(57)【要約】【課題】プラズモンセンサの高感度化に有用な構成を有する標的物質の検出装置及び検出方法を提供すること。【解決手段】局在プラズモン共鳴を利用したセンサの金属構造体として、キラル構造を有するものを用いる。【選択図】図５
2008232717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体中の標的物質を検出するための検出装置において、
標的物質検出素子と、
前記標的物質検出素子に光を照射するための光照射手段と、
前記標的物質検出素子からの光を検出するための光検出器と、
を有し、
前記標的物質検出素子が、局在表面プラズモン共鳴を生じる金属構造体を有し、該金属構造体がキラル構造を有している
ことを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記金属構造体の表面に標的物質を捕捉する捕捉体が設けられている請求項１記載の検出装置。
【請求項３】
前記フラクタル構造が、光照射手段からの光の波長に相当する大きさを有する請求項１または２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記金属構造体の１次元または２次元のアレイ状配列を有する請求項１乃至２のいずれかに記載の検出装置。
【請求項５】
前記キラル構造を有する金属微小構造体が、対掌であるものが対になって積層されていることを特徴とする請求項１乃至２記載の検出装置。
【請求項６】
前記捕捉体物質が、抗原または抗体である請求項１乃至５のいずれかに記載の検出装置。
【請求項７】
前記光検出器が、複数の偏光方向に対応する検出素子を備えた請求項１乃至６のいずれかに記載の検出装置。
【請求項８】
標的物質の検出方法において、
検体と、請求項２ないし７のいずれかに記載の検出装置の金属構造体と、を接触させる工程と、
前記検体と接触させた金属構造体に光を照射し、該標的物質検出素子からの出射光を検出する工程と、
前記標的物質検出素子の有する捕捉体への標的物質の結合に伴う前記出射光の変化に基づいて前記検体における標的物質の有無または量を検出する工程と、
を有することを特徴とする標的物質の検出方法。
【請求項９】
前記出射光が、透過光であり、前記出射光を検出する工程が、該透過光の偏光特性の変化を検出する工程である請求項８に記載の検出方法。
【請求項１０】
前記透過光を検出する工程が、偏光特性の変化に加えて透過スペクトル変化を検出する工程である請求項８または９記載の検出方法。
【請求項１１】
前記透過光を検出する工程が、さらに２次元面内での偏光特性の情報を取得することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は化学物質やバイオ物質の検出に用いられる検出装置及び検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療における診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速センシング、低コストな化学センサの開発が求められている。このため、電極やFETを用いた電気化学的な手法を利用した化学センサが半導体加工技術を応用し、作製されてきた。
【０００３】
しかしながら、さらなる集積化、低コスト、測定環境を選ばないセンサが求められ、局在プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたバイオセンサが有望視されている。現在、さまざまな形状の局在プラズモンセンサが提案されつつある（特許文献１）。また、キラル構造をもつ分子が旋光性を持つことが知られており、人工的に作製されたキラル構造によっても旋光性が現れることがわかってきた。（非特許文献２）。
【特許文献１】特開2001-513198号公報
【非特許文献１】Phys. Rev. Lett., 95, 227401 (2005)）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プラズモン素子の応用先として、化学、バイオセンサ装置が検討されている。特に免疫検査等の疾病診断においては、微量検出が求められている。正確な診断を行なうために、バイオセンサ装置のよりいっそうの高感度化が望まれている。本発明の目的は、プラズモンセンサの高感度化に有用な構成を有する標的物質の検出装置及び検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の標的物質検出装置は
検体中の標的物質を検出するための検出装置において、
標的物質検出素子と、
前記標的物質検出素子に光を照射するための光照射手段と、
前記標的物質検出素子からの光を検出するための光検出器と、
を有し、
前記標的物質検出素子が、局在表面プラズモン共鳴を生じる金属構造体を有し、該金属構造体がキラル構造を有している
ことを特徴とする検出装置である。
【０００６】
この装置は、標的物質検出素子の有する金属構造体に標的物質を捕捉する捕捉体を設けて、標的物質の検出に用いることができる。すなわち、本発明にかかる標的物質の検出方法は、標的物質の検出方法において、
検体と、上記構成の検出装置の金属構造体と、を接触させる工程と、
前記検体と接触させた金属構造体に光を照射し、該標的物質検出素子からの出射光を検出する工程と、
前記標的物質検出素子の有する捕捉体への標的物質の結合に伴う前記出射光の変化に基づいて前記検体における標的物質の有無または量を検出する工程と、
を有することを特徴とする標的物質の検出方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のキラル構造をもつ局在プラズモンセンサを用いることにより、プラズモン共鳴ピーク波長のシフトに加えて、偏光特性の変化を利用して誘電率変化を検出することにより、高感度センシングが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明はキラル構造を有する金属構造体が旋光性を備えることを利用し、旋光度を測定することでセンシングを行なう装置及び方法である。金属構造体は、照射光によって局在プラズモン共鳴が生じる大きさを備えており、照射光の波長とほぼ同等〜数分の一の大きさの構造を備える。また、同様の理由により、金属構造体は照射光の波長の数倍〜数分の一の厚さを備える。従って、以下の説明では金属構造体を金属微小構造体という。
【０００９】
装置の全体構成の一例を図２に示す。光照射手段を構成する光源20１によって、基板205上に形成された金属微小構造体204に偏光を入射する。透過光を偏光ビームスプリッタ206で分割しそれぞれを検出器207、208で受光することによって、透過光の旋光度を知ることができる。この透過光の旋光度から、金属微小複合体204の周囲に存在する被検査物質203の有無をセンシングすることができる。
【００１０】
透過光の旋光度によってセンシングが可能である原理を以下に述べる。
【００１１】
まず、局在プラズモン共鳴という現象について説明する。金属微粒子に適切な波長の電磁波を入射させると、局在プラズモン共鳴が励起される。局在プラズモン共鳴とは、光波長以下のスケールの金属ドットまたは開口に特徴的に生じる現象で、金属中の自由電子の存在と、金属の誘電分散の特性に起因している。そのため、白色光を入射させた場合の金属微粒子の透過スペクトルには、該金属微粒子の構造に起因した共鳴吸収ピークが現れる。局在プラズモン共鳴の吸収ピーク波長は、金属微粒子近傍の誘電率によって変化する。
【００１２】
次に、旋光性について説明する。自然界には不斉アミノ酸や結晶など、旋光性を示す物質の存在が知られている。これらの物質は反転対称性と鏡像対称性が破れた構造をもち、キラル構造と称される。キラル構造をとる物質が旋光性を示すメカニズムは、kuhnの理論によって、分子中に２つ以上の電磁気的振動子が互いに平行でなくかつ同一平面上にもない配置で存在し、それらが相互作用しながら振動しているモデルによって説明される。上記の配置を満たすためには旋光性物質には3次元構造が必要である。
【００１３】
近年急速に発展しつつある微細加工技術によって、人工的な旋光性物質の作製が試みられている。その１つとして、金属薄膜に２次元のキラル構造をパターニングした場合に膜の厚さに対して巨大な旋光性が現れることが知られている（非特許文献１参照）。これは金属微小構造体で局在プラズモン共鳴が励起された結果、金属微小構造体の上面（空気側）と下面（基板側）で該金属微小構造体に接する物質の誘電率が異なるためにプラズモン共鳴条件が異なることに起因してキラル旋光性が現れたのだと解釈できる。本来、２次元平面内の構造体はキラル性を持たないが、上面の下面が区別されることによって、光学的にあたかも３次元キラル構造の如く作用し、キラル旋光性を与えるものとなっていると考えられる。
【００１４】
２次元キラル構造の例を図５に示す。キラル構造を有する金属微小構造体の複数（多数）を用いて、１次元または２次元のアレイ状配列を基板上に形成してもよい。
【００１５】
前記の如く、局在プラズモン共鳴は金属微小構造体近傍の誘電率によって共鳴条件が変化する。キラル構造金属微小構造体の周囲で誘電率が変化した場合も局在プラズモン共鳴による共鳴条件が変化する。キラル構造金属微小構造体では旋光性の原因になる振動子は局在プラズモン共鳴によるものである。そのため、周囲の誘電率変化によって旋光性が変化する。この旋光角を測定することで金属微小構造体の近傍の物質をセンシングすることが可能になる。
【００１６】
通常の局在プラズモン共鳴を利用した物質センシング方法の場合、ピーク波長のシフトによってセンシングを行なう。この場合、シフト量が大きくピークの急峻なスペクトルを得ることが高感度センシングの実現になる。局在プラズモン共鳴構造体の形状として、これらの特性に優れた高感度な形状が模索されている。しかしながら、ピークの幅は金属の誘電損失という物性に起因しているため、図６の601に示す如く狭帯域化に限界があり高感度化を阻んでいる。光軸に垂直な面内における角度と偏光の強度分布を角度スペクトルという。本発明のキラル構造金属微小構造体の旋光性を利用したセンシング方法によれば、図６の602に示す如く角度スペクトルのピークシフトによってセンシングを行なう。角度スペクトルの幅に影響を及ぼすものは、無偏光を偏光へと変換する偏光子の消光比や旋光角の波長分散などであり、調整の余地がある。そのため、ピーク波長のシフトのみでセンシングを行なう方法に比べて高感度化が実現できる。また、透過強度のピーク近傍の波長を照射した際の透過光の旋光性（偏光の回転角）の変化を検出することによってセンシングを行っても良い。従って、本発明に用いられるキラル構造は、そこからの出射光（反射光あるいは透過光）において共鳴ピークの急峻化が可能となるように設計される。
【００１７】
更に、上記の旋光性の変化に加えて、出射光の吸収スペクトルピークを検出し、標的物質の捕捉に応じた吸収スペクトルのピーク移動の検出を併用することで、更に高感度な検出が可能となる。
【００１８】
基板上の金属微小構造体の膜厚は、所望とする局在プラズモン共鳴を利用とした検出を行える範囲内で適宜選択でき、通常数十ｎｍ〜数μｍとすることが望ましい。
【実施例】
【００１９】
（実施例１）
以下実施例により本発明を更に詳細に説明する。
【００２０】
本実施例の化学センサの構成の一例を図１に示す。まず、光源101によって基板106上に形成された金属微小構造体105に直線偏光を照射する。この光学系は平行光を使用するものでも、顕微鏡を利用した集光光学系や暗視野の配置となっていてもよい。金属微小構造体の構成材料としてはAg、Au等のプラズモンを励起しやすい金属が適している。金属微小構造体は、基板上に設けた金属薄膜のリソグラフィーによるパターニングや、金属材料を用いたインプリント、FIB加工あるいは自己組織化法等の方法によって、金属材料をキラル形状にパターン形成することにより得ることができる。本実施例では図５に示すマンジ型の金属微小構造体を例として説明する。化学センサからの出射光としては反射光や透過光が利用できる。透過光を利用する場合は、基板は光源の波長帯域内において透明なものが望ましい。
【００２１】
金属微小構造体の表面には、標的物質103を捕捉するための捕捉体物質104が固定化されている。標的物質と捕捉体物質の組は例えば、抗原抗体反応の抗原と抗体の組がある。該基板上の金属微小構造体と捕捉体物質を、標的物質のセンシング対象である溶液に浸漬するかもしくは該溶液を流路によって該金属微粒子複合体の近傍まで輸送する。該溶液中に標的物質が微量でも存在した場合、標的物質は捕捉体物質によって捕らえられ、金属微粒子複合体の表面近傍に結合される。それにより、金属微粒子複合体近傍の誘電率が変化し、局在プラズモン共鳴によって生じる旋光性によって偏光の方向が変化する。一方、該溶液中に標的物質が存在しなかった場合、捕捉体物質の状態は変化せず誘電率も変化しないため、偏光の方向も変化しない。この２つの状態を判別するには、偏光ビームスプリッタ107によって直交する成分に透過光を分割し、それぞれの検出器108、109への入射光の強度比によって偏光の旋光量を取得し、該旋光量を調べることによって標的物質の有無を検出する。強度比によって該旋光量を調べることで、光源の明滅などの外乱ノイズを除去できる利点もある。図６の601に局在プラズモン共鳴の吸収ピーク波長の変化によるスペクトルのシフトを、図６の602に偏向面の回転による角度スペクトルのピークシフトを示す。それぞれ、ピーク波長シフトと偏光面回転前のスペクトルを実線で、ピーク波長シフトと偏光面回転後の吸収スペクトルを破線で示す。もちろん、この両方のセンシング方法を同時に併用することによっても高感度化が実現できる。
【００２２】
（実施例２）
本発明の別の実施例を以下に述べる。図３に示すように金属微小構造体304に偏光を入射させる工程までは実施例１と同じである。金属微小構造体の直後に検光子306を配置する。検光子は入射光の波長帯域で偏光版と機能するものであればよい。本実施例の場合、入射偏光の波長帯域を、旋光度が最も大きくなるような波長に決定する。被検査物質303が金属微小構造体近傍に結合していない状態で偏光子の角度を、最も透過強度が低くなるように調節する。この状態では金属微小構造体によって旋光された偏光面と検光子のグリットの向きは直交した配置になっている。金属微小構造体に被検査物質が結合すると、旋光度が変化し、偏光面と検光子のグリットなす角度が変化する結果、透過強度は増加する。この透過強度の増加量を検出器307によって検出する。
【００２３】
（実施例３）
本発明の別の実施例を次に示す。図４に示すように、光源401から偏光402を金属微小構造体A  403に入射させ、その後金属微粒子構造体B  405に入射させる。金属微小構造体AとBの構造は対掌体となっており、所定の間隙を介して向かい合わせに配置されている。その間隙が流路となって緩衝液405によって被検査物質が輸送される。間隙の大きさが狭すぎる場合は緩衝液の通過を妨げ、広すぎる場合は緩衝液による吸収によって光強度が減衰してしまう。そのため、サブμm〜数mmの範囲が望ましい。透過光は偏光ビームスプリッタ406で分割され、それぞれの検出器に入射する光強度に比によって偏光面の角度を得る。その旋光度から化学センシングを行なうことができる。実施例２に示すような透過強度によって測定する方法によってもセンシングが可能である。金属微小構造体Aで入射偏光の偏光面はいったん回転したのち、されに金属微小構造体Bによって再び回転させられるため、１層の場合と比べておよそ倍の旋光度が得られ、高感度センシングが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の捕捉体物質を備えた化学センサを示した平面図である。
【図２】本発明の化学センサを示した説明図である。
【図３】本発明の化学センサを示した説明図である。
【図４】本発明の金属微小構造体が積層された化学センサを示した平面図である。
【図５】２次元キラル構造の例を示した平面図である。
【図６】金属微小構造体の吸収スペクトルの変化と、キラル構造金属微小構造体の旋光角変化を示した説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
101：光源
102：偏光
103：標的物質
104：捕捉体物質
105：金属微小構造体
106：基板
107：偏光ビームスプリッタ
108：検出器
109：検出器
110：検出信号
201：光源
202：偏光
203：被検査物質
204：金属微小構造体
205：基板
206：偏光ビームスプリッタ
207：検出器
208：検出器
209：検出信号
301：光源
302：偏光
303：被検査物質
304：金属微小構造体
305：基板
306：検光子
307：検出器
308：検出信号
401：光源
402：偏光
403：金属微小構造体A
404：金属微小構造体B
405：緩衝液
406：被検査物質
407：偏光ビームスプリッタ
408：検出器
409：検出器
410：検出信号
501：マンジ
502：渦巻
503：風車
601：金属微小構造体の吸収スペクトル変化
602：キラル構造微小構造体の角度スペクトル変化
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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