JP7133923B2 - 成形型、光学素子、及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴センサーに用いられる光学素子の基材を成形するための成形型、かかる光学素子、及びかかる光学素子の製造方法に関する。

近年、バイオセンサー等の分野において、表面プラズモン共鳴を用いた種々のセンサーが実用化されている。例えば、表面プラズモン電界増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ；Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）を用いたセンサーとして、プリズムの斜面に薄い基板を介して金属膜を形成し、プリズム内部側である裏面側から金属薄膜にレーザー光を照射し、金属薄膜の表面に表面プラズモン共鳴及び増強された電場を生じさせているものがある（特許文献１参照）。なお、この特許文献１には、金属膜の表面の平均粗さＲａを４ｎｍ以下にすることが記載されている。

また、表面プラズモン共鳴を利用した走査型近接場顕微鏡として、プリズムの斜面に薄い基板を介して金属薄膜を形成し、プリズム内部側である裏面側から金属薄膜にレーザー光を照射し、金属薄膜の表面に表面プラズモン共鳴を生じさせて対向する探針によって近接光を検出するものがある（特許文献２参照）。なお、この特許文献２には、金属薄膜の表面の平均粗さを０．１ｎｍ以下にすることが望ましいとの記載がある。

その他、金属膜の反試料側に光ビームを入射させるとともにその全反射光の減衰状態を検出するタイプの表面プラズモン共鳴装置として、容器状の測定チップの底部に入射面及び射出面を設け、底部上面に金属膜を形成しているものがある（特許文献３参照）。なお、この特許文献３には、金属膜の表面粗さについての記載はない。

以上のような表面プラズモン共鳴現象を利用した装置において、センサーの金属薄膜が平滑であることが望ましいと言えるが、本願発明者の検討によれば、金属薄膜の平均粗さを低下させることが必ずしもＳ／Ｎ比の向上につながっていないことが分かった。

特開２０１１－１８４７０６号公報 特開２００７－７８４５１号公報 特開２００３－１９４７１２号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、表面プラズモン共鳴を生じさせる金属膜表面の平均粗さよりも確かな基準に基づいて作製され光学素子のＳ／Ｎ比を向上させることができる成形型を提供することを目的とする。

また、本発明は、金属膜での散乱光を抑えることができる光学素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る成形型は、表面プラズモンを利用した計測に用いられる光学素子の基材用の成形型であって、基材の計測対象側の表面に形状を転写するための成形面の散乱光の使用が規定される全域において光学素子の被照射面における散乱光量の大小と線形の相関性を有するＳｐｃ値が１００〔単位は１／ｍｍ〕以下である。ここで、Ｓｐｃ値とは、対象表面における微視的な凸凹の状態を評価する指標であり、観察領域内の山頂点について主曲率の算術平均を求めたものである。

上記成形型では、成形面のＳｐｃ値が１００〔１／ｍｍ〕以下であるので、成形面を転写して得た基材の計測対象側の表面の状態を、この表面上に形成される金属膜での散乱光の発生を適度に抑制できる程度に滑らかにできる。これにより、基材から得た光学素子を高精度化でき、表面プラズモン電界増強蛍光分光法その他の表面プラズモン共鳴現象を利用した計測におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。これにより、光学素子の成形型に起因する散乱光のようなノイズ成分の管理パラメータが明確になると言うこともできる。

上記目的を達成するため、本発明に係る光学素子は、表面プラズモンを利用した計測に用いられる光学素子であって、センサー面の裏側の被照射面の散乱光の使用が規定される全域において被照射面における散乱光量の大小と線形の相関性を有するＳｐｃ値が２８〔１／ｍｍ〕以上１００〔１／ｍｍ〕以下である。
また、光学素子は、センサー面の裏側の被照射面の散乱光の使用が規定される全域において前記被照射面における散乱光量の大小と線形の相関性を有するＳｐｃ値が１００〔１／ｍｍ〕以下であり、光透過性を有する基材と、当該基材の計測対象側の表面を覆って被照射面として機能するとともに表側に前記センサー面を有する金属膜とを備えており、基材は、樹脂で形成されていてもよい。

上記光学素子では、被照射面のＳｐｃ値が１００〔１／ｍｍ〕以下であるので、この被照射面の状態が、これを構成する金属膜での散乱光の発生を適度に抑制できる程度に滑らかになる。これにより、表面プラズモン電界増強蛍光分光法その他の表面プラズモン共鳴現象を利用した計測におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る光学素子の製造方法は、表面プラズモンを利用した計測に用いられる光学素子の製造方法であって、光学素子の基材は成形型を用いて成形され、成形型のうち基材の計測対象側の表面に形状を転写するための成形面の散乱光の使用が規定される全域において光学素子の被照射面における散乱光量の大小と線形の相関性を有するＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上１００〔１／ｍｍ〕以下である。

上記製造方法によれば、成形面のＳｐｃ値が１００〔１／ｍｍ〕以下であるので、成形面を転写して得た基材の計測対象側の表面の状態を、この表面上に形成される金属膜での散乱光の発生を適度に抑制できる程度に滑らかにできる。これにより、表面プラズモン電界増強蛍光分光法その他の表面プラズモン共鳴現象を利用した計測におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。さらに、成形面のＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上であるので、成形面の加工が比較的容易になるとともに、プラズモン共鳴角の検出が容易になる。

図１Ａは、実施形態の成形型を説明する断面図であり、図１Ｂは、図１Ａの成形型の変形例を説明する図である。 図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃは、実施形態の光学素子の表面図、側方断面図及び裏面図である。 図２に示す光学素子を組み込んだ計測装置を説明する概念図である。 光学素子のセンサー面周辺を拡大した断面図である。 図５Ａ及び５Ｂは、成形面のＳｐｃ値と散乱光量との関係を説明するグラフである。 図６Ａ～６Ｄは、成形面の表面粗さ（Ｒａ、Ｒｑ、Ｒｚ、及びＲｔ）と散乱光量との関係を説明するグラフである。

〔実施形態〕
図面を参照して、本発明の一実施形態に係る成形型、光学素子及びその製造方法について説明する。

図１Ａに示す本実施形態の成形型４０は、熱可塑性樹脂の射出成形に用いられるものである。成形型４０は、固定金型４１と可動金型４２とを備え、両金型４１，４２は、パーティングラインＰＬを境として開閉可能になっている。固定金型４１と可動金型４２とに挟まれた型空間であるキャビティＣＶは、後述する樹脂成形品ＭＰ（図２Ｃ等参照）の形状に対応するものとなっている。

図２Ａ～２Ｃは、図１Ａの成形型４０によって成形された樹脂成形品ＭＰから得た光学素子２０の模式的な表面図、側方断面図及び裏面図である。図示のように、光学素子２０は、短冊状の平板であり、光透過性を有する樹脂製の基材２１と、基材２１の計測対象側の表面２１ａを覆ってセンサー面２２ａを形成する金属膜２２とを有する。

光学素子２０のうち、基材２１は、例えばアクリル（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）等の樹脂で形成されている。基材２１を樹脂で形成することにより、光学素子２０を比較的安価に作製することができる。基材２１の計測対象側の表面２１ａは、滑らかで鏡面状の平坦面である。この表面２１ａは、後述する金属膜２２によって覆われる。つまり、表面２１ａの形状を反転した面は、金属膜２２の裏面２２ｂ、つまり照射光ＬＩを全反射させる被照射面ＩＳに対応する。表面２１ａは、直接的には微視的な凸凹の状態に関するＳｐｃ値に関する制限を受けないが、被照射面ＩＳのＳｐｃ値に関する制限に起因して間接的に微視的な凸凹の状態に関する制限を受ける。よって、基材２１を成形型４０を用いた成形によって形成することにより、成形型４０の成形面５１ｔ（図１Ａ参照）によって金属膜２２の内面の微視的な凹凸の状態を簡易に評価することできる。基材２１の一端に設けた斜面２１ｂは、不図示の光源から射出された照射光ＬＩを光学素子２０内に入射させる面となっている。斜面２１ｂは、これに入射する照射光ＬＩを大きく散乱させない観点で表面粗さの値が所定以下の平坦面とする。基材２１の残りの斜面２１ｄは、特に光学的な機能を有しないが、照射光ＬＩを光学素子２０外に射出させる面とできる。

金属膜２２は、基材２１の計測対象側の表面２１ａ上にその全面を略覆う状態で形成されている。金属膜２２は、例えば金、銀、アルミニウム、白金、銅、チタン、及びクロムのいずれか１つ、又はこれらの２つ以上を含む合金等で形成されている。これらの金属膜２２は、表面プラズモン共鳴を比較的効率良く生じさせることができる。金属膜２２は、スパッタリング、蒸着、イオンプレーティング等の成膜技術を用いて形成される。金属膜２２の厚みは、２０ｎｍ～１００ｎｍ程度である。金属膜２２の表面すなわちセンサー面２２ａは、基材２１の表面２１ａに略倣った平坦面である。

なお、金属膜２２の裏面２２ｂは、基材２１の表面２１ａを覆って被照射面ＩＳとして機能する。つまり、金属膜２２の裏面２２ｂ又は被照射面ＩＳは、基材２１の表面２１ａを反転した形状を有している。金属膜２２の裏面２２ｂ又は被照射面ＩＳは、後に詳述する面の微視的な凸凹の状態に関するＳｐｃ値が２８〔１／ｍｍ〕以上であって１００〔１／ｍｍ〕以下となっている。ただし、この裏面２２ｂ又は被照射面ＩＳは、Ｓｐｃ値に関しての制限を受けるが、表面粗さ（具体的には、Ｒａ（算術平均粗さ）、Ｒｑ（二乗平均平方根高さ）、Ｒｚ（最大高さ）又はＲｔ（最大断面高さ））の値に関して特に制限を受けない。なお、被照射面ＩＳのＳｐｃ値が２８〔１／ｍｍ〕以上でなくても、これを成形するための上述の成形面５１ｔのＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上であれば、本発明の範囲内である。

光学素子２０が、光透過性を有する基材２１と、当該基材２１の計測対象側の表面２１ａを覆って被照射面ＩＳとして機能するとともに表側にセンサー面２２ａを有する金属膜２２とを備えることにより、基材２１内部から被照射面ＩＳ（つまり金属膜２２の裏面２２ｂ）に所定角度で光を入射させた場合に、金属膜２２において表面プラズモン共鳴を効率的に生じさせることができる。

図１Ａに戻って、固定金型４１は、コア部５１と、周囲型５３とを備える。ここで、コア部５１は、キャビティＣＶを形成するため、可動金型４２のコア部６１に対向して配置される。周囲型５３は、コア部５１を周囲から保持する型部材である。

コア部５１は、炭素鋼、アルミニウム合金、銅合金、超硬、チタン合金等で形成される。コア部５１の先端部には、キャビティＣＶを画成するため、成形面５１ｔが設けられている。成形面５１ｔは、滑らかで鏡面状の平坦面であり、光学素子２０の基材２１のうち、表面２１ａを成形する転写面である。成形面５１ｔは、微視的な凸凹の状態に関するＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上であって１００〔１／ｍｍ〕以下となっている。ただし、成形面５１ｔは、表面粗さ（具体的には、Ｒａ（算術平均粗さ）、Ｒｑ（二乗平均平方根高さ）、Ｒｚ（最大高さ）又はＲｔ（最大断面高さ））の値に関して特に制限はない。成形面５１ｔのＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上であることにより、微視的な凸凹の状態に関する制限が緩く成形面５１ｔの加工が比較的容易になる。また、成形面５１ｔのＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上であれば、金属膜２２で一定レベル以上の散乱光が発生するので、プラズモン共鳴角の検出が容易になる。

以上のように、コア部５１は、基材２１の計測対象側の表面２１ａに形状を転写するとともにＳｐｃ値を評価する対象となっている。コア部５１を用いることで基材２１の計測対象側の表面２１ａに特化した成形面５１ｔを形成しやすくなり、基材２１の計測対象側の表面２１ａの形状精度を簡易に向上させることができる。

ここで、Ｓｐｃ値について説明する。Ｓｐｃ値は、ＩＳＯ２５１７８で定義される山頂点の算術平均曲率（arithmetic mean peak curvature）を意味し、対象表面の微視的な凸凹の状態を山頂点の曲率の平均値として評価したものである。Ｓｐｃ値は、理論的には以下の式で与えられる。

ここで、Ｚ（ｘ，ｙ）は、対象表面の位置（ｘ，ｙ）における高さであり、ｎは、対象表面上の山頂点の数を示す。

実際に加工された面についてＳｐｃ値を計測する場合、例えば共焦点レーザー顕微鏡を用いて対象面の３次元形状を測定し、このようにして得た３次元形状から山頂点を抽出し、各山頂点について主曲率の算術平均を計算することで、Ｓｐｃ値の算出が可能になる。例えばコア部５１の成形面５１ｔについてＳｐｃ値の計算を行う場合、位置や高さの分解能は、再現性等を考慮して１ｎｍ～１０ｎｍ程度以下とする。

成形面５１ｔのＳｐｃ値は、この成形面５１ｔを上記のように直接測定することで測定されるが、成形面５１ｔから得た成形品である基材２１の表面２１ａをＵＶ硬化樹脂等にネガ転写することで、このネガ転写面から成形面５１ｔのＳｐｃ値を得ることもできる。

成形面５１ｔのＳｐｃ値が１００〔１／ｍｍ〕以下である場合、成形面５１ｔを転写して得た基材２１の計測対象側の表面２１ａの状態を、この表面２１ａ上に形成される金属膜２２での散乱光の発生を適度に抑制できる程度に滑らかにできる。ここで、散乱光は、被検物質からの蛍光を検出する際にはノイズ成分となる。つまり、成形面５１ｔの表面状態をＳｐｃ値で管理することによって、基材２１の表面２１ａの表面状態を管理でき、表面２１ａ上に形成される金属膜２２での散乱光の発生を適度に抑制できる。これにより、基材２１から得た光学素子２０を高精度化でき、表面プラズモン電界増強蛍光分光法を利用した計測におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。一方、成形面５１ｔのＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上である場合、微視的な凸凹の状態に関する制限が緩く成形面５１ｔの加工が比較的容易になる。また、成形面５１ｔのＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上であれば、金属膜２２で一定レベル以上の散乱光が発生するので、信号レベルを上げるためのプラズモン共鳴角の検出が容易になる。

なお、成形面５１ｔのＳｐｃ値については、４０〔１／ｍｍ〕以上であって６０〔１／ｍｍ〕以下であることがより好ましい。成形面５１ｔのＳｐｃ値が６０〔１／ｍｍ〕以下であれば、Ｓ／Ｎ比がより向上し、Ｓｐｃ値が４０〔１／ｍｍ〕以上であれば、成形面５１ｔの加工がより容易になり、プラズモン共鳴角の検出もより容易になる。

コア部５１は、本体部分５１ａを備える。本体部分５１ａは、例えば炭素鋼、アルミニウム合金、銅合金、超硬、及びチタン合金のいずれか１つ以上を含む材料で形成される。炭素鋼には、例えばＳＴＡＶＡＸ、ＨＰＭ３８、ＨＰＭ３８ｓ等のステンレス鋼が含まれ、超硬には、タングステンカーバイドのほかに、例えばマイクロアロイＦ、アンビロイ等のステンレス鋼が含まれる。この場合、転写面である成形面５１ｔの形状を高剛性かつ再現性良く高精度とでき、成形面５１ｔの熱、摩耗等に対する耐久性を向上させることができる。本体部分５１ａの先端面は、成形面５１ｔに加工されている。なお、成形面５１ｔの表面には、例えばシランカップリング剤等で形成される離型膜を追加することもできる。離型膜を形成した場合、離型膜の表面が厳密な意味での成形面５１ｔとなると見ることもできるが、離型膜は極めて薄いので、この場合も、本体部分５１ａの先端面について、Ｓｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上であって１００〔１／ｍｍ〕以下になるようにする。

その他、周囲型５３には、コア部５１を挿入させることで内部に支持する円柱状の貫通孔５３ｋが形成されている。また、周囲型５３は、パーティングラインＰＬを形成する端面５３ｐを有する。

可動金型４２は、コア部６１と、周囲型６３とを備える。可動金型４２は、軸ＡＸに沿って移動可能になっており、固定金型４１に対して開閉動作する。可動金型４２において、コア部６１は、キャビティＣＶを形成するため、固定金型４１のコア部５１に対向して配置される。周囲型６３は、コア部６１を周囲から保持する型部材である。

コア部６１の先端部には、キャビティＣＶを画成するため、成形面６１ｔが設けられている。成形面６１ｔは、中央側で一様な深さを有する凹面であり、光学素子２０の基材２１のうち、斜面２１ｂ、裏面２１ｃ等を成形する転写面である。成形面６１ｔのうち、光学素子２０の斜面２１ｂ及び裏面２１ｃに対応する面領域については、これら斜面２１ｂ及び裏面２１ｃに要求される程度以下の表面粗さを有する面となっている。

コア部６１は、固定金型４１のコア部５１と同様に本体部分６１ａを備える。本体部分６１ａの材料は、固定金型４１のコア部５１を構成する本体部分５１ａと同様であり、説明を省略する。なお、本体部分６１ａの表面には、離型膜を追加することもできる。

その他、周囲型６３には、コア部６１を挿入させることで内部に支持する円柱状の貫通孔６３ｋが形成されている。また、周囲型６３は、パーティングラインＰＬを形成する端面６３ｐを有する。さらに、周囲型６３には、溶融樹脂をキャビティＣＶに導入するため、図示を省略するが、ランナー凹部やゲート凹部が設けられている。

図１Ｂは、図１Ａに示す成形型４０の変形例を説明する図である。この場合、固定金型４１側のコア部５１は、本体部分５１ａの先端側に転写面加工層５１ｂを有する。本体部分５１ａの先端面は、成形面５１ｔに対応して略平坦面となっている。転写面加工層５１ｂは、例えば無電解ニッケルメッキ法を用いて形成されるＮｉ－Ｐメッキ層（ニッケルリンメッキ層）であり、数１０μｍ～数ｍｍ程度の厚みを有する。転写面加工層５１ｂは、被削加工性を良くするため、本体部分５１ａの先端を被覆するように設けられている。転写面加工層５１ｂの表面である成形面５１ｔは、高精度の光学転写面に加工されており、微視的な凸凹の状態に関するＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上であって１００〔１／ｍｍ〕以下となっている。

なお、転写面加工層５１ｂの表面には、例えばクロム（Ｃｒ）、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の材料で形成される薄い保護膜を追加することができる。さらに、かかる保護膜の表面には、例えばシランカップリング剤等で形成される薄い離型膜を追加することもできる。上記のような保護膜を形成した場合、保護膜の表面は、厳密な意味での成形面５１ｔとなり、微視的な凸凹の状態に関するＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上１００〔１／ｍｍ〕以下とされる。

可動金型４２のコア部６１は、固定金型４１のコア部５１と同様に本体部分６１ａと、転写面加工層６１ｂとを備える。本体部分６１ａや転写面加工層６１ｂの材料は、固定金型４１のコア部５１を構成する本体部分５１ａや転写面加工層５１ｂと同様であり、説明を省略する。なお、転写面加工層６１ｂの表面には、薄い保護膜を追加することができ、かかる保護膜の表面には、薄い離型膜を追加することもできる。

以下、図３を参照して、図２Ｂ等に示す光学素子２０を組み込んだ計測装置について説明する。

図示の計測装置７０は、表面プラズモン電界増強蛍光分光法を利用した装置である。計測装置７０は、表面プラズモン共鳴センサーとしての光学素子２０を取り付けた試料セル７１と、試料セル７１からの蛍光を検出する光検出器７２と、光学素子２０に照射光ＬＩを入射させるレーザー光源７３と、これらの動作を統括的に制御する制御部７９とを備える。

試料セル７１は、被検流路７１ａと、一対のポート７１ｂ，７１ｃと、検出窓７１ｅとを備える。被検流路７１ａは、被検物質を流通させる空間であり、扁平薄層状となっている。試料セル７１は、詳細な説明を省略する保持機構によって光学素子２０を着脱又は交換可能にしている。

図４に示すように、光学素子２０に設けた金属膜２２の表側のセンサー面２２ａには、ＳＡＭや高分子からなる支持層２３を利用して抗体２４が予め固定されている。抗体２４は、標的物質８２を捕らえるためのものであり、標的物質８２に応じて選択される。標的物質８２としては、例えば、ある病気の指標となる抗原が該当する。

図３に戻って、光検出器７２は、光電子増倍管、ＣＣＤ等で構成され、検出窓７１ｅを介して被検流路７１ａ内の微弱な蛍光を信号として検出する。なお、光検出器７２には、目的とする蛍光標識の発光波長に応じたフィルターを付加することができる。

レーザー光源７３は、可視から赤外の波長域における特定波長の照射光ＬＩを発生し、光学素子２０の被照射面ＩＳに入射させる。照射光ＬＩは、例えばＰ偏光とされる。レーザー光源７３には、角度調整部７４が付随しており、照射光ＬＩの被照射面ＩＳの法線ＮＯを基準とする入射角度θを調整できるようになっている。試料セル７１を例えば空にした状態で、照射光ＬＩの被照射面ＩＳへの入射角度θを調整することにより、光検出器７２で検出される散乱光ＳＬ（図４参照）の強度が最大となる入射角度θすなわちプラズモン共鳴角を決定することができる。ここで、プラズモン共鳴角とは、照射光ＬＩによって光学素子２０の金属膜２２の表面で表面プラズモン共鳴を効率的に生じている状態と考えられ、結果的に金属膜２２のセンサー面２２ａからの発散される散乱光ＳＬも最も増大すると考えられる。

制御部７９は、試料セル７１に被検物質の検体等を供給するディスペンサー（不図示）を所望のタイミングで動作させる。また、制御部７９は、試料セル７１に検体等を供給した後にレーザー光源７３を動作させ、光学素子２０の被照射面ＩＳに照射光ＬＩを入射させる。この際、制御部７９は、光検出器７２からの検出信号を処理して標的物質８２の有無を判断する。

以下、具体的な測定について説明する。まず、試料セル７１の被検流路７１ａに検体を流す。すると、図４に示すように、抗原－抗体反応により検体中の標的物質８２がセンサー面２２ａ上の抗体２４により捕捉される。その後、洗浄を経て、蛍光標識された抗体２５を含む標識液を流すと、標的物質８２に対して蛍光標識された抗体２５が固定される。その後、洗浄を経た状態で、光学素子２０の被照射面ＩＳに照射光ＬＩを照射すると、金属膜２２のセンサー面２２ａ側で表面プラズモン共鳴が起こり、その周辺に増強された電場ＦＥが発生する。この電場ＦＥにより抗体２５の蛍光物質２６が励起されて蛍光ＦＬが発生する。この蛍光ＦＬは、光検出器７２によって蛍光信号又はシグナルとして検出される。

ここで、表面プラズモン共鳴により生じた電場ＦＥは増強されているため、蛍光物質２６から発する蛍光ＦＬの光量は、他の手法を用いて蛍光物質２６を発光させたときの光量に比べ、数倍から数十倍大きくなる。そのため、極微量の標的物質８２しか含まない検体から標的物質８２を検出することができ、病気の症状がほとんど現れていない患者であっても、早期に病気を検出することが可能になる。

〔実施例〕
以下、成形型や光学素子の具体的な実施例について説明する。まず、固定金型４１のコア部５１の素材を加工し、その端部に成形面５１ｔを形成する。成形面５１ｔの形成に際しては、まず研削を行い、その後鏡面研磨を行った。コア部５１の材料としては、ＳＴＡＶＡＸ（商標）又はアンビロイ（商標）を用いた。成形面５１ｔの仕上げとしての鏡面研磨には、ラップ研磨盤を用いて、普通研磨と超研磨との２種類を行った。普通研磨と超研磨との違いは研磨剤であり、超研磨用の研磨剤Ｂは、普通研磨の研磨剤Ａを改良してより滑らかな面を形成できるようにしたものである。このように条件を変えて得た多数のコア部５１について、キーエンス製のＶＸ－２５０で対物レンズ×５０を使用して、表面形状の測定を行った。以下の表１は、コア部５１（つまり、試作したコア部Ｙ、Ｚ、Ａ～Ｆ）の鏡面の材質、鏡面の研磨方法、表面粗さ（Ｒａ（算術平均粗さ）、Ｒｑ（二乗平均平方根高さ）、Ｒｚ（最大高さ）又はＲｔ（最大断面高さ））、及びＳｐｃ値をまとめたものである。

なお、作り易さの判定欄については、製造コストを主眼としており、Ｓｐｃ値が４０〔１／ｍｍ〕以上のコア部５１の作製は比較的容易であったが（記号「○」）、Ｓｐｃ値が４０〔１／ｍｍ〕未満で３０〔１／ｍｍ〕以上のコア部５１の作製はあまり容易でなくなり（記号「△」）、Ｓｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕未満のコア部５１の作製は容易でなかった。
〔表１〕

以上のようにして得た各コア部５１を利用して、射出成形による成形品として複数種の基材２１を成形した。成形に利用した樹脂材料は、シクロオレフィンポリマーのＥ４８Ｒである。確認のため、基材２１の表面２１ａについてＵＶ硬化樹脂を用いて形状転写を行ってレプリカ（成形品のネガ転写物）を形成し、このレプリカに対しコア部５１と同様の条件でＳｐｃ値を計測した。このＳｐｃ値は、金属膜２２の裏面の被照射面ＩＳのＳｐｃ値に相当する。

これと並行して、各基材２１の表面２１ａに金製の金属膜２２をコートして光学素子２０を作製した。金属膜２２の成膜には、マグネトロンスパッター装置を用いた。各基材２１上への金（Ａｕ）の成膜条件（放電電圧、ガス流量、成膜速度、マグネット回転数等）は全て同じとした。これらの光学素子２０を図３に示すような計測装置７０にセットし、光学素子２０内の被照射面ＩＳに照射光ＬＩを照射し、照射光ＬＩの入射角を調整しながら散乱光ＳＬが最大となるようにし、このときの散乱光ＳＬの光量（つまり散乱光量）を記録した。また、光学素子２０のセンサー面２２ａに抗体２４を固定して試料セル７１に取り付け、この試料セル７１に既知の検体を流した後に蛍光標識された抗体２５を含む標識液を流した。その後、光学素子２０内の被照射面ＩＳに照射光ＬＩを照射し、蛍光の発生を観察した。以下の表２は、以上の結果をまとめたものである。
〔表２〕

以上の表２において、散乱光量（散乱光ＳＬの光量）については、コア部Ｅによって作製した基材Ｅから作製した光学素子Ｅで得た散乱光量を基準として他のコアＡ～Ｄ、Ｆ、Ｙ、Ｚによって作製した基材Ａ～Ｄ、Ｆ、Ｙ、Ｚから得た光学素子Ａ～Ｄ、Ｆ、Ｙ、Ｚの散乱光量を規格化した。また、性能（Ｓ／Ｎ比）の判定欄については、十分な感度で標的物質８２を検出できた場合を記号「◎」で示し、標的物質８２を明確に検出できたなかった場合を記号「×」で示し、ノイズレベルが高いながらも辛うじて標的物質８２を検出できた場合を記号「○」で示している。

図５Ａは、各コア部５１（すなわちコア部Ｙ、Ｚ、Ａ～Ｆ）の成形面５１ｔのＳｐｃ値と、これらのコア部５１を用いて作製した光学素子２０（すなわち光学素子Ｙ、Ｚ、Ａ～Ｆ）で観察される散乱光量との関係をグラフ化したものであり、図５Ｂは、各基材２１（すなわち基材Ｙ、Ｚ、Ａ～Ｆ）のレプリカの表面のＳｐｃ値と、これらの基材２１から得た光学素子２０（すなわち光学素子Ｙ、Ｚ、Ａ～Ｆ）で観察される散乱光量との関係をグラフ化したものである。両グラフから明らかなように、コア部５１等のＳｐｃ値と散乱光量とは略線形な関係を有しており、Ｓｐｃ値が小さくなるほど散乱光量も小さくなることが分かる。つまり、コア部５１の成形面５１ｔのＳｐｃ値や基材２１のレプリカの表面のＳｐｃ値は、コア部５１を利用して作製された光学素子２０の散乱光量を評価する上での指標となっている。つまり、コア部５１の成形面５１ｔ等についてＳｐｃ値を利用して管理を行うことにより、光学素子２０の散乱光量の制御が可能になり、より高品質の光学素子２０を提供することができる。

図６Ａ～６Ｄは、各コア部５１（すなわちコア部Ｙ、Ｚ、Ａ～Ｆ）の表面粗さ（Ｒａ、Ｒｑ、Ｒｚ、及びＲｔ）と、これらのコア部５１を用いて作製した光学素子２０（すなわち光学素子Ｙ、Ｚ、Ａ～Ｆ）で観察される散乱光量との関係をグラフ化したものである。グラフから明らかなように、表面粗さ（Ｒａ、Ｒｑ、Ｒｚ、及びＲｔ）と散乱光量とは、相関性が見いだしにくいものとなっており、表面粗さが小さくなるほど散乱光量も小さくなるとは言えない。つまり、コア部５１の表面粗さを指標として用いても、これから得た光学素子２０の散乱光量を管理することは困難である。

以上の表２等から明らかなように、Ｓｐｃ値が１００〔１／ｍｍ〕を超える成形面５１ｔを有するコア部５１を用いて作製した光学素子２０の場合、散乱光量が極めて多く、十分な性能（Ｓ／Ｎ比）が得られなかった。一方、Ｓｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕～１００〔１／ｍｍ〕の成形面５１ｔを有するコア部５１を用いて作製した光学素子２０の場合、散乱光量が少なく、十分な性能（Ｓ／Ｎ比）が得られた。

なお、Ｓｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕程度の成形面５１ｔを有するコア部５１を用いて作製した光学素子２０の場合、散乱光量が著しく小さくなっている。つまり、Ｓｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕を下回る成形面を有するコア部を用いて作製される光学素子２０の場合、被照射面ＩＳに照射光ＬＩを照射する角度の調整（プラズモン共鳴角の決定）が容易でなくなると考えられる。また、Ｓｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕未満の成形面５１ｔを有するコア部５１は、加工に要求される技術レベルが高く加工コストが増加した。このことから、Ｓｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕を下回る成形面を有するコア部は、技術面やコスト面で加工が容易でなくなると考えられる。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、固定金型４１のコア部５１に設けた成形面５１ｔによって光学素子２０の計測対象側の表面２１ａを形成しているが、可動金型４２のコア部６１に設けた成形面６１ｔによって光学素子２０の計測対象側の表面２１ａを形成してもよい。この場合、成形面６１ｔのＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上１００〔１／ｍｍ〕以下であることが望ましくなる。

上記実施形態では、光学素子２０の基材２１が熱可塑性樹脂の射出成形によって形成されるとしたが、基材２１を熱可塑性樹脂の熱プレス成形によって作製することもできる。さらに、基材２１をＵＶ硬化性樹脂のＵＶ硬化成形によって作製することもでき、基材２１を熱硬化性樹脂の熱硬化成形によって作製することもできる。射出成形等によって光学素子２０の基材２１を高精度で安定して量産することができる。ＵＶ硬化性樹脂のＵＶ硬化成形を行う際には、例えばＵＶ光を透過させる樹脂製又はガラス製のコア部を用いる。このように、樹脂製又はガラス製のコア部を用いる場合、かかる樹脂製又はガラス製のコア部の成形面は、そのＳｐｃ値が、３０〔１／ｍｍ〕以上１００〔１／ｍｍ〕以下となるようにする。また、かかる樹脂製又はガラス製のコア部の成形面のＳｐｃ値は、４０〔１／ｍｍ〕以上６０〔１／ｍｍ〕以下であることがより好ましい。

図２Ａ等に示す光学素子２０の外形は、単なる例示であり、計測装置７０の仕様に応じて適宜変更することができる。光学素子２０は、樹脂に限らず、ガラスから作製することもできる。

図３に示す計測装置７０は、表面プラズモン電界増強蛍光分光法を利用するものであったが、実施形態の光学素子２０は、表面プラズモン共鳴に関連する散乱光の抑制や制御が必要な用途、すなわち表面プラズモン電界増強蛍光分光法以外の表面プラズモン共鳴を用いた種々のセンサーとして用いることができる。

Claims (12)

1. 表面プラズモンを利用した計測に用いられる光学素子の基材用の成形型であって、
   前記基材の計測対象側の表面に形状を転写するための成形面の散乱光の使用が規定される全域において前記光学素子の被照射面における散乱光量の大小と線形の相関性を有するＳｐｃ値が１００〔１／ｍｍ〕以下である成形型。
2. 前記成形面のＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上である、請求項１に記載の成形型。
3. 前記成形面のＳｐｃ値が４０〔１／ｍｍ〕以上６０〔１／ｍｍ〕以下である、請求項１及び２のいずれか一項に記載の成形型。
4. 前記基材は、射出成形、熱プレス成形、ＵＶ硬化成形、及び熱硬化成形のいずれかによって形成され、
   前記基材の計測対象側の表面に形状を転写する成形面を有する金属又は樹脂製のコア部と、前記コア部を周囲から保持する周囲型とを有し、
   前記コア部において、前記成形面の散乱光の使用が規定される全域は、Ｓｐｃ値を評価する対象である、請求項１～３のいずれか一項に記載の成形型。
5. 表面プラズモンを利用した計測に用いられる光学素子であって、
   センサー面の裏側の被照射面の散乱光の使用が規定される全域において前記被照射面における散乱光量の大小と線形の相関性を有するＳｐｃ値が２８〔１／ｍｍ〕以上１００〔１／ｍｍ〕以下である光学素子。
6. 光透過性を有する基材と、当該基材の計測対象側の表面を覆って前記被照射面として機能するとともに表側に前記センサー面を有する金属膜とを備える、請求項５に記載の光学素子。
7. 表面プラズモンを利用した計測に用いられる光学素子であって、
   センサー面の裏側の被照射面の散乱光の使用が規定される全域において前記被照射面における散乱光量の大小と線形の相関性を有するＳｐｃ値が１００〔１／ｍｍ〕以下であり、
   光透過性を有する基材と、当該基材の計測対象側の表面を覆って前記被照射面として機能するとともに表側に前記センサー面を有する金属膜とを備えており、
   前記基材は、樹脂で形成されている光学素子。
8. 前記基材は、熱可塑性樹脂、ＵＶ硬化性樹脂、及び熱硬化性樹脂のいずれか１つである、請求項７に記載の光学素子。
9. 前記基材は、成形型を用いた成形によって形成されている、請求項７及び８のいずれか一項に記載の光学素子。
10. 前記金属膜は、金、銀、アルミニウム、白金、銅、チタン、及びクロムのいずれか１つ、又はこれらの２つ以上を含む合金で形成されている、請求項６～９のいずれか一項に記載の光学素子。
11. 表面プラズモンを利用した計測に用いられる光学素子の製造方法であって、
    光学素子の基材は成形型を用いて成形され、
    前記成形型のうち前記基材の計測対象側の表面に形状を転写するための成形面の散乱光の使用が規定される全域において前記光学素子の被照射面における散乱光量の大小と線形の相関性を有するＳｐｃ値が３０〔１／ｍｍ〕以上１００〔１／ｍｍ〕以下である光学素子の製造方法。
12. 前記成形型は、前記基材の計測対象側の表面に形状を転写するとともにＳｐｃ値を評価する対象として、金属製のコア部を有し、
    前記金属製のコア部は、炭素鋼、アルミニウム合金、銅合金、超硬、及びチタン合金のいずれか１つ以上を含んでいる、請求項１１に記載の光学素子の製造方法。

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