JP2016505157A - 表面増強蛍光分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光増強要素を備えた表面増強蛍光分光装置の提供。【解決手段】一例によれば、３次元（３Ｄ）ナノ粒子アセンブリを形成する方法は、ナノ・フィンガーの各先端上に表面増強分光（ＳＥＳ）要素を堆積させることを含み、前記ナノ・フィンガーは互いに十分に近接して配置され、それによって、ナノ・フィンガーが部分的に傾倒されたときに、ナノ・フィンガーのうちの一群の隣り合うナノ・フィンガーの先端を互いに十分に近接した状態にすることを可能にし、前記先端上のＳＥＳ要素を１つに結合することを可能にする。本方法は、ナノ・フィンガーをナノ・フィンガーの隣り合うものに向けて部分的に傾倒させ、それによって、ナノ・フィンガーの各群の複数のＳＥＳ要素を互いに相対的に近接した状態にし、ＳＥＳ要素の各クラスタを形成するステップと、ＳＥＳ要素のクラスタ上に取り付けるように構成された別の粒子を導入するステップと、ナノ・フィンガーからＳＥＳ要素のクラスタを取り外すステップとをさらに含む。【選択図】図１Ａ

Description

背景
分光とは、エネルギーと物質との間の相互作用を広く意味し、化学的及び生物学的検知のような目的に使用されることがある。一般的な分光測定において、入射放射線（例えば、光子）は、特定の検体（すなわち、種、分子、化合物、生物学的若しくは非生物学的試料、又は、一般に、分析される物質）に差し向けられる。検体中の分子は、入射放射線を非弾性的に散乱させることがあり（ラマン散乱）、あるいは、当該分子は、入射光子を吸収する結果として、光子を放射することがある（発光、蛍光など）。

本開示の特徴は、例として示されるものであり、下記の図面（複数可）に制限されない。図面において、類似の符号は、類似の要素を示している。
本開示の一例による表面増強蛍光分光（ＳＥＦＳ）装置の略側面図である。 本開示の種々の例による表面増強分光（ＳＥＳ）要素のクラスタの種々の例示的構成を示す、例えば図１ＡのＥＦＳ装置の一部を上から見たような簡略図であり、この構成では、ＳＥＳ要素の間に蛍光増強要素が捕捉される場合がある。 本開示の種々の例による表面増強分光（ＳＥＳ）要素のクラスタの種々の例示的構成を示す、例えば図１ＡにおけるＳＥＦＳ装置の一部を上から見たような簡略図であり、この構成では、ＳＥＳ要素の間に蛍光増強要素が捕捉される場合がある。 本開示の一例によるＳＥＦＳ装置を形成する方法を示すフロー図である。 図３Ａは、ＳＥＦＳ装置の略等角図を示している。図３Ａは、図１Ａとともに、本開示の種々の例によるＳＥＦＳ装置の一製造工程を示している。 図３Ｂは、ラインＡ−Ａに沿って切断して見たときのＳＥＦＳ装置の略断面図を示している。図３Ｂは、図１Ａとともに、本開示の種々の例によるＳＥＦＳ装置の一製造工程を示している。 本開示の一例によるＳＥＦＳ装置の略側面図である。このＳＥＦＳ装置では、図１ＡのＳＥＳ要素の各クラスタにおいて、ＳＥＳ要素の間に、蛍光プローブ分子が捕捉される場合がある。 本開示の一例によるＳＥＦＳ装置の略側面図である。このＳＥＦＳ装置では、図１ＡのＳＥＳ要素の個々のクラスタにおいて、ＳＥＳ要素の間に、蛍光プローブ分子とターゲット分子の錯体を含む溶液が導入されている場合がある。 本開示の一例による、金属イオンと結合し、錯体を形成する非蛍光イオン指示薬の化学的構造を示す図である。 本開示の一例による、ＳＥＦＳ装置１００を示す略側面図であり、このＳＥＦＳ装置１００では、図１ＡのＳＥＳ要素の各クラスタにおけるＳＥＳ要素の間に、非蛍光イオン指示薬が捕捉されている場合がある。 本開示の一例による、ＳＥＦＳ装置の略側面図であり、このＳＥＦＳ装置では、図１ＡのＳＥＳ要素の各クラスタのＳＥＳ要素の間に、非蛍光イオン指示薬と金属イオンの錯体を含む溶液が導入される場合がある。 本開示の一例によるＳＥＦＳ装置の略側面図であり、このＳＥＦＳ装置では、図１Ａにおける蛍光増強要素の導入よりも前に、ＳＥＳ要素上にそれぞれ、金属酸化物層が形成される場合がある。

詳細な説明
単純化及び例示の目的で、本開示は、主としてその例を参照して説明される。下記の説明では、本開示を完全に理解してもらうために、多数の具体的詳細が説明される。しかしながら、本開示が、それらの具体的詳細なしに実施される場合があることは、容易に明らかになるであろう。他の例では、本開示を不必要に不明確にしないために、一部の方法及び構造は、説明されない場合がある。

本開示全体を通して、「ａ」及び「ａｎ」といった語は、特定の要素の少なくとも１つを指し示すことを意図している。本明細書において、「含む（include）」は、含むがそれに限定されないことを意味し、「含んでいる（including）」は、含んでいるがそれに限定されないことを意味している。「基づく」という語は、少なくとも部分的に基づくことを意味している。さらに、「光」という語は、電磁スペクトルの赤外部分、近赤外部分、及び紫外部分を含む、電磁スペクトルの可視部分及び非可視部分の波長を有する電磁放射線を意味している。

本明細書は、表面増強蛍光分光（ＳＥＦＳ）装置を形成する方法、及び当該方法の実施により形成されるＳＥＦＳ装置を開示している。本方法、及びＳＥＦＳ装置では、複数のナノ・フィンガーの個々の先端上に、複数の表面増強分光（ＳＥＳ）要素が堆積される場合があり、その場合、ナノ・フィンガーは、互いに十分に近接した状態で配置され、それによって、ナノ・フィンガーが部分的に傾倒されたときに、一群の隣り合うナノ・フィンガーの先端を互いに十分に近接した状態にすることが可能となり、先端上のＳＥＳ要素は、蛍光増強要素を捕捉することが可能となる。さらに、蛍光増強要素が、複数のＳＥＳ要素の間に導入される場合があり、一群の隣り合うナノ・フィンガーにおけるナノ・フィンガーは、互いに向けて部分的に傾倒される場合があり、それによって、一群のナノ・フィンガーの先端上の複数のＳＥＳ要素は互いに十分に近接した状態となり、複数のＳＥＳ要素の間に、蛍光増強要素のうちの１つの蛍光増強要素を捕捉する。

例えば統制のとれた態様での、ナノ・フィンガーの他のものに対するナノ・フィンガーの部分的傾倒によって、ナノ・フィンガーの様々な群の上に配置されたＳＥＳ要素は、十分に近接した状態にされる場合があり、それによって、それらのＳＥＳ要素は、ＳＥＳ要素の間に蛍光増強要素を捕捉することが可能となる場合がある。この点に関し、蛍光増強要素を捕捉するナノ・フィンガーの使用は、一般に、ＳＥＳ要素の種々の群を密集構成で配置することを可能にし、蛍光増強要素がＳＥＳ要素に十分に近接して配置され、ターゲット分子による蛍光放射を増強する可能性を向上させる場合がある。

本明細書に開示されるＳＥＦＳ装置の実施により得られる増強された蛍光分光は、化学的、及び／又は生物学的検体の検出において実施される場合がある。この点に関し、本明細書に開示されるＳＥＦＳ装置は、ターゲット検体によって（金属イオンのような）ラマン信号が散乱されない、又は、ターゲット検体が（比較的大きな分子重量の生物学的種のような）実質的に複雑なラマンピークを生成する、化学的及び／又は生物学的センサーにおいて実施される場合がある。さらに、ＳＥＳ要素の間には異なるタイプの蛍光増強要素が捕捉される場合があるので、蛍光増強要素としては、特定のタイプ、及び／又は特定の種の検体に対して高い選択性又は敏感性を有するものが選択される場合がある。換言すれば、ＳＥＦＳ装置において使用されるべき蛍光増強要素は、検出されるべき検体の特定のタイプ、及び／又は特定の種に基づいて選択される場合がある。

一例によれば、増強された蛍光分光処理の際にＳＥＳ要素を保護するために、金属酸化物層がＳＥＳ要素上に設けられる場合がある。金属酸化物層は、ナノ・フィンガーの部分的傾倒よりも前に、ＳＥＳ要素上に形成される場合がある。

一般に、蛍光とは、光又は他の電磁放射線を吸収した物質による光の放射として定義される場合があり、発光の一形態として理解される場合がある。大半の場合、放射光は、吸収される放射線に比べて長い波長、したがって低いエネルギーを有している。吸収される電磁放射線が比較的強い場合のような他の事例では、１つの電子が２つの光子を吸収する場合がある。この２つの光子の吸収は、吸収される放射線に比べて短い波長の放射線の放射をもたらす原因となる場合がある。さらに別の事例では、放射される放射線は、吸収される放射線と同じ波長のものである場合があり、これは、共鳴蛍光と呼ばれることがある。

図１Ａを参照すると、一例による、表面増強蛍光分光（ＳＥＦＳ）装置１００の略側面図が示されている。本明細書に開示されるＳＥＦＳ装置１００の範囲から外れることなく、図１Ａに示されているＳＥＦＳ装置１００は、他のコンポーネントを含む場合があり、また、本明細書に記載されるコンポーネントの一部は、取り除かれ、及び／又は、変更が加えられる場合があるものと理解すべきである。また、図１Ａに示したコンポーネントは、実寸どおりに描かれていない場合があり、したがって、それらのコンポーネントは互いに、図示したものとは異なる相対的サイズを有する場合があるものと理解すべきである。

ＳＥＦＳ装置１００は、基板１０２と、基板１０２の表面の上に延びる複数のナノ・フィンガー１０４とを含む場合がある。図１Ａにおいて、ナノ・フィンガー１０４は、以下で詳しく説明されるように、ナノ・フィンガー１０４の互いに対する部分的傾倒の後の状態を示している場合がある。

ＳＥＦＳ装置１００は、ナノ・フィンガー１０４の先端１０８上に配置された複数の表面増強分光（ＳＥＳ）要素１０６をさらに含む場合がある。以下で説明されるように、ＳＥＳ要素１０６は、ナノ・フィンガー１０４が部分的に傾倒されるよりも前に、ナノ・フィンガー１０４の先端１０８上に配置される場合がある。その結果、ナノ・フィンガー１０８が互いに向けて部分的に傾倒するにしたがって、先端１０８上に配置されたＳＥＳ要素１０６もまた、相対的に近接した状態（例えば、ナノメートル未満の距離だけ離れた状態）となり、及び／又は、互いに接触した状態になる場合がある。互いに比較的近接した状態にある、及び／又は、接触した状態にあるＳＥＳ要素１０６は、ＳＥＳ要素１０６の個々のクラスタ１１０を成しているものとみなされる場合がある。一例によれば、金と金の結合、及び、ジチオール、ジミアン等のような分子の結合（図示せず）のいずれか一方または両方によって、クラスタ１１０内のＳＥＳ要素１０６を互いに結合させることを可能にするために、クラスタ１１０内のＳＥＳ要素１０６は、そのクラスタ１１０内の他のＳＥＳ要素１０６と十分に近接した状態にされる場合がある。

一般に、ＳＥＳ要素１０６は、ＳＥＳ要素１０６と接触した状態にある粒子、及び／又はＳＥＳ要素１０６と比較的近接した状態にある粒子によって、光の放射（例えば、ラマン散乱、蛍光、発光など）を増強し、ひいては、かかる粒子における表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）、増強されたフォトルミネッセンス、増強された蛍光発光等のような検知処理を向上させる要素である場合がある。ＳＥＳ要素１０６は、例えば、プラズモニック・ナノ粒子又はナノ構造を含む場合があり、プラズモニック・ナノ粒子又はナノ構造は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、及び同（Ｃｕ）のような、ただしそれらに限定されないプラズモン支持材料である場合がある。

ＳＥＳ要素１０６は、ナノスケールの表面粗さを有する場合があり、かかる表面粗さは一般に、プラズモン支持材料層（複数可）の堆積中に自然に生成されることがある、層（複数可）の表面におけるナノスケール表面形状によって特徴付けられる場合がある。本明細書における定義によれば、プラズモン支持材料は、分光中に、材料上に置かれた検体、又は材料の近くにある検体からの信号の分散、及び信号の生成若しくは放射を可能にする材料である場合がある。

一部の例において、ＳＥＳ要素１０６は、ターゲット分子の吸収を可能にする機能を有する場合がある。例えば、ＳＥＳ要素１０６の表面は、特定種類の検体をＳＥＳ要素に取り付け、又は、結合させ、若しくは優先的に吸収させることができるような機能を有する場合がある。特定の例として、ＳＥＳ要素１０６は、例えば、特定タイプの細胞、組織などに含まれる場合があるターゲット分子に取り付けることができる機能を有する場合がある。

次に、図１Ｂ及び図１Ｃを参照すると、種々の例によるＳＥＳ要素１０６のクラスタ１１０の種々の例示的構成を示す、例えば図１ＡのＳＥＦＳ装置１００の一部を上から見たような簡略図が示されており、この構成では、ＳＥＳ要素１０６の間に蛍光増強要素１１２が捕捉される場合がある。一般に、図１Ｂ及び図１Ｃに示されている図は、蛍光増強要素１１２の導入の後、ナノ・フィンガー１０４が図１Ａに示されているように部分的に傾倒された結果として起こり得る、ＳＥＳ要素１０６（及び、蛍光要素１１２）の配置の種々の例を示している。したがって、図１Ｂ及び図１Ｃに示した図は、単に例示の目的で提供されるものであり、本開示の例の範囲から外れることなく、任意数の代替構成が形成される場合があるものと理解すべきであり、代替構成は、図示したものとは異なる数のＳＥＳ要素１０６、及び／又は蛍光増強要素１１２を含む場合がある。

一般に、蛍光増強要素１１２は、化学的、及び／又は生物学的ターゲット分子の検出を増強することができる要素である場合がある。例えば、蛍光増強要素１１２は、蛍光要素１１２が捕捉されるＳＥＳ要素１０６のクラスタ１１０に比較的近接した状態にあるターゲット分子の蛍光を増強する要素である場合がある。他の例として、蛍光増強要素１１２は、それ自体が蛍光を増強するものではなく、他の粒子又は分子と結合したときに蛍光を増強する要素である場合がある。個別に蛍光を増強させることができ、及び／又は、他の粒子若しくは分子との結合によって蛍光を増強させることができる蛍光増強要素１１２の例は、本明細書において説明される。

蛍光増強要素１１２は、蛍光染料、蛍光プローブ、ターゲット分子と結合された蛍光分子、非蛍光イオン指示薬、金属イオンと結合された非蛍光イオン指示薬等のうちの何れであってもよい。いずれの場合も、蛍光要素１１２は、ナノ・フィンガー１０４の部分的傾倒よりも前にＳＥＳ要素１０６の間に導入される場合があり、それによって、ナノ・フィンガー１０４が部分的に傾倒した後、ＳＥＳ要素１０６の間に蛍光増強要素１１２を捕捉することが可能となる。さらに、蛍光増強要素１１２が要素の結合を含む例では、要素の１つが、ナノ・フィンガー１０４の部分的傾倒よりも前に導入され、要素の別の１つが、ナノ・フィンガー１０４の部分的傾倒の後に導入される場合がある。これらの例において、蛍光増強要素１１２は、要素が互いに結合されるまで、蛍光を増強しない場合がある。

まず、図１Ｂを参照すると、最初の図１２０は、クラスタ１１０の３つのＳＥＳ要素１０６の間に、１つの蛍光増強要素１１２が捕捉される場合がある例を示している。２番目の図１３０は、クラスタ１１０の３つのＳＥＳ要素１０６の各々の間に、３つの蛍光増強要素１１２が捕捉される場合がある例を示している。図１Ｃに示されてるように、最初の図１４０は、クラスタ１１０の５つのＳＥＳ要素１０６の間に、１つの蛍光増強要素１１２が捕捉される場合がある例を示している。また、２番目の図１４２は、クラスタ１１０の５つのＳＥＳ要素１０６の間に、５つの蛍光増強要素１１２が捕捉される場合がある例を示している。図１Ｂ及び図１Ｃには示されていないが、蛍光増強要素１１２は、クラスタ１１０の全部ではなく一部のＳＥＳ要素１０６の間に捕捉される場合がある。追加及び／又は代替として、クラスタ１１０の一部のＳＥＳ要素１０６は、金と金の結合、及び／又は、分子の結合（図示せず）によって、互いに結合される場合がある。

次に図２を参照すると、一例による、ＳＥＦＳ装置１００を形成するための方法２００を示すフロー図が示されている。図２に示されている方法２００は、方法２００の範囲から外れることなく、他の処理を含む場合があり、また、記載された処理の一部が取り除かれ、及び／又は、変更が加えられる場合があるものと理解すべきである。方法２００に関して実施される場合がある種々の他の処理の例は、以下に提供される。

ブロック２０２では、複数のＳＥＳ要素１０６が、複数のナノ・フィンガー１０４の先端１０８上に堆積される場合があり、その場合、複数のナノ・フィンガー１０４は、基板１０２から延びていて、かつ互いに十分に近接した状態で配置される場合があり、それによって、ナノ・フィンガー１０４が部分的に傾倒されたときに、一群の隣り合うナノ・フィンガー１０４の先端１０８を互いに十分に近接した状態にすることが可能となり、先端１０８上のＳＥＳ要素１０６は、蛍光増強要素１１２を捕捉することが可能となる。すなわち、一群のナノ・フィンガー１０４における複数のナノ・フィンガー１０４は、互いに十分に近接した状態で配置される場合があり、それによって、一群のナノ・フィンガーにおけるナノ・フィンガー１０４が部分的に傾倒されたときに、それらのナノ・フィンガー１０４の先端１０８上のＳＥＳ要素１０６は、ＳＥＳ要素１０６の間に蛍光増強要素１１２を捕捉することが可能となる。例として、一群のナノ・フィンガー１０４は、各群のナノ・フィンガー１０４上のＳＥＳ要素１０６が約１ナノメートル未満の間隔で配置されることになるように、十分に近接した状態で配置される場合がある。

ブロック２０４では、蛍光増強要素１１２が、ＳＥＳ要素１０６の間に導入される場合がある。一例によれば、蛍光増強要素１１２は、溶液に含まれる場合があり、溶液は、基板１０２、ナノ・フィンガー１０４、及びＳＥＳ要素１０６の上に設けられる場合がある。他の例として、基板１０２、ナノ・フィンガー１０４、及びＳＥＳ要素１０６は、例えば、蛍光増強要素１１２を含む溶液の中に提供され、例えば浸される場合がある。

ブロック２０６では、一群の隣り合うナノ・フィンガー１０４におけるナノ・フィンガー１０４が、互いに向けて部分的に傾倒される場合があり、それによって、一群のナノ・フィンガー１０４の先端１０８上の複数のＳＥＳ要素１０６は、互いに十分に近接した状態（例えば、約１ナノメートル未満）となり、複数のＳＥＳ要素１０６の間に、蛍光増強要素１１２のうちの１つの蛍光増強要素１１２を捕捉する。本明細書に記載されるように、ナノ・フィンガー１０４は、各群におけるナノ・フィンガー１０４が互いに向けて部分的に傾倒されるような形で（したがって、他の群のナノ・フィンガー１０４に向けて部分的に傾倒されないような形で）、基板１０２上に作成される場合がある。同様に本明細書に記載されるように、ナノ・フィンガー１０４は、ナノ・フィンガー１０４間に対する流体の導入及び除去によって、互いに向けて部分的に傾倒される場合がある。

図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、ＳＥＦＳ装置１００の等角図、及び、図３ＡのラインＡ−Ａに沿って切断して見たときのＳＥＦＳ装置１００の断面図が、それぞれ示されている。図３Ａ、及び図３Ｂは、図１Ａとともに、一例による、ＳＥＦＳ装置１００の種々の製造工程を示している。したがって、この点に関し、図１Ａ、図３Ａ及び図３Ｂの図は、方法２００において実施される処理を、それらの処理に対する多少の変更とともに示している場合がある。本明細書に開示されるＳＥＦＳ装置１００の範囲から外れることなく、図３Ａ及び図３Ｂに示されたＳＥＦＳ装置１００は、他のコンポーネントを含む場合があり、また、本明細書に記載されるコンポーネントの一部は、取り除かれ、及び／又は変更が加えれる場合があるものと理解すべきである。また、図３Ａ及び図３Ｂに示されたコンポーネントは、実寸どおりに描かれておらず、したがって、それらのコンポーネントは、各々に関して、図示したものとは異なる相対的サイズを有する場合があるものと理解すべきである。

図３Ａ及び図３Ｂに示されているＳＥＦＳ装置１００は、図１Ａに示されているものと同じ機能を有する場合がある。図３Ａに示されているＳＥＦＳ装置１００は、図３Ａに示されているＳＥＦＳ装置１００のナノ・フィンガー１０４は事前傾倒状態にある場合がある点で、図１Ａに示されているＳＥＦＳ装置１００とは異なる場合がある。この点に関し、図３Ａは、図２Ａのブロック２０２の後のＳＥＦＳ装置１００を示している場合があり、図２Ａのブロック２０２では、ナノ・フィンガー１０４の先端１０８上にＳＥＳ要素１０６が堆積される場合がある。

基板１０２は、ケイ素、窒化ケイ素、ガラス、石英、サファイア、ダイヤモンド、ダイヤモンド・ライク・カーボン、プラスチック、ポリマー、ケイ素酸化物（ＳｉＯ_２）、アルミニウム酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）、アルミニウム、それらの材料の組み合わせ等のような材料から形成される場合がある。基板１０２は、シート、ウェーハ、薄膜、及びウェブからなる一群の中から選択された形態を有する場合がある。例えば、基板１０２は、ウェブの形態を有する場合があり、基板１０２は、ロール・ツー・ロール製造プロセスにおける材料のロールのようなフィードストックとして使用される場合がある。別の例として、基板１０２は、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、又は何らかの他の適当な高分子プラスチックのようなプラスチック材料からなる可撓性ポリマーフィルムの形態を有する場合がある。したがって、一例によれば、基板１０２は、半導体ウェーハのような剛性のものである場合もあれば、ウェブのように可撓性のものである場合もがある。

ナノ・フィンガー１０４は、ナノメートル範囲の寸法を有する場合があり、例えば、約５００ｎｍ未満の寸法を有する場合があり、比較的柔軟な材料から形成される場合があり、及び／又は、比較的高いアスペクト比を有する場合があり、その結果、例えば、ナノ・フィンガー１０４を横方向に曲げること、すなわち、傾倒させることが可能となり、例えば、ナノ・フィンガー１０４の先端を図１Ａに示されているように互いに対して相対的に近接した状態にすることが可能となる。例えば、ナノ・フィンガー１０４が部分的に傾倒されたとき、互いに近接した状態となるナノ・フィンガー１０４の先端は、先端間に、１ナノメートル未満のサイズのギャップを有する場合がある。ナノ・フィンガー１０４のための適当な材料の例には、ＵＶ硬化可能又は熱硬化可能なインプリンティング・レジスト、ポリアクリル酸アルキル、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）エラストマー、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、フッ素ポリマーなど、又はそれらの任意の組み合わせのようなポリマー材料、金、銀、アルミニウム等のような金属材料、半導体材料等、及び、それらの組み合わせが含まれ得る。

ナノ・フィンガー１０４は、任意の適当な取り付け手段によって、基板１０２の表面に取り付けることができる。例えば、ナノ・フィンガー１０４は、種々の適当なナノ構造成長技術のうちの任意の実施形態を使用して、基板１０２の表面上に直接成長される場合がある。別の例として、ナノ・フィンガー１０４は、基板１０２と一体的に形成される場合がある。この例では、例えば、基板１０２を製造する元になる材料の一部をエッチングし、又は他の加工を施すことにより、ナノ・フィンガー１０４が形成される場合がある。さらに別の例では、独立した材料の層を基板１０２の表面に接着し、独立した材料の層をエッチングし、又は他の加工を施すことにより、ナノ・フィンガー１０４が形成される場合がある。種々の例において、ナノ・フィンガー１０４は、ナノ・インプリンティング又はエンボス・プロセスによって製造される場合があり、その場合、ポリマー・マトリックスに対する多工程インプリンティングプロセスにおいて、比較的硬い複数の柱からなるテンプレートを使用して、ナノ・フィンガー１０４が形成される場合がある。こうした例では、テンプレートは、ナノ・フィンガー１０４を所定の構成で配置するための所望のパターンを使用して、フォトリソグラフィ又は他の進んだリソグラフィ技術により形成される場合がある。より具体的には、例えば、所望のパターンは、電子ビームリソグラフィ、集束イオンビーム（ＦＩＢ）リソグラフィ、球の自己組織化などのうちの任意のものによってモールド上にデザインされる場合がある。さらに、パターンは、他の基板上に転写される場合があり、例えば、ケイ素、ガラス、又はポリマー基板（ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリイミド、ポリカーボネートなど）に転写される場合がある。エッチングのような種々の他のプロセス、並びに、電気機械システム（ＭＥＭＳ）及びナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）の製造において使用される種々の技術もまた、ナノ・フィンガー１０４を製造するために使用される場合がある。

ナノ・フィンガー１０４は、実質的にランダムな分布で配置される場合もあれば、又は、ナノ・フィンガー１０４は、所定の構成を成すように配置される場合もある。いずれに関しても、一例によれば、ナノ・フィンガー１０４は互いに対して、ナノ・フィンガー１０４が部分的に傾倒した状態になったときに、少なくとも２つの隣り合うナノ・フィンガー１０４を互いに近接した状態にすることができるように配置される場合がある。特定の例として、隣り合うナノ・フィンガー１０４は、約１００ナノメートル未満の距離だけ互いに離して配置される場合がある。特定の例によれば、ナノ・フィンガー１０４は、ナノ・フィンガー１０４のうちの隣り合うものが優先的に部分的に傾倒し、所定の形状、例えば、三角形、正方形、五角形などを形成するように、基板１０２上にパターニングされる場合がある。

次に、図３Ｂを参照すると、一例による、図３ＡのラインＡ−Ａに沿って切断して見たときの装置１００の断面図が示されている。図面に示されているように、ナノ・フィンガー１０４の先端１０８はそれぞれ、その上に配置された個々のＳＥＳ要素１０６を含む場合がある。ＳＥＳ要素１０６は、以下で説明されるように金属ナノ粒子を含む場合があり、例えば、金属材料の物理蒸着（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）、化学蒸着（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）、スパッタリング等、又は、事前合成されたナノ粒子の自己組織化のうちの１つによって、ナノ・フィンガー１０４の先端１０８上に堆積される場合がある。

図３Ａ及び図３Ｂにおいて、ナノ・フィンガー１０４はそれぞれ、垂直に延び、互いに同じ高さを有しているように描かれているが、ナノ・フィンガー１０４の一部は、互いに種々の角度及び高さで延びている場合もある。ナノ・フィンガー１０４間における角度及び／又は高さの違いは、例えば、ナノ・フィンガー１０４の製造の際、及び、ナノ・フィンガー１０４上へのＳＥＳ要素１０６の堆積の際における製造ばらつき又は成長ばらつき等から生じる違いに起因する場合がある。

図３Ａ及び図３Ｂに示されているように、ナノ・フィンガー１０４は、第１の位置にあり、この位置において、先端１０８は、互いに対して実質的に間隔を空けた構成を成し、例えば、先端１０８の間にギャップ１１４を有している。先端１０８の間のギャップ１１４は、蛍光増強要素１１２を含む液体又は溶液のような液体をギャップ１１４内に配置することが可能となるように、十分に大きなサイズのものである場合がある。また、ギャップ１１４は、ギャップ１１４に付与された液体が蒸発したときに、例えばナノ・フィンガー１０４に印加される毛管力又は微小毛管力によって、少なくとも一部のナノ・フィンガー１０４の先端１０８を互いに引き寄せることができるように、十分に小さいサイズのものである場合がある。この点に関し、図３Ｂは、図２のブロック２０４の後のＳＥＦＳ装置１００を示している場合があり、図２のブロック２０４では、ＳＥＳ要素１０６の間に蛍光要素１１２が導入される場合がある。さらに、液体又は溶液は、各クラスタ１１０におけるＳＥＳ要素１０６を互いに結合させる結合分子をさらに含む場合がある。

蛍光増強要素１１２を含む液体又は溶液の少なくとも部分的蒸発の後、ナノ・フィンガー１０４、ＳＥＳ要素１０６、及び蛍光増強要素１１２は、図１Ａに示されるような構成を有する場合がある。すなわち、蛍光増強要素１１２は、ＳＥＳ要素１０６の各クラスタ１１０のＳＥＳ要素の間に捕捉される場合がある。この点に関し、図３Ｃは、図２のブロック２０６の後のＳＥＦＳ装置１００を示している場合があり、図２のブロック２０６では、隣り合うナノ・フィンガーの各群におけるナノ・フィンガー１０４が、互いに向けて部分的に傾倒される場合があり、それによって、各群のナノ・フィンガーの先端上の複数のＳＥＳ要素は、互いに十分に近接した状態となり、複数のＳＥＳ要素間に、蛍光増強要素を捕捉する。

ナノ・フィンガー１０４は、実質的に円筒形の断面を有しているように描かれている。しかしながら、ナノ・フィンガー１０４は、他の形状の断面を有する場合もあり、例えば、矩形、正方形、三角形等のような断面を有する場合もあると理解すべきである。例として、ナノ・フィンガー１０４は、円錐構成を有する場合があり、その場合、基部は基板１０２に取り付けられ、先端は基板１０２から遠くに延びる。追加又は代替として、ナノ・フィンガー１０４は、ナノ・フィンガー１０４を実質的に特定の方向に傾けて傾倒させるための切り込み、隆起等のような特徴を有するように形成される場合がある。したがって、例えば、２以上の隣り合うナノ・フィンガー１０４は、ナノ・フィンガー１０４が互いに向けて傾倒する可能性を増加させるための特徴を含む場合がある。

特定の例によれば、２以上の隣り合うナノ・フィンガー１０４の群は、互いに向けて傾倒するような特徴を有する場合があり、又は互いに向けて傾倒するように製造される場合があり、それによって、ナノ・フィンガー１０４が部分的に傾倒されたときに、２以上の隣り合うナノ・フィンガー１０４の先端が互いに相対的に近接した状態となるように構成される場合がある。他の例において、ナノ・フィンガー１０４は、ナノ・フィンガー１０４の群が、群の外にあるナノ・フィンガー１０４に比べて相対的に近接した状態となるように、基板１０２上に配置される場合がある。この点に関し、ナノ・フィンガー１０４上に流体が導入され、その流体が蒸発したとき、各群のナノ・フィンガー１０４は、それらのナノ・フィンガーに印加される比較的大きな微細毛管力に起因して、互いに向けて傾倒される場合がある。ナノ・フィンガー１０４を部分的に傾倒させることが可能な種々の態様については、以下で詳細に説明される。

一例によれば、蛍光増強要素１１２は、蛍光染料である場合がある。この例では、溶液が蛍光染料を含んでいて、溶液は、図２のブロック２０４において、ＳＥＳ要素１０６の間に導入される場合がある。蛍光染料の例には、限定はしないが、モレキュラー・プローブス社から入手できるアレクサフルオル４８８染料、アレクサフルオル５００染料、アレクサフルオル５１４染料、アレクサフルオル５３２染料、アレクサフルオル５４６染料、アレクサフルオル５５５染料、アレクサフルオル５６８染料、アレクサフルオル５９４染料、アレクサフルオル６１０染料、アレクサフルオル６３３染料、アレクサフルオル６３５染料、アレクサフルオル６４７染料、アレクサフルオル６６０染料、アレクサフルオル６８０染料、アレクサフルオル７００染料、アレクサフルオル７５０染料、アレクサフルオル３５０染料、アレクサフルオル４０５染料、アレクサフルオル４３０染料のようなローダミン系蛍光染料；ＢＯＤＩＰＹ ４９３／５０３、ＢＯＤＩＰＹ Ｒ６Ｇ、ＢＯＤＩＰＹ ＴＭＲ、ＢＯＤＩＰＹ ５５８／５６８、ＢＯＤＩＰＹ ５６４／５７０、ＢＯＤＩＰＹ ５７６／５８９、ＢＯＤＩＰＹ ５８１／５９１、ＢＯＤＩＰＹ ＴＲ、ＢＯＤＩＰＹ ６３０／６５０、ＢＯＤＩＰＹ ６５０／６５５のようなＢＯＤＩＰＹフルオロフォア系蛍光染料；オレゴングリーン４４８カルボン酸、オレゴングリーン５１４カルボン酸のようなフルオレセイン系蛍光染料；及び他のクマリン又はピレン系蛍光染料が含まれ得る。この例では、溶液は、ブロック２０６において蒸発される場合があり、それによって、一部のＳＥＳ要素１０６の間に捕捉された蛍光染料が残される。

別の例によれば、蛍光増強要素１１２は、ターゲット分子と結合するように構成された蛍光プローブ分子である場合がある。蛍光プローブ分子は、特定の色変化をもたらし、又は、異なる蛍光色を放射する任意の分子を表す場合があり、関連ターゲット分子を有する場合もあれば、有しない場合もある。蛍光プローブ分子は、金属イオンの場合のクラウンエーテル等のような、特定の化学的又は生物学的物質と選択的に結合することが可能な受容体を有する場合がある。ターゲット分子とは、関心対象である任意の分子を指す場合があり、ターゲット分子は、共通溶媒に溶解可能である場合がある。例えば、ターゲット分子には、メラミン、殺虫剤、ラクトパミンなどが含まれ得る。共通溶媒には、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ヘキサフルオロ・イソプロパノール、トルエン、クロロホルム、テトラヒドロフラン、アセトン、アセトニトリル、キシレン、酢酸エチル、ヘキサン誘導体、ジクロロメタンなどが含まれ得る。例えば、蛍光プローブ分子は、何も蛍光を有しない場合があるが、蛍光プローブ分子がターゲット分子と結合したときに、比較的強い蛍光を示す場合がある。

一例として、ターゲット分子４０４は、ナノ・フィンガー１０４の部分的傾倒の後に続いて導入される場合がある。この例は、図４Ａに示されている。図４Ａは、ＳＥＳ要素１０６の各クラスタ１１０において、蛍光プローブ分子４０２がＳＥＳ要素１０６の間に捕捉される場合がある、一例によるＳＥＦＳ装置１００の略側面図を示している。図４Ａでは、ＳＥＳ要素１０６の間に蛍光プローブ分子４０４が捕捉された後に続いて、ターゲット分子４０４を含む溶液が、蛍光プローブ分子４０２との結合のために導入される場合がある。この例では、ターゲット分子４０４は、例えば、蛍光プローブ分子４０２と結合する場合がある。なぜなら、蛍光プローブ分子４０２が、ターゲット分子と選択的に結合する受容体を含む場合があるからである。

別の例として、蛍光プローブ分子４０２とターゲット分子４０４は、ナノ・フィンガー４０４の部分的傾倒よりも前に、錯体４１０として結合される場合がある。この例は、図４Ｂに示されている。図４Ｂは、ＳＥＳ要素１０６の各クラスタ１１０のＳＥＳ要素１０６の間に、蛍光プローブ分子とターゲット分子４０４の錯体４１０を含む溶液が導入される場合がある、ＳＥＦＳ装置１００の略側面図を示している。この例では、ナノ・フィンガー１０４の部分的傾倒の後に続いて、例えば図２のブロック２０６において、ＳＥＦ要素１０６の間に結合体４１０が捕捉される場合がある。

さらに別の例によれば、蛍光増強要素１１２は、所定の金属イオン５０４と選択に結合する非蛍光イオン指示薬５０２から形成された錯体５１０である場合がある。この例では、錯体５１０は、比較的強い蛍光を示す場合がある。金属イオン５０４と結合し、錯体５１０を形成する非蛍光イオン指示薬５０２の化学的構造の例は、図５Ａに示されている。

一例として、金属イオン５０４は、ナノ・フィンガー１０４の部分的傾倒の後に続いて導入される場合がある。この例は、図５Ｂに示されている。図５Ｂは、ＳＥＳ要素１０６の各クラスタ１１０においてＳＥＳ要素１０６の間に非蛍光イオン指示薬５０２が捕捉される場合がある、一例によるＳＥＦＳ装置１００の略側面図を示している。図５Ｂでは、ＳＥＳ要素１０６の間に非蛍光イオン指示薬５０２が捕捉された後に続いて、金属イオン５０４を含む溶液が、非蛍光イオン指示薬５０２との結合のために導入される場合がある。

別の例として、非蛍光イオン指示薬５０２と金属イオン５０４は、ナノ・フィンガー１０４の部分的傾倒よりも前に、錯体５１０として結合される場合がある。この例は、図５Ｃに示されている。図５Ｃは、ＳＥＳ要素１０６の各クラスタのＳＥＳ要素１０６の間に非蛍光イオン指示薬５０２と金属イオン５０４の錯体５１０を含む溶液が導入される場合がある、ＳＥＦＳ装置１００の略側面図を示している。この例では、ナノ・フィンガー１０４の部分的傾倒の後に続いて、例えば、図２のブロック２０６において、ＳＥＳ要素１０６の間に錯体５１０が捕捉される場合がある。

さらに別の例によれば、例えば図２のブロック２０４のような蛍光増強要素１１２の導入よりも前に、図６に示されているように、ＳＥＳ要素１０６上に金属酸化物層６０２がそれぞれ形成される場合がある。この点に関し、金属酸化物層６０２は、ＳＥＳ要素１０６を保護するために、ＳＥＳ要素１０６上に形成される場合がある。金属酸化物層６０２は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、及びそれらの混合物を含む場合がある。金属酸化物層６０２は、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）、電子ビームスパッタリング等のような多数の金属酸化物堆積技術のうちの何れによって形成されてもよい。さらに、一例によれば、金属酸化物層６０２は、約１ｎｍから約２００ｎｍまで変化する場合がある厚みを有するように形成される場合がある。さらに別の例として、金属酸化物層の厚みは、約２ｎｍから約５０ｎｍまでである場合がある。

図６は、さらに、金属酸化物層６０２の形成の際に、ナノ・フィンガー１０４の間において基板１０２上に形成される場合がある残余金属酸化物層６０４も示している。図６には、金属酸化物層６０２により覆われたＳＥＳ要素１０６のうちの１つの拡大断面図も示されている。拡大断面図に示されているように、金属酸化物層６０２は、ＳＥＳ要素１０６の側面及び上部を覆う場合がある。この点に関し、ナノ・フィンガー１０４が例えば図１Ａに示されているように部分的に傾倒された場合、金属酸化物層６０２は、ナノ・フィンガー１０４のうちの隣り合うものの上にあるＳＥＳ要素１０６の間に配置される場合がある。したがって、ＳＥＳ要素１１２の各クラスタ１１０において蛍光増強要素１１２が捕捉されたとき、蛍光増強要素１１２は、ＳＥＳ要素１０６と接触するだけでなく、金属酸化物層６０２とも接触する場合がある。

金属酸化物層６０２は、上で説明した蛍光増強要素１１２のうちの何れかを捕捉するためのナノ・フィンガー１０４の部分的傾倒よりも前に、ＳＥＳ要素１０６上に形成される場合がある。したがって、例えば、蛍光増強要素１１２が蛍光染料である場合、金属酸化物層６０２は、蛍光増強要素１１２の導入よりも前に、ＳＥＳ要素１０６上に形成される場合がある。

別の例として、例えば図４Ａを参照して上で説明したように、蛍光増強要素１１２が、ターゲット分子４０４と結合するように構成された蛍光プローブ分子４０２である場合、金属酸化物層６０２は、蛍光増強要素１１２の導入よりも前に、ＳＥＳ要素１０６上に形成される場合がある。さらに別の例として、例えば図４Ｂを参照して上で説明したように、蛍光増強要素１１２が、蛍光プローブ分子４０２とターゲット分子４０４の錯体である場合、金属酸化物層６０２は、蛍光増強要素１１２の導入よりも前に、ＳＥＳ要素１０６上に形成される場合がある。

さらに別の例として、例えば図５を参照して上で説明したように、蛍光増強要素１１２が、所定の金属イオン５０４と結合するように構成された非蛍光イオン指示薬５０２である場合、金属酸化物層６０２は、蛍光増強要素１１２の導入よりも前に、ＳＥＳ要素１０６上に形成される場合がある。さらに別の例として、図５Ｃを参照して上で説明したように、蛍光増強要素１１２が、非蛍光イオン指示薬５０２と金属イオン５０４の錯体５１０である場合、金属酸化物層６０２は、蛍光増強要素１１２の導入よりも前に、ＳＥＳ要素１０６上に形成される場合がある。

本開示の代表的な種々の例が、この開示全体を通じて具体的に説明されているが、それらは、広範囲の応用形態にわたる有用性を有する場合があり、上記説明に制限の意図はなく、上記説明を制限として解釈すべきではなく、上記説明は、開示の種々の態様の例示的説明として提供されたものである。

本明細書に記載され例示されているものは、ある程度の変形を伴う例である。本明細書において使用される用語、説明、及び図は、例として説明されたものであり、制限を意味するものではない。記載事項の思想及び範囲内において、多数の変形が可能であり、かかる思想及び範囲は、下記の特許請求の範囲、及びそれらの均等によって定義されることが意図されており、特許請求の範囲において、全ての語は、特に断りがない限り、その最も広い妥当な意味で使用されている。

Claims (15)

1. 表面増強蛍光分光（ＳＥＦＳ）装置を形成する方法であって、
   複数のナノ・フィンガーの各々の先端に複数の表面増強分光（ＳＥＳ）要素を堆積させるステップであって、前記ナノ・フィンガーは互いに十分に近接して配置され、それによって、前記ナノ・フィンガーが部分的に傾倒されたときに、一群の隣り合うナノ・フィンガーの先端を互いに十分に近接した状態にすることが可能となり、前記先端上のＳＥＳ要素が蛍光増強要素を捕捉することが可能となることを含むステップと、
   前記複数のＳＥＳ要素の間に前記蛍光増強要素を導入するステップと、
   前記一群の隣り合うナノ・フィンガーにおけるナノ・フィンガーを互いに向けて部分的に傾倒させ、それによって、前記一群のナノ・フィンガーの先端上の複数のＳＥＳ要素を互いに十分に近接した状態にし、前記蛍光増強要素のうちの１つの蛍光増強要素を前記複数のＳＥＳ要素の間に捕捉するステップと
   を含む方法。
2. 前記蛍光増強要素は、蛍光染料を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記蛍光増強要素は、ターゲット分子と結合するように構成された蛍光プローブ分子であり、
   前記方法は、
   前記蛍光増強要素、及び前記複数のＳＥＳ要素の上に前記ターゲット分子を含む溶液を導入するステップであって、前記ターゲット分子が、前記蛍光プローブ分子と結合するように構成されることを含むステップ
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記蛍光増強要素は、ターゲット分子と結合するように構成された蛍光プローブ分子であり、
   前記方法は、
   前記蛍光プローブ分子及び前記ターゲット分子を溶液中で結合させるステップであって、前記蛍光プローブ分子が、前記溶液中で前記ターゲット分子と結合するように構成されることを含むステップ
   をさらに含み、
   前記複数のＳＥＳ要素の上に前記蛍光増強要素を導入するステップは、結合された前記蛍光プローブ分子及び前記ターゲット分子を前記複数のＳＥＳ要素の上に導入することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記蛍光増強要素は、所定の金属イオンと選択的に結合された非蛍光イオン指示薬から形成された錯体を含み、
   前記方法は、
   前記非蛍光イオン指示薬及び前記所定の金属イオンを結合させるステップ
   をさらに含み、
   前記複数のＳＥＳ要素の上に前記蛍光増強要素を導入するステップは、前記非蛍光イオン指示薬、又は、前記非蛍光イオン指示薬及び前記所定の金属イオンの結合体を、前記複数のＳＥＳ要素の上に導入することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記蛍光増強要素を導入するよりも前に、前記複数のＳＥＳ要素の上に金属酸化物の各層を形成するステップ
   をさらに含み、
   前記蛍光増強要素を導入するステップは、前記複数のＳＥＳ要素上の前記金属酸化物層の上に、前記蛍光増強要素を導入することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記蛍光増強要素は、蛍光染料を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記蛍光増強要素は、ターゲット分子と結合するように構成された蛍光プローブ分子であり、
   前記方法は、
   前記蛍光要素、及び前記金属酸化物層の上に、前記ターゲット分子を含む溶液を導入するステップであって、前記ターゲット分子が、前記蛍光プローブ分子と結合するように構成されることを含むステップ
   をさらに含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記蛍光増強要素は、ターゲット分子と結合するように構成された蛍光プローブ分子であり、
   前記方法は、
   前記蛍光プローブ分子及び前記ターゲット分子を溶液中で結合させるステップであって、前記蛍光プローブ分子が、前記溶液中の前記ターゲット分子と結合するように構成されることを含むステップ
   をさらに含み、
   前記金属酸化物層の上に前記蛍光増強要素を導入するステップは、結合された前記蛍光プローブ分子及び前記ターゲット分子を前記金属酸化物層の上に導入することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
10. 前記蛍光増強要素は、所定の金属イオンと選択的に結合された非蛍光イオン指示薬から形成された錯体を含み、
    前記方法は、
    前記非蛍光イオン指示薬及び前記所定の金属イオンを結合させるステップ
    をさらに含み、
    前記金属酸化物層の上に前記蛍光増強要素を導入するステップは、前記非蛍光イオン指示薬、又は、前記非蛍光イオン指示薬及び前記所定の金属イオンの結合体を、前記金属酸化物層の上に導入することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
11. 互いに接触している状態、及び互いに近接している状態のうちの少なくとも一方の状態にある少なくとも２つの表面増強分光（ＳＥＳ）要素を含む、ＳＥＳ要素のクラスタと、
    前記ＳＥＳ要素上に形成された金属酸化物層と、
    前記ＳＥＳ要素のクラスタにおいて前記ＳＥＳ要素の間に捕捉された蛍光増強要素と
    を含む、表面増強蛍光分光（ＳＥＦＳ）装置。
12. 前記蛍光増強要素は、蛍光染料を含む、請求項１１に記載のＳＥＦＳ装置。
13. 前記蛍光増強要素は、ターゲット分子と結合された蛍光プローブ分子である、請求項１１に記載のＳＥＦＳ装置。
14. 前記蛍光増強要素は、所定の金属イオンと選択的に結合された非蛍光イオン指示薬から形成された錯体を含む、請求項１１に記載のＳＥＦＳ装置。
15. 複数のナノ・フィンガーを有する基板をさらに含み、前記複数のナノ・フィンガーは、互いに向けて部分的傾倒され、前記ＳＥＳ要素の前記クラスタの前記ＳＥＳ要素は、前記部分的に傾倒された複数のナノ・フィンガーの先端上に配置される、請求項１１に記載のＳＥＦＳ装置。

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