(57)【要約】粒子層の形成時間を短縮し、高い被覆率・均一性で、再現性良く効率的に、安定した光学特性を有する微小粒子単層の製造方法を提供する。  基板上に微小粒子単層を形成する際に、微小粒子を分散媒に懸濁させた溶液中に、該基板を陽極もしくは陰極として、対向電極である陰極または陽極とともに浸漬し、ついで直流電圧を印加することにより微小粒子単層を該基板上に電気泳動堆積させる。
2010107136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に微小粒子単層を形成する際に、微小粒子を分散媒に懸濁させた溶液中に、該基板を陽極もしくは陰極として、対向電極である陰極または陽極とともに浸漬し、ついで直流電圧を印加することにより微小粒子単層を該基板上に電気泳動堆積させることを特徴とする微小粒子単層の製造方法。
【請求項２】
基板が導電性基板である請求項１に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項３】
基板が非導電性基板の表面に導電性層を形成してなる請求項１に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項４】
表面に金属層を堆積した基板である請求項３に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項５】
微小粒子が金属、無機化合物および高分子化合物から選ばれる請求項１〜４のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項６】
無機化合物が無機酸化物である請求項１〜５のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項７】
基板への微小粒子被覆率が８０％以上である請求項１〜６のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項８】
分散媒の種類を選定し、微小粒子濃度ならびに印加電圧および時間を制御して微小粒子単層を形成させる請求項１〜７のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項９】
印加電圧が、分散媒の電気分解が生じないように選ばれる請求項８に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項１０】
印加電圧が１〜２００Ｖである請求項８または９に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項１１】
微小粒子濃度が０．００１〜０．５ｗｔ％である請求項８〜１０のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項１２】
微小粒子がナノ粒子である請求項１〜１１のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の微小粒子単層の製造方法で得られたナノ粒子単層上に、金属層を成膜して局在表面プラズモン共鳴を励起可能とした局在表面プラズモン共鳴測定チップ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の局在表面プラズモン共鳴測定チップ上に分子認識素子を固定化した局在表面プラズモン共鳴バイオセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノ粒子単層等の微小粒子単層の製造方法、および得られたナノ粒子単層を用いた非標識バイオチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ナノメートルサイズの構造体を用いたときに発現される光学現象である局在表面プラズモン共鳴（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＬＳＰＲ）を検出原理とするバイオセンサーが知られている。このバイオセンサーを製造するために、金、銀等の貴金属ナノ粒子を用いるほかに、ナノ粒子リソグラフィ（ｎａｎｏｓｐｈｅｒｅ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｙ）によりポリスチレン、シリカ等の粒子を敷き詰めた際に生じる隙間に貴金属を堆積させて得られるナノ構造を用いるものも開発されている。
しかしながら、貴金属ナノ粒子を用いる場合には、均一な粒径のナノ粒子を大量に合成するには高度の技術を必要とし、一方ナノ粒子リソグラフィを用いる場合には、再現性良くナノ構造を作製し、バイオセンサーを得ることが困難である。
そこで、本発明者は、先般、貴金属ナノ粒子を合成しないでＬＳＰＲを発現させる非標識バイオチップの製造法（特開２００６−２５０６６８号公報）を見出した。そして、そこで得られるＬＳＰＲ用測定チップは、基板、基板上に配置された金属膜（第１層）、金属膜上に結合し得る官能基を有する自己組織化単分子膜層（第２層）、自己組織化単分子膜層上と共有結合を介して固定化された粒子層（第３層）、粒子層上に配置された金属膜（第４層）を含む。しかしながら、この製造法においては、粒子層（第３層）の形成に長時間を要し、再現性が十分とはいえないという課題が残されている。
また、電気泳動によって基板上に、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノ粒子等のナノ構造材料を堆積する方法（ＷＯ２００３／０７５３７２：特表２００５−５１９２０１号公報）、ナノ結晶金属を堆積する方法（ＷＯ９４／１２６９５：特表平８−５０３５２２号公報）、またはマイクロピペットを用いて微小粒子を堆積させる方法も提案されている（特開２００５−３４９４９６号公報）。しかしながら、これらの方法は、いずれも目的とするナノ材料の多層堆積を目的とするものであり、単層で得ることについては記載も示唆もされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５０６６８号公報
【特許文献２】ＷＯ２００３／０７５３７２：特表２００５−５１９２０１号公報
【特許文献３】ＷＯ９４／１２６９５：特表平８−５０３５２２号公報
【特許文献４】特開２００５−３４９４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決して粒子層の形成時間を短縮し、高い被覆率・均一性で、再現性良く効率的に、安定したＬＳＰＲ光学特性を得るための微小粒子単層を製造し得る方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、上記の課題を解決するために以下の発明を提供する。
（１）基板上に微小粒子単層を形成する際に、微小粒子を分散媒に懸濁させた溶液中に、該基板を陽極もしくは陰極として、対向電極である陰極または陽極とともに浸漬し、ついで直流電圧を印加することにより微小粒子単層を該基板上に電気泳動堆積させることを特徴とする微小粒子単層の製造方法。
（２）基板が導電性基板である上記（１）に記載の微小粒子単層の製造方法。
（３）基板が非導電性基板の表面に導電性層を形成してなる上記（１）に記載の微小粒子単層の製造方法。
（４）表面に金属層を堆積した基板である上記（３）に記載の微小粒子単層の製造方法。
（５）微小粒子が金属、無機化合物および高分子化合物から選ばれる上記（１）〜（４）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（６）無機化合物が無機酸化物である上記（１）〜（５）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（７）基板への微小粒子被覆率が８０％以上である上記（１）〜（６）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（８）分散媒の種類を選定し、微小粒子濃度ならびに印加電圧および時間を制御して微小粒子単層を形成させる上記（１）〜（７）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（９）印加電圧が、分散媒の電気分解が生じないように選ばれる上記（８）に記載の微小粒子単層の製造方法。
（１０）印加電圧が１〜２００Ｖである上記（８）または（９）に記載の微小粒子単層の製造方法。
（１１）微小粒子濃度が０．００１〜０．５ｗｔ％である上記（８）〜（１０）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（１２）微小粒子がナノ粒子である上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（１３）上記（１２）に記載の微小粒子単層の製造方法で得られたナノ粒子単層上に、金属層を成膜して局在表面プラズモン共鳴を励起可能とした局在表面プラズモン共鳴測定チップ。
（１４）上記（１３）に記載の局在表面プラズモン共鳴測定チップ上に分子認識素子を固定化した局在表面プラズモン共鳴バイオセンサー。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、粒子層の形成時間を短縮し、高い被覆率・均一性で、再現性良く効率的に、安定した光学特性を有する微小粒子単層を製造し得る方法を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
図１は、電気泳動堆積結線図を示す。
図２は、電気泳動堆積法概念図を示す。
図３は、異なる電圧値にて電気泳動堆積を行った基板表面の原子間力顕微鏡像を示す。
図４は、異なる濃度に調製したナノ粒子溶液にて電気泳動堆積した基板の原子間力顕微鏡像を示す。
図５は、電気泳動の堆積時間依存性を示す。
図６は、本発明のナノ粒子層と先行技術によって作製したナノ粒子層とのナノ粒子被服率の比較を示す。
図７は、ＬＳＰＲ光学特性評価の概略図を示す。
図８は、ナノ粒子を堆積させて得られるＬＳＰＲ基板の色彩を示す。
図９は、ＬＳＰＲ光学特性の比較を示す。
図１０は、近接したナノ粒子間でのＬＳＰＲ相互作用の概略図を示す。
図１１は、本発明によって得られた基板と、先行技術によって得られた基板とのフィブリノーゲン吸着に対する検量特性比較を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の微小粒子単層の製造方法においては、基板上に微小粒子単層を形成する際に、微小粒子を分散媒に懸濁させた溶液中に、該基板を陽極もしくは陰極として、対向電極である陰極または陽極とともに浸漬し、ついで直流電圧を印加することにより微小粒子単層を該基板上に電気泳動堆積させる。
基板としては導電性基板、または非導電性基板の表面に導電性層を形成してなる基板、たとえば基板表面に金属層を堆積した基板、が用いられる。基板としては、一般的にはガラス、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネートなどの白色光に対して透明な材料からなるもの、さらにはシリコン、石英等が使用できる。基板の厚さは特には限定されないが、通常０．１〜２０ｍｍ程度である。
基板に金属を堆積させる際には、成膜金属としては金、銀、白金、アルミニウム、銅等が好適であり、それらを単独又は組み合わせて使用することができる。また、上記基板への付着性を考慮して、基板と金、銀等からなる層との間にクロム、チタン等からなる介在層を設けてもよい。金属膜の膜厚は任意であるが、高感度検出を考慮した場合、３〜１００ｎｍ、好ましくは２０〜６０ｎｍ、さらに好ましくは２５−４５ｎｍである。金属膜の形成は常法によって行えばよく、例えば、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法、電気めっき法、無電解めっき法等によって行うことができるが、好ましくは、均一に膜形成が可能な手法である、スパッタ法、蒸着法である。
本発明においては、分散媒に懸濁させた微小粒子を直流電圧を印加することにより基板上に微小粒子単層が電気泳動堆積される。すなわち、基板上に微小粒子単層を形成する際に、微小粒子を分散媒に懸濁させた溶液中に、該基板を陽極もしくは陰極として、対向電極である陰極または陽極とともに浸漬し、ついで直流電圧を印加すると帯電した微小粒子がその電荷と反対符号の基板電極の方へ移動して基板電極上に析出する。対向電極は、ワイヤ状等の任意の形状であってもよい。
本発明で用いられる微小粒子は正または負に帯電し得るものであれば特に制限されないが、目的に応じて金属、無機化合物および高分子化合物から選ばれるのが好適である。
たとえば、金、銀、白金、パラジウム等の金属、シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ等の酸化物、ポリスチレン、ＰＭＭＡ、キトサン等の高分子化合物が挙げられる。
微小粒子の粒径は、いわゆるミクロン粒子またはナノ粒子であり、使用目的により選定されるが、たとえば１〜５００ｎｍ程度のナノ粒子が好適に用いられる。
基板への微小粒子被覆率は８０％以上［変動係数（ＣＶ値＝標準偏差／算術平均）が５％以下］であるのが好適である。
微小粒子単層を形成する際には、分散媒の種類を選定し、微小粒子濃度ならびに印加電圧および時間を制御して微小粒子単層を形成させるのが好適である。得られる微小粒子層が実質的に単層であることの確認は、たとえば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察で行なうことができる。
分散媒としては、微小粒子形成を電気分解により阻害しない限り特に制限されない。たとえば、比較的高い電圧を印加する場合には水は電気分解を生じるので適切ではない。
分散媒の好適な例は、エタノール、メタノール等のアルコール類；アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類；トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；ＤＭＳＯ（ジメチルスルホキシド）等、である。
分散媒以外に界面活性剤等の分散助剤用いる格別の必要はないが、必要に応じて従来の電気泳動に用いられているものを用いることもできる。
微小粒子濃度は微小粒子単層を形成させるために０．００１〜０．５ｗｔ％であるのが好適であり、さらに０．０１〜０．１ｗｔ％であるのが最適である。調製した微小粒子分散溶液の濁度は、たとえばデジタル濁色度計によって検出し得る。
印加電圧としては短時間で効率的に微小粒子を形成させるために、１〜２００Ｖ（ＤＣ）、好適には５０〜１５０Ｖ（ＤＣ）程度から選ばれる。ナノ粒子単層を形成するためには、分散媒の電気分解が生じると、発生する気泡により単層形成が阻害されるので、分散媒の電気分解が実質的に生じない範囲の印加電圧が選ばれる。電圧印加時間は印加電圧等によるが、たとえば５〜６０分間程度である。
また、電極間距離は０．５〜５ｃｍ程度、電極形状は制限されないが通常四角形、円形であり、電流密度は０．１〜０．５μＡ／ｃｍ２から通常、選ばれる。
本発明においては、このようにして得られたナノ粒子単層層上に金属層を成膜して局在表面プラズモン共鳴を励起可能とした局在表面プラズモン共鳴用測定チップ用いられる。成膜金属としては金、銀、白金、アルミニウム、銅等が好適であり、それらを単独又は組み合わせて使用することができる。膜厚は、高感度検出を考慮した場合、３〜１００ｎｍ、好ましくは２０〜６０ｎｍ、さらに好ましくは２５−４５ｎｍである。金属膜の形成は常法によって行えばよく、例えば、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法、電気めっき法、無電解めっき法等によって行うことができるが、好ましくは、均一に膜形成が可能な手法である、スパッタ法、蒸着法である。
さらに本発明においては、ナノ粒子単層上へ特異結合物質が存在しうる分子認識素子を固定化することにより局在表面プラズモン共鳴バイオセンサーを作製し得る。分子認識素子は、試料中の目的物質又は候補目的物質と特異的に結合できかつナノ粒子単層に固定化できるものであれば特に制限されない。例えば、抗原に対しては抗体、抗体に対しては抗原、ハプテンに対しては抗ハプテン抗体、抗ハプテン抗体に対してはハプテン、ＤＮＡに対してはハイブリダイズすることができるＤＮＡ又はＰＮＡ（ペプチド核酸）、ビオチンに対してはアビジンまたはストレプトアビジン、アビジンまたはストレプトアビジンに対してはビオチンまたはビオチン化タンパク、ホルモン受容体（例えばインスリン受容体）に対してはホルモン（例えばインスリン）、ホルモン（例えばインスリン）に対してはホルモン受容体（例えばインスリン受容体）、レクチンに対しては対応する糖鎖、糖鎖に対しては対応するレクチンなどが分子認識素子の例として挙げられる。また、分子認識素子は、特異的結合能を有するそれらのフラグメントあるいはサブユニットなどをも含む。さらに、細胞自体を分子認識素子として選択可能であり、この場合の目的物質又は候補目的物質は、該細胞のある一部（受容体等）を特異的に認識するものでよい。分子認識素子のナノ粒子単層への固定化は、たとえば物理的吸着、化学結合によって行うことができる。
本発明において測定される目的物質は、上記の分子認識素子と特異的に結合できるものであれば特に制限されず、抗原、抗体、レセプター、リガンド、レクチン、糖鎖化合物、ＲＮＡ、ＤＮＡ、ＰＮＡ、ハプテン等が挙げられる。具体的には、ホルモン、イムノグロブリン、凝固因子、酵素、薬剤などと呼ばれるものを含み、血清アルブミン、マクログロブリン、フェリチン、α−フェトプロテイン、ＣＥＡ、前立腺特異抗原（ＰＳＡ）、インフルエンザウィルス由来抗原、Ｂ型肝炎ウイルス表面抗原（ＨＢｓＡｇ）、ＨＩＶ−１ｐ２４などが目的物質の例として挙げられる。また、候補目的物質とは、分子認識素子と特異的に結合することが予測される物質群であり、本発明の局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）用測定チップを用いたスクリーニングによって決定される。具体的な物質名は、目的物質と同じである。測定試料は、通常、目的物質又は候補目的物質を含む溶液が用いられる。
本発明の局在プラズモン共鳴バイオセンサーは、通常の用いられる方法であるチップ上の分子認識素子が固定化された部分に対して垂直方向の入射光を照射し、その反射光に対する吸収スペクトルを分光器を用いて測定する。
（分子認識素子と相互作用する物質の検出および／または定量方法）
試料中の目的物質の測定は以下のように行われる。
１）スポッター、ディスペンサー、ピペット、分注器等を用いて分子認識素子のチップ表面への固定化
２）目的物質の非特異的吸着を防ぐため、ウシ血清アルブミンやカゼインを用いたブロッキング操作
３）スポッターや分注器を用いた目的物質の添加
４）分子認識素子と目的物質との相互作用
５）界面活性剤やその他分子認識素子と相互作用をしない試薬を用いた洗浄操作による非特異的吸着の除去
６）分光器を用いた吸収スペクトル測定
なお、ここで「相互作用」とは、分子認識素子が、試料中の目的物質又は候補目的物質と特異的に認識することをだけを意味するのではなく、例えば、疎水性相互作用、静電的相互作用等の何らかの影響を与えることも意味する。
（分子認識素子と相互作用する物質のスクリーニング方法）
試料中の候補目的物質の測定は以下のように行われる。
１）スポッターや分注器を用いて分子認識素子のチップへの固定化
２）候補目的物質の非特異的吸着を防ぐため、ウシ血清アルブミンやカゼインを用いたブロッキング操作
３）スポッターや分注器を用い候補目的物質の添加
４）分子認識素子と候補目的物質との相互作用
５）界面活性剤やその他分子認識素子と相互作用をしない試薬を用いた洗浄操作による非特異的吸着の除去
６）分光器を用いた吸収スペクトル測定
（キット）
本発明の局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）用測定チップ及び局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）
バイオセンサーの製造に使用する少なくとも１の試薬を局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）用測定チップ又は局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）バイオセンサー製造用キットとすることができる。該キットの購入者は、目的物質又は候補目的物質を選択し、目的物質又は候補目的物質に対応する分子認識素子を本発明の局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）バイオセンサー用測定チップに固定化し、局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）バイオセンサー装置を用意に製造することができる。なお、キット中の試薬例としては、局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）バイオセンサー用測定チップ、固定化試薬、ブロッキング試薬、洗浄試薬等が挙げられるが、これらには限定されない。
本発明における局在表面プラズモン共鳴においては、ナノ粒子の高い被覆率が実現できるため、単一のナノ構造より励起されるＬＳＰＲが近接した環境下にあるので、ＬＳＰＲ相互作用によって励起効率の向上が可能である。分光測定器によってＬＳＰＲ光学特性を検出でき、また、原子間力顕微鏡、走査型電子顕微鏡によって、その構造を確認できる。
【実施例】
【０００９】
Ａ  ナノ粒子溶液調製方法
１）粒径１００ｎｍの日本触媒社製シリカナノ粒子（シーホスターＫＥ−Ｐ１０）５．０ｇを和光純薬工業株式会社製エタノール（試薬特級、０５７−００４５６）４５ｍＬ中に添加した後、室温下にて超音波分散（アズワン株式会社製超音波洗浄機、ＵＳ−１Ｒ）を３０分４回行い、ナノ粒子を分散させた。
２）分散させたナノ粒子溶液中へ、イオン交換樹脂（ＢＩＯ−ＲＡＤ社製、Ｇ  ５０１−Ｘ８  ｒｅｓｉｎ、２０−５０  ｍｅｓｈ、１４２−６４２４）５．０ｇおよびモレキュラーシーブ（和光純薬工業社製、３Ａ  １／８、１３３−０８６４５）５．０ｇを添加し、一昼夜冷蔵庫にて静置する。
３）ナノ粒子溶液８７．５μＬを３５ｍＬエタノール中へ添加し、電気泳動堆積に使用するナノ粒子溶液とする。
４）調製した電気泳動堆積に使用するナノ粒子溶液は、共立理化学研究所社製デジタル濁色度計「ＡＱＵＡ  ＤＯＣＴＯＲ」（ＷＡ−ＰＴ−４ＤＧ）にて測定波長８７０ｎｍにおける濁度を測定し、濁度５．０度以下であることを確認し、電気泳動堆積に使用するナノ粒子溶液とする。
Ｂ  電気泳動堆積法による堆積条件最適化
上記Ａにて調製したナノ粒子溶液を用いて電気泳動堆積を行い、ナノ粒子層の単層形成を行った。手順および最適化における結果を以下に示す。
１）調製したナノ粒子溶液３５ｍＬをガラス製染色バット（アズワン株式会社製、１−４４００−０１）に入れた。
２）チタン層（ニラコ社製、チタン線（φ１ｍｍ）、９９．５％  膜厚：５ｎｍ）および金層（田中貴金属工業株式会社製  金粒、９９．９９％  膜厚：４０ｎｍ）を抵抗加熱式真空蒸着装置（サンユー電子株式会社製、ＳＶＣ−７００ＴＭ）を用いて成膜（成膜条件  真空度：１．０×１０−３Ｐａ以下、蒸着速度：１．０オングストローム／秒）したスライドガラス（松浪ガラス社製、Ｓ−１１１１）二枚を浸漬させた。なお、スライドガラス基板はチタン層、金層を成膜する以前に超音波洗浄機にてエタノール、超純水にて洗浄操作を行い、乾燥させてから成膜をした。あらかじめ洗浄操作を施すのはスライドガラス基板表面に吸着していた有機物を除去し、有機物に起因する基板平面の平滑性を向上させるためである。
３）基板浸漬後は図１に示すように結線を行い、電圧印加に直流安定化電源（ＴＥＸＩＯ社製  ＰＡ２５０−０．２５Ｂ）、電圧・電流値の計測にはデジタルマルチメーター（Ｇｗｉｎｓｔｅｋ社製  ＧＤＭ−８２４６）を用いた。なお、チタン層／金層を成膜した電極として使用する基板はワニロクリップにて結線を行った。
４）図２の概念図に示すように、チタン層、金層を成膜したスライドガラス基板二枚を正極および負極として直流安定化電源にて直流電圧１００Ｖを印加し、電気泳動堆積を行った。なお、電気泳動堆積時は、デジタルマルチメーターにて電圧値、電流値を観察した。なお、本発明に使用したシリカナノ粒子は負に帯電しているため、正極とした基板へ堆積される。
５）電気泳動堆積法にて所定の時間ナノ粒子を基板上へ堆積させた後、ナノ粒子の堆積状態の確認に、原子間力顕微鏡（ＳＩＩ社製、ＳＰＡ−４００）を用いてナノ粒子堆積基板表面の観察を行った。そして、原子間力顕微鏡観察にはＳＩＩ社製カンチレバーＳＩ−ＤＦ２０（背面アルミ無）を使用した。なお、基板上へ堆積されたナノ粒子被覆率評価には、原子間力顕微鏡操作ソフトウェア上に搭載されている「ナノ粒子解析機能」より単位面積あたりのナノ粒子被覆率評価を行った。
Ｃ  電気泳動堆積法最適化の結果
１）電圧依存性
まず、印加する電圧について検討を行った。本発明では、「ナノ粒子を単層かつ密に集積化させる」必要がある。よって幅広い幅にて電圧印加が可能である必要がある。これまでに分散媒として超純水、イオン交換水を用いて電気泳動体積を試みた結果、電圧印加時に気泡が発生し、粒子が堆積しなくなってしまったため、エタノールを用いた。
ナノ粒子濃度を１．０％（ｗ／ｖ）とし、印加電圧を１，５，１０，２０，５０Ｖとして１分間電気泳動堆積を行った際の基板表面の原子間力顕微鏡像を図３（ａ）〜（ｅ）に示す。
原子間力顕微鏡にて観察を行った結果、印加電圧値を大きくすることで、ナノ粒子が密に堆積されることが観察された。しかし、印加電圧２０Ｖ以上となると、ナノ粒子の層が単層とならず、多層化していることが観察された。印加電圧が大きいと、堆積に要する時間を短縮が可能である一方、ナノ粒子濃度が高濃度だと多層化してしまう。そこで、印加電圧を大きく、粒子濃度を下げて堆積させることとした。
２）粒子濃度依存性
粒子濃度が高濃度の場合、ナノ粒子の層が多層化してしまう。そこで堆積に使用するナノ粒子濃度を０．５〜０．０１％まで変化させ、印加電圧を１００Ｖとし、１分間電気泳動堆積を行った後、原子間力顕微鏡にて表面の堆積状態観察を行った（図４（ａ）〜（ｅ））。
図４から電気泳動堆積に使用したナノ粒子溶液濃度に応じて堆積状態が異なることが観察された。原子間力顕微鏡像から０．５％以下のナノ粒子濃度からナノ粒子が単層形成されていることが観察されたが、基板表面にナノ粒子が堆積されていない箇所が多く観察された。高濃度ナノ粒子溶液濃度の場合、短時間で堆積が可能であるが被覆率が低い。高い被覆率を有するナノ粒子単層を形成するために、本発明では、ナノ粒子濃度を０．０２５％と設定し、電気泳動堆積時間を調整することで高い被覆率を有するナノ粒子単層基板を得ることとした。
３）堆積時間最適化
ナノ粒子濃度を０．０２５％と設定し、印加電圧を１００Ｖとして電気泳動堆積時間を変化させ、ナノ粒子堆積状態の観察を行った。印加時間は０，１，５，１０，１５，２０，２５，３０分とし、各電気泳動堆積時間の基板表面を原子間力顕微鏡にて観察を行った。
各電気泳動時間における基板表面の原子間力顕微鏡像を図５（ａ）〜（ｈ）示す。
電気泳動堆積開始から時間経過することで粒子は密に堆積していくことが観察された。しかし、堆積開始３０分ではナノ粒子が多層化していることが観察された。以上の結果から電気泳動堆積時間は２５分とした。
２５分間電気泳動堆積（ＥＰＤ）させたナノ粒子層基板のナノ粒子被覆率と、先行技術（特開２００６−２５０６６８）によって作製したナノ粒子層とのナノ粒子被服率を原子間力顕微鏡操作ソフトウェア上の「ナノ粒子解析機能」よりナノ粒子被覆率を算出・比較した結果を図６に示す。先行技術によって作製した基板の場合、再現性に乏しく平均被覆率（ｎ＝２０）は７２．５５％であったが、本発明によって得られたナノ粒子堆積基板の場合、平均被覆率は８２．９８％と高い被覆率を実現することができた。
また、本発明は先行技術に比べナノ粒子層を形成するのに要する時間を大幅に短縮することができた。先行技術では３時間以上を要していたが、本発明ではナノ粒子を３０分以内で単層堆積させることが可能であった。
Ｄ単層ナノ粒子層を用いたＬＳＰＲ励起と特性評価
次に、上記堆積条件にて得られたナノ粒子堆積基板上部へ金層を成膜し、ＬＳＰＲ励起させ、先行技術との比較を行った。ＬＳＰＲ励起における手順および特性評価方法、結果について以下に示す。
１）電気泳動堆積によってナノ粒子を単層堆積させた基板へ抵抗加熱式真空蒸着装置（サンユー電子株式会社製、ＳＶＣ−７００ＴＭ）を用いて金層を４０ｎｍ成膜（成膜条件  真空度：１．０×１０−３Ｐａ以下、蒸着速度：１．０オングストローム／秒）し、ＬＳＰＲが励起可能な構造とした。
２）ＬＳＰＲ励起可能な基板表面の色彩観察にはデジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製  ＶＨＸ−９００）および観察用レンズＶＨ−ＺＯＯＲ（株式会社キーエンス製）にて観察を行った。
３）ＬＳＰＲ光学特性評価にはマルチチャンネルファイバー分光器（Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ社製、ＵＳＢ４０００）、ハロゲン光源（Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ社製、ＬＳ−１）、反射ファイバプローブ（Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ社製、Ｒ２００−７  ＵＶ−ＶＩＳ）を用いた。なお、マルチチャンネルファイバー分光器より観察される光学特性はＯＯＩＢａｓｅ３２分光器オペレーティングソフトウェアによって測定を行い、ソフトウェア上での測定条件はＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｔｉｍｅ：１００ｍｓｅｃ、Ａｖｅｒａｇｅ：１０、Ｂｏｘｃａｒ：１０として測定を行った。そして測定時はあらかじめ標準反射板（Ｏｃｅａｎ  ｏｐｔｉｃｓ社製、ＷＳ−１）にて補正を行った。
４）光学特性評価には、図７に示すようにハロゲン光源の白色光をファイバープローブを介して基板表面へ照射し、基板より反射された光を再度ファイバプローブを介して分光器にて分光を行い、吸収スペクトル測定を行い、ＬＳＰＲ光学特性評価を行った。
・デジタルマイクロスコープ観察結果
ＬＳＰＲによって得られる特異的な色彩（図８（ｂ））をデジタルマイクロスコープにて観察し、先行技術によって得られた基板（図８（ａ））との比較を行った。
先行技術によって得られたナノ粒子堆積基板（図８（ａ））の場合、ナノ粒子の被覆率が均一でないため、異なる色彩が観察される。この色彩の違いはナノ粒子堆積状態の違い（多層化、疎密化）が起因しているために観察されるものである。一方で本発明によって得られたナノ粒子堆積基板（図８（ｂ））の場合、ナノ粒子が均一かつ高い被覆率で堆積されているため、色彩の大きな差異は観察されない。
・ＬＳＰＲ光学特性評価結果
図９に先行技術と本発明によって得られた基板のＬＳＰＲ光学特性比較を示す。
先行技術によって得られた基板は、ナノ粒子層の堆積状態が不均一であり、被覆率も低い。これは個々のナノ粒子上で励起されるＬＳＰＲが近接したナノ粒子上で励起されるＬＳＰＲとの電界の相互作用によって増強効果が得られないためである（図１０）。しかし、本発明によって得られた基板の場合、ナノ粒子が高い被覆率をもって堆積されるため、ＬＳＰＲ励起においても近接したナノ粒子より励起されるＬＳＰＲ相互作用が起こりやすく、効率的にＬＳＰＲ励起されるためである。
Ｅ  生体分子検出
本発明によって得られたＬＳＰＲ励起基板を用いてバイオセンサーへの応用を試みるため、生体分子が基板表面へ吸着した際に得られるＬＳＰＲ光学特性変化の測定を行った。測定手順を以下に示す。
１）基板表面へリン酸緩衝液（ｐＨ７．４、２０ｍｍｏｌ／Ｌ）にて１ｐｇ／ｍＬ〜１μｇ／ｍＬに希釈したフィブリノーゲン  ヒト血漿由来（ＣＡＬＢＩＯＣＨＥＭ社製  Ｃａｔ．Ｎｏ．＃３４１５７６）溶液５０μＬを基板表面へ滴下し、室温下にて１時間静置することでフィブリノーゲンを基板表面へ吸着させた。
２）静置後はリン酸緩衝液にて余剰のフィブリノーゲン溶液を洗浄・除去した後、エアーダスター（増田理化工業株式会社製  リニコン  エアーダスター（フリーピストン式コンプレッサー）ＭＤ−９１０）にて基板表面を乾燥させた。
３）乾燥させた基板はマルチチャンネルファイバー分光器にて吸着前後のＬＳＰＲ光学特性評価を行い、ＬＳＰＲピーク吸収強度の差を算出することで吸着に使用したフィブリノーゲン濃度とＬＳＰＲ吸収強度変化量との相関評価を行った。なお、本発明によって得られた基板と先行技術によって得られた基板とのＬＳＰＲ光学特性変化の比較を行った。
・生体分子吸着によるＬＳＰＲ光学特性変化の比較
フィブリノーゲンが基板表面へ吸着したことで生じるＬＳＰＲ吸収ピーク強度変化とフィブリノーゲン溶液濃度との相関を図１１に示す（○）。基板表面へ滴下したフィブリノーゲン溶液濃度に応じてＬＳＰＲピーク強度変化量が大きくなることが観察された。なお、先行技術によって作製した基板とのＬＳＰＲ吸収ピーク強度変化量（●）について比較を行った結果、本発明によって得られた基板の方が変化量が大きいことが観察された。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明によれば、粒子層の形成時間を短縮し、高い被覆率・均一性で、再現性良く安定した光学特性を有する微小粒子単層を製造し得る方法ならびにそれを用いた局在表面プラズモン共鳴用測定チップおよび局在表面プラズモン共鳴バイオセンサーを提供し得る。
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年12月2日(2010.12.2)
【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】
基板上に微小粒子単層を形成する際に、微小粒子を分散媒に懸濁させた溶液中に、該基板を陽極もしくは陰極として、対向電極である陰極または陽極とともに浸漬し、ついで直流電圧を印加することにより微小粒子単層を該基板上に電気泳動堆積させ、ここで微小粒子単層の形成は、分散媒の種類を選定し、微小粒子濃度ならびに印加電圧および時間を制御して行なう、ことを特徴とする微小粒子単層の製造方法。
【請求項２】
基板が導電性基板である請求項１に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項３】
基板が非導電性基板の表面に導電性層を形成してなる請求項１に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項４】
表面に金属層を堆積した基板である請求項３に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項５】
微小粒子が金属、無機化合物および高分子化合物から選ばれる請求項１〜４のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項６】
無機化合物が無機酸化物である請求項１〜５のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項７】
基板への微小粒子被覆率が８０％以上である請求項１〜６のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
印加電圧が、分散媒の電気分解が生じないように選ばれる請求項１に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項１０】
印加電圧が１〜２００Ｖである請求項９に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項１１】
微小粒子濃度が０．００１〜０．５ｗｔ％である請求項１に記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項１２】
微小粒子がナノ粒子である請求項１〜７、９〜１１のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の微小粒子単層の製造方法で得られたナノ粒子単層上に、金属層を成膜して局在表面プラズモン共鳴を励起可能とした局在表面プラズモン共鳴測定チップ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の局在表面プラズモン共鳴測定チップ上に分子認識素子を固定化した局在表面プラズモン共鳴バイオセンサー。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
課題を解決するための手段
本願発明は、上記の課題を解決するために以下の発明を提供する。
（１）基板上に微小粒子単層を形成する際に、微小粒子を分散媒に懸濁させた溶液中に、該基板を陽極もしくは陰極として、対向電極である陰極または陽極とともに浸漬し、ついで直流電圧を印加することにより微小粒子単層を該基板上に電気泳動堆積させ、ここで微小粒子単層の形成は、分散媒の種類を選定し、微小粒子濃度ならびに印加電圧および時間を制御して行なう、ことを特徴とする微小粒子単層の製造方法。
（２）基板が導電性基板である上記（１）に記載の微小粒子単層の製造方法。
（３）基板が非導電性基板の表面に導電性層を形成してなる上記（１）に記載の微小粒子単層の製造方法。
（４）表面に金属層を堆積した基板である上記（３）に記載の微小粒子単層の製造方法。
（５）微小粒子が金属、無機化合物および高分子化合物から選ばれる上記（１）〜（４）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（６）無機化合物が無機酸化物である上記（１）〜（５）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（７）基板への微小粒子被覆率が８０％以上である上記（１）〜（６）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（８）印加電圧が、分散媒の電気分解が生じないように選ばれる上記（７）に記載の微小粒子単層の製造方法。
（９）印加電圧が１〜２００Ｖである上記（７）または（８）に記載の微小粒子単層の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
（１０）微小粒子濃度が０．００１〜０．５ｗｔ％である上記（７）〜（９）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（１１）微小粒子がナノ粒子である上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の微小粒子単層の製造方法。
（１２）上記（１１）に記載の微小粒子単層の製造方法で得られたナノ粒子単層上に、金属層を成膜して局在表面プラズモン共鳴を励起可能とした局在表面プラズモン共鳴測定チップ。
（１３）上記（１２）に記載の局在表面プラズモン共鳴測定チップ上に分子認識素子を固定化した局在表面プラズモン共鳴バイオセンサー。
発明の効果
本発明によれば、粒子層の形成時間を短縮し、高い被覆率・均一性で、再現性良く効率的に、安定した光学特性を有する微小粒子単層を製造し得る方法を提供し得る。
図面の簡単な説明
図１は、電気泳動堆積結線図を示す。
図２は、電気泳動堆積法概念図を示す。
図３は、異なる電圧値にて電気泳動堆積を行った基板表面の原子間力顕微鏡像を示す。
図４は、異なる濃度に調製したナノ粒子溶液にて電気泳動堆積した基板の原子間力顕微鏡像を示す。
図５は、電気泳動の堆積時間依存性を示す。
図６は、本発明のナノ粒子層と先行技術によって作製したナノ粒子層とのナノ粒子被服率の比較を示す。
【国際調査報告】
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