(57)【要約】【課題】金属薄膜パターンを用いた局在プラズモン検出システムにおいて、集束、拡散光を用いた場合、局在プラズモンによる吸光スペクトルあるいは透過スペクトルのピーク幅が広がる問題点がある。【解決手段】軸外にピークを有する有効光源を用いて検出用の光を検出素子に照射することで、スペクトルのピーク幅を狭めることと高効率な照明を両立させる。【選択図】図１
2007255994.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標的物質検出システムにおいて、
（１）光学的に透明な基板と、前記基板上に形成した金属薄膜パターンと、前記金属薄膜パターン上に固定した標的物質捕捉体と、を有する標的物質を検出するための検出素子と、
（２）前記検出素子に広帯域の検出光を照射するための、軸外に強度ピークの中心を持つ有効光源を有する照明光学系と、前記検出光の前記検出素子への照射時に前記検出素子を透過した光を集光する受光光学系と、前記受光光学系により集光された光を分光計測する手段と、前記検出素子に検体を接触させる手段と、前記検体の前記検出素子への接触前後での分光光学特性の変化より、前記検出素子上に捕捉された標的物質量を算出する手段と、を有する標的物質検出装置と、
を有することを特徴とする標的物質検出システム。
【請求項２】
前記有効光源の形状が、前記検出素子の金属パターンの異方性と同様の異方性を持つ請求項１記載の標的物質検出システム。
【請求項３】
前記有効光源の形状を、前記検出素子の金属パターンの異方性にあわせて随時変更可能とした請求項２記載の標的物質検出システム。
【請求項４】
前記有効光源の分布内で、最も光軸中心より離れた位置から前記検出素子に入射する光の入射角が前記基板面での全反射角である請求項１乃至３のいずれかに記載の標的物質検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズモン共鳴を利用して検体中の微量の標的物質を検出するために基板上に金属パターンを配置した検出素子と、検出素子への標的物質の捕捉量を測定するための標的物質検出装置と、を有する標的物質検出システムに関する。より詳しくは、標的物質を特異的に認識する捕捉体を利用して標的物質を捕捉する検出素子と、検出素子に捕捉された標的物質の量を広帯域の光照射を用いて光学的に測定する標的物質検出装置と、有する標的物質検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属微粒子を基板表面に固定化し、そこに誘起される局在プラズモン共鳴を利用して金属微粒子近傍の物質を検出する測定法が知られている。金や銀などの金属微粒子に光を入射すると、局在プラズモン共鳴により特徴的な共鳴スペクトルが現れ、その共鳴波長は金属微粒子近傍の媒質の誘電率に依存する。その誘電率が大きくなるに従い、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。
【０００３】
非特許文献１では、素子に用いる銀微粒子の形状そのものに三角形状のディスク構造という特徴を持たせ、検出能力の向上を図っている素子構成例としている。
【０００４】
また、本発明が応用可能であるバイオセンサは、生体や生体分子の持つ優れた生体分子認識能を利用した計測デバイスであり、近年、医療分野のみならず、環境や食料品等における各種分析への幅広い応用が期待されている。
【０００５】
ただし、局在プラズモン共鳴を用いた、センサ素子の性能を引き出すためには、センサ素子の光学的な変化、すなわち吸光度ピークの変化を鋭敏に捕らえる必要がある。そのための光学系の提案は未だ知られていない。
【非特許文献１】Nano Lett., Vol. 4, No. 6, 2004  1029-1034
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の解決する課題は、金属薄膜パターンを用いた局在プラズモン共鳴センサにおいて、センサ素子に入射する光が幅広い角度を持つことによって生じる透過あるいは吸収ピークの鈍化を防ぐことと光利用効率を両立させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した課題を解決し得る本発明にかかる標的物質検出システムは、検体中の標的物質を検出するための標的物質検出システムにおいて、
（１）光学的に透明な基板と、前記基板上に形成した金属薄膜パターンと、前記金属薄膜パターン上に固定した標的物質捕捉体と、を有する標的物質を検出するための検出素子と、
（２）前記検出素子に広帯域の検出光を照射するための、軸外に強度ピークの中心を持つ有効光源を有する照明光学系と、前記検出光の前記検出素子への照射時に前記検出素子を透過した光を集光する受光光学系と、前記受光光学系により集光された光を分光計測する手段と、前記検出素子に検体を接触させる手段と、前記検体の前記検出素子への接触前後での分光光学特性の変化より、前記検出素子上に捕捉された標的物質量を算出する手段と、を有する標的物質検出装置と、
を有することを特徴とする標的物質検出システムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の標的物質検出システムによれば、軸中心以外にピークを有する有効光源からの広帯域の光を検出用として用いたことで、プラズモン共鳴を利用した標的物質の検出精度の更なる向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の標的物質検出システムは検出素子とプラズモン共鳴法により標的物質の検出を行う装置とを少なくとも有して構成される。
【００１０】
検出素子は、光学的に透明な基板と、前記基板上に形成した金属薄膜パターンと、前記金属薄膜パターン上に固定した標的物質捕捉体と、を有して構成される。また、標的物質検出装置は、以下の各構成要素を少なくとも有する。
ｉ）検出素子に広帯域の検出光を照射するための、軸外に強度ピークの中心を持つ有効光源を有する照明光学系。
ii）検出光の検出素子への照射時に検出素子を透過した光を集光する受光光学系。
iii）受光光学系により集光された光を分光計測する手段。
iv）検出素子に検体を接触させる。
v）分光手段により、検体の検出素子への接触前後での分光光学特性を各々取得する手段。
vi）検体の検出素子への接触前後での分光光学特性の変化より、検出素子上に捕捉された標的物質量を算出する手段。
【００１１】
本発明にかかるシステムによれは、金属薄膜パターンを用いた局在プラズモンセンサに入射する検出光の光源を、光軸中心から離れた位置に強度中心を持つような有効光源とすることにより、測定精度の更なる向上を得るという効果を得ることができる。その結果、先に挙げた課題が解決される。
【００１２】
本発明のシステムにおける照明光学系は、検出素子への入射角度範囲を狭めかつ、軸外に強度中心を持つことより有効光源の面積を広くとることができる構造を有する。そのため、軸上に強度中心を持つケースと比較し、光利用効率が高くなる。このことにより本発明の上記の効果を得ることが可能となる。
【００１３】
この本発明の効果について具体的に図２及び図３を用いて説明する。これらの図において、２０１は基板を示しており、２０２は基板上の金属パターン状素子の１点を示している。ここでは、原理を説明するために素子上の１点に着目し説明する。２０２の金属パターンに対して入射する光の角度が変化した場合に入射光の波長が変化したかのような特性変化が生じる。すなわち、入射光角度が幅広くなった場合には、金属パターンに生じるプラズモン共鳴による吸収ピーク、透過ピークの波長幅が広がることとなる。
【００１４】
これを防ぐためには、入射光角度を制限することが必要となる。入射角度を制限して照射する場合の一例を図２に示す。図２は、軸上に強度中心を持つ有効光源により、狭角で検出光が金属パターン状粒子に照射されている状態を示している。一方、図３は、本発明にかかる軸外に強度中心を持った有効光源（ここでは輪帯照明）による検出光の照射状態を示している。図３の例では、外周部の半頂角が45degの円錐状に狭角な入射光分布で照射している。それぞれの光の利用効率を立体角で比較すると光入射範囲が図のように10degの場合で、図２の照射では約0.09546であり、図３の照射では約0.6030となり、図３の照射の方が、光利用効率が高いことがわかる。
【００１５】
以下、本発明のシステムの好ましい形態について説明する。
【００１６】
[検知素子構成]
本発明で用いる標的物質検出用素子について、図４を用いて説明する。この検出素子は、光透過性を有する基板と、基板の表面に設けられた金属薄膜パターンと、金属薄膜パターン上に配置された標的物質捕捉体と、を有する。
【００１７】
基板は、光透過性があり、測定に用いるための物性や特性を持っているものであれば特に制約はない。この光透過性の基板では、基板上に設けた金属薄膜パターンでの光の吸収及び透過のいずれかのピーク波長近傍での光透過性を少なくとも有するものであればかまわない。
【００１８】
金属薄膜パターンとしては、図４の（ａ）〜（ｄ）に示されるようなドット形状（301が光透過性基板、302が金属薄膜）の配列からなるものを挙げることができる。この金属薄膜パターンとしては、図４の(e)〜(h)のような金属薄膜にパターン孔（302が金属薄膜、303が薄膜内の孔）の配列を有したものを挙げることができる。なお、金属薄膜ドットおよびパターン孔の形状としては、図４に示すように、丸、正方形、三角、長方形等とすることができるが、これらに限定されるものではない。金属薄膜ドットまたは孔のサイズは、所望とする検出操作が行えるサイズとすればよく、例えば金属薄膜ドットおよび孔の平面形状の外縁間の最長距離（例えば円の場合の直径）は20nm〜500nm程度が望ましい。
【００１９】
金属薄膜の形成材料としては、プラズモン共鳴が観察できる金属であればよいが、金、銀あるいは、金銀のいずれかを含む合金であることが望ましい。また、金属薄膜は、直接光透過性基板上に形成されていてもよいが、Ti、Cr、ITO等の下地層を介して形成されていても良い。金属薄膜の膜厚も所望とする検出操作が行える程度とすればよく、例えば、10nm〜150nmとすることが好ましい。
【００２０】
さらには、前記薄膜ドットあるいは孔の平面形状の最長距離と、金属薄膜の膜厚の比が、1:1以下（アスペクト比が小さい方向）となるように選択することが好ましい。
【００２１】
金属薄膜パターン上に固定されて標的物質捕捉体は、標的物質と特異的な結合対を形成する物質であればよい。好適な特異的な結合対の組み合わせとしては、抗原／抗体、相補的ＤＮＡ、リセプター／リガンド、酵素／基質があげられ、各結合対の一方が標的物質でれば、他方もしくはその類似物が捕捉体となり得る。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、ウイルス等が好適である。
【００２２】
[検出装置部]
本発明の標的物質検出用装置について、図１および図５を用いて説明する。図１の１０１は、ムラのない照明のためのフライアイレンズである。１０２が有効光源形状を決定するためのアパーチャーである。このアパーチャーの形状については後述する。１０３は検出素子を照明するためのコンデンサレンズである。１０４は、検出素子の基板であり、１０５は検出素子の金属薄膜パターン部である。１０６は、受光側の集光レンズである。１０７は、受光光学系を構成している分光器受光部である。この分光器受光部は、光ファイバを用いて形成されていることが多い。
【００２３】
ここで、１０２の有効光源形状を得るためアパーチャーの形状としては、図５の(a)〜(g)に示す形状が好適である。図５においては、黒く塗りつぶされている401が遮光部であり、402の白抜き部が透光部である。
【００２４】
ここで、検出素子の金属薄膜パターンとの関係について説明する。金属薄膜ドット及び孔が、それぞれ図４(a)及び(e)のような基板平面方向に異方性のない形状の場合は、図５（a）のような異方性のないアパーチャー形状を用いることが好ましい。異方性を持つ図４(b)及び(f)のような正方形の場合には、図５(b)及び(e)のように類似の異方性を持つものを選択することがより望ましい。同様に図４(c)及び(g)に示した形状に対して、図５(c)または(f)を、図４（d）及び(h)に対して、図５(d)または(g)を選択することが好ましい。上述したアパーチャーと金属薄膜ドット及び孔の組み合わせによれば、検出素子の異方性によるプラズモン共鳴方向と入射光角度分布がより最適化される。よって、吸光あるいは透過ピークの波長幅をより狭めることが可能となる。
ここでのアパーチャーと金属薄膜ドットおよび孔の向きの位置合わせとしては、金属薄膜パターンの形状が多角形の場合、多角形の辺あるいは頂点の位置とアパーチャーの強度中心あるいは、光学像高が特異的に高いあるいは低い点の位置を合わせることにより行う。
【００２５】
本発明でおいて用いられる標的物質検出装置は、照明光学系として上述の軸外に強度ピークの中心を持つ有効光源を有する照明光学系と、この照明光学系に対応した受光光学を有し、それ以外の部分は公知の装置を利用して構成することができる。
【００２６】
本発明の標的物質検出システムは、医療用、産業用、家庭用を問わず、各種の物質のセンサとして好適に応用できる。
【実施例】
【００２７】
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なんら限定するものではない。
【００２８】
[素子作製方法]
検出素子は、膜厚20ｎｍの金薄膜を0.725mm厚の石英基板上にスパッタリングにて形成し、これを所定のパターン図４(a)〜(h)いずれかに電子線描画装置を用いてパターニングすることで製作する。ここでは、図４(a)のパターンを選択する。パターニングは、レジストパターンを金薄膜上に設けた状態でのエッチングにより行った。すなわち、まず、レジストで金薄膜を被覆し、図４(a)の金パターンの形状に対応する位置にレジストが残る形状に電子線描画装置を用いてパターニングする。ここでは電子線描画装置をもちいたが、Ｘ線リソグラフィー、エキシマ露光装置を用いてレジストパターンを形成してもかまわない。レジスト形成後、ＩＣＰエッチャにて、レジスト除去部の金をエッチングする。エッチング後、残っているレジストをアッシング装置にて除去して、図４(a)の金薄膜ドットの基板上での配置を得る。
【００２９】
ここでは、エッチングによる方法を記載したが、リフトオフ法で金薄膜ドットを作製してもかまわない。
【００３０】
ここまでで金薄膜のパターンを形成できているため、この上に標的物質捕捉体を固定する。これを、図６を用いて説明する。図６は検出時の反応が完了した場合の検出領域を示している。検出領域に、５０３の固相抗体を固定する必要がある。金薄膜パターンに金と親和性の高いチオール基を持つ、１１−Ｍｅｒｃａｐｔｏｕｎｄｅｃａｎｏｉｃ  ａｃｉｄのエタノール溶液を滴下し、金薄膜ドットを表面修飾する。その状態で、Ｎ−Ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ（同仁化学研究所社製）水溶液と１−Ｅｔｈｙｌ−３−［３−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ］ｐｒｏｐｙｌ］ｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ  ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ（同仁化学研究所社製）水溶液を加え、室温で１５分間インキュベートする。これにより、金薄膜ドット表面にスクシンイミド基が露出される。この状態で、ヒトＣ反応性蛋白と結合する抗ヒトＣＲＰ−マウスモノクローナル抗体（Ｂｉｏｇｅｎｅｓｉｓ社製）溶液を金薄膜パターン領域にスポッタを用いて滴下し、インキュベーションすると金薄膜ドット上に抗ヒトＣＲＰ−マウスモノクローナル抗体が固定される。固定後必要に応じて、牛血清アルブミンなどの非特異的吸着の抑制作用を持った試薬を用いて非特異的吸着反応を抑制するための処理を行ってもよい。以上の作業で検出素子を作製することができる。
【００３１】
[装置構成]
本発明の標的物質検出装置について、図を用いて説明する。図１の１０１は、ムラのない照明のためのフライアイレンズである。１０２が有効光源形状を決定するためのアパーチャーである。本アパーチャー形状は、図５の（ａ）〜（ｇ）のような形状を選択可能であるが、ここでは、図５(a)の輪帯照明を選択する。
【００３２】
１０３は検出素子を照明するためのコンデンサレンズである。１０４は、検出素子の基板であり、１０５は素子の金属薄膜パターン部である。１０６は、受光側の集光レンズである。１０７は、分光器受光部である。この分光器受光部は、ここでは光ファイバに入射させ、分光器に導入する。ここで、検出素子に入射する検出光は、極力、光軸中心から離れた位置より入射したほうが、光の利用効率が高くなる。ただし、検出素子の基板との界面での全反射角を越えないよう注意する必要がある。すなわち、最外部のアパーチャーの境界を全反射角に設定することが最適設計位置となる。
【００３３】
[測定手順]
本発明の局在プラズモン検出装置のブロック図が図７に示されている。まず、検出素子を検出装置の有する図１の構成を有する測定部３１３内の流路中の所定の位置に配置する。
【００３４】
この流路は、開放系でも、閉鎖系でもよい。閉鎖系の流路の構成を模式的断面図として図８に示す。流路１１０中の所定位置に基板１０６上に金属薄膜パターン１０５を有する検出素子が配置されている。この流路の上流端及び下流端は外部に対して開口（１０８、１０９）しており、これらの開口を利用することで、ポンプユニットを用いた流路中１１０への検体（液体）や洗浄液など各種液体の導入が可能となる。すなわち、この装置では、流路とポンプユニットとを少なくとも有することで検体と検出素子との接触手段が構成されている。
【００３５】
検出素子に検体を接触させる前の状態で、まず６０７の光源を点灯する。ここでは、広帯域に十分な光量が得られるハロゲンランプを用いている。６０８の分光測定器によって、反応前の吸光スペクトルを取得しておく。続いて対象となる検体を６０９のポンプユニットによって、規定量分注し、検知素子の配置領域（不図示）に導入する。ここでは、未知の濃度のヒトＣＲＰが含まれた検体を用いる。導入後一定時間インキュベーションすると、図６のように、５０３の固相抗体に、５０４の抗原（ここでは、ヒトＣＲＰ）が固定化された形となる。
【００３６】
続いて、再度６０８の分光測定器によって、反応後の吸光スペクトルを取得する。
【００３７】
検量線を作成できる濃度範囲において、金属薄膜ドット上に固定された抗原量はもとの検体中のヒトＣＲＰ濃度に依存する。検出対象物質としての標的物質が捕捉体に捕捉された際には、金属薄膜パターン近傍の屈折率が変化し、その変化率は金属薄膜ドット上の抗体に捕捉されたヒトＣＲＰの量に依存する。すなわち、検出光を照射した際の吸収ピーク波長は、ヒトＣＲＰの捕捉量に対応した金属薄膜パターン近傍の屈折率に応じてシフトする。よって、この吸収ピーク波長のシフト量から金属薄膜ドットに捕捉されたヒトＣＲＰの量に対応する検体中のヒトＣＲＰ量を、予め既知の濃度の標的物質（ここではヒトＣＲＰ）を用いて求めておいた検量線をもとに算出することができる。
【００３８】
図７に示す装置では、受光光学系を介して供給された透過光を分光計測手段としての分光測定器に受け、吸収ピークの測定がそこで行われる。ここで検出された吸収ピークはＣＰＵに送られ、必要に応じてメモリ中に格納される。ＣＰＵでは、予め組み込んだプログラムに従って、入力された吸収ピークと予めメモリされた検量線との対比が行われ、検体中のヒトＣＲＰの量が算出される。算出されたヒトＣＲＰ量は必要に応じてディスプレーで表示してもよい。なお、測定用のプログラムはディスクに記録しておき、ＲＡＭにロードし、検出操作を実行するようにしてもよい。
【００３９】
また、検体の検出素子への接触前後での分光光学特性を各々取得する手段をこの装置に更に設けることができる。例えば、プロセスをプログラムしておき、ポンプユニットの検体送液動作と連動させて、検体の検出素子への接触前後での分光光学特性を自動的に行わせるようにＣＰＵが指示する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の検出装置の光学系構成図である。
【図２】本発明を適用しないケースの原理説明図である。
【図３】本発明を適用したケースの原理説明図である。
【図４】本発明に使用可能な検出素子の金属薄膜パターンの一例である。
【図５】本発明に使用可能な、有効光源のためのアパーチャーの一例である。
【図６】本発明の検出素子の反応後のイメージ図である。
【図７】本発明の検出装置の装置構成の一例のブロック図である。
【図８】閉鎖系の流路の構成を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０１    フライアイレンズ
１０２    アパーチャー
１０３    コンデンサレンズ
１０４    検出素子基板
１０５    金属薄膜パターン部
１０６    受光側集光レンズ
１０７    受光部（光ファイバ）
２０１    検出素子基板
２０２    金属薄膜パターン上の1点
２０３    入射光束最外部
２０４    入射光速最外部
２０５    入射光速最内部
３０１    検出素子基板
３０２    金属薄膜パターン部
３０３    金属薄膜孔部
４０１    遮光部
４０２    光透過部
５０１    検出素子基板
５０２    金属パターン部
５０３    標的物質捕捉体
５０４    標的物質
６０１    中央演算回路
６０２    主記憶メモリ
６０３    ハードディスク
６０４    表示手段
６０５    キーボード
６０６    点灯制御回路
６０７    光源ランプ
６０８    分光測定器
６０９    ポンプユニット
６１０    検出素子保持部
【図１】
2007255994.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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