JP6676236B2

JP6676236B2 - 測定用チップ、測定装置、および測定方法

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Publication number: JP6676236B2
Application number: JP2015035426A
Authority: JP
Inventors: 達郎遠藤; 啓二多田; 潤山林
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd; University Public Corporation Osaka
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd; University Public Corporation Osaka
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: JP2016156727A

Description

この発明は、フォトニック結晶からなる測定用チップ、当該測定用チップが配置される測定装置、および当該測定用チップを用いた測定方法に関するものである。

従来、遺伝子解析、臨床診断、あるいは有害物質検出等を行うバイオセンサーとして、フォトニック結晶を用いたバイオセンサーが提案されている（例えば特許文献１を参照）。

フォトニック結晶は、所定のパターン（例えば円柱形状の構造体）が周期的に配列された周期構造を有する誘電体からなる。特許文献１では、以下のようにしてフォトニック結晶を用いた測定が行われる。

（１）被検物質等が含まれていない試料を、フォトニック結晶に接触させる。
（２）フォトニック結晶に光を照射し、反射光の光学特性（反射光のピーク波長や強度）に関する情報を取得する。
（３）被検物質が含まれた試料を、フォトニック結晶に接触させる。
（４）被検物質が含まれた試料を接触させた後、上記（２）と同様に反射光の光学特性に関する情報を取得する。
（５）上記（４）の反射光の光学特性を、上記（２）の光学特性と比較することにより、試料中に含まれる被検物質の有無や量を検出する。

特開２０１４−２０２５７４

特許文献１に示した様なフォトニック結晶を用いた測定方法では、被検出物質の感度を向上させる必要がある。

この発明は、従来よりも高感度な測定用チップ、当該測定用チップが配置される測定装置、および当該測定用チップを用いた測定方法を提供することを目的とする。

この発明は、誘電体からなる測定用チップであって、前記誘電体は、所定のパターンが周期配列された周期構造を有するフォトニック結晶であり、前記フォトニック結晶は、一部に、前記周期配列とは異なる配列態様となっている特異パターンが形成されていることを特徴とする。

フォトニック結晶は、孔または柱状構造等のパターンが周期配列された周期構造を有する誘電体である（ただし、誘電体の材料そのものが原子または分子レベルで結晶構造を有するものではない）。この周期構造により、フォトニック結晶は、特定の波長域の光を反射する特性を有する（特定の波長域の光を反射する鏡として機能する）。ここで、本発明は、フォトニック結晶の一部に、周期配列とは異なる配列態様となっている特異パターンを設けることで、当該特異パターンが設けられた箇所を鏡に挟まれた空間として機能させる。これにより、特異パターンは、特定の波長の光を共振させる共振器として機能し、特定の波長の光のみを非常に高いＳＮ比で出射させることができる。

そして、測定用チップの周囲（例えば、特異パターンの周囲）に他の物質（被検出物質）を吸着させると、表面屈折率が変化することにより共振器としての共振波長が変化する。したがって、測定用チップに特定の波長スペクトルの光を照射し、共振器から出射される光の特性の変化を測定することで、被検出物質を非常に高い感度で検出することができる。なお、光の特性は、特異パターンから出射される光の波長の変化を直接測定してもよいが、単一波長の光を入射させた場合、被検出物質の有無により、光のピーク強度が大きく変化する。よって、強度変化を測定することで被検出物質の有無を判断する、または定量化することができる。強度変化を測定する場合、高度な分光器等が不要となり、非常に安価な測定装置を実現することができる。

なお、特異パターンは、周期構造のうち、一部のパターンが省かれた構造となっていることが好ましい。また、特異パターンは、周期構造のうち、複数周期分のパターンが省かれた構造となっていることが好ましい。

複数周期分のパターンが省かれた構造は、例えば平面視して１次元状（直線状）に複数周期分のパターンが省かれた構造となっている例や、平面視して２次元状に複数周期分のパターンが省かれた構造となっている例が考えられる。

なお、上記のような特異パターンを含む一群のフォトニック結晶は、さらに複数配列されてアレイ配列されてなる測定用チップとすることも可能である。

また、誘電体は、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂、ポリスチレン、またはＴｉＯ２とすることで、安価でかつ製造が容易である材料を用いることが好ましい。

なお、共振させる光は、可視光の領域（例えば６５０ｎｍの赤色光）とすることで、光源や測定部のコストを抑えることが可能である。

この発明によれば、従来よりも高感度な測定用チップ、当該測定用チップが配置される測定装置、および当該測定用チップを用いた測定方法を提供することができる。

測定装置１５の概略構成を示す図である。測定装置１５の構成を示すブロック図である。チップ１の構造を示す図である。チップ１にレーザー光を照射した場合の反射の様子を示す図である。特異パターン１２から出射される光の強度変化を示す図である。検査方法のフローチャートである。特異パターンの変形例を示す平面図である。特異パターンの周期の数の違いによる比較図である。アレイ型チップの構造を示す平面図である。

図１は、本発明の測定用チップを含む測定装置１５の概略構成を示す図である。図２は、測定装置１５の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、測定装置１５は、チップ（測定用チップ）１、発光部１０、偏光板２０、受光部３０、測定部３１、および制御部（比較部）３２を備えている。測定部３１および制御部３２は、専用のハードウェアであってもよいが、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置に搭載されたソフトウェアにより実現される態様であってもよい。

発光部１０は、特定の波長の光を照射する光源であり、例えば６５０ｎｍの可視光のレーザー光を放射する光源である。当該レーザー光は、偏光板２０を介してチップ１に照射される。

図３は、チップ１の構造を示す図である。図３（Ａ）は、斜視図であり、図３（Ｂ）は、平面図であり、図３（Ｃ）は一部拡大断面図である。

チップ１は、誘電体１１からなる平板状の部材である。誘電体１１は、例えばアクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂、ポリスチレン、またはＴｉＯ２等からなる。この例では、誘電体１１は、誘電率ε＝２．４程度のポリスチレンからなる。また、この例では、誘電体１１は、平面視して正六角形の薄い平板形状となっている。ただし、誘電体１１の形状は、図３に示す例に限らない。例えば、平面視して正方形状であってもよいし、円形状であってもよい。また、立方体または直方体形状等のある程度の厚みがある形状であってもよい。

誘電体１１には、平面視した形状が円形である複数の孔１３がパターニングされている。孔１３は、一例として、内径φが１５０ｎｍ〜２００ｎｍ、高さｄが１００〜２００ｎｍとなっている。また、孔１３は、ピッチｐ＝３００ｎｍで周期配列されている。誘電体１１は、このような周囲構造を有するフォトニック結晶となっている。ただし、フォトニック結晶とは、孔または柱状構造等のパターンが周期配列された周期構造を有する誘電体のことを言い、誘電体の材料そのものが原子または分子レベルで周期構造を有するものではない。

このようなフォトニック結晶は、例えばナノインプリント方式により作成される。ナノインプリント方式とは、柱状構造がパターニングされた金属等の鋳型を用意し、当該パターンを誘電体１１に転写することで、孔１３を形成する方式である。これにより、誘電体１１としてポリマー樹脂を用いることが可能となり、Ｓｉ基板を用いた半導体プロセスを用いるよりも安価にチップ１を製造することが可能となる。

このように作成されたフォトニック結晶は、さらに、例えば、リガンド希釈溶液に含浸される等の方式により、試料に含まれるアナライトと吸着するリガンドがフォトニック結晶の全体（あるいは特異パターンのみ）に固定化される。なお、これに限定されるものではなく、シランカップリング剤等を用いた他の方式により、フォトニック結晶にリガンドが固定化されてもよい。

なお、周期構造としては、図３に示す孔１３のパターンが周期配列されている例に限るものではない。例えば、誘電体１１の主面に円柱または角柱の構造体が周期配列された態様とすることも可能である。また、柱状の構造体を井桁状に立体配置することで、３次元状の周期配列とすることも可能である。

フォトニック結晶は、以上のような所定のパターンが周期配列されていることにより、特定の波長域の光を反射する特性を有する。例えば、図３に示した孔１３を周期配列した構造においては、約６５０ｎｍ付近の特定の波長域（例えば６２０〜６８０ｎｍ）の赤色光を反射する特性を有する。

ここで、誘電体１１の中心位置には、孔１３が省かれた（孔１３が形成されていない）箇所である特異パターン１２が設けられている。すなわち、特異パターン１２は、周期配列とは異なる配列態様となっている箇所である。

孔１３による周期構造は、上述のように特定の波長域（例えば６２０ｎｍ〜６８０ｎｍ）の光を反射する鏡として機能する。そして、特異パターン１２は、このような鏡に囲まれた空間として機能する。鏡に囲まれた空間に光が導入されると、当該光が鏡に反射を繰り返すことで、上記特定の波長域にある特定の波長が共振し、当該特定の波長において高強度のピークを示すことになる。

これにより、特異パターン１２は、特定の波長の光を共振させる共振器（ファブリペロー共振器）として機能する。したがって、チップ１に光を照射すると、特異パターン１２から特定の波長（例えば６５０ｎｍの）の光のみを非常に高いＳＮ比で出射させることができる。

図４は、チップ１に６５０ｎｍのレーザー光を照射した場合の様子を示す図である。図４（Ａ）は、チップ１の平面図であり、図４（Ｂ）は出射される光の強度分布を示した図であり、図４（Ｃ）は、チップ１を蛍光顕微鏡で撮影した画像である。なお、図４では、説明のために、図３に示したチップ１よりも多数の孔が形成された構造を示しているが、機能的には図３に示したチップ１と同様のものである。

これらの図に示すように、チップ１に光を照射すると、特異パターン１２の箇所において、高強度の光が出射される（高強度の出射光が観測される）ことがわかる。

本実施形態の測定装置１５は、特異パターン１２により共振する波長（例えば６５０ｎｍ）の光を発光部１０から照射させ、受光部３０で特異パターン１２から出射される光を受光し、測定部３１で当該光の強度を測定する。測定部３１で測定した強度は、制御部３２に入力され、メモリ（不図示）に記録される。

そして、誘電体１１に他の物質（被検出物質）が吸着すると、表面屈折率が変化することにより共振器としての共振波長が変化する。また、共振器としての効率も低下する。この実施形態では、発光部１０から単一波長（６５０ｎｍ）の光を照射しているため、共振波長が変化し、共振器としての効率が低下すると特異パターン１２から出射される光の強度が大きく低下する。

測定装置１５は、試料（チップのリガンドに吸着される被検出物質（アナライト）が含まれたもの）に浸漬させた後のチップ１において、再度受光部３０で特異パターン１２から出射される光を受光し、測定部３１で当該光の強度を測定する。制御部３２は、最初に測定した光の強度と、試料に浸漬させた後の光の強度と、を比較する。制御部３２は、光の強度が閾値以上の変化を示している場合には、被検出物質が含まれていると判断する。このようにして、測定装置１５は、被検出物質（例えばインフルエンザウイルス等の抗原）の有無を検査する検査装置として機能する。

なお、チップ１は、上述のように特異パターン１２により特定の波長（例えば６５０ｎｍ）の光を共振させるため、例えば光源としては白色光等の帯域が広いものを用いることも可能である。この場合、光の強度ではなく、ピーク波長の変化、またはスペクトル形状の変化等を観察することでも被検出物質の有無を検査することが可能である。ただし、光源として単一波長の光を用いて強度の変化を観察する場合、波長変化を観察するための高価な分光器を用いる必要が無いため、測定装置としてのコストを抑えることが可能である。また、光源および共振させる光は、可視光に限るものではないが、特に可視光を利用する場合、赤外光や紫外光等の相対的に高価な光源や測定部を用いることがないため、測定装置としてのコストを抑えることが可能である。

次に、図５は、特異パターン１２から出射される光の強度変化を示す図である。同図に示すグラフの横軸において、「ｂａｒｅ」と記載されている項目は、チップ１に何も吸着していないリファレンスの状態を示す。縦軸の数値は、当該リファレンスの状態における光の強度を基準として標準化したものである。

「ｃ１」の記載は、チップ１にポリカチオンを吸着させた後の光の強度を示す項目である。「ａ１」の記載は、さらにチップ１にポリアニオンを吸着させた後の光の強度を示す項目である。「ｃ２」の記載は、その後さらにチップ１にポリカチオンを吸着させた後の光の強度を示す項目である。以下、数値の横軸の数値の増加に伴って、各物質を繰り返し吸着させた後の光の強度を示す。

図５に示すように、ある程度の量の物質が誘電体１１の表面に吸着すると、特異パターン１２から出射される光の強度が大きく低下することがわかる。例えば、図５においては、ａ１からｃ２（またはｃ２からａ２）において光の強度が大きく低下している。したがって、リファレンスの強度を測定し、試料に浸漬させた後の強度を測定して、これら光の強度を比較することで、被検出物質の有無を検出することが可能となる。

図６は、測定方法のフローチャートである。測定装置１５は、まずリファレンスの強度を測定する（ｓ１１）。リファレンスは、例えば、チップ１を純水等で洗浄し、乾燥させた後の状態のものとする。

測定装置１５は、図１に示したように、所定の場所にチップ１が設置されるようになっていて、チップ１の主面に平行な方向に対して所定の角度（例えば６°）の方向から発光部１０のレーザー光を照射するようになっている。なお、この例では、チップ１の主面にレーザー光が照射されるようになっているが、チップ１の端面からレーザー光を導光するようにしてもよい。ただし、レーザー光がチップ１の特異パターン１２に直接照射される場合、レーザー光を導光させるためのカップリング機器が不要であるため、より安価な測定装置とすることができる。

以上のようにして測定したリファレンスの強度は、制御部３２の内蔵メモリ（不図示）に記録される。

その後、チップ１は、検査対象となる物質が含まれた試料に浸漬され（ｓ１２）、純水等で洗浄された後（ｓ１３）、乾燥される（ｓ１４）。

そして、測定装置１５は、試料が接触した後の状態におけるチップ１に対してレーザー光を照射し、特異パターン１２から出射される光の強度を測定する（ｓ１５）。

その後、制御部３２は、メモリに記録したリファレンスの強度と、試料が接触した後の状態の光の強度と、を比較する。制御部３２は、強度の変化が所定の閾値以上変化していた場合（例えば２０％以上変化していた場合）、被検出物質が検出されたものと判断する。あるいは、制御部３２は、強度の変化度合いに応じて、被検出物質を定量化する。

このようにして、測定装置１５は、被検出物質の有無を高感度で検出することが可能である。

なお、上述の実施形態では、特異パターン１２の例として、１箇所だけ孔１３が省かれた構造となっている例を示したが、特異パターンの態様は、種々の変形例が考えられる。

例えば、図７（Ａ）のチップ１Ａは、一部の孔１３Ａおよび孔１３Ｂが、所定の位置からずれている（この例では、孔１３が左側にずれて、孔１３が右側にずれている）ことにより、周期配列とは異なる配列態様となった特異パターン１２Ａが形成されている。

また、図７（Ｂ）に示すように、チップ１Ｂは、孔１３が形成されていない箇所が２箇所となっている。この例では、中心付近に形成されている孔１３を挟んで２箇所の特異パターン１２Ｌおよび特異パターン１２Ｒが形成されている。

また、図７（Ｃ）および図７（Ｄ）は、複数周期分のパターンが省かれた構造の特異パターンである。図７（Ｃ）のチップ１Ｃにおける特異パターン１２Ｃは、平面視して中心位置から３周期分、１次元状に（横一直線状に）孔１３が省かれた構造となっている。図７（Ｄ）のチップ１Ｄにおける特異パターン１２Ｄは、平面視して２次元状に中心位置から３周期分の孔１３が省かれた構造となっている。

図８は、特異パターンの周期の数の違いによる比較図である。図８（Ａ）の例は、１箇所だけ孔１３が省かれたチップ１を蛍光顕微鏡で撮影した画像である。図８（Ｂ）の例は、平面視して２周期分の孔１３が省かれたチップを蛍光顕微鏡で撮影した画像である。図８（Ｃ）の例は、平面視して３周期分の孔１３が省かれたチップを蛍光顕微鏡で撮影した画像である。図８（Ｄ）は、平面視して４周期分の孔１３が省かれたチップを蛍光顕微鏡で撮影した画像であり、図８（Ｅ）は、平面視して５周期分の孔１３が省かれたチップを蛍光顕微鏡で撮影した画像である。

これらの画像から、図８（Ｂ）に示す２周期分の孔１３が省かれたチップまたは図８（Ｃ）に示す３周期分の孔１３が省かれたチップ１Ｄは、相対的に高い強度を有することがわかる。

よって、複数周期分のパターンを省く特異パターン、とくに２次元状に２周期分または３周期分のパターンを省いた特異パターンとすることで、より高感度なチップとすることができる。また、図８（Ｄ）、（Ｅ）のように、周期数を増やし過ぎると、逆に強度が低下し、波長に応じた最適周期数が存在する可能性のあることが、上記撮像した画像の比較により、明らかになった。

次に、図９は、アレイ型チップの構造を示す平面図である。図９に示すように、チップ１００は、図３に示したチップ１が複数個アレイ配列されてなるアレイ型チップとなっている。チップ１００は、アレイ型となっていることにより、各チップ１における特異パターン１２から放射される光の位相がそろう箇所においてさらに高い強度の光を実現することができ、より高感度なチップを実現することができる。

なお、本実施形態においては、可視光の６５０ｎｍの光を共振させる例を示したが、フォトニック結晶は、誘電率、パターンの形状および配置態様等を変更することで、どのような電磁波であっても共振させることが可能である。

また、本実施形態のチップにおいては、孔１３（所定のパターン）が２次元状に周期配列された例を示したが、３次元状の周期配列とすることも可能である。この場合、特異パターンについても、３次元状に複数周期分のパターンが省かれた構造の特異パターンとすることが望ましい。

１，１００…チップ
１０…発光部
１１…誘電体
１２，１２Ａ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｌ，１２Ｒ…特異パターン
１３，１３Ａ，１３Ｂ…孔
１５…測定装置
２０…偏光板
３０…受光部
３１…測定部
３２…制御部

Claims

誘電体からなる測定用チップであって、
前記誘電体は、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂、ポリスチレン、またはＴｉＯ _２からなり、所定のパターンとして径１５０ｎｍ〜２００ｎｍ、高さ１００〜２００ｎｍの孔または柱状構造がピッチ３００ｎｍで周期配列された周期構造を有し、波長６２０〜６８０ｎｍの光を反射するフォトニック結晶であり、
前記フォトニック結晶は、一部に、前記周期配列とは異なる配列態様となっている特異パターンが形成されていて、
前記特異パターンは、前記周期構造のうち、平面視して２次元状に３周期分のパターンが省かれた構造となっていて、波長６５０ｎｍの可視光を共振させる特性を有する測定用チップ。
請求項１に記載の測定用チップであって、
前記特異パターンを含むフォトニック結晶が複数個アレイ配列されてなるアレイ型チップとなっている測定用チップ。
請求項１または請求項２に記載の測定用チップが配置される測定装置であって、
前記特異パターンに波長６５０ｎｍの光を照射する光源と、
前記特異パターンから出射される光の強度を測定する測定部と、
を備えた測定装置。
請求項３に記載の測定装置であって、
前記測定部で測定される光の強度を、被検出物質が含まれた試料を前記測定用チップに接触させる前と、前記被検出物質が含まれた試料を前記測定用チップに接触させた後と、で比較する比較部を備えた測定装置。
請求項１または請求項２に記載の測定用チップを用いた測定方法であって、
測定用チップに光を照射し、前記特異パターンから出射される光の強度を測定する第１測定ステップと、
被検出物質が含まれた試料を、前記測定用チップに接触させる接触ステップと、
前記被検出物質が含まれた試料を接触させた後、前記特異パターンから出射される光の強度を測定する第２測定ステップと、
前記第１測定ステップで測定した強度と、前記第２測定ステップで測定した強度と、を比較する比較ステップと、
を備えた測定方法。