JP3897703B2 - センサ装置およびそれを用いた検査方法 - Google Patents
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- G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
- G01N21/648—Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は医療や健康診断、食品の検査に用いられるバイオセンサを含む化学センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年医療における診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速センシング、低コストなバイオセンサの開発が求められている。このため、電極やＦＥＴを用いた電気化学的な手法を利用したバイオセンサが半導体加工技術を応用し、作製されてきた。
【０００３】
しかしながら、さらなる集積化、低コスト、測定環境を選ばないセンサが求められ、表面プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたバイオセンサが有望視されている。例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させた表面プラズモン共鳴を用い、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものである。
【０００４】
最近、高感度なセンシングを目的として、金属微粒子を用いた局在プラズモン共鳴センサが提案されている。特許文献１に提案されている局在プラズモン共鳴センサは、図11に示すように、金属微粒子を固定した基板に光を照射し、金属微粒子を透過した光の吸光度を測定することにより、金属微粒子近傍の媒質の変化を検出するものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３５６５８７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
金属微粒子を用いる従来の局在プラズモン共鳴センサにおいては、金属コロイド溶液を用いて基板上に金属微粒子膜を形成しているが、金コロイド溶液中の金属微粒子の大きさを１〜２割程度のばらつき以内にそろえることは難しかった。また、上記金属コロイド溶液中に基板を浸漬するのみであるため、基板上の金属微粒子の配置はまったくランダムであり、金属微粒子同士の間隔や配列方向を制御することは不可能であった。
【０００８】
このため、上記センサでは吸光度スペクトルの幅が広く、ピーク強度が低下してしまうため、金属微粒子近傍の媒質の変化を検出する信号変化が低く、センサとしての感度に限界を生じていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明により提供されるセンサ装置は、光源と、検出対象物質を検出するためのセンサ媒体と、前記光源より出射され前記センサ媒体を介して得られる光を検出する光検出器と、を備え、前記センサ媒体における局在プラズモン共鳴を利用して検出対象物質を検出するセンサ装置であって、前記センサ媒体は、透明基板と、該透明基板の表面に設けられた金属膜と、を有し、該金属膜には、該金属膜表面のＸ方向に短辺、該Ｘ方向に直交するＹ方向に長辺を有する開口がＸ方向に周期的に複数設けられ、前記複数の開口内には前記検出対象物質を前記金属膜に固定するための材料を備え、前記開口の前記短辺の長さと隣接する前記開口同士の間隔が前記光の波長以下であると共に、光の電界方向が前記Ｘ方向となるように前記光源から前記センサ媒体に光を入射することを特徴とする。
また、本発明により提供される検査方法は、検出対象物質を検出するためのセンサ媒体を被検査物に接触させ、光源より前記センサ媒体に光を照射して、前記センサ媒体を介して得られる光を検出することで前記センサ媒体における局在プラズモン共鳴を利用して前記検出対象物質を検出する検査方法であって、前記センサ媒体として、透明基板と該透明基板の表面に設けられた金属膜とを有し、該金属膜には、該金属膜表面のＸ方向に短辺、該Ｘ方向に直交するＹ方向に長辺を有する開口がＸ方向に周期的に複数設けられ、前記複数の開口内には前記検出対象物質を前記金属膜に固定するための材料を備え、前記開口の前記短辺の長さと隣接する前記開口同士の間隔が前記光の波長以下であるものを用意する工程と、光の電界方向が前記Ｘ方向となるように前記光源から前記センサ媒体に光を入射する工程と、を有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
〈センサ装置とセンサ媒体について〉
化学センサ装置は、被検査物に接触して検出対象物と反応するセンサ材料と、接触前後のセンサ材料の変化を、電気的、光学的その他の方法により測定する測定器を含んで構成される。センサ材料は、場合によっては測定器部分から離れて被検査物に曝されるので、適当な担体上に保持されており、その部分はセンサ媒体と呼ばれる。
【００１３】
本発明のセンサ装置におけるセンサ媒体を図１、図２を用いて説明する。
【００１４】
図１には本発明の一形態例の断面が示されている。
【００１５】
センサ媒体は、透明基板101上に、開口を有する金属薄膜102とセンサ材料104とが設けられたものである。金属薄膜102には、微小開口103が、金属薄膜面内の１つの方向、すなわち図１に示すx方向に配列して設けられている。ここで、金属薄膜102の厚さは10〜500nｍ程度である。
【００１６】
この微小スリット開口が配列している様子を上面から見たものを図２(a)に示す。図２(a)において、金属薄膜201中に微小スリット開口アレイ202が各開口の短辺を図中x方向に、長辺をy方向に揃え、x方向に配列して形成されている。図２(a)に示すように、開口103の各々は、金属薄膜面内でx方向に直交するy方向の大きさがx方向の大きさよりも大きいスリット状の開口である。微小スリット開口103のx方向の幅は１〜200nｍ、隣合う微小スリット開口同士の間隔すなわち金属部分の幅は１〜200nｍの範囲からそれぞれ選択される所定の値である。
【００１７】
微小スリット開口103の内側面にはセンサ材料104が設けられている。センサ材料104は、センサ媒体が被検査物に触れたときに、それに含まれる検出対象物質を表面吸着や化学結合などによって固定する。または、センサ材料104は、構成成分の一部が検出対象物質と結合して解離するものであってもよい。本発明においては、センサ材料は検出対象物質の結合、または構成成分の解離によって、光の屈折率や吸収率などの光学的性質が変化する材料で構成される。
【００１８】
〈化学センサの動作原理〉
次に、本発明の化学センサの動作原理を図１、図３、図４を用いて説明する。
【００１９】
図１において、図中、上方向から下方向(＋z方向)に向かって入射光105を微小スリット開口103の配列に入射させる。このとき、スリット開口の大きさと間隔は、ともに、検出に用いる光の波長以下であるため、入射光105の電界のうち、図中のx方向に偏光した成分が金属薄膜102中の電子と相互作用し、微小スリット開口の内側面に表面プラズモンを生じさせる。生じた表面プラズモンは微小スリット内側面を下方向(図中の＋z方向)に伝搬し、微小スリット開口103の下端で再び光に変換され、透過光106として、下方向(＋z方向)に透過する。
【００２０】
複数の微小スリット開口103内を表面プラズモンの状態を経て光が透過する際、微小スリット開口に生じる電気多重極子との共鳴(局在プラズモン共鳴)による吸収を受け、入射光の波長変化に対するスペクトルは、特徴的な共鳴ピークを持つ。この局在プラズモン共鳴ピークの形は、微小スリット開口の幅や間隔によって変化する。
【００２１】
本発明に適用されるセンサ媒体は、微小スリット開口が周期的に配列（金属膜表面のＸ方向に短辺、Ｙ方向に長辺を有する開口がＸ方向に周期的に複数設けられている）されているため、特許文献１における金属微粒子を用いたセンサに比べて結果的に上記の共鳴ピークの幅は狭く、高さが高いものとなる。それは、特許文献１においては、金コロイド溶液を用いて金属微粒子を形成していて、金属微粒子の大きさや間隔にばらつきが生ずるため、吸光度スペクトルの幅が広くなり、共鳴ピークも広がってしまうのに対し、本発明に適用されるセンサ媒体では、微小スリット開口を後述するようにパターニング（図５に関する説明）等を用いて形成することから複数の開口の大きさを均一にすることができ、また、開口を周期的に配列させることから、ばらつきに依存する共鳴ピークの幅の広がりが抑えられ、高さも低くなるのが抑制される。また、開口をスリット状にしたので、スリットを横切る方向の電気双極子と入射光との共鳴吸収が強くなる。したがって、入射光を電界方向がスリットを横切る方向に偏光させることによって、共鳴ピークをさらに鋭くすることができる。
【００２２】
本発明のセンサ媒体における透過光強度スペクトルを図３の実線に示す。実線は、センサ材料が反応を起こす前のスペクトルを表す。図１に示したセンサ媒体を被検査液、被検査気体等の被検査物に接触させ、センサ材料と被検査物とを反応させる。反応後の透過スペクトルを破線で示す。
【００２３】
反応によってスペクトルが変化するのは、以下の理由によるものと推定される。
【００２４】
センサ材料と被検査物とが反応することにより、微小スリット開口１０３内のセンサ材料１０４の膜厚がわずかに増大することにより、微小スリット開口１０３内における屈折率が変化する。この屈折率変化により、等価的に開口幅が変化したことになり、共鳴ピーク位置や高さが変化し、図３に一例を示すように透過光強度スペクトルの形が変化する。
【００２５】
この共鳴ピークの位置や高さの変化を検出することにより、センサとしての検出感度が大きく向上する。したがって、本発明のセンサ装置は、単一の波長の光を用いて強度変化のみを測定するものであってもよいが、共鳴ピーク波長前後の一定波長範囲の光を出射する光源を用いて、分光器を含む検出器によって検出するものがより望ましい。
【００２６】
上記の反応を起こすセンサ材料の具体例としては、(１)被検査物中に含まれる抗原物質に対し、特異的に結合を生じる抗体物質をセンサ材料とし、結合前後の微小スリット開口内部の屈折率変化を検出するもの、(２)被検査物中に含まれる測定対象類似物質と酵素との複合体をセンサ材料とし、測定対象物質である抗原が複合体に接触することにより、複合体が解離し、酵素と測定対象物質との抗原抗体複合体が形成される。このときの微小スリット開口内部の屈折率変化を検出するもののように反応前後の微小スリット開口内部の屈折率変化を検出するものが挙げられる。
【００２７】
あるいは、微小スリット開口103内のセンサ材料104が被検査物と反応することにより、起こる吸収スペクトルや蛍光スペクトルの変化を検出してもよい。この場合も、微小スリット開口103内では表面プラズモンによる電場増強効果を受け、入射光105の電界の大きさの10倍〜1000倍もの強い電界によりセンサ材料104が励起されるため、吸収が大きくなったり、蛍光強度が大きくなったりするため、センサとしての検出感度が大きく向上する。
【００２８】
このような反応を起こすセンサ材料の具体例としては、(３)被検査物中に含まれる抗原物質に対し、特異的に結合を生じる抗体物質をセンサ材料とし、結合前後の標識物質の蛍光変化や吸収変化を検出するもの、(４)被検査物中に含まれる測定対象類似物質と標識酵素との複合体をセンサ材料とし、測定対象物質である抗原が複合体に接触することにより、複合体が解離し、標識酵素と測定対象物質との抗原抗体複合体が形成される。このときの標識酵素の変化に伴う蛍光変化や吸収変化を検出するもののように反応前後の微小スリット開口内部から発生する蛍光変化やスリット内部の材料による吸収変化を検出するものが挙げられる。
【００２９】
上記では微小スリット開口を透過した光を検出する例を示したが、本発明の概念はこれに限定されるものでなく、入射光が微小スリット開口に当たって反射する光を検出してもよい。しかしながら、反射光を検出する構成と比較して、微小スリット開口を透過した光を検出するほうが、迷光の影響を受けにくく、信号強度のＳ/Ｎ比が向上する。
【００３０】
また、図２(a)に示した微小スリット開口の代わりに、図２(b)に示すように、開口が、y方向にも周期的に配列された微小開口２次元アレイ203を用いることもできる。y方向の大きさと間隔も、ともに、照射される光の波長以下に設定される。この場合、図中x方向、y方向の偏光を有する入射光に対し、独立に同時にセンサ情報を得ることができる。
【００３１】
また、図２(c)に示すように２以上の複数の周期からなる複合周期構造からなる複合周期微小開口アレイ204でも良い。例えば、微小開口アレイを２個対にしたものを並べることにより、３個以上の微小開口の間に励起されるプラズモンのモードを抑制することができるため、励起プラズモンのモードを少なくすることができる。ここで、微小開口スリットが２個対になったものが周期的に並んだ構造を示したが、３個以上が組になったものでも良いし、２重でなく、３重もしくはそれ以上の複合周期構造であっても良い。このように周期構造の設計を変えることにより、励起プラズモンのモードを制御することが可能であるため、特定の波長のピークの形を制御することができ、センサ材料により最適な検出光の波長領域を選ぶことが可能となる。
【００３２】
【実施例】
[実施例１]
本発明のセンサ媒体を用いたセンサ装置の具体的装置構成を図４に示す。タングステンランプ401からの白色光をコリメータレンズ402でほぼ平行光に直し、センサ媒体403に入射させる。センサ媒体403を透過した透過光を分光器404に入射し、スペクトル分解したものをマルチチャンネルアナライザ405で検出し、スペクトル情報を得る。
【００３３】
センサ媒体における金属薄膜(図１の102)の材料としては、金属一般から選択されるが、特に、金や銀、銅、アルミニウムは発生する表面プラズモンの強度が大きく、本発明に好適である。中でも、金は可視域全般にわたって局在プラズモン共鳴に起因するピークを有するため、可視光を用いて検出するセンサを構成するには最適である。また、所定の構成比とした金、銀、銅、アルミニウム間の合金を用いることにより、ピークの位置を近紫外領域から近赤外領域の間で調整することが可能である。
【００３４】
センサ材料(図１の104)としては、センサ材料と被検査物とが反応して、膜厚変化、屈折率変化、吸収スペクトル変化、蛍光スペクトル変化を起こすものであれば良く、酵素センサ、微生物センサ、オルガネラセンサ、組織センサ、免疫センサ、酵素免疫センサ、バイオアフィニティセンサ等のバイオセンサを含む化学センサで用いられる材料を用いることができる。
【００３５】
図５、図６を用いてセンサ媒体の作製法を説明する。
【００３６】
図５において、石英基板５０１上にスパッタ法を用いて、金属薄膜５０２を膜厚５０ｎｍに成膜する（図５（ｂ））。その上に電子線レジスト５０３をスピンコートで膜厚１０ｎｍに成膜し、電子ビーム描画装置で露光し現像後、Ｌ／Ｓ＝２０ｎｍ／２０ｎｍのレジストパターンを得る（図５（ｄ））。その後、金属薄膜５０２をエッチングし（図５（ｅ）、レジストを除去して、開口幅２０ｎｍ／開口間隔２０ｎｍの微小開口５０４を形成する（図５（ｆ））。金属薄膜５０２に表面処理を行ったのち、センサ材料５０５を結合させる（図５（ｇ））。
【００３７】
なお、ここでは電子線描画装置による微小開口パターンの作製方法を説明したが、この他、集束イオンビーム加工装置、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡、近接場光学顕微鏡の原理を応用した各種走査プローブ加工装置、Ｘ線露光装置、ＥＵＶ露光装置、電子ビームステッパを用いて作製しても良い。
【００３８】
また、近接場光を用いた露光装置や、図６に示すようなナノモールド法を用いて作製すれば、簡便で低コストのセンサ媒体が実現できる。図６において、石英基板６０１上に厚さ５０ｎｍの金属薄膜６０２を形成する（図６（ａ））。ＳｉＣの表面に電子線描画装置等を用いてＬ／Ｓ＝２０ｎｍ＝２０ｎｍのパターンを形成したレプリカ原盤６０３を金属薄膜６０２表面に荷重を加えて圧着させた後（図６（ｂ）、図６（ｃ））、レプリカ原盤６０３を剥がし（図６（ｄ））、微小開口６０４を形成する（図６（ｆ））。
【００３９】
[実施例２](多チャンネル化)
図７は、本発明のセンサ媒体において、金属薄膜701中に複数のスリットや２次元の微小開口アレイ702〜706を設けた多チャンネルセンサ媒体を示す。本実施例においては、開口の大きさおよびあるいは(and/or)間隔が異なる周期的配列の組が複数、金属膜に設けられている。また、その中に開口の大きさおよびあるいは(and/or)間隔が同じ周期的配列の組が含まれていてもよい。図７のセンサ媒体では、微小開口アレイＡ(702)と微小開口アレイＢ(703)の各開口の大きさ及び間隔がそれぞれ等しく、他の微小開口アレイＣ、Ｄ、Ｅの各開口の大きさ及び間隔は、ＡとＢのそれとは異なっている。
【００４０】
この多チャンネルセンサ媒体を用いて構成した多チャンネルセンサ装置の構成を図８に示す。タングステンランプ801からの光をコリメータレンズ802でほぼ平行光に直し、多チャンネルセンサ媒体803に入射する。多チャンネルセンサ媒体803の各微小開口アレイを透過した複数の透過光をフィルタＡ(804)〜Ｄ(807)を通して、ＣＣＤカメラ808に入射させ、それらの透過パターン情報を得る。
【００４１】
これにより、例えば、図７における微小開口アレイＡ(702)と微小開口アレイＢ(703)のように同じ形状のパターンをそれぞれ透過した光に対し、波長の異なるバンドパスフィルタを透過させて、比較することにより、照射光強度に依存しない相対的なスペクトル情報を得ることができる。また同じく、微小開口アレイＡ(702)と微小開口アレイＢ(703)のような同じ形状のパターンの開口内に、種類の異なるセンサ材料を設け、それぞれの微小開口アレイを透過した光を独立に検出することにより、複数のセンシング情報を同時に得ることができる。また、それらの相対比較を行うことにより、差動検出による高感度検出が可能となる。この他、微小開口ピッチや配列方向の異なるパターンや２次元パターンとの間の比較を行うことにより、異なる情報を同時に得ることが可能である。微小開口のピッチやサイズが異なるパターンを用い、信号のピーク位置を変化させることにより、信号を検出するスペクトル領域を自由に選択することができる。これにより、複数の光波長において検出が可能となるため、本実施例のように多チャンネルのセンサ媒体が小型集積化されていても干渉フィルタ等を用いて容易に信号分離が可能である。また、蛍光スペクトルや吸収スペクトルを検出するタイプのセンサにおいても、微小開口のピッチやサイズが異なるパターンを用い、信号のピーク位置を変化させることにより、信号を検出するスペクトル領域を自由に選択することができるため、センサ材料選択の幅が広がるため、広い範囲の応用が可能となる。
【００４２】
[実施例３]
図９は、本発明のセンサ媒体をマイクロ化学分析システム(μ-ＴＡＳ: ＭicroＴotal Ａnalysis Ｓysteｍ や Ｌab-on-a-chip とも呼ばれる)に一体形成した例を示している。
【００４３】
図９に示すマイクロ化学分析システム901において、試料液注入部902から注入された被検査液が流路904を通って、反応液注入部903から注入された反応液と反応したのち、検出部905に到達する。検出部905には、図に拡大して示したように本発明の原理に基づく検出のための微小スリット開口906が設けられている。被検査液は微小スリット開口906内部にしみ込み、微小開口スリット開口906内部のセンサ材料と反応する。この検出部905に対して励起光907が照射され、微小スリット開口906から発生する蛍光908をレンズ909で集光し、フィルタ910を通した後、光電子増倍管911で検出する。
【００４４】
図10は、本発明のセンサ媒体をＤＮＡチップやプロテインチップに一体形成した例を示している。
【００４５】
図10に示すＤＮＡチップ/プロテインチップ1001の各検出セル1002にはそれぞれ、微小スリット開口1003が設けられており、微小スリット開口1003内側面にセンサ材料が設けられている。これに励起光1004を照射し、各検出セルから発生する蛍光1005のパターンをレンズ1006を用いてＣＣＤカメラ1007面に結像させ、パターン情報を得る。
【００４６】
これらのように、本発明のセンサ媒体を各種センサに組み合わせて用いることができ、これにより、信号強度が増し、より高精度な検出が可能となった。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、金属膜の第一の方向に周期的に配列（金属膜表面のＸ方向に短辺、Ｙ方向に長辺を有する開口がＸ方向に周期的に配列）され、その方向の大きさと間隔が、ともに、前記光の波長以下である微小開口内にセンサ材料を設けたことにより、局在プラズモン共鳴スペクトルの幅が狭く、ピーク強度が高い高感度な化学センサや吸収スペクトルや蛍光スペクトル強度が大きい高感度な化学センサが実現された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ媒体の構成及び検出原理を説明する図である。
【図２】本発明のセンサ媒体の上面図である。
【図３】本発明のセンサ媒体における透過光強度スペクトル変化の説明図である。
【図４】本発明のセンサ媒体を用いたセンサ装置の具体的装置構成図である。
【図５】センサ媒体の作製法の説明図である。
【図６】センサ媒体の作製法のうち、ナノモールド法の説明図である。
【図７】多チャンネルセンサ媒体を示す図である。
【図８】多チャンネルセンサ装置の構成図である。
【図９】本発明のセンサ媒体をマイクロ化学分析システムに一体形成した例を示す図である。
【図１０】本発明のセンサ媒体をＤＮＡチップやプロテインチップに一体形成した例を示す図である。
【図１１】従来例を説明する図である。
【符号の説明】
101 :透明基板
102 :金属薄膜
103 :微小(スリット)開口
104 :センサ材料
105 :入射光
106 :透過光
201 :金属薄膜
202 :微小スリット開口アレイ
203 :微小開口２次元アレイ
204 :複合周期微小開口アレイ
401 :タングステンランプ
402 :コリメータレンズ
403 :センサ媒体
404 :分光器
405 :マルチチャンネルアナライザ
501 :石英基板
502 :金属薄膜
503 :電子線レジスト
504 :微小開口
505 :センサ材料
601 :石英基板
602 :金属薄膜
603 :レプリカ原盤
604 :微小開口
701 :金属薄膜
702 :微小開口アレイＡ
703 :微小開口アレイＢ
704 :微小開口アレイＣ
705 :微小開口アレイＤ
706 :微小開口アレイＥ
801 :タングステンランプ
802 :コリメータレンズ
803 :多チャンネルセンサ媒体
804 :フィルタＡ
805 :フィルタＢ
806 :フィルタＣ
807 :フィルタＤ
808 :ＣＣＤカメラ
901 :マイクロ化学分析システム
902 :試料液注入部
903 :反応液注入部
904 :流路
905 :検出部
906 :微小スリット開口
907 :励起光
908 :蛍光
909 :レンズ
910 :フィルタ
911 :光電子増倍管
1001 :ＤＮＡチップ/プロテインチップ
1002 :検出セル
1003 :微小スリット開口
1004 :励起光
1005 :蛍光
1006 :レンズ
1007 :ＣＣＤカメラ
【発明の属する技術分野】
本発明は医療や健康診断、食品の検査に用いられるバイオセンサを含む化学センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年医療における診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速センシング、低コストなバイオセンサの開発が求められている。このため、電極やＦＥＴを用いた電気化学的な手法を利用したバイオセンサが半導体加工技術を応用し、作製されてきた。
【０００３】
しかしながら、さらなる集積化、低コスト、測定環境を選ばないセンサが求められ、表面プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたバイオセンサが有望視されている。例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させた表面プラズモン共鳴を用い、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものである。
【０００４】
最近、高感度なセンシングを目的として、金属微粒子を用いた局在プラズモン共鳴センサが提案されている。特許文献１に提案されている局在プラズモン共鳴センサは、図11に示すように、金属微粒子を固定した基板に光を照射し、金属微粒子を透過した光の吸光度を測定することにより、金属微粒子近傍の媒質の変化を検出するものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３５６５８７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
金属微粒子を用いる従来の局在プラズモン共鳴センサにおいては、金属コロイド溶液を用いて基板上に金属微粒子膜を形成しているが、金コロイド溶液中の金属微粒子の大きさを１〜２割程度のばらつき以内にそろえることは難しかった。また、上記金属コロイド溶液中に基板を浸漬するのみであるため、基板上の金属微粒子の配置はまったくランダムであり、金属微粒子同士の間隔や配列方向を制御することは不可能であった。
【０００８】
このため、上記センサでは吸光度スペクトルの幅が広く、ピーク強度が低下してしまうため、金属微粒子近傍の媒質の変化を検出する信号変化が低く、センサとしての感度に限界を生じていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明により提供されるセンサ装置は、光源と、検出対象物質を検出するためのセンサ媒体と、前記光源より出射され前記センサ媒体を介して得られる光を検出する光検出器と、を備え、前記センサ媒体における局在プラズモン共鳴を利用して検出対象物質を検出するセンサ装置であって、前記センサ媒体は、透明基板と、該透明基板の表面に設けられた金属膜と、を有し、該金属膜には、該金属膜表面のＸ方向に短辺、該Ｘ方向に直交するＹ方向に長辺を有する開口がＸ方向に周期的に複数設けられ、前記複数の開口内には前記検出対象物質を前記金属膜に固定するための材料を備え、前記開口の前記短辺の長さと隣接する前記開口同士の間隔が前記光の波長以下であると共に、光の電界方向が前記Ｘ方向となるように前記光源から前記センサ媒体に光を入射することを特徴とする。
また、本発明により提供される検査方法は、検出対象物質を検出するためのセンサ媒体を被検査物に接触させ、光源より前記センサ媒体に光を照射して、前記センサ媒体を介して得られる光を検出することで前記センサ媒体における局在プラズモン共鳴を利用して前記検出対象物質を検出する検査方法であって、前記センサ媒体として、透明基板と該透明基板の表面に設けられた金属膜とを有し、該金属膜には、該金属膜表面のＸ方向に短辺、該Ｘ方向に直交するＹ方向に長辺を有する開口がＸ方向に周期的に複数設けられ、前記複数の開口内には前記検出対象物質を前記金属膜に固定するための材料を備え、前記開口の前記短辺の長さと隣接する前記開口同士の間隔が前記光の波長以下であるものを用意する工程と、光の電界方向が前記Ｘ方向となるように前記光源から前記センサ媒体に光を入射する工程と、を有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
〈センサ装置とセンサ媒体について〉
化学センサ装置は、被検査物に接触して検出対象物と反応するセンサ材料と、接触前後のセンサ材料の変化を、電気的、光学的その他の方法により測定する測定器を含んで構成される。センサ材料は、場合によっては測定器部分から離れて被検査物に曝されるので、適当な担体上に保持されており、その部分はセンサ媒体と呼ばれる。
【００１３】
本発明のセンサ装置におけるセンサ媒体を図１、図２を用いて説明する。
【００１４】
図１には本発明の一形態例の断面が示されている。
【００１５】
センサ媒体は、透明基板101上に、開口を有する金属薄膜102とセンサ材料104とが設けられたものである。金属薄膜102には、微小開口103が、金属薄膜面内の１つの方向、すなわち図１に示すx方向に配列して設けられている。ここで、金属薄膜102の厚さは10〜500nｍ程度である。
【００１６】
この微小スリット開口が配列している様子を上面から見たものを図２(a)に示す。図２(a)において、金属薄膜201中に微小スリット開口アレイ202が各開口の短辺を図中x方向に、長辺をy方向に揃え、x方向に配列して形成されている。図２(a)に示すように、開口103の各々は、金属薄膜面内でx方向に直交するy方向の大きさがx方向の大きさよりも大きいスリット状の開口である。微小スリット開口103のx方向の幅は１〜200nｍ、隣合う微小スリット開口同士の間隔すなわち金属部分の幅は１〜200nｍの範囲からそれぞれ選択される所定の値である。
【００１７】
微小スリット開口103の内側面にはセンサ材料104が設けられている。センサ材料104は、センサ媒体が被検査物に触れたときに、それに含まれる検出対象物質を表面吸着や化学結合などによって固定する。または、センサ材料104は、構成成分の一部が検出対象物質と結合して解離するものであってもよい。本発明においては、センサ材料は検出対象物質の結合、または構成成分の解離によって、光の屈折率や吸収率などの光学的性質が変化する材料で構成される。
【００１８】
〈化学センサの動作原理〉
次に、本発明の化学センサの動作原理を図１、図３、図４を用いて説明する。
【００１９】
図１において、図中、上方向から下方向(＋z方向)に向かって入射光105を微小スリット開口103の配列に入射させる。このとき、スリット開口の大きさと間隔は、ともに、検出に用いる光の波長以下であるため、入射光105の電界のうち、図中のx方向に偏光した成分が金属薄膜102中の電子と相互作用し、微小スリット開口の内側面に表面プラズモンを生じさせる。生じた表面プラズモンは微小スリット内側面を下方向(図中の＋z方向)に伝搬し、微小スリット開口103の下端で再び光に変換され、透過光106として、下方向(＋z方向)に透過する。
【００２０】
複数の微小スリット開口103内を表面プラズモンの状態を経て光が透過する際、微小スリット開口に生じる電気多重極子との共鳴(局在プラズモン共鳴)による吸収を受け、入射光の波長変化に対するスペクトルは、特徴的な共鳴ピークを持つ。この局在プラズモン共鳴ピークの形は、微小スリット開口の幅や間隔によって変化する。
【００２１】
本発明に適用されるセンサ媒体は、微小スリット開口が周期的に配列（金属膜表面のＸ方向に短辺、Ｙ方向に長辺を有する開口がＸ方向に周期的に複数設けられている）されているため、特許文献１における金属微粒子を用いたセンサに比べて結果的に上記の共鳴ピークの幅は狭く、高さが高いものとなる。それは、特許文献１においては、金コロイド溶液を用いて金属微粒子を形成していて、金属微粒子の大きさや間隔にばらつきが生ずるため、吸光度スペクトルの幅が広くなり、共鳴ピークも広がってしまうのに対し、本発明に適用されるセンサ媒体では、微小スリット開口を後述するようにパターニング（図５に関する説明）等を用いて形成することから複数の開口の大きさを均一にすることができ、また、開口を周期的に配列させることから、ばらつきに依存する共鳴ピークの幅の広がりが抑えられ、高さも低くなるのが抑制される。また、開口をスリット状にしたので、スリットを横切る方向の電気双極子と入射光との共鳴吸収が強くなる。したがって、入射光を電界方向がスリットを横切る方向に偏光させることによって、共鳴ピークをさらに鋭くすることができる。
【００２２】
本発明のセンサ媒体における透過光強度スペクトルを図３の実線に示す。実線は、センサ材料が反応を起こす前のスペクトルを表す。図１に示したセンサ媒体を被検査液、被検査気体等の被検査物に接触させ、センサ材料と被検査物とを反応させる。反応後の透過スペクトルを破線で示す。
【００２３】
反応によってスペクトルが変化するのは、以下の理由によるものと推定される。
【００２４】
センサ材料と被検査物とが反応することにより、微小スリット開口１０３内のセンサ材料１０４の膜厚がわずかに増大することにより、微小スリット開口１０３内における屈折率が変化する。この屈折率変化により、等価的に開口幅が変化したことになり、共鳴ピーク位置や高さが変化し、図３に一例を示すように透過光強度スペクトルの形が変化する。
【００２５】
この共鳴ピークの位置や高さの変化を検出することにより、センサとしての検出感度が大きく向上する。したがって、本発明のセンサ装置は、単一の波長の光を用いて強度変化のみを測定するものであってもよいが、共鳴ピーク波長前後の一定波長範囲の光を出射する光源を用いて、分光器を含む検出器によって検出するものがより望ましい。
【００２６】
上記の反応を起こすセンサ材料の具体例としては、(１)被検査物中に含まれる抗原物質に対し、特異的に結合を生じる抗体物質をセンサ材料とし、結合前後の微小スリット開口内部の屈折率変化を検出するもの、(２)被検査物中に含まれる測定対象類似物質と酵素との複合体をセンサ材料とし、測定対象物質である抗原が複合体に接触することにより、複合体が解離し、酵素と測定対象物質との抗原抗体複合体が形成される。このときの微小スリット開口内部の屈折率変化を検出するもののように反応前後の微小スリット開口内部の屈折率変化を検出するものが挙げられる。
【００２７】
あるいは、微小スリット開口103内のセンサ材料104が被検査物と反応することにより、起こる吸収スペクトルや蛍光スペクトルの変化を検出してもよい。この場合も、微小スリット開口103内では表面プラズモンによる電場増強効果を受け、入射光105の電界の大きさの10倍〜1000倍もの強い電界によりセンサ材料104が励起されるため、吸収が大きくなったり、蛍光強度が大きくなったりするため、センサとしての検出感度が大きく向上する。
【００２８】
このような反応を起こすセンサ材料の具体例としては、(３)被検査物中に含まれる抗原物質に対し、特異的に結合を生じる抗体物質をセンサ材料とし、結合前後の標識物質の蛍光変化や吸収変化を検出するもの、(４)被検査物中に含まれる測定対象類似物質と標識酵素との複合体をセンサ材料とし、測定対象物質である抗原が複合体に接触することにより、複合体が解離し、標識酵素と測定対象物質との抗原抗体複合体が形成される。このときの標識酵素の変化に伴う蛍光変化や吸収変化を検出するもののように反応前後の微小スリット開口内部から発生する蛍光変化やスリット内部の材料による吸収変化を検出するものが挙げられる。
【００２９】
上記では微小スリット開口を透過した光を検出する例を示したが、本発明の概念はこれに限定されるものでなく、入射光が微小スリット開口に当たって反射する光を検出してもよい。しかしながら、反射光を検出する構成と比較して、微小スリット開口を透過した光を検出するほうが、迷光の影響を受けにくく、信号強度のＳ/Ｎ比が向上する。
【００３０】
また、図２(a)に示した微小スリット開口の代わりに、図２(b)に示すように、開口が、y方向にも周期的に配列された微小開口２次元アレイ203を用いることもできる。y方向の大きさと間隔も、ともに、照射される光の波長以下に設定される。この場合、図中x方向、y方向の偏光を有する入射光に対し、独立に同時にセンサ情報を得ることができる。
【００３１】
また、図２(c)に示すように２以上の複数の周期からなる複合周期構造からなる複合周期微小開口アレイ204でも良い。例えば、微小開口アレイを２個対にしたものを並べることにより、３個以上の微小開口の間に励起されるプラズモンのモードを抑制することができるため、励起プラズモンのモードを少なくすることができる。ここで、微小開口スリットが２個対になったものが周期的に並んだ構造を示したが、３個以上が組になったものでも良いし、２重でなく、３重もしくはそれ以上の複合周期構造であっても良い。このように周期構造の設計を変えることにより、励起プラズモンのモードを制御することが可能であるため、特定の波長のピークの形を制御することができ、センサ材料により最適な検出光の波長領域を選ぶことが可能となる。
【００３２】
【実施例】
[実施例１]
本発明のセンサ媒体を用いたセンサ装置の具体的装置構成を図４に示す。タングステンランプ401からの白色光をコリメータレンズ402でほぼ平行光に直し、センサ媒体403に入射させる。センサ媒体403を透過した透過光を分光器404に入射し、スペクトル分解したものをマルチチャンネルアナライザ405で検出し、スペクトル情報を得る。
【００３３】
センサ媒体における金属薄膜(図１の102)の材料としては、金属一般から選択されるが、特に、金や銀、銅、アルミニウムは発生する表面プラズモンの強度が大きく、本発明に好適である。中でも、金は可視域全般にわたって局在プラズモン共鳴に起因するピークを有するため、可視光を用いて検出するセンサを構成するには最適である。また、所定の構成比とした金、銀、銅、アルミニウム間の合金を用いることにより、ピークの位置を近紫外領域から近赤外領域の間で調整することが可能である。
【００３４】
センサ材料(図１の104)としては、センサ材料と被検査物とが反応して、膜厚変化、屈折率変化、吸収スペクトル変化、蛍光スペクトル変化を起こすものであれば良く、酵素センサ、微生物センサ、オルガネラセンサ、組織センサ、免疫センサ、酵素免疫センサ、バイオアフィニティセンサ等のバイオセンサを含む化学センサで用いられる材料を用いることができる。
【００３５】
図５、図６を用いてセンサ媒体の作製法を説明する。
【００３６】
図５において、石英基板５０１上にスパッタ法を用いて、金属薄膜５０２を膜厚５０ｎｍに成膜する（図５（ｂ））。その上に電子線レジスト５０３をスピンコートで膜厚１０ｎｍに成膜し、電子ビーム描画装置で露光し現像後、Ｌ／Ｓ＝２０ｎｍ／２０ｎｍのレジストパターンを得る（図５（ｄ））。その後、金属薄膜５０２をエッチングし（図５（ｅ）、レジストを除去して、開口幅２０ｎｍ／開口間隔２０ｎｍの微小開口５０４を形成する（図５（ｆ））。金属薄膜５０２に表面処理を行ったのち、センサ材料５０５を結合させる（図５（ｇ））。
【００３７】
なお、ここでは電子線描画装置による微小開口パターンの作製方法を説明したが、この他、集束イオンビーム加工装置、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡、近接場光学顕微鏡の原理を応用した各種走査プローブ加工装置、Ｘ線露光装置、ＥＵＶ露光装置、電子ビームステッパを用いて作製しても良い。
【００３８】
また、近接場光を用いた露光装置や、図６に示すようなナノモールド法を用いて作製すれば、簡便で低コストのセンサ媒体が実現できる。図６において、石英基板６０１上に厚さ５０ｎｍの金属薄膜６０２を形成する（図６（ａ））。ＳｉＣの表面に電子線描画装置等を用いてＬ／Ｓ＝２０ｎｍ＝２０ｎｍのパターンを形成したレプリカ原盤６０３を金属薄膜６０２表面に荷重を加えて圧着させた後（図６（ｂ）、図６（ｃ））、レプリカ原盤６０３を剥がし（図６（ｄ））、微小開口６０４を形成する（図６（ｆ））。
【００３９】
[実施例２](多チャンネル化)
図７は、本発明のセンサ媒体において、金属薄膜701中に複数のスリットや２次元の微小開口アレイ702〜706を設けた多チャンネルセンサ媒体を示す。本実施例においては、開口の大きさおよびあるいは(and/or)間隔が異なる周期的配列の組が複数、金属膜に設けられている。また、その中に開口の大きさおよびあるいは(and/or)間隔が同じ周期的配列の組が含まれていてもよい。図７のセンサ媒体では、微小開口アレイＡ(702)と微小開口アレイＢ(703)の各開口の大きさ及び間隔がそれぞれ等しく、他の微小開口アレイＣ、Ｄ、Ｅの各開口の大きさ及び間隔は、ＡとＢのそれとは異なっている。
【００４０】
この多チャンネルセンサ媒体を用いて構成した多チャンネルセンサ装置の構成を図８に示す。タングステンランプ801からの光をコリメータレンズ802でほぼ平行光に直し、多チャンネルセンサ媒体803に入射する。多チャンネルセンサ媒体803の各微小開口アレイを透過した複数の透過光をフィルタＡ(804)〜Ｄ(807)を通して、ＣＣＤカメラ808に入射させ、それらの透過パターン情報を得る。
【００４１】
これにより、例えば、図７における微小開口アレイＡ(702)と微小開口アレイＢ(703)のように同じ形状のパターンをそれぞれ透過した光に対し、波長の異なるバンドパスフィルタを透過させて、比較することにより、照射光強度に依存しない相対的なスペクトル情報を得ることができる。また同じく、微小開口アレイＡ(702)と微小開口アレイＢ(703)のような同じ形状のパターンの開口内に、種類の異なるセンサ材料を設け、それぞれの微小開口アレイを透過した光を独立に検出することにより、複数のセンシング情報を同時に得ることができる。また、それらの相対比較を行うことにより、差動検出による高感度検出が可能となる。この他、微小開口ピッチや配列方向の異なるパターンや２次元パターンとの間の比較を行うことにより、異なる情報を同時に得ることが可能である。微小開口のピッチやサイズが異なるパターンを用い、信号のピーク位置を変化させることにより、信号を検出するスペクトル領域を自由に選択することができる。これにより、複数の光波長において検出が可能となるため、本実施例のように多チャンネルのセンサ媒体が小型集積化されていても干渉フィルタ等を用いて容易に信号分離が可能である。また、蛍光スペクトルや吸収スペクトルを検出するタイプのセンサにおいても、微小開口のピッチやサイズが異なるパターンを用い、信号のピーク位置を変化させることにより、信号を検出するスペクトル領域を自由に選択することができるため、センサ材料選択の幅が広がるため、広い範囲の応用が可能となる。
【００４２】
[実施例３]
図９は、本発明のセンサ媒体をマイクロ化学分析システム(μ-ＴＡＳ: ＭicroＴotal Ａnalysis Ｓysteｍ や Ｌab-on-a-chip とも呼ばれる)に一体形成した例を示している。
【００４３】
図９に示すマイクロ化学分析システム901において、試料液注入部902から注入された被検査液が流路904を通って、反応液注入部903から注入された反応液と反応したのち、検出部905に到達する。検出部905には、図に拡大して示したように本発明の原理に基づく検出のための微小スリット開口906が設けられている。被検査液は微小スリット開口906内部にしみ込み、微小開口スリット開口906内部のセンサ材料と反応する。この検出部905に対して励起光907が照射され、微小スリット開口906から発生する蛍光908をレンズ909で集光し、フィルタ910を通した後、光電子増倍管911で検出する。
【００４４】
図10は、本発明のセンサ媒体をＤＮＡチップやプロテインチップに一体形成した例を示している。
【００４５】
図10に示すＤＮＡチップ/プロテインチップ1001の各検出セル1002にはそれぞれ、微小スリット開口1003が設けられており、微小スリット開口1003内側面にセンサ材料が設けられている。これに励起光1004を照射し、各検出セルから発生する蛍光1005のパターンをレンズ1006を用いてＣＣＤカメラ1007面に結像させ、パターン情報を得る。
【００４６】
これらのように、本発明のセンサ媒体を各種センサに組み合わせて用いることができ、これにより、信号強度が増し、より高精度な検出が可能となった。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、金属膜の第一の方向に周期的に配列（金属膜表面のＸ方向に短辺、Ｙ方向に長辺を有する開口がＸ方向に周期的に配列）され、その方向の大きさと間隔が、ともに、前記光の波長以下である微小開口内にセンサ材料を設けたことにより、局在プラズモン共鳴スペクトルの幅が狭く、ピーク強度が高い高感度な化学センサや吸収スペクトルや蛍光スペクトル強度が大きい高感度な化学センサが実現された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ媒体の構成及び検出原理を説明する図である。
【図２】本発明のセンサ媒体の上面図である。
【図３】本発明のセンサ媒体における透過光強度スペクトル変化の説明図である。
【図４】本発明のセンサ媒体を用いたセンサ装置の具体的装置構成図である。
【図５】センサ媒体の作製法の説明図である。
【図６】センサ媒体の作製法のうち、ナノモールド法の説明図である。
【図７】多チャンネルセンサ媒体を示す図である。
【図８】多チャンネルセンサ装置の構成図である。
【図９】本発明のセンサ媒体をマイクロ化学分析システムに一体形成した例を示す図である。
【図１０】本発明のセンサ媒体をＤＮＡチップやプロテインチップに一体形成した例を示す図である。
【図１１】従来例を説明する図である。
【符号の説明】
101 :透明基板
102 :金属薄膜
103 :微小(スリット)開口
104 :センサ材料
105 :入射光
106 :透過光
201 :金属薄膜
202 :微小スリット開口アレイ
203 :微小開口２次元アレイ
204 :複合周期微小開口アレイ
401 :タングステンランプ
402 :コリメータレンズ
403 :センサ媒体
404 :分光器
405 :マルチチャンネルアナライザ
501 :石英基板
502 :金属薄膜
503 :電子線レジスト
504 :微小開口
505 :センサ材料
601 :石英基板
602 :金属薄膜
603 :レプリカ原盤
604 :微小開口
701 :金属薄膜
702 :微小開口アレイＡ
703 :微小開口アレイＢ
704 :微小開口アレイＣ
705 :微小開口アレイＤ
706 :微小開口アレイＥ
801 :タングステンランプ
802 :コリメータレンズ
803 :多チャンネルセンサ媒体
804 :フィルタＡ
805 :フィルタＢ
806 :フィルタＣ
807 :フィルタＤ
808 :ＣＣＤカメラ
901 :マイクロ化学分析システム
902 :試料液注入部
903 :反応液注入部
904 :流路
905 :検出部
906 :微小スリット開口
907 :励起光
908 :蛍光
909 :レンズ
910 :フィルタ
911 :光電子増倍管
1001 :ＤＮＡチップ/プロテインチップ
1002 :検出セル
1003 :微小スリット開口
1004 :励起光
1005 :蛍光
1006 :レンズ
1007 :ＣＣＤカメラ
Claims (9)
- 光源と、検出対象物質を検出するためのセンサ媒体と、前記光源より出射され前記センサ媒体を介して得られる光を検出する光検出器と、を備え、前記センサ媒体における局在プラズモン共鳴を利用して検出対象物質を検出するセンサ装置であって、
前記センサ媒体は、透明基板と、該透明基板の表面に設けられた金属膜と、を有し、該金属膜には、該金属膜表面のＸ方向に短辺、該Ｘ方向に直交するＹ方向に長辺を有する開口がＸ方向に周期的に複数設けられ、前記複数の開口内には前記検出対象物質を前記金属膜に固定するための材料を備え、前記開口の前記短辺の長さと隣接する前記開口同士の間隔が前記光の波長以下であると共に、光の電界方向が前記Ｘ方向となるように前記光源から前記センサ媒体に光を入射することを特徴とするセンサ装置。 - 前記開口は、前記Ｙ方向にも周期的に配列され、Ｙ方向における長辺の長さと隣接する開口同士の間隔が共に、前記光の波長以下である請求項１に記載のセンサ装置。
- 前記開口の前記短辺の長さおよび、あるいは前記隣接する前記開口同士の間隔が異なる周期的配列の組が複数、前記金属膜に設けられている請求項１に記載のセンサ装置。
- 前記光検出器が、前記センサ媒体を透過した光を、前記周期的配列の組ごとに独立に検出する請求項３に記載のセンサ装置。
- 前記開口の前記短辺の長さおよび前記隣接する前記開口同士の間隔が同じ周期的配列の組が複数、前記金属膜に設けられている請求項１に記載のセンサ装置。
- 前記センサ媒体が、マイクロ化学分析システムに一体形成されている請求項１に記載のセンサ装置。
- 前記センサ媒体が、ＤＮＡチップに一体形成されている請求項１に記載のセンサ装置。
- 前記センサ媒体が、プロテインチップに一体形成されている請求項１に記載のセンサ装置。
- 検出対象物質を検出するためのセンサ媒体を被検査物に接触させ、光源より前記センサ媒体に光を照射して、前記センサ媒体を介して得られる光を検出することで前記センサ媒体における局在プラズモン共鳴を利用して前記検出対象物質を検出する検査方法であって、
前記センサ媒体として、透明基板と該透明基板の表面に設けられた金属膜とを有し、該金属膜には、該金属膜表面のＸ方向に短辺、該Ｘ方向に直交するＹ方向に長辺を有する開口がＸ方向に周期的に複数設けられ、前記複数の開口内には前記検出対象物質を前記金属膜に固定するための材料を備え、前記開口の前記短辺の長さと隣接する前記開口同士の間隔が前記光の波長以下であるものを用意する工程と、光の電界方向が前記Ｘ方向となるように前記光源から前記センサ媒体に光を入射する工程と、を有することを特徴とする検査方法。
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