JP2017502292A - ナノ構造を含む分析装置 - Google Patents

Abstract

複数のピクセルを含むアレイであって、各ピクセルは、第1ナノ構造と、第2ナノ構造と、第3ナノ構造と、を含むナノチェーンを含み、第1ナノ構造のサイズは第2ナノ構造のそれより大きく、第2ナノ構造のサイズは第3ナノ構造のそれより大きく、ナノチェーンがエネルギーによって励起される場合に、第2ナノ構造と第3ナノ構造との間の光場が、第1ナノ構造と第2ナノ構造との間の光場より強いように、第1ナノ構造、第2ナノ構造、及び第3ナノ構造が基板上に配置され、アレイがサンプルを受け取るよう構成される、前記アレイ、及びアレイの複数のピクセルから分光データを集めるよう配置される検出器、を含む、サンプル中の被分析物を検出するための装置。【選択図】図１２

Description

（優先権の主張）
本出願は、2013年12月24日に出願された米国仮出願第61/920,725号の優先権を主張し、参照によってその全体が組み入れられる。

（技術分野）
本発明は、サンプルの分析にナノ構造を用いる装置に関する。

（背景）
ラマン分光法は、分子を評価し、分光的シグネチャーパターンによってその分子を特定できるようにするため、分子によるラマン散乱を用いる技術である。

（概要）
ある態様では、サンプル中の被分析物を検出するための装置は、複数のピクセルを含むアレイを含むことができ、各ピクセルは、第1ナノ構造と、第2ナノ構造と、第3ナノ構造とを含むナノチェーンを含み、第1ナノ構造のサイズは第2ナノ構造のそれより大きく、第2ナノ構造のサイズは第3ナノ構造のそれより大きく、第1ナノ構造、第2ナノ構造、及び第3ナノ構造は、ナノチェーンがエネルギーによって励起される場合に、第2ナノ構造と第3ナノ構造との間の光場が、第1ナノ構造と第2ナノ構造との間の光場より強いように、基板上に配置され、アレイがサンプルを受け取るよう構成でき、かつ、該装置は、アレイの複数のピクセルから分光データを集めるよう配置される検出器を含むことができる。

ある実施態様では、第1ナノ構造は金属を含むことができ、第2ナノ構造は金属を含むことができ、第3ナノ構造は金属を含むことができる。ナノ構造は、銀、金、プラチナ、又はアルミニウムを含むことができる。

ある実施態様では、第2ナノ構造は、第1ナノ構造と第3ナノ構造との間に配置することができる。第1ナノ構造と第2ナノ構造との間の距離は、第2ナノ構造の直径より小さいことができる。第2ナノ構造と第3ナノ構造との間の距離は、第3ナノ構造の直径より小さいことができる。

装置は、10×10ピクセルを含むことができる。2つのピクセルの間の距離は、少なくとも1μmとすることができる。各ピクセルは少なくとも1つの被分析物の分光データを運ぶことができる。各ピクセルは、少なくとも異なる2種の被分析物を検出可能とすることができる。装置は、少なくとも異なる5種の被分析物を検出可能とすることができる。装置は、少なくとも異なる10種の被分析物を検出可能とすることができる。装置は、少なくとも異なる20種の被分析物を検出可能とすることができる。

ある実施態様では、被分析物はラマンスペクトルによって検出可能とすることができる。被分析物はペプチドであることができる。装置は、単一分子を検出可能とすることができる。

ある実施態様では、第1ナノ構造はナノスフェアであり、第2ナノ構造はナノスフェアであり、第3ナノ構造はナノスフェアである。第1ナノ構造の直径は500nm未満でよい。第2ナノ構造の直径は200nm未満でよい。第2ナノ構造の直径は100nm未満でよい。

別の態様では、被分析物の検出方法は、複数のピクセルを含むアレイに被分析物を接触させることを含むことができ、各ピクセルは、第1ナノ構造と、第2ナノ構造と、第3ナノ構造とを含むナノチェーンを含み、第1ナノ構造のサイズは第2ナノ構造のそれより大きく、第2ナノ構造のサイズは第3ナノ構造のそれより大きく、第1ナノ構造、第2ナノ構造、及び第3ナノ構造は、ナノチェーンがエネルギーによって励起される場合に、第2ナノ構造と第3ナノ構造との間の光場が、第1ナノ構造と第2ナノ構造との間の光場より強いように、基板上に配置され、かつ、該方法は、アレイの複数のピクセルから分光データを集めることを含むことができる。

ある実施態様では、その方法は、ナノチェーンのラマンスペクトルを取ることを含むことができる。被分析物はペプチドを含むことができる。第1ナノ構造は金属を含むことができ、第2ナノ構造は金属を含むことができ、第3ナノ構造は金属を含むことができる。ナノ構造は、銀、金、プラチナ、又はアルミニウムを含むことができる。ある実施態様では、第2ナノ構造は第1ナノ構造と第3ナノ構造との間に配置することができる。

ある実施態様では、その方法は単一分子を検出することができる。

別の態様、実施態様、及び特徴は、以下の説明、図面、及び請求の範囲から明らかになる。

（図面の簡単な説明）
図1Aは、パターン区域のSEM画像を示し、図1Bは無電解成長後のナノチェーンを示す。 図2Aから図２Dは、ナノチェーン形成の略図を示す。 図3Aは、ナノチェーンを含む装置のスキャン区域の光学画像を示し、図3Bは装置の異なる位置で測定したスペクトルを示し、図3Cは、固有波数a649^-1cmでの強度ラマンピークのマッピング分析を示す。 図4は、単一ナノチェーンのFDTD数値シミュレーションを示す。 図5は、3つのナノ構造を含むナノチェーンのマッピング分析を示す。 図6Aから図6Dは、異なるナノチェーン構造（モノマー、ダイマー、トリマー、テトラマー）のマッピング分析を示す。 図7Aは、3つのナノスフェアを持つナノチェーンのマッピング分析を示し、図7Bは、２つのナノスフェアを持つナノチェーンのマッピング分析を示す。 図8Aから図8Bは、サイズの異なるナノ構造のSEM画像を示す。 図9Aから図9Bは、サイズの異なるナノ構造のSEM画像を示す。 図10Aから図10Cは、ナノチェーンのサイズと数（モノマー、ダイマー、トリマー、テトラマー）が異なるナノ構造のSEM画像を示す。 図11は、複数のピクセルを含む装置のSEM画像を示す。 図12は、複数のピクセルを含む装置のSEM画像と、3つの異なるピクセル類型（ダイマー、トリマー、テトラマー）のSEM画像を示す。 図13Aから図13Bは、乳がんの遺伝子BRCA1由来の野生型と変異型ペプチドW1837を示す。 図14Aから図14Bは、ナノチェーンを含む装置上のW1837ペプチドのラマンスペクトルを示す。 図15Aから図15Cは、ナノチェーンを含む装置上の22のペプチドの混合からの特定ピクセルのラマンスペクトルを示す。

（詳細な説明）
ナノ光学システムは、従来の光学で観察された回折限界をナノ金属構造が克服することにより、ナノ金属の表面における光の伝搬を制御する大きな可能性を提供する。

被分析物を検出する装置は、3つのナノ構造を含むナノチェーンを含むことができる。 この装置はまた、複数のピクセルを含むこともでき、各ピクセルは少なくとも1つのナノチェーンを含む。ナノチェーンは、第1ナノ構造と、第2ナノ構造と、第3ナノ構造とを含むことができる。ナノ構造は下り順のサイズに配列することができる。例えば、第1ナノ構造のサイズは第2ナノ構造のそれより大きいことができ、第2ナノ構造のサイズは第3ナノ構造のそれより大きいことができる。第2ナノ構造は第1ナノ構造と第3ナノ構造との間に配置することができる。

ナノ構造は金属であることができる。可視レジームにおいて、銀又は金あるいはその他の貴金属が望ましい。紫外線レジームにおいて、金属は銀等の貴金属でよく、金属はアルミニウム等他のタイプの金属であることができる。ナノチェーンがエネルギーで励起される場合、第2ナノ構造と第3ナノ構造との間の光場又は電界が、第1ナノ構造と第2ナノ構造との間の場より強くてもよい。

この装置は、あらゆる数のピクセル、例えば10×10ピクセルを含むことができる。ピクセル間の距離は、装置が1つのピクセルのみの検出信号を提供できるよう制御することができる。ある例では、ピクセル間の距離は少なくとも1μmとすることができる。ナノ構造間の距離も、ナノメートルの精度で制御することができる。

この装置は、ラマン及び／又は蛍光分光法によって被分析物を検出することができる。被分析物はペプチドを含むことができる。この装置は、1種類以上の被分析物、例えば20のペプチドを含む混合物を検出することができる。この装置は、単一分子の有無も検出することができる。

（表面増強ラマン分光法（SERS））
適切な貴金属表面に近接する分子のラマンスペクトルの強度は、表面が無い場合に比べて顕著により大きくなることができる。この現象は、金属表面上の電荷密度変動の光励起によるもので、近傍に強い電磁場を生成する。放射界の周波数は入射光のそれに近くなることができるが、空間的には、この界は強く局所化された高低の強度領域（入射光の強度より高い）で特徴づけることができる。分子はこの界の局所値の4乗に比例するサイズでラマン分散光を放出することができる。

表面に近い高強度領域に位置する分子からのラマン信号の全体的強化は8桁のサイズを超えることがある。さらに、強化領域の強い局所化により、これら領域のそれに匹敵する長さスケールの物体からのラマン信号を解明することができる。

表面から放射される場の分布は、SERS装置の幾何形状に依存することができる。ある例では、ナノ構造は、直径の下り順の銀ナノスフェア等の3つの金属ナノ構造を配列することによって形成できる。2つのより小さいナノ構造の間の間隙で、場の強度が劇的に増加する。この間隙は幅5から20nmでよい。このような配列を持つ装置は、強化のための調整可能なスペクトル最大値を持つことができる。

（ナノチェーンの調製）
プラズモニクス装置構成の進歩も、ナノファブリケーション技術の進歩に支えられてきた。物理学から生物学及び工学から医療分野へのプラズモニクス領域の速い発展とナノプラズモニクス装置の適用により、高電磁場の生成を実証し、例えば分光技術を用いて物質を分析する装置を作成することが重要であり得る。装置の再現性も重要である。

SERS装置を作成するには、メタルアイランドフィルムや、電気機械的に修正した電極、ナノスフェアリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー等の多くの方法がある。例えば、Costantinoらの文献、Anal. Chem. 73, 2001, 3674-3678; DL Jeanmaireらの文献、J. Electroanal. Chem. 84, 1977, 1を参照されたい。その各々は、参照によってその全体が組み入れられる。1つの方法が、Agコロイドを生成してからこれら金属コロイドを生体分子に付着させるものである。例えば、K. Kneippらの文献、Phys. Rev. Letts. 78, 1997, 1667を参照されたい。これは、参照によってその全体を組み入れる。ラマン強度の連続的分光変動は、SERS基板について異なる時間に観察され得る。言い換えると、コロイド技術を用いて調製したSERS基板は、統計的信号バリエーションを見せることがある。反復的再現性があり、制御可能なSERS基板に対する努力が行われ、各種分子の分析を行うのに用いられてきた(Rhodamine6G, proteinなど)。例えば、G. Dasらの文献、Biosensors and Bioelectronics, 24, 2009, 1693-1699; F. De Angelisらの文献、Nano Letts. 8(8), 2008, 2321-2327を参照されたい。その各々は、参照によってその全体を組み入れる。別の種類のSERS装置を作成することができる。例えば、K. Liらの文献、Phys. Rev. Letts. 91 (2003) 227402; J. Daiらの文献、Phys. Rev. B 77 (2008) 115419を参照されたい。その各々は、参照によってその全体を組み入れる。

ナノチェーンは、少なくとも3つのナノ構造を含む。ナノ構造とは、1μm未満のサイズの構造である。ナノ構造は、ナノレンズ、ナノスフェアなどであることができる。ある例では、ナノチェーンは下り順のサイズで配列した3つのナノ構造を含むことができる。ナノチェーンは、高精密電子ビームリソグラフィーと無電解メッキとの組み合わせによって調製することができる。

無電解成長は、金属イオンを還元して予め調製したシリコン表面上に金属として蒸着させる工程である。これによって、平均サイズが数ナノメートルと小さく、高精密で再現性を有する規制可能な全体形状及び寸法の金属粒子を得ることができる。

ナノ構造の構築には、高性能作成技術を必要とする複数のステップを含むことができる。まず、ナノ構造パターンを、シリコン表面上にコーティングしたポリメチルメタクリレート（PMMA-A2）ポリマー（レジスト）のフィルムに作成することができる。このパターンは直径の異なる3つの円筒形キャビティを配列したものを含み、第1キャビティの直径は500から100nmの間、第2キャビティの直径は200から50nmの間、第3キャビティの直径は100から5nmの間とすることができる。キャビティの高さは20から150nmの間とすることができる。これらキャビティは異なる距離とすることができる。例えば、第1キャビティと第2キャビティとの間の距離は10から100nmの間で、第2キャビティから第3キャビティとの間の距離は5から50nmの間とすることができる。

パターンは、超高解像度電子ビームリソグラフィー（EBL）技術を用いて実現することができる。EBLでは、高度合焦電子ビームを用いて、制御された幾何形状のレジストの領域を脱重合する。そしてレジストの脱重合部分を適切な溶剤に浸漬させることで現像し、銀等の金属の連続蒸着用型を得ることができる。これに用いる型の特徴は制御可能である。EBLでパターニングしてすすぐと、キャビティ内部に高度に清浄なシリコン面が得られる。

この工程には、AgNO₃等の金属塩と、HF等の酸を含む水溶液へのナノ構造パターンの浸漬を含むことができる。酸は、キャビティの底で露出したシリコンの表面上のSiO₂と反応し、一連の工程を開始して、これが電子を溶液からシリコンへと転移させることになる。表面に拡散する分離した塩からの金属イオンはこれら電子によって、イオン相互作用を経て表面で吸着されるAgに還元されることができる。これらの工程を経て成長する金属Ag構造は、シリコン中の電子によって充電された電極として作用可能で、溶液からの銀イオンの還元にさらに貢献する。これらの反応を促進するのに外部電界が必要ないため、この種の蒸着工程は通常、無電解メッキと呼ばれる。金属粒子の蒸着後、サンプルを再蒸留水ですすぎ、ナノ構造の表面から塩を洗い落とすことができる。

金属ナノ粒子等のナノ粒子とその集合体の光学的性質は興味深い。このようなナノ粒子は、励起場を超える局所的光場を誘発することができる。ラマン散乱が増加し、それによって単一分子の検出及び分光が可能になる。ラマン増強は局所場の4乗に比例することができる。増強されたラマン散乱は、金属ナノ構造間の間隙に存在することができる。

（ナノチェーンを含む装置）
ナノメートルサイズの金属構造に付着又は近接して位置する関心分子の光学信号強化のため、様々な形状、サイズ、サイズ分布等のナノホール、ナノアンテナ、ナノコロイド、金属ナノ粒子（特に、金、銀、プラチナ）に基づくナノ構造プラズモニクス装置が提案されている。例えば、M. Moskovitsの文献, Rev. Mod. Phys. 57, 1985, 783; JJ Mockらの文献、J. Chemical Physics, 116, 2002, 6755を参照されたい。それぞれを参照によって全体を組み入れる。レーザ放射が、シャープな金属面と相互作用すると、局所化された電界の増加がラマン信号の強化を誘発することがある。ラマン散乱の増加は大きい場合がある。例えば、K. Kneippらの文献、Phys. Rev. Letts. 78, 1997, 1667; S. Nieらの文献、Science 275, 1997, 1102を参照されたい。それぞれを参照によって全体を組み入れる。この増加によって、金属面近傍に位置する単一分子の限度において、分子量がほとんど検出されない可能性がもたらされる。

共振品質係数「Q」及びナノスフェア数「n」を持つ金属について、理論的有効SERS増強G_SERSはQ⁴ⁿである。3つのナノスフェアによって構成されるAgベースのナノチェーン（Q〜30）を考えると、理論的SERS増強係数は10¹²以上の桁になることがある。SERS装置は自己相似チェーンを備えることができる。自己相似チェーンは、後続半径と空隙との比率が一定のナノスフェアを含むチェーンであることができる。ナノチェーンは、3つの金属ナノスフェアを含むことができる。2つの技術（電子ビームリソグラフィー技術及び金属無電解蒸着)を組み合わせてこの装置を作成することができる。正しく定義されたナノリソグラフィー構造を用いることで、SERS基板をよりよく制御できるようになり、制御可能で再現可能な装置を作成できる可能性が付与される。柔軟性のないナノ構造サイズ及び形状を満足させるため、電子ビームリソグラフィー技術を考慮することができる。一方、無電解蒸着技術を用いたサイト選択的銀ナノ粒子を活用して電磁界を増強することができる。有限差分時間領域（FDTD）を用いた理論的シミュレーションを自己相似ナノチェーンSERS装置に実行し、ポリマーの誘電率、銀のQ係数、実験的に観察したナノスフェアのサイズ、2つの連続する銀ナノスフェアの間の距離等の実特性パラメータを保持すると、増強係数が約10⁷から10⁸になることがわかる。この信号増強値は、各種分子を蒸着した後に作成された自己相似ナノチェーンSERS基板によって観察されるものに近い。

ナノチェーンSERS生体光装置を設計及び作成することができる。この装置は、ローダミン6G（R6G）、サイト選択的蒸着炭素、DNA、制御及び変異BRCAペプチドについていくつかの分子検出能力を発揮する。このナノ光学システムにおいて、電磁界、ひいてはラマン信号強度のナノ局所化につながるような、局所化された表面プラズモンのため、２つの最小Agナノスフェアの間の空隙に電磁光が効率的に封じ込められる。

分析装置は、ナノ構造を含むナノチェーンを含むことができる。ナノ構造は金属である。用いることのできる材料は、銀、金、アルミニウムを含む。このナノ構造は3つのアレイであることができ、下り順のサイズで配列される。ナノ構造の表面と形状は乱れている（各ナノ構造の公称重心が2nmよりよい精度で配列できる）。分析装置は被分析物の検出に用いることができる。分析装置は一般的な分子と、特にヒトサンプルのようなサンプルからのタンパク検出に用いることができる。

装置は、複数のピクセルを含むことができる。ピクセルはアレイを形成することができる。各ピクセルは装置の感度部であることができる。装置は、ナノチェーンがレーザ光に照射された時、電界の強い局所化を発生させることができる。可視波長レジーム等の各種レーザ波長レジームを用いることができる。ナノチェーンは3つのナノスフェアを含むことができる。電界の局所化は、主に最小スフェアと中間スフェアとの間である。下がり順のサイズで配列された3つのナノ構造のチェーンにおいて、最小ナノ構造と中間サイズナノ構造との間の電界は、最大ナノ構造と中間サイズナノ構造との間のそれより強いことができる。

ナノチェーンは、レーザ光によって照射された際、局所化された電界を生成することができる。ナノチェーンに分子が蒸着している場合、これらはラマン分光装置によって分析及び検出可能なレーザ光を散乱させる。この装置によって得た情報は、ナノチェーンの感光領域に入った分子固有のシグネチャーとなることができる。

ナノチェーンアレイは、材料を分析するために作成及び利用することができる。材料は、少なくとも1種の被分析物を含む混合物であることができる。例えば、ナノチェーンアレイは、乳がんのヒトサンプルからの約20のペプチドの混合物を検出することができる。この混合物は成分毎に分解することができる。

電界のフットプリントは、１つの領域をカバーすることができ、そのサイズは約5×5nm²であることができる。これは、溶質がナノチェーンに蒸着すると、この領域に入った分子のみ検出できることを示す。この装置は、この領域外の分子を検出できないことがある。分子は、ラマン分光法等の分光法によって検出することができる。

この装置は、ナノモル範囲等、高度に希釈された分子の混合物の組成を検出及び分析することができる。これは、早期癌診断や汚染物質環境分析その他に応用することができる。この装置は、一般的溶剤中に溶解可能な分子の混合物がある場合に利用可能で、検出は、ラマン又は蛍光等の分光技術と組み合わせることが可能である。サンプルは希釈サンプルであることができる。希釈倍率は、サンプル中の対象被分析物の濃度が、ナノレンズの「ホットスポット」（感光領域）に1つの分子が見つかる有意な確率につながるようにすることができる。ホットスポットで測定された実験的蒸着率は0.25から1%の間である。これは、分子の99%がホットスポット外に出ても、ナノチェーンの感度で検出できることを意味する。これには、ホットスポット区域のみに分子を蒸着させるための高度な手段や器具を必要としない。例えば、被分析物濃度は1から100ナノモルの間、例えば、2ナノモルから25ナノモルの間であることができる。これを、ナノチェーンを含む装置と共に用いる範囲とすることができる。

装置の機能を、各ナノスフェアの表面の固有の乱れ又は粗さによってさらに改善することができる。この乱れは、電界の局所化を大きくすることに貢献することができる。

この装置の動作原理は、ピクセルにほとんど分子がなくとも強いラマン信号を得るための電界のプラズモニクス及びナノ局所化によることができる。ナノスフェアの作成において生じる自然な乱れをさらに活用し、電界を大きく強化し、高感度を達成することができる。感光領域の規模は、強く局所化することができる。この装置は、溶質の組成を検出するため、追加的化学反応なしにラベルフリーの物理的手段によって高度に希釈した混合物を分解することができる。アレイの設計及び使用により、腫瘍のシグネチャーをもたらすペプチドの混合物を分解することができる。混合物組成の再構築は、マトリクスアレイの各ピクセルのラマンスペクトルを読むことによって実現可能である。適切な希釈により、各ピクセルは、ランダムに分布した混合物成分の一部のみ含むことができる。全ピクセルを読むと、混合物の全成分を回収することができる。各ピクセルでは2から4の成分が支配的であるのが一般的である。これらを純粋な成分の線形組合せによって計量する。この動作を各ピクセルについて繰り返す。

この装置の利点には、低濃度の溶質に対してナノモルに至る感度があることで、これによって、天然または変異型ペプチド等の混合物を構成する分子の化学状態に関する多くの情報が得られ、溶質の量はナノグラム範囲以下等非常に低くすることができる点が含まれる。

装置作成は、高性能作成技術を必要とする複数の工程を含むことができる。ナノチェーンパターンは、超高解像度電子ビームリソグラフィー（EBL）技術を用いて書き、PMMA-A2レジスト（50nm）の薄層上に実現することができるが、これは洗浄したシリコン基板上にスピンされるものである。EBLシステム（CRESTEC CABL-9000C）によって生成されるビームの安定性とその設定（50keV加速電圧に置いて45pAのビーム電流、ビームサイズ-2nm）、使用するレジストの特徴、及び現像工程（4℃のIPAで1分すすぎ）によって、制御可能なナノ構造の製造を助ける。パターン化したSERS装置の寸法は約320nmで、2つの連続するナノスフェアの間の2つの小さい間隙は、図１Aに示すように、それぞれ20.6nm及び18.5nmである。レジスト上の最小ナノホールは直径33.6nmである。単一、二重、四重レンズの各種ナノチェーン構造を作成し、最小ナノスフェアに近接するプラズモン・ポラリトン（PP）を局所化する能力を試験及び比較する。

リソグラフィー後の表面上で高度に制御されたナノケミストリーを実行する戦略は、サイト選択的金属蒸着を行う重要工程であった。無電解工程は、酸化金属種の還元が中性金属原子の形成につながる予め定義された区域にAg金属を蒸着するために用いることができる。例えば、D. V. Goiaらの文献、New J. Chem. 22, 1998, 1203を参照されたい。これは、参照によってその全体を組み入れる。Agナノ金属蒸着は、AgNO₃ 及びHF の溶液を用いて達成することができる。例えば、S. Yaeらの文献、Electrichimica Acta 53, 2007, 35を参照されたい。これは、参照によってその全体を組み入れる。金属粒子の蒸着直後に、サンプルを再蒸留水によってすすぎ、ナノ構造表面から塩を洗い流した。Ag無電解蒸着後、レンズの間の2つの小さい間隙は37.7nm及び8.85nmで、最小ナノスフェアの直径は、図1Bに示すように25.8nmになる。2つ、3つ、4つのナノチェーンのあるナノ構造装置も、図10Aから図10Cに示すように調製することができる。チップのピクセルは2ナノチェーン（ダイマー）、3ナノチェーン（トリマー）、又は4ナノチェーン（テトラマー）を含むことができる。作成工程をまとめたものも図2Aから図2Dに示す。レジストのスピンコーティング（図2A）後、リソグラフィー工程によってナノホールを作るが（図2B）、これを金属サイト選択的蒸着にさらに用いることができる。ナノホール中の蒸着（図2C）は究極的に自己相似ナノチェーン基板（図2D）を形成する。Auベースのナノ光学装置も、同じ技術に従って作成することができる。

この装置は、SERS装置として用いることができる。装置のマイクロラマンスペクトル（inVia Raman Microscope, Renishaw）を、約1.3cm^-1の分光解像度の後方散乱幾何形状において514nm Ar＋レーザ（パワー＝0.018mW及び累積時間＝4秒）を用いて励起させた。全てのラマン測定に高倍率対物150Xを用いる。XYラマンマッピング測定を、100nmの最小ステップサイズで実行した。

R6G（有機蛍光分子）単層を、浸漬技術を用いて装置上に蒸着させた後、再蒸留水ですすぎ、金属面に直接蒸着していない余剰分子を洗い落とした。図3Aに示す1つのナノチェーン構造からなる区域にマイクロラマン測定を実行する。1050から1925cm^-1（図3B）の範囲で、ナノ構造上に1つ（トップライン）、ナノチェーン外にもう1つ（ボトムライン）の2つの静的ラマンスペクトルを実行する。

静的測定点は、マッピングエリアの光学画像で見ることができる。R6G SERSピークをCOO^-振動に帰する約1360cm^-1、C-Cリング伸縮振動に関連する1506、1569、1649cm^-1で観察する。これら帯域以外に、C-Hx面内曲げに帰する1126及び1188cm^-1、C-OH伸縮振動に帰する1310cm^-1を中心とするさらにいくつかの帯域も明白である。図3Bから、R6Gのラマンスペクトルはナノ構造ポイントでしか観察されず、残りの部分では広い背景しか観察されないことが観察できる。Agナノ粒子上に蒸着した分子は蛍光分子で、一般に幅広い蛍光背景スペクトルを示し、ナノチェーンの存在によって蛍光消光が生じるため、分子のラマンスペクトルのみが表示された。金属面に付着した分子に、このような蛍光消光現象が観察される。例えば、E. Dulkeithらの文献、Phys. Rev. Letts., 89 (2002) 203002-1; P. Angerらの文献、Phys. Rev. Letts., 96 (2006) 113002-1を参照されたい。参照によって、それぞれの全体を組み入れる。約3×2μm²の区域について1050から1925cm^-1の範囲でマイクロラマンXYマッピング測定を実行した。1649 cm^-1を中心とするR6Gピークを基準帯域としたマッピング分析を図3Cに示す。入射源の偏光は、ナノ構造に平行で、これは最大SERS信号に達成する最適条件である。ラマン分析は、1618及び1689cm^-1の範囲でラマン帯域を選択して実行した。マッピング分析について、帯域強度を1649cm^-1を中心にした後、1618から1689cm^-1の範囲の各スペクトルをまずベースライン補正してから評価した。最大ピーク強度は、ナノチェーン構造が存在するこれらポイントでしか観察されない。残りの区域はこの振動帯域に関してなんら変化を示さなかった。この装置を用いたR6Gについて、高感度及び高信号対雑音SERS信号が観察される。観察されるマッピング帯域の広さは、レーザビーム幅のコンボリューションによるものである。主なSERS貢献が最小金属ナノスフェアから来ることと、ローダミン6G 分子の表面積が約0.9nm²であることを考えると、ナノチェーンから来るラマン信号は100から150個の分子が密接にパックされているためとすることができる。

自己相似カスケードモードの金属ナノスフェアがある場合、SERS強度の大半は最小ナノスフェア近傍から来ることができ、増強係数は＞10¹²に達することができる。時間領域差分法（FDTD）シミュレーションを実行してから、実験室で作製された現実の幾何形状装置と、例えば、参照によってその全体を組み入れるJ. Daiらの文献、Phys. Rev. B 77 (2008) 115419の提案する理想的装置とを比較することができる。自己相似モードの装置は、装置幾何形状が変形しても機能し続ける。さらに、Stockmanは場の増強をシミュレートするのに銀ナノ粒子にとって最良の380nmのレーザ波長を用いたが、514nmがSERSスペクトル励起波長として用いられた。主なSERS貢献が最小金属ナノスフェアから来ることと、ローダミン6G分子の表面積が約0.9nm²であることを考えると、ナノチェーンから来るラマン信号は、密接にパックされている場合、100から150分子になると推定される。全ての要因（レーザスポット下で観察される分子数、レーザパワー、累積時間、ラマン強度）を考慮して、ナノチェーン装置を用いた増強率はSiに対して約5×10⁷と算出される。

自己相似チェーン装置上の分子の位置を変化させることによる高感度の実験的検証を、ナノチェーン装置の周知の位置に炭素を蒸着することによって行う。最小、中間、最大ナノスフェアの上にそれぞれ炭素を蒸着した後、マイクロラマン測定を実行した。1400から1750cm^-1の範囲のベースライン補正曲線を選択することにより、マッピングエリアの各スペクトルについて1561cm^-1を中心にC-C振動に関連する3Dラマン強度分析を実行する。帯域強度は、最小ナノスフェア上に炭素が蒸着したサンプルで最大であることに気づく。I_smallest＞I_middle＞I_biggestの強度傾向が観察される。これらの測定は、この装置の検出感度を確認するものである。図4及び図5参照。

測定は、図6Aから図6D及び図10Aから図10Cに示すナノチェーンの数を増やすことによってラマン信号の依存性を検証するために行う。R6Gモノレイヤーを装置上に蒸着し、同一ラマンパラメータでラマンスペクトルを取った。図6Aから図6Dに示すマッピング分析結果を、1649cm^-1を中心とするラマン帯域について実行する。挿入図に、関連ナノチェーン構造を示す。図6Aから図6Dの3Dマッピングスペクトルは、ラマン信号が単一ナノチェーンの700から4ナノチェーン構造の約2000カウントまで増加することを示す。

3つのナノスフェアと2つのナノスフェアを持つナノチェーンのラマン強度を比較した。結果は、カスケードモードの3つのナノスフェアを含む装置の妥当性を示す。このような検証では、モノレイヤーのベンゼンチオール分子を2つのナノスフェアと3つのナノスフェアとで装置上に蒸着する。1584cm^-1を中心とするラマン帯域のマイクロラマンマッピング分析を、図7A及び図7Bに示す両サンプルについて行う。3つのナノスフェアの装置でピーク強度増加と、信号対雑音比の改善が観察された。

チップアレイを調製するため、各ピクセルの調製工程を繰り返す。これは、電子ビーム書込み技術によって自動的に行うことができる。装置をAgNO₃/HF溶液に浸す際、貴金属還元を並行して行う。

図8Aから8Bから図10Aから図10Cに、ナノチェーンのSEM画像を示す。図11は、複数のピクセルを含む装置のSEM画像を示す。図12は、複数のピクセルを含む装置のSEM画像と、3つのピクセルのSEM画像を示す。図13Aから図13Bは、乳がんの野生型及び変異遺伝子BRCA1を示す。図14Aから図14Bは、ナノチェーンを含む装置上のW1837ペプチドのラマンスペクトルを示す。図15Aから図15Bは、ナノチェーンを含む装置上の22のペプチドの混合物のラマンスペクトルを示す。

他の実施態様は以下の請求の範囲に含まれる。

Claims (27)

1. 複数のピクセルを含むアレイであって、各ピクセルは、
   第1ナノ構造と、
   第2ナノ構造と、
   第3ナノ構造と、を含むナノチェーンを含み、
   第1ナノ構造のサイズは第2ナノ構造のそれより大きく、第2ナノ構造のサイズは第3ナノ構造のそれより大きく、
   ナノチェーンがエネルギーによって励起される場合に、第2ナノ構造と第3ナノ構造との間の光場が、第1ナノ構造と第2ナノ構造との間の光場より強いように、第1ナノ構造、第2ナノ構造、及び第3ナノ構造が基板上に配置され、
   アレイがサンプルを受け取るよう構成される、前記アレイ、及び
   アレイの複数のピクセルから分光データを集めるよう配置される検出器、
   を含む、サンプル中の被分析物を検出するための装置。
2. 前記第1ナノ構造は金属を含み、前記第2ナノ構造は金属を含み、前記第3ナノ構造は金属を含むことを特徴とする、請求項1記載の装置。
3. 前記ナノ構造は、銀、金、プラチナ又はアルミニウムを含むことを特徴とする、請求項1記載の装置。
4. 前記第2ナノ構造は、第1ナノ構造と第3ナノ構造との間に配置されることを特徴とする、請求項1記載の装置。
5. 前記第1ナノ構造と前記第2ナノ構造との間の距離は、該第2ナノ構造の直径より小さいことを特徴とする、請求項1記載の装置。
6. 前記第2ナノ構造と前記第3ナノ構造との間の距離は、前記第3ナノ構造の直径より小さいことを特徴とする、請求項1記載の装置。
7. 前記装置は、10×10ピクセルを含むことを特徴とする、請求項1記載の装置。
8. 2つのピクセルの間の距離は、少なくとも1μmであることを特徴とする、請求項1記載の装置。
9. 各ピクセルは少なくとも1つの被分析物の分光データを運ぶことを特徴とする、請求項1記載の装置。
10. 各ピクセルは、少なくとも異なる2種の被分析物を検出可能であることを特徴とする、請求項1記載の装置。
11. 前記装置は、少なくとも異なる5種の被分析物を検出可能であることを特徴とする、請求項1記載の装置。
12. 前記装置は、少なくとも異なる10種の被分析物を検出可能であることを特徴とする、請求項1記載の装置。
13. 前記装置は、少なくとも異なる20種の被分析物を検出可能であることを特徴とする、請求項1記載の装置。
14. 前記被分析物はラマンスペクトルによって検出可能であることを特徴とする、請求項1記載の装置。
15. 前記被分析物はペプチドであることを特徴とする、請求項1記載の装置。
16. 前記装置は、単一分子を検出可能であることを特徴とする、請求項1記載の装置。
17. 前記第1ナノ構造はナノスフェアであり、前記第2ナノ構造はナノスフェアであり、前記第3ナノ構造はナノスフェアであることを特徴とする、請求項1記載の装置。
18. 前記第1ナノ構造の直径は500nm未満であることを特徴とする、請求項17記載の装置。
19. 前記第2ナノ構造の直径は200nm未満であることを特徴とする、請求項17記載の装置。
20. 前記第2ナノ構造の直径は100nm未満であることを特徴とする、請求項17記載の装置。
21. 複数のピクセルを含むアレイに被分析物を接触させることと、
    アレイの複数のピクセルから分光データを集めることとを含む、被分析物を検出するための方法であって、各ピクセルは、
    第1ナノ構造と、
    第2ナノ構造と、
    第3ナノ構造と、を含むナノチェーンを含み、
    第1ナノ構造のサイズは第2ナノ構造のそれより大きく、第2ナノ構造のサイズは第3ナノ構造のそれより大きく、かつ
    ナノチェーンがエネルギーによって励起される場合に、第2ナノ構造と第3ナノ構造との間の光場が、第1ナノ構造と第2ナノ構造との間の光場より強いように、第1ナノ構造、第2ナノ構造、及び第3ナノ構造が基板上に配置される、前記方法。
22. ナノチェーンのラマン分光を取ることをさらに含む、請求項21記載の方法。
23. 前記被分析物はペプチドを含むことを特徴とする、請求項21記載の方法。
24. 前記第1ナノ構造は金属を含み、前記第2ナノ構造は金属を含み、前記第3ナノ構造は金属を含むことを特徴とする、請求項21記載の方法。
25. 前記ナノ構造は、銀、金、プラチナ、又はアルミニウムを含むことを特徴とする、請求項21記載の方法。
26. 前記第2ナノ構造は前記第1ナノ構造と前記第3ナノ構造との間に配置されることを特徴とする、請求項21記載の方法。
27. 単一分子を検出することをさらに含む、請求項21記載の方法。

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