(57)【要約】【課題】検出素子の有する捕捉体と標的物質との反応を高感度にセンシングすることが可能な検出素子、これを用いた検出装置、検出方法及び検出用キット、ならびにこの検出素子を得るための基板を提供する【解決手段】支持体上に必要数も受けた標的物質捕捉用の捕捉体を有する金属構造体を、一次元的に配列してプラズモンの伝送路を形成し、伝送路を伝搬したプラズモンに基づく信号を検出して、捕捉体への検体からの標的物質の捕捉の有無を検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
局在表面プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質の有無または標的物質の量を検出するための検出装置であって、
支持体と、該支持体上に配置された複数の金属構造体と、検体中の標的物質を捕捉するための捕捉体と、を有する検出素子と、
前記検出素子に光を照射するための光照射手段と、
前記検出素子への光照射により発生するプラズモンに基づく信号を検出するためのプラズモン検出手段と、
を有し、
前記複数の金属構造体によって、プラズモンが一次元状に伝搬する伝送路が構成されており、かつ、
前記プラズモン検出手段が、前記伝送路を伝搬するプラズモンに基づく信号を検出可能な位置に設けられている
ことを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記光照射手段は、前記複数の金属構造体からなる伝送路に対して非平行な方向から光が入射するように配置されている請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記プラズモン検出手段は、プラズモンに基づく光を検出するための受光手段を有し、該受光手段により、前記伝送路を伝搬するプラズモンに基づく光が受光される請求項１または２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記光照射手段と前記受光手段とは光軸が同一ではないように配置されている請求項３記載の検出装置。
【請求項５】
前記受光手段が、前記伝送路を伝搬するプラズモンに基づく光をファーフィールド光に変換する部位と、変換された該ファーフィールド光を光電変換する部位とを有する請求項３記載の検出装置。
【請求項６】
前記受光手段が、前記伝送路を伝搬するプラズモンに基づく光を、伝送路の近傍において近接場光の状態で光電変換する部位を有する請求項３記載の検出装置。
【請求項７】
前記複数の金属構造体は、該構造体の大きさに対して1倍〜10倍の配列ピッチで前記支持体の表面に配列されている請求項１乃至６のいずれかに記載の検出装置。
【請求項８】
前記金属構造体の配列が、スペクトル整形機能部位と検出機能部位を有する請求項１乃至７のいずれかに記載の検出装置。
【請求項９】
前記金属構造体からなる、配列数の異なる２以上の伝送路からの複数の出力を、同等の条件で検出する請求項１乃至８のいずれかに記載の検出装置。
【請求項１０】
金属構造体の電磁場応答性が、伝搬方向に、指向性を持つ請求項１乃至４のいずれかに記載の検出装置。
【請求項１１】
局在表面プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質の有無または標的物質の量を検出するための検出素子用の基板であって、
支持体と、該支持体上に配置された複数の金属構造体と、金属構造体への光照射によって生じるプラズモンの強度を、検出可能な物理量に変換する変換手段
と、を有し、
前記複数の金属構造体によって、プラズモンを一次元状に伝搬する伝送路が構成されており、かつ、前記変換手段が、前記伝送路を伝搬するプラズモンの強度を、検出可能な物理量に変換することが可能な位置に設けられていることを特徴する検出素子用基板。
【請求項１２】
前記検出可能な物理量が、ファーフィールド光の強度である請求項１１記載の検出素子用基板。
【請求項１３】
前記検出可能な物理量が、近接場光強度である請求項１１記載の検出素子用基板。
【請求項１４】
前記複数の金属構造体は、該構造体の大きさに対して1倍〜10倍の配列ピッチで前記支持体の表面に配列されている請求項１１ないし１３のいずれかに記載の検出素子用基板。
【請求項１５】
金属構造体の電磁場応答性が、伝搬方向に、指向性を持つ請求項１１乃至１４のいずれかに記載の検出素子用基板。
【請求項１６】
局在表面プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質の有無または標的物質の量を検出するための検出素子であって、
請求項１１乃至１５のいずれかに記載の検出素子用基板に、標的物質捕捉用の捕捉体を固定したことを特徴とする検出素子。
【請求項１７】
検体中における標的物質の有無または標的物質の量を検出するためのキットであって、
請求項１１乃至１５のいずれかに記載の検出素子用基板と、標的物質の捕捉体と、標的物質の前記捕捉体での捕捉に必要な試薬と、を有することを特徴とする標的物質検出用キット。
【請求項１８】
検体中における標的物質の有無または標的物質の量を検出するためのキットであって、
請求項１６に記載の検出素子と、標的物質の捕捉体での捕捉に必要な試薬と、を有することを特徴とする標的物質検出用キット。
【請求項１９】
検体中の標的物質の有無または標的物質の量を、局在表面プラズモン共鳴を利用して検出するための検出方法において、
請求項１１に記載の検出素子に検体を接触させる工程と、
前記検出素子の有する捕捉体への標的物質の捕捉の有無を、前記検出素子への光照射により生じ、前記検出素子の有する伝送路に一次元的に伝搬するプラズモンを介して検出する工程と、
を有することを特徴とする検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検体中の標的物質の検出のための検出装置、検出素子、検出素子用基板、検出用のキット及びこの検出素子を用いた標的物質検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、抗原抗体反応における抗原の吸着や結合の有無など、物質の吸着や結合の有無を検出するためのアフィニティ・センサとして、例えば、表面プラズモン共鳴センサが用いられていた。
【０００３】
一般に、この表面プラズモン共鳴センサは、測定用試料との接触面を有するセンシング・ユニットと、センシング・ユニットへの光照射手段と、センシング・ユニットからの反射光を検出する光検出手段とを有して構成されている。センシング・ユニットは、プリズムと当該プリズムの一面に形成されて試料に接触する金属膜とを有して構成される。また、光照射手段は、光ビームをプリズムと金属膜との界面に対して種々の入射角を得ることができるように配置された光源及び光学系を有する。光検出手段において、センシング・ユニットへの光ビームの入射によりプリズムと金属膜との界面で反射した全反射光の強度が種々の入射角毎に検出される。
【０００４】
しかしながら、上記のセンサでは、センシング・ユニットがプリズムをその構成要素として必要としているために、構成が複雑となり、また、プリズムを配置することが困難な狭隘な場所にセンシング・ユニットを配置することができないという問題点があった。
【０００５】
なお、このセンシング・ユニットにおいてプリズムの一面に形成される金属膜は、一般には真空蒸着法を用いて形成されている。そのため、プリズムの所定面への金属膜の真空蒸着のための特別な構造が真空蒸着装置に必要になる。
【０００６】
これらの全反射減衰法を用いた表面プラズモン共鳴を利用した種々の方法が開発されており、また既に市販品もある。しかし、上述のとおり、光学系の構成が複雑となったり、配置上の制限が厳しいため、上記構成のセンサを微小化することは難しい。
【０００７】
これらの問題点に対して、簡易な構成で検出が可能な装置が各種提案されている。例えば以下のようなものが知られている。
（a）『特開2000-356587号公報』においては、基板の表面に金属構造体を膜状に固定した構造のセンサが開示されている。この場合、光を基板に照射して金属構造体を透過した測定光の吸光度を基板の裏面側において測定することにより、金属構造体への物質の吸着または堆積が検出される。これにより構成要素としてプリズムを必要とせず簡易な装置構成により検出が可能になった。また、同公報には簡易な構成の他の例として光ファイバーを利用したセンサも提案されている。
(b）『応用物理  72、1541（2003）』には、光ファイバーの端面（有効直径50μm）に金属構造体を堆積させて小型で実用可能なレベルの感度を有するセンサが報告されている。
(c)特開2004−191110号公報には、ファイバー側面を金薄膜で被覆したプラズモン共鳴を利用したセンサが開示されている。
【０００８】
上記の(a)及び(b)は金属構造体の局在プラズモン共鳴を、（c）は金属薄膜の表面プラズモン共鳴を利用することにより高感度な検出を可能にしている。
【０００９】
ここでは、測定光が間隔を置いて配置されている微粒子のいずれかを1回だけ透過して、その透過時に単一の金属構造体のみのプラズモン共鳴の影響を受ける構成となっている。また、上記(c)の場合においては光がファイバー側面の金薄膜で反射してプラズモン共鳴の影響を受ける構成となっている。これらのセンサは(a)、(b)及び(c)の場合ともに、光照射手段が、配列された金属構造体（薄膜）によって構成される面、あるいは金属薄膜面に対して角度をもって測定用の光が入射するように構成されている。この構成によれば、光が金属構造体を複数回透過する、あるいは光が金属構造体のみを効果的に通過する概念はなく、光と金属の相互作用が小さくなる。そのため、基板に入射される光の光量に対して得られる金属構造体への物質の付着により得られる信号（光量の変化）光量の割合は小さい。
【００１０】
一方、特開2005-283556号公報には、検体中の標的物質を認識するための素子が開示されている。この素子は、微小構造体の少なくとも表面に、金属元素を含有する複数の微粒子を備え、検出光の照射に対して複数の微粒子から出力される光の総和に基づき、微粒子の物性の変化を検出するものである。同公報に開示の検出方法は、複数の微粒子からの信号を総合的に検知するため高い信号強度が得られるという特徴がある。しかし、検出光の一部は微小構造体の柱状部を通過したり、流路内を直接通過するなど全ての検出器に入射するすべての検出光が微粒子を通過するわけではないのでSN比を低下させる要因が残されている。
【特許文献１】特開2000-356587号公報
【特許文献２】特開2004−191110号公報
【特許文献３】特開2005-283556号公報
【非特許文献１】応用物理72、1541（2003）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したセンサを用いた検出方法においては、SN比の小さい（背景光に対して検出用の信号光が小さな）現象に対して検出精度を高めることが要求される。そのためダイナミックレンジの高い高性能な信号分離技術、あるいは背景光を分離する技術を必要としていた。
【００１２】
また、標的物質の濃度が希薄な条件においては、素子上に固定された捕捉体に対し、標的物質が捕捉体物質と結合した領域が狭いために、信号が埋もれてしまい、微量検出を困難にしていた。
【００１３】
本発明の目的は、検出素子の有する捕捉体と標的物質との反応を高感度にセンシングすることが可能な検出素子、これを用いた検出装置、検出方法及び検出用キット、ならびにこの検出素子を得るための基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記のような従来の技術が有する種々の問題点を鑑みてなされたものであり、高感度でこれらの検出方式に比較してSN比の高く、微量検出の可能な検出方式を提供するものである。また、本発明は、小型化により狭隘な場所への配置を可能にするとともに、簡便な信号処理を可能にした局在プラズモンセンサを提供しようとするものである。
【００１５】
すなわち、本発明の標的物質検出用の検出装置は、局在表面プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質の有無または検体中の標的物質の量を検出するための検出装置であって、
支持体と、該支持体上に配置された複数の金属構造体と、検体中の標的物質を捕捉するための捕捉体と、を有する検出素子と、
前記検出素子に光を照射するための光照射手段と、
前記検出素子への光照射により発生するプラズモンに基づく信号を検出するためのプラズモン検出手段と、
を有し、
前記複数の金属構造体によって、プラズモンが一次元状に伝搬する伝送路が構成されており、かつ、
前記プラズモン検出手段が、前記伝送路を伝搬するプラズモンに基づく信号を検出可能な位置に設けられていることを特徴とする検出装置である。
【００１６】
本発明の検出素子用の基板は、局在表面プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質の有無または標的物質の量を検出するための検出素子用の基板であって、
支持体と、該支持体上に配置された複数の金属構造体と、金属構造体への光照射によって生じるプラズモンの強度を、検出可能な物理量に変換する変換手段と、を有し、
前記複数の金属構造体によって、プラズモンを一次元状に伝搬する伝送路が構成されており、かつ、前記変換手段が、前記伝送路を伝搬するプラズモンの強度を、検出可能な物理量に変換することが可能な位置に設けられていることを特徴する検出素子用基板である。
【００１７】
本発明の検出素子は、局在表面プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質の有無または標的物質の量を検出するための検出素子であって、
上記の構成の検出素子用基板に、標的物質捕捉用の捕捉体を固定したことを特徴とする検出素子である。
【００１８】
本発明の標的物質検出用のキットの一態様は、検体中における標的物質の有無または標的物質の量を検出するためのキットであって、上記構成の検出素子用基板と、標的物質の前記捕捉体での捕捉に必要な試薬と、を有することを特徴とする標的物質検出用キットである。
【００１９】
本発明の標的物質検出用のキットの他の態様は、検体中における標的物質の有無または標的物質の量を検出するためのキットであって、上記構成の検出素子と、標的物質の捕捉体での捕捉に必要な試薬と、を有することを特徴とする標的物質検出用キットである。
【００２０】
本発明の標的物質検出方法は、検体中の標的物質の有無または標的物質の量を、局在共鳴プラズモンを利用して検出するための検出方法において、上記構成の検出素子に検体を接触させる工程と、前記検出素子の有する捕捉体への標的物質の捕捉の有無を、前記検出素子への光照射により生じ、前記検出素子の有する伝送路に一次元的に伝搬するプラズモンを介して検出する工程と、を有することを特徴とする検出方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、検出素子の有する金属構造体と相互作用せずに検出手段に入ってくる光（バックグラウンド光）を低減することが可能となる。それにより、標的物質と捕捉体の反応を高感度にセンシングすることが可能となる。また、標的物質の濃度が希薄な条件においても、検出信号が未検出信号に埋もれることなく微量検出が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明にかかる標的物質検出装置は、標的物質の捕捉体と複数の金属構造体とを有する検出素子と、光照射手段と、プラズモン検出手段と、を少なくとも有して構成される。この標的物質検出装置は、局在表面プラズモン共鳴を利用して検体中の標的物質の有無又は標的物質の量を検出するものである。検出素子に配置された複数の金属構造体は、光照射により発生する局在表面プラズモン（以下単にプラズモンという）を一次元的に伝搬させる伝送路を構成している。この伝送路は、所定の間隔を介して複数の金属構造体を一次元的（たとえば線状）に支持体上に配列することにより形成されている。この伝送路では、ある金属構造体への光照射により励起されるプラズモンがこの金属構造体に隣接して配された金属構造体に伝搬することで一次元的なプラズモンの伝搬が達成される。こうして伝送路を一次元的に伝搬したプラズモンはプラズモン検出手段で検出される。このように伝送路を利用して検出用の信号を主体として、バックグランド光と分離して検出手段により検出することで、SN比の小さい測定系においても高感度な検出が可能となる。
【００２３】
例えば、一次元的に伝搬したプラズモンを光に変換してこれを受光手段で受光して検出する場合には、受光手段を、複数の金属構造体からなる伝送路を伝搬した光を主に測定するように装置内に配置する。更に、光照射手段は、複数の金属構造体からなる伝送路に対して、伝送路とは非平行な方向から入射するように配置する。更に好ましくは、金属構造体へ光を照射する手段と受光手段は、光軸が同一ではないように配置する。このような光照射手段と受光手段の配置によってプラズモンに基づく検出用の信号とバックグランド光との分離をより効果的に行うことが可能となる。
【００２４】
また、光照射手段が、伝送路を伝搬するプラズモンの励起に好適な単一波長の光を入射させる場合以外にも、広帯域な白色光を照射する場合もある。上記金属構造体からなる伝送路は、金属構造体の形状と配列ピッチによって決まる透過特性を示す。すなわち、白色光源を照射してプラズモンを励起させた場合でも、この伝送路のもつ特性によって、プラズモンはフィルタリングされて伝播する。この性質を利用することで、プラズモンに伴う光のスペクトルを整形することが可能になる。具体的には、伝送路のうち、光を入射させる側の金属構造体のある範囲をフィルタとして用い（スペクトル整形部位）、このスペクトル整形部位に隣接して、標的物質の吸着によってプラズモン共鳴条件の変化が生じる伝送路からなる検出機能部位を設ける。スペクトル整形部位から検出機能部位にプラズモンを伝搬可能な構造とし、検出機能部位での標的物質の吸着の有無を透過強度の変化として測定する。スペクトルを整形することで、プラズモン共鳴条件の変化が、大きく透過強度に影響を及ぼすような特性とすることができ、高感度化に寄与させることが可能である。
【００２５】
上記の場合、捕捉体物質は検出機能部位にのみ固定しておけばよい。しかしながら、一様な金属構造体からなる伝送路を用いる場合は、捕捉体の有無でプラズモン共鳴条件が異なる。そのために、スペクトル整形部位と検出機能部位の境界で伝搬効率の低下が生じてしまう場合がある。このような場合においては、検出物質の吸着前に伝送路がある波長において伝搬効率が最大となるように設定する場合は、捕捉体の必要でないスペクトル整形部位をなす金属構造体と、捕捉体を固定した検出機能部位をなす金属構造体と共鳴の条件が似かよるように、伝送路をなす金属構造体の大きさや配列ピッチを調整すればよい。また、検出物質の吸着後に伝送路がある波長において伝播効率が最大となるように設定する場合は、スペクトル整形部位をなす金属構造体と、補足体を固定して、さらに検出物質が吸着した検出機能部位をなす金属構造体の、共鳴の条件が似かよるように、伝送路をなす金属構造体の大きさや配列ピッチを調整すればよい。このようにすることで、センシング感度に関係しない金属構造体に捕捉体を固定することが不要となり、捕捉体の節約になる。
【００２６】
以下、本発明の各構成の好ましい態様について更に説明する。
【００２７】
＜装置構成＞
（１）光導波路を用いて効率的に光を結合させる構成
光照射手段は光源からの光を検出素子の金属構造体が配置された領域に照射するための光学系を有する。光照射手段は、光学系のみからなり、使用時に別途設けた光源と接続して使用する構造としても、光源と光学系が一体化された構造のものでもよい。
【００２８】
光を基板の金属構造体に効率的に入射させるためには各種の方法がある。光ファイバーの先端を鋭利にして支持体上の金属薄膜を介してあるいは直接に金属構造体に接触または非常に接近させて位相の整合性をとることによって光を金属構造体に導入することができる。その他にも各種の変換の方法があるが、例えば『光学  33巻3号（2004）』にも複数の方法が紹介されている。
【００２９】
光照射手段からの光が照射される検出素子の金属構造体が配置された領域は、複数の金属構造体によってプラズモンの一次元的伝搬を可能とする伝送路が形成されている。図２に、金属構造体２による伝送路６を複数本（6a、6b、6c）構成するように設計した例を示す。また、１つの伝送路に沿った支持体の厚さ方向の断面図を図１に示す。これにより出射光量を増大して感度を向上させることができる。この場合、それぞれの伝送路（6a、6b、6c）の金属構造体に、検出物質に対応した各々異なる誘電体を被覆することにより複数種類の物質の検出を同時に行なうようにすることもできる。なお、このように複数の伝送路６を並列した場合の各伝送路間の間隔（隣り合った金属構造体の非伝搬方向の間隔）は、金属構造体の形状等にも影響される。一般に、金属構造体は、その近傍に、自らの大きさ程度の近接場を形成するが、金属構造体の電磁場応答性が指向性を持つような構造に設計し、指向性の方向を考慮して配列させることで、隣り合った伝送路間の相互作用の影響を軽減しつつ、集積化が可能になる。
【００３０】
伝送路は複数の金属構造体、好ましくは３つ以上の金属構造体により構成することができ、装置の性能やサイズなどに応じてその個数を選択できる。伝送路の伝送特性が屈折率変化によって影響強く影響を受ける系の場合、ある程度以上の標的物質が捕捉された場合の信号は同等となってしまう。これらを弁別するために、金属構造体の配列数の異なる伝送路に、濃度、温度、媒質の種類などが同一の検体溶液を同一の計測条件で標的物質を接触させることで、検出のダイナミックレンジを拡大することも可能になる。
【００３１】
本発明において、前述の『特開2000−356587号公報』に開示の素子に比べ光の入射面積が小さくなる場合は、光源からの光を収束して検出素子（センシング・ユニット）に入射させることにより光量を有効活用することができる。
【００３２】
光照射手段からの光を金属構造体に入射させる構成は、光導波路を用いて金属構造体に光を結合させる構成であっても何ら問題はない。図７は、その手法について記述したものである。図７（ａ）は伝送路に沿った支持体の厚さ方向の断面図であり、伝送路中の位置を特定して光照射をしている状態を示している。これに対し、図７（ｂ）は、光ファイバーのコア層４を伝搬してきた光が、クラッド層に設置された金属構造体２に結合し、プラズモンを生じさせる様子を示している。金属構造体内で励起されたプラズモンは、双極子相互作用などにより隣接した金属構造体に伝搬し、最終的に光ファイバーのコア層１２へ光を導光するという構成である。
【００３３】
図７（ｃ）は、金属構造体周辺のクラッド層を低屈折率の材料にし、コア層４を通ってきた光を金属構造体２に結合させている。双極子相互作用などを通じて、金属構造体間を伝搬してきたプラズモンは、最終端で再度光に変換されて光ファイバーのコア層１２へと導かれていく構成である。
【００３４】
なお、図７（ａ）及び（ｂ）は、平板状支持体の所定面に金属構造体を設けた領域と、プラズモンを光として取り出すための光導波路を設けた検出素子の構造を有し、図７（ｃ）は、光ファイバー状に構成した検出素子の例を示す。図７（ａ）及び（ｂ）の構成を断面が円形の光ファイバー状の構成としてもよく、図７（ｃ）の構成を断面が矩形の平板状の構成としてもよい。
【００３５】
（２）センサに対して垂直に光を入射する構成
センサに対して垂直方向から入射光を入れる構成も可能である（図８及び図９）。図示したように、金属構造体が配列している方向と、略同一方向に偏向した光を導入することにより、金属構造体と相互作用した光のみが、プラズモンとして隣の金属構造体に伝搬していくことができる。
【００３６】
受光手段には、プラズモンをファーフィールド光に変換する部位と、必要に応じてファーフィールド光を光電変換する部位を設けてもよい。この構成により、伝搬したプラズモンは、伝送路の終端でファーフィールド光に変換し、必要に応じてファーフィールド光を更に光電変換し、その強度を検出することにより、標的物質の検出を行うことができる。この場合は、伝送路の終端にプラズモンに伴う近接場を乱すような構造を配置すればよい。また、受光手段に、前記伝送路を伝搬するプラズモンに基づく光を、伝送路の近傍において近接場光の状態で光電変換する部位を設けることもできる。例えば、プラズモンに伴う近接場光を、構造体近傍にＰＮ接合などのフォトダイオードの領域を形成することで、直接検出することも可能である。あるいは、金属構造体に蛍光分子などの発光体を固定化させ、蛍光分子を介して光に変換しても問題は無い。さらには、プラズモンとして伝搬してきたエネルギーを、電流パルスとして検出してもなんら問題は無い。ここでは、蛍光分子を固定化させて光に変換させる手法をとることが好ましい。
【００３７】
プラズモン検出手段には、上記のようなプラズモンに基づく信号を検出できる構成を有するもので、種々の変換形式に応じた構成を採ることができる。プラズモンを光に変換してこれを検出する場合には、受光手段と受光手段からの信号を検出信号として出力する出力装置などから検出手段（例えば光検出器）を構成することができる。
【００３８】
光検出を行う構成をとることにより、主に金属構造体を介した光を検出器に導くことが可能となり、バックグラウンド光を低減することが可能となる。ここで、金属構造体からの光は、迷光などのバックグラウンド成分からの光に対してSN比が取れる強度（受光する光信号の２０％以上が金属構造体からの光）であるように設定することが好ましい。
【００３９】
（３）遮光用にアパーチャを設けた構成
プラズモン励起に用いられない入射光を、アパーチャーで遮光し、バックグラウンド光を低減させる構成も可能である。図１３には、入射光をアパーチャー１４で制限し、金属構造体と結合しない光を遮蔽し、金属構造体２を介して伝搬するプラズモンを最終的に光に変換し光検出器に導く構成が示されている。本構成を取ることにより、金属構造体と相互作用しない光はほぼ完全に遮蔽することが可能となる。ここで、金属構造体からの光は、迷光などのバックグラウンド成分からの光よりも、強い強度（全ての光信号の５０％以上が金属構造体からの光）であるように構成することも可能である。
【００４０】
＜センサ（検出素子）の作成方法＞
金属構造体の配列方法については、どのような手法を用いても何ら問題は無い。ここではいくつかの例について説明する。
（１）蒸着により金属粒子を支持体上に形成する方法
たとえばシリコン基板などの支持体の所定領域に、収束イオンビーム装置によりカーボン突起を所定の間隔で堆積後、スパッタリングにより金を蒸着することにより、金属構造体としての金微粒子の配列、固定を行なうことができる。
（２）金属構造体配置用のパターンを用いる方法
『特開平10-261244号公報』、『特開2004-285325号公報』に開示されているような公知の方法で金属構造体を直接配列、固定することも有効な方法である。具体的には支持体上に所定の間隔、幅、厚さを有する微細な凹凸のパターンを形成して、この微細なパターン上に金属構造体を形成することにより金属構造体の配列・固定を行なうことができる。あるいは支持体上に所定の間隔、幅を有する微細な親水性領域又は疎水性領域のパターンを形成して、この微細なパターンに対応するように金属構造体を配列、固定を行なうことができる。
【００４１】
（３）電子線（ＥＢ）描画による方法
電子線（ＥＢ）描画によっても、パターン形成が可能である。支持体としての石英基板に接着（バインダ）層として、Ｔｉ層（不図示）を成膜した後、連続してＡｕ層を成膜する。次に、ネガ型レジストをスピンコートしてレジスト層を設ける。プリベークした後、これを、電子線描画装置のチャンバーに導入し所望のパターンをレジスト層上から描画する。描画終了後、ポストエクスポージャーベークをおこない、急冷する。その後、現像液で現像し、レジスト層のパターニングをおこなう。パターニングされたレジスト層をマスクとして、ドライエッチングをおこない、金層にパターンを転写して、ナノドットを得る。金がパターニングされたら、最後に、リムーバー等の処理をおこないナノドット上のレジスト層を除去する。以上のプロセスを経ることにより、図８に示すように、所定の間隔で基板の表面に配列、固定されていることを特徴とする金のパターンを形成することが可能となる。
【００４２】
支持体は、本発明で目的とする測定に対して支障をきたすことがなく、金属構造体を所定の配列で配置できるものであればよい。更に、先に図７により説明したように、基体上に光導波路を組み込んだ支持体を用いることもできる。この支持体あるいは基体としては、シリコン、石英、ガラス、ポリカーボネートなどの樹脂及びこれらの複合体などからなるものを用いることができる。
【００４３】
ここで金属構造体は種々の形状とすることができる。例えば、球形状の微粒子、ロッド状の微粒子などの形状として形成することができる。金属構造体のプラズモンの一次元状の伝搬方向における長さ（球形の場合は直径Ｄ；ロッド状の場合で、その長軸方向が伝搬方向にある場合は長軸の長さ）は、5nm乃至1μm程度の範囲にあることが好ましい。非伝搬方向での金属構造体の長さは、装置の特性や金属構造体の形成方法に応じて適宜選択される。
【００４４】
また、同一形状及びサイズの金属構造体の複数が配列されていることにより伝送路が形成されていることが好ましい。さらには、標的物質を接触させた金属構造体からなる伝送路を伝送した信号と、接触させていない信号を同時に検出できるような配置とすることで、光源の強度変動などの外乱ノイズの影響をとりのぞくことが可能になる。
【００４５】
金属構造体の立体形状としては、上記のように球形を挙げることができるが、三角、四角等の異形の微粒子、あるいは縦横のアスペクト比が１以上となるナノロッドでも構わない。更に、断面が矩形の層状でもよい。また、支持体表面へのエッチング、堆積等により基板上に実質的な微粒子を形成した場合も本発明の主旨に沿う限り概念として含まれる。
【００４６】
ここで伝送路の長さを確保するために必要な個数の金属構造体を、局在プラズモンが存在する間隔に、一次元状に配置することが必要である。この間隔は伝搬方向における金属構造体の長さ（球形の場合は直径Ｄ；ロッド状の場合で、その長軸方向が伝搬方向にある場合は長軸の長さ）と同程度のオーダー内であることが好ましい。具体的には、金属構造体は、該構造体の大きさに対して1倍〜10倍の配列ピッチで配列している。金属構造体からなる伝送路は、該構造体の大きさと配列ピッチによって定まる特定の波長のみを効率良く伝搬させる。この特性によって、求める波長に応じて構造体の形状、配列ピッチは決定される。（ここで、一次元状とは、金属構造体がプラズモンの伝搬方向に対し一次元（線状）に並んでいる構成のことを示している。よって、直線でなくてもよく、途中で曲がっているような配置であっても構わない）。
【００４７】
金属構造体は、金、銀、銅やその他プラズモンを励起できる金属からなる構造体であれば特に制限することなく採用することができる。製造の容易性や検出用試料液に対する耐久性などを考慮すると、金微粒子を金属構造体として用いることが好ましい。また、銀の微粒子には、感度のよい測定を行なうことができるという利点がある。
【００４８】
＜センシングの原理＞
１．ＳＮよく標的物質を検出するメカニズム
上記工程で作製した基板上の金属構造の列（例えば、金ナノドット列）に捕捉体を固定化することで、局在表面プラズモン（ＬＳＰＲ）センサを構成することができる。すなわち、検出対象としての抗原と特異的に反応する捕捉体を金ナノドット上に固定化し、その抗体により標的物質としての抗原を捕捉させる。反応後、金ナノドット間の媒質の誘電率が変化するため、プラズモンの伝搬条件が変化し、伝搬強度が変化する。すなわち、伝搬してきたプラズモンの強度をモニタすることで、標的物質の濃度を検出することが可能となる。捕捉体の金属構造体への結合は、捕捉体と金属構造体の種類に応じた公知の方法を用いて行うことができる。
【００４９】
２．金属構造体間をプラズモンが伝搬するメカニズム
ここで配列された複数の金属構造体により構成された部分を伝送路として測定光を伝搬させる構成となっているので金属構造体間のプラズモン共鳴を有効に利用することができる。その結果、検出素子（センシング・ユニット）の金属構造体による物質の吸着や堆積による吸光度の変化を高精度に検出することができるようになる。
【００５０】
また、伝送路とは光が局在プラズモンの相互作用によりに金属構造体間を伝搬する経路をさす。伝送路を伝わるプラズモンの伝搬効率は、金属構造体をどのような間隔でどう配置するかに依存するが、例えば『Appl. Phis. B 84 257-259 Nomura et.al 』では、直径2a、配列ピッチ2.4aとして種々の直径、配列ピッチの金ドット伝送路が作製された点が報告されている。更に、同文献には、785nmの波長の光を照射して該伝送路の終端での近接場光強度を測定したところ、直径200nm、配列ピッチ240nmの金ドット伝送路が最も効率よくプラズモン（に伴う近接場光）を伝搬することが報告されている。
【００５１】
本発明のセンシング・ユニットは複数の金属構造体間を伝搬するプラズモンを積極的に活用するところに特徴がある。また、本発明は、支持体に固定した金属構造体表面近傍、例えば、基板に固定した金属構造体の直径程度の距離までにある媒質の屈折率を検出するようにしたものである。その結果、センシング・ユニットを液内に配置した場合には、当該液体のセンシング・ユニット近傍の屈折率を測定することもできる。
【００５２】
上述した本発明による局在プラズモン共鳴センサの概念説明図を図１に示す。支持体１に伝送路６として複数の金や銀などの金属構造体２の必要数を配列固定してセンシング・ユニット３を構成する。この図１の構成のセンシング・ユニット３での測定の概要を図３に示す。図３に示すように、光源７から発せられた入射光４はセンシング・ユニット３の支持体１表面の金属構造体２へ入射され、伝送路６を透過したあと出射光５として外部に出射される。ここで、金属構造体２を透過した出射光５の吸収スペクトルを、分光光度計を用いて測定して各波長に対する吸光度を得ると、局在プラズモン現象により金属構造体２の誘電率と近隣の媒質の誘電率との関係から、所定の波長において共鳴ピークが表れる。そして、金属構造体２の近隣に存在する媒質の屈折率が大きくなるに従って、共鳴ピークの吸光度は大きくなり、長波長側へシフトするようになる。これをバンドパスフィルタ等により特定波長のみの光に関して光量計８により吸光度の変化を測定すれば透過光量の変化として検出できる。入射光としてレーザーを用いた場合には、バンドパスフィルタは不要である。
【００５３】
なお、金属構造体が配列された場合の局在プラズモン共鳴の条件は複雑であるが、光の波長より十分小さな孤立した金属構造体をもとに局在プラズモン共鳴の条件を示すと、以下の通りである。
【００５４】
ここでは金属構造体が球形であると仮定する。複素誘電率εm（λ）をもつ半径aの微小な球状の金属構造体が複素誘電率ε0（λ）の媒質中に置かれている。金属構造体の分極率α（λ）は式（１）で与えられる。
α（λ）＝4πα3（εm（λ）−ε0（λ））/（εm（λ）＋２ε0（λ））・・・（１）
式（１）の分母の絶対値が最小となる波長λにおいて局在プラズモンが共鳴状態となり分極率の大きさが最大となる。
【００５５】
例えばバイオセンサにおいて、誘電体層としてリガンド分子が金属構造体を覆う構造を考える。相互作用により液体中のアナライザがリガンド上に吸着することが等価的に誘電体の膜厚が増加したことに対応する。このように誘電体層が金属構造体を覆った構造の場合も全体としての分極率α（λ）を解析的に求めることができる。
【００５６】
従って、本発明においてはセンシング・ユニット３から出射される出射光５の吸光度を測定することにより金属構造体２の表面近傍の媒質を含む金属構造体の屈折率を検出することができるものであり、その結果センシング・ユニット３の基板１に固定された複数の金属構造体２への物質の吸着や堆積の状態を検出することができるようになる。
【００５７】
本発明にかかる検出素子は、支持体上に必要個数の金属構造体を配置して伝送路を形成した基板に標的物質捕捉用の捕捉体を固定することで作製することができる。捕捉体は標的物質の種類に応じて選択できる。例えば、特異的な結合対の組み合わせの一方が標的物質である場合に、一方を捕捉体として利用することができる。このような組み合わせとしては、抗原／抗体、相補的ＤＮＡ対、リセプター／リガンド、酵素／基質があげられる。また、標的物質としては、生体物質（タンパク質、核酸、糖鎖、脂質等）やアレルゲン、バクテリア、ウイルス等がある。
【００５８】
上記の検出素子用基板、捕捉体への標的物質の捕捉のための試薬（緩衝液や検体調製用の試薬など）を用いて標的物質検出用キットを構成することができる。また、検出素子及び捕捉体への標的物質の捕捉のための試薬（緩衝液や検体調製用の試薬など）を用いて検出用のキットを構成することもできる。これらのキットは、捕捉体を更に含むものであってもよい。
【実施例】
【００５９】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による局在プラズモン共鳴センサの実施形態の例を詳細に説明する。但し、これらは具体例を示すもので本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６０】
＜実施例１＞
以下に本発明に関わる実施例を説明する。図３に示したように局在プラズモン共鳴センサは、センシング・ユニット３と、センシング・ユニット３に対して光を入射する光源７とセンシング・ユニット３を透過した光の吸収スペクトルを測定して吸光度を得るための光量計８とを有して構成されている。
【００６１】
ここで、センシング・ユニット３はシリコン基板１に直径120nmの金微粒子（球状）を多数配列、固定した検出素子用基板を用いて作製した。
【００６２】
具体的には金微粒子の配列は以下のように行なった。
【００６３】
支持体としてのシリコン基板上に、収束イオンビーム装置により突起径が120nmφとなる複数のカーボン突起を間隔70nmとなるように堆積後、スパッタリングにより金を膜厚120nmに蒸着することにより実質的に金微粒子を等間隔に配列・固定を行なった。
【００６４】
以上の構成において、金微粒子を配列した後、金微粒子に物質が吸着あるいは堆積すると、透過光の吸光度が変化することになり、これをバンドパスフィルターにより550nmを中心とする特定波長のみを透過させることにより光量計8により吸光度の変化を透過光量の変化として検出した。
【００６５】
これを示すのが図５（a）である。基板にアクリル樹脂が堆積するに従い共鳴ピークの吸光度が大きくなり、受光量の減少によりアクリル樹脂の堆積量が効果的に検知できる。
【００６６】
本実施例では、入射光はセンシング・ユニットを通過するまでに複数の金属構造体を透過するので、金属構造体周辺の光学特性の変化を大きく受けることになりセンシング・ユニットへの入射光量は少なくても高い感度を得ることができる。
【００６７】
この構成による感度の向上は、プラズモンに基づく光を信号として取り出す場合を例とすると、概略的には以下のような理論に基づいていると考えられる。
【００６８】
伝送路をなす１つの金属構造体から隣接する金属構造体へのプラズモンの伝搬効率は、金属構造体のプラズモン共鳴条件、すなわち金属の誘電率、構造、配列ピッチ、周囲の誘電率などの影響を受ける。具体的な構造を作製した場合、金属の誘電率や構造、配列ピッチは固定されるために、プラズモン伝搬効率を変動させる原因とはならない。そのために、プラズモン伝搬効率の変動、すなわちプラズモンに伴う近接場光強度を測定することで、金属構造体の周囲の誘電率を測定することができる。本発明のプラズモン伝送路の構造によれば、複数の金属構造体をプラズモンが伝搬していく場合の伝搬効率の変動による強度変化は、以下の３つの効率の変動の合計である。
１）照射光が伝送路をなす金属構造体表面のプラズモンへの変換効率。
２）隣接する金属構造体同士のプラズモンの伝搬効率。
３）伝送路端でのプラズモンから検出可能な物理量への変換効率。
【００６９】
２）の変換に関わる部位は金属構造体の配列の間隔分だけ存在する。N個の構造体が伝送路を形成している場合、強度変化は１つの間隔（２つの構造体間）の場合と比べてn-1乗となると考えてよい。この積算効果により、個々の構造体の周囲で生じている、標的物質の結合による誘電率変化によるプラズモン伝搬効率の変化を、増幅して検出でき、高感度検出が実現できる。
【００７０】
次に、図６をもとに、本発明を適用したセンサへの応用例を説明する。この応用例にかかるセンサは支持体１、伝送路６からなるセンシング・ユニット、基板１上に配置された半導体レーザー光源９、集光部材１０、光検出器１１からなる。支持体１上において半導体レーザー光源９から出射された光が金属薄膜等からなる集光部材１１により集光され、金属構造体からなる伝送路６に入射、伝搬される。光は伝送路6aを伝搬後、集光部材１０により光検出器１１に集光されて金属構造体上の物質の付着等によるによる吸光度の変化が検出される。
【００７１】
以上のように構成することにより伝送路毎に異なる物質に対する光学特性の変化を検出することが可能になるとともに、プリズム等の光学系により検出器毎の集光を必要としない光源から光度計までを一体化した簡便なセンサを提供することができる。
【００７２】
＜比較例１＞
以下に本発明に関わる実施例１に対する比較例を、図４を参照して説明する。
【００７３】
本比較例の局在プラズモン共鳴センサは、センシング・ユニット３と、センシング・ユニット３に対して光を入射するレーザーなどの光源７とセンシング・ユニット3を透過した光の吸収スペクトルを測定して吸光度を得るための光量計8とを有して構成されている。ここで、センシング・ユニット３はガラス製の支持体１に直径30nm金微粒子を多数配列固定することにより作製した。金微粒子の塗布は3-aminopropyltrimethoxysilane10%メタノール溶液に数分間浸漬した後洗浄し、更に、直径30nmの金コロイド溶液に数時間つけて行なった。
【００７４】
以上のように金コロイド微粒子を支持体１上に２次元的に配列（すなわち平面状に配列）した後、金微粒子に物質を吸着あるいは堆積させると、透過光の吸光度が変化することになる。透過光から、バンドパスフィルターにより550nmを中心とする特定波長のみを透過させることにより光量計８により吸光度の変化を透過光量の変化として検出した。
【００７５】
これを示すのが図５（ｂ）である。基板にPMMA（ポリメチルメタクリレート）が堆積するに従い共鳴ピークの吸光度が大きくなり、光量計８の受光量が徐々に減少する。本比較例では、アクリル樹脂が堆積する前の初期光量が多くそれに対して堆積による光量変化が小さくSN比も小さくなってしまう。
【００７６】
＜実施例２＞
以下に本発明に関わる実施例を説明する。
＜装置構成＞
図８に示したように局在プラズモン共鳴センサは、センシング・ユニット１０と、センシング・ユニット３に対して光を入射する光源７とセンシング・ユニット３を透過した光の吸収スペクトルを測定して、吸光度を得るための光量計8とを有して構成されている。ここで、センシング・ユニット3は石英基板１１に直径120nmの金微粒子を多数配列・固定する。光源７をセンシング・ユニット１０に対し垂直方向に設置し、金ナノドット列の列方向と平行方向に偏光を照射出来るような配置にする。検出器は、金ナノドット列の照射したドットと反対方向の端に配置した発光体付近に設置する。
【００７７】
＜ＬＳＰＲセンサ＞
具体的には金微粒子の配列は以下のように行なった。支持体としての石英基板に接着（バインダ）層として、Ｔｉ層を５ｎｍ成膜した後、連続してＡｕ層を５０ｎｍ成膜する。次に、ネガ型レジスト（シプレイファーイースト社、ＳＡＬ６０１）をスピンコートしてレジスト層を設ける。プリベークした後、これを、電子線描画装置のチャンバーに導入し所望のパターンをレジスト層の上から描画する。描画終了後、ポストエクスポージャーベークをおこない、急冷する。その後、現像液で現像し、レジスト層のパターニングをおこなう。パターニングされたレジスト層をマスクとして、ドライエッチングをおこない、金層にパターンを転写して、ナノドットを得る。金がパターニングされたら、最後に、リムーバー等の処理をおこないナノドット上のレジスト層を除去する。以上のプロセスを経ることにより、図８に示すように、所定の間隔で基板の表面に配列、固定されていることを特徴とする金のパターンを形成することが可能となる。
【００７８】
上記工程で作製した金ナノドットに、捕捉体を固定化することで、局在表面プラズモン（ＬＳＰＲ）センサを構成することができる。すなわち、検出対象としての抗原と特異的に反応する捕捉体を、金ナノドット上に固定化し、その抗体により、標的物質としての抗原を捕捉させる。さらに、反応ウェルを組み付けることで、標的物質を特異的に検出するキットを形成することができる（図１０）。
【００７９】
なお、金ナノドットへの抗体の固定には、抗体にアミノ基を修飾し、このアミノ基を金ナノドットに吸着させる方法を用いた。
【００８０】
＜評価＞
１．屈折率応答性の評価
ＬＳＰＲセンサは、金属構造体表面の屈折率変化をセンシングしている。そこで、まず、屈折率の異なる溶液を用いて屈折率応答性を調べる。図８は、屈折率の異なる溶液をＬＳＰＲセンサで検出した場合の結果である。屈折率の変化に応じて、検出される光の強度が変化することが確認できる（図１２）。
２．抗原抗体を用いた評価
図１０のキットを用い、抗アルブミン抗体を固定化させた標的物質検出素子６０５を検出装置にセットし以下のプロトコールをおこなう。
（１）ｐＨを７．４に調整したバッファー溶液で、標的物質検出素子が設置された反応ウェル中に溶液を導入する。数分後、反応前のスペクトルを測定する。
（２）反応ウェルに、アルブミン抗原が入った検体を導入し、抗原抗体反応を生じさせる。
（３）アルブミン抗原が抗体と反応する様子を、スペクトル強度の変化を測定することにより検出し、結合量が時間変化する様子を評価する。
【００８１】
以上のプロトコールを、実施することで、図１１のようなｋｉｎｅｔｉｃｓに関する情報が得られる。未知のサンプルを測定する際には、これら得られているデータベースを元にして、タンパク間の相互作用に関する情報を判定することが可能となり、医療診断や環境測定など幅広い分野で応用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明に関わる第1の概要を説明するための図である。
【図２】本発明に関わる第2の概要を説明するための図である。
【図３】本発明に関わる実施例を説明するための図である。
【図４】本発明に関わる比較例を説明するための図である。
【図５】本発明に関わる実施例、比較例を説明する測定結果に関する図である。
【図６】本発明に関わる実施形態を説明するための図である。
【図７】本発明に関わる実施形態を説明するための図である。
【図８】本発明に関わる実施形態を説明するための図である。
【図９】本発明に関わる実施形態を説明するための図である。
【図１０】本発明に関わる実施例を説明するための図である。
【図１１】本発明に関わる実施例を説明するための図である。
【図１２】本発明に関わる実施例を説明するための図である。
【図１３】本発明に関わる実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８３】
１  支持体
２  金属構造体
３  センシング・ユニット
４  入射光
５  出射光
６  伝送路
７  光源
８  光度計
９  半導体レーザー光源
１０  光検出器
１１  集光部材
１２  コア層
１３  クラッド層
１４  遮光用アパーチャー
６０１反応ウェル
６０２光源
６０２対物レンズ
６０４受光手段
６０５標的物質検出素子
【図１】
2007286045.tif 000003
【図２】
2007286045.tif 000004
【図３】
2007286045.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007286045.tif 000009
【図８】
2007286045.tif 000010
【図９】
2007286045.tif 000011
【図１０】
2007286045.tif 000012
【図１１】
2007286045.tif 000013
【図１２】
2007286045.tif 000014
【図１３】
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