WO2014168041A1 - 標的物質捕捉装置 - Google Patents

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target substance
flat portions
light
lattice pattern
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古川　秀樹
暢子 奥谷
邦彦 笹尾
寿明 小口
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NSK Ltd
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    • G01N2021/757—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated using immobilised reagents

Definitions

  • the present invention relates to a target substance capturing device for detecting a target substance.
  • Biosensors using photonic crystals are known as means for detecting target substances such as proteins and cells and measuring concentrations (for example, Non-Patent Document 1).
  • the biosensor described in Non-Patent Document 1 irradiates light on a photonic crystal substrate on which a gold thin film is formed, and measures the reflected light reflected by the photonic crystal substrate, thereby detecting the target substance and the target. Measuring the concentration of substances.
  • Patent Document 1 describes a biosensor having a reflective surface in which cylindrical protrusions are arranged in a uniform quadrangular lattice pattern as an uneven structure, that is, arranged in a single rotational symmetry.
  • Non-Patent Document 2 describes a sensitivity performance index FOM1 and a sensitivity performance index FOM2 as sensitivity evaluation indexes.
  • the biosensor described in Non-Patent Document 1 has a reflective surface in which concave portions are arranged in a triangular lattice shape.
  • the wavelength at which the reflected light of the light incident on the reflecting surface exhibits an extreme value depends on the period of the lattice pattern on the reflecting surface.
  • the period of the grating pattern on the reflecting surface can be set to a desired value.
  • simply increasing the number of recesses decreases the period of the lattice pattern on the reflecting surface. For this reason, a biosensor capable of increasing the sensor sensitivity while setting the period of the lattice pattern on the reflecting surface to a desired value is desired.
  • An object of the present invention is to provide a target substance capturing device and a target substance detection device including the target substance capturing device that can increase sensor sensitivity while setting the period of the lattice pattern on the reflecting surface to a desired value.
  • the present invention is a target substance capturing device in which a plurality of non-flat portions are arranged, includes a reflecting surface that captures a target substance and reflects irradiated light, and a natural number of 2 or more is M, which is different from M
  • the array in which the plurality of non-flat portions are arranged is such that the centers of the non-flat portions are one by one at the positions of the vertices in the figure in which the non-flat portions are M-fold symmetric.
  • It includes a plurality of unit arrays arranged so as to overlap each other, and the plurality of unit arrays are arranged so that the centers of gravity of the figures that are M times symmetrical overlap one by one at the intersections of the lattice pattern that is N times symmetrical.
  • This is a target substance capturing device.
  • the unit arrays are arranged in a lattice pattern.
  • the wavelength at which the reflected light of light incident on the reflecting surface exhibits an extreme value depends on the period of the lattice pattern on the reflecting surface. Therefore, in the target substance capturing device according to the present invention, the wavelength at which the reflected light exhibits an extreme value depends on the period of the lattice pattern formed by the unit array.
  • the unit array since the unit array includes a plurality of non-flat portions, the number of non-flat portions on the entire reflecting surface is increased as compared with the case where the non-flat portions are arranged so as to form a similar lattice pattern. Therefore, the target substance capturing device according to the present invention can increase the sensor sensitivity while setting the period of the lattice pattern on the reflecting surface to a desired value.
  • the minimum distance between the centers of the non-flat portions in one unit array is not less than 0.4 times and not more than 0.6 times the minimum distance between intersection points of the lattice pattern.
  • the minimum distance between the centers of the non-flat portions in one unit array is not less than 0.4 times and not more than 0.6 times the minimum distance between the intersections of the lattice pattern. Since the number of non-flat portions can be increased while maintaining a predetermined size, the specific surface area of the reflecting surface is increased.
  • the target substance capturing device can reduce the possibility that the non-flat portion forms a lattice pattern. Therefore, the target substance capturing device according to the present invention can increase the sensor sensitivity while further reliably setting the cycle to a desired value.
  • the M is 3 and the N is 6.
  • M 3
  • N 6
  • the unit arrays are arranged in a triangular lattice shape.
  • the minimum distance between the centers of the non-flat portions in one unit array is 0.5 times the minimum distance between intersection points of the lattice pattern.
  • the present invention includes a target substance capturing device that includes a reflecting surface that reflects irradiated light, and that captures the target substance by a biosensor using a photonic crystal in which a plurality of non-flat portions are arranged on the reflecting surface according to a certain rule.
  • the arrangement in which the plurality of non-flat portions are arranged includes a plurality of unit arrays arranged so that the non-flat portions overlap the centers of the non-flat portions one by one at the position of the vertex of an equilateral triangle.
  • a plurality of unit arrays are arranged so that the centroids of the equilateral triangles are overlapped one by one at the intersections of the lattice pattern intersecting each other at an angle of 60 ° It is a target substance capturing device characterized by being made.
  • the diameter of the cross section of the non-flat portion is less than 1 times C1.
  • the non-flat portion does not necessarily have a circular cross-sectional shape, and may be a regular hexagon or a star.
  • the wavelength at which the reflected light of the light incident on the reflecting surface of the measurement unit shows an extreme value is the grating of the reflecting surface. Depends on the pattern period. Therefore, in the target substance capturing device according to the present invention, the wavelength at which the reflected light exhibits an extreme value depends on the period of the lattice pattern formed by the unit array. In addition, since the unit array includes a plurality of non-flat portions, the number of non-flat portions on the entire reflecting surface is increased as compared with the case where the non-flat portions are arranged so as to form a similar lattice pattern. Therefore, the target substance capturing device according to the present invention can increase the sensor sensitivity while setting the period of the lattice pattern on the reflecting surface to a desired value.
  • the plurality of non-flat portions are arranged such that the non-flat portions overlap the centers of the non-flat portions one by one at the apex of the regular triangle.
  • a plurality of unit arrays are included, and the unit arrays are arranged so that the centers of gravity of the equilateral triangles are overlapped one by one at the intersections of the lattice pattern that intersect each other at an angle of 60 °.
  • a cross section of the non-flat portion along the reflection surface is circular, and a diameter of a cross section of the non-flat portion is less than one time of a length of one side of the equilateral triangle.
  • the length of one side of the equilateral triangle is 0.5 times the minimum distance between the intersection points of the lattice pattern, and the one side of the equilateral triangle is parallel to a straight line included in the lattice pattern.
  • the non-flat portions 28A are arranged at equal intervals in the direction of the lattice pattern La, so that the period of the lattice pattern La is hardly disturbed. For this reason, the half width of the spectrum shape of the reflected light is reduced, and noise in the measurement can be reduced. Therefore, the target substance capturing device can improve the S / N ratio and further increase the sensor sensitivity.
  • a cross section of the non-flat portion along the reflection surface is a regular hexagon or a star. Since these shapes have six-fold rotational symmetry, the non-flat portion is formed in such a shape so that the target substance capturing device according to the present invention has a six-fold arrangement of the non-flat portions. In addition, since the shape of the non-flat portion is 6-fold symmetric, further improvement in measurement accuracy can be realized.
  • the sensor sensitivity can be increased while setting the period of the lattice pattern on the reflecting surface to a desired value.
  • the target substance detection apparatus provided with the target substance capturing apparatus of the present invention can increase the sensor sensitivity while setting the period of the lattice pattern on the reflecting surface to a desired value.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a target substance detection device.
  • FIG. 2 is a perspective view of a metal film-coated photonic crystal.
  • FIG. 3 is a plan view of the metal film-coated photonic crystal.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross section along AA in FIG.
  • FIG. 5 is a plan view of a metal film-coated photonic crystal of a comparative form.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the reflectance with respect to the wavelength of the reflected light in the example.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the reflectance with respect to the wavelength of the reflected light in the comparative example.
  • FIG. 8 is a diagram showing the sensitivity as a sensor for the examples and comparative examples.
  • FIG. 9 is a view showing an AA cross section in FIG.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a method for manufacturing a photonic crystal.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a method for manufacturing a photonic crystal.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a method for manufacturing a photonic crystal.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the principle of the photonic crystal biosensor.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the principle of a photonic crystal biosensor.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the principle of the photonic crystal biosensor.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the principle of the photonic crystal biosensor.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a photonic crystal biosensor.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a photonic crystal biosensor.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a method for manufacturing a photonic crystal.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a method for manufacturing a photonic crystal.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a method for manufacturing a photonic crystal.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a photonic crystal biosensor.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the photonic crystal biosensor fixing means.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining the photonic crystal biosensor fixing means.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating another embodiment of the photonic crystal biosensor.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating an example in which the light detection unit of the target substance detection device irradiates light to the photonic crystal biosensor.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating a structure of a measurement probe included in the light detection unit of the target substance detection device.
  • FIG. 25 is a diagram illustrating the evaluation conditions of the light detection unit of the target substance detection device.
  • FIG. 26 is a flowchart of the target substance detection method.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the photonic crystal biosensor fixing means.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining the photonic crystal biosensor fixing means.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating another embodiment of the photonic crystal biosensor.
  • FIG. 27 is a diagram for explaining the principle of the photonic crystal biosensor.
  • FIG. 28 is a diagram for explaining the principle of a photonic crystal biosensor.
  • FIG. 29 is a diagram for explaining the principle of the photonic crystal biosensor.
  • FIG. 30 is a diagram illustrating the principle of the photonic crystal biosensor.
  • FIG. 31 is a diagram for explaining the principle of the photonic crystal biosensor.
  • FIG. 32 is a view showing a cross-sectional shape along the reflection surface of the non-flat portion
  • FIG. 32 (a) is a view showing a non-flat portion having a regular hexagonal cross section
  • FIG. 32 (b) is a cross-sectional view.
  • FIG. 3 is a diagram showing a star-shaped non-flat portion.
  • FIG. 3 is a diagram showing a star-shaped non-flat portion.
  • FIG. 33 is a cross-sectional view of the metal film-coated photonic crystal according to the third embodiment, cut along a plane orthogonal to the reflecting surface.
  • FIG. 34 is a diagram illustrating a peak wavelength of a spectrum of reflected light when light is irradiated to the photonic crystal biosensor according to the first example.
  • FIG. 35 is a diagram illustrating a peak wavelength of a spectrum of reflected light when light is irradiated on the photonic crystal biosensor according to the first comparative example.
  • FIG. 36 is a diagram showing the peak wavelength of the spectrum of reflected light when light is irradiated to the photonic crystal biosensor according to the second example.
  • FIG. 37 is a diagram showing the peak wavelength of the spectrum of reflected light when light is irradiated to the photonic crystal biosensor according to the second comparative example.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a target substance detection device.
  • the target substance detection device 10 includes a photonic crystal biosensor (target substance capture device) 11, a light detection unit 12, and a processing unit 13 according to the first embodiment.
  • the photonic crystal biosensor 11 includes a metal film-coated photonic crystal 21, an upper plate 22, and a lower plate 23.
  • the upper plate 22 is provided with an opening 24.
  • the photonic crystal biosensor 11 has a structure in which a metal film-covered photonic crystal 21 is sandwiched between an upper plate 22 and a lower plate 23.
  • the photonic crystal biosensor 11 includes the upper plate 22 and the lower plate 23.
  • the present invention is not limited to this, and the metal film-coated photonic crystal 21 is not limited thereto. It may be formed only by.
  • FIG. 2 is a perspective view of the metal film-coated photonic crystal 21.
  • FIG. 3 is a plan view of the metal film-covered photonic crystal 21.
  • FIG. 4 is a view showing a cross section taken along the line AA in FIG. 3, and shows a cross section when the photonic crystal 25 is cut along a plane orthogonal to the surface 27 of the photonic crystal 25.
  • 2 to 4 are diagrams schematically showing the thickness, size, and the like of components constituting the metal film-coated photonic crystal 21. The same applies to the first embodiment and other embodiments described later.
  • the metal film-covered photonic crystal 21 includes a photonic crystal 25 and a metal film 26.
  • the metal film-covered photonic crystal 21 covers a reflective surface 29 in which a plurality of non-flat portions 28 ⁇ / b> A are arranged on the surface 27 of the photonic crystal 25 with a metal film 26.
  • the non-flat portion 28 ⁇ / b> A is a cylindrical recess that is recessed with respect to the surface 27.
  • a photonic crystal has a reflective surface in which concave portions having a predetermined depth or convex portions having a predetermined height are periodically formed on the surface, and light of a specific wavelength (parallel light) is irradiated onto the reflective surface. Then, it is a structure from which the reflected light can be obtained.
  • a structure that obtains reflected light of a specific wavelength when light is irradiated onto a reflective surface having concave portions or convex portions formed periodically on the surface is generally called a photonic crystal.
  • a photonic crystal is a structure having a lattice structure with sub-wavelength intervals. And when it irradiates the surface of a structure (henceforth a reflective surface) with the light of a wide region wavelength, it reflects or permeate
  • the surface state of the photonic crystal depends on, for example, the shape and material of the photonic crystal. By reading the change in the reflected light or transmitted light, the change in the surface state of the photonic crystal can be quantified. Examples of changes in the surface state of the photonic crystal include adsorption of substances on the surface and structural changes.
  • the amount of change in reflectance or transmittance at the extreme value (maximum value or minimum value) or the shift amount of the wavelength at which the reflectance or transmittance becomes an extreme value is obtained.
  • the change in the surface state of the photonic crystal can be quantified by obtaining the amount of change with respect to the extreme value of interest or by obtaining the amount of shift of the wavelength that is the extreme value of interest.
  • the photonic crystal 25 has a reflection surface 29 on the surface 27 of which a plurality of non-flat portions 28A are arranged.
  • the reflection surface 29 is irradiated with light, light having a specific wavelength depending on the shape and material of the photonic crystal 25 is reflected.
  • the arrangement in which the plurality of non-flat portions 28A are arranged is such that the center G1 of the non-flat portion 28A is located at the vertex position in the equilateral triangle Po in which the three non-flat portions 28A are three-fold symmetrical figures.
  • a plurality of unit arrays U arranged so as to be stacked one by one are included.
  • the plurality of unit arrays U are arranged so that the centroids G2 of the regular triangles Po overlap one by one at the position of the intersection of the lattice pattern La that is six-fold symmetric.
  • sequence U is arrange
  • the wavelength at which the reflected light of the light incident on the reflecting surface 29 of the photonic crystal 25 exhibits an extreme value depends on the period of the lattice pattern La on the reflecting surface 29.
  • the period of the lattice pattern La is equal to the minimum distance B1 between the centroids G2. Therefore, in the first embodiment, the wavelength at which the reflected light of the light incident on the reflecting surface 29 exhibits an extreme value depends on the minimum distance B1 between the centroids G2.
  • the unit array U includes a plurality of non-flat portions 28A
  • the number of non-flat portions 28A on the entire reflecting surface is smaller than when the non-flat portions 28A are arranged to form the lattice pattern La. Become more.
  • the distance C1 between the centers G1 of the non-flat portions 28A in the unit array U is not less than 0.4 times and not more than 0.6 times the minimum distance B1 between the centroids G2, which is equal to the minimum distance between intersections of the lattice pattern La. Is preferred.
  • the reflective surface 29 can increase the number of non-flat portions 28A without reducing the period of the lattice pattern La, which is the minimum distance B1 between the centroids G2.
  • the reflecting surface 29 increases the number of non-flat portions 28A per unit area while the diameter D1 of the non-flat portions 28A is maintained at a desired size.
  • the photonic crystal 25 of 1st Embodiment can raise the sensitivity when it uses as a sensor because the specific surface area of the reflective surface 29 becomes large. Therefore, the sensor using the photonic crystal 25 of the first embodiment can increase the sensor sensitivity while setting the period of the lattice pattern La on the reflection surface 29 to a desired value.
  • all the non-flat portions 28A belong to any unit array U.
  • the non-flat portion 28A belonging to one unit array U is different from the non-flat portion 28A belonging to the adjacent unit array U.
  • the non-flat portion 28A is not disposed at the position G3 in FIG. 3, for example.
  • the position G3 is the position of the center of gravity of a triangle obtained by connecting the center of gravity G2 of three adjacent regular triangles Po with line segments.
  • the non-flat portion 28A is not arranged alone, and thus the non-flat portion 28A does not form the lattice pattern La.
  • the reflective surface 29 can increase the number of non-flat portions 28A without reducing the period of the lattice pattern La, which is the minimum distance B1 between the centroids G2. Therefore, the sensor using the photonic crystal 25 of the first embodiment can increase the sensor sensitivity while further reliably setting the cycle to a desired value.
  • the distance C1 between the centers G1 is 0.5 times the minimum distance B1 between the centroids G2.
  • the non-flat portions 28A are arranged at equal intervals in the direction of the lattice pattern La, so that the period of the lattice pattern La is hardly disturbed. For this reason, the half width of the spectrum shape of the reflected light is reduced, and noise in the measurement can be reduced. Therefore, the sensor using the photonic crystal 25 of the first embodiment has an improved S / N ratio and can further increase sensor sensitivity.
  • the number of non-flat portions 28A included in the unit array U may not be three.
  • the number of non-flat portions 28A included in the unit array U may be four or more.
  • the position where the center G1 of the non-flat portion 28A overlaps in the unit array U may not be the vertex of the regular triangle Po.
  • the position where the center G1 of the non-flat portion 28A overlaps in the unit array U may be the vertex of a figure that is rotationally symmetric other than an equilateral triangle.
  • the position where the center of gravity G2 of the equilateral triangle Po overlaps may not be the intersection of the lattice pattern La that is 6-fold symmetric.
  • the position where the center of gravity G2 of the regular triangle Po overlaps may be an intersection of lattice patterns that are rotationally symmetric other than 6-fold symmetry.
  • a natural number of 2 or more is M
  • a natural number of 2 or more is N
  • a position where the center G1 of the non-flat portion 28A overlaps in the unit array U is a vertex of the M-fold symmetrical figure
  • a center of gravity G2 of the regular triangle Po overlaps Is an intersection of lattice patterns that are N times symmetrical, M and N must be different.
  • M is 3 and N is 6 as in the first embodiment shown in FIGS.
  • the diameter D1 of the non-flat portion 28A is preferably 0.25 times or less the distance between the centers of gravity G2. Further, the diameter D1 of the non-flat portion 28A is preferably 50 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 100 nm or more and 500 nm or less. In addition, the shortest distance C1 between the centers G1 of the non-flat portion 28A is preferably 100 nm or more and 2000 nm or less, and more preferably 200 nm or more and 1000 nm or less.
  • the aspect ratio (H1 / D1) of the non-flat portion 28A is preferably 0.1 or more and 10 or less, more preferably 0.5 or more and 5 or less. 0.0 or less.
  • the dimension of the non-flat portion 28A is not limited to the above.
  • an organic material such as a synthetic resin or an inorganic material such as a metal or ceramic can be used.
  • Synthetic resins include polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polycycloolefin, polyamide, polyimide, acrylic, polymethacrylic acid ester, polycarbonate, polyacetal, polytetrafluoroethylene, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polyvinyl chloride
  • Thermosetting resins such as vinylidene, polystyrene, polyphenylene sulfide, polyether sulfone, and polyether ether ketone, and phenol resins, urea resins, and epoxy resins can be used.
  • ceramics such as silica, alumina, zirconia, titania and yttria can be suitably used.
  • metal various alloys including steel materials can be used. Specifically, stainless steel, titanium, a titanium alloy, or the like can be preferably used.
  • Polycycloolefin synthetic resin or silica ceramic is more preferable. Among these, the polycycloolefin synthetic resin is most suitable because of its excellent processability.
  • the photonic crystal 25 is produced by performing fine processing on the surface of the material substrate.
  • a processing method laser processing, thermal nanoimprint, optical nanoimprint, a combination of a photomask and etching, or the like can be used.
  • a thermoplastic resin such as a polycycloolefin-based synthetic resin
  • a method using thermal nanoimprinting is preferable.
  • the metal film 26 will be described.
  • the reflective surface 29 of the photonic crystal 25 is covered with a metal film 26.
  • the metal film 26 is preferably formed using at least one of gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and aluminum (Al).
  • the metal film 26 is made of Au.
  • Au is preferable as the reflective surface 29 because it is excellent in stability.
  • the surface is preferably covered with gold. By doing in this way, the usage-amount of gold
  • the metal film-coated photonic crystal 21 is obtained by coating the reflective surface 29 of the photonic crystal 25 with the metal film 26, the metal film-coated photo is applied to the reflective surface 29 corresponding to the non-flat portion 28A of the photonic crystal 25.
  • a non-flat portion 28B of the nick crystal 21 is formed.
  • the diameter D2 of the non-flat part 28B is 0.25 times or less of the minimum distance B1 between the gravity centers G2.
  • the diameter D2 of the non-flat portion 28B depends on the thickness of the metal film 26, it is preferably 50 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 100 nm or more and 500 nm or less.
  • the shortest distance C2 between the centers G1 of the non-flat portion 28B is preferably 80 nm or more and 2400 nm or less, and more preferably 200 nm or more and 1000 nm or less. Further, when the depth of the non-flat portion 28B is H2, the aspect ratio (H2 / D2) of the non-flat portion 28B is preferably 0.1 or more and 10 or less, and more preferably 0.5 or more and 5 or less. 0.0 or less. The dimension of the non-flat portion 28B is not limited to the above.
  • the thickness of the metal film 26 is small, part of the incident light on the photonic crystal 25 may pass through the metal film 26. As a result, a large amount of unnecessary information may be included in the reflected light from the photonic crystal 25, such as a reduction in the amount of information obtained from the reflected light, diffracted light, or reflected light from the back surface of the photonic crystal 25.
  • unnecessary information contained in the reflected light from the photonic crystal 25 can be reduced, and the detection accuracy and concentration measurement accuracy of the target substance can be improved. Further, it is preferable that the thickness of the metal film 26 is moderately small because a detailed pattern shape can be easily formed on the surface 27 of the photonic crystal 25.
  • the thickness of the metal film 26 is preferably 30 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 150 nm or more and 500 nm or less, and further preferably 200 nm or more and 400 nm or less. This is because the change of the reflectance with respect to the wavelength becomes almost the same when the thickness of the metal film 26 exceeds 200 nm.
  • the metal film 26 can be formed on the reflection surface 29 of the photonic crystal 25 by sputtering or vapor deposition.
  • the outermost surface of the metal film 26 is preferably Au.
  • Ag, Pt, and Al are used for the metal film 26, the wavelength of reflected light at each extreme value is 1.5 times that when Au is used as the metal film 26.
  • Ag, Pt, and Al have a sensitivity that is 1.5 times that of Au. Since Ag is easily oxidized, it is preferable to form an oxide thin film such as Au or SiO 2 that is not easily oxidized after forming Ag on the reflective surface 29 of the photonic crystal 25. In this case, an Au film having a thickness of 5 nm can be formed on the surface of the Ag film having a thickness of 200 nm.
  • the sensitivity is 1.5 times that of an Au film having a thickness of 200 nm. Further, no change in sensitivity was observed with or without the 5 nm Au film. Since Al is also easily oxidized like Ag, after forming an Al film on the surface 27 of the photonic crystal 25, it is preferable to form an oxide thin film such as Au or SiO 2 that is not easily oxidized. In order to modify with an antibody or the like, it is preferable that Pt also forms an oxide thin film such as Au or SiO 2 .
  • the reflective surface 29 of the photonic crystal 25 is preferably modified using 3-triethoxysilylpropylamine (APTES) or the like.
  • APTES 3-triethoxysilylpropylamine
  • the Au or Ag metal film 26 is formed on the reflective surface 29 of the photonic crystal 25, it is not APTES but has a thiol group at one end and a functional group such as an amino group or a carboxyl group at the other end. It is preferable to modify the reflecting surface 29 of the photonic crystal 25 using the carbon chain that it has.
  • a silane coupling agent having a functional group at one end for example, APTES is used to reflect the reflective surface of the photonic crystal 25. It is preferable to modify 29.
  • the arrangement of the plurality of non-flat portions 28B arranged on the surface of the metal film-covered photonic crystal 21 is such that the three non-flat portions 28B are positioned at the vertices in the equilateral triangle Po.
  • a plurality of unit arrays U arranged so as to overlap the centers G1 one by one are included.
  • the arrangement in which the plurality of non-flat portions 28B are arranged is a plurality of unit arrays so that the centroids G2 of the equilateral triangle Po are overlapped one by one at the intersections of the lattice pattern La intersecting each other at an angle of 60 °.
  • U is arranged.
  • sequence U is arrange
  • the wavelength at which the reflected light of the light incident on the reflective surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21 exhibits an extreme value depends on the period of the lattice pattern La on the reflective surface 29.
  • the period of the lattice pattern La is equal to the minimum distance B1 between the centroids G2. Therefore, in the first embodiment, the wavelength at which the reflected light of the light incident on the reflecting surface 29 exhibits an extreme value depends on the minimum distance B1 between the centroids G2.
  • the unit array U includes a plurality of non-flat portions 28B, the number of non-flat portions 28B on the entire reflecting surface is smaller than when the non-flat portions 28B are arranged so as to form the lattice pattern La. Become more. Further, the shortest distance between the centers G1 of the non-flat portion 28B and the length C1 of one side of the regular triangle Po in the unit array U is equal to the minimum distance B1 between the centroids G2 equal to the minimum distance between the intersections of the lattice pattern La. It is preferably 0.4 times or more and 0.6 times or less.
  • the reflecting surface 29 can increase the number of non-flat portions 28B without reducing the period of the lattice pattern La, which is the minimum distance B1 between the centroids G2.
  • the reflecting surface 29 increases the number of non-flat portions 28B per unit area while the diameter D2 of the non-flat portions 28B is maintained at a desired size.
  • the metal film-covered photonic crystal 21 of the first embodiment can increase the sensitivity when used as a sensor by increasing the specific surface area of the reflecting surface 29. Therefore, the sensor using the metal film-covered photonic crystal 21 of the first embodiment can increase the sensor sensitivity while setting the period of the lattice pattern La on the reflection surface 29 to a desired value.
  • all the non-flat portions 28B belong to any unit array U.
  • the non-flat part 28B belonging to one unit array U is different from the non-flat part 28B belonging to the adjacent unit array U. Accordingly, the non-flat portion 28B is not disposed at the position G3 in FIG. 3, for example.
  • the position G3 is the position of the center of gravity of a triangle obtained by connecting the center of gravity G2 of three adjacent regular triangles Po with line segments.
  • the non-flat portion 28B is not disposed alone, and thus the non-flat portion 28B does not form the lattice pattern La.
  • the reflective surface 29 can increase the number of non-flat portions 28B without reducing the period of the lattice pattern La, which is the minimum distance B1 between the centroids G2. Therefore, the sensor using the metal film-covered photonic crystal 21 of the first embodiment can increase the sensor sensitivity while further reliably setting the cycle to a desired value.
  • the non-flat portion 28B By arranging the non-flat portion 28B in such an arrangement, the non-flat portion 28B is arranged on the reflecting surface 29 with only six rotational symmetries. Therefore, one large peak appears in the spectrum of reflected light, and the depth of the peak shape increases. As a result, a minute change on the reflection surface 29 can be detected with high accuracy, and noise in measurement can be further reduced. Therefore, the sensor using the metal film-covered photonic crystal 21 according to the first embodiment has an improved S / N ratio as compared with a plurality of rotationally symmetric arrangements, and can further increase sensor sensitivity.
  • the diameter D2 of the non-flat portion 28B is preferably less than 1 time the length C1 of one side of the regular triangle Po. If D2 is 1 or more times C1, the adjacent non-flat portion 28B comes into contact with it, which is not preferable.
  • the cross-sectional shape along the reflecting surface 29 of the non-flat portion 28B does not necessarily have to be a circle, and may be a regular hexagon as shown in FIG. 32 (a) or a star shape as shown in FIG. 32 (b). good.
  • the shape of the non-flat portion 28B itself is also 6-fold symmetric. A peak appears, and sensor sensitivity can be improved.
  • the circle includes a substantially circular shape.
  • substantially circular means a circular shape whose shape is collapsed compared to a perfect circle but whose deviation from the perfect circle is within the range of processing errors. That is, the substantially circular shape means a circular shape that is not a perfect circle but is intended to be a perfect circle.
  • the length of one side of the equilateral triangle Po is 0.5 times the minimum distance between the intersections of the lattice pattern La, and one side of the equilateral triangle Po is preferably parallel to the straight line included in the lattice pattern La. Since the non-flat portions 28A are arranged at equal intervals in the direction of the lattice pattern La, the period of the lattice pattern La is hardly disturbed. For this reason, the half width of the spectrum shape of the reflected light is reduced, and noise in the measurement can be reduced. Therefore, the sensor using the photonic crystal 25 of the first embodiment has an improved S / N ratio and can further increase sensor sensitivity.
  • FIG. 5 is a plan view of a metal film-coated photonic crystal 21 of a comparative form.
  • the array in which the plurality of non-flat portions 28A and 28B are arranged is arranged such that the centers G1 overlap one by one at the intersection point of the lattice pattern La that is six-fold symmetric.
  • the distance between the centers G1 in the comparative embodiment is equal to the minimum distance B1 between the centroids G2 in the first embodiment.
  • the results obtained by measuring the wavelength spectrum using the metal film-coated photonic crystal 21 of the first embodiment shown in FIGS. 2 to 4 are taken as examples. Moreover, let the result of having measured a wavelength spectrum using the metal film covering photonic crystal 21 of the comparative form shown in FIG. 5 be a comparative example.
  • the examples and comparative examples are results when the diameter D2 of the non-flat portion 28B is 200 nm and the minimum distance B1 between the centroids G2 is 600 nm.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the reflectance with respect to the wavelength of the reflected light in the example.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the reflectance with respect to the wavelength of the reflected light in the comparative example. 6 and 7, it can be seen that the example and the comparative example show the wavelength at which the reflectance shows an extreme value due to the minimum distance B1 between the centroids G2 being 600 nm.
  • FIG. 8 is a diagram showing the sensitivity as a sensor for the examples and comparative examples.
  • FIG. 8 shows the sensitivity as a sensor obtained from the shift amount of the extreme wavelength when biotin is immobilized on the surface 27 of the reflecting surface 29 and 100 nm of avidin is reacted, with respect to Examples and Comparative Examples.
  • FIG. 8 shows that the sensitivity of the example is higher than that of the comparative example. This is because the number of non-flat portions 28A and 28B per unit area is greater than that of the comparative example even though the period of the lattice pattern La on the reflecting surface 29 is the same as the minimum distance B1 between the centroids G2. This is because there are many.
  • the non-flat portion according to the first embodiment is a concave portion as shown in FIG. 4, but may be a convex portion as shown in FIG.
  • the non-flat portions 28 ⁇ / b> A and 28 ⁇ / b> B are cylindrical convex portions that protrude from the surface 27.
  • FIG. 9 is a view showing an AA cross section in FIG. 3 when the non-flat portion is a convex portion.
  • FIG. 11 and FIG. 12 are diagrams for explaining a photonic crystal manufacturing method.
  • a mold DI having a pattern of a nanometer-level fine structure or a nanometer-level periodic structure is used.
  • the heated mold DI is pressed against the sheet-shaped resin P, pressed at a predetermined pressure for a predetermined time, and released when the surface temperature of the mold DI reaches a predetermined temperature.
  • the structure and the periodic structure are transferred to the sheet-like resin P. Thereby, the photonic crystal 25 is obtained.
  • the mold DI is heated to about 160 ° C., pressed at a pressure of about 12 MPa for a predetermined time, and released when the surface temperature of the mold DI reaches about 60 ° C. It is preferable.
  • a metal film 26 is formed on the surface in contact with the mold DI by a sputtering or vapor deposition apparatus or the like, and the metal film-covered photonic crystal 21 is completed. .
  • the target substance is an object to be detected by the target substance detection apparatus 10 and may be any of a polymer such as a protein, an oligomer, and a low molecule.
  • the target substance is not limited to a single molecule, and may be a complex composed of a plurality of molecules.
  • Examples of the target substance include pollutants in the atmosphere, harmful substances in water, biomarkers in the human body, and the like. Of these, cortisol and the like are preferable.
  • Cortisol is a low molecular weight substance with a molecular weight of 362 g / mol.
  • Cortisol is attracting attention as a substance that evaluates the degree of stress felt by humans because cortisol concentration in saliva increases when humans feel stress.
  • concentration of cortisol as a target substance, for example, the degree of stress can be evaluated by measuring the concentration of cortisol contained in human saliva. If the degree of stress is evaluated, it can be determined whether or not the subject is in a stress state at a level that leads to mental illness such as depression.
  • the target substance capturing substance is a substance that binds to the target substance and captures the target substance.
  • the term “bonded” refers to a bond that is not chemically bonded, such as a bond by chemical adsorption or van der Waals force, in addition to the case of chemically bonding.
  • the target substance capturing substance is a substance that specifically reacts with the target substance to capture the target substance, and is preferably an antibody having the target substance as an antigen.
  • Specific reaction means selectively forming a complex by reversibly or irreversibly binding to a target substance, and is not limited to a chemical reaction.
  • a substance that reacts specifically may exist in addition to the target substance.
  • the target substance can be quantified if the affinity is very small compared to the target substance.
  • an antibody using the target substance as an antigen an artificially prepared antibody, a molecule composed of a substance constituting DNA such as adenine, thymine, guanine, and cytosine, a peptide, and the like can be used.
  • the target substance capturing substance is preferably a cortisol antibody.
  • a known method can be employed to produce the target substance capturing substance.
  • the antibody can be produced by a serum method, a hybridoma method, or a phage display method.
  • Molecules composed of substances constituting DNA can be produced by, for example, the SELEX method (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment).
  • the peptide can be prepared by, for example, a phage display method.
  • the target substance capturing substance does not need to be labeled with any enzyme / isotope. However, it may be labeled with an enzyme / isotope.
  • the target substance capturing substance is fixed to the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21 shown in FIG.
  • means for fixing the target substance capturing substance to the reflecting surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21 include chemical bonds such as covalent bonding, chemical adsorption, and physical adsorption, and physical bonding methods. These means can be appropriately selected according to the properties of the target substance-capturing substance. For example, when adsorption is selected as the fixing means, the adsorption operation is as follows.
  • a solution containing a target substance-capturing substance is dropped on the reflective surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21, and the metal film-coated photonic crystal 21 is cooled at a predetermined time, at room temperature, or as necessary. Heating causes the target substance capturing substance to be adsorbed on the reflecting surface 29.
  • the photonic crystal biosensor 11 previously adsorbs (fixes) an antibody (for example, cortisol antibody) that binds only to a specific antigen (for example, cortisol) on the surface of the reflective surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21. Thereby, the photonic crystal biosensor 11 can detect a specific antigen.
  • an antibody for example, cortisol antibody
  • a specific antigen for example, cortisol
  • the photonic crystal biosensor 11 may be one in which a blocking agent (protective substance) is immobilized on a reflective surface 29 on which an antibody that is a target substance capturing substance is immobilized.
  • the blocking agent is immobilized before the target substance is brought into contact with the photonic crystal biosensor 11.
  • the surface of the reflecting surface 29 of the photonic crystal 25 is generally superhydrophobic. For this reason, impurities other than the antibody that is the target substance-capturing substance may be adsorbed on the reflecting surface 29 due to the hydrophobic interaction.
  • the optical characteristics of the photonic crystal 25 are greatly influenced by the surface state, it is preferable that no impurities are adsorbed on the reflection surface 29 of the photonic crystal 25. Since the blocking agent is fixed to the reflection surface 29 of the photonic crystal 25, the detection accuracy of the reflected light can be improved.
  • a so-called blocking agent is fixed in advance so that impurities and the like are not fixed to a portion other than the portion where the antibody that is the target substance capturing substance is adsorbed (fixed) to the reflection surface 29 of the photonic crystal 25.
  • the blocking agent is brought into contact with the surface of the photonic crystal 25.
  • the blocking agent skim milk, bovine serum albumin (BSA), or the like can be used.
  • FIGS. 13 to 16 are diagrams for explaining the principle of the photonic crystal biosensor 11.
  • the photonic crystal biosensor 11 has optical characteristics of the photonic crystal 25 and various biological / chemical reactions that occur on or near the surface of the photonic crystal 25, for example, a specific antigen is only a specific antibody. By utilizing the antigen-antibody reaction of reacting, a minute amount of protein or low molecular weight substance is detected.
  • the photonic crystal biosensor 11 reflects the wavelength of the reflected light due to the surface plasmon resonance phenomenon and / or the localized surface plasmon resonance phenomenon when the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21 is irradiated with light of a specific wavelength. Use the phenomenon of extreme values shifting.
  • an antibody (target substance-capturing substance) 34 is fixed to the surface of the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21 by adsorption.
  • a blocking agent (protective substance) 35 is preliminarily adsorbed on a portion of the reflective surface 29 other than the portion where the antibody 34 is adsorbed, that is, the reflective surface 29 other than the portion where the antibody 34 is adsorbed. . This prevents impurities or the like from being adsorbed on the reflective surface 29 other than the portion where the antibody 34 is adsorbed.
  • an antigen (target substance) 36 is brought into contact with the photonic crystal biosensor 11 on which the antibody 34 and the blocking agent 35 are adsorbed, and an antigen-antibody reaction is performed.
  • a complex 37 in which the antigen 36 is captured by the antibody 34 is fixed to the reflecting surface 29.
  • the light detection unit 12 illustrated in FIG. 1 converts the light (incident light) LI having a specific wavelength into parallel light in a state where the antigen 36 is captured by the reflection surface 29 of the photonic crystal 25. Then, the reflective surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21 is irradiated.
  • the light detection unit 12 illustrated in FIG. 1 detects the reflected light LR reflected by the reflecting surface 29 and obtains the wavelength of the extreme value of the reflected light LR.
  • the processing unit 13 illustrated in FIG. 1 obtains the wavelength at the extreme value of the intensity of the reflected light LR and the shift amount of the wavelength at the extreme value of the intensity, and is captured by the reflective surface 29 of the metal film-covered photonic crystal 21. The presence or absence of the antigen 36 is detected, or the concentration of the antigen 36 is obtained.
  • the photonic crystal biosensor 11 can change the types of various biological substances such as proteins or low molecular weight substances, such as proteins, which are detection target substances, by changing the type of combination of the antibody 34 and the antigen 36. .
  • the photonic crystal biosensor 11 when the antigen 36 is captured by the antibody 34 fixed to the reflecting surface 29, the state of the reflecting surface 29 changes, and the reflected light LR changes.
  • the photonic crystal biosensor 11 outputs an optical physical quantity.
  • This physical quantity correlates with a change in the surface state of the reflective surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21, and correlates with the amount of the complex 37 formed by capturing the antigen 36 on the antibody 34 immobilized on the reflective surface 29.
  • the optical physical quantity is, for example, the shift amount of the wavelength at which the intensity of the reflected light LR is an extreme value, the change amount of the reflectance of the light, the shift amount of the wavelength at which the reflectance of the light is an extreme value, the intensity of the reflected light LR. And the amount of change in the extreme value of the intensity of the reflected light LR.
  • the shift amount of the wavelength at which the intensity of the reflected light LR or the reflectance of the light becomes an extreme value is used.
  • the target substance detection device 10 shown in FIG. 1 can be made compact.
  • FIG. 17 is explanatory diagrams of the photonic crystal biosensor 11.
  • the upper plate 22 is placed on the lower plate 23 as shown in FIG.
  • the photonic crystal biosensor 11 is produced by sandwiching 21 between the lower plate 23 and the upper plate 22.
  • the end of the opening 24 on the lower plate 23 side is closed by the reflection surface 29 of the photonic crystal 25.
  • the upper plate 22 has a droplet holding portion 38 having a constant volume, which is formed by being surrounded by the inner wall on the opening 24 side and the reflecting surface 29.
  • the inner wall on the opening 24 side refers to the inner wall of the upper plate 22 that is a boundary surface between the upper plate 22 and the opening 24.
  • FIG. 19 shows a state in which a predetermined solution is dropped on the droplet holder 38.
  • the droplet holding part 38 exhibits the droplet holding function, the solution is prevented from flowing out from the opening 24.
  • the target substance can be sufficiently detected and measured.
  • the shape of the opening 24 is not limited to a cylindrical shape, and may be any other shape as long as a droplet can be held inside the opening 24.
  • its diameter may be varied depending on the type of combination of the antibody 34 and the antigen 36, the required measurement accuracy, or the optical system of the reflected light detector. it can.
  • the diameter of the opening 24 is preferably 0.5 mm to 10 mm, more preferably 2 mm to 6 mm in consideration of the operation and the convenience of handling when the antigen 34 is adsorbed to the antibody 34 described above. .
  • the material of the upper plate 22 and the lower plate 23 is not particularly limited. However, in consideration of the cleanliness of the surfaces of the upper plate 22 and the lower plate 23, it is preferable to use stainless steel, polycycloolefin resin, silica, or the like.
  • the upper plate 22 may be formed of a hydrophobic material.
  • a so-called hydrophilic solution such as saliva
  • the upper plate 22 is made of a hydrophobic material
  • the solution can be accurately collected in the droplet holder 38.
  • detecting and measuring a so-called lipophilic solution such as lipid
  • the solution can be accurately collected in the droplet holding unit 38 if the upper plate 22 is formed of a hydrophobic material.
  • the upper plate 22 may be formed of a material having water repellency, oil repellency or water / oil repellency. Further, a surface treatment or coating that exhibits hydrophobicity, hydrophilicity, water repellency, and oil repellency may be applied to the upper plate 22. By doing so, the solution can be accurately collected in the droplet holder 38.
  • the photonic crystal biosensor 11 fixes the photonic crystal biosensor 11 by determining the position of the photonic crystal biosensor 11 with respect to the light detection unit 12 shown in FIG. 1 below the photonic crystal biosensor 11. It is preferable to attach a fixing material (target substance capturing part fixing means, photonic crystal biosensor fixing means) for this purpose.
  • a fixing material target substance capturing part fixing means, photonic crystal biosensor fixing means
  • a magnet sheet, a double-sided tape, an adhesive, or the like can be used.
  • a vacuum chuck or an electrostatic chuck may be used as a fixing mechanism instead of a fixing material.
  • 20 and 21 are diagrams for explaining the photonic crystal biosensor fixing means.
  • 20 shows a state before the magnet sheet 39 is attached
  • FIG. 21 shows a state after the magnet sheet 39 is attached.
  • the photonic crystal biosensor 11 has a magnet sheet 39 attached to the lower side of the photonic crystal biosensor 11.
  • the magnet sheet 39 functions as a photonic crystal biosensor fixing means.
  • the photonic crystal biosensor 11 is uniformly produced by thermal nanoimprint or the like. In order for the target substance detection apparatus 10 to detect reflected light more accurately, it is preferable to accurately position the incident site and the reflected site of the light irradiated to the photonic crystal biosensor 11.
  • the positional relationship at the time of measurement between the photonic crystal biosensor 11 and a measurement probe described later is preferably the same before and after the antigen-antibody reaction, and the same portion is preferably measured. Therefore, the distance between the measurement probe and the reflection surface 29 of the photonic crystal biosensor 11 is preferably the same before and after the antigen-antibody reaction, and is preferably fixed to 50 ⁇ m to 500 ⁇ m. Since the photonic crystal biosensor 11 includes the upper plate 22, the upper plate 22 functions as a spacer, and the distance between the measurement probe and the reflection surface 29 of the photonic crystal biosensor 11 can be made constant.
  • the photonic crystal biosensor 11 may be marked with a positioning marker that displays a specific position on the reflecting surface 29.
  • the marker can be attached by photolithography, sputtering, vapor deposition, a lift-off process using these, printing with ink or the like, or pattern formation by imprinting.
  • the marker may be attached to either the front surface (the reflective surface 29 side) or the back surface (the opposite side of the reflective surface 29) of the photonic crystal biosensor 11 as long as the position can be read.
  • the measurement part of the photonic crystal 25 may be removed and a marker may be attached to the photonic crystal 25 itself. Further, a marker may be attached to the upper plate 22 and the lower plate 23.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining another form of the photonic crystal biosensor 11.
  • the photonic crystal biosensor 11 includes a member that closes the opening 24.
  • the member that closes the opening 24 includes a cover 41 with a hole and a sheet 42.
  • the cover 41 with a hole is a plate-like member having an opening 43, and the cover 41 with a hole is provided on the surface (the reflection surface 29 side) of the photonic crystal biosensor 11.
  • the sheet 42 is provided on the opposite side (light incident side) of the cover 41 with holes from the photonic crystal biosensor 11.
  • the sheet 42 functions as a covering member.
  • the openings 24 and 43 are closed by the cover 41 with a hole and the sheet 42.
  • the space surrounded by the inner wall on the opening 43 side of the cover 41 with the hole, the inner wall on the opening 24 side, and the reflection surface 29 of the photonic crystal 25 is a droplet holding unit 44 having a constant volume.
  • the inner wall on the opening 43 side refers to the inner wall of the holed cover 41 that is a boundary surface between the holed cover 41 and the opening 43.
  • the opening 43 is covered with the sheet 42 after the target substance is disposed in the droplet holding unit 44. As a result, the droplet holder 44 is blocked by the sheet 42.
  • the photonic crystal biosensor 11 includes the holed cover 41 and the sheet 42, thereby suppressing evaporation of the solution dropped on the opening 24 of the photonic crystal biosensor 11. For this reason, it can suppress that the density
  • the sheet 42 is preferably a transparent material, and more preferably a sheet that absorbs light having a wavelength at the extreme value of the intensity of reflected light.
  • the material of the sheet 42 is preferably quartz (silica) or the like when measured with reflected light from the visible light region to the ultraviolet region.
  • the light detection unit 12 illustrated in FIG. 1 includes a light source 51, a measurement probe 52, a light detection device 53, a first optical fiber 54, a second optical fiber 55, and a collimator lens 56.
  • the light source 51 and the measurement probe 52 are optically connected by a first optical fiber 54.
  • the measurement probe 52 and the light detection device 53 are optically connected by a second optical fiber 55.
  • a control device that is connected to the light source 51 and the light detection device 53 and that controls the light source 51 and processes a signal from the light detection device 53 may be provided.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating an example in which the light detection unit 12 irradiates the photonic crystal biosensor 11 with light.
  • the first optical fiber 54 shown in FIG. 1 guides the light from the light source 51 shown in FIG. 1 to the measurement probe 52, and from the measurement probe 52 to the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21 included in the photonic crystal biosensor 11. Irradiate.
  • the collimating lens 56 irradiates the reflecting surface 29 of the photonic crystal 25 as incident light LI after collimating the light emitted from the first optical fiber 54 and irradiated from the measurement probe 52.
  • the second optical fiber 55 receives the light reflected by the reflection surface 29 of the metal film-covered photonic crystal 21 as reflected light LR, and guides it to the light detection device 53 shown in FIG.
  • the kind of collimating lens 56 is not specifically limited,
  • the antireflection film which has a nanostructure can be used.
  • the light detection device 53 is a device for detecting light including a light receiving element such as a phototransistor or a CCD (Charge Coupled Device).
  • FIG. 24 is a diagram showing the structure of the measurement probe 52 included in the light detection unit 12 shown in FIG.
  • the first optical fiber 54 and the second optical fiber 55 are joined.
  • the light exit surface 61 of the first optical fiber 54 and the incident surface 62 of the reflected light LR of the second optical fiber 55 are disposed on the same surface (incident / exit surface) 63.
  • the measurement probe 52 includes the first optical fiber 54 and the second optical fiber 55 on the emission side (emission surface 61 side) of the first optical fiber 54 and the incident side (incident surface 62 side) of the second optical fiber 55. It is united. Then, the measurement probe 52 enters light using the first optical fiber 54 and the second optical fiber 55 and detects the reflected light LR.
  • the measurement probe 52 Since the measurement probe 52 has such a structure, the incident light LI irradiated to the reflection surface 29 of the photonic crystal 25 and the reflection light LR from the reflection surface 29 are emitted from substantially the same position and are incident. Can do. While the measurement probe 52 is configured as described above, and the collimator lens 56 is used to convert the light from the measurement probe 52 into parallel light, the light detection unit 12 converts the incident light LI of parallel light onto the reflection surface 29. It can be incident vertically. At the same time, the reflected light LR reflected perpendicularly from the reflecting surface 29 can be received. By doing in this way, the measurement probe 52 can suppress the fall of reflected light intensity to the minimum, and can mainly detect the 0th-order light component of the reflected light LR.
  • the method for detecting the reflected light LR is not limited to the measurement probe 52 as described above.
  • a half mirror may be disposed between the collimating lens 56 and the reflection surface 29, and the reflected light LR may be separated by the half mirror and guided from the second optical fiber 55 to the light detection device 53.
  • FIG. 25 is a diagram illustrating evaluation conditions of the light detection unit 12 of the target substance detection device 10 according to the first embodiment.
  • the light detection unit 12 arranges a collimator lens 56 between the incident / exit surface 63 of the measurement probe 52 and the reflection surface 29 of the metal film-covered photonic crystal 21.
  • the distance (measurement distance) between the collimating lens 56 and the reflecting surface 29 is h
  • the diameter of the parallel light emitted from the collimating lens 56 is d1
  • the diameter of the opening 24 through which the reflecting surface 29 of the photonic crystal 25 is exposed Is d2.
  • h was 15 mm or 40 mm
  • d1 was 3.5 mm
  • d2 was 5 mm.
  • the optical axis ZL of the light applied to the reflecting surface 29 and the optical axis ZL of the reflected light reflected by the reflecting surface 29 are both orthogonal to the reflecting surface 29.
  • the diameter of the measurement probe 52 is 200 ⁇ m.
  • White light was used as the irradiation light.
  • the reflectance is the ratio of the standard material (aluminum plate) to the reflected light intensity.
  • the processing unit 13 obtains the extreme wavelength of the reflected light detected by the light detection unit 12. At the same time, the processing unit 13 detects at least the presence / absence of the target substance (for example, the antigen 36 shown in FIGS. 15, 16, and the like) based on the obtained extreme wavelength shift (wavelength shift amount).
  • the processing unit 13 is, for example, a microcomputer. There is a correlation between the amount of wavelength shift and the concentration of the target substance trapped on the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21. For this reason, the processing unit 13 can obtain the concentration of the target substance captured by the reflection surface 29 from the wavelength shift amount.
  • a method for detecting a target substance using the target substance detection apparatus 10 shown in FIG. 1 will be described.
  • a case will be described in which cortisol antibody is adsorbed on the reflective surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21 and cortisol in saliva is detected and measured as a target substance to be detected.
  • the photonic crystal 25 a cycloolefin polymer sheet having a predetermined fine structure formed on the surface by thermal nanoimprint is cut into a predetermined size.
  • FIG. 26 is a flowchart showing an example of the target substance detection method according to the first embodiment.
  • the light detection unit 12 detects the reflected light LR from the reflection surface 29 when the reflection surface 29 of the photonic crystal 25 is irradiated with light, and the processing unit 13 measures the reflected light LR.
  • the processing unit 13 measures the spectrum of the reflected light intensity of the reflected light LR.
  • the wavelength of the light (incident light LI) applied to the reflecting surface 29 is, for example, not less than 300 nm and not more than 2000 nm.
  • step S 12 a cortisol antibody solution (cortisol antibody concentration of 1 ⁇ g / ml to 50 ⁇ g / ml) is dropped onto the reflective surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21. Then, the photonic crystal biosensor 11 is allowed to stand at a predetermined temperature for a predetermined time for a predetermined time or if necessary, and the cortisol antibody is adsorbed on the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21.
  • cortisol antibody concentration 1 ⁇ g / ml to 50 ⁇ g / ml
  • step S13 a phosphate buffer solution (PBS: Phosphate buffered saline) is dropped onto the reflective surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21. Thereafter, a rinsing process is performed a plurality of times for removal by centrifugal force or the like.
  • PBS Phosphate buffered saline
  • step S14 skim milk is dropped as the blocking agent 35 onto the reflecting surface 29 of the photonic crystal 25, and the photonic crystal biosensor 11 is left for a predetermined time at a predetermined time or a predetermined temperature if necessary.
  • the skim milk is adsorbed to the non-adsorbing portion of the cortisol antibody on the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21.
  • step S15 the rinsing process is performed a plurality of times with a phosphate buffer solution in the same manner as the rinsing process (step S13).
  • a predetermined treatment is performed on the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21, and the photonic crystal biosensor 11 is formed.
  • saliva is first prepared as a solution containing cortisol.
  • Pretreatment such as saliva sampling and impurity removal is performed using, for example, a commercially available saliva collection kit.
  • the preparation of saliva may be performed at any time before the saliva is dripped onto the photonic crystal biosensor 11. For example, it may be performed before the photonic crystal biosensor 11 is formed, may be performed in parallel with the formation of the photonic crystal biosensor 11, or may be performed after measuring the reflected light intensity. 10 ⁇ L to 50 ⁇ L of saliva after sampling and pretreatment is dropped onto the photonic crystal biosensor 11.
  • step S17 the photonic crystal biosensor 11 is allowed to stand for a predetermined time at a predetermined temperature for a predetermined time or, if necessary, for an antigen-antibody reaction.
  • step S18 the rinsing process is performed a plurality of times with a phosphate buffer solution in the same manner as the rinsing process (step S15).
  • step S19 the target substance detection device 10 is used to irradiate the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21 with light.
  • the light irradiated at this time is the same as the light irradiated on the reflecting surface 29 in step S11.
  • the target substance detection device 10 measures the reflected light LR from the reflecting surface 29, for example, the spectrum of the reflected light intensity.
  • the wavelength at the extreme value of the reflected light intensity of the photonic crystal biosensor 11 changes due to the influence of an antigen-antibody reaction or the like in the vicinity of the reflecting surface 29 or the reflecting surface 29. For this reason, cortisol in saliva can be detected from the difference in wavelength at the extreme value of reflected light intensity before and after the reaction, that is, the amount of wavelength shift. Further, the concentration of cortisol in saliva can be obtained from the wavelength shift amount.
  • step S20 the processing unit 13 obtains the wavelength shift (wavelength shift amount) at the extreme value (minimum value) of the reflected light intensity (or reflectance) measured in step S19.
  • the wavelength shift amount is, for example, the extreme value (minimum value) of the wavelength ⁇ 2 after the target material is captured on the reflective surface 29 and the reflected light intensity (or reflectance) when the target material is not captured on the reflective surface 29. ) Is the difference ⁇ 2 ⁇ 1 with respect to the wavelength ⁇ 1.
  • step S21 the processing unit 13 determines that cortisol is present in saliva when there is a wavelength shift amount of a predetermined amount or more.
  • the processing unit 13 determines the concentration of cortisol based on the amount of wavelength shift using, for example, a relational expression between the amount of wavelength shift and the concentration of cortisol. At this time, the relational expression is obtained in advance and stored in the storage unit of the processing unit 13.
  • the wavelength shift amount is obtained using the extreme wavelength of the reflected light intensity on the reflection surface 29 in a state where the target substance is not captured, but the present invention is not limited to this.
  • the wavelength shift amount may be obtained using the extreme wavelength of the intensity of the reflected light from the reflecting surface 29 after the rinsing process (step S13 or step S15) is finished. Further, when there are a plurality of extreme values in step S11 and step S19, the extreme value to be noted is appropriately selected. Then, the wavelength ⁇ 1 and the wavelength ⁇ 2 are obtained for the selected extreme value.
  • the metal film-covered photonic crystal 21 has the antibody 34 immobilized on the reflection surface 29.
  • the antibody 34 may be used without being fixed to the surface 29.
  • a target substance detection apparatus provided with a target substance capturing apparatus according to a second embodiment will be described.
  • the substance (target substance) 36 that is fixed to the reflecting surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21 is used as an antigen (target substance) 36, and the antibody 34 is adsorbed to the antigen 36.
  • the second embodiment is the same as the first embodiment, and a duplicate description is omitted.
  • FIGS. 27 to 31 are diagrams for explaining the principle of the photonic crystal biosensor.
  • the specific reaction between the antibody 34 and the antigen 36 will be described using cortisol as the antigen 36 and an anti-cortisol antibody as the antibody 34.
  • the photonic crystal biosensor 11 is similar to the means for fixing the antibody 34 to the reflection surface 29 as means for fixing the antigen 36 to the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21. It can be carried out.
  • means for fixing the antigen 36 to the reflecting surface 29 include chemical bonding and physical bonding methods such as covalent bonding, chemical adsorption, and physical adsorption. These means can be appropriately selected according to the properties of the antigen 36.
  • the amount of the antigen 36 immobilized on the metal film-coated photonic crystal 21 is a fixed amount.
  • the antibody 34 is adsorbed to the antigen 36 fixed to the metal film-coated photonic crystal 21 to form a complex 65 (see FIGS. 29 and 30)
  • the photonic crystal biosensor 11 can output the correlated physical quantity.
  • the fixed amount of the antigen 36 to be fixed may be appropriately changed. For example, it can be set to an optimum amount according to the range of the amount of the antigen 36 contained in the sample S.
  • the blocking agent 35 is fixed to a portion of the reflecting surface 29 where the antigen 36 is not attached.
  • the reflective surface 29 of the photonic crystal 25 is irradiated with light (incident light) LI of, for example, 300 nm or more and 900 nm or less as parallel light so that the optical axis is orthogonal to the reflective surface 29.
  • a wavelength at which the intensity or reflectance of the reflected light LR at this time becomes an extreme value (minimum value in this example) is ⁇ 1.
  • a mixture 65 containing the complex 65 of the antigen 36 and the antibody 34 and the antibody 34 is prepared.
  • the mixture M is obtained by mixing the sample S containing the antigen 36 and a solution containing a known amount of the antibody 34.
  • the complex 65 is obtained by reacting the antibody 34 and the antigen 36 by mixing the sample S containing the antigen 36 and a solution containing a known amount of the antibody 34.
  • the antibody 34 remains in the mixture M without reacting with the antigen 36 by increasing the known amount of the antibody 34 to the amount of the site to which the antigen 36 is contained in the sample S.
  • the mixture M is brought into contact with the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21. Thereby, as shown in FIG.
  • a complex 65 is formed on the reflective surface 29 by the antigen 36 and the antibody 34 fixed on the reflective surface 29.
  • light (incident light) LI of, for example, 300 nm or more and 2000 nm or less is parallel light and the optical axis is orthogonal to the reflection surface 29 on the reflection surface 29 of the metal film-covered photonic crystal 21. Irradiate.
  • the wavelength at which the reflected light intensity or reflectance of the reflected light LR becomes an extreme value (a minimum value in this example) is ⁇ 2.
  • the wavelength shift amount of the wavelength at which the light reflectance is an extreme value is ⁇ 2 ⁇ 1.
  • the amount of wavelength shift changes according to the change in the surface state of the reflection surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21.
  • the antigen 36 is detected and quantified.
  • the photonic crystal biosensor 11 outputs an optical physical quantity. This physical quantity correlates with a change in the surface state on the reflecting surface 29 and correlates with the amount of the complex 65 formed by the antigen 36 and the antibody 34 immobilized on the reflecting surface 29.
  • cortisol which is an antigen 36
  • an anti-cortisol antibody which is an antibody 34
  • the second embodiment is compared with the case of the second embodiment.
  • X be the amount of the site to which antigen 36 is bound in sample S
  • C be the known amount of antibody 34 in mixture M.
  • the relationship between X and C is such that X is less than C (X ⁇ C).
  • the antigen 36 and the antibody 34 undergo an antigen-antibody reaction to form a complex 65. Since X is less than C (X ⁇ C), the amount of antibody 34 in mixture M is CX.
  • the antibody 34 in the mixture M reacts with the antigen 36 on the reflecting surface 29 to form a complex 65.
  • the amount of antigen 36 immobilized on the reflecting surface 29 is equal to or greater than the amount CX of the antibody 34 in the mixture M.
  • the amount of the complex 65 becomes CX.
  • the relationship between the amount of the composite 65 fixed to the reflecting surface 29 and the wavelength shift amount ⁇ is obtained in advance. From the above relational expression, the amount X of the antigen 36 can be determined by C ⁇ / k. The concentration of the antigen 36 can be determined based on the amount X of the antigen 36.
  • the photonic crystal biosensor 11 uses, for example, a secondary antibody that specifically reacts with the complex 65 as a complex binding substance, and the reflective surface 29 of the metal film-coated photonic crystal 21. You may make it react with the composite_body
  • the secondary antibody is brought into contact with the reflecting surface 29 of the metal film-covered photonic crystal 21 in an excessive amount than the first complex 65.
  • a secondary antibody is added to all the complexes 65 to form a second complex. By doing so, the change in the surface state of the metal film-coated photonic crystal 21 is further increased.
  • the sensitivity of the photonic crystal biosensor 11 further increases.
  • the secondary antibody may be used as it is, or may be used after adding other substances. Since the change in the surface state of the metal film-coated photonic crystal 21 increases as the secondary antibody increases, the photonic crystal biosensor 11 can be reacted with the complex 65 after adding another substance to the secondary antibody. The sensitivity is further increased.
  • the reflective surface 29 after the second composite is formed is irradiated with light.
  • the wavelength at which the reflected light intensity or reflectance obtained as a result is an extreme value (minimum value in this example) is ⁇ 2.
  • the extreme value of interest is appropriately selected.
  • the wavelength ⁇ 1 and the wavelength ⁇ 2 are obtained for the selected arbitrary extreme value.
  • the photonic crystal biosensor 11 outputs an optical physical quantity. This physical quantity correlates with a change in the surface state on the reflecting surface 29 and correlates with the amount of the second complex fixed to the reflecting surface 29. Thereby, the second complex is detected and quantified. Since the amount of the second complex is the same as the amount of the complex 65, the complex 65 can be quantified.
  • FIG. 33 is a cross-sectional view of the metal film-coated photonic crystal according to the third embodiment, cut along a plane orthogonal to the reflecting surface.
  • the non-flat portions 28Ac and 28Bc are conical concave portions that are recessed with respect to the surface 27.
  • the mold is easily released from the resin.
  • the non-flat portions 28Ac and 28Bc can be easily formed as compared with the non-flat portions 28A and 28B which are the cylindrical concave portions of the first embodiment described above. Therefore, the metal film-covered photonic crystal 21 according to the third embodiment can be easily manufactured.
  • the non-flat portion according to the third embodiment is a concave portion as shown in FIG. 33, but may be a convex portion.
  • the non-flat portions 28Ac and 28Bc are conical convex portions protruding from the surface 27.
  • the cross-sectional shape along the reflection surface 29 of the non-flat portions 28Ac and 28Bc may be a circle, a regular hexagon as shown in FIG. 32 (a), or a star shape as shown in FIG. 32 (b). There may be.
  • the cross-sectional shape along the reflection surface 29 of the non-flat portions 28Ac and 28Bc is a regular hexagon
  • the non-flat portions 28Ac and 28Bc are hexagonal pyramid-shaped recesses recessed with respect to the surface 27.
  • the non-flat portions 28Ac and 28Bc are pyramidal concave portions whose bottom surface recessed with respect to the surface 27 is a star shape.
  • the sensitivity evaluation index of the photonic crystal biosensor 11 will be specifically described.
  • nanoperiodic structure When irradiating a photonic crystal substrate with a concavo-convex shape with nanometer order periodicity on the surface (hereinafter referred to as “nanoperiodic structure”), a surface plasmon resonance phenomenon occurs, and the spectrum of reflected light depends on the material and The peak wavelength ⁇ peak depending on the structure is shown.
  • the peak wavelength ⁇ peak is expressed by the following equation, where the period is d, the dielectric constant of the metal is ⁇ m, the refractive index of the environment is n, and the diffraction orders are i and j.
  • the sensitivity S (nm / RIU) defined by the peak wavelength shift ⁇ peak with respect to the refractive index change ⁇ n of the environment is expressed by (Equation 1) as the refractive index n of the environment. It can be obtained by differentiating with the following expression, and is expressed as (Equation 2), and it can be seen that the sensitivity S is proportional to the period d (nm).
  • the sensitivity S increases with the peak wavelength or period to be used, and the half width of the spectrum shape (Full Wavelength at Half Maximum: FWHM unit nm) also increases with the peak wavelength to be used. Therefore, the sensitivity figure of merit FOM1 is used as an evaluation index of sensitivity. (Non-Patent Document 2).
  • Non-patent Document 2 the sensitivity performance index FOM2 obtained by dividing the height of the spectrum (Full Height: FH) by the half width is used (Non-patent Document 2).
  • a sensor substrate having high FOM1 and FOM2 values can be said to be a highly sensitive sensor substrate having a high S / N ratio.
  • the wavelength that exhibits an extreme value in the spectrum of reflected light of light incident on the sensor surface depends on the period of the lattice pattern formed by the irregularities related to the nano-periodic structure on the sensor surface. Therefore, in order to detect a wavelength of a specific length included in the reflected light, it is desirable that the period of the lattice pattern on the reflecting surface can be set to a desired value.
  • Patent Document 1 describes a biosensor having a reflective surface in which cylindrical projections are arranged in a uniform square lattice pattern as an uneven structure, that is, arranged in one rotational symmetry.
  • the grating interval is determined in accordance with the wavelength to be measured, when the grating interval is relatively large, the convex portions are sparsely arranged and the value of FOM2 decreases.
  • the arrangement of irregularities is an arrangement in which a lattice pattern with a large period and a lattice pattern with a small period are mixed, that is, an arrangement including a plurality of rotational symmetries
  • a plurality of extreme values are generated in the spectrum of reflected light.
  • an appropriate output can be obtained as a sensor, so that a sensor that can detect the presence or absence of a target substance with high reliability can be obtained. Is obtained.
  • the individual extreme values are small, it may be difficult to accurately measure the amount of the target substance.
  • the photonic crystal biosensor according to the above-described embodiment can accurately measure the amount of the target substance.
  • FIG. 34 is a diagram showing the peak wavelength of the spectrum of reflected light when light is irradiated to the photonic crystal biosensor according to the first example.
  • FIG. 35 is a diagram illustrating a peak wavelength of a spectrum of reflected light when light is irradiated on the photonic crystal biosensor according to the first comparative example. 34 and 35 show the results of continuously measuring the peak wavelength in the spectrum of the reflected light of the light irradiated to the photonic crystal biosensor for 300 seconds.
  • the photonic crystal biosensor according to the first example is the photonic crystal biosensor 11 shown in the first embodiment described above.
  • the photonic crystal biosensor according to the first embodiment includes a non-flat portion 28B that is a cylindrical recess recessed with respect to the surface 27, a unit array U that is arranged so as to form a lattice pattern La, Is provided.
  • the diameter D2 illustrated in FIG. 4 is 150 nm
  • the depth H2 is 200 nm.
  • the first comparative example is different from the first embodiment in that the non-flat portions 28B are arranged so that the centers G1 overlap one by one at the intersections of the lattice pattern La as shown in FIG.
  • the peak wavelength in the first example is constant for 300 seconds.
  • the peak wavelength in the first comparative example fluctuates a plurality of times in 300 seconds. That is, in the first comparative example, noise is likely to occur.
  • the half-value width of the spectrum shape of the reflected light is smaller than that of the first comparative example, so that the measurement result of the peak wavelength is stable.
  • the value of FOM1 is 43.7 and the value of FOM2 is 68.6.
  • the value of FOM1 is 42.0
  • the value of FOM2 is 59.8.
  • Both FOM1 and FOM2 of the first example are higher than FOM1 and FOM2 of the first comparative example.
  • the photonic crystal biosensor according to the first example has higher sensitivity as a sensor than the photonic crystal biosensor according to the first comparative example. Therefore, since the photonic crystal biosensor 11 according to the first embodiment can increase the sensor sensitivity as compared with the conventional technique, the amount of the target substance can be accurately measured.
  • FIG. 36 is a diagram showing the peak wavelength of the spectrum of reflected light when light is irradiated to the photonic crystal biosensor according to the second embodiment.
  • FIG. 37 is a diagram showing the peak wavelength of the spectrum of reflected light when light is irradiated to the photonic crystal biosensor according to the second comparative example. 36 and 37 show the results of continuously measuring the peak wavelength in the spectrum of the reflected light of the light irradiated to the photonic crystal biosensor for 300 seconds.
  • the photonic crystal biosensor according to the second example is the photonic crystal biosensor 11 shown in the third embodiment described above.
  • the photonic crystal biosensor according to the second embodiment includes a non-flat portion 28Bc that is a conical recess that is recessed with respect to the surface 27, a unit array U that is arranged to form a lattice pattern La, Is provided.
  • the diameter D2 illustrated in FIG. 33 is 220 nm
  • the depth H2 is 50 nm.
  • the second comparative example is different from the second embodiment in that the non-flat portions 28B are arranged so that the centers G1 overlap one by one at the intersections of the lattice pattern La as shown in FIG.
  • the peak wavelength in the second embodiment is constant for 300 seconds.
  • the peak wavelength in the second comparative example fluctuates a plurality of times in 300 seconds. That is, in the second comparative example, noise is likely to occur.
  • the half-value width of the spectrum shape of the reflected light is smaller than that of the second comparative example, so that the measurement result of the peak wavelength is stable.
  • the value of FOM1 is 54.4 and the value of FOM2 is 65.9.
  • the value of FOM1 is 42.0, and the value of FOM2 is 32.5.
  • Both FOM1 and FOM2 of the second example are higher than FOM1 and FOM2 of the second comparative example.
  • the photonic crystal biosensor according to the second example has higher sensitivity as a sensor than the photonic crystal biosensor according to the second comparative example.
  • the photonic crystal biosensor 11 according to the third embodiment can increase the sensitivity of the sensor as compared with the prior art, and therefore can accurately measure the amount of the target substance.
  • the photonic crystal biosensor 11 according to the third embodiment can be easily manufactured.
  • Target Substance Detection Device 11 Photonic Crystal Biosensor (Target Substance Capture Device) DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Light detection part 13 Processing part 21 Metal film covering photonic crystal 22 Upper plate 23 Lower plate 24, 43 Opening part 25 Photonic crystal 26 Metal film 27 Surface 28A, 28B Non-flat part 29 Reflecting surface 34 Antibody (Target substance capture substance) ) 35 Blocking agent (protective substance) 36 Antigen (target substance) 37, 65 Composite 38, 44 Droplet holder 39 Magnet sheet 41 Cover with hole 42 Sheet 51 Light source 52 Measuring probe 53 Photodetector 54 First optical fiber 55 Second optical fiber 56 Collimating lens 61 Outgoing surface 62 Incident surface 63 Same Surface (input / output surface) M mixture U unit array LI incident light LR reflected light

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Abstract

　反射面の格子模様の周期を所望の値にしながらセンサ感度を高めることができる標的物質捕捉装置およびそれを備えた標的物質検出装置を提供することを目的とする。標的物質捕捉装置は、複数の非平坦部が配列され、標的物質を捕捉し、照射された光を反射する反射面を含む。２以上の自然数をＭとし、Ｍとは異なる２以上の自然数をＮとしたとき、複数の非平坦部が並べられた配列は、非平坦部がＭ回対称である図形における頂点の位置に、非平坦部の中心を１つずつ重ねるように配置された単位配列を複数含み、複数の単位配列がＮ回対称である格子模様の交点の位置に、Ｍ回対称である図形の重心を１つずつ重ねるように配置される。

Description

標的物質捕捉装置
　本発明は、標的物質を検出する標的物質捕捉装置に関する。
　タンパク質、細胞などの標的物質を検出したり濃度を測定したりする手段として、フォトニック結晶を用いたバイオセンサが知られている（例えば、非特許文献１）。非特許文献１に記載されているバイオセンサは、金薄膜を形成したフォトニック結晶基板に光を照射し、フォトニック結晶基板で反射された反射光を測定することにより、標的物質の検出や標的物質の濃度の計測などを行っている。特許文献１には、凹凸構造として円柱状の凸部を一様な四角格子状に配列した、すなわち一つの回転対称性を持つ配置とした反射面を有するバイオセンサが記載されている。非特許文献２には、感度の評価指標として感度性能指数ＦＯＭ１および感度性能指数ＦＯＭ２が記載されている。
国際公開第２０１０／０４４２７４号
「Development　of　a　mass-producible　on-chip　plasmonic　nanohole　array　biosensor」：Kohei　Nakamoto,　Ryoji　Kurita,　Osamu　Niwa,　Toshiyuki　Fujiicd　and　Munehiro　Nishida,　Received　20th　July　2011,　Accepted　27th　September　2011 「Sensitivity　of　Metal　Nanoparticle　Surface　Plasmon　Resonance　to　the　Dielectric　Environment」:Journal　of　Physical　Chemistry　B,　109(46),　P21556－21565
　非特許文献１に記載されているバイオセンサは、凹部を三角格子状に配列した反射面を有している。一般的にバイオセンサは、センサ感度を高めるためには、凹部の数を多くする必要がある。また、反射面に入射した光の反射光が極値を示す波長は、反射面の格子模様の周期に依存する。当該波長の特定を容易にするには、反射面の格子模様の周期は所望の値にできることが望ましい。しかし、単純に凹部の数を多くすると、反射面の格子模様の周期が小さくなってしまう。このため、反射面の格子模様の周期を所望の値にしながらセンサ感度を高めることができるバイオセンサが望まれる。
　本発明は、反射面の格子模様の周期を所望の値にしながらセンサ感度を高めることができる標的物質捕捉装置およびそれを備えた標的物質検出装置を提供することを目的とする。
　本発明は、複数の非平坦部が配列され、標的物質を捕捉し、照射された光を反射する反射面を含む標的物質捕捉装置であって、２以上の自然数をＭとし、Ｍとは異なる２以上の自然数をＮとしたとき、前記複数の非平坦部が並べられた配列は、前記非平坦部がＭ回対称である図形における頂点の位置に、前記非平坦部の中心を１つずつ重ねるように配置された単位配列を複数含み、複数の前記単位配列がＮ回対称である格子模様の交点の位置に、前記Ｍ回対称である図形の重心を１つずつ重ねるように配置されることを特徴とする標的物質捕捉装置である。
　本発明に係る標的物質捕捉装置は、単位配列が格子状に配列される。フォトニック結晶を用いたバイオセンサにおいて、反射面に入射した光の反射光が極値を示す波長は、反射面の格子模様の周期に依存する。よって、本発明に係る標的物質捕捉装置においては、反射光が極値を示す波長は、単位配列が形成する格子模様の周期に依存する。また、単位配列は複数の非平坦部を含んでいるため、非平坦部で同様の格子模様を形成するように配列した場合に比べて、反射面全体での非平坦部の数は多くなる。したがって、本発明に係る標的物質捕捉装置は、反射面の格子模様の周期を所望の値にしながら、センサ感度を高めることができる。
　本発明において、１つの前記単位配列における前記非平坦部の中心間の最小距離は、前記格子模様の交点間の最小距離の０．４倍以上０．６倍以下であることが好ましい。１つの前記単位配列における前記非平坦部の中心間の最小距離が、前記格子模様の交点間の最小距離の０．４倍以上０．６倍以下であることによって、反射面は、非平坦部を所定の大きさに保ちつつ非平坦部の数を多くすることができるため反射面の比表面積が大きくなる。
　本発明において、すべての前記非平坦部は、いずれかの前記単位配列に属しており、１つの前記単位配列に属する前記非平坦部は、隣り合う前記単位配列に属する前記非平坦部と異なることが好ましい。これにより、本発明に係る標的物質捕捉装置は、非平坦部が格子模様を形成する可能性を低くできる。したがって、本発明に係る標的物質捕捉装置は、さらに確実に周期を所望の値にしながら、センサ感度を高めることができる。
　本発明において、前記Ｍは３であり、前記Ｎは６であることが好ましい。Ｍが３であるとき、非平坦部は、単位配列において正三角形の頂点に１つずつ配列される。Ｎが６であるとき、単位配列は、三角格子状に配列される。これにより、本発明に係る標的物質捕捉装置は、異なる単位配列に属する非平坦部同士の位置関係によって、非平坦部が格子模様を形成する可能性を低くできる。したがって、本発明に係る標的物質捕捉装置は、さらに確実に周期を所望の値にしながら、センサ感度を高めることができる。
　本発明において、１つの前記単位配列における前記非平坦部の中心間の最小距離は、前記格子模様の交点間の最小距離の０．５倍であることが好ましい。これにより、本発明に係る標的物質捕捉装置は、格子模様の方向に非平坦部が等間隔に並ぶことで、格子模様の周期が乱れにくくなる。このため、反射光のスペクトルの形状の半値幅が小さくなり、測定におけるノイズを低減することができる。したがって、本発明に係る標的物質捕捉装置は、Ｓ／Ｎ比が向上し、さらにセンサ感度を高めることができる。
　本発明は、照射された光を反射する反射面を含み、反射面に複数の非平坦部が一定の規則に従って配列されたフォトニック結晶を用いたバイオセンサによって標的物質を捕捉する標的物質捕捉装置であって、前記複数の非平坦部が並べられた配列は、前記非平坦部が正三角形の頂点の位置に、前記非平坦部の中心を１つずつ重ねるように配置された単位配列を複数含み、前記複数の非平坦部が並べられた配列は、６０°の角度でお互いに交差する格子模様の交点の位置に、前記正三角形の重心を１つずつ重ねるように複数の単位配列が配置されていることを特徴とする標的物質捕捉装置である。
　さらに本発明においては、前記正三角形の一辺の長さをＣ１とした場合に、前記非平坦部の断面の直径がＣ１の１倍未満であることが好ましい。また、前記非平坦部は必ずしも断面形状が円形である必要はなく、正六角形もしくは星型でも良い。
　微小な構造が一定の規則に則って表面に配列されるフォトニック結晶を用いたバイオセンサにおいては、測定部の反射面に入射した光の反射光が極値を示す波長は、反射面の格子模様の周期に依存する。よって、本発明に係る標的物質捕捉装置においては、反射光が極値を示す波長は、単位配列が形成する格子模様の周期に依存する。また、単位配列は複数の非平坦部を含んでいるため、非平坦部で同様の格子模様を形成するように配列した場合に比べて、反射面全体での非平坦部の数は多くなる。したがって、本発明に係る標的物質捕捉装置は、反射面の格子模様の周期を所望の値にしながら、センサ感度を高めることができる。
　本発明に掛かる標的物質捕捉装置においては、前記複数の非平坦部の配列は、前記非平坦部が正三角形の頂点の位置に、前記非平坦部の中心を１つずつ重ねるように配置された単位配列を複数含み、前記単位配列が、６０°の角度でお互いに交差する格子模様の交点の位置に、前記正三角形の重心を１つずつ重ねるように配置されていることを特徴とする。上記の配置とすることで、前記非平坦部の配列はセンサ全体では６回の回転対称性のみを有することになり、反射光のスペクトルには一つのピークが現れることになる。そのため、複数の回転対称性を有する配置に比べて高い精度で標的物質の量を測定することができる。
　本発明において、前記非平坦部の前記反射面に沿った断面が円形であって、前記非平坦部の断面の直径が前記正三角形の一辺の長さの１倍未満であることが好ましい。これにより、隣接する非平坦部が接触しなくなるので、非平坦部の形状が保持されやすくなる。
　本発明において、前記正三角形の一辺の長さは、前記格子模様の交点間の最小距離の０．５倍であり、前記正三角形の一辺は、前記格子模様が含む直線に平行であることが好ましい。これにより、格子模様Ｌａの方向に非平坦部２８Ａが等間隔に並ぶことで格子模様Ｌａの周期が乱れにくくなる。このため、反射光のスペクトルの形状の半値幅が小さくなり、測定におけるノイズを低減することができる。したがって、標的物質捕捉装置は、Ｓ／Ｎ比が向上し、さらにセンサ感度を高めることができる。
　本発明において、前記非平坦部の前記反射面に沿った断面が正六角形もしくは星型であることが好ましい。これらの形状は６回の回転対称性を有するため、前記非平坦部をこのような形状とすることにより本発明に係る標的物質捕捉装置は、前記非平坦部の配置が６回対称であるのに加えて、前記非平坦部の形状が６回対称となることから、測定精度のさらなる向上を実現できる。
　本発明の標的物質捕捉装置を用いれば、反射面の格子模様の周期を所望の値にしながらセンサ感度を高めることができる。本発明の標的物質捕捉装置を備えた標的物質検出装置は、反射面の格子模様の周期を所望の値にしながらセンサ感度を高めることができる。
図１は、標的物質検出装置を示す図である。 図２は、金属膜被覆フォトニック結晶の斜視図である。 図３は、金属膜被覆フォトニック結晶の平面図である。 図４は、図３におけるＡ－Ａ断面を示す図である。 図５は、比較形態の金属膜被覆フォトニック結晶の平面図である。 図６は、実施例の反射光の波長に対する反射率を示す図である。 図７は、比較例の反射光の波長に対する反射率を示す図である。 図８は、センサとしての感度を、実施例及び比較例について示した図である。 図９は、非平坦部が凸部である場合の図３におけるＡ－Ａ断面を示す図である。 図１０は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。 図１１は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。 図１２は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。 図１３は、フォトニック結晶バイオセンサの原理を説明する図である。 図１４は、フォトニック結晶バイオセンサの原理を説明する図である。 図１５は、フォトニック結晶バイオセンサの原理を説明する図である。 図１６は、フォトニック結晶バイオセンサの原理を説明する図である。 図１７は、フォトニック結晶バイオセンサを説明する図である。 図１８は、フォトニック結晶バイオセンサを説明する図である。 図１９は、フォトニック結晶バイオセンサを説明する図である。 図２０は、フォトニック結晶バイオセンサ固定手段を説明する図である。 図２１は、フォトニック結晶バイオセンサ固定手段を説明する図である。 図２２は、フォトニック結晶バイオセンサの別の形態を説明する図である。 図２３は、標的物質検出装置の光検出部がフォトニック結晶バイオセンサに光を照射する例を示す図である。 図２４は、標的物質検出装置の光検出部が有する測定プローブの構造を示す図である。 図２５は、標的物質検出装置の光検出部の評価条件を示す図である。 図２６は、標的物質検出方法のフローチャートである。 図２７は、フォトニック結晶バイオセンサの原理を説明する図である。 図２８は、フォトニック結晶バイオセンサの原理を説明する図である。 図２９は、フォトニック結晶バイオセンサの原理を説明する図である。 図３０は、フォトニック結晶バイオセンサの原理を説明する図である。 図３１は、フォトニック結晶バイオセンサの原理を説明する図である。 図３２は、非平坦部の反射面に沿った断面形状を示した図であり、図３２（ａ）は断面が正六角形の非平坦部を示した図であり、図３２（ｂ）は断面が星型の非平坦部を示した図である。 図３３は、第３の実施形態に係る金属膜被覆フォトニック結晶を反射面に対して直交する平面で切った断面図である。 図３４は、第１実施例に係るフォトニック結晶バイオセンサに対して光を照射したときの、反射光のスペクトルのピーク波長を示す図である。 図３５は、第１比較例に係るフォトニック結晶バイオセンサに対して光を照射したときの、反射光のスペクトルのピーク波長を示す図である。 図３６は、第２実施例に係るフォトニック結晶バイオセンサに対して光を照射したときの、反射光のスペクトルのピーク波長を示す図である。 図３７は、第２比較例に係るフォトニック結晶バイオセンサに対して光を照射したときの、反射光のスペクトルのピーク波長を示す図である。
　以下、本発明に係る標的物質検出装置を実施するための形態（以下、実施形態という）を図面に基づいて詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
［第１の実施形態］
＜標的物質検出装置＞
　第１の実施形態に係る標的物質捕捉装置を備えた標的物質検出装置について説明する。図１は、標的物質検出装置を示す図である。標的物質検出装置１０は、第１の実施形態に係るフォトニック結晶バイオセンサ（標的物質捕捉装置）１１と、光検出部１２と、処理部１３とを含む。
（フォトニック結晶バイオセンサ）
　まず、フォトニック結晶バイオセンサ１１について説明する。フォトニック結晶バイオセンサ１１は、金属膜被覆フォトニック結晶２１と、上部プレート２２と、下部プレート２３とを含む。上部プレート２２は、開口部２４が設けられている。第１の実施形態においては、フォトニック結晶バイオセンサ１１は、上部プレート２２と下部プレート２３とにより金属膜被覆フォトニック結晶２１を挟む構造である。なお、第１の実施形態においては、フォトニック結晶バイオセンサ１１は、上部プレート２２および下部プレート２３を含んで形成されているが、これに限定されるものではなく、金属膜被覆フォトニック結晶２１のみで形成されていてもよい。
（金属膜被覆フォトニック結晶）
　図２は、金属膜被覆フォトニック結晶２１の斜視図である。図３は、金属膜被覆フォトニック結晶２１の平面図である。図４は、図３におけるＡ－Ａ断面を示す図であり、フォトニック結晶２５の表面２７と直交する平面でフォトニック結晶２５を切ったときの断面を示す。なお、図２～図４は、模式的に示した図であるため、金属膜被覆フォトニック結晶２１を構成する成分の厚さ、大きさ等は実際とは異なる。以下、第１の実施形態及び後述する他の実施形態においても同様である。図２～図４に示すように、金属膜被覆フォトニック結晶２１は、フォトニック結晶２５および金属膜２６を含んでいる。金属膜被覆フォトニック結晶２１は、フォトニック結晶２５の表面２７に非平坦部２８Ａが複数配列された反射面２９を金属膜２６で被覆している。非平坦部２８Ａは、表面２７に対して窪んだ円柱状の凹部である。
　まず、フォトニック結晶２５について説明する。一般的に、フォトニック結晶は、表面に所定深さの凹部または所定高さの凸部が周期的に形成された反射面を有し、前記反射面に特定波長の光（平行光）を照射すると、その反射光が得られる構造体である。表面に凹部または凸部が周期的に形成された反射面に光を照射すると、特定波長の反射光が得られる構造体は、一般にフォトニック結晶と呼ばれる。
　フォトニック結晶とは、サブ波長間隔の格子構造を有する構造体である。そして、それは構造体の表面（以後、反射面という）に広領域波長の光を照射すると、フォトニック結晶の表面状態に依存した特定の波長帯の光を、反射または透過するものである。フォトニック結晶の表面状態は、たとえばフォトニック結晶の形状及び材質に依存する。この反射光または透過光の変化を読み取ることにより、フォトニック結晶の表面状態の変化を定量化することができる。フォトニック結晶の表面状態の変化としては、表面への物質の吸着、構造変化などが挙げられる。表面に金属薄膜が形成されたフォトニック結晶も、光が照射されると、光の反射率または光の透過率に極値（極大値または極小値）が現れる。この反射率または透過率の極値は、金属の種類、金属の膜厚、フォトニック結晶の表面形状に依存するものである。この光の反射率または光の透過率を読み取ることにより、フォトニック結晶の表面状態の変化を定量化することができる。金属薄膜については後述する。フォトニック結晶の表面状態の変化を反射光または透過光の変化から定量化するには、次の方法を用いることができる。例えば、極値（極大値または極小値）での反射率または透過率の変化量、あるいは反射率または透過率が極値となる波長のシフト量を求めるなどである。なお、反射率または透過率の極値が複数ある場合には、任意の極値に着目する。そして、着目した極値について変化量を求めるか着目した極値となる波長のシフト量を求めることにより、フォトニック結晶の表面状態の変化を定量することができる。
　図２～図４に示すように、フォトニック結晶２５は、表面２７に複数の非平坦部２８Ａが配列されている反射面２９を有している。この反射面２９に光を照射すると、フォトニック結晶２５の形状と材質に依存した特定波長の光が反射される。
　第１の実施形態において、複数の非平坦部２８Ａが並べられた配列は、３つの非平坦部２８Ａが３回対称の図形である正三角形Ｐｏにおける頂点の位置に、非平坦部２８Ａの中心Ｇ１を１つずつ重ねるように配置された単位配列Ｕを複数含む。複数の非平坦部２８Ａが並べられた配列は、６回対称である格子模様Ｌａの交点の位置に、正三角形Ｐｏの重心Ｇ２を１つずつ重ねるように複数の単位配列Ｕが配置される。これにより、単位配列Ｕは、格子模様Ｌａを形成するように配置される。ここで、フォトニック結晶２５の反射面２９に入射した光の反射光が極値を示す波長は、反射面２９の格子模様Ｌａの周期に依存する。反射面２９において、格子模様Ｌａの周期は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１に等しい。よって、第１の実施形態において、反射面２９に入射した光の反射光が極値を示す波長は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１に依存する。
　また、単位配列Ｕは複数の非平坦部２８Ａを含んでいるため、非平坦部２８Ａで格子模様Ｌａを形成するように配列した場合に比べて、反射面全体での非平坦部２８Ａの数は多くなる。さらに、単位配列Ｕにおける非平坦部２８Ａの中心Ｇ１間の距離Ｃ１は、格子模様Ｌａの交点間の最小距離に等しい重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１の０．４倍以上０．６倍以下であるのが好ましい。このため、反射面２９は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１である格子模様Ｌａの周期を小さくせずに非平坦部２８Ａの数を多くすることができる。そして、反射面２９は、非平坦部２８Ａの直径Ｄ１が所望の大きさに保たれつつ単位面積あたりの非平坦部２８Ａの数が多くなる。これにより、第１の実施形態のフォトニック結晶２５は、反射面２９の比表面積が大きくなることで、センサとして用いたときの感度を高めることができる。したがって、第１の実施形態のフォトニック結晶２５を用いたセンサは、反射面２９の格子模様Ｌａの周期を所望の値にしながら、センサ感度を高めることができる。
　また、すべての非平坦部２８Ａは、いずれかの単位配列Ｕにも属している。１つの単位配列Ｕに属する非平坦部２８Ａは、隣り合う単位配列Ｕに属する非平坦部２８Ａと異なる。これより、非平坦部２８Ａは、例えば、図３の位置Ｇ３には配置されない。ここで位置Ｇ３は、隣り合う３つの正三角形Ｐｏの重心Ｇ２を線分で結んだ三角形の重心の位置である。第１の実施形態のフォトニック結晶２５は、非平坦部２８Ａが単独で配置されることがなくなるため、非平坦部２８Ａが格子模様Ｌａを形成することがなくなる。このため、反射面２９は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１である格子模様Ｌａの周期を小さくせずに非平坦部２８Ａの数を多くすることができる。したがって、第１の実施形態のフォトニック結晶２５を用いたセンサは、さらに確実に周期を所望の値にしながら、センサ感度を高めることができる。
　また、中心Ｇ１間の距離Ｃ１は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１の０．５倍であるのがさらに好ましい。これにより、反射面２９における単位面積あたりの非平坦部の数が多くなる可能性が高くなる。反射面２９は、格子模様Ｌａの方向に非平坦部２８Ａが等間隔に並ぶことで格子模様Ｌａの周期が乱れにくくなる。このため、反射光のスペクトルの形状の半値幅が小さくなり、測定におけるノイズを低減することができる。したがって、第１の実施形態のフォトニック結晶２５を用いたセンサは、Ｓ／Ｎ比が向上し、さらにセンサ感度を高めることができる。
　また、単位配列Ｕに含まれる非平坦部２８Ａの数は３つでなくてもよい。例えば、単位配列Ｕに含まれる非平坦部２８Ａの数は、４つ以上であってもよい。また、単位配列Ｕにおいて非平坦部２８Ａの中心Ｇ１が重なる位置は、正三角形Ｐｏの頂点でなくてもよい。例えば、単位配列Ｕにおいて非平坦部２８Ａの中心Ｇ１が重なる位置は、正三角形以外の回転対称である図形の頂点でもよい。また、正三角形Ｐｏの重心Ｇ２が重なる位置は、６回対称である格子模様Ｌａの交点でなくてもよい。例えば、正三角形Ｐｏの重心Ｇ２が重なる位置は、６回対称以外の回転対称である格子模様の交点でもよい。ただし、２以上の自然数をＭ、２以上の自然数をＮとし、単位配列Ｕにおいて非平坦部２８Ａの中心Ｇ１が重なる位置をＭ回対称の図形の頂点とし、正三角形Ｐｏの重心Ｇ２が重なる位置をＮ回対称である格子模様の交点としたとき、ＭとＮは異なることが必要である。ただし、図２～４に示す第１の実施形態のように、前記Ｍは３であり、前記Ｎは６であることが好ましい。これにより、異なる単位配列Ｕに属する非平坦部２８Ａ同士の位置関係によって、非平坦部２８Ａが格子模様を形成する可能性を低くできる。
　また、非平坦部２８Ａの直径Ｄ１は、重心Ｇ２間の距離の０．２５倍以下であることが好ましい。また、非平坦部２８Ａの直径Ｄ１は、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。また、非平坦部２８Ａの中心Ｇ１間の最短距離Ｃ１は、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。また、非平坦部２８Ａの深さをＨ１としたとき、非平坦部２８Ａのアスペクト比（Ｈ１／Ｄ１）は、０．１以上１０以下であることが好ましく、より好ましくは、０．５以上５．０以下である。なお、非平坦部２８Ａの寸法は、上記のものに限定されない。
　フォトニック結晶２５の材質としては、合成樹脂などの有機材料、金属・セラミックなどの無機材料を使用することができる。
　合成樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリシクロオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、アクリル、ポリメタクリル酸エステル、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリテトラフルオロエチレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトンなどの熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。
　セラミックとしては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、イットリアなどのセラミックを好適に使用することができる。
　金属としては、鉄鋼材料をはじめとして各種合金が使用可能である。具体的には、ステンレス鋼、チタンまたはチタン合金などを好適に使用することができる。
　上記した各種材料の中でも、光学特性、加工性、標的物質（ターゲットとなる物質）を含有する溶液に対する耐性、標的物質捕捉物質（特異的結合物質）の吸着性、洗浄剤に対する耐性などを考慮すると、ポリシクロオレフィン系合成樹脂若しくはシリカ系のセラミックがより好ましい。この中でも、ポリシクロオレフィン系合成樹脂は、加工性に優れており最も好適である。
　フォトニック結晶２５は、上記材料基板の表面に微細な加工を施すことにより作製される。加工方法としては、レーザー加工、熱ナノインプリント、光ナノインプリント、フォトマスクとエッチングの組合せなどが使用できる。特に、ポリシクロオレフィン系合成樹脂などの熱可塑性樹脂を材料とする場合には、熱ナノインプリントによる方法が好適である。
　次に、金属膜２６について説明する。例えば、第１の実施形態においては、図４に示すように、フォトニック結晶２５は、その反射面２９が金属膜２６で被覆されている。金属膜２６は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）またはアルミニウム（Ａｌ）のうちの何れか１種類以上を用いて形成されることが好ましい。第１の実施形態において、金属膜２６はＡｕで形成されている。Ａｕは、安定性に優れるため、反射面２９として好ましい。金属膜２６に銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）のうちの何れか１種類以上を用いる場合、金で表面を被覆することが好ましい。このようにすることで、金の使用量を低減してフォトニック結晶２５の製造コストを抑制することができる。
　金属膜被覆フォトニック結晶２１は、フォトニック結晶２５の反射面２９を金属膜２６で被覆したものであるため、フォトニック結晶２５の非平坦部２８Ａに対応して反射面２９に金属膜被覆フォトニック結晶２１の非平坦部２８Ｂが形成されている。また、非平坦部２８Ｂの直径Ｄ２は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１の０．２５倍以下であることが好ましい。また、非平坦部２８Ｂの直径Ｄ２は、金属膜２６の厚さにもよるが、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。また、非平坦部２８Ｂの中心Ｇ１間の最短距離Ｃ２は、８０ｎｍ以上２４００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。また、非平坦部２８Ｂの深さをＨ２としたとき、非平坦部２８Ｂのアスペクト比（Ｈ２／Ｄ２）は、０．１以上１０以下であることが好ましく、より好ましくは、０．５以上５．０以下である。なお、非平坦部２８Ｂの寸法は、上記のものに限定されない。
　金属膜２６の膜厚が小さいと、フォトニック結晶２５への入射光の一部は金属膜２６を透過することがある。その結果、反射光から得られる情報量の低下、回折光またはフォトニック結晶２５の裏面からの反射光など、フォトニック結晶２５からの反射光には不要な情報が多く含まれる可能性がある。金属膜２６の膜厚を適度に大きくすることにより、フォトニック結晶２５からの反射光に含まれる不要な情報を低減して、標的物質の検出精度及び濃度の計測精度を向上させることができる。また、金属膜２６の膜厚が適度に小さいと、フォトニック結晶２５の表面２７に詳細なパターン形状を作製することが容易であるので好ましい。例えば、パターンの角がシャープになって、パターンの寸法を確保することが容易となる。このような観点から、第１の実施形態において、金属膜２６の膜厚は、好ましくは３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、より好ましくは１５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。波長に対する反射率の変化は、金属膜２６の膜厚が２００ｎｍを超えるとほぼ同様になるためである。
　また、金属膜２６は、スパッタリングまたは蒸着装置などによってフォトニック結晶２５の反射面２９に形成することができる。金属膜２６の最表面は、Ａｕとすることが好ましい。金属膜２６にＡｇ、Ｐｔ、Ａｌを用いた場合、それぞれの極値における反射光の波長は、Ａｕを金属膜２６として用いた場合に対して１．５倍となる。このように、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌは、Ａｕよりも１．５倍の感度を有する。なお、Ａｇは酸化されやすいので、フォトニック結晶２５の反射面２９にＡｇを形成した後、酸化されにくいＡｕまたはＳｉＯ２などの酸化物薄膜を形成することが好ましい。この場合、２００ｎｍの厚さを有するＡｇの膜の表面に、５ｎｍの厚さを有するＡｕの膜を形成することができる。２００ｎｍの厚さを有するＡｇの膜の表面に５ｎｍの厚さを有するＡｕの膜を形成した場合、２００ｎｍの厚さを有するＡｕの膜に比べて、感度が１．５倍になる。また、５ｎｍのＡｕの膜の有無で、感度の変化は見られなかった。ＡｌもＡｇと同様に酸化されやすいので、フォトニック結晶２５の表面２７にＡｌの膜を形成した後、酸化されにくいＡｕまたはＳｉＯ２などの酸化物薄膜を形成することが好ましい。抗体などで修飾するために、Ｐｔも、ＡｕまたはＳｉＯ２などの酸化物薄膜を形成することが好ましい。
　また、フォトニック結晶２５の反射面２９は、3-triethoxysilylpropylamine（ＡＰＴＥＳ）などを用いて改質されることが好ましい。フォトニック結晶２５の反射面２９に、ＡｕまたはＡｇの金属膜２６を形成させた場合には、ＡＰＴＥＳではなく、一端にチオール基を有し、他端にアミノ基やカルボキシル基などの官能基を有する炭素鎖を用いてフォトニック結晶２５の反射面２９を改質することが好ましい。ＡｕまたはＡｇ以外の金属膜２６をフォトニック結晶２５の反射面２９に形成させた場合は、一端に官能基を有するシラン系カップリング剤、例えばＡＰＴＥＳを使用して、フォトニック結晶２５の反射面２９を改質することが好ましい。
　第１の実施形態において、金属膜被覆フォトニック結晶２１の表面に並べられた複数の非平坦部２８Ｂの配列は、３つの非平坦部２８Ｂが正三角形Ｐｏにおける頂点の位置に、非平坦部２８Ｂの中心Ｇ１を１つずつ重ねるように配置された単位配列Ｕを複数含む。さらに、複数の非平坦部２８Ｂが並べられた配列は、６０°の角度でお互いに交差する格子模様Ｌａの交点の位置に、正三角形Ｐｏの重心Ｇ２を１つずつ重ねるように複数の単位配列Ｕが配置される。これにより、単位配列Ｕは、格子模様Ｌａを形成するように配置される。ここで、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に入射した光の反射光が極値を示す波長は、反射面２９の格子模様Ｌａの周期に依存する。反射面２９において、格子模様Ｌａの周期は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１に等しい。よって、第１の実施形態において、反射面２９に入射した光の反射光が極値を示す波長は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１に依存する。
　また、単位配列Ｕは複数の非平坦部２８Ｂを含んでいるため、非平坦部２８Ｂで格子模様Ｌａを形成するように配列した場合に比べて、反射面全体での非平坦部２８Ｂの数は多くなる。さらに、非平坦部２８Ｂの中心Ｇ１間の最短距離であって単位配列Ｕにおける正三角形Ｐｏの一辺の長さＣ１は、格子模様Ｌａの交点間の最小距離に等しい重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１の０．４倍以上０．６倍以下であるのが好ましい。
　この結果、反射面２９は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１である格子模様Ｌａの周期を小さくせずに非平坦部２８Ｂの数を多くすることができる。そして、反射面２９は、非平坦部２８Ｂの直径Ｄ２が所望の大きさに保たれつつ単位面積あたりの非平坦部２８Ｂの数が多くなる。これにより、第１の実施形態の金属膜被覆フォトニック結晶２１は、反射面２９の比表面積が大きくなることで、センサとして用いたときの感度を高めることができる。したがって、第１の実施形態の金属膜被覆フォトニック結晶２１を用いたセンサは、反射面２９の格子模様Ｌａの周期を所望の値にしながら、センサ感度を高めることができる。　　　
　また、すべての非平坦部２８Ｂは、いずれかの単位配列Ｕにも属している。１つの単位配列Ｕに属する非平坦部２８Ｂは、隣り合う単位配列Ｕに属する非平坦部２８Ｂと異なる。これより、非平坦部２８Ｂは、例えば、図３の位置Ｇ３には配置されない。ここで位置Ｇ３は、隣り合う３つの正三角形Ｐｏの重心Ｇ２を線分で結んだ三角形の重心の位置である。第１の実施形態の金属膜被覆フォトニック結晶２１は、非平坦部２８Ｂが単独で配置されることがなくなるため、非平坦部２８Ｂが格子模様Ｌａを形成することがなくなる。このため、反射面２９は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１である格子模様Ｌａの周期を小さくせずに非平坦部２８Ｂの数を多くすることができる。したがって、第１の実施形態の金属膜被覆フォトニック結晶２１を用いたセンサは、さらに確実に周期を所望の値にしながら、センサ感度を高めることができる。
　非平坦部２８Ｂをこのような配置とすることで、反射面２９には非平坦部２８Ｂが６回の回転対称性のみを持って配置される。そのため、反射光のスペクトルに一つの大きなピークが現れることになり、また、ピーク形状の深さが大きくなる。その結果、反射面２９上の微小な変化を高精度に検出することが可能になり、さらに測定におけるノイズを低減することができる。したがって、第１の実施形態の金属膜被覆フォトニック結晶２１を用いたセンサは、複数の回転対称性を有する配置に比べてＳ／Ｎ比が向上し、さらにセンサ感度を高めることができる。
　非平坦部２８Ｂの直径Ｄ２は、正三角形Ｐｏの一辺の長さＣ１の１倍未満であることが好ましい。Ｄ２がＣ１の１倍以上になると隣接する非平坦部２８Ｂが接触するので好ましくない。さらに、非平坦部２８Ｂの反射面２９に沿った断面形状は必ずしも円形である必要はなく、図３２（ａ）に示すような正六角形や、図３２（ｂ）に示すような星形としても良い。非平坦部２８Ｂをこのような形状とすることで、非平坦部２８Ｂに鋭利なエッジ部が形成される。その結果、エッジ効果によって電場集中が促進され、センサの感度をさらに向上させることができる。また、反射面２９における非平坦部２８Ｂの配置が６回対称であるのに加えて、非平坦部２８Ｂの形状自体も６回対称となることから、反射光のスペクトルにはより明確な一つのピークが現れることになり、センサ感度を向上させることができる。なお、非平坦部２８Ｂの反射面２９に沿った断面形状において、円形は略円形を含む。略円形とは、真円と比較すると形状が崩れているものの、真円からのズレが加工誤差の範囲内である円形を意味する。すなわち、略円形とは、真円ではないが、真円を意図して形成された円形を意味する。
　正三角形Ｐｏの一辺の長さは、格子模様Ｌａの交点間の最小距離の０．５倍であり、正三角形Ｐｏの一辺は、格子模様Ｌａが含む直線に平行であることが好ましい。格子模様Ｌａの方向に非平坦部２８Ａが等間隔に並ぶことで格子模様Ｌａの周期が乱れにくくなる。このため、反射光のスペクトルの形状の半値幅が小さくなり、測定におけるノイズを低減することができる。したがって、第１の実施形態のフォトニック結晶２５を用いたセンサは、Ｓ／Ｎ比が向上し、さらにセンサ感度を高めることができる。
　次に比較形態について説明する。図５は、比較形態の金属膜被覆フォトニック結晶２１の平面図である。比較形態において、複数の非平坦部２８Ａ、２８Ｂが並べられた配列は、６回対称である格子模様Ｌａの交点の位置に中心Ｇ１が１つずつ重なるように配置される。比較形態における中心Ｇ１間の距離は、第１の実施形態における重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１と等しい。
　図２～４に示す第１の実施形態の金属膜被覆フォトニック結晶２１を用いて波長スペクトルを測定した結果を実施例とする。また、図５に示す比較形態の金属膜被覆フォトニック結晶２１を用いて波長スペクトルを測定した結果を比較例とする。実施例及び比較例は、非平坦部２８Ｂの直径Ｄ２を２００ｎｍ、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１が６００ｎｍとしたときの結果である。図６は、実施例の反射光の波長に対する反射率を示す図である。図７は、比較例の反射光の波長に対する反射率を示す図である。図６と図７より、実施例及び比較例は、重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１が６００ｎｍであることに起因する、反射率が極値を示す波長を示していることがわかる。
　図８は、センサとしての感度を、実施例及び比較例について示した図である。図８は、反射面２９の表面２７にビオチンを固定化し、１００ｎｍのアビジンを反応させたときの、極値となる波長のシフト量から求まるセンサとしての感度を、実施例及び比較例について示す。図８より、実施例は、比較例よりもセンサとしての感度が高いことがわかる。この理由は、反射面２９における格子模様Ｌａの周期は重心Ｇ２間の最小距離Ｂ１で同じであっても、単位面積あたりの非平坦部２８Ａ、２８Ｂの数が、比較例よりも実施例の方が多くなるためである。
　なお、上記の説明において、第１の実施形態に係る非平坦部は、図４で示したような凹部であるとしたが、図９に示すように凸部であってもよい。このとき非平坦部２８Ａ、２８Ｂは、表面２７に対して突出した円柱状の凸部である。図９は、非平坦部が凸部である場合の図３におけるＡ－Ａ断面を示す図である。
（フォトニック結晶の作製方法）
　次に、熱ナノインプリントにより金属膜被覆フォトニック結晶２１を作製する工程の一例を説明する。図１０、図１１及び図１２は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。図１０に示すように、熱ナノインプリントでは、ナノメートルレベルの微細構造、またはナノメートルレベルの周期構造のパターンを有する金型ＤＩを用いる。そして、図１１に示すように、加熱した金型ＤＩをシート状の樹脂Ｐに押し付けて、所定圧力で所定時間押圧し、金型ＤＩの表面温度が所定温度になったところで離型し、微細構造及び周期構造をシート状の樹脂Ｐに転写する。これにより、フォトニック結晶２５が得られる。
　樹脂Ｐがシクロオレフィン系ポリマーの場合には、金型ＤＩを１６０℃程度まで加熱し、約１２ＭＰａの圧力で所定時間押圧し、金型ＤＩの表面温度が６０℃程度になったところで離型することが好ましい。
　フォトニック結晶２５を作製した後、図１２に示すように、金型ＤＩと接していた表面に、スパッタリングまたは蒸着装置などによって金属膜２６を形成して、金属膜被覆フォトニック結晶２１が完成する。
（標的物質捕捉物質）
　次に、標的物質を捕捉する標的物質捕捉物質について説明する。標的物質とは、標的物質検出装置１０が検出する対象物であって、タンパク質などの高分子、オリゴマー、低分子のいずれであってもよい。標的物質は、単分子に限定されず、複数の分子からなる複合体であってもよい。標的物質として、例えば、大気中の汚染物質、水中の有害物質、人体内のバイオマーカー（Biomarker）などが挙げられる。中でも、コルチゾールなどが好ましい。コルチゾールは、分子量３６２ｇ／ｍｏｌの低分子物質である。コルチゾールは、人間がストレスを感じると唾液中のコルチゾール濃度が増加するため、人間が感じているストレスの度合いを評価する物質として注目されている。コルチゾールを標的物質としてその濃度を測定すれば、例えば、ヒトの唾液中に含まれるコルチゾールの濃度を測定することで、ストレスの度合いを評価することができる。ストレスの度合いを評価すれば、被測定者がうつ病などの精神疾患につながるレベルのストレス状態にあるか否かを判断することができる。
　標的物質捕捉物質とは、標的物質と結合し、標的物質を捕捉する物質である。ここで、結合するとは、化学的に結合する場合の他、例えば物理吸着、ファンデルワールス力による結合のように、化学的結合によらない結合であってもよい。好ましくは、標的物質捕捉物質は、標的物質と特異的に反応して標的物質を捕捉するものであり、標的物質を抗原とした抗体であることが好ましい。特異的に反応するとは、選択的に標的物質と可逆的または不可逆的な結合をして複合体を形成することを意味し、化学反応に限定されない。また、特異的に反応する物質が標的物質以外に存在していても構わない。試料中に標的物質の他に標的物質捕捉物質と反応する物質があっても、その親和性が標的物質と比較して非常に小さい場合は、標的物質を定量することができる。標的物質捕捉物質は、標的物質を抗原とした抗体、人工的に作製した抗体、アデニン、チミン、グアニン、シトシンなどのＤＮＡを構成する物質から構成される分子、ペプチドなどを用いることができる。標的物質がコルチゾールである場合は、標的物質捕捉物質は、コルチゾール抗体であることが好ましい。
　標的物質捕捉物質を作製するには公知の方法を採用することができる。例えば、抗体は、血清法、ハイブリドーマ法、ファージディスプレイ法によって作製できる。ＤＮＡを構成する物質から構成される分子は、例えばＳＥＬＥＸ法（Systematic　Evolution　of　Ligands　by　Exponential　Enrichment:試験管内人工進化法）により作製できる。ペプチドは、例えばファージディスプレイ法により作製できる。標的物質捕捉物質は、何らかの酵素・同位体により標識されている必要はない。しかし、酵素・同位体によって標識されていてもよい。
　第１の実施形態において、標的物質捕捉物質は、図４に示す金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に固定される。標的物質捕捉物質を金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に固定する手段として、共有結合、化学吸着、物理吸着などの化学的結合、物理的結合方法が挙げられる。これらの手段を、標的物質捕捉物質の性質に応じて適宜選択することができる。例えば、固定する手段として吸着を選択した場合、吸着の操作は以下のようなものである。例えば、標的物質捕捉物質を含んだ溶液を、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に滴下し、金属膜被覆フォトニック結晶２１を、所定の時間、室温で、または必要に応じて冷却・加温して、標的物質捕捉物質を反射面２９に吸着させる。
　フォトニック結晶バイオセンサ１１は、特定の抗原（例えばコルチゾール）とのみ結合する抗体（例えばコルチゾール抗体）を金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９の表面に予め吸着（固定）させておく。これにより、フォトニック結晶バイオセンサ１１は、特定の抗原を検出することができる。これは、フォトニック結晶２５の光学的特性と、フォトニック結晶２５の表面または表面近傍で起こる各種の生体・化学反応、例えば特定の抗原は特定の抗体とのみ反応するという抗原抗体反応とを利用するものである。
　フォトニック結晶バイオセンサ１１は、標的物質捕捉物質である抗体が固定された反射面２９に、ブロッキング剤（保護物質）が固定されたものであってもよい。ブロッキング剤は、標的物質がフォトニック結晶バイオセンサ１１に接触させられる前に固定される。フォトニック結晶２５の反射面２９の表面は、一般的に超疎水性である。このため、疎水性相互作用によって標的物質捕捉物質である抗体以外の不純物が、反射面２９に吸着してしまうおそれがある。さらに、フォトニック結晶２５の光学特性は表面状態に大きく影響されるので、フォトニック結晶２５の反射面２９には、不純物が吸着されていないことが好ましい。フォトニック結晶２５の反射面２９にブロッキング剤が固定されることで、反射光の検出精度を向上させることができる。
　したがって、標的物質捕捉物質である抗体がフォトニック結晶２５の反射面２９に吸着（固定）された部分以外の箇所には、不純物などが固定されないように、いわゆるブロッキング剤を予め固定させておくことが好ましい。ブロッキング剤を予め吸着させておくには、ブロッキング剤を、フォトニック結晶２５の表面に接触させる。ブロッキング剤として、スキムミルクやウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）などを使用することができる。
　次に、フォトニック結晶バイオセンサ１１が標的物質である抗原及びその濃度を検出する基本的な原理を説明する。図１３～図１６は、フォトニック結晶バイオセンサ１１の原理を説明する図である。一般的に、フォトニック結晶バイオセンサ１１は、フォトニック結晶２５の光学的特性と、フォトニック結晶２５の表面または表面近傍で起こる各種生体・化学反応、例えば、特定の抗原は特定の抗体とのみ反応するという抗原抗体反応とを利用して、微量のタンパク質または低分子物質を検出するものである。そして、フォトニック結晶バイオセンサ１１は、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に特定波長の光を照射したときの表面プラズモン共鳴現象及び／または局在表面プラズモン共鳴現象による反射光の波長の極値がシフトする現象を利用する。
　図１３に示すように、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９の表面には、抗体（標的物質捕捉物質）３４が吸着により固定されている。
　次に、図１４に示すように、反射面２９の抗体３４が吸着した部分以外の箇所、すなわち、抗体３４が吸着した部分以外の反射面２９に、ブロッキング剤（保護物質）３５を予め吸着させる。これにより、反射面２９の抗体３４が吸着した部分以外の箇所に不純物などが吸着しないようにする。
　次に、図１５に示すように、抗体３４とブロッキング剤３５とが吸着されているフォトニック結晶バイオセンサ１１に抗原（標的物質）３６を接触させ、抗原抗体反応を行う。抗体３４に抗原３６が捕捉された複合体３７が、反射面２９に固定される。
　次に、図１に示す光検出部１２は、図１６に示すように、抗原３６がフォトニック結晶２５の反射面２９に捕捉されている状態で特定波長の光（入射光）ＬＩを平行光で金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に照射する。そして、図１に示す光検出部１２は、反射面２９で反射された反射光ＬＲを検出し、反射光ＬＲの極値の波長を求める。そして、図１に示す処理部１３は、反射光ＬＲの強度の極値における波長及び強度の極値における波長のシフト量を求めて、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に捕捉された抗原３６の有無を検出したり、抗原３６の濃度を求めたりする。
　フォトニック結晶バイオセンサ１１は、上記原理に基づき、抗体３４および抗原３６の組合せの種類を変えることにより、検出対象の物質であるタンパク質などの各種生体物質または低分子量物質の種類を変えることができる。
　フォトニック結晶バイオセンサ１１では、反射面２９に固定された抗体３４に抗原３６が捕捉されることにより、反射面２９の状態が変化し、反射光ＬＲに変化が生じる。フォトニック結晶バイオセンサ１１は、光学的な物理量を出力する。この物理量は、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９における表面状態の変化に相関し、反射面２９に固定された抗体３４に抗原３６が捕捉されて形成される複合体３７の量と相関する。光学的な物理量は、例えば、反射光ＬＲの強度が極値となる波長のシフト量、光の反射率の変化量、光の反射率が極値となる波長のシフト量、反射光ＬＲの強度、反射光ＬＲの強度の極値の変化量などである。第１の実施形態では、反射光ＬＲの強度または光の反射率が極値となる波長のシフト量を用いる。
　光学的な物理量を出力させるには、例えば以下のようにして行う。金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に対して垂直に光を入射し、反射光ＬＲを検出する。金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９の垂線に対して角度をつけて光を入射し、反射光ＬＲを検出することもできる。反射光ＬＲを検出することにより、図１に示す標的物質検出装置１０をコンパクトにすることができる。垂直に入射され、垂直に反射された光を検出する場合には、二股の光ファイバーを用いて光を入射し、反射光ＬＲを検出することが好ましい。この構造については後述する。
（フォトニック結晶バイオセンサの作製方法）
　次に、図１に示すフォトニック結晶バイオセンサ１１の作製の一例について説明する。図１７、図１８及び図１９は、フォトニック結晶バイオセンサ１１の説明図である。図１７に示すように、金属膜被覆フォトニック結晶２１を下部プレート２３に設置した後、図１８に示すように、上部プレート２２を下部プレート２３の上に設置して、金属膜被覆フォトニック結晶２１を、下部プレート２３と上部プレート２２とにより挟むことにより、フォトニック結晶バイオセンサ１１が作製される。開口部２４の下部プレート２３側における端部は、フォトニック結晶２５の反射面２９により閉塞される。このような構造により、上部プレート２２は、開口部２４側の内壁と反射面２９とで囲まれて形成される、一定容積の液滴保持部３８を有する。開口部２４側の内壁とは、上部プレート２２と開口部２４との境界面である、上部プレート２２の内壁をいう。
　図１９は、液滴保持部３８に所定の溶液を滴下した状態を示す。この場合、液滴保持部３８が液滴保持機能を発揮するため、開口部２４から溶液が流出するのを抑制する。また、溶液の量としては、液滴保持部３８に広がる程度の量があれば、標的物質の十分な検出・測定が可能となる。
　開口部２４の形状は、円柱形に限らず、開口部２４の内部に液滴を保持することができれば、他の形状としてもよい。また、開口部２４を円柱状とした場合、その直径などは、抗体３４及び抗原３６の組合せの種類、必要な測定精度または反射光の検出器の光学系に合わせて様々な直径とすることができる。開口部２４の直径は、上述した抗体３４に抗原３６を吸着させる際の操作、取扱いの利便性などを考慮し、０．５ｍｍ～１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは、２ｍｍ～６ｍｍである。
　上部プレート２２および下部プレート２３の材質などは、特に限定されない。ただし、上部プレート２２および下部プレート２３の表面の清浄度などを考慮すると、ステンレス鋼、ポリシクロオレフィン系樹脂、シリカなどを用いて形成されることが好ましい。
　次に、フォトニック結晶バイオセンサ１１の別の形態について説明する。上部プレート２２は、疎水性の材料で形成してもよい。特に、唾液などのいわゆる親水性の溶液の検出・測定を行う場合に、上部プレート２２が疎水性の材料で形成されていれば、液滴保持部３８に的確に溶液を集めることができる。また、脂質などのいわゆる親油性の溶液の検出・測定を行う場合、上部プレート２２が疎水性の材料で形成されていれば、液滴保持部３８に的確に溶液を集めることができる。
　さらに、上部プレート２２は、撥水性若しくは撥油性または撥水撥油性のある材料で形成してもよい。また、疎水性、親水性、撥水性、撥油性を発揮する表面処理またはコーティングを上部プレート２２に施してもよい。このようにすることで、液滴保持部３８に的確に溶液を集めることができる。
　フォトニック結晶バイオセンサ１１は、フォトニック結晶バイオセンサ１１の下部に、図１に示す光検出部１２に対してフォトニック結晶バイオセンサ１１の位置を定めて、フォトニック結晶バイオセンサ１１を固定するための固定材（標的物質捕捉部固定手段、フォトニック結晶バイオセンサ固定手段）を装着することが好ましい。固定材としては、マグネットシート、両面テープ、接着剤などが使用できる。また、フォトニック結晶バイオセンサ１１を固定するために、固定材ではなく、固定機構として真空チャックまたは静電チャックを用いてもよい。フォトニック結晶バイオセンサ１１を固定しておくことにより、検出・測定時の振動などによる測定位置のずれを減少することが可能となる。その結果、より正確な検出・測定ができる。
　図２０、図２１は、フォトニック結晶バイオセンサ固定手段を説明する図である。図２０は、マグネットシート３９の取付け前の状態を示し、図２１は、マグネットシート３９の取付け後の状態を示す。フォトニック結晶バイオセンサ１１は、フォトニック結晶バイオセンサ１１の下部側にマグネットシート３９が取り付けられている。マグネットシート３９は、フォトニック結晶バイオセンサ固定手段として機能する。
　フォトニック結晶バイオセンサ１１は、熱ナノインプリントなどにより均一に作製されている。標的物質検出装置１０がより正確に反射光の検出ができるようにするため、フォトニック結晶バイオセンサ１１に照射される光の入射部位、反射部位を正確に位置決めすることが好ましい。
　すなわち、フォトニック結晶バイオセンサ１１と後で説明する測定プローブとの測定時の位置関係は、抗原抗体反応の前後で同一であることが好ましく、同一の部分を測定することが好ましい。したがって、測定プローブとフォトニック結晶バイオセンサ１１の反射面２９との距離は、抗原抗体反応の前後で同一であることが好ましく、５０μｍ～５００μｍに固定することが好ましい。フォトニック結晶バイオセンサ１１は、上部プレート２２を含むことで、上部プレート２２がスペーサとして機能し、測定プローブとフォトニック結晶バイオセンサ１１の反射面２９との距離を一定にすることができる。
　また、フォトニック結晶バイオセンサ１１に、反射面２９における特定の位置を表示する、位置決め用のマーカーによってマークを付けるようにしてもよい。マーカーは、フォトリソグラフィー、スパッタリング、蒸着、これらを利用したリフトオフプロセス、インクなどによる印刷またはインプリントによるパターン形成などによって付けることができる。マーカーは、その位置を読み取ることができればフォトニック結晶バイオセンサ１１の表面（反射面２９側）または裏面（反射面２９の反対側）のどちらに付けてもよい。また、フォトニック結晶２５の測定部分を外してフォトニック結晶２５自体にマーカーを付けてもよい。さらに、マーカーを上部プレート２２、下部プレート２３に付けてもよい。
　次に、フォトニック結晶バイオセンサ１１の更に別の形態について説明する。図２２は、フォトニック結晶バイオセンサ１１の別の形態を説明する図である。図２２に示すように、フォトニック結晶バイオセンサ１１は、開口部２４を塞ぐ部材を含む。開口部２４を塞ぐ部材は、孔付カバー４１とシート４２とを含む。孔付カバー４１は、開口部４３を有する板状部材であり、孔付カバー４１は、フォトニック結晶バイオセンサ１１の表面（反射面２９側）に設けられる。シート４２は、孔付カバー４１のフォトニック結晶バイオセンサ１１とは反対側（光の入射側）に設けられる。シート４２は、被覆部材として機能する。フォトニック結晶バイオセンサ１１は、孔付カバー４１とシート４２とにより開口部２４、４３が塞がれる。
　孔付カバー４１の開口部４３側の内壁と、開口部２４側の内壁と、フォトニック結晶２５の反射面２９とで囲まれた空間が、一定容積の液滴保持部４４となる。開口部４３側の内壁とは、孔付カバー４１と開口部４３との境界面である、孔付カバー４１の内壁をいう。開口部４３は、液滴保持部４４に標的物質が配置された後、シート４２により覆われる。これにより、液滴保持部４４はシート４２により塞がれる。
　フォトニック結晶バイオセンサ１１は、孔付カバー４１及びシート４２を備えることで、フォトニック結晶バイオセンサ１１の開口部２４に滴下された溶液の蒸発を抑制することができる。このため、抗原抗体反応時の蒸発などによる溶液の濃度が変化するのを抑制することができる。また、フォトニック結晶バイオセンサ１１は、孔付カバー４１及びシート４２を備えることで、外部から溶液へ異物が混入することを防止することができる。
　さらに、液滴保持部４４に溶液を充填することにより、溶液を充填した状態で反射光の測定をより正確に行うことも可能である。この場合、シート４２は透明な材料であることが好ましく、より好ましくは、反射光の強度の極値における波長の光の吸収が少ないものが好ましい。例えば、シート４２の材料は、可視光線領域から紫外線領域の反射光で測定する場合は石英（シリカ）などが好ましい。
（光検出部１２）
　次に、図１に示す光検出部１２について説明する。図１に示す光検出部１２は、光源５１と、測定プローブ５２と、光検出装置５３と、第１光ファイバー５４と、第２光ファイバー５５と、コリメートレンズ５６とを含む。光源５１と測定プローブ５２とは、第１光ファイバー５４により光学的に接続されている。測定プローブ５２と光検出装置５３とは、第２光ファイバー５５により光学的に接続されている。必要に応じて、光源５１及び光検出装置５３などに接続され、光源５１の制御及び光検出装置５３からの信号を処理する制御装置を設けてもよい。
　図２３は、光検出部１２がフォトニック結晶バイオセンサ１１に光を照射する例を示す図である。図１に示す第１光ファイバー５４は、図１に示す光源５１からの光を測定プローブ５２に導き、測定プローブ５２からフォトニック結晶バイオセンサ１１が有する金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９へ照射する。コリメートレンズ５６は、第１光ファイバー５４から出射し、測定プローブ５２から照射された光を平行光にしてから、フォトニック結晶２５の反射面２９へ入射光ＬＩとして照射する。第２光ファイバー５５は、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９で反射した光を反射光ＬＲとして受光し、図１に示す光検出装置５３へ導く。コリメートレンズ５６の種類は特に限定されないが、例えば、ナノストラクチャーを持つ反射防止フィルムを用いることができる。光検出装置５３は、例えば、フォトトランジスタまたはＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）などの受光素子を備えた、光を検出するための装置である。
　図２４は、図１に示す光検出部１２が有する測定プローブ５２の構造を示す図である。測定プローブ５２は、第１光ファイバー５４と第２光ファイバー５５とが接合される。そして、測定プローブ５２は、第１光ファイバー５４の光の出射面６１と、第２光ファイバー５５の反射光ＬＲの入射面６２とが同一の面（入出射面）６３上に配置される。このように、測定プローブ５２は、第１光ファイバー５４と第２光ファイバー５５とが、第１光ファイバー５４の出射側（出射面６１側）と第２光ファイバー５５の入射側（入射面６２側）とで一体となっている。そして、測定プローブ５２は、第１光ファイバー５４と第２光ファイバー５５とを用いて光を入射し、反射光ＬＲを検出する。
　測定プローブ５２は、このような構造としているため、フォトニック結晶２５の反射面２９に照射する入射光ＬＩと、反射面２９からの反射光ＬＲとをほぼ同一の位置から出射し、入射させることができる。測定プローブ５２を上述したような構造にするとともに、コリメートレンズ５６を用いて測定プローブ５２からの光を平行光にすることで、光検出部１２は、反射面２９に平行光の入射光ＬＩを垂直に入射することができる。それとともに、反射面２９から垂直に反射した反射光ＬＲを受光することができる。このようにすることで、測定プローブ５２は、反射光強度の低下を最小限に抑えることができるとともに、主として反射光ＬＲの０次光成分を検出することができる。これにより、処理部１３は、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９の正確な情報を得ることができるため、標的物質の検出精度及び濃度の計測精度が向上する。なお、反射光ＬＲを検出する手法は、上述したような測定プローブ５２に限定されない。例えば、コリメートレンズ５６と反射面２９との間にハーフミラーを配置し、ハーフミラーによって反射光ＬＲを分離して第２光ファイバー５５から光検出装置５３に導いてもよい。
　次に、光検出部１２の評価条件を説明する。図２５は、第１の実施形態に係る標的物質検出装置１０の光検出部１２の評価条件を示す図である。図２５に示すように、光検出部１２は、測定プローブ５２の入出射面６３と金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９との間にコリメートレンズ５６を配置する。コリメートレンズ５６と反射面２９との距離（計測距離）をｈ、コリメートレンズ５６から出射した平行光の反射面２９における直径をｄ１、フォトニック結晶２５の反射面２９が露出する開口部２４の直径をｄ２とする。本評価では、ｈを１５ｍｍまたは４０ｍｍとし、ｄ１を３．５ｍｍ、ｄ２を５ｍｍとした。反射面２９に照射される光の光軸ＺＬ及び反射面２９で反射された反射光の光軸ＺＬは、いずれも反射面２９に対して直交している。測定プローブ５２の直径は２００μｍである。照射する光は白色光を用いた。反射率は、標準物質（アルミニウム板）の反射光強度に対する比率である。
（処理部１３）
　次に、図１に示す処理部１３について説明する。処理部１３は、光検出部１２が検出した反射光の極値の波長を求める。処理部１３は、それとともに、求めた極値の波長のシフト（波長シフト量）に基づいて、少なくとも標的物質（例えば、図１５、図１６などに示す抗原３６）の有無を検出する。処理部１３は、例えば、マイクロコンピュータである。波長シフト量と金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に捕捉された標的物質の濃度とは相関がある。このため、処理部１３は、波長シフト量から反射面２９に捕捉された標的物質の濃度を求めることができる。
（標的物質を検出する方法）
　次に、図１に示す標的物質検出装置１０を用いて標的物質を検出する方法（標的物質検出方法）を説明する。この例においては、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９にコルチゾール抗体を吸着させて、唾液中のコルチゾールを検出対象の標的物質として、検出・測定する場合を説明する。フォトニック結晶２５としては、熱ナノインプリントにより所定の微細構造を表面に形成したシクロオレフィン系ポリマーのシートを所定の大きさに切断したものを用いている。
　図２６は、第１の実施形態に係る標的物質検出方法の一例を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１１では、光検出部１２は、フォトニック結晶２５の反射面２９に光を照射したときの反射面２９からの反射光ＬＲを検出し、処理部１３は、反射光ＬＲを計測する（ステップＳ１１）。処理部１３は、例えば、反射光ＬＲの反射光強度のスペクトルを計測する。反射面２９に照射する光（入射光ＬＩ）の波長は、例えば３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。
　次に、ステップＳ１２では、コルチゾール抗体溶液（コルチゾール抗体濃度１μｇ／ｍｌ～５０μｇ／ｍｌ）を金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に滴下する。そして、所定の時間または必要であれば、フォトニック結晶バイオセンサ１１を所定の温度で所定の時間静置し、コルチゾール抗体を金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に吸着させる。
　次に、ステップＳ１３では、リン酸緩衝液（ＰＢＳ：Phosphate　buffered　saline）を金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に滴下する。その後、遠心力などにより除去するリンス処理を複数回行う。
　次に、ステップＳ１４では、ブロッキング剤３５としてスキムミルクをフォトニック結晶２５の反射面２９に滴下し、フォトニック結晶バイオセンサ１１を所定の時間または必要であれば所定の温度で所定の時間静置し、スキムミルクを金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９におけるコルチゾール抗体の非吸着部に吸着させる。
　その後、ステップＳ１５では、リンス処理（ステップＳ１３）と同様に、リン酸緩衝液によりリンス処理を複数回行う。上述した操作により、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に所定の処理がなされ、フォトニック結晶バイオセンサ１１が形成される。
　次に、ステップＳ１６では、まず、コルチゾールを含む溶液としての唾液の準備をする。唾液のサンプリング及び不純物の除去などの前処理は、例えば、市販の唾液採取キットを用いて行う。唾液の準備は、フォトニック結晶バイオセンサ１１に唾液を滴下する前であればいつ行ってもよい。例えば、フォトニック結晶バイオセンサ１１を形成する前に行ってもよく、フォトニック結晶バイオセンサ１１を形成するのと並行して行ってもよく、反射光強度を計測した後に行ってもよい。サンプリング及び前処理の終了した唾液１０μＬ～５０μＬをフォトニック結晶バイオセンサ１１に滴下する。
　次に、ステップＳ１７では、フォトニック結晶バイオセンサ１１を、所定の時間、また必要であれば所定の温度で所定の時間、静置して抗原抗体反応を行う。
　その後、ステップＳ１８では、リンス処理（ステップＳ１５）と同様に、リン酸緩衝液によりリンス処理を複数回行う。
　次に、ステップＳ１９では、標的物質検出装置１０を用いて、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に光を照射する。このときに照射する光は、ステップＳ１１で反射面２９に照射した光と同一である。そして、標的物質検出装置１０は、反射面２９からの反射光ＬＲ、例えば、反射光強度のスペクトルを計測する。
　フォトニック結晶バイオセンサ１１の反射光強度の極値における波長は、反射面２９または反射面２９の近傍での抗原抗体反応などにより影響を受けて変化する。このため、反応前後の反射光強度の極値における波長の差、すなわち波長シフト量から、唾液中のコルチゾールを検出できる。また、波長シフト量から唾液中のコルチゾールの濃度を求めることができる。
　ステップＳ２０では、処理部１３は、ステップＳ１９で計測した反射光強度（または反射率）の極値（極小値）における波長のシフト（波長シフト量）を求める。波長シフト量は、例えば、反射面２９に標的物質が捕捉された後における波長λ２と、反射面２９に標的物質が捕捉されていないときにおける反射光強度（または反射率）の極値（最小値）に対応する波長λ１との差分λ２－λ１である。
　ステップＳ２１で、処理部１３は、例えば、所定量以上の波長シフト量がある場合、唾液中にコルチゾールが存在すると判定する。また、処理部１３は、波長シフト量に基づき、例えば、波長シフト量とコルチゾールの濃度との関係式を用いてコルチゾールの濃度を決定する。このとき、前記関係式は予め求めておき、処理部１３の記憶部に保存しておく。
　上述した例では、標的物質が捕捉されていない状態の反射面２９における反射光強度の極値の波長を用いて波長シフト量を求めたが、これに限定されるものではない。例えば、リンス処理（ステップＳ１３またはステップＳ１５）が終わった後における反射面２９からの反射光強度の極値の波長を用いて波長シフト量を求めてもよい。また、ステップＳ１１、ステップＳ１９において、極値が複数ある場合には、着目する極値を適宜選定する。そして、選定された極値について、波長λ１及び波長λ２を求める。
　なお、第１の実施形態では、金属膜被覆フォトニック結晶２１は、反射面２９に抗体３４を固定しているが、これに限定されるものではなく、金属膜被覆フォトニック結晶２１は、反射面２９に抗体３４を固定しないで用いてもよい。
［第２の実施形態］
　第２の実施形態に係る標的物質捕捉装置を備えた標的物質検出装置について説明する。第２の実施形態に係る標的物質捕捉装置は、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に固定するものを抗原（標的物質）３６とし、この抗原３６に抗体３４を吸着させることに変更したこと以外は第１の実施形態と同様であるため、重複した説明は省略する。
　図２７～図３１は、フォトニック結晶バイオセンサの原理を説明する図である。抗体３４と、抗原３６との特異的反応として、第２の実施形態では、抗原３６としてコルチゾールと、抗体３４として抗コルチゾール抗体とを用いて説明する。
　まず、図２７に示すように、フォトニック結晶バイオセンサ１１は、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に抗原３６を固定する手段として、抗体３４を反射面２９に固定する手段と同様に行うことができる。抗原３６を反射面２９に固定する手段としては、例えば、共有結合、化学吸着、物理吸着などの、化学的結合、物理的結合方法が挙げられる。これらの手段は、抗原３６の性質に応じて適宜選択することができる。
　金属膜被覆フォトニック結晶２１に固定される抗原３６の量は、一定量である。これにより、金属膜被覆フォトニック結晶２１に固定される抗原３６に抗体３４が吸着して複合体６５（図２９、図３０参照）が形成された場合に、形成された複合体６５の量と相関する物理量を、フォトニック結晶バイオセンサ１１が出力できる。固定される抗原３６の一定量は、適宜変更してもよく、例えば、試料Ｓに含まれる抗原３６の量の範囲によって最適な量に設定することができる。
　その後、図２８に示すように、ブロッキング剤３５を反射面２９の抗原３６の付着していない箇所に固定させる。
　次に、フォトニック結晶２５の反射面２９に、例えば３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の光（入射光）ＬＩを平行光で、かつ光軸が反射面２９と直交するように照射する。このときの反射光ＬＲの強度または反射率が極値（この例では極小値）となる波長をλ１とする。
　次に、図２９に示すように、抗原３６と抗体３４との複合体６５と、抗体３４とを含む混合物Ｍを準備する。混合物Ｍは、抗原３６を含む試料Ｓと既知量の抗体３４を含む溶液とを混合することで得られる。複合体６５は、抗原３６を含む試料Ｓと既知量の抗体３４を含む溶液とを混合することで、抗体３４と抗原３６とが反応して得られる。抗体３４は、抗体３４の既知量を試料Ｓに含まれる抗原３６の結合する部位の量よりも多くすることにより、混合物Ｍ中に抗原３６と反応せずに残ったものである。混合物Ｍを、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に接触させる。これにより、図３０に示すように、反射面２９に固定された抗原３６と抗体３４とで複合体６５を反射面２９に形成させる。その後、図３１に示すように、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に、例えば３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の光（入射光）ＬＩを平行光で、かつ光軸が反射面２９と直交するように照射する。このときの、反射光ＬＲの反射光強度または反射率が極値（この例では極小値）となる波長をλ２とする。
　光の反射率が極値となる波長の波長シフト量は、λ２－λ１である。金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９における表面状態の変化に応じて、波長シフト量は変化する。この波長シフト量に基づいて、抗原３６の検出及び定量を行う。フォトニック結晶バイオセンサ１１は、光学的な物理量を出力する。この物理量は、反射面２９における表面状態の変化に相関し、反射面２９に固定された抗原３６と抗体３４とで形成される複合体６５の量と相関する。
　第２の実施形態は、金属膜被覆フォトニック結晶２１に抗原３６であるコルチゾールを固定させて、抗体３４である抗コルチゾール抗体を反応させている。上記第１の実施形態のように、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に抗体３４を固定させた後、抗体３４に抗原３６を反応させる場合と比較して、第２の実施形態のように、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９にコルチゾールを固定させた後、コルチゾールに抗コルチゾール抗体を反応させる場合の方が、金属膜被覆フォトニック結晶２１の表面状態の変化が大きくなり、フォトニック結晶バイオセンサ１１の感度が向上する。
　次に、抗原３６の濃度の測定方法を説明する。試料Ｓに含まれる抗原３６の結合する部位の量をＸ、混合物Ｍ中の抗体３４の既知量をＣとする。このとき、ＸとＣとの関係は、ＸをＣよりも少なくする（Ｘ＜Ｃ）。混合物Ｍ中において、抗原３６と抗体３４とが抗原抗体反応して、複合体６５が形成される。ＸはＣよりも少ない（Ｘ＜Ｃ）ので、混合物Ｍ中の抗体３４の量は、Ｃ－Ｘとなる。そして、混合物Ｍを、一定量の抗原３６が固定された反射面２９に接触させると、混合物Ｍ中の抗体３４が反射面２９の抗原３６と抗原抗体反応して、複合体６５が形成される。反射面２９に固定されている抗原３６の量は、混合物Ｍ中の抗体３４の量Ｃ－Ｘ以上である。
　混合物Ｍ中のすべての抗体３４が反射面２９の抗原３６と抗原抗体反応すると、複合体６５の量はＣ－Ｘになる。混合物Ｍを反射面２９に接触させる前後において計測した波長λ１、λ２から求めた波長シフト量Δλは、反射面２９に固定された複合体６５の量に相当する。したがって、Δλ＝ｋ×（Ｃ－Ｘ）となる。ｋは、波長シフト量Δλを複合体６５の量に変換するための定数である。反射面２９に固定された複合体６５の量と波長シフト量Δλとの関係は、予め求めておく。上記関係式から、抗原３６の量Ｘは、Ｃ－Δλ／ｋで求めることができる。抗原３６の濃度は、抗原３６の量Ｘに基づいて求めることができる。
　また、第２の実施形態では、フォトニック結晶バイオセンサ１１は、例えば、複合体６５と特異的に反応する二次抗体を、複合体結合物質として、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に固定された複合体６５と反応させるようにしてもよい。二次抗体は第１複合体６５よりも過剰な量を、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９に接触させる。そして、全ての複合体６５に二次抗体を付加させて第二複合体とする。このようにすることで、金属膜被覆フォトニック結晶２１の表面状態の変化が更に大きくなる。この結果、フォトニック結晶バイオセンサ１１の感度が更に上昇する。二次抗体は、そのまま使用することもできるし、他の物質を付加して使用してもよい。二次抗体が大きいほど金属膜被覆フォトニック結晶２１の表面状態の変化が大きくなるため、二次抗体に他の物質を付加した後、複合体６５と反応させることで、フォトニック結晶バイオセンサ１１の感度が更に大きくなる。
　反射面２９に、第二複合体を形成させる場合は、第二複合体を形成させた後の反射面２９に光を照射する。その結果得られる反射光強度または反射率が極値（この例では極小値）となる波長をλ２とする。極値が複数ある場合には、着目する極値を適宜選定する。選定された任意の極値について、波長λ１及び波長λ２を求める。フォトニック結晶バイオセンサ１１は、光学的な物理量を出力する。この物理量は、反射面２９における表面状態の変化に相関し、反射面２９に固定された第２複合体の量と相関する。これにより、第２複合体を検出及び定量する。第２複合体の量は、複合体６５の量と同一であるから、複合体６５を定量することができる。
［第３の実施形態］
　図３３は、第３の実施形態に係る金属膜被覆フォトニック結晶を反射面に対して直交する平面で切った断面図である。図３３に示すように、第３の実施形態において、非平坦部２８Ａｃ、２８Ｂｃは、表面２７に対して窪んだ円錐状の凹部である。これにより、金型および樹脂を用いて熱ナノインプリントにより金属膜被覆フォトニック結晶２１を作製するとき、金型が樹脂から離型しやすくなる。このため、非平坦部２８Ａｃ、２８Ｂｃは、上述した第１の実施形態の円柱状の凹部である非平坦部２８Ａ、２８Ｂと比較して、容易に形成することができる。したがって、第３の実施形態に係る金属膜被覆フォトニック結晶２１は、容易に作製することができる。
　なお、上記の説明において、第３の実施形態に係る非平坦部は、図３３で示したような凹部であるとしたが、凸部であってもよい。このとき非平坦部２８Ａｃ、２８Ｂｃは、表面２７に対して突出した円錐状の凸部である。
　また、非平坦部２８Ａｃ、２８Ｂｃの反射面２９に沿った断面形状は円形であってもよいし、図３２（ａ）に示すような正六角形または図３２（ｂ）に示すような星形であってもよい。非平坦部２８Ａｃ、２８Ｂｃの反射面２９に沿った断面形状が正六角形である場合、非平坦部２８Ａｃ、２８Ｂｃは、表面２７に対して窪んだ六角錐状の凹部である。非平坦部２８Ａｃ、２８Ｂｃの反射面２９に沿った断面形状が星形である場合、非平坦部２８Ａｃ、２８Ｂｃは、表面２７に対して窪んだ底面が星形である角錐状の凹部である。
　次に、フォトニック結晶バイオセンサ１１の感度の評価指標について具体的に説明する。表面にナノメートルオーダーの周期性を持つ凹凸形状（以下、「ナノ周期構造」）を用いたフォトニック結晶基板に光を照射すると、表面プラズモン共鳴現象が発生し、反射光のスペクトルはその材料及び構造に依存したピーク波長λpeakを示す。そのピーク波長λpeakは、周期をｄ、金属の誘電率をεｍ、環境の屈折率をｎ、回折次数をｉ、ｊとすると、次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　金属の材質とナノ周期構造の周期が一定であるとすると、環境の屈折率変化Δｎに対するピーク波長シフトΔλpeakで定義される感度Ｓ（ｎｍ／ＲＩＵ）は、（数１）を環境の屈折率ｎで微分することにより求めることができ、（数２）のように表され、感度Ｓは周期ｄ（ｎｍ）に比例することがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　感度Ｓは、用いるピーク波長または周期とともに増大し、スペクトル形状の半値幅（Full　Wavelength　at　Half　Maximum:FWHM　単位ｎｍ）も用いるピーク波長とともに増大することから、感度の評価指標として感度性能指数ＦＯＭ１が用いられる（非特許文献２）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　また、精度良くピーク波長を特定するためには鋭いピーク形状が望ましい。そのため、スペクトルの高さ（Full　Height:FH）を半値幅で除した感度性能指数ＦＯＭ２が用いられる（非特許文献２）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　高いＦＯＭ１及びＦＯＭ２の値を持つセンサ基板は、高いＳ／Ｎ比を保有する高感度センサ基板といえる。一般的にバイオセンサにおいては、センサ表面に入射した光の反射光のスペクトルにおいて極値を示す波長は、センサ表面のナノ周期構造に係る凹凸が形成する格子模様の周期に依存する。したがって、反射光に含まれる特定の長さの波長を検出するためには、反射面の格子模様の周期は所望の値にできることが望ましい。
　一方、センサ感度を高めるためには、前述の凹凸を密に配置することが有効であるが、単純に凹凸を密に配置すると反射面の格子模様の周期が小さくなるため、当該波長の測定が困難になるという問題があった。この問題に対して、従来は凹凸構造として断面が円形の凹部を形成した上で、凹部の周期を大きくすることで感度Ｓを向上させることのみに着目した対策がなされてきたものが多く、反射光のスペクトル形状を考慮したものは少ない。
　例えば、特許文献１には、凹凸構造として円柱状の凸部を一様な四角格子状に配列した、すなわち一つの回転対称性を持つ配置とした反射面を有するバイオセンサが記載されている。このようなセンサでは、測定対象とする波長に合わせて格子間隔が決定されるため、格子間隔が比較的大きい場合、凸部が疎な配置となりＦＯＭ２の値が低下する。
　一方、凹凸の配置を、大きな周期の格子模様と小さな周期の格子模様を混在させた配置、すなわち複数の回転対称性を含む配置とした場合、反射光のスペクトルに複数の極値が生じる。この場合、複数ある極値のうちのいずれかの極値を用いて測定を行うことができれば、センサとして適正な出力を得られることから、高い信頼性を持って標的物質の有無を検出できるセンサが得られる。その反面、個々の極値が小さくなるので標的物質の量を正確に測定することが困難となる虞がある。以下において、上述した実施形態に係るフォトニック結晶バイオセンサが、標的物質の量を正確に測定できることを説明する。
　図３４は、第１実施例に係るフォトニック結晶バイオセンサに対して光を照射したときの、反射光のスペクトルのピーク波長を示す図である。図３５は、第１比較例に係るフォトニック結晶バイオセンサに対して光を照射したときの、反射光のスペクトルのピーク波長を示す図である。図３４、３５は、フォトニック結晶バイオセンサに対して照射された光の反射光のスペクトルにおけるピーク波長を、３００秒間継続して測定した結果を示している。第１実施例に係るフォトニック結晶バイオセンサは、上述した第１の実施形態で示したフォトニック結晶バイオセンサ１１である。すなわち、第１実施例に係るフォトニック結晶バイオセンサは、表面２７に対して窪んだ円柱状の凹部である非平坦部２８Ｂと、格子模様Ｌａを形成するように配置された単位配列Ｕと、を備える。第１実施例に係る非平坦部２８Ｂにおいて、図４で示した直径Ｄ２は１５０ｎｍであり、深さＨ２は２００ｎｍである。第１実施例に対して第１比較例は、図５で示したように格子模様Ｌａの交点の位置に中心Ｇ１が１つずつ重なるように非平坦部２８Ｂが配置されている点が異なる。
　図３４に示すように、第１実施例におけるピーク波長は、３００秒間で一定となっている。これに対して、図３５に示すように、第１比較例におけるピーク波長は、３００秒間で複数回変動している。すなわち、第１比較例においては、ノイズが発生しやすくなっている。第１実施例は、第１比較例に比較して、反射光のスペクトル形状の半値幅が小さいため、ピーク波長の測定結果が安定している。また、第１実施例において、ＦＯＭ１の値は４３．７であり、ＦＯＭ２の値は６８．６である。第１比較例において、ＦＯＭ１の値は４２．０であり、ＦＯＭ２の値は５９．８である。第１実施例のＦＯＭ１およびＦＯＭ２は、ともに第１比較例のＦＯＭ１およびＦＯＭ２よりも高い。これにより、第１実施例に係るフォトニック結晶バイオセンサは、第１比較例に係るフォトニック結晶バイオセンサに比較して、センサとしての感度が高いことがわかる。したがって、第１の実施形態に係るフォトニック結晶バイオセンサ１１は、従来技術に比較してセンサ感度を高めることができるので、標的物質の量を正確に測定できる。
　図３６は、第２実施例に係るフォトニック結晶バイオセンサに対して光を照射したときの、反射光のスペクトルのピーク波長を示す図である。図３７は、第２比較例に係るフォトニック結晶バイオセンサに対して光を照射したときの、反射光のスペクトルのピーク波長を示す図である。図３６、３７は、フォトニック結晶バイオセンサに対して照射された光の反射光のスペクトルにおけるピーク波長を、３００秒間継続して測定した結果を示している。第２実施例に係るフォトニック結晶バイオセンサは、上述した第３の実施形態で示したフォトニック結晶バイオセンサ１１である。すなわち、第２実施例に係るフォトニック結晶バイオセンサは、表面２７に対して窪んだ円錐状の凹部である非平坦部２８Ｂｃと、格子模様Ｌａを形成するように配置された単位配列Ｕと、を備える。第２実施例に係る非平坦部２８Ｂｃにおいて、図３３で示した直径Ｄ２は２２０ｎｍであり、深さＨ２は５０ｎｍである。第２実施例に対して第２比較例は、図５で示したように格子模様Ｌａの交点の位置に中心Ｇ１が１つずつ重なるように非平坦部２８Ｂが配置されている点が異なる。
　図３６に示すように、第２実施例におけるピーク波長は、３００秒間で一定となっている。これに対して、図３７に示すように、第２比較例におけるピーク波長は、３００秒間で複数回変動している。すなわち、第２比較例においては、ノイズが発生しやすくなっている。第２実施例は、第２比較例に比較して、反射光のスペクトル形状の半値幅が小さいため、ピーク波長の測定結果が安定している。また、第２実施例において、ＦＯＭ１の値は５４．４であり、ＦＯＭ２の値は６５．９である。第２比較例において、ＦＯＭ１の値は４２．０であり、ＦＯＭ２の値は３２．５である。第２実施例のＦＯＭ１およびＦＯＭ２は、ともに第２比較例のＦＯＭ１およびＦＯＭ２よりも高い。これにより、第２実施例に係るフォトニック結晶バイオセンサは、第２比較例に係るフォトニック結晶バイオセンサに比較して、センサとしての感度が高いことがわかる。したがって、第３の実施形態に係るフォトニック結晶バイオセンサ１１は、従来技術に比較してセンサ感度を高めることができるので、標的物質の量を正確に測定できる。また、第３の実施形態に係るフォトニック結晶バイオセンサ１１は、容易に作製することができる。
　１０　標的物質検出装置
　１１　フォトニック結晶バイオセンサ（標的物質捕捉装置）
　１２　光検出部
　１３　処理部
　２１　金属膜被覆フォトニック結晶
　２２　上部プレート
　２３　下部プレート
　２４、４３　開口部
　２５　フォトニック結晶
　２６　金属膜
　２７　表面
　２８Ａ、２８Ｂ　非平坦部
　２９　反射面
　３４　抗体（標的物質捕捉物質）
　３５　ブロッキング剤（保護物質）
　３６　抗原（標的物質）
　３７、６５　複合体
　３８、４４　液滴保持部
　３９　マグネットシート
　４１　孔付カバー
　４２　シート
　５１　光源
　５２　測定プローブ
　５３　光検出装置
　５４　第１光ファイバー
　５５　第２光ファイバー
　５６　コリメートレンズ
　６１　出射面
　６２　入射面
　６３　同一の面（入出射面）
　Ｍ　混合物
　Ｕ　単位配列
　ＬＩ　入射光
　ＬＲ　反射光

Claims (9)

  1. 　複数の非平坦部が配列され、標的物質を捕捉し、照射された光を反射する反射面を含む標的物質捕捉装置であって、
    　２以上の自然数をＭとし、Ｍとは異なる２以上の自然数をＮとしたとき、
    　前記複数の非平坦部が並べられた配列は、前記非平坦部がＭ回対称である図形における頂点の位置に、前記非平坦部の中心を１つずつ重ねるように配置された単位配列を複数含み、複数の前記単位配列がＮ回対称である格子模様の交点の位置に、前記Ｍ回対称である図形の重心を１つずつ重ねるように配置される
    　ことを特徴とする標的物質捕捉装置。
  2. 　１つの前記単位配列における前記非平坦部の中心間の最小距離は、前記格子模様の交点間の最小距離の０．４倍以上０．６倍以下である
    　ことを特徴とする請求項１に記載の標的物質捕捉装置。
  3. 　すべての前記非平坦部は、いずれかの前記単位配列に属しており、
    　１つの前記単位配列に属する前記非平坦部は、隣り合う前記単位配列に属する前記非平坦部と異なることを特徴とする請求項１または２に記載の標的物質捕捉装置。
  4. 　前記Ｍは３であり、前記Ｎは６であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の標的物質捕捉装置。
  5. 　１つの前記単位配列における前記非平坦部の中心間の最小距離は、前記格子模様の交点間の最小距離の０．５倍であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の標的物質捕捉装置。
  6. 　照射された光を反射する反射面を含み、反射面に複数の非平坦部が一定の規則に従って配列されたフォトニック結晶を用いたバイオセンサによって標的物質を捕捉する標的物質捕捉装置であって、前記複数の非平坦部が並べられた配列は、前記非平坦部が正三角形の頂点の位置に、前記非平坦部の中心を１つずつ重ねるように配置された単位配列を複数含み、前記複数の非平坦部が並べられた配列は、６０°の角度でお互いに交差する格子模様の交点の位置に、前記正三角形の重心を１つずつ重ねるように複数の単位配列が配置されていることを特徴とする標的物質捕捉装置。
  7. 　前記非平坦部の前記反射面に沿った断面が円形であって、前記非平坦部の断面の直径が前記正三角形の一辺の長さの１倍未満であることを特徴とする請求項６に記載の標的物質捕捉装置。
  8. 　前記正三角形の一辺の長さは、前記格子模様の交点間の最小距離の０．５倍であり、
    　前記正三角形の一辺は、前記格子模様が含む直線に平行であることを特徴とする請求項６または７に記載の標的物質捕捉装置。
  9. 　前記非平坦部の前記反射面に沿った断面が正六角形もしくは星型であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の標的物質捕捉装置。
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