(57)【要約】【課題】フォトニック結晶基板に照射された光の反射光の変化を早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量を少なくできる標的物質捕捉装置を提供すること。【解決手段】標的物質を含む流体が流れる流路と、標的物質を捕捉し、照射された光を反射する反射面を有する基板とを含む。基板は、流体の一部が少なくとも反射面を通過するように流路内に配置され、流路を通過した流体は、流路に反復して導かれる。【選択図】図１
2014215289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標的物質を含む流体が流れる流路と、
前記標的物質を捕捉し、照射された光を反射する反射面を有する基板と、を含み、
前記基板は、前記流体の一部が少なくとも前記反射面を通過するように前記流路内に配置され、
前記流路を通過した前記流体は、前記流路に反復して導かれることを特徴とする標的物質捕捉装置。
【請求項２】
前記流路は、前記流体が流入する供給口及び前記流体が流出する排出口を含み、
前記排出口から排出された前記流体は、前記供給口から前記流路に導かれ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。
【請求項３】
標的物質を含む新たな流体を溜めておく容器をさらに含み、
前記新たな流体は、前記供給口から前記流路に導かれることを特徴とする請求項２に記載の標的物質捕捉装置。
【請求項４】
板状の台と、
前記台の表面に対して垂直方向に前記台の上に重なり、開口部を有する薄板と、
前記台の表面に対して垂直方向に前記薄板の上に重なる板状のカバーと、をさらに含み、
前記流路は、前記台、前記開口部の内壁及び前記カバーで囲まれる空間であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の標的物質捕捉装置。
【請求項５】
前記供給口及び前記排出口は、前記台に設けられた貫通孔であることを特徴とする請求項４に記載の標的物質捕捉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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ーが知られている（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ーは、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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】「Periodic  nanohole  arrays  with  shape-enhanced  plasmon  resonance」:Antoine  Lesuffleur,  Hyungsoon  Im,  Nathan  C.  Lindquist  and  Sang-Hyun  Oh,  Received  16  April  2007;  accepted  17  May  2007;  published  online  13  June  2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１には、バイオセンサーを用いたリアルタイム測定を行ったことが記載されている。非特許文献１では、流路の中の溶液に曝されたフォトニック結晶基板に照射された光の反射光を、一定時間毎に観察している。一般的に、フォトニック結晶基板に照射された光の反射光の変化は、溶液の流速が大きいほど早くなる。しかし、溶液の流速を大きくすると、フォトニック結晶基板と反応せずに通過する溶液の量が多くなり、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量が多くなる。このため、フォトニック結晶基板に照射された光の反射光の変化を早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量を少なくできる標的物質捕捉装置が望まれる。
【０００５】
本発明は、フォトニック結晶基板に照射された光の反射光の変化を早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量を少なくできる標的物質捕捉装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、標的物質を含む流体が流れる流路と、前記標的物質を捕捉し、照射された光を反射する反射面を有する基板と、を含み、前記基板は、前記流体の一部が少なくとも前記反射面を通過するように前記流路内に配置され、前記流路を通過した前記流体は、前記流路に反復して導かれることを特徴とする標的物質捕捉装置である。
【０００７】
本発明に係る標的物質捕捉装置は、流体を反復して反射面に導く。このようにすることで、フォトニック結晶基板と反応せずに通過した溶液は、フォトニック結晶基板と反応する機会を反復して得ることができる。このため、溶液の流速を大きくしても、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量は増加しない。したがって、本発明に係る標的物質検出装置は、フォトニック結晶基板に照射された光の反射光の変化を早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な流体の量を少なくできる。
【０００８】
本発明において、前記流路は、前記流体が流入する供給口及び前記流体が流出する排出口を含み、前記排出口から排出された前記流体は、前記供給口から前記流路に導かれることが好ましい。このようにすることで、流体を流動させるための動力を流路の外部に設置することができる。流路は非常に小さいため、動力が流路の外部に設置できると、標的物質捕捉装置の組立てが容易となる。したがって、本発明に係る標的物質捕捉装置は、組立てが容易であり、フォトニック結晶基板に照射された光の反射光の変化をさらに早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量を少なくできる。
【０００９】
本発明において、標的物質を含む新たな流体を溜めておく容器をさらに含み、前記新たな流体は、前記供給口から前記流路に導かれることが好ましい。
【００１０】
本発明において、板状の台と、前記台の表面に対して垂直方向に前記台の上に重なり、開口部を有する薄板と、前記台の表面に対して垂直方向に前記薄板の上に重なる板状のカバーと、をさらに含み、前記流路は、前記台、前記開口部の内壁及び前記カバーで囲まれる空間であることが好ましい。このようにすることで、流路を薄く形成することができ、反射面に対して垂直な平面を流れる流体の流速を大きくすることができる。これにより、標的物質が迅速に反射面に捕捉される。したがって、本発明に係る標的物質捕捉装置は、フォトニック結晶基板に照射された光の反射光の変化をさらに早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量を少なくできる。
【００１１】
本発明において、前記供給口及び前記排出口は、前記台に設けられた貫通孔であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の標的物質捕捉装置を用いれば、フォトニック結晶基板に照射された光の反射光の変化を早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、標的物質検出装置を示す図である。
【図２】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】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】図４は、図３におけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【図５】図５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６】図６は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。
【図７】図７は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。
【図８】図８は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。
【図９】図９は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。
【図１０】図１０は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。
【図１１】図１１は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。
【図１２】図１２は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。
【図１３】図１３は、フォトニック結晶バイオセンサーの説明図である。
【図１４】図１４は、流路に溶液を供給する前の状態を示す図である。
【図１５】図１５は、溶液を循環させている状態を示す図である。
【図１６】図１６は、溶液の循環方法の一例を示すフローチャートである。
【図１７】図１７は、他の循環方法の説明図である。
【図１８】図１８は、実施例と比較例における、時間に対する反射光の極値の波長の変化を示す図である。
【図１９】図１９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ーに光を照射する例を示す図である。
【図２０】図２０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２１】図２１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２２】図２２は、標的物質検出方法のフローチャートである。
【図２３】図２３は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。
【図２４】図２４は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。
【図２５】図２５は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。
【図２６】図２６は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。
【図２７】図２７は、フォトニック結晶バイオセンサーの原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
［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ー（標的物質捕捉装置）１１と、光検出部１２と、制御部１３とを含む。
【００１６】
（フォトニック結晶バイオセンサー）
まず、フォトニック結晶バイオセンサー１１について説明する。フォトニック結晶バイオセンサー１１は、金属膜被覆フォトニック結晶２１と、台２３と、薄板２４と、カバー２２とを含む。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ー１１は、台２３と薄板２４とカバー２２とによって形成される流路２４ｆ内に金属膜被覆フォトニック結晶２１を配置した構造である。
【００１７】
（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で被覆した基板である。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。なお、金属膜２６はなくてもよい。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
図２〜図４に示すように、フォトニック結晶２５は、表面２７に非平坦部２８Ａが周期的に形成された反射面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。
【００２１】
第１の実施形態において、非平坦部２８Ａは、三角形の格子状に配置されている。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の中心間の距離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。
【００２２】
フォトニック結晶２５の形状及び寸法は、図２〜図４に示した形状に限定されることはない。例えば、矩形または多角形の格子状のパターンが表面に形成されたもの、または平行線状パターンや波型形状パターンなどが表面に形成されたもの（詳しくは周期的にパターンなどが形成されたもの）、またはこれらのパターンの組合せであってもよい。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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が周期的に形成されている。非平坦部２８Ｂは、非平坦部２８Ａと同様、三角形の格子状に配置されている。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の中心間の距離Ｃ２は、非平坦部２８Ａの中心間の距離Ｃ１と同様、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。
【００３４】
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５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５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。
【００３５】
（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６、図７及び図８は、フォトニック結晶の作製方法を説明する図である。図６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７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。
【００３６】
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。
【００３７】
フォトニック結晶２５を作製した後、図８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。
【００３８】
（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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に接触させ、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。
【００４２】
フォトニック結晶バイオセンサー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ー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。
【００４３】
フォトニック結晶バイオセンサー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ー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。
【００４４】
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。
【００４５】
次に、フォトニック結晶バイオセンサー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９〜図１２は、フォトニック結晶バイオセンサー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ー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ー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。
【００４６】
図９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。
【００４７】
次に、図１０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。
【００４８】
次に、図１１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ー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。
【００４９】
次に、図１に示す光検出部１２は、図１２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に示す制御部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。
【００５０】
フォトニック結晶バイオセンサー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。
【００５１】
フォトニック結晶バイオセンサー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ー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。
【００５２】
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。
【００５３】
（フォトニック結晶バイオセンサーの作製方法）
次に、図１に示すフォトニック結晶バイオセンサー１１の作製の一例について説明する。図１３は、フォトニック結晶バイオセンサー１１の説明図である。フォトニック結晶バイオセンサー１１は、金属膜被覆フォトニック結晶２１と、２つの貫通孔２３ｈを有する台２３と、開口部２４ｈを有する薄板２４と、カバー２２とを含む。金属膜被覆フォトニック結晶２１は、台２３の表面に設置される。その後、薄板２４を台２３の上に設置する。例えば、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の幅は、開口部２４ｈの幅よりも小さい。このため、金属膜被覆フォトニック結晶２１は、台２３と薄板２４とにより挟まれ固定される。カバー２２は、薄板２４の上に設置される。上記の構成により、フォトニック結晶バイオセンサー１１は、台２３、薄板２４の開口部２４側の内壁及びカバー２２で囲まれて形成される流路２４ｆを有する。開口部２４側の内壁とは、薄板２４と開口部２４ｈとの境界面である、薄板２４の内壁をいう。これにより、金属膜被覆フォトニック結晶２１は、流路２４ｆ内に配置される。標的物質を含む溶液は、流路２４ｆの内部を流れることで、反射面２９が標的物質を捕捉する。なお、流路２４ｆは上記のように形成されなくてもよい。例えば、流路２４ｆは、台２３の表面の一部を窪ませて形成されていてもよい。
【００５４】
フォトニック結晶バイオセンサー１１は、供給管７６と、排出管７７とを含む。溶液は、供給管７６から流路２４ｆに供給される。溶液は、排出管７７を通じて流路２４ｆから排出される。
【００５５】
台２３およびカバー２２の材質などは、特に限定されない。ただし、カバー２２および台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。
【００５６】
２つの貫通孔２３ｈのうち一方は、流路２４ｆに溶液を流入させる供給口である。２つの貫通孔２３ｈのうち他方は、流路２４ｆから溶液を流出させる排出口である。先端にコネクタ７９を有する供給管７６は、２つの貫通孔２３ｈのうち一方に接続される。先端にコネクタ７９を有する排出管７７は、２つの貫通孔２３ｈのうち他方に接続される。溶液は、供給管７６を介して流路２４ｆに流入し、排出管７７を介して流路２４ｆから流出する。また、コネクタ７９は、２つの貫通孔２３ｈを塞ぐ。このため、コネクタ７９は、溶液が流路２４ｆから漏出する可能性を低減する。なお、貫通孔２３ｈ、供給管７６及び排出管７７はなくてもよい。貫通孔２３ｈ、供給管７６及び排出管７７がない場合でも、例えば、流路２４ｆが円環状に形成されていれば、溶液は流路２４ｆを循環する。また、貫通孔２３ｈは３つ以上あってもよい。
【００５７】
フォトニック結晶バイオセンサー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ー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。
【００５８】
すなわち、フォトニック結晶バイオセンサー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ー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ー１１は、カバー２２を含むことで、カバー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ー１１の反射面２９との距離を一定にすることができる。
【００５９】
また、フォトニック結晶バイオセンサー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ー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、マーカーをカバー２２、台２３に付けてもよい。
【００６０】
（溶液の循環方法）
図１４は、流路２４ｆに溶液を供給する前の状態を示す図である。図１５は、溶液を循環させている状態を示す図である。フォトニック結晶バイオセンサー１１は、ポンプ７１と、弁７４と、供給管７５と、排出管７８と、容器７２と新たな溶液７３を含む。図１４に示すように、供給管７６は、弁７４の内部の通路７４ａを介して供給管７５と接続されている。供給管７５の端部７５ｅは、容器７２に溜められた新たな溶液７３に浸されている。排出管７７は、弁７４の内部の通路７４ｂを介して排出管７８に接続されている。制御部１３は、弁７４に接続されており、溶液を導く方向を切り替えることができる。また、第１の実施形態においては、ポンプ７１は、排出管７７に設けられている。ポンプ７１は、流路２４ｆに負圧をかける機能を発揮する。なお、ポンプ７１は、供給管７６に設けられていてもよい。ポンプ７１が供給管７６に設けられる場合、ポンプ７１は、流路２４ｆに正圧をかける機能を発揮する。
【００６１】
図１６は、第１の実施形態に係る溶液の循環方法の一例を示すフローチャートである。以下、溶液の循環方法について説明する。まず、ステップＳ１では、ポンプ７１で容器７２に溜められた溶液を流路２４ｆに送る。ポンプ７１が作動すると、流路２４ｆに負圧がかかる。このため、流路２４ｆと接続されている供給管７６、７５にも圧力が伝わり、容器７２に溜められた新たな溶液７３は、供給管７５の端部７５ｅから吸い上げられる。その結果、流路２４ｆに溶液が流入する。その後、溶液は、反射面２９の上部の空間２１ｕを通過し、排出管７７を介して通路７４ｂに達する。
【００６２】
次に、ステップＳ２では、弁７４を切り替えて溶液を循環させる。通路７４ｂが溶液で満たされると、制御部１３は、弁７４を切り替える。これにより、図１５に示すように、供給管７６と排出管７７とは、通路７４ｂを介して接続される。溶液は、供給管７６、流路２４ｆ及び排出管７７を通って循環する。流路２４ｆを通過した溶液は、流路２４ｆに反復して導かれる。これにより、反射面２９の上部の空間２１ｕを通過した溶液は、反射面２９の上部の空間２１ｕに反復して導かれる。溶液が反射面２９の上部の空間２１ｕを通過すると、溶液に含まれる標的物質の一部は、反射面２９に捕捉される。しかし、反射面２９に捕捉されずに反射面２９の上部の空間２１ｕを通過する標的物質も存在する。溶液を循環させることにより、反射面２９は、捕捉されずに反射面２９の上部の空間２１ｕを通過した標的物質を捕捉する機会を反復して得ることができる。
【００６３】
次に、ステップＳ３では、反射光の測定終了後に、供給管７５の端部７５ｅを容器７２に溜められた新たな溶液７３から引き揚げ、弁７４を切り替える。弁７４を切り替えると、排出管７７は、通路７４ｂを介して排出管７８に接続される。これにより、流路２４ｆ、供給管２６及び排出管７７の内部の溶液は、排出管７８の端部７８ｅから排出される。
【００６４】
また、溶液の循環方法は、上記の方法でなくてもよい。図１７は、他の循環方法の説明図である。例えば、溶液の循環方法は、図１７に示す構成を用いた方法でもよい。図１７に示すように、供給管７６の端部７６ｅ及び排出管７７の端部７７ｅは、容器７２に溜められた新たな溶液７３に浸されている。この状態でポンプ７１を作動させると、流路２４ｆに負圧がかかる。このため、流路２４ｆと接続されている供給管７６にも圧力が伝わり、容器７２に溜められた新たな溶液７３は、供給管７６の端部７６ｅから吸い上げられる。その結果、流路２４ｆに溶液が流入する。その後、溶液は、排出管７７の端部７７ｅから排出され容器７２の中に流入する。なお、ポンプ７１は、供給管７６に設けられていてもよい。この場合は、ポンプ７１は、流路２４ｆに正圧をかける機能を発揮する。
【００６５】
第１の実施形態に係るフォトニック結晶バイオセンサー１１において、反射面２９の上部の空間２１ｕを通過した溶液は、反射面２９の上部の空間２１ｕに反復して導かれる。このようにすることで、金属膜被覆フォトニック結晶２１と反応せずに反射面２９の上部の空間２１ｕ通過した溶液は、金属膜被覆フォトニック結晶２１と反応する機会を反復して得ることができる。このため、溶液の流速を大きくしても、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量は増加しない。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ー１１は、金属膜被覆フォトニック結晶２１に照射された光の反射光の変化を早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量を少なくできる。
【００６６】
また、第１の実施形態に係るフォトニック結晶バイオセンサー１１において、溶液は、供給管７６から流路２４ｆに供給される。溶液は、排出管７７を通じて流路２４ｆから排出される。このようにすることで、溶液を運動させるためのポンプ７１を流路２４ｆの外部に設置することができる。流路２４ｆは非常に小さいため、ポンプ７１が流路２４ｆの外部に設置できると、フォトニック結晶バイオセンサー１１の組立てが容易となる。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ー１１は、組立てが容易であり、金属膜被覆フォトニック結晶２１に照射された光の反射光の変化をさらに早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量を少なくできる。
【００６７】
また、第１の実施形態に係るフォトニック結晶バイオセンサー１１は、台２３、薄板２４の開口部２４側の内壁及びカバー２２で囲まれて形成される流路２４ｆを有する。このようにすることで、流路２４ｆを薄く形成することができ、反射面２９の上部の空間２１ｕを通過する溶液の流速を大きくすることができる。これにより、標的物質が迅速に反射面２９に捕捉される。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ー１１は、金属膜被覆フォトニック結晶２１に照射された光の反射光の変化をさらに早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量を少なくできる。
【００６８】
次に、図１に示す標的物質検出装置を用いた実験結果を説明する。実施例は、上述した循環方法を用いて、反射光のリアルタイム測定を行った実験の結果である。実施例は、単位時間当たりに流す量が３００μｌ／ｍｉｎ、レイノルズ数が４．０となるように、流路２４ｆに溶液を循環させた実験の結果である。実施例において、流路２４ｆに流すために使用した溶液の量は１．５ｍｌである。また、比較例は、溶液を流さずに静置させた状態で、反射光のリアルタイム測定を行った実験の結果である。実施例及び比較例はともに、反射面２９にビオチンを固定し、１００ｎＭのアビジンを反応させた。図１８は、実施例と比較例における、時間に対する反射光の極値の波長の変化を示す図である。溶液は、時間Ｔｓから反射面２９に接触し始める。実施例と比較例を比較すると、実施例の方が迅速に反応していることがわかる。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ー１１は、金属膜被覆フォトニック結晶２１に照射された光の反射光の変化を早くしながら、平衡状態に達するまでに必要な溶液の量を少なくできる。
【００６９】
また、溶液の流速と流路２４ｆの断面形状の関係は、レイノルズ数が０．０１以上２０００以下となる関係であることが好ましい。レイノルズ数が２０００以下である場合、乱流成分が発生しにくいため、反射光の測定結果にノイズが発生する可能性が低くなるためである。また、レイノルズ数が２０００以下である場合、流路２４ｆに大きな圧力が加わりにくいため、溶液が流路２４ｆから漏れる可能性が低くなるためである。さらに、溶液の流速と流路２４ｆの断面形状の関係は、レイノルズ数が０．０１以上１０００以下となる関係であることが好ましい。レイノルズ数が１０００以下である場合、安定した層流になりやすいため、反射光の測定結果にノイズが発生する可能性がさらに低くなるためである。
【００７０】
（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。
【００７１】
図１９は、光検出部１２がフォトニック結晶バイオセンサー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ー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。
【００７２】
図２０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。
【００７３】
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、制御部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。
【００７４】
次に、光検出部１２の評価条件を説明する。図２１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２１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が露出する部分の直径を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。
【００７５】
（制御部１３）
次に、図１に示す制御部１３について説明する。制御部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。制御部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１１、図１２などに示す抗原３６）の有無を検出する。制御部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、制御部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。また、制御部１３は、弁７４に接続されている。制御部１３は、弁７４の内部の通路７４ｂの状態に基づいて、弁７４を切り替える。
【００７６】
（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。
【００７７】
図２２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、コルチゾール抗体溶液（コルチゾール抗体濃度１μｇ／ｍｌ〜１０００μｇ／ｍｌ）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、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９は、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、コルチゾール抗体溶液に曝される。このようにして、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。
【００７８】
次に、ステップＳ１２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に接触させる。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。
【００７９】
次に、ステップＳ１３では、ブロッキング剤３５として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に接触させる。金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９は、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、スキムミルクに曝される。このようにして、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。
【００８０】
その後、ステップＳ１４では、リンス処理（ステップＳ１２）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ー１１が形成される。
【００８１】
次に、ステップＳ１５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、制御部１３は、反射光ＬＲを計測する。制御部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。
【００８２】
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ー１１に唾液を接触させ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ー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ー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ー１１に接触させる。
【００８３】
次に、ステップＳ１７では、金属膜被覆フォトニック結晶２１の反射面２９は、所定の時間、また必要であれば所定の温度で所定の時間、コルチゾールを含む溶液に曝される。このようにして、抗原抗体反応が行われる。ステップ１７の抗原抗体反応は、図１６のステップＳ２で溶液を循環させているときに行われる。
【００８４】
その後、ステップＳ１８では、リンス処理（ステップＳ１４）と同様に、リン酸緩衝液によりリンス処理を複数回行う。
【００８５】
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Ｓ１５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。
【００８６】
フォトニック結晶バイオセンサー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。
【００８７】
ステップＳ２０では、制御部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。
【００８８】
ステップＳ２１で、制御部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、制御部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、制御部１３の記憶部に保存しておく。
【００８９】
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。また、ステップＳ１５、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。
【００９０】
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。
【００９１】
［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。
【００９２】
図２３〜図２７は、フォトニック結晶バイオセンサー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。
【００９３】
まず、図２３に示すように、フォトニック結晶バイオセンサー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。
【００９４】
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２５、図２６参照）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ー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。
【００９５】
その後、図２４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。
【００９６】
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。
【００９７】
次に、図２５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Ｇ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Ｇ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。混合に際しては、溶液Ｇに含まれる抗体３４が有する抗原３６との結合部位の総量が試料Ｓに含まれる抗原３６の総量よりも多くなるよう、溶液Ｇの濃度を予め調整する。これにより、混合物Ｍに含まれる抗体３４の一部は、その結合部位が抗原３６と結合せずに残る。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２６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２７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。
【００９８】
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ー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。
【００９９】
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ー１１の感度が向上する。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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ー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ー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ー１１の感度が更に大きくなる。
【０１０３】
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ー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。
【符号の説明】
【０１０４】
１０  標的物質検出装置
１１  フォトニック結晶バイオセンサー（標的物質捕捉装置）
１２  光検出部
１３  制御部
２１  金属膜被覆フォトニック結晶
２１ｕ  空間
２２  カバー
２３  台
２４  薄板
２４ｆ  流路
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
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）
７１  ポンプ
７２  容器
７３  新たな溶液
７４  弁
７５、７６  供給管
７７、７８  排出管
７９  コネクタ
Ｍ  混合物
ＬＩ  入射光
ＬＲ  反射光
【図１】
2014215289.tif 000003
【図２】
2014215289.tif 000004
【図３】
2014215289.tif 000005
【図４】
2014215289.tif 000006
【図５】
2014215289.tif 000007
【図６】
2014215289.tif 000008
【図７】
2014215289.tif 000009
【図８】
2014215289.tif 000010
【図９】
2014215289.tif 000011
【図１０】
2014215289.tif 000012
【図１１】
2014215289.tif 000013
【図１２】
2014215289.tif 000014
【図１３】
2014215289.tif 000015
【図１４】
2014215289.tif 000016
【図１５】
2014215289.tif 000017
【図１６】
2014215289.tif 000018
【図１７】
2014215289.tif 000019
【図１８】
2014215289.tif 000020
【図１９】
2014215289.tif 000021
【図２０】
2014215289.tif 000022
【図２１】
2014215289.tif 000023
【図２２】
2014215289.tif 000024
【図２３】
2014215289.tif 000025
【図２４】
2014215289.tif 000026
【図２５】
2014215289.tif 000027
【図２６】
2014215289.tif 000028
【図２７】
2014215289.tif 000029