(57)【要約】  局在プラズモン共鳴に由来する吸収スペクトルの線幅が狭く、表面の屈折率変化に伴う分光スペクトルのピーク波長シフトを高精度で測定できる局在型表面プラズモン共鳴センシングチップと、これを用いた局在型表面プラズモン共鳴センシングシステムを提供する。センシングチップ１０は、平板状のベース１４と、複数の突起部１６と、複数の突起部１６の表面を覆う金属層１８とを有する。突起部１６は、赤道面で扁球を二等分した一方の立体である半扁球のような形状を備え、この半扁球の分割面１６ａがベース１４の表面１４ａに面するように配置されている。センシングシステムは、センシングチップ１０と、センシングチップ１０の検出領域に光を照射する光源と、光源から出射した後に、センシングチップ１０の検出領域で反射または透過した光の分光スペクトルを検出する光検出機器とを有する。
2016021516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状のベースと、
赤道面で扁球を二等分した一方の立体である半扁球のような形状を備え、前記半扁球の分割面が前記ベースの表面に面するように配置された複数の突起部と、
前記複数の突起部の表面を覆う金属層と、
を有し、
前記複数の突起部は、前記分割面の直径方向および前記直径方向と垂直な方向にそれぞれ一定の周期となるように配置された局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項２】
請求項１において、
前記分割面の直径Ｄに対する前記突起部の高さＨの比Ｈ／Ｄが０.１以上０.５未満である局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項３】
平板状のベースと、
赤道面と垂直に長球を二等分した一方の立体である半長球のような形状を備え、前記半長球の分割面が前記ベースの表面に面するように配置された複数の突起部と、
前記複数の突起部の表面を覆う金属層と、
を有し、
前記複数の突起部は、前記分割面の長手方向が互いに平行で、前記長手方向および前記長手方向と垂直な方向にそれぞれ一定の周期となるように配置された局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項４】
請求項３において、
前記分割面の長手方向の長さＡに対する前記突起部の高さＨの比Ｈ／Ａが０.１以上０.５未満である局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項５】
平板状のベースと、
赤道面で長球を二等分した一方の立体のような形状を備え、前記立体の分割面が前記ベースの表面に面するように配置された複数の突起部と、
前記複数の突起部の表面を覆う金属層と、
を有し、
前記複数の突起部は、前記分割面の直径方向および前記直径方向と垂直な方向にそれぞれ一定の周期となるように配置された局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項６】
請求項５において、
前記分割面の直径Ｄに対する前記突起部の高さＨの比Ｈ／Ｄが０.５より大きく６以下である局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項７】
平板状のベースと、
赤道面で長球を二等分した一方を、前記赤道面の直径方向に両側から引き伸ばして底面を楕円形にした立体のような形状を備え、前記立体の分割面が前記ベースの表面に面するように配置された複数の突起部と、
前記複数の突起部の表面を覆う金属層と、
を有し、
前記複数の突起部は、前記分割面の長手方向が互いに平行で、前記長手方向および前記長手方向と垂直な方向にそれぞれ一定の周期となるように配置された局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項８】
請求項７において、
前記分割面の長手方向の長さＡに対する前記突起部の高さＨの比Ｈ／Ａが０.５より大きく６以下である局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかにおいて、
前記金属層の厚さが１０ｎｍ〜２００ｎｍである局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかにおいて、
前記周期がいずれも１００ｎｍ〜３０００ｎｍである局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかにおいて、
前記金属層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌ、またはこれらの合金からなる局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかにおいて、
前記複数の突起部が最密状に配置されている局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかにおいて、
前記金属層の表面に、生体分子を固定化するための有機分子層がさらに形成された局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれかの局在型表面プラズモン共鳴センシングチップと、
前記局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの検出領域に光を照射する光源と、
前記光源から出射した後に、前記局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの検出領域で反射または透過した光の分光スペクトルを検出する光検出機器と、
を有する局在型表面プラズモン共鳴センシングシステム。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記光検出機器で検出された分光スペクトルのデータを無線送信する無線通信機器と、
前記無線通信機器から無線送信された前記データを受信し、前記データに基づいて前記局在型表面プラズモン共鳴センシングチップへの検出物質の吸着を定量的に評価する携帯端末と、
をさらに有する局在型表面プラズモン共鳴センシングシステム。
【請求項１６】
請求項１から１３のいずれかの局在型表面プラズモン共鳴センシングチップと、
前記局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの検出領域に光を照射する光源と、
前記局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの検出領域を撮影する撮影機器と、
前記撮影機器で撮影された検出領域の画像の色度に基づいて、前記局在型表面プラズモン共鳴センシングチップへの検出物質の吸着を定量的に評価する評価機器と、
を有する局在型表面プラズモン共鳴センシングシステム。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記画像の色度のデータおよび／または前記検出物質の吸着量のデータを無線で遠隔サーバーに送信する無線通信機器をさらに有する局在型表面プラズモン共鳴センシングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、局在型表面プラズモン共鳴を利用する高感度のセンシングチップと、このセンシングチップを用いたセンシングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高感度の局在型表面プラズモン共鳴センサ用チップが知られている（特許文献１）。特許文献１に記載されたチップは、それまでのものに比べると感度が高い。しかしながら、このチップでは、局在プラズモン共鳴に由来する吸収スペクトルの線幅が比較的広く、微小なスペクトルシフトの検知に工夫が必要であった。このため、波長分解能が高い分光光度計によってチップの吸収スペクトルを正確に測定し、センシングの前後におけるスペクトルシフトをピークフィットなどの手法に基づいて解析する場合があった。ベッドサイド、臨床現場、空港・港湾、または社会インフラの整備されていない地域では、従来のテーブルトップサイズの分光光度計を用いてスペクトルを測定することは極めて困難である。分光スペクトルのピーク波長シフトを、どこでも、正確に、そして簡単に測定できるセンシングチップとセンシングシステムの出現が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１１／１２１８５７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、局在プラズモン共鳴に由来する吸収スペクトルの線幅が狭く、表面の屈折率変化に伴う分光スペクトルのピーク波長シフトを高精度で測定できる局在型表面プラズモン共鳴センシングチップと、このセンシングチップを用いた局在型表面プラズモン共鳴センシングシステム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】
【０００５】
本発明の第一態様の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップは、平板状のベースと、赤道面で扁球を二等分した一方の立体である半扁球のような形状を備え、半扁球の分割面がベースの表面に面するように配置された複数の突起部と、複数の突起部の表面を覆う金属層とを有し、複数の突起部は、分割面の直径方向および直径方向と垂直な方向にそれぞれ一定の周期となるように配置されている。分割面の直径Ｄに対する突起部の高さＨの比Ｈ／Ｄが０.１以上０.５未満であることが好ましい。【０００６】
本発明の第二態様の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップは、平板状のベースと、赤道面と垂直に長球を二等分した一方の立体である半長球のような形状を備え、半長球の分割面がベースの表面に面するように配置された複数の突起部と、複数の突起部の表面を覆う金属層とを有し、複数の突起部は、分割面の長手方向が互いに平行で、長手方向および長手方向と垂直な方向にそれぞれ一定の周期となるように配置されている。分割面の長手方向の長さＡに対する突起部の高さＨの比Ｈ／Ａが０.１以上０.５未満であることが好ましい。【０００７】
本発明の第三態様の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップは、平板状のベースと、赤道面で長球を二等分した一方の立体のような形状を備え、立体の分割面がベースの表面に面するように配置された複数の突起部と、複数の突起部の表面を覆う金属層とを有し、複数の突起部は、分割面の直径方向および直径方向と垂直な方向にそれぞれ一定の周期となるように配置されている。分割面の直径Ｄに対する突起部の高さＨの比Ｈ／Ｄが０.５より大きく６以下であることが好ましい。【０００８】
本発明の第四態様の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップは、平板状のベースと、赤道面で長球を二等分した一方を、赤道面の直径方向に両側から引き伸ばして底面を楕円形にした立体のような形状を備え、立体の分割面がベースの表面に面するように配置された複数の突起部と、複数の突起部の表面を覆う金属層とを有し、複数の突起部は、分割面の長手方向が互いに平行で、長手方向および長手方向と垂直な方向にそれぞれ一定の周期となるように配置されている。分割面の長手方向の長さＡに対する突起部の高さＨの比Ｈ／Ａが０.５より大きく６以下であることが好ましい。【０００９】
本発明の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップにおいて、金属層の厚さが１０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。また、本発明の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップにおいて、周期がいずれも１００ｎｍ〜３０００ｎｍであることが好ましい。
また、本発明の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップにおいて、金属層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌ、またはこれらの合金からなることが好ましい。また、本発明の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップにおいて、複数の突起部が最密状に配置されていることが好ましい。また、本発明の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップにおいて、金属層の表面に、生体分子を固定化するための有機分子層がさらに形成されていてもよい。【００１０】
本発明の第一態様の局在型表面プラズモン共鳴センシングシステムは、本発明の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップと、局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの検出領域に光を照射する光源と、光源から出射した後に、局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの検出領域で反射または透過した光の分光スペクトルを検出する光検出機器とを有する。光検出機器で検出された分光スペクトルのデータを無線送信する無線通信機器と、無線通信機器から無線送信されたデータを受信し、データに基づいて局在型表面プラズモン共鳴センシングチップへの検出物質の吸着を定量的に評価する携帯端末と、をさらに有していてもよい。【００１１】
本発明の第二態様の局在型表面プラズモン共鳴センシングシステムは、本発明の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップと、局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの検出領域に光を照射する光源と、局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの検出領域を撮影する撮影機器と、撮影機器で撮影された検出領域の画像の色度に基づいて、局在型表面プラズモン共鳴センシングチップへの検出物質の吸着を定量的に評価する評価機器とを有する。画像の色度のデータおよび／または検出物質の吸着量のデータを無線で遠隔サーバーに送信する無線通信機器をさらに有していてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、局在プラズモン共鳴に由来する吸収スペクトルの線幅が狭く、表面の屈折率変化に伴う分光スペクトルのピーク波長シフトを高精度で検出できる局在型表面プラズモン共鳴センシングチップと、これを用いた局在型表面プラズモン共鳴センシングシステムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの平面図である。
【図２】図１のII−II線切断部端面模式図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの平面図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの斜視図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線切断部端面模式図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの製造方法を説明するための断面模式図である。
【図７】本発明の反射型の局在型表面プラズモン共鳴センシングシステムの構成を説明するための図である。
【図８】本発明の透過型の局在型表面プラズモン共鳴センシングシステムの構成を説明するための図である。
【図９】本発明の携帯型の局在型表面プラズモン共鳴センシングシステムの構成を説明するための図である。
【図１０】本発明の第二実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの各種媒質中における分光スペクトルである。
【図１１】本発明の第二実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴センシングチップに滴下した液体の屈折率と、分光スペクトルのピーク波長との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の第二実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴センシングチップに作用させた溶液の検査物質の濃度と分光スペクトルのピーク波長の関係を示すグラフである。
【図１３】本発明の第一実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの分光スペクトルで、突起部の高さごとにシミュレーションを行って求めたものである。
【図１４】本発明の第一実施形態および第三実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの分光スペクトルで、突起部の高さごとにシミュレーションを行って求めたものである。
【図１５】本発明の第三実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴センシングチップの分光スペクトルで、突起部の高さごとにシミュレーションを行って求めたものである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の局在型表面プラズモン共鳴センシングチップ（以下、単に「センシングチップ」ということがある）と、このセンシングチップを用いた局在型表面プラズモン共鳴センシングシステム（以下、単に「センシングシステム」ということがある）について、図面を参照しながら実施形態と実施例に基づいて説明する。なお、図面は、センシングチップ、センシングシステム、およびこれらの周辺部材を模式的に表したものであり、実物の寸法および寸法比は、図面上の寸法および寸法比と必ずしも一致していない。重複説明は適宜省略し、同一部材には同一符号を付与することがある。２つの数値の間に「〜」を記載して数値範囲を表す場合には、この２つの数値も数値範囲に含まれる。
【００１５】
（第一実施形態のセンシングチップ）
図１は、本発明の第一実施形態に係るセンシングチップ１０を上から見た状態を、陰影をつけて立体的に示している。図２は、図１のセンシングチップ１０をII−II線で切断したときの端面を示している。センシングチップ１０は、図１および図２に示すように、基板１２と、ベース１４と、突起部１６と、金属層１８とを備えている。基板１２はガラス製で、センシングチップ１０の製造工程でベース１４と突起部１６を形成するために使用される。センシングチップ１０の製造方法は後述する。基板１２の材料は、例えばポリエステル樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂や、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であってもよい。ベース１４は平板状で、樹脂から構成されている。
【００１６】
突起部１６は樹脂から構成されており、ベース１４上に形成されている。本実施形態では、ベース１４と突起部１６が樹脂で一体成形されているが、ベース１４と突起部１６が別素材や別部材であってもよい。突起部１６は半扁球のような形状をしている。半扁球は扁球の半分であって、赤道面で扁球を同じ大きさに二分割したときの一方の立体である。扁球は、楕円の短軸を回転軸とした回転楕円体である。すなわち、扁球は、楕円の短半径が極半径、楕円の長半径が赤道半径となるような回転楕円体である。
【００１７】
突起部１６は、半扁球の分割面１６ａがベース１４の表面１４ａに面するように配置されている。すなわち、突起部１６は、半球を上から押しつぶしたような形状で、ベース１４上に配置されている。なお、分割面１６ａは円形状をしている。また、突起部１６は、図１に示すように、分割面１６ａの直径方向の１つであるＸと、Ｘと垂直な方向Ｙにそれぞれ一定の周期Λ１、Λ２となるように最密状に配置されている。本実施形態では、突起部１６が最密状に配置されているが、突起部１６が格子状に配置されていてもよい。周期Λ１、Λ２は、いずれも１００ｎｍ〜３０００ｎｍであることが好ましい。センシングチップ１０の検出領域は周期Λ１、Λ２と同程度の波長の光と共鳴するが、検出に用いられる紫外光波長域〜可視光波長域〜近赤外光波長域は、１００ｎｍ〜３０００ｎｍに相当するからである。
【００１８】
詳しくは実施例で述べるが、突起部１６は、分割面１６ａの直径Ｄに対する突起部１６の高さＨの比Ｈ／Ｄが０.１以上０.５未満であることが好ましい。検出に用いられる光の波長範囲（紫外光〜可視光〜近赤外光）において、センシングチップ１０の分光スペクトルのピーク波長が明瞭に現れることが期待されるからである。金属層１８は、突起部１６の表面を覆っている。金属層１８は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌ、またはこれらの合金からなることが好ましい。これらの金属は、強い局在型表面プラズモン共鳴を発生させることができるからである。
【００１９】
金属層１８の厚さは、局在型表面プラズモン共鳴を効率的に発生させ、かつ光反射型または光透過型のセンシングシステムにて計測を行う目的から、１０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。金属層１８の厚さが１０ｎｍ以上であれば、センシングチップ１０を光反射型のセンシングシステムで使用したときに、センシングチップ１０からの反射光の光量が十分得られる。また、金属層１８の厚さが２００ｎｍ以下であれば、センシングチップ１０を光透過型のセンシングシステムで使用したときに、センシングチップ１０の透過光の光量が十分得られる。金属層１８の表面に、生体分子を固定化するための有機分子層がさらに形成されていてもよい。これにより、センシングチップ１０を、特定の生体分子が検出できるバイオセンサとして用いることができる。
【００２０】
（第二実施形態のセンシングチップ）
図３は、本発明の第二実施形態に係るセンシングチップ２０を上から見た状態を示している。図４は、センシングチップ２０を斜め上から見た状態を示している。図３および図４は、陰影をつけて立体的に表している。図５は、図３のセンシングチップ２０をＶ−Ｖ線で切断したときの端面を示している。センシングチップ２０の突起部２６の形状および配置は、センシングチップ１０の突起部１６の形状および配置と異なる。突起部２６の形状および配置以外は、センシングチップ２０の構造はセンシングチップ１０の構造と同様である。
【００２１】
突起部２６は半長球のような形状をしている。半長球は長球の半分であって、赤道面と垂直に長球を同じ大きさに二分割したときの一方の立体である。突起部２６の分割面２６ａは楕円形状をしている。長球は、楕円の長軸を回転軸とした回転楕円体である。すなわち、長球は、楕円の長半径が極半径、楕円の短半径が赤道半径となるような回転楕円体である。突起部２６は、図３に示すように、分割面２６ａの長軸方向が互いに平行で、短軸方向Ｘおよび長軸方向Ｙにそれぞれ一定の周期Λ１、Λ２となるように配置されている。
【００２２】
周期Λ１、Λ２は、いずれも１００ｎｍ〜３０００ｎｍであることが好ましい。周期Λ１、Λ２が紫外光波長域〜可視光波長域〜近赤外光波長域に相当し、センシングチップ２０でこれらの光と共鳴するからである。突起部２６は、分割面２６ａの長軸長、すなわち長手方向の長さＡに対する突起部２６の高さＨの比Ｈ／Ａが０.１以上０.５未満であることが好ましい。検出物質の有無に応じて、センシングチップ２０の分光スペクトルのピーク波長が明瞭にシフトすると考えられるからである。
【００２３】
（第三実施形態のセンシングチップ）
本発明の第三実施形態に係るセンシングチップは、センシングチップ１０の突起部１６を高くしたものである。第三実施形態のセンシングチップは、平板状のベースと、複数の突起部と、金属層とを備えている。突起部は、赤道面で長球を二等分した一方の立体のような形状をしている。また、突起部は、この立体の分割面がベースの表面に面するように配置されている。金属層は、複数の突起部の表面を覆っている。そして、複数の突起部は、分割面の直径方向および直径方向と垂直な方向にそれぞれ一定の周期となるように配置されている。分割面の直径Ｄに対する突起部の高さＨの比Ｈ／Ｄが０.５より大きく６以下であることが好ましい。
【００２４】
（第四実施形態のセンシングチップ）
本発明の第四実施形態に係るセンシングチップは、センシングチップ２０の突起部２６を高くしたものである。第四実施形態のセンシングチップは、平板状のベースと、複数の突起部と、金属層とを備えている。突起部は、赤道面で長球を二等分した一方を、赤道面の直径方向に両側から引き伸ばして楕円形の底面とした立体のような形状をしている。また、突起部は、この立体の分割面がベースの表面に面するように配置されている。金属層は、複数の突起部の表面を覆っている。そして、複数の突起部は、分割面の長手方向が互いに平行で、長手方向および長手方向と垂直な方向にそれぞれ一定の周期となるように配置されている。分割面の長手方向の長さＡに対する突起部の高さＨの比Ｈ／Ａが０.５より大きく６以下であることが好ましい。
【００２５】
（第二実施形態のセンシングチップの製造方法）
図６は、センシングチップ２０の製造方法を示している。センシングチップ２０は以下のようにして製造される。まず、市販の直径５００ｎｍのポリスチレン球３０のコロイド溶液にガラス基板３１を浸漬する。ガラス基板３１に代えて、他の素材の基板を用いてもよい。つぎに、ディップコータを用いてガラス基板３１を適当な速度で引き上げることで、図６（ａ）に示すように、ポリスチレン球３０の単層膜が最密状に配置される。このとき、ポリスチレン球３０は一定の縦周期と横周期（図１のΛ１とΛ２に相当する）で配列している。そして、図６（ｂ）に示すように、液状の型形成材料であるシリコーンモノマー３２（PDMS、信越化学工業SIM-360）を充填し、加熱して硬化させる。
【００２６】
つぎに、硬化したシリコーンゴムをポリスチレン球３０の最密構造から剥離すると、図６（ｃ）に示すように、表面に半球状の曲面が形成されたモールド３３が得られる。そして、図６（ｄ）に示すように、モールド３３を一方向に延伸する。ここで、延伸前のモールド長さＬ０に対する延伸後のモールド長さＬの比Ｌ／Ｌ０を延伸度と定義する。この延伸度Ｌ／Ｌ０は、図３に示す分割面２６ａにおける短軸長Ｂに対する長軸長Ａの比Ａ／Ｂに相当する。つぎに、図６（ｅ）に示すように、液状の型形成材料であるアクリルモノマー３４（NOA61、Norland Products Inc.）を充填した後、ガラス製の基板１２をかぶせ、紫外線を照射して硬化させる。なお、基板１２の材料は、紫外線を透過するものであれば、ガラス以外であってもよい。
【００２７】
そして、図６（ｆ）に示すように、硬化した樹脂からモールド３３を剥離すると、ベース１４と突起部２６が一体で形成される。つぎに、図６（ｇ）に示すように、突起部２６表面を金属膜で１００ｎｍ程度コートして金属層１８を形成する。こうして、センシングチップ２０が得られる。図６（ｄ）に示す工程で、直交する二方向にモールド３３を延伸し、他の工程をセンシングチップ２０の製造方法と同様に行えば、半扁球のような形状をしている突起部１６を備えるセンシングチップ１０が得られる。この製造方法以外にも、例えばナノインプリントモールド、すなわちナノメートルサイズの凹部を有する金型で、光硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を押さえながら、光照射や加熱をして凹部形状を転写させれば、センシングチップ１０，２０の突起部１６，２６や第三実施形態および第四実施形態のセンシングチップの突起部を形成することができる。
【００２８】
（反射型のセンシングシステム）
図７は、本発明の実施形態に係る反射型光学配置のセンシングシステム４０の構成を示している。センシングシステム４０は、光源４２と、コリメータレンズ４４と、迷光除去板４６と、ビームスプリッタ４８と、センシングチップ１０と、光検出機器５０とを備えている。なお、センシングチップ１０に代えて、センシングチップ２０を使用してもよいし、ビームスプリッタ４８に代えて、ハーフミラーを使用してもよい。センシングシステム４０は、センシングチップ１０に検査試料（例えば、唾液、血液、尿、体液など）を作用させた後に、検査試料中に含まれている可能性がある検出物質（例えば、特定のタンパク質、ウィルス、ホルモンなど）の吸着を定量的に評価するシステムである。したがって、センシングシステム４０によって、センシングチップ１０に検出物質が吸着しているか否かを判定できる。
【００２９】
光源４２は、ハロゲンランプやＬＥＤ等の白色光を出射するものが好ましいが、検出に用いる波長域を含む光を出射するものであればよい。光源４２はセンシングチップ１０に光を照射する。すなわち、光源４２から出射された光は、コリメータレンズ４４へ導かれる。コリメータレンズ４４を通過した光は平行光となり、迷光除去板４６へ導かれる。迷光除去板４６のピンホールを通過した平行光は、ビームスプリッタ４８へ導かれる。ビームスプリッタ４８に入射した平行光の約１／２の光量の光は、直線的に通過してセンシングチップ１０に照射される。
【００３０】
センシングチップ１０に照射された平行光はセンシングチップ１０で反射して、測定光として元の方向に戻る。元の方向に戻った測定光はビームスプリッタ４８に入射する。ビームスプリッタ４８に入射した測定光の約１／２の光量の光は、ビームスプリッタ４８内の貼合面で進行方向が９０度曲げられて反射する。ビームスプリッタ４８で反射した測定光は、光検出機器５０で受光される。すなわち、光検出機器５０は、光源４２から出射した後に、センシングチップ１０の検出領域で反射した光の分光スペクトルを検出する。光検出機器５０は、分光部と、光検出部と、データ処理部とを備えている。光検出機器５０で受光された測定光は、分光部で各波長に分光され、光検出部で各波長の光の強度を検出し、データ処理部でこの検出データを処理する。
【００３１】
なお、光検出機器５０のデータ処理部には、検出物質が吸着されていないセンシングチップ１０の検出領域で反射した測定光の分光スペクトルのデータが予め与えられている。例えば、センシングチップ１０に検査試料を作用させる直前に、センシングチップ１０の検出領域で反射した測定光の分光スペクトルを測定して、この結果を検出物質が吸着されていないときのデータとすることができる。そして、検出物質が吸着されていないときのデータと、センシングチップ１０の検出領域で反射した測定光の分光スペクトルのデータをデータ処理部で比較することによって、センシングチップ１０への検出物質の吸着を定量的に評価する。データ処理部には、この比較と評価ができるソフトウェアが内蔵されている。つまり、データ処理部は、センシングチップ１０に検出物質が吸着しているか否かを判定することもできる。
【００３２】
また、センシングシステム４０は、無線通信機器５２と、携帯端末５４とをさらに備えていてもよい。この場合、光検出機器５０のデータ処理部に代えて、以下の方法によって携帯端末５４のデータ処理部（ＣＰＵ）でセンシングチップ１０への検出物質の吸着を定量的に評価する。すなわち、無線通信機器５２は、光検出機器５０で検出された分光スペクトルのデータを無線送信する。無線送信は、携帯電話の無線通信（ＬＴＥ（登録商標）や３Ｇなど）、無線ＬＡＮ（Ｗｉ−Ｆｉなど）、近距離無線通信（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など）等が利用できる。携帯端末５４は、無線通信機器５２から無線送信されたデータを受信し、このデータに基づいてセンシングチップ１０への検出物質の吸着を定量的に評価する。
【００３３】
携帯端末５４としては、携帯電話、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン等が挙げられる。携帯端末５４には、検出物質が吸着されていないセンシングチップ１０の検出領域で反射した測定光の分光スペクトルのデータが予め与えられている。例えば、携帯端末５４は、センシングチップ１０に検査試料を作用させる直前に、センシングチップ１０の検出領域で反射した測定光の分光スペクトルを測定して、これを検出物質が吸着されていないときのデータとして受信することができる。そして、携帯端末５４は、センシングチップ１０に検査試料を作用させた後に測定した分光スペクトルのデータを無線受信し、このデータとセンシングチップ１０に検出物質が吸着されていないときのデータをデータ処理部で比較して、センシングチップ１０への検出物質の吸着を定量的に評価する。
【００３４】
（透過型のセンシングシステム）
図８は、本発明の実施形態に係る透過型光学配置のセンシングシステム６０の構成を示している。センシングシステム６０は、光源４２と、コリメータレンズ４４と、迷光除去板４６と、センシングチップ１０と、光検出機器５０とを備えている。なお、センシングチップ１０に代えて、センシングチップ２０を使用してもよい。センシングシステム６０は、センシングチップ１０に検査試料を作用させた後に、検査試料中に含まれている可能性がある検出物質の吸着を定量的に評価するシステムである。
【００３５】
光源４２から出射された光は、コリメータレンズ４４を通過して平行光となり、迷光除去板４６のピンホールを通過して細く絞られて、センシングチップ１０に照射される。センシングチップ１０に照射された平行光はセンシングチップ１０を透過して、光検出機器５０で受光される。センシングシステム４０と同様に、光検出機器５０のデータ処理部には、検出物質が吸着されていないセンシングチップ１０の検出領域を透過した測定光の分光スペクトルのデータが予め与えられている。
【００３６】
このため、このデータと、センシングチップ１０の検出領域を透過した測定光の分光スペクトルのデータをデータ処理部で比較することによって、センシングチップ１０への検出物質の吸着を定量的に評価する。また、センシングシステム６０は、センシングシステム４０と同様に、無線通信機器５２と、携帯端末５４とをさらに備えていてもよい。無線通信機器５２と、携帯端末５４とを備えているセンシングシステム６０は、これらを備えているセンシングシステム４０と同様にして、センシングチップ１０への検出物質の吸着を定量的に評価する。
【００３７】
（携帯型のセンシングシステム）
図９は、本発明の実施形態に係る携帯型のセンシングシステム７０の構成を示している。センシングシステム７０は、計測機器７２と、分析機器７４と、データ蓄積機器７６とを備えている。本実施形態では、計測機器７２が透過型光学配置をしているが、反射型光学配置をしていてもよい。計測機器７２は、光源４２と、コリメータレンズ４４と、迷光除去板４６と、チップホルダ７７とを備えている。チップホルダ７７は、センシングチップ１０を保持する。センシングチップ１０に代えて、センシングチップ２０を保持してもよい。センシングシステム７０は、センシングチップ１０に検査試料を作用させた後に、検査試料中に含まれている可能性がある検出物質の吸着を定量的に評価するシステムである。
【００３８】
分析機器７４は、撮影機器としての撮影部７８と、評価機器としての評価部８０と、無線通信機器としての無線通信部８２とを備えている。本実施形態では、分析機器７４としてスマートフォンを使用している。スマートフォン以外にも、携帯電話、タブレット、またはノートパソコン等が分析機器７４として使用できる。本実施形態では、撮影機器と、評価機器と、無線通信機器とが分析機器７４として一体に構成されているが、これらは別々の独立した機器であってもよい。例えば、評価機器と無線通信機器を別途設ければ、撮影機器としてデジタルカメラが使用できる。
【００３９】
撮影部７８は、スマートフォンの内蔵カメラで、センシングチップ１０の検出領域を撮影する。すなわち、反射型のシステムの場合には入射光が反射する検出領域の面を撮影し、透過型のシステムの場合には入射光が透過して出射する検出領域の面を撮影する。評価部８０は、撮影部７８で撮影された検出領域の画像の色度に基づいて、センシングチップ１０への検出物質の吸着を定量的に評価する。評価部８０には、検出物質が付着していないセンシングチップ１０の検出領域を撮影したときの色度のデータが予め与えられている。例えば、センシングチップ１０に検査試料を作用させる直前にセンシングチップ１０の検出領域を撮影し、この色度のデータを検出物質が吸着されていないときのデータとすることができる。
【００４０】
そして、このデータと撮影部７８で撮影された検出領域の画像の色度のデータを、スマートフォンのＣＰＵである評価部８０で比較して、センシングチップ１０への検出物質の吸着を定量的に評価する。スマートフォンにはこの比較と評価ができるソフトウェアが内蔵されている。センシングシステム７０が計測機器７２と、撮影機器と、評価機器とを備えていれば、無線通信機器を備えていなくても、センシングチップ１０への検出物質の吸着を定量的に評価できる。センシングチップ１０，２０は、検出物質の吸着前後の分光スペクトルのピーク波長シフトを高精度で検出できるので、色度の差で検出物質の吸着量が評価できる。このように、センシングシステム７０は、分光光度計のような大がかりな装置を使わないので、持ち運びが容易で、空港や港湾などでの水際での感染症の検査や、開発途上国での臨床現場等の様々な場面で使用できる。
【００４１】
本実施形態のように、センシングシステム７０が無線通信機器を備えていれば、より便利である。すなわち、センシングシステム７０の無線通信機器を用いて、各種測定・評価データを遠隔サーバー等のデータ蓄積機器７６に送信できる。具体的には、スマートフォンの無線通信部８２は、撮影部７８で撮影された検出領域の画像の色度のデータ、およびセンシングチップ１０への検出物質の吸着を定量的に評価した結果のデータ、すなわち検出物質の吸着量のデータのうち少なくとも一方のデータをデータ蓄積機器７６に送信する。このようにデータを即時に送信できるので、電子カルテシステム、遠隔医療システム、医療診断や健康診断サービスなどの幅広い場面で利用できる。
【００４２】
なお、データ蓄積機器７６に無線送信するデータとして、上記以外に（１）検査試料の個体識別番号、（２）計測者氏名、（３）検査項目、（４）検査日時、（５）センシングチップに検出物質が吸着する前後の分光スペクトルデータ、色度データ、スペクトルピーク波長、スペクトルシフト量、または色度変化量、（６）陽性、擬陽性、疑陰性、または陰性などの診断判定結果等が挙げられる。また、センシングシステム７０では、普及しているスマートフォン等が利用できるので、計測機器７２を検査場所に持参すれば、検査対象者のスマートフォン等によっても検出物質の検出が可能である。
【００４３】
センシングシステム７０は、以下のようにして使用する。まず、検査試料を作用させていない状態のセンシングチップ１０を、チップホルダ７７に保持する。つぎに、センシングチップ１０に光源４２から光を照射して、透過した測定光が出射する検査領域の面をスマートフォンで撮影する。このとき、スマートフォンには、撮影された画像の色度のデータが記憶される。そして、センシングチップ１０をチップホルダ７７から取り出し、センシングチップ１０に検査試料を作用させる。つぎに、このセンシングチップ１０をチップホルダ７７に保持し光源４２から光を照射して、透過した測定光が出射する検査領域の面をスマートフォンで撮影する。そして、検査試料を作用させる前後の画像の色度のデータを比較して、検査試料に含まれている検出物質を定量的に評価する。
【実施例】
【００４４】
（センシングチップの屈折率応答感度）
延伸度Ｌ／Ｌ０（図３のＡ／Ｂに相当）が１.２で表面に金属層を形成する前のセンシングチップについて、各種媒質中でセンシングチップを透過する光の吸光度を測定した。吸光スペクトルの測定には、卓上型の分光光度計（日立ハイテクノロジー社製U-1900）を用いた。図１０は、これらの分光スペクトルである。センシングチップの検出領域表面の屈折率ｎが変化すると、分光スペクトルのピーク波長も大きく変化した。センシングチップの検出領域表面に存在する媒質の屈折率ｎと分光スペクトルのピーク波長の関係を図１１に示す。図１１のグラフの傾きである屈折率応答感度は約４４０で、特許文献１記載のチップの屈折率応答感度の２倍以上であった。これらの結果から、本発明のセンシングチップが高感度であることがわかった。【００４５】
（センシングチップのインフルエンザウィルス検出の濃度依存性と検出下限濃度）
（１）センシングチップの作製
上述の方法によって、延伸度Ｌ／Ｌ０が１.２のセンシングチップ２０を作製した。センシングチップ２０の最表面は、真空蒸着法によって形成された厚さ１００ｎｍの金薄膜である。そして、下記の手順によって、センシングチップ２０の金薄膜の表面に、生体分子を固定化するための有機分子層をさらに形成した。まず、エタノールとリン酸緩衝液（２００ｍｍｏｌ／Ｌ、ｐＨ７.４）を１ｍＬずつセンシングチップ２０に順次かけ流して、検出領域を洗浄した。【００４６】
つぎに、センシングチップ２０の表面に抗体層を形成した。すなわち、濃度１０μｇ／ｍＬの抗体（バイオマトリックス社製インフルエンザＡ型ウィルス核タンパク認識抗体）のリン酸緩衝液の溶液を、洗浄後のセンシングチップに１５０μＬ〜２００μＬ滴下し１時間静置した。その後、リン酸緩衝液でリンスし、乾燥空気を吹き付けて乾燥させた。そして、検出物質以外の物質の付着を抑えるために、抗体の表面をブロッキング剤で覆った。すなわち、濃度１μｇ／ｍＬのＢＳＡ（和光純薬社製コーンフラクションＶ，ｐＨ７.０）のリン酸緩衝液の溶液を、抗体形成後のセンシングチップに１５０μＬ〜２００μＬ滴下し３０分静置した。その後、リン酸緩衝液でリンスし、乾燥空気を吹き付けて乾燥させた。【００４７】
（２）インフルエンザウィルスの検出
こうして得られたセンシングチップの検出性能を評価した。まず、抗原（インフルエンザＡ型ウィルス（A/Solomon Islands/2006(H1N1))）をリン酸緩衝液で希釈して濃度１５ｐｇ／ｍＬ〜１５μｇ／ｍＬの１０倍希釈列溶液を調製した。つぎに、低濃度の溶液から同じセンシングチップに順次１５分間作用させ、各濃度についてセンシングチップを透過する光の吸光度を測定した。センシングチップに作用させた溶液の抗原濃度と分光スペクトルのピーク波長（吸収極大波長）の関係を図１２に示す。【００４８】
図１２に示すように、このセンシングチップでは、抗原濃度が１０倍になると、それに応じて、分光スペクトルのピーク波長が約１ｎｍ変化した。また、このセンシングチップでは、抗原濃度が１.５ｎｇ／ｍＬの溶液でも抗原が検出できた。市販のインフルエンザ検査キット（イムノクロマトキット）の検出下限濃度が５０ｎｇ／ｍＬから１００ｎｇ／ｍＬであることから、本発明のセンシングチップは、市販品が検出できる下限のインフルエンザウィルス濃度の数十倍の薄さでも、インフルエンザウィルスを検出できることがわかった。【００４９】
（表面構造と分光スペクトルの関係）
表面構造が異なるセンシングチップ１０の反射測定光の分光スペクトルを、ＦＤＴＤシミュレータによるシミュレーションを行って算出した。シミュレーションは、最表面の金薄膜の厚さを１００ｎｍと、突起部の底面である分割面の直径Ｄを５００ｎｍと、突起部の高さＨを０ｎｍ〜２００ｎｍとして行った。突起部の高さごとの分光スペクトルを図１３に示す。高さが減少するにつれて、局在型表面プラズモン共鳴による吸収ピークも減少していくが、高さＨが５０ｎｍ以上のときには吸収ピークが確認できた。【００５０】
また、センシングチップ１０の突起部１６および第三実施形態のセンシングチップの突起部を、インプリントモールドを用いて形成した。すなわち、突起部の底面である分割面の直径Ｄが５００ｎｍで、突起部の高さＨが１６４ｎｍ、１９３ｎｍ、２２２ｎｍ、２５４ｎｍの四種類のセンシングチップ１０（Ｈが１６４ｎｍ、１９３ｎｍ、２２２ｎｍ）および第三実施形態のセンシングチップ（Ｈが２５４ｎｍ）を作製した。これらのセンシングチップの反射測定光の分光スペクトルを測定した。突起部の高さごとの分光スペクトルを図１４に示す。高さが増加するにつれて、局在型表面プラズモン共鳴による吸収ピークが減少していくが、全ての高さで吸収ピークが確認できた。特に、高さＨが１６４ｎｍ、１９３ｎｍ、２２２ｎｍの三種類のときには、吸収ピークが明瞭であった。【００５１】
以上より、高さＨが５０ｎｍ以上２５０ｎｍ未満のとき、すなわちＨ／Ｄが０.１以上０.５未満のときに検出物質の吸着を定量的に評価できる。特に、高さＨが５０ｎｍ〜２２２ｎｍ、すなわちＨ／Ｄが０.１〜０.４４４の突起部を備えるセンシングチップが好ましい。なお、センシングチップ２０の場合でも、分割面の長手方向の長さＡに対する突起部の高さＨの比Ｈ／Ａが０.１以上０.５未満のときに検出物質の吸着を定量的に評価できると考えられる。【００５２】
表面構造が異なる第三実施形態のセンシングチップの反射測定光の分光スペクトルを、ＦＤＴＤシミュレータによるシミュレーションを行って算出した。シミュレーションは、最表面の金薄膜の厚さを１００ｎｍと、突起部の底面である分割面の直径Ｄを５００ｎｍと、突起部の高さＨを１５００ｎｍ〜５０００ｎｍとして行った。突起部の高さごとの分光スペクトルを図１５に示す。高さＨが１５００ｎｍ〜５０００ｎｍのいずれのセンシングチップにも吸光度のピークが存在した。一方、第三実施形態のセンシングチップの突起部は、リソグラフィやナノインプリントの微細加工技術を用いて作製することになるが、加工限界はＨ／Ｄが５前後であることを考慮すれば、高さＨは３０００ｎｍ以下が実用的である。【００５３】
また、図示していないが、高さＨが５００ｎｍ〜１０００ｎｍでは、分光スペクトルが複雑なチャートとなる上、吸光度が大きく、分光吸収スペクトルのピークがなだらかになる。しかし、高さＨが５００ｎｍ〜１０００ｎｍのいずれのセンシングチップにも吸光度のピークが存在した。さらに、図１４に示すように、高さＨが２５４ｎｍのセンシングチップにも吸光度のピークが存在した。【００５４】
以上より、高さＨが２５０ｎｍより大きく３０００ｎｍ以下のとき、すなわちＨ／Ｄが０.５より大きく６以下のときに検出物質の吸着を定量的に評価できる実用的なセンシングチップが得られる。特に、高さＨが２５４ｎｍ〜３０００ｎｍ、すなわちＨ／Ｄが０.５０８〜６の突起部を備えるセンシングチップが好ましい。なお、第四実施形態のセンシングチップの場合でも、分割面の長手方向の長さＡに対する突起部の高さＨの比Ｈ／Ａが０.５より大きく６以下のときに検出物質の吸着を定量的に評価できると考えられる。また、第三実施形態および第四実施形態のセンシングチップは、本実施形態の反射型のセンシングシステム、透過型のセンシングシステム、および携帯型のセンシングシステムなどで使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のセンシングチップおよびセンシングシステムは、高感度のバイオセンサ等の用途に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０    センシングチップ
１２    基板
１４    ベース
１４ａ  ベースの表面
１６    突起部
１６ａ  分割面
１８    金属層
２０    センシングチップ
２６    突起部
２６ａ  分割面
３０    ポリスチレン球
３１    ガラス基板
３３    モールド
３４    光硬化樹脂
４０    センシングシステム
４２    光源
４４    コリメータレンズ
４６    迷光除去板
４８    ビームスプリッタ
５０    光検出機器
５２    無線通信機器
５４    携帯端末
６０    センシングシステム
７０    センシングシステム
７２    計測機器
７４    分析機器
７６    データ蓄積機器
７７    チップホルダ
７８    撮影部
８０    評価部
８２    無線通信部
【図１】
2016021516.tif 000003
【図２】
2016021516.tif 000004
【図３】
2016021516.tif 000005
【図４】
2016021516.tif 000006
【図５】
2016021516.tif 000007
【図６】
2016021516.tif 000008
【図７】
2016021516.tif 000009
【図８】
2016021516.tif 000010
【図９】
2016021516.tif 000011
【図１０】
2016021516.tif 000012
【図１１】
2016021516.tif 000013
【図１２】
2016021516.tif 000014
【図１３】
2016021516.tif 000015
【図１４】
2016021516.tif 000016
【図１５】
2016021516.tif 000017
【国際調査報告】
2016021516.tif 000018
2016021516.tif 000019
2016021516.tif 000020
2016021516.tif 000021