JPWO2020110481A1 - 複合体及び検出装置 - Google Patents

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Abstract

本開示は、良好な分散性と安定な発光特性とを有する複合体を提供する。本開示による複合体（２０３２）は、標的物質と特異的に結合する性質を有する第１物質（２０３２２）と、シリコンを主成分として含み、かつ、表面が負の電荷を帯びている量子ドット（２０３２１ａ）と、下記一般式（１）で表される化合物を含み、量子ドット（２０３２１ａ）の表面を覆うリンカー物質（２０３２１ｂ）と、を含み、第１物質（２０３２２）は、リンカー物質（２０３２１ｂ）を介して量子ドット（２０３２１ａ）の表面に固定化される。Ｘ−Ｌ−Ｓｉ−（Ｒ１）（Ｒ２）（ＯＲ３） ・・・（１）（ただし、式中、Ｘは、塩基性の官能基であり、Ｒ１、Ｒ２、及び、Ｒ３は、それぞれ独立して、アルキル基であり、Ｌは、アルキレン基である。）

Description

本開示は、標的物質と特異的に結合する複合体及び当該複合体を用いた検出装置に関する。
微量の標的物質を高感度に検出する検出方法の１つとして、例えば、表面プラズモン共鳴蛍光分析法（表面プラズモン励起増強蛍光分析法：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ−ｆｉｅｌｄ ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの蛍光法が知られている。蛍光法では、標的物質を標識するために、有機蛍光色素が用いられているが、有機蛍光色素は、化学構造的に弱いπ結合を有するため、退色しやすい。そのため、退色せず、安定な発光特性を有する蛍光物質が求められている。
安定な発光特性を有する蛍光物質としては、例えば、無機物質から構成される発光材料が考えられる。例えば、特許文献１は、常温でＳｉのバンドギャップ以下のエネルギーで発光するシリコン（Ｓｉ）ナノ結晶発光材料を開示している。
また、例えば、特許文献２は、蛍光性無機微粒子を蛍光物質として利用した蛍光検出方法を開示している。
特開２００４−８３７１２号公報 特開２００９−１２８１３６号公報 特開２０１１−１５８４２２号公報
しかしながら、特許文献１に記載のＳｉナノ結晶発光材料は、表面をシランカップリング剤で覆うと、凝集する。そのため、有機蛍光色素の代わりにＳｉナノ結晶発光材料を使用することが難しい。
また、特許文献２に記載の蛍光検出方法では、Ｃｄ（カドミウム）、Ｓｅ（セリン）、又は、Ｔｅ（テルル）などの毒性を有する物質を含有する蛍光性無機微粒子が使用されている。そのため、人体及び環境への悪影響を考えると、当該蛍光性無機微粒子を蛍光物質として使用することは、難しい。
そこで、本開示は、良好な分散性と安定な発光特性とを有し、人体及び環境への悪影響を低減することができる蛍光物質を含む複合体を提供する。また、本開示は、当該複合体を用いることにより、低濃度の標的物質を精度良く検出することができる検出装置を提供する。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る複合体は、標的物質と特異的に結合する性質を有する第１物質と、シリコンを主成分として含み、かつ、表面が負の電荷を帯びている量子ドットと、下記一般式（１）で表される化合物を含み、前記量子ドットの表面を覆うリンカー物質と、を含み、前記第１物質は、前記リンカー物質を介して前記量子ドットの表面に固定化される。
Ｘ−Ｌ−Ｓｉ−（Ｒ１）（Ｒ２）（ＯＲ３） ・・・（１）
（ただし、式中、Ｘは、塩基性の官能基であり、Ｒ１、Ｒ２、及び、Ｒ３は、それぞれ独立して、アルキル基であり、Ｌは、アルキレン基である。）
また、本開示の一態様に係る検出装置は、上記複合体を用いて、前記標的物質を標識することにより、前記標的物質を検出する。
本開示の一態様に係る複合体によれば、良好な分散性と安定な発光特性とを実現することができるまた、本開示の一態様に係る検出装置によれば、当該複合体を用いることにより、低濃度の標的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１に係る複合体の一例を示す概略構成図である。 図２は、実施の形態１における量子ドットの一例を示す概略構成図である。 図３は、実施の形態１における表面修飾量子ドットの一例を示す概略構成図である。 図４は、実施の形態１における表面修飾量子ドットの製造方法の一例を説明するための図である。 図５は、実施の形態１に係る複合体の製造方法の一例を説明するための図である。 図６は、実施例１〜３に係る表面修飾量子ドットの水分散液の光透過率の測定結果を示すグラフである。 図７は、比較例１〜３に係る表面修飾量子ドットの水分散液の光透過率の測定結果を示すグラフである。 図８は、実施例４に係る複合体の分散液の光透過率の測定結果を示すグラフである。 図９は、実施の形態１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１０は、実施の形態１に係る検出装置の一例を示す概略構成図である。 図１１Ａは、実施の形態１における基材の一例を示す斜視図である。 図１１Ｂは、図１１ＡのＸＩＢ−ＸＩＢ切断線における、金属微細構造体の拡大断面図である。 図１２は、実施の形態１におけるＳＡＭを説明するための図である。 図１３は、実施の形態１に係る検出装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図１４は、実施の形態２に係る検出装置の一例を示す概略構成図である。 図１５は、実施の形態２に係る検出装置の動作の一例を示すフローチャートである。
（本開示の基礎となった知見）
上述したように、従来、蛍光法では、蛍光物質として、有機蛍光色素が使用されている。例えば、バイオ分野では、標的物質と特異的に結合する抗体を蛍光物質で標識した標識化抗体を用いて、タンパク質及びＤＮＡなどの生体物質の検出又は細胞イメージングを行う。
しかしながら、有機蛍光色素は、化学構造的に弱いπ結合を有するため、光安定性が悪いという問題がある。そのため、有機蛍光色素を使用する場合は、照射する光の強度及び照射時間などに制約がある。また、有機蛍光色素が発する総蛍光量が経時的に減少するため、経時的な蛍光量を積算して検出することが難しい。さらに、有機蛍光色素は、励起波長と発光波長との波長差（いわゆる、ストークスシフト）が小さいため、蛍光を検出する際に、励起光を光学フィルタで完全に遮断することが難しい。そのため、センサの高感度化が難しい。
一方、光退色の無い発光物質として、量子ドットが知られている。量子ドットは、無機材料で構成されているため、有機蛍光色素に比べて光安定性が高い。また、量子ドットは、有機蛍光色素に比べ、ストークスシフトが大きい。そのため、有機蛍光色素の代わりに、量子ドットを蛍光物質として使用することにより、センサの高感度化が期待できる。しかしながら、従来の量子ドットのほとんどはカドミウムを含んでいるため、人体及び環境への悪影響が懸念される。そのため、量子ドットは、研究用途としての使用に留まり、実用化が進んでいない。
そのような状況を背景に、近年、シリコン量子ドットが注目を集めている。シリコンは地殻中に多く含まれる豊富な元素であることに加え、人体及び環境への親和性が高い。そのため、シリコン量子ドットは、有望な材料として注目され、実社会での実用化が期待されている。
例えば、特許文献１では、Ｓｉナノ結晶発光材料の表面にボロン（Ｂ）とリン（Ｐ）とをドープすることにより、表面にマイナスの電荷を帯びたＳｉナノ結晶発光材料（以下、シリコン量子ドット）が開示されている。当該シリコン量子ドットは、表面がマイナスの電荷を帯びているため、複数のシリコン量子ドットの間で静電反発が生じる。これにより、当該シリコン量子ドットは、有機分子で表面を覆わなくても、つまり、有機分子による表面修飾なしで、水系溶媒中で良好な分散性を示す。さらに、当該シリコン量子ドットは、表面状態によらず安定な近赤外領域の発光を有するため、この性質をバイオセンサに応用できれば、バイオセンサの高感度化が期待できる。
バイオセンサに応用するために、シリコン量子ドットは、下記３つの特徴を有することが求められる。
１つ目の特徴は、水系溶媒中で良好に分散することである。バイオ材料は、非水系溶媒中では、例えば、タンパク質の変性などの不可逆的な構造変化が生じるため、バイオ材料を取り扱う際には、例えば、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）などの水系溶媒が用いられる。そのため、シリコン量子ドットは、水系溶媒中で良好な分散性を有するとよい。
２つ目の特徴は、バイオ材料との結合の自由度の観点から、有機分子などでシリコン量子ドットの表面を覆わなくても水系溶媒中で良好に分散することである。シリコン量子ドットの表面を有機分子などで覆うと、バイオ材料との結合の自由度が制限される。そのため、シリコン量子ドットは、有機分子などで表面を覆われていなくても、水系溶媒に良好な分散性を有するとよい。
３つ目の特徴は、バイオ材料中での透過性の観点から、表面状態によらず安定な近赤外領域の発光を有することである。
しかしながら、従来のシリコン量子ドットの多くは、良好な分散性を確保するために、有機分子で表面修飾されているため、シリコン量子ドットとバイオ材料との結合の自由度が制限される。言い換えると、シリコン量子ドットの表面が有機分子で覆われていることにより、バイオ材料（例えば、抗体）をシリコン量子ドットの表面に連結するためのリンカー物質でシリコン量子ドットを表面修飾することが制約される。そのため、従来のシリコン量子ドットは、良好な分散性とバイオ材料との良好な結合性とを両立させることが難しい。また、従来のシリコン量子ドットは、表面の酸素欠損に起因する発光のため、表面状態により、つまり、シリコン量子ドットの表面に吸着する物質の状態により、発光特性が大きく変化しやすく、発光特性が不安定である。また、その発光波長は短波長である。さらに、ポーラス状のシリコン量子ドットは、上記のシリコン量子ドットの問題点に加え、バイオセンサに応用するにあたり、粒径が大きいことによる弊害が生じる可能性がある。ポーラス状のシリコン量子ドットは、上記のシリコン量子ドットよりも粒子サイズが大きい。そのため、例えば、ポーラス状のシリコン量子ドットを、標識化抗体を標識するための標識物質として使用した場合、標識化抗体と結合したポーラス状のシリコン量子ドットが標識化抗体と抗原との結合を阻害する場合がある。
したがって、シリコン量子ドットをバイオセンサに応用するにあたり、上記の問題点を解決する必要がある。例えば、シリコン量子ドットとバイオ材料（例えば、抗体）との良好な結合性を実現するために、特許文献２では、８０ｎｍ以下のＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＴｅ（テルル化亜鉛）、ＣｄＳ（硫化カドミウム）、ＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）、ＧａＡｓ（ヒ素ガリウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｆｅ（鉄）、Ｐｔ（白金）及びＣｏ（コバルト）からなる群より選択される無機材料を含む蛍光性量子ドットと、抗体とを、末端に官能基を有するシランカップリング剤を介して結合させることが提案されている。
しかしながら、特許文献２に記載の蛍光検出方法では、Ｃｄ、Ｓｅ、又は、Ｔｅなどの毒性を有する物質を含有する蛍光性量子ドットが使用されているため、人体及び環境への悪影響を考えると、当該量子ドットを蛍光物質として使用することは、難しい。
これに対して、特許文献１記載のシリコン量子ドットは、シリコンを主成分として構成されており、人体及び環境への悪影響を低減することができる。さらに、当該シリコン量子ドットは、表面にマイナスの電荷を帯びているため、有機分子で表面修飾することなく、水系溶媒中で良好な分散性を示す。しかしながら、当該シリコン量子ドットをリンカー物質（例えば、シランカップリング剤）で表面修飾すると、シリコン量子ドット同士が即座に凝集し、凝集体を形成する。このように、シリコン量子ドット同士が凝集すると、蛍光物質として利用可能なシリコン量子ドットが減少するため、バイオセンサの検出感度が低下する。光退色の無い発光物質としての特性を生かして、バイオセンサを高感度化するためには、リンカー物質で表面修飾してもシリコン量子ドットが凝集しないこと、すなわち、良好な分散性を維持することが必要である。
しかしながら、上述した従来技術では、分散性と発光特性とを維持しつつ、シランカップリング剤で表面修飾されたシリコン量子ドットを得ることは困難である。本願発明の発明者は、上記課題を鑑み、鋭意検討した結果、良好な分散性と安定な発光特性とを有するシリコン量子ドットを蛍光物質として含む複合体を見出した。本発明者の知見を以下に述べる。
特許文献１に記載のシリコン量子ドットは、シランカップリング剤で表面修飾されると、シリコン量子ドットの表面の電荷の状態（以下、帯電状態）が変化する場合がある。つまり、シランカップリング剤の分子構造及び量によっては、当該シリコン量子ドットの表面のマイナス電荷が弱まるため、シリコン量子ドット間の静電反発が弱まり、シランカップリング剤で表面修飾されたシリコン量子ドット同士が凝集する。例えば、シランカップリング剤が塩基性の官能基を有する場合、シランカップリング剤で表面修飾されたシリコン量子ドットは、水系溶媒中において、シリコン量子ドット表面のマイナス電荷が所定値以下まで弱まると、シリコン量子ドット間の静電反発が弱まるため、凝集する。また、シランカップリング剤に含まれるシラノール基は、シリコン量子ドットと結合する。そのため、シランカップリング剤がその分子中に複数のシラノール基を含む場合、シラノール基を１つしか含まないシランカップリング剤よりも、より多くのシランカップリング剤がシリコン量子ドットの表面に修飾される、つまり、固定化されるというメリットが期待される。その一方で、複数のシラノール基を含むことにより生じ得るデメリットもある。例えば、複数のシラノール基のそれぞれに、それぞれ異なるシリコン量子ドットが結合する可能性があり、この場合、シランカップリング剤を介して複数のシリコン量子ドットが結合し、シリコン量子ドットは凝集する。また、例えば、シランカップリング剤に含まれる複数のシラノール基のうち、シリコン量子ドットと結合していないシラノール基が他のシランカップリング剤に含まれるシラノール基と結合し、シランカップリング剤同士で架橋が生じる可能性がある。この場合、異なるシリコン量子ドットの表面を修飾するシランカップリング剤同士で架橋が生じると、シリコン量子ドットは凝集する。
したがって、本発明者は、シリコン量子ドットの表面修飾に用いるシランカップリング剤が有する官能基の種類（つまり、水系溶媒中における官能基の帯電の種類）、シラノール基の数、及び、シリコン量子ドットとシランカップリング剤との混合分子数比を制御することで、シランカップリング剤で表面修飾しても、シリコン量子ドットの良好な分散性及び安定な発光特性を維持することができることを見出した。さらに、本発明者は、蛍光法において、従来の有機蛍光物質の代わりに、シランカップリング剤で表面修飾したシリコン量子ドットを用いることにより、従来のバイオセンサよりも低濃度の被検出物質（以下、標的物質）を高感度に、かつ、高精度に検出できることを見出した。これにより、信頼性の高い検出を行うことができるバイオセンサの実現が可能となる。
（本開示の概要）
本開示の一態様の概要は、以下の通りである。
本開示の一態様に係る複合体は、標的物質と特異的に結合する性質を有する第１物質と、シリコンを主成分として含み、かつ、表面が負の電荷を帯びている量子ドットと、下記一般式（１）で表される化合物を含み、前記量子ドットの表面を覆うリンカー物質と、を含み、前記第１物質は、前記リンカー物質を介して前記量子ドットの表面に固定化される、複合体。
Ｘ−Ｌ−Ｓｉ−（Ｒ１）（Ｒ２）（ＯＲ３） ・・・（１）
（ただし、式中、Ｘは、塩基性の官能基であり、Ｒ１、Ｒ２、及び、Ｒ３は、それぞれ独立して、アルキル基であり、Ｌは、アルキレン基である。）
このように、リンカー物質が塩基性の官能基を有する化合物を含み、分子中にシラノール基を１つ有するため、上記一般式（１）で表される化合物を含むリンカー物質で量子ドットの表面を覆っても、量子ドット同士がリンカー物質を介して結合しない。つまり、上記一般式（１）で表されるリンカー物質は、分子中にシラノール基を１つしか有しないため、１つの量子ドットと結合すると、他の量子ドットと結合できない。そのため、上記一般式（１）で表される化合物を含むリンカー物質で量子ドットの表面を覆っても、量子ドットは凝集しにくくなる。これにより、本開示の一態様に係る複合体は、良好な分散性を有する。なお、塩基性の官能基とは、例えば、プロトン受容性を有する官能基であり、電子供与性を有する官能基である。言い換えると、塩基性の官能基は、イオン化した場合に正の電荷を帯びる官能基である。また、量子ドットは、無機材料から構成されるため、有機蛍光物質に比べて高い耐光性を有する。そのため、量子ドットは、光退色を起こしにくい。したがって、本開示の一態様に係る複合体は、安定な発光特性を有する。また、量子ドットの主成分であるシリコンは、人体及び環境への悪影響が極めて小さいため、本開示の一態様に係る複合体は、人体及び環境への悪影響を低減することができる。さらに、シリコンは、地殻中に約２８％含まれており、酸素に次いで２番目に多く含まれる元素である。そのため、量子ドットがシリコンを主成分として含むことにより、本開示の一態様に係る複合体は、将来に亘って環境保全に貢献する（サステナビリティ）だけでなく、低コスト化を実現し得る。
例えば、本開示の一態様に係る複合体では、上記一般式（１）中の前記Ｘは、アミノ基であってもよい。
上記構造を有することにより、リンカー物質は、例えば、第１物質が端部にカルボキシ基を有する場合に、第１物質に対して高い結合性を有する。そのため、量子ドットは、リンカー物質を介して第１物質と良好に結合され得る。これにより、本開示の一態様に係る複合体は、安定性が向上される。
例えば、本開示の一態様に係る複合体は、前記Ｒ１及び前記Ｒ２は、メチル基であり、前記Ｒ３は、エチル基であり、前記Ｌは、プロピレン基であってもよい。
このように、リンカー物質が分子内にシラノール基を１つしか有しないため、リンカー物質が塩基性の官能基を有していても、つまり、カチオン化する官能基を有していても、量子ドット同士が凝集しにくくなる。そのため、本開示の一態様に係る複合体は、良好な分散性を維持する。
例えば、本開示の一態様に係る複合体では、前記量子ドットは、表面にボロン及びリンを含んでもよい。
上記構成を有することにより、量子ドットは、負の電荷を帯びる。そのため、量子ドット間に静電反発が生じ、量子ドットは凝集しにくくなる。本開示の一態様に係る複合体は、良好な分散性を有する。
また、本開示の一態様に係る検出装置は、上記のいずれかの複合体を用いて、前記標的物質を標識することにより、前記標的物質を検出する。
上述したように、量子ドットは、光退色を起こしにくい。そのため、量子ドットを構成の一部に含む複合体は、高強度の光が照射される場合であっても、安定な発光特性を維持する。したがって、当該複合体を用いて標的物質を標識することにより、本開示の一態様に係る検出装置は、低濃度の標的物質を高感度に検出することができる。また、当該複合体は、光が連続的に照射される場合であっても、安定な発光特性を維持するため、本開示の一態様に係る検出装置は、経時的な標的物質の変化を算出又は積算して標的物質を検出することができる。そのため、本開示の一態様に係る検出装置は、上記のいずれかの複合体を用いることにより、信頼性の高い検出を行うことができる。さらに、量子ドットは、従来の有機蛍光色素に比べて、ストークスシフトが大きいため、蛍光物質として量子ドットを用いると、光学フィルタで励起光を遮断して蛍光のみを通過させることができる。そのため、本開示の一態様に係る検出装置は、上記のいずれかの複合体を用いることにより、低濃度の標的物質を高精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検出装置は、前記標的物質と特異的に結合する性質を有する第２物質が固定化された基材を収容する収容部と、前記標的物質を含み得る試料と、前記複合体と、を前記収容部に導入する導入部と、前記収容部に励起光を照射する照射部と、前記収容部に照射された励起光によって前記複合体から発せられた光に基づき、前記標的物質を検出する検出部と、を備えてもよい。
上記構成を有することにより、収容部において、基材に固定された第２物質と、標的物質と、複合体中の第１物質と、がこの順で結合されたサンドイッチ構造体が形成される。したがって、本開示の一態様に係る検出装置は、サンドイッチ構造体中の複合体から発せられた光を検出することにより、低濃度の標的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検出装置では、前記基材は、前記基材の表面に生じるプラズモン共鳴により、前記複合体から発せられた前記光を増強させてもよい。
これにより、本開示の一態様に係る検出装置は、低濃度の標的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検出装置では、前記基材は、金属微細構造体を前記基材の表面に有する基板であってもよい。
これにより、基板の表面に局在プラズモンが生じるため、複合体から発せられた光はプラズモン共鳴により増強される。そのため、本開示の一態様に係る検出装置は、低濃度の標的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検出装置は、さらに、前記収容部に磁場を発生させる印加部を備え、前記基材は、磁気性を有する微粒子であり、前記基材は、前記印加部が発生させた前記磁場により所定の方向に移動してもよい。
上記構成を有することにより、複合体中の第１物質と、標識物質と、基材の表面に固定化された第２物質とがこの順に結合したサンドイッチ構造体は、収容部内において、印加部が発生させた磁場により所定の方向に移動する。このとき、励起光が収容部に照射されると、サンドイッチ構造体中の複合体は蛍光を発する。そのため、本開示の一態様に係る検出装置によれば、所定の方向に移動するサンドイッチ構造体を、光点の動きとして検出することができる。また、複合体中の量子ドットは、無機材料から構成されているため、光退色を起こしにくい。そのため、量子ドットは、サンドイッチ構造体が磁場により所定の方向に移動する間、連続的に励起光を照射されても、安定な発光特性を維持する。したがって、本開示の一態様に係る検出装置によれば、低濃度の標的物質を高精度に検出することができる。
なお、これらの包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
以下、実施の形態に関して図面を参照しながら具体的に説明する。
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。
また、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。
（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係る複合体及び当該複合体を用いた検出装置について説明する。
［複合体］
まず、実施の形態１に係る複合体について、図１〜図３を参照しながら具体的に説明する。図１は、実施の形態１に係る複合体２０３２の構成の一例を示す概略構成図である。
図１に示すように、複合体２０３２は、第１物質２０３２２と、量子ドット２０３２１ａと、リンカー物質２０３２１ｂと、を含む。第１物質２０３２２は、検出対象である標的物質と特異的に結合する性質を有する。標的物質は、例えば、タンパク質、脂質、糖、及び、核酸等が挙げられる。標的物質と特異的に結合する性質を有する物質は、例えば、抗原に対する抗体、基質又は補酵素に対する酵素、ホルモンに対するレセプタ、抗体に対するプロテインＡ又はプロテインＧ、ビオチンに対するアビジン類、カルシウムに対するカルモジュリン、及び、糖に対するレクチン、等が挙げられる。例えば、標的物質がウイルスの構成成分等のタンパク質である場合、第１物質２０３２２は、例えば、当該タンパク質を抗原とする抗体である。第１物質２０３２２は、リンカー物質２０３２１ｂを介して量子ドット２０３２１ａの表面に固定化される。リンカー物質２０３２１ｂについては後述するためここでの説明を省略する。
［量子ドット］
図２は、実施の形態１における量子ドット２０３２１ａの構成の一例を示す概略構成図である。量子ドット２０３２１ａは、シリコン（Ｓｉ）を主成分として含み、かつ、表面が負の電荷を帯びている。量子ドット２０３２１ａは、表面にボロン（Ｂ）及びリン（Ｐ）を含む。ここで、ボロンは、ｎ型不純物であり、リンは、ｐ型不純物である。
量子ドット２０３２１ａの製造方法は、例えば、スパッタリング法により、基板表面に、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５からなる複合体（以下、ＢＰＳＧ：Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）の薄膜を形成し、次いで、ＢＰＳＧ膜を不活性ガス雰囲気中で１１００℃〜１３００℃の温度範囲で所定の時間熱処理する。これにより、ＢＰＳＧ膜中にシリコンナノ結晶が形成される。なお、ＢＰＳＧ膜を熱処理することにより、シリコンナノ結晶中にｎ型不純物（ここでは、ボロン）及びｐ型不純物（ここでは、リン）が同時にドープされる。量子ドット２０３２１ａの粒子径は、長径で１０ｎｍ以下であり、５ｎｍ以下であってもよく、かつ、０．５ｎｍ以上であり、３ｎｍ以上であってもよい。
なお、シリコンナノ結晶中にドープされるボロン及びリンの量は、目的に応じて適宜調整されてもよい。ボロン及びリンのドープ量により、量子ドットの表面のマイナス電荷の大きさは調整される。
図３は、実施の形態１における量子ドット２０３２１ａをリンカー物質２０３２１ｂで表面修飾した、表面修飾量子ドット２０３２１の構成の一例を示す概略構成図である。リンカー物質２０３２１ｂは、下記一般式（１）で表される化合物を含み、量子ドット２０３２１ａの表面を覆う。
Ｘ−Ｌ−Ｓｉ−（Ｒ１）（Ｒ２）（ＯＲ３） ・・・（１）
（ただし、式中、Ｘは、塩基性の官能基であり、Ｒ１、Ｒ２、及び、Ｒ３は、それぞれ独立して、アルキル基であり、Ｌは、アルキレン基である。）
ここで、塩基性の官能基とは、ブレンステッド塩基性を示す官能基である。ブレンステッド塩基性を示す官能基は、プロトン受容体として機能する。言い換えると、塩基性の官能基は、プロトン受容性の官能基であり、電子供与性の官能基であり、イオン化した場合に正の電荷を帯びる官能基である。塩基性の官能基は、例えば、１級アミノ基、２級アミノ基、３級アミノ基、及び、４級アンモニウム基等が挙げられるが、１級アミノ基（以下、アミノ基）又は２級アミノ基であってもよい。中でも、上記一般式（１）中のＸは、アミノ基であってもよい。上記一般式（１）中のＸがアミノ基である場合、リンカー物質２０３２１ｂは、第１物質２０３２２中のカルボキシ基とペプチド結合（−ＣＯＮＨ−）を形成する。
また、上記一般式（１）中のＲ１、Ｒ２、及び、Ｒ３は、それぞれ独立して、アルキル基である。そのため、リンカー物質２０３２１ｂは、分子中にシラノール基を１つ有する。Ｒ１、Ｒ２、及び、Ｒ３は、置換又は無置換のアルキル基であり、炭素原子数が５以下の直鎖又は分岐鎖状のアルキル基を含む。中でも、炭素原子数は、１以上であり、かつ、３以下であってもよい。炭素原子数が３以下の無置換のアルキル基は、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、及び、ｉｓｏ−プロピル基等が挙げられる。中でも、Ｒ１及びＲ２は、炭素原子数が１のメチル基であってもよく、Ｒ３は、炭素原子数が２のエチル基であってもよい。
上記アルキル基は、さらに置換基を有していてもよい。かかる置換基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、ヒドロキシ基、及び、エステル基などが挙げられる。ヒドロキシ基で置換されたアルキル基としては、例えば、メチロール基、及び、ブチロール基等が挙げられる。エステル基で置換されたアルキル基としては、例えば、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、プロポキシカルボニル基、及び、イソプロポキシカルボニル基などが挙げられる。
上記一般式（１）中のＬは、置換又は無置換のアルキレン基であり、炭素原子数が１０以下であってもよい。中でも、炭素原子数は、１以上であり、かつ、５以下であってもよい。Ｌにおけるアルキレン基中の−ＣＨ２−は、イミノ基（−ＮＨ−）、エステル基（−ＣＯＯ−）、エーテル基（−Ｏ−）、フェニレン基からなる群より選択される１以上の基で置き換えられてもよい。中でも、炭素原子数が３のプロピレン基であってもよい。無置換のアルキレン基は、例えば、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基などである。置換アルキレン基は、例えば、少なくとも１つの置換基で置換されたアルキレン基である。置換基は、例えば、アルキル基、アルコキシ基、ヒドロキシ基、エステル基などが挙げられる。
［複合体の製造方法］
続いて、複合体２０３２の製造方法について、図４及び図５を参照しながら具体的に説明する。図４は、実施の形態１における表面修飾量子ドット２０３２１の製造方法の一例を説明するための図である。
表面修飾量子ドット２０３２１は、下記構造式（２）で表される化合物を含み、量子ドット２０３２１ａの表面を覆うリンカー物質２０３２１ｂを含む。下記構造式（２）で表される化合物は、ＡＰＤＭＥＳ（３−Ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）である。
Figure 2020110481
図４に示すように、まず、量子ドット２０３２１ａ及びリンカー物質２０３２１ｂを混合し、これに、［１］イオン交換水を加え、［２］１５分間超音波処理を行う。次いで、［３］１時間×２回透析した後、一晩透析し、［４］９５℃で１０分間脱水処理を行う。これにより、リンカー物質２０３２１ｂで量子ドット２０３２１ａの表面を修飾した表面修飾量子ドット２０３２１が得られる。
図５は、実施の形態１に係る複合体２０３２の製造方法の一例を説明するための図である。図５に示すように、複合体２０３２は、標的物質と特異的に結合する第１物質２０３２２（例えば、ＩｇＧ抗体）と、図４に示す製造方法で得られた表面修飾量子ドット２０３２１とを、室温にて、一晩インキュベーションすることにより作製される。このとき、第１物質２０３２２と表面修飾量子ドット２０３２１とをより効率よく結合させるために、第１物質２０３２２と表面修飾量子ドット２０３２１との結合反応を促進させる物質（以下、反応促進物質）を用いて活性化処理を行ってもよい。当該反応促進物質は、例えば、ＤＭＴ−ＭＭ（４−（４，６−Ｄｉｍｅｔｈｏｘｙ−１，３，５−ｔｒｉａｚｉｎ−２−ｙｌ）−４−ｍｅｔｈｙｌｍｏｒｐｈｏｌｉｎｉｕｍ Ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｎ−Ｈｙｄｒａｔｅ）、又は、ＥＤＣ（１−Ｅｔｈｙｌ−３−［３−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌ］ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ）−ＮＨＳ（Ｎ−ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ）である。図５に示す例では、複合体２０３２は、表面修飾量子ドット２０３２１と第１物質２０３２２とがペプチド結合を介して結合されている。なお、図４及び図５では、上記一般式（１）中のＸがアミノ基であるリンカー物質２０３２１ｂを例に挙げて複合体２０３２の製造方法について説明したが、Ｘは、塩基性の置換基であればよく、アミノ基に限定されない。また、上記の製造方法では、リンカー物質２０３２１ｂが分子中に１つのシラノール基を有する例を挙げたが、これに限られない。なお、表面修飾量子ドット２０３２１と第１物質２０３２２とを結合させる方法は、第１物質２０３２２が失活しない方法であれば、他の公知の方法を用いてもよい。
［表面修飾量子ドットの分散性評価］
続いて、表面修飾量子ドットの分散性を評価した。
［実施例１〜３］
以下の実施例では、リンカー物質として、上記構造式（２）で表される化合物（ＡＰＤＭＥＳ）を用いた。上記構造式（２）に示すように、ＡＰＤＭＥＳは、塩基性の官能基であるアミノ基（−ＮＨ２基）と、１つのシラノール基とを有している。また、量子ドットとして、粒径３．９ｎｍのシリコン微粒子に対してリン及びボロンがドープされた量子ドットを使用した。また、量子ドットとリンカー物質との反応を促進する物質として、ＤＭＴ−ＭＭを使用した。
実施例１〜３に係る表面修飾量子ドットは、それぞれ、量子ドットとリンカー物質との混合比率が１：１２５、１：２５０、１：１２５０（量子ドットの個数：リンカー物質の分子数）となるように混合され、図４に示す製造方法に従って作製された。次いで、実施例１〜３に係る表面修飾量子ドットをそれぞれ水に分散させ、分散液（以下、実施例１〜３に係る表面修飾量子ドットの水分散液）を調製した。これらの分散液の光透過率を分光光度計（ＵＶ−１６００、島津製作所）を用いて測定した。具体的には、微小セルに分散液を１００μＬ加え、２００ｎｍ〜８００ｎｍの波長域で分散液の光透過性を測定した。結果を図６に示す。図６は、実施例１〜３に係る表面修飾量子ドットの水分散液の光透過率の測定結果を示すグラフである。なお、参照例１として、表面修飾なしの量子ドットの水分散液の光透過率も測定した。
図６に示すように、実施例１〜３に係る表面修飾量子ドットの水分散液は、それぞれ、全ての測定波長域において、参照例１とほぼ同等の光透過率を示した。
本実施例で使用された量子ドットは、波長６００ｎｍ以上の波長域の光を吸収しないため、水分散液における量子ドットの分散性が良好な場合、当該水分散液は、波長６００ｎｍ以上の波長域で高い光透過率を示す。実施例１〜３に係る表面修飾量子ドットの水分散液は、波長６００ｎｍ以上の波長域で高い光透過率を示しているため、これらの水分散液中で巨視的な散乱体（つまり、凝集体）が形成されていないことが確認できた。したがって、実施例１〜３に係る表面修飾量子ドットは、水系溶媒中で良好な分散性を有することが分かった。
［比較例１〜３］
続いて、以下の比較例では、リンカー物質として、下記構造式（３）で表される化合物（ＡＰＴＭＳ：３−Ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）を用いた。
Figure 2020110481
上記構造式（３）に示すように、ＡＰＴＭＳは、塩基性の官能基であるアミノ基（−ＮＨ２基）と３つのシラノール基（すなわち、３つのＳｉ−Ｏ結合）とを有している。
比較例１〜３に係る表面修飾ドットは、リンカー物質としてＡＰＴＭＳを用いたこと以外は、実施例１〜３と同様に作製された。次いで、比較例１〜３に係る表面修飾量子ドットをそれぞれ水に分散させ、分散液（以下、比較例１〜３に係る表面修飾量子ドットの水分散液）を調製した。これらの分散液の光透過率を実施例１〜３と同様の方法で測定した。結果を図７に示す。図７は、比較例１〜３に係る表面修飾量子ドットの水分散液の光透過率の測定結果を示すグラフである。なお、参照例１として、表面修飾なしの量子ドットの水分散液の光透過率も測定した。
図７に示すように、比較例１〜３に係る表面修飾量子ドットの水分散液は、それぞれ、全ての測定波長領域において、参照例１よりも光透過率が低かった。比較例１〜３に係る表面修飾量子ドットの水分散液は、参照例１に比べて波長６００ｎｍ以上の波長域で光透過率が大きく低下しているため、これらの水分散液中で巨視的な散乱体（つまり、凝集体）が形成されていることが確認できた。そのため、比較例１〜３に係る表面修飾量子ドットは、水系溶媒中で凝集することが分かった。
［複合体の分散性評価］
続いて、複合体の分散性を評価した。
［実施例４］
図５に示す製造方法に従って、実施例２に係る表面修飾量子ドットとＩｇＧ抗体とが結合された複合体を作製した。得られた複合体をリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ：Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｓａｌｔｓ）に分散させ、分散液を調製した。この分散液の光透過率を実施例１〜３と同様の方法で測定した。結果を図８に示す。図８は、実施例４に係る複合体の分散液の光透過率の測定結果を示すグラフである。なお、参照例２は、実施例２に係る表面修飾量子ドットをＰＢＳに分散させた分散液であり、参照例３は、ＩｇＧをＰＢＳに分散させた分散液である。
図８に示すように、実施例４に係る複合体の分散液の光透過率は、全波長域に亘って、参照例２に係る表面修飾量子ドットの分散液の光透過率とほぼ同等である。そのため、実施例４に係る複合体は、水系溶媒中で、実施例２に係る表面修飾量子ドットとほぼ同等の分散性を示すことが分かった。また、実施例４に係る複合体の分散液は、６００ｎｍ以上の波長域においても光透過率が低下しなかったため、分散液中で巨視的な凝集体が形成されていないことが確認できた。そのため、実施例４に係る複合体は、水系溶媒中で良好な分散性を有することが分かった。
［まとめ］
実施例１〜３で使用されたリンカー物質は、分子中に１つのシラノール基を有する。一方、比較例１〜３で使用されたリンカー物質は、分子中に３つのシラノール基を有する。本開示の基礎となった知見で説明したように、リンカー物質の分子中に含まれるシラノール基の数が多くなるにつれて、リンカー物質同士の架橋及びリンカー物質と複数の量子ドットとの結合が形成されやすくなるため、リンカー物質を介して複数の量子ドット結合されやすくなる。そのため、リンカー物質の分子中に含まれるシラノール基の数が多いほど、凝集体が形成される可能性が高くなる。実施例１〜３で使用したリンカー物質（ＡＰＤＭＥＳ）は、分子中に塩基性の官能基であるアミノ基を有するため、水系溶媒中で正の電荷を帯びている。ＡＰＤＭＥＳは、量子ドットの表面の電荷と逆の電荷を帯びているため、量子ドットの表面の負の帯電を弱める可能性がある。しかしながら、ＡＰＤＭＥＳは、分子中にシラノール基を１つしか有しないため、量子ドットの表面に結合すると、他の量子ドット又は他のリンカー物質と結合しにくくなる。
つまり、１つのリンカー物質分子に複数の量子ドットが結合しにくくなり、リンカー物質同士の架橋も起こりにくくなる。そのため、ＡＰＤＭＥＳで量子ドットを表面修飾しても、量子ドットはＡＰＤＭＥＳを介して他の量子ドットと結合しにくくなる。これにより、実施例１〜３に係る表面修飾量子ドットでは、量子ドット同士の静電反発が低下されないため、良好な分散性が確保されたと推察される。
一方、比較例で使用されたリンカー物質（ＡＰＴＭＳ）は、ＡＰＤＭＥＳと同様に、分子中に塩基性の官能基であるアミノ基を有するが、シラノール基を３つ有するため、量子ドットの表面に結合しても、他の量子ドット又は他のリンカー物質と結合し得る。より具体的には、ＡＰＴＭＳで量子ドットを表面修飾すると、ＡＰＴＭＳの正の電荷により量子ドットの表面の負の電荷が弱められるため、量子ドット間の静電反発力が低下する。この静電反発力がある程度まで低下すると、量子ドットの表面と結合していないシラノール基が他の量子ドット又は他の量子ドットの表面に結合しているリンカー物質と結合することを抑制できなくなる。これにより、比較例１〜３に係る表面修飾量子ドットは、量子ドットが有する良好な分散性を確保できなかったと考えられる。
複合体の分散性に関しては、実施例４の結果から、表面修飾量子ドットの分散性が良好であれば、表面修飾量子ドットに第１物質（例えば、抗体など）を結合させても表面修飾量子ドットの分散性が維持されることが確認できた。
以上により、塩基性の官能基を有し、分子内に１つのシラノール基を有するリンカー物質で表面修飾された量子ドットは、シラノール基の数が１つである場合、量子ドットとリンカー物質との混合比率に寄らず、量子ドットが有する良好な分散性を維持できることが分かった。また、当該表面修飾量子ドットに第１物質（ＩｇＧ抗体など）を結合させた複合体も、当該表面修飾量子ドットと同様に、良好な分散性を維持できることが分かった。これにより、塩基性の官能基を有し、分子内に１つのシラノール基を有するリンカー物質を用いることにより、量子ドットが有する良好な分散性を維持しつつ、第１物質との結合性も有する複合体が得られることが分かった。
［検出システムの概要］
続いて、実施の形態１に係る検出装置を構成の一部として備える検出システムについて説明する。検出装置は、実施の形態１に係る複合体２０３２を用いて、標的物質を標識することにより、標的物質を検出する装置である。標的物質は、例えば、タンパク質、脂質、糖、核酸などである。
図８は、実施の形態１における検出システム１０の構成の一例を示す概略構成図である。検出システム１０は、例えば人が出入りする部屋に設置されている。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標的物質を含み得る微粒子を捕集し、微粒子に含まれる標的物質の濃度を検出する。以下、標的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又は核酸などである。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。ここでは、空気中を浮遊する標的物質の一例としてウイルスを挙げるが、これに限られない。空気中を浮遊する標的物質は、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８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及びコントローラ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、空気中のウイルス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８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。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。微粒子が混合された捕集液（以下、試料という）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及び液体流路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及び液体流路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９及び図１０を参照しながら具体的に説明する。図１０は、実施の形態１に係る検出装置２００の構成の一例を示す概略構成図である。
実施の形態１に係る検出装置２００は、ウイルスと特異的に結合する性質を有する第２物質（ここでは、抗体）が固定化された基材２０２２を収容する収容部２０２と、ウイルスを含み得る試料と、複合体２０３２（図３参照）と、を収容部２０２に導入する導入部２０３と、収容部２０２に励起光を照射する照射部２０４と、収容部に照射された励起光によって複合体２０３２から発せられた光に基づき、ウイルスを検出する検出部２０７と、を備える。第２物質は、複合体２０３２中の第１物質と同じ種類の分子であってもよく、異なる種類の分子であってもよい。第１物質及び第２物質は、標的物質の異なる部位に結合する性質を有する。第１物質と第２物質とが同じ種類の分子である場合、第１物質及び第２物質は、例えば、ウイルスを抗原とする抗体である。このとき、第１物質及び第２物質は、それぞれウイルス中の異なる部位に結合する。また、第１物質と第２物質とが異なる種類の分子である場合、第１物質は例えば補酵素であり、第２物質は例えば基質である。このとき、標的物質は例えば酵素である。
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９及び図１０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、ビームスプリッタ２０５と、レンズ２０６と、検出部２０７と、を備える。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、収容部２０２を備える。なお、図８では、センサデバイス２０１は、単一の収容部２０２を備えているが、複数の収容部を備えてもよい。
本実施の形態では、センサデバイス２０１は、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）の範囲を計測できる。また、本実施の形態では、ウイルス量を光学的に検出するために、表面増強蛍光法が利用される。なお、標的物質が酵素、ホルモン、及び、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。
図１０に示すように、収容部２０２は、流路２０２１と、基材２０２２と、を備える。
流路２０２１は、導入部２０３から滴下されたサンプル液体２０３１を検出領域２０２３に導くための経路である。流路２０２１は、流路２０２１内にサンプル液体２０３１を供給するための供給孔と、流路２０２１内のサンプル液体２０３１を収容部２０２の外に排出する排出孔と、を有する。
図１１Ａは、実施の形態１における基材２０２２の一例を示す斜視図である。基材２０２２は、基材２０２２の表面に生じるプラズモン共鳴により、複合体２０３２（図１参照）から発せられた光を増強させる。基材２０２２は、金属微細構造体２０２４を基材２０２２の表面に有する基板である。金属微細構造体２０２４は、基材２０２２の主面全体に形成されてもよく、基材２０２２の主面の一部に形成されてもよい。図１０及び図１１Ａに示すように、基材２０２２は、検出領域２０２３を有する。検出領域２０２３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２０２３には、金属微細構造体２０２４が配置されている。照射部２０４から検出領域２０２３に励起光が照射されると、金属微細構造体２０２４を構成する金属粒子が励起され、金属微細構造体２０２４の金属膜の表面に表面プラズモンが生じる。
なお、図１０では、基材２０２２は、収容部２０２の流路２０２１の底面に配置されているが、流路２０２１と一体に形成されてもよい。
基材２０２２は、例えばオレフィンなどの樹脂で構成され、検出領域２０２３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２０２４を構成する。金属微細構造体２０２４には、第２物質が固定されている。第２物質は、例えば、ウイルスと特異的に結合する性質を有する抗体であり、いわゆる、固定化抗体である。金属微細構造体２０２４の詳細については、図１１Ｂを用いて後述する。
導入部２０３は、試料と複合体２０３２とを収容部２０２に導入する。具体的には、導入部２０３は、試料と複合体２０３２とを含むサンプル液体２０３１を収容部２０２に滴下する。ここで、複合体２０３２（図１参照）は、量子ドット２０３２１ａ（図１参照）で標識された抗体であり、いわゆる、標識化抗体である。試料は、ウイルスを含み得る液体であり、本実施の形態ではサイクロン１０４から排出された捕集液である。
試料にウイルスが含まれれば、当該ウイルスは、固定化抗体を介して金属微細構造体２０２４に結合する。このとき、ウイルスは、複合体２０３２で標識された標識化抗体とも結合している。つまり、金属微細構造体２０２４に、固定化抗体、ウイルス、及び、標識化抗体の複合体が結合される。この状態で、照射部２０４から金属微細構造体２０２４に励起光が照射されると、ウイルスと間接的に結合している複合体２０３２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。
照射部２０４は、収容部２０２に励起光を照射する。照射部２０４としては、公知の技術を特に限定することなく利用してもよい。照射部２０４は、例えば半導体レーザ、ガスレーザ等のレーザを利用してもよい。
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２０２３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２０２３で発生した表面増強蛍光を分離して検出部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２０２３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。
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、特定の波長域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。検出部２０７は、特定の波長域の光を分光し、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、検出部２０７として、光を分光するために特定の波長域の光を透過させる干渉フィルタ、回折格子を用いて分光するツェルニー型分光器、及び、エシェル型分光器等を利用することができる。さらには、検出部２０７は、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、あるいは、照射部２０４からの励起光を遮断し、かつ、検出領域２０２３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含んでもよい。なお、検出部２０７には、簡単のため、光を分光するための装置の図示を省略する。
［コントローラの構成］
コントローラ３００（図９参照）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及び検出装置２００を制御する。
より具体的には、コントローラ３００は、測定の開始を制御して、吸引器１０１に周辺の雰囲気空気の吸引を開始させ、かつ、ポンプ１０３に、捕集液タンク１０２からサイクロン１０４に捕集液を供給させる。これにより、サイクロン１０４において捕集液と微粒子とが混合されて試料が調製される。続いて、試料がサイクロン１０４から検出装置２００に供給される。さらには、コントローラ３００は、照射部２０４に光を照射させ、検出部２０７に表面増強蛍光を検知させる。なお、コントローラ３００は、試料と複合体２０３２（図１参照）とが混合されたサンプル液体２０３１を検出装置２００に供給してもよい。
また、コントローラ３００は、例えば、入力パラメータに基づいて、予め設定された条件で、各ポンプを制御して所定体積のサンプル液体２０３１を検出装置２００に供給する。さらに、コントローラ３００は、計時機能を有しており、各動作に要した時間の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から計測値を受信して、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してもよい。
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２０２４の詳細な構成について、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照しながら具体的に説明する。図１１Ｂは、図１１ＡのＸＩＢ−ＸＩＢ切断線における、金属微細構造体２０２４の拡大断面図である。
図１１Ａに示すように、基材２０２２の検出領域２０２３には、表面プラズモンを発生するためのナノスケールの金属微細構造体２０２４が設けられている。本実施の形態では、金属微細構造体２０２４は、検出領域２０２３上の金属膜で被覆された領域であり、樹脂基板２０２５及び金属膜２０２６を備える。
樹脂基板２０２５は、ナノインプリント又は射出成形により一方の主面（Ｚ軸プラス側の面）形成されたナノ構造体を有する。図１１Ｂに示すように、ナノ構造体は、複数のピラー２０２５ａを含む。この複数のピラー２０２５ａにおいて、ピラー２０２５ａの高さとピラー２０２５ａ間のピッチとのサイズの比率は、１：１〜１：３であることが望ましい。本実施の形態では、励起光の波長及び蛍光の波長は、７５０ｎｍ〜８５０ｎｍである。したがって、本実施の形態では、例えばピラー２０２５ａの高さは約２００ｎｍ、ピラー２０２５ａの直径は約２３０ｎｍ、ピラー２０２５ａ間のピッチは約４６０ｎｍであることが望ましい。なお、樹脂基板２０２５のナノ構造体は、これに限定されるものではなく、複数のピラー２０２５ａの代わりに、複数の半球体を含んでもよい。
金属膜２０２６は、樹脂基板２０２５に金属を成膜することで作製される。金属膜２０２６には、樹脂基板２０２５の複数のピラー２０２５ａに対応する複数の突起部２０２６ａが形成されている。励起光の波長及び蛍光の波長が７５０ｎｍ〜８５０ｎｍである場合は、金属膜２０２６の膜厚は、約４００ｎｍであることが望ましい。また、複数の突起部２０２６ａにおいて隣接する突起部の間の隙間の長さは、固定化抗体の長さと標的物質の長さと標識化抗体の長さとの総和の１００％〜２００％であることが望ましい。
金属膜２０２６の材料は、特に限定される必要はなく、金、銀、銅、若しくはアルミニウム、又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。また、金属膜２０２６の成膜方法としては、例えば、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法が用いられる。なお、金属膜２０２６の成膜方法は、特に限定される必要はなく、例えばスパッタリング法、又は真空蒸着法であってもよい。
金属膜２０２６上には、自己組織化単分子膜（以下、ＳＡＭと呼ぶ）が形成されており、固定化抗体は、このＳＡＭを介して金属微細構造体２０２４に固定される。図１２は、実施の形態１におけるＳＡＭ２０２７を説明するための図である。
図１２に示すように、金属微細構造体２０２４上にはＳＡＭ２０２７が形成されている。ＳＡＭ２０２７は、リンカー分子２０２７ａ及び非リンカー分子２０２７ｂを含む。固定化抗体２０２８は、ＳＡＭ２０２７のリンカー分子２０２７ａを介して金属微細構造体２０２４に固定されている。
リンカー分子２０２７ａは、一方の末端にチオール基を、他方の末端にカルボキシ基を有する。チオール基は、金属微細構造体２０２４の表面と結合する。カルボキシ基は、固定化抗体２０２８とペプチド結合する。
さらに、リンカー分子２０２７ａは、チオール基とカルボキシ基との間に、炭素数が１０以上のアルキル鎖２０２７ｃ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２０２７ｃは、チオール基及びポリエチレングリコール鎖２０２７ｄに接続されており、ポリエチレングリコール鎖２０２７ｄは、アルキル鎖２０２７ｃ及びカルボキシ基に接続されている。
非リンカー分子２０２７ｂは、一方の末端にチオール基を、他方の末端にヒドロキシ基を有する。チオール基は、金属微細構造体２０２４の表面と結合する。ヒドロキシ基は、親水性であるため、標識化抗体２０３２２及び表面修飾量子ドット２０３２１の非特異吸着を抑制する。
さらに、非リンカー分子２０２７ｂは、チオール基とヒドロキシ基との間に、炭素数が１０以上のアルキル鎖２０２７ｃと、ポリエチレングリコール鎖２０２７ｄとを含む。具体的には、アルキル鎖２０２７ｃは、チオール基及びポリエチレングリコール鎖２０２７ｄに接続されており、ポリエチレングリコール鎖２０２７ｄは、アルキル鎖２０２７ｃ及びヒドロキシ基に接続されている。
サンプル液体２０３１中にウイルス（標的物質）２０３１１が含まれる場合、そのウイルス２０３１１は、金属微細構造体２０２４に固定された固定化抗体２０２８に結合する。ウイルス２０３１１には、表面修飾量子ドット２０３２１で標識された標識化抗体２０３２２も結合されている。
このような金属微細構造体２０２４に励起光が照射されると、複合体２０３２から蛍光が発せられ、金属微細構造体２０２４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、ウイルスの量に対応する表面増強蛍光が発せられる。
なお、固定化抗体２０２８及び標識化抗体２０３２２は共に、標的物質と特異的に結合する性質を有する抗体であり、例えばＶＨＨ抗体であってもよく、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１０及び図１３を参照しながら説明する。図１３は、実施の形態１に係る検出装置２００の動作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試料と複合体とを含むサンプル液体２０３１を収容部２０２に導入する（Ｓ１０２）。続いて、照射部２０４は、サンプル液体２０３１が導入された収容部２０２に励起光を照射する（Ｓ１０４）。続いて、検出部２０７は、励起光の照射により複合体から発せられた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、サンプル液体２０３１中のウイルスを検出する（Ｓ１０６）。
［効果等］
以上のように、実施の形態１に係る複合体２０３２は、標的物質と特異的に結合する性質を有する第１物質と、シリコンを主成分として含み、かつ、表面が負の電荷を帯びている量子ドットと、下記一般式（１）で表される化合物を含み、量子ドットの表面を覆うリンカー物質と、を含み、第１物質は、リンカー物質を介して量子ドットの表面に固定化される、複合体。
Ｘ−Ｌ−Ｓｉ−（Ｒ１）（Ｒ２）（ＯＲ３） ・・・（１）
（ただし、式中、Ｘは、塩基性の官能基であり、Ｒ１、Ｒ２、及び、Ｒ３は、それぞれ独立して、アルキル基であり、Ｌは、アルキレン基である。）
このように、リンカー物質が塩基性の官能基を有する化合物を含み、分子中にシラノール基を１つ有するため、上記一般式（１）で表される化合物を含むリンカー物質で量子ドットの表面を覆っても、量子ドット同士がリンカー物質を介して結合しない。つまり、上記一般式（１）で表されるリンカー物質は、分子中にシラノール基を１つしか有しないため、１つの量子ドットと結合すると、他の量子ドットと結合できない。そのため、上記一般式（１）で表される化合物を含むリンカー物質で量子ドットの表面を覆っても、量子ドットは凝集しにくくなる。これにより、実施の形態１に係る複合体は、良好な分散性を有する。なお、塩基性の官能基とは、例えば、プロトン受容性を有する官能基であり、電子供与性を有する官能基である。言い換えると、塩基性の官能基は、イオン化した場合に正の電荷を帯びる官能基である。また、量子ドットは、無機材料から構成されるため、有機蛍光物質に比べて高い耐光性を有する。そのため、量子ドットは、光退色を起こしにくい。したがって、実施の形態１に係る複合体は、安定な発光特性を有する。また、量子ドットの主成分であるシリコンは、人体及び環境への悪影響が極めて小さいため、実施の形態１に係る複合体は、人体及び環境への悪影響を低減することができる。さらに、シリコンは、地殻中に約２８％含まれており、酸素に次いで２番目に多く含まれる元素である。そのため、量子ドットがシリコンを主成分として含むことにより、本開示の一態様に係る複合体は、将来に亘って環境保全に貢献する（サステナビリティ）だけでなく、低コスト化を実現し得る。
例えば、実施の形態１に係る複合体２０３２では、上記一般式（１）中のＸは、アミノ基である。
上記構造を有することにより、リンカー物質は、例えば、第１物質が端部にカルボキシ基を有する場合に、第１物質に対して高い結合性を有する。そのため、量子ドットは、リンカー物質を介して第１物質と良好に結合され得る。これにより、実施の形態１に係る複合体は、安定性が向上される。
例えば、実施の形態１に係る複合体２０３２では、上記一般式（１）中のＲ１及びＲ２は、メチル基であり、Ｒ３は、エチル基であり、Ｌは、プロピレン基である。
このように、リンカー物質が分子内にシラノール基を１つしか有しないため、リンカー物質が塩基性の官能基を有していても、つまり、カチオン化する官能基を有していても、量子ドット同士が凝集しにくくなる。そのため、実施の形態１に係る複合体は、良好な分散性を維持する。
例えば、実施の形態１に係る複合体２０３２では、量子ドットは、表面にボロン及びリンを含む。
上記構成を有することにより、量子ドットは、負の電荷を帯びる。そのため、実施の形態１に係る複合体は、良好な分散性を有する。
また、実施の形態１に係る検出装置２００は、上記のいずれかの複合体を用いて、標的物質を標識することにより、標的物質を検出する。
上述したように、量子ドットは、光退色を起こしにくい。そのため、量子ドットを構成の一部に含む複合体は、高強度の光が照射される場合であっても、安定な発光特性を維持する。したがって、当該複合体を用いて標的物質を標識することにより、実施の形態１に係る検出装置は、低濃度の標的物質を高感度に検出することができる。また、当該複合体は、光が連続的に照射される場合であっても、安定な発光特性を維持するため、実施の形態１に係る検出装置は、経時的な標的物質の変化を算出又は積算して標的物質を検出することができる。そのため、実施の形態１に係る検出装置は、上記のいずれかの複合体を用いることにより、信頼性の高い検出を行うことができる。さらに、量子ドットは、従来の有機蛍光色素に比べて、ストークスシフトが大きいため、蛍光物質として量子ドットを用いると、光学フィルタで励起光を遮断して蛍光のみを通過させることができる。そのため、実施の形態１に係る検出装置は、上記のいずれかの複合体を用いることにより、低濃度の標的物質を高精度に検出することができる。
例えば、実施の形態１に係る検出装置２００は、標的物質と特異的に結合する性質を有する第２物質が固定化された基材を収容する収容部と、標的物質を含み得る試料と、複合体と、を収容部に導入する導入部と、収容部に励起光を照射する照射部と、収容部に照射された励起光によって複合体から発せられた光に基づき、標的物質を検出する検出部と、を備える。
上記構成を有することにより、収容部において、基材に固定された第２物質と、標的物質と、複合体中の第１物質と、がこの順で結合されたサンドイッチ構造体が形成される。したがって、実施の形態１に係る検出装置は、サンドイッチ構造体中の複合体から発せられた光を検出することにより、低濃度の標的物質を高感度に検出することができる。
例えば、実施の形態１に係る検出装置２００では、基材は、基材の表面に生じるプラズモン共鳴により、複合体から発せられた光を増強させる。
これにより、実施の形態１に係る検出装置は、低濃度の標的物質を高感度に検出することができる。
例えば、実施の形態１に係る検出装置２００では、基材は、金属微細構造体を基材の表面に有する基板である。
これにより、基板の表面に局在プラズモンが生じるため、複合体から発せられた光はプラズモン共鳴により増強される。そのため、実施の形態１に係る検出装置は、低濃度の標的物質を高感度に検出することができる。
（実施の形態２）
続いて、実施の形態２に係る検出装置について図面を参照しながら説明する。
［検出装置］
図１４は、実施の形態２に係る検出装置２００ａの一例を示す概略構成図である。なお、図１４において、図１０と同じ構成要素については、同じ符号を用い、重複する説明を省略する。
実施の形態１に係る検出装置２００では、基材２０２２は、金属微細構造体２０２４を表面に有する基板である例を説明したが、実施の形態２に係る検出装置２００ａでは、基材（不図示）は、磁性を有する微粒子（以下、磁気微粒子ともいう）である。磁気微粒子は強磁性体である。
また、実施の形態１では、金属微細構造体２０２４の表面に生じるプラズモン共鳴により、複合体２０３２から発せられた光を増強させる例について説明したが、実施の形態２では、検出装置２００ａは、さらに印加部２０９を備え、磁気微粒子は、印加部２０２９が発生させた磁場により所定の方向に移動する。以下、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
図１４に示すように、実施の形態２に係る検出装置２００ａは、収容部２０２ａと、導入部２０３と、照射部２０４と、ロングパスフィルタ２０５１と、検出部２０７ａと、印加部２０９と、を備える。
収容部２０２ａは、流路２０２１ａと、屈折率調整層２０２９と、ガラス基板２０８と、を備える。収容部２０２ａは、ウイルスと特異的に結合する性質を有する抗体が固定化された磁気微粒子（以下、抗体付きの磁気微粒子）を収容する。
流路２０２１ａは、流路２０２１ａ内にサンプル液体２０３１を供給するための供給孔と、流路２０２１ａ内のサンプル液体２０３１を収容部２０２ａの外に排出する排出孔と、を有する。流路２０２１ａは、屈折率調整層２０２９のＺ軸プラス側の主面（以下、上面）上に配置された壁部で区画される。壁部は、例えば、シリコーンゴムで形成される。壁部がシリコーンゴムで形成されることにより、流路２０２１ａ内の液体が流路２０２１ａの外側に漏れにくくなる。
屈折率調整層２０２９は、屈折率調整層２０２９に入射した光のうち特定の波長の光を層内で干渉（以下、共鳴）させて増幅させることができればよく、単層であってもよく、屈折率の異なる２以上の層で構成されてもよい。例えば、屈折率調整層２０２９が複数層で構成される場合、屈折率調整層２０２９に入射した光が屈折率調整層２０２９と流路２０２１ａとの界面で全反射するとき、一部の光が屈折率調整層２０２９内で多層反射を起こしながら伝搬する。これにより、屈折率調整層２０２９内で、特定の波長の光が共鳴して増幅される。そのため、屈折率調整層２０２９の流路２０２１ａ側の表面（以下、屈折率調整層２０２９の上面）に生じる近接場光の強度が増幅される。なお、近接場光は、入射光が全反射する反射面の裏面（ここでは、屈折率調整層２０２９の上面）に生じる非伝搬性の光であり、例えば、エバネセント光である。近接場光は、非伝搬性であるため、屈折率調整層２０２９の上面近傍のみに存在し、当該上面から遠ざかるにつれて減衰する。なお、近接場光が存在する領域を近接場という。
ガラス基板２０８は、屈折率調整層２０２９と接して配置されている。ガラス基板２０８は、入射光を所定の屈折率で屈折させる。ガラス基板２０８は、例えば、プリズムである。ガラス基板２０８と屈折率調整層２０２９とは、光導波路を構成している。図１４に示すように、照射部２０４から出射された光は、光導波路の入射面（ガラス基板２０８のＹ軸マイナス側の面）からガラス基板２０８に入射し、屈折率調整層２０２９内を伝搬して、光導波路の出射面（ガラス基板２０８のＹ軸プラス側の面）からガラス基板２０８の外側に出射する。
導入部２０３は、サンプル液体２０３１を収容部２０２ａに導入する。サンプル液体２０３１中の試料及び複合体２０３２は、抗体付きの磁気微粒子と結合して、ウイルスが複合体２０３２と抗体付きの磁気微粒子とで挟持されたサンドイッチ構造体を形成する。なお、導入部２０３は、サンプル液体２０３１と抗体付きの磁気微粒子とが混合された混合液を収容部２０２ａに導入してもよい。
印加部２０９は、第１印加部２０９１と、第２印加部２０９２と、を備える。第１印加部２０９１は、例えば、磁石であり、導波路のＺ軸マイナス側（以下、下方という）に配置される。第１印加部２０９１は、磁気微粒子を屈折率調整層２０２９側（つまり、下方）に引き寄せる第１磁場を発生させる。第１印加部２０９１は、第１磁場を発生させることにより、磁気微粒子及びサンドイッチ構造体を屈折率調整層２０２９の上面に引き寄せる。例えば、第１印加部２０９１は、磁気微粒子及びサンドイッチ構造体が近接場内（以下、近接場照明領域内ともいう）に入るように、第１磁場の強度を調整する。これにより、サンドイッチ構造体中の複合体２０３２は、近接場内で励起されて光を発する。第２印加部２０９２は、例えば、磁石であり、流路２０２１ａのＹ軸マイナス側（以下、側方という）に配置される。第２印加部２０９２は、磁気微粒子を所定の方向（ここでは、Ｙ軸マイナス側）に掃引する第２磁場を発生させる。これにより、磁気微粒子及びサンドイッチ構造体は所定の方向に掃引される。なお、第１磁場及び第２磁場の強度は、それぞれ、第１印加部２０９１と流路２０２１ａとの距離、及び、第２印加部２０９２と流路２０２１ａとの距離を調節することにより調整されてもよく、第１印加部２０９１及び第２印加部２０９２に印加する電圧を制御することにより調整されてもよい。
照射部２０４は、収容部２０２ａに励起光を照射する。本実施の形態では、照射部２０４は、ガラス基板２０８に励起光を照射する。照射部２０４は、実施の形態１における照射部と同様であるため、ここでの説明を省略する。
なお、実施の形態２では、導波路内で励起光を全反射させることにより、導波路の上面（つまり、屈折率調整層２０２９の上面）に近接場が形成され、当該近接場内で複合体２０３２中の量子ドット２０３２１ａを励起させる例を説明したが、これに限られない。例えば、照射部２０４から出射された励起光がシート光に変換され、当該シート光を用いて量子ドットを励起させてもよい。また、例えば、プラズモン共鳴により量子ドットを励起させてもよい。
ロングパスフィルタ２０５１は、照射部２０４からの励起光を遮断し、かつ、複合体が発した光（ここでは、蛍光）を通過させる。
検出部２０７ａは、ロングパスフィルタ２０５１を通過した蛍光を受光して、二次元画像を生成する。本実施の形態では、検出部２０７ａは、近接場内に掃引されたサンドイッチ構造体中の複合体から発せられた蛍光を受光して、二次元画像を生成する。この二次元画像では、個々の複合体が発した蛍光は、光の点で表される。検出部２０７ａは、所定の方向に掃引されるサンドイッチ構造体のみを、所定の方向に移動する光の点として検出する。したがって、実施の形態２に係る検出装置２００ａは、ウイルスを動く点（動く光の点）として検出して、動く点を計数することより、試料中のウイルスの濃度を測定することができる。
［検出装置の動作］
以上のように構成された検出装置２００ａの動作について、図１５を参照しながら説明する。図１５は、実施の形態２に係る検出装置２００ａの動作の一例を示すフローチャートである。
図１０に示すように、実施の形態１では、基材２０２２は、金属微細構造体２０２４（図１１Ｂ参照）を表面に有する基板であり、収容部２０２に収容されている例を説明したが、実施の形態２では、基材（不図示）は、磁気微粒子である。そのため、実施の形態１と異なり、検出装置２００ａは、ウイルスを含み得る試料と複合体とを混合してサンプル液体２０３１を調製する際に、さらに、抗体付きの磁気微粒子を添加してもよい。以下、導入部２０３は、サンプル液体２０３１と抗体付きの磁気微粒子とが混合された混合液を収容部２０２ａに導入する場合の検出装置２００ａの動作例について説明する。
まず混合液の調製について説明する。検出装置２００ａは、混合部（不図示）において、ウイルスを含み得る試料と、抗体付きの磁気微粒子と複合体とが予め混合された溶液とを混合する。これにより、試料と複合体と抗体付きの磁気微粒子との混合液が調製される。混合液中では、抗原抗体反応により、磁気微粒子に固定化された抗体と、ウイルス（抗原）と、量子ドットの表面に固定化された抗体とがこの順で結合したサンドイッチ構造体が形成される。
図１５に示すように、導入部２０３は、上記の混合液を収容部２０２ａに導入する（Ｓ１１２）。
続いて、印加部２０９は、収容部２０２ａに磁場を発生させる（Ｓ１１３）。印加部２０９は、収容部２０２ａ内に第１磁場を発生させる第１印加部２０９１と、第２磁場を発生させる第２印加部２０９２とを備える。第１印加部２０９１は、収容部２０２ａ内に第１磁場を発生させて、収容部２０２ａに導入された混合液中のサンドイッチ構造体及び磁気微粒子を、流路２０２１ａと屈折率調整層２０２９との界面付近に引き寄せる。次いで、第２印加部２０９２は、収容部２０２ａ内に第２磁場を発生させて、サンドイッチ構造体及び磁気微粒子を所定の方向（例えば、図１４に示すＹ軸マイナス側）に掃引する。以上のように、ステップＳ１１３では、収容部２０２ａに磁場を発生させることにより、サンドイッチ構造体及び磁気微粒子を、上記の界面に沿って所定の方向に移動させる。
続いて、照射部２０４は、収容部２０２ａのガラス基板２０８に励起光を照射することにより、混合液が導入された収容部２０２ａに励起光を照射する（Ｓ１１４）。ガラス基板２０８は、例えばプリズムであり、ガラス基板２０８内において所定の屈折率で光を屈折させる。本実施の形態では、屈折率調整層２０２９が、ガラス基板２０８の流路２０２１ａ側の主面に配置されている。ガラス基板２０８に入射した光は、屈折率調整層２０２９と流路２０２１ａとの界面において特定の波長の光のみが共鳴して増幅される。
続いて、検出部２０７ａは、励起光の照射により複合体から発せられた蛍光を計測することにより、混合液中のウイルスを検出する（Ｓ１１６）。検出部２０７ａは、サンドイッチ構造体中の複合体から発せられた蛍光を受光して、二次元画像を生成する。上述したように、ステップＳ１１４で、サンドイッチ構造体及び磁気微粒子は、第１印加部２０９１が発生させた第１磁場により流路２０２１ａと屈折率調整層２０２９との界面付近に引き寄せられる。このとき、サンドイッチ構造体中の複合体は、当該界面付近で励起光を受け、蛍光を発する。検出部２０７ａは、当該蛍光を受光して、二次元画像を生成する。このとき、各々のサンドイッチ構造体から発せられた蛍光は、二次元画像上では、光の点として現像される。次いで、ステップＳ１１４で、上記の界面付近に引き寄せられたサンドイッチ構造体及び磁気微粒子は、第２磁場により当該界面に沿って所定の方向（例えば、図１４のＹ軸マイナス方向）に掃引される。このとき、検出部２０７ａは、所定の方向に掃引されるサンドイッチ構造体のみを、所定の方向に移動する光の点として検出する。以上のように、検出部２０７ａは、サンドイッチ構造体中の複合体から発せられた光を動く点（光の点）として検出して、動く点を計数することにより、空気中に浮遊するウイルスの濃度を測定することができる。
［効果等］
以上のように、実施の形態２に係る検出装置は、さらに、収容部に磁場を発生させる印加部を備え、基材は、磁気性を有する微粒子であり、基材は、印加部が発生させた磁場により所定の方向に移動する。
上記構成を有することにより、複合体中の第１物質と、標識物質と、基材の表面に固定化された第２物質とがこの順に結合したサンドイッチ構造体は、収容部内において、印加部が発生させた磁場により所定の方向に移動する。このとき、励起光が収容部に照射されると、サンドイッチ構造体中の複合体は蛍光を発する。そのため、実施の形態２に係る検出装置によれば、所定の方向に移動するサンドイッチ構造体を、光点の動きとして検出することができる。また、複合体中の量子ドットは、無機材料から構成されているため、光退色を起こしにくい。そのため、量子ドットは、サンドイッチ構造体が磁場により所定の方向に移動する間、連続的に励起光を照射されても、安定な発光特性を維持する。したがって、実施の形態２に係る検出装置によれば、低濃度の標的物質を高精度に検出することができる。
（他の実施の形態）
以上、本開示の１つ又は複数の態様に係る予測装置及び予測方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これら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実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構成される形態も、本開示の１つ又は複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
なお、実施の形態２では、検出装置２００ａ（図１４参照）がガラス基板２０８と屈折率調整層２０２９とから構成される導波路を有し、屈折率調整層２０２９の上面付近に近接場が形成される例を説明したが、検出装置は、屈折率調整層２０２９の上面に金又は銀などの金属薄膜を有してもよい。これにより、金属薄膜上に局在化表面プラズモンが生じるため、サンドイッチ構造体中の複合体から発せられる蛍光はプラズモン共鳴によりさらに増強される。
また、実施の形態２では、第１印加部２０９１が発生させた第１磁場によりサンドイッチ構造体が屈折率調整層２０２９側に引き寄せられ、近接場内でサンドイッチ構造体中の複合体から発せられた光が増強される例を説明したが、さらに、磁気微粒子は、表面に局在化表面プラズモンが生じてもよい。これにより、サンドイッチ構造体中の複合体から発せられた蛍光は、プラズモン共鳴によりさらに増強される。
また、実施の形態２では、収容部２０２ａの下方に導波路を設けて、流路２０２１ａの底面（つまり、屈折率調整層２０２９の上面）に近接場を形成することにより、複合体から発せられる光を増強させる例を説明したが、検出装置は、導波路を有していなくてもよい。例えば、検出装置は、流路２０２１ａの側方（図１４のＹ軸方向）から流路２０２１ａに対して略水平に励起光が照射されてもよい。このように励起光を照射することにより、流路２０２１ａ全体に光を照射することができ、かつ、励起光が検出部２０７ａに直接入射することを防ぐことができる。なお、この場合、磁気微粒子は、表面に局在化表面プラズモンを生じる。これにより、サンドイッチ構造体中の複合体から発せられる蛍光は、プラズモン共鳴により増強される。
また、実施の形態２では、基材が磁気微粒子であり、印加部２０９により発生された磁場により所定の方向に移動するサンドイッチ構造体を光の点の動きとして検出する例を説明したが、印加部２０９を有しなくてもよい。検出装置は、例えば、フローサイトメータであってもよい。この場合、磁気微粒子は、表面に局在化表面プラズモンを生じる。これにより、サンドイッチ構造体中の複合体から発せられる蛍光は、プラズモン共鳴により増強される。一方、遊離の複合体から発せられる蛍光は、磁気微粒子から離れているため、プラズモン共鳴の作用を受けず、増強されない。
以上のように、サンドイッチ構造体中の複合体から発せられる蛍光は、プラズモン共鳴により増強されるため、検出装置は、低濃度の標的物質を高感度に、かつ、高精度に検出することができる。
さらに、本開示に係る複合体は、連続的に励起光を照射されても光劣化、例えば、光退色が起こりにくいため、本開示に係る複合体を用いることにより、検出装置の高感度化及び高精度化だけでなく、検出の高速化を実現することができる。これにより、検出にかかる時間及びコストを削減して効率を向上させることができる。
本開示に係る複合体及び当該複合体を用いた検出装置は、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、部屋入口でのゲートキーピング、部屋の空気中の浮遊するウイルス濃度を高感度に検出する検出システムに利用することができる。
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、２００ａ 検出装置
２０１ センサデバイス
２０２、２０２ａ 収容部
２０２１、２０２１ａ 流路
２０２２ 基材
２０２３ 検出領域
２０２４ 金属微細構造体
２０２５ 樹脂基板
２０２５ａ ピラー
２０２６ 金属膜
２０２６ａ 突起部
２０２７ ＳＡＭ
２０２７ａ リンカー分子
２０２７ｂ 非リンカー分子
２０２７ｃ アルキル鎖
２０２７ｄ ポリエチレングリコール鎖
２０２８ 第２物質（固定化抗体）
２０２９ 屈折率調整層
２０３ 導入部
２０３１ サンプル液体
２０３１１ 標的物質（ウイルス）
２０３２ 複合体
２０３２１ 表面修飾量子ドット
２０３２１ａ 量子ドット
２０３２１ｂ リンカー物質
２０３２２ 第１物質（標識化抗体）
２０４ 照射部
２０５ ビームスプリッタ
２０５１ ロングパスフィルタ
２０６ レンズ
２０７、２０７ａ 検出部
２０９ ガラス基板
２０９ 印加部
２０９１ 第１印加部
２０９２ 第２印加部
３００ コントローラ

Claims (9)

  1. 標的物質と特異的に結合する性質を有する第１物質と、
    シリコンを主成分として含み、かつ、表面が負の電荷を帯びている量子ドットと、
    下記一般式（１）で表される化合物を含み、前記量子ドットの表面を覆うリンカー物質と、
    を含み、
    前記第１物質は、前記リンカー物質を介して前記量子ドットの表面に固定化される、
    複合体。
    Ｘ−Ｌ−Ｓｉ−（Ｒ１）（Ｒ２）（ＯＲ３） ・・・（１）
    （ただし、式中、Ｘは、塩基性の官能基であり、Ｒ１、Ｒ２、及び、Ｒ３は、それぞれ独立して、アルキル基であり、Ｌは、アルキレン基である。）
  2. 前記Ｘは、アミノ基である、
    請求項１に記載の複合体。
  3. 前記Ｒ１及び前記Ｒ２は、メチル基であり、前記Ｒ３は、エチル基であり、前記Ｌは、プロピレン基である、
    請求項２に記載の複合体。
  4. 前記量子ドットは、前記表面にボロン及びリンを含む、
    請求項１に記載の複合体。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合体を用いて、前記標的物質を標識することにより、前記標的物質を検出する、
    検出装置。
  6. 前記検出装置は、
    前記標的物質と特異的に結合する性質を有する第２物質が固定化された基材を収容する収容部と、
    前記標的物質を含み得る試料と、前記複合体と、を前記収容部に導入する導入部と、
    前記収容部に励起光を照射する光照射部と、
    前記収容部に照射された励起光によって前記複合体から発せられた光に基づき、前記標的物質を検出する検出部と、
    を備える、
    請求項５に記載の検出装置。
  7. 前記基材は、前記基材の表面に生じるプラズモン共鳴により、前記複合体から発せられた前記光を増強する、
    請求項６に記載の検出装置。
  8. 前記基材は、金属微細構造体を前記基材の表面に有する基板である、
    請求項７に記載の検出装置。
  9. さらに、前記収容部に磁場を発生させる印加部を備え、
    前記基材は、磁気性を有する微粒子であり、
    前記基材は、前記印加部が発生させた前記磁場により所定の方向に移動する、
    請求項６に記載の検出装置。
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