(57)【要約】【課題】金属微粒子表面の局在プラズモン共鳴状態を光により検知して金属微粒子近傍の試料を分析するセンサに用いられるセンサチップにおいて、ノイズを小さくし、高い感度を得る。【解決手段】表面に対して略垂直な方向に互いに独立する複数の第１の微細孔を有する、ポリスチレンからなる保持部材と、複数の微細孔の内部それぞれに互いに独立して保持される金（Ａｕ）からなる金属微粒子とから構成する。微細孔は、ポリスチレン基板１１表面１１ａ上に、陽極酸化アルミナ膜１２を設け、この陽極酸化アルミナ膜１２をマスクにして、ポリスチレン基板１１表面１１ａをエッチングすることにより得る。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属微粒子表面の局在プラズモン共鳴状態を光により検知することにより金属微粒子近傍の試料の特性を分析するセンサに用いられるセンサチップであって、
表面に対して略垂直な方向に互いに独立する複数の微細孔を有する保持部材と、前記複数の微細孔の内部それぞれに互いに独立して保持される金属微粒子とからなり、前記保持部材が、密度が均一な透明誘電体からなるものであることを特徴とするセンサチップ。
【請求項２】
前記保持部材が、ポリスチレンからなることを特徴とする請求項１記載のセンサチップ。
【請求項３】
透明誘電体からなる基板表面上に、該表面に対して略垂直な方向に複数の第１の微細孔を有する陽極酸化アルミナ膜を設ける第１の工程と、該陽極酸化アルミナ膜をマスクにして、前記基板をエッチングすることにより、前記基板表面に前記第１の微細孔に対応した複数の第２の微細孔を形成する第２の工程と、
前記陽極酸化アルミナ膜を除去した後に、前記表面に前記第２の微細孔が形成された基板に対して該表面側から金属を被着させた後、前記表面上に形成された金属の被着体層を除去することにより、前記複数の第２の微細孔の内部それぞれに互いに独立して金属微粒子を保持させる第３の工程とからなることを特徴とするセンサチップの製造方法。
【請求項４】
請求項１記載のセンサチップと、
該センサチップの前記金属微粒子に光を入射させる光源と、
前記センサチップの金属微粒子から反射または透過した光の強度を測定する光検出手段とからなり、
前記光検出手段の測定結果に基づいて、前記基板に保持された前記金属微粒子近傍の試料の特性を特定することを特徴とするセンサ。
【請求項５】
前記光検出手段が、分光器であることを特徴とする請求項４記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属微粒子表面の局在プラズモン共鳴状態を光により検知して金属微粒子近傍の試料を分析するセンサに用いられるセンサチップ、およびそのセンサチップの製造方法並びにセンサチップを用いたセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘電体や半導体等の表面に金属微粒子が層状に固定されてなる微細構造体をセンサユニットとして用い、局在プラズモン共鳴を応用して試料の屈折率等を測定するセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このセンサは基本的に、上記微細構造体の金属微粒子の部分に測定光を照射する手段と、この層状の金属微粒子を経た（つまりそこを透過、あるいはそこで反射した）測定光の強度を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００３】
上記のセンサにおいて、層状の金属微粒子の部分に測定光を照射すると、ある特定の波長において局在プラズモン共鳴が生じ、それによって測定光の散乱や吸収が著しく増大する。そこで、層状の金属微粒子を経た測定光の強度を検出するようにしておけば、その検出光強度が急激に減衰することを観察して、局在プラズモン共鳴の発生を確認することができる。
【０００４】
このとき局在プラズモン共鳴が生じる光波長、並びに測定光の散乱や吸収の程度は、金属微粒子の周囲に存在する媒質の屈折率に依存する。つまり、この屈折率が大であるほど共鳴ピーク波長は長波長側にシフトし、また測定光の散乱や吸収は増大する。したがって、層状の金属微粒子の周囲に試料を配した状態で該金属微粒子の部分に測定光を照射し、そのときこの部分を経た測定光の強度を検出することにより、試料の屈折率や、それに対応する試料の物性等を測定することができる。
【０００５】
一方、Ａｌを溶液中で陽極酸化して得られた陽極酸化アルミナ膜には、数ｎｍ程度から３００ｎｍ程度の直径を有する微細孔が複数規則的に形成されることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
陽極酸化アルミナの多孔性材料としての最大の特徴は、微細孔が、基板表面に対してほぼ垂直方向に略等間隔に平行して形成されるハニカム構造をとる点にある。これに加え、微細孔径、微細孔間隔、微細孔深さを比較的自由に制御できる点も他の材料にない特徴である。
【０００７】
また、ＧａＡｓやＩｎＰからなる基板上に陽極酸化アルミナ膜を設け、陽極酸化アルミナ膜をマスクとして、ＧａＡｓやＩｎＰ基板に微細孔を設けることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００８】
また、本願発明者により、陽極酸化アルミナ膜と、陽極酸化アルミナ膜の規則配列された微細孔の内部に充填された金属粒子とからなる構造体と、この構造体を用いた局在プラズモン共鳴を利用したセンサが提案されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３５６５８７号
【００１０】
【非特許文献１】
益田秀樹、「陽極酸化アルミナにもとづく高規則性メタルナノホールア  レー」、固体物理、１９９６年、第３１巻、第５号、ｐ．５７−６３
【００１１】
【非特許文献２】
Ｍａｓａｓｈｉ  Ｎａｋａｎｏ  ｅｔ．ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３８（１９９９），ｐ１０５２−１０５５
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、陽極酸化アルミナ膜は、結晶成長過程の特徴から、孔と孔との間で、組成が不均一となる領域が発生する。この組成の不均一は、陽極酸化アルミナ膜をセンサ等に用いた場合、光学的ノイズを発生させ、Ｓ／Ｎ比の向上を妨げるという問題がある。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みて、金属微粒子表面の局在プラズモン共鳴状態を光により検知することにより金属微粒子近傍の試料の特性を分析するセンサに用いられるセンサチップにおいて、ノイズが小さく、高感度で測定可能なセンサチップおよびその製造方法ならびにそのセンサチップを用いたセンサを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のセンサチップは、金属微粒子表面の局在プラズモン共鳴状態を光により検知することにより金属微粒子近傍の試料の特性を分析するセンサに用いられるセンサチップであって、表面に対して略垂直な方向に互いに独立する複数の微細孔を有する保持部材と、複数の微細孔の内部それぞれに互いに独立して保持される金属微粒子とからなり、保持部材が、密度が均一な透明誘電体からなるものであることを特徴とするものである。
【００１５】
保持部材は、ポリスチレンからなることが望ましい。
【００１６】
本発明のセンサの製造方法は、透明誘電体からなる基板表面上に、該表面に対して略垂直な方向に複数の第１の微細孔を有する陽極酸化アルミナ膜を設ける第１の工程と、該陽極酸化アルミナ膜をマスクにして、基板をエッチングすることにより、基板表面に前記第１の微細孔に対応した複数の第２の微細孔を形成する第２の工程と、陽極酸化アルミナ膜を除去した後に、表面に第２の微細孔が形成された基板に対して該表面側から金属を被着させた後、表面上に形成された金属の被着体層を除去することにより、複数の第２の微細孔の内部それぞれに互いに独立して金属微粒子を保持させる第３の工程とからなることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明のセンサは、上記本発明のセンサチップと、該センサチップの金属微粒子に光を入射させる光源と、センサチップの金属微粒子から反射または透過した光の強度を測定する光検出手段とからなり、光検出手段の測定結果に基づいて、基板に保持された金属微粒子近傍の試料の特性を特定する信号処理部とからなることを特徴とするものである。
【００１８】
光検出手段は、分光光度器であることが望ましい
上記「密度が均一」とは、センサチップとして用いた場合に光学的ノイズを発生させない程度の密度であって、組成が不均一な領域あるいは組成不均一による欠陥等が非常に少ないことを示す。
【００１９】
上記「透明誘電体」とは、局在プラズモン共鳴を検知する測定光、すなわち、光源から発せられる光をほぼ透過させるものであることを示す。
【００２０】
上記「金属微粒子近傍」とは、金属微粒子表面から金属微粒子の直径程度の距離までの範囲、すなわち局在プラズモン共鳴が起こる範囲を示すものである。
【００２１】
【発明の効果】
本発明のセンサチップによれば、保持部材が、密度が均一な透明誘電体からなるため、光学的ノイズの発生を防止でき、高感度な測定が可能となる。
【００２２】
また、透明誘電体をポリスチレンとした場合には、本発明のセンサチップを、ＥＬＩＳＡ（ｅｎｚｙｍｅ−ｌｉｎｋｅｄ  Ｉｍｍｕｎｏｓｏｒｂｅｎｔ  ａｓｓａｙ）法に代表されるような酵素免疫測定等に用いた場合には、ポリスチレンはたんぱく質との非特異吸着がほとんどないため、非特異吸着によるノイズを低減できるので、感度高い測定が可能となる。
【００２３】
本発明のセンサチップの製造方法によれば、測定光をほぼ透過させる透明誘電体からなる保持部材に微細孔を高密度で配置させることができ、高感度なセンサチップを得ることができる。また、金属微粒子を任意のサイズに設定可能であり、目的に応じた種々のセンサチップを得ることができる。
【００２４】
本発明のセンサによれば、本発明の光学的ノイズが小さく高感度な測定を可能とするセンサチップを用いているため、高い感度で試料の分析を行うことが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２６】
本発明のセンサチップの一実施形態について説明する。そのセンサチップの斜視図を図１に示す。
【００２７】
本実施形態のセンサチップ１０は、図１に示すように、表面１１ａに対して略垂直な方向に互いに独立する複数の微細孔１１ｂを有する、ポリスチレンからなる保持部材１１と、複数の微細孔１１ｂの内部それぞれに互いに独立して保持される金（Ａｕ）微粒子１３とからなるものである。
【００２８】
微細孔１１ｂは、図１に示すように、規則配列されている。微細孔１１ｂの底部に充填される金微粒子１３の直径は例えば数ｎｍ〜２００ｎｍ程度とされる。深さは、任意の深さとすることが可能である。
【００２９】
本実施形態では、金微粒子１３として金（Ａｕ）を用いている。これにより、金属微粒子が電気の良導体で、展性、延性に富む金であることにより、低い温度での良好な蒸着が可能となる。しかも、耐食性が高いため後述するセンサとして利用する際に安定したセンサの特性を得られ、また、センサの製造時および使用時の取扱いが容易となる。
【００３０】
金属微粒子の材質は、金の代わりに、銀あるいはその他の金属であってもよい。特に、銀を用いた場合には、センサチップをセンサに用いた場合の感度をより高めることができる。
【００３１】
本実施形態では、金微粒子１３の直径を微細孔１１ｂの深さより小さくし、金微粒子が微細孔の内部の一部に保持される構造としたが、微細孔１１ｂ全体に金が充填された構造としてもよい。
【００３２】
本発明のセンサチップは、密度が均一なポリスチレンを用いているため、光学的ノイズの発生を防止することができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるので、感度高い測定を可能とすることができる。
【００３３】
また、透明誘電体としては、ポリスチレンの他にＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等の高分子樹脂であってもよい。
【００３４】
次に、本発明のセンサチップの製造方法の一実施形態について説明する。その製造過程の断面図を図２に示す。
【００３５】
図２（ａ）に示すように、ポリスチレン基板１１上に、陽極酸化アルミナ膜１２を設ける。
【００３６】
陽極酸化の形成方法としては、いくつかの方法が挙げられるが、基本的には、ポリスチレン基板１１上に形成されたアルミニウムを酸性電界液中で陽極酸化処理する際に、酸化被膜層の形成と、生成した被膜層の溶解とを同時に進行させて形成する方法が用いられている。この方法によれば、陽極酸化開始の初期時にアルミニウムの表面に形成された酸化被膜の表面に、酸による溶解作用で微小なピット（小孔）がランダムに発生する。そして陽極酸化の進行と共に、この中のいくつかのピットが優先的に成長して、略等間隔に配列するようになる。酸化被膜の一旦孔が形成された部分では、他の部分と比較して高い電場がかかるため、その部分の溶解はより促進されることになる。その結果、陽極酸化層には、成長と共に選択的に溶解されて孔となる部分と、孔を取り囲むように溶解されずに残る壁の部分とが形成される。
【００３７】
このようにして得られた陽極酸化アルミナ膜１２には、図２に示すように、ポリスチレン基板１１の表面１１ａに第１の微細孔１２ａが規則配列されて形成されている。第１の微細孔１２ａは、形成された陽極酸化アルミナ膜１２の層面に対して略垂直方向に略同一断面形状の円柱空間となっている。
【００３８】
陽極酸化アルミナ膜１２は、上記のようにポリスチレン基板１１表面１１ａ上にアルミニウム膜を形成してから、陽極酸化を行って形成してもよいし、別途形成した陽極酸化アルミナ膜をポリスチレン基板上に貼りあわせて形成してもよい。
【００３９】
次に、図２（ｂ）に示すように、陽極酸化アルミナ膜１２をマスクにして、エッチングすることにより、第１の微細孔１２ａに対応する第２の微細孔１１ｂをポリスチレン基板１１表面１１ａに形成する。エッチングは、エッチャントに例えば酸素あるいはＣＦ４を用いて行う。
【００４０】
次に、図２（ｃ）に示すように、陽極酸化アルミナ膜１２を除去する。
【００４１】
次に、図２（ｄ）に示すように、表面に第２の微細孔１１ｂが形成された基板に対して表面１１ａ側から金を蒸着あるいはスパッタする。これにより、第２の微細孔１１ｂの内部には金微粒子１３ａが形成され、ポリスチレン基板１１表面１１ａ上には金の被着体層１３ｂが形成される。
【００４２】
その後、図２（ｅ）に示すように、表面１１ａ上に形成された金の被着体層１３ｂのみを除去する。これにより、複数の第２の微細孔１１ｂの内部それぞれに互いに独立して金微粒子１３ａを保持させることができる。基板１１表面１１ａの被着体層１３ｂは、綿棒で容易に擦り取ることができるが、ヤスリ等で研磨して除去してもよい。
【００４３】
なお、微細孔の制御については、例えば、微細孔形成開始点を形成する方法が特開２００１−９８００号、特開２００１−１３８３００号に開示されている。すなわち、被加工物のアルミニウムを主成分とする部位に所望の位置に微細孔形成開始点を形成する。この工程の後に被加工物を陽極酸化することにより、所望の位置に微細孔を形成でき、ナノ構造体の微細孔の配列、間隔、位置、方向等の制御が可能である。微細孔形成開始点の形成方法として、集束イオンビームの照射量、ビーム径、イオン照射エネルギ等の集束イオンビームの照射条件を制御することで、微細孔開始点の凹み形状や組成を制御することができ、これにより、最終的なナノホールの微細孔径を制御することができる。
【００４４】
また、微細孔の配列を特に高密度化させる方法としては、例えばシュウ酸を用いる方法がある。すなわち、シュウ酸を電界液に用い、４０Ｖ付近の定電圧条件のもとで、陽極酸化処理を行うことにより、高密度な微細孔の規則化が進行する。微細孔配列の規則化は、陽極酸化時間と共に進行し、長時間陽極酸化処理を行うことにより、微細孔がほぼ理想的な配置をとることになる。これにより、得られる陽極酸化アルミナ膜の微細孔配列は自然に形成される構造としては例外的に高い規則性を有するようになる。
【００４５】
このように、本発明のセンサの製造方法によれば、規則配列された微細孔１２ａを有する陽極酸化アルミナ膜１２をマスクとして、エッチングによりポリスチレン基板１１に微細孔１１ｂを設けているため、微細孔１１ｂをより高密度に配置させることができる。また金属微粒子１３ａのサイズを均一に作製することができる。また、金属微粒子１３ａを任意のサイズに設定可能であり、目的に応じた種々のセンサチップを得ることができる。
【００４６】
また、リソグラフィ技術等により微細にパターニングされたマスクや、高価で生産性が低い電子ビーム描画等を用いる必要がなく、微細金属微粒子が高密度に配列されたセンサを容易に得ることができる。
【００４７】
次に、本発明の上記センサチップを用いたセンサについて説明する。そのセンサの概略構成図を図３に示す。
【００４８】
本実施形態のセンサは、図３に示すように、上記本発明のセンサチップ１０と、センサチップ１０に対して、微細孔１１ｂ開口側から金属微粒子１３に測定光２２を斜め角度で入射する光源２１と、センサチップで反射した光の強度を測定する光検出手段としてのポリクロメータ２３とからなるものである。
【００４９】
微細孔内部に保持された金微粒子１３の大きさは、微細孔の直径方向と深さ方向においてほぼ同等であるため、入射光の電場方向は、紙面に平行あるいは垂直のいずれであってもよい。一方、金微粒子を微細孔内に充填して、微粒子の直径より深さが大きいロッド状とした場合には、測定光の電場方向は紙面に平行な方向とすることが望ましい。
【００５０】
光源２１から測定光２２は、センサチップ１０の金微粒子１３ａに入射され、金微粒子１３ａで反射されて、例えばポリクロメータ２３からなる光検出手段により反射光の光強度が検出される。
【００５１】
図４にセンサチップの反射光の波長と光強度との関係をグラフで示す。
【００５２】
センサチップ１０での金微粒子１３に測定光が照射されると、ある特定の波長λＬＰの光に関しては局在プラズモン共鳴によって測定光の散乱や吸収が特異的に増大する。このため、この波長λＬＰの光については、反射光強度が著しく低下する。そして、局在プラズモン共鳴が生じる光波長（共鳴ピーク波長）λＬＰ、並びに測定光の散乱や吸収の程度は、金微粒子１３の周囲に存在する試料の屈折率に依存する。つまり、この屈折率が大であるほど共鳴ピーク波長λＬＰは長波長側にシフトする。したがって、共鳴ピーク波長λＬＰを検出することにより、金属微粒子近傍の試料の屈折率や、その屈折率に対応する試料の物性等を測定することができる。金属微粒子近傍の試料の屈折率や、その屈折率に対応する試料の物性は、信号処理部２４を設けて求めるようにすることが可能である。
【００５３】
また、上記のように、反射光の光強度を測定するようにしたが、図５に示すように、光源２１からの測定光２２をセンサチップ１０の微細孔が形成された面１１ａ側から該面に垂直な方向から入射させ、センサチップ１０を透過した透過光の光強度を光検出手段により検出してもよい。あるいは、センサチップ１０の微細孔が形成された面１１ａに対して垂直以外の角度を有するように測定光を入射してもよい。
【００５４】
また、測定光としては、白色光を用いて反射あるいは透過した光を分光検出して共鳴ピーク波長λＬＰを検出してもよく、あるいは、測定光として単色光を用い、上記共鳴ピーク波長λＬＰのシフトや、測定光の散乱、吸収の変化に伴う光強度変化を検出しても、試料の屈折率や物性等を測定可能である。
【００５５】
次に、本発明のセンサチップを用いたバイオセンサについて説明する。そのバイオセンサの概略構成図を図６に示す。
【００５６】
本実施形態のバイオセンサは、図６に示すように、上記本発明のセンサチップ１０と、センサチップ１０を底部に固定して上面には透明窓３６が形成された容器３４と、この容器３４内のセンサチップ１０に白色光３２を入射させる光源３１と、センサチップ１０を透過した光を分光検出するポリクロメータ３３とを備えてなるものである。なお、容器内においてセンサチップ１０は、微細孔が形成されている表面１１ａを上にして配置されている。
【００５７】
センサチップ１０の金微粒子１３ａ表面には、図７に示すように、例えば抗体３８が付着されている。このバイオセンサにおいて、容器３４内にはセンサチップ１０に接触するように測定対象の検体溶液３５が供給される。このとき、検体溶液３５内には、抗体３８と特異的に結合する特定の抗原３７が含まれている。
【００５８】
抗体３８に抗原３７が結合すると、センサチップ１０の金微粒子周囲部分の屈折率が変化するので、ポリクロメータ３３によって検出される測定光の吸収、散乱スペクトル特性が変化する。例えば、この変化は、図８に破線で示すように、共鳴ピーク波長がλＬＰ１であったものが、結合後は同図に実線で示す通り、共鳴ピーク波長がλＬＰ２に変わるように、共鳴ピーク波長のシフトとして現われる。そこで、ポリクロメータ３３によって、共鳴ピーク波長の変化を検出することにより、抗体と抗原との結合の有無、つまり検体溶液３５の中に抗原３８が存在するか否かを調べることができる。
【００５９】
本発明のバイオセンサにおいては、金微粒子１３ａを保持させる透明誘電体をポリスチレンとしたセンサチップ１０を用いることにより、ポリスチレン基板１１と抗原２７との非特異吸着がないため、光学的ノイズを低減でき、感度高い測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサの一実施形態を示す斜視図
【図２】本発明のセンサの製造方法を示す断面図
【図３】本発明の反射式のセンサを示す概略構成図
【図４】局在プラズモン共鳴における入射光と検出された光強度との関係を示すグラフ
【図５】本発明の透過式のセンサを示す概略構成図
【図６】本発明のバイオセンサを示す概略構成図
【図７】バイオセンサとして用いる場合のセンサチップ表面の様子を示す一部断面図
【図８】図６のセンサにおいて検出される測定光の分光強度特性の変化を示すグラフ
【符号の説明】
１０    センサチップ
１１    ポリスチレン基板
１１ａ    表面
１１ｂ    微細孔
１２    陽極酸化アルミナ膜
１３ａ    金微粒子
１３ｂ    被着体層
２１    光源
２２    測定光
２３    ポリクロメータ
３７    抗原
３８    抗体
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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