JP6676236B2 - Measuring chip, measuring device, and measuring method - Google Patents

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この発明は、フォトニック結晶からなる測定用チップ、当該測定用チップが配置される測定装置、および当該測定用チップを用いた測定方法に関するものである。   The present invention relates to a measurement chip made of a photonic crystal, a measurement device in which the measurement chip is arranged, and a measurement method using the measurement chip.

従来、遺伝子解析、臨床診断、あるいは有害物質検出等を行うバイオセンサーとして、フォトニック結晶を用いたバイオセンサーが提案されている(例えば特許文献1を参照)。   Conventionally, a biosensor using a photonic crystal has been proposed as a biosensor for performing gene analysis, clinical diagnosis, detection of harmful substances, and the like (for example, see Patent Document 1).

フォトニック結晶は、所定のパターン(例えば円柱形状の構造体)が周期的に配列された周期構造を有する誘電体からなる。特許文献1では、以下のようにしてフォトニック結晶を用いた測定が行われる。   The photonic crystal is made of a dielectric having a periodic structure in which a predetermined pattern (for example, a columnar structure) is periodically arranged. In Patent Document 1, measurement using a photonic crystal is performed as follows.

(1)被検物質等が含まれていない試料を、フォトニック結晶に接触させる。
(2)フォトニック結晶に光を照射し、反射光の光学特性(反射光のピーク波長や強度)に関する情報を取得する。
(3)被検物質が含まれた試料を、フォトニック結晶に接触させる。
(4)被検物質が含まれた試料を接触させた後、上記(2)と同様に反射光の光学特性に関する情報を取得する。
(5)上記(4)の反射光の光学特性を、上記(2)の光学特性と比較することにより、試料中に含まれる被検物質の有無や量を検出する。
(1) A sample containing no test substance or the like is brought into contact with a photonic crystal.
(2) The photonic crystal is irradiated with light to obtain information on the optical characteristics of reflected light (peak wavelength and intensity of reflected light).
(3) The sample containing the test substance is brought into contact with the photonic crystal.
(4) After the sample containing the test substance is brought into contact, information on the optical characteristics of the reflected light is obtained in the same manner as in (2) above.
(5) The presence or absence and amount of the test substance contained in the sample are detected by comparing the optical characteristics of the reflected light in (4) with the optical characteristics in (2).

特開2014−202574JP 2014-202574 A

特許文献1に示した様なフォトニック結晶を用いた測定方法では、被検出物質の感度を向上させる必要がある。   In a measurement method using a photonic crystal as disclosed in Patent Document 1, it is necessary to improve the sensitivity of a substance to be detected.

この発明は、従来よりも高感度な測定用チップ、当該測定用チップが配置される測定装置、および当該測定用チップを用いた測定方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a measurement chip with higher sensitivity than before, a measurement device in which the measurement chip is arranged, and a measurement method using the measurement chip.

この発明は、誘電体からなる測定用チップであって、前記誘電体は、所定のパターンが周期配列された周期構造を有するフォトニック結晶であり、前記フォトニック結晶は、一部に、前記周期配列とは異なる配列態様となっている特異パターンが形成されていることを特徴とする。   The present invention is a measurement chip made of a dielectric material, wherein the dielectric material is a photonic crystal having a periodic structure in which a predetermined pattern is periodically arranged, and the photonic crystal partially has the periodic structure. It is characterized in that a specific pattern having an arrangement mode different from the arrangement is formed.

フォトニック結晶は、孔または柱状構造等のパターンが周期配列された周期構造を有する誘電体である(ただし、誘電体の材料そのものが原子または分子レベルで結晶構造を有するものではない)。この周期構造により、フォトニック結晶は、特定の波長域の光を反射する特性を有する(特定の波長域の光を反射する鏡として機能する)。ここで、本発明は、フォトニック結晶の一部に、周期配列とは異なる配列態様となっている特異パターンを設けることで、当該特異パターンが設けられた箇所を鏡に挟まれた空間として機能させる。これにより、特異パターンは、特定の波長の光を共振させる共振器として機能し、特定の波長の光のみを非常に高いSN比で出射させることができる。   A photonic crystal is a dielectric having a periodic structure in which patterns such as holes or columnar structures are periodically arranged (however, the dielectric material itself does not have a crystal structure at an atomic or molecular level). With this periodic structure, the photonic crystal has a property of reflecting light in a specific wavelength range (functions as a mirror that reflects light in a specific wavelength range). Here, the present invention provides a specific pattern having an arrangement mode different from the periodic arrangement on a part of the photonic crystal, so that the portion where the specific pattern is provided functions as a space sandwiched between mirrors. Let it. Accordingly, the unique pattern functions as a resonator that resonates light of a specific wavelength, and can emit only light of a specific wavelength at a very high SN ratio.

そして、測定用チップの周囲(例えば、特異パターンの周囲)に他の物質(被検出物質)を吸着させると、表面屈折率が変化することにより共振器としての共振波長が変化する。したがって、測定用チップに特定の波長スペクトルの光を照射し、共振器から出射される光の特性の変化を測定することで、被検出物質を非常に高い感度で検出することができる。なお、光の特性は、特異パターンから出射される光の波長の変化を直接測定してもよいが、単一波長の光を入射させた場合、被検出物質の有無により、光のピーク強度が大きく変化する。よって、強度変化を測定することで被検出物質の有無を判断する、または定量化することができる。強度変化を測定する場合、高度な分光器等が不要となり、非常に安価な測定装置を実現することができる。   When another substance (substance to be detected) is adsorbed around the measurement chip (for example, around the peculiar pattern), the resonance wavelength as a resonator changes due to a change in the surface refractive index. Therefore, the target substance can be detected with very high sensitivity by irradiating the measurement chip with light having a specific wavelength spectrum and measuring the change in the characteristics of the light emitted from the resonator. Note that the characteristics of light may be directly measured by a change in the wavelength of light emitted from the unique pattern.However, when light of a single wavelength is incident, the peak intensity of light depends on the presence or absence of the substance to be detected. It changes greatly. Therefore, the presence or absence of the substance to be detected can be determined or quantified by measuring the change in intensity. When measuring the intensity change, an advanced spectroscope or the like is not required, and a very inexpensive measuring device can be realized.

なお、特異パターンは、周期構造のうち、一部のパターンが省かれた構造となっていることが好ましい。また、特異パターンは、周期構造のうち、複数周期分のパターンが省かれた構造となっていることが好ましい。   It is preferable that the peculiar pattern has a structure in which a part of the periodic structure is omitted. Further, it is preferable that the peculiar pattern has a structure in which a pattern for a plurality of periods is omitted from the periodic structure.

複数周期分のパターンが省かれた構造は、例えば平面視して1次元状(直線状)に複数周期分のパターンが省かれた構造となっている例や、平面視して2次元状に複数周期分のパターンが省かれた構造となっている例が考えられる。   The structure in which the patterns for a plurality of cycles are omitted is, for example, a structure in which the patterns for a plurality of cycles are omitted in a one-dimensional shape (linear shape) in plan view, or a two-dimensional shape in a plan view. An example in which a pattern for a plurality of cycles is omitted is considered.

なお、上記のような特異パターンを含む一群のフォトニック結晶は、さらに複数配列されてアレイ配列されてなる測定用チップとすることも可能である。   Note that a group of photonic crystals including the above-described specific pattern can be further arranged in a plurality of arrays to form a measurement chip.

また、誘電体は、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂、ポリスチレン、またはTiO2とすることで、安価でかつ製造が容易である材料を用いることが好ましい。   Further, it is preferable that the dielectric be made of an acrylic resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, a silicone resin, polystyrene, or TiO2, so as to use a material that is inexpensive and easy to manufacture.

なお、共振させる光は、可視光の領域(例えば650nmの赤色光)とすることで、光源や測定部のコストを抑えることが可能である。   Note that by making the light to be resonated into a visible light region (for example, red light of 650 nm), the cost of the light source and the measuring unit can be reduced.

この発明によれば、従来よりも高感度な測定用チップ、当該測定用チップが配置される測定装置、および当該測定用チップを用いた測定方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a measurement chip with higher sensitivity than before, a measurement device in which the measurement chip is arranged, and a measurement method using the measurement chip.

測定装置15の概略構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of a measurement device 15. 測定装置15の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a measurement device 15. チップ1の構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a structure of a chip 1. チップ1にレーザー光を照射した場合の反射の様子を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a state of reflection when a laser beam is irradiated to the chip 1. 特異パターン12から出射される光の強度変化を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a change in the intensity of light emitted from a unique pattern 12. 検査方法のフローチャートである。It is a flowchart of an inspection method. 特異パターンの変形例を示す平面図である。It is a top view showing a modification of a peculiar pattern. 特異パターンの周期の数の違いによる比較図である。It is a comparison figure by the difference of the number of periods of a peculiar pattern. アレイ型チップの構造を示す平面図である。It is a top view showing the structure of an array type chip.

図1は、本発明の測定用チップを含む測定装置15の概略構成を示す図である。図2は、測定装置15の構成を示すブロック図である。   FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a measuring device 15 including a measuring chip of the present invention. FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the measuring device 15.

図1に示すように、測定装置15は、チップ(測定用チップ)1、発光部10、偏光板20、受光部30、測定部31、および制御部(比較部)32を備えている。測定部31および制御部32は、専用のハードウェアであってもよいが、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置に搭載されたソフトウェアにより実現される態様であってもよい。   As shown in FIG. 1, the measurement device 15 includes a chip (measurement chip) 1, a light emitting unit 10, a polarizing plate 20, a light receiving unit 30, a measuring unit 31, and a control unit (comparing unit) 32. The measurement unit 31 and the control unit 32 may be dedicated hardware, or may be realized by software installed in an information processing device such as a personal computer.

発光部10は、特定の波長の光を照射する光源であり、例えば650nmの可視光のレーザー光を放射する光源である。当該レーザー光は、偏光板20を介してチップ1に照射される。   The light emitting unit 10 is a light source that emits light having a specific wavelength, and is a light source that emits, for example, 650 nm visible laser light. The laser light is applied to the chip 1 via the polarizing plate 20.

図3は、チップ1の構造を示す図である。図3(A)は、斜視図であり、図3(B)は、平面図であり、図3(C)は一部拡大断面図である。   FIG. 3 is a diagram showing the structure of the chip 1. FIG. 3A is a perspective view, FIG. 3B is a plan view, and FIG. 3C is a partially enlarged cross-sectional view.

チップ1は、誘電体11からなる平板状の部材である。誘電体11は、例えばアクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂、ポリスチレン、またはTiO2等からなる。この例では、誘電体11は、誘電率ε=2.4程度のポリスチレンからなる。また、この例では、誘電体11は、平面視して正六角形の薄い平板形状となっている。ただし、誘電体11の形状は、図3に示す例に限らない。例えば、平面視して正方形状であってもよいし、円形状であってもよい。また、立方体または直方体形状等のある程度の厚みがある形状であってもよい。   The chip 1 is a plate-shaped member made of the dielectric 11. The dielectric 11 is made of, for example, acrylic resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, silicone resin, polystyrene, TiO2, or the like. In this example, the dielectric 11 is made of polystyrene having a dielectric constant ε = about 2.4. Further, in this example, the dielectric 11 has a thin regular hexagonal flat plate shape in plan view. However, the shape of the dielectric 11 is not limited to the example shown in FIG. For example, the shape may be a square shape or a circular shape in plan view. Further, a shape having a certain thickness such as a cube or a rectangular parallelepiped may be used.

誘電体11には、平面視した形状が円形である複数の孔13がパターニングされている。孔13は、一例として、内径φが150nm〜200nm、高さdが100〜200nmとなっている。また、孔13は、ピッチp=300nmで周期配列されている。誘電体11は、このような周囲構造を有するフォトニック結晶となっている。ただし、フォトニック結晶とは、孔または柱状構造等のパターンが周期配列された周期構造を有する誘電体のことを言い、誘電体の材料そのものが原子または分子レベルで周期構造を有するものではない。   A plurality of holes 13 having a circular shape in plan view are patterned in the dielectric 11. The hole 13 has, for example, an inner diameter φ of 150 to 200 nm and a height d of 100 to 200 nm. The holes 13 are periodically arranged at a pitch p = 300 nm. The dielectric 11 is a photonic crystal having such a surrounding structure. However, a photonic crystal refers to a dielectric having a periodic structure in which patterns such as holes or columnar structures are periodically arranged, and the dielectric material itself does not have a periodic structure at an atomic or molecular level.

このようなフォトニック結晶は、例えばナノインプリント方式により作成される。ナノインプリント方式とは、柱状構造がパターニングされた金属等の鋳型を用意し、当該パターンを誘電体11に転写することで、孔13を形成する方式である。これにより、誘電体11としてポリマー樹脂を用いることが可能となり、Si基板を用いた半導体プロセスを用いるよりも安価にチップ1を製造することが可能となる。   Such a photonic crystal is created by, for example, a nanoimprint method. The nano-imprint method is a method in which a template such as a metal in which a columnar structure is patterned is prepared, and the hole 13 is formed by transferring the pattern to the dielectric 11. As a result, a polymer resin can be used as the dielectric 11, and the chip 1 can be manufactured at a lower cost than when a semiconductor process using a Si substrate is used.

このように作成されたフォトニック結晶は、さらに、例えば、リガンド希釈溶液に含浸される等の方式により、試料に含まれるアナライトと吸着するリガンドがフォトニック結晶の全体(あるいは特異パターンのみ)に固定化される。なお、これに限定されるものではなく、シランカップリング剤等を用いた他の方式により、フォトニック結晶にリガンドが固定化されてもよい。   The thus prepared photonic crystal is further impregnated with, for example, a ligand diluting solution, so that the analyte and the ligand to be adsorbed in the sample are mixed with the entire photonic crystal (or only the specific pattern). Be fixed. However, the present invention is not limited to this, and the ligand may be immobilized on the photonic crystal by another method using a silane coupling agent or the like.

なお、周期構造としては、図3に示す孔13のパターンが周期配列されている例に限るものではない。例えば、誘電体11の主面に円柱または角柱の構造体が周期配列された態様とすることも可能である。また、柱状の構造体を井桁状に立体配置することで、3次元状の周期配列とすることも可能である。   Note that the periodic structure is not limited to the example in which the patterns of the holes 13 shown in FIG. 3 are periodically arranged. For example, it is also possible to adopt a mode in which cylindrical or prismatic structures are periodically arranged on the main surface of the dielectric 11. In addition, by arranging the columnar structures three-dimensionally in a grid pattern, it is possible to form a three-dimensional periodic array.

フォトニック結晶は、以上のような所定のパターンが周期配列されていることにより、特定の波長域の光を反射する特性を有する。例えば、図3に示した孔13を周期配列した構造においては、約650nm付近の特定の波長域(例えば620〜680nm)の赤色光を反射する特性を有する。   The photonic crystal has a characteristic of reflecting light in a specific wavelength range by periodically arranging the predetermined patterns as described above. For example, the structure in which the holes 13 shown in FIG. 3 are periodically arranged has a characteristic of reflecting red light in a specific wavelength band (for example, 620 to 680 nm) around about 650 nm.

ここで、誘電体11の中心位置には、孔13が省かれた(孔13が形成されていない)箇所である特異パターン12が設けられている。すなわち、特異パターン12は、周期配列とは異なる配列態様となっている箇所である。   Here, at the center position of the dielectric 11, a peculiar pattern 12, which is a portion where the holes 13 are omitted (the holes 13 are not formed), is provided. That is, the peculiar pattern 12 is a part having an arrangement mode different from the periodic arrangement.

孔13による周期構造は、上述のように特定の波長域(例えば620nm〜680nm)の光を反射する鏡として機能する。そして、特異パターン12は、このような鏡に囲まれた空間として機能する。鏡に囲まれた空間に光が導入されると、当該光が鏡に反射を繰り返すことで、上記特定の波長域にある特定の波長が共振し、当該特定の波長において高強度のピークを示すことになる。   The periodic structure formed by the holes 13 functions as a mirror that reflects light in a specific wavelength range (for example, 620 nm to 680 nm) as described above. The unique pattern 12 functions as a space surrounded by such a mirror. When light is introduced into the space surrounded by the mirror, the light is repeatedly reflected on the mirror, so that a specific wavelength in the specific wavelength range resonates and shows a high intensity peak at the specific wavelength. Will be.

これにより、特異パターン12は、特定の波長の光を共振させる共振器(ファブリペロー共振器)として機能する。したがって、チップ1に光を照射すると、特異パターン12から特定の波長(例えば650nmの)の光のみを非常に高いSN比で出射させることができる。   Thereby, the unique pattern 12 functions as a resonator (Fabry-Perot resonator) that resonates light of a specific wavelength. Therefore, when the chip 1 is irradiated with light, only light having a specific wavelength (for example, 650 nm) can be emitted from the unique pattern 12 at a very high SN ratio.

図4は、チップ1に650nmのレーザー光を照射した場合の様子を示す図である。図4(A)は、チップ1の平面図であり、図4(B)は出射される光の強度分布を示した図であり、図4(C)は、チップ1を蛍光顕微鏡で撮影した画像である。なお、図4では、説明のために、図3に示したチップ1よりも多数の孔が形成された構造を示しているが、機能的には図3に示したチップ1と同様のものである。   FIG. 4 is a diagram showing a state in which the chip 1 is irradiated with a laser beam of 650 nm. 4A is a plan view of the chip 1, FIG. 4B is a diagram showing an intensity distribution of emitted light, and FIG. 4C is an image of the chip 1 taken with a fluorescence microscope. It is an image. Although FIG. 4 shows a structure in which a larger number of holes are formed than the chip 1 shown in FIG. 3 for the sake of explanation, it is functionally similar to the chip 1 shown in FIG. is there.

これらの図に示すように、チップ1に光を照射すると、特異パターン12の箇所において、高強度の光が出射される(高強度の出射光が観測される)ことがわかる。   As shown in these figures, it is understood that when the chip 1 is irradiated with light, high intensity light is emitted (high intensity emitted light is observed) at the location of the unique pattern 12.

本実施形態の測定装置15は、特異パターン12により共振する波長(例えば650nm)の光を発光部10から照射させ、受光部30で特異パターン12から出射される光を受光し、測定部31で当該光の強度を測定する。測定部31で測定した強度は、制御部32に入力され、メモリ(不図示)に記録される。   The measuring device 15 of the present embodiment irradiates light having a wavelength (for example, 650 nm) that resonates with the unique pattern 12 from the light emitting unit 10, receives light emitted from the unique pattern 12 by the light receiving unit 30, and The intensity of the light is measured. The intensity measured by the measuring unit 31 is input to the control unit 32 and recorded in a memory (not shown).

そして、誘電体11に他の物質(被検出物質)が吸着すると、表面屈折率が変化することにより共振器としての共振波長が変化する。また、共振器としての効率も低下する。この実施形態では、発光部10から単一波長(650nm)の光を照射しているため、共振波長が変化し、共振器としての効率が低下すると特異パターン12から出射される光の強度が大きく低下する。   When another substance (substance to be detected) is adsorbed on the dielectric 11, the surface refractive index changes and the resonance wavelength of the resonator changes. Further, the efficiency as a resonator also decreases. In this embodiment, since light of a single wavelength (650 nm) is emitted from the light emitting unit 10, the resonance wavelength changes, and when the efficiency as a resonator decreases, the intensity of light emitted from the unique pattern 12 increases. descend.

測定装置15は、試料(チップのリガンドに吸着される被検出物質(アナライト)が含まれたもの)に浸漬させた後のチップ1において、再度受光部30で特異パターン12から出射される光を受光し、測定部31で当該光の強度を測定する。制御部32は、最初に測定した光の強度と、試料に浸漬させた後の光の強度と、を比較する。制御部32は、光の強度が閾値以上の変化を示している場合には、被検出物質が含まれていると判断する。このようにして、測定装置15は、被検出物質(例えばインフルエンザウイルス等の抗原)の有無を検査する検査装置として機能する。   In the chip 1 after being immersed in the sample (containing the substance to be detected (analyte) adsorbed on the ligand of the chip), the measuring device 15 again emits the light emitted from the specific pattern 12 by the light receiving unit 30. And the measuring unit 31 measures the intensity of the light. The control unit 32 compares the light intensity measured first and the light intensity after immersion in the sample. When the light intensity indicates a change equal to or greater than the threshold, the control unit 32 determines that the detection target substance is included. In this way, the measurement device 15 functions as a test device that tests for the presence or absence of a substance to be detected (for example, an antigen such as an influenza virus).

なお、チップ1は、上述のように特異パターン12により特定の波長(例えば650nm)の光を共振させるため、例えば光源としては白色光等の帯域が広いものを用いることも可能である。この場合、光の強度ではなく、ピーク波長の変化、またはスペクトル形状の変化等を観察することでも被検出物質の有無を検査することが可能である。ただし、光源として単一波長の光を用いて強度の変化を観察する場合、波長変化を観察するための高価な分光器を用いる必要が無いため、測定装置としてのコストを抑えることが可能である。また、光源および共振させる光は、可視光に限るものではないが、特に可視光を利用する場合、赤外光や紫外光等の相対的に高価な光源や測定部を用いることがないため、測定装置としてのコストを抑えることが可能である。   Since the chip 1 resonates light having a specific wavelength (for example, 650 nm) by the unique pattern 12 as described above, a light source having a wide band such as white light can be used as the light source, for example. In this case, the presence or absence of the substance to be detected can also be inspected by observing a change in the peak wavelength or a change in the spectrum shape, instead of the light intensity. However, when observing a change in intensity using light of a single wavelength as a light source, it is not necessary to use an expensive spectroscope for observing a change in wavelength, so that the cost as a measuring device can be reduced. . In addition, the light source and the light to be resonated are not limited to visible light, but particularly when using visible light, since a relatively expensive light source or measurement unit such as infrared light or ultraviolet light is not used, It is possible to reduce the cost as a measuring device.

次に、図5は、特異パターン12から出射される光の強度変化を示す図である。同図に示すグラフの横軸において、「bare」と記載されている項目は、チップ1に何も吸着していないリファレンスの状態を示す。縦軸の数値は、当該リファレンスの状態における光の強度を基準として標準化したものである。   Next, FIG. 5 is a diagram illustrating a change in the intensity of light emitted from the unique pattern 12. In the horizontal axis of the graph shown in the figure, the item described as “bare” indicates a reference state in which nothing is adsorbed on the chip 1. The numerical values on the vertical axis are standardized based on the light intensity in the reference state.

「c1」の記載は、チップ1にポリカチオンを吸着させた後の光の強度を示す項目である。「a1」の記載は、さらにチップ1にポリアニオンを吸着させた後の光の強度を示す項目である。「c2」の記載は、その後さらにチップ1にポリカチオンを吸着させた後の光の強度を示す項目である。以下、数値の横軸の数値の増加に伴って、各物質を繰り返し吸着させた後の光の強度を示す。   The description of “c1” is an item indicating the light intensity after the polycation is adsorbed on the chip 1. The description of “a1” is an item indicating the light intensity after the polyanion is further adsorbed on the chip 1. The description of “c2” is an item indicating the light intensity after the polycation is further adsorbed to the chip 1 thereafter. Hereinafter, the light intensity after each substance is repeatedly adsorbed is shown as the numerical value on the horizontal axis of the numerical value increases.

図5に示すように、ある程度の量の物質が誘電体11の表面に吸着すると、特異パターン12から出射される光の強度が大きく低下することがわかる。例えば、図5においては、a1からc2(またはc2からa2)において光の強度が大きく低下している。したがって、リファレンスの強度を測定し、試料に浸漬させた後の強度を測定して、これら光の強度を比較することで、被検出物質の有無を検出することが可能となる。   As shown in FIG. 5, when a certain amount of substance is adsorbed on the surface of the dielectric 11, the intensity of light emitted from the unique pattern 12 is significantly reduced. For example, in FIG. 5, the intensity of light is significantly reduced from a1 to c2 (or c2 to a2). Therefore, by measuring the intensity of the reference, measuring the intensity after immersion in the sample, and comparing these light intensities, it is possible to detect the presence or absence of the substance to be detected.

図6は、測定方法のフローチャートである。測定装置15は、まずリファレンスの強度を測定する(s11)。リファレンスは、例えば、チップ1を純水等で洗浄し、乾燥させた後の状態のものとする。   FIG. 6 is a flowchart of the measuring method. The measuring device 15 first measures the intensity of the reference (s11). The reference is, for example, a state after the chip 1 is washed with pure water or the like and dried.

測定装置15は、図1に示したように、所定の場所にチップ1が設置されるようになっていて、チップ1の主面に平行な方向に対して所定の角度(例えば6°)の方向から発光部10のレーザー光を照射するようになっている。なお、この例では、チップ1の主面にレーザー光が照射されるようになっているが、チップ1の端面からレーザー光を導光するようにしてもよい。ただし、レーザー光がチップ1の特異パターン12に直接照射される場合、レーザー光を導光させるためのカップリング機器が不要であるため、より安価な測定装置とすることができる。   As shown in FIG. 1, the measuring device 15 is configured such that the chip 1 is installed at a predetermined place and has a predetermined angle (for example, 6 °) with respect to a direction parallel to the main surface of the chip 1. The laser light of the light emitting unit 10 is irradiated from the direction. In this example, the main surface of the chip 1 is irradiated with the laser light. However, the laser light may be guided from the end surface of the chip 1. However, when the laser light is directly applied to the unique pattern 12 of the chip 1, a coupling device for guiding the laser light is not required, so that a less expensive measuring device can be provided.

以上のようにして測定したリファレンスの強度は、制御部32の内蔵メモリ(不図示)に記録される。   The reference intensity measured as described above is recorded in the internal memory (not shown) of the control unit 32.

その後、チップ1は、検査対象となる物質が含まれた試料に浸漬され(s12)、純水等で洗浄された後(s13)、乾燥される(s14)。   Thereafter, the chip 1 is immersed in a sample containing a substance to be inspected (s12), washed with pure water or the like (s13), and dried (s14).

そして、測定装置15は、試料が接触した後の状態におけるチップ1に対してレーザー光を照射し、特異パターン12から出射される光の強度を測定する(s15)。   Then, the measuring device 15 irradiates the chip 1 in a state after the sample comes into contact with the laser light, and measures the intensity of light emitted from the unique pattern 12 (s15).

その後、制御部32は、メモリに記録したリファレンスの強度と、試料が接触した後の状態の光の強度と、を比較する。制御部32は、強度の変化が所定の閾値以上変化していた場合(例えば20%以上変化していた場合)、被検出物質が検出されたものと判断する。あるいは、制御部32は、強度の変化度合いに応じて、被検出物質を定量化する。   After that, the control unit 32 compares the intensity of the reference recorded in the memory with the intensity of the light after the sample is in contact with the reference. When the change in the intensity has changed by a predetermined threshold or more (for example, by 20% or more), the control unit 32 determines that the substance to be detected has been detected. Alternatively, the control unit 32 quantifies the substance to be detected according to the degree of change in the intensity.

このようにして、測定装置15は、被検出物質の有無を高感度で検出することが可能である。   In this way, the measuring device 15 can detect the presence or absence of the substance to be detected with high sensitivity.

なお、上述の実施形態では、特異パターン12の例として、1箇所だけ孔13が省かれた構造となっている例を示したが、特異パターンの態様は、種々の変形例が考えられる。   In the above-described embodiment, as an example of the peculiar pattern 12, an example in which the hole 13 is omitted at only one place is shown. However, various modifications of the peculiar pattern can be considered.

例えば、図7(A)のチップ1Aは、一部の孔13Aおよび孔13Bが、所定の位置からずれている(この例では、孔13が左側にずれて、孔13が右側にずれている)ことにより、周期配列とは異なる配列態様となった特異パターン12Aが形成されている。   For example, in the chip 1A of FIG. 7A, some of the holes 13A and 13B are shifted from predetermined positions (in this example, the holes 13 are shifted to the left and the holes 13 are shifted to the right. As a result, a unique pattern 12A having an arrangement different from that of the periodic arrangement is formed.

また、図7(B)に示すように、チップ1Bは、孔13が形成されていない箇所が2箇所となっている。この例では、中心付近に形成されている孔13を挟んで2箇所の特異パターン12Lおよび特異パターン12Rが形成されている。   Further, as shown in FIG. 7B, the chip 1B has two places where the holes 13 are not formed. In this example, two unique patterns 12L and 12R are formed with the hole 13 formed near the center therebetween.

また、図7(C)および図7(D)は、複数周期分のパターンが省かれた構造の特異パターンである。図7(C)のチップ1Cにおける特異パターン12Cは、平面視して中心位置から3周期分、1次元状に(横一直線状に)孔13が省かれた構造となっている。図7(D)のチップ1Dにおける特異パターン12Dは、平面視して2次元状に中心位置から3周期分の孔13が省かれた構造となっている。   FIGS. 7C and 7D are peculiar patterns having a structure in which patterns for a plurality of periods are omitted. The peculiar pattern 12C in the chip 1C in FIG. 7C has a structure in which the holes 13 are omitted in a one-dimensional manner (in a horizontal straight line) for three periods from the center position in plan view. The peculiar pattern 12D in the chip 1D of FIG. 7D has a structure in which holes 13 for three periods from the center position are omitted two-dimensionally in plan view.

図8は、特異パターンの周期の数の違いによる比較図である。図8(A)の例は、1箇所だけ孔13が省かれたチップ1を蛍光顕微鏡で撮影した画像である。図8(B)の例は、平面視して2周期分の孔13が省かれたチップを蛍光顕微鏡で撮影した画像である。図8(C)の例は、平面視して3周期分の孔13が省かれたチップを蛍光顕微鏡で撮影した画像である。図8(D)は、平面視して4周期分の孔13が省かれたチップを蛍光顕微鏡で撮影した画像であり、図8(E)は、平面視して5周期分の孔13が省かれたチップを蛍光顕微鏡で撮影した画像である。   FIG. 8 is a comparison diagram based on the difference in the number of periods of the unique pattern. The example of FIG. 8A is an image obtained by photographing the chip 1 in which the hole 13 is omitted at only one place with a fluorescence microscope. The example in FIG. 8B is an image obtained by photographing a chip in which holes 13 for two cycles are omitted in plan view with a fluorescence microscope. The example in FIG. 8C is an image obtained by photographing a chip in which holes 13 for three cycles are omitted in a plan view with a fluorescence microscope. FIG. 8D is an image obtained by photographing the chip in which the holes 13 for four cycles are omitted in plan view with a fluorescence microscope, and FIG. It is the image which image | photographed the chip | tip omitted by the fluorescence microscope.

これらの画像から、図8(B)に示す2周期分の孔13が省かれたチップまたは図8(C)に示す3周期分の孔13が省かれたチップ1Dは、相対的に高い強度を有することがわかる。   From these images, the chip without the holes 13 for two cycles shown in FIG. 8B or the chip 1D without the holes 13 for three cycles shown in FIG. It can be seen that

よって、複数周期分のパターンを省く特異パターン、とくに2次元状に2周期分または3周期分のパターンを省いた特異パターンとすることで、より高感度なチップとすることができる。また、図8(D)、(E)のように、周期数を増やし過ぎると、逆に強度が低下し、波長に応じた最適周期数が存在する可能性のあることが、上記撮像した画像の比較により、明らかになった。   Therefore, a chip having higher sensitivity can be obtained by using a peculiar pattern in which a pattern for a plurality of cycles is omitted, in particular, a peculiar pattern in which a pattern for two or three cycles is omitted two-dimensionally. Also, as shown in FIGS. 8D and 8E, when the number of cycles is excessively increased, the intensity is conversely reduced, and there is a possibility that an optimum number of cycles corresponding to the wavelength may exist. The comparison made clear.

次に、図9は、アレイ型チップの構造を示す平面図である。図9に示すように、チップ100は、図3に示したチップ1が複数個アレイ配列されてなるアレイ型チップとなっている。チップ100は、アレイ型となっていることにより、各チップ1における特異パターン12から放射される光の位相がそろう箇所においてさらに高い強度の光を実現することができ、より高感度なチップを実現することができる。   Next, FIG. 9 is a plan view showing the structure of the array type chip. As shown in FIG. 9, the chip 100 is an array type chip in which a plurality of the chips 1 shown in FIG. 3 are arranged in an array. Since the chip 100 is of an array type, it is possible to realize higher intensity light at a place where the phases of the light radiated from the unique pattern 12 in each chip 1 are aligned, thereby realizing a chip with higher sensitivity. can do.

なお、本実施形態においては、可視光の650nmの光を共振させる例を示したが、フォトニック結晶は、誘電率、パターンの形状および配置態様等を変更することで、どのような電磁波であっても共振させることが可能である。   In the present embodiment, an example in which visible light of 650 nm is resonated has been described. However, the photonic crystal can generate any electromagnetic wave by changing the dielectric constant, the shape and the arrangement of the pattern, and the like. It is also possible to resonate.

また、本実施形態のチップにおいては、孔13(所定のパターン)が2次元状に周期配列された例を示したが、3次元状の周期配列とすることも可能である。この場合、特異パターンについても、3次元状に複数周期分のパターンが省かれた構造の特異パターンとすることが望ましい。   Further, in the chip of the present embodiment, an example in which the holes 13 (predetermined patterns) are periodically arranged in a two-dimensional manner has been described, but a three-dimensional periodic arrangement is also possible. In this case, it is desirable that the peculiar pattern is also a peculiar pattern having a structure in which a pattern for a plurality of periods is omitted in a three-dimensional manner.

1,100…チップ
10…発光部
11…誘電体
12,12A,12C,12D,12L,12R…特異パターン
13,13A,13B…孔
15…測定装置
20…偏光板
30…受光部
31…測定部
32…制御部
1,100 chip 10 light emitting unit 11 dielectrics 12, 12A, 12C, 12D, 12L, 12R specific patterns 13, 13A, 13B holes 15 measuring device 20 polarizing plate 30 light receiving unit 31 measuring unit 32 ... Control unit

Claims (5)

誘電体からなる測定用チップであって、
前記誘電体は、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂、ポリスチレン、またはTiO からなり、所定のパターンとして径150nm〜200nm、高さ100〜200nmの孔または柱状構造がピッチ300nmで周期配列された周期構造を有し、波長620〜680nmの光を反射するフォトニック結晶であり、
前記フォトニック結晶は、一部に、前記周期配列とは異なる配列態様となっている特異パターンが形成されていて、
前記特異パターンは、前記周期構造のうち、平面視して2次元状に3周期分のパターンが省かれた構造となっていて、波長650nmの可視光を共振させる特性を有する測定用チップ。
A measurement chip made of a dielectric,
The dielectric is made of acrylic resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, silicone resin, polystyrene, or TiO 2 , and has a predetermined pattern in which holes or columnar structures having a diameter of 150 nm to 200 nm and a height of 100 to 200 nm have a pitch of 300 nm and a periodicity. It is a photonic crystal that has an arranged periodic structure and reflects light having a wavelength of 620 to 680 nm ,
The photonic crystal has, in part, a peculiar pattern having an arrangement mode different from the periodic arrangement,
It said specific pattern, said one of the periodic structure, have a pattern of a planar view in two dimensions three periods is omitted structure, measurement chip that have a characteristic for resonating visible light of wavelength 650nm .
請求項1に記載の測定用チップであって、
前記特異パターンを含むフォトニック結晶が複数個アレイ配列されてなるアレイ型チップとなっている測定用チップ。
The measurement chip according to claim 1,
A measurement chip which is an array type chip in which a plurality of photonic crystals including the specific pattern are arranged in an array.
請求項1または請求項2に記載の測定用チップが配置される測定装置であって、
前記特異パターンに波長650nmの光を照射する光源と、
前記特異パターンから出射される光の強度を測定する測定部と、
を備えた測定装置。
A measuring device on which the measuring chip according to claim 1 or 2 is arranged,
A light source that irradiates the specific pattern with light having a wavelength of 650 nm ;
A measuring unit for measuring the intensity of light emitted from the unique pattern,
A measuring device provided with.
請求項に記載の測定装置であって、
前記測定部で測定される光の強度を、被検出物質が含まれた試料を前記測定用チップに接触させる前と、前記被検出物質が含まれた試料を前記測定用チップに接触させた後と、で比較する比較部を備えた測定装置。
The measuring device according to claim 3 , wherein
The intensity of light measured by the measurement unit, before contacting the sample containing the substance to be detected with the measurement chip, and after contacting the sample containing the substance to be detected with the measurement chip And a measuring device provided with a comparing unit for comparing with.
請求項1または請求項2に記載の測定用チップを用いた測定方法であって、
測定用チップに光を照射し、前記特異パターンから出射される光の強度を測定する第1測定ステップと、
被検出物質が含まれた試料を、前記測定用チップに接触させる接触ステップと、
前記被検出物質が含まれた試料を接触させた後、前記特異パターンから出射される光の強度を測定する第2測定ステップと、
前記第1測定ステップで測定した強度と、前記第2測定ステップで測定した強度と、を比較する比較ステップと、
を備えた測定方法。
A measuring method using the measuring chip according to claim 1 or 2 ,
A first measurement step of irradiating the measurement chip with light and measuring the intensity of light emitted from the unique pattern,
A sample containing a substance to be detected is brought into contact with the measurement chip,
After contacting the sample containing the substance to be detected, a second measurement step of measuring the intensity of light emitted from the unique pattern,
A comparing step of comparing the intensity measured in the first measuring step with the intensity measured in the second measuring step;
Measurement method with
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