JP2011107032A - 表面プラズモン共鳴チップ - Google Patents

Abstract

【課題】全反射光を入射する表面プラズモン共鳴センサにおいてＰ波とＳ波の偏光成分が混在する光が入射した場合にも、Ｓ波成分によってセンサの感度が低下することを抑制できる技術を提供する。
【解決手段】金属層６が形成されたセンサチップ１において、光の入射面と平行な複数の溝からなるナノ溝構造５をセンサチップ１の表面に設けることで、入射光のＳ波成分（入射面に対して垂直な電界成分）についてはナノ溝構造において発生する局在型表面プラズモン共鳴によって吸収し、また、入射光のＰ波成分についてはナノ溝の影響を受けずに伝搬型表面プラズモン共鳴を発生させることとし、Ｓ波成分による、表面プラズモン共鳴センサのＳ／Ｎ比の低下を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝搬型表面プラズモン共鳴を発生させる表面プラズモン共鳴チップに関する。

人体における疾病と人体を構成するタンパク質の変異との間には、高い相関が認められる場合がある。例えば、癌、インフルエンザその他の病気では、病気の進行に伴って体内（血液中など）において特定のタンパク質が増加することが知られている。

従って、特定のタンパク質の状態（特定のタンパク質の有無、量など）を検査することによって疾病の罹患や進行具合についての知見を得ることができる。例えば、腫瘍（癌）の進行に伴って増加する生体分子は腫瘍マーカーと呼ばれ、腫瘍の発生部位に応じてそれぞれ異なる腫瘍マーカーが特定されている。

上記のような腫瘍マーカーを含め、特定のタンパク質の有無や量を簡便かつ高精度に測定する方法として、表面プラズモン共鳴が利用されている。表面プラズモン共鳴（SPR: Surface Plasmon Resonance）とは、金属表面の自由電子と電磁波（光）との相互作用によって生じる共鳴現象である。

図２３には、表面プラズモン共鳴を利用して特定のタンパク質を検出するバイオセンサの概念図を示す。

ここで、ここに図２３（ａ）における左下方向から入射光が金属層１００に入射し右下方向に反射される場合について考える。図２３（ａ）の金属層１００には金属自由電子１０１が存在する。そうすると、入射光の波長に依存する電磁波が金属自由電子１０１に作用し、金属自由電子１０１は振動する。そして、特定の角度と波長において金属自由電子１０１の運動と入射光の電磁波とが共鳴し、入射光のエネルギーが金属自由電子１０１の振動運動に遷移し、結果として、図２３（ｂ）に実線で示すようにこの波長または角度における反射光強度が減少する。

上記した金属自由電子１０１の運動と光との共鳴現象において、金属層１００の外側には数百ｎｍ程度の範囲で電界１０２が発生する。表面プラズモン共鳴を利用したバイオセンサにおいては、この電界１０２と、検出ターゲットであるタンパク質１０３との相互作用により、表面プラズモン共鳴の共鳴周波数が変化することを利用している。

検出のターゲット１０３を特異的に検出するためには、まず、特異的にターゲットと結合するプローブ１０４を測定領域に固定化する。その後に所定の速度でターゲットを含む試料の送液を行なってターゲット１０３を流す。そうすると、金属層１００の表面に固定されたプローブ１０４にターゲット１０３が特異的に結合し、金属層１００の近傍の屈折率が変化する。そして、金属層１００の近傍の屈折率がターゲット１０３の結合により変化することに起因して、図２３（ｂ）に破線で示すように、表面プラズモン共鳴の共鳴周波数が変化する。すなわち、図２３（ｂ）に示すような反射率が低下する波長（若しくは、入射光の入射角でも同じ）の移動を検知することで、ターゲットの検出を行うことが可能となる。

このような、表面プラズモン共鳴を利用したセンサには、伝搬型表面プラズモン共鳴センサと局在型表面プラズモン共鳴センサとがある。伝搬型表面プラズモン共鳴センサの原
理を図２４により簡単に説明する。伝搬型表面プラズモン共鳴センサ１１０は、図２４（ａ）に示すように、ガラスプリズム１１１の表面に厚み５０ｎｍ程度のＡｕ、Ａｇ等の金属膜１１２を形成したものである。この伝搬型表面プラズモン共鳴センサ１１０は、ガラスプリズム１１１側から光を照射し、ガラスプリズム１１１と金属膜１１２との界面において光を全反射させる。全反射した光を受光し、光の反射率を測定することによって生体分子等がセンシングされる。

すなわち、この光の入射角θもしくは入射光波長を変化させながら、反射率の測定を行うと、図２３（ｂ）に示したように、ある入射角（共鳴入射角）もしくは入射波長で反射率が大きく減衰する。ガラスプリズム１１１と金属膜１１２の界面に入射した光が当該界面で全反射するとき、図２４（ｂ）に示すように、当該界面で発生するエバネッセント光（近接場光）と金属膜１１２の表面プラズモン波が相互作用する。ある特定の波長や特定の入射角においては、入射光の波数と自由電子の振動とが共鳴することで、入射光のエネルギーが金属膜１１２中に吸収され、金属膜１１２中の自由電子の振動エネルギーに変化する。これにより、光の反射率が著しく低下するのである。

つぎに、図２５を用いて、ナノギャップ構造を用いた局在型表面プラズモン共鳴センサについて説明する（特許文献１を参照）。局在型表面プラズモン共鳴センサは、光（電磁波）の交流電界によって図２５（ａ）に示すような複数の溝状の金属ナノ溝構造１２０中の自由電子が振動し、ある振動数で入射光と自由電子が共鳴して自由電子が光エネルギーを吸収し、共鳴波長で吸光度がピークとなるものである。そして、表面プラズモン共鳴によって発生する自由電子振動は、図２５（ｂ）に示すような複数の溝状の金属ナノ溝構造１２０の局所領域に集中的に定在する。従って、そのセンシング領域は数十ｎｍというように、伝搬型表面プラズモン共鳴センサに比べて非常に小さくなる。

局在型表面プラズモン共鳴センサにおいても、金属ナノ溝構造１２０の周囲の誘電率（屈折率）の影響を受けるので、金属ナノ溝構造１２０に予め分散させたプローブ１２１にターゲット１２２である何らかの誘電体物質（例えば、抗原）が付着すると、吸光度が変化する。例えば、金属ナノ溝構造１２０にターゲット１２２である誘電体物質が付着する前後における吸光度のピーク値における波長を読み取ることにより誘電体物質の付着の有無や付着量を検知できる。

なお、伝搬型表面プラズモン共鳴センサでは、前述のように、金属膜に光を導入するためにプリズムを用いているが、一般的には、金属膜が形成されたガラス基板にプリズムを貼り合わせることで作製することが多かった。そのため、センサの光学系が複雑かつ大型化するおそれがあった。図２６には、このような伝搬型表面プラズモン共鳴センサの概略構成を示す。

図２６（ａ）に示すのは、マッチングオイル方式で構成した場合であり、この場合には、ガラスプリズム１３１にマッチングオイル１３２を塗布し、その上から金属膜１３４が形成されたガラス基板１３３を貼り合わせる方式である。この方式では、マッチングオイル１３２を塗布したり拭き取ったりする作業が煩雑となり、また、ガラス基板１３３の貼り合わせの際に、気泡が混入してこの気泡が原因で測定精度が悪化する場合があった。

また、図２６（ｂ）に示すのはオプトゲル方式で構成した場合であり、この場合には、ガラスプリズム１３１にオプトゲル１３５を塗布しておき、その上から金属膜１３４が形成されたガラス基板１３３を貼り合わせて接着する方式である。この方式では、オプトゲル１３５の汚れや、気泡による測定精度の低下の他、オプトゲル１３５に対してガラス基板１３３を押しつける機構が必要となるという煩雑さがあった。

さらに、図２６（ｃ）に示すのはガラスプリズム一体方式で構成した場合である。この場合は、ガラスプリズムとガラス基板とを一体化してプリズム兼センサ基板１３６を構成し、このプリズム兼センサ基板１３６に金属膜１３４を形成する。しかしながら、この場合には、センサチップのコストが一般的に高くなってしまう。また、試料の流路等の微細加工を施すことが困難になるなどの不都合があった。

図２６（ｃ）に示したガラスプリズム一体方式のチップセットを改良してプラスチックプリズム一体方式のチップセットが考案されている。これが実現できれば、チップコストを格段に低減することができ、さらに、試料の流路などの微細加工を施すことも容易となる。しかしながら、プラスチックプリズム一体方式のチップセットにおいては、偏光性欠陥が生じるためにやはり測定精度が低下するという問題があった。

特開２００８−２１６０５５号公報 特開２００３−１２１３５０号公報 特開２００９−１６８４６９号公報 特開２００６−２７５５３５号公報 特開２００９−８５８２５号公報 特開２００７−２７１５９７号公報

Kyujung. Kim et al. "Nanowire-based enhancement of localized surface plasmon resonance for highly sensitive detection: a theoretical study", Opt. Exp. vol.14, No.25, 12419(2006) 岡本 隆之、"金属ナノ粒子相互作用およびバイオセンサに関する調査研究"（図２）、プラズモニック研究会、平成１４年度科学研究費補助金（基礎研究Ｃ）、研究成果報告書、http://www.plasmon.jp/index.html N. Felidj et al. "Controlling the optical response of regular arrays of gold particles for surface-enhanced Raman scattering", Phys. Rev. B 65, 075419(2002)

プラスチックプリズム一体方式のチップセットにおける偏光性欠陥につき、図２７を用いて説明する。図２７（ａ）には偏光性欠陥がない場合について、図２７（ｂ）には偏光性欠陥がある場合について示す。偏光性欠陥がない場合においては、金属膜１４２が形成されたプリズム一体型チップセット１４１への入射光として、金属膜１４２が形成された表面に垂直（入射面に平行）な偏光（Ｐ波）を有する光が入射した場合、当該入射光が金属膜１４２の形成部分で全反射する際に、最も効率的に金属膜１４２中の自由電子の運動と共鳴することができ、測定感度を上昇させることが可能である。

一方、図２７（ｂ）に示すように、偏光性欠陥がある場合には、例え、入射光としてＰ波のみを有する光を入射したとしても、プリズム一体型チップセット１４１の内部で偏光が乱れてしまい、金属膜１４２が形成された表面に平行（入射面に垂直）な偏光（Ｓ波）を含むようになる。このＳ波が金属膜１４２の形成部分で全反射をしたとしても、表面プラズモン共鳴を発生させることができない。従って、全体としては表面プラズモン共鳴の発生による反射率の変化の割合が低下し、結果として測定感度が低下してしまう。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするとこ
ろは、表面プラズモン共鳴の発生に寄与しない偏光成分が混在している場合でも、より高いＳ／Ｎ比を得ることができる表面プラズモン共鳴チップを提供することにある。

本発明は、金属層が形成されたチップ表面に垂直な方向から見た際に、光の入射面と平行な複数の溝からなる溝構造をセンサ表面に設けることで、入射光のＳ波成分（光の入射面に対して垂直な電界成分）については、溝の側壁面において局在型表面プラズモン共鳴を発生させることで吸収することとし、また、入射光のＰ波成分（光の入射面に対して平行な電界成分）によってはナノ溝の影響を受けずに伝搬型表面プラズモン共鳴を発生させることとし、Ｓ波とＰ波が混在するような入射光に対して、センサ感度の低下（Ｓ／Ｎ比の低下）を防ぐことを最大の特徴とする。

より詳しくは、基板と、前記基板の表面の少なくとも一部を覆うように形成された金属層とを有し、
前記基板の前記金属層が形成された表面とは異なる面から入射され、前記基板を透過した入射光を前記基板における前記金属層が形成された表面で全反射させることで、前記金属中において伝搬型の表面プラズモン共鳴を発生させる、表面プラズモン共鳴チップであって、
前記基板の表面の前記金属層が形成されている部分には、前記表面を金属層側から見た際に、前記入射光の入射面に平行方向に設けられた複数の溝からなる溝構造を有することを特徴とする。

これによれば、Ｓ波が混在するような入射光が入射した場合にも、溝構造においてＳ波によって表面プラズモン共鳴を発生させ、これによって入射光のＳ波成分を吸収させることができる。その結果、Ｓ波が混在するような入射光が入射した場合にも、センサとしての感度の低下（Ｓ／Ｎ比の低下）を抑制することができる。また、本発明における溝構造を備えない表面プラズモン共鳴チップにおいては、入射光のＳ波成分は表面プラズモン共鳴の発生に寄与せず受光部へと到達することにより感度低下の原因となるため、入射光の偏光を充分なＰ波を含むように調整する必要があったところ、本発明おける表面プラズモン共鳴チップにおいては、そのような偏光の調整が必要なくなり、より簡単な構成でより効率的に、表面プラズモン共鳴を発生させることができる。本発明においては、前記溝構造における各溝の側壁面は、該側壁面を覆う前記金属層による対向面を形成し、該金属層による対向面において局在型の表面プラズモン共鳴を発生させるようにするとよい。

また、本発明においては、前記基板は樹脂により形成されるようにしてもよい。これにより、前記基板上に前記溝構造や、その他の測定のための微細構造をより容易に形成することが可能となる。なお、前記基板を樹脂により形成した場合においては、樹脂中の偏光性欠陥によって入射光の偏光の状態が変化し、Ｓ波成分の増加によりＳ／Ｎ比が低下してしまうおそれがあった。これに対し、本発明における前記基板を樹脂にした場合は、Ｓ波成分はセンサ上に設けられた溝構造により局在型表面プラズモン共鳴を発生して吸収されるためＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。従って、従来の樹脂部品の欠点を抑えつつ、前記基板上に前記溝構造や、その他の測定のための微細構造をより容易に形成することができるという、樹脂を用いることの利点のみを享受することができる。

また、本発明においては、前記基板における前記金属層が形成された表面と反対側の面には、前記入射光が入射するプリズムが一体的に形成されるようにしてもよい。これにより、センサ全体のコストを低減することができるとともに、プリズムと基板とを貼り合わせる作業を省略でき、さらに、プリズムと基板との貼り合わせ作業の不良による測定精度の低下を抑制することができる。

また、本発明においては、前記基板には、試料を前記金属層上に導くとともに、該金属層上の試料を排出する試料用流路が設けられ、前記溝構造は前記試料用流路の底面に形成されるようにしてもよい。

そうすれば、表面プラズモン共鳴センサを、試料中の特定のタンパク質を検出するようなバイオセンサとして使用する際にも、実験装置を簡略化することができ、実験装置全体のコストを低減することができる。

また、本発明においては、前記溝構造における各々の溝のピッチＰが、入射光の波長をλ、金属層を形成する金属の誘電率をεｍ、試料の誘電率をεｓとした場合に、

なる関係式を満たすようにしてもよい。ここで、前述したように、表面プラズモン共鳴は、金属と試料界面における表面プラズモンの波数と金属、試料の誘電率、入射光の波長が特定の分散関係を満たす場合に発生する。このことは、表面プラズモン共鳴の発生効率が、溝構造の溝の幅や深さなどの寸法に大きく影響されることを意味する。しかしながら、発明者の鋭意研究により、溝構造の溝のピッチが上記条件を満たす場合には、溝構造の幅や深さなどの寸法精度が現実的な精度であっても、充分効率よく表面プラズモン共鳴を発生可能であることが分かった。

従って、本発明によれば、表面プラズモン共鳴チップを大量に生産した場合にも、寸法公差の許容値を現実的な値にすることができ、生産性を向上させることができる。

また、本発明においては、前記溝構造における各々の溝のピッチＰが、入射光の波長をλ、金属層を形成する金属の誘電率をεｍ、試料の誘電率をεｓとした場合に、

なる関係式を満たすようにしてもよい。

すなわち、発明者の鋭意研究によれば、溝構造の溝のピッチが上記の条件を満たす場合には、特に、溝構造の寸法公差に対する許容範囲が広くなることが分かった。従って、本発明によれば、表面プラズモン共鳴チップを大量に生産した場合にも、寸法公差の許容値をより広くすることができ、生産性をより確実に向上させることができる。

また、本発明においては、前記溝構造における溝の深さが５０ｎｍ以下としてもよい。発明者の鋭意研究により、溝構造における溝の深さが５０ｎｍ以下とした場合にも、前述したような、溝構造の寸法公差に対する許容範囲が広くなる領域が存在していることが分かった。従って、前記溝構造における溝の深さが５０ｎｍ以下とすることで、より確実に、溝構造の寸法公差に対する許容範囲を広くすることができる。また、前記溝構造における溝の深さが５０ｎｍ以下とすることで、溝構造の形成自体が容易となるので、表面プラ
ズモン共鳴チップの生産性をより確実に向上することができる。

また、本発明においては、前記溝構造における溝のピッチは、入射面に対して垂直な変更方向の入射光を波長を変えて入射した場合に、反射率の低下ピークが二つ以上の波長において生じるように定めてもよい。

ここで従来は、表面プラズモン共鳴発生の一次モードと二次モードにおいては、バンドギャップが存在するために、一次モード及び二次モードの両方のモードによる表面プラズモン共鳴を発生させることは困難であった。しかしながら、発明者の鋭意研究により、溝構造のピッチを最適化することにより、入射光の波長において、一次モードと二次モードの両方のモードによる表面プラズモン共鳴を発生させることが可能であることが分かった。

なお、入射面に対して垂直な変更方向の入射光を波長を変えて入射した場合には、一次モードの表面プラズモン共鳴発生による反射率の低下ピークと、二次モードの表面プラズモン共鳴発生による反射率の低下ピークとが別々に現れることがわかっているが、溝構造のピッチを最適化することで、上記二つのピークを入射光の波長付近に近づけることができ、結果として、よりブロードな範囲で表面プラズモン共鳴を発生させることが可能となる。その結果、より確実に、溝構造の寸法公差に対する許容範囲を広くすることができ、表面プラズモン共鳴チップの生産性をより確実に向上することができる。

また、本発明は、上記した表面プラズモン共鳴チップに対して、少なくとも２種類以上の偏光方向の光が混在する入射光を入射することを特徴とする表面プラズモン共鳴センサであってもよい。上記した表面プラズモン共鳴チップでは、入射光の偏光特性に拘らず、Ｐ波成分により伝搬型表面プラズモン共鳴を発生させるとともに、Ｓ波成分は局在型表面プラズモン共鳴の発生により吸収することができるので、従来は必要であった、偏光成分を一方向に統一するための手段を省略することができる。

また、本発明は、前記基板及び前記プリズムを、樹脂の射出成形によって一体的に成形する成形工程と、前記成形工程の後、前記金属層を形成する金属層形成工程と、を有することを特徴とする表面プラズモン共鳴チップの作製方法であってもよい。この作製方法によれば、より簡単に表面プラズモン共鳴チップを作製することが可能となり、表面プラズモン共鳴チップの生産性をより確実に向上することができる。

本発明によれば、表面プラズモン共鳴チップへの入射光のＳ波成分によるセンサとしての感度の低下を抑制することができ、よりＳ／Ｎ比の高い表面プラズモン共鳴チップを提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係るセンサチップの概略構成について示す図である。 本発明の実施例１に係るナノ溝構造の断面図である。 本発明の実施例１に係るセンサチップの基本的な光学特性を示す図である。 本発明の実施例１に係るセンサチップの評価光学系の概略構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るセンサチップの評価光学系で得られた投影板上の像について示す図である。 本発明の実施例１に係るセンサチップの評価光学系で得られた投影板上の像を輝度解析して得られたグラフである。 本発明の実施例１に係るセンサチップの評価光学系で得られた反射光強度を測定した結果である。 本発明の実施例２に係るナノ溝構造の断面図である。 本発明の実施例２に係るナノ溝構造で得られる反射スペクトル及び、特定の波長において溝の幅、深さと反射率との関係を示すマップである。 本発明の実施例２に係るナノ溝構造に関し、特定の入射光波長において溝の幅、深さと反射率との関係を示すマップの例である。 本発明の実施例２に係るナノ溝構造で得られる反射スペクトル及び、特定の波長において溝の幅、深さと反射率との関係を示すマップが、ロバスト性が高い場合にどのようになるかを示す図である。 本発明の実施例２に係るナノ溝構造のピッチを３００ｎｍとした場合の、表面プラズモン共鳴についての分散関係を示すグラフである。 本発明の実施例２に係るナノ溝構造のピッチを３８０ｎｍとした場合の、表面プラズモン共鳴についての分散関係を示すグラフである。 本発明の実施例２に係るナノ溝構造のピッチを３８０ｎｍとした場合の、反射スペクトルを示すグラフである。 本発明の実施例２に係るナノ溝構造のピッチを３６０ｎｍ、３８０ｎｍとした場合の、反射スペクトルの測定結果である。 本発明の実施例２に係るナノ溝構造のピッチを３００ｎｍ、３６０ｎｍ、３８０ｎｍとした場合の、反射率のマップである。 本発明の実施例２に係るナノ溝構造のピッチを３００ｎｍ、３３０ｎｍ、３６０ｎｍ、３８０ｎｍとした場合の、反射スペクトルを示すグラフである。 本発明の実施例２における係数Ａとセンサチップの許容作製誤差との関係を示すグラフである。 本発明の実施例３に係るセンサチップの概略図及び、外観写真である。 本発明の実施例３に係るセンサチップにおける試料流路と、試料流路の底面に作製されたナノ溝構造のＳＥＭ像である。 本発明の実施例３に係るセンサチップの作製手順を示す図である。 本発明の実施例３に係るセンサチップと従来のセンサチップとの信号品質の比較結果を示す図である。 表面プラズモン共鳴の発生を利用したバイオセンサの原理を説明する図である。 伝搬型表面プラズモン共鳴の発生源理を説明する図である。 局在型表面プラズモン共鳴の発生源理を説明する図である。 伝搬型表面プラズモン共鳴センサの概略構成の例を示す図である。 従来の表面プラズモン共鳴センサの偏光性欠陥の影響について説明する図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。

＜実施例１＞
本実施例では、本発明の基本構成と原理確認について説明する。本実施例においては、図１に示すようなチップセット１によって原理の確認を行った。このチップセット１においては、基板であるベース２はスライドガラスで形成されている。そして、試料の流入と排出のための微細構造である試料流路３ａ及び３ｂをＰＤＭＳで形成した流路基板３をベース２に載せて流路を形成している。また、ベース２の流路基板３が載せられる面の反対側の面には、ガラスプリズム４がマッチングオイルを介して接合される。また、ベース２の流路基板３が載せられる面には、透明の樹脂を滴下してモールドでナノ溝構造５が転写されて形成されている。ここで樹脂はＵＶ硬化型のアクリル系樹脂を使用した。また、樹脂上のナノ溝構造５は平行な溝形状であり、断面構造は図１の断面図に示されるとおりで
ある。本実施例ではナノ溝構造５の溝の上には金属膜が形成されている。

図２には、本実施例におけるナノ溝構造５の断面図の詳細を示す。ナノ溝構造５において、溝のピッチは約３００ｎｍ、溝の幅は約１００ｎｍ、溝の深さは約７０ｎｍとした。また、その上に厚み約４０ｎｍの金属膜６を金スパッタにより形成した。この構成において、入射光のうちのＰ波によって金属膜６において伝搬型表面プラズモン共鳴を発生させるとともに、Ｓ波成分をナノ溝構造５における金属膜６と相互作用させ、これにより局在型表面プラズモン共鳴を発生させる。

本実施例の構成によれば、入射光におけるＰ波の成分により伝搬型表面プラズモン共鳴を発生させるとともに、Ｓ波の成分によってナノ溝構造上に表面プラズモン共鳴を発生させることで、Ｓ波の成分を吸収することができる。従って、たとえチップセット１中に偏光性欠陥があったとしても、Ｓ波成分によるセンサ感度の低下（Ｓ／Ｎ比の低下）を抑制することができ、より効率よくターゲットの検出を行なうことが可能となる。

次に、上記したようなチップセットの基本的な光学特性を確認した。実際に全反射による表面プラズモン共鳴発生用のチップセットとして用いる場合には、ベース２の裏面側から光を入射するので、ベース２の裏面側から白色光を入射し、その反射スペクトルを分光器によって測定した。

この場合、ナノ溝構造５が形成された表面に垂直（入射面に平行）なＰ偏光成分はナノ溝構造５における溝の影響を受けないため、ナノ溝構造５が形成された表面に平行（入射面に垂直）なＳ偏光成分で検証を実施した。その結果を図３のグラフに示す。図３のグラフからも分かるように、５７０ｎｍ付近で反射率が大きく低下する傾向が観察された。これは、裏面側から見た場合のナノ溝構造５の各溝の側面における金属膜との間において局在型表面プラズモン共鳴が発生し、入射光のエネルギーが金属膜内の自由電子の振動へと変換されたことに起因する。

次に、実際に入射光を全反射させた場合について検証を行った。ここでは、上述の検証において比較的吸収の大きな波長に近い波長を有する光源を選択して使用した。図４には、全反射で入射光を入射した検証における評価光学系について示す。光源には５９４．１ｎｍのレーザー（25LYR173、Melles Griot社）１０を使用した。レーザー１０から出射した光は、偏光板１１を通した後、ビームエクスパンダ１２でビーム径を広げて、ｆ＝６０ｍｍのレンズ１４によって集光した。プリズム１５上にセンサチップ１６を保持し（隙間にはマッチングオイルを塗布した。）集光点がセンサチップ１６の表面と一致するようにした。

センサチップ１６については、（ア）金膜なし、ナノ溝構造なし、（イ）金膜あり、ナノ溝構造なし、（ウ）金膜あり、ナノ溝構造あり、の３種類のものを準備し、各々のセンサチップ１６についての測定結果を比較した。ナノ溝構造ありのセンサチップ１６において、ナノ溝は、全反射する入射光の入射面に対して平行となるように設置した。センサチップ１６の外側はこのとき空気であるため、センサチップ１６で全反射が発生する。全反射後の光はレンズ１７によって平行光に戻され、投影板１８に照射される。このとき投影板１８上の横方向の広がりはセンサチップ１６に入射した光のθ方向の情報を意味する。さらに偏光性欠陥を模擬するため、レンズ１７の前にアクリル板１３を挿入した検証も併せて行った。

図５には、各々の条件で得られた投影板１８上の像について示す。図５において一列目はＰ波のみ入射した場合の像、二列目はＳ波のみ入射した場合の像、三列目はＰ波成分とＳ波成分が入り混じったランダム偏光を入射した場合の像、四列目はランダム偏光を入射
し、且つアクリル板１３を光路上に挿入して偏光性欠陥を付加した場合の像である。

図５の上段には、（ア）金膜なし、ナノ溝構造無しの場合の結果を示している。各像の水平方向である角度方向について見ると、四つの列の像の全てについて特に暗いポイントはなく、偏光方向に関係なく、入射した光が全反射して投影板に到達していることが分かる。このことは、Ｐ波、Ｓ波、ランダム偏光波のいずれを入射しても、さらに偏光性欠陥を付加しても表面プラズモン共鳴の発生がないことを示している。

次に、図５の中段について説明する。この段は、（イ）金膜あり、ナノ溝無しの場合の結果について示す。この場合には、Ｐ波を入射の場合に中央付近で一部暗くなるポイントが発生している。これは、この角度において伝搬型表面プラズモン共鳴が発生して反射率が低下していることを示している。Ｓ波に関しては、伝搬型表面プラズモン共鳴は発生しないため、暗い部分は無く、ほぼ全反射に近い形で投影されている。ランダム偏光に関しても、特に暗い部分は観察されなかった。この場合はＰ波＋Ｓ波であるため伝搬型表面プラズモン共鳴の発生箇所は少しだけ暗くなる筈であるが、今回の評価法では、Ｓ波の光に埋もれてしまって観察できなかったと考えられる。このように、ナノ溝構造が無い場合はＰ波だけを選択して入射しないと伝搬型表面プラズモン共鳴の明確な観察は困難であった。このことは、ナノ溝構造が無い場合はＳ波の存在により測定のＳ／Ｎ比が低下することを意味している。

次に図５の下段について説明する。この（ウ）金膜あり、ナノ溝構造ありの場合は、まずＰ波のみを入射した場合は中段と同様に、伝搬型表面プラズモン共鳴の発生が起こっている。また、Ｓ波のみ入射した場合は、反射光が殆ど無くなっている。これは、ナノ溝構造によってナノ溝の側壁に対して垂直な成分でもあるＳ波によって基板の裏面側で局在型表面プラズモン共鳴が発生し、光のエネルギーが自由電子の振動へと移ったためである。このように、センサチップ表面から見て、入射光の入射面（進行方向）と平行なナノ溝構造を設けた場合には、ナノ溝の側壁に対して平行な成分でもあるＰ波はナノ溝の影響を受けずに通常の全反射による伝搬型表面プラズモン共鳴を発生させるとともに、ナノ溝の側壁に垂直な成分でもあるＳ波はナノ溝において局在型表面プラズモン共鳴を発生させることで吸収されることが確認された。

また、図５の下段においてランダム偏光の光を入射した場合でもＳ波だけが吸収されるため、Ｐ波による伝搬型表面プラズモン共鳴の発生を観察することができる。つまり本実施例のセンサチップ１６を使用することで、偏光板が不要になる。また、図５の下段においてランダム偏光の光に偏光性欠陥を付加した光を入射した場合でもＳ波だけが吸収されるため、Ｐ波による伝搬型表面プラズモン共鳴の発生を観察することができる。従来Ｐ波に偏光成分を揃えたあとに光学経路内に偏光性欠陥が存在すると、入射光の一部がＳ波となってしまって伝搬型表面プラズモン共鳴の発生が阻害される（Ｓ／Ｎが低下する）という課題があったが、本実施例のチップセット１６を使用することで、たとえ光学経路内に偏光性欠陥が存在しても通常どおり表面プラズモン共鳴を観察可能である。

上記の方法で取得した画像データを輝度解析してグラフ化したものが図６である。図６（ａ）は、（イ）金膜ありナノ溝構造なしの場合、図６（ｂ）は、（ウ）金膜ありナノ溝構造ありの場合について示している。図６（ｃ）は、Transfer Matrix Method で求めた
ナノ溝構造がない場合の伝播型表面プラズモン共鳴のシミュレーション結果である。図６（ａ）においては、Ｐ波を入射した場合のみ、伝搬型表面プラズモン共鳴が発生していることが分かる。この結果と図６（ｃ）とを比較しても良好な一致が確認できる。さらに、図６（ｂ）の場合は、Ｓ波のみ入射した場合は、全ての入射角度において殆ど反射光がなく、局在型表面プラズモン共鳴が発生していることが分かる。また、Ｐ波のみ入射した場合、ランダム光を入射した場合、ランダム光を入射するとともに偏光性欠陥を付加した場
合では伝搬型表面プラズモン共鳴の発生が確認できる。

次に、さらに定量的な解析を行うため、反射光を集光してパワーメータ（1830-C,Newport社製）で計測を行った。その結果を図７に示す。図７に示されるように、まず、（イ）金膜ありナノ溝構造なしの場合については、Ｓ波については殆どの光が全反射して検出器に到達している。これはＳ波では表面プラズモン共鳴が発生しないためである。一方、Ｐ波の反射率はＳ波に比べると約３分の１程度となっている。これはＰ波を入射した場合、特定の角度で伝搬型表面プラズモン共鳴が発生することで、光のエネルギーが自由電子の運動に遷移するためである。

一方、（ウ）金膜ありナノ溝構造ありの場合、Ｐ波の反射率は（イ）の場合と比較しても大差無い（約１．４分の１）が、Ｓ波のみを入射した場合については、（イ）の場合の約８０分の１に減少している。これはナノ溝構造によってＳ波のみが選択的に吸収されたためである。このようにセンサチップ表面から見て全反射の入射面に対して平行なナノ溝構造をセンサチップ上に設けることで、Ｓ波を選択的に除去することが可能となった。その結果、入射光をＰ波に揃えるための偏光板が不要となり、例えプリズムや基板において偏光性欠陥があったしても表面プラズモン共鳴を発生可能なチップセットの実現が確認された。

＜実施例２＞
次に、本発明における実施例２について説明する。実施例１で説明したようなナノ溝構造を有するセンサチップを商品として使用する場合、センサチップのロット品質安定性のため、ナノ溝構造の作製誤差によってＳ波による表面プラズモン共鳴発生効率が大きく変化しないことが望ましい。つまり、ナノ溝構造の幅や深さが目標値から多少ずれてもＳ波を効率的に除去できるよう、充分効率的に表面プラズモン共鳴が発生することが望ましい。

これに関し、光学シミュレーションを用いて、ナノ溝構造の形状と反射率との相関を求めた。シミュレーションにはＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法を用いた。モデルは図８に示すようにｎ＝１．５３の樹脂２０上に幅Ｗ、高さＴの凸形状をピッチＰ間隔で作製し、その上に５０ｎｍの金２１を積層したものを用いた。金の上側は水２２を想定して屈折率１．３３とした。このモデルに対して、樹脂側からＳ波の偏光を有する光を垂直に入射し、その反射率を求めた。

入射光の波長を変化させて各々の波長についての反射率を求めることで、図９（ａ）に示すような反射スペクトルを算出した。その後、光源に使用予定の波長（今回は６５０ｎｍ）における反射率を溝の幅Ｗ、深さＴを変えた場合について各々求め、図９（ｂ）に示すようにマップ化した。このマップにおいては、反射率の低いエリアが広いほど、ナノ溝構造の幅Ｗ及び、深さＴの許容範囲が広いということになる。

図１０には、ピッチを３００ｎｍとし、波長が６５０ｎｍの場合の反射率を溝幅Ｗ、溝深さＴをパラメータとしてマップ化した結果を示す。図１０において縦軸は溝幅Ｗ、横軸は溝深さＴを示す。図より、例えば、狙いの形状として反射率０．２以下のエリアの中心付近の溝幅Ｗを１２０ｎｍ、溝深さＴを２５ｎｍとすると、幅の許容誤差範囲は２７ｎｍ、深さの許容誤差範囲は３ｎｍということになる。この場合は、特に深さＴ方向の許容誤差が狭く、原版の形状は少しずれると所望の光学特性が得られない可能性があるということが分かる。

これに対し、図１１に示すように、センサチップの形状のロバスト性を高めるためには、反射スペクトルにおいて反射率が低下する領域（ディップ部）の幅をできるだけブロー
ドにすることで、マップにおける反射率の低いエリアが広がり、ナノ溝構造の深さＴ及び幅Ｗに関する許容エリアを広くすることができる。その結果、センサチップの形状誤差が生じても、より低い反射率を確保でき、より効率よく表面プラズモン共鳴を発生させることが可能となる。

ここで、表面プラズモン共鳴のモードについて解説する。金属と誘電体（試料）との界面における表面プラズモン共鳴の分散関係は、光の周波数をω、光速をｃ、金属の誘電率をεｍ、試料の誘電率をεｓとすると、下記の式（３）のように表される。

実際にナノ溝構造のピッチを３００ｎｍとした際の回折効果を考慮し、各パラメータに値を入力して計算すると、図１２に示すグラフのようになる。ナノ溝構造によって表面プラズモン共鳴が発生しているときには、図１２中ＳＰＲ１次モードとＳＰＲ２次モードの折り返し部分でバンドギャップが発生している。そして、ピッチが３００ｎｍの場合は、その１次モード側が垂直入射した光と結合することで共鳴が励起される。このとき２次モードは、かなり短波長側にあるため、６５０ｎｍ付での共鳴の発生には寄与しない。

そこで、本実施例においては、ナノ溝構造の形状を適宜調整することで、従来充分に利用できていなかった表面プラズモン共鳴のＳＰＲ２次モードをナノ溝構造における表面プラズモン共鳴の発生に寄与させることとした。今回の例では、例えば、ピッチを３８０ｎｍとすることで、図１３に示すように、表面プラズモン共鳴の１次モードと２次モードの折り返しの周波数が入射光の周波数の付近となるようにした。これにより、表面プラズモン共鳴の１次モードと２次モードの間でバンドギャップが発生しても両方のモードが６５０ｎｍ付近に存在するため、ブロードなディップ部を確保することができる。

本実施例において得られる反射スペクトル上には、図１４に示すように、二つ以上のディップ部が観測される。あるいは、２つのディップ部が結合してブロードなディップ部が観察される。さらに、この２つ以上のディップ部は、全反射させるべく単一の周波数の入射光を入射する際の光源波長に対して、長波長側と短波長側にそれぞれ一つ以上観察される。理論的には、光の波長をλ、金属の誘電率をεｍ、試料の誘電率をεｓとすると、下記の式（４）が満たされるピッチＰのときに、１次モードと２次モードの折り返しの波長が入射光の波長と一致する。

図１５には、ナノ溝構造のピッチを３８０ｎｍ及び、３６０ｎｍとした場合についてシミュレーションを行った結果を示す。図１５（ａ）にはナノ溝構造のピッチを３８０ｎｍとした場合の結果である。ここでは想定通り、６５０ｎｍの前後の波長で２つのピーク若しくは２つのピークの結合によるディップのブロード化が確認された。ブロード化したディップ部を見ると、若干６５０ｎｍよりも長波長側に中心が来ていることが分かる。これは影響の大きい１次モードに引っ張られる形で長波長側にピークが少し偏ったためと考えられる。この影響を考慮して、少しモードの折り返しが６５０ｎｍより短波長となるよう
に、図１５（ｂ）に示すように、ピッチを３６０ｎｍでも検証した。そうすると、丁度ブロード化したときのディップ部の中心が６５０ｎｍ付近となっていることが分かる。

次に、ピッチ３６０ｎｍの場合と３８０ｎｍの場合についてもナノ溝の幅と深さを変えてシミュレーションを行い、波長６５０ｎｍでの反射率をマップ化した。図１６には、ピッチ３００ｎｍ、３６０ｎｍ、３８０ｎｍの３つの場合についての反射率のマップを示す。反射率０．２以下を実現するには、ピッチ３００ｎｍの場合は、前述のように幅２７ｎｍ、深さ３ｎｍ程度の許容誤差範囲であったが、ピッチ３６０ｎｍの場合は、幅３２ｎｍ、深さ１０ｎｍ程度の許容誤差範囲となった。さらにピッチ３８０ｎｍの場合は、幅３１ｎｍ、深さ７．５ｎｍ程度の許容誤差範囲であった。このように表面プラズモン共鳴の２次モードを利用してディップ部を複数個もしくはブロード化させることにより、センサチップにおいて許容される作成誤差の範囲が広がり、ロバスト性の高いセンサチップが実現されることが確認された。

各ピッチについて溝幅を変えて試作を行った。実施例１と同様にＵＶ硬化樹脂でナノパターンを作成したあと、金スパッタ（５０ｎｍ）を実施した。ピッチは３００、３３０、３６０、３８０の４種類、ナノ溝深さは３０ｎｍと一定で、溝幅は条件を変えて作製した。

次に、実際に作製した各パターンの反射スペクトルを測定した。反射スペクトルの測定結果について図１７に示す。図１７においては、ピッチ３００ｎｍ、ピッチ３３０ｎｍ、ピッチ３６０ｎｍ、ピッチ３８０ｎｍの各パターンにおいて、溝深さは３０ｎｍに固定し、溝幅を変化させてスペクトルの変化を観察した。ピッチ３００ｎｍ及びピッチ３３０ｎｍの場合は、ディップ部は１つしか存在しないが、ピッチ３６０ｎｍ及びピッチ３８０ｎｍの場合は、ディップ部は複数あったり、ブロード化していることが分かる。特にピッチ３８０ｎｍの場合は、６５０ｎｍの前後にピークが２つ存在しており、設計通りの結果が得られている。このように入射光の波長に合わせて表面プラズモン共鳴における１次、２次モードの両方を利用することにより、ディップ部のブロード化が可能であることが確認された。これによりロバスト性の高いセンサチップが実現可能である。

次に、ナノ溝構造のピッチのロバスト性について、より詳細な条件の検討を行った。表面プラズモン共鳴の１次モードと２次モードの交点となる波長に対する入射波長の係数をＡと置き、Ａの値とナノ溝構造の作製誤差の許容範囲との関係を求めた。係数Ａはナノ溝構造のピッチをＰ、入射光の波長をλ、金属の誘電率をεｍ、試料の誘電率をεｓとすると、以下の式（５）によって定義される。

検討の結果を図１８に示す。図１８のグラフの横軸はピッチ及び他のパラメータから算出される係数Ａの値、縦軸は許容作成誤差であり、反射率０．２以下を実現できる深さＴの範囲ΔＴと、溝幅Ｗの範囲ΔＷとを乗じた数値である。この結果より、ピッチＰの範囲が０．９≦Ａ≦１．０の範囲であれば、特に許容誤差範囲が広くなることが分かった。これは、２次モードよりも１次モード（ωが低い側）の方の影響をより強く受けるため、あらかじめ少しωが大きい方に１次モードと２次モードの交点を持ってくるために、Ａ＝１．０よりも若干小さくしておいた方が良いためと考えられる。さらに０．６≦Ａ≦１．１の範囲以外では作製誤差が非常にシビアになってしまうこともこの結果から明確になった。

＜実施例３＞
実施例１で示したとおり、ナノ構造を設けることでセンサチップに偏光性欠陥が存在してもＳ／Ｎ比が高い表面プラズモン共鳴測定が可能となった。本実施例では、この特徴を生かして、従来困難であったプリズムが一体化した樹脂の射出成形によるセンサチップの作製を行った。樹脂の射出成形を用いれば、試料の流路も一括で作製することができるために、更にデバイスのローコスト化が可能である。

図１９には、試作したセンサチップの概略図及び写真を示す。このセンサチップ３１においては、基板であるベース３２とプリズム３４とが樹脂で一体成形されている。また、ベース３２におけるプリズム３４と反対側の面には、試料の流入と排出のための微細構造である試料流路３３ａ及び３３ｂと、ナノ溝構造３５がやはり一体成形で形成されている。また、ベース３２におけるナノ溝構造３５を含む領域について、金スパッタ（５０ｎｍ）が施されている。ナノ溝構造３５においては、ピッチ３３０ｎｍ、深さ５０ｎｍのナノ溝を試料流路３３ａ、３３ｂの底面に作製し、射出成形によって流路パターンとナノ構造を一括で転写している。図２０には、試作したセンサチップにおける試料流路３３ｂと、試料流路３３ｂの底面に作製されたナノ溝構造３５のＳＥＭ像を示す。図２０においては、図２０（ａ）から図２０（ｅ）にいくに従って倍率が高くなっている。

次に、図１９に示したセンサチップ３１の作製プロセスについて図２１を用いて説明する。図２１（ａ）は、センサチップ３１を作製するためのスタンパ３６である。試料流路３３ａ、３３ｂを作製するためのスタンパ３６の凸部３７の先端には、ナノ溝構造３８が形成されている。このスタンパ３６を用いて、図２１（ｂ）に示すような試料流路３３ａ、３３ｂの底部にナノ溝構造３５が配置され、さらにプリズム３４が一体化された成形品を一括で射出成形する。通常の射出成形であれば、１０秒前後で一つのデバイスを作製でき、従来ガラス製のべース上に別途試料流路を樹脂成形で作製していた手法と比較すると、コストを大幅に低減することが可能である。なお、図２１（ａ）のスタンパ３６を用いて、図２１（ｂ）に示す成形品を一括で射出成形する工程は、本実施例において成形工程に相当する。

その後、図２１（ｃ）に示すように、金スパッタで、ナノ溝構造３５及び試料流路３３ａ、３３ｂを含む成形品表面に３０〜８０ｎｍ程度の金属層３７を形成することでセンサチップ３１が完成する。この工程は本実施例において金属層形成工程に相当する。

次に、実際に作製したセンサチップ３１を用いて、表面プラズモン共鳴を利用したバイオセンサとしての性能確認を行った。まず、純水（誘電率＝１．３３）を１０μｌ/ｍｉ
ｎで送液し、約７００ｓｅｃ経過後に１００μｌの１０ｍＭのＰＢＳバッファをインジェクトにより供給した。図２２には、本実施例によるセンサチップ３１を用いた場合と、従来のナノ溝構造なしの射出成形によるセンサチップを用いた場合の測定結果を比較する。図２２（ａ）は、ＰＢＳのバッファをインジェクトした際における共鳴角度を、図２２（ｂ）は、ＰＢＳのバッファをインジェクトする前の段階における取得信号を拡大した図である。また、図２２（ｃ）は、両方のセンサチップにおけるＳ／Ｎ比を比較した図である。

両方のセンサチップにおいて、試料の屈折率変化によって表面プラズモン共鳴が発生する共鳴角度が変化する点が観測されたが、本実施例による結果の方が、変化量が大きく且つノイズが少ないので、結果として高いＳ／Ｎ比が得られていること分かる。このことにより、本実施例によるセンサチップ３１によれば、偏光性欠陥によるＳ／Ｎの低下が抑制され、より高い測定精度を得られることが明確になった。

１・・・センサチップ
２・・・ベース
３ａ、３ｂ・・・試料流路
４・・・プリズム
５・・・ナノ溝構造
６・・・金属層
１０・・・光源
１１・・・偏光板
１２・・・ビームエキスパンダ
１３・・・アクリル板
１４・・・集光レンズ
１５・・・プリズム
１６・・・センサチップ
１７・・・集光レンズ
１８・・・投影板

Claims (11)

1. 基板と、前記基板の表面の少なくとも一部を覆うように形成された金属層とを有し、
   前記基板の前記金属層が形成された表面とは異なる面から入射され、前記基板を透過した入射光を前記基板における前記金属層が形成された表面で全反射させることで、前記金属中において伝搬型の表面プラズモン共鳴を発生させる、表面プラズモン共鳴チップであって、
   前記基板の表面の前記金属層が形成されている部分には、前記表面を金属層側から見た際に、前記入射光の入射面に平行方向に設けられた複数の溝からなる溝構造を有することを特徴とする表面プラズモン共鳴チップ。
2. 前記溝構造における各溝の側壁面は、該側壁面を覆う前記金属層による対向面を形成し、該金属層による対向面において局在型の表面プラズモン共鳴を発生させることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン共鳴チップ。
3. 前記基板は樹脂により形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の表面プラズモン共鳴チップ。
4. 前記基板における前記金属層が形成された表面と反対側の面には、前記入射光が入射するプリズムが一体的に形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の表面プラズモン共鳴チップ。
5. 前記基板には、
   試料を前記金属層上に導くとともに、該金属層上の試料を排出する試料用流路が設けられ、
   前記溝構造は前記試料用流路の底面に形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴チップ。
6. 前記溝構造における各々の溝のピッチＰが、入射光の波長をλ、金属層を形成する金属の誘電率をεｍ、試料の誘電率をεｓとした場合に、
   

   

   なる関係式を満たすことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の表面プラズモン共鳴チップ。
7. 前記溝構造における各々の溝のピッチＰが、入射光の波長をλ、金属層を形成する金属の誘電率をεｍ、試料の誘電率をεｓとした場合に、
   

   

   なる関係式を満たすことを特徴とする請求項６に記載の表面プラズモン共鳴チップ。
8. 前記溝構造における溝の深さが５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の表面プラズモン共鳴チップ。
9. 前記溝構造における溝のピッチは、入射面に対して垂直な偏光方向の入射光を波長を変えて入射した場合に、反射率の低下ピークが二つ以上の波長において生じるように定められたことを特徴とする請求項６または７に記載の表面プラズモン共鳴チップ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の表面プラズモン共鳴チップに対して、少なくとも２種類以上の偏光方向の光が混在する入射光を入射することを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。
11. 前記基板及び前記プリズムを、樹脂の射出成形によって一体的に成形する成形工程と、
    前記成形工程の後、前記金属層を形成する金属層形成工程と、を有することを特徴とする請求項４に記載の表面プラズモン共鳴チップの作製方法。

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