JP2009168469A - Ｓｐｒセンサチップ及びこれを用いたｓｐｒセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化に適するＳＰＲ（表面プラズモン共鳴）センサチップ及びこれを用いたＳＰＲセンサを提供する。
【解決手段】回折格子面６が、金属膜４の表面又はその近傍に形成されている。回折格子面６は、回折格子面６で回折された入射光によって、金属膜４上において、表面プラズモン共鳴を発生させることが可能となっている。ピッチ変更部１０は、回折格子面６における格子のピッチを変更する。この発明では、多様な間隔を有する回折格子面を個別に用意する必要がないため、チップの小型化が可能になる。また、一つの回折格子面を用いて、多様なピッチの回折格子を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＰＲセンサチップ及びこれを用いたＳＰＲセンサに関するものである。本発明は、特に、回折格子型のＳＰＲセンサチップに関係している。

ＳＰＲ（Surface Plasmon Resonance；表面プラズモン共鳴）センサチップは、ＳＰＲセンサにおいて用いられる光学部品である。ＳＰＲセンサの動作原理は、既によく知られているが、以下においてその概要を説明する。

ＳＰＲセンサチップとしては、いわゆるプリズム型と回折格子型という二つのタイプが存在する。

下記非特許文献１及び特許文献１には、プリズム型のＳＰＲセンサチップが記載されている。この技術では、プリズムを介して金属膜に光を照射し、当該膜の近傍において、エバネッセント波を発生させる。一方、金属膜の表面には、光の照射により、同時に、表面プラズモンが発生する。所定の共鳴条件に合致すると、エバネッセント波と表面プラズモンとが共鳴し（すなわち表面プラズモン共鳴が発生し）、光の反射量が減少する。

表面プラズモン共鳴における共鳴条件には、例えば、光の入射角、光の波長、金属膜周囲の媒質の屈折率などの条件が含まれる。

そこで、例えば、光の入射角を変化させ（すなわち掃引させ）、反射光量が減少するときの入射角（共鳴角）を測定する。この共鳴角は、媒質の屈折率に依存するので、共鳴角の変化を計測することにより、媒質の屈折率変化を検出することができる。もちろん、屈折率は誘電率に依存するので、誘電率の測定も可能である。したがって、この技術では、試料を金属膜の表面に配置することにより、当該試料の特性変化を検出することができる。

一般に、ＳＰＲセンサの利点として、以下の３点が知られている。
・高感度：金属膜表面における屈折率の変化に対応して、反射光強度が、非常に敏感に変化する。
・試料へのラベル化が不要：試料に対して蛍光を付するなどのラベル付けが不要なので、研究室以外での使用が容易である。
・リアルタイム性：金属膜表面の試料における、時々刻々の特性変化を、リアルタイムで測定することができる。

ところで、前記プリズム型のＳＰＲセンサチップは、プリズムを用いるために、装置が大型化、重量化しやすく、また、コストが高くなりやすいという不都合がある。

一方、下記非特許文献２〜４には、回折格子型のＳＰＲセンサチップが記載されている。この技術では、金属膜において表面プラズモン共鳴を発生させるために、プリズムに代えて、回折格子が用いられている。

この回折格子を用いる技術においても、基本的な動作原理は、プリズムを用いるタイプと同様であり、試料の特性を測定することができる。また、プリズムを用いないために、装置の小型化、軽量化に適するという利点もある。

しかしながら、回折格子型のＳＰＲセンサチップにおいても、前記の動作原理から、試料の特性を測定するためには、基本的に、光の入射角度を変化させなければならない。そのような機構は、一般に、装置全体の大型化、重量増、あるいは高コスト化につながりやすいという不都合がある。

このため、下記特許文献２の技術では、一つのチップ上に、複数の回折格子を設けている。これらの回折格子は、互いに異なるピッチを備えている。回折格子のピッチが変更されることは、表面プラズモン共鳴の条件を変更することになるので、どの格子において吸収が生じたかを検出することで、試料の特性を測定することができる。

しかしながら、この特許文献２の技術では、以下のような不都合がある。
・複数の回折格子をチップ上に設けなければならないので、チップが大型化する。
・一つのチップに搭載できる回折格子の数が少ない場合は、ピッチ変化の間隔が広くなってしまい、測定精度が劣化する。
・測定精度を上げるために、ピッチ変化の間隔を狭くすると、屈折率変化の測定レンジが狭くなってしまう。
・基本的に、複数の回折格子に対して同時に光を照射し、その反射光を受け取る必要があるので、光源や、受光素子や、光学系が、大型化、高コスト化しやすい。
・異なる回折格子に接触する試料の特性が等しくない（つまり均質的でない）場合には、異なる回折格子を用いて測定された特性は、当該試料の特性を示すことにならない。
J. Homola, S. S. Yee, and G. Gauglitz, "Surface plasmon resonance sensors: review," Sensors and Actuators B-Chemical, vol. 54, pp. 3-15, 1999. D. C. Cullen and C. R. Lowe, "A Direct Surface-Plasmon Polariton Immunosensor - Preliminary Investigation of the Nonspecific Adsorption of Serum Components to the Sensor Interface," Sensors and Actuators B-Chemical, vol. 1, pp. 576-579, 1990. P. T. Worthing and W. L. Barnes, "Efficient coupling of surface plasmon polaritons to radiation using a bi-grating," Applied Physics Letters, vol. 79, pp. 3035-3037, 2001. N. Zhang, R. Schweiss, Y. Zong, and W. Knoll, "Electrochemical surface plasmon spectroscopy - Recent developments and applications," Electrochimica Acta, vol. 52, pp. 2869-2875, 2007. 特開２００７−２６３９０１号公報 特開２００３−１２１３５０号公報

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、小型化に適するＳＰＲセンサチップ及びこれを用いたＳＰＲセンサを提供することである。

本発明は、下記のいずれかの項目に記載の構成を備えている。

（項目１）
金属膜と、回折格子面と、ピッチ変更部とを備えており、
前記回折格子面は、前記金属膜の表面又はその近傍に形成されており、
かつ、前記回折格子面は、前記回折格子面への入射光を回折するための格子を備えており、
さらに、前記回折格子面は、前記回折格子面で回折された入射光によって、前記金属膜上において、表面プラズモン共鳴を発生させることが可能となっており、
前記ピッチ変更部は、前記回折格子面における前記格子のピッチを変更する構成となっている
ことを特徴とするＳＰＲセンサチップ。

本発明の回折格子面は、特定の共鳴条件に合致したときに、金属膜での表面プラズモンと、金属膜近傍でのエバネッセント波との共鳴を発生させることができるものである。したがって、共鳴条件に合致しない格子ピッチであった場合は、表面プラズモン共鳴を生じないので、金属膜で反射された光の強度は強いままである。

この発明によれば、ピッチ変更部により、回折格子面における格子のピッチを変更することができる。このため、多様な間隔を有する回折格子面を用意する必要がなく、チップの小型化が可能になる。また、一つの回折格子面を用いて、多様なピッチの回折格子を得ることができるので、ピッチの変更間隔を狭くすることにより、測定精度を向上させることもできる。また、一つの回折格子面における格子のピッチを変更することができるので、均質でない試料の測定においても、高い測定精度を得ることが可能になる。

（項目２）
前記金属膜の表面には、凹部と凸部とが交互に、かつ、一定のピッチで形成されており、
前記回折格子面は、前記金属膜の表面により構成されている
ことを特徴とする項目１に記載のＳＰＲセンサチップ。

項目２に記載されるように、本発明の回折格子面は、金属膜の表面における凹凸形状により構成されることができる。

（項目３）
前記ピッチ変更部は、前記金属膜を、その一面側から他面側に向けて膨出させることにより前記格子のピッチを変更する構成となっている
ことを特徴とする項目２に記載のＳＰＲセンサチップ。

金属膜を膨出させることにより、回折格子面が形成された金属膜の曲率が変化し、これによって、格子のピッチを変更することができる。金属膜の他面側に回折格子面を形成すれば、他面側への膨出によって、ピッチを広げることができる。金属膜の一面側に回折格子面を形成すれば、他面側への膨出によって、ピッチを狭めることができる。また、膨出は、例えば、金属膜を押し出すことによって、あるいは、金属膜を引き寄せることによって実現することができる。金属膜の膨出のためには、流体（正圧又は負圧）を用いる方法、電磁力（反力又は引力）を用いる方法、機械力を用いる方法など、適宜の技術を用いることができる。

（項目４）
前記ピッチ変更部は、加圧流体を備えており、
かつ、前記ピッチ変更部は、前記加圧流体を前記金属膜における前記一面側に押しつけることによって、前記金属膜を膨出させる構成となっている
ことを特徴とする項目３に記載のＳＰＲセンサチップ。

この発明によれば、加圧流体を用いて、金属膜を膨出させることができる。加圧流体としては、例えば液体や気体である。動作精度を確保するためには、弾性変形しにくい液体が好適である。加圧流体と金属膜とは直接に接触する必要はなく、間接的に接触していてもよい。要するに、加圧流体からの押圧力により金属膜が膨出できればよい。

（項目５）
さらに、基板と、弾性膜とを備えており、
前記金属膜は、前記弾性膜の表面上に配置されており、
かつ、前記金属膜は、前記弾性膜によって支持されており、
前記基板は、前記加圧流体を収納する収納部を備えており、
前記収納部の一面側は開口されており、
前記弾性膜は、前記収納部における前記一面側を覆うように配置されており、
前記ピッチ変更部は、前記加圧流体を前記弾性膜へ押しつけることにより、前記金属膜を膨出させる構成となっている
ことを特徴とする項目４に記載のＳＰＲセンサチップ。

（項目６）
前記ピッチ変更部は、前記金属膜に対して、前記格子の延長方向に交差する方向における引っ張り力を加えることにより、前記格子のピッチを変更する構成となっている
ことを特徴とする項目２に記載のＳＰＲセンサチップ。

（項目７）
前記ピッチ変更部は、加圧流体と、支持体とを備えており、
前記支持体は、基部と、この基部の一面側に突出された少なくとも二つの支持部とを備えており、
前記二つの支持部は、前記格子の延長方向に交差する方向における、前記金属膜の両端部近傍に取り付けられており、
かつ、前記ピッチ変更部は、前記加圧流体を前記支持体における前記基部の他面側に押しつけることによって、前記基部を膨出させ、これによって、前記金属膜に前記引っ張り力を与える構成となっている
ことを特徴とする項目６に記載のＳＰＲセンサチップ。

（項目８）
さらに、電圧印加部を備えており、
前記電圧印加部は、前記金属膜に交流電圧を印加することにより、前記金属膜に表面弾性波を発生させる構成となっており、
前記回折格子面は、前記表面弾性波によって形成された、前記金属膜表面の凹凸により構成されており、
前記ピッチ変更部は、前記電圧印加部における周波数変更手段であることを特徴とする項目１に記載のＳＰＲセンサチップ。

この発明では、回折格子面を、金属膜に発生した表面弾性波（Surface Acoustic Wave）により構成している。この発明によれば、表面弾性波の波長（空間周波数に相当する）を変更することにより、回折格子面における格子のピッチを変更することができる。表面弾性波の波長を変更するためには、印加電圧の周波数を変更すればよい。

（項目９）
項目１〜８のいずれかに記載されたＳＰＲセンサチップと、光源と、反射光検出部とを備えており、
前記光源は、前記ＳＰＲセンサチップにおける前記回折格子面に向けて光を照射する構成となっており、
前記反射光検出部は、前記回折格子面で反射された前記光の光量を検出する構成となっている
ことを特徴とするＳＰＲセンサ。

（項目１０）
請求項１〜８のいずれか１項に記載されたＳＰＲセンサチップを用いた試料の解析方法であって、以下を含む：
（１）前記ＳＲＰセンサチップにおける前記金属膜の近傍に試料を配置するステップ；
（２）前記ＳＰＲセンサチップにおける前記回折格子面に向けて光を照射するステップ；
（３）前記金属膜で反射された光の光量を検出するステップ；
（４）前記ピッチ変更部により、前記回折格子面のピッチを変更した後、前記（２）及び（３）のステップを繰り返すことによって、表面プラズモン共鳴による反射光の吸収が生じたときのピッチ量を特定し、これにより、試料の特性を解析するステップ。

この発明において、ピッチ量とは、ピッチ量の絶対値でもよいし、その差分でもよい。また、ピッチ量そのものでなく、それに関連する物理量（例えば回折格子面の膨出量や引っ張り量など）も、ここで言うピッチ量の概念に含まれる。

本発明によれば、小型化に適するＳＰＲセンサチップ及びこれを用いたＳＰＲセンサを提供することが可能になる。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係るＳＰＲセンサチップ（以下、単に「チップ」と略称することがある）２を、図１に基づいて説明する。

このチップ２は、金属膜４と、回折格子面６と、弾性膜８と、ピッチ変更部１０と、基板１２とを備えている。

前記弾性膜８の上面には、一定のピッチで、凹凸が交互に形成されている。弾性膜８の材質としては、例えばパリレンなどの、可撓性のある樹脂を用いることが好ましい。ただし、弾性膜８としては、後述するように回折格子面を弾性変形させることができる柔軟性を有する材質であればよい。

金属膜４は、前記の様に構成された弾性膜８の表面上に配置されており、かつ、金属膜４は、弾性膜８によって支持されている。より具体的には、この例における金属膜４は、弾性膜８の上面に、蒸着のような適宜の手段により密着させられている。

これにより、金属膜４の表面には、凹部４２と凸部４４とが交互に、かつ、一定のピッチで形成されている。

金属膜４の材質としては、例えば、金（Au）や銀（Ag）である。金属膜４の材質としては、これらに限らず、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させるものであれば使用可能である。

また、本実施形態における回折格子面６は、凹部４２と凸部４４とを備える金属膜４の表面により構成されている。つまり、この例では、それぞれの凸部４４が、回折格子における格子を形成していると把握することができる。これにより、この実施形態では、回折格子面６が、金属膜４の表面に形成されたものとなっている。ただし、回折格子面６は、金属膜４での表面プラズモン共鳴を発生できる程度に、金属膜４の近傍に形成されていればよい。すなわち、一般に、金属膜の表面近傍数１００ｎｍ程度の位置に回折格子が存在すればＳＰＲ励起は可能と考えられる。

また、前記の構成により、本実施形態の回折格子面６は、「回折格子面６への入射光を回折することにより、金属膜４上において表面プラズモン共鳴を発生させることが可能なもの」となっている。もちろん、表面プラズモン共鳴は、所定の条件を満たす場合にのみ発生し、そうでない場合には発生しない。

ピッチ変更部１０は、加圧流体１０２を備えている。かつ、ピッチ変更部１０は、加圧流体１０２を金属膜４における一面側（図１（ａ）において下面側）に押しつけることによって、金属膜４を膨出させる構成となっている。具体的には、この例では、加圧流体１０２は、弾性膜８を介して金属膜４に向けて押しつけられる。

加圧流体１０２を金属膜４に向けて押しつける手段としては、例えば、加圧流体１０２の静水圧を上昇させればよい。そのためには、例えば、適宜のアクチュエータ（図示せず）を用いて、加圧流体１０２を押圧することが考えられる。加圧流体１０２から金属膜４への押圧力を調整することにより、金属膜４の膨出量を制御することができる。

この実施形態においては、前記の構成により、ピッチ変更部１０が、金属膜４を、その一面側から他面側に向けて膨出させることができるようになっている。また、ピッチ変更部１０は、これにより、回折格子面６における格子のピッチを変更することができるようになっている。

本実施形態の加圧流体１０２としては、例えば液体や気体である。動作精度を確保するためには、弾性変形しにくい液体が好適である。

基板１２は、加圧流体１０２を収納する収納部１２２を備えている。すなわち、収納部１２２は、基板１２の内部を部分的に空洞にすることによって形成されている。この実施形態では、基板１２の材料として、シリコン結晶が用いられている。シリコン結晶は、一般に、マイクロファブリケーションに適する材料である。ただし、シリコン以外の適宜な材料を用いることは可能である。

収納部１２２の一面側（図１（ａ）において上面側）は開口されている。弾性膜８は、収納部１２２における一面側を覆うように配置されている。これにより、加圧流体１０２を弾性膜８へ押しつけることができるようになっている。

（第１実施形態の動作）
本実施形態のチップ２においても、基本的には、従来のＳＰＲセンサチップと同様に動作する。すなわち、試料を金属膜４の近傍に配置した状態で、回折格子面６（すなわち金属膜４の表面）に向けて光を入射する。そして、反射光の強度を測定することにより、入射光の共鳴角を検出することができる。図１（ｂ）では共鳴角を符号θ１で表している。この共鳴角の変化に基づいて、試料の特性を測定することができる。

ここで、従来は、共鳴角の変化を調べるために、入射光の入射角を掃引する必要があり、そのための装置構成が必要になるという不都合があった。

これに対して、本実施形態においては、入射光の掃引に代えて、以下の動作を行う。すなわち、ピッチ変更部１０を用いて、金属膜４を膨出させる。これにより、回折格子面６における格子ピッチを動的に変化させることができる。ここで、金属膜４を膨出させる動作においては、膨出量（つまりピッチ変化量）を連続的に変化させてもよいし、離散的に変化させても良い。離散的に変化させる場合における、変化量の間隔は、測定条件や測定時間などの種々の条件に合わせて適宜に設定することができる。

図１に示す例においては、金属膜４が押圧されていない状態（図１（ａ））での、回折格子面６のピッチが、符号ａで表されている（図１（ｂ）参照）。ついで、図１（ｃ）のように金属膜４を膨出させることによって、図１（ｄ）のように、回折格子面のピッチを、ａ＋Δａに広げることができる。ここでΔａは、回折格子面のピッチにおける変化量である。このときの共鳴角を図１（ｄ）では符号θ２で示している。

本実施形態では、金属膜４の膨出量を調整することにより、ピッチの変化量Δａを制御することができる。

金属膜４の膨出と共鳴角の変化との関係を図２に示す。この例では、入射角を符号θで表している（図２（ａ））。

図２（ｂ）に示す破線は、金属膜４を膨出させる前の状態を示す。このグラフにおいて横軸は入射角、縦軸は０次回折光（すなわち反射光）の強度を示す。一方、図２（ｂ）に示す実線は、金属膜４を膨出させた後の状態を示す。ここから、金属膜４の膨出により、共鳴角が変化することが判る。なお、ここでは入射光波長その他の条件は共通としている。したがって、本実施形態のチップによれば、金属膜４の膨出により、格子のピッチを変更することができ、その結果、共鳴条件を変化させることができる。このことは、共鳴を生じるときのピッチ（いわば「共鳴ピッチ」）の変化に基づいて、試料の特性の変動を検出できることを意味する。

この実施形態のチップ２によれば、ピッチ変更部１０により、回折格子面６における格子のピッチを動的に変更することができる。このため、多様な間隔を有する回折格子面６を用意する必要がなく、チップの小型化が可能になる。

また、本実施形態では、一つの回折格子面６を用いて、多様なピッチの回折格子を得ることができるので、ピッチの変更間隔を狭くすることにより、測定精度を向上させることもできる。もちろん、本実施例においても、必要があれば、複数の回折格子面を設けることは可能である。

また、一つの回折格子面６における格子のピッチを変更することができるので、均質でない試料の測定においても、高い測定精度を得ることが可能になる。

さらに、本実施形態では、金属膜４の駆動のために電圧印加を行わないので、試料に電界溶液を含む場合にも、電気分解や電気的ショートの問題を容易に回避することが可能となる。

なお、本実施形態のチップ２では、前記したとおり、金属膜４を膨出させることにより、回折格子面６が形成された金属膜４の曲率が変化し、これによって、格子のピッチを変更することができる。したがって、前記の例とは逆に、金属膜４の他面側（図１（ａ）において下面側）の回折格子面を利用する場合には、この他面側への膨出によって、格子のピッチを広げることができる。

さらに、金属膜４の一面側に回折格子面６を形成した上で、他面側へ金属膜４を膨出させる場合は、格子のピッチを狭めることができる。すなわち、ピッチの変化量Δａは正の値でも負の値であっても良い。

前記した実施形態では、加圧流体１０２を用いて金属膜４を膨出させたが、この膨出は、例えば、金属膜を押し出すことによって、あるいは、金属膜を引き寄せることによって実現してもよい。すなわち、金属膜４の膨出のためには、流体（正圧又は負圧）を用いる方法、電磁力（反力又は引力）を用いる方法、機械力を用いる方法など、適宜の技術を用いることが可能である。

（第２実施形態）
つぎに、本発明の第２実施形態に係るＳＰＲセンサチップ２Ａを、図３及び図４を参照して説明する。なお、この実施形態の説明においては、前記した第１実施形態のチップ２と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、説明を簡略化する。

第２実施形態のチップ２Ａにおけるピッチ変更部１０は、加圧流体１０２と、支持体１４とを備えている。

支持体１４は、基部１４２と、この基部１４２の一面側（図３において上面側）に突出された少なくとも二つの支持部１４４・１４６とを備えている。

二つの支持部１４４・１４６は、回折格子面６における格子の延長方向（図３では紙面の厚さ方向）に交差する方向（図３では左右方向）における、金属膜４の両端部近傍に取り付けられている。具体的には、この例では、支持部１４４・１４６は、金属膜４の裏面に取り付けられた弾性膜８の裏面に固定されている。

本実施形態のピッチ変更部１０は、加圧流体１０２を支持体１４における基部１４２の他面側（図３において下面側）に押しつけることによって、基部１４２を膨出させ、これによって、金属膜４に引っ張り力を与える構成となっている（図４参照）。

すなわち、本実施形態のピッチ変更部１０は、金属膜４に対して、格子の延長方向に交差する方向における引っ張り力を加えることにより、格子のピッチを変更する構成となっている。

本実施形態においては、前記した引っ張り力により格子のピッチを代えることにより、ＳＰＲにおける共鳴角を変化させることができる。

なお、第２実施形態のチップ２Ａにおいても、加圧流体１０２を負圧にする等の手段により、金属膜４に対して圧縮力を加えることは可能である。この場合には、格子のピッチを縮めることができる。

第２実施形態のチップ２Ａにおける他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。

（第３実施形態）
つぎに、本発明の第３実施形態に係るＳＰＲセンサチップ２Ｂを、図５及び図６を参照して説明する。なお、この実施形態の説明においては、前記した第１実施形態のチップ２と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、説明を簡略化する。

第３実施形態では、平常時には凹凸を有しない金属膜１６が用いられている（図５参照）。この実施形態の金属膜１６は、平板状の支持基板１８の表面に取り付けられており、これによって支持されている。

支持基板１８の材質としては、本実施形態では、LiNbO₃結晶が用いられている。他に好ましい材料としては、タンタル酸リチウム(LiTaO₃)、四ホウ酸リチウム（Li₂B₄O₇）などがあるが、これらには限定されない。

さらに、本実施形態のチップ２Ｂは、電圧印加部２０を備えている。電圧印加部２０は、交流電源２２と、櫛状電極２４とを備えている。交流電源２２には、電源周波数を調整することができる周波数変更手段（図示せず）が備えられている。

本実施形態のチップ２Ｂは、電圧印加部２０によって金属膜１６に交流電圧を印加することにより、金属膜１６に表面弾性波を発生させる構成となっている。

また、本実施形態のチップ２Ｂにおける回折格子面は、表面弾性波によって形成された、金属膜表面の凹凸により構成されるものとなっている。

さらに、本実施形態のピッチ変更部は、電圧印加部２０における周波数変更手段２１に相当している。

この実施形態では、表面弾性波の波長（空間周波数に相当する）を変更することにより、回折格子面における格子のピッチを変更することができる。表面弾性波の波長を変更するためには、印加電圧の周波数を変更すればよい。

具体的には、表面弾性波の速さｖを
ｖ＝３４００ｍ／ｓ
とし、その周波数ｆを
ｆ＝３．４ＧＨｚ
とすれば、１μｍ程度の格子間隔を得ることができる。

また、一般に、交流電圧の周波数変調においては、適切な電気回路を用いることにより、周波数変調帯域を広く取ることが可能である。このため、この実施形態では、格子のピッチを変更できるレンジを広く設定することができるという利点がある。しかも、この場合において、ピッチ変更の間隔は狭くできるので、広いレンジで、かつ、精度の良い測定が可能になる。

なお、この実施形態では、表面弾性波として、定在波を用いることも、進行波を用いることもできる。進行波を用いた場合には、振幅が０になる瞬間がないので、測定精度を一層向上できると考えられる。

第３実施形態のチップ２Ｂにおける他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。

（実験例）
つぎに、前記した第１実施形態のＳＰＲセンサチップ２を用いた実験例を、図７〜図９を参照して説明する。

まず、実験装置の構成を説明する。この実験装置では、光源２６と、偏光子２８と、反射光の検出器３０とを用いる（図７参照）。

光源２６としては、この例では、単一波長の光を発生させるレーザダイオードが用いられている。

偏光子２８は、光源２６からの光の偏光面をＴＭ偏光に調整するものである。

検出器３０は、チップ２で反射した光の強度（光量）を検出するものである。

この実験例では、
入射光のスポットサイズ：０．３ｍｍ
回折格子面における格子の初期ピッチ：１２００ｎｍ
とされている。

また、この実験例に用いるチップ２（図８参照）では、基板１２の収納部１２２の背面側（図８において下面側）を、背面膜１０４により覆っている。そして、この背面膜１０４の押し込み量ｄを調整することにより、金属膜４の膨出量を調整した。なお、図７において符号８ａは、パリレン有機膜である弾性膜８を、Si製の基板１２にボンディングするための接着層（この場合には、パリレン膜）である。

以上の条件下で、一定の押し込み量ｄ毎に、入射角と反射光量との関係を測定した。結果を図９に示す。

図９（ａ）の横軸は入射角（°）、縦軸は反射光強度（μＷ）を示している。これによれば、押し込み量ｄの増加に従って、ディップＢ（つまり共鳴角）が左へ移動していることが判る。この例では、押し込み量ｄ＝０のときのディップＢでの共鳴角が４１．５５°であるのに対して、押し込み量ｄ＝２５０μｍのときのこの共鳴角が３９．４０°となっている。

図９（ｂ）の横軸は、押し込み量ｄ（μｍ）、縦軸はディップＢでの共鳴角（°）である。このグラフから、回折格子面６のピッチを変更することによって、共鳴角の変化量として、２．１５°を得ていることが判る。

（実施例）
第１実施形態のチップ２を利用したＳＰＲセンサの具体的な実施例を図１０に示す。なお、この実施例の説明に置いては、前記した実施態様及び実験例で説明した構成要素と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、説明を簡略化する。

このセンサは、光源２６と、偏光子２８と、検出器３０と、ハーフミラー３２と、コリメータレンズ３４と、サンプル流路３６とを備えている。

検出器３０としては、この例では、フォトダイオードが用いられている。

サンプル流路３６は、金属膜４の回折格子面６に試料を接触させた状態で保持するためのものである。

この実施例のＳＰＲセンサによれば、光源２６からの光は、ハーフミラー３２を通過後、コリメータレンズ３４で平行光線となり、その後、金属膜４の回折格子面６に入射する。回折格子面６で反射した光は、入射光とは逆の経路を辿り、ハーフミラー３２で反射されて、検出器３０により検出される。

この実施例のセンサでは、弾性膜８の背後（図１０では上部）にある背面膜１０４を押圧することにより、ピッチ変更部１０の加圧流体１０２を介して、金属膜４を下方に膨出させることができる。これにより、このセンサでは、回折格子面６の格子のピッチを変化させることができる。

この例では、ＳＰＲを生じたときのピッチまたはその変化量に基づいて、試料の特性（例えば屈折率）を検出することができる。

つまり、このセンサにより、以下のステップで、試料の解析を行うことができる。
（１）ＳＲＰセンサチップにおける金属膜の近傍に試料を配置するステップ；
（２）ＳＰＲセンサチップにおける回折格子面に向けて光を照射するステップ；
（３）金属膜で反射された光の光量を検出するステップ；
（４）ピッチ変更部により、回折格子面のピッチを変更した後、前記（２）及び（３）のステップを繰り返すことによって、表面プラズモン共鳴による反射光の吸収が生じたときのピッチ量を特定し、これにより、試料の特性を解析するステップ。

この実施例のセンサでは、入射光の入射角を一定としておくことができる。このため、入射光の角度を制御する手段が不要になるという利点がある。

また、入射光の角度を変化させると、反射光を受光できる位置も変化するため、検出器３０を可動とするか、あるいは、アレイ状の受光素子を用いる必要が生じる。これに対して、この実施例のセンサでは、検出器３０の位置を一定とすることができるので、機構的に簡略となり、小型化、軽量化に適するという利点がある。

なお、前記実施形態及び実施例の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。

本発明の第１実施形態に係るＳＰＲセンサチップの構造を説明するための説明図である。図（ａ）はこのチップの横断面図、図（ｂ）はこのチップの要部の斜視図、図（ｃ）は金属膜が湾曲した状態におけるチップの横断面図、図（ｄ）は格子ピッチが拡大した状態でのチップの斜視図である。 格子ピッチの変化と共鳴角との関係を説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態に係るＳＰＲセンサチップの構造を説明するための概略的な横断面図である。 図３のチップの動作を説明するための説明図である。 本発明の第３実施形態に係るＳＰＲセンサチップの構造を説明するための概略的な横断面図である。 図５の平面図である。 実験例における実験装置を説明するための説明図である。 実験例における実験装置を説明するための説明図である。 実験例における実験結果を示すグラフである。 ＳＰＲセンサの実施例を説明するための概略的な横断面図である。

符号の説明

２・２Ａ・２Ｂ ＳＰＲセンサチップ
４・１６ 金属膜
４２ 金属膜の凹部
４４ 金属膜の凸部
６ 回折格子面
８ 弾性膜
１０ ピッチ変更部
１０２ 加圧流体
１０４ 背面膜
ｄ 背面膜の押し込み量
１２ 基板
１２２ 収納部
１４ 支持体
１４２ 基部
１４４・１４６ 支持部
１８ 支持基板
２０ 電圧印加部
２１ 周波数変更手段
２２ 交流電源
２４ 櫛状電極
２６ 光源
２８ 偏光子
３０ 検出器（反射光検出部）
３２ ハーフミラー
３４ コリメータレンズ
３６ サンプル流路

Claims (10)

1. 金属膜と、回折格子面と、ピッチ変更部とを備えており、
   前記回折格子面は、前記金属膜の表面又はその近傍に形成されており、
   かつ、前記回折格子面は、前記回折格子面への入射光を回折するための格子を備えており、
   さらに、前記回折格子面は、前記回折格子面で回折された入射光によって、前記金属膜上において、表面プラズモン共鳴を発生させることが可能となっており、
   前記ピッチ変更部は、前記回折格子面における前記格子のピッチを変更する構成となっている
   ことを特徴とするＳＰＲセンサチップ。
2. 前記金属膜の表面には、凹部と凸部とが交互に、かつ、一定のピッチで形成されており、
   前記回折格子面は、前記金属膜の表面により構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のＳＰＲセンサチップ。
3. 前記ピッチ変更部は、前記金属膜を、その一面側から他面側に向けて膨出させることにより前記格子のピッチを変更する構成となっている
   ことを特徴とする請求項２に記載のＳＰＲセンサチップ。
4. 前記ピッチ変更部は、加圧流体を備えており、
   かつ、前記ピッチ変更部は、前記加圧流体を前記金属膜における前記一面側に押しつけることによって、前記金属膜を膨出させる構成となっている
   ことを特徴とする請求項３に記載のＳＰＲセンサチップ。
5. さらに、基板と、弾性膜とを備えており、
   前記金属膜は、前記弾性膜の表面上に配置されており、
   かつ、前記金属膜は、前記弾性膜によって支持されており、
   前記基板は、前記加圧流体を収納する収納部を備えており、
   前記収納部の一面側は開口されており、
   前記弾性膜は、前記収納部における前記一面側を覆うように配置されており、
   前記ピッチ変更部は、前記加圧流体を前記弾性膜へ押しつけることにより、前記金属膜を膨出させる構成となっている
   ことを特徴とする請求項４に記載のＳＰＲセンサチップ。
6. 前記ピッチ変更部は、前記金属膜に対して、前記格子の延長方向に交差する方向における引っ張り力を加えることにより、前記格子のピッチを変更する構成となっている
   ことを特徴とする請求項２に記載のＳＰＲセンサチップ。
7. 前記ピッチ変更部は、加圧流体と、支持体とを備えており、
   前記支持体は、基部と、この基部の一面側に突出された少なくとも二つの支持部とを備えており、
   前記二つの支持部は、前記格子の延長方向に交差する方向における、前記金属膜の両端部近傍に取り付けられており、
   かつ、前記ピッチ変更部は、前記加圧流体を前記支持体における前記基部の他面側に押しつけることによって、前記基部を膨出させ、これによって、前記金属膜に前記引っ張り力を与える構成となっている
   ことを特徴とする請求項６に記載のＳＰＲセンサチップ。
8. さらに、電圧印加部を備えており、
   前記電圧印加部は、前記金属膜に交流電圧を印加することにより、前記金属膜に表面弾性波を発生させる構成となっており、
   前記回折格子面は、前記表面弾性波によって形成された、前記金属膜表面の凹凸により構成されており、
   前記ピッチ変更部は、前記電圧印加部における周波数変更手段であることを特徴とする請求項１に記載のＳＰＲセンサチップ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載されたＳＰＲセンサチップと、光源と、反射光検出部とを備えており、
   前記光源は、前記ＳＰＲセンサチップにおける前記回折格子面に向けて光を照射する構成となっており、
   前記反射光検出部は、前記回折格子面で反射された前記光の光量を検出する構成となっている
   ことを特徴とするＳＰＲセンサ。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載されたＳＰＲセンサチップを用いた試料の解析方法であって、以下を含む：
    （１）前記ＳＲＰセンサチップにおける前記金属膜の近傍に試料を配置するステップ；
    （２）前記ＳＰＲセンサチップにおける前記回折格子面に向けて光を照射するステップ；
    （３）前記金属膜で反射された光の光量を検出するステップ；
    （４）前記ピッチ変更部により、前記回折格子面のピッチを変更した後、前記（２）及び（３）のステップを繰り返すことによって、表面プラズモン共鳴による反射光の吸収が生じたときのピッチ量を特定し、これにより、試料の特性を解析するステップ。

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