(57)【要約】【課題】廃棄が容易な検出シートを用いつつ、表面プラズモン共鳴又は光導波モードを利用したセンシング動作が可能な生体物質検出装置を提供することを課題とする。【解決手段】生体物質検出装置１０は、入光学プリズム１と、光学プリズム１が配される側の面と反対側の面を検出面として前記検出面上の誘電率変化に応じて前記反射光の特性に変化を生じさせる検出層３と、光学プリズム１に対し直線偏光を照射可能とされる光照射部６と、光学プリズム１から出射される反射光を受光して反射光の特性を検出可能とされる光検出部７と、天然紙及び合成紙のいずれかの紙材で形成される基材層５ａ上に生体物質を培養可能な固体の培地層５ｂが形成され、培地層５ｂ側が前記検出面と当接するように配される検出シート５と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される入射光を底面に向けて導入可能とされ、前記底面側から反射される前記入射光の反射光を外部に出射可能とされる光学プリズムと、
前記光学プリズムの底面側に配され、前記光学プリズムが配される側の面と反対側の面を検出面として前記検出面上の誘電率変化に応じて前記反射光の特性に変化を生じさせる検出層と、
前記光学プリズムに対し前記入射光として直線偏光を照射可能とされる光照射部と、
前記光学プリズムから出射される前記反射光を受光して前記反射光の特性を検出可能とされる光検出部と、
天然紙及び合成紙のいずれかの紙材で形成される基材層上に生体物質を培養可能な固体の培地層が形成され、前記培地層側が前記検出面と当接するように配される検出シートと、
を有することを特徴とする生体物質検出装置。
【請求項２】
基材層のブリストー法に準じて測定される接触時間１０ミリ秒での吸水度が、高くとも１０ｇ／ｍ２であり、培地層が形成される前記基材層表面における表面自由エネルギーが、低くとも５０ｍＪ／ｍ２である請求項１に記載の生体物質検出装置。
【請求項３】
基材層の厚みが、薄くとも２００μｍである請求項１から２のいずれかに記載の生体物質検出装置。
【請求項４】
培地層の形成材料が、寒天を含む培地材である請求項１から３のいずれかに記載の生体物質検出装置。
【請求項５】
光照射部が照射可能とされる直線偏光がｐ偏光とされ、検出層が金属層とされる請求項１から４のいずれかに記載の生体物質検出装置。
【請求項６】
光照射部が照射可能とされる直線偏光がｓ偏光及びｐ偏光のいずれかとされ、検出層が光学プリズム側からみて誘電体層と金属層とをこの順で積層させた積層体で構成される請求項１から４のいずれかに記載の生体物質検出装置。
【請求項７】
金属層が、直線偏光を照射したときの複素誘電率における実部が負の値を有し、虚部が正の値を有する層とされる請求項５から６のいずれかに記載の生体物質検出装置。
【請求項８】
光学プリズムの底面と光学的に密着される支持板を有し、検出層が前記支持板の前記光学プリズムが配される面と反対側の面上に形成される請求項１から７のいずれかに記載の生体物質検出装置。
【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又は光導波モードを利用した生体物質検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体試料中のタンパク質や、病原菌、水中の金属イオン、有機分子など様々な物質を検出するセンサーとして、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を利用したセンサが知られている（例えば、非特許文献１〜７参照）。この種のセンサは、ＳＰＲセンサと呼ばれ、クレッチマン配置型のものが広く普及しつつある。
【０００３】
前記クレッチマン配置型のＳＰＲセンサは、光学プリズムと光学プリズムの底面側に配される金属層で構成される検出板と前記光学プリズムに対し前記入射光を照射する光照射部と前記光学プリズムから出射される前記反射光を受光して前記反射光強度を検出する光検出部とで構成される。
前記入射光を全反射となる条件で前記光学プリズムに入射させると、前記金属層側に染み出すエバネセント波によって、ある入射角度θ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発現すると、前記エバネセント波が表面プラズモンに吸収されるので、入射角度θ付近で前記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、前記金属層の前記光学プリズムが配される面と反対側の検出面上の誘電率によって変化することから、前記ＳＰＲセンサでは、前記検出面上の誘電率に変化を与える物質の存在等を検出することができる。
【０００４】
また、前記検出面上の誘電率に変化を与える物質の存在等を検出するセンサとして、光導波モードセンサが知られている（例えば、特許文献１〜５参照）。
前記光導波モードセンサは、前記クレッチマン配置型のＳＰＲセンサとよく似た構造を有し、前記光学プリズムと前記検出板と前記光照射部と前記光検出部とで構成され、前記検出板が、誘電体層と金属層等との積層体で形成される点で前記ＳＰＲセンサと異なっている。
前記入射光を全反射となる条件で前記光学プリズムに入射したとき、ある特定の入射角度θにおいて、前記入射光が前記誘電体層内を伝搬する光導波モード（漏洩モード、またはリーキーモードとも呼ばれる）と結合して光導波モードが励起され、入射角度θ付近で前記反射光の強度が著しく減少する。前記光導波モードの励起条件は、前記検出板の前記光学プリズムが配される面と反対側の検出面上の誘電率によって変化する。
したがって、前記光導波モードセンサでは、前記ＳＰＲセンサと同様、前記検出面上の誘電率に変化を与える物質の存在等を検出することができる。
【０００５】
前記ＳＰＲセンサ及び前記光導波モードセンサを用いて、細菌、真菌、ウィルス等の生体物質を検出する場合、前記生体物質の存在が疑われる被検体液を導入するチップを用意し、前記生体物質と特異的に結合する抗体などで表面修飾された前記検出面と前記チップ上の前記被検体液とを接触させることが行われる。
この手法は、広く普及した前記生体物質の検出手法である、前記生体物質を固体培地に導入後、顕微鏡を用いて培養状態を経過観察して行う手法に比べて、早い段階での検出が可能であり、また、前記生体物質の増殖速度や増殖量を誘電率変化に応じてタイムリーに検出することができる。
【０００６】
ところで、前記生体物質が感染性や有害性を持つ場合、安全衛生上の観点から、前記チップを使用ごとに交換のうえ廃棄する必要がある。
しかしながら、前記チップとしては、厚肉のガラス基板や樹脂基板が用いられ、廃棄物の重量が重く体積も大きいことから、運搬上の廃棄コストが嵩むほか、焼却や溶融に要するエネルギーも大きくなるため、より一層廃棄コストが嵩む問題がある。更には、滅菌後破砕処理を行って廃棄を行うことが求められる場合もあり、より一層廃棄コストが嵩む問題がある。
【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】特許第５１３１８０６号公報
【特許文献５】特許第５４２４２２９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】W.Knoll, MRS Bulletin 16, pp.29-39(1991年)
【非特許文献２】W.Knoll, Annu.Rev.Phys.Chem.49, pp.569-638(1998年)
【非特許文献３】H.Kano and S.Kawata,Appl.Opt.33, pp.5166-5170(1994年)
【非特許文献４】C.Nylander, B.Liedberg,and T.Lind, Sensor.Actuat.3, pp.79-88(1982/83年)
【非特許文献５】K.Kambhampati, T.A.M.Jakob, J.W.Robertson, M.Cai, J.E.Pemberton, and W.Knoll,Langmuir 17, pp.1169-1175(2001年)
【非特許文献６】O.R.Bolduc, L.S.Live, and J.F.Masson, Talanta 77, pp.1680-1687(2009年)
【非特許文献７】I.Stammler, A.Brecht, and G.Gauglitz, Sensor.Actuat.B54, pp98-105(1999年)
【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、廃棄が容易な検出シートを用いつつ、表面プラズモン共鳴又は光導波モードを利用したセンシング動作が可能な生体物質検出装置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＞  入射される入射光を底面に向けて導入可能とされ、前記底面側から反射される前記入射光の反射光を外部に出射可能とされる光学プリズムと、前記光学プリズムの底面側に配され、前記光学プリズムが配される側の面と反対側の面を検出面として前記検出面上の誘電率変化に応じて前記反射光の特性に変化を生じさせる検出層と、前記光学プリズムに対し前記入射光として直線偏光を照射可能とされる光照射部と、前記光学プリズムから出射される前記反射光を受光して前記反射光の特性を検出可能とされる光検出部と、天然紙及び合成紙のいずれかの紙材で形成される基材層上に生体物質を培養可能な固体の培地層が形成され、前記培地層側が前記検出面と当接するように配される検出シートと、を有することを特徴とする生体物質検出装置。
＜２＞  基材層のブリストー法に準じて測定される接触時間１０ミリ秒での吸水度が、高くとも１０ｇ／ｍ２であり、培地層が形成される前記基材層表面における表面自由エネルギーが、低くとも５０ｍＪ／ｍ２である前記＜１＞に記載の生体物質検出装置。
＜３＞  基材層の厚みが、薄くとも２００μｍである前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の生体物質検出装置。
＜４＞  培地層の形成材料が、寒天を含む培地材である前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の生体物質検出装置。
＜５＞  光照射部が照射可能とされる直線偏光がｐ偏光とされ、検出層が金属層とされる前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の生体物質検出装置。
＜６＞  光照射部が照射可能とされる直線偏光がｓ偏光及びｐ偏光のいずれかとされ、検出層が光学プリズム側からみて誘電体層と金属層とをこの順で積層させた積層体で構成される前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の生体物質検出装置。
＜７＞  金属層が、直線偏光を照射したときの複素誘電率における実部が負の値を有し、虚部が正の値を有する層とされる前記＜５＞から＜６＞のいずれかに記載の生体物質検出装置。
＜８＞  光学プリズムの底面と光学的に密着される支持板を有し、検出層が前記支持板の前記光学プリズムが配される面と反対側の面上に形成される前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の生体物質検出装置。
【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、廃棄が容易な検出シートを用いつつ、表面プラズモン共鳴又は光導波モードを利用したセンシング動作が可能な生体物質検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る生体物質検出装置の構成を説明するための説明図である。
【図２】第１実施形態に係る生体物質検出装置の変形例の構成を説明するための説明図である。
【図３】第２実施形態に係る生体物質検出装置の構成を説明するための説明図である。
【図４】第２実施形態に係る生体物質検出装置の変形例の構成を説明するための説明図である。
【図５】反射光強度の測定結果を示す図（１）である。
【図６】反射光強度の測定結果を示す図（２）である。
【図７】各サンプル紙における吸水度と表面自由エネルギーとの関係を示す図である。
【図８】サンプル紙Ａ上に培地層を形成した検出シートの様子を示す図である。
【図９】サンプル紙Ｅ上に培地層を形成した検出シートの様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る生体物質検出装置について、図面を参照しつつ説明をする。図１は、第１実施形態に係る生体物質検出装置の構成を説明するための説明図である。
該図１に示すように、生体物質検出装置１０は、光学プリズム１、支持板２、検出層３、光照射部６及び光検出部７で構成されるクレッチマン配置型ＳＰＲセンサのセンシング構造を有し、更に、被検体が導入される検出シート５を有する。
【００１４】
光学プリズム１は、入射される入射光を底面に向けて導入可能とされ、前記底面側から反射される前記入射光の反射光を外部に出射可能とされる。図示の例では、三角形プリズムを用いているが、プリズムの形状に特に制限はなく、これに代えて、台形プリズム、半円柱プリズム、半球プリズム等の公知の光学プリズムを用いることができる。
また、光学プリズム１の形成材料としても特に制限はなく、シリカガラス等の公知のガラス材料の中から適宜選択することができる。
【００１５】
支持板２は、光学プリズム１の底面と光学的に密着される部材であり、例えば、公知の屈折率整合液を用いて光学プリズム１と光学的に密着される。
支持板２の形成材料としては、支持板２を構成する状態で前記直線偏光を透過する材料とされ、例えば、光学プリズム１の形成材料と同じものが好ましい。
【００１６】
検出層３は、光学プリズム１の底面側に配され、光学プリズム１が配される側の面と反対側の面を検出面として前記検出面上の誘電率変化に応じて前記反射光の特性に変化を生じさせる層とされる。本例では、金属で形成される金属層の単層とされ、支持板２の光学プリズム１が配される面と反対側の面上に形成される。
前記金属層としては、前記表面プラズモン共鳴を発現させる観点から、前記直線偏光を照射したときの複素誘電率における実部が負の値を有し、虚部が正の値を有する層であることが好ましい。
また、前記金属層の形成材料としては、特に制限はなく、前記ＳＰＲセンサに適用される公知の金属層の形成材料が挙げられるが、金、銀、銅、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形成材料が好ましい。
また、前記金属層の厚みとしては、特に制限はなく、例えば、１ｎｍ〜５０ｎｍ程度とされる。
【００１７】
なお、検出層３の形成方法としては、特に制限はなく、例えば、公知の蒸着法等が挙げられ、本例では、支持板２の光学プリズム１が配される側の面と反対側の面上に前記形成材料を蒸着等することで形成することができる。
また、検出層３としては、使用ごとに高圧滅菌処理等の洗浄を行うことで繰返し使用することができ、また、光学プリズム１から支持板２とともに取り外すことで、使い捨てにすることもできる。
【００１８】
検出シート５は、基材層５ａ上に培地層５ｂが形成され、培地層５ｂ側が前記検出面と当接するように配される。
【００１９】
基材層５ａは、天然紙及び合成紙のいずれかの紙材で形成される。
したがって、基材層５ａは、可燃性であり、廃棄時において培地層５ｂとともに容易に焼却することができる。即ち、日本国環境省が公表する感染性廃棄物ガイドライン（２０１４年）によれば、感染性及び感染の可能性がある物質を取り扱ったものである場合、感染性廃棄物として、（１）焼却設備により焼却されるもの（燃やせるもの）、（２）溶融設備により溶融されるもの（燃やせないもの）、（３）滅菌処理後、破砕されるもののいずれかの分類にしたがって廃棄されることになるが、前記紙材で形成される基材層５ａを有して構成される検出シート５は、培地層５ｂが形成された状態で前記（１）に分類され、最も安価に廃棄可能な焼却処分の対象となる。
また、基材層５ａを前記紙材で形成する場合、これを厚肉のガラス基板や樹脂基板で形成する場合に比べ、廃棄物の体積及び重量を小さくし、運搬上の廃棄コストも低減させることができる。
なお、本明細書において「可燃性」とは、室温、常圧下で着火した場合に燃焼が継続する性質を示す。
【００２０】
培地層５ｂは、生体物質を培養可能な固体の層（固体培地）とされる。
培地層５ｂの形成材料としては、このような前記生体物質を培養可能な限り特に制限はなく、公知の培地材料が挙げられるが、適度に固化させた前記固体培地が得られ易いことから、寒天を含む培地材が好ましい。
また、前記培地材としては、特に制限はなく、ＬＢ培地、セルロース類培地、アルギン酸ゲル培地等の公知の培地材が挙げられる。
また、培地層５ｂの厚みとしては、特に制限はないが、前記生体物質の培養中における保水状態を維持する観点から、５０μｍ以上が好ましい。なお、前記厚みの上限としては、１０ｍｍ程度である。
なお、前記生体物質としては、特に制限はなく、細菌、真菌、ウィルス等が挙げられる。
【００２１】
基材層５ａは、前記紙材で形成され吸水性を有することから、培地層５ｂの形成に役立つ。即ち、前記寒天、栄養分、塩分等を含むＬＢ培地材を用いて培地層５ｂを形成する場合、滅菌を兼ねて前記ＬＢ培地材に水を加えた組成物をオートクレーブで１２０℃程度の温度に加熱して、前記ＬＢ培地材を水に溶解、分散させた前駆体液とした後、固形化が始まる６０℃程度まで温度が低下する前に、前記前駆体液を基材層５ａ上に塗布し、前記前駆体液が固形化された培地層５ｂを基材層５ａ上に形成する。この際、固形化が始まる前の前記前駆体液が基材層５ａ中に部分的に浸透することで、固形化後の培地層５ｂと基材層５ａとが安定的に固定されることとなる。基材層５ａが吸水性を持たない材料で形成される場合、基材層５ａと培地層５ｂとを安定的に固定させることが困難となる。
なお、前記前駆体液を基材層５ａ上に塗布する方法としては、公知のスキージング法、ダイコード法、スクリーン印刷やインクジェット印刷に準じた塗布方法等が挙げられる。
【００２２】
ところで、紙の吸水度は種類によって様々であるが、前記紙材で形成される基材層５ａとしては、ブリストー法（日本紙パルプ技術協会（Ｊａｐａｎ  Ｔａｐｐｉ）規定、紙パルプ試験方法Ｎｏ．５１：２０００，“紙及び板紙−液体吸収性試験方法−ブリストー法”）に準じて測定される接触時間１０ミリ秒での吸水度が、高くとも１０ｇ／ｍ２であることが好ましい。
即ち、前記吸水度が１０ｇ／ｍ２を超える場合、水分吸収時の膨張と乾燥時の収縮によって乾燥後の基材層５ａに大きな皺を発生させ易く、同時に、基材層５ａ上の培地層５ｂにも大きな皺を発生させ易い。したがって、培地層５ｂの表面と検出層３の前記検出面とを当接させたときに、これらの界面に気泡が入り込み易く、前記生体物質の検出が妨げられることがある。
また、前記吸水度の下限としては、前記前駆体液の浸透により基材層５ａと培地層５ｂとを安定的に固定させる観点から、低くとも１ｇ／ｍ２であることが好ましい。
なお、前記接触時間を１０ミリ秒としたのは、基材層５ａの好適な前記吸水度を判断するのに十分な時間であるためである。
【００２３】
また、基材層５ａとしては、前記吸水度とも関連して、培地層５ｂが形成される基材層５ａ表面における表面自由エネルギーが、低くとも５０ｍＪ／ｍ２であることが好ましい。
即ち、培地層５ｂを基材層５ａ上に安定的に固定する場合、前記培地材料を水に溶解、分散させた前記前駆体液を基材層５ａ上に塗工する必要があるが、この際、前記前駆体液が基材層５ａ上で濡れ広がらないと、形成される培地層５ｂの厚みが不均一となり、培地層５ｂと検出層３との界面に気泡が入り込む等、前記生体物質の検出を妨げる要因となる。また、培地層５ｂが不均一な厚みで形成されると、培地層５ｂにおける前記生体物質の培養に培養ムラが生じる要因ともなる。したがって、基材層５ａとしては、適切な濡れ性を有することが好ましい。
この濡れ性としては、先の通り、前記表面自由エネルギーを指標として表すことができる。即ち、前記表面自由エネルギーが高いと、前記前駆体液が基材層５ａ表面上で均一に濡れ広がり易く、前記表面自由エネルギーが低いと、前記前駆体液が基材層５ａ表面で弾かれ、不均一な厚みを形成するダマ等が生じ易い。
基材層５ａ表面における前記表面自由エネルギーが、先の通り、低くとも５０ｍＪ／ｍ２であると、適切な濡れ性を有するものとして、前記生体物質を好適に検出することができる。なお、前記表面自由エネルギーの上限としては、高くとも１００ｍＪ／ｍ２であることが好ましい。
【００２４】
また、基材層５ａの厚みとしては、特に制限はないが、前記前駆体液の浸透を通じて培地層５ｂを安定的に固定させる目的、培地層５ｂを安定的に支持するための強度を得る目的、更には、培地層５ｂ形成後における皺の発生を抑制する目的で、薄くとも２００μｍであることが好ましい。
なお、基材層５ａとしては、検出シート５の廃棄時に培地層５ｂを内側に包み込むように丸めることで、培地層５ｂに触れずに取り扱うことができる。したがって、前記厚みの上限としては、丸め易い柔軟性を持たせる観点から、厚くても５００μｍであることが好ましい。
【００２５】
このように構成される検出シート５を用いる場合、前記ＳＰＲセンサ及び前記光導波モードセンサを用いる際に、従来行われてきた検出面に対する表面処理（前記生体物質と特異的に結合する抗原等の形成）が不要であり、検出のためのセッティングを大幅に簡略化させることができる。
即ち、培地層５ｂが検出層３の前記検出面と密着させ易いゲル状の固体培地として形成されるため、培地層５ｂ上に前記生体物質の存在が疑われる被検体液を滴下した状態や培地層５ｂを前記被検体液と接触させ、前記生体物質を培養した状態で、検出シート５の培地層５ｂ側を検出層３の前記検出面に当接させるだけで検出に必要なセッティングを完了させることができる。
【００２６】
光照射部６は、レーザ６ａとレーザ６ａから照射される光を直線偏光に偏光させる偏光素子６ｂとを有し、光学プリズム１に対し前記入射光として前記直線偏光を照射可能とされる。なお、光学プリズム１に対し前記入射光として前記直線偏光を照射可能であれば、光照射部６の構成に代えて、公知の光源及び偏光素子などで構成された任意の光照射部を選択して用いてもよい。例えば、レーザ、ＬＥＤなどの光源、前記光源から照射される光をコリメート光とするコリメータ、前記光源から照射される光を前記直線偏光に偏光させる偏光板、前記光源から照射される光を前記コリメータに導く光ファイバ、前記光源からの光を集光して光学プリズム１に入射させる集光レンズなど、公知の光学部材から適宜選択して構成することができる。
光照射部６は、前記反射光の強度が減少する入射角度θを特定するため、公知の駆動装置（不図示）により、入射角を増減する方向に駆動可能とされる。
なお、検出層３を前記金属層で形成する場合、前記直線偏光としては、ｐ偏光とされる。
【００２７】
光検出部７は、光学プリズム１から出射される前記反射光を受光して前記反射光の特性を検出可能とされる。
光検出部７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る。
【００２８】
このように構成される生体物質検出装置１０では、光学プリズム１に対して全反射条件を満たすように前記入射光を導入すると、支持板２から検出層３に向けて前記エバネセント光が染み出し、検出層３の前記検出面近傍に前記表面プラズモンが励起される。
ここで、光照射部６を入射角を増減する方向に駆動させると、ある特定の入射角度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、前記反射光の強度が著しく減少する。前記反射光の強度は、光検出部７により入射角ごとに検出される。
検出されるこの入射角度θは、前記検出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、前記検出面上に配される培地層５ｂに存在する前記生体物質を検出することができ、また、入射角度θのシフト変化量の解析に基づき、前記生体物質の増加（例えば、細菌等の増殖量や増殖速度等）をタイムリーに検出することができる。
【００２９】
生体物質検出装置１０としては、図２に示す生体物質検出装置１０’のように、光学プリズム１と別体とされる支持板２を設けず、光学プリズム１の底面上に直接、検出層３を形成してもよい。なお、図２は、第１実施形態に係る生体物質検出装置の変形例の構成を説明するための説明図である。
【００３０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図面を参照しつつ説明をする。図３は、第２実施形態に係る生体物質検出装置の構成を説明するための説明図である。
該図３に示すように、生体物質検出装置２０は、光学プリズム２１、支持板２２、金属層２３、誘電体層２４、検出シート２５、光照射部２６及び光検出部２７で構成される。
【００３１】
第１実施形態に係る生体物質検出装置１０は、前記クレッチマン配置型の前記ＳＰＲセンサを利用して構成される。これに対し、第２実施形態に係る生体物質検出装置２０は、光導波モードセンサを利用して構成される。
前記光導波モードセンサは、前記ＳＰＲセンサと同様の光学系を用いて構成することができ、光学プリズム２１、支持板２２、金属層２３、検出シート２５（基材層２５ａ及び培地層２５ｂ）、光照射部２６（レーザ２６ａ、偏光素子２６ｂ等）及び光検出部２７としては、第１実施形態に係る生体物質検出装置１０における、光学プリズム１、支持板２、金属層３、検出シート５、光照射部６及び光検出部７と共通する事項を適用することができる。
以下では、第１実施形態に係る生体物質検出装置１０と異なる事項について説明する。
【００３２】
第２実施形態に係る生体物質検出装置２０では、検出層３に代えて、光学プリズム２１側からみて金属層２３と誘電体層２４とをこの順で積層させた積層体で構成される検出層が配され、誘電体層２４の培地層２５ｂと当接される面が検出面とされる。
【００３３】
金属層２３の形成材料としては、特に制限はなく、前記光導波モードセンサに適用される公知の金属材料が挙げられるが、金、銀、銅、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形成材料が好ましく、リユース時の高圧蒸気滅菌等による洗浄処理を考慮すると、金が特に好ましい。
また、金属層２３の厚みとしては、特に制限はなく、例えば、１ｎｍ〜５０ｎｍ程度とされる。
また、金属層２３としては、前記直線偏光を照射したときの複素誘電率における実部が負の値を有し、虚部が正の値を有する層であることが好ましい。
なお、金属層２３の形成方法としては、特に制限はなく、例えば、公知の蒸着法等が挙げられ、本例では、支持板２２の光学プリズム２１が配される側の面と反対側の面上に前記形成材料を蒸着等することで形成することができる。
【００３４】
誘電体層２４の形成材料としては、特に制限はなく、前記光導波モードに適用される公知の誘電体層の形成材料を適用することができ、例えば、アクリル樹脂等の樹脂材料、シリカ、アルミナ、酸化亜鉛等の金属酸化物、窒化シリコン、窒化アルミニウム等の金属窒化物などが挙げられるが、リユース時の高圧蒸気滅菌等による洗浄処理を考慮すると、前記金属酸化物が好ましく、中でも前記シリカが特に好ましい。
また、誘電体層２４の厚みとしては、特に制限はないが、例えば、１ｎｍ〜１μｍ程度とされる。
【００３５】
なお、誘電体層２４の形成方法としては、特に制限はなく、形成材料に応じて、公知の物理的、化学的な形成方法を適用することができる。
また、前記検出層を高圧蒸気滅菌等による洗浄処理を行ってリユースする場合、金属層２３と誘電体層２４との剥離を避けるため、これらの間にクロムやチタンなどで形成される結合層（不図示）を厚み１ｎｍ程度で形成してもよい。
また、誘電体層２４としては、１層単独で形成されてもよいが、前記形成材料を用いて２層以上の積層体として形成されてもよい。
【００３６】
前記検出層を金属層２３及び誘電体層２４で形成する場合、使用ごとに高圧滅菌処理等の洗浄を行うことで繰返し使用することができ、また、光学プリズム２１から支持板２２とともに取り外すことで、使い捨てにすることもできる。
また、前記検出層を金属層２３及び誘電体層２４で形成する場合、前記入射光として用いられる前記直線偏光としては、ｐ偏光及びｓ偏光のいずれの偏光も利用することができる。
【００３７】
このように構成される生体物質検出装置２０では、前記入射光を全反射となる条件で光学プリズム２１に入射したとき、ある特定の入射角度θにおいて、前記入射光が誘電体層２４内を伝搬する光導波モードと結合して光導波モードが励起され、入射角度θ付近で前記反射光の強度が著しく減少する。前記光導波モードの励起条件は、前記検出面上の誘電率によって変化する。
この入射角度θは、前記検出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、前記検出面上に配される培地層２５ｂに存在する前記生体物質を検出することができ、また、入射角度θのシフト変化量の解析に基づき、前記生体物質の増加（例えば、細菌等の増殖量や増殖速度等）をタイムリーに検出することができる。
【００３８】
生体物質検出装置２０としては、図４に示す生体物質検出装置２０’のように、光学プリズム２１と別体とされる支持板２２を設けず、光学プリズム２１の底面上に直接、前記検出層（金属層２３、誘電体層２４）を形成してもよい。なお、図４は、第２実施形態に係る生体物質検出装置の変形例の構成を説明するための説明図である。
【００３９】
（その他の変形例）
第１、第２実施形態に係る各生体物質検出装置では、前記光照射部を駆動させ、前記反射光の強度が減少する入射角度θのシフト変化を測定することで解析を行うが、前記光照射部を駆動させる場合、光学系が大型化するため、前記光照射部を固定して解析を行う波長分散型の光学系を採用してもよい。
例えば、第１実施形態に係る光照射部６において、レーザ６ａに代えて、白色光源を用いることで、広波長帯域の入射光を光学プリズム１に照射する光学系を採用してもよい。
この場合、光検出部７では、前記反射光の波長スペクトルを検出することとされ、前記波長スペクトルでは、ある特定波長において前記反射光の強度が著しく減少することが観察される。
前記波長スペクトルにおける、前記特定波長で前記反射光の強度が著しく減少する曲線形状は、ディップと呼ばれ、前記波長分散型の光学系で構成される生体物質検出装置では、前記ディップ位置が前記検出面上における誘電率の変化に応じて短波長側又は長波長側にシフト変化することを利用して前記生体物質の検出を行う。
【００４０】
なお、第１、第２実施形態に係る各生体物質検出装置を例に挙げて種々説明をしたが、前記検出シートの構成以外の構成については、説明した事項に加えて、公知のクレッチマン配置型ＳＰＲセンサ及び光導波モードセンサに適用される事項を基づいて構成することができる。このことを裏返せば、本発明の生体物質検出装置は、既存の前記ＳＰＲセンサ及び前記光導波モードセンサをそのまま利用して構成でき、新たなセンサの導入を必要としないとのコスト上のメリットを有する。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００４２】
（実施例１）
図１に示す構成で、実施例１に係る生体物質検出装置を製造した。具体的には、次のように製造を行った。
【００４３】
実施例１に係る生体物質検出装置では、レーザから照射される波長６３２．８ｎｍの光を偏光板に導入してｐ偏光として偏光後、光学プリズムに入射させるように設定を行った。また、前記光学プリズムから出射される反射光をサーモパイルセンサで受光するように光学系の設定を行った。
前記光学プリズムとしては、波長６３２．８ｎｍの光に対して屈折率が１．７３のガラス製光学プリズム（三角形プリズム、頂角９０°）を用いた。
前記光学プリズムと同素材で形成される２５ｍｍ角の支持板（屈折率１．７３）上に、検出層として金を厚み４７ｎｍで蒸着した。この支持板における前記検出層が蒸着形成された面と反対側の面と、前記光学プリズムの底面とを屈折率整合液を介して密着させた。
検出シートは、２５ｍｍ角に裁断した市販のインクジェット印刷用光沢紙（エプソン社製、クリスピア）を基材層として、前記基材層上にＬＢ寒天培地材で形成される培地層を形成して作製した。前記培地層の形成は、前記ＬＢ培地材に水を加えた組成物をオートクレーブで１２０℃程度の温度に加熱・滅菌して、前記ＬＢ培地材を水に溶解、分散させた前駆体液とした後、固形化が始まる６０℃程度まで温度が低下する前に、スキージング法により前記前駆体液を前記基材層上に塗布し、その後、３７℃まで冷却して前記前駆体液を固形化させて行った。
最後に前記検出層の前記光学プリズムが配される面と反対側の面を検出面として、前記検出面と前記検出シートの前記培地層と密着させ、実施例１に係る生体物質検出装置を製造した。
【００４４】
実施例１に係る生体物質検出装置に対し、入射光の前記光学プリズムに対する入射角を５０°から７５°まで変化させ、各入射角での反射光強度の測定を行った。反射光強度の測定結果を図５に示す。
該図５に示すように、６３．５°付近で反射光強度の減少が確認される。このように実施例１に係る生体物質検出装置では、表面プラズモン共鳴に起因する反射光強度の減少を確認することができる。
【００４５】
次に、実施例１に係る生体物質検出装置中の前記検出シートを前記検出層から一旦取り外し、前記検出シートの前記培地層上に、細菌としてＥ．Ｃｏｌｉが導入されたＥ．Ｃｏｌｉ懸濁液を滴下して、再度、前記検出シートを前記検出層に密着させた。なお、Ｅ．Ｃｏｌｉ懸濁液としては、別のＬＢ培地液中で培養したＥ．Ｃｏｌｉを１万分の１の濃度に希釈して調製したものを用いた。
この状態で、実施例１に係る生体物質検出装置に対し、入射光の前記光学プリズムに対する入射角を５０°から７５°まで変化させ、各入射角での反射光強度の測定を行った。
また、同様の測定を、一旦前記検出層から取り外した前記検出シートを３７℃の温度下で一定時間静置後、再度、前記検出層に取り付けて行った。静置時間は、前記培地層に対するＥ．Ｃｏｌｉ懸濁液の滴下から１時間が経過する時間までと、同滴下から４時間が経過する時間までとした。各状態における、反射光強度の測定結果を図６に示す。
該図６に示すように、Ｅ．Ｃｏｌｉ懸濁液の滴下直後（０ｈ）では、６３．６°付近で反射光強度の減少が確認され、Ｅ．Ｃｏｌｉ懸濁液を滴下しない状態で測定を行ったときの反射光強度の減少が確認される入射角度（６３．５°）からのシフト変化が確認される。
したがって、実施例１に係る生体物質検出装置では、前記シフト変化を通じて、前記培地層中の生体物質の検出を行うことができる。
【００４６】
また、図６に示すように、Ｅ．Ｃｏｌｉ懸濁液の滴下から１時間経過時では、前記シフト変化が明確に確認されないものの、４時間経過時では、６３．７°付近で反射光強度の減少が確認され、Ｅ．Ｃｏｌｉ懸濁液の滴下直後における反射光強度の減少が確認される入射角度（６３．６°）からのシフト変化を明確に確認することができる。このようなシフト変化は、前記培地層中でＥ．Ｃｏｌｉが成長ないし増殖したことを意味する。
したがって、実施例１に係る生体物質検出装置では、前記シフト変化を生じさせる時間、シフト変化量等を解析することで、前記生体物質の増加をタイムリーに検出することもできる。
【００４７】
（吸水性試験）
次に、前記基材層と前記培地層との固定状態、及び、前記基材層を形成する紙材の吸水性に伴う前記検出シートの形状変化の状況を確認するため、前記基材層の吸水性試験として、吸水度及び表面自由エネルギーの測定試験を行った。
前記吸水度は、ブリストー法（日本紙パルプ技術協会（Ｊａｐａｎ  Ｔａｐｐｉ）規定、紙パルプ試験方法Ｎｏ．５１：２０００，“紙及び板紙−液体吸収性試験方法−ブリストー法”）に準じて接触時間１０ミリ秒での吸水度として測定した。
また、前記表面自由エネルギーは、前記培地層が形成される前記基材層表面における表面自由エネルギーとして次のように算定した。即ち、水及びジヨードメタンを用いた滴下法にて前記基材層表面に滴下した前記水及びジヨードメタンの静的接触角を、接触角測定装置（協和界面科学社製、ＤＭ−５００）を用いて測定し、得られた測定値に基づき、Ｏｗｅｎｓ−Ｗｅｎｄｔ法による表面自由エネルギー値の算出を行った。なお、この算出は、前記接触角測定装置に付属される多機能統合解析ソフトウエア（ＦＡＭＡＳ）が有する表面自由エネルギー解析ツールを用いて行った。
また、これら吸水性試験は、実施例１に係る生体物質検出装置における前記基材層として用いた紙（エプソン社製、クリスピア）をサンプル紙Ａとし、ピクトリコ社製、ピクトリコ・プロをサンプル紙Ｂとし、日本製紙パビリア社製、オーパーＭＤＰをサンプル紙Ｃとし、王子製紙社製、ミラーコートプラチナをサンプル紙Ｄとし、三菱製紙社製、マットコート紙をサンプル紙Ｅとして、これらサンプル紙Ａ〜Ｅに対して行った。
試験結果を図７及び下記表１に示す。なお、図７は、各サンプル紙における吸水度と表面自由エネルギーとの関係を示す図である。
【００４８】
【表１】
2018028467.tif 000003
【００４９】
図７及び表１に示すように、サンプル紙Ａ，Ｂは、前記吸水度が１０ｇ／ｍ２以下であり、かつ、前記表面自由エネルギーが５０ｍＪ／ｍ２以上とされる。したがって、これらサンプル紙Ａ，Ｂ上に前記培地層を形成すると、サンプル紙Ａ，Ｂが、前記吸水度にしたがって吸水し過ぎによる強度の低下、乾燥に起因する皺の発生等の影響を受けにくく、延いては、前記培地層の平滑性が損われることを抑制することができる。また、前記表面自由エネルギーにしたがって、サンプル紙Ａ，Ｂ上に前記培地層を形成する前記培地材（分散液）を適切に濡れ広がらせて、前記培地層を均一な厚みで安定的に固定することができる。
また、サンプル紙Ｃ，Ｄは、前記吸水度が１０ｇ／ｍ２以下であるが、前記表面自由エネルギーが５０ｍＪ／ｍ２未満とされる。したがって、これらサンプル紙Ｃ，Ｄ上に前記培地層を形成すると、前記培地材（分散液）がサンプル紙Ｃ，Ｄ表面の前記表面自由エネルギーにしたがって弾かれ易く（撥水）、前記培地材にダマ等が生じて前記培地層の厚みが不均一になり易い。
また、サンプル紙Ｅは、前記表面自由エネルギーが５０ｍＪ／ｍ２以上であるが、前記吸水度が前記吸水度が１０ｇ／ｍ２を超えるものとされる。したがって、サンプル紙Ｅ上に前記培地層を形成すると、サンプル紙Ｅが、前記吸水度にしたがって吸水し過ぎによる強度の低下、乾燥に起因する皺の発生等の影響を受け易く、延いては、前記培地層の平滑性が損われ易い。
【００５０】
実際に、サンプル紙Ａ，Ｅを前記基材層として、次のように前記培地層を形成し、その状況の確認を行った。
実施例１における前記基材層上に前記培地層を形成した方法と同様の方法で、サンプル紙Ａ，Ｅ上に前記培地層を形成した。即ち、前記ＬＢ培地材に水を加えた組成物をオートクレーブで１２０℃程度の温度に加熱・滅菌して、前記ＬＢ培地材を水に溶解、分散させた前駆体液とした後、固形化が始まる６０℃程度まで温度が低下する前に、スキージング法により前記前駆体液を前記基材層上に塗布し、その後、３７℃まで冷却して前記前駆体液を固形化させ、サンプル紙Ａ，Ｅ上に前記培地層を形成した。
サンプル紙Ａ上に前記培地層を形成した検出シートの様子を図８に示す。また、サンプル紙Ｅ上に前記培地層を形成した検出シートの様子を図９に示す。
【００５１】
図８に示すように、サンプル紙Ａ上に前記培地層を形成した検出シートでは、サンプル紙Ａに大きな形状変化が見られず、前記培地層の表面が前記検出層の前記検出面に密着させ易い平坦な形状とされる。
一方、図９に示すように、サンプル紙Ｅ上に前記培地層を形成した検出シートでは、サンプル紙Ｅに大きな皺が複数発生し、同時に、前記培地層の表面にも、サンプル紙Ｅにおける形状変化に追従して形成された大きな皺が複数確認される。よって、サンプル紙Ｅ上に前記培地層を形成した検出シートを用いる場合、前記検出面への密着時に前記培地層表面と前記検出面との界面に気泡が入り込み易いことが想定される。前記界面に気泡等が入ると、前記生体物質の検出が妨げられることから、前記検出シートを前記検出層に取り付ける際のセッティングに負荷がかかることが想定される。
【００５２】
前記吸水度が１０ｇ／ｍ２を超える場合、水分吸収時の膨張と乾燥時の収縮によって乾燥後の前記基材層に大きな皺を発生させ易く、同時に、前記基材層上の前記培地層にも大きな皺を発生させ易いものと考えられる。
したがって、前記基材層としては、サンプル紙Ａ，Ｂの吸水性試験の測定結果に準じて、前記吸水度が１０ｇ／ｍ２以下であることが好ましく、このような吸水度を持つ紙材で形成されることが好ましいと考えられる。
また、同時に、前記基材層としては、前記培地層を形成する表面における前記表面自由エネルギーが、低くとも５０ｍＪ／ｍ２であることが好ましいと考えられる。
即ち、比較用の写真を取得し難いため、図示しないが、実際にサンプル紙Ａ〜Ｄを前記基材層として前記培地層を同様に形成して、状況確認を行ったところ、サンプル紙Ａ，Ｂと比較して、サンプル紙Ｃ，Ｄは、前記培地材（分散液）が弾かれ易く、前記培地層の厚みが不均一になり易いものであった。
これに対し、サンプル紙Ａ，Ｂでは、前記培地材（分散液）が適度に濡れ広がり易く、前記培地層の厚みを均一に形成することができている（例えば、図８参照）。
【符号の説明】
【００５３】
１，２１  光学プリズム
２，２２  支持板
３      検出層
５，２５  検出シート
５ａ，２５ａ  基材層
５ｂ，２５ｂ  培地層
６，２６  光照射部
６ａ，２６ａ  レーザ
６ｂ，２６ｂ  偏光素子
７，２７  光検出部
１０，１０’２０，２０’  生体物質検出装置
２３      金属層
２４      誘電体層
【図１】
2018028467.tif 000004
【図２】
2018028467.tif 000005
【図３】
2018028467.tif 000006
【図４】
2018028467.tif 000007
【図５】
2018028467.tif 000008
【図６】
2018028467.tif 000009
【図７】
2018028467.tif 000010
【図８】
2018028467.tif 000011
【図９】
2018028467.tif 000012