JP3957199B2

JP3957199B2 - Sensor chip, method of manufacturing sensor chip, and sensor using the sensor chip

Info

Publication number: JP3957199B2
Application number: JP2003074903A
Authority: JP
Inventors: 厚史向井
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP2004279364A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属微粒子表面の局在プラズモン共鳴状態を光により検知して金属微粒子近傍の試料を分析するセンサに用いられるセンサチップ、およびそのセンサチップの製造方法並びにセンサチップを用いたセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘電体や半導体等の表面に金属微粒子が層状に固定されてなる微細構造体をセンサユニットとして用い、局在プラズモン共鳴を応用して試料の屈折率等を測定するセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このセンサは基本的に、上記微細構造体の金属微粒子の部分に測定光を照射する手段と、この層状の金属微粒子を経た（つまりそこを透過、あるいはそこで反射した）測定光の強度を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００３】
上記のセンサにおいて、層状の金属微粒子の部分に測定光を照射すると、ある特定の波長において局在プラズモン共鳴が生じ、それによって測定光の散乱や吸収が著しく増大する。そこで、層状の金属微粒子を経た測定光の強度を検出するようにしておけば、その検出光強度が急激に減衰することを観察して、局在プラズモン共鳴の発生を確認することができる。
【０００４】
このとき局在プラズモン共鳴が生じる光波長、並びに測定光の散乱や吸収の程度は、金属微粒子の周囲に存在する媒質の屈折率に依存する。つまり、この屈折率が大であるほど共鳴ピーク波長は長波長側にシフトし、また測定光の散乱や吸収は増大する。したがって、層状の金属微粒子の周囲に試料を配した状態で該金属微粒子の部分に測定光を照射し、そのときこの部分を経た測定光の強度を検出することにより、試料の屈折率や、それに対応する試料の物性等を測定することができる。
【０００５】
一方、Ａｌを溶液中で陽極酸化して得られた陽極酸化アルミナ膜には、数ｎｍ程度から３００ｎｍ程度の直径を有する微細孔が複数規則的に形成されることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
陽極酸化アルミナの多孔性材料としての最大の特徴は、微細孔が、基板表面に対してほぼ垂直方向に略等間隔に平行して形成されるハニカム構造をとる点にある。これに加え、微細孔径、微細孔間隔、微細孔深さを比較的自由に制御できる点も他の材料にない特徴である。
【０００７】
また、ＧａＡｓやＩｎＰからなる基板上に陽極酸化アルミナ膜を設け、陽極酸化アルミナ膜をマスクとして、ＧａＡｓやＩｎＰ基板に微細孔を設けることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００８】
また、本願発明者により、陽極酸化アルミナ膜と、陽極酸化アルミナ膜の規則配列された微細孔の内部に充填された金属粒子とからなる構造体と、この構造体を用いた局在プラズモン共鳴を利用したセンサが提案されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開2000-356587号
【００１０】
【非特許文献１】
益田秀樹、「陽極酸化アルミナにもとづく高規則性メタルナノホールア
レー」、固体物理、1996年、第31巻、第５号、p.57−63
【００１１】
【非特許文献２】
Masashi Nakano et.al.,Jpn.J.Appl.phys.Vol.38(1999),p1052-1055
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、陽極酸化アルミナ膜は、結晶成長過程の特徴から、孔と孔との間で、組成が不均一となる領域が発生する。この組成の不均一は、陽極酸化アルミナ膜をセンサ等に用いた場合、光学的ノイズを発生させ、S/N比の向上を妨げるという問題がある。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みて、金属微粒子表面の局在プラズモン共鳴状態を光により検知することにより金属微粒子近傍の試料の特性を分析するセンサに用いられるセンサチップにおいて、ノイズが小さく、高感度で測定可能なセンサチップおよびその製造方法ならびにそのセンサチップを用いたセンサを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のセンサチップは、金属微粒子表面の局在プラズモン共鳴状態を光により検知することにより金属微粒子近傍の試料の特性を分析するセンサに用いられるセンサチップであって、表面に対して略垂直な方向に互いに独立する複数の微細孔を有する保持部材と、複数の微細孔の内部それぞれに互いに独立して保持される金属微粒子とからなり、保持部材が、密度が均一な透明誘電体からなるものであることを特徴とするものである。
【００１５】
保持部材は、ポリスチレンからなることが望ましい。
【００１６】
本発明のセンサの製造方法は、透明誘電体からなる基板表面上に、該表面に対して略垂直な方向に複数の第１の微細孔を有する陽極酸化アルミナ膜を設ける第１の工程と、該陽極酸化アルミナ膜をマスクにして、基板をエッチングすることにより、基板表面に前記第１の微細孔に対応した複数の第２の微細孔を形成する第２の工程と、陽極酸化アルミナ膜を除去した後に、表面に第２の微細孔が形成された基板に対して該表面側から金属を被着させた後、表面上に形成された金属の被着体層を除去することにより、複数の第２の微細孔の内部それぞれに互いに独立して金属微粒子を保持させる第３の工程とからなることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明のセンサは、上記本発明のセンサチップと、該センサチップの金属微粒子に光を入射させる光源と、センサチップの金属微粒子から反射または透過した光の強度を測定する光検出手段とからなり、光検出手段の測定結果に基づいて、基板に保持された金属微粒子近傍の試料の特性を特定する信号処理部とからなることを特徴とするものである。
【００１８】
光検出手段は、分光光度器であることが望ましい
上記「密度が均一」とは、センサチップとして用いた場合に光学的ノイズを発生させない程度の密度であって、組成が不均一な領域あるいは組成不均一による欠陥等が非常に少ないことを示す。
【００１９】
上記「透明誘電体」とは、局在プラズモン共鳴を検知する測定光、すなわち、光源から発せられる光をほぼ透過させるものであることを示す。
【００２０】
上記「金属微粒子近傍」とは、金属微粒子表面から金属微粒子の直径程度の距離までの範囲、すなわち局在プラズモン共鳴が起こる範囲を示すものである。
【００２１】
【発明の効果】
本発明のセンサチップによれば、保持部材が、密度が均一な透明誘電体からなるため、光学的ノイズの発生を防止でき、高感度な測定が可能となる。
【００２２】
また、透明誘電体をポリスチレンとした場合には、本発明のセンサチップを、ＥＬＩＳＡ（enzyme-linked Immunosorbent assay）法に代表されるような酵素免疫測定等に用いた場合には、ポリスチレンはたんぱく質との非特異吸着がほとんどないため、非特異吸着によるノイズを低減できるので、感度高い測定が可能となる。
【００２３】
本発明のセンサチップの製造方法によれば、測定光をほぼ透過させる透明誘電体からなる保持部材に微細孔を高密度で配置させることができ、高感度なセンサチップを得ることができる。また、金属微粒子を任意のサイズに設定可能であり、目的に応じた種々のセンサチップを得ることができる。
【００２４】
本発明のセンサによれば、本発明の光学的ノイズが小さく高感度な測定を可能とするセンサチップを用いているため、高い感度で試料の分析を行うことが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２６】
本発明のセンサチップの一実施形態について説明する。そのセンサチップの斜視図を図１に示す。
【００２７】
本実施形態のセンサチップ10は、図１に示すように、表面11ａに対して略垂直な方向に互いに独立する複数の微細孔11bを有する、ポリスチレンからなる保持部材11と、複数の微細孔11bの内部それぞれに互いに独立して保持される金（Ａｕ）微粒子13とからなるものである。
【００２８】
微細孔11bは、図１に示すように、規則配列されている。微細孔11bの底部に充填される金微粒子13の直径は例えば数ｎｍ〜２００ｎｍ程度とされる。深さは、任意の深さとすることが可能である。
【００２９】
本実施形態では、金微粒子13として金（Ａｕ）を用いている。これにより、金属微粒子が電気の良導体で、展性、延性に富む金であることにより、低い温度での良好な蒸着が可能となる。しかも、耐食性が高いため後述するセンサとして利用する際に安定したセンサの特性を得られ、また、センサの製造時および使用時の取扱いが容易となる。
【００３０】
金属微粒子の材質は、金の代わりに、銀あるいはその他の金属であってもよい。特に、銀を用いた場合には、センサチップをセンサに用いた場合の感度をより高めることができる。
【００３１】
本実施形態では、金微粒子13の直径を微細孔11bの深さより小さくし、金微粒子が微細孔の内部の一部に保持される構造としたが、微細孔11b全体に金が充填された構造としてもよい。
【００３２】
本発明のセンサチップは、密度が均一なポリスチレンを用いているため、光学的ノイズの発生を防止することができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるので、感度高い測定を可能とすることができる。
【００３３】
また、透明誘電体としては、ポリスチレンの他にＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等の高分子樹脂であってもよい。
【００３４】
次に、本発明のセンサチップの製造方法の一実施形態について説明する。その製造過程の断面図を図２に示す。
【００３５】
図２（a）に示すように、ポリスチレン基板11上に、陽極酸化アルミナ膜12を設ける。
【００３６】
陽極酸化の形成方法としては、いくつかの方法が挙げられるが、基本的には、ポリスチレン基板11上に形成されたアルミニウムを酸性電界液中で陽極酸化処理する際に、酸化被膜層の形成と、生成した被膜層の溶解とを同時に進行させて形成する方法が用いられている。この方法によれば、陽極酸化開始の初期時にアルミニウムの表面に形成された酸化被膜の表面に、酸による溶解作用で微小なピット（小孔）がランダムに発生する。そして陽極酸化の進行と共に、この中のいくつかのピットが優先的に成長して、略等間隔に配列するようになる。酸化被膜の一旦孔が形成された部分では、他の部分と比較して高い電場がかかるため、その部分の溶解はより促進されることになる。その結果、陽極酸化層には、成長と共に選択的に溶解されて孔となる部分と、孔を取り囲むように溶解されずに残る壁の部分とが形成される。
【００３７】
このようにして得られた陽極酸化アルミナ膜12には、図２に示すように、ポリスチレン基板11の表面11ａに第１の微細孔12ａが規則配列されて形成されている。第１の微細孔12aは、形成された陽極酸化アルミナ膜12の層面に対して略垂直方向に略同一断面形状の円柱空間となっている。
【００３８】
陽極酸化アルミナ膜12は、上記のようにポリスチレン基板11表面11a上にアルミニウム膜を形成してから、陽極酸化を行って形成してもよいし、別途形成した陽極酸化アルミナ膜をポリスチレン基板上に貼りあわせて形成してもよい。
【００３９】
次に、図２(b)に示すように、陽極酸化アルミナ膜12をマスクにして、エッチングすることにより、第１の微細孔12aに対応する第２の微細孔11bをポリスチレン基板11表面11aに形成する。エッチングは、エッチャントに例えば酸素あるいはＣＦ₄を用いて行う。
【００４０】
次に、図２（c）に示すように、陽極酸化アルミナ膜12を除去する。
【００４１】
次に、図２（d）に示すように、表面に第２の微細孔11bが形成された基板に対して表面11a側から金を蒸着あるいはスパッタする。これにより、第２の微細孔11bの内部には金微粒子13aが形成され、ポリスチレン基板11表面11a上には金の被着体層13bが形成される。
【００４２】
その後、図２（e）に示すように、表面11a上に形成された金の被着体層13bのみを除去する。これにより、複数の第２の微細孔11bの内部それぞれに互いに独立して金微粒子13aを保持させることができる。基板11表面11aの被着体層13bは、綿棒で容易に擦り取ることができるが、ヤスリ等で研磨して除去してもよい。
【００４３】
なお、微細孔の制御については、例えば、微細孔形成開始点を形成する方法が特開2001-9800号、特開2001-138300号に開示されている。すなわち、被加工物のアルミニウムを主成分とする部位に所望の位置に微細孔形成開始点を形成する。この工程の後に被加工物を陽極酸化することにより、所望の位置に微細孔を形成でき、ナノ構造体の微細孔の配列、間隔、位置、方向等の制御が可能である。微細孔形成開始点の形成方法として、集束イオンビームの照射量、ビーム径、イオン照射エネルギ等の集束イオンビームの照射条件を制御することで、微細孔開始点の凹み形状や組成を制御することができ、これにより、最終的なナノホールの微細孔径を制御することができる。
【００４４】
また、微細孔の配列を特に高密度化させる方法としては、例えばシュウ酸を用いる方法がある。すなわち、シュウ酸を電界液に用い、４０Ｖ付近の定電圧条件のもとで、陽極酸化処理を行うことにより、高密度な微細孔の規則化が進行する。微細孔配列の規則化は、陽極酸化時間と共に進行し、長時間陽極酸化処理を行うことにより、微細孔がほぼ理想的な配置をとることになる。これにより、得られる陽極酸化アルミナ膜の微細孔配列は自然に形成される構造としては例外的に高い規則性を有するようになる。
【００４５】
このように、本発明のセンサの製造方法によれば、規則配列された微細孔12aを有する陽極酸化アルミナ膜12をマスクとして、エッチングによりポリスチレン基板11に微細孔11bを設けているため、微細孔11bをより高密度に配置させることができる。また金属微粒子13aのサイズを均一に作製することができる。また、金属微粒子13aを任意のサイズに設定可能であり、目的に応じた種々のセンサチップを得ることができる。
【００４６】
また、リソグラフィ技術等により微細にパターニングされたマスクや、高価で生産性が低い電子ビーム描画等を用いる必要がなく、微細金属微粒子が高密度に配列されたセンサを容易に得ることができる。
【００４７】
次に、本発明の上記センサチップを用いたセンサについて説明する。そのセンサの概略構成図を図３に示す。
【００４８】
本実施形態のセンサは、図３に示すように、上記本発明のセンサチップ10と、センサチップ10に対して、微細孔11b開口側から金属微粒子13に測定光22を斜め角度で入射する光源21と、センサチップで反射した光の強度を測定する光検出手段としてのポリクロメータ23とからなるものである。
【００４９】
微細孔内部に保持された金微粒子13の大きさは、微細孔の直径方向と深さ方向においてほぼ同等であるため、入射光の電場方向は、紙面に平行あるいは垂直のいずれであってもよい。一方、金微粒子を微細孔内に充填して、微粒子の直径より深さが大きいロッド状とした場合には、測定光の電場方向は紙面に平行な方向とすることが望ましい。
【００５０】
光源21から測定光22は、センサチップ10の金微粒子13aに入射され、金微粒子13aで反射されて、例えばポリクロメータ23からなる光検出手段により反射光の光強度が検出される。
【００５１】
図４にセンサチップの反射光の波長と光強度との関係をグラフで示す。
【００５２】
センサチップ10での金微粒子13に測定光が照射されると、ある特定の波長λ_ＬＰの光に関しては局在プラズモン共鳴によって測定光の散乱や吸収が特異的に増大する。このため、この波長λ_ＬＰの光については、反射光強度が著しく低下する。そして、局在プラズモン共鳴が生じる光波長（共鳴ピーク波長）λ_ＬＰ、並びに測定光の散乱や吸収の程度は、金微粒子13の周囲に存在する試料の屈折率に依存する。つまり、この屈折率が大であるほど共鳴ピーク波長λ_ＬＰは長波長側にシフトする。したがって、共鳴ピーク波長λ_ＬＰを検出することにより、金属微粒子近傍の試料の屈折率や、その屈折率に対応する試料の物性等を測定することができる。金属微粒子近傍の試料の屈折率や、その屈折率に対応する試料の物性は、信号処理部24を設けて求めるようにすることが可能である。
【００５３】
また、上記のように、反射光の光強度を測定するようにしたが、図５に示すように、光源21からの測定光22をセンサチップ10の微細孔が形成された面11a側から該面に垂直な方向から入射させ、センサチップ10を透過した透過光の光強度を光検出手段により検出してもよい。あるいは、センサチップ10の微細孔が形成された面11aに対して垂直以外の角度を有するように測定光を入射してもよい。
【００５４】
また、測定光としては、白色光を用いて反射あるいは透過した光を分光検出して共鳴ピーク波長λ_LPを検出してもよく、あるいは、測定光として単色光を用い、上記共鳴ピーク波長λ_LPのシフトや、測定光の散乱、吸収の変化に伴う光強度変化を検出しても、試料の屈折率や物性等を測定可能である。
【００５５】
次に、本発明のセンサチップを用いたバイオセンサについて説明する。そのバイオセンサの概略構成図を図６に示す。
【００５６】
本実施形態のバイオセンサは、図６に示すように、上記本発明のセンサチップ10と、センサチップ10を底部に固定して上面には透明窓36が形成された容器34と、この容器34内のセンサチップ10に白色光32を入射させる光源31と、センサチップ10を透過した光を分光検出するポリクロメータ33とを備えてなるものである。なお、容器内においてセンサチップ10は、微細孔が形成されている表面11aを上にして配置されている。
【００５７】
センサチップ10の金微粒子13a表面には、図７に示すように、例えば抗体38が付着されている。このバイオセンサにおいて、容器34内にはセンサチップ10に接触するように測定対象の検体溶液35が供給される。このとき、検体溶液35内には、抗体38と特異的に結合する特定の抗原37が含まれている。
【００５８】
抗体38に抗原37が結合すると、センサチップ10の金微粒子周囲部分の屈折率が変化するので、ポリクロメータ33によって検出される測定光の吸収、散乱スペクトル特性が変化する。例えば、この変化は、図８に破線で示すように、共鳴ピーク波長がλ_LP1であったものが、結合後は同図に実線で示す通り、共鳴ピーク波長がλ_LP2に変わるように、共鳴ピーク波長のシフトとして現われる。そこで、ポリクロメータ33によって、共鳴ピーク波長の変化を検出することにより、抗体と抗原との結合の有無、つまり検体溶液35の中に抗原38が存在するか否かを調べることができる。
【００５９】
本発明のバイオセンサにおいては、金微粒子13aを保持させる透明誘電体をポリスチレンとしたセンサチップ10を用いることにより、ポリスチレン基板11と抗原27との非特異吸着がないため、光学的ノイズを低減でき、感度高い測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサの一実施形態を示す斜視図
【図２】本発明のセンサの製造方法を示す断面図
【図３】本発明の反射式のセンサを示す概略構成図
【図４】局在プラズモン共鳴における入射光と検出された光強度との関係を示すグラフ
【図５】本発明の透過式のセンサを示す概略構成図
【図６】本発明のバイオセンサを示す概略構成図
【図７】バイオセンサとして用いる場合のセンサチップ表面の様子を示す一部断面図
【図８】図６のセンサにおいて検出される測定光の分光強度特性の変化を示すグラフ
【符号の説明】
10 センサチップ
11 ポリスチレン基板
11a 表面
11b 微細孔
12 陽極酸化アルミナ膜
13a 金微粒子
13b 被着体層
21 光源
22 測定光
23 ポリクロメータ
37 抗原
38 抗体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sensor chip used in a sensor for detecting a local plasmon resonance state on the surface of a metal fine particle by light and analyzing a sample in the vicinity of the metal fine particle, a method for manufacturing the sensor chip, and a sensor using the sensor chip. It is.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a sensor that uses a fine structure in which metal fine particles are fixed in a layered manner on the surface of a dielectric, a semiconductor, or the like as a sensor unit, and measures the refractive index of a sample by applying localized plasmon resonance is known. (For example, refer to Patent Document 1). This sensor basically detects the intensity of the measurement light that has passed through (that is, transmitted through or reflected through) the layered metal fine particles, and means for irradiating the fine metal particles of the fine structure with measurement light. And a light detection means.
[0003]
In the above-described sensor, when the measurement light is irradiated to the layered metal fine particle portion, localized plasmon resonance occurs at a specific wavelength, thereby significantly increasing scattering and absorption of the measurement light. Therefore, if the intensity of the measurement light that has passed through the layered metal fine particles is detected, it is possible to confirm the occurrence of localized plasmon resonance by observing that the intensity of the detection light rapidly decreases.
[0004]
At this time, the wavelength of light at which localized plasmon resonance occurs and the degree of scattering and absorption of measurement light depend on the refractive index of the medium existing around the metal fine particles. That is, as the refractive index increases, the resonance peak wavelength shifts to the longer wavelength side, and the scattering and absorption of measurement light increase. Therefore, with the sample arranged around the layered metal fine particles, the portion of the metal fine particles is irradiated with the measurement light, and then the intensity of the measurement light passing through this portion is detected, so that the refractive index of the sample, The physical properties of the corresponding sample can be measured.
[0005]
On the other hand, it is known that a plurality of micropores having a diameter of about several nm to about 300 nm are regularly formed in an anodized alumina film obtained by anodizing Al in a solution (for example, Non-patent document 1).
[0006]
The greatest feature of the anodized alumina as a porous material is that it takes a honeycomb structure in which micropores are formed substantially in parallel at substantially equal intervals in a direction perpendicular to the substrate surface. In addition to this, another material has a feature that the micropore diameter, the micropore interval, and the micropore depth can be controlled relatively freely.
[0007]
In addition, it is known that an anodized alumina film is provided on a substrate made of GaAs or InP, and fine holes are provided in the GaAs or InP substrate using the anodized alumina film as a mask (see, for example, Non-Patent Document 2).
[0008]
Further, the inventor of the present application conducted a local plasmon resonance using a structure composed of an anodized alumina film and metal particles filled in regularly arranged micropores of the anodized alumina film. Sensors that have been used have been proposed.
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2000-356587 JP
[Non-Patent Document 1]
Hideki Masuda, “Highly Ordered Metal Nanohole Array Based on Anodized Alumina”, Solid Physics, 1996, Vol. 31, No. 5, p. 57-63
[0011]
[Non-Patent Document 2]
Masashi Nakano et.al., Jpn.J.Appl.phys.Vol.38 (1999), p1052-1055
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the anodized alumina film has a region where the composition is non-uniform between the holes due to the characteristics of the crystal growth process. This non-uniform composition has a problem that, when an anodized alumina film is used for a sensor or the like, optical noise is generated and improvement of the S / N ratio is hindered.
[0013]
In view of the above circumstances, the present invention provides a sensor chip used in a sensor for analyzing the characteristics of a sample in the vicinity of metal fine particles by detecting the local plasmon resonance state on the surface of the metal fine particles with light. It is an object of the present invention to provide a measurable sensor chip, a manufacturing method thereof, and a sensor using the sensor chip.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The sensor chip of the present invention is a sensor chip used for a sensor for analyzing the characteristics of a sample in the vicinity of a metal fine particle by detecting the localized plasmon resonance state on the surface of the metal fine particle with light, and is substantially perpendicular to the surface. Comprising a holding member having a plurality of micropores independent of each other in the direction and metal fine particles held independently of each other inside the plurality of micropores, and the holding member comprising a transparent dielectric having a uniform density It is characterized by being.
[0015]
The holding member is preferably made of polystyrene.
[0016]
The sensor manufacturing method of the present invention includes a first step of providing an anodized alumina film having a plurality of first micropores in a direction substantially perpendicular to a surface of a substrate made of a transparent dielectric, A second step of forming a plurality of second micropores corresponding to the first micropores on the substrate surface by etching the substrate using the anodized alumina film as a mask; After removing, a metal having a second fine hole formed on the surface is deposited from the surface side, and then a metal adherend layer formed on the surface is removed to remove a plurality of layers. And a third step of holding the metal fine particles independently of each other inside each of the second micropores.
[0017]
The sensor of the present invention comprises the above-described sensor chip of the present invention, a light source for making light incident on the metal fine particles of the sensor chip, and a light detection means for measuring the intensity of light reflected or transmitted from the metal fine particles of the sensor chip. And a signal processing unit for specifying the characteristics of the sample in the vicinity of the metal fine particles held on the substrate based on the measurement result of the light detection means.
[0018]
It is desirable that the light detection means is a spectrophotometer. The above-mentioned “uniform density” means a density that does not generate optical noise when used as a sensor chip, and has a non-uniform composition or composition. Indicates that there are very few defects due to non-uniformity.
[0019]
The “transparent dielectric” means that the measurement light for detecting the localized plasmon resonance, that is, the light emitted from the light source is substantially transmitted.
[0020]
The “near the metal fine particle” means a range from the surface of the metal fine particle to a distance about the diameter of the metal fine particle, that is, a range where localized plasmon resonance occurs.
[0021]
【The invention's effect】
According to the sensor chip of the present invention, since the holding member is made of a transparent dielectric material having a uniform density, generation of optical noise can be prevented and highly sensitive measurement can be performed.
[0022]
When the transparent dielectric material is polystyrene, when the sensor chip of the present invention is used for enzyme immunoassay such as ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay), polystyrene is not a protein. Since there is almost no non-specific adsorption, noise due to non-specific adsorption can be reduced, and measurement with high sensitivity becomes possible.
[0023]
According to the manufacturing method of the sensor chip of the present invention, the micropores can be arranged at a high density in the holding member made of a transparent dielectric material that substantially transmits the measurement light, and a highly sensitive sensor chip can be obtained. Further, the metal fine particles can be set to an arbitrary size, and various sensor chips can be obtained according to the purpose.
[0024]
According to the sensor of the present invention, it is possible to analyze a sample with high sensitivity because the sensor chip that has low optical noise and enables highly sensitive measurement of the present invention is used.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0026]
An embodiment of the sensor chip of the present invention will be described. A perspective view of the sensor chip is shown in FIG.
[0027]
As shown in FIG. 1, the sensor chip 10 of this embodiment includes a holding member 11 made of polystyrene having a plurality of micropores 11b that are independent from each other in a direction substantially perpendicular to the surface 11a, and a plurality of micropores 11b. And gold (Au) fine particles 13 held independently of each other.
[0028]
The micro holes 11b are regularly arranged as shown in FIG. The diameter of the gold fine particles 13 filled in the bottom of the fine hole 11b is, for example, about several nm to 200 nm. The depth can be any depth.
[0029]
In this embodiment, gold (Au) is used as the gold fine particles 13. As a result, the metal fine particles are good electrical conductors and are gold having excellent malleability and ductility, so that good vapor deposition at a low temperature is possible. In addition, since it has high corrosion resistance, stable sensor characteristics can be obtained when used as a sensor described later, and handling during manufacture and use of the sensor is facilitated.
[0030]
The material of the metal fine particles may be silver or other metal instead of gold. In particular, when silver is used, the sensitivity when the sensor chip is used for the sensor can be further increased.
[0031]
In this embodiment, the diameter of the gold fine particle 13 is made smaller than the depth of the fine hole 11b, and the gold fine particle is held in a part of the inside of the fine hole, but the structure in which the whole fine hole 11b is filled with gold It is good.
[0032]
Since the sensor chip of the present invention uses polystyrene having a uniform density, optical noise can be prevented and the S / N ratio can be improved, thereby enabling measurement with high sensitivity. Can do.
[0033]
The transparent dielectric may be a polymer resin such as PMMA (polymethyl methacrylate) in addition to polystyrene.
[0034]
Next, an embodiment of a method for manufacturing a sensor chip of the present invention will be described. A cross-sectional view of the manufacturing process is shown in FIG.
[0035]
As shown in FIG. 2A, an anodized alumina film 12 is provided on a polystyrene substrate 11.
[0036]
There are several methods for forming the anodic oxidation. Basically, when the aluminum formed on the polystyrene substrate 11 is anodized in an acidic electrolysis solution, an oxide film layer is formed. In addition, a method is used in which dissolution of the generated coating layer proceeds simultaneously. According to this method, minute pits (small holes) are randomly generated on the surface of the oxide film formed on the surface of aluminum at the initial stage of the start of anodic oxidation by the dissolving action by the acid. As the anodic oxidation progresses, some of the pits grow preferentially and are arranged at substantially equal intervals. In the part where the hole is once formed in the oxide film, a higher electric field is applied than in the other part, so that dissolution of the part is further promoted. As a result, in the anodized layer, a portion that is selectively dissolved with growth to become a hole and a wall portion that remains undissolved so as to surround the hole are formed.
[0037]
As shown in FIG. 2, the anodic oxidation alumina film 12 thus obtained is formed with the first micropores 12a regularly arranged on the surface 11a of the polystyrene substrate 11. The first fine holes 12a are cylindrical spaces having substantially the same cross-sectional shape in a direction substantially perpendicular to the layer surface of the formed anodized alumina film 12.
[0038]
The anodized alumina film 12 may be formed by forming an aluminum film on the surface 11a of the polystyrene substrate 11 as described above, and then performing anodization. Alternatively, an anodized alumina film 12 may be formed on the polystyrene substrate. You may form together.
[0039]
Next, as shown in FIG. 2 (b), by etching using the anodized alumina film 12 as a mask, the second fine holes 11b corresponding to the first fine holes 12a are formed on the surface 11a of the polystyrene substrate 11. Form. Etching is performed using, for example, oxygen or CF ₄ as an etchant.
[0040]
Next, as shown in FIG. 2C, the anodized alumina film 12 is removed.
[0041]
Next, as shown in FIG. 2D, gold is vapor-deposited or sputtered from the surface 11a side on the substrate having the second fine holes 11b formed on the surface. As a result, gold fine particles 13a are formed in the second fine holes 11b, and a gold adherend layer 13b is formed on the surface 11a of the polystyrene substrate 11.
[0042]
Thereafter, as shown in FIG. 2 (e), only the gold adherend layer 13b formed on the surface 11a is removed. Thereby, the gold fine particles 13a can be held inside each of the plurality of second fine holes 11b independently of each other. The adherend layer 13b on the surface 11a of the substrate 11 can be easily scraped off with a cotton swab, but may be removed by polishing with a file or the like.
[0043]
As for the control of the micropores, for example, methods for forming the micropore formation start point are disclosed in JP2001-9800 and JP2001-138300. That is, a micropore formation start point is formed at a desired position in a portion of the work piece containing aluminum as a main component. By anodizing the workpiece after this step, micropores can be formed at desired positions, and the arrangement, spacing, position, direction, etc. of the micropores of the nanostructure can be controlled. As a method for forming the micropore formation start point, by controlling the focused ion beam irradiation conditions such as the focused ion beam dose, beam diameter, and ion irradiation energy, the concave shape and composition of the microhole start point can be controlled. Thereby, the fine pore diameter of the final nanohole can be controlled.
[0044]
In addition, as a method for increasing the density of the micropores in particular, for example, there is a method using oxalic acid. That is, regularization of high-density micropores proceeds by using oxalic acid as the electrolysis solution and performing anodization under a constant voltage condition of around 40V. The regularization of the micropore arrangement proceeds with the anodic oxidation time, and the micropores are arranged almost ideally by performing the anodic oxidation treatment for a long time. As a result, the fine pore array of the obtained anodized alumina film has exceptionally high regularity as a structure formed naturally.
[0045]
As described above, according to the method for manufacturing a sensor of the present invention, the fine holes 11b are provided in the polystyrene substrate 11 by etching using the anodized alumina film 12 having the regularly arranged fine holes 12a as a mask. 11b can be arranged with higher density. Further, the size of the metal fine particles 13a can be made uniform. Further, the metal fine particles 13a can be set to an arbitrary size, and various sensor chips can be obtained according to the purpose.
[0046]
In addition, it is not necessary to use a mask that is finely patterned by a lithography technique or the like, an electron beam drawing that is expensive and low in productivity, and a sensor in which fine metal particles are arranged at high density can be easily obtained.
[0047]
Next, a sensor using the sensor chip of the present invention will be described. A schematic configuration diagram of the sensor is shown in FIG.
[0048]
As shown in FIG. 3, the sensor according to the present embodiment includes a sensor chip 10 according to the present invention and a light source that makes the measurement light 22 incident on the metal fine particles 13 at an oblique angle from the opening side of the fine holes 11b. 21 and a polychromator 23 as light detection means for measuring the intensity of light reflected by the sensor chip.
[0049]
Since the size of the gold fine particles 13 held in the micropores is substantially the same in the diameter direction and the depth direction of the micropores, the electric field direction of the incident light may be either parallel or perpendicular to the paper surface. . On the other hand, when the gold fine particles are filled in the fine holes to form a rod having a depth larger than the diameter of the fine particles, it is desirable that the electric field direction of the measurement light be parallel to the paper surface.
[0050]
The measurement light 22 from the light source 21 is incident on the gold fine particles 13a of the sensor chip 10, reflected by the gold fine particles 13a, and the light intensity of the reflected light is detected by the light detection means including the polychromator 23, for example.
[0051]
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the wavelength of reflected light from the sensor chip and the light intensity.
[0052]
When the gold microparticles 13 in the sensor chip 10 are irradiated with the measurement light, the scattering and absorption of the measurement light specifically increase due to the localized plasmon resonance for the light with a specific wavelength λ _LP . For this reason, the reflected light intensity is remarkably reduced for the light of this wavelength λ _LP . The light wavelength (resonance peak wavelength) λ _{LP at which} localized plasmon resonance occurs and the degree of scattering and absorption of measurement light depend on the refractive index of the sample existing around the gold fine particles 13. That is, as the refractive index increases, the resonance peak wavelength λ _LP shifts to the longer wavelength side. Therefore, by detecting the resonance peak wavelength λ _LP , the refractive index of the sample in the vicinity of the metal fine particles, the physical properties of the sample corresponding to the refractive index, and the like can be measured. The refractive index of the sample in the vicinity of the metal fine particles and the physical properties of the sample corresponding to the refractive index can be obtained by providing the signal processing unit 24.
[0053]
Further, as described above, the light intensity of the reflected light is measured. As shown in FIG. 5, the measurement light 22 from the light source 21 is transmitted from the surface 11a side where the micropores of the sensor chip 10 are formed. The light intensity of the transmitted light that is incident from the direction perpendicular to the surface and transmitted through the sensor chip 10 may be detected by the light detection means. Alternatively, the measurement light may be incident so as to have an angle other than perpendicular to the surface 11a on which the fine holes of the sensor chip 10 are formed.
[0054]
Further, as the measurement light, the light reflected or transmitted using white light may be spectrally detected to detect the resonance peak wavelength λ _LP , or the monochromatic light may be used as the measurement light and the resonance peak wavelength λ _LP It is possible to measure the refractive index, physical properties, etc. of the sample even if a change in light intensity due to a shift in light, a scattering of measurement light, or a change in absorption is detected.
[0055]
Next, a biosensor using the sensor chip of the present invention will be described. A schematic configuration diagram of the biosensor is shown in FIG.
[0056]
As shown in FIG. 6, the biosensor of this embodiment includes the sensor chip 10 of the present invention, a container 34 in which the sensor chip 10 is fixed to the bottom and a transparent window 36 is formed on the upper surface, and the container 34 It comprises a light source 31 that causes white light 32 to enter the sensor chip 10 and a polychromator 33 that spectrally detects light transmitted through the sensor chip 10. In the container, the sensor chip 10 is arranged with the surface 11a on which the fine holes are formed facing upward.
[0057]
For example, an antibody 38 is attached to the surface of the gold fine particle 13a of the sensor chip 10 as shown in FIG. In this biosensor, a sample solution 35 to be measured is supplied into the container 34 so as to be in contact with the sensor chip 10. At this time, the specimen solution 35 contains a specific antigen 37 that specifically binds to the antibody 38.
[0058]
When the antigen 37 is bound to the antibody 38, the refractive index of the portion around the gold fine particle of the sensor chip 10 changes, so that the absorption and scattering spectral characteristics of the measurement light detected by the polychromator 33 change. For example, as shown by the broken line in FIG. 8, this change is such that the resonance peak wavelength is λ _LP1 , but after coupling, the resonance peak wavelength is changed to λ _LP2 as shown by the solid line in FIG. Appears as a shift in peak wavelength. Therefore, by detecting a change in the resonance peak wavelength with the polychromator 33, it is possible to check whether or not the antibody and the antigen are bound, that is, whether or not the antigen 38 is present in the sample solution 35.
[0059]
In the biosensor of the present invention, the optical noise can be reduced because there is no non-specific adsorption between the polystyrene substrate 11 and the antigen 27 by using the sensor chip 10 in which the transparent dielectric material holding the gold fine particles 13a is polystyrene. Highly sensitive measurement is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a sensor of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing method of the sensor of the present invention. FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a reflective sensor of the present invention. FIG. 5 is a schematic diagram showing the relationship between incident light and detected light intensity in localized plasmon resonance. FIG. 5 is a schematic diagram showing a transmission sensor according to the present invention. FIG. 6 is a schematic diagram showing a biosensor according to the present invention. 7 is a partial cross-sectional view showing a state of a sensor chip surface when used as a biosensor. FIG. 8 is a graph showing changes in spectral intensity characteristics of measurement light detected by the sensor in FIG.
10 Sensor chip
11 Polystyrene substrate
11a surface
11b micropore
12 Anodized alumina film
13a Gold fine particles
13b Substrate layer
21 Light source
22 Measuring light
23 Polychromator
37 antigen
38 antibodies

Claims

A sensor chip used for a sensor that analyzes the characteristics of a sample in the vicinity of a metal fine particle by detecting the local plasmon resonance state on the surface of the metal fine particle with light,
A holding member having a plurality of micropores independent from each other in a direction perpendicular to the surface; and metal fine particles held independently from each other inside the plurality of micropores, the holding member having a density A sensor chip comprising a uniform transparent dielectric.

The sensor chip according to claim 1, wherein the holding member is made of polystyrene.

A method of manufacturing a sensor chip according to claim 1,
A first step of providing an anodized alumina film having a plurality of first fine holes in a direction perpendicular to the surface of the substrate made of the transparent dielectric, and using the anodized alumina film as a mask; A second step of forming a plurality of second micropores corresponding to the first micropores in the substrate surface by etching the substrate;
After removing the anodized alumina film, a metal is deposited from the surface side on the substrate having the second micropores formed on the surface, and then the metal deposited on the surface is deposited. 3. A sensor chip manufacturing method comprising: a third step of holding metal fine particles independently of each other inside the plurality of second fine holes by removing a body layer.

A sensor chip according to claim 1;
A light source for causing light to enter the metal fine particles of the sensor chip;
A light detecting means for measuring the intensity of light reflected or transmitted from the metal fine particles of the sensor chip,
A sensor comprising: a signal processing unit that identifies characteristics of a sample in the vicinity of the metal fine particles held on the substrate based on a measurement result of the light detection means.

The sensor according to claim 4, wherein the light detection means is a spectroscope.