(57)【要約】【課題】表面プラズモン共鳴技法を使用して分子を検出するための方法、装置及びシステムを提供する。【解決手段】本開示技術は、表面プラズモン共鳴技法を使用して分子を検出するための方法、装置及びシステムに関し、より詳細には、基材上に形成された金属ナノ粒子を用いる表面プラズモン共鳴技法に関する。一態様において、金属ナノ粒子の層を形成する方法は、バインダーポリマー及び溶媒を含む液体組成物を用意する工程と、液体組成物中に、ポリマー表面を含む物品を少なくとも部分的に浸漬する工程とを含み、ポリマー表面は、ポリマー材料を含み、無機ガラス又は結晶性物質を含まない。方法は、気相プラズマを液体組成物に印加し、バインダーポリマーとポリマー表面のポリマー材料との間の化学反応を促進し、物品のポリマー表面にバインダー層を形成する工程を追加的に含む。方法は、バインダー層に対して金属ナノ粒子を適用しバインダー層上に金属ナノ粒子層を形成する工程を更に含む。【選択図】図８Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダーポリマー及び溶媒を含む液体組成物を用意する工程であって、バインダーポリマーがアミン末端を含む、工程と；
アミンと反応する１つ又は複数の官能基を有するポリマー表面を含む物品を用意する工程であって、前記ポリマー表面が無機ガラス又は結晶性物質を含まない、工程と；
液体組成物をポリマー表面に接触させる工程と；
ポリマー表面に接触している液体組成物に対して気相プラズマを１ミリ秒〜１分の時間印加して、液体組成物が気相プラズマとポリマー表面との間に挟入されるようにし、バインダーポリマーのアミン末端とポリマー表面の１つ又は複数の官能基との間に、化学反応によりポリマー表面に結合された架橋型バインダーポリマーを含むポリマー層を形成する工程であって、気相プラズマがアンモニアを含まない、工程と
を含む、ポリマー基材上にポリマー層を形成する方法。
【請求項２】
バインダーポリマーが、
ポリジアリルジメチルアンモニウム；ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド；ポリアリルアミンハイドロクロリド；ポリ４−ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロリド；  ジエチレングリコールの類縁体である、ジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）、Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２、トリエチレンテトラミン（ＴＥＴＡ）、Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２、テトラエチレンペンタミン（ＴＥＰＡ）、Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２、ペンタエチレンヘキサミン（ＰＥＨＡ）、Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２、ポリエチレンアミンを含むエチレンアミンから誘導されるポリアミン類；ポリアミドアミンデンドリマー、ポリプロピルイミンデンドリマー、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む超分岐ポリマー類；又はこれらの混合物、からなる群から選択される１つ又は複数を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ポリマー表面が、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、及びポリカーボネート（ＰＣ）からなる群から選択される少なくとも１種の光透過性ポリマー材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
気相プラズマを印加している間、液体組成物が電気絶縁性の容器内に含有されており、容器がプラズマチャンバーの２個の電極間に配置されている、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
液体組成物が、水及びＮａＯＨを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
気相プラズマを印加する工程が、少なくとも１個の電極を有するプラズマ発生装置を使用して気相プラズマを生成する工程を含み、気相プラズマを印加している間、プラズマ発生装置の少なくとも１個の電極のいずれも、液体組成物に電気的に接触しない、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
液体組成物をポリマー表面に接触させる工程が、物品を液体組成物中に浸漬させ、気相プラズマを印加するときに、ポリマー表面が液体組成物中に沈められているようにする工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
物品が、薄板、細片、空洞、円柱、円筒、ファイバー、コイル、Ｕ字形、つる巻線及び螺旋からなる群から選択される形状である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
物品が、前記ポリマー表面から逸れた方向に面する別の表面を含み、液体組成物が別の表面と接触せず、別の表面上にポリマー層が形成されない、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ポリマー表面が第１のポリマー表面と称され、ポリマー層が第１のポリマー層と称され、物品が第１のポリマー表面から逸れた方向に面する第２のポリマー表面を含み、液体組成物が第２のポリマー表面とも接触し、気相プラズマが第２のポリマー表面に接触している液体組成物にも印加されるとき第２のポリマー表面上に第２のポリマー層が形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
ポリマー表面が第１の表面と称され、物品が第２の表面を更に含み、第１の表面が液体組成物と接触するが、気相プラズマを印加している間、第２の表面が液体組成物と接触しない、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
気相プラズマを印加している間、液体組成物が第２の表面と接触しないように、物品が第２の表面の上に薄膜を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
物品が空洞を含み、第１の表面が空洞の内側表面であり、第２の表面が第１の表面から逸れる方向に面し空洞の外部に位置しており、液体組成物が第２の表面へ接触することを妨げながら、液体組成物が第１の表面に接触するように、液体組成物をポリマー表面に接触させる工程が、空洞の少なくとも一部を液体組成物で満たす工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
ナノ粒子層を形成する方法であって、
物品のポリマー表面上にポリマー層を形成するための請求項１に記載の方法と；
ポリマー層を形成した後に、金属ナノ粒子をポリマー層に適用し、ポリマー層の上に金属ナノ粒子の単一層を形成する工程と
を含む方法。
【請求項１５】
金属ナノ粒子を適用する工程が、気相プラズマを印加する工程の完了後に行われる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
物品が、薄板、細片、空洞、円柱、円筒、ファイバー、コイル、Ｕ字形、つる巻線及び螺旋からなる群から選択される形状である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
物品が、ポリマー表面から逸れた方向に面する別の表面を含み、液体組成物が別の表面と接触せず、別の表面上にポリマー層が形成されない、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
ポリマー表面が第１のポリマー表面と称され、ポリマー層が第１のポリマー層と称され、物品が第１のポリマー表面から逸れた方向に面する第２のポリマー表面を含み、液体組成物が第２のポリマー表面とも接触し、気相プラズマが第２のポリマー表面に接触する液体組成物にも印加されるとき第２のポリマー表面上に第２のポリマー層が形成され、第２のポリマー層の上に金属ナノ粒子の単一層を形成するために金属ナノ粒子が第２のポリマー層にも適用される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
ポリマー表面が第１の表面と称され、物品が第２の表面を更に含み、第１の表面が液体組成物と接触するが、気相プラズマを印加している間、第２の表面が液体組成物と接触せず、金属ナノ粒子の単一層が第１の表面の上のポリマー層上に形成されるが、そのような金属ナノ粒子の層が第２の表面の上には形成されない、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
気相プラズマを印加している間、液体組成物が第２の表面と接触しないように、物品が第２の表面の上に薄膜を更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
物品が空洞を含み、第１の表面が空洞の内側表面であり、第２の表面が第１の表面から逸れる方向に面し空洞の外部に位置しており、液体組成物が第２の表面へ接触することを妨げながら、液体組成物が第１の表面に接触するように、液体組成物をポリマー表面に接触させる工程が、空洞の少なくとも一部を液体組成物で満たす工程を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
金属ナノ粒子が負電荷を帯びた金属球を含み、金属ナノ粒子がポリマー層の遊離アミン末端と結合される、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
金属ナノ粒子の少なくとも一部が、１つ又は複数のリガンドを付着させた金属球を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
１つ又は複数の標的分子に対する特異性を有する化学的部分を含む、金属ナノ粒子に付着した１つ又は複数のリガンドを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２５】
金属ナノ粒子が、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの間、約５ｎｍ〜約２０ｎｍの間、約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの間、約２０ｎｍ〜約４０ｎｍの間、約３０ｎｍ〜約５０ｎｍの間、約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの間、約５０ｎｍ〜約８０ｎｍの間、約６０ｎｍ〜約１００ｎｍの間、約８０ｎｍ〜約１５０ｎｍの間、約１００ｎｍ〜約２００ｎｍの間、約１５０ｎｍ〜約２５０ｎｍの間、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの間、約２５０ｎｍ〜約４００ｎｍの間、約３００ｎｍ〜約７００ｎｍの間、約５００ｎｍ〜約９００ｎｍの間、又は約７００ｎｍ〜約１１００ｎｍの間のメジアン径を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
液体を内部に保持するように構成された空洞を画定する少なくとも１つの側壁を含む胴部と；
プラスチック材料で作製された空洞の内面を含んで作製された側壁と；
内面のプラスチック材料以外の架橋ポリマー材料の結合層であって、結合層の架橋ポリマー材料が内面の基底プラスチック材料との共有結合を形成し、結合層の架橋ポリマー材料が遊離アミン末端を有する、結合層と；
結合層の上に形成された金属ナノ粒子の単一層であって、単一層の金属ナノ粒子が、結合層の架橋ポリマー材料の遊離アミン末端の少なくとも一部に結合される、単一層と
を含む、少なくとも１種の標的分子を検出するのに使用するための試験装置。
【請求項２７】
空洞が、無機ガラス又は結晶性物質から作製された内面を含まない、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
内面が第１の内面と称され、側壁が第１の表面に対向する第２の内面を更に含み、第２の内面もまたプラスチック材料から作製され、結合層が第２の内面の上に延長し、金属ナノ粒子の単一層が第２の内面の上に延長する、請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
第１の内面及び第１の内面に対向する第２の内面が、単一の湾曲表面を形成するように湾曲している、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
標的分子を検出する方法であって、
請求項２６に記載の装置を用意する工程と；
試験用試料を装置の空洞内に置く工程と；
光束を装置に向け、光束が内面を含む胴部を通過するようにする工程と；
側壁を通る光束を分析する工程と
を含む方法。
【請求項３１】
第１の光端子、第２の光端子及び第１の光端子と第２の光端子との間の光学通路部を含む胴部であって、第１の光端子を介して入射光束を受光し、全内部反射により光束を光学通路部に透過させ、第２の光端子を介して光束を出射するように構成されている胴部と；
プラスチック材料から作製され、プラスチック材料の少なくとも１つの湾曲外面を含む、光学通路部と；
少なくとも１つの湾曲外面のプラスチック材料以外の架橋ポリマー材料の結合層であって、結合層の架橋ポリマー材料が、少なくとも１つの湾曲外面の基底プラスチック材料と共有結合を形成し、結合層の架橋ポリマー材料が遊離アミン末端を有する、結合層と；
結合層の上に形成された金属ナノ粒子の単一層であって、単一層の金属ナノ粒子が、結合層の架橋ポリマー材料の遊離アミン末端の少なくとも一部に結合される、単一層と
を含む、少なくとも１種の標的分子を検出するのに使用するための試験装置。
【請求項３２】
光学通路部が、無機ガラス又は結晶性物質から作製された外面を含まない、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
光学通路部がファイバーの形態である、請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
光学通路部が、つる巻線、螺旋又はコイル構成である、請求項３１に記載の装置。
【請求項３５】
標的分子を検出する方法であって、
請求項３１に記載の装置を用意する工程と；
装置の光学通路部の少なくとも一部を試験用試料に挿入する工程と；
光束を第１の光端子に向け、光束が光学通路部を介して第２の光端子に進むようにする工程と；
第２の光端子から出射する光束を分析する工程と
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願と共に提出された出願データシートにおいて外国又は国内優先権が特定された、あらゆる全ての出願は、米国特許法施行規則第１．５７条に基づき、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示技術は、表面プラズモン共鳴技法を使用して分子を検出するための方法、装置及びシステムに関し、より詳細には、基材上に形成された金属粒子を用いる表面プラズモン共鳴技法に関する。
【背景技術】
【０００３】
表面プラズモン（ＳＰ）とは、電磁波、例えば光と一緒に、誘電体（例えば、石英ガラス）と金属（例えば、Ａｇ又はＡｕ）との間の界面に沿って伝播するコヒーレントな電子振動を指す。（波長、偏光及び／又は入射角により確定される）特定の条件下で、金属表面の自由電子は、入射光子を吸収し、それらを表面プラズモン波に変換する。表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）と称される共鳴条件は、光子の振動数が、金属の陽電核の復元力に対して振動する表面電子の固有振動数と一致する場合に確立され得る。ＳＰＲ条件は、特に蛍光発光、ラマン散乱、二次調波発生、及び吸収等の光学的測定において使用され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様において、金属ナノ粒子の層を形成する方法は、バインダーポリマー及び溶媒を含む液体組成物を用意する工程と、液体組成物中に、ポリマー表面を含む物品を少なくとも部分的に浸漬する工程とを含み、ポリマー表面は、ポリマー材料を含み、無機ガラス又は結晶性物質を含まない。方法は、気相プラズマを液体組成物に印加し、バインダーポリマーとポリマー表面のポリマー材料との間の化学反応を促進し、物品のポリマー表面にバインダー層を形成する工程を追加的に含む。方法は、バインダー層に対して金属ナノ粒子を適用しバインダー層上に金属ナノ粒子層を形成する工程を更に含む。
【０００５】
いくつかの実施形態において、バインダーポリマーは、複数のアミン末端を含み、アミン末端の少なくとも一部は、アリルアミン結合を形成するためのポリマー材料との化学反応に関与する。
【０００６】
いくつかの実施形態において、バインダーポリマーは、アミド結合を形成することができる１つ又は複数の分子を含み、バインダーポリマーは、ポリジアリルジメチルアンモニウム；ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド；ポリアリルアミンハイドロクロリド；ポリ４−ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロリド；ジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）（Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２、ジエチレングリコールの類縁体）、トリエチレンテトラミン（ＴＥＴＡ）（Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２）、テトラエチレンペンタミン（ＴＥＰＡ）（Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２）、ペンタエチレンヘキサミン（ＰＥＨＡ）（Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２）、ポリエチレンアミンを含むエチレンアミンから誘導されるポリアミン類；ポリアミドアミンデンドリマー、ポリプロピルイミンデンドリマー、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む超分岐ポリマー類；又はこれらの混合物等の直鎖状又は多分岐カチオン性ポリマーからなる群から選択される。他の実施形態において、バインダーポリマー８０４としては、ポリアクリル酸、ポリ４−スチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルスルホン酸、ポリナトリウム塩、ポリアミノ酸、又はこれらの混合物等の、アニオン性ポリマーが挙げられる。いくつかの実施形態において、バインダーポリマーとしては、直鎖状又は多分岐ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、エチレンジアミン又はポリマー基材表面上にアミド結合を形成するのに好適な他の架橋性分子が挙げられる。いくつかの実施形態において、ポリマー表面は、非ポリマー材料を含まない。
【０００７】
いくつかの実施形態において、ポリマー材料は、ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３を含まない。
【０００８】
いくつかの実施形態において、ポリマー表面は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）及びこれらの組合せからなる群から選択される光透過性ポリマー材料を含む。
【０００９】
いくつかの実施形態において、液体組成物を用意する工程は、電気絶縁性容器内に液体組成物を用意する工程を含み、容器は気相プラズマを印加するときプラズマチャンバーの２個の電極間に配置される。
【００１０】
いくつかの実施形態において、気相プラズマを印加する工程は、液体組成物及びそこに浸漬させた物品が電気的に浮遊状態になるように気相プラズマを印加する工程を含む。
【００１１】
いくつかの実施形態において、物品は、液体組成物にプラズマを印加したときポリマー表面全体が液体組成物に沈められるように、液体組成物中に浸漬される。
【００１２】
いくつかの実施形態において、気相プラズマを印加する工程は、実質的な量の酸素ガスを含む気体混合物から形成された気相プラズマを印加する工程を含む。
【００１３】
いくつかの実施形態において、気相プラズマを印加する工程は、実質的な量のアンモニアガスを含まない気体混合物から形成された気相プラズマを印加する工程を含む。
【００１４】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子の層を形成する方法は、バインダー層を形成した後、金属ナノ粒子を適用する前に、気相プラズマを消滅させる工程を更に含む。
【００１５】
いくつかの実施形態において、物品は、薄板、細片、空洞、円柱、円筒、ファイバー、コイル、Ｕ字形、つる巻線及び螺旋からなる群から選択される形状を有する。
【００１６】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子層を形成する工程は、気相プラズマから逸れた方向に面する物品のポリマー表面上に金属ナノ粒子を形成する工程を含む。
【００１７】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子は負電荷を帯びた金属球を含み、金属ナノ粒子はバインダー層の遊離アミン末端と結合される。
【００１８】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子は金ナノ粒子を含む。
【００１９】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子の少なくとも一部は金属球を含み、１つ又は複数のリガンドが金属球に付着する。
【００２０】
いくつかの実施形態において、１つ又は複数のリガンドは、結合部分（ｌｉｎｋ）及び１つ又は複数の標的分子に対する特異性を有する化学的部分を含む。
【００２１】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子層は、ナノ粒子約１．０ｘ１０９個／ｃｍ２〜ナノ粒子約２．０ｘ１０１１個／ｃｍ２の間の面積粒子密度の領域を有する。
【００２２】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子は、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの間、約５ｎｍ〜約２０ｎｍの間、約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの間、約２０ｎｍ〜約４０ｎｍの間、約３０ｎｍ〜約５０ｎｍの間、約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの間、約５０ｎｍ〜約８０ｎｍの間、約６０ｎｍ〜約１００ｎｍの間、約８０ｎｍ〜約１５０ｎｍの間、約１００ｎｍ〜約２００ｎｍの間、約１５０ｎｍ〜約２５０ｎｍの間、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの間、約２５０ｎｍ〜約４００ｎｍの間、約３００ｎｍ〜約７００ｎｍの間、約５００ｎｍ〜約９００ｎｍの間、又は約７００ｎｍ〜約１１００ｎｍの間のメジアン径を有する。
【００２３】
いくつかの実施形態において、物品はポリマーファイバーを含み、ポリマーファイバーは、直線部分、湾曲部分及びコイル部分からなる群から選択される少なくとも１つを含む。
【００２４】
別の態様において、液体試料に含有されている標的を検出するための試験媒体は、ポリマー表面を含む胴部を含み、ポリマー表面は、第１のポリマー材料を含み、無機ガラス又は結晶性物質を含まない。試験媒体は、ポリマー表面の上に形成された金属ナノ粒子層を追加的に含む。試験媒体は、金属ナノ粒子層に付着し１つ又は複数の標的分子に対する特異性を有する１つ又は複数のリガンドを更に含む。
【００２５】
いくつかの実施形態において、試験媒体は、ポリマー表面と金属ナノ粒子層との間に挟入されたバインダーポリマー層を更に含み、バインダー層は、第１のポリマー材料とは異なる第２のポリマー材料を含む。
【００２６】
いくつかの実施形態において、胴部は、薄板、細片、空洞、円柱、円筒、ファイバー、コイル、Ｕ字形、つる巻線及び螺旋からなる群から選択される形状を有する部分を含む。
【００２７】
いくつかの実施形態において、第１のポリマー材料は、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、環状オレフィン、ポリアリーレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリイミド及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の物質を含む。
【００２８】
いくつかの実施形態において、胴部は、金属ナノ粒子層により被覆された少なくとも１つの表面を含む。
【００２９】
いくつかの実施形態において、胴部は、金属ナノ粒子層により被覆されていない少なくとも１つの表面を含む。
【００３０】
いくつかの実施形態において、試験媒体は、液体試料を含有するように構成されたキュベットを含む。
【００３１】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子層は、キュベットの１つ又は複数の内側表面の上に形成される。
【００３２】
いくつかの実施形態において、胴部は、胴部を通して光束を受光するための第１の末端、及び胴部を通して光束を出射するための第２の末端を有するファイバーの形態をとる。
【００３３】
いくつかの実施形態において、ファイバーは、第１の末端と第２の末端との間に、直線部分及び湾曲部分からなる群から選択される少なくとも１つを含む。
【００３４】
いくつかの実施形態において、胴部はコイル状構造を含む。
【００３５】
いくつかの実施形態において、胴部はＵ字形構造を含む。
【００３６】
いくつかの実施形態において、胴部は、胴部を通して光束を受光するための第１の末端、及び胴部を通して光束を出射するための第２の末端を有する、円柱構造を含む。
【００３７】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子層は負電荷を帯びた金属球を含み、金属ナノ粒子は、バインダー層の遊離アミン末端と結合される。
【００３８】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子層は、金ナノ粒子を含む。
【００３９】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子の少なくとも一部は金属球を含み、１つ又は複数のリガンドが金属球に付着している。
【００４０】
いくつかの実施形態において、１つ又は複数のリガンドは、結合部分及び１つ又は複数の標的に対する特異性を有する化学的部分を含む。
【００４１】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子層は、ナノ粒子約１ｘ１０９個／ｃｍ２〜ナノ粒子約２ｘ１０１１個／ｃｍ２の間の面積粒子密度の領域を有する。
【００４２】
いくつかの実施形態において、金属ナノ粒子層は、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの間、約５ｎｍ〜約２０ｎｍの間、約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの間、約２０ｎｍ〜約４０ｎｍの間、約３０ｎｍ〜約５０ｎｍの間、約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの間、約５０ｎｍ〜約８０ｎｍの間、約６０ｎｍ〜約１００ｎｍの間、約８０ｎｍ〜約１５０ｎｍの間、約１００ｎｍ〜約２００ｎｍの間、約１５０ｎｍ〜約２５０ｎｍの間、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの間、約２５０ｎｍ〜約４００ｎｍの間、約３００ｎｍ〜約７００ｎｍの間、約５００ｎｍ〜約９００ｎｍの間、又は約７００ｎｍ〜約１１００ｎｍの間のメジアン径を有するナノ粒子を有する。
【００４３】
別の態様において、標的分子を検出する方法は、ポリマー表面を含む少なくとも１個の基材を収容し、標的分子を含む液体溶液を収容するように構成された透明容器を含む、試験媒体を用意する工程を含む。ポリマー表面は、そこにバインダーポリマー層及び複数の金属ナノ粒子を形成している。試験媒体は、金属ナノ粒子の少なくともいくつかに付着した捕捉分子を更に含み、捕捉分子は、標的分子の１つ又は複数を捕捉するのに適合している。方法は、透明容器内に液体溶液を収容し、ポリマー表面の少なくとも一部分を液体溶液中に沈め、それにより捕捉分子で標的分子の少なくともいくつかを捕捉する工程を追加的に含む。方法は、基材の第１の表面と基材の第２の表面の少なくとも一方を通じて光を透過させ、透過した光により引き起こされる金属ナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）により、入射光から変更された透過光を検出する工程を更に含む。
【００４４】
いくつかの実施形態において、バインダーポリマーの鎖は、バインダーポリマーの鎖とポリマー表面との間に形成された複数のアミド結合により、ポリマー表面に結合されている。
【００４５】
いくつかの実施形態において、第１の表面と第２の表面の少なくとも一方はポリマー表面を含み、透過する工程は、検出前にポリマー表面を通じて光を透過させる工程を含む。
【００４６】
いくつかの実施形態において、第１の表面と第２の表面のそれぞれは、個別の第１のポリマー表面と第２のポリマー表面を含み、透過する工程は、検出前に第１及び第２のポリマー表面を通じて光を透過させる工程を含む。
【００４７】
いくつかの実施形態において、試験媒体を用意する工程は、それぞれポリマー表面を有する複数の基材を用意する工程を含み、透過する工程は、複数の基材のポリマー表面のそれぞれを通じて光を透過させる工程を含む。
【００４８】
いくつかの実施形態において、第１の表面と第２の表面の少なくとも一方は、ポリマー表面を含まず、検出される光は、検出される前にポリマー表面を透過しない。
【００４９】
いくつかの実施形態において、基材は、液体溶液の第２の屈折率よりも高い第１の屈折率を有し、透過する工程は、第１の表面を通じて光を受光し、光が第２の表面を透過する前にポリマー表面から複数回反射されるように、全内部反射（ＴＩＲ）又は減衰全内部反射（ＡＴＲ）条件下で透過させる工程を含む。
【００５０】
いくつかの実施形態において、試験媒体を用意する工程は、湾曲、たわみ、円弧、屈曲、弓そり、ねじれ、輪及び曲がり目の少なくとも１つを有するポリマー表面を用意する工程を含む。
【００５１】
いくつかの実施形態において、試験媒体を用意する工程は、基材の第１の表面と第２の表面との間に、直線部分及び湾曲部分からなる群から選択される少なくとも１つを用意する工程を含む。
【００５２】
いくつかの実施形態において、試験媒体を用意する工程は、第１の表面と第２の表面との間にコイル状構造を用意する工程を含む。
【００５３】
いくつかの実施形態において、試験媒体を用意する工程は、第１の表面と第２の表面との間にＵ字形構造を用意する工程を含む。
【００５４】
いくつかの実施形態において、試験媒体を用意する工程は、第１の表面と第２の表面との間に円柱構造を用意する工程を含む。
【００５５】
別の態様において、ポリマー表面上にポリマー層を形成する方法は、バインダーポリマー及び溶媒を含む液体組成物を容器内に用意する工程を含む。バインダーポリマーは、複数のバインダー官能基を有する。方法は、少なくとも部分的に物品を液体組成物中に沈める工程を追加的に含み、物品の沈められた部分は、複数の基材官能基が形成されたポリマー表面を含む。方法は、少なくとも部分的に沈められた物品を有する容器をプラズマチャンバー内に配置する工程を追加的に含む。方法は、液体表面の上方の一定量の気体にエネルギーを印加して一定量の気体からプラズマを生成し、それによりポリマー表面上でのバインダーポリマー層の形成を引き起こし又は加速する工程を更に含む。
【００５６】
いくつかの実施形態において、ポリマー官能基のいくつかと基材官能基のいくつかとの間の化学反応は、バインダーポリマー層の形成を引き起こす。
【００５７】
いくつかの実施形態において、エネルギーを印加する工程は、液体組成物と接触しない少なくとも１個の電極に電力を提供する工程を含む。
【００５８】
いくつかの実施形態において、ポリマー層の形成を引き起こし又は加速する工程は、液体組成物がポリマー表面とプラズマとの間に挟入され、ポリマー表面がプラズマと直接接触しないように沈められているポリマー表面上に、ポリマー層を形成する工程を含む。
【００５９】
いくつかの実施形態において、ポリマー層が形成されたポリマー表面は、プラズマから逸れた方向に面している。
【００６０】
いくつかの実施形態において、ポリマー層の形成を引き起こし又は加速する工程は、湾曲、たわみ、円弧、屈曲、弓そり、ねじれ、輪及び曲がり目の少なくとも１つを有するポリマー表面上にバインダーポリマー層を形成する工程を含む。
【００６１】
いくつかの実施形態において、バインダーポリマー層の形成を引き起こし又は加速する工程は、湾曲、たわみ、円弧、屈曲、弓そり、ねじれ、輪及び曲がり目の少なくとも１つを有するポリマー表面上に、実質的に均一な厚みを有するポリマー層を形成する工程を含む。
【００６２】
いくつかの実施形態において、バインダーポリマー層の形成を引き起こし又は加速する工程は、プラズマから逸れた方向に面するポリマー表面上にバインダーポリマー層を形成する工程を含む。
【００６３】
いくつかの実施形態において、ポリマー官能基は、ＮＨ２基を含む。
【００６４】
いくつかの実施形態において、基材官能基は、カーボネート基（−Ｏ−（Ｃ＝Ｏ）−Ｏ−）を含む。
【００６５】
いくつかの実施形態において、バインダー官能基のいくつかと基材官能基のいくつかとの間の化学反応は、それらの間にアミド結合の形成を引き起こす。
【００６６】
いくつかの実施形態において、一定量の気体は窒素を含有せず、ＮＨ２基の窒素原子はアミド結合を形成する。
【００６７】
いくつかの実施形態において、容器は電気絶縁性容器である。
【００６８】
いくつかの実施形態において、液体組成物は水を含む。
【００６９】
いくつかの実施形態において、液体は、そこに溶解したＮａＯＨを更に含む。
【００７０】
いくつかの実施形態において、バインダーポリマーは、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）又は水素化硫黄（ｓｕｌｆｕｒ  ｈｙｄｒｉｄｅ）（−ＳＨ）に置き換えられる末端アミン（−ＮＨ２）の部分を有するＰＥＩを含む。
【００７１】
いくつかの実施形態において、ポリマー層を形成する方法は、化学反応を引き起こし又は加速した後に、ナノ粒子をバインダーポリマー鎖に付着させる工程を更に含む。
【００７２】
いくつかの実施形態において、ナノ粒子は、基材官能基のいくつかに付着したバインダー官能基とは異なる、バインダーポリマーの残りのバインダー官能基のいくつかに付着する。
【００７３】
いくつかの実施形態において、容器は、プラズマを形成するためにエネルギーが印加されるときポリマー基材及び液体組成物が電気的に浮遊状態であるように、絶縁基材である。
【００７４】
いくつかの実施形態において、エネルギーはパルス化直流エネルギーである。
【００７５】
いくつかの実施形態において、プラズマは、大気圧にて一定量の気体から生成される。
【００７６】
いくつかの実施形態において、エネルギーは第１の電極を通じて供給され、容器は、液体組成物又はポリマー基材に接触しない別の電極上に配置される。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）測定システムの模式図である。
【図２Ａ】実施形態に従う、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）測定システムの模式図である。
【図２Ｂ】実施形態に従う、標的分子に曝露後の図２Ａの局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）測定システムの模式図である。
【図３Ａ】一実施形態に従う、ケースと共に図示されたポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体である。
【図３Ｂ】一実施形態に従う、ケースの前側部分を除いて図示された図３ＡのポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体であり、容器の断面図及び容器内に配置された基材を示す。
【図３Ｃ】一実施形態に従う、ケースを除いて図示された図３ＡのポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体であり、容器の断面図及び容器内に配置された基材を示す。
【図３Ｄ】一実施形態に従う、ケースを除いて図示された図３ＡのポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体であり、容器の断面図及び容器内に配置された複数の基材を示す。
【図３Ｅ３Ｆ】実施形態に従う、ナノ粒子及び捕捉分子により被覆された基材を有するポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体の模式図である。  ［図３Ｆ］実施形態に従う、捕捉分子の少なくともサブセットによって補足された標的分子を有する図３ＥのポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体の模式図である。
【図４Ａ】実施形態に従う、１、２及び３個の基材を有するポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体から得られた吸光度スペクトルを示す。
【図４Ｂ】実施形態に従う、１、２及び３個の基材を有するポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体から得られた吸収差スペクトルを示す。
【図５】実施形態に従う、基材数の関数としてポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体から得られた吸収差及び屈折率差を示す。
【図６Ａ】実施形態に従う、ＡＴＲ動作モード下でのポリマーベース減衰全反射（ＡＴＲ）ＬＳＰＲ試験媒体の模式図である。
【図６Ｂ】実施形態に従う、ポリマーベースＡＴＲ  ＬＳＰＲ試験媒体の異なる構成である。
【図６Ｃ】実施形態に従う、ポリマーベースＡＴＲ  ＬＳＰＲ試験媒体の異なる構成である。
【図６Ｄ】実施形態に従う、ポリマーベースＡＴＲ  ＬＳＰＲ試験媒体の異なる構成である。
【図７】実施形態に従い、液浸によりポリマー基材をプラズマ処理することによりポリマーベース試験媒体を製造するために、金属ナノ粒子の層でポリマー基材を被覆する方法を示すフローチャートである。
【図８Ａ】実施形態に従い、液浸によりポリマー基材をプラズマ処理することによりポリマーベース試験媒体を製造するために、金属ナノ粒子の層でポリマー基材を被覆する各種段階を示す。
【図８Ｂ】実施形態に従い、液浸によりポリマー基材をプラズマ処理することによりポリマーベース試験媒体を製造するために、金属ナノ粒子の層でポリマー基材を被覆する各種段階を示す。
【図８Ｃ】実施形態に従い、液浸によりポリマー基材をプラズマ処理することによりポリマーベース試験媒体を製造するために、金属ナノ粒子の層でポリマー基材を被覆する各種段階を示す。
【図８Ｄ】実施形態に従い、液浸によりポリマー基材をプラズマ処理することによりポリマーベース試験媒体を製造するために、金属ナノ粒子の層でポリマー基材を被覆する各種段階を示す。
【図８Ｅ】実施形態に従い、液浸によりポリマー基材をプラズマ処理することによりポリマーベース試験媒体を製造するために、金属ナノ粒子の層でポリマー基材を被覆する各種段階を示す。
【図８Ｆ】実施形態に従う、図８Ａ〜図８Ｅに記載されたプロセスに従って処理されるプラズマに対面していない表面を有するポリマーベース試験媒体を示す。
【図９】実施形態に従い、標的分子の公知の濃度を有する対照媒体を用いてポリマーベース試験媒体に付着した標的分子の量を定量する、自動校正ＬＳＰＲ方法を示す。
【図１０】実施形態に従い、標的分子の公知の濃度を有する対照媒体を用いることにより、温度変動条件下で、ポリマーベース試験媒体に付着した標的分子の量を定量する、自動校正ＬＳＰＲ方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７８】
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）測定装置及びシステム
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）条件は、光の反射極小（又は吸収極大）の角度を測定することで、金属（例えば金及び銀）表面に化学結合され、吸収され或いは付着し得る特定の標的分子、例えば、ポリマー、ＤＮＡ又はタンパク質等の存在を検出するために用いることができる。例えば、標的分子の存在は、標的分子を捕捉するか、又は標的分子と相互作用し、結合され若しくは結合するように構成された、特定の捕捉分子を利用することにより検出できる。金属表面上に固定化され得る捕捉分子が標的分子を捕捉すると、金属表面の摂動が引き起こされ、続いてＳＰＲ条件の変更を誘発することがある。このような変更は、試験媒体の反射率の変化として測定できるものであり、多種多様な標的分子の存在を測定するのに適合した一部のＳＰＲベース測定技法の基礎を形成する。
【００７９】
平面型ＳＰＲ測定システム
図１は、一実施形態に従う、試験媒体１２０を用いて標的分子の存在を検出するための平面型金属薄膜ベースＳＰＲ測定システム１００を示す。平面型ＳＰＲ測定システム１００は、入射光１１４（例えば、偏光入射光）を試験媒体１２０に照明するための光源１１０、及び特定の範囲の波長にて反射光１１８を受光するための検出器１３０（例えば、光検出器）を含む。試験媒体１２０は、基材１２４、基材１２４の一方の側上に形成された金属薄膜１２８、及び基材１２４の他方の側上に配置されたガラスブロック１３６又は好適なモノクロメータを含む。試験媒体１２０は、溶液１４２を金属薄膜１２８の表面へと供給するためのチャネル１３２を追加的に含む。溶液１４２は、測定システム１００により検出される標的分子１４０を含有し得る検体を含む。金属膜１２８の表面には、溶液中に存在し得る標的分子１４０を捕捉する（標的分子１４０と相互作用し、結合され又は結合する）ように構成された捕捉分子１４４（リガンドと称されることもある）が付着している。従って、金属膜１２８の表面を溶液１４２に接触させることにより、少なくともいくつかの捕捉分子１４４は、標的分子１４０を捕捉してそこに結合することができ、それにより金属膜１２８の表面プラズモンの共鳴条件が変更され得る。
【００８０】
動作時に、光源１１０は、入射光１１４によりガラスブロック１３６の片側を照明する。いくつかの構成において、金属薄膜１２８（例えば、金）は、入射光１１４のエバネッセント波が金属膜１２８の表面上のプラズマ波と相互作用し、それにより金属膜１２８のプラズモンを励起できるように、ガラスブロック１３６に十分近接して、例えばガラスブロック１３６に接触させて配置される。図１の平面型ＳＰＲ測定システム１００において、金属膜１２８のプラズモンの共鳴条件の変更を誘発する金属表面１２８での摂動は、標的分子１４０が捕捉分子１４４の少なくともいくつかに結合又はそれによって捕捉されたときに発生し得る。続いて、摂動は検出器１３０により測定され得る反射率の変化を誘発することができ、検出器１３０の信号は、その後、分析部１４８によって分析することができる。図示されたシステム１００において、いくつかの標的分子１４０は、溶液１４２がチャネル１３２を通じて注入されたとき、捕捉分子に化学的に結合し、それによって標的分子１４０の結合濃度に比例した屈折率の上昇を引き起こし得る。このようにして、図示されたＳＰＲ測定システム１００は、捕捉分子１４４と標的分子１４０との間の相互作用の測定を可能にする。
【００８１】
金属薄膜ベースＳＰＲ測定技法は、いくつかの理由のため実装が困難且つ／又は高価なままである。１つの理由は、金属薄膜を形成するための多くの既存の技法は、金属膜が形成される基材の形状及び表面を制限することがあるという事実に関係する。例えば、熱化学気相成長法は、多くの場合、ポリマー基材等の基材にとって適当ではない温度を必要とする。物理蒸着法又はプラズマ促進化学蒸着等の他の蒸着法ではシャドーイング効果が不均一な厚みをもたらす場合がある。めっき等のコンフォーマル（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）であり得るいくつかの技法では、特別なシード層が必要になることがある。更に他の原子層堆積等のコンフォーマル技法では、堆積の速度が遅い場合がある。更に、感度及び／又は汎用性を高めるために複雑な形状を有する試験媒体を製造することが、比較的高い費用を伴う場合がある。多くの金属膜ベースＳＰＲ技法の実装が困難のままとなっている別の理由は、温度等の環境要因の変化の中で、正確で信頼性の高い定量的信号を得ることに関係する。従って、以下において、開示された各種実施形態は、ナノ粒子ベース局在ＳＰＲ  （ＬＳＰＲ）を用いたＳＰＲベース測定技法の感度、汎用性及び信頼性を改善した、試験媒体、システム、及び方法に関する。
【００８２】
局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）測定システム
図２Ａ及び図２Ｂは、実施形態に従う、試験媒体の表面に付着し得る標的分子を検出するための局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）測定システム２００ａ／ｂを示す。図２Ａは、検出される標的分子を導入する前のＬＳＰＲ測定システム２００ａを示し、図２Ｂは、検出される標的分子を導入した後のＬＳＰＲ測定システム２００ｂを示す。ＬＳＰＲ測定システム２００ａ／ｂは、試験媒体２２０ａ／２２０ｂを照明し入射光２１４を透過させるように構成された光源２１０、及び特定範囲の波長にて透過光２３８ａ／２３８ｂを検出するように構成された光検出器２３０を含む。検出される光が反射光である、図１に関して記載されたＳＰＲ測定システムとは異なり、図２Ａ及び図２ＢのＬＳＰＲ測定システムは、試験媒体２２０ａ／２２０ｂを透過する光２３８ａ、２３８ｂから標的分子を検出するように構成されている。
【００８３】
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、試験媒体２２０ａ／２２０ｂは、溶液２３２及び基材２２４を保持するように構成された容器２５０を含む。容器２５０及び基材２２４は、溶液２３２が存在する場合、溶液２３２と接触するように構成された内面２５０Ｓ及び２２４Ｓを有する。少なくとも内面２５０Ｓの一部分及び／又は内面２２４Ｓの一部分は、その内面上に形成された金属ナノ粒子２２の層８を有する。加えて、少なくとも内面２５０Ｓの一部分及び／又は内面２２４Ｓの一部分は、その内面上に形成された捕捉分子（リガンドと称されることもある）２４４を有する。いくつかの実施形態において、捕捉分子２４４は、直接的に（例えば、化学結合されて）又は間接的に（例えば、捕捉抗体を介して）内面２５０Ｓ及び／又は内面２２４Ｓに固定化されている。捕捉分子２４４は、それと化学結合することにより特定の標的分子２４０を捕捉するのに適合したものである。図２Ｂを参照すると、標的分子２４０が溶液２３２に導入されたとき、標的分子２４０の少なくともいくつかは、捕捉分子２４４に化学的に付着する。
【００８４】
動作時に、標的分子２４０の存在を検出するために、捕捉分子２４４を標的分子２４０に曝露させる前の試験媒体２２０ａを透過する光源２１０からの偏光入射光２１４と、捕捉分子２４４を曝露させた後の試験媒体２２０ｂを透過する光源２１０からの偏光入射光２１４とが、比較される。いずれの理論にも拘束されるものではないが、標的分子（又は検体）２４０が試験媒体２２０ａに導入されたとき、標的分子２４０のいくつかは捕捉分子（又はリガンド）２４４に結合し、それにより、金属ナノ粒子２２８の表面に、共鳴条件の変更を誘発する摂動を引き起こす。この変更は、標的分子２４０に曝露される前に試験媒体２２０ａを透過した透過光２３８ａと標的分子２４０に曝露された後に試験媒体２２０ｂを透過した透過光２３８ｂとの差に基づいて測定され得る、吸光度の変化をもたらす。結合された標的分子２４０は、結合した標的分子２４０の濃度に比例する規模の屈折率の増大を引き起こす。従って、結合した標的分子２４０は、光検出器２３０を介して検出され分析部２４８により分析される吸光度の変化を誘発する。従って、開示されたＬＳＰＲ測定システムは、標的分子２４０の濃度の定量的測定を可能にする。
【００８５】
いずれの理論にも拘束されるものではないが、図２Ｂの金属ナノ粒子２２８の層は、図２Ａの金属薄膜と比較して明瞭に異なる光学応答特性を有すると理解される。特定の状況下で、金属のナノ粒子は、金属の薄膜と比較してより強い光学応答を示す。その結果、１個の金属粒子（例えば、数十ｎｍ）に衝突する平面波は、その粒子に強く「集束」し、粒子周囲の数ナノメートル〜数十ナノメートルの領域内での高い電界密度につながることがあり、領域のサイズは一般に、粒子のサイズが大きくなるほど大きくなる。例えば、４０ｎｍの金ナノ粒子の場合、領域は、ナノ粒子の表面から６０ｎｍまで拡大し得る。更に、いずれの理論にも拘束されるものではないが、高密度に詰まった及び／又は規則的に隔置されたナノ粒子は、隣接粒子間のプラズモンカップリング（ｐｌａｓｍｏｎ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）の結果として、更に増強された電界強度を示すことがある。更に、ナノ粒子形状又は形態を変えることにより、ＳＰＲ振動数を広範囲のスペクトル域にわたって調整することができる。従って、本明細書に開示された各種実施形態に従えば、極度の局所電界強度を達成する能力により、ＳＰＲ技法と比較してＬＳＰＲ技法の汎用性が高められる。
【００８６】
以下において、一般性を失うことなく、検出される標的分子２４０として、数例を挙げると、アミノ酸、ペプチド、ポリペプチド、タンパク質、糖タンパク質、リポタンパク質、ヌクレオシド、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、核酸、糖、炭水化物、少糖、多糖、脂肪酸、脂質（例えば、脂質小胞）、ホルモン、代謝産物、サイトカイン、神経伝達物質、抗原、アレルゲン、抗体、阻害物質、薬物分子、毒素、毒物、殺虫剤、細菌、ウィルス、放射性同位元素、ビタミン、アンフェタミン、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、金属イオン、食肉中の抗生物質等の食品中残留化学薬品、及び水中の汚染物質等の分子を挙げることができる。
【００８７】
以下において、一般性を失うことなく、捕捉分子２４４として、数例を挙げると、抗原、抗体、タンパク質、ペプチド、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、ペプチド核酸（ＰＮＡ）、酵素、ホルモン又はホルモン受容体を含む、検出される標的物質を捕捉するのに適合した好適な分子を挙げることができる。
【００８８】
以下において、一般性を失うことなく、金属ナノ粒子２２８として、数例を挙げると、アルミニウム（Ａｌ）、ビスマス（Ｂｉ）、コバルト（ＣＯ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、インジウム（Ｉｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、スズ（β−Ｓｎ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）及び亜鉛（Ｚｎ）等の金属元素を挙げることができる。金属ナノ粒子として、追加的に、数例を挙げると、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＣＮ、及びＲｕＯ２等の、金属性である金属元素の酸化物又は窒化物を挙げることができる。金属ナノ粒子として、追加的に、性質が金属性となるように十分に高いドーピング濃度を有する半導体材料を挙げることができる。例えば、高ドープ半導体ナノ粒子としては、数例を挙げると、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（α−Ｓｎ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）及び硫化鉛（ＰｂＳ）等の半導体材料を挙げることができる。金属特性を有する金属酸化物、金属窒化物、及び半導体ナノ粒子は、例えば、１ｘ１０１８／ｃｍ３を超える担体密度（例えば、電子密度）を有し得る。
【００８９】
図２Ｂでは、専ら例示を目的として、球状形状を有するものとして金属ナノ粒子２２８が図示されている。しかし、金属ナノ粒子２２８は、例えば、回転楕円面状、楕円体状、角錐状、棒状、線状、多角形状、及びマルチポッド状（ｍｕｌｔｉ−ｐｏｄｄｅｄ）を含む、他の各種形状を有し得る。加えて、金属ナノ粒子２２８は、その中に囲い込まれた空隙部を有するか、コアシェル構造を有することができ、コアシェル構造の少なくともシェルは、上記の金属若しくは金属酸化物又は半導体を含む。
【００９０】
ナノ粒子で被覆された基材を有するポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体
外ケース及び試料容器
図３Ａ〜図３Ｄを参照すると、一実施形態に従うＬＳＰＲ試験媒体３００が図示されている。図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、試験媒体３００は、容器３５０を囲い込むように構成された、前側部分３１０及び後側部分３２０を含む外ケース３０４を含む。試験媒体３００は、前側でｘ方向に進む入射光３１４を受光し、反対側から透過光３３８を通過させるように構成されている。
【００９１】
各種実施形態において、外ケース３０４及び容器３５０の少なくとも一部分は、光透過性材料、例えば可視波長域内の光を透過させるポリマー材料を用いて作製されている。本明細書に記載されるとき、可視光とは、約３８０〜約１１００ｎｍの間の波長を有する光の光子を指す。いくつかの実施形態において、外ケース３０４の少なくとも一部分は、可視光に対して光学的に不透明である材料を用いて作製されている。いくつかの実施形態において、容器３５０のいくつかの部分は、不透明材料を用いて作製されている。いくつかの実施形態において、入射光３１４が試験媒体に入り出て行く際に通過する、外ケース３０４及び容器３５０の側面の少なくとも一部分は、光を通過させることができるように光透過性である材料を用いて作製することができる。いくつかの実施形態において、入射光３１４が試験媒体に入り出て行く際に通過する、外ケース３０４及び容器３５０の側面の少なくとも一部分は、光が試験媒体を通過するように光透過性である材料を用いて作製することができる。残りの部分は、透明材料、不透明材料、又はその両方を用いて作製することもできる。いくつかの実施形態において、外ケース３０４が実質的に全体として不透明材料を用いて作製されているのに対して、入射光３１４が試験媒体に入り出て行く際に通過する、容器３５０の側面の少なくとも一部分は、透明材料を用いて作製することができる。容器３５０の残り部分は、透明材料、不透明材料、又はその両方を用いて作製することもできる。
【００９２】
いくつかの実施形態において、外ケース３０４の前側部分３１０は、入射光が妨害されずに通過することに適合した光入射窓３４０を有する。図示された実施形態において、光入射窓３４０は、そこを通過する光の透過率（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を最大化するために外ケース３０４の材料が除去又は切り取られた、みぞ穴、窪み又は切り込みである。他の実施形態において、光入射窓３４０は、透明又は部分的に透明な窓の形態であってもよい。更に他の実施形態において、光入射窓３４０は、特定の波長のより大きな分画を選択的に通過させるように構成された光学フィルターの形態であってもよい。図示はされていないが、後側部分３２０は、光出射部分を有していてもよく、光出射部分は、光入射窓３４０に類似し、ｘ方向において少なくとも部分的に位置を合わせられてもよい。
【００９３】
図３Ｂ〜図３Ｄを参照すると、容器３５０は、入射光３１４を妨害されずに受光するための光入射窓３５４を有している。図示された実施形態において、光入射窓３５４は、そこを通過する光の透過率を最大化するように材料及び厚さが最適化された光透過窓である。例えば、実質的に容器３５０全体が光透過性材料を用いて作製されている実施形態において、光入射窓３５４は、容器３５０の残り部分よりも薄い厚みを有していてもよい。更に他の実施形態において、光入射窓３５４は、特定の波長のより大きな分画を選択的に通過させるように構成された光学フィルターの形態であってもよい。更に他の実施形態において、光入射窓３５４は、そこを通過する光を集束させるように構成された光学レンズの形態であってもよい。図示はされていないが、容器３５０は、光出射窓３５８を有していてもよく、光出射窓３５８は、光入射窓３５４に類似するものであってもよく、ｘ方向において少なくとも部分的に位置を合わせられてもよい。
【００９４】
図示された実施形態において、光入射窓３５４及び光出射窓３５８は、それらの間の距離が、容器３５０の残りの前側表面と後側表面との間の距離に比較して短くなるように、互いに対して奥まった位置にある。このような構成を有することは、光の経路の最適化、及び／又は容器３５０により保持される溶液の総容積の最適化、例えば削減を行う上で有利であり得る。
【００９５】
いくつかの実施形態において、容器３５０は、管状内部空洞を含み液体試料を保持するように構成されたキュベットとして構成されている。図示された実施形態において、容器３５０及び外ケース３０４は、正方形の断面を有している。ただし、容器３５０及び／又は外ケース３０４は、例えば円形断面等の、他の好適な断面形状を有し得ると理解される。容器３５０は、例えば光束が横断するｘ方向の長さにわたって１０ｍｍ等の、各種パラメーターの容易な計算を可能にする寸法を有する、横方向寸法を有し得る。
【００９６】
標的分子検出のためのポリマーベース基材
引き続き図３Ｂ〜図３Ｄを参照すると、容器３５０は、１個の試料基材３６０、又は複数の試料基材３６０ａ、３６０ｂ、及び３６０ｃを保持するように構成されている。図３Ｄに示された実施形態において、容器３５０は、３個の基材３６０ａ、３６０ｂ及び３６０ｃを保持している。ただし、他の実施形態において、容器３５０は、より少ない又はより多い基材を保持することがある。各基材３６０、３６０ａ〜３６０ｃは、取っ手領域３６２及び分析領域３６８を有する。各基材は、入射光３１４に面する前側及び透過光３３８に面する後側を有する。試料基材３６０、３６０ａ〜３６０ｃの少なくとも一部分は、透明材料、例えば、透明ポリマー材料を用いて形成されている。
【００９７】
前に戻って図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、外ケースの前側部分３１０は前側開口部３３０を有し、後側部分３２０は後側開口部３３４を有する。加えて、図３Ｂ〜図３Ｄを参照すると、基材３６０、３６０ａ〜３６０ｃは、取っ手領域３６２に開口部３６４も有する。本発明者らは、このような開口部を有することは、基材と容器３５０の隣接内側表面との間の間隙、又は複数の基材が存在する場合における隣接基材間の間隙に形成され得る気泡の数を低減するために有益であり得ることを見出した。いくつかの状況下で、このような間隙に形成される気泡は、開口部まで上昇し、そこで気泡が破壊され、それにより気泡を低減又は取り除くことができる。いくつかの実施形態において、前側及び後側開口部３３０及び３３４並びに開口部３６４は、水平方向及び垂直方向の両方に実質的に位置を合わせられており、本発明者らは、気泡を最小化する効果を最大にすることを見出した。
【００９８】
本明細書に記載されるとき、可視波長域内の光透過性材料とは、可視波長において入射光の少なくとも約８０％を透過する材料を指す。一般性を失うことなく、ケース、容器及び基材のいずれか又は全てで使用できる透明ポリマー材料としては、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、環状オレフィン、ポリアリーレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリイミド又はこれらの組合せが挙げられる。使用できる透明非ポリマー又は無機材料としては、酸化ケイ素ベース材料（例えば、非晶質シリカ又は石英）又は酸化アルミニウムベース材料（例えば、サファイア）が挙げられる。
【００９９】
ナノ粒子及び捕捉分子を介した標的分子検出
図３Ｅ及び図３Ｆを参照すると、容器３５０は、そこに溶液３３２を収容し保持するように構成されている。基材３６０の分析領域３６８の前側表面３６８Ｆ及び後側表面３６８Ｒの少なくとも一部分は、そこに形成された金属ナノ粒子３２８の層を有する。加えて、分析領域３６８の前側表面及び後側表面の少なくとも一部分は、そこに形成された捕捉分子３４４の層を有する。捕捉分子３４４は固定化されていてもよい。いくつかの実施形態において、基材３６０は、金属ナノ粒子３２８とそこに形成される捕捉分子３４４の層の一方又は両方を有さない非被覆部分３６２を有する。捕捉分子３４４は、それと化学結合することにより特定の標的分子を捕捉するのに適合したものである。図３Ｅを参照すると、標的分子３４０が溶液３３２に導入されたとき、標的分子３４０の少なくともいくつかは、捕捉分子３４４に化学的に付着する。図示された実施形態は、基材３６０の分析領域３６８の表面に形成されたナノ粒子３２８及び捕捉分子３４４のみを示しているが、他の実施形態では、容器３５０の内面の少なくとも一部分、例えば、光入射窓３５４及び光出射窓３５８の内面の部分も、そこに形成されたナノ粒子３２８及び捕捉分子３４４を有することができる。
【０１００】
図３Ｅ及び図３Ｆを参照すると、動作時に、入射光３１４は、捕捉分子３４４を有する基材３６０を標的分子３４０に曝露する前に試験媒体３００ａ（図３Ｅ）を透過し、基材３６０を標的分子３４０に曝露した後に試験媒体３００ｂ（図３Ｆ）を透過している。次に、標的分子３４０の存在を検出するために、試験媒体３００ａ及び３００ｂを透過する光の吸光度が比較される。図示された実施形態において、入射光３１４は、実質的に入射光３１４の全てが実質的に反射なしで透過光３３８ａ／ｂとして分析領域３６８を出射するように、表面３６０の分析領域３６８に向けられる。いくつかの実施形態において、入射光３１４は、入射光３１４を受光する分析領域の表面に対して実質的に直角をなす角度に向けられる。いずれの理論にも拘束されるものではないが、標的分子３４０のいくつかは捕捉分子３４４に結合し、それにより、金属ナノ粒子３２８の表面に、共鳴条件の変更を誘発する摂動を引き起こし、次いで、標的分子３４０に曝露される前に試験媒体３００ａを透過した透過光３３８ａと、標的分子３４０に曝露された後に試験媒体３００ｂを透過した透過光３３８ｂとの差に基づいて測定され得る、吸光度の変化をもたらす。結合した標的分子３４０は、結合した標的分子３４０の濃度に比例する規模の屈折率の増大を引き起こす。従って、結合した標的分子３４０は、後述する定量分析において検出可能な吸光度の変化を誘発する。
【０１０１】
吸光度及び吸収差スペクトル
図４Ａは、実施形態に従い、図２Ａ及び図２Ｂに関して前述したものに類似したＬＳＰＲ測定システムを使用し、図３Ａ〜図３Ｆに関して前述したものに類似したＬＳＰＲ試験媒体を用いて取得した１組の吸光度スペクトルを示すグラフ４００である。グラフ４００のｙ軸は測定された吸光度を表し、ｘ軸は吸光度が測定されたときの波長（λ）を表している。図示された吸光度スペクトル４１０ａ、４２０ａ及び４３０ａは、例えば、それぞれ１、２及び３個の基材を有する試験媒体の測定吸光度値を表しており、各基材は、図３Ｅに関して前述した試験媒体と同様に配置されており、そこに形成されたナノ粒子を有する基材のそれぞれが、標的分子導入の前に、溶液に浸漬され、そこに捕捉分子を形成している。図示された吸光度スペクトル４１０ｂ、４２０ｂ及び４３０ｂは、例えば、それぞれ１、２及び３個の基材の測定吸光度値を表しており、各基材は、図３Ｆに関して前述した試験媒体と同様に配置されており、そこに形成されたナノ粒子を有する基材のそれぞれが、捕捉分子に対する標的分子の導入及び付着後に、溶液に浸漬され、そこに捕捉分子を形成している。図示された吸光度スペクトル４１０ａ、４２０ａ及び４３０ａにおいて、基材のそれぞれは、分析領域（図３Ｂ〜図３Ｄの３６８、３６８ａ、３６８ｂ、及び３６８ｃ）内で、ナノ粒子及び捕捉分子について、ほぼ同じ被覆面積を有している。加えて、図示された吸光度スペクトル４１０ｂ、４２０ｂ及び４３０ｂにおいて、基材のそれぞれは、分析領域が浸漬された溶液中で、ほぼ同じ濃度の標的分子に供される。
【０１０２】
図４Ｂは、実施形態に従い、図４Ａのものに類似した１組の吸光度データセットに基づいて得ることができる、１組の吸収差スペクトルを示すグラフ４５０である。グラフ４５０のｙ軸は、基材の分析領域が浸漬された溶液中で特定濃度の標的分子に基材を供する前と後に測定された吸光度間における、吸光度値の差を表している。ｘ軸は、吸光度が測定されたときの波長（λ）を表している。図示された吸収差スペクトル４６０、４７０及び４８０は、例えば、それぞれ、１、２及び３つの基材を有する試験媒体について、各種波長にて基材を標的分子に供する前と後での測定された吸光度値の差を表している。即ち、吸光度スペクトル４６０、４７０及び４８０は、例えば、基材が標的分子に供される前の光の強度（例えば、４１０ａ、４２０ａ及び４３０ａに類似するもの）と、基材が標的分子に供された後の光の強度（例えば、４１０ｂ、４２０ｂ及び４３０ｂに類似するもの）との差を表すことができる。図示されているように、吸収差スペクトル４６０、４７０及び４８０の差分値は、基材の数に比例して増大している。
【０１０３】
いくつかの実用的実装では、図４Ａ及び図４Ｂに示されるような吸光度又は吸光度の変化のスペクトルを得る代わりに、特に選択した波長（例えば、ピーク波長）にて吸光度又は吸光度の変化（Δ吸光度）を測定することがより実用的であり得る。図５は、試験媒体内に配置された基材の数（ｘ軸）の関数として、ｙ軸において、単一の波長（例えば、ピーク波長）にて測定された、基材を標的分子に曝露することから生じた吸光度の変化を示したグラフ５００である。図４Ｂに関する上の記載と同様に、吸光度の変化の規模は、光が透過する基材の数に比例して増大する。加えて、吸光強度の変化は、対応する屈折率の変化に直接比例するため、ｙ軸は、互換的にΔ屈折率の変化として表すことができる。
【０１０４】
従って、図示されているように、図４Ａ及び図４Ｂでは、ＬＳＰＲ試験媒体の吸光度スペクトル４１０ｂ、４２０ｂ及び４３０ｂは、基材がナノ粒子及び標的分子に対してナノ粒子上に形成された捕捉分子を有するものであり、基材を標的分子に曝露する前のそれぞれの吸光度スペクトル４１０ａ、４２０ａ及び４３０ａと比較した、基材を標的分子に曝露した後の吸光度値の増大を示している。吸光度値の増大の規模は、とりわけ、付着した標的分子の表面濃度に比例する。従って、ナノ粒子表面密度及び捕捉分子表面密度の公知の値に基づいて、並びに基材を標的分子に曝露する前と後における吸光度の測定された差に基づいて、溶液中の標的分子の濃度が決定され得る。加えて、吸光度は基材の数に比例して増大するため、図４Ｂ及び図５に記載されている通り、図３Ｄに示されるように複数の基材を保持するように構成された試験媒体を使用して、標的分子の検出感度（例えば、信号対雑音比）を高めることができる。
【０１０５】
減衰全内部反射に基づく試験媒体
光束が、第１の屈折率ｎ１を有する第１の媒質（例えば、ガラス）を通過し、ｎ１よりも小さい第２の屈折率ｎ２を有する第２の媒質（例えば、液体又は空気）へと向けられたとき、光束は、界面に対して直角をなす方向を有する法線から離れて、第１の媒質と第２の媒質との界面で屈曲することが知られている。光束の屈曲の大きさは、ｎ１×ｓｉｎθ１＝ｎ２×ｓｉｎθ２を示すスネルの法則によって決定され、式中、ｎ１及びｎ２はそれぞれ第１及び第２の媒質の屈折率であり、θ１は法線に対する第１の媒質内での入射ビームの第１の角度を表し、θ２は法線に対する第２の媒質内での屈折ビームの第２の角度を表す。
【０１０６】
第１の媒質を通過して進む光束が、臨界角θｃとして知られる十分に大きな角度にて２つの媒質間の界面にぶつかると、その屈折方向が界面と平行（法線に対して９０度）になり、より大きな角度では、光束は全反射して第１の媒質内に戻る。この条件は全内部反射として知られている。第１の屈折率を有する第１の媒質を含む光導構造体（ｌｉｇｈｔ−ｇｕｉｄｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）（例えばファイバー）中を通過して伝播する平行光束が、界面に達するθｃよりも大きな角度にて、構造体と、外部媒質、例えば構造体の表面に形成され第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の媒質を含む物質との間の界面に達するとき、光束は、２つの媒質間の界面にて一連の全内部反射を経ることにより、全内部反射モード下で、構造体中を通過するように誘導され得る。反射数は入射角を変えることで変わり得る。技法は、減衰全内部反射、又はＡＴＲと称されることもある。本明細書にて開示されるＬＳＰＲ試験媒体、ＬＳＰＲ測定方法及びＬＳＰＲ測定システムのいくつかの実施形態では、以下に記載されているように、ＡＴＲを有利に用いることができる。
【０１０７】
ＡＴＲに基づくＬＳＰＲ測定のためのポリマーベース光導構造体
図６Ａは、減衰全反射（ＡＴＲ）を利用するように構成されたポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体６００を示す。試験媒体６００は、ｚ方向に延長する長さＬを有し、第１の屈折率ｎ１を有する、光導構造体６６０を含む。構造体６６０の図示された部分は、例えば、図３Ａ〜図３Ｆの分析領域３６８に類似した分析領域を表し、光透過性材料、例えば、光透過性ポリマー材料を含んでいてもよい。
【０１０８】
いくつかの実施形態において、光導構造体６６０は、１つ又は複数の表面を有する。構造体６６０は、互いに向い合いＡＴＲモードにおいて光束を反射するように構成された、第１の表面６６０Ｓ１及び第２の表面６６０Ｓ２を有するものとして図示されている。いくつかの実施形態において、第１の表面６６０Ｓ１及び第２の表面６６０Ｓ２は、図６Ｂ〜図６Ｃに関して後述する、単一の表面の異なる部分を表している。
【０１０９】
第１の表面６６０Ｓ１及び第２の表面６６０Ｓ２の少なくとも一部分は、そこに形成された金属ナノ粒子６２８の層を有する。加えて、第１の表面６６０Ｓ１及び第２の表面６６０Ｓ２の少なくとも一部分は、そこに形成された捕捉分子６４４を有する。捕捉分子６４４は、それと化学結合することにより特定の標的分子を捕捉するのに適合したものである。
【０１１０】
図３Ａ〜図３Ｆに関して前述した試験媒体３００と同様に、表面６６０Ｓ１及び６６０Ｓ２は、図３Ａ〜図３Ｆの基材３６０に関して記載された同様の様式で、構造体６６０が少なくとも部分的に浸漬され得る容器内に保持され得る溶液６３２と接触するように構成されている。溶液６３２は、そこに溶解した標的分子を含有しても含有しなくても、構造体６６０の第１の屈折率ｎ１よりも小さい第２の屈折率ｎ２を有する。図３Ｅ〜図３Ｆに関して前述した捕捉分子と同様に、標的分子６４０が溶液に導入されたとき、標的分子６４０の少なくともいくつかは、捕捉分子６４４に化学的に付着する。
【０１１１】
引き続き図６Ａを参照すると、図３Ｅ及び図３Ｆに関して前述した、光束が単回通過で基材を透過する試験媒体とは異なり、入射光束６１４、例えば光束は、端部表面６６０Ｓ３を通過して光導構造体６６０に入り、構造体６６０の縦方向に対応して全体としてｚ方向に沿って進む。光束６１４は、前述した減衰全内部反射（ＡＴＲ）条件のために、臨界角θｃよりも大きい法線（ｘ軸）に対する角度θにて、構造体６６０の表面６６０Ｓ１又は６６０Ｓ２のいずれかに向けられ、光束６１４が表面６６０Ｓ１又は６６０Ｓ２のいずれかを通過して出射せず、その代わりに、内部で反射され、表面６６０Ｓ１又は６６０Ｓ２の他方に向かって構造体６６０の内部に戻るようにされる。内部反射事象（ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｅｖｅｎｔ）は、ｎ１、ｎ２、Ｌ及びθの値を独立して選択することにより、所与のシステムにとって好適であり得る好適な数の内部反射事象が生じ得るように、複数回反復させることができる。
【０１１２】
いくつかの実装では、平行化されていてもよい光束６１４は、前述したとおりＡＴＲ条件が満たされるように、構造体６６０の表面６６０Ｓ１又は６６０Ｓ２のいずれかに向けられると理解される。いくつかの他の実装において、光束６１４は、光導構造体６６０の第１の末端に入るとき、平行化されていなくても（ｕｎｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）、部分的に平行化されていてもよい。進入時に、一部の光子は、ＡＴＲ条件を満たし全内部反射され、それにより光導構造体６６０の第２の末端に到達するが、ＡＴＲ条件を満たさない他の光子は、表面６６０Ｓ１又は６６０Ｓ２のいずれかにて透過又は散漫散乱する。このようにして、いくつかの実装では、ポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体６００が、ＡＴＲ条件を満たす光束を「自己選択」し、光束６１４の高度のプリコリメーション（ｐｒｅ−ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）を不要にする。
【０１１３】
いずれの理論にも拘束されるものではないが、光束６１４が全内部反射しても、反射光は、表面６６０Ｓ１及び６６０Ｓ２に隣接した限定的電磁場を発生させ、エバネッセント場が生じる。エバネッセント場は、ｘ方向に表面６６０Ｓ１及び６６０Ｓ２から離れるにつれて指数関数的に強度が減衰する。ｄ０で表すことができる特徴的全反射エバネッセント減衰長、例えば電界波（ｆｉｅｌｄ  ｗａｖｅ）の振幅の１／ｅ減衰長（図示せず）は、例えば入射光の波長の約１／３、例えば１００〜数百ナノメートル、一例では約２００ｎｍ延長し得る。
【０１１４】
実施形態に従うＡＴＲ条件下の図６ＡのＬＳＰＲ試験媒体６００では、金属ナノ粒子６２８の表面の自由電子がエバネッセント場により励起され、それにより局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が誘発され得る。いずれの理論にも拘束されるものではないが、ｄ０内でのエバネッセント場強度の指数関数的減少のため、表面自由電子の励起は、典型的に厚さ１００ナノメートル未満（例えば、約２０ｎｍ）である、ＬＳＰＲ電界減衰長（ＬＳＰＲ  ｆｉｅｌｄ  ｄｅｃａｙ  ｌｅｎｇｔｈ）（λ０）としても知られる領域に限定される。金属ナノ粒子６２８の励起は相対的に薄い領域に相対的に局在化され得るため、及び光束は複数の内部反射事象を経るため、多くの他のＳＰＲ技法と比較して、ＬＳＰＲ試験媒体６００を使用する際に、はるかに高い信号対雑音比が達成され得る。
【０１１５】
従って、本明細書に開示された実施形態に従い、共鳴条件の変更を誘発する金属ナノ粒子６２８の表面において、捕捉分子６４４に結合した標的分子６４０により引き起こされた摂動に基づいて、捕捉分子６４４を標的分子６４８に曝露する前と後で、ＡＴＲ条件下で光導構造体６６０を透過する光束を比較することにより、溶液６３２中の標的分子の存在が検出され得る。共鳴条件の変更は次に、図３Ａ〜図３Ｆに関して前述した同様の様式で、ただし、より高い感度及びより高い信号対雑音比にて、構造体６６０を標的分子６４０に曝露する前と後における試験媒体６００を通過する透過光６３８の差に基づいて測定され得る、吸光度の変化をもたらす。
【０１１６】
ＡＴＲに基づくＬＳＰＲ測定のためのポリマーベース光導構造体の構成
図６Ｂ、図６Ｃ及び図６Ｄはそれぞれ、図６Ａに関して前述した同様の様式で、減衰全反射（ＡＴＲ）を利用するように構成されたポリマーベースＬＳＰＲ試験媒体６７０、６８０及び６９０を示す。特に、図６Ｂ〜図６Ｄは、金属ナノ粒子及び捕捉分子により均一に連続的に被覆された分析領域を有する試験媒体を示す。図６Ｂ〜図６Ｄに示された試験媒体の分析領域は、所与の試験媒体のために独立の分析領域として使用できる実施形態を表すものと理解される。加えて、分析領域及び各種領域又はそれらの部分は、組み合わせて又は繰り返して使用され得る。
【０１１７】
試験媒体６７０、６８０及び６９０のそれぞれは、光導構造体６６０ａ、６６０ｂ、及び６６０ｃをそれぞれ含み、これらはそれぞれ第１の屈折率ｎ１を有するそれぞれの分析領域６６８ａ〜６６８ｃを含む。光導構造体６６０ａ〜６６０ｃのそれぞれは、第１の末端及び第２の末端並びに第１の末端と第２の末端との間のそれぞれの分析領域６６８ａ〜６６８ｃを有する。これらの分析領域はそれぞれ、光透過性材料、例えば、光透過性ポリマー材料を含む。分析領域６６８ａ〜６６８ｃのそれぞれは、透明ポリマー材料を含むそれぞれの分析領域表面６６８Ｓ１、６６８Ｓ２及び６６８Ｓ３を有する。図示された実施形態において、透明ポリマー材料は第１の屈折率ｎ１を有し、分析領域表面６６８Ｓ１〜６６８Ｓ３のそれぞれは、図６Ａに関して前述したように、ＡＴＲモードにおいて光束を反射するように構成されている。
【０１１８】
図６Ａに関して前述した光導構造体６６０の表面６６０Ｓ１及び６６０Ｓ２に関する前の記載と同様に、図６Ｂ〜図６Ｄの図示された実施形態では、分析領域表面６６８Ｓ１〜６６８Ｓ３の少なくとも一部分は、そこに形成された金属ナノ粒子６２８の層（明確にするために図示せず）を有する。加えて、分析領域表面６６８Ｓ１〜６６８Ｓ３の少なくとも一部分は、そこに形成された捕捉分子６４４（明確にするために図示せず）を有する。捕捉分子６４４は、それと化学結合することにより特定の標的分子を捕捉するのに適合したものである。
【０１１９】
引き続き図６Ｂ〜図６Ｄを参照すると、光導構造体６６０ａ〜６６０ｃのいずれか１つ又は複数は、分析領域６６８ａ〜６６８ｃと同じ透明ポリマー材料を含み、金属ナノ粒子６２８とそこに形成された捕捉分子６４４の層の一方又は両方を有さないそれぞれの表面６６４Ｓ１、６６４Ｓ２及び６６４Ｓ３を有する非被覆部分６６４ａ、６６４ｂ、及び６６４ｃを有していてもよい。加えて、光導構造体６６０ａ〜６６０ｃのいずれか１つ又は複数は、分析領域６６８ａ〜６６８ｃと同じ透明ポリマー材料を含み、光導構造体の第１及び第２の末端の少なくとも１つの付近に配置されている、それぞれの光導構造体部分６６２ａ、６６２ｂ及び６６２ｃを有していてもよい。
【０１２０】
引き続き図６Ｂ〜図６Ｄを参照すると、試験媒体６７０、６８０及び６９０のそれぞれは、そこに液体溶液６３２を保持するように構成されたそれぞれの容器６２８ａ、６２８ｂ及び６２８ｃを有する。液体は、図６Ａに関して前述したように、標的分子６４８（図示せず）を溶解するのに適合したものである。液体６３２が存在するとき、光導構造体６６０ａ〜６６０ｃのそれぞれは、分析領域６６８ａ〜６６８ｃの少なくとも一部分が液体６３２中に浸漬され得るように構成されている。
【０１２１】
図６Ａに関して前述したように、分析領域表面６６８Ｓ１〜６６８Ｓ３のそれぞれは、容器６２８ａ〜６２８ｃ内の溶液６３２と接触するように構成されている。溶液６３２は、そこに溶解した標的分子を含有しても含有しなくても、分析領域６６８ａ〜６６８ｃの第１の屈折率ｎ１よりも小さい第２の屈折率ｎ２を有する。図３Ｅ〜図３Ｆに関して前述した捕捉分子と同様に、標的分子６４０（図示せず）が溶液６３２に導入されたとき、それらの標的分子の少なくともいくつかは、捕捉分子６４４（図示せず）に化学的に付着し、吸光度の変化が誘発される。
【０１２２】
引き続き図６Ｂ〜図６Ｄを参照すると、動作時に、試験媒体６７０、６８０及び６９０のそれぞれは、光源６１０から放射された入射偏光光束６１４が光導構造体６６０ａ、６６０ｂ及び６６０ｃの第１の末端にて受光されるように構成され、更に、少なくとも部分的に光がそれぞれの光導構造体６６０ａ、６６０ｂ及び６６０ｃを透過するように構成されている。試験媒体６７０、６８０及び６９０のそれぞれは更に、透過光が光導構造体６６０ａ、６６０ｂ及び６６０ｃの第２の末端にて出射され、検出器６３０を使用して検出されるように構成されている。いくつかの実施形態において、進行する光を集束させ且つ／又は選択的に通過させるために、１つ若しくは複数のレンズ６７２及び／又は１つ若しくは複数の光学フィルター６７４が、光導構造体の第２の末端と検出器６３０との間に配置されていてもよい。
【０１２３】
試験媒体６７０、６８０及び６９０のそれぞれは、光導構造体６６０ａ、６６０ｂ及び６６０ｃを透過する光が、前述した減衰全内部反射（ＡＴＲ）条件下で、光導構造体の第１の末端から第２の末端まで誘導されるように構成されている。即ち、溶液６３２の第２の屈折率ｎ２は、分析領域６６８ａ、６６８ｂ及び６６８ｃの第１の屈折率ｎ１よりも小さいため、光導構造体６６０ａ〜６６０ｃ中を進み、溶液６３２との界面を形成するそれぞれの表面６６８Ｓ１、６６８Ｓ２及び６６８Ｓ３に到達する光束は、特定の角度において、表面６６８Ｓ１から出射せず、代わりに、内部反射され、反対面に向かって光導構造体６６０ａ〜６６０ｃの内部に戻る。特に、前記界面に到達し、光衝突点（ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  ｌｉｇｈｔ  ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ）において、表面６６８Ｓ１、６６８Ｓ２及び６６８Ｓ３の法線に対して、臨界角θｃよりも大きい角度θを形成する光束は、前述した減衰全内部反射（ＡＴＲ）条件を満たす。内部反射事象は、所与のシステムにとって好適であり得る好適な数の内部反射事象が生じるように、ｎ１、ｎ２、θ、及び光の経路長の値を独立して選択することにより、所望の回数反復させることができる。
【０１２４】
図６Ｂを参照すると、一実施形態に従って、片側から入射光６１４を受光し垂直方向に試験媒体６７０の反対側から透過光６３８を収集するように構成された、光導構造体６６０ａを含む試験媒体６７０が図示されている。試験媒体６７０は、実質的に共線形（ｃｏ−ｌｉｎｅａｒ）カラム構成で配置された、光導部分６６２ａ、非被覆部分６６４ａ及び分析部分６６８ａを含む。少なくとも分析部分６６８ａは、ポリマー材料を使用して形成され、その結果、分析領域表面６６８Ｓ１が金属ナノ粒子の層（明確にするために図示せず）を形成してその金属ナノ粒子の層に捕捉分子（明確にするために図示せず）を付着させるのに適合したポリマー表面を有しており、捕捉分子は特定の標的分子を捕捉するのに適合するものとなっている。分析部分６６８ａの少なくとも一部分は、溶液６３２に浸漬されるように構成されている。溶液は、検出される標的分子をそこに溶解するのに適合したものである。有利には、光導構造体６６０ａの実質的な共線形構成は、光源６１０と光検出器６３０が、光進行方向において光導構造体６６０ａの両側に配置されたＬＳＰＲ測定システムに適している。
【０１２５】
光導構造体６６０ａの各種部分の各種寸法は、所望の検出特性に合わせて調整され得ると理解される。例えば、分析領域６８８のｚ方向の長さ、分析領域６８８のｙ又はｘ方向の直径、及び光導構造体６６０ａのポリマー材料の屈折率ｎ１は、例えば、容器６２８ａの大きさ等の他の物理的制約に基づいて所望される全内部反射数に基づいて選択され得、容器６２８ａの大きさは、数例を挙げると、容器６２８ａ内で溶解させ得る標的分子の量の利用可能性、溶液６３２の屈折率ｎ２、並びに後述するナノ粒子被覆装置及びプロセスの物理的制約に基づいて選択され得る。
【０１２６】
図６Ｂに図示された実施形態において、少なくとも分析部分６６８ａを含む光導構造体６６０ａの各種部分は、（ｘ−ｙ平面において）実質的に円形の断面形状を有する。ただし、可能な実施形態が、そのように限定されるわけではない。例えば、多角形（三角形、正方形、長方形、五角形、六角形、八角形等）、楕円形又は他の好適な形状の断面形状が可能である。
【０１２７】
図６Ｂに図示された実施形態において、光導構造体６６０ａの少なくとも分析部分６６８ａを含む光導構造体６６０ａの各種部分は、光進行方向（ｚ方向）における線形であることから実質的に逸脱しない。即ち、光導構造体６６０ａの少なくとも分析部分６６８ａは、ｚ方向から逸脱する実質的な湾曲、たわみ、円弧、屈曲、弓そり、ねじれ、輪又は曲がり目を有さない。以下では、図６Ｃ及び図６Ｄに関して、そのような直線性からの逸脱を有する実施形態が記載される。
【０１２８】
図６Ｃを参照すると、試験媒体６８０は、少なくとも１つの湾曲部分６８２を有する光導構造体６６０ｂを含む。図６Ｂの光導構造体６６０ａとは異なり、試験媒体６８０の光導構造体６６０ｂは、一実施形態に従い、試験媒体６８０の片側（例えば、最上部）から入射光６１４を受光し、試験媒体６８０の同じ垂直側に透過光６３８を出射するように構成されている。
【０１２９】
図６Ｂの試験媒体６７０と同様に、試験媒体６８０の少なくとも分析部分６６８ｂは、ポリマー材料を使用して形成されており、その結果、分析領域表面６６８Ｓ２が、金属ナノ粒子の層（明確にするために図示せず）を形成してその金属ナノ粒子の層に捕捉分子（明確にするために図示せず）を付着させるのに適合したポリマー表面を有しており、捕捉分子は特定の標的分子を捕捉するのに適合するものとなっている。更に図６Ｂと同様に、分析部分６６８ｂの少なくとも一部分は、標的分子を溶解するのに適合した溶液６３２に浸漬されるように構成されている。
【０１３０】
図６Ｂとは異なり、試験媒体６８０は、光入射末端と光出射末端のそれぞれに形成された光導部分６６２ｂを有し、光入射末端と光出射末端はいずれも、溶液６３２の外部に配置されるように構成されている。更に図６Ｂとは異なり、光導構造体６６０ｂの少なくとも分析部分６６８ｂは、線形であることから実質的に逸脱し、少なくとも湾曲部分６８２を含んでいる。図示された実施形態において、湾曲部分６８２は、光伝播方向が下方向から上方向へと逆になるように、Ｕ字形の屈曲領域を含んでいる。その結果、光導構造体６６０ｂの光検出末端から出射する全内部反射光６７２は、図６Ｂの光導構造体６６０ａとは異なり、光導構造体６６０ｂの光入射末端と同じ垂直側にある。有利には、光導構造体６６０ｂの非線形構成は、光源６１０と光検出器６３０が光進行方向において光導構造体６６０ａの両側に配置されたＬＳＰＲ測定システムに適し得る。
【０１３１】
専ら例示を目的として、Ｕ字形の屈曲領域を含む単一の湾曲部分６８２を含む分析領域６６８ｂが図示されている。ただし、本明細書に記載された実施形態がそのように限定されるわけでなく、分析領域６６８ｂの一部として複数の湾曲部分６８２が含まれていてもよいと理解される。例えば、分析領域６６８ｂは、分析領域６６８ｂの全体的実効長を長くするため、直列に接続された、凹凸が交互するＵ字形屈曲領域を有する、複数の湾曲部分６８２を含んでいてもよい。
【０１３２】
更に、各湾曲部分６８２は、他の形状の湾曲を含んでいてもよい。例えば、湾曲部分６８２は、光が元の進行方向（下方向）から離れて異なる方向に向けられるように、他の湾曲形状のうち、たわみ、円弧、屈曲及び弓そりの１つ又は複数を含んでいてもよい。加えて、そのような湾曲は、所望のＡＴＲ吸収信号又は信号対雑音比を達成するために選択された湾曲半径を有するように、最適化されてもよい。
【０１３３】
加えて、図６Ｂに関する上の記載と同様に、光導構造体６６０ａの各種部分の断面形状は、図示された円形に加えて、多角形（三角形、正方形、長方形、五角形、六角形、八角形等）、楕円形又は他の好適な形状等の他の形状を有していてもよい。
【０１３４】
図６Ｄを参照すると、一実施形態に従って、試験媒体６９０は、片側から入射光６１４を受光し試験媒体６８０の同じ垂直側から透過光６３８を収集するように構成された、複数の回旋部分６９２を有する光導構造体６６０ｃを含む。
【０１３５】
図６Ｂの試験媒体６８０と同様に、試験媒体６９０の少なくとも分析部分６６８ｃは、ポリマー材料を使用して形成されており、その結果、分析領域表面６６８Ｓ３が、金属ナノ粒子の層（明確にするために図示せず）を形成してその金属ナノ粒子の層に捕捉分子（明確にするために図示せず）を付着させるのに適合したポリマー表面を有しており、捕捉分子は特定の標的分子を捕捉するのに適合するものとなっている。更に図６Ｂと同様に、分析部分６６８ｃの少なくとも一部分は、標的分子を溶解するのに適合した溶液６３２に浸漬されるように構成されている。加えて、試験媒体６９０は、光入射末端と光出射末端のそれぞれに形成された光導部分６６２ｃを有し、光入射末端と光出射末端はいずれも、溶液６３２の外部に配置されるように構成されている。更に図６Ｃと同様に、光導構造体６６０ｃの少なくとも分析部分６６８ｃは、線形であることから実質的に逸脱し、複数の回旋部分６９２を含んでいる。図示された実施形態において、分析領域６６８ｃは、光伝播方向が螺旋状に水平方向に且つ下方向に垂直に連続的に変化する、複数の回旋部分６９２を含む。分析領域６６８ｃは、光束がその経路を上方向に変え出射末端にて透過するように、下部最大回旋部分（ｌｏｗｅｒ  ｍｏｓｔ  ｗｉｎｄｉｎｇ  ｐｏｒｔｉｏｎ）６９２の末端に接続する光復路部分（ｌｉｇｈｔ  ｒｅｔｕｒｎ  ｐｏｒｔｉｏｎ  ｐａｔｈ）６９４を追加的に含む。その結果、光導構造体６６０ｃの光検出末端から出射する全内部反射光６７２は、光導構造体６６０ｃの光入射末端と同じ垂直側になる。有利には、光導構造体６６０ｃの回旋構成は、光源６１０と光検出器６３０が光進行方向において光導構造体６６０ｃの両側に配置されたＬＳＰＲ測定システムに適し得る。
【０１３６】
専ら例示を目的として、６つの回旋部分６９２を含む分析領域６６８ｃが示されている。ただし、本明細書に記載された実施形態がそのように限定されるわけでなく、分析領域６６８ｃの一部として任意の所望の数の回旋部分６９２が含まれていてもよいと理解される。更に、図示された光復路部分６９４は比較的直線的であるが、実施形態がそのように限定されるわけではない。例えば、復路は、光進行経路が更に長く延長されるように、回旋部分６９２よりも小さい又は大きい曲率半径を有する、複数の回旋部分を含んでいてもよい。
【０１３７】
更に、各湾曲部分６８２は、他の形状の湾曲を含んでいてもよい。例えば、湾曲部分６８２は、光が元の進行方向（下方向）から離れて異なる方向に向けられるように、他の湾曲形状のうち、たわみ、円弧、屈曲及び弓そりの１つ又は複数を含んでいてもよい。加えて、そのような湾曲は、所望のＡＴＲ吸収信号又は信号対雑音比を達成するために選択された湾曲半径を有するように、最適化されてもよい。
【０１３８】
加えて、図６Ｂに関する上の記載と同様に、光導構造体６６０ａの各種部分の断面形状は、図示された円形に加えて、多角形（三角形、正方形、長方形、五角形、六角形、八角形等）、楕円形又は他の好適な形状等の他の形状を有していてもよい。
【０１３９】
ナノ粒子によるポリマー基材のプラズマ支援被覆
プラズマプロセスは、数例を挙げると、電子工学、航空宇宙、自動車、鉄鋼、生物医学及び有毒廃棄物管理を含む製造工業において、多くの用途を見出している。気相プラズマは、中性分子、電子、イオン及びラジカルを含む、電気的に中性の混合物である。気相プラズマは、エネルギー（例えば、ＲＦ又はＤＣ）が１個又は複数の電極を通じてチャンバー内の一定量の気体に印加され、その結果、電子が十分な運動エネルギーを獲得して一定量の気体の原子又は分子と衝突するようになり、電子、イオン及びラジカルを含む気相プラズマの形成につながることで、生成され得る。一例として、一定量の酸素ガス（Ｏ２プラズマ）が、プラズマ生成を開始させるのに十分なエネルギーに供されたとき、生成されたプラズマは、電子、酸素ラジカル、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ−、Ｏ２−、Ｏ＋、Ｏ２＋及びＯ＋２等の種を含有する。従って、生成された反応性ラジカル種は、各種化学作業を実施するために利用することができ、イオン化された原子及び分子種は、物品、例えば、基材の標的表面との相互作用を通じて、各種化学及び／又は物理作業を実施するために利用することができる。ほとんどの気相プラズマプロセスでは、反応性ラジカル種及び／又はイオン化種が、修飾される物品の標的表面と接触する。
【０１４０】
本明細書において液体ベースプラズマプロセスと称される、いくつかのプラズマプロセスでは、液体中で放電を発生させるか、液体を電極として使用する。いくつかの液体ベースプラズマプロセスでは、いずれも液体内部に配置された２個の電極間で、放電を液体中で直接発生させる。例えば、ソリューションプラズマ処理（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｐｌａｓｍａ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）（ＳＰＰ）と呼ばれるプロセスでは、化学薬品、例えば、前駆体を含有してもよい溶液中に２個の電極を直接配置し、それらの電極間に高電圧を印加して、液体の絶縁破壊（例えば、アーク）を引き起こす。いくつかの他の液体ベースプラズマプロセスでは、電極の一方としての役割を果たす液体と、液体の外部（例えば上部）に配置された他方の電極とを使用して、液体の上で放電を発生させる。液体は、そこに溶解した導電性イオンを有することにより電極としての役割を果たし、浸漬した電極に接続されると、液体中のイオンにより液体を通じて放電電流が流れるようになる。更に他の液体ベースプラズマプロセスでは、放電は、導電性液体中の気泡及び空洞内に発生させられ、従って、２個の電極が配置された液体に完全に取り囲まれる。従って、従来技術による液体ベースプラズマプロセスでは、液体中に沈められた１個又は複数の導電性電極を使用して一定量の液体自体にエネルギーを印加することにより、放電を発生させる。
【０１４１】
以下では、実施形態に従い、処理される物品が少なくとも部分的に沈められた、気相プラズマ処理が開示される。他の気相プラズマプロセスとは異なり、修飾される物品は、気相プラズマと直接接触しない。加えて、他の液体ベースプラズマプロセスとは異なり、液体は電極と直接接触しない。代わりに、表面が浸漬した液体組成物の上で生成された気相プラズマにより、物品の表面で、材料（例えば、バインダーポリマー）の蒸着が引き起こされるか又は加速される。
【０１４２】
実施形態において、プラズマ処理方法は、材料層、例えば、ポリマー層及び／又はナノ粒子層による物品の被覆に関する。前記方法は、容器、例えば、電気絶縁性容器内に、バインダーポリマー鎖及び溶媒を含む液体組成物を用意する工程を含む。バインダーポリマーは、複数の官能基、例えば、アミン（ＮＨ２）基を有し得る。ポリマー表面を含む処理される物品は、少なくとも部分的に液体組成物中に沈められている。次に、少なくとも部分的に沈められた物品を有する容器は、プラズマ反応器チャンバー内に置かれる。次に、気相プラズマを生成するのに十分なエネルギーが、液体組成物表面の上で、一定量の気体に印加される。一定量の気体から生成され液体組成物表面の上で持続する気相プラズマは、物品のポリマー表面でのバインダーポリマー層の形成を引き起こし又は加速する。例えば、ポリマーの官能基（例えば、ＮＨ２基）とポリマー表面の原子（例えば酸素原子）との間の化学反応によって、蒸着が引き起こされるか又は加速され得、促進され得る。いくつかの実施形態では、その後に、ナノ粒子をバインダーポリマー層に付着させてもよい。各種実施形態において、気相プラズマは、バインダーポリマー層が形成された物品のポリマー表面と直接接触しない。更に、液体組成物、物品及び容器は、電気的に接続されず、その結果、蒸着が引き起こされるか又は加速される間、電気的に浮遊状態になる。
【０１４３】
プラズマ支援ナノ粒子被覆方法
図７を参照すると、各種実施形態に従い、金属ナノ粒子の層でポリマー基材を被覆する方法７００が記載されている。方法７００は、プロセス７１０において、バインダーポリマー及び溶媒を含む液体組成物を用意する工程を含む。方法７００は、プロセス７２０において、液体組成物中に、ポリマー表面を含む物品を少なくとも部分的に浸漬する工程を追加的に含む。ポリマー表面は、ポリマー材料を含み、無機ガラス又は結晶性物質を含まない。方法７００は、プロセス７３０において、気相プラズマを液体組成物に印加し、バインダーポリマーとポリマー表面との間の化学反応を促進し、物品のポリマー表面にバインダー層を形成する工程を追加的に含む。方法７００は、バインダー層を形成した後に、プロセス７４０において、バインダー層に対して金属ナノ粒子を適用し、バインダー層上に金属ナノ粒子層を形成する工程を更に含む。以下では、図８Ａ〜図８Ｅに関して、金属ナノ粒子の層でポリマー基材を被覆するプロセスの各種段階が、より詳細に記載される。
【０１４４】
液体組成物
図８Ａは、実施形態に従い、バインダーポリマー及び溶媒を含む液体組成物８００Ａを用意する工程を示し、バインダーポリマーは複数の官能基を有している。液体組成物８００Ａは、溶媒８０８及びバインダーポリマー８０４を含む混合物又は溶液を含む。バインダーポリマー８０４は、溶媒８０８中に溶解して溶液を形成していても、溶媒８０８中に部分的に溶解して部分的溶液／部分的混合物を形成していても、或いは溶媒８０８中に溶解せず混合物を形成していてもよい。図示された実施形態において、液体組成物８００Ａは、電気絶縁性である容器８５０内で調製される。例えば、容器８５０は、誘電体容器、例えば、ペトリ皿等の光透過性誘電体容器であってもよい。バインダーポリマー８０４は、基材上のナノ粒子を固定化するように機能するポリマーベース材料であり、より詳細には、プロセスの後の段階においてポリマー基材上に金属ナノ粒子を固定化するように機能するポリマーベース材料である。バインダーポリマー８０４は、例えば、バインダーポリマー８０４の鎖内のいくつかの位置においてポリマー基材の表面原子に結合し、同時に鎖内のいくつかの他の位置において金属粒子に結合することにより、ナノ粒子を固定化することができる（詳細は後述する）。いくつかの実施形態において、バインダーポリマー８０４は、図示された実施形態ではアミン末端（ＮＨ２）である、複数のバインダー官能基８１６を含む。チオール（ＳＨ）、ホスホン酸（−ＰＯ（ＯＨ）２又は−ＰＯ（ＯＲ）２）  等の、他のバインダー官能基８１６もあり得る。
【０１４５】
いくつかの実施形態において、バインダーポリマー８０４としては、ポリジアリルジメチルアンモニウム；ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド；ポリアリルアミンハイドロクロリド；ポリ４−ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロリド；ジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）（Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２、ジエチレングリコールの類縁体）、トリエチレンテトラミン（ＴＥＴＡ）（Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２）、テトラエチレンペンタミン（ＴＥＰＡ）（Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２）、ペンタエチレンヘキサミン（ＰＥＨＡ）（Ｈ２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ−ＣＨ２ＣＨ２−ＮＨ２）、ポリエチレンアミンを含むエチレンアミンから誘導されるポリアミン類；ポリアミドアミンデンドリマー、ポリプロピルイミンデンドリマー及びポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む超分岐ポリマー類；又はこれらの混合物等の、カチオン性ポリマーが挙げられる。他の実施形態において、バインダーポリマー８０４としては、ポリアクリル酸、ポリ４−スチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルスルホン酸、ポリナトリウム塩、ポリアミノ酸、又はこれらの混合物等の、アニオン性ポリマーが挙げられる。いくつかの実施形態において、バインダーポリマーとしては、直鎖状又は多分岐ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、エチレンジアミン又はポリマー基材表面上にアミド結合を形成するのに好適な他の架橋性分子が挙げられる。図８Ａに図示された実施形態では、例示を目的として、バインダーポリマー８０４は、ポリマーを含むアミン官能化有機分子である。
【０１４６】
溶媒としては、溶液を形成するためにバインダー分子を溶解させ得る任意の好適な溶媒を挙げることができる。好適な溶媒としては、混合物として液体組成物８００Ａ中でバインダーポリマー８０４を溶解し或いは保持することができる他の好適な溶媒のうち、例えば、水、水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、又はこれらの混合物が挙げられる。
【０１４７】
有利には、いくつかの実施形態において、バインダーポリマー８０４と基材の表面原子との間及びバインダーポリマー８０４とナノ粒子との間での結合反応のために後のプロセスにおいて最適化される所望の範囲内に液体組成物８００ＡのｐＨレベルを制御し、特定量のバインダーポリマー８０４と溶媒８０８を適切な容積比で混合することができる。いくつかの実施形態では、混合前に、溶媒８０８を調製し、約５〜９の間、約６〜８の間、例えば７のｐＨレベルを有するようにしてもよい。混合後、バインダーポリマーと溶媒との組合せを制御して、約８〜１２の間、約９〜１１の間、例えば約１０のｐＨを有するようにしてもよい。例えば、バインダーポリマーがＴＥＴＡを含む場合、水とＴＥＴＡとの間の容積比０．０１〜１０％を用いてｐＨを最適化することができる。
【０１４８】
本発明者らはまた、特定の分子量を有するバインダーポリマー８０４がバインダーポリマーの鎖と基材の表面原子及びナノ粒子との間の結合位置の密度を最適化するのに有利であり得ることをも見出した。バインダーポリマー８０４の分子量は、約１００ダルトン〜約１ｘ１０７ダルトンの間、約１０００ダルトン〜約１ｘ１０６ダルトンの間、又は約１０００ダルトン〜約１ｘ１０５ダルトンの間の範囲、例えば、約１０，０００ダルトンを有するように選択できる。
【０１４９】
絶縁性容器
引き続き図８Ａを参照すると、液体組成物８００Ａは、電気絶縁性である誘電体容器８５０内に提供されている。誘電体容器８５０は、例えば、数例を挙げると、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）を含むポリマー材料等の、電気を通さない任意の好適な絶縁材料から形成することができる。いくつかの実施形態において、誘電体容器８５０は、例えばＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３等の、無機ガラス又は結晶性物質を含む。
【０１５０】
液体組成物８００Ａは、非誘電体容器、例えば導電性容器内で調製されてもよいが、図８Ｃに関して詳細に後述するように、液体組成物８００Ａをプラズマに供する前に、液体組成物８００Ａは誘電体容器８５０に移される。電気を通さない絶縁材料を含む誘電体容器８５０を提供することは、いくつかの利点をもたらし得る。例えば、誘電体容器８５０は、液体組成物８００Ａを包含する誘電体容器８５０がプラズマ条件（図８Ｃに関して詳細に記載される）に供したときの、アーク放電及び／又は誘電破壊に対する液体組成物８００Ａ及び誘電体容器８５０の保護を改善することができる。即ち、誘電体容器８５０がプラズマ処理チャンバーの電極として機能し得る基材ホルダー上に設置されているとき、誘電体容器８５０は、後に液体組成物８００Ａ中に入れた液体組成物及び物品を電気的に浮遊させることができる。
【０１５１】
液体組成物中へのポリマー表面の没入
図８Ｂは、実施形態に従い、物品、例えば、ポリマー基材８６０を、液体組成物８００Ｂに少なくとも部分的に浸漬し又は沈める工程を示す。実施形態に従えば、ポリマー基材８６０は、ポリマー表面８６０ｓを有する。液体溶液８００Ｂに曝露される（例えば、液体組成物８００Ｂに浸漬される）ポリマー表面８６０Ｓの一部は、液体組成物８００Ｂに直接接触する。実施形態に従えば、ポリマー表面８６０Ｓは、例えば、数例を挙げると、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、及び環状オレフィン高重合体（ＣＯＣ、環状オレフィンコポリマー）等の、曝露される炭素系鎖（ｃａｒｂｏｎ−ｂａｓｅｄ  ｃｈａｉｎ）を有する。いくつかの実施形態において、ポリマー表面８６０Ｓは、例えばＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３等の、無機ガラス又は結晶性物質を含まない。
【０１５２】
図示された実施形態において、基材８６０は、図８Ａに関して前述したように、溶媒８０８及びバインダーポリマー８０４を含む混合物又は溶液を含む、液体組成物８００Ｂ中に浸漬されている。複数の基材官能基８３２を有するポリマー表面８６０Ｓは、バインダー官能基８１６を有するバインダーポリマー８０４と接触する。ポリマー表面８６０Ｓは、バインダー官能基８１６と化学反応するのに適合した複数の基材官能基８３２を有する。図示された実施形態において、基材官能基８３２は、カーボネート基（−Ｏ−（Ｃ＝Ｏ）−Ｏ−）である。イソチオシアネート末端、イソシアネート末端及びアミン末端等の、ポリマー表面８６０Ｓ上の他の官能基８３２が、あり得る。
【０１５３】
図８Ｂでは、例示を目的として、ポリマー表面８６０Ｓの表面全体が液体溶液８０８と接触するように、基材８６０が液体組成物８００Ｂ中に完全に浸漬されているものとして図示されている。しかし、他の実施形態では、基材８６０のいくつかの部分が浸漬され、他の部分は液体組成物８００Ｂの外部に出たままになることもあると理解される。後述するように、液体組成物８０８と接触する部分は、バインダーポリマー８０４と反応し、その後、ナノ粒子により被覆されるが、液体組成物８０８と接触しない他の部分は、バインダーポリマー８０４と反応せず、ナノ粒子による被覆はされないと理解される。
【０１５４】
他の実施形態において、基材８６０は、非活性表面８６０ＮＳを有していてもよいと更に理解される。これらの実施形態において、非活性表面８６０ＮＳは、図８Ｅに関して後述するように、金属ナノ粒子がポリマー表面８６０Ｓ上にのみ選択的に形成され得るように金属ナノ粒子が所望されない場合がある、基材８６０の表面であり得る。専ら例示を目的として、非活性表面８６０ＮＳは、基材８６０の側面に形成されている。しかし、非活性表面８６０ＮＳは、基材８６０の表面上の任意の場所に形成され得ると理解される。例えば、非活性表面８６０ＮＳ及びポリマー表面８６０はいずれも、基材８６０の上部表面に形成され得る。非活性表面８６０ＮＳは、ポリマー表面８６０Ｓと比較して異なる材料から形成されてもよく、ポリマー表面８６０Ｓと同じ材料から形成され、ただし基材官能基８３２とは異なる官能基で官能化されてもよく、又は、後のプロセス（図８Ｃ）においてバインダーポリマー８０４の官能基８１６との反応が妨げられるように、非官能化或いは非活性化されてもよい。
【０１５５】
溶液浸漬下での気相プラズマ処理のためのプラズマ反応器
図８Ｃは、実施形態に従い、ポリマー基材８６０の少なくとも一部分を液体組成物中へと沈めた後、気相プラズマを液体組成物に印加し、バインダーポリマーのバインダー官能基とポリマー表面の基材官能基との間の化学反応を引き起こし、それによりポリマー表面８６０Ｓ上にバインダー層を形成する工程を示す。容器８５０は、プラズマ反応器８８０内部に設置されている。
【０１５６】
プラズマ反応器８８０は、実施形態に従う、溶液浸漬下での物品の気相プラズマ処理のために構成されている。プラズマ反応器８８０は、溶媒表面の上方で気相原子又は分子にエネルギーを付加しプラズマ生成を開始するために電圧が印加され得る、少なくとも１個の電極を含む。図示された実施形態において、反応器８８０は、上部電極８６２及び下部電極８６４を含み、容器８５０を収容するように構成されている。反応器８８０は、反応器８８０に接続された気体入口８６８の１つ又は複数を通じて、気相プラズマを生成するための少なくとも１種の気体種を受け取るように構成されている。反応器は、反応器内部の圧力を制御するために真空ポンプ（図示せず）に接続されてもよい。特に、反応器は、成分が気相プラズマ処理中に完全に蒸発することがないように、反応器内部の圧力を制御し、溶媒８０８及びバインダーポリマー８３６を含む液体組成物８００Ｃの全ての成分の好適な分圧を維持するように構成されている。例えば、反応器は、例えば、約１００ｍｔｏｒｒ〜約７８０ｔｏｒｒの間、約１ｔｏｒｒ〜約７６０ｔｏｒｒの間、又は約１００ｔｏｒｒ〜約７６０ｔｏｒｒの間に圧力を制御し維持することにより、準大気（ｓｕｂａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ）及び大気条件下でプラズマを生成し維持するように構成されている。
【０１５７】
少なくとも１個の弁８６８を通じて少なくとも１種の気体種を受け取った後、上部電極８６２と下部電極８６４の少なくとも一方を通じて、液体組成物８００Ｃの表面と上部電極８６２との間の一定量の気体に、エネルギー８７６が印加され、それにより液体組成物８００Ｃの表面と上部電極８６２との間にプラズマ８７２が生成される。上部電極８６２及び下部電極８６４は、反応器８８０内部に配置されたものとして図示されているが、上部電極８６２及び／又は下部電極８６４の一方又は両方は、反応器８８０の外部に配置されていてもよいと理解される。
【０１５８】
本明細書において定義される通り、プラズマ反応器の電極は、一定量の気体にエネルギーを付加することができる素子であり、例えば、コンデンサプレート、誘導子コイル等が挙げられる。一般性を失うことなく、一実施形態において、プラズマ反応器は、容量結合プラズマ放電（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）を形成するために第１の電極８６２と第２の電極８６４との間に直流電力又は交流電力が印加される、直流又は交流プラズマ反応器である。プラズマ反応器が直流プラズマ反応器である、いくつかの実施形態において、プラズマ反応器は、直流電力がパルス化された形態で印加され得るパルス化直流プラズマ反応器として構成される。パルス化直流電圧は二極性であっても単極性であってもよい。二極性である場合、直流電圧は、反対極性の振幅が対称であっても非対称であってもよい。直流又は交流電力は、第１の電極８６２及び第２の電極８６４の一方又は両方を通じて印加され得、電源８６６によって駆動され得る。図示された実施形態において、第１の電極８６２及び第２の電極８６４は共に電源８６６に接続されているが、他の実施形態では、２個の電極の一方のみが「ホット」であり、他方は電気的に接地し又は浮遊していてもよいと理解される。加えて、２個の電極の一方が「ホット」でありパルス化直流又は交流電力を受け取る場合、他方の電極は、荷電種が液体組成物８００Ｃに向かって加速できるように、バイアス、例えば直流バイアス下に置かれ得る。
【０１５９】
他の種類のプラズマ生成を用いてもよい。例えば、プラズマ反応器８８０は、いくつかの状況下でプラズマの密度を高め得る時間変動磁場により発生させた電流によりエネルギーが供給される、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）反応器又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ反応器であってもよい。
【０１６０】
溶液浸漬下でポリマー層を形成するための気相プラズマ処理
引き続き図８Ｃを参照すると、気相プラズマ８７２を生成するために、エネルギー８７６が、上部電極８６２と下部電極８６４の少なくとも一方を通じて、液体組成物８００Ｃの表面と上部電極８６２との間の一定量の気体に印加されている。
【０１６１】
図示された実施形態において、基材８６０は、液体組成物８００Ｃがポリマー表面８６０Ｓとプラズマ８７２とを分離するように、液体組成物８００Ｃに完全に沈められている。即ち、バインダーポリマー８３６が付着したポリマー表面８６０Ｓは、プラズマ８７２に直接曝露されることはない。
【０１６２】
図示された実施形態では、ポリマー表面８６０Ｓ全体が液体組成物８００Ｃ中に沈められるように、基材８６０全体が沈められている。ただし、他の実施形態では、基材８６０の一部分のみが液体組成物８００Ｃ中に沈められるように、基材８６０が部分的に沈められる。
【０１６３】
いくつかの実施形態では、プラズマ８７２を生成する前に、１つ又は複数の気体入口８６８を通じて１種又は複数の気体をプラズマ反応器８８０に導入することにより、プラズマ反応器８８０内の気体の組成が調整される。いくつかの実施形態において、一定量の気体は、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ及びＸｅ、又はこれらの混合物等の不活性ガスを含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、一定量の気体は、他の気体のうち、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及びＮＯ、並びにこれらの混合物から選択される１種又は複数の気体を含んでいてもよい。ただし、窒素原子はバインダー官能基（例えば、ＮＨ２）自体により提供されるため、基材官能基と窒素を含有するバインダー官能基との間で化学反応を引き起こすために、Ｎ２又はＮＨ３等の気体を含有する別個の窒素は必要とされないと理解される。
【０１６４】
引き続き図８Ｃを参照すると、液体組成物８００Ｃの表面の上方、例えば液体組成物８００Ｃの真上に、プラズマ８７２が生成されている。図示された実施形態では、前述の電力供給方法の１つを用いて、第１の電極８６２と液体組成物８００Ｃ表面との間に配置された一定量の気体にエネルギーを付加することにより、それらの間にプラズマ８７２が生成されている。例えば、いくつかの実施形態において、電極８６０及び／又は電極８６２の一方又は両方は、交流又はパルス化直流条件下で、約１０ＫＨｚ〜約１ＭＨｚの間の周波数、例えば１００ＫＨｚの調節周波数（ｒｅｇｕｌａｔｅｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）にて、駆動され得る。他の実施形態において、周波数は、より高くてもよく、例えば、調節ＲＦ周波数１３．５６ＭＨｚ、又は調節マイクロ波周波数２．４５ＧＨｚであってもよい。適用バイアスの最高最低振幅は、例えば、約１００Ｖ〜約１００ｋＶの間、又は約１ｋＶ〜約１０ｋＶの間であってもよい。
【０１６５】
プラズマ８７２のグロー放電の各種光学的及び化学的プロセスは、バインダー官能基と基材官能基との間の反応に寄与し得る。例えば、いずれの理論にも拘束されるものではないが、反応は、各種の種、例えばラジカルの、プラズマから液体組成物８００Ｃへの拡散により、少なくとも部分的に促進され得る。加えて、いずれの理論にも拘束されるものではないが、反応は、プラズマ８７２の種の状態（例えば、励起状態及び基底状態）間の各種原子遷移、並びに／又は、可視光線及び紫外線中の光子の放散を引き起こし得る、プラズマ８７２内での各種中性種と荷電種との間の解離及び再結合反応によっても促進され得る。従って、そのような理論に拘束されるものではないが、持続したプラズマ８７２から生成されるプラズマ種及び光子は、バインダーポリマー８３６のバインダー官能基８１６、例えばＮＨ２と、ポリマー表面８６０Ｓの少なくとも一部分の表面官能基、例えばカーボネート基（−Ｏ−（Ｃ＝Ｏ）−Ｏ−）の酸素原子との間に化学反応を引き起こし、図８Ｃに図示された実施形態のように、バインダーポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ  ｂｉｎｄｅｒ）８３６の層がポリマー表面８６０Ｓ上に形成される。
【０１６６】
プラズマがグロー放電を持続しない、他の実施形態が可能である。プラズマが液体組成物８００Ｃの表面の上方でチャンバー空間の外部において生成され、その後、液体組成物８００Ｃの表面の上方の空間に移される、更に他の実施形態が可能である。
【０１６７】
本発明者らは、プラズマ８７２が、約１ミリ秒〜約１時間の間、約１秒〜約１時間の間、約１秒〜約１０分の間、又は約１秒〜約５分の間のプラズマ処理継続時間にわたり、液体組成物８００Ｃの上方で持続されているとき、化学反応が引き起こされることを見出した。前記継続時間中の反応器８８０の圧力は、約１〜約７６０ｔｏｒｒの間の平均圧力下で印加され、一定流量の気体により又は圧力サーボ機構により定常状態で維持されてもよい。
【０１６８】
図８Ａに関して前述したように、容器８５０は、電気絶縁性容器、例えば誘電体容器である。従って、図示された実施形態において、基材８６０及び液体組成物８００Ｃは、下部電極８６４と直接接触することはない。加えて、基材８６０に対しても、液体組成物８００Ｃに対しても、他の直接的な外部電気接続は行われず、その結果、図示された実施形態では、基材８６０は電気的に浮遊している。ただし、他の実施形態では、基材８６０は、独立のバイアス、例えば直流バイアス下で、接地又は配置されてもよい。ただし、基材８６０が電気的に浮遊している場合であっても、プラズマ８７２内の荷電種を液体組成物８００Ｃに向けて速度を変える（ａｌｔｅｒ）（例えば加速する）ために、下部電極８６４は、独立にバイアスをかけられ、例えば直流バイアスをかけられてもよいと理解される。
【０１６９】
前述した各種プラズマ条件の組合せは、ポリマー表面８６０Ｓ上にバインダー層８３６を形成するための、バインダーポリマー８０４（図８Ｂ）とポリマー表面８６０Ｓとの間の化学反応の促進をもたらす。バインダー層８３６は、バインダー官能基８１６と基材官能基８３２との間の化学反応から生じた反応官能基８４０を通じて、ポリマー表面８６０Ｓに化学結合される。図示された実施形態において、バインダーポリマー８０４のＮＨ２基（図８Ｂ）は、ポリマー表面８６０Ｓのカーボネート基（−Ｏ−（Ｃ＝Ｏ）−Ｏ−）の酸素原子と反応し、バインダー層８３６を形成する。
【０１７０】
ナノ粒子溶液の調製
図８Ｄを参照すると、バインダー官能基と基材官能基との間の化学反応を引き起こし、ポリマー表面８６０Ｓに化学的に付着したバインダー層８３６を形成した後は、未反応バインダーポリマーを含有する液体溶液８００Ｃ（図８Ｃ）を容器から廃棄し、基材８６０を洗浄してもよい。その後、基材８６０は、ナノ粒子溶媒８１８及び複数の金属ナノ粒子８２８を含むナノ粒子溶液８００Ｄ中に沈められてもよい。
【０１７１】
ナノ粒子溶液８００Ｄは、好適な溶媒、例えば水溶液、例えば蒸留水であってもよい。金属ナノ粒子８２８は、図２Ａ及び図２Ｂに関して前述した形態を有し、ナノ粒子８２８の凝固を防止できる界面活性剤８３２により安定化させた、好適な金属材料の１つを含んでいてもよい。界面活性剤８３２は、数例を挙げると、クエン酸ナトリウム、アスコルビン酸、４−メルカプト安息香酸、ｍｅｓｏ−２，３−ジメルカプトコハク酸、メルカプトコハク酸、コハク酸、ドデシル硫酸ナトリウム、オクチル硫酸ナトリウム、デカンスルホン酸ナトリウム、リシン、グルコース、セチルトリメチルアンモニウムブロミド（ＣＴＡＢ）、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド、テトラデシルアンモニウムブロミド、テトラオクチルアンモニウムブロミド、テトラヘキシルアンモニウムブロミド、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、及びセチルピリジニウムクロリドから選択される好適な化合物であってもよい。
【０１７２】
ナノ粒子溶液８００Ｄ中で、ナノ粒子８２８は、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの間、例えば約５ｎｍ；約５ｎｍ〜約２０ｎｍの間、例えば約１０ｎｍ；約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの間、例えば約２０ｎｍ；約２０ｎｍ〜約４０ｎｍの間、例えば約３０ｎｍ；約３０ｎｍ〜約５０ｎｍの間、例えば約４０ｎｍ；約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの間、例えば約５０ｎｍ；約５０ｎｍ〜約８０ｎｍの間、例えば約６０ｎｍ；約６０ｎｍ〜約１００ｎｍの間、例えば約８０ｎｍ；約８０ｎｍ〜約１５０ｎｍの間、例えば約１００ｎｍ；約１００ｎｍ〜約２００ｎｍの間、例えば約１５０ｎｍ；約１５０ｎｍ〜約２５０ｎｍの間、例えば約２００ｎｍ；約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの間、例えば約２５０ｎｍ；約２５０ｎｍ〜約４００ｎｍの間、例えば約３００ｎｍ；約３００ｎｍ〜約７００ｎｍの間、例えば約５００ｎｍ；約５００ｎｍ〜約９００ｎｍの間、例えば約７００ｎｍ；又は約７００ｎｍ〜約１１００ｎｍの間、例えば約９００ｎｍとなるように選択されるメジアン径を有していてもよい。メジアン径は、例えば、ナノ粒子８２８の対称の方向の１０２０４つに沿って測定される、ナノ粒子８２８の最小横方向寸法であってもよい。
【０１７３】
いくつかの実施形態において、ナノ粒子８２８のメジアン径は、例えば、約０．１％〜約２％、約２％〜約４％、約４％〜約６％、約６％〜約８％、約８％〜約１０％の比較的狭い標準偏差を有する。
【０１７４】
ナノ粒子８２８の特定のメジアン径は、得られるＬＳＰＲのピーク波長が所望される特定の波長帯にあるように選択され得ると理解される。各種実施形態において、メジアン径は、ＬＳＰＲのピークが、約５１５ｎｍ〜約５２５ｎｍの間、例えば５２０ｎｍ；約５２５ｎｍ〜約５３５ｎｍの間、例えば５３０ｎｍ；約５３５ｎｍ〜約５４５ｎｍの間、例えば５４０ｎｍ；約５４５ｎｍ〜約５５５ｎｍの間、例えば５５０ｎｍ；約５５５ｎｍ〜約５６５ｎｍの間、例えば５６０ｎｍ；約５６５ｎｍ〜約５７５ｎｍの間、例えば５７０ｎｍ；又は約５７５ｎｍ〜約５８５ｎｍの間、例えば５８０ｎｍとなるように選択されてもよい。
【０１７５】
粒径は、特定のＬＳＰＲピーク吸収波長を有するように選択され得、粒径の標準偏差は、図４Ａ及び図４Ｂに関して前述した、特定の幅、例えば１００ｎｍ未満又は８０ｎｍ未満のＬＳＰＲスペクトルを有するように調整され得ると理解される。
【０１７６】
金属ナノ粒子をバインダーポリマーに付着させる工程
図８Ｅを参照すると、ナノ粒子溶媒８１８及び金属ナノ粒子８２８を含むナノ粒子溶液８００Ｅ中に基材８６０を沈めた後、ナノ粒子８２８は、バインダー官能基８１６のうち未反応の又は残っているものに付着している。実施形態に従えば、化学反応は、図８Ｄに関して前述したように、バインダーポリマー８３６をポリマー表面８６０Ｓに付着させた後に存在するバインダー官能基８１６のうち未反応の又は残っているもの、例えば、ＮＨ２との間で生じ、それによりポリマー表面８６０Ｓ上に金属ナノ粒子の層が形成される。図示された実施形態では、基材官能基８３２（図８Ｂ）に付着しているバインダー官能基８１６は、ナノ粒子８２８に付着しているバインダー官能基８１６と同じであるが、バインダー官能基が異なっており、基材官能基８３２又はナノ粒子８２８の一方のみに選択的に付着する、他の実施形態も可能である。
【０１７７】
形成されるとき、ナノ粒子の層は、図８Ｄに関して前述した粒径範囲、標準偏差及びピーク波長のいずれかを有していてもよい。加えて、金属ナノ粒子の層は、ナノ粒子の表面密度及びナノ粒子間距離に少なくとも部分的に基づくＬＳＰＲに合わせて最適化され得る表面密度を有する。一例を挙げると、約１ｎｍ〜約５０ｎｍの間の粒径範囲を有するナノ粒子の場合、表面密度は、約１ｘ１０８／ｃｍ２〜約１ｘ１０１３／ｃｍ２の間、約５ｘ１０８／ｃｍ２〜約５ｘ１０１２／ｃｍ２の間又は約１ｘ１０９／ｃｍ２〜約２ｘ１０１２／ｃｍ２の間であり得る。
【０１７８】
加えて、ナノ粒子は、１ｎｍ〜約１０ｎｍの間、１０ｎｍ〜約１００ｎｍの間、１００ｎｍ〜約１０００ｎｍの間、１０００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍの間又は１０，０００ｎｍ〜約１００，０００ｎｍの間のメジアンナノ粒子間距離（ｍｅｄｉａｎ  ｉｎｔｅｒ−ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）を有し得る。加えて、ナノ粒子は、約０．１％〜約２％の間、約２％〜約４％の間、約４％〜約６％の間、又は約６％〜約８％の間のメジアンナノ粒子間距離標準偏差を有し得る。
【０１７９】
基材表面配向
図８Ｃでは、専ら例示を目的として、プラズマ８７２が液体組成物８００Ｃの表面の上方に生成され、それによりプラズマ８７２に面するポリマー表面８６０Ｓ上でのバインダーポリマー８３６の層の形成を引き起こし又は加速している。ただし、ポリマー層が形成されたポリマー表面がプラズマ８７２に面していないか又は少なくとも部分的にプラズマから逸れた方向に面している、他の実施形態が可能であり、基材８６０が、湾曲、たわみ、円弧、屈曲、弓そり、ねじれ、輪、曲がり目等を有する表面を含む場合があり得る。一例示的例として、図８Ｆにおいて、ポリマー透明基材８６１は、内部（上部、下部、及び側部）表面を有する空洞を有している。基材８６１は、空洞が溶媒８１８／液体組成物８００Ｆで満たされるように、開口部を有していてもよい。図８Ｃの基材８６０と同様に、溶媒８１８／液体組成物８００Ｆ中に沈められているとき、基材８６１の空洞の内側表面は、プラズマ（図８Ｃと同様であり、図示せず）と接触せず、溶媒８１８／液体組成物８００Ｆによりプラズマから分離されている。加えて、内側表面は、溶媒８１８／液体組成物８００Ｆにより分離されていることに加えて、基材８６１自体の上部部分によりプラズマから更に分離されている。空洞内部の下部表面はプラズマに面し、空洞内部の上部表面はプラズマから逸れる方向に面し、空洞内部の側部表面は溶媒８１８／液体組成物８００Ｆの水平表面から一定の角度、例えば９０°をなす方向に配向されている。図８Ａ〜図８Ｅに関して前述した条件と同様のプロセス条件下で処理されるとき、上部、下部、及び側部表面は、実質的に均一の厚みを有するバインダーポリマー８３６層を有することが有利であり、平均すると、異なる表面のバインダーポリマー８３６の層の厚さは、互いの約１０％以内、又は互いの約５％以内である。加えて、上部、下部、及び側部表面のナノ粒子の表面密度の差は、約１０％未満、又は約５％未満であり得る。
【０１８０】
自動校正ＬＳＰＲ測定システム及び方法
図２Ａ及び図２Ｂに関して前述した試料に対してＬＳＰＲ測定を行うとき、多くの場合、ポリマー基材に付着した標的分子の量に関する定量的情報が必要になる。しかし、ＬＳＰＲ測定からの信号は、例えば温度等の外部条件の変動により、大きく変動することがあるため、標的分子の量の定量が妨げられることが多い。以下では、自動校正ＬＳＰＲ測定システム及び関連測定方法が記載され、ここでは、環境の変化に伴って試料と同様の量だけ変動する基準が有利に用いられ、ＬＳＰＲ測定が行われるたびにＬＳＰＲ信号の増減が自動校正される。
【０１８１】
自己校正ＬＳＰＲ測定システム
図９は、実施形態に従う、試験媒体の表面に付着し得る標的分子を検出するための自動校正局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）測定システム９００を示す。自動校正ＬＳＰＲシステム９００は、第１の基準試験媒体９０２、試料測定試験媒体９０４、及び第２の基準試験媒体９０６を含む。図３Ｅ及び図３Ｆ並びに図６Ｂ〜図６Ｄに関して前述したＬＳＰＲ測定システム及び方法と同様に、自動校正ＬＳＰＲシステム９００は、入射光９１４により媒体９０２、９０４及び９０６のそれぞれを照明するように構成された複数の光源９１０、並びに媒体９０２、９０４及び９０６のそれぞれを透過した光９３８を検出するように構成された複数の光検出器９３０を含む。
【０１８２】
媒体９０２、９０４及び９０６のそれぞれは、第１の基準被覆分析領域９４８、試料被覆分析領域９６８、及び第２の基準被覆分析領域９８８を有する、それぞれの基材９４０、９６０及び９８０を有する。媒体９０２、９０４及び９０６のそれぞれは、非被覆部分９４２、９６２及び９８２を有していてもよい。分析領域９４８、９６８及び９８８のそれぞれは、前述した透明ポリマー材料を含むそれぞれの分析領域表面を有する。被覆分析領域９４８、９６８及び９８８の表面の少なくとも一部分は、図８Ａ〜図８Ｆに関して前述した方法を用いて、そこに形成された金属ナノ粒子の層（明確にするために図示せず）を有する。加えて、媒体９０２、９０４及び９０６のそれぞれは、それぞれの基材９４０、９６０及び９８０の少なくとも被覆分析領域９４８、９６８及び９８８を、検出される標的分子を含有する液体溶液９３６中に保持し沈めるように構成された、容器９３２内に設置されるように構成されている。
【０１８３】
試料測定試験媒体９０４の試料被覆分析領域９６８は、図３Ｅ及び図３Ｆ並びに図６Ｂ〜図６Ｄに関して前述したのと同様に、液体溶液９３６中の標的分子が捕捉分子により捕捉され得るように、試料被覆分析領域９６８上のナノ粒子の少なくともいくつかに形成された捕捉分子（明確にするために図示せず）を有する。被覆分析領域９６８とは異なり、第１及び第２の被覆基準分析領域９４８及び９８８は、標的分子を捕捉するようには構成されていない。代わりに、第１及び第２の被覆基準分析領域９４８及び９８８は、ナノ粒子に付着した基準分子の第１及び第２の濃度を有する。
【０１８４】
いくつかの実施形態において、全ての被覆分析領域９４８、９６８及び９８８は、図８Ｅに関して前述した材料、形状及び濃度のものであり得る、同一又は類似の標準タイプ及び濃度のナノ粒子を有する。他の実施形態において、被覆分析領域９４８、９６８及び９８８のそれぞれは、異なる標準タイプ及び／又は濃度のナノ粒子を有する。
【０１８５】
第１の基準被覆分析領域９４８は、当該領域のナノ粒子に付着した基準分子の第１の既定濃度を有し、当該領域から測定された第１の基準屈折率が、試料被覆分析領域９６８から測定された屈折率と比較して異なる、例えば小さくなるようになっている。第２の基準被覆分析領域９８８は、当該領域のナノ粒子に付着した基準分子の第２の既定濃度を有し、当該領域から測定された第２の基準屈折率が、試料被覆分析領域９６８から測定された屈折率と比較して異なる、例えば大きくなるようになっている。いくつかの実施形態において、第１及び第２の基準被覆分析領域９４８及び９８８に付着した基準分子は、同種の基準分子を含む。ただし、他の実施形態では、第１及び第２の基準被覆分析領域９４８及び９８８に付着した基準分子は、異種の基準分子であってもよい。加えて、第１の分析領域９４８及び第２の分析領域９８８の一方又は両方に付着した基準分子は、標的分子と比較して同種又は異種の分子を含んでいてもよい。ただし、被覆分析領域９４８、９６８及び９８８に付着した分子の種類に関わらず、３つ全ての被覆分析領域は、標的分子を含有し得る溶液９３６と接触するように構成されている一方で、試料被覆分析領域９６８だけは標的分子を捕捉するように構成されており、第１及び第２の基準被覆分析領域９４８及び９８８は、そこに既に形成された基準分子の既定濃度を有し、標的分子を更に捕捉するようには構成されていない。
【０１８６】
試験媒体９０２、９０４及び９０６は、図３Ｅ及び図３Ｆに関して記載したものに類似した透過性ＬＳＰＲ測定システムとして構成されているが、試験媒体９０２、９０４及び９０６のそれぞれは、図６Ａ〜図６Ｄに関して前述した減衰全内部反射（ＡＴＲ）ＬＳＰＲ測定試験媒体のいずれか１つとして構成されてもよいと理解される。これらの実施形態において、試験媒体９０２、９０４及び９０６のそれぞれは、光導構造体（図６Ｂ〜図６Ｄの光導構造体６６０ａ〜６６０ｃに類似するもの）を透過する光が、前述した減衰全内部反射（ＡＴＲ）条件下で、第１の末端と第２の末端との間を誘導されるように構成されている。即ち、溶液９３６の第２の屈折率ｎ２は、被覆分析領域９４８、９６８及び９８８の第１の屈折率ｎ１よりも小さいため、光導構造体中を進む光束は、全内部反射され、光導構造体の内部に戻る。
【０１８７】
ＬＳＰＲ自己校正測定方法
図１０を参照すると、被覆分析領域９４８、９６８及び９８８のそれぞれから測定された有効屈折率及び吸光度又はピーク波長値に基づいて、試料被覆分析領域９６８に付着した標的分子の濃度を決定することができる。図１０は、実施形態に従い、標的分子の公知の濃度を有する対照媒体を用いることにより、温度変動条件下で、ポリマーベース試験媒体に付着した標的分子の量を定量する方法を示すグラフ１０００を示す。ｘ軸は有効屈折率（ｎｅｆｆ）を表し、ｙ軸は吸光度又はピーク吸収波長（λｍａｘ）を表している。曲線１０１０ａ及び１０１０ｂは、２つの異なる温度、第１の温度Ｔ１及び第２の温度Ｔ２＞Ｔ１にて、それぞれ測定された、吸光度又はλｍａｘ対有効屈折率曲線を表している。
【０１８８】
Ｔ１にて測定された第１の曲線１０１０ａは、図９に関して前述した、第１の基準被覆分析領域９４８、試料被覆分析領域９６８及び第２の基準被覆分析領域９８８をそれぞれ有する、試験媒体９０２、９０４及び９０６の測定された屈折率に対応する、第１の基準低温吸光度１０１２ａ、試料低温吸光度１０１４ａ、及び第２の基準低温吸光度１０１６ａを示している。図９に関して前述したように、第１の基準被覆分析領域９４８及び第２の基準被覆分析領域９８８は、それぞれ、試料被覆分析領域９６８の標的分子の濃度よりも低い又は高い基準分子の既定濃度を有する。
【０１８９】
本発明者らは、基準分子が標的分子と同種であるか異種であるかに関わらず、標的分子の濃度は屈折率に線形的に依存することを見出した。従って、試料被覆分析領域９６８の測定された屈折率値に基づいて、試料被覆分析領域９６８に付着した標的分子の定量が決定され得る。
【０１９０】
本発明者らは、測定された吸光度及び／又はλｍａｘは、高温にて測定されるとき、所与の屈折率値において、より高いことも見出した。更に、本発明者らは、吸光度及び／又はλｍａｘの上方シフトの量は、標的又は基準分子の濃度に依存しないことを見出した。即ち、傾き１０１８ａ及び１０１８ｂは、第１の曲線１０１０ａと第２の曲線１０１０ｂとの間で、ほぼ同じである。従って、Ｔ２にて測定された第２の曲線１０１０ｂは、第１の基準高温吸光度１０１２ｂ、試料高温吸光度１０１４ｂ及び第２の基準高温吸光度１０１６ｂが、第１の基準低温吸光度１０１２ａ、試料低温吸光度１０１４ａ及び第２の基準低温吸光度１０１６ａと比較して、吸光度及び／又はλｍａｘの同じ値だけそれぞれシフトしていることを示している。従って、標的分子の濃度の定量的測定値は、異なる温度での基準被覆分析領域９４８及び９８８の基準濃度を独立に決定することなく、異なる温度での試料被覆分析領域９６８から、正確に決定され得る。
【０１９１】
本発明は特定の実施形態の観点から記載されているが、本明細書に記載された特徴及び利点の全てを実現しているわけではない実施形態を含めて、当業者にとって明らかである他の実施形態も、本発明の範囲にある。更に、更なる実施形態を提供するために、前述した各種実施形態を組み合わせることもできる。加えて、一実施形態の文脈で示された特定の特徴を他の実施形態に組み込むこともできる。従って、本発明の範囲は、添付された特許請求の範囲に対する参照のみによって規定される。
【符号の説明】
【０１９２】
１００  平面型金属薄膜ベースＳＰＲ測定システム
１１０  光源
１１４  入射光
１１８  反射光
１２０  試験媒体
１２４  基材
１２８  金属薄膜
１３０  検出器
１３２  チャネル
１３６  ガラスブロック
１４０  標的分子
１４２  溶液
１４４  捕捉分子
１４８  分析部
２００  局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）測定システム
２１０  光源
２１４  入射光
２２０  試験媒体
２５０  容器
２５０Ｓ  内面
２２４  基材
２２４Ｓ  内面
２２８  金属ナノ粒子層
２３０  光検出器
２３２  溶液
２３８  透過光
２４０  標的分子
２４４  捕捉分子
２５０Ｓ  内面
３００  ＬＳＰＲ試験媒体
３００ａ  試験媒体
３００ｂ  試験媒体
３０４  外ケース
３１０  前側部分
３１４  入射光
３２０  後側部分
３２８  金属ナノ粒子
３３０  前側開口部
３３２  溶液
３３４  後側開口部
３３８  透過光
３３８ａ  透過光
３３８ｂ  透過光
３４０  光入射窓（図３Ａ）
３４０  標的分子（図３Ｅ／Ｄ）
３４４  捕捉分子
３５０  容器
３５４  光入射窓
３５８  光出射窓
３６０  試料基材
３６０ａ  試料基材
３６０ｂ  試料基材
３６０ｃ  試料基材
３６２  取っ手領域
３６４  開口部
３６８  分析領域
３６８Ｆ  前側表面
３６８Ｒ  後側表面
４００  グラフ
４１０ａ  吸光度スペクトル
４２０ａ  吸光度スペクトル
４３０ａ  吸光度スペクトル
４５０  グラフ
４６０  吸収差スペクトル
４７０  吸収差スペクトル
４８０  吸収差スペクトル
６００  ＬＳＰＲ試験媒体
６１０  光源
６１４  入射光
６２８  金属ナノ粒子層
６２８ａ  容器
６２８ｂ  容器
６２８ｃ  容器
６３０  光検出器
６３２  溶液
６３８  透過光
６４０  標的分子
６４４  捕捉分子
６６０  光導構造体
６６０ａ  光導構造体
６６０ｂ  光導構造体
６６０ｃ  光導構造体
６６０Ｓ  端部表面
６６０Ｓ１  第１の表面
６６０Ｓ２  第２の表面
６６２ａ  光導部分
６６２ｂ  光導部分
６６２ｃ  光導部分
６６４ａ  非被覆部分
６６４ｂ  非被覆部分
６６４ｃ  非被覆部分
６６４Ｓ１  表面
６６４Ｓ２  表面
６６４Ｓ３  表面
６６８ａ  分析領域
６６８ｂ  分析領域
６６８ｃ  分析領域
６６８Ｓ１  分析領域表面
６６８Ｓ２  分析領域表面
６６８Ｓ３  分析領域表面
６７０  試験媒体
６７２  全内部反射光
６８０  試験媒体
６８２  湾曲部分
６９０  試験媒体
６９２  回旋部分
６９４  光復路部分
８００Ａ  液体組成物
８００Ｂ  液体組成物
８００Ｃ  液体組成物
８００Ｄ  ナノ粒子溶液
８００Ｅ  ナノ粒子溶液
８００Ｆ  液体組成物
８０４  バインダーポリマー
８０８  溶媒
８１６  バインダー官能基
８１８  ナノ粒子溶媒
８２８  金属ナノ粒子
８３２  基材官能基（図８Ｂ）
８３２  界面活性剤（図８Ｅ）
８３６  バインダーポリマー
８４０  反応官能基
８５０  誘電体容器
８６０  ポリマー基材
８６０ＮＳ  非活性表面
８６０Ｓ  ポリマー表面
８６１  基材
８６２  上部電極
８６２  第１の電極
８６４  下部電極
８６４  第２の電極
８６６  電源
８６８  気体入口
８６８  弁
８７２  プラズマ
８７６  エネルギー
９００  自動校正ＬＳＰＲシステム
９０２  第１の基準試験媒体
９０４  試料測定試験媒体
９０６  第２の基準試験媒体
９１０  光源
９１４  入射光
９３０  光検出器
９３２  容器
９３６  液体溶液
９３８  光
９４０  基材
９４２  非被覆部分
９４８  第１の基準被覆分析領域
９４８  基準被覆分析領域
９６０  基材
９６２  非被覆部分
９６８  試料被覆分析領域
９６８  試料被覆分析領域
９８０  基材
９８２  非被覆部分
９８８  第２の基準被覆分析領域
１０１０ａ  第１の曲線
１０１０ｂ  第２の曲線
１０１２ａ  第１の基準低温吸光度
１０１２ａ  第１の基準低温吸光度
１０１２ｂ  第１の基準高温吸光度
１０１４ａ  試料低温吸光度
１０１４ａ  試料低温吸光度
１０１４ｂ  試料高温吸光度
１０１６ａ  第２の基準低温吸光度
１０１６ａ  第２の基準低温吸光度
１０１６ｂ  第２の基準高温吸光度
１０１８ａ  傾き
１０１８ｂ  傾き
【図１】
2020187135.tif 000003
【図２Ａ】
2020187135.tif 000004
【図２Ｂ】
2020187135.tif 000005
【図３Ａ】
2020187135.tif 000006
【図３Ｂ】
2020187135.tif 000007
【図３Ｃ】
2020187135.tif 000008
【図３Ｄ】
2020187135.tif 000009
【図３Ｅ３Ｆ】
2020187135.tif 000010
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年9月3日(2020.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダーポリマー及び溶媒を含む液体組成物を用意する工程であって、バインダーポリマーがアミン末端を含む、工程と；
アミンと反応する１つ又は複数の官能基を有するポリマー表面を含む物品を用意する工程であって、前記ポリマー表面が無機ガラス又は結晶性物質を含まない、工程と；
液体組成物をポリマー表面に接触させる工程と；
ポリマー表面に接触している液体組成物に対して気相プラズマを１ミリ秒〜１分の時間印加して、液体組成物が気相プラズマとポリマー表面との間に挟入されるようにし、バインダーポリマーのアミン末端とポリマー表面の１つ又は複数の官能基との間に、化学反応によりポリマー表面に結合された架橋型バインダーポリマーを含むポリマー層を形成する工程であって、気相プラズマがアンモニアを含まない、工程と
を含む、ポリマー基材上にポリマー層を形成する方法。
【外国語明細書】
2020187135000001.pdf