JP4117665B2 - 光学分析用チップとその製造方法、光学分析用装置、および光学分析方法 - Google Patents
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Description
まず初めに、本発明の光学分析用チップが「共振器」として作用する場合の発光増強効果について説明する。
kp 2=(ω0/c)2×εdεm/(εd+εm)
という関係により表される。ここでεd、εmは、それぞれ、正誘電体、負誘電体の比誘電率である。
(1−R)/(1+R)=±exp(KdD) (式1)
の解として求められる。ここで、
Kd 2=kp 2−(ω0/c)2×εd、
Km 2=kp 2−(ω0/c)2×εm、
R=−εdKm/(εmKd)
である。
本発明の光学分析用チップは、負誘電体と、この負誘電体の表面に形成された少なくとも1つの溝の内部に配置された、固体状態にある正誘電体とを備えている。図5に、本発明の光学用分析チップの最も簡単な構成例を示す。負誘電体1の表面1aには、断面が矩形の溝が形成され、この溝の底部から溝内部の所定高さにまで正誘電体2が配置されている。正誘電体2の表面2aは、分析対象物質3を配置する台としての役割を果たす。この台に配置された分析対象物質3に光31が照射され、この照射に伴って物質3から放射される信号光32が測定の対象となる。
光学分析用チップについて、具体的な寸法例とその特性を紹介する。典型的な構造として、D=10nm、L=60nm、W=3μm、負誘電体を金、負誘電体の溝に充填する正誘電体をεd=2.1のシリカとした時の単一の閉鎖型共振器を考える。時間領域差分(FDTD)法による計算の結果、λ0=1.27μmで1次、λ0=615nmで2次の共鳴を示すことがわかった。計算で求めた反射スペクトルを図10(a)に示す。
本発明による分析チップの構造が工業的に優れている点は、ナノインプリント技術などと総称される、近年発展著しいナノメートルレベルの型転写技術を応用すると、安価に量産できることにある。この分析チップは、負誘電体、例えば金属材料、の表面の幅D、深さLの溝に正誘電体固体材料が埋め込まれた構造を有する。Dの値としては先の例のように10nmやそれ以下の微小な寸法が望ましいが、Lの値も同程度の寸法であり、決してアスペクト比(L/D)が大きいわけではない。具体的には先の数値例で6であり、せいぜい10である。10を超えるアスペクト比を持つナノ構造物とは異なり、アスペクト比が10以下であれば、多くの技術を適用できる。
本発明の光学用分析チップは、薄膜形成技術を応用して作製することもできる。例えば、まず、基板61とする合成石英基板上に、負誘電体薄膜5とする厚さ150nmの金薄膜と、正誘電体薄膜2とする厚さDのシリカ薄膜とを交互に複数回積層した多層膜(多層構造)71を形成する(図9(a))。
図12に、本発明の分析用装置の一例を示す。この装置は、光学分析用チップ10と、光学分析用チップ10の表面に励起光31を照射できるように配置された光源41と、チップ表面から放射された信号光32を検出できるように配置された光計測器42と、を備えている。分析対象物質3は、光学分析用チップ10の表面に、その少なくとも一部が負誘電体1の表面に形成された溝の内部に配置された正誘電体2上に位置するように、配置されている。励起光31は、光学分析用チップ10について予め定められた入射光についての主伝搬方向(例えば表面に垂直な方向)に沿って照射することが好ましい。
Claims (38)
- 負誘電体と、前記負誘電体の表面に形成された少なくとも1つの溝の内部に配置された、固体状態にある正誘電体と、を備えた、光学分析用チップ。
- 前記負誘電体の表面に形成された2以上の溝の内部に配置された、固体状態にある正誘電体を備え、前記2以上の溝が互いに平行に配置された請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記溝の幅Dが、前記溝の深さLおよび前記溝の長さWよりも小さい請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記溝の幅Dが50nm以下である請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記Dが0.2nm〜10nmである請求項4に記載の光学分析用チップ。
- 前記溝の深さLが1μm以下である請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記Lが1nm〜500nmである請求項6に記載の光学分析用チップ。
- 前記溝の深さLが、前記溝の幅方向についての電界成分を有し、かつカットオフ周波数を有さない表面波の共鳴により前記溝の内部において所定の波長域にある波長を有する光の強度が増強されるように、設定された、請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記溝の深さLが、((2n−1)/4)λPである請求項8に記載の光学分析用チップ。
ただし、nは自然数であり、λPは前記表面波の波長である。 - 前記溝の深さL、前記溝の間隔P、および前記溝の幅Dが、前記溝の幅方向についての電界成分を有し、かつカットオフ周波数を有さない表面波の共鳴により前記溝の内部において所定の波長域にある波長を有する光の強度が増強されるように、設定された、請求項2に記載の光学分析用チップ。
- 前記溝の長さ方向についての前記溝の2つの端面がともに負誘電体で覆われていない請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記溝の長さ方向についての前記溝の2つの端面の少なくとも一方が負誘電体で覆われている請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記負誘電体が金属からなる請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記金属が、金、銀、銅およびアルミニウムから選ばれる少なくとも1種を主成分とする請求項13に記載の光学分析用チップ。
- 前記正誘電体が、樹脂および無機材料から選ばれる少なくとも一方からなる請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記表面の反対側の面において前記負誘電体に接合された基体をさらに含む請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記溝の深さ方向について、前記正誘電体の表面が、前記負誘電体の表面と実質的に同一の高さを有する請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記正誘電体の表面が、前記負誘電体の表面と比較して相対的に親水性を示すように、前記正誘電体の表面および前記負誘電体の表面から選ばれる少なくとも一方が表面処理を施された請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 前記正誘電体の表面が、前記負誘電体の表面と比較して相対的に疎水性を示すように、前記正誘電体の表面および前記負誘電体の表面から選ばれる少なくとも一方が表面処理を施された請求項1に記載の光学分析用チップ。
- 請求項1に記載の光学分析用チップの製造方法であって、
予め所定寸法の溝を形成した型を正誘電体に押圧することにより、前記溝に由来する凸部を前記正誘電体の表面に形成する工程と、
前記正誘電体の前記表面に前記凸部の高さを超える高さにまで負誘電体を形成する工程と、
前記正誘電体の前記表面の反対側から、前記負誘電体の表面が露出し、かつ前記凸部に由来して前記負誘電体の表面に形成された溝の内部に配置された状態で前記正誘電体の一部が残存するように、前記正誘電体の一部を除去する工程と、
を含む光学分析用チップの製造方法。 - 前記正誘電体が樹脂からなる請求項20に記載の光学分析用チップの製造方法。
- 請求項1に記載の光学分析用チップの製造方法であって、
正誘電体薄膜と負誘電体薄膜とを交互に積層した積層体を形成する工程と、
前記積層体の一方の側面に負誘電体を配置する工程と、
前記積層体の前記側面と反対側の側面から前記積層体を研磨して、前記負誘電体薄膜および前記側面に配置された負誘電体により形成され、前記正誘電体薄膜からなる正誘電体が内部に配置された溝の深さLを定める工程と、
を含む、光学分析用チップの製造方法。 - 前記正誘電体薄膜が無機材料からなる請求項22に記載の光学分析用チップの製造方法。
- 請求項1に記載の光学分析用チップと、前記光学分析用チップの表面に光を照射できるように配置された光源と、前記表面から放射された光を計測できるように配置された光計測器と、を備えた光学分析用装置。
- 前記光源が単色光源である請求項24に記載の光学分析用装置。
- 前記光計測器が、分光器および光検出器を備えた請求項24に記載の光学分析用装置。
- 前記光計測器が、所定の透過スペクトルを有するフィルタおよび光検出器を備えた請求項24に記載の光学分析用装置。
- 前記光学分析用チップにおける前記溝の幅Dが、前記光源から照射される光の波長λeの1/10倍以下である請求項24に記載の光学分析用装置。
- 前記光学分析用チップにおける前記溝の深さLが、前記光源から照射される光の波長λe以下である請求項24に記載の光学分析用装置。
- 請求項1に記載の光学分析用チップの表面に分析対象物質を配置し、
前記表面に光を照射して、前記分析対象物質から放射された光を計測する、
物質の光学分析方法。 - 波長λeを有する光を照射し、
前記分析対象物質から放射された前記λeとは異なる波長λsを有する光を計測する、
請求項30に記載の光学分析方法。 - 前記波長λsを有する光がラマン散乱光である請求項31に記載の光学分析方法。
- 前記波長λsを有する光が蛍光である請求項31に記載の光学分析方法。
- 前記波長λsを有する光が前記波長λeを有する光の高調波光である請求項31に記載の光学分析方法。
- a)前記波長λeを有する光の照射により発生する表面波であって前記溝の幅方向についての電界成分を有し、かつカットオフ周波数を有さない表面波、および
b)前記波長λsを有する光の放射により発生する表面波であって前記溝の幅方向についての電界成分を有し、かつカットオフ周波数を有さない表面波、から選ばれる少なくとも一方の表面波の共鳴により、
前記共鳴がない場合と比較して、前記波長λsを有する光の強度を増強する、請求項31に記載の光学分析方法。 - 前記a)の表面波の共鳴により前記波長λeを有する光の強度を増強し、かつ
前記b)の表面波の共鳴により前記波長λsを有する光の強度を増強する、請求項35に記載の光学分析方法。 - 前記光学分析チップにおいて、前記溝が、溝の幅方向についての電界成分を有し、かつカットオフ周波数を有さない表面波の共鳴により前記溝の内部において少なくとも1つの波長域にある光の強度が増強されるように、形成され、
前記λeおよび前記λsが、ともに前記少なくとも1つの波長域から選ばれる同一の波長域に含まれる、請求項36に記載の光学分析方法。 - 前記光学分析チップにおいて、前記溝が、溝の幅方向についての電界成分を有し、かつカットオフ周波数を有さない表面波の共鳴により前記溝の内部において2以上の波長域にある光の強度が増強されるように、形成され、
前記λeおよび前記λsが、前記2以上の波長域から選ばれ、互いに異なる波長域に含まれる、請求項36に記載の光学分析方法。
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