JP2020134133A - Electric measurement type surface plasmon resonance sensor, electric measurement type surface plasmon resonance sensor chip, and surface plasmon polariton change detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気測定型表面プラズモン共鳴センサ、電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップ、及び表面プラズモンポラリトン変化検出方法に関し、より詳しくは、電気測定型表面プラズモン共鳴センサ及びそれに用いる電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップ、並びに、これらを用いた表面プラズモンポラリトン変化検出方法に関する。 The present invention relates to an electric measurement type surface plasmon resonance sensor, an electric measurement type surface plasmon resonance sensor chip, and a surface plasmon polariton change detection method. More specifically, the electric measurement type surface plasmon resonance sensor and an electric measurement type surface plasmon resonance used therein. The present invention relates to a sensor chip and a method for detecting a change in surface plasmon polariton using these.
表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)とは、金属の表面で自由電子が集団的振動運動(プラズマ振動)を起こしている状態であり、金属表面を伝搬する伝搬型表面プラズモン共鳴(PSPR:Propagating Surface Plasmon Resonance)と、ナノメートルサイズの金属構造に局在する局在型表面プラズモン共鳴(LSPR:Localized Surface Plasmon Resonance)とがある。伝搬型表面プラズモン共鳴は、プラズマ振動を起こした自由電子の周囲に発生した電場と入射した光との相互作用による共鳴が発生した状態であり、前記プラズマ振動と界面に沿って進む電磁波とが結合した電子疎密波(表面プラズモンポラリトン、SPP:Surface Plasmon Polariton)が金属表面に沿って伝搬する。他方、局在型表面プラズモン共鳴は、前記プラズマ振動によって前記金属ナノ粒子等の金属ナノ構造が分極・誘起されて電気双極子が生成した状態のことである。 Surface plasmon resonance (SPR) is a state in which free electrons undergo collective oscillation motion (plasma oscillation) on the surface of a metal, and is a propagating surface plasmon resonance (PSPR) that propagates on the metal surface. There are Surface Plasma Resonance (LSPR) and Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) localized in nanometer-sized metal structures. Propagation-type surface plasmon resonance is a state in which resonance is generated by the interaction between an electric field generated around a free electron that has caused plasma oscillation and incident light, and the plasma oscillation and an electromagnetic wave traveling along an interface are combined. Electromagnetic waves (surface plasmon polariton, SPP: Surface Plasma Polariton) propagate along the metal surface. On the other hand, localized surface plasmon resonance is a state in which metal nanostructures such as metal nanoparticles are polarized and induced by the plasma oscillation to generate electric dipoles.
表面プラズモン共鳴は、標的物質の吸着の有無や前記相互作用の強さを検出するアフィニティセンサ等のセンサに利用されており、例えば、特開2011−141265号公報(特許文献1)には、平面部を有する基材と、前記平面部上に形成され、金属で形成された表面を有し、標的物質が配置される特定の突起を含む回折格子とを備えるセンサチップが記載されている。しかしながら、特許文献1に記載されているようなセンサチップでは、金属表面に存在する標的物質の濃度変化による表面プラズモン共鳴角の変化を光学系で検出する必要があるために装置が高額になったり大型化したりする傾向にあり、また、集積化や同時に多数のサンプルを処理するハイスループット化が困難であるといった問題を有していた。 Surface plasmon resonance is used in sensors such as affinity sensors that detect the presence or absence of adsorption of target substances and the strength of the interaction. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-141265 (Patent Document 1) describes a flat surface. Described is a sensor chip comprising a substrate having a portion and a diffraction grating having a surface formed on the flat surface portion and formed of a metal and including a specific protrusion on which a target substance is arranged. However, in the sensor chip as described in Patent Document 1, the device becomes expensive because it is necessary to detect the change in the surface plasmon resonance angle due to the change in the concentration of the target substance existing on the metal surface by the optical system. There is a tendency for the size to increase, and there is a problem that it is difficult to integrate and increase the throughput for processing a large number of samples at the same time.
さらに、特開2000−356587号公報(特許文献2)には、基板と、前記基板の表面に凝集させずに互いに離隔した状態にある単膜として固定された金属微粒子とを有して構成されるセンサユニットを有する局在プラズモン共鳴センサが記載されている。しかしながら、特許文献2に記載の局在プラズモン共鳴センサは、前記金属微粒子への標的物質の吸着や堆積による該金属微粒子表面近傍の媒質の屈折率変化を前記金属微粒子間を透過した光の吸光度を測定することによって検出するため、前記金属微粒子のサイズや配列を厳密に制御する必要がある、検出信号が吸光度であるためにその強度を十分に増強させることが困難である、といった問題を有していた。 Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-356587 (Patent Document 2) is configured to include a substrate and metal fine particles fixed as a single film in a state of being separated from each other without being aggregated on the surface of the substrate. A localized plasmon resonance sensor having a sensor unit is described. However, the localized plasmon resonance sensor described in Patent Document 2 measures the change in the refractive index of the medium near the surface of the metal fine particles due to the adsorption or deposition of the target substance on the metal fine particles, and the absorbance of the light transmitted between the metal fine particles. Since it is detected by measurement, it is necessary to strictly control the size and arrangement of the metal fine particles, and it is difficult to sufficiently increase its intensity because the detection signal is absorbance. Was there.
また、表面プラズモン共鳴は、光電変換素子において、光電変換効率を向上させるためにも利用されており、例えば、特開2012−38541号公報(特許文献3)には、透明基板、透明電極層、金属微粒子層、n型半導体からなる半導体薄膜、色素の吸着層が順に積層されたアノード電極と、これに酸化還元種を含む電解質を介して配置されたカソード電極と、を備えるプラズモン共鳴型光電変換素子が記載されている。 Surface plasmon resonance is also used in photoelectric conversion elements to improve photoelectric conversion efficiency. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-38541 (Patent Document 3) describes a transparent substrate, a transparent electrode layer, and the like. A plasmon resonance type photoelectric conversion including an anode electrode in which a metal fine particle layer, a semiconductor thin film made of an n-type semiconductor, and an adsorption layer of a dye are laminated in this order, and a cathode electrode arranged therein via an electrolyte containing an oxidation-reduced species. The elements are described.
また、本件出願人は、透明電極、n型透明半導体膜、及びプラズモン共鳴膜電極がこの順で配置されているセンサチップと、プリズムとが配置されたプラズモンポラリトン増強センサチップと、前記透明電極及び前記プラズモン共鳴膜電極から電流値又は電圧値を直接測定する電気的測定装置と、を備える電気測定型表面プラズモン共鳴センサについて2018年8月9日付で国際出願した(PCT/JP2018/29979)。かかる電気測定型表面プラズモン共鳴センサによれば、小型化やハイスループット化が容易であり、かつ、十分なセンサ精度を有する電気測定型表面プラズモン共鳴センサ及びそれに用いる電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップを提供することが可能となる。 In addition, the Applicant has a sensor chip in which a transparent electrode, an n-type transparent semiconductor film, and a plasmon resonance film electrode are arranged in this order, a plasmon polariton augmented sensor chip in which a prism is arranged, the transparent electrode, and the transparent electrode. An international application was filed on August 9, 2018 for an electrically measuring surface plasmon resonance sensor including an electrical measuring device for directly measuring a current value or a voltage value from the plasmon resonance membrane electrode (PCT / JP2018 / 29979). According to such an electric measurement type surface plasmon resonance sensor, an electric measurement type surface plasmon resonance sensor which can be easily miniaturized and high throughput and has sufficient sensor accuracy and an electric measurement type surface plasmon resonance sensor chip used therein can be obtained. It will be possible to provide.
しかしながら、本発明者らは、特許文献3に記載されているような光電変換素子をセンサに応用した場合には、金属微粒子の制御が必要であり、センサ感度を向上させることが困難であることに加えて、電解質の酸化・還元反応を介するため、測定対象であるサンプル自体を酸化還元してしまい、センサ精度に影響を与えてしまうという問題があることを見い出した。 However, when the photoelectric conversion element as described in Patent Document 3 is applied to the sensor, the present inventors need to control the metal fine particles, and it is difficult to improve the sensor sensitivity. In addition, it has been found that there is a problem that the sample itself to be measured is redoxed and reduced due to the oxidation / reduction reaction of the electrolyte, which affects the sensor accuracy.
さらに、本発明者らがさらなる検討をおこなったところ、プラズモンポラリトン増強センサチップと電気的測定装置とを備える電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップにおいては、さらに高水準の感度が要求される場合があることを見い出した。 Furthermore, as a result of further studies by the present inventors, a higher level of sensitivity may be required for an electrically measuring surface plasmon resonance sensor chip including a plasmon polariton augmented sensor chip and an electrical measuring device. I found that.
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、小型化やハイスループット化が容易であり、かつ、十分なセンサ感度を有する電気測定型表面プラズモン共鳴センサ及びそれに用いる電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and is an electric measurement type surface plasmon resonance sensor which is easy to miniaturize and increase the throughput and has sufficient sensor sensitivity, and the electric measurement used therefor. It is an object of the present invention to provide a mold surface plasmon resonance sensor chip.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、透明電極、n型透明半導体膜、及びプラズモン共鳴膜電極を組み合わせてこの順で配置させたチップにおいて、特定の範囲内の入射角度で入射させた入射光をプラズモン共鳴膜電極に到達させることにより、到達した光が前記プラズモン共鳴膜電極を伝搬する表面プラズモンポラリトンに変換され、これを前記透明電極及び前記プラズモン共鳴膜電極から電気信号として直接検出できることを見い出した。また、検出される電気信号の大きさは、前記プラズモン共鳴膜電極近傍のサンプルの屈折率に応じて高い精度で変化することに加えて、前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射面に反射させ、再度入射光として利用し、検出される電流値を積算することで、特に優れたセンサ感度が達成されることを見い出した。さらに、前記サンプルの屈折率は該サンプルの濃度や状態に相当するため、前記構成のチップは、前記サンプルの濃度変化や状態変化を測定可能なセンサチップとして用いることが可能であることを見い出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above object, the present inventors have made a chip in which a transparent electrode, an n-type transparent semiconductor film, and a plasmon resonance film electrode are combined and arranged in this order, within a specific range. By causing the incident light incident at the incident angle to reach the plasmon resonance film electrode, the reached light is converted into a surface plasmon polariton propagating through the plasmon resonance film electrode, which is converted from the transparent electrode and the plasmon resonance film electrode. We found that it could be detected directly as an electrical signal. Further, the magnitude of the detected electric signal changes with high accuracy according to the refractive index of the sample in the vicinity of the plasmon resonance film electrode, and in addition, the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode It has been found that particularly excellent sensor sensitivity is achieved by reflecting the light reflected between them on the reflecting surface, using it again as incident light, and integrating the detected current values. Furthermore, since the refractive index of the sample corresponds to the concentration and state of the sample, it was found that the chip having the above configuration can be used as a sensor chip capable of measuring the concentration change and state change of the sample. The present invention has been completed.
すなわち、本発明の電気測定型表面プラズモン共鳴センサは、
光入射口を端部に備える透明基板、透明電極、n型透明半導体膜、及びプラズモン共鳴膜電極がこの順で配置されているセンサチップと、
前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射可能な反射面と、
前記透明電極及び前記プラズモン共鳴膜電極から電流値又は電圧値を直接測定する電気的測定装置と、
を備える、
ことを特徴とするものである。
That is, the electromeasurement type surface plasmon resonance sensor of the present invention is
A sensor chip in which a transparent substrate having a light incident port at the end, a transparent electrode, an n-type transparent semiconductor film, and a plasmon resonance film electrode are arranged in this order.
A reflective surface capable of reflecting light reflected between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode,
An electrical measuring device that directly measures a current value or a voltage value from the transparent electrode and the plasmon resonance membrane electrode.
To prepare
It is characterized by that.
また、本発明の電気測定型表面プラズモン共鳴センサは、
光を入射可能な光入射口を端部に備える透明基板、
入射光を表面プラズモンポラリトンに変換可能なプラズモン共鳴膜電極、
前記プラズモン共鳴膜電極の前記入射光側に配置されており、前記入射光を透過し、かつ、該透過した入射光が前記プラズモン共鳴膜電極と相互作用することによって前記プラズモン共鳴膜電極から放出されるホットエレクトロンを受け取り可能なn型透明半導体膜、及び
前記n型透明半導体膜から移動したホットエレクトロンを電気信号として取り出し可能な透明電極、
を備えるセンサチップと、
前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射可能な反射面と、
前記透明電極及び前記プラズモン共鳴膜電極から電流値又は電圧値を直接測定可能な電気的測定装置と、
を備え、
前記入射光には、前記光入射口から入射した入射光及び前記反射面で反射された反射光が含まれる、
ことを特徴とするものである。
Further, the electromeasurement type surface plasmon resonance sensor of the present invention is
A transparent substrate with a light incident port at the end that allows light to enter,
Plasmon resonance membrane electrode capable of converting incident light into surface plasmon polaritons,
It is arranged on the incident light side of the plasmon resonance film electrode, transmits the incident light, and is emitted from the plasmon resonance film electrode by interacting with the plasmon resonance film electrode. An n-type transparent semiconductor film capable of receiving hot electrons, and a transparent electrode capable of extracting hot electrons transferred from the n-type transparent semiconductor film as an electric signal.
With a sensor chip
A reflective surface capable of reflecting light reflected between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode,
An electrical measuring device capable of directly measuring a current value or a voltage value from the transparent electrode and the plasmon resonance membrane electrode.
With
The incident light includes incident light incident from the light incident port and reflected light reflected by the reflecting surface.
It is characterized by that.
上記の電気測定型表面プラズモン共鳴センサの好ましい一形態としては、前記反射面が、前記透明基板の前記透明電極と反対側の表面と前記透明基板内部との境界面であることが好ましい。 As a preferable form of the above-mentioned electrical measurement type surface plasmon resonance sensor, it is preferable that the reflective surface is a boundary surface between the surface of the transparent substrate opposite to the transparent electrode and the inside of the transparent substrate.
また上記の電気測定型表面プラズモン共鳴センサの他の好ましい一形態としては、前記透明基板の前記透明電極と反対側の表面上に、第2の透明電極、第2のn型透明半導体膜、及び第2のプラズモン共鳴膜電極がこの順で配置されている第2の光電変換部と、前記第2の透明電極及び前記第2のプラズモン共鳴膜電極から電流値又は電圧値を直接測定する第2の電気的測定装置と、をさらに備えており、
前記反射面が、前記第2のn型透明半導体膜と前記第2のプラズモン共鳴膜電極との間の面であることも好ましい。
Further, as another preferable form of the electric measurement type surface plasmon resonance sensor, a second transparent electrode, a second n-type transparent semiconductor film, and a second n-type transparent semiconductor film are provided on the surface of the transparent substrate opposite to the transparent electrode. A second photoelectric conversion unit in which the second plasmon resonance film electrode is arranged in this order, and a second that directly measures a current value or a voltage value from the second transparent electrode and the second plasmon resonance film electrode. It is further equipped with an electrical measuring device of
It is also preferable that the reflective surface is a surface between the second n-type transparent semiconductor film and the second plasmon resonance film electrode.
上記の電気測定型表面プラズモン共鳴センサの好ましい一形態としては、前記センサチップにおいて、前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との組み合わせが、ショットキー障壁を形成する組み合わせであることが好ましい。 As a preferable form of the above-mentioned electrical measurement type surface plasmon resonance sensor, it is preferable that the combination of the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode forms a Schottky barrier in the sensor chip. ..
また、上記電気測定型表面プラズモン共鳴センサの好ましい一形態としては、前記センサチップにおいて、前記プラズモン共鳴膜電極の厚さが200nm以下(ただし0を含まない)であることが好ましい。 Further, as a preferable form of the electromeasurement type surface plasmon resonance sensor, it is preferable that the thickness of the plasmon resonance film electrode in the sensor chip is 200 nm or less (however, 0 is not included).
さらに、上記電気測定型表面プラズモン共鳴センサの好ましい一形態としては、前記センサチップにおいて、前記n型透明半導体膜が、TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3、Fe2O3、TaON、WO3、及びIn2O3からなる群から選択される少なくとも1種のn型半導体からなる膜であることが好ましい。 Further, as a preferable form of the electromeasurement type surface plasmon resonance sensor, in the sensor chip, the n-type transparent semiconductor film is thio 2 , ZnO, SnO 2 , SrTiO 3 , Fe 2 O 3 , TaON, WO 3 , And a film made of at least one n-type semiconductor selected from the group consisting of In 2 O 3 .
本発明の電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップは、上記の電気測定型表面プラズモン共鳴センサに用いるセンサチップであり、光入射口を端部に備える透明基板、透明電極、n型透明半導体膜、及びプラズモン共鳴膜電極がこの順で配置されていることを特徴とするものである。 The electromeasurement type surface plasmon resonance sensor chip of the present invention is a sensor chip used for the above-mentioned electromeasurement type surface plasmon resonance sensor, and is a transparent substrate having a light incident port at an end, a transparent electrode, an n-type transparent semiconductor film, and an n-type transparent semiconductor film. It is characterized in that the plasmon resonance membrane electrodes are arranged in this order.
本発明の表面プラズモンポラリトン変化検出方法は、
光入射口を端部に備える透明基板、透明電極、n型透明半導体膜、及びプラズモン共鳴膜電極がこの順で配置されているセンサチップと、
前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射可能な反射面と、
前記透明電極及び前記プラズモン共鳴膜電極から電流値又は電圧値を直接測定する電気的測定装置と、
を備える電気測定型表面プラズモン共鳴センサを用いて表面プラズモンポラリトンの変化を検出する方法であり、
前記光入射口から光を入射させ、入射光を前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間で全反射させる第1のステップ;
前記全反射により前記入射光を前記プラズモン共鳴膜電極と相互作用させて表面プラズモンポラリトンを発生せしめ、前記表面プラズモンポラリトンによって生じ、前記n型透明半導体膜に移動したホットエレクトロンを前記透明電極から電気信号として取り出し、前記透明電極と前記プラズモン共鳴膜電極との間の電流値又は電圧値の変化を前記電気的測定装置によって測定する第2のステップ;
前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間で全反射した光を反射可能な反射面に反射させて再度入射光とし、これを前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間で全反射させ、再度、前記第2のステップを行う第3のステップ;
前記第3のステップを複数回繰り返し、測定された電流値又は電圧値の変化を積算し、積算値として表面プラズモンポラリトンの変化を検出する第4のステップ;
を含むことを特徴とする方法である。
The surface plasmon polariton change detection method of the present invention
A sensor chip in which a transparent substrate having a light incident port at the end, a transparent electrode, an n-type transparent semiconductor film, and a plasmon resonance film electrode are arranged in this order.
A reflective surface capable of reflecting light reflected between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode,
An electrical measuring device that directly measures a current value or a voltage value from the transparent electrode and the plasmon resonance membrane electrode.
It is a method of detecting changes in surface plasmon polaritons using an electromeasurement type surface plasmon resonance sensor equipped with.
The first step of injecting light from the light incident port and totally reflecting the incident light between the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film;
Due to the total reflection, the incident light interacts with the plasmon resonance film electrode to generate surface plasmon polaritons, and the hot electrons generated by the surface plasmon polaritons and transferred to the n-type transparent semiconductor film are electrically signaled from the transparent electrode. The second step of measuring the change in the current value or the voltage value between the transparent electrode and the plasmon resonance film electrode by the electric measuring device;
The light totally reflected between the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film is reflected on a reflective surface that can be reflected to obtain incident light again, and this is used as the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film. A third step in which total reflection is performed between the two and the second step is performed again;
The fourth step of repeating the third step a plurality of times, integrating the measured changes in the current value or the voltage value, and detecting the change in the surface plasmon polariton as the integrated value;
It is a method characterized by including.
なお、本発明の構成によって前記目的が達成される理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明の電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップ(以下、場合により、単に「センサチップ」という)を用いた電気測定型表面プラズモン共鳴センサ(以下、場合により、単に「センサ」という)においては、透明電極の側からプラズモン共鳴膜電極に光を照射し、透明電極及びn型透明半導体膜を通過した光が、前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間において全反射すると、全反射した面の裏側にエネルギーの染み出し(エバネッセント波)が生じる。そのため、光の前記界面に対する入射角度が臨界角(以下、「全反射角度」という)以上であると、全反射した場所において生じたエバネッセント波と、この裏側に接する前記プラズモン共鳴膜電極とが相互作用して上記の表面プラズモンポラリトンが励起される。 The reason why the above object is achieved by the configuration of the present invention is not always clear, but the present inventors presume as follows. That is, in the electric measurement type surface plasmon resonance sensor (hereinafter, sometimes simply referred to as "sensor") using the electric measurement type surface plasmon resonance sensor chip (hereinafter, sometimes simply referred to as "sensor chip") of the present invention. When the plasmon resonance film electrode is irradiated with light from the transparent electrode side and the light passing through the transparent electrode and the n-type transparent semiconductor film is totally reflected between the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film, Energy exudation (evanescent wave) occurs on the back side of the totally reflected surface. Therefore, when the incident angle of light with respect to the interface is equal to or greater than the critical angle (hereinafter referred to as "total reflection angle"), the evanescent wave generated at the place of total internal reflection and the plasmon resonance film electrode in contact with the back side thereof are mutually compatible. It acts to excite the above surface plasmon polaritons.
次いで、この表面プラズモンポラリトンによって前記プラズモン共鳴膜電極が十分に分極することでホットエレクトロンが放出され、ホットホールが形成されるが、放出されたホットエレクトロンは前記プラズモン共鳴膜電極とショットキー障壁が形成されるn型透明半導体膜を経て対極である透明電極へとスムーズに移動することができる。そのため、本発明のセンサチップを用いたセンサにおいては、前記表面プラズモンポラリトンを前記プラズモン共鳴膜電極及び前記透明電極から電気信号として十分に検出することができるものと本発明者らは推察する。 Next, the surface plasmon polariton sufficiently polarizes the plasmon resonance membrane electrode to release hot electrons and form hot holes, but the released hot electrons form the plasmon resonance membrane electrode and the Schottky barrier. It can smoothly move to the opposite transparent electrode through the n-type transparent semiconductor film. Therefore, in the sensor using the sensor chip of the present invention, the present inventors presume that the surface plasmon polariton can be sufficiently detected as an electric signal from the plasmon resonance film electrode and the transparent electrode.
また、本発明のセンサチップを用いたセンサにおいては、前記プラズモン共鳴膜電極近傍における屈折率の変化が、上記の全反射する箇所、すなわち、表面プラズモンポラリトンを生じさせる入射角度(透明電極の側から入射する光の入射角度)の範囲、及び生じる表面プラズモンポラリトンの強さを変化させる。さらに、光の入射により前記プラズモン共鳴膜電極に生じる電場は前記表面プラズモンポラリトンによって増強されるため、その電場変化に応じて変化する電流量は、表面プラズモンポラリトンの強さによって変化する。したがって、前記プラズモン共鳴膜電極近傍のサンプルの屈折率変化を十分な精度で測定することができるものと本発明者らは推察する。そのため、本発明のセンサチップを用いたセンサによれば、表面プラズモンポラリトンの変化を検出することによって、前記サンプルの濃度変化や状態変化を高精度でモニタすることができ、また、検出信号が電気信号であるため、その強度を電気的に容易に増強することや電流として容易に測定することが可能となるものと本発明者らは推察する。 Further, in the sensor using the sensor chip of the present invention, the incident angle (from the side of the transparent electrode) at which the change in the refractive index in the vicinity of the plasmon resonance film electrode causes the above-mentioned total internal reflection, that is, the surface plasmon polariton. The range of the incident angle of the incident light) and the intensity of the surface plasmon polaritons generated are changed. Further, since the electric field generated in the plasmon resonance film electrode by the incident light is enhanced by the surface plasmon polariton, the amount of current that changes according to the change in the electric field changes depending on the intensity of the surface plasmon polariton. Therefore, the present inventors presume that the change in the refractive index of the sample near the plasmon resonance membrane electrode can be measured with sufficient accuracy. Therefore, according to the sensor using the sensor chip of the present invention, by detecting the change in the surface plasmon polariton, the concentration change and the state change of the sample can be monitored with high accuracy, and the detection signal is electric. Since it is a signal, the present inventors presume that its strength can be easily increased electrically and can be easily measured as an electric current.
さらに、このとき、前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間において全反射させる光(入射光)として、前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射させて再入射光として再度利用することにより、2回目以降の入射では、プラズモン共鳴の影響を受け、プラズモン共鳴の強度に伴って強度が減少した光(再入射光)が入射されることとなる。そのため、検出される電流値を積算することで電流値が増強されることに加えて、単に入射光を増強させて照射した場合よりも、積算した電流値の最大値と最小値との差分の増強がなされて、優れたセンサ感度が達成されるものと本発明者らは推察する。 Further, at this time, as light (incident light) totally reflected between the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film, the light is reflected between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode. By reflecting the light and reusing it as re-incident light, the light (re-incident light) that is affected by the plasmon resonance and whose intensity decreases with the intensity of the plasmon resonance is incident in the second and subsequent incidents. It will be. Therefore, in addition to increasing the current value by integrating the detected current values, the difference between the maximum value and the minimum value of the integrated current value is larger than that when the incident light is simply enhanced and irradiated. The present inventors speculate that the enhancement is made and excellent sensor sensitivity is achieved.
本発明によれば、小型化やハイスループット化が容易であり、かつ、十分なセンサ感度を有する電気測定型表面プラズモン共鳴センサ及びそれに用いる電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide an electric measurement type surface plasmon resonance sensor which can be easily miniaturized and high throughput and has sufficient sensor sensitivity, and an electric measurement type surface plasmon resonance sensor chip used therein. Become.
以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。本発明の電気測定型表面プラズモン共鳴センサは、
光入射口を端部に備える透明基板、透明電極、n型透明半導体膜、及びプラズモン共鳴膜電極がこの順で配置されているセンサチップと、
前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射可能な反射面と、
前記透明電極及び前記プラズモン共鳴膜電極から電流値又は電圧値を直接測定する電気的測定装置と、
を備える、
ものである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail according to the preferred embodiment thereof. The electromeasuring surface plasmon resonance sensor of the present invention
A sensor chip in which a transparent substrate having a light incident port at the end, a transparent electrode, an n-type transparent semiconductor film, and a plasmon resonance film electrode are arranged in this order.
A reflective surface capable of reflecting light reflected between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode,
An electrical measuring device that directly measures a current value or a voltage value from the transparent electrode and the plasmon resonance membrane electrode.
To prepare
It is a thing.
また、本発明の電気測定型表面プラズモン共鳴センサは、
光を入射可能な光入射口を端部に備える透明基板、
入射光を表面プラズモンポラリトンに変換可能なプラズモン共鳴膜電極、
前記プラズモン共鳴膜電極の前記入射光側に配置されており、前記入射光を透過し、かつ、該透過した入射光が前記プラズモン共鳴膜電極と相互作用することによって前記プラズモン共鳴膜電極から放出されるホットエレクトロンを受け取り可能なn型透明半導体膜、及び
前記n型透明半導体膜から移動したホットエレクトロンを電気信号として取り出し可能な透明電極、
を備えるセンサチップと、
前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射可能な反射面と、
前記透明電極及び前記プラズモン共鳴膜電極から電流値又は電圧値を直接測定可能な電気的測定装置と、
を備え、
前記入射光には、前記光入射口から入射した入射光及び前記反射面で反射された反射光が含まれる、
ものでもある。
Further, the electromeasurement type surface plasmon resonance sensor of the present invention is
A transparent substrate with a light incident port at the end that allows light to enter,
Plasmon resonance membrane electrode capable of converting incident light into surface plasmon polaritons,
It is arranged on the incident light side of the plasmon resonance film electrode, transmits the incident light, and is emitted from the plasmon resonance film electrode by interacting with the plasmon resonance film electrode. An n-type transparent semiconductor film capable of receiving hot electrons, and a transparent electrode capable of extracting hot electrons transferred from the n-type transparent semiconductor film as an electric signal.
With a sensor chip
A reflective surface capable of reflecting light reflected between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode,
An electrical measuring device capable of directly measuring a current value or a voltage value from the transparent electrode and the plasmon resonance membrane electrode.
With
The incident light includes incident light incident from the light incident port and reflected light reflected by the reflecting surface.
It is also a thing.
さらに、本発明の電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップは、上記本発明の電気測定型表面プラズモン共鳴センサに用いるセンサチップであり、光入射口を端部に備える透明基板、透明電極、n型透明半導体膜、及びプラズモン共鳴膜電極がこの順で配置されているものである。 Further, the electric measurement type surface plasmon resonance sensor chip of the present invention is a sensor chip used for the electric measurement type surface plasmon resonance sensor of the present invention, and is a transparent substrate, a transparent electrode, and an n-type transparent having a light incident port at an end. The semiconductor film and the plasmon resonance film electrode are arranged in this order.
以下、図面を参照しながら電気測定型表面プラズモン共鳴センサ(以下、「センサ」)及び電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップ(以下、「センサチップ」)の好ましい形態を例に挙げてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, with reference to the drawings, a preferable form of the electric measurement type surface plasmon resonance sensor (hereinafter, “sensor”) and the electric measurement type surface plasmon resonance sensor chip (hereinafter, “sensor chip”) will be cited as an example to be more specific. As described above, the present invention is not limited to this. In the following description and drawings, the same or corresponding elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
図1Aには、センサチップの第1の好ましい形態(好適な実施形態1;センサチップ11)を示す。図1Aに示すように、好適な実施形態1において、センサチップ11は、透明基板(以下、「透明基板2」)上に、透明電極(以下、「透明電極3」)、n型透明半導体膜(以下、「n型透明半導体膜4」)、及びプラズモン共鳴膜電極(以下、「プラズモン共鳴膜電極5」)が、透明基板2、透明電極3、n型透明半導体膜4、プラズモン共鳴膜電極5の順になるように積層されたものである。また、透明基板2の端部には、光を入射可能な光入射口(以下、「光入射口1」)が設けられている。 FIG. 1A shows a first preferred embodiment of the sensor chip (preferable embodiment 1; sensor chip 11). As shown in FIG. 1A, in the preferred embodiment 1, the sensor chip 11 has a transparent electrode (hereinafter, “transparent electrode 3”) and an n-type transparent semiconductor film on a transparent substrate (hereinafter, “transparent substrate 2”). (Hereinafter, "n-type transparent semiconductor film 4") and plasmon resonance film electrode (hereinafter, "plasmon resonance film electrode 5") are a transparent substrate 2, a transparent electrode 3, an n-type transparent semiconductor film 4, and a plasmon resonance film electrode. It is laminated in the order of 5. Further, at the end of the transparent substrate 2, a light incident port (hereinafter, “light incident port 1”) capable of incident light is provided.
また、図1Bには、センサの第1の好ましい形態(好適な実施形態1;センサ510)を示す。図1Bに示すように、好適な実施形態1において、センサ510は、センサチップ11と、センサチップ11の透明電極3及びプラズモン共鳴膜電極5と外部回路(外部回路31及び31’)を通じて電気的に接続された電気的測定装置(電気的測定装置21)と、を備える。 Further, FIG. 1B shows a first preferred embodiment of the sensor (preferable embodiment 1; sensor 510). As shown in FIG. 1B, in a preferred embodiment 1, the sensor 510 is electrically connected through the sensor chip 11, the transparent electrode 3 of the sensor chip 11, the plasmon resonance film electrode 5, and an external circuit (external circuits 31 and 31'). (Electrical measuring device 21) connected to the above.
(透明基板)
透明基板2は、センサチップ11を支持する機能を有するものであり、端部に光入射口1を有する。また、透明基板2は、下記に示すように、透明基板2の透明電極3と反対側の表面と透明基板2内部との境界面が、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で反射された光を反射可能な反射面として機能してもよい。
(Transparent board)
The transparent substrate 2 has a function of supporting the sensor chip 11 and has a light incident port 1 at an end thereof. Further, as shown below, in the transparent substrate 2, the interface between the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3 and the inside of the transparent substrate 2 is the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5. The light reflected between them may function as a reflective surface that can be reflected.
透明基板2の材質としては、光を透過できるものであれば特に制限されず、例えば、ガラス;プラスチックやフィルム等の高分子有機化合物が挙げられ、透明基板2としては、これらのうちの少なくとも1種を含む単層であってもかかる単層が2種以上積層された複層であってもよい。 The material of the transparent substrate 2 is not particularly limited as long as it can transmit light, and examples thereof include high molecular weight organic compounds such as glass; plastic and film, and the transparent substrate 2 is at least one of these. It may be a single layer containing seeds or a multi-layer in which two or more such single layers are laminated.
透明基板2の透明電極3と反対側の表面と透明基板2内部との境界面を、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で反射された光を反射可能な反射面として機能させる場合には、透明基板2の透明電極3と反対側の表面に、金属コーティング(前記金属としては、例えば、金、銀、アルミ、銅、クロム、ニッケル、スズ等)や、屈折率の高い誘電体膜と屈折率の低い誘電体膜とを交互に積層した多層反射膜の積層、屈折率が透明基板2の屈折率よりも低い屈折率を示す材料のコーティング等の加工をしたものを用いることができる。 The interface between the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3 and the inside of the transparent substrate 2 is used as a reflective surface capable of reflecting the light reflected between the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5. When functioning, the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3 is coated with a metal (for example, gold, silver, aluminum, copper, chromium, nickel, tin, etc.) or has a refractive index. A multi-layer reflective film in which a high refractive index and a low refractive index are alternately laminated, and a material having a refractive index lower than that of the transparent substrate 2 is coated. Can be used.
なお、本発明において、膜、電極、層及び基板などが「光を透過できる」とは、膜、電極、層又は基板(透明基板2においては上記加工がされていないもの)などの一方の面に対して波長400〜1500nmのうちの少なくともいずれかの波長の光を垂直に入射させたときの光透過率が40%以上であることをいい、前記光透過率は50%以上であることが好ましく、60%以上であることがさらに好ましい。 In the present invention, "a film, an electrode, a layer, a substrate, or the like can transmit light" means one surface of the film, the electrode, a layer, or a substrate (the transparent substrate 2 is not processed above). It means that the light transmittance when light of at least one of the wavelengths of 400 to 1500 nm is vertically incident is 40% or more, and the light transmittance is 50% or more. It is preferably 60% or more, and more preferably 60% or more.
光入射口1は、センサチップ11の内部に光を入射する機能を有する。光入射口1としては、透明基板2の端部、好ましくは、透明電極3、n型透明半導体膜4、及びプラズモン共鳴膜電極5が積層される平面に接する側面(より好ましくは、透明基板2の短手を構成する側面)に、切断、研磨等によって、斜平面や、半球状・半円筒状等のカーブ形状を形成すること等により、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で光が全反射されるよう入射可能なように加工された構造が挙げられる。また、光入射口1としては、透明基板2の前記端部に直角三角形、半円筒、半球状等のプリズムを配置してこれを光入射口1として用いてもよい。この場合の光入射口1の材質としては、例えば、ガラス、高分子ポリマ(メタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリエチレン、エポキシ、ポリエステル等)、硫黄、ルビー、サファイア、ダイヤモンド、セレン化亜鉛(ZnSe)、硫化亜鉛(ZnS)、ゲルマニウム(Ge)、ケイ素(Si)、ヨウ化セシウム(CsI)、臭化カリウム(KBr)、臭沃化タリウム、炭酸カルシウム(CaCO3)、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化マグネシウム(MgF2)、フッ化リチウム(LiF)が挙げられる。 The light incident port 1 has a function of incident light inside the sensor chip 11. The light incident port 1 is an end portion of the transparent substrate 2, preferably a side surface in contact with a plane on which the transparent electrode 3, the n-type transparent semiconductor film 4, and the plasmon resonance film electrode 5 are laminated (more preferably, the transparent substrate 2). The n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5 are formed by forming an oblique plane or a curved shape such as a hemispherical or semi-cylindrical shape on the side surface forming the short side of the light by cutting, polishing, or the like. There is a structure processed so that light can be incident between them so that light is totally reflected between them. Further, as the light incident port 1, a prism such as a right triangle, a semi-cylinder, or a hemisphere may be arranged at the end of the transparent substrate 2 and used as the light incident port 1. In this case, the material of the light incident port 1 includes, for example, glass, high molecular weight polymer (methyl methacrylate, polystyrene, polyethylene, epoxy, polyester, etc.), sulfur, ruby, sapphire, diamond, zinc selenium (ZnSe), and sulfide. Zinc (ZnS), Germanium (Ge), Silicon (Si), Cesium iodide (CsI), Potassium bromide (KBr), Talium bromide, Calcium carbonate (CaCO 3 ), Barium fluoride (BaF 2 ), Sulfur Examples thereof include magnesium carbonate (MgF 2 ) and lithium fluoride (LiF).
光入射口1は、透明基板2の端部に配置されるが、より具体的には、透明基板2のいずれかの面上、より好ましくは前記面の端部近傍に配置され、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で反射された光の反射を複数回繰り返させる観点から、透明基板2の長手方向の端面(短手を構成する端面)に配置されることがさらに好ましい。 The light incident port 1 is arranged at the end of the transparent substrate 2, but more specifically, it is arranged on any surface of the transparent substrate 2, more preferably near the end of the surface, and is n-type transparent. From the viewpoint of repeating the reflection of the light reflected between the semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5 a plurality of times, it is further arranged on the end face in the longitudinal direction (the end face constituting the short side) of the transparent substrate 2. preferable.
透明基板2の厚さとしては、通常、0.01〜2mmであるが、透明基板2の透明電極3と反対側の表面と透明基板2内部との境界面が、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で反射された光を反射可能な反射面として機能する場合、その厚さとしては、0.01〜10mmであることが好ましく、0.01〜5mmであることがより好ましい。透明基板2の厚さが厚くなると、センサ全体を大きくする必要が生じる傾向にある。 The thickness of the transparent substrate 2 is usually 0.01 to 2 mm, but the interface between the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3 and the inside of the transparent substrate 2 is the n-type transparent semiconductor film 4. When the light reflected from the plasmon resonance film electrode 5 functions as a reflective surface that can be reflected, the thickness thereof is preferably 0.01 to 10 mm, preferably 0.01 to 5 mm. More preferred. As the thickness of the transparent substrate 2 increases, it tends to be necessary to increase the size of the entire sensor.
(透明電極)
透明電極3は、プラズモン共鳴膜電極5で生じた表面プラズモンポラリトンに伴って放出され、n型透明半導体膜4を移動してきたホットエレクトロン(電子)を電気信号として取り出す機能を有するものであり、プラズモン共鳴膜電極5の対極として機能し、プラズモン共鳴膜電極5と、電気的測定装置(好適な実施形態1では電気的測定装置21)及び必要に応じて外部回路(導線、電流計等;好適な実施形態1では外部回路31及び31’)を介して電気的に接続される。また、透明電極3は、光を透過できることが必要である。
(Transparent electrode)
The transparent electrode 3 has a function of extracting hot electrons (electrons) emitted along with the surface plasmon polaritone generated in the plasmon resonance film electrode 5 and moving through the n-type transparent semiconductor film 4 as an electric signal, and has a function of extracting plasmon. It functions as a counter electrode of the resonance film electrode 5, and is suitable for the plasmon resonance film electrode 5, an electrical measuring device (electric measuring device 21 in the preferred embodiment 1), and an external circuit (lead wire, current meter, etc.) as necessary. In the first embodiment, they are electrically connected via external circuits 31 and 31'). Further, the transparent electrode 3 needs to be able to transmit light.
透明電極3の材質としては、半導体分野において透明電極として従来から用いられているものの中から適宜選択して用いることができ、例えば、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、アルミ(Al)、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)、ITO(Indium tin oxide)、FTO(Fluorine−doped tin oxide)、及び他元素(アルミニウムやガリウム等)をドープしたZnO等の金属酸化物などの透明導電性材料、及びこれらの積層体からなる薄膜や網状の形状が挙げられる。また、透明電極3の材質としては、下記のn型透明半導体膜を構成するn型半導体も挙げられ、センサチップにおいて、透明電極3とn型透明半導体膜4とは、互いに同一の材質からなる層であってもよい。 The material of the transparent electrode 3 can be appropriately selected from those conventionally used as a transparent electrode in the semiconductor field, and can be used, for example, copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), and platinum. (Pt), zinc (Zn), chromium (Cr), aluminum (Al), titanium (Ti), titanium nitride (TiN), ITO (Indium tin oxide), FTO (Fluorine-doped tin oxide), and other elements (Pt), zinc (Zn), chromium (Cr), aluminum (Al), titanium (Ti), titanium nitride (TiN), ITO (Indium tin oxide), and other elements ( Examples thereof include a transparent conductive material such as a metal oxide such as ZnO doped with (aluminum, gallium, etc.), and a thin film or a net-like shape composed of a laminate thereof. Further, as the material of the transparent electrode 3, the n-type semiconductor constituting the following n-type transparent semiconductor film can be mentioned, and in the sensor chip, the transparent electrode 3 and the n-type transparent semiconductor film 4 are made of the same material. It may be a layer.
透明電極3の厚さとしては、通常、1〜1000nmである。なお、本発明において、膜、電極、及び層などの厚さは、走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)による観察で測定することができる。 The thickness of the transparent electrode 3 is usually 1 to 1000 nm. In the present invention, the thickness of the film, electrodes, layers and the like can be measured by observation with a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).
(n型透明半導体膜)
n型透明半導体膜4は、プラズモン共鳴膜電極5で励起された表面プラズモンポラリトンによって該プラズモン共鳴膜電極5が十分に分極されることで放出されるホットエレクトロンを受け取る機能を有するものであり、n型半導体からなる膜である。また、n型透明半導体膜4は、光を透過できることが必要である。
(N-type transparent semiconductor film)
The n-type transparent semiconductor film 4 has a function of receiving hot electrons emitted when the plasmon resonance film electrode 5 is sufficiently polarized by the surface plasmon polariton excited by the plasmon resonance film electrode 5. It is a film made of a type semiconductor. Further, the n-type transparent semiconductor film 4 needs to be able to transmit light.
前記n型半導体としては、例えば、無機酸化物半導体が挙げられ、これらのうちの1種を単独であっても2種以上の複合材料であってもよい。前記無機酸化物半導体としては、二酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、二酸化スズ(SnO2)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(GaO)、酸化チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化鉄(Fe2O3)、酸窒化タンタル(TaON)、酸化タングステン(WO3)、酸化インジウム(In2O3)及びこれらの複合酸化物等が挙げられる。中でも、前記n型半導体としては、透明性が高く、導電率が高いという観点からは、TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3、Fe2O3、TaON、WO3及びIn2O3からなる群から選択される少なくとも1種の半導体であることが好ましく、TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3、Fe2O3及びIn2O3からなる群から選択される少なくとも1種の半導体であることがより好ましい。 Examples of the n-type semiconductor include inorganic oxide semiconductors, and one of them may be used alone or two or more kinds of composite materials may be used. Examples of the inorganic oxide semiconductor include titanium dioxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin dioxide (SnO 2 ), gallium nitride (GaN), gallium oxide (GaO), strontium oxide (SrTiO 3 ), and oxidation. Examples thereof include iron (Fe 2 O 3 ), tantalum oxynitride (TaON), tungsten oxide (WO 3 ), indium oxide (In 2 O 3 ), and composite oxides thereof. Among them, the n-type semiconductor is composed of TiO 2 , ZnO, SnO 2 , SrTIO 3 , Fe 2 O 3 , TaON, WO 3 and In 2 O 3 from the viewpoint of high transparency and high conductivity. It is preferably at least one type of semiconductor selected from the group, and is at least one type of semiconductor selected from the group consisting of TiO 2 , ZnO, SnO 2 , SrTIO 3 , Fe 2 O 3 and In 2 O 3. Is more preferable.
n型透明半導体膜4の厚さとしては、1〜1000nmであることが好ましく、5〜500nmであることがより好ましく、10〜300nmであることがさらに好ましい。前記厚さが前記下限未満であると、前記n型透明半導体が膜として存在できず、半導体としての十分な機能を果たせなくなる傾向にある。他方、前記上限を超えると、光透過率が減少したり、抵抗が増大して電流が流れにくくなる傾向にある。 The thickness of the n-type transparent semiconductor film 4 is preferably 1 to 1000 nm, more preferably 5 to 500 nm, and even more preferably 10 to 300 nm. If the thickness is less than the lower limit, the n-type transparent semiconductor cannot exist as a film and tends to be unable to perform a sufficient function as a semiconductor. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the light transmittance tends to decrease or the resistance tends to increase, making it difficult for current to flow.
(プラズモン共鳴膜電極)
プラズモン共鳴膜電極5は、入射してきた光(入射光)を表面プラズモンポラリトンに変換する機能を有するものであり、光との相互作用によって表面プラズモンポラリトンを発生可能なプラズモニック材料からなる膜である。また、前記表面プラズモンポラリトンを電気信号として取り出す機能を有するものであり、透明電極3の対極として機能し、透明電極3と、電気的測定装置(好適な実施形態1では電気的測定装置21)及び必要に応じて外部回路(導線、電流計等;好適な実施形態1では外部回路31及び31’)を介して電気的に接続される。なお、前記入射光には、前記光入射口から入射した入射光及び前記反射面で反射された反射光が含まれる。
(Plasmon resonance membrane electrode)
The plasmon resonance film electrode 5 has a function of converting incident light (incident light) into surface plasmon polaritons, and is a film made of a plasmonic material capable of generating surface plasmon polaritons by interacting with light. .. Further, it has a function of extracting the surface plasmon polaritone as an electric signal, functions as a counter electrode of the transparent electrode 3, the transparent electrode 3, the electric measuring device (the electric measuring device 21 in the preferred embodiment 1), and the electric measuring device 21. If necessary, they are electrically connected via an external circuit (lead wire, ammeter, etc .; external circuits 31 and 31'in the preferred embodiment 1). The incident light includes incident light incident from the light incident port and reflected light reflected by the reflecting surface.
前記プラズモニック材料としては、例えば、金属、金属窒化物、及び金属酸化物が挙げられ、これらのうちの1種を単独であっても2種以上の複合材料であってもよい。中でも、前記プラズモニック材料として好ましいものとしては、前記金属としては金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、亜鉛(Zn)、及びナトリウム(Na)を挙げることができ、前記金属窒化物としては窒化チタン(TiN)を、前記金属酸化物としてはITO(Indium tin oxide)、FTO(Fluorine−doped tin oxide)、及び他元素(アルミニウムやガリウム等)をドープしたZnOを、それぞれ挙げることができる。中でも、前記プラズモニック材料としては、Au、Ag、Al、Cu、Pt、Pd、及びTiNからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましく、Au、Ag、Al、Cu及びPtからなる群から選択される少なくとも1種であることがより好ましい。 Examples of the plasmonic material include metals, metal nitrides, and metal oxides, and one of these may be used alone or in combination of two or more. Among them, preferred as the plasmonic material, the metal is gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), copper (Cu), platinum (Pt), palladium (Pd), zinc (Zn). , And sodium (Na), the metal nitride is titanium nitride (TiN), the metal oxide is ITO (aluminum tin oxide), FTO (Fluorine-topped tin oxide), and other elements. ZnOs doped with (aluminum, gallium, etc.) can be mentioned. Among them, the plasmonic material is preferably at least one selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Cu, Pt, Pd, and TiN, and is composed of Au, Ag, Al, Cu, and Pt. More preferably, it is at least one selected from the group.
プラズモン共鳴膜電極5の厚さとしては、200nm以下(ただし0を含まない)であることが好ましく、1〜150nmであることがより好ましく、5〜100nmであることがさらに好ましく、10〜60nmであることがさらにより好ましい。前記厚さが前記下限未満であると、前記プラズモン共鳴膜電極が膜として存在できなくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、光が入射してきた面の反対側の面に到達するエバネッセント波が弱くなり、十分な表面プラズモンポラリトンを励起できなくなる傾向にある。 The thickness of the plasmon resonance membrane electrode 5 is preferably 200 nm or less (but not including 0), more preferably 1 to 150 nm, further preferably 5 to 100 nm, and preferably 10 to 60 nm. It is even more preferable to have. If the thickness is less than the lower limit, the plasmon resonance film electrode tends to be unable to exist as a film, while if the thickness exceeds the upper limit, an evanescent wave reaching the surface opposite to the surface on which light is incident. Becomes weaker and tends to be unable to excite sufficient surface plasmon polaritons.
プラズモン共鳴膜電極5の厚さとしては、測定対象であるサンプルの屈折率としてより広範囲の屈折率(好ましくは、1.33〜1.40)を測定可能となる傾向にあるという観点からは、10〜34nmであることが特に好ましく、屈折率の変化に対して電流値の変化率を大きくするという観点からは、35〜60nmであることが特に好ましい。 From the viewpoint that the thickness of the plasmon resonance film electrode 5 tends to be able to measure a wider range of refractive index (preferably 1.33 to 1.40) as the refractive index of the sample to be measured, from the viewpoint. It is particularly preferably 10 to 34 nm, and particularly preferably 35 to 60 nm from the viewpoint of increasing the rate of change of the current value with respect to the change of the refractive index.
(接着層)
図2には、センサチップの第2の好ましい形態(好適な実施形態2)を示す。センサチップとしては、図2に示すセンサチップ12のように、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間に、プラズモン共鳴膜電極5をより強固に固定することを主な目的として、接着層6をさらに備えていてもよい。
(Adhesive layer)
FIG. 2 shows a second preferred embodiment of the sensor chip (preferable embodiment 2). The main purpose of the sensor chip is to more firmly fix the plasmon resonance film electrode 5 between the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5, as shown in the sensor chip 12 shown in FIG. , The adhesive layer 6 may be further provided.
接着層6の材質としては、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、窒化チタン(TiN)が挙げられ、前記接着層としては、これらのうちの少なくとも1種を含む単層であってもかかる単層が2種以上積層された複層であってもよい。また、接着層6は、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との境界面を全て覆っていなくともよい。ただし、光が入射してきた面の反対側の面に到達するエバネッセント波が弱くなり、十分な強さの表面プラズモンポラリトンを励起できなくなる傾向にあることから、センサチップにおいては、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5とが互いに近傍に配置されていることが好ましく、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間の距離が25nm以下であることが好ましく、1〜10nmであることがより好ましい。したがって、接着層6をさらに備える場合、その厚さとしては、25nm以下であることが好ましく、1〜10nmであることがより好ましい。 Examples of the material of the adhesive layer 6 include titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), and titanium nitride (TiN), and the adhesive layer simply contains at least one of these. It may be a layer or a multi-layer in which two or more kinds of such single layers are laminated. Further, the adhesive layer 6 does not have to completely cover the boundary surface between the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5. However, since the evanescent wave reaching the surface opposite to the surface on which the light is incident tends to be weakened and the surface plasmon polariton having sufficient strength tends to be unable to be excited, the n-type transparent semiconductor film is used in the sensor chip. 4 and the plasmon resonance film electrode 5 are preferably arranged close to each other, and the distance between the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5 is preferably 25 nm or less, preferably 1 to 10 nm. More preferably. Therefore, when the adhesive layer 6 is further provided, the thickness thereof is preferably 25 nm or less, and more preferably 1 to 10 nm.
(保護膜)
図3には、センサチップの第3の好ましい形態(好適な実施形態3)を示す。センサチップにおいては、図3に示すように、プラズモン共鳴膜電極5のn型透明半導体膜4と反対の面上に、プラズモン共鳴膜電極5の露出面を保護することを主な目的とした保護膜7をさらに備えていてもよい。
(Protective film)
FIG. 3 shows a third preferred embodiment of the sensor chip (preferable embodiment 3). In the sensor chip, as shown in FIG. 3, protection for the main purpose of protecting the exposed surface of the plasmon resonance film electrode 5 on the surface of the plasmon resonance film electrode 5 opposite to the n-type transparent semiconductor film 4. A film 7 may be further provided.
保護膜7の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、酸化チタン(TiO2)、フッ化マグネシウム(MgF2)、五酸化タンタル(Ta2O5)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ダイヤモンドライクカーボン、シリコンカーバイドが挙げられ、保護膜7としては、これらのうちの1種を含む単層であってもかかる単層が2種以上積層された複層であってもよい。ただし、前記プラズモン共鳴膜電極5において発生する表面プラズモンポラリトンが及ぶ範囲が該プラズモン共鳴膜電極表面から300nm程度以内であることから、保護膜7をさらに備える場合、その厚さとしては、300nm以下であることが好ましく、200nm以下であることがより好ましく、100nm以下であることがさらに好ましい。 Examples of the material of the protective film 7 include glass, plastic, titanium oxide (TiO 2 ), magnesium fluoride (MgF 2 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and diamond-like material. Examples thereof include carbon and silicon carbide, and the protective film 7 may be a single layer containing one of these, or a plurality of layers in which two or more such single layers are laminated. However, since the range covered by the surface plasmon polariton generated in the plasmon resonance film electrode 5 is within about 300 nm from the surface of the plasmon resonance film electrode, when the protective film 7 is further provided, the thickness thereof is 300 nm or less. It is preferably 200 nm or less, and more preferably 100 nm or less.
(サンプル層)
図4には、センサチップの第4の好ましい形態(好適な実施形態4)を示す。センサチップにおいては、図4に示すように、測定対象であるサンプルを保持することを主な目的として、プラズモン共鳴膜電極5のn型透明半導体膜4と反対の面上、又は上記の保護膜7上に、サンプル層8をさらに備えていてもよい。なお、サンプル層8としては、前記サンプルが任意の流速で供給されるように配置されたものであっても、前記サンプルが一定容積で含まれるようにセル状に区分して配置されたものであってもよい。
(Sample layer)
FIG. 4 shows a fourth preferred embodiment of the sensor chip (preferable embodiment 4). In the sensor chip, as shown in FIG. 4, the protective film described above or on the surface of the plasmon resonance film electrode 5 opposite to the n-type transparent semiconductor film 4 for the main purpose of holding the sample to be measured. A sample layer 8 may be further provided on the 7. As the sample layer 8, even if the sample is arranged so as to be supplied at an arbitrary flow rate, the sample layer 8 is divided and arranged in a cell shape so that the sample is included in a constant volume. There may be.
本発明のセンサチップにおいては、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5(接着層6をさらに備える場合には該接着層6)との組み合わせが、ショットキー障壁を形成する組み合わせであることが好ましい。センサチップがショットキー障壁を形成することは、センサチップの透明電極3を半導体アナライザ等の電圧印加手段の作用極に、プラズモン共鳴膜電極5を前記電圧印加手段の対極及び参照電極に、それぞれ接続して、作用極に−1.5〜+1.5Vの範囲で電圧を印加したときの電流値を測定することにより確認することができる。その電流値としては、0V以上+1.5V以下における電流値の絶対値のうちの最大値が−1.5V以上0V未満における電流値の絶対値のうちの最大値に対して5分の1以下であることが好ましく、10分の1以下であることがより好ましく、20分の1以下であることがさらに好ましい。この比率が前記上限値を超えると、整流特性が減弱するため、測定時のノイズが大きくなり、センサの感度や精度が減少する傾向にある。 In the sensor chip of the present invention, the combination of the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5 (the adhesive layer 6 if the adhesive layer 6 is further provided) forms a shotky barrier. Is preferable. The fact that the sensor chip forms a Schottky barrier means that the transparent electrode 3 of the sensor chip is connected to the working electrode of a voltage applying means such as a semiconductor analyzer, and the plasmon resonance film electrode 5 is connected to the counter electrode and the reference electrode of the voltage applying means, respectively. Then, it can be confirmed by measuring the current value when a voltage is applied to the working electrode in the range of −1.5 to + 1.5V. As for the current value, the maximum value of the absolute value of the current value at 0 V or more and + 1.5 V or less is 1/5 or less of the maximum value of the absolute value of the current value at -1.5 V or more and less than 0 V. It is more preferably 1/10 or less, and even more preferably 1/20 or less. When this ratio exceeds the upper limit value, the rectification characteristic is attenuated, so that noise during measurement tends to increase, and the sensitivity and accuracy of the sensor tend to decrease.
このようなショットキー障壁を形成する組み合わせは、n型透明半導体膜4の仕事関数をφS、プラズモン共鳴膜電極5(又は接着層6)の仕事関数をφMとしたときに、次式:φS<φMで示される条件を満たす組み合わせである。 The combination forming such a Schottky barrier is obtained by the following equation: φS <, when the work function of the n-type transparent semiconductor film 4 is φS and the work function of the plasmon resonance film electrode 5 (or the adhesive layer 6) is φM. It is a combination that satisfies the conditions indicated by φM.
各材質における仕事関数の値は公知であり、n型透明半導体膜4の仕事関数(φS)としては、例えば、(I)Akihito Imanishiら、J.Phys.Chem.C、2007年、111(5)、p.2128−2132;(II)Min Weiら、Energy Procedia、2012年、Volume 16、Part A、p.76−80;(III)David Ginleyら、「Handbook of Transparent Conductors」、2011年;(IV)L.F.Zagonelら、J.Phys.:Condens.Matter、2009年、21、31;(V)E.R.Batistaら、J.Phys.Chem.B、2002年、106(33)、p.8136−8141;(VI)Gy.Vidaら、2003年、Microsc.Microanal.、9(4)、p.337−342;(VII)W.J.Chuら、J.Phys.Chem.B、2003年、107(8)、p.1798−1803において、それぞれ、二酸化チタン(TiO2):4.0〜4.2(I)、酸化亜鉛(ZnO):4.71〜5.08(II)、二酸化スズ(SnO2):5.1(III)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3):4.2(IV)、三酸化二鉄(Fe2O3):5.6(V)、酸化タングステン(WO3):5.7(VI)、酸窒化タンタル(TaON):4.4(VII)、酸化インジウム(In2O3):4.3〜5.4(III)であることが記載されている。 The value of the work function in each material is known, and examples of the work function (φS) of the n-type transparent semiconductor film 4 include (I) Akihito Imanishi et al., J. Mol. Phys. Chem. C, 2007, 111 (5), p. 2128-2132; (II) Min Wei et al., Energy Procedure, 2012, Volume 16, Part A, p. 76-80; (III) David Ginley et al., "Handbook of Transition Conducors", 2011; (IV) L. Ginley. F. Zagonel et al., J. Mol. Phys. : Condens. Matter, 2009, 21, 31; (V) E.I. R. Bautista et al., J. Mol. Phys. Chem. B, 2002, 106 (33), p. 8136-8141; (VI) Gy. Vida et al., 2003, Microsc. Microanal. , 9 (4), p. 337-342; (VII) W. J. Chu et al., J. Mol. Phys. Chem. B, 2003, 107 (8), p. In 1798-1803, titanium dioxide (TiO 2 ): 4.0 to 4.2 (I), zinc oxide (ZnO): 4.71 to 5.08 (II), tin dioxide (SnO 2 ): 5, respectively. .1 (III), Strontium Titanium (SrTIO 3 ): 4.2 (IV), Diiron Trioxide (Fe 2 O 3 ): 5.6 (V), Titanium Oxide (WO 3 ): 5.7 ( VI), strontium titanate (TaON): 4.4 (VII), indium oxide (In 2 O 3 ): 4.3 to 5.4 (III).
また、プラズモン共鳴膜電極5(又は接着層6)の仕事関数(φM)としては、例えば、(VIII)日本化学会編、「化学便覧 基礎編 改訂4版」、II−489において、それぞれ、金(Au):5.1〜5.47、銀(Ag):4.26〜4.74、アルミニウム(Al):4.06〜4.41、銅(Cu):4.48〜4.94、白金(Pt):5.64〜5.93、パラジウム(Pd):5.55であることが記載されており、また、(IX)Takashi Matsukawaら、Jpn.J.Appl.Phys.、2014年、53、04EC11において、窒化チタン(TiN):4.4〜4.6であることが記載されている。 The work function (φM) of the plasmon resonance film electrode 5 (or the adhesive layer 6) is, for example, (VIII) edited by the Chemical Society of Japan, "Chemical Handbook Basic Edition Revised 4th Edition", II-489, respectively. (Au): 5.1 to 5.47, silver (Ag): 4.26 to 4.74, aluminum (Al): 4.06 to 4.41, copper (Cu): 4.48 to 4.94. , Platinum (Pt): 5.64 to 5.93, Palladium (Pd): 5.55, and (IX) Takashi Matsukawa et al., Jpn. J. Apple. Phys. , 2014, 53, 04EC11, it is described that titanium nitride (TiN): 4.4 to 4.6.
したがって、ショットキー障壁を形成するn型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5(又は接着層6)との組み合わせとしては、これらの仕事関数(φS、φM)の中から、上記条件を満たす組み合わせを選択して適宜採用することができる。これらの中でも、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5(又は接着層6)との組み合わせとしては、TiO2とAu、Ag、Al、Cu、Pt、Pd、TiNのうちのいずれか一つとの組み合わせ、ZnOとAu、Pt、Pdのうちのいずれか一つとの組み合わせ、SnO2とAu、Pt、Pdのうちのいずれか一つとの組み合わせ、SrTiO3とAu、Ag、Al、Cu、Pt、Pd、TiNのうちのいずれか一つとの組み合わせ、Fe2O3とPtとの組み合わせ、WO3とPdとの組み合わせ、TaONとAu、Ag、Cu、Pt、Pd、TiNのうちのいずれか一つとの組み合わせ、In2O3とPt、Pdのうちのいずれか一つとの組み合わせが好ましく、TiO2とAu、Ag、Cu、Pt、Pdのうちのいずれか一つとの組み合わせ、ZnOとPtとの組み合わせ、SnO2とPtとの組み合わせ、SrTiO3とAu、Ag、Cu、Pt、Pdのうちのいずれか一つとの組み合わせ、TaONとAu、Cu、Pt、Pdのうちのいずれか一つとの組み合わせ、In2O3とPtとの組み合わせがより好ましい。 Therefore, the combination of the n-type transparent semiconductor film 4 forming the Schottky barrier and the plasmon resonance film electrode 5 (or the adhesive layer 6) is a combination satisfying the above conditions from among these work functions (φS, φM). Can be selected and adopted as appropriate. Among these, as a combination of the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5 (or the adhesive layer 6), any one of TiO 2 and Au, Ag, Al, Cu, Pt, Pd, and TiN. Combination with one, combination of ZnO with any one of Au, Pt, Pd, combination of SnO 2 with any one of Au, Pt, Pd, SrTIO 3 and Au, Ag, Al, Cu, Combination with any one of Pt, Pd, TiN, combination of Fe 2 O 3 and Pt, combination of WO 3 and Pd, any of TaON and Au, Ag, Cu, Pt, Pd, TiN A combination with one of them, a combination of In 2 O 3 with any one of Pt and Pd is preferable, and a combination of TiO 2 with any one of Au, Ag, Cu, Pt and Pd, ZnO and Combination with Pt, combination of SnO 2 and Pt, combination of SrTIO 3 with any one of Au, Ag, Cu, Pt, Pd, TaON and any one of Au, Cu, Pt, Pd A combination with one, a combination of In 2 O 3 and Pt is more preferable.
(反射面)
前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射可能な反射面の好ましい実施形態の一つとしては、透明基板2の透明電極3と反対側の表面と透明基板2内部との境界面が挙げられる。
(Reflective surface)
As one of the preferred embodiments of the reflective surface capable of reflecting the light reflected between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode, the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3 is transparent. The boundary surface with the inside of the substrate 2 can be mentioned.
図5には、センサチップ11における一実施形態として、入射光及び反射光の例を示す模式断面図を示す。図5に示す実施形態においては、センサチップ11の透明基板2の透明電極3と反対側の表面と透明基板2内部との境界面が、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で反射された光を反射可能な反射面として機能する。このとき、光入射口1から入射した入射光(「入射光401」、入射光I1)は、透明基板2、透明電極3、n型透明半導体膜4を透過し、プラズモン共鳴膜電極5とn型透明半導体膜4との間で全反射することによりプラズモン共鳴膜電極5と相互作用して表面プラズモンポラリトンを発生せしめる。また、このとき全反射した反射光(R1)は、透明基板2の透明電極3と反対側の表面と透明基板2内部との境界面において反射して再度入射光(再入射光I2)となり、透明基板2、透明電極3、n型透明半導体膜4を透過し、プラズモン共鳴膜電極5とn型透明半導体膜4との間で全反射することにより再度表面プラズモンポラリトンを発生せしめる。センサチップ11では、この繰り返し(図5では、6回)により、以降の反射光(図5では反射光R2〜5)を再度入射光(図5では再入射光I3〜6)として利用し、表面プラズモンポラリトンを連続して発生せしめることができる。 FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view showing an example of incident light and reflected light as an embodiment of the sensor chip 11. In the embodiment shown in FIG. 5, the interface between the surface of the transparent substrate 2 of the sensor chip 11 opposite to the transparent electrode 3 and the inside of the transparent substrate 2 is the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5. The light reflected between them functions as a reflective surface that can be reflected. At this time, the incident light (“incident light 401”, incident light I 1 ) incident from the light incident port 1 passes through the transparent substrate 2, the transparent electrode 3, and the n-type transparent semiconductor film 4, and becomes the plasmon resonance film electrode 5. The surface plasmon polaritone is generated by interacting with the plasmon resonance film electrode 5 by total reflection with the n-type transparent semiconductor film 4. Further, the totally reflected reflected light (R 1 ) at this time is reflected at the interface between the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3 and the inside of the transparent substrate 2 and is reflected again as the incident light (re-incident light I 2 ). Then, the surface plasmon polaritone is generated again by transmitting through the transparent substrate 2, the transparent electrode 3, and the n-type transparent semiconductor film 4 and completely reflecting between the plasmon resonance film electrode 5 and the n-type transparent semiconductor film 4. In the sensor chip 11, by repeating this process (6 times in FIG. 5), the subsequent reflected light (reflected light R 2 to 5 in FIG. 5) is used again as incident light ( reincident light I 3 to 6 in FIG. 5). However, surface plasmon polaritons can be continuously generated.
また、前記反射面の好ましい他の実施形態の一つとしては、他の光電変換部のプラズモン共鳴膜電極とn型透明半導体膜との間に存する面が挙げられる。 Further, one of the preferred embodiments of the reflective surface is a surface existing between the plasmon resonance film electrode of the other photoelectric conversion unit and the n-type transparent semiconductor film.
図6には、センサチップの第5の好ましい形態(好適な実施形態5)及びその入射光及び反射光の例を示す模式断面図を示す。センサチップとしては、図6に示すセンサチップ15のように、透明基板2の透明電極3と反対側の表面上に、第2の透明電極(以下、「第2の透明電極3’」)、第2のn型透明半導体膜(以下、「第2のn型透明半導体膜4’」)、及び第2のプラズモン共鳴膜電極(以下、「第2のプラズモン共鳴膜電極5’」)がこの順で配置されている第2の光電変換部(以下、「第2の光電変換部11’」)をさらに備えており、第2のn型透明半導体膜4’と第2のプラズモン共鳴膜電極5’との間の面が前記反射面として機能してもよい。なお、センサチップ15を用いたセンサとしては、第2の透明電極3’及び第2のプラズモン共鳴膜電極5’から電流値又は電圧値を直接測定する第2の電気的測定装置(図示せず)をさらに備え、第2の電気的測定装置は、電気的測定装置21と同一であっても異なっていてもよい。 FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view showing an example of a fifth preferred embodiment of the sensor chip (preferable embodiment 5) and its incident light and reflected light. As the sensor chip, as shown in the sensor chip 15 shown in FIG. 6, a second transparent electrode (hereinafter, “second transparent electrode 3'”) is placed on the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3. The second n-type transparent semiconductor film (hereinafter, "second n-type transparent semiconductor film 4'") and the second plasmon resonance film electrode (hereinafter, "second plasmon resonance film electrode 5'") are the same. A second photoelectric conversion unit (hereinafter, "second photoelectric conversion unit 11'") arranged in order is further provided, and a second n-type transparent semiconductor film 4'and a second plasmon resonance film electrode are provided. The surface between 5'may function as the reflective surface. As a sensor using the sensor chip 15, a second electrical measuring device (not shown) that directly measures a current value or a voltage value from a second transparent electrode 3'and a second plasmon resonance film electrode 5'(not shown). ), And the second electrical measuring device may be the same as or different from the electrical measuring device 21.
前記他の光電変換部のプラズモン共鳴膜電極とn型透明半導体膜との間に存する面としては、第2のn型透明半導体膜4’と第2のプラズモン共鳴膜電極5’との界面、又は第2のn型透明半導体膜4’と第2のプラズモン共鳴膜電極5’との間に第2の接着層を備える場合には第2のプラズモン共鳴膜電極5’と第2の接着層との界面、若しくは第2の接着層と第2のn型透明半導体膜4’との界面、又は第2の接着層が2層以上からなる場合には、第2のプラズモン共鳴膜電極5’と第2の接着層との界面、若しくは第2の接着層と第2のn型透明半導体膜4’との界面、若しくは第2の接着層における隣接する2つの層間の界面が挙げられる。 The surface existing between the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film of the other photoelectric conversion unit includes an interface between the second n-type transparent semiconductor film 4'and the second plasmon resonance film electrode 5'. Alternatively, when a second adhesive layer is provided between the second n-type transparent semiconductor film 4'and the second plasmon resonance film electrode 5', the second plasmon resonance film electrode 5'and the second adhesive layer are provided. When the interface with, or the interface between the second adhesive layer and the second n-type transparent semiconductor film 4', or the second adhesive layer consists of two or more layers, the second plasmon resonance film electrode 5' The interface between the second adhesive layer and the second adhesive layer, the interface between the second adhesive layer and the second n-type transparent semiconductor film 4', or the interface between two adjacent layers in the second adhesive layer can be mentioned.
このとき、光入射口1から入射した入射光401は、透明基板2、透明電極3、n型透明半導体膜4を透過し、プラズモン共鳴膜電極5とn型透明半導体膜4との間で全反射することによりプラズモン共鳴膜電極5と相互作用して表面プラズモンポラリトンを発生せしめる。また、このとき全反射した反射光は、n型透明半導体膜4、透明電極3、透明基板2、第2の透明電極3’、第2のn型透明半導体膜4’を透過し、第2のプラズモン共鳴膜電極5’と第2のn型透明半導体膜4’との間で全反射することにより表面プラズモンポラリトンを発生せしめる。さらに、第2のプラズモン共鳴膜電極5’と第2のn型透明半導体膜4’との間で全反射した光は、反対側の光電変換部への再入射光となり、再度表面プラズモンポラリトンを発生せしめる。センサチップ15では、この繰り返しにより、反射光を再度入射光として利用し利用し、表面プラズモンポラリトンを連続して発生せしめることができる。 At this time, the incident light 401 incident from the light incident port 1 passes through the transparent substrate 2, the transparent electrode 3, and the n-type transparent semiconductor film 4, and is totally between the plasmon resonance film electrode 5 and the n-type transparent semiconductor film 4. By reflecting, it interacts with the plasmon resonance film electrode 5 to generate surface plasmon polaritons. Further, the totally reflected reflected light at this time passes through the n-type transparent semiconductor film 4, the transparent electrode 3, the transparent substrate 2, the second transparent electrode 3', and the second n-type transparent semiconductor film 4', and is the second. Surface plasmon polaritone is generated by total internal reflection between the plasmon resonance film electrode 5'and the second n-type transparent semiconductor film 4'. Further, the light totally reflected between the second plasmon resonance film electrode 5'and the second n-type transparent semiconductor film 4'becomes the re-incident light to the photoelectric conversion part on the opposite side, and the surface plasmon polaritons are again generated. Generate it. By repeating this process, the sensor chip 15 can use the reflected light again as incident light to continuously generate surface plasmon polaritons.
n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で入射光が全反射する面と、前記反射面との間の距離としては、距離が増大する、すなわち、透明基板2上に積層される透明電極3、n型透明半導体膜4、及びプラズモン共鳴膜電極5の光の入射方向に対する長さが長くなると、高感度化を達成するための必要反射回数を超えるためにセンサ全体を大きくする必要が生じる傾向にある観点から、0.01〜10mmであることが好ましく、0.01〜5mmであることがより好ましい。 The distance between the surface on which the incident light is totally reflected between the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5 and the reflection surface increases, that is, it is laminated on the transparent substrate 2. When the length of the transparent electrode 3, the n-type transparent semiconductor film 4, and the plasmon resonance film electrode 5 with respect to the incident direction becomes long, the entire sensor is enlarged in order to exceed the number of reflections required to achieve high sensitivity. From the viewpoint that the need tends to occur, it is preferably 0.01 to 10 mm, and more preferably 0.01 to 5 mm.
また、前記反射面としては、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で反射された光を反射可能な面であることが必要である。このような面の条件としては、波長400〜1500nmのうちの少なくともいずれかの波長の光を垂直に入射させたときの光反射率が50%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましい。このような反射面は、例えば、金、銀、アルミ、銅、クロム、ニッケル、スズ等の金属コーティング;二酸化チタン(TiO2)、酸化タンタル(V)(Ta2O5)、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化ケイ素(SiO2)、及びフッ化マグネシウム(MgF2)のうちの少なくとも2種を交互に積層した多層薄膜の積層等によって得ることが可能である。 Further, the reflecting surface needs to be a surface capable of reflecting the light reflected between the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5. As a condition of such a surface, the light reflectance when light of at least one wavelength of 400 to 1500 nm is vertically incident is preferably 50% or more, and is preferably 60% or more. Is more preferable. Such a reflective surface is, for example, a metal coating such as gold, silver, aluminum, copper, chromium, nickel, tin; titanium dioxide (TiO 2 ), tantalum oxide (V) (Ta 2 O 5 ), aluminum oxide (Al). It can be obtained by laminating a multilayer thin film in which at least two types of 2 O 3 ), silicon dioxide (SiO 2 ), and magnesium fluoride (MgF 2 ) are alternately laminated.
また、前記反射面としては、反射光を全反射可能な全反射面とすることも可能であり、このような面の条件としては、透明基板2の透明電極3と反対側の表面を、屈折率が透明基板2の屈折率よりも低い材質で被覆した面が挙げられ、前記材質の屈折率としては、透明基板2との屈折率差により生じる全反射角度が80°以下となる材質が好ましく、70°以下となる材質がより好ましく、60°以下となる材質がさらに好ましい。このような全反射面は、透明基板2がガラス、プラスチック等の固体材料であるときに、これに、前記固体材料とは屈折率の異なる固体材料を接着、コーティング等することによって得ることが可能である。また、透明基板2の透明電極3と反対側の表面に気層、液層を密閉可能な封入槽を配置することにより、前記封入槽にガスや溶液を充填して全反射面を得ることも可能である。 Further, the reflecting surface may be a totally reflecting surface capable of totally reflecting the reflected light. As a condition of such a surface, the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3 is refracted. A surface coated with a material having a refractive index lower than that of the transparent substrate 2 can be mentioned, and the refractive index of the material is preferably a material having a total reflection angle of 80 ° or less caused by a difference in the refractive index from the transparent substrate 2. , 70 ° or less is more preferable, and 60 ° or less is further preferable. Such a total reflection surface can be obtained by adhering or coating a solid material having a refractive index different from that of the solid material to the transparent substrate 2 when the transparent substrate 2 is a solid material such as glass or plastic. Is. Further, by arranging an encapsulation tank capable of sealing the air layer and the liquid layer on the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3, the encapsulation tank can be filled with gas or solution to obtain a total reflection surface. It is possible.
また、前記反射面としては、入射光がn型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で全反射される角度と、反射された光(再入射光)が再度n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で全反射される角度と、が同じ角度となる面であることが必要である。このような反射面の配置条件としては、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で形成される面が光学的に平坦であり、前記反射面がn型透明半導体膜4及びプラズモン共鳴膜電極5と平行に配置されており、かつ、光学的に平坦であることが挙げられる。ただし、n型透明半導体膜4、プラズモン共鳴膜電極5、及び前記反射面においては、全ての面が平行である必要や、全ての面が光学的に平坦である必要はなく、それぞれ、光が反射される領域において、これらの条件を満たせばよい。また、このような光学的に平坦な面は、切削の後に光学研磨すること等によって得ることが可能である。 Further, as the reflection surface, the angle at which the incident light is totally reflected between the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5 and the reflected light (re-incident light) are again the n-type transparent semiconductor film. It is necessary that the angle of total reflection between 4 and the plasmon resonance film electrode 5 is the same angle. As the arrangement condition of such a reflective surface, the surface formed between the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5 is optically flat, and the reflective surface is the n-type transparent semiconductor film 4 and It is mentioned that it is arranged in parallel with the plasmon resonance film electrode 5 and is optically flat. However, in the n-type transparent semiconductor film 4, the plasmon resonance film electrode 5, and the reflective surface, all the surfaces need not be parallel or all the surfaces need not be optically flat, and light is emitted from each of them. These conditions may be satisfied in the reflected region. Further, such an optically flat surface can be obtained by optical polishing after cutting.
また、前記反射面としては、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との間で反射された光を少なくとも3回以上、好ましくは3〜20回反射可能、より好ましくは3〜10回反射可能な構成であることが好ましい。反射回数が前記上限を超えてもそれ以上の感度向上は奏されない傾向にある。また、この場合には、かかる反射回数を実現するために、透明電極3、n型透明半導体4、及びプラズモン共鳴膜電極4からなる光電変換部の透明電極3面の長手方向の長さ、すなわち、光の進行方向の長さが、5mm以上であることが好ましく、5〜200mmであることがより好ましく、5〜50mmであることがさらに好ましい。 Further, as the reflecting surface, the light reflected between the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5 can be reflected at least 3 times, preferably 3 to 20 times, more preferably 3 to 10 times. A reflective configuration is preferred. Even if the number of reflections exceeds the upper limit, there is a tendency that no further improvement in sensitivity is achieved. Further, in this case, in order to realize such a number of reflections, the length in the longitudinal direction of the three transparent electrodes of the photoelectric conversion unit including the transparent electrode 3, the n-type transparent semiconductor 4, and the plasmon resonance film electrode 4, that is, The length in the traveling direction of light is preferably 5 mm or more, more preferably 5 to 200 mm, and even more preferably 5 to 50 mm.
本発明のセンサチップとしては、上記センサチップの実施形態1〜5(センサチップ11〜15)に制限されるものではなく、例えば、接着層6及びサンプル層8をいずれも備えるなど、これらの任意の組み合わせであってもよい(図示せず)。さらに、本発明のセンサチップとしては、1つを単独で用いても、複数個を列又は平面に並べて配置して用いてもよい。 The sensor chip of the present invention is not limited to the above-mentioned sensor chip embodiments 1 to 5 (sensor chips 11 to 15), and any of these may be provided, for example, both the adhesive layer 6 and the sample layer 8 are provided. It may be a combination of (not shown). Further, as the sensor chip of the present invention, one may be used alone, or a plurality of sensor chips may be arranged side by side in a row or a plane.
また、例えば、図7には、センサチップの第6の好ましい形態(好適な実施形態6)及びその入射光及び反射光の例を示す模式断面図を示す。センサチップとしては、図7に示すセンサチップ16のように、透明基板2上に、透明電極3、n型透明半導体膜4、及びプラズモン共鳴膜電極5からなる光電変換部が分割されて複数個配置されていてもよい。 Further, for example, FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view showing an example of a sixth preferred embodiment (preferable embodiment 6) of the sensor chip and its incident light and reflected light. As the sensor chip, as shown in the sensor chip 16 shown in FIG. 7, a plurality of photoelectric conversion units including the transparent electrode 3, the n-type transparent semiconductor film 4, and the plasmon resonance film electrode 5 are divided on the transparent substrate 2. It may be arranged.
さらに、例えば、図8には、センサチップの第7の好ましい形態(好適な実施形態7)及びその入射光及び反射光の例を示す模式断面図を示す。センサチップとしては、図8に示すセンサチップ17のように、上記センサチップ16の分割された光電変換部の少なくとも1つのプラズモン共鳴膜電極5のn型透明半導体膜4と反対の面上、又は上記の保護膜7上に、他のセンサとの性能比較や測定時におけるセンサの劣化状況の確認を主な目的として、リファレンス9をさらに備えていてもよい。 Further, for example, FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view showing an example of a seventh preferred embodiment (preferable embodiment 7) of the sensor chip and its incident light and reflected light. As the sensor chip, as shown in the sensor chip 17 shown in FIG. 8, the surface of at least one plasmon resonance film electrode 5 of the divided photoelectric conversion part of the sensor chip 16 on the surface opposite to the n-type transparent semiconductor film 4 or A reference 9 may be further provided on the protective film 7 for the main purpose of comparing the performance with other sensors and confirming the deterioration state of the sensor at the time of measurement.
リファレンス9としては、例えば、ガラス、高分子ポリマ(メタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリエチレン、エポキシ、ポリエステル等)、硫黄、ルビー、サファイア、ダイヤモンド、セレン化亜鉛(ZnSe)、硫化亜鉛(ZnS)、ゲルマニウム(Ge)、ケイ素(Si)、ヨウ化セシウム(CsI)、臭化カリウム(KBr)、臭沃化タリウム、炭酸カルシウム(CaCO3)、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化マグネシウム(MgF2)、フッ化リチウム(LiF)が挙げられる。 Reference 9 includes, for example, glass, high molecular weight polymer (methyl methacrylate, polystyrene, polyethylene, epoxy, polyester, etc.), sulfur, ruby, sapphire, diamond, zinc selenide (ZnSe), zinc sulfide (ZnS), germanium (ZnS). Ge), silicon (Si), cesium iodide (CsI), potassium bromide (KBr), tarium bromide, calcium carbonate (CaCO 3 ), barium fluoride (BaF 2 ), magnesium fluoride (MgF 2 ), Examples include lithium fluoride (LiF).
(電気的測定装置(電気的測定手段))
本開示のセンサは、前記センサチップ(例えば、好適な実施形態1ではセンサチップ11)と、前記センサチップの透明電極3及びプラズモン共鳴膜電極5から電流値又は電圧値を直接測定する電気的測定装置(例えば、好適な実施形態1では電気的測定装置21)と、を備える。透明電極3及びプラズモン共鳴膜電極5と前記電気的測定装置とは、外部回路(例えば、好適な実施形態1では外部回路31及び31’)を通じて接続される。
(Electrical measuring device (electrical measuring means))
The sensor of the present disclosure is an electrical measurement that directly measures a current value or a voltage value from the sensor chip (for example, the sensor chip 11 in the preferred embodiment 1) and the transparent electrode 3 and the plasmon resonance film electrode 5 of the sensor chip. A device (for example, an electrical measuring device 21 in the preferred embodiment 1) is provided. The transparent electrode 3 and the plasmon resonance film electrode 5 and the electrical measuring device are connected to each other through an external circuit (for example, external circuits 31 and 31'in the preferred embodiment 1).
前記外部回路の材質としては、特に限定されず、導線の材質として公知のものを適宜利用することができ、例えば、白金、金、パラジウム、鉄、銅、アルミニウム等の金属が挙げられる。また、前記電気的測定装置としても、電圧値又は電流値を測定できるものであれば特に制限されず、例えば、半導体デバイス・アナライザ、電流測定器、電圧測定器が挙げられる。 The material of the external circuit is not particularly limited, and a known material for the conducting wire can be appropriately used, and examples thereof include metals such as platinum, gold, palladium, iron, copper, and aluminum. Further, the electrical measuring device is not particularly limited as long as it can measure a voltage value or a current value, and examples thereof include a semiconductor device analyzer, a current measuring device, and a voltage measuring device.
(表面プラズモンポラリトン変化検出方法)
本発明の表面プラズモンポラリトン変化検出方法は、上記の電気測定型表面プラズモン共鳴センサ(センサ)を用いて表面プラズモンポラリトンの変化を検出する方法であり、
前記光入射口から光を入射させ、入射光を前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間で全反射させる第1のステップ;
前記全反射により前記入射光を前記プラズモン共鳴膜電極と相互作用させて表面プラズモンポラリトンを発生せしめ、前記表面プラズモンポラリトンによって生じ、前記n型透明半導体膜に移動したホットエレクトロンを前記透明電極から電気信号として取り出し、前記透明電極と前記プラズモン共鳴膜電極との間の電流値又は電圧値の変化を前記電気的測定装置によって測定する第2のステップ;
前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間で全反射した光を反射可能な反射面に反射させて再度入射光とし、これを前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間で全反射させ、再度、前記第2のステップを行う第3のステップ;
前記第3のステップを複数回繰り返し、測定された電流値又は電圧値の変化を積算し、積算値として表面プラズモンポラリトンの変化を検出する第4のステップ;
を含む、
方法である。
(Surface plasmon polariton change detection method)
The surface plasmon polariton change detection method of the present invention is a method for detecting a change in surface plasmon polariton using the above-mentioned electromeasurement type surface plasmon resonance sensor (sensor).
The first step of injecting light from the light incident port and totally reflecting the incident light between the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film;
Due to the total reflection, the incident light interacts with the plasmon resonance film electrode to generate surface plasmon polaritons, and the hot electrons generated by the surface plasmon polaritons and transferred to the n-type transparent semiconductor film are electrically signaled from the transparent electrode. The second step of measuring the change in the current value or the voltage value between the transparent electrode and the plasmon resonance film electrode by the electric measuring device;
The light totally reflected between the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film is reflected on a reflective surface that can be reflected to obtain incident light again, and this is used as the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film. A third step in which total reflection is performed between the two and the second step is performed again;
The fourth step of repeating the third step a plurality of times, integrating the measured changes in the current value or the voltage value, and detecting the change in the surface plasmon polariton as the integrated value;
including,
The method.
例えば、センサチップ11を用いたセンサにおいては、光入射口1から光を入射させ、透明基板2、透明電極3、及びn型透明半導体膜4を通過した光(入射光、I1)を、プラズモン共鳴膜電極5とn型透明半導体膜4との間において全反射させる(第1のステップ)ことにより、前記入射光がプラズモン共鳴膜電極5と相互作用して表面プラズモンポラリトンを発生せしめることができる。より具体的には、n型透明半導体膜4を通過した光が、n型透明半導体膜4とプラズモン共鳴膜電極5との界面、又は接着層6を備える場合にはプラズモン共鳴膜電極5と接着層6との界面、若しくは接着層6とn型透明半導体膜4との界面、又は接着層6が2層以上からなる場合には、プラズモン共鳴膜電極5と接着層6との界面、若しくは接着層6とn型透明半導体膜4との界面、若しくは接着層6における隣接する2つの層間の界面で全反射し、当該全反射により生じたエバネッセント波がプラズモン共鳴膜電極5と相互作用して表面プラズモンポラリトンが発生する。 For example, in a sensor using the sensor chip 11, light is incident from the light incident port 1 and passes through the transparent substrate 2, the transparent electrode 3, and the n-type transparent semiconductor film 4 (incident light, I 1 ). By total internal reflection between the plasmon resonance film electrode 5 and the n-type transparent semiconductor film 4 (first step), the incident light can interact with the plasmon resonance film electrode 5 to generate surface plasmon polaritons. it can. More specifically, the light passing through the n-type transparent semiconductor film 4 adheres to the interface between the n-type transparent semiconductor film 4 and the plasmon resonance film electrode 5, or to the plasmon resonance film electrode 5 when the adhesive layer 6 is provided. The interface with the layer 6, the interface between the adhesive layer 6 and the n-type transparent semiconductor film 4, or the interface between the plasmon resonance film electrode 5 and the adhesive layer 6 when the adhesive layer 6 consists of two or more layers, or adhesion. Total reflection occurs at the interface between the layer 6 and the n-type transparent semiconductor film 4 or at the interface between two adjacent layers in the adhesive layer 6, and the evanescent wave generated by the total reflection interacts with the plasmon resonance film electrode 5 on the surface. Plasmon polaritons occur.
発生した表面プラズモンポラリトンによってプラズモン共鳴膜電極5が十分に分極されることでホットエレクトロンが生じるため、該ホットエレクトロンはn型透明半導体膜4に移動し、透明電極3から電気信号として取り出すことができる。このとき、透明電極3は前記外部回路を通じてプラズモン共鳴膜電極5と電気的に接続されているため、透明電極3とプラズモン共鳴膜電極5との間の電流値変化を前記電気的測定装置によって測定することができる(第2のステップ)。このように電気信号として観測されるホットエレクトロンは、プラズモン共鳴膜電極5内部の前記界面近傍で生じたホットエレクトロンであると考えられ、このようにして電気信号として観測可能なホットエレクトロンは、プラズモン共鳴膜電極5内部におけるn型透明半導体膜3から距離にしてプラズモン共鳴膜電極5の厚さ20%程度の領域で生じたホットエレクトロンであると推察される。 Since the generated surface plasmon polariton sufficiently polarizes the plasmon resonance film electrode 5 to generate hot electrons, the hot electrons can move to the n-type transparent semiconductor film 4 and be extracted as an electric signal from the transparent electrode 3. .. At this time, since the transparent electrode 3 is electrically connected to the plasmon resonance film electrode 5 through the external circuit, the change in the current value between the transparent electrode 3 and the plasmon resonance film electrode 5 is measured by the electrical measuring device. Can be done (second step). The hot electron observed as an electric signal in this way is considered to be a hot electron generated in the vicinity of the interface inside the plasmon resonance membrane electrode 5, and the hot electron observable as an electric signal in this way is considered to be a plasmon resonance. It is presumed that the hot electrons are generated in a region of about 20% of the thickness of the plasmon resonance membrane electrode 5 at a distance from the n-type transparent semiconductor membrane 3 inside the membrane electrode 5.
また、プラズモン共鳴膜電極5とn型透明半導体膜4との間において全反射した反射光(R1〜n)は、反射面(例えば、透明基板2の透明電極3と反対側の表面と透明基板2内部との境界面、又は、センサチップ15の場合には、第2のn型透明半導体膜4’と第2のプラズモン共鳴膜電極5’との間の面)で反射して再度入射光(I2〜(n+1))となり、透明基板2、透明電極3、n型透明半導体膜4を透過し、プラズモン共鳴膜電極5とn型透明半導体膜4との間で全反射することによって、再度表面プラズモンポラリトンを発生せしめる(第3のステップ)。 Further, the reflected light (R1 to n ) totally reflected between the plasmon resonance film electrode 5 and the n-type transparent semiconductor film 4 is transparent to the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3 of the transparent substrate 2. Reflected at the interface with the inside of the substrate 2 or, in the case of the sensor chip 15, the surface between the second n-type transparent semiconductor film 4'and the second plasmon resonance film electrode 5') and re-entered. Light (I 2 to (n + 1) ) is transmitted through the transparent substrate 2, the transparent electrode 3, and the n-type transparent semiconductor film 4, and is totally reflected between the plasmon resonance film electrode 5 and the n-type transparent semiconductor film 4. , Again generate surface plasmon polaritons (third step).
このような第3のステップを複数回繰り返すことにより、表面プラズモンポラリトンを連続して発生させ、各電流値変化を前記電気的測定装置によって測定し、測定された電流値変化を積算することで、積算値として表面プラズモンポラリトンの変化を検出することができる(第4のステップ)。表面プラズモンポラリトンの変化を積算値として検出することによって、電流値が増強されることに加えて、単に入射光を増強させて照射した場合よりも、積算した電流値の最大値と最小値との差分の増強がなされて、優れたセンサ感度を達成することができる。第3のステップの回数としては、好ましくは3回以上、より好ましくは3〜20回、さらに好ましくは3回〜10回である。反射回数が前記上限を超えてもそれ以上の感度向上は奏されない傾向にある。 By repeating such a third step a plurality of times, surface plasmon polaritons are continuously generated, each current value change is measured by the electrical measuring device, and the measured current value change is integrated. Changes in surface plasmon polaritons can be detected as integrated values (fourth step). By detecting the change in surface plasmon polariton as an integrated value, the current value is increased, and in addition, the maximum and minimum values of the integrated current value are higher than when the incident light is simply enhanced and irradiated. The difference is enhanced and excellent sensor sensitivity can be achieved. The number of times of the third step is preferably 3 times or more, more preferably 3 to 20 times, and further preferably 3 to 10 times. Even if the number of reflections exceeds the upper limit, there is a tendency that no further improvement in sensitivity is achieved.
光入射口1から入射する光の波長が長くなると、表面プラズモンポラリトンを生じさせる入射光の入射角度の範囲がより狭くなり、他方、生じる表面プラズモンポラリトンの強さが増強される。そのため、第1のステップにおいて、光入射口1に入射させる光としては、目的に応じて特に限定されないが、可視光の波長領域の光又は近赤外光の波長領域の光が挙げられ、400〜1500nmの波長であることが好ましく、500〜1000nmの波長であることがより好ましく、600〜900nmの波長であることがさらに好ましい。 When the wavelength of the light incident from the light incident port 1 becomes longer, the range of the incident angle of the incident light that causes the surface plasmon polariton becomes narrower, while the intensity of the surface plasmon polariton that is generated is increased. Therefore, in the first step, the light incident on the light incident port 1 is not particularly limited depending on the purpose, but examples thereof include light in the wavelength region of visible light and light in the wavelength region of near infrared light. The wavelength is preferably ~ 1500 nm, more preferably 500 to 1000 nm, and even more preferably 600 to 900 nm.
また、光入射口1から入射する光の強さが強くなると、表面プラズモンポラリトンにより生じる電流量が増大する。そのため、第1のステップにおいて、光入射口1から入射させる前記光の強さとしては、目的に応じて特に限定されないが、0.01〜500mWであることが好ましく、0.1〜50mWであることがより好ましく、0.1〜5mWであることがさらに好ましい。前記光の強さが前記下限未満であると、表面プラズモンポラリトンにより生じる電流量が少なくなりすぎて十分なセンサ精度が得られなくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、プラズモン共鳴膜電極5において熱が発生して測定感度を低下させる恐れが生じる傾向にある。 Further, as the intensity of the light incident from the light incident port 1 becomes stronger, the amount of current generated by the surface plasmon polariton increases. Therefore, in the first step, the intensity of the light incident from the light incident port 1 is not particularly limited depending on the purpose, but is preferably 0.01 to 500 mW, preferably 0.1 to 50 mW. More preferably, it is more preferably 0.1 to 5 mW. If the light intensity is less than the lower limit, the amount of current generated by the surface plasmon polaritons tends to be too small to obtain sufficient sensor accuracy, while if the light intensity exceeds the upper limit, the plasmon resonance film electrode 5 tends to be obtained. There is a tendency that heat is generated in the water and the measurement sensitivity is lowered.
また、第1のステップにおいて、光入射口1から入射する光としては、プラズモン共鳴膜電極5とn型透明半導体膜4との間、並びに、第2のプラズモン共鳴膜電極5’と第2のn型透明半導体膜4’との間、又は、透明基板2の透明電極3と反対側の表面と透明基板2内部との境界面において反射し、プラズモン共鳴膜電極5とn型透明半導体膜4との間に再度入射した際の角度が、光入射口1から入射し、プラズモン共鳴膜電極5とn型透明半導体膜4との間に入射する角度となり得る光であり、センサチップ15の場合には、プラズモン共鳴膜電極5とn型透明半導体膜4との間、及び、第2のプラズモン共鳴膜電極5’と第2のn型透明半導体膜4’との間に同じ角度で入射可能な光であることが必要であり、このような光の条件としては、広がり角が小さい光であることが挙げられる。このような光は、レーザー;LED;ハロゲンランプ、水銀ランプ等の光源から発せられた光をレンズ等の光学部材を通過させることによって得ることが可能である。 Further, in the first step, the light incident from the light incident port 1 is between the plasmon resonance film electrode 5 and the n-type transparent semiconductor film 4, and the second plasmon resonance film electrode 5'and the second. Reflects between the n-type transparent semiconductor film 4'or at the interface between the surface of the transparent substrate 2 opposite to the transparent electrode 3 and the inside of the transparent substrate 2, and is reflected between the plasmon resonance film electrode 5 and the n-type transparent semiconductor film 4. The angle at which the light is incident again is the light that is incident from the light incident port 1 and can be the angle that is incident between the plasmon resonance film electrode 5 and the n-type transparent semiconductor film 4, and is the case of the sensor chip 15. Can be incident at the same angle between the plasmon resonance film electrode 5 and the n-type transparent semiconductor film 4 and between the second plasmon resonance film electrode 5'and the second n-type transparent semiconductor film 4'. It is necessary that the light is bright, and the condition of such light is that the light has a small spread angle. Such light can be obtained by passing light emitted from a light source such as a laser; LED; a halogen lamp or a mercury lamp through an optical member such as a lens.
本開示のセンサにおいては、プラズモン共鳴膜電極の近傍(好ましくはプラズモン共鳴膜電極の表面から300nm以内、例えば、サンプル層8内)に測定対象となるサンプルを配置することにより、前記サンプルの屈折率変化(濃度変化、状態変化)による表面プラズモンポラリトンの変化を電気信号として検出することができるため、前記電気信号を測定することで、サンプルの状態変化をモニタすることができる。 In the sensor of the present disclosure, the refractive index of the sample is arranged by arranging the sample to be measured in the vicinity of the plasmon resonance membrane electrode (preferably within 300 nm from the surface of the plasmon resonance membrane electrode, for example, in the sample layer 8). Since the change in surface plasmon polariton due to the change (concentration change, state change) can be detected as an electric signal, the state change of the sample can be monitored by measuring the electric signal.
また、測定するサンプルに応じてセンサチップに対する光の入射角度を変えることで、センサ精度をさらに十分に向上させることができる。なお、本発明において、光の入射角度とは、図9に示すように、透明電極3の表面に対する入射角度と定義する。 Further, the sensor accuracy can be further sufficiently improved by changing the incident angle of light with respect to the sensor chip according to the sample to be measured. In the present invention, the incident angle of light is defined as the incident angle of the transparent electrode 3 with respect to the surface, as shown in FIG.
本開示のセンサによれば、例えば、プラズモン共鳴膜電極5のn型透明半導体膜4と反対側の面上、又は保護膜7上、好ましくは、サンプル層8内に保持された、標的物質及び媒体を含むサンプルについて、前記標的物質の濃度変化や状態変化による表面プラズモンポラリトンの変化を電気信号として検出することができる。この場合、前記標的物質としては、特に制限されず、抗体、核酸(DNA、RNA等)、タンパク質、細菌、薬剤などの小分子化合物;イオン;気体状態にある小分子化合物や揮発性物質等が挙げられる。また、前記媒体としては、溶液及びガスが挙げられ、前記溶液としては水;緩衝液、強電解質溶液等の電解質溶液が、前記ガスとしては窒素ガスやヘリウムガス等の不活性ガスが、それぞれ挙げられる。 According to the sensors of the present disclosure, for example, the target substance and the target substance held on the surface of the plasmon resonance film electrode 5 opposite to the n-type transparent semiconductor film 4 or on the protective film 7, preferably in the sample layer 8. For a sample containing a medium, changes in surface plasmon polaritons due to changes in the concentration or state of the target substance can be detected as electrical signals. In this case, the target substance is not particularly limited, and small molecule compounds such as antibodies, nucleic acids (DNA, RNA, etc.), proteins, bacteria, drugs; ions; small molecule compounds in a gaseous state, volatile substances, etc. Can be mentioned. Examples of the medium include solutions and gases, examples of the solution include water; an electrolyte solution such as a buffer solution and a strong electrolyte solution, and examples of the gas include an inert gas such as nitrogen gas and helium gas. Be done.
(電気測定型表面プラズモン共鳴センサの製造方法)
本開示のセンサ及びセンサチップの製造方法は特に制限されないが、好ましくは、透明基板2上に、透明電極3、n型透明半導体膜4、及びプラズモン共鳴膜電極5を、この順で順次形成して積層する方法が好ましい。前記形成方法としては、特に制限されないが、透明電極3、n型透明半導体膜4、及びプラズモン共鳴膜電極5を形成する方法としては、例えば、それぞれ独立に、スパッタリング法、イオンプレーティング法、電子ビーム蒸着法、真空蒸着法、化学蒸着法、スピンコーティング法、原子層堆積法(ALD)、及びメッキ法が挙げられる。スパッタリング法を用いる場合において、金属酸化物からなるn型透明半導体膜2を形成する場合には、金属をターゲットとして、酸化させながら成膜してもよい(リアクティブスパッタ)。
(Manufacturing method of electrical measurement type surface plasmon resonance sensor)
The manufacturing method of the sensor and the sensor chip of the present disclosure is not particularly limited, but preferably, the transparent electrode 3, the n-type transparent semiconductor film 4, and the plasmon resonance film electrode 5 are sequentially formed on the transparent substrate 2 in this order. The method of laminating is preferable. The forming method is not particularly limited, but as a method for forming the transparent electrode 3, the n-type transparent semiconductor film 4, and the plasmon resonance film electrode 5, for example, the sputtering method, the ion plating method, and the electron are independently formed. Beam vapor deposition, vacuum vapor deposition, chemical vapor deposition, spin coating, atomic layer deposition (ALD), and plating methods can be mentioned. When the sputtering method is used, when the n-type transparent semiconductor film 2 made of a metal oxide is formed, a metal may be targeted and a film may be formed while being oxidized (reactive sputtering).
また、センサの製造方法において、センサチップの透明電極3及びプラズモン共鳴膜電極5と前記電気的測定装置とを外部回路を通じて電気的に接続する方法としては特に制限されず、従来公知の方法を適宜採用して接続することができる。 Further, the method for manufacturing the sensor is not particularly limited as a method for electrically connecting the transparent electrode 3 and the plasmon resonance film electrode 5 of the sensor chip and the electrical measuring device through an external circuit, and a conventionally known method is appropriately used. Can be adopted and connected.
以下、実施例をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples will be described in more detail, but the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
不連続ガレルキン時間領域法(DGTD:Discontinuous Galerkin Time Domain)により、ソフトウェア(「DEVICE」、Lumerical Inc.https://www.lumerical.com/jp/)を用い、その中の「stackfieldコマンド」により、下記の条件で電磁界シミュレーションを実施した。
(Example 1)
Discontinuous Galerkin Time Domain Method (DGTD), using software (“DEVICE”, Thermal Inc. https: //www.luminical.com/jp/) by the “stuckfield” command in it. An electromagnetic field simulation was carried out under the following conditions.
〔チップの構成〕
電磁界シミュレーションは、ガラス基板、n型透明半導体膜(TiO2膜)、プラズモン共鳴膜電極(Au膜)、サンプル層がこの順に積層されたチップ1について行った。なお、当該電磁界シミュレーションにおいて、光源は、ガラス基板内にあるものとして行い、また、n型透明半導体膜とプラズモン共鳴膜電極との境界面で、入射光(In)は全反射し、かつ、該全反射した光(反射光:Rn)は、ガラス基板内部と、ガラス基板のn型透明半導体膜と反対側の表面(空気に接する表面)との境界面において全反射して再度入射光(再入射光:In+1)となるものとして行い、nは1〜6とした。
[Chip configuration]
The electromagnetic field simulation was performed on a chip 1 in which a glass substrate, an n-type transparent semiconductor film (TiO 2 film), a plasmon resonance film electrode (Au film), and a sample layer were laminated in this order. Incidentally, in the electromagnetic simulation, the light source is conducted as within a glass substrate and, at the boundary surface between the n-type transparent semiconductor layer and plasmon resonance membrane electrode, the incident light (I n) is totally reflected, and , total reflection the light (reflected light: R n) includes an inner glass substrate, the total reflection to incident again at the interface between the n-type transparent semiconductor film opposite to the surface of the glass substrate (surface in contact with air) The light (re-incident light: In + 1 ) was used, and n was set to 1 to 6.
〔パラメータ〕
stackfieldコマンドにより要求される各パラメータそれぞれは以下のとおりとした。
n:各層の屈折率
各層の屈折率としては、各層を構成する材質の屈折率より、それぞれ、下記の表1に示す複素屈折率(n:屈折率、k:消衰係数)を用いた。なお、サンプル層は、サンプル溶液の屈折率として、屈折率(RI)を1.33〜1.40の間で変化させた。
d:各層の厚さ
各層の厚さは、それぞれ、下記の表1に示す厚さとした。
f:入射光の周波数
波長l=670nmとし、周波数f=c/l(c:光の速度(2.99×108m/s)により算出した。
theta:光の入射角度(θ)
0〜90°の範囲とした。
res:分解能
stackfieldコマンドでは分解能はシミュレーション範囲の分割数に等しいため、各層の厚さを変化させた場合、各計算セルのサイズが変化する可能性がある。そのため、分解能res=(1+各層の厚さの総計)/計算セルサイズ(四捨五入、計算セルサイズ=0.01nm3)とした。
[Parameter]
Each parameter required by the stackfield command is as follows.
n: Refractive index of each layer As the refractive index of each layer, the complex refractive index (n: refractive index, k: extinction coefficient) shown in Table 1 below was used from the refractive index of the materials constituting each layer. In the sample layer, the refractive index (RI) was changed between 1.33 and 1.40 as the refractive index of the sample solution.
d: Thickness of each layer The thickness of each layer is the thickness shown in Table 1 below.
f: the frequency wavelength l = 670 nm of the incident light, the frequency f = c / l (c: calculated by the speed of light (2.99 × 10 8 m / s ).
theta: Incident angle of light (θ)
The range was 0 to 90 °.
res: Resolution In the stackfield command, the resolution is equal to the number of divisions in the simulation range, so if the thickness of each layer is changed, the size of each calculation cell may change. Therefore, the resolution res = (1 + total thickness of each layer) / calculated cell size (rounded, calculated cell size = 0.01 nm 3 ).
シミュレーションを行った後、プラズモン共鳴膜電極(Au膜)における、n型透明半導体膜(TiO2膜)側の表面から厚さ20%(10nm)の領域のp偏光の吸収量を算出した。また、反射光に関しても、p偏光の成分のみを取得した。 After the simulation, the absorption amount of p-polarized light in the region of 20% (10 nm) thickness from the surface on the n-type transparent semiconductor film (TiO 2 film) side of the plasmon resonance film electrode (Au film) was calculated. Also, regarding the reflected light, only the p-polarized light component was acquired.
〔シミュレーションの確認〕
(参考例1)
先ず、ガラス基板の一方の面上にITO膜(酸化インジウム・スズ)からなる透明電極が形成されたITO基板(ガラス基板:S−TIH11、ガラス基板厚さ:1.1mm、面積:19×19mm、ITO膜:高耐久透明導電膜 5Ω、ジオマテック株式会社製)を準備した。次いで、スパッタリング装置(QAM−4−ST、アルバック九州株式会社製)を用い、ターゲットとしてTiO2(Titanium Dioxide、99.9%、フルウチ化学株式会社製)を用いて、前記ITO膜上にTiO2からなる厚さ200nmの膜(n型透明半導体膜(TiO2膜))を形成した。次いで、前記スパッタリング装置を用い、ターゲットとしてAu(99.99%、株式会社高純度化学研究所製)を用いて、前記TiO2膜上に、Auからなる厚さ50nmの膜(プラズモン共鳴膜電極(Au膜))を形成し、ガラス基板、ITO膜、n型透明半導体膜(TiO2膜)、プラズモン共鳴膜電極(Au膜)がこの順に積層されたチップ(センサチップ)を得た。
[Confirmation of simulation]
(Reference example 1)
First, an ITO substrate (glass substrate: S-TIH11, glass substrate thickness: 1.1 mm, area: 19 × 19 mm) in which a transparent electrode made of an ITO film (indium tin oxide) is formed on one surface of the glass substrate. , ITO film: Highly durable transparent conductive film 5Ω, manufactured by Geomatec Co., Ltd.) was prepared. Then, a sputtering apparatus (QAM-4-ST, ULVAC Kyushu Co., Ltd.) was used, TiO 2 as a target (Titanium Dioxide, 99.9%, Furuuchi Chemical Co., Ltd.) using, TiO 2 on the ITO film A film having a thickness of 200 nm (n-type transparent semiconductor film (TiO 2 film)) was formed. Next, using the sputtering apparatus and using Au (99.99%, manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.) as a target, a 50 nm-thick film (plasmon resonance film electrode) made of Au is placed on the TiO 2 film. (Au film)) was formed, and a chip (sensor chip) in which a glass substrate, an ITO film, an n-type transparent semiconductor film (TiO 2 film), and a plasmon resonance film electrode (Au film) were laminated in this order was obtained.
次いで、得られたチップの前記ガラス基板のITO膜と反対の面上にジヨードメタン(一級、富士フィルム和光純薬株式会社製)を塗布し、直角プリズム(S−TIH11、株式会社ときわ光学社製、屈折率:1.77)の斜面を密着させ、プリズム、ガラス基板、ITO膜、TiO2膜、プラズモン共鳴膜電極(Au膜)がこの順に積層されたチップ(プリズム付きチップ)を得た。 Next, diiodomethane (first grade, manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was applied to the surface of the obtained chip opposite to the ITO film of the glass substrate, and a right angle prism (S-TIH11, manufactured by Tokiwa Optical Co., Ltd.) was applied. The slopes having a refractive index of 1.77) were brought into close contact with each other to obtain a chip (chip with a prism) in which a prism, a glass substrate, an ITO film, a TiO 2 film, and a plasmon resonance film electrode (Au film) were laminated in this order.
次いで、得られたプリズム付きチップのITO膜と電流測定器(Electrochemical Analyzer Model 802D、ALS/CH Instruments Inc.製)の作用極とを、プラズモン共鳴膜電極と前記電流測定器の対極及び参照極とを、それぞれ、導線を介して電気的に接続した。次いで、670nmのレーザー光(光源:CPS670F、Thorlabs社製)を、偏光子(CMM1−PBS251/M、Thorlabs社製)を通してp偏光のレーザー光とし、この強度をパワーメータ(Model843−R、Newport社製)で測定して4.0mWとなるように調整した。次いで、図10に示すように、このp偏光のレーザー光(4.0mW)を得られたチップの光電変換部(センサチップ18)のプリズムの側から照射した。p偏光のレーザー光(入射光)のガラス基板表面に対する入射角度(θ[°])を23°〜37°の間で変化させ、各入射角度におけるITO膜−プラズモン共鳴膜電極間の電流値[μA]を測定した。得られた光の入射角度(θ[°])と電流値[μA](左軸)及び入射光のエネルギーに対する前記電流値(出力電流エネルギー)の割合である出力電流割合[%](右軸)との関係を図11に示す(実線(参考例1:実測値))。他方、チップ1について、シミュレーションにより得られた光の入射角度(θ[°])と電流値[μA](左軸)及び出力電流割合[%](右軸)との関係も図11に併せて示す(点線(シミュレーション))。 Next, the ITO film of the obtained chip with a prism and the working electrode of the current measuring device (Electrochemical Analyzer Model 802D, manufactured by ALS / CH Instruments Inc.) were used as the counter electrode and the reference electrode of the plasmon resonance film electrode and the current measuring device. Were electrically connected via the conductors. Next, a laser beam of 670 nm (light source: CPS670F, manufactured by Thorlabs) was converted into p-polarized laser light through a polarizer (CMM1-PBS251 / M, manufactured by Thorlabs), and this intensity was measured by a power meter (Model 843-R, manufactured by Thorlabs). It was measured with (manufactured by) and adjusted to 4.0 mW. Next, as shown in FIG. 10, the p-polarized laser light (4.0 mW) was irradiated from the prism side of the photoelectric conversion unit (sensor chip 18) of the obtained chip. The incident angle (θ [°]) of the p-polarized laser light (incident light) with respect to the glass substrate surface is changed between 23 ° and 37 °, and the current value between the ITO film and the plasmon resonance film electrode at each incident angle [ μA] was measured. The output current ratio [%] (right axis), which is the ratio of the incident angle (θ [°]) of the obtained light, the current value [μA] (left axis), and the current value (output current energy) to the energy of the incident light. ) Is shown in FIG. 11 (solid line (reference example 1: measured value)). On the other hand, for chip 1, the relationship between the incident angle (θ [°]) of light obtained by simulation and the current value [μA] (left axis) and output current ratio [%] (right axis) is also shown in FIG. (Dotted line (simulation)).
図11に示したように、実測値(実線)とシミュレーション値(点線)との間で、光の入射角度(θ)と電流値(A)及び出力電流割合(CA)との関係は類似しており、高い精度で本シミュレーションを実施できることが確認された。 As shown in FIG. 11, the relationship between the light incident angle (θ), the current value (A), and the output current ratio (CA) is similar between the measured value (solid line) and the simulated value (dotted line). It was confirmed that this simulation can be performed with high accuracy.
[1]反射光強度の角度依存性
チップ1について、シミュレーションにより得られた入射光(入射光I1)及びn型透明半導体膜とプラズモン共鳴膜電極との境界面で入射光が6回全反射して再度入射した入射光(再入射光I2〜I6)がそれぞれ再度反射したときの各反射光(R1〜R6)の強度(反射光強度[%]、入射光強度を100%としたときの反射光の強度)と、光の入射角度(θ[°])との関係をプロットした結果を、図12に示す。図12において、図の最も上部にある実線がR1を示し、下側に向かって順に、R2、R3、R4、R5、R6を示す。
[1] Angle dependence of reflected light intensity For chip 1, the incident light (incident light I 1 ) obtained by simulation and the incident light are totally reflected 6 times at the interface between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode. Then, the intensity (reflected light intensity [%], incident light intensity of each reflected light (R 1 to R 6 ) when the incident light (re-incident light I 2 to I 6 ) that was incident again is reflected again is 100%. The result of plotting the relationship between the intensity of the reflected light and the incident angle of the light (θ [°]) is shown in FIG. In FIG. 12, the solid line at the top of the figure indicates R1, and R2, R3, R4, R5, and R6 are shown in order from the lower side.
図12に示したように、反射光強度は、n型透明半導体膜とプラズモン共鳴膜電極との境界面で光が全反射する度、すなわち、プラズモン共鳴が起きる度に減少することが確認された。 As shown in FIG. 12, it was confirmed that the reflected light intensity decreases every time light is totally reflected at the interface between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode, that is, every time plasmon resonance occurs. ..
[2]入射光増強時の電流値及び反射光利用時の電流値の角度依存性
チップ1について、n型透明半導体膜とプラズモン共鳴膜電極との境界面に入射光の強度を下記の表2の強度となるように増強して、それぞれ独立して入射させたときの、シミュレーションにより得られた光の入射角度(θ[°])と出力電流割合[%]との関係をプロットした結果を、図13に示す。図13において、図の最も下部にある実線が入射光強度が100.0%のときを示し、上側に向かって順に、174.3%、229.6%、270.7%、301.3%、324.0%のときを示す。また、下記の表2に、各入射光強度における出力電流割合[%]の最大値、最小値、及びそれらの差(差分)を示す。
[2] Angle dependence of current value when enhancing incident light and current value when using reflected light For chip 1, the intensity of incident light is shown on the interface between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode in Table 2 below. The result of plotting the relationship between the incident angle (θ [°]) of the light obtained by the simulation and the output current ratio [%] when the intensity is increased to the intensity of , FIG. 13. In FIG. 13, the solid line at the bottom of the figure shows the case where the incident light intensity is 100.0%, and is 174.3%, 229.6%, 270.7%, and 301.3% in order from the upper side. It shows the time of 324.0%. In addition, Table 2 below shows the maximum and minimum values of the output current ratio [%] at each incident light intensity, and their differences (differences).
他方、チップ1について、[1]と同様に、n型透明半導体膜とプラズモン共鳴膜電極との境界面で入射光を6回全反射させ、入射光(I1)及び各反射光(R1〜R5)を再度入射光(再入射光I2〜I6)としたときの、シミュレーションにより得られた光の入射角度(θ[°])と出力電流割合の積算値(出力電流割合[%])との関係をプロットした結果を、図14に示す。図14において、図の最も下部にある実線が入射光条件がI1のときを示し、上側に向かって順に、I1+I2、I1+I2+I3、I1+I2+I3+I4、I1+I2+I3+I4+I5、I1+I2+I3+I4+I5+I6のときを示す。また、下記の表3に、各入射光条件における出力電流割合の積算値[%]の最大値、最小値、及びそれらの差(差分)を示す。 On the other hand, for chip 1, as in [1], the incident light is totally reflected 6 times at the interface between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode, and the incident light (I 1 ) and each reflected light (R 1 ) are reflected. When ~ R 5 ) is used as incident light again (re-incident light I 2 to I 6 ), the integrated value (output current ratio [output current ratio]) of the incident angle (θ [°]) of the light obtained by the simulation and the output current ratio. The result of plotting the relationship with%]) is shown in FIG. In FIG. 14, the solid line at the bottom of the figure shows the case where the incident light condition is I1, and shows the case of I1 + I2, I1 + I2 + I3, I1 + I2 + I3 + I4, I1 + I2 + I3 + I4 + I5, I1 + I2 + I3 + I4 + I5 + I6 in order from the upper side. In addition, Table 3 below shows the maximum and minimum values of the integrated value [%] of the output current ratio under each incident light condition, and their differences (differences).
[3]入射光増強時の屈折率変化及び反射光利用時の屈折率変化に対する電流量変化
チップ1について、n型透明半導体膜とプラズモン共鳴膜電極との境界面に入射光の強度を下記の表4の強度となるように増強して、ガラス内部からプラズモン共鳴膜電極に対する入射角度(θ)57.2°で、それぞれ独立して入射させたときの、シミュレーションにより得られたサンプル溶液の屈折率と出力電流割合[%]との関係をプロットした結果を、図15に示す。また、下記の表4に、各入射光強度における出力電流割合[%]の最大値(RI=1.33のとき)、最小値(RI=1.38のとき)、及びそれらの差(差分)を示す。
[3] Change in the amount of current with respect to the change in the refractive index when the incident light is enhanced and the change in the refractive index when the reflected light is used. Refraction of the sample solution obtained by simulation when the intensity is increased to the intensity shown in Table 4 and the light is independently incident from the inside of the glass at an incident angle (θ) of 57.2 ° with respect to the plasmon resonance film electrode. The result of plotting the relationship between the rate and the output current ratio [%] is shown in FIG. In Table 4 below, the maximum value (when RI = 1.33), the minimum value (when RI = 1.38) of the output current ratio [%] at each incident light intensity, and their differences (differences) ) Is shown.
他方、チップ1について、[1]と同様に、n型透明半導体膜とプラズモン共鳴膜電極との境界面で入射光を6回全反射させ、ガラス内部からプラズモン共鳴膜電極に対する入射角度(θ)53.5°で、入射光(I1)及び各反射光(R1〜R5)を再度入射光(再入射光I2〜I6)としたときの、シミュレーションにより得られたサンプル溶液の屈折率と出力電流割合の積算値[%]との関係をプロットした結果を、図16に示す。また、下記の表5に、各入射光条件における出力電流割合の積算値(出力電流割合[%])の最大値(RI=1.33のとき)、最小値(RI=1.40のとき)、及びそれらの差(差分)を示す。 On the other hand, for chip 1, as in [1], the incident light is totally reflected 6 times at the interface between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode, and the incident angle (θ) from the inside of the glass to the plasmon resonance film electrode. The sample solution obtained by simulation when the incident light (I 1 ) and each reflected light (R 1 to R 5 ) were used as incident light (re-incident light I 2 to I 6 ) again at 53.5 °. The result of plotting the relationship between the refractive index and the integrated value [%] of the output current ratio is shown in FIG. Further, in Table 5 below, the maximum value (when RI = 1.33) and the minimum value (when RI = 1.40) of the integrated value (output current ratio [%]) of the output current ratio under each incident light condition are shown. ), And their difference (difference).
図12〜図16、及び表2〜5に示したように、電流値は、n型透明半導体膜とプラズモン共鳴膜電極との境界面で全反射した光を再度入射光(再入射光I2〜I6)として利用してこれを積算することで増強され、加えて、単に入射光を増強させて照射した場合よりも、積算した電流値の最大値と最小値との差分の増強がなされて、優れたセンサ感度が達成されることが確認された。 As shown in FIGS. 12 to 16 and Tables 2 to 5, the current value is the light that is totally reflected at the interface between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode and is re-incident light (re-incident light I 2). It is enhanced by using it as ~ I 6 ) and integrating it. In addition, the difference between the maximum and minimum integrated current values is enhanced compared to the case where the incident light is simply enhanced and irradiated. It was confirmed that excellent sensor sensitivity was achieved.
以上説明したように、本開示の電気測定型表面プラズモン共鳴センサ及びそれに用いるセンサチップによれば、優れたセンサ感度を有する電気測定型表面プラズモン共鳴センサ及びそれに用いるセンサチップを提供することが可能となる。また、本開示のセンサ及びセンサチップは表面プラズモンポラリトンを電気信号として検出することができるため、小型化やハイスループット化が容易である。さらに、本開示のセンサ及びセンサチップにおいては、サンプルに影響を与えないため、より正確な測定が可能となる。したがって、本開示のセンサ及びセンサチップは今後の医療や食品、環境技術の発展において非常に有用である。 As described above, according to the electric measurement type surface plasmon resonance sensor and the sensor chip used therefor, it is possible to provide an electric measurement type surface plasmon resonance sensor having excellent sensor sensitivity and a sensor chip used therefor. Become. Further, since the sensor and the sensor chip of the present disclosure can detect the surface plasmon polariton as an electric signal, it is easy to reduce the size and increase the throughput. Further, the sensor and the sensor chip of the present disclosure do not affect the sample, so that more accurate measurement is possible. Therefore, the sensors and sensor chips of the present disclosure are very useful in the future development of medical care, foods, and environmental technologies.
1…光入射口、2…透明基板、3…透明電極、3’…第2の透明電極、4…n型透明半導体膜、4’…第2のn型透明半導体膜、5…プラズモン共鳴膜電極、5’…第2のプラズモン共鳴膜電極、6…接着層、7…保護膜、8…サンプル層、9…リファレンス、10…プリズム、11〜18…センサチップ、11’…第2の光電変換部、21…電気的測定装置、31、31’…外部回路、200…光源、300…偏光子、401…入射光、402…反射光、510…センサ。 1 ... light incident port, 2 ... transparent substrate, 3 ... transparent electrode, 3'... second transparent electrode, 4 ... n-type transparent semiconductor film, 4'... second n-type transparent semiconductor film, 5 ... plasmon resonance film Electrode, 5'... second plasmon resonance film electrode, 6 ... adhesive layer, 7 ... protective film, 8 ... sample layer, 9 ... reference, 10 ... prism, 11-18 ... sensor chip, 11'... second photoelectric Conversion unit, 21 ... Electrical measuring device, 31, 31'... External circuit, 200 ... Light source, 300 ... Polarizer, 401 ... Incident light, 402 ... Reflected light, 510 ... Sensor.
Claims (10)
前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射可能な反射面と、
前記透明電極及び前記プラズモン共鳴膜電極から電流値又は電圧値を直接測定する電気的測定装置と、
を備える、
ことを特徴とする電気測定型表面プラズモン共鳴センサ。 A sensor chip in which a transparent substrate having a light incident port at the end, a transparent electrode, an n-type transparent semiconductor film, and a plasmon resonance film electrode are arranged in this order.
A reflective surface capable of reflecting light reflected between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode,
An electrical measuring device that directly measures a current value or a voltage value from the transparent electrode and the plasmon resonance membrane electrode.
To prepare
An electromeasuring surface plasmon resonance sensor characterized by this.
前記反射面が、前記第2のn型透明半導体膜と前記第2のプラズモン共鳴膜電極との間の面である、
ことを特徴とする、請求項1に記載の電気測定型表面プラズモン共鳴センサ。 A second photoelectric in which a second transparent electrode, a second n-type transparent semiconductor film, and a second plasmon resonance film electrode are arranged in this order on the surface of the transparent substrate opposite to the transparent electrode. It further includes a conversion unit and a second electrical measuring device that directly measures a current value or a voltage value from the second transparent electrode and the second plasmon resonance film electrode.
The reflective surface is a surface between the second n-type transparent semiconductor film and the second plasmon resonance film electrode.
The electromeasurement type surface plasmon resonance sensor according to claim 1, wherein the surface plasmon resonance sensor is characterized in that.
入射光を表面プラズモンポラリトンに変換可能なプラズモン共鳴膜電極、
前記プラズモン共鳴膜電極の前記入射光側に配置されており、前記入射光を透過し、かつ、該透過した入射光が前記プラズモン共鳴膜電極と相互作用することによって前記プラズモン共鳴膜電極から放出されるホットエレクトロンを受け取り可能なn型透明半導体膜、及び
前記n型透明半導体膜から移動したホットエレクトロンを電気信号として取り出し可能な透明電極、
を備えるセンサチップと、
前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射可能な反射面と、
前記透明電極及び前記プラズモン共鳴膜電極から電流値又は電圧値を直接測定可能な電気的測定装置と、
を備え、
前記入射光には、前記光入射口から入射した入射光及び前記反射面で反射された反射光が含まれる、
ことを特徴とする電気測定型表面プラズモン共鳴センサ。 A transparent substrate with a light incident port at the end that allows light to enter,
Plasmon resonance membrane electrode capable of converting incident light into surface plasmon polaritons,
It is arranged on the incident light side of the plasmon resonance film electrode, transmits the incident light, and is emitted from the plasmon resonance film electrode by interacting with the plasmon resonance film electrode. An n-type transparent semiconductor film capable of receiving hot electrons, and a transparent electrode capable of extracting hot electrons transferred from the n-type transparent semiconductor film as an electric signal.
With a sensor chip
A reflective surface capable of reflecting light reflected between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode,
An electrical measuring device capable of directly measuring a current value or a voltage value from the transparent electrode and the plasmon resonance membrane electrode.
With
The incident light includes incident light incident from the light incident port and reflected light reflected by the reflecting surface.
An electromeasuring surface plasmon resonance sensor characterized by this.
前記n型透明半導体膜と前記プラズモン共鳴膜電極との間で反射された光を反射可能な反射面と、
前記透明電極及び前記プラズモン共鳴膜電極から電流値又は電圧値を直接測定する電気的測定装置と、
を備える電気測定型表面プラズモン共鳴センサを用いて表面プラズモンポラリトンの変化を検出する方法であり、
前記光入射口から光を入射させ、入射光を前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間で全反射させる第1のステップ;
前記全反射により前記入射光を前記プラズモン共鳴膜電極と相互作用させて表面プラズモンポラリトンを発生せしめ、前記表面プラズモンポラリトンによって生じ、前記n型透明半導体膜に移動したホットエレクトロンを前記透明電極から電気信号として取り出し、前記透明電極と前記プラズモン共鳴膜電極との間の電流値又は電圧値の変化を前記電気的測定装置によって測定する第2のステップ;
前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間で全反射した光を反射可能な反射面に反射させて再度入射光とし、これを前記プラズモン共鳴膜電極と前記n型透明半導体膜との間で全反射させ、再度、前記第2のステップを行う第3のステップ;
前記第3のステップを複数回繰り返し、測定された電流値又は電圧値の変化を積算し、積算値として表面プラズモンポラリトンの変化を検出する第4のステップ;
を含むことを特徴とする表面プラズモンポラリトン変化検出方法。 A sensor chip in which a transparent substrate having a light incident port at the end, a transparent electrode, an n-type transparent semiconductor film, and a plasmon resonance film electrode are arranged in this order.
A reflective surface capable of reflecting light reflected between the n-type transparent semiconductor film and the plasmon resonance film electrode,
An electrical measuring device that directly measures a current value or a voltage value from the transparent electrode and the plasmon resonance membrane electrode.
It is a method of detecting changes in surface plasmon polaritons using an electromeasurement type surface plasmon resonance sensor equipped with.
The first step of injecting light from the light incident port and totally reflecting the incident light between the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film;
Due to the total reflection, the incident light interacts with the plasmon resonance film electrode to generate surface plasmon polaritons, and the hot electrons generated by the surface plasmon polaritons and transferred to the n-type transparent semiconductor film are electrically signaled from the transparent electrode. The second step of measuring the change in the current value or the voltage value between the transparent electrode and the plasmon resonance film electrode by the electric measuring device;
The light totally reflected between the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film is reflected on a reflective surface that can be reflected to obtain incident light again, and this is used as the plasmon resonance film electrode and the n-type transparent semiconductor film. A third step in which total reflection is performed between the two and the second step is performed again;
The fourth step of repeating the third step a plurality of times, integrating the measured changes in the current value or the voltage value, and detecting the change in the surface plasmon polariton as the integrated value;
A method for detecting changes in surface plasmon polaritons, which comprises.
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Publications (2)
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Country Status (1)
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---|---|
JP (1) | JP7172693B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20210396663A1 (en) * | 2019-10-18 | 2021-12-23 | Imra Japan Kabushikikaisha | Electricity measuring type surface plasmon resonance sensor, electricity measuring type surface plasmon resonance sensor chip, method for detecting surface plasmon resonance changes |
JP7055525B1 (en) | 2020-01-03 | 2022-04-18 | 南京大学 | Manufacturing method of sodium interface and manufacturing method of optical structural device of sodium |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007273832A (en) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Nec Corp | Photodiode and its manufacturing method |
US20100328671A1 (en) * | 2007-11-27 | 2010-12-30 | Baldo Marc A | Near field detector for integrated surface plasmon resonance biosensor applications |
JP2011171519A (en) * | 2010-02-18 | 2011-09-01 | Toyohashi Univ Of Technology | Schottky type photodetector |
US20130299933A1 (en) * | 2010-11-12 | 2013-11-14 | William Marsh Rice University | Plasmon induced hot carrier device, method for using the same, and method for manufacturing the same |
CN108767073A (en) * | 2018-06-20 | 2018-11-06 | 西安交通大学 | A kind of surface phasmon enhancing semiconductor active device and its manufacturing method |
-
2019
- 2019-02-12 JP JP2019022769A patent/JP7172693B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007273832A (en) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Nec Corp | Photodiode and its manufacturing method |
US20100328671A1 (en) * | 2007-11-27 | 2010-12-30 | Baldo Marc A | Near field detector for integrated surface plasmon resonance biosensor applications |
JP2011171519A (en) * | 2010-02-18 | 2011-09-01 | Toyohashi Univ Of Technology | Schottky type photodetector |
US20130299933A1 (en) * | 2010-11-12 | 2013-11-14 | William Marsh Rice University | Plasmon induced hot carrier device, method for using the same, and method for manufacturing the same |
CN108767073A (en) * | 2018-06-20 | 2018-11-06 | 西安交通大学 | A kind of surface phasmon enhancing semiconductor active device and its manufacturing method |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20210396663A1 (en) * | 2019-10-18 | 2021-12-23 | Imra Japan Kabushikikaisha | Electricity measuring type surface plasmon resonance sensor, electricity measuring type surface plasmon resonance sensor chip, method for detecting surface plasmon resonance changes |
US12061146B2 (en) * | 2019-10-18 | 2024-08-13 | Aisin Corporation | Electricity measuring type surface plasmon resonance sensor, electricity measuring type surface plasmon resonance sensor chip, method for detecting surface plasmon resonance changes |
JP7055525B1 (en) | 2020-01-03 | 2022-04-18 | 南京大学 | Manufacturing method of sodium interface and manufacturing method of optical structural device of sodium |
JP2022524465A (en) * | 2020-01-03 | 2022-05-02 | 南京大学 | Manufacturing method of sodium interface and manufacturing method of optical structural device of sodium |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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