ボトムアッププロセスで構築したプラズモニックメタ表面による生体分子計測當麻 真奈
東京工業大学 工学院 電気電子系〒226-8501 神奈川県横浜市緑区長津田町 4259

Biomolecular measurements using plasmonic meta-surfaces
fabricated by a bottom-up process
Mana Toma

Tokyo Institute of Technology, School of Engineering,4259 Nagatsuta-cho, Midori-ku, Yokohama, 226-8501, Japan
概要
本研究では、ボトムアッププロセスで作製可能なプラズモニックメタ表面を、疾病や健康状態に関わる生体分子を簡易かつ高感度に検出するバイオセンサーに応用することを目的とした。ポリスチレンナノ粒子膜に金属薄膜を蒸着した金属ナノドーム構造が、鮮やかなプラズモニック色を示すことを明らかにし、比色型のプラズモニックバイオセ
ンサーによって、簡易な光学系で生体分子計測が可能であることを示した。
学素子や回転機構などを含む測定装置が金属表面の自由電子が光の電磁波によ使用されており、その小型化・簡略化が課って共鳴振動を起こす表面プラズモン共題となっていた。そこで、近年注目を集め鳴（SPR）現象は、金属表面近傍の屈折率ているのが、プラズモニックメタ表面と変化を高感度に計測可能な表面分光法呼ばれる金属ナノ構造配列である。プラ（SPR 分光法）として利用されている。
ズモニックメタ表面は、プラズモニック
プラズモン共鳴を起こす金属表面を特定特性を持つ波長以下の大きさの金属ナノの生体・化学物質と親和性を持つ抗体な構造を配列したもので、金属光沢に代表どの生体分子で機能化し、基板表面に捕されるようなバルク状態の金属の光学特捉された生体・化学物質の検出を行うの性とは全く異なる性質を示す。これまでがプラズモニックバイオセンサーである。 に、プラズモニックメタ表面をセンサー
プラズモニックバイオセンサーは簡便か基板として用いることで、小型化した装つ高感度に様々な生体・化学物質の検出置で高感度な医療診断マーカー検出の可が可能な化学センサーとして、医療診断、 能性が報告されている。3 本研究では、センチメートル四方の面積に作製が可能で、食品検査、環境スクリーニングなどへの1, 2かつ作製のコストが低いボトムアッププ応用が期待されている。
このように応用面でのプラズモニックロセスを用いてプラズモニックメタ表面
バイオセンサーの重要性が高まる一方、を作製し、バイオセンサーへ応用するこ
従来の SPR 分光法ではプリズムなどの光とを目的とした。

背景1

図 1 (a) 本研究で用いた金属ナノドーム構造の作製方法の概要。銀ナノドーム構造の（ｂ）
写真と（ｃ）走査型電子顕微鏡像。

ンコート法を用いることで、数センチメートル角の面積に、比較的均一な金属ナ
本研究ではボトムアッププロセスで作ノドーム構造を作製することに成功した。
製可能なプラズモニックメタ表面として、 また、SEM 観察から、金属ナノドーム構ポリスチレンのナノ粒子膜上に金属薄膜
造は 2 次元の六方晶系で配列しているこを製膜した、金属ナノドーム構造を用いとが分かった。また、図１(b)の写真からた。図１（a）に金属ナノドーム構造の作も明らかなように、銀ナノドーム構造は、製方法を示す。まず、直径 200～500 nm
いわゆる銀色ではなく金色に発色した。の粒径のポリスチレンナノ粒子（PS 粒子） これは、銀ナノドーム構造のプラズモン分散液をエタノール、微量の界面活性剤特性によるプラズモニック色であり、微と混合し、洗浄したガラス基板上にスピ細構造によって銀本来の金属反射とは異ンコート法で塗布した。溶媒の蒸発に伴なる光学特性を示す、プラズモニックメ
う自己集合プロセスによって PS 粒子がタ表面であると考えられる。
配列し、この PS 粒子膜上に金属薄膜を 50２．２金属ナノドーム構造のnm を蒸着することで、金属ナノドーム構プラズモニック色造を作製した。金属種としては銀を使用
図１（b）に示した通り、銀ナノドームした。直径 250 nm の PS 粒子を用いて作構造はプラズモニック色を示した。そこ製した銀ナノドーム構造の写真と走査型で、PS 粒子の粒径および配列状態による電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を図１（ｂ）およプラズモニック色の調整を試みた。4, 5 図
び（c）に示す。ＰＳ粒子膜の作製にスピ2．結果
2.1 金属ナノドーム構造の作製

2

２に銀ナノドーム構造の作製に用いる PS
粒子の粒径を 200、250、300 nm と変化させた際の銀ナノドー
ム構造の反射スペクトルと反射像を示す。
ここで、銀ナノドーム構造表面は水と接している。PS 粒子の粒径が大きくなるにつれて、プラズモン共鳴に起因する反射スペクトル中のディップ波長（λdip）が長波長シ
図 2 水と接触している銀ナノドーム構造表面からの反フトしていくことが射スペクトルと反射像。銀ナノドーム構造は粒径 200,わかる。それに伴い、250 および 350 nm の PS 粒子を用いて作製した。
銀ナノドーム構造の発色も黄色、紫、青緑色と大きく変化する様子が観察された。
続いて、PS 粒子の配列状態によるプラズモニック色の調整の可能性についての検証を行った。PS 粒子のスピンコート溶液の濃度を変えることで、PS 粒子の表面被覆率を変化させた。図３に、PS 粒子膜の被覆率を、低被覆率、高い被覆率ならびに多層膜にしたときの銀ナノドーム構造の SEM 像と反射像を示す。スピンコート
する PS 粒子溶液を希釈し、被覆率を低下させると、PS 粒子は 2 次元のクラスターを形成した。それによって、銀ナノドームの反射強度が低下し、基板の表面は暗い紫色に発色した。PS 粒子溶液の濃度を調整し、被覆率が高くなると、反射率が高くなった。ここから更に PS 粒子溶液の濃度を濃くすると、PS 粒子は多層膜を形成し、所々で図１(c)のような四方昌の配列構造が観察された。それに伴い、銀ナノドーム構造の発色も、高被覆率の時の薄黄色から、山吹色へと変化することが分かった。

図 3 銀ナノドーム構造の SEM 像と反射像。スピンコートの条件を変えることで、PS粒子膜の被覆状態を（a）低被覆率、（b）高被覆率、(c)多層と変化させた。
3

２．３比色型プラズモニック
センサーへの応用が同時に実施可能な光学系を使用した。
モデルイムノアッセイの結果を図４に示す。図４(a)および(b)はアッセイの各段階で測定した反射スペクトルと反射画像である。センサー基板表面を PBS バッファと接触させると、反射スペクトル中のλdip が大きく長波長シフトするとともに、センサー基板の色も山吹色から紫色に変化した。捕捉抗体と BSA の結合によるλdip の変化の様子は、λdip のキネティ
クス計測によって観察した。図４(c)に示すキネティクス計測では、cIgG 溶液の注入直後にλdip が変化しており、ｃIgGがセンサー基板表面に結合していることが確かめられた。また、モデルの標的分子であるウサギ IgG の注入時にも、λdipの長波長シフトが観察された。図４(b)に示す画像から、ウサギ IgG の結合を目最後にボトムアップ法で作製した銀ナノドーム構造を用いた生体分子計測法として、比色型のプラズモニックセンサーへの応用を行った。4 ここでは、粒径 250nm の PS 粒子で作製した銀ナノドーム構造に、酸化防止膜として金薄膜を蒸着したバイメタル構造をセンサー基板として使用した。また、検出の対象としては、モデル物質としてウサギ IgG の検出を行った。
センサー基板表面は、ポリドーパミン薄膜による化学修飾を行った後に、抗ウサギ IgG を捕捉抗体（cIgG）として固定化し、ウシ血清アルブミン（BSA）によるブロッキングを行った。測定には、分光計測とセンサー基板表面のカラー画像取得

図 4 ウサギ IgG を検出するモデルイムノアッセイの各段階における(a)反射スペクトルと（b）反射像。センサー基板への(c)捕捉抗体(cIgG)と BSA の固定化、(d)ウサギ IgG 溶液注入時のキネティクス測定結果。
4

視で確認することは困難であるが、センサースポットの画像領域の RGB 値を平均化し、色相角度を指標とすると、色の変化からウサギ IgG を定量に検出できることが確かめられた。ウサギ IgG の濃度を変えて、校正曲線を作成し、モデルイ
ムノアッセイの検出限界濃度を評価した
結果、信号増強剤を使用しない直接検出で、サブ nM レベルのウサギ IgG を検出できることが明らかとなった。4［参考文献および発表論文］(1) Homola, J. Surface plasmon resonancesensors

fordetection

ofchemicalandbiological species. Chem. Rev. 2008, 108 (2),462-493. DOI: 10.1021/cr068107d.
(2) Piliarik, M.; Párová, L.; Homola, J. Highthroughput SPR sensor for food safety.

Biosens. Bioelectron. 2009, 24 (5), 1399-1404.

3．まとめ
本研究では、ボトムアッププロセ
スで作製可能なプラズモニックメタ
表面を利用した生体分子計測法として、金属ナノドーム構造のプラズモ
ニック色を用いた比色型のプラズモニックバイオセンサーを提案した。
プラズモニックメタ表面からの発色をセンサー信号として用いることにより、バイオセンサーの測定系の小型化・簡略化が可能となることが期待される。

DOI: 10.1016/j.bios.2008.08.012.
(3) Belushkin, A.; Yesilkoy, F.; GonzálezLópez, J. J.; Ruiz-Rodríguez, J. C.; Ferrer, R.;
Fàbrega, A.; Altug, H. Rapid and Digital
Detectionof

Inflammatory

Biomarkers

Enabled by a Novel Portable NanoplasmonicImager. Small 2020, 16 (3), 1906108. DOI:
10.1002/smll.201906108.
(4) Toma, M.; Itakura, Y.; Namihara, S.;
Kajikawa,K.

SensitiveLabel-Free

Immunoassay

byColorimetricPlasmonic

Biosensors Using Silver Nanodome Arrays.

［謝辞］

Adv. Eng. Mater. 2023, 25 (3). DOI:

本研究は、高柳健次郎財団の助成により行われました。多大なご支援を賜りましたこと、厚くお礼申し上げます。

10.1002/adem.202200912.
(5) Mana Toma, Y. I., Kotaro Kajikawa. EffectofArrangementof

Ag

Nanodomes

onPerformance of Plasmonic Sensor. Sens.

Mater. 2021, 33, 201-209.

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