JP4649468B2 - 表面プラズモンセンサ - Google Patents
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Description
Ksp=K1sinθsp
の関係により導かれる。表面プラズモンの波数Kspが分かると、試料の誘電率が求められる。即ち、表面プラズモンの角周波数をω、真空中の光速をc、金属及び試料の誘電率をそれぞれεm,εsとすると、次式の関係がある。
試料の誘電率εsが分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、反射光強度が低下する全反射解消角θspを知ることにより、試料中の特定物質を定量分析することができる。
図2は図1に示した開口とスパイラル状の溝との組が2組隣接して形成された金属薄膜10を示したものであり、2組のスパイラル状の溝12は外周部において互いに連結されている。このような構成を採用した場合、例えば流体を左側の開口111に流入させると、流体は矢印で示したように開口111からスパイラル状の溝12に沿って反時計回りに外側へ向かって流れ、次に右側のスパイラル状の溝12に沿って時計回りに内側へ向かって流れ、開口112に到達する。開口111に外部から流体を流入させることができ、また開口112から流体を外部に流出させることができれば、このような開口11(111,112)とスパイラル状の溝12との組が2組形成された金属薄膜10に外部から流体の出し入れが可能となる。
後者の役割を明らかにするため、図1に示した構造体に対し、開口11を透過する光の透過スペクトルをシミュレーションにより調べた。シミュレーションには3次元のFDTD(Finite Difference Time Domain)計算を用いた。すでに述べたように、金属薄膜に波長以下の大きさの開口と周期的な凹凸パターンを設けた場合、その周期と入射光の波長との間に強い相関があることが指摘されている。そこで、表面に目的物質が付着した場合の、凹凸パターンの周期構造と入射波長との相互作用を明確にするため、ミシュレーションでは金属の光学定数は波長によらず、一定(n=0.143,消衰係数k=5.09)として計算を行った。
[実施例1]
誘電体基板としてガラス基板を用い、このガラス基板上に接着層として薄いクロム膜を成膜後、金の薄膜をスパッタ法により成膜して金属薄膜を形成した。膜厚は0.2μmとした。収束イオンビームエッチング装置を用いて、直径が0.3μmの開口を作製した。さらに、開口のまわりに、半径の異なる半円の円周部に形成された溝が接合されてなる構造のスパイラル状の溝を図1に示したように作製した。半円の動径方向で見た溝12の周期Pは0.75μmとし、溝12の幅を0.325μm、溝12の深さを0.1μmとして、開口11のまわりで5回周回させた。
実施例1と同一条件で、ガラス基板上に図1に示したような構造体をアレイ状に1mm角の領域に多数作製した。
ガラス基板上に0.88μm近傍の波長の光のみを透過させる誘電体多層膜フィルタをイオンビームスパッタ法により作製した。そのガラス基板の裏面上に実施例1と同一条件で図1に示したような構造体をアレイ状に1mm角の領域に多数作製した。
シリコン基板上に熱酸化膜を形成し、その上にレジストを塗布して、紫外線リソグラフィでダイアフラムの配列パターンを露光した。現像後、反応性イオンエッチング装置により、熱酸化膜をエッチングし、レジストを除去した後、レジストパターンが転写された熱酸化膜のハードマスクを用い、誘導結合反応性イオンエッチング装置を使用してシリコンを厚さ1μmを残してエッチングし、ダイアフラムの配列をシリコン基板に形成した。
ガラス基板上に接着層として薄いクロム膜を成膜後、金の薄膜をスパッタ法により成膜して金属薄膜を形成した。膜厚は0.2μmとした。収束イオンビームエッチング装置を用いて、直径が0.6μmの開口を作製した。さらに、開口のまわりに、半径の異なる半円の円周部に形成された溝が接合されてなる構造の二重のスパイラル状の溝を図3に示したように作製した。半円の動径方向で見た溝13,14の周期は1.5μmとし、溝13,14の幅を0.75μm、溝13,14の深さを0.1μmとし、溝13は外側から開口11(111,112)へ向けて時計回りに4.5回、溝14は開口11から外側へ向けて反時計回りに5回、周回させた。この構造体をアレイ状に1mm角の領域に多数作製した。
Claims (9)
- 開口と、その開口を透過する光の透過率を増大させる表面プラズモン増強効果を発現させる周期的な凹凸とが形成された金属薄膜を誘電体基板上に備えてなる表面プラズモン素子に目的物質を付着させ、その表面プラズモン素子に光を照射して開口を透過する透過光の、目的物質の付着に応じた変化を検出する表面プラズモンセンサにおいて、
前記表面プラズモン増強効果を発現させる周期的な凹凸は、前記開口のまわりを周回するスパイラル状の溝とされ、そのスパイラル状の溝が前記目的物質を含んだ流体の流路とされていることを特徴とする表面プラズモンセンサ。 - 請求項1記載の表面プラズモンセンサにおいて、
前記スパイラル状の溝が前記開口につながっていることを特徴とする表面プラズモンセンサ。 - 請求項2記載の表面プラズモンセンサにおいて、
前記誘電体基板に前記開口と連通する貫通孔が設けられ、
前記スパイラル状の溝を流れる前記流体は前記貫通孔を通じて外部に流出もしくは外部から流入する構成とされていることを特徴とする表面プラズモンセンサ。 - 請求項3記載の表面プラズモンセンサにおいて、
前記金属薄膜に前記開口と前記スパイラル状の溝との組が複数組形成され、それら開口に対応して前記貫通孔が複数設けられ、
前記複数組のうちの各2組ずつの前記スパイラル状の溝が互いに連結されていることを特徴とする表面プラズモンセンサ。 - 請求項2記載の表面プラズモンセンサにおいて、
前記スパイラル状の溝が前記開口を介して互いに連通する二重のスパイラル状の溝とされ、
前記流体は外部から流入して一方のスパイラル状の溝を前記開口に向かって流れ、前記開口で折り返した後、他方のスパイラル状の溝を前記開口から遠ざかる向きに流れて外部に流出する構成とされていることを特徴とする表面プラズモンセンサ。 - 請求項5記載の表面プラズモンセンサにおいて、
前記金属薄膜に前記開口と前記二重のスパイラル状の溝との組が複数組形成され、
互いに隣接する一方の組の前記他方のスパイラル状の溝と、他方の組の前記一方のスパイラル状の溝とが連結されていることを特徴とする表面プラズモンセンサ。 - 請求項1乃至6記載のいずれかの表面プラズモンセンサにおいて、
前記スパイラル状の溝の表面に分子認識層が設けられていることを特徴とする表面プラズモンセンサ。 - 請求項1乃至6記載のいずれかの表面プラズモンセンサにおいて、
前記誘電体基板の、前記金属薄膜と反対面に特定の波長の光のみを透過させるフィルタが設けられていることを特徴とする表面プラズモンセンサ。 - 請求項1乃至6記載のいずれかの表面プラズモンセンサにおいて、
前記スパイラル状の溝を蓋するように前記金属薄膜の上面に光学的に透明な蓋が設けられていることを特徴とする表面プラズモンセンサ。
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