KR101669289B1 - Sensor chip, sensor cartridge, and analysis apparatus - Google Patents

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고헤이 야마다
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세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

센서 칩으로서, 평면부를 갖는 기재와; 상기 평면부에 평행한 제 1 방향으로 100㎚ 이상 1000㎚ 이하의 주기로 주기적으로 배열되어 있는 복수의 제 1 돌기와, 이웃하는 2개의 제 1 돌기 사이에 위치하여 상기 기재의 하지를 구성하는 복수의 하지 부분과, 상기 복수의 제 1 돌기의 상면에 형성되어 있는 복수의 제 2 돌기와, 상기 복수의 하지 부분에 형성되어 있는 복수의 제 3 돌기를 포함하고, 금속으로 형성된 표면을 갖고, 상기 평면부상에 형성되고, 표적 물질이 배치되는 회절 격자를 포함한다.A sensor chip comprising: a substrate having a planar portion; A plurality of first protrusions periodically arranged at a period of not less than 100 nm and not more than 1000 nm in a first direction parallel to the plane portion and a plurality of second protrusions arranged between two adjacent first protrusions, A plurality of second projections formed on an upper surface of the plurality of first projections, and a plurality of third projections formed on the plurality of base portions, each of the plurality of projections having a surface formed of a metal, And a diffraction grating in which the target material is disposed.

Description

센서 칩, 센서 카트리지 및 분석 장치{SENSOR CHIP, SENSOR CARTRIDGE, AND ANALYSIS APPARATUS}Technical Field [0001] The present invention relates to a sensor chip, a sensor cartridge,

본 발명은 센서 칩, 센서 카트리지 및 분석 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor chip, a sensor cartridge, and an analyzer.

본원은, 2009년 12월 11일에 출원된 일본 특허출원 제 2009-281480 호, 및2010년 8월 30일에 출원된 일본 특허 출원 제 2010-192838 호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 인용한다.The present application claims priority to Japanese Patent Application No. 2009-281480, filed on December 11, 2009, and Japanese Patent Application No. 2010-192838, filed on August 30, 2010, Quot;

최근, 의료 진단이나 음식물의 검사 등에 이용되는 센서의 수요가 증대하고 있고, 소형이고 고속으로 센싱 가능한 센서 기술의 개발이 요구되고 있다. 이러한 요구에 대응하기 위해서, 전기 화학적인 수법을 비롯하여 다양한 타입의 센서가 검토되고 있다. 이들 중에서, 집적화가 가능하고, 저비용, 또한 측정 환경을 가리지 않는다는 이유로, 표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance)을 이용한 센서에 대한 관심으로 높아지고 있다.2. Description of the Related Art In recent years, there has been an increasing demand for sensors used for medical diagnosis and food inspection, and development of sensor technology capable of sensing small size and high speed is required. In order to cope with such a demand, various types of sensors including an electrochemical technique have been studied. Among them, attention has been focused on sensors using surface plasmon resonance (SPR) because they can be integrated, are inexpensive, and do not discriminate the measurement environment.

여기에서, 표면 플라즈몬은, 표면 고유의 경계 조건에 의해 광과 커플링(coupling)을 일으키는 전자파의 진동 모드이다. 표면 플라즈몬을 여기하는 방법으로서는, 금속 표면에 회절 격자를 새기고, 광과 플라즈몬을 결합시키는 방법이나 소산파(evanescent wave)를 이용하는 방법이 있다. 예를 들면, SPR을 이용한 센서의 구성으로서는, 전반사형 프리즘과, 해당 프리즘의 표면에 형성된 표적 물질에 접촉하는 금속막을 구비하는 구성이 알려져 있다. 이러한 구성에 의해, 항원항체 반응에 있어서의 항원의 흡착의 유무 등, 표적 물질의 흡착의 유무를 검출하고 있다.Here, the surface plasmon is a vibration mode of an electromagnetic wave which causes coupling with light by boundary conditions inherent to the surface. As a method of exciting a surface plasmon, there is a method of engaging a diffraction grating on a metal surface and combining light and plasmon or a method of using an evanescent wave. For example, as a configuration of a sensor using SPR, a configuration is known in which a total reflection type prism and a metal film that contacts a target material formed on the surface of the prism are known. With this configuration, the presence or absence of adsorption of the target substance, such as the presence or absence of adsorption of the antigen in the antigen-antibody reaction, is detected.

그런데, 금속 표면에 전파형(傳播形)의 표면 플라즈몬이 존재하는 한편, 금속 미립자에는 국재형(局在形)의 표면 플라즈몬이 존재한다. 국재형의 표면 플라즈몬, 즉 표면의 미세 구조상에 국재하는 표면 플라즈몬이 여기되었을 때는, 현저하게 증강된 전장(電場)이 유기되는 것이 알려져 있다. On the other hand, a propagating type surface plasmon exists on the metal surface, while a localized surface plasmon exists in the metal fine particle. It is known that when a stationary surface plasmon, that is, a surface plasmon localized on the microstructure of the surface is excited, a remarkably enhanced electric field is induced.

여기에서, 센서 감도의 향상을 목적으로 하여, 금속 미립자나 금속 나노 구조를 이용한 국재 표면 플라즈몬 공명(LSPR: Localized Surface Plasmon Resonance)을 이용한 센서가 제안되어 있다. 예를 들면, 특허문헌 1(일본 공개 특허 제 2000-356587 호 공보)에서는, 표면에 금속 미립자가 막형상으로 고정된 투명 기판에 대하여 광을 조사하여, 금속 미립자를 투과한 광의 흡광도(吸光度)를 측정하는 것에 의해, 금속 미립자 근방의 매질의 변화를 검출하여, 표적 물질의 흡착이나 퇴적을 검출하고 있다.Here, for the purpose of improving the sensor sensitivity, sensors using localized surface plasmon resonance (LSPR) using metal fine particles or metal nanostructures have been proposed. For example, in Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 2000-356587), light is irradiated onto a transparent substrate having metal fine particles fixed on its surface in a film form to measure the absorbance (absorbance) of light transmitted through the metal fine particles And the change in the medium near the metal fine particles is detected to detect the adsorption or deposition of the target material.

그렇지만, 특허문헌 1에서는, 금속 미립자의 사이즈(크기나 형상)를 균일하게 제작하는 것, 및 금속 미립자를 규칙적으로 배열하는 것은 곤란했다. 금속 미립자의 사이즈나 배열을 제어할 수 없으면, 공명에 의해 생기는 흡수나 공명 파장에도 편차가 생긴다. 이에 의해, 흡광도 스펙트럼의 폭이 넓어지게 되어, 피크 강도가 저하해버린다. 이 때문에, 금속 미립자 근방의 매질의 변화를 검출하는 신호 변화가 낮아, 센서 감도를 향상시키는 것에도 한계가 있었다. 따라서, 흡광도 스펙트럼으로부터 물질을 특정하는 것 같은 용도에서는, 센서의 감도가 불충분했다.However, in Patent Document 1, it is difficult to uniformize the size (size and shape) of the metal fine particles and arrange the metal fine particles regularly. If the size and arrangement of the metal fine particles can not be controlled, the absorption or resonance wavelength caused by the resonance also varies. As a result, the width of the absorbance spectrum is widened, and the peak intensity is lowered. Therefore, the signal change for detecting the change of the medium in the vicinity of the metal fine particles is low, and there is a limit to improving the sensor sensitivity. Therefore, in applications such as specifying a substance from the absorbance spectrum, the sensitivity of the sensor is insufficient.

일본 공개 특허 제 2000-356587 호 공보Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-356587

본 발명은, 상기 사정에 비추어, 센서 감도의 향상을 도모하고, 라만 분광 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩, 센서 카트리지 및 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a sensor chip, a sensor cartridge, and an analyzer capable of enhancing sensor sensitivity in the light of the above circumstances and capable of specifying a target material from the Raman spectroscopic spectrum.

상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 이하의 구성을 채용한다.In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration.

본 발명의 제 1 관점에 의하면, 센서 칩으로서, 평면부를 갖는 기재와; 상기 평면부에 평행한 제 1 방향으로 100㎚ 이상 1000㎚ 이하의 주기로 주기적으로 배열되어 있는 복수의 제 1 돌기와, 이웃하는 2개의 제 1 돌기 사이에 위치하여 상기 기재의 골격(base)을 구성하는 복수의 골격 부분과, 상기 복수의 제 1 돌기의 상면에 형성되어 있는 복수의 제 2 돌기와, 상기 복수의 골격 부분에 형성되어 있는 복수의 제 3 돌기를 포함하고, 금속으로 형성된 표면을 갖고, 상기 평면부상에 형성되고, 표적 물질이 배치되는 회절 격자를 포함한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a sensor chip comprising: a base material having a planar portion; A plurality of first projections periodically arranged at a period of not less than 100 nm and not more than 1000 nm in a first direction parallel to the plane portion and a plurality of second projections arranged between two adjacent first projections to form a base of the substrate A plurality of second protrusions formed on an upper surface of the plurality of first protrusions and a plurality of third protrusions formed on the plurality of framework portions and having a surface formed of a metal, And a diffraction grating formed on the planar surface and on which the target material is disposed.

본 발명의 제 1 관점에 따르면, 제 1 돌기에 의해 표면 플라즈몬 공명을 거쳐서 증강된 근접 전장을 동일 형상의 표면에 여기하고, 또한 제 2 돌기, 제 3 돌기에 의한 금속 미세 구조에 의해 증강도가 높은 표면 증강 라만 산란(SERS: Surface Enhanced Raman Scattering)을 발현시킬 수 있다. 구체적으로는, 복수의 제 1 돌기, 복수의 제 2 돌기, 복수의 제 3 돌기가 형성된 면에 광이 입사하면, 복수의 제 1 돌기에 의한 표면 고유의 진동 모드(표면 플라즈몬)가 생긴다. 그러면, 광의 진동에 따라 자유 전자가 공명 진동하고, 자유 전자의 진동에 따라 전자파의 진동이 여기된다. 이 전자파의 진동은 자유 전자의 진동에 영향을 미치기 때문에, 양자의 진동이 결합한 계, 소위 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP: Surface Plasmon Polariton)을 만들게 된다. 이에 의해, 복수의 제 2 돌기, 복수의 제 3 돌기의 근방에, 국재 표면 플라즈몬 공명(LSPR: Localized Surface Plasmon Resonance)이 여기된다. 본 구조에서는 이웃하는 2개의 제 2 돌기 사이의 거리, 이웃하는 2개의 제 3 돌기 사이의 거리가 작기 때문에, 그 접점 부근에 극히 강한 증강 전장이 생긴다. 그리고, 그 접점에 1개 내지 수개의 표적 물질이 흡착하면, 거기에서 SERS가 발생한다. 이 때문에, 표적 물질에 고유한 날카로운 SERS 스펙트럼을 취득할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다. 또한, 제 1 돌기의 주기나 높이, 제 2 돌기의 높이, 제 3 돌기의 높이를 적절히 변경하는 것에 의해, 공명 피크의 위치를 임의의 파장에 맞출 수 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, which comprises: a step of exciting augmented near field by surface plasmon resonance with a first projection on a surface of the same shape; and a metal microstructure formed by the second projection and the third projection, And can exhibit high surface enhanced Raman scattering (SERS: Surface Enhanced Raman Scattering). Specifically, when light is incident on a surface having a plurality of first protrusions, a plurality of second protrusions, and a plurality of third protrusions, a surface-specific vibration mode (surface plasmon) by the plurality of first protrusions occurs. Then, the free electrons resonate with the vibration of the light, and the vibration of the electromagnetic wave is excited by the vibration of the free electrons. Since the vibration of the electromagnetic wave affects the vibration of the free electrons, a system in which the vibrations of both are combined, so-called surface plasmon polariton (SPP), is produced. As a result, localized surface plasmon resonance (LSPR) is excited in the vicinity of the plurality of second projections and the plurality of third projections. In this structure, since the distance between two neighboring second projections and the distance between two neighboring third projections are small, an extremely strong enhancement electric field is generated in the vicinity of the contact. Then, when one or several target substances are adsorbed to the contact, SERS is generated there. For this reason, a sharp SERS spectrum unique to the target substance can be obtained. Therefore, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensitivity of the sensor and identifying the target material from the SERS spectrum. The position of the resonance peak can be adjusted to an arbitrary wavelength by suitably changing the period or height of the first projection, the height of the second projection, and the height of the third projection. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

본 발명의 센서 칩에 있어서는, 상기 복수의 제 1 돌기는 상기 제 1 방향에 교차하고 상기 평면부에 평행한 제 2 방향으로 주기적으로 배열되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 1 돌기가 기재의 평면부에 평행한 방향(제 1 방향)으로만 주기적으로 형성되어 있는 경우보다도 넓은 플라즈몬 공명 조건하에서 센싱을 실행할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다. 또한, 제 1 돌기에 있어서의 제 1 방향의 주기에 부가하여, 제 2 방향의 주기를 적절히 변경할 수도 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.In the sensor chip of the present invention, it is preferable that the plurality of first projections are periodically arranged in a second direction intersecting with the first direction and parallel to the plane portion. Thereby, the sensing can be performed under a condition of the plasmon resonance which is wider than in the case where the first projection is periodically formed only in the direction (first direction) parallel to the plane portion of the substrate. Therefore, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensitivity of the sensor and identifying the target material from the SERS spectrum. Further, in addition to the period in the first direction in the first projection, the period in the second direction may be appropriately changed. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

본 발명의 센서 칩에 있어서는, 상기 복수의 제 2 돌기 및 상기 복수의 제 3 돌기는 상기 평면부에 평행한 제 3 방향으로 주기적으로 배열되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 2 돌기, 제 3 돌기의 주기를 적절히 변경할 수 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.In the sensor chip of the present invention, it is preferable that the plurality of second projections and the plurality of third projections are periodically arranged in a third direction parallel to the plane portion. Thereby, the periods of the second projection and the third projection can be appropriately changed. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

본 발명의 센서 칩에 있어서는, 상기 복수의 제 2 돌기 및 상기 복수의 제 3 돌기는 상기 제 3 방향에 교차하고 상기 평면부에 평행한 제 4 방향으로 주기적으로 배열되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 2 돌기, 제 3 돌기가 기재의 평면부에 평행한 방향(제 3 방향)으로만 형성되어 있는 경우보다도 넓은 플라즈몬 공명 조건하에서 센싱을 실행할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다. 또한, 제 2 돌기, 제 3 돌기에 있어서의 제 3 방향의 주기에 부가하여, 제 4 방향의 주기를 적절히 변경할 수도 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.In the sensor chip of the present invention, it is preferable that the plurality of second projections and the plurality of third projections are periodically arranged in a fourth direction intersecting with the third direction and parallel to the plane portion. Thereby, the sensing can be performed under a broader plasmon resonance condition than in the case where the second projection and the third projection are formed only in the direction (third direction) parallel to the plane portion of the substrate. Therefore, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensitivity of the sensor and identifying the target material from the SERS spectrum. In addition to the period in the third direction in the second projection and the third projection, the period in the fourth direction may be changed appropriately. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

본 발명의 센서 칩에 있어서는, 상기 복수의 제 2 돌기 및 상기 복수의 제 3 돌기는 미립자로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 의해, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다.In the sensor chip of the present invention, it is preferable that the plurality of second projections and the plurality of third projections are made of fine particles. Thereby, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensor sensitivity and specifying the target material from the SERS spectrum.

본 발명의 센서 칩에 있어서는, 상기 회절 격자의 상기 표면을 구성하는 금속은 금 또는 은인 것이 바람직하다. 이에 의해, 금 또는 은이 SPP, LSPR, SERS를 발현시키는 특성을 갖고 있으므로, SPP, LSPR, SERS가 발현되기 쉬워져, 표적 물질을 고감도로 검출하는 것이 가능해진다.In the sensor chip of the present invention, the metal constituting the surface of the diffraction grating is preferably gold or silver. As a result, since gold or silver has the properties of expressing SPP, LSPR and SERS, SPP, LSPR and SERS are easily expressed, and the target substance can be detected with high sensitivity.

본 발명의 제 2 관점에 의하면, 센서 카트리지로서, 상기에 기재된 센서 칩과; 상기 표적 물질을 상기 센서 칩의 표면으로 반송하는 반송부와; 상기 센서 칩을 탑재하는 탑재부와; 상기 센서 칩, 상기 반송부, 및 상기 탑재부를 수용하는 하우징과; 상기 하우징의 상기 센서 칩의 표면과 대향하는 위치에 마련된 조사창을 포함한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a sensor cartridge comprising: the sensor chip described above; A transporting unit for transporting the target material to the surface of the sensor chip; A mounting portion for mounting the sensor chip; A housing for accommodating the sensor chip, the transport section, and the mount section; And an irradiation window provided at a position facing the surface of the sensor chip of the housing.

본 발명의 제 2 관점에 따르면, 상기에 기재된 센서 칩을 구비하고 있으므로, 라만 산란광을 선택적으로 분광하여, 표적 분자를 검출할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 카트리지를 제공할 수 있다.According to the second aspect of the present invention, since the sensor chip described above is provided, the target molecules can be detected by selectively spectroscopically extracting Raman scattered light. Therefore, it is possible to provide a sensor cartridge capable of improving the sensor sensitivity and capable of specifying a target material from the SERS spectrum.

본 발명의 제 3 관점에 의하면, 분석 장치로서, 상기에 기재된 센서 칩과; 상기 센서 칩에 광을 조사하는 광원과; 상기 센서 칩에 의해 얻어진 광을 검출하는 광 검출기를 포함한다.According to a third aspect of the present invention, there is provided an analyzing apparatus comprising: the sensor chip described above; A light source for emitting light to the sensor chip; And a photodetector for detecting light obtained by the sensor chip.

본 발명의 제 3 관점에 따르면, 상기에 기재된 센서 칩을 구비하고 있으므로, 라만 산란광을 선택적으로 분광하여, 표적 분자를 검출할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 분석 장치를 제공할 수 있다.According to the third aspect of the present invention, since the sensor chip described above is provided, the Raman scattering light can be selectively spectroscopically detected to detect the target molecule. Accordingly, it is possible to provide an analyzer capable of improving the sensitivity of the sensor and specifying the target material from the SERS spectrum.

본 발명의 제 4 관점에 의하면, 센서 칩으로서, 평면부를 갖는 기재와; 100㎚ 이상 1000㎚ 이하의 주기로 복수의 제 1 볼록 형상이 주기적으로 배열되어 있는 제 1 요철 형상과, 상기 복수의 제 1 볼록 형상에 상기 제 1 요철 형상의 주기보다도 짧은 주기로 복수의 제 2 볼록 형상이 주기적으로 배열되어 있는 제 2 요철 형상과, 이웃하는 2개의 제 1 볼록 형상 사이에 위치하는 골격 부분에서 상기 제 1 요철 형상의 주기보다도 짧은 주기로 복수의 제 3 볼록 형상이 주기적으로 배열되어 있는 제 3 요철 형상이 중첩하는 것에 의해 상기 평면부에 형성된 합성 패턴을 갖고, 금속으로 형성된 표면을 갖고, 표적 물질이 배치되는 회절 격자를 포함한다.According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a sensor chip comprising: a base material having a planar portion; A first concavo-convex shape in which a plurality of first convex shapes are periodically arranged at intervals of 100 nm or more and 1000 nm or less and a plurality of second convex shapes at a period shorter than the period of the first concavo- Wherein a plurality of third convex shapes are periodically arranged at a period shorter than the period of the first concave-convex shape at a skeleton portion located between the periodically arranged second concave-convex shapes and the two adjacent first convex shapes And a diffraction grating having a composite pattern formed on the planar portion by overlapping the concavo-convex shapes, the diffraction grating having a surface formed of a metal and in which the target material is disposed.

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본 발명의 제 4 관점에 따르면, 제 1 볼록 형상에 의해 표면 플라즈몬 공명을 거쳐서 증강된 근접 전장을 동일 형상의 표면에 여기하고, 또한 제 2 볼록 형상에 의한 금속 미세 구조에 의해 증강도가 높은 표면 증강 라만 산란(SERS: Surface Enhanced Raman Scattering)을 발현시킬 수 있다. 구체적으로는, 제 1 요철 형상 및 제 2 요철 형상이 형성된 면에 광이 입사하면, 제 1 요철 형상에 의한 표면 고유의 진동 모드(표면 플라즈몬)가 생긴다. 그러면, 광의 진동에 따라 자유 전자가 공명 진동하고, 자유 전자의 진동에 따라 전자파의 진동이 여기된다. 이 전자파의 진동은 자유 전자의 진동에 영향을 미치기 때문에, 양자의 진동이 결합한 계, 소위 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP: Surface Plasmon Polariton)을 만들게 된다. 이에 의해, 제 2 요철 형상의 근방에, 국재 표면 플라즈몬 공명(LSPR: Localized Surface Plasmon Resonance)이 여기된다. 본 구조에서는 이웃하는 2개의 제 2 볼록 형상의 사이의 거리가 작기 때문에, 그 접점 부근에 극히 강한 증강 전장이 생긴다. 그리고, 그 접점에 1개 내지 수개의 표적 물질이 흡착하면, 거기에서 SERS가 발생한다. 이 때문에, 표적 물질에 고유한 날카로운 SERS 스펙트럼을 취득할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다. 또한, 제 1 볼록 형상의 주기, 높이 및 제 2 볼록 형상의 높이, 제 3 볼록 형상의 높이를 적절히 변경하는 것에 의해, 공명 피크의 위치를 임의의 파장에 맞출 수 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, which comprises: a step of exciting a near-field electric field enhanced through surface plasmon resonance by a first convex shape to a surface of the same shape, It is possible to express Surface Enhanced Raman Scattering (SERS). Specifically, when light is incident on the surface on which the first concave-convex shape and the second concave-convex shape are formed, a surface-specific vibration mode (surface plasmon) due to the first concave-convex shape is generated. Then, the free electrons resonate with the vibration of the light, and the vibration of the electromagnetic wave is excited by the vibration of the free electrons. Since the vibration of the electromagnetic wave affects the vibration of the free electrons, a system in which the vibrations of both are combined, so-called surface plasmon polariton (SPP), is produced. As a result, localized surface plasmon resonance (LSPR) is excited in the vicinity of the second concave-convex shape. In this structure, since the distance between two neighboring second convex shapes is small, an extremely strong enhancing electric field is generated in the vicinity of the contact. Then, when one or several target substances are adsorbed to the contact, SERS is generated there. For this reason, a sharp SERS spectrum unique to the target substance can be obtained. Therefore, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensitivity of the sensor and identifying the target material from the SERS spectrum. In addition, the position of the resonance peak can be adjusted to an arbitrary wavelength by suitably changing the period, the height, the height of the second convex shape, and the height of the third convex shape of the first convex shape. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

본 발명의 센서 칩에 있어서는, 상기 복수의 제 1 볼록 형상은 상기 평면부에 평행한 제 1 방향으로 주기적으로 배열되어 있는 동시에, 상기 제 1 방향에 교차하고 상기 평면부에 평행한 제 2 방향으로 주기적으로 배열되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 1 볼록 형상이 기재의 평면부에 평행한 방향(제 1 방향)으로만 주기적으로 형성되어 있는 경우보다도 넓은 플라즈몬 공명 조건하에서 센싱을 실행할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다. 또한, 제 1 볼록 형상에 있어서의 제 1 방향의 주기에 부가하여, 제 2 방향의 주기를 적절히 변경할 수도 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.In the sensor chip of the present invention, the plurality of first convex shapes are periodically arranged in a first direction parallel to the plane portion, and are arranged in a second direction intersecting the first direction and parallel to the plane portion It is preferable that they are arranged periodically. Thereby, the sensing can be performed under a broader plasmon resonance condition than in the case where the first convex shape is periodically formed only in the direction (first direction) parallel to the plane portion of the substrate. Therefore, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensitivity of the sensor and identifying the target material from the SERS spectrum. In addition to the period in the first direction in the first convex shape, the period in the second direction can be changed as appropriate. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

본 발명의 센서 칩에 있어서는, 상기 복수의 제 2 볼록 형상 및 상기 복수의 제 3 볼록 형상은 상기 평면부에 평행한 제 3 방향으로 주기적으로 배열되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 2 볼록 형상, 제 3 볼록 형상의 주기를 적절히 변경할 수 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.In the sensor chip of the present invention, it is preferable that the plurality of second convex shapes and the plurality of third convex shapes are periodically arranged in a third direction parallel to the plane portion. Thereby, the period of the second convex shape and the third convex shape can be appropriately changed. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

본 발명의 센서 칩에 있어서는, 상기 복수의 제 2 볼록 형상 및 상기 복수의 제 3 볼록 형상은 상기 제 3 방향에 교차하고 상기 평면부에 평행한 제 4 방향으로 주기적으로 배열되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 2 볼록 형상, 제 3 볼록 형상이 기재의 평면부에 평행한 방향(제 3 방향)으로만 형성되어 있는 경우보다도 넓은 플라즈몬 공명 조건하에서 센싱을 실행할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다. 또한, 제 2 볼록 형상, 제 3 볼록 형상에 있어서의 제 3 방향의 주기에 부가하여, 제 4 방향의 주기를 적절히 변경할 수도 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.In the sensor chip of the present invention, it is preferable that the plurality of second convex shapes and the plurality of third convex shapes are periodically arranged in a fourth direction intersecting with the third direction and parallel to the plane portion. As a result, the sensing can be performed under a condition where the second convex shape and the third convex shape are wider than those in the case where the second convex shape and the third convex shape are formed only in the direction (third direction) parallel to the plane portion of the base material. Therefore, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensitivity of the sensor and identifying the target material from the SERS spectrum. In addition to the period of the third direction in the second convex shape and the third convex shape, the period of the fourth direction may be appropriately changed. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

본 발명의 센서 칩에 있어서는, 상기 복수의 제 2 볼록 형상 및 상기 복수의 제 3 볼록 형상은 미립자로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 의해, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다.In the sensor chip of the present invention, it is preferable that the plurality of second convex shapes and the plurality of third convex shapes are made of fine particles. Thereby, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensor sensitivity and specifying the target material from the SERS spectrum.

본 발명의 센서 칩에 있어서는, 상기 회절 격자의 상기 표면을 구성하는 금속은 금 또는 은인 것이 바람직하다. 이에 의해, 금 또는 은이 SPP, LSPR, SERS를 발현시키는 특성을 갖고 있으므로, SPP, LSPR, SERS가 발현되기 쉬워져, 표적 물질을 고감도로 검출하는 것이 가능해진다.In the sensor chip of the present invention, the metal constituting the surface of the diffraction grating is preferably gold or silver. As a result, since gold or silver has the properties of expressing SPP, LSPR and SERS, SPP, LSPR and SERS are easily expressed, and the target substance can be detected with high sensitivity.

본 발명의 제 5 관점에 의하면, 센서 카트리지로서, 상기에 기재된 센서 칩과; 상기 표적 물질을 상기 센서 칩의 표면으로 반송하는 반송부와; 상기 센서 칩을 탑재하는 탑재부와; 상기 센서 칩, 상기 반송부, 및 상기 탑재부를 수용하는 하우징과; 상기 하우징의 상기 센서 칩의 표면과 대향하는 위치에 마련된 조사창을 포함한다.According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a sensor cartridge comprising: the sensor chip described above; A transporting unit for transporting the target material to the surface of the sensor chip; A mounting portion for mounting the sensor chip; A housing for accommodating the sensor chip, the transport section, and the mount section; And an irradiation window provided at a position facing the surface of the sensor chip of the housing.

본 발명의 제 5 관점에 따르면, 상기에 기재된 센서 칩을 구비하고 있으므로, 라만 산란광을 선택적으로 분광하여, 표적 분자를 검출할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 카트리지를 제공할 수 있다.According to the fifth aspect of the present invention, since the sensor chip described above is provided, the target molecules can be detected by selectively spectroscopically analyzing Raman scattered light. Therefore, it is possible to provide a sensor cartridge capable of improving the sensor sensitivity and capable of specifying a target material from the SERS spectrum.

본 발명의 제 6 관점에 의하면, 분석 장치로서, 상기에 기재된 센서 칩과; 상기 센서 칩에 광을 조사하는 광원과; 상기 센서 칩에 의해 얻어진 광을 검출하는 광 검출기를 포함한다.According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an analysis apparatus comprising: the sensor chip described above; A light source for emitting light to the sensor chip; And a photodetector for detecting light obtained by the sensor chip.

본 발명의 제 6 관점에 따르면, 상기에 기재된 센서 칩을 구비하고 있으므로, 라만 산란광을 선택적으로 분광하여, 표적 분자를 검출할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 분석 장치를 제공할 수 있다.According to a sixth aspect of the present invention, since the sensor chip described above is provided, Raman scattering light can be selectively spectroscopically detected to detect target molecules. Accordingly, it is possible to provide an analyzer capable of improving the sensitivity of the sensor and specifying the target material from the SERS spectrum.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩의 개략 구성을 도시하는 모식도,
도 2a 및 도 2b는 라만 산란 분광법을 도시하는 도면,
도 3a 및 도 3b는 LSPR에 의한 전장 증강의 기구를 도시하는 도면,
도 4는 SERS 분광법을 도시하는 도면,
도 5는 제 1 돌기 단체의 반사광 강도를 도시하는 그래프,
도 6은 SPP의 분산 곡선을 도시하는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩의 반사광 강도를 도시하는 그래프,
도 8은 기재의 평면부에 복수의 제 2 돌기를 형성한 센서 칩의 모식도,
도 9는 도 8에 있어서의 센서 칩의 반사광 강도를 도시하는 그래프,
도 10a 내지 도 10f는 센서 칩의 제작 프로세스를 도시하는 도면,
도 11은 제 1 돌기를 갖는 센서 칩의 변형예를 도시하는 개략 구성도,
도 12a 및 도 12b는 제 2 돌기를 갖는 센서 칩의 변형예를 도시하는 개략 구성도,
도 13a 및 도 13b는 제 2 돌기를 갖는 센서 칩의 변형예를 도시하는 개략 구성도,
도 14는 분석 장치의 일례를 도시하는 모식도,
도 15는 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩의 개략 구성을 도시하는 모식도,
도 16은 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩의 개략 구성을 도시하는 모식도.
1A and 1B are schematic diagrams showing a schematic configuration of a sensor chip according to an embodiment of the present invention,
2A and 2B are diagrams showing Raman scattering spectroscopy,
3A and 3B are diagrams showing the mechanism of electric field enhancement by LSPR,
4 is a drawing showing SERS spectroscopy,
5 is a graph showing the intensity of reflected light of the first projecting unit,
6 is a graph showing the dispersion curve of SPP,
7 is a graph showing a reflected light intensity of a sensor chip according to an embodiment of the present invention,
8 is a schematic view of a sensor chip in which a plurality of second projections are formed on a flat surface of a substrate,
Fig. 9 is a graph showing the intensity of light reflected by the sensor chip in Fig. 8,
10A to 10F are diagrams showing a manufacturing process of the sensor chip,
11 is a schematic structural view showing a modified example of the sensor chip having the first projection,
12A and 12B are schematic configuration views showing a modified example of the sensor chip having the second projection,
13A and 13B are schematic configuration views showing a modified example of the sensor chip having the second projection,
14 is a schematic diagram showing an example of an analyzing apparatus,
15 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a sensor chip according to an embodiment of the present invention,
16 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a sensor chip according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 이러한 실시형태는, 본 발명의 일 태양을 나타내고, 이 발명을 한정하고 있지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 임의로 변경 가능하다. 또한, 이하의 도면에 있어서는, 각 구성을 이해하기 용이하게 하기 위해서, 실제의 구조와 각 구조에 있어서의 축척이나 개수 등이 상이하다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. These embodiments show an aspect of the present invention and are not intended to limit the present invention, and can be arbitrarily changed within the technical scope of the present invention. In the following drawings, the actual structure differs in scale and number in each structure in order to facilitate understanding of each structure.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩의 개략 구성을 도시하는 모식도이다. 도 1a는 센서 칩의 개략 구성 사시도, 도 1b는 센서 칩의 개략 구성 단면도이다. 도 1b에 있어서, 도면부호(P1)는 제 1 돌기(제 1 볼록 형상)의 주기, 도면부호(P2)는 제 2 돌기(제 2 볼록 형상) 및 제 3 돌기(제 3 볼록 형상)의 주기, 도면부호(T1)는 제 1 돌기의 높이(홈의 깊이), 도면부호(T2)는 제 2 돌기의 높이(홈의 깊이), 도면부호(T3)는 제 3 돌기의 높이(홈의 깊이), 도면부호(W1)는 제 1 돌기의 폭, 도면부호(W2)는 이웃하는 2개의 제 1 돌기 사이의 거리이다.1A and 1B are schematic diagrams showing a schematic configuration of a sensor chip according to an embodiment of the present invention. 1A is a schematic configuration perspective view of a sensor chip, and FIG. 1B is a schematic structural cross-sectional view of a sensor chip. In Fig. 1B, reference numeral P1 denotes a period of the first projection (first convex shape), P2 denotes a period of the second projection (second convex shape) and a third projection (third convex shape) Reference numeral T1 designates the height of the first projection (depth of the groove), T2 designates the height of the second projection (depth of the groove), T3 designates the height of the third projection Reference numeral W1 denotes the width of the first projection, and reference character W2 denotes the distance between two neighboring first projections.

도 15 및 도 16은, 도 1b에 대응한, 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩의 개략 구성을 도시하는 모식도이다. 도 15 및 도 16에 있어서, 도면부호(P1)는 제 1 돌기(제 1 볼록 형상)의 주기, 도면부호(P2)는 제 2 돌기(제 2 볼록 형상) 및 제 3 돌기(제 3 볼록 형상)의 주기, 도면부호(T1)는 제 1 돌기의 높이(홈의 깊이), 도면부호(T2)는 제 2 돌기의 높이(홈의 깊이), 도면부호(T3)는 제 3 돌기의 높이(홈의 깊이), 도면부호(W1)는 제 1 돌기의 폭, 도면부호(W2)는 이웃하는 2개의 제 1 돌기 사이의 거리이다.Figs. 15 and 16 are schematic diagrams showing a schematic configuration of a sensor chip according to an embodiment of the present invention, corresponding to Fig. 1B. 15 and 16, reference numeral P1 denotes a period of the first projection (first convex shape), P2 denotes a second projection (second convex shape), and a third projection (third convex shape) A reference numeral T1 denotes a height of the first projection (depth of the groove), T2 denotes a height of the second projection (depth of the groove), and T3 denotes a height of the third projection The depth of the groove), reference numeral W1 denotes the width of the first projection, and reference symbol W2 denotes the distance between two neighboring first projections.

센서 칩(1)은, 금속을 포함하는 기재(10)에 형성된 회절 격자(9)에 표적 물질을 배치하고, 국재 표면 플라즈몬 공명(LSPR: Localized Surface Plasmon Resonance) 및 표면 증강 라만 산란(SERS: Surface Enhanced Raman Scattering)을 이용하여, 상기 표적 물질을 검출하는데 이용된다.The sensor chip 1 is formed by arranging a target material on a diffraction grating 9 formed on a base material 10 containing a metal and measuring localized surface plasmon resonance (LSPR) and surface enhanced Raman scattering (SERS: Surface Enhanced Raman Scattering) is used to detect the target material.

센서 칩(1)은, 기재(10)에 형성된 회절 격자(9)에 표적 물질을 배치하고, LSPR 및 SERS를 이용하여, 상기 표적 물질을 검출하는데 이용된다. 회절 격자(9)는, 기재(10)의 평면부에 평행한 제 1 방향으로 100㎚ 이상 1000㎚ 이하의 주기(P1)로 배열되어 있는 복수의 제 1 돌기(11)와, 이웃하는 2개의 제 1 돌기(11)의 사이에 위치하여 기재(10)의 골격을 구성하는 복수의 골격 부분(10a)과, 복수의 제 1 돌기(11)의 각각의 상면(11a)에 형성되어 있는 복수의 제 2 돌기(12)와, 복수의 골격 부분(10a)의 각각에 형성되어 있는 복수의 제 3 돌기(13)를 구비한다. 회절 격자(9)는 금속으로 형성된 표면을 갖고, 기재(10)의 평면부(10s)상에 형성되어 있다.The sensor chip 1 is used to locate the target material on the diffraction grating 9 formed on the base material 10 and to detect the target material using LSPR and SERS. The diffraction grating 9 includes a plurality of first projections 11 arranged in a period P1 of not less than 100 nm and not more than 1000 nm in a first direction parallel to the plane portion of the substrate 10, A plurality of framework portions 10a positioned between the first projections 11 and constituting the framework of the substrate 10 and a plurality of second projections 11a formed on each of the upper surfaces 11a of the plurality of first projections 11. [ A second projection 12 and a plurality of third projections 13 formed on each of the plurality of frame parts 10a. The diffraction grating 9 has a surface formed of a metal and is formed on the flat surface portion 10s of the base material 10.

환언하면, 회절 격자(9)는, 기재(10)의 평면부(10s)에 대하여 수직한 방향에 있어서 100㎚ 이상 1000㎚ 이하의 주기(P1)로 복수의 제 1 볼록 형상(제 1 돌기)(11)이 배열되어 있는 제 1 요철 형상과, 복수의 제 1 볼록 형상(11)의 각각에 제 1 요철 형상의 주기보다도 짧은 주기(P2)로 복수의 제 2 볼록 형상(제 2 돌기)(12)이 배열되어 있는 제 2 요철 형상과, 이웃하는 2개의 제 1 볼록 형상(11) 사이에 위치하는 골격 부분에서 제 1 요철 형상이 중첩하여 얻어진 합성 패턴을 갖고, 금속으로 형성된 표면을 갖고 있다.In other words, the diffraction grating 9 has a plurality of first convex shapes (first projections) at a period P1 of 100 nm or more and 1000 nm or less in a direction perpendicular to the plane portion 10s of the base 10, (Second projections) (second projections) 11 are arranged in a period P2 shorter than the period of the first concave-convex shape in each of the plurality of first convex shapes 11 12) are arranged, and a composite pattern obtained by superimposing the first concavo-convex shape on a skeleton portion located between two neighboring first convex shapes (11), and has a surface formed of a metal .

또한, 여기에서 말하는 「회절 격자」란 복수의 요철 형상(복수의 돌기)이 주기적으로 배열된 구조를 말한다.The " diffraction grating " as used herein refers to a structure in which a plurality of concave-convex shapes (a plurality of projections) are periodically arranged.

또한, 여기에서 말하는 「평면부」란 기재의 상면부를 말한다. 즉, 「평면부」란 표적 물질이 배치되는 기재의 편측(片側)의 표면부를 말한다. 또한, 제 1 요철 형상, 제 2 요철 형상, 및 제 3 요철 형상이 중첩함으로써 형성되는 합성 패턴은 적어도 기재의 상면부에 형성되어 있다. 또한, 기재의 다른 한쪽의 편측의 표면부, 즉 기재의 하면부에 관해서 그 형상은 특별히 한정되지 않는다. 단, 기재의 평면부(상면부)에의 가공 공정 등을 고려하면, 기재의 하면부는 평면부의 골격 부분에 대하여 평행하고 또한 평탄한 면인 것이 바람직하다.Here, the term " flat portion " refers to the upper surface portion of the description. That is, the term " planar portion " refers to a surface portion on one side of the base material on which the target material is disposed. The composite pattern formed by superimposing the first irregular shape, the second irregular shape, and the third irregular shape is formed at least on the upper surface portion of the substrate. The shape of the surface portion on one side of the other side of the base material, that is, the bottom surface portion of the base material is not particularly limited. However, in consideration of a processing step to the flat surface (upper surface portion) of the substrate, it is preferable that the lower surface of the base is parallel to the skeleton of the plane portion and is flat.

회절 격자(9)의 구성으로서는, 도 1b에 도시하는 바와 같이, 기재(10), 제 1 볼록 형상(11) 및 제 2 볼록 형상(12)이 모두 금속으로 이루어지는 구조를 들 수 있다. 또한, 도 15에 도시하는 바와 같이, 기재(10) 및 제 1 볼록 형상(11)을 유리나 수지 등의 절연 부재로 형성하여 절연 부재의 노출 부위 전체를 금속막으로 덮고, 금속막상에 금속으로 이루어지는 제 2 볼록 형상(12)이 형성되고, 금속으로 이루어지는 제 3 볼록 형상(13)이 형성된 구조를 들 수 있다. 더욱이, 도 16에 도시하는 바와 같이, 기재(10), 제 1 볼록 형상(11), 제 2 볼록 형상(12) 및 제 3 볼록 형상(13)을 모두 절연 부재로 형성하고, 절연 부재의 노출 부위 전체를 금속막으로 덮은 구조를 들 수 있다. 즉, 회절 격자(9)는, 기재(10)의 골격 부분(10a), 제 1 볼록 형상(11), 제 2 볼록 형상(12) 및 제 3 볼록 형상(13)의 적어도 표면이 금속으로 형성된 구성을 갖는다.The structure of the diffraction grating 9 includes a structure in which the substrate 10, the first convex shape 11 and the second convex shape 12 are both made of metal, as shown in Fig. 1B. 15, the substrate 10 and the first convex shape 11 may be formed of an insulating material such as glass or resin so that the entire exposed portion of the insulating member is covered with a metal film, A second convex shape 12 is formed and a third convex shape 13 made of metal is formed. 16, the base 10, the first convex shape 11, the second convex shape 12, and the third convex shape 13 are all formed of insulating members, and the insulating member is exposed And the whole part is covered with a metal film. That is, the diffraction grating 9 is formed such that at least the surface of the skeleton portion 10a, the first convex shape 11, the second convex shape 12 and the third convex shape 13 of the base 10 is formed of a metal .

기재(10)는, 예를 들어 유리 기판상에 금속막이 150㎚ 이상 형성된 구조를 갖는다. 이 금속막이 후술하는 제작 프로세스에 의해, 제 1 돌기(11), 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)가 된다. 또한, 본 실시형태에서는, 기재(10)로서 유리 기판상에 금속막이 형성된 기체(基體)가 사용되고 있지만 이것이 한정되지 않는다. 예를 들면, 석영 기판이나 사파이어 기판상에 금속막이 형성된 기체가 기재(10)로서 이용되어도 좋다. 또한, 기재로서 금속으로 이루어지는 평판을 이용해도 좋다.The substrate 10 has, for example, a structure in which a metal film of 150 nm or more is formed on a glass substrate. This metal film becomes the first protrusion 11, the second protrusion 12, and the third protrusion 13 by a manufacturing process to be described later. In the present embodiment, a substrate having a metal film formed on a glass substrate is used as the substrate 10, but the present invention is not limited thereto. For example, a substrate on which a metal film is formed on a quartz substrate or a sapphire substrate may be used as the substrate 10. A flat plate made of metal may also be used as the substrate.

제 1 돌기(11)는 기재(10)의 평면부(10s)에 소정의 높이(T1)를 갖고서 형성되어 있다. 이러한 제 1 돌기(11)는 기재(10)의 평면부(10s)에 평행한 방향(제 1 방향)으로 광의 파장보다도 짧은 주기(P1)로 배열되어 있다. 주기(P1)에 있어서는, 제 1 방향(도 1b의 좌우 방향)에 있어서의 제 1 돌기(11) 단체의 폭과, 이웃하는 2개의 제 1 돌기(11) 사이의 거리가 서로 합해져 있다. 또한, 제 1 돌기(11)는 단면에서 보아 장방형의 볼록 형상이며, 복수의 제 1 돌기(11)는 평면에서 보아 라인 앤드 스페이스(line and space)(줄무늬 형상)로 형성되어 있다.The first protrusion 11 is formed on the flat surface portion 10s of the substrate 10 with a predetermined height T1. These first projections 11 are arranged in a period P1 shorter than the wavelength of light in a direction parallel to the plane portion 10s of the substrate 10 (first direction). In the period P1, the width of the first protrusion 11 in the first direction (the left-right direction in Fig. 1B) and the distance between the adjacent two first protrusions 11 are mutually combined. The first protrusion 11 is a rectangular convex shape as viewed in cross section, and the plurality of first protrusions 11 are formed in a line and space (stripe shape) as viewed in a plan view.

제 1 돌기(11)에 있어서는, 예를 들어 주기(P1)가 100㎚ 내지 1000㎚의 범위로 설정되고, 높이(T1)가 10㎚ 내지 100㎚의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 1 돌기(11)를, LSPR을 발현시키기 위한 구조로서 기능시킬 수 있다.In the first protrusion 11, for example, it is preferable that the period P1 is set in the range of 100 nm to 1000 nm, and the height T1 is set in the range of 10 nm to 100 nm. Thereby, the first protrusion 11 can function as a structure for expressing the LSPR.

제 1 방향에 있어서의 제 1 돌기(11)의 폭(W1)은 이웃하는 2개의 제 1 돌기(11) 사이의 거리(W2)보다도 크게 되어 있다(W1>W2). 이에 의해, LSPR이 여기되는 제 1 돌기(11)의 공간 충전율이 증가한다.The width W1 of the first projection 11 in the first direction is larger than the distance W2 between the adjacent two first projections 11 (W1 > W2). Thereby, the space filling rate of the first projection 11 on which the LSPR is excited increases.

제 2 돌기(12)는 복수의 제 1 돌기(11)의 각각의 상면(11a)에 소정의 높이(T2)를 갖고서 2개 이상 형성되어 있다. 제 3 돌기(13)는 복수의 골격 부분(10a)의 각각에 소정의 높이(T3)를 갖고서 2개 이상 형성되어 있다.The second protrusions 12 are formed on the upper surface 11a of each of the plurality of first protrusions 11 at two or more with a predetermined height T2. The third projections 13 are formed in two or more skeletal portions 10a each having a predetermined height T3.

제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)는 기재(10)의 평면부(10s)에 평행한 방향(제 3 방향)으로 광의 파장보다도 짧은 주기(P2)로 배열되어 있다. 주기(P2)에 있어서는, 제 3 방향(도 1b의 좌우 방향)에 있어서의 제 2 돌기(12) 단체의 폭과, 이웃하는 2개의 제 2 돌기(12) 사이의 거리가 서로 합해져 있다[제 3 방향에 있어서의 제 3 돌기(13) 단체의 폭과, 이웃하는 2개의 제 3 돌기(13)의 사이의 거리가 서로 합해져 있다]. 이에 의해, 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)]의 주기(P2)는 제 1 돌기(11)의 주기(P1)보다도 충분히 짧게 되어 있다. The second projections 12 and the third projections 13 are arranged in a period P2 shorter than the wavelength of light in a direction parallel to the plane portion 10s of the substrate 10 (third direction). In the period P2, the width of the second projection 12 in the third direction (left and right direction in Fig. 1B) and the distance between the adjacent two second projections 12 are made to coincide with each other The width of the third projection 13 in the three directions and the distance between the adjacent two third projections 13 are combined. The period P2 of the second projections 12 (the third projections 13) is sufficiently shorter than the period P1 of the first projections 11. [

제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)에 있어서는, 예를 들면 주기(P2)가 500㎚보다도 작은 값으로 설정되고, 높이(T2, T3)가 200㎚보다도 작은 값으로 설정되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)를, SERS를 발현시키기 위한 구조로서 기능시킬 수 있다.It is preferable that the period P2 is set to a value smaller than 500 nm and the heights T2 and T3 are set to a value smaller than 200 nm in the second protrusion 12 and the third protrusion 13 Do. Thus, the second protrusion 12 and the third protrusion 13 can function as a structure for expressing SERS.

또한, 본 실시형태에서는, 제 1 돌기(11)의 배열 방향(제 1 방향)과 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)의 배열 방향(제 3 방향)이 동일하다. 또한, 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)는 단면에서 보아 장방형의 볼록 형상으로 형성되어 있고, 복수의 제 2 돌기(12) 및 복수의 제 3 돌기(13)는 평면에서 보아 라인 앤드 스페이스(줄무늬 형상)로 형성되어 있다.In the present embodiment, the arranging direction (first direction) of the first projections 11 and the arranging direction (third direction) of the second projections 12 and the third projections 13 are the same. The second protrusions 12 and the third protrusions 13 are formed in a rectangular convex shape in cross section and the plurality of second protrusions 12 and the plurality of third protrusions 13 are formed in a line And is formed in an end space (stripe shape).

회절 격자(9)의 표면의 금속으로서는, 예를 들면 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(A1), 혹은 이들의 합금이 이용된다. 본 실시형태에서는, SPP, LSPR, SERS를 발현시키는 특성을 갖는 Au 또는 Ag를 이용한다. 이에 의해, SPP, LSPR, SERS가 발현되기 쉬워져, 표적 물질을 고감도로 검출하는 것이 가능해진다.As the metal on the surface of the diffraction grating 9, for example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (A1), or an alloy thereof is used. In the present embodiment, Au or Ag having properties to express SPP, LSPR, and SERS is used. As a result, SPP, LSPR, and SERS are easily expressed, and the target substance can be detected with high sensitivity.

여기에서, LSPR, SERS에 대해서 설명한다. 센서 칩(1)의 표면, 즉 복수의 제 1 돌기(11), 복수의 제 2 돌기(12), 복수의 제 3 돌기(13)가 형성된 면에 광이 입사하면, 복수의 제 1 돌기(11)에 의한 표면 고유의 진동 모드(표면 플라즈몬)가 생긴다. 단, 입사광의 편광방향은 제 1 돌기(11)의 홈 방향과 직교하게 하여둔다. 그러면, 자유 전자의 진동에 따라 전자파의 진동이 여기된다. 이 전자파의 진동은 자유 전자의 진동에 영향을 미치기 때문에, 양자의 진동이 결합한 계, 소위 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP: Surface Plasmon Polariton)이 생성된다. 또한, 본 실시형태에서는 광의 입사 각도가 센서 칩(1)의 표면에 대하여 거의 수직으로 되어 있지만, SPP을 여기하는 조건이면, 입사 각도는 이러한 각도(수직)에 한정되지 않는다.Here, LSPR and SERS are described. When light enters the surface of the sensor chip 1, that is, the surface on which the plurality of first projections 11, the plurality of second projections 12, and the plurality of third projections 13 are formed, 11 (surface plasmons) due to the surface vibrations. However, the polarization direction of the incident light is perpendicular to the groove direction of the first projection 11. [ Then, the vibration of the electromagnetic wave is excited by the vibration of the free electron. Since the vibration of the electromagnetic wave affects the vibration of the free electrons, a system in which the vibrations of both are combined, so-called surface plasmon polariton (SPP), is generated. In this embodiment, the incident angle of the light is substantially perpendicular to the surface of the sensor chip 1, but the incident angle is not limited to such an angle (vertical) as long as the SPP is excited.

이 SPP는 센서 칩(1)의 표면을 따라, 구체적으로는 공기와 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)의 계면을 따라 전파하고, 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)의 근방에 강한 국소 전장을 여기한다. SPP의 결합은 광의 파장에 대하여 민감하고, 그 결합 효율은 높다. 이와 같이, 공기 전파 모드인 입사광으로부터 SPP를 거쳐서 국재 표면 플라즈몬 공명(LSPR: Localized Surface Plasmon Resonance)을 여기할 수 있다. 그리고, LSPR와 라만 산란광의 관계로부터 표면 증강 라만 산란(SERS: Surface Enhanced Raman Scattering)을 이용할 수 있다.Specifically, the SPP propagates along the surface of the sensor chip 1, specifically along the interface between the air and the second projection 12 and the third projection 13, and the second projection 12, the third projection 13 ) Is excited in the vicinity of the local electric field. The binding of SPP is sensitive to the wavelength of light, and its binding efficiency is high. Thus, the localized surface plasmon resonance (LSPR) can be excited from the incident light in the air propagation mode through the SPP. Surface enhanced Raman scattering (SERS) can be used from the relationship between LSPR and Raman scattering light.

도 2a 및 도 2b는 라만 산란 분광법을 도시하는 도면이다. 도 2a는 라만 산란 분광법의 원리를 도시하고 있다. 도 2b는 라만 스펙트럼(라만 시프트와 라만 산란 강도의 관계)을 도시하고 있다. 도 2a에 있어서, 도면부호(L)는 입사광(단일 파장의 광), 도면부호(Ram)는 라만 산란광, 도면부호(Ray)는 레일리(Rayleigh) 산란광, 도면부호(X)는 표적 분자(표적 물질)를 나타내고 있다. 도 2b에 있어서, 가로축은 라만 시프트를 나타내고 있다. 또한, 라만 시프트란, 라만 산란광(Ram)의 진동수와 입사광(L)의 진동수의 차이이며, 표적 분자(X)의 구조에 특유의 값을 말한다.2A and 2B are diagrams showing Raman scattering spectroscopy. FIG. 2A shows the principle of Raman scattering spectroscopy. FIG. 2B shows the Raman spectrum (the relationship between Raman shift and Raman scattering intensity). In FIG. 2A, reference numeral L denotes incident light (light of a single wavelength), reference symbol Ram denotes Raman scattering light, reference symbol Ray denotes Rayleigh scattering light, reference symbol X denotes a target molecule Material). In Fig. 2B, the horizontal axis represents Raman shift. The Raman shift is a difference between the frequency of the Raman scattering light (Ram) and the frequency of the incident light (L), and is a value peculiar to the structure of the target molecule (X).

도 2a에 도시하는 바와 같이, 단일 파장의 광(L)을 표적 분자(X)에 조사하면, 산란된 광 중에 입사된 광의 파장과 다른 파장의 광이 발생한다[라만 산란광(Ram)]. 라만 산란광(Ram)과 입사광(L)의 에너지차는 표적 분자(X)의 진동 준위나 회전 준위, 혹은 전자 준위의 에너지에 대응한다. 표적 분자(X)는 그 구조에 따른 특유의 진동 에너지를 가지기 때문에, 단일 파장의 광(L)을 이용함으로써 표적 분자(X)를 특정할 수 있다.As shown in FIG. 2A, when the target molecule X is irradiated with the light L of a single wavelength, light having a wavelength different from that of the light incident on the scattered light is generated (Raman scattering light Ram). The energy difference between the Raman scattering light (Ram) and the incident light (L) corresponds to the vibration level, the rotation level, or the energy of the electron level of the target molecule (X). Since the target molecule X has a specific vibration energy according to its structure, the target molecule X can be specified by using the light L of a single wavelength.

예를 들면, 입사광(L)의 진동 에너지를 V1, 표적 분자(X)에서 소비되는 진동 에너지를 V2, 라만 산란광(Ram)의 진동 에너지를 V3이라고 하면, V3=V1-V2가 된다. 또한, 입사광(L)의 대부분은 표적 분자(X)에 충돌후에도 충돌전과 동일한 크기의 에너지를 갖고 있다. 이 탄성적인 산란광을 레일리 산란광(Ray)이라고 말한다. 예를 들면, 레일리 산란광(Ray)의 진동 에너지를 V4라고 하면, V4=V1이 된다.For example, when the vibration energy of the incident light L is V1, the vibration energy consumed in the target molecule X is V2, and the vibration energy of the Raman scattering light Ram is V3, V3 = V1-V2. Further, most of the incident light L has the same energy as before the collision even after the collision with the target molecule X. [ This elastic scattering light is called Rayleigh scattering (Ray). For example, when the vibration energy of the Rayleigh scattering ray (Ray) is V4, V4 = V1.

도 2b에 도시하는 라만 스펙트럼으로부터, 라만 산란광(Ram)의 산란 강도(스펙트럼 피크)와 레일리 산란광(Ray)의 산란 강도를 비교하면, 라만 산란광(Ram)은 미약한 것을 알 수 있다. 이와 같이, 라만 산란 분광법은 표적 분자(X)의 식별 능력에는 뛰어나지만, 표적 분자(X)를 센싱하는 감도 자체는 낮은 측정 수법이다. 여기에서, 본 실시형태에서는 고감도화를 도모하기 위해서 표면 증강 라만 산란을 이용한 분광법(SERS 분광법)을 이용하고 있다(도 4 참조).It can be seen from the Raman spectrum shown in FIG. 2B that the scattering intensity (spectrum peak) of Raman scattering light Ram and the scattering intensity of Rayleigh scattering light Ray are weak, indicating that Raman scattering light Ram is weak. Thus, the Raman scattering spectroscopy is superior to the discriminating ability of the target molecule (X), but the sensitivity itself for sensing the target molecule (X) is a low measuring method. Here, in the present embodiment, a spectroscopic method (SERS spectroscopy) using surface enhanced Raman scattering is used in order to achieve high sensitivity (see FIG. 4).

도 3a 및 도 3b는 LSPR에 의한 전장 증강의 기구를 도시하는 도면이다. 도 3a는 금속 나노 입자에 광을 입사했을 때의 모식도이다. 도 3b는 LSPR 증강 전장을 도시하는 도면이다. 도 3a에 있어서, 도면부호(100)는 광원, 도면부호(101)는 금속 나노 입자, 도면부호(102)는 광원으로부터 출사된 광이다. 도 3b에 있어서, 도면부호(103)는 표면 국재 전장이다.Figs. 3A and 3B are diagrams showing the mechanism of electric field enhancement by LSPR. Fig. FIG. 3A is a schematic diagram when light is incident on metal nanoparticles. FIG. 3B is a diagram showing the LSPR enhanced electric field. 3A, numeral 100 denotes a light source, numeral 101 denotes metal nanoparticles, and numeral 102 denotes light emitted from a light source. In Fig. 3B, reference numeral 103 denotes a surface localized electric field.

도 3a에 도시하는 바와 같이, 금속 나노 입자(101)에 광(102)이 입사하면, 광(102)의 진동에 따라 자유 전자가 공명 진동한다. 또한, 금속 나노 입자 직경은 입사광의 파장보다도 작게 되어 있다. 예를 들면, 광의 파장은 400㎚ 내지 800㎚, 금속 나노 입자 직경은 10㎚ 내지 100㎚이다. 또한, 금속 나노 입자로서는 Ag, Au를 이용한다.3A, when the light 102 is incident on the metal nanoparticles 101, the free electrons resonantly vibrate according to the vibrations of the light 102. As shown in FIG. The diameter of the metal nanoparticles is smaller than the wavelength of the incident light. For example, the wavelength of the light is 400 nm to 800 nm, and the diameter of the metal nanoparticle is 10 nm to 100 nm. Further, Ag and Au are used as the metal nanoparticles.

그러면, 자유 전자의 공명 진동에 따라, 금속 나노 입자(101)의 근방에 강한 표면 국재 전장(103)이 여기된다(도 3b 참조). 이와 같이, 금속 나노 입자(101)에 광(102)이 입사하는 것에 의해, LSPR을 여기할 수 있다.Then, the strong surface-localized electric field 103 is excited in the vicinity of the metal nanoparticles 101 in accordance with the resonance vibration of the free electrons (see FIG. 3B). As described above, the light 102 is incident on the metal nanoparticles 101, thereby exciting the LSPR.

도 4는 SERS 분광법을 도시하는 도면이다. 도 4에 있어서, 도면부호(200)는 기판, 도면부호(201)는 금속 나노 구조, 도면부호(202)는 선택 흡착막, 도면부호(203)는 증강 전장, 도면부호(204)는 표적 분자, 도면부호(211)는 입사 레이저광, 도면부호(212)는 라만 산란광, 도면부호(213)는 레일리 산란광이다. 또한, 선택 흡착막(202)은 표적 분자(204)를 흡착한다.4 is a diagram showing SERS spectroscopy. In FIG. 4, reference numeral 200 denotes a substrate, 201 denotes a metal nanostructure, 202 denotes a selective adsorption film, 203 denotes an enhancement electric field, 204 denotes a target molecule Reference numeral 211 denotes an incident laser beam, reference numeral 212 denotes Raman scattering light, and reference numeral 213 denotes Rayleigh scattering light. Further, the selective adsorption film 202 adsorbs the target molecules 204.

도 4에 도시하는 바와 같이, 금속 나노 구조(201)에 레이저광(211)이 입사하면, 레이저광(211)의 진동에 따라 자유 전자가 공명 진동한다. 금속 나노 구조(201)의 사이즈는 입사 레이저광의 파장보다도 작게 되어 있다. 그러면, 자유 전자의 공명 진동에 따라, 금속 나노 구조(201)의 근방에 강한 표면 국재 전장이 여기된다. 이에 의해, LSPR이 여기된다. 그리고, 이웃하는 금속 나노 구조(201) 사이의 거리가 작아지면, 그 접점 부근에 극히 강한 증강 전장(203)이 생긴다. 그 접점에 1개 내지 수개의 표적 분자(204)가 흡착하면, 거기에서 SERS가 발생한다. 이 점에 대해서는, 시간 영역 차분(FDTD: Finite Difference Time Domain)법을 이용하여 계산한 근접한 2개의 은 나노 입자 사이에 생기는 증강 전장의 결과에서도 확인되고 있다. 따라서, 라만 산란광을 선택적으로 분광하여, 표적 분자를 고감도로 검출할 수 있다.As shown in Fig. 4, when the laser light 211 is incident on the metal nanostructure 201, free electrons resonate with the oscillation of the laser light 211. The size of the metal nanostructure 201 is smaller than the wavelength of the incident laser light. Then, a strong surface-localized electric field is excited in the vicinity of the metal nanostructure 201 in accordance with resonance oscillation of free electrons. Thereby, the LSPR is excited. When the distance between adjacent metal nanostructures 201 becomes small, an extremely strong enhancement electric field 203 is generated in the vicinity of the contact. When one or several target molecules 204 are adsorbed to the contact, SERS is generated there. This point has also been confirmed in the result of the enhancement field generated between two adjacent silver nanoparticles calculated using the finite difference time domain (FDTD) method. Therefore, the Raman scattering light can be selectively spectrally separated, and the target molecule can be detected with high sensitivity.

본 실시형태는, 상술한 바와 같이, 제 1 돌기(11)를 기재(10)의 평면부에 평행한 방향으로 광의 파장보다도 짧은 주기(P1)로 배열하는 것에 의해 LSPR을 여기시키는 구조를 갖는다. 또한, 본 실시형태는, 제 2 돌기(12)를 제 1 돌기(11)의 상면(11a)에 2개 이상 형성하고, 제 3 돌기(13)를 골격 부분(10a)에 2개 이상 형성하는 것에 의해 SERS를 발현시키는 구조를 갖는다. 구체적으로는, 단일 파장의 광을 표적 분자에 조사하면 라만 산란광이 발생하는 원리를 근거로, 표적 분자를 이웃하는 2개의 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)] 사이에 배치하고, 이 접점 근방에 증강 자장을 생기게 하는 것에 의해, SERS를 발생시키고 있다. 이에 의해, 라만 산란 분광법에 비하여 고감도로 목표 물질을 검출하는 것이 가능한 SERS 분광법을 채용하는 것이 가능하게 되어 있다.The present embodiment has a structure for exciting the LSPR by arranging the first projections 11 in a period P1 shorter than the wavelength of light in a direction parallel to the plane portion of the substrate 10 as described above. In the present embodiment, two or more second projections 12 are formed on the upper surface 11a of the first projection 11 and two or more third projections 13 are formed on the framework portion 10a Lt; RTI ID = 0.0 > SERS. ≪ / RTI > Specifically, on the basis of the principle that Raman scattering light is generated when a single wavelength of light is irradiated onto the target molecule, the target molecule is arranged between two neighboring second projections 12 (third projections 13) SERS is generated by causing an enhancement magnetic field in the vicinity of this contact point. This makes it possible to employ the SERS spectroscopy method capable of detecting a target substance with high sensitivity as compared with Raman scattering spectroscopy.

도 5는 제 1 돌기 단체의 반사광 강도를 도시하는 그래프이다. 도 5에 있어서, 가로축은 광의 파장, 세로축은 반사광 강도이다. 제 1 돌기(11)의 높이(T1)를 파라미터로 취하고 있다(T1=20㎚, 30㎚, 40㎚). 또한, 본 실시형태의 센서 칩(1)의 구조에 있어서는, 입사광 강도(1.0으로 함)로부터 반사광 강도를 뺀 값이 흡광도가 된다.5 is a graph showing a reflected light intensity of the first projecting unit. In Fig. 5, the horizontal axis indicates the wavelength of light, and the vertical axis indicates the reflected light intensity. The height T1 of the first protrusion 11 is taken as a parameter (T1 = 20 nm, 30 nm, 40 nm). In the structure of the sensor chip 1 of the present embodiment, the value obtained by subtracting the reflected light intensity from the incident light intensity (1.0) is the absorbance.

광은 제 1 돌기(11)에 대하여 수직으로 입사한다. 광의 편광방향은 홈[이웃하는 제 1 돌기(11) 사이의 영역의 연장방향]에 평행한 전계 성분을 가지는 편광과 직교하는 TM(Transverse Electric) 편광이다. 제 1 돌기(11)의 주기는 580㎚이며, 반사광 강도의 공명 피크는 파장 630㎚ 근방에 존재한다. 이 공명 피크는 SPP에 유래하고, 제 1 돌기(11)의 높이(T1)를 크게 하여가면, 공명 피크는 장파장측(장파장 영역)으로 시프트한다. 제 1 돌기(11)의 높이(T1)가 30㎚일 때, 반사광 강도가 가장 강해져서, 흡수가 가장 강하게 나타나고 있다는 것을 알 수 있다.The light is incident perpendicularly to the first protrusion (11). The polarization direction of light is TM (Transverse Electric) polarized light orthogonal to the polarized light having an electric field component parallel to the groove (extending direction of the region between the neighboring first projections 11). The period of the first protrusion 11 is 580 nm, and the resonance peak of the reflected light intensity exists in the vicinity of the wavelength 630 nm. This resonance peak is derived from SPP, and when the height (T1) of the first projection 11 is increased, the resonance peak shifts to the long wavelength side (long wavelength region). When the height T1 of the first projection 11 is 30 nm, the intensity of the reflected light is the strongest, and the absorption is most strongly exhibited.

도 6은 SPP의 분산 곡선을 도시하는 그래프이다. 도 6에 있어서, 도면부호(C1)는 SPP의 분산 곡선(예로서 공기와 Au의 경계면에서의 값을 도시하고 있음), 도면부호(C2)는 라이트 라인(light line)이다. 제 1 돌기(11)의 주기는 580㎚이다. 제 1 돌기(11)의 격자 벡터의 위치를 가로축상에 나타낸다(도 6에 있어서의 가로축상의 2π/P에 대응). 이 위치부터 위로 선을 연장시키면 SPP의 분산 곡선과 교차한다. 이 교점에 대응하는 파장은 하기의 수학식 1로부터 구해진다.6 is a graph showing the dispersion curve of SPP. In Fig. 6, reference numeral C1 denotes a dispersion curve of the SPP (for example, a value at the interface between air and Au), and reference numeral C2 denotes a light line. The period of the first protrusion 11 is 580 nm. The position of the lattice vector of the first projection 11 is shown on the horizontal axis (corresponding to 2 pi / P on the horizontal axis in Fig. 6). Extending the line from this position intersects the dispersion curve of the SPP. The wavelength corresponding to this intersection point is obtained from the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112010075574676-pat00001
Figure 112010075574676-pat00001

수학식 1에 있어서, P1은 제 1 돌기(11)의 주기, E1은 공기의 복소 유전율, E2는 Au의 복소 유전율이다. 수학식 1에 P1, E1, E2를 대입하면, λ=620㎚을 얻는다(도 6에 있어서의 세로축상의 ω0에 대응).In Equation 1, P1 is the period of the first protrusion 11, E1 is the complex permittivity of air, and E2 is the complex permittivity of Au. When P1, E1 and E2 are substituted into Equation 1,? = 620 nm is obtained (corresponding to? 0 on the vertical axis in FIG. 6).

제 1 돌기(11)의 높이(T1)가 커지는 동시에, SPP의 파수에 있어서의 허부(虛部)가 커진다. 이에 의해, SPP의 파수에 있어서의 실부(實部)가 작아져, 격자 벡터의 위치부터 연장시킨 선과 SPP의 분산 곡선의 교점이 우측 상부로부터 좌측 하부로 이동한다. 즉, 공명 피크는 장파장측으로 시프트한다.The height T1 of the first projection 11 is increased and the fulcrum portion in the wave number of SPP is increased. As a result, the real part in the wavenumbers of the SPP becomes smaller, and the intersection of the line extending from the position of the lattice vector and the dispersion curve of the SPP moves from the upper right side to the lower left side. That is, the resonance peak shifts to the longer wavelength side.

도 7은 제 1 돌기(11) 및 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)]를 중첩한 구조, 즉 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩(1)의 반사광 강도를 도시하는 그래프이다. 도 7에 있어서, 가로축은 광의 파장, 세로축은 반사광 강도이다. 제 2 돌기(12)의 높이(T2)[제 3 돌기(13)의 높이(T3)]를 파라미터로 취하고 있다[T2(T3)=0㎚, 40㎚, 80㎚]. 또한, 본 도면에 있어서의 파라미터 T2=0의 그래프는 도 5에 있어서의 파라미터 T1=30의 그래프와 동일하다.7 is a graph showing the structure of the first protrusion 11 and the second protrusion 12 (the third protrusion 13) superimposed on each other, that is, the intensity of the reflected light of the sensor chip 1 according to the embodiment of the present invention to be. In Fig. 7, the horizontal axis indicates the wavelength of light, and the vertical axis indicates the reflected light intensity. The height T2 of the second projection 12 (the height T3 of the third projection 13) is taken as a parameter (T2 (T3) = 0 nm, 40 nm, 80 nm). The graph of the parameter T2 = 0 in this figure is the same as the graph of the parameter T1 = 30 in Fig.

광은 제 1 돌기(11)에 대하여 수직으로 입사한다. 또한, 제 1 돌기(11)의 높이(T1)는 30㎚이다. 또한, 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)]의 주기(P2)는 97㎚이다. 반사광 강도의 공명 피크는 파장 730㎚ 근방에 존재한다. 특허문헌 1의 스펙트럼과 비교하여, 공명 피크의 폭이 좁고 또한 날카로워져 있다. 이러한 공명 피크는 상술한 SPP에 유래하고, 제 1 돌기(11)에 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)]를 중첩한 것에 의해 공명 피크의 위치는 장파장측으로 시프트한다. 이 때, 공명 피크의 날카로움과 구배는 유지되고 있다. 제 2 돌기(12)의 높이(T2)[제 3 돌기(13)의 높이]가 40㎚일 때에, 파장 730㎚의 광을 조사하는 것에 의해 제 2 돌기(12)의 표면 근방에 강한 국소 전장을 여기한다. 또한, 제 1 돌기(11) 및 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)]의 주기(P1, P2)와 높이[T1, T2(T3)]를 적절히 변경하는 것에 의해, 공명 피크의 위치를 임의의 파장에 맞출 수 있다.The light is incident perpendicularly to the first protrusion (11). In addition, the height T1 of the first projection 11 is 30 nm. The period P2 of the second projections 12 (the third projections 13) is 97 nm. The resonance peak of the reflected light intensity exists in the vicinity of the wavelength of 730 nm. Compared with the spectrum of Patent Document 1, the width of the resonance peak is narrow and sharp. This resonance peak is derived from the SPP described above, and the position of the resonance peak shifts to the longer wavelength side by overlapping the second protrusion 12 (third protrusion 13) on the first protrusion 11. At this time, the sharpness and the gradient of the resonance peak are maintained. When the height T2 of the second projection 12 (the height of the third projection 13) is 40 nm, by irradiating light with a wavelength of 730 nm, a strong local electric field . By appropriately changing the periods P1 and P2 and the heights T1 and T2 (T3) of the first protrusion 11 and the second protrusion 12 (the third protrusion 13), the resonance peak The position can be adjusted to an arbitrary wavelength.

도 8은 기재(10)의 평면부(10s)상에 제 1 볼록 형상(11)을 형성하지 않고, 기재(10)의 평면부(10s)상에 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)]만을 형성했을 경우, 즉 기재(10)의 평면부(10s)상에 복수의 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)]를 형성했을 경우의 센서 칩(2)을 모식적으로 도시하는 도면이다.8 shows a state in which the first protrusion 11 is not formed on the flat portion 10s of the base 10 but the second protrusion 12 13) is formed on the flat portion 10s of the substrate 10, that is, the sensor chip 2 in the case of forming the plurality of second projections 12 (the third projections 13) Fig.

도 9는 기재(10)의 평면부(10s)상에 복수의 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)]를 형성했을 경우의 센서 칩(2)의 반사광 강도를 도시하는 그래프이다. 도 9에 있어서, 가로축은 광의 파장, 세로축은 반사광 강도이다. 제 2 돌기(12)의 높이(T2)[제 3 돌기(13)의 높이(T3)]를 파라미터[T2(T3)=0㎚, 40㎚, 80㎚]로 취하고 있다. TM 편광의 광은 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)]에 대하여 수직으로 입사한다. 본 도면을 보아도 반사광 강도의 깊은 공명 피크는 인식되지 않는다. 이 결과로부터, 제 1 돌기(11)가 존재하지 않을 경우, 즉 SPP을 거치지 않을 경우에는, 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)]에 광 에너지를 거의 결합할 수 없다는 것을 알 수 있다.9 is a graph showing the intensity of light reflected by the sensor chip 2 when a plurality of second projections 12 (third projections 13) are formed on the flat surface portion 10s of the base 10. In Fig. 9, the horizontal axis indicates the wavelength of light, and the vertical axis indicates the reflected light intensity. The height T2 of the second projection 12 (the height T3 of the third projection 13) is taken as the parameter T2 (T3) = 0 nm, 40 nm, 80 nm. The light of the TM polarized light enters the second projections 12 (third projections 13) perpendicularly. The deep resonance peak of the reflected light intensity is not recognized. From this result, it can be seen that light energy can hardly be coupled to the second projections 12 (the third projections 13) when the first projections 11 do not exist, that is, when they do not pass the SPP have.

도 10a 내지 도 10f는 센서 칩의 제작 프로세스를 도시하는 도면이다. 우선, 유리 기판(30)상에 Au막(31)을 증착이나 스퍼터링 등의 방법으로 형성한다. 다음에, Au막(31)상에 레지스트(32)를 스핀 코트 등의 방법으로 도포한다(도 10a 참조). 이 때, Au막(31)의 막 두께(Ta)는 입사광이 투과하지 않는 정도로 두껍게 형성한다(예를 들면, 100㎚).10A to 10F are diagrams showing a manufacturing process of the sensor chip. First, an Au film 31 is formed on the glass substrate 30 by vapor deposition, sputtering or the like. Next, the resist 32 is coated on the Au film 31 by a method such as spin coating (see Fig. 10A). At this time, the film thickness Ta of the Au film 31 is formed thick (for example, 100 nm) to the extent that incident light is not transmitted.

다음에, 임프린트(imprint) 등의 방법에 의해, 주기(Pa)가 580㎚의 레지스트 패턴(32a)을 형성한다(도 10b 참조). 다음에, 이 레지스트 패턴(32a)을 마스크로 하여, 드라이 에칭에 의해 Au막(31)을 소정의 깊이(D1)(예를 들면, 30㎚)만큼 에칭한다. 그 후, 레지스트 패턴(32a)을 제거하는 것에 의해 제 1 돌기(31a)를 형성한다(도 10c 참조).Next, a resist pattern 32a having a period Pa of 580 nm is formed by an imprint method or the like (see Fig. 10B). Next, using the resist pattern 32a as a mask, the Au film 31 is etched by dry etching to a predetermined depth D1 (for example, 30 nm). Thereafter, the first projections 31a are formed by removing the resist pattern 32a (see Fig. 10C).

다음에, 제 1 볼록 형상(31a)이 형성된 Au막(31)상에 레지스트(33)를 스핀 코트 등의 방법으로 도포한다(도 10d 참조). 다음에, 임프린트 등의 방법에 의해, 주기(Pb)가 97㎚의 레지스트 패턴(33a)을 형성한다(도 10e 참조). 다음에, 이 레지스트 패턴(33a)을 마스크로 하여, 드라이 에칭에 의해 제 1 돌기(31a)가 형성된 Au막(31)을 소정의 깊이(D2)(예를 들면, 40㎚)만큼 에칭한다. 그 후, 레지스트 패턴(33a)을 제거하는 것에 의해 제 2 돌기(31b), 제 3 돌기(31c)를 형성한다(도 10f 참조). 이상의 공정에 의해, 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩(3)을 제조할 수 있다.Next, the resist 33 is coated on the Au film 31 on which the first convex shape 31a is formed by spin coating or the like (see Fig. 10D). Next, a resist pattern 33a having a period Pb of 97 nm is formed by a method such as imprinting (see FIG. 10E). Next, with the resist pattern 33a as a mask, the Au film 31 on which the first protrusion 31a is formed by dry etching is etched by a predetermined depth D2 (for example, 40 nm). Thereafter, the second projections 31b and the third projections 31c are formed by removing the resist pattern 33a (see FIG. 10F). By the above process, the sensor chip 3 according to the embodiment of the present invention can be manufactured.

본 발명의 일 실시형태의 센서 칩(1)에 따르면, 제 1 돌기(11)에 의한 금속 미세 구조에 의해 SPP를 거쳐서 LSPR을 여기하고, 또한 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)에 의한 금속 미세 구조에 의해 SERS를 발현시킬 수 있다. 구체적으로는, 복수의 제 1 돌기(11), 복수의 제 2 돌기(12), 복수의 제 3 돌기(13)가 형성된 면에 광이 입사하면, 복수의 제 1 돌기(11)에 의한 표면 고유의 진동 모드(표면 플라즈몬)가 생긴다. 그러면, 광의 진동에 따라 자유 전자가 공명 진동하여 SPP가 여기되어, 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)의 근방에 강한 표면 국재 전장이 여기된다. 이에 의해, LSPR이 여기된다. 본 구조에서는 이웃하는 2개의 제 2 돌기(12)[제 3 돌기(13)] 사이의 거리가 작기 때문에, 그 접점 부근에 극히 강한 증강 전장이 생긴다. 그리고, 그 접점에 1개 내지 수개의 표적 물질이 흡착하면, 거기에서 SERS가 발생한다. 이 때문에, 반사광 강도 스펙트럼의 폭이 좁고, 공명 피크가 날카로운 강도 특성이 얻어져서, 센서 감도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩(1)을 제공할 수 있다. 또한, 제 1 돌기(11)의 주기(P1)나 높이(T1), 제 2 돌기(12)의 높이(T2), 제 3 돌기(13)의 높이(T3)를 적절히 변경하는 것에 의해, 공명 피크의 위치를 임의의 파장에 맞출 수 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.According to the sensor chip 1 of the embodiment of the present invention, the LSPR is excited via the SPP by the metal microstructure of the first protrusion 11 and the second protrusion 12, the third protrusion 13, The SERS can be expressed by the microstructure of the metal. Specifically, when light is incident on the surface on which the plurality of first protrusions 11, the plurality of second protrusions 12, and the plurality of third protrusions 13 are formed, the surface of the plurality of first protrusions 11 A unique vibration mode (surface plasmon) occurs. Then, the free electrons resonate with the oscillation of the light, so that the SPP is excited, and strong surface-local electric fields are excited in the vicinity of the second projections 12 and the third projections 13. [ Thereby, the LSPR is excited. In this structure, since the distance between the two adjacent second projections 12 (the third projections 13) is small, an extremely strong enhancement electric field is generated in the vicinity of the contact. Then, when one or several target substances are adsorbed to the contact, SERS is generated there. Therefore, it is possible to obtain a strength characteristic in which the width of the reflected light intensity spectrum is narrow and the resonance peak is sharp, so that the sensor sensitivity can be improved. Therefore, it is possible to provide the sensor chip 1 capable of improving the sensor sensitivity and specifying the target material from the SERS spectrum. By appropriately changing the period P1 and height T1 of the first projection 11, the height T2 of the second projection 12 and the height T3 of the third projection 13, resonance The position of the peak can be adjusted to an arbitrary wavelength. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

또한, 이러한 구성 따르면, 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)가 기재(10)의 평면부에 평행한 제 3 방향으로 주기적으로 배치되어 있으므로, 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)의 주기(P2)를 적절히 변경할 수 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.According to this configuration, since the second projections 12 and the third projections 13 are periodically arranged in the third direction parallel to the plane portion of the substrate 10, the second projections 12, It is possible to appropriately change the period P2 of the period 13. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

또한, 이러한 구성에 따르면, 회절 격자(9)의 표면의 금속으로서 금 또는 은을 이용하고 있으므로, SPP, LSPR, SERS가 발현되기 쉬워져, 표적 물질을 고감도로 검출하는 것이 가능해진다.Further, according to this configuration, since gold or silver is used as the metal on the surface of the diffraction grating 9, SPP, LSPR, and SERS are easily expressed, and the target material can be detected with high sensitivity.

또한, 이러한 구성에 따르면, 제 1 돌기(11)의 듀티비가 W1>W2의 관계를 만족하고 있어, LSPR이 여기되는 제 1 돌기(11)의 공간 충전율이 증가하기 때문에, W1<W2의 관계를 만족시키는 경우보다도 넓은 플라즈몬 공명 조건하에서 센싱을 실행할 수 있다. 또한, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 에너지를 유효하게 이용할 수 있다.Further, according to this configuration, since the duty ratio of the first projection 11 satisfies the relation of W1 > W2 and the space filling rate of the first projection 11 to which the LSPR is excited increases, The sensing can be performed under a broader plasmon resonance condition than in the case of satisfying the condition. Further, the energy of light irradiated when specifying the target material can be effectively utilized.

또한, 본 실시형태에서는, 제 1 돌기(11)가 기재(10)의 평면부에 평행한 방향(제 1 방향)으로 광의 파장보다도 짧은 주기(P1)로 배열되어 있는 구조를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 본 실시형태의 제 1 돌기(11)와 다른 구조를 갖는 센서 칩(4)에 대해서 도 11을 이용하여 설명한다.Although the first protrusions 11 are arranged in the period P1 shorter than the wavelength of the light in the direction (first direction) parallel to the plane portion of the substrate 10 in the present embodiment, It is not limited. The sensor chip 4 having a structure different from that of the first projection 11 of the present embodiment will be described with reference to Fig.

도 11은 상술한 제 1 돌기(11)와 다른 형태의 제 1 돌기(41)를 갖는 센서 칩(4)의 개략 구성 사시도이다. 또한, 본 도면에 있어서는, 편의상 제 2 돌기, 제 3 돌기의 도시를 생략하고 있다.11 is a schematic perspective view of the sensor chip 4 having the first protrusion 11 and the first protrusion 41 of a different form from that of the first protrusion 11 described above. In the drawing, the second projection and the third projection are not shown for the sake of convenience.

도 11에 도시하는 바와 같이, 제 1 돌기(41)는 기재(40)의 평면부(40s)상에 형성되어 있다. 이러한 제 1 돌기(41)는 기재(40)의 평면부에 평행한 방향(제 1 방향)으로 광의 파장보다도 짧은 주기(P3)로 배열되어 있다. 또한, 제 1 돌기(41)는 제 1 방향에 직교하고 기재(40)의 평면부에 평행한 제 2 방향으로 광의 파장보다도 짧은 주기(P4)로 배열되어 있다. 또한, 제 2 방향은 제 1 방향에 직교하고 기재(40)의 평면부에 평행한 방향에 한하지 않고, 제 1 방향에 교차하고 기재(40)의 평면부에 평행한 방향으로 되어 있어도 좋다.11, the first protrusion 41 is formed on the flat surface portion 40s of the base material 40. As shown in Fig. These first projections 41 are arranged in a period P3 shorter than the wavelength of light in a direction parallel to the plane portion of the substrate 40 (first direction). The first projections 41 are arranged in a period P4 which is shorter than the wavelength of light in a second direction perpendicular to the first direction and parallel to the plane portion of the substrate 40. [ The second direction is not limited to the direction orthogonal to the first direction and parallel to the plane portion of the substrate 40, but may be a direction intersecting the first direction and parallel to the plane portion of the base material 40.

이러한 구조에 따르면, 제 1 돌기가 기재(10)의 평면부에 평행한 방향(제 1 방향)으로만 형성되어 있는 경우보다도 넓은 공명 조건하에서 SPP을 여기할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩(4)을 제공할 수 있다. 또한, 제 1 돌기에 있어서의 제 1 방향의 주기(P3)에 부가하여, 제 2 방향의 주기(P4)를 적절히 변경할 수도 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.According to this structure, the SPP can be excited under a wider resonance condition than in the case where the first projection is formed only in the direction (first direction) parallel to the plane portion of the substrate 10. Therefore, it is possible to provide the sensor chip 4 capable of improving the sensor sensitivity and identifying the target material from the SERS spectrum. In addition to the period P3 in the first direction of the first projection, the period P4 in the second direction may be changed as appropriate. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

또한, 본 실시형태에서는, 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)가 기재(10)의 평면부에 평행한 방향(제 3 방향)으로 광의 파장보다도 짧은 주기(P2)로 배열되어 있는 구조, 구체적으로는, 제 1 돌기(11)의 배열 방향(제 1 방향)과 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)의 배열 방향(제 3 방향)이 동일한 방향으로 되어 있는 구조를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 본 실시형태의 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)와 다른 구조를 갖는 센서 칩(5, 6, 7, 8)에 대해서, 도 12a 내지 도 13b를 이용하여 설명한다.In the present embodiment, the second projections 12 and the third projections 13 are arranged in a period P2 shorter than the wavelength of light in a direction (third direction) parallel to the plane portion of the substrate 10 The structure in which the arrangement direction of the first projections 11 (the first direction) and the arrangement direction of the second projections 12 and the third projections 13 (the third direction) are the same direction But is not limited to this. The sensor chips 5, 6, 7, and 8 having structures different from those of the second protrusion 12 and the third protrusion 13 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 12A to 13B.

도 12a 및 도 12b는 상술한 제 2 돌기(12), 제 3 돌기(13)와 다른 형태의 제 2 돌기, 제 3 돌기를 갖는 센서 칩의 개략 구성 사시도이다. 도 12a는 제 2 돌기(52), 제 3 돌기(53)를 갖는 센서 칩(5), 도 12b는 제 2 돌기(62), 제 3 돌기(63)를 갖는 센서 칩(6)을 도시하고 있다.12A and 12B are schematic perspective views of the sensor chip having the second projection 12 and the third projection 13 and the second projection and the third projection different from those described above. 12A shows the sensor chip 5 having the second projection 52 and the third projection 53, FIG. 12B shows the sensor chip 6 having the second projection 62 and the third projection 63 have.

도 12a에 도시하는 바와 같이, 제 2 돌기(52)는 복수의 제 1 돌기(51)의 각각의 상면(51a)에 2개 이상 형성되어 있다. 제 3 돌기(53)는 복수의 골격 부분(50a)의 각각에 2개 이상 형성되어 있다. 본 도면에서는, 하나의 예로서, 제 1 돌기(51)의 배열 방향(제 1 방향)과 제 2 돌기(52), 제 3 돌기(53)의 배열 방향(제 3 방향)의 교차하는 각도가 45°인 구조를 도시하고 있다.As shown in Fig. 12A, at least two second projections 52 are formed on each upper surface 51a of the plurality of first projections 51. As shown in Fig. At least two third projections 53 are formed in each of the plurality of skeleton portions 50a. In this figure, as an example, an angle of intersection between the arrangement direction (first direction) of the first projections 51 and the arrangement direction (third direction) of the second projections 52 and the third projections 53 is Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 45 &lt; / RTI &gt;

도 12b에 도시하는 바와 같이, 제 2 돌기(62)는 복수의 제 1 돌기(61)의 각각의 상면(61a)에 2개 이상 형성되어 있다. 제 3 돌기(63)는 복수의 골격 부분(60a)의 각각에 2개 이상 형성되어 있다. 본 도면에서는, 하나의 예로서, 제 1 돌기(61)의 배열 방향(제 1 방향)과 제 2 돌기(62), 제 3 돌기(63)의 배열 방향(제 3 방향)의 교차하는 각도가 90°인 구조를 도시하고 있다.As shown in Fig. 12B, at least two second projections 62 are formed on each upper surface 61a of the plurality of first projections 61. As shown in Fig. At least two third projections (63) are formed in each of the plurality of skeletal portions (60a). In this figure, as an example, an angle of intersection between the arrangement direction (first direction) of the first projections 61 and the arrangement direction (third direction) of the second projections 62 and the third projections 63 is 90 [deg.].

이러한 구성에 있어서도, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다.Also in this configuration, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensitivity of the sensor and specifying the target material from the SERS spectrum.

도 13a에 도시하는 바와 같이, 제 2 돌기(72)는 복수의 제 1 돌기(도시하지 않음)의 각각의 상면(71a)에 2개 이상 형성되어 있다. 제 3 돌기(73)는 복수의 골격 부분(70a)의 각각에 2개 이상 형성되어 있다. 또한, 제 2 돌기(72), 제 3 돌기(73)는 제 3 방향에 교차하고 기재의 평면부에 평행한 제 4 방향으로 주기적으로 배열되어 있다. 본 도면에서는, 하나의 예로서 제 2 돌기(72), 제 3 돌기(73)가 평면에서 보아 원형상의 구조를 도시하고 있다. 또한, 제 2 돌기(72), 제 3 돌기(73)는 주기성을 갖는 일없이 랜덤(random)하게 배치되어 있어도 좋다. 또한, 바람직하게는, 제 2 돌기(72)의 간격, 제 3 돌기(73)의 간격은 제로 내지 수십 ㎚의 범위에서 설정된다.As shown in Fig. 13A, at least two second projections 72 are formed on each upper surface 71a of a plurality of first projections (not shown). At least two third projections 73 are formed in each of the plurality of skeletal portions 70a. The second projections 72 and the third projections 73 are periodically arranged in a fourth direction that intersects the third direction and is parallel to the plane portion of the substrate. In this drawing, as an example, the second protrusion 72 and the third protrusion 73 have a circular structure in plan view. The second protrusions 72 and the third protrusions 73 may be randomly arranged without having periodicity. Preferably, the distance between the second projections 72 and the distance between the third projections 73 is set in the range of zero to several tens of nm.

도 13b에 도시하는 바와 같이, 제 2 돌기(82)는 복수의 제 1 돌기(도시하지 않음)의 각각의 상면(81a)에 2개 이상 형성되어 있다. 제 3 돌기(83)는, 복수의 골격 부분(80a)의 각각에 2개 이상 형성되어 있다. 또한, 제 2 돌기(82), 제 3 돌기(83)는 제 3 방향에 교차하고 기재의 평면부에 평행한 제 4 방향으로 주기적으로 배열되어 있다. 본 도면에서는, 하나의 예로서 제 2 돌기(82), 제 3 돌기(83)가 평면에서 보아 타원형상의 구조를 도시하고 있다. 또한, 제 2 돌기(82), 제 3 돌기(83)는 주기성을 갖는 일없이 랜덤하게 배치되어 있어도 좋다. 또한, 바람직하게는, 제 2 돌기(82)의 간격, 제 3 돌기(83)의 간격은 제로 내지 수십 ㎚의 범위에서 설정된다.As shown in Fig. 13B, at least two second projections 82 are formed on each upper surface 81a of the plurality of first projections (not shown). At least two third projections 83 are formed in each of the plurality of skeleton portions 80a. The second projections 82 and the third projections 83 are periodically arranged in a fourth direction that intersects the third direction and is parallel to the plane portion of the substrate. In this drawing, as an example, the second projection 82 and the third projection 83 show an elliptical structure as viewed in a plan view. The second projections 82 and the third projections 83 may be randomly arranged without having a periodicity. Preferably, the spacing of the second projections 82 and the spacing of the third projections 83 are set in the range of zero to several tens nm.

이러한 구성에 따르면, 제 2 돌기, 제 3 돌기가 기재의 평면부에 평행한 방향(제 3 방향)으로만 형성되어 있는 경우보다도, 증강 전장이 생기는 장소의 밀도를 높일 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다. 또한, 제 2 돌기, 제 3 돌기에 있어서의 제 3 방향의 주기에 부가하여, 제 4 방향의 주기를 적절히 변경할 수도 있다. 이 때문에, 표적 물질을 특정할 때에 조사하는 광의 파장을 적절히 선택하는 것이 가능해져, 측정 범위의 폭이 넓어진다.According to this configuration, the density of the place where the enhancement electric field is generated can be made higher than the case where the second projection and the third projection are formed only in the direction (third direction) parallel to the plane portion of the substrate. Therefore, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensitivity of the sensor and identifying the target material from the SERS spectrum. In addition to the period in the third direction in the second projection and the third projection, the period in the fourth direction may be changed appropriately. Therefore, it is possible to appropriately select the wavelength of the light to be irradiated when specifying the target material, thereby widening the range of the measurement range.

또한, 본 실시형태에서는, 제 2 돌기, 제 3 돌기가 유리 기판의 상면에 형성된 Au막을 패터닝하는 것에 의해 형성되어 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제 2 돌기, 제 3 돌기가 미립자이어도 좋다. 이러한 구성에 있어서도, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 칩을 제공할 수 있다.In the present embodiment, the second projection and the third projection are formed by patterning an Au film formed on the upper surface of the glass substrate, but the present invention is not limited to this. For example, the second projection and the third projection may be fine particles. Also in this configuration, it is possible to provide a sensor chip capable of improving the sensitivity of the sensor and specifying the target material from the SERS spectrum.

또한, 본 실시형태에서는, 기재에 포함되는 금속, 제 1 돌기에 포함되는 금속, 제 2 돌기에 포함되는 금속, 제 3 돌기에 포함되는 금속으로서, 동일 금속끼리(금 또는 은)를 사용하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 기재에 포함되는 금속을 금, 제 1 돌기에 포함되는 금속을 은, 제 2 돌기(제 3 돌기)에 포함되는 금속을 금과 은의 합금으로 하는 등, 다른 금속(금, 은, 구리, 알루미늄, 혹은 이들의 합금)을 조합하여 이용해도 좋다.In the present embodiment, the same metal (gold or silver) is used as the metal included in the base material, the metal included in the first projection, the metal included in the second projection, and the metal contained in the third projection , But it is not limited thereto. For example, the metal contained in the substrate may be gold, the metal contained in the first protrusion may be silver, and the metal contained in the second protrusion (third protrusion) may be an alloy of gold and silver, Copper, aluminum, or an alloy thereof) may be used in combination.

(분석 장치)(Analyzer)

도 14는 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩을 구비한 분석 장치의 일례를 도시하는 모식도이다. 또한, 도 14에 있어서의 화살표는 표적 물질(도시 생략)의 반송 방향을 도시하고 있다.Fig. 14 is a schematic diagram showing an example of an analyzing apparatus provided with a sensor chip according to an embodiment of the present invention. The arrows in Fig. 14 show the transport direction of the target material (not shown).

도 14에 도시하는 바와 같이, 분석 장치(1000)는, 센서 칩(1001)과, 광원(1002)과, 광 검출기(1003)와, 콜리메이터 렌즈(1004; collimator lens)와, 편광 제어 소자(1005)와, 다이크로익 미러(1006; dichroic mirror)와, 대물 렌즈(1007)와, 대물 렌즈(1008)와, 반송부(1010)를 구비한다. 광원(1002) 및 광 검출기(1003)는 각각 배선을 거쳐서 제어 장치(도시 생략)와 전기적으로 접속되어 있다.14, the analysis apparatus 1000 includes a sensor chip 1001, a light source 1002, a photodetector 1003, a collimator lens 1004, and a polarization control element 1005 A dichroic mirror 1006, an objective lens 1007, an objective lens 1008, and a carry section 1010. The dichroic mirror 1006 includes a dichroic mirror 1006, The light source 1002 and the photodetector 1003 are electrically connected to a control device (not shown) through wires, respectively.

광원(1002)은 SPP, LSPR 및 SERS를 여기하는 레이저광을 생성한다. 광원(1002)으로부터 조사된 레이저광은, 콜리메이터 렌즈(1004)에 의해 평행광으로 되어, 편광 제어 소자(1005)를 통과하고, 다이크로익 미러(1006)에 의해 센서 칩(1001)의 방향으로 인도되어, 대물 렌즈(1007)에 의해 집광되어서, 센서 칩(1001)에 입사한다. 이 때, 센서 칩(1001)의 표면(예를 들면 금속 나노 구조나 검출 물질 선택 기구가 형성된 면)에는 표적 물질(도시 생략)이 배치되어 있다. 또한, 표적 물질은, 팬(도시 생략)의 구동을 제어하는 것에 의해, 반입구(1011)로부터 반송부(1010) 내부로 도입되어, 배출구(1012)로부터 반송부(1010) 외부로 배출된다. 또한, 금속 나노 구조의 사이즈는 레이저광의 파장보다도 작다.Light source 1002 generates laser light that excites SPP, LSPR, and SERS. The laser light irradiated from the light source 1002 is collimated by the collimator lens 1004 and passes through the polarization control element 1005 and is reflected by the dichroic mirror 1006 toward the sensor chip 1001 Is condensed by the objective lens 1007, and is incident on the sensor chip 1001. At this time, a target material (not shown) is disposed on the surface of the sensor chip 1001 (for example, the surface on which the metal nanostructure or the detection material selection mechanism is formed). The target material is introduced from the inlet port 1011 into the carry section 1010 by controlling the driving of a fan (not shown) and discharged from the outlet port 1012 to the outside of the carry section 1010. Further, the size of the metal nanostructure is smaller than the wavelength of the laser light.

금속 나노 구조에 레이저광이 입사하면, 레이저광의 진동에 따라 자유 전자가 공명 진동하고, 금속 나노 구조의 근방에 강한 표면 국재 전장이 여기되고, 이에 의해 LSPR이 여기된다. 그리고, 이웃하는 금속 나노 구조 사이의 거리가 작아지면, 그 접점 부근에 극히 강한 증강 전장이 생기고, 그 접점에 1개 내지 수개의 표적 물질이 흡착하면, 거기에서 SERS가 발생한다.When the laser light is incident on the metal nanostructure, free electrons resonate with the oscillation of the laser light, and a strong surface local electric field is excited near the metal nanostructure, thereby exciting the LSPR. When the distance between neighboring metal nanostructures becomes small, an extremely strong enhancement electric field is generated near the contact, and when one or several target substances are adsorbed on the contact, SERS is generated there.

센서 칩(1001)에 의해 얻어진 광(라만 산란광이나 레일리 산란광)은, 대물 렌즈(1007)를 통과하고, 다이크로익 미러(1006)에 의해 광 검출기(1003)의 방향으로 인도되어, 대물 렌즈(1007)에 의해 집광되어서, 광 검출기(1003)에 입사한다. 그리고, 광 검출기(1003)에 의해 스펙트럼 분해되어, 스펙트럼 정보가 얻어진다.The light (Raman scattered light or Rayleigh scattered light) obtained by the sensor chip 1001 passes through the objective lens 1007 and is directed by the dichroic mirror 1006 toward the photodetector 1003, 1007, and enters the photodetector 1003. Then, it is spectrally decomposed by the photodetector 1003, and spectrum information is obtained.

이러한 구성에 따르면, 상술한 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩을 구비하고 있으므로, 라만 산란광을 선택적으로 분광하여, 표적 분자를 검출할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 분석 장치(1000)를 제공할 수 있다.According to this configuration, since the sensor chip according to the embodiment of the present invention is provided, Raman scattering light can be selectively spectroscopically detected to detect the target molecule. Therefore, it is possible to provide an analysis apparatus 1000 capable of improving the sensor sensitivity and specifying the target material from the SERS spectrum.

분석 장치(1000)는 센서 카트리지(1100)를 포함한다. 센서 카트리지(1100)는, 센서 칩(1001)과, 표적 물질을 센서 칩(1001)의 표면으로 반송하는 반송부(1010)와, 센서 칩(1001)을 탑재하는 탑재부(1101)와, 이들을 수용하는 하우징(1110)을 구비한다. 하우징(1110)의 센서 칩(1001)과 대향하는 위치에는, 조사창(1111)이 마련되어 있다. 광원(1002)으로부터 조사된 레이저광은 조사창(1111)을 통과하여 센서 칩(1001)의 표면에 조사된다. 센서 카트리지(1100)는, 분석 장치(1000)의 상부에 위치하고 있어, 분석 장치(1000)의 본체부로부터 탈착 가능하게 마련되어 있다.The analysis apparatus 1000 includes a sensor cartridge 1100. The sensor cartridge 1100 includes a sensor chip 1001, a carry section 1010 for transferring the target material to the surface of the sensor chip 1001, a mount section 1101 for mounting the sensor chip 1001, (Not shown). An irradiation window 1111 is provided at a position facing the sensor chip 1001 of the housing 1110. The laser light irradiated from the light source 1002 passes through the irradiation window 1111 and is irradiated onto the surface of the sensor chip 1001. The sensor cartridge 1100 is located above the analyzing apparatus 1000 and is detachably provided from the main body of the analyzing apparatus 1000.

이러한 구성에 따르면, 상술한 본 발명에 따른 일 실시형태의 센서 칩을 구비하고 있으므로, 라만 산란광을 선택적으로 분광하여, 표적 분자를 검출할 수 있다. 따라서, 센서 감도의 향상을 도모하고, SERS 스펙트럼으로부터 표적 물질을 특정하는 것이 가능한 센서 카트리지(1100)를 제공할 수 있다.According to this configuration, since the sensor chip according to the embodiment of the present invention is provided, Raman scattering light can be selectively spectroscopically detected to detect the target molecule. Therefore, it is possible to provide the sensor cartridge 1100 capable of improving the sensor sensitivity and identifying the target material from the SERS spectrum.

본 발명에 따른 일 실시형태의 분석 장치는, 마약이나 폭발물의 검지, 의료나 건강 진단, 식품의 검사에 이용되는 센싱 장치에 널리 응용하는 것이 가능하다. 또한, 항원항체 반응에 있어서의 항원의 흡착의 유무 등과 같이, 물질의 흡착의 유무를 검출하는 친화성 센서(affinity sensor) 등으로서 이용할 수 있다.The analyzing apparatus of one embodiment according to the present invention can be widely applied to a sensing apparatus used for detection of drugs and explosives, medical and health examinations, and food inspections. It can also be used as an affinity sensor for detecting the presence or absence of adsorption of substances such as the presence or absence of adsorption of an antigen in an antigen-antibody reaction.

1 : 센서 칩 9 : 회절 격자
10 : 기재 10a : 골격 부분
10s : 평면부 11 : 제 1 돌기(제 1 볼록 형상)
12 : 제 2 돌기(제 2 볼록 형상) 13 : 제 3 돌기(제 3 볼록 형상)
1: sensor chip 9: diffraction grating
10: substrate 10a: skeletal part
10s: flat portion 11: first projection (first convex shape)
12: second projection (second convex shape) 13: third projection (third convex shape)

Claims (16)

센서 칩에 있어서,
평면부를 갖는 기재와;
상기 평면부에 평행한 제 1 방향으로 100㎚ 이상 1000㎚ 이하의 주기로 주기적으로 배열되어 있는 복수의 제 1 돌기와, 이웃하는 2개의 제 1 돌기 사이에 위치하여 상기 기재의 골격을 구성하는 복수의 골격 부분과, 상기 복수의 제 1 돌기의 상면에 형성되어 있는 복수의 제 2 돌기와, 상기 복수의 골격 부분에 형성되어 있는 복수의 제 3 돌기를 포함하고, 금속으로 형성된 표면을 갖고, 상기 평면부상에 형성되고, 표적 물질이 배치되는 회절 격자를 포함하는
센서 칩.
In the sensor chip,
A substrate having a planar portion;
A plurality of first projections periodically arranged at a period of not less than 100 nm and not more than 1000 nm in a first direction parallel to the planar portion and a plurality of first projections arranged between two adjacent first projections, A plurality of second projections formed on an upper surface of the plurality of first projections, and a plurality of third projections formed on the plurality of framework portions, each of the plurality of projections having a surface formed of a metal, And a diffraction grating in which the target material is disposed
Sensor chip.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 돌기는 상기 제 1 방향에 교차하고 상기 평면부에 평행한 제 2 방향으로 주기적으로 배열되어 있는
센서 칩.
The method according to claim 1,
The plurality of first projections are periodically arranged in a second direction intersecting with the first direction and parallel to the plane portion
Sensor chip.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 제 2 돌기 및 상기 복수의 제 3 돌기는 상기 평면부에 평행한 제 3 방향으로 주기적으로 배열되어 있는
센서 칩.
The method according to claim 1,
The plurality of second projections and the plurality of third projections are periodically arranged in a third direction parallel to the plane portion
Sensor chip.
제 3 항에 있어서,
상기 복수의 제 2 돌기 및 상기 복수의 제 3 돌기는 상기 제 3 방향에 교차하고 상기 평면부에 평행한 제 4 방향으로 주기적으로 배열되어 있는
센서 칩.
The method of claim 3,
The plurality of second projections and the plurality of third projections are periodically arranged in a fourth direction intersecting with the third direction and parallel to the plane portion
Sensor chip.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 제 2 돌기 및 상기 복수의 제 3 돌기는 미립자로 이루어지는
센서 칩.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of second projections and the plurality of third projections are made of fine particles
Sensor chip.
제 1 항에 있어서,
상기 회절 격자의 상기 표면을 구성하는 금속은 금 또는 은인
센서 칩.
The method according to claim 1,
The metal constituting the surface of the diffraction grating may be gold or silver
Sensor chip.
센서 카트리지에 있어서,
제 1 항에 기재된 센서 칩과;
상기 표적 물질을 상기 센서 칩의 표면으로 반송하는 반송부와;
상기 센서 칩을 탑재하는 탑재부와;
상기 센서 칩, 상기 반송부, 및 상기 탑재부를 수용하는 하우징과;
상기 하우징의 상기 센서 칩의 표면과 대향하는 위치에 마련된 조사창을 포함하는
센서 카트리지.
In the sensor cartridge,
A sensor chip according to claim 1;
A transporting unit for transporting the target material to the surface of the sensor chip;
A mounting portion for mounting the sensor chip;
A housing for accommodating the sensor chip, the transport section, and the mount section;
And an irradiation window provided at a position facing the surface of the sensor chip of the housing
Sensor cartridge.
분석 장치에 있어서,
제 1 항에 기재된 센서 칩과;
상기 센서 칩에 광을 조사하는 광원과;
상기 센서 칩에 의해 얻어진 광을 검출하는 광 검출기를 포함하는
분석 장치.
In the analyzing apparatus,
A sensor chip according to claim 1;
A light source for emitting light to the sensor chip;
And a photodetector for detecting light obtained by the sensor chip
Analysis device.
센서 칩에 있어서,
평면부를 갖는 기재와;
100㎚ 이상 1000㎚ 이하의 주기로 복수의 제 1 볼록 형상이 주기적으로 배열되어 있는 제 1 요철 형상과, 상기 복수의 제 1 볼록 형상에 상기 제 1 요철 형상의 주기보다도 짧은 주기로 복수의 제 2 볼록 형상이 주기적으로 배열되어 있는 제 2 요철 형상과, 이웃하는 2개의 제 1 볼록 형상 사이에 위치하는 골격 부분에서 상기 제 1 요철 형상의 주기보다도 짧은 주기로 복수의 제 3 볼록 형상이 주기적으로 배열되어 있는 제 3 요철 형상이 중첩하는 것에 의해 상기 평면부에 형성된 합성 패턴을 갖고, 금속으로 형성된 표면을 갖고, 표적 물질이 배치되는 회절 격자를 포함하는
센서 칩.
In the sensor chip,
A substrate having a planar portion;
A first concavo-convex shape in which a plurality of first convex shapes are periodically arranged at intervals of 100 nm or more and 1000 nm or less and a plurality of second convex shapes at a period shorter than the period of the first concavo- Wherein a plurality of third convex shapes are periodically arranged at a period shorter than the period of the first concave-convex shape at a skeleton portion located between the periodically arranged second concave-convex shapes and the two adjacent first convex shapes A diffraction grating including a diffraction grating having a composite pattern formed on the planar portion by overlapping the concavo-convex shapes, having a surface formed of a metal,
Sensor chip.
제 9 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 볼록 형상은 상기 평면부에 평행한 제 1 방향으로 주기적으로 배열되어 있는 동시에, 상기 제 1 방향에 교차하고 상기 평면부에 평행한 제 2 방향으로 주기적으로 배열되어 있는
센서 칩.
10. The method of claim 9,
Wherein the plurality of first convex shapes are periodically arranged in a first direction parallel to the plane portion and are periodically arranged in a second direction intersecting the first direction and parallel to the plane portion
Sensor chip.
제 9 항에 있어서,
상기 복수의 제 2 볼록 형상 및 상기 복수의 제 3 볼록 형상은 상기 평면부에 평행한 제 3 방향으로 주기적으로 배열되어 있는
센서 칩.
10. The method of claim 9,
The plurality of second convex shapes and the plurality of third convex shapes are periodically arranged in a third direction parallel to the plane portion
Sensor chip.
제 11 항에 있어서,
상기 복수의 제 2 볼록 형상 및 상기 복수의 제 3 볼록 형상은 상기 제 3 방향에 교차하고 상기 평면부에 평행한 제 4 방향으로 주기적으로 배열되어 있는
센서 칩.
12. The method of claim 11,
The plurality of second convex shapes and the plurality of third convex shapes are periodically arranged in a fourth direction intersecting with the third direction and parallel to the plane portion
Sensor chip.
제 9 항에 있어서,
상기 복수의 제 2 볼록 형상 및 상기 복수의 제 3 볼록 형상은 미립자로 이루어지는
센서 칩.
10. The method of claim 9,
Wherein the plurality of second convex shapes and the plurality of third convex shapes are formed of fine particles
Sensor chip.
제 9 항에 있어서,
상기 회절 격자의 상기 표면을 구성하는 금속은 금 또는 은인
센서 칩.
10. The method of claim 9,
The metal constituting the surface of the diffraction grating may be gold or silver
Sensor chip.
센서 카트리지에 있어서,
제 9 항에 기재된 센서 칩과;
상기 표적 물질을 상기 센서 칩의 표면으로 반송하는 반송부와;
상기 센서 칩을 탑재하는 탑재부와;
상기 센서 칩, 상기 반송부, 및 상기 탑재부를 수용하는 하우징과;
상기 하우징의 상기 센서 칩의 표면과 대향하는 위치에 마련된 조사창을 포함하는
센서 카트리지.
In the sensor cartridge,
A sensor chip according to claim 9;
A transporting unit for transporting the target material to the surface of the sensor chip;
A mounting portion for mounting the sensor chip;
A housing for accommodating the sensor chip, the transport section, and the mount section;
And an irradiation window provided at a position facing the surface of the sensor chip of the housing
Sensor cartridge.
분석 장치에 있어서,
제 9 항에 기재된 센서 칩과;
상기 센서 칩에 광을 조사하는 광원과;
상기 센서 칩에 의해 얻어진 광을 검출하는 광 검출기를 포함하는
분석 장치.
In the analyzing apparatus,
A sensor chip according to claim 9;
A light source for emitting light to the sensor chip;
And a photodetector for detecting light obtained by the sensor chip
Analysis device.
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