CN103018210A - 传感器芯片、传感器盒及分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种传感器芯片、传感器盒以及分析装置。该传感器芯片包括：基体部件，具有平面部；以及衍射光栅，具有由金属形成的表面，形成在所述平面部上，且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，按大于等于100nm小于等于1000nm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，构成所述基体部件的底部；以及多个第二突起，形成在多个所述第一突起的上表面。

Description

传感器芯片、传感器盒及分析装置

本申请是2010年11月18日提交的申请号为201010551069.5、发明名称为“传感器芯片、传感器盒及分析装置”的专利申请的分案申请。

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，随着医疗诊断和食品检验等所使用的传感器的需求不断增加，需要开发小型且可快速传感检测的传感器技术。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，考虑到集成化、低成本、不用选择测定环境等因素，应用表面等离子共振(SPR：SurfacePlasmon Resonance)技术的传感器受到高度关注。

这里，所谓的表面等离子是指由表面固有的边界条件引起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，使光与等离子结合的方法；以及利用渐逝波的方法。例如，作为利用SPR的传感器的结构，公知有如下的结构：其包括全反射棱镜、与在该棱镜的表面形成的目标物质接触的金属膜。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的表面等离子体。已知在局部型的表面等离子体、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，提出了一种利用金属微粒和金属纳米结构的局部表面等离子共振的传感器(LSPR：Localized SurfacePlasmon Resonance)。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，均匀地制备金属微粒的大小(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大小及排列，则共振产生的吸收波长和共振波长会产生误差。这样一来，吸光度光谱的宽度就变宽，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，即使要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就不充分。

发明内容

本发明鉴于上述问题，其目的在于提供一种可提高传感器的灵敏度，能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：基体部件，具有平面部；以及衍射光栅，具有由金属形成的表面，形成在所述平面部上，且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，按大于等于100nm小于等于1000nm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，构成所述基体部件的底部；以及多个第二突起，形成在多个所述第一突起的上表面。

根据本发明的第一方面，通过第一突起根据表面等离子共振(surfaceplasmon resonance)而增强的近接电场向同形状的表面激发，进一步可通过基于第二突起的金属微细结构来显出增强度高的表面增强拉曼散射(SERS：Surface Enhanced Raman Scattering)。具体来说，如果向形成有多个第一突起及多个第二突起的面入射光线，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，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，在多个第二突起的附近，局部表面等离子体共振(LSPR：Localized SurfacePlasmon Resonance)被激发。在本结构中，由于相邻的两个第二突起之间的距离小，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，则会发生SERS。因此，可在目标物质中取得固有的尖锐的SERS光谱。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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，从而可使共振峰值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，优选多个所述第一突起沿与所述平面部平行的、与所述第一方向交叉的第二方向周期性地排列。这样，与仅沿与基体材料的平面部平行的方向(第一方向)具有周期性地形成第一突起的情况相比，可以在更广的共振条件下进行传感检测。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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的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，优选多个所述第二突起沿与所述平面部平行的第三方向周期性地排列。这样，可适当改变第二突起的周期。因此，可以适当改变指定目标物质时照射的光的波长，且可扩大测定范围。

在本发明的传感器芯片中，优选多个所述第二突起沿与所述平面部平行的、与所述第三方向交叉的第四方向周期性地排列。这样，与仅沿与基体材料的平面部平行的方向(第三方向)形成第二突起的情况相比，可以在更广的共振条件下进行传感检测。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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的第三方向上的周期以外，还可以适当改变第四方向上的周期。因此，可以适当改变指定目标物质时照射的光的波长，且可扩大测定范围。

在本发明的传感器芯片中，优选多个所述第二突起由微粒构成。这样，可提供一种提高了传感器灵敏度、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，优选当将所述第一方向上的第一突起的宽度设为W1，将所述第一方向上的相邻两个所述第一突起之间的距离设为W2时，满足W1＞W2的关系。这样，由于激发LSPR的第一突起的空间填充率增大，因此与满足W1＜W2的关系的情况相比，能在更广的等离子共振条件下进行传感检测。而且，能有效地利用指定目标物质时照射光的能量。

在本发明的传感器芯片中，优选所述第一方向上的所述第一突起的所述宽度W1与所述第一方向上的相邻两个所述第一突起之间的所述距离W2之比满足W1∶W2＝9∶1的关系。这样，能在更广的等离子共振条件下进行传感检测。而且，能有效地利用指定目标物质时照射光的能量。

在本发明的传感器芯片中，优选构成所述衍射光栅的所述表面的金属是金或银。这样，由于金或银具有能显出SPP、LSPR、SERS的特性，因此能很容易地显出SPP、LSPR、SERS，从而能高灵敏度地检测目标物质。

本发明第二方面的传感器盒包括：上述记载的传感器芯片；输送部，用于把所述目标物质输送到所述传感器芯片的表面；载置部，用于载置所述传感器芯片；壳体，用于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。

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，并可检测目标分子。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的传感器盒。

本发明第三方面的分析装置包括：上述记载的传感器芯片；光源，用于向所述传感器芯片照射光；以及光检测器，用于检测通过所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，可提供一种提高了传感器灵敏度、且可根据SERS光谱指定目标物质的分析装置。

本发明第四方面的传感器芯片包括：基体部件，具有平面部；以及衍射光栅，具有通过将第一凹凸形状和第二凹凸形状重叠而形成在所述平面部上的合成图案，所述衍射光栅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，按大于等于100nm小于等于1000nm的周期周期性地排列有多个第一凸形状，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。

根据本发明的第四方面，通过第一凸形状根据表面等离子共振(surface plasmon resonance)而增强的近接电场向同形状的表面激发，进一步可通过基于第二凸形状的金属微细结构来显出增强度高的表面增强拉曼散射(SERS：Surface Enhanced Raman Scattering)。具体来说，如果向形成有第一凹凸形状和第二凹凸形状的面入射光线，则会产生基于多个第一凹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，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，局部表面等离子体共振(LSPR：LocalizedSurface Plasmon Resonance)被激发。在本结构中，由于相邻的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，则会发生SERS。因此，可在目标物质中取得固有的尖锐的SERS光谱。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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，从而可使共振峰值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，优选多个所述第一凸形状沿与所述平面部平行的第一方向周期性地排列，且沿与所述平面部平行的、与所述第一方向交叉的第二方向周期性地排列。这样，与仅沿与基体材料的平面部平行的方向(第一方向)周期性形成第一凸形状的情况相比，可以在更广的共振条件下进行传感检测。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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的第一方向上的周期以外，还可以适当改变第二方向上的周期。因此，可以适当改变指定目标物质时照射的光的波长，且可扩大测定范围。

在本发明的传感器芯片中，优选多个所述第二凸形状沿与所述平面部平行的第三方向周期性地排列。这样，可以适当地改变第二凸形状的周期。因此，可以适当地选择在指定目标物质时照射的光的波长，且可扩大测定范围。

在本发明的传感器芯片中，优选多个所述第二凸形状沿与所述平面部平行的、与所述第三方向交叉的第四方向周期性地排列。这样，与仅沿与基体材料的平面部平行的方向(第三方向)周期性形成第二凸形状的情况相比，可以在更广的共振条件下进行传感检测。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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的第三方向上的周期以外，还可以适当改变第四方向上的周期。因此，可以适当改变指定目标物质时照射的光的波长，且可扩大测定范围。

在本发明的传感器芯片中，优选多个所述第二凸形状由微粒构成。这样，可提供一种提高了传感器灵敏度、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，优选当将所述第一方向上的第一凸形状的宽度设为W1，将所述第一方向上的相邻两个所述第一凸形状之间的距离设为W2时，满足W1＞W2的关系。这样，由于激发LSPR的第一凸形状的空间填充率增大，因此与满足W1＜W2的关系的情况相比，能在更广的等离子共振条件下进行传感检测。而且，能有效地利用确定目标物质时照射光的能量。

在本发明的传感器芯片中，优选所述第一方向上的所述第一凸形状的所述宽度W1与所述第一方向上的相邻两个所述第一凸形状之间的所述距离W2之比满足W1∶W2＝9∶1的关系。这样，能在更广的等离子共振条件下进行传感检测。而且，能有效地利用确定目标物质时照射光的能量。

在本发明的传感器芯片中，优选构成所述衍射光栅的所述表面的金属是金或银。这样，由于金或银具有能显出SPP、LSPR、SERS的特性，因此能很容易地显出SPP、LSPR、SERS，从而能高灵敏度地检测目标物质。

本发明的第五方面的传感器盒包括：上述记载的传感器芯片；输送部，用于把所述目标物质输送到所述传感器芯片的表面；载置部，用于载置所述传感器芯片；壳体，用于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。

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，可提供一种提高了传感器灵敏度、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：上述记载的传感器芯片；光源，用于向所述传感器芯片照射光；以及光检测器，用于检测通过所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，可提供一种提高了传感器灵敏度、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坐标图。

图6是示出SPP的分散曲线的坐标图。

图7是示出第一突起单体的反射光强度的坐标图。

图8A及图8B是示出第一突起单体的反射光强度的坐标图。

图9A及图9B是示出第一突起单体的反射光强度的坐标图。

图10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坐标图。

图11A～图11C是示出在基体部件的平面部上重叠第二突起的结构的反射光强度的坐标图。

图12是在基体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13是图12中的传感器芯片的反射光强度的示意图。

图14A～图14F是传感器芯片的制作工序的示意图。

图15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16A及图16B是具有第二突起的传感器芯片的变形例的概略结构图。

图17A及图17B是具有第二突起的传感器芯片的变形例的概略结构图。

图18是分析装置的一例的模式图。

图19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20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，标号P2表示第二突起(第二凸形状)的周期，标号W1表示第一突起的宽度，标号W2表示相邻的两个第一突起之间的距离，标号T1表示第一突起的高度(槽深)，标号T2表示第二突起的高度(槽深)。

图19及图20是对应于图1B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19及图20中，标号P1表示第一突起(第一凸形状)的周期，标号P2表示第二突起(第二凸形状)的周期，标号W1表示第一突起的宽度，标号W2表示相邻的两个第一突起之间的距离，标号T1表示第一突起的高度(槽深)，标号T2表示第二突起的高度(槽深)。

为了在包含金属的基体部件10上形成的衍射光栅9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。

为了形成于基体部件10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，沿与基体部件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来排列多个第一突起11；多个基底部分10a，位于相邻的两个第一突起11之间，构成基体部件10的基底；以及多个第二突起12，形成在多个第一突起11各自的上面11a上。衍射光栅9具有由金属形成的表面，其形成在基体部件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、重叠而获得的复合模式(composite pattern)，且衍射光栅9具有由金属形成的表面。在上述第一凹凸形状中，沿与基体部件10的平面部10s垂直的方向，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，在上述第二凹凸形状中，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。

并且，这里所谓“衍射光栅”是指多个凹凸形状(多个突起)被周期性排列的结构。

此外，这里所谓“平面部”是指基体部件的上面部。也就是说，所谓“平面部”是指配置有目标物质的基体部件的单侧的表面部。并且，通过第一凹凸形状、第二凹凸形状重叠而形成的复合模式至少形成在基体部件的上面部。而且，对于基体部件的另一单侧的表面部、即基体部件的下面部，并不特别限定其形状。但是，如果考虑对基体部件的平面部(上面部)进行加工工序等，则优选基体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，可以例举基体部件10、第一凸形状11以及第二凸形状12全部是由金属构成的结构作为衍射光栅9的结构。此外，如图19所示，例举有如下的结构：用玻璃或树脂等绝缘部件形成基体部件10及第一凸形状11，用金属膜覆盖绝缘部件露出的整体部位，并在金属膜上形成由金属构成的第二凸形状12。此外，如图20所示，例举有如下的结构：将基体部件10、第一凸形状11及第二凸形状12全部由绝缘部件形成，并通过金属膜覆盖绝缘部件露出的整体部位。也就是说，衍射光栅9具有如下的结构：基体部件10的基底部分10a、第一凸形状11及第二凸形状12至少表面由金属形成。

基体部件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和第二突起12。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体部件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体部件10。此外，还可以使用由金属构成的平板作为基体部件。

第一突起11形成为在基体部件10的平面部10s上具有规定的高度T1。该第一突起11在与基体部件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W1、与相邻的两个第一突起11之间的距离W2相加(P1＝W1+W2)。此外，第一突起11是矩形截面的凸形状，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，优选将例如周期P1设定在100nm～1000nm范围内，将高度T1设定在10nm～100nm范围内。这样，就可将第一突起11作为显出LSPR的构造而发挥作用。

该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激发的第一突起11的空间填充率增大。

在多个第一突起11各自的上表面11a上以具有规定高度T2的方式形成有两个以上的第二突起12。具体地说，第二突起12不形成在基体部件10的基底部分10a(相邻两个第一突起11之间的区域中的基体部件10的平面部10s)上，仅形成在第一凸形状11的上表面11a上。

该第二突起12在与基体部件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。在周期P2，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。因此，第二突起12的周期P2比第一突起11的周期P1要短得多。

在第二突起12，优选将例如周期P2设定为小于500nm的值，将高度T2设定为小于200nm的值。这样，就可将第二突起12作为显出SERS的构造而发挥作用。

另外，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的排列方向(第三方向)相同。而且，与第一突起一样，第二突起12形成矩形截面的凸形状，多个第二突起12形成俯视线和空间(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，使用具有能显出SPP、LSPR、SERS的特性的金或银。由此，易于显出SPP、LSPR、SERS，且可高灵敏度地检测出目标物质。

在此，就SPP、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及多个第二突起12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，入射光的偏光状态是与第一突起11的槽方向垂直的TM(Transverse Magnetic，横磁波)偏振光。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，所以可以生成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芯片表面大致垂直，但是如果处于激发SPP的条件，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的界面传输，在第二突起12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，可根据处于空气传输模式的入射光，通过SPP激发局部表面等离子共振(LSPR：Localized Surface PlasmonResonance)。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，在目标分子X的构造中取特有的值。

如图2A所示，若单一波长的光L照射目标分子X，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，以目标分子X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，拉曼散射分光法是如下的测定方法：虽然对目标分子X的识别能力卓越，但对目标分子X传感检测的灵敏度本身是很低。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(参照图4)。

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，标号101表示金属纳米粒子，标号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入射金属纳米粒子101，则伴随着光102的振动，自由电子共振。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10～100nm。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，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(相当于本发明涉及的一实施方式的第一突起)，标号201表示金属纳米结构(相当于本发明涉及的一实施方式的第二突起)，标号202表示选择性吸附膜，标号203表示增强电场，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入射金属纳米结构201，则伴随着激光211的振动，自由电子共振。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，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。如果在其接点上吸附一到几个目标分子204，则那里会发生SERS。关于这一点，也可以根据使用有限时域差分(FDTD：Finite Difference Time Domain)法而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沿与基体部件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来显出SERS。具体地说，基于通过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之间，并使在该接点附近产生增强磁场，从而产生SERS。由此，可以使用SERS分光法以与拉曼散射分光法相比高灵敏度的方式检测目标物质。

图5是示出第一突起单体的反射光强度的坐标图。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。光的偏振光方向是TM偏振光。第一突起11的周期是580nm，反射光强度的共振峰(peak)存在于波长630nm附近。该共振峰来自SPP，若把第一突起11的高度T1增大，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是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的分散曲线的坐标图。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表示光线(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。

$\mathrm{\λ}=P1\sqrt{\frac{E1\·E2}{E1+E2}}...\left(1\right)$

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，共振峰向长波长侧位移。

图7是示出第一突起单体的反射光强度的坐标图。在图7中，横轴表示光的波长，纵轴表示反射光强度。将第一方向上的第一突起11的宽度W1与相邻两个第一突起之间的距离W2之比(下面称为“占空比”)作为参数(W1∶W2＝5∶5、8∶2)。此外，本图的参数W1∶W2＝5∶5的坐标图与图5的参数T1＝30的坐标图相同。

TM偏振光垂直入射第一突起11。当第一突起11的周期是580nm、占空比是W1∶W2＝5∶5时，反射光强度的共振峰存在于波长630nm附近。此外，当占空比是W1∶W2＝8∶2时，反射光强度的共振峰存在于波长660nm附近。如果占空比增大，则共振峰的斜度变尖锐，并且共振峰向长波长侧位移。

图8A～图9B是示出第一突起单体的反射光强度的坐标图。图8A是占空比是W1∶W2＝7∶3时的坐标图。图8B是占空比是W1∶W2＝3∶7时的坐标图。图9A是占空比是W1∶W2＝9∶1时的坐标图。图9B是占空比是W1∶W2＝1∶9时的坐标图。在图8A～图9B中，横轴表示光的波长，纵轴表示反射光强度。将第一突起11的高度T1作为参数(T1＝20nm、30nm、40nm、50nm)。

TM偏振光垂直入射第一突起11。当第一突起11的占空比是W1∶W2＝7∶3，高度T1为30nm时，反射光强度的共振峰存在于波长660nm附近(参考图8A)。另一方面，当占空比是W1∶W2＝3∶7，高度T1为40nm时，反射光强度的共振峰存在于波长600nm附近(参考图8B)。可知当第一突起11的占空比是W1∶W2＝7∶3时，若高度T1增大，则反射光强度的共振峰位置向长波长侧位移。但是，可知当第一突起11的占空比是W1∶W2＝3∶7时，反射光强度的共振峰位置几乎不变。

当第一突起11的占空比是W1∶W2＝9∶1，且高度T1是40nm时，反射光强度的共振峰存在于波长670nm附近(参考图9A)。另一方面，当占空比是W1∶W2＝1∶9，高度T1是20nm时，反射光强度的共振峰存在于波长730nm附近，共振峰的斜度平缓(参考图9B)。可知当第一突起11的占空比是W1∶W2＝9∶1时，若高度T1增大，则反射光强度的共振峰位置向长波长侧位移。但是，当第一突起11的占空比是W1∶W2＝1∶9时，反射光强度的共振峰很小。

图10是示出在第一突起11上重叠第二突起12的结构、即本发明涉及的一种实施方式的传感器芯片1的反射光强度的坐标图。在图10中，横轴表示光的波长，纵轴表示反射光强度。将第二突起12的高度T2作为参数(T2＝0nm、30nm)。另外，本图的参数T2＝0时的坐标图与图7中的参数W1∶W2＝8∶2时的坐标图相同。

TM偏振光垂直入射第一突起11。第一突起11的占空比是W1∶W2＝8∶2，第一突起11的高度T1是30nm。另外，第二突起12的周期P2是116nm。通过仅在第一突起11的上表面11a上形成多个第二突起12，从而反射光强度的共振峰的位置从波长660nm移至波长710nm附近。并且，可以保证共振峰的尖锐度和斜度。该共振峰来自上述的SERS。当第二突起12的高度T2是30nm时，通过用波长710nm的光进行照射，从而可以向第二突起12的表面附近激发强烈的局部电场。此外，通过适当改变第一突起11及第二突起12的周期P1、P2和高度T1、T2，可以使共振峰位置匹配任意波长。

图11A～图11C是示出在基体部件10上重叠第二突起12的结构的反射光强度的坐标图。图11A是分别在第一突起的上表面以及相邻两个第一突起之间的区域的基体部件的平面部(基体部件的基底部分)上形成多个第二突起时(省略图示)的坐标图。图11B是仅在第一突起的上表面形成多个第二突起时(本发明涉及的一实施方式的传感器芯片的结构)的坐标图。图11C是仅在相邻的两个第一突起之间的区域的基体部件的平面部(基体部件的基底部分)上形成多个第二突起时(省略图示)的坐标图。在图11A～图11C中，横轴表示光的波长，纵轴表示反射光强度。将第二突起12的高度T2作为参数(T2＝0nm、40nm)。另外，本图的参数T2＝0时的坐标图与图5中参数T1＝30时的坐标图相同。

TM偏振光垂直入射第一突起11。第一突起11的周期是580nm，占空比是W1∶W2＝5∶5，高度T1是30nm。另外，第二突起12的周期P2是97nm，高度T2是40nm。

可知通过分别在第一突起的上表面和基体部件的基底部分上形成多个第二突起，从而反射光强度的共振峰位置从波长640nm移至波长730nm附近(参考图11A)。并且，可知通过仅在第一突起11的上表面11a上形成多个第二突起12，从而反射光强度的共振峰位置从波长640nm移至波长710nm附近(参考图11B)。但是也可知即使仅在基体部件的基底部分形成多个第二突起，则反射光强度的共振峰位置仍几乎不变。

由这些结果可知SPP主要沿着空气与第一突起的上表面之间的界面传播。因此，只在第一突起的上表面而不在基体部件的基底部分形成两个以上的第二突起作为激发LSPR并使SERS进一步显现的结构是很有效的。此外，由于通过增大第一突起的占空比(W1＞W2)，激发LSPR的第一突起的空间填充率会增加，因此，能有效地利用指定目标物质时照射光的能量。

图12是在基体部件10的平面部10s上仅形成第二突起12而不在基体部件10的平面部10s上形成第一突起11时、即在基体部件10的平面部10s上形成了多个第二突起12时的传感器芯片2的示意图。

图13是示出在基体部件10的平面部10s上形成多个第二突起时的传感器芯片2的反射光强度的坐标图。在图13中，横轴表示光的波长，纵轴表示反射光强度。将第二突起12的高度T2作为参数(T2＝0nm、40nm、80nm)。TM偏振光垂直入射第二突起12。从本图也无法确认反射光强度的共振峰。由此结果可知，当不存在第一突起11时、即不通过SPP时，无法把光能耦合到第二突起12上。

图14A～图14F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14A)。这时，Au膜31的膜厚Ta形成为厚到不透入射光的程度(例如200nm)。。

然后，利用压印法(imprint method)等方法，形成周期Pa为580nm的抗蚀图案32a(参考图14B)。接下来，把该抗蚀图案32a作为掩膜，通过干蚀刻法，将Au膜31仅蚀刻规定的深度D1(例如70nm)。然后，通过去除抗蚀图案32a，从而形成第一突起31a(参考图14C)。

接着，在形成有第一突起31a的Au膜31上通过旋涂法等方法涂敷抗蚀层33(参考图14D)。然后，利用压印法等方法仅在第一突起31a的上表面上形成周期Pb为116nm的抗蚀图案33a(参考图14E)。随后，将该抗蚀图案33a作为掩膜，通过干蚀刻法仅对第一突起31a蚀刻规定的深度D2(例如40nm)。之后，将抗蚀图案33a去除，形成第二突起31b(参考图14F)。通过以上工序，可以制成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，由SPP激发LSPR，并可进一步通过基于第二突起12的金属微细结构来显现出SERS。具体地说，若把光入射形成有多个第一突起11及多个第二突起12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，SPP被激发，在多个第二突起12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之间的距离小，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，就会产生SERS。因此，反射光强度光谱的宽度变窄，共振峰值获得尖锐的强度特性，并可使传感器灵敏度提高。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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，从而可使共振峰值的位置匹配任意波长。这样，能适当选择当指定目标物质时照射的光的波长，且扩大测定范围。

此外，根据这种结构，因为沿与基体部件10的平面部平行的第三方向周期性地配置第二突起12，所以可适当改变第二突起12的周期P2。这样，能适当选择当指定目标物质时照射的光的波长，且扩大测定范围。

并且，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，可易于显现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的占空比满足W1＞W2的关系，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的关系的情况相比，可在更宽的等离子共振条件下进行传感检测。而且，可以有效地利用指定目标物质时照射的光的能量。

此外，即使在第一突起11的占空比满足W1∶W2＝9∶1的关系的情况下，也能在很广的等离子共振条件下进行传感检测，同时能有效地利用照射光的能量。

此外，虽然在本实施方式中示出了沿与基体部件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15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进行说明。

图15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，省略了第二突起的图示。

如图15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排列该第一突起41。此外，沿与基板40的平面部平行的垂直于第一方向的第二方向，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基板40的平面部平行的垂直于第一方向的方向，也可以是与基板40的平面部平行的相交于第一方向的方向。

根据这种结构，与仅沿与基体部件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，可以在较广的共振条件下进行传感检测。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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体部件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的结构、即示出了第一突起11的排列方向(第一方向)与第二突起12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16A～图17B对与本实施方式的具有第二突起12不同结构的传感器芯片5、6、7、8进行说明。

图16A及图16B是具有与上述第二突起12不同方式的第二突起的传感器芯片的概要结构的立体图。图16A示出了具有第二突起52的传感器芯片5，图16B示出了具有第二突起62的传感器芯片6。

如图16A所示，仅在形成于基体部件50的平面部50s上的多个第一突起51各自的上表面51a上形成两个以上的第二突起52。也就是说，第二突起52未形成在基体部件50的基底部分50a上。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的排列方向(第三方向)的交叉角度为45度的结构。

如图16B所示，仅在形成于基体部件60的平面部60s上的多个第一突起61各自的上表面61a上形成两个以上的第二突起62。也就是说，第二突起62未形成在基体部件60的基底部分60a上。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的排列方向(第三方向)的交叉角度为90度的结构。

即使在这样的结构中也可提供一种提高了传感器灵敏度、且能在较广的等离子共振条件下根据SERS光谱指定目标物质的传感器芯片。

图17A及图17B是具有与上述第二突起12不同方式的第二突起的传感器芯片的俯视放大图。图17A示出了具有第二突起72的传感器芯片7，图17B示出了具有第二突起82的传感器芯片8。

如图17A所示，仅在多个第一突起(无图示)各自的上表面71a上形成有两个以上的第二突起72。此外，沿与基板的平面部平行的与第三方向交叉的第四方向周期性地排列第二突起72。在本图中，作为一个例子，示出了第二突起72呈俯视圆形的结构。另外，第二突起72也可以不呈周期性配置而是随机配置的。

如图17B所示，仅在多个第一突起(无图示)各自的上表面81a上形成有两个以上的第二突起82。此外，沿与基板的平面部平行的与第三方向交叉的第四方向周期性地排列第二突起82。在本图中，作为一个例子，示出了第二突起82呈俯视椭圆形的结构。另外，第二突起82也可以不呈周期性配置而是随机配置的。

根据这种结构，与第二突起仅形成在与基体部件的平面部平行的方向(第三方向)上的情况相比，能在更广的等离子共振条件下进行传感检测。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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的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将形成在玻璃基板的上表面上的Au膜形成图案来形成第二突起，但并不仅限于此。例如，第二突起也可以是微粒。即使在这样的结构中也可提供一种提高了传感器灵敏度、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)作为基体部件中包含的金属、第一突起中包含的金属、第二突起中包含的金属，但并不仅限于此。例如，也可以将基体部件中包含的金属用金，第一突起中包含的金属用银，第二突起中包含的金属用金和银的合金这样的、将不同金属(金、银、铜、铝、或者它们的合金)加以组合后使用。

(分析装置)

图18是配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18中的箭号表示目标物质(省略图示)的输送方向。

如图18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1004、偏振光控制元件1005、分色镜1006、对物透镜1007、对物透镜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生成用于激发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，通过偏振光控制元件1005，由分色镜1006向传感器芯片1001的方向引导，通过对物透镜1007汇聚，从而入射传感器芯片1001。这时，在传感器芯片1001的表面(例如，形成有金属纳米结构和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)的驱动而从输入口1011被导入输送部1010内部，从而从排出口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。

当激光入射金属纳米结构时，伴随着激光的振动，自由电子共振，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，则会发生SERS。

利用传感器芯片1001得到的光(拉曼散射光和瑞利散射光)，通过对物透镜1007，被分色镜1006向光检测器1003的方向引导，通过对物透镜1007汇聚，从而入射光检测器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，并检测目标分子。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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。在壳体1110的与传感器芯片1001相对的位置上设置有照射窗1111。从光源1002照射出的激光通过照射窗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，其设置为可以相对于分析装置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，并可检测目标分子。因此，可提供一种提高了传感器灵敏度、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和爆炸物检测、医疗和健康诊断、食品检测用的传感装置。而且，可作为检测有无物质吸附的亲和型传感器(affinity sensor)等使用，如抗原抗体反应中有无抗原吸附等。

Claims (10)

1.一种传感器芯片，其特征在于，包括：

基体部件，具有平面部；以及

衍射光栅，具有由金属形成的表面，形成在所述平面部上，且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，按大于等于100nm小于等于1000nm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，构成所述基体部件的底部；以及多个第二突起，形成在多个所述第一突起的上表面。

2.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，

多个所述第一突起沿与所述平面部平行的、与所述第一方向交叉的第二方向周期性地排列。

3.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，

多个所述第二突起沿与所述平面部平行的第三方向周期性地排列。

4.根据权利要求3所述的传感器芯片，其特征在于，

多个所述第二突起沿与所述平面部平行的、与所述第三方向交叉的第四方向周期性地排列。

5.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，

多个所述第二突起由微粒构成。

6.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，

当将所述第一方向上的第一突起的宽度设为W1，将所述第一方向上的相邻两个所述第一突起之间的距离设为W2时，满足W1＞W2的关系。

7.根据权利要求6所述的传感器芯片，其特征在于，

所述第一方向上的所述第一突起的所述宽度W1与所述第一方向上的相邻两个所述第一突起之间的所述距离W2之比满足W1∶W2＝9∶1的关系。

8.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。

9.一种传感器盒，其特征在于，包括：

根据权利要求1所述的传感器芯片；

输送部，用于把所述目标物质输送到所述传感器芯片的表面；

载置部，用于载置所述传感器芯片；

壳体，用于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。

10.一种分析装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1所述的传感器芯片；

光源，用于向所述传感器芯片照射光；以及

光检测器，用于检测通过所述传感器芯片获得的光。

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