JP2016517962A - 表面増強ラマン散乱（ｓｅｒｓ）センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

プラズモニックセンサであって、少なくとも基板（１）と、前記基板上のレーザ加工された活性表面領域（２）と、そして上記活性表面（２）上の金属被膜とを有し、ここにおいてレーザ加工された表面は、短パルスレーザの手段により制作され、表面材料の浅い層において粘性が減少され、そして粘性を減少させるのに使用されたパルスと同一のパルス、または連続する１つ以上の入射パルスの影響下で、１ミクロン未満の大きさのフィーチャを有する、自己組織化されたストキャスティックナノ構造が形成される。最も好適な実施形態では、基板材料はソーダ石灰ガラスまたはその類似品などのアモルファスである。また本発明は、基板材料の最上部表面に活性センサ領域（２）を形成するために、顕微鏡で使用されるスライドまたはカバースリップを使用する方法を開示する。【選択図】図１

Description

本発明は、分子診断の分野に関し、詳細には構造化表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）センサに関するものである。このような検知器は、被検体の中の低濃度の材料の検知、および材料のラベルフリー識別に使用される。

ラマン散乱は、光子が材料内のイオンと相互作用する間の光子の非弾性散乱に関係する現象である。一般的に、狭いスペクトル帯域幅（<１ｎｍ）のレーザ照射がラマン散乱の励起に使用され、そして散乱光のスペクトルが測定され、ここでスペクトルのピークはスペクトルの赤色側（ストークス偏移）または青色側（アンチストークス偏移）に偏移する。適切な実験条件の下では、被検体の中の材料がスペクトル内のピークの位置に従って識別できる。

表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）センサは通常ごく弱いラマン散乱信号を多数倍増幅するのに使用される。このような増幅はプラズモニック効果の使用により、特に局在表面プラズモンにより達成される。光子と表面プラズモンの間の相互作用に対して正しい条件を生成するため、サブミクロン構造のアレイを形成し、そして離れた島状金属の形成を可能にするためそれを貴金属、通常金または銀の被膜で覆う必要がある。互いに対する構造体の形状、寸法および位置が、いかにプラズモンがレーザ照射の入射光子と、そしてラマン散乱を経た光子と相互作用するか、を決定する。プラズモンと光子の間の相互作用が強いほどラマン散乱の増幅が大きい。

ＳＥＲＳセンサは分子診断に使用でき、そしてバイオテクノロジー、薬剤開発、食品および土壌汚染の測定、法医学、出入国管理、他のような産業分野にとって特に重要である。

プラズモンは自由電子プラズマの量子化振動として記述される準粒子である。プラズモンは光子と結合して新たな準粒子−プラズモンポラリトンを形成することができる。表面プラズモンは表面に局在するプラズモンであり、表面への入射光と強く相互作用して、その結果ポラリトンとなる。

可視スペクトル領域の光照射と相互作用する表面プラズモンを形成するため、数１０−数１００ナノの寸法の表面構造が形成されなければならない。表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）原理の実現には、プラズモン共鳴条件が満たされる必要がある。

最も活性なプラズモン共鳴現象は金または銀などの貴金属の表面で発生する。主として、これは金属の表面に存在する多数の自由電子に関係する。この理由から、さらにこれらの金属が酸化しないという事実から、これらの金属がＳＥＲＳセンサの生産に最も多く選択される。

前述のように、ＳＥＲＳの適用には表面構造が特に重要である。表面プラズモンの場合には、小さな金属要素に対するプラズモン共鳴条件は、これら金属粒子の形状と互いに対する相対的位置に強く依存する。最近では、２つの金属粒子間のギャップが電磁場の増幅に及ぼす影響が特に頻繁に強調されている。このパラメータ（ギャップ寸法）がＳＥＲＳ全体の増幅に対して最大のインパクトを持つことが認識されてきた。ＳＥＲＳ全体の研究分野、その目標は単一の被検体分子の検知であるが、は最も高い頻度でこの現象に基づいている。特に小さなギャップの存在下で、両方の金属粒子の局在表面プラズモンモードが相互作用し、それによりハイブリッドモードを形成する。

強いラマン散乱増幅を持つ検知器は多くの場合ナノテクノロジー原理を採用して作成される。従って、小さいギャップを間に持つ、所望の寸法の島状金属が得られる。このためこの研究分野はナノプラズモニクスとしばしば呼ばれる。

幾つかのケースでは、ＳＥＲＳ装置の生産にレーザ加工の方法が採用される。それは物理的接触を必要とせず、加工後に追加の化学処理が不要であり、そしてレーザ加工中も追加の操作を殆ど必要としない。表面構造パターン、それは１ミクロンより小さな周期の繰り返しのフィーチャからなるが、は自己組織化ナノ構造のレーザ誘発形成を使用して形成される。従来技術の特許は、極短パルスレーザにより形成された表面構造パターンが、高い増幅能力を持つ、ＳＥＲＳセンサの良好な基板となることについて、殆ど示していない。これらのセンサはしばしばプラズモニックセンサまたはプラズモニック基板と呼ばれる。

２００９年９月８日に公開された米国特許ＵＳ７５８６６０１（特許文献１）は、ＳＥＲＳセンサの生産に使用されるフェムト秒レーザによるナノ構造化基板を記載している。これらの基板は半導体または金属から作られる。材料の表面は極短パルスレーザにより加工され、リップルまたは自己組織化ナノ構造を形成し、そしてその後、結果としてできるナノ構造表面の上に貴金属フィルム（例えば金または銀の）が蒸着される。

２０１１年１月４日に公開された米国特許ＵＳ７８６４３１２（特許文献２）は、金属被膜を持つラマン分光分析用の基板を記載している。基板は表面上にミクロン以下の寸法の構造を形成するため短パルスレーザにより加工される。構造化された表面はその後、１つ以上の金属化表面領域と複数の表面ギャップを特徴とする不連続な金属被膜により被覆可能である。

２つの従来技術の特許は、金属または半導体の表面上に短または超短パルスレーザによりミクロン未満の寸法の構造を形成することを記載している。このプロセスはまたリップル形成として知られている。これらの特許で記載されるリップル（波紋）は、材料表面でアブレーションが起こった時、即ち、材料が固体から融解相を経ることなく直接蒸発する場合に形成される。しかし、リップルは特定の材料の表面にのみ形成可能である。最も一般的には金属または半導体が使用される。シリコン、サファイア、ゲルマニウム、溶融シリカ、他がよく使用される。半導体または他の結晶材料の表面にリップルを形成する場合、材料表面を２−３千個のレーザパルスで照射する必要がある。多数のパルスを使うほど、リップル構造はより鮮明になるが、この処理には時間がかかる。例えば、１ミリ平方の面積の表面をかなりの高速レーザ（例えばパルス繰返数が６００ＫＨｚ）で加工すると、数十分かかる。さらに、リップル面比率のさらなる増加は通常攻撃的な酸の使用により達成されるが、取扱いに注意が必要である。この点は不便であり、製造コストを高める。

また、従来の解決方法に使用される材料は高価である。これはセンサの主要コストとなり、そして製造作業を複雑にする。

米国特許ＵＳ７５８６６０１ 米国特許ＵＳ７８６４３１２

上記の欠点を無くすため、本発明はＳＥＲＳ（表面増強ラマン散乱）センサの低コストですばやい製造方法を提供する。アモルファス材料、好適にはソーダ石灰ガラス、から形成される基板（１）は超短パルスレーザ（４）の照射により加工される。このプロセスにおいて、浅い基板材料層の間でのレーザパルスエネルギーの吸収により、基板材料がアブレーションする代わりにその粘性が減少し、即ち、粘性低下（単純化のため、ここでは材料の溶解という）が起こる。
その後溶解した材料が入射レーザパルスと相互作用し、そして自己組織化されたストキャスティックナノ構造を形成する。殆どの場合、ＳＥＲＳセンサの活性領域の形成に適した、必要なパターンにナノ構造体が変形するのには、表面の単一の点に対して僅かに数個のレーザパルスで十分である。

この方法を使用したＳＥＲＳセンサの生産のため、顕微鏡で使用される顕微鏡スライドまたはカバースリップをセンサ用の基板として使用すると便利である。このようなガラス製品は通常すでに事前によく洗浄され、そして梱包されており、したがってレーザ加工の前に追加の処理を必要としない。

生産には、短パルス、好適には１００ｆｓ−１００ｐｓのレーザと共に、種々の光学および機械的システムが使用可能である。形成されるナノ構造は、短パルスレーザ照射の波長および生産中の基板の周囲環境、の両方により影響を受ける。より短い波長およびより大きな屈折率は、より小さな寸法のナノ構造を形成する結果となる。ナノ構造のフィーチャの寸法はラマン散乱の励起に使用されたレーザの波長に調節されなければならない−波長が短くなるほど、構造バターンは細かくなるようにしなければならない。それにも拘わらず、本発明の方法を使用したＳＥＲＳセンサは多様なフィーチャ寸法を有し、そして１つのセンサが広範囲の励起波長に対しプラズモン共鳴条件を満たす。

レーザ加工の後、基板はアセトンまたは蒸留水で、好適には超音波洗浄器内で洗浄され、加工中に発生する破片を取り除く。洗浄された基板は金属被膜で被覆される。ＳＥＲＳセンサの生産には、ほとんどの場合、金または銀またはプラチナまたは銅の被膜が使用される。広範囲の励起波長に対しては銀が最も好適であるが、スペクトルの赤外領域の励起照射を使用する場合には、金または銅がより適している。

本発明をよりよく理解し、そして実務的応用を学ぶため以下の図面が提供され、参照される。図面は例示のためだけに与えられ、そして決して本発明の範囲を限定するものではない。
ＳＥＲＳセンサの例示的構成を示す図である。 ＳＥＲＳセンサ生産組立体の基本スキームを示す図であり、光線はガルバノスキャナにより操作される。 ＳＥＲＳセンサ生産組立体の基本スキームを示す図であり、試料は静止した固定光学系の下方で移動される。 レーザ加工された表面領域の拡大図であり、表面溶解および短パルスレーザ照射との相互作用の後に形成された、自己組織化されたストキャスティック構造が見られる。 超短パルスレーザにより形成されたナノ構造の上に吸収された、チオフェノール単層からの増強ラマン散乱のスペクトルを示す図である。６３３ｎｍ照射により励起。図に示されるもの：ナノ構造領域の隣の銀被膜領域上に吸着された、チオフェノール単層のラマン散乱スペクトル（１２）と、同じ厚みのナノ構造の銀被膜領域上のチオフェノール単層のラマン散乱スペクトル（１３）。

本発明は、超短パルスレーザが、材料の粘性を低下させ、そして材料表面の粘性低下層と相互作用し、それによりストキャスティックナノ構造の自己形成を開始させるために使用される方法を提供する。最も好適な使用形態では、超短パルス、好適には１００ｆｓ−１００ｐｓのレーザ照射と、アモルファス基板（１）材料が使用される。

固体アモルファス材料、それは特定の温度下（しかし特定の１つの融解点ではない）で軟化する特性を有するが、はガラスとよばれる。しかし、基板は完全にアモルファスな材料から構成される場合だけに限定されず、アモルファス添加物を有する結晶性材料、またはその逆の場合を含む。

最も好適な実施形態では、センサ基板はガラスから作られ、それは主に２酸化ケイ素で構成される。このようなガラスはアルカリ土類金属および／または他の金属の添加物を含み、例えば、ソーダ石灰シリカガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸ガラス、カルコゲン化物ガラス、他である。本発明に記載された方法によるセンサの生産においては、基板材料が、アモルファスであり、そして軟化（粘性減少）温度により特徴づけられ、かつ溶解温度により特徴づけられないことが重要である。軟化温度を超えた後、ガラスは突然に液化せず、むしろその粘性が変化を始め、そして比熱容量が増加する。アモルファス材料（ガラス）の軟化温度は約１０００℃またはそれ未満である。この温度が低い程、表面ダメージ閾値が低く、それはより低いエネルギーのレーザパルスが必要とされることを意味する。しかしより低い温度で軟化する材料は機械的衝撃に抵抗力がより弱く、さらに、低粘度の材料はナノ構造の形状を失いやすく、このようなセンサは時間と共に劣化−増幅品質が低下し易い。

ＳＥＲＳセンサは超短パルスレーザ（４）システムを使用して生産され、それは追加的に、波長変換器（５）、光電力（パルスエネルギー）制御器（６）、ビーム拡張ユニット（８）を有し；最も好適な実施形態では、ビーム伝送のための、鏡（７）または光ファイバー（不図示）が使用される。表面の加工中において基板（１）に対するレーザビームの相対位置は変化されなければならない。これは通常ガルバノスキャナ（９）および／または精密位置決め台（１１）により達成される。さらに、レンズの集合からなる凸レンズまたは対物レンズ（１０）がビームの収束に使用される。

当業者は、ビームの複数ビームへの分割、収束ビームの断面またはエネルギー分布の変更を含む、基板加工の速度を上げうる他のビーム形状形成方法を使用できることを理解すべきである。

ＳＥＲＳセンサを作成するステップは以下のステップからなる：
Ｉ）レーザビームで基板（１）をスキャンするステップ；
ＩＩ）加工済み基板（１）を洗浄するステップ；
ＩＩＩ）金属被膜を適用するステップ；
短パルスレーザによりテクスチャを付けられた基板は異なる金属被膜でコーティングされてもよい。その中で、最適なのは金、銀、銅、プラチナ被膜である。また、場合によっては、アルミニウムが使用されてもよい。

最も好適な実施形態では、レーザ加工された表面領域（２）は１００ｎｍより厚い金属被膜でスパッタリングされ、または他の方法により蒸着される。被膜が厚く形成されるほど、センサの増強が大きいことが知られている。当業者は島状の表面構造が維持される限り、任意の厚みの金属被膜が使用可能であることを理解しよう。１００ｎｍより薄い金属被膜もまたラマン散乱の増強を示すが、しかし、厚い被膜に比べて強度が弱い。逆に厚すぎる被膜は島状の活性表面（２）構造を消滅させ、そして島の間の被覆されないギャップを消滅させる。このようなセンサの性能は低い。従って、金属被膜の厚みを選択するときには、レーザ加工された表面構造のテクスチャに注意する必要がある。

金属被膜は基板の表面（３）全体に適用されてもよく、または、マスクを介した粒子蒸着により活性表面領域（２）にのみ適用されてもよい。さらに他の実施形態では、複数の活性表面領域（２）を持つ基板（１）が金属被膜を付けられ、そして最初の基板のそれぞれの切片が少なくとも１つの活性表面を持つようにダイスされる。その後、切り離されたセンサは直接ラマン散乱測定システムに使用され、または例えば顕微鏡に使用される顕微鏡スライドなどの他の基板に接着されてもよい。

好適なセンサ構造では顕微鏡のスライドまたはスリップガラスのようなガラスプレートが使用される。１つまたはそれ以上の活性表面（２）が基板表面上に形成される。その後、活性表面は、最も好適には電子、イオン、プラズマ、またはマグネトロン スパッタリングにより、金属被膜で被覆される。最も好適な実施形態では、活性表面はそれが基板の端まで伸長しないように形成される。表面水和特性は活性領域（２）とその周りの未加工領域では異なり、それゆえ活性領域の周辺が基板の端部にまで達していないと、基板上にたらされた液体被検体の分布をよりよく制御できる。

さらに別の実施形態では、金属被膜プロセスが超短パルスレーザを使用して実施される。十分なパルスエネルギーがあることを前提として、センサ表面の加工に使用されたものと同じレーザを金属の蒸着にも使用できる。

以下で本発明の例示的な実施形態が開示される。この実施例に基づいて、非常に強力なラマン散乱増強を特徴とするセンサが示された。しかし、開示された事例および記載されたパラメータは本発明をより良く理解する助けとなるために提供され、決して本発明の範囲を制限するものではない。パラメータは長い期間の間に変化することがあり、それにより類似の結果を再現し、または異なる結果を生むが、それでも製造プロセスの主要概念は不変である。

（事例１）
シリカガラス基板の表面がフェムト秒レーザ照射で加工される。パルス持続時間は３００ｆｓ、波長５１５ｎｍ、そして単一パルスでの照射の間に基板表面で平均０．０３２Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度が達成される。基板表面は、制作の方向と、移動方向と垂直な方向の両方においてレーザパルスが基板表面の平面において約７０％だけ重複するように基板表面を移動させることにより、処理される。

このような活性表面の試験の間、チオフェノール分子の吸着した単一層が６３３ｎｍ波長のレーザ照射により照射された。結果としてのＳＥＲＳスペクトルが記録され、図５に示される。ここで銀被膜は厚さ１００ｎｍである。下方の線（１２）はＳＥＲＳ活性領域（２）の隣に存在する銀表面の増強ラマン散乱スペクトルを表し、そして上方の線（１３）は、フェムト秒レーザにより形成されたナノ構造に吸着された、被検体の増強ラマン散乱スペクトルを表す。励起レーザの平均光電力は１ｍＷであり、積分時間は１００ｓであった。

Claims (12)

1. プラズモニックセンサであって、少なくとも基板と、前記基板上のレーザ加工表面領域と、そして金属被膜とを有し、
   ここにおいて前記基板の加工に使用されるレーザはフェムト秒またはピコ秒レーザのような短パルスレーザであり、そして前記基板はアモルファス材料から作られる、プラズモニックセンサにおいて、
   レーザ加工表面領域は、前記材料の粘性が浅い表面層において減少され、そして、粘性を減少させるのに使用されたパルスと同じパルス、または連続して入射する１つ以上のパルスの影響下で、自己組織化されたストキャスティックナノ構造が形成され、前記ナノ構造は１ミクロンより小さいフィーチャからなり、そして前記基板の前記表面領域のそれぞれのスポットを形成すために１００個未満、より好適には１０個未満のレーザパルスが使用される、ように形成される、
   ことを特徴とするプラズモニックセンサ。
2. レーザパルスは、前記基板を収束レーザビームに対して移動させることにより前記基板の前記表面上で重複し、そして前記重複は、前記基板の移動方向と前記基板の移動方向に垂直な方向の両方向において、２０％−８０％、好適には５０％−７０％の範囲である、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記センサ基板の材料は、前記材料の軟化が始まる遷移温度を有し、前記遷移温度は１０００℃未満、好適には６００℃未満である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
4. 前記センサ基板の材料はガラス、好適にはソーダ石灰シリカガラスである、ことを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載のセンサ。
5. 前記センサ基板の材料は、シリカガラスまたは鉛ガラスまたはホウケイ酸ガラスまたはカルコゲン化物ガラスである、ことを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
6. 前記基板は、顕微鏡で使用されるスライドまたはカバースリップである、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。
7. 短レーザパルスを使用して絶縁性基板を加工するステップと、
   前記レーザパルスにより加工された前記基板の表面に金属被膜を施すステップと、
   の内の少なくとも１つのステップを有するプラズモニックセンサを作る方法であって、
   前記レーザパルスを使用して加工するステップは、それぞれのスポットにおいて１００個未満、好適には１０個未満のレーザパルスで前記基板を照射するステップを有し、
   ここにおいてレーザパルスの持続時間およびエネルギーは、基板材料の表面に入射する１つまたはそれ以上のレーザパルスが前記材料の浅い層を溶解させ、そして、溶解した前記材料と少なくとも１個のレーザパルスとの間の相互作用の下で、自己組織化された１ミクロン未満のストキャスティックナノ構造が形成される、ように選択される、
   ことを特徴とするプラズモニックセンサを作る方法。
8. 前記レーザパルスの持続時間は１００ｆｓ−１００ｐｓの範囲にある、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記レーザパルスのエネルギーは、前記基板の表面上のレーザエネルギー密度が表面アブレーション閾値を少なくとも１００％未満、好適には２０％未満だけ超過する、ように選択される、ことを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 前記加工された基板の表面は平均０．０１−０．０５Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度を単一のレーザパルスから受け取る、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記ナノ構造のフィーチャ寸法は、前記短レーザパルスの波長を選択することにより、および／または異なる周囲媒体の中で前記基板を加工することにより制御され、より短い波長のレーザの照射および／またはより大きな屈折率の加工環境内媒体が、より小さな寸法のフィーチャの形成に使用され、そしてより長い波長のレーザの照射および／またはより小さな屈折率の加工環境内媒体がより大きな寸法のフィーチャの形成に使用される、ことを特徴とする請求項７−１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記金属被膜はレーザ誘発スパッタリングの手段により被覆され、ここで蒸着は、前記基板（１）表面上にナノ構造を形成するために使用されたレーザと同じレーザの照射を使用して遂行される、ことを特徴とする請求項７−１１のいずれか１項に記載の方法。