JP2018031593A - Fine particle sensing element and fine particle evaluation system - Google Patents
Fine particle sensing element and fine particle evaluation system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018031593A JP2018031593A JP2016161922A JP2016161922A JP2018031593A JP 2018031593 A JP2018031593 A JP 2018031593A JP 2016161922 A JP2016161922 A JP 2016161922A JP 2016161922 A JP2016161922 A JP 2016161922A JP 2018031593 A JP2018031593 A JP 2018031593A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fine particle
- sensing element
- region
- light
- slot waveguide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 title claims abstract description 150
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 25
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 32
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 33
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 23
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 18
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 16
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 13
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 10
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 8
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 7
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 5
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 5
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 244000126211 Hericium coralloides Species 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 4
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 239000012085 test solution Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 102000003886 Glycoproteins Human genes 0.000 description 1
- 108090000288 Glycoproteins Proteins 0.000 description 1
- 108060003951 Immunoglobulin Proteins 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000000427 antigen Substances 0.000 description 1
- 102000036639 antigens Human genes 0.000 description 1
- 108091007433 antigens Proteins 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000004720 dielectrophoresis Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 125000002791 glucosyl group Chemical group C1([C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O1)CO)* 0.000 description 1
- 102000018358 immunoglobulin Human genes 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Optical Measuring Cells (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Description
本発明は、微粒子センシング素子及び微粒子評価システムに関するものであり、例えば、浮遊微粒子を光によりセンシングする微粒子センシング素子及び微粒子評価システムに関するものである。 The present invention relates to a fine particle sensing element and a fine particle evaluation system. For example, the present invention relates to a fine particle sensing element and a fine particle evaluation system for sensing floating fine particles with light.
従来、微粒子のセンシングに関しては、金属電極を用いた微粒子センシング素子が提案されている。図１２は、従来の微粒子センシング素子の説明図であり、図１２（ａ）は概略的斜視図であり、図１２（ｂ）は分子に親和性結合が作用しない状態の断面図であり、図１２（ｃ）は分子に親和性結合が作用した状態の断面図である（例えば、非特許文献１参照）。 Conventionally, with respect to fine particle sensing, a fine particle sensing element using a metal electrode has been proposed. FIG. 12 is an explanatory diagram of a conventional fine particle sensing element, FIG. 12 (a) is a schematic perspective view, and FIG. 12 (b) is a cross-sectional view in a state where affinity binding does not act on molecules. 12 (c) is a cross-sectional view of a state in which affinity binding has acted on the molecule (see, for example, Non-Patent Document 1).
図１２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１１上にＢＯＸ層１１２を介して櫛歯部１１４,１２６を有する櫛歯電極１１３，１１５を設けて微粒子センシング素子を形成する。この微粒子センシング素子を浮遊物質としてグルコースを含んだＫＣｌ溶液中に浸漬してグルコースを検知する。櫛歯電極１１３，１１５の厚さは５０ｎｍで、幅５００ｎｍの櫛歯部１１４，１１６を間隔が５００ｎｍとなるように周期的に並べた構造となっている。櫛歯電極１１３，１１５を設けた領域は０．５ｍｍ２である。なお、櫛歯電極１１３，１１５はＰｄで形成する。 As shown in FIG. 12A, comb-shaped electrodes 113 and 115 having comb-tooth portions 114 and 126 are provided on a Si substrate 111 via a BOX layer 112 to form a fine particle sensing element. This fine particle sensing element is immersed in a KCl solution containing glucose as a suspended substance to detect glucose. The thickness of the comb-tooth electrodes 113 and 115 is 50 nm, and the comb-tooth portions 114 and 116 having a width of 500 nm are periodically arranged so that the interval is 500 nm. The area where the comb electrodes 113 and 115 are provided is 0.5 mm 2 . The comb electrodes 113 and 115 are made of Pd.
図１２（ｂ）に示すように、櫛歯電極１１３，１１５に１００Ｈｚ〜１００ＭＨｚの高周波電圧を印加する。図１２（ｃ）に示すように、溶液中に浮遊物質であるグルコース１１６がある場合には、グルコース１１６に対する親和性結合により櫛歯部１１４,１２６のギャップに引き寄せられ、その時の高周波応答に伴うインピーダンスの変化を解析することによりトラップした物質の特性解析を行う。 As shown in FIG. 12B, a high frequency voltage of 100 Hz to 100 MHz is applied to the comb electrodes 113 and 115. As shown in FIG. 12 (c), when there is glucose 116 as a suspended substance in the solution, it is attracted to the gap between the comb teeth portions 114 and 126 by affinity binding to glucose 116, and is accompanied by a high frequency response at that time. Analyze changes in impedance to analyze the characteristics of trapped substances.
図１３は、従来の他の微粒子センシング素子の説明図であり、図１３（ａ）はセンシング部の微小電極アレイの平面図であり、図１３（ｂ）は、蛍光による微粒子の検出状況の説明図である。図１３（ａ）に示すように、三角形状のＡｕからなる微小電極１２１，１２２をギャップ１２３を介して対向させた電極対を複数配置する（例えば、非特許文献２参照）。 FIG. 13 is an explanatory view of another conventional fine particle sensing element, FIG. 13 (a) is a plan view of a microelectrode array of a sensing unit, and FIG. 13 (b) is an explanatory view of a detection state of fine particles by fluorescence. FIG. As shown in FIG. 13A, a plurality of electrode pairs in which microelectrodes 121 and 122 made of triangular Au are opposed via a gap 123 are arranged (see, for example, Non-Patent Document 2).
図１３（ｂ）は、ギャップ１２３が５００ｎｍの微小電極１２１と微小電極１２２との間に１ＭＨｚ、１０Ｖの高周波を印加し、ギャップ１２３に単一のタンパク質分子１２４を引き寄せ、捕獲する。捕獲したタンパク質分子１２４に光を照射し、タンパク質分子１２４からの蛍光を検知することで、タンパク質分子１２４の特性解析を行う。この構成では単一のギャップ１２３の間隙長よりも小さな粒径の少数の微粒子をトラップすることも可能である。 In FIG. 13B, a high frequency of 1 MHz and 10 V is applied between the microelectrode 121 and the microelectrode 122 having a gap 123 of 500 nm, and a single protein molecule 124 is attracted and captured in the gap 123. By irradiating the captured protein molecule 124 with light and detecting fluorescence from the protein molecule 124, the characteristic analysis of the protein molecule 124 is performed. With this configuration, it is possible to trap a small number of fine particles having a particle diameter smaller than the gap length of the single gap 123.
図１２に示した微粒子センシング素子の場合には櫛歯電極に高密度にトラップされた微粒子の検知には高周波電流を用いれば容易に検知できる。しかし、捕獲微粒子がより小さく少数になると電流電圧特性から検知することは難しくなるという問題がある。 In the case of the fine particle sensing element shown in FIG. 12, detection of fine particles trapped at high density on the comb electrode can be easily performed by using a high frequency current. However, there is a problem that it becomes difficult to detect from the current-voltage characteristics when the number of trapped fine particles is smaller and smaller.
一方、図１３に示した微粒子センシング素子の場合には、捕獲した粒子の蛍光を測定することにより、微小かつ少量の粒子を検知できる。しかし、この手法では蛍光を発生する物質しか検知できないという問題がある。 On the other hand, in the case of the fine particle sensing element shown in FIG. 13, a minute and small amount of particles can be detected by measuring the fluorescence of the captured particles. However, this method has a problem that only substances that emit fluorescence can be detected.
本発明は、微粒子センシング素子及び微粒子評価システムにおいて、非発光物質も含めて、微小かつ少量の微粒子の検知を可能にすることを目的とする。 An object of the present invention is to enable detection of minute and small amount of fine particles including non-light emitting substances in the fine particle sensing element and the fine particle evaluation system.
一つの態様では、微粒子センシング素子は、表面が絶縁性の基板と、前記基板上に設けられた一対の高屈折率領域と前記一対の高屈折率領域に挟まれた低屈折率領域となる凹部を備えたスロット導波路と、前記スロット導波路の少なくとも一部に導電性を付与して微粒子を捕獲する微粒子捕獲領域と、前記微粒子捕獲領域に電界を印加する電界印加部材と、少なくとも前記微粒子捕獲領域の直上に設けられ、前記凹部に食い込む領域を有する被検査溶液収容部と、前記スロット導波路に光を入射する光入射部材とを備えている。 In one embodiment, the fine particle sensing element includes a substrate having an insulating surface, a pair of high refractive index regions provided on the substrate, and a recess having a low refractive index region sandwiched between the pair of high refractive index regions. A slot waveguide provided with: a particle capturing region that captures particles by imparting conductivity to at least a part of the slot waveguide; an electric field applying member that applies an electric field to the particle capturing region; and at least the particle capturing A solution storage portion to be inspected having a region that is provided immediately above the region and bites into the concave portion; and a light incident member that makes light incident on the slot waveguide.
他の態様では、微粒子評価システムは、上述の微粒子センシング素子と、前記光入射部材に光を入射するレーザ光源と、前記微粒子捕獲領域に捕獲された前記微粒子からの散乱光を検出する受光手段とを備えている。 In another aspect, the fine particle evaluation system includes the fine particle sensing element described above, a laser light source that makes light incident on the light incident member, and a light receiving unit that detects scattered light from the fine particles captured in the fine particle capture region; It has.
一つの側面として、非発光物質も含めて、微小かつ少量の微粒子を検知することが可能になる。 As one aspect, it is possible to detect minute and small amount of fine particles including non-light emitting substances.
ここで、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態の微粒子センシング素子を説明する。図１は本発明の実施の形態の微粒子センシング素子の説明図であり、図１（ａ）は概略的要部断面図であり、図１（ｂ）は微粒子捕獲領域の斜視図である。図に示すように、表面が絶縁性の基板１上に一対の高屈折率領域２，３と高屈折率領域２，３に挟まれた低屈折率領域となる凹部４を備えたスロット導波路を設ける。このスロット導波路の少なくとも一部に導電性を付与して微粒子を捕獲する微粒子捕獲領域とする。少なくともこの微粒子捕獲領域の直上に凹部４に食い込む領域を有する被検査溶液収容部１１を設けるとともに、スロット導波路に光を入射する光入射部材１４を設ける。表面が絶縁性の基板１とは、例えば、表面にＢＯＸ層となるＳｉＯ２膜を設けたＳｉ基板や全体が絶縁性のＳｒＴｉＯ３基板等である。また、低屈折率領域となる凹部４は空隙部であり、測定時には微粒子１３が含まれた被検査溶液１２で充填される。 Here, with reference to FIG. 1 thru | or FIG. 3, the fine particle sensing element of embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is an explanatory view of a particle sensing element according to an embodiment of the present invention, FIG. 1 (a) is a schematic cross-sectional view of a main part, and FIG. 1 (b) is a perspective view of a particle capturing region. As shown in the figure, a slot waveguide including a pair of high-refractive index regions 2 and 3 and a recess 4 serving as a low-refractive index region sandwiched between the high-refractive index regions 2 and 3 on a substrate 1 having an insulating surface. Is provided. A fine particle capturing region for capturing fine particles by imparting conductivity to at least a part of the slot waveguide is provided. A test solution container 11 having a region that digs into the concave portion 4 is provided at least directly above the fine particle capturing region, and a light incident member 14 that enters light into the slot waveguide is provided. The substrate 1 having an insulating surface is, for example, a Si substrate provided with a SiO 2 film serving as a BOX layer on the surface or an SrTiO 3 substrate having an insulating surface as a whole. In addition, the concave portion 4 serving as a low refractive index region is a void portion, and is filled with a solution to be inspected 12 containing fine particles 13 at the time of measurement.
測定時に、電圧印加部材８によるスロット導波路微粒子捕獲部に０Ｈｚ（ＤＣ）〜２００ＭＨｚ程度の電界を印加して、凹部４に微粒子１３を捕獲する。光入射部材１４により入射光１５をスロット導波路に入射すると、入射光１５は凹部４を中心として伝搬していき、捕獲された微粒子１３によりスロット導波路内の導波路モードが散乱され、残りは出射光１７として凹部４から放出される。微粒子１３により散乱された散乱光１６を検出して、微粒子１３の特性を解析する。なお、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ等の高周波を印加した場合には、微粒子１３の捕獲状況は微粒子１３の特性に応じた高周波応答性を有するので、高周波応答性から微粒子１３の特性を解析することがきる。 At the time of measurement, an electric field of about 0 Hz (DC) to 200 MHz is applied to the slot waveguide particle capturing unit by the voltage application member 8 to capture the particle 13 in the recess 4. When incident light 15 is incident on the slot waveguide by the light incident member 14, the incident light 15 propagates around the recess 4, and the waveguide mode in the slot waveguide is scattered by the trapped fine particles 13, and the rest The emitted light 17 is emitted from the recess 4. The scattered light 16 scattered by the fine particles 13 is detected, and the characteristics of the fine particles 13 are analyzed. When a high frequency of 10 MHz to 100 MHz or the like is applied, the trapping state of the fine particles 13 has a high frequency response according to the characteristics of the fine particles 13, and therefore the characteristics of the fine particles 13 can be analyzed from the high frequency response.
この場合、スロット導波路の表面を被検査溶液１２との反応等を防止するために、保護絶縁膜１０で覆っておくことが望ましい。また、被検査溶液収容部１１は、絶縁膜７，９に設けた空洞部で形成すれば良く、この被検査溶液収容部１１をマイクロ流路の一部として形成すれば、被検査溶液１２を流した状態で検査を行うことができる。なお、マイクロ流路を用いる場合には、被検査溶液１２の流速は数十μｍ／秒〜数百μｍ／秒程度とする。 In this case, it is desirable to cover the surface of the slot waveguide with the protective insulating film 10 in order to prevent the reaction with the solution 12 to be inspected. Further, the solution storage part 11 to be inspected may be formed by a cavity provided in the insulating films 7 and 9, and the solution 12 to be inspected can be formed by forming the test solution storage part 11 as a part of the microchannel. Inspection can be performed in the flowed state. In the case where a microchannel is used, the flow rate of the solution to be inspected 12 is set to about several tens μm / second to several hundred μm / second.
スロット導波路としては、円環状或いはレーストラック状のリング共振器を用いても良く、この場合には、光入射部材１４としては、リング共振器に対してエバネッセント結合できる位置に設けられたチャネル導波路を用いれば良い。リング共振を用いることによって、リング共振器に入射した光は循環するので、光の利用効率が高まるので、光源の出力を低くすることができる。なお、円環状のリング共振器としては、真円状のリング共振器でも良いし、楕円状のリング共振器でも良い。 An annular or racetrack ring resonator may be used as the slot waveguide. In this case, the light incident member 14 is a channel waveguide provided at a position where it can be evanescently coupled to the ring resonator. A waveguide may be used. By using the ring resonance, the light incident on the ring resonator circulates, so that the light use efficiency is increased, so that the output of the light source can be lowered. The annular ring resonator may be a perfect circular ring resonator or an elliptical ring resonator.
或いは、光入射部材１４としてチャネル導波路で形成されたマッハツェンダ干渉計を用いても良く、スロット導波路をマッハツェンダ干渉計の一方のアームに挿入すれば良い。この場合には、散乱光のみではなく、マッハツェンダ干渉計からの出力光の位相変化も評価することで、微粒子の捕獲量を評価することが可能になる。 Alternatively, a Mach-Zehnder interferometer formed of a channel waveguide may be used as the light incident member 14, and the slot waveguide may be inserted into one arm of the Mach-Zehnder interferometer. In this case, it is possible to evaluate not only the scattered light but also the phase change of the output light from the Mach-Zehnder interferometer, thereby evaluating the trapped amount of the fine particles.
また、いずれの場合も、微粒子捕獲領域において、一対の高屈折率領域２，３に頂部が互いに対向する少なくとも一対の突起状のドーピング領域を設けても良く、頂部において電界強度が高まるので、微粒子１３の捕獲効率が高まる。なお、一対のドーピング領域としては、典型的には三角形状突起状のドーピング領域を用いる。なお、このドーピング領域をブラック反射が起きる周期で周期的に配置することで、散乱光１６がブラック反射するので、この反射光により微粒子１３の捕獲状況を評価することができる。なお、ブラック反射が起きる周期は、３００μｍ〜１０００μｍ程度である。 In any case, in the fine particle capturing region, at least a pair of protruding doping regions whose top portions oppose each other may be provided in the pair of high refractive index regions 2 and 3, and the electric field strength is increased at the top portion. 13 capture efficiency is increased. Note that, as the pair of doping regions, a triangular projection-shaped doping region is typically used. In addition, since the scattered light 16 is black-reflected by periodically arranging this doping region at a period in which black reflection occurs, the captured state of the fine particles 13 can be evaluated by the reflected light. Note that the period at which black reflection occurs is approximately 300 μm to 1000 μm.
スロット導波路としては、半導体スロット導波路を用いることができ、例えば、シリコンフォトニクス技術を利用して、基板１として表面にＳｉＯ２膜を設けたシリコン基板を用いても良い。この場合には、半導体スロット導波路をシリコン細線スロット導波路で構成することができる。 As the slot waveguide, a semiconductor slot waveguide can be used. For example, a silicon substrate having a SiO 2 film on the surface may be used as the substrate 1 by utilizing silicon photonics technology. In this case, the semiconductor slot waveguide can be composed of a silicon thin wire slot waveguide.
或いは、スロット導波路として、強誘電体スロット導波路を用いても良いものであり、例えば、ＮｂドープＳｒＴｉＯ３スロット導波路やＬｉＮｂＯ３スロット導波路等を用いても良い。 Alternatively, a ferroelectric slot waveguide may be used as the slot waveguide. For example, an Nb-doped SrTiO 3 slot waveguide or a LiNbO 3 slot waveguide may be used.
また、少なくとも凹部４の表面に抗体（ａｎｔｉｂｏｄｙ）を付着させても良い。なお、抗体とは糖タンパク分子であり、特定のタンパク質等の分子（抗原）を認識して選択的に結合する作用があるので、ターゲットにしている特定の微粒子１３を選択的に捕獲することが可能になる。 An antibody may be attached to at least the surface of the recess 4. The antibody is a glycoprotein molecule, and has an action of recognizing and selectively binding a molecule (antigen) such as a specific protein, so that specific target fine particles 13 can be selectively captured. It becomes possible.
微粒子評価システムを構築する場合には、上述の微粒子センシング素子の光入射部材１４に光を入射するレーザ光源と、微粒子捕獲領域に捕獲された微粒子１３からの散乱光１６を検出する受光手段とを設ければ良い。 When constructing a fine particle evaluation system, a laser light source that makes light incident on the light incident member 14 of the fine particle sensing element described above and a light receiving means that detects scattered light 16 from the fine particles 13 captured in the fine particle capturing region are provided. It only has to be provided.
この場合、光入射部材の入射側或いは出射側の少なくとも一方に、入射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータ或いは出射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータを設けることが望ましい。出射側に出射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータを設けた場合には、出射光の強度により微粒子１３の捕獲状況を把握することできる。また、入射側に入射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータを設けた場合には、捕獲された微粒子１３の密度が大きくなって出射光が大幅に減衰した場合にも、入射光の波長成分及び光強度を正確に把握することができる。 In this case, it is desirable to provide a spectrum analyzer and an optical power meter for detecting incident light, or a spectrum analyzer and an optical power meter for detecting outgoing light, on at least one of the incident side and the outgoing side of the light incident member. When a spectrum analyzer and an optical power meter for detecting outgoing light are provided on the outgoing side, it is possible to grasp the capture state of the fine particles 13 from the intensity of the outgoing light. Further, when a spectrum analyzer and an optical power meter for detecting incident light are provided on the incident side, the wavelength component of the incident light even when the density of the captured fine particles 13 is increased and the emitted light is significantly attenuated. And the light intensity can be accurately grasped.
図２は、本発明の実施の形態における高屈折率領域の構成の説明図である。図２（ａ）は、高屈折率領域をｎ−型半導体領域２１，３１で形成したものである。図２（ｂ）は、高屈折率領域をｐ−型半導体領域２２，３２で形成したものである。図２（ｃ）は、一方の高屈折率領域をｎ−型半導体領域３１で形成し、他方の屈折率領域をｐ−型半導体領域２２で形成したものである。いずれの構成でも良いが、光が伝搬する近傍の高屈折率領域を低不純物濃度半導体で形成しているので、伝搬光の不所望な吸収損失を低減することができる。なお、電極形成領域は、高屈折率領域の導電型に対応した導電型の高不純物濃度領域で形成する。即ち、高屈折率領域がｎ−型半導体領域２１，３１の場合には、電極形成領域をｎ＋型半導体領域５１，６１で形成する。高屈折率領域がｐ−型半導体領域２２，３２の場合には、電極形成領域をｐ＋型半導体領域５２，６２で形成する。なお、低不純物濃度領域の極限として、ノンドープ半導体領域を用いても良い。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the configuration of the high refractive index region in the embodiment of the present invention. FIG. 2A shows a high refractive index region formed of n − type semiconductor regions 2 1 and 3 1 . FIG. 2B shows a high refractive index region formed by p − type semiconductor regions 2 2 and 3 2 . FIG. 2 (c), one of the high refractive index region n - is obtained by forming in the semiconductor region 2 2 - formed in the semiconductor region 3 1, the other refractive index region p. Although any configuration may be used, an undesired absorption loss of the propagation light can be reduced because the high refractive index region in the vicinity where the light propagates is formed of a low impurity concentration semiconductor. Note that the electrode formation region is formed of a high impurity concentration region of a conductivity type corresponding to the conductivity type of the high refractive index region. In other words, the high refractive index region the n - in the case of -type semiconductor region 2 1, 3 1, forming an electrode formation region in the n + -type semiconductor regions 5 1, 6 1. The high refractive index region is p - in the case of -type semiconductor region 2 2, 3 2, to form the electrode formation region in the p + type semiconductor region 5 2, 6 2. Note that a non-doped semiconductor region may be used as the limit of the low impurity concentration region.
図３は、本発明の実施の形態における高屈折率領域の他の構成の説明図である。図３（ａ）は、高屈折率領域をｎ＋型半導体領域２３，３３で形成したものである。図３（ｂ）は、高屈折率領域をｐ＋型半導体領域２４，３４で形成したものである。図３（ｃ）は、一方の高屈折率領域をｎ＋型半導体領域３３で形成し、他方の屈折率領域をｐ＋型半導体領域２４で形成したものである。この場合には、高屈折率領域を高不純物濃度半導体で形成しているので、電界を効率的に印加することが可能になる。この場合も、電極形成領域は、高屈折率領域の導電型に対応した導電型の高不純物濃度領域で形成する。なお、高屈折率領域は半導体領域に限られるものではなく、ＬｉＮｂＯ３やＳｒＴｉＯ３等の強誘電体領域、特に、導電性を有するＮｂドープＳｒＴｉＯ３等で形成しても良い。 FIG. 3 is an explanatory diagram of another configuration of the high refractive index region in the embodiment of the present invention. FIG. 3A shows a high refractive index region formed by n + type semiconductor regions 2 3 and 3 3 . FIG. 3B shows the high refractive index region formed by p + type semiconductor regions 2 4 and 3 4 . FIG. 3 (c), in which one of the high refractive index region is formed by n + -type semiconductor regions 3 3, to form the other of the refractive index regions in the p + -type semiconductor region 2 4. In this case, since the high refractive index region is formed of a high impurity concentration semiconductor, an electric field can be applied efficiently. Also in this case, the electrode formation region is formed of a high impurity concentration region of a conductivity type corresponding to the conductivity type of the high refractive index region. The high refractive index region is not limited to the semiconductor region, and may be formed of a ferroelectric region such as LiNbO 3 or SrTiO 3 , particularly Nb-doped SrTiO 3 having conductivity.
このように、本発明の実施の形態においては、電界により、スロット導波路の凹部４に引き寄せられた微粒子１３を導波路モードの散乱光を用いて検知することにより、発光・非発光にかかわらず微粒子の捕獲を検知することが可能になる。スロット導波路に両脇に形成した電極形成領域５,６を介して電圧印加部材８により電圧を印加すると、スロット導波路の凹部４に電界Ｅのパターンが形成される。その凹部４の周辺における微粒子１３の双極子モーメントをｐとするとＦ＝ｐ▽Ｅの引力Ｆが微粒子１３に働き、スロット導波路の凹部４に微粒子１３が捕獲される（例えば、非特許文献３参照）。 As described above, in the embodiment of the present invention, the fine particles 13 attracted to the recess 4 of the slot waveguide by the electric field are detected using the scattered light in the waveguide mode, regardless of whether the light is emitted or not emitted. It becomes possible to detect capture of fine particles. When a voltage is applied by the voltage applying member 8 through the electrode forming regions 5 and 6 formed on both sides of the slot waveguide, a pattern of the electric field E is formed in the recess 4 of the slot waveguide. If the dipole moment of the fine particles 13 around the concave portion 4 is p, an attractive force F of F = p ▽ E acts on the fine particles 13 and the fine particles 13 are captured in the concave portions 4 of the slot waveguide (for example, Non-Patent Document 3). reference).
この引き寄せられて捕獲されたた微粒子１３によって、スロット導波路内の導波路モードが散乱され、スロット導波路の上面に放射される。特に、スロット導波路の伝搬モードは１００ｎｍ程度の幅の凹部４に局所的に集中しているため、凹部４の幅以下の粒径の微粒子１３によっても散乱される。この散乱光１６として、レイリー散乱を仮定すると、その散乱断面積σは 、ｄを微粒子１３の粒径、λを入射光１５の波長、ｎを微粒子１３の屈折率、Ｎを捕獲された微粒子１３の数とすると、
σ＝（２π５／３）×（ｄ６／λ４）×｛（ｎ２−１）／（ｎ２＋２）｝２×Ｎ
となる。
The attracted and trapped fine particles 13 scatter the waveguide mode in the slot waveguide and radiate it to the upper surface of the slot waveguide. In particular, since the propagation mode of the slot waveguide is locally concentrated in the recess 4 having a width of about 100 nm, it is also scattered by the fine particles 13 having a particle size equal to or smaller than the width of the recess 4. Assuming Rayleigh scattering as the scattered light 16, the scattering cross section σ is as follows: d is the particle diameter of the fine particles 13, λ is the wavelength of the incident light 15, n is the refractive index of the fine particles 13, and N is captured fine particles 13. If the number of
σ = (2π 5/3) × (d 6 / λ 4) × {(n 2 -1) / (n 2 +2)} 2 × N
It becomes.
したがって、微粒子センシング素子の上面に放射される光の強度は微粒子１３の特性に依存した値であるため、微粒子１３の特性評価に用いることができる。このように、本発明の実施の形態においては、微粒子１３に双極子モーメントが働いていれば捕獲することができ、単に捕獲した微粒子１３による伝搬モード光散乱を観測しているので、非発光物質を含めたどのような物質でも捕獲して、特性を評価することができる。 Therefore, the intensity of the light emitted to the upper surface of the fine particle sensing element is a value depending on the characteristics of the fine particles 13 and can be used for the characteristic evaluation of the fine particles 13. As described above, in the embodiment of the present invention, if the dipole moment is applied to the fine particles 13, the particles can be captured, and the propagation mode light scattering by the captured fine particles 13 is simply observed. Capturing and evaluating any substance, including
次に、図４乃至図６を参照して、本発明の実施例１の微粒子センシング素子を説明する。図４は本発明の実施例１の微粒子センシング素子の概略的上面図である。微粒子センシング素子２０は、一対の円環状のｎ−型Ｓｉリッジ２４，２５とその間の凹部２６によってリング共振器となるＳｉスロット導波路２３を有している。ｎ−型Ｓｉリッジ２４，２５にそれぞれ円環状のｎ＋型Ｓｉ電極形成領域２７と円形のｎ＋型Ｓｉ電極形成領域２８が設けられており、ｎ＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８に対してそれぞれ電極３１，３２が形成されている。このリング共振器となるＳｉスロット導波路２３を横切るようにマイクロ流路３７が形成されるとともに、リング共振器となるＳｉスロット導波路２３に対してエバネッセント結合が可能な位置にＳｉチャネル導波路３８が設けられている。Ｓｉチャネル導波路３８に入射されたレーザ光が、エバネッセント結合によりＳｉスロット導波路２３に導かれる。 Next, with reference to FIG. 4 thru | or FIG. 6, the fine particle sensing element of Example 1 of this invention is demonstrated. FIG. 4 is a schematic top view of the fine particle sensing element of Example 1 of the present invention. The fine particle sensing element 20 has a Si slot waveguide 23 serving as a ring resonator by a pair of annular n − -type Si ridges 24 and 25 and a recess 26 therebetween. n - n + -type respectively annularly type Si ridge 24, 25 Si electrode formation region 27 and a circular n + -type Si electrode formation region 28 is provided, with respect to n + -type Si electrode formed regions 27 and 28 Electrodes 31 and 32 are formed respectively. A micro channel 37 is formed across the Si slot waveguide 23 serving as a ring resonator, and an Si channel waveguide 38 is formed at a position where evanescent coupling can be performed with respect to the Si slot waveguide 23 serving as a ring resonator. Is provided. The laser light incident on the Si channel waveguide 38 is guided to the Si slot waveguide 23 by evanescent coupling.
図５は本発明の実施例１の微粒子センシング素子の構造説明図であり、図５（ａ）は要部断面図であり、図５（ｂ）は微粒子捕獲領域の斜視図である。Ｓｉ基板２１上にＢＯＸ層２２を介して単結晶Ｓｉ層を設けたＳＯＩ基板を利用して、単結晶Ｓｉ層を加工するとともに、不純物をドーピングして不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３の一対のｎ−型Ｓｉリッジ２４，２５を形成し、その間の凹部２６を主光導波領域とするＳｉスロット導波路２３を形成する。この時、不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３のｎ＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８も併せて形成する。 FIGS. 5A and 5B are explanatory views of the structure of the particle sensing element according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5A is a cross-sectional view of the main part, and FIG. 5B is a perspective view of the particle capturing region. The SOI substrate in which the single crystal Si layer is provided on the Si substrate 21 via the BOX layer 22 is used to process the single crystal Si layer, and the impurity concentration is 1 × 10 18 cm −3 by doping impurities. A pair of n − -type Si ridges 24 and 25 are formed, and a Si slot waveguide 23 is formed with the recess 26 therebetween as the main optical waveguide region. At this time, n + -type Si electrode formation regions 27 and 28 having an impurity concentration of 1 × 10 20 cm −3 are also formed.
図５（ｂ）に示すように。ｎ−型Ｓｉリッジ２４，２５の幅は２００ｎｍで、高さは２２０ｎｍであり、凹部２６の幅は１００ｎｍであり、コア幅は５００ｎｍ（＝２００ｎｍ×２＋１００ｎｍ）となる。ｎ＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８の高さ（厚さ）は９０ｎｍとする。なお、リング共振器のコア幅の中央を基準とした半径は、１０μｍである。 As shown in FIG. The width of the n − type Si ridges 24 and 25 is 200 nm, the height is 220 nm, the width of the recess 26 is 100 nm, and the core width is 500 nm (= 200 nm × 2 + 100 nm). The height (thickness) of the n + -type Si electrode formation regions 27 and 28 is 90 nm. The radius based on the center of the core width of the ring resonator is 10 μm.
次いで、ＳｉＯ２層２９を堆積したのち、ｎ＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８に達するコンタクトホールを形成する。次いで、導電膜を堆積させ、パターニングすることによりプラグと配線とよりなる電極３０，３１を形成する。次いで、再び、ＳｉＯ２層３２を堆積したのち、所定領域をエッチングして空洞部３３を形成する。次いで、厚さが１０ｎｍのＳｉＯ２保護膜３４を設けたのち、空洞部３４及びその周辺を覆うようにレジストパターン（図示は省略）を形成し、その上にＰＤＭＳ（ポリ・ディメチル・シロキサン）層３５を堆積してパターニングする。次いで、レジパターンを除去することで空洞部３６を形成する。この空洞部３６と空洞部３３によってマイクロ流路３７が形成される。 Next, after depositing the SiO 2 layer 29, contact holes reaching the n + -type Si electrode formation regions 27 and 28 are formed. Next, a conductive film is deposited and patterned to form electrodes 30 and 31 including plugs and wirings. Next, after the SiO 2 layer 32 is deposited again, a predetermined region is etched to form the cavity 33. Next, after providing a SiO 2 protective film 34 having a thickness of 10 nm, a resist pattern (not shown) is formed so as to cover the cavity 34 and its periphery, and a PDMS (polydimethylsiloxane) layer is formed thereon. 35 is deposited and patterned. Next, the cavity portion 36 is formed by removing the registration pattern. The hollow portion 36 and the hollow portion 33 form a micro flow path 37.
図６は、本発明の実施例１の微粒子センシング素子を用いた微粒子評価システムの説明図である。微粒子センシング素子２０にレーザ光を入射する可変波長レーザ４１を設け、光ファイバ４２、サーキュレータ４３及び光ファイバ４４を介してＳｉチャネル導波路３８にレーザ光を入射する。サーキュレータ４３から別方向に出力されるレーザ光は光ファイバ４５及び光分岐器４６を介してスペクトラムアナライザ４７及び光パワーメータ４８に導かれ、入射光の波長及び強度をモニタする。なお、光分岐器４６としては、ビームスプリッタを用いれば良い。 FIG. 6 is an explanatory diagram of a fine particle evaluation system using the fine particle sensing element of Example 1 of the present invention. A variable wavelength laser 41 that makes laser light incident on the fine particle sensing element 20 is provided, and the laser light is made incident on the Si channel waveguide 38 through the optical fiber 42, the circulator 43, and the optical fiber 44. Laser light output in a different direction from the circulator 43 is guided to the spectrum analyzer 47 and the optical power meter 48 via the optical fiber 45 and the optical splitter 46, and the wavelength and intensity of incident light are monitored. Note that a beam splitter may be used as the optical splitter 46.
Ｓｉスロット導波路２２上には光学レンズ４９を設け、散乱光を集光して受光ファイバ５０に入射してモノクロメータ５１で散乱光を分光して波長成分を評価する。一方、Ｓｉチャネル導波路３８を伝搬して、Ｓｉスロット導波路２２に結合しなかった成分は出射光として光ファイバ５２へ出射される。光ファイバ５２へ出射した出射光は、光結合器５３を介してスペクトラムアナライザ５４及び光パワーメータ５５に導かれ、出射光の波長及び強度をモニタする。なお、Ｓｉスロット導波路２２に微粒子が多数捕獲された場合には、散乱光が大幅に増加し、出射光は減少するので、入射光側のスペクトラムアナライザ４７及び光パワーメータ４８により、可変波長レーザ４１からのレーザ光の波長及び強度をモニタする。なお、ここでは、光ファイバとして、先球ファイバを用いている。 An optical lens 49 is provided on the Si slot waveguide 22, and the scattered light is collected and incident on the light receiving fiber 50. The monochromator 51 separates the scattered light and evaluates the wavelength component. On the other hand, the component that propagates through the Si channel waveguide 38 and is not coupled to the Si slot waveguide 22 is emitted to the optical fiber 52 as emitted light. The outgoing light emitted to the optical fiber 52 is guided to the spectrum analyzer 54 and the optical power meter 55 via the optical coupler 53, and the wavelength and intensity of the outgoing light are monitored. When a large number of fine particles are trapped in the Si slot waveguide 22, the scattered light greatly increases and the emitted light decreases. Therefore, the spectrum analyzer 47 and the optical power meter 48 on the incident light side allow the variable wavelength laser. The wavelength and intensity of the laser beam from 41 are monitored. Here, a tip spherical fiber is used as the optical fiber.
ここで、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの高周波電圧をＳｉスロット導波路２２に印加すると、マイクロ流路３７を流れる溶液中に浮遊するカーボンナノチューブなどの浮遊粒子がＳｉスロット導波路２２の凹部２６に捕獲される。さらに、可変波長レーザ４１からＳｉチャネル導波路３８を介して１．５５μｍのレーザ光を入射すると、捕獲された微粒子によってレーザ光が散乱され素子上面に放射される。この放射された散乱光の強度をモノクロメータ５１でスペクトル解析することによって捕獲された微粒子の特性を評価することができる。 Here, when a high frequency voltage of 1 MHz to 10 MHz is applied to the Si slot waveguide 22, suspended particles such as carbon nanotubes floating in the solution flowing through the microchannel 37 are captured in the recess 26 of the Si slot waveguide 22. Further, when a 1.55 μm laser beam is incident from the variable wavelength laser 41 via the Si channel waveguide 38, the laser beam is scattered by the captured fine particles and emitted to the upper surface of the element. By analyzing the spectrum of the emitted scattered light with the monochromator 51, the characteristics of the captured fine particles can be evaluated.
このように、微粒子センシング素子２０の入出力側の導波路からの光と微粒子センシング素子２０の上部に放射される散乱光の両方をモニタすることにより、捕獲した微粒子による出射光側での光強度損失、反射損失と散乱による放射損失が求まる。その結果、捕獲した微粒子に起因する吸収損失を求めることができる。 In this way, by monitoring both the light from the waveguide on the input / output side of the fine particle sensing element 20 and the scattered light emitted to the upper part of the fine particle sensing element 20, the light intensity on the outgoing light side by the captured fine particles Loss, reflection loss and radiation loss due to scattering are obtained. As a result, the absorption loss due to the captured fine particles can be obtained.
本発明の実施例１においては、リング共振器となるＳｉスロット導波路２２の一部を微粒子捕獲領域として、捕獲された微粒子による散乱光により捕獲された微粒子の特性を評価している。したがって、非発光物質も含めて、微小かつ少量の微粒子を検知することができる。 In Example 1 of the present invention, the characteristics of the fine particles captured by the scattered light from the captured fine particles are evaluated using a part of the Si slot waveguide 22 serving as a ring resonator as a fine particle capture region. Therefore, it is possible to detect minute and small amount of fine particles including non-light emitting substances.
次に、図７を参照して、本発明の実施例２を説明するが、被検査溶液収容部に露出するＳｉＯ２保護膜の表面に抗体を塗布した以外は、上記の実施例１と全く同様であるので、
要部断面図のみを示す。図７は本発明の実施例２の微粒子センシング素子の要部断面図であり、Ｓｉ基板２１上にＢＯＸ層２２を介して単結晶Ｓｉ層を設けたＳＯＩ基板を利用して、単結晶Ｓｉ層を加工して不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３の一対のｎ−型Ｓｉリッジ２４，２５を形成し、その間の凹部２６を主光導波領域とするＳｉスロット導波路２３を形成する。この時、不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３のｎ＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８も併せて形成する。
Next, Example 2 of the present invention will be described with reference to FIG. 7, which is exactly the same as Example 1 except that an antibody was applied to the surface of the SiO 2 protective film exposed in the solution storage part to be tested. Since it is similar,
Only the main part sectional view is shown. FIG. 7 is a cross-sectional view of an essential part of the fine particle sensing element of Example 2 of the present invention, and a single crystal Si layer is formed using an SOI substrate in which a single crystal Si layer is provided on a Si substrate 21 via a BOX layer 22. Are processed to form a pair of n − type Si ridges 24 and 25 having an impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 , and a Si slot waveguide 23 having a concave portion 26 therebetween as a main optical waveguide region is formed. At this time, n + -type Si electrode formation regions 27 and 28 having an impurity concentration of 1 × 10 20 cm −3 are also formed.
次いで、ＳｉＯ２層２９を堆積したのち、ｎ＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８に達するコンタクトホールを形成する。次いで、導電膜を堆積させ、パターニングすることによりプラグと配線とよりなる電極３０，３１を形成する。次いで、再び、ＳｉＯ２層３２を堆積したのち、所定領域をエッチングして空洞部３３を形成する。次いで、厚さが１０ｎｍのＳｉＯ２保護膜３４を設けたのち、空洞部３３におけるＳｉＯ２保護膜３４の表面にタンパク質に対して選択的に結合する免疫グロブリンを抗体３９として塗布する。次いで、空洞部３３及びその周辺を覆うようにレジストパターン（図示は省略）を形成した後、ＰＤＭＳ層３５を堆積してパターニングする。次いで、レジパターンを除去することで空洞部３６を形成する。この空洞部３６と空洞部３３によってマイクロ流路３７が形成される。 Next, after depositing the SiO 2 layer 29, contact holes reaching the n + -type Si electrode formation regions 27 and 28 are formed. Next, a conductive film is deposited and patterned to form electrodes 30 and 31 including plugs and wirings. Next, after the SiO 2 layer 32 is deposited again, a predetermined region is etched to form the cavity 33. Next, after providing a SiO 2 protective film 34 having a thickness of 10 nm, an immunoglobulin that selectively binds to a protein is applied as an antibody 39 to the surface of the SiO 2 protective film 34 in the cavity 33. Next, after forming a resist pattern (not shown) so as to cover the cavity 33 and its periphery, a PDMS layer 35 is deposited and patterned. Next, the cavity portion 36 is formed by removing the registration pattern. The hollow portion 36 and the hollow portion 33 form a micro flow path 37.
本発明の実施例２においては、空洞部３３におけるＳｉＯ２保護膜３４の表面に抗体３９を塗布しているので、予め定めたターゲットとなるタンパク質を選択的に効率的に捕獲することが可能になる。 In Example 2 of the present invention, since the antibody 39 is applied to the surface of the SiO 2 protective film 34 in the cavity 33, it is possible to selectively and efficiently capture a protein as a predetermined target. Become.
次に、図８を参照して、本発明の実施例３の微粒子センシング素子を説明する。図８は本発明の実施例３の微粒子センシング素子の説明図であり、図８（ａ）は概略的上面図であり、図８（ｂ）は微粒子捕獲領域の構成説明図である。図８（ａ）に示すように、本発明の実施例３の微粒子センシング素子においては、リング共振器となるＳｉスロット導波路６０の平面形状をレーストラック状にするとともに、レーストラックの直線部分に導電性を付与して微粒子捕獲領域としたものである。 Next, with reference to FIG. 8, the fine particle sensing element of Example 3 of the present invention will be described. 8A and 8B are explanatory views of the particle sensing element according to the third embodiment of the present invention, FIG. 8A is a schematic top view, and FIG. 8B is a configuration explanatory view of the particle capturing region. As shown in FIG. 8 (a), in the fine particle sensing element of Example 3 of the present invention, the planar shape of the Si slot waveguide 60 serving as a ring resonator is changed to a race track, and the straight portion of the race track is formed. A conductivity is imparted to form a fine particle capturing region.
図８（ｂ）に示すように、微粒子捕獲領域において、ｎ−型Ｓｉリッジに周期的に配置した三角形突起状のｎ−型ドーピング領域６１，６２を形成する。なお、図８（ｂ）の左図は平面図であり、右図は左図におけるａ−ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。なお、ドーピングされない領域はノンドープＳｉ領域のままである。ここでは、ｎ−型ドーピング領域６１，６２のピッチを１０００ｎｍとする。 As shown in FIG. 8B, triangular projection-shaped n − -type doping regions 61 and 62 are periodically formed in the n − -type Si ridge in the fine particle trapping region. In addition, the left figure of FIG.8 (b) is a top view, and the right figure is sectional drawing along the dashed-dotted line which connects aa 'in a left figure. Note that the undoped region remains a non-doped Si region. Here, the pitch of the n − -type doping regions 61 and 62 is 1000 nm.
本発明の実施例３においては、三角形状のｎ−型ドーピング領域６１，６２を設けているので、凹部６３付近の三角形突起状のｎ−型ドーピング領域６１，６２の頂点付近において高周波電場勾配が局所的に増強されるため位置を限定して捕獲力を大きくできる。さらに捕獲位置が予め分かることにより、光学レンズなどで散乱光を集光する際にも、その位置に焦点を合わせておけば良いので、実験は容易になる。 In Embodiment 3 of the present invention, since the triangular n − -type doping regions 61 and 62 are provided, a high-frequency electric field gradient is present in the vicinity of the apexes of the triangular protruding n − -type doping regions 61 and 62 in the vicinity of the recess 63. Since it is locally enhanced, it is possible to limit the position and increase the capture force. Further, by knowing the capture position in advance, even when the scattered light is collected by an optical lens or the like, it is only necessary to focus on the position, so the experiment becomes easy.
次に、図９を参照して、本発明の実施例４の微粒子センシング素子を説明する。図９は本発明の実施例４の微粒子センシング素子の説明図である。図９に示すように、本発明の実施例４の微粒子センシング素子は、Ｓｉ細線コアで形成されるマッハツェンダ干渉計７０のアーム７２，７３の一方のアーム７２にＳｉスロット導波路８０を挿入したものである。なお、この実施例４の微粒子センシング素子を用いた微粒子評価システムは、図６に示した基本構成と同様である。 Next, with reference to FIG. 9, the fine particle sensing element of Example 4 of this invention is demonstrated. FIG. 9 is an explanatory diagram of a fine particle sensing element according to Example 4 of the present invention. As shown in FIG. 9, the fine particle sensing element according to the fourth embodiment of the present invention has an Si slot waveguide 80 inserted into one arm 72 of arms 72 and 73 of a Mach-Zehnder interferometer 70 formed of a Si fine wire core. It is. The particle evaluation system using the particle sensing element of Example 4 is the same as the basic configuration shown in FIG.
Ｓｉスロット導波路８０は、図５（ｂ）に示した基本的構造と同様に、ｎ−型Ｓｉリッジ８１，８２とそれらの間に形成した凹部８３により形成したものであり、ｎ＋型Ｓｉ電極形成領域８４，８５及び電極８６，８７を備えている。また、アーム７２，７３に対して直交する方向にマイクロ流路８８を設けている。なお、マッハツェンダ干渉計７０は、入力導波路７１、２本のアーム７２，７３及び出力導波路７５からなる。なお、アーム７２には遅延導波路７４を設けているが、必須ではない。 Similar to the basic structure shown in FIG. 5B, the Si slot waveguide 80 is formed by n − type Si ridges 81 and 82 and a recess 83 formed between them, and an n + type Si ridge. Electrode forming regions 84 and 85 and electrodes 86 and 87 are provided. Further, a micro flow path 88 is provided in a direction orthogonal to the arms 72 and 73. The Mach-Zehnder interferometer 70 includes an input waveguide 71, two arms 72 and 73, and an output waveguide 75. In addition, although the delay waveguide 74 is provided in the arm 72, it is not essential.
ここで、マッハツェンダ干渉計７０の作用長は５００μｍとし、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの高周波を印加すると、マイクロ流路８８を流れる被検査溶液中に浮遊するカーボンナノチューブなどの浮遊粒子がＳｉスロット導波路８０の凹部８３に捕獲される。マッハツェンダ干渉計７０の入力導波路７１に１．５５μｍの波長のレーザ光を入射すると、捕獲された微粒子によって、レーザ光が散乱され素子上面に放射される。この放射された散乱光の強度を素子の上部に配置した光学レンズで集光しモノクロメータで散乱スペクトルを解析することによって捕獲した微粒子の特性を評価することができる。 Here, when the action length of the Mach-Zehnder interferometer 70 is 500 μm and a high frequency of 1 MHz to 10 MHz is applied, suspended particles such as carbon nanotubes floating in the solution to be inspected flowing in the microchannel 88 are formed in the recesses of the Si slot waveguide 80. Captured by 83. When laser light having a wavelength of 1.55 μm is incident on the input waveguide 71 of the Mach-Zehnder interferometer 70, the laser light is scattered by the captured fine particles and emitted to the upper surface of the element. The characteristics of the captured fine particles can be evaluated by collecting the intensity of the emitted scattered light with an optical lens arranged on the upper part of the element and analyzing the scattered spectrum with a monochromator.
本発明の実施例４においては、実施例１のようにリング共振器を用いておらず、導波路モードが存在する波長であれば良いので光の波長帯域は広く、散乱スペクトル解析には有用である。但し、実施例１と同じ電圧をかけた場合と比較すると、一つの波長における捕獲された微粒子１個の光散乱強度は弱くなるため干渉計の作用長を長くし、捕獲粒子数を多くすることで散乱強度を上げて検査を行うことが望ましい。また、出力導波路７５からの出力光は、Ｓｉスロット導波路８０に捕獲された微粒子の影響を受けるので。出力光における位相変化を評価することにより、微粒子の捕獲状況を把握することができる。 In the fourth embodiment of the present invention, the ring resonator is not used as in the first embodiment, and it is sufficient that the wavelength of the waveguide mode exists, so that the wavelength band of light is wide and useful for the scattering spectrum analysis. is there. However, compared with the case where the same voltage as in Example 1 is applied, the light scattering intensity of one captured fine particle at one wavelength becomes weak, so the action length of the interferometer is increased and the number of captured particles is increased. It is desirable to perform inspection with increasing scattering intensity. Further, the output light from the output waveguide 75 is affected by the fine particles captured by the Si slot waveguide 80. By evaluating the phase change in the output light, it is possible to grasp the capture state of the fine particles.
次に、図１０を参照して、本発明の実施例５の微粒子センシング素子を説明する。図１０は本発明の実施例５の微粒子センシング素子の説明図であり、基本的構造は上記の実施例４と同様であるが、スロット導波路として、実施例３の構造を採用したものである。図１０に示すように、本発明の実施例５の微粒子センシング素子は、Ｓｉ細線コアで形成されるマッハツェンダ干渉計７０のアーム７２，７３の一方のアーム７２にＳｉスロット導波路９０を挿入したものである。 Next, with reference to FIG. 10, the fine particle sensing element of Example 5 of this invention is demonstrated. FIG. 10 is an explanatory diagram of the fine particle sensing element according to the fifth embodiment of the present invention. The basic structure is the same as that of the fourth embodiment, but the structure of the third embodiment is adopted as the slot waveguide. . As shown in FIG. 10, the fine particle sensing element according to the fifth embodiment of the present invention includes an Si slot waveguide 90 inserted into one arm 72 of arms 72 and 73 of a Mach-Zehnder interferometer 70 formed of a Si fine wire core. It is.
Ｓｉスロット導波路９０は、図８（ｂ）に示した基本的構造と同様に、ｎ−型Ｓｉリッジに周期的に配置した三角形突起状のｎ−型ドーピング領域９１，９２を形成したものであり、ドーピングされない領域はノンドープＳｉ領域のままである。ここでは、ｎ−型ドーピング領域９１，９２のピッチを１０００ｎｍとする。ここでも、ｎ＋型Ｓｉ電極形成領域９４，９５及び電極９６，９７を備えている。また、アーム７２，７３に対して直交する方向にマイクロ流路９８を設けている。なお、マッハツェンダ干渉計７０は、入力導波路７１、２本のアーム７２，７３及び出力導波路７５からなる。なお、この実施例５においても、アーム７２には遅延導波路７４を設けているが、必須ではない。 Similar to the basic structure shown in FIG. 8B, the Si slot waveguide 90 is formed by forming triangular projecting n − type doping regions 91 and 92 periodically arranged on an n − type Si ridge. Yes, the undoped region remains a non-doped Si region. Here, the pitch of the n − type doping regions 91 and 92 is 1000 nm. Also here, n + -type Si electrode formation regions 94 and 95 and electrodes 96 and 97 are provided. Further, a micro flow path 98 is provided in a direction orthogonal to the arms 72 and 73. The Mach-Zehnder interferometer 70 includes an input waveguide 71, two arms 72 and 73, and an output waveguide 75. In the fifth embodiment, the arm 72 is provided with the delay waveguide 74, but this is not essential.
この場合も、マッハツェンダ干渉計７０の作用長は５００μｍとし、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの高周波を印加すると、マイクロ流路９８を流れる被検査溶液中に浮遊するカーボンナノチューブなどの浮遊粒子がＳｉスロット導波路９０の凹部９３に捕獲される。マッハツェンダ干渉計７０の入力導波路７１に１．５５μｍの波長のレーザ光を入射すると、捕獲された微粒子によって、レーザ光が散乱され素子上面に放射される。この放射された散乱光の強度を素子の上部に配置した光学レンズで集光しモノクロメータで散乱スペクトルを解析することによって捕獲した微粒子の特性を評価することができる。 Also in this case, the action length of the Mach-Zehnder interferometer 70 is 500 μm, and when a high frequency of 1 MHz to 10 MHz is applied, suspended particles such as carbon nanotubes floating in the solution to be inspected flowing in the microchannel 98 are formed in the Si slot waveguide 90. It is captured in the recess 93. When laser light having a wavelength of 1.55 μm is incident on the input waveguide 71 of the Mach-Zehnder interferometer 70, the laser light is scattered by the captured fine particles and emitted to the upper surface of the element. The characteristics of the captured fine particles can be evaluated by collecting the intensity of the emitted scattered light with an optical lens arranged on the upper part of the element and analyzing the scattered spectrum with a monochromator.
この時、三角形突起状のｎ−型ドーピング領域９１，９２を設けているので、実施例３と同様に、凹部９３付近の三角形突起状のｎ−型ドーピング領域９１，９２の頂点付近において高周波電場勾配が局所的に増強されるため位置を限定して捕獲力を大きくできる。さらに捕獲位置が予め分かることにより、光学レンズなどで散乱光を集光する際にも、その位置に焦点を合わせておけば良いので、実験は容易になる。 At this time, since the triangular projecting n − -type doping regions 91 and 92 are provided, the high-frequency electric field is formed in the vicinity of the apex of the triangular projecting n − -type doping regions 91 and 92 in the vicinity of the recess 93 as in the third embodiment. Since the gradient is locally enhanced, the capture force can be increased by limiting the position. Further, by knowing the capture position in advance, even when the scattered light is collected by an optical lens or the like, it is only necessary to focus on the position, so the experiment becomes easy.
また、Ｓｉスロット導波路９０には、三角形突起状のｎ−型ドーピング領域９１，９２により周期構造が形成されるので、この周期に対応したブラッグ波長において、微粒子の検出感度が増強される。特にこの効果は、マッハツェンダ干渉計に検知部を取り付けた系の方が、広い波長帯域の光に対してブラッグ散乱を利用した検知ができるので有効である。例えば、ブラッグ散乱によって微粒子センシング素子の上部に放射される光の角度は検知部を取り囲む入射光の波長と流体の屈折率とドーピングプロファイルの周期で決定される。 Further, since a periodic structure is formed in the Si slot waveguide 90 by the triangular projection-shaped n − -type doping regions 91 and 92, the detection sensitivity of the fine particles is enhanced at the Bragg wavelength corresponding to this period. This effect is particularly effective in a system in which a detection unit is attached to a Mach-Zehnder interferometer because detection using Bragg scattering can be performed for light in a wide wavelength band. For example, the angle of light emitted to the upper part of the fine particle sensing element by Bragg scattering is determined by the wavelength of incident light surrounding the detection unit, the refractive index of the fluid, and the period of the doping profile.
なお、実施例５においては、放射モードとの結合が十分に起こるようにｎ−型ドーピング領域９１，９２の周期を１０００ｎｍと十分に大きくしてあり、微粒子センシング素子に入射する波長は１．３μｍ〜１．６μｍの範囲の光を入射することを想定している。 In Example 5, the period of the n − -type doping regions 91 and 92 is sufficiently large as 1000 nm so that the coupling with the radiation mode occurs sufficiently, and the wavelength incident on the fine particle sensing element is 1.3 μm. It is assumed that light in the range of ˜1.6 μm is incident.
次に、図１１を参照して、本発明の実施例６を説明するが、スロット導波路を強誘電体スロット導波路に置き換えた以外は、上記の実施例１と同様であるので、要部断面図のみを示す。図１１は本発明の実施例６の微粒子センシング素子の説明図であり、ＳｒＴｉＯ３基板１００上にＮｂドープにより導電性を付与したＮｂドープＳｒＴｉＯ３層を設ける。このＮｂドープＳｒＴｉＯ３層をパターニングしてＮｂドープＳｒＴＯ３リッジ１０２，１０３を形成し、その間の凹部１０４を主光導波領域とする強誘電体スロット導波路１０１を形成する。この時、ＮｂドープＳｒＴＯ３電極形成領域１０５，１０６も併せて形成する。 Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 11, but is the same as the first embodiment except that the slot waveguide is replaced with a ferroelectric slot waveguide. Only a cross-sectional view is shown. FIG. 11 is an explanatory diagram of the fine particle sensing element of Example 6 of the present invention, and an Nb-doped SrTiO 3 layer imparted with conductivity by Nb doping is provided on the SrTiO 3 substrate 100. The Nb-doped SrTiO 3 layer is patterned to form Nb-doped SrTO 3 ridges 102 and 103, and a ferroelectric slot waveguide 101 having a concave portion 104 therebetween as a main optical waveguide region is formed. At this time, Nb-doped SrTO 3 electrode formation regions 105 and 106 are also formed.
以降は、実施例１と同様に、ＳｉＯ２層２９を堆積したのち、ＮｂドープＳｒＴＯ３電極形成領域１０５，１０６に達するコンタクトホールを形成する。次いで、導電膜を堆積させ、パターニングすることによりプラグと配線とよりなる電極３０，３１を形成する。次いで、再び、ＳｉＯ２層３２を堆積したのち、所定領域をエッチングして空洞部３３を形成する。次いで、厚さが１０ｎｍのＳｉＯ２保護膜３４を設けたのち、空洞部３４及びその周辺を覆うようにレジストパターン（図示は省略）を形成し、その上にＰＤＭＳ層３５を堆積してパターニングする。次いで、レジパターンを除去することで空洞部３６を形成する。この空洞部３６と空洞部３３によってマイクロ流路３７が形成される。 Thereafter, as in the first embodiment, after depositing the SiO 2 layer 29, contact holes reaching the Nb-doped SrTO 3 electrode formation regions 105 and 106 are formed. Next, a conductive film is deposited and patterned to form electrodes 30 and 31 including plugs and wirings. Next, after the SiO 2 layer 32 is deposited again, a predetermined region is etched to form the cavity 33. Next, after providing a SiO 2 protective film 34 having a thickness of 10 nm, a resist pattern (not shown) is formed so as to cover the cavity 34 and its periphery, and a PDMS layer 35 is deposited thereon and patterned. . Next, the cavity portion 36 is formed by removing the registration pattern. The hollow portion 36 and the hollow portion 33 form a micro flow path 37.
本発明の実施例６においては、スロット導波路を強誘電体スロット導波路により形成しているので、使用目的に応じて半導体スロット導波路以外のスロット導波路を用いることを可能にし、適用範囲を広くすることができる。なお、ここでは、強誘電体としてＳｒＴｉＯ３を用いているが、ＬｉＮｂＯ３等の他の強誘電体を用いても良い。この場合も実施例３と同様に、三角形状のＮｂドーピング領域を形成しても良い。 In the sixth embodiment of the present invention, since the slot waveguide is formed of a ferroelectric slot waveguide, it is possible to use a slot waveguide other than the semiconductor slot waveguide according to the purpose of use. Can be wide. Here, SrTiO 3 is used as the ferroelectric, but other ferroelectrics such as LiNbO 3 may be used. In this case, a triangular Nb doping region may be formed as in the third embodiment.
なお、上記の実施例３乃至実施例６においても、実施例２と同様に、マイクロ流路に露出するＳｉＯ２保護膜の表面に抗体を塗布等により付着させても良い。また、上記の実施例１乃至実施例６においては、マイクロ流路を設けて被検査流体が流れている状態で検査を行っているが、必ずしも被検査溶液は流れている必要はなく、マイクロ流路の代わりに単なる被検査溶液収容部を設けても良い。 In Examples 3 to 6, the antibody may be attached to the surface of the SiO 2 protective film exposed to the microchannel by coating or the like, as in Example 2. In Examples 1 to 6, the micro flow path is provided and the test is performed in a state where the fluid to be tested is flowing. However, the test solution does not necessarily have to flow, and the micro flow A simple solution storage section may be provided instead of the path.
ここで、実施例１乃至実施例６を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）表面が絶縁性の基板と、前記基板上に設けられた一対の高屈折率領域と前記一対の高屈折率領域に挟まれた低屈折率領域となる凹部を備えたスロット導波路と、前記スロット導波路の少なくとも一部に導電性を付与して微粒子を捕獲する微粒子捕獲領域と、前記微粒子捕獲領域に電界を印加する電界印加部材と、少なくとも前記微粒子捕獲領域の直上に設けられ、前記凹部に食い込む領域を有する被検査溶液収容部と、前記スロット導波路に光を入射する光入射部材とを備えた微粒子センシング素子。
（付記２）前記スロット導波路が、円環状或いはレーストラック状のリング共振器であり、前記光入射部材が、前記リング共振器に対してエバネッセント結合できる位置に設けられたチャネル導波路である付記１に記載の微粒子センシング素子。
（付記３）前記光入射部材が、チャネル導波路で形成されたマッハツェンダ干渉計であり、前記スロット導波路が、前記マッハツェンダ干渉計の一方のアームに挿入されている付記１に記載の微粒子センシング素子。
（付記４）前記微粒子捕獲領域において、前記一対の高屈折率領域に頂部が互いに対向する少なくとも一対の突起状のドーピング領域を設けた付記１乃至付記３のいずれか１に記載の微粒子センシング素子。
（付記５）前記ドーピング領域が、頂点が互いに対向する三角形状突起である付記４に記載の微粒子センシング素子。
（付記６）前記スロット導波路が、半導体スロット導波路である付記１乃至付記５のいずれか１に記載の微粒子センシング素子。
（付記７）前記表面が絶縁性の基板が、表面にＳｉＯ２膜を設けたシリコン基板であり、前記半導体スロット導波路が、シリコン細線スロット導波路である付記６に記載の微粒子センシング素子。
（付記８）前記スロット導波路が、強誘電体スロット導波路である付記１乃至付記５のいずれか１に記載の微粒子センシング素子。
（付記９）少なくとも前記凹部の表面に抗体を付着させた付記１乃至付記８のいずれか１に記載の微粒子センシング素子。
（付記１０）前記被検査溶液収容部が、マイクロ流路の一部である付記１乃至付記９のいずれか１に記載の微粒子センシング素子。
（付記１１）付記１乃至付記１０のいずれか１に記載の微粒子センシング素子と、前記光入射部材に光を入射するレーザ光源と、前記微粒子捕獲領域に捕獲された前記微粒子からの散乱光を検出する受光手段とを備えた微粒子評価システム。
（付記１２）前記光入射部材の入射側或いは出射側の少なくとも一方に、入射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータ或いは出射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータを設けた付記１１に記載の微粒子評価システム。
（付記１３）前記微粒子捕獲領域に印加する電界の周波数が、０Ｈｚ〜２００ＭＨｚである付記１１または付記１２に記載の微粒子評価システム。
（付記１４）前記微粒子捕獲領域に被検査溶液を流した状態で前記微粒子を捕獲する付記１１乃至付記１３のいずれか１に記載の微粒子評価システム。
Here, the following supplementary notes are attached to the embodiments of the present invention including Examples 1 to 6.
(Supplementary Note 1) Slot waveguide including a substrate having an insulating surface, a pair of high refractive index regions provided on the substrate, and a recess having a low refractive index region sandwiched between the pair of high refractive index regions A particle capturing region that captures particles by imparting conductivity to at least a part of the slot waveguide, an electric field applying member that applies an electric field to the particle capturing region, and at least directly above the particle capturing region. A fine particle sensing element comprising: a solution-to-be-tested storage portion having a region that bites into the concave portion; and a light incident member that makes light incident on the slot waveguide.
(Supplementary note 2) The slot waveguide is an annular or racetrack ring resonator, and the light incident member is a channel waveguide provided at a position where it can be evanescently coupled to the ring resonator. 2. The fine particle sensing element according to 1.
(Supplementary note 3) The fine particle sensing element according to supplementary note 1, wherein the light incident member is a Mach-Zehnder interferometer formed of a channel waveguide, and the slot waveguide is inserted into one arm of the Mach-Zehnder interferometer. .
(Supplementary note 4) The fine particle sensing element according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein, in the fine particle capturing region, at least a pair of protruding doping regions whose top portions are opposed to each other in the pair of high refractive index regions.
(Supplementary note 5) The fine particle sensing element according to supplementary note 4, wherein the doping region is a triangular protrusion having apexes facing each other.
(Supplementary note 6) The fine particle sensing element according to any one of supplementary notes 1 to 5, wherein the slot waveguide is a semiconductor slot waveguide.
(Supplementary note 7) The fine particle sensing element according to supplementary note 6, wherein the substrate having an insulating surface is a silicon substrate provided with a SiO 2 film on the surface, and the semiconductor slot waveguide is a silicon fine wire slot waveguide.
(Supplementary note 8) The fine particle sensing element according to any one of supplementary notes 1 to 5, wherein the slot waveguide is a ferroelectric slot waveguide.
(Supplementary note 9) The fine particle sensing element according to any one of supplementary notes 1 to 8, wherein an antibody is attached to at least the surface of the concave portion.
(Supplementary note 10) The fine particle sensing element according to any one of supplementary notes 1 to 9, wherein the solution to be inspected part is a part of a microchannel.
(Additional remark 11) The fine particle sensing element of any one of additional remark 1 thru | or additional remark 10, the laser light source which injects light into the said light incident member, and the scattered light from the said fine particle captured by the said fine particle capture area | region are detected A particle evaluation system comprising a light receiving means.
(Additional remark 12) The spectrum analyzer and optical power meter which detect incident light, or the spectrum analyzer and optical power meter which detect emitted light were provided in at least one of the incident side of the said light incident member, or an output side. Particle evaluation system.
(Additional remark 13) The fine particle evaluation system of Additional remark 11 or Additional remark 12 whose frequency of the electric field applied to the said fine particle capture area | region is 0 Hz-200 MHz.
(Supplementary note 14) The fine particle evaluation system according to any one of supplementary notes 11 to 13, wherein the fine particle is captured in a state where a solution to be inspected is allowed to flow in the fine particle capture region.
１ 基板
２ 高屈折率領域
２１ ｎ−型半導体領域
２２ ｐ−型半導体領域
２３ ｎ＋型半導体領域
２４ ｐ＋型半導体領域
３ 高屈折率領域
３１ ｎ−型半導体領域
３２ ｐ−型半導体領域
３３ ｎ＋型半導体領域
３４ ｐ＋型半導体領域
４ 凹部
５ 電極形成領域
５１ ｎ＋型半導体領域
５２ ｐ＋型半導体領域
６ 電極形成領域
６１ ｎ＋型半導体領域
６２ ｐ＋型半導体領域
７，９ 絶縁膜
８ 電圧印加部材
１０ 保護絶縁膜
１１ 被検査溶液収容部
１２ 被検査溶液
１３ 微粒子
１４ 光入射部材
１５ 入射光
１６ 散乱光
１７ 出射光
２０ 微粒子センシング素子
２１ Ｓｉ基板
２２ ＢＯＸ層
２３，６０，８０，９０ Ｓｉスロット導波路
２４，２５，８１，８２ ｎ−型Ｓｉリッジ
２６，６３，８３，９３ 凹部
２７，２８，６４，６５，８６，８７，９６，９７ ｎ＋型Ｓｉ電極形成層
２９，３２ ＳｉＯ２層
３０，３１，６６，６７ 電極
３３，３６ 空洞部
３４ ＳｉＯ２保護膜
３５ ＰＤＭＳ層
３７，６８，８８，９８ マイクロ流路
３８，６９ Ｓｉチャネル導波路
３９ 抗体
４１ 波長可変レーザ
４２，４４，４５，５２ 光ファイバ
４３ サーキュレータ
４６，５３ 光分岐器
４７，５４ スペクトラムアナライザ
４８，５５ 光パワーメータ
４９ 光学レンズ
５０ 受光ファイバ
５１ モノクロメータ
６１，６２，９１，９２ ｎ−型ドーピング領域
７０ マッハツェンダ干渉計
７１ 入力導波路
７２，７３ アーム
７４ 遅延導波路
７５ 出力導波路
１００ ＳｒＴｉＯ３基板
１０１ 強誘電体スロット導波路
１０２，１０３ ＮｂドープＳｒＴｉＯ３リッジ
１０４ 凹部
１０５，１０６ ＮｂドープＳｒＴｉＯ３電極形成層
１１１ Ｓｉ基板
１１２ ＢＯＸ層
１１３，１１５ 櫛歯電極
１１４，１１６ 櫛歯部
１１７ グルコース
１２１，１２２ 微小電極
１２３ ギャップ
１２４ タンパク質分子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 High refractive index region 2 1 n − type semiconductor region 2 2 p − type semiconductor region 2 3 n + type semiconductor region 2 4 p + type semiconductor region 3 High refractive index region 3 1 n − type semiconductor region 3 2 p − Type semiconductor region 3 3 n + type semiconductor region 3 4 p + type semiconductor region 4 recess 5 electrode formation region 5 1 n + type semiconductor region 5 2 p + type semiconductor region 6 electrode formation region 6 1 n + type semiconductor region 6 2 p + type semiconductor regions 7 and 9 Insulating film 8 Voltage application member 10 Protective insulating film 11 Inspected solution storage portion 12 Inspected solution 13 Fine particle 14 Light incident member 15 Incident light 16 Scattered light 17 Emission light 20 Fine particle sensing element 21 Si substrate 22 BOX layer 23,60,80,90 Si slot waveguide 24,25,81,82 n - -type Si ridge 26,63,83,93 recess 27,28,64,65,86,87,9 , 97 n + -type Si electrode layer 29, 32 SiO 2 layer 30,31,66,67 electrodes 33, 36 cavity 34 SiO 2 protective film 35 PDMS layer 37,68,88,98 microchannel 38,69 Si Channel waveguide 39 Antibody 41 Wavelength tunable laser 42, 44, 45, 52 Optical fiber 43 Circulator 46, 53 Optical splitter 47, 54 Spectrum analyzer 48, 55 Optical power meter 49 Optical lens 50 Light receiving fiber 51 Monochromators 61, 62, 91, 92 n − type doping region 70 Mach-Zehnder interferometer 71 Input waveguide 72, 73 Arm 74 Delay waveguide 75 Output waveguide 100 SrTiO 3 substrate 101 Ferroelectric slot waveguide 102, 103 Nb-doped SrTiO 3 ridge 104 Recess 105 106 Nb-doped SrTiO 3 Electrode forming layer 111 Si substrate 112 BOX layer 113, 115 Comb electrode 114, 116 Comb tooth 117 Glucose 121, 122 Microelectrode 123 Gap 124 Protein molecule
Claims (5)
前記基板上に設けられた一対の高屈折率領域と前記一対の高屈折率領域に挟まれた低屈折率領域となる凹部を備えたスロット導波路と、
前記スロット導波路の少なくとも一部に導電性を付与して微粒子を捕獲する微粒子捕獲領域と、
前記微粒子捕獲領域に電界を印加する電界印加部材と、
少なくとも前記微粒子捕獲領域の直上に設けられ、前記凹部に食い込む領域を有する被検査溶液収容部と、
前記スロット導波路に光を入射する光入射部材と
を備えた微粒子センシング素子。 A substrate with an insulating surface;
A slot waveguide comprising a pair of high refractive index regions provided on the substrate and a concave portion that becomes a low refractive index region sandwiched between the pair of high refractive index regions;
A particle capturing region that captures particles by imparting conductivity to at least a portion of the slot waveguide;
An electric field applying member for applying an electric field to the fine particle capturing region;
A solution storage portion to be inspected that is provided at least directly above the particulate capturing region and has a region that bites into the recess;
A fine particle sensing element comprising: a light incident member for entering light into the slot waveguide.
前記光入射部材が、前記リング共振器に対してエバネッセント結合できる位置に設けられたチャネル導波路である請求項１に記載の微粒子センシング素子。 The slot waveguide is an annular or racetrack ring resonator;
The fine particle sensing element according to claim 1, wherein the light incident member is a channel waveguide provided at a position where evanescent coupling can be performed with respect to the ring resonator.
前記スロット導波路が、前記マッハツェンダ干渉計の一方のアームに挿入されている請求項１に記載の微粒子センシング素子。 The light incident member is a Mach-Zehnder interferometer formed of a channel waveguide;
The fine particle sensing element according to claim 1, wherein the slot waveguide is inserted into one arm of the Mach-Zehnder interferometer.
前記光入射部材に光を入射するレーザ光源と、
前記微粒子捕獲領域に捕獲された前記微粒子からの散乱光を検出する受光手段と
を備えた微粒子評価システム。 The fine particle sensing element according to any one of claims 1 to 4,
A laser light source for entering light into the light incident member;
A fine particle evaluation system comprising: a light receiving means for detecting scattered light from the fine particles captured in the fine particle capture region.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016161922A JP2018031593A (en) | 2016-08-22 | 2016-08-22 | Fine particle sensing element and fine particle evaluation system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016161922A JP2018031593A (en) | 2016-08-22 | 2016-08-22 | Fine particle sensing element and fine particle evaluation system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018031593A true JP2018031593A (en) | 2018-03-01 |
Family
ID=61303332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016161922A Pending JP2018031593A (en) | 2016-08-22 | 2016-08-22 | Fine particle sensing element and fine particle evaluation system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2018031593A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019194548A (en) * | 2018-05-02 | 2019-11-07 | 学校法人幾徳学園 | Optical waveguide structure and optical waveguide type sensor |
| JP2020072035A (en) * | 2018-11-01 | 2020-05-07 | 日本航空電子工業株式会社 | Connector and connector assembly |
-
2016
- 2016-08-22 JP JP2016161922A patent/JP2018031593A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019194548A (en) * | 2018-05-02 | 2019-11-07 | 学校法人幾徳学園 | Optical waveguide structure and optical waveguide type sensor |
| JP7142895B2 (en) | 2018-05-02 | 2022-09-28 | 学校法人幾徳学園 | Optical waveguide structure and optical waveguide sensor |
| JP2020072035A (en) * | 2018-11-01 | 2020-05-07 | 日本航空電子工業株式会社 | Connector and connector assembly |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8593629B2 (en) | Apparatus for performing SERS | |
| Ghorbanzadeh et al. | Improvement of sensing and trapping efficiency of double nanohole apertures via enhancing the wedge plasmon polariton modes with tapered cusps | |
| Liu et al. | Polarization-independent multiple Fano resonances in plasmonic nonamers for multimode-matching enhanced multiband second-harmonic generation | |
| Wei et al. | Ultrasensitive transmissive infrared spectroscopy via loss engineering of metallic nanoantennas for compact devices | |
| Huck et al. | Gold nanoantennas on a pedestal for plasmonic enhancement in the infrared | |
| US7479625B2 (en) | Sensing photons from object in channels | |
| Shi et al. | A scattering nanopore for single nanoentity sensing | |
| WO2012043028A1 (en) | Biopolymer optical analysis device and method | |
| US9488583B2 (en) | Molecular analysis device | |
| Zhou et al. | Midinfrared spectroscopic analysis of aqueous mixtures using artificial-intelligence-enhanced metamaterial waveguide sensing platform | |
| US10782233B2 (en) | Optical sensing with critically coupled planar waveguide with optional integration of layered two-dimensional materials | |
| Gruber et al. | Spectral modifications and polarization dependent coupling in tailored assemblies of quantum dots and plasmonic nanowires | |
| Hsiao et al. | Nanophotonic biosensors using hexagonal nanoring resonators: computational study | |
| Ghirardini et al. | Plasmon-enhanced second harmonic sensing | |
| Ramos et al. | Nanomechanical plasmon spectroscopy of single gold nanoparticles | |
| US20140198376A1 (en) | Optical sensing chip | |
| Horng et al. | Imaging electric field dynamics with graphene optoelectronics | |
| Wang et al. | Plasmon-driven dynamic response of a hierarchically structural silver-decorated nanorod array for sub-10 nm nanogaps | |
| Rahad et al. | A polarization independent highly sensitive metasurface-based biosensor for lab-on-chip applications | |
| Eslami et al. | Integrated enhanced Raman scattering: a review | |
| JP2018031593A (en) | Fine particle sensing element and fine particle evaluation system | |
| Chaudhery et al. | Angle-scanning photonic crystal enhanced fluorescence microscopy | |
| Tai et al. | Escherichia coli fiber sensors using concentrated dielectrophoretic force with optical defocusing method | |
| Abedin et al. | Surface-Enhanced Coherent Anti-Stokes Raman Scattering of Molecules near Metal–Dielectric Nanojunctions | |
| KR101223762B1 (en) | Biosensor using bragg grating waveguide for surface plasmon and detection method for target material using the same |