JP2019035683A - Target substance detection chip, target substance detection device, and target substance detection method - Google Patents
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Abstract
【課題】電極上のみならず、その周辺を検出領域とし、かつ、目的物質を高感度に検出可能な目的物質検出チップ、目的物質検出装置及び目的物質検出方法を提供すること。【解決手段】目的物質検出チップ1は、光透過性基板2と、光透過性基板2上に金属材料、半導体材料及び第1の誘電体材料のいずれかで形成される第1の層3と第2の誘電体材料で形成される第2の層4とがこの順で積層されて構成され、導波モードが励起可能とされる導波モード励起層5と、導波モード励起層5上に導波モード励起層5の一部が露出される状態で積層されて構成され、SPRが励起可能とされるSPR励起層6a,6b(電極)とが配され、光透過性基板2側の面を裏面として前記裏面側から全反射条件で照射される光により、露出される導波モード励起層5及びSPR励起層6a,6bの表面上に近接場光が形成可能とされることを特徴とする。【選択図】図1To provide a target substance detection chip, a target substance detection device, and a target substance detection method capable of detecting not only an electrode but also its periphery as a detection region and detecting a target substance with high sensitivity. A target substance detection chip (1) includes a light-transmitting substrate (2) and a first layer (3) formed on the light-transmitting substrate (2) by any one of a metal material, a semiconductor material, and a first dielectric material. The second layer 4 formed of the second dielectric material is stacked in this order, and the waveguide mode excitation layer 5 that can excite the waveguide mode, and on the waveguide mode excitation layer 5 The SPR excitation layers 6a and 6b (electrodes) that can be excited by SPR are arranged so that a part of the waveguide mode excitation layer 5 is exposed. Near-field light can be formed on the exposed surfaces of the waveguide mode excitation layer 5 and the SPR excitation layers 6a and 6b by light irradiated from the back side under the total reflection condition with the surface as the back surface. And [Selection] Figure 1
Description
本発明は、SPR励起及び導波モード励起に伴う近接場光を利用して目的物質を検出するとともに、前記SPR励起のためのSPR励起層を電極としても利用する目的物質検出チップ、目的物質検出装置及び目的物質検出方法に関する。 The present invention detects a target substance using near-field light accompanying SPR excitation and waveguide mode excitation, and also uses a SPR excitation layer for the SPR excitation as an electrode, a target substance detection chip The present invention relates to an apparatus and a target substance detection method.
近年、溶液中に存在する微小物質、特にDNA、RNA、タンパク質、ウイルス、細菌等の生体関連物質を検出・定量する方法が開発されている。このような方法としては、例えば、全反射によるエバネッセント場を利用する方法、表面プラズモン共鳴(SPR;Surface Plasmon Resonance)の励起を利用する方法、導波モード(光導波モード、導波路モード、光導波路モードなどとも呼ばれる)の励起を利用する方法が知られている。 In recent years, methods for detecting and quantifying minute substances present in a solution, in particular, biologically related substances such as DNA, RNA, proteins, viruses, and bacteria have been developed. As such a method, for example, a method using an evanescent field due to total reflection, a method using excitation of surface plasmon resonance (SPR), a waveguide mode (optical waveguide mode, waveguide mode, optical waveguide) A method using excitation of a mode (also called a mode) is known.
前記全反射によるエバネッセント場を利用する方法としては、全反射照明蛍光顕微鏡が挙げられる。全反射照明蛍光顕微鏡は、試料とカバーガラス或いはスライドガラスとの界面で入射光を全反射させ、これによって生じるエバネッセント場を励起光として利用し、ノイズとなるバックグラウンド光が少ない蛍光観察を行う技術である(特許文献1参照)。 As a method of using the evanescent field by total reflection, a total reflection illumination fluorescence microscope can be mentioned. The total reflection illumination fluorescence microscope is a technology that makes incident light totally reflected at the interface between the sample and the cover glass or slide glass, and uses the evanescent field generated by this as excitation light to perform fluorescence observation with less background light. (See Patent Document 1).
前記SPRの励起を利用する方法としては、例えば、表面プラズモン共鳴励起増強蛍光分光法が知られている。
この方法は、クレッチマン配置と呼ばれる光学配置を用いて、プリズムに接したガラス表面の金属薄膜と液体試料との界面での入射光の全反射によって、前記金属薄膜上にSPRを励起させ、前記金属薄膜の表面近傍に増強電場を形成することを特徴とする。この方法によれば、前記SPRの励起によって前記金属薄膜の表面近傍において増強された光を励起光として、前記増強電場内に存在する蛍光分子を励起し、強い蛍光を生じさせ、バックグラウンド光が少ない蛍光観察を行うことができる(例えば、特許文献2参照)。
As a method using the SPR excitation, for example, surface plasmon resonance excitation enhanced fluorescence spectroscopy is known.
This method uses an optical arrangement called a Kretschmann arrangement to excite SPR on the metal thin film by total reflection of incident light at the interface between the metal thin film on the glass surface in contact with the prism and the liquid sample. An enhanced electric field is formed near the surface of the thin film. According to this method, the light enhanced in the vicinity of the surface of the metal thin film by excitation of the SPR is used as excitation light to excite fluorescent molecules existing in the enhanced electric field, thereby generating strong fluorescence, and background light is generated. Little fluorescence observation can be performed (see, for example, Patent Document 2).
また、前記導波モードの励起を利用する方法は、シリカガラス基板上にシリコン層(半導体層)とSiO2層とをこの順で積層した検出チップを、シリカガラス製の台形プリズム上に設置して、前記検出チップの表面で全反射される条件で前記台形プリズム側から光を照射し、増強電場を得ることを特徴とする(非特許文献1参照)。この方法では、前記検出チップに対して裏面側(シリカガラス基板側)から前記全反射条件を満たしつつ特定の入射角度で前記光を照射すると、特定波長の光が前記検出チップ内を伝搬する前記導波モードと結合し、前記導波モードが励起されることを利用する。前記導波モードが励起されると、前記検出チップ表面近傍に前記増強電場が発生する。これにより、前記増強電場内に存在する蛍光分子が励起され、バックグラウンド光が少ない蛍光観察を行うことができる(非特許文献2参照)。なお、前記半導体層としては、金属層で形成することもでき、前記半導体層を前記金属層で構成する検出チップにおいて励起される前記導波モードは、リーキーモード、漏洩モードなどと呼ばれることもある(非特許文献3参照)。 Further, in the method using the excitation of the waveguide mode, a detection chip in which a silicon layer (semiconductor layer) and a SiO 2 layer are laminated in this order on a silica glass substrate is placed on a trapezoidal prism made of silica glass. Then, the enhanced electric field is obtained by irradiating light from the trapezoidal prism side under the condition of total reflection on the surface of the detection chip (see Non-Patent Document 1). In this method, when the light is irradiated at a specific incident angle while satisfying the total reflection condition from the back surface side (silica glass substrate side) with respect to the detection chip, light of a specific wavelength propagates in the detection chip. It combines with the waveguide mode and utilizes the fact that the waveguide mode is excited. When the waveguide mode is excited, the enhanced electric field is generated in the vicinity of the detection chip surface. Thereby, the fluorescent molecules present in the enhanced electric field are excited, and fluorescence observation with little background light can be performed (see Non-Patent Document 2). The semiconductor layer may be formed of a metal layer, and the waveguide mode excited in a detection chip in which the semiconductor layer is formed of the metal layer may be called a leaky mode, a leakage mode, or the like. (Refer nonpatent literature 3).
ところで、前記SPRの励起を利用する方法では、形成される前記増強電場が前記金属薄膜の表面近傍の限られた領域にしか及ばないため、前記SPRの励起のための前記金属薄膜を電極として利用することで、電気泳動や誘電泳動を用いて前記電極上に液体試料中の目的物質を引き寄せて濃縮した上で、前記電極上の前記目的物質を前記SPRの励起により光学的に検出する手法が知られている(例えば、特許文献3〜5、非特許文献4参照)。
しかしながら、前記目的物質を前記電極上に引き寄せたとしても、前記目的物質の全てが必ず前記電極上に乗るとは限らない。また、前記誘電泳動を用いた場合、印加する電圧の周波数によっては、前記電極上ではなく、電極対を構成する2つの電極間に前記目的物質が引き寄せられることもある。
即ち、前記手法では、前記電極の周辺における前記目的物質を検出できない問題がある。
By the way, in the method using the excitation of the SPR, since the formed enhanced electric field reaches only a limited region near the surface of the metal thin film, the metal thin film for the excitation of the SPR is used as an electrode. Thus, there is a technique for optically detecting the target substance on the electrode by excitation of the SPR after attracting and concentrating the target substance in the liquid sample on the electrode using electrophoresis or dielectrophoresis. It is known (for example, refer to Patent Documents 3 to 5 and Non-Patent Document 4).
However, even if the target substance is attracted onto the electrode, not all of the target substance necessarily gets onto the electrode. When the dielectrophoresis is used, depending on the frequency of the applied voltage, the target substance may be attracted not between the electrodes but between the two electrodes constituting the electrode pair.
That is, the method has a problem that the target substance cannot be detected around the electrode.
一方、前記電極の周辺における前記目的物質を検出する手法として、電極対の間の領域に位置するガラス基板で光を前記全反射させ、前記エバネッセント場を利用した前記目的物質の蛍光観察を行う方法が提案されている(特許文献6参照)。この提案によれば、前記電極対の間における前記目的物質を検出することができる。
しかしながら、この提案では、前記電極対が前記SPRを励起するものではないことから、前記電極上の前記目的物質を検出することができない問題がある。また、前記全反射によるエバネッセント場を利用する方法は、前記SPRの励起を利用する方法及び前記導波モードを利用する方法に比べて感度が低いことから、前記提案では、高感度に前記目的物質を検出することができない問題がある。
On the other hand, as a method for detecting the target substance in the periphery of the electrode, a method of performing fluorescence observation of the target substance using the evanescent field by totally reflecting light with a glass substrate located in a region between electrode pairs Has been proposed (see Patent Document 6). According to this proposal, the target substance between the electrode pairs can be detected.
However, this proposal has a problem that the target substance on the electrode cannot be detected because the electrode pair does not excite the SPR. In addition, since the method using the evanescent field due to total reflection has lower sensitivity than the method using the excitation of the SPR and the method using the waveguide mode, the proposal proposes that the target substance has high sensitivity. There is a problem that cannot be detected.
本発明は、従来技術における前記諸問題を解決し、電極上のみならず、その周辺を検出領域とし、かつ、目的物質を高感度に検出可能な目的物質検出チップ、目的物質検出装置及び目的物質検出方法を提供することを課題とする。 The present invention solves the above-mentioned problems in the prior art, a target substance detection chip, a target substance detection device, and a target substance capable of detecting not only the electrode but also its periphery as a detection region and detecting the target substance with high sensitivity It is an object to provide a detection method.
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
<1> 光透過性基板と、前記光透過性基板上に金属材料、半導体材料及び第1の誘電体材料のいずれかで形成される第1の層と第2の誘電体材料で形成される第2の層とがこの順で積層されて構成され、導波モードが励起可能とされる導波モード励起層と、前記導波モード励起層上に前記導波モード励起層の一部が露出される状態で積層されて構成され、SPRが励起可能とされるSPR励起層とが配され、前記光透過性基板側の面を裏面として前記裏面側から全反射条件で照射される光により、露出される前記導波モード励起層及び前記SPR励起層の表面上に近接場光が形成可能とされることを特徴とする目的物質検出チップ。
<2> SPR励起層が互いに離間された2つ以上の層として配される前記<1>に記載の目的物質検出チップ。
<3> 導波モード励起層及びSPR励起層のそれぞれの表面上に生じる近接場光の波長のピーク位置の差が大きくとも40nmである前記<1>から<2>のいずれかに記載の目的物質検出チップ。
<4> SPR励起層の形成材料がAu、Ag及びAlのいずれかとされる前記<1>から<3>のいずれかに記載の目的物質検出チップ。
<5> 第1の層の形成材料がSi、Ge、SiGe及びTiO2のいずれかとされ、かつ、第2の層の形成材料がSiO2、PMMA及びBK7ガラスのいずれかとされる前記<1>から<4>のいずれかに記載の目的物質検出チップ。
<6> 更に、露出される導波モード励起層及びSPR励起層の全体又は一部を囲むようにこれらの層の表面上に立設され、前記表面を底とした液体試料槽の構成部とされる側壁部が配される前記<1>から<5>のいずれかに記載の目的物質検出チップ。
<7> 前記<1>から<6>のいずれかに記載の目的物質検出チップと、SPR励起層を電極として前記電極に接続される電源部と、前記目的物質検出チップの裏面側から全反射条件で光を照射可能とされる光照射部と、前記目的物質検出チップの表面側に配され、前記表面側に導入される液体試料中の目的物質の存在に起因して生ずる被検出光を検出可能とされる光検出部と、を有することを特徴とする目的物質検出装置。
<8> 光照射部が無偏光の光を照射可能とされる前記<7>に記載の目的物質検出装置。
<9> 前記<1>から<6>のいずれかに記載の目的物質検出チップの表面上に液体試料を導入する液体試料導入工程と、SPR励起層を電極として前記電極及び露出される導波モード励起層のいずれかに向けて前記液体試料中の目的物質を引き寄せる電界を発生させる電界発生工程と、前記目的物質検出チップの裏面側から全反射条件で光を照射する光照射工程と、前記光照射工程に基づき前記液体試料中の前記目的物質の存在に起因して生ずる被検出光を前記目的物質検出チップの表面側から検出する光検出工程と、を含むことを特徴とする目的物質検出方法。
<10> 光照射工程が無偏光の光を照射する工程である前記<9>に記載の目的物質検出方法。
Means for solving the problems are as follows. That is,
<1> A light-transmitting substrate, and a first layer and a second dielectric material formed of any one of a metal material, a semiconductor material, and a first dielectric material on the light-transmitting substrate. A waveguide mode excitation layer that is configured by stacking the second layer in this order so that the waveguide mode can be excited, and a part of the waveguide mode excitation layer is exposed on the waveguide mode excitation layer. The SPR excitation layer that is configured to be laminated in a state where SPR can be excited is arranged, and the light that is irradiated under the total reflection condition from the back surface side with the surface on the light transmissive substrate side as the back surface, A target substance detection chip, wherein near-field light can be formed on the exposed surface of the waveguide mode excitation layer and the SPR excitation layer.
<2> The target substance detection chip according to <1>, wherein the SPR excitation layers are arranged as two or more layers separated from each other.
<3> The object according to any one of <1> to <2>, wherein the difference between the peak positions of the wavelengths of near-field light generated on the surfaces of the waveguide mode excitation layer and the SPR excitation layer is at most 40 nm. Substance detection chip.
<4> The target substance detection chip according to any one of <1> to <3>, wherein a material for forming the SPR excitation layer is any one of Au, Ag, and Al.
<5> The material for forming the first layer is any one of Si, Ge, SiGe, and TiO 2 , and the material for forming the second layer is any one of SiO 2 , PMMA, and BK7 glass <1> To <4>.
<6> Further, a constituent part of the liquid sample tank is provided on the surface of these layers so as to surround the whole or a part of the exposed waveguide mode excitation layer and the SPR excitation layer, and the surface is the bottom. The target substance detection chip according to any one of <1> to <5>, wherein a side wall portion is disposed.
<7> The target substance detection chip according to any one of <1> to <6>, a power supply unit connected to the electrode using an SPR excitation layer as an electrode, and total reflection from the back side of the target substance detection chip A light irradiator that can irradiate light under certain conditions, and a target light that is arranged on the surface side of the target substance detection chip and is generated due to the presence of the target substance in the liquid sample introduced to the surface side A target substance detection device comprising: a photodetection unit capable of being detected.
<8> The target substance detection device according to <7>, wherein the light irradiation unit can emit non-polarized light.
<9> A liquid sample introduction step of introducing a liquid sample onto the surface of the target substance detection chip according to any one of <1> to <6>, and the electrode and the exposed waveguide using the SPR excitation layer as an electrode. An electric field generating step for generating an electric field that draws the target substance in the liquid sample toward any one of the mode excitation layers; a light irradiation step for irradiating light under a total reflection condition from the back side of the target substance detection chip; and A target substance detection comprising: a light detection step of detecting, from the surface side of the target substance detection chip, light to be detected caused by the presence of the target substance in the liquid sample based on a light irradiation step Method.
<10> The target substance detection method according to <9>, wherein the light irradiation step is a step of irradiating non-polarized light.
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、電極上のみならず、その周辺を検出領域とし、かつ、目的物質を高感度に検出可能な目的物質検出チップ、目的物質検出装置及び目的物質検出方法を提供することができる。 According to the present invention, the above-mentioned problems in the prior art can be solved, the target substance detection chip capable of detecting the target substance with high sensitivity, not only on the electrode but also the periphery thereof, and the target substance A detection apparatus and a target substance detection method can be provided.
(目的物質検出チップ)
本発明の目的物質検出チップは、光透過性基板、導波モード励起層及びSPR励起層が配されて構成され、前記光透過性基板側の面を裏面として前記裏面側から全反射条件で照射される光により、露出される前記導波モード励起層及び前記SPR励起層の表面上に近接場光が形成可能とされる。
なお、本明細書において「近接場光」とは、前記増強電場を構成する光を示す。前記近接場光は、いずれも前記目的物質検出チップの表面近傍のみに形成され、前記目的物質検出チップから遠ざかるにつれて急激に減衰する性質を有する。
(Target substance detection chip)
The target substance detection chip of the present invention includes a light-transmitting substrate, a waveguide mode excitation layer, and an SPR excitation layer, and irradiates the surface of the light-transmitting substrate side as a back surface under total reflection conditions from the back surface side. By the applied light, near-field light can be formed on the exposed surface of the waveguide mode excitation layer and the SPR excitation layer.
In the present specification, “near-field light” refers to light constituting the enhanced electric field. The near-field light is formed only near the surface of the target substance detection chip, and has a property of abruptly attenuating as the distance from the target substance detection chip increases.
<光透過性基板>
前記光透過性基板は、光を透過させる部材である。
前記光透過性基板としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ガラス基板やプラスチック基板等の公知の光透過性基板を用いることができる。
なお、本明細書において、「光透過性」とは、可視光透過率が0.5%以上であることを示す。
<Light transmissive substrate>
The light transmissive substrate is a member that transmits light.
There is no restriction | limiting in particular as said light transmissive substrate, According to the objective, it can select suitably, For example, well-known light transmissive substrates, such as a glass substrate and a plastic substrate, can be used.
In the present specification, “light transmissivity” indicates that the visible light transmittance is 0.5% or more.
<導波モード励起層>
前記導波モード励起層は、前記光透過性基板上に第1の層と第2の層とがこの順で積層されて構成され、導波モードが励起可能とされる層である。
前記導波モード励起層では、前記目的物質検出チップの裏面側から全反射条件で照射される前記光によって表面側の前記第2の層内に前記導波モードが励起され、表面上に前記増強電場が形成される。
<Waveguide mode excitation layer>
The waveguide mode excitation layer is a layer in which a first layer and a second layer are laminated in this order on the light transmissive substrate, and the waveguide mode can be excited.
In the waveguide mode excitation layer, the waveguide mode is excited in the second layer on the surface side by the light irradiated under the total reflection condition from the back surface side of the target substance detection chip, and the enhancement is performed on the surface. An electric field is formed.
前記第1の層は、金属材料、半導体材料及び第1の誘電体材料で形成される。
前記金属材料としては、特に制限はなく、例えば、金、銀、銅等の金属材料が挙げられる。
前記半導体材料としては、特に制限はなく、Si、Ge、SiGe等の公知の半導体材料又は化合物半導体材料が挙げられるが、中でも、3.0以上の高い屈折率が得られ易いSi、Geが好ましい。
前記第1の誘電体材料としては、特に制限はなく、例えば、TiO2、ITO、ZnO等の公知の光透過性の誘電体材料が挙げられるが、中でも、3.0以上の高い屈折率が得られ、消衰係数が低い(光透過性が高い)TiO2が好ましい。
なお、本明細書において、「屈折率」とは、前記導波モードの励起に用いる光の波長における屈折率を示す。
また、前記第1の層の厚みとしては、構成材料及び照射する光の波長によって最適値が決定されるとともに、この値は、フレネルの式を用いた計算から算出可能であることが知られている。一般に、近紫外から近赤外域の波長帯の光を使用する場合、前記第1の厚みは、数nm〜数百nmとなる。
The first layer is formed of a metal material, a semiconductor material, and a first dielectric material.
There is no restriction | limiting in particular as said metal material, For example, metal materials, such as gold | metal | money, silver, copper, are mentioned.
There is no restriction | limiting in particular as said semiconductor material, Although well-known semiconductor materials or compound semiconductor materials, such as Si, Ge, SiGe, are mentioned, Among these, Si and Ge which are easy to obtain a high refractive index of 3.0 or more are preferable. .
As the first dielectric material is not particularly limited, for example, TiO 2, ITO, although known optical transparent dielectric material such as ZnO may be mentioned, among others, 3.0 higher than the refractive index TiO 2 obtained and having a low extinction coefficient (high light transmittance) is preferable.
In the present specification, the “refractive index” indicates a refractive index at a wavelength of light used for exciting the waveguide mode.
The thickness of the first layer is determined to be an optimum value depending on the constituent material and the wavelength of light to be irradiated, and this value is known to be calculated from the calculation using the Fresnel equation. Yes. Generally, when using light in a wavelength band from the near ultraviolet to the near infrared region, the first thickness is several nm to several hundred nm.
前記第2の層は、第2の誘電体材料で形成される。
前記第2の誘電体材料としては、特に制限はなく、例えば、シリコーン、PMMA(Polymethyl methacrylate)等の樹脂材料、BK7ガラス等のガラス材料、SiO2、TiO2等の酸化物、AlN等の窒化物、MgF2、CaF等のフッ化物が挙げられるが、中でも、屈折率が1.35〜1.5程度の低い屈折率が得られ易く、消衰係数が低いSiO2、PMMA、BK7ガラスが好ましい。また、前記第2の層は、複数種の前記第2の誘電体材料を積層させて形成してもよい。
また、前記第2の層の厚みとしては、前記第1の層と同様に構成材料及び照射する光の波長によって最適値が決定されるとともに、この値は、フレネルの式を用いた計算から算出可能であることが知られている。一般に前記第2の層の厚みは、数十nm〜数μmとなる。
なお、前記第1の層及び前記第2の層の形成方法としては、材料に応じて公知の形成方法から適宜選択することができる。
The second layer is formed of a second dielectric material.
The second dielectric material is not particularly limited. For example, a resin material such as silicone and PMMA (Polymethyl methacrylate), a glass material such as BK7 glass, an oxide such as SiO 2 and TiO 2 , and a nitride such as AlN And fluorides such as MgF 2 , CaF, etc. Among them, SiO 2 , PMMA, BK7 glass, which has a low refractive index of 1.35 to 1.5 and a low extinction coefficient, can be obtained. preferable. The second layer may be formed by laminating a plurality of types of the second dielectric material.
In addition, the thickness of the second layer is determined by the constituent material and the wavelength of light to be irradiated in the same manner as the first layer, and this value is calculated from the calculation using the Fresnel equation. It is known to be possible. In general, the thickness of the second layer is several tens of nm to several μm.
The formation method of the first layer and the second layer can be appropriately selected from known formation methods depending on the material.
<SPR励起層>
前記SPR励起層は、前記導波モード励起層上に前記導波モード励起層の一部が露出される状態で積層されて構成され、前記SPRが励起可能とされる層である。
前記SPR励起層は、金属材料で形成され、前記SPRの励起に加え、電極としても作用する。即ち、前記SPR励起層は、電気泳動や誘電泳動により、前記目的物質を引き寄せる前記電極として作用するとともに、引き寄せられた前記目的物質を前記SPRの励起を利用して高感度に検出可能とする。
一方、前記SPR励起層の周辺には、一部が露出される状態の前記導波モード励起層が存在し、前記電極に引き寄せられない前記目的物質についても、前記導波モード励起層により前記導波モードの励起を利用した高感度検出が可能となる。
また、前記SPR励起層は、前記電気泳動や前記誘電泳動の設定に応じて、前記目的物質を遠ざける電極としても作用させることができる。この場合、遠ざけられた前記目的物質は、露出された前記導波モード励起層上に濃縮され、前記導波モードの励起により高感度に検出可能とされる。
一方、前記導波モード励起層上に向けて遠ざけ切れず、前記SPR励起層上に残留する前記目的物質についても、前記SPR励起層により前記SPRの励起を利用した高感度の検出が可能とされる。
更には、前記SPR励起層を前記電極として用いた前記電気泳動や前記誘電泳動により、前記目的物質が前記導波モード励起層上及び前記SPR励起層上を移動する様子を観測することも可能となる。
前記SPR励起層を構成する金属材料としては、例えば、Au、Ag、Pt及びAl等の金属材料が挙げられるが、これらの中でも、Au、Ag、Alが好ましく、これらは、前記目的物質検出チップに照射される前記光の波長に応じて選択され、前記波長が600nm〜1,700nmではAuが好ましく、前記波長が550nm〜1,700nmではAgが好ましく、前記波長が250nm〜550nmではAlが好ましい。
前記SPR励起層の厚みとしては、前記導波モード励起層と同様、構成材料及び照射する光の波長によって最適値が決定されるが、この値は、フレネルの式を用いた計算から算出可能であることが知られている。一般に、近紫外から近赤外域で前記SPRを励起させる場合、前記SPR励起層の厚みは、数nm〜数十nmとなる。
<SPR excitation layer>
The SPR excitation layer is configured to be laminated on the waveguide mode excitation layer in a state where a part of the waveguide mode excitation layer is exposed, and the SPR can be excited.
The SPR excitation layer is made of a metal material, and acts as an electrode in addition to the excitation of the SPR. That is, the SPR excitation layer functions as the electrode that attracts the target substance by electrophoresis or dielectrophoresis, and makes it possible to detect the attracted target substance with high sensitivity using the excitation of the SPR.
On the other hand, the waveguide mode excitation layer that is partially exposed exists around the SPR excitation layer, and the target substance that is not attracted to the electrode is also introduced by the waveguide mode excitation layer. High sensitivity detection using wave mode excitation becomes possible.
The SPR excitation layer can also act as an electrode that keeps the target substance away according to the setting of electrophoresis or dielectrophoresis. In this case, the target substance moved away is concentrated on the exposed waveguide mode excitation layer and can be detected with high sensitivity by excitation of the waveguide mode.
On the other hand, even for the target substance remaining on the SPR excitation layer that cannot be moved away toward the waveguide mode excitation layer, the SPR excitation layer can be highly sensitively detected using the excitation of the SPR. The
Furthermore, it is possible to observe the movement of the target substance on the waveguide mode excitation layer and the SPR excitation layer by the electrophoresis or the dielectrophoresis using the SPR excitation layer as the electrode. Become.
Examples of the metal material constituting the SPR excitation layer include metal materials such as Au, Ag, Pt, and Al. Among these, Au, Ag, and Al are preferable, and these are the target substance detection chip. Is selected according to the wavelength of the light applied to the substrate, Au is preferable when the wavelength is 600 nm to 1,700 nm, Ag is preferable when the wavelength is 550 nm to 1,700 nm, and Al is preferable when the wavelength is 250 nm to 550 nm. .
As for the thickness of the SPR excitation layer, the optimum value is determined by the constituent material and the wavelength of the irradiated light, as in the waveguide mode excitation layer, but this value can be calculated from the calculation using the Fresnel equation. It is known that there is. In general, when the SPR is excited in the near ultraviolet to near infrared region, the thickness of the SPR excitation layer is several nm to several tens of nm.
前記SPR励起層の形成方法としては、特に制限はなく、蒸着法、スパッタリング法、CVD法、PVD法、スピンコート法等の公知の形成方法が挙げられる。
また、前記SPR励起層の形状としては、前記導波モード励起層上に積層された構成である限り制限はなく、前記電極として好適に作用させる観点から、任意の形状に加工されていてもよい。
There is no restriction | limiting in particular as a formation method of the said SPR excitation layer, Well-known formation methods, such as a vapor deposition method, sputtering method, CVD method, PVD method, a spin coat method, are mentioned.
The shape of the SPR excitation layer is not limited as long as it is a structure laminated on the waveguide mode excitation layer, and may be processed into an arbitrary shape from the viewpoint of suitably acting as the electrode. .
前記目的物質又は前記目的物質を標識化する標識物質からの発光を観察する場合、前記目的物質及び前記標識物質が前記SPR励起層に近接すると、前記目的物質及び前記標識物質等がSPRから得たエネルギーが前記金属層に移行され、発光効率が低下するクエンチングと呼ばれる現象が生ずる場合がある。
この場合、前記目的物質及び前記標識物質を前記SPR励起層の表面から離間させる目的で、前記SPR励起層の表面上に被覆層を形成すると、前記クエンチングが抑制され、発光効率の低下を抑制することができる。
前記被覆層としては、特に制限はなく、酸化アルミニウムなどの透明材料、シリカガラスなどのガラス材料、有機高分子材料等で形成される厚みが数nm〜数十nmの層が挙げられる。
When observing light emission from the target substance or a labeling substance that labels the target substance, the target substance and the labeling substance were obtained from the SPR when the target substance and the labeling substance were close to the SPR excitation layer. There is a case where a phenomenon called quenching occurs in which energy is transferred to the metal layer and luminous efficiency is lowered.
In this case, when the coating layer is formed on the surface of the SPR excitation layer for the purpose of separating the target substance and the labeling substance from the surface of the SPR excitation layer, the quenching is suppressed and the decrease in luminous efficiency is suppressed. can do.
There is no restriction | limiting in particular as said coating layer, The layer with a thickness of several nanometers-tens of nanometers formed with transparent materials, such as aluminum oxide, glass materials, such as a silica glass, an organic polymer material, etc. is mentioned.
前記SPR励起層の形成数としては、特に制限はなく、前記目的物質を引き寄せる電極として、前記導波モード励起層の表面の一部上に1つあればよい。公知の前記電気泳動及び前記誘電泳動では、2つの電極を電極対として、一方の電極に前記目的物質を引き寄せる電界を発生させるが、前記SPR励起層の形成数を1つとする場合、前記電極対を構成する残りの1つの電極は、前記目的物質検出チップの外部のものを用いてもよい。
ただし、前記SPR励起層の形成数が2つ以上であると、これらSPR励起層により前記電極対を構成することができ、前記電極対の間における前記目的物質の検出漏れをより一層低減させ易くすることができる。
The number of SPR excitation layers formed is not particularly limited, and one SPR excitation layer may be provided on a part of the surface of the waveguide mode excitation layer as an electrode for attracting the target substance. In the known electrophoresis and dielectrophoresis, two electrodes are used as an electrode pair to generate an electric field that attracts the target substance to one electrode. When the number of SPR excitation layers is one, the electrode pair As the remaining one electrode constituting the electrode, the electrode outside the target substance detection chip may be used.
However, if the number of the SPR excitation layers formed is two or more, the SPR excitation layers can constitute the electrode pairs, and it is easier to further reduce detection leakage of the target substance between the electrode pairs. can do.
前記目的物質検出チップでは、前記目的物質(又は前記標識物質)に応じて前記目的物質検出チップ表面に生じる前記近接場光の波長を設定することで、前記目的物質等の蛍光観察を好適に行うことができる。つまり、前記近接場光の波長が前記目的物質等の蛍光の励起波長の波長帯に属すると、前記目的物質等の励起に伴う前記目的物質の蛍光観察を好適に行うことができる。
また、前記目的物質検出チップでは、前記SPR励起層及び前記導波モード励起層の双方が前記近接場光の形成による前記目的物質の検出手段となるため、前記SPR励起層及び前記導波モード励起層のそれぞれの表面上に生じる前記近接場光の波長が、被検出対象とされる前記目的物質又は前記標識物質の蛍光の励起波長と等しいことが理想的な態様の一つとされる。
よって、前記導波モード励起層及び前記SPR励起層のそれぞれの表面上に生じる前記近接場光の波長のピーク位置の差が大きくとも40nmであることが好ましい。
In the target substance detection chip, fluorescence observation of the target substance or the like is suitably performed by setting the wavelength of the near-field light generated on the surface of the target substance detection chip according to the target substance (or the labeling substance). be able to. That is, when the wavelength of the near-field light belongs to the wavelength band of the excitation wavelength of the fluorescence of the target substance or the like, the fluorescence observation of the target substance accompanying the excitation of the target substance or the like can be suitably performed.
In the target substance detection chip, since both the SPR excitation layer and the waveguide mode excitation layer serve as means for detecting the target substance by forming the near-field light, the SPR excitation layer and the waveguide mode excitation are used. One ideal aspect is that the wavelength of the near-field light generated on each surface of the layer is equal to the fluorescence excitation wavelength of the target substance or the labeling substance to be detected.
Therefore, it is preferable that the difference in the peak position of the wavelength of the near-field light generated on the surfaces of the waveguide mode excitation layer and the SPR excitation layer is at most 40 nm.
前記SPR励起層は、s偏光の光では前記SPRを励起できない。一方、前記導波モード励起層は、前記s偏光及び前記p偏光のいずれの光でも励起可能であるが、前記s偏光の光の方が高効率に前記導波モードを励起可能である。
よって、前記s偏光の光を用いると、前記SPR励起層にて前記SPRを励起させられず、前記p偏光を用いると、前記導波モード励起層を高効率で励起させにくい。
一方で、無偏光の光を用いれば、前記SPR励起層及び前記導波モード励起層の双方を効果的に励起させることができ、延いては、前記SPR励起層及び前記導波モード励起層の双方の表面上に前記近接場光を形成させることができる。
The SPR excitation layer cannot excite the SPR with s-polarized light. On the other hand, the waveguide mode excitation layer can excite either the s-polarized light or the p-polarized light, but the s-polarized light can excite the waveguide mode with higher efficiency.
Therefore, when the s-polarized light is used, the SPR cannot be excited by the SPR excitation layer, and when the p-polarized light is used, it is difficult to excite the waveguide mode excitation layer with high efficiency.
On the other hand, if non-polarized light is used, both the SPR excitation layer and the waveguide mode excitation layer can be effectively excited. As a result, the SPR excitation layer and the waveguide mode excitation layer The near-field light can be formed on both surfaces.
<設計方法>
前記SPRの励起を利用する検出チップでは、これまでガラス基板上に前記SPRが励起される金属材料の金属薄膜を形成することとしている(例えば、特許文献2参照)。
そのため、前記導波モード励起層上に前記SPR励起層を形成した前記目的物質検出チップは、新規な層構造をもつ検出チップとなる。
したがって、前記導波モード励起層上に形成された前記SPR励起層が前記近接場光を形成するかが問題となるが、前記導波モード励起層上に前記SPR励起層を形成した場合であっても、前記SPR励起層が前記近接場光を形成可能であることが確認された(後掲の実施例参照)。また、前記導波モード励起層上に形成された前記SPR励起層の光学特性は、既存のフレネルの式に基づく設定方法で設定された光学特性に従うことが確認され、前記SPR励起層としては、既存の設定方法により前記SPR励起層を設計することができる。
以下では、前記SPR励起層に加え、前記導波モード励起層をもつ前記目的物質検出チップの構成例を設計方法の観点から具体的に説明する。
<Design method>
In the detection chip using the excitation of the SPR, a metal thin film of a metal material that excites the SPR has been formed on a glass substrate so far (see, for example, Patent Document 2).
Therefore, the target substance detection chip in which the SPR excitation layer is formed on the waveguide mode excitation layer is a detection chip having a novel layer structure.
Therefore, it is a problem whether the SPR excitation layer formed on the waveguide mode excitation layer forms the near-field light. However, this is a case where the SPR excitation layer is formed on the waveguide mode excitation layer. Even so, it was confirmed that the SPR excitation layer can form the near-field light (see Examples below). The optical characteristics of the SPR excitation layer formed on the waveguide mode excitation layer are confirmed to follow the optical characteristics set by a setting method based on the existing Fresnel equation. As the SPR excitation layer, The SPR excitation layer can be designed by an existing setting method.
Hereinafter, a configuration example of the target substance detection chip having the waveguide mode excitation layer in addition to the SPR excitation layer will be specifically described from the viewpoint of a design method.
先ず、被検出対象とされる前記目的物質又は前記標識物質を選定し、これらの蛍光の励起波長を決定する。
次いで、前記励起波長の波長帯に属する波長の前記近接場光を生じさせる前記SPR励起層の形成材料を選定し、前記フレネルの式に基づく設定方法により前記SPRの励起に適した光の入射角度及び前記SPR励起層の厚みを決定する。これにより好適な前記SPR励起層が設定される。
次いで、以上により特定された前記励起波長及び前記光の入射角度に基づき、前記導波モードが励起されるよう、前記フレネルの式に基づく設定方法により前記導波モード励起層を構成する前記第1の層及び前記第2の層のそれぞれの形成材料と厚みを決定する。これにより好適な前記導波モード励起層が設定される。
ここで、前記導波モード励起層の設定よりも先に前記SPR励起層の設定を行うのは、前記導波モード励起層よりも前記SPR励起層の方が前記近接場光の波長の設計範囲が狭く、前記SPR励起層について設定可能な前記近接場光の波長であれば、前記導波モード励起層についても設定条件を満たすことができるためである。
最後に、前記導波モード励起層上に前記SPR励起層を形成した構造に対して、最も効率よく前記SPRが励起されるよう、前記SPR励起層の厚みを微調整する。
注意点として、前記SPR励起層では前記s偏光の光により前記SPRを励起させられない一方で、前記導波モード励起層では前記p偏光及び前記s偏光のいずれの光でも励起が可能であるが、前記s偏光の光の方が高効率で前記導波モードを励起可能である点が挙げられる。
このことから、前記SPR励起層の励起に適した条件を算出する際には、前記p偏光を用いて計算を行い、前記導波モード励起層の励起に適した条件を算出する際には、前記s偏光を用いて計算を行う。実際に作製した前記目的物質検出チップを用いて前記目的物質を検出する際には、前記SPR及び前記導波モードを同時に励起するため、前記p偏光及び前記s偏光の双方を含んだ励起光を照射するのが好ましい。
前記p偏光及び前記s偏光の双方を含む光としては、前記無偏光の光を利用することが最も容易であり、かつ、前記SPR励起層及び前記導波モード励起層の同時励起に適している。
First, the target substance or the labeling substance to be detected is selected, and the excitation wavelength of these fluorescences is determined.
Next, a material for forming the SPR excitation layer that generates the near-field light having a wavelength belonging to the wavelength band of the excitation wavelength is selected, and an incident angle of light suitable for excitation of the SPR by a setting method based on the Fresnel equation And determining the thickness of the SPR excitation layer. Thereby, a suitable SPR excitation layer is set.
Next, the first waveguide mode excitation layer is configured by the setting method based on the Fresnel equation so that the waveguide mode is excited based on the excitation wavelength and the incident angle of the light specified above. The forming material and thickness of each of the layers and the second layer are determined. Thereby, a suitable waveguide mode excitation layer is set.
Here, the setting of the SPR excitation layer is performed prior to the setting of the waveguide mode excitation layer because the SPR excitation layer has a design range of the wavelength of the near-field light rather than the waveguide mode excitation layer. If the wavelength of the near-field light that can be set for the SPR excitation layer is narrow, the setting condition can be satisfied for the waveguide mode excitation layer.
Finally, the thickness of the SPR excitation layer is finely adjusted so that the SPR is excited most efficiently with respect to the structure in which the SPR excitation layer is formed on the waveguide mode excitation layer.
Note that while the SPR excitation layer cannot excite the SPR with the s-polarized light, the waveguide mode excitation layer can be excited with either the p-polarized light or the s-polarized light. The s-polarized light can excite the waveguide mode with high efficiency.
From this, when calculating conditions suitable for excitation of the SPR excitation layer, calculation is performed using the p-polarized light, and when calculating conditions suitable for excitation of the waveguide mode excitation layer, Calculation is performed using the s-polarized light. When the target substance is detected using the actually manufactured target substance detection chip, excitation light including both the p-polarized light and the s-polarized light is used to simultaneously excite the SPR and the waveguide mode. Irradiation is preferred.
As the light including both the p-polarized light and the s-polarized light, it is easiest to use the non-polarized light, and it is suitable for simultaneous excitation of the SPR excitation layer and the waveguide mode excitation layer. .
具体例として、前記励起波長が375nmの光で波長が407nmの蛍光が発せられるビーズBright Blue(Fluoresbrite(登録商標)、Polyscience)を前記目的物質として検出する場合について説明する。
先ず、前記励起波長が375nmの前記近接場光を形成する前記SPR励起層の形成材料としてAlを選定する。また、前記近接場光を得るために前記SPR励起層に入射させる入射光の波長は、前記励起波長に等しく、375nmである。
波長が375nmのp偏光された光により、シリカガラス基板上のAl層に対して前記SPRを励起させる最適な入射角度及び前記Al層の厚みは、前記フレネルの式に基づく設定方法により、それぞれ72.3°及び16nmと決定される。
次に、波長が375nmのs偏光された光が入射角度72.3°で前記導波モードの励起が可能な前記導波モード励起層の層構造を決定する。ここでは、一例としてシリカガラス基板上に、前記第1の層としてのTiO2層と、前記第2の層としてのSiO2層をこの順で積層したケースを想定する。
前記s偏光された光及びその入射角度で前記導波モードが励起されるように、前記フレネルの式に基づく設定方法により、前記TiO2層及び前記SiO2層の厚みを最適化すると、最適な厚みは、それぞれ39.2nm及び241nmと決定される。
更に、ここで厚みが39.2nmの前記TiO2層と、241nmの前記SiO2層とで構成される前記導波モード励起層上に前記Al層を積層した場合について、波長375nmのp偏光でSPRが最も強く励起されるように、前記フレネルの式に基づく設定方法により、前記SPR励起層としての前記Al層の厚みを再調整する。すると、前記Al層の最適な厚みが12nmと決定される。
このようにして、入射波長、入射角度及び層構造を決定する。
実際に作製した前記目的物質検出チップに対しては、以上の設定に基づき、波長が375nmの無偏光の光を入射角度72.3°で前記目的物質検出チップに照射すればよい。これにより、前記目的物質検出チップでは、前記SPRと前記導波モードとを同時に励起させることができる。
As a specific example, a case where beads Bright Blue (Fluoresbrite (registered trademark), Polyscience) that emits fluorescence having a wavelength of 407 nm and light having an excitation wavelength of 375 nm is detected as the target substance will be described.
First, Al is selected as a material for forming the SPR excitation layer that forms the near-field light having the excitation wavelength of 375 nm. Further, the wavelength of incident light incident on the SPR excitation layer to obtain the near-field light is equal to the excitation wavelength and is 375 nm.
The optimum incident angle for exciting the SPR with respect to the Al layer on the silica glass substrate by the p-polarized light having a wavelength of 375 nm and the thickness of the Al layer are set to 72 according to the setting method based on the Fresnel equation, respectively. .3 ° and 16 nm.
Next, the layer structure of the waveguide mode excitation layer capable of exciting the waveguide mode at an incident angle of 72.3 ° with s-polarized light having a wavelength of 375 nm is determined. Here, as an example, a case is assumed in which a TiO 2 layer as the first layer and a SiO 2 layer as the second layer are laminated in this order on a silica glass substrate.
When the thickness of the TiO 2 layer and the SiO 2 layer is optimized by the setting method based on the Fresnel equation so that the guided mode is excited by the s-polarized light and the incident angle thereof, the optimum The thickness is determined to be 39.2 nm and 241 nm, respectively.
Furthermore, in the case where the Al layer is laminated on the waveguide mode excitation layer composed of the TiO 2 layer having a thickness of 39.2 nm and the SiO 2 layer having a thickness of 241 nm, p-polarized light having a wavelength of 375 nm is used. The thickness of the Al layer as the SPR excitation layer is readjusted by a setting method based on the Fresnel equation so that SPR is excited most strongly. Then, the optimum thickness of the Al layer is determined to be 12 nm.
In this way, the incident wavelength, incident angle, and layer structure are determined.
Based on the above settings, the target substance detection chip actually manufactured may be irradiated with non-polarized light having a wavelength of 375 nm at an incident angle of 72.3 °. Thereby, in the target substance detection chip, the SPR and the waveguide mode can be excited simultaneously.
前記SPR励起層の形成材料としては、先に述べたように、前記入射光の波長が、600nm〜1,700nmではAuが好ましく、550nm〜1,700nmではAgが好ましく、250nm〜550nmではAlが好ましい。
そのため、前記SPR励起層と前記導波モード励起層との組み合わせとしては、例えば、前記入射光に紫外光を用いる場合、前記SPR励起層をAlで形成し、前記導波モード励起層における前記第2の層をSiO2で形成し、前記第1の層をTiO2で形成することが挙げられ、前記入射光に可視光を用いる場合、前記SPR励起層をAuやAgで形成し、前記導波モード励起層における前記第2の層をSiO2で形成し、前記第1の層をTiO2やSiで形成することが挙げられる。
また、前記目的物質等の前記励起波長からみた場合の設計例としては、(1)前記励起波長が375nmである場合、前記入射角度を72.3°として、前記SPR励起層を厚みが12nmのAl層で形成し、前記導波モード励起層における前記第2の層を厚みが241nmのSiO2層で形成し、前記第1の層を厚みが39.2nmのTiO2層で形成することが挙げられ、(2)前記励起波長が700nmである場合、前記入射角度を72.3°として、前記SPR励起層を厚みが25nmのAu層で形成し、前記導波モード励起層における前記第2の層を厚みが495nmのSiO2層で形成し、前記第1の層を厚みが89.2nmのTiO2層で形成することが挙げられ、(3)前記励起波長が500nmである場合、前記入射角度を69.8°として、前記SPR励起層を厚みが14nmのAl層で形成し、前記導波モード励起層における前記第2の層を厚みが284nmのSiO2層で形成し、前記第1の層を厚みが60.4nmのTiO2層で形成することが挙げられる。
なお、前記(1)の設計例に係る目的物質検出チップでは、前記導波モード励起層の最表面における電場強度Nは、42.2と見積もられ、前記SPR励起層の最表面における電場強度Nは、14.9と見積もられる。ここで、電場強度Nの数値は、入射光の電場強度を1としたときの相対的な値である。
As described above, the material for forming the SPR excitation layer is preferably Au when the wavelength of the incident light is 600 nm to 1,700 nm, Ag is preferably 550 nm to 1,700 nm, and Al is 250 nm to 550 nm. preferable.
Therefore, as a combination of the SPR excitation layer and the waveguide mode excitation layer, for example, when ultraviolet light is used as the incident light, the SPR excitation layer is formed of Al, and the first in the waveguide mode excitation layer. forming a second layer with SiO 2, the first layer is mentioned to be formed by TiO 2, when using the visible light to the incident light, the SPR excitation layer is formed of Au or Ag, the conductive For example, the second layer of the wave mode excitation layer may be formed of SiO 2 and the first layer may be formed of TiO 2 or Si.
In addition, as a design example when the excitation wavelength of the target substance or the like is viewed from (1) when the excitation wavelength is 375 nm, the incident angle is 72.3 °, and the SPR excitation layer has a thickness of 12 nm. Forming an Al layer, forming the second layer of the waveguide mode excitation layer as a SiO 2 layer having a thickness of 241 nm, and forming the first layer as a TiO 2 layer having a thickness of 39.2 nm. (2) When the excitation wavelength is 700 nm, the incident angle is set to 72.3 °, the SPR excitation layer is formed of an Au layer having a thickness of 25 nm, and the second in the waveguide mode excitation layer layer thickness is formed in the SiO 2 layer of 495nm in thickness and wherein the first layer include forming at TiO 2 layer of 89.2nm, (3) when the excitation wavelength is 500 nm, the Angle of incidence As 69.8 °, the thickness of the SPR excitation layer is made of Al layer of 14 nm, a thickness of the second layer in the waveguide mode excitation layer is formed of SiO 2 layer of 284 nm, the first For example, the layer may be a TiO 2 layer having a thickness of 60.4 nm.
In the target substance detection chip according to the design example (1), the electric field strength N at the outermost surface of the waveguide mode excitation layer is estimated to be 42.2, and the electric field strength at the outermost surface of the SPR excitation layer is estimated. N is estimated to be 14.9. Here, the numerical value of the electric field strength N is a relative value when the electric field strength of incident light is 1.
<その他>
前記目的物質検出チップが表面と裏面とが平行な板状とされる場合、裏面側から照射される前記光が表面上に液体が存在すると全反射されない。よって、このような場合には、前記目的物質検出チップの裏面部分に回折格子を形成することで、前記回折格子に特定の角度で前記光を照射したときに、前記光が前記回折格子で回折されて前記目的物質検出チップ内に導入されるとともに、前記目的物質検出チップ内に導入された前記光が前記全反射条件で表面に照射されて表面近傍に近接場光が形成されるように前記目的物質検出チップを構成してもよい。または、表面と裏面とが平行にならないように形成するとよい。或いは、前記光を公知の光学プリズムを介して前記目的物質検出チップの裏面に照射することとしてもよい。
前記光学プリズムとしては、前記目的物質検出チップの裏面に対し、屈折率調整オイル又は光学用接着剤等を用いて光学的に貼り合せて用いることができる。また、前記光学プリズムの形成材料として、前記光透過性基板の形成材料と同じ形成材料が選択される場合には、前記光透過性基板と前記光学プリズムとが一体成型されたものを用いることもできる。
<Others>
When the target substance detection chip is formed in a plate shape in which the front surface and the back surface are parallel, the light irradiated from the back surface side is not totally reflected when a liquid exists on the surface. Therefore, in such a case, by forming a diffraction grating on the back surface portion of the target substance detection chip, the light is diffracted by the diffraction grating when the diffraction grating is irradiated with the light at a specific angle. And is introduced into the target substance detection chip, and the light introduced into the target substance detection chip is irradiated on the surface under the total reflection condition to form near-field light in the vicinity of the surface. A target substance detection chip may be configured. Alternatively, the front surface and the back surface may be formed so as not to be parallel. Alternatively, the back surface of the target substance detection chip may be irradiated with the light via a known optical prism.
The optical prism can be optically bonded to the back surface of the target substance detection chip using a refractive index adjusting oil or an optical adhesive. Further, when the same material as the material for forming the light transmissive substrate is selected as the material for forming the optical prism, a material in which the light transmissive substrate and the optical prism are integrally molded may be used. it can.
また、前記目的物質検出チップの表面には、前記目的物質の検出対象とされる液体試料が導入される。前記液体試料を前記目的物質検出チップの表面上に保持させる方法としては、例えば、前記液体試料を前記目的物質検出チップの表面上に滴下した後、カバーガラス等で覆うことが挙げられる。
また、前記液体試料を確実に保持させるため、前記目的物質検出チップの表面上に液体試料槽を形成してもよい。前記液体試料槽としては、特に制限はないが、簡易な構成とする観点から、露出される前記導波モード励起層及び前記SPR励起層の全体又は一部を囲むようにこれらの層の表面上に立設され、前記表面を底とした前記液体試料槽の構成部とされる側壁部が配されることで、構成されることが好ましい。
なお、前記側壁部の形成材料としては、特に制限はなく、公知のガラス材料、樹脂材料等を挙げることができ、前記側壁部の形成方法としても、材料に応じた公知の方法を挙げることができる。
In addition, a liquid sample to be detected by the target substance is introduced onto the surface of the target substance detection chip. As a method for holding the liquid sample on the surface of the target substance detection chip, for example, the liquid sample is dropped on the surface of the target substance detection chip and then covered with a cover glass or the like.
Further, in order to securely hold the liquid sample, a liquid sample tank may be formed on the surface of the target substance detection chip. Although there is no restriction | limiting in particular as said liquid sample tank, From the viewpoint of setting it as a simple structure, on the surface of these layers so that the whole said waveguide mode excitation layer and said SPR excitation layer which are exposed may be enclosed. It is preferable to be configured by being provided with a side wall portion that is erected on the surface and serves as a component portion of the liquid sample tank with the surface as a bottom.
In addition, there is no restriction | limiting in particular as a formation material of the said side wall part, A well-known glass material, a resin material, etc. can be mentioned, As a formation method of the said side wall part, the well-known method according to material is mentioned. it can.
続いて、本発明の前記目的物質チップの構成例を図1を参照しつつ、具体的に説明する。なお、図1は、本発明の一実施形態に係る目的物質検出チップの概略構成を示す説明図である。 Next, a configuration example of the target substance chip of the present invention will be specifically described with reference to FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a target substance detection chip according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、目的物質検出チップ1は、光透過性基板2と、光透過性基板2上に形成される第1の層3と第2の層4とがこの順で積層されて構成され、前記導波モードが励起可能とされる導波モード励起層5と、導波モード励起層5上に導波モード励起層5の一部が露出される状態で積層されて構成され、前記SPRが励起可能とされるSPR励起層6a,6bとが配される。なお、前記導波モードの励起を目的として、第1の層3は、前記金属材料、前記半導体材料及び前記第1の誘電体材料で形成され、第2の層4は、前記第2の誘電体材料で形成される。
目的物質検出チップ1では、光透過性基板2側の面を裏面として前記裏面側から全反射条件で照射される光により、露出される導波モード励起層5及びSPR励起層6a,6bの表面上に近接場光が形成可能とされる。
As shown in FIG. 1, the target substance detection chip 1 includes a light transmissive substrate 2, a first layer 3 and a second layer 4 formed on the light transmissive substrate 2 in this order. A waveguide mode excitation layer 5 configured to be able to excite the waveguide mode, and laminated with the waveguide mode excitation layer 5 partially exposed on the waveguide mode excitation layer 5; SPR excitation layers 6a and 6b that can excite the SPR are arranged. For the purpose of exciting the waveguide mode, the first layer 3 is made of the metal material, the semiconductor material, and the first dielectric material, and the second layer 4 is made of the second dielectric material. Made of body material.
In the target substance detection chip 1, the surface of the waveguide mode excitation layer 5 and the SPR excitation layers 6a and 6b exposed by light irradiated from the rear surface side under the total reflection condition with the surface on the light transmissive substrate 2 side as the back surface. Near-field light can be formed on the top.
2つのSPR励起層6a,6bは、互いに離間された2つ以上の層として配され、前記電極対を構成可能とされる。
また、目的物質検出チップ1では、露出される導波モード励起層5及びSPR励起層6a,6bの全体又は一部を囲むようにこれらの層の表面上に立設され、前記表面を底とした液体試料槽の構成部とされる側壁部7が配され、前記液体試料槽に前記液体試料が導入、保持される。また、側壁部7で囲まれた目的物質検出チップ1の表面上の領域が検出領域とされ、この位置に対応する目的物質検出チップ1の裏面側から前記光を照射する。
The two SPR excitation layers 6a and 6b are arranged as two or more layers separated from each other, and can constitute the electrode pair.
Further, in the target substance detection chip 1, the waveguide mode excitation layer 5 and the SPR excitation layers 6a and 6b that are exposed are erected on the surfaces of these layers so as to surround all or part of the exposed waveguide mode excitation layer 5 and the SPR excitation layers 6a and 6b. A side wall 7 serving as a component of the liquid sample tank is disposed, and the liquid sample is introduced and held in the liquid sample tank. Moreover, the area | region on the surface of the target substance detection chip 1 enclosed by the side wall part 7 is made into a detection area, and the said light is irradiated from the back surface side of the target substance detection chip 1 corresponding to this position.
このように構成される目的物質検出チップ1では、SPR励起層6a,6bを陽極、陰極の電極対として、これらに電圧を印加させると、極性に応じてSPR励起層6a,6bのいずれかの表面上の位置に前記目的物質が引き寄せられ、当該位置で前記目的物質が濃縮された高感度な検出を行うことができる。また、SPR励起層6a,6bのいずれかの表面上に引き寄せられず、導波モード励起層5の表面上に位置する前記目的物質についても、導波モード励起層5により検出が可能であり、検出漏れを抑制して高感度な検出を行うことができる。 In the target substance detection chip 1 configured as described above, when a voltage is applied to the SPR excitation layers 6a and 6b as the anode / cathode electrode pair, one of the SPR excitation layers 6a and 6b is selected depending on the polarity. The target substance is attracted to a position on the surface, and highly sensitive detection in which the target substance is concentrated at the position can be performed. Further, the target substance positioned on the surface of the waveguide mode excitation layer 5 without being attracted on the surface of any of the SPR excitation layers 6a and 6b can be detected by the waveguide mode excitation layer 5. It is possible to perform detection with high sensitivity by suppressing detection omission.
(目的物質検出装置)
本発明の目的物質検出装置は、本発明の前記目的物質検出チップ、電源部、光照射部及び光検出部が配されて構成される。
前記目的物質検出装置では、前記目的物質検出チップにおける前記SPR及び前記導波モードの励起に伴う前記近接場光により、前記目的物質又は前記目的物質を標識化する前記標識物質を蛍光発光させるか又は散乱光を発生させ、これら蛍光及又は散乱光を被検出光として前記目的物質を検出する。
前記標識物質としては、特に制限はなく、前記目的物質と特異的に吸着ないし結合して前記目的物質を標識化する蛍光標識物質や光散乱物質が挙げられる。
前記蛍光標識物質としては、例えば、蛍光色素、量子ドット、蛍光染色剤等の公知の蛍光物質を用いることができる。
また、前記光散乱物質としては、例えば、ナノ粒子、例えばポリスチレンビーズや金ナノ粒子などの公知の光散乱物質を用いることができる。
なお、前記目的物質と前記標識物質との結合方法としては、特に制限はなく、物理吸着、抗原−抗体反応、DNAハイブリダイゼーション、ビオチン−アビジン結合、キレート結合、アミノ結合などの公知の結合方法を適用することができる。
(Target substance detection device)
The target substance detection device of the present invention is configured by arranging the target substance detection chip, power supply unit, light irradiation unit, and light detection unit of the present invention.
In the target substance detection device, the target substance or the labeling substance that labels the target substance is fluorescently emitted by the near-field light accompanying the excitation of the SPR and the waveguide mode in the target substance detection chip, or Scattered light is generated, and the target substance is detected using the fluorescence and / or scattered light as light to be detected.
The labeling substance is not particularly limited, and examples thereof include fluorescent labeling substances and light scattering substances that specifically adsorb or bind to the target substance to label the target substance.
As the fluorescent labeling substance, for example, known fluorescent substances such as fluorescent dyes, quantum dots, and fluorescent dyes can be used.
Moreover, as said light-scattering substance, well-known light-scattering substances, such as a nanoparticle, for example, a polystyrene bead and a gold nanoparticle, can be used, for example.
The binding method between the target substance and the labeling substance is not particularly limited, and known binding methods such as physical adsorption, antigen-antibody reaction, DNA hybridization, biotin-avidin bond, chelate bond, amino bond, and the like can be used. Can be applied.
<電源部>
前記電源部は、前記SPR励起層を電極として前記電極に接続される部である。
前記電源部としては、特に制限はなく、公知の電気泳動装置、誘電泳動装置に用いられる電源部が挙げられる。
<Power supply unit>
The power supply unit is a unit connected to the electrode using the SPR excitation layer as an electrode.
There is no restriction | limiting in particular as said power supply part, The power supply part used for a well-known electrophoresis apparatus and a dielectrophoresis apparatus is mentioned.
<光照射部>
前記光照射部は、前記目的物質検出チップの裏面側から全反射条件で光を照射可能とされる部である。
前記光照射部の光源としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知のランプ、LED、レーザー等が挙げられる。
本発明では、前記目的物質検出チップの裏面側から全反射条件で光を照射することで前記目的物質検出チップの表面上に前記近接場光を形成し、前記近接場光に基づく前記目的物質等からの前記被検出光を発生させる。
そのため、前記光照射部に求められる役割としては、前記目的物質検出チップの裏面側から全反射条件で光を照射することのみであり、このような役割を担うものであれば光源の選択に制限がない。
<Light irradiation part>
The light irradiating unit is a unit that can irradiate light from the back side of the target substance detection chip under total reflection conditions.
There is no restriction | limiting in particular as a light source of the said light irradiation part, According to the objective, it can select suitably, A well-known lamp | ramp, LED, a laser, etc. are mentioned.
In the present invention, the near-field light is formed on the surface of the target substance detection chip by irradiating light from the back side of the target substance detection chip under total reflection conditions, and the target substance based on the near-field light, etc. The detected light from is generated.
Therefore, the role required for the light irradiation part is only to irradiate light from the back side of the target substance detection chip under the total reflection condition. If it plays such a role, it is limited to the selection of the light source. There is no.
ランプ、LED等の放射光源を用いる場合には、前記目的物質検出チップの表面側からの照射光の漏れ出しを避けるため、放射される光のうち前記目的物質検出チップの裏面側に照射される全ての方位における光が全反射条件を満たす必要がある。こうしたことから、放射光源を用いる場合には、照射光の照射方向を特定の方位に規制するコリメートレンズ等の案内部を用いてもよい。
また、前記検出光が蛍光である場合、蛍光を励起可能な波長を持つ単色光源を用いるか、又は、ランプ、LED等の広い波長帯域を持つ光源からの光をバンドパスフィルタ等の光学フィルタを透過させて単色化し、蛍光を励起可能な波長のみを取り出した後に前記目的物質検出チップの裏面側から照射することが好ましい。
In the case of using a radiation light source such as a lamp or LED, in order to avoid leakage of irradiation light from the front surface side of the target substance detection chip, the back surface side of the target substance detection chip is irradiated out of the emitted light. Light in all directions must satisfy the total reflection condition. For this reason, when a radiation light source is used, a guide unit such as a collimator lens that restricts the irradiation direction of irradiation light to a specific direction may be used.
When the detection light is fluorescence, a monochromatic light source having a wavelength capable of exciting the fluorescence is used, or light from a light source having a wide wavelength band such as a lamp or LED is used as an optical filter such as a bandpass filter. It is preferable to irradiate from the back side of the target substance detection chip after extracting only a wavelength that can be transmitted and monochromatic and excite fluorescence.
また、前記光照射部により前記目的物質検出チップの裏面側から全反射条件で照射される光としては、前記無偏光の光であることが好ましい。
前記無偏光の光であると、前記s偏光及び前記p偏光の双方を含む光として、最も容易に前記SPR励起層及び前記導波モード励起層を同時励起させることができる。
Moreover, it is preferable that it is the said non-polarized light as the light irradiated on the total reflection conditions from the back surface side of the said target substance detection chip | tip by the said light irradiation part.
When the light is non-polarized light, the SPR excitation layer and the waveguide mode excitation layer can be most easily simultaneously excited as light including both the s-polarized light and the p-polarized light.
<光検出部>
前記光検出部は、前記目的物質検出チップの表面側に配され、前記表面側に導入される液体試料中の目的物質の存在に起因して生ずる被検出光を検出可能とされる部である。
前記光検出部としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知のフォトダイオード、光電子増倍管等の光検出器を用いることができる。
光信号の情報を2次元画像情報として取得することができると、光点として現れる前記2次元画像情報における光信号の位置情報、前記2次元画像から把握されるサイズ情報、前記光点における光信号強度の増減情報を時系列で観察することにより、その光点が、目的物質等によるものであるか否かの情報が得られる。更に、前記2次元画像を動画として取得すると、前記光信号が前記電極間を移動する様子を容易に観測することができる。
このような2次元画像情報の取得を可能とするには、前記光検出部として撮像デバイスを選択すればよい。前記撮像デバイスとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知のCCDイメージセンサ、CMOSイメージセンサ等のイメージセンサを用いることができる。
<Light detector>
The light detection unit is a unit that is disposed on the surface side of the target substance detection chip, and is capable of detecting light to be detected generated due to the presence of the target substance in the liquid sample introduced to the surface side. .
There is no restriction | limiting in particular as said light detection part, According to the objective, it can select suitably, Photodetectors, such as a well-known photodiode and a photomultiplier tube, can be used.
If the information of the optical signal can be acquired as two-dimensional image information, the position information of the optical signal in the two-dimensional image information that appears as a light spot, the size information grasped from the two-dimensional image, the optical signal at the light spot By observing the intensity increase / decrease information in time series, it is possible to obtain information on whether the light spot is due to the target substance or the like. Furthermore, when the two-dimensional image is acquired as a moving image, it is possible to easily observe how the optical signal moves between the electrodes.
In order to obtain such two-dimensional image information, an imaging device may be selected as the light detection unit. There is no restriction | limiting in particular as said imaging device, According to the objective, it can select suitably, Image sensors, such as a well-known CCD image sensor and a CMOS image sensor, can be used.
(目的物質検出方法)
本発明の目的物質検出方法は、本発明の前記目的物質検出チップを用いた目的物質の検出方法に係り、液体試料導入工程、電界発生工程、光照射工程及び光検出工程を含む。
(Target substance detection method)
The target substance detection method of the present invention relates to a target substance detection method using the target substance detection chip of the present invention, and includes a liquid sample introduction step, an electric field generation step, a light irradiation step, and a light detection step.
<液体試料導入工程>
前記液体試料導入工程は、前記目的物質検出チップの表面上に前記液体試料を導入する工程である。
前記液体試料工程の実施方法としては、特に制限はなく、前記目的物質検出チップの表面上に滴下された前記液体試料をカバーガラスで覆い、保持することや、前記目的物質検出チップに前記液体試料槽が形成される場合には、前記液体試料槽内に前記液体試料を導入することが挙げられる。
<Liquid sample introduction process>
The liquid sample introduction step is a step of introducing the liquid sample onto the surface of the target substance detection chip.
The method for performing the liquid sample process is not particularly limited, and the liquid sample dropped on the surface of the target substance detection chip is covered with a cover glass and held, or the liquid sample is placed on the target substance detection chip. When a tank is formed, the liquid sample is introduced into the liquid sample tank.
<電界発生工程>
前記電界発生工程は、前記SPR励起層を電極として前記電極及び前記露出される前記導波モード励起層のいずれかに向けて前記液体試料中の目的物質を引き寄せる電界を発生させる工程である。
前記電界発生工程の実施方法としては、特に制限はなく、前記目的物質検出装置における前記電源部を用いて前記SPR励起層に電圧を印加することが挙げられる。なお、前記目的物質を前記電極(前記SPR励起層)と前記導波モード励起層とのいずれに引き寄せるかは、前記電源部の設定に基づき、前記電極に前記目的物質を引き寄せる作用を付与する電界を発生させるか、前記電極から前記目的物質を遠ざける作用を付与する電界を発生させることにより選択することができる。
<Electric field generation process>
The electric field generating step is a step of generating an electric field that draws the target substance in the liquid sample toward either the electrode or the exposed waveguide mode excitation layer using the SPR excitation layer as an electrode.
There is no restriction | limiting in particular as the implementation method of the said electric field generation process, Applying a voltage to the said SPR excitation layer using the said power supply part in the said target substance detection apparatus is mentioned. Note that whether the target substance is attracted to the electrode (the SPR excitation layer) or the waveguide mode excitation layer depends on the setting of the power supply unit, and an electric field that imparts the action of attracting the objective substance to the electrode. Or by generating an electric field that imparts an action of moving the target substance away from the electrode.
<光照射工程>
前記光照射工程は、前記目的物質検出チップの裏面側から全反射条件で光を照射する工程である。
前記光照射工程の実施方法としては、特に制限はなく、前記目的物質検出装置における前記光照射部を用いて前記光を照射することが挙げられる。
<Light irradiation process>
The said light irradiation process is a process of irradiating light on the total reflection conditions from the back surface side of the said target substance detection chip.
There is no restriction | limiting in particular as the implementation method of the said light irradiation process, Irradiating the said light using the said light irradiation part in the said target substance detection apparatus is mentioned.
<光検出工程>
前記光検出工程は、前記光照射工程に基づき前記液体試料中の前記目的物質の存在に起因して生ずる前記被検出光を前記目的物質検出チップの表面側から検出する工程である。
前記光検出工程の実施方法としては、特に制限はなく、前記目的物質検出装置における前記光検出部を用いて前記被検出光を検出することが挙げられる。
<Light detection process>
The light detection step is a step of detecting the detected light generated from the presence of the target substance in the liquid sample from the surface side of the target substance detection chip based on the light irradiation step.
There is no restriction | limiting in particular as the implementation method of the said light detection process, The detection of the said to-be-detected light using the said light detection part in the said target substance detection apparatus is mentioned.
続いて、本発明の前記目的物質検出装置及び前記目的物質検出方法の例を図2を参照しつつ、具体的に説明する。なお、図2は、本発明の一実施形態に係る目的物質検出装置の概略構成を示す説明図である。 Next, an example of the target substance detection apparatus and the target substance detection method of the present invention will be specifically described with reference to FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a target substance detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
図2に示すように、目的物質検出装置100は、目的物質検出チップ1と、光学プリズム8と、電源部(不図視)と、光照射部101と、光検出部102とを有する。
目的物質検出チップ1の構成及び効果は、図1を用いて説明した事項と同様であるため、説明を省略する。
光学プリズム8は、目的物質検出チップ1の裏面に対し、光学的に密着させて配される。
前記電源部は、前記SPR励起層を電極として前記電極に接続されて構成される。
また、光照射部101は、目的物質検出チップ1の裏面側から全反射条件で光を照射可能に構成される。
光検出部102は、目的物質検出チップ1の表面側に配され、前記表面側に導入される液体試料A中の目的物質の存在に起因して生ずる被検出光を検出可能に構成される。
As illustrated in FIG. 2, the target substance detection device 100 includes a target substance detection chip 1, an optical prism 8, a power supply unit (not shown), a light irradiation unit 101, and a light detection unit 102.
The configuration and effects of the target substance detection chip 1 are the same as those described with reference to FIG.
The optical prism 8 is disposed in optical contact with the back surface of the target substance detection chip 1.
The power supply unit is configured to be connected to the electrode using the SPR excitation layer as an electrode.
The light irradiation unit 101 is configured to be able to irradiate light from the back side of the target substance detection chip 1 under total reflection conditions.
The light detection unit 102 is arranged on the surface side of the target substance detection chip 1 and is configured to be able to detect the detection light generated due to the presence of the target substance in the liquid sample A introduced to the surface side.
このような目的物質検出装置100を用いた前記目的物質検出方法としては、先ず、目的物質検出チップ1の表面上に液体試料を導入する、つまり、側壁部7で囲まれた前記液体試料槽に液体試料Aを導入する(液体試料導入工程)。
次いで、SPR励起層6a,6bを電極として前記電極に向けて目的物質を引き寄せる電界を発生させる、つまり、前記電源部からSPR励起層6a,6bの電極対に電圧を印加する(電界発生工程)。
次いで、光照射部101を用いて目的物質検出チップ1の裏面側から全反射条件で光を照射する(光照射工程)。
最後に、光検出部102により、液体試料A中の前記目的物質の存在に起因して生ずる前記被検出光を目的物質検出チップ1の表面側から検出する(光検出工程)。
なお、前記電界発生工程、前記光照射工程及び前記光検出工程の実施順としては、前記光照射工程及び前記光検出工程を実施しつつ、前記電界発生工程を実施することとしてもよい。このような実施順で実施すると、前記目的物質が前記電界により移動する様子を検出することができる。
As the target substance detection method using such a target substance detection apparatus 100, first, a liquid sample is introduced onto the surface of the target substance detection chip 1, that is, into the liquid sample tank surrounded by the side wall portion 7. Liquid sample A is introduced (liquid sample introduction step).
Next, the SPR excitation layers 6a and 6b are used as electrodes to generate an electric field that draws the target substance toward the electrodes, that is, a voltage is applied from the power supply unit to the electrode pairs of the SPR excitation layers 6a and 6b (electric field generation step). .
Next, the light irradiation unit 101 is used to irradiate light from the back surface side of the target substance detection chip 1 under total reflection conditions (light irradiation process).
Finally, the detected light generated due to the presence of the target substance in the liquid sample A is detected from the surface side of the target substance detection chip 1 by the light detection unit 102 (light detection step).
The electric field generation step, the light irradiation step, and the light detection step may be performed in the order of performing the electric field generation step while performing the light irradiation step and the light detection step. When implemented in this order, it is possible to detect the movement of the target substance by the electric field.
このように構成される目的物質検出装置100及び前記目的物質検出方法では、前記電源部からの電圧印加により、SPR励起層6a,6bのいずれかの表面上の位置に前記目的物質が引き寄せられ、当該位置で前記目的物質が濃縮された高感度な検出を行うことができる。また、SPR励起層6a,6bのいずれかの表面上に引き寄せられず、導波モード励起層5の表面上に位置する前記目的物質についても、導波モード励起層5により検出が可能であり、検出漏れを抑制して高感度な検出を行うことができる。
また、光照射部101から照射される光を前記無偏光の光とすると、高効率でSPR励起層6a,6b及び導波モード励起層5を同時に励起させることができ、延いては、前記目的物質をより一層高感度に検出することができる。
また、光検出部102で検出される光信号は、SPR励起層6a,6b及び導波モード励起層5により形成される前記近接場光が表面近傍に限られるため、2次元画像として取得した際、バックグラウンドが暗視野とされる一方、前記目的物質の存在に起因して生ずる前記被検出光が光点として表示されるため、明確に前記目的物質を検出することができる。
In the target substance detection apparatus 100 and the target substance detection method configured as described above, the target substance is attracted to a position on the surface of one of the SPR excitation layers 6a and 6b by voltage application from the power supply unit, Sensitive detection in which the target substance is concentrated at the position can be performed. Further, the target substance positioned on the surface of the waveguide mode excitation layer 5 without being attracted on the surface of any of the SPR excitation layers 6a and 6b can be detected by the waveguide mode excitation layer 5. It is possible to perform detection with high sensitivity by suppressing detection omission.
Moreover, when the light irradiated from the light irradiation unit 101 is the non-polarized light, the SPR excitation layers 6a and 6b and the waveguide mode excitation layer 5 can be excited simultaneously with high efficiency. Substances can be detected with higher sensitivity.
Further, when the optical signal detected by the light detection unit 102 is acquired as a two-dimensional image because the near-field light formed by the SPR excitation layers 6a and 6b and the waveguide mode excitation layer 5 is limited to the vicinity of the surface. While the background is a dark field, the detected light generated due to the presence of the target substance is displayed as a light spot, so that the target substance can be clearly detected.
図1に示す目的物質検出チップ1の構成に準じて、次のように実施例に係る目的物質検出チップを製造した。
先ず、光透過性基板2として厚みが1mmのSiO2基板(英興株式会社製)を用意した。
次いで、光透過性基板2上に、高周波(RF)マグネトロンスパッタリング装置(芝浦メカトロニクス社製、CFS−4EP−L)により、厚みが32nmのTiO2製の第1の層3を形成した。
次いで、第1の層3上に、前記高周波(RF)マグネトロンスパッタリング装置により、厚みが240nmのSiO2製の第2の層4を形成した。
次いで、第2の層4上に、前記高周波(RF)マグネトロンスパッタリング装置により、それぞれ厚みが12nmのAl製のSPR励起層6a,6bを離間させて形成した。
SPR励起層6a,6b上には、空気中の酸素によりAlの自然酸化膜が約4nm形成される。
なお、実施例に係る目的物質検出チップでは、側壁部7を形成していない。
According to the configuration of the target substance detection chip 1 shown in FIG. 1, the target substance detection chip according to the example was manufactured as follows.
First, a SiO 2 substrate (manufactured by Eiko Co., Ltd.) having a thickness of 1 mm was prepared as the light transmissive substrate 2.
Next, the first layer 3 made of TiO 2 having a thickness of 32 nm was formed on the light-transmitting substrate 2 by a radio frequency (RF) magnetron sputtering apparatus (manufactured by Shibaura Mechatronics Co., Ltd., CFS-4EP-L).
Next, a second layer 4 made of SiO 2 having a thickness of 240 nm was formed on the first layer 3 by the radio frequency (RF) magnetron sputtering apparatus.
Next, Al SPR excitation layers 6a and 6b each having a thickness of 12 nm were formed on the second layer 4 by using the radio frequency (RF) magnetron sputtering apparatus.
On the SPR excitation layers 6a and 6b, an Al natural oxide film of about 4 nm is formed by oxygen in the air.
In the target substance detection chip according to the example, the side wall portion 7 is not formed.
以上により製造した実施例に係る目的物質検出チップを用いるとともに、図2に示す目的物質検出装置100の構成に準じて、次のように実施例に係る目的物質検出装置を製造した。
先ず、実施例に係る目的物質検出チップを傾斜角が42°の台形プリズム(傾斜角は、図2中のφで示す角度が該当する)上に設置した。
次いで、照射光の波長が375nmのLED光源(Thorlabs社製,M375F2)を用い、出射端にコリメートレンズを装着した600μmコア径の光ファイバにより光を光学プリズム8へ導入可能とし、また、前記出射端と光学プリズム8との間に設置した偏光フィルタにより、s偏光、p偏光及び無偏光のうち、いずれかの光を選択して目的物質検出チップ1に入射可能として、光照射部101を設定した。
ここで、目的物質検出チップ1の裏面に照射される光の入射角度θ(図2中のθ参照)を72.3°に設定した。
最後に、光検出部102として10倍の対物レンズと冷却CMOSカメラとを備えた光学顕微鏡を目的物質検出チップ1の表面側上方に配した。なお、カメラのシャッター時間は100msである。
While using the target substance detection chip according to the example manufactured as described above, the target substance detection apparatus according to the example was manufactured as follows according to the configuration of the target substance detection apparatus 100 shown in FIG.
First, the target substance detection chip according to the example was placed on a trapezoidal prism having an inclination angle of 42 ° (the inclination angle corresponds to the angle indicated by φ in FIG. 2).
Next, using an LED light source (M375F2 manufactured by Thorlabs, Inc.) having a wavelength of irradiation light of 375 nm, light can be introduced into the optical prism 8 by an optical fiber having a core diameter of 600 μm with a collimating lens attached to the emission end. The light irradiation unit 101 is set so that any one of s-polarized light, p-polarized light, and non-polarized light can be selected and incident on the target substance detection chip 1 by a polarizing filter installed between the end and the optical prism 8. did.
Here, the incident angle θ (see θ in FIG. 2) of the light applied to the back surface of the target substance detection chip 1 was set to 72.3 °.
Finally, an optical microscope provided with a 10 × objective lens and a cooled CMOS camera as the light detection unit 102 was disposed above the surface side of the target substance detection chip 1. Note that the shutter time of the camera is 100 ms.
以上により製造した実施例に係る目的物質検出装置を用いて、目的物質の検出試験を次のように実施した。
先ず、前記目的物質としては、励起波長が375nmの励起光で波長が407nmの蛍光が発せられる蛍光ビーズBright Blue(Fluoresbrite(登録商標)、Polyscience)とした。
次いで、前記蛍光ビーズを水に加え、前記蛍光ビーズが水により体積比で1,000倍に希釈される形で液体試料Aを調製した。
次いで、液体試料Aを約5μLの量で目的物質検出チップ1の表面上に滴下した。また、滴下される液体試料AがSPR励起層6a,6b及び露出する状態の導波モード励起層5の表面上を覆う状態をカバーガラスで保持した。
最後に、光照射部101から光を照射した状態の目的物質検出チップ1の表面上の様子を光検出部102で撮影し、前記目的物質の検出を行った。
Using the target substance detection apparatus according to the example manufactured as described above, a target substance detection test was performed as follows.
First, as the target substance, fluorescent beads Bright Blue (Fluoresbrite (registered trademark), Polyscience) that emits fluorescence having an excitation wavelength of 375 nm and an excitation wavelength of 407 nm were used.
Subsequently, the fluorescent beads were added to water, and a liquid sample A was prepared in such a manner that the fluorescent beads were diluted 1,000 times in volume ratio with water.
Next, the liquid sample A was dropped on the surface of the target substance detection chip 1 in an amount of about 5 μL. Further, the state in which the dropped liquid sample A covers the surface of the SPR excitation layers 6a and 6b and the exposed waveguide mode excitation layer 5 was held by the cover glass.
Finally, the state on the surface of the target substance detection chip 1 irradiated with light from the light irradiation unit 101 was photographed by the light detection unit 102 to detect the target substance.
前記目的物質の検出は、光照射部101の照射光をs偏光、p偏光、無偏光に切り替えて3回行った。なお、前記照射光をs偏光としたときの光の強度は225μWであり、前記照射光をp偏光としたときの光の強度は147μWであり、前記照射光を無偏光としたときの光の強度は958μWであった。
光検出部102により撮影された2次元画像を図3〜5に示す。なお、図3が実施例に係る目的物質検出装置において、s偏光された光を照射した場合の検出領域の様子を示す図であり、図4が実施例に係る目的物質検出装置において、p偏光された光を照射した場合の検出領域の様子を示す図であり、図5が実施例に係る目的物質検出装置において、無偏光の光を照射した場合の検出領域の様子を示す図である。
The target substance was detected three times by switching the irradiation light of the light irradiation unit 101 to s-polarized light, p-polarized light, and non-polarized light. The intensity of light when the irradiation light is s-polarized light is 225 μW, the intensity of light when the irradiation light is p-polarization is 147 μW, and the light intensity when the irradiation light is non-polarized light The intensity was 958 μW.
2D images taken by the light detection unit 102 are shown in FIGS. FIG. 3 is a diagram illustrating a state of a detection region when s-polarized light is irradiated in the target substance detection apparatus according to the embodiment. FIG. 4 illustrates p-polarization in the target substance detection apparatus according to the embodiment. FIG. 5 is a diagram illustrating a state of the detection region when non-polarized light is irradiated in the target substance detection device according to the example.
図3に示すように、s偏光された光では、SPR励起層6a(及びSPR励起層6b)上の検出領域で前記目的物質からの被検出光を捉えにくい一方で、導波モード励起層5上の検出領域で前記目的物質からの被検出光を明瞭に捉えることができている。
図4に示すように、p偏光された光では、SPR励起層6a(及びSPR励起層6b)上の検出領域で前記目的物質からの被検出光を明瞭に捉えることができているものの、導波モード励起層5上の検出領域では、前記目的物質からの被検出光が図3(s偏光)と比較してやや不明瞭なものとなっている。
図5に示すように、無偏光の光では、SPR励起層6a(及びSPR励起層6b)上の検出領域及び導波モード励起層5上の検出領域の双方の検出領域において、前記目的物質からの被検出光を明瞭に捉えることができている。なお、SPR励起層6a(及びSPR励起層6b)上の検出領域における被検出光の蛍光強度は、平均で10,010[a.u.]であり、導波モード励起層5上の検出領域における被検出光の蛍光強度は、平均で14,585[a.u.]であった。
また、図5(無偏光)に示す双方の検出領域における被検出光は、図3(s偏光)及び図4(p偏光)のものと比較して最も強い光であった。
As shown in FIG. 3, in the s-polarized light, it is difficult to catch the detected light from the target substance in the detection region on the SPR excitation layer 6a (and the SPR excitation layer 6b), while the guided mode excitation layer 5 The detected light from the target substance can be clearly captured in the upper detection region.
As shown in FIG. 4, the p-polarized light can clearly detect the detected light from the target substance in the detection region on the SPR excitation layer 6a (and the SPR excitation layer 6b). In the detection region on the wave mode excitation layer 5, the detected light from the target substance is somewhat unclear compared to FIG. 3 (s-polarized light).
As shown in FIG. 5, in the non-polarized light, in the detection region of both the detection region on the SPR excitation layer 6 a (and the SPR excitation layer 6 b) and the detection region on the waveguide mode excitation layer 5, The detected light can be clearly captured. Note that the fluorescence intensity of the detected light in the detection region on the SPR excitation layer 6a (and the SPR excitation layer 6b) averages 10,010 [a. u. The average fluorescence intensity of the detected light in the detection region on the waveguide mode excitation layer 5 is 14,585 [a. u. ]Met.
Further, the detected light in both detection regions shown in FIG. 5 (non-polarized light) was the strongest light compared to those in FIG. 3 (s-polarized light) and FIG. 4 (p-polarized light).
1 目的物質検出チップ
2 光透過性基板
3 第1の層
4 第2の層
5 導波モード励起層
6a,6b SPR励起層(電極)
7 側壁部
8 光学プリズム
100 目的物質検出装置
101 光照射部
102 光検出部
A 液体試料
θ 入射角度
φ 傾斜角
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Target substance detection chip 2 Light transmissive substrate 3 1st layer 4 2nd layer 5 Waveguide mode excitation layer 6a, 6b SPR excitation layer (electrode)
7 Side wall part 8 Optical prism 100 Target substance detection apparatus 101 Light irradiation part 102 Light detection part A Liquid sample θ Incident angle φ Inclination angle
Claims (10)
前記光透過性基板上に金属材料、半導体材料及び第1の誘電体材料のいずれかで形成される第1の層と第2の誘電体材料で形成される第2の層とがこの順で積層されて構成され、導波モードが励起可能とされる導波モード励起層と、
前記導波モード励起層上に前記導波モード励起層の一部が露出される状態で積層されて構成され、SPRが励起可能とされるSPR励起層とが配され、
前記光透過性基板側の面を裏面として前記裏面側から全反射条件で照射される光により、露出される前記導波モード励起層及び前記SPR励起層の表面上に近接場光が形成可能とされることを特徴とする目的物質検出チップ。 A light transmissive substrate;
A first layer formed of any one of a metal material, a semiconductor material, and a first dielectric material and a second layer formed of a second dielectric material on the light-transmitting substrate in this order. A waveguide mode excitation layer configured to be laminated and capable of exciting the waveguide mode;
An SPR excitation layer that is configured to be laminated on the waveguide mode excitation layer in a state in which a part of the waveguide mode excitation layer is exposed, and an SPR excitation layer capable of exciting SPR is disposed,
Near-field light can be formed on the exposed surface of the waveguide mode excitation layer and the SPR excitation layer by light irradiated from the back surface side under the total reflection condition with the light transmitting substrate side surface as the back surface. A target substance detection chip.
SPR励起層を電極として前記電極に接続される電源部と、
前記目的物質検出チップの裏面側から全反射条件で光を照射可能とされる光照射部と、
前記目的物質検出チップの表面側に配され、前記表面側に導入される液体試料中の目的物質の存在に起因して生ずる被検出光を検出可能とされる光検出部と、
を有することを特徴とする目的物質検出装置。 The target substance detection chip according to any one of claims 1 to 6,
A power supply connected to the electrode using the SPR excitation layer as an electrode;
A light irradiator capable of irradiating light from the back side of the target substance detection chip under total reflection conditions;
A light detection unit arranged on the surface side of the target substance detection chip and capable of detecting detected light caused by the presence of the target substance in the liquid sample introduced to the surface side;
The target substance detection apparatus characterized by having.
SPR励起層を電極として前記電極及び露出される導波モード励起層のいずれかに向けて前記液体試料中の目的物質を引き寄せる電界を発生させる電界発生工程と、
前記目的物質検出チップの裏面側から全反射条件で光を照射する光照射工程と、
前記光照射工程に基づき前記液体試料中の前記目的物質の存在に起因して生ずる被検出光を前記目的物質検出チップの表面側から検出する光検出工程と、
を含むことを特徴とする目的物質検出方法。 A liquid sample introduction step of introducing a liquid sample onto the surface of the target substance detection chip according to claim 1;
An electric field generating step of generating an electric field that draws the target substance in the liquid sample toward either the electrode or the exposed waveguide mode excitation layer using the SPR excitation layer as an electrode;
A light irradiation step of irradiating light from the back side of the target substance detection chip under total reflection conditions;
A light detection step of detecting, from the surface side of the target substance detection chip, detected light caused by the presence of the target substance in the liquid sample based on the light irradiation step;
A target substance detection method comprising:
The target substance detection method according to claim 9, wherein the light irradiation step is a step of irradiating non-polarized light.
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