(57)【要約】  【課題】  【解決手段】本発明は、貫通チャネルを通して流体フローセルに接触させた、短範囲規則を有するナノプラズモン素子を用いて、ナノプラズモン計測を行うための方法に関する。この素子は、ミクロ／ナノスケールの複合コロイドリソグラフィ、薄膜蒸着及びエッチングのステップを組み合わせて用いるステップからなる微小加工プロセスにおいて製造され、化学的又は生物学的な検知分析等の用途に用いられる。この方法では、ナノプラズモン共鳴におけるシフトと、分子反応等のプロセスによって生じる屈折率の変化に感応する素子の光学特性とを利用する。  【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電材料の１以上の層を有する膜（１０４）を含むナノプラズモン素子（２０１）であって、前記膜には複数の貫通チャネル（１１０、１１１、２１１）が穿孔されており、前記チャネルの相対位置が長距離秩序のないパターンを形成するように配置される、素子。
【請求項２】
最も近接した貫通チャネル間の空間長が、１〜１００００ｎｍ程度、好ましくは１０〜１０００ｎｍ程度、さらに好ましくは５０〜５００ｎｍ程度である、請求項１記載の素子。
【請求項３】
前記貫通チャネルの直径が、１０〜５００ｎｍ程度、好ましくは２５〜２５０ｎｍ程度、さらに好ましくは５０〜１５０ｎｍである、請求項１記載の素子。
【請求項４】
前記導電層が、金、銀、パラジウム及び白金の１種以上を含む、請求項１記載の素子。
【請求項５】
前記膜の厚さが、１〜１０００ｎｍ程度、好ましく５〜５００ｎｍ、さらに好ましくは１０〜１００ｎｍである、請求項１記載の素子。
【請求項６】
前記導電層が、クロム、チタン、酸化クロム、酸化チタン及び酸化タンタルの１種以上を更に含む、請求項４記載の素子。
【請求項７】
前記膜が１以上の機械的安定化層（１０１）を更に含む、請求項１記載の素子。
【請求項８】
前記機械的安定化層が、絶縁層又は半導電層のうちの１つである、請求項７記載の素子。
【請求項９】
分子反応を計測するための計測システム（３００）であって、
１以上の、請求項１記載のナノプラズモン素子（２０１）と、
流体フローセル（２１２）であって、該流体フローセル（２１２）中の液流によって消耗型センサと接触するように構成された流体フローセル（２１２）と、
前記消耗型センサの光学特性を測定するためのシステム（２０２、２１０）と、
光学特性を測定するための前記システムと電気的に接続された制御分析システム（３０２）と
を備える、システム。
【請求項１０】
ナノプラズモン素子（２０１）の製造方法であって、当該方法が、
膜（１０４）を形成するステップと、
前記膜中に複数の貫通チャネル（１１０、１１１、２１１）を形成するステップと
を含んでおり、前記チャネルの相対位置が、長距離秩序のないパターンを形成するように構成される、方法。
【請求項１１】
膜及びチャネルを形成する前記ステップが、
機械的安定化層（１０１、１０２）上にコロイド（１０３）を１コロイドあたり１〜１００００ｎｍの空間長で沈着させるステップと、
前記機械的安定化層及び前記コロイド上に導電層（１０４）を蒸着させるステップと、
前記導電層に穴を形成するコロイドを除去するステップと、
前記機械的安定化層及び前記導電層を絶縁層で被覆するステップと、
基質裏側の窓構造部（１０８）を画定及び除去し、前記基質の前記窓構造部を除去した後に露出した前記機械的安定化層の窓構造部（１０９）を除去するステップと、
ナノプラズモン特性を有するナノサイズの細孔を形成する、前記機械的安定化層及び前記導電層を通る貫通チャネル（１１０、１１１、２１１）を作製するステップと
を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
コロイドを沈着させる前記ステップが、均一な短範囲秩序でコロイドを沈着させるステップを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記基質（１０２）上に絶縁層又は半導電層（１０１）を沈着させる初期ステップを更に含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記機械的安定化層が、基質層（１０２）、或いは、別個の絶縁層又は半導電層（１０１）のうち１つである、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
請求項１記載のナノプラズモン素子（２０１）と、請求項９記載の計測システムによって保持されるように構成された保持構造とを含む、消耗型センサ。
【請求項１６】
ナノプラズモン素子（２０１）を用いて分子反応を計測する方法であって、
長距離秩序のないナノプラズモン素子（２０１）を、貫通チャネル（１１０、１１１）を通して流体フローセル（２１１）に接触するように配置するステップと、
流体に反応物質を供給するステップと、
前記反応物質を含む流体を前記流体フローセルに供給するステップと、
前記ナノプラズモン素子の光学特性を経時的に測定するステップと、
前記光学特性の変化を分子反応と関連付けるステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノプラズモン用途の素子、素子の使用法及び素子の製造方法に関し、特に生体分析検知用のセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
生体分析センサ素子は、医学診断法及び新薬の開発における基本的なツールとして登場した。これらのセンサ素子は、環境モニタリング及び食品の安全性においても不可欠である。生体分析センサ素子の適用領域の多くにおいて、検出を行う前にターゲット分子を標識化することは、一般には簡単でない。したがって、分子がセンサ表面上で受容体分子と特異的に結合する時に、例えばナノワイヤの電気的特性や振動する水晶の機械的特性における変化として、ターゲット分子を直接検出できることが望ましい。標識なしで生体分析検知を行うための第３の主な変換器原理は、表面の光学特性の変化に基づいている。表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）は、長年商業使用されており、今日最も一般的に用いられている方法である。ＳＰＲは、集団的な電荷振動の光励起、又は平坦な金属表面上で伝播する表面プラズモンに基づく。表面プラズモンを励起する共鳴の状態は、金属界面近傍の屈折率（ＲＩ）の変化の影響を受け易いため、金属表面上の吸着プロセスのモニタリングにこれを利用できる。但し、表面プラズモンを励起するには、プラズモンのエネルギ及び運動量を、入射光のエネルギ及び運動量と一致させなければならない。平面金属皮膜の場合、このことは、光の入射角が大きい場合にのみ光をプラスモンに変換可能であり、プリズムカップリング及び比較的高度な光学構成を必要とすることを意味する。或いは、金属表面上の回折格子を用いて、光の入射角が小さい場合又は光の入射角が垂直の場合であっても、光をプラズモンに結合させることができる。最近では、ナノスケール穴の周期的配列によって、表面プラズモンを励起する上で必要な運動量の欠失分を提供できることがわかっており、いずれの構造も、屈折率に基づくプラズモンバイオセンシングで成功裏に用いられている。
【０００３】
短範囲秩序で（非周期的に）分布するナノホールが穿孔された薄い金属皮膜もまた、垂直の入射光において明確なプラズモンピークを示す。しかし、これらのタイプの構造に関連する主なプラズモン場の崩壊長は、周期的なナノホール配列と回折格子が結合したＳＰＲでの崩壊長（約数百ナノメートル前後）と比べて、１桁短い（数十ナノメートル）。事実、短範囲秩序のナノホールの平均貫入深さは、金属ナノ粒子に関連する局在的な表面プラズモンの深さと類似しているため、実際に、これら２つのシステムは、極めて類似した検知性能を備える。ピーク位置におけるバルク屈折率の変化に対する感度は、概して、回折格子及び周期的な穴配列に基づくＳＰＲセンサの場合、短範囲秩序のナノホール及びナノ粒子に基づくセンサと比べると高いが、後者２つに関連する短い崩壊長により、薄い分子層がプラズモン場の比較的大部分を占めることになる。その結果、界面の屈折率の変化に対する感度が同程度のもとなる。更に、プラズモン場の短いシステムでは、プラズモン場の大部分が利用されるため、システムの感度は、バルク溶液の温度変化やその他生じ得る摂動の変動に対してもかなり低くなる。
【０００４】
最近になって、崩壊長が短いナノプラズモン場もまた、表面の生体分子構造変化の研究に利用可能であることがわかっている。この方法は、プラズモン場の強度が異なる領域間を移動する分子によって生じるプラズモンシフトに基づくものであり、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の薄層で覆われた短範囲秩序の金ナノホールのプラズモン共鳴を、担持された脂質二重層に吸着脂肪ベシクルが形質転換する間にモニタリングを行うことにより、実証されている。穿孔された金皮膜の連続性（及び対応する導電率）を用いることで、散逸モニタリングを用いる、ナノプラズモンと水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ−Ｄ）を組み合わせた素子が開発され、生体分子構造の変化を計測する２つの独立した手段がもたらされた。ナノプラズモン場は、粒子中に局在するナノ粒子プラズモンと同様、短範囲秩序の穴のボイドに局在していることもわかっている。金及びＳｉＯ2に対する選択的界面化学的手法を用いて、近年では、ナノプラズモン場が最も強い穴だけに生体分子を特異的に結合させる。この手法は、ターゲット分子の総量が少なく（サンプル量が少なく低濃度）で、ターゲット分子の大半部分をセンサ面の最も感度の高い領域と結合させることが可能な場合には、とりわけ重要である。
【０００５】
分子表面に基づく検出では、分子がセンサ表面に接近してセンサ面と結合することが必要となる。分子が結合すると、界面領域でのターゲット分子の局所濃度が極端に低下する。このため、実際の結合反応速度が十分に速い場合は、拡大する濃度低下領域全体の分子の拡散状態から、分子の結合速度を測定する。標的物質溶液をセンサ表面と平行に流すことにより、濃度低下領域の拡大を効率的に抑制し、分子の結合速度を増大させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２８５０３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、チャネルの内部領域が生体分子吸着事象等のプロセスによって生じる屈折率（ＲＩ）の変化に感応する、２次元的な（２Ｄ）平行流体チャネルを備えたナノ流体網用の方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、貫流する化学物質、生体分子、又は気体等の検知等に使用可能である。本構造は、検知機能を組み込んだナノフィルタとしても、或いは検知機能を組み込んでいないナノフィルタとしても使用可能である。
【０００９】
本発明は、短範囲秩序のナノプラズモン細孔に関する。本構造は、継続的に、細孔の表裏両側への液体のアクセスを可能にするという利点を有する。同時に、短範囲秩序は、検知能力を、少なくとも部分的に、被検物質が流れる細孔の内部に局在化させる。診断法及び薬物スクリーニング用ツール等の用途の開発では、低コスト且つ拡張性のあるナノ加工技術が使用可能なことが不可欠である。そこで、パラレルファブリケーションスキームを提案する。ナノホールが全く同時に作製される上、約５０個の素子とサンプルが１つの単一のウエハ上に同時に作製される。各素子の寸法を縮小し、より大きいウエハを用いることにより、ウエハあたりの素子数を更に増やすことができる。
【００１０】
ナノチャネル／ナノ細孔が（二次元で）同時に組織されるので、溶液のスループットを高めることができる。
【００１１】
このことは、本発明の多くの態様において提示されており、その１つ目が、１以上の導電材料層からなる膜を含むナノプラズモン素子であり、この膜には、複数の貫通チャネルが穿孔され、チャネルの相対位置が、長距離秩序のないパターンを形成するように構成されている。
【００１２】
直近の貫通チャネルの中心間の空間長は、１〜１００００ｎｍ程度、好ましく１０〜１０００ｎｍ程度、さらに好ましくは５０〜５００ｎｍ程度である。貫通チャネルは、１０〜５００ｎｍ程度、好ましくは２５〜２５０ｎｍ程度、さらに好ましくは５０〜１５０ｎｍ程度の直径を有する。導電層は、金、銀、パラジウム及び白金の１種以上を含む。この素子の膜厚は、１〜１０００ｎｍ程度、好ましく５〜５００ｎｍ、さらに好ましくは１０〜１００ｎｍである。導電層は更に、クロム、チタン、酸化クロム、酸化チタン及び酸化タンタルの１種以上を含む。
【００１３】
膜は更に、１以上の機械的安定化層を含んでいてもよい。この機械的安定化層は、絶縁層又は半導電層のいずれでもよい。
【００１４】
本発明の別の態様では、分子反応を計測するための計測システムを提供するが、本システムは、本発明の第１の態様による１以上のナノプラズモン素子と、流体フローセルであって、このセル中の液体とナノプラズモン素子とを接触させるように構成された流体フローセルと、ナノプラズモン素子の光学特性を測定するためのシステムと、光学特性を測定するためのシステムに電気的に接続された制御分析システム（３０２）とを備える。
【００１５】
本発明のまた別の態様では、ナノプラズモン素子の製造方法を提供するが、本方法は、膜を形成するステップと、膜に複数の貫通チャネルを形成するステップとを含み、チャネルの相対位置は、長距離秩序のないパターンを形成するように構成される。
【００１６】
膜及びチャネルを形成するこれらのステップは、機械的安定化層上に、コロイド１つあたり１〜１００００ｎｍの範囲の空間長でコロイドを沈着させるステップと、機械的安定化層及びコロイド上に導電層を蒸着させるステップと、導電層に穴を形成するコロイドを除去するステップと、機械的安定化層及び導電層を絶縁層で被覆するステップと、基質裏側の窓構造部を画定及び除去し、基質の窓構造部を除去した後に露出した機械的安定化層の窓構造部を除去するステップと、機械的安定化層及び導電層を通る貫通チャネルを生成して、ナノプラズモン特性を有するナノサイズの細孔を形成するステップとを含む。
【００１７】
コロイドを沈着させるステップは、均一な短範囲秩序でコロイドを沈着させるステップを含んでいてもよい。本方法は更に、基質上に絶縁層又は半導電層を沈着させる初期ステップを含んでいてもよい。
【００１８】
機械的安定化層は、基質層、或いは、別個の絶縁性又は半導電性の層の１つであってよい。
【００１９】
本発明によるまた別の態様では、ナノプラズモン素子を用いて分子反応を計測する方法であって、長距離秩序のないナノプラズモン素子を、貫通チャネルを通して流体フローセルに接触するように配置するステップと、流体に反応物質を供給するステップと、反応物質を含む流体を流体フローセルに供給するステップと、ナノプラズモン素子の光学特性を経時的に測定するステップと、光学特性の変化を分子反応と関連付けるステップとを含む。
【００２０】
本発明による別の態様では、第１の態様によるナノプラズモン素子を含み、計測システムによって保持されるように構成された保持構造を更に含む、消耗型センサを備える。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る素子及び素子の製造プロセスの模式図である。
【図２】本発明に係るシステムを模式的に示したブロック図である。
【図３】本発明に係るセンサシステムを模式的に示したブロック図である。
【図４】本発明に係る方法の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
下記の実施形態を参照すると、本発明のこれら及びその他の態様が明らかになるであろう。
【００２３】
以下では、本発明を限定することなく説明し、添付図面に示す実施例を参照しながら本発明をより詳細に説明する。
【００２４】
本発明は、化学的又は生物学的な分析検知等の用途に用いるミクロ／ナノスケールのコロイドリソグラフィ、薄膜蒸着及びエッチングステップを組み合わせて用いる、微小ナノプラズモン素子及び該素子の製造方法を含む。この方法は、ナノプラズモン共鳴におけるシフト、分子反応等のプロセスによって生じる屈折率の変化に感応する素子の光学特性を利用している。分子反応の制御は、供された被検物質の組成及び／又は素子の物理的構成を変化させることで可能である。素子は、計測システムにおいて消耗型センサとして使用可能であり、この使用については本明細書でより詳細に後述する。
【００２５】
ナノプラズモン素子は、長距離秩序を一切示さないパターンで形成された貫通チャネルを有する膜を含む。このパターンは、例えば、完全にランダムなチャネルの分布に加えて、短範囲秩序のみを有する構造を有する。短範囲秩序は、チャネルの配置においては規則と定義できるが、最も近い隣接チャネルの中心間の距離の分布は、完全にランダムに分布した孔の場合の距離の分布よりも狭くなる。長距離秩序を有するシステムは、中心間の距離の分布が少なくとも一方向に周期的であるようにチャネルが配置された基質と定義できる。なお、本発明のチャネルは、いわゆる準秩序（例えば、特定のパターンによって画定されるが長距離秩序のない構造）で分布してもよい。本発明において、チャネルは、近隣との最短距離の平均が３、好ましくは１０、さらに好ましくは１００よりも長い長距離秩序のないように分布し得る。近隣との最短距離は、チャネルの中心と中心の間の距離と定義できる。
【００２６】
素子の作製スキームを図１に示し、以下で説明する。簡単に述べると、例えば、短範囲秩序を示す直径１５０ｎｍのナノホール１０５が穿孔された厚さ６５ｎｍの金皮膜１０４を、コロイドリソグラフィ（ステップｉ〜ｉｖ）を用いて、Ｓｉｎ１０１（２００ｎｍ）を被覆したＳｉウエハ１０２上で作製する。潜在的に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等の他の材料を、用途に応じてＳｉｎの代わりに用いてもよい。Ｓｉ層は機械的安定化層として機能し、好ましくは絶縁されているが、同様に半導体材料を用いてもよい。このような機械的安定化層を有さない素子を作製して、機械的安定化層に代えてＳｉ基質自体に素子を配置してもよい。この場合、素子の強度は低下するものの、多くの用途においてこのことは重要ではない。コロイドリソグラフィが選ばれているのは、この方法が、短範囲秩序をもたらすと共に広範囲にナノ構造を形成するための簡便、迅速、低コストな方法だからである。ナノホールは、その後、更に２００ｎｍ  ＳｉＮ層（ステップｖ）１０７によって被覆される。ＳｉＮ層は、ウェットエッチングの間、ナノホール構造を保護する。後述するように、この２００ｎｍ  ＳｉＮ層や最初のＳｉＮ皮膜が、最終的な構造の機械的安定度を向上させることになる。その後、ネガティブフォトレジスト（ＰｒｏＴＥＫ  ＰＳＢ−２３、英国Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ社）において方形の空間１０８、円、又はその他何らかの形状が、従来のＵＶ−リソグラフィ（ステップｖｉ）によって、ウエハの裏側に画定される。スクエア周辺には、細いスリットが形成され、各最終サンプルの寸法を画定している。次に、全ての空き領域を、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）中でのＳｉウェットエッチングによって除去できるが、このレジストで保護された領域を腐食させることはない（ステップｖｉｉ）。代替的に、パターン形成された裏側のＳｉＮ（或いは二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）又は同様の材料）の層を、Ｓｉのウェットエッチングの間にマスキングとして用いてもよい。ＴＭＡＨ以外のエッチング溶液、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）等も、Ｓｉエッチングに用いてもよい。適切なマスキング材料を用いて、Ｓｉのドライエッチングを行ってもよい。ウエハ前面の金属ナノホール構造は、上層のＳｉＮコーティングによって保護されている。方形の空間内のＳｉは、ＴＭＡＨ中で約１３時間後に完全に除去され、最初に沈着したＳｉＮ皮膜がエッチングを停止させる。その結果、膜の外側のＳｉウエハによって担持された遊離ＳｉＮ／金属ナノホール／ＳｉＮ膜の方形部分１０９が形成される。スリット内にもエッチングが施されているため、ピンセット等の通常のツールを用いて、ウエハを約５０のサンプルに容易に分けることができる。最終ステップは、貫通プラズモンチャネルや細孔にナノホールを穿孔するステップであり、ここでは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を選択する。このステップを、ウエハの表側（ステップｖｉｉｉａ）又は裏側（ステップｖｉｉｉｂ）のいずれから行ってもよい。これらのアプローチの主な相違点は、後者の場合は、チャネルがあるのは膜領域のみなので、膜領域の金にしかアクセスできない点である。いずれのアプローチも、ＲＩＥの間、金皮膜を��ッチングマスクとして用いる。なお、多かれ少なかれ、サンプルをウエハの寸法及び／又はサンプル（例えば１〜５００個の任意数のサンプル）の寸法に応じて、ウエハ上に配置できる。
【００２７】
例えば走査型電子顕微鏡を用いて、ナノ細孔の作製の成功を検証することができ、サンプルのプラズモン特性の調査を行うには、マイクロ吸光分光法により、裏面照射型２Ｄ−ＣＣＤ分光計を備えた標準的な顕微鏡を用いることができる。
【００２８】
なお、ＲＩＥの間、エッチングマスクとして金そのものを用いた。金を用いた理由は、ＲＩＥの間に、金と追加のマスキング層（例えばクロム）との間に合金が形成されるのを回避するためであった。しかし、金以外の材料や別々の材料を用いた多重層を、この作製方法により形成してもよい。ＲＩＥプロセスのパラメータは、ＳｉＮと金（約１９：１）の間の高い選択性のために最適化され、エッチング速度はそれぞれ約２３０ｎｍ／分と１２ｎｍ／分であった。厚さ約１３０ｎｍのＳｉＮの上部保護層を用いて、金を約１１６秒間ＲＩＥに曝して、金を約２３ｎｍエッチングした。
【００２９】
プラズモン共鳴は屈折率（ＲＩ）の変化の影響を受け易い。このことは、ナノ細孔を通して流れる液体が、水に対してバルク屈折率を約０．３３シフトさせることからわかる。サンプルを紫外線（ＵＶ）オゾンチャンバで処理することで、親水性を向上させることができる。なお、開口率の低い空気液浸顕微鏡対物レンズの計測では、その対物レンズによって集光された散乱光部分を最小化することができるが、その他の光学構造を用いてもよい。図２は、例えばレンズ、任意で光励起素子及びＣＣＤ等を有する光学検出器２０２を備えた、ナノプラズモン素子２０１に配置されたサンプルの光学特性を検知する計測装置２００を示している。流体の流入口２０５及び吐出口２０６を備えた流体フローセル２０４は、ナノチャネル２１１に接するように配置されている。流体セルは、少なくとも部分的に軽量の透過物質２１２から作製されている。流体フローセルからの流体は、ナノチャネル２１１と相互作用可能になっている。ナノチャネルと光学検出素子との間には、用途に応じて、水やエタノール等の適切な液体の任意の液滴２０３を第２の液貯蔵器として配置してもよい。また、この構想を、素子の一方又は両方の流体チャネルと組み合せで採用してもよい。一実施形態において、光源２１０は、光学検出器に対して流体フローセルの反対側に配置され、吸光方式で光を検出する。この光源は、用途に応じて、例えば白色光の平行ビーム又は特定波長の光を提供し、よい。
【００３０】
プラズモン共鳴のピークの計測には、例えば、マイクロ吸光分光法又は暗視野分光法を用いることができる。プラズモン共鳴におけるシフトは、ピーク位置自体の変化として計測可能であり、セントロイド法等のピークトラッキングアルゴリズムを用いても計測可能である。振幅等のパラメータにおける変化のようなその他のシフトも、用いることができる。プラズモン共鳴の検出は、光源を検出器と同じ側に配置してナノ細孔からの反射光を計測する反射技法を用いても可能である。
【００３１】
ナノプラズモンチャネルを用いて、特定の生体分子認識反応のリアルタイムモニタリングが可能である。高い時間分解能で高ＳＮ比を実現するために、様々なファクタを考慮できる。金薄膜（ＲＩＥ後約４２〜４５ｎｍ）を、不透明金属皮膜の代わりに選択してもよい。これらの薄膜は、可視領域（無孔でもある）の光の大半部分を透過させるため、プラズモン共鳴はしばしば、吸光スペクトルの凹みとしてではなくピークとして現れる。この現象は、光の透過率が高い厚い有孔金属皮膜の場合に、吸光スペクトルで凹みが観測される現象とは、正反対の現象である。特にミクロン単位の計測では、例えば１４ｍｓ等の短い積分時間でも検出器のダイナミックレンジを最大限に利用す焼成、光透過量を最大にすることが極めて重要である。このことは、結果として、プラズモンセンサで検出可能な最低濃度を最終的に決定するＳＮ比を最大化させるには有効である。同様の理由から、高ダイナミックレンジの超高感度裏面照射型２ＤＣＣＤ分光計を用いてもよい。更に、ピーク位置自体の代わりに、ピークトラッキングに基づく検知方法の場合にＳＮ比を顕著に向上させることが判っている、プラズモンピークの重心（質量中心）をモニタリングしてもよい。
【００３２】
フロースルー計測に可能なスキームは次の通りである。金側を下側にしてサンプルをフローセル内に配置する。反対側の液区画では、バッファ１滴を（例えば倍率６３倍、６３Ｘの）水浸顕微鏡対物レンズと接触させておく。この構成により、フロースルー計測の前に、上部液区画の液体を交換することなく、フローセルで洗浄ステップを機能させてこれを実施できる。次いで、シリンジ又はフロースルー計測が可能な同様の手段を用いて、ターゲット分子をバッファ滴に添加する。ターゲット分子がナノプラズモンチャネル中を流れる際に、これらのターゲット分子を結合させることができる。フロースルーセンシングを用いる理由の１つは、結合速度の増大である。従って、ＳＮ比を最適化する際に高い時間分解能を維持することは極めて重要である。
【００３３】
金に近接したチャネル内の領域は、ある程度がナノプラズモン場内に存在する。このことは、類似ではあるが貫通式ではないナノプラズモンウェルにおいて例証されており、プラズモン共鳴でのシフトを用いて、これらのウェル底部の特にガラス領域への生体分子の吸着をモニタリングできる。これによって、金に近接した細孔内のＳｉＮに対するニュートラアビジンの非特異的吸着が、プラズモン共鳴のシフトを誘発することが予測される。したがって、金及びＳｉＮに対する界面化学的手法を選択的に制御することで、例えばニュートラアビジンがビオチン化金に吸着する場合等の、特異的吸着によって誘発される反応のみを計測可能とすることは有利である。このことは、例えば金の上のチオール−ＰＥＧ：チオール−ＰＥＧビオチンの比を（例えば１：１）とし、その後ＰＬＬ−ＰＥＧを用いてＳｉＮを不動態化させ、金を官能化させることによって達成可能である。ＰＬＬ−ＰＥＧがＳｉＯ2上に高いタンパク質耐性層をもたらし、チオール−ＰＥＧには吸着しないことは既知であり、ＳｉＮ上でも首尾よくタンパク質吸着を防止することがわかった。
【００３４】
結果として、本発明では、ナノプラズモン貫通チャネルの配列を同時に作製するためのスキームを提供し、このスキームでは、同時に生成されるサンプルの数はウエハ及びサンプルの寸法によってのみ制限される。これらのチャネルは、主に分子が急速に交換され得るチャネル内に検知性能を局在化させるために、一切の長距離秩序を有さずに分布する。任意で、これらのチャネルを短範囲秩序で配置させる。生体分子の認識反応を正確且つ高い時間分解能でモニタリングできるという事実は、フロースルーバイオセンシングに用い得る構造としての可能性を示している。ナノチャネルの両側で微小流体を合流させることは、フロースルーセンシングの利点を応用する上で有効である。なお、液体がナノプラズモンチャネルの両側にアクセスするナノプラズモンチャネルの配列は、細孔に跨がる人工細胞膜のプラットフォームとして興味深いものであり、単一の膜イオンチャネルのモニタリングにも使用可能である。本発明に示される構造のナノプラズモン成分は、かかる人工膜を用いて、電気的手段のみならず光学的にも、分子の輸送を計測できるという可能性を付与するものである。既存技術とは対照的に、荷電及び非荷電の分子の輸送を計測できる。なお、貫通チャネルは、円筒状に成形される必要はなく、円錐形、砂時計形、又は不規則形状をしていてもよい。更に、チャネル表面が円形である必要はなく、楕円形又は多角形等のその他の形状であってもよい。チャネルの幾何的特性を用いて、ナノプラズモン特性の微調整を行える。
【００３５】
最も近接する貫通チャネル間の中心間の空間長は、１〜１００００ｎｍ程度、好ましくは１０〜１０００ｎｍ程度、さらに好ましくは５０〜５００ｎｍ程度である。貫通チャネルの直径は、１０〜５００ｎｍ程度、好ましくは２５〜２５０ｎｍ程度、さらに好ましくは５０〜１５０ｎｍである。導電層は、金、銀、パラジウム及び白金の１種以上を含む。更に、導電層を形成するために他の金属を用いてもよく、実際には、例えばリン化ガリウム等の一部の半導体材料も使用可能である。この素子の膜厚は、１〜１０００ｎｍ程度、好ましくは５〜５００ｎｍ、さらに好ましくは１０〜１００ｎｍである。
【００３６】
ナノプラズモンチャネルの更なる使用法は、ナノプラズモンセンシング機能を組み込んだナノサイズのフィルタとしての作用である。これによって、例えば、チャネルを通過可能な十分に小さな分子の一部分のみを選択的に計測できる。これによって、例えば、血液分析の調製を大幅に単純化させることができる。
【００３７】
これより、１つの考えられる方法を用いたナノプラズモン素子の作製を、図１に照らしてより詳細に説明する。これは、あくまでも実施例であって、方法ステップの一部を他のステップに変更したり、ステップの順序を入れ替えたりしてもよいこと、また、記載の寸法及び割合も例示的なものであることを理解されたい。
【００３８】
まず、（ｉ）約２００ｎｍの窒化珪素（ＳｉＮ）薄膜１０１を、プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）を用いて、シリコンウエハ１０２（例えば厚さ２７５μｍ、直径２インチ）に上に沈着させる。ＰＥＣＶＤの間、高周波（ＲＦ）信号を印加してもよく、高周波（ＲＦ）信号を周期的に交替させることで、ＳｉＮ被膜のストレスを最小化させてもよい。代替的に、他の種類のＳｉＮ、二酸化ケイ素皮膜、又は多重層をも上記のＳｉＮ被膜の代わりに用いてもよい。更に、ＳｉＮ被膜及びＳｉ基質の厚さは、ＳｉＮ被膜では、例えば１ｎｍから１マイクロメートルと様々であってよい。
【００３９】
その後、短範囲秩序の金のナノホールを、コロイドリソグラフィを用いてＳｉＮ被膜上に作製する。まず、５ｗ％の水酸化塩化アルミニウムを、６０秒間かけてＳｉＮ層に添加した後、水中で濯ぎ、窒素で乾燥させる。これにより、ＳｉＮ表面が正に帯電する。次に、（ｉｉ）直径１５０ｎｍの負に帯電した０．１ｗ％ポリスチレンコロイド１０３を添加する。ＳｉＮ表面とコロイドの間の静電相互作用と、コロイド間の反発性とのバランスが、ＳｉＮ表面上でコロイドを均一な短範囲秩序に整列させる。次いで、ウエハを水で濯いだ後、エチレングリコールを噴霧し、再度水で濯ぎ、最後に窒素でブロー乾燥する。エチレングリコールは、乾燥プロセス中の微粒子の運動及び凝集を最小化する一助となる。次いで、軽度の酸素プラズマエッチングを行って、コロイドを除去することなくＳｉＮ被膜から電解質を除去する。このステップにより、金属を下層の膜に良好に付着させられることがわかっている。なお、コロイドリソグラフィの処方では多数のパラメータが変化し得る。例えば、単層のＡＣＨの代わりに、多重層を用いてもよく、或いは、コロイドを、例えば酸素プラズマ処理を用いて、金属付着の前に小さくしてもよい。次に、（ｉｉｉ）１ｎｍのクロム、６５ｎｍの金１０４、１ｎｍのクロム１ｎｍを電子ビームを用いてサンプル上に蒸着する。ここではクロムが付着層として作用する。クロム層を用いて、隣接する材料の付着性を向上させた。金層の厚さは、例示の６５ｎｍに限定されるものではなく、（コロイドの直径に応じて）１ｎｍから５００ｎｍの範囲であってもよく、この金を、（銀、パラジウム又は白金、それらの混合物、又は２種類以上の材料で成る多重層等の）他の材料と置き換えてもよいことを理解されたい。また、クロム層は、接着性向上剤として用いる場合、例えば０．１ｎｍから１０ｎｍと様々であってよい。更に、クロムを、チタン、酸化クロム、酸化チタン及び酸化タンタルの１種以上と置き換えてもよい。（ｉｖ）テープストリッピング等の手段でコロイドを除去して、表面上に金属ナノホール１０５を形成する。次に、（ｖ）ＰＥＣＶＤを用いて、ナノホール構造を２００ｎｍ前後のＳｉＮ１０７で被覆する。この時点では、ナノホール構造は、大きな縮尺で見ると（即ち、マイクロメータ以上の規模で見ると）、無秩序に配置されている。
【００４０】
次いで、（ｖｉ）ウエハの裏側にＵＶ−リソグラフィを行い、ネガティブフォトレジストＰｒｏＴＥＫ  ＰＳＢ−２３  １１２に、方形の空間等の空き領域１０８を画定してもよい。このステップで細いスリット（図示せず）を形成し、最終サンプルの寸法を画定してもよい。最初に、ＰｒｏＴＥＫ  ＰＳプライマをウエハの裏側に、１０００ｒｐｍ（回転数／分）で６０秒間スピンコートし、１１０℃で６０秒間及び２２０℃で１２０秒間焼成した（全ての焼成ステップをホットプレート又はオーブンで行える）。フォトレジストＰｒｏＴＥＫ  ＰＳＢ−２３を、次いで３０００ｒｐｍで６０秒間スピンコートし、１１０℃で６０秒間焼成した。次いで、クロムマスクの逆パターンを、５ｍＷ／ｃｍ2前後、３０秒間３回露光して、例えばＫａｒｌ  Ｓｕｓｓ  ＭＪＢ３−ＵＶ４００等のマスクアライナのレジストに転写した。更に１１０℃で１２０秒間焼成した後、２分間前後、乳酸エチルでレジスト現像してから、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で濯ぎ、窒素でブロー乾燥した。ＵＶリソグラフィの最終ステップは、２２０℃で１２０秒間の焼成である。パターン形成されたＳｉＮ又はＳｉＯ2の作製は、例えばフォトリソグラフィーやエッチング等のステップによって可能であり、このＳｉＮ又はＳｉＯ2を、ＰｒｏＴＥＫ  ＰＳＢ−２３の代わりに用いてもよい。
【００４１】
次いで、（ｖｉｉ）ＰｒｏＴＥＫ  ＰＳＢ−２３を腐食させることなくＳｉを異方性エッチングするテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）に、ウエハを浸漬する。ウエハ表側のＳｉＮ被膜は、金属ナノ構造をエッチング溶液による腐食から保護する。方形の空間内のＳｉは、ＴＭＡＨ中で約１２時間後に完全に除去され、下層のＳｉＮ被膜はエッチングストッパとして作用した。ウエハを、次いで水で十分に濯ぎ、窒素でブロー乾燥する。その結果、金属被膜中にナノホールを有し且つ方形の空間の外側に担体としてのＳｉウエハを有する、遊離ＳｉＮ／金属／ＳｉＮ薄膜の方形部分１０９が形成される。ＴＭＡＨ以外のエッチング技術を用いてもよく、他のマスキング層を用いる場合には、水酸化カリウムウェットエッチングや更にはドライエッチング等の他のエッチング技法を用いることもできる。Ｓｉが、ＵＶリソグラフィステップで画定したスリットにエッチングされることにより、素子及びウエハ上の寸法に応じて、ウエハを約５０のサンプルに容易に分割することができる。最終ステップは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、貫通プラズモンチャネルに、ナノホールを穿孔することである。このステップは、ウエハの表側（ｖｉｉｉ  ａ）又は裏側（ｖｉｉｉ  ｂ）のいずれかから行われ、後者のアプローチの場合、金がアクセスできるナノ細孔１１０が窓構造領域に生じ、前者の場合、金が全くアクセスできないナノ細孔１１１が窓構造領域に生じる。いずれのアプローチでも、金被膜自体は、ＲＩＥの間、エッチングマスクとして機能した（図１のステップｖｉｉｉａ及びｂを参照）。ＲＩＥは、ＮＦ3を用い、流量５０ｓｃｃｍ、出力７０Ｗ、圧力１０ｍＴｏｒｒで、様々な時間で実施可能である。例えばＣＦ4ガス等を含む他のＲＩＥ処方を用いてもよい。
【００４２】
プラズモン素子のクオリティの分析は、例えば、１００Ｗの石英タングステンハロゲン光源とＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ社のＱＥ６５０００（商標）等の裏面照射型２ＤＣＣＤ分光計を備えた従来の顕微鏡を用いて、素子の吸光スペクトルを取得することで、可能である。分光計の制御は、例えばＮａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＬａｂＶｉｅｗ（商標）プログラム等のカスタムデザインプログラムを用いて可能である。最初は、分光計に照射を行わずに、ダークスペクトルを取得する。その後、基準スペクトルを記録し、最後に素子を光路内に配置して、吸光スペクトルを取得し、次式に従って吸光スペクトルが表示される。
【００４３】
【数１】
2013506831.tif 000003
なお、吸光係数は０〜１である。光学特性の表示は、他の関係を用いても可能である。
【００４４】
検知実験では、倍率６３の水浸対物レンズを用い、浸漬液滴をナノプラズモン細孔のいずれかの側の、２つの分液区画の１つに用いる。基準スペクトルの取得は、顕微鏡のスライド上で同じ対物レンズと液滴を用いて、計測前に行われる。強度及びピーク位置が絶対的に正確なものとはなり得ないという事実は重要ではないが、それは、我々がこれらの実験で注目しているのは、プラズモン共鳴におけるシフトのみだからである。バイオセンシング試験では、スペクトルを多項式に代入してピークの重心（質量中心）が算出され、カスタムデザインのＬａｂＶｉｅｗプログラムを用いてプロッティングされる。
【００４５】
プラズモンの特性評価のためにネガティブコントロールを行ってもよい。ＳｉＮ平面薄膜にナノホール有する（ＳｉＮを貫通する穴はない）サンプルの作製は、ＳｉＮのトップコーティングを行わずに、上記の方法で可能である。代わりに、例えばＢｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ社のＰｒｏＴＥＫ  Ｂ３等のポリマーを、ＴＭＡＨでウェットエッチングを行う間、保護剤として用いてもよい。このポリマーは、後でメチルイソアミルケトン（ＭＩＡＫ）で除去される。いずれの液体もこれらのナノホールを通過しないため、かかるサンプルを用いて、サンプルのＳｉＮ側の屈折率の変化においてもプラズモンシフトが見られるかどうかを調べることができる。エタノール１滴をサンプルの裏側に配置してもシフトは見られないが、金が露出した側に液滴を配置した場合にのみ、プラズモン共鳴のシフトが見られる。
【００４６】
図３は、適当にケース収納された図２に記載の計測装置３０１、流体貯蔵器３０４、廃液貯蔵器３０５及び計測制御装置３０２を備えた、本発明に係る計測システム３００を示す。貯蔵器は、適当な配管３０６と３０７を用いて、計測装置に接続されている。液流の制御は、素子の両側（図示せず）で、流体チャネルによって可能である。計測制御装置は、例えば、イーサネット（登録商標）、ＧＰＩＢ  ＨＰＩＢ、ＶＸＩ、Ｉ２Ｃ、ＲＳ２３２等の適当なパラレル又はシリアル通信手段と制御インタフェース３０３を用いて、計測装置に接続されている。計測システムは、貯蔵器の充填又は排出、ナノプラズモン素子の交換、ナノプラズモン素子の光検出側での液滴の添加、洗浄等を行うためのポート等、適宜のユーザインタフェースを備える単一のケーシングに結合可能である。システムは、ナノプラズモン素子を受け入れ、且つ、計測の間、ナノプラズモン素子を保持する、ナノプラズモン素子受容ユニット（図示せず）を有する。この受容ユニットは、ナノプラズモン素子を容易に交換できるように構成されており、例えばナノプラズモン素子がぴったり嵌まり込む、自身を静止させるための幾つかのクランプ手段（即ち、幾つかの簡易脱着機能）を有する構造を備えている。この構造は、凹部やスロットを含み、ナノプラズモン素子が横方向にスロットまで摺動するようになっていてもよい。クランプ手段は、例えば何らかのバネ又は摩擦を用いた手法であってよい。受容ユニットが受容構造を備えている必要はないが、ナノプラズモン素子は、例えば光学顕微鏡を用いる際にそのガラススライドがクランプのような１つ以上のバネで保持されるように、クランプ手段で保持されてさえいればよいことを、理解されたい。一実施形態では、ナノプラズモン素子は、例えば金属製の別個の保持構造に接着されており、この保持構造はクランピングや摩擦手法等の手段によって、計測装置内に固定されている。ナノプラズモン素子には、別個の保持構造を有するタイプと有しないタイプがあり、例えば適当なＯリングや類似の封止手段を用いて、好都合に、漏れを封止するように載置されている。
【００４７】
図４に関して、計測方法には以下の形態が可能である。
４０１．本発明に係るナノプラズモン素子を計測装置３０１に配置する。ナノプラズモン素子を局在的に配置すること、又は、特定の分子反応に所定の親和性を示すナノプラズモン素子を、実施する計測のタイプに応じて調達することが可能である。
４０２．ナノプラズモン素子の片側に対象の分子を含む液体を供給する。適宜の分子組成を有する液体を貯蔵器に供給するか、又は、流体セルチャンバに直接供給する。
４０３．ナノプラズモン素子の光学特性を検出する。ＣＣＤ検出器又は同様のものを用いて、反応容積（即ち、ナノ孔）における光学特性を測定する。
４０４．経時的な光学特性の変化を、ナノプラズモン素子での分子反応プロセスとの関連において計測する。多くの計測形態において、反応が経時的に変化したり、経時的な一体化によってＳＮ比が向上したりするのがわかるのは、興味深い。
４０５．計測した変化を分析及び表示する。計測の形態に応じて、ピーク又は凹みの位置、平均レベル、微分積分作用等の測定に、異なる形態の分析を行うことは興味深い。
【００４８】
このナノプラズモンシステムを、既存の顕微鏡のプラットフォームに組み込むことも、スタンドアロン機器として開発して販売することもできる。ナノプラズモン素子を、予め表面を官能化して、或いは官能化せずに、消耗品として販売することもできる。
【００４９】
本発明には、構造体をフィルタとして、例えばナノプラズモンセンシングと組み合わせて用いる用途も見出せる。導電層を、本用途又は他の用途において電極として用いることもできる。例えば、導電層を用いて、細孔構造体の導電率の変化を計測できる。
【００５０】
本発明は、例えば表面を固定化したターゲット分子種とタンパクとの相互作用の検知、ウイルス研究、細胞分析、ＤＮＡ鑑定、抗原抗体分析、創薬、診断用途等の多くの専門領域において、用途を見出せる。
【００５１】
なお、製品の上述の例で用いた幾何的寸法は、あくまでも寸法の目安として用いられたものであり、当業者には明らかなように、使用する材料、処理ステップ、機能によって大幅に変化することがあり、本発明を限定するものではない。
【００５２】
「有する」という語が、列挙した要素又はステップ以外のものの存在を排除することはなく、単数名詞の要素が、かかる要素の複数形の存在を排除することはない。また、どの参照符号も特許請求の範囲を限定するものではなく、それぞれの「手段」又は「装置」をハードウェアの同一の品目で表すこともできる。
【００５３】
以上に記載及び記述した実施形態は、あくまでも例として提示されたものであって、本発明を限定するものではない。その他の解決策、使用法、目的及び機能も、添付の特許請求の範囲に記載の発明の範囲内であることは、当業者には明らかであろう。
【図１】
2013506831.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2013506831.tif 000009
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