(57)【要約】【課題】被測定物質分子の結合位置に左右されることなく高精度な濃度測定が可能な光学素子、センサ装置及び光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の光学素子４は、導電性を有する導電性微細構造体６を有し、導電性微細構造体６の表面に被測定物質分子が結合することで変化する光学スペクトル信号を検出する。光学素子４は、導電性微細構造体６の表面上における被測定物質分子の結合能が導電性微細構造体６の内部に生じる電気変位ベクトルの方向に分布を有する。【選択図】図５
2008232721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する構造体を有し、前記構造体の表面に被測定物質分子が結合することで変化する光学スペクトル信号を検出する光学素子において、
前記構造体の表面上における前記被測定物質分子の結合能が前記構造体の内部に生じる電気変位ベクトルの方向に分布を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記構造体は、前記電気変位ベクトルの方向と略直交する端面と、前記端面に隣接する隣接面と、前記端面と前記隣接面とが接する辺とを有し、
前記端面及び前記辺から所定の距離以内の前記隣接面上の領域における前記結合能と、前記構造体の表面のうちの、前記端面及び前記領域以外の他の領域における前記結合能とが異なる、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記所定の距離は１００ｎｍである、請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記他の領域は、前記被測定物質分子の結合を抑制するため誘電体で覆われている、請求項２または３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記他の領域は、前記被測定物質分子の結合を抑制するため化学的に修飾されている、請求項２または３に記載の光学素子。
【請求項６】
前記他の領域は、前記被測定物質分子の結合を抑制するため粗面化されている、請求項２または３に記載の光学素子。
【請求項７】
前記構造体は金属である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記構造体の材質は、金、銀、銅、白金、アルミニウムの群から選択された一の物質を含む、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
光源と、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光学素子と、前記光学素子が配置され、前記被測定物質分子を含む被測定物が前記光学素子に接触して通過する反応ウェルと、前記光源から前記光学素子に照射された光の透過光を検出する光検出手段とを有するセンサ装置。
【請求項１０】
基板に導電体層を成膜する工程と、
前記導電体層をパターニングし、導電性であって、かつ前記構造体の内部に生じる電気変位ベクトルの方向と略直交する端面と、前記端面に隣接する隣接面と、前記端面と前記隣接面とが接する辺とを有する構造体を形成する工程と、
前記導電体層の表面に誘電体層を成膜する工程と、
前記構造体の表面のうち、前記端面及び前記辺から所定の距離以内の前記隣接面上の領域以外の他の領域における前記誘電体層を除去する工程とを含む光学素子の製造方法。
【請求項１１】
基板に導電体層を成膜する工程と、
前記導電体層をパターニングし、導電性であって、かつ前記構造体の内部に生じる電気変位ベクトルの方向と略直交する端面と、前記端面に隣接する隣接面と、前記端面と前記隣接面とが接する辺とを有する構造体を形成する工程と、
前記導電体層の表面にフォトレジスト層を成膜する工程と、
前記構造体の表面のうち、前記端面及び前記辺から所定の距離以内の前記隣接面上の領域のみ前記フォトレジスト層が残るように露光光を照射する工程と、
前記構造体の表面のうち、前記端面及び前記領域以外の他の領域を前記被測定物質分子の結合を抑制するため化学的に修飾する工程を含む光学素子の製造方法。
【請求項１２】
基板に導電体層を成膜する工程と、
前記導電体層をパターニングし、導電性であって、かつ前記構造体の内部に生じる電気変位ベクトルの方向と略直交する端面と、前記端面に隣接する隣接面と、前記端面と前記隣接面とが接する辺とを有する構造体を形成する工程と、
前記導電体層の表面にフォトレジスト層を成膜する工程と、
前記構造体の表面のうち、前記端面及び前記辺から所定の距離以内の前記隣接面上の領域のみ前記フォトレジスト層が残るように露光光を照射する工程と、
前記構造体の表面のうち、前記端面及び前記領域以外の他の領域を前記被測定物質分子の結合を抑制するため粗面化する工程を含む光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子、センサ装置及び光学素子の製造方法に関し、特に標的物質の濃度を検知する光学素子、センサ装置及び光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小な導電性構造体には局在表面プラズモン（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：以下ＬＳＰＲ）が誘起されることが知られている。このＬＳＰＲは上記の導電性構造体周囲の屈折率、誘電率によりその共鳴条件が決まる。従って、導電性構造体周囲の誘電率変化を共鳴条件の変化として検出できる。共鳴条件の変化は、上記導電性構造体に光を照射、透過させその光学スペクトルの変化を測定することで検出できる。
【０００３】
ＬＳＰＲは導電性構造体周囲の屈折率、誘電率変化に敏感である。したがってＬＳＰＲは高感度な屈折率センサに適用することが出来る。また以下に示すようにこの誘電率変化が生体反応によるものである場合には、この現象をバイオセンサなどに応用することで高感度なセンシングが可能となり、医療分野や食品、環境等の分野への幅広い応用が期待されている。
【０００４】
例えば導電性構造体周囲で抗原抗体反応を起こさせればこれを検知できる。非特許文献１には、導電性構造体として平滑な基板上に形成された微小なＡｇ薄膜微粒子構造を用いた例が示されている。すわなち、この構造の周囲に抗体が付着している場合と、この抗体にさらに抗原が結合している状態の光学スペクトルの変化から抗原濃度を測定する方法が開示されている。
【０００５】
またこの他にも酵素と基質の複合体やＤＮＡのハイブリダイゼーションによる相補的な塩基対形成やなども同様に検知できる。
【０００６】
また特許文献１にはガラス基板上にＡｕ微粒子を固定し、そのプラズモン共鳴のスペクトルから微粒子周囲の屈折率を検知する方法が開示されている。
【０００７】
従来技術を含む一般的な透過測定の場合、導電性微粒子周囲での抗原抗体反応による誘電率変化を、反応前後での導電性微粒子の透過スペクトルＬＳＰＲ光学スペクトル（反応前）１０１及びＬＳＰＲ光学スペクトル（反応後）１０２を測定することで検出する。そして、反応前後でのＬＳＰＲの共鳴条件の変化から抗原の濃度を検知する（図１９（ａ））。このときの計測系の概略は図１９（ｂ）のように、抗体１０５で表面を修飾された導電性微粒子１０３が誘電体基板１０４に支持された測定素子１０６に対して照射光１０７、透過光１０８を照射し、その透過スペクトルを測定するものである。
【非特許文献１】Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｐ．  Ｖａｎ  Ｄｕｙｎｅら（ＮＡＮＯ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ２００４年  Ｖｏｌ．４，  Ｎｏ．６  １０２９−１０３４）
【特許文献１】特開２０００−３５６５８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述の様にＬＳＰＲを用いた光学スペクトル信号の変化として金属構造体周囲の誘電率変化を検出する場合、測定する生体物質の濃度が非常に低い場合、被測定物質分子が金属構造体表面のどの部分に結合するかは全くの確率論的である。このため、ドットごとにスペクトル信号の変化量が異なり、生体物質付着後のスペクトルがブロードニングしてしまう。その結果測定感度が低下してしまうという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、被測定物質分子の結合位置に左右されることなく高精度な濃度測定が可能な光学素子、センサ装置及び光学素子の製造方法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】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明の光学素子は、導電性を有する構造体を有し、構造体の表面に被測定物質分子が結合することで変化する光学スペクトル信号を検出する。本発明の光学素子は、構造体の表面上における被測定物質分子の結合能が構造体の内部に生じる電気変位ベクトルの方向に分布を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光学素子は、構造体の表面上における被測定物質分子の結合能が構造体の内部に生じる電気変位ベクトルの方向に分布する構成としている。これにより、被測定物質分子の結合部位の差によるシフト量のバラツキを抑え、観測される光学スペクトルが反応後に大きく広がってしまうのを抑制し、高精度な濃度測定を可能としている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、標的物質の存在を、ＬＳＰＲを誘起しうる導電性微粒子の光学スペクトルの変化やその他光学信号の変化によって評価する方法において、測定における感度向上の手法に関するものである。
【００１３】
以下に例を用いて本発明の実施の形態を説明するが、この説明が本発明を何ら限定するものではない。
【００１４】
例として抗原抗体反応を考える。ここでは標的物質を抗原とする。
【００１５】
図１に本発明の光学素子の一例の側面図及び平面図を示す。
【００１６】
光学素子２０１は、誘電体基板１と、誘電体基板１上に配置された、導電性を有する構造体からなる導電性微細構造体層２と、導電性微細構造体層２上に配置された誘電体層１３ａとを有する。導電性微細構造体層２はＡｕで構成されているとするがこれに限るものではなく、損失が少ない金属であれば好ましいが導電体であれば何でも良い。また、誘電体基板１および誘電体層１３ａは石英であるとするが誘電体基板と誘電体層の物質が同一であることに限定するものではない。ただし誘電体基板１は光学測定で用いる測定波長において透明度が高い物質であることが好ましい。
【００１７】
ここで導電性微細構造体６上に発生する強電場部位１０を考える。導電性微細構造体６にある偏光面をもった光を照射すると、その偏光面と導電性微細構造体６の形状に依存した表面電荷１２が発生する。これは導電性微細構造体６内に電気変位ベクトルが生じ、その方向に変位電流が流れ、結果的に表面電荷１２となって現れるものである。
【００１８】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に、正方形の導電性微細構造体に偏光を照射することで生じる表面電荷の分布状況を示す。図２（ａ）は、導電性微細構造体の内部に生じる電荷分布を示す模式図であり、図２（ｂ）は強電場部位の発生位置を示す図である。
【００１９】
この場合、導電性微細構造体６の端面６ａは偏光方向と略直交する面、すわなち、電気変位ベクトルの方向と略直交する面である。隣接面６ｂは端面６ａに隣接する面である。なお、隣接面６ｂは光が照射される面のみならず、光の照射される方向に略平行な面を含むものであってもよい。辺１１は端面６ａと隣接面６ｂとに接する辺である。強電場部位１０は、端面６ａと、隣接面６ｂの辺１１から所定の距離である約１００ｎｍ以内の領域６ｂ1（図５参照）内とに発生する。
【００２０】
強電場部位１０は導電性微細構造体６に誘起された局在プラズモン共鳴による表面電荷１２による電場である。ここでは光源からの光として偏光を制御した光を扱ったが、これに限るものではなく、無偏光の光を照射してもよい。その場合にも、その光によって導電性微細構造体６内に前述のように表面電荷が現れる。このような電荷分布の不均一性はその不均一性の発生方向に導電性微細構造体６内で電気変位ベクトルが生じることと同じである。
【００２１】
したがって、導電性微細構造体層２の上の誘電体層１３ａは図２（ｂ）に示すように、光学素子に光源からの光が照射される際に発生する強電場部位１０が外部に露出するように形成されていることが必要である。そしてその露出部位は全ての導電性微細構造体６においてそろっていることが好ましい。
【００２２】
次に、導電性微細構造体層に生体物質が付着する際の光学スペクトルシフトを考える。
【００２３】
導電性微細構造体６には局在表面プラズモンが誘起されているとする。ここで、生体物質が導電性微細構造体に付着すると、その共鳴条件が変化し、光学スペクトルの変化となって観測される。
【００２４】
この共鳴条件の変化は、導電性微細構造体６のどの部位に生体物質が付着するかにより、その程度が異なる。つまり付着部位により光学スペクトルの変化量が異なることになる。
【００２５】
例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すような導電性微細構造体６が正方形のドット形状の場合、図２中の直線偏光が照射される場合、図２（ｂ）に示すような強電場部位１０が発生する。このように電場強度が強い部分に被測定物質分子が付着する場合には、電場強度が弱い部分に付着する場合と比較して光学スペクトルのシフト量が大きくなる。
【００２６】
ここで、被検出物質である抗原の濃度が高い場合、例えば一つの導電性微細構造体に対して数千個や数万個というオーダーの抗原が結合する場合、全ての導電性微細構造体の表面において抗原の結合は確率的に生じる。このため、各導電性微細構造体ごとに抗原の結合の様態は略同一とみなすことができる（図３（ａ））。
【００２７】
これに対し、例えば被検出物質濃度が低い場合の極限的な例を図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示す。一つの導電性微細構造体に対し一つしか被測定物質分子である抗原が結合しない場合、図３（ｂ）に示すケース１及び図３（ｃ）に示すケース２との違いのように、各導電性微細構造体ごとに抗原が結合する部位が大きく異なってしまうことになる。
【００２８】
すわなち、図３に示す構成は、導電性微細構造体に発生する電場の強度に分布があるにもかかわらず、導電性微細構造体の表面上における被測定物質分子の結合能に分布を持たせず、均一なものとしている。このため、被測定物の濃度が低い場合、被測定物質分子が電場強度が強い部分に付着するか、あるいは、電場強度が弱い部分に付着かによって検出される光学スペクトルのシフト量が異なってしまう。
【００２９】
ケース１及びケース２による結合部位の相違は透過スペクトルを観察した場合にスペクトル変化の差として観測される。図４（ａ）にその測定結果の一例を示す。図中、抗原反応前のスペクトルを反応前透過スペクトルＡとし、ケース１のスペクトルを第１の反応後透過スペクトルＢ１、同様にケース２を第２の反応後透過スペクトルＢ２としている。
【００３０】
被測定物質分子である抗原が電場強度が強い部分に結合したケース２の場合、弱い部分に結合したケース１に比べ、スペクトルのシフト量が大きくなっていることがわかる。そして、ひとつの測定素子の中にケース１やケース２の素子が混在すると、抗原抗体反応後の光学スペクトルはシフト量が異なる様々なスペクトルの和となりブロードなスペクトルである反応後透過スペクトルＢ３が観測される（図４（ｂ））。
【００３１】
これに対し本発明の光学素子４は、導電性微細構造体６の表面上における被測定物質分子の結合能が導電性微細構造体６の内部に生じる電気変位ベクトルの方向に分布を有するように構成している。以下、図５に基づき説明する。
【００３２】
導電性微細構造体６は、上述したように、端面６ａと、端面６ａに隣接する隣接面ｂと、端面６ａと隣接面６ｂとが接する辺１１とを有する。このような構成の導電性微細構造体６において、強電場部位１０は、端面６ａと、隣接面６ｂの辺１１から距離約１００ｎｍ以内の領域６ｂ1内とに発生する。一方、端面６ａ及び領域６ｂ1以外の他の領域である領域６ｂ2で発生する電場は強電場部位１０で発生する電場に比較して弱い。
【００３３】
そこで、本発明の光学素子４は、電場の分布に対して、導電性微細構造体６の表面上における被測定物質分子の結合能が導電性微細構造体６の内部に生じる電気変位ベクトルの方向に分布を有するように構成している。つまり、端面６ａ及び領域６ｂ1における結合能と、領域６ｂ2における結合能とが異なるように構成している。換言すれば、端面及び辺から所定の距離以内の隣接面上の領域における結合能と、構造体の表面のうちの、端面及び領域以外の他の領域における結合能とが異なるようにしている。
【００３４】
より具体的には、領域６ｂ2は、被測定物質分子の結合を抑制するため誘電体層１３ａで被覆し、抗原が結合する部位を制限するように構成している。本発明の光学素子４は、被測定物質分子である抗原が結合するのは、共鳴時に強電場部位１０が発生している端面６ａ及び領域６ｂ1に制限され、弱い電場の領域６ｂ2には抗原が結合しなくすることができる。つまり、本発明の光学素子４は、抗原抗体反応により生体分子が導電性微細構造体６に付着した際には必ず光学スペクトルの変化が大きく生じるような付着の仕方に限定している。
【００３５】
その結果、被測定物質分子の結合部位の差によるシフト量のバラツキを抑えることができ、観測される光学スペクトルが図４（ｂ）に示すように反応後に大きく広がるのを抑制できる。このため、本発明の光学素子４によれば、被測定物の被測定物質分子濃度が低いような場合であっても高精度な濃度測定が可能となる。
【００３６】
また本発明の光学素子４は、領域６ｂ2の被測定物質分子の結合能を低下させるため、領域６ｂ2に化学的に修飾した化学修飾部１３ｂあるいは粗面化した凹凸部１３ｃを形成するものであってもよい。化学修飾部１３ｂあるいは凹凸部１３ｃを備えた光学素子４の製造方法は図６に示すとおりである。
【００３７】
まず、図６（ａ）に示すように、ドットパターンに対しフォトレジスト層を形成すべくフォトレジスト１４を塗布し、露光光を照射する。光照射によって発生する導電性微細構造体６周囲の電場強度は、端面６ａ及び領域６ｂ1が強くなる。このため、適当な露光時間を設定することで図６（ｂ）に示すように、領域６ｂ2のフォトレジスト１４は除去され、端面６ａ及び領域６ｂ1にフォトレジスト１４は残存することとなる。
【００３８】
次いで、金属表面が露出している領域６ｂ2に例えばｍＰＥＧ−ＳＨ（チオール修飾ポリエチレングリコール）の水溶液などを作用させ化学修飾部１３ｂを形成する（図６（ｃ））。これにより、生体分子等の被測定物質分子の結合能を低下させることができる。
【００３９】
あるいは領域６ｂ2をドライエッチング等で粗面化し、凹凸部１３ｃを形成する（図６（ｄ））などして表面に空気を多く含ませる撥水性を増すようにする。生体分子等の被測定物質分子の結合能を低下させることができる。
【００４０】
そして、これらの加工を施した後、フォトレジスト１４を除去し、フォトレジスト１４が除去された部位にのみ抗体を修飾する。これにより導電性微細構造体６の表面上に抗体の分布が生じ、その結果抗原の吸着部位を限定した本発明の光学素子を作製することができる。
【実施例】
【００４１】
以下では実施例をもって本発明を説明するが、これらは本発明の範囲を何ら限定する物ではない。
（実施例１）
図７（ａ）及び図７（ｂ）に誘電体層を形成する前段階における本実施例の光学素子の概略図を示す。また、図８（ａ）に誘電体層を形成した状態、図８（ｂ）に抗体で表面を装飾した状態の光学素子の概略図を示す。以下、本実施例の光学素子の製造方法について説明する。
【００４２】
まず、基板となる支持体１５上に導電体層を形成する。そして、導電体層を図７（ｂ）に示すように一辺約２００ｎｍ×５０ｎｍの長方形の導電性微粒子１６に形成し隙間を約５００ｎｍ空けて格子状に配置したものをあらかじめ用意しておく。
【００４３】
支持体１５は厚さ約５２５μｍの石英基板であり、支持体１５上の導電性微粒子１６は厚さ約２０ｎｍのＡｕ薄膜であるが、導電性微粒子１６の厚さはこれに限るものではない。本実施例では導電性微粒子１６の材質はＡｕであるがこれに限るものではないが、プラズモン共鳴を発生し得る材質であることが好ましい。導電性微粒子１６の材質としては、特に銀、銅、白金、アルミニウムの群から選択されたものを含むものであってもよい。このように導電性微粒子１６の材質としては、誘電損失が小さい金属が好ましく、また半導体などその他の導電性物質でも良い。また支持体１５も石英に限るものではない。光学スペクトルを測定する波長域に対して透過率が高い物質であることが好ましい。支持体１５の厚さもこれに限るものではない。
【００４４】
次に、スパッタ装置を用いてＳｉＯ2を厚さ約２０ｎｍ成膜する。さらにレジストを塗布した後、これを電子線描画装置を用いてパターニングする。そしてドライエッチングプロセスにより誘電体層１３ａをパターニングする（図８（ａ））。このとき、誘電体層１３ａは導電性微粒子１６の端面から約５０ｎｍ内側に作製しておく。
【００４５】
ここで誘電体層はＳｉＯ2に限るものではない。また成膜方法もスパッタに限るものではなく、ＣＶＤ等でもよい。
【００４６】
以上の工程を経て光学素子４が出来上がる。
【００４７】
このとき、この光学素子４に対して測定用の光は直線偏光であり、図８（ａ）に示す偏光面（矢印Ｅ方向）を有するものとする。
【００４８】
次に導電性微粒子１６の表面を抗体で修飾する。
【００４９】
例えば抗体として抗ＡＦＰ（α―ｆｅｔｏｐｒｏｔｅｉｎ）抗体を導電性微粒子１６のＡｕ表面に固定化する。この場合、チオール基を有する１１−Ｍｅｒｃａｐｔｏｕｎｄｅｃａｎｏｉｃ  ａｃｉｄのエタノール溶液をスポッタ等で滴下することにより微粒子表面にカルボキシル基が露出される。ここにＮ−Ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ水溶液及び１−Ｅｔｈｙｌ−３−［３−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ］ｐｒｏｐｙｌ  ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ  ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ水溶液を同様にスポッタ等で反応領域に滴下する。これにより、微粒子表面にスクシンイミド基が露出される。ここにストレプトアビジンを反応させ微粒子表面をストレプトアビジンで修飾する。そしてこの微粒子にビオチン化した抗ＡＦＰ抗体を固定させる。その結果、導電性微粒子１６は図８（ｂ）の様に抗体８で修飾された状態になる。
【００５０】
次に、上述のようにして誘電体層１３ａが形成された導電性微細構造体素子５５ａの抗原抗体反応及び光学スペクトル測定に関して説明する。
【００５１】
抗原抗体反応及び光学スペクトル測定は、図９（ａ）に示すような測定基板５７を用いた構成で行なう。
【００５２】
まず、ＡＦＰを含んだ検体を注入口５２より注入し、反応ウェル５３にてＡＦＰを導電性微細構造体素子５５ａ上に捕捉させる。その後検体を排出口５４より排出し、リン酸緩衝液を注入口５２より注入し、反応ウェル５３の内部を洗浄する。最後にリン酸緩衝液を充填する。
【００５３】
次に導電性微細構造体素子５５ａの光学スペクトルを、光源５１からの光を導電性微細構造体素子５５ａに導入し、導電性微細構造体素子５５ａからの散乱光を分光計測器５６にて分光測定する。
【００５４】
光学スペクトルを抗原抗体の反応前光学スペクトルＡ及び反応後光学スペクトルＢで比較し（図９（ｂ））、局在プラズモン共鳴によるピークのシフト量を求め、このシフト量から標的物質の濃度を検知する。
【００５５】
このとき、予め濃度が既知のＡＦＰ溶液を用いて信号値と濃度との関係を求めておくことで、被測定検体の濃度を求めることが出来る。
【００５６】
本発明の光学素子は、導電性微細構造体の表面に誘電体層１３ａを形成し、抗原が結合する部位を制限するように構成してある。これにより、結合部位の差によるシフト量のバラツキを抑え、観測される光学スペクトルが反応後に大きく広がってしまうのを抑制している。このため、本発明の光学素子によれば、高精度な濃度測定が可能となる。
【００５７】
なお、本実施例では導電性微粒子の構造は長方形の薄膜としたが、これに限るものではない。ＬＳＰＲを誘起する構造であればよい。また照射する光源は直線偏光に限らず、また、部分偏光や無偏光でも良い。
（実施例２）
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に化学装飾部を形成する前段階における本実施例の光学素子の概略図を示す。また、図１１（ａ）にレジスト層を形成した状態、図１１（ｂ）に化学装飾部を形成した状態、図１２（ａ）にレジスト層を除去した状態、図１２（ｂ）に抗体で表面を装飾した状態の光学素子の概略図をそれぞれ示す。以下、本実施例の光学素子の製造方法について説明する。
【００５８】
まず、基板となる支持体１５上に導電体層を形成する。そして、導電体層を図１０（ｂ）に示すように一辺約３００ｎｍの正方形に形成し隙間を約８００ｎｍ空けて正方格子状に配置したものをあらかじめ用意しておく。
【００５９】
支持体１５は厚さ約５２５μｍの石英基板であり、支持体１５上の導電性微粒子１６は厚さ約２０ｎｍのＡｕ薄膜であるが、導電性微粒子１６の厚さはこれに限るものではない。本実施例では導電性微粒子１６の材質はＡｕであるがこれに限るものではない。プラズモン共鳴を発生し得る材質であることが好ましい。導電性微粒子１６の材質は、特にＡｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌなどの誘電損失が小さい金属が好ましく、また半導体などその他の導電性物質でも良い。また支持体１５も石英に限るものではないが、光学スペクトルを測定する波長域に対して透過率が高い物質であることが好ましい。支持体１５の厚さもこれに限るものではない。
【００６０】
次に、フォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成する。ネガ型フォトレジストを塗布した後、露光光を照射しパターニングする。このとき、導電性微粒子１６近傍の強電場領域のみが感光し潜像を形成するような露光時間で露光する。そしてこれを現像しパターニングされたレジスト層１７を形成する（図１１（ａ）、図１１（ｂ））。
【００６１】
さらに、チオール修飾ポリエチレングリコールの水溶液を導電性微粒子１６の表面に作用させ、化学修飾部１３ｂを形成する（図１１（ｃ））。ここで作用させる水溶液はチオール修飾ポリエチレングリコール水溶液に限るものではなく、作用させた結果、被作用表面に抗体や抗原が結合しにくくなる物質であれば良い。
【００６２】
このとき、この光学素子４に対して測定用の光は直線偏光であり、図１１（ｂ）に示す偏光面（矢印Ｅ方向）を有するものとする。
【００６３】
次に導電性微粒子１６の表面を抗体で修飾する。
【００６４】
まず、アセトン等を用いて、レジスト層１７のみを剥離した状態にする（図１２（ａ））。このとき、化学修飾部１３ｂは導電性微粒子１６の端面１６ａから約１００ｎｍ内側に配置しておく。
【００６５】
次に、抗体として抗ＡＦＰ（α―ｆｅｔｏｐｒｏｔｅｉｎ）抗体を導電性微粒子１６のＡｕ表面に固定化する。この場合、チオール基を有する１１−Ｍｅｒｃａｐｔｏｕｎｄｅｃａｎｏｉｃ  ａｃｉｄのエタノール溶液をスポッタ等で滴下することにより微粒子表面にカルボキシル基が露出される。ここにＮ−Ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ水溶液及び１−Ｅｔｈｙｌ−３−［３−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ］ｐｒｏｐｙｌ  ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ  ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ水溶液を同様にスポッタ等で反応領域に滴下する。これにより、微粒子表面にスクシンイミド基が露出される。ここにストレプトアビジンを反応させ微粒子表面をストレプトアビジンで修飾する。そしてこの微粒子にビオチン化した抗ＡＦＰ抗体を固定させる。その結果、導電性微粒子１６は図１２（ｂ）の様に抗体８で修飾された状態になる。
【００６６】
次に、上述のようにして化学修飾部１３ｂが形成された導電性微細構造体素子５５ｂの抗原抗体反応及び光学スペクトル測定に関して説明する。
【００６７】
抗原抗体反応及び光学スペクトル測定は、図１３（ａ）に示すような測定基板５７を用いた構成で行なう。
【００６８】
抗原抗体反応及び光学スペクトル測定は図１３（ａ）に示すような測定基板５７を用いた構成で行なう。
【００６９】
まず、ＡＦＰを含んだ検体を注入口５２より注入し、反応ウェル５３にてＡＦＰを導電性微細構造体素子５５ｂ上に捕捉させる。その後検体を排出口５４より排出し、リン酸緩衝液を注入口５２より注入し、反応ウェル５３の内部を洗浄する。最後にリン酸緩衝液を充填する。
【００７０】
次に導電性微細構造体素子５５ｂの光学スペクトルを、光源５１からの光を導電性微細構造体素子５５ｂに導入し、導電性微細構造体素子５５ｂからの散乱光を分光計測器５６にて分光測定する。
【００７１】
光学スペクトルを抗原抗体の反応前光学スペクトルＡ及び反応後光学スペクトルＢで比較し（図１３（ｂ））、局在プラズモン共鳴によるピークのシフト量を求め、このシフト量から標的物質の濃度を検知する。
【００７２】
このとき、予め濃度が既知のＡＦＰ溶液を用いて信号値と濃度との関係を求めておくことで、被測定検体の濃度を求めることが出来る。
【００７３】
本発明の光学素子は、導電性微細構造体の表面に化学修飾部１３ｂを形成し、抗原が結合する部位を制限するように構成してある。これにより、結合部位の差によるシフト量のバラツキを抑え、観測される光学スペクトルが反応後に大きく広がってしまうのを抑制している。このため、本発明の光学素子によれば、高精度な濃度測定が可能となる。
【００７４】
なお、本実施例では導電性微粒子の構造は長方形の薄膜としたが、これに限るものではない。ＬＳＰＲを誘起する構造であればよい。また照射する光源は直線偏光に限らず、また、部分偏光や無偏光でも良い。
（実施例３）
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に誘電体層を形成する前段階における本実施例の光学素子の概略図を示す。また、図１５（ａ）にレジスト層を形成した状態、図１５（ｂ）に凹凸部を形成した状態、図１３（ａ）にレジスト層を除去した状態、図１３（ｂ）に抗体で表面を装飾した状態の光学素子の概略図をそれぞれ示す。以下、本実施例の光学素子の製造方法について説明する。
【００７５】
まず、基板となる支持体１５上に導電体層を形成する。そして、導電体層を図１４（ｂ）に示すように一辺約３００ｎｍの正方形に形成し隙間を約８００ｎｍ空けて正方格子状に配置したものをあらかじめ用意しておく。
【００７６】
支持体１５は厚さ約５２５μｍの石英基板であり、支持体１５上の導電性微粒子１６は厚さ約２０ｎｍのＡｕ薄膜であるが、導電性微粒子１６の厚さはこれに限るものではない。本実施例では導電性微粒子１６の材質はＡｕであるがこれに限るものではない。プラズモン共鳴を発生し得る材質であることが好ましい。本実施例では導電性微粒子１６の材質は、特に銀、銅、白金、アルミニウムなどの誘電損失が小さい金属が好ましく、また半導体などその他の導電性物質でも良い。また支持体１５も石英に限るものではない。光学スペクトルを測定する波長域に対して透過率が高い物質であることが好ましい。支持体１５の厚さもこれに限るものではない。
【００７７】
次に、フォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成する。ネガ型フォトレジストを塗布した後、露光光を照射しパターニングする。このとき、導電性微粒子１６近傍の強電場領域のみが感光し潜像を形成するような露光時間で露光する。そしてこれを現像しパターニングされたレジスト層１７を形成する（図１５（ａ）、図１５（ｂ））。
【００７８】
次に、この光学素子４を短時間Ａｒガスのプラズマにさらすことで凹凸部１３ｃを形成する（図１５（ｃ））。但しここでプラズマはアルゴンに限られず、導電性微粒子１６の表面を荒らすものであればよい。
【００７９】
このとき、この光学素子４に対して測定用の光は直線偏光であり、図１５（ｂ）に示す偏光面（矢印Ｅ方向）を有するものとする。
【００８０】
次に導電性微粒子１６の表面を抗体で修飾する。
【００８１】
まず、アセトン等を用いて、レジスト層のみを剥離した状態にする（図１６（ａ））。このとき、凹凸部１３ｃは導電性微粒子１６の端面から約１００ｎｍ内側に配置しておく。
【００８２】
例えば抗体として抗ＡＦＰ（α―ｆｅｔｏｐｒｏｔｅｉｎ）抗体を導電性微粒子１６のＡｕ表面に固定化する。この場合、チオール基を有する１１−Ｍｅｒｃａｐｔｏｕｎｄｅｃａｎｏｉｃ  ａｃｉｄのエタノール溶液をスポッタ等で滴下することにより微粒子表面にカルボキシル基が露出される。ここにＮ−Ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ水溶液及び１−Ｅｔｈｙｌ−３−［３−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ］ｐｒｏｐｙｌ  ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ  ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ水溶液を同様にスポッタ等で反応領域に滴下する。これにより、微粒子表面にスクシンイミド基が露出される。ここにストレプトアビジンを反応させ微粒子表面をストレプトアビジンで修飾する。そしてこの微粒子にビオチン化した抗ＡＦＰ抗体を固定させる。その結果、導電性微粒子１６は図１６（ｂ）の様に抗体８で修飾された状態になる。
【００８３】
次に、上述のようにして凹凸部１３ｃが形成された導電性微細構造体素子５５ｃの抗原抗体反応及び光学スペクトル測定に関して説明する。
【００８４】
抗原抗体反応及び光学スペクトル測定は概略図１７（ａ）に示すような測定基板５７を用いた構成で行なう。
【００８５】
まず、ＡＦＰを含んだ検体を注入口５２より注入し、反応ウェル５３にてＡＦＰを導電性微細構造体素子５５ｃ上に捕捉させる。その後検体を排出口５４より排出し、リン酸緩衝液を注入口５２より注入し、反応ウェル５３の内部を洗浄する。最後にリン酸緩衝液を充填する。
【００８６】
次に導電性微細構造体素子５５ｃの光学スペクトルを、光源５１からの光を導電性微細構造体素子５５ｃに導入し、導電性微細構造体素子５５ｃからの散乱光を分光計測器５６にて分光測定する。
【００８７】
光学スペクトルを抗原抗体の反応前光学スペクトルＡ及び反応後光学スペクトルＢで比較し（図１７（ｂ））、局在プラズモン共鳴によるピークのシフト量を求め、このシフト量から標的物質の濃度を検知する。
【００８８】
このとき、予め濃度が既知のＡＦＰ溶液を用いて信号値と濃度との関係を求めておくことで、被測定検体の濃度を求めることが出来る。
【００８９】
本発明の光学素子は、導電性微細構造体の表面に凹凸部１３ｃを形成し、抗原が結合する部位を制限するように構成してある。これにより、結合部位の差によるシフト量のバラツキを抑え、観測される光学スペクトルが反応後に大きく広がってしまうのを抑制している。このため、本発明の光学素子によれば、高精度な濃度測定が可能となる。
【００９０】
なお、本実施例では導電性微粒子の構造は正方形の薄膜としたが、これに限るものではない。ＬＳＰＲを誘起する構造であればよい。また照射する光源は直線偏光に限らず、また、部分偏光や無偏光でも良い。
（実施例４）
図１８に本発明の光学素子を用いたセンサ装置の構成例を示す。
【００９１】
センサ装置７０は、流路６０と、光源５１と分光計測器５６からなる光学系と、中央演算装置６１と表示ユニット６２からなる計測処理系とを有する。
【００９２】
流路６０は、送液ポンプ５８、注入口５２、反応ウェル５３、排出口５４及び廃液リザーバ５９を有する。
【００９３】
レファレンス液及び検体液は、送液ポンプ５８から注入口５２へと供給される。レファレンス液及び検体液は、光学素子４が配置されている反応ウェル５３内に流入する。レファレンス液及び検体液は、反応ウェル５３内の光学素子４に接触しながら流れ、反応ウェル５３を通過後、排出口５４から廃液リザーバ５９へとより排出される。
【００９４】
光源５１は、反応ウェル５３内の光学素子４に光を照射する。光源５１はタングステンランプが適用可能であるが、これに限定さえるものではない。測定波長域に発光波長がある光源であれば良い。光検出手段である分光計測器５６は、光学素子４を透過した透過光を分光測定する。
【００９５】
分光計測器５６で得られたデータは、中央演算装置６１にて処理され、処理結果は計測結果として表示ユニット６２に表示される。中央演算装置６１はデータ処理とともに光源５１の制御信号を発生する。
【００９６】
上述した誘電体層１３ａ、化学修飾部１３ｂ、あるいは凹凸部１３ｃを備えた本発明の光学素子４を用いたセンシング装置を構成することにより、高精度なセンシング（例えば屈折率センシングやバイオセンシング）を行なうことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の光学素子の側面図及び平面図である。
【図２】導電性微細構造体に生じる表面電荷の分布状況について説明する図である。
【図３】導電性微細構造体への抗原の結合の様態を説明する図である。
【図４】抗原抗体反応前と反応後の光学スペクトルの測定結果の例を示すグラフである。
【図５】導電性微細構造体の表面に誘電体層を形成し抗原が結合する部位を制限した構成の光学素子の一例を示す図である。
【図６】本発明の光学素子の製造方法の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施例１の、誘電体層を形成する前段階における光学素子の概略図である。
【図８】誘電体層を形成した状態、及び抗体で表面を装飾した状態の光学素子の概略図である。
【図９】抗原抗体反応及び光学スペクトル測定を行う装置の概略図、及び光学スペクトルの測定結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例２の、化学装飾部を形成する前段階における本実施例の光学素子の概略図である。
【図１１】レジスト層を形成した状態、及び化学装飾部を形成した状態の光学素子の概略図である。
【図１２】レジスト層を除去した状態、及び抗体で表面を装飾した状態の光学素子の概略図である。
【図１３】抗原抗体反応及び光学スペクトル測定を行う装置の概略図、及び光学スペクトルの測定結果を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施例３の、凹凸部を形成する前段階における本実施例の光学素子の概略図である。
【図１５】レジスト層を形成した状態、及び凹凸部を形成した状態の光学素子の概略図である。
【図１６】レジスト層を除去した状態、及び抗体で表面を装飾した状態の光学素子の概略図である。
【図１７】抗原抗体反応及び光学スペクトル測定を行う装置の概略図、及び光学スペクトルの測定結果を示すグラフである。
【図１８】本発明の光学素子を用いたセンサ装置の構成例である。
【図１９】従来の測定素子で検出された光学スペクトルの一例を示すグラフ及び従来の測定素子の概略図である。
【符号の説明】
【００９８】
４    光学素子
６    導電性微細構造体
【図１】
2008232721.tif 000003
【図２】
2008232721.tif 000004
【図３】
2008232721.tif 000005
【図４】
2008232721.tif 000006
【図５】
2008232721.tif 000007
【図６】
2008232721.tif 000008
【図７】
2008232721.tif 000009
【図８】
2008232721.tif 000010
【図９】
2008232721.tif 000011
【図１０】
2008232721.tif 000012
【図１１】
2008232721.tif 000013
【図１２】
2008232721.tif 000014
【図１３】
2008232721.tif 000015
【図１４】
2008232721.tif 000016
【図１５】
2008232721.tif 000017
【図１６】
2008232721.tif 000018
【図１７】
2008232721.tif 000019
【図１８】
2008232721.tif 000020
【図１９】
2008232721.tif 000021