(57)【要約】【課題】  全く新しい観点で高感度化を図るようにした局在型表面プラズモン共鳴センサチップの構造を提供する。【解決手段】  透明な基板１上に形成された金属製の微細構造物２は、基板２を覆うライナー部２１とライナー部２１から突出した多数の突起部２２とより成る。各突起部２２の高さｈは、試料が溶解又は分散されるバッファ液についての表面プラズモン共鳴の発生波長λに対してλ／４＋ｍ（λ／２）−λ／８＜ｈ＜λ／４＋ｍ（λ／２）＋λ／８となっている。入射した発生波長λの光の定在波Ｗの振幅の大きな部分に各突起部２２の先端部が位置するため、共鳴発生時のピークが大きくなる。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、基板上に形成された金属製微細構造物とを備え、光照射された金属製微細構造物における局在型表面プラズモン共鳴を利用するセンシング用構造体であって、
金属製微細構造物は、基板の表面を覆ったライナー部と、ライナー部から突出して設けられた多数の突起部とで形成されており、
各突起部の高さをｈ、検出しようとする試料が溶解又は分散されるバッファ液について表面プラズモン共鳴が生じる波長である基準波長をλ、ｍを０又は正の整数としたとき、高さｈは、λ／４＋ｍ（λ／２）−λ／８＜ｈ＜λ／４＋ｍ（λ／２）＋λ／８となっていることを特徴とする局在型表面プラズモン共鳴を利用するセンシング用構造体。
【請求項２】
前記各突起部は、正面断面視で左右一対となる断面形状を有するものであり、対を成す突起部は、先端部で最も接近しており、前記λ／４＋ｍ（λ／２）−λ／８＜ｈ＜λ／４＋ｍ（λ／２）＋λ／８を満たす高さｈは、最も接近した箇所での高さであることを特徴とする請求項１記載の局在型表面プラズモン共鳴を利用するセンシング用構造体。
【請求項３】
前記各突起部は、円筒状を成していることを特徴とする請求項２の局在型表面プラズモン共鳴を利用するセンシング用構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、局在型表面プラズモン共鳴を利用するセンシングの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオセンシングは、生体起源の分子認識機構を利用する検出技術であり、酵素やイオンチャネル等により基質特異的な物質の変化移動に伴う化学ポテンシャル的、熱的又は光学的な変化等を捉えて電気信号へ変換することで検出を行う技術である。このようなバイオセンシングの一種に、表面プラズモン共鳴を利用した検出技術がある。
【０００３】
プラズモンとは、プラズマ振動を量子化して得られる擬似的な粒子を意味し、典型的には金属中の自由電子が集団として擬似的に粒子として振る舞う現象を指す。プラズモンは、一般的には電磁波で直接励起することはできないものの、金や銀といった表面波モードが存在する金属の表面では、全反射の際のエバネッセント場（近接場）を利用することで表面プラズモンを励起することができる。表面プラズモンの励起は、ある入射角の光が金属表面に入射した際に金属表面に沿って伝搬するエバネッセント波の位相速度と表面プラズモンの位相速度が一致する、即ち共鳴することで達成されるので、表面プラズモン共鳴と呼ばれる。
【０００４】
表面プラズモン共鳴が生じると、プラズモンとの共鳴に光エネルギーが吸収されるため、検出される全反射光の強度が低下する。表面プラズモン共鳴が生じるかどうかは、光の入射角のみならず、金属周囲の媒質の比誘電率によっても大きく影響を受けることから、表面プラズモン共鳴を利用したセンサ、特にバイオセンサが開発されている。
【０００５】
図１１は、表面プラズモン共鳴を用いる従来の一般的なバイオセンサの概略図である。表面プラズモン共鳴を利用してバイオセンシングをする場合、図１１に示すように、一般的にはクレッチマン配置が採用され、全反射面に金属膜１０１を設けたプリズム１００において金属膜１０１の裏側に試料流体Ｓの流路１０２を形成した構造とされる。プリズム１００に入射した光は金属膜１０１で全反射するが、ある条件では表面波モードの光の伝搬とプラズモンの振動とが共鳴し、金属膜１０１の表面において表面プラズモン共鳴が生じる。表面プラズモン共鳴が生じると、検出器１０３で検出される全反射光の強度が低下するから、入射光の角度を変化（スキャン）させながら検出器１０３の出力を調べることで表面プラズモン共鳴の発生を検知することができる。
【０００６】
表面プラズモン共鳴が発生する際の光の入射角は、金属膜１０１の背後にある試料流体Ｓの比誘電率により変化（シフト）する。バイオセンサとして構成する場合、目的物質（アナライト）と特異的に結合する物質（リガンド）を金属膜１０１の背面に固定する。試料流体Ｓに目的物質が含まれている場合、リガンドに捕捉される。リガンドの捕捉により金属膜１０１の背後の比誘電率が変化し、これにより表面プラズモン共鳴の発生入射角が変化する。この変化の有無で、試料流体Ｓ中に目的物質が含まれているかを検出（同定）することができる。特異的結合には免疫反応が利用されることが多く、リガンドとして抗体が固定され、この抗体が特異的に結合する抗原を目的物質として検出が行われることが多い。
【０００７】
上述したように、従来の一般的な表面プラズモン共鳴センサでは、クレッチマン配置の裏側に試料流体Ｓを流し、表側のプリズム１００に対して入射角を変えながら反射光強度を検出器で測定することで表面プラズモン共鳴の発生を検知している。この種のセンサは既に実用化されてはいるものの、入射光の角度をスキャンする構造（ないしは受光角度をスキャンしながら全反射光強度を測定する構造）が必要で、光学系や検出系の構成が大がかりで複雑であるという欠点がある。また、金属膜１０１の背後に試料流路１０２を設ける必要があり、この点でも構造的に複雑で大がかりになり易い。このため、実用化されている表面プラズモン共鳴センサは、大型で高価なシステムとなっている。
【０００８】
この種のバイオセンサは、ウイルス感染の有無等、各種疾病の診断への利用に期待が寄せられている。疾病の早期発見、治療のためには、できるだけシンプルで安価なシステムとし、中小の病院や診療所等でも設置、利用できるようにすることが望ましい。
ここで、上記従来の一般的な表面プラズモン共鳴センサは、金属膜表面での電磁波の伝搬を利用しているので伝搬型表面プラズモン共鳴センサと呼ばれる。一方、上記のようなプラズモンと電磁波との共鳴は、全反射におけるエバネッセント場を利用するもの以外に、ナノレベルの金属の微細構造においても発現し得る。この種のプラズモン共鳴は、局在型表面プラズモン共鳴と呼ばれる（局在プラズモン共鳴又は局在表面プラズモン共鳴と呼ばれることもあるが、この明細書では局在型表面プラズモン共鳴で統一する）。
【０００９】
例えば光の波長程度の大きさの金属微粒子では、光の電界による自由電子の移動が微粒子の界面（表面）で制限されることから、微粒子の表面に分極が生じる。分極が生じた微粒子には反電界が発生するが、ある条件の下では反電界による微粒子の分極の振動と光の電界の振動とが共鳴し、より大きな分極が生じる。これが局在型表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象である。
【００１０】
このような局在型表面プラズモン共鳴は、微粒子以外の金属微細構造物でも一般的に生じ得る。表面プラズモン共鳴が生じると、金属微細構造物におけるプラズモンの振動に入射光のエネルギーが吸収され、また金属表面の電荷によりその周囲の電界が増強される。したがって、金属微細構造物に光を照射しながらその吸光度を調べることで表面プラズモン共鳴が生じたか否かを検知することができる。そして、この種の表面プラズモン共鳴は、金属微細構造物における表面電荷によるものであり、金属微細構造物の周囲の材料の比誘電率（誘電分散式ε（ω））に対して敏感である。したがって、目的物質を含み得る試料を金属微細構造物周囲に導入し、表面プラズモン共鳴が生じたと判断される波長を特定し、その波長がシフトしたか否かで目的物質の有無を調べることができる。
【００１１】
上記のように、局在型表面プラズモン共鳴を利用するバイオセンサ（以下、局在型表面プラズモン共鳴センサ）では、表面プラズモン共鳴が生じた波長（即ち、吸収がピークとなった波長、以下、共鳴波長と呼ぶ）のシフトによりセンシングを行う。このため、検出系としては、試料が導入された金属微細構造物について分光吸収スペクトルが測定できれば足り、伝搬型のような入射角をスキャンする機構は不要である。また、局在型表面プラズモン共鳴センサでは、金属微細構造を表面に作り込んだチップ（センサチップ）の表面に試料流体を滴下して光照射することで容易に検出が行える。小型の安価な分光器も多く市販されており、従来一般的な伝搬型表面プラズモン共鳴センサに比べ、安価で使い易いシステムが構成できる。このようなことから、各種疾病の早期発見等の各種用途において広く使用できるものとして、実用化が期待されている。
【００１２】
このような局在型表面プラズモン共鳴センサに利用されるセンシング用構造体を開示したものとして、特許文献１及び特許文献２が知られている。このうち、特許文献１は、局在型表面プラズモン共鳴センサでは、伝搬型と異なり、金属微粒子から離れて浮遊する対象物には感度を持たないので高感度になるとし、さらに高感度にするため、金属層にナノサイズの凹部を形成した構造を提案している。そして、凹部内で強い電界が集中して強い局在型表面プラズモン共鳴が起きるとしている。
また、特許文献２は、より高感度化すべく凹部の密度を高めていくと、凹部間の距離が短くなるため、凹部間の領域が凸部として光に認識される問題を指摘し、逆に凹部の周囲に積極的に凸部として形成した構造とすることを提案している。特許文献２は、このように凹凸構造をフジツボ体と称している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−２１６０５５号公報
【特許文献２】特許第５４３８１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記二つの特許文献に開示された高感度化の構造だけではまだまだ不十分である。微量な試料について精度良くセンシングを行うためには、さらに高感度化させたセンサとすることが必要である。
本願発明は、この点を考慮し、上記各特許文献では教示されていない全く新しい観点で高感度化を図るようにした局在型表面プラズモン共鳴センシング用の構造体を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、この出願の請求項１記載の発明は、基板と、基板上に形成された金属製微細構造物とを備え、光照射された金属製微細構造物における局在型表面プラズモン共鳴を利用するセンシング用構造体であって、
金属製微細構造物は、基板の表面を覆ったライナー部と、ライナー部から突出して設けられた多数の突起部とで形成されており、
各突起部の高さをｈ、検出しようとする試料が溶解又は分散されるバッファ液について表面プラズモン共鳴が生じる波長である基準波長をλ、ｍを０又は正の整数としたとき、高さｈは、λ／４＋ｍ（λ／２）−λ／８＜ｈ＜λ／４＋ｍ（λ／２）＋λ／８となっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記各突起部は、正面断面視で左右一対となる断面形状を有するものであり、対を成す突起部は、先端部で最も接近しており、前記λ／４＋ｍ（λ／２）−λ／８＜ｈ＜λ／４＋ｍ（λ／２）＋λ／８を満たす高さｈは、最も接近した箇所での高さであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記各突起部は、円筒状を成しているという構成を有する。
【発明の効果】
【００１６】
以下に説明する通り、この出願の請求項１記載の発明によれば、微細構造物がライナー部とライナー部から突出する多数の突起部で形成されており、各突起部の先端部が、共鳴波長における定在波の振幅の大きな場所に位置するので、より大きな電界増強の効果が得られ、共鳴発生時に観測される吸光度低下のピークがより大きくなる。この点で、より高感度のセンシングが行える。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、電界がより集中し易い一対の突起部の先端部間が定在波の振幅の大きな場所に位置するので、この点でさらに電界増強の効果が高くなる。このため、さらに高感度のセンシングが行える。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、どの方向の直線偏光光についても定在波とプラズモンの分極との相互作用を利用することができ、この点でさらに高感度のセンシングが行える。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係るセンシング用構造体の正面断面概略図である。
【図２】図１に示すセンシング用構造体の平面概略図である。
【図３】実施形態のセンシング用構造体を備えたセンサチップを使用するバイオセンシングシステムの一例を示した概略図である。
【図４】実施形態のセンシング用構造体における表面プラズモン共鳴の発現について模式的に示した図である。
【図５】実施形態のセンシング用構造体におけるセンシングの原理を示した概略図である。
【図６】発明者が行ったシミュレーション実験の結果を示す概略図である。
【図７】図６の元になったカラー画像を模式的に描いた図である。
【図８】入射光の波長と突起部の高さとの関係による電界増強のモデルを模式的に示した図である。
【図９】ライナー部の効果について確認したシミュレーション実験の結果を示す概略図である。
【図１０】実施形態のセンシング用構造体の製造方法を示した概略図である。
【図１１】表面プラズモン共鳴を用いる従来の一般的なバイオセンサの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
この出願の発明を実施するための形態（実施形態）について、以下に説明する。図１は、実施形態に係るセンシング用構造体の正面断面概略図、図２は図１に示すセンシング用構造体の平面概略図である。図１及び図２に示すセンシング用構造体は、基板１と、基板１上に形成された金属製微細構造物（以下、単に微細構造物という。）２とを備えて構成されたものとなっている。
【００１９】
具体的に説明すると、実施形態のセンシング用構造体は、透過光の強度を測定することで表面プラズモン共鳴が発生したかどうかを検知するものとなっているため、基板１はガラス製又は樹脂製の透明基板となっている。基板１の形成材料としては、微細構造物２を形成する製造プロセスにおいてある程度の高温に晒されるため、必要な耐熱性を備えた材料が選定される。例えば石英ガラス、硼珪酸ガラスのような耐熱ガラス、その他耐熱性の透明樹脂等が基板１の材料として選定される。
【００２０】
微細構造物２は、この実施形態では金（Ａｕ）で形成されている。微細構造物２は、図１に示すように、基板１の表面に沿って延びるライナー部２１と、基板１から突出した状態の多数の突起部２２とから成る構造となっている。ライナー部２１と突起部２２とは連続している。
図１及び図２から解るように、各突起部２２はほぼ円筒状の部位となっている。図１に示すように、突起部２２の内径は、基板１から遠ざかるに従って徐々に小さくなっており、突起部２２の上側開口径は底部開口径より小さく絞られた構造となっている。尚、図２は、各突起部２２を円弧により概略的に描いている。
図２に示すように、突起部２２同士の離間間隔は不均等なものになっている。これは、各突起部２２が回折格子のように作用して回折光の影響が現れることがないようにするためである。センシングシステムの光学系において回折光の影響が排除される構成が採用される場合、各突起部２２が均等配置される場合もある。
【００２１】
このような微細構造物２は、補強のため及び製造上の理由から、誘電体製のベース３によって支えられている。ベース３も、同様にライナー部（以下、ベースライナー）３１と突起部（以下、ベース突起）３２とより成る構造であり、ベースライナー３１の上に微細構造物２のライナー部２１が形成され、ベース突起３２の上に微細構造物２の突起部２２が形成されている。尚、この実施形態では、ベース３は酸化シリコンで形成されている。
また、図１及び図２では不図示であるが、微細構造物２の表面には、バインダを介してリガンドが固定されている。リガンドは、センシングの目的物質の分子を認識する材料である。
【００２２】
このような微細構造物２を備えた実施形態のセンシング用構造体では、突起部２２の先端部において特に表面プラズモン共鳴が生じ、これを利用してセンシングが行われる。この点について、図１〜図４を使用して説明する。図３は、実施形態のセンシング用構造体を使用したバイオセンシングシステムの一例を示した概略図、図４は実施形態のセンシング用構造体における表面プラズモン共鳴の発現について模式的に示した図である。
【００２３】
図３に示すバイオセンシングシステムは、光源４と、光源４からの光が照射される位置に保持されるセンサチップ５と、センサチップ５を透過した光を受光する位置に配置された検出器６と、検出器６における測定データを処理するデータ処理部７等を備えている。センサチップ５が、実施形態のセンシング用構造体を備えたものとなっている。
実施形態のセンシング用構造体は、波長域としては可視域から近赤外域が想定されており、このような波長域の光を出力するものが光源４として使用される。センシング用構造体は共鳴波長のシフトでセンシングを行うものであるｓため、光源４としては連続した波長の光を放射するものであることが好ましく、具体的にはハロゲンランプその他の白色光源が使用される。
【００２４】
検出器６は、分光素子を内蔵しており、入射光の分光強度を測定するものとなっている。この実施形態では、センシング用構造体における波長毎の吸光度（分光吸収スペクトル）が測定されるようになっている。データ処理部７は、検出器６からの信号を処理して分光吸収スペクトルを測定し、その吸光度がピークとなった波長を特定するプログラムが実装されている。検出器６には、センシング用構造体を経ない光が参照光として入射するようになっており、センシング用構造体を経た光と経ない光との比較によりセンシング用構造体における吸光度が測定されるようになっている。
尚、図１に示すように、基板１は、金属である微細構造物２で覆われているが、微細構造物は光の波長程度ないしは波長より短い厚さの非常に薄いものであるため、一部又は多くの光が透過し、検出器６によって捉えられる。
【００２５】
図４に示すように、実施形態のセンシング用構造体では、微細構造物２のうち突起部２２、特に突起部２２の先端部において表面プラズモン共鳴が発生し易い。先端部では、金属がより微細な構造となっている。このため、先端部内で自由電子の移動が遮蔽されて分極が発生し易く、この部位において光の振動と共鳴し易い。
【００２６】
局在型表面プラズモン共鳴が生じると、周囲の電界が増強される。実施形態では、図４に示すように、断面構造において向かい合う左右の突起部２２の先端部間の電界が増強される。突起部２２は、実際には円筒状であるので、円筒の開口を横断する状態の電界が増強される。
表面プラズモン共鳴が生じると、前述したように共鳴に光エネルギーが吸収されるので、吸光度がピークとなる。プラズモン共鳴は、誘電分散式ε（ω）に依存し、したがって特定の波長でのみ生じ、また周囲の材料の比誘電率に敏感である。このため、分光吸収スペクトルの解析から吸光度のピーク波長を特定し、ピーク波長が変化（シフト）したか否かで、目的物質のセンシングが行われる。尚、吸光度は散乱や反射の分も含むので、厳密には光吸収率とは異なるが、ここでは散乱や反射は表面プラズモン共鳴発生の有無にかかわらず一定であるとして良く、吸光度のピークは光吸収率のピークであるとして良い。
【００２７】
免疫反応を利用する場合を例にして、図５を参照しながらセンシング用構造体の構造及びセンシングの手法についてより具体的に説明する。図５は、実施形態のセンシング用構造体におけるセンシングの原理を示した概略図である。
図５に示すように、微細構造物２の表面には、バインダ８１によりリガンド８２が固定されている。免疫反応を利用したバイオセンサの場合、リガンド８２は抗体であり、目的物質は抗原８３である。試料は、ＰＢＳ（リン酸緩衝液）のようなバッファ液に溶解又は混合されて試料流体Ｓとなってセンサチップの上に滴下される。
【００２８】
試料流体Ｓ中に抗原８３が存在しない場合、バッファ液の比誘電率に応じた波長（λ１）で表面プラズモン共鳴が生じる（図５（１））。試料流体Ｓ中に目的物質としての抗原８３が存在すると、抗体であるリガンド８２と特異的に反応し、リガンド８２に捕捉される。この結果、微細構造物２の周囲の比誘電率が変化し、この比誘電率の変化により、共鳴波長がシフトしてλ２となる（図５（２））。したがって、最初に試料を投入しないバッファ液のみの状態で共鳴波長を特定した後、試料をバッファ液に投入し状態で共鳴波長を再度特定する。両者の間にある程度以上の相違が見られれば、試料中に目的物質（抗原）８３が存在しているとして同定される。
【００２９】
さて、このように使用される実施形態のセンシング用構造体は、従来とは全く異なる観点で高感度化を達成した構造を採用している。以下、この点について説明する。
センシング用構造体は、上述したように、金属製の微細構造物２の表面でのプラズモン共鳴を利用する。この際、一般には検討されていないことであるが、金属表面に入射した光の一部は金属表面で反射し、表面に入射しようとする光と反射光とが干渉し、定在波が生じる。
【００３０】
発明者は、この定在波を利用することで、より高感度化されたセンシング用構造体が得られるのではないかと推測した。つまり、定在波の振幅が大きくなっているところで表面プラズモン共鳴が生じるように微細構造物２の形状や寸法を決めてやれば、より共鳴が大きくなり、結果的に共鳴が生じたことによる全体の光エネルギー損失が大きくなる。これは、共鳴が生じた際のピーク（吸光度の低下）が大きくなることを意味し、したがってピークのシフトも検出し易くなる。
【００３１】
発明者は、このような観点でシミュレーション実験等の研究を鋭意進めた。その結果、微細構造物２の突起部２２の先端部の位置が、定在波の振幅の大きくなっているところ、即ち腹のところになっていれば、より大きな表面プラズモン共鳴が生じることが判った。
より大きな表面プラズモン共鳴が生じるかどうかは、共鳴による電界増強が大きくなるかどうかで判断できる。前述したように、局在型表面プラズモン共鳴では、金属の微細構造物２内でプラズモンの分極により金属表面付近に電界が生じ、この電界は、共鳴によって増強される。したがって、電界増強の度合いを調べることで共鳴の大きさを知ることができる。
【００３２】
発明者は、これらを踏まえ、微細構造物２に入射する光の波長と突起部２２との高さとの関係を調べるシミュレーション実験を行った。図６は、発明者が行ったシミュレーション実験の結果を示す概略図である。この実験では、ある既知の波長の単色光が入射するものとし、突起部２２の高さを変えた場合、電界増強の様子がどのように変化するかをシミュレーションで確認した。
【００３３】
図６（ａ）には突起部２２の高さが１５０ｎｍの場合、図６（ｂ）には突起部２２の高さが２２２．５ｎｍの場合、図６（ｃ）には突起部２２の高さが４４５ｎｍの場合、図６（ｄ）には突起部２２の高さが６６７．５ｎｍの場合がそれぞれ示されている。単色光の波長λは８９０ｎｍとしたので、図６（ｂ）はλ／４、（ｃ）はλ／２、（ｄ）は３λ／４の高さということになる。特許文献２では、凹部の深さとフジツボ体の高さの和は１００〜１５０ｎｍとなっており（段落０２４１〜０２６７）、高さｈが１５０ｎｍ（図６（ａ））というのは、特許文献２のフジツボ体のうち深さと高さの和が最も大きなものに相当している。尚、シミュレーションにおける計算についてはＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法が使用され、ソフトウェアとしてはＳｙｎｏｐｓｙｓ社のＦＵＬＬＷＡＶＥ（同社の登録商標）が使用された。尚、平行光が基板１に対して垂直に入射すると想定した。
【００３４】
図６は、カラー画像であるソフトウェアの出力データを白黒に変換しているので判りづらいが、図６中、白っぽい部分が突起部２２の先端部付近であって電界が増強されている部分である。理解のため、図６の元になったカラー画像を模式的に描いた図を図７として示す。同じ色の領域は、電界強度（電位傾度）が概ね同じ領域を示す。赤＞黄＞緑＞青＞紺＞紫の順に電界強度が高くなっている。尚、図６において紺及びそれより低い電界強度の領域は、図７では省略されている。また、図６中、微細構造物２の輪郭が描き加えられている。
図６及び図７に示すように、突起部２２の高さがλ／４の場合や３λ／４の場合に強い電界集中が観察される一方、高さが２／λの場合、電界増強は殆ど消失していた。また、高さが１５０ｎｍの場合でも電界増強が確認されたが、突起部２２の先端部付近の最も電界集中の強い部分で比較すると、１５０ｎｍの高さよりも２２２．５ｎｍ（λ／４）の方が強い電界増強が確認された。
【００３５】
上記シミュレーション結果のうち、高さｈがλ／２の場合の電界増強消失は特に興味深いもので、この点から考えて、高さｈがλ／４の場合や３λ／４の場合の顕著な電界増強度の増加は、入射した光による定在波が影響していると考えて良い。この点について、高さｈがλ／４の場合の顕著な電界増強のモデルを、λ／２の場合と対比して模式的に説明する。図８は、入射光の波長と突起部２２の高さｈとの関係による電界増強のモデルを模式的に示した図である。
【００３６】
図８に示すように、センシング用構造体に光が入射すると、光の一部は微細構造物２の表面で反射し、その反射光と入射光とが干渉して定在波Ｗを形成する。一方、突起部２２の先端部は、その部分で電子の移動が特に制限される領域であり、プラズモンの分極が強く生じ易い。したがって、図８（１）に示すように、定在波Ｗの腹（振幅の最も大きな部分）に突起部２２の先端又はその付近の部位が位置すると、プラズモンの強い分極と定在波Ｗとが共鳴し合い、この結果、特に大きな電界増強作用が得られる。一方、図８（２）に示すように、突起部２２の先端又はその付近が定在波Ｗの節又はその付近に位置してしまうと、光のエネルギー自体が弱いので、共鳴による電界増強の効果が殆ど得られない。図６に示しシミュレーション結果は、このような状況を示しているものと考えられる。
【００３７】
尚、特許文献２は、実施例として開示したセンシング用構造体の共鳴波長（ピーク波長）は７６０〜７８０ｎｍであるとしている（段落０２６０〜０２６４）。フジツボ体の内側に光が入り込むのは難しいので、定在波を利用する場合、フジツボ体の高さが重要になるが、これら実施例のうち最も高さ＋深さが大きなフジツボ体の１５０ｎｍのうち、高さがどの程度であるかは開示されておらず、不明である。特許文献２の段落０２４８には、高さ＋深さ１００ｎｍの場合には、高さも深さも５０ｎｍであるとされていることから類推すると、高さは高くても７５ｎｍであると推測される。これを前提にすると、特許文献２に開示されたいずれの実施例でも、フジツボ体は本願発明の実施形態のように定在波を利用するものでないことは明らかである。
【００３８】
実施形態のセンシング用構造体は、このような考え方に基づき、微細構造物２の形成する突起部２２の高さｈについて最適化する構造を採用している。具体的には、図１に示すように、実施形態のセンシング用構造体は、各突起部２２の高さｈを均一にしており、且つその高さｈを、λ／４＋ｍ（λ／２）−λ／８＜ｈ＜λ／４＋ｍ（λ／２）＋λ／８（ｍは０又は正の整数）となるようにしている。製造上の問題からｍは小さい方が好ましく、０〜３程度が好ましい。また、図６に示すようにｍ＝０の場合が最も効果が大きくなると推測されるので、ｍ＝０がより好ましい。尚、全ての突起部２２の高さが上記範囲に入ることが理想的であるが、半数以上の突起部２２の高さが上記範囲を満たせば、電界増強度向上の効果としては十分である。また、製造上のバラツキを考慮に入れた場合、全体の７ないし８割以上の突起部２２が上記範囲に入るものとなっていることが実用的には想定される。
【００３９】
上記各突起部２２の高さｈの選定で重要な点は、入射光の波長λである。図６に結果を示すシミュレーション実験では、単色光がセンシング用構造体に入射すると想定したが、前述したように実際にセンシングに使用される光源４は白色光源であり、さまざまな波長の光がセンシング用構造体に入射する。センシングは、共鳴波長がシフトしたか否かで行われるから、照射する光は、ある程度の波長域のブロードな光とされ、この観点から白色光源４が使用される。
【００４０】
この場合、各突起部２２の高さｈを規定するには、入射波長を特定する必要があるが、この点については、局在型表面プラズモン共鳴が生じると予想される波長λ１として予め特定すれば良い。共鳴波長λ１は、微細構造物２の形状と、微細構造物２の周囲の媒質の比誘電率によって決まる。微細構造物２の形状を選定し、周囲の媒質の比誘電率を決めてやれば、「プラズモニクス−基礎と応用」（岡本隆之・梶川浩太郎著，２０１０年，講談社発行）の１２８頁に示されているように計算によって予め求めることができる。
【００４１】
この場合、周囲の比誘電率は、試料中の抗原が抗体に捕捉されることで変化し、その結果、共鳴波長がλ２にシフト（変化）する。しかし、そのシフト量は波長に対してごく僅かであり、多くの場合、１０nm以下である。それに対して、プラズモン共鳴により得られる光吸収率のピークの半値幅は、数十nm以上を有するのが一般的であり、試料中の抗原が抗体に捕捉されることによる共鳴波長のシフト量よりも十分に大きい。即ち、多くの場合、試料は、ＰＢＳのようなバッファ液に投入された状態でセンシング用構造体に滴下されるが、試料が投入されていない状態のバッファ液における共鳴波長λ１と、試料が投入され当該試料中に抗原（目的物質）が存在していた場合の共鳴波長λ２とは、数１０ｎｍ程度の違いしかない。したがって、使用する予定のバッファ液の比誘電率を基準にして上記のように共鳴波長を算出し、それを基準にして各突起部２２の高さｈを選定しておけば、共鳴波長のシフトにかかわりなく大きなピークが得られ、高感度のセンシングが行える。
【００４２】
尚、共鳴波長を予め計算により算出する際には、各突起部２２の高さを仮のものとして適当な値を選定しておく。そして、その共鳴波長との関係で上記範囲に入るように各突起部２２の高さを変更する。各突起部２２の高さが変わることで計算上は共鳴波長が変化し得るが、その変化量も僅かであり、実用上は問題はない。必要であれば、何回か計算を繰り返すことで、最適な高さｈを選定することができる。即ち、仮に定めた高さｈで求められた共鳴波長においてλ／４になるように各突起部２２の高さを変更する。そして、変更後の高さにおいて共鳴波長を再度計算し、その共鳴波長においてλ／４となるように各突起部２２の高さを変更する。これを何回か繰り返すことで、共鳴波長とその共鳴波長の下での最適な各突起部２２の高さが求められる。
このように、実施形態のセンシング用構造体では、共鳴が生じると予想される波長との関係において定在波の振幅の大きい場所に各突起部２２の先端が位置する。このため、実際にこの点で、実施形態のセンシング用構造体はより高感度の構造体となっている。
【００４３】
尚、上記効果を得る観点では、ライナー部２１の存在が重要である。以下、この点を確認したシミュレーション実験の結果について説明する。図９は、ライナー部２１の効果について確認したシミュレーション実験の結果を示す概略図である。この実験では、ライナー部２１がある構造とライナー部２１がない構造とでどのように電界増強の度合いが異なるかを計算により求めた。計算は、図６の場合と同様、ＦＤＴＤ法を用い、ソフトウェアにはＦＵＬＬＷＡＶＥ（登録商標）を使用した。同様に、入射光の波長は８９０ｎｍの平行光であり、微細構造物２は金であるとした。
【００４４】
図９（１）は図６（ｂ）と同様の図であり、共鳴波長に対してλ／４の高さとしているため、大きな電界増強が得られていることが判る。一方、図９（２）は、同じ条件でライナー部２１がない構造とした場合のシミュレーション結果である。図９（２）に示すように、ライナー部２１がない場合、電界増強の効果は殆ど得られていない。これは、ライナー部２１がないために反射光が少なく、定在波との共鳴による電界増強効果が得られないためである。
【００４５】
以上のように、実施形態のセンシング用構造体によれば、微細構造物２がライナー部２１とライナー部２１から突出する多数の突起部２２で形成されており、各突起部２２の先端が、共鳴波長における定在波の振幅の大きな場所に位置するので、より大きな電界増強の効果が得られ、共鳴発生時に観測される吸光度低下のピークがより大きくなる。この点でより高感度のセンシングが行える。
【００４６】
また、図１に示すように、この実施形態のセンシング用構造体では、各突起部２２が断面形状において一対のものとなっており、対を成す突起部２２は先端部において互いに最も接近している。微細構造物を多数の突起部で形成した場合に突起部の先端でプラズモンの分極が生じ易く、電界がより集中し易い。この場合、実施形態のように突起部２２を一対のものとして互いの先端部を接近させると、この部分でより電界が集中し易く、電界増強の効果がより高くなる。そして、実施形態の構造では、この電界がより集中し易い一対の突起部の先端部間が定在波の振幅の大きな場所に位置するので、この点でさらに電界増強の効果が高くなる。このため、さらに高感度のセンシングが行える。
【００４７】
そして、断面形状において左右一対のとなる突起部２２の構造は幾つか考えられるが、上述したように実施形態では各突起部２２はほぼ円筒状となっている。この点も、プラズモンの分極と定在波との共鳴に関連して顕著な意義を有する。例えば、対を成す二つの突起部の構造としては、向かい合った直線状のもの（突条）であっても良い。但し、このようにすると、一対の突条の離間幅の方向に電界が集中するので、この方向の電界が増強される必要がある。この場合、定在波としては、離間幅の方向に電界が向いている直線偏光光が想定されることになる。逆に言えば、この方向に直線偏光光のみが電界増強に作用することになる。一方、突起部が円筒状（先端開口が円形）であれば、どの方向の直線偏光光についても定在波とプラズモンの分極との相互作用を利用することができ、実施形態における突起部２２はこのような優位性を有するものとなっている。
尚、図６〜図９には、突起部２２がライナー部２１に対して垂直に形成されている構造となっており、図１等に示されたものと異なっているが、垂直の場合でも傾いている場合でも、表面プラズモン共鳴の発生や上記定在波との相互作用は同様である。
【００４８】
次に、実施形態のセンシング用構造体の好適な製造方法について説明する。図１０は、実施形態のセンシング用構造体の製造方法を示した概略図である。
上述したように、実施形態のセンシング用構造体では、各突起部２２の高さｈを共鳴波長λ１に対して最適化する。したがって、各突起部２２はより均一な高さで形成されることが好ましく、この観点から、実施形態のセンシング用構造体は、フォトリソグラフィ法により製造されることが好ましい。
【００４９】
具体的に説明すると、実施形態のセンシング用構造体を製造する場合、基板１の上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜を形成する。次に、マスクを介してフォトレジスト膜を露光し、その後、現像を行ってフォトレジストのパターン９１を形成する（図１０（１））。形成されるフォトレジストのパターン９１は、図１０（１）に示すような断面台形の島状の塊（以下、レジストベースと呼ぶ）９２が基板１上に多数形成されたパターンである。
尚、各レジストベース９２の平面断面形状は円形である。したがって、マスクには円形のパターンが描かれている。例えばポジ型のフォトレジストを採用すると、露光工程での厚さ方向でのフォトレジストの感光量分布の関係から、図１０（２）に示すような断面台形の各レジストベース９２が形成される。
【００５０】
上記フォトリソグラフィ工程の後、各レジストベース９２を含む基板１上の全面領域に誘電体膜９３を作成する（図１０（２））。この例では、誘電体膜９３は、酸化シリコン膜となっている。酸化シリコン膜９３は、例えばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)やＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)といった手法で作成される。
次に、誘電体膜９３をある程度の厚さまでエッチングして除去する（図１０（３））。ある程度の厚さとは、レジストベース９２の上面において全て誘電体膜９３が除去される厚さである。この際、横方向（基板１の表面に沿った方向）へのエッチングが抑制され、基板１の表面に垂直な方向にエッチングが専ら進む異方性エッチングの手法が採用される。このため、エッチング終了後には、図１０（３）に示すように、レジストベース９２の側面には十分な厚さの誘電体膜９３が残留した状態となる。
【００５１】
次に、レジストベース９２の除去工程が行われる。例えば酸素プラズマによるアッシング又はウェット処理により、レジストベース９２が除去される（図１０（４））。これにより、基板１上にベース３が形成された状態となり、ベース３はベース突起３２を含む。
次に、ベース３の表面に金属膜９４を作成する。実施形態では微細構造物２は金製であるので、金属膜９４として金薄膜が作成される。金属膜９４の作成はスパッタリングにより行うことができ、例えば高周波マグネトロンスパッタ装置を使用して成膜が行われる。これにより、実施形態のセンシング用構造体が完成する（図９（５））。尚、突起部２２内の基板１上にも金属膜９４が堆積してしまうが、この部分は、センサとしての主要な機能を為す部分ではない。除去しても良いが、特に残留させても問題はないので、この製造方法では残留させている。
【００５２】
尚、特許文献２では、フジツボ体と称される凹凸構造を形成するのに、粒状固体４７を含有した懸濁液を使用する製造プロセスを開示している。この製造プロセスでは、粒状固体４７が抜け出た後の孔によってフジツボ体が形成されるので、フジツボ体の高さを均一にするには、粒状固体４７の粒径を均一にする必要がある。しかしながら、ナノサイズで粒状固体４７の粒径を均一にするのは難しく、バラツキが生じるのが避けられない。これと比較すると、フォトリソグラフィ法を採用する上記方法では、半導体集積回路の製造プロセスで培われた微細加工技術を応用することができ、寸法精度の良い突起部２２を均一に形成することができる。
【００５３】
また、特許文献１では、ナノインプリンティングの手法により凹部を形成しており、ナノインプリンティングに用いる型をフォトリソグラフィにより製作している。しかしながら、型を用いずにフォトリソグラフィによって各突起部２２を直接形成する場合に比べると、型を用いたナノインプリンティングでは寸法精度が劣ることが否めず、また型の摩耗も考慮する必要がある。したがって、上記のように型を用いずにフォトリソグラフィによって各突起部２２を直接形成する製造プロセスの方が好ましい。
【００５４】
尚、実施形態のセンシング用構造体は、各種のバイオセンシングの用途に用いられ、特にウイルス感染の有無等、各種疾病の早期発見、診断、治療に利用することができる。図３に示すようにセンシングシステムの構成はシンプルであって安価なシステムとすることができる。また、図１０に示すような製法によりセンサチップも安価に大量生産することができ、１回限りに使用（使い捨て）とすることも可能で、取り扱いも容易である。このため、中小の病院や診療所等でも設置、利用できる有益なものとなる。
【符号の説明】
【００５５】
１  基板
２  ベース
２１  ベースライナー
２２  ベース突起
３  微細構造物
３１  ライナー部
３２  突起部
４  光源
５  センサチップ
６  検出器
７  データ処理部
８１  バインダ
８２  リガンドとしての抗体
８３  目的物質としての抗原
Ｓ  試料流体
Ｗ  定在波
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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