JP2013234941A

JP2013234941A - センサーチップ並びにセンサーカートリッジおよび検出装置

Info

Publication number: JP2013234941A
Application number: JP2012108273A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Mano; 哲雄眞野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-21
Also published as: US20150098085A1; WO2013168401A1; EP2848920A4; EP2848920A1; CN104303046A

Abstract

【課題】金属ナノ体の局在表面プラズモン共鳴に伝播表面プラズモン共鳴を確実に結びつけることができるセンサーチップは提供される。
【解決手段】センサーチップ１１は金属格子１６を備える。金属格子１６は第１方向ＦＤに延びる複数の金属長尺片１７を有する。金属長尺片１７は励起光の波長よりも短いピッチで配列される。誘電体層１８は金属格子１６の表面を覆う。誘電体層１８には第１方向ＦＤに交差する第２方向ＳＤに延びる線状の凹凸パターン１９が形成される。誘電体層１８の表面に金属ナノ体２３が配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属ナノ粒子や金属ナノ突起といった金属ナノ体を備えるセンサーチップ、並びに、そうしたセンサーチップを利用したセンサーカートリッジおよび検出装置等に関する。

局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を利用したセンサーチップは知られる。こうしたセンサーチップは例えば誘電体表面に分散する金属ナノ体すなわち金属ナノ粒子を備える。金属ナノ粒子は例えば励起光の波長よりも十分に小さく形成される。金属ナノ粒子に励起光が照射されると、全電気双極子が揃い増強電場が誘発される。その結果、金属ナノ粒子の表面で近接場光が生成される。いわゆるホットスポットが形成される。

特開２０１１−１２８１３５号公報特開２０１１−１４１２６５号公報

特許文献１や特許文献２に示唆されるように、伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）を利用したセンサーチップは知られる。センサーチップでは素子チップの表面に金属格子が形成される。励起光は金属格子の働きで回折光に変換される。回折光は金属格子の表面で伝播表面プラズモン共鳴を引き起こす。こうした伝播表面プラズモン共鳴が局在表面プラズモン共鳴に結びつけられれば、金属ナノ体の表面で近接場光は強められると考えられる。

本発明の少なくとも１つの態様によれば、金属ナノ体の局在表面プラズモン共鳴に伝播表面プラズモン共鳴を確実に結びつけることができるセンサーチップは提供されることができる。

（１）本発明の一態様は、第１方向に延びる複数の金属長尺片を励起光の波長よりも短いピッチで配列する金属格子と、前記金属格子の表面を覆い、前記第１方向に交差する第２方向に延びる線状の凹凸パターンを形成する誘電体層と、前記誘電体層の表面に配置される金属ナノ体とを備えるセンサーチップに関する。

金属ナノ体は線状の凹凸パターンに沿って配列されることから、第２方向に平行な偏光成分に基づき金属ナノ体では局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が励起される。同時に、第２方向に平行な偏光成分は金属格子の働きで回折光に変換される。回折光は金属格子の表面で伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）を引き起こす。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強される。金属ナノ体の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。

（２）前記第１方向および前記第２方向が交差する交差角は９０度に設定されることができる。こうした設定によれば、１つの偏光成分で金属ナノ体の局在表面プラズモン共鳴は最大限に増強されるとともに金属格子の伝播表面プラズモン共鳴は最大限に増強されることができる。直線偏光の励起光で効率的に表面プラズモン共鳴は増強されることができる。

（３）前記金属ナノ体は、前記誘電体層の表面に分散する金属ナノ粒子であることができる。金属ナノ粒子は単純な金属材料の堆積や熱処理に基づき比較的に少ない作業工程で形成されることができる。こうした金属ナノ粒子の採用はセンサーチップの製造の簡素化に貢献することができる。

（４）前記凹凸パターンは、前記金属格子の表面に平行な基準平面上に配置されて相互に並列に延びる誘電体長尺片を備えることができ、前記誘電体長尺片の配列のピッチは前記金属格子の前記ピッチよりも小さい。こうした配列のピッチによれば、金属ナノ体の集合体の光学異方性は確実に所望の方向に合わせ込まれることができる。

（５）本発明の他の態様は、検出室を区画する筐体と、前記検出室の空間に接する表面を有する基体と、前記基体の表面に配置されて、第１方向に延びる複数の金属長尺片を励起光の波長よりも短いピッチで配列する金属格子と、前記金属格子の表面を覆い、前記第１方向に交差する第２方向に延びる線状の凹凸パターンを形成する誘電体層と、前記誘電体層の表面に配置される金属ナノ体とを備えるセンサーカートリッジに関する。このセンサーカートリッジでは、前述と同様に、局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強される。金属ナノ体の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。

（６）本発明のさらに他の態様は、第１方向に延びる複数の金属長尺片を励起光の波長よりも短いピッチで配列する金属格子と、前記金属格子の表面を覆い、前記第１方向に交差する第２方向に延びる線状の凹凸パターンを形成する誘電体層と、前記誘電体層の表面に配置される金属ナノ体と前記金属ナノ体に向けて光を放出する光源と、前記光の照射に応じて前記金属ナノ体から放射される光を検出する光検出器とを備える検出装置に関する。この検出装置では、前述と同様に、局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強される。金属ナノ体の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。

一実施形態に係るセンサーチップの構造を概略的に示す部分斜視図である。金属表面に励起される表面プラズモンの分散関係を示すグラフである。金属格子の表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）スペクトルを示すグラフである。銀ナノ粒子の透過率特性を示すグラフである。誘電体膜の凹凸パターンの透過率特性を示すグラフである。銀ナノ粒子の表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）スペクトルを示すグラフである。金属長尺片の高さと光の反射率との関係を示すグラフである。誘電体層の膜厚と電場増強度との関係を示すグラフである。格子柄用のレジスト膜を概略的に示す二酸化シリコンウエハーの垂直断面図である。格子柄を概略的に示す二酸化シリコンウエハーの垂直断面図である。格子柄上の金属膜を概略的に示す二酸化シリコンウエハーの垂直断面図である。金属膜上の誘電体層を概略的に示す二酸化シリコンウエハーの垂直断面図である。凹凸パターンを象るレジスト膜を概略的に示す二酸化シリコンウエハーの部分斜視図である。凹凸パターンを概略的に示す二酸化シリコンウエハーの部分斜視図である。標的分子検出装置の構成を概略的に示す概念図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（１）センサーチップの構造
図１は本発明の一実施形態に係るセンサーチップ１１を概略的に示す。このセンサーチップ１１は基体１２を備える。基体１２は例えば誘電体材料から形成される。誘電体材料には例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）のほか樹脂材といった成型材料が使用されることができる。樹脂材にはポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ樹脂）といったアクリル樹脂が含まれることができる。

基体１２の表面には格子柄１３が形成される。格子柄１３は第１方向ＦＤに延びる複数の長尺片１４を有する。長尺片１４は第１方向ＦＤに交差する第２方向ＳＤに等ピッチで配列される。ここでは、基体１２の表面を含む仮想平面内で第１方向ＦＤおよび第２方向ＳＤが交差する交差角は９０度に設定される。

基体１２の表面には金属膜１５が積層される。基体１２の格子柄１３は金属膜１５で覆われる。金属膜１５は金属から形成される。金属膜１５は例えば金（Ａｕ）から形成されることができる。その他、金属には銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）またはルテニウム（Ｒｕ）が用いられてもよい。これらは、単体で用いられてもよく、異種金属層の積層体として用いられてもよく、合金として用いられてもよい。金属膜１５は例えば基体１２の表面に一面に途切れなく形成されることができる。金属膜１５は均一な膜厚で形成されることができる。金属膜１５の膜厚は例えば２０ｎｍ程度に設定されることができる。

金属膜１５は基体１２の格子柄１３に倣って金属格子１６を形成する。金属格子１６は第１方向ＦＤに延びる複数の金属長尺片１７を有する。金属長尺片１７は第２方向ＳＤに第１ピッチＰＣで配列される。第１ピッチＰＣは励起光の波長よりも短い。金属長尺片１７同士は等間隔で配置されることができる。こうした金属格子１６の形成にあたって基体１２は金属材料から形成されることができ金属膜１５と基体１２とは一塊として形成されることができる。

金属膜１５の表面には誘電体層１８が積層される。金属膜１５の表面は誘電体層１８で覆われる。誘電体層１８は誘電体から形成される。誘電体層１８は例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から形成されることができる。誘電体層１８は例えば金属膜１５の表面に一面に途切れなく形成されることができる。誘電体層１８は均一な膜厚で形成されることができる。

誘電体層１８は第２方向ＳＤに延びる線状の凹凸パターン１９を形成する。凹凸パターン１９は第２方向ＳＤに相互に並列に延びる複数の誘電体長尺片２１を有する。誘電体長尺片２１は金属格子１６の表面に平行な基準平面２２上に配置される。誘電体長尺片２１は第１方向ＦＤに第２ピッチＣＨで配列される。第２ピッチＣＨは第１ピッチＰＣより小さい。誘電体長尺片２１同士は等間隔で配置されることができる。ここでは、凹凸パターン１９は、金属長尺片１７上に誘電体長尺片２１を配列するだけでなく、金属長尺片１７同士の間（いわゆる溝）に金属長尺片２１を配列する。

誘電体層１８の表面には金属ナノ体２３が配置される。金属ナノ体２３は、例えば誘電体層１８の表面に分散する金属ナノ粒子で構成される。金属ナノ粒子はいわゆるアイランド構造で形成される。金属ナノ体２３は金属から形成される。金属ナノ体２３は例えば銀（Ａｇ）から形成されることができる。その他、金属には金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）またはルテニウム（Ｒｕ）が用いられてもよい。これらは、単体で用いられてもよく、異種金属層の積層体として用いられてもよく、合金として用いられてもよい。金属ナノ体２３は、金属長尺片１７上で誘電体長尺片２１上に配列されるとともに誘電体長尺片２１同士の間（溝）にも配列され、金属長尺片１７同士の間で誘電体長尺片２１上に配列されるとともに誘電体長尺片２１同士の間（溝）にも配列される。

センサーチップ１１に励起光が照射されると、励起光の働きで金属ナノ体２３では局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が引き起こされる。隣接する金属ナノ体２３同士の間で増強電場が形成される。金属ナノ体２３の表面で近接場光が生成される。金属ナノ体２３は線状の凹凸パターン１９に沿って配列されることから、第１方向ＦＤに平行な偏光成分に基づき増強電場は強化されることができる。同時に、第１方向ＦＤに平行な偏光成分は金属格子１６の働きで回折光に変換される。回折光は金属格子１６の表面で伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）を引き起こす。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強される。金属ナノ体２３の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。

センサーチップ１１では金属格子１６の金属長尺片１７は第１方向ＦＤに延びる。凹凸パターン１９の誘電体長尺片２１は第２方向ＳＤに延びる。第１方向ＦＤおよび第２方向ＳＤは相互に直交する。したがって、１つの偏光成分で金属ナノ体２３の局在表面プラズモン共鳴は最大限に増強されるとともに金属格子１６の伝播表面プラズモン共鳴は最大限に増強されることができる。直線偏光の励起光で効率的に表面プラズモン共鳴は増強されることができる。

金属ナノ体２３はアイランド構造の金属ナノ粒子で構成される。金属ナノ粒子は単純な金属材料の堆積や熱処理に基づき比較的に少ない作業工程で形成されることができる。こうした金属ナノ粒子の採用はセンサーチップ１１の製造の簡素化に貢献することができる。金属ナノ体２３には金属ナノ粒子に代えて金属ナノ突起が用いられることができる。金属ナノ突起は誘電体層１８の表面に規則的に配置されることができる。こうした金属ナノ突起の形成にあたって例えばフォトリソグラフィ技術が利用されることができる。

センサーチップ１１では誘電体長尺片２１の第２ピッチＣＨは金属長尺片１７の第１ピッチＰＣよりも小さい。その結果、金属ナノ体２３の集合体の光学異方性は確実に第２方向ＳＤに合わせ込まれることができる。例えば誘電体長尺片２１に１列に金属ナノ体２３が配列される場合には、第２ピッチＣＨは最小値をとることができる。このとき、金属ナノ体２３の集合体の光学異方性は最大限に高められる。特定の偏光で表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）は達成されることができる。反対に、第２ピッチＣＨの大きさが第１ピッチＰＣに近づけば近づくほど、金属ナノ体２３の集合体の光学異方性は弱められる。

図２は金属表面に励起される表面プラズモンの分散関係を示す。誘電関数ε（ω）を持つ金属と、誘導関数ε_ｍ（ω）を持つ媒質との界面を伝播する表面プラズモンの分散関係は次式で与えられる。

ここで、ωは角周波数であり、ｋ_ｓｐｐは金属および媒質の界面に沿って伝播する表面プラズモンの波数ベクトルの大きさであり、ｃは光速である。その一方で、入射角θで入射した光、および金属格子１６によって回折した光の分散関係は次式で与えられる。

入射光の波数ベクトルの大きさｋ_０はｋ_ｓｐｐに比べて常に大きく２つの分散曲線は交点を持たないことから、入射光は直接に表面プラズモンを励起することはできない。ｎ次回折光の波数ベクトルの大きさｋ_ｎはｋ_ｓｐｐの分散曲線と交点を持つことから、ｎ次回折光は表面プラズモンを励起することができる。交点を持つときの金属格子１６の第１ピッチＰＣは光の波長λより常に小さい。したがって、金属格子１６の周期は入射光の波長に比べて常に小さい。

（２）センサーチップの検証
本発明者は金属格子１６の表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）スペクトルを観察した。観察にあたって金属長尺片１７の第１ピッチＰＣは５００ｎｍに設定された。誘電体層１８および金属ナノ体２３の形成は省略された。したがって、金属格子１６は直接に励起光に曝された。励起光６３３ｎｍの波長を有する励起光が用いられた。光源にはＨｅ−Ｎｅレーザーが用いられた。直線偏光ビームがセンサーチップに照射された。試料にはアデニン分子が用いられた。図３に示されるように、アデニン分子に固有の信号ピークすなわち波数７３０ｃｍ^−１が観察された。ここで、金属格子１６に直交する方向（第２方向ＳＤに平行な方向）ＴＭの直線偏光でアデニン分子を示す急峻なピークが観察された。強いラマン増強が確認された。これに対し、金属格子１６に平行な方向（第１方向ＦＤに平行な方向）ＴＥの直線偏光ではほとんどピークは観察されなかった。これは、金属格子１６に直交する偏光成分に対して回折が生じ、表面プラズモン共鳴が励起されたことに起因する。

次に本発明者はアイランド構造の金属ナノ粒子の透過率特性を観察した。金属ナノ粒子には銀ナノ粒子が用いられた。観察にあたって線状の凹凸パターン１９が形成された。誘電体長尺片２１の第２ピッチＣＨは１４０ｎｍに設定された。図４に示されるように、線状の凹凸パターン１９に直交する方向（第１方向ＦＤに平行な方向）ＴＭの直線偏光に比べて、線状の凹凸パターン１９に平行な方向（第２方向ＳＤに平行な方向）ＴＥの直線偏光で低い透過率が観察された。これは、第２方向ＳＤの偏光成分で銀ナノ粒子において局在表面プラズモン共鳴が励起され、光吸収が生じたことに起因する。したがって、線状の凹凸パターン１９に直交する方向ＴＭよりも線状の凹凸パターン１９に平行な方向ＴＥで増強電場はより強められることが確認された。図５に示されるように、１４０ｎｍの第２ピッチＣＨで線状の誘電体長尺片２１だけが形成され、銀ナノ粒子の形成が省略されると、偏光方向ＴＭ、ＴＥに対して光学異方性はほとんど観察されなかった。

次に本発明者は銀ナノ粒子のＳＥＲＳスペクトルを観察した。観察にあたって銀ナノ粒子は線状の凹凸パターン１９上に形成された。誘電体長尺片２１の第２ピッチＣＨは１４０ｎｍに設定された。励起光６３３ｎｍの波長を有する励起光が用いられた。光源にはＨｅ−Ｎｅレーザーが用いられた。直線偏光ビームがセンサーチップに照射された。試料にはアデニン分子が用いられた。図６に示されるように、アデニン分子に固有の信号ピークすなわち波数７３０ｃｍ^−１が観察された。ここで、凹凸パターン１９に直交する方向（第１方向ＦＤに平行な方向）ＴＭの直線偏光でアデニン分子を示す急峻なピークが観察された。強いラマン増強が確認された。これに対し、凹凸パターン１９に平行な方向（第２方向ＳＤに平行な方向）ＴＥの直線偏光ではほとんどピークは観察されなかった。こうして線状の凹凸パターン１９に直交する方向ＴＭよりも線状の凹凸パターン１９に平行な方向ＴＥで増強電場はより強められることが確認された。

続いて本発明者は金属長尺片１７の高さと光の反射率との関係を観察した。観察にあたって金属格子１６が形成された。金属長尺片１７の第１ピッチＰＣは５００ｎｍに設定された。誘電体層１８および金属ナノ体２３の形成は省略された。したがって、金属格子１６は直接に励起光に曝された。反射率の落ち込みは表面プラズモン共鳴の励起を示す。図７に示されるように、金属長尺片１７の高さが３０〜６０ｎｍに設定されると、反射率の十分な落ち込みが観察された。金属長尺片１７の高さが４０ｎｍに設定されると、光は最大限に表面プラズモン共鳴に利用されることが確認された。金属長尺片１７の高さに応じて表面プラズモン共鳴に最適な波長はシフトすることが確認された。

続いて本発明者は誘電体層１８の膜厚と電場増強度との関係を観察した。観察にあたって平らな銀膜上に誘電体層１８すなわち酸化シリコン層が形成された。酸化シリコン層の表面に島状構造の銀ナノ粒子が形成された。銀ナノ粒子が励起光に曝された。励起光６３３ｎｍの波長を有する励起光が用いられた。光源にはＨｅ−Ｎｅレーザーが用いられた。直線偏光ビームがセンサーチップに照射された。試料にはアデニン分子が用いられた。図８に示されるように、酸化シリコン層の膜厚が２０〜４０ｎｍ程度に設定されると，最大限に電場強度が強められることが確認された。

（３）センサーチップの製造方法
次にセンサーチップ１１の製造方法を簡単に説明する。図９に示されるように、二酸化シリコンウエハー２６の表面にレジスト膜２７で格子柄１３のパターンが形成される。こうしたパターンの形成にあたって二酸化シリコンウエハー２６の表面には一面にフォトレジストが塗布される。フォトレジストにレーザー干渉露光が実施される。露光後にフォトレジストは現像される。こうして長尺片１４を象ったレジスト膜２７が形成される。

図１０に示されるように、続いて二酸化シリコンウエハー２６の表面にエッチング処理が施される。レジスト膜２７はマスクとして機能する。レジスト膜２７の周囲で二酸化シリコンウエハー２６の表面はエッチングされる。その結果、二酸化シリコンウエハー２６の表面に格子柄１３が形成される。格子柄１３の形成後、レジスト膜２７は除去される。

図１１に示されるように、二酸化シリコンウエハー２６の表面に金属膜１５が形成される。例えば金のスパッタリングが実施される。金属膜１５は例えば格子柄１３上に一律な膜厚で形成される。その結果、金属膜１５は格子柄１３に倣って金属格子１６を形成する。

図１２に示されるように、金属膜１５の表面には誘電体層１８が形成される。誘電体層１８の形成にあたって例えば二酸化シリコンのスパッタリングが用いられることができる。誘電体層１８は一律な膜厚で形成される。その結果、誘電体層１８は金属格子１６に倣って格子柄を形成する。

図１３に示されるように、誘電体層１８の表面にレジスト膜２８で凹凸パターン１９の縞模様が形成される。こうしたレジスト膜２８の形成にあたって誘電体層１８の表面には一面にフォトレジストが塗布される。フォトレジストにレーザー干渉露光が実施される。露光後にフォトレジストは現像される。こうして誘電体長尺片２１を象ったレジスト膜２８は形成される。

図１４に示されるように、誘電体層１８にはエッチング処理が施される。レジスト膜２８はマスクとして機能する。レジスト膜２８の周囲で誘電体層１８の表面はエッチングされる。その結果、誘電体層１８の表面に凹凸パターン１９が形成される。凹凸パターン１９の形成後、レジスト膜２８は除去される。その後、誘電体層１８の表面にアイランド構造の銀ナノ粒子が形成される。銀の真空加熱蒸着が実施される。銀ナノ粒子の形成後、二酸化シリコンウエハー２６から個々のセンサーチップ１１は切り出される。

（４）一実施形態に係る検出装置
図１５は一実施形態に係る標的分子検出装置（検出装置）３１を概略的に示す。標的分子検出装置３１はセンサーカートリッジ３２を備える。センサーカートリッジ３２には導入通路３３と排出通路３４とが個別に接続される。導入通路３３からセンサーカートリッジ３２に気体は導入される。センサーカートリッジ３２から排出通路３４に気体は排出される。導入通路３３の通路入口３５にはフィルター３６が設置される。フィルター３６は例えば気体中の塵埃や水蒸気を除去することができる。排出通路３４の通路出口３７には吸引ユニット３８が設置される。吸引ユニット３８は送風ファンで構成される。送風ファンの作動に応じて気体は導入通路３３、センサーカートリッジ３２および排出通路３４を順番に流通する。こうした気体の流通経路内でセンサーカートリッジ３２の前後にはシャッター（図示されず）が設置される。シャッターの開閉に応じてセンサーカートリッジ３２内に気体は閉じ込められることができる。センサーカートリッジ３２は例えば導入通路３３および排出通路３４に着脱自在に装着されることができる。

標的分子検出装置３１はラマン散乱光検出ユニット４１を備える。ラマン散乱光検出ユニット４１は、センサーカートリッジ３２に励起光を照射しラマン散乱光を検出する。ラマン散乱光検出ユニット４１には光源４２が組み込まれる。光源４２にはレーザー光源が用いられることができる。レーザー光源は特定波長（単一波長）で直線偏光のレーザー光を放射することができる。

ラマン散乱光検出ユニット４１は受光素子４３を備える。受光素子４３は例えば光の強度を検出することができる。受光素子４３は光の強度に応じて検出電流を出力することができる。したがって、受光素子４３から出力される電流の大きさに応じて光の強度は特定されることができる。

光源４２とセンサーカートリッジ３２との間、および、センサーカートリッジ３２と受光素子４３との間には光学系４４が構築される。光学系４４は光源４２とセンサーカートリッジ３２との間に光路を形成すると同時にセンサーカートリッジ３２と受光素子４３との間に光路を形成する。光学系４４の働きで光源４２の光はセンサーカートリッジ３２に導かれる。センサーカートリッジ３２の反射光は光学系４４の働きで受光素子４３に導かれる。

光学系４４はコリメーターレンズ４５、ダイクロイックミラー４６、対物レンズ４７、集光レンズ４８、凹レンズ４９、光学フィルター５１および分光器５２を備える。ダイクロイックミラー４６は例えばセンサーカートリッジ３２と受光素子４３との間に配置される。対物レンズ４７はダイクロイックミラー４６とセンサーカートリッジ３２との間に配置される。対物レンズ４７はダイクロイックミラー４６から供給される平行光を集光してセンサーカートリッジ３２に導く。センサーカートリッジ３２の反射光は対物レンズ４７で平行光に変換されダイクロイックミラー４６を透過する。ダイクロイックミラー４６と受光素子４３との間には集光レンズ４８、凹レンズ４９、光学フィルター５１および分光器５２が配置される。対物レンズ４７、集光レンズ４８および凹レンズ４９の光軸は同軸に合わせ込まれる。集光レンズ４８で集光された光は凹レンズ４９で再び平行光に変換される。光学フィルター５１はレイリー散乱光を除去する。ラマン散乱光は光学フィルター５１を通過する。分光器５２は例えば特定波長の光を選択的に透過させる。こうして受光素子４３では特定波長ごとに光の強度が検出される。分光器５２には例えばエタロンが用いられることができる。

光源４２の光軸は対物レンズ４７および集光レンズ４８の光軸に直交する。ダイクロイックミラー４６の表面はこれら光軸に４５度の角度で交差する。ダイクロイックミラー４６と光源４２との間にはコリメーターレンズ４５が配置される。こうしてコリメーターレンズ４５は光源４２に向き合わせられる。コリメーターレンズ４５の光軸は光源４２の光軸に同軸に合わせ込まれる。

標的分子検出装置３１は制御ユニット５３を備える。制御ユニット５３に、光源４２、分光器５２、受光素子４３、吸引ユニット３８、その他の機器が接続される。制御ユニット５３は、光源４２、分光器５２および吸引ユニット３８の動作を制御するとともに、受光素子４３の出力信号を処理する。制御ユニット５３には信号コネクター５４が接続される。制御ユニット５３は信号コネクター５４を通じて外部と信号をやりとりすることができる。

標的分子検出装置３１は電源ユニット５５を備える。電源ユニット５５は制御ユニット５３に接続される。電源ユニット５５は制御ユニット５３に動作電力を供給する。制御ユニット５３は電源ユニット５５から電力の供給を受けて動作することができる。電源ユニット５５には例えば１次電池や２次電池が用いられることができる。２次電池は、例えば、充電用の電源コネクター５６を有することができる。

制御ユニット５３は信号処理制御部を備える。信号処理制御部は例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）やＲＯＭ（リードオンリーメモリー）といった記憶回路で構成されることができる。ＲＯＭには例えば処理プログラムやスペクトルデータが格納されることができる。スペクトルデータでは標的分子のラマン散乱光のスペクトルが特定される。ＣＰＵは、一時的にＲＡＭに処理プログラムやスペクトルデータを取り込みながら、処理プログラムを実行する。ＣＰＵは、スペクトルデータに、分光器および受光素子の働きで特定される光のスペクトルを照らし合わせる。

センサーカートリッジ３２は筐体５８を備える。筐体５８は検出室５９を区画する。検出室５９は一端で導入通路３３に接続され他端で排出通路３４に接続される。筐体５８にセンサーチップ１１が組み込まれる。基体１２の表面は検出室５９の空間に接する。光源４２から放出される光はコリメーターレンズ４５で平行光に変換される。直線偏光の光はダイクロイックミラー４６で反射する。反射した光は対物レンズ４７で集光されてセンサーカートリッジ３２に照射される。このとき、光はセンサーチップ１１の表面に直交する垂直方向に入射することができる。いわゆる垂直入射が確立されることができる。光の偏光面は線状の凹凸パターン１９（第２方向ＳＤ）に平行に合わせ込まれる。照射された光の働きで金属ナノ体２３では局在表面プラズモン共鳴が引き起こされる。金属ナノ体２３同士の間で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。

このとき、ホットスポットで金属ナノ体２３に標的分子が付着すると、標的分子からレイリー散乱光およびラマン散乱光が生成される。いわゆる表面増強ラマン散乱が実現される。その結果、標的分子の種類に応じたスペクトルで光は対物レンズ４７に向かって放出される。

こうしてセンサーカートリッジ３２から放出される光は対物レンズ４７で平行光に変換されダイクロイックミラー４６、集光レンズ４８、凹レンズ４９および光学フィルター５１を通過する。ラマン散乱光は分光器５２に入射する。分光器５２はラマン散乱光を分光する。こうして特定の波長ごとに受光素子４３は光の強度を検出する。光のスペクトルはスペクトルデータに照らし合わせられる。光のスペクトルに応じて標的分子は検出されることができる。こうして標的分子検出装置３１は表面増強ラマン散乱に基づき例えばアデノウィルスやライノウィルス、ＨＩＶウィルス、インフルエンザウィルスといった標的物質を検出することができる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、センサーチップ１１や標的物質検出装置３１等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。

１１センサーチップ、１２基体、１６金属格子、１７金属長尺片、１８誘電体層、１９凹凸パターン、２１誘電体長尺片、２２基準面（基準平面）、２３金属ナノ体、３１検出装置（標的物質検出装置）、３２センサーカートリッジ、５９検出室、ＦＤ第１方向、ＳＤ第２方向、ＰＣピッチ（第１ピッチ）。

Claims

第１方向に延びる複数の金属長尺片を励起光の波長よりも短いピッチで配列する金属格子と、
前記金属格子の表面を覆い、前記第１方向に交差する第２方向に延びる線状の凹凸パターンを形成する誘電体層と、
前記誘電体層の表面に配置される金属ナノ体と、
を備えることを特徴とするセンサーチップ。
請求項１に記載のセンサーチップにおいて、前記第１方向および前記第２方向が交差する交差角は９０度に設定されることを特徴とするセンサーチップ。
請求項１または２に記載のセンサーチップにおいて、前記金属ナノ体は、前記誘電体層の表面に分散する金属ナノ粒子であることを特徴とするセンサーチップ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサーチップにおいて、前記凹凸パターンは、前記金属格子の表面に平行な基準平面上に配置されて相互に並列に延びる誘電体長尺片を備え、前記誘電体長尺片の配列のピッチは前記金属格子の前記ピッチよりも小さいことを特徴とするセンサーチップ。
検出室を区画する筐体と、
前記検出室の空間に接する表面を有する基体と、
前記基体の表面に配置されて、第１方向に延びる複数の金属長尺片を励起光の波長よりも短いピッチで配列する金属格子と、
前記金属格子の表面を覆い、前記第１方向に交差する第２方向に延びる線状の凹凸パターンを形成する誘電体層と、
前記誘電体層の表面に配置される金属ナノ体と
を備えることを特徴とするセンサーカートリッジ。
第１方向に延びる複数の金属長尺片を励起光の波長よりも短いピッチで配列する金属格子と、
前記金属格子の表面を覆い、前記第１方向に交差する第２方向に延びる線状の凹凸パターンを形成する誘電体層と、
前記誘電体層の表面に配置される金属ナノ体と
前記金属ナノ体に向けて光を放出する光源と、
前記光の照射に応じて前記金属ナノ体から放射される光を検出する光検出器と
を備えることを特徴とする検出装置。