JP4054718B2 - センサ装置 - Google Patents
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- G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサ装置に関し、特に、誘電率センサ、ならびに医療や健康診断、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装置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て、作製されてきた。
また、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て、金属表面近傍の誘電率の微小な変化を検知するものである。さらに表面近傍での微小な誘電率を検出することで、抗原抗体反応における抗原の吸着、ＤＮＡなど選択的結合を生じる材料と組み合わせて、特定の物質の吸着の有無を検出する化学センサとするものである。
【０００３】
さらに、最近においては、高感度なセンシングを目的として、特許文献１に示されているような、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。これは、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分光器によって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。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３５６５８７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１のものにおいては、金属微粒子を透過した光の吸光度を測定するために、分光器を必要とするものであり、これによると部品点数等が多くなる。
そこで、本発明は 誘電率の変化に対して感度が高く、波長スペクトルを取得するための分光器あるいは回折格子などの部品を必要とせず、部品点数の少ないセンサ装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のように構成したセンサ装置を提供するものである。
すなわち、本発明は、センサヘッドに光を照射することで、センサヘッドを修飾した材料と被検査物との反応を、照射した光による局在プラズモンの共鳴吸収スペクトルの変化に基づいて検出するためのセンサ装置であって、
前記センサヘッドと、
前記センサヘッドに光を照射する光源と、
前記センサヘッドを透過または反射した光を検出する光検出手段と、を備え、
前記センサヘッドは、基板と、該基板上にアレイ状に配された複数の金属細線と、を有し、
前記複数の金属細線の長さは、前記光源より照射される光の波長よりも長く、前記金属細線の断面サイズは前記光の波長よりも小さく、且つ、
前記複数の金属細線は、断面のサイズが配された位置に応じて徐々に異なるか、または、断面のサイズは同じだが隣接する金属細線どうしの間隔が徐々に異なるように配されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記金属細線が、金ないし金を含む合金であることを特徴とする。
また、本発明は、前記光源と前記センサヘッドとの間に、バンドパスフィルタを有することを特徴とする。
また、本発明は、前記光源が、レーザであることを特徴とする。
また、本発明は、前記光源が、半導体レーザであることを特徴とする。
また、本発明は、前記光源から照射される光の磁界方向が前記センサヘッドの金属細線の長手方向となるように偏光を制御する偏光素子を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記センサヘッドの金属細線の配列が、特定の配列からなる金属細線アレイを繰り返し単位とする周期的配列構造を有し、これらが複数前記センサヘッドの基板上に設けられており、
前記光検出手段が、該周期的配列構造の複数の組から、それぞれ透過または反射された光の空間分布を独立に検出する光検出手段として構成されていることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下の実施例によって説明する。
【０００８】
【実施例】
［実施例１］
図１に、本発明の実施例１における化学センサ装置の構成を示す。
図１において、１０１は透明な基板、１０２は基板上に形成した金属細線アレイ、１０３は光源であるタングステンランプ、１０４は光源からの光をコリメートするコリメートレンズである。
このコリメートレンズ１０４により光源からの光を平行光にして金属細線を配列した基板１０１を照射する。１０５はこの照射光の偏光を制御するための偏光子である。また、１０７は狭帯域のバンドパスフィルタであり、光源からの光のうち、特定の波長のものだけを透過する。
入射光の電界ベクトルが、細線の長手方向と直交するときに、細線の局在プラズモンポラリトンとの結合効率が高くなる。１０６は、エリアセンサであり、基板１０１からの反射光を受けて、反射光の空間プロファイル像を取得することができる。
【０００９】
ここで金属細線１０２は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが照射光波長よりも長く、また断面サイズは照射光波長よりも小さくなっている。
また、細線どうしの間隔は、ひとつの細線表面に励起された局在プラズモンポラリトンの電場の到達距離 （〜１００ｎｍ）よりも大きくなっており、この実施例ではこの間隔は一定となっている。
このような金属細線では、局在プラズモン共鳴によってある特定の波長において散乱や吸収が増大する。このような共鳴の生じる波長は、金属の材質、細線同士の間隔及び／または断面サイズ等の金属細線のサイズおよび周囲の媒質の誘電率に依存する。最後の周囲媒質の誘電率に関しては、特にプラズモンの広がりの範囲（〜１００ｎｍ）内の誘電率の変化が共鳴ピークのシフトとして検知される。
【００１０】
また、上記したようなサイズの異なる細線においては、以下のようなサイズ効果が生じる。特定の波長の光を照射して、いずれか特定の細線（細線１）が局在プラズモンにおける共鳴ピークにあるときに、これよりわずかにサイズの大きい細線（細線２）では、共鳴ピークからわずかにずれた光照射となり、細線１と比べて共鳴吸収は弱くなっている。
同じ波長の光の照射下で、媒質の誘電率が大きくなると、第１の細線は共鳴ピークから外れていくので共鳴吸収が弱まり、一方第２の細線は共鳴ピークに近づいて共鳴吸収が強くなっていく。このふるまいを、吸収の空間分布の変化、すなわち反射光の空間分布の変化として捉えることができる。
【００１１】
金属細線アレイ１０２は、細線のサイズを空間的に少しずつ異ならせてあるので、照明光に対する吸収の変化は、反射光の空間的分布の変化として、エリアセンサ１０６で検出することができる。また、エリアセンサで取得した空間像に対して、モデル関数のフィッティング、補間等の信号処理をおこなって、空間分布の微弱な変化を検出するとともに、信号のＳ／Ｎを改善することができる。
ここで示した実施例のうちで、バンドパスフィルタ１０７による光源の狭スペクトル化は必ずしも必須ではない。誘電率変化による吸収スペクトルの変化は、単に吸収ピークのシフトだけではなく、吸収強度の変動を伴う。そこで、ブロードな照射光に対する反射の空間分布を検出する方法であっても、適切な信号処理を行えば、誘電率の変化に対応する吸収の変動の空間分布を取得できる。
【００１２】
このような誘電率センサは、この金属細線表面を、特異的結合特性を有する材料で修飾しておくことで、化学センサとして機能する。すなわち、表面が修飾されたセンサヘッドを被検査液、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。特異的結合の生じた量を、誘電率センサの検知する誘電率の変化として定量的に取得するものである。
このような反応を起こすセンサ材料の具体例として、以下の（１）〜（４）に示すようなものが挙げられる。
（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によって金属細線を修飾してセンサ材料とする。
（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。
（３）ＤＮＡ
（４）イオン選択性電極
センサヘッドにおける金属細線（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。なかでも、金は化学的に安定であるとともに、種々の公知手段によって化学修飾ができることもあり、化学センサを構成するには最適である。
センサ材料としては、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、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。
【００１３】
［参考例］
図２を用いて、本発明の参考例におけるセンサヘッドの作製方法を説明する。図２において、まず、石英基板２０１を準備する（図２（ａ））。
つぎに、この石英基板２０１上にスパッタ法を用いて、膜厚５０ｎｍの金属薄膜２０２を成膜する（図２（ｂ））。
つぎに、この金属薄膜２０２上に電子線レジスト２０３をスピンコートで成膜し、電子ビーム描画装置で露光した。現像後、パタン間の距離１００ｎｍ、パタンの横幅が２０ｎｍから５００ｎｍのレジストパターンを得る（図２（ｄ））。 つぎに、このレジストパタンをエッチングマスクとして、金属薄膜２０２をエッチングし（図２（ｅ））、レジストを除去して、金属細線アレイを形成する（図５（ｆ））。
金属細線アレイに表面処理を行ったのち、センサ材料２０４を結合させる（図５（ｇ））。
【００１４】
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。
また、特開平１１−１４５０５号公報に記載の近接場光を用いた露光装置や、公知のナノインプリント法を用いて作製すれば、簡便で低コストのセンサヘッドが実現できる。
【００１５】
［実施例２］
図３に、本発明の実施例２におけるセンサ体の透過光から吸収の空間分布を得る誘電率センサ装置の構成を示す。
本実施例の誘電率センサ装置においては、まず半導体レーザ３０１からの単色光をレンズ３０２を介して、センサヘッド３０３に入射させる。このセンサヘッド３０３を透過した透過光をエリアセンサ３０４で検出し、透過光強度の空間分布情報を得る。微細に作製したセンサヘッドのサイズとエリアセンサのサイズが異なっている場合には、このように拡大縮小を行う光学系を用いることで、エリアセンサの空間分解能を活用したセンサ装置を構成できる。
【００１６】
［実施例３］
図４に、本発明の実施例３における本発明のセンサ装置に用いる誘電率センサへッドの構成例を示す。
図４において、４０１は金属基板、４０２は金属基板上に形成した誘電体薄膜、４０３は誘電体薄膜上に形成した金属細線アレイである。ここでアレイ状の金属細線４０３は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが、照射光波長よりも長く、細線の断面サイズは照射光波長よりも小さくなっている。また、実施例１と異なり、細線の断面サイズは、全て同じになっている。一方、細線どうしの間隔が５ｎｍから２００ｎｍまで少しずつ異なっている。
【００１７】
石英基板上にスパッタ法を用いて、膜厚５００ｎｍの金属薄膜４０１を成膜する。その上に５０ｎｍ厚のＳｉＯ2４０２、５０ｎｍ厚の金属薄膜を成膜した。電子線レジストをスピンコートで成膜し、近接場露光装置で露光した。現像後、パタン間の距離１００ｎｍ、パタンの横幅が２０ｎｍから５００ｎｍのレジストパターンを得た。レジストパタンをエッチングマスクとして、金属薄膜をエッチングした。レジストを除去して、金属細線アレイ４０３を形成した。金属細線アレイ４０３に表面処理を行ったのち、センサ材料を結合させる。
【００１８】
金属細線の局在プラズモン共鳴は、細線間の距離が１００ｎｍ以下のときに細線間の距離に依存した共鳴スペクトルを有する。また、この共鳴スペクトルは周辺媒質の誘電率にも依存するので、４０３のような構成の金属細線アレイによって、実施例１と同様の検出原理によって、誘電率の変化を検出することが可能であり、これを用いた化学センサを構成できる。
【００１９】
［実施例４］
図５に、本発明の実施例４における本発明のセンサ装置に用いる誘電率センサの構成例を示す。
図５において、５０１は透明な基板、５０２は基板上に形成した金属細線アレイである。ここでアレイ状の金属細線５０２は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが、照射光波長よりも長く、細線の断面サイズは照射光波長よりも小さくなっている。
また、実施例１、実施例３と異なり、細線の断面サイズおよび細線どうしの間隔がそれぞれ少しずつ異なっている。金属細線の局在プラズモン共鳴は、細線の形状および細線間の距離に依存した共鳴スペクトルを有する。
【００２０】
また、この共鳴スペクトルは周辺媒質の誘電率にも依存するので、５０２のような構成の金属細線アレイによって、実施例１、実施例２と同様の検出原理によって、誘電率の変化を検出することが可能であり、これを用いた化学センサを構成できる。
細線の形状と距離の両方を設計パラメータとして適用できるので、初期の光強度分布が比較的フラットになるようなアレイ形状を選定することができる。このことで、空間分布検出におけるダイナミックレンジを大きくとることができる。
【００２１】
［実施例５］
図６に、本発明の実施例５における本発明のセンサ装置に用いるセンサヘッドをマイクロ化学分析システム（μ−ＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＳｙｓｔｅｍやＬａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐとも呼ばれる）に一体形成した構成例を示す。
図６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金属細線アレイ９０６が設けられている。被検査液は金属細線アレイ表面でセンサ材料と反応する。この検出部９０５に対して励起光９０７を照射する。
９０６から透過する光９０８をレンズ９０９を介してエリアセンサ９１１上に結像させ、これを検出する。
【００２２】
［実施例６］
図７に、本発明の実施例６における本発明のセンサ装置に用いるセンサヘッドをＤＮＡチップやプロテインチップに一体形成した構成例を示す。
図７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、金属細線アレイ１００３が設けられており、この表面にセンサ材料が固定されている。ここに励起光１００４を照射し、各検出セルから透過する光をレンズ１００６を介してＣＣＤセンサ１００７面に結像させ、各セルごとの空間分布を並列に得ることができる。
これらから明らかなように、本発明のセンサヘッド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る。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、誘電率の変化に対して感度が高く、波長スペクトルを取得するための分光器あるいは回折格子などの部品を必要とせず、部品点数の少ないセンサ装置を提供することができる。また、これにより高感度な化学センサ装置や吸収スペクトルや蛍光スペクトル強度が大きい化学センサ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１におけるセンサ装置の構成を示す図。
【図２】 本発明の参考例におけるセンサヘッドの作製方法の説明図。
【図３】 本発明の実施例２における本発明のセンサ装置に用いる誘電率センサ装置の構成例を示す図。
【図４】 本発明の実施例３における本発明のセンサ装置に用いる誘電率センサヘッドの構成例を示す図。
【図５】 本発明の実施例４おける本発明のセンサ装置に用いる誘電率センサヘッドの構成例を示す図。
【図６】 本発明の実施例５における本発明のセンサ装置に用いるセンサヘッドをマイクロ化学分析システム（μ−ＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＳｙｓｔｅｍやＬａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ とも呼ばれる）に一体形成した構成例を示す図。
【図７】 本発明の実施例６における本発明のセンサ装置に用いるセンサヘッドをＤＮＡチップやプロテインチップに一体形成した構成例を示す図。
【符号の説明】
１０１、２０１、４０１、５０１：基板
１０２、４０３、５０２：金属細線
１０３：光源
３０１：半導体レーザ
１０４、３０２：レンズ
１０５：偏光子
１０６、３０４：エリアセンサ
１０７：バンドパスフィルタ
２０２：金属薄膜
２０３：電子線レジスト
３０３：センサヘッド
４０２：誘電体薄膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサ装置に関し、特に、誘電率センサ、ならびに医療や健康診断、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装置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て、作製されてきた。
また、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て、金属表面近傍の誘電率の微小な変化を検知するものである。さらに表面近傍での微小な誘電率を検出することで、抗原抗体反応における抗原の吸着、ＤＮＡなど選択的結合を生じる材料と組み合わせて、特定の物質の吸着の有無を検出する化学センサとするものである。
【０００３】
さらに、最近においては、高感度なセンシングを目的として、特許文献１に示されているような、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。これは、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分光器によって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。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３５６５８７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１のものにおいては、金属微粒子を透過した光の吸光度を測定するために、分光器を必要とするものであり、これによると部品点数等が多くなる。
そこで、本発明は 誘電率の変化に対して感度が高く、波長スペクトルを取得するための分光器あるいは回折格子などの部品を必要とせず、部品点数の少ないセンサ装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のように構成したセンサ装置を提供するものである。
すなわち、本発明は、センサヘッドに光を照射することで、センサヘッドを修飾した材料と被検査物との反応を、照射した光による局在プラズモンの共鳴吸収スペクトルの変化に基づいて検出するためのセンサ装置であって、
前記センサヘッドと、
前記センサヘッドに光を照射する光源と、
前記センサヘッドを透過または反射した光を検出する光検出手段と、を備え、
前記センサヘッドは、基板と、該基板上にアレイ状に配された複数の金属細線と、を有し、
前記複数の金属細線の長さは、前記光源より照射される光の波長よりも長く、前記金属細線の断面サイズは前記光の波長よりも小さく、且つ、
前記複数の金属細線は、断面のサイズが配された位置に応じて徐々に異なるか、または、断面のサイズは同じだが隣接する金属細線どうしの間隔が徐々に異なるように配されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記金属細線が、金ないし金を含む合金であることを特徴とする。
また、本発明は、前記光源と前記センサヘッドとの間に、バンドパスフィルタを有することを特徴とする。
また、本発明は、前記光源が、レーザであることを特徴とする。
また、本発明は、前記光源が、半導体レーザであることを特徴とする。
また、本発明は、前記光源から照射される光の磁界方向が前記センサヘッドの金属細線の長手方向となるように偏光を制御する偏光素子を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記センサヘッドの金属細線の配列が、特定の配列からなる金属細線アレイを繰り返し単位とする周期的配列構造を有し、これらが複数前記センサヘッドの基板上に設けられており、
前記光検出手段が、該周期的配列構造の複数の組から、それぞれ透過または反射された光の空間分布を独立に検出する光検出手段として構成されていることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下の実施例によって説明する。
【０００８】
【実施例】
［実施例１］
図１に、本発明の実施例１における化学センサ装置の構成を示す。
図１において、１０１は透明な基板、１０２は基板上に形成した金属細線アレイ、１０３は光源であるタングステンランプ、１０４は光源からの光をコリメートするコリメートレンズである。
このコリメートレンズ１０４により光源からの光を平行光にして金属細線を配列した基板１０１を照射する。１０５はこの照射光の偏光を制御するための偏光子である。また、１０７は狭帯域のバンドパスフィルタであり、光源からの光のうち、特定の波長のものだけを透過する。
入射光の電界ベクトルが、細線の長手方向と直交するときに、細線の局在プラズモンポラリトンとの結合効率が高くなる。１０６は、エリアセンサであり、基板１０１からの反射光を受けて、反射光の空間プロファイル像を取得することができる。
【０００９】
ここで金属細線１０２は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが照射光波長よりも長く、また断面サイズは照射光波長よりも小さくなっている。
また、細線どうしの間隔は、ひとつの細線表面に励起された局在プラズモンポラリトンの電場の到達距離 （〜１００ｎｍ）よりも大きくなっており、この実施例ではこの間隔は一定となっている。
このような金属細線では、局在プラズモン共鳴によってある特定の波長において散乱や吸収が増大する。このような共鳴の生じる波長は、金属の材質、細線同士の間隔及び／または断面サイズ等の金属細線のサイズおよび周囲の媒質の誘電率に依存する。最後の周囲媒質の誘電率に関しては、特にプラズモンの広がりの範囲（〜１００ｎｍ）内の誘電率の変化が共鳴ピークのシフトとして検知される。
【００１０】
また、上記したようなサイズの異なる細線においては、以下のようなサイズ効果が生じる。特定の波長の光を照射して、いずれか特定の細線（細線１）が局在プラズモンにおける共鳴ピークにあるときに、これよりわずかにサイズの大きい細線（細線２）では、共鳴ピークからわずかにずれた光照射となり、細線１と比べて共鳴吸収は弱くなっている。
同じ波長の光の照射下で、媒質の誘電率が大きくなると、第１の細線は共鳴ピークから外れていくので共鳴吸収が弱まり、一方第２の細線は共鳴ピークに近づいて共鳴吸収が強くなっていく。このふるまいを、吸収の空間分布の変化、すなわち反射光の空間分布の変化として捉えることができる。
【００１１】
金属細線アレイ１０２は、細線のサイズを空間的に少しずつ異ならせてあるので、照明光に対する吸収の変化は、反射光の空間的分布の変化として、エリアセンサ１０６で検出することができる。また、エリアセンサで取得した空間像に対して、モデル関数のフィッティング、補間等の信号処理をおこなって、空間分布の微弱な変化を検出するとともに、信号のＳ／Ｎを改善することができる。
ここで示した実施例のうちで、バンドパスフィルタ１０７による光源の狭スペクトル化は必ずしも必須ではない。誘電率変化による吸収スペクトルの変化は、単に吸収ピークのシフトだけではなく、吸収強度の変動を伴う。そこで、ブロードな照射光に対する反射の空間分布を検出する方法であっても、適切な信号処理を行えば、誘電率の変化に対応する吸収の変動の空間分布を取得できる。
【００１２】
このような誘電率センサは、この金属細線表面を、特異的結合特性を有する材料で修飾しておくことで、化学センサとして機能する。すなわち、表面が修飾されたセンサヘッドを被検査液、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。特異的結合の生じた量を、誘電率センサの検知する誘電率の変化として定量的に取得するものである。
このような反応を起こすセンサ材料の具体例として、以下の（１）〜（４）に示すようなものが挙げられる。
（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によって金属細線を修飾してセンサ材料とする。
（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。
（３）ＤＮＡ
（４）イオン選択性電極
センサヘッドにおける金属細線（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。なかでも、金は化学的に安定であるとともに、種々の公知手段によって化学修飾ができることもあり、化学センサを構成するには最適である。
センサ材料としては、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、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。
【００１３】
［参考例］
図２を用いて、本発明の参考例におけるセンサヘッドの作製方法を説明する。図２において、まず、石英基板２０１を準備する（図２（ａ））。
つぎに、この石英基板２０１上にスパッタ法を用いて、膜厚５０ｎｍの金属薄膜２０２を成膜する（図２（ｂ））。
つぎに、この金属薄膜２０２上に電子線レジスト２０３をスピンコートで成膜し、電子ビーム描画装置で露光した。現像後、パタン間の距離１００ｎｍ、パタンの横幅が２０ｎｍから５００ｎｍのレジストパターンを得る（図２（ｄ））。 つぎに、このレジストパタンをエッチングマスクとして、金属薄膜２０２をエッチングし（図２（ｅ））、レジストを除去して、金属細線アレイを形成する（図５（ｆ））。
金属細線アレイに表面処理を行ったのち、センサ材料２０４を結合させる（図５（ｇ））。
【００１４】
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。
また、特開平１１−１４５０５号公報に記載の近接場光を用いた露光装置や、公知のナノインプリント法を用いて作製すれば、簡便で低コストのセンサヘッドが実現できる。
【００１５】
［実施例２］
図３に、本発明の実施例２におけるセンサ体の透過光から吸収の空間分布を得る誘電率センサ装置の構成を示す。
本実施例の誘電率センサ装置においては、まず半導体レーザ３０１からの単色光をレンズ３０２を介して、センサヘッド３０３に入射させる。このセンサヘッド３０３を透過した透過光をエリアセンサ３０４で検出し、透過光強度の空間分布情報を得る。微細に作製したセンサヘッドのサイズとエリアセンサのサイズが異なっている場合には、このように拡大縮小を行う光学系を用いることで、エリアセンサの空間分解能を活用したセンサ装置を構成できる。
【００１６】
［実施例３］
図４に、本発明の実施例３における本発明のセンサ装置に用いる誘電率センサへッドの構成例を示す。
図４において、４０１は金属基板、４０２は金属基板上に形成した誘電体薄膜、４０３は誘電体薄膜上に形成した金属細線アレイである。ここでアレイ状の金属細線４０３は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが、照射光波長よりも長く、細線の断面サイズは照射光波長よりも小さくなっている。また、実施例１と異なり、細線の断面サイズは、全て同じになっている。一方、細線どうしの間隔が５ｎｍから２００ｎｍまで少しずつ異なっている。
【００１７】
石英基板上にスパッタ法を用いて、膜厚５００ｎｍの金属薄膜４０１を成膜する。その上に５０ｎｍ厚のＳｉＯ2４０２、５０ｎｍ厚の金属薄膜を成膜した。電子線レジストをスピンコートで成膜し、近接場露光装置で露光した。現像後、パタン間の距離１００ｎｍ、パタンの横幅が２０ｎｍから５００ｎｍのレジストパターンを得た。レジストパタンをエッチングマスクとして、金属薄膜をエッチングした。レジストを除去して、金属細線アレイ４０３を形成した。金属細線アレイ４０３に表面処理を行ったのち、センサ材料を結合させる。
【００１８】
金属細線の局在プラズモン共鳴は、細線間の距離が１００ｎｍ以下のときに細線間の距離に依存した共鳴スペクトルを有する。また、この共鳴スペクトルは周辺媒質の誘電率にも依存するので、４０３のような構成の金属細線アレイによって、実施例１と同様の検出原理によって、誘電率の変化を検出することが可能であり、これを用いた化学センサを構成できる。
【００１９】
［実施例４］
図５に、本発明の実施例４における本発明のセンサ装置に用いる誘電率センサの構成例を示す。
図５において、５０１は透明な基板、５０２は基板上に形成した金属細線アレイである。ここでアレイ状の金属細線５０２は、該金属細線の前記基板上の配列方向と直交する該基板と平行な方向の長さが、照射光波長よりも長く、細線の断面サイズは照射光波長よりも小さくなっている。
また、実施例１、実施例３と異なり、細線の断面サイズおよび細線どうしの間隔がそれぞれ少しずつ異なっている。金属細線の局在プラズモン共鳴は、細線の形状および細線間の距離に依存した共鳴スペクトルを有する。
【００２０】
また、この共鳴スペクトルは周辺媒質の誘電率にも依存するので、５０２のような構成の金属細線アレイによって、実施例１、実施例２と同様の検出原理によって、誘電率の変化を検出することが可能であり、これを用いた化学センサを構成できる。
細線の形状と距離の両方を設計パラメータとして適用できるので、初期の光強度分布が比較的フラットになるようなアレイ形状を選定することができる。このことで、空間分布検出におけるダイナミックレンジを大きくとることができる。
【００２１】
［実施例５］
図６に、本発明の実施例５における本発明のセンサ装置に用いるセンサヘッドをマイクロ化学分析システム（μ−ＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＳｙｓｔｅｍやＬａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐとも呼ばれる）に一体形成した構成例を示す。
図６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金属細線アレイ９０６が設けられている。被検査液は金属細線アレイ表面でセンサ材料と反応する。この検出部９０５に対して励起光９０７を照射する。
９０６から透過する光９０８をレンズ９０９を介してエリアセンサ９１１上に結像させ、これを検出する。
【００２２】
［実施例６］
図７に、本発明の実施例６における本発明のセンサ装置に用いるセンサヘッドをＤＮＡチップやプロテインチップに一体形成した構成例を示す。
図７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、金属細線アレイ１００３が設けられており、この表面にセンサ材料が固定されている。ここに励起光１００４を照射し、各検出セルから透過する光をレンズ１００６を介してＣＣＤセンサ１００７面に結像させ、各セルごとの空間分布を並列に得ることができる。
これらから明らかなように、本発明のセンサヘッド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る。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、誘電率の変化に対して感度が高く、波長スペクトルを取得するための分光器あるいは回折格子などの部品を必要とせず、部品点数の少ないセンサ装置を提供することができる。また、これにより高感度な化学センサ装置や吸収スペクトルや蛍光スペクトル強度が大きい化学センサ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１におけるセンサ装置の構成を示す図。
【図２】 本発明の参考例におけるセンサヘッドの作製方法の説明図。
【図３】 本発明の実施例２における本発明のセンサ装置に用いる誘電率センサ装置の構成例を示す図。
【図４】 本発明の実施例３における本発明のセンサ装置に用いる誘電率センサヘッドの構成例を示す図。
【図５】 本発明の実施例４おける本発明のセンサ装置に用いる誘電率センサヘッドの構成例を示す図。
【図６】 本発明の実施例５における本発明のセンサ装置に用いるセンサヘッドをマイクロ化学分析システム（μ−ＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＳｙｓｔｅｍやＬａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ とも呼ばれる）に一体形成した構成例を示す図。
【図７】 本発明の実施例６における本発明のセンサ装置に用いるセンサヘッドをＤＮＡチップやプロテインチップに一体形成した構成例を示す図。
【符号の説明】
１０１、２０１、４０１、５０１：基板
１０２、４０３、５０２：金属細線
１０３：光源
３０１：半導体レーザ
１０４、３０２：レンズ
１０５：偏光子
１０６、３０４：エリアセンサ
１０７：バンドパスフィルタ
２０２：金属薄膜
２０３：電子線レジスト
３０３：センサヘッド
４０２：誘電体薄膜
Claims (7)
- センサヘッドに光を照射することで、センサヘッドを修飾した材料と被検査物との反応を、照射した光による局在プラズモンの共鳴吸収スペクトルの変化に基づいて検出するためのセンサ装置であって、
前記センサヘッドと、
前記センサヘッドに光を照射する光源と、
前記センサヘッドを透過または反射した光を検出する光検出手段と、を備え、
前記センサヘッドは、基板と、該基板上にアレイ状に配された複数の金属細線と、を有し、
前記複数の金属細線の長さは、前記光源より照射される光の波長よりも長く、前記金属細線の断面サイズは前記光の波長よりも小さく、且つ、
前記複数の金属細線は、断面のサイズが配された位置に応じて徐々に異なるか、または、断面のサイズは同じだが隣接する金属細線どうしの間隔が徐々に異なるように配されていることを特徴とするセンサ装置。 - 前記金属細線が、金ないし金を含む合金であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
- 前記光源と前記センサヘッドとの間に、バンドパスフィルタを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ装置。
- 前記光源が、レーザであることを特徴とする請求項３に記載のセンサ装置。
- 前記光源が、半導体レーザであることを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
- 前記光源から照射される光の磁界方向が前記センサヘッドの金属細線の長手方向となるように偏光を制御する偏光素子を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
- 前記センサヘッドの金属細線の配列が、特定の配列からなる金属細線アレイを繰り返し単位とする周期的配列構造を有し、これらが複数前記センサヘッドの基板上に設けられており、
前記光検出手段が、該周期的配列構造の複数の組から、それぞれ透過または反射された光の空間分布を独立に検出する光検出手段として構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ装置。
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