化学センシング装置及び化学センシング方法
【課題】センサ表面に所定面密度で固定した捕捉分子との結合を介して、固定化される検出対象を検出する際、該検出対象の固定化率が「単分子レベル」であっても、高い確度・精度で検出が可能な、化学センシング装置、方法の提供。
【解決手段】 金属薄膜に設ける微小な開口、または、金属微粒子の表面における表面プラズモン共鳴を利用する化学センシング装置において、微小な開口、または金属微粒子の表面に捕捉体物質を設け、該捕捉体物質を利用して、標的物質を捕捉する。その際、微小な開口、または金属微粒子と同程度のサイズである標識物質を、標的物質に対して結合させた状態とする。その結果、標的物質の捕捉に伴って生じる、表面プラズモン共鳴に起因する透過光または散乱光のスペクトル変化量が増加する。
【解決手段】 金属薄膜に設ける微小な開口、または、金属微粒子の表面における表面プラズモン共鳴を利用する化学センシング装置において、微小な開口、または金属微粒子の表面に捕捉体物質を設け、該捕捉体物質を利用して、標的物質を捕捉する。その際、微小な開口、または金属微粒子と同程度のサイズである標識物質を、標的物質に対して結合させた状態とする。その結果、標的物質の捕捉に伴って生じる、表面プラズモン共鳴に起因する透過光または散乱光のスペクトル変化量が増加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学センサに関する。特には、医療や健康診断、食品の検査に用いられる、生体物質の検出を目的とする表面プラズモン共鳴バイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療における診断や食物の検査等において、種々の生理物質、生体物質を検出するバイオセンサの利用が進んでいる。特に、サンプル中に含まれる僅かな量の生理物質、生体物質の検出が可能である種々のバイオセンサが開発されている。また、小型で高速センシングが可能であり、同時に、低コストなバイオセンサの開発が求められている。
【０００３】
また、抗原・抗体反応を利用した抗原分子の検出、受容体タンパク質に対するリガンド分子の結合を利用するリガンド分子の検出に利用されるバイオセンサの開発も進められている。これら検出対象の生理物質、生体物質を特異的に捕捉する捕捉体物質と、検出対象とを複合体形成させて検出するバイオセンサにおいても、小型化、高速センシング、低コスト化が求められている。その際、小型化を図るとともに、形成された複合体量を精度よく、かつ短時間で測定する目的では、表面プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたバイオセンサが有望視されている。この表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサ、例えば、Ｋｒｅｔｃｈｍａｎｎ型構成のＳＰＲバイオセンサでは、光の入射角が全反射条件を満たす配置とされている、プリズム表面に設けた金属薄膜を利用する。すなわち、この全反射型配置のプリズム表面に設けた金属薄膜の表面に生成されている表面プラズモンと、入射される光とのカップリングに起因する表面プラズモン共鳴吸収（散乱）を利用する。この金属薄膜の表面に物質が吸着すると、表面プラズモン共鳴吸収（散乱）を引き起こす光のピーク波長（表面プラズモン共鳴波長）がシフトする。その際、金属薄膜の表面に吸着されている物質量が増加すれば、この表面プラズモン共鳴波長のシフト量が増大するという現象を利用して、金属薄膜の表面に吸着されている物質量を測定している。
【０００４】
一方、高感度なセンシングを目的として、特許文献１では、金属薄膜に形成した微小開口を用いた局在表面プラズモン共鳴センサが提案されている。該局在表面プラズモン共鳴センサでは、基板上の金属薄膜に形成した微小開口に光を照射し、微小開口を透過した光の透過率を測定することにより、微小開口近傍の媒質の変化を検出する構成を採用している。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１３２３９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ｋｒｅｔｃｈｍａｎｎ型構成の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサにおいては、見掛けの表面プラズモン共鳴波長のシフト量増大は、該金属薄膜の表面に吸着されている物質量の増加に依存する。一方、試料中に含有される検出対象物質の濃度が低い場合、該金属薄膜の表面に吸着される検出対象物質の面密度も低くなる。その結果、見掛けの表面プラズモン共鳴波長のシフト量に依存する、検出光量変化も少なくなり、検出対象物質の濃度を高い精度で検出することが困難となっている。
【０００６】
また、上記の局在表面プラズモン共鳴センサも、局在表面プラズモン共鳴吸収（散乱）を引き起こす光の波長のシフトを利用している。この局在表面プラズモン共鳴吸収（散乱）は、金属薄膜に形成された微小開口部の表面、特には、微小開口部側壁に存在する局在表面プラズモンに由来するものである。試料中に含有される検出対象物質の濃度が低い場合、該微小開口部表面の固定されている捕捉体物質分子との分子間結合を介して、該微小開口部表面に固定化される検出対象物質の面密度も低くなる。その結果、見掛けの局在表面プラズモン共鳴波長のシフト量に依存する、透過光量変化も少なくなり、検出対象物質の濃度を高い精度で検出する上での障害要因となっている。
【０００７】
一方、早期の病状段階での医療診断に利用する場合には、検体試料中に存在する極微量のタンパク質を検出することが必要となる。また、食品の検査に応用する場合には、細菌数が非常に少ない段階で、検出対象の細菌を高い確度で検出することが必要となる。すなわち、検体試料中に存在する検出対象の濃度が低い場合でも、検出対象の濃度を高い確度・精度で測定するためには、該検出対象の検出に利用するバイオセンサに対して、一層の高感度化が望まれている。例えば、センサ表面に、所定の面密度で固定されている複数個の捕捉体物質分子に対して、検出対象の生体物質が、一分子が結合するような「単分子レベル」の検出能を具えたバイオセンサの開発が望まれている。
【０００８】
本発明は前記の課題を解決するものである。本発明の目的は、センサ表面に所定面密度で固定した捕捉体物質分子との結合を介して、固定化される検出対象を検出する際、該検出対象の固定化率が「単分子レベル」であっても、高い確度・精度で検出が可能な、化学センシング装置を提供することにある。また、本発明の目的は、該化学センシング装置を利用して、検体試料中に極く低い濃度で含まれる検出対象を、高い確度・精度で検出が可能な、化学センシング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明においては、
金属薄膜に設ける微小な開口、あるいは金属微粒子の表面に入射される照射光に起因して、その金属表面の近接場光と、金属の自由電子とのカップリングによる局在表面プラズモン（local surface plasmon）の共鳴現象（local surface plasmonresonance）を利用している。その際、微小な開口から１／２波長よりも短い距離に、標識物質が結合された標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化する。あるいは、金属微粒子の表面に、標識物質が結合された標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化する。この１／２波長よりも短い距離に固定化される標識物質が結合された標的物質、特に、標識物質の存在は、金属表面に発生する電子波により大きな影響が及ぶ。そのため、局在表面プラズモン共鳴が起こる共鳴条件（共鳴周波数）により大きな変化が引き起こされる。本発明は、この現象を利用することで、検出感度を格段に向上させたものである。
【００１０】
本発明にかかる化学センシング装置は、下記の構成を有するものである。
【００１１】
該化学センシング装置は、次の構成要素を具えてなる装置である。
【００１２】
光源；
該光源から照射される光の波長よりも小さい開口を設けた金属薄膜または金属微粒子；該開口または該金属微粒子の近傍に設けられた捕捉体物質；
該捕捉体物質と結合可能な標的物質と結合した該開口または該金属微粒子と略同程度のサイズを有する標識物質；
該開口または該金属微粒子へ照射光の透過光または散乱光を検出する光検出器。
【００１３】
また、本発明にかかる化学センシング方法は、下記の構成を有するものである。
【００１４】
該化学センシング方法では、次の構成要素を利用する。
【００１５】
光源から照射される光の波長よりも小さい開口を有する金属薄膜または金属微粒子；
該開口または該金属微粒子の近傍に設けられた捕捉体物質；
該開口または該金属微粒子と略同程度のサイズを有する標識物質。
【００１６】
その上で、該化学センシング方法は、下記の工程を具えている。
【００１７】
標的物質を該標識物質に結合させる工程；
該標識物質が結合した該標的物質を該捕捉体物質に結合させる工程；
該光源から該開口または該金属微粒子へ光を照射する工程；
該開口または該金属微粒子への該照射光の透過光または散乱光を検出する工程。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる化学センシング装置、化学センシング方法では、金属薄膜に形成した微小な開口の近傍や金属微粒子に結合させた捕捉体物質に、前記開口や金属微粒子と同程度のサイズの標識物質を結合した標的物質を結合させる。開口や金属微粒子と同程度のサイズの標識物質を結合した標的物質として結合させることで、観測される局在表面プラズモン共鳴のピーク波長のシフト量を大きくしている。そのため、局在表面プラズモン共鳴を利用する検出において、標的物質に対する検出感度は、単分子レベルまで高感度化が可能となる。この高い検出感度を利用することで、早期の病状段階の医療診断や非常に少ない細菌の検出に対しても、本発明にかかる化学センシング装置、化学センシング方法は好適に適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明における、好適な形態を示す。
【００２０】
本発明の化学センシング装置は、下記の構成を有することが好ましい。
【００２１】
本発明の化学センシング装置は、標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化することで検出を行う方式の化学センシング装置である。
【００２２】
該化学センシング装置は、下記の構成要素を具えている。
【００２３】
光源；
該光源から照射される光の波長よりも小さい開口を設けた金属薄膜、または該光の波長よりも小さい金属微粒子；
前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子をその表面に保持する透明基板；
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質；
前記開口または金属微粒子の大きさを基準として、その１／１０倍以上１０倍以下の範囲の大きさを有しており、該捕捉体物質と結合可能な前記標的物質に対して結合されている標識物質；
前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を検出する光検出器。
【００２４】
また、該化学センシング装置は、下記の検出方式を用いている。
【００２５】
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化する。その固定化がなされた際に、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光に生ずる変化に基づき、標的物質の検出を行う。
【００２６】
上記の化学センシング装置では、
前記標識物質は、誘電体微粒子である構成を採用することができる。
【００２７】
前記標識物質は、第二の金属微粒子である構成を採用することができる。
【００２８】
前記標識物質は、磁性微粒子である構成を採用することができる。
【００２９】
一方、前記光検出器は、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する機能を具えている構成を採用することが好ましい。
【００３０】
また、前記金属薄膜に設ける開口、または金属微粒子を、複数個設け、
該複数個の開口、または、複数個の金属微粒子は、前記透明基板の表面上において、一次元または二次元のアレイ状の配置をとっている形態を選択することができる。
【００３１】
その際、前記光検出器は、
前記透明基板の表面上において、一次元または二次元のアレイ状の配置をとっている、前記複数個の開口を透過した透過光、または、前記複数個の金属微粒子から発せられる散乱光を検出可能なものを用いる。例えば、
一次元または二次元の画像情報として、検出を行う機能を具えている光検出器を用いることが好ましい。
【００３２】
上記の化学センシング装置では、
前記光源から照射される光の照射方式、ならびに、前記光検出器の配置は、下記の構成とすることが好ましい。前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光のみが前記光検出器によって検出される、暗視野照明の配置である。
【００３３】
また、本発明の化学センシング装置は、
マイクロ化学分析システムにおける検出部における検出手段として、
該マイクロ化学分析システム中に組み込まれたシステム構成とできる。
【００３４】
該化学センシング装置は、
ＤＮＡチップを利用する標的物質の検出システムにおける検出手段として、該ＤＮＡチップを利用する標的物質の検出システム中に組み込まれたシステム構成とできる。
【００３５】
該化学センシング装置は、
プロテインチップを利用する標的物質の検出システムにおける検出手段として、該プロテインチップを利用する標的物質の検出システム中に組み込まれたシステム構成とできる。
【００３６】
本発明の化学センシング方法は、下記の構成を有することが好ましい。
【００３７】
本発明の化学センシング方法は、標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化することで検出を行う方式の化学センシング方法である。
【００３８】
該化学センシングを実施する装置として、下記の構成要素を具えている装置を利用する。
【００３９】
光源；
該光源から照射される光の波長よりも小さい開口を設けた金属薄膜、または該光の波長よりも小さい金属微粒子；
前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子をその表面に保持する透明基板；
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質；
前記開口または金属微粒子の大きさを基準として、その１／１０倍以上１０倍以下の範囲の大きさを有しており、該捕捉体物質と結合可能な前記標的物質に対して結合されている標識物質；
前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を検出する光検出器。
【００４０】
また、該化学センシング方法は、下記の検出方式を用いている。
【００４１】
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化する。その固定化がなされた際に、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光に生ずる変化に基づき、標的物質の検出を行う。
【００４２】
該化学センシング方法のセンシング操作は、下記の工程を具えている。
【００４３】
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化する工程；
前記固定化がなされた際に、前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射する工程；
前記光源から照射される光を照射した状態で、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程。
【００４４】
また、該化学センシング方法は、以下に列記する形態とすることができる。
【００４５】
前記光検出器は、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する機能を具えたものとする。
【００４６】
その上で、前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、次の操作を行う。すなわち、前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する。
【００４７】
また、前記光検出器は、
一次元または二次元的に拡がりを有する測定領域に対して、一次元または二次元の画像情報として、該測定領域からの光を検出する機能を具えたものとする。
【００４８】
その上で、前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、次の操作を行う。すなわち、前記光源から照射される光の照射がなされる領域からの光を、一次元または二次元の画像情報として検出を行う。
【００４９】
また、該化学センシング方法では、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、次の操作を付加することもできる。すなわち、前記光検出器で検出される光強度の測定結果に基づき、光強度の階調を算出する操作を設けることができる。
【００５０】
なお、該化学センシング方法では、
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質は、次のものを利用することができる。すなわち、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に第二の光を照射して、該第二の光の照射により誘起される光化学反応を用いて、前記捕捉体物質を金属表面に結合させたものを用いることができる。
【００５１】
次に、本発明に関わる技術的な背景をより詳しく説明する。
【００５２】
平坦な金属薄膜の表面においては、その表面の特殊性に由来して、光とカップリングを起こすことが可能な電子波（プラズモン）のモード、すなわち、表面プラズモン（surface plasmon）が生じる。
【００５３】
一方、光の波長よりも微小な粒子径（直径）を有する金属微粒子の表面の曲率半径は極めて小さいため、この表面に光が入射する場合、発生する回折光の回折角が入射角も大きくなる。そのため、回折光が生じず、金属表面に光が閉じ込められる状況となる。その結果、金属微粒子の表面に発生した近接場光と自由電子とのカップリングが生じ、局在表面プラズモン（localized surface plasmon）が生じる。元来、表面プラズモン共鳴に由来し、この金属微粒子の表面で生じる吸収（散乱）を局在表面プラズモン共鳴吸収と称する。
【００５４】
（第一の形態）
本発明の化学センシング装置において、高い検出感度を達成する上で利用される原理について、以下に説明する。
【００５５】
まず、本発明の第一の形態で利用する検出手法の原理を、図２を用いて説明する。図２（ａ）に示すように、センサ媒体は、透明基板２０１上に形成した金属薄膜２０２中に、照射光２０３の波長λよりも小さいサイズの微小な開口２０４が形成されている。開口２０４の近傍には、捕捉体物質分子１（２０５）が結合されている。一方、標的物質分子２０６に対して、捕捉体物質分子２（２０７）を介して開口２０４と同程度の大きさの標識物質２０８を結合させる。
【００５６】
具体的には、標識物質２０８サイズは、開口２０４のサイズに対して、その１／１０倍以上１０倍以下、なお好ましくは１／３倍以上３倍以下の範囲に選択する。
【００５７】
光が照射された２つの物体の間に働く近接場光相互作用の大きさは、２つの物体の大きさが同程度のとき最大となり、２つの物体のどちらかが大きくても小さくても近接場光相互作用の大きさは小さくなる。
【００５８】
そこで、本発明では、開口サイズと標識物質サイズとが同程度（１／１０倍以上１０倍以下、なお好ましくは、１／３倍以上３倍以下）にする。これにより、開口と標識物質との間に作用する近接場光相互作用を増加させることができる。従って、標識物質が開口に対して近接することによる開口近傍の近接場分布の変化を増加させることができる。
【００５９】
標識物質２０８を結合させた標的物質２０６を含む検体液に、センサ媒体を浸漬する。そして、捕捉体物質１（２０５）と、標的物質２０６との反応を行わせる。図２（ｂ）に示すように、捕捉体物質２（２０７）を介して、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６は、開口２０４の近傍に固定化がなされる。その際、開口２０４の近傍に標識物質２０８が配置された構成となる。
【００６０】
開口２０４を形成する金属薄膜２０２の膜厚は、１０ｎｍ以上１μｍ以下とする。開口２０４のサイズは、照射光２０３の波長λよりも小さく選択すればよい。但し、下記のように選択することが好ましい。
【００６１】
開口２０４の平面形状は、縦と横のサイズのうち、短い方は、波長λ以下、好ましくは、波長λの１／２以下に選択する。なお、開口２０４のサイズを波長λの１／１００以下とすると精度の観点で問題を生じうる。例えば、波長λ＝５００ｎｍの場合であって、開口２０４の形状を波長λの１／１００以下とすると、開口２０４のサイズは５ｎｍ以下となる。そのため、一般には、波長λの１／５０以下とならない範囲に選択することが望ましい。
【００６２】
開口２０４を設けている金属薄膜２０２の上面に、照射光２０３を垂直入射させると、透過光２０９は、開口２０４の形状（開口の縦横の幅、金属薄膜の膜厚、金属の材質）に応じた局在表面プラズモン共鳴に起因する透過スペクトルを有する。開口２０４の近傍に捕捉体物質１（２０５）が結合されている状態では、この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークは、ピーク波長λ1となる。
【００６３】
一方、捕捉体物質２（２０７）を介して、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６が固定化される状態で、この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークは、ピーク波長λ2となる。図４に、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６の固定化に伴う、局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長がシフトする様子を模式的に示す。
【００６４】
この局在表面プラズモン共鳴は、開口２０４の近傍の特徴的な現象である。そのため、開口２０４の近傍の捕捉体物質１（２０５）に対し、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６の単分子が結合することで、前記のピーク波長のシフトが引き起こされる。この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長シフトを反映して、開口２０４を透過する透過光のスペクトル形状にも変化が起きる。そのため、開口２０４を透過する透過光のスペクトル形状の変化を検出することで、開口２０４の近傍の捕捉体物質１（２０５）に対し、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６の結合の有無を、単分子レベルの検出が可能となる。
【００６５】
上記の局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長シフトは、捕捉体物質１（２０５）に標的物質２０６のみが結合した状態では、この標的物質２０６のサイズは小さいため、僅かなシフト量である。一方、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６と、捕捉体物質１（２０５）とが結合すれば、標識物質２０８のサイズは、標的物質２０６のサイズより格段に大きいため、より大きなシフト量となる。
本発明では、このように、局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長のシフト量がより大きくなることを利用して、開口２０４を透過する透過光２０９のスペクトル形状変化をより高い感度で検出することを可能としている。
【００６６】
（第二の形態）
次に、本発明の第二の形態で利用する検出手法の原理を、図３を用いて説明する。本発明の第二の形態では、金属薄膜に形成した微小な開口の代わりに、金属微粒子を用いている。図３（ａ）に示すように、センサ媒体は、透明基板３０１上に、照射光３０３の波長λよりも小さいサイズの金属微粒子３０３が形成されている。この金属微粒子３０３の表面上には捕捉体物質分子１（３０４）が結合されている。一方、標的物質分子３０５に対して、捕捉体物質分子２（３０６）を介して金属微粒子３０３と同程度の大きさの標識物質３０７を結合させる。
【００６７】
具体的には、標識物質３０７サイズは、金属微粒子３０３のサイズに対して、その１／１０倍以上１０倍以下の範囲、好ましくは１／３倍以上３倍以下の範囲に選択する。
光が照射された２つの物体の間に働く近接場光相互作用の大きさは２つの物体の大きさが同程度のとき最大となり、２つの物体のどちらかが大きくても小さくても近接場光相互作用の大きさは小さくなる。
【００６８】
そこで、本発明では、金属微粒子サイズと標識物質サイズとが同程度（１／１０倍以上１０倍以下、好ましくは、１／３倍以上３倍以下）にする。これにより、金属微粒子と標識物質との間に作用する近接場光相互作用を増加させることができる。従って、標識物質が金属微粒子に対して近接することによる金属微粒子近傍の近接場光分布の変化を増加させることができる。
【００６９】
標識物質３０７を結合させた標的物質３０５を含む検体液に、センサ媒体を浸漬する。そして、捕捉体物質１（３０４）と、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５との反応を行わせる。図３（ｂ）に示すように、捕捉体物質２（３０６）を介して、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５は、金属微粒子３０３の表面上に固定化がなされる。その際、金属微粒子３０３の表面の近傍に標識物質３０７が配置された構成となる。
【００７０】
金属微粒子３０３を形成する金属薄膜の膜厚は、１０ｎｍ以上１μｍ以下とする。金属微粒子３０３のサイズは、照射光３０２の波長λよりも小さく選択すればよい。但し、下記のように選択することが好ましい。
【００７１】
金属微粒子３０３の平面形状は、縦、横のサイズのうち、小さい方は、波長λ以下、好ましくは波長λの１／２以下に選択する。なお、金属微粒子３０３のサイズを波長λの１／１００以下とすると精度の観点で問題を生じうる。例えば、波長λ＝５００ｎｍの場合であって、金属微粒子３０３のサイズを波長λの１／１００以下とすると、金属微粒子３０３のサイズは５ｎｍ以下となる。そのため、一般には、波長λの１／５０以下とならない範囲に選択することが望ましい。
【００７２】
金属微粒子３０３の上面に、直接透過光の影響を避けるため、照射光３０４を斜め入射させる。照射光３０４を照射した際、金属微粒子３０３が散乱する散乱光３０８は、金属微粒子３０３の形状（縦横の幅、厚さ、金属の材質）に応じた局在表面プラズモン共鳴に起因するピークを示す吸収スペクトルを有する。金属微粒子３０３の表面上に捕捉体物質１（３０４）が結合されている状態では、この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークは、ピーク波長λ1となる。
【００７３】
一方、捕捉体物質２（３０６）を介して、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５が固定化される状態で、この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークは、ピーク波長λ2となる。
【００７４】
この局在表面プラズモン共鳴は、金属微粒子３０３の表面近傍に特徴的な現象である。そのため、金属微粒子３０３表面の捕捉体物質１（３０４）に対し、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５の単分子が結合することで、前記のピーク波長のシフトが引き起こされる。この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長シフトを反映して、金属微粒子３０３の裏面から発する散乱光３０８のスペクトル形状に変化が起こる。そのため、金属微粒子３０３から発せられる散乱光３０８のスペクトル形状の変化を検出することで、表面の捕捉体物質１（３０４）に対し、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５の結合の有無を、単分子レベルの検出が可能となる。
【００７５】
上記の局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長シフトは、捕捉体物質１（３０４）に標的物質３０５のみが結合した状態では、この標的物質３０５のサイズは小さいため、僅かなシフト量である。一方、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５と、捕捉体物質１（３０４）とが結合すれば、標識物質３０７のサイズは、標的物質３０５のサイズより格段に大きいため、より大きなシフト量となる。
【００７６】
本発明では、局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長のシフト量はより大きくなることを利用して、金属微粒子３０３の裏面から発する散乱光３０８のスペクトル形状変化をより高い感度で検出することを可能としている。
【００７７】
なお、金属微粒子３０３の上面に、照射光３０４を斜め入射させ、裏面側からの散乱光３０８は、垂直方向より観測している。このように暗視野照明の配置を選択することで、散乱光３０８の検出には、照射光３０２の直接透過光の影響を避けることができる。例えば、金属微粒子３０３の上面に、照射光３０４を斜め入射させる際、その入射角は、全反射条件を満足する範囲に選択することができる。
【００７８】
本発明においては、金属微粒子３０３の表面に斜め入射される照射光３０４に起因して、その金属表面に発生する近接場光と、金属の自由電子とのカップリングによる局在表面プラズモン共鳴現象（local surface plasmon resonance）を利用している。その際、金属微粒子の表面から、金属微粒子の大きさの程度よりも短い距離に標識物質３０７が固定化されていると、金属表面に発生する電子波にその影響が及ぶ。そのため、局在表面プラズモン共鳴が起こる共鳴条件（共鳴周波数）により大きな変化が引き起こされる。
【００７９】
ここで、標識物質２０８、３０７としては、ポリスチレンビーズ等の微小誘電体物質や金ナノ微粒子等の微小金属物質、ナノフェライトビーズ等の微小磁性体物質を選択する。
微小金属物質を用いた場合は、照射光２０３照射時に開口２０４近傍に励起される局在表面プラズモンや照射光３０２照射時に金属微粒子３０３近傍に励起される局在表面プラズモンに強い変調を加えることが可能となる。これは、微小金属物質と金属微粒子の間に発生する電場が増強され、微小金属物質と金属微粒子が一体となった構造としての新たな局在表面プラズモンのモードが現れることによる。その変調効果を利用することにより、より高感度のセンシングが可能となるという効果を有する。
【００８０】
微小磁性体物質を用いた場合は、磁石を用いて、微小磁性体物質を結合させた標的物質を収集して、濃縮するができる。また、捕捉体物質１との反応の際に、開口２０４近傍に微小磁性体物質を結合させた標識物質２０８を引き寄せることが可能となる。この利点を利用することで、検体液中に低濃度で含まれる微小磁性体物質を結合させた標的物質２０６でも、捕捉体物質に効率的に結合させ、検出することができるという効果を有する。
【００８１】
また、標的物質２０６、３０５の種類によって標識物質２０８、３０７のサイズを違えておけば、スペクトル変化量が異なるので複数の標識物質の同時検出が可能である。
【００８２】
開口２０４近傍に特異的に捕捉体物質１（２０５）を結合させるには、透明基板２０１の裏面から別の光を照射し、開口２０４の表面側に滲み出させた近接場光を用いて、光化学反応を誘起して、捕捉体物質１（２０５）を選択的に結合させれば良い。これにより、開口２０４の近傍のみに、特異的に捕捉体物質１（２０５）を結合させ、その他の部分へ結合させないようにすることができる。それに伴い、より高感度な化学センシングが可能となる。
【００８３】
ここで用いる光化学反応の例としては、フォトレジストシステムで用いられているように光ラジカル発生、光酸発生、光アミン発生による光架橋反応、光ラジカル重合反応、光カチオン重合反応がある。これにより、開口２０４を形成する金属に直接もしくは表面酸化膜、シランカップリング材料分子、アルカンチオール膜等を間に介して、金属と捕捉体物質１を化学結合させることができる。
【００８４】
同様に、金属微粒子３０３上に特異的に捕捉体物質１（３０４）を結合させるには、金属微粒子３０３に別の光を照射し、金属微粒子の表面に滲み出させた近接場光を用いて、光化学反応を誘起して、捕捉体物質１（３０４）を結合させればよい。この手法を適用すると、金属微粒子上、特に近接場光強度の強い部分のみに、特異的に捕捉体物質１（３０４）を結合させ、その他の部分への結合させないようにすることができる。それに伴い、より高感度な化学センシングが可能となる。
【００８５】
以下に、具体例を示して、本発明をさらに詳しく説明する。以下に示す事例は、実施形態の一例であるが、本発明の技術的範囲は、これらの態様に限定されない。
【００８６】
（第１の実施形態）
本発明にかかる化学センシング装置における、第１の実施形態を、図１を参照して説明する。
【００８７】
図１に示す装置構成においては、タングステンランプや発光ダイオード等を光源１０１として利用する。
【００８８】
光源１０１から照射される、照射光１０６（波長λは５００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲）を、コリメータレンズ１０２を通して、センサ媒体１０５に照射する。センサ媒体１０５は、照射光１０６に対して光透過性を有する基板の表面に、厚さ５０ｎｍの金属薄膜が形成された構造を持つ。この金属薄膜には、上記図２に示すような、縦２００ｎｍ、横５０ｎｍの矩形の開口が設けられている。すなわち、設けられている開口の縦横のうち小さい方のサイズは、照射光１０６の波長λよりも小さく、波長λの１／２以下となっている。
【００８９】
この微細な開口の近傍には、標的物質分子に対して結合能を有する捕捉体物質分子が結合されている。この標的物質分子に対して結合能を有する捕捉体物質分子としては、例えば抗体分子が好適に利用可能である。この抗体分子は、抗原・抗体反応を介して、標的物質の抗原分子を、選択的に結合させることができる。
【００９０】
一方、検体液１０３中には、標識物質が結合した標的物質１０４が含まれる。この標識物質が結合した標的物質１０４は、例えば、抗原分子等の標的物質に対して、直径５０ｎｍのポリスチレンビーズ等の標識物質が結合した状態となっている。ここでは、標識物質が結合した標的物質１０４における、標識物質：標的物質の比率は、１：１の比率に選択されている。
【００９１】
標識物質として、利用可能なポリスチレンビーズは、そのサイズを、前記の開口のうち、小さい方のサイズである横５０ｎｍと比較して、１／１０倍以上１０倍以下の範囲、好ましくは、１／３倍以上３倍以下である５ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲から選ぶ必要がある。本実施形態では５０ｎｍとする。
【００９２】
また、検体液１０３を構成する溶媒は、水性溶媒、例えば、緩衝液であり、照射光１０６の波長λにおける屈折率ｎsolvent（λ）は、水の屈折率ｎH2O（λ）＝１．３３〜１．３４と等しいと見做せる。一方、ポリスチレンビーズに用いられるポリスチレンの屈折率ｎpolystyrene（λ）は、１．５４〜１．５６の範囲である。このように、ポリスチレンと緩衝液（水）との間には、屈折率に差違があり、微細な径のポリスチレンビーズは、緩衝液中において、微小開口近傍に近づくと近傍の屈折率を変化させることになる。
【００９３】
センサ媒体１０５の作製に利用される金属薄膜の材料としては、緩衝液中（屈折率ｎH2O＝１．３３〜１．３４）において、その金属における局在表面プラズモン共鳴のピーク波長λlocalized surface plasmon（ｎH2O＝１．３３）が、４００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲に存在することが望ましい。
【００９４】
この条件を満たす金属材料のうち、前記緩衝液中での使用に耐えるものを選択する。例えば、緩衝液中に浸した際、金属薄膜自体に対する化学反応が生じ、金属の溶解が起こると、その膜厚の減少、開口のサイズの拡大が起こりうる。あるいは、緩衝液中に浸した際、金属薄膜自体に対する化学反応が生じ、表面酸化膜の形成が進むと、金属薄膜の表面に、金属酸化膜が積層された状態となりうる。
【００９５】
例えば、金（Ａｕ）の屈折率ｎAu（λ）は、ｎAu（λ=500nm）＝０．８０３、ｎAu（λ=700nm）＝０．１３１である。銀（Ａｇ）の屈折率ｎAg（λ）は、ｎAg（λ=376nm）＝０．０９０、ｎAg（λ=500nm）＝０．０４６８である。銅（Ｃｕ）の屈折率ｎCu（λ）は、ｎCu（λ=500nm）＝１．０３、ｎAu（λ=750nm）＝０．１０３である。アルミ二ウム（Ａｌ）の屈折率ｎAl（λ）は、ｎAl（λ=220nm）＝０．１４、ｎAl（λ=400nm）＝０．４０である。また、その表面プラズモン共鳴のピーク波長λsurface plasmon（n0=1.00）は、金（Ａｕ）では、５２６ｎｍ、銀（Ａｇ）では、３２０ｎｍ、銅（Ｃｕ）では、５５０ｎｍ、アルミ二ウム（Ａｌ）では、１２０ｎｍである。さらに、ｐＨを、６．５〜８．０の範囲に設定する緩衝液中では、これらの金属に対する化学反応は極く限られている。従って、金や銀、銅、アルミニウムは、センサ媒体１０５を構成する際に利用する金属薄膜の材料として、好適に使用できる。
【００９６】
加えて、金や銀、銅、アルミニウムの金属薄膜上において、発生する表面プラズモンに起因する、局在表面プラズモン共鳴の強度は大きく、本発明の目的には適している。一般に、金属薄膜上に物質の吸着が生じた際、局在表面プラズモン共鳴のピーク波長λlocalized surface plasmonは、表面プラズモン共鳴のピーク波長λsurface plasmon（n0=1.00）よりも、長波長側に観測される。特に、金の薄膜を利用する場合には、金薄膜上に物質の吸着が生じた際、局在表面プラズモン共鳴のピーク波長λlocalized surface plasmonは、５２６ｎｍより長波長側の可視域となるので、照射光１０６の波長λを可視域に選択する装置構成に適している。
【００９７】
一方、金、銀、銅、さらには、アルミニウム間の合金を、金属薄膜として利用することができる。金、銀、銅、アルミニウム間の合金は、均一な固溶体を形成できるため、その組成を任意に選択することが可能である。合金の金属薄膜を利用すると、表面プラズモン共鳴のピーク波長λsurface plasmonは、通常、該合金の成分金属個々で観測されるピーク波長を両端とする波長範囲となる。この性質を利用すると、例えば、金（Ａｕ）と銀（Ａｇ）との合金では、表面プラズモン共鳴のピーク波長λsurface plasmonを、３２０ｎｍ〜５２６ｎｍの範囲内で調節することも可能となる。従って、金、銀、銅、アルミニウム間の合金で形成される金属薄膜を利用すると、縦・横・厚さ・間隔等の開口形状を調整することと併せて、局在表面プラズモン共鳴のピーク波長λlocalized surface plasmonを、近紫外領域から近赤外領域の間で調整できる。すなわち、この手法を用いると、局在表面プラズモン共鳴のピーク波長λlocalized surface plasmonを、３５０ｎｍ〜１６００ｎｍの全域にわたって調整することが可能である。
【００９８】
次に、金属薄膜に設ける縦２００ｎｍ、横５０ｎｍの矩形の開口の近傍に結合される捕捉体物質の密度Ｄ1は、少なくとも、Ｄ1＝１００００分子／μｍ2以上に選択することが好ましい。具体的には、縦２００ｎｍ、横５０ｎｍの矩形の開口を中心として、縦３００ｎｍ、横１５０ｎｍの微小領域の金属表面の面積は、０．０４５μｍ2となる。この微小領域内に、少なくとも、捕捉体物質が、Ｎ1＝Ｄ1×０．０４５＝４５０分子以上結合していることが好ましい。換言するならば、近接する捕捉体物質間の平均的間隔ｄ1を、少なくとも、１０００／（Ｄ1）1/2ｎｍ≒１０ｎｍ以下とすることに相当する。
【００９９】
なお、捕捉体物質の結合を行う領域は、縦２００ｎｍ、横５０ｎｍの矩形開口の近傍で、矩形開口の端部から標識物質のサイズ程度以下の距離までの領域が望ましい。これは、標識物質が開口に近づいたことにより開口近傍の近接場光分布に及ぼす影響が顕著に現れるためである。したがって、開口サイズが縦２００ｎｍ×横５０ｎｍの矩形開口に対し、標識物質として５０ｎｍのポリスチレンビーズを用いる場合、捕捉体物質の結合を行う領域は、３００ｎｍ×１５０ｎｍ以下とすることが望ましい。この微小な領域に対して、捕捉体物質の結合を行う手段としては、前記したように開口を形成した基板の裏面から別の光を照射し、開口の表面側に滲み出させた近接場光を用いて、光化学反応を誘起して、捕捉体物質を選択的に結合させれば良い。
【０１００】
一方、標識物質が結合した標的物質１０４は、例えば、抗原分子等の標的物質に対して、直径５０ｎｍのポリスチレンビーズ等の標識物質が、上記のように、標識物質：標的物質の比率が１：１となるように結合した状態とする。標識物質を、標的物質に定量的に結合させる手段の一例を説明する。図２に例示するように、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標識物質とが定量的に連結された複合体分子を別途作製する。この複合体分子と、標的物質とを、液相中で反応させ、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）部分に、標的物質を結合させ、標識物質：標的物質の比率が１：１となるように結合した状態とする。
【０１０１】
この液相中における反応は、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標識物質とが定量的に連結された複合体分子と、標的物質との複合体形成反応に相当している。従って、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子の濃度Ｃ2、自由な標的物質の濃度Ｃ0、標識物質が結合した標的物質１０４の濃度Ｃ1は、複合体の解離平衡に従う。複合体の解離平衡定数Ｋ1を用いて、Ｋ1＝（Ｃ0×Ｃ2）／Ｃ1と表される。標識物質が結合した標的物質１０４の濃度Ｃ1と自由な標的物質の濃度Ｃ0の比率：Ｃ1／Ｃ0は、｛Ｃ1／Ｃ｝＝Ｃ2／Ｋ1となる。
【０１０２】
本発明では、検体液１０３中において、標識物質が結合した標的物質１０４の濃度Ｃ1と自由な標的物質の濃度Ｃ0の比率：Ｃ1／Ｃ0は、少なくとも、Ｃ1／Ｃ0≧１０の条件を満足することが好ましい。この条件を維持するためには、検体液１０３中に、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子を、Ｃ2／Ｋ1≧１０を満足する濃度で添加した状態とする必要がある。
【０１０３】
あるいは、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標的物質との結合を形成した後、両者間を共有結合的に連結する処理を施し、解離が進行しない状態とする。この共有結合的な連結処理を施した場合は、検体液１０３中に、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子を共存させる必要はない。
【０１０４】
センサ媒体１０５を、検体液１０３中に浸漬すると、図２に示すように、金属薄膜に設ける矩形の開口の近傍に結合される捕捉体物質（２０５）によって、標識物質が結合した標的物質１０４中の標的物質（２０６）が結合される。光源１０１からの照射光は、コリメータレンズ１０２を用いて、平行光線とした上で、センサへと導入する。すなわち、捕捉体物質によって、標識物質が結合した標的物質１０４が結合された時点で、センサ媒体１０５の金属薄膜の上面から、照射光１０６を垂直入射させる。一方、透過光の検出系は、集光レンズ１０８、干渉フィルタ１０９、光検出器１１０で構成されている。集光レンズ１０８は、そのレンズの焦点が、センサ媒体１０５の金属薄膜に設けられている矩形の開口を透過する光を集光可能な位置となるように配置されている。具体的には、センサ媒体１０５の金属薄膜と透明基板との界面における、矩形の開口部を通過した光は、集光レンズ１０８によって、平行光線とされた上で、干渉フィルタ１０９上に入射される配置となっている。
【０１０５】
干渉フィルタ１０９は、所謂、ファブリペロー型干渉フィルタであり、特定の波長の光のみが透過可能な構成とされている。その透過可能な光波長は、ファブリペロー型干渉フィルタの表面に対する、入射光の入射角を変更することで変更される特徴を利用して、分光器の機能を付与されている。干渉フィルタ１０９を利用して、分光された特定の波長の光の強度を、光検出器１１０で検出する。この分光された特定の波長の光強度の測定結果が、検出信号１１１として、出力される。実際には、検出信号１１１は、干渉フィルタ１０９を利用して、分光された特定の波長λと、その波長における検出光強度Ｐ（λ）の情報を含むものとなっている。この情報（λ、Ｐ（λ））を、横軸を波長λ、縦軸を検出光強度Ｐ（λ）としてプロットすると、透過光のスペクトルとなる。
【０１０６】
センサ媒体１０５の金属薄膜に対して、平行光線とした照射光１０６を垂直入射しているため、微小な矩形の開口近傍以外の金属薄膜に入射した光は、金属表面で反射を受ける。従って、上記の構成の検出系では、原理的には、微小な矩形の開口を透過する透過光１０７のみが検出される。
【０１０７】
微小な矩形の開口を透過する透過光１０７は、この金属薄膜に形成された微小な開口部における局在表面プラズモン共鳴に依存する成分を含んでいる。この局在表面プラズモン共鳴に依存する透過光成分は、この微小な矩形の開口の近傍に固定されている分子による局所的な屈折率変化に依存した波長分布（スペクトル）を示す。具体的には、微小な矩形の開口の近傍に捕捉体物質が結合している状態と、この捕捉体物質に標的物質が結合した状態とでは、局在表面プラズモン共鳴に依存する透過光成分のピーク波長は相違する。さらに、この捕捉体物質に標的物質が結合した状態と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態とでは、局在表面プラズモン共鳴に依存する透過光成分のピーク波長は相違する。捕捉体物質が結合している状態を基準とすると、捕捉体物質に標的物質が結合した状態でのピーク波長シフト量より、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態でのピーク波長シフト量は顕著に大きなものとなる。
【０１０８】
実際には、微小な矩形の開口の近傍では、捕捉体物質が結合している状態の部分と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態の部分とが混在している。結果として、局在表面プラズモン共鳴に依存する透過光成分は、捕捉体物質が結合している状態の部分に由来する成分と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態の部分に由来する成分との合計となっている。
【０１０９】
本発明では、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態でのピーク波長シフト量が大きいことを利用して、この二つの成分を分離して観測することを可能としている。図４に模式的に示すように、捕捉体物質が結合している状態の部分に由来する成分のピーク波長λ1と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態の部分に由来する成分のピーク波長λ2とが分離されている。この状態では、波長λ2で検出される透過光成分の光強度Ｐ（λ2）と、波長λ1で検出される透過光成分の光強度Ｐ（λ1）との比率は、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態の部分の割合を反映している。
【０１１０】
図１に示す装置構成では、干渉フィルタ１０９を利用することで、原理的には、微小な矩形の開口を透過する透過光１０７のみが検出される構成となっている。この干渉フィルタ１０９の代わりに、分光器を利用して、平行光線のみを検出する配置に設定した上で、透過光のスペクトルを測定する装置構成としてもよい。
【０１１１】
センサ媒体１０５における捕捉体物質と標的物質の組み合わせは、捕捉体物質によって、標的物質が選択的に結合固定される限り、種々の組み合わせを選択することができる。具体的には、標的物質に対する捕捉体物質の選択的な結合能を利用する種々のセンサで利用される組み合わせに適用できる。この種のセンサの例としては、酵素センサ、微生物センサ、オルガネラセンサ、組織センサ、免疫センサ、酵素免疫センサ、バイオアフィニティセンサ等のバイオセンサを含む化学センサが挙げられる。その際、対象となる標的物質に対して、標識物質を結合することができること、また、標識物質が結合した標的物質は、捕捉体物質によって結合されることの条件を満たすことが必須である。
【０１１２】
（第２の実施形態）
本発明にかかる化学センシング装置における、第２の実施形態を、図５を参照して説明する。図５に示す装置構成においては、タングステンランプや発光ダイオード等を光源５０１として利用する。光源５０１から照射される照射光５０６（波長λは５００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲）を、コリメータレンズ５０２を通して、センサ媒体５０５に照射する。センサ媒体５０５は、照射光５０６に対して光透過性を有する基板の表面に、金属微粒子が設けられた構造を持つ。この金属微粒子のサイズは、縦２００ｎｍ、横５０ｎｍ、高さ５０ｎｍに選択され、その底面は、透明基板の表面に密着されている。この金属微粒子の平面形状の縦横のうち小さい方のサイズは、照射光５０６の波長λよりも小さく、波長λの１／２以下となっている。金属微粒子の表面には、標的物質分子に対する結合能を有する捕捉体物質分子が結合されている。この標的物質分子に対する結合能を有する捕捉体物質分子としては、抗体分子が好適に利用可能である。
【０１１３】
一方、検体液５０３中には、標識物質が結合した標的物質５０４が含まれる。この標識物質が結合した標的物質５０４は、例えば、抗原分子等の標的物質に対して、直径５０ｎｍのポリスチレンビーズ等の標識物質が結合した状態となっている。ここでは、標識物質が結合した標的物質５０４における、標識物質：標的物質の比率は、１：１の比率に選択されている。標識物質として、利用可能なポリスチレンビーズは、そのサイズを、前記の金属微粒子の平面形状のうち、小さい方のサイズである横５０ｎｍと比較して、１／１０倍以上１０倍以下の範囲、好ましくは、１／３倍以上３倍以下の範囲から選ぶ必要がある。すなわち、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲、好ましくは、１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲から選ぶ必要がある。本実施形態では５０ｎｍとする。
【０１１４】
また、検体液５０３を構成する溶媒は、前記検体液１０３と同様の溶媒を用いることができる。
【０１１５】
センサ媒体５０５の作製に利用される金属微粒子の材料としては、センサ媒体１０５の作製に利用される金属薄膜と同様の材料を同様の理由から用いることができる。
【０１１６】
次に、金属微粒子の縦２００ｎｍ、横５０ｎｍ表面上に結合される捕捉体物質の密度Ｄ2は、少なくとも、Ｄ2＝１００００分子／μｍ2以上に選択することが好ましい。具体的には、縦２００ｎｍ、横５０ｎｍ、高さ５０ｎｍの矩形状の金属表面の面積は、０．０３５μｍ2となる。この微小領域内に、少なくとも、捕捉体物質が、Ｎ2＝Ｄ2×０．０３５＝３５０分子以上結合していることが好ましい。換言するならば、近接する捕捉体物質間の平均的間隔ｄ1を、少なくとも、１０００／（Ｄ2）1/2ｎｍ≒１０ｎｍ以下とすることに相当する。
【０１１７】
なお、この微小な金属微粒子の表面に対して、捕捉体物質の結合を行う手段としては、捕捉体物質を溶解する溶液を、シランカップリング材料分子やアルカンチオール膜等を介して化学反応させることにより、金属表面に結合を形成する手法が利用できる。また、前記した光化学反応を用いることもできる。
【０１１８】
一方、標識物質が結合した標的物質５０４は、例えば、抗原分子等の標的物質に対して、直径５０ｎｍのポリスチレンビーズ等の標識物質が、上記のように、標識物質：標的物質の比率が１：１となるように結合した状態とする。標識物質を、標的物質に定量的に結合させる手段の一例を説明する。図３に例示するように、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標識物質とが定量的に連結された複合体分子を別途作製する。この複合体分子と、標的物質とを、液相中で反応させ、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）部分に、標的物質を結合させ、標識物質：標的物質の比率が１：１となるように結合した状態とする。
【０１１９】
この液相中における反応は、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標識物質とが定量的に連結された複合体分子と、標的物質との複合体形成反応に相当している。従って、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子の濃度Ｃ2、自由な標的物質の濃度Ｃ0、標識物質が結合した標的物質１０４の濃度Ｃ1は、複合体の解離平衡に従う。複合体の解離平衡定数Ｋ1を用いて、Ｋ1＝（Ｃ0×Ｃ2）／Ｃ1と表される。標識物質が結合した標的物質５０４の濃度Ｃ1と自由な標的物質の濃度Ｃ0の比率：Ｃ1／Ｃ0は、｛Ｃ1／Ｃ｝＝Ｃ2／Ｋ1となる。
【０１２０】
本発明では、検体液５０３中において、標識物質が結合した標的物質５０４の濃度Ｃ1と自由な標的物質の濃度Ｃ0の比率：Ｃ1／Ｃ0は、少なくとも、Ｃ1／Ｃ0≧１０の条件を満足することが好ましい。この条件を維持するためには、検体液５０３中に、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子を、Ｃ2／Ｋ1≧１０を満足する濃度で添加した状態とする必要がある。
【０１２１】
あるいは、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標的物質との結合を形成した後、両者間を共有結合的に連結する処理を施し、解離が進行しない状態とする。この共有結合的な連結処理を施した場合は、検体液５０３中に、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子を共存させる必要はない。
【０１２２】
センサ媒体５０５を、検体液５０３中に浸漬すると、図３に示すように、金属微粒子の表面に結合される捕捉体物質（３０４）によって、標識物質が結合した標的物質５０４中の標的物質（３０５）が結合される。光源５０１からの照射光は、コリメータレンズ５０２を用いて、平行光線とした上で、センサへと導入する。すなわち、捕捉体物質によって、標識物質が結合した標的物質５０４が結合された時点で、センサ媒体５０５の金属微粒子の上面に、照射光５０６を斜め入射させる。一方、散乱光の検出系は、集光レンズ５０８、干渉フィルタ５０９、光検出器５１０で構成されている。集光レンズ５０８は、そのレンズの焦点が、センサ媒体５０５の金属微粒子の裏面から発する散乱光を集光可能な位置となるように配置されている。具体的には、センサ媒体５０５の金属微粒子と透明基板との界面において、金属微粒子の裏面から発する散乱光は、集光レンズ５０８によって、平行光線とされた上で、干渉フィルタ５０９上に入射される配置となっている。
【０１２３】
干渉フィルタ５０９は、所謂、ファブリペロー型干渉フィルタであり、特定の波長の光のみが透過可能な構成とされている。その透過可能な光波長は、ファブリペロー型干渉フィルタの表面に対する、入射光の入射角を変更することで変更される特徴を利用して、分光器の機能を付与されている。干渉フィルタ５０９を利用して、分光された特定の波長の光の強度を、光検出器５１０で検出する。この分光された特定の波長の光強度の測定結果が、検出信号５１１として、出力される。実際には、検出信号５１１は、干渉フィルタ５０９を利用して、分光された特定の波長λと、その波長における検出光強度Ｐ（λ）の情報を含むものとなっている。この情報（λ、Ｐ（λ））を、横軸を波長λ、縦軸を検出光強度Ｐ（λ）としてプロットすると、透過光のスペクトルとなる。
【０１２４】
センサ媒体５０５の金属微粒子の表面に対して、平行光線とした照射光５０６を斜め入射しているため、微小な金属微粒子以外の透明基板部分に入射した光は、そのまま透過する。従って、集光レンズ５０８には、入射しない配置とされている。一方、微小な金属微粒子の金属表面に入射する照射光５０６は、金属表面に近接場光を発生させる。この近接場光が金属微粒子内の自由電子とカップリングし、局在表面プラズモンが生じる。この局在表面プラズモン共鳴に由来する吸収に起因して、金属微粒子から散乱光が発生する。その散乱光の波長分布（スペクトル）は、局在表面プラズモン共鳴に対応するピーク波長を有する。
【０１２５】
この金属微粒子から発する散乱光５０７のみが、集光レンズ５０８を通り、平行光線とされた上で、干渉フィルタ５０９上に入射し、後段の検出器５１０に達することができる。すなわち、上記の構成の検出系では、原理的には、金属微粒子から発する散乱光５０７のみが検出される。
【０１２６】
金属微粒子から発する散乱光５０７は、この金属微粒子における局在表面プラズモン共鳴に依存する散乱光である。この局在表面プラズモン共鳴に依存する散乱光は、この金属微粒子に固定されている分子による局所的な屈折率変化に依存した波長分布（スペクトル）を示す。具体的には、金属微粒子表面に捕捉体物質が結合している状態と、この捕捉体物質に標的物質が結合した状態とでは、その局在表面プラズモン共鳴に依存する散乱光成分のピーク波長は相違する。さらに、この捕捉体物質に標的物質が結合した状態と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態とでは、その局在表面プラズモン共鳴に依存する散乱光成分のピーク波長は相違する。捕捉体物質が結合している状態を基準とすると、捕捉体物質に標的物質が結合した状態でのピーク波長シフト量より、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態でのピーク波長シフト量は顕著に大きなものとなる。
【０１２７】
実際には、金属微粒子の表面には、捕捉体物質が結合している状態の部分と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態の部分とが混在している。結果として、局在表面プラズモン共鳴に依存する散乱光成分は、捕捉体物質が結合している状態の部分に由来する成分と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態の部分に由来する成分との合計となっている。本発明では、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態でのピーク波長シフト量が大きいことを利用して、この二つの成分を分離して観測することを可能としている。図４に模式的に示すように、捕捉体物質が結合している状態の部分に由来する成分のピーク波長λ1と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態の部分に由来する成分のピーク波長λ2とが分離されている。この状態では、波長λ2で検出される散乱光成分の光強度Ｐ（λ2）と、波長λ1で検出される散乱光成分の光強度Ｐ（λ1）との比率は、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態の部分の割合を反映している。
【０１２８】
図５に示す装置構成では、干渉フィルタ５０９を利用することで、原理的には、金属微粒子から発する散乱光５０７のみが検出される構成となっている。この干渉フィルタ５０９の代わりに、分光器を利用して、平行光線のみを検出する配置に設定した上で、散乱光のスペクトルを測定する装置構成としてもよい。
【０１２９】
（第３の実施形態）
本発明にかかる化学センシング装置における、第３の実施形態を、図６を参照して説明する。本実施形態においては、センサ媒体６０５は、透明基板の表面に設ける金属薄膜に微小な開口をアレイ状に配置する構成、あるいは、透明基板の表面に金属微粒子をアレイ状に密着させている構成を有する。その際、微小な開口、あるいは、金属微粒子は、規則的な間隔で、一次元あるいは二次元のアレイ配置とする。
【０１３０】
また、金属薄膜にアレイ状に設ける微小な開口に対して、その微小な開口の近傍に標的物質分子に対する結合能を有する捕捉体物質分子が結合されている。あるいは、透明基板の表面にアレイ状に配置される金属微粒子の表面には、標的物質分子に対する結合能を有する捕捉体物質分子が結合されている。
【０１３１】
図６に示す装置構成においても、タングステンランプや発光ダイオード等を光源６０１として利用する。光源６０１から照射される照射光６０６（波長λは５００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲）を、コリメータレンズ６０２を通して、センサ媒体６０５に照射する。金属薄膜に微小な開口をアレイ状に設ける態様では、第１の実施形態と同様に、センサ媒体６０５の金属薄膜上面に、平行光線とされた照射光６０６を垂直入射させる。金属微粒子をアレイ状に設ける態様では、第２の実施形態と同様に、センサ媒体６０５の金属微粒子アレイ面に、平行光線とされた照射光６０６を斜め入射させる。
【０１３２】
一方、透過光（または、散乱光）６０７の検出系は、結像レンズ６０８、干渉フィルタ６０９、画像光センサ６１０で構成されている。結像レンズ６０８は、センサ媒体６０５のアレイ状に設けられる微小な開口からの透過光の像を、画像光センサ６１０上に結像させるように配置されている。あるいは、結像レンズ６０８は、センサ媒体６０５のアレイ状に配置される金属微粒子から発する散乱光の像を、画像光センサ６１０上に結像させるように配置されている。
【０１３３】
画像センサ６１０上に結像される、アレイ状に設ける微小な開口からの透過光の像において、干渉フィルタ６０９を透過する特定の波長成分の光強度の二次元分布が測定される。この分光された特定の波長成分の光強度の二次元分布の測定結果が、画像信号６１１として、出力される。実際には、画像信号６１１は、干渉フィルタ６０９を利用して、分光された特定の波長λと、その波長における検出光強度Ｐ（λ）の二次元分布情報を含むものとなっている。この情報（λ、Ｐ（λ，ｘ，ｙ））を、各微小な開口の位置（ｘ，ｙ）に対して、横軸を波長λ、縦軸を検出光強度Ｐ（λ，ｘ，ｙ）としてプロットすると、各微小な開口（ｘ，ｙ）における透過光のスペクトルとなる。
【０１３４】
また、結像レンズ６０８を用いて、画像光センサ６１０上に結像させられる、アレイ状に設ける金属微粒子からの散乱光においても、干渉フィルタ６０９を透過する特定の波長成分の光強度の二次元分布が測定される。この分光された特定の波長成分の光強度の二次元分布の測定結果が、画像信号６１１として、出力される。
【０１３５】
画像光センサ６１０として、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の二次元画像光センサが好適に利用できる。
【０１３６】
例えば、アレイ状に設ける金属微粒子において、その金属微粒子の表面に結合されている捕捉体物質によって、結合・固定される標識物質が結合した標的物質６０４の密度に差違があると、その差違によって、散乱光スペクトルが異なる。図８に模式的に示すように、捕捉体物質が結合している状態に由来する、ピーク波長λ1の成分と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質６０４が結合した状態に由来する、ピーク波長λ2の成分の比率が相違する。
【０１３７】
例えば、図８に例示する散乱光スペクトル（透過光スペクトル）の相違がある場合、捕捉体物質が結合している状態に由来する、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質６０４が結合した状態を二次元的にプロットする。図７に例示する、二次元的にプロットでは、金属微粒子上の捕捉体物質に、標識物質が結合した標的物質６０４が高い密度で結合している金属微粒子部分は、ピーク波長λ1の成分の強度が低い領域として特定される。一方、標識物質が結合した標的物質６０４が低い密度でしか結合されていない金属微粒子部分は、ピーク波長λ1の成分の強度が高い領域として特定される。更には、標識物質が結合した標的物質６０４が高い密度で結合している金属微粒子部分は、ピーク波長λ2の成分の強度が高い領域として特定される。
【０１３８】
また、図８に示すように、ピーク波長λ1の成分と、ピーク波長λ2の成分との間で、ピーク波長のシフト量が十分に大きい場合には、画像光センサ６１０の代わりに、単画素の光検出器を用いる構成とすることもできる。結像レンズ６０８を用いて、この１６個の微小な開口からの透過光を結像し、干渉フィルタ６０９を通過した成分を、単画素の光検出器を用いて、波長λの成分の光強度の合計：∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙを観測する。
【０１３９】
例えば、ピーク波長λ1の成分の二次元分布が、図７に示すように、１６個の微小な開口中、１０個の微小な開口では、標識物質が結合した標的物質６０４が低い密度でしか結合されていない場合を考慮する。その場合、波長λの成分の光強度の合計：∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙは、図８の（ａ）に示すように、ピーク波長λ1の成分が主なピークとなっている。また、１６個の微小な開口中、５個の微小な開口では、標識物質が結合した標的物質６０４が低い密度でしか結合されていない場合を考慮する。その場合、波長λの成分の光強度の合計：∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙは、図８の（ｂ）に示すように、ピーク波長λ1の成分が副次的なピークとなっている。このように、単画素の光検出器を用いて、∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙを測定することによって、１６個の微小な開口中、標識物質が結合した標的物質６０４が低い密度でしか結合されていない微小な開口の割合を、推定することができる。例えば、ピーク波長λ1において、∫Ｐ（λ1，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙを測定すると、標識物質が結合した標的物質６０４が低い密度でしか結合されていない微小な開口の割合を、０／１６〜１６／１６の１６階調で検出することが可能である。
【０１４０】
例えば、アレイ状の金属微粒子の個々に、異なる標的物質を選択的に結合可能な捕捉体物質を結合している場合を考える。その際、各金属微粒子において、標識物質が結合した標的物質６０４が捕捉体物質に結合していない状態で散乱光成分は、それぞれピーク波長：λ1-k（ｋ＝１、…、１６）を示すとする。また、各金属微粒子において、標識物質が結合した標的物質６０４が捕捉体物質に結合している状態で散乱光成分は、それぞれピーク波長：λ2-k（ｋ＝１、…、１６）を示すとする。その時、ピーク波長：λ1-k（ｋ＝１、…、１６）は、λ1-k≒λ1となり、λ2-k（ｋ＝１、…、１６）は、λ2-k≒λ2となるように、捕捉体物質１−ｋと、標識物質が結合した標的物質６０４−ｋとの組み合わせを選択する。この条件が満たされる場合、検体液６０３中に含有される、標識物質が結合した標的物質６０４−ｋ複数種の同時検出が可能である。すなわち、波長λ1と、波長λ2とで、アレイ状の金属微粒子からの散乱光成分を１次元または２次元イメージとして検出する。この二つの測定結果に基づき、アレイ状の金属微粒子の個々に、対応する捕捉体物質１−ｋによる標識物質が結合した標的物質６０４−ｋの結合の有無を判定することができる。この複数の標的物質の同時検出手法は、例えば、医療診断における多項目診断に応用することも可能である。
【０１４１】
（第４の実施形態）
図９に、本発明にかかる化学センシング装置を、マイクロ化学分析システム(μ-ＴＡＳ: Ｍicro Ｔotal Ａnalysis Ｓystem や Ｌab-on-a-chip とも呼ばれる)における検出手段として利用するシステム構成の一例を示す。
【０１４２】
図９に示すシステム構成では、マイクロ化学分析システム９０１において、試料液注入部９０２から注入された被検査液が流路９０４を通って、反応液注入部９０３から注入された反応液と反応した後、検出部９０５に到達する。このマイクロ化学分析システム９０１自体は、光透過性材料で構成される透明基板上に検出部９０５が形成されている。この検出部９０５には、図に拡大して示したように、透明基板に設ける液溜め構造の底面上に、一次元アレイ状の微小な開口９０６が設けられている金属薄膜が密着されている。この金属薄膜に設ける一次元アレイ状の微小な開口９０６は、各微小な開口のサイズは、照射光９０７の波長よりも小さく選択されている。また、金属薄膜に設ける各微小な開口９０６の近傍には、検出対象の標的物質分子と選択的に結合可能な捕捉体物質分子が、その金属薄膜の表面に結合されている。一方、この検出部９０４に到達する検体液中に、標的物質分子は、標識物質が結合した標的物質分子の形態として含まれる。
【０１４３】
例えば、被検査液に上記の反応操作を施した後、標識物質が結合した第二の捕捉体物質分子を標的物質分子に作用させ、第二の捕捉体物質分子と標的物質分子との結合を介して、標識物質が結合した標的物質分子とする。あるいは、被検査液に施される上記の反応操作自体が、標識物質が結合した第二の捕捉体物質分子を標的物質分子に作用させ、第二の捕捉体物質分子と標的物質分子との結合を介して、標識物質が結合した標的物質分子を調製する反応であってもよい。
【０１４４】
被検査液は、検出部９０５に到達すると、微小な開口９０６を設けた金属薄膜の表面を覆うように、検出部９０５内にしみ込む。その結果、被検査液中に含まれる、標識物質が結合した標的物質は、微小開口９０６近傍に結合されている捕捉体物質によって結合される形態となっている。
【０１４５】
一方、検出手段として利用する化学センシング装置の構成は、この検出部９０５に対して、平行光線とされた照射光９０７を、微小な開口９０６を設けた金属薄膜の表面に垂直入射する方式となっている。垂直入射条件において、金属薄膜に設けるアレイ状の微小な開口９０６を透過する透過光９０８を、レンズ９０９を利用して、干渉フィルタ９１０上に結像させる。この干渉フィルタ９１０を通過した透過光成分を、光電子増倍管９１１で検出する。すなわち、上記の第３の実施形態において、画像光センサに代えて、単画素の光検出器を用いる態様に相当している。結像レンズ９０９を用いて、一次元アレイ状の微小な開口からの透過光を結像し、干渉フィルタ９１０を通過した波長λの透過光成分を、光電子増倍管９１１によって、波長λの成分の光強度の合計：∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙとして観測する。
【０１４６】
（第５の実施形態）
図１０に、本発明にかかる化学センシング装置を、ＤＮＡチップやプロテインチップの各検出セルにおける検出手段として利用するシステム構成の一例を示す。
【０１４７】
図１０に示すＤＮＡチップ／プロテインチップ１００１は、複数のセルが二次元アレイ状に設けられる構成とされている。その各検出セル１００２は、光透過性材料で形成される透明基板を利用して作製されている。各検出セル１００２の底面上に、一次元アレイ状の微小な開口１００６が設けられている金属薄膜が密着されている。この金属薄膜に設ける一次元アレイ状の微小な開口１００６は、各微小な開口のサイズは、照射光１００４の波長よりも小さく選択されている。また、ＤＮＡチップでは、金属薄膜に設ける各微小な開口１００３の近傍には、捕捉体物質分子として、ＤＮＡプローブが、その金属薄膜の表面に結合されている。また、プロテインチップでは、金属薄膜に設ける各微小な開口１００３の近傍には、捕捉体物質分子として、例えば、検出対象のタンパク質（標的物質分子）に対する特異抗体が、その金属薄膜の表面に結合されている。
【０１４８】
ＤＮＡチップでは、捕捉体物質のＤＮＡプローブと結合させる、標識物質が結合した標的物質分子として、例えば、５'−末端にリンカーを介して、標識物質が連結された核酸分子を検体液中に含有させる。また、プロテインチップでは、例えば、標識物質が結合した第二の捕捉体物質分子を標的物質分子に作用させ、第二の捕捉体物質分子と標的物質分子との結合を介して、標識物質が結合した標的物質分子とする。
【０１４９】
その際、各検出セル１００６において、標識物質が結合した標的物質が捕捉体物質に結合していない状態で微小な開口を透過する透過光成分は、それぞれピーク波長：λ1-k（ｋ＝１、…、Ｎ）を示すとする。また、各検出セルにおいて、標識物質が結合した標的物質が捕捉体物質に結合している状態で、微小な開口を透過する透過光成分は、それぞれピーク波長：λ2-k（ｋ＝１、…、Ｎ）を示すとする。その時、ピーク波長：λ1-k（ｋ＝１、…、Ｎ）は、λ1-k≒λ1となり、λ2-k（ｋ＝１、…、Ｎ）は、λ2-k≒λ2となるように、捕捉体物質と、標識物質が結合した標的物質との組み合わせを選択する。この条件が満たされる場合、ＤＮＡチップ／プロテインチップ１００１を利用して、各検出セル１００６について、それぞれ、標識物質が結合した標的物質の結合の有無を、同時に検出することが可能である。
【０１５０】
その際、検出手段として利用する化学センシング装置の構成は、ＤＮＡチップ／プロテインチップ１００１の各検出セル１００６に対して、平行光線とされた照射光１００４を、微小な開口１００３を設けた金属薄膜の表面に垂直入射する方式となっている。垂直入射条件において、金属薄膜に設けるアレイ状の微小な開口１００３を透過する透過光１００５を、レンズ１００６を利用して、干渉フィルタ上に結像させる。この干渉フィルタを通過した透過光成分を、ＣＣＤカメラ１００７で検出する。すなわち、上記の第３の実施形態において、結像レンズを利用して、アレイ状に設ける微小な開口からの透過光の像を干渉フィルタ上に結像し、干渉フィルタを通過する、波長λの成分の光強度の二次元分布を測定する方式に相当する。ＣＣＤカメラ１００７によって検出される、波長λの成分の光強度の二次元分布：Ｐ（λ，ｘ，ｙ）に基づいて、各検出セル１００６について、その領域に関して、光強度の合計：∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙを算出する。その算出結果を、ＤＮＡチップ／プロテインチップ１００１の各検出セル１００６の配置に対応させて、二次元プロットすると、ＤＮＡチップ／プロテインチップ１００１全体の検出結果を示すパターン情報が得られる。
【０１５１】
図１０に示す、金属薄膜の表面に対して、平行光線とされた照射光１００４を垂直入射する方式では、微小な開口を設けていない領域では、入射された平行光線の一部は、金属薄膜を透過できる。その金属薄膜を直接透過した透過光は、第３の実施形態において説明したように、透過光（または、散乱光）の検出系を、結像レンズ、干渉フィルタ、画像光センサで構成することで、実質的に除去されている。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明にかかる化学センシング装置の第１の実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明にかかる化学センシング装置の第１の実施形態における、微小な開口で生じる局所プラズモン共鳴を利用するセンシング法の動作原理を模式的に示す図である。
【図３】本発明にかかる化学センシング装置の第２の実施形態における、金属微粒子表面で生じる局所プラズモン共鳴を利用するセンシング法の動作原理を模式的に示す図である。
【図４】金属表面におけるプラズモン共鳴に起因する光吸収（光散乱）のスペクトルおける、該金属表面への物質吸着に起因するピーク波長の変移を模式的に示す図である。
【図５】本発明にかかる化学センシング装置の第２の実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明にかかる化学センシング装置の第３の実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図７】マトリックス状に配置されるセンシング部位からの透過光（散乱光）における、図４に示すピーク波長の変移を、画像光センサを利用して検出した測定結果を処理し、画像信号の形態で出力した結果を模式的に示す図である。
【図８】本発明にかかる化学センシング装置の第３の実施形態において、複数の微小な開口（あるいは、複数の金属微粒子）からの透過光（あるいは、散乱光）のスペクトルを構成する、二つのピーク波長を示す成分の比率を示す。二つのピーク波長を示す成分の比率について、該複数の微小な開口（あるいは、複数の金属微粒子）表面に対する物質吸着の比率に起因する変化の様子を模式的に示す図である。
【図９】本発明にかかる化学センシング装置を、マイクロ化学分析システムにおける検出手段として利用するシステム構成の一例を模式的に示す図である。
【図１０】本発明にかかる化学センシング装置を、ＤＮＡチップやプロテインチップを利用する対象物質の検出システムにおいて、該チップ上に配置される検出セル上の対象物質の固定の有無の検出に利用システム構成の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１５３】
１０１ 光源
１０２ コリメータレンズ
１０３ 検体液
１０４ 標識物質が結合した標的物質
１０５ センサ媒体
１０６ 照射光
１０７ 透過光
１０８ 集光レンズ
１０９ 干渉フィルタ
１１０ 光検出器
１１１ 検出信号
２０１ 透明基板
２０２ 金属薄膜
２０３ 照射光
２０４ 開口
２０５ 捕捉体物質１
２０６ 標的物質
２０７ 捕捉体物質２
２０８ 標識物質
２０９ 透過光
３０１ 透明基板
３０２ 照射光
３０３ 金属微粒子
３０４ 捕捉体物質１
３０５ 標的物質
３０６ 捕捉体物質２
３０７ 標識物質
３０８ 散乱光
４０１ 標識物質配置前のスペクトル
４０２ 標識物質配置後のスペクトル
５０１ 光源
５０２ コリメータレンズ
５０３ 検体液
５０４ 標識物質が結合した標的物質
５０５ センサ媒体
５０６ 照射光
５０７ 散乱光
５０８ 集光レンズ
５０９ 干渉フィルタ
５１０ 光検出器
５１１ 検出信号
６０１ 光源
６０２ コリメータレンズ
６０３ 検体液
６０４ 標識物質が結合した標的物質
６０５ センサ媒体
６０６ 検体液
６０７ 透過光
６０８ 結像レンズ
６０９ 干渉フィルタ
６１０ 画像センサ
６１１ 画像信号
７０１ 波長λ１の透過光部分
７０２ 波長λ２の透過光部分
９０１ マイクロ化学分析システム
９０２ 試料液注入部
９０３ 反応液注入部
９０４ 流路
９０５ 検出部
９０６ 微小開口
９０７ 照射光
９０８ 透過光
９０９ レンズ
９１０ フィルタ
９１１ 光電子増倍管
１００１ ＤＮＡチップ／プロテインチップ
１００２ 各検出セル
１００３ 微小開口
１００４ 照射光
１００５ 透過光
１００６ レンズ
１００７ ＣＣＤカメラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学センサに関する。特には、医療や健康診断、食品の検査に用いられる、生体物質の検出を目的とする表面プラズモン共鳴バイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療における診断や食物の検査等において、種々の生理物質、生体物質を検出するバイオセンサの利用が進んでいる。特に、サンプル中に含まれる僅かな量の生理物質、生体物質の検出が可能である種々のバイオセンサが開発されている。また、小型で高速センシングが可能であり、同時に、低コストなバイオセンサの開発が求められている。
【０００３】
また、抗原・抗体反応を利用した抗原分子の検出、受容体タンパク質に対するリガンド分子の結合を利用するリガンド分子の検出に利用されるバイオセンサの開発も進められている。これら検出対象の生理物質、生体物質を特異的に捕捉する捕捉体物質と、検出対象とを複合体形成させて検出するバイオセンサにおいても、小型化、高速センシング、低コスト化が求められている。その際、小型化を図るとともに、形成された複合体量を精度よく、かつ短時間で測定する目的では、表面プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたバイオセンサが有望視されている。この表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサ、例えば、Ｋｒｅｔｃｈｍａｎｎ型構成のＳＰＲバイオセンサでは、光の入射角が全反射条件を満たす配置とされている、プリズム表面に設けた金属薄膜を利用する。すなわち、この全反射型配置のプリズム表面に設けた金属薄膜の表面に生成されている表面プラズモンと、入射される光とのカップリングに起因する表面プラズモン共鳴吸収（散乱）を利用する。この金属薄膜の表面に物質が吸着すると、表面プラズモン共鳴吸収（散乱）を引き起こす光のピーク波長（表面プラズモン共鳴波長）がシフトする。その際、金属薄膜の表面に吸着されている物質量が増加すれば、この表面プラズモン共鳴波長のシフト量が増大するという現象を利用して、金属薄膜の表面に吸着されている物質量を測定している。
【０００４】
一方、高感度なセンシングを目的として、特許文献１では、金属薄膜に形成した微小開口を用いた局在表面プラズモン共鳴センサが提案されている。該局在表面プラズモン共鳴センサでは、基板上の金属薄膜に形成した微小開口に光を照射し、微小開口を透過した光の透過率を測定することにより、微小開口近傍の媒質の変化を検出する構成を採用している。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１３２３９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ｋｒｅｔｃｈｍａｎｎ型構成の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサにおいては、見掛けの表面プラズモン共鳴波長のシフト量増大は、該金属薄膜の表面に吸着されている物質量の増加に依存する。一方、試料中に含有される検出対象物質の濃度が低い場合、該金属薄膜の表面に吸着される検出対象物質の面密度も低くなる。その結果、見掛けの表面プラズモン共鳴波長のシフト量に依存する、検出光量変化も少なくなり、検出対象物質の濃度を高い精度で検出することが困難となっている。
【０００６】
また、上記の局在表面プラズモン共鳴センサも、局在表面プラズモン共鳴吸収（散乱）を引き起こす光の波長のシフトを利用している。この局在表面プラズモン共鳴吸収（散乱）は、金属薄膜に形成された微小開口部の表面、特には、微小開口部側壁に存在する局在表面プラズモンに由来するものである。試料中に含有される検出対象物質の濃度が低い場合、該微小開口部表面の固定されている捕捉体物質分子との分子間結合を介して、該微小開口部表面に固定化される検出対象物質の面密度も低くなる。その結果、見掛けの局在表面プラズモン共鳴波長のシフト量に依存する、透過光量変化も少なくなり、検出対象物質の濃度を高い精度で検出する上での障害要因となっている。
【０００７】
一方、早期の病状段階での医療診断に利用する場合には、検体試料中に存在する極微量のタンパク質を検出することが必要となる。また、食品の検査に応用する場合には、細菌数が非常に少ない段階で、検出対象の細菌を高い確度で検出することが必要となる。すなわち、検体試料中に存在する検出対象の濃度が低い場合でも、検出対象の濃度を高い確度・精度で測定するためには、該検出対象の検出に利用するバイオセンサに対して、一層の高感度化が望まれている。例えば、センサ表面に、所定の面密度で固定されている複数個の捕捉体物質分子に対して、検出対象の生体物質が、一分子が結合するような「単分子レベル」の検出能を具えたバイオセンサの開発が望まれている。
【０００８】
本発明は前記の課題を解決するものである。本発明の目的は、センサ表面に所定面密度で固定した捕捉体物質分子との結合を介して、固定化される検出対象を検出する際、該検出対象の固定化率が「単分子レベル」であっても、高い確度・精度で検出が可能な、化学センシング装置を提供することにある。また、本発明の目的は、該化学センシング装置を利用して、検体試料中に極く低い濃度で含まれる検出対象を、高い確度・精度で検出が可能な、化学センシング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明においては、
金属薄膜に設ける微小な開口、あるいは金属微粒子の表面に入射される照射光に起因して、その金属表面の近接場光と、金属の自由電子とのカップリングによる局在表面プラズモン（local surface plasmon）の共鳴現象（local surface plasmonresonance）を利用している。その際、微小な開口から１／２波長よりも短い距離に、標識物質が結合された標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化する。あるいは、金属微粒子の表面に、標識物質が結合された標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化する。この１／２波長よりも短い距離に固定化される標識物質が結合された標的物質、特に、標識物質の存在は、金属表面に発生する電子波により大きな影響が及ぶ。そのため、局在表面プラズモン共鳴が起こる共鳴条件（共鳴周波数）により大きな変化が引き起こされる。本発明は、この現象を利用することで、検出感度を格段に向上させたものである。
【００１０】
本発明にかかる化学センシング装置は、下記の構成を有するものである。
【００１１】
該化学センシング装置は、次の構成要素を具えてなる装置である。
【００１２】
光源；
該光源から照射される光の波長よりも小さい開口を設けた金属薄膜または金属微粒子；該開口または該金属微粒子の近傍に設けられた捕捉体物質；
該捕捉体物質と結合可能な標的物質と結合した該開口または該金属微粒子と略同程度のサイズを有する標識物質；
該開口または該金属微粒子へ照射光の透過光または散乱光を検出する光検出器。
【００１３】
また、本発明にかかる化学センシング方法は、下記の構成を有するものである。
【００１４】
該化学センシング方法では、次の構成要素を利用する。
【００１５】
光源から照射される光の波長よりも小さい開口を有する金属薄膜または金属微粒子；
該開口または該金属微粒子の近傍に設けられた捕捉体物質；
該開口または該金属微粒子と略同程度のサイズを有する標識物質。
【００１６】
その上で、該化学センシング方法は、下記の工程を具えている。
【００１７】
標的物質を該標識物質に結合させる工程；
該標識物質が結合した該標的物質を該捕捉体物質に結合させる工程；
該光源から該開口または該金属微粒子へ光を照射する工程；
該開口または該金属微粒子への該照射光の透過光または散乱光を検出する工程。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる化学センシング装置、化学センシング方法では、金属薄膜に形成した微小な開口の近傍や金属微粒子に結合させた捕捉体物質に、前記開口や金属微粒子と同程度のサイズの標識物質を結合した標的物質を結合させる。開口や金属微粒子と同程度のサイズの標識物質を結合した標的物質として結合させることで、観測される局在表面プラズモン共鳴のピーク波長のシフト量を大きくしている。そのため、局在表面プラズモン共鳴を利用する検出において、標的物質に対する検出感度は、単分子レベルまで高感度化が可能となる。この高い検出感度を利用することで、早期の病状段階の医療診断や非常に少ない細菌の検出に対しても、本発明にかかる化学センシング装置、化学センシング方法は好適に適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明における、好適な形態を示す。
【００２０】
本発明の化学センシング装置は、下記の構成を有することが好ましい。
【００２１】
本発明の化学センシング装置は、標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化することで検出を行う方式の化学センシング装置である。
【００２２】
該化学センシング装置は、下記の構成要素を具えている。
【００２３】
光源；
該光源から照射される光の波長よりも小さい開口を設けた金属薄膜、または該光の波長よりも小さい金属微粒子；
前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子をその表面に保持する透明基板；
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質；
前記開口または金属微粒子の大きさを基準として、その１／１０倍以上１０倍以下の範囲の大きさを有しており、該捕捉体物質と結合可能な前記標的物質に対して結合されている標識物質；
前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を検出する光検出器。
【００２４】
また、該化学センシング装置は、下記の検出方式を用いている。
【００２５】
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化する。その固定化がなされた際に、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光に生ずる変化に基づき、標的物質の検出を行う。
【００２６】
上記の化学センシング装置では、
前記標識物質は、誘電体微粒子である構成を採用することができる。
【００２７】
前記標識物質は、第二の金属微粒子である構成を採用することができる。
【００２８】
前記標識物質は、磁性微粒子である構成を採用することができる。
【００２９】
一方、前記光検出器は、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する機能を具えている構成を採用することが好ましい。
【００３０】
また、前記金属薄膜に設ける開口、または金属微粒子を、複数個設け、
該複数個の開口、または、複数個の金属微粒子は、前記透明基板の表面上において、一次元または二次元のアレイ状の配置をとっている形態を選択することができる。
【００３１】
その際、前記光検出器は、
前記透明基板の表面上において、一次元または二次元のアレイ状の配置をとっている、前記複数個の開口を透過した透過光、または、前記複数個の金属微粒子から発せられる散乱光を検出可能なものを用いる。例えば、
一次元または二次元の画像情報として、検出を行う機能を具えている光検出器を用いることが好ましい。
【００３２】
上記の化学センシング装置では、
前記光源から照射される光の照射方式、ならびに、前記光検出器の配置は、下記の構成とすることが好ましい。前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光のみが前記光検出器によって検出される、暗視野照明の配置である。
【００３３】
また、本発明の化学センシング装置は、
マイクロ化学分析システムにおける検出部における検出手段として、
該マイクロ化学分析システム中に組み込まれたシステム構成とできる。
【００３４】
該化学センシング装置は、
ＤＮＡチップを利用する標的物質の検出システムにおける検出手段として、該ＤＮＡチップを利用する標的物質の検出システム中に組み込まれたシステム構成とできる。
【００３５】
該化学センシング装置は、
プロテインチップを利用する標的物質の検出システムにおける検出手段として、該プロテインチップを利用する標的物質の検出システム中に組み込まれたシステム構成とできる。
【００３６】
本発明の化学センシング方法は、下記の構成を有することが好ましい。
【００３７】
本発明の化学センシング方法は、標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化することで検出を行う方式の化学センシング方法である。
【００３８】
該化学センシングを実施する装置として、下記の構成要素を具えている装置を利用する。
【００３９】
光源；
該光源から照射される光の波長よりも小さい開口を設けた金属薄膜、または該光の波長よりも小さい金属微粒子；
前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子をその表面に保持する透明基板；
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質；
前記開口または金属微粒子の大きさを基準として、その１／１０倍以上１０倍以下の範囲の大きさを有しており、該捕捉体物質と結合可能な前記標的物質に対して結合されている標識物質；
前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を検出する光検出器。
【００４０】
また、該化学センシング方法は、下記の検出方式を用いている。
【００４１】
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化する。その固定化がなされた際に、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光に生ずる変化に基づき、標的物質の検出を行う。
【００４２】
該化学センシング方法のセンシング操作は、下記の工程を具えている。
【００４３】
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化する工程；
前記固定化がなされた際に、前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射する工程；
前記光源から照射される光を照射した状態で、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程。
【００４４】
また、該化学センシング方法は、以下に列記する形態とすることができる。
【００４５】
前記光検出器は、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する機能を具えたものとする。
【００４６】
その上で、前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、次の操作を行う。すなわち、前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する。
【００４７】
また、前記光検出器は、
一次元または二次元的に拡がりを有する測定領域に対して、一次元または二次元の画像情報として、該測定領域からの光を検出する機能を具えたものとする。
【００４８】
その上で、前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、次の操作を行う。すなわち、前記光源から照射される光の照射がなされる領域からの光を、一次元または二次元の画像情報として検出を行う。
【００４９】
また、該化学センシング方法では、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、次の操作を付加することもできる。すなわち、前記光検出器で検出される光強度の測定結果に基づき、光強度の階調を算出する操作を設けることができる。
【００５０】
なお、該化学センシング方法では、
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質は、次のものを利用することができる。すなわち、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に第二の光を照射して、該第二の光の照射により誘起される光化学反応を用いて、前記捕捉体物質を金属表面に結合させたものを用いることができる。
【００５１】
次に、本発明に関わる技術的な背景をより詳しく説明する。
【００５２】
平坦な金属薄膜の表面においては、その表面の特殊性に由来して、光とカップリングを起こすことが可能な電子波（プラズモン）のモード、すなわち、表面プラズモン（surface plasmon）が生じる。
【００５３】
一方、光の波長よりも微小な粒子径（直径）を有する金属微粒子の表面の曲率半径は極めて小さいため、この表面に光が入射する場合、発生する回折光の回折角が入射角も大きくなる。そのため、回折光が生じず、金属表面に光が閉じ込められる状況となる。その結果、金属微粒子の表面に発生した近接場光と自由電子とのカップリングが生じ、局在表面プラズモン（localized surface plasmon）が生じる。元来、表面プラズモン共鳴に由来し、この金属微粒子の表面で生じる吸収（散乱）を局在表面プラズモン共鳴吸収と称する。
【００５４】
（第一の形態）
本発明の化学センシング装置において、高い検出感度を達成する上で利用される原理について、以下に説明する。
【００５５】
まず、本発明の第一の形態で利用する検出手法の原理を、図２を用いて説明する。図２（ａ）に示すように、センサ媒体は、透明基板２０１上に形成した金属薄膜２０２中に、照射光２０３の波長λよりも小さいサイズの微小な開口２０４が形成されている。開口２０４の近傍には、捕捉体物質分子１（２０５）が結合されている。一方、標的物質分子２０６に対して、捕捉体物質分子２（２０７）を介して開口２０４と同程度の大きさの標識物質２０８を結合させる。
【００５６】
具体的には、標識物質２０８サイズは、開口２０４のサイズに対して、その１／１０倍以上１０倍以下、なお好ましくは１／３倍以上３倍以下の範囲に選択する。
【００５７】
光が照射された２つの物体の間に働く近接場光相互作用の大きさは、２つの物体の大きさが同程度のとき最大となり、２つの物体のどちらかが大きくても小さくても近接場光相互作用の大きさは小さくなる。
【００５８】
そこで、本発明では、開口サイズと標識物質サイズとが同程度（１／１０倍以上１０倍以下、なお好ましくは、１／３倍以上３倍以下）にする。これにより、開口と標識物質との間に作用する近接場光相互作用を増加させることができる。従って、標識物質が開口に対して近接することによる開口近傍の近接場分布の変化を増加させることができる。
【００５９】
標識物質２０８を結合させた標的物質２０６を含む検体液に、センサ媒体を浸漬する。そして、捕捉体物質１（２０５）と、標的物質２０６との反応を行わせる。図２（ｂ）に示すように、捕捉体物質２（２０７）を介して、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６は、開口２０４の近傍に固定化がなされる。その際、開口２０４の近傍に標識物質２０８が配置された構成となる。
【００６０】
開口２０４を形成する金属薄膜２０２の膜厚は、１０ｎｍ以上１μｍ以下とする。開口２０４のサイズは、照射光２０３の波長λよりも小さく選択すればよい。但し、下記のように選択することが好ましい。
【００６１】
開口２０４の平面形状は、縦と横のサイズのうち、短い方は、波長λ以下、好ましくは、波長λの１／２以下に選択する。なお、開口２０４のサイズを波長λの１／１００以下とすると精度の観点で問題を生じうる。例えば、波長λ＝５００ｎｍの場合であって、開口２０４の形状を波長λの１／１００以下とすると、開口２０４のサイズは５ｎｍ以下となる。そのため、一般には、波長λの１／５０以下とならない範囲に選択することが望ましい。
【００６２】
開口２０４を設けている金属薄膜２０２の上面に、照射光２０３を垂直入射させると、透過光２０９は、開口２０４の形状（開口の縦横の幅、金属薄膜の膜厚、金属の材質）に応じた局在表面プラズモン共鳴に起因する透過スペクトルを有する。開口２０４の近傍に捕捉体物質１（２０５）が結合されている状態では、この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークは、ピーク波長λ1となる。
【００６３】
一方、捕捉体物質２（２０７）を介して、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６が固定化される状態で、この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークは、ピーク波長λ2となる。図４に、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６の固定化に伴う、局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長がシフトする様子を模式的に示す。
【００６４】
この局在表面プラズモン共鳴は、開口２０４の近傍の特徴的な現象である。そのため、開口２０４の近傍の捕捉体物質１（２０５）に対し、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６の単分子が結合することで、前記のピーク波長のシフトが引き起こされる。この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長シフトを反映して、開口２０４を透過する透過光のスペクトル形状にも変化が起きる。そのため、開口２０４を透過する透過光のスペクトル形状の変化を検出することで、開口２０４の近傍の捕捉体物質１（２０５）に対し、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６の結合の有無を、単分子レベルの検出が可能となる。
【００６５】
上記の局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長シフトは、捕捉体物質１（２０５）に標的物質２０６のみが結合した状態では、この標的物質２０６のサイズは小さいため、僅かなシフト量である。一方、標識物質２０８を結合させた標的物質２０６と、捕捉体物質１（２０５）とが結合すれば、標識物質２０８のサイズは、標的物質２０６のサイズより格段に大きいため、より大きなシフト量となる。
本発明では、このように、局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長のシフト量がより大きくなることを利用して、開口２０４を透過する透過光２０９のスペクトル形状変化をより高い感度で検出することを可能としている。
【００６６】
（第二の形態）
次に、本発明の第二の形態で利用する検出手法の原理を、図３を用いて説明する。本発明の第二の形態では、金属薄膜に形成した微小な開口の代わりに、金属微粒子を用いている。図３（ａ）に示すように、センサ媒体は、透明基板３０１上に、照射光３０３の波長λよりも小さいサイズの金属微粒子３０３が形成されている。この金属微粒子３０３の表面上には捕捉体物質分子１（３０４）が結合されている。一方、標的物質分子３０５に対して、捕捉体物質分子２（３０６）を介して金属微粒子３０３と同程度の大きさの標識物質３０７を結合させる。
【００６７】
具体的には、標識物質３０７サイズは、金属微粒子３０３のサイズに対して、その１／１０倍以上１０倍以下の範囲、好ましくは１／３倍以上３倍以下の範囲に選択する。
光が照射された２つの物体の間に働く近接場光相互作用の大きさは２つの物体の大きさが同程度のとき最大となり、２つの物体のどちらかが大きくても小さくても近接場光相互作用の大きさは小さくなる。
【００６８】
そこで、本発明では、金属微粒子サイズと標識物質サイズとが同程度（１／１０倍以上１０倍以下、好ましくは、１／３倍以上３倍以下）にする。これにより、金属微粒子と標識物質との間に作用する近接場光相互作用を増加させることができる。従って、標識物質が金属微粒子に対して近接することによる金属微粒子近傍の近接場光分布の変化を増加させることができる。
【００６９】
標識物質３０７を結合させた標的物質３０５を含む検体液に、センサ媒体を浸漬する。そして、捕捉体物質１（３０４）と、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５との反応を行わせる。図３（ｂ）に示すように、捕捉体物質２（３０６）を介して、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５は、金属微粒子３０３の表面上に固定化がなされる。その際、金属微粒子３０３の表面の近傍に標識物質３０７が配置された構成となる。
【００７０】
金属微粒子３０３を形成する金属薄膜の膜厚は、１０ｎｍ以上１μｍ以下とする。金属微粒子３０３のサイズは、照射光３０２の波長λよりも小さく選択すればよい。但し、下記のように選択することが好ましい。
【００７１】
金属微粒子３０３の平面形状は、縦、横のサイズのうち、小さい方は、波長λ以下、好ましくは波長λの１／２以下に選択する。なお、金属微粒子３０３のサイズを波長λの１／１００以下とすると精度の観点で問題を生じうる。例えば、波長λ＝５００ｎｍの場合であって、金属微粒子３０３のサイズを波長λの１／１００以下とすると、金属微粒子３０３のサイズは５ｎｍ以下となる。そのため、一般には、波長λの１／５０以下とならない範囲に選択することが望ましい。
【００７２】
金属微粒子３０３の上面に、直接透過光の影響を避けるため、照射光３０４を斜め入射させる。照射光３０４を照射した際、金属微粒子３０３が散乱する散乱光３０８は、金属微粒子３０３の形状（縦横の幅、厚さ、金属の材質）に応じた局在表面プラズモン共鳴に起因するピークを示す吸収スペクトルを有する。金属微粒子３０３の表面上に捕捉体物質１（３０４）が結合されている状態では、この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークは、ピーク波長λ1となる。
【００７３】
一方、捕捉体物質２（３０６）を介して、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５が固定化される状態で、この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークは、ピーク波長λ2となる。
【００７４】
この局在表面プラズモン共鳴は、金属微粒子３０３の表面近傍に特徴的な現象である。そのため、金属微粒子３０３表面の捕捉体物質１（３０４）に対し、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５の単分子が結合することで、前記のピーク波長のシフトが引き起こされる。この局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長シフトを反映して、金属微粒子３０３の裏面から発する散乱光３０８のスペクトル形状に変化が起こる。そのため、金属微粒子３０３から発せられる散乱光３０８のスペクトル形状の変化を検出することで、表面の捕捉体物質１（３０４）に対し、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５の結合の有無を、単分子レベルの検出が可能となる。
【００７５】
上記の局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長シフトは、捕捉体物質１（３０４）に標的物質３０５のみが結合した状態では、この標的物質３０５のサイズは小さいため、僅かなシフト量である。一方、標識物質３０７を結合させた標的物質３０５と、捕捉体物質１（３０４）とが結合すれば、標識物質３０７のサイズは、標的物質３０５のサイズより格段に大きいため、より大きなシフト量となる。
【００７６】
本発明では、局在表面プラズモン共鳴に起因するピークのピーク波長のシフト量はより大きくなることを利用して、金属微粒子３０３の裏面から発する散乱光３０８のスペクトル形状変化をより高い感度で検出することを可能としている。
【００７７】
なお、金属微粒子３０３の上面に、照射光３０４を斜め入射させ、裏面側からの散乱光３０８は、垂直方向より観測している。このように暗視野照明の配置を選択することで、散乱光３０８の検出には、照射光３０２の直接透過光の影響を避けることができる。例えば、金属微粒子３０３の上面に、照射光３０４を斜め入射させる際、その入射角は、全反射条件を満足する範囲に選択することができる。
【００７８】
本発明においては、金属微粒子３０３の表面に斜め入射される照射光３０４に起因して、その金属表面に発生する近接場光と、金属の自由電子とのカップリングによる局在表面プラズモン共鳴現象（local surface plasmon resonance）を利用している。その際、金属微粒子の表面から、金属微粒子の大きさの程度よりも短い距離に標識物質３０７が固定化されていると、金属表面に発生する電子波にその影響が及ぶ。そのため、局在表面プラズモン共鳴が起こる共鳴条件（共鳴周波数）により大きな変化が引き起こされる。
【００７９】
ここで、標識物質２０８、３０７としては、ポリスチレンビーズ等の微小誘電体物質や金ナノ微粒子等の微小金属物質、ナノフェライトビーズ等の微小磁性体物質を選択する。
微小金属物質を用いた場合は、照射光２０３照射時に開口２０４近傍に励起される局在表面プラズモンや照射光３０２照射時に金属微粒子３０３近傍に励起される局在表面プラズモンに強い変調を加えることが可能となる。これは、微小金属物質と金属微粒子の間に発生する電場が増強され、微小金属物質と金属微粒子が一体となった構造としての新たな局在表面プラズモンのモードが現れることによる。その変調効果を利用することにより、より高感度のセンシングが可能となるという効果を有する。
【００８０】
微小磁性体物質を用いた場合は、磁石を用いて、微小磁性体物質を結合させた標的物質を収集して、濃縮するができる。また、捕捉体物質１との反応の際に、開口２０４近傍に微小磁性体物質を結合させた標識物質２０８を引き寄せることが可能となる。この利点を利用することで、検体液中に低濃度で含まれる微小磁性体物質を結合させた標的物質２０６でも、捕捉体物質に効率的に結合させ、検出することができるという効果を有する。
【００８１】
また、標的物質２０６、３０５の種類によって標識物質２０８、３０７のサイズを違えておけば、スペクトル変化量が異なるので複数の標識物質の同時検出が可能である。
【００８２】
開口２０４近傍に特異的に捕捉体物質１（２０５）を結合させるには、透明基板２０１の裏面から別の光を照射し、開口２０４の表面側に滲み出させた近接場光を用いて、光化学反応を誘起して、捕捉体物質１（２０５）を選択的に結合させれば良い。これにより、開口２０４の近傍のみに、特異的に捕捉体物質１（２０５）を結合させ、その他の部分へ結合させないようにすることができる。それに伴い、より高感度な化学センシングが可能となる。
【００８３】
ここで用いる光化学反応の例としては、フォトレジストシステムで用いられているように光ラジカル発生、光酸発生、光アミン発生による光架橋反応、光ラジカル重合反応、光カチオン重合反応がある。これにより、開口２０４を形成する金属に直接もしくは表面酸化膜、シランカップリング材料分子、アルカンチオール膜等を間に介して、金属と捕捉体物質１を化学結合させることができる。
【００８４】
同様に、金属微粒子３０３上に特異的に捕捉体物質１（３０４）を結合させるには、金属微粒子３０３に別の光を照射し、金属微粒子の表面に滲み出させた近接場光を用いて、光化学反応を誘起して、捕捉体物質１（３０４）を結合させればよい。この手法を適用すると、金属微粒子上、特に近接場光強度の強い部分のみに、特異的に捕捉体物質１（３０４）を結合させ、その他の部分への結合させないようにすることができる。それに伴い、より高感度な化学センシングが可能となる。
【００８５】
以下に、具体例を示して、本発明をさらに詳しく説明する。以下に示す事例は、実施形態の一例であるが、本発明の技術的範囲は、これらの態様に限定されない。
【００８６】
（第１の実施形態）
本発明にかかる化学センシング装置における、第１の実施形態を、図１を参照して説明する。
【００８７】
図１に示す装置構成においては、タングステンランプや発光ダイオード等を光源１０１として利用する。
【００８８】
光源１０１から照射される、照射光１０６（波長λは５００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲）を、コリメータレンズ１０２を通して、センサ媒体１０５に照射する。センサ媒体１０５は、照射光１０６に対して光透過性を有する基板の表面に、厚さ５０ｎｍの金属薄膜が形成された構造を持つ。この金属薄膜には、上記図２に示すような、縦２００ｎｍ、横５０ｎｍの矩形の開口が設けられている。すなわち、設けられている開口の縦横のうち小さい方のサイズは、照射光１０６の波長λよりも小さく、波長λの１／２以下となっている。
【００８９】
この微細な開口の近傍には、標的物質分子に対して結合能を有する捕捉体物質分子が結合されている。この標的物質分子に対して結合能を有する捕捉体物質分子としては、例えば抗体分子が好適に利用可能である。この抗体分子は、抗原・抗体反応を介して、標的物質の抗原分子を、選択的に結合させることができる。
【００９０】
一方、検体液１０３中には、標識物質が結合した標的物質１０４が含まれる。この標識物質が結合した標的物質１０４は、例えば、抗原分子等の標的物質に対して、直径５０ｎｍのポリスチレンビーズ等の標識物質が結合した状態となっている。ここでは、標識物質が結合した標的物質１０４における、標識物質：標的物質の比率は、１：１の比率に選択されている。
【００９１】
標識物質として、利用可能なポリスチレンビーズは、そのサイズを、前記の開口のうち、小さい方のサイズである横５０ｎｍと比較して、１／１０倍以上１０倍以下の範囲、好ましくは、１／３倍以上３倍以下である５ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲から選ぶ必要がある。本実施形態では５０ｎｍとする。
【００９２】
また、検体液１０３を構成する溶媒は、水性溶媒、例えば、緩衝液であり、照射光１０６の波長λにおける屈折率ｎsolvent（λ）は、水の屈折率ｎH2O（λ）＝１．３３〜１．３４と等しいと見做せる。一方、ポリスチレンビーズに用いられるポリスチレンの屈折率ｎpolystyrene（λ）は、１．５４〜１．５６の範囲である。このように、ポリスチレンと緩衝液（水）との間には、屈折率に差違があり、微細な径のポリスチレンビーズは、緩衝液中において、微小開口近傍に近づくと近傍の屈折率を変化させることになる。
【００９３】
センサ媒体１０５の作製に利用される金属薄膜の材料としては、緩衝液中（屈折率ｎH2O＝１．３３〜１．３４）において、その金属における局在表面プラズモン共鳴のピーク波長λlocalized surface plasmon（ｎH2O＝１．３３）が、４００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲に存在することが望ましい。
【００９４】
この条件を満たす金属材料のうち、前記緩衝液中での使用に耐えるものを選択する。例えば、緩衝液中に浸した際、金属薄膜自体に対する化学反応が生じ、金属の溶解が起こると、その膜厚の減少、開口のサイズの拡大が起こりうる。あるいは、緩衝液中に浸した際、金属薄膜自体に対する化学反応が生じ、表面酸化膜の形成が進むと、金属薄膜の表面に、金属酸化膜が積層された状態となりうる。
【００９５】
例えば、金（Ａｕ）の屈折率ｎAu（λ）は、ｎAu（λ=500nm）＝０．８０３、ｎAu（λ=700nm）＝０．１３１である。銀（Ａｇ）の屈折率ｎAg（λ）は、ｎAg（λ=376nm）＝０．０９０、ｎAg（λ=500nm）＝０．０４６８である。銅（Ｃｕ）の屈折率ｎCu（λ）は、ｎCu（λ=500nm）＝１．０３、ｎAu（λ=750nm）＝０．１０３である。アルミ二ウム（Ａｌ）の屈折率ｎAl（λ）は、ｎAl（λ=220nm）＝０．１４、ｎAl（λ=400nm）＝０．４０である。また、その表面プラズモン共鳴のピーク波長λsurface plasmon（n0=1.00）は、金（Ａｕ）では、５２６ｎｍ、銀（Ａｇ）では、３２０ｎｍ、銅（Ｃｕ）では、５５０ｎｍ、アルミ二ウム（Ａｌ）では、１２０ｎｍである。さらに、ｐＨを、６．５〜８．０の範囲に設定する緩衝液中では、これらの金属に対する化学反応は極く限られている。従って、金や銀、銅、アルミニウムは、センサ媒体１０５を構成する際に利用する金属薄膜の材料として、好適に使用できる。
【００９６】
加えて、金や銀、銅、アルミニウムの金属薄膜上において、発生する表面プラズモンに起因する、局在表面プラズモン共鳴の強度は大きく、本発明の目的には適している。一般に、金属薄膜上に物質の吸着が生じた際、局在表面プラズモン共鳴のピーク波長λlocalized surface plasmonは、表面プラズモン共鳴のピーク波長λsurface plasmon（n0=1.00）よりも、長波長側に観測される。特に、金の薄膜を利用する場合には、金薄膜上に物質の吸着が生じた際、局在表面プラズモン共鳴のピーク波長λlocalized surface plasmonは、５２６ｎｍより長波長側の可視域となるので、照射光１０６の波長λを可視域に選択する装置構成に適している。
【００９７】
一方、金、銀、銅、さらには、アルミニウム間の合金を、金属薄膜として利用することができる。金、銀、銅、アルミニウム間の合金は、均一な固溶体を形成できるため、その組成を任意に選択することが可能である。合金の金属薄膜を利用すると、表面プラズモン共鳴のピーク波長λsurface plasmonは、通常、該合金の成分金属個々で観測されるピーク波長を両端とする波長範囲となる。この性質を利用すると、例えば、金（Ａｕ）と銀（Ａｇ）との合金では、表面プラズモン共鳴のピーク波長λsurface plasmonを、３２０ｎｍ〜５２６ｎｍの範囲内で調節することも可能となる。従って、金、銀、銅、アルミニウム間の合金で形成される金属薄膜を利用すると、縦・横・厚さ・間隔等の開口形状を調整することと併せて、局在表面プラズモン共鳴のピーク波長λlocalized surface plasmonを、近紫外領域から近赤外領域の間で調整できる。すなわち、この手法を用いると、局在表面プラズモン共鳴のピーク波長λlocalized surface plasmonを、３５０ｎｍ〜１６００ｎｍの全域にわたって調整することが可能である。
【００９８】
次に、金属薄膜に設ける縦２００ｎｍ、横５０ｎｍの矩形の開口の近傍に結合される捕捉体物質の密度Ｄ1は、少なくとも、Ｄ1＝１００００分子／μｍ2以上に選択することが好ましい。具体的には、縦２００ｎｍ、横５０ｎｍの矩形の開口を中心として、縦３００ｎｍ、横１５０ｎｍの微小領域の金属表面の面積は、０．０４５μｍ2となる。この微小領域内に、少なくとも、捕捉体物質が、Ｎ1＝Ｄ1×０．０４５＝４５０分子以上結合していることが好ましい。換言するならば、近接する捕捉体物質間の平均的間隔ｄ1を、少なくとも、１０００／（Ｄ1）1/2ｎｍ≒１０ｎｍ以下とすることに相当する。
【００９９】
なお、捕捉体物質の結合を行う領域は、縦２００ｎｍ、横５０ｎｍの矩形開口の近傍で、矩形開口の端部から標識物質のサイズ程度以下の距離までの領域が望ましい。これは、標識物質が開口に近づいたことにより開口近傍の近接場光分布に及ぼす影響が顕著に現れるためである。したがって、開口サイズが縦２００ｎｍ×横５０ｎｍの矩形開口に対し、標識物質として５０ｎｍのポリスチレンビーズを用いる場合、捕捉体物質の結合を行う領域は、３００ｎｍ×１５０ｎｍ以下とすることが望ましい。この微小な領域に対して、捕捉体物質の結合を行う手段としては、前記したように開口を形成した基板の裏面から別の光を照射し、開口の表面側に滲み出させた近接場光を用いて、光化学反応を誘起して、捕捉体物質を選択的に結合させれば良い。
【０１００】
一方、標識物質が結合した標的物質１０４は、例えば、抗原分子等の標的物質に対して、直径５０ｎｍのポリスチレンビーズ等の標識物質が、上記のように、標識物質：標的物質の比率が１：１となるように結合した状態とする。標識物質を、標的物質に定量的に結合させる手段の一例を説明する。図２に例示するように、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標識物質とが定量的に連結された複合体分子を別途作製する。この複合体分子と、標的物質とを、液相中で反応させ、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）部分に、標的物質を結合させ、標識物質：標的物質の比率が１：１となるように結合した状態とする。
【０１０１】
この液相中における反応は、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標識物質とが定量的に連結された複合体分子と、標的物質との複合体形成反応に相当している。従って、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子の濃度Ｃ2、自由な標的物質の濃度Ｃ0、標識物質が結合した標的物質１０４の濃度Ｃ1は、複合体の解離平衡に従う。複合体の解離平衡定数Ｋ1を用いて、Ｋ1＝（Ｃ0×Ｃ2）／Ｃ1と表される。標識物質が結合した標的物質１０４の濃度Ｃ1と自由な標的物質の濃度Ｃ0の比率：Ｃ1／Ｃ0は、｛Ｃ1／Ｃ｝＝Ｃ2／Ｋ1となる。
【０１０２】
本発明では、検体液１０３中において、標識物質が結合した標的物質１０４の濃度Ｃ1と自由な標的物質の濃度Ｃ0の比率：Ｃ1／Ｃ0は、少なくとも、Ｃ1／Ｃ0≧１０の条件を満足することが好ましい。この条件を維持するためには、検体液１０３中に、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子を、Ｃ2／Ｋ1≧１０を満足する濃度で添加した状態とする必要がある。
【０１０３】
あるいは、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標的物質との結合を形成した後、両者間を共有結合的に連結する処理を施し、解離が進行しない状態とする。この共有結合的な連結処理を施した場合は、検体液１０３中に、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子を共存させる必要はない。
【０１０４】
センサ媒体１０５を、検体液１０３中に浸漬すると、図２に示すように、金属薄膜に設ける矩形の開口の近傍に結合される捕捉体物質（２０５）によって、標識物質が結合した標的物質１０４中の標的物質（２０６）が結合される。光源１０１からの照射光は、コリメータレンズ１０２を用いて、平行光線とした上で、センサへと導入する。すなわち、捕捉体物質によって、標識物質が結合した標的物質１０４が結合された時点で、センサ媒体１０５の金属薄膜の上面から、照射光１０６を垂直入射させる。一方、透過光の検出系は、集光レンズ１０８、干渉フィルタ１０９、光検出器１１０で構成されている。集光レンズ１０８は、そのレンズの焦点が、センサ媒体１０５の金属薄膜に設けられている矩形の開口を透過する光を集光可能な位置となるように配置されている。具体的には、センサ媒体１０５の金属薄膜と透明基板との界面における、矩形の開口部を通過した光は、集光レンズ１０８によって、平行光線とされた上で、干渉フィルタ１０９上に入射される配置となっている。
【０１０５】
干渉フィルタ１０９は、所謂、ファブリペロー型干渉フィルタであり、特定の波長の光のみが透過可能な構成とされている。その透過可能な光波長は、ファブリペロー型干渉フィルタの表面に対する、入射光の入射角を変更することで変更される特徴を利用して、分光器の機能を付与されている。干渉フィルタ１０９を利用して、分光された特定の波長の光の強度を、光検出器１１０で検出する。この分光された特定の波長の光強度の測定結果が、検出信号１１１として、出力される。実際には、検出信号１１１は、干渉フィルタ１０９を利用して、分光された特定の波長λと、その波長における検出光強度Ｐ（λ）の情報を含むものとなっている。この情報（λ、Ｐ（λ））を、横軸を波長λ、縦軸を検出光強度Ｐ（λ）としてプロットすると、透過光のスペクトルとなる。
【０１０６】
センサ媒体１０５の金属薄膜に対して、平行光線とした照射光１０６を垂直入射しているため、微小な矩形の開口近傍以外の金属薄膜に入射した光は、金属表面で反射を受ける。従って、上記の構成の検出系では、原理的には、微小な矩形の開口を透過する透過光１０７のみが検出される。
【０１０７】
微小な矩形の開口を透過する透過光１０７は、この金属薄膜に形成された微小な開口部における局在表面プラズモン共鳴に依存する成分を含んでいる。この局在表面プラズモン共鳴に依存する透過光成分は、この微小な矩形の開口の近傍に固定されている分子による局所的な屈折率変化に依存した波長分布（スペクトル）を示す。具体的には、微小な矩形の開口の近傍に捕捉体物質が結合している状態と、この捕捉体物質に標的物質が結合した状態とでは、局在表面プラズモン共鳴に依存する透過光成分のピーク波長は相違する。さらに、この捕捉体物質に標的物質が結合した状態と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態とでは、局在表面プラズモン共鳴に依存する透過光成分のピーク波長は相違する。捕捉体物質が結合している状態を基準とすると、捕捉体物質に標的物質が結合した状態でのピーク波長シフト量より、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態でのピーク波長シフト量は顕著に大きなものとなる。
【０１０８】
実際には、微小な矩形の開口の近傍では、捕捉体物質が結合している状態の部分と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態の部分とが混在している。結果として、局在表面プラズモン共鳴に依存する透過光成分は、捕捉体物質が結合している状態の部分に由来する成分と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態の部分に由来する成分との合計となっている。
【０１０９】
本発明では、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態でのピーク波長シフト量が大きいことを利用して、この二つの成分を分離して観測することを可能としている。図４に模式的に示すように、捕捉体物質が結合している状態の部分に由来する成分のピーク波長λ1と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態の部分に由来する成分のピーク波長λ2とが分離されている。この状態では、波長λ2で検出される透過光成分の光強度Ｐ（λ2）と、波長λ1で検出される透過光成分の光強度Ｐ（λ1）との比率は、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質１０４が結合した状態の部分の割合を反映している。
【０１１０】
図１に示す装置構成では、干渉フィルタ１０９を利用することで、原理的には、微小な矩形の開口を透過する透過光１０７のみが検出される構成となっている。この干渉フィルタ１０９の代わりに、分光器を利用して、平行光線のみを検出する配置に設定した上で、透過光のスペクトルを測定する装置構成としてもよい。
【０１１１】
センサ媒体１０５における捕捉体物質と標的物質の組み合わせは、捕捉体物質によって、標的物質が選択的に結合固定される限り、種々の組み合わせを選択することができる。具体的には、標的物質に対する捕捉体物質の選択的な結合能を利用する種々のセンサで利用される組み合わせに適用できる。この種のセンサの例としては、酵素センサ、微生物センサ、オルガネラセンサ、組織センサ、免疫センサ、酵素免疫センサ、バイオアフィニティセンサ等のバイオセンサを含む化学センサが挙げられる。その際、対象となる標的物質に対して、標識物質を結合することができること、また、標識物質が結合した標的物質は、捕捉体物質によって結合されることの条件を満たすことが必須である。
【０１１２】
（第２の実施形態）
本発明にかかる化学センシング装置における、第２の実施形態を、図５を参照して説明する。図５に示す装置構成においては、タングステンランプや発光ダイオード等を光源５０１として利用する。光源５０１から照射される照射光５０６（波長λは５００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲）を、コリメータレンズ５０２を通して、センサ媒体５０５に照射する。センサ媒体５０５は、照射光５０６に対して光透過性を有する基板の表面に、金属微粒子が設けられた構造を持つ。この金属微粒子のサイズは、縦２００ｎｍ、横５０ｎｍ、高さ５０ｎｍに選択され、その底面は、透明基板の表面に密着されている。この金属微粒子の平面形状の縦横のうち小さい方のサイズは、照射光５０６の波長λよりも小さく、波長λの１／２以下となっている。金属微粒子の表面には、標的物質分子に対する結合能を有する捕捉体物質分子が結合されている。この標的物質分子に対する結合能を有する捕捉体物質分子としては、抗体分子が好適に利用可能である。
【０１１３】
一方、検体液５０３中には、標識物質が結合した標的物質５０４が含まれる。この標識物質が結合した標的物質５０４は、例えば、抗原分子等の標的物質に対して、直径５０ｎｍのポリスチレンビーズ等の標識物質が結合した状態となっている。ここでは、標識物質が結合した標的物質５０４における、標識物質：標的物質の比率は、１：１の比率に選択されている。標識物質として、利用可能なポリスチレンビーズは、そのサイズを、前記の金属微粒子の平面形状のうち、小さい方のサイズである横５０ｎｍと比較して、１／１０倍以上１０倍以下の範囲、好ましくは、１／３倍以上３倍以下の範囲から選ぶ必要がある。すなわち、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲、好ましくは、１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲から選ぶ必要がある。本実施形態では５０ｎｍとする。
【０１１４】
また、検体液５０３を構成する溶媒は、前記検体液１０３と同様の溶媒を用いることができる。
【０１１５】
センサ媒体５０５の作製に利用される金属微粒子の材料としては、センサ媒体１０５の作製に利用される金属薄膜と同様の材料を同様の理由から用いることができる。
【０１１６】
次に、金属微粒子の縦２００ｎｍ、横５０ｎｍ表面上に結合される捕捉体物質の密度Ｄ2は、少なくとも、Ｄ2＝１００００分子／μｍ2以上に選択することが好ましい。具体的には、縦２００ｎｍ、横５０ｎｍ、高さ５０ｎｍの矩形状の金属表面の面積は、０．０３５μｍ2となる。この微小領域内に、少なくとも、捕捉体物質が、Ｎ2＝Ｄ2×０．０３５＝３５０分子以上結合していることが好ましい。換言するならば、近接する捕捉体物質間の平均的間隔ｄ1を、少なくとも、１０００／（Ｄ2）1/2ｎｍ≒１０ｎｍ以下とすることに相当する。
【０１１７】
なお、この微小な金属微粒子の表面に対して、捕捉体物質の結合を行う手段としては、捕捉体物質を溶解する溶液を、シランカップリング材料分子やアルカンチオール膜等を介して化学反応させることにより、金属表面に結合を形成する手法が利用できる。また、前記した光化学反応を用いることもできる。
【０１１８】
一方、標識物質が結合した標的物質５０４は、例えば、抗原分子等の標的物質に対して、直径５０ｎｍのポリスチレンビーズ等の標識物質が、上記のように、標識物質：標的物質の比率が１：１となるように結合した状態とする。標識物質を、標的物質に定量的に結合させる手段の一例を説明する。図３に例示するように、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標識物質とが定量的に連結された複合体分子を別途作製する。この複合体分子と、標的物質とを、液相中で反応させ、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）部分に、標的物質を結合させ、標識物質：標的物質の比率が１：１となるように結合した状態とする。
【０１１９】
この液相中における反応は、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標識物質とが定量的に連結された複合体分子と、標的物質との複合体形成反応に相当している。従って、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子の濃度Ｃ2、自由な標的物質の濃度Ｃ0、標識物質が結合した標的物質１０４の濃度Ｃ1は、複合体の解離平衡に従う。複合体の解離平衡定数Ｋ1を用いて、Ｋ1＝（Ｃ0×Ｃ2）／Ｃ1と表される。標識物質が結合した標的物質５０４の濃度Ｃ1と自由な標的物質の濃度Ｃ0の比率：Ｃ1／Ｃ0は、｛Ｃ1／Ｃ｝＝Ｃ2／Ｋ1となる。
【０１２０】
本発明では、検体液５０３中において、標識物質が結合した標的物質５０４の濃度Ｃ1と自由な標的物質の濃度Ｃ0の比率：Ｃ1／Ｃ0は、少なくとも、Ｃ1／Ｃ0≧１０の条件を満足することが好ましい。この条件を維持するためには、検体液５０３中に、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子を、Ｃ2／Ｋ1≧１０を満足する濃度で添加した状態とする必要がある。
【０１２１】
あるいは、第二の捕捉体物質（捕捉体物質２）と標的物質との結合を形成した後、両者間を共有結合的に連結する処理を施し、解離が進行しない状態とする。この共有結合的な連結処理を施した場合は、検体液５０３中に、捕捉体物質２と標識物質とが連結された複合体分子を共存させる必要はない。
【０１２２】
センサ媒体５０５を、検体液５０３中に浸漬すると、図３に示すように、金属微粒子の表面に結合される捕捉体物質（３０４）によって、標識物質が結合した標的物質５０４中の標的物質（３０５）が結合される。光源５０１からの照射光は、コリメータレンズ５０２を用いて、平行光線とした上で、センサへと導入する。すなわち、捕捉体物質によって、標識物質が結合した標的物質５０４が結合された時点で、センサ媒体５０５の金属微粒子の上面に、照射光５０６を斜め入射させる。一方、散乱光の検出系は、集光レンズ５０８、干渉フィルタ５０９、光検出器５１０で構成されている。集光レンズ５０８は、そのレンズの焦点が、センサ媒体５０５の金属微粒子の裏面から発する散乱光を集光可能な位置となるように配置されている。具体的には、センサ媒体５０５の金属微粒子と透明基板との界面において、金属微粒子の裏面から発する散乱光は、集光レンズ５０８によって、平行光線とされた上で、干渉フィルタ５０９上に入射される配置となっている。
【０１２３】
干渉フィルタ５０９は、所謂、ファブリペロー型干渉フィルタであり、特定の波長の光のみが透過可能な構成とされている。その透過可能な光波長は、ファブリペロー型干渉フィルタの表面に対する、入射光の入射角を変更することで変更される特徴を利用して、分光器の機能を付与されている。干渉フィルタ５０９を利用して、分光された特定の波長の光の強度を、光検出器５１０で検出する。この分光された特定の波長の光強度の測定結果が、検出信号５１１として、出力される。実際には、検出信号５１１は、干渉フィルタ５０９を利用して、分光された特定の波長λと、その波長における検出光強度Ｐ（λ）の情報を含むものとなっている。この情報（λ、Ｐ（λ））を、横軸を波長λ、縦軸を検出光強度Ｐ（λ）としてプロットすると、透過光のスペクトルとなる。
【０１２４】
センサ媒体５０５の金属微粒子の表面に対して、平行光線とした照射光５０６を斜め入射しているため、微小な金属微粒子以外の透明基板部分に入射した光は、そのまま透過する。従って、集光レンズ５０８には、入射しない配置とされている。一方、微小な金属微粒子の金属表面に入射する照射光５０６は、金属表面に近接場光を発生させる。この近接場光が金属微粒子内の自由電子とカップリングし、局在表面プラズモンが生じる。この局在表面プラズモン共鳴に由来する吸収に起因して、金属微粒子から散乱光が発生する。その散乱光の波長分布（スペクトル）は、局在表面プラズモン共鳴に対応するピーク波長を有する。
【０１２５】
この金属微粒子から発する散乱光５０７のみが、集光レンズ５０８を通り、平行光線とされた上で、干渉フィルタ５０９上に入射し、後段の検出器５１０に達することができる。すなわち、上記の構成の検出系では、原理的には、金属微粒子から発する散乱光５０７のみが検出される。
【０１２６】
金属微粒子から発する散乱光５０７は、この金属微粒子における局在表面プラズモン共鳴に依存する散乱光である。この局在表面プラズモン共鳴に依存する散乱光は、この金属微粒子に固定されている分子による局所的な屈折率変化に依存した波長分布（スペクトル）を示す。具体的には、金属微粒子表面に捕捉体物質が結合している状態と、この捕捉体物質に標的物質が結合した状態とでは、その局在表面プラズモン共鳴に依存する散乱光成分のピーク波長は相違する。さらに、この捕捉体物質に標的物質が結合した状態と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態とでは、その局在表面プラズモン共鳴に依存する散乱光成分のピーク波長は相違する。捕捉体物質が結合している状態を基準とすると、捕捉体物質に標的物質が結合した状態でのピーク波長シフト量より、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態でのピーク波長シフト量は顕著に大きなものとなる。
【０１２７】
実際には、金属微粒子の表面には、捕捉体物質が結合している状態の部分と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態の部分とが混在している。結果として、局在表面プラズモン共鳴に依存する散乱光成分は、捕捉体物質が結合している状態の部分に由来する成分と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態の部分に由来する成分との合計となっている。本発明では、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態でのピーク波長シフト量が大きいことを利用して、この二つの成分を分離して観測することを可能としている。図４に模式的に示すように、捕捉体物質が結合している状態の部分に由来する成分のピーク波長λ1と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態の部分に由来する成分のピーク波長λ2とが分離されている。この状態では、波長λ2で検出される散乱光成分の光強度Ｐ（λ2）と、波長λ1で検出される散乱光成分の光強度Ｐ（λ1）との比率は、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質５０４が結合した状態の部分の割合を反映している。
【０１２８】
図５に示す装置構成では、干渉フィルタ５０９を利用することで、原理的には、金属微粒子から発する散乱光５０７のみが検出される構成となっている。この干渉フィルタ５０９の代わりに、分光器を利用して、平行光線のみを検出する配置に設定した上で、散乱光のスペクトルを測定する装置構成としてもよい。
【０１２９】
（第３の実施形態）
本発明にかかる化学センシング装置における、第３の実施形態を、図６を参照して説明する。本実施形態においては、センサ媒体６０５は、透明基板の表面に設ける金属薄膜に微小な開口をアレイ状に配置する構成、あるいは、透明基板の表面に金属微粒子をアレイ状に密着させている構成を有する。その際、微小な開口、あるいは、金属微粒子は、規則的な間隔で、一次元あるいは二次元のアレイ配置とする。
【０１３０】
また、金属薄膜にアレイ状に設ける微小な開口に対して、その微小な開口の近傍に標的物質分子に対する結合能を有する捕捉体物質分子が結合されている。あるいは、透明基板の表面にアレイ状に配置される金属微粒子の表面には、標的物質分子に対する結合能を有する捕捉体物質分子が結合されている。
【０１３１】
図６に示す装置構成においても、タングステンランプや発光ダイオード等を光源６０１として利用する。光源６０１から照射される照射光６０６（波長λは５００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲）を、コリメータレンズ６０２を通して、センサ媒体６０５に照射する。金属薄膜に微小な開口をアレイ状に設ける態様では、第１の実施形態と同様に、センサ媒体６０５の金属薄膜上面に、平行光線とされた照射光６０６を垂直入射させる。金属微粒子をアレイ状に設ける態様では、第２の実施形態と同様に、センサ媒体６０５の金属微粒子アレイ面に、平行光線とされた照射光６０６を斜め入射させる。
【０１３２】
一方、透過光（または、散乱光）６０７の検出系は、結像レンズ６０８、干渉フィルタ６０９、画像光センサ６１０で構成されている。結像レンズ６０８は、センサ媒体６０５のアレイ状に設けられる微小な開口からの透過光の像を、画像光センサ６１０上に結像させるように配置されている。あるいは、結像レンズ６０８は、センサ媒体６０５のアレイ状に配置される金属微粒子から発する散乱光の像を、画像光センサ６１０上に結像させるように配置されている。
【０１３３】
画像センサ６１０上に結像される、アレイ状に設ける微小な開口からの透過光の像において、干渉フィルタ６０９を透過する特定の波長成分の光強度の二次元分布が測定される。この分光された特定の波長成分の光強度の二次元分布の測定結果が、画像信号６１１として、出力される。実際には、画像信号６１１は、干渉フィルタ６０９を利用して、分光された特定の波長λと、その波長における検出光強度Ｐ（λ）の二次元分布情報を含むものとなっている。この情報（λ、Ｐ（λ，ｘ，ｙ））を、各微小な開口の位置（ｘ，ｙ）に対して、横軸を波長λ、縦軸を検出光強度Ｐ（λ，ｘ，ｙ）としてプロットすると、各微小な開口（ｘ，ｙ）における透過光のスペクトルとなる。
【０１３４】
また、結像レンズ６０８を用いて、画像光センサ６１０上に結像させられる、アレイ状に設ける金属微粒子からの散乱光においても、干渉フィルタ６０９を透過する特定の波長成分の光強度の二次元分布が測定される。この分光された特定の波長成分の光強度の二次元分布の測定結果が、画像信号６１１として、出力される。
【０１３５】
画像光センサ６１０として、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の二次元画像光センサが好適に利用できる。
【０１３６】
例えば、アレイ状に設ける金属微粒子において、その金属微粒子の表面に結合されている捕捉体物質によって、結合・固定される標識物質が結合した標的物質６０４の密度に差違があると、その差違によって、散乱光スペクトルが異なる。図８に模式的に示すように、捕捉体物質が結合している状態に由来する、ピーク波長λ1の成分と、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質６０４が結合した状態に由来する、ピーク波長λ2の成分の比率が相違する。
【０１３７】
例えば、図８に例示する散乱光スペクトル（透過光スペクトル）の相違がある場合、捕捉体物質が結合している状態に由来する、捕捉体物質に標識物質が結合した標的物質６０４が結合した状態を二次元的にプロットする。図７に例示する、二次元的にプロットでは、金属微粒子上の捕捉体物質に、標識物質が結合した標的物質６０４が高い密度で結合している金属微粒子部分は、ピーク波長λ1の成分の強度が低い領域として特定される。一方、標識物質が結合した標的物質６０４が低い密度でしか結合されていない金属微粒子部分は、ピーク波長λ1の成分の強度が高い領域として特定される。更には、標識物質が結合した標的物質６０４が高い密度で結合している金属微粒子部分は、ピーク波長λ2の成分の強度が高い領域として特定される。
【０１３８】
また、図８に示すように、ピーク波長λ1の成分と、ピーク波長λ2の成分との間で、ピーク波長のシフト量が十分に大きい場合には、画像光センサ６１０の代わりに、単画素の光検出器を用いる構成とすることもできる。結像レンズ６０８を用いて、この１６個の微小な開口からの透過光を結像し、干渉フィルタ６０９を通過した成分を、単画素の光検出器を用いて、波長λの成分の光強度の合計：∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙを観測する。
【０１３９】
例えば、ピーク波長λ1の成分の二次元分布が、図７に示すように、１６個の微小な開口中、１０個の微小な開口では、標識物質が結合した標的物質６０４が低い密度でしか結合されていない場合を考慮する。その場合、波長λの成分の光強度の合計：∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙは、図８の（ａ）に示すように、ピーク波長λ1の成分が主なピークとなっている。また、１６個の微小な開口中、５個の微小な開口では、標識物質が結合した標的物質６０４が低い密度でしか結合されていない場合を考慮する。その場合、波長λの成分の光強度の合計：∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙは、図８の（ｂ）に示すように、ピーク波長λ1の成分が副次的なピークとなっている。このように、単画素の光検出器を用いて、∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙを測定することによって、１６個の微小な開口中、標識物質が結合した標的物質６０４が低い密度でしか結合されていない微小な開口の割合を、推定することができる。例えば、ピーク波長λ1において、∫Ｐ（λ1，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙを測定すると、標識物質が結合した標的物質６０４が低い密度でしか結合されていない微小な開口の割合を、０／１６〜１６／１６の１６階調で検出することが可能である。
【０１４０】
例えば、アレイ状の金属微粒子の個々に、異なる標的物質を選択的に結合可能な捕捉体物質を結合している場合を考える。その際、各金属微粒子において、標識物質が結合した標的物質６０４が捕捉体物質に結合していない状態で散乱光成分は、それぞれピーク波長：λ1-k（ｋ＝１、…、１６）を示すとする。また、各金属微粒子において、標識物質が結合した標的物質６０４が捕捉体物質に結合している状態で散乱光成分は、それぞれピーク波長：λ2-k（ｋ＝１、…、１６）を示すとする。その時、ピーク波長：λ1-k（ｋ＝１、…、１６）は、λ1-k≒λ1となり、λ2-k（ｋ＝１、…、１６）は、λ2-k≒λ2となるように、捕捉体物質１−ｋと、標識物質が結合した標的物質６０４−ｋとの組み合わせを選択する。この条件が満たされる場合、検体液６０３中に含有される、標識物質が結合した標的物質６０４−ｋ複数種の同時検出が可能である。すなわち、波長λ1と、波長λ2とで、アレイ状の金属微粒子からの散乱光成分を１次元または２次元イメージとして検出する。この二つの測定結果に基づき、アレイ状の金属微粒子の個々に、対応する捕捉体物質１−ｋによる標識物質が結合した標的物質６０４−ｋの結合の有無を判定することができる。この複数の標的物質の同時検出手法は、例えば、医療診断における多項目診断に応用することも可能である。
【０１４１】
（第４の実施形態）
図９に、本発明にかかる化学センシング装置を、マイクロ化学分析システム(μ-ＴＡＳ: Ｍicro Ｔotal Ａnalysis Ｓystem や Ｌab-on-a-chip とも呼ばれる)における検出手段として利用するシステム構成の一例を示す。
【０１４２】
図９に示すシステム構成では、マイクロ化学分析システム９０１において、試料液注入部９０２から注入された被検査液が流路９０４を通って、反応液注入部９０３から注入された反応液と反応した後、検出部９０５に到達する。このマイクロ化学分析システム９０１自体は、光透過性材料で構成される透明基板上に検出部９０５が形成されている。この検出部９０５には、図に拡大して示したように、透明基板に設ける液溜め構造の底面上に、一次元アレイ状の微小な開口９０６が設けられている金属薄膜が密着されている。この金属薄膜に設ける一次元アレイ状の微小な開口９０６は、各微小な開口のサイズは、照射光９０７の波長よりも小さく選択されている。また、金属薄膜に設ける各微小な開口９０６の近傍には、検出対象の標的物質分子と選択的に結合可能な捕捉体物質分子が、その金属薄膜の表面に結合されている。一方、この検出部９０４に到達する検体液中に、標的物質分子は、標識物質が結合した標的物質分子の形態として含まれる。
【０１４３】
例えば、被検査液に上記の反応操作を施した後、標識物質が結合した第二の捕捉体物質分子を標的物質分子に作用させ、第二の捕捉体物質分子と標的物質分子との結合を介して、標識物質が結合した標的物質分子とする。あるいは、被検査液に施される上記の反応操作自体が、標識物質が結合した第二の捕捉体物質分子を標的物質分子に作用させ、第二の捕捉体物質分子と標的物質分子との結合を介して、標識物質が結合した標的物質分子を調製する反応であってもよい。
【０１４４】
被検査液は、検出部９０５に到達すると、微小な開口９０６を設けた金属薄膜の表面を覆うように、検出部９０５内にしみ込む。その結果、被検査液中に含まれる、標識物質が結合した標的物質は、微小開口９０６近傍に結合されている捕捉体物質によって結合される形態となっている。
【０１４５】
一方、検出手段として利用する化学センシング装置の構成は、この検出部９０５に対して、平行光線とされた照射光９０７を、微小な開口９０６を設けた金属薄膜の表面に垂直入射する方式となっている。垂直入射条件において、金属薄膜に設けるアレイ状の微小な開口９０６を透過する透過光９０８を、レンズ９０９を利用して、干渉フィルタ９１０上に結像させる。この干渉フィルタ９１０を通過した透過光成分を、光電子増倍管９１１で検出する。すなわち、上記の第３の実施形態において、画像光センサに代えて、単画素の光検出器を用いる態様に相当している。結像レンズ９０９を用いて、一次元アレイ状の微小な開口からの透過光を結像し、干渉フィルタ９１０を通過した波長λの透過光成分を、光電子増倍管９１１によって、波長λの成分の光強度の合計：∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙとして観測する。
【０１４６】
（第５の実施形態）
図１０に、本発明にかかる化学センシング装置を、ＤＮＡチップやプロテインチップの各検出セルにおける検出手段として利用するシステム構成の一例を示す。
【０１４７】
図１０に示すＤＮＡチップ／プロテインチップ１００１は、複数のセルが二次元アレイ状に設けられる構成とされている。その各検出セル１００２は、光透過性材料で形成される透明基板を利用して作製されている。各検出セル１００２の底面上に、一次元アレイ状の微小な開口１００６が設けられている金属薄膜が密着されている。この金属薄膜に設ける一次元アレイ状の微小な開口１００６は、各微小な開口のサイズは、照射光１００４の波長よりも小さく選択されている。また、ＤＮＡチップでは、金属薄膜に設ける各微小な開口１００３の近傍には、捕捉体物質分子として、ＤＮＡプローブが、その金属薄膜の表面に結合されている。また、プロテインチップでは、金属薄膜に設ける各微小な開口１００３の近傍には、捕捉体物質分子として、例えば、検出対象のタンパク質（標的物質分子）に対する特異抗体が、その金属薄膜の表面に結合されている。
【０１４８】
ＤＮＡチップでは、捕捉体物質のＤＮＡプローブと結合させる、標識物質が結合した標的物質分子として、例えば、５'−末端にリンカーを介して、標識物質が連結された核酸分子を検体液中に含有させる。また、プロテインチップでは、例えば、標識物質が結合した第二の捕捉体物質分子を標的物質分子に作用させ、第二の捕捉体物質分子と標的物質分子との結合を介して、標識物質が結合した標的物質分子とする。
【０１４９】
その際、各検出セル１００６において、標識物質が結合した標的物質が捕捉体物質に結合していない状態で微小な開口を透過する透過光成分は、それぞれピーク波長：λ1-k（ｋ＝１、…、Ｎ）を示すとする。また、各検出セルにおいて、標識物質が結合した標的物質が捕捉体物質に結合している状態で、微小な開口を透過する透過光成分は、それぞれピーク波長：λ2-k（ｋ＝１、…、Ｎ）を示すとする。その時、ピーク波長：λ1-k（ｋ＝１、…、Ｎ）は、λ1-k≒λ1となり、λ2-k（ｋ＝１、…、Ｎ）は、λ2-k≒λ2となるように、捕捉体物質と、標識物質が結合した標的物質との組み合わせを選択する。この条件が満たされる場合、ＤＮＡチップ／プロテインチップ１００１を利用して、各検出セル１００６について、それぞれ、標識物質が結合した標的物質の結合の有無を、同時に検出することが可能である。
【０１５０】
その際、検出手段として利用する化学センシング装置の構成は、ＤＮＡチップ／プロテインチップ１００１の各検出セル１００６に対して、平行光線とされた照射光１００４を、微小な開口１００３を設けた金属薄膜の表面に垂直入射する方式となっている。垂直入射条件において、金属薄膜に設けるアレイ状の微小な開口１００３を透過する透過光１００５を、レンズ１００６を利用して、干渉フィルタ上に結像させる。この干渉フィルタを通過した透過光成分を、ＣＣＤカメラ１００７で検出する。すなわち、上記の第３の実施形態において、結像レンズを利用して、アレイ状に設ける微小な開口からの透過光の像を干渉フィルタ上に結像し、干渉フィルタを通過する、波長λの成分の光強度の二次元分布を測定する方式に相当する。ＣＣＤカメラ１００７によって検出される、波長λの成分の光強度の二次元分布：Ｐ（λ，ｘ，ｙ）に基づいて、各検出セル１００６について、その領域に関して、光強度の合計：∫Ｐ（λ，ｘ，ｙ）ｄｘｄｙを算出する。その算出結果を、ＤＮＡチップ／プロテインチップ１００１の各検出セル１００６の配置に対応させて、二次元プロットすると、ＤＮＡチップ／プロテインチップ１００１全体の検出結果を示すパターン情報が得られる。
【０１５１】
図１０に示す、金属薄膜の表面に対して、平行光線とされた照射光１００４を垂直入射する方式では、微小な開口を設けていない領域では、入射された平行光線の一部は、金属薄膜を透過できる。その金属薄膜を直接透過した透過光は、第３の実施形態において説明したように、透過光（または、散乱光）の検出系を、結像レンズ、干渉フィルタ、画像光センサで構成することで、実質的に除去されている。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明にかかる化学センシング装置の第１の実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明にかかる化学センシング装置の第１の実施形態における、微小な開口で生じる局所プラズモン共鳴を利用するセンシング法の動作原理を模式的に示す図である。
【図３】本発明にかかる化学センシング装置の第２の実施形態における、金属微粒子表面で生じる局所プラズモン共鳴を利用するセンシング法の動作原理を模式的に示す図である。
【図４】金属表面におけるプラズモン共鳴に起因する光吸収（光散乱）のスペクトルおける、該金属表面への物質吸着に起因するピーク波長の変移を模式的に示す図である。
【図５】本発明にかかる化学センシング装置の第２の実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明にかかる化学センシング装置の第３の実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図７】マトリックス状に配置されるセンシング部位からの透過光（散乱光）における、図４に示すピーク波長の変移を、画像光センサを利用して検出した測定結果を処理し、画像信号の形態で出力した結果を模式的に示す図である。
【図８】本発明にかかる化学センシング装置の第３の実施形態において、複数の微小な開口（あるいは、複数の金属微粒子）からの透過光（あるいは、散乱光）のスペクトルを構成する、二つのピーク波長を示す成分の比率を示す。二つのピーク波長を示す成分の比率について、該複数の微小な開口（あるいは、複数の金属微粒子）表面に対する物質吸着の比率に起因する変化の様子を模式的に示す図である。
【図９】本発明にかかる化学センシング装置を、マイクロ化学分析システムにおける検出手段として利用するシステム構成の一例を模式的に示す図である。
【図１０】本発明にかかる化学センシング装置を、ＤＮＡチップやプロテインチップを利用する対象物質の検出システムにおいて、該チップ上に配置される検出セル上の対象物質の固定の有無の検出に利用システム構成の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１５３】
１０１ 光源
１０２ コリメータレンズ
１０３ 検体液
１０４ 標識物質が結合した標的物質
１０５ センサ媒体
１０６ 照射光
１０７ 透過光
１０８ 集光レンズ
１０９ 干渉フィルタ
１１０ 光検出器
１１１ 検出信号
２０１ 透明基板
２０２ 金属薄膜
２０３ 照射光
２０４ 開口
２０５ 捕捉体物質１
２０６ 標的物質
２０７ 捕捉体物質２
２０８ 標識物質
２０９ 透過光
３０１ 透明基板
３０２ 照射光
３０３ 金属微粒子
３０４ 捕捉体物質１
３０５ 標的物質
３０６ 捕捉体物質２
３０７ 標識物質
３０８ 散乱光
４０１ 標識物質配置前のスペクトル
４０２ 標識物質配置後のスペクトル
５０１ 光源
５０２ コリメータレンズ
５０３ 検体液
５０４ 標識物質が結合した標的物質
５０５ センサ媒体
５０６ 照射光
５０７ 散乱光
５０８ 集光レンズ
５０９ 干渉フィルタ
５１０ 光検出器
５１１ 検出信号
６０１ 光源
６０２ コリメータレンズ
６０３ 検体液
６０４ 標識物質が結合した標的物質
６０５ センサ媒体
６０６ 検体液
６０７ 透過光
６０８ 結像レンズ
６０９ 干渉フィルタ
６１０ 画像センサ
６１１ 画像信号
７０１ 波長λ１の透過光部分
７０２ 波長λ２の透過光部分
９０１ マイクロ化学分析システム
９０２ 試料液注入部
９０３ 反応液注入部
９０４ 流路
９０５ 検出部
９０６ 微小開口
９０７ 照射光
９０８ 透過光
９０９ レンズ
９１０ フィルタ
９１１ 光電子増倍管
１００１ ＤＮＡチップ／プロテインチップ
１００２ 各検出セル
１００３ 微小開口
１００４ 照射光
１００５ 透過光
１００６ レンズ
１００７ ＣＣＤカメラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化することで検出を行う方式の化学センシング装置であって、
該化学センシング装置は、
光源と、
該光源から照射される光の波長よりも小さい開口を設けた金属薄膜、または該光の波長よりも小さい金属微粒子と、
前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子をその表面に保持する透明基板と、
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質と、
前記開口または金属微粒子の大きさを基準として、その１／１０倍以上１０倍以下の範囲の大きさを有しており、該捕捉体物質と結合可能な前記標的物質に対して結合されている標識物質と、
前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を検出する光検出器とを具えてなり、
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化して、
その固定化がなされた際に、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光に生ずる変化に基づき、標的物質の検出を行う検出方式を用いている
ことを特徴とする化学センシング装置。
【請求項２】
前記標識物質は、誘電体微粒子である
ことを特徴とする請求項１に記載の化学センシング装置。
【請求項３】
前記標識物質は、第二の金属微粒子である
ことを特徴とする請求項１に記載の化学センシング装置。
【請求項４】
前記標識物質は、磁性微粒子である
ことを特徴とする請求項１に記載の化学センシング装置。
【請求項５】
前記光検出器は、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する機能を具えている
ことを特徴とする請求項１−４のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項６】
前記金属薄膜に設ける開口、または金属微粒子を、複数個設け、
該複数個の開口、または、複数個の金属微粒子は、前記透明基板の表面上において、一次元または二次元のアレイ状の配置をとっている
ことを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項７】
前記光検出器は、
前記透明基板の表面上において、一次元または二次元のアレイ状の配置をとっている、前記複数個の開口を透過した透過光、または、前記複数個の金属微粒子から発せられる散乱光について、
一次元または二次元の画像情報として、検出を行う機能を具えている
ことを特徴とする請求項６に記載の化学センシング装置。
【請求項８】
前記光源から照射される光の照射方式、ならびに、前記光検出器の配置は、
前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光のみが前記光検出器によって検出される、暗視野照明の配置である
ことを特徴とする請求項１−７のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項９】
該化学センシング装置は、
マイクロ化学分析システムにおける検出部における検出手段として、
該マイクロ化学分析システム中に組み込まれたシステム構成とされている
ことを特徴とする請求項１−８のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項１０】
該化学センシング装置は、
ＤＮＡチップを利用する標的物質の検出システムにおける検出手段として、
該ＤＮＡチップを利用する標的物質の検出システム中に組み込まれたシステム構成とされている
ことを特徴とする請求項１−８のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項１１】
該化学センシング装置は、
プロテインチップを利用する標的物質の検出システムにおける検出手段として、
該プロテインチップを利用する標的物質の検出システム中に組み込まれたシステム構成とされている
ことを特徴とする請求項１−８のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項１２】
標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化することで検出を行う方式の化学センシング方法であって、
該化学センシングを実施する装置として、
光源と、
該光源から照射される光の波長よりも小さい開口を設けた金属薄膜、または該光の波長よりも小さい金属微粒子と、
前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子をその表面に保持する透明基板と、
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質と、
前記開口または金属微粒子の大きさを基準として、その１／１０倍以上１０倍以下の範囲の大きさを有しており、該捕捉体物質と結合可能な前記標的物質に対して結合されている標識物質と、
前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を検出する光検出器とを具えてなる装置を使用し、
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化して、
その固定化がなされた際に、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光に生ずる変化に基づき、標的物質の検出を行う検出方式を用いており、
そのセンシング操作は、
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化する工程と、
前記固定化がなされた際に、前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射する工程と、
前記光源から照射される光を照射した状態で、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程とを具えている
ことを特徴とする化学センシング方法。
【請求項１３】
前記光検出器は、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する機能を具えており、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する
ことを特徴とする請求項１２に記載の化学センシング方法。
【請求項１４】
前記光検出器は、
一次元または二次元的に拡がりを有する測定領域に対して、
一次元または二次元の画像情報として、該測定領域からの光を検出する機能を具えており、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、
前記光源から照射される光の照射がなされる領域からの光を、一次元または二次元の画像情報として検出を行う
ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の化学センシング方法。
【請求項１５】
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、
前記光検出器で検出される光強度の測定結果に基づき、光強度の階調を算出する操作を設ける
ことを特徴とする請求項１２−１４のいずれか一項に記載の化学センシング方法。
【請求項１６】
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質は、
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に第二の光を照射して、該第二の光の照射により誘起される光化学反応を用いて、前記捕捉体物質を金属表面に結合させたものである
ことを特徴とする請求項１２に記載の化学センシング方法。
【請求項１】
標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化することで検出を行う方式の化学センシング装置であって、
該化学センシング装置は、
光源と、
該光源から照射される光の波長よりも小さい開口を設けた金属薄膜、または該光の波長よりも小さい金属微粒子と、
前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子をその表面に保持する透明基板と、
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質と、
前記開口または金属微粒子の大きさを基準として、その１／１０倍以上１０倍以下の範囲の大きさを有しており、該捕捉体物質と結合可能な前記標的物質に対して結合されている標識物質と、
前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を検出する光検出器とを具えてなり、
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化して、
その固定化がなされた際に、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光に生ずる変化に基づき、標的物質の検出を行う検出方式を用いている
ことを特徴とする化学センシング装置。
【請求項２】
前記標識物質は、誘電体微粒子である
ことを特徴とする請求項１に記載の化学センシング装置。
【請求項３】
前記標識物質は、第二の金属微粒子である
ことを特徴とする請求項１に記載の化学センシング装置。
【請求項４】
前記標識物質は、磁性微粒子である
ことを特徴とする請求項１に記載の化学センシング装置。
【請求項５】
前記光検出器は、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する機能を具えている
ことを特徴とする請求項１−４のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項６】
前記金属薄膜に設ける開口、または金属微粒子を、複数個設け、
該複数個の開口、または、複数個の金属微粒子は、前記透明基板の表面上において、一次元または二次元のアレイ状の配置をとっている
ことを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項７】
前記光検出器は、
前記透明基板の表面上において、一次元または二次元のアレイ状の配置をとっている、前記複数個の開口を透過した透過光、または、前記複数個の金属微粒子から発せられる散乱光について、
一次元または二次元の画像情報として、検出を行う機能を具えている
ことを特徴とする請求項６に記載の化学センシング装置。
【請求項８】
前記光源から照射される光の照射方式、ならびに、前記光検出器の配置は、
前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光のみが前記光検出器によって検出される、暗視野照明の配置である
ことを特徴とする請求項１−７のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項９】
該化学センシング装置は、
マイクロ化学分析システムにおける検出部における検出手段として、
該マイクロ化学分析システム中に組み込まれたシステム構成とされている
ことを特徴とする請求項１−８のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項１０】
該化学センシング装置は、
ＤＮＡチップを利用する標的物質の検出システムにおける検出手段として、
該ＤＮＡチップを利用する標的物質の検出システム中に組み込まれたシステム構成とされている
ことを特徴とする請求項１−８のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項１１】
該化学センシング装置は、
プロテインチップを利用する標的物質の検出システムにおける検出手段として、
該プロテインチップを利用する標的物質の検出システム中に組み込まれたシステム構成とされている
ことを特徴とする請求項１−８のいずれか一項に記載の化学センシング装置。
【請求項１２】
標的物質を、捕捉体物質との結合を介して、固定化することで検出を行う方式の化学センシング方法であって、
該化学センシングを実施する装置として、
光源と、
該光源から照射される光の波長よりも小さい開口を設けた金属薄膜、または該光の波長よりも小さい金属微粒子と、
前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子をその表面に保持する透明基板と、
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質と、
前記開口または金属微粒子の大きさを基準として、その１／１０倍以上１０倍以下の範囲の大きさを有しており、該捕捉体物質と結合可能な前記標的物質に対して結合されている標識物質と、
前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射した際、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を検出する光検出器とを具えてなる装置を使用し、
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化して、
その固定化がなされた際に、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光に生ずる変化に基づき、標的物質の検出を行う検出方式を用いており、
そのセンシング操作は、
前記標識物質を結合した標的物質を、前記捕捉体物質との結合を介して、前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に固定化する工程と、
前記固定化がなされた際に、前記光源から照射される光を、前記開口を設けた金属薄膜、または金属微粒子に照射する工程と、
前記光源から照射される光を照射した状態で、該金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程とを具えている
ことを特徴とする化学センシング方法。
【請求項１３】
前記光検出器は、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する機能を具えており、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、金属微粒子から発せられる散乱光について、そのスペクトル形状を検出する
ことを特徴とする請求項１２に記載の化学センシング方法。
【請求項１４】
前記光検出器は、
一次元または二次元的に拡がりを有する測定領域に対して、
一次元または二次元の画像情報として、該測定領域からの光を検出する機能を具えており、
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、
前記光源から照射される光の照射がなされる領域からの光を、一次元または二次元の画像情報として検出を行う
ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の化学センシング方法。
【請求項１５】
前記金属薄膜に設ける開口を透過した透過光、または、該金属微粒子から発せられる散乱光を前記光検出器で検出する工程に際して、
前記光検出器で検出される光強度の測定結果に基づき、光強度の階調を算出する操作を設ける
ことを特徴とする請求項１２−１４のいずれか一項に記載の化学センシング方法。
【請求項１６】
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に結合されている前記捕捉体物質は、
前記開口の近傍の金属薄膜の金属表面、または、前記金属微粒子の表面に第二の光を照射して、該第二の光の照射により誘起される光化学反応を用いて、前記捕捉体物質を金属表面に結合させたものである
ことを特徴とする請求項１２に記載の化学センシング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１５７９２３（Ｐ２００８−１５７９２３Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９４２６５（Ｐ２００７−２９４２６５）
【出願日】平成１９年１１月１３日（２００７．１１．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１３日（２００７．１１．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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