JP6673663B2 - 局在表面プラズモン共鳴センサ - Google Patents
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Description
本発明は、検出技術に関し、局在表面プラズモン共鳴センサに関する。
表面プラズモン共鳴センサは、微量な試料を検出可能であることから、様々な分野で用いられている（例えば、特許文献１から５参照。）。しかし、特許文献１に開示されたセンサにおいては、全反射条件を満たすよう、光の入射角を設定する必要があり、精密な光学系が必要となる。また、角度変化を検出するためのプリズムも必要となる。そのため、装置が複雑になるという問題がある。特許文献２、３、４に開示されたセンサは、信号強度が弱く、検出精度が低いという問題がある。さらに、特許文献２、３、４に開示されたセンサは、特許文献１に開示されたセンサに比べて光学系が簡素化されているものの、依然として小型化が困難もしくは小型化するためには装置構成を複雑にする必要がある。特許文献５に開示されたセンサは、光源と受光器を一直線上に配置しなければならないため、小型化に限界があるという問題がある。
さらに、特許文献２、３、４、５に開示されたセンサは、いずれも光路中に試料が介在するため、試料の色度や厚さの影響を受けてしまい、信号強度の低下やＳ／Ｎ比の劣化が生じやすいという問題がある。これに対して、特許文献１に示されたセンサは、光路中に試料が介在しないため、高いＳ／Ｎ比が得られるものの、上述したような精密な光学系が必要となる。
そこで、本発明は、複雑な光学系を必要とせず、小型化が可能で、さらには検出精度の高い局在表面プラズモン共鳴センサを提供することを目的とする。
本発明の態様によれば、（ａ）光透過性基板と、（ｂ）光透過性基板の表面上に設けられた、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる、複数の開口が一定間隔で設けられた金属薄膜と、（ｃ）光透過性基板の裏面に検査光を照射する検査光源と、（ｄ）金属薄膜からの検査光の反射光を検出する受光器と、を備える、局在表面プラズモン共鳴センサが提供される。
上記の局在表面プラズモン共鳴センサが、金属薄膜上の試料を検出してもよい。あるいは、上記の局在表面プラズモン共鳴センサが、金属薄膜上に配置されたガス吸着層をさらに備えていてもよい。ガス吸着層が多孔質吸着材であってもよい。
上記の局在表面プラズモン共鳴センサが、金属薄膜に接続されたヒーターをさらに備えていてもよいし、ガス吸着層に接続されたヒーターをさらに備えていてもよい。また、上記の局在表面プラズモン共鳴センサが、金属薄膜に電圧を印加し、金属薄膜を発熱させる加熱電源をさらに備えていてもよい。さらに、上記の局在表面プラズモン共鳴センサが、金属薄膜に対し、金属薄膜におけるプラズモン共鳴波長を含む加熱光を照射する加熱光源をさらに備えていてもよい。
上記の局在表面プラズモン共鳴センサにおいて、光透過性基板の裏面に対し、検査光源及び受光器の光軸が略垂直であってもよい。検査光源の光軸と、受光器の光軸と、が、略平行であってもよい。
上記の局在表面プラズモン共鳴センサが、検査光源に接続される第１光ファイバと、受光器に接続される第２光ファイバと、を更に備えていてもよい。
以下に本発明の実施の形態を説明する。ただし、本開示の一部をなす記述及び図面は、本発明を限定するものであると理解するべきではない。本開示から当業者には様々な代替技術及び運用技術が明らかになるはずであり、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１及び図２に示すように、光透過性基板１と、光透過性基板１の表面上に設けられた、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる、複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・が一定間隔で設けられた金属薄膜２と、光透過性基板１の裏面に検査光１３を照射する検査光源３と、金属薄膜２からの検査光の反射光１４を検出する受光器４と、を備える。
第１の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１及び図２に示すように、光透過性基板１と、光透過性基板１の表面上に設けられた、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる、複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・が一定間隔で設けられた金属薄膜２と、光透過性基板１の裏面に検査光１３を照射する検査光源３と、金属薄膜２からの検査光の反射光１４を検出する受光器４と、を備える。
光透過性基板１は、検査光源３が発する検査光に対して透明である。光透過性基板１の材料としては、例えば、石英ガラス等のガラス、及びアクリルアミド等の樹脂が使用可能である。
金属薄膜２は、検査光源３が発する検査光に対して実質的に不透明な材料からなり、検査光源３が発した検査光を反射する。金属薄膜２の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、及びこれらの金属の複合体の光非透過性物質等が使用可能である。金属薄膜２の厚みは、数十から数百ｎｍであるが、これに限定されない。金属薄膜２の厚みは、所望の反射率が得られるよう、適宜設定される。
金属薄膜２に設けられた複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・のそれぞれは、例えば正方形状であり、一辺の長さが数百ｎｍ、例えば３００ｎｍである。複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・は、例えば、それぞれの一辺の長さと同じ間隔をおいて設けられている。ただし、複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・のそれぞれの形状や大きさ、及び間隔は、局在表面プラズモン共鳴を生じさせることができれば、特に限定されない。例えば、複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・のそれぞれは、円形状、三角形状、六角形状、多角形状、環状、及びＣ字形状であってもよい。
好ましくは、複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・のそれぞれの大きさは、検査光の波長よりも小さい。また、好ましくは、複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・のそれぞれの幅は、複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・の間隔以下であり、例えば、複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・の間隔の１／３倍以上１倍以下、あるいは２／３以下である。例えば、複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・の面積の総和は、金属薄膜２の複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・が設けられていない部分の面積よりも小さい。
光透過性基板１と金属薄膜２の間に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、又は酸化チタン（ＴｉＯ2）等の誘電体からなる酸化膜を配置してもよい。
検査光源３と受光器４は、光透過性基板１の裏面に対向して配置される。検査光源３が発する検査光は、白色光等の広波長帯域光であるが、これに限定されない。検査光は、可視光又は近赤外光であってもよい。光透過性基板１と、受光器４と、の間に、光学フィルタを設けてもよい。光学フィルタが透過する光の波長は、プラズモン共鳴波長によって、適宜設定される。検査光源３と受光器４は、外光の影響を遮断する筐体５に格納されていてもよい。
光透過性基板１の裏面に対し、検査光源３及び受光器４の光軸が略垂直であり、検査光源の光軸と、受光器の光軸と、が、略平行であってもよい。なお、この場合、検査光は非平行光であり、検査光源３から照射された後、光束が広がることが好ましい。また、検査光源の光軸と、受光器の光軸と、が、光透過性基板１の上方において交差するよう、光透過性基板１の裏面に対し、検査光源３及び受光器４の光軸が傾斜していてもよい。
図３に示すように、金属薄膜２表面上近傍に存在する試料１００の誘電率に応じて、金属薄膜２の裏面で反射される光のスペクトルが変化する。具体的には、金属薄膜２表面上近傍に存在する試料１００の誘電率に応じて、局在表面プラズモン共鳴により吸収される光の波長ピークがシフトする。試料１００は、特に限定されないが、例えば化学物質や、生化学物質等の生体物質である。例えば、金属薄膜２表面近傍にエタノールを滴下すると、図４に示すように、反射光スペクトルにおいて、波長９８０ｎｍで、反射率の低下が確認される。試料１００の誘電率は、試料１００の濃度や密度に依存するため、反射スペクトルの変化から、試料１００の濃度や密度を測定することが可能となる。反射スペクトルの変化の測定においては、吸収波長ピークのシフトを測定してもよいし、特定の波長における反射率の変化を測定してもよい。特定の波長における反射率の変化を測定する場合は、特定の波長を透過、又は減衰させる光学フィルタを、光透過性基板１と、受光器４と、の間に設けるとよい。
従来の基板上に配置された金属微粒子や金属ナノディスクを用いる局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、金属微粒子や金属ナノディスクが配置された基板に検査光を照射して、基板を透過した検査光のスペクトルを検査している。しかし、基板上の試料が色を有していたり、濁っている場合、検査光が試料に吸収されたり、試料によって散乱したりして、透過光が減少し、スペクトルの分解能が低下するという問題がある。また、検査対象の試料そのものが透明であっても、試料に不純物が混じっていると、同様の問題が生じる。
これに対し、第１の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサが備える複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・が一定間隔で設けられた金属薄膜２は、金属微粒子や金属ナノディスクよりも多くの光を反射することが可能である。そのため、光透過性基板１の裏側から検査光を照射しても、反射光の強度が強く、反射光スペクトルの分解能が高い。そのため、高い精度で試料１００を検出することが可能となる。また、検査光の光路上に試料１００が存在しないため、試料１００の色や濁度の影響を受けることなく、試料１００を高い精度で検出することが可能となる。
また、従来の基板上に配置された金属微粒子を用いる局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、プラズモン共鳴により吸収される光の波長が、およそ４００ｎｍから６００ｎｍの範囲にある。しかし、金属微粒子の材料として用いられる金属材料自体が、光を吸収する性質を有している。例えば、銀の吸収波長は３２０ｎｍであり、金の吸収波長は５００ｎｍであり、銅の吸収波長は６００ｎｍである。そのため、金属微粒子の材料そのものによる光の吸収波長と、プラズモン共鳴による光の吸収波長と、が重なるため、検出感度が低下する場合がある。
これに対し、第１の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、プラズモン共鳴が生じうる金属微粒子等よりも大きな開口パターンでプラズモン共鳴を生じさせることが可能であるため、プラズモン共鳴により吸収される光の波長が、６００ｎｍ以上、７００ｎｍ以上、８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以上、又は１０００ｎｍ以上である。そのため、金属材料自体による光の吸収波長と、プラズモン共鳴による光の吸収波長と、が重なりにくく、高い検出感度を得ることが可能となる。
さらに、例えば図５及び図６に示すように、従来の光透過型局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、筐体基板５３０に対し、検査光源５０３、金属微粒子や金属ナノディスクが配置された光透過性基板５０１、及び受光器５０４を垂直に配置する必要がある。これに付随して、検査光源５０３に接続された回路ブロック５２３、光透過性基板５０１と受光器５０４の間の光学フィルタ５０８、及び受光器５０４に接続された回路ブロック５２４も、筐体基板５３０に対し、垂直に配置する必要がある。そのため、従来の光透過型局在表面プラズモン共鳴センサは、小型化及び薄型化が困難である。
これに対し、図７及び図８に示すように、第１の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、検査光源３に例えば薄い発光ダイオード（ＬＥＤ）を用い、受光器４に例えば薄いフォトデテクタを用いれば、筐体基板３０に対し、回路ブロック２３、回路ブロック２３に接続された検査光源３、回路ブロック２４、回路ブロック２４に接続された受光器４、受光器４の上に配置された光学フィルタ８、光透過性基板１、及び複数の開口が一定間隔で設けられた金属薄膜２を積層させることが可能である。そのため、第１の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、小型化及び薄型化が容易である。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図９に示すように、検査光源３に接続される第１光ファイバ４３と、受光器４に接続される第２光ファイバ４４と、をさらに備える。第２の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。
第２の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図９に示すように、検査光源３に接続される第１光ファイバ４３と、受光器４に接続される第２光ファイバ４４と、をさらに備える。第２の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。
第１光ファイバ４３の一方の端面は、検査光源３に接続される。第１光ファイバ４３の他方の端面は、検査光源３からの出射された検査光１３が光透過性基板１に入射されるように配置される。第２光ファイバ４４の一方の端面は受光器４に接続される。第２光ファイバ４４の他方の端面は、反射光１４が入射されるように配置される。
第１光ファイバ４３及び第２光ファイバ４４は、例えば平行に配置されてもよい。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１０に示すように、金属薄膜２上に配置されたガス吸着層６をさらに備える。第３の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。
第３の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１０に示すように、金属薄膜２上に配置されたガス吸着層６をさらに備える。第３の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。
ガス吸着層６は、例えば、多孔質吸着材である。多孔質吸着材の平均孔径は、例えば０．５ｎｍ〜５０ｎｍである。また、ガス吸着層６の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜２μｍである。ただし、金属薄膜２の表面上近傍にガス１０６を吸着可能であれば、ガス吸着層６の構造はこれらに限定されない。ガス吸着層６は、金属薄膜２の複数の開口１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・を埋めていてもよいし、埋めていなくてもよい。
ガス吸着層６は、例えばメソポーラス材料、マクロポーラス材料、複合メソ／マクロポーラス材料、多孔性配位高分子（ＰＣＰ）、及び金属有機構造体（ＭＯＦ）等からなる。例えば、メソポーラス材料は、２〜５０ｎｍの平均孔径を有し、ラメラ、ヘキサゴナル、及びキュービックなどの規則正しい構造を有する。
また、ガス吸着層６の素材としては、例えばポリマー、金属、シリカ材料、粘土、セルロース、シリカゲル、カーボンナノチューブ、セラミック、ゼオライト、及びそれらの組み合わせが使用可能である。
ガス吸着層６には、局在表面プラズモン共鳴センサの周辺を漂うガスが吸着される。ガス吸着層６にガスが吸着されると、金属薄膜２近傍の物質密度が増加するため、みかけの誘電率が増加する。この結果プラズモン共鳴波長が変化し、金属薄膜２の裏面で反射される光のスペクトルが変化する。ガスの吸着量は、ガスの濃度に依存するため、反射スペクトルの変化から、ガスの濃度を高い精度で測定することが可能となる。
さらに、ガス吸着層６が金属薄膜２表面を保護することから、局在表面プラズモン共鳴センサの安定性を向上させることが可能となる。
なお、図１１に示すように、第３の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、検査光源３に接続される第１光ファイバ４３と、受光器４に接続される第２光ファイバ４４と、をさらに備えていてもよい。第１光ファイバ４３と、第２光ファイバ４４と、は、第２の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１２及び図１３に示すように、金属薄膜２に接続されたヒーター７をさらに備える。第４の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。ヒーター７としては、発熱抵抗素子等が使用可能である。ヒーター７の材料としては、例えば、クロム及びニッケル等の金属、酸化錫等の酸化物半導体、シリコン等の半導体、並びに炭素等が使用可能である。
第４の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１２及び図１３に示すように、金属薄膜２に接続されたヒーター７をさらに備える。第４の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。ヒーター７としては、発熱抵抗素子等が使用可能である。ヒーター７の材料としては、例えば、クロム及びニッケル等の金属、酸化錫等の酸化物半導体、シリコン等の半導体、並びに炭素等が使用可能である。
ヒーター７が金属薄膜２に熱接触しておれば、ヒーター７を金属薄膜２に接続する方法は特に限定されない。ヒーター７は、金属薄膜２に貼り付けられていてもよいし、金属薄膜２に組み込まれていてもよいし、金属薄膜２と一体化していてもよい。あるいは、ヒーター７と、金属薄膜２と、を、ワイヤボンディングにより接続してもよい。ヒーター７で加熱された金属薄膜２は、面状発熱体となる。
例えば、局在表面プラズモン共鳴センサの検出対象が化学物質や生体物質である場合、ヒーター７によって金属薄膜２を加熱することにより、金属薄膜２上で化学物質や生体物質の化学反応や分解を促進することが可能となる。生体物質の分解の例としては、二本鎖ＤＮＡの解離が挙げられる。
従来の金属微粒子や金属ナノディスクを用いる局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、配置された金属微粒子や金属ナノディスクが互いに分離しているため、配置された金属微粒子や金属ナノディスクすべてに熱を伝導させることは困難である。これに対し、第４の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる構造が熱伝導膜である金属薄膜２に設けられているため、ヒーター７の熱を金属薄膜２全体に伝えることが可能となる。
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１４に示すように、ガス吸着層６に接続されたヒーター７をさらに備える。第５の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第３の実施の形態と同様である。第５の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサによれば、ヒーター７によってガス吸着層６を加熱することにより、ガス吸着層６に吸着された気体分子を脱着することが可能となる。
第５の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１４に示すように、ガス吸着層６に接続されたヒーター７をさらに備える。第５の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第３の実施の形態と同様である。第５の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサによれば、ヒーター７によってガス吸着層６を加熱することにより、ガス吸着層６に吸着された気体分子を脱着することが可能となる。
（第６の実施の形態）
第６の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１５に示すように、金属薄膜２に電圧を印加し、金属薄膜２を発熱させる加熱電源１７をさらに備える。第６の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。加熱電源１７によって電圧を印加された金属薄膜２には電流が流れ、熱が生じる。この場合、金属薄膜２を連続する折り返し構造とすることによって、電気抵抗を高くし、ジュール発熱しやすくしてもよい。加熱電源１７が接続された金属薄膜２上に、図１０に示したガス吸着層６が配置されていてもよい。
第６の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１５に示すように、金属薄膜２に電圧を印加し、金属薄膜２を発熱させる加熱電源１７をさらに備える。第６の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。加熱電源１７によって電圧を印加された金属薄膜２には電流が流れ、熱が生じる。この場合、金属薄膜２を連続する折り返し構造とすることによって、電気抵抗を高くし、ジュール発熱しやすくしてもよい。加熱電源１７が接続された金属薄膜２上に、図１０に示したガス吸着層６が配置されていてもよい。
従来の金属微粒子や金属ナノディスクを用いる局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、配置された金属微粒子や金属ナノディスクが互いに分離しているため、配置された金属微粒子や金属ナノディスクすべてに通電することは困難である。これに対し、第６の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる構造が金属薄膜２に設けられているため、加熱電源１７によって金属薄膜２全体を印加して、加熱することが可能となる。
（第７の実施の形態）
第７の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１６に示すように、金属薄膜２に対し、金属薄膜２におけるプラズモン共鳴波長を含む加熱光を照射する加熱光源２７をさらに備える。第７の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。金属薄膜２は、加熱光源２７から、金属薄膜２におけるプラズモン共鳴波長を含む光である加熱光を照射されると、光熱変換により、発熱する。図１７に示すように、加熱光を照射される金属薄膜２上に、ガス吸着層６が配置されていてもよい。この場合、ガス吸着層６は、加熱光に対して透明であることが好ましい。
第７の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、図１６に示すように、金属薄膜２に対し、金属薄膜２におけるプラズモン共鳴波長を含む加熱光を照射する加熱光源２７をさらに備える。第７の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサのその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。金属薄膜２は、加熱光源２７から、金属薄膜２におけるプラズモン共鳴波長を含む光である加熱光を照射されると、光熱変換により、発熱する。図１７に示すように、加熱光を照射される金属薄膜２上に、ガス吸着層６が配置されていてもよい。この場合、ガス吸着層６は、加熱光に対して透明であることが好ましい。
従来の金属微粒子や金属ナノディスクを用いる局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、プラズモン共鳴が弱いため、光熱変換効率が低い。これに対し、第７の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサにおいては、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる構造が金属薄膜２に設けられているため、強いプラズモン共鳴を生じさせることが可能であり、光熱変換効率が高い。
（実施例１）
図１８に示すように光透過性基板として石英基板２０１を用意し、図１９に示すように、石英基板２０１上に厚さ５から１０ｎｍのシリコン（Ｓｉ）薄膜２０２をスパッタで形成した。その後、図２０に示すように、シリコン薄膜２０２上に、ポジ型電子線レジスト（ＺＥＰ ５２０Ａ−７、日本ゼオン株式会社）を塗布してレジスト膜２０３を形成し、図２１に示すように、レジスト膜２０３上に導電性樹脂（ＥＳＰＡＣＥＲ、昭和電工株式会社）を塗布して導電性樹脂層２０４を形成した。
図１８に示すように光透過性基板として石英基板２０１を用意し、図１９に示すように、石英基板２０１上に厚さ５から１０ｎｍのシリコン（Ｓｉ）薄膜２０２をスパッタで形成した。その後、図２０に示すように、シリコン薄膜２０２上に、ポジ型電子線レジスト（ＺＥＰ ５２０Ａ−７、日本ゼオン株式会社）を塗布してレジスト膜２０３を形成し、図２１に示すように、レジスト膜２０３上に導電性樹脂（ＥＳＰＡＣＥＲ、昭和電工株式会社）を塗布して導電性樹脂層２０４を形成した。
なお、シリコン薄膜２０２は、レジスト膜２０３の密着性を向上させ、レジスト膜２０３の剥離や、レジスト膜２０３に形成されるパターンの崩壊を抑制する。また、シリコン薄膜２０２の厚さを２０ｎｍ程度に厚くするか、あるいはシリコン薄膜２０２の代わりに金属クロム膜を配置することによって、導電性樹脂層２０４は省略することもできる。
次に、図２２に示すように、電子ビーム描画装置を用いて導電性樹脂層２０４、及びレジスト膜２０３に電子ビームを照射し、図２３に示すように、レジスト膜２０３に複数の円形状パターン２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃ・・・が残るよう描画した。その後、導電性樹脂層２０４を除去し、レジスト膜２０３を現像処理することにより、電子ビームを照射した部分が除去された結果、図２４に示すように、シリコン薄膜２０２上に、複数の円筒状レジストパターン２２３Ａ、２２３Ｂ、２２３Ｃ・・・が形成された。
次に、図２５に示すように、シリコン薄膜２０２及び複数の円筒状レジストパターン２２３Ａ、２２３Ｂ、２２３Ｃ・・・上に、アルミニウムをスパッタし、厚さが２０から１００ｎｍの金属薄膜２０５を形成した。その後、有機溶剤によって、複数の円筒状レジストパターン２２３Ａ、２２３Ｂ、２２３Ｃ・・・を除去した。なお、超音波洗浄機によって、有機溶剤を振動させた。これに伴い、複数の円筒状レジストパターン２２３Ａ、２２３Ｂ、２２３Ｃ・・・を覆っていた部分の金属薄膜２０５もリフトオフされ、図２６に示すように、金属薄膜２０５に複数の円形状の開口２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５Ｃ・・・が形成された。次に、酸素プラズマ照射によって、レジストの残渣を除去すると共に、図２７に示すように、シリコン薄膜２０２を酸化させ、酸化膜２０６に変化させた。
（実施例２）
実施例１と同様の方法によって、光透過性基板上に、複数の正方形状の開口が設けられた厚さ２２ｎｍの金属薄膜を形成した。開口の辺の長さは３００ｎｍであり、複数の開口の隣り合う辺の間隔は３００ｎｍであった。得られた金属薄膜の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図２８に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）写真を図２９に示す。
実施例１と同様の方法によって、光透過性基板上に、複数の正方形状の開口が設けられた厚さ２２ｎｍの金属薄膜を形成した。開口の辺の長さは３００ｎｍであり、複数の開口の隣り合う辺の間隔は３００ｎｍであった。得られた金属薄膜の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図２８に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）写真を図２９に示す。
得られた光透過性基板と金属薄膜の複合体に対して、光を照射したところ、図３０に示すように、高い反射率が確認され、また、急峻なプラズモン共鳴特性が確認された。また、図３１に示すように、プラズモン共鳴波長以外の波長帯域において、透過率がほぼ２０％以下であることが確認された。
（実施例３）
実施例２と同様の方法によって、光透過性基板上に、複数の正方形状の開口が設けられた厚さ５０ｎｍの金属薄膜を形成した。開口の辺の長さは３００ｎｍであり、複数の開口の隣り合う辺の間隔は３００ｎｍであった。得られた光透過性基板と金属薄膜の複合体に対して、光を照射したところ、図３２に示すように、高い反射率が確認され、また、急峻なプラズモン共鳴特性が確認された。また、図３３に示すように、プラズモン共鳴波長以外の波長帯域において、透過率がほぼ２０％以下であることが確認された。さらに、図３４に示すように、吸収率スペクトルにおいても、急峻なプラズモン共鳴特性が確認された。
実施例２と同様の方法によって、光透過性基板上に、複数の正方形状の開口が設けられた厚さ５０ｎｍの金属薄膜を形成した。開口の辺の長さは３００ｎｍであり、複数の開口の隣り合う辺の間隔は３００ｎｍであった。得られた光透過性基板と金属薄膜の複合体に対して、光を照射したところ、図３２に示すように、高い反射率が確認され、また、急峻なプラズモン共鳴特性が確認された。また、図３３に示すように、プラズモン共鳴波長以外の波長帯域において、透過率がほぼ２０％以下であることが確認された。さらに、図３４に示すように、吸収率スペクトルにおいても、急峻なプラズモン共鳴特性が確認された。
（実施例４）
図９に示すような平行２芯光ファイバを備える局在表面プラズモン共鳴センサを用意した。アルミニウムからなる厚さ７０ｎｍの金属薄膜には、開口幅２６０ｎｍの複数の矩形が、５４０ｎｍの間隔で設けられていた。試料としては、水とエタノールの混合物を用い、水とエタノールの混合比を変えた時の反射率の変化を、測定した。測定対象の反射光の波長は８６０ｎｍであった。結果として、図３５に示すように、エタノール濃度が上昇するにつれて、プラズモン共鳴波長が変化したことにより、波長８６０ｎｍにおける反射率が上昇したことが確認された。
図９に示すような平行２芯光ファイバを備える局在表面プラズモン共鳴センサを用意した。アルミニウムからなる厚さ７０ｎｍの金属薄膜には、開口幅２６０ｎｍの複数の矩形が、５４０ｎｍの間隔で設けられていた。試料としては、水とエタノールの混合物を用い、水とエタノールの混合比を変えた時の反射率の変化を、測定した。測定対象の反射光の波長は８６０ｎｍであった。結果として、図３５に示すように、エタノール濃度が上昇するにつれて、プラズモン共鳴波長が変化したことにより、波長８６０ｎｍにおける反射率が上昇したことが確認された。
本発明の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサは、揮発性有機物（ＶＯＣ）処理装置を安定的に運転させるための工業用ガスセンサ、簡易型ウイルス検査装置、環境発電装置や無線電送装置の小型で低消費電力な環境モニター、並びに口臭及び体臭を検出するための携帯端末に搭載される小型で低消費電力な健康モニター等として利用可能である。ただし、本発明の実施の形態に係る局在表面プラズモン共鳴センサの利用方法は、これらに限定されない。
１ 光透過性基板
２ 金属薄膜
３ 検査光源
４ 受光器
５ 筐体
６ ガス吸着層
７ ヒーター
８ 光学フィルタ
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 開口
１７ 加熱電源
２３、２４ 回路ブロック
２７ 加熱光源
３０ 筐体基板
１００ 試料
２０１ 石英基板
２０２ 薄膜
２０２ シリコン薄膜
２０３ レジスト膜
２０４ 導電性樹脂層
２０５ 金属薄膜
２０６ 酸化膜
２１３Ａ、２１３Ｂ、２１３Ｃ 変性部分
２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃ 円形状パターン
２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５Ｃ 開口
２２３Ａ、２２３Ｂ、２２３Ｃ 円筒状レジストパターン
５０１ 光透過性基板
５０３ 検査光源
５０４ 受光器
５０８ 光学フィルタ
５２３ 回路ブロック
５２４ 回路ブロック
５３０ 筐体基板
２ 金属薄膜
３ 検査光源
４ 受光器
５ 筐体
６ ガス吸着層
７ ヒーター
８ 光学フィルタ
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 開口
１７ 加熱電源
２３、２４ 回路ブロック
２７ 加熱光源
３０ 筐体基板
１００ 試料
２０１ 石英基板
２０２ 薄膜
２０２ シリコン薄膜
２０３ レジスト膜
２０４ 導電性樹脂層
２０５ 金属薄膜
２０６ 酸化膜
２１３Ａ、２１３Ｂ、２１３Ｃ 変性部分
２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃ 円形状パターン
２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５Ｃ 開口
２２３Ａ、２２３Ｂ、２２３Ｃ 円筒状レジストパターン
５０１ 光透過性基板
５０３ 検査光源
５０４ 受光器
５０８ 光学フィルタ
５２３ 回路ブロック
５２４ 回路ブロック
５３０ 筐体基板
Claims (7)
- 光透過性基板と、
前記光透過性基板の表面上に設けられた、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる、複数の開口が一定間隔で設けられた金属薄膜と、
前記光透過性基板の裏面に検査光を照射する検査光源と、
前記金属薄膜からの前記検査光の反射光を検出する受光器と、
前記金属薄膜に電圧を印加し、前記金属薄膜を発熱させる加熱電源と、
を備える、局在表面プラズモン共鳴センサ。 - 前記金属薄膜上の試料を検出する、請求項１に記載の局在表面プラズモン共鳴センサ。
- 前記金属薄膜上に配置されたガス吸着層を更に備える、請求項１に記載の局在表面プラズモン共鳴センサ。
- 前記ガス吸着層が多孔質吸着材である、請求項３に記載の局在表面プラズモン共鳴センサ。
- 前記光透過性基板の裏面に対し、前記検査光源及び前記受光器の光軸が略垂直である、請求項１から４のいずれか１項に記載の局在表面プラズモン共鳴センサ。
- 前記検査光源の光軸と、前記受光器の光軸と、が、略平行である、請求項１から５のいずれか１項に記載の局在表面プラズモン共鳴センサ。
- 前記検査光源に接続される第１光ファイバと、前記受光器に接続される第２光ファイバと、を更に備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の局在表面プラズモン共鳴センサ。
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