JP2013234977A

JP2013234977A - 試料分析素子並びに検査装置およびセンサーカートリッジ

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Publication number: JP2013234977A
Application number: JP2012109188A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Sugimoto; 守杉本; Atsushi Amako; 淳尼子; Hideaki Koike; 秀明小池
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-21
Also published as: WO2013168404A1; US9222889B2; US20150138543A1

Abstract

【課題】ホットスポットの面密度を高めつつ近接場光の増強を実現することができる試料分析素子は提供される。
【解決手段】試料分析素子１１では基体１２の表面に複数のナノ構造体１５が配列される。個々のナノ構造体１５では誘電体１８が金属膜１９で覆われる。ナノ構造体１５は複数列のナノ構造体列１６を形成する。個々のナノ構造体列１６ではナノ構造体１５は励起光の波長よりも小さい第１ピッチＳＰで並べられ、ナノ構造体列１６は第１ピッチＳＰよりも大きい第２ピッチＬＰで並列に並べられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属膜で覆われるナノ体を備える試料分析素子、および、そういった試料分析素子を利用した検査装置およびセンサーカートリッジ等に関する。

局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を利用した試料分析素子は知られる。こうした試料分析素子は例えば金属膜で覆われるナノ体を備える。ナノ体は例えば励起光の波長よりも十分に小さく形成される。ナノ体上の金属膜に励起光が照射されると、全電気双極子が揃い増強電場が誘発される。その結果、金属膜の表面で近接場光が生成される。いわゆるホットスポットが形成される。

非特許文献１ではナノ体は所定のピッチで格子状に配置される。ピッチの大きさが伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）の波長に対応する大きさに設定されると、ナノ粒子上の金属膜で近接場光の増強が観察される。

ＬｕｐｉｎＤｕ外著，「Ｌｏｃａｌｉｚｅｄｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｓ，ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ，ａｎｄｔｈｅｉｒｃｏｕｐｌｉｎｇｉｎ２ＤｍｅｔａｌｌｉｃａｒｒａｙｆｏｒＳＥＲＳ」，ＯＰＴＩＣＳＥＸＰＲＥＳＳ，米国，２０１０年１月１９日発行，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．３，ｐ．１９５９−１９６５

前述の試料分析素子は標的物質の検査装置に利用されることができる。非特許文献１に開示されるように、伝播表面プラズモン共鳴の波長に対応する大きさでピッチが設定されると、ホットスポットの面密度が著しく低下し、標的物質がなかなかホットスポットに付着することができない。

本発明の少なくとも１つの態様によれば、ホットスポットの面密度を高めつつ近接場光の増強を実現することができる試料分析素子は提供されることができる。

（１）本発明の一態様は、基体と、前記基体の表面に配列されて、金属膜で誘電体を覆う複数のナノ構造体とを備え、前記ナノ構造体は複数列のナノ構造体列を形成し、個々の前記ナノ構造体列では前記ナノ構造体は励起光の波長よりも小さい第１ピッチで第１方向に並べられ、前記ナノ構造体列は前記第１ピッチよりも大きい第２ピッチで前記第１方向とは交差する第２方向に並べられる試料分析素子に関する。

励起光の働きでナノ構造体の金属膜では局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が引き起こされる。ナノ構造体列のピッチ（第２ピッチ）の働きでエバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は局在表面プラズモン共鳴に結合する。いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、ナノ構造体の金属膜で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。しかも、個々のナノ構造体列内には複数のナノ構造体が配置されることから、ナノ構造体単体が励起光に共鳴するピッチで配置される場合に比べてナノ構造体の面密度は高められる。したがって、ホットスポットの面密度は高められる。

（２）前記ナノ構造体列同士の間には、前記ナノ構造体を含まない領域が形成されることができる。すなわち、ナノ構造体列同士の間でナノ構造体の形成は排除される。ナノ構造体列同士の間では局在表面プラズモン共鳴は誘起されない。

（３）前記ナノ構造体の前記誘電体は前記基体と一体に形作られることができる。ナノ構造体の誘電体と基体とは同一の材料から形成されることができる。ナノ構造体列の誘電体および基体は一体成型で形成されることができる。試料分析素子の製造工程は簡素化されることができる。試料分析素子の量産性は高められることができる。

（４）前記基体は成型材料で形成されることができる。ナノ構造体列の誘電体および基体は一体成型で形成されることができる。試料分析素子の量産性は高められることができる。

（５）前記金属膜は前記基体の表面を覆うことができる。金属膜は基体の表面で一律に形成されれば済む。したがって、試料分析素子の製造工程は簡素化されることができる。試料分析素子の量産性は高められることができる。

（６）試料分析素子では、前記第１ピッチで並べられたナノ構造体で生じる局在プラズモン波長と前記金属膜との分散関係との交点の波数を第２ピッチとすることができる。

（７）試料分析素子は検査装置に組み込まれて利用されることができる。検査装置は、試料分析素子と、前記ナノ構造体列に向けて光を放出する光源と、前記光の照射に応じて前記ナノ構造体列から放射される光を検出する光検出器とを備えることができる。

（８）本発明の他の態様は、検出室を区画する筐体と、前記検出室の空間に接する表面を有する基体と、前記基体の表面に配列されて、金属膜で誘電体を覆う複数のナノ構造体と、を備え、前記ナノ構造体は複数列のナノ構造体列を形成し、個々の前記ナノ構造体列では前記ナノ構造体は励起光の波長よりも小さい第１ピッチで第１方向に並べられ、前記ナノ構造体列は前記第１ピッチよりも大きい第２ピッチで前記第１方向とは交差する第２方向に並べられることを特徴とするセンサーカートリッジに関する。

本発明の一実施形態に係る試料分析素子を概略的に示す斜視図である。図１の２−２線に沿った垂直断面図である。シミュレーションモデルの単位ユニットを示す（ａ）平面図、および（ｂ）側面図である。シミュレーションモデルの（ａ）本実施形態に係るモデル、および（ｂ）比較モデルの平面図である。電場強度に基づき作成された分散関係を示すグラフである。電場強度の最大値を示すグラフである。電場強度の最大値の波長依存性を示すグラフである。単位面積当たり電場強度の二乗和を示すグラフである。第１比較単位ユニットを示す（ａ）平面図、および（ｂ）側面図である。電場強度の波長依存性を示すグラフである。シリコン基板の表面に形成される突起を概略的に示す断面図である。シリコン基板の表面に形成されるニッケル膜を概略的に示す断面図である。シリコン基板の表面に形成されるニッケル板を概略的に示す断面図である。シリコン基板から剥離されたニッケル板を概略的に示す断面図である。ニッケル板で成型される成型材料を概略的に示す断面図である。基板の表面に成膜される金属膜を概略的に示す断面図である。標的分子検査装置の構成を概略的に示す概念図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（１）試料分析素子の構造
図１は本発明の一実施形態に係る試料分析素子１１を概略的に示す。この試料分析素子１１すなわちセンサーチップは基板（基体）１２を備える。基板１２は例えば成型材料から形成される。成型材料には例えば樹脂材が使用されることができる。樹脂材にはポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ樹脂）といったアクリル樹脂が含まれることができる。

基板１２の表面には金属膜１３が形成される。金属膜１３は金属から形成される。金属膜１３は例えば銀から形成されることができる。その他、金属には金またはアルミニウムが用いられてもよい。金属膜１３は例えば基板１２の表面に一面に途切れなく形成されることができる。金属膜１３は均一な膜厚で形成されることができる。金属膜１３の膜厚は例えば２０ｎｍ程度に設定されることができる。

金属膜１３の表面にはナノ構造体１５が形成される。ナノ構造体１５は金属膜１３の表面から突出する。ナノ構造体１５は基板１２の表面に分散する。個々のナノ構造体１５は角柱に形成される。角柱の水平断面すなわち輪郭は例えば正方形に形成される。正方形の一辺の長さは例えば１〜１０００ｎｍ程度に設定されることができる。角柱の高さ（金属膜１３の表面から）は例えば１０〜１００ｎｍ程度で設定されることができる。角柱の水平断面は正方形以外の多角形に形成されてもよい。ナノ構造体１５は円柱その他の立体形状に形成されてもよい。

ナノ構造体１５はナノ構造体列１６を形成する。個々のナノ構造体列１６内でナノ構造体１５は短ピッチＳＰ（第１ピッチ）で金属膜１３の表面に１列に配列される。ナノ構造体列１６は第１方向ＳＤに延びる。短ピッチＳＰは励起光の波長よりも小さく設定される。

ナノ構造体列１６は第１方向ＳＤに交差する第２方向ＤＲに所定の長ピッチＬＰ（第２ピッチ）で並列に並べられる。ここでは、第２方向ＤＲは基板１２の表面を含む１仮想平面内で第１方向ＳＤに直交する。長ピッチＬＰは少なくとも短ピッチＳＰよりも大きく設定される。長ピッチＬＰの大きさは、後述されるように、エバネッセント波の波数に応じて設定される。

ナノ構造体列１６同士の間には、ナノ構造体を含まない平面領域（ナノ構造体を含まない領域）１７が形成される。すなわち、隣接するナノ構造体列１６同士の間ではナノ構造体１５の形成は排除される。

図２に示されるように、個々のナノ構造体１５は誘電体の本体１８を備える。本体１８は角柱形状に形成される。本体１８は基板１２の表面から突き出る。本体１８は基板１２の材料と同一の材料から形成されることができる。本体１８は基板１２の表面に一体に形作られることができる。

個々のナノ構造体１５では本体１８の表面は金属膜１９で覆われる。金属膜１９は金属膜１３と同一の材料から形成されることができる。金属膜１９および金属膜１３は１枚の膜として形成されることができる。金属膜１９は均一な膜厚で形成されることができる。

試料分析素子１１では、個々のナノ構造体１５の大きさは励起光の波長よりも十分に小さく設定される。その結果、励起光の働きでナノ構造体１５の金属膜１９では局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が引き起こされる。加えて、励起光の偏光面が第２方向ＤＲに合わせ込まれると、長ピッチＬＰの設定に応じて、エバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴はナノ構造体１５の局在表面プラズモン共鳴に結合する。いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、ナノ構造体１５の金属膜１９で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。しかも、個々のナノ構造体列１６内ではナノ構造体１５同士の間隔は長ピッチＬＰよりも小さい短ピッチＳＰに設定されることから、ナノ構造体１５同士の間隔が長ピッチＬＰで設定される場合に比べてナノ構造体１５の面密度は高められる。ホットスポットの面密度は高められる。

（２）電場強度の検証
本発明者は試料分析素子１１の電場強度を検証した。検証にあたってＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−ＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法のシミュレーションソフトウェアが利用された。図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、本発明者はＹｅｅＣｅｌｌに基づきシュミレーションモデルの単位ユニットを構築した。この単位ユニットでは１２０ｎｍ角のＰＭＭＡ製基板１２に銀の金属膜１３が形成された。金属膜１３の膜厚は２０ｎｍに設定された。ＰＭＭＡ製の本体１８の輪郭は４０ｎｍ角の正方形に設定された。本体１８の高さ（基板１２の表面から）は６０ｎｍに設定された。

図４（ａ）に示されるように、１列の単位ユニットすなわちナノ構造体１５で１つのナノ構造体列１６が構成された。複数のナノ構造体列１６が平行に並べられた。ｘ軸方向にナノ構造体列１６の間に長ピッチＬＰが設定された。その結果、ナノ構造体列１６同士の間には１列の空隙単位ユニットで平面領域１７が形成された。空隙単位ユニットは１２０ｎｍ角の空隙で構成された。先頭のナノ構造体１５で電場強度Ｅｘが算出された。周辺屈折率ｎｓ＝１が設定された。直線偏光の励起光が設定された。偏光面はｘ軸方向に合わせられた。励起光は垂直入射に設定された。

図４（ｂ）に示されるように、本発明者は比較モデルを用意した。比較モデルでは長ピッチＬＰは１２０ｎｍに設定された。すなわち、平面領域１７は省略された。単純にナノ構造体１５が短ピッチＳＰで格子状に配置された。前述と同様に、選択された１つのナノ構造体１５で電場強度Ｅｘが算出された。

図５は電場強度Ｅｘに基づき作成された分散関係を示す。ここでは、単位面積当たりに換算された電場強度Ｅｘの二乗和が特定された。二乗和の特定にあたってナノ構造体１５の上側の４つの頂点それぞれで電場強度Ｅｘが算出された。個々の頂点ごとに電場強度Ｅｘの二乗値が算出され、繰り返し計算の最小単位の全ての頂点の二乗値が足し合わせられた。単位面積として比較モデルの面積が設定された。足し合わせられた結果がその単位面積当たりに換算された。こうして単位面積当たり電場強度Ｅｘの二乗和が算出された。励起光の波長と二乗和との関係すなわち周波数特性が算出された。

図５で波数ｋは長ピッチＬＰに応じて特定される。直線２１は空気（ｎｓ＝１．０）の分散関係を示す。空気の分散関係は比例関係を示す。曲線２２は屈折率（ｎｓ＝１．０）の銀Ａｇの伝播表面プラズモン共鳴の分散関係を示す。複数の長ピッチＬＰ（＝波数ｋ）に現れる波長（＝４２０ｎｍ）は局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長に相当する。なぜならば、分散関係の傾きは伝搬表面プラズモンの移動速度を示し、複数の長ピッチＰＬで現れる角周波数の傾きは０（ゼロ）を示すからである。局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長はナノ構造体１５の体積や金属膜１９の膜厚に応じて決定されることができる。いわゆるＡｎｔｉ−ＣｒｏｓｓｉｎｇＢｅｈａｖｉｏｒ（ハイブリッドモードの指標として知られる）は観察されなかった。

図６は電場強度Ｅｘの最大値を示す。比較モデルに対して長ピッチＬＰが増大すると電場強度Ｅｘの最大値は増大することが確認された。特に、長ピッチＬＰ＝３８０ｎｍｐで電場強度Ｅｘの最大値はピークを示すことが確認された。前述の分散関係から観察されるように、長ピッチＬＰ＝３８０ｎｍｐは局在表面プラズモン共鳴の分散関係と銀Ａｇの伝播表面プラズモン共鳴の分散関係との交点に相当する。図７は電場強度Ｅｘの最大値の波長依存性を示す。長ピッチＬＰの大きさに拘わらず４２０ｎｍの波長で電場強度Ｅｘの最大値はピークを示すことが確認された。図８は単位面積当たり電場強度Ｅｘの二乗和を示す。比較モデルに対して長ピッチＬＰが増大すると電場強度Ｅｘの二乗和が増大することが確認された。特に、長ピッチＬＰ＝３８０ｎｍｐで単位面積当たり電場強度Ｅｘの二乗和はピークを示すことが確認された。

図９（ａ）および図９（ｂ）に示されるように、本発明者は第１比較単位ユニットを用意した。第１比較単位ユニットでは１２０ｎｍ角のシリコン（Ｓｉ）製基板１２の表面に銀の金属膜１３が形成された。金属膜１３の膜厚は２０ｎｍに設定された。ナノ構造体１５の本体１８は二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から形成された。その他の構造は前述の単位ユニットと同様に形成された。

本発明者は同様に第２比較単位ユニットを用意した。第２比較単位ユニットでは１２０ｎｍ角の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）製基板１２の表面に銀の金属膜１３が形成された。金属膜１３の膜厚は２０ｎｍに設定された。ナノ構造体１５の本体１８は二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から形成された。すなわち、ナノ構造体１５の本体１８と基板１２とは一体構造に設定された。その他の構造は前述の単位ユニットと同様に形成された。

図１０は電場強度Ｅｘの波長依存性を示す。波長依存性の特定にあたって単位ユニット、第１比較単位ユニットおよび第２比較単位ユニットで比較モデルが構築された。比較モデルで励起光の波長ごとに前述と同様に単位面積当たり電場強度Ｅｘの二乗和が算出された。このとき、二酸化シリコンの屈折率は１．４５に設定されＰＭＭＡの屈折率は１．４８に設定された。図１０から明らかなように、第１比較単位ユニットでは単位ユニットおよび第２比較単位ユニットに対して電場強度Ｅｘの増強が観察された。単位ユニットと第２比較単位ユニットとの間では電場強度Ｅｘにほとんど差が観察されなかった。この結果から、第１比較単位ユニットではシリコン製基板１２の表面から反射する戻り光の効果で電場強度Ｅｘが増大したことが容易く推測されることができる。その一方で、ナノ構造体１５の本体１８と基板１２とが一体に形作られると、ナノ構造体１５の本体１８と基板１２とは同一の材料から形成されることができる。ナノ構造体１５の本体１８と基板１２とは一体成型で形成されることができる。試料分析素子１１の製造工程は簡素化されることができる。試料分析素子１１の量産性は高められることができる。一体成型の実施にあたってナノ構造体１５および基板１２は成型材料から形成されればよい。

（３）試料分析素子の製造方法
次に、試料分析素子１１の製造方法を簡単に説明する。試料分析素子１１の製造にあたってスタンパーが製造される。図１１に示されるように、シリコン（Ｓｉ）基板２３の表面で二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の突起２４が形成される。シリコン基板２３の表面は平滑面に形成される。突起２４は、基板１２の表面に分散するナノ構造体１５の本体１８を象る。突起２４の形成にあたって例えばリソグラフィ技術は用いられることができる。シリコン基板２３の表面に一面に二酸化シリコン膜が形成される。二酸化シリコン膜の表面にナノ構造体１５の本体１８を象ったマスクが形成される。マスクには例えばフォトレジスト膜が用いられればよい。マスクの周囲で二酸化シリコン膜が除去されると、二酸化シリコン膜から個々の突起２４は成形される。こうした成形にあたってエッチング処理やミリング処理が実施されればよい。

図１２に示されるように、シリコン基板２３の表面にニッケル（Ｎｉ）膜２５が形成される。ニッケル膜２５の形成にあたって無電解めっきが実施される。続いて、図１３に示されるように、ニッケル膜２５に基づき電鋳が実施される。シリコン基板２３の表面には肉厚のニッケル板２６が形成される。その後、図１４に示されるように、ニッケル板２６はシリコン基板２３から剥離される。こうしてニッケル製のスタンパーは製造されることができる。ニッケル板２６すなわちスタンパーの表面は平滑面に形成される。平滑面には突起２４の剥離痕で窪み２７が形成される。

図１５に示されるように、基板２８は成型される。成型にあたって例えば成型材料の射出成型が利用されることができる。基板２８の表面にはナノ構造体１５の本体１８が一体成型される。図１６に示されるように、基板２８の表面に一面に金属膜２９が形成される。金属膜２９の形成にあたって無電解めっきやスパッタリング、蒸着などが用いられることができる。こうして誘電体の本体１８は金属膜１９で覆われる。ナノ構造体１５が形成される。その後、基板２８から個々の基板１２が切り出される。基板１２の表面は金属膜１３で覆われる。スタンパーは試料分析素子１１の生産性の向上に大いに貢献することができる。

（４）一実施形態に係る検査装置
図１７は一実施形態に係る標的分子検査装置（検査装置）１０１を概略的に示す。標的分子検査装置１０１は筐体１０２を備える。筐体１０２にはセンサーカートリッジ１０３が組み込まれる。センサーカートリッジ１０３には導入通路１０４と排出通路１０５とが個別に接続される。導入通路１０４からセンサーカートリッジ１０３に気体は導入される。センサーカートリッジ１０３から排出通路１０５に気体は排出される。導入通路１０４の通路入口１０６にはフィルター１０７が設置される。フィルター１０７は例えば気体中の塵埃や水蒸気を除去することができる。排出通路１０５の通路出口１０８には吸引ユニット１０９が設置される。吸引ユニット１０９は送風ファンで構成される。送風ファンの作動に応じて気体は導入通路１０４、センサーカートリッジ１０３および排出通路１０５を順番に流通する。こうした気体の流通経路内でセンサーカートリッジ１０３の前後にはシャッター（図示されず）が設置される。シャッターの開閉に応じてセンサーカートリッジ１０３内に気体は閉じ込められることができる。

筐体１０２には識別センサー１１１が組み込まれる。識別センサー１１１はセンサーカートリッジ１０３の着脱を識別する。識別センサー１１１はセンサーカートリッジ１０３の装着および取り外しに応じて所定の電気信号を出力する。センサーカートリッジ１０３は例えば導入通路１０４および排出通路１０５に着脱自在に装着されることができる。

標的分子検査装置１０１はラマン散乱光検出ユニット１１２を備える。ラマン散乱光検出ユニット１１２は、センサーカートリッジ１０３に励起光を照射しラマン散乱光を検出する。ラマン散乱光検出ユニット１１２は筐体１０２内に遮光室１１３を区画する。遮光室１１３は周囲の光から遮断される。

ラマン散乱光検出ユニット１１２は光源１１４を備える。光源１１４は遮光室１１３内に配置される。光源１１４にはレーザー光源が用いられることができる。レーザー光源は特定波長（単一波長）で直線偏光のレーザー光を放射することができる。

ラマン散乱光検出ユニット１１２は受光素子１１５を備える。受光素子１１５は例えば光の強度を検出することができる。受光素子１１５は光の強度に応じて検出電流を出力することができる。したがって、受光素子１１５から出力される電流の大きさに応じて光の強度は特定されることができる。

遮光室１１３内で、光源１１４とセンサーカートリッジ１０３との間、および、センサーカートリッジ１０３と受光素子１１５との間には光学系１１６が構築される。光学系１１６は光源１１４とセンサーカートリッジ１０３との間に光路を形成すると同時にセンサーカートリッジ１０３と受光素子１１５との間に光路を形成する。光学系１１６の働きで光源１１４の光はセンサーカートリッジ１０３に導かれる。センサーカートリッジ１０３の反射光は光学系１１６の働きで受光素子１１５に導かれる。

光学系１１６はコリメーターレンズ１１７、ダイクロイックミラー１１８、対物レンズ１１９、集光レンズ１２１、凹レンズ１２２、光学フィルター１２３および分光器１２４を備える。ダイクロイックミラー１１８は例えばセンサーカートリッジ１０３と受光素子１１５との間に配置される。対物レンズ１１９はダイクロイックミラー１１８とセンサーカートリッジ１０３との間に配置される。対物レンズ１１９はダイクロイックミラー１１８から供給される平行光を集光してセンサーカートリッジ１０３に導く。センサーカートリッジ１０３の反射光は対物レンズ１１９で平行光に変換されダイクロイックミラー１１８を透過する。ダイクロイックミラー１１８と受光素子１１５との間には集光レンズ１２１、凹レンズ１２２、光学フィルター１２３および分光器１２４が配置される。対物レンズ１１９、集光レンズ１２１および凹レンズ１２２の光軸は同軸に合わせ込まれる。集光レンズ１２１で集光された光は凹レンズ１２２で再び平行光に変換される。光学フィルター１２３はレイリー散乱光を除去する。ラマン散乱光は光学フィルター１２３を通過する。分光器１２４は例えば特定波長の光を選択的に透過させる。こうして受光素子１１５では特定波長ごとに光の強度が検出される。分光器１２４には例えばエタロンが用いられることができる。

光源１１４の光軸は対物レンズ１１９および集光レンズ１２１の光軸に直交する。ダイクロイックミラー１１８の表面はこれら光軸に４５度の角度で交差する。ダイクロイックミラー１１８と光源１１４との間にはコリメーターレンズ１１７が配置される。こうしてコリメーターレンズ１１７は光源１１４に向き合わせられる。コリメーターレンズ１１７の光軸は光源１１４の光軸に同軸に合わせ込まれる。

標的分子検査装置１０１は制御ユニット１２６を備える。制御ユニット１２６に、識別センサー１１１、光源１１４、分光器１２４、受光素子１１５、吸引ユニット１０９、その他の機器が接続される。制御ユニット１２６は、光源１１４、分光器１２４および吸引ユニット１０９の動作を制御するとともに、識別センサー１１１および受光素子１１５の出力信号を処理する。制御ユニット１２６には信号コネクター１２７が接続される。制御ユニット１２６は信号コネクター１２７を通じて外部と信号をやりとりすることができる。

標的分子検査装置１０１は電源ユニット１２８を備える。電源ユニット１２８は制御ユニット１２６に接続される。電源ユニット１２８は制御ユニット１２６に動作電力を供給する。制御ユニット１２６は電源ユニット１２８から電力の供給を受けて動作することができる。電源ユニット１２８には例えば１次電池や２次電池が用いられることができる。２次電池は、例えば、充電用の電源コネクター１２９を有することができる。

制御ユニット１２６は信号処理制御部を備える。信号処理制御部は例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）やＲＯＭ（リードオンリーメモリー）といった記憶回路で構成されることができる。ＲＯＭには例えば処理プログラムやスペクトルデータが格納されることができる。スペクトルデータでは標的分子のラマン散乱光のスペクトルが特定される。ＣＰＵは、一時的にＲＡＭに処理プログラムやスペクトルデータを取り込みながら、処理プログラムを実行する。ＣＰＵは、スペクトルデータに、分光器および受光素子の働きで特定される光のスペクトルを照らし合わせる。

センサーカートリッジ１０３は筐体１３１を備える。筐体１３１は検出室１３２を区画する。検出室１３２は一端で導入通路１０４に接続され他端で排出通路１０５に接続される。筐体１３１にセンサーチップ１１が組み込まれる。基体１２の表面は検出室１３２の空間に接する。光源１１４から放出される光はコリメーターレンズ１１７で平行光に変換される。直線偏光の光はダイクロイックミラー１１８で反射する。反射した光は対物レンズ１１９で集光されてセンサーカートリッジ１０３に照射される。光はセンサーカートリッジ１０３の筐体１３１を透過してセンサーチップ１１に到達する。このとき、光はセンサーチップ１１の表面に直交する垂直方向に入射することができる。いわゆる垂直入射が確立されることができる。光の偏光面はナノ構造体列１６（第１方向ＳＤ）に平行に合わせ込まれる。照射された光の働きでナノ構造体１５の金属膜１９では局在表面プラズモン共鳴が引き起こされる。ナノ構造体１５同士の間で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。

このとき、ホットスポットでナノ構造体１５に標的分子が付着すると、標的分子からレイリー散乱光およびラマン散乱光が生成される。いわゆる表面増強ラマン散乱が実現される。その結果、標的分子の種類に応じたスペクトルで光は対物レンズ１１９に向かって放出される。

こうしてセンサーカートリッジ１０３から放出される光は対物レンズ１１９で平行光に変換されダイクロイックミラー１１８、集光レンズ１２１、凹レンズ１２２および光学フィルター１２３を通過する。ラマン散乱光は分光器１２４に入射する。分光器１２４はラマン散乱光を分光する。こうして特定の波長ごとに受光素子１１５は光の強度を検出する。光のスペクトルはスペクトルデータに照らし合わせられる。光のスペクトルに応じて標的分子は検出されることができる。こうして標的分子検出装置１０１は表面増強ラマン散乱に基づき例えばアデノウィルスやライノウィルス、ＨＩＶウィルス、インフルエンザウィルスといった標的物質を検出することができる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、試料分析素子１１や標的物質検査装置１０１等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。

１１試料分析素子、１２基体、１３金属膜、１５ナノ構造体、１６ナノ構造体列、１７ナノ構造体を含まない領域（平面領域）、１８誘電体（本体）、１９金属膜、１０１検査装置（標的分子検査装置）、１０３センサーカートリッジ、１１４光源、１１５光検出器（受光素子）、１３１筐体、ＳＰ第１ピッチ（短ピッチ）、ＬＰ第２ピッチ（長ピッチ）。

Claims

基体と、
前記基体の表面に配列されて、金属膜で誘電体を覆う複数のナノ構造体と、を備え、
前記ナノ構造体は複数列のナノ構造体列を形成し、個々の前記ナノ構造体列では前記ナノ構造体は励起光の波長よりも小さい第１ピッチで第１方向に並べられ、前記ナノ構造体列は前記第１ピッチよりも大きい第２ピッチで前記第１方向とは交差する第２方向に並べられることを特徴とする試料分析素子。
請求項１に記載の試料分析素子において、前記ナノ構造体列同士の間には、前記ナノ構造体を含まない領域が形成されることを特徴とする試料分析素子。
請求項１または２に記載の試料分析素子において、前記ナノ構造体の前記誘電体は前記基体と一体に形作られることを特徴とする試料分析素子。
請求項３に記載の試料分析素子において、前記基体は成型材料で形成されることを特徴とする試料分析素子。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の試料分析素子において、前記金属膜は前記基体の表面を覆うことを特徴とする試料分析素子。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の試料分析素子において、前記第１ピッチで並べられたナノ構造体で生じる局在プラズモン波長と前記金属膜との分散関係との交点の波数を第２ピッチとすることを特徴とする試料分析素子。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の試料分析素子と、
前記ナノ構造体列に向けて光を放出する光源と、
前記光の照射に応じて前記ナノ構造体列から放射される光を検出する光検出器と
を備えることを特徴とする検査装置。
検出室を区画する筐体と、
前記検出室の空間に接する表面を有する基体と、
前記基体の表面に配列されて、金属膜で誘電体を覆う複数のナノ構造体と、を備え、
前記ナノ構造体は複数列のナノ構造体列を形成し、個々の前記ナノ構造体列では前記ナノ構造体は励起光の波長よりも小さい第１ピッチで第１方向に並べられ、前記ナノ構造体列は前記第１ピッチよりも大きい第２ピッチで前記第１方向とは交差する第２方向に並べられることを特徴とするセンサーカートリッジ。