(57)【要約】【課題】センサ感度のさらなる向上を図ることが可能となる化学センサ、化学センサ装置を提供する。【解決手段】センサ材料を含むセンサ媒体面を伝播させた表面プラズモンポラリトン波の強度によって、前記センサ材料の被検物との反応の検出に用いる化学センサであって、前記センサ媒体が、周期構造（金属薄膜１０２）と該周期構造上に設けられセンサ材料１０４を有し、前記周期構造とセンサ材料とが接する界面に照射された照射光１０５によって発生する表面プラズモンポラリトン波の波長の整数倍が、前記周期構造の周期と、略一致する構成を有する。【選択図】            図１
2005016963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ材料を含むセンサ媒体面を伝播させた表面プラズモンポラリトン波の強度によって、前記センサ材料の被検物との反応の検出に用いる化学センサであって、
前記センサ媒体が、周期構造と該周期構造上に設けられセンサ材料を有し、前記周期構造とセンサ材料とが接する界面に照射された照射光によって発生する表面プラズモンポラリトン波の波長の整数倍が、前記周期構造の周期と、略一致することを特徴とする化学センサ。
【請求項２】
前記センサ材料が、バイオセンサ材料であることを特徴とする請求項１に記載の化学センサ。
【請求項３】
前記周期構造が、金属膜に所定の周期で設けられた複数の開口で構成され、該開口の大きさが前記照射光の光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の化学センサ。
【請求項４】
前記開口が、略円または略多角形の形状を有し、これらの周期的な配列が、該金属膜面内における２次元配列であることを特徴とする請求項３に記載の化学センサ。
【請求項５】
前記開口が、スリット状の形状を有し、これらの周期的な配列が、該金属膜面内における１次元配列であることを特徴とする請求項３に記載の化学センサ。
【請求項６】
前記スリット状の形状を有する開口のうち、隣接する２つの開口を通る周回距離が、前記表面プラズモンポラリトン波の波長の略整数倍であることを特徴とする請求項５に記載の化学センサ。
【請求項７】
前記金属膜に所定の周期で設けられた複数の開口からなる周期構造が、複数組合わされた構成を有し、該複数の周期構造のそれぞれの開口の大きさ及び／または間隔と、それらの配列方向が、同じかまたは異なるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の化学センサ。
【請求項８】
前記周期構造が、金属膜に所定の周期で設けられた少なくとも１つ以上の開口と該金属膜に設けられた少なくとも１つ以上の凹部または凸部で構成され、該開口の大きさが前記照射光の光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の化学センサ。
【請求項９】
前記開口及び前記凹部または凸部が、略円または略多角形の形状を有し、これらの周期的な配列が、該金属膜面内における２次元配列であることを特徴とする請求項８に記載の化学センサ。
【請求項１０】
前記２次元配列が、前記開口を中心として前記凹部または凸部を同心円状に配置した配列であることを特徴とする請求項９に記載の化学センサ。
【請求項１１】
前記開口及び前記凹部または凸部が、スリット状の形状を有し、これらの周期的な配列が、該金属膜面内における１次元配列であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の化学センサ。
【請求項１２】
前記スリット状の形状を有する開口のうち、隣接する２つの開口を通る周回距離が、前記表面プラズモンポラリトン波の波長の略整数倍であることを特徴とする請求項１１に記載の化学センサ。
【請求項１３】
前記金属膜が、金、銀、銅、アルミニウムのいずれかの単体金属、もしくはそれらの合金の膜であることを特徴とする請求項３〜１２のいずれか１項に記載の化学センサ。
【請求項１４】
前記周期構造が、基板上に所定の周期で設けられた複数の金属微粒子で構成され、前記金属微粒子の大きさが照射光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の化学センサ。
【請求項１５】
前記金属微粒子の周囲の周回距離が、前記表面プラズモンポラリトン波の波長の略整数倍であることを特徴とする請求項１４に記載の化学センサ。
【請求項１６】
前記センサ媒体が、前記周期構造と該周期構造上に設けられセンサ材料に対する基板を有し、該基板がプリズムで構成されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の化学センサ。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の化学センサと、該化学センサに光を照射する光源と、該化学センサを透過しまたは反射する光を検出する光検出器と、を有することを特徴するセンサ装置。
【請求項１８】
前記光検出器が、分光器を含むことを特徴する請求項１７に記載の化学センサ装置。
【請求項１９】
前記光検出器が、バンドパスフィルタを透過させて検出する手段を有することを特徴する請求項１８に記載の化学センサ装置。
【請求項２０】
前記センサ媒体が、半導体プロセスを用いて作製されるマイクロ化学分析システムに一体化されていることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の化学センサ装置。
【請求項２１】
前記センサ媒体が、半導体プロセスを用いて作製されるＤＮＡチップに一体化されていることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の化学センサ装置。
【請求項２２】
前記センサ媒体が、半導体プロセスを用いて作製されるプロテインチップに一体化されていることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の化学センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学センサ、化学センサ装置に関し、特に、医療や健康診断、食品の検査に用いられるバイオセンサを含む化学センサ、化学センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年医療における診断や食品の検査等における需要がますます増大し、小型で高速センシング、低コストなバイオセンサの開発が求められている。このため、電極やＦＥＴを用いた電気化学的検出を行うバイオセンサが開発されてきた。
また、さらなる集積化、低コスト、測定環境を選ばないセンサが求められ、表面プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたバイオセンサが有望視されている。これは、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させた表面プラズモン共鳴を用い、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものである。
【０００３】
また、従来においては、特許文献１、特許文献２等に示されているような、金属フィルムに周期的開口や周期的に変化する表面形状を設け、開口を通じる光伝送を強化する光伝送装置等が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−７２６０７号公報
【特許文献２】特開２０００−１７１７６３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の表面プラズモン共鳴センサにおいても、光源の低ノイズ化、検出信号処理等の種々の高感度化の試みがなされてきたが、医療や健康診断や食品検査が高度化するにつれて、化学センサに対してもさらなる高感度化が求められており、それらは限界に近づきつつある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、センサ感度のさらなる向上を図ることが可能となる化学センサ、化学センサ装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のように構成した化学センサ、化学センサ装置を提供するものである。
すなわち、本発明の化学センサは、センサ材料を含むセンサ媒体面を伝播させた表面プラズモンポラリトン波の強度によって、前記センサ材料の被検物との反応の検出に用いる化学センサであって、前記センサ媒体が、周期構造と該周期構造上に設けられセンサ材料を有し、前記周期構造とセンサ材料とが接する界面に照射された照射光によって発生する表面プラズモンポラリトン波の波長の整数倍が、前記周期構造の周期と、略一致するように構成されていることを特徴としている。
本発明によれば、このように、上記周期構造の周期が、該周期構造とセンサ材料との界面に生じる表面プラズモンポラリトン波（以下、ＳＰＰ波と記す）の波長の整数倍と略一致するように構成することを特徴とするものであり、その周期構造の構成としては、例えば、上記金属薄膜上に微小開口アレイや微小凹凸構造アレイを設けた構成、あるいは、基板上に金属微粒子アレイを設けた構成、等を採ることができ、これらに光を入射し、その透過光や反射光を検出することで、高感度な化学センサを実現することが可能となる。
これを、例えば、金属薄膜上に微小開口を形成した構成を例に採れば、該金属薄膜の上側の面内を伝搬するＳＰＰ波が共鳴的に位相を揃え、振幅を増大させて微小開口に集まるようになるため、微小開口の下側で散乱されて生じる透過光は、微小開口に直接照射され透過する成分よりも、金属薄膜の上側の面内を長い距離にわたって伝搬してきたＳＰＰ波に由来する成分が大半となる。ＳＰＰ波は、金属薄膜とセンサ材料の界面を伝搬する際に、センサ材料の誘電率変化や膜厚変化、すなわち、センサ材料と被検査物との反応の程度に応じた波長変化を伴っている。したがって、上記の透過光を検出することでセンサ材料と被検査物との反応の程度の情報を有するＳＰＰ波に由来する成分を、選択的に検出することができるため、高感度の検出を実現することが可能となる。
さらに、例えば、隣接する２つの開口を通る周回距離がＳＰＰ波の波長の略整数倍となるように構成することで、一つの微小開口を通っていったん金属薄膜の下面側に伝搬し、隣の微小開口を通って金属薄膜の上面側に再び戻って来るＳＰＰ波の位相と金属薄膜の上側の面内を伝搬するＳＰＰ波の位相とが一致し、透過光強度スペクトルにおける共鳴ピークの高さが更に高くなる一方、幅が狭くなる。この結果、センサ材料と被検査物との反応による共鳴ピークの位置変化に対する透過光強度の変化量が大きくなるため、センサ感度をさらに向上させることができる。
【０００８】
このような本発明においては、さらに具体的には、つぎのような構成を採ることができる。
すなわち、本発明の化学センサは、前記センサ材料を、バイオセンサ材料で構成することができる。
また、本発明の化学センサは、前記周期構造が、金属膜に所定の周期で設けられた複数の開口で構成され、該開口の大きさが前記照射光の光の波長よりも小さくした構成をとることができる。
また、本発明の化学センサは、前記開口が、略円または略多角形の形状を有し、これらの周期的な配列を、該金属膜面内における２次元配列とすることができる。
また、本発明の化学センサは、前記開口が、スリット状の形状を有し、これらの周期的な配列を、該金属膜面内における１次元配列とすることができる。
また、本発明の化学センサは、前記スリット状の形状を有する開口のうち、隣接する２つの開口を通る周回距離を、前記表面プラズモンポラリトン波の波長の略整数倍とした構成を採ることができる。
また、本発明の化学センサは、前記金属膜に所定の周期で設けられた複数の開口からなる周期構造が、複数組合わされた構成を有し、該複数の周期構造のそれぞれの開口の大きさ及び／または間隔と、それらの配列方向が、同じかまたは異なるようにした多チャンネル媒体を備えた化学センサを構成することができる。
また、本発明の化学センサは、前記周期構造が、金属膜に所定の周期で設けられた少なくとも１つ以上の開口と該金属膜に設けられた少なくとも１つ以上の凹部または凸部で構成され、該開口の大きさが前記照射光の光の波長よりも小さくした構成を採ることができる。
また、本発明の化学センサは、前記開口及び前記凹部または凸部が、略円または略多角形の形状を有し、これらの周期的な配列が、該金属膜面内における２次元配列とすることができる。
また、本発明の化学センサは、前記２次元配列が、前記開口を中心として前記凹部または凸部を同心円状に配置した配列とすることができる。
また、本発明の化学センサは、前記開口及び前記凹部または凸部が、スリット状の形状を有し、これらの周期的な配列が、該金属膜面内における１次元配列とすることができる。
また、本発明の化学センサは、前記スリット状の形状を有する開口のうち、隣接する２つの開口を通る周回距離が、前記表面プラズモンポラリトン波の波長の略整数倍とした構成を採ることができる。
また、本発明の化学センサは、前記金属膜が、金、銀、銅、アルミニウムのいずれかの単体金属、もしくはそれらの合金の膜で構成することができる。
また、本発明の化学センサは、前記周期構造が、基板上に所定の周期で設けられた複数の金属微粒子で構成され、前記金属微粒子の大きさが照射光の波長よりも小さくした構成を採ることができる。
また、本発明の化学センサは、前記金属微粒子の周囲の周回距離が、前記表面プラズモンポラリトン波の波長の略整数倍とした構成を採ることができる。
また、本発明の化学センサは、前記センサ媒体の基板をプリズムとした構成を採ることができる。
また、本発明の化学センサ装置は、上記したいずれかの化学センサと、該化学センサに光を照射する光源と、該化学センサを透過しまたは反射する光を検出する光検出器と、を有することを特徴としている。
また、本発明の化学センサ装置は、前記光検出器が、分光器を含む構成とすることができる。
また、本発明の化学センサ装置は、前記光検出器が、バンドパスフィルタを透過させて検出する手段を有する構成とすることができる。
また、本発明の化学センサ装置は、前記センサ媒体が、半導体プロセスを用いて作製されるマイクロ化学分析システムに一体化された構成とすることができる。
また、本発明の化学センサ装置は、前記センサ媒体が、半導体プロセスを用いて作製されるＤＮＡチップに一体化された構成とすることができる。
また、本発明の化学センサ装置は、前記センサ媒体が、半導体プロセスを用いて作製されるプロテインチップに一体化された構成とすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態における化学センサ装置のセンサ媒体を図１、図２を用いて説明する。
ここで、化学センサ装置は、被検査物に接触して検出対象物と反応するセンサ材料と、接触前後のセンサ材料の変化を、光学的その他の方法により測定する測定器を含んで構成される。センサ材料は、場合によっては測定器部分から離れて被検査物に曝されるので、適当な担体上に保持されており、その部分はセンサ媒体と呼ばれる。
【００１０】
図１は、本実施の形態における化学センサ装置に用いるセンサ媒体の構成を示す断面図である。
図１において、１０１は透明基板、１０２は金属薄膜、１０３は微小開口、１０４はセンサ材料である。本実施の形態におけるセンサ媒体は、透明基板１０１上に、微小開口１０３を有する金属薄膜１０２と、この金属薄膜１０２上に設けられたセンサ材料１０４とで構成されている。金属薄膜１０２には、微小開口１０３が、金属薄膜面内の１つの方向、すなわち図１に示すｘ方向に周期配列して設けられている。ここで、金属薄膜１０２の厚さは１０〜５００ｎｍ程度である。
【００１１】
図２は、この微小開口１０３が、周期配列している様子を上面から見た構成を示している。
図２（ａ）では、金属薄膜２０１中に微小スリット開口アレイ２０２が各開口の短辺を図中ｘ方向に、長辺をｙ方向に揃え、ｘ方向に周期配列して形成した構成例が示されている。
ここで、開口１０３の各々は、金属薄膜面内でｘ方向に直交するｙ方向の大きさがｘ方向の大きさよりも大きいスリット状の開口である。
また、図２（ｂ）には、金属薄膜２０１中に微小開口２次元アレイ２０３がｘ方向、ｙ方向それぞれに周期配列して形成した構成例が示されている。
【００１２】
微小開口１０３のｘ方向の幅ｄ（微小スリット開口アレイ２０２のｘ方向の幅および微小開口２次元アレイ２０３のｘ方向の幅、ｙ方向の幅）は、後述する照射光の波長よりも小さい値である１〜２００ｎｍから選択される値である。
また、微小開口の周期配列のピッチｐは、金属薄膜１０２とセンサ材料１０４の境界面に光を照射したとき生じる表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）波の波長に略一致させた値である。
このＳＰＰ波の波長λｓｐは、
λｓｐ＝λ√｛  （εｍ＋εｓ）  ／  εｍ・εｓ  ｝      （式１）
で表される。ただし、λ：照射光の波長、εｍ：金属薄膜の誘電率、εｓ：金属薄膜との境界面から見たセンサ材料の実効的な誘電率である。
【００１３】
金属薄膜１０２の上にはセンサ材料１０４の薄膜が設けられている。
センサ材料１０４は、センサ媒体が被検査物に触れたときに、それに含まれる検出対象物質を表面吸着や化学結合などによって固定する。あるいは、センサ材料１０４は、構成成分の一部が検出対象物質と結合して解離するものであってもよい。本実施の形態においては、センサ材料は検出対象物質の結合、または構成成分の解離によって、光に対する誘電率（屈折率や吸収率など）が変化する材料で構成される。
【００１４】
ここで、本発明の化学センサの動作原理を図１、図３、図４を用いて説明する。
図１において、図中、上方向から下方向（＋ｚ方向）に向かって入射光１０５を微小開口１０３の配列に入射させる。このとき、微小開口１０３が形成されている金属薄膜１０２の角部１０７で光が散乱され、金属薄膜１０２とセンサ材料１０４の境界面にＳＰＰ波が励起され、金属薄膜１０２の上側の面内を周囲に伝搬する。その際、微小開口１０３の周期配列のピッチｐがＳＰＰ波の波長の整数倍に一致していると、微小開口１０３の周期配列におけるそれぞれの角部で励起され、金属薄膜１０２の上側の面内を伝搬するＳＰＰ波同士の位相が揃い、ＳＰＰ波の振幅が大きくなる。この結果、金属薄膜１０２の上側の面内を伝搬するＳＰＰ波のうち、微小開口１０３内へ回り込む成分や微小開口１０３を上側から下側へ近接場光の滲み出しにより金属薄膜１０２の下側の面内のＳＰＰ波を励起する成分が増大するため、これらのＳＰＰ波が微小開口１０３の下側で散乱されて生じる透過光１０６の光量が増大する。
【００１５】
本実施の形態におけるセンサ媒体の透過光強度スペクトルの一例を、図３の実線に示す。実線は、センサ材料が反応を起こす前のスペクトルを表す。図１に示したセンサ媒体を被検査液、被検査気体等の被検査物に接触させ、センサ材料と被検査物とを反応させる。反応後の透過スペクトルを図３の破線で示す。
このように、反応によってスペクトルが変化するのは、以下の理由による。センサ材料と被検査物とが反応することにより、金属薄膜１０２上のセンサ材料１０４薄膜の膜厚が変化したり、センサ材料１０４そのものの誘電率が変化することにより、金属薄膜１０２との境界面から見た実効的な誘電率εｓが変化する。このため、式１の関係からわかるように励起されるＳＰＰ波の波長λｓｐが変化する。この変化により、図３に一例を示すように透過光強度スペクトルの共鳴ピークの位置が変化する。
【００１６】
この共鳴ピークの位置の変化を、例えば、入射光として、波長スペクトル幅の広い光を入射させ、分光器を通してスペクトル形状を検出するようにしても良いし、また、図３に波長λ０で示したように、共鳴ピークの中心波長、すなわちＳＰＰ波の波長から少し波長をずらした単色光を照射し、透過光強度が矢印のように変化するのを検出するようにしても良い。後者の場合は、分光器が不要で、装置がコンパクトになるという効果を有している。
【００１７】
上記の反応を起こすセンサ材料の具体例としては、
（１）被検査物中に含まれる抗原物質に対し、特異的に結合を生じる抗体物質をセンサ材料としたもの、
（２）被検査物中に含まれる測定対象類似物質と酵素との複合体をセンサ材料とし、測定対象物質である抗原が複合体に接触することにより、複合体が解離し、酵素と測定対象物質との抗原抗体複合体が形成されるもの等、
センサ材料と被検査物とが反応して、膜厚変化、屈折率変化等、金属薄膜の境界面から見た実効的な誘電率に変化を起こすものであれば良く、酵素センサ、微生物センサ、オルガネラセンサ、組織センサ、免疫センサ、酵素免疫センサ、バイオアフィニティセンサ等のバイオセンサを含む化学センサで用いられる材料を用いることができる。
【００１８】
上記に説明した構成では、金属薄膜の上側の面内を伝搬するＳＰＰ波が共鳴的に位相をそろえ、振幅を増大させて微小開口に集まるようになるため、微小開口の下側で散乱されて生じる透過光は、微小開口に直接照射され透過する成分よりも、金属薄膜の上側の面内を長い距離にわたって伝搬してきたＳＰＰ波に由来する成分が大半となる。
ＳＰＰ波は、金属薄膜とセンサ材料の界面を伝搬する際に、センサ材料の誘電率変化や膜厚変化、すなわち、センサ材料と被検査物との反応の程度に応じた波長変化を伴っている。
したがって、上記の透過光を検出することでセンサ材料と被検査物との反応の程度の情報を有するＳＰＰ波に由来する成分を選択的に検出することができるため、高感度の検出が実現される。
【００１９】
ここで、さらに、隣接する２つの開口を通る周回距離がＳＰＰ波の波長の略整数倍である場合、一つの微小開口を通っていったん金属薄膜の下面側に伝搬し、隣の微小開口を通って金属薄膜の上面側に再び戻って来るＳＰＰ波の位相と金属薄膜の上側の面内を伝搬するＳＰＰ波の位相とが一致し、図３に一例を示した透過光強度スペクトルにおける共鳴ピークの高さがさらに高くなる一方、幅が狭くなる。この結果、センサ材料と被検査物との反応による共鳴ピークの位置変化に対する透過光強度の変化量が大きくなるため、センサ感度をさらに向上させることが可能となる。
【００２０】
つぎに、上記した周回距離について、図４を用いて説明する。
図４の点線に隣り合う開口を通って周回するＳＰＰ波の伝搬経路を示す。
図４には、矢印で示した時計周りの方向に周回するようにＳＰＰ波が伝搬する様子を示したが、反時計周りに伝搬するＳＰＰ波も同様に存在する。
ここで、隣接する２つの開口を通る周回距離としては、金属薄膜１０２上面とセンサ材料１０４が接する界面であるＡ部分４０１の長さと、Ｂ部分４０２・Ｄ部分４０４に示した微小開口１０３内部の伝搬長と、金属薄膜１０２下面と透明基板１０１との界面であるＣ部分４０３の長さの和から求められる。
【００２１】
このうち、ＳＰＰ波に対するＡ部分４０１とＣ部分４０３の実効的な長さは、式１において、εｓに膜厚を考慮したセンサ材料と透明基板材料の誘電率を入れることにより求められる。
また、Ｂ部分４０２とＤ部分４０４の実効的な長さは、金属薄膜材料と微小開口形状（開口幅と金属薄膜厚さ）から求められる。これらの長さの和を周回距離とする。周回距離をＳＰＰ波の波長の整数倍に合わせるためには、金属薄膜の厚さｔを調整すれば良い。
【００２２】
以上の説明では、ＳＰＰ波を励起し、金属薄膜面内に伝搬させる構造として、図２に示した微小スリット開口アレイや微小開口２次元アレイを例に挙げて説明した。しかしながら、本発明の概念はこれに限定されるものでなく、開口アレイの代わりに金属薄膜を非貫通の凹凸アレイでも良い。また、微小開口２次元アレイの逆転構造である金属微粒子アレイでも良い。
また、以上の説明では、微小開口を透過した光を検出する例を示したが、本発明の概念はこれに限定されるものでなく、入射光が微小開口に当たって反射する光を検出してもよい。しかしながら、反射光を検出する構成と比較して、微小開口を透過した光を検出するほうが、迷光の影響を受けにくく、信号強度のＳ／Ｎ比を向上させる上で有利である。
【００２３】
【実施例】
以下に、本発明の実施例における化学センサ装置、及びそのアレイ形状等について説明する。
［実施例１］
図５に、本発明の実施例におけるセンサ媒体を用いた化学センサ装置の構成を示す。
図５において、５０１はタングステンランプ、５０２はコリメータレンズ、５０３はセンサ媒体、５０４は分光器である。同図において、タングステンランプ５０１からの白色光をコリメータレンズ５０２でほぼ平行光に直し、センサ媒体５０３に入射させる。センサ媒体５０３を透過した透過光を分光器５０４に入射し、スペクトル分解したものをマルチチャンネルアナライザ５０５で検出し、スペクトル情報を得る。
【００２４】
センサ媒体における金属薄膜（図１の１０２）の材料としては、金属一般から選択されるが、特に、金や銀、銅、アルミニウムは発生する表面プラズモンの強度が大きく、本実施例に好適である。中でも、金は可視域全般にわたって局在プラズモン共鳴に起因するピークを有するため、可視光を用いて検出するセンサを構成するには最適である。また、所定の構成比とした金、銀、銅、アルミニウム間の合金を用いることにより、ピークの位置を近紫外領域から近赤外領域の間で調整することが可能である。
【００２５】
センサ材料（図１の１０４）としては、センサ材料と被検査物とが反応して、膜厚変化、屈折率変化、吸収スペクトル変化、蛍光スペクトル変化を起こすものであれば良く、酵素センサ、微生物センサ、オルガネラセンサ、組織センサ、免疫センサ、酵素免疫センサ、バイオアフィニティセンサ等のバイオセンサを含む化学センサで用いられる材料を用いることができる。
【００２６】
つぎに、図６、図７を用いて本実施例におけるセンサ媒体の作製法について説明する。
図６において、まず、石英基板６０１を準備し（図６（ａ））、この石英基板６０１上にスパッタ法を用いて、金属薄膜６０２を膜厚５０ｎｍに成膜する（図６（ｂ））。
つぎに、その上に電子線レジスト６０３をスピンコートで膜厚１０ｎｍに成膜し（図６（ｃ））、ついで、電子ビーム描画装置で露光し、現像後、Ｌ／Ｓ＝２０ｎｍ／２０ｎｍのレジストパターンを得る（図６（ｄ））。
その後、金属薄膜６０２をエッチングし（図６（ｅ））、レジストを除去して、開口幅２０ｎｍ／開口間隔２０ｎｍの微小開口６０４を形成する（図６（ｆ））。
最後に、金属薄膜６０２に表面処理を行ったのち、センサ材料６０５を結合させる（図６（ｇ））。
なお、ここでは電子線描画装置による微小開口パターンの作製方法を説明したが、この他、集束イオンビーム加工装置、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡、近接場光学顕微鏡の原理を応用した各種走査プローブ加工装置、Ｘ線露光装置、ＥＵＶ露光装置、電子ビームステッパを用いて作製しても良い。
また、特開平１１−１４５０５号公報に記載の近接場光を用いた露光装置や、図７に示すようなナノモールド法、熱可塑性樹脂や光硬化樹脂を用いたナノインプリント法を用いて作製すれば、簡便で低コストのセンサ媒体が実現できる。
【００２７】
つぎに、図７によって、ナノモールド法によるセンサ媒体の作製法について説明する。
図７において、石英基板７０１上に厚さ５０ｎｍの金属薄膜７０２を形成する（図７（ａ））。
つぎに、ＳｉＣの表面に電子線描画装置等を用いてＬ／Ｓ＝２０ｎｍ／２０ｎｍのパターンを形成したレプリカ原盤７０３を金属薄膜７０２表面に荷重を加えて圧着させた後（図７（ｂ）、図７（ｃ））、レプリカ原盤７０３を剥がし（図７（ｄ））、微小開口７０４を形成する（図７（ｅ））。
なお、ここで、微小開口パターンのアレイ形状として、図２に示したスリット開口アレイや微小開口２次元アレイが例として挙げられるが、２次元アレイとしては、図２（ｂ）に示したピッチがＳＰＰ波の波長に略一致させた四角格子でも良いし、その他、ピッチをＳＰＰ波の波長に略一致させた三角格子でも良い。
【００２８】
［実施例２］
図８に、本発明の実施例２におけるセンサ媒体の金属薄膜上に設けるパターンアレイ形状の構成を示す。図８（ａ）はその断面図であり、図８（ｂ）（ｃ）は上面図である。
図８において、金属薄膜８０１の中心に微小開口８０２を有し、その周囲にＳＰＰ波の波長にほぼ一致した周期の微小凹凸構造アレイ８０３が設けられている。微小凹凸構造アレイ８０３としては、図８（ｂ）に示すような中心の微小開口８０２のまわりに同心円状の微小凹凸アレイ８０４を設けたものや、図８（ｃ）に示すような微小開口８０２のまわりに２次元微小凹凸アレイ８０５を設けた例が考えられる。
【００２９】
このように、微小開口の周囲に微小凹凸アレイを配置することで、金属薄膜とセンサ材料の境界面をＳＰＰ波の形で伝搬することなしに、微小開口を直接透過する直接光の影響を低減し、金属薄膜とセンサ材料の境界面を伝搬したＳＰＰ波が微小開口に集められて微小開口を透過するため、信号検出のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００３０】
［実施例３］
図９に、本発明の実施例３におけるセンサ媒体のパターンアレイ形状の構成を示す。図９（ａ）はその断面図であり、図９（ｂ）は上面図である。
図９において、透明基板９０１の上にＳＰＰ波の波長にほぼ一致した周期で２次元方向に金属微粒子アレイ９０２が設けられている。
このように、金属薄膜中に設けた微小開口アレイの代わりに、金属微粒子アレイを用いることで、伝搬損失が低減し、ＳＰＰ波がｘｙ平面内方向により遠くまで伝搬するようになるため、透過光強度スペクトルにおける共鳴ピークのＱ値が高くなる。この結果、信号検出のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００３１】
金属微粒子アレイにおけるＳＰＰ波伝搬のメカニズムとしては、一つの金属微粒子を伝搬するＳＰＰ波（局在プラズモン）が端部で散乱され、隣の金属微粒子を伝搬するＳＰＰ波を励起し、これがまた端部で散乱されるメカニズムの他、一つの金属微粒子の周囲を伝搬するＳＰＰ波がその金属微粒子と隣の金属微粒子との間に生じる相互作用によって、隣の金属微粒子の周囲を伝搬するＳＰＰ波を励起するメカニズムが挙げられる。金属微粒子の周回距離をＳＰＰ波の波長の整数倍に一致させることにより、金属微粒子の周囲を伝搬するＳＰＰ波強度を増大させることが可能となるため、後者のメカニズムによる伝搬が増大することになる。
【００３２】
［実施例４］
図１０に、本発明の実施例４における基板にプリズム１００１を用いたセンサ媒体の構成を示す。図１０において、プリズム１００１の上面に金属微粒子または、微小開口や微小凹凸構造を設けた金属薄膜１００２が設けられ、さらにその上をセンサ材料１００４が覆っている。ここで、金属微粒子または微小開口や微小凹凸構造は、ＳＰＰ波の波長λｓｐに略一致した周期とする。
【００３３】
この金属微粒子アレイまたは微小開口アレイの構造に対して、プリズム１００１側から光を照射する。この入射光１００３の波面がプリズム１００１上面で切られる間隔が金属微粒子または微小開口や微小凹凸構造の配置周期と一致するように、入射光１００３の波長λ及び入射角度θが
λｓｐ〜λ／ｎ・ｓｉｎθ
となるように調整されている。ここでｎはプリズムの屈折率である。
これにより、入射光１００３がプリズム１００１上面で効率的にＳＰＰ波を励起することが可能となる。
【００３４】
検出信号としては、反射光１００４のスペクトル分布を分光器を通して測定するようにしても良いし、入射光として少なくとも一波長以上の単色光を用い、反射光の強度を検出するようにしても良い。また、入射光の入射角度θを微小範囲で掃引し、反射光強度のθ依存曲線におけるピーク位置のずれを検出するようにしても良い。後者は、クレッチマン配置ＡＴＲ法の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサと類似の構成であるが、これにＳＰＰ波長の周期構造を加えることにより、より高感度の検出を可能にしたものである。
【００３５】
［実施例５］
図１１に、本発明の実施例５における金属薄膜１１０１中に複数のスリットや２次元の微小開口アレイ１１０２〜１１０６を設けた、多チャンネルセンサ媒体の構成を示す。本実施例においては、開口の大きさおよびあるいは（ａｎｄ／ｏｒ）間隔が異なる周期的配列の組が複数、金属膜に設けられている。また、その中に開口の大きさおよびあるいは（ａｎｄ／ｏｒ）間隔が同じ周期的配列の組が含まれていてもよい。
【００３６】
図１１のセンサ媒体では、微小開口アレイＡ（１１０２）と微小開口アレイＢ（１１０３）の各開口の大きさ及び間隔がそれぞれ等しく、他の微小開口アレイＣ、Ｄ、Ｅの各開口の大きさ及び間隔は、ＡとＢのそれとは異なっている。
【００３７】
図１２に、この多チャンネルセンサ媒体を用いて構成した多チャンネルセンサ装置の構成を示す。タングステンランプ１２０１からの光をコリメータレンズ１２０２でほぼ平行光に直し、多チャンネルセンサ媒体１２０３に入射する。多チャンネルセンサ媒体１２０３の各微小開口アレイを透過した複数の透過光をフィルタＡ（１２０４）〜Ｄ（１２０７）を通して、ＣＣＤカメラ１２０８に入射させ、それらの透過パターン情報を得る。
【００３８】
これにより、例えば、図１１における微小開口アレイＡ（１１０２）と微小開口アレイＢ（１１０３）のように同じ形状のパターンをそれぞれ透過した光に対し、波長の異なるバンドパスフィルタを透過させて、比較することにより、あるいは、波長の異なる２つの単色光を照射し、それらの透過光強度を比較することにより、照射光強度に依存しない相対的なスペクトル情報を得ることができる。具体的には、図３に示すように共鳴ピーク位置から対照的に波長をずらした波長λ０およびλ１の二波長で光強度信号を検出し、比較するようにしておけば、センシングの反応後に、信号の変化方向が逆になるため、入射光強度の変化や入射角度の変化等の誤差要因の影響を除外したより高感度の検出が可能となる。
【００３９】
また同じく、微小開口アレイＡ（１１０２）と微小開口アレイＢ（１１０３）のような同じ形状のパターンの開口内に、種類の異なるセンサ材料を設け、それぞれの微小開口アレイを透過した光を独立に検出することにより、複数のセンシング情報を同時に得ることができる。また、それらの相対比較を行うことにより、差動検出による高感度検出が可能となる。
【００４０】
この他、微小開口ピッチや配列方向の異なるパターンや２次元パターンとの間の比較を行うことにより、異なる情報を同時に得ることが可能である。微小開口のピッチやサイズが異なるパターンを用い、信号のピーク位置を変化させることにより、信号を検出するスペクトル領域を自由に選択することができる。これにより、複数の光波長において検出が可能となるため、本実施例のように多チャンネルのセンサ媒体が小型集積化されていても干渉フィルタ等を用いて容易に信号分離が可能である。
【００４１】
［実施例６］
図１３に、本発明の実施例６におけるセンサ媒体をマイクロ化学分析システム（μ−ＴＡＳ：  Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ  や  Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ  とも呼ばれる）に一体形成した構成例を示す。
図１３に示すマイクロ化学分析システム１３０１において、試料液注入部１３０２から注入された被検査液が流路１３０４を通って、反応液注入部１３０３から注入された反応液と反応したのち、検出部１３０５に到達する。検出部１３０５には、図に拡大して示したように本発明の原理に基づく検出のための金属微粒子または微小開口や微小凹凸構造１３０６が設けられている。被検査液は微小スリット開口１３０６内部にしみ込み、金属微粒子または微小開口や微小凹凸構造１３０６内部のセンサ材料と反応する。この検出部１３０５に対して励起光１３０７が照射され、微小スリット開口１３０６から発生する蛍光１３０８をレンズ１３０９で集光し、フィルタ１３１０を通した後、光電子増倍管１３１１で検出する。
【００４２】
図１４に、本実施例における別の構成例であるセンサ媒体をＤＮＡチップやプロテインチップに一体形成した例を示す。
図１４に示すＤＮＡチップ／プロテインチップ１４０１の各検出セル１４０２にはそれぞれ、金属微粒子または微小開口や微小凹凸構造１４０３が設けられており、金属微粒子または微小開口や微小凹凸構造１４０３内側面にセンサ材料が設けられている。これに励起光１４０４を照射し、各検出セルから発生する蛍光１４０５のパターンをレンズ１４０６を用いてＣＣＤカメラ１４０７面に結像させ、パターン情報を得る。
以上のように、本発明におけるセンサ媒体は、各種センサに組み合わせて用いることができ、これにより、信号強度を増すことができ、より高精度な検出が可能となる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、センサ媒体における周期構造の周期が、この周期構造とセンサ材料との界面に生じる表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）波の波長の整数倍と略一致するように構成することで、金属薄膜の上側の面内を伝搬するＳＰＰ波が共鳴的に位相をそろえ、振幅を増大させて微小開口に集まるようになるため、微小開口の下側で散乱されて生じる透過光は、微小開口に直接照射され透過する成分よりも、金属薄膜の上側の面内を長い距離にわたって伝搬してきたＳＰＰ波に由来する成分が大半となる。
ＳＰＰ波は、金属薄膜とセンサ材料の界面を伝搬する際に、センサ材料の誘電率変化や膜厚変化、すなわち、センサ材料と被検査物との反応の程度に応じた波長変化を伴っている。
したがって、上記の透過光を検出することでセンサ材料と被検査物との反応の程度の情報を有するＳＰＰ波に由来する成分を選択的に検出することができるため、センサ感度のさらなる向上を図ることが可能となる化学センサ、化学センサ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における化学センサ装置に用いるセンサ媒体の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるセンサ媒体における微小開口の周期配列の構成例を示す図であり、（ａ）は金属薄膜中に微小スリット開口アレイが各開口の短辺を図中ｘ方向に、長辺をｙ方向に揃え、ｘ方向に周期配列して形成した構成例を示す図であり、（ｂ）は金属薄膜中に微小開口２次元アレイがｘ方向、ｙ方向それぞれに周期配列して形成した構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるセンサ媒体における透過光強度スペクトルの一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における隣り合う開口を通って周回するＳＰＰ波の伝搬経路を示す図である。
【図５】本発明の実施例１におけるセンサ媒体を用いた化学センサ装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例１におけるセンサ媒体の作製法について説明する図である。
【図７】本発明の実施例１におけるセンサ媒体の作製法として、ナノモールド法による場合について説明する図である。
【図８】本発明の実施例２におけるセンサ媒体の金属薄膜上に設けるパターンアレイ形状の構成を示す図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）、（ｃ）は上面図である。
【図９】本発明の実施例３におけるセンサ媒体の金属薄膜上に設けるパターンアレイ形状の構成を示す図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）は上面図である。
【図１０】本発明の実施例４における基板にプリズムを用いたセンサ媒体の構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施例５における金属薄膜中に複数のスリットや２次元の微小開口アレイを設けた、多チャンネルセンサ媒体の構成を示す図である。
【図１２】図１１の多チャンネルセンサ媒体を用いて構成した多チャンネルセンサ装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施例６におけるセンサ媒体をマイクロ化学分析システムに一体形成した構成例を示す図である。
【図１４】本発明の実施例６における別の構成例であるセンサ媒体をＤＮＡチップやプロテインチップに一体形成した例を示す図である。
【符号の説明】
１０１：透明基板
１０２：金属薄膜
１０３：微小開口
１０４：センサ材料
１０５：入射光
１０６：透過光
１０７：角部
２０１：金属薄膜
２０２：微小スリット開口アレイ
２０３：微小開口２次元アレイ
４０１：Ａ部分
４０２：Ｂ部分
４０３：Ｃ部分
４０４：Ｄ部分
５０１：タングステンランプ
５０２：コリメータレンズ
５０３：センサ媒体
５０４：分光器
５０５：マルチチャンネルアナライザ
６０１：石英基板
６０２：金属薄膜
６０３：電子線レジスト
６０４：微小開口
６０５：センサ材料
７０１：石英基板
７０２：金属薄膜
７０３：レプリカ原盤
７０４：微小開口
８０１：金属薄膜
８０２：微小開口
８０３：微小凹凸構造アレイ
８０４：同心円状微小凹凸アレイ
８０５：２次元微小凹凸アレイ
９０１：透明基板
９０２：金属微粒子
１００１：プリズム
１００２：金属微粒子／微小開口や微小凹凸構造を設けた金属薄膜
１００３：入射光
１００４：反射光
１００５：入射光の波面
１１０１：金属薄膜
１１０２：微小開口アレイＡ
１１０３：微小開口アレイＢ
１１０４：微小開口アレイＣ
１１０５：微小開口アレイＤ
１１０６：微小開口アレイＥ
１２０１：タングステンランプ
１２０２：コリメータレンズ
１２０３：多チャンネルセンサ媒体
１２０４：フィルタＡ
１２０５：フィルタＢ
１２０６：フィルタＣ
１２０７：フィルタＤ
１２０８：ＣＣＤカメラ
１３０１：マイクロ化学分析システム
１３０２：試料液注入部
１３０３：反応液注入部
１３０４：流路
１３０５：検出部
１３０６：金属微粒子または微小開口や微小凹凸構造
１３０７：励起光
１３０８：蛍光
１３０９：レンズ
１３１０：フィルタ
１３１１：光電子増倍管
１４０１：ＤＮＡチップ／プロテインチップ
１４０２：検出セル
１４０３：金属微粒子または微小開口や微小凹凸構造
１４０４：励起光
１４０５：蛍光
１４０６：レンズ
１４０７：ＣＣＤカメラ
【図１】
2005016963.tif 000003
【図２】
2005016963.tif 000004
【図３】
2005016963.tif 000005
【図４】
2005016963.tif 000006
【図５】
2005016963.tif 000007
【図６】
2005016963.tif 000008
【図７】
2005016963.tif 000009
【図８】
2005016963.tif 000010
【図９】
2005016963.tif 000011
【図１０】
2005016963.tif 000012
【図１１】
2005016963.tif 000013
【図１２】
2005016963.tif 000014
【図１３】
2005016963.tif 000015
【図１４】
2005016963.tif 000016