JP5633510B2 - プラズモンセンサとその製造方法、およびプラズモンセンサに試料を挿入する方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ウィルス等の検知に使用できる表面プラズモン共鳴を利用したプラズモンセンサとその製造方法、およびプラズモンセンサに試料を挿入する方法に関する。

図２８は、例えば、ウィルス検知等に使用可能な特許文献１に開示されているプラズモンセンサ１００の断面図である。プラズモンセンサ１００は、プリズム１０１と、プリズム１０１の下面に配置された表面の平坦な金属層１０２と、金属層１０２の下面に配置された表面の平坦な所定の誘電率を有する絶縁層１０３と、絶縁層１０３の下面に固定されたリガンド１０４とを有している。

金属層１０２と絶縁層１０３との界面には、電子の疎密波である表面プラズモン波が存在している。プリズム１０１側上方には光源１０５が配置され、光源１０５からプリズム１０１へＰ偏光された光を全反射条件で入射する。このとき、金属層１０２と絶縁層１０３との表面にはエバネセント波が生じている。金属層１０２において全反射された光は、検波部１０６において受光され、光の強度が検出される。

ここで、エバネセント波と表面プラズモン波との波数が一致する波数整合条件が満たされると、光源１０５から供給される光のエネルギーは表面プラズモン波の励起に利用され、反射光の強度が減少する。波数整合条件は、光源からの供給される光の入射角に依存する。したがって、入射角を変化させて検波部１０６で反射光強度を検出すると、ある入射角において、反射光の強度が減少する。

反射光の強度が最小となる角度である共鳴角は、絶縁層１０３の誘電率に依存している。試料中の被測定物質であるアナライトとリガンド１０４とが特異的に結合して生成された特異的結合物が絶縁層１０３の下面に構成されると、絶縁層１０３の誘電率が変化し、これに応じて、共鳴角が変化する。したがって、共鳴角の変化をモニタリングすることにより、アナライトとリガンド１０４との特異的結合反応の結合の強さや結合の速さなどを検知することが可能となる。

プラズモンセンサ１００は、Ｐ偏光を供給できる光源１０５と金属層１０２の上面に配置されるプリズム１０１とを備えるので、サイズが大きく、複雑になる。

特開２００５−１８１２９６号公報

プラズモンセンサは、第１の金属層と、第１の金属層の下面に対向する上面を有する第２の金属層とを備える。第１の金属層の上面には電磁波が供給される。第１と第２の金属層との間には媒質を含有する試料で充填されるように構成された中空領域が設けられている。

このプラズモンセンサは小型で簡易な構造を有する。

図１は本発明の実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。 図２は実施の形態１におけるプラズモンセンサのリガンドとアナライトの特異的結合を示す概念図である。 図３Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。 図３Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。 図４Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサの電磁界シミュレーション解析モデルの概念図である。 図４Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサの電磁界シミュレーション解析モデルの概念図である。 図５は実施の形態１におけるプラズモンセンサの電磁気シミュレーションの解析結果を示す。 図６は実施の形態１におけるプラズモンセンサの電磁気シミュレーション解析モデルの概念図である。 図７は実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析の結果を示す。 図８は実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す。 図９Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す。 図９Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す。 図１０Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサの製造工程を示す断面図である。 図１０Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサの製造工程を示す断面図である。 図１０Ｃは実施の形態１におけるプラズモンセンサの製造工程を示す断面図である。 図１１Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサの分解斜視図である。 図１１Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。 図１２Ａは実施の形態１における他のプラズモンセンサの斜視図である。 図１２Ｂは図１２Ａに示すプラズモンセンサの断面図である。 図１３Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。 図１３Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。 図１４Ａは実施の形態１におけるプラズモンセンサの部分斜視図である。 図１４Ｂは実施の形態１におけるプラズモンセンサの部分斜視図である。 図１５は実施の形態１におけるプラズモンセンサの断面図である。 図１６は実施の形態１におけるさらに他のプラズモンセンサの斜視図である。 図１７は実施の形態１におけるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す。 図１８は本発明の実施の形態２におけるプラズモンセンサの断面図である。 図１９は本発明の実施の形態３におけるプラズモンセンサの斜視図である。 図２０Ａは実施の形態３におけるプラズモンセンサの側面図である。 図２０Ｂは実施の形態３におけるプラズモンセンサの上面図である。 図２１は実施の形態３における他のプラズモンセンサの側面図である。 図２２は実施の形態３におけるさらに他のプラズモンセンサの側面図である。 図２３は本発明の実施の形態４におけるプラズモンセンサの分解斜視図である。 図２４は実施の形態４におけるプラズモンセンサの使用方法を説明する側面図である。 図２５は本発明の実施の形態５におけるプラズモンセンサの概念図である。 図２６は本発明の実施の形態６におけるプラズモンセンサ１００６の断面図である。 図２７は実施の形態６におけるプラズモンセンサの解析モデルの電磁界シミュレーションの解析結果を示す。 図２８は従来のプラズモンセンサの断面図である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１おけるプラズモンセンサ１の断面図である。プラズモンセンサ１は、金属層２と、中空領域４を介して金属層２に対向して金属層２の下方に配置された金属層３とを有する。金属層２、３は金、銀等の金属で構成される。中空領域４にはプラズモンセンサ１を使用する際に試料６２を充填することができ、実質的に金属層２、３で挟まれている。試料６２は、アナライト８と検体９と媒質６１とを含有する。媒質６１は気体または液体、ゲル等の流体よりなり、アナライト８と検体９とを運ぶ。

金属層２は概ね１００ｎｍ以下の厚みを有するので単体ではその形状を維持できない。金属層２の上面２Ａは保持部５の下面５Ｂに固定され、その形状が保持される。金属層３は保持部６の上面６Ａに固定されて保持される。

金属層２の上面２Ａから電磁波９１が入射する。電磁波９１が可視光である場合には、金属層２が金よりなる場合に３５ｎｍ〜４５ｎｍの範囲内の膜厚を有することが望ましい。この範囲外の膜厚では、表面プラズモン共鳴による電磁波９１の反射吸収量が少なくなる。

金属層３が金よりなる場合に、１００ｎｍ以上の膜厚を有することが望ましい。１００ｎｍ未満の膜厚では入射された電磁波９１（可視光）は金属層３を透過し、表面プラズモン共鳴による電磁波９１の反射吸収量が小さくなる。

金属層２、３間の距離が一定に維持されるように、プラズモンセンサ１は金属層２、３を保持する柱または壁を有していてもよい。この構造により、プラズモンセンサ１は中空領域４を実現することができる。

金属層２の上面２Ａの上方、すなわち、金属層２について金属層３の反対の方向には電磁波源９２が配置されている。電磁波源９２は金属層２の上面２Ａ上方から金属層２へ電磁波９１を与える。

以下、プラズモンセンサ１の動作について説明する。実施の形態１においては、電磁波９１は光であり、電磁波源９２は光源である。光源である電磁波源９２は、偏光板等の光の偏波を揃える装置を備えていない。図２８に示す従来のプラズモンセンサ１００と異なり、本発明のプラズモンセンサ１は、Ｐ偏光された光だけでなくＳ偏光された光でも表面プラズモン共鳴を励起させることが可能となる。

金属層２の上方から上面２Ａに与えられた電磁波９１は金属層２を透過して中空領域４に供給されて金属層３の上面３Ａに到達する。電磁波９１により金属層２の中空領域４の側である下面２Ｂに表面プラズモンが発生し、金属層３の中空領域４の側である上面３Ａに表面プラズモンが発生する。中空領域４に供給された電磁波９１の波数と金属層２の下面２Ｂに発生する表面プラズモンの波数とが一致した場合には、金属層２の下面２Ｂに表面プラズモン共鳴が励起される。電磁波９１と金属層３の上面３Ａに発生する表面プラズモンの波数とが一致した場合には、金属層３の上面３Ａに表面プラズモン共鳴が励起される。

表面プラズモン共鳴を発生させる周波数は、金属層２の形状の主に厚み、金属層３の形状の主に厚み、金属層２、３間の距離、金属層２の誘電率、金属層３の誘電率、金属層２、３間での媒質６１の誘電率と、媒質６１の誘電率の分布の少なくとも１つを調整することにより制御可能である。

金属層２の上面２Ａの上方には光等の電磁波９３を検知する検知部９４が配置される。電磁波源９２から与えられた電磁波９１をプラズモンセンサ１が受けた時にプラズモンセンサ１から反射又は輻射された光等の電磁波９３を受信する。

実施の形態１において、金属層２の厚みは概ね１００ｎｍ以下である。金属層２が１００ｎｍより厚い場合、電磁波（光）の中の表面プラズモン共鳴の生じる波長成分が、金属層２を透過しなくなるので、金属層２の下面２Ｂや金属層３の上面３Ａで表面プラズモン共鳴が励起されない。

金属層２は概ね１００ｎｍ以下の厚みを有するので、それ単体では形状を維持できない。保持部５は金属層２の上面２Ａに固定され、金属層２の形状を保持す。保持部５は電磁波９１を金属層２へ効率良く供給させる必要があるので、電磁波９１を減衰させにくい材質で形成される。実施の形態１においては電磁波９１は光なので、光を効率的に透過させるガラスや透明プラスチック等の透明な材料で形成される。保持部５の厚みは機械強度的に許容できる範囲で、できるだけ小さい方が好ましい。

金属層３は概ね１００ｎｍ以上の厚みを有する。金属層３の厚みが１００ｎｍ未満の場合、金属層２を通過して中空領域４に供給された電磁波の一部が、金属層３を通過して中空領域４の外側へ漏れ出す場合がある。すなわち、本来、表面プラズモン共鳴の励起に利用されるべき電磁波のエネルギーの一部が中空領域４の外へ漏れ出るので、プラズモンセンサ１の感度が低くなる。したがって、金属層２を金属層３よりも薄くすることで、プラズモンセンサ１の感度を高くすることができる。

このような構造により、電磁波源９２から供給される光である電磁波９１を中空領域４に閉じ込めて表面プラズモン共鳴を励起することができると共に、表面プラズモンと電磁波９１が結合することで表面プラズモンポラリトンが励起され、それにより供給された電磁波９１が吸収され、その周波数の成分だけ電磁波９３として輻射されず、その成分の他の成分が電磁波９３として輻射される。

金属層３の下面３Ｂは保持部６の上面６Ａに固定され、その形状を保持される。

プラズモンセンサ１の感度を高くするためには、供給される光等の電磁波９１を金属層３に透過させないことが好ましい。したがって、保持部６は光等の電磁波９１を遮断する材料より形成されることが好ましい。例えば、保持部６は１００ｎｍ以上の厚みを有する金属や半導体より形成される。

保持部６の厚みは保持部５の厚みよりも大きいことが好ましい。これにより、プラズモンセンサ１自体の機械的強度を向上させることができ、プラズモンセンサ１の使用時に形状変形等が生じ、センシング特性が変化してしまうことを防止できる。

プラズモンセンサ１においては、金属層２の中空領域４の側である下面２Ｂに複数のリガンド７が配置されている。金属層３の中空領域４の側である上面３Ａにリガンド７と同様のリガンド７７が配置されていてもよい。もしくは、プラズモンセンサ１では、金属層２の下面２Ｂにリガンド７が配置されておらず、金属層２、３の下面２Ｂと上面３Ａのうちの金属層３の上面３Ａのみにリガンド７７が配置されていてもよい。

アナライト８を含有する試料６２がリガンド７に触れると、リガンド７とアナライト８とが特異的に結合する。図２はリガンド７とアナライト８の特異的結合を示す概念図である。試料６２は非特異的検体である検体９と検体であるアナライト８とを含有している。抗体であるリガンド７は非特異的検体９とは特異的に結合せず、アナライト８のみと選択的に特異的結合を起こす。

図３Ａと図３Ｂはプラズモンセンサ１の動作を示す断面図である。図３Ａに示すように、真空または空気が充填された中空領域４に、検体９とアナライト８とを含有する試料６２が充填されると、中空領域４の状態、特に誘電率が変化する。これにより、プラズモンセンサ１の表面プラズモン共鳴が発生する周波数である共鳴周波数が変化する。

次に、図３Ｂに示すように、金属層２の下面２Ｂに配置されたリガンド７とアナライト８とが特異的に結合すると、金属層２の下面２Ｂの近傍の有機物の厚み及び比誘電率が変化するので、金属層２、３間の媒質６１の誘電率、及び、誘電率の分布が変化する。このように、プラズモンセンサ１の共鳴周波数がリガンド７とアナライト８との特異的結合の進行と共に変化する。したがって、共鳴周波数の変化を検知することにより、リガンド７とアナライト８との特異的結合の状態、具体的には、特異的結合の強さ、結合スピード等を検知することができる。

リガンド７とアナライト８との特異的結合によりプラズモンセンサ１の表面プラズモン共鳴を発生させる周波数の変化について、以下、電磁界シミュレーションを用いて説明する。図４Ａと図４Ｂはそれぞれプラズモンセンサ１の電磁界シミュレーションの解析モデル５０１、５０２の概念図である。

図４Ａに示す解析モデル５０１では、金属層２は銀により構成されて３０ｎｍの厚みを有する。金属層３は銀により構成されると共に１３０ｎｍの厚みを有する。金属層２、３間の距離が１６０ｎｍであり、中空領域４には比誘電率が１の空気が充填されている。金属層２の上面２Ａの上方と金属層３の下面３Ｂの下方は空気で充填されている。解析モデル５０１では、金属層２、３と中空領域４が無限に続いている。

図４Ｂに示す解析モデル５０２では、図４Ａに示す解析モデル５０１での金属層２の下面２Ｂにアナライト８が配置されている。アナライト８の厚みは１０ｎｍであり、比誘電率は３．０である。アナライト８と金属層３の上面３Ａとの間の距離は１５０ｎｍであり、中空領域４には比誘電率が１．０の空気が充填されている。金属層２の上面２Ａの上方と金属層３の下面３Ｂの下方は空気で充填されている。解析モデル５０２では、金属層２、３と中空領域４が無限に続いている。

金属層２、３を構成する銀の誘電関数は「Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｓ」（Ｐａｌｉｋ，Ｅｄｗａｒｄ Ｄ． ｉｎ １９９８）に記載された屈折率の実験データを変換して作成できる。図４Ａと図４Ｂに示す解析モデル５０１、５０２においては、簡易にシミュレーション解析を行うために、リガンド７をモデル化していない。

解析モデル５０１、５０２の金属層２の上面２Ａの法線方向５０１Ｎに対して４５度の仰角ＡＮから電磁波５９１を与え、−４５度の仰角ＢＮで金属層２の上面２Ａから輻射される電磁波５９３を検知することにより電磁界シミュレーション解析を行った。

図５は電磁界シミュレーションの結果を示す。図５において、横軸は電磁波５９１の波長を示し、縦軸は電磁波５９３の電力の電磁波５９１の電力に対する比である反射率を示す。図５は解析モデル５０１、５０２のそれぞれの反射率Ｒ５０１、Ｒ５０２を示す。

図５に示すように、反射率Ｒ５０１の値は電磁波５９１の波長が３４０ｎｍ付近で急激に局所的に小さくなる。反射率が小さくなる電磁波の波長である共鳴波長Ｌ５０１付近では、中空領域４に供給された電磁波の波数と金属層２の下面２Ｂに発生する表面プラズモンの波数とが一致しており、金属層２の下面２Ｂには表面プラズモン共鳴が励起さていれる。同様に、共鳴波長Ｌ５０１付近で、中空領域４に供給された電磁波５９１の波数と金属層３の上面３Ａに発生する表面プラズモンの波数とが一致するので、金属層３の上面３Ａには表面プラズモン共鳴が励起されている。

また、図５に示すように、図４Ｂに示す解析モデル５０２の反射率Ｒ５０２の値が局所的に小さくなる共鳴波長Ｌ５０２は解析モデル５０１の共鳴波長Ｌ５０１より約７０ｎｍ長い。図４Ｂに示す解析モデル５０２の金属層２の下面２Ｂに付加されたアナライト８の比誘電率の値により、金属層２の下面２Ｂで励起される表面プラズモン共鳴を発生させる共鳴周波数が低くなるように変化し、結果、共鳴波長が約７０ｎｍ長くなっている。

このように、図５に示すシミュレーション解析の結果は、金属層２の下面２Ｂで表面プラズモン共鳴が励起されることを示す。また、金属層２の下面２Ｂ近傍の媒質の状態の変化は、共鳴周波数（共鳴波長）の変化を測定することで検知可能である。

プラズモンセンサ１においては、共鳴周波数の変化だけでなく、反射率の変化も検知し、これら２つの指標を同時に使用して金属層２の下面２Ｂ近傍の媒質の状態の変化を検出でき、高い検出能力を発揮する事が可能である。中空領域４の媒質の状態とは、中空領域４の一部又は全部に充填されている物質の状態、例えばその物質自体の組成や、物質の中空領域４での分布を指している。

プラズモンセンサ１において、アナライト８を含有する試料６２の媒質６１は気体でも液体でもよいが、気体の媒質６１を含む気体の試料６２は中空領域４へ容易に挿入できる。気体の試料６２は圧縮されて中空領域４へ挿入しても良い。これにより、試料６２でのアナライト８の濃度を増すことができ、リガンド７とアナライト８との特異的結合を高速化させることが可能となり、プラズモンセンサ１の感度を高くすることができる。

プラズモンセンサ１を冷蔵庫等の食料品の保管庫内に設置し、食料品の状態管理に利用しても良い。例えば、食料品の腐敗を自動検知し、管理者へ通知するシステムにプラズモンセンサ１を適用できる。具体的には、保管庫に設置されたプラズモンセンサ１の金属層２の上面２Ａの上方から金属層２へ発光ダイオード等の発光素子よりなる電磁波源９２から電磁波９１である光を常時又は一定間隔で供給する。プラズモンセンサ１から輻射された電磁波９３である光をフォトダイオード等の受光素子よりなる検知部９４で検知し、反射率を算出して監視する。反射率の値が所定範囲外となった時点で、このシステムが自動的に使用者へ通知する事で、使用者は、食料品の状態変化を直接的に逐次確認する事も無く、把握する事が可能となる。この場合も、保管庫内の気体を圧縮して中空領域４へ挿入する事により、プラズモンセンサ１の感度を高くすることができる。

また、人の吐いた息を中空領域４に注入することでプラズモンセンサ１を肺がんセンサとして利用できる。更に、加湿機や空気清浄機、更にはエアコンの空気吸引口付近にプラズモンセンサ１を配置し、室内のウィルスチェックに利用してもよい。尚、この場合、吸引した空気を加湿用に用意した水分の一部、もしくは除湿して吸い込んだ水分の一部に流し込み、その後、プラズモンセンサ１の中空領域４にその水分と共に注入しても、同様の効果を得る事ができる。他にも、洗濯機の浴槽のカビをチェックするために、浴槽内にプラズモンセンサ１を配置してもよい。

図１に示すプラズモンセンサ１では、リガンド７が金属層２の下面２Ｂに配置されている。実施の形態１におけるプラズモンセンサ１はリガンド７（７７）を備える必要はない。リガンド７が金属層２の下面２Ｂまたは金属層３の上面３Ａに配置されていないプラズモンセンサ１の中空領域４に任意の気体を挿入し、共鳴周波数の変化、共鳴波長の変化、または共鳴周波数の絶対値を測定することで検知したい気体の有無を検知することができる。これにより、リガンド７（７７）を金属層２、３の表面に配置する工程を削除する事ができ、プラズモンセンサの製造効率の向上を図ることが可能となる。

検知したい気体と化学反応する物質をリガンド７（７７）の代わりに金属層２の下面２Ｂまたは金属層３の上面３Ａに配置してもよい。このプラズモンセンサでは、金属層２の下面２Ｂまたは金属層３の上面３Ａでの化学的変化を共鳴周波数の変化や共鳴波長の変化により検知することができる。

図６は、プラズモンセンサ１の他の電磁気シミュレーションモデル５０３の概念図である。図６において、図４Ａと図４Ｂに示す解析モデル５０１、５０２と同じ部分には同じ参照番号を付す。モデル５０３では、リガンド７は金属層２の下面２Ｂには配置されておらず、金属層３の上面３Ａにリガンド７７が配置されている。

図６に示す解析モデル５０３では、金属層３の上面３Ａに配置されたアナライト８は厚み１０ｎｍ、比誘電率３．０を有する。中空領域４の厚みは１５０ｎｍであり、比誘電率１．０を有する。

解析モデル５０３の金属層２の上面２Ａの法線方向５０１Ｎに対して４５度の仰角ＡＮから電磁波５９１を与え、−４５度の仰角で金属層２の上面２Ａから輻射される電磁波５９３を検知することにより電磁界シミュレーション解析を行った。

図７に図４Ａと図６に示す解析モデル５０１、５０３の電磁界シミュレーションの解析結果を示す。図７において、横軸は電磁波５９１の波長を示し、縦軸は電磁波５９３の電力の電磁波５９１の電力に対する比である反射率を示す。図５は解析モデル５０１、５０３のそれぞれの反射率Ｒ５０１、Ｒ５０３を示す。

図７に示すように、金属層３の上面３Ａにアナライト８が付着した場合にも共鳴波長の変化が生じている。このことは、金属層３の上面３Ａにおいても、表面プラズモン共鳴が発生していることを示している。したがって、リガンド７は金属層２の下面２Ｂには配置されておらず、金属層３の上面３Ａにリガンド７７が配置されていてもよく、プラズモンセンサ１の設計自由度を向上させることができる。

プラズモンセンサ１は、金属層２の下面２Ｂに配置されたリガンド７と、金属層３の上面３Ａに配置されたリガンド７７とを備えていてもよい。これにより、金属層２の下面２Ｂと金属層３の上面３Ａとで発生している表面プラズモン共鳴を共に利用し、より感度の高いプラズモンセンサ１を実現することが可能となる。

図８は、図４Ａに示す解析モデル５０１における中空領域４の比誘電率が２．０である解析モデル５０４と、解析モデル５０１の解析結果を示す。図８において、横軸は電磁波５９１の波長を示し、縦軸は電磁波５９３の電力の電磁波５９１の電力に対する比である反射率を示す。解析モデル５０４は反射率Ｒ５０４を有する。

図５および図７、図８に示すように、中空領域４が真空や空気の場合であっても、すなわち高い誘電率を有する固体の誘電体で充填されていない場合であっても、表面プラズモン共鳴が発生する。

プラズモンセンサ１は、金属層２、３間に設けられた中空領域４は固体の誘電体で充填されていない。これにより、アナライト８を含む試料６２を中空領域４に注入することでリガンド７（７７）とアナライト８とを接触させることが可能となる。

また、図８に示すように、中空領域４の媒質６１を空気または真空として比誘電率を低く設定すると、表面プラズモン共鳴の共鳴波長を短くすることができる。すなわち、同一の共鳴周波数を得るためには、中空領域４を空気または真空で充填したセンサ１は、任意の誘電体を充填した中空領域を有するプラズモンセンサと比較して、金属層２、３間の間隔を大きくすることが可能となる。

故に、本願のプラズモンセンサ１のように、中空領域４を比誘電率が概ね１となる空気または真空、若しくは比誘電率の小さな気体で充填することにより、固体の誘電体等を金属層２、３間に充填するプラズモンセンサと比較して、金属層２、３間の間隔を広げることが可能となる。したがって、中空領域４の厚みを大きくすることができるので、アナライト８を含有する試料６２を中空領域４に容易に挿入することができる。

また、共鳴周波数において、金属層２、３間の電磁界強度が高次モードで分布していてもよい。すなわち、金属層２、３間に発生する電磁界強度が複数の箇所で局所的に大きくなっていても。図４Ａに示す解析モデル５０１での中空領域４の厚みを１０μｍに設定した解析モデル５０５の電磁界シミュレーション結果を図９Ａと図９Ｂに示す。

図９Ａに示すモデルの共鳴波長は２８８３ｎｍであり、図９Ａは中空領域４の電界強度の分布を表わしている。図９Ａにおいては、説明のために、中空領域４のすべての領域における電界分布は示しておらず、一部の領域９５での電界分布のみを表わしている。

図９Ａにおいて、金属層２、３間に存在する電界強度は、金属層２から金属層３に向かう位置で周期的に局所的な変化を繰り返しており、金属層２、３の近傍の領域では電界強度は小さい。図９Ａでは、金属層２、３間の複数すなわち５つの領域で電界強度が局所的に大きく、基本モードより高い高次モードで電磁界強度が分布している。

金属層２、３間の電磁界強度が高次モードで分布することにより、金属層２、３の間隔を広げることができ、アナライト８が含有されている試料６２を中空領域４に容易に挿入することができる。

図９Ａに示す解析モデル５０５では中空領域４の比誘電率は１である。解析モデル５０５と、解析モデル５０５の中空領域の比誘電率が１．２である解析モデル５０６の電磁界シミュレーションの結果である反射率Ｒ５０５、Ｒ５０６を図９Ｂに示す。

図９Ｂに示すように、解析モデル５０５、５０６共に多数の共鳴波長で表面プラズモン共鳴が発生している。また、中空領域４の媒質の状態すなわち比誘電率を変えることで共鳴波長が変化する。

このように、中空領域４を厚くした場合に、金属層２、３間に高次モードの電磁界強度分布が発生し、表面プラズモン共鳴が高次の周波数で発生する。

プラズモンセンサ１は、高次モードの周波数で発生する表面プラズモン共鳴を利用して、中空領域４の媒質６１の状態の時間的変化を検知することもできる。これにより、金属層２、３間の間隔を広げられるので、アナライト８が含有された試料６２を中空領域４に挿入することが容易となる。

次に、プラズモンセンサ１において高次モードの次数を導出する方法を説明する。

アナライト８が含まれていない屈折率ｎの試料６２が中空領域４に配置される前の金属層２、３間の電磁界強度がｍ次モードで分布すると、１以上の整数ａを用いて式１が成り立つ。

（１／２）×λ×ｍ＝（１／２）×（λ／ｎ）×（ｍ＋ａ）…（式１）
式１において、λは、中空領域４に媒質６１が配置される前において、金属層２の上面２Ａの上方から供給される電磁波９１の中空領域４での波長である。

式１の左辺は、媒質６１が中空領域４に配置される前での金属層２、３との距離を示す。つまり、媒質６１が中空領域４に配置される前では、金属層２、３間にｍ次モードの電磁界強度分布が発生するので、金属層２、３間の距離は式１の左辺で表わされる。

式１の右辺は、媒質６１が中空領域４に配置された後での金属層２、３間の距離を示す。つまり、屈折率ｎを有する媒質６１が中空領域４に配置されると、電磁波９１の中空領域４での波長λが１／ｎに短縮される。したがって、金属層２、３間には媒質６１が配置される前と比較して、より多くの電磁界強度の腹と節が発生する。この時の電磁界強度分布が（ｍ＋ａ）次モードである場合に、金属層２、３間の距離は式１の右辺で表される。式１の左辺と右辺は共に金属層２、３間の距離を表すので等しい。整数ａは、金属層２、３間において媒質６１（アナライト８の含まれていない試料６２）の有無で変化する電磁界強度分布のモードの次数の差を表わしている。

式１から高次モードの次数ｍと屈折率ｎと整数ａは式２を満たす。

ｍ＝ａ／（ｎ−１）…（式２）
プラズモンセンサ１の共鳴波長の変化は使用者の目により検知する、すなわちプラズモンセンサ１からの反射光の色により共鳴波長の変化を検知することができる。試料６２がアナライト８を含有するか否かを判定するためには、アナライト８を含有しない試料６２である媒質６１のみが中空領域４に配置された場合にはプラズモンセンサ１からの反射光の色は変化せず、アナライト８を含有する試料６２が中空領域４に配置された場合のみに反射光の色が変化する必要がある。すなわち、アナライト８を含有しない試料６２つまり媒質６１が中空領域４に配置されるか否かでプラズモンセンサ１からの反射光の色が変化することを防止する必要がある。

例えば、アナライト８の含まれていない試料６２すなわち媒質６１が水である場合の次数ｍを以下のように求める。水の屈折率ｎは１．３３３４である。整数ａを１と設定すると式２よりｍ＝２．９９９４≒３となる。

可視光帯とは人間の目で見える光の波長帯であり、３８０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の範囲である。ここで、例えば、可視光帯である青色の４５０〜４９５ｎｍの波長帯内の周波数ｆｂで、プラズモンセンサ１に表面プラズモン共鳴を起こさせるようにプラズモンセンサ１を設計する。

中空領域４に水が配置されていない状態すなわち空気が配置されている状態において、中空領域４に周波数ｆｂで３次モード（上記の計算結果がｍ≒３であったため）の電磁界分布が発生するように、金属層２、３間の距離を決定する。プラズモンセンサ１は、概ね、周波数ｆｂで表面プラズモン共鳴が発生する。可視光帯全域の周波数成分を含む白色光が金属層２の上面２Ａに入射すると、上面２Ａで反射して上方へ放射される反射光は、入射した白色光の内、青色の光が特に減衰する。次に、アナライトの含まれていない試料６２すなわち媒質６１の水のみを中空領域４に配置した時、金属層２、３間には、周波数ｆｂにおいて概ね４次モード（ｍ＋ａ＝２．９９９４＋１≒４）の電磁界分布が発生する。つまり、アナライト８の含まれていない試料６２（媒質６１）を中空領域４に配置しても、プラズモンセンサ１は周波数ｆｂで表面プラズモン共鳴を生じるので、金属層２の上方へ向けて反射される光の色は概ね変化しない。これにより、アナライト８の含まれていない試料６２（媒質６１のみ）が中空領域４に配置されるか否かで、プラズモンセンサ１の共鳴波長が大きくずれる事を防止できる。

尚、上記の条件において、ｍは３に近似しているが、導出されるｍが整数となることは稀であるので、導出されたｍの値を四捨五入して得られた整数値を整数ｍとして設定する。

また、アナライト８の含まれていない試料６２すなわち媒質６１が中空領域４に配置されていない状態から、媒質６１のみが中空領域４に配置された状態へ変化させた時、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、波長帯Ａ（３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下）、波長帯Ｂ（４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下）、波長帯Ｃ（４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下）、波長帯Ｄ（５７０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下）、波長帯Ｅ（５９０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下）、波長帯Ｆ（６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下）のいずれかの所定の波長帯内でのみ変化するように、金属層２、３間の距離を設計してもよい。具体的には、上記と同様に、金属層２、３間に発生する電磁界分布モードの次数を設定する。

波長帯Ａ（３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下）は可視光帯の紫色に相当する波長帯であり、波長帯Ｂ（４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下）は可視光帯の青色に相当する波長帯であり、波長帯Ｃ（４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下）は可視光帯の緑色に相当する波長帯であり、波長帯Ｄ（５７０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下）は可視光帯の黄色に相当する波長帯であり、波長帯Ｅ（５９０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下）は可視光帯の橙色に相当する波長帯であり、波長帯Ｆ（６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下）は可視光帯の赤色に相当する波長帯である。これらの波長帯のうちの１つの波長帯内で反射光の波長が変化することで、使用者は故に、アナライト８の含まれていない試料６２の有無により、プラズモンセンサ１からの反射光の色が大きく変化する事を防止することができ、人の視覚により簡易にアナライト８の有無のみを検知でき抗原抗体反応を検知できるプラズモンセンサ１を実現できる。

尚、金属層２、３間の概ねすべての領域（リガンド７が設けられていない領域も含む）で中空領域４が設けられてもよい。また、金属層２、３の間で金属層２、３を支える柱や壁以外の領域（リガンド７が設けられていない領域を含む）に中空領域４が設けられていてもよい。また、金属層２の下面２Ｂと金属層３の上面３Ａに腐食防止用コーティング層が塗布されていてもよい。その場合には、金属層２、３間の腐食防止用コーティング層以外の領域（腐食防止用コーティング剤の金属層２または金属層３と接していない表面に配置されたリガンド７の領域は含まない）に中空領域４を設けてもよい。試料６２を挿入可能な領域が中空領域４であり、中空領域４が金属層２、３間の一部領域に確保されている。

金属層２、３間の間隔Ｌは、表面プラズモン共鳴の生ずる周波数Ｆにより以下の式３で表される。

Ｌ＝Ｎ×Ｃ／（２×Ｆ）×ｃｏｓθ…（式３）
式３において、ＮはＮ＞０の整数であり、Ｃは金属層２、３間における実効的な光速であり、θは中空領域４において、金属層２、３の面２Ｂ，３Ａに垂直な法線に対する電磁波の入射角度である。

なお、式３は金属層２、３の複素屈折率を考慮していないので、誤差を含む。

金属層２、３間に中空領域４以外の媒質（例えば、上記の柱や壁等）が存在する場合には、式３のＣの値は、これらの媒質を考慮した値となる。

金属層２を透過して中空領域４に侵入した電磁波は金属層３の上面３Ａで反射され、図９Ａに示すように中空領域４中に電磁界の強度の定在分布が発生している。中空領域４に発生する定在分布した電磁界の一部をエネルギー源として、表面プラズモン共鳴が発生している。

尚、中空領域４の媒質６１の状態を時間的に変化させることにより、共鳴波長が、可視光帯以外の波長帯である不可視光帯から可視光帯へ変化、又は、可視光帯から不可視光帯へ変化するように、プラズモンセンサ１が設計されてもよい。

例えば、リガンド７とアナライト８との特異的結合により中空領域４の媒質の状態が変化し、共鳴波長が不可視光帯から可視光帯へ変化すると、人の目で検知できる可視光帯の光の色の一部が表面プラズモン共鳴によりプラズモンセンサ１から反射または輻射されにくくなる。この結果、リガンド７とアナライト８との特異的結合などを人の目により検知することが可能となり、複雑で大規模な装置を具備しない簡易なプラズモンセンサ１を実現できる。

尚、上記において、プラズモンセンサ１に供給する電磁波は、少なくとも可視光帯の一部の波長を含む。具体的には、白色光である太陽光や照明の光をプラズモンセンサ１に当てて、その反射波または輻射波を人間の視覚にて検知する構成が考えられる。これにより、リガンド７とアナライト８との特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。

尚、プラズモンセンサ１へ電磁波を供給する角度（例えば、金属層２への電磁波の入射角度）が変化すると共鳴波長も変化する。このため、プラズモンセンサ１を手で保持し、当該プラズモンセンサ１の金属層２側に太陽光を当てて、リガンド７とアナライト８との特異的結合を検知する場合には、特異的結合が起こる前の状態において、プラズモンセンサ１への電磁波の供給する角度を可能な範囲で変化させても、共鳴波長が不可視光帯の領域内に収まるように、又は、可視光帯の同一色の波長帯域内に収まるようにプラズモンセンサ１が設計されていてもよい。これによりプラズモンセンサ１への電磁波の供給角度を可能な範囲で変化させても、反射光の色が変化しないプラズモンセンサを実現できる。尚、特異的結合が起こる前の状態において、プラズモンセンサ１への電磁波の供給角度を可能な範囲で変化させても、共鳴波長が不可視光帯の領域内に収まるように、又は、可視光帯の同一色の波長帯域内に収まるようにプラズモンセンサ１を設計する為には、保持部５、６の材質や、金属層２、３の厚みや材質、金属層２、３間の距離等を調整する事により設計される。

尚、上記においては、プラズモンセンサ１の共鳴波長を不可視光帯から可視光帯へ変化、又は、可視光帯から不可視光帯へ変化させる。この変化が図２８に示す従来のプラズモンセンサ１００で起こるようにプラズモンセンサ１００を設計してもよい。具体的には、図２８に示したプリズム１０１を有する従来のプラズモンセンサ１００の共鳴波長を、リガンドとアナライトの特異的結合の前後で、不可視光帯から可視光帯へ変化、又は、可視光帯から不可視光帯へ変化させた構成としてもよい。また、局在プラズモンを用いたセンサに同様の思想を適用してもよい。これにより、リガンドとアナライトとの特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。

また、中空領域４での媒質６１の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、不可視光帯から４５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の領域へ変化、または、４５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の領域から不可視光帯へ変化するように、本発明に係るプラズモンセンサ１が設計されても良い。

ここで、４５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長の電磁波は、青色の光（波長：４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ未満）と緑色の光（波長：４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下）とで構成されており、６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の電磁波は、赤色の光に相当する。

人間の網膜の中心部に密に分布する錐体細胞は、赤の光を吸収する錐体と、緑の光を吸収する錐体と、青の光を吸収する錐体の３つの錐体により構成されている。このことから、人が感じる事ができる光は、赤、青、緑の三色のみとなる。

このように、人の目の感度が極めて高い青と緑と赤の光を利用することで、人の視覚を使って検知することが容易なプラズモンセンサを実現することが可能となる。

例えば、リガンド７とアナライト８との特異的結合により中空領域４の媒質状態が変化し、共鳴波長が不可視光帯から４５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の領域へ変化すると、人の視覚の最も感度の高い青色又は緑色又は赤色の内の１つの光の色が表面プラズモン共鳴によりプラズモンセンサ１から反射または輻射されにくくなる。この結果、リガンド７とアナライト８との特異的結合などを人の目により感度よく検知することが可能となる。

また、この場合も、プラズモンセンサ１へ電磁波を供給するときの供給角度（例えば、金属層２への電磁波の入射角度）が変化すると共鳴波長も変化する。このため、プラズモンセンサ１を手で保持し、当該プラズモンセンサ１の金属層２側に太陽光を当てて、リガンド７とアナライト８との特異的結合を検知する場合には、特異的結合が起こる前の状態において、プラズモンセンサ１への電磁波の供給角度を可能な範囲で変化させても、共鳴波長が不可視光帯の領域内に収まるように、又は、可視光帯の同一色の波長帯域内に収まるようにプラズモンセンサ１が設計されていてもよい。これによりプラズモンセンサ１への電磁波の供給角度を可能な範囲で変化させても、反射光の色が変化しないプラズモンセンサを実現できる。

尚、上記において、プラズモンセンサ１に供給する電磁波は、少なくとも青色、緑色、赤色の光の波長を含んだものとなっている。これにより、上記のとおり、リガンド７とアナライト８との特異的結合などを人の目により検知することが可能となる。

また、上記においては、プラズモンセンサ１の共鳴波長を不可視光帯から４５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の領域へ変化、または、４５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の領域から不可視光帯へ変化させる。この変化を従来のプラズモンセンサ１００に適用しても良い。具体的には、図２８に示すプリズム１０１を有する従来のプラズモンセンサ１００の共鳴波長を、リガンドとアナライトの特異的結合の前後で、不可視光帯から４５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の領域へ変化、または、４５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の領域から不可視光帯へ変化させた構成としてもよい。また、局在プラズモンを用いたセンサにこの変化を適用してもよい。これにより、リガンドとアナライトとの特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。

更に、中空領域４での媒質６１状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ未満の領域から４９５ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の領域へ変化するように、プラズモンセンサ１が設計されても良い。

波長が４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ未満の領域の電磁波は、可視光線（人間の目で見える波長の光）の中の青色の光が該当し、４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の領域の電磁波は、可視光線の中の緑色の光が該当する。

具体的な一例としては、プラズモンセンサ１の金属層２の上面２Ａの上方から、多数の可視光線が含まれた太陽光または照明光を投射した時に、当該プラズモンセンサ１からの反射光または輻射光を人の目で検知するものが想定される。当該プラズモンセンサ１の中空領域４の媒質変化前には、青の光に相当する４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ未満の波長で表面プラズモン共鳴が発生するため、多数の可視光線が含まれた太陽光または照明光から共鳴波長に相当する青の光のみが弱められた電磁波（光）が、プラズモンセンサ１から反射または輻射されることとなる。そして、そのような電磁波（光）を人は視認することとなる。

次に、プラズモンセンサ１の中空領域４の媒質６１の変化後には、緑の光に相当する４９５ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の波長で表面プラズモン共鳴が発生するため、多数の可視光線が含まれた太陽光または照明光から共鳴波長に相当する緑の光のみが弱められた電磁波（光）が、プラズモンセンサ１から反射または輻射されることとなる。そして、そのような電磁波（光）を人は視認することとなる。人の目は、青、緑の光に対して、高い感度を持っているため、中空領域４の媒質変化により、共鳴波長が青の光の領域から緑の領域の光へ変化した事を認知することが容易である。故に、受光部のような機器を用いず、人の視覚のみで検知可能なプラズモンセンサを実現できる。

尚、上記においては、電磁波として太陽光、照明光を用いた例を示したが、これに限る必要はなく、少なくとも青と緑の光を含んでいればよい。

更に、上記において用いた青と緑の光の波長領域が隣り合っているため、中空領域４の媒質変化による共鳴波長の変化量を小さくすることが可能であり、アナライト８等の比誘電率が低いものに対しても使用できるプラズモンセンサを実現することが可能となる。

尚、上記においては、本発明のプラズモンセンサ１の共鳴波長を４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ未満の領域から４９５ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の領域へ変化させた事例を示したが、この設計思想の適用範囲を本発明のプラズモンセンサ１のみに限る必要はなく、従来のプラズモンセンサ１００等に当該思想を適用しても良い。具体的には、図２８に示したプリズム１０１を有する従来のプラズモンセンサ１００の共鳴波長を、リガンドとアナライトの特異的結合の前後で、４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ未満の領域から４９５ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の領域へ変化させてもよい。また、局在プラズモンを用いたセンサに同様の思想を適用してもよい。これにより、リガンドとアナライトとの特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。

また、中空領域４の媒質６１の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、波長帯Ａ（３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下）、波長帯Ｂ（４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下）、波長帯Ｃ（４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下）、波長帯Ｄ（５７０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下）、波長帯Ｅ（５９０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下）、波長帯Ｆ（６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下）のうちのいずれかの波長帯から他の波長帯へ変化するように、本発明に係るプラズモンセンサ１が設計（具体的には、プラズモンセンサ１の金属層２と金属層３との間隔や、金属層２の厚みなどの設計）されても良い。中空領域４の媒質状態が時間的に変化した場合（具体的には、中空領域４においてリガンドとアナライトとが特異的結合をした場合）、特異的結合前には共鳴波長が波長帯Ａ〜Ｆの内の１つの帯域内にあったのが、特異的結合後には他の帯域内へ移動するため、リガンドとアナライトとの特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。

尚、上記においては、本発明のプラズモンセンサ１の共鳴波長を波長帯Ａ（３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下）、波長帯Ｂ（４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下）、波長帯Ｃ（４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下）、波長帯Ｄ（５７０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下）、波長帯Ｅ（５９０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下）、波長帯Ｆ（６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下）のいずれかの波長帯から他の波長帯へ変化させる。この変化を従来のプラズモンセンサ１００に適用しても良い。具体的には、図２８に示すプリズム１０１を有する従来のプラズモンセンサ１００の共鳴波長を、リガンドとアナライトの特異的結合の前後で、波長帯Ａ（３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下）、波長帯Ｂ（４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下）、波長帯Ｃ（４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下）、波長帯Ｄ（５７０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下）、波長帯Ｅ（５９０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下）、波長帯Ｆ（６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下）のいずれかの波長帯から他の波長帯へ変化させてもよい。また、局在プラズモンを用いたセンサに同様の変化を適用してもよい。これにより、リガンドとアナライトとの特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。

更に、中空領域４での媒質６１の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、不可視光帯から波長帯Ａ（３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下）、波長帯Ｂ（４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下）、波長帯Ｃ（４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下）、波長帯Ｄ（５７０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下）、波長帯Ｅ（５９０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下）、波長帯Ｆ（６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下）のいずれかの波長帯へ変化、または、波長帯Ａ、波長帯Ｂ、波長帯Ｃ、波長帯Ｄ、波長帯Ｅ、波長帯Ｆのいずれかの波長帯から不可視光帯へ変化する構成としてもよい。中空領域４での媒質６１の状態が時間的に変化した場合（具体的には、中空領域４においてリガンドとアナライトとが特異的結合をした場合）、変化の前後の少なくとも一方の状態においては、波長帯Ａ、波長帯Ｂ、波長帯Ｃ、波長帯Ｄ、波長帯Ｅ、波長帯Ｆのいずれかの波長帯の反射光（プラズモンセンサ１からの反射光）は表面プラズモン共鳴により減衰する。このため、リガンドとアナライトとの特異的結合などを、人の目により簡易に検知することが可能となる。

尚、上記においては、プラズモンセンサ１の共鳴波長を不可視光帯から波長帯Ａ、波長帯Ｂ、波長帯Ｃ、波長帯Ｄ、波長帯Ｅ、波長帯Ｆのいずれかの波長帯へ変化、または、波長帯Ａ、波長帯Ｂ、波長帯Ｃ、波長帯Ｄ、波長帯Ｅ、波長帯Ｆのいずれかの波長帯から不可視光帯へ変化させる。この設計思想の適用範囲をプラズモンセンサ１のみに限る必要はなく、従来のプラズモンセンサ１００に適用しても良い。具体的には、図２８に示すプリズム１０１を有する従来のプラズモンセンサ１００の共鳴波長を、リガンドとアナライトの特異的結合の前後で、不可視光帯から波長帯Ａ、波長帯Ｂ、波長帯Ｃ、波長帯Ｄ、波長帯Ｅ、波長帯Ｆのいずれかの波長帯へ変化する、または、波長帯Ａ、波長帯Ｂ、波長帯Ｃ、波長帯Ｄ、波長帯Ｅ、波長帯Ｆのいずれかの波長帯から不可視光帯へ変化させてもよい。また、局在プラズモンを用いたプラズモンセンサに上記の反射光の波長の変化を起こさせるようにそのセンサを設計してもよい。これにより、リガンド７とアナライト８との特異的結合を人の目により簡易に検知することが可能となる。

また、人が手で持ってプラズモンセンサを使用する場合、図２８に示す従来のプラズモンセンサでは、表面プラズモン共鳴が発生する部位すなわちリガンド１０４が配置された部位を人が手で触れてしまい、それにより共鳴周波数が変化する。しかし、実施の形態１におけるプラズモンセンサ１で、表面プラズモン共鳴が生じる部位が、金属層２の中空領域４に面する下面２Ｂと金属層３の中空領域４に面する上面３Ａであるので、直接手で触れることが困難であり、人が手で持って使用したとしても、共鳴周波数が変化しにくい。

尚、図３Ａと図３Ｂに示す金属層２の上面２Ａの周囲の媒質状態を変化させても、共鳴周波数が大きく変化しないことを、電磁界シミュレーションにより確認した。同様に、金属層３の下面３Ｂの周囲の媒質状態を変化させても、共鳴周波数が大きく変化しないことも、電磁界シミュレーションにより確認した。

次に、実施の形態１におけるプラズモンセンサ１の製造方法を説明する。図１０Ａから図１０Ｃはプラズモンセンサ１の製造方法を示す断面図である。

図１０Ａに示す保持部５の面５Ｂに、図１０Ｂに示すようにスパッタ工法や蒸着工法等により金属層２を形成する。金属層２の厚み、材質により共鳴周波数が変化するので、予め決定された所望の共鳴周波数に最適な金属の厚み、材質を選択する。また、表面プラズモン共鳴を発生させるためには、図１に示す金属層２の面２Ａの上方より供給される電磁波が金属層２を通過して中空領域４へ供給される必要があるので、それが可能となる金属層２の厚みと材質等、及び保持部５の厚みと材質等とが選択される。

次に、図１０Ｃに示すように、物理的手法または化学的手法により金属層２の面２Ｂにリガンド７を固定する。

また、図１０Ｂに示すように、スパッタ工法、蒸着工法等により保持部６の面６Ａに金属層３を形成する。その後、図１０Ｃに示すように、金属層３の面３Ａにリガンド７を固定する。

次に、プラズモンセンサ１の製造方法を説明する。図１１Ａと図１１Ｂはそれぞれプラズモンセンサ１の製造方法を説明する分解斜視図と断面図である。上記のプロセスにより形成された金属層２、３は、間隔保持部である壁１０により相互に一定距離を離間して保持される。

壁１０は、金属または誘電体等をエッチング工法等により加工したり、または、マスク後、蒸着工法等により形成したりすることで実現される。また、金属層２と壁１０との接着性、及び、金属層３と壁１０との接着性を向上させるため、金属層２、３と壁１０とを同じ材質にて実現しても良い。また、金属層２と壁１０との接着性、及び、金属層３と壁１０との接着性を向上させるため、金属層２と壁１０の間、及び、金属層３と壁１０の間に接着層を設けても良い。

図１２Ａと図１２Ｂはそれぞれ実施の形態１による他のプラズモンセンサ１００１の製造方法を説明する分解斜視図と断面図である。図１２Ａと図１２Ｂにおいて、図１１Ａと図１１Ｂに示すプラズモンセンサ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。プラズモンセンサ１００１は、壁１０の代わりに、間隔保持部である複数の柱１１を備える。金属層２、３は柱１１により相互に一定距離を離間して保持される。

柱１１は、金属または誘電体等をエッチング工法等により加工したり、または、マスク後、蒸着工法等により形成したりすることで実現される。また、金属層２と柱１１との接着性、及び、金属層３と柱１１との接着性を向上させるため、金属層２、３と柱１１とを同じ材質にて実現しても良い。また、金属層２と柱１１との接着性、及び、金属層３と柱１１との接着性を向上させるため、金属層２と柱１１の間、及び、金属層３と柱１１の間に接着層を設けても良い。

間隔保持部（壁１０、柱１１）は少なくとも２つの層により構成されてもよい。それらの層のうちの一方の層は金属層２、３のうち少なくとも一方の材質と同じであると共に、この一方の層の厚みは、他方の層の厚みよりも薄くする。間隔保持部が３つの層以上で構成される場合、一方の層以外の層のトータルの厚みが他方の層の厚みに相当する。このような設計によるメリットを、以下、説明する。

例えば、図１２Ｂに示す構造を実現する１つの工法を説明する。保持部５の下面５Ｂに柱１１が形成される部位のみ孔の空いたマスクを形成し、チタンを蒸着することにより柱１１のチタンよりなる層５１１を形成する。層５１１が上記の他方の層に該当する。次に、マスクを除去した後、保持部５の層５１１が形成されていない領域と、層５１１の少なくとも下面に金を蒸着する。これにより、層５１１の下面に柱１１の金よりなる層６１１が形成される。層６１１は金属層２と同じ材質よりなり、上記の一方の層に該当する。保持部５の下面５Ｂで柱１１の層５１１が形成されていない領域に形成された金の層が金属層２となる。柱１１のチタンの層５１１の厚さに比べて、柱１１の金の層６１１の厚さは、薄くなるように設計される。また、柱１１の層５１１に比べて柱１１の層６１１の導電率は高くなるように設計される。更に、柱１１の層６１１に比べて柱１１の層５１１の硬度は高くなるように設計される。

保持部６の上面６Ａに金を蒸着し、金よりなる金属層３を形成する。このように、金属層３は、金属層２及び柱１１の層６１１で用いられている金属と同じ金属よりなる。次に、柱１１の層６１１の下面と金属層３の上面３Ａとを接合する事により、金属層３へ柱１１を固定する。柱１１の層６１１と金属層３とは、同一の金属により実現されているので、相互に強固に接合されることとなり、プラズモンセンサ１００１の機械的強度を向上させることができる。更に、柱１１の大きな比率を占めている層５１１のチタンが、層６１１の金よりも硬度が高いので柱１１が強固となり、プラズモンセンサ１００１の機械的強度を向上させることができる。また、金属層２や金属層３及び柱１１の層６１１と比較して、柱１１の層５１１はそれほど高い導電率が必要ないので、導電率の高い比較的高価な柱１１の層６１１に比べて、層５１１には層６１１と比較して安価な金属を用いる事が出来る。層５１１が柱１１の大きな比率を占めていることから、安価なプラズモンセンサ１００１を実現する事ができる。更に、金属層２を蒸着にて形成するのと同時に柱１１の層６１１を形成する事が可能となるので、生産性を向上させることもできると共に、金属層３と同一の金属で柱１１の層６１１を形成する事が出来るので、柱１１と金属層３との接着性を向上させることもできる。

尚、保持部６の上面６Ａにチタンを蒸着してチタン層を形成した後、チタン層の上面に金を蒸着することで、金属層３を形成してもよい。ここでも、保持部６の上面６Ａに形成されたチタン層の厚さに比べて、チタン層の上面に形成された金の層の厚さは薄くなるように設計することで、安価なプラズモンセンサ１００１を実現する事が容易となる。尚、上記では、層５１１にチタンを用い、層６１１と金属層２、３に金を用いるが、層６１１と金属層２、３の金属の材質が同一である場合では、同様の効果を実現できる。

更に、上記は、図１２Ｂに示す柱１１の構成を、図１１Ｂに示す壁１０に適用しても良く、上記同様の有利な効果を得る事ができる。

金の蒸着により金属層２を形成した後、金属層２の下面２Ｂにリガンド７を固定してもよい。また、金の蒸着により金属層３を形成した後、金属層３の上面３Ａにリガンド７を固定してもよい。その後、柱１１の層６１１の下面と金属層３の上面３Ａとを接合する事でプラズモンセンサ１００１を実現してもよい。柱１１の端面に形成された金の層と、金属層２とを接合する場合には、接合面の汚れ（リガンド等）を事前に掃除することで、これら金の層を接合することができる。別の方法としては、リガンド７を金属層２または金属層３の面に固定する前に、柱１１の層６１１の下面と金属層３とを接合し、その後、毛細管現象によりリガンド７の含まれた液体を中空領域４に注入することで、金属層２または金属層３の表面にリガンド７を固定してもよい。

尚、間隔保持部である壁１０や柱１１の端部が、金属層２、３のうち少なくとも一方に挿入された状態で固定されることで、プラズモンセンサ１００１が実現されてもよい。図１２Ａに示すように、柱１１の上面（端部）または下面（端部）の少なくとも一方が、金属層２、３の少なくとも一方に差し込まれて固定される。図１２Ａでは、柱１１の上面が、金属層２に差し込まれている。柱１１の端部（上面）を金属層２に容易に差し込む為に、柱１１の端部を鋭利に尖らせてもよく、金属層２の下面２Ｂに柱１１の端部が差し込まれ易いような導入穴を設けておいてもよい。柱１１を金属層２に差し込むことで柱１１を金属層２へ固定することにより、柱１１の端部と金属層２とが接する領域に付着したリガンドを事前に取り除く作業が不要となる。例えば、柱１１の端部に形成された金の層と、金属層２の金の層とを接合する場合、接合面の汚れ（リガンド等）を事前に掃除しておかないと、両者の金の層が接合しにくい。これにより、製造工程を簡略化でき、安価なプラズモンセンサ１００１を実現できる。

また、壁１０又は柱１１の高さは、表面プラズモン共鳴を発生させたい共鳴周波数等を考慮して決定される。

更に、１つの壁１０からそれ以外の壁１０までの距離、または、ある１つの柱１１からそれ以外の柱１１までの距離は、共鳴波長よりも大きな値としてもよい。これにより、複数の壁１０または複数の柱１１の構造に起因して不要な表面プラズモン共鳴が励起され、プラズモンセンサ１００１の感度が劣化することを回避できる。

尚、壁１０と金属層２とが接合する面、及び、壁１０と金属層３とが接合する面には、リガンド７を固定しない構成としても良い。これにより、壁１０と金属層２との密着性と、壁１０と金属層３との密着性とを向上させることができる。

また、リガンド７は金属層２の一方側全面、及び、金属層３の一方側全面に固定されても良い。これにより、リガンド７が固定される領域、固定されない領域の２種類の領域を形成する必要がなくなり、製造効率が向上する。

更に、図１０Ａから図１０Ｃでは、リガンド７は金属層２、３の両方に固定されるが、金属層２、３の内の少なくとも一方に配置されていれば良い。一方のみにリガンド７を配置する構成とすれば、製造効率を向上させることが可能となる。

尚、金属層２、３にリガンド７を付着させる手法としては、例えば、まず金属層２、３の表面に自己組織化膜（ＳＡＭ）を形成し、その後、ＳＡＭにリガンド７を付着させる手法を採用しても良い。ＳＡＭはスルフィド基やチオール基をもつ有機物を採用する事が好ましい。この有機物をエタノール等の溶媒に溶かして溶液を作製する。その溶液中にＵＶオゾン洗浄を行った金属層２、３を数時間浸漬する。その後、金属層２、３をその溶液から取り出し、その溶液の作製時に用いた溶媒で洗浄し、純水洗浄を行う。以上で、金属層２、３の表面上にＳＡＭを形成できる。

続いて、中空領域４を作製した後に、ＳＡＭと同様にリガンドをエタノール等の溶媒に溶かしてリガンド溶液を作製する。このリガンド溶液を毛細管現象を利用して中空領域４に注入する。これにより、リガンド７は金属層２、３の表面上に共有結合したＳＡＭと共有結合し、リガンドを付着させることができる。

続いて、中空領域４に残った溶液を取り除くため、例えば、外部より熱を加えることで溶液を蒸発させる。もしくは、スピンコーターを使って、遠心力により内部の溶液を排出してもよい。スピンコーターを使う場合は、金属層２、３をリガンド溶液の溶媒で洗浄し、純水洗浄を行うことも可能なので、ＳＡＭと共有結合しなかったリガンドを洗い流すことが出来る。

尚、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａ、図１２Ｂにおいては、便宜上、リガンド７は記載していない。

更に、壁１０、柱１１は、金属層２、３と同じ材質で構成されてもよい。これにより、壁１０または柱１１と、金属層２、３との密着性を向上させることができる。

また、保持部５と金属層２との密着性、及び、保持部６と金属層３との密着性を向上させるために、保持部５と金属層２との間、及び、保持部６と金属層３との間にチタン等の両者の密着性を向上させる物質を配置しても良い。これにより、壁１０、柱１１が金属層２、３に圧着される際に、保持部５から金属層２が剥離したり、保持部６から金属層３が剥離することを防止する事ができる。

上記の具体的な工法を以下に示す。

（ステップ１）
例えばガラスからなる保持部５の下面５Ｂに壁１０もしくは柱１１を形成する為、電子ビーム蒸着（ＥＢ蒸着）を用いて第１膜を成膜する。このＥＢ蒸着を行う前に、保持部５の下面５Ｂの壁１０もしくは柱１１が形成される部分以外にはマスクを施しておき、プラズモン共鳴が発生ずる領域が第１膜で覆われないようにしておく。

第１膜は金（Ａｕ）とチタン（Ｔｉ）の２つの層からなる。第１膜は、保持部５の下面５Ｂにチタン層を形成した後、チタン層の表面に金層を形成することで形成できる。チタン層は、保持部５を構成するガラスと、壁１０もしくは柱１１を構成する金との密着力を高めるための密着層として用いる。

次に、マスクを除去した後、ＥＢ蒸着により保持部５及び第１膜の表面に金層を成膜する。これによりマスクを取り除いた領域に金属層２が形成される。尚、この際、壁１０や柱１１の表面にも金層が成膜されるが、壁１０や柱１１を構成する第１膜の表面も金層で覆われているので、金同士の金属接合となり、非常に高い密着性を持つことができる。

なお、第１膜成膜後、すぐ金属層２を成膜しない場合は、大気中のカーボンが第１膜表面を覆うので、金属層２の成膜の際に第１膜上方に形成される金層との密着性が弱まることもある。そのため、例えば、金属層２の成膜を行う前に、第１膜表面及び保持部５表面からプラズマ処理によりカーボンを取り除いてもよい。

一方、例えばガラスからなる保持部６の上面６Ａには、金属層３がＥＢ蒸着により成膜される。金属層３は第１膜と同様に金とチタンの２つの層からなり、保持部６の上面６Ａにチタン層を形成した後、チタン層の表面に金層を形成することで形成することができる。チタン層は、保持部６と金属層３を構成する金との密着力を高めるための密着層として用いる。チタン層は、保持部５を構成するガラスと、壁１０もしくは柱１１を形成する金との密着力を高めるための密着層として用いる。

以上より、壁１０もしくは柱１１を有する保持部５、６が完成する。

なお、壁１０もしくは柱１１を保持部６に形成する場合は、保持部５の下面５Ｂの金属層２は金の薄膜のみで形成した方がよい。密着層となるチタン層のチタンの導電率が金と比較して低いので、表面プラズモン共鳴時のロスとなる。このため、チタン層を形成しないことで、プラズモンセンサ１、１００１の感度向上を図ることもできる。柱１１と金属層２とを接合する際に金属層２の金の層が剥離する恐れがある。このため、壁１０もしくは柱１１は金属層２に蒸着等により形成した方が良い。金属層２の壁１０もしくは柱１１が形成される面では、表面プラズモン共鳴が起きにくいため、この面にはチタン層を形成し易い。

（ステップ２）
保持部５の壁１０もしくは柱１１の表面と、保持部６の金属層３の表面とは、金−金接合によって接合される。壁１０および柱１１の表面と金属層３の表面とは共に金なので、金属接合により非常に高い密着性で接合する。

なお、金−金接合前に、例えば、壁１０もしくは柱１１の表面及び金属層３の表面をプラズマ処理することで、壁１０もしくは柱１１と金属層３の表面を覆うカーボンを取り除くことが望ましい。

以上より、保持部５、６は、壁１０もしくは柱１１の表面と、金属層３の表面との金属接合を基に互いに固定保持され、図１１Ｂもしくは図１２Ｂに示す構造を実現できる。

図１０Ａから図１２Ｂに示す工法により製造されたプラズモンセンサ１、１００１を使用する上では、金属層２、３間の中空領域４の媒質の状態を変化させる必要がある。

中空領域４の媒質の状態を変化させるためには、アナライト等を含有した試料（気体または液体等）を中空領域４に挿入する必要がある。そのため、プラズモンセンサ１は図１１Ａに示す２つの試料挿入部１２を備えている。

一方の試料挿入部１２を介して中空領域４に試料を挿入するために、他方の試料挿入部１２から中空領域４の媒質を吸引しても良い。

また、試料を加熱して膨張させ、その膨張力を利用して、一方の試料挿入部１２から試料を挿入しても良い。

更に、圧電セラミック等を利用して実現した小型ポンプを利用して、一方の試料挿入部１２から試料を挿入しても良い。

また、試料が液体である場合には、重力の方向に対して金属層２、３の面２Ｂ、３Ａが直交しないように、プラズモンセンサ１を傾斜させた上で振動させることで、一方の試料挿入部１２から試料を挿入しても良い。

更に、試料、特にアナライトをイオン化させた上で、外部から磁界または電界をかけて、一方の試料挿入部１２から試料を挿入しても良い。

図１３Ａはプラズモンセンサ１に外部から電界を与えて使用する方法を示す断面図である。

下面２Ｂにリガンド７が配置された金属層２は保持部５に固定されている。金属層２と対向した位置に配置された金属層３の上面３Ａにはリガンド７が配置されると共に、金属層３は保持部６に固定されている。金属層２、３間には交流電源２１により交流電圧が印加される。

金属層２、３間の中空領域４には、アナライト８と非特異的結合検体９とを含む試料６２が充填される。少なくともアナライト８はマイナス側かプラス側にイオン化されている。

例えば、アナライト８がマイナス側にイオン化されており、金属層２にプラスの電圧、金属層３にマイナスの電圧が印加されているときには、アナライト８は金属層２に引き寄せられ、金属層２に固定されたリガンド７と特異的結合を起こし易くなる。

次に、交流電源２１から供給される交流電圧の極性が変化する期間、つまり、交流電圧の周期の半分の期間が経過すると、金属層２にマイナスの電圧、金属層３にプラスの電圧が印加され、アナライト８は金属層３に引き寄せられ、金属層３に固定されたリガンド７と特異的結合を起こし易くなる。これにより、金属層２、３に固定されたリガンド７と試料６２中のアナライト８とを、効率的に、結合させることができる。

尚、交流電源の周期は、金属層２、３間のアナライト８の移動可能速度を考慮して、設定される。

また、金属層２、３のどちらか一方のみにリガンド７が配置される場合には、直流電圧を金属層２、３間に印加してもよい。これにより、電源の構成を簡易化できる。

図１３Ｂはプラズモンセンサ１に外部から電界を与えて使用する他の方法を示す断面図である。図１３Ｂでは、電極２２が中空領域４に挿入されて固定されている。電極２２と金属層２との間に直流電源２３が接続され、電極２２と金属層３との間に直流電源２４が接続されている。

リガンド７がプラス側にイオン化されているので、マイナス側にイオン化されているアナライト８は、電極２２に対してマイナスの電圧が印加される金属層２、３に引き寄せられる。そして、リガンド７とアナライト８との特異的結合を効率的に行う事が可能となる。

尚、図１３Ａ、図１３Ｂでは、便宜上、壁１０および柱１１を記載していない。実際的には、金属層２、３を保持するための柱１１または壁１０は電極２２を保持していてもよい。

別の構成として、金属層２の下面２Ｂの周囲の領域である近傍領域５０２Ｂと、金属層３の上面３Ａの周囲の領域である近傍領域５０３Ａの内の少なくとも一方の領域にはリガンド７が配置される。金属層２、３とは壁１０、柱１１等の間隔保持部で相互に固定されていない分離された状態で、リガンド７とアナライト８とを接触させ、その後、金属層２、３とを間隔保持部により固定し、相互に所定の位置に配置した構成としても良い。このような手順を経てプラズモンセンサ１を実現することで、容易にリガンド７とアナライト８とを接触させることができる。

図１４Ａは、保持部６と金属層３と柱１１とが一体化された部材１３の斜視図である。図１４Ｂは、保持部５と金属層２とが一体化された部材１４の斜視図である。このように、プラズモンセンサ１では、最初、第１部材１３と第２部材１４とで分離された状態となっている。

まず、図１４Ａの金属層３の上面３Ａに配置されたリガンド７を、アナライト８が含有される試料と接触させる。また、図１４Ｂの金属層２の面２Ｂに配置されたリガンド７をアナライトが含有される試料と接触させる。

その後、図１４Ａに示す部材１３と、図１４Ｂに示す部材１４とを柱１１を介して固定し、図１２Ｂに示すプラズモンセンサ１００１を組み上げる。

その後、図１２Ｂの保持部５の上方に配置した光源より光を金属層２へ供給し、その反射光または輻射光を保持部５の上方に配置した受光部で受光し、受光された光の量の変化を測定することにより、リガンドとアナライトとの特異的結合の状態を検知する。

具体的には、リガンドとアナライトが特異的結合をすることにより、中空領域４での媒質変化（比誘電率の値の変化、及び、比誘電率の分布の変化）が生じると、共鳴周波数が変化するので、プラズモンセンサ１から反射又は輻射される光の量が変化する。故に、プラズモンセンサ１から反射又は輻射される光の量を測定することにより、リガンド７とアナライト８との特異的結合の状態を検知することができる。

以上の方法でプラズモンセンサ１を実現すれば、リガンド７とアナライト８の接触を容易に行う事ができる。

尚、図１４Ａと図１４Ｂにおいては、部材１３が柱１１を有しているが、これに限る必要はなく、部材１４が柱１１を備えていても良いし、第１部材１３および第２部材１４の両方が備えていても良い。

尚、試料挿入部１２とは、金属層２、３で挟まれた領域以外の領域と、中空領域４とが面する部分であり、試料を中空領域４に挿入可能な部分である。

また、試料は、アナライトを含有した気体または液体等の流体であってもよいし、アナライトを含有していない気体または液体等の流体であってもよい。プラズモンセンサ１がリガンド７を有していない場合には、試料はアナライト８を含まない気体または液体等の流体であってもよい。

更に、近傍領域５０２Ｂは、金属層２の中空領域４側の面２Ｂの近傍の領域であり、その領域の媒質の変化により、共鳴周波数が変化する。具体的には、近傍領域５０２Ｂは金属層２の面２Ｂ上である。金属層２の面２Ｂを誘電体の薄膜が覆っている場合には、近傍領域５０２Ｂはその薄膜の表面である。

また、近傍領域５０３Ａは、金属層３の中空領域４側の面３Ａの近傍の領域であり、その領域の媒質の変化により、共鳴周波数が変化する。具体的には、近傍領域５０３Ａは金属層３の面３Ａである。金属層３の面３Ａを誘電体の薄膜が覆っている場合には、近傍領域５０３Ａはその薄膜の表面である。

金属層２と金属層３とが分離された状態とは、柱１１や壁１０等の間隔保持部により金属層２、３とが相互に固定された状態ではなく、金属層２、３とがそれぞれ自由に移動できる状態を指している。

図１５はプラズモンセンサ１の断面図である、金属層２、３が分離可能な構成において、近傍領域５０２Ｂは、リガンド７が配置された範囲１７と、リガンド７が配置されていない範囲１８とを有する。さらに、近傍領域５０３Ａは、範囲１７と対向すると共にリガンド７が配置された範囲１９と、範囲１８に対向すると共にリガンド７の配置されていない範囲２０とを有する。

金属層２、３が分離された状態から、柱１１や壁１０等の間隔保持部を介して金属層２、３が相互に固定されている場合、金属層２、３間の間隔がばらつく場合がある。金属層２、３の間隔がばらつくと、共鳴波長がばらつくので、プラズモンセンサ１を使用する上で、最初に、製品個々に、共鳴波長を導出する必要がある。

上記の構成を採用すると、金属層２、３の間隔がばらついたとしても、範囲１７に対向する保持部５の領域又は範囲１７に対向する金属層２の領域に光を供給した場合と、範囲１８に対向する保持部５の領域又は範囲１８に対向する金属層２の領域に光を供給した場合とで、反射光又は輻射光の量を比較することで、リガンドとアナライトの特異的結合の有無を検知することができる。これにより、精度の高いプラズモンセンサ１を実現することができる。

図１５において、保持部５の下面５Ｂには金属層２が配置され、金属層２の下面２Ｂには、金属層２の腐食を防止するための保護層１５が配置されている。保護層１５の下面１５Ｂの範囲１７にはリガンド７が固定される。一方、保護層１５の下面１５Ｂの範囲１８には、リガンド７が固定されていない。

また、保持部６の上面６Ａには金属層３が配置され、金属層３の上面３Ａには、金属層３の腐食を防止するための保護層１６が配置されている。そして、保護層１６の上面１６Ａの範囲１９には、リガンド７が固定される。範囲１９は範囲１７と概ね対向する。一方、保護層１６の上面１６Ａの範囲２０にはリガンド７が固定されていない。範囲２０は第２範囲１８と概ね対向する。

範囲１７と対向すると共に金属層２の上面２Ａの上方の領域６１７には光源６０１から電磁波である光が供給され、その時の反射光又は輻射光は受光部６０２により受光する。

同様に、範囲１８と対向すると共に金属層２の上面２Ａの上方の領域６１８には光源６０３から光である電磁波が供給され、その時の反射光又は輻射光は受光部６０４により受光する。

領域６１７、６１８へは光を交互に供給しても良い。これにより、領域６１７に光を供給した時の反射光又は輻射光と、領域６１８に光を供給した時の反射光又は輻射光とが、それぞれ、受光部６０４、６０２に入ってしまうことを防止できる。

尚、領域６１７のみに光源６０１から光を供給し、リガンド７とアナライト８との特異的結合が十分為された後に、光源６０１からの光の供給をストップし、次に、領域６１８のみに光源６０３から光を供給してもよい。これにより、上記のように、領域６１７に光を供給した時の反射光または輻射光と、領域６１８に光を供給した時の反射光または輻射光とが、それぞれ、受光部６０４および受光部６０２に入ってしまうことを防止できると共に、特異的結合の様子を時間途切れなく測定できる。また、特異的結合が為された後に、領域６１８のみに光を供給した時の反射光または輻射光からリファレンス値を導出することができる。

尚、範囲１７、１８は共鳴波長に対して十分大きなサイズを有している。例えば、範囲１７、１８の１辺が共鳴波長の２倍以上の範囲である。このような構成とすることにより、範囲１７、１９で生じる表面プラズモン共鳴と、範囲１８、２０で生じる表面プラズモン共鳴とのアイソレーションを向上させることができる。

また、金属層２、３が分離可能な構成の場合、リガンド７とアナライト８とを接触させた後、金属層２を金属層３とを組み合わせることで金属層２を金属層３に対して固定するので、当該組み合わせ作業中にもリガンド７とアナライト８との特異的結合は進んでしまう。よって、当該組み合わせ作業中のリガンド７とアナライト８との特異的結合をできるだけ遅延させるため、磁界または電界を外部から供給し、当該組み合わせ作業中はリガンド７とアナライト８を結合させにくくしておいても良い。

例えば、図１５において、アナライト８がマイナス側にイオン化されている場合には、金属層２、３を所定位置に固定する作業が完了するまで、範囲１８、２０側がプラス側、範囲１７、１９側がマイナス側となるように外部から電界または磁界を印加する。この場合には、図１３Ａと図１３Ｂに示すように金属層２、３に直接電圧を印加せず、外部からその電界または磁界を印加する。これにより、アナライト８を範囲１８、２０側に引きつけておき、金属層２、３を組み合わせる作業中に、リガンド７とアナライト８が特異的結合をすることを抑えることができる。

図１４Ａと図１４Ｂに示す構造においても、近傍領域５０２Ｂ、５０３Ａにリガンド７を配置しない領域を作っていてもよい。金属層２、３を組み上げる前の状態においては、外部から電界または磁界をかけて、このリガンドが配置されていない領域にアナライトを引き寄せておいても良い。

図１６は実施の形態１によるさらに他のプラズモンセンサ１００２の斜視図である。図１６において図１に示すプラズモンセンサ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１６に示すプラズモンセンサ１００２では、金属層３と保持部６とを貫通する貫通孔２５が設けられている。

貫通孔２５は、例えば、アナライト８が含有された試料を中空領域４に挿入するために利用され、容易に中空領域４に試料を挿入可能となる。

図１７はプラズモンセンサ１００２の解析モデルの電磁界シミュレーション解析結果を示す。この解析モデルは、図４Ａに示す解析モデルの金属層３に１５０ｎｍ×１５０ｎｍの複数の貫通孔２５を３００ｎｍ間隔で周期的に設けられている。

図１７に示すように、複数の貫通孔２５を金属層３に設けた場合の共鳴波長と、貫通孔２５を設けない場合の共鳴波長がほぼ同一であり、金属層３の貫通孔２５の有無が、表面プラズモン共鳴に大きな影響を与えない。

（実施の形態２）
図１８は実施の形態２におけるプラズモンセンサ１００３の断面図である。図１８において、図１に示すプラズモンセンサ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１８のプラズモンセンサ１００３は、図１のプラズモンセンサ１に、保持部６が固定されている位置可変ステージ２６をさらに備える。位置可変ステージ２６は、少なくとも上下方向に移動させることが可能な調整機構であり、金属層２、３の間隔を変化させることが可能である。

プラズモンセンサ１００３の動作を説明する。アナライト８を含む試料が中空領域４に進入可能な程度に、位置可変ステージ２６を移動させて金属層２、３を離間させた後、プラズモンセンサ１００３全体を試料に接触させる。これにより、中空領域４に試料を進入させることが容易となる。この際、上記のように、外部から電界、磁界、熱、振動等を加えて、中空領域４に試料が、より進入しやすくしても良い。

その後、位置可変ステージ２６を移動させて、表面プラズモン共鳴が発生する位置で金属層３を固定する。

その後、実施の形態１に示すプラズモンセンサ１と同様に、金属層２の上方より電磁波を供給し、その反射波又は輻射波を検知することで、リガンド７とアナライト８の特異的結合の状態を測定する。

図１８に示すプラズモンセンサ１００３は、位置可変ステージ２６の位置を変化することで共鳴波長を調整できる。

例えば、リガンド７とアナライト８の特異的結合により中空領域４の媒質状態が変化する際、位置可変ステージ２６の位置を調整して、共鳴波長が一定値となるように制御すれば、位置可変ステージ２６の位置の変化や位置の変化のスピードにより、特異的結合の様子をモニタリングすることが可能となる。

１つの波長の光だけで検知していては、その光の波長以外の所での結合の様子まで追随してモニタリングすることが出来ない。このため、実施の形態２のプラズモンセンサ１００３は複数の波長の光でプラズモン共鳴を起こすことができる。

図１８に示すプラズモンセンサ１００３においては、リガンド７を金属層２にのみ配置したが、実施の形態１に示したように、金属層３にも配置してもよい。

また、実施の形態１で示した、金属層３に貫通孔２５を設ける等の変形を図１８のプラズモンセンサに適応してもよい。

（実施の形態３）
図１９と図２０Ａ、図２０Ｂは、それぞれ実施の形態３に係るプラズモンセンサ２７の分解斜視図、側面図、上面図である。プラズモンセンサ２７は、金属層２８、２９と、金属層２８、２９を一定間隔空けて保持する間隔保持部３７Ａ、３７Ｂと、金属層２８の形状を保持する為の保持部３１と、金属層２９の形状を保持する為の保持部３２とを有している。プラズモンセンサ２７は、間隔保持部３７Ａ、３７Ｂを除く金属層２８、２９間の領域からなる中空領域３０を有する。金属層２８、２９と間隔保持部３７Ａ、３７Ｂと保持部３１、３２と中空領域３０は、それぞれ実施の形態における金属層２、３と間隔保持部（壁１０、柱１１）と保持部５、６と中空領域４と同じ構成である。金属層２８の下面２８Ｂは金属層２９の上面２９Ａに対向し、金属層２８の下面２８Ｂと金属層２９の上面２９Ａとの間に中空領域３０が設けられている。保持部３１の下面３１Ｂに金属層２８が固定されている。保持部３２の上面３２Ａに金属層２９が固定されている。プラズモンセンサ２７は、保持部３１の上面３１Ａに配置された樹脂部３３と、保持部３２の下面３２Ｂに配置された樹脂部３４と、樹脂部３３に設けた窓３５と、アナライトを含む試料を中空領域３０に挿入する為の試料挿入部３６とを有している。金属層２８の中空領域３０側と金属層２９の中空領域３０側の少なくとも一方にはリガンド６０７が配置されている。

保持部３１は入射する電磁波を効率よく透過させるため、例えば２００μｍの厚みからなる低損失な薄膜の光学ガラスよりなる。このことから、図１９、図２０Ａ、図２０Ｂに示すプラズモンセンサ２７も、図１１Ａからは図１２Ｂに示すプラズモンセンサと同様の機能を発揮する。

保持部３１は樹脂部３３の上方より窓３５を介して入射される電磁波を効率よく透過させるために、例えば、厚み２００μｍ程度の薄い低損失な光学ガラスよりなる。この場合、光学ガラスがそのように薄いため、保持部３１の端部が鋭利となる。したがって、プラズモンセンサ２７を使用するユーザが保持部３１の端部に触れて怪我をしないように、図２０Ｂに示すように、樹脂部３３の端部が保持部３１の端部より外側に配置される。これにより、ユーザが安全に使用できるプラズモンセンサ２７を実現することができる。

同様に、樹脂部３４の端部が保持部３２の端部より外側に配置され、同様の効果を得ることができる。

さらに、樹脂部３３、３４は補強板として機能するので、ユーザがプラズモンセンサ２７を指で挟んで使用したとしても、プラズモンセンサ２７が破損しにくい。また、図２０Ａと図２０Ｂに示すように、ユーザがプラズモンセンサ２７を指で保持する領域５５を予め決めておいてもよい。この場合に、間隔保持部３７Ｂは樹脂部３３の領域５５と樹脂部３４の領域５５との間に配置されてもよい。これにより、ユーザが指でプラズモンセンサ２７を挟んで保持したとしても、間隔保持部３７Ｂにより中空領域３０のサイズが変化しにくい。したがって、ユーザがプラズモンセンサ２７を指で挟んで使用しても、表面プラズモン共鳴の共鳴周波数が変化しにくいプラズモンセンサ２７を実現できる。尚、プラズモンセンサ２７は間隔保持部３７Ｂを備えなくてもよく、この場合でも、実施の形態１や実施の形態２と同じ効果が得られる。

樹脂部３３に設けられた窓３５の上方より電磁波を入射して、ユーザはプラズモンセンサ２７を使用する。例えば、ユーザは太陽光を窓３５に入射し、その時の窓３５からの反射光の色により、リガンドとアナライトの特異的結合の有無を視覚的に観測することが可能である。

ユーザは、試料挿入部３６からアナライトを中空領域３０へ挿入する。ここで、例えば、入射される電磁波が可視光である場合、金属層２８、２９の間隔は３００ｎｍ〜１．０ｍｍ程度と非常に狭いので、試料挿入部３６の近傍における金属層２８、２９の間隔も非常に狭い。故にアナライトを含む液体である試料の付着力と表面張力で毛細管現象により試料が中空領域３０へ進入していく。結果、ユーザはアナライトを容易に中空領域３０に注入することが可能となる。試料挿入部３６の近傍における金属層２８、２９の間隔は、試料が毛細管現象により中空領域４へ浸入可能となるようなサイズが選択される。尚、試料挿入部３６はプラズモンセンサ２７の端部に設けられているが、図１６に示すプラズモンセンサと同様に、金属層３と樹脂部３４と保持部３２とを貫通する貫通孔を通して試料が中空領域３０に浸入させてもよい。

図２１は実施の形態３における他のプラズモンセンサ１００４の断面図である。図２１において、図１９と図２０Ａ、図２０Ｂに示すプラズモンセンサ２７と同じ部分には同じ参照番号を付す。プラズモンセンサ１００４は、図１９及び図２０Ａ、図２０Ｂに示す樹脂部３３、３４の代わりに、樹脂部３８、３９を備え、間隔保持部３７Ｂを備えていない。樹脂部３８は、図２０Ａに示す樹脂部３３と同様に、保持部３１の上面３１Ａに設けられ、保持部３１の上面３１Ａを露出させる窓３５が形成されている。樹脂部３９は、図２０Ａに示す樹脂部３４と同様に、保持部３２の下面３２Ｂに設けられている。樹脂部３８、３９は、試料挿入部３６と反対の方向の端部の周辺に、ユーザが指で保持するための領域５５を有する。領域５５において、樹脂部３８、３９は、中空領域３０と接続されている中空領域５６を介して対向する。すなわち、領域５５において、樹脂部３８、３９の間には、保持部３１、３２や間隔保持部３７Ａと金属層２８、２９は設けられておらず、可動樹脂部３８、３９は中空領域５６に直接的に面している。

そして、ユーザが領域５５を指で強く挟んだり、緩めたりすることで中空領域５６の容積を変化させることができる。これにより、アナライトを含む試料が試料挿入部３６から毛細管現象により中空領域５６に挿入されるのを補助できるとともに、小刻みに中空領域５６の容積を変化させることによりアナライトが中空領域５６で攪拌されるため、アナライトとリガンドの反応速度を速めることができる。

尚、図２１のプラズモンセンサ１００４においては、可動樹脂部３８、３９間の領域５５には、保持部３１、３２と間隔保持部３７Ａと金属層２８、２９とは形成されていないが、これに限る必要はない。可動樹脂部３８、３９間の領域５５の一部に、保持部３１、３２と間隔保持部３７Ａと金属層２８、２９のうちの少なくとも１つが存在する構造であっても、上記と同様の効果が得られる。

実施の形態３に係るプラズモンセンサ２７、１００４のリガンド６０７に、例えば、インフルエンザの抗体を採用すれば、自宅で簡易に、ユーザがインフルエンザに感染しているか否かを検査する事ができる。この場合、ユーザが被験者の鼻の粘膜等の体液を採取し、それを溶液中に溶かして試料を作製し、この試料中に実施の形態３に係るプラズモンセンサ２７、１００４の試料挿入部３６を浸す事で、毛細管現象により中空領域５６に試料を挿入し、リガンドと試料を接触させることになる。

尚、図１９〜図２１に示すプラズモンセンサ２７、１００４の試料挿入部３６の位置については、図１９〜図２１に示したものに特定されるものではなく、ユーザの使用方法を考慮し、適切な位置に配置されればよい。これに応じて、間隔保持部３７Ａ、３７Ｂの形状、配設位置についても適宜最適化されればよい。具体的には、図１２Ａと図１２Ｂに示すプラズモンセンサ１００１は、柱１１以外の金属層２、３間の中空領域４が、金属層２、３のすべての端部領域で柱１１により遮られず、解放されているので、金属層２、３のすべての端部領域が試料挿入部３６として利用できる。

また、試料挿入部３６の形状により、試料挿入部３６が試料中の不純物により詰まることを防止できる。図２２は実施の形態３におけるさらに他のプラズモンセンサ１００５の断面図である。図２２において、図１に示すプラズモンセンサ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。プラズモンセンサ１００５では、保持部５、６は端部の試料挿入部４６に向かって薄くなるテーパー部６６５、６６６をそれぞれ有する。

試料挿入部４６から毛細管現象を利用して中空領域４へ試料を注入する際、試料挿入部４６よりもサイズの大きな試料中の不純物が試料挿入部４６の一部を塞ぎ、試料の中空領域４への挿入効率が低下させる場合がある。しかし、試料挿入部４６の近傍に設けられたテーパー部６６５、６６６により、不純物が試料挿入部４６の近傍に留まる事を低減させ、試料の中空領域４への挿入効率が低下することを軽減できる。

（実施の形態４）
図２３は実施の形態４に係るプラズモンセンサ４０の分解斜視図である。プラズモンセンサ４０は、保持部４４と、保持部４４の上面４４Ａに配置された金属層４１と、金属層４１の上面４１Ａに配置された間隔保持部４７と、間隔保持部４７の上面４７Ａに配置された金属層４２と、金属層４２の上面４２Ａに配置された保持部４５とを有する。間隔保持部４７を除く金属層４１、４２間の領域には中空領域４３が設けられている。プラズモンセンサ４０は、中空領域４３に試料を挿入するための試料挿入部４６をさらに備えている。金属層４１の中空領域４３に面する上面４１Ａと、金属層４２の中空領域４３に面する下面４３Ｂの内の少なくとも一方にはリガンド６０７が配置されている。保持部４４、４５と金属層４１、４２と間隔保持部４７は、図１９に示す保持部３２、３１と金属層２９、２８と間隔保持部３７Ａと同じ材質よりなる。

プラズモンセンサ４０では、保持部４４の形状サイズが保持部４５よりも大きい、または。金属層４１の形状サイズが金属層４２よりも大きい。

保持部４４は入射する電磁波を効率よく透過させるため、例えば２００μｍの厚みからなる低損失な薄膜の光学ガラスよりなる。このことから、図２３に示すプラズモンセンサ４０も、図１９に示すプラズモンセンサ２７と同様の機能を発揮する。

プラズモンセンサ４０の使用方法を説明する。図２４はプラズモンセンサ４０の使用方法を示す側面図である。光源５０は保持部４４へ電磁波の一種である光５０Ｍを供給する。受光部５１はプラズモンセンサ４０からの反射光５１Ｍを受信し検波する。金属層４１又は保持部４４は、金属層４２又は保持部４５よりもサイズが大きく設計されている。そして、金属層４２、保持部４５と対向していない金属層４１、保持部４４の部分であるセンサ固定部５４１において、プラズモンセンサ４０は樹脂部４８、４９で挟まれて固定される。この構造により、保持部４４、４５を挟んでプラズモンセンサ４０を保持する場合と比較して、金属層４１、４２間の間隔が変化する事を防止でき、表面プラズモン共鳴の共鳴波長が変化する事を低減できる。

アナライトを含有する液体状の試料が挿入される試料挿入部４６は、プラズモンセンサ４０が樹脂部４８、４９により固定された状態において、プラズモンセンサ４０の下端部周辺に配置される。

図２４に示すように、プラズモンセンサ４０が樹脂部４８、４９で固定された状態で、プラズモンセンサ４０の下方には、位置可変ステージ５７に設置された容器５８が配置されている。容器５８にはアナライトが含有されている液体状の試料５９が充填されている。

試料挿入部４６から注入された試料５９は、プラズモンセンサ４０の中空領域４３を移動して試料挿入部４６と反対側の領域５４６から排出される。よって、試料５９により保持部４４の光源５０および受光部５１に対向する面４４Ｂが試料５９で汚れず、保持部４４に入射される電磁波を試料５９により遮られる事がないので、良好な測定環境を維持することができる。

プラズモンセンサ４０は樹脂部４８、樹脂部４９で固定されており、アナライトを含む試料が充填された容器５８を位置可変ステージ５７に載せてもよい。位置可変ステージ５７を上下に可動させることで、試料挿入部４６を試料５９に浸し、毛細管現象により中空領域４３に試料５９を注入する。

プラズモンセンサ４０は樹脂部４８、４９で固定されたまま、アナライトを注入することができ、光源５０から入射された光を常に同じ箇所に与えることができ、同じ箇所の反射特性を受光部５１で観測できる。故に、実施の形態４に係るプラズモンセンサ４０は、アナライトとリガンドの反応速度や共鳴波長の変化を連続的に精度良く測定できる。

尚、図２４においては、容器５８の代わりに、アナライトを含む試料５９を数滴たらしたスライドガラスを用いてもよい。

金属層４１または金属層４１に配置されているリガンド６０７と試料中のアナライトの反応速度を速めるために、プラズモンセンサ４０および容器５８を配置する空間の大気圧を時間的に変動させて、中空領域４３に注入される試料の攪拌を促してもよい。大気圧により試料の表面は押しつけられており、この力を利用して毛細管現象により中空領域４３に試料５９が注入されるので、大気圧を時間的に変動すれば、中空領域４３内の試料もそれに応じて移動するため、攪拌が促される。

リガンド６０７と試料５９中のアナライトの反応速度を速めるために、試料５９の温度を上昇させて液体の試料を対流させてもよい。また、試料５９に、光源５０から放射される電磁波の周波数とは異なる電界又は磁界をかける事により、試料５９に流れを発生させても良い。

尚、図２３及び図２４においては、保持部４４の端部及び金属層４１の端部に樹脂部４８、４９を固定するが、これに限る必要はない。保持部４４又は金属層４１よりも保持部４５又は金属層４２のサイズが大きくなるように設計し、保持部４５の端部及び金属層４２の端部の少なくとも一方に樹脂部４８、４９を固定しても、上記と同様の効果が得られる。

尚、図２４においては、位置可変ステージ５７を上下させることにより、試料挿入部４６を試料５９の中に浸したが、これに限る必要はなく、樹脂部４８、４９を上下に動作させても、同様の効果が得られる。

また、図２４の領域５４６に、試料５９を吸い取る吸収部材を配置しても良い。これにより、中空領域４３の試料５９が吸収部材により吸い上げられるため、中空領域４３中の試料５９の移動速度を向上させられる。これにより、リガンドとアナライトの反応スピードを向上させられる。

また、以下の方法で金属層４１の面４１Ａ、または、金属層４２の面４２Ｂにリガンド６０７を配置することができる。毛細管現象を利用してリガンドを含む試料を試料挿入部４６から中空領域４３に注入した後、リガンドを含む試料を乾燥させる。これにより、金属層４１の面４１Ａの周囲の近傍領域５４１Ａと、金属層４２の面４２Ｂの周囲の近傍領域５４２Ｂのうちの少なくとも一方にリガンド６０７を配置することができる。この方法により、プラズモンセンサ４０を組み立てた後にリガンド６０７の定着作業を行う事ができる。図１１Ａと図１１Ｂに示すプラズモンセンサ１においては、壁１０と金属層３を金−金接合により接着する場合には、壁１０と金属層３の接着強度を向上させることができる。この場合に、例えば、壁１０と金属層３とを金−金接合で接着させる前に、リガンド７を金属層２、３の面２Ｂ、３Ａに定着させた場合、壁１０と金属層３の間にリガンド７が入り込み、壁１０と金属層３の接着性が低下する場合がある。しかし、プラズモンセンサ４０と同様に、プラズモンセンサ１を組み立てた後でリガンド７を面２Ｂ、３Ａに定着させることにより、壁１０と金属層３の接着性が低下することを防止することができる。

（実施の形態５）
図２５は、実施の形態５に係る金属層２（３）の斜視図である。図２５において図１に示すプラズモンセンサ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。図２５に示す金属層２（３）の面２Ｂ（３Ａ）上にリガンド７がマトリックス状に配置されている。

リガンド７間のピッチ幅Ｐは、保持部を介して金属層２へ供給される電磁波の波長より大きく２００μｍより小さい。

図２８に示す従来のプラズモンセンサ１００はプリズム１０１が必要であり、そのため、ある角度だけ傾斜して金属層１０２に光が入射されることとなる。このため、図２８の従来のプラズモンセンサ１００は、金属層１０２の表面近傍をプラズモンが伝播してしまう。故に、もしもリガンド１０４をマトリックス状に金属層１０２の表面に配置する場合にも、各リガンド間のピッチ幅は、プラズモンの伝播範囲以上、離間する必要があり、狭ピッチ幅で高密度にリガンド１０４を配置する事はできない。もし、プラズモンの伝播範囲内のピッチ幅でリガンド１０４を配置させると、相互干渉を起こし、高精度な測定結果が期待できない。故に、図２８に示す従来のプラズモンセンサ１００においては、マトリックス状にリガンドを配置したとしても、各リガンドは２００μｍより大きなピッチ幅で配置される。

それに対し、本発明の実施の形態１〜５のプラズモンセンサは、金属層２（３）へ垂直に電磁波を入射させることが可能となるので、プラズモンが伝播することはない。故に、外部から入射される電磁波の１波長サイズまで狭めたピッチでマトリックス状にリガンド７を配置させても、相互干渉することなく高精度な測定結果が得られる。その結果、単位面積当たりのリガンドの数を多くすることができ、より多数・多種のセンシングが可能となる。

尚、実施の形態１〜４の金属層２、２８、４１のみならず、金属層３、２９、４２にも同様にマトリックス状にリガンド７を配置することができ、これにより、センシング感度の向上を図ることができる。この場合、金属層２、２８、４１に配置されたリガンドと金属層３、２９、４２に配置されたリガンドが上下対向するように配置されても良い。これにより、プラズモンセンサのセンシング感度を向上させることができる。

実施の形態５に係るプラズモンセンサから反射される電磁波の検出には、ＣＣＤカメラを用いてもよい。これにより、マトリックス状に配置された各リガンド付近の金属層２、２８、４１から反射されてくる電磁波を一括で且つ高精度で検出する事ができ、リガンドが狭いピッチ幅でマトリックス状に配置された本構成においても、高感度で且つ簡易に検出できる。

尚、マトリックス状に配置されたリガンド７は、複数の種類のリガンドにより構成されていてもよい。これにより、１つのプラズモンセンサ１で試料中の複数のアナライトを検知する事が可能なプラズモンセンサを実現できる。

（実施の形態６）
図２６は本発明の実施の形態６に係るプラズモンセンサ１００６の断面図である。図２６において、図１に示す実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。実施の形態６におけるプラズモンセンサ１００６ではリガンド７が、中空領域４に面する金属層２の面２Ｂに配置されていない。具体的には、プラズモンセンサ１００６は、保持部５の下面５Ｂに配置された金属層２と、金属層２の下面２Ｂに対向して金属層２の下方に配置された金属層３とを有する。金属層２、３間の少なくとも一部には中空領域４が設けられている。金属層２の上面２Ａの上方から金属層２に向けて電磁波が与えられる。

そして、実施の形態６に係るプラズモンセンサ１００６の試料挿入部４６からは試料とリガンドとの混合液が挿入され、中空領域４には試料とリガンドとの混合液が充填される。

試料とリガンドの混合は、プラズモンセンサ１００６に挿入前に、プラズモンセンサ１００６の外部で行われてもよいし、試料とリガンドを別々のタイミングで中空領域４に注入し、中空領域４において混合されてもよい。

試料中にアナライトが存在する場合、試料とリガンドを混合する事により、試料中のアナライトとリガンドが特異的結合を起こし、特異的結合後、アナライト及びリガンドが単独で存在した時の比誘電率と異なる比誘電率に変化する。これは、アナライト及びリガンドが単独で存在した場合の分子構造と、アナライトとリガンドとが特異的結合をした後の分子構造とが異なる事に起因する。これにより試料中にアナライトが存在した時と存在しない時で、プラズモンセンサ１００６の共鳴波長が異なる事となる。故に、プラズモンセンサ１００６の金属層２又は金属層３の表面にリガンド７を配置しない構成で、リガンドとアナライトの特異的結合の有無を検知できるセンサ１００６を実現できる。よって、プラズモンセンサ１にリガンド７を配置する手間のかかる工程を実施の形態６に係るプラズモンセンサ１００６の構成により回避することができ、生産効率の高いプラズモンセンサ１００６を実現できる。

尚、図２７はプラズモンセンサ１００６の解析モデルの電磁界シミュレーションの解析結果を示す。リガンドとアナライトとの特異的結合後の分子構造（比誘電率１．１、厚み１００ｎｍの層としてモデル化）が中空領域４内に存在した時の共鳴波長の変化、具体的には、特異的結合後の分子構造の中空領域４内の存在位置と共鳴波長の関係について説明する。その解析モデルは以下の条件を有する。

金属層２：材厚４５ｎｍの金の層
金属層３：材厚３００ｎｍの金の層
金属層２、３の間隔：１μｍ（空気の層）
光の入射角：金属層２の面２Ａに対して垂直方向
尚、本願において使用したシミュレーション解析結果は、すべてＣＳＴ製のＭＷ−ｓｔｕｄｉｏを解析ツールとして利用した。

図２７に示す反射率Ｐ５は、リガンドとアナライトとの特異的結合後の分子構造が中空領域４に存在しない場合の反射率であり、共鳴波長は７０５．４ｎｍとなる。反射率Ｐ１、Ｐ２はそれぞれその分子構造が金属層２の面２Ｂ、金属層３の面３Ａに存在する場合の反射率であり、共鳴波長は７０７．１ｎｍとなる。反射率Ｐ３、Ｐ４は、それぞれその分子構造が、中空領域４に面した金属層２、３の面２Ｂ、３Ａに配置された場合、金属層２、３の中間位置に配置された場合の反射率であり、プラズモンセンサ１００６の共鳴波長は７１０．４ｎｍとなる。このように、金属層２、３の面２Ｂ、３Ａ以外にリガンドとアナライトとの特異的結合後の分子構造が存在したとしても、プラズモンセンサ１００６の共鳴波長は変化する。つまり、金属層２、３の表面にリガンドを配置しておかず、プラズモンセンサ１００６の外部で試料とリガンドを混合した後の混合液を中空領域４に注入しても、プラズモンセンサ１００６はリガンドとアナライトの特異的結合の有無を確認できる。

尚、実施の形態６に係るプラズモンセンサ１００６においては、リガンド７が金属層２、３の面２Ｂ、３Ａに配置されていない、つまり、中空領域４の内壁にリガンド７が配置されていない。リガンド７は金属層２または金属層３の表面に配置されていてもよい。つまり、実施の形態１における図１のプラズモンセンサ１の中空領域４に試料とリガンド７との混合液が配置される。この場合、試料中に存在するリガンド７との特異的結合を起こしていないアナライトが、金属層２または金属層３の表面に配置されているリガンド７と特異的結合をすることで、共鳴波長が変化し、特異的結合の有無を検出できるセンサの感度を更に向上させることができる。また、この場合、中空領域４の外部で試料と混合する際に使用するリガンド７の量を、アナライトに対して減らしておいても良い。これにより、試料とリガンド７との混合液中にアナライトが残留でき、中空領域４に挿入後に、金属層２または金属層３の表面に配置されているリガンド７と特異的結合をさせることができる。

尚、実施の形態１から６において、保持部５は金属層２の上方に配置されているが、これに限る必要はなく、金属層２の下方に配置されてもよい。保持部５が下方に配置される場合には、リガンド７が保持部５の下面に配置されることとなる。保持部５の比誘電率が高ければ、共鳴波長を長く設定することが可能となるので、金属層２の上方より供給される電磁波の周波数をより低くすることができ、電磁波源のコスト低減を図ることも可能となる。

また、実施の形態１から６において、金属層２、保持部５、金属層３、保持部６は平坦な形状で示したが、これに限る必要はなく、凸凹がついた形状でも同様の効果が得られる。これにより、製造プロセス上で微細な凸凹が発生したとしても、プラズモンセンサとして問題なく機能する。

上記の説明においては、電磁波として光を用いた事例を中心に説明したが、光以外の波長を有する電磁波を用いたとしても、同様の効果が得られる。

実施の形態１から６において、「上面」「下面」「上方」「下方」等の方向を示す用語はプラズモンセンサの構成部品の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。

本発明におけるプラズモンセンサは小型で簡易な構造を有するので、小型で低コストなバイオセンサ等に利用する事ができる。

２ 金属層（第１の金属層）
３ 金属層（第２の金属層）
４ 中空領域
５ 保持部（第１の保持部）
６ 保持部（第２の保持部）
７ リガンド
８ アナライト
１０ 壁（間隔保持部）
１１ 柱（間隔保持部）
１２ 試料挿入部
２２ 電極
２５ 貫通孔
２６ 位置可変ステージ（調整機構）
２８ 金属層（第１の金属層）
２９ 金属層（第２の金属層）
３０ 中空領域
３１ 保持部（第１の保持部）
３２ 保持部（第２の保持部）
３７ 間隔保持部
４１ 金属層（第１の金属層）
４２ 金属層（第２の金属層）
４３ 中空領域
４４ 保持部
４５ 保持部
４６ 試料挿入部
４７ 間隔保持部
６６５ テーパー部
６６６ テーパー部

Claims (27)

1. 電磁波が供給されるように構成された上面と、下面とを有する第１の金属層と、前記第１の金属層の前記下面に対向する上面を有する第２の金属層と、
   前記第１の金属層と前記第２の金属層との距離を一定に維持する間隔保持部と、
   を備え、
   前記第１の金属層と前記第２の金属層との間には媒質を含有する試料で充填されるように構成された中空領域が設けられ、
   前記第１の金属層の前記上面に供給された前記電磁波は、前記第１の金属層を透過して、前記第１の金属層の前記下面から前記中空領域に導入されるプラズモンセンサ。
2. 前記第１の金属層の前記下面の周辺の第１の近傍領域と、前記第２の金属層の前記上面の周囲の第２の近傍領域とのうちの少なくとも一方の領域に設けられた複数の抗体をさらに備えた、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
3. 前記中空領域には前記試料と前記複数の抗体との混合液が挿入される、請求項２に記載のプラズモンセンサ。
4. 前記第２の金属層は少なくとも１つ以上の孔を有している、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
5. 表面プラズモン共鳴が発生する周波数において、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間の電磁界強度が高次モードで分布する、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
6. 前記中空領域での前記媒質の状態を時間的に変化させる、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
7. 前記中空領域での前記媒質の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、不可視光帯から可視光帯へ変化する、又は、可視光帯から不可視光帯へ変化する、請求項６に記載のプラズモンセンサ。
8. 前記中空領域での前記媒質の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、不可視光帯から４５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の領域へ変化する、または、４５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の領域から不可視光帯へ変化する、請求項６に記載のプラズモンセンサ。
9. 前記中空領域での前記媒質の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ未満の領域から４９５ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の領域へ変化する、請求項６に記載のプラズモンセンサ。
10. 前記第１の金属層の前記下面の周辺の第１の近傍領域と、前記第２の金属層の前記上面の周囲の第２の近傍領域とのうちの少なくとも一方の領域に設けられた複数の抗体をさらに備え、
    前記第１の近傍領域と、前記第２の近傍領域の内、少なくとも一方領域に、前記複数の抗体はピッチ幅でマトリックス状に配置され、前記ピッチ幅は前記電磁波の波長より大きく、２００μｍより小さい、請求項６に記載のプラズモンセンサ。
11. アナライトの含まれていない試料は屈折率ｎを有し、アナライトの含まれていない前記試料が前記中空領域に配置される前、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間にｍ次モードの電磁界強度の分布が発生するように前記第１の金属層と前記第２の金属層とは所定の間隔を空けて配置されており、１以上の整数ａについて、
    ｍ＝ａ／（ｎ−１）
    の関係を満たす、請求項６に記載のプラズモンセンサ。
12. アナライトの含まれていない試料が前記中空領域に配置されていない状態から、アナライトの含まれていない試料が前記中空領域に配置された状態へ変化させた時、表面プラズモン共鳴が生ずる波長は所定の波長帯内で変化し、
    前記所定の波長帯は、３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長帯、または４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下の波長帯、または４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長帯、または５７０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下の波長帯、または５９０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の波長帯、または６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯である、請求項６に記載のプラズモンセンサ。
13. 前記中空領域の前記媒質の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長帯と、４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下の波長帯と、４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長帯と、５７０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下の波長帯と、５９０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の波長帯と、６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯のうちの１つの波長帯から他の波長帯へ変化する、請求項６に記載のプラズモンセンサ。
14. 前記中空領域の媒質の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、不可視光帯から、３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長帯と、４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下の波長帯と、４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長帯と、５７０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下の波長帯と、５９０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の波長帯と、６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯のうちの１つの波長帯へ変化する、請求項６に記載のプラズモンセンサ。
15. 前記中空領域の媒質の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長帯と、４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下ｎ波長帯と、４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長帯と、５７０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下の波長帯と、５９０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の波長帯と、６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯のうちの１つの波長帯から不可視光帯へ変化する、請求項６に記載のプラズモンセンサ。
16. 前記第１の金属層と前記第２の金属層との前記距離は、前記電磁波の前記中空領域での波長λと１以上の整数ｍにより表される
    （１／２）×λ×ｍ
    （λは前記電磁波の前記中空領域での波長、ｍは１以上の整数）に等しい、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
17. アナライトを含む試料を前記中空領域に挿入するための試料挿入部をさらに備えた、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
18. 前記第１の金属層の厚みは前記第２の金属層の厚みよりも薄い、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
19. 前記間隔保持部は、前記第１の金属層と前記第２の金属層の間の少なくとも一部が前記中空領域となるように設けられており、
    前記間隔保持部の一部又は全部の材質と、前記第１の金属層と前記第２の金属層のうち少なくとも一方の材質とは同じである、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
20. 前記間隔保持部は第１の層と第２の層とを有し、前記第１の層は前記第１の金属層と前記第２の金属層のうち少なくとも一方の材質と同一であると共に、前記第１の層の厚みは前記第２の層の厚みよりも薄い、請求項１９に記載のプラズモンセンサ。
21. 前記間隔保持部の端部は前記第１の金属層と前記第２の金属層のうち少なくとも一方に差し込まれた状態で固定された、請求項１９に記載のプラズモンセンサ。
22. 毛細管現象を利用して前記試料を前記中空領域に挿入する、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
23. 前記第１の金属層を保持する第１の保持部と、前記第２の金属層を保持する第２の保持部と、をさらに備え、前記第１の保持部と前記第２の保持部のどちらか一方のみはセンサ固定部を構成する、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
24. 前記中空領域には、前記試料として、圧縮された気体が配置される、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
25. 前記第１の金属層の上方に設けられた第１の保持部と、前記第２の金属層の下方に設けられた第２の保持部と、をさらに備え、前記第１の保持部と前記第２の保持部の少なくとも一方の端部にはテーパー部が設けられている、請求項１に記載のプラズモンセンサ。
26. 電磁波が供給されるように構成された上面と、下面とを有する第１の金属層と、前記第１の金属層の前記下面に対向する上面を有する第２の金属層と、前記第１の金属層と前記第２の金属層との距離を一定に維持する間隔保持部とを備え、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に中空領域が設けられ、前記第１の金属層の前記上面に供給された前記電磁波は、前記第１の金属層を透過して、前記第１の金属層の前記下面から前記中空領域に導入される、プラズモンセンサを準備するステップと、毛細管現象を利用して試料を前記中空領域に挿入するステップと、を含む、プラズモンセンサに試料を挿入する方法。
27. 電磁波が供給されるように構成された上面と、下面とを有する第１の金属層と、前記第１の金属層の前記下面に対向する上面を有する第２の金属層と、前記第１の金属層と前記第２の金属層との距離を一定に維持する間隔保持部とを備え、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に中空領域が設けられ、前記第１の金属層の前記上面に供給された前記電磁波は、前記第１の金属層を透過して、前記第１の金属層の前記下面から前記中空領域に導入される、プラズモンセンサを準備するステップと、毛細管現象を利用して抗体を前記中空領域に挿入するステップと、抗体を前記中空領域に挿入するステップの後で、前記抗体を乾燥させることで前記第１の金属層の前記下面の周囲の第１の近傍領域と、前記第２の金属層の前記上面の周囲の第２の近傍領域のうちの少なくとも一方領域に抗体を配置するステップと、を含む、プラズモンセンサの製造方法。

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