JP6201369B2 - 検出装置及び電子機器 - Google Patents
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Description
基板と、
前記基板上に形成される複数の金属粒子を含む金属ナノ構造と、
前記金属ナノ構造上に形成される有機分子膜と、
を有し、
前記複数の金属粒子は、前記有機分子膜の膜厚方向から平面視して粒子径が1〜500nmであり、
前記有機分子膜は、膜厚方向にて貫通する複数の空孔を含み、
前記複数の空孔は、前記金属粒子の表面上で二次元方向に沿って配列され、
前記複数の空孔のサイズaは0.5nm≦a≦5nmを満たし、前記複数の空孔の周期PはP≦10nmを満たし、
前記有機分子膜の膜厚tは、t≦1nmを満たす光学デバイスに関する。
1.1.光学デバイスの概要
図1は、本実施形態の光学デバイス10を模式的に示したイメージ図である。なお、特に図1〜図3は、各所の寸法や寸法間の比率は実際とは大きく異なり、本実施形態を視覚的に理解するために描かれたイメージである。図1に示す基板12の最表面は例えば誘電体である。基板12の表面には、複数の金属粒子14を含む金属ナノ構造16が設けられている。金属ナノ構造16は、図1に示すX−Y平面上にて例えばX,Y軸に沿って金属粒子14を配列している。金属粒子14は、Z方向から見た平面視での粒子径が1〜500nmの金属ナノ粒子である。
図4(A)〜図4(E)にSERSセンサーチップとなる金属ナノ構造16の加工プロセスを示す。基板12は、金属・半導体・誘電体で構わないが、ここではガラス基板とした。この基板12上に、SERSを発現させるLSPR金属ナノ構造16を配置させる。図4(A)に示すように、基板12上にレジスト13Aを塗布し、深紫外線(DUV)干渉露光を2回行うことで、図4(B)に示すように2次元(X−Y平面)状に配置されたドット状マスク13Bを形成させる。このドット状マスク13Bを用いて基板12を異方性エッチングすることで、図4(C)に示すように基板12の表面にドット12Aが形成される。ドット状マスク13Bを除去した後に、ドット12Aの上から例えばAgを例えば30nm程度蒸着すれば、図4(E)に示すように複数の金属粒子14を備えたSPR金属ナノ構造16が出来上がる。金属粒子14の周期P1は例えば140nmである。
1.3.1.第1比較例
図6に、例えば直径50nmの金属粒子14がX、Y方向にてそれぞれ間隔5nmを空けて配置した金属ナノ構造の第1比較例の平面図が示されている。図6では、X方向にて隣り合う2個の金属粒子14のみが示されている。
そこで、特許文献1−3や非特許文献1では、金属粒子の表面にSAM等の高分子膜を形成して、標的分子を物理吸着させている。しかし、この場合でも標的分子は高分子膜の表面に吸着されるのであって、金属粒子の表面に吸着されるわけではない。よって、図7から信号感度の向上に限界がある。
1.4.1.空孔のサイズ
標的分子をアセトンやトルエンなどの揮発性有機化合物(VOC)とすると、そのサイズは0.4〜0.6nm程度であり、多くのVOC分子は1nm以下である。これらの分子を捕捉するための空間サイズとしては、1.5分子〜10分子くらいのサイズが望ましい。なぜならば、1つの分子において1点だけでなく、分子の様々な部位で金属粒子14または有機分子膜20と多点吸着するからである。
ここで、空孔22のサイズaが小さい場合には、ホットサイト上に空孔22を多数設けないと、ホットサイトエリア内部で捕捉される標的分子は少なくなる。このため満足な検出感度が得られない。この課題を克服するために、本実施形態では、有機分子膜20の厚さ方向と交差する二次元面(金属粒子14の表面)で二次元方向に沿って空孔22を規則的に多数並べている。ホットサイトは金属ナノ粒子の間隙部表面に沿って数十ナノメートルの局所的に存在しているため、空孔22の周期P(図2)は10nm以下が好ましい。また周期Pは空孔22のサイズaより大きいことを満たせば小さいほど好ましい。
図6で示すホットサイトの電場はEx成分である。したがってSERSはEx成分の電場で励起されることになる。このことは吸着する分子の配向によってSERS信号が発現したり発現しなくなったりすることを意味する。例えば図10に示すように、ヘキサデカンチオール分子(CH3-(CH2)15-SH)は金属粒子14であるAgやAuに対してS原子-金属の結合をもとに立って吸着する。つまり、分子の双極子モーメントの方向とEx方向とが一致する。そのためホットサイトに臨む金属粒子14に吸着したヘキサデカンチオール分子は、図11に示すSERS信号を与える。よって、特定波長のラマン信号を検出することで、ヘキサデカンチオール分子を同定できる。
隣り合う金属粒子14の間隔dは、図6ではd=5nmであったが、0.1nm≦d≦20nmとすることができる。こうすると、隣り合う2つの金属粒子14の間隙に強いホットサイトを確保することができる。金属粒子の間隔が上記範囲を超えて大きくなると、隣接する金属粒子に働く相互作用が小さくなり、発生する増強電場が弱くなって、ホットサイトとしての機能が劣ることになる。
金属表面に2次元的に配列する有機分子にて形成される有機分子膜20として、アルカンチオール・シラン系分子に代表されるように1つ1つの分子が同じ形態で吸着する単分子膜が挙げられる。この他、有機分子膜20の中には、1つ1つの分子がビルディングブロックとして機能し、全体で1つの2次元周期配列構造を形成するタイプがある。本実施形態では、後者の有機分子膜を好適に利用することができる。
検出装置または電子機器100として、生体ガスに含まれるアセトン濃度を検出し、検出したアセトン濃度と相関がある体脂肪の燃焼量を検出する物質検出装置を例に挙げて説明する。物質検出装置100は、図20(A)〜図20(C)に示すように、検出試料採取部110と検出部130と表示部230とが、ケース120と風防ガラス121によって構成される空間内に格納されている。検出試料採取部110は、人の皮膚に接触する側(ケース120の裏面側)に配置され、検出部130はケース120の内部に、表示部230は被験者が視認可能な位置(ケース120の表面側)に配置されている。
Claims (7)
- 基板と、前記基板上に形成される複数の金属粒子を含む金属ナノ構造と、前記金属ナノ構造上に形成される有機分子膜と、を有する光学デバイスと、
前記光学デバイスに光を入射する光源と、
前記光学デバイスから出射されるレイリー光とラマン散乱光から、前記ラマン散乱光を透光する光学フィルタと、
前記ラマン散乱光を検出する光検出器と、を備え、
前記複数の金属粒子は、前記有機分子膜の膜厚方向から平面視して粒子径が1〜500nmであり、
前記有機分子膜は、ハニカム構造と膜厚方向に貫通する複数の空孔とを含み、
前記複数の空孔は、前記金属粒子の表面上で二次元方向に沿って配列され、
前記複数の空孔のサイズaは0.5nm≦a≦5nmを満たし、前記複数の空孔の周期PはP≦10nmを満たし、
前記有機分子膜の膜厚tは、t≦1nmを満たし、
前記空孔は前記ハニカム構造の中心部に設けられ、
隣り合う前記金属粒子の間隔が0.1〜20nm以下であることを特徴とする検出装置。 - 請求項1において、
前記有機分子膜の膜厚tは、t≦0.5nmを満たすことを特徴とする検出装置。 - 請求項1において、
前記有機分子膜は、隣り合う2つが結合される複数のビルディングブロック分子を含み、
前記複数のビルディングブロック分子の各々は、高次の化合物を形成する基本分子として、前記有機分子膜の膜厚方向から平面視して分子中心に3回回転軸を有し、前記分子中心に対して回転対称な位置にある3つの末端部が官能基であることを特徴とする検出装置。 - 請求項3において、
前記複数のビルディングブロック分子は、トリメシル分子、メラム分子またはメラミン分子のいずれか1種類を含み、もしくは前記メラム分子及び前記メラミン分子を含むことを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一項において、
前記光源からの光を前記光学デバイスに導き、且つ前記光学デバイスからの光を前記光学フィルタに導くハーフミラーを備えることを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一項において、
前記光源は、単一波長且つ直線偏光の光を射出するレーザー光源であることを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の検出装置と、
前記検出装置からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、を備えたことを特徴とする電子機器。
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