JPWO2014196169A1 - センサーチップ、検出方法および検出装置 - Google Patents

Abstract

基板と、金属パターンと、近接物質と、遮光層とを具備し、金属パターンは、基板上に設けられ、近接物質は、金属パターンに近接して設けられ、遮光層は、基板上に、金属パターンと近接物質とを覆うように設けられ、遮光層は、近接物質への励起光を遮る層であり、被検体の内部において分解される物質から形成されている、センサーチップ。

Description

本願は、表面増強ラマン分光法により、被検物質を検出するセンサーチップ、検出方法および検出装置に関する。

ラマン分光法は、物質に一定振動数の単色光（励起光）を照射し、散乱された光の中に含まれる、入射光の振動数と異なる振動数を有する散乱光（以下、ラマン散乱光という）を分光・検出する方法である。ラマン散乱光の振動数と、入射光の振動数との差（ラマンシフト）は、物質を構成する分子や結晶における、分子や原子の振動や回転のエネルギー準位間の振動数に等しく、物質の構造に特有の値を取る。このため、ラマン分光法は、分子の構造や、状態を知るために利用される。

ラマン分光法の中でも、表面増強ラマン散乱（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＥＲＳ）を利用した、表面増強ラマン分光法が提案されている。

表面増強ラマン散乱は、ナノメートルサイズの貴金属構造体を有する専用センサーチップの表面に付着した分子のラマン散乱光の強度が増大する現象である。表面増強ラマン散乱によれば、通常１０⁴〜１０⁹程度の増強が得られる。このため、金属表面上に固定した分子、さらに金属表面近傍の分子の高感度検出を可能にする。

表面増強ラマン分光法は、医療診断分野において幅広く応用が検討されている。表面増強ラマン分光法は、特に、生体内に含有されるグルコースのような生体成分の検出に応用される。さらに、表面増強ラマン散乱光強度に基づいて、生体成分の濃度が算出され得る。

非特許文献１は、生体内に埋め込まれたセンサーチップを用いた表面増強ラマン分光法を用いて、生体中のグルコース濃度を生体内で測定する方法を開示している。

このようなアプローチによれば、微小なセンサーチップを完全に生体内に埋め込むことにより、測定したいときに外部から光を照射するだけで、その都度痛みを与えることなく、分析対象物を測定またはモニターすることができる。

国際公開第２０１１／０５３２４７号

Ｊ．Ｍ．Ｙｕｅｎ， Ｎ．Ｃ．Ｓｈａｈ ｅｔ．ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．（２０１０）８２：８３８２−８３８５

前述のアプローチでは、センサーチップを被検体（分析対象物）の内部（例えば生体内）に埋め込む必要がある。センサーチップを被検体の内部（例えば生体内）に埋め込む手段としては、皮膚を切開し、切開部よりセンサーチップを生体内に埋め込む外科的な埋め込み手段が考えられる。または、センサーチップ専用の埋め込み治具を利用した手段が考えられる。

従来のセンサーチップは、センサーチップ表面上に形成された金属パターン層であって、表面プラズモン波を誘起しうる金属パターン層を有する。金属パターン層は金属の微細構造体から成るため、物理的耐久性が低い。そのため、上記センサーチップを被検体の内部に埋め込む際、センサー面と埋め込み専用治具との接触、さらにはセンサー面と被検体（例えば生体組織）との接触により、金属の微細構造体が破損してしまう。この結果、センサー感度の低下や、被検体の内部におけるセンサー寿命の低下を招くという課題があった。

前記従来の課題を解決するために、本発明の例示的な実施形態として以下のものが提供される。

被検体の内部において被検物質を検出するためのセンサーチップであって、基板と、金属パターンと、近接物質と、遮光層とを具備し、前記金属パターンは、前記基板上に設けられ、前記金属パターンは、励起光が照射されることにより表面プラズモン波を誘起し、前記近接物質は、前記金属パターンに近接して設けられ、前記近接物質は、前記励起光が照射されることにより、第一ピークを有する第一表面増強ラマン散乱光を発生させ、前記第一表面増強ラマン散乱光は、前記被検物質の濃度の変化に応じて変化せず、前記近接物質は、前記被検物質と結合する物質であり、前記被検物質と結合した近接物質は、前記励起光が照射されることにより、前記第一ピークとは異なる第二ピークを有する第二表面増強ラマン散乱光を発生させ、前記第二表面増強ラマン散乱光は、前記被検物質の濃度の変化に応じて変化し、前記遮光層は、前記基板上に、前記金属パターンと前記近接物質とを覆うように設けられ、前記遮光層は、前記近接物質への前記励起光を遮る層であり、前記遮光層は、前記被検体の内部において分解される物質から形成されている、センサーチップ。

本発明の実施形態によれば、被検体の内部に埋め込まれる際のセンサーチップの損傷を抑制することができる。これにより、例えば生体内、被検溶液などに含有される被検物質（例えば、グルコースなどの生体成分）を、より正確に検出することができる。

実施の形態２によるセンサーチップの構成の一例を示す図 皮膚組織の断面図 実施の形態２による検出装置の構成例を示す図 第一表面増強ラマン散乱光の例示的なスペクトル図 第二表面増強ラマン散乱光の例示的なスペクトル図 実施の形態１によるセンサーチップの構成の一例を示す図 実施の形態２による検出方法の例示的なフローチャート 実施の形態３による検出装置の構成の一例を示す図

まず、本発明の一態様の概要を説明する。

本発明の一態様であるセンサーチップは、被検体の内部において被検物質を検出するためのセンサーチップであって、基板と、金属パターンと、近接物質と、遮光層とを具備し、前記金属パターンは、前記基板上に設けられ、前記金属パターンは、励起光が照射されることにより表面プラズモン波を誘起し、前記近接物質は、前記金属パターンに近接して設けられ、前記近接物質は、前記励起光が照射されることにより、第一ピークを有する第一表面増強ラマン散乱光を発生させ、前記第一表面増強ラマン散乱光は、前記被検物質の濃度の変化に応じて変化せず、前記近接物質は、前記被検物質と結合する物質であり、前記被検物質と結合した近接物質は、前記励起光が照射されることにより、前記第一ピークとは異なる第二ピークを有する第二表面増強ラマン散乱光を発生させ、前記第二表面増強ラマン散乱光は、前記被検物質の濃度の変化に応じて変化し、前記遮光層は、前記基板上に、前記金属パターンと前記近接物質とを覆うように設けられ、前記遮光層は、前記近接物質への前記励起光を遮る層であり、前記遮光層は、前記被検体の内部において分解される物質から形成されている。

前記遮光層に気泡が分散されていてもよい。

前記被検物質は、グルコースであってもよい。

前記近接物質は、末端にチオール基を有するフェニルボロン酸化合物であってもよい。前記フェニルボロン酸化合物は、前記チオール基により前記金属パターンの表面に化学吸着していてもよい。

前記第一表面増強ラマン散乱光の前記第一ピークのピーク位置は、１０７３ｃｍ^-1であってもよい。前記第二表面増強ラマン散乱光の前記第二ピークのピーク位置は、９９７ｃｍ^-1であってもよい。

前記被検体は、生体であってもよい。前記遮光層は、生分解性を有する第１の生体適合性ポリマーから形成されていてもよい。

前記被検体は、生体であってもよい。前記金属パターンを有しない前記基板の他方の面は、生分解性を有しない第２の生体適合性ポリマーで被覆されていてもよい。

前記遮光層は、前記励起光を散乱させる光散乱層であってもよい。

本発明の他の一態様である検出方法は、上記のいずれかに記載のセンサーチップを用いて、前記被検物質を検出する検出方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｇ）を具備する：検出装置を準備する工程（ａ）、ここで、前記検出装置は、前記励起光を出射する光源と、検出手段と、演算手段とを具備し、前記センサーチップを前記被検体の内部に埋め込む工程（ｂ）、前記光源からの励起光を前記被検体の内部に埋め込まれた前記センサーチップに照射し、前記第一表面増強ラマン散乱光を発生させる工程（ｃ）、前記工程（ｃ）で発生した前記第一表面増強ラマン散乱光を前記検出手段で検出し、第一強度Ｘａを得る工程（ｄ）、前記第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上であるか否かを、前記演算手段により判定する工程（ｅ）、前記工程（ｅ）にて前記第一強度Ｘａが前記所定強度Ｘｚ以上となったと判定された後に、前記光源からの励起光を前記被検体の内部に埋め込まれた前記センサーチップに照射し、前記第二表面増強ラマン散乱光を発生させる工程（ｆ）、前記工程（ｆ）で発生した前記第二表面増強ラマン散乱光を前記検出手段で検出し、第二強度Ｘｂを得る工程（ｇ）。

前記検出装置は、前記第二強度Ｘｂと前記被検物質の濃度との相関関係を示す情報を保持するメモリをさらに具備していてもよい。前記工程（ｇ）において得られた前記第二強度Ｘｂと前記情報とに基づいて、前記被検物質の濃度が算出されてもよい。

本発明のさらに他の一態様である検出装置は、上記のいずれかに記載のセンサーチップを用いて、前記被検物質を検出する検出装置であって、前記励起光を出射する光源と、検出手段と、演算手段とを具備し、前記検出装置は、前記光源から励起光を前記被検体の内部に埋め込まれた前記センサーチップに照射することにより、前記第一表面増強ラマン散乱光を発生させ、前記検出手段は、発生した前記第一表面増強ラマン散乱光を検出することにより、第一強度Ｘａを得、前記演算手段は、前記第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上であるか否かを判定し、前記検出装置は、前記第一強度Ｘａが前記所定強度Ｘｚ以上となったと判定された後に、前記光源から励起光を前記被検体の内部に埋め込まれた前記センサーチップに照射することにより、前記第二表面増強ラマン散乱光を発生させ、前記検出手段は、発生した前記第二表面増強ラマン散乱光を検出することにより、第二強度Ｘｂを得る。

前記検出装置は、前記第二強度Ｘｂと前記被検物質の濃度との相関関係を示す情報を保持するメモリをさらに具備していてもよい。発生した前記第二表面増強ラマン散乱光を前記検出手段で検出することによって得られた前記第二強度Ｘｂと前記情報とに基づいて、前記被検物質の濃度が算出されてもよい。

本発明のさらに他の一態様である検出装置の制御方法は、上記のいずれかに記載のセンサーチップを用いて、前記被検物質を検出する検出装置の制御方法であって、前記検出装置は、前記励起光を出射する光源と、検出手段と、演算手段とを具備し、前記光源からの励起光を前記被検体の内部に埋め込まれた前記センサーチップに照射し、前記第一表面増強ラマン散乱光を発生させる工程（Ａ）と、前記工程（Ａ）で発生した前記第一表面増強ラマン散乱光を前記検出手段で検出し、第一強度Ｘａを得る工程（Ｂ）と、前記第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上であるか否かを、前記演算手段により判定する工程（Ｃ）と、前記工程（Ｃ）にて前記第一強度Ｘａが前記所定強度Ｘｚ以上となったと判定された後に、前記光源からの励起光を前記被検体の内部に埋め込まれた前記センサーチップに照射し、前記第二表面増強ラマン散乱光を発生させる工程（Ｄ）と、前記工程（Ｄ）で発生した前記第二表面増強ラマン散乱光を前記検出手段で検出し、第二強度Ｘｂを得る工程（Ｅ）とを実行する、検出装置の制御方法。

以下、本発明の実施の形態を、図面を見ながら説明する。

なお、図面に記された構成要素は、必ずしも縮尺どおりに記したものではなく、本発明の原理を明確に例示するために誇張したものとなっている。

（実施の形態１）
実施の形態１を、図６を参照しながら説明する。

図６は、実施の形態１によるセンサーチップ１１０を示す図である。

実施の形態１によるセンサーチップ１１０は、被検体の内部において被検物質を検出するセンサーチップである。センサーチップ１１０は、被検体に埋め込まれ得る。

センサーチップ１１０は、基板１１１と、金属パターン１１４と、近接物質１１５と、遮光層１１２とを具備する。

金属パターン１１４は、基板１１１上に設けられる。

金属パターン１１４は、励起光が照射されることにより表面プラズモン波を誘起する。

近接物質１１５は、金属パターン１１４に近接して設けられる。

近接物質１１５は、励起光が照射されることにより、第一ピークを有する第一表面増強ラマン散乱光を発生させる。

第一表面増強ラマン散乱光は、被検物質の濃度の変化に応じて変化しない。

また、近接物質１１５は、被検物質と結合する物質である。

被検物質と結合した近接物質１１５は、励起光が照射されることにより、第一ピークとは異なる第二ピークを有する第二表面増強ラマン散乱光を発生させる。

第二表面増強ラマン散乱光は、被検物質の濃度の変化に応じて変化する。

遮光層１１２は、基板１１１上に、金属パターン１１４と近接物質１１５とを覆うように設けられる。

遮光層１１２は、近接物質１１５への励起光を遮る層である。

遮光層１１２は、被検体の内部において分解される物質からなる。

以上の構成によれば、遮光層１１２を備えることにより、センサーチップを被検体に埋め込む際の金属パターン１１４の損傷を低減し得る。

さらに、近接物質１１５を備えることにより、近接物質１１５からの散乱光を利用して、遮光層１１２が被検体の内部において分解されたか否かを判定することができる。これにより、遮光層１１２が被検体の内部において分解された後に、被検物質の検出や被検物質の濃度の測定を行うことができる。

さらに、遮光層１１２が近接物質１１５への励起光を遮る層であることにより、近接物質１１５からの散乱光を利用して、遮光層１１２が被検体の内部において分解されたか否かを、より正確に判定することができる。すなわち、例えば遮光層１１２が被検体の内部において未だ分解されていない状態において、被検物質の検出を行ってしまうことを回避することができる。

実施の形態１によるセンサーチップ１１０においては、遮光層１１２に気泡が分散されていてもよい。

遮光層１１２に気泡を分散させることにより、より容易かつ短時間に、被検体の内部で遮光層１１２を分解させ得る。

また、実施の形態１においては、被検物質はグルコースであってもよい。

実施の形態１によるセンサーチップ１１０においては、近接物質１１５が、末端にチオール基を有するフェニルボロン酸化合物であってもよい。

フェニルボロン酸化合物は、チオール基により金属パターン１１４の表面に化学吸着していてもよい。

このとき、第一表面増強ラマン散乱光の第一ピークのピーク位置は、１０７３ｃｍ^-1である。また、第二表面増強ラマン散乱光の第二ピークのピーク位置は、９９７ｃｍ^-1である。

また、実施の形態１においては、被検体は、生体（例えばヒトや動物）であってもよい。

このとき、遮光層１１２は、生分解性を有する第１の生体適合性ポリマーから形成されていてもよい。

また、金属パターン１１４を有しない、基板１１１の他方の面は、生分解性を有しない第２の生体適合性ポリマーで被覆されていてもよい。

また、実施の形態１によるセンサーチップ１１０においては、遮光層１１２は、励起光を散乱させる光散乱層であってもよい。

以上の実施の形態１によるセンサーチップ１１０のより具体的な構成例の１つとして、以下の実施の形態２にて説明されるセンサーチップが例示される。

（実施の形態２）
実施の形態２を、図１から図５、および図７を参照しながら説明する。

実施の形態２においては、実施の形態１で示されたセンサーチップ１１０を用いた被検物質の検出方法が提案される。

実施の形態２においては、センサーチップ１１０の具体例として、図１に示すセンサーチップ１０を例示する。

実施の形態２においては、被検体として生体を例示する。

実施の形態２においては、被検物質としてグルコースを例示する。

また、近接物質としてフェニルボロン酸化合物を例示する。

実施の形態２においては、遮光層として光散乱層を例示する。

図７は、実施の形態２による検出方法の例示的なフローチャートである。

実施の形態２による検出方法は、以下で説明する工程（ａ）から（ｇ）を具備する。

実施の形態２による検出方法によれば、近接物質からの散乱光を利用することにより、遮光層が被検体の内部において分解されたか否かを判定することができる。このとき、遮光層が被検体の内部において分解された後に、後述する第二強度Ｘｂを得ることにより、被検物質の検出をより正確に行うことができる。

＜工程（ａ）＞
工程（ａ）は、検出装置を準備する工程である。ここで、検出装置は、光源および検出手段を具備する。

以下、詳細に、実施の形態２における工程（ａ）を説明する。

工程（ａ）では、検出装置が準備される。

図３に示す検出装置３０は、光源３１および検出手段の一例である分光検出器３６を具備する。

検出装置３０は、必要に応じて、バンドパスフィルター３２、光学系３５、ビームスプリッター３４、メモリ３８および演算部３７を具備する。

光源３１からの励起光３３は、例えば、７８５ｎｍの波長を有する略平行光である。当該略平行光の一例は、１００μｍの直径を有する、円形のビーム形状を有している光である。

バンドパスフィルター３２は、光源３１からの励起光３３のみを通過させる。

光学系３５は、センサーチップ１０より発生した表面増強ラマン散乱光のビームを整形する。光学系３５は、１つ以上のレンズを含んでいてもよい。なお、図３に示す例では、センサーチップ１０は皮膚組織２０の内部に位置している。

ビームスプリッター３４は、センサーチップ１０より発生した表面増強ラマン散乱光３９を分光検出器３６に導く。

検出手段の一例である分光検出器３６は、表面増強ラマン散乱光３９を検出する。分光検出器３６は、検出された光に応じた信号を出力する。分光検出器３６は、複数の受光領域を有していてもよい。

演算手段の一例である演算部３７（例えばコンピュータ）は、分光検出器３６によって検出された光の強度を算出する。そして、算出された強度から、例えば、被検物質の濃度を算出する。

＜工程（ｂ）＞
工程（ｂ）は、センサーチップを被検体の内部（例えば生体内）に埋め込む工程である。

センサーを生体内に埋め込む手段としては、皮膚を切開し、切開部よりセンサーチップを生体内に埋め込む外科的な埋め込み手段が考えられる。または、センサーチップの形状、および埋め込み場所に適応した専用の埋め込み治具を利用する手段が考えられる。

図２に、皮膚組織２０の拡大断面図を示す。

図２に示すように、皮膚組織２０は、表皮組織２１、真皮組織２２および皮下組織２３を具備する。これら表皮組織２１、真皮組織２２および、皮下組織２３は、この順に積層されている。

表皮組織２１は、生体の表面に位置する。表皮組織２１はおよそ０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの厚さを有する。

真皮組織２２は、およそ０．５ｍｍ〜２ｍｍの厚さを有する。

センサーチップ１０は、例えば、真皮組織２２に埋め込まれる。

センサーチップ１０は、組織細胞間の体液である細胞間質液に浸されて維持されている。

皮下組織２３は、主に脂肪組織から構成される。

本明細書において用いられる用語「体液」とは、細胞間質液を意味する。

真皮組織２２は、複数の毛細血管を有する。このため、体液は、当該毛細血管の生体成分を含有している。特に、毛細血管壁は、グルコースについて高い透過性を有する。このため、体液中のグルコース濃度は、血糖値と高い相関性を有する。

＜工程（ｃ）＞
工程（ｃ）は、光源からの励起光を被検体の内部に埋め込まれたセンサーチップに照射し、第一表面増強ラマン散乱光を発生させる工程である。

以下、詳細に、実施の形態２における工程（ｃ）を説明する。

工程（ｃ）では、光源３１からの励起光３３が、例えば生体表面（皮膚）を透過する。生体内（例えば真皮組織２２）に埋め込まれたセンサーチップ１０に透過した励起光３３が照射されることにより、表面増強ラマン散乱光３９が生じる。

表面増強ラマン散乱光３９は、第一表面増強ラマン散乱光を含む。

図２に示されるように、センサーチップ１０は、金属パターン１４を具備する面が表皮組織２１と平行になるように真皮組織２２中に埋め込まれる。表皮組織２１からセンサーチップ１０までの距離は、およそ１．５ｍｍである。

本発明の実施の形態２によるセンサーチップの構成の一例を、図１を参照しながら説明する。

基板１１は、本発明の実施形態において、目的とする表面増強ラマン分光法による被検物質の検出を可能にする基板であれば、特に制限は無い。例えば、基板１１は、固体基板であってもよい。ここでは、安価でかつ入手しやすいガラス、プラスチック、シリコンなどを用いる。基板１１は、およそ直径１ｍｍ、および、およそ０．１〜０．５ｍｍの厚みを有する。

基板１１上に金属パターン１４が形成される。金属パターン１４は、プラズモンが生ずる物質から構成されていればよく、金属パターン１４には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔなどの貴金属単体、これら元素から構成される金属間化合物、合金などを用いることができる。

また、金属パターン１４は、リソグラフィー技術、インプリント技術などを用いてパターン形成された金属パターン層であり得る。

基板１１上に形成される金属パターンは、例えば、金属粒子、金ナノロッド、微小な凹凸などを有する金属膜であってもよい。金属パターンは、表面増強ラマン散乱を生じる構造であればよい。

金属パターン１４上には、近接物質であるフェニルボロン酸化合物１５の層が形成される。

フェニルボロン酸化合物１５としては、グルコースと可逆的に反応し、グルコースの濃度の変化に応じて、その発生する表面増強ラマン散乱光の強度が変化するピークを少なくとも１つ以上有する物質を用いることができる。

フェニルボロン酸化合物１５は、末端に有するチオール基により、金属パターン層１４に化学吸着され得る。

近接物質であるフェニルボロン酸化合物は、例えば下記の一般式（１）で表される化合物であり得る（ｎは１以上の整数である）。

．．．．（１）

Ｘで示される２価の連結基の例は、アルキル結合、アミド結合、カルバモイル結合、エーテル結合、エステル結合、チオエステル結合、チオエーテル結合、スルホンアミド結合、ウレタン結合、スルホニル結合、イミン結合、ウレア結合、チオウレア結合などのうち、少なくとも１つまたは２以上の結合を含む連結基である。

一般式（１）におけるｎの値は、３から１６であると有益である。この範囲では、炭化水素鎖の末端にチオール基が付加された長鎖分子から構成される自己組織化単分子膜を金属パターン１４上に形成し易い。

一般式（１）におけるＲの例は、水素原子、ヒドロキシ基、ハロゲン基、カルボキシル基、カルボン酸エステル基、カルボン酸アミド基、シアノ基、ニトロ基、アミノ基、炭素数が１〜５のアルコキシ基である。一般式（１）におけるＲは、上記に限定されない。

図１に示すセンサーチップ１０は、生体内へ埋め込まれ得る。このため、センサーチップ１０の周辺部は、生物活性の低いポリマー（生体適合性ポリマー）によりコーティングされ得る。それにより、センサーチップに生体適合性を付与し、チップ面への非特異的なタンパク質の相互作用および炎症応答を排除（もしくは最小限に）することができる。

図１に示す生体適合性ポリマー１３（第２の生体適合性ポリマー）は、生分解性を持たない材料である。生体適合性ポリマー１３は、以下に限定されないが、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、パリレンＣ、パリレンＨＴ、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリウレタン、アクリロニトリル共重合体、ポリ塩化ビニルの共重合体、ポリアミド、ポリスルホン、ポリスチレン、フッ化ビニル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリビニルエステル、ポリビニルブチレート、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリイソプレン、ポリイソブチレン、ポリブタジエン、ポリエチレン、ポリエーテル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロエーテル、ポリメタクリル酸メチル、ポリブチルメタクリレート、ポリ酢酸ビニル、ナイロン、セルロース、シリコーンゴムのいずれかを含んでいてもよい。

光散乱層１２は、基板１１上で励起光が照射される側に形成される。光散乱層１２は、第１の生体適合性ポリマーから形成される。第１の生体適合性ポリマーは生分解性を有する。

ここで「生分解性」とは、生体内で速やかに異化代謝されて分解し、消失する特質をいう。

生分解性を有する第１の生体適合性ポリマーの例は、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、乳酸−グリコール酸共重合体、ポリ（ラクチド−グリコライド）、ポリ（エチレングリコール−ラクチド）、ポリ（グリコール酸−カプロラクトン）、乳酸−エチレングリコール共重合体、ポリカプロラクトン、ポリ（ラクチド−カプロラクトン）、ポリヒドロキシブチレート、ポリヒドロキシイソブチレート、ポリバレロラクトン、ポリγ−ヒドロキシ吉草酸、ポリ（ヒドロキシブチレート−ヒドロキシバレレート）、ポリイソブチルシアノアクリレート、ポリアルキルシアノアクリレートなどである。第１の生体適合性ポリマーは、上記に限定されず、キチン、キトサン、ゼラチンなどでもよい。

本発明の実施形態に使用される生体適合性の高分子重合体または生体内分解性の高分子重合体は、入手が容易であるか、一般的な合成法により容易に合成できる。また、後述するように、これらは分子内にＣ−Ｓ結合を有しない。

光散乱層１２は、第１の生体適合性ポリマーと、このポリマー中に分散する気泡とを有する構成であってもよい。

光散乱層１２を設けることにより、センサーチップ１０を例えば生体内に埋め込む際における、生体組織とセンサー面との直接の接触を回避でき、接触の際の衝撃、ずり応力などに対する緩衝効果が得られる。

光散乱層１２は、生分解性を有する生体適合性材料から構成されているため、センサーチップ１０を生体内に埋め込んだ場合、生体内で分解され得る。

光散乱層１２が気泡を有する場合、光散乱層１２が気泡を有しない構造に比べ、容易に生体内で分解され、短時間で分解が完了する。

光散乱層１２の厚さは特に限定されないが、１μｍ以上１０００μｍ以下であると有益である。つまり、１μｍ以下では、生体内への埋め込み時における生体組織との接触により、センサー面がダメージを受けやすい。１０００μｍ以上では、生体内に埋め込んだ際、生体液による分解に時間を要し、センサー機能発現までに長時間を要することがある。

図１に示すように光散乱層１２がセンサー面上に存在する場合には、励起光をセンサー表面に照射した際、光散乱層１２の光散乱効果により、励起光がセンサー表面に届かないか、または極端に減衰されるため、フェニルボロン酸化合物に由来する第一表面増強ラマン散乱光は発生しない。生体内で光散乱層１２が分解されると、第一表面増強ラマン散乱光が発生する。

＜工程（ｄ）＞
工程（ｄ）は、工程（ｃ）で発生した第一表面増強ラマン散乱光を検出手段で検出し、第一強度Ｘａを得る工程である。

以下、詳細に、実施の形態２における工程（ｄ）を説明する。

図３に示すように、光源３１からの励起光３３がセンサーチップ１０に照射されると、金属パターン１４周辺で表面プラズモン共鳴が生じ、金属パターン１４の近傍における電場が増強される。これは金属パターン１４の近傍（０．５〜３０ｎｍ以内）に位置する物質のラマン散乱光の増強をもたらす。

表面増強ラマン散乱光３９は、光学レンズ系３５により整形され、ビームスプリッター３４により反射され、光学レンズ系３５によりさらに整形された後、分光検出器３６により検出される。

ここで、分光検出器３６としては、公知の技術を特に限定なく使用することができる。例えば、ツェルニーターナー型分光器、エシェル型分光器、フラットフィールド型分光器、フィルター型分光器などが利用できる。

前述のように、表面増強ラマン散乱光の強度は、通常のラマン散乱光の強度の１０⁴〜１０⁹倍大きい。したがって、金属パターン１４の近傍で発生する表面増強ラマン散乱光は、皮膚組織（表皮組織２１、真皮組織２２）において発生するラマン散乱光よりもはるかに大きい強度を有する。これは、金属パターン１４近傍からのラマン散乱光が選択的に増強されていることを意味する。

図４は、第一表面増強ラマン散乱光の例示的なスペクトル図である。

図４に示す例では、金属パターン１４上に化学吸着したフェニルボロン酸化合物１５のＣ−Ｓ結合に由来する第一表面増強ラマン散乱光のピークが、１０７６ｃｍ^-1に発生している。図４において、第一表面増強ラマン散乱光の信号強度（例えばピーク位置での強度）は、Ｘａで示されている。

特許文献１には、フェニルボロン酸化合物またはその誘導体は、グルコースが結合することにより、分子内の電子分布の変化または立体的な構造変化により、表面増強ラマン散乱光強度が変化することが示されている。

しかし、第一表面増強ラマン散乱光に対応するＣ−Ｓ結合は、グルコースが結合するボロン酸基から最も離れた場所に位置するため、分子内の電子分布の変化を受けない。さらに、チオール基（−ＳＨ）は金属パターン１４と結合（共有結合）しているため、グルコースの結合による構造変化を受けない。そのため、第一表面増強ラマン散乱光は、被検物質の濃度の変化に応じて変化しない。

すなわち、近接物質（ここではフェニルボロン酸化合物１５）からの第一表面増強ラマン散乱光を検出手段で検出することにより、第一強度Ｘａが得られる。

なお、金属パターン１４近傍に配置される光散乱層１２を構成する第１の生体適合性ポリマーも、同様に表面増強ラマン散乱光のピークを示す。しかし、第１の生体適合性ポリマーはＣ−Ｓ結合を有しない。そのため、第１の生体適合性ポリマーからの表面増強ラマン散乱光のピークが、近接物質の一例であるフェニルボロン酸化合物１５のＣ−Ｓ結合に由来する表面増強ラマン散乱光のピークとオーバーラップすることは無い。

＜工程（ｅ）＞
工程（ｅ）は、第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上であるか否かを、演算手段により判定する工程である。

以下、詳細に、実施の形態２における工程（ｅ）を説明する。

演算部３７は、分光検出器３６によって検出された第一表面増強ラマン散乱光強度（Ｘａ）と、事前に定めた所定強度Ｘｚとを比較する。

検出装置３０は、メモリ３８に所定強度Ｘｚを予め保持していてもよい。

第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚよりも低い場合は、センサー表面に光散乱層１２が存在していることを示す。つまり、センサー表面に形成された光散乱層１２を構成する第１の生体適合性ポリマーがセンサー面上に存在するため、被検物質の一例である生体内のグルコースは、フェニルボロン酸化合物１５と反応できない。つまり、センサー機能は発現していない。

時間経過に伴って第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚよりも高くなった場合は、センサー表面上の光散乱層１２が消失したことを示し、センサー機能が発現したことを示す。

つまり、フェニルボロン酸化合物１５のＣ−Ｓ結合に由来する第一表面増強ラマン散乱光の強度を計測することにより、例えば生体内に埋め込まれたセンサーチップ１０における光散乱層１２の消失と、それに伴うセンサー機能の発現とを確認できる。

＜工程（ｆ）、（ｇ）＞
工程（ｆ）は、工程（ｅ）にて第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上となったと判定された後に、光源からの励起光を被検体の内部に埋め込まれたセンサーチップに照射し、第二表面増強ラマン散乱光を発生させる工程である。

工程（ｇ）は、工程（ｆ）で発生した第二表面増強ラマン散乱光を検出手段で検出し、第二強度Ｘｂを得る工程である。

以下、詳細に、実施の形態２における工程（ｆ）および工程（ｇ）を説明する。

図５は、第二表面増強ラマン散乱光の例示的なスペクトル図である。

図５に示す例では、第二表面増強ラマン散乱光のピークは、９９７ｃｍ^-1に発生している。図４と図５との比較から明らかなように、第二表面増強ラマン散乱光のピーク位置は、第一表面増強ラマン散乱光のピーク位置とは異なっている。第二表面増強ラマン散乱光は、例えば金属粒子を有する金属パターン１４における金属粒子上に化学吸着したフェニルボロン酸化合物１５のベンゼン環に由来する。図５において、第二表面増強ラマン散乱光の信号強度（例えばピーク位置での強度）は、Ｘｂで示されている。

第二表面増強ラマン散乱光は、グルコースと結合するボロン酸基が直接結合したベンゼン環に由来する信号である。そのため、特許文献１に開示されているように、グルコースの結合により、分子内の電子分布の変化、または立体的な構造変化の影響を受ける。つまり、第二表面増強ラマン散乱光は、光源からの励起光の照射により、グルコースなどの被検物質と結合した近接物質から発生する光である。したがって、第二表面増強ラマン散乱光は、被検物質の濃度の変化に応じて変化する。

すなわち、被検物質と結合した近接物質（ここではグルコースと結合したフェニルボロン酸化合物１５）からの第二表面増強ラマン散乱光を検出手段で検出することにより、第二強度Ｘｂが得られる。

図５において矢印ＡＲによって模式的に示すように、被検物質（例えばグルコース）が存在する場合には、第二表面増強ラマン散乱光が増強される。つまり、この例では、グルコース濃度変化に従って、第二表面増強ラマン散乱光が変化する。

第二強度Ｘｂを得た後、演算部３７は、正確なピーク強度Ｘｂと被検物質（例えばグルコース）の濃度との相関関係を示す情報に基づいて、被検物質の濃度を算出してもよい。

これにより、例えば生体内に含まれる被検物質（例えばグルコース）の濃度測定を行うことができる。

ピーク強度Ｘｂと被検物質の濃度との相関関係を示す情報は、例えば、検量線であってもよい。この場合、演算部３７は、ピーク強度Ｘｂを入力値として、検量線を示す関数により、入力値Ｘｂに対応する被検物質の濃度の値を算出してもよい。

検出装置３０は、メモリ３８に、ピーク強度Ｘｂと被検物質の濃度との相関関係を示す情報を予め保持していてもよい。例えば、検出装置３０は、メモリ３８に、当該検量線を示す関数のパラメータなどを予め保持していてもよい。

以上のように、実施の形態２によるセンサーチップと、これに関連する検出方法を用いることによって、生体中に存在する被検物質（例えば、グルコース）の濃度を計測することもできる。なお、上述の各工程は、演算部３７の指示に基づいて制御されることにより実行され得る。

（実施の形態３）
実施の形態３を、図８を参照しながら説明する。

本実施形態３においては、実施の形態１で示されたセンサーチップ１１０を用いた被検物質の検出装置が提案される。

図８は、実施の形態３による検出装置１３０を示す図である。

実施の形態３による検出装置１３０は、実施の形態１で示されたセンサーチップ１１０を用いて、被検物質を検出する検出装置である。

検出装置１３０は、励起光を出射する光源１３１と、散乱光を検出する検出手段１４０と、演算手段１３７とを具備する。

検出装置１３０は、光源１３１からの励起光を、例えば被検体の内部に埋め込まれたセンサーチップ１１０に照射し、第一表面増強ラマン散乱光を発生させる。

検出装置１３０は、発生した第一表面増強ラマン散乱光を検出手段１４０で検出し、第一強度Ｘａを得る。

このとき、検出装置１３０は、第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上であるか否かを、演算手段１３７により判定する。

第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上となったと判定された後に、検出装置１３０は、光源１３１からの励起光を、例えば被検体の内部に埋め込まれたセンサーチップ１１０に照射し、第二表面増強ラマン散乱光を発生させる。

検出装置１３０は、発生した第二表面増強ラマン散乱光を検出手段１４０で検出し、第二強度Ｘｂを得る。

以上の構成によれば、近接物質１１５からの散乱光を利用することにより、遮光層１１２が被検体の内部において分解されたか否かを判定することができる。このとき、遮光層１１２が被検体の内部において分解されたことを確認した後に第二強度Ｘｂを得ることにより、被検物質の検出をより正確に行うことができる。つまり、第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上となったことが確認された後に第二強度Ｘｂを得ることにより、被検物質の検出をより正確に行うことができる。なお、第二表面増強ラマン散乱光を発生させるための励起光の照射は、第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上となったとの判定に先立って実行されてもよい。第二強度Ｘｂを得る前に、第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上となったとの判定が行われていればよい。

なお、実施の形態３による検出装置１３０は、第二強度Ｘｂと被検物質の濃度との相関関係を示す情報（例えば検量線）を保持するメモリを備えていてもよい。

このとき、発生した第二表面増強ラマン散乱光を検出手段で検出することによって得られた第二強度Ｘｂと前述の相関関係を示す情報（例えば検量線）とに基づいて、被検物質の濃度を算出してもよい。

以上の構成によれば、被検物質の濃度の測定をより正確に行うことができる。

なお、実施の形態３による検出装置１３０のより具体的な構成例の１つとしては、例えば、実施の形態２において示された検出装置３０などが挙げられる。

すなわち、光源１３１は、光源３１などにより構成されていてもよい。

また、検出手段１４０は、分光検出器３６などにより構成されていてもよい。

また、演算手段１３７は、演算部３７などにより構成されていてもよい。

実施の形態３における検出装置は、実施の形態２において説明した検出方法に従って制御されることにより、被検物質を検出することができる。実施の形態２において説明した検出方法は、例えば演算手段１３７の指示に基づいて制御されることにより実行されてもよい。例えば、コンピュータの一部を構成する演算部３７の指示に基づいて制御されることにより、実施の形態２において説明した検出方法が実行されてもよい。

なお、金属パターン近傍に生体内のタンパクなどの妨害成分が存在した場合も、同様に当該妨害成分から表面増強ラマン散乱光（以下、妨害ラマン散乱光という）が発生し得る。しかし、例えば、被検物質がグルコースであり、近接物質がフェニルボロン酸化合物である場合、第一表面増強ラマン散乱光および第二表面増強ラマン散乱光のそれぞれのピーク位置付近の領域において、妨害ラマン散乱光のピークは存在しない。このため、妨害成分の存在によるグルコースの検出誤差を低減できる。

上述の実施の形態１〜３においては、遮光層として、励起光を散乱する光散乱層を例示したが、この例のみに限られない。遮光層は、例えば、励起光を反射する光反射層であってもよい。または、遮光層は、例えば、励起光を吸収する光吸収層であってもよい。遮光層は、近接物質への励起光を遮り、かつ、例えば被検体の内部において分解される構成であればよい。

なお、実施の形態１〜３においては、被検体は、人体または動物の体であってもよい。

被検体は、無生物であってもよい。すなわち、センサーチップは、例えば被検溶液の中に配置されてもよい。このとき、上述の検出方法または検出装置は、被検溶液の中に含有される被検物質の検出に用いられ得る。被検溶液は、生体から摘出された液であってもよい。例えば、被検溶液は、血液、汗、涙、尿、唾液などであってもよい。

本発明の実施形態は、例えば、生体内における被検物質（例えばグルコースなどの生体成分）の検出、またはその濃度を計測するために用いられ得る。

１０ センサーチップ
１１ 基板
１２ 光散乱層
１３ 生体適合性ポリマー
１４ 金属パターン
１５ フェニルボロン酸化合物
２０ 皮膚組織
２１ 表皮組織
２２ 真皮組織
２３ 皮下組織
３０ 検出装置
３１ 光源
３２ バンドパスフィルター
３３ 励起光
３４ ビームスプリッター
３５ 光学系
３６ 分光検出器
３７ 演算部
３８ メモリ
３９ 表面増強ラマン散乱光

Claims (12)

1. 被検体の内部において被検物質を検出するためのセンサーチップであって、
   基板と、金属パターンと、近接物質と、遮光層とを具備し、
   前記金属パターンは、前記基板上に設けられ、
   前記金属パターンは、励起光が照射されることにより表面プラズモン波を誘起し、
   前記近接物質は、前記金属パターンに近接して設けられ、
   前記近接物質は、前記励起光が照射されることにより、第一ピークを有する第一表面増強ラマン散乱光を発生させ、
   前記第一表面増強ラマン散乱光は、前記被検物質の濃度の変化に応じて変化せず、
   前記近接物質は、前記被検物質と結合する物質であり、
   前記被検物質と結合した近接物質は、前記励起光が照射されることにより、前記第一ピークとは異なる第二ピークを有する第二表面増強ラマン散乱光を発生させ、
   前記第二表面増強ラマン散乱光は、前記被検物質の濃度の変化に応じて変化し、
   前記遮光層は、前記基板上に、前記金属パターンと前記近接物質とを覆うように設けられ、
   前記遮光層は、前記近接物質への前記励起光を遮る層であり、
   前記遮光層は、前記被検体の内部において分解される物質から形成されている、
   センサーチップ。
2. 前記遮光層に気泡が分散されている、
   請求項１に記載のセンサーチップ。
3. 前記被検物質は、グルコースである、
   請求項１または２に記載のセンサーチップ。
4. 前記近接物質は、末端にチオール基を有するフェニルボロン酸化合物であり、
   前記フェニルボロン酸化合物は、前記チオール基により前記金属パターンの表面に化学吸着している、
   請求項３に記載のセンサーチップ。
5. 前記第一表面増強ラマン散乱光の前記第一ピークのピーク位置は、１０７３ｃｍ^-1であり、
   前記第二表面増強ラマン散乱光の前記第二ピークのピーク位置は、９９７ｃｍ^-1である、
   請求項４に記載のセンサーチップ。
6. 前記被検体は、生体であり、
   前記遮光層は、生分解性を有する第１の生体適合性ポリマーから形成されている、
   請求項１から５のいずれかに記載のセンサーチップ。
7. 前記被検体は、生体であり、
   前記金属パターンを有しない前記基板の他方の面は、生分解性を有しない第２の生体適合性ポリマーで被覆されている、
   請求項１から６のいずれかに記載のセンサーチップ。
8. 前記遮光層は、前記励起光を散乱させる光散乱層である、
   請求項１から７のいずれかに記載のセンサーチップ。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のセンサーチップを用いて、前記被検物質を検出する検出方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｇ）を具備する、検出方法：
   検出装置を準備する工程（ａ）、
   ここで、前記検出装置は、前記励起光を出射する光源と、検出手段と、演算手段とを具備し、
   前記センサーチップを前記被検体の内部に埋め込む工程（ｂ）、
   前記光源からの励起光を前記被検体の内部に埋め込まれた前記センサーチップに照射し、前記第一表面増強ラマン散乱光を発生させる工程（ｃ）、
   前記工程（ｃ）で発生した前記第一表面増強ラマン散乱光を前記検出手段で検出し、第一強度Ｘａを得る工程（ｄ）、
   前記第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上であるか否かを、前記演算手段により判定する工程（ｅ）、
   前記工程（ｅ）にて前記第一強度Ｘａが前記所定強度Ｘｚ以上となったと判定された後に、前記光源からの励起光を前記被検体の内部に埋め込まれた前記センサーチップに照射し、前記第二表面増強ラマン散乱光を発生させる工程（ｆ）、
   前記工程（ｆ）で発生した前記第二表面増強ラマン散乱光を前記検出手段で検出し、第二強度Ｘｂを得る工程（ｇ）。
10. 前記検出装置は、前記第二強度Ｘｂと前記被検物質の濃度との相関関係を示す情報を保持するメモリをさらに具備し、
    前記工程（ｇ）において得られた前記第二強度Ｘｂと前記情報とに基づいて、前記被検物質の濃度を算出する、
    請求項９に記載の検出方法。
11. 請求項１から８のいずれかに記載のセンサーチップを用いて、前記被検物質を検出する検出装置であって、
    前記励起光を出射する光源と、検出手段と、演算手段とを具備し、
    前記検出装置は、前記光源から励起光を前記被検体の内部に埋め込まれた前記センサーチップに照射することにより、前記第一表面増強ラマン散乱光を発生させ、
    前記検出手段は、発生した前記第一表面増強ラマン散乱光を検出することにより、第一強度Ｘａを得、
    前記演算手段は、前記第一強度Ｘａが所定強度Ｘｚ以上であるか否かを判定し、
    前記検出装置は、前記第一強度Ｘａが前記所定強度Ｘｚ以上となったと判定された後に、前記光源から励起光を前記被検体の内部に埋め込まれた前記センサーチップに照射することにより、前記第二表面増強ラマン散乱光を発生させ、
    前記検出手段は、発生した前記第二表面増強ラマン散乱光を検出することにより、第二強度Ｘｂを得る、
    検出装置。
12. 前記検出装置は、前記第二強度Ｘｂと前記被検物質の濃度との相関関係を示す情報を保持するメモリをさらに具備し、
    発生した前記第二表面増強ラマン散乱光を前記検出手段で検出することによって得られた前記第二強度Ｘｂと前記情報とに基づいて、前記被検物質の濃度を算出する、
    請求項１１に記載の検出装置。

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