CN102072878A - 传感器芯片、传感器盒及分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种传感器芯片、传感器盒及分析装置。该传感器芯片包括：基底部件，具有平面部；以及衍射光栅，具有由金属形成的表面并形成在所述平面部上，目标物质配置在所述衍射光栅上，所述衍射光栅包括：多个第一突起，沿与所述平面部平行的第一方向按100nm以上且1000nm以下的周期周期性地排列；多个基底部分，位于相邻的两个所述第一突起之间，构成所述基底部件的基底；多个第二突起，形成在所述多个第一突起的上面；以及多个第三突起，形成在所述多个基底部分上。

Description

传感器芯片、传感器盒及分析装置
相关申请的交叉参考
本申请基于并请求于2009年12月11日提交的日本专利申请第2009-281480号、2009年11月19日提交的日本专利申请第2009-263706号、2010年8月30日提交的日本专利申请第2010-192838号以及2010年8月30日提交的日本专利申请第2010-192839号的优先权权益，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及传感器芯片、传感器盒及分析装置。
背景技术
近年来，随着用于医疗诊断和食品检验等中的传感器的需求不断增加，需要开发小型且可快速检测的传感器技术。为满足这些需求，进行了以电化学方法为首的各类型传感器的研究。其中，考虑到可集成化、低成本、且不选择测定环境等因素，应用了表面等离子共振(SPR：Surface Plasmon Resonance)的传感器受到高度关注。
这里，所谓的表面等离子体是指由表面固有的边界条件引起与光耦合的电子波振动模式。作为激发表面等离子体的方法，存在如下的方法：在金属表面刻衍射光栅并使光与等离子体(Plasmon，等离子体激元)结合的方法、利用渐逝波的方法。例如，作为利用SPR的传感器的结构，公知有包括全反射棱镜、与形成在该棱镜的表面的目标物质接触的金属膜的结构。通过这种结构来检测有无目标物质的吸附，例如有无抗原抗体反应时的抗原吸附等。
然而，金属表面存在传输型表面等离子体，另一方面，金属微粒上也存在局部型表面等离子体。已知在局部型表面等离子体、即表面的微细结构上局部存在的表面等离子体被激发时，会感应有显著增强的电场。
因此，以提高传感器的灵敏度为目的，提出了一种利用了金属微粒和金属纳米结构的局部表面等离子共振(LSPR：Localized Surface Plasmon Resonance)的传感器。例如，在专利文献1(日本特开2000-356587号公报)中记载，对将金属微粒以膜状固定在表面的透明基板进行光照射，通过测定透过金属微粒的光的吸光度来检测金属微粒附近的介质变化，并检测目标物质的吸附与堆积。
但是，在专利文献1中，均匀地制作金属微粒的尺寸(大小和形状)以及有规则地排列金属微粒是很困难的。如果不能控制金属微粒的尺寸及排列，则共振产生的吸收波长和共振波长会产生偏差。这样一来，吸光度光谱的宽度变宽，峰值强度变低。因此，用于检测金属微粒附近的介质变化的信号变化降低，即使提高传感器灵敏度也有限度。因此，在用于根据吸光度光谱指定物质时传感器的灵敏度不充分。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种可提高传感器的灵敏度并根据拉曼分光光谱指定目标物质的传感器芯片、传感器盒以及分析装置。
为了解决上述问题，本发明采用如下的结构。
本发明第一方面的传感器芯片包括：基底部件，具有平面部；以及衍射光栅，具有由金属形成的表面并形成在上述平面部上，目标物质配置在上述衍射光栅上，上述衍射光栅包括：多个第一突起，沿与上述平面部平行的第一方向按100nm以上且1000nm以下的周期周期性地排列；多个基底部分，位于相邻的两个上述第一突起之间，构成上述基底部件的基底；多个第二突起，形成在上述多个第一突起的上面；以及多个第三突起，形成在上述多个基底部分上。
根据本发明的第一方面，向同形状的表面激发通过第一突起经由表面等离子共振(surface plasmon resonance)而增强的近接电场，进一步可通过基于第二突起、第三突起的金属微细结构使增强度高的表面增强拉曼散射(SERS：Surface Enhanced Raman Scattering)出现。具体来说，如果光入射到形成有多个第一突起、多个第二突起、多个第三突起的面，则会产生基于多个第一突起的表面固有的振动模式(表面等离子体)。于是，伴随着光的振动，自由电子发生共振振动，且伴随着自由电子的振动，电磁波的振动被激发。因这种电磁波的振动影响自由电子的振动，所以形成结合了两者振动的系统、所谓的表面等离子体激元(SPP：Surface Plasmon Polariton)。由此，在多个第二突起、多个第三突起的附近，局部表面等离子共振(LSPR：Localized Surface Plasmon Resonance)被激发。在本结构中，由于相邻两个第二突起之间的距离、相邻两个第三突起之间的距离小，因此，在该接点附近产生极强的增强电场。并且，如果在该接点上吸附一到几个目标物质，则由此发生SERS。因此，可在目标物质中取得固有的尖锐的SERS光谱。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。此外，通过适当变更第一突起的周期和高度、第二突起的高度、第三突起高度，从而可使共振峰的位置匹配任意波长。因此，可以适当地选择在指定目标物质时所照射的光的波长，且可扩大测定范围。
在本发明的传感器芯片中，优选上述多个第一突起在与上述第一方向交叉且与上述平面部平行的第二方向上周期性地排列。这样，与仅在与基底部件的平面部平行的方向(第一方向)上周期性地形成第一突起的情况相比，可以在宽的等离子体共振条件下进行检测。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。并且，除可以适当改变第一突起在第一方向的周期以外，还可以适当改变第二方向的周期。因此，可以适当改变指定目标物质时所照射的光的波长，且可扩大测定范围。
在本发明的传感器芯片中，优选上述多个第二突起及上述多个第三突起在与上述平面部平行的第三方向上周期性地排列。这样，可适当改变第二突起和第三突起的周期。因此，可以适当改变指定目标物质时所照射的光的波长，且可扩大测定范围。
在本发明的传感器芯片中，优选上述多个第二突起及上述多个第三突起在与上述第三方向交叉且与上述平面部平行的第四方向上周期性地排列。这样，与仅在与基底部件的平面部平行的方向(第三方向)上形成第二突起、第三突起的情况相比，可以在宽的等离子体共振条件下进行检测。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。并且，除可以适当改变第二突起、第三突起在第三方向的周期以外，还可以适当改变第四方向的周期。因此，可以适当改变指定目标物质时所照射的光的波长，且可扩大测定范围。
在本发明的传感器芯片中，优选上述多个第二突起及上述多个第三突起由微粒形成。这样，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。
在本发明的传感器芯片中，优选构成上述衍射光栅的上述表面的金属是金或银。这样，因为金或银具有使SPP、LSPR、SERS出现的特性，因此能很容易地使SPP、LSPR、SERS出现，且可以高灵敏度地检测目标物质。
本发明的第二方面的传感器盒包括：上述传感器芯片；输送部，将上述目标物质输送到上述传感器芯片的表面；载置部，载置上述传感器芯片；壳体，收容上述传感器芯片、上述输送部以及上述载置部；以及照射窗，设置在上述壳体的与上述传感器芯片的表面相对的位置上。
根据本发明的第二方面，因为具有上述记载的传感器芯片，所以可选择性地分光拉曼散射光，并可检测出目标分子。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。
本发明的第三方面的分析装置，包括：上述传感器芯片；光源，向上述传感器芯片照射光；以及光检测器，检测通过上述传感器芯片获得的光。
根据本发明的第三方面，因为具有上述记载的传感器芯片，所以可选择性地分光拉曼散射光，并可检测目标分子。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。
本发明的第四方面的传感器芯片包括：基底部件，具有平面部；以及衍射光栅，具有通过第一凹凸形状、第二凹凸形状与第三凹凸形状重叠而形成在上述平面部上的复合图案，并且具有由金属形成的表面，且目标物质配置在上述衍射光栅上，其中，在上述第一凹凸形状中，多个第一凸形状按100nm以上且1000nm以下的周期周期性地排列；在上述第二凹凸形状中，多个第二凸形状按比上述第一凹凸形状的周期短的周期周期性地排列在多个上述第一凸形状上；在上述第三凹凸形状中，多个第三凸形状按比上述第一凹凸形状的周期短的周期周期性地排列在位于相邻两个上述第一凸形状之间的基底部分上。
根据本发明的第四方面，向同形状的表面激发通过第一凸形状经由表面等离子共振(surface plasmon resonance)而增强的近接电场，进一步可通过基于第二凸形状的金属微细结构使增强度高的表面增强拉曼散射(SERS：Surface Enhanced Raman Scattering)出现。具体来说，如果光入射到形成有第一凸形状和第二凸形状的面，则会产生基于多个第一凸形状的表面固有的振动模式(表面等离子体)。于是，伴随着光的振动，自由电子发生共振振动，且伴随着自由电子的振动，电磁波的振动被激发。因这种电磁波的振动影响自由电子的振动，所以形成结合了两者振动的系统、所谓的表面等离子体激元(SPP：Surface Plasmon Polariton)。由此，在第二凹凸形状的附近，局部表面等离子共振(LSPR：Localized Surface Plasmon Resonance)被激发。在本结构中，由于相邻两个第二凸形状之间的距离小，因此，在该接点附近产生极强的增强电场。并且，如果在该接点上吸附一到几个目标物质，则由此发生SERS。因此，可在目标物质中取得固有的尖锐的SERS光谱。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。此外，通过适当变更第一凸形状的周期和高度、第二凸形状的高度、第三凸形状高度，从而可使共振峰的位置匹配任意波长。因此，可以适当地选择在指定目标物质时所照射的光的波长，且可扩大测定范围。
在本发明的传感器芯片中，优选上述多个第一凸形状在与上述平面部平行的第一方向上周期性地排列，且在与上述第一方向交叉且与上述平面部平行的第二方向上周期性地排列。这样，与仅在与基底部件的平面部平行的方向(第一方向)上周期性形成第一凸形状的情况相比，可以在宽的等离子体共振条件下进行检测。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。并且，除可以适当改变第一凸形状在第一方向的周期以外，还可以适当改变第二方向的周期。因此，可以适当改变指定目标物质时所照射的光的波长，且可扩大测定范围。
在本发明的传感器芯片中，优选上述多个第二凸形状及上述多个第三凸形状在与上述平面部平行的第三方向上周期性地排列。这样，可以适当地改变第二凸形状、第三图形状的周期。因此，可以适当地选择在指定目标物质时所照射的光的波长，且可扩大测定范围。
在本发明的传感器芯片中，优选上述多个第二凸形状及上述多个第三凸形状在与上述第三方向交叉且与上述平面部平行的第四方向上周期性地排列。这样，与仅在与基底部件的平面部平行的方向(第三方向)上周期性形成第二凸形状、第三凸形状的情况相比，可以在宽的等离子体共振条件下进行检测。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。并且，除可以适当改变第二凸形状、第三凸形状在第三方向的周期以外，还可以适当改变第四方向的周期。因此，可以适当改变指定目标物质时所照射的光的波长，且可扩大测定范围。
在本发明的传感器芯片中，优选上述多个第二凸形状及上述多个第三凸形状由微粒形成。这样，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。
在本发明的传感器芯片中，优选构成上述衍射光栅的上述表面的金属是金或银。这样，因为金或银具有使SPP、LSPR、SERS出现的特性，因此能很容易地使SPP、LSPR、SERS出现，且可以高灵敏度地检测目标物质。
本发明的第五方面是传感器盒包括：上述传感器芯片；输送部，将上述目标物质输送到上述传感器芯片的表面；载置部，载置上述传感器芯片；壳体，收容上述传感器芯片、上述输送部以及上述载置部；以及照射窗，设置在上述壳体的与上述传感器芯片的表面相对的位置上。
根据本发明的第五方面，因为具有上述记载的传感器芯片，所以可分光拉曼散射光，并可检测目标分子。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器盒。
本发明的第六方面的分析装置，包括：上述传感器芯片；光源，向上述传感器芯片照射光；以及光检测器，检测通过上述传感器芯片获得的光。
根据本发明的第六方面，因为具有上述记载的传感器芯片，所以可分光拉曼散射光，并可检测目标分子。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的分析装置。
附图说明
图1A及图1B是示出本发明涉及的一实施方式的传感器芯片的概略结构的模式图。
图2A及图2B是拉曼散射分光法的示意图。
图3A及图3B是利用LSPR的电场增强的机构的示意图。
图4是SERS分光法的示意图。
图5是示出第一突起单体的反射光强度的图表。
图6是示出SPP的分散曲线的图表。
图7是示出本发明涉及的一实施方式的传感器芯片的反射光强度的图表。
图8是在基底部件的平面部上形成了多个第二突起的传感器芯片的模式图。
图9是图8中的传感器芯片的反射光强度的示意图。
图10A～图10F是传感器芯片的制作工序的示意图。
图11是示出具有第一突起的传感器芯片的变形例的概略结构图。
图12A及图12B是具有第二突起的传感器芯片的变形例的概略结构图。
图13A及图13B是具有第二突起的传感器芯片的变形例的概略结构图。
图14是示出分析装置的一例的模式图。
图15是示出本发明涉及的一实施方式的传感器芯片的概略结构的模式图。
图16是示出本发明涉及的一实施方式的传感器芯片的概略结构的模式图。
具体实施方式
以下，参照附图，同时对本发明的实施方式进行说明。这样的实施方式只示出本发明的一种实施方式，并不限定本发明，在本发明的技术思想范围内可以任意变形。而且，在下面的附图中，为了易于理解各结构，各结构的比例尺(缩尺)和数目等与实际的结构是不同的。
图1A及图1B是示出本发明涉及的一实施方式的传感器芯片的概略结构的模式图。图1A是传感器芯片的概略结构的立体图，图1B是传感器芯片的概略结构的截面图。在图1B中，标号P1表示第一突起(第一凸形状)的周期，P2表示第二突起(第二凸形状)及第三突起(第三凸形状)的周期，标号T1表示第一突起的高度(槽深)，T2表示第二突起的高度(槽深)，T3表示第三突起的高度(槽深)，标号W1表示第一突起的宽度，W2表示相邻的两个第一突起之间的距离。
图15及图16是与图1B对应的本发明涉及的一实施方式的传感器芯片的概略结构的模式图。在图15及图16中，标号P1表示第一突起(第一凸形状)的周期，P2表示第二突起(第二凸形状)及第三突起(第三凸形状)的周期，标号T1表示第一突起的高度(槽深)，T2表示第二突起的高度(槽深)，T3表示第三突起的高度(槽深)，标号W1表示第一突起的宽度，W2表示相邻的两个第一突起之间的距离。
为了在形成在含有金属的基底部件10上的衍射光栅9上配置目标物质、并利用局部表面等离子共振(LSPR：Localized Surface Plasmon Resonance)及表面增强拉曼散射(SERS：Surface Enhanced Raman Scattering)来检测上述目标物质而使用传感器芯片1。
为了在形成在基底部件10上的衍射光栅9上配置目标物质、并利用LSPR及SERS检测上述目标物质而使用传感器芯片1。衍射光栅9包括：多个第一突起11，沿与基底部件10的平面部平行的第一方向，以大于等于100nm小于等于1000nm的周期P1排列；多个基底部分10a，位于相邻的两个第一突起11之间，构成基底部件10的基底；多个第二突起12，形成在多个第一突起11的各个上面11a上；多个第三突起13，形成在多个基底部分10a的各个基底部分10a上。衍射光栅9具有由金属形成的表面，其形成在基底部件10的平面部10s上。
换句话说，衍射光栅9具有将第一凹凸形状、第二凹凸形状、第三凹凸形状重叠而获得的复合图案(composite pattern)，且衍射光栅9具有由金属形成的表面，其中，上述第一凹凸形状，在与基底部件10的平面部垂直的方向上，以大于等于100nm小于等于1000nm的周期P1排列有多个第一凸形状(第一突起)11；上述第二凹凸形状，在多个第一凸形状11中的各个第一凸形状11上，按比第一凹凸形状的周期短的周期P2周期性地排列有多个第二凸形状(第二突起)12；上述第三凹凸形状，在位于相邻两个第一凸形状11之间的基底部分，按比第一凹凸形状的周期短的周期P2排列有多个第三凸形状。
并且，这里所谓“衍射光栅”是指多个凹凸形状(多个突起)被周期地排列的结构。
此外，这里所谓“平面部”是指基底部件的上面部。也就是说，所谓“平面部”是指基底部件的配置有目标物质的单侧的表面部。并且，通过第一凹凸形状、第二凹凸形状及第三凹凸形状重叠而形成的复合图案至少形成在基底部件的上面部。而且，关于基底部件的另一单侧的表面部、即基底部件的下面部，并不特别限定其形状。但是，如果考虑对基底部件的平面部(上面部)进行加工工序等，则优选基底部件的下面部是相对于平面部的基底部分平行且平坦的面。
如图1B所示，作为衍射光栅9的结构，可以例举基底部件10、第一凸形状11以及第二凸形状12全部是由金属构成的构造。此外，如图15所示，例举有如下的结构：用玻璃或树脂等绝缘部件形成基底部件10及第一凸形状11，用金属膜覆盖绝缘部件的整个露出部位，并在金属膜上形成由金属构成的第二凸形状12、由金属构成的第三凸形状13。此外，如图16所示，例举有如下的结构：将基底部件10、第一凸形状11、第二凸形状12及第三凸形状13全部由绝缘部件形成，并通过金属膜覆盖绝缘部件的整个露出部位。也就是说，衍射光栅9具有如下的结构：基底部件10的基底部分10a、第一凸形状11、第二凸形状12及第三凸形状13至少表面由金属形成。
基底部件10具有例如在玻璃基板上形成150nm以上的金属膜的结构。通过后述的制作工序，该金属膜成为第一突起11、第二突起12和第三突起13。再者，虽然在本实施方式中使用在玻璃基板上形成有金属膜的基体作为基底部件10，但并不仅限于此。例如，也可以使用在石英基板或蓝宝石基板上形成有金属膜的基体作为基底部件10。此外，还可以使用由金属构成的平板作为基底部件。
第一突起11形成为在基底部件10的平面部10s上具有规定的高度T1。该第一突起11在与基底部件10的平面部10s平行的方向(第一方向)上以比光的波长短的周期P1排列。在周期P1，将第一方向(图1B的左右方向)上的第一突起11单体的宽度、与相邻的两个第一突起11之间的距离相加。此外，第一突起11是截面为矩形的凸形状，多个第一突起11形成为俯视线和空间(line and space)(条纹状)。
在第一突起11中，例如，优选将周期P1设定在100nm～1000nm范围内，将高度T1设定在10nm～100nm范围内。这样，可使第一突起11作为用于使LSPR出现的构造而发挥作用。
第一方向上的第一突起11的宽度W1大于相邻的两个第一突起11之间的距离W2(W1＞W2)。由此，LSPR被激发的第一突起11的空间填充率增大。
第二突起12在多个第一突起11的各个上面11a上具有规定的高度T2，且形成为两个以上。第三突起13在多个基底部分10a中的各个基底部分10a上具有规定的高度T3，且形成为两个以上。
第二突起12、第三突起13在与基底部件10的平面部10s平行的方向(第三方向)上以比光的波长短的周期P2排列。周期P2是，将第三方向(图1B的左右方向)上的第二突起12单体的宽度、和相邻的两个第二突起12之间的距离相加(第三方向上的第三突起13单体的宽度、和相邻的两个第三突起13之间的距离相加)。因此，第二突起12(第三突起13)的周期P2比第一突起11的周期P1要短得多。
在第二突起12、第三突起13中，例如，优选将周期P2设定为小于500nm的值，将高度T2、T3设定为小于200nm的值。这样，可将第二突起12、第三突起13作为用于使LSPR出现的构造而发挥作用。
此外，在本实施方式中，第一突起11的排列方向(第一方向)与第二突起12、第三突起13的排列方向相同。而且，第二突起12、第三突起13形成为截面为矩形的凸形状，多个第二突起12以及多个第三突起13形成为俯视线和空间(条纹状)。
作为衍射光栅9的表面金属，可以使用例如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)或者它们的合金。在本实施方式中，使用具有能使SPP、LSPR、SERS出现的特性的金或银。由此，易于使SPP、LSPR、SERS出现，且可高灵敏度地检测出目标物质。
在此，就LSPR、SERS进行说明。如果把光射入传感器芯片1的表面、即形成有多个第一突起11、多个第二突起12、多个第三突起13的面，则会发生利用多个第一突起11的表面固有振动模式(表面等离子体)。但是，使入射光的偏振光方向与第一突起11的槽方向垂直。于是，伴随着自由电子的振动，电磁波的振动被激发。因这种电磁波的振动影响自由电子的振动，所以可以产生两者振动结合的系统、即所谓的表面等离子体激元(SPP：Surface Plasmon Polariton)。此外，虽然在本实施方式中光的射入角度相对于传感器芯片1的表面大致垂直，但是只要处于激发SPP的条件下，则射入角度并不仅限于这个角度(垂直)。
该SPP沿传感器芯片1的表面、具体来说沿空气与第二突起12和第三突起13的界面传输，在第二突起12、第三突起13的附近激发强烈的局部电场。SPP的耦合对光的波长敏感，该耦合效率较高。这样，可根据为空气传输模式的入射光通过SPP来激发局部表面等离子共振(LSPR：Localized Surface Plasmon Resonance)。并且，可根据LSPR与拉曼散射光之间的关系来利用表面增强拉曼散射(SERS：Surface Enhanced Raman Scattering)。
图2A及图2B是拉曼散射分光法的示意图。图2A示出了拉曼散射分光法的原理。图2B示出拉曼光谱(拉曼位移与拉曼散射强度的关系)。在图2A中，标号L表示入射光(单一波长的光)，标号Ram表示拉曼散射光，标号Ray表示瑞利散射光，标号X表示目标分子(目标物质)。在图2B中，横轴表示拉曼位移。此外，所谓拉曼位移是指拉曼散射光Ram的振动数与入射光L的振动数之差，取相对于目标分子X的结构而言特有的值。
如图2A所示，若单一波长的光L照射到目标分子X上，则在散射光中发生波长与入射的光的波长不同的光(拉曼散射光Ram)。拉曼散射光Ram与入射光L之间的能量差对应于目标分子X的振动能级和转动能级、或者电子能级的能量。目标分子X因具有与其结构相对应的特有的振动能量，所以可通过使用单一波长的光L来指定目标分子X。
例如，当将入射光L的振动能量设定为V1、目标分子X所消耗的振动能量设定为V2、拉曼散射光Ram的振动能量设定为V3时，V3＝V1-V2。此外，大部分入射光L即使在与目标分子X碰撞之后也具有与碰撞之前相同的能量。这种弹性散射光被称为瑞利散射光Ray。例如，当将瑞利散射光Ray的振动能量设定为V4，则V4＝V1。
根据如图2B所示的拉曼光谱，若把拉曼散射光Ram的散射强度(光谱峰值)与瑞利散射光Ray的散射强度进行比较，则可知拉曼散射光Ram是弱光。这样，拉曼散射分光法虽然对目标分子X的识别能力卓越，但是该方法是目标分子X的灵敏度本身很低的测试方法。因此，在本实施方式中，用分光法(SERS分光法)以实现高灵敏度，该分光法使用了表面增强拉曼散射。
图3A及图3B是利用LSPR的电场增强的机构的示意图。图3A是把光入射到金属纳米粒子时的模式图。图3B是LSPR增强电场的示意图。在图3A中，标号100表示光源，101表示金属纳米粒子，102表示从光源射出的光。在图3B中，标号103表示表面局部电场。
如图3A所示，若光102入射到金属纳米粒子101，则伴随着光102的振动，自由电子共振振动。此外，金属纳米粒子直径小于入射光的波长。例如，光的波长是400nm～800nm、金属纳米粒子直径是10nm～100nm。另外，使用Ag、Au作为金属纳米粒子。
于是，伴随着自由电子的共振振动，在金属纳米粒子101附近，激发强烈的表面局部电场103(参考图3B)。这样，通过把光102入射到金属纳米粒子101，从而可激发LSPR。
图4是SERS分光法的示意图。在图4中，标号200表示基板，标号201表示金属纳米结构，标号202表示选择性吸附膜，标号203表示增强电场(enhanced electric field)，标号204表示目标分子，标号211表示入射激光，标号212表示拉曼散射光，标号213表示瑞利散射光。另外，选择性吸附膜202吸附目标分子204。
如图4所示，若激光211入射到金属纳米结构201，则伴随着激光211的振动，自由电子共振振动。金属纳米结构201的尺寸小于入射激光的波长。于是，伴随着自由电子的共振振动，在金属纳米结构201的附近，激发强烈的表面局部电场。由此，激发LSPR。并且，如果相邻的金属纳米结构201之间的距离变小，则在其接点附近发生极强的增强电场203。如果一到几个目标分子204吸附在其接点上，则由此产生SERS。关于这一点，也可以根据使用时域有限差分(FDTD：Finite Difference Time Domain)法计算出的近接的两个银纳米粒子间生成的增强电场的结果来进行确认。因此，可选择性地对拉曼散射光进行分光，并可高灵敏度地检测目标分子。
如上所述，本实施方式具有如下结构：通过把第一突起11沿与基底部件10的平面部平行的方向，按比光的波长短的周期P1排列来激发LSPR。并且，本实施方式还具有如下结构：通过在第一突起11的上面11a上形成两个以上的第二突起12，在基底部分10a上形成两个以上的第三突起13，从而使SERS出现。具体地说，基于如果把单一波长的光照射到目标分子上会发生拉曼散射的原理，把目标分子分配在相邻的两个第二突起12(第三突起13)之间，并使增强磁场产生在该接点附近，从而产生SERS。由此，能够使用与拉曼散射分光法相比可以高灵敏度地检测目标物质的SERS分光法。
图5是示出第一突起单体的反射光强度的图表。在图5中，横轴表示光的波长，纵轴表示反射光的强度。把第一突起11的高度T1作为参数(T1＝20nm、30nm、40nm)。而且，在本实施方式的传感器芯片1的结构中，把从入射光强度(设定为1.0)中减去反射光强度后的差作为吸光度。
光垂直入射第一突起11。关于光的偏振方位，存在具有与槽(相邻的第一突起11之间的区域的延伸方向)平行的电场分量的偏振光和具有与槽垂直的电场分量的TM(Transverse Electric，横向电)偏振光。第一突起11的周期是580nm，反射光强度的共振峰存在于波长630nm附近。该共振峰值来自SPP，若增大第一突起11的高度T1，则共振峰向长波长侧(长波长区域)位移。当第一突起11的高度T1为30nm时，可知反射光强度变为最强，吸收也表现得最强。
图6是示出SPP的分散曲线的图表。在图6中，标号C1表示SPP的分散曲线(例如，示出空气与Au的界限面处的值)，标号C2表示直线(light line)。第一突起11的周期是580nm。在横轴上示出了第一突起11的光栅矢量的位置(对应于图6的横轴上的2π/P)。如果从该位置向上延长线，则与SPP的分散曲线相交。对应于该交点的波长可以通过下式求出。
λ = P 1 E 1 - E 2 E 1 + E 2 · · · ( 1 )
在式(1)中，P1表示第一突起11的周期，E1表示空气的复介电常数，E2表示Au的复介电常数。如果把P1、E1、E2代入式(1)中，则得到λ＝620nm(对应于图6的纵轴上的ω0)。
第一突起11的高度T1变大的同时，SPP的波数的虚部变大。由此，SPP的波数中的实部变小，从光栅矢量的位置延长的线与SPP的分散曲线的交点自右上向左下移动。也就是说，共振峰值向长波长侧位移。
图7是示出重叠了第一突起11及第二突起12(第三突起13)的结构、即是示出本发明涉及的一实施方式的传感器芯片1的反射光强度的图表。在图7中，横轴是光的波长，纵轴是反射光强度。把第二突起12的高度T2(第三突起的高度T3)作为参数(T2(T3)＝0nm、40nm、80nm)。而且，本图的参数T2＝0时的图表与图5的参数T1＝30时的图表相同。
光垂直入射第一突起11。并且，第一突起11的高度T1是30nm。此外，第二突起12(第三突起13)的周期P2是97nm。反射光强度的共振峰存在于波长730nm附近。与专利文献1的光谱比较，共振峰的宽度变狭窄且尖。该共振峰来自上述SPP，通过把第二突起12(第三突起13)重叠于第一突起11，从而共振峰的位置向长波长侧位移。这时，共振峰的尖锐度和倾斜度得到保持。当第二突起12的高度T2(第三突起13的高度)是40nm时，通过照射波长730nm的光，可向第二突起12的表面附近激发强烈的局部电场。而且，通过适当改变第一突起11及第二突起12(第三突起13)的周期P1、P2和高度T1、T2，可使共振峰的位置与任意波长匹配。
图8是在基底部件10的平面部10s上不形成第一凸形状11，而仅在基底部件10的平面部10s上形成第二突起12(第三突起13)时、即在基底部件10的平面部10s上形成了多个第二突起12(第三突起13)时的传感器芯片2的模式示意图。
图9是示出在基底部件10的平面部10s上形成了多个第二突起12(第三突起13)时的传感器芯片2的反射光强度的图表。在图9中，横轴是光的波长，纵轴是反射光强度。把第二突起12的高度T2(第三突起13的高度T3)作为参数(T2(T3)＝0nm、40nm、80nm)。TM偏振光垂直入射到第二突起12(第三突起13)。即使看本图，也不能确认反射光强度深的共振峰。由此结果可知，在第一突起11不存在时、即不通过SPP时，几乎无法把光能耦合到第二突起12(第三突起13)上。
图10A～图10F是传感器芯片的制作工序的示意图。首先，通过蒸镀法或溅射法等方法在玻璃基板30上形成Au膜31。接着，在Au膜31上用旋涂法(spin coat method)等方法涂敷抗蚀层32(参考图10A)。这时，Au膜31的膜厚Ta形成为厚到不透过入射光的程度(例如100nm)。
其次，利用痕迹法(imprint method)等方法，形成周期Pa为580nm的抗蚀图案32a(参考图10B)。然后，把该抗蚀图案32a作为掩膜，通过干蚀刻法，将Au膜31仅蚀刻至规定的深度D1(例如30nm)。然后，通过去除抗蚀图案32a，从而形成第一突起31a(参考图10C)。
接着，在形成有第一凸形状31a的Au膜31上通过旋涂法等方法涂敷抗蚀层33(参考图10D)。然后，利用痕迹法等方法，形成周期Pb为97nm的抗蚀图案33a(参考图10E)。然后，将该抗蚀图案33a作为掩膜，通过干蚀刻法，将形成有第一突起31a的Au膜31仅蚀刻至规定的深度D2(例如40nm)。然后，通过去除抗蚀图案33a，从而形成第二突起31b、第三突起31c(参考图10F)。通过以上工序，可制造本发明涉及的一实施方式的传感器芯片3。
根据本发明的一实施方式的传感器芯片1，通过基于第一突起11的金属微细结构，经由SPP激发LSPR，并可进一步通过基于第二突起12和第三突起13的金属微细结构来使SERS现出。具体地说，若把光入射形成有多个第一突起11、多个第二突起12和多个第三突起13的面，则会发生因多个第一突起11引起的表面固有振动模式(表面等离子体)。于是，伴随着光的振动，自由电子产生共振振动，SPP被激发，在第二突起12和第三突起13附近激发强烈的表面局部电场。这样，LSPR被激发。在本结构中，由于相邻的两个第二突起12(第三突起13)之间的距离很小，所以在其接点附近会产生极强的增强电场。并且，如果在该接点上吸附了一到几个目标物质，由此会产生SERS。因此，反射光强度光谱的宽度变窄，共振峰获得尖锐的强度特性，并可使传感器灵敏度提高。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱确定目标物质的传感器芯片1。另外，通过适当改变第一突起11的周期P1和高度T1、第二突起12的高度T2和第三突起13的高度T3，从而可使共振峰的位置匹配任意波长。这样，能适当选择在指定目标物质时所照射的光的波长，且扩大测定范围。
此外，根据这种结构，因为沿与基底部件10的平面部平行的第三方向周期性地配置第二突起12和第三突起13，所以可适当改变第二突起12和第三突起13的周期P2。这样，能适当选择在指定目标物质时所照射的光的波长，且扩大测定范围。
根据这种结构，由于使用金或银作为衍射光栅9的表面金属，因此，可易于出现SPP、LSPR、SERS，并可高灵敏度地检测目标物质。
此外，根据这种结构，由于第一突起11的占空比(duty ratio)满足W1＞W2关系，LSPR被激发的第一突起11的空间填充率增大，所以与满足W1＜W2关系的情况相比，可在更宽的等离子共振振动条件下进行检测。而且，可以有效地利用指定目标物质时所照射的光的能量。
此外，虽然在本实施方式中示出了沿与基底部件10的平面部平行的方向(第一方向)按比光的波长短的周期P1排列第一突起11结构，但是并不仅限于此。使用图11对具有与本实施方式的第一突起11不同的结构的传感器芯片4进行说明。
图11是具有与上述第一突起11不同方式的第一突起41的传感器芯片4的概略结构的立体图。另外，在本图中，为了方便，省略了第二突起和第三突起的图示。
如图11所示，第一突起41形成在基板40的平面部40s上。沿与基板40的平面部平行的方向(第一方向)按比光的波长短的周期P3排列第一突起41。此外，沿与第一方向垂直且与基板40的平面部平行的第二方向按比光的波长短的周期P4排列第一突起41。此外，第二方向并不仅限于与第一方向垂直且与基板40的平面部平行的方向，也可以是与第一方向垂相交且与基板40的平面部平行的方向。
根据这种结构，与仅在与基底部件10的平面部平行的方向(第一方向)周期性形成第一突起的情况相比，可以在宽的共振条件下激发SPP。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片4。并且，除可以适当改变第一突起的第一方向的周期P3以外，还可以适当改变第二方向的周期P4。因此，可以适当改变指定目标物质时所照射的光的波长，且可扩大测定范围。
并且，虽然在本实施方式中示出了沿与基底部件10的平面部平行的方向(第三方向)按比光的波长短的周期P2排列第二突起12和第三突起13的结构、具体而言示出了第一突起11的排列方向(第一方向)与第二突起12、第三突起13的排列方向(第三方向)是同一方向的结构，但是并不仅限于此。使用图12A～图13B对与本实施方式的具有第二突起12、第三突起13不同结构的传感器芯片5、6、7、8进行说明。
图12A及图12B是具有与上述第二突起12、第三突起13不同方式的第二突起、第三突起的传感器芯片的概略结构的立体图。图12A示出了具有第二突起52、第三突起53的传感器芯片5，图12B示出具有第二突起62、第三突起63的传感器芯片6。
如图12A所示，在多个第一突起51的各个上面51a上形成有两个以上的第二突起52。在多个基底部分50a的各个基底部分50a上形成有两个以上的第三突起53。在本图中，作为一个例子，示出了第一突起51的排列方向(第一方向)与第二突起52、第三突起53的排列方向(第三方向)的交叉角度是45度的结构。
如图12B所示，在多个第一突起61的各个上面61a上形成有两个以上的第二突起62。在多个基底部分60a的各个基底部分60a上形成有两个以上的第三突起63。在本图中，作为一个例子，示出了第一突起61的排列方向(第一方向)与第二突起62、第三突起63的排列方向(第三方向)的交叉角度是90度的结构。
即使在这样的结构中也可提供一种能够提高传感器灵敏度、且根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。
如图13A所示，在多个第一突起(无图示)的各个上面71a上形成有两个以上的第二突起72。在多个基底部分70a的各个基底部分70a上形成有两个以上的第三突起73。此外，沿与第三方向交叉且与基板的平面部平行的第四方向周期性地排列第二突起72、第三突起73。在本图中，作为一个例子，示出了第二突起72、第三突起73俯视时为圆形的结构。另外，第二突起72、第三突起73也可以随机配置而不具有周期性。另外，优选将第二突起72的间隔、第三突起73的间隔设定在0到几十nm的范围内。
如图13B所示，在多个第一突起(无图示)的各个上面81a上形成有两个以上的第二突起82。在多个基底部分80a的各个基底部分80a上形成有两个以上第三突起83。此外，沿与第三方向交叉且与基板的平面部平行的第四方向周期性地排列第二突起82、第三突起83。在本图中，作为一个例子，示出了第二突起82、第三突起83俯视时为圆形的结构。另外，第二突起82、第三突起83也可以随机配置而不具有周期性。另外，优选将第二突起82的间隔、第三突起83的间隔设定在0到几十nm的范围内。
根据这种结构，与仅在与基板的平面部平行的方向(第三方向)形成第二突起和第三突起的情况相比，能提高产生增强电场的位置的密度。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。另外，除可适当地改变第二突起、第三突起在第三方向的周期以外，还可以适当地改变第四方向的周期。因此，可适当地改变指定目标物质时所照射的光的波长，且可扩大测定范围。
此外，虽然在本实施方式中通过对形成在玻璃基板的上表面的Au膜进行图案形成来形成第二突起和第三突起，但并不仅限于此。例如，第二突起和第三突起也可以是微粒。即使在这样的结构中也可提供一种能够提高传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。
此外，虽然在本实施方式中，使用同种金属(金或银)作为基底部件中含有的金属、第一突起中含有的金属、第二突起中含有的金属、第三突起中含有的金属，但并不仅限于此。例如，也可以将基底部件中含有的金属用金，第一突起中含有的金属用银，第二突起(第三突起)中含有的金属用金和银的合金等组合不同金属(金、银、铜、铝、或者它们的合金)后使用。
(分析装置)
图14是具备本发明涉及的一实施方式的传感器芯片的分析装置的一个例子的模式图。另外，图14中的箭头示出了目标物质(图示略)的传输方法。
如图14所示，分析装置1000包括传感器芯片1001、光源1002、光检测器1003、准直透镜(collimator lens)1004、偏振光控制元件1005、分色镜1006、物镜1007、物镜1008、输送部1010。光源1002及光检测器1003分别通过配线与控制装置(图示略)电连接。
光源1002产生用于激发LSPR及SERS的激光。从光源1002射出的激光通过准直透镜1004变为平行光，并穿过偏振光控制元件1005，由分色镜1006向传感器芯片1001的方向引导，通过物镜1007汇聚，并入射到传感器芯片1001。这时，传感器芯片1001的表面(例如，金属纳米结构和形成有检测物选择机构的面)上配置有目标物质(图示略)。此外，目标物质通过控制风扇(图示略)的驱动而被从输入口1011导入输送部1010内部，并从排出口1012排出到输送部1010外部。而且，金属纳米结构的尺寸小于激光的波长。
当激光入射到金属纳米结构时，伴随着激光的振动，自由电子共振振动，在金属纳米结构的附近激发强烈的局部电场，由此，LSPR被激发。并且，如果相邻的金属纳米结构之间的距离变小，则在其接点附近产生极强的增强电场，若在其接点上吸附一到几个目标物质，则由此发生SERS。
利用传感器芯片1001得到的光(拉曼散射光和瑞利散射光)，通过物镜1007，被分色镜1006向光检测器1003的方向引导，被物镜1007汇聚，并入射到光检测器1003。此外，由光检测器1003进行光谱分解，从而可以得到光谱信息。
根据该结构，由于具备上述本发明涉及的一实施方式的传感器芯片，所以可选择性地分光拉曼散射光，并检测出目标分子。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且根据SERS光谱指定目标物质的分析装置1000。
分析装置1000包括传感器盒1100。传感器盒1100包括传感器芯片1001、用于把目标物质输送到传感器芯片1001的表面的输送部1010、用于载置传感器芯片1001的载置单元1101、用于收容上述部件的壳体1110。在与壳体1110的传感器芯片1001对置的位置上设置有照射窗1111。从光源1002照射出的激光穿过照射窗1111，照射到传感器芯片1001的表面。传感器盒1100位于分析装置1000的上部，并被设置为可以从分析装置1000的本体部装卸。
根据该结构，由于具备上述本发明涉及的一实施方式的传感器芯片，所以可选择性地分光拉曼散射光，并可检测出目标分子。因此，可提供一种能够提高传感器灵敏度、且根据SERS光谱指定目标物质的传感器盒1100。
本发明涉及的一实施方式的分析装置可广泛应用于麻醉药及爆炸物检测、医疗及健康诊断、食品检查中使用的传感装置。而且，可作为检测抗原抗体反应中有无抗原吸附等、用于检测有无物质吸附的亲和型传感器(affinity sensor)等使用。

Claims (16)

1.一种传感器芯片，其特征在于，包括：
基底部件，具有平面部；以及
衍射光栅，具有由金属形成的表面并形成在所述平面部上，目标物质配置在所述衍射光栅上，所述衍射光栅包括：多个第一突起，沿与所述平面部平行的第一方向按100nm以上且1000nm以下的周期周期性地排列；多个基底部分，位于相邻的两个所述第一突起之间，构成所述基底部件的基底；多个第二突起，形成在所述多个第一突起的上面；以及多个第三突起，形成在所述多个基底部分上。
2.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，
所述多个第一突起在与所述第一方向交叉且与所述平面部平行的第二方向上周期性地排列。
3.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，
所述多个第二突起及所述多个第三突起在与所述平面部平行的第三方向上周期性地排列。
4.根据权利要求3所述的传感器芯片，其特征在于，
所述多个第二突起及所述多个第三突起在与所述第三方向交叉且与所述平面部平行的第四方向上周期性地排列。
5.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，
所述多个第二突起及所述多个第三突起由微粒形成。
6.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，
构成所述衍射光栅的所述表面的金属是金或银。
7.一种传感器盒，其特征在于，包括：
权利要求1所述的传感器芯片；
输送部，将所述目标物质输送到所述传感器芯片的表面；
载置部，载置所述传感器芯片；
壳体，收容所述传感器芯片、所述输送部以及所述载置部；以及
照射窗，设置在所述壳体的与所述传感器芯片的表面相对的位置上。
8.一种分析装置，其特征在于，包括：
权利要求1所述的传感器芯片；
光源，向所述传感器芯片照射光；以及
光检测器，检测通过所述传感器芯片获得的光。
9.一种传感器芯片，其特征在于，包括：
基底部件，具有平面部；以及
衍射光栅，具有通过第一凹凸形状、第二凹凸形状与第三凹凸形状重叠而形成在所述平面部上的复合图案，并且具有由金属形成的表面，且目标物质配置在所述衍射光栅上，其中，在所述第一凹凸形状中，多个第一凸形状按100nm以上且1000nm以下的周期周期性地排列；在所述第二凹凸形状中，多个第二凸形状按比所述第一凹凸形状的周期短的周期周期性地排列在多个所述第一凸形状上；在所述第三凹凸形状中，多个第三凸形状按比所述第一凹凸形状的周期短的周期周期性地排列在位于相邻两个所述第一凸形状之间的基底部分上。
10.根据权利要求9所述的传感器芯片，其特征在于，
所述多个第一凸形状在与所述平面部平行的第一方向上周期性地排列，且在与所述第一方向交叉且与所述平面部平行的第二方向上周期性地排列。
11.根据权利要求9所述的传感器芯片，其特征在于，
所述多个第二凸形状及所述多个第三凸形状在与所述平面部平行的第三方向上周期性地排列。
12.根据权利要求11所述的传感器芯片，其特征在于，
所述多个第二凸形状及所述多个第三凸形状在与所述第三方向交叉且与所述平面部平行的第四方向上周期性地排列。
13.根据权利要求9所述的传感器芯片，其特征在于，
所述多个第二凸形状及所述多个第三凸形状由微粒形成。
14.根据权利要求9所述的传感器芯片，其特征在于，
构成所述衍射光栅的所述表面的金属是金或银。
15.一种传感器盒，其特征在于，包括：
权利要求9所述的传感器芯片；
输送部，将所述目标物质输送到所述传感器芯片的表面；
载置部，载置所述传感器芯片；
壳体，收容所述传感器芯片、所述输送部以及所述载置部；以及
照射窗，设置在所述壳体的与所述传感器芯片的表面相对的位置上。
16.一种分析装置，其特征在于，包括：
权利要求9所述的传感器芯片；
光源，向所述传感器芯片照射光；以及
光检测器，检测通过所述传感器芯片获得的光。
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