JP2004354130A - Sensor head, sensor head manufacturing method, and sensor device - Google Patents

Sensor head, sensor head manufacturing method, and sensor device Download PDF

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JP2004354130A JP2003150289A JP2003150289A JP2004354130A JP 2004354130 A JP2004354130 A JP 2004354130A JP 2003150289 A JP2003150289 A JP 2003150289A JP 2003150289 A JP2003150289 A JP 2003150289A JP 2004354130 A JP2004354130 A JP 2004354130A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor head, having high sensitivity to a change in permittivity, dispensing with a spectroscope or components such as a diffraction grating for acquiring wavelength spectrum, and having a reduced number of components, and to provide a sensor head manufacturing method and a sensor device. <P>SOLUTION: This sensor head is structured as a permittivity sensor head used in detecting a change in permittivity from a change in a resonance absorption spectrum of localized plasmons caused by irradiated illumination light. The sensor head comprises a substrate 101 and metallic thin wires 102 regularly arranged in a fixed direction on the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサヘッド、及びセンサヘッドの製造方法、センサ装置に関し、特に、誘電率センサ、ならびに医療や健康診断、食品の検査に用いられるバイオセンサを含む化学センサ等に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年医療における診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速センシング、低コストなバイオセンサの開発が求められている。このため、電極やFETを用いた電気化学的な手法を利用したバイオセンサが半導体加工技術を応用して、作製されてきた。
また、さらなる集積化、低コスト、測定環境を選ばないセンサが求められ、表面プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたセンサが有望視されている。
例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させた表面プラズモン共鳴を用いて、金属表面近傍の誘電率の微小な変化を検知するものである。さらに表面近傍での微小な誘電率を検出することで、抗原抗体反応における抗原の吸着、DNAなど選択的結合を生じる材料と組み合わせて、特定の物質の吸着の有無を検出する化学センサとするものである。
【0003】
さらに、最近においては、高感度なセンシングを目的として、特許文献1に示されているような、金属微粒子を用いた局在プラズモン共鳴センサが提案されている。これは、金属微粒子を固定した基板に光を照射し、金属微粒子を透過した光の吸光度を分光器によって測定することにより、金属微粒子近傍の媒質の変化を検出するものである。
【0004】
【特許文献1】特開2000−356587号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1のものにおいては、金属微粒子を透過した光の吸光度を測定するために、分光器を必要とするものであり、これによると部品点数等が多くなる。
そこで、本発明は 誘電率の変化に対して感度が高く、波長スペクトルを取得するための分光器あるいは回折格子などの部品を必要とせず、部品点数の少ないセンサヘッド、及びセンサヘッドの製造方法、センサ装置を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のように構成したセンサヘッド、及びセンサヘッドの製造方法、センサ装置を提供するものである。
すなわち、本発明は、照射した照明光による局在プラズモンの共鳴吸収スペクトルの変化から誘電率の変化を検出する際に用いる、誘電率センサヘッドとして構成されているセンサヘッドを、基板と、該基板上に一定方向に規則的に配列された金属細線とで構成したことを特徴とするものである。
また、本発明は、センサヘッドに照射した照明光による局在プラズモンの共鳴吸収スペクトルの変化に基づくセンサ材料と被検査物との接触による反応を、誘電率の変化として検出する際に用いる化学センサヘッドとして構成されているセンサヘッドを、基板と、該基板上に一定方向に規則的に配列された金属細線とを備えたものにおいて、該金属細線の表面が前記センサ材料で修飾して構成したことを特徴とするものである。その際、前記センサ材料を、化学センサ材料、またはバイオセンサ材料等で構成することができる。
また、本発明のセンサヘッドにおける前記金属細線は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが、前記照射光の波長よりも大きいサイズとすることができる。
また、本発明のセンサヘッドにおける前記金属細線は、断面サイズが前記照射光の波長よりも小さいサイズとすることができる。
また、本発明においては、前記断面サイズが規則的に変化するように配列することができ、または、隣接する金属細線との距離が規則的に変化するように配列することができ、あるいは前記断面サイズおよび隣接する金属細線との距離が規則的に変化するように配列することができる。
また、本発明においては、前記金属細線が、金ないし金を含む合金で構成することができる。
また、本発明の上記したのいずれかのセンサヘッドを製造するセンサヘッドの製造方法においては、基板上に金属薄膜を形成する工程と、前記基板に形成された金属薄膜上に、レジスト材料をパターニングする工程と、前記工程で得られたレジストパタ−ンをエッチングマスクとして、前記基板に形成された金属薄膜をエッチングする工程によって、上記センサヘッドを製造することができる。また、化学センサヘッドを製造するに際しては、前記金属薄膜をエッチングする工程の後に、エッチングされた金属薄膜を表面処理して、該金属薄膜表面にセンサ材料を結合させることによって、化学センサヘッドを製造することができる。また、これらのセンサヘッドの製造方法における前記レジスト材料をパターニングする工程において、コンタクトリソグラフィー、近接場露光、ナノインプリント法のいずれかひとつ以上を用いることができる。
また、本発明のセンサ装置においては、上記したいずれかのセンサヘッドを用い、該センサヘッドに光を照射する光源と、該センサヘッドを透過しまたは反射した光の空間分布を検出する光検出手段等により、センサ装置を構成することができる。その際、前記光源と前記センサヘッドとの間に、バンドパスフィルタを設けることができ、またその光源として、レーザあるいは半導体レーザで構成することができる。また、これらの光源から照射される光の磁界方向が前記センサヘッドの金属細線の長手方向となるように偏光を制御する偏光素子を構成することができる。
また、本発明のセンサ装置においては、前記光源から照射される光の波長の領域で前記センサヘッドの基板が透明であり、前記光検出手段が前記光源から前記金属細線アレイに照射されて透過した光を検出するように構成することができる。
また、本発明のセンサ装置においては、前記センサヘッドの金属細線の配列が、特定の配列からなる金属細線アレイを繰り返し単位とする周期的配列構造を有し、これらが複数前記センサヘッドの基板上に設けられており、
前記光検出手段が、該周期的配列構造の複数の組から、それぞれ透過または反射された光の空間分布を独立に検出する光検出手段として構成することができる。
また、本発明のセンサ装置においては、前記センサヘッドが、半導体プロセスを用いて作製されるマイクロ化学分析システム、またはDNAチップ、あるいはプロテインチップ、等に一体化して構成することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下の実施例によって説明する。
【0008】
【実施例】
[実施例1]
図1に、本発明の実施例1における化学センサ装置の構成を示す。
図1において、101は透明な基板、102は基板上に形成した金属細線アレイ、103は光源であるタングステンランプ、104は光源からの光をコリメートするコリメートレンズである。
このコリメートレンズ104により光源からの光を平行光にして金属細線を配列した基板101を照射する。105はこの照射光の偏光を制御するための偏光子である。また、107は狭帯域のバンドパスフィルタであり、光源からの光のうち、特定の波長のものだけを透過する。
入射光の電界ベクトルが、細線の長手方向と直交するときに、細線の局在プラズモンポラリトンとの結合効率が高くなる。106は、エリアセンサであり、基板101からの反射光を受けて、反射光の空間プロファイル像を取得することができる。
【0009】
ここで金属細線102は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが照射光波長よりも長く、また断面サイズは照射光波長よりも小さくなっている。
また、細線どうしの間隔は、ひとつの細線表面に励起された局在プラズモンポラリトンの電場の到達距離 (〜100nm)よりも大きくなっており、この実施例ではこの間隔は一定となっている。
このような金属細線では、局在プラズモン共鳴によってある特定の波長において散乱や吸収が増大する。このような共鳴の生じる波長は、金属の材質、細線同士の間隔及び/または断面サイズ等の金属細線のサイズおよび周囲の媒質の誘電率に依存する。最後の周囲媒質の誘電率に関しては、特にプラズモンの広がりの範囲(〜100nm)内の誘電率の変化が共鳴ピークのシフトとして検知される。
【0010】
また、上記したようなサイズの異なる細線においては、以下のようなサイズ効果が生じる。特定の波長の光を照射して、いずれか特定の細線(細線1)が局在プラズモンにおける共鳴ピークにあるときに、これよりわずかにサイズの大きい細線(細線2)では、共鳴ピークからわずかにずれた光照射となり、細線1と比べて共鳴吸収は弱くなっている。
同じ波長の光の照射下で、媒質の誘電率が大きくなると、第1の細線は共鳴ピークから外れていくので共鳴吸収が弱まり、一方第2の細線は共鳴ピークに近づいて共鳴吸収が強くなっていく。このふるまいを、吸収の空間分布の変化、すなわち反射光の空間分布の変化として捉えることができる。
【0011】
金属細線アレイ102は、細線のサイズを空間的に少しずつ異ならせてあるので、照明光に対する吸収の変化は、反射光の空間的分布の変化として、エリアセンサ106で検出することができる。また、エリアセンサで取得した空間像に対して、モデル関数のフィッティング、補間等の信号処理をおこなって、空間分布の微弱な変化を検出するとともに、信号のS/Nを改善することができる。
ここで示した実施例のうちで、バンドパスフィルタ107による光源の狭スペクトル化は必ずしも必須ではない。誘電率変化による吸収スペクトルの変化は、単に吸収ピークのシフトだけではなく、吸収強度の変動を伴う。そこで、ブロードな照射光に対する反射の空間分布を検出する方法であっても、適切な信号処理を行えば、誘電率の変化に対応する吸収の変動の空間分布を取得できる。
【0012】
このような誘電率センサは、この金属細線表面を、特異的結合特性を有する材料で修飾しておくことで、化学センサとして機能する。すなわち、表面が修飾されたセンサヘッドを被検査液、被検査気体等の被検査物に接触させ、センサ材料と被検査物とを反応させる。特異的結合の生じた量を、誘電率センサの検知する誘電率の変化として定量的に取得するものである。
このような反応を起こすセンサ材料の具体例として、以下の(1)〜(4)に示すようなものが挙げられる。
(1)被検査物中に含まれる抗原物質に対し、特異的に結合を生じる抗体物質によって金属細線を修飾してセンサ材料とする。
(2)被検査物中に含まれる測定対象類似物質と酵素との複合体をセンサ材料とし、測定対象物質である抗原が複合体に接触することにより、複合体が解離し、酵素と測定対象物質との抗原抗体複合体が形成される。
(3)DNA
(4)イオン選択性電極
センサヘッドにおける金属細線(図1の102)の材料としては、金属一般から選択されるが、特に、金や銀、銅は発生する表面プラズモンの強度が大きく、本発明に好適である。なかでも、金は化学的に安定であるとともに、種々の公知手段によって化学修飾ができることもあり、化学センサを構成するには最適である。
センサ材料としては、センサ材料と被検査物とが反応して、膜厚変化、屈折率変化、吸収スペクトル変化、蛍光スペクトル変化を起こすものであれば良く、酵素センサ、微生物センサ、組織センサ、免疫センサ、酵素免疫センサ、バイオアフィニティセンサ等のバイオセンサを含む化学センサで用いられる材料を用いることができる。
【0013】
[実施例2]
図2を用いて、本発明の実施例2におけるセンサヘッドの作製方法を説明する。図2において、まず、石英基板201を準備する(図2(a))。
つぎに、この石英基板201上にスパッタ法を用いて、膜厚50nmの金属薄膜202を成膜する(図2(b))。
つぎに、この金属薄膜202上に電子線レジスト203をスピンコートで成膜し、電子ビーム描画装置で露光した。現像後、パタン間の距離100nm、パタンの横幅が20nmから500nmのレジストパターンを得る(図2(d))。つぎに、このレジストパタンをエッチングマスクとして、金属薄膜202をエッチングし(図2(e))、レジストを除去して、金属細線アレイを形成する(図5(f))。
金属細線アレイに表面処理を行ったのち、センサ材料204を結合させる(図5(g))。
【0014】
なお、ここでは電子線描画装置による微小開口パターンの作製方法を説明したが、この他、集束イオンビーム加工装置、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡、近接場光学顕微鏡の原理を応用した各種走査プローブ加工装置、X線露光装置、EUV露光装置、電子ビームステッパを用いて作製しても良い。
また、特開平11−14505号公報に記載の近接場光を用いた露光装置や、公知のナノインプリント法を用いて作製すれば、簡便で低コストのセンサヘッドが実現できる。
【0015】
[実施例3]
図3に、本発明の実施例3におけるセンサ体の透過光から吸収の空間分布を得る誘電率センサ装置の構成を示す。
本実施例の誘電率センサ装置においては、まず半導体レーザ301からの単色光をレンズ302を介して、センサヘッド303に入射させる。このセンサヘッド303を透過した透過光をエリアセンサ304で検出し、透過光強度の空間分布情報を得る。微細に作製したセンサヘッドのサイズとエリアセンサのサイズが異なっている場合には、このように拡大縮小を行う光学系を用いることで、エリアセンサの空間分解能を活用したセンサ装置を構成できる。
【0016】
[実施例4]
図4に、本発明の実施例4における誘電率センサへッドの構成を示す。
図4において、401は金属基板、402は金属基板上に形成した誘電体薄膜、403は誘電体薄膜上に形成した金属細線アレイである。ここでアレイ状の金属細線403は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが、照射光波長よりも長く、細線の断面サイズは照射光波長よりも小さくなっている。また、実施例1と異なり、細線の断面サイズは、全て同じになっている。一方、細線どうしの間隔が5nmから200nmまで少しずつ異なっている。
【0017】
石英基板上にスパッタ法を用いて、膜厚500nmの金属薄膜401を成膜する。その上に50nm厚のSiO402、50nm厚の金属薄膜を成膜した。
電子線レジストをスピンコートで成膜し、近接場露光装置で露光した。現像後、パタン間の距離100nm、パタンの横幅が20nmから500nmのレジストパターンを得た。レジストパタンをエッチングマスクとして、金属薄膜をエッチングした。レジストを除去して、金属細線アレイ403を形成した。金属細線アレイ403に表面処理を行ったのち、センサ材料を結合させる。
【0018】
金属細線の局在プラズモン共鳴は、細線間の距離が100nm以下のときに細線間の距離に依存した共鳴スペクトルを有する。また、この共鳴スペクトルは周辺媒質の誘電率にも依存するので、403のような構成の金属細線アレイによって、実施例1と同様の検出原理によって、誘電率の変化を検出することが可能であり、これを用いた化学センサを構成できる。
【0019】
[実施例5]
図5に、本発明の実施例5における誘電率センサの構成を示す。
図5において、501は透明な基板、502は基板上に形成した金属細線アレイである。ここでアレイ状の金属細線502は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが、照射光波長よりも長く、細線の断面サイズは照射光波長よりも小さくなっている。また、実施例1、実施例4と異なり、細線の断面サイズおよび細線どうしの間隔がそれぞれ少しずつ異なっている。金属細線の局在プラズモン共鳴は、細線の形状および細線間の距離に依存した共鳴スペクトルを有する。
【0020】
また、この共鳴スペクトルは周辺媒質の誘電率にも依存するので、502のような構成の金属細線アレイによって、実施例1、実施例3と同様の検出原理によって、誘電率の変化を検出することが可能であり、これを用いた化学センサを構成できる。
細線の形状と距離の両方を設計パラメータとして適用できるので、初期の光強度分布が比較的フラットになるようなアレイ形状を選定することができる。このことで、空間分布検出におけるダイナミックレンジを大きくとることができる。
【0021】
[実施例6]
図6に、本発明の実施例6におけるセンサヘッドをマイクロ化学分析システム(μ−TAS:Micro Total Analysis SystemやLab−on−a−chipとも呼ばれる)に一体形成した構成例を示す。
図6に示すマイクロ化学分析システム901において、試料液注入部902から注入された被検査液が流路904を通って、反応液注入部903から注入された反応液と反応したのち、検出部905に到達する。
検出部905には、図に拡大して示したように本発明の原理に基づく検出のための金属細線アレイ906が設けられている。被検査液は金属細線アレイ表面でセンサ材料と反応する。この検出部905に対して励起光907を照射する。
906から透過する光908をレンズ909を介してエリアセンサ911上に結像させ、これを検出する。
【0022】
[実施例7]
図7に、本発明の実施例7におけるセンサヘッドをDNAチップやプロテインチップに一体形成した構成例を示す。
図7に示すDNAチップ/プロテインチップ1001の各検出セル1002にはそれぞれ、金属細線アレイ1003が設けられており、この表面にセンサ材料が固定されている。ここに励起光1004を照射し、各検出セルから透過する光をレンズ1006を介してCCDセンサ1007面に結像させ、各セルごとの空間分布を並列に得ることができる。
これらから明らかなように、本発明のセンサヘッドを各種センサに組み合わせて用いることができ、これにより、信号強度が増し、より高精度な検出が可能となる。
【0023】
【発明の効果】
本発明によれば、誘電率の変化に対して感度が高く、波長スペクトルを取得するための分光器あるいは回折格子などの部品を必要とせず、部品点数の少ないセンサヘッド、及びセンサヘッドの製造方法、センサ装置を提供することができる。また、これにより高感度な化学センサや吸収スペクトルや蛍光スペクトル強度が大きい化学センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1におけるセンサ装置の構成を示す図。
【図2】本発明の実施例2におけるセンサヘッドの作製方法の説明図。
【図3】本発明の実施例3における誘電率センサ装置の構成を示す図。
【図4】本発明の実施例4における誘電率センサヘッドの構成を示す図。
【図5】本発明の実施例5おける誘電率センサヘッドの構成を示す図。
【図6】本発明の実施例6におけるセンサヘッドをマイクロ化学分析システム(μ−TAS:Micro Total Analysis SystemやLab−on−a−chip とも呼ばれる)に一体形成した構成例を示す図。
【図7】本発明の実施例7におけるセンサヘッドをDNAチップやプロテインチップに一体形成した構成例を示す図。
【符号の説明】
101、201、401、501:基板
102、403、502:金属細線
103:光源
301:半導体レーザ
104、302:レンズ
105:偏光子
106、304:エリアセンサ
107:バンドパスフィルタ
202:金属薄膜
203:電子線レジスト
303:センサヘッド
402:誘電体薄膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a sensor head, a method of manufacturing the sensor head, and a sensor device, and more particularly, to a dielectric sensor, a chemical sensor including a biosensor used for medical care, health diagnosis, and food inspection.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the demand for medical diagnosis, food inspection, and the like has been increasing, and the development of small, high-speed sensing, and low-cost biosensors has been demanded. For this reason, biosensors using an electrochemical method using electrodes and FETs have been manufactured by applying semiconductor processing technology.
Further, there is a demand for a sensor that is more integrated, lower in cost, and can be used in any measurement environment, and a sensor using surface plasmon resonance as a transducer is expected to be promising.
For example, a minute change in the dielectric constant near the metal surface is detected using surface plasmon resonance generated on a metal thin film provided on the surface of the total reflection prism. In addition, a chemical sensor that detects the presence or absence of a specific substance by combining with materials that cause selective binding such as antigen adsorption and DNA in an antigen-antibody reaction by detecting a minute dielectric constant near the surface It is.
[0003]
Furthermore, recently, for the purpose of highly sensitive sensing, a localized plasmon resonance sensor using metal fine particles as shown in Patent Document 1 has been proposed. In this method, a substrate on which metal fine particles are fixed is irradiated with light, and the absorbance of the light transmitted through the metal fine particles is measured by a spectrometer to detect a change in the medium near the metal fine particles.
[0004]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-356587
[Problems to be solved by the invention]
However, the technique disclosed in Patent Document 1 requires a spectroscope in order to measure the absorbance of light transmitted through the metal fine particles, which increases the number of components and the like.
Therefore, the present invention has a high sensitivity to a change in dielectric constant, does not require components such as a spectroscope or a diffraction grating for acquiring a wavelength spectrum, and has a small number of components, a sensor head, and a method of manufacturing a sensor head. A sensor device is provided.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a sensor head, a method of manufacturing the sensor head, and a sensor device configured as described below.
That is, the present invention uses a sensor head configured as a dielectric constant sensor head, which is used when detecting a change in dielectric constant from a change in resonance absorption spectrum of localized plasmon due to irradiated illumination light, comprising: a substrate; And metal thin wires regularly arranged in a certain direction.
Further, the present invention provides a chemical sensor for detecting a reaction caused by a contact between a sensor material and a test object based on a change in a resonance absorption spectrum of localized plasmons due to illumination light applied to a sensor head as a change in dielectric constant. A sensor head configured as a head is provided with a substrate and fine metal wires regularly arranged in a certain direction on the substrate, and the surface of the fine metal wire is modified with the sensor material. It is characterized by the following. At this time, the sensor material can be composed of a chemical sensor material, a biosensor material, or the like.
Further, in the sensor head of the present invention, the length of the thin metal wire in a direction parallel to the substrate orthogonal to the arrangement direction of the thin metal wires on the substrate may be larger than the wavelength of the irradiation light. it can.
Further, the thin metal wire in the sensor head of the present invention may have a cross-sectional size smaller than the wavelength of the irradiation light.
In the present invention, the cross-sectional size can be arranged so as to change regularly, or the distance between adjacent thin metal wires can be arranged so as to change regularly, or the cross-sectional size can be changed. They can be arranged so that the size and the distance between adjacent metal wires vary regularly.
Further, in the present invention, the thin metal wire may be made of gold or an alloy containing gold.
Further, in the method for manufacturing a sensor head for manufacturing any one of the above sensor heads of the present invention, a step of forming a metal thin film on a substrate, and a step of patterning a resist material on the metal thin film formed on the substrate. And a step of etching the metal thin film formed on the substrate using the resist pattern obtained in the above step as an etching mask, whereby the sensor head can be manufactured. Further, when manufacturing the chemical sensor head, after the step of etching the metal thin film, the etched metal thin film is subjected to a surface treatment, and a sensor material is bonded to the surface of the metal thin film, thereby manufacturing the chemical sensor head. can do. In the step of patterning the resist material in the method for manufacturing a sensor head, any one or more of contact lithography, near-field exposure, and nanoimprinting can be used.
Further, in the sensor device of the present invention, using any one of the above sensor heads, a light source for irradiating the sensor head with light, and a light detecting means for detecting a spatial distribution of light transmitted or reflected by the sensor head Thus, a sensor device can be configured. At this time, a bandpass filter can be provided between the light source and the sensor head, and the light source can be constituted by a laser or a semiconductor laser. Further, it is possible to configure a polarizing element that controls the polarization such that the magnetic field direction of the light emitted from these light sources is in the longitudinal direction of the thin metal wire of the sensor head.
Further, in the sensor device of the present invention, the substrate of the sensor head is transparent in a wavelength range of the light emitted from the light source, and the light detecting unit irradiates and transmits the thin metal wire array from the light source. It can be configured to detect light.
Further, in the sensor device of the present invention, the arrangement of the thin metal wires of the sensor head has a periodic array structure in which a thin metal wire array having a specific arrangement is used as a repeating unit. It is provided in
The light detecting means may be constituted as a light detecting means for independently detecting the spatial distribution of the transmitted or reflected light from the plurality of sets of the periodic array structure.
In the sensor device of the present invention, the sensor head can be integrated with a microchemical analysis system manufactured by using a semiconductor process, a DNA chip, a protein chip, or the like.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the following examples.
[0008]
【Example】
[Example 1]
FIG. 1 shows the configuration of the chemical sensor device according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, 101 is a transparent substrate, 102 is a thin metal wire array formed on the substrate, 103 is a tungsten lamp as a light source, and 104 is a collimating lens for collimating light from the light source.
The collimating lens 104 converts the light from the light source into parallel light and irradiates the substrate 101 on which the thin metal wires are arranged. Reference numeral 105 denotes a polarizer for controlling the polarization of the irradiation light. Reference numeral 107 denotes a narrow-band bandpass filter, which transmits only light having a specific wavelength among light from the light source.
When the electric field vector of the incident light is orthogonal to the longitudinal direction of the fine line, the coupling efficiency with the localized plasmon polariton of the fine line increases. Reference numeral 106 denotes an area sensor which can receive a reflected light from the substrate 101 and acquire a spatial profile image of the reflected light.
[0009]
Here, the length of the thin metal wire 102 in a direction parallel to the substrate orthogonal to the arrangement direction of the thin metal wires on the substrate is longer than the irradiation light wavelength, and the cross-sectional size is smaller than the irradiation light wavelength. .
Further, the distance between the fine wires is larger than the reach (電 100 nm) of the electric field of the localized plasmon polariton excited on the surface of one fine wire, and the distance is constant in this embodiment.
In such a metal wire, scattering and absorption increase at a specific wavelength due to localized plasmon resonance. The wavelength at which such resonance occurs depends on the material of the metal, the size of the thin metal wire such as the distance between the thin wires and / or the cross-sectional size, and the dielectric constant of the surrounding medium. Regarding the dielectric constant of the last surrounding medium, a change in the dielectric constant within a range of plasmon spread (広 が り 100 nm) is detected as a shift of the resonance peak.
[0010]
In addition, the following size effects occur in thin lines having different sizes as described above. By irradiating light of a specific wavelength and when any specific thin line (fine line 1) is at the resonance peak in the localized plasmon, a slightly larger size fine line (fine line 2) has a slight distance from the resonance peak. The light irradiation is shifted, and the resonance absorption is weaker than that of the thin line 1.
When the dielectric constant of the medium increases under irradiation of light of the same wavelength, the first thin line deviates from the resonance peak, so that the resonance absorption is weakened, while the second thin line approaches the resonance peak and the resonance absorption becomes strong. To go. This behavior can be regarded as a change in the spatial distribution of absorption, that is, a change in the spatial distribution of reflected light.
[0011]
In the metal thin-wire array 102, the size of the thin wire is slightly different spatially, so that a change in absorption of the illumination light can be detected by the area sensor 106 as a change in the spatial distribution of the reflected light. Further, signal processing such as model function fitting and interpolation is performed on the aerial image acquired by the area sensor to detect a slight change in the spatial distribution and to improve the S / N of the signal.
In the embodiment shown here, the narrowing of the spectrum of the light source by the band-pass filter 107 is not essential. A change in the absorption spectrum due to a change in the dielectric constant involves not only a shift in the absorption peak but also a change in the absorption intensity. Therefore, even with a method of detecting the spatial distribution of reflection with respect to broad irradiation light, if appropriate signal processing is performed, the spatial distribution of fluctuation in absorption corresponding to a change in dielectric constant can be obtained.
[0012]
Such a dielectric constant sensor functions as a chemical sensor by modifying the surface of the thin metal wire with a material having specific binding characteristics. That is, the sensor head whose surface is modified is brought into contact with an object to be inspected such as a liquid to be inspected or a gas to be inspected, and the sensor material reacts with the object to be inspected. The amount of specific binding is quantitatively obtained as a change in the dielectric constant detected by the dielectric constant sensor.
Specific examples of the sensor material that causes such a reaction include the following (1) to (4).
(1) A thin metal wire is modified with an antibody substance which specifically binds to an antigen substance contained in a test object to prepare a sensor material.
(2) A complex of an analogous substance to be measured and an enzyme contained in a test object is used as a sensor material, and the antigen, which is the substance to be measured, comes into contact with the complex, so that the complex is dissociated, and the enzyme and the object to be measured are used. An antigen-antibody complex with the substance is formed.
(3) DNA
(4) The material of the thin metal wire (102 in FIG. 1) in the ion-selective electrode sensor head is selected from metals in general. In particular, gold, silver, and copper have a large surface plasmon generated, and the present invention is not limited thereto. It is suitable for. Above all, gold is chemically stable and can be chemically modified by various known means, and is most suitable for constructing a chemical sensor.
Any sensor material may be used as long as the sensor material reacts with the test object to cause a change in the film thickness, a change in the refractive index, a change in the absorption spectrum, and a change in the fluorescence spectrum. Materials used for chemical sensors including biosensors such as sensors, enzyme immunosensors, and bioaffinity sensors can be used.
[0013]
[Example 2]
A method for manufacturing the sensor head according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2, first, a quartz substrate 201 is prepared (FIG. 2A).
Next, a 50 nm-thick metal thin film 202 is formed on the quartz substrate 201 by sputtering (FIG. 2B).
Next, an electron beam resist 203 was formed on the metal thin film 202 by spin coating, and was exposed by an electron beam drawing apparatus. After the development, a resist pattern having a distance between the patterns of 100 nm and a width of the pattern of 20 nm to 500 nm is obtained (FIG. 2D). Next, using the resist pattern as an etching mask, the metal thin film 202 is etched (FIG. 2E), the resist is removed, and a thin metal wire array is formed (FIG. 5F).
After performing a surface treatment on the thin metal wire array, the sensor material 204 is bonded (FIG. 5G).
[0014]
Here, the method of producing a micro-aperture pattern using an electron beam lithography apparatus has been described. In addition, various scanning methods utilizing the principles of a focused ion beam processing apparatus, a scanning tunnel microscope, an atomic force microscope, and a near-field optical microscope are described. It may be manufactured using a probe processing device, an X-ray exposure device, an EUV exposure device, or an electron beam stepper.
In addition, a simple and low-cost sensor head can be realized by using an exposure apparatus using near-field light described in JP-A-11-14505 or using a known nanoimprint method.
[0015]
[Example 3]
Third Embodiment FIG. 3 shows a configuration of a permittivity sensor device for obtaining a spatial distribution of absorption from transmitted light of a sensor body according to a third embodiment of the present invention.
In the dielectric constant sensor device of the present embodiment, first, monochromatic light from a semiconductor laser 301 is incident on a sensor head 303 via a lens 302. The transmitted light transmitted through the sensor head 303 is detected by the area sensor 304, and spatial distribution information of the transmitted light intensity is obtained. When the size of the sensor head manufactured finely and the size of the area sensor are different from each other, a sensor device utilizing the spatial resolution of the area sensor can be configured by using an optical system that performs scaling in this manner.
[0016]
[Example 4]
FIG. 4 shows a configuration of a dielectric constant sensor head according to Embodiment 4 of the present invention.
In FIG. 4, reference numeral 401 denotes a metal substrate, 402 denotes a dielectric thin film formed on the metal substrate, and 403 denotes a thin metal wire array formed on the dielectric thin film. Here, the arrayed thin metal wires 403 have a length in a direction parallel to the substrate orthogonal to the arrangement direction of the thin metal wires on the substrate, which is longer than the irradiation light wavelength, and the cross-sectional size of the thin wires is smaller than the irradiation light wavelength. Is also getting smaller. Also, unlike the first embodiment, the thin wires have the same cross-sectional size. On the other hand, the interval between the fine lines is slightly different from 5 nm to 200 nm.
[0017]
A metal thin film 401 having a thickness of 500 nm is formed over a quartz substrate by a sputtering method. A 50 nm thick SiO 2 402 and a 50 nm thick metal thin film were formed thereon.
An electron beam resist was formed by spin coating and exposed by a near-field exposure device. After the development, a resist pattern having a distance between the patterns of 100 nm and a width of the pattern of 20 nm to 500 nm was obtained. The metal thin film was etched using the resist pattern as an etching mask. The resist was removed to form a thin metal wire array 403. After performing surface treatment on the metal thin wire array 403, the sensor material is bonded.
[0018]
The localized plasmon resonance of a metal wire has a resonance spectrum that depends on the distance between the wires when the distance between the wires is 100 nm or less. In addition, since this resonance spectrum also depends on the dielectric constant of the surrounding medium, it is possible to detect a change in the dielectric constant by using a thin metal wire array having a configuration like 403 according to the same detection principle as in the first embodiment. And a chemical sensor using the same.
[0019]
[Example 5]
FIG. 5 shows a configuration of a dielectric constant sensor according to Embodiment 5 of the present invention.
In FIG. 5, reference numeral 501 denotes a transparent substrate, and reference numeral 502 denotes a thin metal wire array formed on the substrate. Here, the arrayed thin metal wires 502 have a length in the direction parallel to the substrate orthogonal to the arrangement direction of the thin metal wires on the substrate, which is longer than the irradiation light wavelength, and the cross-sectional size of the thin wires is smaller than the irradiation light wavelength. Is also getting smaller. Also, unlike the first and fourth embodiments, the cross-sectional size of the thin line and the interval between the thin lines are slightly different from each other. The localized plasmon resonance of a metal wire has a resonance spectrum depending on the shape of the wire and the distance between the wires.
[0020]
Further, since this resonance spectrum also depends on the dielectric constant of the surrounding medium, it is necessary to detect a change in the dielectric constant by using a thin metal wire array having a configuration like 502 according to the same detection principle as in the first and third embodiments. And a chemical sensor using the same can be configured.
Since both the shape and distance of the thin line can be applied as design parameters, it is possible to select an array shape such that the initial light intensity distribution is relatively flat. As a result, the dynamic range in detecting the spatial distribution can be increased.
[0021]
[Example 6]
FIG. 6 shows a configuration example in which the sensor head according to the sixth embodiment of the present invention is integrally formed with a microchemical analysis system (μ-TAS: also called a Micro Total Analysis System or a Lab-on-a-chip).
In the microchemical analysis system 901 shown in FIG. 6, the test liquid injected from the sample liquid injection section 902 reacts with the reaction liquid injected from the reaction liquid injection section 903 through the flow path 904, and then the detection section 905. To reach.
The detection unit 905 is provided with a thin metal wire array 906 for detection based on the principle of the present invention as shown in an enlarged view in the drawing. The test liquid reacts with the sensor material on the surface of the metal wire array. The detection unit 905 is irradiated with excitation light 907.
The light 908 transmitted from the light source 906 forms an image on the area sensor 911 via the lens 909 and is detected.
[0022]
[Example 7]
FIG. 7 shows a configuration example in which the sensor head according to the seventh embodiment of the present invention is formed integrally with a DNA chip or a protein chip.
Each detection cell 1002 of the DNA chip / protein chip 1001 shown in FIG. 7 is provided with a thin metal wire array 1003, and a sensor material is fixed on the surface. Here, the excitation light 1004 is irradiated, and the light transmitted from each detection cell is imaged on the surface of the CCD sensor 1007 via the lens 1006, so that the spatial distribution of each cell can be obtained in parallel.
As is clear from these, the sensor head of the present invention can be used in combination with various sensors, thereby increasing the signal intensity and enabling more accurate detection.
[0023]
【The invention's effect】
According to the present invention, a sensor head which has high sensitivity to a change in dielectric constant, does not require components such as a spectroscope or a diffraction grating for acquiring a wavelength spectrum, and has a small number of components, and a method of manufacturing the sensor head , A sensor device can be provided. Further, a highly sensitive chemical sensor and a chemical sensor having a large absorption spectrum and a large fluorescence spectrum intensity can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a sensor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing a sensor head according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a dielectric constant sensor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a dielectric constant sensor head according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a dielectric constant sensor head according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example in which a sensor head according to a sixth embodiment of the present invention is integrally formed with a microchemical analysis system (also referred to as a μ-TAS: Micro Total Analysis System or Lab-on-a-chip).
FIG. 7 is a diagram showing a configuration example in which a sensor head according to a seventh embodiment of the present invention is formed integrally with a DNA chip or a protein chip.
[Explanation of symbols]
101, 201, 401, 501: Substrates 102, 403, 502: Fine metal wire 103: Light source 301: Semiconductor laser 104, 302: Lens 105: Polarizer 106, 304: Area sensor 107: Bandpass filter 202: Metal thin film 203: Electron beam resist 303: sensor head 402: dielectric thin film

Claims (23)

照射した照明光による局在プラズモンの共鳴吸収スペクトルの変化から誘電率の変化を検出する際に用いる、誘電率センサヘッドとして構成されているセンサヘッドであって、
前記センサヘッドが、基板と、該基板上に一定方向に規則的に配列された金属細線とで構成されていることを特徴するセンサヘッド。
A sensor head configured as a dielectric constant sensor head, which is used when detecting a change in dielectric constant from a change in resonance absorption spectrum of localized plasmons due to irradiated illumination light,
The sensor head according to claim 1, wherein the sensor head includes a substrate and fine metal wires regularly arranged in a predetermined direction on the substrate.
センサヘッドに照射した照明光による局在プラズモンの共鳴吸収スペクトルの変化に基づくセンサ材料と被検査物との接触による反応を、誘電率の変化として検出する際に用いる化学センサヘッドとして構成されているセンサヘッドであって、
前記センサヘッドが、基板と、該基板上に一定方向に規則的に配列された金属細線とを備え、該金属細線の表面が前記センサ材料で修飾されていることを特徴するセンサヘッド。
The sensor head is configured as a chemical sensor head that is used to detect a reaction caused by contact between the sensor material and the test object based on a change in the resonance absorption spectrum of localized plasmons due to illumination light applied to the sensor head as a change in dielectric constant. A sensor head,
The sensor head according to claim 1, wherein the sensor head includes a substrate and fine metal wires regularly arranged in a predetermined direction on the substrate, and the surface of the fine metal wire is modified with the sensor material.
前記センサ材料が、化学センサ材料で構成されていることを特徴とする請求項2に記載のセンサヘッド。The sensor head according to claim 2, wherein the sensor material is made of a chemical sensor material. 前記化学センサ材料が、バイオセンサ材料で構成されていることを特徴とする請求項2に記載のセンサヘッド。The sensor head according to claim 2, wherein the chemical sensor material is formed of a biosensor material. 前記金属細線は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが、前記照射光の波長よりも大きいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のセンサヘッド。The metal thin wire according to any one of claims 1 to 4, wherein a length in a direction parallel to the substrate orthogonal to an arrangement direction of the metal thin wires on the substrate is larger than a wavelength of the irradiation light. Item 2. The sensor head according to item 1. 前記金属細線は、断面サイズが前記照射光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のセンサヘッド。The sensor head according to claim 1, wherein the thin metal wire has a cross-sectional size smaller than a wavelength of the irradiation light. 前記断面サイズが規則的に変化するように配列されていることを特徴とする請求項6に記載のセンサヘッド。The sensor head according to claim 6, wherein the cross-sectional sizes are arranged so as to change regularly. 前記金属細線は、隣接する金属細線との距離が規則的に変化するように配列されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のセンサヘッド。The sensor head according to any one of claims 1 to 6, wherein the thin metal wires are arranged so that a distance between adjacent thin metal wires changes regularly. 前記金属細線は、前記断面サイズおよび隣接する金属細線との距離が規則的に変化するように配列されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のセンサヘッド。The sensor head according to any one of claims 1 to 6, wherein the thin metal wires are arranged so that the cross-sectional size and the distance between the thin metal wires are regularly changed. 前記金属細線が、金ないし金を含む合金であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のセンサヘッド。The sensor head according to claim 1, wherein the thin metal wire is gold or an alloy containing gold. 請求項1〜10のいずれか1項に記載のセンサヘッドを製造するセンサヘッドの製造方法であって、
基板上に金属薄膜を形成する工程と、
前記基板に形成された金属薄膜上に、レジスト材料をパターニングする工程と、
前記工程で得られたレジストパタ−ンをエッチングマスクとして、前記基板に形成された金属薄膜をエッチングする工程と、
を有することを特徴とするセンサヘッドの製造方法。
A sensor head manufacturing method for manufacturing the sensor head according to any one of claims 1 to 10,
Forming a metal thin film on the substrate,
Patterning a resist material on the metal thin film formed on the substrate,
Etching the metal thin film formed on the substrate using the resist pattern obtained in the step as an etching mask;
A method for manufacturing a sensor head, comprising:
請求項2〜10のいずれか1項に記載のセンサヘッドを製造するセンサヘッドの製造方法において、請求項11に記載のセンサヘッドの製造方法での金属薄膜をエッチングする工程の後に、
エッチングされた金属薄膜を表面処理して、該金属薄膜表面にセンサ材料を結合させる工程を有することを特徴とするセンサヘッドの製造方法。
A method for manufacturing a sensor head according to any one of claims 2 to 10, wherein after the step of etching a metal thin film in the method for manufacturing a sensor head according to claim 11,
A method for manufacturing a sensor head, comprising a step of subjecting an etched metal thin film to a surface treatment and bonding a sensor material to the surface of the metal thin film.
前記レジスト材料をパターニングする工程が、コンタクトリソグラフィー、近接場露光、ナノインプリント法のいずれかひとつ以上を用いて、レジストパタ−ンを形成する工程を含んでいることを特徴とする請求項11または請求項12に記載のセンサヘッドの製造方法。13. The method according to claim 11, wherein the step of patterning the resist material includes a step of forming a resist pattern using at least one of contact lithography, near-field exposure, and nanoimprinting. 3. The method for manufacturing a sensor head according to item 1. 請求項1〜10のいずれか1項に記載のセンサヘッドと、該センサヘッドに光を照射する光源と、該センサヘッドを透過しまたは反射した光の空間分布を検出する光検出手段と、を有することを特徴するセンサ装置。A sensor head according to any one of claims 1 to 10, a light source that irradiates the sensor head with light, and a light detection unit that detects a spatial distribution of light transmitted or reflected by the sensor head. A sensor device comprising: 前記光源と前記センサヘッドとの間に、バンドパスフィルタを有することを特徴とする請求項14に記載のセンサ装置。The sensor device according to claim 14, further comprising a bandpass filter between the light source and the sensor head. 前記光源が、レーザであることを特徴とする請求項14または請求項15に記載のセンサ装置。The sensor device according to claim 14, wherein the light source is a laser. 前記光源が、半導体レーザであることを特徴とする請求項14または請求項15に記載のセンサ装置。The sensor device according to claim 14, wherein the light source is a semiconductor laser. 前記光源から照射される光の磁界方向が前記センサヘッドの金属細線の長手方向となるように偏光を制御する偏光素子を有することを特徴とする請求項14〜17のいずれか1項に記載のセンサ装置。18. The device according to claim 14, further comprising a polarizing element that controls polarization such that a magnetic field direction of light emitted from the light source is a longitudinal direction of the thin metal wire of the sensor head. Sensor device. 前記光源から照射される光の波長の領域で前記センサヘッドの基板が透明であり、前記光検出手段が前記光源から前記金属細線アレイに照射されて透過した光を検出する構成を有することを特徴とする請求項14〜18のいずれか1項に記載のセンサ装置。The substrate of the sensor head is transparent in a wavelength region of the light emitted from the light source, and the light detecting means has a configuration to detect light emitted from the light source to the metal thin wire array and transmitted therethrough. The sensor device according to any one of claims 14 to 18, wherein 前記センサヘッドの金属細線の配列が、特定の配列からなる金属細線アレイを繰り返し単位とする周期的配列構造を有し、これらが複数前記センサヘッドの基板上に設けられており、
前記光検出手段が、該周期的配列構造の複数の組から、それぞれ透過または反射された光の空間分布を独立に検出する光検出手段として構成されていることを特徴とする請求項14〜19のいずれか1項に記載のセンサ装置。
The arrangement of the metal thin wires of the sensor head has a periodic array structure in which a metal thin wire array composed of a specific arrangement is used as a repeating unit, and a plurality of these are provided on the substrate of the sensor head,
20. The light detecting device according to claim 14, wherein the light detecting device is configured to independently detect a spatial distribution of light transmitted or reflected from the plurality of sets of the periodic array structure. The sensor device according to claim 1.
前記センサヘッドが、半導体プロセスを用いて作製されるマイクロ化学分析システムに一体化されていることを特徴とする請求項14〜20のいずれか1項に記載のセンサ装置。The sensor device according to any one of claims 14 to 20, wherein the sensor head is integrated into a microchemical analysis system manufactured using a semiconductor process. 前記センサヘッドが、半導体プロセスを用いて作製されるDNAチップに一体化されていることを特徴とする請求項14〜20のいずれか1項に記載のセンサ装置。21. The sensor device according to claim 14, wherein the sensor head is integrated with a DNA chip manufactured using a semiconductor process. 前記センサヘッドが、半導体プロセスを用いて作製されるプロテインチップに一体化されていることを特徴とする請求項14〜20のいずれか1項に記載のセンサ装置。21. The sensor device according to claim 14, wherein the sensor head is integrated with a protein chip manufactured using a semiconductor process.
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