(57)【要約】      （修正有）【課題】化学的な検知器及び関連する方法を提供する。【解決手段】化学的な検知器は、基板と付着端と付着端の反対側に遊離端とを有する細長いナノ構造体１０４とを備え付着端が基板１０２に取り付けられており、遊離端が、ポテンシャルを検知するリガンド１１０が共有結合を介して付着している金属を含み、標的分子を捕捉することができる。更に励起エネルギー捕捉された標的分子に印加し、捕捉された標的物質から放出したエネルギーを検出器で測定する。【選択図】図１
2017032580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的な検知器であって、
基板と、
付着端と該付着端の反対側に遊離端とを有する細長いナノ構造体と、
を備え、
前記付着端が、前記基板に取り付けられており、前記遊離端が、ポテンシャルを検知す
るリガンドが共有結合を介して付着した金属を含む、化学的な検知器。
【請求項２】
前記ナノ構造体が、金属の被膜又は金属キャップを有する非金属の柱状体を含む、請求
項１に記載の化学的な検知器。
【請求項３】
前記ポテンシャルを検知するリガンドが、下記式Ｉのように付着官能基（Ａ）とスペー
サ基（Ｂ）とポテンシャル検知部位（ＰＳ）とを含み、
Ａ−Ｂ−ＰＳ  （Ｉ）
（ここで、式中、Ａは前記ナノ構造体に付着する有機官能基であり、Ｂは置換又は非置換
の直鎖又は分岐のアルキル又はアリールであり、ＰＳは標的分子と結合する有機官能基で
ある。）、請求項１に記載の化学的な検知器。
【請求項４】
前記金属が、金、銀、銅、アルミニウム、白金及びこれらの混合物からなる群より選択
される、請求項１に記載の化学的な検知器。
【請求項５】
前記ポテンシャルを検知するリガンドが、金属イオン、有機化合物又は水素イオンと選
択的に結合するように構成されている、請求項１に記載の化学的な検知器。
【請求項６】
前記ポテンシャルを検知するリガンドが、前記金属イオンと選択的に結合するように構
成されており、該金属イオンが、クロム、鉛、水銀、亜鉛、カルシウム、ナトリウム、水
素、カリウム、アルソニウム及びこれらの混合物からなる群より選択される、請求項５に
記載の化学的な検知器。
【請求項７】
前記金属イオン、前記有機化合物又は前記水素イオンを１ｐｐｔといった低い濃度で検
出するのに十分な感度がある、請求項５に記載の化学的な検知器。
【請求項８】
前記ナノ構造体と動作可能に接続された検出器を更に備え、
前記検出器が比色計、反射率計、分光計、分光光度計、ラマン分光計、光学顕微鏡及び
発光を測定する計器からなる群より選択される、請求項１に記載の化学的な検知器。
【請求項９】
前記基板に付着されている複数の前記細長いナノ構造体を更に備え、
前記複数の細長いナノ構造体がアレイを形成する、請求項１に記載の化学的な検知器。
【請求項１０】
前記アレイがサブアレイを含み、該サブアレイが標的分子に対する個々の選択性を有し
、該標的分子が金属イオン、有機化合物及び水素イオンの群から選択される、請求項９に
記載の化学的な検知器。
【請求項１１】
液体又は気体から前記標的分子を検出することができる、請求項９に記載の化学的な検
知器。
【請求項１２】
標的分子を検出する方法であって、
基板と付着端と該付着端の反対側に遊離端とを有する細長いナノ構造体とを備えた化学
的な検知器を標的分子に曝す工程であって、前記付着端が前記基板に取り付けられており
、前記遊離端が、共有結合を介してポテンシャルを検知するリガンドが付着している金属
を含む、工程と、
前記標的分子を前記化学的な検知器内において捕捉して、捕捉された標的分子とする工
程と、
励起エネルギーを前記捕捉された標的分子に印加する工程と、
前記捕捉された標的分子から放出されたエネルギーを測定する工程と、
を含む、方法。
【請求項１３】
前記励起エネルギー及び前記放出されたエネルギーが電磁エネルギーであり、前記標的
分子が金属イオン、有機化合物及び水素イオンからなる群より選択される、請求項１２に
記載の方法。
【請求項１４】
前記捕捉された金属の標的分子を前記化学的な検知器から洗い流す工程を更に含む、請
求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
化学的な検知器を作製する方法であって、
ナノ構造体を基板上に配置する工程であって、該ナノ構造体が、該基板に付着される付
着端と該付着端の反対側に遊離端とを有し、該付着端を該基板に取り付ける、工程と、
金属を前記遊離端上に堆積させる工程と、
ポテンシャルを検知するリガンドを前記金属に共有結合させる工程と、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
分子解析を行うシステムとしては、特に表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ）、増強蛍光
、増強発光及びプラズモン検知の使用を挙げることができる。特にＳＥＲＳに関して、ラ
マン分光法は分子系において様々な低周波モードを研究するために凝縮系理化学において
用いられている分光学的技法である。更に詳細にはラマン分光器では、特定の波長範囲の
光の略単色ビームが分子サンプルを通過し、散乱光のスペクトルが放出される。分子から
放出された波長スペクトルは「ラマンスペクトル」と呼ばれ、放出された光は「ラマン散
乱光」と呼ばれる。ラマンスペクトルから、分子の電気エネルギー準位、振動エネルギー
準位、及び回転エネルギー準位を明らかにすることができる。異なる分子は異なるラマン
スペクトルを生じ、そのラマンスペクトルを、分子を特定し、更には分子構造を決定する
フィンガープリントのようなものとして使用することができる。こうした検知技法を用い
て、このような機器の機器感度を高め、センサを単純化して、更なる柔軟性を与えること
などが望まれている。
【発明の概要】
【０００２】
本発明の更なる特徴及び利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から明らかとな
り、これらはともに本発明の開示の特徴を例示的に説明するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１】図１は、本発明の開示の一実施例による化学的な検知器の断面図である。
【図２】図２は、本発明の開示の一実施例による化学的な検知器の断面図である。
【図３】図３は、本発明の開示の一実施例による化学的な検知器の斜視図である。
【図４】図４は、本発明の開示の一実施例による方法のフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の開示の一実施例による方法のフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の開示の一実施例によるＣｒ（ＶＩ）に曝された化学的な検知器のＳＥＲＳスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
以下に、図を参照して例示的な実施形態に言及する。本願明細書における実施形態の記
載では特定の用語を使用する。しかしながら、それによって本発明の開示の範囲を限定す
る意図はないことを理解されたい。
【０００５】
ラマン分光法は、光子が分子と相互作用した結果、散乱した光子のエネルギーがシフト
する場合における分子エネルギー状態の間での遷移を研究するのに使用することができる
。分子のラマン散乱は２つのプロセスとして見ることができる。特定のエネルギー状態に
ある分子が初めに、入射光子により励起して、通常光周波数領域にある別の（仮想又は実
際のいずれかの）エネルギー状態となる。次いで励起された分子が環境の影響下において
双極子源として放射される。ここでは励起された分子は励起光子と比較してその周波数が
相対的に低いもの（すなわちストークス散乱）であり得るか、又は相対的に高いもの（す
なわちアンチストークス散乱）であり得る。異なる分子又は物体のラマンスペクトルは種
の特定に使用することができる特有のピークを有する。そのためラマン分光法は多様な化
学的又は生物学的な検知用途に有用な技法である。しかしながら、本来のラマン散乱プロ
セスは極めて不十分なものであり、ラマン散乱プロセス（すなわち上記の励起及び／又は
放射プロセス）を増強するのに、粗い金属表面、様々なタイプのナノアンテナ及び導波路
構造が使用されている。
【０００６】
数ナノメートルの構造化した金属表面上に又は金属表面内に吸着された化合物（又はイ
オン）により生じたラマン散乱光は、液相又は気相において同じ化合物により生じたラマ
ン散乱光よりも１００倍超大きいものであり得る。化合物を分析するこのプロセスは表面
増強ラマン分光法（「ＳＥＲＳ:surface-enhanced Raman spectroscopy」）と呼ばれる。
近年ではＳＥＲＳが、分子構造を調べ、界面及び薄膜系の特性を決定し、更には単一分子
の検出を可能にする、慣例の強力なツールとなっている。技術者、物理学者及び化学者は
ＳＥＲＳを行うシステム及び方法の改善を求め続けている。
【０００７】
多くのＳＥＲＳシステムは、特定のホットスポットにおいて電磁場を増強するだけであ
る。これが望ましい場合もあるが、多くの場合、分析物は単純な吸着等によりＳＥＲＳ基
板上に一様に広がる。実際は分析物のほんの一部しかホットスポットに集まらない。
【０００８】
以上のことから、新たな表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ）構造群に基づく化学的な検
知器を開発することが有益であると認識されている。特に本発明に係る機器は、金属の被
膜又は金属キャップを有する遊離端(free end)を含む、基板に取り付けられている複数の
細長いナノ構造体を含有することができる。前記ナノ構造体は屈曲し、分子を捕捉するこ
とができ、その後、ＳＥＲＳ技法を用いて該分子を検知することができる。更に前記ナノ
構造体は概して金属の被膜又は金属キャップに付着されたリガンドを含むものであり、こ
れにより、これまでに達成されていない選択性及び感度をもたらすことができる。
【０００９】
化学的な検知器、標的分子を検出する方法、又は化学的な検知器を作製する方法につい
て述べる場合、これらの記述はそれぞれ、他の実施形態に関連して例示的に述べられてい
るかどうかに関わらず、その実施形態に適用可能であるとみなすことができることに留意
されたい。このため例えば、化学的な検知器用のリガンドについて述べている場合、この
ようなリガンドは標的分子を検出する方法にも使用することができ、逆もまた同様である
。
【００１０】
したがって、化学的な検知器は、基板と付着端(attachment end)と該付着端の反対側に
遊離端とを有する細長いナノ構造体とを備えることができ、付着端が基板に取り付けられ
ており、遊離端が、ポテンシャルを検知するリガンド(potential sensing ligand)が共有
結合を介して付着している金属を含む。
【００１１】
本願明細書中で使用する場合、「ナノ構造体(nanostructure)」という用語は、幅又は
直径の寸法が１ミクロン未満の任意の構造体を表す。そのようなものとして、細長いナノ
構造体は、長さが最短幅よりも少なくとも２倍長いアスペクト比を有する構造体を含み得
る。例としては、ナノコーン、ナノピラミッド、ナノロッド、ナノバー、ナノフィンガー
、ナノポール及びナノグラスを挙げることができるが、それらに限定されない。本願明細
書中で使用する場合、「ナノコーン(nanocones)」、「ナノピラミッド(nanopyramids)」
、「ナノロッド(nanorods)」、「ナノバー(nanobars)」「ナノポール(nanopoles)」及び
「ナノグラス(nanograss)」という用語はそれぞれ、実質的に円錐型、ピラミッド型、桿
状、棒状、竿状及び草状の構造を表し、数十ナノメートル（ｎｍ）の高さ及び数ナノメー
トルの直径又は幅と小さいナノ寸法を有するものである。例えば、柔軟な柱状体として下
記の寸法を有するナノ柱状体を挙げることができる：１０ｎｍ〜５００ｎｍの直径、２０
ｎｍ〜２マイクロメートル（μｍ）の高さ、及び２０ｎｍ〜５００ｎｍの柔軟な柱状体間
の間隔。「実質的に円錐型(substantially conical)」、「実質的にピラミッド型(substa
ntially pyramidal)」、「実質的に桿状(substantially rod-like)」、「実質的に棒状(s
ubstantially bar-like)」、「実質的に竿状(substantially pole-like)」、及び「実質
的に草状(substantially grass-like)」という当該技術分野の用語はそれぞれ、ナノテク
ノロジーを用いた作製の範囲内において円錐、ピラミッド、桿、棒、竿及び草状のアスペ
リティ(asperities)に近い形状を有する構造体を表す。
【００１２】
本願明細書中で使用する場合、「金属キャップ(metallic cap)」という用語は、幅又は
直径が５００ｎｍ以下の、ナノスフェア、偏長のナノ楕円体(nanoellipsoids)、偏円のナ
ノ楕円体、ナノディスク及びナノプレートを含むナノ構造体を表す。一例では、金属キャ
ップは形状誘導性磁気異方性を備えることができる。本願明細書中で使用する場合、「ナ
ノスフェア(nanospheres)」、「偏長のナノ楕円体(prolate nanoellipsoids)」、「偏円
のナノ楕円体(oblate nanoellipsoids)」、「ナノディスク(nanodisks)」、及び「ナノプ
レート(nanoplates)」という用語は、それぞれ、実質的に球型、偏長の楕円型、偏円の楕
円型、円板状及び板状の構造を表し、数ナノメートルのサイズ：高さ、直径又は幅と小さ
いナノ寸法を有するものである。加えて、「実質的に球型(substantially spherical)」
、「実質的に偏長の楕円型(substantially prolate ellipsoidal)」、「実質的に偏円の
楕円型(substantially oblate ellipsoidal)」、「実質的に円板状(substantially disk-
like)」、及び「実質的に板状(substantially and plate-like)」という用語は、それぞ
れ、ナノテクノロジーを用いた作製の範囲内において球、偏長の楕円、偏円の楕円、円板
及び板に近い形状を有する構造体を表す。
【００１３】
細長いナノ構造体は、金属の被膜又は金属キャップを有する非金属の柱状体を含むこと
ができる。一例では、ナノ構造体として、レジスト等のポリマーに、金、銀、銅、白金、
アルミニウム等のＳＥＲＳの活性金属(SERS-active metal)又は合金形態のそれらの金属
の組合せをコーティングしたものを挙げることができる。概して、ＳＥＲＳの活性金属を
非金属の柱状体の先端に選択的にコーティングするか又は堆積させることができる。加え
て、ＳＥＲＳの活性金属は、多層構造体、例えば１ｎｍ〜５０ｎｍの金保護膜(over-coat
ing)を含む１０ｎｍ〜１００ｎｍの銀層、又はその逆のものとすることができる。また、
ＳＥＲＳの活性金属に誘電性(dielectric)の薄層を更にコーティングすることができる。
【００１４】
ポリマーの使用によってナノ構造体を十分に柔軟なものにすることで、先端同士が構造
体の最上部で交わるように曲げることができる。好適なポリマーの例としては、ポリメチ
ルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、シロキサン、ポリジメチルシロキサ
ン（ＰＤＭＳ）、フォトレジスト、ナノインプリント用レジスト、並びに１つ又は複数の
モノマー／オリゴマー／ポリマーを含む他の熱可塑性ポリマー及びＵＶ硬化性材料が挙げ
られるが、それらに限定されない。別の例では、ナノ構造体は、曲げるのに十分な柔軟性
を備える無機材料を含むことができる。このような無機材料の例としては、酸化ケイ素、
ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、ダイアモンド、ダイアモンド状炭素、アルミニウム、銅
等が挙げられる。
【００１５】
化学的な検知器は、概して金属の被膜又は金属キャップに付着されたポテンシャルを検
知するリガンドを含む。一例として、ポテンシャルを検知するリガンドは、下記式Ｉのよ
うに、付着官能基（Ａ）とスペーサ基（Ｂ）とポテンシャル検知部位（ＰＳ）とを含むこ
とができる：
Ａ−Ｂ−ＰＳ  （Ｉ）    式Ｉ
（式中、Ａはナノ構造体に付着する有機官能基であり、Ｂは置換又は非置換の直鎖又は分
岐のアルキル又はアリールであり、ＰＳは標的分子と結合することが可能な有機官能基で
ある）。官能基には金属の被膜又は金属キャップに共有結合することが可能な任意の基を
含めることができる。ポテンシャル検知部位として、標的分子と相互作用（イオン結合、
配位結合、共有結合を含む）することが可能な任意の部位を挙げることができる。スペー
サ基には概して、官能基をポテンシャル検知部位に共有結合させる任意の原子群が含まれ
る。例えば一態様では、金属として金を挙げることができ、官能基として金と共有結合す
るチオールを挙げることができる。リガンドは、アミンポテンシャル検知部位とともにア
ルキルスペーサ基を更に含むことができる。例えば、限定するものではないが、３−アミ
ノプロピルチオールがこのようなリガンドとして適格であるが、他のアミノアルキルチオ
ールも適格である場合がある。様々な官能基は、第一級アミン、第二級アミン、第三級ア
ミン、アミド、ニトリル、イソニトリル、シアネート、イソシアネート、チオシアネート
、イソチオシアネート、アジド、チオール、チオレート、スルフィド、スルフィネート、
スルホネート、ホスフェート(phosphates)、ヒドロキシル、アルコレート、フェノレート
、カルボニル、カルボキシレート、ホスフィン、ホスフィンオキシド、リン酸、ホスホル
アミド及びホスフェートを含むことができる。また様々なポテンシャル検知基は、本願明
細書中に述べられるような官能基を単独で又はより複雑な構造、例えばメチルレッド染料
、カルボキシフルオレセイン染料、カルボキシローダミン染料、シアニン染料、クラウン
エーテル、ポリアミン等と組み合わせて含むことができる。特にポテンシャル検知基の一
連の例としては、４−ピリジンチオール、３−ピリジンチオール、２−ピリジンチオール
、４−ピリジンメタンチオール、３−ピリジンメタンチオール、２−ピリジンメタンチオ
ール、４−ピリジンエタンチオール、３−ピリジンエタンチオール、２−ピリジンエタン
チオール、４−ピリジンプロパンチオール、３−ピリジンプロパンチオール、２−ピリジ
ンプロパンチオール、４−ピリジンブタンチオール、３−ピリジンブタンチオール、２−
ピリジンブタンチオール、４−ピリジンペンタンチオール、３−ピリジンペンタンチオー
ル、２−ピリジンペンタンチオール等が挙げられる。
【００１６】
化学的な検知器は概して、標的分子と選択的に結合するように構成された(formulated)
ポテンシャルを検知するリガンドを含む。標的分子は金属イオン、有機化合物又は水素イ
オンとすることができる。一例では、標的分子が金属イオンであり、ポテンシャルを検知
するリガンドが金属イオンと選択的に結合するように構成されている。一例では金属イオ
ンとして、クロム、鉛、水銀、亜鉛、カルシウム、ナトリウム、水素、カリウム、アルソ
ニウム及びそれらの混合物を挙げることができる。
【００１７】
このようなポテンシャルを検知するリガンドを使用することにより、化学的な検知器を
、金属イオン、有機化合物又は水素イオンを含む標的分子を１パーツパーミリオン（ｐｐ
ｍ）と低い濃度で検出するのに十分な感度にすることができる。一態様ではその感度を１
パーツパービリオン（ｐｐｂ）と低いもの、また特定の一態様ではその感度を１パーツパ
ートリオン（ｐｐｔ）と低いものとすることができる。
【００１８】
このような感度に関し、本発明に係る化学的な機器は、アレイを形成する、基板に付着
されている複数の細長いナノ構造体を含むことができる。一例では、アレイはサブアレイ
を含むことができる。一態様では、サブアレイはそれぞれ、標的分子に対する個々の選択
性を有することができる。そのため、１つのアレイは複数の標的分子に対する選択性を有
することができる。更に化学的な検知器は液体又は気体から標的分子を検出するように構
成することができる。
【００１９】
また、化学的な検知器は、ナノ構造体に動作可能に接続された検出器を更に含むことが
できる。一例として、検出器は、比色計、反射率計、分光計、分光光度計、ラマン分光計
、光学顕微鏡及び／又は発光を測定する計器とすることができる。
【００２０】
図１を参照して、化学的な検知器１００は、細長いナノ構造体１０４が付着されている
基板１０２を含むことができる。細長いナノ構造体は金属キャップ１０８が上に堆積され
ている柱状の構造体１０６を有する。更に、ポテンシャルを検知するリガンド１１０を金
属キャップに共有結合することができる。挿入図に示されるように、ポテンシャルを検知
するリガンドは、概して構造Ａ−Ｂ−ＰＳ（ここで、Ａはリガンドを金属キャップに結合
させる官能基であり、Ｂはスペーサ基であり、ＰＳはスペーサ基を介して官能基に接続さ
れているポテンシャル検知部位である）を含むことができる。本図は化学的な検知器の特
定の構造を提示しているが、図で示した構造は限定を意図するものではなく、本発明の開
示は本願明細書で述べられる様々な要素の使用を企図するものであることが理解される。
例えば前記金属キャップは、金属の被膜とすることもできる。
【００２１】
続いて、図２を参照して、リガンドが結合した単一の細長いナノ構造体の拡大図を説明
する。図２では、図示の要素を必ずしも正しい縮尺で示しているわけでも、本願明細書で
の使用に利用可能なあらゆる化学的な検知器を表しているものでもない。すなわち、図２
は、１つの特定組のリガンドを有する１つの化学的な検知器の例示的な実施形態を提示す
るものにすぎない。図示の例では、化学的な検知器２００は細長いナノ構造体１０４が付
着されている基板１０２を含むことができる。細長いナノ構造体は金属キャップ１０８が
上に堆積されている柱状の構造体１０６を含むことができる。複数のピリジニウムのポテ
ンシャル検知部位(pyridinium potential sensing moieties)１１０がチオール結合を介
して金属キャップに付着している。この具体例では、ピリジニウムのポテンシャル検知部
位はクロム（ＶＩ）に結合するように示されている。
【００２２】
また、図３に示すように、化学的な検知器３００は、細長いナノ構造体１０４が付着さ
れている基板１０２を含むことができる。細長いナノ構造体は、金属キャップ１０８が上
に堆積されている柱状の構造体１０６を含むことができる。更に金属キャップは、金属キ
ャップに付着されているリガンド（図示せず）を含むこともできる。複数のナノ構造体は
サブアレイ１１４を含むアレイ１１２を形成することができる。化学的な検知器はナノ構
造体に動作可能に接続された検出器１１６を更に含むことができる。また、光源又はレー
ザ源等の励起エネルギー源１２０も示されている。
【００２３】
更に、図４に示すように、標的分子を検出する方法４００は、本願明細書に記載される
もののいずれかを含む化学的な検知器を標的分子に曝す工程４０２と、標的分子を化学的
な検知器内において捕捉することで、捕捉された標的分子を生成する工程４０４と、励起
エネルギーを捕捉された標的分子に印加する工程４０６と、捕捉された標的分子から放出
されたエネルギーを測定する工程４０８とを含むことができる。前記励起エネルギー及び
放出されたエネルギーは、例えば、電磁エネルギーとすることができる。また、この方法
は、化学的な検知器から捕捉された金属の標的分子(trapped metal target molecule)を
洗い流す工程を更に含むことができる。このようにして、本発明に係る機器を再使用及び
／又は再利用することができる。
【００２４】
更にまた、図５に示すように、化学的な検知器を作製する方法５００は、ナノ構造体を
基板に配置する工程であって、ナノ構造体が、基板に付着されている付着端と付着端の反
対側に遊離端とを有し、付着端が基板に取り付けられている、工程５０２と、金属を遊離
端上に堆積させる工程５０４と、ポテンシャルを検知するリガンドを金属に共有結合する
工程５０６と、を含むことができる。
【００２５】
本願明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、数量を特定していない単数形
(the singular forms "a，" "an，" and "the")は、別途文脈により明確に指示されない
限り、複数の指示物を包含することに留意されたい。
【００２６】
本願明細書中で使用する場合、複数の項目、構造要素、組成要素、及び／又は材料は便
宜上共通のリストにおいて提示することができる。しかしながら、これらのリストはリス
トの各成員が別個の固有の成員として個々に特定されているようなものとして解釈するも
のとする。そのためこのようなリストの個々の成員は、相反するものが示されていない限
り、単に共通の群における提示に基づいて同じリストの任意の他の成員と事実上均等なも
のとして解釈されるものとする。
【００２７】
濃度、量及び他の数値データは本願明細書中では範囲形式で表すか又は提示することが
できる。このような範囲形式は単に便宜上及び簡略化のために使用されているにすぎず、
そのため範囲の境界として例示的に挙げられている数値だけでなく、その範囲内に包含さ
れる個々の数値又は部分範囲も全て、各数値及び部分範囲が例示的に挙げられているかの
ように包含するとして柔軟に解釈されることを理解されたい。例示として、「約１ｗｔ％
〜約５ｗｔ％」という数値範囲は約１ｗｔ％〜約５ｗｔ％の例示的に挙げられている値だ
けでなく、指定範囲内にある個々の値及び部分範囲も包含すると解釈されるものとする。
そのためこの数値範囲には、２、３．５及び４等の個々の値、並びに１〜３、２〜４及び
３〜５等の部分範囲等が包含される。この原則は１つの数値だけを挙げている範囲にも適
用される。更にこのような解釈は記載の範囲幅又は特徴に関わらず適用されるものとする
。
【実施例】
【００２８】
以下の実施例は、現在知られている開示の実施形態を説明するものである。これらの実
施例は、本発明を限定するものとして解釈されるものではなく、単に本発明の開示の機器
を作製する方法を教示するためにある。このようなものとして、機器及びその製造方法の
中でも代表的なものを本願明細書に開示する。
【００２９】
［実施例１−ポテンシャルを検知するリガンドを含む細長い金のナノ構造体を改質するた
めの一般的な調製方法］
ポテンシャル検知部位のナノ構造体上の金表面への固定を、金のナノ構造体(gold nano
structure)を化学試薬にて処理することによる表面改質によって行うことができる。反応
部位Ａが表面上に導入される。更に、ポテンシャル検知（ＰＳ）部位が結合している反応
部位Ｂを反応部位Ａと反応させる。例えば、改質基板を反応部位Ｂに結合したポテンシャ
ル検知部位の溶液に浸漬させることができる。反応部位Ａ及び反応部位Ｂはどちらも均一
に反応するのではなく、不均一に反応して、基板とポテンシャルセンサ部位との間に共有
結合を形成することで、ポテンシャル化学的な検知部位が、金でコーティングされたナノ
構造体の表面上に固定される。
【００３０】
［実施例２−ポテンシャルを検知するリガンドを含む細長い金のナノ構造体の調製］
金のナノ構造体の表面改質を、改質表面に、活性化エステルに対して反応性である反応
性アミノ基を与える３−アミノプロピルチオールを用いて行う。次いで改質金のナノ構造
体を、ポテンシャル検知部位を含む活性化エステルの溶液にて処理する。活性化エステル
とアミノ基との反応が起こり、プロピルチオール結合を介してポテンシャル検知分子部位
と金のナノ構造体表面との間で共有結合が形成される。
【００３１】
［実施例３−ポテンシャルを検知するリガンドを含む細長い金のナノ構造体の調製］
本例は酸性度を検知するためのｐＨ指示薬にて改質されたナノ構造体の調製について記
載している。初めに、市販のメチルレッドを、触媒量の３−ジメチルアミノピリジンの存
在下においてＤＳＣ（Ｎ，Ｎ’−ジスクシンイミジルカーボネート）にて改質させる。こ
れによって、反応性スクシンイミジル基を有する改質メチルレッドを得る。第２に、金の
ナノ構造体を３−アミノプロピルチオールの溶液にて改質させて、反応性アミノ基を表面
上に有する改質金のナノ構造体を生成する。改質ナノフィンガーを改質メチルレッドにて
処理すると、表面と染料との間で反応が起こり、メチルレッド染料が付着された金ナノフ
ィンガーが形成され、これをプロトンイオンＨ＋を検出するのに使用することができる。
【００３２】
［実施例４−ポテンシャルを検知するリガンドを含む細長い金のナノ構造体を改質させる
ための代替的な一般的調製方法］
別のアプローチでは、初めにポテンシャル検知部位を或る特定の化学試薬にて改質させ
ることで、金のナノ構造体表面に対して反応性である反応性基を有する改質ポテンシャル
検知部位を形成する。例えば、ポテンシャル検知部位を有する活性化エステルを市販の３
−アミノプロピルチオールにて処理することができ、アミノ基と活性化エステルとの間で
反応が起こり、金のナノ構造体表面に対して反応性である反応性チオール基に接続された
改質ポテンシャル検知部位を生成する。非処理金のナノ構造体を反応性チオール基に接続
された改質ポテンシャル検知部位にて処理すると、チオール基と金表面との間で化学反応
が起こり、化学結合が形成されることで、ポテンシャル検知部位を金のナノ構造体の表面
上に固定させる。
【００３３】
［実施例５−ポテンシャルを検知するリガンドを含む細長い金のナノ構造体の調製］
Ｎ，Ｎ’−ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）等のカップリング試薬の存在下
におけるメチルレッド染料と３−アミノプロピルチオールとの反応により、末端に金表面
に対して反応性であるチオール基を有する改質メチルレッドが形成される。金のナノ構造
体を改質メチルレッドにて処理すると、金のナノ構造体とメチルレッドとの間で共有結合
が形成される。このようにして、メチル染料が金のナノ構造体の表面上に固定され、これ
をプロトンイオンＨ＋の検出に使用することができる。
【００３４】
［実施例６−ポテンシャルを検知するリガンドを含む細長い金のナノ構造体の調製］
ナノ構造体（下記のスキーム１において「ＮＳ」と称される）をクロム（ＶＩ）等の金
属イオンを検出するのに使用することができる。スキーム１に示されるように、ｐ−トル
エンスルホン酸の存在下における４−ビニルピリジンとチオウレアとの反応により中間体
２が得られた。中間体２の水酸化アンモニウムによる処理により、４−ピリジンエタンチ
オール３が形成され、それをＨＣｌ塩４へと変換することができる。ＨＣｌ塩４の塩基に
よる慎重な中和の際に、ＨＣｌ塩４は金のナノ構造体（ＮＳ）表面へと自己集合すること
ができる。ピリジンはＣｒ（ＶＩ）と配位結合を形成することができることから、ピリジ
ンをクロム（ＶＩ）の高感度な選択的検出に使用することができる。
【００３５】
【化１】
2017032580.tif 000003
【００３６】
［実施例７−ポテンシャルを検知するリガンドを含む細長い金のナノ構造体の調製］
金のナノ構造体は、金表面の４−メルカプトピリジンによる処理により調製した。金の
ナノ構造体を４−メルカプトピリジンを含有するエタノール溶液中へと撹拌することなく
室温で２４時間浸漬させ、その後純エタノール溶媒にてリンスした。カチオン性ピリジニ
ウム形態の官能化４−メルカプトピリジンを調製するために、金のナノ構造体を０.１Ｍ
の硫酸中に３０分間、再度浸漬させた。次いでピリジニウムにより官能化された（pyridi
nium-functionalized：ピリジニウム官能基を有する）ナノ構造体を、図６に示されるよ
うに様々な量のＣｒ（ＶＩ）に曝した。特に、ＳＥＲＳにより、１ｐｐｍと低い濃度でＣ
ｒ（ＶＩ）の存在が検出された。更に得られたデータに基づき、０ｐｐｍと１ｐｐｍとの
間でスペクトルを明らかに分離することが可能であることから、より低い閾値も可能であ
ると考えられる。比較として、最下部の平坦な線には、リガンドを付着させなかったこと
を除いて、Ｃｒ（ＶＩ）に曝した同じナノ構造体を表す。特にスペクトルは活性を示して
はいない。図６で提示される証拠から、リガンドがこれまでに達成されてこなかった１ｐ
ｐｍまでの感度での金属イオンの検出能をもたらすことが示される。
【００３７】
本発明を幾つかの実施例を参照して記載しているが、当業者であれば、本発明の趣旨か
ら逸脱することなく様々な修正、変更、削除及び置換を行うことができると理解するであ
ろう。したがって本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図され
る。
【図１】
2017032580.tif 000004
【図２】
2017032580.tif 000005
【図３】
2017032580.tif 000006
【図４】
2017032580.tif 000007
【図５】
2017032580.tif 000008
【図６】
2017032580.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月31日(2016.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的な検知器であって、
基板と、
付着端と該付着端の反対側に遊離端とを有する細長いナノ構造体と、
を備え、
前記付着端が、前記基板に取り付けられており、前記遊離端が、ポテンシャルを検知するリガンドが共有結合を介して付着した金属を含み、
前記ナノ構造体が、前記金属の被膜又は前記金属のキャップを有する非金属の柱状体を含み、
前記ポテンシャルを検知するリガンドが、
４−ピリジンチオール、３−ピリジンチオール、２−ピリジンチオール、４−ピリジンメタンチオール、３−ピリジンメタンチオール、２−ピリジンメタンチオール、４−ピリジンエタンチオール、３−ピリジンエタンチオール、２−ピリジンエタンチオール、４−ピリジンプロパンチオール、３−ピリジンプロパンチオール、２−ピリジンプロパンチオール、４−ピリジンブタンチオール、３−ピリジンブタンチオール、２−ピリジンブタンチオール、４−ピリジンペンタンチオール、３−ピリジンペンタンチオール、または２−ピリジンペンタンチオールであるか、又は
下記式Ｉのように付着官能基（Ａ）とスペーサ基（Ｂ）とポテンシャル検知部位（ＰＳ）とを含む、
Ａ−Ｂ−ＰＳ  （Ｉ）
（ここで、式中、Ａは前記ナノ構造体に付着する有機官能基であり、Ｂは置換又は非置換の直鎖又は分岐のアルキル又はアリールであり、ＰＳは標的分子と結合する有機官能基であり、メチルレッド染料、カルボキシフルオレセイン染料、カルボキシローダミン染料、シアニン染料、またはクラウンエーテルである。）、化学的な検知器。
【請求項２】
前記金属が、金、銀、銅、アルミニウム、白金及びこれらの混合物からなる群より選択される、請求項１に記載の化学的な検知器。
【請求項３】
前記ポテンシャルを検知するリガンドが、金属イオン、有機化合物又は水素イオンと選択的に結合するように構成されている、請求項１に記載の化学的な検知器。
【請求項４】
前記ポテンシャルを検知するリガンドが、前記金属イオンと選択的に結合するように構成されており、該金属イオンが、クロム、鉛、水銀、亜鉛、カルシウム、ナトリウム、水素、カリウム、アルソニウム及びこれらの混合物からなる群より選択される、請求項３に記載の化学的な検知器。
【請求項５】
前記金属イオン、前記有機化合物又は前記水素イオンを１ｐｐｔといった低い濃度で検出するのに十分な感度がある、請求項３に記載の化学的な検知器。
【請求項６】
前記ナノ構造体と動作可能に接続された検出器を更に備え、
前記検出器が比色計、反射率計、分光計、分光光度計、ラマン分光計、光学顕微鏡及び発光を測定する計器からなる群より選択される、請求項１に記載の化学的な検知器。
【請求項７】
前記基板に付着されている複数の前記細長いナノ構造体を更に備え、
前記複数の細長いナノ構造体がアレイを形成する、請求項１に記載の化学的な検知器。
【請求項８】
前記アレイがサブアレイを含み、該サブアレイが標的分子に対する個々の選択性を有し、該標的分子が金属イオン、有機化合物及び水素イオンの群から選択される、請求項７に記載の化学的な検知器。
【請求項９】
液体又は気体から前記標的分子を検出することができる、請求項７に記載の化学的な検知器。
【請求項１０】
標的分子を検出する方法であって、
基板と付着端と該付着端の反対側に遊離端とを有する細長いナノ構造体とを備えた化学的な検知器を標的分子に曝す工程であって、前記付着端が前記基板に取り付けられており、前記遊離端が、共有結合を介してポテンシャルを検知するリガンドが付着している金属を含み、記ナノ構造体が、金属の被膜又は金属キャップを有する非金属の柱状体を含み、前記ポテンシャルを検知するリガンドが、４−ピリジンチオール、３−ピリジンチオール、２−ピリジンチオール、４−ピリジンメタンチオール、３−ピリジンメタンチオール、２−ピリジンメタンチオール、４−ピリジンエタンチオール、３−ピリジンエタンチオール、２−ピリジンエタンチオール、４−ピリジンプロパンチオール、３−ピリジンプロパンチオール、２−ピリジンプロパンチオール、４−ピリジンブタンチオール、３−ピリジンブタンチオール、２−ピリジンブタンチオール、４−ピリジンペンタンチオール、３−ピリジンペンタンチオール、または２−ピリジンペンタンチオールであるか、又は下記式Ｉのように付着官能基（Ａ）とスペーサ基（Ｂ）とポテンシャル検知部位（ＰＳ）とを含む、
Ａ−Ｂ−ＰＳ  （Ｉ）
（ここで、式中、Ａは前記ナノ構造体に付着する有機官能基であり、Ｂは置換又は非置換の直鎖又は分岐のアルキル又はアリールであり、ＰＳは標的分子と結合する有機官能基であり、メチルレッド染料、カルボキシフルオレセイン染料、カルボキシローダミン染料、シアニン染料、またはクラウンエーテルである。）、工程と、
前記標的分子を前記化学的な検知器内において捕捉して、捕捉された標的分子とする工程と、
励起エネルギーを前記捕捉された標的分子に印加する工程と、
前記捕捉された標的分子から放出されたエネルギーを測定する工程と、
を含む、方法。
【請求項１１】
前記励起エネルギー及び前記放出されたエネルギーが電磁エネルギーであり、前記標的分子が金属イオン、有機化合物及び水素イオンからなる群より選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記捕捉された金属の標的分子を前記化学的な検知器から洗い流す工程を更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
化学的な検知器を作製する方法であって、
ナノ構造体を基板上に配置する工程であって、該ナノ構造体が、該基板に付着される付着端と該付着端の反対側に遊離端とを有し、該付着端を該基板に取り付ける、工程と、
金属を前記遊離端上に堆積させる、工程であって、前記ナノ構造体が、前記金属の被膜又は前記金属のキャップを有する非金属の柱状体を含む、工程と、
ポテンシャルを検知するリガンドを前記金属に共有結合させる、工程と
を含み、
前記ポテンシャルを検知するリガンドが、４−ピリジンチオール、３−ピリジンチオール、２−ピリジンチオール、４−ピリジンメタンチオール、３−ピリジンメタンチオール、２−ピリジンメタンチオール、４−ピリジンエタンチオール、３−ピリジンエタンチオール、２−ピリジンエタンチオール、４−ピリジンプロパンチオール、３−ピリジンプロパンチオール、２−ピリジンプロパンチオール、４−ピリジンブタンチオール、３−ピリジンブタンチオール、２−ピリジンブタンチオール、４−ピリジンペンタンチオール、３−ピリジンペンタンチオール、または２−ピリジンペンタンチオールであるか、又は下記式Ｉのように付着官能基（Ａ）とスペーサ基（Ｂ）とポテンシャル検知部位（ＰＳ）とを含む、
Ａ−Ｂ−ＰＳ  （Ｉ）
（ここで、式中、Ａは前記ナノ構造体に付着する有機官能基であり、Ｂは置換又は非置換の直鎖又は分岐のアルキル又はアリールであり、ＰＳは標的分子と結合する有機官能基であり、メチルレッド染料、カルボキシフルオレセイン染料、カルボキシローダミン染料、シアニン染料、またはクラウンエーテルである。）、方法。
【請求項１４】
化学的な検知器を作製する方法であって、
ナノ構造体を基板上に配置する工程であって、該ナノ構造体が、該基板に付着される付着端と該付着端の反対側に遊離端とを有し、該付着端を該基板に取り付ける、工程と、
金属を前記遊離端上に堆積させる、工程であって、前記ナノ構造体が、前記金属の被膜又は前記金属のキャップを有する非金属の柱状体を含む、工程と、
ポテンシャルを検知するリガンドを前記金属に共有結合させる、工程と
を含み、
前記ポテンシャルを検知するリガンドが、下記式Ｉのように付着官能基（Ａ）とスペーサ基（Ｂ）とポテンシャル検知部位（ＰＳ）とを含み、
Ａ−Ｂ−ＰＳ  （Ｉ）
（ここで、式中、Ａは前記ナノ構造体に付着する有機官能基であり、Ｂは置換又は非置換の直鎖又は分岐のアルキル又はアリールであり、ＰＳは標的分子と結合する有機官能基である。）、
前記ポテンシャルを検知するリガンドを前記金属に共有結合させる工程が、
前記ナノ構造体の表面を、前記付着官能基（Ａ）を含有する化学試薬を用いて改質した後、前記改質させたナノ構造体の表面を前記スペーサ基（Ｂ）に結合した前記ポテンシャル検知部位（ＰＳ）の溶液に浸漬させる工程である、方法。
【請求項１５】
化学的な検知器を作製する方法であって、
ナノ構造体を基板上に配置する工程であって、該ナノ構造体が、該基板に付着される付着端と該付着端の反対側に遊離端とを有し、該付着端を該基板に取り付ける、工程と、
金属を前記遊離端上に堆積させる、工程であって、前記ナノ構造体が、前記金属の被膜又は前記金属のキャップを有する非金属の柱状体を含む、工程と、
ポテンシャルを検知するリガンドを前記金属に共有結合させる、工程と
を含み、
前記ポテンシャルを検知するリガンドが、下記式Ｉのように付着官能基（Ａ）とスペーサ基（Ｂ）とポテンシャル検知部位（ＰＳ）とを含み、
Ａ−Ｂ−ＰＳ  （Ｉ）
（ここで、式中、Ａは前記ナノ構造体に付着する有機官能基であり、Ｂは置換又は非置換の直鎖又は分岐のアルキル又はアリールであり、ＰＳは標的分子と結合する有機官能基である。）、
前記ポテンシャルを検知するリガンドを前記金属に共有結合させる工程が、
前記ナノ構造体の表面を、活性化エステルに対して反応性である反応性アミノ基を与える前記付着官能基（Ａ）と前記スペーサ基（Ｂ）とを結合したものを用いて改質した後、前記改質させたナノ構造体の表面を、ポテンシャル検知部位（ＰＳ）を含む活性化エステルの溶液にて処理する工程である、方法。
【請求項１６】
前記ポテンシャル検知部位（ＰＳ）が、メチルレッド染料、カルボキシフルオレセイン染料、カルボキシシローダミン染料、シアニン染料、クラウンエーテル又はポリアミンである、請求項１５に記載の方法。