２０１は、第１の金属層２０２と、第１の金属層の下面に対向する上面を有する第２の金属層２０３と、を備える。第１の金属層２０２の厚さは３０ｎｍ〜４５ｎｍである。第２の金属層２０３の厚さは１００ｎｍ以上である。第１の金属層２０２と第２の金属層２０３との間には、溶質２０８Ａ、２０８Ｂ、２０８Ｃなどを含有する試料２０８で充填されるように構成された中空領域２０４が設けられる。第１の金属層２０２の下方側と、第２の金属層２０３の上方側の少なくとも一方側に、複数の捕捉体２０７が物理吸着される。

電磁波源の一種である光源２０９から第１の金属層２０２に供給される光は、第１の金属層２０２と中空領域２０４の第１界面２０２Ｂ、及び、第２の金属層２０３と中空領域２０４の第２界面２０３Ａに光学的な共鳴を発生させることができる。試料２０８中に捕捉体２０７と特異的に結合するような被検出物質（アナライト）である溶質２０８Ｃが存在すれば、捕捉体２０７とアナライトとが特異的結合し、誘電率の変化を惹起する。その結果、光学的な共鳴の条件が変化することで、光源２０９から供給される光に対する共鳴吸収波長が変化する。その変化を色の変化として目視で検出する。

光学的センサ２０１はプリズムを必要としない。また、光源２０９から供給される光は、特定の偏光状態やコヒーレンスを持つ必要がない。その結果、小型で簡易な構成の光学的センサ２０１を実現出来る。

特開２００５−１８１２９６公報 国際公開第２０１０／１２２７７６号

光学的センサは被検出物質と特異的に結合する複数の捕捉体と共に用いられ、試料中での被検出物質の有無を検出する。その光学的センサは、互いに対向する第１と第２の金属層を備える。第１の金属層には電磁波が供給されるように構成されている。第１と第２の金属層は金よりなる。第１と第２の金属層との間には試料で充填されるように構成された中空領域が設けられている。複数の捕捉体は第１の金属層の下方側と第２の金属層の上方側の少なくとも一方側に物理吸着されている。第１の金属層の厚さが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。

この光学的センサは小型で簡易な構成を有する。

図１は本発明の実施の形態における光学的センサの断面図である。 図２Ａは実施の形態における光学的センサに用いる捕捉体の配置を示した模式図である。 図２Ｂは実施の形態における捕捉体とアナライトの特異的結合を示す概念図である。 図３Ａは実施の形態における光学的センサにおける捕捉体の凝集を示した模式図である。 図３Ｂは実施の形態における光学的センサにおける捕捉体の凝集を示した模式図である。 図４Ａは実施の形態における光学的センサの模式図である。 図４Ｂは実施の形態における光学的センサの模式図である。 図５Ａは比較例の光学的センサの反射スペクトルの変化を示す図である。 図５Ｂは実施の形態における光学的センサの反射スペクトルの変化を示す図である。 図６は実施の形態における光学的センサの反射スペクトルの屈折率による変化を示す図である。 図７は実施の形態における光学的センサの擬似ピーク状構造のピーク波長と屈折率との関係を示す図である。 図８は実施の形態における光学的センサの反射スペクトルの変化を示す図である。 図９は実施の形態における光学的センサの擬似ピーク状構造のピーク波長の中空領域の厚さとの関係を示す図である。 図１０は従来の光学的センサの断面図である。 図１１は他の従来の光学的センサの断面図である。

図１は本発明の実施の形態における光学的センサ１の模式断面図である。光学的センサ１は、金属層２（第１の金属層）と、金属層３（第２の金属層）と、中空領域４とを含む。金属層２は、上面２Ａと、下面２Ｂとを有し、電磁波が供給されるように構成されている。金属層３は、上面３Ａと、下面３Ｂとを有し、電磁波が供給されるように構成されている。金属層３の上面３Ａは、金属層２の下面２Ｂに対向するよう設けられる。金属層２および金属層３は金で構成される。中空領域４は、金属層２、３の間に設けられる。中空領域４は溶質を含有する試料８で充填されるように構成されている。金属層２は５ｎｍ〜３０ｎｍの厚さを有する。このような構成としたことによって、金属層２に供給される光がＰ偏光されていない状態であっても、プリズムが金属層２の上面２Ａに配置されていない状態であっても、中空領域４を挟んで金属層２と金属層３の間に光学的な共鳴を発生させることができる。その結果、小型で簡易な構成の光学的センサ１を実現することが出来る。

金属層２の厚さが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。その結果、光学的な共鳴を緩やかにすることができ、光学的な共鳴による吸収スペクトルを幅の広いものとできる。

金属層２と金属層３はそれぞれ金からなる。その結果、金の異常反射現象と光学的な共鳴による吸収スペクトルの足し合わせによって擬似ピーク状の反射スペクトルを得ることが可能となる。この擬似ピーク状の反射スペクトルは擬似単色の反射光色を呈するので、光学的な共鳴吸収波長の変化に対してより敏感に色変化を示す。その結果、光学的センサ１の感度が向上する。

保持部５が金属層２の上面２Ａに固定されることにより、金属層２の形状をより確実に保持することができる。保持部５は入射電磁波１１１を金属層２へ効率良く供給させるために、入射電磁波１１１を減衰させにくい材質で形成される。

入射電磁波１１１は波長が概ね３５０ｎｍから８００ｎｍの範囲の電磁波である可視光である。したがって、保持部５は可視光を効率的に透過させるガラスや透明プラスチック等の透明な材料で形成される。保持部５の厚さは機械強度的に許容できる範囲で、できるだけ薄い方が好ましい。

金属層３は概ね１００ｎｍ以上の厚さを有する。金属層３の厚さが１００ｎｍ未満の場合、金属層２を通過して中空領域４に供給された電磁波の一部が、金属層３を通過して中空領域４の外側へ漏れ出す場合がある。すなわち、本来干渉に寄与し検出に利用されるべき電磁波のエネルギーの一部が中空領域４の外へ漏れ出るので、光学的センサ１の感度が低くなる。

金属層３の下面３Ｂは保持部６の上面６Ａに固定され、その形状を保持される。

金属層２と金属層３間の距離が一定に維持されるように、光学的センサ１は金属層２と金属層３とを保持する柱または壁等のスペーサを有していてもよい。この構造により、光学的センサ１は中空領域４をより確実に設けることができる。

中空領域４には複数の捕捉体７が配置されている。捕捉体７とは、特定の被検出物質（アナライト）と特異的結合をするものである。例えば、抗体、受容体タンパク、アプタマー、ポルフィリン、モレキュラーインプリンティング技術により生成された高分子などを指す。

複数の捕捉体７は、金属層２の下面２Ｂの下方側と金属層３の上面３Ａの上方側の少なくとも一方側に物理吸着された構成としてもよい。また、複数の捕捉体７は、金属層２の下面２Ｂの下方側と金属層３の上面３Ａの上方側の少なくとも一方側に配向されずに配置されてもよい。

図２Ａは光学的センサ１に用いる複合体１０の模式図であり、捕捉体７の配置を模式的に示す。図２Ａに示すように、捕捉体７が粉体９の表面に化学吸着され複合体１０を形成している。複合体１０は、金属層２の下面２Ｂの下方側と、金属層３の上面３Ａの上方側の少なくとも一方側に物理吸着し、配置される。複合体１０は金属層２の表面または金属層３の表面に物理吸着されている。複合体１０は、外部から試料８が注入されることにより、金属層２または金属層３の表面から容易に離脱し試料８中に再分散する。

試料８は、溶媒８Ｃと、溶媒８Ｃに分散するアナライト８Ａと、溶媒８Ｃに分散する溶質８Ｂとを含有する。アナライト８Ａは検出すべき被検出物質である。溶質８Ｂは、アナライト８Ａと異なるタンパク質等の他の物質である。溶媒８Ｃの主成分は水である。

粉体９は例えば、直径１００ｎｍのポリスチレンラテックス樹脂からなる。捕捉体７の化学吸着の方法としては、例えばシランカップリング反応や自己組織化単分子膜を介して粉体９に捕捉体７を固定する方法がある。

図２Ｂは光学的センサ１での捕捉体７とアナライト８Ａの特異的結合の概念図である。

捕捉体７はアナライト８Ａに対してのみ特異的に結合する。従って、試料８中のアナライト８Ａとは結合するが、他の溶質８Ｂとは結合しない。この効果を用いることで、ウィルス抗原や疾病マーカータンパク質などの所望の被検出物質であるアナライト８Ａを選択的にトラップできる。

粉体９に捕捉体７が固定して保持されて、多数の捕捉体７が粉体９に固定されているので、複合体１０が試料８中に再分散された際に、捕捉体７が容易にアナライト８Ａに接触する。その結果、捕捉体７とアナライト８Ａとの特異的結合がより効率的に得られる。

図３Ａ、図３Ｂは、実施の形態における光学的センサ１における、捕捉体７の凝集を示した模式図である。

通常アナライト８Ａは捕捉体７と特異結合するための複数の結合サイトを有する。従って、ある粉体９上の捕捉体７はアナライト８Ａを介して別の粉体９上の捕捉体７と結合することが可能である。すなわち、アナライト８Ａを介して複合体１０が相互に結合し、複合体１０の集合体である凝集体１０Ａを形成することができる。

粉体９の材料であるポリスチレンラテックスの屈折率は１．５９である。試料８の溶媒８Ｃが水の場合、その屈折率は１．３３３４である。

試料８の中にアナライト８Ａが含まれていた場合は、複合体１０の凝集体１０Ａが形成される。凝集体１０Ａが中空領域４の少なくとも一部を満たすことによって中空領域４の屈折率が高くなる。その結果、中空領域４における光学的な共鳴の条件が変化する。

試料８にアナライト８Ａが含まれない場合には、複合体１０の凝集は起こらずに凝集体１０Ａは形成されず、中空領域４の屈折率は溶媒８Ｃすなわち水と等しい。厳密には分散状態の複合体１０が存在するため、中空領域４の屈折率は、水のみの場合の屈折率とは若干異なる。しかし、複合体１０の濃度がエマルジョン状態に近い高濃度でなければ実質的には分散状態の複合体１０の屈折率への影響は無視できる。その結果、中空領域４における光学的な共鳴の条件が変化しない。これにより、光学的な共鳴条件の変化を検出出来れば、試料８中のアナライト８Ａの有無を検出することができる。

実施の形態における光学的センサ１では、中空領域４内に浮遊している物質の誘電率の変化を検知することが出来る。そのため、例えば自己組織化膜（ＳＡＭ）を介して金属層２または金属層３に捕捉体７を化学吸着させる必要がないため、光学的センサ１は簡易な工程で実現可能である。

なお粉体９の材料は、一般的なポリスチレンラテックス樹脂の他、水との屈折率の差の大きい粉体材料であれば使用することが可能である。例えば、粉体９は、無機物である金属酸化物、金属、磁性体材料や誘電体材料で構成されていてもよいし、有機物であるデンドリマなどで構成されてもよい。

粉体９に金属酸化物である酸化チタンの微粉体を用いれば、酸化チタンの屈折率が２．５以上と大きいので、共鳴波長のシフト量が大きくなり、より感度の向上が期待できる。

また、粉体９を磁性材料にて構成した場合には、中空領域４に試料８を注入後、光学的センサ１の外部から磁界をかける事により捕捉体７を攪拌することが可能となる。結果として、捕捉体７とアナライト８Ａとの特異的結合を効率的に行う事が可能となる。

デンドリマはその形状を均一化できる。粉体９をデンドリマにより実現した場合、各粉体９の形状のバラツキを低減できる。結果として、光学的センサ１の性能バラツキを低減できる。

なお、実施の形態において粉体９は球形状のビーズを使用しているが、粉体９の形状は、これ以外の立体形状を有したものを用いてもよい。例えば粉体９が立方体状の場合、球形状に比べて凝集による中空領域４を粉体９（複合体１０）が占める際の充填率が高くなる。計算上、捕捉体７やアナライト８Ａの大きさを無視すれば充填率は１００％を実現可能である。それに対して、球形の場合は最密充填で７４％である。

また、粉体９のサイズは、実施の形態では直径１００ｎｍとしたが、これに制限されるものではない。一般には中空領域４の厚さの半分程度より小さければ中空領域４に挿入可能である。また粉体９の直径が５０ｎｍ程度よりも小さくなれば、Ｍｉｅ散乱の効果が低減されるため可視光に対してほぼ透明とみなせるようになる。したがって、粉体９が元来不透明な材料で形成されていても、中空領域４内での可視光の伝播を妨げないようになるため望ましい。

実施の形態にかかる光学的センサ１は、金属層２と金属層３の間の中空領域４の屈折率の変化により、光学的な共鳴波長が変化する。ここで屈折率ｎは誘電率εに対してｎ＝ε^１／２の関係にあるため、屈折率の変化は、誘電率の変化と等価である。したがって、捕捉体７を化学吸着等により金属層２、金属層３に強固に固定する必要はない。

一方、図１０に示す従来の光学的センサ１００は、感度を確保する為に、絶縁層１０３の下面に捕捉体１０４を化学吸着等により固定する必要がある。故に、実施の形態における光学的センサ１は、捕捉体７の配置プロセス例えばＳＡＭ膜形成プロセスが簡便化でき、製造効率を向上することができる。

以下、光学的センサ１の動作について説明する。実施の形態においては、電磁波源１１は光源であり、入射電磁波１１１は可視光である。

電磁波源１１は、例えば太陽光、ハロゲンランプ、各種放電ランプであり、出来るだけ広い範囲の波長成分を含む白色光を発生することが望ましい。電磁波源１１には偏光板等の光の偏波を揃える装置を備えていない。図１０に示す従来の光学的センサ１００と異なり、実施の形態の光学的センサ１は、Ｐ偏光された光だけでなくＳ偏光された光でも、あるいは無偏光であっても光学的な共鳴を生起させることが可能となる。

光学的な共鳴を発生させる入射電磁波１１１の波長は、金属層２と金属層３の間の距離と、中空領域４の実効的な屈折率とのうち少なくともひとつを調整することにより制御可能である。

粉体９の表面の捕捉体７の屈折率は、実質的には複合体１０の屈折率に寄与しないと考えられる。従って、実効的な屈折率は、中空領域４に注入された試料８の屈折率と複合体１０の粉体９の屈折率の分布によって決まる。すなわち、実効的な屈折率は、中空領域４における入射電磁波１１１および反射電磁波１１２の伝播経路上の、入射電磁波１１１および反射電磁波１１２の波長と同等以上の空間スケールにおける平均的な屈折率である。

検知部１２は、金属層２の上面２Ａの上方に配置され、可視光である反射電磁波１１２を検知する。検知部１２は、光源１１から与えられた入射電磁波１１１を光学的センサ１が受けた時に光学的センサ１から反射された反射電磁波１１２を受信する。検知部１２は実施の形態では肉眼による目視であるが、分光機能をもった光検出器でもよい。

このような構造により、電磁波源１１から供給される光である入射電磁波１１１は中空領域４において光学的な共鳴（干渉）を起こす。その共鳴波長は中空領域４の厚さおよび中空領域４の実効的な屈折率によって決定される。

保持部６の厚さは、保持部５の厚さよりも大きいことが好ましい。これにより、光学的センサ１自体の機械的強度を向上させることができる。その結果、光学的センサ１の使用時に形状変形等が生じ、センシング特性が変化してしまうことを防止できる。

光学的センサ１の中空領域４が図１の状態から図３Ｂに示した状態、すなわち中空領域４に試料８が充填され、複合体１０が試料８中に再分散され、かつアナライト８Ａを介して凝集体１０Ａを形成した場合、光学的センサ１の光学的な共鳴の共鳴波長は変化する。具体的には、凝集体１０Ａを形成することで複合体１０（実質的には、粉体９）の屈折率の分布が変化することによって金属層２と金属層３の間（つまり中空領域４）の実効的な屈折率が変化し、その結果、光学的センサ１の光学的な共鳴の共鳴波長が変化する。

実施の形態の光学的センサ１で光学的な共鳴が生じる過程を詳細に説明する。金属層２は入射電磁波１１１を透過させるため、概ね３０ｎｍ以下の厚さを有する。金属層２の上面２Ａは保持部５の下面５Ｂに固定され、その形状を保持する。同様に金属層３は保持部６の上面６Ａに固定されてその形状を保持する。

可視光領域の波長を持つ入射電磁波１１１が金属層２の上面２Ａから入射する。金属層２は十分に薄いため、入射電磁波１１１は金属層２を透過して中空領域４のなかを伝播し、金属層３に達する。

金属層３は、１００ｎｍ以上の膜厚を有することが望ましい。１００ｎｍ未満の膜厚では入射された電磁波１１１は金属層３を透過し、光学的センサ１の感度が劣化する可能性がある。

図４Ａと図４Ｂは光学的センサ１の模式図である。金属層３で反射された入射電磁波１１１は、金属層２を透過してくる後続の入射電磁波１１１と干渉を起こす。反射電磁波１１２は、以下の反射電磁波１１２ａ、１１２ｂを含む。反射電磁波１１２ａは、図４Ａに示すように、金属層３の上面３Ａで反射されて金属層２を透過して観察点まで到達する。反射電磁波１１２ｂは、図４Ｂに示すように、金属層３の上面３Ａで反射された後、再度金属層２の下面２Ｂで反射され、さらに金属層３の上面３Ａで再度反射され、その後、金属層２を透過して検知部１２に到達する。反射電磁波１１２ａと反射電磁波１１２ｂとが入射電磁波１１１と干渉する。入射電磁波１１１と反射電磁波１１２との間の光路差δは、中空領域４の厚さｄと、中空領域４の実効的な屈折率ｎと、金属層２の上面に垂直な法線方向に対する入射電磁波１１１の角度である入射角θとにより、式１で表される。
δ＝２×ｎ×ｄ×ｃｏｓθ ・・・ （式１）

０以上の整数ｍについて、光路差δが電磁波１１１の半波長の（ｍ＋１／２）倍であれば、反射電磁波１１２ａ、１１２ｂが打ち消しあい、共鳴吸収として観察される。すなわち、以下の式２を満たす波長λにおいて、検知部１２では反射電磁波１１２が観察されない。これは本質的にはファブリーペロー干渉現象と同一の多重反射干渉である。
２×ｎ×ｄ×ｃｏｓθ＝（ｍ＋１／２）×λ ・・・（式２）

なお上記説明では光学的センサ１へ入射後、金属層３の上面３Ａで一回反射されて検知部１２まで達する反射電磁波１１２ａと、金属層２と金属層３での２回の反射を経て検知部１２まで達する反射電磁波１１２ｂとの干渉を例に挙げたが、一般に異なった任意の奇数回の反射を経て観察点に達する反射電磁波１１２ａと反射電磁波１１２ｂの組み合わせでも、同様の議論がなりたつ。

式２から明らかなように、中空領域４において干渉を生じる入射電磁波１１１の波長は中空領域４の屈折率に依存する。従って干渉条件、すなわち検知部１２において反射光が観察されなくなる波長の条件は中空領域４の実効的な屈折率が変化することによって変化する。

なお、以下の議論においては簡単のためと、実際に光学的センサ１を使用する際のもっとも誤差の少ない使用形態とに鑑みて、入射電磁波１１１は光学的センサ１の金属層２の上面に対して垂直上方から入射するものとする。すなわち式１および式２の角度θが０°である。０以外の角度θで入射電磁波１１１を入射させたり、また異なった角度で検知部１２を配置したりする場合には、式２にしたがって角度θを用いた計算を行う。

金属層３は厚さが１００ｎｍ以上である。金属層３の上面３Ａに入射した入射電磁波１１１は、金の異常反射とよばれる現象により、特に５５０ｎｍ前後より長い波長の電磁波を強く反射する。一方、金属層２の厚さｔ２はある程度入射電磁波１１１を透過させる必要があるので薄い。金属層２は、金属層３に比べて反射率が低い。

例えば反射回数がｋ回の反射電磁波１１２ａと反射回数が（ｋ＋２）回の反射電磁波１１２ｂの干渉において、金属層２の下面２Ｂでの反射の回数が多いｋ＋２回反射の電磁波はｋ回反射の電磁波に比べて強度が低下する。その結果、反射電磁波１１２ａ、１１２ｂが干渉の式２の条件を満たす場合にも十分にお互いを打ち消すことができず、干渉による波長選択性が低下して共鳴吸収ピークは広く、浅くなる。

特許文献２に開示された従来の光学的センサ２０１は、中空領域２０４の屈折率変化に伴う共鳴吸収波長の変化を検出することで、捕捉体２０７とアナライト２０８Ｃとの特異結合の有無をセンシングする。したがって、光学的センサ２０１の感度を高めるためには、微小な共鳴吸収波長の変化を見分ける必要がある。そのため、共鳴吸収ピークは鋭い必要があり、金属層２０２の厚さは、電磁波２０９Ａの透過性を維持しうる範囲で最大限厚くする必要がある。

これに対し実施の形態における光学的センサ１においては、以下の理由で金属層２の厚さｔ２を５ｎｍから３０ｎｍと極端に薄く設定する。

金属層２の最適の厚さを探すために、金属層２の厚さｔ２を変えた多数のサンプルを試作して反射スペクトルの変化を測定した。金属層２および金属層３はともに金の蒸着膜である。金属層３の厚さは１００ｎｍである。また、式１と式２での金属層２の下面２Ｂと金属層３の上面３Ａの間隔である中空領域４の厚さｄは８４０ｎｍとした。

図５Ａは、金属層２の厚さｔ２を４５ｎｍとした比較例の光学的センサの反射スペクトルの変化を示す。図５Ｂは、実施の形態における光学的センサ１の金属層２の反射スペクトルの変化を示す。図５Ａに示すように、比較例の光学的センサでは金の異常反射に起因して５００ｎｍ付近より長い波長の部分Ｕ１００で反射率が上昇する。そして、５９０ｎｍ付近の波長で光学的な共鳴（ファブリーペロー干渉現象）による共鳴吸収の鋭いピークＰ１００が現れている。このときの反射光の色は、金の反射色とほぼ同一の金色である。

金属層２の厚さｔ２が薄くなるにつれて、反射光の色が目視でも明らかに金色から異なり、鮮明な緑色を呈しはじめる。図５Ｂに示すように、金属層２の厚さｔ２が薄くなるにつれて、光（電磁波）の波長が５００ｎｍ付近より短波長側では反射光（反射電磁波１１２）の色にそれほどの変化はないが、５９０ｎｍ付近の共鳴吸収ピークＰ１００より長波長側の形状が大きく異なる。

５９０ｎｍ付近の共鳴吸収ピークＰ１００は前述の予想のように波長選択性の低下によって単純に広がるのではなく、特に５９０ｎｍから長波長側で反射率が大きく低下し、非対称に広がっている。これによって橙〜赤の領域の反射が減少するとともに、金の異常反射による５５０ｎｍ付近の反射率の増大の領域と共鳴吸収による５９０ｎｍ付近の吸収ピークＰ１００に挟まれた領域で５５０ｎｍ付近をピークとする擬似ピーク状構造として表れる。擬似ピーク状構造により反射光（反射電磁波１１２）が鮮明な緑色を呈している。

実施の形態の光学的センサ１では、この擬似ピーク状の構造による発色の変化が中空領域４における実効的な屈折率の変化を検出する指標として使用する。

図６は、光学的センサ１の中空領域４に既知の屈折率を有する標準溶液を挿入して得られた擬似ピーク状構造のピークの波長と中空領域４の屈折率の関係を示す。標準溶液として、屈折率が１．３３の純水と、屈折率が１．３９のイソオクタンと、屈折率が１．４２６のシクロヘキサンと、屈折率が１．４９７のトルエンを用いた。図６は、標準溶液が純水である場合の反射率Ｒ１と、標準溶液がイソオクタンである場合の反射率Ｒ２と、標準溶液がシクロヘキサンである場合の反射率Ｒ３と、標準溶液がトルエンである場合の反射率Ｒ４とを示す。

図６に示すように、反射率Ｒ１〜Ｒ４のそれぞれは主に３つの擬似ピーク状構造Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を有する。擬似ピーク状構造Ｐ１〜Ｐ３の中心波長は屈折率が大きくなるにつれてそれぞれ長波長側にシフトする。

図７は光学的センサ１での擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長と中空領域４の屈折率との関係を示す。図７に示すように、屈折率に対する中心波長の変化はほぼ直線で近似することができる。このように、共鳴吸収ピークだけではなく、吸収にはさまれて形成される擬似ピーク状構造の中心波長も同様に、中空領域４の屈折率にしたがって変化する。

従来の光学的センサ２０１では金の反射光のスペクトル中から狭い共鳴吸収ピークの波長帯が欠損することによる色味の変化を読み取る、すなわち金の反射色である金色での例えば赤みがかった金色から緑がかった金色への変化という色の微妙な変化を読み取ることになり、屈折率の変化を容易には判別できない。実施の形態における光学的センサ１では擬似ピーク状構造を検出標準として使用し、それぞれの屈折率における反射色が単色に近く、屈折率の変化を容易に判別できる。

このように、実施の形態における光学的センサ１では、金属層２を薄くしたことと金属層２、３に金を使用したことにより、干渉による共鳴吸収の波長選択性が弱まり、その結果、従来の光学的センサ２０１ではみられなかった擬似ピーク状構造Ｐ１〜Ｐ３が得られる。擬似ピーク状構造Ｐ１〜Ｐ３により光学的センサ１は従来の光学的センサ２０１より中空領域４での屈折率の変化を容易に判別できる。

実施の形態における光学的センサ１の製造方法について以下説明する。光学的センサ１の製造方法は、少なくとも以下の３つのステップを含む。

第１ステップで、金属層２と、金属層３と、中空領域４と、を有する光学的センサを準備する。金属層２は、上面２Ａと、下面２Ｂとを有し、入射電磁波１１１が供給されるように構成する。金属層２は厚さが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である金よりなる。金属層３は、金属層２の下面２Ｂに対向する上面３Ａを有する金よりなる。柱や壁等のスペーサを介して金属層２と金属層３とを組み合わせれば、より効率的に中空領域４を確保し維持することができる。

次に、第２ステップで、複合体１０を含む溶質を毛細管現象により中空領域４に挿入する。

次に、第３ステップで、中空領域４に挿入された溶質を真空凍結乾燥等の方法によって乾燥させる。その後、金属層２の下方と金属層３の上方のうちの少なくとも一方の領域に複合体１０を分散させて配置する。

実施の形態における光学的センサ１は、中空領域４内に捕捉体７を化学吸着により固定する必要がない。従って上記のような簡単な方法により捕捉体７を中空領域４内に配置できる。これにより、光学的センサ１の製造効率を向上できる。

中空領域４は、金属層２と金属層３の間の概ねすべての領域に設けられてもよい。この領域は、捕捉体７が設けられていない領域も含む。

また、中空領域４は、金属層２と金属層３の間で金属層２と金属層３を支える柱や壁以外の領域に設けられていてもよい。この領域は、捕捉体７が設けられていない領域を含む。

金属層２の下面２Ｂと金属層３の上面３Ａには、腐食防止用コーティング層が塗布されていてもよい。その場合には、金属層２と金属層３の間の腐食防止用コーティング層以外の領域に中空領域４を設けてもよい。この領域は、腐食防止用コーティング剤の金属層２または金属層３と接していない表面に配置された捕捉体７の領域は含まない。

中空領域４は、試料８を挿入可能な領域であり、金属層２と金属層３の間の一部領域に確保されている。

なお、金属層２と金属層３の間の距離を４００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲とすることが望ましい。このような範囲とすることで、捕捉体７にアナライト８Ａが特異的に吸着し、中空領域４の屈折率が変化する前後の擬似ピーク状構造Ｐ２が５７０ｎｍ〜５９０ｎｍの黄色の波長帯ＢＹをまたいで変化する。こうすることで反射色が緑から黄または橙へと、異なったカテゴリカルカラーに変化するため、屈折率の変化を目視により容易に判別できる。金属層２と金属層３の間の距離は、４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲とするとより好ましい。

実施の形態における光学的センサ１においては、擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長が、複合体１０による凝集体１０Ａの形成による中空領域４の屈折率の変化が生じる前後で黄色の波長帯ＢＹを実質的にまたぐように変化するように設定する。

アナライト８Ａが試料８中に存在すると、中空領域４において、アナライト８Ａと捕捉体７とが集合体を形成する。あるいは、複合体１０や集合体が固まり凝集して凝集体１０Ａを形成する。その結果、中空領域４の屈折率の変化が生じる。屈折率の変化の前後で擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長が５７０ｎｍから５９０ｎｍの帯域（黄色の波長帯ＢＹ）を実質的にまたぐように変化する。具体的には、変化前のピーク波長が５７０ｎｍより短波長側すなわち緑のカテゴリカルカラーに属する領域にあり、変化後のピーク波長が５７０ｎｍより長波長側すなわち黄色ないし橙のカテゴリカルカラーに属する領域にあるようにシフトするように変化する。

変化後のピークの波長は、５８０ｎｍ（黄色の波長帯ＢＹの中央）よりも長波長側の領域であることがより好ましい。

図８は実施の形態における光学的センサ１の反射光のスペクトルの変化を示す。捕捉体７とアナライト８Ａとが結合しない状態すなわち屈折率の変化前におけるピーク状のスペクトル構造は、金属層２と金属層３を構成する金によって反射される光のスペクトルの反射率上昇部と、金属層２と金属層３のそれぞれで反射した光の、中空領域４の屈折率が低い条件での干渉によって吸収されるスペクトルに重畳された共鳴吸収ピークＰ１００とに挟まれた構造となる。このスペクトル構造の擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長が、第１の中心波長ＰＬ１０１である。

同様に、捕捉体７とアナライト８Ａとが結合し複合体１０を形成した状態（変化後）におけるピーク状のスペクトル構造は、金属層２と金属層３を構成する金によって反射される光のスペクトルの反射率上昇部と、金属層２と金属層３のそれぞれで反射した光の、中空領域４の屈折率が高い条件での干渉によって吸収されるスペクトルに重畳された共鳴吸収ピークＰ１００とに挟まれた構造となる。このスペクトル構造の擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長が、第２の中心波長ＰＬ１０２である。

このように、金属層２、３により反射された光のスペクトルは、光の波長が増加するにつれて金属層２、３を構成する金による反射により極大値まで上昇する部分Ｕ１００と、金属層２、３のそれぞれで反射した光の干渉による吸収によりその極大値から減少する部分Ｆ１００とで形成される擬似ピーク状構造Ｐ２を有する。

第１の中心波長ＰＬ１０１は５７０ｎｍより短くかつ第２の中心波長ＰＬ１０２は５７０ｎｍより長い。

より好ましくは、第１の中心波長ＰＬ１０１は５８０ｎｍより短くかつ第２の中心波長ＰＬ１０２は５８０ｎｍより長い。さらに、第１の中心波長ＰＬ１０１が５７０ｎｍより短いことと第２の中心波長ＰＬ１０２が５９０ｎｍより長いこととのうちの少なくとも一方が満たされる。

人間の眼には、可視光の色は短波長端の紫から青、緑、黄色、赤と波長が長くなるにつれて連続的に変化して知覚される。実施の形態の光学的センサ１のように、反射光のスペクトルによって定義される色の変化によってアナライト８Ａの有無をセンシングする場合、同じ波長の変化量に対してどれだけ色の変化知覚量を大きくできるかが重要となる。

人間は色を知覚する際、単純に赤、緑、青の三色に対応した三種類の錐体視細胞の出力の比率に応じて認識するのではなく、同じ系統の色のグループとして知覚していることが知られている。例えば黒に近い赤から橙色に近い赤までさまざまな赤をまとめて「赤」という色カテゴリー（カテゴリカルカラー）として認識している。これをカテゴリカル色知覚と言う。したがって、連続した色スペクトル上でも、異なるカテゴリーに属する色は互いに区別がつきやすい。

カテゴリカル色知覚において区別される色カテゴリーは言語文化的側面から研究されている。これは、言葉として表現できない色はカテゴリカルカラーとはならないからである。さまざまな言語に共通する色名として赤、黄、緑、青、茶、桃色、橙、白、灰、黒が基本カテゴリカル色名として定義されている。

例えば、非常に線幅の細い単色光源を考えた場合、波長が短波長側から長波長側へとシフトするにつれて、カテゴリカルカラーとしては青、緑、黄色、橙、赤と変化している。しかしそれぞれの色カテゴリーに相当する範囲の波長幅は必ずしも一様ではない。青から緑へはほぼ４００ｎｍから５７０ｎｍ付近までの範囲で徐々に変化する。しかし、緑、黄色、橙の三つの色カテゴリーは、実に５７０ｎｍから５９０ｎｍのわずか幅２０ｎｍのバンドをまたぐだけで変化して知覚される。なお、この５７０ｎｍから５９０ｎｍのわずか幅２０ｎｍの波長帯の光は黄色として認識される。

すなわち、上述の構成においてはじめて実現された擬似ピーク状構造Ｂの中心波長が、この黄色の波長帯ＢＹをまたいで変化した場合、わずか２０ｎｍの変化でもカテゴリカルカラーが変化する。すなわち、カテゴリカルカラーが緑から橙へと変化する。その結果、他の波長帯に比べて目視で極めて容易に変化を検知できる。

このような擬似ピーク状構造Ｐ１の極大値での波長は、金属層２の下面２Ｂと金属層３の上面３Ａとの間隔すなわち中空領域の厚さｄを適切に設定することで設定できる。

図９は、金属層２と金属層３の間の中空領域４の厚さｄの変化に対する、擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長（極大値での波長）の変化を示す。ここで、中空領域４の屈折率は純水の値である。図９に示すように、擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長（極大値での波長）は中空領域４の厚さｄに対して直線的に変化する。

実施の形態における光学的センサ１では、金属層２と金属層３との間の間隔すなわち中空領域の厚さｄを図９の結果に従って８２０ｎｍとすることで、中空領域４に純水（屈折率１．３３４）を満たした場合の擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長が５６０ｎｍとなるように設定する。この構造において、中空領域４の屈折率が純水の屈折率からイソオクタンの屈折率（屈折率１．３９）に変化した場合に、擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長が５６０ｎｍから５９０ｎｍにシフトする。この結果、反射光の色は緑から橙へと異なるカテゴリカルカラーに変化する。粉体９にポリスチレンラテックスビーズを使用した場合、上記の波長の変化は、中空領域４に対する体積凝集率４０％程度の凝集が起これば実現可能な実効的な屈折率の変化により起こる。

但し、金属層２と金属層３の間隔すなわち中空領域４の厚さｄによる擬似ピーク状構造Ｐ１の中心波長に関して、中空領域４における、複合体１０の凝集による屈折率の変化量および屈折率の絶対値によって厚さｄの最適値が変化する。

黄色波長帯ＢＹの幅が２０ｎｍであるので、擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長が反応前後によって黄色波長帯ＢＹを実質的にまたぐためには、中心波長の変化量、すなわち、第１の中心波長ＰＬ１０１と第２の中心波長ＰＬ１０２との差は最低１０ｎｍ以上あることが望ましい。

中心波長の変化量が小さい場合には、捕捉体７とアナライト８Ａとの反応前の第１の中心波長ＰＬ１０１が緑のカテゴリカルカラーに属し、かつできるだけ長波長でなければならない。従って金属層２と金属層３の間隔すなわち中空領域４の厚さｄをより厳密に制御する必要が生じる。

カテゴリカルカラーの観点からは、緑から黄色の変化の方が、黄色から橙への変化よりも検知しやすい。

従って、擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長の変化量が十分に大きくない場合には、反応前の第１の中心波長ＰＬ１０１が緑の最長波長端付近の５６０ｎｍ以下となるように設定され、反応後の第２の中心波長ＰＬ１０２が５６０ｎｍよりも長くなるように設定されることが望ましい。この場合には、反応前後の擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長は黄色波長帯ＢＹを実質的にまたいではいないが、緑から黄色へとカテゴリカルカラーが変化することで、高感度で色の変化を検出できる。

実施の形態においては中空領域４の屈折率を決定する粉体９の屈折率は溶媒８Ｃの屈折率よりも大きく、その結果、複合体１０の凝集が起こった場合には中空領域４の屈折率が上昇する。

しかし粉体９の屈折率が溶媒８Ｃの屈折率より小さくてもよい。その場合には反応前の擬似ピーク状構造の中心波長は黄色または橙のカテゴリカルカラーに属し、反応後には緑のカテゴリカルカラーに変化するように金属層２と金属層３の間隔である中空領域４の厚さｄを設定することで、変化を容易に検知できる。

なお、実施の形態において、「上面」「下面」「上方」「下方」等の方向を示す用語は金属層２、３等の光学的センサ１の構成部品の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。

本発明における光学的センサは小型で簡易な構造を有するので、小型で低コストのバイオセンサ、または化学センサに利用する事ができる。

１ 光学的センサ
２ 金属層（第１の金属層）
３ 金属層（第２の金属層）
４ 中空領域
５ 保持部
６ 保持部
７ 捕捉体
８ 試料
８Ａ アナライト（被検出物質）
８Ｂ 他の溶質
８Ｃ 溶媒
９ 粉体
１０ 複合体
１１ 電磁波源（光源）
１２ 検知部
１１１ 入射電磁波
１１２ 反射電磁波

すなわち、上述の構成においてはじめて実現された擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長が、この黄色の波長帯ＢＹをまたいで変化した場合、わずか２０ｎｍの変化でもカテゴリカルカラーが変化する。すなわち、カテゴリカルカラーが緑から橙へと変化する。その結果、他の波長帯に比べて目視で極めて容易に変化を検知できる。

このような擬似ピーク状構造Ｐ２の極大値での波長は、金属層２の下面２Ｂと金属層３の上面３Ａとの間隔すなわち中空領域の厚さｄを適切に設定することで設定できる。

但し、金属層２と金属層３の間隔すなわち中空領域４の厚さｄによる擬似ピーク状構造Ｐ２の中心波長に関して、中空領域４における、複合体１０の凝集による屈折率の変化量および屈折率の絶対値によって厚さｄの最適値が変化する。

Claims (11)

1. 被検出物質と特異的に結合する複数の捕捉体と共に用いられて、試料中での前記被検出物質の有無を検出する光学的センサであって、
   電磁波が供給されるように構成された上面と、下面とを有し、金よりなる第１の金属層と、
   前記第１の金属層の前記下面に対向する上面を有する、金よりなる第２の金属層と、
   を備え、
   前記第１の金属層と前記第２の金属層との間には前記試料で充填されるように構成された中空領域が設けられ、
   前記複数の捕捉体は前記第１の金属層の下方側と前記第２の金属層の上方側の少なくとも一方側に物理吸着され、
   前記第１の金属層の厚さは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である、光学的センサ。
2. 前記第１の金属層と前記第２の金属層との間隔は４００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下である、請求項１に記載の光学的センサ。
3. 前記第１の金属層と前記第２の金属層との前記間隔が４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、請求項２に記載の光学的センサ。
4. 前記第１の金属層と前記第２の金属層とにより反射された光のスペクトルは、前記光の波長が増加するにつれて前記第１の金属層と前記第２の金属層を構成する金による反射により極大値まで上昇する部分と、第１の金属層と前記第２の金属層のそれぞれで反射した光の干渉による吸収により前記極大値から減少する部分とで形成される擬似ピーク状構造を有し、
   前記捕捉体と前記被検出物質が結合しない状態における前記擬似ピーク状構造の前記極大値での第１の波長と、前記捕捉体と前記被検出物質が結合した状態における前記擬似ピーク状構造の前記極大値での第２の波長とによって、前記試料中に前記被検出物質があるか否かを判別する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学的センサ。
5. 前記第１の波長は５８０ｍｍより短くかつ前記第２の波長は５８０ｎｍより長く、
   前記第１の波長が５７０ｎｍより短いことと前記第２の波長が５９０ｎｍより長いこととの少なくとも一方が満たされる、請求項４に記載の光学的センサ。
6. 前記第１の波長は５７０ｎｍより短くかつ前記第２の波長は５７０ｎｍより長い、請求項４に記載の光学的センサ。
7. 前記複数の捕捉体は粉体に固定されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光学的センサ。
8. 試料中の被検出物質の検出方法であって、
   電磁波が供給されるように構成された上面と、下面とを有し、厚さが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である金よりなる第１の金属層と、
   前記第１の金属層の前記下面に対向する上面を有する、金よりなる第２の金属層と、
   を備え、前記第１金属層と前記第２金属層との間に中空領域が設けられ、前記被検出物質と特異的に結合する複数の捕捉体が前記第１の金属層の下方側と前記第２の金属層の上方側の少なくとも一方側に物理吸着された光学的センサを準備するステップと、
   毛細管現象を利用して前記試料を前記中空領域に挿入するステップと、
   を含む、被検出物質の検出方法。
9. 前記複数の捕捉体は粉体に固定されている、請求項８に記載の被検出物質の検出方法。
10. 電磁波が供給されるように構成された上面と、下面とを有し、厚さが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である金よりなる第１の金属層と、
    前記第１の金属層の前記下面に対向する上面を有する、金よりなる第２の金属層と、
    を備え、前記第１金属層と前記第２金属層との間に中空領域が設けられている、光学的センサを準備するステップと、
    毛細管現象を利用して、被検出物質と特異的に結合する捕捉体を含む複数の溶質を前記中空領域に挿入するステップと、
    前記捕捉体を前記中空領域に挿入するステップの後で、前記複数の溶質を乾燥させることで前記第１の金属層の下方と、前記第２の金属層の上方のうちの少なくとも一方の領域に前記捕捉体を配置するステップと、
    を含む、光学的センサの製造方法。
11. 前記複数の捕捉体は粉体に固定されている、請求項１０に記載の光学的センサの製造方法。

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