(57)【要約】【課題】  高感度のセンシングを再現性良く安定して行えるセンサチップ及びそのようなセンサチップを高い信頼性で製造できる製造方法を提供する。【解決手段】  基板１上にフォトリソグラフィにより誘電体製のベース３が形成され、ベース３に対して金属膜９４を作成することで多数の突起部２２を有する金属製微細構造物２が形成される。微細構造物２の表面にはバインダ８１によりリガンドとしての抗体８２が固定され、試料流体Ｓ中の目的物質としての抗原８３は抗体８２により捕捉される。微細構造物２において発生する局在型表面プラズモン共鳴の発生波長のシフトの有無により、抗原８３の有無が判断される。各突起部２２の離間距離は、各突起部２２からの回折光の干渉の影響が排除できる程度に不均等なものとされている。【選択図】  図５
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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、基板上に設けられた多数の突起部で形成されており、
各突起部の離間距離は不均等なものとなっており、各突起部の離間距離の不均等性は、光照射された際に生じる回折光の干渉による光強度の変化が、表面プラズモン共鳴が生じたことによる光強度の変化に比べて十分に小さくなる不均等性であ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】
前記金属製微細構造物は、顕微鏡による観察において、対物レンズの後焦点面位置の像をベルトランレンズで結像させた際に対物レンズの開口数によらずに複数の像が観察されないもの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、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、前記不均等な離間距離は、対同士の離間距離であることを特徴とする請求項１又は２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４】
前記基板の表面領域は多数の区画に区分されており、
各区画には多数の前記突起部が設けられており、
各区画内においては、前記各突起部の離間距離は、光照射された際に生じる回折光の干渉による光強度の変化が、表面プラズモン共鳴が生じたことによる光強度の変化に比べて十分に小さくなる不均等性を有しており、
各区画における各突起部の形成位置は、区画同士で同一のものとなっており、
各区画のサイズは、光照射された際に生じる回折光の干渉による光強度の変化が、表面プラズモン共鳴が生じたことによる光強度の変化に比べて十分に小さくなるサイズであることを特徴とする請求項１、２又は３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５】
前記各区画は方形であって一辺のサイズが５μｍ以上であることを特徴とする請求項４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６】
前記各突起部は、型を用いることなく金属膜に対してフォトリソグラフィを施すことで形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに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７】
各突起部は、基板上に設けられた誘電体製のベースで支持されており、ベースは、基板上に作成された膜に対してフォトリソグラフィを施すことにより型を用いることなく形成されたものであり、前記各突起物は、ベースに対して作成された金属膜で形成されていることを特徴とする請求項６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８】
前記各突起部において、前記金属膜は途切れていることを特徴とする請求項６又は７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９】
前記各突起部は、基板に対して斜めに延びた断面形状となっており、基板の表面に対して鋭角となる面を有していることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに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１０】
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表面プラズモン共鳴を利用して検出が行われ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の製造方法であって、
基板上に膜を作成する工程と、
作成された膜に対してフォトリソグラフィを施すことにより型を用いることなく基板上に前記金属製微細構造物としての多数の突起部を形成する工程と
を有す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の製造方法。
【請求項１１】
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、
微細構造物は、基板上に設けられた多数の突起部で形成されており、
各突起部は、基板上に作成された膜に対してフォトリソグラフィを施すことにより型を用いることなく形成されたものであ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１２】
前記各突起部は、基板上に設けられた誘電体製のベースで支持されており、ベースは、基板上に作成された膜に対してフォトリソグラフィを施すことにより型を用いることなく形成されたものであり、前記各突起物は、ベースに対して作成された金属膜で形成されていることを特徴とする請求項１１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１３】
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、
微細構造物は、基板上に設けられた多数の突起部で形成されており、
各突起部は、基板に対して斜めに延びた断面形状となっており、基板の表面に対して鋭角となる面を有し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。
【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するセンシング技術がある。
【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するセンサ、特にバイオセンサが開発されている。
【０００５】
図１２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１２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、高感度化されたセンサチップ及びその製造方法が開示されている。この文献では、凹部の内側面で局在型表面プラズモン共鳴を発生させるとされており、ナノインプリンティングの技術を使用してチップを製造するとされている。
【００１３】
一方、特許文献２は、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、この凹凸構造（特許文献２はフジツボ体と称している）を製造する技術として、固体が分散されている懸濁液を塗布して懸濁液が乾燥するまでの間に光照射する技術を開示している。そして、この技術により製造された構造体を型として用い、透明基板の表面に多数のフジツボ状の凹凸を設け、その表面にスパッタリングによって金属膜を作成することでセンシング用構造体を製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【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】
【００１５】
上述した従来技術のうち、特許文献２では、凸部の表面でもプラズモンによる分極が生じ、表面プラズモン共鳴が生じ得る。したがって、特許文献１と比べると、より高感度のセンシングが可能となる。しかしながら、これら特許文献１，２に開示された技術は、回折光の影響が無視できず、このため高精度のセンシングが行えないという問題を抱えている。以下、この点について説明する。
【００１６】
上記特許文献１のセンサチップでは、微細な凹部が周期的に配置されており、凹部に対して光照射し、その反射光を分光し、分光強度から試料の分光吸収率を測定している。そして、分光吸収率がピークとなった波長において表面プラズモン共鳴が生じたと判断しており、その波長がシフトするかでセンシングを行っている。この際、凹部が周期的に並んでいることから、光の波長によっては各凹部は回折格子と同様に作用し、検出器には、回折光の干渉により強め合ったり弱め合ったりした光が入射する。この結果、分光器において波長掃引した際、現れたピークが回折光の干渉によるものなのか、表面プラズモン共鳴の発生によるものなのかが判らなくなってしまい、センシングの精度低下、さらにはセンシング不能となり得る。
【００１７】
この点について、特許文献１は、凹部の間隔（ピッチ）を４００ｎｍ以下とすることで回折光の影響がなくなるとしている（段落００４１及び０１０６）。しかしながら、その一方、特許文献１は、ピッチは凹部の幅の２倍より大きいことが望ましいとしている（段落００５４）。したがって、特許文献１のセンサチップの構造では、回折光干渉の影響を排除しようとすると、凹部の幅が小さくせざるを得ないことになり、例えば４００ｎｍ以下のピッチでは、凹部の幅は２００ｎｍ以下ということになる。この点に関し、特許文献１のセンサチップは、表面プラズモン共鳴による凹部内での電界増強を利用してセンシングを行っている。したがって、センシングのためには目的物質の分子が凹部内に進入する必要があるが、このように凹部が狭いものであると、進入できる分子が限られることになる。つまり、特許文献１のセンサチップでは、非常に微小な分子サイズの目的物質のセンシングに用途が限られてしまうという問題がある。
【００１８】
一方、特許文献２においては、図３（ａ）を見る限り、凸部が不均等に配置されていると思われるので、特許文献１のセンサチップに比べると回折光の影響は少ないものと想像される。しかしながら、特許文献２では、表面凹凸の構造体は、粒状固体４７を分散させた懸濁液を使用することで形成され、凸部の位置は、粒状固体４７の残留位置に相当している（特許文献２の図４参照）。粒状固体４７は、不均一に分散して不均等な位置に残留する場合もあると思われるが、ある程度均一に分散してある程度均等な位置に残留する場合もあると思われる。均等な位置に残留すると、各凸部が周期性を持って存在することになるので、少なからず回折光の干渉が発生し、これに起因した検出光の強弱が測定データに多く含まれてしまうものと想像される。すなわち、特許文献２のセンサチップ及びその製造方法は、回折光干渉の影響のない高品質のセンシングを再現性良く安定して行うという点では、問題を抱えている。
【００１９】
この出願の発明は、上述したような従来技術の各課題を解決すべく為されたものであり、局在型表面プラズモン共鳴を利用するセンシング用の構造体であって、目的物質の分子サイズによらずに高感度のセンシングを再現性良く安定して行える構造体及びそのような構造体を高い信頼性で製造できる製造方法を提供し、この技術の普及に大きく貢献することを解決課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
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、基板上に設けられた多数の突起部で形成されており、
各突起部の離間距離は不均等なものとなっており、各突起部の離間距離の不均等性は、光照射された際に生じる回折光の干渉による光強度の変化が、表面プラズモン共鳴が生じたことによる光強度の変化に比べて十分に小さくなる不均等性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２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記金属製微細構造物は、顕微鏡による観察において、対物レンズの後焦点面位置の像をベルトランレンズで結像させた際に対物レンズの開口数によらずに複数の像が観察されないもの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、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、前記不均等な離間距離は、対同士の離間距離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４記載の発明は、前記請求項１、２又は３の構成において、前記基板の表面領域は多数の区画に区分されており、
各区画には多数の前記突起部が設けられており、
各区画内においては、前記各突起部の離間距離は、光照射された際に生じる回折光の干渉による光強度の変化が、表面プラズモン共鳴が生じたことによる光強度の変化に比べて十分に小さくなる不均等性を有しており、
各区画における各突起部の形成位置は、区画同士で同一のものとなっており、
各区画のサイズは、光照射された際に生じる回折光の干渉による光強度の変化が、表面プラズモン共鳴が生じたことによる光強度の変化に比べて十分に小さくなるサイズ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５記載の発明は、前記請求項４の構成において、前記各区画は方形であって一辺のサイズが５μｍ以上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６記載の発明は、前記請求項１乃至５いずれかの構成において、前記各突起部は、型を用いることなく金属膜に対してフォトリソグラフィを施すことで形成されたもの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７記載の発明は、前記請求項６の構成において、各突起部は、基板上に設けられた誘電体製のベースで支持されており、ベースは、基板上に作成された膜に対してフォトリソグラフィを施すことにより型を用いることなく形成されたものであり、前記各突起物は、ベースに対して作成された金属膜で形成され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８記載の発明は、前記請求項６又は７の構成において、前記各突起部において、前記金属膜は途切れ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９記載の発明は、前記請求項１乃至８いずれかの構成において、前記各突起部は、基板に対して斜めに延びた断面形状となっており、基板の表面に対して鋭角となる面を有し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１０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の製造方法であって、
基板上に膜を作成する工程と、
作成された膜に対してフォトリソグラフィを施すことにより型を用いることなく基板上に前記金属製微細構造物としての多数の突起部を形成する工程と
を有す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１１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、
微細構造物は、基板上に設けられた多数の突起部で形成されており、
各突起部は、基板上に作成された膜に対してフォトリソグラフィを施すことにより型を用いることなく形成されたもの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１２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、基板上に設けられた誘電体製のベースで支持されており、ベースは、基板上に作成された膜に対してフォトリソグラフィを施すことにより型を用いることなく形成されたものであり、前記各突起物は、ベースに対して作成された金属膜で形成され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１３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、
微細構造物は、基板上に設けられた多数の突起部で形成されており、
各突起部は、基板に対して斜めに延びた断面形状となっており、基板の表面に対して鋭角となる面を有しているという構成を有する。
【発明の効果】
【００２１】
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、伝搬型のセンサチップのように入射角をスキャンする構造は不要であり、簡易で安価なシステムとすることができる。また、微細構造を形成する各突起部は、回折光干渉の影響が十分に排除される程度に不均等に配置されているので、回折光干渉の影響により検出が不可能になってしまう問題がない。また、回折光干渉の影響排除は、各突起部の不均等配置によってもたらされるので、目的物質の分子サイズが限定されることもない。
また、請求項４の発明によれば、上記効果に加え、各区画における各突起部の位置は区画同士で同一のものであるので、フォトリソグラフィにより各突起部を形成する際にマスクの像を縮小投影することができ、このためマスクの製作が容易である。また、各区画のサイズは、回折光干渉の影響が出るサイズより大きいものとなっているので、区画同士の各突起の位置の同一性によりセンシングが困難となる問題が回避される。
また、請求項６記載の発明によれば、上記効果に加え、各突起部は、型を用いることなく金属膜に対してフォトリソグラフィを施すことで形成されたものであるので、高感度のセンシングが変わりなく行える構造体を高い信頼性で製造できる。
また、請求項７記載の発明によれば、上記効果に加え、フォトリソグラフィにより形成された誘電体製のベースの上に作成された金属膜で各突起部が形成されているので、金や銀といった難加工材で各突起部が形成される場合にも容易に製造することができる。
また、請求項８記載の発明によれば、上記効果に加え、各突起部において、金属膜は途切れているので、各突起部の先端において表面プラズモン共鳴が発生し易くなり、この点でより高感度のセンシングが行える。
また、請求項９記載の発明によれば、上記効果に加え、各突起部は、基板に対して斜めに延びた断面形状となっており、基板の表面に対して鋭角となる面を有しているので、各突起部において目的物質が捕捉され易くなり、この点でより高感度のセンシングが行える。
また、請求項１０記載の発明によれば、各突起部は、型を用いることなく金属膜に対してフォトリソグラフィを施すことで形成されたものであるので、高感度のセンシングが変わりなく行える構造体を高い信頼性で製造できる。
また、請求項１１記載の発明によれば、各突起部は、型を用いることなくフォトリソグラフィを施すことで形成されたものであるので、高感度のセンシングを再現性良く安定して行えることができる。
また、請求項１２記載の発明によれば、上記効果に加え、各突起部は、型を用いることなく金属膜に対してフォトリソグラフィを施すことで形成されたものであるので、高感度のセンシングが変わりなく行える構造体を高い信頼性で製造できる。
また、請求項１３記載の発明によれば、各突起部は、基板に対して斜めに延びた断面形状となっており、基板の表面に対して鋭角となる面を有しているので、各突起部において目的物質が捕捉され易くなり、この点でより高感度のセンシングが行える。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】各突起部を均等配置した場合と不均等配置した場合とでどのように検出結果が異なるかを調べたシミュレーション実験の結果を示した図である。
【図７】ベルトランレンズによる各突起部の配置不均等性の評価について示した概略図であり、評価のための光学系の概略図である。
【図８】ベルトランレンズによる各突起部の配置不均等性の評価について示した概略図であり、評価の際に観察される各突起部の像を示す。
【図９】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１０】実施形態のセンシング用構造体の構造の優位性について示した正面断面概略図である。
【図１１】各突起部の不均等配置のより具体的な例について示した斜視概略図である。
【図１２】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】
【００２３】
次に、この出願の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）について説明する。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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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はアモルファス状の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。
【００２７】
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、図４は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。
【００２８】
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は、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局在型表面プラズモン共鳴の発生波長のシフトでセンシングを行うものであるため、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。
【００２９】
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。尚、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。免疫反応を利用する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となってセンシング用構造体の上に滴下される。
【００３３】
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。
【００３４】
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では、回折光の影響を極力排除することでより高感度のセンシングが行えるようにしている。以下、この点について説明する。
前述したように、特許文献１や特許文献２のセンシング用構造体では、回折光の干渉により生じる光の強弱が検出結果に影響し得る。実施形態のセンシング用構造体は、この点を考慮し、回折光の干渉の影響が検出結果に影響しないよう配慮した構造となっている。具体的には、図２に示すように、基板１上に形成されている各突起部２２において、お互いの離間距離は不均等なものとなっている。そして、各突起部２２の離間距離の不均等性は、光照射された際に生じる回折光の干渉による光強度の変化が、表面プラズモン共鳴が生じたことによる光強度の変化に比べて十分に小さくなる不均等性となっている。
【００３５】
図６は、各突起部を均等配置した場合と不均等配置した場合とでどのように検出結果が異なるかを調べたシミュレーション実験の結果を示した図である。この実験では、均等配置の例（参考例）として、突起部２２を三方配置した構造について分光吸収スペクトルがどのようになるかをシミュレーションにより調べた。三方配置とは、図６（１）のグラフ中の左下に示すように、ある突起部２２を基準にして三つの方向の両側に均等間隔で突起部２２が配置された構造である。計算を容易にするため、実施形態の構造（不均等配置）については突起部２２が１個のみであると想定し、三方配置（均等配置）については上記配置が無限に続くと想定してシミュレーションを行った。シミュレーションには、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法が用いられ、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。
【００３６】
この実験では、バイオセンシングのシミュレーションとして、微細構造物の周囲が空気である場合と水である場合とでどのように分光吸収スペクトルが異なるかを調べた。図６（１）（２）中、■マーカーが空気の場合の分光吸収スペクトル、◆マーカーが水の場合の分光吸収スペクトルである。
【００３７】
図６（１）に示すように、均等配置の場合、回折光干渉の影響と見られる多数のピークが観察される。いずれかのピークが表面プラズモン共鳴起因のピークと思われるが、回折光干渉起因の多数のピークの中に埋没してしまい、どのピークが表面プラズモン共鳴起因のピークなのか判断することができない。空気と水とでは誘電率が異なるので、表面プラズモン共鳴起因のピークもシフトしていると思われるが、表面プラズモン共鳴起因のピークがどれであるかが判断できないので、ピークのシフトも判断することができない。
一方、図６（２）に示すように、不均等配置の場合、表面プラズモン共鳴起因のピーク（光吸収率極大値）のシフトが明確に観察できる。図６（２）中の矢印で示すのが、ピークのシフトである。
【００３８】
実施形態のセンシング用構造体は、このようなシミュレーション実験の結果を踏まえ、回折光干渉の影響が十分に排除される程度の不均等配置の構造を採用している。「不均等配置」とは、例えば、図２において、同一直線上において隣接する三つの突起部２２について中央の突起部２２から一方の側の突起部２２への離間距離と他方の側の突起部２２への離間距離とが等しくなく、そのような関係が全ての突起部２２において成立している配置であるとすることができる。このような各突起部２２の不均等配置のため、回折光の干渉が小さく抑えられ、回折光の干渉が検出に影響することはない。尚、この実施形態では、各突起部２２の径も相違するものとなっている。
【００３９】
また、前述した説明から解るように、どの程度まで各突起部２２の離間距離が相違すれば良いかという程度は、回折光の干渉の影響が検出結果に影響しない程度であり、光照射された際に生じる回折光の干渉による光強度の変化が表面プラズモン共鳴が生じたことによる光強度の変化に比べて十分に小さくなる程度ということになる。例えば、光照射された際に生じる回折光の干渉による光強度の変化が、表面プラズモン共鳴が生じたことによる光強度の変化の半分以下となる相違を一つの目安として挙げることができる。
【００４０】
また、回折光の干渉の影響が排除できる程度の各突起部２２の不均等配置であるかどうかは、ベルトランレンズを使用してセンシング用構造体の表面の像（微細構造物の像）を顕微鏡観察することによって判断することができる。以下、この点について図７及び図８を使用して説明する。図７及び図８は、ベルトランレンズによる各突起部の配置不均等性の評価について示した概略図であり、図７は評価のための光学系の概略図であり、図８は評価の際に観察される微細構造物の像を示す。
【００４１】
ベルトランレンズを使用してセンシング用構造体における突起部の配置の不均等性を評価する場合、図７に示すようにセンシング用構造体の表面（微細構造物）を顕微鏡で観察する。この際、センシング用構造体にコヒーレントな光を垂直に入射させてセンシング用構造体を照明し、対物レンズ１１０の後焦点面１１１上の像をベルトランレンズ１１２により像面１１３に結像させる。
【００４２】
図８は、このようにして観察された微細構造物の像の写真である。図８（ａ）は、各突起部を均等配置した微細構造物の観察像であり、この例では各突起部が三方配置された例となっている。図８（ａ）において、（ａ１）〜（ａ４）は、ベルトランレンズを設けずに微細構造物の像をそのまま撮像面に結像させたものを示す。図８（ａ）中、（ａ１）は１０倍（ＮＡ＝０．３）、（ａ２）は２０倍（ＮＡ＝０．４５）、（ａ３）は５０倍（ＮＡ＝０．８）、（ａ４）は１００倍（ＮＡ＝０．９）の観察像である。また、（ａ５）〜（ａ８）は、ベルトランレンズを介して観察した像を示し、同様に、（ａ５）は１０倍（ＮＡ＝０．３）、（ａ６）は２０倍（ＮＡ＝０．４５）、（ａ７）は５０倍（ＮＡ＝０．８）、（ａ８）は１００倍（ＮＡ＝０．９）の観察像である。
【００４３】
一方、図８（ｂ）は、各突起部を不均等に配置した微細構造物の観察像を示しており、同様に（ｂ１）〜（ｂ４）がそのまま撮像面に結像させたもの、（ｂ５）〜（ｂ８）がベルトランレンズを介して結像させたものを示す。各倍率（ＮＡ）は、（ａ１）〜（ａ８）と同様である。
尚、不均等配置は、後述する図１１の実施形態のものに相当しており、各区画内において不均等な配置となってものの、区画同士では同一の配置となっている。各区画は１５μｍ角程度の大きさである。
【００４４】
図８の（ａ７）や（ａ８）に示すように、均等配置の場合、ＮＡが大きくなってくると、ベルトランレンズを介した観察では複数の像が観察されるようになってくる。対物レンズの後焦点面には０次光のみならず±１次光等の回折光が集光して点光源（輝点）となっているが、ＮＡが大きくなってくると、０次光のみならず１次光も捉えるようになるため、図８の（ａ７）や（ａ８）に示すように、複数の像が観察されるようになる。中央の像は０次光による像であり、その周囲が高次光による像である。この例では三方配置であるため、０次光の像の周りに六つの１次光による像が正六角形の角の位置に観察される。このように複数の像が観察されるということは、各突起部が均等配置されているために回折光の干渉の影響が現れることを示すものに他ならない。
【００４５】
一方、図８の（ｂ４）〜（ｂ８）に示すように、不均等配置の場合、いずれのＮＡにおいても複数の像は観察されない。これは、不均等配置であるため、対物レンズ１１０の後焦点面１１１には０次光以外の輝点は形成されないからである。
このように、センシング用構造体における各突起部の配置が不均等性は、微細構造物の顕微鏡による観察において、対物レンズの後焦点面位置の像をベルトランレンズで結像させた際の像の数により評価することができ、複数の像が観察されない場合、不均等であるとすることができる。
【００４６】
このような不均等配置の突起部２２の構造は、実施形態のセンシング用構造体の製造方法との関係で別の顕著な意義を有する。以下、この点について説明する。
図９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。以下の説明は、センシング用構造体の製造方法の発明の実施形態の説明でもある。
【００４７】
実施形態のセンシング用構造体は、フォトリソグラフィにより型を用いることなく基板１上にベース３を形成し、ベース３上に金属膜９４を作成することで製造される。具体的に説明すると、まず、基板１に対してフォトリソグラフィが実施される。即ち、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９（１））。形成されるフォトレジストのパターン９１は、図９（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９（１）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。
【００４８】
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９（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９（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９（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。
【００４９】
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９（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。膜厚は、５０〜２００ｎｍ程度で良い。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。
【００５０】
上述したように、実施形態のセンシング用構造体では、微細構造物２を成す多数の突起部２２が不均等に配置されている。この点は、上記のように実施形態の製造方法がフォトリソグラフィによるものであることに関連し、顕著な意義を有する。
前述したように、特許文献２のセンシング用構造体では、製造プロセスにおいて粒状固体４７を含有した懸濁液を使用することで各凹凸部を形成している。各粒状固体４７の付着位置は実質的に制御できず、ある製品では各粒状固体４７が不均等な位置に付着して凹凸部が不均等な位置関係で形成されたとしても、別の製品では均等な位置に付着してしまって凹凸部の位置関係が均等なものとなり、その結果、回折光干渉の影響が無視できなくなる場合が生じ得る。特許文献２は、型（基板４９）を用いる製造方法についても言及している。型を用いた製造方法の場合、同一の型を用いる限り、型において凹凸部が不均等であれば製品においても凹凸部が安定的に不均等な位置に形成される。しかしながら、型（基板４９）は摩耗するから、ある程度の数の製品を製造した後には別の型を使用しなければならない。別の型については、粒状固体４７を含有した懸濁液を使用して製作されるため、従前の型と同じ位置に凹凸部が形成されることはなく、製品において凹凸部が十分に不均等に配置されるという保証はない。
【００５１】
一方、実施形態のセンシング用構造体の製造方法は、ベース突起３２を有するベース３をフォトリソグラフィにより形成し、形成したベース３を被覆するようにして金属膜９４を作成することで微細構造物２を形成する。ベース突起３２の位置は、マスクにおける円形パターンを充実に反映したものであり、製造される各センシング用構造体において常に同じ位置となる。即ち、製造される各製品において微細構造物２の各突起部２２の位置は常に不均等な位置となり、そのような製品が安定して得られることになる。つまり、回折光干渉の影響が十分に排除される各突起部２２の配置位置を予め検討して定めておき、これに従ってマスクを製作して使用するだけで、高感度のセンシングが変わりなく行えるセンシング用構造体を高い信頼性で製造できるということである。
【００５２】
尚、実施形態のセンシング用構造体において、ベース３を設けることなく金属膜に対して直接微細加工を施すことで突起部を形成することも考えられる。但し、表面プラズモン共鳴に使用される金属材料として一般的な金や銀は難加工材として知られており、エッチング等の微細加工は難しい。逆に言えば、誘電体製のベース３を形成した上でそれに支持される形で微細構造物２を形成する方法は、製造が容易であるという優位性がある。
【００５３】
金や銀の微細加工が不可能ということではないし、金や銀を容易に微細加工できる技術が開発される可能性もある。さらに、金や銀以外の加工容易な金属材料を使用して局在型表面プラズモン共鳴を生じさせる技術が開発される余地もある。したがって、ベース３を設けることなく基板１に微細構造物２をフォトリソグラフィによって直接設けた構造も採用される可能性がある。具体的には、例えば金属膜をある程度の厚さで形成した後、突起部となる部位を残した状態で他の部位の膜厚が薄くなるようエッチングしてライナー部を形成する。そして、ライナー部及び突起部の先端となる部分をフォトレジストで覆って保護した状態でウェットエッチングし、図２に示すのと同様の微細構造物を得るようにする。
【００５４】
尚、実施形態のセンシング用構造体の構造において、ベース３が誘電体であることは、局在型表面プラズモン共鳴を生じ易くする意義がある。ベース３を金属で形成することも考えられなくはないが、金属製であると、見かけ上、微細構造物２の断面領域が広がってしまう。このため、自由電子の移動が遮蔽されずに分極（表面電荷）が発生しなくなり、この結果、表面プラズモン共鳴が発生しなくなってしまうことになり易い。誘電体製のベース３を採用することは、この問題を避ける意義がある。
【００５５】
上記フォトリソグラフィを用いてベース３を直接（即ち型を用いずに）形成する製造方法であることに関連して、実施形態のセンシング用構造体の構造は、表面プラズモン共鳴がより生じ易く、この点でより高感度のセンシングが行える優位性がある。以下、この点について説明する。
図１０は、実施形態のセンシング用構造体の構造の優位性について示した正面断面概略図である。前述したように、実施形態のセンシング用構造体では、フォトリソグラフィによりベース３を形成した後、このベース３に対して金属膜９４を堆積させる。図１０には、堆積方法がスパッタリングであることを想定し、スパッタ粒子９４１が模式的に描かれている。実施形態の製造方法では、フォトリソグラフィによりベース３を形成するため、図１０（２−１）に示すように、ベース３をアンダーカットの断面形状とすることができる。アンダーカットとは、ある面９３が基板１に対して鋭角となる断面形状という意味である。
【００５６】
特許文献１や特許文献２のような型を用いた製造方法では、基本的にアンダーカットのとすることはできない。型を押し付けるナノインプリンティングのような手法では、アンダーカットの構造とすることは不可能である。したがって、図１０（１−１）に示すよう基板１の表面構造となり、このような表面に対して金属膜９４が作成される（図１０（１−２））。
一方、実施形態のセンシング用構造体では、アンダーカット構造のベース３に対して金属膜９４が堆積する。この際、アンダーカットの部分にはスパッタ粒子９４１は入り込みにくく、アンダーカットの面（基板１に対して斜めとなっている面）９３には金属膜９４は堆積しない。この結果、金属膜９４は、ベース３の頂部において途切れた状態となる。
【００５７】
前述したように局在型表面プラズモン共鳴は、微小な限定された自由電子の移動空間内で生じる。金属微粒子（例えば金コロイド）は、この典型例である。したがって、実施形態のように金属膜９４の途切れによって生じた突起部２２の先端部分において特に生じ易い。特許文献１や特許文献２のように、基板の凹凸形状に沿って全面に（途切れることなく）金属膜が連なって作成される構造では、実施形態の構造と比べると、分極が生じにくく、したがって表面プラズモン共鳴も生じにくい。表面プラズモン共鳴が生じ易いということは、周囲媒質の誘電率変化による共鳴波長シフトも検出し易いということであり、検出感度の向上を意味する。
【００５８】
また、別の観点として、アンダーカットを有するセンシング用構造体の断面構造では、目的物質の捕捉がされ易く、この点で検出が高感度化されるという優位性もある。即ち、実施形態のセンシング用構造体では、前述したように目的物質としての抗原８３を含み得る試料流体Ｓが滴下される。そして、抗原８３が抗体８２に捕捉された状態で表面プラズモン共鳴が生じると、捕捉されていない状態に対して共鳴波長がシフトし、このシフトにより検出が行われる。この際、表面プラズモン共鳴は主として突起部２２において生じるから、抗原８３の分子が突起部２２に係止され易い構造であることが望ましい。
【００５９】
この点、抗原８３を含む試料流体Ｓがセンシング用構造体に滴下された際、図１０（１−３）に示すように、アンダーカットではない従来のセンシング用構造体の構造では、いったん突起部２２内に抗原８３の分子が進入しても反転して突起部２２から流出してしまい易い。一方、実施形態のセンシング用構造体の構造では、図１０（２−３）に示すように、抗原８３の分子がアンダーカットの部分に入り込むので突起部２２内に係止され易くなる。このため、目的物質の捕捉による共鳴波長のシフトがより明確になり、検出感度が向上する。
【００６０】
尚、上記のような実施形態のセンシング用構造体は、各種疾病のマーカー検査、インフルエンザウイルスのようなウイルス検査等に好適に使用することができる。この際、センシングシステムについては、伝搬型のセンサチップのように入射角をスキャンする構造は不要であり、簡易で安価なシステムとすることができる。また、上記のようなセンシング用構造体を備えたセンサチップとしては、基板１上にベース３及び微細構造物２を設け、そこにリガンド８２を固定した構造であるので、使い捨てとすることができ、この点でも安価に検出が行える。このため、中小の病院や診療所等でも利用し易くなり、疾病の早期発見、診断、治療に貢献することができる。
【００６１】
その上、前述したように各突起部２２の配置が回折光干渉の影響を排除できるものとなっているので、回折光干渉による光の強弱に表面プラズモン共鳴発生による光の強弱が埋没してしまうという問題がなくなり、この点で精度の高いセンシングが行える。そして、各突起部２２の不均等配置により回折光の影響を排除するので、特許文献１のように目的物質の分子サイズが制限されてしまうという問題はない。
これらの効果は、実施形態のセンシング用構造体がフォトリソグラフィにより製造されたものであることと相まって、より顕著なものとなる。即ち、回折光干渉の影響が十分に排除できるようフォトマスクのパターンを設計しておくだけで、製造される各センシング用構造体において常に安定して確実に回折光干渉の影響を排除することができる。フォトリソグラフィは、ベース３の形成において採用されることが製造方法の容易性という点で好ましいが、金属膜をフォトリソグラフィによって直接パターン化する製造方法であっても上記効果は同様である。
【００６２】
また、実施形態のセンシング用構造体では、金属膜９４が突起部２２の先端で途切れた構造であるので、この点で表面プラズモン共鳴が発生し易く、検出感度が高くなる。また、突起部２２がアンダーカットの構造であるので、目的物質をリガンドが捕捉し易くなり、この点でも検出感度が高くなる。
尚、微細構造物２における突起部２２の寸法例について示すと、突起部２２の上側開口の直径は、肉厚部分の中央で５ｎｍ〜１０００ｎｍ程度である。また、微細構造物２の厚さ（金属膜９４の厚さ）は、１０〜１００ｎｍ程度である。
【００６３】
次に、実施形態のセンシング用構造体における各突起部２２の不均等配置のより具体的な例について図１１を使用して説明する。図１１は、各突起部２２の不均等配置のより具体的な例について示した斜視概略図である。
前述したように、各突起部２２は不均等配置されるが、実施形態のセンシング用構造体がフォトリソグラフィにより製造される関係で、不均等配置は基板１のある領域内で不均等とされるのみで足り、また積極的にそのようにする場合がある。図１１の例はそのような例となっている。
【００６４】
具体的に説明すると、基板１の表面は、設計上、複数の区画１１に区分されている。各区画１１は、フォトリソグラフィの露光工程において、１回の露光でマスクの像が転写される領域である。露光工程では、いわゆるステップアンドリピートで露光が行われるから、各区画１１に転写されるマスクの像は同一である。
露光に使用される結像光学系は、マスクの像を縮小投影するものが使用される。前述したように、形成する各突起部２２の大きさはナノサイズの微小なものであり、縮小投影せずに露光することは、マスクの製作が困難となるため、現実的ではない。
【００６５】
図１１の例では、各区画１１において同じマスクの像が転写される。したがって、区画１１同士では突起部２２の位置は均等ということができ、各区画１１のサイズが小さくなってくると、回折光干渉の影響が出やすい。このため、各区画１１のサイズは、回折光干渉の影響が出るサイズより大きいものとされ、例えば５μｍ角以上とされる。このようにしておけば、フォトリソグラフィにおけるマスクの製作が容易であり、且つ回折光干渉によりセンシングが困難となる問題が回避される。尚、各区画１１が長方形の場合、短い方の辺のサイズが５μｍ以上とされる。
【００６６】
上記各実施形態において、透明な基板１が採用されており、透過光の強度を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が、反射光の強度を測定することで表面プラズモン共鳴の発生を検知する場合もある。この場合には、基板１は透明なものである必要はない。
また、上記各実施形態において、各突起部２２は円筒状のものであったが、他の形状の場合もあり得る。例えば、平面断面半円弧状の突起部が一対のものとなって向かい合っている構造や、平面断面長方形の突起部が一対のものとなって向かい合っている構造が考えられる。このように二つの突起部２２が一対になっている構造においては、対同士の離間距離が上記のように不均等とされる。
【符号の説明】
【００６７】
１  基板
１１  区画
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
９１  レジストのパターン
９２  レジストベース
９３  誘電体膜
９４  金属膜
１１０  対物レンズ
１１１  後焦点面
１１２  ベルトランレンズ
Ｓ  試料流体
【図１】
2017015665.tif 000003
【図２】
2017015665.tif 000004
【図３】
2017015665.tif 000005
【図４】
2017015665.tif 000006
【図５】
2017015665.tif 000007
【図６】
2017015665.tif 000008
【図７】
2017015665.tif 000009
【図８】
2017015665.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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