(57)【要約】  【課題】従来技術に比して、蛍光色素又は量子ドットによる吸収又は放射の効率を改善すること。  【解決手段】誘電体ナノ微粒子（１５０；５５０）を用いて放射放出を増加させる方法であって、第1の部分と第２の部分を有する表面を備える誘電体ナノ微粒子（１５０；５５０）を提供すること、誘電体ナノ微粒子の表面の第1の部分を金属層（１４５；５４５）で被覆すること、及び表面の第1の部分及び第２の部分上で選択的な化学反応を実行することであって、それによって、誘電体ナノ微粒子（１５０；５５０）を所定の向きに向ける、化学反応を実行することを含む、誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法を提供する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法であって、
第1の部分と第２の部分を有する表面を備える前記誘電体ナノ微粒子を提供すること、
該誘電体ナノ微粒子の前記表面の前記第1の部分を金属層で被覆すること、及び
前記表面の前記第1の部分及び前記第２の部分上で選択的な化学反応を実行することであって、それによって、前記誘電体ナノ微粒子を所定の向きに向ける化学反応を実行すること
を含むことを特徴とする誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項２】
前記誘電体ナノ微粒子に、量子ドットが添加されることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項３】
前記誘電体ナノ微粒子に、蛍光色素が添加されることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項４】
前記金属層は、金から成ることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項５】
前記誘電体ナノ微粒子は、ラテックスから成ることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項６】
前記誘電体ナノ微粒子は、ＳｉＯ２から成ることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項７】
前記誘電体ナノ微粒子は、約４０ｎｍ未満の直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項８】
前記金属層は、約２０ｎｍ未満の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項９】
前記第１の部分は、前記表面の約半分であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項１０】
前記誘電体ナノ微粒子は、球形であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項１１】
前記誘電体ナノ微粒子は、楕球形であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項１２】
前記楕球形は、短軸に対する長軸の比が約１．５であることを特徴とする、請求項１１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項１３】
前記表面の前記第２の部分に、蛍光体が付着されることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項１４】
前記表面の前記第２の部分に、量子ドットが付着されることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【請求項１５】
前記蛍光体は、前記表面の前記第２の部分から約０．２〜約２ｎｍだけ分離されることを特徴とする、請求項１３に記載の誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的分析手法を伴うバイオイメージング又はバイオセンシングのためのタギングの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオイメージング及びバイオセンサの応用形態における蛍光タギングのために蛍光色素が用いられる。色素の光子吸収によって蛍光バンドが生成され、それは通常、入射光子周波数から赤方偏移される。吸収された光子と放出される光子との間のエネルギー差は、放出以外の過程によるエネルギー損に対応する。非特許文献１において、C. Oubre及びP. Nordlanderは、ラマン分光法における電界増加を生ぜしめるために、色素を含む金属被覆された球体を提案している。
【非特許文献１】C. Oubre及びP. Nordlander，Journal of Physical Chemistry B, 108, 17740 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術に比して、蛍光色素又は量子ドットによる吸収又は放射の効率を改善することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、金属被覆された誘電体球体又は金属被覆された他の誘電体形状物を用いた蛍光色素又は量子ドットの効率を改善することができる。蛍光色素又は量子ドットを適当な寸法の誘電体構造物内に埋め込むことができ、通常、誘電体構造物の表面の半分が金属被覆によって覆われ、吸収効率及び放射効率を高めることができる。別法では、蛍光色素又は量子ドットを、適当な化学反応を用いて、金属被覆された誘電体形状物に付着させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下に添付図面を参照して本発明の最良となる実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明による一実施形態を示す。誘電体ナノ球体１５０は通常蛍光色素又は量子ドットを添加され、ナノ球体１５０の約半分の面積が金属被覆１４５、通常は金又は銀によって覆われた状態で示される。本発明によるナノ球体１５０のための典型的な直径は、通常約０．０１μｍ（ミクロン）〜約５．０μｍの範囲にある。誘電体ナノ球体１５０として、楕球形（或いは卵形）、又は他の適当な形状などの球以外の形状を有するナノ微粒子を用いることもできる。
【０００６】
図２は、ＴＨｚ（テラヘルツ）単位の周波数に対する、金属被覆された誘電体ナノ球体内部の単一双極子の全放出電力（ＴＲＰ）の計算比のグラフを示す。ＴＲＰ比は、空気中の単一双極子のＴＲＰに対する、金属被覆された誘電体ナノ球体のためのＴＲＰの比を示す。１．５の屈折率を有する誘電体ナノ球体１５０を完全に、又は半分だけ金属被覆して、空気中に置くことができる。蛍光色素又は量子ドットを添加することは、誘電体球体１５０の中央にある単一双極子１３５によって近似される。図２及び図３の曲線によって表される計算のために時間領域有限差分法（ＦＤＴＤ）が用いられる。
【０００７】
図２では、曲線２１０及び２１５はそれぞれ、１０ｎｍ（ナノメートル）及び５．５ｎｍの厚みの金属被覆１４５で表面全体が覆われる、直径が約２５ｎｍの誘電体ナノ球体１５０に対応する。曲線２１０及び２１５の場合、ＴＲＰ比最大値は、それぞれ約７４９ＴＨｚ及び約６５０ＴＨｚにおいて、約４３３及び約２２２である。図２では、曲線２２０及び２２５は、それぞれ２０ｎｍ及び１１ｎｍの厚みの金属被覆１４５で表面の約半分が覆われる誘電体ナノ球体１５０に対応する。曲線２２０及び２２５の場合、ＴＲＰ比最大値は、それぞれ約６３４ＴＨｚ及び約５４５ＴＨｚにおいて、約１９７及び約１５６である。
【０００８】
曲線２１０、２１５、２２０及び２２５の場合、金属被覆１４５は銀被覆である。金属被覆１４５は反射板として機能し、共振空胴を形成して、共振時にＴＲＰ比が最大値になるようにする。金属被覆の厚みを増すことにより、反射特性が改善され、曲線２１０及び２２０によって示されるように、共振周波数が高くなると同時に、ＴＲＰ比が増加する。しかしながら、完全に金属被覆された誘電体ナノ球体１５０において金属被覆１４５が約２０ｎｍよりも厚い場合、通常、金属被覆１４５内の損失が支配的になり、ＴＲＰ比が減少する。上記の曲線２１０、２１５、２２０及び２２５は球体の場合に計算されたが、たとえば、部分的に、又は完全に金属被覆された立方体又は円柱体などの他の幾何学的形状の場合にも、類似のＴＲＰ比の増加が生じる。
【０００９】
図３は、ＴＨｚ単位の周波数に対する、金属被覆された誘電体ナノ球体内部の単一双極子の全放出電力（ＴＲＰ）の比のグラフを示す。１．５の屈折率を有する誘電体ナノ球体１５０が半分だけ金属被覆され、空気中に置かれる。色素又は量子ドットを添加することは、誘電体球体１５０の中央にある単一双極子１３５によって近似される。
【００１０】
図３では、曲線３１０、３１５及び３２０は、金属被覆１４５が銀であり、その厚みが約１０ｎｍである場合の、それぞれ約１９ｎｍ、２５ｎｍ及び３８ｎｍの直径を有する誘電体ナノ球体１５０に対応する。曲線３１０、３１５及び３２０の場合、ＴＲＰ比最大値はそれぞれ、約６５０ＴＨｚ、約６２５ＴＨｚ及び約６００ＴＨｚにおいて、約２５０、約２００及び約９０である。共振周波数及びＴＲＰ比はいずれも、金属被覆１４５の厚みを一定に維持したまま誘電体ナノ流体１５０の直径が大きくなるのに応じて、減少する。共振周波数は、ナノ球体１５０の直径が大きくなるのに応じて減少するものと予想される。平坦な金属平面の上にある双極子の場合、ＴＲＰ比は、金属平面と双極子との分離距離に依存する所与の周波数の場合に、概ね２倍しか増加しない。それゆえ、直径の増加は金属被覆１４５の平坦度を実効的に高めるので、ナノ流体１５０の直径が大きくなると、ＴＲＰ比の増加が減少する。図２及び図３から、金属被覆１４５の厚みを変更することによって、共振周波数を変更できるものと結論を下すことができる。
【００１１】
したがって、ナノ球体１５０の直径及び金属被覆１４５の厚みの両方を増減する計算は、共振周波数が概ね同じ周波数のままであることを示す。ナノ球体１５０の直径だけが増加するとき、及び金属被覆１４５の厚みだけが増加するとき、共振周波数が逆の方向に動くことを示す図２及び図３に示される挙動に鑑みて、この結果が予想される。
【００１２】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、光化学分析シーケンスにおいて、半分だけ金属被覆された誘電体ナノ球体１５０を用いる際の一連のステップを示す。誘電体ナノ球体１５０は金属被覆１４５で半分だけ覆われるので、金属被覆１４５を所定の向きに向けて、到来するポンプ光のための受容カップ（receiving cup）としての役割を果たすようにするために、誘電体ナノ球体１５０の表面及び金属被覆１４５の表面上で、選択的な化学反応を実行することができる。関連する文献が、生体分子を、Ａｕ、Ａｇ、ＳｉＯ２、ポリスチレン又はラテックスのような特定の表面に付着させるために開発されている特定の化学反応を提供する。誘電体ナノ球体１５０の特定の放射波長に敏感に反応する分子物質（molecular entity）が誘電体ナノ球体１５０に付着する場合には、他の機能を果たすこともできる。本発明に従ってＴＲＰ比を高めることによって、たとえば、バイオセンシングに適用される極めて低い濃度の分子物質を効率的に光励起できるようになる。
【００１３】
最初に、機能化された表面４１０が、半分だけ金属被覆された誘電体ナノ球体１５０を含む溶液に入れられる。半分だけ金属被覆された誘電体ナノ球体１５０は、金属被覆１４５に付着する適当な抗体４１５で調製される。金属被覆１４５が金である場合には、通常、機能化された表面４１０に対して相補的なチオール系化学物質が用いられる。通常、第２の組の抗体４３５を、半分だけ金属被覆された誘電体ナノ球体１５０の露出した誘電体部分に付着させることができ、その第２の組の抗体４３５は、実行されることになる後続の化学反応に関連する。
【００１４】
その後、半分だけ金属被覆された誘電体ナノ流体１５０は、機能化された表面４１０に金属被覆１４５が隣接するように配置することができ、それにより、半分だけ金属被覆された誘電体ナノ流体１５０の露出した誘電体部分がポンプ光４５０に向けられるようになり、付着した抗体４３５は径方向に浮遊する。その手順は、種々の適当に機能化された、半分だけ金属被覆された誘電体ナノ球体１５０で実行され、それらのナノ球体１５０は、それぞれが対象となる特定の分子物質４７０を結合することになる適当な色素でタギングされる。
【００１５】
種々のタギングされた分子物質４７０上でアッセイを作用させるために、色素又は量子ドットを添加された、半分だけ金属被覆された誘電体ナノ球体１５０は、適当な波長において光学的にポンピングされ、適当な色素又は量子ドットを添加された、半分だけ金属被覆された１つ又は複数の誘電体ナノ球体１５０が光学的に励起される。その波長は、方向性が高められたため、下方にシフトし、効率的に再放射する。光の方向性が高められること、及び効率的に再放射されることとともに、ポンプ光４５０を効率的に吸収することによって、極めて低い濃度の分子物質を検出できるようになる。半分だけ金属被覆された誘電体ナノ球体１５０が機能化された表面に結合した後に、半分だけ金属被覆された誘電体ナノ球体１５０は通常、光化学分析のために露光される。
【００１６】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示される幾何学的配置に加えて、本発明による別の幾何学的配置及び化学反応は、図５に示されるように、半分だけ金属被覆された誘電体ナノ楕円体５５０を、金属被覆５４５がポンプ光５６０に向けられるように基板５５５に対して配置することを含む。半分だけ金属被覆された誘電体ナノ微粒子５５０の露出した誘電体部分は、機能化された表面５５５に付着する。本明細書に参照して援用されるJournal of Chemical Physics, 87(2), 53234(1987)におけるChewによる研究は、対称軸に沿って、且つ半分だけ金属被覆されたナノ楕円体５５０から距離ｄ、通常は約０．２〜約２ナノメートル（約２〜約２０オングストローム）の距離に配置される蛍光体又は量子ドット５７０の放射減衰速度（radiative decay rate）が、短軸ｂに対する長軸ａの比が約１．５の比を有するナノ楕円体５５０の場合に、約１０００倍に高められることを示す。これは、半分だけ金属被覆されるナノ球体１５０の場合の約１０倍優れている。
【００１７】
誘電体ナノ楕円体５５０の約半分だけが金属被覆されるという特性を用いることによって、その表面の向きが合わせられ、蛍光体又は量子ドット５７０が図５に示されるように付着する。小さな誘電体ナノ球体１５０又はナノ楕円体５５０の場合、付着することができる蛍光体又は量子ドット５７０の数は制限されるが、放射速度が高められるため、蛍光効率が高められる。放射効率の増加は、ａ／ｂが約１．５に等しいナノ楕円体５５０の場合に約１０００倍であり、一方、類似の構成のナノ球体１５０の場合の改善は約１０倍である。
【００１８】
通常は種々のサイズのラテックス又はポリスチレンから成る、色素を添加された誘電体ナノ球体１５０は、たとえばMOLECULAR PROBES CORPORATIONから市販される。マイクロエマルジョン法を用いて、シリカから、色素を添加された誘電体ナノ微粒子を合成することが、参照によって本明細書に援用されるJournal of Biomedical Optics 6, 160-166 (2001)においてS. Santra他によって記述される。そのシリカナノ微粒子は、数ナノメートルから数マイクロメートルの典型的な直径を有し、サイズ分布が約２パーセント以内に制御される、均一なサイズにおいて形成することができる。
【００１９】
本発明によれば、色素を添加された誘電体ナノ球体１５０の代わりに、量子ドットを添加された誘電体ナノ球体１５０を用いることができる。色素分子とは異なり、量子ドットは短い波長の光を吸収し、その放射波長は主に量子ドットのサイズによって決定される。これにより、吸収及び放射波長は、色素を添加された誘電体ナノ球体１５０の場合よりもさらに離れることができるようになる。これは、金属被覆された誘電体ナノ球体１５０を設計する際に、金属被覆１４５の厚みの他に、大きな自由度を与える。放射過程と吸収過程は密接に関連するので、入射ポンプ放射の吸収効率が高められる結果として、放射効率を改善することができる。
【００２０】
量子ドット、たとえばＺｎＳキャップＣｄＳｅナノ結晶を添加された誘電体ナノ球体が、参照によって本明細書に援用されるNature Biotechnology, vol. 19, 631-635(2001)においてM. Han他によって記述されている。詳細には、その誘電体材料として、ポリスチレン又はポリマーを用いることができる。量子ドットによる添加は、５パーセントのクロロフォルム及び９５パーセントのプロパノール又はブタノールを含む溶媒混合物内でポリスチレンナノ球体１５０を膨潤させ、その後、制御された量のＺｎＳキャップＣｄＳｅ量子ドットを加えることによって果たすことができる。その添加過程は通常、室温において約３０分間で完了する。
【００２１】
半分だけ金属被覆された添加済みの誘電体ナノ球体１５０を形成するための金属被覆工程の第１のステップは、たとえばスライドガラスのような平坦な表面上に、添加済みの誘電体ナノ球体１５０を分散させることである。MOLECULAR PROBES CORPORATIONから市販されるポリスチレン及びラテックスナノ球体は界面活性剤を含有せず、凝集することがなく、緩衝流体内に分散する。ビオチン、アビジン及びストレプトアビジンに結合される種々のサイズのナノ球体をMOLECULAR PROBES CORPORATIONから入手することができる。緩衝流体をスピンコーティングし、蒸発させた後に、スライドガラスが誘電体ナノ球体１５０の単分子膜で被覆される。その後、スライドガラスはスパッタリングシステムに導入される。金被覆を用いるときに特に重要である金属接着を改善するために、Ｔｉ又はＣｒの層が、約２ｎｍ〜約３ｎｍの範囲の厚みまでスパッタ堆積される。
【００２２】
その後、金属被覆１４５が所望の厚みまでスパッタ堆積される。誘電体ナノ球体１５０の上半分が、誘電体ナノ球体１５０の下半分への金属のスパッタ堆積を阻止するので、誘電体ナノ球体１５０は通常、半分だけ金属被覆される。スパッタリングは、金属被覆１４５に、高度な金属均一性を与える。周辺部において金属被覆１４５の十分な厚みを達成するために、上側の金属の厚みを増すことが必要な場合もある。金属被覆ステップ後に、スライドガラスが適当な有機溶媒、たとえばプロパノール内に浸漬され、半分だけ被覆された添加済みの誘電体ナノ球体１５０が、後に使用するための溶液に入れられる。必要に応じて、超音波を用いて、スライドガラスから、半分だけ被覆された添加済みの誘電体ナノ球体１５０を除去するのを助けることができる。
【００２３】
金属親和分子（metal specific molecules）の付着は、金属被覆１４５、５４５への強い親和力を有し、機能化された表面４１０又は５５５上で垂直方向上側に配列される長いアルキル直鎖を有する、末端付着基のある分子、たとえば金の場合にはチオールを用いて実行することができる。固体表面への親和力は、全て参照によって本明細書に援用される、Journal of the American Chemical Society, 109, 3559, (1987)におけるPorter他、Angewandte Chemie, International Edition, 28, 506, (1989)におけるBain他及びJournal of the American Chemical Society, 112, 558, (1990)におけるNuzzoによって記述されるように、貴金属上のアルキルチオールの場合のような電荷移動錯体によって与えられる。
【００２４】
ＳｉＯ２の場合、半分だけ金属被覆された誘電体ナノ球体１５０、及びナノ楕円体５５０のようなナノ微粒子の誘電体部分への親和力は、全て参照によって本明細書に援用される、Journal of the American Chemical Society, 102, 92, 1980におけるSagiv、Langmuir, 5, 1074, (1989)におけるWasserman他及びAngewandte Chemie Advanced Materials, 2, 573, (1990)におけるUlmanによって記述されるように、共有結合反応、たとえばシランによって与えられる。
【００２５】
上述の実施形態に即して本発明を説明すると、本発明は、誘電体ナノ微粒子（１５０；５５０）を用いて放射放出（radiative emission）を増加させる方法であって、第1の部分と第２の部分を有する表面を備える誘電体ナノ微粒子（１５０；５５０）を提供すること、誘電体ナノ微粒子の表面の第1の部分を金属層（１４５；５４５）で被覆すること、及び表面の第1の部分及び第２の部分上で選択的な化学反応を実行することであって、それによって、誘電体ナノ微粒子（１５０；５５０）を所定の向きに向ける、化学反応を実行することを含む、誘電体ナノ微粒子を用いて放射放出を増加させる方法を提供する。
【００２６】
好ましくは、誘電体ナノ微粒子（１５０；５５０）には、量子ドットが添加されるか、又は、蛍光色素が添加される。
【００２７】
好ましくは、金属層（１４５；５４５）は、金から成る。また、誘電体ナノ微粒子（１５０；５５０）は、ラテックス、又はＳｉＯ２から構成され得る。
【００２８】
好ましくは、誘電体ナノ微粒子（１５０；５５０）は、約４０ｎｍ未満の直径を有し、金属層（１４５；５４５）は、約２０ｎｍ未満の厚さを有する。第１の部分は、表面の約半分とされ得る。
【００２９】
好ましくは、誘電体ナノ微粒子（１５０）は球形、又は楕球形である。後者の場合、長軸方向に沿う断面の楕円形の短軸に対する長軸の比は、約１．５である。
【００３０】
好ましくは、表面の第２の部分に蛍光体、又は量子ドットが付着され得る。前者の場合、蛍光体は表面の第２の部分から約０．２〜約２ナノメートル（約２〜約２０オングストローム）だけ分離される。
【００３１】
上述のように、本発明は特定の実施形態に関連して説明されてきたが、これまでの説明に鑑みて、種々の代替形態、変更形態及び変形形態が明らかであることは当業者には自明であろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に入る全ての他のそのような代替形態、変更形態及び変形形態を包含することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による一実施形態を示す図である。
【図２】本発明による、全放射電力比対周波数を示すグラフであり、球表面の全体が覆われた場合と、半分が覆われた状態との比較を示すグラフである。
【図３】本発明による、全放射電力比対周波数を示すグラフであり、直径を異にするナノ球体を対比する実験例を示すグラフである。
【図４】本発明による、光化学分析シーケンスのためのステップを示す図であり、（ａ）は、分子物質を伴う抗体が表面に置かれていない状態を示し、（ｂ）は、それが表面上に置かれた状態を示す。
【図５】本発明による一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１４５、５４５  金属被膜
１５０、５５０  誘電体ナノ球体
４１０  機能化された表面
４１５  抗体
４３５  抗体
４７０  分子物質
５５５  基板
５７０  蛍光体又は量子ドット
【図１】
2007127627.tif 000003
【図２】
2007127627.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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