(57)【要約】  複数の表面および目的の分析物を受容するように形作られた空洞を画定する分子的に印をつけられたポリマーを含む、目的の分析物を検出するための比色センサー。それぞれの表面は間隙(例えば孔またはナノホール)を画定し、少なくとも1つの表面は流体流入口を画定する。該センサーは、分析物が分子的に印をつけられたポリマーと接触して空洞内に配置される場合に、表面の少なくとも1つの濡れ性が変化して、それにより該センサー中で検出可能な色変化が起こるように構成される。任意に、該センサーはまた、プラスモン共鳴型センサーとしての使用のために、それぞれの間隙またはナノホールの底部およびそれぞれの間隙またはナノホールの頂部の外側に金属層を含み得る。
2020524788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体試料において目的の分析物を検出するための比色センサーであって、該センサーは、
複数の表面、それぞれの表面は間隙を画定し、少なくとも1つの表面は流体流入口を画定する；および
目的の分析物を受容するように形作られた空洞を画定する分子的に印をつけられたポリマー
を含み、ここで該センサーは、分析物が分子的に印をつけられたポリマーと接触して該空洞内に配置される場合に、複数の表面の少なくとも1つの濡れ性が変化し、それにより該センサーにおいて検出可能な色変化が起こるように構成される、比色センサー。
【請求項２】
空洞が分析物を受容する場合に、複数の間隙中に存在する流体の量が変化し、それにより該センサーの少なくとも一部の屈折率が変化するように構成される、請求項１記載のセンサー。
【請求項３】
複数の表面上にコーティングされる疎水性材料をさらに含む、請求項１または２記載のセンサー。
【請求項４】
複数の表面を含む中実構造を含む、請求項１〜３いずれか記載のセンサー。
【請求項５】
該分子的に印をつけられたポリマーが、複数の表面の少なくとも1つ上にコーティングされる、請求項１〜４いずれか記載のセンサー。
【請求項６】
該構造が、分子的に印をつけられたポリマーで形成される、請求項４記載のセンサー。
【請求項７】
該構造が、誘電性材料または金属性材料の少なくとも1つを含む、請求項４または５記載のセンサー。
【請求項８】
該構造が、逆オパールフォトニック結晶または逆オパールフィルムの少なくとも1つを含む、請求項４〜７いずれか記載のセンサー。
【請求項９】
それぞれの間隙が実質的に球状に形作られる、請求項１〜８いずれか記載のセンサー。
【請求項１０】
それぞれの間隙が実質的に円筒形に形作られる、請求項１〜７いずれか記載のセンサー。
【請求項１１】
それぞれの円筒形の間隙の底部に配置される金属およびそれぞれの円筒形の間隙の頂部の外側に配置される金属をさらに含む、請求項１０記載のセンサー。
【請求項１２】
複数の間隙の少なくとも1つが相互連結される、請求項１〜９いずれか記載のセンサー。
【請求項１３】
複数の間隙が互いに分離される、請求項１〜１１いずれか記載のセンサー。
【請求項１４】
複数の間隙が周期的分布を含む、請求項１〜１３いずれか記載のセンサー。
【請求項１５】
隣接する間隙が、1ナノメートル〜1000ナノメートルの距離だけ離れて間隔を開けられる、請求項１４記載のセンサー。
【請求項１６】
隣接する間隙が、可視光の波長範囲に相当する距離だけ離れて間隔を開けられる、請求項１４または１５記載のセンサー。
【請求項１７】
分子的に印をつけられたポリマーが有機ポリマーである、請求項１〜１６いずれか記載のセンサー。
【請求項１８】
分子的に印をつけられたポリマーがハイブリッドポリマーである、請求項１〜１６いずれか記載のセンサー。
【請求項１９】
流体レセプタクルまたはストローの表面上に配置されるかまたは該表面中に一体化される、請求項１〜１８いずれか記載のセンサー。
【請求項２０】
流体試料中の目的の分析物を検出するための方法であって、
(a)比色センサーと流体試料を接触させる工程、該センサーは、
(i)  複数の表面、それぞれの表面は間隙を画定し、少なくとも1つの表面は流体流入口を画定する；および
(ii)  目的の分析物を受容するように形作られた空洞を画定する分子的に印をつけられたポリマー
を含む、ここで該センサーは、分析物が分子的に印をつけられたポリマーと接触して空洞内に配置される場合に、複数の表面の少なくとも1つの濡れ性が変化し、それにより該センサー内で検出可能な色変化が起こるように構成される；ならびに
(b)該センサーが流体試料と接触した場合に色変化が起こるかどうかを検出する工程、ここで色変化は、流体試料中に分析物が存在することを示す、
を含む、方法。
【請求項２１】
空洞が分析物を受容した際に、複数の間隙中に存在する流体の量が変化し、それにより該センサーの少なくとも一部の屈折率が変化するように、該センサーが構成される、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
該センサーが、複数の表面上にコーティングされる疎水性材料をさらに含む、請求項２０または２１記載の方法。
【請求項２３】
該センサーが、複数の表面を含む中実構造を含む、請求項２０〜２２いずれか記載の方法。
【請求項２４】
該分子的に印をつけられたポリマーが、複数の表面の少なくとも1つ上にコーティングされる、請求項２０〜２３いずれか記載の方法。
【請求項２５】
該構造が、分子的に印をつけられたポリマーで形成される、請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
該構造が、誘電性材料または金属性材料の少なくとも1つを含む、請求項２３または２４記載の方法。
【請求項２７】
該構造が、逆オパールフォトニック結晶または逆オパールフィルムの少なくとも1つを含む、請求項２３〜２６いずれか記載の方法。
【請求項２８】
それぞれの間隙が実質的に球状に形作られる、請求項２０〜２７いずれか記載の方法。
【請求項２９】
それぞれの間隙が実質的に円筒形に形作られる、請求項２０〜２６いずれか記載の方法。
【請求項３０】
該センサーが、それぞれの円筒形の間隙の底部に配置される金属およびそれぞれの円筒形の間隙の頂部の外側に配置される金属をさらに含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
分析物のラマンスペクトルを検出するための分光器を使用して、分析物が流体試料中に存在することを確認する工程をさらに含む、請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
複数の間隙の少なくともいくつかが相互連結される、請求項２０〜２８いずれか記載の方法。
【請求項３３】
複数の間隙が互いに分離される、請求項２０〜３１いずれか記載の方法。
【請求項３４】
複数の間隙が周期的分布を含む、請求項２０〜３３いずれか記載の方法。
【請求項３５】
隣接する間隙が、1ナノメートル〜1000ナノメートルの距離だけ離れて間隔を開けられる、請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
隣接する間隙が、可視光の波長範囲に相当する距離だけ離れて間隔を開けられる、請求項３４または３５記載の方法。
【請求項３７】
分子的に印をつけられたポリマーが有機ポリマーである、請求項２０〜３６いずれか記載の方法。
【請求項３８】
分子的に印をつけられたポリマーがハイブリッドポリマーである、請求項２０〜３６いずれか記載の方法。
【請求項３９】
流体試料中の目的の分析物を検出し得る比色センサーを製造する方法であって、
(a)ポリマー材料の液体前駆体と複数の目的の分析物を混合して、ポリマー材料の混合された液体前駆体を作製する工程；
(b)ポリマー材料の混合された液体前駆体と複数の鋳型を一緒に集合させて、共アセンブリを作製する工程；
(c)共アセンブリを固化する工程；
(d)固化された共アセンブリから複数の鋳型を除去して、固化された共アセンブリについての複数の表面を作製する工程、それぞれの表面は、固化された共アセンブリ内に間隙を画定する；および
(e)固化された共アセンブリから複数の分析物を除去して、複数の分析物を受容するように形作られた複数の空洞を画定する分子的に印をつけられたポリマーを作製し、分析物が分子的に印をつけられたポリマーと接触して空洞内に配置される場合に、複数の表面の少なくとも1つの濡れ性が変化して、それによりセンサー内で検出可能な色変化が起こる工程
を含む、方法。
【請求項４０】
複数の表面を疎水性材料でコーティングする工程をさらに含む、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
それぞれの鋳型が実質的に球状に形作られる、請求項３９または４０記載の方法。
【請求項４２】
それぞれの間隙が実質的に球状に形作られる、請求項３９〜４１いずれか記載の方法。
【請求項４３】
それぞれの鋳型が実質的に円筒形に形作られる、請求項３９または４０記載の方法。
【請求項４４】
それぞれの間隙が実質的に円筒形に形作られる、請求項３９、４０または４３記載の方法。
【請求項４５】
それぞれの円筒形の間隙の底部およびそれぞれの円筒形の間隙の頂部の外側に、金属を配置する工程をさらに含む、請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
複数の間隙の少なくともいくつかが相互連結される、請求項３９〜４２いずれか記載の方法。
【請求項４７】
複数の間隙が互いに分離される、請求項３９〜４５いずれか記載の方法。
【請求項４８】
共アセンブリを固化する工程が、周期的分布を有するように鋳型を配置することを含む、請求項３９〜４７いずれか記載の方法。
【請求項４９】
隣接する鋳型が、1ナノメートル〜1000ナノメートルの距離だけ離れて間隔を開けられる、請求項４８記載の方法。
【請求項５０】
隣接する鋳型が、可視光の波長範囲に相当する距離だけ離れて間隔を開けられる、請求項４８または４９記載の方法。
【請求項５１】
共アセンブリが、熱処理、光誘導固化、放射線誘導固化または化学反応誘導固化の少なくとも1つにより固化される、請求項３９〜５０いずれか記載の方法。
【請求項５２】
ポリマー材料の液体前駆体が有機ポリマーである、請求項３９〜５１いずれか記載の方法。
【請求項５３】
ポリマー材料の液体前駆体が無機ポリマーである、請求項３９〜５１いずれか記載の方法。
【請求項５４】
センサーを、流体レセプタクルまたはストローの表面上に配置させるかまたは該表面中に一体化する工程をさらに含む、請求項３９〜５３いずれか記載の方法。
【請求項５５】
該流体レセプタクルがカップまたはグラスである、請求項５４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願についての相互参照
本願は、2017年6月13日に出願された米国仮特許出願第62/518,903号および2018年4月12日に出願された米国仮特許出願第62/656,860号に対する優先権およびそれらの利益を主張し、それらの全体において参照により本明細書に援用する。
【０００２】
連邦政府によって支援される研究開発に関する陳述
本発明は、米国科学財団により授与された認可番号1746719の下、政府の支援によりなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
技術分野
種々の態様において、本発明は、流体試料中の標的分子(分析物(analyte))の存在の検出における使用のための比色センサー、より具体的に流体試料中の標的分子の存在の検出における使用のための多孔質フォトニックセル比色センサーおよびプラスモン比色センサーに関する。
【背景技術】
【０００４】
発明の背景
個体を無能力化する薬剤の使用はより一般的に行われるようになってきている。かかる薬剤の例としては、γブチロラクトン(GBL)、γヒドロキシブチレート(GHB)、ケタミン、ロヒプノールなどが挙げられる。例えば、該薬剤は、目的とする消費者のアルコール飲料などの飲料にひそかに入れられることがある。これらおよび同様の薬剤は無色であり、実質的に無臭であり、検出が困難であるので、消費する前にかかる薬剤の存在を検出するための方法およびデバイスが必要とされている。
【０００５】
被験体がかかる薬剤を消費した後に被験体中の化学物質の存在を検出するための種々の技術(例えば液体クロマトグラフィータンデム質量分析を使用した尿検査による)はあるが、かかる技術は、自然に反応性であり、消費される前に薬剤を先見的に検出するのではなく、何が既に疑われ得るかを確認するだけである。さらに、かかる技術は、高度に訓練された技術者により操作される高価な設備を必要とする。先見的な試験デバイスは、試験される液体の一部を、液体試料中の薬剤の存在を示す色変化を生じ得る化学試薬組成物に暴露することを必要とし得る。不運にも、かかる試験は時間がかかり、慎重ではないことがある。
【０００６】
さらなる試験装置が利用可能である。例えば、被験体は、例えばマッチ、マッチブック、カクテルナプキン、コースター、席次表(placemat)、メニューなどに隠されるかまたは組込まれる断片を試験する薬物を使用し得る。かかるアプローチはより慎重に見えるが、それにもかかわらず被験体は、試験を実施する必要があることにより、ぎこちない姿勢を取ることがある。さらに、被験体は、一連の社会的な遭遇の間中、定期的に試験を実施する必要があり得る。
【０００７】
米国特許第9,285,352号には、目的の薬剤に暴露した際に可視的反応、例えば色変化をもたらすように適合される指標がストロー、スターラーおよび/または飲料容器の一部に付着するかまたはそうでなければ接着するストロー、スターラーおよび/または飲料容器を使用して液体を試験するための装置が記載される。特に、指標は、目的の薬剤が一定の濃度以上で検出される場合に、ストロー、スターラーおよび/または飲料容器、または液体を含有するストロー、スターラーおよび/または飲料容器に色を変化させ得、および/または蛍光を発生させ得る。
【０００８】
今日までの進歩に関わらず、液体試料中の目的の化学物質を検出するための向上されたデバイス(例えば比色センサー)および方法のための必要性が依然として存在する。
【発明の概要】
【０００９】
発明の概要
本発明の態様は、部分的に、流体または液体試料中の目的の分析物を検出し得、かついくつかの実施において、流体レセプタクル(例えばガラスまたはカップ)またはストローの表面上またはそれらの表面内に配置され得る新規の比色センサーの発見に基づく。
【００１０】
第1の局面において、本発明は、流体試料中の目的の分析物を検出するための比色センサーに関する。いくつかの態様において、該センサーは、目的の分析物を受容するように形作られる空洞を画定する複数の表面および分子的に印をつけられた(molecularly imprinted)ポリマーを含む。それぞれの表面は間隙を画定し、少なくとも1つの表面は流体流入口を画定する。いくつかの実施において、該センサーは、分析物が分子的に印をつけられたポリマーと接触して空洞内に配置される場合に、複数の表面の少なくとも1つの濡れ性(wettability)が変化して、それにより該センサー中で検出可能な色変化が起こるように構成される。いくつかの適用において、該センサーは、空洞が分析物を受容する際に、間隙に存在する流体の量が変化して、それにより該センサーの少なくとも一部の屈折率が変化するように構成される。
【００１１】
いくつかの変形において、以下の1つ以上が適用され得る：疎水性材料は複数の表面にコーティングされ得；該センサーは複数の表面を含む中実構造を含み得；分子的に印をつけられたポリマーは、有機ポリマー、無機ポリマーまたはハイブリッドポリマー(有機および無機の両方の成分を含む)であり得；分子的に印をつけられたポリマーは複数の表面の1つ以上にコーティングされ得；構造は、分子的に印をつけられたポリマーで形成され得；構造は、誘電性材料および/または金属性材料を含み得；および/または構造は、逆オパールフォトニック結晶または逆オパールフィルムを含み得る。さらに、いくつかの適用において、以下の1つ以上が適用され得る：それぞれの間隙は実質的に球状に形作られ得；それぞれの間隙は実質的に円筒形に形作られ得；複数の間隙の少なくともいくつかは相互連結され得；複数の間隙は互いに分離され得；複数の間隙は周期的分布を有し得；隣接する間隙は、1ナノメートル〜1000ナノメートルの距離だけ離れて間隔を開けられ得；および/または隣接する間隙は、可視光の波長範囲に相当する距離だけ離れて間隔を開けられ得る。
【００１２】
いくつかの態様において、該センサーはまた、それぞれの円筒形の間隙の底部に配置される金属およびそれぞれの円筒形の間隙の頂部の外側に配置される金属を含み得る。いくつかの変形において、該センサーは、流体レセプタクルまたはストローの表面上に配置され得またはその表面内に一体化され得る。
【００１３】
第2の局面において、本発明は、流体試料中の目的の分析物を検出するための方法に関する。いくつかの態様において、該方法は、(a)比色センサーと流体試料を接触させるプロセス工程および(b)該センサーと流体試料を接触する際に、色変化が起こるかどうかを検出するプロセス工程を含む。色変化は、流体試料中に分析物が存在することを示す。いくつかの実施において、該センサーは、および目的の分析物を受容するように形作られる空洞を画定する複数の表面分子的に印をつけられたポリマーを含む。それぞれの表面は間隙を画定し、少なくとも1つの表面は流体流入口を画定する。いくつかの適用において、該センサーは、分析物が分子的に印をつけられたポリマーと接触して空洞内に配置される場合に、複数の表面の少なくとも1つの濡れ性が変化して、それによりセンサー中で検出可能な色変化が起こるように構成される。いくつかの実施において、該センサーは、空洞が分析物を受容する際に、間隙中に存在する流体の量が変化して、それにより該センサーの少なくとも一部の屈折率を変化するように構成される。
【００１４】
いくつかの変形において、以下の1つ以上が適用され得る：疎水性材料は複数の表面上にコーティングされ得；該センサーは複数の表面を含む中実構造を含み得；分子的に印をつけられたポリマーは、有機ポリマー、無機ポリマーまたはハイブリッドポリマーであり得；分子的に印をつけられたポリマーは、複数の表面の1つ以上にコーティングされ得；構造は、分子的に印をつけられたポリマーで形成され得；構造は、誘電性材料および/または金属性材料を含み得；および/または構造は、逆オパールフォトニック結晶または逆オパールフィルムを含み得る。さらに、いくつかの適用において、以下の1つ以上が適用され得る：それぞれの間隙は実質的に球状に形作られ得；それぞれの間隙は実質的に円筒形に形作られ得；複数の間隙の少なくともいくつかは相互連結され得；複数の間隙は互いに分離され得；複数の間隙は周期的分布を有し得；隣接する間隙は、1ナノメートル〜1000ナノメートルの距離だけ離れて間隔を開けられ得；および/または隣接する間隙は、可視光の波長範囲に相当する距離だけ離れて間隔を開けられ得る。
【００１５】
いくつかの態様において、該センサーはまた、それぞれの円筒形の間隙の底部に配置される金属およびそれぞれの円筒形の間隙の頂部の外側に配置される金属を含み得る。いくつかの変形において、該方法はさらに、表面増強ラマン散乱効果による分析物のラマンスペクトルを検出するための分光器を使用して、分析物が流体試料中に存在することを確認する工程を含む。
【００１６】
第3の局面において、本発明は、流体試料中の目的の分析物を検出し得る比色センサーを製造する方法に関する。いくつかの態様において、該方法は、(a)ポリマー材料(例えば、有機、無機またはハイブリッドポリマー材料)の液体前駆体と複数の目的の分析物を混合して、ポリマー材料の混合された液体前駆体を作製するプロセス工程；(b)ポリマー材料の混合された液体前駆体と複数の鋳型を一緒に集合させて、共アセンブリを作製するプロセス工程；(c)共アセンブリを固化するプロセス工程；(d)固化された共アセンブリから鋳型を除去して、固化された共アセンブリについての複数の表面を作製するプロセス工程(それぞれの表面は、固化された共アセンブリ内に間隙を画定する)；および(e)固化された共アセンブリから分析物を除去して、分析物が分子的に印をつけられたポリマーと接触して空洞内に配置される場合に、複数の表面の少なくとも1つの濡れ性が変化して、それによりセンサー内で検出可能な色変化が起こるように、複数の分析物を受容するように形作られた複数の空洞を画定する分子的に印をつけられたポリマーを作製するプロセス工程を含む。いくつかの変形において、該方法はさらに、複数の表面を疎水性材料でコーティングするプロセス工程を含む。いくつかの実施において、共アセンブリは、熱処理、光誘導固化、放射線誘導固化および/または化学反応誘導固化の1つ以上により固化される。
【００１７】
いくつかの変形において、以下の1つ以上が適用され得る：それぞれの鋳型は実質的に球状に形作られ得るかまたは実質的に円筒形に形作られ得；それぞれの間隙は実質的に球状に形作られ得るかまたは実質的に円筒形に形作られ得；間隙の少なくともいくつかは相互連結され得；間隙は互いに分離され得；共アセンブリの固化において、鋳型は周期的分布を有するように配置され得；隣接する鋳型は、1ナノメートル〜1000ナノメートルの距離だけ離れて間隔を開けられ得；および/または隣接する鋳型は、可視光の波長範囲に相当する距離だけ離れて間隔を開けられ得る。
【００１８】
いくつかの実施において、該方法はさらに、それぞれの円筒形の間隙の底部およびそれぞれの円筒形の間隙の頂部の外側に金属を配置する工程を含む。いくつかの適用において、該方法はさらに、流体レセプタクル(例えば、カップまたはガラス)またはストローの表面上にセンサーを配置するかまたは該表面内にセンサーを一体化する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
図面において、同様の参照記号は一般的に、異なる図面を通して同じ部分を言及する。明確化のために、全ての図において全ての構成成分が表示されないことがある。また、図面は必ずしも同じ縮尺ではなく、その代わりに本発明の原理の説明において、一般的に強調がなされ得る。以下の記載において、本発明の種々の態様は以下の図面を参照して記載される。
【図１−１】図1Aは、本発明のいくつかの態様による、中実構造内に配列される空隙/孔のアレイを有する比色センサーの上面斜視図を模式的に示す。図1Bは、本発明のいくつかの態様による、分子的に印をつけられたポリマー(MIP)材料が選択された空隙/孔の表面のいくつかの部分に形成された(例えばコーティングされた)図1Aの比色センサーの上面斜視図を模式的に示す。図1Cは、本発明のいくつかの態様による、目的の標的分析物を含まない流体の存在下での図1Bのセンサー中に形成されたMIPでコーティングされた空隙/孔の1つ中の充填されない流体状態の断面図を模式的に示す。図1Dは、本発明のいくつかの態様による、目的の標的分析物を含む流体およびMIPでコーティングされた表面のいくつかの部分を濡らすための流体の吸着の存在下での図1Bのセンサー中に形成されたMIPでコーティングされた空隙/孔の1つ中の充填された流体状態の断面図を模式的に示す。
【図１−２】図1Eは、本発明のいくつかの態様による、疎水性材料およびMIP材料の両方でそれぞれコーティングされた2つの空隙/孔の断面図を模式的に示す。図1Fは、本発明のいくつかの態様による、空隙/孔の断面図を模式的に示し、金属ナノ粒子でドーピングされている空隙/孔を画定する表面壁の詳細を含む。
【図２】図2は、本発明のいくつかの態様による、逆オパールフィルム比色センサーの一単位の断面図を模式的に示す。
【図３】図3Aは、本発明のいくつかの態様による、中実構造がMIP材料で形成され空隙/孔がMIP材料中に形成される、図1Aの比色センサーの上面斜視図を模式的に示す。図3Bは、本発明のいくつかの態様による、目的の標的分析物を含まない流体の存在下での図3Aのセンサー中に形成された空隙/孔の1つ内の充填されない流体状態の断面図を模式的に示す。図3Cは、本発明のいくつかの態様による、目的の標的分析物を含む流体およびMIP表面のいくつかの部分を濡らすための流体の吸着の存在下での図3Aのセンサー中に形成された空隙/孔の1つ内の充填された流体状態の断面図を模式的に示す。
【図４】図4は、本発明のいくつかの態様による、中実構造内に配列された円筒形または実質的に円筒形の間隙(例えばナノホール)のアレイを有する比色センサーの上面斜視図を模式的に示す。
【図５】図5は、本発明のいくつかの態様による、図1Bの比色センサーにおける選択された空隙/孔の表面のいくつかの部分上のコーティングとしての適用のためのMIP層を製造する第1の方法を模式的に示す。
【図６】図6は、本発明のいくつかの態様による、図1Bの比色センサーにおける選択された空隙/孔の表面のいくつかの部分上のコーティングとしての適用のためのMIP層を製造する第2の方法を模式的に示す。
【図７】図7は、本発明のいくつかの態様による、基板中に配列された複数の間隙(例えばナノホール)を有するプラスモン共鳴型比色センサーの上面斜視図を模式的に示す。
【図８】図8Aは、本発明のいくつかの態様による、基板中に配列された複数の間隙(例えばナノホール)を有するプラスモン共鳴型センサーの断面図を模式的に示す。図8Bは、本発明のいくつかの態様による、基板の表面のナノホールの周囲およびナノホールの底部に金属デポジットを有する基板中に配列された複数の間隙(例えばナノホール)を有するプラスモン共鳴型比色センサーの断面図を模式的に示す。
【図９】図9Aは、本発明のいくつかの態様による、基板の第1の領域中に配列された複数の間隙(例えばナノホール)の第1のサブピクセルアレイおよび基板の第2の領域中に配列された複数の間隙(例えばナノホール)の第2のサブピクセルアレイを有する双方向または並列の表面プラスモン共鳴型比色センサーの断面図を模式的に示す。図9Bは、本発明のいくつかの態様による、図9Aの双方向または並列の表面プラスモン共鳴型比色センサーの平面図を模式的に示す。図9Cは、本発明のいくつかの態様による、基板の表面のナノホールの頂部およびナノホールの底部の周囲に金属デポジットを有する図9Aの双方向または並列の表面プラスモン共鳴型比色センサーの断面図を模式的に示す。
【図１０】図10は、本発明のいくつかの態様による、構造色型比色センサーまたは表面プラスモン共鳴型比色センサーを製造するための例示的なフローチャートを示す。
【図１１−１】図11Aは、本発明のいくつかの態様による、プラスモン比色センサーを製造する方法における工程を模式的に示す。
【図１１−２】図11Bは、図11Aに示される比色センサーを製造するための例示的なフローチャートを示す。
【図１２】図12は、本発明のいくつかの態様による、流体試料中の目的の標的分析物を検出するための比色センサーと組み合わせた使用のための例示的な構造を模式的に示す。
【図１３】図13Aは、本発明のいくつかの態様による、金属が存在しないナノピラーのアレイの上面斜視図を模式的に示す。図13Bは、図13Aに示される金属が存在しないナノピラーのアレイの側面図を模式的に示す。図13Cは、本発明のいくつかの態様による、単一のプラスモンピクセルを模式的に示す。図13Dは、本発明のいくつかの態様による、図13Aおよび13Bに示されるが金属が存在するナノピラーのアレイの側面図を模式的に示す。
【図１４】図14Aおよび14Bは、本発明のいくつかの態様による、目的の分析物を含む流体を検出するために、図13Dに示される比色センサーをどのように操作するかを模式的に示す。
【図１５】図15は、図13Dに示される比色センサーを製造するための例示的なフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
詳細な説明
本発明の全体的な理解を提供するために、デバイス(例えば比色センサー)、該デバイスを作製する方法および流体試料中の目的の分析物の標的分子を検出する方法を含む特定の例示的な態様をここで記載する。しかしながら、本明細書に記載されるデバイスおよび方法は、処理されている適用のために適切に適合および改変され得、本明細書に記載されるデバイスおよび方法は、他の適切な適用において使用され得る。全てのかかる適合および改変は、本発明の範囲内にあるとみなされるべきである。
【００２１】
明細書を通じて、組成物およびセンサーなどのデバイスが特定の成分を有する、含む(including)または含む(comprising)と記載される場合、またはプロセスおよび方法が特定の工程を有する、含む(including)または含む(comprising)と記載される場合、追加的に、記載される成分から本質的になるかまたは記載される成分からなる本開示の組成物およびデバイスがあることならびに記載されるプロセス工程から本質的になるかまたは記載されるプロセス工程からなる本開示のプロセスおよび方法があることが企図される。
【００２２】
本願において、要素もしくは成分が記載される要素もしくは成分のリストに含まれるおよび/または該リストから選択されるといわれる場合、要素もしくは成分は、記載される要素もしくは成分のいずれか1つであり得るか、または要素もしくは成分は記載される要素もしくは成分の2つ以上からなる群より選択され得ることが理解されるべきである。
【００２３】
さらに、本明細書に記載されるデバイスまたは方法の要素および/または特徴は、本明細書において明示的であるか黙示的であるかのいずれにせよ、本開示の精神および範囲を逸脱することなく種々の方法で組み合され得ることが理解されるべきである。例えば、特定の特徴について参照がなされる場合、該特徴は、文脈からそうではないと理解されない限り、本開示のデバイスおよび/または本開示の方法の種々の態様で使用され得る。すなわち、本願の範囲内で、態様は、明確かつ簡潔な適用が記載および図示されるのを可能にする様式で記載され、示されるが、態様は、本教示および開示(1つまたは複数)から逸脱することなく、種々に組み合され得るかまたは分離され得ることが意図され理解される。例えば、本明細書に記載されかつ示される全ての特徴は、本明細書に記載されかつ示される開示(1つまたは複数)の全ての局面に適用可能であり得ることが理解される。
【００２４】
冠詞「a」および「an」は、文脈が不適切でない限り、該冠詞の文法上の目的語の1つまたは1つより多く(すなわち少なくとも1つ)を言及するために本開示において使用される。例として、「要素(an element)」は、1つの要素または1つより多くの要素を意味する。
【００２５】
用語「および/または」は、そうではないと示されない限り、「および」または「または」のいずれかを意味するように本開示において使用される。
【００２６】
文脈および用途からそうではないと理解されない限り、語句「の少なくとも1つ」は個々に、該語句の後に記載される物のそれぞれおよび記載される物の2つ以上の種々の組み合わせを含むことが理解されるべきである。3つ以上の記載される物に関しての語句「および/または」は、文脈からそうではないと理解されない限り、同じ意味を有することが理解されるべきである。
【００２７】
用語「含む(include)」、「含む(includes)」、「含む(including)」、「有する(have)」、「有する(has)」、「有する(having)」、「含む(contain)」、「含む(contains)」または「含む(containing)」の使用は、それらの文法上の同等物を含めて、そうではないと具体的に記されるかまたは文脈から理解されない限り、一般的に開放型であり非限定的であり、例えば記載されないさらなる要素または工程を排除しないと理解されるべきである。
【００２８】
用語「約」の使用が量的値の前にある場合、そうではないと具体的に記されない限り、本開示は特定の量的値自身も含む。本明細書で使用する場合、用語「約」は、そうではないと示されるかまたは推測されることがない限り、名目上の値から±10%の変動をいう。
【００２９】
ポリマーなどの組成物中の成分または材料の量に関してパーセンテージが提供される場合、そうではないと記されるかまたは文脈から理解されない限り、パーセンテージは、重量パーセンテージであることが理解されるべきである。
【００３０】
例えばポリマーの分子量が提供され絶対値ではない場合、そうではないと記されるかまたは文脈から理解されない限り、分子量は平均分子量であると理解されるべきである。
【００３１】
工程の順序または特定の行為を行う順序は、本開示が実施可能なままである限りは重要ではないことが理解されるべきである。さらに、2つ以上の工程または行為は、同時に行われてもよい。
【００３２】
本明細書の種々の場所において、特徴は群または範囲において開示される。該記載は、かかる群および範囲の構成メンバーのそれぞれおよび全ての個々の下位組み合わせ(subcombination)を含むことが具体的に意図される。例えば、0〜40の範囲の整数は、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39および40を個々に開示することが具体的に意図され、1〜20の範囲の整数は、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19および20を個々に開示することが具体的に意図される。
【００３３】
本明細書における任意および全ての例または例示的な用語、例えば「など(such as)」または「含む(including)」の使用は、単に本開示をよりよく説明することを意図し、特許請求されない限り本開示の範囲に対して限定を与えない。本明細書における用語は、任意の特許請求されない要素を、本開示の実施についての必須のものとして示すと解釈されるべきではない。
【００３４】
本開示の種々の局面は、明確化のために見出しおよび/またはセクション下で本明細書に記載されるが、1つの特定のセクションに記載される本開示の全ての局面、態様または特徴は、特定のセクションに限定されず、本開示の任意の局面、態様または特徴に適用され得ることが理解される。
【００３５】
構造色系比色センサー
特定の流体、例えば目的の標的分析物を含む流体の3次元(「3D」)構造の空隙/孔への流入および/または存在は、特定の流体の存在を実証または確認するために、診断デバイス、例えばフォトニック結晶および他の比色センサーにおいて使用され得る。実際に、およびより具体的に、とりわけ空隙/孔内の流体の存在のための構造の屈折率の差によって構造により反射される光の可視スペクトルにおいて検出可能な色変化は、構造の孔に捕捉された流体の性質を同定するために使用され得る。さらに、3D構造の空隙/孔の幾何学、および任意の内孔(interpore)開口の寸法を調節することにより、空隙/孔および内孔開口でのまたは空隙/孔および内孔開口の周囲での構造特性、例えば特定の流体に関連する表面張力の変化は、試料流体中の目的の標的分析物の存在を実証または確認するために使用され得る。
【００３６】
この検出可能で可視的な色の差または色の変化は、構造色と称され得、とりわけ3D構造の環境中の特定の流体の構造特性(例えば液体 対 気体表面張力、固体 対 気体表面張力および固体 対 液体表面張力)と3D構造の周期的表面粗度、間隙率および幾何学などとの関係によるコヒーレントな可視光波散乱により生じ得る。他の当業者はこの流体光散乱現象を濡れ性と称する。濡れ性は一般的に、流体と固相材料の相互作用に影響を及ぼす物理的性質として記載され得る。例えば、濡れ性は、特定の流体が、中実構造の表面に拡散する、接着する、吸着されるなどの傾向の測定を提供する。
【００３７】
実際に、共通の3D構造における空隙/孔に導入されるかまたはそれに近位である場合に、異なる構造特性、例えば表面張力値を有する異なる流体は、該構造内の空隙/孔の異なる濡れた表面または領域に捕捉、吸着などされ得ることが理解される。この現象を使用して、比色センサーは結果的に、空隙/孔における濡れた表面または領域における差を検出するように設計され得る。
【００３８】
比色センサーとしての使用のための例示的な3D多孔質フォトニックセル構造100を図1Aに示す。いくつかの適用において、該セル構造100は、複数の面を有する中実構造である基板110を含む。多孔質フォトニックセル100の基板110は、有機、無機もしくはハイブリッドの分子的に印をつけられたポリマー(「MIP」)材料(以下により詳細に記載される)、誘電性もしくは絶縁性材料(例えばシリカ、二酸化チタン、窒化ケイ素等)、MIP材料でコーティングされた誘電性材料、金属性材料(例えば金、銀、アルミニウム等)、MIP材料でコーティングされた金属性材料、または任意のそれらの組合せにより作製され得る。
【００３９】
図1Aに示されるように、基板110上に配列される空隙/孔105のそれぞれは一般的に、気体材料からなるかまたは本質的にからなるセル構造100の基板110内の開放または空の空間として記載される。一態様において、例えば弓形または回転楕円面状の表面は、それぞれの空隙/孔105を画定する。いくつかの態様において、空隙/孔のアレイは、基板の面の1つ以上内またはその上に、より具体的には試料流体に暴露される基板のこれらの面上に形成され得る。特定の図面に示される空隙/孔105は回転楕円面状または実質的に回転楕円面状の形状(図1A、1Bおよび3A参照)であり、空隙/孔を画定する回転楕円面状または実質的に回転楕円面状の表面を有するが、当業者は、空隙/孔は代替的に、円筒形(図4参照)、実質的に円筒形、長方形、台形、三角形、多角形などであり得ることを理解し得る。
【００４０】
本発明のいくつかの変形において、それぞれの空隙/孔は、他の空隙/孔から分離されるが、一方で他の変形において、選択された空隙/孔は相互連結され得る。隣接する空隙/孔の間の間隔は、約1ナノメートル(nm)〜約1000nmの範囲であり得る。代替的に、隣接する空隙/孔の間の間隔は、可視光の波長範囲に相当し得る。好ましくは、空隙/孔の列および行の間に周期的分布がある。
【００４１】
図1Aに示されるセル構造100は、逆オパールフォトニック結晶または逆オパールフィルム(「IOF」)であり得る。図2は、例えば対称IOF 200の例示的な別のユニットセル210bの模式的断面図を提供する。いくつかの実施において、ユニットセル210bは、上部ユニットセル210aと下部ユニットセル210cの間に配置される。上部内孔開口215aは、ユニットセル210bを上部ユニットセル210aから分離し、一方下部内孔開口215bは、ユニットセル210bを下部ユニットセル210cから分離する。
【００４２】
IOF 200におけるユニットセル210bの、内孔開口215aにおける流体の存在および流体圧に対する応答は、臨界ネック(critical neck)、または固有接触角(intrinsic contact, angle)(θc)および内孔開口215aにより範囲を定められた方位角に相当する内孔開口215aのネック角(neck angle) (φ0)の関係により決定され得る。固有接触角(θc)は流体およびIOF 200の構造特性(例えば相対表面張力)の関数であるのに対し、内孔開口215aのネック角(φ0)は空隙/孔の半径(R)と内孔開口の半径(r)の構造的関係の関数である。
【００４３】
固有接触角(θc)が内孔開口215aのネック角(φ0)より大きい限り、または
【数１】
2020524788.tif 000003
である限りは、流体はユニットセル210b内に浸透しない。
【００４４】
一方で、固有接触角(θc)が内孔開口215aのネック角(φ0)より小さくなるとすぐに、または
【数２】
2020524788.tif 000004
になるとすぐに、流体はユニットセル210bに浸透する。
【００４５】
固有接触角は以下の等式3の式を使用して計算され得、ネック角は以下の等式4の式を使用して計算され得る。
【数３】
2020524788.tif 000005
式中：γsaは、IOFの固体-気体表面張力をいい、γslは、IOFおよび流体の固体-液体表面張力をいい、γlaは、流体の液体-気体表面張力をいう。
【数４】
2020524788.tif 000006
式中：Rはユニットセル210bの孔の半径をいい、rは内孔開口215aのネック半径をいう。
【００４６】
等式3は、固有接触角が、IOF 200および流体の構造特性、より具体的にはIOF 200と流体の表面張力関係、すなわち固体-気体表面張力、固体-液体表面張力および液体-気体表面張力に依存することを説明する。等式4は、ネック角が、ユニットセル210bおよび内孔開口215aの寸法のみに依存することを説明する。したがって、ユニットセル210bおよび内孔開口215aの寸法が製造の際に接触したままであるように調節できる限り、流体がユニットセル210bに浸透するかどうかは、流体およびIOF 200の相対表面張力、より具体的には固体-気体表面張力、固体-液体表面張力および/または液体-気体表面張力に対する変化に依存する。これらの表面張力に対する変化は、例えば、以下でさらに記載されるような、目的の標的分析物(1つまたは複数)を含む特定の流体とMIP材料中の空洞の相互作用により生じ得る。計画的に、これらの表面張力に対する変化は、固有接触角(θc)と内孔開口215aのネック角(φ0)の関係に影響を及ぼす。要するに、該関係は、浸透を可能にする(θc < φ0の場合)か、または浸透を防ぐ(θc > φ0の場合)かのいずれかであり、流体が目的の標的分析物(1つまたは複数)に接触するかどうかに依存する。したがって、いくつかの態様において、目的の標的分析物(1つまたは複数)が流体に存在する、さらにMIP材料中の空洞に捕捉または吸着される場合に生じる固体-気体表面張力、固体-液体表面張力および/または液体-気体表面張力に対する変化は、固有接触角の低下に影響を及ぼし、浸透を可能にする(すなわちθc < φ0となる)。
【００４７】
そのため、空隙/孔のサイズおよび寸法は屈折特性に影響を及ぼし得るが、いくつかの態様において、目的の標的分析物(1つまたは複数)を含む特定の流体の構造的特性およびMIP材料中の1つの空洞またはいくつかの空洞が目的の標的分析物(1つまたは複数)を捕捉したかまたは吸着した際にMIP材料の構造的特性において生じる変化は最終的に、特定の流体が空隙/孔に浸透するかどうかに影響を及ぼし、構造色変化を生じる。一般的に、MIP材料中の空洞の平均密度は非常に高くあり得る(例えば1グラムのMIP材料当たり1010、1015または1020個の空洞まで)。MIP材料中の空洞の数、密度および整列(例えば分布またはパターン)においていくつかの変形もあり得る。
【００４８】
浸透は、特定の流体が空隙/孔を画定する内表面のいくつかの部分または領域を濡らすかどうかに影響し、識別可能な色変化は空隙/孔が濡れる度合いまたは程度により生じるので、濡れ性は、試料流体中の別個の目的の標的分析物(1つまたは複数)の存在(または非存在)を同定または確認するために使用され得る。要するに、いくつかの実施において、明確な色パターン、すなわち特有の比色応答は、目的の標的分析物(1つまたは複数)が流体中に存在する場合、さらに目的の標的分析物(1つまたは複数)がMIP材料中の空洞に捕捉および/または吸着される場合に空隙/孔に浸透する流体の能力のために異なる流体に起因し得る。そのため、当業者は、流体試料中の目的の標的分析物(1つまたは複数)の存在(または非存在)を検出、識別または確認するためにかかる比色センサーを使用し得る。当業者は、公知の流体中の目的の標的分析物の構造的特性、およびMIP材料が1つ以上の空洞中で標的分析物(1つまたは複数)を捕捉または吸着する際のMIP材料の構造的特性の変化に依存して、目的の標的分析物の存在が流体をユニットセル215bに浸透させる(θc < φ0)ようにIOFを設計し得ることを理解し得る。
【００４９】
図2を再度参照して、操作において、第1のIOF 200中の第1の流体205は、等式2が真になるまで(または同等に等式1が真ではなくなるまで)ユニットセル210b中に浸透しないかまたは下降しない。そのため、等式2が真ではない(または同等に等式1が真である)限り、IOF 200に関連する第1の濡れた領域は、例えば上部ユニットセル210aおよび内孔開口215a領域に制限される。これは充填されない状態と称され得る。濡れ性およびそのためのIOF 200により屈折される光は、等式2が真になる場合(または同等に等式1が真ではなくなる場合)に異なり、IOF 200内の流体205はユニットセル210bに浸透または下降する。流体205がユニットセル210bに浸透する場合、これは充填された状態、またはいくつかの例において実質的にまたは部分的に充填された状態と称され得る。部分的に充填された状態は、流体205がユニットセル210bに浸透可能である場合に存在し得るが、ユニットセル210bを完全に充填するには流体205は不十分である。充填されるかまたは部分的に充填される状態のいずれかにおいて、流体浸透は、充填されない状態に関連する場合よりも、IOF 200のより大きな領域または部分、例えば上部ユニットセル210a、ユニットセル210bおよび内孔開口215a領域を濡らす。この濡れ性の結果として、IOF 200により屈折される光は、以前の(充填されない)例とは異なる。そのため濡れ性の現象は、設計者が、流体試料中の目的の標的分析物(1つまたは複数)の存在を識別、実証または確認するために濡れ性に関連する構造色を使用する比色センサー100を設計することを可能にする。
【００５０】
いくつかの実施において、および図1Aを再度参照して、目的の標的分析物を含まない全ての流体が空隙/孔105への浸透を妨げられることを確実にするために、空隙/孔105のそれぞれを画定する表面壁は疎水性材料(例えばテフロン、シラン等)でコーティングされ得る。この疎水性材料は、第1の例において、目的の標的分析物を含まない全ての流体をはじき、それにより該流体が空隙/孔105に浸透することを防ぐ。
【００５１】
しかしながら、図1Bを参照して、基板110内の空隙/孔105の全てまたは選択された数を画定する表面壁は、有機、無機またはハイブリッドの分子的に印をつけられたポリマー(MIP)材料115の1つ以上の薄層でさらにコーティングされ得る。代替的に、コーティング115は、アプタマー材料もしくは配位化合物などの他の結合材料を含み得るかまたはそれらであり得る。コーティング115の厚さは、例えば1オングストローム(例えば分子単層の場合)から空隙/孔105の半径に達する厚さまでの範囲であり得る。
【００５２】
図1Eは、空隙/孔105を画定する表面壁が疎水性材料112およびMIP材料115でコーティングされた基板110の例示的な空隙/孔105を示す。以下に記載されるように、目的の標的分析物(1つまたは複数)を吸着する際に、MIPコーティング115は、コーティングが施された表面の濡れ性を、表面の初期疎水性を克服するのに十分高い程度にまで改変し、それにより目的の標的分析物(1つまたは複数)を含む流体の(例えば流体流入口117を介した)、MIP材料115でコーティングされた空隙/孔105への浸透が可能になる。非限定的な例において、図1Fに示されるように、基板110は、金属ナノ粒子でドーピングされ得るか、または金属で部分的にコーティングされ得るので、空隙/孔105を画定する表面壁の一部は空気に暴露された金属性表面130であり、該表面壁の他の部分は、疎水性層112およびMIP材料115で表面130、140をコーティング/官能基化する前に空気に暴露された非金属性(例えばシリカ、二酸化チタン、酸化ハフニウム等)表面140である。いくつかの態様において、その後のコーティングプロセスの間に、MIP材料115は金属性表面130にコーティングされ、一方疎水性層112は非金属性表面140にコーティングされる。
【００５３】
より詳細に、図1Cを参照して、目的の標的分析物(1つまたは複数)を含まない第1の流体125は、MIP層115でもコーティングされる空隙/孔105を含む疎水性材料でコーティングされる空隙/孔105のいずれかへの浸透が妨げられる。特に、第1の流体125は、目的の分析物を含まないので、MIP材料115中の空洞は、目的の分析物を何ら吸着せず、固体-気体表面張力、固体-液体表面張力、および液体-気体表面張力は、第1の流体125の浸透が可能になる(すなわちθc > φ0)ようにMIP材料がコーティングされる空隙/孔105を画定する表面の濡れ性を改変するのに必要な程度までは(あったとしても)変化しない。次いで、図1Bおよび1Cに示される例示的なセンサーについて、非浸透は、目的の標的分析物(1つまたは複数)が第1の流体125内に存在しないことを示す。
【００５４】
対照的に、図1Dに示されるように、目的の標的分析物(1つまたは複数)を含む第2の流体125'が同じ多孔質フォトニックセル100の近位に導入されるかまたは持ち込まれる場合、目的の標的分析物(1つまたは複数)は、固体MIPコーティング材料115内の1つ以上の空洞に捕捉され得るかまたは吸着され得る。有利なことに、空隙/孔105の表面壁にコーティングされるMIP材料115の空洞の1つ以上内の目的の標的分析物(1つまたは複数)の捕捉/吸着は、固体MIP材料の性質を変化させる。これらの変化はまた、固体MIP材料115の構造特性、例えば固体-気体表面張力および固体-液体表面張力を変化させる。結果的に、固体材料(すなわちMIP材料)に関連し、目的の標的分析物(1つまたは複数)を含む第2の流体125'のための液体-気体表面張力値の変化に結び付けられる表面張力値の変化は、正確に設計される適用において、固有接触角(θc)をネック角(φ0)未満にするので、第2の流体125'は空隙/孔105に浸透する。したがって、MIP層115による第2の流体125'内の目的の標的分析物(1つまたは複数)のこの捕捉または吸着の結果として、空隙/孔105のMIPコーティング表面壁の全てまたはいくつかの部分もしくは領域は、以前の例と比較して、濡れるかまたは濡れた外縁部を有する。有利なことに、この濡れ性の改変は、充填されない状態(図1C)から十分に充填されるかまたは実質的に十分に充填される状態(図1D)への充填状態の変化を誘導し、フォトニックセル100により表示される観察可能な構造色の変化を生じる(例えば空隙/孔105への流体125'の導入は、これらの空隙/孔105の局所的な屈折率を変化させ、構造色の変化をもたらす)。
【００５５】
第2の態様において、図3Aに示されるように、基板110中に形成され1つ以上のMIP層を有する空隙/孔105の表面壁をコーティングする代わりに、比色センサー100の基板110の中実構造は、完全にまたは実質的にMIP材料で作製される。さらに、以前のように、空隙/孔105のそれぞれを画定する表面壁は、疎水性材料(例えばテフロン、シラン等)でコーティングされ得る。したがって、図1Bの場合と同様に、目的の標的分析物(1つまたは複数)を含まない第1の流体125(図3B)は、疎水性材料によりはじかれ、空隙/孔105のいずれかへの浸透が妨げられ、そのために該空隙/孔は充填されない状態のままである。
【００５６】
対照的に、図3Cに示されるように、目的の標的分析物(1つまたは複数)を含む第2の流体125'が同じ多孔質フォトニックセル100の近位に導入されるかまたは持ち込まれる場合、目的の標的分析物(1つまたは複数)は、MIP材料内の空洞の1つ以上に捕捉または吸着され得る(例えば選択される疎水性材料は目的の標的分析物(1つまたは複数)がMIP材料までそこを通過することが可能にするように十分に多孔質であり充分に薄い)。有利なことに、MIP材料の空洞の1つ以上における目的の標的分析物(1つまたは複数)の捕捉/吸着は、空隙/孔105の表面壁でMIP材料の性質を変化させる。この変化はまた、MIP材料の構造的特性、例えば固体-気体表面張力および固体-液体表面張力を変化させる。結果的に、固体材料(すなわちMIP材料)に関連し、目的の標的分析物(1つまたは複数)を含む第2の流体125'のための液体-気体表面張力値における変化に結び付けられる表面張力値の変化は、正確に設計された適用において、固有接触角(θc)をネック角(φ0)よりも小さくし、そのために第2の流体125'は空隙/孔105に浸透する。したがって、MIP材料による第2の流体125'中の目的の標的分析物(1つまたは複数)のこの捕捉または吸着の結果として、空隙/孔105の表面壁の全てまたはいくつかの部分もしくは領域は、以前の例と比較して、濡れるかまたは濡れた外縁部を有する。有利なことに、この濡れ性の改変は、充填されない状態(図3B)から十分に充填されるかまたは実質的に十分に充填される状態(図3C)への充填状態の変化を誘導し、フォトニックセル100により示される観察可能な構造色の変化をもたらす(例えば流体125'の空隙/孔105への導入は、これらの空隙/孔105の局所的な屈折率を変化させ、構造色の変化をもたらす)。
【００５７】
図4を参照して、さらに別の態様において、比色センサー100'は、基板155内に円筒形または実質的に円筒形の空隙(例えばナノホール)150のアレイを画定する複数の表面を含み得る。比色センサー100'の基板155は、有機、無機もしくはハイブリッドのMIP材料、誘電性もしくは絶縁性もしくは半導体の材料(例えばシリカ、二酸化チタン、窒化ケイ素、ケイ素等)、MIP材料でコーティングされた誘電性材料、金属性材料(例えば金、銀、アルミニウム等)、MIP材料でコーティングされた金属性材料またはそれらの任意の組合せで作製され得る。
【００５８】
図4における円筒形または実質的に円筒形のナノホール150は基板155の1つの面、例えば頂部面160から第2の面、例えば底部面165に伸長するように見えるが、これは例示目的のみのためになされる。代替的な態様において、円筒形または実質的に円筒形のナノホール150の第1のアレイは頂部面160に形成され得、円筒形または実質的に円筒形のナノホール150の第2のアレイは基板155の底部面165に形成され得、基板155のいくつかの部分は、頂部面160に形成される円筒形または実質的に円筒形のナノホール150のそれぞれの底部を底部面165に形成される円筒形または実質的に円筒形のナノホール150のそれぞれの底部から分離する。さらに別の変形において、円筒形または実質的に円筒形のナノホール150は、基板155の他の面または代わりに頂部面160および底部面165を含む面上に形成され得る。
【００５９】
上記の等式は回転楕円面状の空隙/孔に関する適用のために誘導されたが、当業者は、濡れ性の現象はまた、円筒形または実質的に円筒形のナノホールを含む非回転楕円面状の空隙に関して使用され得ることを理解し得る。実際に、異なる表面張力特性を有する流体は、円筒形または実質的に円筒形のナノホール内により大きいかまたはより小さい濡れた表面もしくは領域を生じるように、共通の開口に浸透するかまたは浸透しない。前述のように、(流体の浸透による)ナノホール(1つまたは複数)内の濡れた表面の量の変化は、検出可能な構造色の変化を生じる。
【００６０】
いくつかの実施において、基板内の円筒形または実質的に円筒形のナノホールのそれぞれを画定する表面壁は、疎水性材料でコーティングされ得、基板内の円筒形または実質的に円筒形のナノホールの全てまたは選択された数を画定する表面壁はまた、図1Bの場合と同様に、MIP材料(またはアプタマー材料もしくは配位化合物などの他の結合材料)の1つ以上の薄層でコーティングされ得る。代替的に、基板内に形成され1つ以上のMIP材料(またはアプタマー材料もしくは配位化合物などの他の結合材料)を有する円筒形または実質的に円筒形のナノホールの表面壁をコーティングする代わりに、基板は、完全にまたは実質的にMIP材料で作製され得、円筒形または実質的に円筒形のナノホールのそれぞれを画定する表面壁は、図3Aの場合と同様に、疎水性材料によりコーティングされ得る。いずれかの場合において、図4に示される比色センサー100'は前述のように機能する。特に、流体が目的の分析物を含まない場合、MIP空洞は目的の分析物を何ら吸着せず、固体-気体表面張力、固体-液体表面張力および液体-気体表面張力の値は、円筒形または実質的に円筒形のナノホールを画定する表面の濡れ性を改変するのに必要な程度(あったとしてもわずか)までは変化せず、そのためにナノホールへの流体の浸透が可能になる。一方で、流体が目的の分析物を含む場合、MIP空洞は目的の分析物を吸着し、固体-気体表面張力、固体-液体表面張力および液体-気体表面張力の値は、流体のナノホールへの浸透を可能にするのに必要な程度まで変化する。次いで、充填されない状態から部分的または完全に充填される状態への生じる変化により、比色センサー100'により示される観察可能な構造色の変化がもたらされる(例えば流体のナノホールへの導入は、これらのナノホールの局所的な屈折率を変化させ、構造色の変化をもたらす)。
【００６１】
構造色系比色センサーを製造する方法
本明細書に記載される多孔質フォトニックセル型比色センサーは種々の様式で製造され得る。例えば図1Bに示される比色センサーは、疎水性コーティングまたは層およびMIPコーティングまたは層を、当該技術分野で周知の構造である既存の逆オパールフォトニック結晶または逆オパールフィルムに適用することにより製造され得る。
【００６２】
疎水性コーティングは、種々の様式で空隙/孔のそれぞれを画定する表面壁に適用され得る。例えば、疎水性コーティングがシラン分子を含む場合、疎水性コーティングは気相蒸着により適用され得る。さらなる例として、疎水性コーティングが誘電性材料(例えば二酸化チタン、二酸化ケイ素、酸化ハフニウム等)を含む場合、疎水性コーティングは原子層蒸着(ALD)、プラズマ化学蒸着(PECVD)または物理蒸着(PVD)により適用され得る。さらに別の例として、疎水性コーティングが金属性材料(例えば金、銀、アルミニウム、銅等)を含む場合、疎水性コーティングは電子ビーム蒸着法により適用され得る。
【００６３】
MIP層を製造するためにいくつかのアプローチがある。いくつかの態様において、MIPコーティングまたはMIP層のためのMIP材料は、モノマー、架橋剤、開始剤および/またはポロゲンまたはそれらの組合せなどの混合物の重合、例えば熱および/または光化学開始により製造され得る。混合物のための構成成分の選択は、MIP材料の種類および最終用途に依存する。典型的なモノマーとしては、限定ではなく例示のために、カルボン酸(例えばアクリル酸、メタクリル酸、ビニル安息香酸およびトリフルオロメチルアクリル酸(TFMAA))、スルホン酸(例えば2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸)、ヘテロ芳香族塩基(例えばビニルピリジンおよびビニルイミダゾール)、アクリルアミド、2-ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)等が挙げられる。典型的な架橋剤としては、限定ではなく例示のために、エチレングリコールジメタクリレート(EGDMA)、トリメチロールプロパントリメタクリレート(TRIM)、ジビニルベンゼン(DVB)、ペンタエリスリトールトリアクリレート(PETRA)等が挙げられる。典型的な開始剤としては、限定ではなく例示のために、過酸化アセチル、過酸化ラウロイル、過酸化デカノイル、過酸化カプリリル、過酸化ベンゾイル、三級ブチルペルオキシピバレート、過炭酸ナトリウム、三級ブチルペルオクトエート、アゾビス-イソブチロニトリル(AIBN)等が挙げられる。典型的なポロゲンとしては、限定ではなく例示のために、メタノール、アセトニトリル、トルエン、鉱物油およびそれらの組合せが挙げられる。
【００６４】
いくつかの態様において、MIP層またはコーティングは、空隙/孔の全てまたは選択された数を画定する表面壁に対するコーティングとして適用され得る。種々の態様において、可溶性で処理可能なMIP層は、図5に示されるように生じる。一般的に、可溶性で処理可能なMIP層は、架橋可能なアームを有するポリマー、例えば架橋可能なアームを有する星形のポリマー、または架橋可能なアームを有するデンドリマーで作製される。架橋可能なアームは、1つ以上のビニル基または重合反応で開始され得るおよび/または重合反応に関与し得る他の適切な官能基を含み得る。図5において、MIPを作製するために分子的に印をつけるプロセスについての例示的な標的分析物としてケタミンが使用されるが、他の標的分析物も使用され得る。より詳細に、可溶性で処理可能なMIP層は、RAFT(可逆的付加開裂連鎖移動)もしくはATRP(原子移動ラジカル重合)などの制御されたフリーラジカル重合法を使用して、または末端官能基化ポリマー鎖をマルチ官能性中心コアに移植することにより合成された架橋可能な星形ポリマーから作製され得る。重合は、官能性モノマーを、架橋を形成するために使用され得る鎖(例えば4-ブチレンスチレン、2-(アリルオキシ)エチルアクリレートおよびN-(ヘキサ-5-エニル)アクリルアミド)に組み込み得る。目的の標的分析物の存在下で星形ポリマーを架橋することにより、標的分析物の周囲に選択的レセプター結合部位が形成され得る。架橋は触媒により達成され得る(例えばオレフィン末端側鎖のクロスメタセシス)。末端官能基は、MIPポリマーまたはコーティングまたは層を、多孔質フォトニックセル型比色センサー表面に結合させ得る。非限定的な例として、チオール基は金属表面への結合を容易にし、シラン化試薬により官能基化されたポリマーはガラスに結合し得る。MIP層は、例えば共有結合、非共有結合力、イオン結合、ファンデルワールス力、静電力、水素結合、Pi-Pi積層相互作用等を使用してフォトニックセル表面に結合され得る。
【００６５】
ある態様において、可溶性で処理可能なMIPコーティング層は、アプタマーのコーティングまたは分析物分子に特異的に結合する配位化合物などの他の結合材料に置き換えられ得る。アプタマーは、特定の標的分子に結合するオリゴヌクレオチド分子であり、それらは分子的に印をつけられたポリマーと同様のプロセスで作製され得る。例えば、所望のオリゴヌクレオチド配列を決定するための印づけおよびSELEX(指数関数的増幅によるリガンドの系統的発展(systematic evolution of ligands by exponential enrichment))プロセスを介して、アプタマーを形成するために、ケタミンが分析物鋳型として使用され得る。末端官能基は、アプタマーのコーティングを多孔質フォトニックセル型比色センサー表面に結合させるように修飾され得る。
【００６６】
いくつかの態様において、MIP層は、フォトニックセルの内表面または表面壁上でその場で作製、成長または接ぎ木(grafted)され得る。例示的な接ぎ木プロセスを図6に示す。非限定的な例として、例えば逆オパールフォトニック結晶またはフィルムのケイ素表面をビニル基で官能基化するためにシラン化プロセスが使用され、(右側の図6の上列から下列の構造に示されるように)「接ぎ木」アプローチを介してマクロモノマーが成長され得る。次いで、標的分析物分子は、例えば本明細書に記載される可溶性で処理可能なMIPアプローチを使用してMIP薄層中のその場で印をつけられ得、ここでMIP薄層は、逆オパールフォトニック結晶またはフィルムのシリカの表面上にあり得、および/または該表面に結合され得る。その後、(図6の左側下列の構造に示されるように)標的分析物分子が除去されてMIP薄層が形成され得る。
【００６７】
その部分について、(基板110および空隙/孔105を含む)図3Aに示される比色センサー100は、例えば適切な反応条件下で、有機、無機またはハイブリッドポリマー材料であり得るポリマー材料の均一な液体前駆体から合成され得る。基板がシリカであるかまたはシリカを含む非限定的な例として、基板は、適切な条件下で、そのゾル-ゲル前駆体である三級オルトシリケート(TEOS)で形成され得る。基板が二酸化チタンであるかまたは二酸化チタンを含む別の非限定的な例として、基板は、適切な条件下で、その前駆体テトライソ-プロピルオルトチタネート(すなわちTi(OC3H7)4または「TIPT」)および/または四塩化チタン(すなわちTiCl4)で形成され得る。
【００６８】
より詳細に、図3Aの比色センサーを製造する方法によると、適切な有機、無機またはハイブリッド(例えばTEOS、(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン(APTES)または適切なシラン分子)ポリマー材料は、例えば標的分析物分子の認識のための空洞を作製するために、分子的に印をつけるために鋳型として働く目的の標的分析物と均一に混合され得る。いくつかの態様において、この混合された有機、無機またはハイブリッドポリマー材料の液体前駆体は、空隙/孔を作製するための一次的な(fugitive)材料であり得るポロゲン(例えばナノスフィア、マイクロスフィア等)と混合され得およびポロゲンを含み得る。空隙/孔の形状は球形であり得るかまたはポロゲンの形状であればいずれでもよい。混合された液体前駆体はまた、ゾル-ゲルプロセスを介して金属ナノ粒子(例えば金、銀および/または白金ナノ粒子)を含み得る。次いで、混合された液体前駆体は、適度な温度(例えば室温〜300℃の温度)下などの適切な反応条件下で固化されて、周期的な位置(例えば隣接するポロゲンが、1ナノメートル〜1000ナノメートルの間隔または可視光の波長範囲に対応する間隔で離されるように)でポロゲンを閉じ込め得る。固化方法としては、限定されないが、熱処理、光誘導固化、放射線誘導固化および化学反応誘導固化が挙げられ得る。いくつかの態様において、空洞鋳型として働く目的の標的分析物分子は、次いでMIPの分子的に印をつけられた空洞を形成するように除去される。分析物分子鋳型は、例えばSoxhlet抽出処理、超音波処理、適切な溶媒(例えばメタノール/酢酸または他の溶媒およびそれらの組合せ)を用いた洗浄処理を使用して除去され得る。球状または他の形状の空隙/孔を形成するポロゲン、例えばコロイド状ポロゲン(例えば球状ラテックスナノ粒子)は、熱処理(例えば500℃より高い焼結)を使用してまたは適切な溶媒もしくは溶媒系を使用する溶解により除去され得る。前記のように、得られた球状もしくは他の形状の空隙/孔の少なくともいくつかは相互連結され得るか、または代替的に得られた球状もしくは他の形状の空隙/孔は互いに分離され得る。さらに、記載されるように、空隙/孔を形成するために使用されるポロゲンは、球以外の形状(例えば円筒形または別の形状)を有し得るので、得られた空隙/孔は球以外の形状(例えば図4に示されるような円筒形または使用されるポロゲンの形状と同様の別の形状)を有する。
【００６９】
本明細書に記載されるように、例えばMIPであり得る基板110を合成した後、疎水性コーティングは、種々の様式で空隙/孔のそれぞれを画定する表面壁に適用され得る。例えば疎水性コーティングがシラン分子を含む場合、該疎水性コーティングは、気相蒸着を介して適用され得る。さらなる例として、疎水性コーティングが誘電性材料(例えば二酸化チタン、二酸化ケイ素、酸化ハフニウム等)を含む場合、該疎水性コーティングは原子層蒸着(ALD)、プラズマ化学蒸着(PECVD)または物理蒸着(PVD)を介して適用され得る。さらに別の例として、疎水性コーティングが金属性材料(例えば金、銀、アルミニウム、銅等)を含む場合、該疎水性コーティングは電子ビーム蒸着法を介して適用され得る。
【００７０】
プラスモン共鳴系比色センサー
表面プラスモン共鳴(「SPR」)は、一般的に、電磁場、例えば電磁表面波が非常に強い場所で入射光が金属表面に当たる際に起こる現象である。有利なことに、共鳴のスペクトル特性、例えば別個の波長を有する反射光波から生じるプラスモン散乱プロフィールは、特に金属ナノ粒子表面およびより具体的にナノ粒子の表面上に位置する電子、すなわち表面プラスモンが入射光により励起された後に、局所的な環境を特徴づけるために使用され得る。例えば、金属ナノ粒子表面の近位またはその間に当たり、特定の波長を有する入射光は、表面プラスモンを励起させ、表面プラスモンをまとめて振動させる。この振動は、有意に高められた電磁場を生成する。金属ナノ粒子の表面に接着するかまたは結合する標的分析物分子の追加的な存在は、局所的な誘電性環境を改変し、さらにプラスモン散乱プロフィールの変化を誘導し、有利なことに流体試料中の標的分析物分子の存在を検出および/または確認するために使用され得る高められた巨視的な色変化をもたらし得る。
【００７１】
プラスモン比色センサーの構造および設計において、散乱、反射または透過した色は、例えば一時的にまたは少なくとも部分的に、連結距離だけ離れた2つの金属表面間の局在化されたプラスモン共鳴により決定される。Mie理論によると、金属表面のサイズおよび形状はプラスモン共鳴に影響を及ぼす。隣接する金属表面の間の周期性もプラスモン共鳴に影響を及ぼす。例えば、金属表面が互いにより近くなると、2つの金属表面の相互作用双極子の間の結合がより大きくなる。相互作用双極子の結合がより大きくなると、プラスモン共鳴波長の増加がより大きくなる。対照的に、金属表面の互いの間隔がより大きくなると、相互作用双極子の間の結合はより弱くなり、プラスモン共鳴波長の低下が生じる。
【００７２】
いくつかの態様において、本明細書に記載されるプラスモン比色センサーは、基板内の空隙(例えばナノホール)の周期的アレイを画定する。かかるセンサーについて、ナノホールは、2つの金属表面間の結合間隔を提供するために使用され得る。円筒形または実質的に円筒形のナノホール805のアレイを有するプラスモン共鳴比色センサー800の第1の態様を図7、8Aおよび8Bに示す。
【００７３】
いくつかの態様において、ナノホール805のアレイを基板810内に形成する。ナノホール805の深さは、例えば基板810の上表面815およびそれぞれのナノホール805の底部820上に形成され得る2つの金属表面825、830の間の結合間隔を提供するために使用され得る。金属表面825、830は、例えば白金、金、銀、アルミニウム、銅、タングステンおよびそれらの組合せから作製され得、比較的薄くあり得る(例えばそれぞれの表面825、830は0.1nm〜数百ナノメートルの厚さであり得る)。図示の簡易化のために、金属表面825、830は図8Bのみに示すが、実施において、金属表面825、830は、図7、8Aおよび8Bに示されるデバイスのそれぞれに存在する。具体化されるセンサー800の並んだナノホール805および金属表面825、830は、基板810中に複数の金属-絶縁体-金属(MIM)アンテナ構造835を提供する。
【００７４】
金属表面は入射光を集めかつ集中させるための垂直限界を提供する。金属表面825のみが存在する場合、例えば光学散乱強度は非常に低く、散乱した色を観察することが困難になる。しかしながら金属表面825と金属表面830を合わせることにより、上部および下部の構成成分の間のプラスモン結合は典型的に、散乱強度および色相を増加させるかまたは高める。有利なことに、金属表面の間のプラスモン結合は、見る角度に依存することなく、振動色をもたらし得る。
【００７５】
限定ではなく例示のために、プラスモン比色センサー内のナノホールは、それぞれのナノホールが同じまたは実質的に同じサイズ、例えば寸法(高さおよび幅)および形状(例えば円筒形または実質的に円筒形)を有するように、かつ隣接するナノホールの間隔が周期的であるように、例えばパターン化されたグリッド内で基板中に形成され得る。当業者は、ナノホールの数および配列、ならびにそれぞれのナノホールのサイズ、形状等、ならびに隣接するナノホールの間の周期性を、プラスモン比色センサーの設計および目的に供し得ることを理解し得る。
【００７６】
図7は円筒形または実質的に円筒形のナノホール805を示すが、これは限定ではなく例示のためになされる。実際に、円筒形であることに加えて、ナノホールは直方体または他の形状であり得る。ナノホールについての典型的な深さは、約1(1)nm〜約1(1)mm、または約5nm〜約1000nm、または約10nm〜約500nmの範囲であり得る。円筒形のナノホールの典型的な直径は、約10nm〜約5000nm、または約15nm〜約750nm、または約20nm〜約500nmの範囲であり得る。隣接するナノホールの間の典型的な間隔は、約1nm〜約5000nm、または約1nm〜約1000nm、または約20nm〜約500nmの範囲であり得る。いくつかの実施において、隣接する(adjacent)または隣接する(neighboring)ナノホールは、可視光または赤外光の波長範囲に対応する間隔で離れ得る。
【００７７】
種々の態様において、基板は、有機、無機もしくはハイブリッドMIP材料、ナノホールを画定する複数の表面がMIPもしくはアプタマー材料もしくは配位化合物などの他の結合材料でコーティングされる誘電性もしくは絶縁性材料(例えばシリカ、二酸化チタン、窒化ケイ素等)、またはナノホールを画定する複数の表面がMIPもしくはアプタマー材料もしくは配位化合物などの他の結合材料でコーティングされる金属性材料(例えば金、銀、アルミニウム等)で製造され得る。好ましくは、MIP材料は、別個の標的分析物分子を結合および捕捉ためおよび/または吸着するための空洞を画定する。一般的に、MIP材料内の空洞の平均密度は非常に高くあり得る(例えばMIP材料の1グラム当たり1010、1015または1020個までの空洞)。
【００７８】
プラスモン比色センサーは、標的分析物分子(1つまたは複数)の存在下で特定の波長の入射光に充てられた場合に、可視スペクトル内の観察可能な色の変化を生じるように構成され得る。実際に、本明細書に記載されるように、特定の波長の入射光がMIMアンテナ構造に当たる場合、プラスモン比色センサーにより散乱される光は、観察可能な色変化を生じ、標的分析物分子(1つまたは複数)の存在の証拠を提供する。
【００７９】
いくつかの適用において、MIP材料、層および/またはコーティングは、一般的に、モノマー、架橋剤、開始剤および/またはポロゲンまたはそれらの組合せ等の混合物の重合により、例えば熱および/または光化学開始により製造され得る。典型的なモノマーとしては、限定ではなく例示のために、カルボン酸(例えばアクリル酸、メタクリル酸、ビニル安息香酸およびトリフルオロメチルアクリル酸(TFMAA))、スルホン酸(例えば2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸)、ヘテロ芳香族塩基(例えばビニルピリジンおよびビニルイミダゾール)、アクリルアミド、2-ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)等が挙げられる。典型的な架橋剤としては、限定ではなく例示のために、エチレングリコールジメタクリレート(EGDMA)、トリメチロールプロパントリメタクリレート(TRIM)、ジビニルベンゼン(DVB)、ペンタエリスリトールトリアクリレート(PETRA)等が挙げられる。典型的な開始剤としては、限定ではなく例示のために、過酸化アセチル、過酸化ラウロイル、過酸化デカノイル、過酸化カプリリル、過酸化ベンゾイル、三級ブチルペルオキシピバレート、過炭酸ナトリウム、三級ブチルペルオクトエート、アゾビス-イソブチロニトリル(AIBN)等が挙げられる。典型的なポロゲンとしては、限定ではなく例示のために、メタノール、アセトニトリル、トルエン、鉱物油およびそれらの組合せが挙げられる。
【００８０】
いくつかの実施において、基板(例えば全体がMIPで作製される場合)またはそのコーティング(例えばナノホールを画定する基板の表面がMIPでコーティングされる場合)は、例えばMIP材料から鋳型分子を除去することにより作製される空洞を画定する。いくつかの変形において、空洞は、別個の標的分析物分子を受容するような形状である。空洞は、MIPから分析物鋳型を除去することによりMIP中に形成され得る。この方法で形成されたMIPは、図5において示される4つの工程が続いて(非限定的な例として)合成される可溶性で処理可能なMIPを含み得る。MIPは他の形態の重合を使用して作製し得るのでこれは単なる例示であることに注意。MIP材料は、対する接ぎ木(graft-to)またはからの接ぎ木(graft-from)の方法を介して金属表面領域に結合され得る。
【００８１】
再度図7、8Aおよび8Bを参照して、基板810中のナノホール805のそれぞれを画定する表面壁は、(例えば金属表面825、830が蒸着された後)疎水性材料でコーティングされ得る。かかる様式において、流体が目的の分析物を含まない場合、MIP空洞は目的の分析物を何ら吸着せず、流体は疎水性材料によりはじかれ、流体がナノホール805のいずれかに浸透することが妨げられ、そのためにナノホールは充填されない状態のままである。一方で、流体が目的の分析物を含む場合、MIP空洞は、目的の分析物を吸着し、固体-気体表面張力、固体-液体表面張力および液体-気体表面張力の値は、ナノホール805への流体の浸透を可能にするのに必要な程度まで変化する(すなわちナノホール805を画定する表面壁の濡れ性は変化する)。
【００８２】
したがって、標的分析物分子がMIP空洞に吸着または結合する場合、図7、8Aおよび8Bのプラスモン共鳴系比色センサー800において観察可能な色変化を生じるようにいくつかの変化が起こる。第1に、局所的な環境における有効な屈折率が、流体のナノホール805への浸透のためおよびMIP材料中の標的分析物分子の存在のために変化する。多くの場合において、有効な屈折率におけるこの変化は、金属表面825、830の間の双極子相互作用に影響を及ぼす。この双極子相互作用は、散乱してハイブリダイズしたプラスモン共鳴、すなわち色を決定する。第2に、分析物の空洞への吸着は、基板810またはそのコーティングのMIP材料が膨潤し(すなわち高さが増加する)、次いで金属表面825、830の間の結合間隔を改変、すなわち増加し得る。2つの金属表面の間の結合間隔の増加は、金属表面の相互作用双極子の間の結合を低下させ、それによりプラスモン共鳴波長を低下させる。次いで、低減されたプラスモン共鳴波長は、比色センサーにおいて観察可能な色変化をもたらす。
【００８３】
したがって、標的分析物分子の結合は、可視光スペクトル内で、例えば青から赤へと観察可能な色変化をもたらし得る。有利なことに、分析物が結合する前の最初の色は、ナノホールのサイズおよび形状を変化させること、ならびにセンサー上のナノホールの周期性を変化させることにより調整され得、最適化され得る。
【００８４】
プラスモン共鳴比色センサーの例示的な態様が、単一の基板上に形成されたナノホールが同じまたは実質的に同じサイズ、形状、周期性などを共有する例について示され、記載されるが、当業者は、本発明のいくつかの適用において、ナノホールの群の1つの特性またはパラメーターの1つ以上がナノホールの群の別の特性またはパラメーターと意図的に異なり、同じ基板上の種々のナノホールの群により発せられる色において異なる変化を生じるように、ナノホールの1つ以上の群が基板上に形成され得ることを理解し得る。実際に、顕微鏡(例えばピクセルおよびサブピクセル(sub-pixel))レベルでは、設計および構造特性の第1の組を有する第1のナノホール群は、操作条件の第1の組の下で第1の色を発するように基板の第1の部分に形成または配置され得、一方で操作条件の同じ第1の組の下で、設計および構造特性の第2の組を有し、基板の第2の部分に形成または配置される第2のナノホールの群は、第1の色とは異なる第2の色を発する。操作条件の第2の組の下、第1および第2のナノ構造群により発せられた個々の顕微鏡的な色は、アレイの巨視的レベルでより顕著またはより明確になる色変化を生じ得る。
【００８５】
例えば、図9A〜9Cを参照すると、例示的なサブ波長(sub-wavelength)、ナノ構造で構築された、標的分析物分子(1つまたは複数)の存在を検出するためのプラスモン共鳴型比色センサー900が示される。いくつかの変形において、プラスモン共鳴型比色センサー900は、複数のサブピクセル905、910を含むように設計および配列され得る。例えば、いくつかの実施において、プラスモン共鳴型比色センサー900は、複数の金属-絶縁体-金属(MIM)ナノホール920a、920bが形成され得る基板915を含み得る。限定ではなく例示のために、図9A〜9Cに示される例示的なプラスモン共鳴型比色センサー900は、例えば第1のサブピクセル905において第1の群のMIMナノホール920aおよび例えば第2のサブピクセル910において第2の群のMIMナノホール920bを含む。
【００８６】
例示されるように、いくつかの態様において、第1のサブピクセル905のナノホール920aは、第2のサブピクセル910のナノホール920bよりも広く(または厚く)あり得、より大きいかまたはより長い周期性を有して配列され得る。第1のサブピクセル905のナノホール920aと第2のサブピクセル910のナノホール920bの間の直径および周期性の違いにより、それぞれのサブピクセル905、910が異なる波長およびそのために異なる色を有する光を反射または散乱するようになる。
【００８７】
限定ではなく例示のために、第1のサブピクセル905は、2x2のグリッド内に並べられる4つのナノホール920aを含み、第2のサブピクセル910も、2x2グリッド内に並べられる4つのナノホール920bを含む。第1のサブピクセル905と第2のサブピクセル910のいずれかまたは両方は、より小さいまたはより大きいグリッド内に並べられるより少ないまたはより多いナノホールを含み得る。いくつかの変形において、それぞれのナノホール920a、920bは、ナノメートルサイズ、すなわちサブ波長であり得る。それぞれのナノホール920a、920bは、基板915の頂部表面の金属表面930とナノホール920a、920bの底部の金属表面935の間に伸長し得る。実施において、金属表面930、935は図9A、9Bおよび9Cに示されるデバイスのそれぞれに存在するが、例示を容易にするために、金属表面930、935は図9Cのみに示される。それぞれの金属表面930、935は、例えば白金、金、銀、アルミニウム、銅、タングステンまたはそれらの組合せであり得る。ナノホール920a、920bにより分離されるこれらの金属表面930、935は、入射光を集めて集中させるための垂直限界を提供および/または画定する。有利なことに、プラスモンサブピクセル905、910は、標的分析物分子の存在下で特定の波長の入射光により照らされた場合に、標的分析物の存在の証拠を提供するための観察可能な色変化を生じるように構成され得る。
【００８８】
前述のように、基板915は、有機、無機もしくはハイブリッドのMIP材料、ナノホールを画定する複数の表面がMIPもしくはアプタマー材料もしくは配位化合物などの他の結合材料でコーティングされる誘電性もしくは絶縁性の材料(例えばシリカ、二酸化チタン、窒化ケイ素等)、またはナノホールを画定する複数の表面がMIPもしくはアプタマー材料もしくは配位化合物などの他の結合材料でコーティングされる金属性材料(例えば金、銀、アルミニウム等)で製造され得る。さらに、基板915内のナノホールのそれぞれを画定する表面壁は、疎水性材料でコーティングされ得る。かかる様式において、流体が目的の分析物を含まない場合、MIP空洞は目的の分析物を何ら吸着せず、流体は疎水性材料によりはじかれ、流体がナノホールのいずれかに浸透することが妨げられ、そのためにナノホールは充填されない状態のままである。一方で、流体が目的の分析物を含む場合、MIP空洞は目的の分析物を吸着し、固体-気体表面張力、固体-液体表面張力および液体-気体表面張力の値は、流体のナノホールへの浸透を可能にするのに必要な程度にまで変化する(すなわちナノホールを画定する表面壁の濡れ性は変化する)。
【００８９】
操作においておよび設計により、それぞれのサブピクセル905、910は、第1の組の操作条件下(例えばその中に目的の標的分析物を有さない流体の存在下)で、組み合わせて所望の色の光を生じる特定の色の散乱光を発するように構築され得、配列され得る。例えば、第1の組の操作条件下、サブピクセル905はマゼンタ色の光を発し得、サブピクセル910は黄色の光を発し得、該光は一緒に混合された場合、赤色の光を生じる。しかしながら、第2の組の条件下(例えばその中に目的の標的分析物を有する流体の存在下)では、それぞれのサブピクセル905、910は、プラスモン共鳴系比色センサー900において、組み合わせて所望の色の変化(例えば赤から青)を提供する特定の色の散乱光を発するように構築され得、配列され得る。
【００９０】
さらに別の態様において、およびここで図13A〜13Dを参照して、比色ナノセンサーデバイス1300は、単一のプラスモンカラーピクセル1301のアレイを含み得る。それぞれの単一のプラスモンカラーピクセル1301は、誘電性ナノピラー1302の頂部に配置された金属製の直方体型ナノブロック1303を含み得る。それぞれのナノピラー1302は、穴の開いた金属製のバックリフレクタ1305の開口に配置され得る。非限定的な例として、センサー1300は、誘電性ナノピラー1302のアレイの頂部に金属を沈着させることにより作製され得る。隣接するナノピラー1302の間のギャップは、1(1)nmから1(1)mmまで調整され得、これらの狭いギャップは、深い相互連結したナノ流体の溝1310を検知チャンネルとして形成し得る。それぞれのプラスモンカラーピクセル1301は、疎水性コーティング、およびMIPもしくはアプタマーコーティングもしくは配位化合物などの他の結合材料のコーティングを含み得る。図14Aおよび14Bは、目的の分析物を含む流体を検出するためにセンサー1300をどのように操作するかを説明する。図14Aを参照して、センサー表面は疎水性であるので、目的の分析物を含まない流体1401は、溝1310を貫通できない(すなわちCassie-Baxter濡れモードが観察され得る)。対照的に、図14Bを参照して、目的の分析物を含む流体1401'は、センサー表面の濡れ性を、分析物のセンサー表面への結合により変化させる。このように、溝1310への完全な流体貫通または部分的な貫通が誘導される(すなわちWenzel濡れモードが観察され得る)。結果的に、色変化および/またはスペクトル変化(反射スペクトル、散乱スペクトルまたは透過スペクトル)が観察され得る。
【００９１】
さらなる試験
プラスモン共鳴系比色センサーの場合、センサーを、当該分野における使用に向かないさらなる試験に供することにより、目的の標的分析物分子の存在のさらなる実証が可能である。より具体的に、表面増強ラマン散乱(SERS)は、個別の分子、例えば標的分析物分子を検出するための化学的および/または生物学的検知に使用される分光法である。分子の振動スペクトルを検出し得る分光計を使用するラマン散乱は、それぞれの標的分析物の任意の分子が、例えばレーザー光発生デバイスによる発光の際に、高い精度で標的分析物分子の存在を同定または確認するためにまとめて使用され得る別個の特異的(ラマン)ピークを示す特有のラマン散乱スペクトルを有するという概念に基づく。一般的に、ラマン信号は極端に弱く、検出することが非常に困難である。しかしながら、ラマン信号は、プラスモンアレイから発生される強い局所的電磁場により大きく増強され得る。そのため、低い濃度の分析物で感受性の検出が可能になる。
【００９２】
合わされた誘電性構造色およびプラスモン共鳴用途のためのセンサー
上述の比色センサーは、誘電性構造色または金属性プラスモン共鳴用途のいずれかについて記載されている。しかしながら、当業者は、二種類のセンサーはまた、1つの基板が誘電性構造色に関連する比色応答を提供する1つの部分、および金属ナノ構造から生じる表面プラスモン共鳴に関連する比色応答を提供するもう1つの部分を含むように、1つの基板上で組み合され得ることを理解し得る。
【００９３】
また、種々の態様において、本明細書に記載されるMIPは、本明細書に記載されるセンサーの1つが複数の異なる分析物の存在を検出し得るように、複数の異なる分析物のための複数の空洞を画定し得る。代替的に、ある態様において、本明細書に記載されるセンサーは、1つの分析物のみの存在を検出するように構成され得るが、かかるセンサーの複数のものは、一緒になって該センサーが複数の異なる分析物の存在を検出し得るように、直列で使用され得る。
【００９４】
プラスモン共鳴系比色センサーを製造する方法
再度図8Aおよび8Bならびに図10に示されるフローチャートを参照すると、表面プラスモン共鳴型比色センサーを作製する1つの例示的な方法が示される。工程1において、所望の寸法および容積を有する基板810が提供される。次いで、工程2において、複数のナノホール805が基板810に形成される。設計パラメーターとしては、限定されないが、ナノホール805のサイズ(例えば直径)および深さ、ナノホール805の間の周期性などが挙げられる。
【００９５】
いくつかの適用において、ナノホールは、材料を基板からエッチングまたはそうでなければ除去することにより、上から下への様式で基板中に形成され得る。エッチングの例示的な方法としては、限定ではなく例示のために、電気化学エッチング、湿式エッチング、乾式エッチングおよびレーザー誘導エッチングが挙げられる。
【００９６】
例えば、湿式または乾式エッチングプロセスを含み得る反応性イオンエッチングを使用して、基板中にナノホールを形成し得る。1つの方法によると、基板の表面(1つまたは複数)にパターンマスクが適用され得る。該マスクは正または負であり得る。正のマスクは典型的に、エッチングプロセス後に残る基板のこれらの部分を保護し、一方で負のマスクは、マスクされた基板の部分を除去するために使用される。一旦マスクが基板に適用されると、基板のマスクされた表面(1つまたは複数)が、例えば真空チャンバー中で反応性イオンの衝撃(bombardment)に暴露され得る。イオン衝撃は、基板から材料を除去してナノホールを形成する。
【００９７】
別の非限定的な例として、レーザー誘導エッチングプロセスにおいて高エネルギーレーザーを使用して、基板中の材料をエッチングして除去することにより、基板中に精密なナノホールを形成し得る。
【００９８】
図10を再度参照して、工程2はまた、ナノホールのそれぞれを画定する表面壁に疎水性コーティングを適用することおよび(基板がMIP自体ではない場合には)ナノホールの全てまたは選択された数を画定する表面壁に、コーティングとしてMIP層を適用することを含む。疎水性コーティングとMIPコーティングの両方は、構造色系比色センサーの製造方法を記載するセクションにおいて先に説明されるように、適用可能な表面に適用され得る。さらに先に説明されるように、ある態様において、MIPコーティングは、アプタマーまたは分析物分子に特異的に結合する配位化合物などの他の結合材料のコーティングに置き換えられ得る。
【００９９】
次いで、図10の工程3において、金属(例えば白金、金、銀、アルミニウム、銅、タングステン、それらの組合せ等)の薄層(例えば約0.1nm〜数百ナノメートル)が、基板の頂部表面およびそれぞれのナノホールの底面上に(例えば金属蒸着、化学蒸着(CVD)、スパッタリング、三次元ナノプリンティング、プラスモン増強化学蒸着(PECVD)、物理蒸着(PVD)、無電解めっき等により)適用され得る。基板の頂部表面への蒸着により、基板の頂上およびナノホールのアレイの周に連続金属フィルムが形成され得る。代替法において、それぞれのナノホールの開口と同心円または実質的に同心円にある環状の金属ナノディスクは、ナノホール開口の周囲で基板の頂部表面に形成され得る。過剰なMIPまたはアプタマー材料または配位化合物などの他の結合材料は、金属表面のコーティングとして適用され得る。
【０１００】
ここで図11Aを参照して、エッチングプロセスの代替法として、別の例示的な製造法において、型1100を使用して表面プラスモン共鳴型比色センサーが製造され得る。型1100は、例えばシリコーンまたはケイ素(Si)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、UV硬化性樹脂等のいくつかの他の適切な型材料で作製され得る。いくつかの実施において、型1100は、その底部分1115、その間に開口1110を有する中実部分1105を含むように構築および配列される。中実部分1105は、基板1120中にナノホール1125の所望のアレイの陰画または鏡像を提供するように構築および配列される。当業者に理解されるように、図11Aは、中実部分1105が型1100の底部分1115に形成され、底部分が基板1120の頂部表面に押し付けられる方法を示すが、代わりに中実部分1105は、型1100の頂部分に形成されて、上部分が基板1120に押し付けられてもよい。
【０１０１】
中実部分1105は、基板1120中で、それぞれが所望のサイズ、形状、深さ、周期性などを有するナノホール1125の得られるアレイを提供するように構成され得る。それぞれの中実部分1105の形状およびサイズは互いに同じであり得るかまたは実質的に同じであり得るが、当業者は、代わりに中実部分1105は、異なるサイズ、形状および深さならびに異なる周期性を有するナノホールを提供するように、互いに異なるようなサイズおよび形状になり得ることを認識し、理解する。例えば、図9A〜9Cに示される比色センサーを参照して、中実部分1105は、より広く(すなわちより厚く)、より低密度の間隔の開いたナノホール920aを有する第1のサブピクセル905およびより薄く、より高密度の間隔の開いたナノホール920bを有する第2のサブピクセル910を作成するように均一でない寸法および異なる周期性を有し得る。
【０１０２】
例示的な方法により、図11Bも参照すると、基板1120および型1100を提供した後(工程1)、型(the mold the mold)1100の中実部部分1105の表面は、ナノホール1125の得られるアレイからの型1100の除去を容易にするために、非常に薄い層の放出剤、例えばフルオロカーボン、フルオロシラン、ポリベンゾキサジン、それらの組合せ等でコーティングされ得る(工程2)。放出剤の非常に薄い層またはコーティングは、自己集合単層(self-assembled monolayer)(SAM)または約1(1)オングストローム未満〜約10nmの厚さを有する多層であり得る。次いで基板1120は、型1100で印をつけられる(工程3)。
【０１０３】
基板1120におけるナノホール1125の印づけに続いて、および基板1120の製造に使用される材料に依存して、印をつけられた基板1120は光(例えば紫外(UV)光を使用して)または熱誘導重合を介して硬化され得る(工程4)。
【０１０４】
次の工程において、金属(例えば白金、金、銀、アルミニウム、銅、タングステン、それらの組合せ等)の薄層(例えば約0.1nm〜数百ナノメートル)が、基板1120の頂部表面、およびそれぞれのナノホール1125の底面上に(例えば金属蒸着、化学蒸着(CVD)、スパッタリング、三次元ナノプリンティング、プラズマ増強化学蒸着(PECVD)、物理蒸着(PVD)、無電解めっきなどにより)適用され得る(工程5)。基板1120の頂部表面の蒸着により、基板1120の頂上でナノホール1125のアレイの周囲に連続金属フィルムが形成され得る。代替法において、それぞれのナノホール1125の開口と同心円または実質的に同心円の環状の金属ナノディスクがそれぞれのナノホール1125の開口の周囲で基板1120の頂部表面に形成され得る。
【０１０５】
前述のように、次いで、ナノホール1125のそれぞれを画定する表面壁に疎水性コーティングが適用され得、(基板1120がMIP自体でない場合には)ナノホール1125の全てまたは選択された数を画定する表面壁に対するコーティングとしてMIP層が適用され得る。疎水性コーティングとMIPコーティングの両方は、構造色系比色センサーの製造方法を記載するセクションにおいて先に説明されるように、適用可能な表面に適用され得る。別の例として、ナノホール1125がMIP材料でコーティングされる誘電性材料中に形成される場合(すなわち基板1120がMIP自体ではない場合)、シリカの薄い(例えば0.1nm〜100nmの厚さ)接着層が、ナノホール1125の表面壁に(例えば原子相蒸着(ALD)、化学蒸着(CVD)、物理蒸着(PVD)、電子ビーム蒸着またはスパッタリングにより)適用され得る(工程6)。その後、可溶性で処理可能なMIPは、薄い(例えば0.1nm〜100nmの厚さ)コーティングとしてシリカ表面に(例えばスピンコーティングまたはディップコーティングにより)適用され得る(工程7)。ある態様において、MIPコーティングは、アプタマーまたは分析物分子に特異的に結合する配位化合物などの他の結合材料のコーティングに置き換えられ得る。
【０１０６】
ここで図15に示されるフローチャートを参照すると、図13D、14Aおよび14Bに示される表面プラスモン共鳴型比色センサーを製造する1つの例示的な方法が示される。基板を提供し(工程1)、フォトレジスト層を適用した(工程2)後、所定の幾何学を有するナノパターンが作製され得、電子ビームリトグラフィー(EBL)およびエッチング処理によりフォトレジスト層に移され得る(工程3および4)。フォトレジスト層の一部をエッチングするか基板をエッチングした後にナノピラー1302が形成され得る。次の工程において、金属(例えば白金、金、銀、アルミニウム、銅、タングステン、それらの組合せ等)の薄層(例えば約0.1nm〜数百ナノメートル)が、ナノピラー1302の頂部表面およびそれぞれのナノ流動性の溝1310の底面に(例えば金属蒸着、化学蒸着(CVD)、スパッタリング、三次元ナノプリンティング、プラズマ増強化学蒸着(PECVD)、物理蒸着(PVD)、無電解めっきなどにより)適用され得る(工程5)。次いで、疎水性コーティングがナノピラー1302の壁に適用され得る(工程6)。MIP層は、金属表面1303から接ぎ木され得るかまたは金属表面1303に接ぎ木され得るかのいずれかである(工程7)。代替的に、アプタマーまたは配位化合物などの他の結合材料の層が金属表面1303に結合され得る(工程7)。
【０１０７】
本発明の実施は、以下の実施例からより十分に理解され、該実施例は、例示目的のみのために本明細書に示され、いかなる方法においても本発明の限定として解釈されるべきではない。
【実施例】
【０１０８】
実施例
種々の態様において、例えば図12を参照すると、本明細書に記載されるセンサーまたはセンサーアレイのいずれかは、操作可能に基板700の表面上に配置され得るかまたはその中に一体化され得る。その通常または通例の用途において、基板700、その表面および該表面上に配置またはその中に一体化されるセンサーまたはセンサーアレイは、目的の標的分析物分子が存在し得るかまたは存在し得ない液体705に暴露される。限定ではなく例示のために、例示的な基板700としては、ストロー710、マドラーまたはスターラー715、流体レセプタクル720(例えばカップ、グラス等)などが挙げられる。
【０１０９】
第1の工程において、質問される流体試料、例えば飲料を、センサーまたはセンサーアレイに接触させる。例えばこれは、飲料を、センサーまたはセンサーアレイが一体化された流体レセプタクルに注ぐこと；センサーまたはセンサーアレイが一体化されたストロー、スターラーまたはマドラーを飲料に挿入することなどにより起こり得る。いくつかの適用において、飲料との最初の接触後のセンサーまたはセンサーアレイの視覚的指標は、中性または「安全な」読み取りを提供し得、例えばセンサーまたはセンサーアレイは、青色光を発し得る。目的の分析物を飲料に導入する場合、センサーまたはセンサーアレイの色変化、例えば青色から赤色は、分析物が流体試料中に存在することを示す。したがって、第2の工程において、センサーまたはセンサーアレイは、飲料と接触した場合に色変化を生じる。有利なことに、センサーまたはセンサーアレイは、目的の分析物が飲料中に存在するかどうかを数時間検出し続けるために単一のセンサーまたはセンサーアレイを使用し得るように、延長された時間に目的の分析物の存在を検出し得る。
【０１１０】
参照による援用
本明細書に引用される特許文献および科学文献のそれぞれの全開示は、全ての目的でそれらの全体において本明細書において参照により援用される。
【０１１１】
均等物
本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態において具体化され得る。そのため、前述の態様は、全ての局面において本明細書に記載される発明の限定ではなく例示とみなされる。したがって、本発明の範囲は、前述の記載ではなく添付の特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲の均等物の意味および範囲内にある全ての変更が本発明に含まれることが意図される。
【図１−１】
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【図１−２】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１−１】
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【図１１−２】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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