(57)【要約】【課題】小型で低コストに製造可能なマルチチャンネル型の目的物物質検出チップ及びこれを用いた目的物質検出装置、目的物質検出方法を提供すること。【解決手段】本発明の目的物質検出チップは、光透過性基板２と、光透過性基板２上に形成され、一の面から全反射条件で光が照射されたときに表面プラズモン共鳴及び導波モードが励起可能とされる電場増強層３と、光透過性基板２の電場増強層３が形成される面及び電場増強層３の他の面のいずれかの面上に複数形成され、前記他の面上から視たときに電場増強層３を取り囲む閉鎖図形で描画される形状の閉鎖撥水部４と、が配されることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性基板と、
前記光透過性基板上に形成され、一の面から全反射条件で光が照射されたときに表面プラズモン共鳴及び導波モードが励起可能とされる電場増強層と、
前記光透過性基板の前記電場増強層が形成される面及び前記電場増強層の他の面のいずれかの面上に複数形成され、前記他の面上から視たときに前記電場増強層を取り囲む閉鎖図形で描画される形状の閉鎖撥水部と、
が配されることを特徴とする目的物質検出チップ。
【請求項２】
閉鎖図形が多角形状であり、隣接する閉鎖撥水部同士が前記多角形状の一辺を共有するように形成される請求項１に記載の目的物質検出チップ。
【請求項３】
閉鎖図形が正三角形、二等辺三角形、直角三角形、菱形、平行四辺形、長方形、正四角形、正六角形及び正八角形のいずれかである請求項１から２のいずれかに記載の目的物質検出チップ。
【請求項４】
複数の電場増強層が前記光透過性基板上に点在して形成されるとともに、閉鎖撥水部が前記光透過性基板の前記電場増強層が形成される面上に形成され、かつ、前記閉鎖撥水部の閉鎖図形内に１つの前記電場増強層が前記閉鎖図形の描線と離間して形成される請求項１から３のいずれかに記載の目的物質検出チップ。
【請求項５】
閉鎖図形の最大径が大きくとも５ｍｍである請求項１から４のいずれかに記載の目的物質検出チップ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の目的物質検出チップと、
前記目的物質検出チップの閉鎖撥水部が形成される側の面を表面として裏面側から電場増強層の一の面に全反射条件で光を照射可能とされる光照射部と、
前記目的物質検出チップの前記裏面側に配され、前記電場増強層から反射される反射光を検出可能とされる反射光検出部と、
が配されることを特徴とする目的物質検出装置。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかに記載の目的物質検出チップと、
前記目的物質検出チップの閉鎖撥水部が形成される側の面を表面として裏面側から電場増強層の一の面に全反射条件で光を照射可能とされる光照射部と、
前記目的物質検出チップの前記表面側に配され、前記光の照射に基づき前記閉鎖撥水部内に保持される液体試料に含まれる目的物質又は前記目的物質に結合した標識物質から発せられる蛍光又は散乱光を検出可能とされる光検出部と、
が配されることを特徴とする目的物質検出装置。
【請求項８】
請求項１から５に記載の目的物質検出チップを用いて目的物質を検出する目的物質検出方法であって、
目的物質検出チップの閉鎖撥水部内に液体試料を導入する液体試料導入工程と、
前記目的物質検出チップの裏面側から電場増強層の一の面に全反射条件で光を照射する光照射工程と、
前記電場増強層から反射される反射光を検出する反射光検出工程と、
を含むことを特徴とする目的物質検出方法。
【請求項９】
請求項１から５に記載の目的物質検出チップを用いて目的物質を検出する目的物質検出方法であって、
目的物質検出チップの閉鎖撥水部内に液体試料を導入する液体試料導入工程と、
前記目的物質検出チップの裏面側から電場増強層の一の面に全反射条件で光を照射する光照射工程と、
前記光の照射に基づき前記液体試料に含まれる目的物質又は前記目的物質に結合した標識物質から発せられる蛍光又は散乱光を検出する光検出工程と、
を含むことを特徴とする目的物質検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモン共鳴及び導波モードを利用した光学観察において、複数の液体試料を同時に保持し、独立した観察が可能な目的物質検出チップ、目的物質検出装置及び目的物質検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、健康診断、製薬、疾患や伝染病の早期発見、環境汚染検出、テロ対策などのさまざまな分野で、持ち運びか可能で、操作が簡単でかつ高感度な検出器が必要とされている。携行が可能な程度に小さく、液体中に含まれる様々な物質の測定が可能なセンサとして、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ；Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を用いるＳＰＲセンサや導波モードを用いる導波センサが知られている（例えば、非特許文献１〜１９及び特許文献１〜７参照）。これらのセンサは、疾患に起因する様々なバイオマーカーやウイルスの検出、たんぱく質などの様々なバイオ物質の選択的な検出、環境中の汚染の評価、テロに用いられる毒物や違法薬物、爆薬の検出に用いられてきている。
【０００３】
ＳＰＲセンサとして、クレッチマン配置型ＳＰＲセンサが広く用いられている。
前記クレッチマン配置型ＳＰＲセンサでは、透明基板上に金や銀、アルミニウムなどの金属を蒸着して金属薄膜層を形成し、前記透明基板の前記金属薄膜層を形成した面と反対側の面に光学プリズムを密着させた構造からなり、光源から照射されるレーザ光を偏光板にて偏光し、前記光学プリズムを介して前記透明基板に照射する。入射光は、全反射となる条件で入射する。前記入射光の前記金属薄膜層の表面側に染み出すエバネセント波によって、特定の入射角度で表面プラズモン共鳴が発現する。前記表面プラズモン共鳴が起こると、前記エバネセント波は表面プラズモンによって吸収されるので、この入射角付近では反射光の強度が著しく減少する。前記表面プラズモン共鳴が発現する条件は、前記金属薄膜層表面近傍の誘電率によって変化することから、前記金属薄膜層の表面において物質の吸着や接近、離脱、変質が生じると、反射光の強度に変化が現れる。よって、前記金属薄膜層の表面上に目的物質が結合したり吸着して誘電率に変化が生じると、前記入射光の反射特性に変化が生じるため、前記金属薄膜層から反射される反射光の強度変化を光検出器によりモニターすることによって、前記目的物質を検出することができる。
【０００４】
前記導波モードセンサは、前記ＳＰＲセンサとよく似た構造を持ち、検出面における物質の吸着や誘電率の変化を検出するセンサである。この導波モードセンサは、前記ＳＰＲセンサで用いることができる全ての光学系と同等の光学系を使用することが可能であることが知られている。
クレッチマン配置と類似の配置を用いた導波モードセンサでは、透明基板と、その上に被覆した金属層又は半導体層で構成される薄膜層と、更にこの薄膜層上に形成される誘電体層とからなる検出板を用いる。前記検出板の前記誘電体層が形成されている面とは反対側の面に屈折率調節オイルを介して光学プリズムが密着される。光源から照射され、偏光板にて偏光された入射光は、前記光学プリズムを介して前記検出板に照射される。前記入射光は、前記検出板に対して全反射となる条件で入射する。特定の入射角度において、前記入射光が前記誘電体層内を伝搬する導波モード（漏洩モード、又はリーキーモードとも呼ばれる）と結合すると、前記導波モードが励起され、この入射角近傍で光の反射光強度が大きく変化する。このような導波モードの励起条件は、前記誘電体層の表面近傍における誘電率によって変化することから、前記誘電体層の表面において目的物質の吸着や接近、離脱、変質が生じると、反射光の強度に変化が現れる。この変化を光検出器により観測することにより、前記目的物質の吸着や接近、離脱、変質といった現象を検出することができる。
【０００５】
また、前記ＳＰＲセンサや前記導波モードセンサには、前記検出面に光励起発光が可能な蛍光物質（例えば蛍光色素など）を付着又は近接させると、前記蛍光物質の発光を増強する効果もある。即ち、前記検出板の一の面に対して全反射条件で光を照射すると他の面上に増強電場が形成され、前記増強電場を励起光として前記蛍光物質を強く発光させることができるため、バックグラウンド光が少ない蛍光観察を行うことができる（例えば、特許文献８参照）。
前記ＳＰＲセンサや前記導波モードセンサには、前記検出面に光散乱物質（例えばポリスチレンビーズや金ナノ粒子などの散乱体で構成されたナノ粒子）を付着又は近接させると、前記光散乱物質の散乱光を増強する効果もある。即ち、前記検出板の一の面に対して全反射条件で光を照射すると他の面上に増強電場が形成され、前記増強電場によって前記光散乱物質から強い散乱光を生じさせることができるため、輝度の高い散乱光観察を行うことができる（例えば、非特許文献２０参照）。
光の全反射によって電場増強を生じさせ、増強電場を得る方法としては、様々な方法が提案され、本発明者は、シリカガラス基板上にシリコン層とＳｉＯ２層をこの順で積層した検出板をシリカガラス製の台形プリズム上に設置して、プリズムを介して検出板表面における全反射条件で光を照射し、増強電場を得る方法を提案している（非特許文献２１参照）。
【０００６】
ところで、本発明者は、前記ＳＰＲセンサや前記導波モードセンサを用いる場合の操作負担を軽減するとともに効率的な観察を行うことを目的として、複数の液体試料を同時に保持し、それぞれ独立した観察を行うことができるマルチチャンネル型の検出プレートを提案している（特許文献９参照）。
しかしながら、このマルチチャンネル型の検出プレートの提案では、前記検出チップの表面近傍に液体試料を導入するため、前記検出チップを収容する凹状の収容部や前記液体試料を前記検出チップに送液する流路などの前記増強電場の形成に直接関与しない構造を作製する必要がある。
そのため、現在では、部品点数を減らして、より小型で低コストに製造可能な新たな検出チップの開発が求められている状況にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４５８１１３５号公報
【特許文献２】特許第４５９５０７２号公報
【特許文献３】特開２００７−２７１５９６号公報
【特許文献４】特開２００８−４６０９３号公報
【特許文献５】特開２００９−８５７１４号公報
【特許文献６】国際公開第２０１０／８７０８８号
【特許文献７】特開２０１０−１４５４０８号公報
【特許文献８】国際公開２０１５／１９４６６３号公報
【特許文献９】特許第５９２３８１１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】W.Knoll, MRS Bulletin 16, pp.29-39 (1991)
【非特許文献２】W.Knoll, Annu.Rev.Phys.Chem.49, pp.569-638 (1998)
【非特許文献３】H.Kano et al. ,Appl.Opt.33, pp.5166-5170 (1994)
【非特許文献４】C.Nylander et al. Sensor.Actuat.3, pp.79-88 (1982/83)
【非特許文献５】K.Kambhampatiet al. Langmuir 17, pp.1169-1175 (2001)
【非特許文献６】O.R.Bolduc et al. Talanta 77, pp.1680-1687 (2009)
【非特許文献７】I.Stammler et al. Sensor.Actuat.B54, pp98-105 (1999)
【非特許文献８】M.Osterfeld et al. Appl.Phys.Lett.62, pp.2310-2312 (1993)
【非特許文献９】E.F.Aust et al. J.Appl.Phys.73, p.2705 (1993)
【非特許文献１０】M.Fujimaki et al. Microelectronic  Engineering 84, pp.1685-1689 (2007)
【非特許文献１１】K.Awazu et al. Optics Express 15, pp.2592-2597 (2007)
【非特許文献１２】K.H.A.Lau et al. J.Phys.Chem.B108, pp.10812 (2004)
【非特許文献１３】M.Fujimaki et al. Optics Express 16, pp.6408-6416 (2008)
【非特許文献１４】M.Fujimaki et al. Nanotechnology 19, pp.095503-1-095503-7 (2008)
【非特許文献１５】M.Fujimaki et al. J.Microscopy 229, pp.320-326 (2008)
【非特許文献１６】M.Fujimaki et al. Optics Express  18, pp.15732-15740 (2010)
【非特許文献１７】R.P.Podgorsek et al. Sensor.Actuat.B51 pp.146-151 (1998)
【非特許文献１８】J.J.Saarinen et al. Opt.Express 13, pp.3754-3764 (2005)
【非特許文献１９】G.Rong et al. Biosens.Bioelectron.23, pp.1572-1576 (2008)
【非特許文献２０】M.Yasuura and M.Fujimaki, Sci. Rep. Vol. 6, pp. 39241-1-39241-7 (2016)
【非特許文献２１】M.Fujimaki et al. Optics Express, Vol. 23 (2015) pp.10925-10937
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来技術における前記諸問題を解決し、小型で低コストに製造可能なマルチチャンネル型の目的物物質検出チップ及びこれを用いた目的物質検出装置、目的物質検出方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞  光透過性基板と、前記光透過性基板上に形成され、一の面から全反射条件で光が照射されたときに表面プラズモン共鳴及び導波モードが励起可能とされる電場増強層と、前記光透過性基板の前記電場増強層が形成される面及び前記電場増強層の他の面のいずれかの面上に複数形成され、前記他の面上から視たときに前記電場増強層を取り囲む閉鎖図形で描画される形状の閉鎖撥水部と、が配されることを特徴とする目的物質検出チップ。
＜２＞  閉鎖図形が多角形状であり、隣接する閉鎖撥水部同士が前記多角形状の一辺を共有するように形成される前記＜１＞に記載の目的物質検出チップ。
＜３＞  閉鎖図形が正三角形、二等辺三角形、直角三角形、菱形、平行四辺形、長方形、正四角形、正六角形及び正八角形のいずれかである前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の目的物質検出チップ。
＜４＞  複数の電場増強層が前記光透過性基板上に点在して形成されるとともに、閉鎖撥水部が前記光透過性基板の前記電場増強層が形成される面上に形成され、かつ、前記閉鎖撥水部の閉鎖図形内に１つの前記電場増強層が前記閉鎖図形の描線と離間して形成される前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の目的物質検出チップ。
＜５＞  閉鎖図形の最大径が大きくとも５ｍｍである前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の目的物質検出チップ。
＜６＞  前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の目的物質検出チップと、前記目的物質検出チップの閉鎖撥水部が形成される側の面を表面として裏面側から電場増強層の一の面に全反射条件で光を照射可能とされる光照射部と、前記目的物質検出チップの前記裏面側に配され、前記電場増強層から反射される反射光を検出可能とされる反射光検出部と、が配されることを特徴とする目的物質検出装置。
＜７＞  前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の目的物質検出チップと、前記目的物質検出チップの閉鎖撥水部が形成される側の面を表面として裏面側から電場増強層の一の面に全反射条件で光を照射可能とされる光照射部と、前記目的物質検出チップの前記表面側に配され、前記光の照射に基づき前記閉鎖撥水部内に保持される液体試料に含まれる目的物質又は前記目的物質に結合した標識物質から発せられる蛍光又は散乱光を検出可能とされる光検出部と、が配されることを特徴とする目的物質検出装置。
＜８＞  前記＜１＞から＜５＞に記載の目的物質検出チップを用いて目的物質を検出する目的物質検出方法であって、目的物質検出チップの閉鎖撥水部内に液体試料を導入する液体試料導入工程と、前記目的物質検出チップの裏面側から電場増強層の一の面に全反射条件で光を照射する光照射工程と、前記電場増強層から反射される反射光を検出する反射光検出工程と、を含むことを特徴とする目的物質検出方法。
＜９＞  前記＜１＞から＜５＞に記載の目的物質検出チップを用いて目的物質を検出する目的物質検出方法であって、目的物質検出チップの閉鎖撥水部内に液体試料を導入する液体試料導入工程と、前記目的物質検出チップの裏面側から電場増強層の一の面に全反射条件で光を照射する光照射工程と、前記光の照射に基づき前記液体試料に含まれる目的物質又は前記目的物質に結合した標識物質から発せられる蛍光又は散乱光を検出する光検出工程と、を含むことを特徴とする目的物質検出方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、小型で低コストに製造可能なマルチチャンネル型の目的物物質検出チップ及びこれを用いた目的物質検出装置、目的物質検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る目的物質検出チップの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す目的物質検出チップの一部を電場増強層の他の面上から拡大して視たときの様子を示す説明図である。
【図３】１つの閉鎖撥水部４に対応する構造を拡大して示す断面図である。
【図４】第１実施形態の概略構成を示す説明図である。
【図５】第２実施形態の概略構成を示す説明図である。
【図６】第３実施形態の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（目的物質検出チップ）
本発明の目的物質検出チップは、光透過性基板と電場増強層と閉鎖撥水部とが配されて構成される。
【００１４】
＜光透過性基板＞
前記光透過性基板は、前記電場増強層を支持するとともに前記電場増強層に照射される光を透過させる部材である。
前記光透過性基板としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ガラス基板やプラスチック基板等の公知の光透過性基板を用いることができる。
なお、本明細書において、「光透過性」とは、可視光透過率が０．５％以上であることを示す。
【００１５】
＜電場増強層＞
前記電場増強層は、一の面から全反射条件で光が照射されたときに表面プラズモン共鳴及び導波モードのいずれかが励起可能とされる層である。
前記電場増強層としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知の表面プラズモン励起層及び導波モード励起層を適用することができる。
【００１６】
前記表面プラズモン励起層としては、例えば、金、銀、プラチナ及びアルミニウムの少なくともいずれかを含む金属層が挙げられる。
前記金属層では、前記一の面に照射される前記光によって前記他の面上に表面プラズモン共鳴が励起され、前記他の面上に前記増強電場が得られる。
前記金属層の厚みとしては、構成材料及び照射する光の波長によって最適値が決定されるが、この値は、フレネルの式を用いた計算から算出可能であることが知られている。一般に、近紫外から近赤外域で前記表面プラズモン共鳴を励起させる場合、前記金属層の厚みは、数ｎｍ〜数十ｎｍとなる。
【００１７】
前記金属層の形成方法としては、特に制限はなく、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、スピンコート法等の公知の形成方法が挙げられるが、前記光透過性基板の形成材料がプラスチック材料やガラス材料である場合、前記金属層を直接、前記光透過性部材上に形成すると、密着性が低くなり、簡単にはがれてしまうことがある。
そのため、密着性を向上させる観点から、前記光透過性基板の面上にニッケルやクロムを形成材料とする接着層を形成し、この接着層上に前記金属層を形成することが好ましい。
【００１８】
目的物質又は前記目的物質を標識化する蛍光物質からの発光を観察する場合、前記目的物質及び前記蛍光物質が前記金属層に近接すると、前記目的物質又は前記蛍光物質が励起光から得たエネルギーが金属層に移行し、発光効率が低下するクエンチングと呼ばれる現象が生ずる場合がある。
この場合、前記目的物質及び前記蛍光物質を前記金属層の表面から離間させる目的で、前記金属層の表面上に被覆層を形成すると、前記クエンチングが抑制され、発光効率の低下を抑制することができる。
前記被覆層としては、特に制限はなく、シリカガラス等のガラス材料、有機高分子材料等で形成される厚みが数ｎｍ〜数十ｎｍの透明な層により形成することができる。
【００１９】
前記導波モード励起層としては、特に制限はなく、金属材料又は半導体材料で形成される薄膜層と、光透過性誘電材料で形成される誘電体層との積層体が挙げられる。
前記導波モード励起層では、前記一の面に照射される前記光によって前記誘電体層内に前記導波モードが励起され、前記他の面上に前記増強電場が得られる。
なお、前記導波モード励起層では、前記薄膜層が前記一の面側の層を構成し、前記誘電体層が前記他の面側を構成する。
【００２０】
前記金属材料としては、特に制限はなく、例えば、金、銀、銅、プラチナ、アルミニウム等が挙げられる。
また、前記半導体材料としては、特に制限はなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の半導体材料又は既知の化合物半導体材料が挙げられるが、中でも、安価で加工が容易なシリコンが好ましい。
前記薄膜層の厚みとしては、前記表面プラズモン励起層と同様で、構成材料及び照射する光の波長によって最適値が決定されるとともに、この値は、フレネルの式を用いた計算から算出可能であることが知られている。一般に、近紫外から近赤外域の波長帯の光を使用する場合、前記薄膜層の厚みは、数ｎｍ〜数百ｎｍとなる。
【００２１】
前記光透過性誘電材料としては、特に制限はなく、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、アクリル樹脂等の樹脂材料、酸化チタン等の金属酸化物、窒化アルミニウム等の金属窒化物が挙げられるが、作製が容易で、化学的安定性が高い酸化シリコンが好ましい。この場合、前記薄膜層を前記シリコンで形成すれば、前記シリコンの層の表面側を酸化させることで、簡便に形成することができる。
なお、前記薄膜層及び前記誘電体層の形成方法としては、材料に応じて公知の形成方法から適宜選択することができる。
【００２２】
＜閉鎖撥水部＞
前記閉鎖撥水部は、前記光透過性基板の前記電場増強層が形成される面及び前記電場増強層の前記他の面のいずれかの面上に複数形成され、前記他の面上から視たときに前記電場増強層を取り囲む閉鎖図形で描画される形状とされる。
【００２３】
前記閉鎖撥水部としては、先の通り、前記光透過性基板の前記電場増強層が形成される面に形成されてもよいし、前記電場増強層の前記他の面に形成されてもよい。
前者の場合、前記光透過性基板上に前記閉鎖撥水部を形成し、前記閉鎖撥水部の前記閉鎖図形内に前記電場増強層を形成することで構成することができる。形成する順番としては特に制限はなく、前記閉鎖撥水部を形成した後に前記電場増強層を形成してもよいし、前記電場増強層を形成した後に前記閉鎖撥水部を形成してもよい。
また、後者の場合、前記光透過性基板上に前記電場増強層を形成した後に前記電場増強層上に閉鎖撥水部を形成することで構成することができる。
【００２４】
前記閉鎖撥水部の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、フッ素系、シリコーン系、アクリル系の公知の撥水化合物の線状膜を、蒸着法、スパッタリング法、塗布法、印刷法等の公知の形成方法で形成することが挙げられる。また、公知のフッ素系撥水ガスをプラズマ照射する公知のフッ素コート法が挙げられる。
【００２５】
一例として前記印刷法により前記閉鎖撥水部を形成する場合、特に制限はないが、バインダ樹脂、溶剤、反応性希釈剤等とともにシリコーン系界面活性剤又はフッ素系界面活性剤を含む公知の撥水性インクを用いることができる。
前記撥水性インク中の前記各界面活性剤の含有量としては、特に制限はなく、０．５質量％〜２０質量％程度である。
【００２６】
前記シリコーン系界面活性剤としては、特に制限はなく、公知のものから適宜選択して用いることができ、例えば、ジメチルシロキサン骨格を持つシリコーンオイル、シリコーン樹脂、及びこれらのメチル基の一部がアルキル基、アリール基、アルコキシ基、ヒドロキシル基等により置換されている変性シリコーンオイル、変性シリコーン樹脂等が挙げられる。
また、前記フッ素系界面活性剤としても、特に制限はなく、公知のものから適宜選択して用いることができ、例えば、パーフルオロアルキル基を持つモノマーと、各種反応性基を持つモノマーを反応させた、パーフルオロアルキル基を側鎖に持つポリマー、オリゴマーが挙げられる。
【００２７】
前記バインダ樹脂としては、特に制限はなく、前記シリコーン系界面活性剤又は前記フッ素系界面活性剤との相溶性があり、乾燥後に固体状になる高分子化合物から任意に選択することができる。
前記高分子化合物としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ブチラール樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、アセタール樹脂、フェノール樹脂、ニトロセルロース、エチルセルロース等のセルロース系樹脂、塩素化ゴム、石油樹脂、フッ化ビニリデン樹脂等が挙げられる。
【００２８】
前記撥水性インクを用いた描画（パターニング）方法としては、任意の印刷方式を採用することができるが、パターン精度が５μｍ〜２０μｍ幅程度の場合は、凸版反転印刷方法が好ましく、前記パターン精度が２０μｍを超える場合は、グラビア印刷法、グラビアオフセット印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、スクリーン印刷法等が好ましい。
例えば、前記撥水性インクの粘度を、１Ｐａ・ｓ〜２０Ｐａ・ｓ程度に調製し、前記グラビア印刷方式を採用すると、前記パターン精度が２０μｍ±５μｍ、膜厚が１．５μｍ〜２．５μｍ程度のパターン化された層を得ることができる。
【００２９】
前記閉鎖図形は、線の始端と終端とが一度も重ならずに結ばれた開放端のない平面図形であり、例えば、多角形状、円形状、楕円状等の任意の平面図形から選択することができる。これらの中でも、前記多角形状が好ましい。
前記閉鎖図形が前記多角形状であると、隣接する前記閉鎖撥水部同士が前記多角形状の一辺を共有するように形成され、限られた領域に多くの前記閉鎖撥水部を形成することができ、必要なチャンネル数を確保しつつ、小型化を図ることができる。
更に、前記多角形状が正三角形、二等辺三角形、直角三角形、菱形、平行四辺形、長方形、正四角形、正六角形及び正八角形のいずれかであると、限られた領域に複数の前記閉鎖撥水部を密に並べて配することができ、より一層多くの前記閉鎖撥水部を形成することができる。
なお、前記多角形状とは、最も大きな内角が１８０°未満であり、かつ、短くとも長さ１μｍの直線を結んで描画される形状を意味する。
【００３０】
前記閉鎖撥水部の大きさとしては、特に制限はなく、前記電場増強層の前記一の面に照射される光のスポット径等にもよるが、小さい程、限られた領域に多数の前記閉鎖撥水部を形成することができ、前記閉鎖図形の最大径が大きくとも５ｍｍであることが好ましい。    
【００３１】
以下では、前記目的物質検出チップの実施形態の例を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る前記目的物質検出チップの概略構成を示す断面図である。また、図２は、図１に示す前記目的物質検出チップの一部を前記電場増強層３の前記他の面上から拡大して視たときの様子を示す説明図である。
【００３２】
図１，２に示すように、目的物質検出チップ１は、光透過性基板２と複数の電場増強層３と複数の閉鎖撥水部４とが配されて構成される。
また、目的物質検出チップ１では、複数の電場増強層３が光透過性基板２上に点在して形成されるとともに、閉鎖撥水部４が光透過性基板２の電場増強層３が形成される面上に形成され、かつ、閉鎖撥水部４の前記閉鎖図形内に１つの電場増強層３が前記閉鎖図形の描線と離間して形成される。
【００３３】
また、閉鎖撥水部４としては、前記閉鎖図形が正六角形状とされ、正六角形を構成する全ての辺において隣接する２つの閉鎖撥水部４同士が前記正六角形の一辺を共有するように形成される。
したがって、目的物質検出チップ１では、限られた領域に複数の閉鎖撥水部４を密に並べて配することで、多くの閉鎖撥水部４が形成される。
【００３４】
閉鎖撥水部４の前記閉鎖図形における最大径Ｌ１としては、小さい程、限られた領域に多数の閉鎖撥水部４を形成することができ、大きくとも５ｍｍであることが好ましい。
また、閉鎖撥水部４の前記閉鎖図形内に１つの電場増強層３が前記閉鎖図形の描線と離間して形成されるように、電場増強層３としては、前記閉鎖図形の中心位置に配され、かつ、最大径Ｌ２がＬ１未満となるように形成されることが好ましい。
【００３５】
目的物質検出チップ１に液体試料を導入した様子を図３に示す。なお、図３は、１つの閉鎖撥水部４に対応する構造を拡大して示す断面図である。
目的物質検出チップ１の閉鎖撥水部４内に液体試料５を滴下して導入すると、図３に示すように、閉鎖撥水部４の撥水性により液体試料５が閉鎖撥水部４内に保持される。
したがって、目的物質検出チップ１は、複数の閉鎖撥水部４により種類の異なる液体試料５を同時に保持し、それぞれの液体試料５を独立して観察可能なマルチチャンネル型の検出チップとされる。
【００３６】
このように構成される目的物質検出チップ１では、従来技術における前記凹状収容部や前記流路などの前記増強電場の形成に直接関与しない構造を作製する必要がなく、部品点数を減らして、より小型で低コストに製造することができる。
【００３７】
（目的物質検出装置）
本発明の前記目的物質検出チップとしては、前記電場増強層からの反射光を検出する目的物質検出装置及び前記目的物質検出チップ上に保持される前記液体試料に含まれる目的物質又は前記目的物質に結合した標識物質からの蛍光又は散乱光を検出する目的物質検出装置のいずれに対しても適用することができる。
本発明の第１の目的物質検出装置は、前者の態様として、本発明の前記目的物質検出チップと光照射部と反射光検出部とが配されて構成される。
本発明の第２の目的物質検出装置は、後者の態様として、本発明の前記目的物質検出チップと光照射部と光検出部とが配されて構成される。
先ず、本発明の第１の目的物質検出装置について説明する。
【００３８】
＜光照射部＞
前記光照射部は、前記目的物質検出チップの前記閉鎖撥水部が形成される側の面を前記表面として前記裏面側から前記電場増強層の一の面に全反射条件で光を照射可能とされる。
前記光照射部の光源としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知のランプ、ＬＥＤ、レーザ等が挙げられる。
【００３９】
ランプ、ＬＥＤ等の放射光源を用いる場合には、放射される光のうち前記目的物質検出チップの前記裏面側に照射される全ての方位における光が全反射条件を満たすように、照射光の照射方向を特定の方位に規制するコリメートレンズ等の案内部を用いてもよい。
【００４０】
ここで、前記目的物質検出チップの前記表面と前記裏面とが平行な板である場合、前記裏面側から照射された光は、前記表面上に液体が存在すると全反射されない。よって、このような場合には、前記目的物質検出チップの前記裏面部分に回折格子を形成することにより、前記回折格子に特定の角度で光を照射したときに、光が前記回折格子で回折されて前記目的物質検出チップ内に導入されるとともに、前記目的物質検出チップ内に導入された光が全反射条件で表面に照射されて前記表面上に前記増強電場が形成されるように、前記目的物質検出チップを構成してもよい。または、前記表面と前記裏面とが平行にならないように形成してもよい。或いは、前記光源から照射される光を公知のプリズムを介して前記目的物質検出チップの前記裏面に照射することとしてもよい。前記プリズムとしては、前記目的物質検出チップの前記裏面に屈折率調整オイル又は光学用接着剤等により光学的に貼り合せて用いることができる。また、前記プリズムの形成材料として、前記光透過性基板の形成材料と同じ形成材料が選択される場合には、前記光透過性基板と前記プリズムとが一体成型されたものを用いることもできる。
【００４１】
＜反射光検出部＞
前記反射光検出部は、前記目的物質検出チップの前記裏面側に配され、前記電場増強層から反射される反射光を検出可能とされる。
前記反射光検出部としては、特に制限はなく、サーモパイルセンサ、ダイオードセンサ、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤセンサ等の公知の光検出装置を用いて構成することができ、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤセンサ等のイメージセンサを用いると、複数の閉鎖撥水部４を同時に観測することができ、好ましい。
【００４２】
前記第１の目的物質検出装置において、前記電場増強層が前記表面プラズモン励起層で形成される場合、前記電場増強層の前記一の面に全反射条件で光を照射すると、前記光透過性基板から前記電場増強層に向けてエバネセント光が染み出し、前記目的物質検出装置の前記表面近傍に前記表面プラズモンが励起される。
ここで、前記光照射部からの光入射角を調整すると、特定の入射角度θにおいて前記エバネセント光が前記表面プラズモンに吸収される表面プラズモン共鳴が発現し、前記電場増強層からの反射光強度が著しく減少する。前記反射光強度は、前記反射光検出部により入射角ごとに検出される。
この入射角度θは、前記表面近傍における誘電率の変化に応じてシフト変化するため、入射角度θのシフト変化を通じて、前記表面上に保持される前記液体試料中の前記目的物質を検出することができる。
また、入射角度θを表面プラズモン共鳴が発現する角度付近に固定した状態で、前記反射光強度を前記反射光検出部にて観測すると、前記表面近傍における誘電率の変化に応じて前記反射光強度に変化が生じ、明暗の変化が観測される。よって、この明暗の変化を通じて、前記表面上に保持される前記液体試料中の前記目的物質を検出することもできる。
【００４３】
前記第１の目的物質検出装置において、前記電場増強層が前記導波モード励起層で形成される場合は、前記全反射条件を満たしつつ特定の入射角度θで光を入射させると、前記薄膜層及び前記誘電体層内を伝搬光が伝搬する導波モードが励起される。この入射角度θ付近では、他の入射角と前記反射光強度が大きく異なる状態となる。また、前記導波モードの励起条件は、前記目的物質検出チップの表面における誘電率の変化に敏感であり、前記目的物質物質の吸着等によって誘電率に変化が生ずると、入射角度θ付近における前記反射光の反射特性の変動となって現れる。
このとき、前記目的物質の吸着等を、単色光入射時の特定の入射角度θにおける急激な前記反射光強度の減少等を前記反射光検出部で捉えることで、前記表面上に保持される前記液体試料中の前記目的物質を検出することができる。
また、入射角度θを導波モードが励起される角度付近に固定した状態で、前記反射光強度を前記反射光検出部にて観測すると、前記表面近傍における誘電率の変化に応じて前記反射光強度に変化が生じ、明暗の変化が観測される。よって、この明暗の変化を通じて、前記表面上に保持される前記液体試料中の前記目的物質を検出することもできる。
【００４４】
次に、前記第２の目的物質検出装置について説明する。前記光照射部としては、前記第１の目的物質検出装置について説明した事項から適宜選択して構成することができる。
【００４５】
＜光検出部＞
前記光検出部は、前記目的物質検出チップの前記表面側に配され、前記光の照射に基づき前記閉鎖撥水部内に保持される前記液体試料に含まれる目的物質又は前記目的物質に結合した標識物質から発せられる蛍光又は散乱光を検出可能とされる。
前記光検出部としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知のフォトダイオード、光電子増倍管等の光検出器を用いることができる。
光信号の情報を２次元画像情報として取得することができると、複数の閉鎖撥水部４を同時に観測することができ、さらに光点として現れる２次元画像情報における光信号の位置情報や、２次元上で観察されるサイズ情報、光点における光信号強度の増減情報を時系列で観察することができる。このような２次元画像情報の取得を可能とするには、前記光検出部として撮像デバイスを選択すればよい。
前記撮像デバイスとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知のＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等のイメージセンサを用いることができる。
【００４６】
前記標識物質は、前記目的物質が蛍光や散乱光を生じにくい物質である場合に前記目的物質を標識化させるために用いられる。
前記標識物質としては、特に制限はなく、前記目的物質と特異的に吸着ないし結合して前記目的物質を標識化する蛍光標識物質や光散乱物質が挙げられる。
前記蛍光標識物質としては、例えば、蛍光色素、量子ドット、蛍光染色剤等の公知の蛍光物質を用いることができる。
また、前記光散乱物質としては、例えば、ナノ粒子、例えばポリスチレンビーズや金ナノ粒子などの公知の光散乱物質を用いることができる。
なお、前記目的物質と前記標識物質との結合方法としては、特に制限はなく、物理吸着、抗原−抗体反応、ＤＮＡハイブリダイゼーション、ビオチン−アビジン結合、キレート結合、アミノ結合などの公知の結合方法を適用することができる。
【００４７】
前記第２の目的物質検出装置では、前記表面プラズモン共鳴及び前記導波モードのいずれかの励起に基づき前記電場増強層の前記他の面（前記目的物質検出チップの前記表面）近傍に形成された前記増強電場を励起光として、前記目的物質又は前記目的物質を標識化させる蛍光物質を発光させ、或いは、記目的物質又は前記目的物質を標識化させる光散乱物質から散乱光を発生させ、その光信号を前記光検出部で検出する。
【００４８】
前記第２の目的物質検出装置では、前記光検出部によって、前記目的物質検出チップの前記表面側から、前記液体試料の観測を行う。この時、前記液体試料は、図３に示すように、表面張力によって上凸の形状を示すことから、レンズ効果が働き、前記光検出部に前記撮像デバイスを用いた場合、前記目的物質検出チップ表面観測時にフォーカスずれが生じてしまい、画像の取得が困難になってしまう。よって、前記液体試料の上にカバーガラスを配して、液体表面を平らにすることが好ましい。
【００４９】
ところで、前記第２の目的物質検出装置では、前記目的物質検出チップの前記表面近傍に形成された前記増強電場を検出に用いるため、前記閉鎖撥水部に前記液体試料を導入後、前記液体試料中を浮遊する前記目的物質が前記目的物質検出チップの前記表面近傍に重力沈降するのを待つ必要がある。
そのため、短時間での測定を行う場合、前記液体試料に前記目的物質と結合する磁性粒子を加えて結合体を形成させ、前記液体試料中を浮遊する前記結合体を前記目的物質検出チップの前記表面に引き寄せる磁場を印加することが有効となる。
したがって、前記第２の目的物質検出装置としては、更に、このような磁場を印加可能な磁場印加部が配されることが好ましい。具体的には、前記目的物質検出チップの前記裏面側に前記結合体を前記目的物質検出チップの前記表面に引き寄せる磁場を印加可能な磁場印加部が配されることが好ましい。
【００５０】
また、前記第２の目的物質検出装置では、前記目的物質検出チップの前記表面近傍における光信号を検出するため、前記光信号に前記目的物質検出チップ表面における汚れや傷による散乱光、前記目的物質検出チップの構成部材から生じる自家蛍光、前記液体試料中に含まれる夾雑物からの発光等に基づくノイズ信号が含まれると、検出精度が低下する。
こうしたことから前記光検出部を用いて、前記目的物質に前記磁性粒子を結合させた結合体の様子を磁場印加部による磁場の印加前後で比較観察することで、前記磁場印加前における光信号に含まれるノイズ信号を排除した観察を行うことが有効となる。
即ち、前記結合体が前記磁場の印加により移動するのに対し、前記目的物質検出チップ表面のキズ等を原因とする前記ノイズ信号は、前記磁場の印加により移動しないことから、前記磁場の印加により移動する光信号に着目した検出を行うことで、前記ノイズ信号を排除することができる。
したがって、前記第２の目的物質検出装置としては、更に、このような磁場を印加可能な磁場印加部が配されることが好ましい。具体的には、前記目的物質検出チップの前記表面上に保持される前記液体試料に含まれる前記結合体を前記表面に平行な方向又は前記表面から遠ざける方向に移動させる第１磁場を印加可能とされる第１磁場印加部及び前記目的物質検出チップの前記裏面側に配されるとともに前記表面上に保持される前記液体試料中の前記結合体を前記表面上に引き寄せる第２磁場を印加可能とされるとともに前記第２磁場を印加させた状態で前記磁性粒子を前記表面の面内方向と平行な方向のベクトル成分を持つ方向に移動可能とされる第２磁場印加部のいずれかの磁場印加部が配されることが好ましい。中でも、短時間での測定を目的とした前記引き寄せ磁場を印加可能であることから、前記第２磁場印加部を配することが特に好ましい。
【００５１】
なお、前記前記磁場印加部の構成部材としては、特に制限はなく、公知の永久磁石、電磁石等を挙げることができる。また、前記第２磁場印加部としては、前記電磁石又は前記永久磁石を保持した前記スライド部材を、前記目的物質検出チップの前記裏面側における前記光照射部からの前記光が照射される領域（検出領域）の近傍に前記電磁石又は前記永久磁石を位置させる初期状態と、前記目的物質検出チップの前記表面の面内方向と平行な方向のベクトル成分を持つ方向に向けて前記電磁石又は前記永久磁石を移動させた状態との間で移動制御させることで構成することができる。なお、前記電磁石を用いる場合、前記移動制御中、連続的或いは断続的に励磁させた状態とする。また、前記移動制御中に励磁の強度を変化させてもよい。
また、前記磁性粒子としては、特に制限はなく、公知の磁気ビーズ等を用いることができる。
【００５２】
（目的物質検出方法）
本発明の前記目的物質検出チップとしては、前記電場増強層からの反射光を検出する目的物質検出方法及び前記目的物質検出チップ上に保持される前記液体試料に含まれる目的物質又は前記目的物質に結合した標識物質からの蛍光又は散乱光を検出する目的物質検出方法のいずれに対しても適用することができる。
本発明の第１の目的物質検出方法は、前者の態様として、本発明の前記目的物質検出チップの前記閉鎖撥水部内に前記液体試料を導入する液体試料導入工程と、前記目的物質検出チップの前記裏面側から前記増強電場層に対し全反射条件で光を照射する光照射工程と、前記電場増強層から反射される反射光検出工程とを含む。
本発明の第２の目的物質検出方法は、後者の態様として、本発明の前記目的物質検出チップの前記閉鎖撥水部内に前記液体試料を導入する液体試料導入工程と、前記目的物質検出チップの前記裏面側から前記増強電場層に対し全反射条件で光を照射する光照射工程と、前記光の照射に基づき前記液体試料に含まれる目的物質又は前記目的物質に結合した標識物質から発せられる蛍光又は散乱光を検出する光検出工程とを含む。
【００５３】
前記第１の目的物質検出方法としては、前記第１の目的物質検出装置について説明した事項により実施することができる。
また、前記第２の目的物質検出方法としては、前記第２の目的物質検出装置について説明した事項により実施することができる。
【００５４】
次に、本発明の前記目的物質検出装置及び前記目的物質検出方法の第１実施形態について図４を参照しつつ説明する。なお、図４は、第１実施形態の概略構成を示す説明図である。
【００５５】
図４に示すように目的物質検出装置１０は、目的物質検出チップ１（図１，２参照）と光照射部１１と光学プリズム１２と反射光検出部１３とで構成される。
光照射部１１は、目的物質検出チップ１の閉鎖撥水部４が形成される側の面を表面として裏面側から前記電場増強層の一の面に全反射条件で光を照射可能とされる。
反射光検出部１３は、目的物質検出チップ１の前記裏面側に配され、前記電場増強層から反射される反射光を検出可能とされる。
【００５６】
目的物質検出装置１０では、先ず、光照射部１１から前記電場増強層に対し全反射条件で光Ｌを照射しつつ、その入射角を調整し、反射光検出部１３において反射特性が変化する特定の入射角度θに設定する。この特定の入射角度θが既知である場合には、予めこの入射角度θで光が照射されるように目的物質検出装置１０を設定しておく。
次に、目的物質の検証を行う液体試料を閉鎖撥水部４に導入する。この際、複数の閉鎖撥水部４に対して、種類の異なる前記液体試料を導入し、保持させることで、マルチチャンネル化された前記目的物質の検出を行うことができる。光照射部１１からの光が、複数の閉鎖撥水部４に同時に照射されるように光Ｌを照射し、イメージセンサなどの撮像デバイスによって、前記複数の閉鎖撥水部４からの反射光画像を取得して明暗を観測することで、それぞれの閉鎖撥水部４における前記目的物質の検出と、その量の判定を一度に行うことができる。
予め前記目的物質が存在しない場合には反射光が強く、前記目的物質が存在し前記目的物質が前記電場増強層表面に吸着すると反射光強度が弱くなるように設定した場合、反射光強度の減衰具合によって前記目的物質の検出と、その量の判定を行うことができる。
反対に、予め前記目的物質が存在しない場合には反射光が弱く、前記目的物質が存在し前記目的物質が前記電場増強層表面に吸着すると反射光強度が強くなるように設定した場合、反射光強度の増加具合によって前記目的物質の検出と、その量の判定を行うことができる。
【００５７】
次に、本発明の前記目的物質検出装置及び前記目的物質検出方法の第２実施形態について図５を参照しつつ説明する。なお、図５は、第２実施形態の概略構成を示す説明図である。
【００５８】
図５に示すように目的物質検出装置２０は、目的物質検出チップ１（図１，２参照）と光照射部２１と光学プリズム２２と光検出部２３とで構成される。
光照射部２１は、光照射部１１に準じて構成される。
光検出部２３は、目的物質検出チップ１の前記表面側に配され、光Ｌの照射に基づき閉鎖撥水部４内に保持される液体試料に含まれる目的物質又は前記目的物質に結合した標識物質から発せられる蛍光又は散乱光を検出可能とされ、撮像デバイス等で構成される。
【００５９】
目的物質検出装置２０では、先ず、目的物質の検証を行う液体試料を閉鎖撥水部４に導入する。この際、複数の閉鎖撥水部４に対して、種類の異なる前記液体試料を導入し、保持させることで、マルチチャンネル化された前記目的物質の検出を行うことができる。
次に、光照射部２１から複数の閉鎖撥水部４における前記電場増強層に対し全反射条件で光Ｌを照射し、目的物質検出チップ１の前記表面近傍に前記増強電場を形成させる。
次に、前記増強電場により強められた光を励起光として、前記目的物質又は前記目的物質に結合して標識化する蛍光物質や光散乱物質などの標識物質から発せされる光の光信号Ｓを光検出部２２で検出して、前記目的物質を検出する。
【００６０】
次に、本発明の前記目的物質検出装置及び前記目的物質検出方法の第３実施形態について図６を参照しつつ説明する。なお、図６は、第３実施形態の概略構成を示す説明図である。
【００６１】
図６に示すように目的物質検出装置３０は、目的物質検出チップ１（図１，２参照）と光照射部３１と光学プリズム３２と光検出部３３と磁場印加部３４とで構成される。
目的物質検出装置３０では、磁場印加部３４が配される点で目的物質検出装置２０と異なり、光照射部３１、光学プリズム３２及び光検出部３３は、目的物質検出装置２０における光照射部２１、光学プリズム２２及び光検出部２３と同様に構成することができる。以下では、磁場印加部３４に着目した説明を行う。
【００６２】
磁場印加部３４は、永久磁石等を保持したスライド部材で構成され、目的物質検出チップ１の前記裏面側に配されるとともに目的物質検出チップ１の前記表面の面内方向と平行な方向のベクトル成分を持つ方向（図中のＸ１及びＸ２）にスライド移動可能とされる。
閉鎖撥水部４に保持される前記液体試料は、前記目的物質と結合体を構成する前記磁性粒子が添加されて調製される。
このような磁場印加部３４が配される目的物質検出装置３０では、前記液体試料中を浮遊する前記結合体の重力沈降を待つことなく、磁場印加部３４による磁場の印加によって前記結合体を目的物質検出チップ１の前記表面に引き寄せることができ、短時間での測定が可能とされる。
また、磁場印加部３４の前記スライド移動に伴う前記結合体の移動の様子を前記スライド移動の前後で比較観察することで、前記磁場印加前における光信号に含まれるノイズ信号を排除した観察を行うことができる。
即ち、前記結合体が前記スライド移動により移動するのに対し、前記目的物質検出チップ表面のキズ等を原因とする前記ノイズ信号は、前記スライド移動により移動しないことから、前記スライド移動に伴って移動する光信号に着目した検出を行うことで、前記ノイズ信号を排除することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１      目的物質検出チップ
２      光透過性基板
３      電場増強層
４      閉鎖撥水部
５      液体試料
１０，２０，３０  目的物質検出装置
１１，２１，３１  光照射部
１２，２２，３２  光学プリズム
１３      反射光検出部
２３，３３  光検出部
３４      磁場印加部
【図１】
2018179785.tif 000003
【図２】
2018179785.tif 000004
【図３】
2018179785.tif 000005
【図４】
2018179785.tif 000006
【図５】
2018179785.tif 000007
【図６】
2018179785.tif 000008