KR20130062274A - 구조체, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩 및 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서, 및 이들의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 제공할 수 있다. 본 발명에 관한 구조체는 평면부와 통상체를 구비하고, 상기 평면부의 평면에 대하여 개구부가 면하도록 통상체가 수직으로 설치되어 이루어지고, 상기 통상체의 개구부의 평균 내경이 5nm 이상 2,000nm 이하의 범위 내이며, 상기 통상체의 개구부의 내경(A)과, 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.00 이상 1.80 이하의 범위 내이며, 상기 통상체의 저부가 비구면인 것을 특징으로 하고 있다.
Description
본 발명은 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있는 구조체, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩 및 이들로부터 얻어지는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서, 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 액체 존재하에서 광 조사에 기초한 광 응답성 재료의 물질 이동에 착안해서 개발된 신규의 미세 구조체, 광 가공 방법 및 제조 방법에 관한 것이다.
인체의 60%는 수분으로 구성되고, 나머지 40% 중 절반은 단백질로 구성되어 있으며, 인체의 세포, 근육, 피부의 대부분은 단백질로 이루어진다. 그로 인해, 병은 단백질의 변이와 상관이 확인되는 경우가 많으며, 암, 인플루엔자 그 밖의 병에서는 병의 진행에 따라 체내(혈액 중 등)에서 특정한 단백질이 증가한다.
따라서, 특정한 단백질의 상태(특정한 단백질의 유무, 양 등)를 모니터함으로써 병의 감염, 진행 상황을 알 수 있고, 현재는 수십 종류의 단백질에 대해 병과의 상관이 확인되었다. 예를 들어, 종양(암)의 진행과 함께 증가하는 생체 분자는 종양 마커라 불리고, 종양의 발생 부위에 따라서 각각 서로 다른 종양 마커가 특정되어 있다.
또한, 생체 내의 단백질, DNA, 당쇄와 같은 생체 분자는 질환의 발생과 직접적으로 관계하고 있는 경우가 많기 때문에, 그 생체 분자간의 상호 작용을 해석함으로써 병의 메커니즘을 해명하고, 특효약의 개발을 행하는 것이 가능해지고 있다.
상기 종양 마커를 포함해서, 특정한 단백질의 유무나 양을 간편하면서도 또한 고정밀도로 측정하는 툴로서 바이오센서가 있으며, 장래적으로는 오진 방지, 조기 진단, 예방 의료 등에 대한 응용이 기대되고 있다.
여기서, 단백질 등 생체 분자의 상호 작용을 검출하는 방법으로는 표면 플라즈몬 공명(SPR:Surface Plasmon Resonance)이 이용되고 있다. 표면 플라즈몬 공명이란, 금속 표면의 자유 전자와 전자파(광)의 상호 작용에 의해 발생하는 공명 현상으로서, 형광 검출 방식에 비하면, 시료를 형광 물질로 표식할 필요가 없기 때문에 간편한 방법으로서 주목받고 있다. 표면 플라즈몬 공명을 이용한 센서에는, 전파형 표면 플라즈몬 공명 센서와 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서가 있다.
전파형 표면 플라즈몬 공명 센서의 원리를 도 10의 (a) 내지 (d)에 의해 간단하게 설명한다. 전파형 표면 플라즈몬 공명 센서(11)는, 도 10의 (a) 및 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이, 유리 기판(12)의 표면에 두께 50nm 정도의 Au, Ag 등의 금속막(13)을 형성한 것이다.
이 전파형 표면 플라즈몬 공명 센서(11)는 유리 기판(12)측에서 광을 조사하고, 유리 기판(12)과 금속막(13)의 계면에서 광을 전반사시킨다. 전반사된 광을 수광하여, 광의 반사율을 측정함으로써 생체 분자 등이 센싱된다.
즉, 이 반사율 측정을 광의 입사각(θ)을 변화시킴으로써 행하면, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 임의의 입사각(공명 입사각)(θ1)에서 반사각이 크게 감쇠한다. 이것은, 유리 기판(12)과 금속막(13)의 계면에 입사한 광이 상기 계면에서 전반사할 때, 상기 계면에서 발생하는 에바네센트(evernescent) 광(근접장 광)과 금속의 표면 플라즈몬 파가 상호 작용하기 때문이다. 구체적으로는, 어떤 특정한 파장이나 특정한 입사각에서는, 광의 에너지가 금속막(13) 중에 흡수되고, 금속막(13) 중의 자유 전자의 진동 에너지로 변화되어, 광의 반사율이 현저하게 저하되기 때문이다.
이 공명 조건은 금속막(13)의 주변 물질의 유전율(굴절률)에 의존하기 때문에, 이러한 현상은 주변 물질의 물성 변화를 고감도로 검출하는 방법으로서 사용된다. 특히, 바이오센서로서 사용하는 경우에는, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 특정한 단백질(항원)과 특이적으로 결합하는 항체(14)(프로브)를 미리 금속막(13)의 표면에 고정화해 둔다. 거기에, 도입된 검사 시료에 타깃이 되는 항원(16)이 존재하면, 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이 항원(16)이 항체(14)와 특이적으로 결합한다. 그리고, 항원(16)이 항체(14)와 결합함으로써 금속막(13) 주변의 굴절률이 변화되고, 공명 파장이나 공명 입사각이 변화된다.
따라서, 검사 시료를 도입하기 전후의 공명 파장의 변화, 공명 입사각의 변화, 또는 공명 파장이나 공명 입사각의 시간적 변화를 측정함으로써, 검사 시료 중에 항원(16)이 포함되어 있는지의 여부를 검사할 수 있다. 또한, 어느 정도의 농도로 항원(16)이 포함되어 있는지도 검사할 수 있다.
도 10의 (d)는, 입사각(θ)에 대한 반사율의 의존성을 측정한 결과의 일례를 나타내고 있다. 도 10의 (d)에서, 파선은 검사 시료를 도입하기 전의 반사율 스펙트럼(17a)을 나타내고, 실선은 검사 시료가 도입되어 항체(14)에 항원(16)이 결합된 후의 반사율 스펙트럼(17b)을 나타낸다.
이와 같이 검사 시료를 도입하기 전후의 공명 입사각의 변화(Δθ)를 측정하면, 검사 시료가 항원(16)을 포함하고 있는지의 여부를 검사할 수 있다. 또한, 항원(16)의 농도도 검사할 수 있고, 특정한 병원체의 유무나 질환의 유무 등을 검사할 수 있다.
또한, 일반적인 전파형 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 유리 기판에 광을 도입하기 위해 프리즘을 사용하고 있다. 그로 인해, 센서의 광학계가 복잡하면서 또한 대형화되고, 센서용 칩(유리 기판)과 프리즘을 매칭 오일로 밀착시킬 필요가 있다.
그러나, 전파형 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 센싱 영역이 유리 기판 표면에서부터 수백 nm로 단백질의 크기(10nm 전후)에 비해 크다. 그로 인해, 이 센서는 검사 시료의 온도 변화나 검사 시료 중의 협잡물(예를 들어, 검사 대상 이외의 단백질)의 영향을 받기 쉽고, 바이오센서에서는, 항체에 결합되지 않고 검사 시료 중에 부유하고 있는 항원에도 감도를 가져버린다.
이들은 노이즈의 원인이 되기 때문에, 신호/잡음비(S/N비)가 작아서 고감도의 센서를 제작하는 것이 어렵다. 또한, 고감도의 센서를 제작하기 위해서는, 노이즈의 원인이 되는 협잡물을 제거하는 공정이나, 검사 시료의 온도를 일정하게 유지하기 위한 엄밀한 온도 제어 수단을 필요로 하여, 장치가 대형화되거나 장치 비용이 고가로 된다.
이에 반해, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 금속 미립자(금속 나노 미립자)의 표면에 발생하는 근접장이 센싱 영역이 되기 때문에, 회절 한계 이하의 수십 nm의 감도 영역을 실현할 수 있다. 그 결과, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 금속 미립자로부터 이격된 영역에 부유하는 검사 대상물에는 감도를 갖지 않고, 금속 미립자 표면의 매우 좁은 영역에 부착된 검사 대상물에만 감도를 갖게 할 수 있어, 보다 고감도의 센서를 실현할 수 있는 가능성이 있다.
금속 미립자를 사용한 국재 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 금속 미립자로부터 이격되어 부유하고 있는 검사 대상물에 감도를 갖지 않으므로, 노이즈 성분이 적어지고, 그러한 의미에서는 전파형 표면 플라즈몬 공명 센서에 비해 고감도이다. 그러나, Au, Ag 등의 금속 미립자에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 센서에서는, 금속 미립자의 표면에 부착되어 있는 검사 대상물로부터 얻어지는 신호의 강도가 작고, 그러한 의미에서 감도가 오히려 낮거나 또는 감도가 충분하지 않았다.
이와 같은 취급의 어려움을 해소하기 위해서, 복수의 오목부를 갖는 회절 격자와 유사한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서가 개시되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서는, 도 11에 도시한 바와 같이, 나노 임프린트에 의해 부형된 패인 부분(오목부)이 규칙적으로 배치된 구조를 갖는 기판(19)을 갖고, 오목부 위로부터 증착 또는 스패터 등에 의해 금속 재료를 적층하여 얻어지는 금속층(20)은 그 아래의 형상을 반영하고 있다. 그리고, 도 12에 도시한 바와 같이, 이 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서(18)에서는, 기판(19)의 금속층(20)측에서 직선 편광(21)을 조사하면, 오목부에 강한 전계(22)가 집중된다.
그런데, 특허 문헌 2에는, 폴리스티렌의 미소구(직경 250nm)를 일정량 포함하는 액체의 일정량을 아조 중합체층 표면에 적하하고, 그 상태에서 소정 강도의 청색 LED(파장 465nm 내지 475nm)를 일정 시간 조사한 후, 미소구를 제거함으로써, 폴리스티렌 미소구가 접하고 있던 부분이 함몰되어, 폴리스티렌 미소구의 주위에 아조 중합체가 부풀어 오른 듯한 형상의 구조체가 기재되어 있다(특허 문헌 2 단락 [0128]-[0130], 도 8을 참조)
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 인접하는 오목부간 거리(d)는 400nm 이하가 바람직하다고 특허 문헌 1에 기재되어 있지만, 오목부간 거리(d)(도 12 참조)가 지나치게 근접하면, 오목부의 저부간의 간극의 평탄부가 볼록부로서 광에 인식되어, 제작된 오목부가 그 기능을 잃어버린다. 즉, 특허 문헌 1에 기재된 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 오목부간 거리(d)를 작게 하여, 오목부의 밀도를 높여서 고감도화하고자 하면 할수록 오목부 자체가 기능하지 않게 된다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기 문제점을 감안해서 이루어진 것이며, 그 목적은, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있는 구조체, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩 및 이들로부터 구성되는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공하는 것에 있다. 또한 본 발명은, 상기 구조체를 제조하는 수단을 제공하는 것을 목적으로 했다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 검토를 거듭한 결과, 이하에 나타내는 구조체를 제조하는 방법을 확립하기에 성공하여, 상기 구조체를 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에 응용함으로써, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 실현할 수 있음을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명에 관한 구조체는, 상기 과제를 해결하기 위해서, 평면부와 통상체를 구비하고, 상기 평면부의 평면에 대하여 개구부가 면하도록 통상체가 수직으로 설치되어 이루어지고, 상기 통상체의 개구부의 평균 내경이 5nm 이상 2,000nm 이하의 범위 내이며, 상기 통상체의 개구부의 내경(A)과, 상기 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.00 이상 1.80 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하고 있다. 특히 본 발명에 관한 구조체는 상기 통상체의 저부가 비구면이다.
상기 구성에 따르면 예를 들어 상기 구조체를 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 기판에 사용하고, 그 표면에 기판의 형상을 따라 금속층을 형성시킴으로써, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 제작할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어지는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변의 금속에서의 자유 전자와 입사광의 사이에서 결합이 일어나고, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변에 전계가 집중되어 매우 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명이 발생한다. 따라서, 상기 칩을 사용함으로써, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있다는 효과를 발휘한다.
또한, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩은, 상기와 같은 매우 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명 현상이 나타나기 때문에, 표면 증강 라만 산란 분광용 칩, 형광 증강 플레이트, 2광자 형광 증강 플레이트, 제2차 고조파 발생 기판 등으로도 적절하게 사용할 수 있다.
또한 본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 평면부와 통상체를 구비하고, 상기 평면부의 평면에 대하여 개구부가 면하도록 통상체가 수직으로 설치되어 이루어지고, 상기 통상체의 개구부의 평균 내경이 5nm 이상 2,000nm 이하의 범위 내이며, 상기 통상체의 개구부의 내경(A)과, 상기 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.00 이상 1.80 이하의 범위 내인 구조체가 기판 위에 형성되어 있고, 상기 구조체 표면의 적어도 일부를 덮으며, 상기 구조체의 구조를 반영하도록 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩은, 상기 통상체의 저부가 비구면이다.
상기 구성에 따르면, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변의 금속에서의 자유 전자와 입사광의 사이에서 결합이 일어나고, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변에 전계가 집중되어 매우 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명이 발생한다. 따라서, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있다는 효과를 발휘한다.
본 발명에 관한 구조체의 제조 방법은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 광 응답성 재료 위에 입자상 물질 비함유 액체를 도포하는 액체 도포 공정과, 상기 액체 도포 공정에 의해 액체가 도포된 상기 광 응답성 재료에 대하여 광을 조사하는 광 조사 공정을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 방법에 따르면, 입자상 물질 비함유 액체가 도포된 상기 광 응답성 재료에 대하여 광을 조사하는 것만으로, 상기 본 발명에 관한 구조체를 간편하게 제작할 수 있다. 어떤 원리로 상기 구조체가 제작되는지에 대해서는 현재 검토중에 있지만, 본 발명자들은 이하와 같을 것이라고 추정하고 있다. 즉, 유리나 플라스틱 등의 기판의 표면에 광 응답성 재료의 막을 형성하고, 상기 막 위에 입자상 물질 비함유 액체를 도포한 후에 광을 조사함으로써 본 발명에 관한 구조체를 제작하는 경우, 입자상 물질 비함유 액체가 광 응답성 재료막 내에 임의의 비율로 침투하여, 광 응답성 재료막 중의 분자쇄의 운동성이 증가한다. 광 조사에 의해 유리나 플라스틱 기판 등의 표면의 러프니스 포인트에 근접장 광이 발생하고, 상기 근접장 광 강도에 따라서 광 응답성 재료가 물질 이동함으로써, 통상의 구조체가 형성되는 것으로 추정된다. 한편, 근접장 광 강도에 따른 광 응답성 재료의 물질 이동 이외에도, 광 조사에 의해 상기 기판 표면과 광 응답성 재료막의 계면에 친화성에 변화가 생겨 친화성이 서로 다른 얼룩과 같은 상태가 발생하며, 광 조사에 의해 광 응답성 재료가 물질 이동하는 메커니즘도 동시에 또는 독립적으로 발생하고 있는 것으로도 생각할 수 있다.
상기 방법에 의해 제작된 구조체를 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 기판에 사용하고, 그 표면에 기판의 형상을 따라 금속층을 형성시킴으로써, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 제작할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어지는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변의 금속에서의 자유 전자와 입사광의 사이에서 결합이 일어나고, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변에 전계가 집중되어 매우 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명이 발생한다. 따라서, 간편하고 안정적이면서 저비용으로, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있는 구조체를 제조할 수 있다는 효과를 발휘한다.
또한 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법은, (i) 광 응답성 재료 위에 입자상 물질 비함유 액체를 도포하는 액체 도포 공정과, 액체가 도포된 상기 광 응답성 재료에 대하여 광을 조사하는 광 조사 공정을 거쳐 제1 구조체를 제조하고, (ii) 상기 제1 구조체 표면을 완전하게 덮도록 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 도포하고, 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 경화한 후 박리함으로써, 제1 구조체의 형(型)이 되는 제2 구조체를 제조하고, (iii) 상기 제2 구조체에서의 제1 구조체의 형이 되는 부분에, 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 충전하고, 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 경화한 후 박리함으로써, 제1 구조체의 복제물인 제3 구조체를 얻는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 방법에 따르면 예를 들어 상기 형에 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 도포하고, 경화한 후 박리시킴으로써, 상술한 본 발명에 관한 구조체를 용이하게 복제할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 특허 문헌 2에는, 폴리스티렌의 미소구(직경 250nm)를 일정량 포함하는 액체의 일정량을 아조 중합체층 표면에 적하하고, 그 상태에서 소정 강도의 청색 LED(파장 465nm 내지 475nm)를 일정 시간 조사한 후, 미소구를 제거함으로써, 폴리스티렌 미소구가 접하고 있던 부분이 함몰되어, 폴리스티렌 미소구의 주위에 아조 중합체가 부풀어 오른 듯한 형상의 구조체가 기재되어 있다(특허 문헌 2 단락 [0128]-[0130], 도 8을 참조). 그러나 특허 문헌 2의 상기 기재는, 아조 중합체층을 갖는 광 고정화용 고상 담체의 광 변형능을 평가하기 위해 만들어진 구조체로서, 구조체를 제조하는 것을 목적으로 한 것은 아니다. 또한 애당초 폴리스티렌의 미소구(직경 250nm)를 일정량 포함하는 액체의 일정량을 아조 중합체층 표면에 적하하고 있다는 점에서, 본원 발명에 관한 구조체의 제조 방법과는 전혀 다르다. 또한 특허 문헌 2에 관한 기술에서는, 광 조사에 수반하는 입자(폴리스티렌 미소구) 근방의 근접장 광에 의해 아조 중합체의 변형이 일어나고 있고, 입자의 근방에서밖에 아조 중합체의 변형이 일어나지 않아 입자 표면을 따른 구조체로밖에 할 수 없다. 즉, 특허 문헌 2에 기재된 구조체는 오목부의 저부가 구면(또는 구면에 가까운 형상)으로 되어 있다(특허 문헌 2의 도 8을 참조). 이에 반해 본 발명에 관한 구조체는 통상체의 저부가 비구면으로 되어 있는 점에서 명백하게 다르다(본원의 도 13, 도 20 내지 25를 참조).
또한 본 발명자들은, 유리 기판 위에 광 응답성 재료(아조 중합체)의 박막을 형성하고, 그 박막 위에 평균 직경이 1nm 이상 100㎛ 이하의 범위 내인 입자가 분산된 현탁액을 도포하고, 현탁액이 도포된 상기 광 응답성 재료에 대해 유리 기판측에서 광을 조사함으로써, 평면 위에 따개비 형상을 구비하는 구조체를 제조할 수 있음을 발견하여, 이미 특허 출원을 행했다(PCT/JP2010/059340, 이하, "관련 출원"이라고 함). 관련 출원에 관한 발명에서는 입자가 주형이 되어 따개비 형상이 평면 형상으로 형성된다. 이에 반해 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서는, 입자 현탁액이 아니라, 입자상 물질 비함유 액체를 도포하고 있는 점에서 상이하다. 주형이 되는 입자가 존재하지 않고 본원 발명에 관한 구조체가 형성되는 것은, 발명자들도 예상할 수 없었던 놀라운 사실이었다. 또한, 본 발명에 관한 구조체의 통상체는, 관련 출원의 구조체의 따개비 형상에 비해 절구통의 구조로 되어 있는 점에서 상이하다.
또한 광 응답성 재료 위에 입자 현탁액을 도포하여 광을 조사하는 점에서, 특허 문헌 2에 기재된 기술과 공통되지만, 관련 출원에서는 유리 기판측에서 광 응답성 재료에 광을 조사하고 있는 것에 반해, 특허 문헌 2에서는 입자측에서 광을 조사하고 있는 점에서 양자는 상이하다. 관련 출원에서는 유리 기판측에서 광 응답성 재료에 광을 조사하고 있기 때문에 광 응답성 재료 전체에 광이 조사되므로 광 응답성 재료의 이동도가 높고, 얻어지는 따개비 형상의 저면이 비구면으로 된다. 특허 문헌 2에 관한 기술에서는 입자측에서 광 응답성 재료에 광을 조사하고 있기 때문에 조사된 광은 입자에 의해 분산된다. 특히 입자의 뒤에 숨겨져 있는 광 응답성 재료에 대해서는 광의 조사량이 상대적으로 적어져서, 광 응답성 재료의 이동도가 낮아지기 때문에, 상술한 바와 같이 특허 문헌 2에 기재된 구조체는 오목부의 저부가 구면(또는 구면에 가까운 형상)으로 되어 있다(특허 문헌 2의 도 8을 참조). 또한, 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서는 입자를 사용하고 있지 않기 때문에, 광의 조사 방향에 관계없이 구조체의 통상체의 저부가 비구면으로 된다(본원의 도 13, 도 20 내지 25를 참조).
상기와 같이, 본 발명에 따르면, 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용의 칩이나, 표면 증강 라만 산란 분광용 칩, 형광 증강 플레이트, 2광자 형광 증강 플레이트, 제2차 고조파 발생 기판 등으로서 이용 가능한 바람직한 구조체 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다는 효과를 발휘한다.
특히, 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에 따르면, 간편하면서도 안정적이고 저비용으로, 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서의 제작 등에 이용 가능한 구조체를 제조할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서의 반사 광학계의 기본적 구성의 일례를 나타내는 평면도다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서의 투과 광학계의 기본적 구성의 일례를 나타내는 평면도다.
도 3은 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에서의 측정 영역을 확대한 개략 구성을 도시하고, (a)는 평면도이고, (b)는 도 3의 (a)에서의 A-A선 화살표 단면도다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법의 일례를 나타내는 단면도다.
도 5는 실시예 1에 의해 얻어진 구조체의 원자력 현미경(이하, 적절하게 "AFM"이라고 함) 상이다.
도 6은 실시예 1에서 제작된 센서용 칩의 표면에 굴절률이 서로 다른 액체(물, 트리에틸렌글리콜)를 각각 적하하고, 투과 스펙트럼 측정을 행하여, 피크 톱의 값으로 정규화한 그래프다.
도 7은 실시예 2에 의해 얻어진 구조체의 AFM상이다.
도 8은 실시예 2에서 제작된 센서용 칩의 표면에 굴절률이 서로 다른 액체(물, 폴리디메틸실록산, 트리에틸렌글리콜, 글리세롤디글리시딜)를 각각 적하하고, 투과 스펙트럼 측정을 행하여, 피크 톱의 값으로 정규화시킨 그래프다.
도 9는 실시예 2에 관한 센서용 칩 위에 적하한 액체의 굴절률을 횡축으로 하고, 종축에 플라즈몬 공명 흡수 유래의 스펙트럼의 피크 파장의 시프트량을 취한 그래프다.
도 10은 종래의 전파형 표면 플라즈몬 공명 센서의 원리를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 11은 종래의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서의 개략 구성을 도시하는 단면도다.
도 12는 종래의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에 있어서, 오목부에 강한 전계가 집중되는 것을 도시하는 단면도다.
도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 구조체의 원자력 현미경(AFM) 상이다.
도 14는 본 발명의 구조체의 제조 방법에 있어서, 광 응답성 재료막 형성 공정 후의 광 응답성 재료를 각각 진공 조건하에, 80℃에서 10분, 60분, 20시간 어닐링했을 때에 생기는 구조체의 AFM 사진이다.
도 15는 본 발명의 구조체의 제조 방법의 광 조사 공정에서, (a)는 광 조사 1초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (b)는 광 조사 5초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (c)는 광 조사 10초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (d)는 광 조사 15초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (e)는 광 조사 25초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (f)는 광 조사 30초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (g)는 광 조사 45초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (h)는 광 조사 60초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (i)는 광 조사 300초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이다.
도 16은 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서의 광 조사 공정의 일 실시 형태를 설명하기 위한 모식도다. 도 16에 도시된 형태는, 기판측에서 광이 조사되는 형태다.
도 17은 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서의 광 조사 공정의 일 실시 형태를 설명하기 위한 모식도다. 도 17에 도시된 형태는, 액체측에서 광이 조사되는 형태다.
도 18은 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서의 광 조사 공정의 일 실시 형태를 설명하기 위한 모식도다. 도 18에 도시된 형태는, 액체측에서 광이 조사되는 다른 형태다.
도 19는 실시예 4에서 제작한 센서용 칩의 평면 SEM 상이다.
도 20은 도 19에 도시되는 센서용 칩의 P-P' 단면 TEM 상이다.
도 21은 도 19에 도시되는 센서용 칩의 Q-Q' 단면 TEM 상이다.
도 22는 도 19에 도시되는 센서용 칩의 R-R' 단면 TEM 상이다.
도 23은 도 19에 도시되는 센서용 칩의 S-S' 단면 TEM 상이다.
도 24는 도 19에 도시되는 센서용 칩의 T-T' 단면 TEM 상이다.
도 25는 도 19에 도시되는 센서용 칩의 U-U' 단면 TEM 상이다.
도 26은 실시예 4에서 C 반응성 단백(CRP) 항체가 고정화된 센서 칩을 사용해서 CRP 항원의 검출의 가능성을 검토한 결과이며, 반응시킨 CRP 항원 농도에 대하여 투과 스펙트럼의 피크 파장을 플롯팅한 도면이다.
도 27은 실시예 5에서 피브리노겐 항체가 고정화된 센서 칩을 사용해서 피브리노겐 항원의 검출의 가능성을 검토한 결과이며, 반응시킨 피브리노겐 항원 농도에 대하여 투과 스펙트럼의 피크 파장을 플롯팅한 도면이다.
도 28은 실시예 6에서 렙틴 항체가 고정화된 센서 칩을 사용해서 렙틴 항원의 검출의 가능성을 검토한 결과이며, 반응시킨 렙틴 항원 농도에 대하여 투과 스펙트럼의 피크 파장을 플롯팅한 도면이다.
도 29는 실시예 7에서 제조된 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서의 전계 집중 강도를, FDTD(Finite Difference Time Domain)법에 의해 시뮤레이션한 결과를 도시하는 도다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서의 투과 광학계의 기본적 구성의 일례를 나타내는 평면도다.
도 3은 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에서의 측정 영역을 확대한 개략 구성을 도시하고, (a)는 평면도이고, (b)는 도 3의 (a)에서의 A-A선 화살표 단면도다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법의 일례를 나타내는 단면도다.
도 5는 실시예 1에 의해 얻어진 구조체의 원자력 현미경(이하, 적절하게 "AFM"이라고 함) 상이다.
도 6은 실시예 1에서 제작된 센서용 칩의 표면에 굴절률이 서로 다른 액체(물, 트리에틸렌글리콜)를 각각 적하하고, 투과 스펙트럼 측정을 행하여, 피크 톱의 값으로 정규화한 그래프다.
도 7은 실시예 2에 의해 얻어진 구조체의 AFM상이다.
도 8은 실시예 2에서 제작된 센서용 칩의 표면에 굴절률이 서로 다른 액체(물, 폴리디메틸실록산, 트리에틸렌글리콜, 글리세롤디글리시딜)를 각각 적하하고, 투과 스펙트럼 측정을 행하여, 피크 톱의 값으로 정규화시킨 그래프다.
도 9는 실시예 2에 관한 센서용 칩 위에 적하한 액체의 굴절률을 횡축으로 하고, 종축에 플라즈몬 공명 흡수 유래의 스펙트럼의 피크 파장의 시프트량을 취한 그래프다.
도 10은 종래의 전파형 표면 플라즈몬 공명 센서의 원리를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 11은 종래의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서의 개략 구성을 도시하는 단면도다.
도 12는 종래의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에 있어서, 오목부에 강한 전계가 집중되는 것을 도시하는 단면도다.
도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 구조체의 원자력 현미경(AFM) 상이다.
도 14는 본 발명의 구조체의 제조 방법에 있어서, 광 응답성 재료막 형성 공정 후의 광 응답성 재료를 각각 진공 조건하에, 80℃에서 10분, 60분, 20시간 어닐링했을 때에 생기는 구조체의 AFM 사진이다.
도 15는 본 발명의 구조체의 제조 방법의 광 조사 공정에서, (a)는 광 조사 1초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (b)는 광 조사 5초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (c)는 광 조사 10초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (d)는 광 조사 15초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (e)는 광 조사 25초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (f)는 광 조사 30초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (g)는 광 조사 45초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (h)는 광 조사 60초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (i)는 광 조사 300초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이다.
도 16은 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서의 광 조사 공정의 일 실시 형태를 설명하기 위한 모식도다. 도 16에 도시된 형태는, 기판측에서 광이 조사되는 형태다.
도 17은 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서의 광 조사 공정의 일 실시 형태를 설명하기 위한 모식도다. 도 17에 도시된 형태는, 액체측에서 광이 조사되는 형태다.
도 18은 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서의 광 조사 공정의 일 실시 형태를 설명하기 위한 모식도다. 도 18에 도시된 형태는, 액체측에서 광이 조사되는 다른 형태다.
도 19는 실시예 4에서 제작한 센서용 칩의 평면 SEM 상이다.
도 20은 도 19에 도시되는 센서용 칩의 P-P' 단면 TEM 상이다.
도 21은 도 19에 도시되는 센서용 칩의 Q-Q' 단면 TEM 상이다.
도 22는 도 19에 도시되는 센서용 칩의 R-R' 단면 TEM 상이다.
도 23은 도 19에 도시되는 센서용 칩의 S-S' 단면 TEM 상이다.
도 24는 도 19에 도시되는 센서용 칩의 T-T' 단면 TEM 상이다.
도 25는 도 19에 도시되는 센서용 칩의 U-U' 단면 TEM 상이다.
도 26은 실시예 4에서 C 반응성 단백(CRP) 항체가 고정화된 센서 칩을 사용해서 CRP 항원의 검출의 가능성을 검토한 결과이며, 반응시킨 CRP 항원 농도에 대하여 투과 스펙트럼의 피크 파장을 플롯팅한 도면이다.
도 27은 실시예 5에서 피브리노겐 항체가 고정화된 센서 칩을 사용해서 피브리노겐 항원의 검출의 가능성을 검토한 결과이며, 반응시킨 피브리노겐 항원 농도에 대하여 투과 스펙트럼의 피크 파장을 플롯팅한 도면이다.
도 28은 실시예 6에서 렙틴 항체가 고정화된 센서 칩을 사용해서 렙틴 항원의 검출의 가능성을 검토한 결과이며, 반응시킨 렙틴 항원 농도에 대하여 투과 스펙트럼의 피크 파장을 플롯팅한 도면이다.
도 29는 실시예 7에서 제조된 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서의 전계 집중 강도를, FDTD(Finite Difference Time Domain)법에 의해 시뮤레이션한 결과를 도시하는 도다.
본 발명의 실시의 일 형태에 대해서 설명하면 이하와 같다.
또한, 본 명세서에서는, 범위를 나타내는 "A 내지 B"는 A 이상 B 이하인 것을 의미하고, 본 명세서에서 거론되고 있는 각종 물성은, 특별히 언급이 없는 한 후술하는 실시예에 기재된 방법에 의해 측정된 값을 의미한다.
본 발명에 관한 구조체는, 상기 과제를 해결하기 위해서, 평면부와 통상체를 구비하고, 상기 평면부의 평면에 대해 개구부가 면하도록 통상체가 수직으로 설치되어 이루어지고, 상기 통상체의 개구부의 평균 내경이 5nm 이상 2,000nm 이하의 범위 내이며, 상기 통상체의 개구부의 내경(A)과, 상기 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.00 이상 1.80 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하고 있다. 특히 본 발명에 관한 구조체는 상기 통상체의 저부가 비구면이다.
상기 구성에 따르면 예를 들어 상기 구조체를 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 기판에 사용하고, 그 표면에 기판의 형상을 따라 금속층을 형성시킴으로써, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 제작할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어지는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변의 금속에서의 자유 전자와 입사광의 사이에서 결합이 일어나고, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변에 전계가 집중되어 매우 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명이 발생한다. 따라서, 상기 칩을 사용함으로써, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있다는 효과를 발휘한다.
또한, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩은, 상기와 같은 매우 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명 현상이 나타나기 때문에, 표면 증강 라만 산란 분광용 칩, 형광 증강 플레이트, 2광자 형광 증강 플레이트, 제2차 고조파 발생 기판 등으로서도 적절하게 사용할 수 있다.
또한 본 발명에 관한 구조체는, 통상체의 오목부 주변 및 내부에 입사광에 의한 전자장을 한층 더 강하게 국재시킬 수 있기 위해서, 상기 (A/B)가 1.00 이상 1.50 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하다.
또한 본 발명에 관한 구조체는, 상기 통상체의 평면부에서의 분산 밀도가 100㎛ 사방당 1개 이상 50만개 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 상기 구성에 따르면, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 제작했을 경우에, 보다 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있기 때문에, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있다.
본 발명에 관한 구조체는 자극 응답성 재료로 이루어지는 것이어도 된다. 여기서 상기 자극 응답성 재료는 열 응답성 재료 또는 광 응답성 재료이어도 된다.
상기 자극 응답성 재료는 광 응답성 재료인 것이 바람직하다. 또한 본 발명에 관한 구조체에서는 상기 광 응답성 재료는 아조 중합체 유도체를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 구성에 따르면, 보다 용이하게 구조체를 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 구조체에서는, 상기 광 응답성 재료는 아조벤젠기를 주쇄 및/또는 측쇄에 갖는 아조 중합체 유도체인 것이 바람직하다. 상기 구성에 따르면, 보다 용이하게 구조체를 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 상기 본 발명에 관한 구조체가 기판 위에 형성되어 있고, 상기 구조체 표면의 적어도 일부를 덮으며, 상기 구조체의 구조를 반영하도록 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한 본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 평면부와 통상체를 구비하고, 상기 평면부의 평면에 대하여 개구부가 면하도록 통상체가 수직으로 설치되어 이루어지고, 상기 통상체의 개구부의 평균 내경이 5nm 이상 2,000nm 이하의 범위 내이며, 상기 통상체의 개구부의 내경(A)과, 상기 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.00 이상 1.80 이하의 범위 내인 구조체가 기판 위에 형성되어 있고, 상기 구조체 표면의 적어도 일부를 덮으며, 상기 구조체의 구조를 반영하도록 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩은, 상기 통상체의 저부가 비구면이다.
상기 구성에 따르면, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변의 금속에서의 자유 전자와 입사광의 사이에서 결합이 일어나고, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변에 전계가 집중되어 매우 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명이 발생된다. 따라서, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있다는 효과를 발휘한다.
본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에 있어서, 상기 (A/B)가 1.00 이상 1.50 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 상기 구성에 따르면, 통상체의 오목부 주변 및 내부에 입사광에 의한 전자장을 한층 더 강하게 국재시킬 수 있다.
본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에 있어서, 상기 구조체는 자극 응답성 재료로 이루어지는 것이어도 된다. 또한 상기 자극 응답성 재료는 열 응답성 재료 또는 광 응답성 재료이어도 된다. 또한, 상기 자극 응답성 재료는 광 응답성 재료인 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상기 금속층의 두께가 10nm 이상 500nm 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 30nm 이상 200nm 이하의 범위 내인 것이 더욱 바람직하고, 40nm 이상 125nm 이하의 범위 내인 것이 가장 바람직하다. 상기 구성에 따르면, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있다.
본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상기 금속층의 표면에, 생체 분자를 고정화하기 위한 유기 분자층이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 구성에 따르면, 특정한 생체 분자를 검출할 수 있는 바이오센서로서 사용하는 것이 가능해진다.
본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상기 유기 분자층은, 금속층 표면으로부터의 길이가 50nm 이상 200nm 이하인 분자와, 금속층 표면으로부터의 길이가 1nm 이상 50nm 미만인 분자를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 구성에 따르면, 길이가 1nm 이상 50nm 미만인 분자는 금속층의 근방에서 생체 분자와 결합하고, 길이가 50nm 이상 200nm 이하인 분자는 금속층으로부터 이격된 곳에서 생체 분자와 결합한다. 그리고, 생체 분자와 결합한 길이가 50nm 이상 200nm 이하인 분자는, 분자쇄가 절곡됨으로써 그 생체 분자를 금속층의 근방으로 끌어당긴다. 이에 의해, 금속층의 근방의 영역에 많은 생체 분자를 모을 수 있어, 센서 감도가 보다 높은 바이오센서를 제공할 수 있다.
본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상기 금속층의 재질이 Au, Ag 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 구성에 따르면, Au, Ag 또는 이들 합금은 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있다.
본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서는, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관한 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩과, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에 광을 조사하는 광원과, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에 있어서 반사 또는 투과된 광을 수광하는 광검출기를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 따르면, 본 발명에 관한 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 구비하고 있기 때문에, 상기 칩에서의 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변에서 국재적인 공명 전계를 발생시킬 수 있다. 그리고, 광원으로부터 광을 상기 영역에 조사하여, 상기 영역에서 반사 또는 투과된 광을 상기 광검출기로 수광함으로써, 상기 센서용 칩에서의 반사율 또는 투과율, 또는 상기 광검출기에서 수광한 광 강도를 측정할 수 있다. 따라서, 상기 구성에 따르면, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있다는 효과를 발휘한다.
본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 표면에 대하여 2종류 이상의 파장의 광을 입사시키고, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서 반사된 각 파장의 광의 반사율, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 투과한 각 파장의 투과율 또는 이들 반사 또는 투과된 각 파장의 광 강도를 상기 광검출기로 측정하는 것이 바람직하다. 상기 구성에 따르면, 특정한 2종류 이상의 파장에서의 반사율, 투과율 또는 광 강도를 비교함으로써 공명 파장의 변화를 평가할 수 있다. 이로 인해, 기지의 특정 물질의 유무 등을 검사하는 용도로 적절하게 사용할 수 있다.
본 발명에 관한 구조체의 제조 방법은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 광 응답성 재료 위에 입자상 물질 비함유 액체를 도포하는 액체 도포 공정과, 상기 액체 도포 공정에 의해 액체가 도포된 상기 광 응답성 재료에 대하여 광을 조사하는 광 조사 공정을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 방법에 따르면, 입자상 물질 비함유 액체가 도포된 상기 광 응답성 재료에 대하여 광을 조사하는 것만으로, 상기 본 발명에 관한 구조체를 간편하게 제작할 수 있다. 어떤 원리로 상기 구조체가 제작되는지에 대해서는 현재 검토중에 있지만, 본 발명자들은 이하와 같을 것으로 추정하고 있다. 즉, 유리나 플라스틱 등의 기판의 표면에 광 응답성 재료의 막을 형성하고, 상기 막 위에 입자상 물질 비함유 액체를 도포한 후에 광을 조사함으로써 본 발명에 관한 구조체를 제작하는 경우, 입자상 물질 비함유 액체가 광 응답성 재료막 내에 임의의 비율로 침투하여, 광 응답성 재료막 중의 분자쇄의 운동성이 증가한다. 광 조사에 의해 유리나 플라스틱 기판 등의 표면의 러프니스 포인트에 근접장 광이 발생하고, 상기 근접장 광 강도에 따라서 광 응답성 재료가 물질 이동함으로써, 통상의 구조체가 형성되는 것으로 추정된다. 한편, 근접장 광 강도에 따른 광 응답성 재료의 물질 이동 이외에도, 광 조사에 의해 상기 기판 표면과 광 응답성 재료막의 계면에 친화성에 변화가 생겨 친화성이 서로 다른 얼룩과 같은 상태가 발생하며, 광 조사에 의해 광 응답성 재료가 물질 이동하는 메커니즘도 동시에 또는 독립적으로 발생하고 있는 것으로도 생각할 수 있다.
상기 방법에 의해 제작된 구조체를 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 기판에 사용하고, 그 표면에 기판의 형상을 따라 금속층을 형성시킴으로써, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 제작할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어지는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변의 금속에서의 자유 전자와 입사광의 사이에서 결합이 일어나고, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변에 전계가 집중되어 매우 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명이 발생한다. 따라서, 간편하면서도 안정적이고 저비용으로, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있는 구조체를 제조할 수 있다는 효과를 발휘한다.
본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서는, 상기 액체가 물, 알코올, 및 광 응답성 재료를 용해시키는 유기 용매로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1개인 것이 바람직하다. 상기 액체는, 취급이 용이하고, 또한 원하는 구조체를 얻기 쉽다는 효과를 발휘한다. 또한, 상기 액체에는 종래 공지의 계면 활성제가 포함되어 있어도 된다.
본 발명에 관한 구조체의 제조 방법은, (i) 광 응답성 재료 위에 입자상 물질 비함유 액체를 도포하는 액체 도포 공정과, 액체가 도포된 상기 광 응답성 재료에 대하여 광을 조사하는 광 조사 공정을 거쳐 제1 구조체를 제조하고, (ii) 상기 제1 구조체의 표면을 완전하게 덮도록 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 도포하고, 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 경화한 후 박리함으로써, 제1 구조체의 형이 되는 제2 구조체를 제조하고, (iii) 상기 제2 구조체에서의 제1 구조체의 형이 되는 부분에, 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 충전하고, 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 경화한 후 박리함으로써, 제1 구조체의 복제물인 제3 구조체를 얻는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 방법에 따르면 예를 들어 상기 형에 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 도포하여 경화한 후 박리시킴으로써, 상술한 본 발명에 관한 구조체를 용이하게 복제할 수 있다.
특히 상기 (iii)의 공정을 복수회 행하는 것이 바람직하다. 상기 (iii)의 공정을 복수회 행함으로써, 상술한 본 발명에 관한 구조체를 용이하게 양산할 수 있다.
따라서, 상기 복제한 구조체를 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 기판에 사용하고, 그 표면에 기판의 형상을 따라 금속층을 형성시킴으로써, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 제작할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어지는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변의 금속에서의 자유 전자와 입사광의 사이에서 결합이 일어나고, 통상체 내부에 강한 전계가 집중되어 매우 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명이 발생한다. 따라서, 간편하면서도 안정적이고 저비용으로, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있는 구조체를 제조할 수 있다는 효과를 발휘한다.
본 발명에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법 중 어느 하나에 의해 구조체를 제조하는 공정과, 상기 공정에서 얻어진 구조체의 표면을 금속으로 피복해서 상기 구조체의 형상이 반영된 형상을 갖는 금속층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 방법에 따르면, 간편하면서도 안정적이고 저비용으로, 보다 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공할 수 있는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 제조할 수 있다는 효과를 발휘한다.
또한 본 발명은, 상기 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에 의해 제조될 수 있는 모든 구조체(상술한 본 발명에 관한 구조체, 후술하는 초생달 형상의 구조체나 따개비 형상의 구조체 등)도 포함한다. 상기 구조체는, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩, 표면 증강 라만 산란 분광용 칩, 형광 증강 플레이트, 2광자 형광 증강 플레이트, 제2차 고조파 발생 기판 등에 이용 가능하다.
(I) 구조체
본 실시 형태에 관한 구조체를 구성하는 재료는 특별히 한정되는 것이 아니며, 무기 재료나 유기 재료이어도 되고, 이들의 혼합물이어도 된다. 또한 본 실시 형태에 관한 구조체는, 자극 응답성 재료(예를 들어 광 응답성 재료, 열 응답성 재료 등)로 이루어지는 것이어도 된다.
[무기 재료]
무기 재료로는, 규소(결정, 다결정, 비결정), 탄소(결정, 비정질), 질화물, 반도체 재료 등을 들 수 있다. 이들 무기 재료는 미립자를 소결시킨 것이라도 상관없다.
[유기 재료]
유기 재료로는, 범용 고분자, 엔지니어링 플라스틱, 수퍼 엔지니어링 플라스틱이나 액정 화합물 등을 들 수 있다(혼합물이어도 되고, 가교 구조를 갖는 등 2차 구조, 3차 구조가 제어된 것이어도 상관없다). 이들 유기 재료 중에는, 외부 자극에 따라서 물성이나 형상을 변화시키는 자극 응답성 재료가 있다.
[자극 응답성 재료]
자극 응답성 재료란, 외부 자극에 응답해서 분자쇄가 운동성을 갖는 재료이며, 구체적으로는 열 응답성 재료 및 광 응답성 재료를 들 수 있다.
[열 응답성 재료]
상기 열 응답성 재료란, 열 자극에 의해 재료를 구성하는 분자쇄가 격렬하게 운동성을 갖는 재료다. 열 자극에 대하여 재료가 유동성을 나타내거나 연화되거나 변형되는 재료다. 구체적으로는, 폴리스티렌이나 폴리메틸메타크릴레이트로 대표되는 바와 같은 아크릴계 재료 등의 비결정성 재료, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트나 이소택틱 폴리스티렌 등의 결정성 재료, 우레탄 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 페놀 수지 등을 사용할 수 있다. 또한, 스티렌-메타크릴레이트 공중합체(블록 공중합체, 랜덤 공중합체 등) 등의 공중합체를 사용할 수도 있다. 또한 이들 재료를 병용해도 된다.
[광 응답성 재료]
상기 광 응답성 재료란, 광 조사에 의해 물질 이동이 일어나는 재료이며, 보다 구체적으로는 조사부의 광의 명부 및 암부에 따라 물질 이동 현상을 발생시키는 재료다.
상기 광 응답성 재료로는, 광 변형을 일으킬 수 있는 재료이며, 광 조사부의 명암부에 따라서 물질 이동을 나타내는 재료이면 특별히 한정되지는 않지만 예를 들어 광 조사에 의해 삭마(ablation), 포토크로미즘, 분자의 광 유기 배향 등을 일으키는 성분(광 반응성 성분)을 매트릭스 재료 중에 포함하고, 광 조사에 의해 체적, 밀도, 자유 체적 등이 변화되는 유기 또는 무기의 재료를 들 수 있다. 또한, 상기 광 응답성 재료로는, 유황, 셀렌 및 텔루륨으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 원소와, 게르마늄, 비소 및 안티몬으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 원소가 결합한 구조를 포함하는 칼코게나이드 유리라 총칭되는 무기 재료 등도 들 수 있다.
상기 광 반응성 성분으로는 예를 들어 재료의 형상 변화를 수반하는 이방적 광 반응을 일으킬 수 있는 성분인, 광 이성화(異性化) 성분이나 광 중합성 성분을 들 수 있다.
상기 광 이성화 성분으로는 예를 들어 트랜스-시스 광 이성화를 발생시키는 성분, 특히 대표적으로는 아조기(-N=N-)를 갖는 색소 구조, 특히 아조벤젠이나 그의 유도체의 화학 구조를 갖는 성분을 들 수 있다.
상기 이성화 성분이 아조기를 갖는 색소 구조를 포함하는 재료인 경우에, 그 색소 구조가, 1 또는 2개 이상의 전자 흡인성 관능기(전자 흡인성 치환기) 및/또는 1 또는 2개 이상의 전자 공여성 관능기(전자 공여성 치환기)를 구비하는 것이 바람직하고, 이들 전자 흡인성 관능기와 전자 공여성 관능기를 모두 구비하는 것이 특히 바람직하다.
상기 전자 흡인성 관능기로는, 하메트측에서의 치환기 상수(σ)가 양의 값인 관능기가 바람직하고, 전자 공여성 관능기로는 하메트측에서의 치환기 상수(σ)가 음의 값인 관능기가 바람직하다.
즉, 상기 이성화 성분은, 하기 식(1)
Σ|σ｜≤｜σ1| + |σ2| … (1)
(상기 식에서, σ는 하메트측에서의 치환기 상수, σ1은 시아노기의 치환기 상수, σ2는 아미노기의 치환기 상수다.)
이 성립하는 조건하에서, 상기 전자 공여성 치환기와 전자 흡인성 치환기를 구비하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 형광 분석용의 형광 색소에서의 형광 피크 파장보다 짧은 파장 영역에 광 흡수 파장의 장파장측의 컷오프(cut off) 파장이 있도록 제어된 색소 구조를 포함할 수 있다. 이에 의해, 정확한 측정을 행할 수 있다.
상기 색소 구조의 종류는 특별히 한정되지는 않지만 예를 들어 아조기를 갖는 색소 구조, 특히, 아조벤젠이나 그의 유도체의 화학 구조가 바람직하다. 즉, 상기 광 응답성 재료는, 아조 중합체 유도체를 포함하는 것이 바람직하고, 아조벤젠기를 주쇄 및/또는 측쇄에 갖는 아조 중합체 유도체인 것이 보다 바람직하다.
광 응답성 재료의 매트릭스 재료 중에서, 상기 광 응답성 성분은 단순히 분산되어 있는 것뿐이어도 되고, 매트릭스 재료의 구성 분자와 화학 결합 등을 하고 있어도 된다. 매트릭스 재료 중의 광 반응성 성분의 분포 밀도를 거의 완전하게 제어할 수 있는 점이나, 재료의 내열성 또는 경시적 안정성 등의 점에서는, 매트릭스 재료를 구성하는 분자에 대하여 광 응답성 성분이 화학적으로 결합하고 있는 것이 특히 바람직하다.
상기 매트릭스 재료로는, 통상의 고분자 재료 등의 유기 재료나, 유리 등의 무기 재료를 사용할 수 있다. 매트릭스 재료에 대한 광 응답성 성분의 균일 분산성 또는 결합성을 고려하면, 유기 재료, 특히 고분자 재료를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
매트릭스 재료를 구성하는 상기 고분자 재료의 종류는 특별히 한정되지는 않지만, 고분자의 반복 구조 단위가 우레탄기, 요소기 또는 아미드기를 갖고 있는 것이 바람직하고, 나아가 고분자의 주쇄 중에 페닐렌기 등의 환 구조를 갖고 있는 것이 내열성의 점에서 보다 바람직하다.
매트릭스 재료를 구성하는 상기 고분자 재료는, 필요한 형상으로 형성 가능하면 그 분자량이나 중합도는 특별히 한정되지는 않는다. 또한, 그 중합 형태도 직쇄상, 분지상, 사다리 형상, 별 형상 등의 임의의 형태라도 되고, 호모 중합체나 공중합체이어도 된다.
광 변형의 경시적인 안정성을 위해서는, 고분자 재료의 유리 전이 온도는, 예를 들어 100℃ 이상과 같이 높은 것이 바람직하지만, 유리 전이 온도가 실온 정도나 그 이하의 것이어도 사용 가능하다.
본 발명에서 이용될 수 있는 광 응답성 재료로는 예를 들어
을 갖는 아조 중합체(N-페닐말레이미드(z)와, 4-이소프로페닐페놀(y)과, 4'-[N-에틸-N-(4-이소프로페닐페녹시에틸)아미노]-4"-니트로아조벤젠(x)의 공중합체(x:y:z=0.43:0.07:0.50)(참고 문헌:Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.488(1998), pp.813-818, "Synthesis of High-Tg Azo polymer and the optimization of its poling condition for stable EO system", 일본 특허 출원 공개 제2006-77239호 공보를 참조, "PMPD43"이라고 약칭하는 경우가 있음)나, 후술하는 실시예에서 사용한,
를 갖는 아조 중합체: 측쇄형 아조-중합체, poly(orange tom-1 isophoroned isocyanate)(참고 문헌, Direct Fabrication of Surface Relief Holographic Diffusers in Azobenzene Polymer Films, OPTICAL REVIEW Vol.12, No.5(2005)383-386, 실시예에서 "POT1"이라고 표기함)나, 폴리[4'-[[2-(아크릴로일옥시)에틸]에틸아미노]-4-니트로아조벤젠]("pDR1A"라고 표기함. 참고 문헌, Poly[4'-[[2-(acryloyloxy)ethyl]ethylamino]-4-nitroazobenzene], Macromolecule Vol.25(1992)2268-2273) 등을 들 수 있다.
[구조체]
본 실시 형태에 관한 구조체는, 평면부와 통상체를 구비하고, 상기 평면부의 평면에 대하여 개구부가 면하도록 통상체가 수직으로 설치되는 구조를 갖는다. 바꾸어 말하면, 상기 구조체는, 지면으로부터 굴뚝이 하늘을 향해 신장된 듯한 구조를 갖고 있다. 통상체의 개구부의 형상은, 원형에 한정되지 않고, 타원형, 사각형 등이어도 된다.
본 실시 형태에 관한 구조체를 구성하는 통상체의 개구부의 평균 내경은, 5nm 이상 2,000nm 이하의 범위 내다. 통상체의 개구부의 평균 내경은, 원자간력 현미경(AFM), 주사형 전자 현미경(SEM), 투과형 전자 현미경(TEM) 등으로 통상체의 개구부를 위에서 관찰하여, 그 개구부의 내경을 측정함으로써 파악할 수 있다. "개구부의 내경"은, 개구부의 형상에 대한 최대 내접원의 직경이 의도되며 예를 들어 개구부의 형상이 실질적으로 원형 형상인 경우는 그 원의 직경이 의도되고, 실질적으로 타원 형상인 경우는 그 타원의 짧은 직경이 의도되고, 실질적으로 정사각 형상인 경우는 그 정사각형의 변의 길이가 의도되고, 실질적으로 직사각 형상인 경우는 그 직사각형의 단변의 길이가 의도된다. 복수의(바람직하게는 10개 이상, 보다 바람직하게는 20개 이상, 더욱 바람직하게는 50개 이상) 통상체에 대해서 개구부의 내경을 측정하고, 그 평균값을 구해 "통상체의 개구부의 평균 내경"으로 하면 된다. 또한, 본 실시 형태에서의 구조체를 구성하는 통상체의 개구부의 평균 내경이 5nm 이상, 2,000nm 이하의 범위 내이면, 통상체의 오목부 내부 및 개구부 주변에 입사광을 국재화시키는 것이 가능해지기 때문에, 상기 구조체는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조에 바람직하게 이용될 수 있다. 또한 상기 통상체의 개구부의 평균 내경은, 200nm 내지 500nm의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 상기 통상체의 개구부의 평균 내경이, 200nm 내지 500nm의 범위 내임으로써, 보다 강하게 입사광을 국재시키는 것이 가능해진다.
또한 본 실시 형태에 관한 구조체는, 상기 통상체의 개구부의 내경(A)과, 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.00 이상 1.80 이하의 범위 내로 되어 있다. 상기 (A/B)가 상기 범위 내임으로써, 통상체의 오목부 내부 및 개구부 주변에 입사광에 의한 전자장을 강하게 국재시킬 수 있다는 효과를 발휘할 수 있다. 또한 상기 (A/B)가 1.00 이상 1.50 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 보다 바람직하고, 상기 (A/B)가 1.00 이상 1.30 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 더욱 바람직하고, 상기 (A/B)가 1.00 이상 1.20 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 가장 바람직하다. 상기 (A/B)가 상기 범위 내임으로써, 본 실시 형태에 관한 구조체는 내경(A)과 내경(B)의 차가 거의 없는, 즉 본 실시 형태에 관한 구조체를 구성하는 통상체의 내부 구조가 절구통의 구조로 되어 있다고 할 수 있다. 본 실시 형태에 관한 구조체를 구성하는 통상체의 내부 구조가 절구통으로 되어 있음으로써, 통상체의 오목부 내부 및 개구부 주변에 입사광에 의한 전자장을 한층 더 강하게 국재시킬 수 있다는 효과를 발휘할 수 있다.
내경(A) 및 내경(B)은, 원자간력 현미경(AFM)으로 통상체의 단면도에 의해 파악할 수 있다. 내경(A) 및 내경(B)의 측정 방법을, 도 13을 사용해서 보다 구체적으로 설명한다. 도 13은, 본 실시 형태에 관한 구조체의 원자간력 현미경(AFM) 상이다. AFM 상으로부터, 본 실시 형태에 관한 구조체의 평면부에 대한 수직 단면도를 취득한다. 내경을 계측하는 대상이 되는 통상체의 단면에서 평면부로부터 가장 돌출된 2개의 정점(도면에서 하향 삼각으로 나타냄)을 발견한다. 이들 정점에서부터 도면에서의 평면부의 평면을 나타내는 선(도면에서의 X축)에 대해 그린 수선과 X축의 교점간의 거리를 구하고, 이것을 내경(A)이라 한다.
다음으로 내경(B)의 측정 방법을 설명한다. 통상체의 최고점(y축의 화살표 방향을 양의 방향으로 했을 경우의 최고점, 도면에서 하향 삼각으로 나타냄)과, 통상체의 최저점(y축의 화살표 방향을 양의 방향으로 했을 경우의 최저점, 도면에서 상향 삼각으로 나타냄)을 발견하고, 상기 최저점을 지나 X축과 평행한 선(도면에서 점선으로 나타냄)과, 최고점을 지나 X축과 평행한 선(도면에서, 양단 화살표선으로 나타냄)의 거리를 "통상체 개구부로부터의 깊이"라고 한다. 이 깊이의 중간점(도면에서 화살표로 나타냄)에서의 통상체의 내경을 측정하면 내경(B)을 파악할 수 있다. 또한 본 발명에서 내경(A)과 내경(B)은 AFM으로 측정한 값을 말한다.
또한 본 실시 형태에 관한 구조체는, 상기 통상체의 개구부로부터의 깊이의 평균값이, 5nm 이상, 10㎛ 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 10nm 이상, 500nm 이하의 범위 내인 것이 더욱 바람직하다. 복수(바람직하게는 10개 이상, 보다 바람직하게는 20개 이상, 더욱 바람직하게는 50개 이상) 통상체에 대해 깊이를 측정하고, 그 평균값을 구해 "통상체의 개구부로부터의 깊이의 평균값"으로 하면 된다. 또한, 본 실시 형태에서의 구조체를 구성하는 통상체의 개구부로부터의 깊이의 평균값이 5nm 이상, 10㎛ 이하의 범위 내이면, 통상체의 오목부 내부 및 개구부 주변에 입사광을 강하게 국재화시키는 것이 가능하기 때문에, 상기 구조체는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조에 바람직하게 이용될 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 구조체는, 통상체의 최고 깊이부가 평면부의 평면을 나타내는 선(도면에서의 X축)의 마이너스측에 위치하고 있거나, 플러스측에 위치하고 있어도 된다. 즉 구조체의 통상체가 구비되지 않은 면을 연직 하향으로 적재했을 경우에, 통상체가 이루는 오목부의 저면이 평면부보다 아래로 있는 형태이거나, 위에 있는 형태이어도 된다.
또한, 상기 통상체의 평면부에서의 분산 밀도는, 100㎛ 사방당 1개 이상 50만개 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 100㎛ 사방당 10개 이상 30만개 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 또한 100㎛ 사방당 50개 이상 20만개 이하의 범위 내인 것이 가장 바람직하다. 상기 분산 밀도는, AFM 관찰 등에 의해 임의의 범위에 존재하는 통상체의 개수를 계측하고, 이것을 기초로 100㎛ 사방당의 개수를 산출하면 된다.
또한 본 실시 형태에 관한 구조체에 있어서, 통상체는 개구부로부터 심부를 향해 내경이 작아지고 있는 형상(V자형)이거나, 통상체는 개구부로부터 심부를 향해 내경이 커지고 있는 형상(역 V자형)이어도 된다. 구체적으로는 도 20이나 21에 도시되어 있는 통상체는 심부로 갈수록 내경이 커지고 있기 때문에 역 V자형이라고 할 수 있다. 또한 도 22나 24에 도시되어 있는 통상체는 심부로 갈수록 내경이 작아지고 있기 때문에 역 V자형이라고 할 수 있다.
또한 도 13이나 후술하는 도 20 내지 25에 도시되어 있는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 구조체의 통상체의 저부가 비구면으로 되어 있다. 특히 도 20 내지 25에 도시되는 바와 같이 본 실시 형태에 관한 구조체의 통상체의 저부가 거의 평면으로 되어 있다. 여기서 "통상체의 저부"란 개구부와 반대측에 위치하는 부분이다.
(II) 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩은, 상술한 구조체가 기판 위에 형성되어 있고, 상기 구조체 표면의 적어도 일부를 덮으며, 상기 구조체의 구조를 반영하도록 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 바꾸어 말하면, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩은, 광 응답성 재료로 이루어지는 구조체이며, 평면부와 통상체를 구비하고, 상기 평면부의 평면에 대하여 개구부가 면하도록 통상체가 수직으로 설치되어 이루어지고, 상기 통상체의 개구부의 평균 내경이 5nm 이상 2,000nm 이하의 범위 내이며, 상기 통상체의 개구부의 내경(A)과, 통상체의 평면부에 대한 높이의 중간에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.00 이상 1.80 이하의 범위 내인 구조체가 기판 위에 형성되어 있고, 상기 구조체 표면의 적어도 일부를 덮으며, 상기 구조체의 구조를 반영하도록 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에 있어서, 상술한 구조체의 설명과 공통되는 사항에 대해서는 "(I) 구조체"의 항의 설명을 원용하는 것으로 한다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 구성하는 기판으로는, 유리나, 아크릴 수지, 비정질 탄소, 결정 규소, 다결정 규소, 비정질 규소 등이 바람직하게 사용된다. 특히 투과형의 국재형 표면 플라즈몬 공명법에 사용하기 위한 기판으로는 광 투과성이 높은 기판(전체 광선 투과율이 60% 이상(두께 1mm 환산))인 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩은, 상기 구조체의 형상을 갖고 있기 때문에, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변의 금속에서의 자유 전자와 입사광의 사이에서 결합이 일어나고, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변에 전계가 집중되어 매우 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명이 발생한다. 여기서, "국재적인 공명 전계"란, 공명 전계가 금속 표면을 따라 전파하지 않고, 공명에 의해 증강된 전계의 영역이 입사광의 회절 한계보다 작은 전계를 말한다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상술한 "통상체"를 갖는다. 상기 구성이면, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변의 금속에서의 자유 전자와 입사광의 사이에서 결합이 보다 일어나 쉽고, 오목부 내부 및 개구부 주변에 보다 강한 전계가 집중되어 더욱 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명이 발생한다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상기 통상 구조의 개구부의 평균 내경이 5nm 이상 2,000nm 이하의 범위 내다. 또한, 바이오센서로서 사용하는 경우에는, 일반적인 단백질의 크기가 10nm 전후이기 때문에, 상기 통상 구조의 개구부의 평균 내경은 20nm 이상 1,000nm 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상기 통상체의 개구부로부터의 깊이의 평균값이, 5nm 이상 10㎛ 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 10nm 이상 500nm 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 통상체의 깊이가 상기 범위 내이면, 높은 센서 감도로 국재형 표면 플라즈몬 공명 현상을 양호하게 발생시킬 수 있다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 통상체간의 거리에 제한은 없지만, 상기 통상체의 평면부에서의 분산 밀도가, 100㎛ 사방당 1개 이상 50만개 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 100㎛ 사방당 10개 이상 30만개 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 또한, 100㎛ 사방당 50개 이상 20만개 이하의 범위 내인 것이 가장 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상기 금속층의 두께가 10nm 이상 500nm 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 금속층의 두께가 상기 범위 내이면, 반사광에 대해서 충분한 광량을 확보할 수 있고, 투과광량에 대해서도 충분한 광량을 확보할 수 있어, 계측 정밀도가 높아진다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상기 금속층의 재질이 Au, Ag 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 금속층의 재질이 Au, Ag 또는 이들의 합금이면, 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 금속층 위에 무기 재료층을 더 형성해도 된다. 금속층의 산화 열화를 방지하여, 측정 대상의 단백질 등의 분자를 실활시키지 않도록 할 수 있기 때문이다. 상기 무기 재료로는, 이산화규소, 산화 아연, 산화 주석, 산화 티탄 등의 재료가 적합하다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상기 금속층의 표면에, 생체 분자를 고정화하기 위한 유기 분자층이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 특정한 생체 분자를 검출할 수 있는 바이오센서로서 사용하는 것이 가능해진다. 즉, 본 실시 형태에 관한 칩이면, 유기 분자층을 형성하기 위한 표면적을 크게 할 수 있어, 센서 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 상기 유기 분자층은, 금속층 표면으로부터의 길이가 50nm 이상 200nm 이하인 분자와, 금속층 표면으로부터의 길이가 1nm 이상 50nm 미만인 분자를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 유기 분자층이 상기와 같은 분자를 가짐으로써, 길이가 1nm 이상 50nm 미만인 분자는 금속층의 근방에서 생체 분자와 결합하고, 길이가 50nm 이상 200nm 이하인 분자는 금속층으로부터 이격된 곳에서 생체 분자와 결합한다. 그리고, 생체 분자와 결합한, 길이가 50nm 이상 200nm 이하인 분자가 절곡됨으로써 그 생체 분자도 금속층의 근방으로 끌어당길 수 있다. 이에 의해, 금속층의 근방의 영역에 많은 생체 분자를 모을 수 있어, 센서 감도를 한층 더 높일 수 있다.
상기 유기 분자층을 구성하는 상기 분자로는, 비오틴 수식 폴리에틸렌글리콜, ORLA18(상품명, 올라 프로틴 테크놀로지사제), 덱스트란 등을 들 수 있다.
또한, 상기 분자의 분자쇄 길이의 계측은, 동적 광 산란법에 의해 측정할 수 있다.
(III) 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서는, 상술한 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩과, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에 광을 조사하는 광원과, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서 반사 또는 투과된 광을 수광하는 광 검출기를 구비하고 있다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서는, 상술한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서의 금속층 표면에서 국재적인 공명 전계를 발생시키고, 상기 광원으로부터 출사해서 상기 센서용 칩의 표면에 입사하여, 상기 금속층의 표면에서의 공명 전계가 발생한 영역에서 반사 또는 투과된 광을 상기 광검출기에서 수광한다. 그리고, 상기 센서용 칩에서의 반사율, 투과율 또는 상기 광검출기에서 수광한 광 강도를 측정한다.
또한, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 상기 센서용 칩에 대해 2종류 이상의 파장의 광을 센서용 칩 표면에 대하여 수직으로 입사시켜서, 상기 센서용 칩에서 반사 또는 투과된 각 파장의 광의 반사율 또는 투과율 또는 각 파장의 광의 광 강도를 상기 광검출기로 측정하는 것이어도 된다.
이와 같은 실시 형태에 따르면, 특정한 2 파장 이상의 파장에서의 반사율 또는 투과율, 광 강도를 비교함으로써 공명 파장의 변화를 평가할 수 있다. 따라서, 기지의 특정 물질의 유무 등을 검사하는 용도로 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서 국재형 표면 플라즈몬 공명이 일어나면, 조사되는 광의 에너지가 금속층의 표면 플라즈몬 파에 흡수되므로, 임의의 파장(공명 파장)에서 광의 반사율 또는 투과율 및 광검출기에서 수광하는 광 강도가 저하한다.
이 공명 파장은, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변에 있는 매질의 굴절률에 따라 변화되므로, 이러한 국재형 표면 플라즈몬 센서에 따르면, 상기 영역 내에 유전체 물질이 부착된 것이나 부착량의 변화 등을 검지할 수 있다. 특히, 바이오센서로서 사용해서 특정한 단백질의 검출에 바람직하게 사용할 수 있다.
게다가, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 통상체가 이루는 오목부 내부 및 개구부 주변에 큰 전계 증강이 보이므로, 매우 강한 표면 플라즈몬 공명을 야기할 수 있어, 종래의 전파형 표면 플라즈몬 공명 센서나 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에 비해 매우 감도가 높은 센싱을 행할 수 있다.
특히, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서에서는, 상술한 통상체를 포함하기 때문에, 상기 통상체가 형성되어 있는 영역에서의 면에 대하여 광을 입사시키면, 통상체의 내벽의 금속 측면에서의 자유 전자와 입사광의 사이에서 결합이 일어나고, 통상체 내부에 보다 강한 전계가 집중되어, 강한 국재형 표면 플라즈몬 공명이 발생한다.
또한, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서는, 금속층의 표면으로부터 수십 nm 정도의 좁은 영역에서 감도를 갖기 때문에, 금속층으로부터 이격된 영역의 물질에 의한 노이즈가 작아, S/N비가 양호한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서를 제작할 수 있다.
이하, 도 1을 사용하여, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서(이하, 국재 SPR 센서라고 함)의 반사 광학계의 기본적 구성의 일례에 대해서 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 관한 국재 SPR 센서(24)의 반사 광학계의 기본적 구성의 개략을 도시하는 평면도다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 국재 SPR 센서(24)는, 광원(25)과, 콜리메이터 렌즈(26)와, 핀 홀을 갖는 콜리메이터판(27)과, 빔 스플리터(하프 미러라도 된다)(28)와, 분광기(29)와, 광검출기(33)와, 국재 SPR 센서용 칩(30)과, 데이터 처리 장치(31)를 구비한다.
광원(25)으로부터 출사된 광은, 콜리메이터 렌즈(26)에 유도된다. 콜리메이터 렌즈(26)는, 광원(25)으로부터 출사된 광을 콜리메이트화하여, 평행 빔으로서 통과시킨다. 콜리메이터 렌즈(26)에서 콜리메이트화된 광은, 콜리메이터판(27)의 핀 홀을 통과함으로써 가늘게 좁혀진 평행 빔이 된다.
콜리메이터판(27)의 핀 홀을 통과한 광은 빔 스플리터(28)에 입사하고, 입사광량의 약 1/2의 광만이 빔 스플리터(28)를 곧바로 투과한다. 빔 스플리터(28)를 투과한 평행 빔은 측정 영역(통상체가 형성된 영역)(32)에 조사된다.
측정 영역(32)에 조사된 광은, 측정 영역(32)에서 반사해서 원래의 방향으로 돌아온다. 원래의 방향으로 돌아온 측정광은 빔 스플리터(28)에 입사한다. 빔 스플리터(28)에 입사한 측정광은, 그 광량의 약 1/2만이 빔 스플리터(28) 내의 접합면에서 90℃의 방향으로 반사된다.
빔 스플리터(28)에서 반사한 광은, 분광기(29)를 통과해서 각 파장의 광으로 분광되고, 광검출기(33)에서 수광된다. 따라서, 분광기(29)에서 분광된 광을 광검출기(33)에서 수광함으로써, 각 파장의 광 강도를 검출할 수 있다.
데이터 처리 장치(31)는, 측정 영역(32)에 검체가 없는 상태에서 조사하는 광의 각 파장의 광 강도가 데이터로서 미리 주어져 있다. 따라서, 데이터 처리 장치(31)에 의해, 미리 주어져 있는 데이터와 광검출기(33)에서 검출한 각 파장의 광 강도를 비교함으로써, 측정 영역(32)에서의 각 파장의 반사율의 분광 특성(반사율 스펙트럼) 등을 구할 수 있다.
다음으로, 도 2를 사용하여, 본 실시 형태에 관한 국재 SPR 센서의 투과 광학계의 기본적 구성의 일례에 대해서 설명한다. 도 2는, 본 실시 형태에 관한 국재 SPR 센서(34)의 투과 광학계의 기본적 구성의 개략을 도시하는 평면도다.
국재 SPR 센서(34)는, 광원(25)과, 콜리메이터 렌즈(26)와, 핀 홀을 갖는 콜리메이터판(27)과, 측정 영역(32)을 포함하는 국재 SPR 센서용 칩(30)과, 분광기(29)와, 광검출기(33)와, 데이터 처리 장치(31)를 구비한다.
광원(25)으로부터 출사된 광은, 콜리메이터 렌즈(26)에 유도된다. 콜리메이터 렌즈(26)는, 광원(25)으로부터 출사된 광을 콜리메이트화하여, 평행 빔으로서 통과시킨다. 콜리메이터 렌즈(26)에서 콜리메이트화된 광은, 콜리메이터판(27)의 핀 홀을 통과함으로써 가늘게 좁혀진 평행 빔이 된다.
콜리메이터판(27)의 핀 홀을 통과한 광은 측정 영역(통상체가 형성된 영역)(32)에 조사된다. 측정 영역(32)에 조사된 광은, 측정 영역(32)을 투과한다. 투과한 측정광은 분광기(29)를 통과해서 각 파장의 광으로 분광되고, 광검출기(33)에서 수광된다.
데이터 처리 장치(31)는, 측정 영역(32)에 검체가 없는 상태에서 조사하는 광의 각 파장의 광 강도가 데이터로서 미리 주어져 있다. 따라서, 데이터 처리 장치(31)에 의해, 미리 주어져 있는 데이터와 광검출기(33)에서 검출한 각 파장의 광 강도를 비교함으로써, 측정 영역(32)에서의 각 파장의 반사율의 분광 특성(투과율 스펙트럼) 등을 구할 수 있다.
또한, 상기 반사 광학계 및 투과 광학계의 구성에 있어서, 상기 광원(25)은, 할로겐 램프 등의 백색광을 조사하는 것이 바람직하지만, 측정에 사용하는 파장 영역의 광을 포함하는 것이면 된다. 또한, 핀 홀을 통과한 평행 빔은, 임의의 편광면을 갖는 직선 편광이나 타원 편광, 원 편광 등이어도 된다.
나아가, 상기 각종 편광 상태로 하기 위한 광학 부품(예를 들어, λ/2판 등)은 필요에 따라서 배치해도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 광(전자파)의 전계의 진동면을 편광면이라 정의하고, 그 전계의 방향을 편광 방향이라 정의한다.
또한, 광검출기(33)는, 복수의 수광면을 갖는 포토다이오드 어레이, CCD나 플라즈몬 현상을 이용한 수광기 등에 의해 구성될 수 있다.
다음으로, 도 3에 의해, 상기 국재 SPR 센서(24 및 34)에서의 측정 영역(32)에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3의 (a)는 측정 영역(32)을 확대해서 도시하는 평면도이며, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 A-A선 화살표 단면도다.
측정 영역(32)에서는, 금속층(52)의 표면에 복수의 통상체(45)(금속 박막에 의한 통상체, 파선 원내)가 형성되어 있다.
이와 같은 배치를 기초로 측정 영역(32)에 광이 수직 입사하면, 통상체(45)에 광이 입사하고, 통상체(45)의 내부나 주변에 전계가 발생된다. 통상체(45)를 갖는 금속층(52)에 입사한 광은, 통상체(45)의 내부 및 주변에서 전계를 발생시키고, 그 전계와 금속층(52) 내부의 자유 전자의 고유 진동이 결합됨으로써, 국재형 SPR이 발생된다. 따라서, 금속층(52)에 입사한 광의 에너지가 국재형 SPR에 의해 통상체(45)에 집중되고, 금속층(52)에 입사한 광의 일부가 흡수된다.
그 결과, 광검출기(33)에서 수광한 광으로부터 구한 반사율 또는 투과율은 임의의 특정한 파장(공명 파장)에서 작아진다. 이 특정한 파장은, 검사 시료 용액의 굴절률에 따라 변화되기 때문에, 반사율의 극소점의 파장 또는 그 변화를 조사함으로써 검사 시료 용액에 포함되는 유전체 물질의 굴절률이나 종류 등을 검사할 수 있다.
또한, 특정한 단백질을 특이적으로 결합시키는 항체 등을 사용함으로써, 검사 시료 용액에 포함되는 특정한 단백질의 유무나 함유량 등을 검사할 수 있다.
또한, 이와 같은 측정 영역(32)에서, 통상체(45)의 구경이나 깊이는 균일하게 맞춰져 있어도 되고, 불균일해도 된다.
(IV) 구조체의 제조 방법
본 발명에 관한 구조체의 제조 방법은, 적어도 (i) 액체 도포 공정과, (ii) 광 조사 공정을 포함하는 방법이다. 이하의 설명에서는, (i) 액체 도포 공정과, (ii) 광 조사 공정과, (iii) 구조체의 형의 제조 공정과, (iv) 형을 사용한 구조체의 복제 공정을 포함하는 형태에 대해서 설명하지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니다.
[액체 도포 공정]
상기 액체 도포 공정은, 광 응답성 재료 위에 입자상 물질 비함유 액체를 도포하는 공정이다.
여기서, 광 응답성 재료는 "(I) 구조체"에서 예시한 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 "입자상 물질 비함유 액체"란, 입자상의 물질을 실질적으로 함유하지 않는 액체를 의미한다. "입자상의 물질"이란, 액체 중에서 입자상의 고체를 의미한다. 특히 그 평균 입경이 1nm 내지 100㎛의 범위 내의 물질을 의미하는 경우가 있다. 상기 "평균 입경"은, 1차 입자 직경의 평균 입경을 의미하고, BET법(비표면적법)에 의해 측정될 수 있다. 또한 "실질적으로 함유하지 않는다"란, 1nm 내지 100㎛의 물질을 검출할 수 있는 검출 수단(예를 들어, 입도 분포 측정기)으로 검출되지 않는 것을 의미한다.
또한, 상기 "입자상의 물질"로는, 액체 중에서 입자상의 고체로서 존재하는 물질이면 특별히 한정되지 않고, 금속 입자와 같은 강체나, 동물 세포와 같은 매우 유연한 물체를 의미한다. 상기 "입자상의 물질"로서 보다 구체적으로는, 무기 재료, 금속 재료 및 고분자 재료로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1개의 재료로 이루어지는 입자상의 물질이나, 금속 입자, 금속 산화물 입자, 반도체 입자, 세라믹 입자, 플라스틱 입자, 또는 이들 2 이상이 재료로 이루어지는(예를 들어, 2종 재료의 혼합체 또는 중층 구조체) 입자상의 물질이 예시된다.
상기 금속 입자로는, 예를 들어 금, 은, 구리, 알루미늄, 백금 등을 들 수 있다. 금속 산화물 입자로는, 예를 들어 실리카, 산화 티탄, 산화 주석, 산화 아연 등을 들 수 있다. 플라스틱 입자로는, 예를 들어 폴리스티렌 입자, 아크릴 입자 등을 들 수 있다.
본 공정에서 사용하는 "액체"로는, 물, 메탄올이나 에탄올 등의 알코올, 테트라히드로푸란(THF), 클로로포름, 시클로헥사논이나 아세톤 등의 광 응답성 재료를 용해할 수 있는 유기 용매나, 물과 상기 유기 용매의 혼합물을 들 수 있다.
액체의 도포 방법으로는 특별히 한정되는 것이 아니고, 스포이트 등으로 간단히 첨가하기만 하는 것이어도 좋으며, 또한, 스핀 코트법, 스프레이법, 딥 코팅법 등의 공지의 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서는, 액체를 도포한 후, 상기 액체 상에 필름 또는 판 형상 물질을 놓고 액체의 두께를 일정하게 유지하는 조작을 행해도 된다. 상기 필름 또는 판 형상 물질은 투명하거나 불투명해도 된다.
또한, 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에서는, 상기 액체 도포 공정 전에, 기판(예를 들어, 유리, 아크릴 수지, 비정질 탄소, 결정 규소, 다결정 규소, 비정질 규소 등으로 이루어지는 기판)의 표면에 광 응답성 재료의 막을 형성하는 공정("광 응답성 재료막 형성 공정"이라고 함)이 포함되어 있어도 된다. 광 응답성 재료막 형성 공정은 예를 들어 광 응답성 재료를 적당한 유기 용매(테트라히드로푸란(THF), 클로로포름, 시클로헥사논이나 아세톤 등의 광 응답성 재료를 용해할 수 있는 유기 용매)에 용해한 용액을, 스핀 코트법, 스프레이법, 딥 코팅법 등의 공지의 방법에 의해, 상술한 기판 위에 도포함으로써 행해질 수 있다.
또한 상기의 방법에 의해 형성된 광 응답성 재료의 막은, 어닐링되어도 된다. 상기 "어닐링"이란, 광 응답성 재료의 막 중에 포함되어 있는 용매를 가열함으로써 휘발시키는 프로세스를 말한다. 어닐링의 가열 온도로는, 적절하게 바람직한 조건이 채용될 수 있다. 어닐링의 가열 온도는 예를 들어 광 응답성 재료의 유리 전이점 전후이어도 되고 실온 부근이어도 된다. 또한 어닐링은 대기압 조건하에서 행해지거나, 또는 감압 조건하에서 행해져도 된다.
상기와 같이 해서 형성된 광 응답성 재료의 막은, 바로 상기 액체 도포 공정이 실시되어도 되고, 잠시 방치된 후에 액체 도포 공정이 실시되어도 된다. 방치할 때의 분위기 온도는, 실온이거나 실온 이상이거나, 또는 실온 이하이어도 된다. 또한 필요에 따라서 습도가 제어된 조건하에서 방치되어도 된다.
도 14에 어닐링 시간과 형성되는 통상체의 프로파일의 관계를 검토한 결과를 도시한다. 도 14의 (a), (b), (c)는, 광 응답성 재료막 형성 공정 후의 광 응답성 재료를 각각 진공 조건하에 80℃에서 10분, 60분, 20시간, 어닐링했을 때에 생기는 구조체의 AFM 사진이다. 어닐링 시간이 길어지면 길어질수록, 통상체의 개구부의 구경이 작아져, 따개비체의 내벽의 수평면에 대한 각도가 수직에 가까워지는(즉 절구통으로 되는) 경향이 나타났다. 또한 데이터는 생략하지만, 상기 액체 도포 공정까지의 방치 시간이 길어지면 길어질수록, 어닐링 시간이 길어지면 길어질수록 통상체의 개구부의 구경이 작아져, 따개비체의 내벽의 수평면에 대한 각도가 수직에 가까워지는(즉 절구통으로 되는) 경향이 나타났다. 따라서, 어닐링 시간이나 방치 시간을 제어함으로써, 구조체의 프로파일을 제어할 수 있는 가능성이 시사되었다.
[광 조사 공정]
광 조사 공정은, 상기 액체 도포 공정에 의해 액체가 도포된 광 응답성 재료에 대하여 광을 조사하는 공정이다. 바꿔 말하면, 입자상 물질 비함유 액체(이하, 적절하게 "액체"라고 함)를 광 응답성 재료의 표면에 도포한 후, 액체가 건조될 때까지의 동안에 광 조사를 행하는 공정이다.
또한 상기 액체 도포 공정 후의 광 응답성 재료를, 도포된 액체가 완전하게 증발하지 않을 정도로 건조시킨 후에, 광 조사 공정을 행해도 된다. 광 조사시의 광 응답성 재료 위로 존재하는 액체의 잔존량을 제어함으로써, 구조체의 형상(통상체의 개구부의 구경, 통상체의 밀도, 통상체의 높이, 통상체의 오목부의 깊이 등)을 제어할 수 있다. 건조 방법은 특별히 한정되는 것이 아니고, 액체 도포 공정 후의 광 응답성 재료를 건조로 내에 넣어 가열해도 되고, 드라이어 등으로 바람 건조시켜도 되고, 감압에 의한 건조를 행해도 되고, 또한 자연 건조시켜도 된다.
상기 광 조사의 시간은, 얻고자 하는 구조의 형상이나, 광의 종류나 강도에 맞춰서 적절하게 조정하면 된다. 또한, 광의 조사 방향도 특별히 한정되지는 않고, 광 응답성 재료의 이면(액체가 도포되지 않은 측)에서 광을 조사해도 되고, 액체가 도포된 측에서 광 조사해도 된다.
도 16 내지 18을 사용해서 광 조사 공정의 일 실시 형태를 설명한다. 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니다. 도 16은, 슬라이드 유리 기판 위에 광 응답성 재료막(아조벤젠 중합체 박막)이 형성되고, 또한 그 위에 액체가 도포되어 있다. 슬라이드 유리의 아조벤젠 중합체 박막과 면하지 않은 면에는 알루미늄제의 마스크(원형의 구멍이 구비되고 있음)가 접하고 있다. LED 램프로부터의 광은 간이 집광 렌즈로 집광되어, 알루미늄제의 마스크의 구멍을 통과해서 아조벤젠 중합체 박막에 조사된다. 그리고, 아조벤젠 중합체 박막의 광이 조사되어 있는 영역에 통상체가 형성된다. 도 16에 도시된 형태는, 기판측에서 광이 조사되는 형태다.
도 17은, 슬라이드 유리(커버) 위에 액체를 도포하고, 스페이서(예를 들어 슬라이드 유리편)가 놓여져 있다. 그리고 슬라이드 유리 기판 위에 광 응답성 재료막(아조벤젠 중합체 박막)이 형성된 기판을, 아조벤젠 중합체가 액체와 접촉하도록 스페이서 위에 둔다. 슬라이드 유리(커버)의 액체와 면하지 않은 면에는 알루미늄제의 마스크(원형의 구멍이 구비되어 있음)가 접하고 있다. LED 램프로부터의 광은 간이 집광 렌즈로 집광되어, 알루미늄제의 마스크의 구멍을 통과해서 액체-아조벤젠 중합체 박막의 순서대로 조사된다. 그리고, 아조벤젠 중합체 박막의 광이 조사되어 있는 영역에 통상체가 형성된다. 도 17에 도시된 형태는, 액체측에서 광이 조사되는 형태다.
또한, 액체측에서 아조벤젠 중합체 박막에 광이 조사되는 형태는, 도 18에 도시하는 바와 같은 형태이어도 된다. 즉, 슬라이드 유리 기판 위에 광 응답성 재료막(아조벤젠 중합체 박막)이 형성된 기판에 대하여, 간이 집광 렌즈로 집광된 LED 램프로부터의 광을 조사해도 된다.
또한, 광의 조사 시간을 짧게 함으로써, 도 15에 도시하는 바와 같이, 땅속에 묻힌 타이어의 일부를 지상으로 끌어낸 듯한 형상(바꾸어 말하면, 초생달 형상)의 구조체를 제작하는 것이 가능해진다. 본 발명은, 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에 의해 제조된 구조체를 모두 포함하기 때문에, 상기 초생달 형상의 구조체도 본 발명의 범위에 포함된다. 여기서 도 15의 (a)는 광 조사 1초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (b)는 광 조사 5초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (c)는 광 조사 10초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (d)는 광 조사 15초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (e)는 광 조사 25초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (f)는 광 조사 30초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (g)는 광 조사 45초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (h)는 광 조사 60초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이며, (i)는 광 조사 300초 후에 생기는 구조체의 AFM 상이다. 도 15의 (a) 내지 (d)까지에서, 특히 초생달 형상의 구조가 관찰된다.
조사하는 광으로는, 광 변형을 일으키는 재료와의 조합에 있어서 미스 매칭이 없는 한, 전파 광, 근접장 광, 또는 에바네센트 광 등의 임의의 조사광을 이용할 수 있다. 전파 광으로는, 자연광, 레이저 광 등을 이용할 수 있다. 전파 광, 근접장 광, 또는 에바네센트 광으로서 그 편광 특성을 이용할 수 있다.
조사광의 파장이나 광원은 한정되지 않지만, 파장에 관해서는, 광 변형을 일으키는 재료의 흡수 효율이 높은 파장이 바람직하다. 따라서, 자외광(파장 300 내지 400nm)이 바람직하지만, 가시광(파장 400 내지 600nm)을 조사해도 된다. 가시광을 조사하는 경우에는, 가시광의 조사에 의해 상기 고체의 광 고정화가 가능한 광 응답성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 첨두 출력이 높은 펄스 광을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 광 조사 공정은, 액체 도포 공정 후에 바로 실시되어도 되고, 잠시 방치된 후에 광 조사 공정이 실시되어도 된다. 방치할 때의 분위기 온도는, 실온하이거나 실온 이상이거나, 또는 실온 이하이어도 된다. 또한 필요에 따라서 습도가 제어된 조건하에서 방치되어도 된다.
[코로나 방전 처리 공정]
본 발명에 관한 구조체의 제조 방법에는, 광 조사 공정 후에 코로나 방전 처리를 행하는 공정(코로나 방전 처리 공정)이 포함되어 있어도 된다. 코로나 방전 처리를 행함으로써 원하는 구조체를 얻을 수 있다. 예를 들어, 코로나 방전 처리에 의해, 통상체의 융기 부분의 높이를 보다 높게 할 수 있다. 코로나 방전 처리 방법은 일반적인 코로나 방전 처리 방법을 사용할 수 있다(예를 들어, 문헌[Optics Letters, Vol.26, No.1, January 1, 2001, "Diffraction efficiency increase by corona discharge in photoinduced surface relief gratings on an azo polymer film"] 참조). 또한, 원하는 구조가 얻어지도록, 코로나 방전의 강도, 처리 시간을 조절하면 된다.
코로나 방전 처리 공정 자체는 원하는 구조를 얻기 위해서, 필요에 의해 코로나 방전 처리를 행하면 되며, 코로나 방전 처리를 할 필요가 없으면 행하지 않아도 된다.
[구조체의 형의 제조 공정]
구조체의 형의 제조 공정이란, 상기 광 조사 공정에 의해 얻어진 구조체(이하, 제1 구조체라고 함)의 표면을 완전히 덮도록 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 도포하고, 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 경화한 후 박리함으로써, 제1 구조체의 형이 되는 제2 구조체를 제조하는 공정이다.
상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지로는, 일반적으로 사용되는 수지를 사용할 수 있지만, 열경화형 수지에 대해서는, 광 응답성 재료의 유리 전이 온도보다 낮은 열경화 온도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 바람직한 열경화성 수지로는, 실리콘 수지, 특히 폴리디메틸실록산이나, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 디알릴프탈레이트 수지, 폴리우레탄, 폴리이미드 등이 사용 가능하고, 광경화성 수지로는 실리콘 수지, 폴리이미드, 아크릴계 수지 등이 사용 가능하다. 또한 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지에는, 굴절률을 조정한 수지(예를 들어, 무기 나노 입자, 유기 나노 입자, 또는 금속 나노 입자를 함유한 중합체 재료나, 분극율이 큰 원소(인, 유황, 셀렌 등)를 포함하는 원자단을 포함하도록 분자 설계가 된 중합체 재료)도 이용 가능하다. 상기 굴절률을 조정한 수지를 사용함으로써, 금속을 증착했을 때의 국재 표면 플라즈몬 공명 전장의 증폭 효과가 보다 커진다(경향이 있다)는 장점이 있다. 또한 본 발명에서는 광경화성 수지로는, 광을 흡수해서 경화하는 수지뿐만 아니라, 아조벤젠 중합체와 같이 광을 흡수해서 유동성이 증가하여, 광을 차단함으로써 경화하는 것도 포함하는 의미다. 따라서 본 공정에서 아조벤젠 중합체도 사용할 수 있다. 아조벤젠 중합체를 사용함으로써, 가시광 파장 영역에서의 굴절률이 높기 때문에, 금속을 증착했을 때의 국재 표면 플라즈몬 공명 전장의 증폭 효과가 보다 커진다는 장점이 있다.
또한, 열경화성 수지 및 광경화성 수지를 본 공정에 사용할 경우, 거품이 수지에 발생하는 경우가 있기 때문에, 수지를 구조체에 도포한 전후에 탈포 공정을 행하는 것이 바람직하다. 탈포 공정은, 예를 들어 경화 전의 수지를 감압하에 둠으로써 행해진다. 다음의 복제 공정에서도 동일하게 탈포 공정이 행해지는 것이 바람직하다.
[형을 사용한 구조체의 복제 공정]
형(제2 구조체)을 사용한 구조체의 복제 공정은, 상기 제2 구조체에서의 제1 구조체의 형이 되는 부분에, 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 충전하고, 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 경화한 후 박리함으로써, 제1 구조체의 복제물인 제3 구조체를 얻는 공정이다.
구체적으로는, 상기 제2 구조체의 표면에, 광(자외선) 경화 수지 또는 열경화형 수지를 도포하고, 광(자외선)을 조사 또는 열을 가해서 경화시킨 후, 상기 수지를 박리시킴으로써 광 응답성 재료 표면에 형성한 형상과 거의 동일한 형상을 갖는 본 실시 형태에 관한 구조체(제3 구조체)를 얻을 수 있다. 또한, 아조벤젠 중합체를 광경화성 수지로서 사용했을 경우에는, 상기 제2 구조체의 표면에, 광을 조사해서 연화시킨 아조벤젠 중합체를 도포하고, 그 후, 광의 조사를 멈춤으로써 경화시켜도 된다.
또한, 복제물에 상기하는 제3 구조체는, 광 응답성 재료 표면에 형성된 구조체와 완전히 동일한 경우뿐만 아니라, 전사율의 대소에 따라, 얻어지는 구조체의 형상이 상이한 경우도 있지만, 평면부, 통상체면 내의 배치 패턴은 거의 마찬가지가 된다.
또한 상술한 설명에서는, "구조체의 형의 제조 공정"과, "형을 사용한 구조체의 복제 공정"을 포함하는 경우에 대해서 설명했지만, 이것에 한정되는 것이 아니다. 이들 공정을 행하지 않고, 액체 도포 공정과 광 조사 공정으로 구조체를 제작해도 된다.
단, 본 실시 형태와 같이, 형을 제조하고, 상기 형에 의해, 광 응답성 재료 표면에 형성한 구조체를 복제하는 경우에는, 구조체를 구성하는 재료가 광 응답성 재료에 한정되지 않으며, 또한 용이하게 양산할 수 있기 때문에, 특히 효과가 크다. 즉, 형을 사용한 구조체의 복제 공정을 복수회 반복해서 행함으로써, 용이하게 구조체를 양산할 수 있다고 할 수 있다.
또한, 상기에서는 광 응답성 재료를 사용한 제조 방법에 대해서 설명했지만, 열 응답성 재료를 사용한 제조 방법에 대해서는 실시예 7이 참조된다.
(V) 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법
본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법은, 본 실시 형태에 관한 구조체의 상술한 제조 방법에 의해 구조체를 제조하는 공정과, 상기 공정에서 얻어진 구조체의 표면을 금속으로 피복해서 상기 구조체의 형상이 반영된 형상을 갖는 금속층을 형성하는 공정을 포함한다.
[구조체를 제조하는 공정]
구조체를 제조하는 공정은, "(IV) 구조체의 제조 방법"에서 기재한 방법에 의해 구조체를 제조하는 공정이다. 따라서, 이 공정의 설명은 "(IV) 구조체의 제조 방법"의 설명을 원용할 수 있다.
[금속층을 형성하는 공정]
금속층을 형성하는 공정이란, 상기 구조체를 제조하는 공정에서 얻어진 구조체의 표면을 금속으로 피복해서 상기 구조체의 형상이 반영된 형상을 갖는 금속층을 형성하는 공정이다. 금속층의 형성은, 예를 들어 스퍼터링법, 증착법 등의 공지의 방법에 의해 행할 수 있다.
또한, 스퍼터링이나 증착에 의해 퇴적시키는 금속층의 두께가 얇은 경우에는, 센서용 칩의 표면 전체면에 금속층이 형성되지 않을 경우도 일어날 수 있는데, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는, 그러한 경우에도 국재형 표면 플라즈몬 공명 현상은 유기된다.
[국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법의 예]
이하, 도 4에 의해, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법의 일례에 대해서 상세하게 설명한다. 단 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니다. 또한, 이하의 설명은 구조체의 제조 방법의 실시 형태의 설명으로서도 일부 참작될 수 있다.
우선, 투명 기판(46) 위에 스핀 코터 등에 의해 광 응답성 재료의 용액을 도포하여, 광 응답성 재료로 이루어지는 층(광 응답성 재료층)(48)을 형성한다(도 4의 (a) 참조).
다음으로, 입자상 물질 비함유 액체(물 등)(54)를, 광 응답성 재료층(48) 위에 적하한다(도 4의 (b) 참조). 소정의 광을 투명 기판(46)측에서 조사한 후(도 4의 (c) 참조), 광 응답성 재료층(48)을 자연 건조시켜서 통상체를 갖는 기판(49)을 제작한다(도 4의 (d) 참조).
계속해서, 기판(49) 위에 열경화성 수지를 적하해서, 열풍 오븐 중에 방치하여 경화한 후, 박리시켜서 통상체의 역전사 형상을 갖는 열경화성 수지 기판(50)을 제작한다(도 4의 (e) 참조). 그리고, 자외선 경화 수지를 열경화성 수지 기판(50) 위에 적하하고, 광 경화 후에 박리시켜서 통상체를 갖는 투명 기판(51)을 제작한다.
이와 같이 하여 얻어진 통상체를 갖는 투명 기판(51)의 표면에, 스퍼터링에 의해 Au, Ag 등의 금속을 퇴적시켜서 통상의 형상을 반영하도록 금속층(52)을 성막하여, 도 4의 (f)와 같은 센서용 칩(53)의 기판 부분을 얻을 수 있다.
또한, 통상체를 갖는 투명 기판(51)의 표면과 금속층(52)의 밀착성이 불충분할 경우에는, 통상체를 갖는 투명 기판(51)과 금속층(52)의 사이에 Ti, Cr 등의 밀착층을 설치해도 된다.
또한, 반사광의 광량을 충분히 얻기 위해서는, 금속층(52)의 두께는 10nm 이상인 것이 바람직하다. 단, 금속층(52)이 너무 두꺼우면, 입사광이 투과하지 못하게 되어버리거나 비용이나 제작 처리량이 좋지 않기 때문에, 현실적으로는 10 내지 100nm 정도의 막 두께가 바람직하다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법에서는, 일단 제조된 광 응답성 재료상의 통상체를 구비하는 구조체에, 열 또는 광 경화 수지를 도포하여 경화 후에 박리시킴으로써, 용이하게 구조체의 형이 되는 구조체를 대량으로 생산할 수 있다.
그리고, 얻어진 형이 되는 구조체에, 열 또는 광경화성 수지를 더 도포하여 박리시킴으로써 광 응답성 재료상의 표면 형상과 동일한 형상을 갖는 구조체를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법에서는, 대규모적인 장치는 필요 없기 때문에, 설비 투자액이 거의 들지 않고, 양산성이 우수하므로, 고정밀도의 센서용 칩을 저비용으로 생산할 수 있다.
또한, 상술한 설명에서는, 광 응답성 재료를 도포하는 기판으로서 투명 기판(46)을 사용했을 경우에 대해서 설명했지만, 이것에 한정되는 것이 아니다. 광을 광 응답성 재료측에 조사하는 경우에는, 투광성이 없는 기판을 사용할 수도 있다.
또한, 상술한 설명에서는, 최종적으로 얻어지는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 기판으로서 투명 기판(51)을 사용하고 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니다. 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩으로 투과율을 측정하지 않을 경우에는, 투광성이 없는 기판을 사용할 수도 있다.
나아가, 상술한 설명에서는, 열경화성 수지를 사용해서 구조체의 형을 제작하고, 그 후, 상기 형에 자외선 경화성 수지를 도포해서 최종적인 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 기판을 제작하는 경우에 대해서 설명했지만, 이것에 한정되는 것이 아니다. 자외선 경화성 수지 등의 광경화성 수지를 사용해서 구조체의 형을 제작하고, 그 후, 상기 형에 열경화성 수지를 도포해서 최종적인 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 기판을 제작해도 되며, 어느 쪽이든 자외선 경화성 수지 등의 광경화성 수지를 사용해도 되고, 어느 쪽이든 열경화성 수지를 사용해도 된다. 또한 아조벤젠 중합체도 구조체의 형의 제작, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 기판의 제작에 이용할 수 있다.
또한, 지금까지의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서는 금속 나노 미립자를 기판 위에 고정화하기 위해, 기판 표면을 화학 수식해야만 해서, 금속 나노 미립자 고정화 공정이 번잡하여, 효율적으로 제조하는 것이 어려웠다. 이에 대해, 본 실시 형태에 관한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법에서는, 금속층을 연속적으로 형성할 수 있으므로 효율적으로 제조할 수 있다. 즉, 광 응답성 재료 위에 액체를 적하하고, 광 이성화에 수반하는 물질 이동이 유기되는 파장의 광을 조사하거나 해서 얻어지는, 평면부 및 통상체를 구비한 기판 위에, 증착, 스패터 등의 프로세스에서 금속막을 형성함으로써, 평면부 및 통상체를 구비한 형상을 효율적으로 형성할 수 있다.
또한, 최근, 서브 마이크론에서 수십 나노미터 크기의 미소한 오목부 또는 볼록부를 형성하는 방법으로서 나노 임프린트법이 널리 사용되고 있다. 그러나, 나노 임프린트법에서는, 스탬퍼나 임프린트 장치가 필요해서, 양산성이 우수하다고는 하지만, 초기 설비 투자액이 높기 때문에, 저비용으로 생산할 수 있다고는 할 수 없다. 또한, 스탬퍼에는 오목부 또는 볼록부 중 어느 한쪽만이 형성되어 있으며, 볼록부 및 오목부 양쪽을 함께 구비한 스탬퍼의 제작은 어렵고, 서브 마이크론 정도의 크기로 되면 스탬퍼로부터의 이형성이 나쁘기 때문에, 나노 임프린트법으로는 복잡한 형상을 생산하는 것이 곤란하다.
또한, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서는, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 사용해서 공지의 방법에 의해 제조할 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.
[실시예 1: 구조체의 제조-1]
광 응답성 재료로서, 상술한 POT1을 사용하여, 상기 아조 중합체 유도체 박막(두께 100nm)을 스핀 코트법으로 유리 기판 위에 형성했다.
형성된 아조 중합체 유도체 박막에 대하여 어닐링(150℃에서 10분(상압))을 행했다.
상기 아조 중합체 유도체 박막 위에 순수 1cc를 적하한 후, 파장 470nm의 광을 40mW/cm2의 강도로 5분간 조사했다.
조사한 후 순수를 제거하고, 광 조사 후의 아조 중합체 유도체 박막을 바람 건조한 후에, 표면을 AFM으로 관찰했다. 그 결과를 도 5에 도시한다.
얻어진 구조체에서의 통상체는, 평균 구경이 690nm, 깊이(평균값)가 180nm, 통상체의 개구부의 내경(A)과 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.78이었다. 또한 얻어진 구조체의 통상체의 평면부에서의 분산 밀도는, 100㎛ 사방당 25,000개이었다.
얻어진 구조체 표면에, 진공 증착법에 의해 100nm 두께의 금을 증착하여 센서용 칩을 제작했다. 상기 센서용 칩의 투과 스펙트럼을 측정한 결과, 플라즈몬 공명 유래의 흡수 피크가 보였다. 표면에 굴절률이 서로 다른 액체(물, 트리에틸렌글리콜)를 각각 적하하고, 투과 스펙트럼 측정을 행하여, 피크 톱의 값으로 정규화한 그래프를 도 6에 도시한다.
센서용 칩 표면의 액체의 굴절률에 대한 투과 스펙트럼의 피크 시프트량의 변화율을 산출해서 센서용 칩의 감도를 측정한 결과, 154RIU(Refractive Index Unit)이었다. 따라서, 본 실시예에 관한 센서용 칩은, 투과형인 동시에, 고감도의 플라즈몬 공명 센서인 것을 알 수 있었다.
[실시예 2: 구조체의 제조-2]
투명 기판 위에 스핀 코터에 의해, 광 응답성 재료인 실시예 1에서 사용한 물질과 동일한 아조 중합체 유도체 POT1을 50nm의 두께로 도포해서 아조 중합체 유도체 박막을 형성했다.
형성된 아조 중합체 유도체 박막에 대하여 어닐링(150℃에서 10분(상압))을 행했다.
상기 아조 중합체 유도체 박막 위에 순수 1cc를 적하한 후, 파장 470nm의 광을 30mW/cm2의 강도로 5분간 조사했다.
조사한 후 순수를 제거하고, 광 조사 후의 아조 중합체 유도체 박막을 바람 건조한 후에, 표면을 AFM으로 관찰했다. 그 결과를 도 7에 도시한다.
얻어진 구조체에서의 통상체는, 평균 구경이 350nm, 깊이(평균값)가 170nm, 통상체의 개구부의 내경(A)과 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.20이었다. 또한 얻어진 구조체의 통상체의 평면부에서의 분산 밀도는, 100㎛ 사방당 70,000개이었다.
얻어진 구조체 표면에, 진공 증착법에 의해 100nm 두께의 금을 증착하여 센서용 칩을 제작했다. 상기 센서용 칩의 투과 스펙트럼을 측정한 결과, 플라즈몬 공명 유래의 흡수 피크가 보였다. 센서용 칩의 표면에 굴절률이 서로 다른 액체(물, 폴리디메틸실록산, 트리에틸렌글리콜, 글리세롤디글리시딜)를 각각 적하하고, 투과 스펙트럼 측정을 행하여, 피크 톱의 값으로 정규화한 그래프를 도 8에 도시한다. 또한, 횡축에 센서용 칩 위에 적하한 액체의 굴절률을, 종축에 플라즈몬 공명흡수 유래의 스펙트럼의 피크 파장의 시프트량을 취한 그래프를 도 9에 도시한다. 도 9의 데이터에 대해서 직선 근사하고, 직선의 기울기로부터 센서용 칩의 감도를 산출한 결과, 204RIU가 되었다. 따라서, 본 실시예에 관한 센서용 칩은 투과형인 동시에 고감도의 플라즈몬 공명 센서인 것을 알 수 있었다.
[실시예 3: 구조체의 제조-3]
실시예 2와 마찬가지로 하여 구조체의 제조를 행했다. 이때에 형성된 구조체 중 임의로 선택된 4개의 구조체의 프로파일을 측정했다(실험 Lot No.302-1).
광 조사하기 전에 어닐링(150℃에서 10분(상압))한 후, 12시간 실온에서 방치한 것 외에는, 실험 Lot No.302-1과 마찬가지로 했다. 이때에 형성된 구조체 중 임의로 선택된 2개의 구조체의 프로파일을 측정했다(실험 Lot No.303-1).
이들의 결과를 표 1에 나타낸다.
본 발명은 상술한 각 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 청구항에 나타낸 범위에서 다양한 변경이 가능하며, 서로 다른 실시 형태에 각각 개시된 기술적 수단을 적절하게 조합해서 얻어지는 실시 형태에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
[실시예 4: 센서 칩을 사용한 바이오 센싱-1]
광 응답성 재료로서, 상술한 POT1을 사용하여, 상기 아조 중합체 유도체 박막(두께 50nm)을, 유리 기판을 클로로포름 용매 중에서 1분간 초음파 세정한 후에, 스핀 코트법으로 상기 유리 기판 위에 형성했다.
형성된 아조 중합체 유도체 박막에 대하여 어닐링(150℃에서 10분(상압))을 행했다.
상기 아조 중합체 유도체 박막 위에 순수 1cc를 적하한 후, 파장 470nm의 광을 40mW/cm2의 강도로 5분간 조사했다.
조사한 후 순수를 제거하고, 광 조사 후의 아조 중합체 유도체 박막을 바람 건조했다.
얻어진 구조체 표면에, 진공 증착법에 의해 100nm 두께의 금을 증착하여 센서용 칩을 제작했다. 상기 센서용 칩의 임의인 개소에 대해서 단면 구조를 단면 TEM법으로 관찰한 결과를 도 19 내지 25에 도시한다. 도 19는 센서용 칩의 평면 SEM 상이며, 도 20은, 도 19에 도시되는 센서용 칩의 P-P' 단면 TEM 상이며, 도 21은 도 19에 도시되는 센서용 칩의 Q-Q' 단면 TEM 상이며, 도 22는 도 19에 도시되는 센서용 칩의 R-R' 단면 TEM 상이며, 도 23은 도 19에 도시되는 센서용 칩의 S-S' 단면 TEM 상이며, 도 24는 도 19에 도시되는 센서용 칩의 T-T' 단면 TEM 상이며, 도 25는 도 19에 도시되는 센서용 칩의 U-U' 단면 TEM 상이다. 또한, 도 20 내지 25에 기판, 통상체, 금속층을 각각 표시한다.
도 20에 도시된 통상체의 프로파일을 AFM으로 측정한 결과, 깊이가 176nm, 통상체의 개구부의 내경(A)(587nm)과 통상체의 개구부에서의 깊이의 중간점에서의 내경(B)(529nm)의 비(A/B)가 1.11이었다.
또한 도 21에 도시된 통상체의 프로파일을 AFM으로 측정한 결과, 깊이가 128nm, 통상체의 개구부의 내경(A)(503nm)과 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)(423nm)의 비(A/B)가 1.19이었다.
또한, 도 22에 도시된 통상체의 프로파일을 AFM으로 측정한 결과, 깊이가 148nm, 통상체의 개구부의 내경(A)(498nm)과 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)(385nm)의 비(A/B)가 1.29이었다.
또한 도 23에 도시된 통상체의 프로파일을 AFM으로 측정한 결과, 깊이가 137nm, 통상체의 개구부의 내경(A)(394nm)과 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)(319nm)의 비(A/B)가 1.23이었다.
또한 도 24에 도시된 통상체의 프로파일을 AFM으로 측정한 결과, 깊이가 136nm, 통상체의 개구부의 내경(A)(418nm)과 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)(297nm)의 비(A/B)가 1.40이었다.
또한 도 25에 도시된 통상체의 프로파일을 AFM으로 측정한 결과, 깊이가 208nm, 통상체의 개구부의 내경(A)(930nm)과 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)(809nm)의 비(A/B)가 1.15이었다.
상기에서 얻어진 센서용 칩 표면에, C 반응성 단백(CRP)의 항체를 1μg/ml의 농도로 고정화한 후, 1μg/mL의 농도의 소 혈청 알부민(BSA)으로 블로킹을 실시했다. 10pg/mL, 100pg/mL, 1ng/mL의 각 농도의 CRP 항원 용액(용매:pH7.4의 인산 완충 생리 식염수)을 준비하고, 우선 10pg/mL의 농도의 CRP 항원 용액을 센서 칩 표면에 적하하고, CRP의 항원 항체 반응을 행했다(반응 시간:15분간). 그 후, 센서 칩 표면을 인산 완충 생리 식염수 및 순수로 세정한 뒤, 센서 칩의 투과 스펙트럼을 측정했다. 그 결과, 항원을 반응시키지 않은 경우(이하, "블랭크"라고 함), 피크 파장은 642.1nm이었던 것에 반해, 항원을 반응시켰을 경우 피크 파장은 642.8nm가 되어, 피크 파장이 0.7nm 장파장측으로 시프트되어 있었다(도 26을 참조).
다음으로, 100pg/mL의 CRP 항원 용액을 센서 칩 표면에 적하하고, 마찬가지로 항원 항체 반응 후의 센서 칩 표면의 투과 스펙트럼을 계측한 결과, 피크 파장은 643.3nm가 되어, 블랭크에 비해 1.2nm 장파장측으로 시프트되어 있었다(도 26을 참조).
또한, 1ng/mL의 CRP 항원 용액을 센서 칩 표면에 적하하고, 마찬가지로 항원 항체 반응 후의 센서 칩 표면의 투과 스펙트럼을 계측한 결과, 피크 파장은 644.1nm가 되어, 블랭크에 비해 1.9nm 장파장측으로 시프트되어 있었다(도 26을 참조).
따라서, 본 실시예의 센서 칩을 사용함으로써, 10pg/mL라는 매우 저농도에서도 CRP를 검출할 수 있음을 알 수 있었다.
또한, CRP는 염증성 질환의 마커로서 알려져 있다.
[실시예 5: 센서 칩을 사용한 바이오 센싱-2]
실시예 4와 마찬가지로 하여 얻어진 센서 칩을 사용해서 혈액 응고 인자인 피브리노겐의 검출을 행했다.
상기에서 얻어진 센서용 칩 표면에, 피브리노겐 항체를 1μg/ml의 농도로 고정화한 후, 1μg/mL의 농도의 소 혈청 알부민(BSA)으로 블로킹을 실시했다. 10pg/mL, 100pg/mL, 1ng/mL의 각 농도의 피브리노겐 항원 용액(용매:pH7.4의 인산 완충 생리 식염수)을 준비하고, 우선 10pg/mL의 농도의 CRP 항원 용액을 센서 칩 표면에 적하하고, 피브리노겐의 항원 항체 반응을 행했다(반응 시간:15분간). 그 후, 센서 칩 표면을 인산 완충 생리 식염수 및 순수로 세정한 뒤, 센서 칩의 투과 스펙트럼을 측정했다. 그 결과, 항원을 반응시키지 않은 경우(이하, "블랭크"라고 함), 피크 파장은 662.0nm이었던 것에 반해, 항원을 반응시켰을 경우 피크 파장은 663.5nm가 되어, 피크 파장이 1.5nm 장파장측으로 시프트되어 있었다(도 27을 참조).
다음으로, 100pg/mL의 피브리노겐 항원 용액을 센서 칩 표면에 적하하고, 마찬가지로 항원 항체 반응 후의 센서 칩 표면의 투과 스펙트럼을 계측한 결과, 피크 파장은 665.5nm가 되어, 블랭크에 비해 3.5nm 장파장측으로 시프트되어 있었다(도 27을 참조).
또한, 1ng/mL의 CRP 항원 용액을 센서 칩 표면에 적하하고, 마찬가지로 항원 항체 반응 후의 센서 칩 표면의 투과 스펙트럼을 계측한 결과, 피크 파장은 667.0nm가 되어, 블랭크에 비해 5nm 장파장측으로 시프트되어 있었다(도 27을 참조).
따라서, 본 실시예의 센서 칩을 사용함으로써, 10pg/mL라는 매우 저농도에서도 피브리노겐을 검출할 수 있음을 알 수 있었다.
[실시예 6: 센서 칩을 사용한 바이오 센싱-3]
실시예 4와 마찬가지로 하여 얻어진 센서 칩을 사용해서 당뇨병의 마커인 렙틴의 검출을 행했다.
상기에서 얻어진 센서용 칩 표면에, 렙틴 항체를 1μg/ml의 농도로 고정화한 후, 1μg/mL의 농도의 소 혈청 알부민(BSA)으로 블로킹을 실시했다. 100pg/mL, 10ng/mL의 각 농도의 렙틴 항원 용액(용매:pH7.4의 인산 완충 생리 식염수)을 준비하고, 우선 100pg/mL의 농도의 렙틴 항원 용액을 센서 칩 표면에 적하하고, 렙틴의 항원 항체 반응을 행했다(반응 시간:15분간). 그 후, 센서 칩 표면을 인산 완충 생리 식염수 및 순수로 세정한 뒤, 센서 칩의 투과 스펙트럼을 측정했다. 그 결과, 항원을 반응시키지 않은 경우(이하, "블랭크"라고 함), 피크 파장은 653.0nm이었던 것에 반해, 항원을 반응시켰을 경우 피크 파장은 668.0nm가 되어, 피크 파장이 1.5nm 장파장측으로 시프트되어 있었다(도 28을 참조).
다음으로, 10ng/mL의 렙틴 항원 용액을 센서 칩 표면에 적하하고, 마찬가지로 항원 항체 반응 후의 센서 칩 표면의 투과 스펙트럼을 계측한 결과, 피크 파장은 689.5nm가 되어, 블랭크에 비해 3.0nm 장파장측으로 시프트되어 있었다(도 28을 참조).
따라서, 본 실시예의 센서 칩을 사용함으로써, 100pg/mL라는 매우 저농도에서도 렙틴을 검출할 수 있음을 알 수 있었다.
[실시예 7: 어택틱 폴리스티렌을 사용했을 경우의 구조체 및 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조예]
열 응답성 재료로서 어택틱 폴리스티렌(분자량:2,000g/mol)을 사용했다.
기판(실리콘 웨이퍼) 위에 2중량% 어택틱 폴리스티렌-톨루엔 용액을 스핀 코트하여 박막을 형성했다(박막 두께:10nm).
상기 박막이 형성된 기판을 공기 분위기하에 70℃에서 60분간 가열하여 어닐링을 행했다.
상기에서 얻어진 구조체의 통상체의 프로파일을 AFM으로 측정한 결과, 깊이가 17nm, 통상체의 개구부의 내경(A)(647nm)과 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)(539nm)의 비(A/B)가 1.20이었다.
상기에 의해 얻어진 구조체에 얻어진 구조체 표면에, 진공 증착법에 의해 100nm 두께의 금을 증착하여, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 제작했다.
이 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서의 전계 집중 강도를, FDTD(Finite Difference Time Domain)법에 의해 시뮬레이션했다.
그 결과를 도 29에 도시한다. 도 29에 따르면, 본 실시예에서 얻어진 구조체에 의해 제작된 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서 전장이 증폭되는 것이 확인되어(도 29의 원으로 둘러싸인 부분 참조), 확실히 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩으로서 이용할 수 있음이 나타났다. 또한 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 구성하는 구조체의 재료는 특별히 한정되는 것이 아니라는 것도 확인되었다.
본 발명은 고감도의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용의 칩 등에 바람직하게 사용 가능한 구조체 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다는 효과를 발휘한다.
따라서, 본 발명은 예를 들어 바이오센서를 사용하는 산업 등에 바람직하게 이용될 수 있다.
18 : 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서
19 : 기판 20 : 금속층
21 : 직선 편광 22 : 전계
24 : 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서(국재 SPR 센서)
25 : 광원 26 : 콜리메이터 렌즈
27 : 콜리메이터판 28 : 빔 스플리터
29 : 분광기
30 : 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩(국재 SPR 센서용 칩)
31 : 데이터 처리 장치 32 : 측정 영역
33 : 광검출기
34 : 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서(국재 SPR 센서)
45 : 통상체 46 : 투명 기판(기판)
48 : 광 응답성 재료층
49 : 통상체를 갖는 기판(구조체, 제1 구조체)
50 : 열경화성 수지 기판(구조체의 형, 제2 구조체)
51 : 투명 기판(제3 구조체) 52 : 금속층
53 : 센서용 칩
19 : 기판 20 : 금속층
21 : 직선 편광 22 : 전계
24 : 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서(국재 SPR 센서)
25 : 광원 26 : 콜리메이터 렌즈
27 : 콜리메이터판 28 : 빔 스플리터
29 : 분광기
30 : 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩(국재 SPR 센서용 칩)
31 : 데이터 처리 장치 32 : 측정 영역
33 : 광검출기
34 : 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서(국재 SPR 센서)
45 : 통상체 46 : 투명 기판(기판)
48 : 광 응답성 재료층
49 : 통상체를 갖는 기판(구조체, 제1 구조체)
50 : 열경화성 수지 기판(구조체의 형, 제2 구조체)
51 : 투명 기판(제3 구조체) 52 : 금속층
53 : 센서용 칩
Claims (26)
- 평면부와 통상체를 구비하고,
상기 평면부의 평면에 대하여 개구부가 면하도록 통상체가 수직으로 설치되어 이루어지고,
상기 통상체의 개구부의 평균 내경이 5nm 이상 2,000nm 이하의 범위 내이며,
상기 통상체의 개구부의 내경(A)과, 상기 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.00 이상 1.80 이하의 범위 내이며,
상기 통상체의 저부가 비구면인 것을 특징으로 하는 구조체. - 제1항에 있어서, 상기 (A/B)가 1.00 이상 1.50 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 구조체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 통상체의 평면부에서의 분산 밀도는 100㎛ 사방당 1개 이상 50만개 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조체는 자극 응답성 재료로 이루어지는 구조체.
- 제4항에 있어서, 상기 자극 응답성 재료는 열 응답성 재료 또는 광 응답성 재료인 구조체.
- 제4항에 있어서, 상기 자극 응답성 재료는 광 응답성 재료인 구조체.
- 제6항에 있어서, 상기 광 응답성 재료는 아조 중합체 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체.
- 제6항에 있어서, 상기 광 응답성 재료는 아조벤젠기를 주쇄 및/또는 측쇄에 갖는 아조 중합체 유도체인 것을 특징으로 하는 구조체.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 구조체가 기판 위에 형성되어 있고,
상기 구조체 표면의 적어도 일부를 덮으며, 상기 구조체의 구조를 반영하도록 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩. - 평면부와 통상체를 구비하고,
상기 평면부의 평면에 대하여 개구부가 면하도록 통상체가 수직으로 설치되어 이루어지고,
상기 통상체의 개구부의 평균 내경이 5nm 이상 2,000nm 이하의 범위 내이며,
상기 통상체의 개구부의 내경(A)과, 상기 통상체의 개구부로부터의 깊이의 중간점에서의 내경(B)의 비(A/B)가 1.00 이상 1.80 이하의 범위 내이며,
상기 통상체의 저부가 비구면인 구조체가 기판 위에 형성되어 있고,
상기 구조체 표면의 적어도 일부를 덮으며, 상기 구조체의 구조를 반영하도록 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩. - 제10항에 있어서, 상기 (A/B)가 1.00 이상 1.50 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 구조체는 자극 응답성 재료로 이루어지는 것인 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩.
- 제12항에 있어서, 상기 자극 응답성 재료는 열 응답성 재료 또는 광 응답성 재료인 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩.
- 제13항에 있어서, 상기 자극 응답성 재료는 광 응답성 재료인 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩.
- 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층의 두께가 10nm 이상 500nm 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩.
- 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층의 표면에, 생체 분자를 고정화하기 위한 유기 분자층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩.
- 제16항에 있어서, 상기 유기 분자층은, 금속층 표면으로부터의 길이가 50nm 이상 200nm 이하인 분자와, 금속층 표면으로부터의 길이가 1nm 이상 50nm 미만인 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩.
- 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층은 Au, Ag 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩.
- 제9항 내지 제18항 중 어느 한 항의 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩과,
상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에 광을 조사하는 광원과,
상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에 있어서 반사 또는 투과된 광을 수광하는 광검출기
를 구비하는 것을 특징으로 하는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서. - 제19항에 있어서, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 표면에 대하여, 2종류 이상의 파장의 광을 수직으로 입사시키고, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩에서 반사된 각 파장의 광의 반사율, 상기 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩을 투과한 각 파장의 투과율, 또는 이들 반사 또는 투과된 각 파장의 광 강도를 상기 광검출기로 측정하는 것을 특징으로 하는 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서.
- 광 응답성 재료 위에 입자상 물질 비함유 액체를 도포하는 액체 도포 공정과,
상기 액체 도포 공정에 의해 액체가 도포된 광 응답성 재료에 대하여 광을 조사하는 광 조사 공정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제21항에 있어서, 상기 액체가 물, 알코올, 및 광 응답성 재료를 용해시키는 유기 용매로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1개인 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법.
- (i) 광 응답성 재료 위에 입자상 물질 비함유 액체를 도포하는 액체 도포 공정과,
상기 액체 도포 공정에 의해 액체가 도포된 광 응답성 재료에 대하여 광을 조사하는 광 조사 공정을 거쳐 제1 구조체를 제조하고,
(ii) 상기 제1 구조체의 표면을 완전하게 덮도록 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 도포하고, 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 경화한 후 박리함으로써, 제1 구조체의 형(型)이 되는 제2 구조체를 제조하고,
(iii) 상기 제2 구조체에서의 제1 구조체의 형이 되는 부분에, 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 충전하고, 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 경화한 후 박리함으로써, 제1 구조체의 복제물인 제3 구조체를 얻는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제23항에 있어서, 상기 (iii)의 공정을 복수회 행하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법.
- 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항의 구조체의 제조 방법에 의해 구조체를 제조하는 공정과,
상기 공정에서 얻어진 구조체의 표면을 금속으로 피복해서 상기 구조체의 형상이 반영된 형상을 갖는 금속층을 형성하는 공정
을 포함하는 것을 특징으로 하는, 국재형 표면 플라즈몬 공명 센서용 칩의 제조 방법. - 제21항 또는 제22항의 구조체의 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 구조체.
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