JP5848458B2 - 化学種をフィルタリングする装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体中の化学種をフィルタリングする装置に関する。

ラマン散乱光学分光法は、照射される物質の内部構造による光子の非弾性散乱により生じる発光スペクトル又はそのスペクトル成分を用いるものである。応答シグナル（例えば、ラマンシグナル）に含まれるこれらのスペクトル成分が、被分析物の特定を含む被分析物化学種の材料特徴の決定を容易にする。

ラマンシグナルのレベル又は強度は多くの場合、ラマン活性材料（例えば、ラマン活性表面）を使用することによって大幅に向上する。しかしながら、例えば数ナノメートルの構造化金属表面上に又はその内に吸着される化合物（又はイオン）によって生じるラマン散乱光は、溶液中又は気相中の同じ化合物によって生じるラマン散乱光よりも１０³〜１０¹²倍大きい場合がある。化合物を分析するこのプロセスは表面増強ラマン分光法（「ＳＥＲＳ」）と呼ばれる。近年、ＳＥＲＳは、分子構造を研究するとともに、界面システム及び薄層システムの特性を決定する慣例の有力な手段となっており、更には単分子検出を可能にする。エンジニア、物理学者及び化学者はＳＥＲＳを行うシステム及び方法の改善を求め続けている。

本開示の特徴は例示的に示されており、添付の図面では限定されない。同じ数表示は同じ要素を示す。

本開示の一例による流体中の化学種をフィルタリングする装置の等角図である。 本開示の一例による図１Ａに示される装置のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本開示の一例による図１Ａに示される装置の上面図である。 本開示の一例による図１Ａに示される装置の上面図である。 本開示の一例による検知操作に使用される検知デバイスのブロック図である。 本開示の一例による図１Ａに示される装置を作製する方法のフロー図である。 本開示の一例による図１Ａ〜図１Ｄに示される装置を使用する検知操作を行う方法のフロー図である。

簡略化及び例示を目的として、本開示は主にその例に言及することによって説明される。下記の説明では、多数の具体的な詳細が本開示の完全な理解を与えるために記載される。しかしながら、本開示はこれらの具体的な詳細に限定せずに実施することができることが容易に明らかであろう。他の例では、一部の方法及び構造は本開示を不必要に曖昧にしないよう詳細には記載しない。

本開示を通して、数量を特定していない単語（the terms "a" 及び "an"）は少なくとも１つの特定の要素を示すことを意図するものである。本明細書で使用される場合、「含む（includes）」という用語は「含むが、これらに限定されない（includes but not limited to）」ことを意味し、「含む（including）」は「含むが、これらに限定されない（including but not limited to）」ことを意味する。「に基づく（based on）」という用語は、「に少なくとも一部基づく（based at least in part on）」ことを意味する。加えて、「光（light）」という用語は、電磁スペクトルの赤外部及び紫外部を含む電磁スペクトルの可視部及び非可視部の波長を有する電磁放射線を指す。

流体中の化学種をフィルタリングするとともに、検知操作に使用される装置が本明細書に開示される。該装置を作製する方法及び該装置を使用して検知操作を行う方法も本明細書に開示される。該装置は、第１側面と第２側面とを有するボディと、第１側面近くのボディ上に位置しているナノフィンガーの第１セットと、ナノフィンガーの第１セットより第２側面近くのボディ上に位置しているナノフィンガーの第２セットとを含み、ここでナノフィンガーの第２セットにおけるナノフィンガーは、ナノフィンガーの第１セットにおけるナノフィンガーよりも相対的に高い密度レベルでボディ上に配置されている。該装置は、ナノフィンガーの第１セット及びナノフィンガーの第２セットの上に配置されてボディとともに流路を形成するカバーも含み、この流路内にナノフィンガーの第１セット及び第２セットが位置している。

一例によると、流体サンプルは、装置１００を、第１側面から第２側面へと通過するように流れる。流体サンプルを装置に流すと、ナノフィンガーの第１セット間の間隙サイズよりもサイズが大きい流体サンプル中の化学種は、ナノフィンガーの第１セットを通過することができず、そのため流体サンプルの残余分からフィルタリングされる。同様に、化学種の少なくとも一部はナノフィンガーの第２セット等に捕捉されることになる。このようにして流体サンプルの残余部分がフィルタリングされ、残余の化学種は、増大した密度レベルを有し、したがって間隙がより小さいナノフィンガーの各セットを通過するほど十分小さいものである。

この装置は検知デバイスにも使用される。検知デバイスは該装置によってフィルタリングされる化学種に対して検知操作を行うものである。或る特定の実施態様では、検知デバイスは化学種を該装置に含みながら、例えば該装置の少なくとも一区画で検知操作を行うことによって、検知操作を行うものでもある。本明細書の下記により詳細に記載されるように、検知デバイスは携帯型集積デバイスを含む。そのため、検知デバイスは、例えば流体サンプルが採取される場所で流体サンプルに対して検知操作を行うことができる。換言すると、本明細書に開示される検知デバイスによって、ポイントオブケア（point-of-care）診断を流体サンプルに対して行うことが可能となる。

一例によると、装置１００に含まれるナノフィンガーの少なくとも一部がラマン活性材料ナノ粒子を含む。本明細書に開示されるラマン活性材料ナノ粒子を有する複数のナノフィンガーを使用することで、概して電磁場の発生、ひいては試験対象の化学種からの光のラマン散乱が増強する。換言すると、ナノフィンガー上で密接に位置するラマン活性材料ナノ粒子は、成分層上に単純に置かれているラマン活性材料ナノ粒子と比較してホットスポットの電場の強さをより大きくすることができる。これは例えば、ナノフィンガーを使用することで隣接ナノ粒子間の間隙が比較的小さい（約１０ｎｍ未満の幅）ナノ粒子のよく制御された配置の形成が可能になるためである。

特定の例によると、本明細書に開示される装置及び検知デバイスはバイオセンサーとして使用される。より具体的には、例えば該装置を使用して、比較的少量の血液サンプル中で化学種をフィルタリングする。この例では、相対的により低い密度レベルで配置されたナノフィンガーの第１セットは血液サンプルから細胞をフィルタリングすることができ、それにより血液サンプルの残余成分に対して検知操作を行うことができる。このため、本明細書に開示される装置は、通常血液サンプルから細胞をフィルタリングするのに使用される比較的大型で高価な遠心分離機に取って代わることができる。

初めに図１Ａを参照すると、一例による流体中の化学種をフィルタリングする装置１００の等角図が示されている。装置１００は第１側面１０４と第２側面１０６とを有するボディ１０２を備えるものとして示されている。さらに装置１００はボディ１０２の表面上に位置する複数のナノフィンガー１１０を含むものとして示されている。さらにカバー１３０は、ナノフィンガー１１０が中に位置しているボディ１０２を含む流路が形成されるように、ナノフィンガー１１０の上に位置するものとして示されている。

図１Ａに示されるように、ナノフィンガー１１０が、ボディ１０２の長さに沿って別々のセット１２０、１２２で形成されている。より具体的には、ナノフィンガー１１０の第１セット１２０はボディ１０２の第１側面１０４により近いところに位置しており、ナノフィンガー１１０の第２セット１２２はボディ１０２の第２側面１０６により近いところに位置している。第１セット１２０におけるナノフィンガー１１０は、第２セット１２２におけるナノフィンガー１１０よりも相対的に低い密度でボディ１０２上に配置されている。これに関連して、第１セット１２０におけるナノフィンガー１１０間の間隙１５０は、第２セット１２２におけるナノフィンガー１１０間の間隙１５２よりも相対的に大きい。矢印１４０で示されるように、流体サンプルがボディ１０２の第１側面１０４を通って装置１００に導入されると、流体サンプルに含まれる相対的により小さい化学種がナノフィンガー１１０の第１セット１２０を通過することができる一方で、流体サンプルに含まれる相対的により大きい化学種は第１セット１２０におけるナノフィンガー１１０に捕捉される。

さらに図１Ａに示されるように、第１セット１２０及び第２セット１２２のそれぞれにおけるナノフィンガー１１０はラマン活性材料ナノ粒子１１２を含む。ラマン活性材料ナノ粒子１１２によって概して、表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ）、蛍光の増強、発光の増強等の検知操作をナノフィンガー１１０に又はその近くに位置する化学種に対して行うことが可能になる。検知操作は流体サンプル中の分子を検出するために化学種に対して行われる。一例では、検知操作はナノフィンガー１１０の第１セット１２０にある若しくはその近くにある化学種、及び／又はナノフィンガー１１０の第２セット１２２にある若しくはその近くにある化学種に対して行われる。別の例では、検知操作は、ナノフィンガー１１０の第２セット１２２にある又はその近くにある化学種に対してのみ行われる。検知操作を行う様々な方法が本明細書の下記においてより詳細に述べられる。

カバー１３０は破線で表されており、該カバーが光学的に透明な材料、例えばガラス、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）、熱硬化性ポリエステル（ＴＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレートグリコール（ＰＥＴＧ）、ポリイミド、ＳＵ−８等、又はこれらの材料の組合せを含むプラスチック材料でできていることを示している。カバー１３０は、熱接着、接着剤等といった、ボディ１０２とカバー１３０との実質的な液密（fluid-tight）な接着を可能にする任意の好適な取付け機構によってボディ１０２に取り付けることができる。他の例では、カバー１３０はボディ１０２に取り外し可能に取り付けられている。いずれに関しても、カバー１３０は流体サンプルをナノフィンガー１１０へと指向させる流路を形成する。加えて、ナノフィンガー１１０を通過するよりも相対的により大量のサンプル流体がナノフィンガー１１０とカバー１３０との間を通過するのを実質的に防ぐように、カバー１３０はナノフィンガー１１０と相対的に近接な間隔にある。別の関連では、本明細書の下記により詳細に述べられるように、カバー１３０は、光をラマン活性材料ナノ粒子１１２上へと指向させ、さらに流体サンプルの化学種から放射されるラマン散乱光を装置１００の外へと指向させるのを可能にする。

ボディ１０２及びカバー１３０は略矩形断面形状をとるものとして表されているが、ボディ１０２及びカバー１３０は、円形、三角形等の他の断面形状をとることができる。一例によれば、装置１００の厚さは約１０μｍ〜約２０ｍｍの範囲であり、長さは約１ｍｍ〜約２００ｍｍの範囲であり、幅は約１００μｍ〜約３０ｍｍの範囲である。一例では、装置１００は、例えばボディ１０２とカバー１３０との間に形成される流路がサンプル流体を受け、サンプル流体が装置１００を通って流れるのに十分大きい寸法をとる。加えて、装置１００は、例えば流体サンプルと相互作用する毛細管力によって、流体サンプルが装置１００を通って移動するのに十分小さい寸法をとる。ボディ１０２に好適な材料の例としては、ケイ素、窒化ケイ素、ガラス、紙、プラスチック、ポリマー、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、金、銀、銅、白金、アルミニウム等、又は合金形態でのこれらの金属の組合せ等が挙げられる。

本明細書の下記により詳細に述べられるように、ナノフィンガー１１０は、ナノフィンガー１１０が横方向に屈曲可能となるように、例えばナノフィンガー１１０の先端を互いに近付けることができるように比較的可撓性の材料でできている。ナノフィンガー１１０に好適な材料の例としては、ポリマー材料、例えばＵＶ硬化性若しくは熱硬化性インプリンティングレジスト（imprinting resist）、ポリアルキルアクリレート、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）エラストマー、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、フルオロポリマー等又はそれらの任意の組合せ、金属材料、例えば金、銀、アルミニウム等、半導体材料等、及びそれらの組合せが挙げられる。

ナノフィンガー１１０は任意の好適な取付け機構を介してボディ１０２の表面に取り付けられている。例えば、ナノフィンガー１１０は、様々な好適なナノ構造成長法を用いることによってボディ１０２の表面上で直接成長させる。別の例としては、ナノフィンガー１１０はボディ１０２と一体となって形成される。この例では、例えばボディ１０２を作製する材料の一部をエッチング又はそれ以外の方法で処理して、ナノフィンガー１１０を形成する。更なる例では、材料の分離層をボディ１０２の表面に付着させ、その材料の分離層をエッチング又はそれ以外の方法で処理して、ナノフィンガー１１０を形成する。様々な他の例では、ナノフィンガー１１０をナノインプリンティング又はエンボス加工によって作製する。ここでは比較的剛性のピラーのテンプレートをポリマーマトリックス上での多段階インプリンティングプロセスに用いて、ナノフィンガー１１０を形成する。エッチング等の様々な他のプロセス、及びマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）及びナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）の作製に用いられる様々な技法を用いて、ナノフィンガー１１０を作製することもできる。

ナノフィンガー１１０は、例えば長さに対して垂直な面にあるナノスケール断面寸法（例えば幅）の数倍を超える長さ（又は高さ）（例えば長さ＞３×幅）を有する細長いナノスケール構造体として規定される。概して、ナノフィンガー１１０の１つ又は複数の隣接ナノフィンガー１１０への横方向への屈曲が促されるように、長さは幅すなわち断面寸法よりも極端に大きくなっている。幾つかの例では、長さは断面寸法（すなわち幅）の約５倍又は１０倍を超える。例えば、幅を約１００ナノメートル（ｎｍ）とすることができ、高さを約５００ｎｍとすることができる。別の例では、ナノフィンガー１１０の基部の幅を約１０ｎｍ〜約１マイクロメートル（μｍ）とすることができ、長さを約５０ｎｍ〜２μｍの範囲とすることができる。他の例では、ナノフィンガー１１０は、ナノフィンガー１１０を形成するのに使用される材料のタイプに応じたサイズをとる。このため例えば、ナノフィンガー１１０を形成するのに使用される材料（複数の場合もあり）がより剛性であれば、ナノフィンガー１１０が横方向に傾倒することができる（collapsible）ようにナノフィンガー１１０の幅をより狭くすることができる。更なる例では、ナノフィンガー１１０は３寸法のうちの２寸法（例えば長さ及び高さ）がナノスケール断面寸法（例えば幅）の数倍を超えて大きいリッジ（ridges）を形成することができる。ナノフィンガー１１０は等しくナノポール又はナノピラーと呼ぶことができる。

ナノフィンガー１１０は略円柱（substantially cylindrical）断面をとるものとして表されている。しかしながら、ナノフィンガー１１０は、例えば矩形、四角形、三角形等の他の形状の断面をとることができることを理解されたい。付加的には又は代替的には、ナノフィンガー１１０は、実質的にナノフィンガー１１０が特定の方向に傾倒するように切欠き（notches）、膨らみ（bulges）等の１つ又は複数の特徴を備えて形成することができる。このため例えば、２つ以上の隣接ナノフィンガー１１０は、ナノフィンガー１１０が互いに傾倒する可能性が増すような１つ又は複数の特徴を備えることができる。ナノフィンガー１１０を傾倒することができる様々な方法が本明細書の下記により詳細に記載される。

装置１００は、例示を目的として比較的少ない数のナノフィンガー１１０で表されている。作動中、装置１００はセット１２０、１２２のそれぞれにおいて比較的多くのナノフィンガー１１０を備え得る。例えば、ナノフィンガー１１０のセット１２０、１２２のそれぞれには、数百〜数千のナノフィンガー１１０が含まれ得る。セット１２０、１２２のそれぞれにおけるナノフィンガー１１０の数及びそれらの相対間隔は装置１００の使用目的に応じて異なり得る。

ナノフィンガー１１０は実質的にランダムに表面上に分布されるか、又はナノフィンガー１１０は所定の配列で配置される。ナノフィンガー１１０のセット１２０、１２２両方におけるナノフィンガー１１０の分布は所定のサイズの化学種をフィルタリングするように選択することができる。いずれかの例では、第１セット１２０におけるナノフィンガー１１０は第２セット１２２におけるナノフィンガー１１０よりも互いにより離れた距離に置かれており、このため同じ空間単位に対して第２セット１２２におけるナノフィンガーよりも第１セット１２０におけるナノフィンガー１１０の数は少ない。付加的には又は代替的には、第１セット１２０におけるナノフィンガー１１０は第２セット１２２におけるナノフィンガー１１０よりも相対的に細い。いずれに関しても、一例によれば、セット１２０、１２２のそれぞれにおけるナノフィンガー１１０は、ナノフィンガー１１０が屈曲状態にあるとき、少なくとも２つの隣接ナノフィンガー１１０の先端が互いに接することができるように互いに配置されている。特定の例では、セット１２０、１２２のそれぞれにおける隣接ナノフィンガー１１０は、それぞれの基部において互いに約１００ナノメートル未満離れて位置している。

さらに図１Ａに示されるように、ラマン活性材料ナノ粒子１１２がナノフィンガー１１０の先端に設けられている。ラマン活性材料ナノ粒子１１２は金、銀、銅、白金、アルミニウム等の金属、若しくは合金形態でのこれらの金属の組合せ、又はラマン散乱の表面増強（field enhancement）のための表面プラズモンを支持することができる他の好適な材料を含む。加えて、ラマン活性材料ナノ粒子１１２は、多層構造、例えば１ｎｍ〜５０ｎｍの金被膜（over-coating）を備える１０ｎｍ〜１００ｎｍの銀層、又はその逆とすることができる。本明細書の定義では、ラマン活性材料は、ラマン分光法中にラマン活性材料近くに位置するサンプルからのラマン散乱を促す材料である。

ラマン活性材料ナノ粒子１１２は、セット１２０、１２２のそれぞれにおける全てのナノフィンガー１１０上に形成されるものとして表されているが、ラマン活性材料ナノ粒子１１２は様々な代替実施態様を有し得ることが理解される。一例では、ラマン活性材料ナノ粒子１１２は実質的にナノフィンガー１１０の高さ全体に形成される。付加的には又は代替的には、ラマン活性材料ナノ粒子１１２はナノフィンガー１１０の中で選択されたナノフィンガー上で形成される。そのため一例では、ラマン活性材料ナノ粒子１１２は第２セット１１２におけるナノフィンガー１１０上に形成されるが、ラマン活性材料ナノ粒子１１２は第１セット１２０におけるナノフィンガー１１０上には形成されない。

これより図１Ｂを参照すると、一例に従って装置１００の図１Ａに示されるＡ−Ａ線に沿った断面図が示される。加えて、ナノフィンガー１１０の自由端１１６が拡大図１１４において拡大され、ここではラマン活性材料ナノ粒子１１２がナノフィンガー１１０の先端又は自由端１１６近くの外表面上に配されていることが明記されている。他のナノフィンガー１１０も、ナノフィンガー１１０の頂部又は自由端１１６上に円形で表されるものとしてラマン活性ナノ粒子１１２を含む。拡大図１１４にはナノフィンガー１１０の先端１１６全体を覆うものとしてラマン活性材料ナノ粒子１１２が示されているが、装置１００の例はナノ粒子１１２の幾つかの間に間隙を伴って実施されることが理解される。装置１００の例はナノフィンガー１１０の先端の直ぐ上に配されるナノ粒子１１２に限定されるものではないことにも留意されたい。他の例では、ナノ粒子１１２はナノフィンガー１１０の表面の一部の上に又はそのほぼ全体に配される。

いずれに関しても、ラマン活性材料ナノ粒子１１２は、例えば金属材料の物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、スパッタリング等、又は予め合成されたナノ粒子の自己集合化によってナノフィンガー１１０の少なくとも自由端１１６上に堆積する。例えば、ナノ粒子１１２をナノフィンガー１１０の自由な第２の側１１６上に堆積する角度を制御することにより、ナノ粒子１１２の堆積を実質的に制御することができる。

加えて、ラマン活性材料ナノ粒子１１２は、ラマン散乱を増強する及び／又は被分析物の吸着を促すものとすることができる。例えば、ラマン活性材料ナノ粒子１１２は、限定されるものではないが、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）等のナノスケール表面粗度を有するラマン活性材料を含む。ナノスケール表面粗度は概して、層（複数の場合もあり）の表面上のナノスケール表面構造を特徴とし、ラマン活性材料層（複数の場合もあり）の堆積中に自然に生じ得るものである。本明細書の定義では、ラマン活性材料はラマン散乱と、ラマン分光法中に表面層又は材料上に又はその中に吸着される被分析物からのラマンシグナルの発生又は放出とを促す材料である。

ナノフィンガー１１０はそれぞれが互いに同じ高さまで伸びるものとして図１Ａ及び図１Ｂで表されているが、ナノフィンガー１１０の一部又は全てが互いに様々な角度及び高さで伸びてもよいことが理解される。ナノフィンガー１１０間の角度及び／又は高さの差は、例えばナノフィンガー１１０の作製及びナノフィンガー１１０上へのナノ粒子１１２の堆積等において存在する製造により生じる相違又は成長の分散によるものであり得る。

さらに図１Ｂに示されるように、ナノフィンガー１１０は、ナノフィンガー１１０の一部の自由端１１６が互いに実質的に接触する位置で表されている。一例によれば、ナノフィンガー１１０は略垂直に伸びるように作製される。この例では、ナノフィンガー１１０は、例えば液体が乾燥するにつれて自由端１１６にかかる毛細管力によって、間隙に導入された液体が蒸発することでナノフィンガー１１０の少なくとも一部の自由端１１６が互いに近付くのに十分小さいサイズの間隙で位置している。加えて、ナノフィンガー１１０の一部の自由端１１６は、自由端１１６間の間隙における液体の蒸発中及び蒸発後に自由端１１６（ラマン活性材料ナノ粒子１１２）にかかる毛細管力によって或る期間、互いに実質的に接触することができ、また接触した状態を保つことができる。他の例では、ナノフィンガー１１０の一部の自由端１１６は、例えば自由端１１６上の静電荷の除去によって第２の位置に維持することができる。これらの例では、ナノフィンガー１１０は、通常図１Ｂにおいて表される第２の位置をとるように作製することができ、静電荷がナノフィンガー１１０の自由端１１６上に印加すると略垂直に伸び得る。

いずれの事象においても、１つのことについて、ナノフィンガー１１０の自由端１１６は電場の強さが比較的大きい「ホットスポット」を生じるように互いに接触される。換言すると、隣接ナノフィンガー１１０上のラマン活性材料ナノ粒子１１２の相対的により大きな面積が、ラマン活性材料ナノ粒子１１２により達成することができる電場の強さを大幅に増大させる。

これより図１Ｃ及び図１Ｄを考慮すると、２つの例による装置１００の上面図をそれぞれ示している。図１Ｃ及び図１Ｄでは、カバー１３０は明確性の理由から図示していない。加えて、図１Ｃ及び図１Ｄの両方における装置１００は、ナノフィンガー１１０の第１セット１２０と第２セット１２２との間に位置するナノフィンガー１１０の第３セット１２４を含むものとして表されている。第３セット１２４におけるナノフィンガー１１０は、第１セット１２０におけるナノフィンガー１１０よりも相対的に高い密度であるが、第２セット１２２におけるナノフィンガー１１０よりも相対的に低い密度でボディ１０２上に配置されるものとして表されている。図示されていないが、装置１００は、装置１００の第１側面１０４から第２側面１０６へと密度レベルが増大しているナノフィンガー１１０の更なるセットを含んでいてもよい。

図１Ｃでは、装置１００は、第１側面１０４が第２側面１０６よりも相対的に大きい先細型又は漏斗型（funneled）の構造をとるものとして表されている。そのためボディ１０２とカバー１３０とで形成される流路のサイズは第１側面１０４の開口部から第２側面１０６の開口部へと段階的に低減している。しかしながら代替的には、装置１００は、より大きい中心部、より大きい末端部、丸みを帯びた中心部等の異なる構造をとることができる。

図１Ｄでは、装置１００は、チャンバー１６２とチャンバー１６４とを形成する壁１６０を備えるものとして表されている。壁１６０はボディ１０２の表面からカバー１３０へと伸びており、壁１６０によって、チャンバー１６２とチャンバー１６４とが互いに隔てられている。これに関して、ナノフィンガー１１０の第１セット１２０及び第３セット１２４を通過する流体サンプルの化学種が第２セット１２２におけるナノフィンガー１１０で捕捉され得る。流体サンプルの更なる化学種がナノフィンガー１１０の第２セット１２２を通過して装置１００から排出されてもよい。一例によれば、第１のチャンバー１６２内のナノフィンガー１１０は第２のチャンバー１６４内のナノフィンガー１１０とは異なる機能付与（functionalization）がなされている。例えば、第１のチャンバー１６２に含まれるナノフィンガー１１０上に形成されるラマン活性材料ナノ粒子１１２は、第１のタイプの粒子と結合するように機能付与されており、第２のチャンバー１６２に含まれるナノフィンガー１１０上に形成されるラマン活性材料ナノ粒子１１２は、第２のタイプの粒子と結合するように機能付与されている。このように、第１のチャンバー１６２内のナノフィンガー１１０は、第２のチャンバー１６４内のナノフィンガー１１０とは異なるタイプの化学種と結合するように機能付与されている。

図１Ｄにおける装置１００は、２つのチャンバー１６２及びチャンバー１６４とともに表されているが、装置１００は、装置１００の範囲を逸脱することなく任意数のチャンバーを備えることができることが理解される。これに関して、装置１００は、例えば異なるタイプの化学種と結合するように様々な異なる方法で機能付与されているラマン活性材料ナノ粒子１１２のサブセットを任意数含むことができる。別の例としては、第２セット１２２におけるナノフィンガー１１０のサブセット上に形成されるラマン活性材料ナノ粒子１１２のサブセット間で異なる機能を維持しながら、壁１６０を取り外すこともできる。更なる例としては、第１セット１２０及び／又は第３セット１２４におけるナノフィンガー１１０上に形成されるラマン活性材料ナノ粒子１１２は、第２セット１２２におけるナノフィンガー１１０上に形成されるラマン活性材料ナノ粒子１１２とは異なる機能を有し得る。また更なる例としては、第１セット１２０におけるナノフィンガー１１０上に形成されるラマン活性材料ナノ粒子１１２のサブセットは互いに異なる機能付与がなされていてもよい。同様に、第３セット１２４におけるナノフィンガー１１０上に形成されるラマン活性材料ナノ粒子１１２のサブセットも互いに異なる機能付与がなされていてもよい。

ここでは図２を参照して、一例による検知操作に使用される検知デバイス２００のブロック図が示される。図２に示されるように、検知デバイス２００には、図１Ａ〜図１Ｄで表される装置１００が含まれる。これに関して、検知デバイス２００は、試験対象の化学種２２０がナノフィンガー１１０上に収集された後に使用されるものである。換言すると、検知デバイス２００は、化学種２２０を含む流体サンプルのフィルタリング後にラマン活性材料ナノ粒子１１２及び化学種２２０に対して検知操作を行うものである。これに関して、図２に表される装置１００部には、ナノフィンガー１１０の第２セット１２２部分が含まれる。しかしながら代替的には、図２における装置１００の記載は装置１００の他の部分であってもよい。

検知デバイス２００は照射源２０２と検出器２０４とを含むものとしても表されている。試験対象の化学種２２０は、ラマン活性材料ナノ粒子１１２と近接に接触する位置をとるものとしても表されている。一例によれば、装置１００と照射源２０２と検出器２０４との相対位置は、装置１００の様々な場所での試験を行うことが可能となるように変更される。この例では、装置１００は検知デバイス２００に対して可動性であり、検知デバイス２００は装置１００に対して可動性であり、又はその両方である。

照射源２０２は、矢印２０６によって表される電磁放射線（例えば光を含む）を、カバー１３０を通過してラマン活性材料ナノ粒子１１２及び化学種２２０上に放射するものとして表されている。他の例では、カバー１３０はラマン活性材料ナノ粒子１１２及び化学種２２０が照射される前に取り外される。いずれに関しても、例えば照射源２０２は物質２１０とラマン活性材料ナノ粒子１１２とを照射するレーザーを含む。ラマン活性材料ナノ粒子１１２への照射によって、電場の強さが比較的大きいホットスポットが発生する。ホットスポットはラマン活性材料ナノ粒子１１２が互いに接触する場所で増大する。ラマン活性材料ナノ粒子１１２間の接触箇所で発生する電場が概して、接触箇所に又はその近くに位置する化学種２２０によってラマン光が散乱される割合を高める。ラマン散乱光は、矢印２０８で表されるが、その周波数は化学種２２０の特定振動モードを特徴とする量だけシフトする。検出器２０４はラマン散乱光２０８を収集するものであり、スペクトル分析はラマン散乱光２０８に対して行われるものである。

化学種２２０の近くにある又はそれに隣接するラマン活性材料ナノ粒子１１２は、化学種２２０内の又はその周りの電磁場を集中させる又はそうでなければ増強することによって化学種２２０からのラマン散乱光２０８の発生を高める。これに関して、このようにして化学種２２０が検出器２０４によって検出されるとともに処理されるのに十分強いラマン散乱光２０８を発生する可能性も増大する。

ラマン散乱光２０８は検出器２０４に指向するように表されているが、ラマン散乱光２０８は複数の方向に放射される。これに関して、ラマン散乱光２０８の一部は一例では光導波路を含むボディ２０２に指向し得る。より具体的には例えば、化学種２２０が導波モードのエバネセント場に結び付く結果として、ラマン散乱光２０８がボディ１０２で発生し得る。これらの例では、検出器２０４は、ラマン散乱光２０８からボディ１０２で生じる光波を検出するように位置し得る。いずれに関しても、検出器２０４は、例えば回折格子型（grating-based）モノクロメーター又は干渉フィルターの使用による照射源２０２を発生源とする光をフィルタリングするフィルターを備え得る。代替的に検出器２０４はナノフィンガー１１０に対して他の場所に、例えば図２のボディ１０２の下に位置していてもよい。

いずれに関しても、検出器２０４は概して、化学種２２０から放射されたラマン散乱光２０８を電気シグナルへと変換するものである。幾つかの例では、検出器２０４は、電気シグナルを、電気シグナルを処理する他の構成要素（図示せず）、例えばコンピュータデバイスへと出力するものである。他の例では、検出器２０４は処理機能を兼ね備えている。

一例によれば、照射源２０２、検出器２０４、及び本明細書では図示されていない検知デバイス２００の他の構成要素、例えばＣＰＵ、電源、バッテリー、ユーザーインターフェース等がハウジング２３０内に含まれる。この例では、検知デバイス２００は研究室環境の外でも使用可能であり、そのため例えばサンプル流体を入手する場所で使用される。

更なる例では、装置１００は検知デバイス２００に取り外し可能に挿入されている。これらの例では、装置１００は使い捨てユニットを含んでいてもよく、検知デバイス２００は異なるサンプルを含む装置１００に対して検知操作を行うのに複数回再使用することができる。

これより図３を考慮すると、一例による流体中の化学種をフィルタリングする装置１００を作製する方法３００のフロー図が示される。方法３００は更なるプロセスを含んでいてもよく、方法３００の範囲を逸脱することなく本明細書に記載されるプロセスの一部を排除及び／又は変更することができることが理解される。

ブロック３０２では、ナノフィンガー１１０のセット１２０、１２２をボディ１０２上に形成し、これらのセット１２０、１２２のそれぞれにおけるナノフィンガー１１０を他のセット１２０、１２２におけるナノフィンガー１１０とは異なる密度レベルで配置する。一例によれば、密度レベルはボディ１０２の一方の側面１０４からボディ１０２のもう一方の側面１０６へと段階的に増大し、これにより流体が一方の側面からもう一方の側面へと流れるにつれて段階的により小さい化学種がフィルタリングされる。

いずれに関しても、一例によれば、ナノインプリンティング法又はロールツーロール（roll-to-roll）プロセスを実行して、ボディ１０２の表面上にナノフィンガー１１０を形成する。この例では、フォトリソグラフィー又はナノフィンガー１１０を所定の配置に配置する所望のパターニングを有する他の高度なリソグラフィーによってテンプレートを形成することができる。より具体的には例えば、所望のパターンを、Ｅビームリソグラフィー、フォトリソグラフィー、レーザー干渉リソグラフィー、収束イオンビーム（ＦＩＢ）、スフェアの自己集合化等によってモールド上に設計することができる。加えて、パターンを、例えばシリコン、ガラス又は高分子基材（ＰＤＭＳ、ポリイミド、ポリカーボネート等）上に転写することができる。他の例では、ナノフィンガー１１０を、任意の好適な作製プロセスの実施によって所定の又は実質的にランダムな配置で形成することができる。加えて、ナノフィンガー１１０を、上述のような任意の好適な取付け機構によってボディ１０２の表面上に設けることができる。

ブロック３０４では、ラマン活性材料ナノ粒子１１２をナノフィンガー１１０の少なくとも一部に取り付ける。より具体的には、ラマン活性材料ナノ粒子１１２を、図１Ｂについて上述されるようにナノフィンガー１１０の少なくとも一部に取り付ける。ラマン活性材料ナノ粒子１１２の原子又は原子クラスターを、例えば金属材料の物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、スパッタリング等、又は予め合成されたナノ粒子の自己集合化によって選択されたナノフィンガー１１０上に堆積させることができる。

ブロック３０６では、ナノフィンガー１１０は、ナノフィンガー１１０の先端が互いに実質的に接触するように互いに傾倒される。一例によれば、初めにナノフィンガー１１０を第１の位置に置くが、そこでは先端は互いに実質的に間隔を空けて配置されている。加えて、ナノフィンガー１１０の先端間の間隙は、液体を間隙に供給することを可能にするのに十分大きいサイズである。その上間隙は、例えば液体が乾燥するにつれて先端に加わる毛細管力によって、液体が蒸発することでナノフィンガー１１０の先端を互いに近付けるのに十分小さいサイズである。ｅビーム、イオンビーム、磁力、機械力、熱的効果、又は電荷効果等の他の非限定的な例を更に又は代わりに用いて、ナノフィンガー１１０の先端を互いに近付けてもよい。いずれに関しても、ラマン活性材料ナノ粒子１１２は互いに接触して、例えばこれらの接触するナノ粒子１１２間におけるファンデルワールス相互作用によって互いに接触した状態を維持することができる。

ブロック３０８では、ナノフィンガー１１０をカバー１３０で覆い、そこではカバー１３０によって、ナノフィンガー１１０が中に位置している基板１０２とともに流路が形成される。一例によれば、カバー１３０は予め作製された略Ｕ字型構造を含み、カバー１３０の脚部は上述される任意の好適な方法で基板１０２の表面に取り付けられる。

これより図４を考慮すると、一例によれば図１Ａ〜図１Ｄに示される装置１００を用いて検知操作を行う方法４００のフロー図が示される。方法４００は更なるプロセスを含むことができ、本明細書に記載のプロセスの一部は方法４００の範囲を逸脱することなく排除及び／又は修正することができることが理解される。

ブロック４０２では、複数サイズの化学種を含むサンプルを装置１００に導入する。より具体的には例えば、流体サンプルを装置１０２の第１側面１０４に導入する。加えて、ナノフィンガー１１０によってフィルタリングしながら、流体サンプルが装置１００を通って移動する。より具体的には、流体サンプル中の相対的に小さいサイズの化学種２２０が第１セット１２０におけるナノフィンガー１１０間の間隙１５０を通って流れることができる一方で、相対的に大きいサイズの化学種２２０は間隙１５０に捕捉される。或る特定の実施態様では、流体サンプルが流体サンプルに作用する毛細管力によって装置１００を通って移動する。他の実施態様では、流体サンプルを、例えば微小流体ポンプ、圧電素子等の使用によって装置１０２に強制的に流す。

ブロック４０４では、ナノフィンガー１１０の第１セット１２０及び第２セット１２２の少なくとも一方においてラマン活性材料ナノ粒子１１２及び化学種２２０を例えば照射源２０２によって照射する。一例では、照射源２０２はカバー１３０を通過してラマン活性材料ナノ粒子１１２及び化学種２２０上へと光２０６を指向させる。別の例では、ラマン活性材料ナノ粒子１１２及び化学種２２０を照射する前にカバー１３０を取り外す。この例では、検知デバイス２００に、ナノフィンガーに実質的に損傷を与えずにカバー１３０を取り外す機構（図示せず）が備えられ得る。いずれに関しても、ラマン活性材料ナノ粒子１１２及び化学種２２０を照射することによって、ラマン散乱光が化学種２２０から放射される。

ブロック４０６では、ラマン活性材料ナノ粒子１１２と近接に位置する化学種２２０から放射されるラマン散乱光を、例えば検出器２０４によって検出する。その上、検出器２０４はラマン散乱光に対応する電気シグナルを発生させることができ、この電気シグナルを用いて、化学種２２０の少なくとも１つの特徴を検出することができる。

一例によれば、方法４００は装置１００の様々な部分で繰り返される。この例では、ナノフィンガー１１０の第２セット１２２の異なるサブセットに置かれたラマン活性材料ナノ粒子１１２及び化学種２２０が方法４００の様々な反復の間に試験される。付加的には又は代替的には、ナノフィンガー１１０の異なるセット１２０、１２４に置かれたラマン活性材料ナノ粒子１１２及び化学種２２０が方法４００の様々な反復の間に試験される。更なる例としては、装置１００を取り外して、別の装置１００に置き換えることができ、方法４００を新たな装置１００に対して行うことができる。

本開示の全体を通して具体的に記載されているが、本開示の代表例には広範な用途にわたる有用性があり、上述の論考は限定を意図するものでも、またそのように解釈されるものでもなく、本開示の態様の例示的な論考として与えられている。

本明細書に記載及び図示されているものはその変形形態の一部を伴う例である。本明細書で用いられる用語、説明及び図面は例示として記載されているにすぎず、限定を意図するものではない。多くの変形形態が、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって規定されることが意図される本主題の趣旨及び範囲内で可能であるが、別段の指示がない限り全ての用語は最も広い合理的意味をとる。

Claims (14)

1. 流体中の化学種をフィルタリングするとともに表面増強ラマン分光法でその化学種を検知操作するための装置であって、
   第１側面と第２側面とを有するボディと、
   前記第１側面近くの前記ボディ上に位置するナノフィンガーの第１セットと、
   ナノフィンガーの前記第１セットよりも前記第２側面近くの前記ボディ上に位置するナノフィンガーの第２セットであって、ナノフィンガーの前記第２セットにおけるナノフィンガーがナノフィンガーの前記第１セットにおけるナノフィンガーよりも相対的に高い密度で前記ボディ上に配置されている、ナノフィンガーの第２セットと、
   ナノフィンガーの前記第１セット及びナノフィンガーの前記第２セットの上に配置されて前記ボディとともに流路を形成し、前記流路内に前記ナノフィンガーの前記第１セット及び前記第２セットが位置するカバーと、
   を備え、
   前記カバーが光学的に透明な材料でできており、
   ナノフィンガーの前記第１セット及びナノフィンガーの前記第２セットの少なくとも一方に付着したラマン活性材料ナノ粒子を備える、装置。
2. 前記第１セット及び前記第２セットにおける前記ナノフィンガーが可撓性材料で構成され、該ナノフィンガーは、該第１セットにおける複数のナノフィンガーが該第１セットにおけるナノフィンガーの隣接ナノフィンガーに実質的に接触するとともに、該第２セットにおける複数の該ナノフィンガーが該第２セットにおけるナノフィンガーの隣接ナノフィンガーに実質的に接触するように、互いに傾倒している、請求項１に記載の装置。
3. ナノフィンガーの前記第１セットが、同じ空間単位でのナノフィンガーの前記第２セットと比較して、空間単位当たりより少ない数のナノフィンガーを含み、及び／又は、
   ナノフィンガーの前記第１セットが、前記第２セットにおけるナノフィンガーと比較して、相対的により細いナノフィンガーを含む、
   請求項１に記載の装置。
4. ナノフィンガーの前記第２セットが、ナノフィンガーの複数のサブセットを含み、ナノフィンガーの該サブセットの少なくとも２つは互いに異なる機能を有する、請求項１に記載の装置。
5. 複数のチャンバーであって、ナノフィンガーの異なる機能のサブセットが該複数のチャンバーのそれぞれに位置している、複数のチャンバー、
   を更に備える、請求項４に記載の装置。
6. ナノフィンガーの前記第１セットと前記第２セットとの間の前記ボディ上に位置しているナノフィンガーの第３セットであって、ナノフィンガーの該第３セットが、ナノフィンガーの該第１セットの密度レベルと、ナノフィンガーの該第２セットの密度レベルとの間の密度レベルを有するように前記ボディ上に配置されている、ナノフィンガーの第３セット、
   を更に備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記構造体が前記ボディの前記第１側面から前記第２側面へと向かうにつれて先細りになっている、請求項１に記載の装置。
8. ナノフィンガーの前記第１セット及び前記第２セットのそれぞれにおけるナノフィンガー間の間隙が実質的に所定のサイズとなるように、ナノフィンガーの該第１セットとナノフィンガーの該第２セットとが前記ボディ上に配置されている、請求項１に記載の装置。
9. 前記第１セット及び前記第２セットにおける前記ナノフィンガーが可撓性材料で構成され、該ナノフィンガーの自由端が、静電荷の除去によって隣接ナノフィンガーに接触した状態に維持され、静電荷が印加されると該ナノフィンガーの自由端が垂直に伸びる、請求項１に記載の装置。
10. 請求項１に記載の装置で検知アプリケーションを行う検知デバイスであって、
    ラマン活性材料ナノ粒子及び流体中の化学種を照射する照射源と、
    前記ラマン活性材料ナノ粒子と近接に位置している前記化学種から放射されたラマン散乱光を検出するように位置している検出器と、
    を備える、検知デバイス。
11. 前記照射源と前記検出器とが前記装置に組み込まれた、請求項１０に記載の検知デバイス。
12. 請求項１に記載の装置を製造する方法であって、
    互いの密度レベルが異なるように、ボディ上にナノフィンガーの第１セット及び第２セットを形成することと、
    ラマン活性材料ナノ粒子を、ナノフィンガーの前記第１セット及び前記第２セットの少なくとも一方のナノフィンガー上に付着させることと、
    前記ナノフィンガーを該ナノフィンガーの隣接ナノフィンガーに対して傾倒させることと、
    ナノフィンガーの前記第１セット及び前記第２セットをカバーで覆うことと、
    を含む、方法。
13. 請求項１に記載の装置を用いて検知操作を行う方法であって、
    試験対象の複数のサイズの化学種を含むサンプルを前記装置に導入することであって、
    該サンプルをボディの第１側面からボディの第２側面に向かって流し、該サンプル中の相対的により小さいサイズの化学種はナノフィンガーの第１セットを通って流れることができ、相対的により大きいサイズの化学種はナノフィンガーの該第１セット間の間隙に捕捉される、ことと、
    ナノフィンガーの前記第１セット及び第２セットの少なくとも一方の上のラマン活性材料ナノ粒子及び化学種を照射することと、
    前記ラマン活性材料ナノ粒子と近接に位置している化学種から放射されたラマン散乱光を検出することと、
    を含む、方法。
14. 前記ラマン活性材料ナノ粒子及び前記化学種を照射する前にカバーを取り外すことを更に含む、請求項１３に記載の方法。

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