(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に垂直な伝搬軸を有するガウシアンビームの入射電磁場の偏光に線形光学応答特性が依存しないナノ粒子又はナノ粒子から成る群を備えた前記表面を有する基板であって、
前記ナノ粒子から成る群は、ｎが３又は５以上の数の場合に［Ｃｎタイプ］表面に垂直な［Ｃｎタイプ］対称軸を有する形状又は配置を有しており、
前記ナノ粒子は、ｎが３以上の数の場合に、前記［Ｃｎタイプ］表面に垂直な［Ｃｎタイプ］の対称軸を有する形状を有しており、
それにより、前記表面付近の前記ビームを強く増強できるようになっていることを特徴とする基板。
【請求項２】
前記ナノ粒子は主に、少なくとも３本の枝を有する星形形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載された基板。
【請求項３】
前記ナノ粒子は、金属性及び／又は半導電性であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載された基板。
【請求項４】
前記ナノ粒子は、１ナノメートル〜数十マイクロメートルの大きさを有していることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された基板。
【請求項５】
前記ナノ粒子が含まれる格子に従って、各ナノ粒子間の距離が２００ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された基板。
【請求項６】
紫外線波長、可視光波長、及び／又は赤外線波長に対して透明な材料から成ることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された基板。
【請求項７】
前記ナノ粒子又はナノ粒子から成る群の大きさは、前記ナノ粒子又はナノ粒子から成る群が入射ビーム波長Ｌｏで同調されるように選択されることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された基板。
【請求項８】
前記ナノ粒子は、規則的パターン、又は準結晶性パターンに従って、前記基板の少なくとも一部分上に配置されることを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された基板。
【請求項９】
光ファイバの一端に、前記光ファイバの全長にわたってシステムの応答が可能になるように配置されることを特徴とする、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された基板。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載された基板の、分子及び／又は化学的、生化学的若しくは生物学的ターゲットの検出及び／又は測定のための使用。
【請求項１１】
請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載された基板の、水性媒体、生物学的媒体若しくは体液中の分子及び／又はターゲットの検出及び／又は測定のための使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの表面がナノ粒子、特に特定の形状及び機能を有するナノ粒子を備える基板又は他の媒体の分野、並びにそこから生じる用途の分野に関するものである。
【０００２】
詳細には、本発明は、液体媒体中又は非液体媒体中の微量の分子を検出及び／又は測定する分野に関するものである。より具体的には、本発明は光学的応答性が高められた少量の分子を検出するためのものである。更に、本発明は「プラズモニック」と呼ばれる光データを保持する分野にも関するものである。
【０００３】
特に、本発明は、水性媒体中の汚染物、医薬分野の不純物又はバイオマーカー、食物分野又は農業分野の生物系を検出すること、及び特に所与の媒体中の、あるタイプの分子の痕跡を迅速、簡単且つ確実に検出することから構成される他の多くの応用例に関する。
【背景技術】
【０００４】
国際公開第２００８／１１７０８７号は、プラズモン共鳴及び偏光に敏感な分子を検出するためのバイオセンサを開示している。そのバイオセンサは、プラズモン共鳴を検出のために、一組のナノ構造又はミクロン構造の金属被覆「ゾーン」を有する表面を有する透明基板を備えている。実際には、各「ゾーン」は、複数の金属ナノ粒子で構成される。この場合、形状及び大きさは、機能分子に適したもの、即ち生物学的、化学的、又は生化学的ターゲットに対応したものになっている。それらの金属ナノ粒子は、ナノロッド又はナノワイヤといった楕円形のナノアンテナの形態をとることができる。この場合、寸法のうちの１つは、数十ナノメートル〜数十マイクロメートルである。このタイプのナノ粒子は、入射ビームの偏光に対して高い感度を有しており、このことが問題を招いている。しかしながら、このタイプのナノ粒子の幾何形状及び寸法を所望の共鳴波長に適合させることは可能である。
【０００５】
さらに、円筒形ナノ粒子は、入射電磁界偏光に依存しない線形光学応答特性を有することが知られている。しかし、その共鳴波長を同調させることは容易ではない。約２００ナノメートルを超える直径を有する円筒体では、効果的な共鳴を得ることは不可能である。こういった大きさのナノ粒子に対し、局所的電磁場は効果を失う。
【０００６】
表面増強ラマン分光法（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＲＳ）を用いれば、ナノ構造化された金属構造上に堆積された分子のラマン信号を大幅に増強できることが知られている。したがって、この性質を用いれば、非常に少量の分子、更には単一分子の存在を検出し、識別することが可能になる。この増強効果は、金属ナノ構造の光学的性質、より具体的には表面プラズモンに関連している。国際公開第２００５／０４３１０９号は、特にサンプル用の基板を備えた機能的組立体、及びＳＥＲＳ効果に基づく方法について記載している。このシステムは、このサンプルの一部であるこのような分子を、簡単且つ安価に識別することを可能にする。
【０００７】
上記のとおり、この観察を可能にする増強は、円筒体、ワイヤ、楕円体等、又は結合構造（二量体又はその他のもの）といった細長い粒子が必要になる。これらのナノ構造の幾何形状の主たる欠点は、表面プラズモン共鳴の強度及び位置が、入射光の偏光に密接に依存していることである。このように、ＳＥＲＳ増強が偏光に密接に依存していることは公知である。
【０００８】
ＳＥＲＳ効果をセンサとして応用するためには、入射光の偏光のために、基板をその励起ビームの偏光方向に高精度で位置決めする必要がある。そのため、適切な基板及び熟練したオペレータという２つの制約が課せられる。しかも、システムは本質的に偏光を維持する必要がある。光ファイバは、その長さ全体にわたって偏光を維持するものではないことが知られている。このように、信号の安定性を実現することは現実的には不可能なので、光ファイバを使って分子を検出するためにＳＥＲＳ効果を使用することは困難であると思われる。信号の安定性を実現することは、現実的には不可能である。
【０００９】
深海環境での測定といった一部の用途では、偏光を制御することは非常に困難であり、不可能と言っても過言ではない。このように、偏光に密接に依存する挙動を有するサンプルを使用すると、こういった応用例では測定がかなり歪んでしまう。
【００１０】
光学系の材料偏光依存性の問題は何年も前から知られており、今日まで、固体材料の非線形光学偏光特性に関連した研究開発しか成功に至っていないことに留意されたい。
【００１１】
しかも、センサにおけるＳＥＲＳタイプの分光法では、プラズモン共鳴の同調性が高いこと、したがって使用するナノ構造の幾何形状及び大きさの柔軟性が高いことが必要になる。
【００１２】
このように、無極性のままで、即ち、線形光学応答特性が入射電磁界偏光に依存しない状態で、強力な増強を発生するＳＥＲＳ基板を規定することは、有利且つ革新的であると思われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開第２００８／１１７０８７号
【特許文献２】国際公開第２００５／０４３１０９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、従来技術の欠点を改善すること、特に線形光学応答特性が入射電磁界偏光に依存しないナノ粒子の形態を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的のために、本発明の第１の観点によれば、基板の表面に垂直に向いた伝搬軸を有するガウシアンビームの入射電磁界偏光に線形光学応答特性が依存しないナノ粒子又はナノ粒子から成る群を備えた表面を有する基板に関連するものである。
【００１６】
ガウシアンビームという用語は、円筒形、円錐形等の、ガウシアン形状を有するあらゆるタイプのビームを指す。「垂直」なる用語は、厳密に垂直であることを意味するが、実質的に垂直であること、即ち問題としている表面に対する垂直線から数度外れたものも含む。
【００１７】
特徴として、このナノ粒子から成る群は、［Ｃｎタイプ］表面に垂直なＣｎタイプの対称軸を有する形状又は配置を有している。ここで、ｎは３に等しい数又は５以上の数である。即ち、このナノ粒子は、［Ｃｎタイプ］表面に垂直な［Ｃｎタイプ］対称軸を有する形状を有する。ここで、ｎは３以上の数である。これは、この表面付近のビームを強く増強できるようにするためである。
【００１８】
粒子（又は、その寸法を鑑みればナノ粒子）が、基板の表面に垂直な（したがって、入射ビーム軸と共線的である）軸を中心に角度２π／ｎだけ回転させても不変である場合、線形光学応答特性は、ビームの偏光に依存しない。なお、ｎは３以上である。回転軸に対するこのｎ次の対称性は、Ｃｎと呼ばれる。
【００１９】
本発明の一具体例によれば、このナノ粒子は主に、少なくとも３本の枝を有する星形形状を有している。
【００２０】
更に、本発明によれば、ナノ粒子は金属性とすることができ、及び／又は半導電性とすることができる。ナノ粒子は、ナノメートルから数十ミクロンの大きさを有することが好ましい。
【００２１】
更に、このナノ粒子が含まれる格子に従って、各ナノ粒子間に概ね２００ｎｍの最小距離が設けられている。この独特の特徴については後で説明される。
【００２２】
更に、基板は、紫外線波長、可視光波長、及び／又は赤外線波長に対して透明な材料で構成されることが好ましい。
【００２３】
興味深いことに、このナノ粒子又はナノ粒子から成る群の大きさは、入射ビーム波長Ｌｏにわたって同調されるように選択される。
【００２４】
本発明の１つの具体例によれば、このナノ粒子は、規則的パターン、準結晶性パターン、又はランダムなパターンに従って、基板の少なくとも一部分上に配置される。この文脈において、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の代替例が可能である。
【００２５】
本発明の一具体例によれば、この基板は、光ファイバの全長にわたってシステムの応答が可能になるように、光ファイバの一方の端部に配置される。
【００２６】
基板が顕微鏡内に配置される場合、照明にかかわらず顕微鏡レンズ全体で偏光を実現することが求められる。
【００２７】
更に、本発明は、この基板を、分子及び／又は化学的、生化学的、若しくは生物学的ターゲットを検出及び／又は測定するために使用することにも関連がある。
【００２８】
都合のよいことに、本発明は、この基板を、分子、超分子、並びに／又は水性媒体、生物学的媒体及び／若しくは血液等の体液中の粒子を検出及び／又は測定するための使用に関連がある。このタイプの応用例によれば、ウイルス又はバクテリアを別々に識別及び／又は測定することができる。このように、本発明によれば、所与の媒体中の分子、粒子、又は他の物質の濃度を測定することが可能になる。
【００２９】
本発明のその他の特徴、詳細及び効果は、添付図面を参照しながら以下の本明細書を読めば明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】円筒形ナノ粒子の偏光角度に対するプラズモン共鳴（Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＬＳＰＲ）の位置を示す曲線。
【図２】本発明の一実施例に係るナノ粒子の偏光角度に対するプラズモン共鳴（Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＬＳＰＲ）の位置を示す曲線。
【図３】楕円形ナノ粒子の偏光角度に対するプラズモン共鳴の強度を示す曲線。
【図４】本発明の一実施例に係るナノ粒子の偏光角度に対するプラズモン共鳴の強度を示す曲線。
【図５】本発明に従って使用されるナノ粒子の実例を示す図。
【図６】本発明に従って使用されるナノ粒子の配置の実例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
より明確になるように、図面全体にわたり、同一又は同様の要素は、同一の符号が付されている。
【００３２】
以下、基板上に固定されたナノ粒子について考察する。このナノ粒子の光学的性質を使用するために、多かれ少なかれ収束性の（ガウシアン）ビームが使用される。この場合、伝搬軸は、このナノ粒子を有する基板表面に対して直角である。
【００３３】
念のため説明しておくと、ガウシアンビームとは、ガウスの法則を満足する形状を有する、光源から発せられたビームである。
【００３４】
粒子（又は、その寸法を鑑みて、ナノ粒子）が、基板の表面に垂直な（したがって、入射ビーム軸と同一線上にある）軸を中心に角度２π／ｎだけ回転させても不変である場合に、線形光学応答特性がビームの偏光に依存しないことを、特に革新的な態様で実証した。なお、ｎは３以上である。回転軸線に対するこのｎ次の対称性は、Ｃｎと呼ばれ、群論で一般に使用される用語である。
【００３５】
更に、粒子又は粒子から成る群が相互に接近し過ぎている場合、それらは「電磁気的に結合」される傾向がある。この現象は、粒子相互間のいわゆる結合距離が観察されなくなると直ぐに起こる。この距離は、全般的に２００ｎｍ程度である。粒子が相互にその結合距離以内に配置されると、それらはもはや無極性ではなくなり、３以上であった対称次数が失われる。しかし、図６に例示するようにナノ粒子が六方格子の一部である（３の次数を有する）場合、応答性は偏光に依存しないままである。
【００３６】
これには、入射点において基板の表面に垂直に配向された入射ビームに対して偏光を回転させても分極率が不変である粒子が関与している。円筒型（したがってガウシアン）ビームに対し、以下のように数学的実証を行っている。
【００３７】
その実証は、球面基底関数の形でテンソルを表現できることに基づいている。これは、本質的に、Ｊｅｒｐｈａｇｎｏｎ、Ｃｈｅｍｉａ、及びＢｏｎｎｅｖｉｌｌｅによる文献（Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９７８）に基づいている。
【００３８】
上述の仮定の範囲内で、ナノ粒子の分極と入射電界との関係は、次のように与えることができる。
【数１】
0005968319.tif 000002
【００３９】
或いは、直交基底関数を必要としないより一般的な表記法を用いると、次のようになる。
【数２】
0005968319.tif 000003
【００４０】
αは、ナノ粒子の分極率を表すテンソルである。分極率には、本発明の範囲と関連がある全ての光学特性が含まれている。
【００４１】
αの項は、通常は直交座標で表現される。本実証のために、我々は、球面基底関数を選択し、その球座標の基準軸としてＺを用いた。
【００４２】
直交座標では、基底関数は次の９個の要素から成る。
【数３】
0005968319.tif 000004
球座標では、次のエレメントに対して展開される。
【数４】
0005968319.tif 000005
これは、球面調和関数と同じ代数式に適合するとともに、球面調和関数と同じ性質を有している。
【００４３】
これにより、次式が得られる。
【数５】
0005968319.tif 000006
【００４４】
金属ナノ粒子の場合、物理的なものではない
【数６】
0005968319.tif 000007
も
【数７】
0005968319.tif 000008
も考慮する必要はない（この場合、Ｐｉ電磁界での位相変化は異なる分極率を与えるはずであるが、これには意味がない）。これにより、次の項
【数８】
0005968319.tif 000009
（等方性分極率）と、次の項
【数９】
0005968319.tif 000010
（異方性を表すエレメント）が残る。
【００４５】
角度２π／ｎだけ回転させても系が不変である場合、この不変性は分極率で検出される必要がある。垂直軸線を中心に角度θだけ回転させる場合、係数
【数１０】
0005968319.tif 000011
にはｅ−ｉｍθが乗じられる（回転に対するウィグナー行列要素。ｚ軸を中心に回転が生じる場合は単純化されるが、これは本例に当てはまる）。したがって、角度２π／ｎだけ回転しても不変であるように系が設計されていれば、次式が得られることになる。
【数１１】
0005968319.tif 000012
【００４６】
これらの条件下では、
【数１２】
0005968319.tif 000013
は、
【数１３】
0005968319.tif 000014
の場合に限り、ゼロになれないことは明らかである。
【００４７】
ｎ≧３の場合、ｍ＝ｎ又はｍ＝０の場合に限り、
【数１４】
0005968319.tif 000015
とすることができる。このテンソルは、ｍ≧３の場合にエレメントが存在せず、したがって、ｍ＝０の場合に限り、
【数１５】
0005968319.tif 000016
となる。したがって、分極率テンソルは、次のように単純化される。
【数１６】
0005968319.tif 000017
【００４８】
Ｚ軸を中心に回転しても、これらのエレメントは各々不変である。なぜなら、ｍ＝０の場合、粒子（又は入射ビーム偏光）をどのように回転しても、これらのエレメントに次の値を掛け合わせる結果となるからである。
【数１７】
0005968319.tif 000018
【００４９】
このようにして、（ｚ軸に沿って方向付けされた入射ビームの）入射ビーム偏光を回転させても粒子の分極率が不変であることが得られる。したがって、それは、（軸Ｏｚに対して）円筒対称性を有する粒子と同じ分極率特性を有する。
【００５０】
最後に、開口数はゼロではないが、光学軸が粒子の対称軸（Ｏｚ）と一致しているビームの場合、円筒対称性は、偏光に対する分極率の独立性を確保するのに十分足りていることに留意されたい。
【００５１】
図１は、円筒形ナノ粒子に対する偏光角度に応じたプラズモン共鳴の位置を示している。このタイプの構造については、その対称性が基板に垂直でありしたがってナノ粒子の対称軸と一致する測定軸に対して円筒対称であることから、無極性になることが知られている。理論的には、完全な円筒構造が関与している場合、このような展開において、偏光効果は何も観察されないはずであり、プラズモン共鳴（Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＬＳＰＲ）の位置は一定のはずである。この位置が変化する唯一の可能性は、製造技術の問題に起因する円筒体形状の不完全性によるものであろう。残念ながら、プラズモン共鳴（Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＬＳＰＲ）の位置が一定ではなく、０°〜３６０°の間の偏光で６２０から６５０ｎｍまで変化することが、図１において観察されている。したがって、６３５ｎｍの平均位置周辺における概ね３０ｎｍの変動範囲は、＋又は−２．４％の誤差と等価である。これは、決して満足のいくものではない。
【００５２】
興味深いことに、本発明に係る粒子、この場合には３本の枝を備えた星形の形態を成す粒子に関連するＬＳＰＲを示した図２は、この共鳴の変動が非常に軽微であることを示している。より具体的には、共鳴は、この場合７９４ｎｍ＋又は−１０ｎｍに位置している。即ち、＋又は−１．５％の誤差である。観察されたこの不完全性は、製造公差の不確実性よりも小さい。これは、本質的に新規であり、創意に富むものである。
【００５３】
プラズモン共鳴の強度に関し、図３及び図４は、本発明固有の効果を示している。実際に、楕円形ナノ粒子、即ち対称性が２次の幾何形状を有するナノ粒子に関する図３の曲線によれば、強度は０と１の間で変化する。特に、強度は一部の偏光値（９０°及び２７０°）においてゼロになる。これは、その楕円体の主軸に垂直な偏光に対応する。これらの事例において、粒子の使用可能な光学的性質、したがってこれらの変動性は消失している。したがって、このタイプのナノ粒子形状は著しく有極性であり、ＳＥＲＳ信号を大幅に減少させることが明らかであると思われる。
【００５４】
本発明による別の有利な態様では、図４に示しているように、３本の枝を備えた星形形状を有する粒子のプラズモン共鳴の強度は、偏光角度にかかわらず、ほんの少しだけしか変動しない。しかも、このわずかな変動は、本質的に製造の不完全性に起因するものである。試験がなされた粒子の枝のそれぞれの長さは、１００ｎｍ程度である。より具体的には、０．９６（任意単位）なる平均強度が測定で得られた。変動量は＋又は−０．０９２（任意単位）、即ち１０％未満の誤差である。
【００５５】
十分に且つ有利なことに、このわずかな強度変動によって粒子の全性質が偏光に依存しないようになっている。
【００５６】
このように、３以上の対称次数を有する粒子を使用することに関連する数多くの周知の利点が実証される。第１に、多種多様な形状がこの定義に適合する。そのため、使用される粒子の構造及び幾何形状はいずれも柔軟性が高い。これにより、円筒形粒子又は球状粒子で普通得られるものよりも極めて卓越した電磁界増強因子を得ることが可能になる。しかも、本発明のタイプの粒子は、プラズモン共鳴の位置及び強度の変動範囲を無視できない程度に減少させることを可能にする。これについては、プラズモン共鳴の位置に関する図１及び図２の比較、及びプラズモン共鳴の強度に関する図３及び図４の比較によって示される。
【００５７】
更に、対称性が３以上の対称軸を有する粒子が相互に接近し過ぎている場合、相互間隔が２００ｎｍ未満であれば、それらは「電磁気的に結合」される傾向がある。この場合、例えば正方格子内の３本の枝を備えた星形は、もはや無極性ではなくなる。したがって、その星形は、もはや孤立状態にあるとは考えることができず、３以上であったそれの対称次数が失われる。しかし、かかる粒子が六方格子内に配置された場合、それらは同じ対称性を維持し、したがって、その応答性は偏光とは無関係になる。
【００５８】
入射ビームの光学的応答性を増強し、同時に入射光偏光の問題を排除できるようにするナノ粒子を備えた表面を有する表面（又は基板）を提案することは、革新的であり、且つ創意に富むものである。
【００５９】
更に、本発明に係るナノ粒子を使用すれば、製造の不完全性に対して、より反応しにくくすることができる。したがって、製造公差があまり厳密でなくなるという点において、全ての工業化プロセスが最適化される。例えば、概ね１０％の不完全性があっても、得られる応答性に何ら問題が起こらなくなる。
【００６０】
一般原則として、本発明に係るナノ粒子は、金属性及び／又は半導電性とすることができ、数十ナノメートルから数十マイクロメートルまでの最大寸法を有することができる。それらは、ビーム波長と同調するように選択される。
【００６１】
更に、ナノスター形状粒子１によって、共鳴波長の同調がし易くなることも観察された。図５は、かかる粒子の実例を示している。同図において、それらのナノスターは３本の枝を有している。
【００６２】
図６は、３以上の対称次数を有するパターンに従って配列されたナノ粒子の集合を例示している。これは、本発明の範囲に属するものである。このように配列されたパターンは、規則的パターンであれ、結晶性パターンであれ、ランダムパターンであれ、あらゆるものが本発明の範囲に含まれる。図６に示すパターンは、３次の対称性を有する六方格子であり、例えば楕円形のナノ粒子１’から形成される。円で囲まれたナノ粒子の群１０は、３次の対称性を有しており、したがって、本発明の範囲に属している。
【００６３】
基板は、問題の波長に対して透明な材料で作製されることが好ましい、一例として、可視の範囲ではガラス、赤外の範囲ではフッ化カルシウム（ＣａＦ２）で構成することができる。
【００６４】
電子ビームリソグラフィは、本発明に従って基板上にナノ粒子を製造するための１つの考え得る方法である。実際に、表面上にパターンをプロットするために電子ビームを使用することは、電子ビームリソグラフィとして知られている。電子線リソグラフィなる用語も使用される。この技法は、本発明に係るナノ粒子を製造するのに非常に適している。当業者であれば、必要に応じて、市販の機器を使った特定の方法を選び出して選定するであろう。
【００６５】
本発明の用途は多種多様であり、水性流体、生物学的流体、又は体液中の分子（広義の）、ターゲットを検出、識別、測定することが含まれる。例えば、血液中の生物指標化合物、ウイルス及び／又はバクテリア、水性媒体中の汚染物の識別及び／又は定量化が、例として挙げられる。
【図１】
0005968319.tif 000019
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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