WO2013157233A1 - 試料分析素子および検出装置 - Google Patents

試料分析素子および検出装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2013157233A1
WO2013157233A1 PCT/JP2013/002503 JP2013002503W WO2013157233A1 WO 2013157233 A1 WO2013157233 A1 WO 2013157233A1 JP 2013002503 W JP2013002503 W JP 2013002503W WO 2013157233 A1 WO2013157233 A1 WO 2013157233A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
metal
sample analysis
light
wavelength
pitch
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/002503
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
守 杉本
尼子　淳
秀明 小池
Original Assignee
セイコーエプソン株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by セイコーエプソン株式会社 filed Critical セイコーエプソン株式会社
Priority to CN201380020394.0A priority Critical patent/CN104321639A/zh
Priority to US14/395,243 priority patent/US9228944B2/en
Priority to EP13777779.3A priority patent/EP2840383A4/en
Publication of WO2013157233A1 publication Critical patent/WO2013157233A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/061—Sources
    • G01N2201/06113—Coherent sources; lasers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component

Definitions

  • the present invention relates to a sample analysis element including a metal nanobody such as a metal nanoparticle or a metal nanoprotrusion, and a detection apparatus using the sample analysis element.
  • a sample analysis element using localized surface plasmon resonance (LSPR) is known.
  • LSPR localized surface plasmon resonance
  • Such a sample analysis element includes, for example, a metal nanobody dispersed on a dielectric surface, that is, a metal nanostructure.
  • the metal nanostructure is formed, for example, sufficiently smaller than the wavelength of the excitation light.
  • all electric dipoles are aligned and an enhanced electric field is induced.
  • near-field light is generated on the surface of the metal nanostructure.
  • a so-called hot spot is formed.
  • Non-Patent Document 1 metal nanostructures are arranged in a lattice pattern at a predetermined pitch.
  • the pitch magnitude is set to a specific value
  • propagation surface plasmon resonance (PSPR) is caused based on the evanescent wave.
  • Propagating surface plasmon resonance couples to localized surface plasmon resonance.
  • a so-called hybrid mode is established.
  • localized surface plasmon resonance is enhanced by propagating surface plasmon resonance, and near-field light is enhanced on the surface of the metal nanostructure.
  • the sample analysis element described above can be used in a target substance detection apparatus.
  • the pitch is set at the wavelength of the evanescent wave that causes the propagation surface plasmon resonance, the surface density of the hot spots is remarkably reduced on the dielectric surface, and the target substance is very hot spot. Can not adhere to.
  • a sample analysis element capable of coupling propagation surface plasmon resonance to localized surface plasmon resonance while increasing the surface density of hot spots.
  • One aspect of the present invention includes a plurality of metal nanobody rows including a plurality of metal nanobodies arranged in one row at a first pitch smaller than the wavelength of incident light on a dielectric surface,
  • the plurality of rows of metal nanomaterials relates to a sample analysis element arranged in parallel at a second pitch larger than the first pitch.
  • the localized surface plasmon resonance is caused in the metal nanobody by the action of incident light.
  • Propagation surface plasmon resonance is caused based on the evanescent wave by the action of the pitch (second pitch) of the metal nanobody array.
  • Propagating surface plasmon resonance couples to localized surface plasmon resonance.
  • a so-called hybrid mode is established.
  • localized surface plasmon resonance is enhanced by propagating surface plasmon resonance, and near-field light is enhanced on the surface of the metal nanobody.
  • a so-called hot spot is formed.
  • the surface density of the metal nanobodies is higher than when the metal nanobodies are arranged at a pitch that resonates with incident light. It is done. Therefore, the surface density of the hot spot is increased.
  • a region not including the metal nanobody can be formed. That is, in a space partitioned by a dielectric surface and a virtual plane parallel to the dielectric surface and in contact with the top surface of the metal nanobody, the adjacent metal nanobody rows are filled with an insulator (including a space). . In other words, the metal material is excluded from between the metal nanobody rows adjacent in the space.
  • the sample analysis element can include a metal film and a dielectric that spreads on the surface of the metal film and constitutes the dielectric surface.
  • the dipole faces in the same direction between the metal of the metal film and the metal of the metal nanobody, local electric field resonance is caused, and the near-field light is enhanced on the surface of the metal nanobody.
  • the dipole faces in the opposite direction between the metal of the metal film and the metal of the metal nanobody, local electric field resonance is caused and the near-field light is intensified at the surface of the metal nanobody.
  • the second pitch establishes a primary minimum value of reflectance at a wavelength shorter than the resonance wavelength of localized surface plasmon resonance generated in the metal nanobody, and the resonance wavelength of localized resonance plasmon resonance It can be set to a magnitude that establishes a minimum value higher than the first order at longer wavelengths.
  • the second pitch is set in this way, the reflectance is significantly reduced at a specific wavelength.
  • the propagation surface plasmon is reliably bonded to the localized surface plasmon.
  • Near-field light is reliably enhanced on the surface of the metal nanobody.
  • the sample analysis element as described above can be used by being incorporated in the detection apparatus.
  • the detection device includes a sample analysis element, a light source that emits light toward the metal nanobody array, and a photodetector that detects light emitted from the metal nanobody array in response to the light irradiation. be able to.
  • FIG. 12 is a graph showing a dispersion relationship created based on the minimum value of the reflectance in FIGS. 5 to 11.
  • FIG. It is a graph which shows the wavelength dependence of the maximum value of an electric field strength for each model of a 3rd model, a 5th model, and a 1st and 2nd comparison model. It is a conceptual diagram which shows roughly the structure of a target molecule detection apparatus.
  • FIG. 1 schematically shows a sample analysis element 11 according to an embodiment of the present invention.
  • the sample analysis element 11 includes a substrate 12.
  • the substrate 12 is formed from a dielectric, for example.
  • glass can be used as the dielectric.
  • a metal film 13 is formed on the surface of the substrate 12.
  • the metal film 13 is made of metal.
  • the metal film 13 can be made of gold, for example.
  • the metal film 13 can be formed on the surface of the substrate 12 without interruption.
  • the film thickness of the metal film 13 can be set to about 100 nm or more, for example.
  • a dielectric film (dielectric) 14 is formed on the surface of the metal film 13.
  • the dielectric film 14 is formed from a dielectric.
  • the dielectric film 14 can be formed of an oxide film such as silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the dielectric film 14 can be formed on the entire surface of the metal film 13 without interruption.
  • the film thickness of the dielectric film 14 can be set to about 40 nm, for example.
  • Metal nanoprotrusions (metal nanobody) 15 are formed on the surface of the dielectric film 14.
  • the metal nanoprojections 15 are dispersed on the surface of the dielectric film 14.
  • the metal nanoprotrusions 15 are made of metal.
  • the metal nanoprotrusions 15 can be formed from silver, for example.
  • gold or aluminum may be used for forming the metal nanoprotrusions 15.
  • Each metal nanoprotrusion 15 is formed in a prism.
  • the horizontal cross section of the prism is formed in a square, for example.
  • the length of one side of the square can be set to about 1 to 1000 nm, for example.
  • the height of the prism (from the surface of the dielectric film) can be set to about 10 to 100 nm, for example.
  • the horizontal cross section of the prism may be formed in a polygon other than a square.
  • the metal nanoprotrusions 15 may be formed in a cylindrical or other three-dimensional shape.
  • the metal nanoprojection 15 forms a metal nanoprojection row (metal nanobody row) 16.
  • the metal nanoprojections 15 are arranged in a row on the surface of the dielectric film 14 with a short pitch SP (first pitch).
  • the metal nanoprojection row 16 extends in the first direction SD.
  • the short pitch SP is set smaller than the wavelength of incident light.
  • the metal nanoprojection rows 16 are arranged in parallel at a predetermined long pitch LP (second pitch) in the second direction DR intersecting the first direction SD.
  • the second direction DR is orthogonal to the first direction SD in one virtual plane including the surface of the dielectric film 14.
  • the long pitch LP is set larger than at least the short pitch SP.
  • the long pitch LP is set to a local plasmon resonance peak wavelength generated at the short pitch SP.
  • the size of the long pitch LP is set according to the wave number of the evanescent wave, as will be described later.
  • a nonmetallic region (region not including a metal nanobody) 17 that does not include a metal nanoprojection is formed. That is, in the space between the virtual plane including the bottom surface of the metal nanoprojection 15 and the virtual plane including the top surface of the metal nanoprojection 15, an insulator (including space) is provided between adjacent metal nanoprojection rows 16. Filled with. In other words, the metal material is excluded from between the adjacent metal nanoprojection rows 16 in the space. Here, the surface of the dielectric film 14 is exposed between the metal nanoprojection rows 16.
  • each metal nanoprotrusion 15 is set sufficiently smaller than the wavelength of incident light.
  • LSPR localized surface plasmon resonance
  • PSPR propagation surface plasmon resonance
  • Propagating surface plasmon resonance is coupled to localized surface plasmon resonance of metal nanoprotrusions 15. A so-called hybrid mode is established.
  • the localized surface plasmon resonance is enhanced by the propagation surface plasmon resonance, and the near-field light is intensified at the surface of the metal nanoprojection 15.
  • a so-called hot spot is formed.
  • the interval between the metal nanoprotrusions 15 is set to a short pitch SP smaller than the long pitch LP in each metal nanoprojection row 16, the interval between the metal nanoprojections 15 is set to the long pitch LP. Compared with the case, the surface density of the metal nanoprotrusions 15 is increased. The surface density of the hot spot is increased.
  • the long pitch LP establishes the first local minimum value of the reflectance at a wavelength shorter than the resonance wavelength of the localized surface plasmon resonance generated in the metal nanoprojection 15, and the local resonance plasmon resonance
  • the size is set to establish a minimum value higher than the first order at a wavelength longer than the resonance wavelength.
  • the present inventors verified the electric field strength of the sample analysis element 11.
  • simulation software of the FDTD (Finite-Difference Time-Domain) method was used.
  • the present inventor constructed a unit unit of a simulation model based on Yee Cell.
  • a 120 nm square metal film 13 was formed.
  • Gold was set on the metal film 13.
  • a dielectric film 14 was formed on the metal film 13.
  • Silicon dioxide (SiO 2 ) was set for the dielectric film 14.
  • the film thickness of the dielectric film 14 was set to 40 nm.
  • An 80 nm square metal nanoprotrusion 15 was formed on the dielectric film 14.
  • Silver was set on the metal nanoprotrusions 15.
  • the height of the metal nanoprotrusions 15 was set to 20 nm.
  • one row of unit units, that is, one metal nanoprojection 15 is constituted by one row of unit units, that is, metal nanoprojections 15.
  • a plurality of rows of metal nanoprojections 16 were arranged in parallel.
  • a long pitch LP was set between the metal nanoprojection rows 16 in the x-axis direction.
  • the long pitch LP was set to 240 nm, 360 nm, 480 nm, 550 nmp, 600 nm, 720 nm and 840 nm, respectively.
  • a non-metal region 17 was formed between the metal nanoprojection rows 16 by one row of void unit units.
  • the void unit was composed of 120 nm square voids.
  • the electric field strength Ex was calculated at the leading metal nanoprojection 15.
  • Linearly polarized incident light was set.
  • the polarization plane was adjusted in the x-axis direction.
  • Incident light was set at normal incidence.
  • the electric field concentrated along a ridge line orthogonal to the surface of the dielectric film 14.
  • the present inventor prepared a first comparison model.
  • the non-metallic region 17 is omitted. That is, the metal nanoprojection row 16 was not set.
  • the metal nanoprotrusions 15 are simply arranged in a lattice pattern with a short pitch SP.
  • the electric field strength Ex was calculated for one selected metal nanoprojection 15.
  • the present inventor prepared a second comparison model. In the second comparative model, a pitch of 600 nm was set between the metal nanoprojections 15 in the first direction DR and the second direction SD, respectively.
  • FIG. 4 shows the wavelength dependence of the reflectance of the first comparative model.
  • 5 to 11 show the wavelength dependence of the reflectance of the first to seventh models.
  • the minimum value that appears at a high frequency is considered that the dipole is oriented in the same direction with gold (Au) and silver (Ag), and the minimum value that appears at a frequency lower than the primary minimum value (primary value) (Corresponding to a higher high-order minimum), the gold (Au) and silver (Ag) dipoles are considered to face in opposite directions.
  • secondary minimum values were observed near wavelengths of 683 nm and 696 nm, respectively.
  • FIG. 12 shows the dispersion relation created from the minimum value of the reflectance of each model.
  • FIG. 13 similarly shows the wavelength dependence of the electric field intensity Ex.
  • the maximum value of the electric field intensity Ex is specified.
  • the third to sixth models, the first comparison model, and the second comparison model were used.
  • a maximum value larger than that of the first comparative model was observed depending on the formation of the metal nanoprojection row 16.
  • a large maximum value was observed for the fourth model and the fifth model relative to the first comparative model and the second comparative model.
  • the surface density of the metal nanoprojections 15 is higher in the fourth model and the fifth model than in the second comparative model.
  • the long pitch LP of the fourth model and the fifth model is the first local minimum value of the reflectance at a wavelength shorter than the resonance wavelength of the localized surface plasmon resonance generated in the metal nanoprotrusion 15. And a size that establishes a minimum value higher than the first order at a wavelength longer than the resonance wavelength of the localized resonance plasmon resonance.
  • the sample analysis element 11 can be manufactured by a known manufacturing method. That is, a glass wafer is prepared for manufacturing the sample analysis element 11. A gold film and a silicon dioxide film are sequentially laminated on the surface of the glass wafer. For the lamination, for example, a plating method or a sputtering method may be used. On the surface of the silicon dioxide film, a laminated film is formed of the material of the metal nanoprotrusions 15 over the entire surface. On the surface of the laminated film, a mask that imitates the metal nanoprotrusions 15 is formed. For example, a photoresist may be used for the mask. When the laminated film is removed around the mask, the individual metal nanoprojections 15 are formed from the laminated film. An etching process and a milling process should just be implemented in such shaping
  • FIG. 14 schematically shows a target molecule detection device (detection device) 31 according to one embodiment.
  • the target molecule detection device 31 includes a sensor unit 32.
  • An introduction passage 33 and a discharge passage 34 are individually connected to the sensor unit 32.
  • Gas is introduced into the sensor unit 32 from the introduction passage 33.
  • the gas is discharged from the sensor unit 32 to the discharge passage 34.
  • a filter 36 is installed at the passage inlet 35 of the introduction passage 33.
  • the filter 36 can remove dust and water vapor in the gas.
  • a suction unit 38 is installed at the passage outlet 37 of the discharge passage 34.
  • the suction unit 38 is constituted by a blower fan.
  • the gas flows through the introduction passage 33, the sensor unit 32, and the discharge passage 34 in order.
  • Shutters (not shown) are installed before and after the sensor unit 32 in such a gas flow path. Gas can be confined in the sensor unit 32 according to the opening / closing of the shutter.
  • the target molecule detection device 31 includes a Raman scattered light detection unit 41.
  • the Raman scattered light detection unit 41 detects the Raman scattered light by irradiating the sensor unit 32 with the irradiation light.
  • a light source 42 is incorporated in the Raman scattered light detection unit 41.
  • a laser light source can be used as the light source 42.
  • the laser light source can emit linearly polarized laser light at a specific wavelength (single wavelength).
  • the Raman scattered light detection unit 41 includes a light receiving element 43.
  • the light receiving element 43 can detect the intensity of light, for example.
  • the light receiving element 43 can output a detection current according to the intensity of light. Therefore, the intensity of light can be specified according to the magnitude of the current output from the light receiving element 43.
  • An optical system 44 is constructed between the light source 42 and the sensor unit 32 and between the sensor unit 32 and the light receiving element 43.
  • the optical system 44 forms an optical path between the light source 42 and the sensor unit 32 and simultaneously forms an optical path between the sensor unit 32 and the light receiving element 43.
  • the light of the light source 42 is guided to the sensor unit 32 by the action of the optical system 44.
  • the reflected light of the sensor unit 32 is guided to the light receiving element 43 by the action of the optical system 44.
  • the optical system 44 includes a collimator lens 45, a dichroic mirror 46, an objective lens 47, a condenser lens 48, a concave lens 49, an optical filter 51, and a spectroscope 52.
  • the dichroic mirror 46 is disposed between the sensor unit 32 and the light receiving element 43, for example.
  • the objective lens 47 is disposed between the dichroic mirror 46 and the sensor unit 32.
  • the objective lens 47 collects the parallel light supplied from the dichroic mirror 46 and guides it to the sensor unit 32.
  • the reflected light of the sensor unit 32 is converted into parallel light by the objective lens 47 and passes through the dichroic mirror 46.
  • a condensing lens 48, a concave lens 49, an optical filter 51, and a spectroscope 52 are disposed between the dichroic mirror 46 and the light receiving element 43.
  • the optical axes of the objective lens 47, the condensing lens 48, and the concave lens 49 are coaxially adjusted.
  • the light condensed by the condenser lens 48 is converted again into parallel light by the concave lens 49.
  • the optical filter 51 removes Rayleigh scattered light.
  • the Raman scattered light passes through the optical filter 51.
  • the spectroscope 52 selectively transmits light having a specific wavelength.
  • the light receiving element 43 detects the light intensity for each specific wavelength.
  • an etalon can be used for the spectroscope 52.
  • the optical axis of the light source 42 is orthogonal to the optical axes of the objective lens 47 and the condenser lens 48.
  • the surface of the dichroic mirror 46 intersects these optical axes at an angle of 45 degrees.
  • a collimator lens 45 is disposed between the dichroic mirror 46 and the light source 42. Thus, the collimator lens 45 is opposed to the light source 42.
  • the optical axis of the collimator lens 45 is coaxially aligned with the optical axis of the light source 42.
  • the target molecule detection device 31 includes a control unit 53.
  • the control unit 53 is connected to the light source 42, the spectroscope 52, the light receiving element 43, the suction unit 38, and other devices.
  • the control unit 53 controls the operation of the light source 42, the spectroscope 52, and the suction unit 38 and processes the output signal of the light receiving element 43.
  • a signal connector 54 is connected to the control unit 53.
  • the control unit 53 can exchange signals with the outside through the signal connector 54.
  • the target molecule detection device 31 includes a power supply unit 55.
  • the power supply unit 55 is connected to the control unit 53.
  • the power supply unit 55 supplies operating power to the control unit 53.
  • the control unit 53 can operate by receiving power from the power supply unit 55.
  • a primary battery or a secondary battery can be used.
  • the secondary battery can have a power connector 56 for charging, for example.
  • the control unit 53 includes a signal processing control unit.
  • the signal processing control unit can be constituted by, for example, a central processing unit (CPU) and a storage circuit such as a RAM (Random Access Memory) and a ROM (Read Only Memory).
  • a processing program and spectrum data can be stored in the ROM.
  • the spectrum data identifies the Raman scattered light spectrum of the target molecule.
  • the CPU executes the processing program while temporarily fetching the processing program and spectrum data into the RAM.
  • the CPU compares the spectrum data with the spectrum of light specified by the action of the spectroscope and the light receiving element.
  • the sensor unit 32 includes a sensor chip 11.
  • the sensor chip 11 is opposed to the substrate 58.
  • a gas chamber 59 is formed between the sensor chip 11 and the substrate 58.
  • the gas chamber 59 is connected to the introduction passage 33 at one end and to the discharge passage 34 at the other end.
  • the metal nanoprotrusions 15 are disposed in the gas chamber 59.
  • Light emitted from the light source 42 is converted into parallel light by the collimator lens 45.
  • the linearly polarized light is reflected by the dichroic mirror 46.
  • the reflected light is collected by the objective lens 47 and irradiated to the sensor unit 32. At this time, the light can be incident in a vertical direction orthogonal to the surface of the sensor chip 11. So-called normal incidence can be established.
  • the plane of polarization of light is aligned with the convex stripes 14 in parallel.
  • Localized surface plasmon resonance is caused in the metal nanoprotrusions 15 by the action of the irradiated light.
  • Near-field light is intensified between the metal nanoprojections 15. A so-called hot spot is formed.
  • the light emitted from the sensor unit 32 is converted into parallel light by the objective lens 47 and passes through the dichroic mirror 46, the condenser lens 48, the concave lens 49 and the optical filter 51.
  • the Raman scattered light is incident on the spectroscope 52.
  • the spectroscope 52 separates the Raman scattered light.
  • the light receiving element 43 detects the light intensity for each specific wavelength.
  • the spectrum of light is checked against the spectral data.
  • the target molecule can be detected.
  • the target molecule detection device 31 can detect a target substance such as adenovirus, rhinovirus, HIV virus, or influenza virus based on the surface enhanced Raman scattering.
  • Sample analysis element 13 metal film, 14 dielectric (dielectric film), 15 metal nanobody (metal nanoprojection), 16 metal nanobody array (metal nanoprojection array), 17 region not containing metal nanobody (nonmetal) Area), 31 detector (target molecule detector), 42 light source, 43 photodetector (light receiving element), LP second pitch (long pitch), SP first pitch (short pitch).

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

　ホットスポットの面密度を高めつつ局在表面プラズモン共鳴に伝播表面プラズモン共鳴を結合させることができる試料分析素子が提供される。　試料分析素子１１は複数列の金属ナノ体列１６を備える。個々の金属ナノ体列１６は、入射光の波長よりも小さい第１のピッチＳＰで誘電体表面に１列に配列される複数の金属ナノ体１５を含む、複数列の金属ナノ体列１６は、第１のピッチＳＰよりも大きい第２のピッチＬＰで並列に並べられる。

Description

試料分析素子および検出装置
　本発明は、金属ナノ粒子や金属ナノ突起といった金属ナノ体を備える試料分析素子、および、そうした試料分析素子を利用した検出装置等に関する。
　局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を利用した試料分析素子は知られる。こうした試料分析素子は例えば誘電体表面に分散する金属ナノ体すなわち金属ナノ構造を備える。金属ナノ構造は例えば励起光の波長よりも十分に小さく形成される。金属ナノ粒子に励起光が照射されると、全電気双極子が揃い増強電場が誘発される。その結果、金属ナノ構造の表面で近接場光が生成される。いわゆるホットスポットが形成される。
　非特許文献１では金属ナノ構造は所定のピッチで格子状に配置される。ピッチの大きさが特定の数値に設定されると、エバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は局在表面プラズモン共鳴に結合する。いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、金属ナノ構造の表面で近接場光は強められる。
Ｙｉｚｈｕｏ　Ｃｈｕ外著，「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｌｏｃａｌｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎｓ」，ＯＰＴＩＣＳ　ＬＥＴＴＥＲＳ，米国，２００９年２月１日，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．３，ｐ．２４４－２４６
　前述の試料分析素子は標的物質の検出装置に利用されることができる。非特許文献１に開示されるように、伝播表面プラズモン共鳴を引き起こすエバネッセント波の波長でピッチが設定されると、誘電体表面上でホットスポットの面密度が著しく低下し、標的物質がなかなかホットスポットに付着することができない。
　本発明の少なくとも１つの態様によれば、ホットスポットの面密度を高めつつ局在表面プラズモン共鳴に伝播表面プラズモン共鳴を結合させることができる試料分析素子は提供されることができる。
　（１）本発明の一態様は、誘電体表面に、入射光の波長よりも小さい第１のピッチで１列に配列される複数の金属ナノ体を含む複数列の金属ナノ体列を備え、前記複数列の金属ナノ体列は、前記第１のピッチよりも大きい第２のピッチで並列に並べられる試料分析素子に関する。
　入射光の働きで金属ナノ体では局在表面プラズモン共鳴が引き起こされる。金属ナノ体列のピッチ（第２のピッチ）の働きでエバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は局在表面プラズモン共鳴に結合する。いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、金属ナノ体の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。しかも、個々の金属ナノ体列内には複数の金属ナノ体が配置されることから、金属ナノ体単体が入射光に共鳴するピッチで配置される場合に比べて金属ナノ体の面密度は高められる。したがって、ホットスポットの面密度は高められる。
　（２）前記金属ナノ体列同士の間には、金属ナノ体を含まない領域が形成されることができる。すなわち、誘電体表面と、誘電体表面に平行で金属ナノ体の頂上面に接する仮想平面とで仕切られる空間内では隣接する金属ナノ体列同士の間は絶縁体（空間を含む）で満たされる。言い換えると、当該空間内で隣接する金属ナノ体列同士の間から金属材料は排除される。
　（３）試料分析素子は、金属膜と、前記金属膜の表面に広がって、前記誘電体表面を構成する誘電体とを備えることができる。金属膜の金属と金属ナノ体の金属との間でダイポールが同じ方向を向くと、局所的な電場共鳴が引き起こされ、金属ナノ体の表面で近接場光は強められる。同様に、金属膜の金属と金属ナノ体の金属との間でダイポールが反対向きに向くと、局所的な電場共鳴が引き起こされ、金属ナノ体の表面で近接場光は強められる。
　（４）前記第２のピッチは、前記金属ナノ体で生じる局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長よりも短い波長で反射率の１次極小値を確立し、かつ、局在共鳴プラズモン共鳴の共鳴波長よりも長い波長で１次よりも高次の極小値を確立する大きさに設定されることができる。このように第２のピッチが設定されると、特定の波長で反射率は著しく低減される。その結果、局在表面プラズモンに確実に伝播表面プラズモンが結合する。金属ナノ体の表面で確実に近接場光は強められる。
　（５）以上のような試料分析素子は検出装置に組み込まれて使用されることができる。検出装置は、試料分析素子と、前記金属ナノ体列に向けて光を放出する光源と、前記光の照射に応じて前記金属ナノ体列から放射される光を検出する光検出器とを備えることができる。
本発明の一実施形態に係る試料分析素子を概略的に示す斜視図である。 シミュレーションモデルの単位ユニットを示す（ａ）平面図、および（ｂ）側面図である。 シミュレーションモデルの（ａ）本実施形態に係るモデル、（ｂ）第１比較モデル、および（ｃ）第２比較モデルの平面図である。 第１比較モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第１モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第２モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第３モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第４モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第５モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第６モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第７モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 図５～図１１の反射率の極小値に基づき作成された分散関係を示すグラフである。 第３モデル、第５モデル並びに第１および第２比較モデルの各モデルごとに電場強度の最大値の波長依存性を示すグラフである。 標的分子検出装置の構成を概略的に示す概念図である。
　以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
（１）試料分析素子の構造
　図１は本発明の一実施形態に係る試料分析素子１１を概略的に示す。この試料分析素子１１は基板１２を備える。基板１２は例えば誘電体から形成される。誘電体には例えばガラスが使用されることができる。
　基板１２の表面には金属膜１３が形成される。金属膜１３は金属から形成される。金属膜１３は例えば金から形成されることができる。金属膜１３は例えば基板１２の表面に一面に途切れなく形成されることができる。金属膜１３の膜厚は例えば１００ｎｍ程度以上に設定されることができる。
　金属膜１３の表面には誘電膜（誘電体）１４が形成される。誘電膜１４は誘電体から形成される。誘電膜１４は例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）といった酸化膜から形成されることができる。誘電膜１４は例えば金属膜１３の表面に全面に途切れなく形成されることができる。誘電膜１４の膜厚は例えば４０ｎｍ程度に設定されることができる。
　誘電膜１４の表面には金属ナノ突起（金属ナノ体）１５が形成される。金属ナノ突起１５は誘電膜１４の表面で分散する。金属ナノ突起１５は金属から形成される。金属ナノ突起１５は例えば銀から形成されることができる。その他、金属ナノ突起１５の形成にあたって金またはアルミニウムが用いられてもよい。個々の金属ナノ突起１５は角柱に形成される。角柱の水平断面は例えば正方形に形成される。正方形の一辺の長さは例えば１～１０００ｎｍ程度に設定されることができる。角柱の高さ（誘電膜の表面から）は例えば１０～１００ｎｍ程度で設定されることができる。角柱の水平断面は正方形以外の多角形に形成されてもよい。金属ナノ突起１５は円柱その他の立体形状に形成されてもよい。
　金属ナノ突起１５は金属ナノ突起列（金属ナノ体列）１６を形成する。個々の金属ナノ突起列１６内で金属ナノ突起１５は短ピッチＳＰ（第１のピッチ）で誘電膜１４の表面に１列に配列される。金属ナノ突起列１６は第１方向ＳＤに延びる。短ピッチＳＰは入射光の波長よりも小さく設定される。
　金属ナノ突起列１６は第１方向ＳＤに交差する第２方向ＤＲに所定の長ピッチＬＰ（第２のピッチ）で並列に並べられる。ここでは、第２方向ＤＲは誘電膜１４の表面を含む１仮想平面内で第１方向ＳＤに直交する。長ピッチＬＰは少なくとも短ピッチＳＰよりも大きく設定される。望ましくは、長ピッチＬＰは、短ピッチＳＰで生じる局在プラズモン共鳴ピーク波長程度に設定される。長ピッチＬＰの大きさは、後述されるように、エバネッセント波の波数に応じて設定される。
　金属ナノ突起列１６同士の間には、金属ナノ突起を含まない非金属領域（金属ナノ体を含まない領域）１７が形成される。すなわち、金属ナノ突起１５の底面を含む仮想平面と、金属ナノ突起１５の頂上面を含む仮想平面とに挟まれる空間内では隣接する金属ナノ突起列１６同士の間は絶縁体（空間を含む）で満たされる。言い換えると、当該空間内で隣接する金属ナノ突起列１６同士の間から金属材料は排除される。ここでは、金属ナノ突起列１６同士の間では誘電膜１４の表面が露出する。
　試料分析素子１１では、個々の金属ナノ突起１５の大きさは入射光の波長よりも十分に小さく設定される。その結果、入射光の働きで金属ナノ突起１５では局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が引き起こされる。加えて、入射光の偏光面が第２方向ＤＲに合わせ込まれると、長ピッチＬＰの設定に応じて、エバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は金属ナノ突起１５の局在表面プラズモン共鳴に結合する。いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、金属ナノ突起１５の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。しかも、個々の金属ナノ突起列１６内では金属ナノ突起１５同士の間隔は長ピッチＬＰよりも小さい短ピッチＳＰに設定されることから、金属ナノ突起１５同士の間隔が長ピッチＬＰで設定される場合に比べて金属ナノ突起１５の面密度は高められる。ホットスポットの面密度は高められる。
　この試料分析素子１１では、長ピッチＬＰは、金属ナノ突起１５で生じる局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長よりも短い波長で反射率の１次極小値を確立し、かつ、局在共鳴プラズモン共鳴の共鳴波長よりも長い波長で１次よりも高次の極小値を確立する大きさに設定される。このように長ピッチＬＰが設定されると、特定の波長で反射率は著しく低減される。その結果、局在表面プラズモンに伝播表面プラズモンが確実に結合する。金属ナノ突起１５の表面で確実に近接場光は強められる。
（２）電場強度の検証
　本発明者は試料分析素子１１の電場強度を検証した。検証にあたってＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｔｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ）法のシミュレーションソフトウェアが利用された。図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、本発明者はＹｅｅ　Ｃｅｌｌに基づきシュミレーションモデルの単位ユニットを構築した。この単位ユニットでは１２０ｎｍ角の金属膜１３が形成された。金属膜１３には金が設定された。金属膜１３上に誘電膜１４が形成された。誘電膜１４には二酸化シリコン（ＳｉＯ２）が設定された。誘電膜１４の膜厚は４０ｎｍに設定された。誘電膜１４上に８０ｎｍ角の金属ナノ突起１５が形成された。金属ナノ突起１５には銀が設定された。金属ナノ突起１５の高さ（誘電膜１４の表面から）は２０ｎｍに設定された。
　図３（ａ）に示されるように、１列の単位ユニットすなわち金属ナノ突起１５で１つの金属ナノ突起列１６が構成された。複数列の金属ナノ突起列１６が平行に並べられた。ｘ軸方向に金属ナノ突起列１６の間に長ピッチＬＰが設定された。第１～第７モデルでは長ピッチＬＰは２４０ｎｍ、３６０ｎｍ、４８０ｎｍ、５５０ｎｍｐ、６００ｎｍ、７２０ｎｍおよび８４０ｎｍにそれぞれ設定された。その結果、金属ナノ突起列１６同士の間には１列の空隙単位ユニットで非金属領域１７が形成された。空隙単位ユニットは１２０ｎｍ角の空隙で構成された。先頭の金属ナノ突起１５で電場強度Ｅｘが算出された。周辺屈折率ｎｓ＝１が設定された。直線偏光の入射光が設定された。偏光面はｘ軸方向に合わせられた。入射光は垂直入射に設定された。金属ナノ突起１５では誘電膜１４の表面に直交する稜線に沿って電場が集中した。
　図３（ｂ）に示されるように、本発明者は第１比較モデルを用意した。第１比較モデルでは非金属領域１７は省略された。すなわち、金属ナノ突起列１６は設定されなかった。単純に金属ナノ突起１５が短ピッチＳＰで格子状に配置された。前述と同様に、選択された１つの金属ナノ突起１５で電場強度Ｅｘが算出された。同様に、図３（ｃ）に示されるように、本発明者は第２比較モデルを用意した。第２比較モデルでは金属ナノ突起１５同士の間に第１方向ＤＲおよび第２方向ＳＤにそれぞれ６００ｎｍのピッチが設定された。
　図４は第１比較モデルの反射率の波長依存性を示す。図５～図１１は第１～第７モデルの反射率の波長依存性を示す。局所的な電場共鳴が起こると、反射率の低下が観察される。高い周波数で現れる極小値（１次極小値に相当）では金（Ａｕ）および銀（Ａｇ）でダイポールが同じ方向に向くと考えられ、１次極小値よりも低い周波数で現れる極小値（１次よりも高い高次の極小値に相当）では金（Ａｕ）および銀（Ａｇ）のダイポールが反対向きに向くと考えられる。図５および図６に示されるように、第１モデルおよび第２モデルでは波長６８３ｎｍおよび６９６ｎｍ付近でそれぞれ２次極小値が観察された。図７～９に示されるように、第３～第５モデルでは波長５５５ｎｍ、５９０ｎｍおよび６２０ｎｍで１次極小値が観察され波長７１５ｎｍ、７３０ｎｍおよび７４５ｎｍで２次極小値が観察された。第３モデルでは波長７１５ｎｍで反射率はほぼ「０（ゼロ）」を示した。第４モデルでは波長５９０ｎｍおよび７３０ｎｍでそれぞれ反射率はほぼ「０」に近づいた。第５モデルでは波長６２０ｎｍで反射率はほぼ「０」を示した。
　図１２は各モデルの反射率の極小値から作成された分散関係を示す。複数の長ピッチＬＰに共通に現れる波長（＝６８３ｎｍ）は局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長に相当する。なぜならば、分散関係の傾きは伝搬プラズモンの移動速度を示し、第１モデル（ＬＰ＝２４０ｎｍ）で高次の極小値を示す角周波数の傾きは０（ゼロ）を示し、同様に、第６モデル（ＬＰ＝７２０ｎｍ）および第７モデル（ＬＰ＝８４０ｎｍ）で１次極小値を示す角周波数の傾きは０（ゼロ）を示すからである。局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長は金属ナノ突起１５の体積や誘電膜１４の膜厚に応じて決定されることができる。また、各々の長ピッチＬＰごとに局在表面プラズモンの共鳴波長（＝６８３ｎｍ）以外で反射率の極小値を示す波長は主に伝搬表面プラズモンと考えられる。単位面積当たりで金属ナノ突起１５の並びが増加するにつれて金属ナノ突起１５間の相互作用が増加し共鳴波長がレッドシフトつまり長波長側へシフトした結果である。共鳴ピーク波長の長波長化またはレッドシフトは金属ナノ突起１５群間の相互作用の強さを示す。この波長６８３ｎｍと金Ａｕ（ｎｓ＝１）の伝播表面プラズモン共鳴の分散関係曲線とに基づき非特許文献１と同様にＡｎｔｉ－Ｃｒｏｓｓｉｎｇ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ（ハイブリッドモードの指標として知られる）が観察された。
　図１３は同様に電場強度Ｅｘの波長依存性を示す。ここでは、電場強度Ｅｘの最大値が特定された。最大値の算出にあたって第３～第６モデル、第１比較モデルおよび第２比較モデルが用いられた。図１３から明らかなように、第３～第５モデルでは金属ナノ突起列１６の形成に応じて第１比較モデルに比べて大きな最大値が観察された。特に、第４モデルおよび第５モデルは第１比較モデルおよび第２比較モデルに対して大きな最大値が観察された。このとき、第４モデルおよび第５モデルでは第２比較モデルに比べて金属ナノ突起１５の面密度は高いことが認められる。第４モデルおよび第５モデルの長ピッチＬＰは、図８および図９から明らかなように、金属ナノ突起１５で生じる局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長よりも短い波長で反射率の１次極小値を確立し、かつ、局在共鳴プラズモン共鳴の共鳴波長よりも長い波長で１次よりも高次の極小値を確立する大きさに相当する。
（３）試料分析素子の製造方法
　試料分析素子１１は既知の製造方法で製造されることができる。すなわち、試料分析素子１１の製造にあたってガラスウエハーが用意される。ガラスウエハーの表面には金膜および二酸化シリコン膜が順番に積層される。積層にあたって例えばめっき法やスパッタリング法が用いられればよい。二酸化シリコン膜の表面には一面に金属ナノ突起１５の素材で積層膜が形成される。積層膜の表面には金属ナノ突起１５を象ったマスクが形成される。マスクには例えばフォトレジストが用いられればよい。マスクの周囲で積層膜が除去されると、積層膜から個々の金属ナノ突起１５は成形される。こうした成形にあたってエッチング処理やミリング処理が実施されればよい。ガラスウエハーから個々の基板１２が切り出される。
（４）一実施形態に係る検出装置
　図１４は一実施形態に係る標的分子検出装置（検出装置）３１を概略的に示す。標的分子検出装置３１はセンサーユニット３２を備える。センサーユニット３２には導入通路３３と排出通路３４とが個別に接続される。導入通路３３からセンサーユニット３２に気体は導入される。センサーユニット３２から排出通路３４に気体は排出される。導入通路３３の通路入口３５にはフィルター３６が設置される。フィルター３６は例えば気体中の塵埃や水蒸気を除去することができる。排出通路３４の通路出口３７には吸引ユニット３８が設置される。吸引ユニット３８は送風ファンで構成される。送風ファンの作動に応じて気体は導入通路３３、センサーユニット３２および排出通路３４を順番に流通する。こうした気体の流通経路内でセンサーユニット３２の前後にはシャッター（図示されず）が設置される。シャッターの開閉に応じてセンサーユニット３２内に気体は閉じ込められることができる。
　標的分子検出装置３１はラマン散乱光検出ユニット４１を備える。ラマン散乱光検出ユニット４１は、センサーユニット３２に照射光を照射しラマン散乱光を検出する。ラマン散乱光検出ユニット４１には光源４２が組み込まれる。光源４２にはレーザー光源が用いられることができる。レーザー光源は特定波長（単一波長）で直線偏光のレーザー光を放射することができる。
　ラマン散乱光検出ユニット４１は受光素子４３を備える。受光素子４３は例えば光の強度を検出することができる。受光素子４３は光の強度に応じて検出電流を出力することができる。したがって、受光素子４３から出力される電流の大きさに応じて光の強度は特定されることができる。
　光源４２とセンサーユニット３２との間、および、センサーユニット３２と受光素子４３との間には光学系４４が構築される。光学系４４は光源４２とセンサーユニット３２との間に光路を形成すると同時にセンサーユニット３２と受光素子４３との間に光路を形成する。光学系４４の働きで光源４２の光はセンサーユニット３２に導かれる。センサーユニット３２の反射光は光学系４４の働きで受光素子４３に導かれる。
　光学系４４はコリメーターレンズ４５、ダイクロイックミラー４６、対物レンズ４７、集光レンズ４８、凹レンズ４９、光学フィルター５１および分光器５２を備える。ダイクロイックミラー４６は例えばセンサーユニット３２と受光素子４３との間に配置される。対物レンズ４７はダイクロイックミラー４６とセンサーユニット３２との間に配置される。対物レンズ４７はダイクロイックミラー４６から供給される平行光を集光してセンサーユニット３２に導く。センサーユニット３２の反射光は対物レンズ４７で平行光に変換されダイクロイックミラー４６を透過する。ダイクロイックミラー４６と受光素子４３との間には集光レンズ４８、凹レンズ４９、光学フィルター５１および分光器５２が配置される。対物レンズ４７、集光レンズ４８および凹レンズ４９の光軸は同軸に合わせ込まれる。集光レンズ４８で集光された光は凹レンズ４９で再び平行光に変換される。光学フィルター５１はレイリー散乱光を除去する。ラマン散乱光は光学フィルター５１を通過する。分光器５２は例えば特定波長の光を選択的に透過させる。こうして受光素子４３では特定波長ごとに光の強度が検出される。分光器５２には例えばエタロンが用いられることができる。
　光源４２の光軸は対物レンズ４７および集光レンズ４８の光軸に直交する。ダイクロイックミラー４６の表面はこれら光軸に４５度の角度で交差する。ダイクロイックミラー４６と光源４２との間にはコリメーターレンズ４５が配置される。こうしてコリメーターレンズ４５は光源４２に向き合わせられる。コリメーターレンズ４５の光軸は光源４２の光軸に同軸に合わせ込まれる。
　標的分子検出装置３１は制御ユニット５３を備える。制御ユニット５３に、光源４２、分光器５２、受光素子４３、吸引ユニット３８、その他の機器が接続される。制御ユニット５３は、光源４２、分光器５２および吸引ユニット３８の動作を制御するとともに、受光素子４３の出力信号を処理する。制御ユニット５３には信号コネクター５４が接続される。制御ユニット５３は信号コネクター５４を通じて外部と信号をやりとりすることができる。
　標的分子検出装置３１は電源ユニット５５を備える。電源ユニット５５は制御ユニット５３に接続される。電源ユニット５５は制御ユニット５３に動作電力を供給する。制御ユニット５３は電源ユニット５５から電力の供給を受けて動作することができる。電源ユニット５５には例えば１次電池や２次電池が用いられることができる。２次電池は、例えば、充電用の電源コネクター５６を有することができる。
　制御ユニット５３は信号処理制御部を備える。信号処理制御部は例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）やＲＯＭ（リードオンリーメモリー）といった記憶回路で構成されることができる。ＲＯＭには例えば処理プログラムやスペクトルデータが格納されることができる。スペクトルデータでは標的分子のラマン散乱光のスペクトルが特定される。ＣＰＵは、一時的にＲＡＭに処理プログラムやスペクトルデータを取り込みながら、処理プログラムを実行する。ＣＰＵは、スペクトルデータに、分光器および受光素子の働きで特定される光のスペクトルを照らし合わせる。
　センサーユニット３２はセンサーチップ１１を備える。センサーチップ１１は基板５８に向き合わせられる。センサーチップ１１と基板５８との間には気体室５９が形成される。気体室５９は一端で導入通路３３に接続され他端で排出通路３４に接続される。気体室５９内に金属ナノ突起１５が配置される。光源４２から放出される光はコリメーターレンズ４５で平行光に変換される。直線偏光の光はダイクロイックミラー４６で反射する。反射した光は対物レンズ４７で集光されてセンサーユニット３２に照射される。このとき、光はセンサーチップ１１の表面に直交する垂直方向に入射することができる。いわゆる垂直入射が確立されることができる。光の偏光面は凸筋１４に平行に合わせ込まれる。照射された光の働きで金属ナノ突起１５では局在表面プラズモン共鳴が引き起こされる。金属ナノ突起１５同士の間で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。
　このとき、ホットスポットで金属ナノ突起１５に標的分子が付着すると、標的分子からレイリー散乱光およびラマン散乱光が生成される。いわゆる表面増強ラマン散乱が実現される。その結果、標的分子の種類に応じたスペクトルで光は対物レンズ４７に向かって放出される。
　こうしてセンサーユニット３２から放出される光は対物レンズ４７で平行光に変換されダイクロイックミラー４６、集光レンズ４８、凹レンズ４９および光学フィルター５１を通過する。ラマン散乱光は分光器５２に入射する。分光器５２はラマン散乱光を分光する。こうして特定の波長ごとに受光素子４３は光の強度を検出する。光のスペクトルはスペクトルデータに照らし合わせられる。光のスペクトルに応じて標的分子は検出されることができる。こうして標的分子検出装置３１は表面増強ラマン散乱に基づき例えばアデノウィルスやライノウィルス、ＨＩＶウィルス、インフルエンザウィルスといった標的物質を検出することができる。
　なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、試料分析素子１１や標的分子検出装置３１等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。
　１１　試料分析素子、１３　金属膜、１４　誘電体（誘電膜）、１５　金属ナノ体（金属ナノ突起）、１６　金属ナノ体列（金属ナノ突起列）、１７　金属ナノ体を含まない領域（非金属領域）、３１　検出装置（標的分子検出装置）、４２　光源、４３　光検出器（受光素子）、ＬＰ　第２のピッチ（長ピッチ）、ＳＰ　第１のピッチ（短ピッチ）。

Claims (5)

  1. 　誘電体表面に、入射光の波長よりも小さい第１のピッチで１列に配列される複数の金属ナノ体を含む複数列の金属ナノ体列を備え、前記複数列の金属ナノ体列は、前記第１のピッチよりも大きい第２のピッチで並列に並べられることを特徴とする試料分析素子。
  2. 　請求項１に記載の試料分析素子において、前記金属ナノ体列同士の間には、金属ナノ体を含まない領域が形成されることを特徴とする試料分析素子。
  3. 　請求項２に記載の試料分析素子において、金属膜と、前記金属膜の表面に広がって、前記誘電体表面を構成する誘電体とを備えることを特徴とする試料分析素子。
  4. 　請求項３に記載の試料分析素子において、前記第２のピッチは、前記金属ナノ体で生じる局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長よりも短い波長で反射率の１次極小値を確立し、かつ、局在共鳴プラズモン共鳴の共鳴波長よりも長い波長で１次よりも高次の極小値を確立する大きさに設定されることを特徴とする試料分析素子。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の試料分析素子と、
    　前記金属ナノ体列に向けて光を放出する光源と、
    　前記光の照射に応じて前記金属ナノ体列から放射される光を検出する光検出器と
    を備えることを特徴とする検出装置。
PCT/JP2013/002503 2012-04-18 2013-04-12 試料分析素子および検出装置 WO2013157233A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201380020394.0A CN104321639A (zh) 2012-04-18 2013-04-12 试样分析元件以及检测装置
US14/395,243 US9228944B2 (en) 2012-04-18 2013-04-12 Sample analysis element and detection device
EP13777779.3A EP2840383A4 (en) 2012-04-18 2013-04-12 SAMPLE ANALYSIS ELEMENT AND DETECTION DEVICE

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012-094519 2012-04-18
JP2012094519A JP2013221883A (ja) 2012-04-18 2012-04-18 試料分析素子および検出装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013157233A1 true WO2013157233A1 (ja) 2013-10-24

Family

ID=49383205

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/002503 WO2013157233A1 (ja) 2012-04-18 2013-04-12 試料分析素子および検出装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9228944B2 (ja)
EP (1) EP2840383A4 (ja)
JP (1) JP2013221883A (ja)
CN (1) CN104321639A (ja)
WO (1) WO2013157233A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014097886A1 (ja) * 2012-12-18 2014-06-26 学校法人早稲田大学 光学デバイスおよび分析装置
EP2793016A3 (en) * 2013-03-05 2014-11-05 Seiko Epson Corporation Analysis device, analysis method, optical element and electronic apparatus for analysis device and analysis method, and method of designing optical element
US9389179B2 (en) 2014-02-17 2016-07-12 Seiko Epson Corporation Analysis apparatus and electronic device

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015055482A (ja) * 2013-09-10 2015-03-23 セイコーエプソン株式会社 分析装置、分析方法、これらに用いる光学素子及び電子機器
EP3130029B8 (en) * 2014-04-08 2019-12-18 Insplorion Sensor Systems AB Battery with sensor
JP2015215178A (ja) 2014-05-08 2015-12-03 セイコーエプソン株式会社 電場増強素子、分析装置及び電子機器
JP6613736B2 (ja) * 2015-09-07 2019-12-04 セイコーエプソン株式会社 物質検出方法および物質検出装置
DE102017105113B4 (de) 2017-03-10 2021-09-30 Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V. (Engl.Leibniz Institute of Photonic Technology) Anordnung und Verfahren für die Erfassung von Änderungen der optischen Weglänge in einem Nano-Kapillarkanal
US11959859B2 (en) * 2021-06-02 2024-04-16 Edwin Thomas Carlen Multi-gas detection system and method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006003149A (ja) * 2004-06-16 2006-01-05 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Ｓｐｒセンサーおよび屈折率測定方法
JP2009085724A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Canon Inc 標的物質検出装置、及び標的物質検出方法
JP2009115492A (ja) * 2007-11-02 2009-05-28 Canon Inc 化学センサ素子、センシング装置およびセンシング方法
JP2010020136A (ja) * 2008-07-11 2010-01-28 Ricoh Co Ltd 微小構造体とその製造方法、微小構造体を有する光制御素子とその製造方法
JP2010256161A (ja) * 2009-04-24 2010-11-11 Konica Minolta Holdings Inc プラズモン励起センサおよびそれを用いたアッセイ法

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3452837B2 (ja) 1999-06-14 2003-10-06 理化学研究所 局在プラズモン共鳴センサー
US7079250B2 (en) 2002-01-08 2006-07-18 Fuji Photo Film Co., Ltd. Structure, structure manufacturing method and sensor using the same
JP4231701B2 (ja) 2002-01-08 2009-03-04 富士フイルム株式会社 プラズモン共鳴デバイス
US7399445B2 (en) 2002-01-11 2008-07-15 Canon Kabushiki Kaisha Chemical sensor
JP3897703B2 (ja) 2002-01-11 2007-03-28 キヤノン株式会社 センサ装置およびそれを用いた検査方法
US7088449B1 (en) 2002-11-08 2006-08-08 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Dimension measurement approach for metal-material
JP3957199B2 (ja) 2003-03-19 2007-08-15 富士フイルム株式会社 センサチップおよびセンサチップの製造方法並びにそのセンサチップを用いたセンサ
EP1445601A3 (en) 2003-01-30 2004-09-22 Fuji Photo Film Co., Ltd. Localized surface plasmon sensor chips, processes for producing the same, and sensors using the same
US7239076B2 (en) * 2003-09-25 2007-07-03 General Electric Company Self-aligned gated rod field emission device and associated method of fabrication
AU2005246415B8 (en) 2004-05-19 2011-09-01 Vp Holding, Llc Optical sensor with layered plasmon structure for enhanced detection of chemical groups by SERS
GB2419940B (en) 2004-11-04 2007-03-07 Mesophotonics Ltd Metal nano-void photonic crystal for enhanced raman spectroscopy
JP2006208057A (ja) 2005-01-25 2006-08-10 Taiyo Yuden Co Ltd プラズモン共鳴構造体，その制御方法，金属ドメイン製造方法
WO2007083817A1 (en) 2006-01-18 2007-07-26 Canon Kabushiki Kaisha Target substance-detecting element
JP2007218900A (ja) 2006-01-18 2007-08-30 Canon Inc 標的物質検出用の素子
JP2007240361A (ja) 2006-03-09 2007-09-20 Sekisui Chem Co Ltd 局在プラズモン増強センサ
JP4994682B2 (ja) 2006-03-16 2012-08-08 キヤノン株式会社 検知素子、該検知素子を用いた標的物質検知装置及び標的物質を検知する方法
JP5286515B2 (ja) 2006-05-11 2013-09-11 国立大学法人秋田大学 センサチップ及びセンサチップ製造方法
WO2007132795A1 (en) 2006-05-12 2007-11-22 Canon Kabushiki Kaisha Detecting element, detecting device and detecting method
JP2008025989A (ja) 2006-07-15 2008-02-07 Keio Gijuku 局在表面プラズモン共鳴法と質量分析法によるリガンドの分析方法及びそのためのセンサー素子
GB2447696A (en) 2007-03-23 2008-09-24 Univ Exeter Photonic biosensor arrays
US7768640B2 (en) 2007-05-07 2010-08-03 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Fluorescence detection enhancement using photonic crystal extraction
JP5116362B2 (ja) 2007-05-28 2013-01-09 株式会社リコー バイオセンサ
US7639355B2 (en) 2007-06-26 2009-12-29 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Electric-field-enhancement structure and detection apparatus using same
JP5080186B2 (ja) 2007-09-26 2012-11-21 富士フイルム株式会社 分子分析光検出方法およびそれに用いられる分子分析光検出装置、並びにサンプルプレート
JP5175584B2 (ja) 2008-03-13 2013-04-03 地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター 局所表面プラズモン共鳴イメージング装置
US8247216B2 (en) 2008-09-30 2012-08-21 Pacific Biosciences Of California, Inc. Ultra-high multiplex analytical systems and methods
US8259381B2 (en) * 2009-06-05 2012-09-04 Exelis Inc. Phase-change materials and optical limiting devices utilizing phase-change materials
EP2325634B1 (en) 2009-11-19 2015-03-18 Seiko Epson Corporation Sensor chip, sensor cartridge, and analysis apparatus
JP5621394B2 (ja) 2009-11-19 2014-11-12 セイコーエプソン株式会社 センサーチップ、センサーカートリッジ及び分析装置
JP5589656B2 (ja) 2009-12-11 2014-09-17 セイコーエプソン株式会社 センサーチップ、センサーカートリッジ及び分析装置
AU2011217862B9 (en) 2010-02-19 2014-07-10 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated analytical system and method
EP2372348A1 (en) 2010-03-22 2011-10-05 Imec Methods and systems for surface enhanced optical detection
CN103502798A (zh) 2011-04-05 2014-01-08 集成等离子光子学公司 集成等离子激元感测装置和设备
WO2013058739A1 (en) 2011-10-18 2013-04-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Molecular sensing device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006003149A (ja) * 2004-06-16 2006-01-05 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Ｓｐｒセンサーおよび屈折率測定方法
JP2009085724A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Canon Inc 標的物質検出装置、及び標的物質検出方法
JP2009115492A (ja) * 2007-11-02 2009-05-28 Canon Inc 化学センサ素子、センシング装置およびセンシング方法
JP2010020136A (ja) * 2008-07-11 2010-01-28 Ricoh Co Ltd 微小構造体とその製造方法、微小構造体を有する光制御素子とその製造方法
JP2010256161A (ja) * 2009-04-24 2010-11-11 Konica Minolta Holdings Inc プラズモン励起センサおよびそれを用いたアッセイ法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2840383A4
YIZHUO CHU ET AL.: "Experimental study of the interaction between localized and propagating surface plasmons", OPTICS LETTERS, U.S., vol. 34, no. 3, 1 February 2009 (2009-02-01), pages 244 - 246

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014097886A1 (ja) * 2012-12-18 2014-06-26 学校法人早稲田大学 光学デバイスおよび分析装置
EP2793016A3 (en) * 2013-03-05 2014-11-05 Seiko Epson Corporation Analysis device, analysis method, optical element and electronic apparatus for analysis device and analysis method, and method of designing optical element
US9389178B2 (en) 2013-03-05 2016-07-12 Seiko Epson Corporation Analysis device, analysis method, optical element and electronic apparatus for analysis device and analysis method, and method of designing optical element
US9389179B2 (en) 2014-02-17 2016-07-12 Seiko Epson Corporation Analysis apparatus and electronic device

Also Published As

Publication number Publication date
US20150103347A1 (en) 2015-04-16
EP2840383A1 (en) 2015-02-25
CN104321639A (zh) 2015-01-28
US9228944B2 (en) 2016-01-05
EP2840383A4 (en) 2015-11-18
JP2013221883A (ja) 2013-10-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013157233A1 (ja) 試料分析素子および検出装置
US8836947B2 (en) Sample analysis element and detecting device
JP5880064B2 (ja) 試料分析素子および検出装置
WO2013168401A1 (ja) センサーチップ並びにセンサーカートリッジおよび検出装置
US20120327417A1 (en) Optical device and detection device
US9488583B2 (en) Molecular analysis device
US8902419B2 (en) Detection apparatus
JP2013088223A (ja) 光デバイス及び検出装置
CN102401793B (zh) 光器件单元及检测装置
CN102401794B (zh) 光器件单元及检测装置
JP5928026B2 (ja) センサーチップおよびその製造方法並びに検出装置
WO2013168404A1 (ja) 試料分析素子並びに検査装置およびセンサーカートリッジ
TW202115382A (zh) 用於積體裝置之光學奈米結構抑制器及其方法
JP2020507086A (ja) 粒子の光学検出器
JP2021167980A (ja) 迷光が低減された集束光を有するフィルタアレイ
US20140375990A1 (en) Double-grating surface-enhanced raman spectroscopy
WO2013161210A1 (ja) 試料分析素子および検出装置
JP5796395B2 (ja) 光学デバイス、検出装置及び検出方法
TWI485438B (zh) 光學系統及其反射型繞射光柵
JP2020508449A (ja) 粒子の光学検出器
JP2015232526A (ja) ラマン分光分析用信号増幅装置、ラマン分光分析装置及びラマン分光分析方法
JP2017040609A (ja) センサーチップ及びその製造方法並びに分析装置
US20130286388A1 (en) Field concentrating surface enhanced raman spectroscopy platforms

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13777779

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2013777779

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013777779

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14395243

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE